Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt tới cơ chế mòn dụng cụ PCBN sử dụng tiện tinh thép 9XC qua tôi

Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt tới cơ chế mòn dụng cụ PCBN sử dụng tiện tinh thép 9XC qua tôi

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Mã số : 11120611008

Học viên : NGUYỄN THỊ THANH VÂN

Người hướng dẫn Khoa học: PGS.TS PHAN QUANG THẾ

THÁI NGUYÊN - 2009

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Họ và tên học viên : NGUYỄN THỊ THANH VÂN Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS PHAN QUANG THẾ

Tên đề tài : Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt tới cơ chế mòn dụng cụ PCBN sử dụng tiện tinh thép 9XC qua tôi

Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Ngày giao đề tài : Ngày hoàn thành :

Khoa đào tạo sau đại học

Ts Nguyễn Văn Hùng

Người hướng dẫn khoa học

PGS.TS Phan Quang Thế

Học viên

KS Nguyễn Thị Thanh Vân

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin trân trọng cảm ơn:

Thầy giáo PGS.TS Phan Quang Thế - Thầy hướng dẫn khoa học của tôi về sự định hướng đề tài, sự hướng dẫn tận tình của Thầy trong việc tiếp cận và khai thác các tài liệu cũng như những chỉ bảo trong quá trình tôi làm thực nghiệm và viết luận văn

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới:

Thầy giáo ThS Lê Viết Bảo – Cô giáo ThS Nguyễn Thị Quốc Dung đã tạo điều kiện hết sức thuận lợi cho tôi được tiến hành thí nghiệm tại xưởng sản xuất và trong suốt quá trình hoàn thành luận văn này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn c án bộ phụ trách phòng thí nghiệm Quang phổ khoa Vật lý trường ĐHSP Thái Nguyên; cán bộ phòng kỹ thuật và xưởng Nhiệt luyện công ty phụ tùng số 1; cán bộ, nhân viên xưởng cơ khí nơi tôi tiến hành thực nghiệm; cán bộ phòng thí nghiệm khoa cơ khí – ĐHKTCN đã dành cho tôi những điều kiện thuận lợi nhất, giúp tôi hoàn thành nghiên cứu của mình

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn Trường Cao đẳng nghề Cơ điện-Luyện kim Thái Nguyên nơi tôi đang công tác đã tạo điều kiện cho tôi được học tập nâng cao trình độ, mở mang kiến thức

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, đồng nghiệp đã ủng hộ, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn này

Học viên

Nguyễn Thị Thanh Vân

Lời cảm ơn Mụclục

Danh mục các ký hiệu Danh mục các chữ viết tắt Danh mục các hình vẽ và đồ thị Danh mục các bảng biểu

1.1.2 Đặc điểm quá trình tạo phoi khi tiện cứng 11

1.2.1 Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt 14 1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện 18

1.2.2.2 Ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt 20

1.2.2.4 Ảnh hưởng của vật liệu làm dao và đặc điểm của vật liệu CBN khi tiện cứng

21

1.3.2 Trường nhiệt độ 29

1.3.3.2 Nhiệt trên mặt nước (QAC) và trường nhiệt độ 33 1.3.3.3 Nhiệt trên mặt tiếp xúc giữa mặt sau và bề mặt gia công (QAD) và trường nhiệt độ

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

a: chiều dày lớp kim loại bị cắt ap: chiều dày phoi

Kf: mức độ biến dạng của phoi

Kbd: mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi

Kms: mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của dao θ: góc trượt

r: bán kính mũi dao

γ (hayγn) : góc trước của dao Pz (hay Pc): lực tiếp tuyến khi tiện Py (hay Pp): lực hướng kính khi tiện Px: lực chiều trục khi tiện

S: lượng chạy dao (mm/vòng) t: chiều sâu cắt (mm)

V: vận tốc cắt (m/phút)

Q: tổng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cắt QAB = Q1: nhiệt sinh ra trên mặt phẳng trượt QAC = Q2: nhiệt sinh ra trên mặt trước

QAD = Q3: nhiệt sinh ra trên mặt sau Qphoi: nhiệt truyền vào phoi

Qdao: nhiệt truyền vào dao

Qmôi trường: nhiệt truyền vào môi trường Qphôi: nhiệt truyền vào phôi

KAB: ứng suất cắt trung bình trong miền biến dạng thứ nhất As: diện tích của mặt phẳng cắt

Vs: vận tốc của vật liệu cắt trên mặt phẳng cắt kt: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu gia công

β: hệ số phân bố nhiệt từ mặt phẳng trượt vào phôi và phoi c: nhiệt dung riêng

ρ: tỷ trọng của vật liệu

: nhiệt cắt

Cl: hệ số phụ thuộc vào điều kiện gia công

u: số mũ biểu thị ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt φ: góc nghiêng chính

φ1: góc nghiêng phụ Vw: thể tích mòn mặt sau Vcr: thể tích mòn mặt trước

KB, KF, KT: các kích thước vùng mòn mặt trước hs: độ mòn giới hạn

Ra, Rz: độ nhám bề mặt khi tiện

Hình 1.1: Sơ đồ miền tạo phoi 5

Hình 1.2: Miền tạo phoi 6

Hình 1.3: Miền tạo phoi ứng với vận tốc cắt khác nhau 8

Hình 1.4: Tính góc trượt θ Error! Bookmark not defined Hình 1.5: Quan hệ giữa vận tốc cắt và biến dạng của phoi Error! Bookmark not defined

Hình 1.6: Quan hệ giữa bán kính mũi dao r và biến dạng của phoi Error! Bookmark not defined

Hình 1.7: Ba giai đoạn hình thành phoi khi tiện thép 100Cr6 với Error! Bookmark not defined

V = 100 m/p; s = 0,1mm/v; t = 1mm; môi trường cắt khô Error! Bookmark not defined

Hình 1.8: Dạng của phoi trong mối liên hệ với độ cứng của phôi Error! Bookmark not defined

và vận tốc cắt Error! Bookmark not defined Hình 1.9: Hệ thống lực cắt khi tiện Error! Bookmark not defined

Hình 1.10: Mối quan hệ giữa lực cắt và chiều dài cắt khi tiện thép thấm Các bon, Ni tơ tôi cứng đến 60 HRC bằng dao PCBN Error! Bookmark not

defined

với γ = - 6o và α = 0o Error! Bookmark not defined Hình 1.11: Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới lực cắt Error! Bookmark not defined

Hình 1.12: Cấu trúc tế vi của hai loại mảnh dao (BZN6000 – 92% CBN –

High CBN) và (BZN8100 – 70% CBN – Low CBN) [13] Error! Bookmark not defined

Hình 1.13: Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao tới lực cắt Error! Bookmark not defined

(a) Sơ đồ hướng các nguồn nhiệt 28

(b) Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong cắt kim loại 28

Hình 1.15 : Tỷ lệ % nhiệt truyền vào phoi, phôi, dao và môi trường 29

phụ thuộc vào vận tốc cắt [6] 29

Hình 1.16: Trường nhiệt độ khi tiện 30

Đường nét liền: Đường đẳng nhiệt; đường nét đứt: Dòng nhiệt.Dòng nhiệt vuông góc với đường đẳng nhiệt 30

