6. Các công cụ, thiết bị nghiên cứu
3.2.2. Phân tích lƣợng mòn mặt mặt trƣớc mảnh dao phủ TiAlN khi tiện cứng thép
thép 9XC ở các độ chế độ cắt khác nhau.
Tiến hành xử lý số liệu ta có kết quả sau:
Tƣơng tự nhƣ khi nhiên cứu nhám bề mặt trong quá trình tiện cứng, ta nghiên cứu lƣợng mòn mặt trƣớc dƣới ảnh hƣởng của hai thông số chế độ cắt: V(m/ph); S (mm/vòng). Chỉ tiêu đánh giá lƣợng mòn mặt trƣớc là: lƣợng mòn U.
Kết quả của nhiều công trình nghiên cứu thực nghiệm về tiện cứng [1], [2]; [3]; [6]… đã cho thấy quan hệ giữa các chỉ tiêu đánh giá F (U) với chế độ cắt (V, S) có dạng hàm mũ:
F Cv s t
r p q (***) Các số mũ r, p, q và hệ số C của phƣơng trình (***) đƣợc xác định bằng thực nghiệm. S (mm/vg) v (m/ph)Lấy logarit hai vế và đặt: f = lnU; a0 = lnC; x1 = lnV; x2 = lnS; r = a1 p =a2 ta có: lnU= lnC + a1lnV + a2lnS
f = ao + a1x1 + a2x2 (****) Trong phƣơng trình (****) f, x1, x2 đã biết. Cần xác định các hệ số: ao; a1; a2.
Để nhận đƣợc các phƣơng trình dạng (***), dùng phần mềm Design Expert 8.0.5 để giải phƣơng trình (****) với kết quả thực nghiệm trong bảng tổng hợp số liệu thí nghiệm (bảng 3.1), sau khi loại bỏ các hệ số không có ý nghĩa ta đƣợc phƣơng trình hồi quy nhƣ sau:
Từ kết quả hồi quy ta nhận đƣợc kết quả sau khi loại bỏ các hệ số không có ý nghĩa nhƣ sau: 53 , 0 26 , 0 03 . 120 V S U
Biểu đồ quan hệ giữa vận tốc, lƣợng chạy dao và lƣợng mòn mặt trƣớc:
Hình 3.5: Biểu đồ mức độ ảnh hưởng của V và S đến lượng mòn U.
100 120 140 160 180 0.1 0.15 0.2 0.25 10 12 14 16 18 v (m/ph) s (mm/vg) u (micro)
Hình 3.6: Biểu đồ bề mặt chỉ tiêu quan hệ giữa vận tốc, lượng chạy dao và lượng mòn. (Sử dụng phần mềm Matlab để vẽ biều đồ quan hệ)
Từ đồ thị có thể thấy khi gia công thép 9XC ở các chế độ khác nhau bằng mảnh dao phủ TiAlN, lƣợng mòn mặt trƣớc giảm khi tăng lƣợng chạy dao từ 0,125 đến 0,25 mm/vg. Khi vận tốc cắt tăng thì lƣợng mòn giảm.
3.2.3. Phân tích lƣợng mòn mặt mặt trƣớc mảnh dao phủ TiAlN khi tiện cứng thép 9XC ở các độ chế độ cắt khác nhau qua hình chụp Topography bề mặt. thép 9XC ở các độ chế độ cắt khác nhau qua hình chụp Topography bề mặt.
Quan sát hình ảnh phần cắt của dao trên kính hiển vi ta thấy tại đây có hai vùng rất rõ dệt: Vùng đen và vùng trắng. Sau khi phân tích EDX (Hình 3.9; hình 3.10) thấy rằng: Vùng đen trên phần cắt của dao có thành phần hóa học các chất nhƣ sau: W: 45,5%; Co: 34,7%; Al:7,9%; Ba: 4,6%; Ti: 4,0% (Hình 3.9). Phân tích EDX cho thấy vùng đen là vùng bị mòn không còn xuất hiện thành phần lớp phủ TiAlN trên vùng này nữa, các chất còn lại chính là lớp nền. EDX phân tích thành phần hóa học vùng trắng trên phần cắt của dao (Hình 3.10) có: Ti = 35,9%; Fe = 28,8%; 0 = 9,8%; N= 9,3 %, Al= 7,3%; Ca = 3,2%; Ba=2,5%; Si=0,9%; Cr = 0,9%; C = 0,2%. Kết quả phân tích cho thấy vùng này có thành phần Fe, c, Cr, Si đó chính là thành phần của vật liệu gia công do sự trƣợt và dính của các lớp dƣới của phoi vào bề mặt vùng cắt.
