Mòn và tuổi bền của dụng cụ

2.4.1. Bản chất vật lý của quá trình cắt

2.4.1.1. Cơ chế tạo phoi

Quá trình cắt kim loại thực chất là sử dụng dụng cụ hình chêm để hớt đi một lớp kim loại từ phôi. Tác dụng lực cắt sinh ra từ dụng cụ sẽ tạo ra bề mặt gia công và phoi.

Quá trình tạo phoi được phân tích bao gồm:

- Vùng 1: Vùng biến dạng thứ nhất là vùng vật liệu nằm trước mũi dao được giới hạn giữa vùng vật liệu phoi và vật liệu phôi. Dưới tác dụng của lực tác động trong vùng này xuất hiện biến dạng dẻo (còn gọi là vùng biến dạng thứ nhất). 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. Trong qúa trình cắt, vùng tạo phoi 1 luôn di chuyển cùng với dao.

- Vùng 2: Vùng ma sát thứ nhất là vùng vật liệu phoi tiếp xúc với mặt trước của dao.

- Vùng 3: Vùng ma sát thứ hai là vùng vật liệu phoi tiếp xúc với mặt sau của dao.

- Vùng 4: Vùng tách là vùng bắt đầu quá trình tách kim loại khỏi phôi để hình thành phoi.

Muốn tạo ra phoi phải tác động lên phôi thông qua dụng cụ cắt một lực chủ động nhằm:

- Tạo ra trong kim loại ở vùng biến dạng dẻo thứ nhất ứng suất vượt quá giới hạn bền của vật liệu gia công.

- Thắng được lực cản ma sát xuất hiện do sự biến dạng của bản thân vật liệu cũng như giữa vật liệu với các mặt phẳng của dao.

2.4.1.2. Ma sát trong quá trình cắt kim loại

Lực ma sát xuất hiện trong mặt phẳng trượt do sự trượt của lớp vật liệu tách ra để tạo thành phoi. Lực ma sát xuất hiện do sự chuyển động tương đối giữa lớp vật liệu mặt sau của phoi với mặt trước của dao cũng như do ma sát tiếp xúc giữa vật liệu phôi với mặt sau của dao trong mặt phẳng cắt.

Đặc tính tiếp xúc của cặp ma sát dao với phoi và dao với phôi là cặp ma sát của hai bề mặt luôn luôn mới. Ta biết rằng trong gia công cắt gọt thì phoi và bề mặt gia công liên tục được tạo ra và chúng trượt trên mặt trước và mặt sau của dao. Do vậy dạng tiếp xúc trong vùng tạo phoi luôn ổn định.

Hình 26: Vùng tiếp xúc ma sát giữa dao và chi tiết gia công 2.4.1.3. Lực tác dụng lên mặt trước và mặt sau của dụng cụ

Khi cắt phoi tác dụng lên mặt trước sinh ra lực pháp tuyến N, phoi chuyển động trên mặt trước sinh ra lực ma sát:

F1 = 1.N1

Trong đó: 1 là hệ số ma sát trung bình trên mặt sau.

Hướng của lực ma sát F1 trung với quỹ đạo chuyển động. Lực tác dụng lên mặt sau gọi là lực bị động R2.

Hình 27: Lực tác dụng lên mặt trước và mặt sau của dụng cụ

Tổng hình học của lực N, F, N1, F1 là lực tác dụng lên dụng cụ cắt, lực cắt P. P = N + N1 + F + F1

Lực ma sát F trên mặt trước có thể thành lực pháp tuyến với lưỡi cắt FN và lực có hướng dọc theo lưỡi cắt FT do đó:

P = N = N + N1 + FN + FT + F1

Trị số lực P và vị trí của nó trong không gian được xác định bằng trị số và tỷ lệ các lực pháp tuyến và lực ma sát mà những lực này phụ thuộc vào các thông số hình học của dụng cụ cắt cũng như chế độ cắt. Theo các phương x, y, z ta có:

P = 2 2 2 z y x P P P Trong đó: Pz = Nyz . cos + Ft . sin + F1 Nyz = FN . sin + N . cos FN = F . cos Ft = F . sin 2.4.2. Mòn dụng cụ