Hình 1.17: Sự phân bố nhiệt độ khi tiện trên mặt phân cách phoi - dụng cụ 31 Hình 1.18: Đường cong thực nghiệm của Boothroyd Error! Bookmark not defined để xác định tỷ lệ nhiệt (β) truyền vào phôi [11] Error! Bookmark not defined Hình 1.19: Sơ đồ phân bố ứng suất trên mặt sau mòn Error! Bookmark not defined Hình 1.20 : Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới nhiệt độ cắt Error! Bookmark not defined 1 Thép austenit mangan 2 Thép Cacbon 3 Gang 4 Nhôm Error! Bookmark not defined Hình 1.21: Các dạng mòn phần cắt của dụng cụ khi tiện Error! Bookmark not defined Hình 1.22: Quan hệ giữa một số dạng mòn của dụng cụ Error! Bookmark not defined Hình 1.23: Các thông số đặc trưng cho mòn mặt trước 41

Hình 1.26: Hình ảnh biến dạng dẻo lưỡi cắt [12] Error! Bookmark not defined

(V = 250m/p, S = 0,1mm/v, t = 0,125mm, r = 3,2mm, lưỡi cạnh viền) Error! Bookmark not defined

Hình 1.27: Hình ảnh mòn mặt sau dao BZN 8100 và BZN6000 [13] Error! Bookmark not defined

Hình 1.28: Vùng tương tác gi ữa vật liệu gia công và vật liệu dụng cụ [16].

Error! Bookmark not defined

Hình 1.29: Sơ đồ đơn giản về quá trình mòn dính trên vùng có

lớp đọng của vật liệu gia công [13] Error! Bookmark not defined Hình 1.30: Độ cứng tế vi của một số loại các bít ở nhiệt độ 20oC [15] 51

Hình 2.1 Mô hình thí nghiệm……… 54

Hình 2.2 Máy tiện CNC - HTC 2050………55

Hình 2.3 Mảnh dao PCBN sử dụng trong nghiên cứu ……… 56

Hình 2.4 Thân dao MTENN 2020 K16 - N……… 56

Hình 2.5 Cấu trúc kim cương của thép 9XC sử dụng trong thí nghiệm……57

Hình 2.6 Hình ảnh mặt trước của mảnh dao PCBN khi cắt với vận tốc cắt 180m/p chụp trên kính hiển vi điện tử……… 60

Hình 2.7 Hình ảnh phóng to vùng vật liệu gia công dính trên mặt trước của dụng cụ khi cắt với vận tốc cắt 180m/p……… 61

Hình 2.8: Hình ảnh mặt trước của mảnh dao PCBN chụp trên kính 63

hiển vi điện tử 63

a Khi cắt với vận tốc cắt 160 m/p sau khi tiện 12,36 phút 63

b Khi cắt với vận tốc cắt 140 m/p sau khi tiện 19,72 phút 63

Hình 2.9: 66

(a): Hình ảnh mòn mặt trước của mảnh dao PCBN sau khi tiện 2,61 phút với các vết biến dạng dẻo bề mặt 66

(b): Hình ảnh phóng to của (a) 66

(b) Ảnh mòn mặt sau, sau 10,09 phút gia công 67

(c) Ảnh phóng to vật liệu gia công bám lên vùng mòn mặt sau (b) 67

(d) Góc mòn bên trái của (b) 67

Hình 3.2 Đồ thị quan hệ giữa vận tốc cắt và nhám Ra, Rz………75

Hình 3.3: Ảnh vùng mòn mặt sau của mảnh dao PCBN cắt với vận tốc cắt: 75 (a): v1 = 180 m/p sau 7,69 phút 75

(d)Ảnh phóng to vùng dính vật liệu gia công trên mặt sau dưới lưỡi cắt phụ từ hình 3.3(c) 76

Hình 3.5: 77

(a) Ảnh mặt trước của mảnh dao PCBN cắt với vận tốc cắt 160 m/p sau 12,36 phút 77

Khi giảm vận tốc cắt xuống 160 m/p sau 12,36 phút, trên mặt sau chỉ xuất hiện một vùng bị “phồng” ở phía dưới lưỡi cắt phụ Tiếp tục giảm vận tốc cắt tới 140 m/p, sau 19,72 phút, trên mặt sau chỉ tồn tại vùng

dính vật liệu gia công (Hình 3.3(c)) 77

Hình 3.6: Mặt hồi quy dạng Loga của nhám bề mặt Ra theo loga của

lượng chạy dao S và vận tốc V khi t = 0,12 mm……… ……….81

Hình 3.7: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhám bề mặt Ra và S,V

Các vùng nhám bề mặt Ra nhận giá trị tối ưu (t = 0,12 mm) 82

Hình 3.8: Mặt hồi quy dạng loga của tuổi bền T theo loga của lượng

chạy dao S và vận tốc V khi t = 0,12 mm 83

Hình 3.9: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tuổi bền dụng cụ cắt T

và S, V Các vùng tuổi bền T nhận giá trị tối ưu (t = 0,12 mm) 83

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Lịch sử và đặc tính của vật liệu dụng cụ cắt 26

Bảng 1.2: Tính chất cơ - nhiệt một số vật liệu dụng cụ 27

Bảng 1.3: Tính chất cơ - nhiệt của một số vật liệu phủ 27

Bảng 2.1: Thành phần hoá học của phôi thép 9XC (%) 57

Bảng 3.1: Kết quả đo nhám bề mặt tương ứng với các chế độ cắt

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài :

Tiện cứng là nguyên công tiện các chi tiết đã qua tôi (thường là thép hợp kim) có độ cứng cao khoảng từ 40 ÷ 65 HRC được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ô tô, chế tạo bánh răng, vòng ổ, dụng cụ, khuôn mẫu vv… Tiện cứng được sử dụng thay mài khi gia công chính xác các chi tiết máy có tỉ số chiều dài trên đường kính nhỏ, các chi tiết có hình dáng phức tạp và không nhất thiết phải sử dụng dung dịch trơn nguội Tiện cứng cho độ chính xác và nhám bề mặt tương đương với mài nhưng tiện cứng có khả năng tạo nên lớp bề mặt có ứng suất dư nén làm tăng tuổi thọ về mỏi của chi tiết máy trong các tiếp xúc lăn khi sử dụng, cho năng suất cao hơn mài với đầu tư ban đầu thấp hơn nhiều Tiện cứng thường dùng trong nguyên công tiện tinh với độ chính xác ngang mài nên các yêu cầu về độ chính xác, độ cứng vững của hệ thống công nghệ rất khắt khe

Vật liệu thường sử dụng làm dao tiện cứng là CBN (Cubic nitrit Bo) Đây là loại vật liệu tổng hợp sử dụng các hạt CBN với chất gắn kết l à TiC hoặc kim loại như Co

