Mài mòn do sự khuếch tán tại các vùng tiếp xúc
Theo kết quả chứng minh của vật lý, khi hai vật liệu được ép vào nhau nếu gia nhiệt cho vùng tiếp xúc thì tại vùng đó sẽ xuất hiện một hiệu điện thế. Dưới hiệu điện thế đó, các phần tử kim loại của hai vật tiếp xúc sẽ khuếch tán vào nhau. Hiện tượng này gọi là hiện tượng thẩm thấu. Theo một số nghiên cứu thực nghiệm cho thấy khi cắt ở tốc độ cao, đặc biệt dao làm bằng hợp kim cứng thì mịn do khuếch tán là nguyên nhân quan trọng làm tăng tốc độ mài mòn dao.
Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH Trang 19 Hình 2. 3 Mơ tả khối quá trình khuếch tán vật liệu
2.2. Q trình mài mịn dụng cụ cắt
Lý thuyết mài mịn nói chung và kết quả thí nghiệm về mài mịn dao nói riêng đã chứng minh rằng: q trình mài mịn dao diễn ra trong ba giai đoạn chính diễn tả (Hình 2.4). Gồm ba giai đoạn mịn cơ bản: Mịn ban đầu, mịn bình thường, mịn khốc liệt.
Hình 2. 4 Đồ thị mơ tả q trình mài mịn dao qua các giai đoạn [23]
Giai đoạn bắt đầu mài mòn (OA)
Giai đoạn này có tốc độ mài mòn lớn, diễn ra trong thời gian ngắn, mài mòn chủ yếu trong giai đoạn này là san bằng cơ học các nhơ trên bề mặt dao do q trình mài dao để lại.
Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH Trang 20
Giai đoạn mài mịn bình thường (AB)
Giai đoạn này có tốc độ mài mòn nhỏ, diễn ra trong thời gian dài, đây chính là thời gian làm việc chính của dao, được mô tả như thời gian làm việc chính của chi tiết máy sau khoảng thời gian chạy rà.
Giai đoạn mòn khốc liệt (BC)
Giai đoạn này diễn ra với tốc độ mòn rất lớn, xảy ra trong một thời gian rất ngắn, ở lúc này nếu cịn tiếp tục gia cơng dao sẽ bị cháy hoặc bị gãy vỡ mất khả năng cắt gọt. Tại điểm mài mòn tới hạn C, độ mịn tương ứng với điểm đó được gọi là độ lớn mài mòn cho phép.
2.3. Các dạng mịn của dụng cụ cắt.
Nghiên cứu q trình mài mịn dụng cụ cắt là khảo sát một bài toán phức tạp. Vì trong quá trình cắt dụng cụ làm việc trong một môi trường khắc nghiệt dẫn đến q trình mịn diễn biến phụ thuộc nhiều nhân tố. Đồng thời nhiều loại mài mịn xảy ra cùng lúc (Hình 2.5).
Hình 2. 5 Các dạng mài mòn dụng cụ cắt;[26] a) các kiểu quan sát được; b) các dạng hỏng
Để thuận lợi cho việc nghiên cứu có thể chia mịn dao ra các dạng mài mòn cụ thể như sau.
Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH Trang 21
- Mài mòn mặt sau
- Mài mòn mặt trước
- Mài mòn mũi dao
- Mài mịn lưỡi cắt
Thơng thường cả 4 loại mài mòn này đồng thời xảy ra trên dao trong quá trình cắt. Tuy nhiên trong quá trình cắt, tại một thời điểm cụ thể và cắt với một chế độ xác định, tại thời điểm khảo sát chỉ xảy ra một hoặc hai dạng mòn là đặc trưng. Các loại mòn đặc trưng thường phụ thuộc vào vật liệu làm dao, vật liệu chi tiết gia công, điều kiện gia công. Trong phạm vi nghiên cứu này chỉ giới thiệu hai loại mòn đặc trưng, mòn mặt trước và mòn mặt sau (Hình 2.6).
