4.2.1. Yờu cầu với hệ thống thớ nghiệm
Trong nghiờn cứu khoa học việc xõy dựng hệ thống thớ nghiệm cần đảm bảo cỏc yờu cầu kỹ thuật sau:
- Đỏp ứng được yờu cầu của vấn đề lý thuyết cần nghiờn cứu. - Đảm bảo độ chớnh xỏc, độ tin cậy và độ ổn định.
- Đảm bảo việc thu thập và xử lý cỏc số liệu thớ nghiệm thuận lợi. - Đảm bảo tớnh khả thi.
Hệ thống thớ nghiệm được trỡnh bày dưới đõy nhằm phục vụ cho đề tài: “Nghiờn cứu mối quan hệ giữa mũn và tuổi bền của dao gắn mảnh PCBN theo chế độ cắt khi tiện thộp 9XC qua tụi”. Hệ thống thiết bị được đặt tại Xưởng Cơ khớ của thầy giỏo ThS. Lờ Viết Bảo - Khoa Cơ khớ.
Hỡnh vẽ 4.1. Hệ thống thiết bị thớ nghiệm 4.2.2. Mụ hỡnh thớ nghiệm Mụ hỡnh thớ nghiệm đó sử dụng thể hiện trờn hỡnh vẽ 4.2 Lcắt 1 2 3 D t n S 4 L Hỡnh vẽ 4.2. Mụ hỡnh thớ nghiệm
1.Mõm cặp
2.Chi tiết gia cụng
3.Mũi chống tõm
4.Dao
4.2.3. Thiết bị thớ nghiệm4.2.3.1. Mỏy 4.2.3.1. Mỏy
Sử dụng mỏy tiện CNC- HTC 2050 (Trung Quốc), hỡnh vẽ 4.3
4.2.3.2. Dao
* Mảnh dao: mảnh dao PCBN: TPGN 160308 T2001, EB28X (hỡnh vẽ 4.4) Cỏc thụng số cơ bản (tra theo Catalog PCD/PCBN Cutting Tools của EHWA Diamond Industrial Co., LTD)
γ = 110; λ = -110 (gúc tạo thành khi đó gỏ mảnh lờn thõn dao) L = 16 mm; I.C = 9,25 mm; T = 3,18 mm; R = 0,8 mm. Hàm lượng CBN: 50%; chất dớnh kết TiC; cỡ hạt: 2àm.
(T- mảnh tam giỏc, P - gúc sau 110, G - cấp dung sai của mảnh, N - kiểu cơ cấu bẻ phoi, L=16mm, 03 ≈ chiều dày T = 3,18mm ; R = 0,8mm)
mảnh dao PCBN
Hỡnh vẽ 4.4. Mảnh dao TPGN, 160308 T2001
Hỡnh vẽ 4.5. Thõn dao MTENN 2020K16-N (hóng CANELA)
* Thõn dao: sử dụng thõn dao: MTENN 2020 K16 -N (hóng CANELA) (hỡnh vẽ 4.5).
4.2.3.3. Phụi
Thộp hợp kim 9XC, L = 300mm, ∅62, tụi thể tớch đạt độ cứng 56-58 HRC- (thực hiện tại Xưởng Cơ khớ của thày giỏo ThS. Lờ Viết Bảo, thành phần hoỏ học qua phõn tớch (tại Nhà mỏy Z159 - Thỏi Nguyờn) được kết quả như trong bảng 4.1.Cấu trỳc tế vi theo hai phương dọc trục và vuụng gúc với trục ở hỡnh vẽ 4.6. cho thấy cỏc hạt cỏc bớt (FeCr)3C cú đường kớnh tới 3àm.