Khi sử dụng mảnh dao với hàm lượng CBN thấp (CBN – L) và cao (CBN – H), mòn xuất hiện trên cả mặt trước và sau với ba cơ chế mòn khác nhau là mòn do dính, mòn do cào xước và mòn do nhiệt, trong đó mòn do nhiệt là cơ chế mòn chính Mòn ảnh hưởng trực tiếp đến nhám bề mặt chi tiết gia công, do vậy nó phải được nghiên cúu để nắm vững và điều khiển nhằm giảm tác động của nó và nâng cao chất lượng của quá trình cắt gọt Mòn của dụng cụ cắt là hiện tượng lý hoá phức tạp trong quá trình gia công cắt gọt các vật liệu Cũng như mòn của các chi tiết máy, mòn của dụng cụ làm thay đổi các thông số hình học dụng cụ và giảm tuổi bền cũng như khả năng làm việc

của dụng cụ Mòn của dụng cụ còn ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và độ chính xác của bề mặt gia công Đối với quá trình gia công loạt lớn và tự động hoá, độ mòn và tuổi bền của dụng cụ lại càng được quan tâm và chú ý hơn do các ảnh hưởng của nó tới năng suất và chất lượng của sản phẩm chế tạo Do vậy, việc nghiên cứu quá trình mòn khi tiện cứng để nâng cao khả năng làm việc, nâng cao chất lượng bề mặt gia công là cần thiết đối với ngành cơ khí

Khi tiện thép nhiệt luyện bằng dao nitritbo xuất hiện lực cắt đơn vị lớn, do đó ở vùng tiếp xúc nhiệt độ cắt tăng cao, gây ảnh hưởng đến tuổi bền của dao và chất lượng lớp bề mặt của chi tiết gia công

Xét về mặt mài mòn của dụng cụ cắt cần quan tâm tới nhiệt độlớn nhất trên mặt trước và mặt sau, sự phân bố nhiệt trên các bề mặt này Nhưng việc xác định nhiệt độ lớn nhất này rất khó khăn Mặt khác nhiệt độ cắt chịu ảnh hưởng của vận tốc cắt lớn hơn so với lượng chạy dao Khi tiện tinh, chiều sâu cắt nhỏ, vận tốc cắt lớn, áp lực lên dao nhỏ, nhiệt độtập trung ở vùng mũi dao cao nên làm dao bị mềm ra và cùn nhanh

Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn như thế nào khi tiện tinh thép hợp kim dụng cụ 9XC qua tôi một loại vật liệu có nhiều ưu điểm được dùng rộng rãi nhất để chế tạo dụng cụ cắt với vận tốc thấp nhằm thoả mãn các yêu cầu về khả năng làm việc đang là yêu cầu cần thiết của các nhà sản xuât

Do vậy đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt tới cơ chế mòn dụng cụ PCBN sử dụng tiện tinh thép 9XC qua tôi” là cần thiết và

cấp bách

2 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về bản chất vật lý của quá trình cắt kim loại khi tiện và cơ chế mòn của dụng cụ cắt

- Nghiên cứu thực nghiệm về mòn dụng cụ PCBN và ảnh hưởng của vận tốc cắt tới cơ chế mòn dụng cụ PCBN sử dụng tiện tinh thép 9XC qua tôi

3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghi ệm Nghiên cứu tổng quan về các vấn đề liên quan đến tiện cứng từ đó rút ra vấn đề định hướng cho nghiên cứu về mòn và tuổi bền của dụng cụ

Tiến hành các nghiên cứu và phân tích thực nghiệm sử dụng mảnh dao PCBN tiện tinh thép 9XC qua tôi để xác định cơ chế mòn và tuổi bền của dao khi cắt với các vận tốc cắt khác nhau Xác định mối quan hệ giữa vận tốc cắt và nhám bề mặt gia công khi sử dụng các vận tốc cắt khác nhau sau những khoảng thời gian khác nhau

Xử lý các số liệu thực nghiệm để tìm vận tốc cắt tối ưu nhằm đạt được chất lượng bề mặt tốt nhất hoặc tuổi bền cao nhất

1.1.1 Quá trình cắt và tạo phoi

Quá trình cắt kim loại là quá trình lấy đi một lớp phoi trên bề mặt gia công để có chi tiết đạt hình dạng, kích thước và độ nhám bề mặt theo yêu cầu Để thực hiện một quá trình cắt cần thiết phải có hai chuyển động :

- Chuyển động cắt chính (Chuyển động làm việc) : Với tiện đó là chuyện động quay tròn của phôi

- Chuyển động chạy dao: Đó là chuyển động để đảm bảo duy trì sự tạo phoi liên tục trong suốt quá trình cắt Với tiện đó là chuyển động tịnh tiến dọc của dao khi tiện mặt trụ [6]

Khi cắt để có thể tạo ra phoi, lực tác dụng vào dao cần phải đủ lớn để tạo ra trong lớp kim loại bị cắt một ứng suất lớn hơn sức bền của vật liệu bị gia công

Hình dạng, độ cứng, mức độ biến dạng và cấu tạo phoi chứng tỏ rằng lớp kim loại bị cắt thành phoi đã chịu một ứng suất như vậy (hình1.1)

Hình 1.1: Sơ đồ miền tạo phoi

Quá trình tạo phoi được phân tích kỹ trong vùng tác động bao gồm: - Vùng biến dạng thứ nhất là vùng vật liệu phôi nằm trước mũi dao được giới hạn giữa vùng vật liệu phoi và vùng vật liệu phôi Dưới tác dụng của lực tác động trước hết trong vùng này xuất hiện biến dạng dẻo Khi ứng suất do lực tác động gây ra vượt quá giới hạn bền của kim loại thì xuất hiện hiện tượng trượt và phoi được hình thành (vùng AOE) Trong quá trình cắt, vùng phoi một luôn di chuyển cùng với dao

- Vùng ma sát th ứ nhất là vùng vật liệu phoi tiếp xúc với mặt trước của dao - Vùng ma sát th ứ hai là vùng vật liệu phôi tiếp xúc với mặt sau của dao - Vùng tách là vùng bắt đầu quá trình tách kim loại khỏ i phôi để hình thành phoi

Vật liệu dòn khác biệt vật liệu dẻo ở vùng biến dạng thứ nhất, do tổ chức hạt là khác nhau nên ở vùng này biến dạng dẻo hầu như không xảy ra Quá trình bóc tách phoi diễn ra gần như đồng thời với lực tác động

Việc nghiên cứu quá trình tạo phoi có một ý nghĩa rất quan trọng vì trị số của công cắt (công làm biến dạng chiếm 90% công cắt), độ mòn của dao (tuổi thọ của dụng cụ cắt) và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rất nhiều vào quá trình tạo phoi

Khi cắt do tác dụng của lực P (hình 1.1), dao bắt đầu nén vật liệu gia công theo mặt trước Khi dao tiếp tục chuyển động trong vật liệu gia công phát sinh biến dạng đàn hồi, biến dạng này nhanh chóng chuyển sang trạng thái biến dạng dẻo và một lớp phoi có chiều dày ap được hình thành từ lớp kim loại bị cắt có chiều dày a, di chuyển dọc theo mặt trước của dao

Việc nghiên cứu kim loại trong miền tạo phoi chứng tỏ rằng trước khi biến thành phoi, lớp kim loại bị cắt đã trải qua một giai đoạn biến dạng nhất định, nghĩa là giữa lớp kim loại bị cắt và phoi có một khu vực biến dạng Khu vực này được gọi là miền tạo phoi (hình 1.2)

