The flank face wear was not normalli the detachments of CBN particles but might be involving directli with heat, frictional interactions between work and tool materials in a combinatio[r]
(1)Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(48) Tp 2/Năm 2008
105 NGHIấN CU CƠ CHẾ MÒN DAO GẮN MẢNH PCBN
SỬ DỤNG TIỆN TINH THÉP 09CrSi QUA TÔI
Phan Quang Thế - Trần Ngọc Giang (Trường ĐH Kĩ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên) 1 Mởđầu
Từ nửa đầu thập kỷ 70, tiện cứng (hard turning) áp dụng để gia công vật liệu (thường thép qua tơi) có độ cứng từ 45 – 65 HRC Tiện cứng sử dụng rộng rãi công nghiệp ô tô gia công chi tiết vành bánh răng, vòng ổ, dụng cụ khuôn mẫu Đặc biệt tiện cứng sử dụng gia cơng chi tiết có hình dáng phức tạp không cần sử dụng dung dịch bôi trơn - làm nguội, gia cơng xác lần cuối (tiện tinh) chi tiết máy có tỉ số kích thước chiều dài đường kính nhỏ [1] Tiện cứng cho phép đạt độ xác nhám bề mặt tương đương với mài đầu tư thấp có khả tạo nên lớp bề mặt ứng suất dư nén làm tăng tuổi thọ mỏi chi tiết máy tiếp xúc lăn [2] Tuy nhiên, tiện cứng địi hỏi máy, hệ thống cơng nghệ có độ cứng vững độ xác cao [3]
Khi gia công loại thép khác nhau, có độ cứng nhau, Poulachon đồng nghiệp [1] kết luận mòn mặt trước dạng mịn phổ biến gia cơng thép tơi cứng, thép có chứa hạt bít cứng với kích thước lớn có tính gia cơng (trên khía cạnh mịn dao) thép có cấu trúc mactensit đồng Cơ chế mòn dụng cụ chủ yếu khuếch tán kết hợp với cào xước dính
Kevin đồng nghiệp [4], sử dụng hai loại mảnh dao CBN-H CBN-L với chất liên kết TiN lượng nhỏ Co tiện thép AISI 52100 cho thấy mịn mặt sau tăng gần tuyến tính với chiều dài cắt tốc độ mòn mảnh dao CBN-H cao Mòn xuất mặt trước sau kèm theo tượng dính VLGC bề mặt vùng mòn (materials transfer) Các hạt CBN bị tách khỏi mảnh dao đặc biệt tăng vận tốc cắt Tương tác VLGC với pha thứ hai VLDC nguyên nhân trực tiếp làm yếu liên kết hạt CBN với bị
Độ cứng vật liệu gia công ảnh hưởng trực tiếp đến quy luật phát triển nhiệt độ vùng cắt tốc độ mòn mặt sau Liu đồng nghiệp [5] mòn xảy với tốc độ cao khoảng độ cứng VLGC từ 40 ÷ 50 HRC thấp khoảng độ cứng 60 ÷ 64 HRC Kết nghiên cứu ảnh hưởng vận tốc cắt đến mòn dụng cụ PCBN nhỏ nhiều so với dụng cụ bít ceramics
Các vấn đề chế mòn mặt trước sau mảnh dao PCBN tiện thép hợp kim 09CrSi qua ảnh hưởng mòn dao đến nhám bề mặt sẽđược đề cập chi tiết nghiên cứu
2 Mô tả thí nghiệm
2.1 Thiết bị thí nghiệm
+ Máy : Thí nghiệm tiến hành máy tiện CNC- HTC 2050 (Trung Quốc), trường Đại học Kĩ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên
