Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt tới cơ chế mòn dụng cụ pcbn sử dụng tiện tinh thép 9xc qua tôi

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>PHẦN MỞ ĐẦU</b>

<b>1. Tính cấp thiết của đề tài :</b>

Tiện cứng là nguyên công tiện các chi tiết đã qua tôi (thường là thép hợp kim) có độ cứng cao khoảng từ 40  65 HRC được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ơ tơ, chế tạo bánh răng, vịng ổ, dụng cụ, khuôn mẫu vv… Tiện cứng được sử dụng thay mài khi gia cơng chính xác các chi tiết máy có tỉ số chiều dài trên đường kính nhỏ, các chi tiết có hình dáng phức tạp và khơng nhất thiết phải sử dụng dung dịch trơn nguội. Tiện cứng cho độ chính xác và nhám bề mặt tương đương với mài nhưng tiện cứng có khả năng tạo nên lớp bề mặt có ứng suất dư nén làm tăng tuổi thọ về mỏi của chi tiết máy trong các tiếp xúc lăn khi sử dụng, cho năng suất cao hơn mài với đầu tư ban đầu thấp hơn nhiều. Tiện cứng thường dùng trong nguyên công tiện tinh với độ chính xác ngang mài nên các yêu cầu về độ chính xác, độ cứng vững của hệ thống cơng nghệ rất khắt khe.

Vật liệu thường sử dụng làm dao tiện cứng là CBN (Cubic nitrit Bo). Đây là loại vật liệu tổng hợp sử dụng các hạt CBN với chất gắn kết là TiC hoặc kim loại như Co.

Khi sử dụng mảnh dao với hàm lượng CBN thấp (CBN – L) và cao (CBN – H), mòn xuất hiện trên cả mặt trước và sau với ba cơ chế mịn khác nhau là mịn do dính, mịn do cào xước và mịn do nhiệt, trong đó mịn do nhiệt là cơ chế mịn chính. Mịn ảnh hưởng trực tiếp đến nhám bề mặt chi tiết gia công, do vậy nó phải được nghiên cúu để nắm vững và điều khiển nhằm giảm tác động của nó và nâng cao chất lượng của q trình cắt gọt. Mịn của dụng cụ cắt là hiện tượng lý hoá phức tạp trong q trình gia cơng cắt gọt các vật liệu. Cũng như mòn của các chi tiết máy, mòn của dụng cụ làm thay đổi các thơng số hình học dụng cụ và giảm tuổi bền cũng như khả năng làm việc

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

của dụng cụ. Mòn của dụng cụ còn ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và độ chính xác của bề mặt gia cơng. Đối với q trình gia cơng loạt lớn và tự động hố, độ mịn và tuổi bền của dụng cụ lại càng được quan tâm và chú ý hơn do các ảnh hưởng của nó tới năng suất và chất lượng của sản phẩm chế tạo. Do vậy, việc nghiên cứu q trình mịn khi tiện cứng để nâng cao khả năng làm việc, nâng cao chất lượng bề mặt gia công là cần thiết đối với ngành cơ khí.

Khi tiện thép nhiệt luyện bằng dao nitritbo xuất hiện lực cắt đơn vị lớn, do đó ở vùng tiếp xúc nhiệt độ cắt tăng cao, gây ảnh hưởng đến tuổi bền của dao và chất lượng lớp bề mặt của chi tiết gia cơng.

Xét về mặt mài mịn của dụng cụ cắt cần quan tâm tới nhiệt độlớn nhất trên mặt trước và mặt sau, sự phân bố nhiệt trên các bề mặt này. Nhưng việc xác định nhiệt độ lớn nhất này rất khó khăn. Mặt khác nhiệt độcắt chịu ảnh hưởng của vận tốc cắt lớn hơn so với lượng chạy dao. Khi tiện tinh, chiều sâu cắt nhỏ, vận tốc cắt lớn, áp lực lên dao nhỏ, nhiệt độtập trung ở vùng mũi dao cao nên làm dao bị mềm ra và cùn nhanh.

Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn như thế nào khi tiện tinh thép hợp kim dụng cụ 9XC qua tơi một loại vật liệu có nhiều ưu điểm được dùng rộng rãi nhất để chế tạo dụng cụ cắt với vận tốc thấp nhằm thoả mãn các yêu cầu về khả năng làm việc đang là yêu cầu cần thiết của các nhà sản xuât.

<b>Do vậy đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt tới cơ chếmòn dụng cụ PCBN sử dụng tiện tinh thép 9XC qua tôi” là cần thiết và</b>

cấp bách.

<b>2. Nội dung nghiên cứu.</b>

- Nghiên cứu tổng quan về bản chất vật lý của quá trình cắt kim loại khi tiện và cơ chế mòn của dụng cụ cắt.

- Nghiên cứu thực nghiệm về mòn dụng cụ PCBN và ảnh hưởng của vận tốc cắt tới cơ chế mòn dụng cụ PCBN sử dụng tiện tinh thép 9XC qua tôi.

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>3. Phương pháp nghiên cứu. </b>

Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. Nghiên cứu tổng quan về các vấn đề liên quan đến tiện cứng từ đó rút ra vấn đề định hướng cho nghiên cứu về mòn và tuổi bền của dụng cụ.

Tiến hành các nghiên cứu và phân tích thực nghiệm sử dụng mảnh dao PCBN tiện tinh thép 9XC qua tơi để xác định cơ chế mịn và tuổi bền của dao khi cắt với các vận tốc cắt khác nhau. Xác định mối quan hệ giữa vận tốc cắt và nhám bề mặt gia công khi sử dụng các vận tốc cắt khác nhau sau những khoảng thời gian khác nhau.

Xử lý các số liệu thực nghiệm để tìm vận tốc cắt tối ưu nhằm đạt được chất lượng bề mặt tốt nhất hoặc tuổi bền cao nhất.

<b>4. Dự định kết quả : </b>

Phát hiện ra một số cơ chế mòn dụng cụ PCBN mới mối quan hệ giữa mòn, cơ chế mòn và vận tốc cắt.

Xác định được vận tốc cắt tối ưu trong dải vận tốc cắt sử dụng trong nghiên cứu nhằm đạt được nhám bề mặt nhỏ nhất hoặc tuổi bền cao nhất của dụng cụ.

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>CHƯƠNG I</b>

<b>BẢN CHÂT VẬT LÝ CỦA Q TRÌNH CẮT VÀ MỊN DỤNG CỤ</b>

<b>1.1. Bản chất vật lý. </b>

Trong quá trình gia cơng kim loại bằng cắt gọt có rất nhiều hiện tượng vật lý xảy ra: phát sinh nhiệt, ma sát, mài mòn, lẹo dao, rung động, biến cứng, biến dạng phoi…Các hiện tượng vật lý này ảnh hưởng rất lớn đến cơng tiêu hao trong q trình cắt gọt, độ mòn của dụng cụ cắt, chất lượng của chi tiết gia cơng.

<b>1.1.1. Q trình cắt và tạo phoi.</b>

Q trình cắt kim loại là quá trình lấy đi một lớp phoi trên bề mặt gia cơng để có chi tiết đạt hình dạng, kích thước và độ nhám bề mặt theo yêu cầu. Để thực hiện một quá trình cắt cần thiết phải có hai chuyển động :

- Chuyển động cắt chính (Chuyển động làm việc) : Với tiện đó là chuyện động quay trịn của phơi.

- Chuyển động chạy dao: Đó là chuyển động để đảm bảo duy trì sự tạo phoi liên tục trong suốt quá trình cắt. Với tiện đó là chuyển động tịnh tiến dọc của dao khi tiện mặt trụ 6.

Khi cắt để có thể tạo ra phoi, lực tác dụng vào dao cần phải đủ lớn để tạo ra trong lớp kim loại bị cắt một ứng suất lớn hơn sức bền của vật liệu bị gia cơng.

Hình dạng, độ cứng, mức độ biến dạng và cấu tạo phoi chứng tỏ rằng lớp kim loại bị cắt thành phoi đã chịu một ứng suất như vậy (hình1.1).

