đồ án tốt nghiệp nghiên cứu mối quan hệ giữa mòn và tuổi bền của dao gắn mảnh pcbn theo chế độ cắt 9xc

Bộ giáo dục và đào tạo
Đại học thái nguyên
Trờng đại học kỹ thuật công nghiệp

trần ngọc giang
Nghiên cứu mối quan hệ giữa mòn và tuổi bền
của dao gắn mảnh PCbn theo chế độ cắt
khi tiện thép 9xc qua tôi
Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Ngi hng dn khoa hc
PGS.TS. Phan Quang Thế
Thá i nguy ên - 2008
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin được cảm ơn PGS.TS Phan Quang Thế - Thày
hướng dẫn khoa học của tôi về sự định hướng đề tài, sự hướng dẫn tận tình
của thày trong việc tiếp cận và khai thác các tài liệu tham khảo cũng như
những chỉ bảo trong quá trình tôi làm thực nghiệm và viết luận văn.
Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn tới khoa Sau đại học, khoa Cơ khí, Bộ môn
Cơ học vật liệu, lãnh đạo Trung tâm thí nghiệm đã ủng hộ về tinh thần và tạo
điều kiện cho tôi về thời gian để tôi có thể hoàn thành bản luận văn của mình.
Tôi xin cảm ơn thày giáo TS. Nguyễn Văn Hùng, ThS. Lê Viết Bảo về sự
tạo điều kiện hết sức thuận lợi cho tôi trong quá trình hoàn thành luận văn này.
Tôi cũng muốn cảm ơn tới ông Trưởn g phòng kỹ thuật, các cán
bộ,

nhân viên phòng kế hoạch và Xưởng cơ khí Nhà máy Z159 - Thái
Nguyên,

các cán bộ phụ trách Phòng thí nghiệm Quang phổ, khoa vật
lý trường

ĐHSP Thái Nguyên, Pòhng thí nghệim Kim loại học, đại học
Bách khoa

Hà Nội đã dành cho tôi những điều kiện thuận lợi nhất, giúp tôi
hoàn thành

nghiên cứu của mình.
Cho tôi được gửi lời cảm ơn tới các cán bộ, nhân viên Xưởng Cơ khí nơi
tôi tiến hành thực nghiệm.
Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn đối với gia đình tôi, các thầy cô
giáo, người thân, các bạn bè đồng nghiệp đã ủng hộ và động viên tôi trong
suốt thời gian thực hiện luận văn này.
Tác giả
Trần Ngọc Giang
Lời nói đầu
MỤC LỤC
Trang
Danh
mục
các ký
hiệu
và chữ
viết tắt
Danh
mục
các
hình

vẽ và
đồ thị
Danh
mục
các
bảng
biểu
Mở đầu
1. Giớ
i
thiệ
u về
côn
g
ngh
ệ
tiện
cứn
g

2. Tín
h
cấp
thiết
của
đề
tài

5
2.1. Mục

đích,
đối
tượng
và
phạm
vi
nghiên
cứu
của đề
tài

6
2.2. Ý
nghĩa
khoa
học và
ý
nghĩa
thực
tiễn
của đề
tài

6
2.3. Phươn
g pháp
nghiên
cứu

7

Chương
Bản
chất vật
lý của
quá
trình cắt
thép có
độ cứng
cao
1.1. Qúa
trình
cắt và
tạo
phoi

8
1.2. Lực cắt

12
1.2.1. Lực cắt
khi tiện
và các
thành
phần lực
cắt

12
1.2.2. Các yếu
tố ảnh
hưởng

đến lực
cắt khi
tiện

14
1.3. Nhiệt cắt

16
1.3.1. Khái
niệm
chung

16
1.3.2. Quá
trình
phát
sinh
nhiệt

20
1.4. Kết luận

24
Chương 2
25
Chất lượng
bề mặt khi
tiện cứng
2.1. Khái niệm
chung về

lớp bề mặt
25
2.2. B
ản
ch
ất
củ
a
lớ
p
bề
m
ặt

26
2.3. Tí
nh
ch
ất
lý
ho
á
củ
a
lớ
p
bề
m
ặt

26
2.3.1. L
ớ
p

b
i
ế
n

d
ạ
n
g


26
2.3.2. L ớp Beilbly

27
2.3.3. L ớp tương tác hóa học

27
2.3.4. Lớp hấp thụ hoá học

28
2.3.5. L ớp hấp thụ vật lý

28
2.4. Các ch ỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt khi tiện cứng

