Theo Tren [11], lưỡi cắt của mảnh dao PCBN không bị biến dạng khi cắt. Mòn mặt trước và mặt sau là hai dạng mòn chủ yếu của dao tiện PCBN, mòn mặt trước bắt đầu từ rất gần lưỡi cắt trên vùng cạnh viền do lượng chạy dao nhỏ.
Hình 1.25: Sơ đồ mòn mặt trước và sau của mảnh dao PCBN trên mặt cắt ngang [15]
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 1.25 minh hoạ về mòn dao CBN khi gia công thép qua tôi. Từ hình 1.25 có thể thấy rằng khi gia công thép hợp kim qua tôi dao CBN bị mòn cả mặt trước và mặt sau [15].
Tuy nhiên theo các kết quả nghiên cứu Kishawy và Elbestawy [12] khi sử dụng dao tiện PCBN với γ = - 6o và α = 0o cho thấy hiện tượng biến dạng dẻo lưỡi cắt xuất hiện dọc theo lưỡi cắt xuất hiện dọc theo lưỡi cắt (hình 1.26). Khi tăng bán kính lưỡi cắt, mòn mặt sau tăng do tác dụng tăng thành phần lực cắt Py. Trái lại khi giảm bán kính lưỡi dao tuổi bền của dụng cụ tăng lên do tác dụng giảm thành phần lực cắt P y. Mòn mặt sau của dụng cụ với những rãnh trên mặt sau tương ứng với hai cạnh của phoi là dạng mòn chính [12].
Hình 1.26: Hình ảnh biến dạng dẻo lưỡi cắt [12]
(V = 250m/p, S = 0,1mm/v, t = 0,125mm, r = 3,2mm, lưỡi cạnh viền)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 1.27: Hình ảnh mòn mặt sau dao BZN 8100 và BZN6000 [13]
Trong nghiên cứu của Kevin và đồng nghiệp [13] sử dụng 2 loại mảnh dao CBN – H với chất liên kết là Co và CBN – L với chất liên kết là TiN và một lượng nhỏ Côban tiện thép AISI 52100 cho thấy mòn mặt sau tăng theo quy luật gần như tuyến tính với chiều dài cắt tuy nhiên tốc độ mòn mặt sau của dao CBN – H cao hơn. Mòn xuất hiện trên cả mặt trước và mặt sau, lớp đọng vật liệu gia công xuất hiện trên vùng mòn mặt sau của cả 2 loại mảnh dao. Lớp này mịn và đồng đều trên mặt sau của dao CBN – L, ráp và kèm theo các rãnh trên mặt sau của dao CBN – H. Hình ảnh các hạt CBN bị tách ra khỏi mảnh dao sau đã được ghi lại đặc biệt khi tăng vận tốc cắt. Nói chung dao CBN –L có khả năng chống mòn cao hơn CBN – H ở nhiệt độ cao( hình 1.27).
Powlachon và đồng nghiệp [15] đã chỉ ra rằng lớp đọng của vật liệu gia công trên mặt trước và sau của dụng cụ có tác dụng giảm mòn bởi vì lớp này có tác dụng như một lớp mạ trên bề mặt của dụng cụ làm giảm tác dụng cào xước của các hạt các bít. Tuy nhiên khi thành phần Al trong lớp đọng tăng lên thì mòn trên cả mặt trước và sau đều tăng. Zimmermann và đồng nghiệp [16]
đã chỉ ra rằng lớp đọng trên mặt sau cà mặt trước của dụng cụ CBN có chứa các hợp chất có sự tham gia của các nguyên tố có trong thành phần hoá học của dao và phôi. Nghiên cứu của các ông sử dụng dao CBN – L với chất dính kết TiC tiện thép tôi cứng bề mặt đã chứng tỏ tồn tại phản ứng giữa vật liệu dụng cụ, vật liệu gia công và ôxy trên mặt sau do ma sát tạo nên nhiệt độ cao và sự tồn tại áp suất lớn trong vùng này do lực Py gây nên. Trên vùng mòn mặt trước, nhiệt độ có thể vượt quá 800oC là tiền đề cho phản ứng h oá học xảy ra trong đó CBN hoà tan trong vùng phoi FeO. Phần còn lại giàu Ti trên mặt trước sẽ bị suy giảm độ cứng so với bên trong và bị bào mòn nhanh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
chóng. Cơ chế mòn mặt sau tuy chưa được khẳng định nhưng có thể khẳng định bị ảnh hưởng bởi phản ứng hoá học trong quá trình CBN bị hoà tan và tạo thành các hợp chất phức tạp (hình 1.28).
Hình 1.28: Vùng tương tác gi ữa vật liệu gia công và vật liệu dụng cụ [16].
