CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU MÒN VÀ TUỔI BỀN CỦA DỤNG CỤ CẮT
2.2. Tuổi bền của dụng cụ cắt 1. Khái niệm về tuổi bền dụng cụ
2.2.3. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến tuổi bền T
Thực tế chỉ rõ rằng, ảnh hưởng của tốc độ cắt đến tuổi bền rất lớn, ảnh hưởng của lượng chạy dao tới tuổi bền nhỏ hơn, ngoài ra các yếu tố khác như thông số hình học phần cắt của đụng cụ, vật liệu gia công và vật liệu dụng cụ cũng ảnh hưởng tới tuổi bền T. Qua các nghiện cứu thực nghiệm, ảnh hưởng của các yếu tố cắt đến tuổi bền T có thể xác định theo công thức :
T = KK
S V
C
x n c
T 1 1 . 100
) 100 /
( (phút)
trong đó: - Vc - tốc độ cắt (m/ph); S - lượng chạy dao - n - số mũ tốc độ cắt n = 1/m.
- x: số mũ lượng chạy dao
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp
- K1hệ số hiệu chỉnh chiều sâu cát
- K -hệ số hiệu chỉnh cho góc nghiêng chính
- CT100.1 là tuổi bền tính bằng phút ở tốc độ cắt Vc =100 m/ph và lượng chạy dao s =1,0mm/vòng ở chiều sâu cắt t = 5mm, góc nghiêng chính = 450 cho dụng cụ cắt bằng hợp kim cứng hoặc sành sứ. Khi cắt bằng thép gió thì tốc độ cắt thấp (vc = 20m/ph) nên công thức trên chỉ dùng trong trường hợp tính toán tuổi bền kinh tế hoặc tốc độ cắt kinh tế.
2.2.3.1. Ảnh hưởng của vật liệu dụng cụ cắt
Để thấy rõ ảnh hưởng của vật liệu dụng cụ cắt tới tuổi bền dụng cụ cắt, theo dõi hình 2.13.
- Điều kiện gia công: phôi thép SCM440 (HRC30).
- Vật liệu dao cắt: SSM2080, SSM2080C, HSS ( 8mm, 2 lưỡi cắt) - chế độ cắt V=30, 50, 70, 100 m/ph
- lượng chạy dao răng f = 0,04 mm/răng - Ad=12mm
- Rd = 0,8mm. (Số liệu của SUMITOMO)
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp
L-ợng mòn mặt sau hs(mm) L-ợng mòn mặt sau hs(mm)
L-ợng mòn mặt sau hs(mm) L-ợng mòn mặt sau hs(mm)
V=30m/ph V=50m/ph
V=70m/ph V=100m/ph
a) Chiều dài cắt (mét) b) Chiều dài cắt (mét)
c) Chiều dài cắt (mét) d) Chiều dài cắt (mét) Carbide
HSS Coated Carbide
Carbide HSS
Coated Carbide
Coated Carbide HSS
Carbide
Coated Carbide HSS
Carbide
Hình 2.13. Ảnh hưởng của vật liệu dung cụ cắt tới tuổi bền
Từ hình 2.13.a ta thấy ở tốc độ cắt thấp (v=30m/ph) thì độ mòn mặt sau của vật liệu dụng cụ cắt là hợp kim cứng lại lớn hơn của thép gió và vật liệu carbide phủ.
Nhưng ở tốc độ cắt cao hơn (50 70m/ph) thì thép gió mòn nhanh nhất (hình b,c) và ở tốc độ cắt v =100 m/ph (hình d) thì hầu như thép gió không làm việc được (chiều dài gia công mới đạt 0,9 m mà độ mòn mặt sau đã tới 0,18mm).
Trong tất cả các trường hợp gia công trên, vật liệu dụng cụ cắt carbide có phủ vẫn làm việc tốt. Độ mòn mặt sau vẫn trong khoảng 0,02mm.Ví dụ trên cho thấy vật liệu dụng cụ cắt có ảnh lớn tới tuổi bền, từ đó ảnh hưởng tới năng suất gia công.
