1.3.2.1. Nhiệt sinh ra trong vựng biến dạng thứ nhất
Theo Trent thỡ phần lớn cụng suất sinh ra trong vựng biến dạng thứ nhất biến thành nhiệt [5]. Tốc độ nhiệt trong vựng biến dạng thứ nhất cú thể tớnh gần đỳng trờn mặt phẳng cắt theo cụng thức: dW Q1 kAB.A VS. S dt = = (1-15) Trong đú: Qphoi Qphụi Qdao Qmụi trường
Hỡnh vẽ 1.11. Tỷ lệ % nhiệt truyền vào phoi, phụi, dao và mụi trường phụ thuộc vào vận tốc cắt [1]
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn - kAB là ứng suất cắt trung bỡnh trong miền biến dạng thứ nhất - AS là diện tớch của mặt phẳng cắt, 1. sin S t b A = Φ - VS là vận tốc của vật liệu cắt trờn mặt phẳng cắt os os( - ) S C c V V c γ γ = Φ
Tuy nhiờn chỉ một phần nhiệt β.Q1 truyền vào phụi, phần cũn lại (1-β)Q1
truyền vào thể tớch AS.Vn của phoi tạo ra sự tăng nhiệt độ ∆T trong vựng biến dạng thứ nhất. β cú thể lớn đến 50% khi tốc độ thoỏt phoi thể tớch thấp, vật liệu cắt cú hệ số dẫn nhiệt cao. Khi tốc độ thoỏt phoi thể tớch cao thỡ β được xỏc định bằng đồ thị thực nghiệm của Boothroyd thụng qua hệ số nhi ệt
1. . .c . . .c T t c V t R k ρ
= như trờn hỡnh 1.12. Trong đú kt là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu gia cụng. t 1 . ( os -F sin ) os (1 ) (1 ) . . .c.t os( - ) AB S C n k V F c c T c V bc γ β β ρ ρ γ Φ Φ ∆ = − = − Φ (1-16)
Phần lớn nhiệt sinh ra trong vựng biến dạng thứ nhất truyền vào phụi và bị mang đi theo phoi mà khụng truyền vào dụng cụ do nhiệt độ trờn mặt trước cao hơn hẳn nhiệt độ trong vựng tạo phoi [5].
Hỡnh vẽ 1.12.Đường cong thực nghiệm của Boothroyd để xỏc định tỷ lệ nhiệt (β) truyền vào phụi [5]
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
1.3.2.2. Nhiệt sinh trờn mặt trước (QAC)
Qua cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu [5], [20], [22], [21] cho thấy rằng nhiệt sinh ra trờn mặt trước của dụng cụ do ma sỏt giữa phoi , mặt trước và biến dạng dẻo của cỏc lớp phoi sỏt mặt trước (vựng biến dạng thứ hai) sinh ra. Theo Jun và Smith [23] thỡ nhiệt sinh ra trờn mặt trước chỉ vào khoảng 20% tổng số nhiệt sinh ra trong quỏ trỡnh cắt, nhưng khoảng 50% lượng nhiệt này truyền vào dao và cú ảnh hưởng quyết định đến tuổi bền của nú.
Cho đến nay bản chất tương tỏc ma sỏt trờn mặt trước và quy luật chuyển động của lớp phoi dưới cựng cũn cú nhiều tranh cói nờn chưa cú một cụng thức duy nhất để tớnh tốc độ sinh nhiệt trờn mặt trước [3]. Vớ dụ, theo Trent thỡ nhiệt sinh ra do ma sỏt trượt của phoi với mặt trước là khụng đỏng kể, mà biến dạng dẻo với mức độ lớn và tốc độ cao của cỏc lớp phoi gần mặt trước là nguồn nhiệt chớnh sinh ra nhiệt độ cao trong dao [5]. ễng đó đưa ra cụng thức để tớnh nhiệt độ phõn bố trờn mặt trước theo phương thoỏt phoi như sau:
2 / 1 . . . . . 2 ) 0 , ( = p t m s V K x c x T π ρ δ γ τ (1-17)
Nhưng Tay, Li và cỏc đồng nghiệp lại cho rằng phần nhiệt sinh ra do ma sỏt của phoi trờn mặt trước là đỏng kể và đưa ra cỏc cụng thức tớnh tốc độ sinh nhiệt riờng (q2) khỏc nhau dựa trờn cỏc mụ hỡnh khỏc nhau về mụ hỡnh ứng suất và phõn bố vận tốc của lớp phoi dưới cựng trờn mặt trước [24], [21].