Hình 1.2: Miền tạo phoi

Trong miền này (như sơ đồ hoá hình 1.1) có những mặt trượt OA, OB,OC,OD,OE Vật liệu gia công trượt theo những mặt đó (là những mặt có ứng suất tiếp có giá trị cực đại)

Miền tạo phoi được giới hạn bởi đường OA, dọc theo đường đó phát sinh những biến dạng dẻo đầu tiên, đường OE - đường kết thúc biến dạng dẻo và đường AE - đường nối liền khu vực chưa biến dạng của kim loại và phoi

Trong quá trình cắt, miền tạo phoi AOE di chuyển cùng với dao

Ngoài ra lớp kim loại bị cắt, sau khi đã bị biến dạng trong miền tạo phoi, khi di chuyển thành phoi còn chịu thêm biến dạng phụ do ma sát với mặt trước của dao

Những lớp kim loại phía dưới của phoi, kề với mặt trước của dao (hình 1.1) chịu biến dạng phụ thêm nhiều hơn các lớp phía trên Mức độ biến dạng của chúng thường lớn đến mức là các hạt tinh thể trong chúng bị kéo dài ra theo một hướng nhất định, tạo thành têch tua

Như vậy phoi cắt ra chịu biến dạng không đều.Mức độ biến dạng của phoi:

Kf = Kbd + Kms (1 –1) Ở đây:

Kbd là mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi

Kms là mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của dao Vì biến dạng dẻo của phoi có tính lan truyền, do đó lớp kim loại nằm phía dưới đường cắt ON (hình 1.1a) cũng sẽ chịu biến dạng dẻo

Chiều rộng của miền tạo phoi phụ thuộc vào tính chất của vật liệu gia công và điều kiện cắt (thông số hình học của dao, chế độ cắt…)

Vận tốc cắt có ảnh hưởng có ảnh hưởng lớn nhất đến chiều rộng miền tạo phoi Tăng vận tốc cắt miền tạo phoi sẽ co hẹp lại Hiện tượng đó có thế được giải thích như sau :

Khi tăng vận tốc cắt vật liệu gia công sẽ chuyển qua miền tạo phoi với tốc độ nhanh hơn Khi di chuyển với vận tốc lớn như vậy, vật liệu gia công sẽ đi ngang qua đường OA nhanh đến mức sự biến dạng dẻo không kịp xảy ra theo đường OA mà chậm đi một thời gian theo đường OA’ Tương tự như vậy, nơi kết thúc quá trình biến dạng trong miền tạo phoi sẽ là đường OE’ chậm hơn so với OE (hình 1.3)

Hình 1.3: Miền tạo phoi ứng với vận tốc cắt khác nhau

Như vậy ở vận tốc cắt cao miền tạo phoi sẽ là A’OE’; A’OE’ quay đi một góc theo chiều quay của kim đồng hồ và khi đó chiều dày cắt giảm đi so với trước (a’1 < a1) vì biến dạng dẻo giảm đi

Khi vận tốc cắt rất lớn miền tạo phoi co hẹp đến mức mà chiều rộng của nó chỉ vào khoảng vài phần trăm milimet Trong trường hợp đó sự biến dạng của vật liệu gia công có thể xem như nằm lân cận mặt OF Do đó để cho đơn giản, ta có thể xem một cách gần đúng quá trình biến dạng dẻo khi cắt xảy ra ngay trên mặt phẳng OF đi qua lưỡi cắt và làm với phương chuyển động của dao một góc bằng θ

Mặt OF được gọi là mặt trượt quy ước, còn góc θ gọi là góc trượt Góc trượt là một thông số đặc trưng cho hướng và giá trị của biến dạng dẻo trong miền tạo phoi

Hình 1.4: Tính góc trượt θ

Theo hình vẽ 1.4 nếu chiều dày lớp kim loại bị cắt là a, chiều dày của phoi là a1 ta có :

Do đó có thể tính θ theo công thức :

Như vậy góc trượt θ phụ thuộc vào γ và tỉ số K

Khi cắt kim loại bị biến dạng dẻo nên kích thước của phôi thường thay đổi so với kích thước của lớp kim loại sinh ra nó Đại lượng K đặc trưng cho sự biến dạng xảy ra trong quá trình cắt gọt, K càng lớn biến dạng càng lớn Trong cắt gọt người ta mong muốn K nhỏ tức là biến dạng nhỏ, khi đó công tiêu hao trong quá trình cắt gọt bé, chất lượng bề mặt của chi tiết gia công cao Thực nghiệm cho thấy quan hệ giữa K và V như hình 1.5

Hình 1.5: Quan hệ giữa vận tốc cắt và biến dạng của phoi

Khi Vctăng từ V1đến V2 biến dạng của phoi giảm

Trong vùng vận tốc cắt này khi Vc tăng µ tăng do đó lực ma sát tăng, biến dạng của phoi tăng Mặt khác khi này lẹo dao xuất hiện và tăng dần làm tăng góc trước, giảm góc cắt thì quá trình cắt dễ dàng hơn, phoi thoát ra dễ dàng hơn biến dạng của phoi giảm và đạt gia trị cực tiểu tại B ứng với Vc = V2 (tại đây chiều cao lẹo dao lớn nhất)

Hai ảnh hưởng này bù trừ lẫn nhau nhưng ảnh hưởng của lẹo dao lớn hơn

Khi Vctăng từ V2 ÷ V3 biến dạng của phoi tăng

Trong vùng vận tốc cắt này khi Vc tăng chiều cao lẹo dao giảm dần, dẫn đến góc trước giảm, góc cắt tăng, biến dạng của phoi tăng Khi Vc tăng, hệ số ma sát giảm, lực ma sát giảm, biến dạng của phoi giảm Kết hợp hai ảnh hưởng này, ảnh hưởng của lẹo dao lớn hơn nên khi Vc tăng biến dạng của phoi tăng và đạt giá trị cực đại khi Vc = V3 (tại đây lẹo dao mất hẳn)

Khi Vc > V3: lẹo dao không còn, mặt khác nhiệt độ cắt ở vùng cắt rất cao làm cho lớp kim loại của phoi sát mặt trước bị chảy nhão, hệ số ma sát giữa phoi và mặt trước giảm, K giảm

Khi Vc > 200 ÷ 300 m/f hệ số ma sát µ thay đổi rất ít, dẫn đến biến dạng của phoi hầu như không thay đổi

Các giá trị V1, V2, V3 phụ thuộc vào điều kiện gia công, vật liệu làm dao, phôi, thông số hình học của dụng cụ cắt

Bán kính mũi dao r cũng ảnh hưởng đến hệ số biến dạng phoi, r tăng chiều dày trung bình của lớp cắt giảm, chiều dài của đoạn lưỡi cắt cong tham gia cắt tăng, phoi thoát ra cong bị biến dạng phụ thêm do sự giao nhau của chúng trên cung cong (phương thoát phoi xem như thẳng góc với lưỡi cắt) làm cho biến dạng của phoi tăng hình 1.6

