nghiên cứu mối quan hệ giữa chế độ cắt và tuổi bền của mũi khoan 12 phủ tin sau khi mài lại sau mặt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Bui Anh Tuan
MỤC LỤC
Nội dung
Trang
Trang 1
1
Lời cam đoan
2
Mục lục
3
Danh mục các bảng số liệu
7
Danh mục các hình vẽ, đồ thị, ảnh chụp.
8
PHẦN MỞ ĐẦU
11
1. Tính cấp thiết của đề tài
11
2. Mục đích nghiên cứu
12
3. Đối tƣợng nghiên cứu
12
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
12
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
12
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DỤNG CẮT PHỦ

1.1. Phun phủ dụng cụ cắt

13
1.1.1 Khái niệm chung về phủ bay hơi
13
1.1.1.1 Công nghệ phủ bay hơi hóa học (CVD)
14
1.1.1.2 Công nghệ phủ bay hơi lý học (PVD)
15
1.1.2 Đặc tính của lớp phủ
16
1.1.3 Ảnh hƣởng của lớp phủ đến dụng cụ cắt
19
1.1.3.1 Ảnh hƣởng của lớp phủ đến tƣơng tác ma sát
19
1.1.3.2 Ảnh hƣởng của lớp phủ đến tƣơng tác ma sát trong cắt kim loại
21
1.2 Các dạng vật liệu phủ
22
1.3 Ứng dụng phủ dụng cụ cắt
23
1.3.1 Ứng dụng của phủ CVD
23
a. Phủ CVD để chống mòn
24
b. Phủ CVD cho các ứng dụng chống ma sát, mòn và ăn mòn
25
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

c. Phủ CVD ứng dụng trong làm việc ở nhiệt độ cao
25
1.3.2 Ứng dụng phủ PVD

26
1.4 Mũi khoan phủ
26
1.4.1 Đặc tính của mũi khoan phủ
26
1.4.2 Các loại mũi khoan phủ
27
1.4.3 Các cơ chế tác động đến mũi khoan phủ trong quá trình cắt
30
1.4.3.1 Cơ chế mòn
31
1.4.3.2 Cơ chế mài mòn
33
1.4.3.3 Cơ chế mòn do bám dính
34
1.4.3.4 Cơ chế mòn nhiệt
36
1.5 Mũi khoan phủ sau khi mài sắc lại
37
1.6 Kết luận chƣơng 1
39
CHƢƠNG 2 TUỔI BỀN CỦA DỤNG CỤ CẮT PHỦ

2.1 Mòn dụng cụ cắt phủ
40
2.1.1 Quá trình mòn
41
2.1.1.1 Mòn dụng cụ cắt
41
2.1.1.2 Quá trình mòn của dụng cụ cắt

42
2.1.1.3 Cách xác định mòn dụng cụ cắt
42
2.1.1.4 Mòn dụng cụ cắt phủ
44
2.1.2 Các dạng mòn
45
a. Mài mòn theo mặt sau
46
b. Mài mòn theo mặt trƣớc
46
c. Mài mòn cả mặt trƣớc và mặt sau
47
d. Mòn tù lƣỡi cắt
47
2.1.3 Cơ chế mòn
48
2.1.3.1 Cơ chế mòn dao và mối quan hệ giữa lƣợng mòn và thời gian cắt
48
a. Mòn do cào xƣớc
48
b. Mòn do chảy dính
48
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

c. Mòn do khuyếch tán
49
d. Mòn do hạt mài
49
e. Mòn do ôxy hoá

49
f. Mòn do nhiệt
50
2.1.3.2 Cơ chế phá hủy của lớp phủ
50
2.2 Tuổi bền của dụng cụ cắt phủ
51
2.2.1 Khái niệm chung về tuổi bền của dụng cụ cắt
51
2.2.2 Các nhân tố ảnh hƣởng đến tuổi bền của dụng cụ cắt
53
2.2.3 Vai trò của lớp phủ cứng trong việc tăng tuổi bền của dụng cụ
53
2.3 Phƣơng pháp xác định tuổi bền của dụng cụ cắt
55
2.4 Kết luận chƣơng 2
58
CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MỐI QUAN HỆ GIỮA
CHẾ ĐỘ CẮT VÀ TUỔI BỀN CỦA MŨI KHOAN 12 PHỦ TiN KHI
MÀI LẠI MẶT SAU