29
2.4.1. Độ nhám bề mặt và các phương pháp đánh giá

29
2.4.1.1. Độ n hám b ề mặt

29
2.4.1.2. Các phương pháp đánh giá độ nhám bề mặt

32
2.4.2. Tính chất cơ lý lớp bề mặt sau gia công cơ

32
2.4.2.1. Hi ện tượng biến cứng của lớp bề mặt

32
2.4.2.2. Ứng suất dư trong lớp bề mặt

35
2.4.2.3. Đánh giá mức độ, chiều sâu lớp biến cứng và ứng suất dư

39
2.5. Các nhân t ố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi tiện cứng

40
2.5.1. Ảnh hưởng của các thông số hình học dụng cụ cắt

40
2.5.2. Ảnh hưởng của tốc độ cắt

41
2.5.3. Ảnh hưởng của lượng chạy dao

42
2.5.4. Ảnh hưởng của chiều sâu c ắt

43
2.5.5. Ảnh hưởng của vật liệu gia công

43
2.5.6. Ảnh hưởng của rung động trong hệ thống công nghệ

44
2.6. K ết luận

44
Chương 3

46
Mòn và tu ổi bền dụng cụ khi tiện cứng
3.1. Mòn d ụng cụ cắt

46
3.1.1. Khái ni ệm chung

46
3.1.2. Các cơ chế m

òn

c ủa dụng cụ cắt

47
3.1.2.1. Mòn do dính

48
3.1.2.2. Mòn do h ạt mài

49
3.1.2.3. Mòn do khu ếch tán

49
3.1.2.4. Mòn do ôxi hoá

50
3.1.3. Mòn d ụng cụ cắt và cách xác định

51
3.1.3.1. Mòn d ụng cụ cắt

51
3.1.3.2. Cách xác định

53
3.1.3.3. Các ch ỉ tiêu đánh giá sự mài mòn của dụng cụ cắt

54
* Ch ỉ tiêu mòn tối ưu

54
* Ch ỉ tiêu mòn công nghệ

55
3.1.4. Ảnh hưởng của mòn dụng cụ đến chất lượng bề mặt khi tiện cứng

55
3.1.5. K ết luận

55
3.2. Tu ổi bền của dụng cụ cắt

55
3.2.1. Khái ni ệm chung về tuổi b ền của dụng cụ cắt

55
3.2.2.Các nhân t

ố ảnh hưởng đến tuổi bền của dụng cụ cắt khi tiện cứng

57
3.2.2.1. Ảnh hưởng của chế độ cắt

57
3.2.2.2. Ảnh hưởng của thông số hình học dụng cụ cắt

59
3.2.3. Phương pháp xác định tuổi bền dụng cụ cắt

60

3.2.4. Tu ổi bền của dụng cụ cắt khi tiện cứng

62
Chương 4

63
Nghiên cứu thực nghiệm mối quan hệ giữa mòn và tuổi bền của
dao gắn mảnh PCBN theo chế độ cắt khi tiện thép 9XC qua tôi
4.1. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

63
4.2. H ệ thống thiết bị thí nghiệm

63
4.2.1. Yêu c ầu với hệ thống thí nghiệm

63
4.2.2. Mô hình thí nghi ệm

64
4.2.3. Thi ết bị thí nghiệm

65
4.2.3.1. Máy

65
4.2.3.2. Dao

65
4.2.3.3. Phôi

66
4.2.3.4. Ch ế độ cắt

67
4.3. Thi ết bị đo khác

67
4.3.1. Máy đo độ nhám bề mặt

67
4.3.2. Kính hi ển vi điện tử

68
4.4. Thí nghi ệm xác định quan hệ mòn của mảnh dao theo chế độ cắt

68
4.4.1. Quy trình ti ến hành thí nghiệm

68
4.4.2. X ử lý kết quả thí nghiệm

69
4.4.2.1. Xác định thời gian cắt cơ bản trong các lần cắt

69
4.4.2.2. X â y d

ự n g qu a n h ệ g i ữ a t hôn g s ố n h á m b ề mặ t v ớ i th ờ i gi a n cắ t

70
4.4.2.3. Các hình

ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử về mòn mảnh dao

71
4.4.2.4. Phân tích cơ chế mòn mảnh dao PCBN

76
4.4.2.5. Phân tích nhám b ề mặt gia công

78
4.4.2.6. Phân tích k ết quả và thảo luận

78
4.4.2.7. K ết luận

80
4.5. Nghiên cứu mối quan hệ giữa tuổi bền mảnh dao PCBN theo

82
chế độ cắt khi tiện tinh thép 9XC qua tôi
4.5.1. Quá trình c ắt thép 9XC bằng dao PCBN

