Quá trình cắt trong tiện là tổng hợp của nhiều yếu tố công nghệ, nhiều nguyên nhân tác ựộng ựến quá trình cắt như lực cắt, nhiệt cắt, cơ tắnh vật liệu,Ầ dẫn ựến dụng cụ cắt mòn nhanh làm thay ựổi ựộ chắnh xác về kắch thước của sản phẩm cũng như nhám bề mặt hoặc làm biến ựổi cơ tắnh của vật liệu gia công.
Mặc dù ựã có nhiều nghiên cứu về tiện cứng ựược tiến hành song các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào quá trình gia công không có va ựập. Tiện cứng có va ựập còn chưa có nhiều nghiên cứu, vì vậy mà ựề tài sẽ tập trung nghiên cứu về quá trình tiện có va ựập thép 45 qua tôi (một loại vật liệu ựược sử dụng khá phổ biến ựể chế tạo trục bánh răng, trục then hoa Ầ).
Nội dung tiếp theo của luận văn sẽ ựi tìm hiểu các vật liệu dụng cụ dùng trong tiện cứng, phân tắch các cơ chế mòn và dạng mòn dụng cụ, phương pháp xác ựịnh tuổi bền dụng cụ khi tiện cứng.
Chương 2. DỤNG CỤ PHUN PHỦ 2.1. Các loại vật liệu dụng cụ cắt dùng trong tiện cứng 2.1.1. Vật liệu sứ (ceramics)
Vật liệu sứ ựã ựược nghiên cứu từ những năm 1930 và phát triển sau năm 1950. Vật liệu sứ ựược chế tạo từ ựất sét kỹ thuật (hỗn hợp giữa γAl2O3 và αAl2O3). để hoàn toàn chuyển γAl2O3 sang αAl2O3, ựem nung ựất sét kỹ thuật ựến nhiệt ựộ 14000Cọ 16000C. Sản phẩm thu ựược mang nghiền nhỏ ựạt kắch thước hạt vào khoảng 1ộm, hạt lớn nhất có kắch thước không quá 2ộm. Bột αAl2O3 ựược ựem ép thành mảnh dao có kắch thước quy ựịnh và mang ựi thiêu kết.
đặc tắnh chủ yếu của vật liệu sứ là:
- độ cứng và tắnh giòn cao do ựó tắnh chịu mòn cao, tắnh chịu nhiệt cao ựược dùng cắt ở tốc ựộ cao.
- Tắnh dẫn nhiệt kém nên không dùng dung dịch trơn nguội. Nếu tưới dung dịch trơn nguội dễ gây ra nứt các mảnh sứ.
- Tắnh dẻo kém do ựó sức bền uốn thấp vì vậy vật liệu sứ không chịu ựược rung ựộng, va ựập cũng như lực cắt lớn.
- Mài sắc mảnh sứ rất khó và chỉ có thể mài bằng ựá mài kim cương. Trên cơ sở những ựặc tắnh của vật liệu sứ nên chúng ựược sử dụng với các ựiều kiện sau:
- Tốc ựộ cắt không nhỏ hơn 100m/ph mặc dù tuổi bền có thể không hợp lý. Khi lựa chọn tốc ựộ cắt cần phải chú ý ựến ựộ cứng cũng như sức bền vật liệu gia công.
- Vì chịu rung ựộng và va ựập kém nên vật liệu sứ ựược dùng chủ yếu ựể gia công tinh, lượng chạy dao và chiều sâu cắt tương ựối bé.
- Vì tắnh dẫn nhiệt kém, dễ nứt do biến dạng nhiệt nên nói chung khi gia công bằng vật liệu sứ không sử dụng dung dịch trơn nguội.
công cần ựộ chắnh xác kắch thước và chất lượng bề mặt cao.
- Các mảnh dao sứ thường không mài sắc lại. Các mảnh sứ nhiều lưỡi cắt thường ựược kẹp chặt trên thân dao, không hàn.