Phụi thộp 9XC, L = 300mm a,
b, c,
Hỡnh vẽ 4.6. (a), Phụi thộp 9XC qua tụi cứng, (b,c) Ảnh quang học cấu trỳc tế vi thộp 9XC theo hai phương song song và vuụng gúc với trục
Bảng 4.1. Thành phần cỏc nguyờn tố hoỏ học thộp 9XC
4.2.3.4. Chế độ cắt
Cỏc bộ thụng số V, S, t được lựa chọn, sử dụng tuỳ thuộc vào yờu cầu thớ nghiệm, đồng thời thay đổi theo mụ hỡnh nghiờn cứu.
4.3. Thiết bị đo khỏc
4.3.1. Mỏy đo độ nhỏm bề mặt
Sử dụng mỏy đo độ nhỏm Mitutoyo SJ - 201 (Nhật Bản). Cỏc thụng số kỹ thuật cơ bản: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Thụng số đo được: Ra, Rz, Rt, Rq, Rp, Ry, Pc, S, Sm.
- Độ phõn giải: 0,03àm/300àm; 0,08àm/75àm; 0,04àm/9,4àm. - Bộ chuyển đổi A/D: RS232.
- Phần mềm điều khiển và xử lý số liệu MSTATW324.0.
4.3.2. Kớnh hiển vi điện tử
Sử dụng kớnh hiển vi điện tử, TM-1000 Hitachi, Nhật Bản, cú độ phúng đại 10000 lần (Khoa vật lý Trường Đại học Sư phạm Thỏi Nguyờn).
4.4. Thớ nghiệm xỏc định quan hệ mũn của mảnh dao theo chế độ cắt 4.4.1. Quy trỡnh tiến hành thớ nghiệm
Mỏy, dao và mụ hỡnh thớ nghiệm được thể hiện như ở trờn. Chế độ cắt được chọn sao cho phự hợp với cụng suất mỏy, điều kiện gia cụng tinh, khả năng cắt của mảnh CBN và cố định trong tất cả cỏc lần cắt. Nhằm tỡm ra quy luật mũn theo thời gian (chiều dài cắt), tỏc giả sử dụng chế độ cắt và số lần cắt như Bảng 4.2.
Quỏ trỡnh thớ nghiệm tiến hành như sau:
- Làm sạch, lau khụ bằng cồn và đỏnh số thứ tự cỏc mảnh dao từ số 1 → số 5. - Gỏ phụi vào chấu cặp sao cho đảm bảo độ đồng tõm cao (do quỏ trỡnh tạo
chuẩn thụ trờn mỏy khi tiện thụ phụi thộp về φ60 ). → (1
) Gỏ mảnh dao số 1 vào thõn dao trờn mỏy, kẹp chặt, chọn điểm chuẩn phụi, dao và chế độ cắt trờn màn hỡnh điều khiển.
Thứ nhất cho dao chạy hết chiều dài ứng với một lần cắt L1 = 250mm. Dừng mỏy tiến hành đo nhỏm bề mặt (chi tiết vẫn phải kẹp chặt trờn chấu cặp). Ở đõy nhỏm được đo theo phương đường sinh và tại 3 vị trớ khỏc nhau trờn phụi, lấy giỏ trị trung bỡnh của 3 lần đo ta được trị số Ra, Rz. Thỏo mảnh dao và dựng dụng cụ gắp mảnh dao đặt vào vị trớ đó đỏnh dấu trước đú.
→ (2
) Gỏ mảnh dao số 2 vào thõn dao trờn mỏy, quỏ trỡnh lặp lại tương tự, chỉ khỏc số lần cắt tăng gấp 2 ứng với L2 = 500mm,..đo nhỏm tương tự lần 1.
...