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<b>Hình 1.1: Sơ đồ miền tạo phoi</b>

Q trình tạo phoi được phân tích kỹ trong vùng tác động bao gồm: - Vùng biến dạng thứ nhất là vùng vật liệu phôi nằm trước mũi dao được giới hạn giữa vùng vật liệu phoi và vùng vật liệu phôi. Dưới tác dụng của lực tác động trước hết trong vùng này xuất hiện biến dạng dẻo. Khi ứng suất do lực tác động gây ra vượt quá giới hạn bền của kim loại thì xuất hiện hiện tượng trượt và phoi được hình thành (vùng AOE). Trong q trình cắt, vùng phoi một ln di chuyển cùng với dao.

- Vùng ma sát thứ nhất là vùng vật liệu phoi tiếp xúc với mặt trước của dao. - Vùng ma sát thứ hai là vùng vật liệu phôi tiếp xúc với mặt sau của dao. - Vùng tách là vùng bắt đầu quá trình tách kim loại khỏi phơi để hình thành phoi.

Vật liệu dịn khác biệt vật liệu dẻo ở vùng biến dạng thứ nhất, do tổ chức hạt là khác nhau nên ở vùng này biến dạng dẻo hầu như không xảy ra. Quá trình bóc tách phoi diễn ra gần như đồng thời với lực tác động.

Việc nghiên cứu quá trình tạo phoi có một ý nghĩa rất quan trọng vì trị số của công cắt (công làm biến dạng chiếm 90% công cắt), độ mòn của dao (tuổi thọ của dụng cụ cắt) và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rất nhiều vào quá trình tạo phoi.

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

Khi cắt do tác dụng của lực P (hình 1.1), dao bắt đầu nén vật liệu gia công theo mặt trước. Khi dao tiếp tục chuyển động trong vật liệu gia công phát sinh biến dạng đàn hồi, biến dạng này nhanh chóng chuyển sang trạng thái biến dạng dẻo và một lớp phoi có chiều dày ap được hình thành từ lớp kim loại bị cắt có chiều dày a, di chuyển dọc theo mặt trước của dao.

Việc nghiên cứu kim loại trong miền tạo phoi chứng tỏ rằng trước khi biến thành phoi, lớp kim loại bị cắt đã trải qua một giai đoạn biến dạng nhất định, nghĩa là giữa lớp kim loại bị cắt và phoi có một khu vực biến dạng. Khu vực này được gọi là miền tạo phoi (hình 1.2).

<b>Hình 1.2: Miền tạo phoi</b>

Trong miền này (như sơ đồ hố hình 1.1) có những mặt trượt OA, OB,OC,OD,OE. Vật liệu gia công trượt theo những mặt đó (là những mặt có ứng suất tiếp có giá trị cực đại).

Miền tạo phoi được giới hạn bởi đường OA, dọc theo đường đó phát sinh những biến dạng dẻo đầu tiên, đường OE - đường kết thúc biến dạng dẻo và đường AE - đường nối liền khu vực chưa biến dạng của kim loại và phoi.

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

Trong quá trình cắt, miền tạo phoi AOE di chuyển cùng với dao.

Ngoài ra lớp kim loại bị cắt, sau khi đã bị biến dạng trong miền tạo phoi, khi di chuyển thành phoi còn chịu thêm biến dạng phụ do ma sát với mặt trước của dao.

Những lớp kim loại phía dưới của phoi, kề với mặt trước của dao (hình 1.1) chịu biến dạng phụ thêm nhiều hơn các lớp phía trên. Mức độ biến dạng của chúng thường lớn đến mức là các hạt tinh thể trong chúng bị kéo dài ra theo một hướng nhất định, tạo thành têch tua.

Như vậy phoi cắt ra chịu biến dạng không đều.Mức độ biến dạng của phoi:

Kf = Kbd + Kms (1 –1) Ở đây:

Kbd là mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi

Kms là mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của dao. Vì biến dạng dẻo của phoi có tính lan truyền, do đó lớp kim loại nằm phía dưới đường cắt ON (hình 1.1a) cũng sẽ chịu biến dạng dẻo.

Chiều rộng của miền tạo phoi phụ thuộc vào tính chất của vật liệu gia công và điều kiện cắt (thông số hình học của dao, chế độ cắt…).

Vận tốc cắt có ảnh hưởng có ảnh hưởng lớn nhất đến chiều rộng miền tạo phoi. Tăng vận tốc cắt miền tạo phoi sẽ co hẹp lại. Hiện tượng đó có thế được giải thích như sau :

Khi tăng vận tốc cắt vật liệu gia công sẽ chuyển qua miền tạo phoi với tốc độ nhanh hơn. Khi di chuyển với vận tốc lớn như vậy, vật liệu gia công sẽ đi ngang qua đường OA nhanh đến mức sự biến dạng dẻo không kịp xảy ra theo đường OA mà chậm đi một thời gian theo đường OA’. Tương tự như vậy, nơi kết thúc quá trình biến dạng trong miền tạo phoi sẽ là đường OE’ chậm hơn so với OE (hình 1.3).

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

<b>Hình 1.3: Miền tạo phoi ứng với vận tốc cắt khác nhau</b>

Như vậy ở vận tốc cắt cao miền tạo phoi sẽ là A’OE’; A’OE’ quay đi một góc theo chiều quay của kim đồng hồ và khi đó chiều dày cắt giảm đi so với trước (a’1 < a1) vì biến dạng dẻo giảm đi.

Khi vận tốc cắt rất lớn miền tạo phoi co hẹp đến mức mà chiều rộng của nó chỉ vào khoảng vài phần trăm milimet. Trong trường hợp đó sự biến dạng của vật liệu gia cơng có thể xem như nằm lân cận mặt OF. Do đó để cho đơn giản, ta có thể xem một cách gần đúng quá trình biến dạng dẻo khi cắt xảy ra ngay trên mặt phẳng OF đi qua lưỡi cắt và làm với phương chuyển động của dao một góc bằng .

Mặt OF được gọi là mặt trượt quy ước, cịn góc  gọi là góc trượt. Góc trượt là một thơng số đặc trưng cho hướng và giá trị của biến dạng dẻo trong miền tạo phoi.

<b>Hình 1.4: Tính góc trượt </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

Như vậy góc trượt <small></small> phụ thuộc vào  và tỉ số K.

Khi cắt kim loại bị biến dạng dẻo nên kích thước của phơi thường thay đổi so với kích thước của lớp kim loại sinh ra nó. Đại lượng K đặc trưng cho sự biến dạng xảy ra trong quá trình cắt gọt, K càng lớn biến dạng càng lớn. Trong cắt gọt người ta mong muốn K nhỏ tức là biến dạng nhỏ, khi đó cơng tiêu hao trong q trình cắt gọt bé, chất lượng bề mặt của chi tiết gia công cao. Thực nghiệm cho thấy quan hệ giữa K và V như hình 1.5.

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

<b>Hình 1.5: Quan hệ giữa vận tốc cắt và biến dạng của phoi</b>

Khi Vc tăng từ V1 đến V2 biến dạng của phoi giảm

Trong vùng vận tốc cắt này khi Vc tăng µ tăng do đó lực ma sát tăng, biến dạng của phoi tăng. Mặt khác khi này lẹo dao xuất hiện và tăng dần làm tăng góc trước, giảm góc cắt thì q trình cắt dễ dàng hơn, phoi thốt ra dễ dàng hơn biến dạng của phoi giảm và đạt gia trị cực tiểu tại B ứng với Vc = V2 (tại đây chiều cao lẹo dao lớn nhất).

Hai ảnh hưởng này bù trừ lẫn nhau nhưng ảnh hưởng của lẹo dao lớn hơn.

Khi Vc tăng từ V2 ÷ V3 biến dạng của phoi tăng.

Trong vùng vận tốc cắt này khi Vc tăng chiều cao lẹo dao giảm dần, dẫn đến góc trước giảm, góc cắt tăng, biến dạng của phoi tăng. Khi Vc tăng, hệ số ma sát giảm, lực ma sát giảm, biến dạng của phoi giảm. Kết hợp hai ảnh hưởng này, ảnh hưởng của lẹo dao lớn hơn nên khi Vc tăng biến dạng của phoi tăng và đạt giá trị cực đại khi Vc = V3 (tại đây lẹo dao mất hẳn).

Khi Vc > V3: lẹo dao khơng cịn, mặt khác nhiệt độ cắt ở vùng cắt rất cao làm cho lớp kim loại của phoi sát mặt trước bị chảy nhão, hệ số ma sát giữa phoi và mặt trước giảm, K giảm.