3.1 Cơ sở lý thuyết xác định tuổi bền của dao
59
3.1.1 Cơ sở xác định tuổi bền của dao bằng thực nghiệm
59
3.1.2 Lựa chọn chỉ tiêu xác định tuổi bền của dao
59
3.2 Thiết kế thí nghiệm
60
3.2.1 Các giới hạn của thực nghiệm

60
3.2.2 Mô hình thí nghiệm
60
3.2.3 Mô hình toán học
60
3.2.4 Điều kiện thí nghiệm
61
3.2.4.1 Máy
61
3.2.4.1 Dao
62
3.2.4.3 Phôi
62
3.2.4.4 Dụng cụ thực nghiệm
63
3.3 Thực nghiệm mối quan hệ giữa chế độ cắt và tuổi bền của mũi khoan
phủ TiN sau khi mài lại mặt sau
63
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3.3.1 Nội dung
63
3.3.2 Các thông số đầu vào
63
3.3.3 Thực nghiệm xác định tuổi bền
64
3.3.3.1 Tính các hệ số của phƣơng trình hồi quy
66
3.3.3.2 Kiểm định các tham số a
j

66
3.3.3.3 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa v, s và T khi t = 12
69
3.3.3.4 So sánh tuổi bền khi vẫn còn lớp phủ trên mặt sau và khi đã mài sắc
lại không còn lớp phủ trên mặt sau
70
3.3.3.5 Một số hình ảnh của dao và phôi trong quá trình thực nghiệm
70
3.4 Kết luận chƣơng 3
72
CHƢƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

4.1 Kết luận
73
4.2 Hƣớng nghiên cứu tiếp theo
73
Tài liệu tham khảo
74
Phụ lục lực cắt khi gia công
76

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU
TT
Bảng số
Nội dung
Trang
1

Bảng 1.1
Một số đặc tính của lớp phủ giữa hai phƣơng pháp
phủ
16
2
Bảng 1.2
Một số tính chất cơ lý hoá của một số hợp chất phủ
cơ bản
22
3
Bảng 1.3
Một số tiêu chuẩn và vật liệu phủ tối ƣu
24
4
Bảng 1.4
So sánh đặc tính của mũi khoan phủ và không phủ
27
5
Bảng 1.5
Trích bảng thông số kích thƣớc mũi khoan phủ
30
6
Bảng 3.1
Thông số kỹ thuật cơ bản của máy

7
Bảng 3.2
Thành phần hoá học của thép 45

8

Bảng 3.3
Giá trị tính toán thông số chế độ cắt v, s cho thực
nghiệm

9
Bảng 3.4
Bảng quy hoạch và kết quả thực nghiệm xác định
tuổi bền của dao

10
Bảng 3.5
Bảng kết quả đo lực

11
Bảng 3.6
Các giá trị logarit

12
Bảng 3.7
Bảng kết quả tính toán giá trị (y
i
-
i
y
ˆ
)
2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ - ẢNH CHỤP
TT
Hình
Nội dung
Trang
1
Hình 1.1
Sơ đồ quá trình phủ
13
2
Hình 1.2
Quan hệ của ứng suất dƣ theo chiều sâu
17
3
Hình 1.3
Phủ bằng phƣơng pháp CVD nhiều lớp lên dụng cụ
cắt hợp kim cứng
19
4
Hình 1.4
Mô hình cắt gọt của dao phủ và không phủ
21
5
Hình 1.5
Sự nâng lên của lƣỡi cắt
31
6
Hình 1.6