82
4.5.2. L ựa chọn chế độ cắt cho nghiên cứu và tìm hàm quan hệ

83
4.6. Ph ần kết luận chung và hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài

88
4.6.1. Ph ần kết luận chung

88
4.6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài

88
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
a
p
: chiều dày phoi
K
bd
: mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi
K
ms
: mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của dao
K
f
: mức độ biến dạng của phoi
θ: góc trượt
γ (hay γ
n
) góc trước của dao
P
z
(hay P
c
): lực tiếp tuyến khi tiện

P
y
(hay P
p
): lực hướng kính khi tiện
P
x
: lực chiều trục khi tiện
S: lượng chạy dao (mm/vòng)
t: chiều sâu cắt (mm)
V: vận tốc cắt (m/phút)
Q: là tổng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cắt
Q
AB
= Q
1
: nhiệt sinh ra trên mặt phẳng trượt
Q
AC
= Q
2
: nhiệt sinh ra trên mặt trước
Q
AD
= Q
2
: nhiệt sinh ra trên mặt sau

Q
phoi

: nhiệt truyền vào phoi
Q
dao
: nhiệt truyền vào dao
Q
phôi
: nhiệt truyền vào phôi
Q
môi trường
: nhiệt truyền vào môi trường
k
AB
: ứng suất cắt trung bình trong miền biến dạng thứ nhất
A
S
: diện tích của mặt phẳng cắt
V
S
: vận tốc của vật liệu cắt trên mặt phẳng cắt
k
t
: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu gia công
β: hệ số phân bố nhiệt từ mặt phẳng trượt vào phôi và phoi
c: nhiệt dung riêng
ρ: tỷ trọng của vật liệu
R
T
: hệ số nhiệt khi cắt
Φ: góc tạo phoi
γ


mt
: tốc độ biến dạng của các lớp phoi gần mặt trước
δ
t
: chiều dày của vùng biến dạng thứ hai
K: hệ số thẩm nhiệt
∆F
c
, ∆F
t
: áp lực tiếp tuyến và pháp tuyến trền vùng mòn mặt sau
F
cf
, F
tf
: lực cắt tiếp tuyến và pháp tuyến đo khi mòn dao
VB
ave
: chiều cao trung bình của vùng mòn mặt sau
τ
f
: ứng suất tiếp trên vùng mòn mặt sau
K
c
, K
t
: các hệ số thực nghiệm
µ: hệ số ma sát trên vùng ma sát thông thường của mặt trước
µ

f
: hệ số ma sát trên mặt sau
b: hệ số truyền nhiệt
H
v
: độ biến cứng (N/mm
2
);
S: diện tích bề mặt đầu đo kim cương ấn xuống (mm
2
)
P: lực tác dụng của đầu kim cương (N)
r: bán kính mũi dao
h
min
: chiều dày phoi nhỏ nhất
φ
1

V
w
: thể tích mòn mặt sau
V
cr
: thể tích mòn mặt trước
KF, KB, KT: các kích thước vùng mòn mặt trước
h
s
: độ mòn giới hạn
T: thời gian cắt – tuổi bền của dụng cụ cắt (phút)

t
i
: thời gian cắt cơ bản
p: số các yếu tố thay đổi
Ra, Rz: độ nhám bề mặt khi tiện
n: số lần mài lại cho phép

VLGC: vật liệu gia công
VLDC: vật liệu dụng cụ
HKC: hợp kim cứng

x
i
: các ký hiệu mã hoá
N: số thí nghiệm
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Trang
Hình vẽ 1.1. Máy và quá trình cắt khô trong tiện cứng 2
Hình vẽ 1.2. Ký hiệu một số mảnh CBN dùng trong tiện cứng 3
Hình vẽ 1.3. Sơ đồ miền tạo phoi 8
Hình vẽ 1.4. Miền tạo phoi