Khi Vc > 200 ÷ 300 m/f hệ số ma sát µ thay đổi rất ít, dẫn đến biến dạng của phoi hầu như không thay đổi.

Các giá trị V1, V2, V3 phụ thuộc vào điều kiện gia cơng, vật liệu làm dao, phơi, thơng số hình học của dụng cụ cắt.

Bán kính mũi dao r cũng ảnh hưởng đến hệ số biến dạng phoi, r tăng chiều dày trung bình của lớp cắt giảm, chiều dài của đoạn lưỡi cắt cong tham gia cắt tăng, phoi thoát ra cong bị biến dạng phụ thêm do sự giao nhau của

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

chúng trên cung cong (phương thốt phoi xem như thẳng góc với lưỡi cắt) làm cho biến dạng của phoi tăng hình 1.6.

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

<b>Hình 1.6: Quan hệ giữa bán kính mũi dao r và biến dạng của phoi 1.1.2. Đặc điểm quá trình tạo phoi khi tiện cứng</b>

Trong tiện cứng, quá trình biến dạng trong vùng tạo phoi diễn ra rất phức tạp, chủ yếu do độ cứng của vật liệu gia công (sau khi tôi) nên giải pháp tốt nhất vẫn là sử dụng mảnh dao có độ cứng, khả năng chịu nhiệt… đặc biệt cao. Tiêu biểu cho nhóm này là các mảnh CBN, PCBN …

Poulachon và đồng nghiệp [14] đã chỉ ra rằng thường có hai cơ chế tạo phoi lý thuyết khi gia công thép tôi.

- Cơ chế thứ nhất cho rằng adiabatic shear gây ra sự không ổn định dẫn đến sự trượt mạnh trong vùng tạo phoi.

- Cơ chế thứ hai cho rằng các vết nứt đầu tiên xuất hiện theo chu kỳ trên bề mặt tự do của phoi phía trước lưỡi cắt và truyền dần đến lưỡi cắt.

Poulachon và đồng nghiệp cũng khẳng định rằng khi tiện trực giao thép 100Cr6 trong dải độ cứng từ 10 ÷ 62 HRC tồn tại của 3 kiểu cơ chế cắt.

Phoi dây được tạo ra khi tiện thép có độ cứng từ 10 ÷ 50 HRC, lực cắt giảm khi tăng độ cứng trong dải này. Điều này được giải thích là khi độ cứng của vật liệu gia công tăng sẽ làm tăng nhiệt độ trong vùng tạo phoi làm giảm độ bền của vật liệu gia cơng dẫn đến tăng góc tạo phoi và giảm chiều dài tiếp xúc giữa phoi và mặt trước. Cả hai yếu tố đều có tác dụng giảm lực cắt.

Khi tăng độ cứng của vật liệu gia công lên trên 50 HRC, phoi sẽ chuyển từ phoi dây sang phoi dạng răng cưa và lực cắt tăng lên. Khi tăng độ

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

cứng, góc tạo phoi tăng và chiều dày của phoi giảm Khi độ cứng tăng, tồn tại hai yếu tố trái ngược ảnh hưởng đến cơ chế tạo phoi đó là tăng độ bền của vật liệu gia cơng do tăng độ cứng và giảm độ bền của vật liệu gia công do tăng nhiệt độ trong vùng tạo phoi.

Khi độ cứng tiếp tục tăng, vật liệu gia công trở nên giòn hơn và yêu cầu năng lượng cắt nhỏ hơn. Khi gia cơng vật liệu giịn, biến dạng nứt trở nên nhỏ hơn và khi nó nhỏ hơn một giới hạn nhất định, nứt sẽ trở nên thịnh hành và hiện tượng trượt cục bộ xảy ra gián đoạn trong vùng trượt chỉ ra trên hình 1. Khi hiện tượng này xảy ra, nhiệt độ trong dụng cụ không tăng mà lại bắt đầu giảm. Một điều cần lưu ý là phoi dạng răng cưa xuất hiện khi gia cơng phơi có độ cứng thấp hơn nhưng với vận tốc cắt cao hơn. Điều này chứng tỏ cơ chế tạo phoi được điều khiển bởi sự cân bằng giữa vận tốc cắt và độ cứng của vật liệu gia công và mối quan hệ giữa hai yếu tố này với nhiệt độ trong vùng cắt. Hình 1.7 chỉ ra 3/4 giai đoạn hình thành phoi răng cưa khác nhau.

Hình 1.6: Ba giai đoạn hình thành phoi khi tiện thép 100Cr6 với v = 100 m/p; s = 0,1 mm; t = 1 mm; môi trường cắt khơ.

<b>Hình 1.7: Ba giai đoạn hình thành phoi khi tiện thép 100Cr6 với </b>

V = 100 m/p; s = 0,1mm/v; t = 1mm; môi trường cắt khô.

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

Giai đoạn 1: Khi ứng suất cắt đạt giá trị tới hạn trong vùng tạo phoi một vệt nứt đột nhiên xuất hiện và phát triển gần đến lưỡi cắt. Chiều dài của vết nứt là rất quan trọng và có thể so sánh với chiều dày của phoi khi biến dạng không xảy ra. Tất nhiên vết nứt xuất hiện trước khi phoi răng cưa được hình thành.

Giai đoạn 2: Do sự xuất hiện của vết nứt, vùng phoi giữa vết nứt và cạnh viền sẽ bị đẩy lên không kèm theo biến dạng và vết nứt sẽ bị khép lại khi dụng cụ tiến lên phía trước và chiều cao của phoi giảm xuống. Tốc độ trượt của phoi trên mặt trước lớn đến mức mà có thể tạo ra nhiệt độ cao gần điểm A3 vì thế Máctensít sinh ra do ma sát giữa các lớp phoi thể hiện ở dạng lớp trắng bao quanh mảnh phoi được hình thành. Hơn nữa một lớp trắng tương tự sẽ sinh ra trên bề mặt gia công do ma sát rất lớn giữa mặt sau của dụng cụ với bề mặt gia cơng có nguyên nhân là lực hướng kính Py rất lớn.

Giai đoạn 3: Khi chiều rộng của khe hở trở nên hẹp tới mức mà tốc độ bật ra và biến dạng dẻo của phoi là rất lớn. Dưới tác dụng của nhiệt độ cao hai lớp trắng trên phoi và trên bề mặt phân cách giữa phoi và bề mặt gia công kết hợp lại tạo nên phần thứ hai của phoi răng cưa. Do ở đây chiều dày của phoi rất nhỏ và tốc độ nguội rất cao vì thế hiện tượng chuyển đổi trong vùng này là “adiabatic”.

Giai đoạn 4: Mảnh phoi răng cưa hình thành và thực tế điền vào chỗ trống tồn tại giữa vết nứt và mặt trong của phoi do biến dạng dẻo. Sự phân bố ứng suất nén đã giảm trong giai đoạn 2 và 3 lại trở nên quan trọng và tạo nên vết nứt mới cho một chu kỳ tạo mảnh phoi vụn mới [14].

Dạng phoi được hình thành phụ thuộc vào sự cân bằng giữa vận tốc cắt và độ cứng của vật liệu gia công và mối liên hệ giữa hai thông số này với nhiệt độ sinh ra trong vùng cắt. Hình 1.8 sự ảnh hưởng của tỷ số HVphoi / HVphôi (Tỷ số giữa độ cứng lớn nhất đo trên phoi và độ cứng của phơi ban

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

đầu) đến dạng phoi hình thành. Kết quả thí nghiệm cho thấy biến cứng ảnh hưởng lớn đến sự hình thành phoi khi độ cứng của phôi tăng hoặc vận tốc cắt

Ta đã biết, để thực hiện quá trình tạo phoi, khi cắt dụng cụ phải tác động vào vật liệu gia công một lực nhất định. Lực này làm biến dạng vật liệu và phoi được hình thành. Tuy nhiên dụng cụ cắt cũng chịu một phần lực tương tự. Việc nghiên cứu lực cắt trong q trình gia cơng vật liệu có ý nghĩa cả về lý thuyết lẫn thực tiễn. Trong thực tế, những nhận thức về lực cắt rất quan trọng để thiết kế dụng cụ cắt, thiết kế đồ gá, tính tốn và thiết kế máy móc, thiết bị … Dưới tác dụng của lực cắt cũng như nhiệt cắt, dụng cụ sẽ bị mòn, bị phá huỷ. Muốn hiểu được quy luật mài mòn và phá huỷ thì phải hiểu được quy luật tác động của lực cắt. Muốn tính cơng tiêu hao khi cắt cần phải biết lực cắt. Những nhận thức lý thuyết về lực cắt tạo khả năng chính xác hóa

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

lý thuyết quá trình cắt. Trong trạng thái cân bằng năng lượng của quá trình cắt thì các mối quan hệ lực cắt cũng phải cân bằng. Điều đó có nghĩa là một mặt lực cản cắt tác dụng lên vật liệu chống lại sự tách phoi, mặt khác lực cắt do dụng cụ cắt tác dụng lên lớp cắt và bề mặt cắt [4], [6].