Cứ tiến hành theo quy luật này tới mảnh dao số 5 ta sẽ được cỏc thụng số đặc trưng cho nhỏm và lập thành bảng sau:
Bảng 4.2. Chế độ cắt và cỏc thụng số nhỏm
4.4.2. Xử lý kết quả thớ nghiệm
4.4.2.1. Xỏc định thời gian cắt cơ bản trong cỏc lần cắt
Ứng với mỗi mảnh dao ta cú thời gian cắt ti (i = 1 ữ
5) xỏc định như sau: t1 = i L. S.n i = 0,1.955250.1 = 2,61 ( ph) t4 = L. i S.n i = 0,1.990,6250.4 = 10,09( ph) t2 = L. i S.n i =0,1.962,6250.2 = 5,19 ( ph) t 5 = L . i = S.ni 250.5 0,1.1011 = 12,36( ph) t3 = L. i S.ni = 0,1.974,4250.3 = 7,69 ( ph)
Sau khi tớnh toỏn lập được bảng dưới đõy:
Bảng 4.3. Thời gian cắt và cỏc thụng số nhỏm
4.4.2.2. Xõy dựng quan hệ giữa thụng số nhỏm bề mặt với thời gian cắt
Lượng mũn mảnh dao tăng dần khi một thụng số chất lượng bề mặt giảm dần, thể hiện qua nhỏm Ra (Rz) tăng. Cỏc hỡnh ảnh về lượng mũn mặt sau, mặt trước được chụp bằng kớnh hiển vi điện tử và xỏc định ở phần sau.
Bằng phần mềm Excel, lấy thụng số trờn bảng 4.3 ta xõy dựng được đồ thị sau:
[àm] 5 4 3 Series1 Series2 2 1 0 0 5 10 15 (t ) Phỳt
Hỡnh vẽ 4.7. Đồ thị quan hệ giữa thời gian cắt và nhỏm Ra, Rz
4.4.2.3. Cỏc hỡnh ảnh chụp bằng kớnh hiển vi điện tử về mũn mảnh dao
=94= (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
R a, R
1(a) 1(b)
1(c) 1(d)
1(e) 1(f)
Hỡnh vẽ 4.8. 1(a,b) Hỡnh ảnh mặt trước mảnh dao số 1 sau 2,61 phỳt cắt; 1(c,d) Hỡnh ảnh mặt trước mảnh dao số 1 được phúng to với cỏc vết biến dạng dẻo bề mặt;1(e) Hỡnh ảnh mặt sau mảnh dao số 1;1(f) Hỡnh ảnh mặt sau mảnh số 1được
2(a) 2(b)
2(c) 2(d)
3(a) 3(b)
3(c) 3(d)
Hỡnh vẽ 4.9. 2(a) Hỡnh ảnh mặt trước mảnh dao số 2 sau 5,19 phỳt cắt; 2(b,c,d) Hỡnh ảnh mặt trước mảnh dao số 2 được to;3(a,b) Hỡnh ảnh mặt trước mảnh dao
4(a) 4(b)
4(c)
4(d)
4(e) 4(f)
Hỡnh vẽ 4.10. 4(a) Hỡnh ảnh mặt trước mảnh dao số 4 sau 10,09 phỳt cắt; 4(b) Hỡnh ảnh mặt trước mảnh dao số 4 được to;4(c,d) Hỡnh ảnh mặt sau mảnh dao số
4
Hỡnh vẽ 4.11. 5(a) Hỡnh ảnh mặt trước mảnh dao số 5 sau 12,36 phỳt cắt; 5(b,c) Hỡnh ảnh mặt trước mảnh dao số 5 được to;5(d) Hỡnh ảnh mặt sau mảnh dao số
5 ; 5(e,f) Hỡnh ảnh mảng mũn mặt sau mảnh dao số 5 được phúng to;5(b) Hỡnh ảnh cơ chế mũn mặt trước với sự búc tỏch của lớp vật liệu dụng cụ.
5(a) 5(b)
5(c) 5(d)
1(a) 3(b)
4(c) 5(d)
Hỡnh vẽ 4.12. 1(a) Hỡnh ảnh mặt sau mảnh dao số 1 sau 2,61 phỳt cắt; 3(b) Hỡnh ảnh mặt sau mảnh dao số 3 sau 7,69 phỳt cắt;4(c) Hỡnh ảnh mặt sau mảnh dao số 4 sau 10,09 phỳt cắt ; 5(d) Hỡnh ảnh mảng mũn mặt sau mảnh
dao số 5 sau 12,36 phỳt cắt.