10
Hình vẽ 1.5. Miền tạo phoi ứng với tốc độ cắt khác nhau

11
Hình vẽ 1.6. Tính góc trượt
θ

11

Hình vẽ 1.7. Hệ thống lực cắt khi tiện

13
Hình vẽ 1.8. Ảnh hưởng của góc
ϕ
tới lực cắt

15
Hình vẽ 1.9. Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao tới lực cắt

16
Hình vẽ 1.10. (a) Sơ đồ hướng các nguồn nhiệt

19
(b) Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong cắt kim loại
Hình vẽ 1.11. Tỷ lệ % nhiệt truyền vào phoi, phôi, dao và môi

20
trường phụ thuộc vào vận tốc cắt
Hình vẽ 1.12. Đường cong thực nghiệm của Boothroyd để xác

21
định tỷ lệ nhiệt (β) truyền vào phôi
Hình vẽ 1.13. Sơ đồ phân bố ứng suất trên mặt sau mòn

23
Hình vẽ 2.1. Chi tiết bề mặt vật rắn

26
Hình vẽ 2.2. Độ nhám bề mặt

29
Hình vẽ 2.3. Quan hệ giữa bán kính mũi dao và chiều sâu lớp biến

34
cứng với các lượng chạy dao khác nhau (khi dao chua mòn)
Hình vẽ 2.4. Quan hệ giữa vận tốc cắt với chiều sâu lớp biến cứng

35
ứng với các lượng mòn mặt sau khác nhau của dao tiện
Hình vẽ 2.5. Quan hệ giữa bán kính mũi dao, chiều sâu cắt và ứng

38
suất dư lớp bề mặt
Hình vẽ 2.6. Ảnh hưởng của thông số hình học của dao tiện tới

41
nhám bề mặt khi gia công thép
Hình vẽ 2.7. Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới nhám bề mặt khi gia

41
công thép
Hình vẽ 2.8. Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt

43
Hình vẽ 3.1. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt

48
liên tục (a) và khi cắt gián đoạn (b)
Hình vẽ 3.2. Các dạng mòn phần cắt của dụng cụ khi tiện

51
Hình vẽ 3.3. Quan hệ giữa một số dạng mòn của dụng cụ hợp kim

52
cứng với thể tích
V .t
0,6
Hình vẽ 3.4. Các thông số đặc trưn g cho mòn mặt trước và mặt

53
sau - ISO3685
Hình vẽ 3.5. Vùng mài lại của dụng cụ cắt

54
Hình vẽ 3.5. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến mòn mặt trước và mặt

57
sau của dao thép gió S 12-1-4-5 dùng tiện thép AISI C1050, với t =
2mm. Thông số hình học của dụng cụ: α=8
0
, γ=10
0
, λ=4
0
, χ=90
0
,
ε= 60
0

, r=1mm, thời gian cắt T =30 phút.
Hình vẽ 3.6. Tuổi bền dụng cụ tính theo thể tích phoi đư ợc bóc tách

58
Hình vẽ 3.7. Tuổi bền dụng cụ tính bằng phút

59
Hình vẽ 3.8. Quan hệ giữa lượng mòn mặt sau và tuổi bền mảnh

60
PCBN với góc trước γ
n
Hình vẽ 3.9. Quan hệ giữa thời gian, tốc độ và độ mòn của dao

60
Hình vẽ 3.10. Quan hệ giữa tốc độ cắt V và tuổi bền T của dao

61
Hình vẽ 3.11. Quan hệ giữa V và T (đồ thị lôgarit)

61
Hình vẽ 4.1. Hệ thống thiết bị thí nghiệm

64
Hình vẽ 4.2. Mô hình thí nghiệm

64
Hình vẽ 4.3. Máy tiện CNC- HTC2050

65

c
Hình vẽ 4.4. Mảnh dao TPGN, 160308 T2001

66
Hình vẽ 4.5. Thân dao MTENN 2020K16-N (hãng CANELA)

66
Hình vẽ 4.6. (a), Phôi thép 9XC qua tôi ứcng, (b,c) Ảnh quang

67
học cấu trúc tế vi thép 9XC theo hai phương song song và vuông
góc với trục
Hình vẽ 4.7. Đồ thị quan hệ giữa thời gian cắt và nhám Ra, Rz