Phân tích EDAX của phoi thép các bon trung bình
31
7
Hình 1.7
Sự nâng lên của lƣỡi cắt và phân tích EDAX lƣỡi
cắt của mũi khoan phủ TiAlN
32
8
Hình 1.8
Cơ chế của lớp vảy
32
9
Hình 1.8(a)
Hình thái trên SEM
32
10
Hình 1.8(b)
Hàm phổ EDAX
32
11
Hình 1.9
Sự phá huỷ và cơ chế mài mòn cơ học
33
12
Hình 1.10
Sự mòn khốc liệt do chảy dính trên bề mặt
33
13
Hình 1.11
Ảnh SEM của sự mài mòn trên bề mặt mũi khoan

phủ TiN
34
14
Hình 1.12
Đỉnh các nhấp nhô bị san bằng và ép chặt trên bề
mặt bị mòn của của mũi khoan phủ TiN
34
15
Hình 1.13
Ảnh SEM của cơ chế mòn dính trên mũi khoan phủ
TiN
35
16
Hình 1.13(a)
Giai đoạn đầu của quá trình khoan

17
Hình 1.13(b)
Dạng của lớp chuyển tiếp

18
Hình 1.13(c)
Dạng đa lớp

19
Hình 1.14
Ảnh SEM trên vùng mòn
35
20
Hình 1.14(a)

Mũi khoan phủ TiAlN

21
Hình 1.14(b)
Mũi khoan phủ TiCN

22
Hình 1.14(c)
Mũi khoan phủ TiN

23
Hình 1.15
Phân tích EDAX trên vùng tiếp xúc
36
24
Hình 1.15(a)
Ảnh SEM của vùng tiếp xúc

25
Hình 1.15(b)
Hàm phổ EDAX

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

26
Hình 1.16
Ảnh SEM của các vết nứt nhiệt tế vi sinh ra trên lớp
phủ TiAlN của mũi khoan
37
27

Hình 1.16(a)
Vùng tiếp xúc bị giãn nở nhiệt

28
Hình 1.16(b)
Bƣớc ban đầu của các vết nứt tế vi

29
Hình 1.16(c)
Sự tổ hợp của các vết nứt tế vi do nhiệt

30
Hình 2.1
Quan hệ giữa một số dạng mòn của dụng cụ hợp
kim cứng với thể tích
0, 6
c1
V .t
, trong đó V tính bằng
m/ph; t
1
tính bằng mm/vg
42

31
Hình 2.2
Các thông số đặc trƣng cho mòn mặt trƣớc và mặt
sau – ISO3685
43
32

Hình 2.3
Quan hệ giữa độ mòn và số lỗ gia công của các loại
lớp phủ
44
33
Hình 2.4
Quan hệ mòn và thời gian cắt của phủ đa lớp
44
34
Hình 2.5
Quan hệ mòn và thời gian cắt của phủ đa lớp khi gia
công thép gió
45
35
Hình 2.6
Ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt
liên tục
45
36
Hình 2.7
Ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt
gián đoạn
46
37
Hình 2.8
Mòn mặt sau
46
38
Hình 2.9
Mòn mặt trƣớc

46
39
Hình 2.10
Mòn đồng thời mặt trƣớc và mặt sau
47
40
Hình 2.11
Cùn lƣỡi cắt
47
41
Hình 2.12
Quan hệ giữa chiều sâu mòn và hệ số λ
47
42
Hình 2.13
Sơ đồ thể hiện 3 giai đoạn mòn mặt trƣớc của dụng
cụ thép gió phủ TiN
51
43
Hình 2.14
Ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến mòn mặt trƣớc và
mặt 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:

=8
0
,

=10

0
,

=4
0
,

=90
0
,

= 60
0
, r=1mm, thời gian cắt T =30 phút
[4].
53


44
Hình 2.15
Quan hệ V.T-V và V.T.a khi cắt thép 40Cr bằng dao
T15K6 với h
s
= 0,6 mm.(1) s = 0,037 mm/v: (2) s =
0,3 mm/v (3) s = 0,1 mm/v; (4) s = 0,5 mm/v.
54
45
Hình 2.16(a)
Quan hệ tuổi bền của dao thép gió phủ PVD theo
vận tốc cắt dao tiện