Lực cắt là một hiện tượng động lực học, tức là trong chu trình thời gian gia cơng thì lực cắt khơng phải là một hằng số. Lực cắt được biến đổi theo quãng đường của dụng cụ. Lúc đầu lực cắt tăng dần cho đến điểm cực đại. Giá trị lực cắt cực đại đặc trưng cho thời điểm tách phần tử phoi ra khỏi chi tiết gia cơng. Sau đó lực cắt giảm dần song không đạt đến giá trị bằng không bởi vì trước khi kết thúc sự chuyển dịch phần tử phoi cắt thì đã bắt đầu biến dạng phần tử khác [4], [6].

Hệ thống lực cắt khi tiện được mơ tả sơ bộ trên hình 1.9. Lực tổng hợp P được phân tích thành ba thành phần lực bao gồm : lực tiếp tuyến P<small>z (hay Pc),</small> lực hướng kính Py (hay Pp) và lực chiều trục (lực ngược với hướng chuyển động chạy dao) Px.

<b>Hình 1.9: Hệ thống lực cắt khi tiện</b>

Thành phần lực Pz là lực cắt chính. Giá trị của nó cần thiết để tính tốn cơng suất của chuyển động chính, tính độ bền của dao, của chi tiết cơ cấu chuyển động chính và các chi tiết khác của máy cơng cụ.

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

Thành phần lực hướng kính Py có tác dụng làm cong chi tiết, ảnh hưởng đến độ chính xác gia cơng, độ cứng vững của máy và dụng cụ cắt.

Thành phần Px tác dụng ngược hướng chạy dao, nó dùng để tính độ bền của chi tiết trong chuyển động phụ, độ bền của dao cắt và công suất tiêu hao của cơ cấu chạy dao.

Trường hợp tổng quát các thành phần lực này khơng thuần nhất. Trị số của Pz là hình chiếu chính, xác định bằng lực pháp tuyến tác dụng lên mặt trước của dao. Còn lại Px, Py phụ thuộc vào độ lớn và hướng của lực ma sát. Bởi vậy các thành phần lực này thay đổi khi thay đổi vật liệu gia cơng, thơng số hình học dụng cụ cắt và chế độ cắt, …

Lực cắt khi gia cơng vật liệu có độ cứng cao khơng cao hơn so với khi gia cơng vật liệu có độ cứng thấp trong cùng điếu kiện. Góc tạo phoi lớn và phoi dạng răng cưa do tính dẻo của vật liệu gia công kém làm giảm lực cắt mặc dù độ bền của vật liệu cao. Khi gia công thép 0,25% các bon thay đổi độ cứng đến HV500 sử dụng dao có góc trước 0<small>o</small>, lực cắt hầu như độc lập với độ cứng. Mặt khác khi sử dụng góc trước -20<small>o</small>, khi tăng độ cứng của phơi cả lực cắt và lực hướng kính đều giảm. Tăng góc trước âm có tác dụng làm tăng thành phần lực cắt hướng kính đáng kể [14].

Khi tiện thép thấm các bon, ni tơ tôi cứng đến 60 HRC bằng dao PCBN với <small></small> = - 6<small>o</small> và  = 0<small>o</small>, các thành phần lực cắt P<small>z và Py tăng nhanh theo chiều</small> dài cắt còn thành phần Px tăng hầu như không đáng kể theo chiều dài cắt. Thành phần lực cắt Py luôn là thành phần lớn nhất do góc trước âm lớn biến đổi dọc theo bán kính của lưỡi cắt chỉ ra trên hình 1.10 [12].

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

<b>Hình 1.10: Mối quan hệ giữa lực cắt và chiều dài cắt khi tiện thép thấm </b>

Các bon, Ni tơ tôi cứng đến 60 HRC bằng dao PCBN với <small></small> = - 6<small>o</small> và  = 0<small>o</small>.

Liu và đồng nghiệp [17] được sử dụng dao PCBN – L với 60% CBN và TiN làm chất dính kết khi gia cơng thép vịng bi tơi cứng đến 60 ÷ 64 HRC. Họ đã phát hiện ra rằng lực cắt giảm dần khi tăng độ cứng của vật liệu gia công đến 50 HRC. Khi độ cứng vượt quá 50 HRC phoi dây dạng răng cưa xuất hiện và lực cắt tăng đột ngột. Độ cứng 50 HRC gọi là độ cứng tới hạn với tiêu chí lực cắt tối thiểu.

Vấn đề bôi trơn làm nguội tối thiểu so với cắt khô và bôi trơn làm nguội tràn đã được Varadarajan và đồng nghiệp nghiên cứu [18] khi tiện thép có độ cứng 46 HRC sử dụng dao các bít phủ TiC, TiN, TiCN. Các kết quả chỉ ra rằng bơi trơn, làm nguội tối thiểu có ưu điểm vượt trội so với tiện khô hoặc bôi trơn, làm nguội thơng thường trên khía cạnh về lực cắt, độ nhám bề mặt sau gia công, hệ số co rút phoi, chiều dài tiếp xúc phoi và mặt trước và tuổi bền dụng cụ.

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

Theo Diniz.A.E và đồng nghiệp [33], tiện cứng thường thực hiện trong môi trường khơ vì nhiệt độ cao làm cho phoi biến dạng và trượt dễ hơn. Tuy nhiên nhiệt độ cao lại làm cho phôi dễ bị biến dạng, ảnh hưởng tới độ chính xác hình học, kích thước và chất lượng tích hợp bề mặt. Trong nghiên cứu của họ đã sử dụng dao PCBN tiện thép AISI 52100 tôi cứng đạt 58 ÷ 60 HRC với vận tốc cắt từ 110 ÷ 175 m/p; s = 0,08 mm/v; t = 0,3 mm trong môi trường khô, bôi trơn/làm nguội bằng tưới tràn và bôi trơn làm nguội tối thiểu. Kết quả thí nghiệm đã chứng tỏ rằng trong mơi trường cắt khơ và tối thiểu mịn mặt sau ln nhỏ hơn khi bôi trơn/làm nguội tưới tràn; độ nhám bề mặt hầu như không thay đổi khi cắt trong cả ba mơi trường. Từ đây có thể thấy mơi trường cắt khơ là tốt nhất trên khía cạnh giảm mịn, độ nhám bề mặt thấp và tiết kiệm chi phí chất bôi trơn/làm nguội. Trái lại các nghiên cứu thực tế của Koefer [33] cho thấy sử dụng dung dịch làm nguội ở dạng sương mù hay áp suất cao có tác dụng làm tăng tuổi bền của dao khi tiện cứng và dầu không nên sử dụng trong tiện cứng do nhiệt độ ở vùng cắt cao (tới 1700<small>o</small>F).

<b>1.2.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện </b>

Lực cắt trong q trình gia cơng nói chung và khi tiện nói riêng đều chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố khác nhau như vật liệu gia công, thông số hình học của dụng cụ cắt, chế độ cắt ...v.v…

<b>1.2.2.1 Ảnh hưởng của vận tốc cắt</b>

- Khi tăng vận tốc cắt từ V1 ÷ V2

Hiện tượng lẹo dao xuất hiện và tăng đến giá trị cực đại khi Vc = V2. Lẹo dao càng lớn biến dạng càng giảm do đó lực cắt càng giảm.

- Khi tăng vận tốc cắt từ V2 ÷ V3

Hiện tượng lẹo dao giảm dần rồi triệt tiêu cùng với sự giảm dần của lẹo dao biến dạng của phoi tăng lên do đó lực cắt tăng lên.