Hình 2. 6 Mơ tả hai dạng mịn đặc trưng trên dao tiện; a) Các vùng mòn; b) Mòn mặt sau; c) Mòn mặt trước[26]
2.3.1. Mài mịn mặt trước
Trong q trình cắt do phoi trượt lên mặt trước hình thành một trung tâm áp lực, với dòng chảy phoi cuộn lên mặt trước tương tự sóng biển vỗ vào bờ, ma sát giữa phoi và mặt trước trong môi trường nhiệt độ cao. Các hạt kim loại của
Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH Trang 22
dao bị tách ra và cuốn đi theo dòng phoi do các cơ chế mài mòn như đã đề cập ở trên, để lại một vết lõm hình lưỡi liềm dọc theo lưỡi cắt chính của dao.
Hình 2. 7 Mơ tả mịn mặt trước trên dao tiện [23] a) mơ hình 3D; b) hình chụp tế vi
Mài mịn mặt trước thường xảy ra khi gia cơng vật liệu dẻo với chiều dày cắt lớn (a > 0.6 mm). Các yếu tố ảnh hưởng đến mòn mặt trước là nhiệt độ ở giao diện dao – phoi cùng với lực hoá học giữa dao và vật liệu chi tiết gia cơng [2]. Khi mài mịn mặt trước, góc trước âm, làm tăng mức độ biến dạng khi cắt dẫn đến tải trọng tăng.
2.3.2. Mài mòn mặt sau
Mài mòn mặt sau xảy ra sẽ làm góc sau chính α giảm, làm tăng diện tích tiếp xúc giữa mặt sau chính và bề mặt đang gia công của chi tiết. Sự tiếp xúc chà xát này làm tăng lực cắt và nhiệt cắt, và sự mài mòn này đến một mức độ nào đó sẽ làm tải trọng tăng vượt quá tải trọng cho phép.
Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH Trang 23 Hình 2. 8 Mơ tả mịn mặt sau trên dao tiện [31].
Mài mịn mặt sau thường gặp khi gia cơng vật liệu giòn với chiều dày cắt bé, thông thường xảy ra khi chiều dày cắt a <0,1 mm, vì phoi cắt ra là phoi vụn ma sát xảy ra chủ yếu ở mặt sau của dao và chi tiết đang gia công. Khi xảy ra mài mòn mặt sau làm góc sau chính giảm, ma sát lại càng tăng. Sự trượt của mặt sau và bề mặt chi tiết đang gia công, gây ra mịn cào xước và mịn dính [2].
Trị số mài mịn mặt sau được đo trong mặt cắt theo phương vng góc với lưỡi cắt thực tế đến điểm mịn tương ứng.
2.4. Chỉ tiêu đánh giá sự mài mòn của dụng cụ cắt
Chỉ tiêu đánh giá mài mòn mặt trước và mặt sau của dao tiện trong nghiên cứu này dựa vào tiêu chuẩn ISO 3685 “Tool-life testing with single- point turning tools”. Đưa ra các giá trị mòn cho phép theo tiêu chuẩn làm cơ sở cho quá trình thực nghiệm.
2.4.1. Chỉ tiêu đánh giá mòn mặt sau
Lượng mòn mặt sau thường được đánh giá bởi chỉ tiêu chiều cao mịn VB (hình 2.9). Chỉ tiêu này thường được sử dụng, vì mài mịn mặt sau là dạng mài mịn chủ yếu và dễ đo. Chỉ tiêu mài mòn mặt sau VB là giá trị giới hạn mài mòn cho phép [VB] (để xác định tuổi bền dao), được xác định phụ thuộc vào phương pháp gia công (thô, tinh), vật liệu làm dao, vật liệu chi tiết gia cơng. Vì vậy nhiều nghiên cứu đã đưa ra một số giá trị khác nhau đôi chút.
Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH Trang 24 Hình 2. 9 Mặt cắt mịn mặt sau trên dao tiện [28]
Ví dụ theo tiêu chuẩn ISO 3685:1993 (E), độ mòn mặt sau của dao thép gió và hợp kim cứng khi tiện thơng thường là VBmax = 0.6mm, VB = 0,3mm, tác giả của tài liệu [30] lại công bố “Dao tiện hợp kim cứng dùng tiện thép khi gia công thô VB = 1 ÷ 1.4 (mm), khi gia công tinh VB = 0.4 ÷ 0.6(mm). Cịn khi tiện gang, cắt thơ VB = 0.8 ÷ 1(mm), cắt tinh VB = 0.6 ÷ 0.8(mm). Bên cạnh đó một số tiêu chuẩn cũng đưa ra chỉ tiêu về mịn mặt sau theo điều kiện cơng nghệ cụ thể như bảng 2.1và 2.2.
Bảng 2. 1 Lượng mòn mặt sau cho phép theo tiêu chuẩn ΓOCT [2]
Vật gia cơng Điều kiện gia cơng Thép gió Hợp kim cứng
Thép [VB] (mm) Có dung dịch TN 1.5 ÷ 3 0.8 ÷ 1 Khơng dung dịch TN 0.5 ÷ 1 Gang s < 0.3 mm/vịng 1.5 ÷ 2 1.4 ÷ 1.7 s > 0.3 mm/vịng 0.8 ÷ 1
Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH Trang 25 Bảng 2. 2 Lượng mòn mặt sau cho phép theo tiêu chuẩn AISI/SAE [2]
Nguyên cơng Thép gió Hợp kim cứng
[VB] (mm)
Tiện 1.5 0.4
Phay mặt đầu 1.5 0.4
Phay rãnh( dao phay ngón) 0.3 0.3
Khoan 0.4 0.4
Doa 0.15 0.15
Đối với những dụng cụ tạo hình lần cuối, trong những điều kiện nhất định cần phải áp dụng một tiêu chuẩn mài mịn khác, vì khi gia cơng theo mức độ mịn của dụng cụ độ nhám bề mặt gia cơng bắt đầu tăng, hoặc kích thước chi tiết vượt quá phạm vi đúng sai. Trong trường hợp đó người ta dùng tiêu chuẩn “tuổi
bền kích thước”, tức là lượng mài mịn nhất định theo hướng kính (pháp tuyến)
so với bề mặt gia cơng. Đơi khi cịn dùng tiêu chuẩn về lực, tương ứng với độ mòn khi quan sát thấy lực cắt tăng lên độ ngột.
2.4.2. Chỉ tiêu đánh giá mòn mặt trước
Mòn mặt trước thường xảy ra là dạng mòn lưỡi liềm, do phoi trượt và có trung tâm áp lực nên mài mòn mặt trước thường được đánh giá theo hệ số mài mòn tương đối [4]. Bên cạnh đó theo một số tác giả khác [23]; [25]; [26]; [29], cũng đưa ra một số phương pháp xác định mịn mặt trước bằng tính tốn dựa vào diện tích vết lõm trên mặt trước:
KT = 0.06 + 0.3f. (2.1)
Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH Trang 26 Hình 2. 10 Mặt cắt mịn mặt trước trên dao tiện [29].
Tuy nhiên khi gia cơng bằng dao hợp kim cứng khơng có mầm lẹo dao vì vậy độ mịn xảy ra trên tồn bộ diện tích tiếp xúc, bắt đầu từ lưỡi cắt trở đi. Khi cắt theo chiều dày lớp cắt lớn hơn 0.5mm với tốc độ cắt cao và khơng có dung dịch trơn nguội, nên dùng chỉ tiêu này đánh giá tuổi bền dao.