Hình 1.6: Quan hệ giữa bán kính mũi dao r và biến dạng của phoi

1.1.2 Đặc điểm quá trình tạo phoi khi tiện cứng

Trong tiện cứng, quá trình biến dạng trong vùng tạo phoi diễn ra rất phức tạp, chủ yếu do độ cứng của vật liệu gia công (sau khi tôi) nên giải pháp tốt nhất vẫn là sử dụng mảnh dao có độ cứng, khả năng chịu nhiệt… đặc biệt cao Tiêu biểu cho nhóm này là các mảnh CBN, PCBN …

Poulachon và đồng nghiệp [14] đã chỉ ra rằng thường có hai cơ chế tạo phoi lý thuyết khi gia công thép tôi

- Cơ chế thứ nhất cho rằng adiabatic shear gây ra sự không ổn định dẫn đến sự trượt mạnh trong vùng tạo phoi

- Cơ chế thứ hai cho rằng các vết nứt đầu tiên xuất hiện theo chu kỳ trên bề mặt tự do của phoi phía trước lưỡi cắt và truyền dần đến lưỡi cắt

Poulachon và đồng nghiệp cũng khẳng định rằng khi tiện trực giao thép 100Cr6 trong dải độ cứng từ 10 ÷ 62 HRC tồn tại của 3 kiểu cơ chế cắt

Phoi dây được tạo ra khi tiện thép có độ cứng từ 10 ÷ 50 HRC, lực cắt giảm khi tăng độ cứng trong dải này Điều này được giải thích là khi độ cứng của vật liệu gia công tăng sẽ làm tăng nhiệt độ trong vùng tạo phoi làm giảm độ bền của vật liệu gia công dẫn đến tăng góc tạo phoi và giảm chiều dài tiếp xúc giữa phoi và mặt trước Cả hai yếu tố đều có tác dụng giảm lực cắt

Khi tăng độ cứng của vật liệu gia công lên trên 50 HRC, phoi sẽ chuyển từ phoi dây sang phoi dạng răng cưa và lực cắt tăng lên Khi tăng độ cứng,

góc tạo phoi tăng và chiều dày của phoi giảm Khi độ cứng tăng, tồn tại hai yếu tố trái ngược ảnh hưởng đến cơ chế tạo phoi đó là tăng độ bền của vật liệu gia công do tăng độ cứng và giảm độ bền của vật liệu gia công do tăng nhiệt độ trong vùng tạo phoi

Khi độ cứng tiếp tục tăng, vật liệu gia công trở nên giòn hơn và yêu cầu năng lượng cắt nhỏ hơn Khi gia công vật liệu giòn, biến dạng nứt trở nên nhỏ hơn và khi nó nhỏ hơn một giới hạn nhất định, nứt sẽ trở nên thịnh hành và hiện tượng trượt cục bộ xảy ra gián đoạn trong vùng trượt chỉ ra trên hình 1 Khi hiện tượng này xảy ra, nhiệt độ trong dụng cụ không tăng mà lại bắt đầu giảm Một điều cần lưu ý là phoi dạng răng cưa xuất hiện khi gia công phôi có độ cứng thấp hơn nhưng với vận tốc cắt cao hơn Điều này chứng tỏ cơ chế tạo phoi được điều khiển bởi sự cân bằng giữa vận tốc cắt và độ cứng của vật liệu gia công và mối quan hệ giữa hai yếu tố này với nhiệt độ trong vùng cắt Hình 1.7 chỉ ra 3/4 giai đoạn hình thành phoi răng cưa khác nhau

Hình 1.6: Ba giai đoạn hình thành phoi khi tiện thép 100Cr6 với v = 100 m/p; s = 0,1 mm; t = 1 mm; môi trường cắt khô

Hình 1.7: Ba giai đoạn hình thành phoi khi tiện thép 100Cr6 với V = 100 m/p; s = 0,1mm/v; t = 1mm; môi trường cắt khô

Giai đoạn 1: Khi ứng suất cắt đạt giá trị tới hạn trong vùng tạo phoi một vệt nứt đột nhiên xuất hiện và phát triển gần đến lưỡi cắt Chiều dài của vết nứt là rất quan trọng và có thể so sánh với chiều dày của phoi khi biến dạng không xảy ra Tất nhiên vết nứt xuất hiện trước khi phoi răng cưa được hình thành

Giai đoạn 2: Do sự xuất hiện của vết nứt, vùng phoi giữa vết nứt và cạnh viền sẽ bị đẩy lên không kèm theo biến dạng và vết nứt sẽ bị khép lại khi dụng cụ tiến lên phía trước và chiều cao của phoi giảm xuống Tốc độ trượt của phoi trên mặt trước lớn đến mức mà có thể tạo ra nhiệt độ cao gần điểm A3 vì thế Máctensít sinh ra do ma sát giữa các lớp phoi thể hiện ở dạng lớp trắng bao quanh mảnh phoi được hình thành Hơn nữa một lớp trắng tương tự sẽ sinh ra trên bề mặt gia công do ma sát rất lớn giữa mặt sau của dụng cụ với bề mặt gia công có nguyên nhân là lực hướng kính Py rất lớn

Giai đoạn 3: Khi chiều rộng của khe hở trở nên hẹp tới mức mà tốc độ bật ra và biến dạng dẻo của phoi là rất lớn Dưới tác dụng của nhiệt độ cao hai lớp trắng trên phoi và trên bề mặt phân cách giữa phoi và bề mặt gia công kết hợp lại tạo nên phần thứ hai của phoi răng cưa Do ở đây chiều dày của phoi rất nhỏ và tốc độ nguội rất cao vì thế hiện tượng chuyển đổi trong vùng này là “adiabatic”

Giai đoạn 4: Mảnh phoi răng cưa hình thành và thực tế điền vào chỗ trống tồn tại giữa vết nứt và mặt trong của phoi do biến dạng dẻo Sự phân bố ứng suất nén đã giảm trong giai đoạn 2 và 3 lại trở nên quan trọng và tạo nên vết nứt mới cho một chu kỳ tạo mảnh phoi vụn mới [14]

Dạng phoi được hình thành phụ thuộc vào sự cân bằng giữa vận tốc cắt và độ cứng của vật liệu gia công và mối liên hệ giữa hai thông số này với nhiệt độ sinh ra trong vùng cắt Hình 1.8 sự ảnh hưởng của tỷ số HVphoi / HVphôi (Tỷ số giữa độ cứng lớn nhất đo trên phoi và độ cứng của phôi ban

đầu) đến dạng phoi hình thành Kết quả thí nghiệm cho thấy biến cứng ảnh hưởng lớn đến sự hình thành phoi khi độ cứng của phôi tăng hoặc vận tốc cắt thấp [14]