Loại vật liệu sứ có tắnh năng cắt cao nhất thường dùng nhất là ЦM332. Ngoài ra còn sử dụng loại vật liệu sứ có cơ tắnh cao như B3, B0K-60, B0K-63.
2.1.2. Nitrit Bo lập phương (CBN)
Theo Trent [39] CBN là loại vật liệu không tồn tại trong tự nhiên. CBN có các tắnh chất cơ lý tuyệt diệu ựó là ựộ cứng cao, ựộ bền nóng cao, có khả năng duy trì hình dạng ở nhiệt ựộ cao. Một lượng nhỏ kim loại hoặc ceramics ựược trộn với Nitrit Bo tạo nên CBN. độ cứng của CBN giảm khi nhiệt ựộ tăng nhưng vẫn cao hơn tất cả những vật liệu dụng cụ khác làm cho loại vật liệu này có thể cắt vật liệu có ựộ cứng cao với vận tốc cắt cao kết hợp với khả năng chống mòn do cào xước và khả năng chống tương tác với sắt thép cao. Mảnh dao CBN có hai loại: - Các lớp mỏng với chiều dày < 5 mm ựược gắn trên nền hợp kim cứng. - Cả khối CBN.
Các tắnh chất và khả năng sử dụng của dụng cụ PCBN chủ yếu phụ thuộc vào ựộ cứng rất cao của Nitritbo nhưng pha thứ hai ựóng vai trò quan trọng. Hàm lượng pha thứ hai càng cao thì tuổi bền của dụng cụ càng cao ựặc biệt khi gia công tinh với lượng chạy dao và chiều sâu cắt nhỏ. Khi gia công thô tuổi bền của dao tăng khi sử dụng mảnh dao với hàm lượng pha thứ hai thấp [27], [39]. Có thể chia CBN thành hai nhóm:
- Nhóm có thành phần CBN cao khoảng 90% (CBN Ờ H) sử dụng chất dắnh kết kim loại.
- Nhóm có thành phần CBN thấp khoảng 50 ọ 70% (CBN Ờ L) sử dụng ceramics làm chất kết dắnh.
Hình 2.1. Cấu trúc tế vi của hai loại mảnh dao BZN6000-92%CBN (High CBN) và BZN8100-70%CBN (Low CBN).
Mặc dù CBN Ờ H có ựộ cứng, khả năng dẫn nhiệt và tắnh chống mòn cao hơn nhưng CBN Ờ L lại ựạt ựược hiệu quả tốt hơn trong gia công vật liệu cứng cả về phương diện tuổi thọ dụng cụ lẫn chất lượng bề mặt [12].
Hiện tượng này ựược giải thắch theo nhiều cách khác nhau: CBN Ờ L có tuổi bền cao hơn là do có sức bền liên kết cao hơn, lớp ựọng trên mặt sau của dao CBN Ờ L có tác dụng bảo vệ mặt sau, CBN Ờ L có hệ số dẫn nhiệt thấp hơn là nguyên nhân tăng nhiệt ựộ trong vùng tạo phoi làm giảm ựộ cứng của vật liệu gia công quanh vùng cắt làm cho quá trình cắt dễ dàng hơn. Hơn nữa cấu trúc và tắnh chất hoá học của mảnh dao CBN có thể quyết ựịnh vấn ựề mòn của dao CBN [12]. Dao CBN Ờ L tồn tại pha dắnh kết ceramics làm tăng tắnh trơ hoá học của vật liệu dụng cụ dẫn ựến tăng khả năng cắt.
Nhờ các tắnh chất quắ giá như ựộ cứng cao, bền nhiệt và ắt tương tác hóa học ở nhiệt ựộ cao, dao CBN có thể sử dụng ựể cắt với tốc ựộ cao các hợp kim thép và các vật liệu khó gia công như thép hợp kim tôi cứng ựến 70HRC, thép rèn với ựộ cứng 45 ọ 68HRC, gang tôi và các loại siêu hợp kim Niken và Côban. Tuy nhiên, dù có ựộ cứng rất cao nhưng ựộ dai va ựập kém nên hạn chế việc sử dụng dụng cụ CBN trong các
quá trình cắt gọt nặng, có va ựập.