2.5. Tuổi bền dao và phương trình Taylor về tuổi bền dao 2.5.1. Khái niệm tuổi bền dao 2.5.1. Khái niệm tuổi bền dao
Tuổi bền dao được định nghĩa là chiều dài thời gian cắt mà dao có thể làm việc liên tục cho đến khi dao sắp mất khả năng cắt gọt phải mang đi mài lại, và được ký hiệu T (phút). Ngày nay dao mảnh Insert, tuổi bền dao được hiểu là thời gian làm việc của một “mũi” dao. Tuy nhiên, trong sản xuất, thường là một bất lợi nếu sử dụng các dụng cắt cho đến khi sự phá hỏng hoàn toàn này xảy ra vì những khó khăn trong việc mài sắc lại dụng cụ và các vấn đề về chất lượng bề mặt, độ chính xác về kích thước chi tiết. Lựa chọn một mức độ tuổi bền dao hợp lý có thể xem là một tiêu chí trong q trình tính kinh tế trong gia cơng.
Tuổi bền dao phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Vật liệu làm dao, vật liệu gia công, thơng số hình học của dao, chế độ cắt, nhiệt cắt, độ cứng vững của hệ thống cơng nghệ… Do đó tùy trường hợp cụ thể mà ta chọn tuổi bền dao khác nhau. Ví dụ đối với dao thép gió, trường hợp tiện bình thường thì T = 60 ÷ 90 phút khi gia công thép thường, đối với dao hợp kim cứng T = 30 ÷ 60 phút, cịn dao bào, dao tiện ren, dao định hình T = 120 phút [2].
Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH Trang 27
2.5.2. Phương trình Taylor về tuổi bền dao
Trong quá trình cắt gọt nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tuổi bền dao: vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiêu sâu cắt, dung dịch trơn nguội, vật liệu chi tiết gia công, vật liệu làm dao… Trong đó nhóm ảnh hưởng của vật liệu rất khó để điều khiển, cịn nhóm ảnh hưởng của chế độ cắt có thể dễ dàng điều khiển nó. Trong các yếu tố của chế độ cắt thì vận tốc cắt là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến tuổi bền dao.
Vào khoảng năm 1900 của thế kỷ trước F.W. Taylor đã tiến hành nghiên cứu bằng thực nghiệm với vật liệu dụng cụ cắt là thép gió khi gia cơng thép. Và ơng đã tìm ra được mối quan hệ giữa vận tốc cắt và tuổi bền dao, được thể hiện ở công thức:
V.Tn = C (2.2) Trong đó: V là vận tốc cắt (m/phút), T là tuổi bền dao (phút).
Số mũ n phụ thuộc vào vật liệu dụng cụ, vật liệu chi tiết và điều kiện cắt. Số mũ n và hệ số C được xác định bằng thực nghiệm. Phạm vi thay đổi giá trị của chúng được thể hiện trong bảng 2.3.
Bảng 2. 3 Giá trị hệ số n và C trong phương trình Taylor [23].
Số TT Vật liệu dao n C (m/ph)
Cắt Nonsteel Cắt thép
1 Thép cacbon DC 0.10 70 20
2 Thép gió 0.125 120 70
3 Hợp kim cứng 0.25 900 500
4 Vật liệu gốm kim loại 0.25 600
5 Cacbit phủ 0.25 700
Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH Trang 28
2.5.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi bền dao 2.5.3.1. Ảnh hưởng của chi tiết gia công 2.5.3.1. Ảnh hưởng của chi tiết gia cơng
Vật liệu chi tiết gia cơng có ảnh hưởng lớn đến tuổi bền dao, đặc biệt là cấu trúc tế vi của vật liệu (hình 2.11), phương pháp nhiệt luyện phôi (làm tăng độ cứng của phơi) ví dụ ferrit có độ cứng khoảng 100 HB, peclít 200 HB, martensite (300÷500) HB [2].
