1.2.2 Chỉ tiêu đánh giá sự mòn dụng cụ cắt
1.2.2.1 Chỉ tiêu mài mòn mặt sau
Lượng mòn ở mặt sau thường được đánh giá bởi chỉ tiêu chiều cao mịn hs (hình 1.5) Chỉ tiêu mài mòn mặt sau hs được xác định chủ yếu vào phương pháp gia công(thô, tinh),vật liệu làm dao và vật liệu gia công.Khi gia công thô bằng dụng cụ hợp kim cứng,[hs] =(0,8 1mm) đối với thép và [hs] =(0,8 1,4mm) đối với gang.Khi gia công tinh thép [hs] = (0,2 0,25mm).
1.2.2.2. Chỉ tiêu mịn mặt trƣớc
Vì mặt trước bị mài mịn theo dạng lưỡi liềm(phoi trượt và có trung tâm áp lực) nên lượng mịn theo mặt trước được đánh giá bằng hệ số mài mòn K.
ht
K= B .
f
2
Hệ số mài mòn tương đối K là tỷ số giữa chiều sâu rãnh và chiều rộng rãnh. Các thành phần của công thức (hình 1.5). [K] = 0,4 đối với dụng cụ bằng hợp kim cứng, với dụng cụ bằng thép gió, có thể chọn [K] lớn hơn. Tuỳ thuộc vào điều kiện cắt,
giá trị [K] có thể đạt trước hoặc sau [hs]. Trong một số nguyên công đặc biệt chỉ tiêu đánh giá lượng mòn cho phép của dụng cụ phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác gia cơng và độ nhấp nhô bề mặt. Trong các trường hợp đó chỉ tiêu đánh giá lượng mịn được xác định theo phương pháp tuyến với bề mặt gia công (lượng mịn hướng kính). Chỉ tiêu này được gọi là chỉ tiêu mịn kích thước (hình 1.9).
a)Mịn theo mặt sau chính b) Mịn theo mặt trước
c) Mịn cả mặt trước và mặt sau d) Mòn mặt sau phụ Hình 1.9. Các chỉ tiệu đánh giá lượng mài mòn mặt sau, mặt trước
1.2.3. Cơ chế mòn của dụng cụ cắt
Cơ chế mòn của dụng cụ cắt rất phức tạp, mịn của dụng cụ có thể là do: Cào xước, dính bám, khuyếch tán, nhiệt, điện hố.... nó phụ thuộc vào điều kiện của q trình cắt gọt.
Bản chất của mòn do cào xước là các hạt cứng của vật liệu gia công cứng của vật liệu gia công và phoi cào xước vào các bề mặt tiếp xúc của dụng cụ. Qúa trình này như các hạt nhỏ mài cắt vào các bề mặt dụng cụ trong quá trình làm việc. Khi độ cứng của bề mặt tiếp xúc với dụng cụ càng lớn thì dụng cụ bị mịn càng nhiều. Đặc biệt khi có hiện tượng lẹo dao trên mặt trước, một số phần tử nhỏ của lẹo dao gây ra vết mòn do cào xước trên mặt sau của dụng cụ. Khi cắt ở tốc độ cắt thấp, nhiệt cắt thấp, cơ chế mài mịn hạt mài (cào xước) là chính.
Hình 1.10. Mịn do cào xước mặt trước
Các tạp chất có độ cứng cao trong vật liệu gia công, khi chuyển động, cào xước các bề mặt tiếp xúc của dụng cụ (hình 1.10.) tạo thành các vết song song với phương thốt phoi. Như vậy trong cơ chế mịn do cào xước, ảnh hưởng của độ cứng vật liệu dụng cụ là rất đáng chú ý.