Hình 1.29: Sơ đồ đơn giản về quá trình mòn dính trên vùng có lớp đọng của vật liệu gia công [13]
Phân tích EDX cho thấy vật liệu lớp đọng trên vùng mòn mặt sau chủ yếu là Fe và O2điều này chứng tỏ lớp đọng chủ yếu là ôxit của vật liệu phôi.
Lớp đọng trên mặt sau dao CBN – H có rất nhiều rãnh và dễ “ Remove” hơn lớp đọng dạng vảy trên dao CBN – L. Hiện tượng làm yếu liên kết của CBN với nền do mất Co chứng tỏ tương tác của vật liệu gia công với pha thứ 2 của dao CBN là nguyên nhân của mòn dao trên mặt sau. Theo nghiên cứu này thì
Líp FeO
Chất dính kết Hạt CBN Vùng tương
Pha dính kết Pha dính kết
Lớp đọng VLGC Bề mặt dao Dính Bề mặt dao
Hạt CBN Hạt CBN
Lỗ trống CBN
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
những phần hạt CBN bị tách ra khỏi vùng bề mặt là theo cơ chế chính của lớp đọng do mất liên kết. Vì thế mòn do dính tương tác với các lớp đọng vật liệu gia công dường như là cơ chế mòn chính, mặc dù mòn attrition ở thang vi mô cũng phát triển tới mức quan trọng (hình 1.29). Mòn mảnh dao BZN6000 chỉ ra khốc liệt hơn so với BZN 8100 là do mòn do cào xước phát triển thông qua cơ chế làm bật các hạt CBN. Các mảnh dao sử dụng chất dính kết khác nhau tạo nên các tương tác khác nhau với lớp đọng và từ đó tạo nên kiểu mòn riêng [13].
Khi gia công thép gió bằng dao PCBN chứa rất nhiều các hạt cácbit nhỏ và cứng, mòn dụng cụ chủ yếu xảy ra theo cơ chế mòn do cào xước (abrasion) và vì thế khả năng chống mòn của dụng cụ tăng theo hàm lượng PCBN có trong mảnh dao. Đối với mảnh dao PCBN hàm lượng PCBN th ấp khoảng 60% sẽ cho khả năng gia công rất tốt những loại thép không chứa nhiều hạt siêu cứng như thép hợp kim thấp, thép tôi cứng bề mặt, thép cácbon dụng cụ v.v…Nghiên cứu của Poulachon và đồng nghiệp [14] đã chỉ ra rằng: Cơ chế mòn chính của dụng cụ PCBN là abrasion gây ra bởi các hạt cácbít hợp kim cứng trong phôi. Tốc độ abrasion phụ thuộc vào bản chất của cácbít, kích cỡ và sự phân bố trong vật liệu gia công v.v…các vật liệu gia công khác nhau nhưng có độ cứng như nhau sẽ gây ra mòn dụng cụ với tốc độ và cơ chế khác nhau. Hơn nữa, mòn dụng cụ và cơ chế tạo phoi được chỉ ra bằng thực nghiệm rằng có tồn tại một sự tương đương giữa tốc độ cắt và độ cứng của vật liệu gia công. Việc lựa chọn hàm lượng của CBN và chất kết dính đóng vai trò quan trọng đối với tuổi bền của dụng cụ phụ thuộc vào tính chất của vật liệu gia công. Độ cứng của vật liệu gia công và sự tồn tại của các hạt cácbít trong vật liệu gia công là yếu tố quyết định cơ chế mòn dụng cụ phụ thuộc vào độ bền liên kết của các hạt CBN khi vật liệu g ia công có độ cứng <
50HRC hay abrasion của các hạt cácbít cứng trong phôi.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Khả năng mòn dao CBN theo cơ chế khuếch tán dường như thấp do nhiệt cắt không đủ lớn và các hạt CBN có tính trơ hoá học cao đối với sắt [14].
Cấu trúc tế vi của vật liệu gia công có ảnh hưởng nhiều tới mòn dụng cụ CBN. Khi gia công 4 loại vật liệu khác nhau: Thép vòng bi 100 Cr6 (AISI 52100), thép làm khuôn dập nguội X155CrMoV12 (AISI D2), thép làm khuôn dập nóng X38CRMoV5 (AISI H11) và thép làm khuôn dập nóng 35NiCrMo16 với cùng độ cứng 54HRC, cùng chế độ cắt bằng dao tiện CBN, Poulachon và đồng nghiệp [15] đã phát hiện ra rằng hai loại thép X155CrMoV12 và 100Cr6 tạo nên tốc độ mòn dao trên mặt sau cao hơn hẳn thép 35NiCrMo16 và X38CrMoV5. Cơ chế mòn chủ yếu trên mặt sau là mòn do cào xước (abrasion), với 2 loại thép đầu chủ yếu do các hạt cácbít cứng M7C3 (primary) và M7C3 (secondary) gây ra còn với 2 loại thép sau là do tác dụng của các hạt mactensit. Họ kết luận rằng hai loại thép tạo ra tốc độ mòn cho dao CBN cao chứa các hạt các bít cứng nhất và lớn nhất. Thép có chứa các hạt các bít cứng và lớn sẽ có tính gia công kém hơn thép có cấu trúc mactensit đồng đều (trên khía cạnh mòn dao). Mặc dù độ cứng của bốn loại thép này là như nhau. Khi gia công cả bốn loại thép trên bề mặt sau c ủa dụng cụ đều xuất hiện lớp đọng, lớp đọng này có thể tạo nên một kiểu mòn dạng khuếch tán + cào xước hoặc dính + cào xước.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 1.30: Độ cứng tế vi của một số loại các bít ở nhiệt độ 20oC [15].
