2.2 Mòn dụng cụ cắt CBN khi tiện cứng
2.2.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến mòn dụng cụ CBN
Các nhân tố đã được nhận biết có ảnh hưởng quyết định đến tuổi thọ và hiệu suất dụng cụ CBN bao gồm: thành phần của vật liệu phôi và dụng cụ, thông số hình học của dao, điều kiện gia công và độ cứng vững của hệ thống công nghệ.
+) Thành phần của vật liệu dụng cụ: Là nhân tố quan trọng có ảnh hưởng đáng kể tới mòn dụng cụ. Với hai loại vật liệu CBN có thành phần CBN cao và thấp, cả giá trị nhám bề mặt gia công và mòn dụng cụ ở vật liệu có thành phần CBN cao đều lớn hơn vật liệu có thành phần CBN thấp và CBN thấp có khả năng chống mòn nhiệt tốt hơn [ 16], [ 22]. Tốc độ mòn có quan hệ gần như tuyến tính với vận tốc cắt và sự khác nhau về tốc độ mòn của hai loại vật liệu CBN tăng theo vận tốc cắt [ 22].
+) Thông số hình học của dụng cụ: Các thông số góc vát cạnh lưỡi cắt, chiều rộng vát cạnh lưỡi cắt, cung mài tròn cạnh lưỡi cắt có ảnh hưởng quyết định đến tuổi thọ của dụng cụ cắt. Góc trước âm sẽ làm tăng tuổi thọ dụng cụ CBN [ 26]. Việc tăng bán kính mũi dao sẽ làm tăng mức độ mòn mặt sau vì làm giá trị của các thành phần lực cắt tăng, chủ yếu là lực dọc trục và lực hướng kính. Việc chế tạo sẵn cạnh viền lưỡi cắt không làm thay đổi tốc độ mòn dụng cụ. Chiều rộng vát cạnh lưỡi cắt có ảnh hưởng đến lực cắt khi lực cắt tăng cùng với sự tăng chiều rộng vát cạnh lưỡi cắt. Phân tích cũng cho thấy dạng mòn thành rãnh trên cạnh dụng cụ CBN là do cạnh phoi gây ra.
+) Vật liệu phôi: Mòn dụng cụ CBN phụ thuộc vào thành phần cấu trúc tế vi của vật liệu phôi như thành phần và kích thước của các hạt cacbit, thành phần mactenxit
[ 22]. Nghiên cứu cũng cho thấy trong quá trình bóc vật liệu ở tốc độ cao, mòn dụng cụ
CBN phụ thuộc vào loại, kích thước và thành phần của các pha cứng trong phôi và cả các hạt CBN bị tách ra từ vật liệu dụng cụ.
+) Hệ thống gia công: Bao gồm dụng cụ cắt, cán dao, đồ gá, trục chính máy gia công và nền móng đặt máy. Điều kiện tiếp xúc giữa phôi và dụng cụ quyết định cơ chế mòn dụng cụ CBN và chúng được điều khiển bởi nhiều nhân tố. Ngoài thành phần vật liệu dụng cụ CBN và vật liệu phôi, các thông số hình học của dụng cụ, còn có độ ổn định của hệ thống công nghệ [ 23], [ 25]. Bất kỳ sự không ổn định nào trong máy gia công cũng sẽ có ảnh hưởng tiêu cực tới mòn dụng cụ và lực cắt, và đến lượt nó quyết định chất lượng và độ chính xác gia công.
+) Tương tác ma sát giữa phoi và mặt trước:
Sau khi tiện 2,31 phút, trên mặt trước của dao xuất hiện bám dính của vật liệu gia cụng trờn bề mặt với bề rộng xấp xỉ 140 àm, cung mũn bắt đầu xuất hiện trờn lưỡi cắt chính. Sau khi tiện 4,64 phút, vật liệu gia công bám dính trên mặt trước của dao tăng lờn với bề rộng khoảng 210 àm, cung mũn mặt trước trờn lưỡi cắt chớnh kộo dài về phía đỉnh cung tròn của lưỡi cắt. Sau 6,93 phút cắt, bề rộng của vùng vật liệu gia công dớnh trờn mặt trước vẫn giữ khụng đổi khoảng 210 àm, chiều dài cung trũn trờn lưỡi cắt chính tăng chút ít. Khi thời gian cắt tăng lên đến 12,15 phút chiều dài cung tròn mặt trước tiến tới đỉnh cung tròn mũi dao, chiều rộng vùng mòn mặt trước giữ không đổi xấp xỉ 210 àm. Cú thể thấy vật liệu gia cụng dớnh nhiều nhất trờn vựng phoi tỏch ra khỏi mặt trước trên hình dưới đây.