2.2.3.2. Ảnh hưởng của vận tốc cắt, lượng chạy dao, thông số hình học
Như phần trên đã trình bày ảnh hưởng của tốc độ cắt đến tuổi bền rất lớn, ảnh hưởng của lượng chạy dao tới tuổi bền nhỏ hơn, ngoài ra các yếu tố khác như thông số hình học phần cắt của dụng cụ, vật liệu gia công và vật liệu dụng cụ cũng ảnh hưởng
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp tới tuổi bền T (hình 2.14) chỉ rõ ảnh hưởng của vận cắt tới độ mòn mặt sau khi cắt thép bằng hợp kim cứng WC + TiC.
80 T(phót)
Hình 2.14. Đồ thị mòn mặt sau (tuổi bền) phụ thuộc vào vận tốc cắt khi cắt thép bằng HKC WC+TiC, t = 1mm; s = 0,3 mm; v=145 m/phút
Từ đồ thị ta thấy, với cùng vật liệu dụng cụ cắt nhưng gia công ở các vận tốc cắt khác nhau thì tuổi bền (ứng với độ mòn góc sau hs = 0,8mm cũng khác nhau).
Ví dụ ở tốc độ v =190m/ph. Tuổi bền T =10 phút, trong khi đó nếu ở v = 130m/ph thì T= 60ph.
Hình 2.14 chỉ rõ ảnh hưởng của vận tốc cắt tới độ mòn mặt sau khi cắt thép bằng hợp kim cứng WC + TiC
2.2.3.3. Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới tuổi bền dụng cụ cắt
Đồ thị hình 2.15 mô tả ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ mòn mặt sau hs (nghĩa là tới tuổi bền dụng cụ cắt ). Từ đồ thị hình 2.15 ta thấy, ở lượng chạy dao S lớn hơn 0,3mm/vòng, độ dốc của đồ thị tăng nhanh rõ rệt. Ví dụ ứng với trị số độ mòn cho phép mặt sau hs= 0,8, với lượng chạy dao S = 0.375 mm/vòng thì tuổi bền dụng cụ cắt là 25 phút, còn nếu hạ lượng chạy dao xuống là S = 0,118mm/vòng thì tuổi bền dụng
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp cụ cắt là 60phút. Như vậy lượng chạy dao đã ảnh hưởng rất nhiều tới tuổi bền dụng cụ cắt.
S=0,118 S=0,235
S=0,3
S=0,375 S=0,42
S=0,53
S=0,118 h(mm)
T(phót) Hình 2.15. Đồ thị mòn mặt sau phụ thuộc vào lượng chạy dao khi cắt thép bằng
HKC WC + TiC; V= 155m/ phút , t=1mm
2.2.3.4. Ảnh hưởng của thông số hình học phần cắt tới tuổi bền dụng cụ cắt
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp
Hình 2.16 . Đồ thị mòn mặt sau phụ thuộc vào góc nghiêng chính khi cắt thép bằng dao HKC WC + TiC ; t=1mm, s=0,3mm/vòng ; V=155m/ph 2.2.3.5. Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội
Khi cắt, để giúp cho quá trình cắt được dễ dàng, người ta thường dùng dung dịch trơn nguội. Dung dịch trơn nguội có những tác dụng sau:
- Bôi trơn bề mặt làm việc làm cho quá trình biến dạng dẻo dễ dàng hơn và do đó làm giảm công tiêu hao khi cắt.
- Làm nguội dụng cụ cắt và chi tiết gia công khiến cho nhiệt độ cắt giảm thấp, nâng cao được tuổi bền dao, cuốn phoi ra khỏi khu vực cắt.