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

Khi Vc > V3 biến dạng của phoi giảm (đã giải thích ảnh hưởng của vận tốc cắt đến biến dạng của phoi) làm giảm lực cắt.

Khi Vc tăng quá (400 ÷ 500 m/p) thì lực cắt hầu như khơng thay đổi vì biến dạng của phoi hầu như bão hồ.

<b> Hình 1.11: Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới lực cắt</b>

- Để nâng cao năng suất cắt, giảm cơng tiêu hao trong q trình cắt gọt ta nên cắt ở vận tốc cắt cao Vc > V3. Nên đường cong phía bên phải của đồ thị mang ý nghĩa thực tế.

- Trong phạm vi vận tốc cắt từ Vc = V3 ÷ 400 m/p mối quan hệ giữa vận tốc cắt và các thành phần của lực cắt như sau:

Trong đó : các hệ số C1, C2, C3, là hệ số phụ thuộc vào điều kiện gia cơng (Vật liệu phơi, thơng số hình học của dụng cụ cắt, lớp cắt, dung dịch

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

n1, n2 , n3 là số mũ biểu thị ảnh hưởng của tốc độ cắt tới lực cắt, phụ thuộc vào điều kiện gia công.

Khi gia công thép bằng dao HKC:

n1 = 0,1 ÷ 0,26; n2 = 0,18 ÷ 0,20; n3 = 0,22 ÷ 0,40

<b>1.2.2.2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt </b>

Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy đối với tất cả các thành phần lực cắt Px, Py và Pz ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt có thể tính bằng cơng thức chung sau : <i><small>xpyp</small></i>

<i><small>P</small></i><small>..</small> (1-6)

Hệ số Cp và các số mũ xp, yp phụ thuộc vào tính chất vật liệu gia cơng, các thơng số hình học của dao, dung dịch trơn nguội …

Ví dụ cơng thức thực nghiệm xác định các thành phần lực cắt khi tiện

<b>1.2.2.3. Ảnh hưởng của vật liệu gia công </b>

Vật liệu chi tiết gia công có ảnh hưởng rất nhiều tới lực cắt, vật liệu chi tiết gia cơng khác nhau thì [ ]dh, [ ]b khác nhau do đó lực để ra biến dạng chúng cũng khác nhau. Vật liệu chi tiét gia công khác nhau thì hệ số ma sát với dụng cụ cắt cũng khác nhau, vì vậy lực cắt cũng khác nhau.

Đối với thép [ ]b càng lớn lực cắt càng lớn.

Đối với gang độ cứng HB càng lớn lực cắt càng lớn

Trong thực nghiệm người ta tìm được thành phần <i><small>Pz</small></i><small></small><i><small>f</small></i><small>(</small><i>_b</i><small>,</small><i><small>HB</small></i><small>)</small>qua

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

Với gang lấy q = 0,55. Nói cách khác, độ cứng và độ bền vật liệu gia công càng cao, lực cắt càng lớn. Quan hệ phụ thuộc này có thể được biểu thị bằng cơng thức tỷ lệ, nếu HB’ tương ứng P’, cịn HB” tương ứng P”.

Như vậy theo công thức trên có thể xác định lực cắt khi gia cơng thép có HB” nếu biết lực cắt P’ khi gia cơng thép có HB’.

Nói chung lực cắt khi gia cơng thép lớn hơn khi gia công gang 1,5



2 lần.

<b>1.2.2.4. Ảnh hưởng của vật liệu làm dao và đặc điểm của vật liệu CBNkhi tiện cứng.</b>

Khi gia công cùng một loại vật liệu, vật liệu làm dụng cụ cắt khác nhau thì biến dạng của phoi cũng khác nhau, lực ma sát giữa mặt sau của dụng cụ cắt với phôi, mặt trước của dụng cụ cắt cũng khác nhau.

Mặt khác trong vùng tiếp xúc giữa dụng cụ cắt với phoi và chi tiết gia cơng cịn xảy ra các mối tương tác hố lý rất phức tạp. Do đó vật liệu làm dụng cụ cắt khác nhau, lực cắt khác nhau.

Thực nghiệm cho thấy khi gia công thép bằng dụng cụ cắt vật liệu là HKC lực cắt chỉ bằng 90 ÷ 95 % so với dụng cụ cắt thép gió. Khi cắt bằng dụng cụ cắt vật liệu sứ lực cắt chỉ bằng 88 ÷ 90 % khi cắt bằng dao thép gió.

Theo Trent [11], CBN là loại vật liệu khơng tồn tại trong tự nhiên. CBN có các tính chất cơ lý tuyệt diệu đó là: độ bền nóng cao, có khả năng duy trì hình dạng ở nhiệt độ cao, độ cứng ở nhiệt độ trong phòng cao từ (4000 ÷ 5000 HV) phụ thuộc vào hướng của bề mặt đo độ cứng và hướng mạng tinh thể. Một lượng nhỏ kim loại hoặc ceramics được trộn với Nitritbo tạo nên CBN. Độ cứng của CBN giảm khi nhiệt độ 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 độ

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

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. Độ dẫn nhiệt của PCBN khoảng 100 W/m<small>o</small>C.Mảnh dao CBN có hai loại:

- Các lớp mỏng với chiều dày < 5 mm được gắn lên thân các bít. - Cả khối CBN.

Các tính chất và khả năng sử dụng của dụng cụ PCBN chủ yếu phụ thuộc vào độ cứng rất cao của Nitritbo nhưng pha thứ hai đóng vai trị quan trọng. Hàm lượng pha thứ hai càng cao thì tuổi bền của dụng cụ càng cao đặc biệt khi gia công tinh với lượng chạy dao và chiều sâu cẳt nhỏ. Khi gia công thô tuổi bền của dao tăng khi sử dụng mảnh dao với hàm lượng pha thứ hai thấp [11,14].

Hình ảnh cấu trúc của hai loại thép này được chỉ ra trên hình 1.12 với chất dính kết là Co đối với CBN – H và Co, TiN với CBN – L.

Mặc dù CBN – H có độ cứng cao hơn và độ dai va đập cao hơn nhưng tuổi bền của CBN – L lại cao hơn và tạo nên độ bóng bề mặt tốt hơn [13].

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

Hiện tượng này được giải thích theo nhiều cách khác nhau như: CBN – L có tuổi bền cao hơn là do có sức bền liên kết cao hơn, lớp đọng trên mặt sau của dao CBN – L có tác dụng bảo vệ mặt sau, CBN – L có hệ số dẫn nhiệt thấp hơn là nguyên nhân tăng nhiệt độ trong vùng tạo phoi làm giảm độ cứng của vật liệu gia công quanh vùng cắt làm cho quá trình cắt dễ dàng hơn. Hơn nữa cấu trúc và tính chất hố học của mảnh dao CBN có thể quyết định vấn đề mòn của dao CBN [13]. Dao CBN – L tồn tại pha dính kết ceramics làm tăng tính trơ hố học của vật liệu dụng cụ dẫn đến tăng khả năng cắt.

Nghiên cứu về tính gia cơng của một số loại thép hợp kim tôi cứng đến trên 60 HRC cho thấy lực cắt hướng trục Px tăng khi gia cơng thép có các hạt các bít thơ (thép S6-5-2), và lực cắt Pz tăng với thép có các hạt các bít mịn và đồng đều (thép 16MnCr5E). Từ đó có thể thấy rằng CBN khơng thích hợp về mặt kinh tế khi gia cơng thép có thành phần ferit cao và độ cứng dưới 50 HRC [14].

<b>1.2.2.5. Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao r. </b>

Khi tăng bán kính đỉnh dao r làm điều kiện cắt thay đổi, biến dạng của phoi tăng do đó P<small>z</small> tăng hình 1.13.

<b> Hình 1.13: Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao tới lực cắt</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

Trong đó: đường 1 có công thức <i><small>P</small>_z</i> <small></small><i><small>C</small>_z<small>.r</small></i><small>0,1</small>

Từ các công thức này ta thấy rằng, bán kính r tăng sẽ làm thành phần Py, Pz tăng cịn Px giảm, trong đó Py tăng mạnh hơn so với Pz. Tuy nhiên trong gia công tinh người ta cố gắng chọn dao có r nhỏ để vừa giảm lực cắt đồng thời tăng được chất lượng bề mặt gia cơng.