Hình 2.9: Hình ảnh mặt trước của mảnh dao CBN khi cắt với vận tốc cắt 180 m/p chụp trên kính hiển vi điệntử
a. Sau khi tiện 2,31phút b. Sau khi tiện 4,64 phút c. Sau khi tiện 6,93 phút d. Sau khi tiện 10,25 phút
Hình ảnh vùng mặt trước sau 6,93 và 10,25 phút gia công được thể hiện trên hình 2.9 c và 2.9 d. Có thể thấy rõ vật liệu gia công dính tập trung ở vùng phoi thoát khỏi mặt trước của dụng cụ chứ không phải vùng gần l ưỡi cắt thể hiện rõ trên hình 2.10 (c). Hình 2.10 (d) thể hiện bề mặt của vùng mòn trên lưỡi cắt với các rãnh biến dạng dẻo của bề mặt do cào xước của các hạt cứng. Vật liệu dụng cụ trên vùng này hầu như chỉ còn pha thứ hai là TiC và Co, các hạt CBN hầu như bị bóc tách khỏi bề mặt mòn.
Hình 2.10: Hình ảnh phóng to vùng vật liệu gia công dínhtrên mặt trước của dụng cụ khi cắt với vận tốc cắt 180m/p
a. Sau 6,93 phút gia công b. Sau 10,25 phút gia công c. Hình ảnh phóng to của (b)
d. Hình ảnh vùng mòn trên lưỡi cắt chính sau 2,61 phút gia công.
Từ các kết quả thí nghiệm có thể thấy vùng mặt trước của dụng cụ có thể chia thành ba vùng rõ rệt theo phương thoát phoi thông qua mức độ dính của vật liệu gia công với mặt trước. Hình 2.9c và hình 2.10b thể hiện rất rõ mô hình ba vùng này.
Chiều dài tiếp xúc giữa phoi và mặt trước thay đổi tăng dần từ mũi dao đến vùng tiếp xúc giữa bề mặt tự do của phoi với mặt trước. Vùng một nằm sát lưỡi cắt với những vết biến dạng dẻo bề mặt do các hạt cứng trong vật liệu gia công gây nên (hình 2.10 d), vùng hai tiếp theo với sự dính nhẹ của vật liệu gia công trên mặt trước, vùng ba là vùng phoi thoát ra khỏi mặt trước, ở đây vật liệu gia công dính nhiều trên bề mặt (hình 2.10 b và hình2.10 c).
Theo các kết quả nghiên cứu của Chen [25] thì vùng một ngay sát lưỡi cắt là vùng mà các lớp vật liệu gia công sát mặt trước dính và dừng trên mặt trước tạo nên vùng biến dạng thứ hai trên phoi. Tuy nhiên, các hình ảnh bề mặt cho thấy hiện tượng biến dạng dẻo bề mặt do cào xước theo hướng thoát phoi gây mòn tạo nên mặt trước phụ mới với góc trước phụ âm. Từ cấu trúc kim tương của thép có thể thấy rằng trong thép có chứa một hàm lượng lớn các hạt các bít cứng. Những hạt các bít này khi di
chuyển qua vùng ma sát một vừa lăn vừa trượt dưới tác dụng của ứng suất pháp rất lớn ở vùng lưỡi dao là nguyên nhân tạo nên các rãnh biến dạng dẻo do cào xước trên bề mặt của vùng này. Sự mòn bề mặt này tạo nên một mặt trước phụ với góc trước phụ âm tự nhiên. Vật liệu gia công ở vùng gần mặt sau do hiện tượng tự hãm có thể bị trượt ngược lại tạo nên lớp trắng trên bề mặt gia công. Đây là một phát hiện mới về bản chất của tương tác giữa vật liệu gia công và vật liệu dụng cụ ở vùng kề lưỡi cắt cần tiếp tục nghiêncứu.
Vùng hai là vùng dính của vật liệu gia công với mức độ tăng dần về phía vùng phoi thoát khỏi mặt trước. Trên vùng này hệ số ma sát giữa vật liệu gia công và mặt trước tăng dần phù hợp với các kết quả nghiên cứu của Loladze [24]. Do ứng suất pháp giảm mạnh trên vùng này nên các hạt cứng không thể tạo nên các rãnh biến dạng dẻo trên bề mặt.