55
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

46
Hình 2.16(b)
Dao phay mặt đầu dùng để phay thép cácbon tôi cải
thiện.
55
47
Hình 2.17
Quan hệ giữa thời gian, tốc độ và độ mòn của dao
56
48
Hình 2.18
Quan hệ giữa tốc độ cắt V và tuổi bền T của dao
56
49
Hình 2.19
Quan hệ giữa V và T (đồ thị lôgarit)
57
50
Hình 3.1
Đồ thị quan hệ giữa lƣợng mòn và thời gian
59
51
Hình 3.2
Đồ thị mối quan hệ v, s và T
69
52
Hình 3.3

Máy, dao, phôi và thiết bị đo lực
70
53
Hình 3.4
Sơ đồ gia công
70
54
Hình 3.5
Thiết bị chuyển đổi tín hiệu
71

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay với sự phát triển của khoa học, công nghệ. Dụng cụ cắt đã có
những bước tiến đáng kể về chất lượng và kết cấu. Cụ thể là về chất lượng chế tạo
vật liệu mới, phun phủ bề mặt, cải tiến kết cấu.
Phun phủ là phương pháp tạo ra trên bề mặt dụng cụ cắt có vật liệu nền là
các bít hoặc thép gió một hoặc nhiều lớp chức năng có giá trị sử dụng cao nhằm:
- Nâng cao khả năng chống ăn mòn hoá học.
- Cải thiện tính chất ma sát, nâng cao khả năng chống mài mòn.
- Điều chỉnh các tính chất vật lý cũng như hoá học đặc biệt.
- Các lớp phủ thường có chiều dày 1-4μm.
- Có các loại vật liệu phủ sau: TiN, TiCN, TiAlN, CrN …
TiN là vật liệu phủ thông dụng cho dụng cụ cắt. TiN có độ cứng cao, bền
nhiệt cao và hệ số ma sát nhỏ. Đối với nguyên công khoan hiện nay loại mũi khoan
thông dụng được sử dụng trong thực tế là mũi khoan phủ TiN.
Mặt khác khi gia công, chế độ cắt ảnh hưởng rất lớn đến tuổi bền của dụng
cụ cắt. Đặc biệt với các nguyên công gia công lỗ thì mũi khoan chịu ảnh hưởng của

rất nhiều yếu tố như: chế độ cắt, chế độ bôi trơn, thoát phoi v.v. Việc nghiên cứu
các ảnh hưởng này tới tuổi bền của mũi khoan là rất quan trọng vì như vậy sẽ đưa ra
được các điều kiện gia công hợp lý để tăng tuổi bền của mũi khoan.
Đối với mũi khoan trong quá trình sử dụng phải mài sắc lại theo mặt sau. Khi
mài lại lớp phủ ở mặt sau không còn, chỉ còn lớp phủ ở mặt trước. Dẫn đến tuổi bền
của mũi khoan sẽ thay đổi. Việc nghiên cứu tuổi bền của các loại dụng cụ đa lưỡi có
phủ đã được nghiên cứu nhiều nhưng chưa có những nghiên cứu về ảnh hưởng của
chế độ cắt tới tuổi bền của dụng cụ sau khi mài lại mặt sau chỉ còn lớp phủ trên mặt
trước. Vậy đối với mũi khoan phủ TiN sau khi mài lại chế độ cắt ảnh hưởng đến
tuổi bền như thế nào?
Với ý tưởng như vậy tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu mối quan hệ giữa chế độ
cắt và tuổi bền của mũi khoan Φ12 phủ TiN sau khi mài lại mặt sau”.
Kết quả của đề tài sẽ là cơ sở để đưa ra được chế độ cắt hợp lý cho mũi
khoan phủ TiN sau khi mài lại mặt sau nhằm nâng cao tuổi bền. Việc nâng cao được
tuổi bền của các dụng cụ cắt sau khi hết lớp phủ ban đầu rất có ý nghĩa. Khi tuổi
bền tăng thì đồng thời giảm được thời gian phụ, tiết kiệm vật liệu dụng cụ và giảm
giá thành sản phẩm.
2. Mục đích nghiên cứu đề tài
Nghiên cứu mối quan hệ giữa chế độ cắt và tuổi bền của mũi khoan phủ TiN
Φ12 sau khi mài lại mặt sau.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3. Đối tượng nghiên cứu của đề tài
* Đối tượng nghiên cứu:
- Mũi khoan Φ12 phủ TiN đã mài lại mặt sau .
- Gia công lỗ trên phôi thép 45.
4. Ý nghĩa khoa học của đề tài
* Ý nghĩa khoa học của đề tài: Xây dựng được mối quan hệ giữa các thông
số của chế độ cắt và tuổi bền của mũi khoan phủ TiN sau khi mài lại mặt sau dưới
dạng các hàm thực nghiệm. Kết quả của đề tài dùng làm cơ sở để tối ưu hóa quá