(2)Héi th¶o Khoa häc toàn quốc Công nghệ vật liệu bề mặt - Thái Nguyên 2008
106
cht dớnh kt TiC; cỡ hạt: 2µm γ = - 11°; α = 22°; λ = - 11° (góc tạo thành kẹp mảnh dao vào thân dao lên máy)
Thân dao: Kiểu MTENN 2020 K16-N (hãng CANELA)
Hình Mảnh dao PCBN sử dụng nghiên cứu + Phôi
Thép 09CrSi thép hợp kim dụng cụ thường sử dụng chế tạo dụng cụ cắt với vận tốc thấp chi tiết có u cầu khả chịu ma sát, mịn cao
Phôi thép hợp kim 09CrSi sử dụng thí nghiệm có chiều dài: L = 300mm, đường kính: ∅62, tơi thể tích đạt độ cứng 56-58 HRC Thành phần hố học phơi xác định phương pháp phân tích quang phổ Nhà máy Z159 cho bảng Các kết phân tích cấu trúc phôi thép hai mặt phẳng song song (a) vng góc (b) với trục phơi kính hiển vi quang học AXOVOC-100 Nhật cho thấy hạt bít (FeCr)3C đường
kính đến 3µm phân bố với mật độ cao thép hình Bảng Thành phần hố học phôi thép 09CrSi
C Si P Mn Ni Cr Mo
0,823 1,2351 0,0241 0,5862 0,0332 1,113 0,0192
V Cu W Ti Al Fe
0,1499 0,2876 0,1768 0,0299 0,0011 95,447
Hình Hình ảnh cấu trúc phôi thép 09CrSi
sử dụng thí nghiệm mặt cắt song song (a) vng góc với trục (b) phóng đại 1000 lần + Thiết bịđo nhám bề mặt
Sử dụng máy đo nhám Mitutoyo SJ - 201 Nhật Bản với thông số kĩ thuật sau: - Hiển thị LCD Tiêu chuNn DIN, ISO, JIS, ANSI
- Thông sốđo được: Ra, Rz, Rt, Rq, Rp, Ry, Pc, S, Sm
- Độ phân giải: 0,03µm/300µm; 0,08àm/75àm; 0,04àm/9,4àm
(3)Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(48) Tp 2/Năm 2008
107 + Thiết bị sử dụng phân tích bề mặt
Sử dụng kính hiển vi điện tử TM-1000 Hitachi, Nhật Bản có độ phóng đại tới 10000 lần, phịng thí nghiệm Vật lí trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên
+ Chếđộ công nghệ
Vận tốc cắt: v = 180 m/p; lượng chạy dao: s = 0,1 mm/vòng; chiều sâu cắt: t = 0,12 mm 2.2 Trình tự thí nghiệm
Phôi thép 09CrSi sau tiện thô mảnh dao hợp kim cứng K01 đảm bảo độ côn không vượt 0,05 mm/ 100 mm chiều dài phôi Sau sử dụng mảnh dao PCBN tiện tinh qua lượt trước tiến hành thí nghiệm trước lần thay mảnh dao
5 mảnh dao sử dụng để tiện tinh phôi thép 09CrSi, nhám bề mặt đo sau khoảng thời gian cắt định: 2,61 phút; 5,19 phút; 7,69 phút; 10,09 phút; 12,36 phút tương ứng với chiều dài cắt phôi là: 250 mm; 500 mm; 750 mm; 1000 mm; 1250 mm Các mảnh dao sau tháo ra, quan sát phân tích kính hiển vi điện tử TM-1000
3 Kết thí nghiệm
3.1 Mòn dụng cụ