4.4.2.4. Phõn tớch cơ chế mũn mảnh dao PCBN
Kết quả quan sỏt cỏc mảnh dao trờn kớnh hiển vi điện tử cho thấy (Phần trờn) chỳng đều bị mũn cả mặt trước và mặt sau.
Sau 2,61 phỳt cắt, tương ứng với chiều dài cắt 250 mm, dọc theo lưỡi cắt chớnh xuất hiện vũng cung mũn (hỡnh 1.d) với chiều rộng xấp xỉ 10àm . Trờn vựng mũn mặt trước này khụng nhỡn thấy hỡnh ảnh cỏc hạt CBN như vựng chưa bị mũn. Đấy là hỡnh ảnh mũn vật liệu dũn theo cơ chế "biến dạng dẻo bề mặt do hạt cứng cày trờn bề mặt dưới tỏc dụng của ứng suất phỏp rất lớn gõy ra" .
Sau 5,19 phỳt cắt, tương ứng với chiều dài cắt là 500 mm, bản chất mũn trờn mặt trước khụng thay đổi tuy chiều dài cung mũn trờn lưỡi cắt chớnh tăng lờn nhưng bề rộng của vựng mũn vẫn giữ khụng đổi khoảng 10àm .(hỡnh 2.d)
Sau 7,69 phỳt cắt, tương ứng với chiều dài cắt là 750 mm, vựng mũn trờn luỡi cắt chớnh lan rộng gần tới đỉnh nhưng vẫn giữ nguyờn bề rộng khoảng
10àm (hỡnh 3.b). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sau 10,09 phỳt cắt, tương ứng với chiều dài cắt là 1000 mm, vựng mũn mặt trước phỏt triển đến cung trũn của lưỡi cắt và lỳc này bề rộng vựng cắt đạt tới 20àm .
Cuối cựng khi gian cắt đạt 12,36 phỳt, tương ứng với chiều dài cắt là 1250 mm, hiện tượng mũn mặt trước thay đổi căn bản như (hỡnh 5.a) với bề rộng vựng mũn khoảng 120àm , khụng cũn hiện tượng dớnh của VLGC trờn bề mặt vựng mũn mà chỉ cú vựng mũn gồ ghề. Từ (hỡnh 5.b) ta thấy rằng những mảnh vật liệu dụng cụ bong ra khỏi bề mặt theo cơ chế mũn dớnh hoặc dớnh kết hợp với mỏi.
Mũn mặt sau thể hiện trờn hỡnh vẽ 4.12; 1(a) sau 2,61 phỳt cắt; 3(b) sau 7,69 phỳt cắt; 4(c) sau 10,09 phỳt cắt và 5(d) sau 12,36 phỳt cắt. Kết quả quan sỏt cho thấy, vựng mũn mặt sau phỏt triển chậm từ khi bắt đầu cắt tới 7,69 phỳt, đạt chiều cao mũn mặt sau hs ≈ 50àm với bề mặt khỏ bằng phẳng và VLGC dớnh nhẹ trờn bề mặt mũn sau. Sau 10,09 phỳt cắt thỡ chiều cao này cũng chỉ đạt
hs ≈ 60àm . Hỡnh ảnh VLGC dớnh trờn vựng mũn mặt sau thể hiện ở hỡnh 4(c). Tuy nhiờn trờn mặt sau lại xuất hiện hai mảng dạng vảy nằm ngay phớa dưới vựng giao của cạnh tự do của phoi khi thoỏt khỏi mặt trước với cỏc lưỡi cắt. Hỡnh ảnh phúng to của khối bờn trỏi trờn hỡnh 4(e).
Đến 12,36 phỳt gia cụng thỡ trờn toàn mặt sau của dụng cụ bị biến dạng theo một kiểu đặc biệt với cỏc mảng VLDC dạng vảy, hỡnh 5(e) và 5(d).