71
Hình vẽ 4.8. 1(a,b) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 1 sau 2,61

72
phút cắt; 1(c,d) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 1 được phóng to
với các vết biến dạng dẻo bề mặt;1(e) Hình ảnh mặt sau mảnh dao
số 1;1(f) Hình ảnh mặt sau mảnh số 1được phóng to.
Hình vẽ 4.9. 2(a) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 2 sau 5,19 phút

73
cắt; 2(b,c,d) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 2 được to;3(a,b) Hình
ảnh mặt trước mảnh dao số 3 sau 7,69 phút cắt; 3(c,d) Hình ảnh
mặt sau mảnh dao số 3.
Hình vẽ 4.10. 4(a) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 4 sau 10,09

74

phút cắt; 4(b) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 4 được to;4(c,d)
Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 4 ; 4(e,f) Hình ảnh mảng mòn mặt
sau mảnh dao số 4 được phóng to.
Hìnhvẽ 4.11. 5(a) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 5 sau 12,36

75
phút cắt; 5(b,c) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 5 được to;5(d)
Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 5 ; 5(e,f) Hình ảnh mảng mòn mặt
sau mảnh dao số 5 được phóng to; 5(b) Hình ảnh cơ chế mòn mặt
trước với sự bóc tách của lớp vật liệu dụng cụ.
Hình vẽ 4.12. 1(a) Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 1 sau 2,61 phút

76
cắt; 3(b) Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 3 sau 7,69 phút cắt;4(c)
Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 4 sau 10,09 phút cắt ; 5(d) Hình ảnh
mảng mòn mặt sau mảnh dao số 5 sau 12,36 phút cắt.
Hình vẽ 4.13. Quy hoạch thực nghiệm theo khối lập phương

84
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1. Lịch sử và đặc tính của vật liệu dụng cụ cắt 17
Bảng 1.2. Tính chất cơ - nhiệt một số vật liệu dụng cụ cắt 18
Bảng 1.3. Tính chất cơ - nhiệt một số vật liệu dụng cụ phủ 18
Bảng 2.1. Các giá trị R
a
, R
z
và chiều dài chuẩn l ứng với các cấp

31
độ nhám bề mặt
Bảng 2.2. Mức độ và chiều sâu lớp biến cứng của các phương

33
pháp gia công cơ
Bảng 3.1. Các thông số chế độ cắt khác nhau của Dawson và

58
Thomas
Bảng 4.1. Thành phần các nguyên tố hoá học thép 9XC

67
Bảng 4.2. Chế độ cắt và các thông số nhám

69
Bảng 4.3. Thời gian cắt và các thông số nhám

70
Bảng 4.4. Bộ thông số chế độ cắt

83
Bảng 4.5. Ma trận thí nghiệm

85
Bảng 4.6. Ma trận 6 thí nghiệm thứ nhất

86
Mở đầu
CÔNG NGHỆ TIỆN CỨNG VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

1. Giới thiệu về công nghệ tiện cứng
Tiện cứng (hard turning) chính thức được giới thiệu ở nước ta vào năm
1988, tuy nhiên công nghệ này chưa có điều kiện phát triển mạnh. Cho tới
những năm gần đây khi sự đổi mới về khoa học kỹ thuật đang trở thành tất
yếu thì tiện cứng đã phát huy được vai trò to lớn của nó trong việc gia công
tinh các sản phẩm thép qua tôi cứng.
Các chi tiết như vòng ổ lăn, vòi phun và những chi tiết của hệ thống thuỷ
lực, sau khi nhiệt luyện thường phải qua nguyên công mài hoặc mài khôn.
Các nguyên công này thường thiếu linh hoạt và mất nhiều thời gian. Hơn nữa
chi phí dung dịch trơn nguội cho nguyên công mài cũng khá cao. Mặt khác
chất thải khi mài ngày càng là vấn đề của môi trường sống. Những lý do trên
đã thúc đẩy các nhà sản xuất loại dần khâu mài trong quy trình công nghệ gia
công tinh chi tiết.
Phương án tối ưu cho việc thay thế này chính là tiện cứng. Tiện cứng là
một cách sử dụng dao bằng mảnh vật liệu siêu cứng CBN (Cubic boron
nitride), PCBN, PCD hoặc Ceramic tổng hợp nhằm thay thế cho mài trong gia
công thép qua tôi (thường ≥ 45HRC). Phương pháp này có thể gia công khô
và hoàn thành chi tiết trong cùng một lần gá. Cấp chính xác khi tiện cứng có
thể đạt IT5-7, nhám bề mặt Rz = 2 - 4
µ
m , rõ ràng với chất lượng đạt được
như vậy, tiện cứng hoàn toàn thay thế được cho mài trong hầu hết các trường
hợp gia công công tinh các sản phẩm.
Các sản phẩm trong tiện cứng khá linh hoạt, từ các chi tiết dạng trục trơn
(các trục ngắn), con lăn, tới các chi tiết có biên dạng phức tạp hơn,
Để áp dụng công nghệ này hệ thống máy, dao, đồ gá phải đảm bảo các yêu
cầu như: Máy tiện đủ độ cứng vững, đủ tốc độ quay trục chính và công suất
phù hợp. Các máy tiện NC, CNC được khuyến cáo thực hiện công việc này.
=17
=