<b>1.2.2.6. Ảnh hưởng của mịn dụng cụ cắt </b>

Nếu dụng cụ cắt khi gia cơng chỉ bị mịn theo mặt trước, điều này thường xảy ra khi ra công thép ở thời gian cắt gọt ban đầu (trong quá trình cắt gọt do ma sát giữa mặt trước của dụng cụ cắt với phoi), mặt trước của dụng cụ cắt bị mòn thành rãnh có hình lưỡi liềm ở mặt trước làm tăng góc trước, phoi thốt ra dễ dàng hơn, biến dạng của phoi giảm làm giảm lực cắt.

Nếu dụng cụ cắt bị mòn ở mặt sau và mòn ở mũi dao thì lực cắt sẽ tăng. Như vậy sự thay đổi của lực cắt phụ thuộc vào trạng thái mòn của dụng cụ cắt (mòn mặt trước, mặt sau, mũi dao…)

<b>1.3. Nhiệt cắt </b>

<b>1.3.1. Khái niệm chung </b>

Nhiệt trong q trình cắt đóng vai trị rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp tới cơ chế tạo phoi, lẹo dao, hiện tượng co rút phoi, lực cắt và cấu trúc tế vi lớp bề mặt. Đồng thời nhiệt cắt còn là nguyên nhân chính gây mịn dụng cụ cắt, ảnh hưởng lớn đến tuổi bền dụng cụ cắt, đặc biệt trong tiện cứng vì giá thành các mảnh dao thường khá cao.

Phần lớn cơng tiêu hao trong q trình cắt gọt chuyển hố thành nhiệt năng (97,5%). Số cịn lại làm thay đổi thế năng trong mạng tinh thể kim loại. Quy luật phát sinh và truyền nhiệt trong quá trình cắt gọt rất quan trọng để tìm các biện pháp giảm nhiệt độ sinh ra trong q trình cắt gọt có ý nghĩa lớn

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

về lý luận và thực tiễn. Nhằm nâng cao tuổi bền của dụng cụ cắt, năng suất và chất lượng gia công

Nhiệt độ phát sinh khi gia công bằng cắt phụ thuộc chủ yếu vào các tính chất của phơi và dao, chế độ cắt và các điều kiện khác như môi trường cắt. Các yếu tố như mòn dụng cụ, cơ chế tạo phoi, chất lượng lớp bề mặt đều chịu ảnh hưởng của nhiệt độ cắt. Trong nhiều trường hợp nhiệt độ cắt là yếu tố hạn chế hiệu quả sử dụng của dụng cụ. Khi cắt vật liệu siêu cứng sử dụng dao ceramics như thép hợp kim hoá và tăng bền bề mặt, các hợp kim siêu cứng, nhiệt cắt là cần thiết để làm mềm vật liệu gia công cục bộ mà không ảnh hưởng tới sức bền của dụng cụ. Trong các phương pháp thực nghịêm để đo nhiệt độ cắt như cặp ngẫu nhiệt dao – phôi, phát xạ hồng ngoại, sự thay đổi cấu trúc tế vi, cặp ngẫu nhiệt trên dao, phương pháp sử dụng cặp ngẫu nhiệt trên dao được sử dụng rộng rãi để đo nhiệt độ trên dụng cụ siêu cứng [34].

Nhiệt độ trong vùng cắt tăng theo giá trị độ cứng của phôi tới HRC 50, khi độ cứng của phôi vượt quá giá trị này nhiệt độ cắt giảm đi khi tăng độ cứng. Điều khác với quy luật thay đổi nhiệt độ của lý thuyết cắt kim loại truyền thống này được giải thích do sự thay đổi về cơ chế tạo phoi khi gia cơng thép có độ cứng từ 50 HRC trở lên [14, 35].

Nói chung sự tỏa nhiệt khi cắt là do có một cơng A (kG.m) sinh ra trong q trình hớt phoi. Nó xác định bởi công thức :

A = A1 + A2 + A3 (1-11) Trong đó :

A1: Cơng sinh ra làm biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo A2: Công sinh ra để làm thắng lực ma sát ở mặt trước dao. A3: Công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt sau dao.

Ngoài ra cơng A có thế tính bởi cơng thức khác : A=Pz.L (1.12)

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

Trong đó :

Pz: lực theo phương cắt chính (kG). L : chiều dài cắt (m)

Trong tiện cứng ta thấy vật liệu phôi cứng hơn nhiều so với tiện thơng thường, vì vậy nhiệt sinh ra trong vùng cắt là rất lớn, để thoả mãn khả năng chịu nhiệt này hàng loạt các loại vật liệu dụng cụ mới được ra đời, thông qua

Ta thấy rằng phần vật liệu cứng trong dụng cụ cắt tăng lên, do đó tính chịu mài mịn, tính chịu nhịêt tăng, tăng tuổi bền p cụ và do đó tăng được vận tốc cắt.

Khả năng cắt của vật liệu Nitrit Bo trong bảng là rất cao và đang được ứng dụng khá phổ biến trong gia cơng vật liệu có độ cứng cao cũng như trong tiện cứng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

<i><b>Bảng 1.2. Tính chất cơ - nhiệt một số vật liệu dụng cụ</b></i>

Cụ thể Nitrit Bo lập phương đa tinh thể (PCBN) được coi là vật liệu có độ cứng cao nhất chỉ sau kim cương nhưng lại có độ bền nhiệt cao hơn kim cương (1500<small>o</small>C) 46. Bảng 1.2 và 1.3 thể hiện tính chất cơ - nhiệt của vật liệu dụng cụ CBN so với một số loại vật liệu dụng cụ có tính năng cắt cao khác (Cacbit Vonfram, gốm sứ nhân tạo và kim cương nhân tạo).

Các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng khoảng 98% – 99% công suất cắt biến thành nhiệt từ ba nguồn nhiệt: vùng tạo phoi (quanh mặt phẳng trượt AB), mặt trước (AC) và mặt sau (AD) như trên hình 1.14a

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

<b>Hình 1.14:</b>

<b> (a) Sơ đồ hướng các nguồn nhiệt.</b>

(b) Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong cắt kim loại.

Các nguồn nhiệt này truyền vào dao, phoi, phôi và môi trường với tỷ lệ khác nhau phụ thuộc vào chế độ cắt và tính chất nhiệt của hệ thống dao, phoi, phôi và môi trường 6, 40. Thực tế vận tốc cắt là nhân tố ảnh hưởng lớn nhất đến tỷ lệ này, khi cắt với vận tốc cắt đủ lớn phần lớn nhiệt cắt truyền vào phoi (hình 1.14 b) 6.

Gọi Q là tổng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cắt: Q = Q mặt phẳng cắt + Q mặt trước + Q mặt sau (1–13)

Theo định luật bảo toàn năng lượng thì lượng nhiệt này sẽ truyền vào hệ thống phoi, dao, phôi và vào môi trường theo công thức sau:

Q = Qphoi + Q dao + Q phôi + Q môi trường (1- 14)

Với lưu lý rằng tốc độ truyền nhiệt vào môi trường có thể coi như khơng đáng kể trong tính tốn khi mơi trường cắt là khơng khí.

b.

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

<b>Hình 1.15 : Tỷ lệ % nhiệt truyền vào phoi, phôi, dao và môi trường phụ thuộc vào vận tốc cắt 6</b>

Từ hình 1.15 ta thấy nhiệt lượng truyền vào phoi lớn nhất và là một hàm của vận tốc cắt. Càng tăng vận tốc cắt nhiệt lượng truyền vào phoi càng nhiều, nhiệt lượng truyền vào phôi và dụng cụ cắt càng ít. Nhiệt lượng truyền vào dao và phơi càng ít càng có lợi cho q trình cắt gọt.

Như vậy trong tiện cứng sử dụng dao PCBN do vận tốc cắt cho phép là rất cao (thường từ 100 220 m/phút) nên nhiệt cắt sinh ra trong quá trình chủ yếu truyền vào phoi khoảng 68 – 85%, nhiệt cắt truyền vào dao là không đáng kể (khoảng 10%) (hình 1.15). Điều đó đặc biệt có lợi cho q trình gia cơng.