Nghiên cứu về tắnh gia công của một số loại thép hợp kim tôi cứng ựến trên 60 HRC cho thấy lực cắt chiều trục Px tăng khi gia công thép có các hạt các bắt thô (thép S6-5-2) và lực cắt tiếp tuyến Pz tăng với thép có các hạt các bắt mịn và ựồng ựều (thép 16MnCr5E). Từ ựó có thể thấy rằng CBN không thắch hợp về mặt kinh tế khi gia công thép có thành phần ferit cao và ựộ cứng dưới 50 HRC [27].
2.1.3. Vật liệu phủ
Kỹ thuật bề mặt tạo ra trên bề mặt dụng cụ một lớp màng mỏng có ựộ cứng cao, khả năng ổn ựịnh nhiệt và hoá cao, giảm ma sát tốt khi gia công, ựồng thời có khả năng dắnh bám với nền tốt. Một vật liệu lớp phủ như vậy kết hợp với vật liệu nền dụng cụ có ựộ dẻo dai và ựộ bền cao sẽ nâng cao khả năng làm việc của dụng cụ lên rất nhiều.
Vật liệu phủ có hai nhóm là vật liệu lớp phủ mềm và lớp phủ cứng. Lớp phủ mềm có khả năng chống ăn mòn hoá học, có hệ số ma sát nhỏ, có khả năng tự bôi trơn. Do vậy có khả năng giảm ựộ mòn và tăng tuổi bền. Chì, bạc, vàng, crôm, niken, pôlime dùng làm vật liệu phủ mềm.
Lớp phủ cứng có ựộ cứng tế vi cao, có khả năng chống mài mòn tốt, có ựộ kết dắnh với nền tốt, có hệ số ma sát nhỏ khi chuyển dịch trên nhiều loại vật liệu khác, có ựộ bền nhiệt cao. Những tắnh chất này phụ thuộc vào bản chất vật liệu lớp phủ, lớp nền và công nghệ phủ.
Vật liệu phủ cứng thường sử dụng là: các nitrit, các loại cacbit, các oxit hay một số hợp chất khác mà chúng ựược áp dụng với những ứng dụng phù hợp.
* Titan Nitrit (TiN): Là vật liệu thông dụng nhất ựể phủ dụng cụ cắt. Lớp phủ TiN có ựộ cứng cao, ựộ bền nhiệt cao. Hợp kim cứng phủ TiN ựược dùng ựể gia công các loại hợp kim thấp và hợp kim cao với tốc ựộ cắt trung bình và cao.
* Titan Cacbon Nitrit (TiCN): Có thêm nguyên tử cacbon trong mạng vì vậy so với TiN, TiCN có ựộ cứng cao hơn. TiCN không ựược ựề xuất cho những ứng dụng ở nhiệt ựộ cao do nhiệt ựộ vận hành cực ựại tương ựối thấp. Việc gia công ren và một số ứng dụng trong phay là sự phù hợp nhất.
* Titan Aluminium Nitrit (TiAlN): Mối quan hệ tối ưu hóa giữa ứng suất nén và ựộ cứng của lớp phủ TiAlN làm tăng tắnh ổn ựịnh lưỡi cắt của dụng cụ gia công cắt gọt. Sự chống ăn mòn hóa chất và cách nhiệt cho phép cắt khô và cải thiện về ựộ bền uốn. độ rắn cao của lớp phủ này mang ựến sự bảo vệ vượt trội chống lại sự mài mòn và sự ăn mòn. Dụng cụ cắt với lớp phủ bằng TiAlN có thể làm việc với tốc ựộ cao hơn từ 20 ọ 50% so với dụng cụ cắt có lớp phủ TiN. Lớp phủ TiAlN phù hợp với các ứng dụng:
- Dùng trong gia công thép không gỉ. - Dùng trong gia công thép ựã tôi.