Vùng ba vật liệu gia công dính nhiều trên mặt trước với các vết trượt của vật liệu phôi đây là vùng ma sát thông thường với hệ số ma sát f = const phù hợp với mô hình của Zorev và Loladze [24]. Tuy nhiên, mòn không xuất hiện đầu tiên ở vùng này như trong kết quả của các nghiên cứu gần đây khi sử dụng mảnh dao tiện CBN gia công thép hợp kim qua tôi. Điều này chứng tỏ mòn vật liệu CBN ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ cao phát sinh trên vùng ma sát thông thường trong nghiên cứu này.
Hình 2.11: Hình ảnh mặt trước của mảnh dao CBN chụp trên kính hiển vi điệntử
a. Khi cắt với vận tốc cắt 160 m/p sau khi tiện 10,25phút b. Khi cắt với vận tốc cắt 140 m/p sau khi tiện 12,15phút
Khi giảm vận tốc cắt từ 180 m/p xuống 170 m/p, 150 m/p, 130m/p, 120 m/p tương tác ma sát giữa phoi và mặt trước thay đổi không nhiều. Vùng tiếp xúc giữa phoi và mặt trước vẫn chia làm hai vùng rõ rệt: vùng một sát lưỡi cắt và vùng hai với sự
bám dính của vật liệu gia công. Ở vùng một sát lưỡi cắt, vẫn xuất hiện các vết biến dạng dẻo (hình 1.11), nhưng những vết biến dạng dẻo này không có dạng sóng rõ rệt như trên hình1.4d.
Vùng bám dính của vật liệu gia công trên mặt trước với mức độ bám dính nhiều nhất ở vùng phoi tách ra khỏi mặt trước không thay đổi khi thay đổi vận tốc cắt.
+) Tương tác ma sát giữa phôi và mặt sau dụng cụ:
Tương tác ma sát giữa bề mặt gia công và bề mặt sau của dụng cụ là tương tác ma sát thông thường kèm theo sự bám dính của vật liệu gia công và các vết cào xước trên bề mặt sau của dụng cụ. Mòn trên bề mặt này là mòn dưới dạng sliding wear.
Kết luận
Kết quả nghiên cứu bản chất tương tác ma sát giữa vật liệu gia công và mặt trước sử dụng dao CBN tiện tinh thép qua tôi cho thấy ma sát trên mặt trước của dụng cụ được chia làm ba vùng rõ rệt: vùng một sát lưỡi cắt, tiếp theo là vùng chuyển tiếp hai và vùng ma sát thông thường ba. Khi mật độ các hạt các bít trong thép tăng đến một mức độ nào đó hiện tượng dính - dừng của các lớp vật liệu gia công sát mặt trước có thể bị thay đổi bằng hiện tượng trượt. Đây là nguyên nhân gây mòn do cào xước trên vùng lưỡi cắt và có thể là nguyên nhân tạo thành lớp trắng trên bề mặt gia công.
Mòn mặt trước hầu như không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ cao trong vùng ma sát thông thường.
Kết luận chương II
Nghiên cứu về mòn và đặc tính bề mặt gia công khi tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao CBN cho các kết luận sau:
- Chất lượng bề mặt chịu ảnh hưởng của thông số hình học dụng cụ cắt, vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt, vật liệu gia công, ảnh hưởng của rung động hệ thống công nghệ, độ cứng vật liệu gia công. Trong đó, tốc độ cắt có ảnh hưởng rất lớm đến nhám bề mặt.
- Mòn dụng cụ CBN được gây ra bởi nhiều cơ chế kết hợp như dính, mài mòn, khuếch tán, tương tác hóa học và phá hủy vì nhiệt.
- Vật liệu gia công và chế độ cắt có ảnh hưởng lớn tới mòn và cơ chế mòn dụng cụ CBN. Khi độ cứng và vận tốc cắt nhỏ, cơ chế mòn do dính chiếm ưu thế.
Khi độ cứng tăng cơ chế mòn do mài mòn chiếm ưu thế. Khi vận tốc cắt tăng, mòn do tác động của nhiệt cắt là nguyên nhân chủ yếu gây mòn hỏng dụng cụ CBN.
- Đường cong mòn của vật liệu CBN cũng tuân theo quy luật mòn thông thường. Giai đoạn mòn ổn định giảm khi vận tốc cắt tăng.
CHƯƠNG III