<b>1.3.2. Trường nhiệt độ</b>

Thơng qua trường nhiệt độ trên phôi, dụng cụ cắt, phoi ta biết được vùng nào có nhiệt độ lớn nhất, biết được ảnh hưởng của nhiệt độ đến q trình gia cơng để tìm các biện pháp làm giảm nhiệt độ.

- Trường nhiệt độ trên phôi giúp ta biết được ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình cắt đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công.

- Trường nhiệt độ trên dụng cụ cắt giúp ta giải thích về q trình mịn dụng cụ cắt.

- Trường nhiệt độ trên phoi ít có ý nghĩa.

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

Hình 1.16; 1.17 giúp ta biết được trường nhiệt độ trên dụng cụ cắt – phoi – phôi khi tiện.

<b> </b>

<b>Hình 1.16: Trường nhiệt độ khi tiện</b>

Đường nét liền: Đường đẳng nhiệt; đường nét đứt: Dịng nhiệt.Dịng nhiệt vng góc với đường đẳng nhiệt.

- Nhiệt lượng tập trung trên phoi lớn nhất, nhưng do độ dẫn nhiệt của vật liệu làm dụng cụ cắt nên nhiệt độ tập trung trên dụng cụ cắt thường lớn hơn nhiệt độ tập trung trên phoi và phơi.

- Thí nghiệm cho thấy nhiệt độ lớn nhất nằm ở khu vực tiếp xúc giữa dụng cụ cắt và phoi, cách mũi dao (0,3 ÷ 0,5)l, l là chiều dài tiếp xúc giữa phoi và mặt trước. Khu vực này có áp lực giữ phoi và mặt trước lớn nhất gọi là trung tâm áp lực.

Ở mũi dao nhiệt độ tập trung cũng rất lớn. Điều này giải thích tại sao dụng cụ cắt mịn theo rãnh lõm ở mặt trước, mòn ở mũi dao…

Trường nhiệt độ trên phôi cho thấy, nhiệt độ trên bề mặt có thể tới 670<small>0</small>K, càng xa mũi dao nhiệt độ giảm dần (vì lớp bề mặt chịu ma sát và biến dạng rất lớn, càng xa bề mặt biến dạng càng giảm).

Những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trường nhiệt độ cho thấy: - Trường nhiệt độ khi gia công là không ổn định.

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

- Nhiệt độ tại một điểm xác định <small></small> (x,y,z) phụ thuộc vào các yếu tố: + Vật liệu dụng cụ cắt và chi tiết gia công.

+ Điều kiện cắt.

+ Phương pháp gia cơng.

Nghiên cứu q trình mịn dụng cụ cắt phải xét đến nhiệt độ lớn nhất trên mặt trước và mặt sau, sự phân bố nhiệt trên các bề mặt này, xác định được nhiệt độ lớn nhất này thường rất khó khăn, nhiệt độ trung bình ở mặt phân cách phoi - dụng cụ cắt, dụng cụ cắt – phôi gọi là nhiệt độ cắt gọt, gọi tắt là nhiệt cắt.

<b>Hình 1.17: Sự phân bố nhiệt độ khi tiện trên mặt phân cách phoi - dụng cụ</b>

<b>1.3.3. Quá trình phát sinh nhiệt</b>

<b>1.3.3.1. Nhiệt trong vùng biến dạng thứ nhất</b>

Theo Trent thì phần lớn cơng suất sinh ra trong vùng biến dạng thứ nhất biến thành nhiệt 11. Tốc độ nhiệt trong vùng biến dạng thứ nhất có thể tính gần đúng trên mặt phẳng cắt theo cơng thức:

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

Vs là vận tốc của vật liệu cắt trên mặt phẳng <i><small>V</small>_S</i> <small></small><i><small>V</small>_C</i> _cos(^cos_^_ _₎

Tuy nhiên chỉ một phần nhiệt .Q1 truyền vào phơi, phần cịn lại (1-)Q1truyền vào thể tích As.Vn của phoi tạo ra sự tăng nhiệt độ T trong vùng biến dạng thứ nhất,  có thể lớn đến 50% khi tốc độ thốt phoi thể tích thấp, vật liệu cắt có hệ số dẫn nhiệt cao.

<b>Hình 1.18: Đường cong thực nghiệm của Boothroyd </b>

để xác định tỷ lệ nhiệt () truyền vào phơi 11.

Khi tốc độ thốt phoi thể tích cao thì  được xác định bằng đồ thị thực

nghiệm của Boothroyd thông qua hệ số nhiệt

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

Phần lớn nhiệt sinh ra trong vùng biến dạng thứ nhất truyền vào phôi và bị mang đi theo phoi mà không truyền vào dụng cụ do nhiệt độ trên mặt trước cao hơn hẳn nhiệt độ trong vùng tạo phoi 11.

<b>1.3.3.2. Nhiệt trên mặt trước (Q<small>AC</small>) và trường nhiệt độ</b>

Qua các cơng trình nghiên cứu 11, 41, 43, 42 cho thấy rằng nhiệt sinh ra trên mặt trước của dụng cụ do ma sát giữa phoi, mặt trước và biến dạng dẻo của lớp phoi sát mặt trước (vùng biến dạng thứ hai) sinh ra. Theo Jun và Smith 44 thì nhiệt sinh ra trên mặt trước chỉ vào khoảng 20% tổng số nhiệt sinh ra trong quá trình cắt, nhưng khoảng 50% lượng nhiệt này truyền vào dao và có ảnh hưởng quyết định đến tuổi bền của nó.

Cho đến nay bản chất tương tác ma sát trên mặt trước và quy luật chuyển động của lớp phoi dưới cùng cịn có nhiều tranh cãi nên chưa có một cơng thức duy nhất để tính tốc độ sinh nhiệt trên mặt trước 8. Ví dụ, theo Trent thì nhiệt sinh ra do ma sát trượt của phoi với mặt trước là không đáng kể, mà biến dạng dẻo với mức độ lớn và tốc độ cao của các lớp phoi gần mặt trước là nguồn nhiệt chính sinh ra nhiệt độ cao trong dao 11. Ơng đã đưa ra cơng thức để tính nhiệt độ phân bố trên mặt trước theo phương thoát phoi như

Nhưng Tay, Li và các đồng nghiệp lại cho rằng phần nhiệt sinh ra do ma sát của phoi trên mặt trước là đáng kể và đưa ra các cơng thức tính tốc độ sinh nhiệt riêng (q2) khác nhau dựa trên các mơ hình khác nhau về mơ hình ứng suất và phân bố vận tốc của lớp phoi dưới cùng trên mặt trước 45, 42.

<b>1.3.3.3. Nhiệt trên mặt tiếp xúc giữa mặt sau và bề mặt gia công (Q<small>AD</small>) vàtrường nhiệt độ</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

Nhiệt sinh ra trên mặt sau của dụng cụ chỉ có ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ phát triển trong dao khi lượng mòn mặt sau đủ lớn. Do bề mặt mòn mặt sau được coi là phẳng nên ứng suất trên mặt tiếp xúc coi như phân bố đều. Haris đã xác định được quan hệ của Fc và Ft trong mặt cắt trực giao và được đề cập trong cơng trình của Li như sau:

<i><b>Hình 1.19: Sơ đồ phân bố ứng suất trên mặt sau mịn</b></i>

Trong đó: Fc và Ft là lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến với mặt sau, Fcf và Ftf là lực cắt khi dao mịn, VBave là chiều cao mịn trung bình, t là chiều

</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">

Nhiệt từ ba nguồn trên là nguyên nhân làm tăng nhiệt độ trong dao, giảm độ cứng nóng của vật liệu gia cơng vì thế xác định trường nhiệt độ trong dụng cụ có ý nghĩa rất quan trọng. Có thể xác định trường nhiệt độ này bằng thực nghiệm hoặc lý thuyết 8

<b>1.3.3.4 Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới nhiệt cắt và trường nhiệt độ trongdụng cụ</b>

Trong tất cả các yếu tố ảnh hưởng thì vận tốc cắt ảnh hưởng tới nhiệt cắt nhiều nhất.