Hình 3.9. Ảnh phân tích EDX vùng đen trên phần cắt của dao trên kính hiển vi điện tử
Hình 3.10. Ảnh phân tích EDX vùng trắng trên phần cắt của dao trên kính hiển vi điện tử
Ở thí nghiệm thứ nhất, trên mặt trƣớc của dao xuất hiện sự bám dính của vật liệu gia công lên bề mặt với bề rộng xấp xỉ 120 μm (hình 3.7 a). Lƣợng mòn khá đồng đều.
Hình 3.11 a: Kết quả chụp lượng mòn mặt trước qua các thí nghiệm thứ 1.
Ở thí nghiệm thứ hai, hầu nhƣ không còn xuất hiện vùng trắng, vùng đen chiếm gần nhƣ toàn bộ rộng khoảng 269 μm (hình 3.11 b). Trên vùng mòn mặt trƣớc này không nhìn thấy hình ảnh của lớp phủ nhƣ vùng chƣa bị mòn, lớp bề mặt có cấu trúc sóng. Vết mòn này khá nguy hiểm có thể dẫn đến phá hủy lƣỡi cắt. Đây là hình ảnh mòn vật liệu dòn theo cơ chế biến dạng dẻo bề mặt do hạt cứng cày trên bề mặt dƣới tác dụng của ứng suất pháp rất lớn ở vùng lƣỡi cắt gây ra.
Hình 3.11 b: Kết quả chụp lượng mòn mặt trước qua các thí nghiệm thứ 2.
Ở thí nghiệm thứ 3 và 4 (hình 3.11 c, d), lƣợng mòn còn nghiệm trọng và rộng hơn ở lần thí nghiệm thứ 2. Đặc biệt ở thí nghiệm thứ 5 (hình 3.10 e), lớp phủ gần nhƣ biến mất hoàn toàn và chiều rộng mòn khá lớn (khoảng 386 μm).
c)
d)
e)
Còn trong các thí nghiệm thứ 6, 7, 8 và 9 (hình 3.11 f, g, h và i), vùng trắng đã xuất hiện trở lại. Sự mòn dụng cụ đã đồng đều hơn trên bề rộng của lƣỡi cắt. Đặc biệt trong thí nghiệm thứ 6 (hình 3.11 f), kết quả cho thấy mòn là ít nhất, chiều dài cung mòn trên lƣỡi cắt chính và bề rộng cung mòn gần nhƣ là không thay đổi.
f) g)
h) i)
Hình 3.11 f,g,h và i: Kết quả chụp lượng mòn mặt trước qua các thí nghiệm thứ 6,7,8 và 9.
3.2.4. Phân tích nhám bề mặt khi tiện cứng thép 9XC ở các độ chế độ cắt khác nhau qua hình chụp SEM bề mặt.
Hình 3.12: Kết quả chất lượng bề mặt trước qua các thí nghiệm.
Nhám bề mặt ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng làm việc của chi tiết máy. Đối với những chi tiết trong mối ghép động (ổ trƣợt, sống dẫn, con trƣợt...), bề mặt chi tiết làm việc trƣợt tƣơng đối với nhau, nên khi nhám càng lớn càng khó đảm bảo hình thành màng dầu bôi trơn bề mặt trƣợt. Dƣới tác dụng của tải trọng các đỉnh nhám tiếp xúc với nhau gây ra hiện tƣợng ma sát nửa ƣớt, thậm chí cả ma sát khô, dẫn đến làm giảm hiệu xuất làm việc, tăng nhiệt độ làm việc của mối ghép. Mặt
a) b)
c)
d) e) f)
khác tại các đỉnh tiếp xúc, lực tập trung lớn, ứng xuất lớn vƣợt quá ứng xuất cho phép gây biến dạng chảy phá hỏng bề mặt tiếp xúc, bề mặt làm việc nhanh mòn. Do vậy, nhám bề mặt ảnh hƣởng lớn trong quá trình làm việc, gây hƣ hỏng và phá hủy cơ cấu máy. Ngƣợc lại, nhám càng nhỏ thì bề mặt càng nhẵn, khả năng chống lại sự ăn mòn càng tốt.
- Quy luật ảnh hƣởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt gia công khi tiện cứng thép 9XC qua tôi trong các thí nghiệm là giống nhau. Các thông số S và V đều ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt gia công nhƣng ở các mức độ khác nhau: theo biểu đồ thể hiện mức độ ảnh hƣởng của S và V đến nhám bề mặt (hình 3.2) lƣợng chạy dao có ảnh hƣởng mạnh hơn nhiều so với vận tốc cắt đến nhám bề mặt sau tiện cứng.
- Nhám bề mặt mài hình thành chủ yếu bởi dao tiện có góc nghiêng chính và nghiêng phụ. Về mặt lý thuyết, góc nghiêng chính và nghiêng phụ của dao tiện càng lớn thì nhám bề mặt càng lớn.