trình cắt.
* Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả của đề tài được dùng làm cơ sở để chọn bộ
thông số s, v với t = 12 của quá trình khoan trong các điều kiện cụ thể.
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm.
29
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Bảng 1.6 Trích sơ đồ lựa chọn mũi khoan cho chế độ công nghệ (trích bảng Catalogue hãng Guhring)

Chế độ cắt
có làm mát
Thép hợp
kim AlSi?
Thép có độ
bền cao?
Thép kết cấu,
thép các bon?
Chế độ công nghệ
Phôi
Kiểu dao
3xD
5xD
7xD
Thép hợp
kim AlSi
Thép có độ
bền cao
Thép kết cấu,
thép các bon
RT 150 GN

Thép hợp
kim AlSi
Thép có độ
bền cao
Thép kết cấu,
thép các bon
RT 150 GG
Sai
Đúng
Đúng
Đúng
Chế độ cắt
không làm mát
Sai
Sai
Sai
Sai
Sai
Sai
RT 150 F
RT 150 U
RT 50 G
RT 80 F
RT 80 U
RT 100 GN
RT 200 G
Đúng
RT 100 F
RT 100 U
Đúng

Đúng
Đúng
Đúng
Đúng
Đúng
(**)
(*)
(*)
(1)
(2)
(3)
(1)
(3)
(2)
(3)
(S) 1660 24 HA
(S) 1180 24 HE
(F) 2468 24 HE
(S) 1660 24 HA
(S) 1180 24 HE
(F) 2477 25 HA
(F) 2469 25 HE
(S) 1702 24 DZ
(S) 1659 25 HA
(F) 2475 25 HA
(S) 1242 25 DZ
(S) 1673 25 HA
(F) 2473 25 DZ
(F) 2480 25 HA
(S) 1663 27 HA

(S) 1183 27 HE
(F) 2479 27 HA
(F) 2471 27 HE
(S) 2711 28 HA
(F) 4044 28 HA
(F) 4045 28 HE
( ) 24 DZ
( ) 1798 24 DZ
( ) 1799 26 DZ
(S) 1441 24 HE
(S) 1171 24 HE
(S) 1442 26 HE
(S) 1172 26 HE
(S) 1443 28 HE
(S) 1173 28 HE
( ) 1206 26 HE
(S) 1662 26 HA
(S) 1182 26 HE
(F) 2478 26 HA
(F) 2470 27 HA
(S) 1242 25 DZ
(S) 1673 25 HA
(F) 2473 25 DZ
(F) 2480 25 HA
(F) 2712 27 HA
Trong đó:
(S): mũi khoan phủ TiN
(F): mũi khoan có lớp
phủ chịu nhiệt
( ): mũi khoan không

phủ
(*): mũi khoan đặc
(**): mũi khoan có lỗ
làm mát trong thân.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