* Lớp phủ cacbit: Cacbit kim loại nói chung rất cứng, nhiệt ựộ nóng chảy cao và có ựặc tắnh ma sát tốt. Hệ số ma sát khi chúng trượt lên nhau là thấp vào khoảng 0,2. Nó bằng 1/3 giá trị hệ số ma sát khi thép trượt trên thép. Rất nhiều loại cacbit ựã ựược dùng làm vật liệu phủ. Nói chung chúng có hệ số ma sát thấp khi tiếp xúc, thường vào khoảng 0,15 ọ 0,4 và có khả năng chống mòn tốt. Sau lớp phủ TiN là lớp phủ TiC, lớp phủ ựược nghiên cứu rộng rãi nhất. Còn rất nhiều lớp phủ ựáng chú ý khác như WC, CrC. Nói chung các cacbit ựều có khả năng chống mòn rất tốt vì chúng có ựộ cứng cao, ngoài ra chúng còn có khả năng chống trượt, chống lăn rất tốt, do vậy chúng ựược sử dụng rộng rãi làm vật liệu phủ chống mòn, ựặc biệt trên bề mặt vật liệu dụng cụ cắt.
* Lớp phủ oxit: Lớp phủ oxit có thể tạo bởi một số kỹ thuật và có thể cải thiện ựược tắnh chống mòn và ma sát. Một trong những lớp phủ ựược sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ựó là lớp phủ cứng mỏng dùng Al2O3. Lớp phủ có chiều dày vài ộm có khả năng giảm ma sát giữa mặt trước và phoi, chống lại lực và
nhiệt ựộ cao và cải thiện tuổi bền cho dụng cục cắt. Hiện nay lớp phủ oxit, ựặc biệt là lớp phủ Al2O3 tiếp tục ựược nghiên cứu và hoàn thiện ựể nâng cao khả năng sử dụng.
* Lớp phủ borit: Borit nói chung là loại vật liệu rất cứng, nó dùng chủ yếu trong ứng dụng ma sát học ở việc chống mài mòn tốt. Hệ số ma sát trong tiếp xúc nói chung khá cao. Người ta quan tâm tới lớp phủ TiB2, vì nó có ựộ mòn rất thấp trong tiếp xúc trượt và lớp phủ FeB, FeB có thể sử dụng như một loại vật liệu hãm, bởi vì ựặc tắnh ma sát học ựặc biệt của nó là mòn rất thấp.
* Lớp phủ kim cương và giống như kim cương: được ựặc biệt quan tâm vào những năm 1980. Việc phủ một lớp màng mỏng kim cương ựã có từ những năm 1950 nhưng những nghiên cứu thực sự bùng nổ vào những năm 1980, khi tốc ựộ lắng ựọng tạo ra ở cấp 1ộm. Trong ứng dụng ma sát học, khả năng chống trượt tốt của lớp phủ kim cương ựược áp dụng khi gia công kim loại màu. Khi hai bề mặt kim cương trượt lên nhau, hệ số ma sát thường rất thấp, khoảng 0,05 ọ 0,15 và tốc ựộ mòn rất thấp. Trong nhiệt ựộ cao, trong không khắ hệ số ma sát thực chất thấp hơn trong chân không. Sự giảm ựó rất quan trọng vì nói chung quá trình oxy hóa kết hợp với nhiệt ựộ cao và trượt gây ra bởi sự chuyển pha của kim cương thành graphắt. Khi ựó hệ số ma sát khi tiếp xúc giảm nhưng ựộ cứng lớp phủ cũng giảm xuống.