Từ công thức <i><small>Q </small>^PzV</i>₄₂₇ Kcl/phút (1- 21)

<b>Hình 1.20 : Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới nhiệt độ cắt</b>

1. Thép austenit mangan 2. Thép Cacbon 3. Gang 4. Nhôm Ta thấy V tăng, Q tăng. Mặt khác khi V tăng đến giá trị nào đó thì V tăng lực Pz giảm. Do đó V tăng, Q tăng nhưng không tỷ lệ với V (ở mức độ chậm hơn).

Vận tốc cắt càng tăng thì thời gian tỏa nhiệt từ phoi vào chi tiết gia công và dụng cụ cắt càng giảm nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cắt phần lớn là đi theo phoi (phoi là nguồn nhiệt chính). Nguồn nhiệt làm nóng dụng cụ cắt bây giờ chủ yếu là cơng thắng lực ma sát giữa phoi và mặt trước, mặt sau và phơi, nó tăng lên cùng với việc tăng vận tốc cắt. Nhưng vận tốc cắt càng cao thì nhiệt cắt tăng càng chậm (do µ giảm) và tiệm cận với đường nhiệt độ

</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">

nóng chảy của vật liệu gia cơng (hình 1.20) vì cơng thắng lực ma sát không tăng nữa.

Thực nghiệm cho thấy quan hệ giữa  và V theo công thức sau : ^o = Cl.V<small>u </small> (1-22)

^o : Nhiệt cắt

Cl : Hệ số phụ thuộc vào điều kiện gia công (vật liệu gia công, chiều sâu cắt, dung dịch trơn nguội, thơng số hình học dụng cắt… ).

u : số mũ biểu thị ảnh hưởng của vận tốc cắt tới nhiệt cắt

u = 0,26  0,72 chủ yếu phụ thuộc vào vật liệu gia công, phương pháp gia công ( < u < 1) thể hiện nhiệt cắt tăng chậm hơn V).

<b>1.4. Kết luận </b>

Quá trình cắt trong tiện cứng là tổng hợp của nhiều yếu tố công nghệ. Chủ yếu do nhiệt cắt, lực cắt dẫn tới mịn dụng cụ nhanh chóng, ảnh hưởng tới năng suất, chất lượng và giá thành sản phẩm.

Để có thể đáp ứng được yêu cầu trên, lần lượt các vật liệu dụng cụ mới ra đời như các dao thép gió, các mảnh HKC, kim cương nhân tạo, đặc biệt là mảnh Nitrit Bo. Đặc trưng là các mảnh CBN, chúng làm cho quá trình vật lý diễn ra trong q trình cắt thép có độ cứng cao trở lên đơn giản hơn, thậm chí hầu hết khơng cần tới dung dịch trơn nguội.

Vậy bản chất vật lý của tiện cứng không khác nhiều tiện thông thường. Tuy nhiên người ta cố gắng chế tạo vật liệu dao, kết cấu mảnh, thơng số hình học, … phù hợp nhất để giải phóng càng nhiều nhiệt cắt khỏi vùng cắt càng có lợi cho tiện cứng.

<b>1.5. Mịn dụng cụ cắt1.5.1. Dạng mòn</b>

Mòn là hiện tượng phá huỷ bề mặt và sự tách vật liệu từ một hoặc cả hai bề mặt trong chuyển động trượt, lăn hoặc va chạm tương đối với nhau.

</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38">

Eyre và Davis định nghĩa mòn liên quan đến sự hao hụt về khối lượng hoặc thể tích, dẫn đến sự thay đổi vượt quá giới hạn cho phép về hình dạng hoặc topography của bề mặt. Nói chung mịn xảy ra do sự tương tác của các nhấp nhô bề mặt. Trong quá trình chuyển động tương đối đầu tiên vật liệu trên bề mặt tiếp xúc có thể bị biến dạng do ứng suất ở đỉnh các nhấp nhô vượt quá giới hạn dẻo, nhưng chỉ một phần rất nhỏ hoặc khơng một chút vật liệu nào tách ra, sau đó vật liệu bị tách ra từ bề mặt dính sang bề mặt đối tiếp hoặc tách ra thành những hạt mài rời. Trong trường hợp vật liệu chỉ dính từ bề mặt này sang bề mặt khác, thể tích hay khối lượng mịn ở vùng tiếp xúc chung bằng khơng mặc dù một bề mặt vẫn bị mòn. Định nghĩa mịn nói chung dựa trên sự mất mát của vật liệu, nhưng sự phá huỷ của vật liệu do biến dạng mà không kèm theo sự thay đổi về khối lượng hoặc thể tích của vật liệu cũng là một dạng mịn.

Giống như ma sát, mịn khơng phải là do tính chất của vật liệu mà là sự phản ứng của một hệ thống, các điều kiện vận hành sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến mòn ở bề mặt tiếp xúc chung sai lầm đôi khi cho rằng ma sát lớn trên bề mặt tiếp xúc chung là nguyên nhân mòn với tốc độ cao.

Mòn bao gồm các hiện tượng chính tương đối khác nhau và có chung một kết quả là sự tách vật liệu từ các bề mặt trượt đó là: dính - mỏi bề mặt – va chạm – hố ăn mịn và điện. Theo thống kê khoảng 2/ 3 mịn xảy ra trong cơng nghiệp là do các cơ chế dính, trừ mịn do mỏi, mịn do các cơ chế khác là một hiện tượng xảy ra từ từ.

Trong thực tế, mòn xảy ra do một hoặc nhiều cơ chế. Trong nhiều trường hợp mòn sinh ra do một cơ chế nhưng có thể phát triển do sự kết hợp với các cơ chế khác làm phức tạp hố sự phân tích hỏng do mịn. Phân tích bề mặt các chi tiết bị hỏng do mịn chỉ xác định được các cơ chế mòn ở giai đoạn cuối.

</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">

Trong hầu hết các quá trình cắt kim loại, khả năng cắt của dụng cụ sẽ giảm dần đến một lúc nào đó dụng cụ sẽ khơng tiếp tục cắt được do mịn hoặc hỏng hồn tồn.

Mịn dụng cụ là chỉ tiêu đánh giá khả năng làm việc của dụng cụ bởi vì nó hạn chế tuổi bền của dụng cụ. Mòn dụng cụ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia cơng, chất lượng bề mặt và tồn bộ khía cạnh kinh tế của q trình gia cơng. Sự phát triển và tìm kiếm những vật liệu dụng cụ mới cũng như các biện pháp công nghệ mới để tăng bền bề mặt chính là nhằm mục đích làm tăng khả năng chống mịn của dụng cụ [8].

Trong q trình cắt, phoi trượt trên mặt trước và chi tiết chuyển động tiếp xúc với mặt sau của dao gây nên hiện tượng mòn ở phần cắt dụng cụ. Mòn dụng cụ là một quá trình phức tạp xảy ra theo hiện tượng lý hoá ở các bề mặt tiếp xúc phoi và chi tiết với dụng cụ gia cơng. Trong q trình cắt, áp lực trên các bề mặt tiếp xúc lớn hơn rất nhiều so với áp lực làm việc của chi tiết máy ( khoảng 15  20 lần) và dụng cụ bị mòn theo nhiều dạng khác nhau hình 1.21 [6].

<b> Hình 1.21: Các dạng mòn phần cắt của dụng cụ khi tiện</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">

Phần cắt dụng cụ trong quá trình gia cơng thường bị mịn theo các dạng sau: - Mịn theo mặt sau hình 1.21a.

- Mịn theo mặt trước hình 1.21b.

- Mịn đồng thời cả mặt trước và mặt sau hình 1.21c. - Mịn tù lưỡi cắt hình 1.21d.

<b>Hình 1.22: Quan hệ giữa một số dạng mịn của dụng cụ</b>

Hình ảnh cấu trúc của hai loại thép này được chỉ ra trên hình 1.12 với chất dính kết là Co đối với CBN – H và Co, TiN với CBN – L.

Mặc dù CBN – H có độ cứng cao hơn và độ dai va đập cao hơn nhưng tuổi bền của CBN – L lại cao hơn và tạo nên độ bóng bề mặt tốt hơn [13].

Hợp kim cứng với tích Vc . t1<small>0,6</small>

Trong đó: V tính bằng m/ p và t1 tính bằng mm/ v [20]

Mịn mặt trước và sau là hai dạng mòn thường gặp nhất trong cắt kim loại. Các thơng số hình học đặc trưng cho hai vùng mòn này được chỉ ra trên

</div>