30
d1
l1
l2
mm
mm
mm
1
34
12
2
49
24
3
61
33
4
75
43
5
86
52
6

93
57
7
109
69
8
117
75
9
125
81
10
133
87
11
142
94
12
151
101
13
151
101
14
160
108
15
169
114
16

178
120
17
184
125
18
191
130
19
198
135
20
205
140
Bảng 1.5 Trích bảng thông số kích thước của mũi khoan phủ chuôi trụ hãng Guhring
1.4.3 Các cơ chế tác động đến mũi khoan phủ trong quá trình cắt
Trong giai đoạn đầu của quá trình khoan phoi (thép các bon trung bình) có
dạng phoi dây. Sau đó khi số lỗ tăng lên phoi thay đổi thành dạng cuộn đây là kết
quả của việc lưỡi cắt nâng cao lên của mũi khoan (hình 1.5) vào đoạn cuối của tuổi
bền phoi được cắt với kích thước nhỏ và màu của chúng thay đổi vì sự tăng nhiệt độ
cắt của quá trình khoan. Khi nhiệt độ từ 960
0
C-1000
0
C màu của phoi thay đổi từ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

31
màu sáng ban đầu của thép thành màu xanh đen. Phân tích EADX thấy rằng một số

thành phần bản ferum có nhiệt độ nóng chảy cao hơn. Trong đó một số thành phần
khác của phôi như Mn, P có giới hạn nóng chảy thấp hơn trong quá trình khoan
(hình 1.6). Nhiệt độ nóng chảy tới hạn của sắt khoảng 1538
0
C. Chúng ta có thể giả
thiết rằng nhiệt độ tại điểm tiếp xúc lớn hơn 1538
0
C. Tại thời điểm này các phân tử
khác của cấu trúc có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn như là Mn và P có thể bị thoát ra
hết và không thể dò vết bằng phân tích EDX. (Nhiệt độ nóng chảy của Mn và P là
khoảng 1246
0
C và 44,1
0
C) [12].

Hình 1.5 Sự nâng lên của lưỡi cắt mũi khoan phủ TiN [12]

Hình 1.6 Phân tích EDAX của phoi thép các bon trung bình
1.4.3.1 Cơ chế mòn
Trong trường hợp chung, tất cả các mũi khoan đều có cơ chế chịu mòn cơ
học biến đổi của một hỗn hợp các yếu tố khác nhau và sự gây mòn khác như số lỗ
khoan hoặc việc tăng vận tốc cắt. Đối với mũi khoan không phủ, điều đó được thể

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

32
hiện khi quan sát thấy sự nâng cao biên dạng lưỡi cắt sau 12 lỗ khoan. Hình 1.7 cho
thấy sự hình thành của việc nâng cao lưỡi cắt. Phân tích EDAX thấy rằng thành
phần của lưỡi cắt bao gồm cả các phân tử phủ (Ti, Al, N) và phân tử phôi (Fe). Ở

đây quan sát thấy lớp phủ vẫn nguyên, các phân tử Fe trên lưỡi cắt bị khuyếch tán
sang từ phôi.
Tiếp theo quá trình khoan, xuất hiện các vảy có sự thâm nhập của vật liệu
vào bề mặt bị hỏng ở đầu mũi khoan (Hình 1.8). Phân tích EDAX thấy rằng xuất
hiện sự hỏng của lớp phủ, chiếu vào vật liệu lớp nền của mũi khoan. Chúng bao
gồm các thành phần có độ nóng chảy cao hơn (Fe, W, V, Mo, Cr).