2.4.2.1. Khái niệm chung về mòn

Mòn là hiện tượng phá huỷ bề mặt và sự tách vật liệu từ một hoặc cả hai bề mặt trong chuyển động trượt, lăn hoặc va chạm tương đối với nhau. Eyre và Davis định nghĩa mòn liên quan đến về khối lượng hoặc thể tích, dẫn đến sự thay đổi vượt quá giới hạn cho phép về hình dạng hoặc topography của bề mặt. Nói chung mòn xảy ra do sự tương tác của các nhấp nhô bề mặt. Trong quá trình chuyển động tương đối, đầu tiên vật liệu trên bề mặt tiếp xúc có thể bị biến dạng do ứng suất ở đỉnh các nhấp nhô vượt quá giới hạn dẻo, nhưng chỉ một phần rất nhỏ hoặc không một chút vật liệu nào tách ra, sau đó vật liệu bị tách ra từ bề mặt dính sang bề mặt đối tiếp hoặc tách ra thành những hạt mài rời. Trong trường hợp vật liệu chỉ dính từ bề mặt này sang bề mặt khác, thể tích hay khối lượng mòn ở vùng tiếp xúc chung dựa trên sự mất mát của vật liệu, nhưng sự phá huỷ của vật liệu do biến dạng mà không kèm theo sự thay đổi về khối lượng hoặc thể tích của vật liệu cũng là một dạng mòn.

Giống như ma sát, mòn không phải là do tính chất của vật liệu mà là sự phản ứng của một hệ thống, các điều kiện vận hành sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến mòn ở bề mặt tiếp xúc chung. Sai lầm đôi khi cho rằng ma sát lớn trên bề mặt tiếp xúc chung là nguyên nhân mòn với tốc độ cao.

Trong hầu hết các quá trình cắt kim loại, khả năng cắt của dụng cụ sẽ giảm dần đến một lúc nào đó dụng cụ sẽ không tiếp tục cắt được do mòn hoặc hỏng hoàn toàn. Theo Shanshal và Dygdale mòn dụng cụ là chỉ tiêu đánh giá khả năng làm việc của dụng cụ bởi vì nó hạn chế tuổi bền của dụng cụ. Mòn dụng cụ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công, chất lượng bề mặt và toàn bộ khía cạnh kinh tế của quá trình gia công. Konig cho rằng sự phát triển và tìm kiếm những vật liệu dụng cụ mới cũng như các biện pháp công nghệ mới để tăng bền bề mặt như phủ bay hơi chính là nhằm tăng khả năng chống mòn của dụng cụ.

2.4.2.2. Các cơ chế mòn của hai bề mặt trượt tương đối

Theo Eyer và Davis ma sát và mòn không phải là tính chất thuộc tính của vật liệu mà phụ thuộc vào hệ kỹ thuật trong đó chúng được sử dụng. Ma sát và mòn không hoàn toàn phụ thuộc vào nhau vì ma sát sinh ra do tương tác giữa các nhấp nhô bề mặt có liên quan đến các quá trình cơ, hoá và lý còn mòn lại xảy ra do sự nứt tách trong lòng vật liệu cách bề mặt ma sát một khoảng nào đó. Theo Biswas sự hình thành các hạt mài và hợp chất trong một hệ ma sát, mòn và bôi trơn bắt đầu từ hai quá trình, tương tác về ứng suất và tương tác về vật liệu. Tương tác về ứng suất là tác động tổng hợp của tải trọng và lực ma sát tạo nên các cơ chế mòn như mỏi và mòn bằng hạt mài. Tương tác về vật liệu là tương tác giữa các nguyên tử, phân tử giữa các vật thể hoặc tương tác giữa chúng với môi trường tạo nên các cơ chế mòn liên quan đến tác dụng hoá, lý và dính. Các cơ chế mòn chính thường gặp trong kỹ thuật là mòn do dính, mòn do mỏi, mòn do hạt mài và mòn do tác dụng hoá lý.

Theo Shaw mòn dụng cụ có thể do dính, hạt mài, khuếch tán, ôxy hoá và mỏi. Các cơ chế mòn này xảy ra đồng thời trong quá trình cắt, tuy nhiên tuỳ theo điều kiện cắt cụ thể mà một cơ chế nào đó chiếm ưu thế. Ngoài ra dụng cụ còn bị phá huỷ do mẻ dăm, nứt và biến dạng dẻo.

Theo Loffer, trong cắt kim loại nhiệt độ cắt hay vận tốc cắt là nhân tố có ảnh hưởng mạnh nhất đến sự tồn tại của các cơ chế mòn phá huỷ. Ở dải vận tốc cắt thấp và trung bình, cơ chế mòn do dính và do hạt mài chiếm ưu thế cho cắt liên tục và gián đoạn. Khi tăng vận tốc cắt, mòn do hạt mài và hoá lý trở lên chiếm ưu thế đối

với cắt liên tục và tạo nên vùng mòn mặt trước. Sự hình thành các vết nứt do ứng suất nhiệt biến đổi theo chu kỳ là cơ chế mòn chủ yếu dẫn đến vỡ lưỡi cắt khi cắt không liên tục.