Hình 1.8: Dạng của phoi trong mối liên hệ với độ cứng của phôi và vận tốc cắt

1.2 Lực cắt khi tiện

1.2.1 Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt

Ta đã biết, để thực hiện quá trình tạo phoi, khi cắt dụng cụ phải tác động vào vật liệu gia công một lực nhất định Lực này làm biến dạng vật liệu và phoi được hình thành Tuy nhiên dụng cụ cắt cũng chịu một phần lực tương tự Việc nghiên cứu lực cắt trong quá trình gia công vật liệu có ý nghĩa cả về lý thuyết lẫn thực tiễn Trong thực tế, những nhận thức về lực cắt rất quan trọng để thiết kế dụng cụ cắt, thiết kế đồ gá, tính toán và thiết kế máy móc, thiết bị … Dưới tác dụng của lực cắt cũng như nhiệt cắt, dụng cụ sẽ bị mòn, bị phá huỷ Muốn hiểu được quy luật mài mòn và phá huỷ thì phải hiểu được quy luật tác động của lực cắt Muốn tính công tiêu hao khi cắt cần phải biết lực cắt Những nhận thức lý thuyết về lực cắt tạo khả năng chính xác hóa

lý thuyết quá trình cắt Trong trạng thái cân bằng năng lượng của quá trình cắt thì các mối quan hệ lực cắt cũng phải cân bằng Điều đó có nghĩa là một mặt lực cản cắt tác dụng lên vật liệu chống lại sự tách phoi, mặt khác lực cắt do dụng cụ cắt tác dụng lên lớp cắt và bề mặt cắt [4], [6]

Lực cắt là một hiện tượng động lực học, tức là trong chu trình thời gian gia công thì lực cắt không phải là một hằng số Lực cắt được biến đổi theo quãng đường của dụng cụ Lúc đầu lực cắt tăng dần cho đến điểm cực đại Giá trị lực cắt cực đại đặc trưng cho thời điểm tách phần tử phoi ra khỏi chi tiết gia công Sau đó lực cắt giảm dần song không đạt đến giá trị bằng không bởi vì trước khi kết thúc sự chuyển dịch phần tử phoi cắt thì đã bắt đầu biến dạng phần tử khác [4], [6]

Hệ thống lực cắt khi tiện được mô tả sơ bộ trên hình 1.9 Lực tổng hợp P được phân tích thành ba thành phần lực bao gồm : lực tiếp tuyến Pz (hay Pc), lực hướng kính Py (hay Pp) và lực chiều trục (lực ngược với hướng chuyển động chạy dao) Px

Hình 1.9: Hệ thống lực cắt khi tiện

Thành phần lực Pz là lực cắt chính Giá trị của nó cần thiết để tính toán công suất của chuyển động chính, tính độ bền của dao, của chi tiết cơ cấu chuyển động chính và các chi tiết khác của máy công cụ

Thành phần lực hướng kính Py có tác dụng làm cong chi tiết, ảnh hưởng đến độ chính xác gia công, độ cứng vững của máy và dụng cụ cắt

Thành phần Px tác dụng ngược hướng chạy dao, nó dùng để tính độ bền của chi tiết trong chuyển động phụ, độ bền của dao cắt và công suất tiêu hao của cơ cấu chạy dao

Lực cắt tổng cộng được xác định:

P = Px2 +Py2 +Pz2 (1- 5)

Trường hợp tổng quát các thành phần lực này không thuần nhất Trị số của Pz là hình chiếu chính, xác định bằng lực pháp tuyến tác dụng lên mặt trước của dao Còn lại Px, Py phụ thuộc vào độ lớn và hướng của lực ma sát Bởi vậy các thành phần lực này thay đổi khi thay đổi vật liệu gia công, thông số hình học dụng cụ cắt và chế độ cắt, …

Lực cắt khi gia công vật liệu có độ cứng cao không cao hơn so với khi gia công vật liệu có độ cứng thấp trong cùng điếu kiện Góc tạo phoi lớn và phoi dạng răng cưa do tính dẻo của vật liệu gia công kém làm giảm lực cắt mặc dù độ bền của vật liệu cao Khi gia công thép 0,25% các bon thay đổi độ cứng đến HV500 sử dụng dao có góc trước 0o

, lực cắt hầu như độc lập với độ cứng Mặt khác khi sử dụng góc trước -20o, khi tăng độ cứng của phôi cả lực cắt và lực hướng kính đều giảm Tăng góc trước âm có tác dụng làm tăng thành phần lực cắt hướng kính đáng kể [14]

Khi tiện thép thấm các bon, ni tơ tôi cứng đến 60 HRC bằng dao PCBN với γ = - 6o và α = 0o, các thành phần lực cắt Pz và Pytăng nhanh theo chiều dài cắt còn thành phần Px tăng hầu như không đáng kể theo chiều dài cắt Thành phần lực cắt Py luôn là thành phần lớn nhất do góc trước âm lớn biến đổi dọc theo bán kính của lưỡi cắt chỉ ra trên hình 1.10 [12]

Hình 1.10: Mối quan hệ giữa lực cắt và chiều dài cắt khi tiện thép thấm Các bon, Ni tơ tôi cứng đến 60 HRC bằng dao PCBN

với γ = - 6o và α = 0o

Liu và đồng nghiệp [17] được sử dụng dao PCBN – L với 60% CBN và TiN làm chất dính kết khi gia công thép vòng b i tôi cứng đến 60 ÷ 64 HRC Họ đã phát hiện ra rằng lực cắt giảm dần khi tăng độ cứng của vật liệu gia công đến 50 HRC Khi độ cứng vượt quá 50 HRC phoi dây dạng răng cưa xuất hiện và lực cắt tăng đột ngột Độ cứng 50 HRC gọi là độ cứng tới hạn với tiêu chí lực cắt tối thiểu

Vấn đề bôi trơn làm nguội tối thiểu so với cắt khô và bôi trơn làm nguội tràn đã được Varadarajan và đồng nghiệp nghiên cứu [18] khi tiện thép có độ cứng 46 HRC sử dụng dao các bít phủ TiC, TiN, TiCN Các kết quả chỉ ra rằng bôi trơn, làm nguội tối thiểu có ưu điểm vượt trội so với tiện khô hoặc bôi trơn, làm nguội thông thường trên khía cạnh về lực cắt, độ nhám bề mặt sau gia công, hệ số co rút phoi, chiều dài tiếp xúc phoi và mặt trước và tuổi bền dụng cụ

Theo Diniz.A.E và đồng nghiệp [33], tiện cứng thường thực hiện trong môi trường khô vì nhiệt độ cao làm cho phoi biến dạng và trượt dễ hơn Tuy nhiên nhiệt độ cao lại làm cho phôi dễ bị biến dạng, ảnh hưởng tới độ chính xác hình học, kích thước và chất lượng tích hợp bề mặt Trong nghiên cứu của họ đã sử dụng dao PCBN tiện thép AISI 52100 tôi cứng đạt 58 ÷ 60 HRC với vận tốc cắt từ 110 ÷ 175 m/p; s = 0,08 mm/v; t = 0,3 mm trong môi trường khô, bôi trơn/làm nguội bằng tưới tràn và bôi trơn làm nguội tối thiểu Kết quả thí nghiệm đã chứng tỏ rằng trong môi trường cắt khô và tối thiểu mòn mặt sau luôn nhỏ hơn khi bôi trơn/làm nguội tưới tràn; độ nhám bề mặt hầu như không thay đổi khi cắt trong cả ba môi trường Từ đây có thể thấy môi trường cắt khô là tốt nhất trên khía cạnh giảm mòn, độ nhám bề mặt thấp và tiết kiệm chi phí chất bôi trơn/làm nguội Trái lại các nghiên cứu thực tế của Koefer [33] cho thấy sử dụng dung dịch làm nguội ở dạng sương mù hay áp suất cao có tác dụng làm tăng tuổi bền của dao khi tiện cứng và dầu không nên sử dụng trong tiện cứng do nhiệt độ ở vùng cắt cao (tới 1700o