1.3.2.3. Nhiệt sinh trờn mặt tiếp xỳc giữa mặt sau và bề mặt gia cụng
(QAD)
Nhiệt sinh ra trờn mặt sau của dụng cụ chỉ cú ảnh hưởng đỏng kể đến nhiệt độ phỏt triển trong dao khi lượng mũn mặt sau đủ lớn. Do bề mặt mũn mặt sau được coi là phẳng nờn ứng suất trờn mặt tiếp xỳc coi như phõn bố đều. Haris đó xỏc định được quan hệ của ∆Fc và ∆Ft trong mặt cắt trực giao và được đề cập trong cụng trỡnh của Li như sau:
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn c cf c ave c c c ΔF F -F VB = =K F F t t tf t ave t t t ΔF F -F VB = =K F F t (1-18)
Hỡnh vẽ 1.13. Sơ đồ phõn bố ứng suất trờn mặt sau mũn
Trong đú: ∆Fc và ∆Ft là lực phỏp tuyến và lực tiếp tuyến với mặt sau, Fcf
và Ftf là lực cắt khi dao mũn, VBave là chiều cao mũn trung bỡnh, t là chiều sõu cắt (hỡnh vẽ 1.13). Hệ số ma sỏt trờn mặt sau được xỏc định bằng cụng thức: c c f t t K F μ = . K F (1-19) Với Kc và Kt là cỏc hệ số thực nghiệm. Tốc độ sinh nhiệt q3 trờn mặt sau là: q =0,0671.V .F3 c c 1
t.b (1-20)
Nhiệt từ ba nguồn trờn là nguyờn nhõn làm tăng nhiệt độ trong dao, giảm độ cứng núng của vật liệu gia cụng vỡ thế xỏc định trường nhiệt độ trong dụng cụ cú ý nghĩa rất quan trọng. Cú thể xỏc định trường nhiệt độ này bằng thực nghiệm hoặc lý thuyết [3].
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
1.4. Kết luận
Quỏ trỡnh cắt trong tiện cứng là tổng hợp của nhiều yếu tố cụng nghệ. Chủ
yếu do nhiệt cắt, lực cắt dẫn tới mũn dụng cụ nhanh chúng, ảnh hưởng tới năng suất, chất lượng và giỏ thành sản phẩm.
Để cú thể đỏp ứng được yờu cầu trờn, lần lượt cỏc vật liệu dụng cụ mới ra đời như cỏc dao thộp giú, cỏc mảnh HKC, kim cương nhõn tạo, đặc biệt là mảnh Nitrit Bo. Đặc trưng là cỏc mảnh CBN, chỳng làm cho quỏ trỡnh vật lý diễn ra trong quỏ trỡnh cắt thộp cú độ cứng cao trở lờn đơn giản hơn, thậm chớ hầu hết khụng cần tới dung dịch trơn nguội.
Vậy bản chất vật lý của tiện cứng khụng khỏc nhiều tiện thụng thường. Tuy nhiờn người ta cố gắng chế tạo vật liệu dao, kết cấu mảnh, thụng số hỡnh học,...phự hợp nhất để giải phúng càng nhiều nhiệt cắt khỏi vựng cắt càng cú lợi cho tiện cứng.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chương 2
CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI TIỆN CỨNG
2.1. Khỏi niệm chung về lớp bề mặt
Chất lượng bề mặt là tập hợp nhiều tớnh chất quan trọng của lớp bề mặt,
như hỡnh dỏng lớp bề mặt, trạng thỏi, tớnh chất cơ lý của lớp bề mặt và khả năng phản ứng của chỳng đối với mụi trường làm việc.
Chất lượng chi tiết mỏy phụ thuộc vào phương phỏp và điều kiện gia
cụng cụ thể. Chất lượng bề mặt là mục tiờu chủ yếu cần đạt ở bước gia cụng tinh cỏc bề mặt chi tiết mỏy.
Lớp bề mặt chi tiết mỏy khỏc với lớp lừi về cấu trỳc kim loại, về tớnh chất cắt gọt và trạng thỏi biến cứng. Nguyờn nhõn của hiện tượng này là do quỏ trỡnh biến dạng dẻo lớp bề mặt. Mức độ và chiều sõu biến cứng bề mặt phụ thuộc vào nhiều yếu tố, cỏc yếu tố này cũng ảnh hưởng tới lực cắt và nhiệt cắt. Đối với cỏc bề mặt chịu tải trọng lớn cần đặc biệt chỳ ý tới tớnh cơ lý của lớp bề mặt.