Kết quan sát mảnh dao sau tiện tinh kính hiển vi điện tử cho thấy mảnh dao bị mòn mặt trước mặt sau Sau 2,61 phút cắt, tương ứng với chiều dài cắt 250 mm, dọc theo lưỡi cắt xuất vịng cung mịn với chiều rộng xấp xỉ 10 µm Trên vùng mịn mặt trước khơng nhìn thấy hình ảnh hạt CBN vùng chưa bị mịn, lớp bề mặt có cấu trúc sóng Hình 3(a) 3(b) Đây hình ảnh mịn vật liệu dịn theo chế biến dạng dẻo bề mặt hạt cứng “cày” bề mặt tác dụng ứng suất pháp lớn vùng lưỡi cắt gây Sau 5,19 phút cắt, tương ứng với chiều dài cắt 500 mm, chất mịn mặt trước khơng thay đổi chiều dài cung mịn lưỡi cắt tăng lên chiều rộng vùng mịn giữ khơng đổi khoảng 10 µm Sau thời gian cắt 7,69 phút, tương ứng với chiều dài cắt 750 mm, vùng mịn lưỡi cắt lan rộng gần đến đỉnh giữ chiều rộng khoảng 10 µm
Sau 10,09 phút cắt, tương ứng với chiều dài cắt 1000 mm, vùng mòn mặt trước phát triển đến đỉnh cung tròn lưỡi cắt chiều rộng vùng cắt đạt tới 20 µm Sau thời gian cắt 12,36 phút tương ứng với chiều dài cắt 1250 mm, tượng mòn mặt trước thay đổi Hình 3(c) với chiều rộng vùng mịn tới 120 µm, khơng cịn tượng dính VLGC bề mặt vùng mịn mà có vùng mịn gồ ghề Từ Hình 3(d) thấy mảnh vật liệu dụng cụ bong khỏi mặt trước theo chế mịn dính dính kết hợp với mỏi
Mịn mặt sau thể Hình 4(a) sau 7,69 phút, Hình 4(b) sau 10,09 phút cắt Hình 5(a) sau 12,36 phút cắt Kết quan sát kính hiển vi điện tử cho thấy vùng mòn mặt sau phát triển chậm từ bắt đầu cắt đến 7,69 phút đạt chiều cao mòn mặt sau hs ≈ 50
(4)Héi th¶o Khoa học toàn quốc Công nghệ vật liệu bề mặt - Thái Nguyên 2008
108
Hình 3.(a) Hình ảnh mịn mặt trước mảnh dao PCBN sau tiện 2,61 phút với vết biến dạng dẻo bề mặt; (b) Hình ảnh phóng to (a); (c) Mòn mặt trước mảnh dao PCBN sau tiện 12,36 phút cho thấy bề mặt bị mịn gồ ghề; (d) Hình ảnh chế mịn mặt trước với bóc tách lớp vật liệu dụng cụ dính - mỏi
Hình (a) Mòn mặt sau mảnh dao PCBN sau tiện 7,69 phút cho thấy VLGC dính vùng mòn tương đối phẳng; (b) Ảnh mòn mặt sau, sau 10,09 phút gia cơng; (c) Ảnh phóng to VLGC bám lên vùng mịn mặt sau (b); (d) Góc mòn bên trái (b)
(a) (b)
(c) (d)
(a) (b)
(5)Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(48) Tp 2/Năm 2008
109 Hỡnh (a) Mũn mt sau mảnh dao PCBN sau tiện 12,36 phút
cho thấy hình ảnh gồ ghề vùng mịn (b) Hình ảnh phóng to (a)
Hình ảnh phóng to khối bên trái thể hình 4(d) Đến 12,36 phút gia cơng toàn bề mặt sau dụng cụ bị biến dạng theo kiểu đặc biệt với mảng vật liệu dụng cụ dạng vNy (hình 5(a) 5(b)) Vật liệu dụng cụ bị dồn nén tạo tên mảng vNy nhẵn, rộng với chiều cao hs ≈ 750 µm VLGC dính bề mặt mịn khơng đáng kể
3.2 Nhám bề mặt gia công
Kết quảđo nhám bề mặt phẳng thẳng đứng chứa đường tâm phôi dọc theo đường sinh mặt trụ cho bảng Giá trị Ra nhám bề mặt sau cắt 10,09 phút tăng 23% so với sau cắt 7,69 phút tương ứng gia tăng 15% giá trị Rz Sự gia tăng đột biến độ nhám sau 10,09 phút cắt liên quan đến phát triển chiều rộng vùng mòn mặt trước đến 50% chiều cao vùng mòn mặt sau tới 20% với xuất hai mảng dạng vNy vùng mặt sau Kết đo nhám bề mặt gia công thể bảng Đồ thị biểu diễn biến thiên nhám bề mặt theo thời gian thể hình