F)

1.2.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện

Lực cắt trong quá trình gia công nói chung và khi tiện nói riêng đều chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố khác nhau như vật liệu gia công, thông số hình học của dụng cụ cắt, chế độ cắt v.v…

Khi Vc > V3 biến dạng của phoi giảm (đã giải thích ảnh hưởng của vận tốc cắt đến biến dạng của phoi) làm giảm lực cắt

Khi Vc tăng quá (400 ÷ 500 m/p) thì lực cắt hầu như không thay đổi vì biến dạng của phoi hầu như bão hoà

Hình 1.11: Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới lực cắt

- Để nâng cao năng suất cắt, giảm công tiêu hao trong quá trình cắt gọt ta nên cắt ở vận tốc cắt cao Vc > V3 Nên đường cong phía bên phải của đồ thị mang ý nghĩa thực tế

- Trong phạm vi vận tốc cắt từ Vc = V3 ÷ 400 m/p mối quan hệ giữa vận tốc cắt và các thành phần của lực cắt như sau:

Pz = 11

, Py = 22

, Px = 33

Trong đó : các hệ số C 1, C2, C3, là hệ số phụ thuộc vào điều kiện gia công (Vật liệu phôi, thông số hình học của dụng cụ cắt, lớp cắt, dung dịch trơn nguội…)

PxPy

n1, n2 , n3 là số mũ biểu thị ảnh hưởng của tốc độ cắt tới lực cắt, phụ thuộc vào điều kiện gia công

Khi gia công thép bằng dao HKC:

n1 = 0,1 ÷ 0,26; n2 = 0,18 ÷ 0,20; n3 = 0,22 ÷ 0,40

1.2.2.2 Ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt

Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy đối với tất cả các thành phần lực cắt Px, Py và Pz ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt có thể tính bằng công thức chung sau : xpyp

1.2.2.3 Ảnh hưởng của vật liệu gia công

Vật liệu chi tiết gia công có ảnh hưởng rất nhiều tới lực cắt, vật liệu chi tiết gia công khác nhau thì [σ ]dh, [σ]b khác nhau do đó lực để ra biến dạng chúng cũng khác nhau Vật liệu chi tiét gia công khác nhau thì hệ số ma sát với dụng cụ cắt cũng khác nhau, vì vậy lực cắt cũng khác nhau

Đối với thép [σ ]b càng lớn lực cắt càng lớn

Đối với gang độ cứng HB càng lớn lực cắt càng lớn

Trong thực nghiệm người ta tìm được thành phần Pz = f(σb,HB)qua các công thức gần đúng sau : q

BzCvP = σ

vzCHBP =

Khi gia công thép có HB ≤ 170 lấy q = 0,35; HB > 170 lấy q = 0,75 (1-8)

Với gang lấy q = 0,55 Nói cách khác, độ cứng và độ bền vật liệu gia công càng cao, lực cắt càng lớn Quan hệ phụ thuộc này có thể được biểu thị bằng công thức tỷ lệ, nếu HB’ tương ứng P’, còn HB” tương ứng P”

Ta có :

hay

" (1-9)

Như vậy theo công thức trên có thể xác định lực cắt khi gia công thép có HB” nếu biết lực cắt P’ khi gia công thép có HB’

Nói chung lực cắt khi gia công thép lớn hơn khi gia công gang 1,5÷2 lần

1.2.2.4 Ảnh hưởng của vật liệu làm dao và đặc điểm của vật liệu CBN khi tiện cứng

Khi gia công cùng một loại vật liệu, vật liệu làm dụng cụ cắt khác nhau thì biến dạng của phoi cũng khác nhau, lực ma sát giữa mặt sau của dụng cụ cắt với phôi, mặt trước của dụng cụ cắt cũng khác nhau

Mặt khác trong vùng tiếp xúc giữa dụng cụ cắt với phoi và chi tiết gia công còn xảy ra các mối tương tác hoá lý rất phức tạp Do đó vật liệu làm dụng cụ cắt khác nhau, lực cắt khác nhau

Thực nghiệm cho thấy khi gia công thép bằng dụng cụ cắt vật liệu là HKC lực cắt chỉ bằng 90 ÷ 95 % so với dụng cụ cắt thép gió Khi cắt bằng dụng cụ cắt vật liệu sứ lực cắt chỉ bằng 88 ÷ 90 % khi cắt bằng dao thép gió

Theo Trent [11], CBN là loại vật liệu không tồn tại trong tự nhiên CBN có các tính chất cơ lý tuyệt diệu đó là: độ bền nóng cao, có khả năng duy trì hình dạng ở nhiệt độ cao, độ cứng ở nhiệt độ trong phòng cao từ (4000 ÷ 5000 HV) phụ thuộc vào hướng của bề mặt đo độ cứng và hướng mạng tinh thể Một lượng nhỏ kim loại hoặc ceramics được trộn với Nitritbo tạo nên CBN Độ cứng của CBN giảm khi nhiệt độ tăng nhưng vẫn cao hơn tất cả những vật liệu dụng cụ khác làm cho loại vật liệu này có thể cắt vật liệu có độ cứng cao với vận tốc cắt cao kết hợp với khả năng chống mòn do cào xước và

khả năng chống tương tác với sắt thép cao Độ dẫn nhiệt của PCBN khoảng 100 W/moC.Mảnh dao CBN có hai loại:

- Các lớp mỏng với chiều dày < 5 mm được gắn lên thân các bít - Cả khối CBN

Các tính chất và khả năng sử dụng của dụng cụ PCBN chủ yếu phụ thuộc vào độ cứng rất cao của Nitritbo nhưng pha thứ hai đóng vai trò quan trọng Hàm lượng pha thứ hai càng cao thì tuổi bền của dụng cụ càng cao đặc biệt khi gia công tinh với lượng chạy dao và chiều sâu cẳt nhỏ Khi gia công thô tuổi bền của dao tăng khi sử dụng mảnh dao với hàm lượng pha thứ hai thấp [11,14]

Có thể chia CBN thành hai nhóm:

- Nhóm có thành phần CBN cao khoảng 90 % (CBN – H) sử dụng chất dính kết kim loại

- Nhóm có thành phần CBN thấp khoảng 50 ÷ 70 % (CBN – L) sử dụng ceramics làm chất kết dính

Hình 1.12: Cấu trúc tế vi của hai loại mảnh dao (BZN6000 – 92% CBN – High CBN) và (BZN8100 – 70% CBN – Low CBN) [13]

Hình ảnh cấu trúc của hai loại thép này được chỉ ra trên hình 1.12 với chất dính kết là Co đối với CBN – H và Co, TiN với CBN – L