Bề mặt là mặt phõn cỏch giữa hai mụi trường khỏc nhau. Bề mặt kim loại cú thể được tạo thành bằng cỏc phương phỏp gia cụng khỏc nhau nờn cú cấu trỳc và đặc tớnh khỏc nhau. Để xỏc định đặc trưng của bề mặt ta cần biết mụ hỡnh và định luật kim loại nguyờn chất – khụng cú tương tỏc với cỏc mụi trường khỏc và sự khỏc nhau về sự sắp xếp cỏc nguyờn tử, tỏc dụng của lực trờn bề mặt so với bờn trong. Sau đú nghiờn cứu sự thay đổi của lớp bề mặt do tỏc dụng của mụi trường để thiết lập khỏi niệm mụ hỡnh bề mặt thực.
Nhiều tớnh chất khối của vật liệu cú quan hệ đến bề mặt ở mức độ khỏc nhau. Thường cỏc tớnh chất lý, húa của cỏc lớp bề mặt là quan trọng, tuy nhiờn cỏc đặc trưng cơ học như độ c ứng và phõn bố ứng suất trong lớp này cũng cần được quan tõm [3].
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.2. Bản chất của lớp bề mặt
Bề mặt vật rắn hay chớnh xỏc là một mặt phõn cỏch rắn - khớ hay rắn - lỏng, cú cấu trỳc và tớnh chất phức tạp phụ thuộc vào bản chất của chất rắn, phương phỏp tạo nờn bề mặt đú và tương tỏc giữa bề mặt đú với mụi trường xung quanh.
Cỏc tớnh chất của bề mặt vật rắn rất quan trọng đối với tương tỏc bề mặt, bởi vỡ cỏc tớnh chất bề mặt ảnh hưởng trực tiếp tới diện tớch tiếp xỳc thực, ma sỏt, mũn và bụi trơn. Hơn nữa cỏc tớnh chất bề mặt cũn đúng vai trũ quang trọng trong cỏc ứng dụng khỏc nhau như: quang học, điện, nhiệt, sơn và trang trớ... Bề mặt vật rắn, bản thõn nú bao gồm vài vựng cú tớnh chất cơ, lý khỏc nhau với vật liệu khối bờn trong đú là lớp hấp thụ vật lý, hoỏ học, lớp tương tỏc hoỏ học, lớp Beilbly, lớp biến dạng khốc liệt, lớp biến dạng nhẹ và cuối cựng là lớp vật liệu nền [3].
Hỡnh vẽ 2.1. Chi tiết bề mặt vật rắn
2.3. Tớnh chất lý hoỏ của lớp bề mặt
2.3.1. Lớp biến dạng
Dưới tỏc động của quỏ trỡnh tạo hỡnh cỏc tớnh chất của lớp bề mặt kim loại, hợp kim hay ceramics cú thể thay đổi đỏng kể so với vật liệu khối bờn trong. Vớ dụ trong quỏ trỡnh ma sỏt giữa hai bề mặt sau khi gia cụng c ơ, cỏc lớp bề mặt dưới tỏc động của lực và nhiệt độ sẽ bị biến dạng dẻo, lớp biến
Lớp hấp thụ vật lý (0,3ữ3nm) Lớp hấp thụ hoá học (0,3nm) Lớp phản ứng hoá học (10ữ100nm) Lớp Beilbly (1ữ100nm) Lớp biến dạng khốc liệt (1ữ10àm) Lớp biến dạng ít(1ữ10àm) Vật liệu cơ bản
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
dạng này cũn gọi là lớp biến dạng cứng là một bộ phận quan trọng của vựng bề mặt. Ứng suất dư trong lớp biến dạng dẻo cú thể cú thể ảnh hưởng tới sự làm việc ổn định cũng như kớch thước chi tiết.
Chiều dày của lớp biến dạng dẻo phụ thuộc vào hai yếu tố: cụng hoặc năng lượng của quỏ trỡnh biến dạng và bản chất của vật liệu. Chiều dày của lớp này thường từ 1 - 100àm tuỳ theo mức độ biến dạng cũng như tốc độ biến dạng. Kớch thước hạt trong cỏc lớp biến dạng dẻo này thường rất nhỏ do bị biến dạng với tốc độ cao kốm theo quỏ trỡnh kết tinh lại. Hơn nữa cỏc tinh thể và hạt tại bề mặt tiếp xỳc chung tự định hướng lại trong quỏ trỡnh trượt giữa hai bề mặt [3].