1.2.3.2. Mịn do dính
Ngun nhân của mịn do dính là do khi cắt, phoi trượt và thoát ra trên mặt trước của dụng cụ, vật liệu dụng cụ dính bám vào phoi hay chi tiết gia công và bị dứt đi từng mảnh nhỏ (Moore -1975). Mịn do dính có thể xảy ra ở mặt sau khi cắt ở tốc độ thấp và nhiệt độ tiếp xúc không cao. Các mảnh nhỏ bị dứt đi bao gồm ôxýt của bề mặt
dụng cụ, hoặc do tác động hố học của mơi trường khơng khí xung quanh và bị dời đi do tác động cơ học khi cắt
1.2.3.3. Mòn do nhiệt
Khi cắt ở vận tốc cao,nhiệt cắt thường rất lớn, dẫn tới giảm độ cứng giảm sức bền liên kết của các phần tử vật liệu dụng cụ cắt. Ví dụ với nhiệt độ trên 7000C tác động cuả nhiệt độ đối với độ mòn cuả hợp kim cứng mạnh hơn.Khi đó độ cứng của HKC ở nhiệt độ cao giảm xuống, do vậy nó mềm dẻo hơn và ở nhiệt độ 700 8000C độ dẻo và chịu va chạm cuả HKC tăng lên 2 3 lần so với nhiệt độ 400 6000C và quá trình mịn sẽ ổn định hơn. Nhưng nhiệt độ cắt tiếp tục tăng,cơ tính của HKC giảm rõ rệt, do vậy mức độ mòn tăng nhanh.
1.2.3.4. Mòn do khuếch tán
Đặc trưng của q trình mịn do khuếch tán là sự mất vật liệu do sự khuếch tán các nguyên tử dụng cụ vào bề mặt vật liệu chi tiết gia công và phoi khi cắt. Khi cắt ở nhiệt độ cao, biến dạng dẻo lớn nên xảy ra hiện tượng hoà tan lẫn nhau giữa vật liệu dụng cụ cắt và vật liệu gia công. Kết quả là một phần vật liệu dụng cụ khuếch tán trong quá trình cắt. Phoi và vật liệu gia công cùng mang theo một phần vật liệu dụng cụ. Trong quá trình cắt, lượng vật liệu dụng cụ khuếch tán vào chi tiết và phoi vài nghìn lần lớn hơn so với trường hợp hai vật tiếp xúc với nhau ở trạng thái tĩnh. Khi cắt bằng dụng cụ HKC ở tốc độ cao, nhiệt cắt khoảng 10000C thì dao thường bị mịn vì khuyếch tán. Mịn khuyếch tán xảy ra còn phụ thuộc vào thành phần vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công. Khi gia công các loại thép hợp kim chịu nóng, mịn khuếch tán có thể xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn 8000C vì có sự tương tác hố học giữa vật liệu gia công và vật liệu dụng cụ. Thành phàn hoá học của vật liệu gia công cũng là thành phần của vật liệu dụng cụ HKC (TiC, TaC) nên dụng cụ bị mòn nhanh.
Trong mơi trường khơng khí hay dụng dịch trơn nguội, bề mặt dụng cụ có thể bị ơxy hố ở mức độ thấp và lớp ơxýt đó có thể bị phá huỷ khi cắt, nó gây ra mịn ơxy hố ở nhiệt độ thấp. Khi nhiệt cắt và tốc độ cắt cao trong mơi trường khơng khí hay dung dịch trơn nguội, bề mặt dụng cụ bị ơxy hố khá mạnh. Lớp này rất giòn dễ bị phá huỷ dưới tác dụng của lực trong khi cắt, nó gây ra mịn bề mặt dụng cụ.
1.2.3.6. Mịn điện hố
Mịn điện hố là do sự phát sinh của nguồn nhiệt điện ở mối tiếp giáp giữa phoi và dụng cụ tạo ra dòng điện trong mạch. Kết quả là có sự chuyển ion từ bề mặt dụng cụ vào phoi và vật liệu chi tiết gia cơng, gây ra mịn.Dịng nhiệt điện tạo ra ở tiếp xúc giữa phoi và vết lõm mặt trước,tiếp xúc giữa mặt sau và chi tiết gia cơng,mật độ của dịng điện tìm thấy cao khoảng 5A với dụng cụ là cực âm (Opitz-1975). Mịn điện hố càng được thúc đẩy nhanh khi cắt trong mơi trường dung dịch trơn nguội có tính chất như một dung dịch điện môi.