Hình 1.7 Sự nâng lên của lưỡi cắt và Phân tích EDAX lưỡi cắt của mũi
khoan phủ TiAlN

(a) (b)
Hình 1.8 Cơ chế kiểu lớp vảy: (a) Hình thái trên SEM (b) Hàm phổ EDAX
lẹo dao

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

33


Hình 1.9 Hình 1.10
Hình 1.9 Sự phá huỷ và cơ chế mài mòn cơ học [12]
Hình 1.10 Sự mòn khốc liệt do chảy dính trên bề mặt [12]
Ở giai đoạn cuối của tuổi thọ mũi khoan quan sát được rằng biên dạng lưỡi
cắt bị cùn đi, một phần vật liệu của bề mặt mũi khoan bị phá huỷ (hình 1.9). Sự mài
mòn của quá trình gia công được tìm thấy trong giai đoạn này. Cuối cùng, mũi
khoan không thể ăn sâu hơn nữa vào phôi là do sự mài mòn khốc liệt của mặt sau
được nhìn thấy như trên hình 1.10.
1.4.3.2 Cơ chế mài mòn
Nói chung, kỹ thuật bề mặt chính là độ nhám trên lớp vảy tế vi và có các
đỉnh và các đáy nhấp nhô. Trong giai đoạn đầu của quá trình khoan. Các đỉnh nhấp

nhô và các rãnh trên lưỡi cắt có lớp phủ chất lượng tố tở trên các bề mặt như hình
1.11. Sự xuất hiện của mài mòn cơ học là một phần tất yếu của quá trình khoan. Khi
đó các đỉnh nhấp nhô bị cắt đứt và cùn đi như thấy ở trên hình 1.12. Quá trình mài
mòn cơ học được tìm thấy trong khi kiểm nghiệm đặc tính của quá trình khoan.

Hình 1.11 Ảnh SEM sự mài mòn cơ học trên bề mặt của mũi khoan phủ TiN [12]
Hình 1.12 Đỉnh các nhấp nhô bị san bằng và ép chặt trên mặt bị mòn của mũi khoan
phủ TiN.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

34

Hình 1.11 Hình 1.12
1.4.3.3 Cơ chế mòn do bám dính
Trong quá trình khoan, đỉnh các nhấp nhô là đối tượng của các tiếp xúc lặp
lại trong biến dạng dẻo. Sau đó, vật liệu ở đỉnh các nhấp nhô trở nên không bền và
bị cắt đứt cục bộ (một phần), bị tách ra, hình thành lớp chuyển tiếp và bắt đầu phát
triển như trong hình 1.13. Sau đó, nó có dạng như 1 miếng vá. Đây là một phần diễn
ra trong quá trình khoan, có hai con đường chuyển tiếp của lớp màng trượt nguyên
nhân là do cấu tạo của các lớp chuyển tiếp trên cả hai mặt bên của các bề mặt trượt.
Trên hình 1.14 trình bày phân tích EDAX trên bề mặt của mũi khoan. Nó cho ta
thấy các lớp chuyển tiếp có thành phần bao gồm cả vật liệu của lớp phủ (Ti, Al, C,
N, Cr) và vật liệu của phôi (Fe, Mn, Cr) như trong bảng 2. Đây là một quá trình đã
biết như là sự hợp kim hoá của lớp chuyển tiếp đã được quan sát thấy trong các
nghiên cứu khác của Chen và Rigney [12].
Sự hình thành các lớp chuyển tiếp là sự nén chặt, sự dính và trượt của các
mảnh vụn mòn và các mảnh vụn mới hình thành trong quá trình khoan. Khi phoi cắt
bị tác động có đủ độ bền liên kết với nhau thành các màng mỏng, các lớp mỏng này

bao phủ lên cả hai bề mặt trượt. Sau quá trình trượt, một vài hỗn hợp của lớp
chuyển tiếp bị tách ra thành những mảnh vụn mòn, nhưng tất cả những phần đó là
phần dư của lớp mỏng chuyển tiếp. Những lớp mỏng này tiếp tục bị mài mòn và cắt
trên các bề mặt trượt, bao phủ các bề mặt bị hỏng và nói chung cuối cùng sự liên kết
của các lớp trên bề mặt như hình 1.13(c).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

35

Hình 1.13 Ảnh SEM của cơ chế mòn dính trên mũi khoan phủ TiN [12]
a. Giai đoạn đầu của quá trình khoan; b. Dạng của lớp chuyển tiếp; c. Dạng đa lớp