Hình vẽ 1. Máy Emco Turn 332 Mcplus và Quá trình cắt khô trong tiện
cứng

Các máy tiện điều khiển bằng tay có thể được dùng nếu đáp ứng được
các yêu

cầu này.
Đồ gá trong tiện cứng phụ thuộc vào biên dạng các sản phẩm yêu cầu.
Nhìn chung các chi tiết gia công đều được cắt mà ít sử dụng đồ gá phụ vì lý
do độ cứng vững cần có trong tiện cứng. Hơn nữa với các máy điều khiển số
thì điều này không còn nhiều ý nghĩa. Các đồ gá phụ thường kèm theo các
máy khi sản xuất.
Dao tiện thường sử dụng là các mảnh lắp ghép với thân theo tiêu chuẩn
của từng máy. Các mảnh có nhiều loại theo hình dạng, phần trăm lượng CBN,
chất kết dính, Khi hết tuổi bền các mảnh không thể mài lại như các dao thông
thường. Chúng được thay ra hoặc xoay đi dùng lưỡi cắt mới (với mảnh nhiều
lưỡi).
Các mảnh hợp kim CBN thường sử dụng cho tiện cứng là TPGN, CNMA,
DNMA, TNG, Các mảnh hợp kim cương thường là CCMT, CPGM, nói
chung hàm lượng CBN phụ thuộc vào nhà sản xuất. Người ta phân ra làm ba
loại, hàm lượng cao (nhiều hơn 90% CBN), trung bình ( khoảng 72% CBN)
và thấp (nhỏ hơn 60% CBN). Các mảnh có hàm lượng cao thường sử dụng
cho tiện truyền thống để gia công các vật liệu mềm hơn như kim loại bột,
gang và một số hợp kim đặc biệt.
So với các mảnh carbide thì các mảnh CBN có giá thành cao hơn đáng kể (
từ 4 - 5 lần), song dao CBN lại có tuổi bền lớn hơn rất nhiều. Chi phí dao cụ
sẽ không là trở ngại khi đã loại bỏ công đoạn mài tinh. Nhiều xưởng sản xuất
còn nhận thấy việc giảm chi phí dung dịch trơn nguội do cắt khô đã bù đắp
lượng chi phí cao hơn về dao.
Dải vật liệu được gia công bằng tiện cứng không hạn chế, ngay cả đối với