DÝnh b¸m Khuch t¸n
Mài mịn ơxy hố
NhiƯt c¾t
Hình 1.11. Sơ đồ các cơ chế mịn của dụng cụ cắt
Hình 1.11.cho thấy sơ đồ của cơ chế mòn dụng cụ xuất hiện ở các tốc độ cắt khác nhau tương ứng với tốc độ cắt và lượng chạy dao.Trong thực tế của quá trình cắt các dạng mịn và cơ chế mịn thường khó phân định được rõ ràng và chúng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Việc phân định và nghiên cứu các cơ chế mịn chỉ mang tính tương đối. Trong thực tế có thể xảy ra đồng thời nhiều cơ chế mịn trong q trình mịn
M ßn
của dụng cụ và có thể có một cơ chế mịn nào đó có thể trội hơn hẳn,nó phụ thuộc vào điều kiện gia cơng.
Nghiên cứu cơ chế mịn của q trình mịn dụng cụ cho ta nắm được bản chất cuả q trình mịn dụng cụ, từ đó lựa chọn các nhân tố ảnh hưởng hợp lý (các thông số chế độ cắt,vật liệu dụng cụ và các thơng số hình học...) để điều khiển q trình mịn theo hướng có lợi nhất. Một hướng khác là ứng dụng các kỹ thuật và đã mang lại nhiều hiệu quả cho quá trình cắt như: Bơi trơn làm nguội khi cắt và nâng cao chất lượng bề mặt bằng phủ trên bề mặt dụng cụ một lớp màng mỏng vật liệu có độ cứng cao có tác dụng chống mịn cao.
Bơi trơn và làm nguội q trình cắt là một kỹ thuật được ứng dụng trong nhiều năm và mang lại hiệu quả rất lớn cho q trình cắt. Bơi trơn làm giảm ma sát tiếp xúc của các bề mặt dụng cụ như: Ma sát giữa phoi và mặt trước, ma sát giữa chi tiết gia cơng và mặt sau, dẫn tới giảm dính bám, giảm nhiệt do ma sát và mòn cuả các bề mặt dụng cụ. Làm nguội có tác dụng truyền dẫn nhiệt ra khỏi vùng cắt, dãn tới giảm nhiệt cắt vùng cắt từ đó làm giảm các tác động của nhiệt cắt tới mòn.
Nâng cao chất lượng bề mặt bằng cơng nghệ phủ một lớp màng mỏng có độ cứng cao trên nền dụng cụ được sử dụng để tăng khả năng chống mòn cho dụng cụ cắt,trong đó lớp phủ TiN là lớp phủ được ứng dụng rộng rãi nhất. Hiệu quả của nó đối với việc giảm mòn và tăng bền cho dụng cụ trong qúa trình cắt sẽ được làm rõ ở những phần tiếp theo.
1.3. Mòn của dao phay lăn răng
Dao phay lăn răng là loại dụng cụ gia cơng răng theo phương pháp bao hình các chuyển động cắt khá phức tạp, điều kiện cắt khó khăn. Mịn của dao phay lăn răng về cơ bản cũng dựa trên các nghiên cứu cơ bản về mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt. Nhưng do điều kiện cắt và q trình gia cơng phức tạp, vì vậy cần có những nghiên cứu cụ thể trong điều kiện cắt nhất định. Dao phay lăn răng đĩa xích là loại dao phay lăn, cắt với tiếp xúc biên dạng lớn, chế độ cắt nặng nề, do vậy q trình mịn khá phức Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
tạp, cần phải có những nghiên cứu thực nghiệm về mòn để đánh giá ảnh hưởng của mòn tới tuổi bền dụng cụ và chất lượng cũng như độ chính xác gia cơng.