Mặc dù CBN – H có độ cứng cao hơn và độ dai va đập cao hơn nhưng tuổi bền của CBN – L lại cao hơn và tạo nên độ bóng bề mặt tốt hơn [13]

Hiện tượng này được giải thích theo nhiều cách khác nhau như: CBN – L có tuổi bền cao hơn là do có sức bền liên kết cao hơn, lớp đọng trên mặt sau của dao CBN – L có tác dụng bảo vệ mặt sau, CBN – L có hệ số dẫn nhiệt thấp hơn là nguyên nhân tăng nhiệt độ trong vùng tạo phoi làm giảm độ cứng của vật liệu gia công quanh vùng cắt làm cho quá trình cắt dễ dàng hơn Hơn nữa cấu trúc và tính chất hoá học của mảnh dao CBN có thể quyết định vấn đề mòn của dao CBN [13] Dao CBN – L tồn tại pha dính kết ceramics làm tăng tính trơ hoá học của vật liệu dụng cụ dẫn đến tăng khả năng cắt

Nghiên cứu về tính gia công của một số loại thép hợp kim tôi cứng đến trên 60 HRC cho thấy lực cắt hướng trục Px tăng khi gia công thép có các hạt các bít thô (thép S6-5-2), và lực cắt Pz tăng với thép có các hạt các bít mịn và đồng đều (thép 16MnCr5E) Từ đó có thể thấy rằng CBN không thích hợp về mặt kinh tế khi gia công thép có thành phần ferit cao và độ cứng dưới 50 HRC [14]

1.2.2.5 Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao r

Khi tăng bán kính đỉnh dao r làm điều kiện cắt thay đổi, biến dạng của

Hình 1.13: Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao tới lực cắt

Trong đó: đường 1 có công thức 0,1

CPz = z đường 2 có công thức 0,25

Py = y (1-10) đường 3 có công thức 0,25

Từ các công thức này ta thấy rằng, bán kính r tăng sẽ làm thành phần Py, Pztăng còn Px giảm, trong đó Pytăng mạnh hơn so với Pz Tuy nhiên trong gia công tinh người ta cố gắng chọn dao có r nhỏ để vừa giảm lực cắt đồng thời tăng được chất lượng bề mặt gia công

1.2.2.6 Ảnh hưởng của mòn dụng cụ cắt

Nếu dụng cụ cắt khi gia công chỉ bị mòn theo mặt trước, điều này thường xảy ra khi ra công thép ở thời gian cắt gọt ban đầu (trong quá trình cắt gọt do ma sát giữa mặt trước của dụng cụ cắt với phoi), mặt trước của dụng cụ cắt bị mòn thành rãnh có hình lưỡi liềm ở mặt trước làm tăng góc trước, phoi thoát ra dễ dàng hơn, biến dạng của phoi giảm làm giảm lực cắt

Nếu dụng cụ cắt bị mòn ở mặt sau và mòn ở mũi dao thì lực cắt sẽ tăng Như vậy sự thay đổi của lực cắt phụ thuộc vào trạng thái mòn của dụng cụ cắt (mòn mặt trước, mặt sau, mũi dao…)

1.3 Nhiệt cắt

1.3.1 Khái niệm chung

Nhiệt trong quá trình cắt đóng vai trò rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp tới cơ chế tạo phoi, lẹo dao, hiện tượng co rút phoi, lực cắt và cấu trúc tế vi lớp bề mặt Đồng thời nhiệt cắt còn là nguyên nhân chính gây mòn dụng cụ cắt, ảnh hưởng lớn đến tuổi bền dụng cụ cắt, đặc biệt trong tiện cứng vì giá thành các mảnh dao thường khá cao

Phần lớn công tiêu hao trong quá trình cắt gọt chuyển hoá thành nhiệt năng (97,5%) Số còn lại làm thay đổi thế năng trong mạng tinh thể kim loại Quy luật phát sinh và truyền nhiệt trong quá trình cắt gọt rất quan trọng để tìm các biện pháp giảm nhiệt độ sinh ra trong quá trình cắt gọt có ý nghĩa lớn về

lý luận và thực tiễn Nhằm nâng cao tuổi bền của dụng cụ cắt, năng suất và chất lượng gia công

Nhiệt độ phát sinh khi gia công bằng cắt phụ thuộc chủ yếu vào các tính chất của phôi và dao, chế độ cắt và các điều kiện khác như môi trường cắt Các yếu tố như mòn dụng cụ, cơ chế tạo phoi, chất lượng lớp bề mặt đều chịu ảnh hưởng của nhiệt độ cắt Trong nhiều trường hợp nhiệt độ cắt là yếu tố hạn chế hiệu quả sử dụng của dụng cụ Khi cắt vật liệu siêu cứng sử dụng dao ceramics như thép hợp kim hoá và tăng bền bề mặt, các hợ p kim siêu cứng, nhiệt cắt là cần thiết để làm mềm vật liệu gia công cục bộ mà không ảnh hưởng tới sức bền của dụng cụ Trong các phương pháp thực nghịêm để đo nhiệt độ cắt như cặp ngẫu nhiệt dao – phôi, phát xạ hồng ngoại, sự thay đổi cấu trúc tế vi, cặp ngẫu nhiệt trên dao, phương pháp sử dụng cặp ngẫu nhiệt trên dao được sử dụng rộng rãi để đo nhiệt độ trên dụng cụ siêu cứng [34]

Nhiệt độ trong vùng cắt tăng theo giá trị độ cứng của phôi tới HRC 50, khi độ cứng của phôi vượt quá giá trị này nhiệt độ cắt giảm đi khi tăng độ cứng Điều khác với quy luật thay đổi nhiệt độ của lý thuyết cắt kim loại truyền thống này được giải thích do sự thay đổi về cơ chế tạo phoi khi gia công thép có độ cứng từ 50 HRC trở lên [14, 35]

Nói chung sự tỏa nhiệt khi cắt là do có một công A (kG.m) sinh ra trong quá trình hớt phoi Nó xác định bởi công thức :

A = A1 + A2 + A3 (1-11) Trong đó :

A1: Công sinh ra làm biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo A2: Công sinh ra để làm thắng lực ma sát ở mặt trước dao A3: Công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt sau dao

Ngoài ra công A có thế tính bởi công thức khác : A=Pz.L (1.12)

Trong đó :

Pz: lực theo phương cắt chính (kG) L : chiều dài cắt (m)

Trong tiện cứng ta thấy vật liệu phôi cứng hơn nhiều so với tiện thông thường, vì vậy nhiệt sinh ra trong vùng cắt là rất lớn, để thoả mãn khả năng chịu nhiệt này hàng loạt các loại vật liệu dụng cụ mới được ra đời, thông qua bảng 1.1 [6]

Bảng 1.1 Lịch sử và đặc tính của vật liệu dụng cụ cắt

Năm Vật liệu dụng cụ Vận tốc cắt (m/ph)

Nhiệt độ giới hạn đặc tính

cắt (oC)

Độ cứng (HRC)

Khả năng cắt của vật liệu Nitrit Bo trong bảng là rất cao và đang được ứng dụng khá phổ biến trong gia công vật liệu có độ cứng cao cũng như trong tiện cứng