thép rèn đã tôi, thép gió và hợp kim cứng bề mặt stellites. Việc hợp kim
stellites có thể gia công bằng tiện cứng đã mở rộng khả năng của tiện cứng kể
cả trong công việc sửa chữa. Vật liệu điển hình được tiện cứng là các thép
hợp kim qua tôi cứng.
Hình vẽ 2. Ký hiệu một số mảnh CBN dùng trong tiện cứng
Khi tiện cứng, nếu cắt với tốc độ cắt thấp hơn quy định thì mảnh CBN sẽ bị
mòn nhanh và hư hỏng. Thông thường chế độ cắt khuyến cáo là: với tiện tinh
độ cứng vật liệu từ 55 - 67HRC, V = 80 - 160 (m/ph), S = 0,04 - 0,08
(mm/vg); t = 0,1 - 0,5mm với tiện chính xác độ cứng vật liệu từ 45 - 60HRC,
V= 120 - 180 (m/ph), S = 0,02 - 0,04 (mm/vg), t = 0,02 - 0,3mm [1].
Nhiều nhà máy chế tạo ổ đỡ, bánh răng, con lăn và trục bằng thép đã tôi sử
dụng chế độ cắt này. Họ có thể đạt dung sai kích thước đến
± 0,01m
m
hoặc
cao hơn nếu thời gian chế tạo lâu hơn và nhám bề mặt rất nhỏ. Ngoài ra giá
thành máy mài có thể đắt gấp 2-3 lần máy tiện. Trong nhiều phân xưởng hiện
nay họ đã thay thế tiện cứng cho mài truyền thống. Đồng thời khi sử dụng tiện
cứng thời gian chu kỳ và điều chỉnh ngắn hơn nhiều so với mài.
Qua đó có thể kết luận rằng, việc áp dụng công nghệ tiện cứng để gia công

tinh lần cuối đã mang lại những lợi ích sau:
- Giảm thời gian và chu kỳ gia công một sản phẩm.
- Giảm chi phí đầu tư thiết bị.
- Tăng độ chính xác gia công.
- Đạt độ nhẵn bề mặt cao hơn.
- Cho phép nâng cao tốc độ bóc tách vật liệu (từ 2 - 4 lần).
- Gia công được các contour phức tạp.
- Cho phép thực hiện nhiều bước gia công trong cùng một lần gá.
- Có thể chọn gia công có hoặc không có dụng dich trơn nguội. Gia công khô

giảm chi phí gia công và không có chất thải ra môi trường.
Một lợi thế quan trọng nữa khi tiện cứng đó là việc tạo ra một lớp ứng
suất dư nén khi gia công, điều này đặc biệt có lợi với những chi tiết yêu cầu
độ bền mỏi cao. Điều này với mài lại là một bất lợi. Mặc dù vậy tiện cứng
cũng có những nhược điểm cần lưu ý như: do chủ yếu cắt khô nên nhiệt rất
cao, dụng cụ có lưỡi cắt đơn nên quá trình cắt không ổn định, chi phí dụng cụ
cắt cao, khi gia công các chi tiết có chiều dài lớn dung sai chế tạo có thể nằm
ngoài vùng cho phép (trục dài), khi chiều sâu cắt nhỏ hơn chiều sâu cắt tới
hạn (t
min
) thì quá trình cắt không thể thực hiện được.
Từ những năm 1970 các nghiên cứu đã tập trung vào hướng công nghệ
mới để đạt được các mục đích này. Nhưng phải đến những năm 1990, với sự
phát triển mạnh của các máy công cụ tiên tiến và vật liệu Nitrit Bor lập
phương thì tiện cứng mới được áp dụng rộng rãi trong chế tạo máy. Tiện cứng
đã thực sự trở thành công nghệ không thể thiếu trong việc gia công tinh các
chi tiết qua tôi cứng. Điều này góp phần không nhỏ cho quá trình lớn mạnh
của ngành chế tạo máy nói riêng và ngành công nghiệp nói chung.
2. Tính cấp thiết của đề tài
Qua phần giới thiệu về công nghệ tiện cứng có thể thấy rằng, việc nghiên
cứu về tiện cứng, phân tích các quá trình lý, hóa trong tiện cứng đã và đang
được quan tâm, tiến hành tại nhiều trung tâm, viện nghiên cứu cũng như các
trường đại học trên thế giới. Tuy nhiên từ những công bố trên các tạp chí khoa
học cho thấy các kết quả nghiên cứu chủ yếu tập trung vào quá trình tiện cứng
thép ổ lăn AISI 52100 (tiêu chuẩn Mỹ). Đồng thời các nghiên cứu này chưa
đề cập nhiều về vấn đề mòn và tuổi bền của các mảnh dao, đặc biệt với loại
thép 9XC, mặt khác việc ứng dụng công nghệ này ở nước ta còn mang nhiều
tính kinh nghiệm. Đưa ra được một lý thuyết góp phần cải thiện và nâng cao
hiệu quả sản xuất là một tất yếu của các nhà chuyên môn.