Bảng Nhám bề mặt sau khoảng thời gian gia công khác
Mảnh dao số
Chiều dài cắt (mm)
Thời gian cắt (phút)
Trung bình Ra (Rz) [µm] 01 250 2,61 0,53 (2,84) 02 500 5,19 0,56 (3,01) 03 750 7,69 0,60 (3,16) 04 1000 10,09 0,74 (3,63) 05 1250 12,36 0,78 (3,87)
Hình Đồ thị biểu diễn biến thiên nhám bề mặt theo thời gian cắt 4 Phân tích kết thảo luận
Theo Trent Wight [6], gia công dao CBN tượng biến dạng lưỡi cắt khơng xảy ra, mịn mặt trước mặt sau đồng thời tồn tại, vùng mòn mặt trước gần lưỡi cắt Trong nghiên cứu này, mòn dụng cụ xuất mặt trước mặt sau sau 2,61 phút gia công Tuy nhiên vùng mịn mặt trước khơng nằm gần lưỡi cắt mà phát triển từ lưỡi cắt tạo thành mặt trước phụ tương đối phẳng phát triển dần theo hướng phoi hình 3(a) Trên
(a) (b)
0
0 10 15
Ra Rz
µm
(6)Hội thảo Khoa học toàn quốc Công nghệ vật liệu bề mặt - Thái Nguyên 2008
110
vùng mòn nhiều hạt PCBN bị tách khỏi bề mặt tương tác VLGC làm yếu pha thứ hai VLDC theo kết nghiên cứu Kevin đồng nghiệp [4] Tuy nhiên, chế mòn khuếch tán kết hợp với cào xước Poulachon đồng nghiệp [1] đề xuất dường không phù hợp với kết nghiên cứu Hình ảnh rãnh biến dạng dẻo vùng mịn mặt trước Hình 3(b) khẳng định biến dạng dẻo bề mặt hạt cứng (các bít (FeCr)3C)
các ơxít khác thép 09CrSi tác dụng ứng suất pháp lớn vùng gần lưỡi cắt gây nên chế mịn mặt trước
Tuy nhiên sau thời gian cắt đủ lớn, mịn phát triển dần vào phía vùng mặt trước theo hướng thoát phoi, ứng suất pháp mặt trước giảm nhanh chóng, tượng dính trở nên phổ biến vùng phoi khỏi mặt trước chế mịn mỏi kết hợp với dính ngun nhân mịn vùng gây bóc tách mảnh VLDC khỏi vùng bề mặt Hình 3(d) Đây phát chế mòn mặt trước tiện tinh cứng Hơn từ Hình 3(c) thấy mịn mặt trước phát triển hầu hết diện tích tiếp xúc phoi mặt trước chế mịn bóc tách mảnh vật liệu trở nên chiếm ưu thay cho chế mòn cào xước làm cho mòn mặt trước phát triển với tốc độ cao Bề mặt vùng mòn trở nên gồ ghề khơng nhẵn bề mặt vùng mịn mặt trước thơng thường Điều giải thích tính PCBN bị suy giảm nhiệt độ cao vùng cắt, nhiên tác dụng có chu kỳ hạt cứng thép lên bề mặt kết hợp với dính làm cho bề mặt dụng cụ bị phá hủy theo chế dính mỏi kết hợp sau thời gian gia công định