Các phần tử tạp chất cứng lẫn trong vật liệu cũng làm ảnh hưởng đến tuổi bền, và đóng vai trị như các hạt mài cào xước lên dụng cụ. Các phương pháp tạo phôi cũng ảnh hưởng đến tuổi bền dao (đặc biệt trong gia cơng thơ), vì lớp bề mặt phơi sẽ có độ chai cứng khác nhau phụ thuộc vào các phương pháp tạo phơi trước đó. Trong trường hợp này để đảm bảo tuổi bền dao lớn các nhà công nghệ khi gia công lát cắt đầu tiên phải cho chiều sâu cắt lớn hơn chiều sâu lớp biến cứng bề mặt.
Hình 2. 11 Ảnh hưởng cấu trúc tế vi đến tuổi bền khi tiện[26] a) gang; b) thép
2.5.3.2. Ảnh hưởng của vận tốc cắt
Trong quá trình cắt, bằng cách giữ nguyên các yếu tố khác, ta lần lượt thay đổi các giá trị tốc độ cắt V1, V2, V3,….Vn, với một mức mòn mặt sau cho trước. Trong q trình thí nghiệm ta xác định được tuổi bền dao tương ứng T1, T2, T3,…..Tn. Đưa kết quả thí nghiệm đó lên đồ thị (VBOT) ta nhận được đường cong dạng (Hình 2.12)
Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH Trang 29 Hình 2. 12 Mô tả sự phụ thuộc giữa vận tốc cắt và tuổi bền dao theo độ mòn mặt
sau VB cho trước [23]
Nếu ta chuyển từ đồ thị đường cong (Hình 2.12) về hệ trục toạ độ (logV – logT), ta nhận được dạng đường thẳng như hình 2.13. Từ đồ thị này ta dễ dàng tìm các hệ số của thực nghiệm (n, C), nếu ta gọi góc tạo bởi đồ thị và đường nằm ngang là α, theo Taylor C là một hằng số, vì vậy ta có :
= = = ⋯ (2.3) n = tangα = (2.4)
Sau khi tính được n ta thế vào phương trình (4.3) xác định được C.
Trong thực tế thường tuổi bền dao được chọn trước là T0 nào đó, thì tốc độ cắt tương ứng là:
V0 = . (2.5)
Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH Trang 30
2.6. Kết luận
Phần trên vừa nghiên cứu bản chất vật lý, cơ học, cơ chế mài mòn dụng cụ. Xác định chỉ tiêu mài mòn, các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi bền dao trong quá trình gia cơng.
Qua đó thấy rằng, phương trình tuổi bền dao của Taylor có ứng dụng thực tiễn tương đối cao, đặc biệt làm cơ sở tính tốn sơ bộ thời gian thay dao trong q trình gia cơng hàng loạt lớn, hoặc gia cơng hàng khối.
Trong thực tế gia cơng cịn nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tuổi bền, tuy nhiên vì luận văn này có giới hạn nên chỉ giới thiệu các nhân tố ảnh hưởng chính.
Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH Trang 31
CHƯƠNG 3. XÁC ĐỊNH CÁC HỆ SỐ TRONG PHƯƠNG TRÌNH TAYLOR KHI TIỆN THÉP S45C BẰNG DAO PHỦ TITANIUM
NITRIT(TIN)
3.1. Cơ sở và phương pháp nghiên cứu
Khảo sát mối quan hệ giữa các yếu tố chế độ cắt đến tuổi bền dao với kết quả là hệ số của phương trình Taylor và phương trình Taylor mở rộng dao tiện phủ TiN và vật liệu gia công thép C45. Trên cơ sở phương pháp quy hoạch thực nghiệm, với điều kiện gia công tinh chi tiết trục trơn thép C45, giả thiết đặt ra lấy dung sai và độ bóng bề mặt để xác định độ mịn dao , khi gia cơng thép bằng dụng cụ phủ trên thực tế hiện nay tại các doanh nghiệp.
3.2. Nhám bề mặt trong gia công. 3.2.1. Khái niệm 3.2.1. Khái niệm
Bề mặt sau khi gia công không bằng phẳng một cách lý tưởng mà có