Ta lại biết rằng tiện cứng chủ yếu dùng trong gia công tinh, mảnh dao
thường có giá thành cao, vì vậy tuổi bền của mảnh dao càng trở nên quan
trọng bởi trong quá trình cắt nếu phải thay dao nhiều sẽ tăng sai số, thời gian
máy, ảnh hưởng tới năng suất, chất lượng và giá thành sản phẩm.
Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ khi tiện cứng đến
mòn và tuổi bền mảnh dao là cần thiết đối với công đoạn gia công tinh. Đặc
biệt khi công nghệ này được áp dụng tại các cơ sở sản xuất ở nước ta. Việc
tìm ra một hàm số mô tả quan hệ giữa tuổi bền và chế độ cắt ứng với một
khoảng giá trị độ cứng trên cơ sở đó sẽ tối ưu hoá được tuổi bền là vấn đề có
tính ứng dụng cao. Tác giả đã chọn loại vật liệu, chế độ cắt và độ cứng gia
công tại một xưởng sản xuất ở Thái Nguyên để làm cơ sở thực nghiệm.
Do vậy đề tài "Nghiên cứu mối quan hệ giữa mòn và tuổi bền của dao
gắn mảnh PCBN theo chế độ cắt khi tiện thép 9XC qua tôi " là cần thiết và
có tính ứng dụng trực tiếp.
2.1. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề
tài
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tóm lược một lý thuyết cơ bản về gia
công cắt gọt nói chung, tiện cứng nói riêng và tìm ra cơ chế gây mòn các
mảnh dao PCBN, đồng thời xác định mối quan hệ giữa tuổi bền của mảnh dao
theo chế độ cắt (S,V,t) khi tiện tinh thép 9XC qua tôi đạt độ cứng 56-58 HRC.
Qua đó có thể đưa ra một bộ thông số chế độ cắt khi tiện cứng loại thép này
đạt tuổi bền cao nhất trong khi vẫn đạt chất lượng bề mặt yêu cầu.
2.2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề
tài
Về mặt khoa học, đề tài phù hợp với xu thế phát triển khoa học và công
nghệ trong nước cũng như khu vực và thế giới.
Nghiên cứu và kiểm nghiệm các kết quả gần đây về cơ chế gây mòn dao
PCBN trong tiện cứng nói chung.
Xây dựng được quan hệ giữa các thông số của chế độ cắt đến tuổi bền
khi tiện cứng dưới dạng hàm thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở

khoa học cho việc tối ưu hoá quá trình tiện. Đồng thời cũng góp phần đánh
giá chất lượng bề mặt khi tiện tinh thép 9XC qua tôi.
Về mặt thực tiễn sẽ áp dụng kết quả khi nghiên cứu thép 9XC vào một cơ
sở Sản xuất ở Thái Nguyên. Qua đó nâng cao tính cạnh tranh trên thị trường
và thúc đẩy các nghiên cứu mới trên các khía cạnh khác nhau về tiện cứng.
2.3. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm về ảnh hưởng của chế độ

cắt đến mòn và tuổi bền thông qua hàm thực nghiệm.
Đo nhám bề mặt theo từng điều kiện cắt nhằm xác định tuổi bền mảnh dao

theo chỉ tiêu mòn công nghệ.
Chương 1
BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH
CẮT THÉP CÓ ĐỘ CỨNG CAO
1.1. Quá trình cắt và tạo phoi
Qúa trình cắt kim loại là quá trì nh lấy đi một lớp phoi trên bề mặt
gia

công 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 chuyển

động
quay tròn của phôi.
- 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 [1].
Khi cắt, để có thể tạo ra phoi, lực tác dụng vào da o 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 công.
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.
Nghiên cứu quá trình tạo phoi có một ý nghĩa rất quan trọng vì trị số của

công cắt, độ mòn của dao và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rõ rệt vào

quá trình tạo phoi. (Hình vẽ 1.2)
a,
b,
Hình vẽ 1.3. Sơ đồ miền tạo phoi
Quá 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 quá trình cắt, vùng phoi
một luôn 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 phôi để hình thành
phoi.
Vật liệu dòn 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 là 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, độ mòn của dao và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rõ rệt
vào quá trình tạo phoi.
Khi cắt do tác dụng của lực P (hình vẽ 1.3), 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 dạn g dẻo và một lớp phoi có chiều dày a
p
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 cắt 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 vẽ 1.4).