VLDC bị dồn nộn tạo cỏc mảng vảy nhẵn, rộng với chiều cao vựng mũn mặt sau h s ≈ 750àm và VLGC dớnh trờn bề mặt mũn là khụng đỏng kể. 4.4.2.5. Phõn tớch nhỏm bề mặt gia cụng
Kết quả đo nhỏm bề mặt gia cụng trong mặt phẳng đứng chứa đường tõm của phụi và dọc theo một đường sinh của mặt trụ cho trong bảng 4.3. Giỏ trị Ra sau 10,09 phỳt cắt tăng 23% so với sau khi cắt 7,69 phỳt và tương ứng là sự gia tăng 15% giỏ trị Rz.
Sự tăng đột biến của độ nhỏm sau 10,09 phỳt cắt liờn quan đến sự phỏt triển của chiều rộng vựng mũn mặt trước đến 50% và chiều cao vựng mũn mặt sau tới 20% với sự xuất hiện của hai mảng dạng vảy trờn vựng mặt sau. Đồ thị quan hệ giữa nhỏm bề mặt gia cụng với thời gian cắt thể hiện trờn hỡnh vẽ 4.7.
4.4.2.6. Phõn tớch kết quả và thảo luận
Khi gia cụng bằng dao CBN hiện tượng biến dạng lưỡi cắt khụng xảy ra, mũn mặt trước và mặt sau đồng thời tồn tại, vựng mũn mặt trước rất gần lưỡi cắt. Trong nghiờn cứu này, mũn xuất hiện trờn cả hai mặt chỉ sau 2,61 phỳt cắt. Tuy nhiờn vựng mũn mặt trước khụng nằm gần lưỡi cắt mà phỏt triển từ lưỡi cắt tạo thành bề mặt tương đối phẳng và phỏt triển dần theo hướng thoỏt phoi như trờn hỡnh 2(a), 3(a) và 4(a). Trờn vựng mũn nhiều hạt CBN bị tỏch khỏi bề mặt do tương tỏc của VLGC làm yếu pha thứ hai của VLDC theo như kết quả nghiờn cứu của Kenvin và đồng nghiệp [5], điểm khỏc biệt ở nghiờn cứu này là cơ chế mũn do khuếch tỏn kết hợp với cào xước do Polachon và đồng nghiệp [32] đề xuất dường như khụng cũn phự hợp với kết quả vừa tỡm được. Hỡnh ảnh cỏc rónh biến dạng dẻo bề mặt do cỏc hạt cứng cỏc bớt (FeCr)3C và cỏc ụxớt khỏc trong thộp 9XC dưới tỏc dụng của ứng suất phỏp rất lớn ở vựng gần lưỡi cắt gõy nờn là cơ chế mũn trờn mặt trước.
Sau thời gian cắt đủ lớn, khi mũn phỏt triển dần vào phớa trong vựng mặt trước theo hướng thoỏt phoi, ứng suất phỏp giảm đi nhanh chúng, hiện tượng dớnh trở nờn phổ biến ở vựng phoi thoỏt khỏi mặt trước thỡ cơ chế mũn do mỏi kết hợp với dớnh là nguyờn nhõn của mũn ở vựng này gõy búc tỏch từng mảnh VLDC ra khỏi vựng bề mặt như trờn hỡnh 5(d). Đõy chớnh là phỏt hiện mới về cơ chế mũn mặt trước trong tiện tinh cứng. Hơn nữa từ hỡnh 5(a) cú thể thấy khi mũn mặt trước phỏt triển trờn hầu hết diện tớch tiếp xỳc giữa phoi và mặt trước thỡ cơ chế mũn do búc tỏch cỏc mảnh vật liệu trở nờn chiếm ưu thế, thay cho cơ chế mũn do cào xước làm cho mũn mặt trước phỏt triển với tốc độ cao hơn. Bề mặt vựng mũn trở nờn gồ ghề và khụng nhẵn như bề mặt vựng mũn mặt trước thụng thường. Điều này cú thể giải thớch do cơ tớnh của PCBN ớt bị suy giảm bởi nhiệt độ cao trong vựng cắt, tuy nhiờn tỏc dụng cú chu kỳ của cỏc hạt cứng trong thộp lờn bề mặt kết hợp với dớnh đó làm cho bề mặt của dụng cụ bị phỏ huỷ theo cơ chế dớnh mỏi kết hợp sau một thời gian gia cụng nhất định.