Quan sát hình 3.12 ta thấy: Ở thí nghiệm thứ 4 và thứ 6 (Hình 3.12 d, f) cho chất lƣợng bề mặt sau gia công tốt nhất.
3.3 Kết luận
Từ các kết quả thí nghiêm có thể thấy mòn mặt trƣớc của dụng cụ có thể chia thành ba vùng rõ rệt theo phƣơng thoát phoi thông qua mức độ dính của vật liệu gia công với mặt trƣớc. Vùng một nằm sát lƣỡi cắt với những vết biến dạng dẻo bề mặt do các hạt cứng trong vật liệu gia công gây nên, vùng hai tiếp theo với sự dính nhẹ của vật liệu gia công trên mặt trƣớc, vùng ba là vùng phoi thoát ra khỏi mặt trƣớc, ở đây vật liệu gia công dính nhiều trên bề mặt.
Theo các kết quả nghiên cứu của Tren[22] thì vùng một là vùng ngay sát lƣỡi cắt là vùng mà các lớp vật liệu gia công sát mặt trƣớc dính và dừng trên mặt trƣớc tạo nên vùng biến dạng thứ hai trên phoi. Tuy nhiên, các hình ảnh bề mặt cho thấy hiện tƣợng biến dạng dẻo bề mặt do cào xƣớc theo hƣớng thoát phoi gây mòn tạo nên mặt trƣớc phụ với góc trƣớc phụ âm.
Vùng hai là vùng dính của vật liệu gia công với mức độ tăng dần về phía vùng thoát phoi khỏi mặt trƣớc.
Vùng ba vật liệu gia công dính nhiều trên mặt trƣớc với các vết trƣợt của vật liệu phôi, đây là vùng ma sát thông thƣờng với hệ số ma sát f = const phù hợp với mô hình của Zorev[12].
CHƢƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 4.1 Kết luận chung.
Với nội dung “nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ cắt tới chất lƣợng bề mặt khi tiện tinh thép 9XC bằng dao hợp kim cứng phủ CVD” qua bốn chƣơng đề tài đã giải quyết đƣợc các vấn đề sau:
- Đã triển khai thành công kỹ thuật tiện cứng thép 90CrSi; độ cứng HRC > 52; độ nhám Ra < 1.25 μm; không sử dụng DDTN.
- Đề tài đã đánh giá đƣợc ảnh hƣởng của vận tốc cắt và lƣợng chạy dao đến chất lƣợng bề mặt thép 9XC khi tiện bằng dao hợp kim cứng phủ TiAlN.
- Đánh giá đƣợc ảnh hƣởng của vận tốc cắt và lƣợng chạy dao đến mòn mặt trƣớc của dụng cụ cắt phủ TiAlN thông qua ảnh chụp mòn dao và phân tích EDX dƣới kính hiển vi điện tử.
- Tìm đƣợc mối liên hệ giữa lƣợng mòn mặt trƣớc dụng cụ (U) và nhám bề mặt của chi tiết (Ra) sau gia công với kết quả:
) 053 , 0 ln 21 , 0 ( 098 , 0 6636 , 0 V S V Ra ) 53 , 0 ln 15 , 0 ( 26 , 0 03 . 120 V S V U
4.2. Hƣớng nghiên cứu tiếp theo của đề tài
Kết quả nghiên cứu của đề tài chỉ dừng ở một chế độ công nghệ, một loại dụng cụ cắt, một loại vật liệu và một chiều sâu cắt nhất định. Vì vậy cần tiến hành thí nghiệm một cách tổng quan hơn để tìm ra các quy luật rộng hơn trong cơ chế mòn phần cắt của dao và chất lƣợng bề mặt phôi.
Nghiên cứu ảnh hƣởng của hình dạng lƣỡi cắt đến chất lƣợng bề mặt và mòn dụng cụ.
Nghiên cứu ảnh hƣởng của lực cắt đến chất lƣợng bề mặt và tuổi bền dụng cụ. Nghiên cứu triển khai đề tài trên trung tâm CNC hiện đại hơn, tối ƣu hóa nhiều mục tiêu hơn (Hạ giá thành sản phẩm, nâng cao tuổi bền dao, đánh giá chiều sâu lớp trắng, vật liệu làm dao) để có thể có công bố trên tạp chí có uy tín.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Trần Hữu Đà, Nguyễn Văn Hùng, Cao Thanh Long (1998), “Cơ sở chất lượng quá
trình cắt”, Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
[2]. Phan Quang Thế (2002), Luận án Tiến sĩ. “Nghiên cứu khả năng làm việc của
dụng cụ thép gió phủ dùng cắt thép cacbon trung bình”, Trƣờng Đại học Bách
khoa Hà Nội.