1.4. Kết luận chƣơng 1
Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan về mòn của dụng cụ cắt cũng như mòn của dao phay lăn răng.Tác giả thấy rằng nghiên cứu mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt là rất cần thiết để nâng cao chất lượng và độ chính xác của q trình gia cơng sản phẩm. Do vậy định hướng nghiên cứu của đề tài là: “Nghiên cứu mịn và tuổi bền dao phay lăn răng đĩa xích thép gió sản xuất tại Việt Nam”
CHƢƠNG 2
NGHIÊN CỨU MỊN VÀ TUỔI BỀN CỦA DỤNG CỤ CẮT 2.1. Các nghiên cứu về mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt
Mài mòn dụng cụ là một quá trình phức tạp, xảy ra theo các hiện tượng lý hoá ở các bề mặt tiếp xúc phoi và chi tiết với dụng cụ gia công. Khi bị mài mịn, dạng và thơng số hình học phần cắt của dụng cụ thay đổi và gây nên các hiện tượng vật lý sinh ra trong quá trình cắt (nhiệt cắt, lực cắt, rung động...) làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công, ảnh hưởng đến tuổi bền của dụng cụ cắt từ đó làm giảm năng xuất và tăng giá thành của sản phẩm. Để đưa ra những định hướng nghiên cứu phù hợp với mục tiêu của đề tài, ta nghiên cứu và khảo sát một số mơ hình và kết quả nghiên cứu đã được cơng bố về mịn và tuổi bền của dụng cụ cắt. Các hiện tượng mòn xuất hiện ở dụng cụ cắt như hình 2-1
Hình 2.1. Mơ hình mịn dụng cụ cắt [1]
- a: Mòn do khuếch tán. - b: Mòn do cào xước.
- c: Mịn do kim loại bị ơxi hố ở to 800oC.
- d: Mịn do dính bám dẫn tới hiện tượng tróc lớp bề mặt.
Chiều cao vết mịn mặt sau hs của dụng cụ cắt được dùng làm chỉ tiêu đánh giá q trình mịn. Lượng mịn mặt sau hs của dao được xác định theo công thức:
hs C1 (2-1)
Trong đó: - là thời gian cắt, C1 là hệ số:
C C .V C3 .SC4
.tC5
(2-2)
Với C0, C3, C4, C5 là các hệ số và số mũ phụ thuộc vào các điều kiện gia công cụ thể và được xác định bằng thực nghiệm.
Q trình mịn phụ thuộc chủ yếu vào thời gian cắt và tốc độ cắt v (hình 2.2)
C2
0 1
Hình 2.2. Đồ thị mịn theo thời gian
Khi lượng mòn dao hs = [hs] (lượng mịn dao cho phép) thì = T (tuổi bền của dao). Người ta cũng có thể biểu diễn tuổi bền T dưới các dạng sau:
T = A1.vA2 (2-3)
T = A3.vA2.SA4 (2-4)
T = A5.vA2.SA4.tA6 (2-5)
Trong đó A1 A6 là các hệ số và số mũ phụ thuộc vào các điều kiện gia công cụ thể và được xác định bằng thực nghiệm. Khi cắt kim loại ln ln có:
A1, A3, A5 > 0 A2, A4, A6 < 0
A2 A4 A6
Biểu thức (2-3) cho thấy tốc độ cắt có ảnh hưởng lớn nhất tới tuổi bền T như hình 2.3.
Hình 2.3. Quan hệ giữa tuổi bền T và vận tốc cắt V
Biểu thức (2-5) phản ánh đầy đủ ảnh hưởng của bước tiến dao và chiều sâu cắt tới tuổi bền của dụng cụ. Tuy nhiên số mũ A6 thường rất nhỏ (A6 0) do đó tA6 1 cho nên khi tính tốn người ta bỏ qua ảnh hưởng của chiều sâu cắt tới tuổi bền của dao và thường lấy T theo biểu thức (2-4).