Trong trường hợp thứ nhất sự khuếch tán giữa các hạt CBN và Al có thể xảy ra, còn trường hợp thứ hai có thể là sự kết tinh lại của chất dính kết tạo nên cấu trúc mới làm giảm liên kết của các hạt CBN với chất dính kết.
Hình 1.30 chỉ ra độ cứng của mactensit so với độ cứng của một số loại cácbít trong thép chứng tỏ vai trò của cácbít trong việc thúc đẩy tốc độ mòn dụng cụ (Cácbít MC có độ cứng cao gấp 4 lần so với mạng mactensit). Ảnh hưởng của vận tốc cắt khi gia công thép là ảnh hưởng của nhiệt độ trong vùng cắt đến các hạt mactensit làm thay đổi tốc độ mòn. Vận tốc cắt ít ảnh hưởng hơn đến tốc độ mòn của thép có chứa các hạt cácbít là do các bít này rất ổn định ở nhiệt độ trong vùng cắt.
Khi sử dụng dụng cụ CBN với chất dính kết là TiC và Al2O3 và dụng cụ ceramics (Al2O3 + TiC) gia công thép hợp kim tôi AISI 4340 với độ cứng trong dải 35 ÷ 60HRC, Luo đã phát hiện ra giá trị độ cứng tới hạn là 50HRC cho cả lực cắt, nhiệt độ cắt và tuổi bền. Cơ chế mòn chính của mảnh dao CBN là cào xước (abrasion) chất kết dính bằng các hạt cácbít trong vật liệu phôi, còn đối với dao ceramics cả mòn do dính và abrasion đều phát triển [14].
Mòn mặt trước là dạng mòn phổ biến khi gia công thép tôi cứng, Poulachon và đồng nghiệp [15] đã chỉ ra rằng vùng mòn mặt trước của dao CBN khi gia cụng bốn loại thộp trờn chia làm hai vựn g rừ rệt zone 1 khụng tồn tại lớp đọng và zone 2 tồn tại lớp đọng có thể giảm mòn dao cào xước nhưng cũng có thể tăng tốc độ mòn hoá học trên vùng này.
Độ cứng của vật liệu gia công ảnh hưởng trực tiếp đến quy luật phát triển nhiệt độ trong vùng cắt và đến mòn mặt sau. Liu và đồng nghiệp [35],
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng (từ 30 ÷ 64HRC) đến quy luật mòn mặt sau của dao PCBN khi tiện thép GCr15 cho thấy mòn xảy ra với tốc độ cao nhất trong khoảng độ cứng của vật liệu gia công 40 ÷ 50HRC và thấp hơn trong dải độ cứng 64 ÷ 60HRC. Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng ảnh hưởng của vận tốc cắt đến dụng cụ PCBN ít hơn nhiều so với dụng cụ cácbít và ceramics.
Các nghiên cứu của Poulachon và đồng nghiệp [36] cho thấy các rãnh mòn trên mặt sau của dụng cụ cùng cỡ với các hạt cácbít trong vật liệu gia công có cấu trúc tế vi mịn và cùng cỡ với các hạt martensite với vật liệu gia công có cấu trúc tế vi thô.
Thông qua nghiên cứu về các cơ chế mòn của dụng cụ cắt, đồng thời qua hình 1.24 ta thấy rằng, trong tiện cứng ( đó là quá trình cắt liên tục) sử dụng mảnh PCBN do vận tốc cắt cao nên mòn dụng cụ xảy ra theo cơ chế mòn do hạt mài là chủ yếu, ngoài ra dụng cụ còn bị mòn do khuếch tán, hoặc xảy ra đồng thời với cả hai cơ chế mòn và mòn do dính là không hoặc rất khó xảy ra vì mòn do dính chỉ xảy ra khi gia công ở vận tốc cắt thấp.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
CHƯƠNG II
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ MềN DỤNG CỤ PCBN VÀ NHÁM BỀ MẶT