[3]. Trần Văn Địch, Nguyễn Trọng Bình, Nguyễn Thế Đạt, Nguyễn Viết
Tiếp, Trần Xuân Việt (2003), “Công nghệ chế tạo máy”, NXB Khoa học và kỹ thuật.
[4]. . (2001), Nguyên Lý Gia công vật
liệu, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[5]. Trần Thế Lục (1988). “Giáo trình mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt”, Khoa cơ khí - Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội.
[6]. PGS.TS Phan Quang Thế, Th.S Nguyễn Thị Quốc Dung (2008). “Tương tác ma sát giữa phoi và mặt trước của dao gắn mảnh PCBN khi tiện tinh thép 9XC qua
tôi”. Tạp chí khoa học và công nghệ các trƣờng đại học (60).
[7].PGS.TS Phan Quang Thế, Th.S Nguyễn Thị Quốc Dung (2008). “Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến mòn và cơ chế mòn dụng cụ gắn mảnh PCBN khi tiện tinh thép 9XC qua tôi”. Tạp chí khoa học và công nghệ các trƣờng đại học (62).
[8]. Nguyễn Mạnh Cƣờng(2007). “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt gia công khi tiện tinh thép X12M qua tôi bằng dao gắn mảnh PCBN”. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành công nghệ chế tạo máy.Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên.
[9] Hoàng Văn Vinh “Nghiên cứu mối quan hệ giữa chế độ cắt và tuổi bền dụng cụ hủ TiAlN khi tiện tinh thép không gỉ SUS201” Luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành công nghệ chế tạo máy.Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên.
[10] Nguyễn Thị Quốc Dung (2012), Luận án Tiến sĩ. “Nghiên cứu quá trình tiện tinh thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN” Trƣờng Đại học kỹ thuât công nghiệp Thái Nguyên.
[11]. X.L. Liu, D.H. Wen, Z.J. Li, L.Xiao, F.G. Yan. Cutting temperature and tool wear
of hard turning hardened bearing steel. Journal of Materials Processing
Technology 129 (2002) 200 – 2006.
[12]. Zorev N.N. (1963), Interrelationship between shear processes occurring along tool face and on shear plane in metal cutting, International research
in production engineering, The American Society of mechanical Engineers,
New York, pp. 48-67.
[13]. Abdullah Kurt, Ulvi Seker. The effect of chamfer angle of polycrystalline cubic boron nitride cutting tool on the cutting forces and the tool stresses in finishing
hard turning of AISI 52100 steel. Materials and Design 26(2005) 351 – 356.
[14].Tug˘rul O¨ zel*, Yig˘it Karpat. Predictive modeling of surface roughness and tool
wear in hard turning using regression and neural networks.International Journal
of Machine Tools & Manufacture 45 (2005) 467–479.
[15]. G. Poulachon , A. Moisan , I.S.Jawahir. Tool-wearmechanisms in hardturning with polycrystalline cubic boronnitride tools. Wear 250 (2001) 576–586.
[16]. Y. Kevin Chou , Chris J. Evans. Cubic boron nitride tool wear in interrupted hard
cutting. Wear 225–229 (1999) 234–245
[17]. Patrik Dahlman, Fredrik Gunnberg, Michael Jacobson, The influence of rake angle, cutting feed and cutting depth on residual stresses in hard turning. Journal of Materials Processing Technology 147 (2004) 181 – 184.
[18]. Meng Liua, Jun – ichiro Takagia, Akira Tsukudab, Effect of tool nose radius and tool wear on residual stress distribution in hard turning of bearing steel, Journal of Materials Processing Technology 150 (2004), 234 – 241.
[19]. Tugrul Ozel, Tsu-Kong Hsu, Erol Zeren (11August 2004). Effects of cutting edge geometry, workpiece hardness, feed rate and cutting speed on surface roughness
and forces in finish turning of hardened AISI H13 steel. ORIGINALARTICLE.
[20]. H A Kishawy and M A Elbestawi. Tool wear and surface integrity
during high-speed turning of hardened steel with polycrystalline cubic boron nitride
tools. Intelligent Machines and Manufacturing Research Centre, McMaster
University, Hamilton, Ontario, Canada (755 - 767)
[21]. Jiang Hua, Rajiv Shivpuri, Xiaomin Cheng, Vikram Bedekar, Yoichi
Masumoto, Fukuo Hashimoto, Thomas R. Watkins. Effect of feed rate, workpiecehardness and cutting edge on subsurface residual stress in the hard
turning of bearing steel using chamfer + hone cutting edge geometry. Materials
Science and Engineering A394 (2005) 238 – 248.
[22]. Trent E.M. and Wright P.K. (2000), Metal Cutting, Butterworth- Heinemann, USA.