* Mòn do dính

Khi hai bề mặt tiếp xúc với nhau, đỉnh các nhấp nhô sẽ bị biến dạng dẻo dưới tác dụng của ứng suất pháp. Khi hai bề mặt chuyển động tương đối với nhau lớp màng mỏng ôxy hoá và hấp thụ bị phá vỡ và vật liệu ở đỉnh các nhấp nhô tiếp xúc trực tiếp gây dính.

Có giả thiết, nếu sức bền dính đủ lớn để cản trở chuyển động trượt tương đối, một vùng của vật liệu sẽ bị biến dạng dưới tác tác dụng của ứng suất nén và tiếp là sự trượt xảy ra mạnh dọc theo các mặt phẳng trượt này tạo thành các mảnh mòn dạng lá mỏng. Nếu biến dạng dẻo xảy ra trên diện rộng ở vùng tiếp xúc đôi khi mảnh mòn sinh ra có dạng như hình nêm và dính sang bề mặt đối tiếp.

Đối với dụng cụ cắt mòn do dính phát triển đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ cao. Các vùng dính bị trượt cắt và tái tạo liên tục theo chu kỳ thậm chí trong khoảng thời gian cắt ngắn, hiện tượng mòn có thể gọi là dính mỏi. Khả năng chống mòn dính mỏi phụ thuộc vào sức bền tế vi của các lớp bề mặt dụng cụ và cường độ dính của nó đối với bề mặt gia công. Cường độ này được đặc trưng bởi hệ số cường độ dính Ka là tỷ số giữa lực dính riêng và sức bền của vật liệu gia công tại một nhiệt độ xác định. Với đa số các cặp vật liệu thì Ka tăng từ 0,25 đến 1 trong khoảng nhiệt độ từ 9000C đến 13000C. Bản chất phá huỷ vật liệu ở các lớp bề mặt do dính mỏi là cả dẻo và giòn. Độ cứng của dụng cụ đóng vai trò rất quan trọng trong cơ chế mòn do dính. Khi tăng tỷ số độ cứng giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công từ 1,47 đến 4,3 thì mòn do dính giảm đi khoảng 300 lần.

Dao thép gió bị biến dạng dẻo mạnh dưới tác dụng của ứng suất tiếp trên vùng mòn mặt trước ở nhiệt độ khoảng 9000C. Khi mặt trước của phoi dính chặt vào mặt trước thì ứng suất tiếp cần thiết để tạo ra sự trượt của các lớp phoi bị biến cứng cũng đủ để gây ra sự trượt trong các lớp vật liệu dụng cụ trong vùng mòn gây ra mòn dính.

Loladze và Rabinowicz cho rằng khi hai bề mặt làm từ vật liệu khác nhau trượt tương đối với nhau các mảnh mòn của vật liệu cứng hơn cũng bị tách ra khỏi vùng bề mặt. Nguyên nhân do sự dính ngẫu nhiên của vùng bề mặt có sức bền bị giảm cục bộ với vùng bề mặt có sức bền cao cục bộ của vật liệu mềm. Archard đã đưa ra mô hình tính toán mòn dính theo công thức sau:

Q = k. o 3

W

Trong đó: Q là lượng mòn trên một đơn vị chiều dài quãng đường trượt [khối lượng/chiều dài].

k là xác suất của một tiếp xúc tạo ra một hạt mòn. o là giới hạn bền của vật liệu mềm hơn.

Halling đã chỉ ra công thức tính mòn dính khi kể đến ảnh hưởng lớp màng mỏng tạp chất của Rowe:

Q = km(1+ .f2)1/2. . o

3W W

Trong đó: km là hằng số do đôi kim loại trượt và không phụ thuộc vào tính chất của các lớp màng hoặc chất bôi trơn.

là hệ số kể đến mức độ khuyết tật của lớp màng, = r m A A . Am là diện tích tiếp xúc trực tiếp giữa kim loại và kim loại.