* Lớp phủ nhiều hợp chất: Lớp phủ nhiều hợp chất ựược thực hiện bởi các phương pháp phủ bay hơi CVD, PVD trong lớp phủ ựó có sự pha trộn của vài hợp chất vật liệu, sự tập trung ựiện tử thay ựổi và bởi vậy dẫn ựến kết quả làm thay ựổi tắnh chất cơ học và tắnh chất lý học của lớp phủ. Lớp phủ nhiều hợp chất rất cứng, với khả năng chống mài mòn và ựược phát triển bởi Kontek cùng với các tác giả khác. Có rất nhiều lớp phủ nhiều hợp chất như Ti-B-C... với chiều dày của lớp phủ khoảng 6 ọ 25ộm trên nền carbide và thép gió, nó cải thiện ựiều kiện chống mòn rất tốt, ngoài ra còn một số lớp phủ nhiều hợp chất khác như TiAlN và (Ti,Al)C, phủ trên nền carbide của mảnh dao tiện,
chúng có ựộ dắnh bám với nền tốt, ổn ựịnh nhiệt cao v dụng cụ. Nhưng do c
của lớp phủ thay ựổi nhiều theo bề d nhược ựiểm cần khắc p
* Lớp phủ nhiều lớp
và cải thiện ựộ dắnh bám của lớp phủ v
tiếp tốt hơn tắnh chất của lớp phủ ựến lớp nền ở ranh giới giữa lớp phủ v Bằng phương pháp này,
trong lớp phủ chung. Tránh ựư một lớp nào ựó.
Các lớp phủ nhiều lớp ự TiC/Ti(CN)/TiN, Ầ
Khi dùng lớp phủ nhiều lớp cần quan tâm ựến tắnh chất của các khác nhau sẽ khác nhau. Hệ số gi
ảnh hưởng lớn ựến tắnh chất cả lớp ph ứng suất dư, bong tróc các l
2.2. Mòn dụng cụ
2.2.1. Khái niệm chung về m
ộ dắnh bám với nền tốt, ổn ựịnh nhiệt cao và nâng cao tu
ưng do cấu tạo của lớp phủ gồm nhiều hợp chất, do ựó tắnh chất ủa lớp phủ thay ựổi nhiều theo bề dày lớp phủ từ bề mặt tới nền. đó cũng l
ợc ựiểm cần khắc phục của lớp phủ nhiều hợp chất. ớp phủ nhiều lớp: Tạo ra nhiều lớp phủ chồng lên nhau,
ải thiện ựộ dắnh bám của lớp phủ và nền và chắc chắn tạo ra sự chuyển ất của lớp phủ ựến lớp nền ở ranh giới giữa lớp phủ v
ương pháp này, có thể tạo ra sự chuyển biến hài hoà v
chung. Tránh ựược sự lan truyền của rạn nứt khi xuất hiện trong
ớp phủ nhiều lớp ựã ựược sử dụng như: TiC/TiB
Hình 2.2. Lớp phủ nhiều lớp.
ớp phủ nhiều lớp cần quan tâm ựến tắnh chất của các ẽ khác nhau. Hệ số giãn nở không ựồng nhất giữa các lớp sẽ có ởng lớn ựến tắnh chất cả lớp phủ dưới tác ựộng của nhiệt cắt (x
ư, bong tróc các lớp phủ, Ầ).
ệm chung về mòn
à nâng cao tuổi bền của ấu tạo của lớp phủ gồm nhiều hợp chất, do ựó tắnh chất ớp phủ từ bề mặt tới nền. đó cũng là
ên nhau,ựiều ựó làm tăng ắc chắn tạo ra sự chuyển ất của lớp phủ ựến lớp nền ở ranh giới giữa lớp phủ và nền.
ài hoà về tắnh chất ợc sự lan truyền của rạn nứt khi xuất hiện trong
TiC/TiB2, TiN/TiC,
ớp phủ nhiều lớp cần quan tâm ựến tắnh chất của các lớp ở không ựồng nhất giữa các lớp sẽ có ới tác ựộng của nhiệt cắt (xuất hiện
Mòn là hiện tượng phá hủy bề mặt và sự tách vật liệu từ một hoặc cả hai bề mặt trong chuyển ựộng trượt, lăn hoặc va chạm tương ựối với nhau. Eyre và Davis ựịnh nghĩa mòn liên quan ựến sự hao hụt về khối lượng hoặc thể tắch, dẫn ựến sự thay ựổi vượt quá giới hạn cho phép về hình dạng hoặc topography của bề mặt. Nói chung mòn xảy ra do sự tương tác của các nhấp