Thường khi đặt một vật rắn bất kỳ ngoài không khí, lớp bề mặt của nó sẽ hấp thụ những phần tử không khí tạo nên một màng mỏng bao quanh có chiều dày khoảng 10-7 mm. Màng này có tác dụng làm giảm được ma sát giữa các vật thể đóng vai trò như một màng bôi trơn, áp suất và nhiệt độ khi cắt kim lọai rất cao nên màng bôi trơn do dung dịch trơn nguội tạo thành phải chịu được áp suất và nhiệt độ tới hạn cao. Muốn vậy người ta cho thêm vào dung dịch trơn nguội những chất hoạt tính bề mặt như
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp mỡ,dầu thực vật...có tác dụng tạo nên màng, bám chắc trên bề mặt kim loại Ví dụ như sulphit chịu đuợc nhiệt độ trên 8000C. Nhờ có màng bôi trơn nói trên, hệ số ma sát khi cắt có thể giảm xuống từ 3 tới 5 lần tuỳ theo điều kiện gia công. Ví dụ giữa tiện với phay, dễ dàng thấy rằng khi phay hệ số ma sát nhỏ hơn vì rằng dao phay làm việc không liên tục nên màng bôi trơn có điều kiện hình thành dễ dàng hơn. Còn khi tiện, điều kiện hình thành những màng hấp thụ đó khó khăn hơn nhiều.Khi tiện với tốc độ cắt cao,áp lực trên mặt trước có thể rất lớn (vào khoảng 1900-2500N/ mm2, nhiệt độ cắt cao, sự tiếp xúc giữa phoi cắt và mặt trước của dao là tiếp xúc chặt.Trong điều kiện đó, dung dịch trơn nguội chỉ có thể xâm nhập vào khu vực cắt nhờ có những khoảng chân không hình thành giữa dao và phoi. Khoảng chân không như vậy có thể hình thành nhờ có lẹo dao, lúc lẹo dao bị cuốn đi giữa dao và phoi hình thành một khoảng trống, lớp kim loại biến dạng dẻo không thể lập tức điền đầy khoảng trống đó, và dung dịch trơn nguội được hút vào thay thế.
Chân không cũng có thể hình thành do việc tách các kim loại dính ra khỏi mặt trước của dao và dung dịch trơn nguội lập tức được hút vào, thay thế. Ở tốc độ cắt
thấp, sự tiếp xúc của dao và phoi có thể không phải là tiếp xúc chặt nên dung dịch trơn nguội có thể xâm nhập vào những vết nứt tế vi. Nó gây tác dụng như một cái chêm, làm giảm lực liên kết giữa các nguyên tử, khiến cho lớp kim loại dễ bị biến dạng dẻo và quá trình cắt được dễ dàng.Tác dụng của dung dịch trơn nguội càng rõ khi cắt phoi mỏng. Khả năng làm lạnh của dung dịch trơn nguội càng lớn khi nhiệt hoá hơi, độ dẫn nhiệt và nhiệt dung của nó càng lớn, nhờ đó tuổi bền cuả dao tăng lên và biến dạng nhiệt do dao giảm đi. Tuỳ theo thành phần của dung dịch trơn nguội và điều kiện cắt,nhiệt độ có thể giảm 70 1300C.
Tác dụng bôi trơn của dung dịch trơn nguội thể hiện ở chỗ các phần tử của dung dịch trơn nguội bao quanh các phân tử của phoi làm cản trở sự dính, giúp phoi thoát được khỏi khu vực cắt một cách dễ dàng.
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp 2.2.3.6. Tác động của lớp phủ đến mòn và tuổi bền của dụng cắt
Kết quả chủ yếu khi sử dụng lớp phủ là ma sát giảm, nhiệt phát sinh khi cắt thấp, lực cắt giảm, giảm sự dính bám với chi tiết gia công dẫn tới lượng vật liệu dụng cụ mất đi do dính bám khi cắt giảm. Tăng độ cứng bề mặt dẫn tới giảm mài mòn, giảm sự khuyếch tán bởi sự cản trở khuyếch tán và tính chất ổn định hoá học của lớp phủ.