Hệ số A3 được biểu diễn như sau:
A3 = A30.A31.A32…A3pp (2-6)
Trong đó A3i là các hệ số xét đến ảnh hưởng của các yếu tố đặc trưng cho các điều kiện cắt cụ thể tới tuổi bền T, ở đây đặc biệt chú ý tới ảnh hưởng của cặp vật liệu gia công - vật liệu dụng cụ cắt.
A3pp là hệ số đặc trưng cho ảnh hưởng của phương pháp gia công tới tuổi bền T và được xác định bằng thực nghiệm.
Biểu thức (2-3) có dạng hàm số mũ và là phương trình tính gần đúng của tuổi bền xác định bằng thực nghiệm. Mặt khác từ kết quả xác định bằng thực nghiệm như hình 2.3 ta thấy hệ toạ độ logarit quan hệ giữa tuổi bền T và vận tốc cắt Vc là quan hệ tuyến tính, từ đồ thị ta có: Log T logC V K.logVC LogV c logC T 1 logT Do đó: T = CV.VCK (2-7) K
Hay VC = CT.T1/K (2-8) Với K = -tg Vc , CV
K T
Hình 2.4. Phạm vi sử dụng của mơ hình tuổi bền T = Cv.Vk
Các mơ hình (2-7), (2-8) được xác định trong khoảng Tmin < T < Tmax, Các hệ sốCv, CT và số mũ k tương ứng với mỗi cặp vật liệu gia cơng, vật liệu dụng cụ cắt có ý nghĩa rất quan trọng trong việc sử dụng mơ hình mài mịn khi tiến hành nghiên cứu tối ưu hố q trình cắt gọt.
Theo kết quả nghiên cứu của M. Y. Noordin và các đồng nghiệp nghiên cứu với dụng cụ cắt phủ PVD-TiAlN gia công thép không rỉ ở độ cứng 47-48 HRC với kết quả mòn theo thời gian như hình 2.5
C
Hình 2.5. Q trình mịn theo thời gian Bảng 2.1. Tuổi bền của dụng cụ cắt [12]
Từ đường giới hạn mịn cho phép hình 2.5, nghiên cứu đã xác định được tuổi bền của dụng cụ cắt trong khoảng 2.5 đến 30.56 phút như bảng 2.1, kết quả trên bảng 2.1 cho thấy vận tốc cắt V và lượng chạy dao S càng nhỏ thì tuổi bền của dụng cụ cắt càng cao và được thể hiện chi tiết hơn trên đồ thị mối quan hệ giữa vận tốc cắt và lượng chạy dao với tuỏi bền của dụng cụ cắt như hình 2.6 và hình 2.7
Kết quả nghiên cứu cịn được tác giả phân tích cơ chế mịn của dụng cụ trên ảnh (SEM) như hình 2.8 và 2.9.
Hình 2.8. Mài mịn do khuếch tán Hình 2.9. Mài mịn do chảy dẻo
Khi cắt ở vận tốc cao dưới tác dụng của lực cắt và nhiệt cắt đã gây biến dạng dẻo lớn nên đã xảy ra hiện tượng hoà tan lẫn nhau giữa vật liệu dụng cụ cắt và vật liệu gia công, kết quả là một phần vật liệu dụng cụ bị khuếch tán lẫn nhau trong q trình cắt, từ đó hình thành các vết nứt tách rồi phá huỷ lưỡi dao [12] như hình 2.10. Đây là cơ sở khoa học để kiểm nghiệm kết quả của nghiên cứu này.
Hình 2.10. Sự hình thành các vết nứt mảnh dao
Mơ hình và kết quả nghiên cứu này đã xác định được chế độ cắt tối ưu theo chỉ tiêu về tuổi bền của dụng cụ cắt.
2.2. Tuổi bền của dụng cụ cắt