* Mòn do mỏi

Theo Bayer mòn do mỏi xảy ra vùng gần bề mặt do vật liệu chịu ứng suất biến đổi theo chu kỳ. Các vết nứt về mỏi xuất hiện, phát triển từ bề mặt và tự cắt nhau tạo nên các hạt mòn. Hiện tượng này xảy ra chủ yếu khi hai bề mặt lăn và va chạm đối với nhau. Halling cho rằng khí các đỉnh nhấp nhô không bị dính hoặc mòn do hạt mài thì sẽ bị biến dạng dẻo. Sau một số lần tiếp xúc đủ lớn nhấp nhô có thể bị phá huỷ do mỏi tạo nên hạt mòn. Lý thuyết mòn do dính không giải thích được tại sao các hạt mòn rời lại được tạo ra, đặc biệt là hạt mòn từ bề mặt cứng hơn. Nhưng

lại có thể giải thích bằng quá trình mòn do mỏi. Vì thế Armarego cho rằng hai cơ chế mòn do mỏi và dính đều là bộ phận của một quá trình mòn.

Theo Halling cho đến nay chưa có một lý thuyết thoả đáng nào về mỏi được đưa ra. Đối với phần lớn các vật liệu, biến dạng dẻo sinh ra trong mỗi chu kỳ có liện hệ đến số chu kỳ phá huỷ N theo phương trình của Kragelski: (

p fail

.2 2

)2 = N. Trong đó: p là độ lớn biến dạng dẻo trong một chu kỳ.

fail là biến dạng dẻo giới hạn để phá huỷ khi kéo. Halling cũng đề cập đến phương trình mỏi của Wohler như sau:

N = (

SSo So

)t

Trong đó: N là số chu kỳ phá huỷ tại ứng suất S.

So là ứng suất phá huỷ trong một chu kỳ ứng suất đơn. t là hằng số biến thiên từ 2 đến 20.

Các quan hệ giữa mòn và mỏi, tải trọng và sức bền vật liệu có khuynh hướng phi tuyến, vì thế không thể sử dụng hệ số mòn k như trong mòn do dính và hạt mài.

* Mòn do hạt mài

Trong nhiều trường hợp mòn bắt đầu do dính tạo nên các hạt mòn ở vùng tiếp xúc chung, các hạt mòn này sau đó bị ôxy hoá biến cứng và tích tụ lại là nguyên nhân tạo nên mòn hạt cứng ba vật, trong một số trường hợp hạt cứng sinh ra và đưa vào hệ thống trượt từ môi trường. Vật liệu tách khỏi bề mặt thông qua biến dạng dẻo trong quá trình mòn do cào xước có thể xảy ra theo vài chế độ.

Cày là hiện tượng tạo rãnh do hạt mài cứng trượt và gây ra biến dạng dẻo của vật liệu mềm hơn. Khi các nhấp nhô của bề mặt cứng và ráp hoặc các hạt cứng trượt trên bề mặt mềm hơn và phá huỷ bề mặt tiếp xúc chung bằng biến dạng dẻo hoặc nứt tách, trong trường hợp vật đối tiếp là vật liệu dẻo có độ dai va đập cao, đỉnh các nhấp nhô cứng hoặc các hạt cứng sẽ gây nên biến dạng dẻo của vật liệu mềm hơn trong cả trường hợp tải nhẹ nhất, trong trường hợp vật liệu giòn có độ dai va đập thấp mòn xảy ra do nứt tách.

Mòn dụng cụ cắt do hạt mài có nguồn gốc từ các tạp chất cứng trong vật liệu gia công như oxides và nitrides hoặc những hạt các bít của vật liệu gia công trong vùng tiếp xúc giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công tạo nên các vết cào xước trên bề mặt dụng cụ.

Môi trường xung quanh có ảnh hưởng lớn đến cường độ của mòn do hạt mài. Ví dụ: Khi gia công cắt gọt trong môi trường có tính hoá học mạnh, lớp bề mặt bị yếu đi và các hạt mài có thể cắm sâu hơn ở vùng tiếp xúc và tăng tốc độ mòn. Armerego cho rằng khả năng chống mòn do hạt mài tỷ lệ thuận với các tính chất đàn hồi và độ cứng của hai bề mặt ở chỗ tiếp xúc.

Hình 28: Sơ đồ thể hiện các khả năng tương tác của hạt mài với bề mặt của vật liệu, vết mòn và mặt cắt ngang của nó.

Theo Gahr khả năng chống mòn do hạt mài tăng mạnh hơn khi tăng độ cứng đối với kim loại nguyên chất so với thép được nhiệt luyện hoặc ceramics. Tuy nhiên khả năng chống mòn do hạt mài không tăng, thậm chí còn giảm khi tăng độ cứng của một số kim loại có khả năng biến cứng nguội lớn. Vì vậy độ cứng sau chế tạo