Từ những kết quả đạt được của vật liệu lớp phủ đã trình bày trên, yêu cầu lớp phủ phải có các đặc trưng sau: Dính bám thấp với vật liệu gia công nhưng phải dính bám cao với vật liệu nền của dụng cụ, có khả năng chống mòn tốt, có độ bền và ổn định hoá học cao.
Lớp phủ mỏng Nitơrít hoặc cacbít đạt được các đặc trưng trên rất tốt và chúng được sử dụng có hiệu quả. Với chiều dày nhỏ nhưng nó cho độ đàn hồi cao để chống lại va chạm và ứng suất cao trên lưỡi cắt. Dụng cụ phủ cần phải được tối ưu trước về góc cắt, chất lượng vật liệu nền dụng cụ cũng như độ cứng và độ bền cuả nó.
Lớp phủ trên dụng cụ cắt đem lại những kết quả cơ bản cho quá trình gia công cắt gọt như sau:
- Giảm chi phí dụng cụ trong tổng giá thành do nâng cao tuổi bền dụng cụ . - Giảm thời gian phụ của quá trình cắt.
- Tăng năng suất chế tạo vì tăng tốc độ cắt và giảm ma sát dẫn tới giảm năng lượng tiêu thụ của máy khi cắt.
- Cải thiện chất lượng của chi tiết gia công với bề mặt gia công có chất lượng bề mặt và và độ chính xác khi cắt tốt hơn.
- Tính chất lớp phủ còn chịu ảnh hưởng của vật liệu nền, thép gió được sử dụng phổ biến nhất làm vật liệu nền cho lớp phủ mỏng và cứng PVD.
Cơ chế mòn phụ thuộc vào điều kiện cắt. Nếu mài mòn trội hơn thì độ cứng của lớp phủ là rất quan trọng. Nếu mòn do dính trội hơn thì sự dính bám thấp với vật liệu gia công là quan trọng và nếu mòn bởi sự ổn định hoá học trội hơn thì tính chất cản trở khuyếch tán và hoà tan thấp của lớp phủ là quan trọng. Sự nứt vỡ và hỏng của lớp phủ
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp là kết quả của lớp phủ quá cứng và dầy, nó ảnh hưởng tới biến dạng đàn hồi của nền hoặc nếu nền ở dưới lớp phủ trở nên mềm do tác động của nhiệt cao.Sự khuyết thiếu tạo ra ứng suất cao phiá trong lớp phủ có thể dẫn tới nứt vỡ (Billg ren-1984), Lớp phủ có thể nứt vỡ và khuyết thiếu từng phần do sự biến dạng của nền.
Những tính chất đặc trưng của lớp phủ TiN và TiC trên nền mảnh thép gió (HSS) có tác dụng rất tốt trong việc hạn chế mức độ phát triển của cơ chế mòn như dính bám, mài mòn và hoà tan đã được miêu tả do (Billgren-1984, Hedenquist 1990) 2.2.3.7. Mòn và tuổi bền của các loại dụng cụ phủ (TiN) khi phay
Quá trình cắt khi phay là không liên tục và tốc độ cắt pháp tuyến ảnh hưởng thấp. Kết quả quá trình không liên tục là sự biến đổi đáng chú ý của nhiệt độ max khi cắt đến khoảng vài trăm độ trong hành trình phay đơn. Tonshoff cùng các tác giả khác 1991 tính toán nhiệt độ trên mặt trước biến đổi trong một hành trình phay từ khoảng 2000C đến 9000C khi cắt thép đúc với mảnh gốm ở tốc độ cắt 17m/s. Tuổi bền được cải thiện tù 3 đến 10 lần đã được thông báo khi sử dụng dụng cụ phủ TiN so sánh với dụng cụ không phủ.(Amber -1984, Vogel-1989), năng suất của quá trình chế tạo tăng đáng kể do tốc độ cắt và lượng chạy dao có thể tăng gấp đôi khi sử dụng dụng cụ phủ TiN.