2.3.2. Lớp Beilbly
Lớp Beilbly trờn bề mặt kim loại là hợp kim được tạo nờn do sự chảy và biến dạng dẻo bề mặt, do biến dạng và tốc độ biến dạng lớn của cỏc lớp phõn tử bề mặt trong quỏ trỡnh gia cụng cơ, sau đú cứng lờn nhờ quỏ trỡnh tụi do nền vật liệu khối cú nhiệt độ thấp. Lớp Beilbly cú cấu trỳc vụ định hỡnh hoặc đa tinh thể với chi ều dày từ 1 - 100àm. Cỏc nguyờn cụng gia cụng như mài nghiền, đỏnh búng cú thể giảm chiều dày của lớp này.
2.3.3. Lớp tương tỏc húa học
Trừ một số cỏc kim loại hiếm như vàng và bạch kim, tất cả cỏc kim loại đều phản ứng với ụxy để tạo nờn oxides trong khụng khớ. Trong cỏc mụi trường khỏc chỳng cú thể tạo nờn cỏc lớp nitrides sulfides hay chlorides.
Lớp ụxy húa cú thể tạo thành trong quỏ trỡnh gia cụng cơ hay ma sỏt. Nhiệt sinh ra trong cỏc quỏ trỡnh tạo hỡnh hoặc ma sỏt làm tăng tốc độ ụxy húa và tạo nờn nhiều loại ụxit khỏc nhau. Khi cặp đụi ma sỏt hoạt động trong khụng khớ phản ứng cú thể xảy ra giữa cỏc lớp ụxit của hai bề mặt. Sự tồn tại của chất bụi trơn và chất phụ gia cú thể tạo nờn cỏc lớp ụxits bảo vệ bề mặt quan trọng.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Lớp ụxy húa cú thể gồm một hay nhiều lớp thành phần. Sắt cú thể tạo thành ụxớt sắt với hỗn hợp cỏc ụxớt Fe3O4, Fe2O3 và lớp FeO trong cựng. Với hợp kim, lớp ụxớt bề mặt cú thể là hỗn hợp của một vài ụxớt, một số ụxớt cú tỏc dụng bảo vệ khụng cho quỏ trỡnh ụxy húa tiếp tục xảy ra như trờn bề mặt của nhụm và titan.
2.3.4. Lớp hấp thụ húa học
Bờn ngoài lớp tương tỏc hoỏ học, cỏc lớp hấp thụ cú thể hỡnh thành trờn cả bề mặt kim loại và ỏ kim. Lớp hấp thụ hoỏ học được hỡnh thành trờn cơ sở sử dụng chung cỏc electrons, hoặc trao đổi cỏc electrons giữa cỏc lớp hấp thụ và bề mặt vật rắn. Trong lớp này tồn tại liờn kết rất mạnh giữa bề mặt chất rắn và chất hấp thụ thụng qua liờn kết cộng hoỏ trị, vỡ thế để làm sạch lớp này cần cú một năng lượng tương ứng với năng lượng tạo nờn liờn kết hoỏ học (10 ữ
100 Kcal/mol). Năng lượng này phụ thuộc vào cả tớnh chất hoỏ học của bề mặt vật rắn và cỏc tớnh chất hấp thụ.
2.3.5. Lớp hấp thụ vật lý
Bờn ngoài lớp hấp thụ hoỏ học là lớp hấp thụ vật lý, chủ yếu là cỏc phần tử hơi nước, oxy và hyđrụ cacbon trong khụng khớ tồn tại dưới dạng đơn hoặc đa phõn tử với chiều dày khoảng 3nm. Cỏc lớp màng dầu mỡ trờn bề mặt cũng thuộc loại lớp hấp thụ vật lý. Ở đõy khụng tồn tại việc dựng chung hoặc trao đổi electrons giữa cỏc phõn tử vật rắn và chất hấp thụ. Quỏ trỡnh hấp thụ vật lý liờn quan đến lực Vander Woals. Cỏc lực này rất yếu so với lực tương tỏc trong khụng khớ trơ ở trạng thỏi lỏng. Để làm sạch cỏc lớp hấp thụ này cần rất ớt năng lượng (1 ữ 2 Kcal/mol) hơn nữa trong mụi tr ường chõn khụng cao (khoảng 10-8
Pa) lớp này khụng tồn tại trờn cỏc bề mặt cỏc chất rắn.
Cú bốn tiờu chuẩn để phõn biệt lớp hấp thụ hoỏ học và vật lý là: lượng nhiệt cần cho hấp thụ, khoảng nhiệt độ cần thiết cho hấp thụ, năng lượng hoạt tớnh, tớnh chất và chiều dày của lớp hấp thụ.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.4. Cỏc chỉ tiờu đỏnh giỏ chất lượng bề mặt khi tiện cứng