Mòn mặt sau phát triển theo quy luật thông thường cắt kim loại 7,69 phút (Hình 4(a)) Cơ chế mịn mặt sau tương đối phù hợp với kết nghiên cứu Kenvin [4] Hình 4(c) Tuy nhiên, sau 10,09 phút gia công mặt sau xuất hai mảng dạng vNy cục (Hình 4(b)) Đây vùng tương ứng với rãnh mòn sâu dụng cụ cắt hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao theo Shaw [7], rãnh mịn sâu mặt trước sau vùng có liên quan đến tác dụng truyền nhiệt mạnh hai bên rìa phoi vào bề mặt dụng cụ cắt Đây tượng mòn phức tạp liên quan nhiều đến nhiệt độ cao Theo Trent [6] nhiệt độ cao kết hợp với biến cứng phoi, tác dụng ôxy môi trường mơi trường cắt tạo nên rãnh mịn sâu vùng dao tiện bít tiện thép Khi thời gian cắt tăng lên đến 12,36 phút mảng dạng vNy phát triển toàn mặt sau số mảng bong tạo nên mòn Đây phát chế mòn mặt sau tiện tinh cứng
Từ kết đo nhám bề mặt thấy 7,69 phút cắt, Ra gần khụng thay i Ra = 0,53 ữ 0,60 àm, nhng thời gian cắt đạt tới 10,09 phút có thay đổi đột biến nhám bề mặt, Ra tăng xấp xỉ 23%, sau Ra giữ gần khơng thay đổi tới 12,36 phút cắt Nhám bề mặt tăng nhanh mòn mặt trước mặt sau đạt tới mức độ sau giữ gần khơng đổi Điều liên quan trực tiếp tới phát triển bề rộng vùng mòn mặt trước tới 20 µm xuất mảng dạng vNy mặt sau nhưđã phân tích phần
(7)T¹p chÝ Khoa học & Công nghệ - Số 4(48) Tp 2/Năm 2008
111 mặt trước, tạo thành dạng vNy bong mảng VLDC mặt sau nguyên nhân làm rút ngắn tuổi bền dụng cụ Các chế mịn liên quan đến nhiệt, số chu kì cào xước hạt cứng VLGC dính bề mặt tiếp xúc mặt trước mặt sau kết hợp với tác dụng ơxi hóa ơxi từ mơi trường
Kết luận
Các kết nghiên cứu cho thấy tiện tinh thép 09CrSi dao PCBN mòn mặt trước mặt sau hai dạng mòn chủ yếu Trong giai đoạn đầu, chế mòn mặt trước chủ yếu biến dạng dẻo tác dụng cào xước hạt cứng thép tách khỏi bề mặt hạt CBN Cơ chế mịn mặt sau q trình bóc tách hạt CBN pha thứ hai VLDC bị yếu tương tác với VLGC Trong giai đoạn sau, chế mòn mặt trước mỏi dính với bóc tách mảng vật liệu mặt trước Cơ chế mịn mặt sau liên quan đến nhiệt, số chu kì cào xước hạt cứng dính kết hợp với tác dụng ôxi hóa ôxi từ môi trường tạo nên mảng dạng vảy bong khỏi mặt sau
Tóm tắt
Đặc điểm q trình tạo phoi, lực cắt, nhiệt cắt mòn trình tiện cứng đề cập nhiều nhiều nghiên cứu đây, nhiên chế mòn dụng cụ PCBN tiện tinh chưa nghiên cứu đầy đủ Kết nghiên cứu tác giả tiện tinh thép 09CrSi qua dao gắn mảnh PCBN cho thấy mòn mặt trước sau hai dạng mịn Cơ chế mịn mặt trước liên quan đến tác dụng cào xước hạt cứng vật liệu gia cơng (VLGC) mịn mỏi-dính lớp bề mặt Mòn mặt sau dụng cụ không đơn bong hạt CBN mà liên quan đến tượng phức tạp nhiệt, tương tác VLGC vật liệu dụng cụ (VLDC) kết hợp với tượng ôxy hóa Mịn ảnh hưởng trực tiếp đến nhám bề mặt chi tiết gia công
Summary
A study of wear mechanisms of PCBN cutting tools used in precision turning of hardened 09crsi steel