Khả năng đó vẫn không bị mất đi sau khi mài sắc lại vì mòn mặt trước không xuất hiện khi cắt sử dụng tốc độ cắt bình thường. Cơ chế mòn chủ yếu là sự phát triển mòn mặt sau do dính bám, nhưng khi thời gian cắt tăng, nứt vỡ lớp phủ xuất hiện trên mặt trước, điều đó được Spur (1990). quan sát khi phay vật liệu rèn bằng mảnh phủ TiN bằng phương pháp PVD. Tuổi bền của dao phay được cải thiện với lớp phủ trong hai trường hợp cắt khô và cắt ướt (hình 2.17).
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp
TiN-HSS- Cắt khô
HSS - Cắt khô
TiN-HSS - Cắt -ít HSS- Cắt -ớt
Khoảng chiều dài cắt (mm).
Hình 2.17. Tuổi bền khi phay vật liệu thép rèn với mảnh phủ, không phủ
Trong khi đánh giá quá trình phay thép Konig cùng các tác giả khác tìm thấy sự cải thiện của tuổi bền dụng cụ phủ (Ti,Al)N so với dụng cụ phủ TiN. Ngoài ra dụng cụ phủ TiCN cho khả năng chống mòn tốt và có tuổi bền gấp hơn 3 lần dụng cụ phủ TiN.
Để gia công các vật liệu mầu như nhôm, nhôm-silic, đồng thau.... Tuổi bền dụng cụ cắt cải thiện 2 tới 18 lần khi sử dụng lớp phủ kim cương bằng phươg pháp CVD so sánh với mảnh cacbít cementít (McCune-1989, Soderberg-1991). Sự cải thiện ở mức cao đã được Kikuchi (1991) quan sát khi phay Al-12% Si, mặt đầu blốc xilanh động cơ ôtô khi sử dụng dụng cụ cácbít cementít phủ kim cương có tuổi bền gấp 18 lần so với dụng cụ không phủ
2.2.3.8. Mòn và tuổi bền dụng cụ gia công răng
Dụng cụ gia công răng bị mòn chủ yếu theo mặt sau, bởi vì lượng chạy dao khi cắt răng rất nhỏ, do đó chiều dày cắt nhỏ, nó không có khả năng mài mòn mặt trước của dao. Vì vậy, chỉ tiêu đánh giá độ mòn của dao phay lăn răng là độ mòn của mặt sau
.
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp
Lượng mòn tối ưu của dao cắt răng tinh là = 0,2 0,4mm, còn của dao cắt thô : = 0,2 0,4mm
Thời gian làm việc của dao cắt răng cho đến khi đạt độ mòn tối ưu được gọi là tuổi bền T ( phút) của dao và có quan hệ với tốc độ cắt theo công thức :
Tm = V
A
Với A : – Hệ số phụ thuộc vào nhiều yếu tố, có thể được xác định bằng thực nghiệm.
Đối với dụng cụ cắt răng có mô đun m lớn cần chọn tuổi bền cao hơn, bởi vì môđun m tăng, làm cho kích thước và chi phí sử dụng dao tăng. Đối với dụng cụ cắt răng có môđun 4 - 8 khi gia công thép thì tuổi bền T = 240 phút, còn khi gia công gang T = 480 phút. Nếu dụng cụ cắt răng có môđun 12mm thì tuổi bền T = 720 phút.Vì răng dao phay trục vít chịu tải trọng lớn ở phần giữa, do đó bị mài mòn nhiều hơn, vì vậy cứ sau một khoảng thời gian gia công, dao phay lại phải dịch chuyển một đoạn bằng ( 1,3 3 mm) dọc theo trục của nó. Số lần dịch dao thường từ 1 10 lần.