Mũn mặt sau cũng phỏt triển theo quy luật thụng thường trong cắt kim loại cho đến 7,69 phỳt, hỡnh 3(c,d). Cơ chế mũn mặt sau tương đối phự hợp với kết quả nghiờn cứu của Kenvin như trờn hỡnh 3(d). Nhưng sau 10,09 phỳt gia cụng trờn bề mặt sau lại xuất hiện hai mảng dạng vảy cục bộ, hỡnh 4(c). Đõy là vựng tương ứng với cỏc rónh mũn sõu trờn dụng cụ khi cắt cỏc hợp kim cú nhiệt độ núng chảy cao và theo Shaw [33], cỏc rónh mũn sõu trờn mặt trước và sau ở vựng này cú liờn quan đến tỏc dụng truyền nhiệt mạnh ở hai bờn rỡa của phoi vào bề mặt dụng cụ cắt và đú là hiện tượng mũn phức tạp liờn quan đến nhiệt. Theo Trent [35] nhiệt độ cao kết hợp với biến cứng của phoi, tỏc dụng của ụxi trong mụi trường cắt đó tạo nờn cỏc rónh mũn sõu ở vựng này trờn dao tiện cỏcbớt khi tiện thộp.
Khi thời gian cắt tăng lờn 12,36 phỳt cỏc mảng dạng vảy này phỏt triển trờn toàn mặt sau và một số mảng bong ra tạo nờn mũn. Đõy cũng là một phỏt hiện mới về cơ chế mũn mặt sau trong tiện tinh cứng.
Từ cỏc kết quả đo nhỏm bề mặt nhận thấy rằng cho tới 7,69 phỳt cắt, Ra gần như khụng thay đổi Ra = 0,53 - 0,60 àm , nhưng khi thời gian cắt đạt tới
10,09 phỳt cú sự thay đổi đột ngột về nhỏm bề mặt, Ra tăng xấp xỉ 23%, sau đú thay đổi khụng nhiều tới 12,36 phỳt cắt. Nhỏm bề mặt tăng nhanh khi mũn mặt trước và mặt sau đạt tới một mức nào đú và sau đú giữ gần như khụng đổi. Điều này cú thể liờn quan trực tiếp tới sự phỏt triển giới hạn bề rộng của vựng mũn trờn mặt trước tới 20 àm và sự xuất hiện cỏc mảng dạng vảy trờn mặt sau như đó phõn tớch ở trờn.
Cú thể thấy rằng nếu như mũn trờn mặt trước và sau phỏt triển theo cơ chế khuếch tỏn, suy yếu pha thứ hai dẫn đến búc tỏch cỏc hạt CBN như cỏc nghiờn cứu mới đõy thỡ tuổi bền của cỏc mảnh dao CBN cú thể sẽ cao hơn nhiều lần so với thực tế.
Hiện tượng bong từng mảng VLDC trờn mặt trước, tạo thành dạng vảy và bong VLDC ở mặt sau là nguyờn nhõn cơ bản rỳt ngắn tuổi bền của dụng cụ cắt. Cỏc cơ chớ mũn này cú thể liờn quan đến nhiệt, số chu kỳ cào xước của hạt cứng trong VLGC đồng thời dớnh trờn bề mặt tiếp xỳc của mặt trước và mặt sau cũng như sự kết hợp với tỏc dụng ụxi hoỏ từ mụi trường.