Hình 1.14 Ảnh SEM trên vùng mòn: (a) mũi khoan phủ TiAlN, (b) mũi khoan phủ
TiCN và (c) mũi khoan phủ TiN [12]

Thành phần
Trọng lượng (%)

TiAlN
TiCN
TiN
C K
4,76
10,43
4,3
N K
13,4
8,39
15,6

O K
4,25
21,4
3,44
Al K
13,1
-
-
Ti K
35,59
27,9
1,54
Cr K
-
0,47
1,57
Mn K
1,1
0,49
1,85
Fe K
27,8
30,92
71,7
Total
100
100
100
Bảng 1.5 Thành phần cấu tạo trên các bề mặt mòn [12]

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

36
1.4.3.4 Cơ chế mòn nhiệt
Trong quá trình khoan nhiệt phát sinh là kết quả của ma sát trượt giữa mũi
khoan và phôi nhất là khi lớp phủ mỏng bị lấy đi khỏi bề mặt của mũi khoan. Việc
tích nhiệt là bởi vì nhiệt độ tăng cao ở vùng tiếp xúc, do áp lực cao và nhiệt sinh ra
cao hơn nhiệt ở vùng đó. Kết quả của hiện tượng này là làm tập trung giãn nở nhiệt.
Phân tích EDAX [12] thấy rằng các thành phần ferum và các bon chỉ bị mất đi một
phần nhỏ trong kim loại. Chúng có điểm nóng chảy 1538
0
C và 5000
0
C, tương ứng
trong khi đó các thành phần khác có điểm nóng chảy thấp như là Mn (1246
0
C), P
(44,1
0
C), Ni (1453
0
C) bị thoát ra và sẽ không thể phát hiện được bằng EDAX như
trong hình 1.15.
Hình 1.16(a) cho thấy rằng giãn nở nhiệt tập trung ở vị trí điểm cao hơn trên
các bề mặt mòn và chúng trở thành vùng tiếp xúc của quá trình khoan. Các vùng
tiếp xúc nhỏ đó trở thành vùng chịu áp lực cao. Chúng chính là vùng chịu tải trọng
cao. Nhiệt độ được duy trì tăng dần trong quá trình khoan cho đến khi ở vùng tiếp
xúc một vài nguyên tố bắt đầu bị bay hơi (hình 1.16b).

Hình 1.15 Phân tích EDAX trên vùng tiếp xúc: (a) Ảnh SEM của vùng tiếp xúc (b)

Hàm phổ EDAX
Nhiệt độ vùng tiếp xúc tăng lên mở đầu cho các ứng suất nhiệt. Trong đó có
thể thêm vào ứng suất cơ và làm cho tổng ứng suất tiếp xúc tăng lên. Kết quả phát
sinh các vết nứt nhiệt tế vi ở trên vùng tiếp xúc. Trong quá trình khoan các vết nứt
tế vi nhiệt lớn lên, lan truyền và cuối cùng liên kết với nhau tạo thành tổ hợp các vết
nứt nhiệt tế vi như trên hình 1.16(c).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

37

Hình 1.16 Ảnh SEM của các vết nứt nhiệt tế vi sinh ra trên lớp phủ TiAlN
(a) Vùng tiếp xúc bị giãn nở nhiệt
(b) Bước ban đầu của các vết nứt tế vi
(c) Sự phát sinh tổ hợp của các vết nứt tế vi do nhiệt
1.5 Mũi khoan sau khi mài sắc lại
Đối với nguyên công khoan chế độ thoát phoi khó khăn, nhiệt cắt lớn. Trong
quá trình cắt lớp phủ trên bề mặt có tác dụng giảm lực cắt, lực ma sát và biến dạng
vật liệu gia công. Do đó công tiêu hao cho quá trình cắt giảm dẫn tới nhiệt giảm,
mặt khác tính dẫn nhiệt của vật liệu lớp phủ (TiN …) thường kém so với vật liệu
nền chúng có tác dụng như một lớp ngăn cách nhiệt truyền vào nền vật liệu dụng cụ.
Dụng cụ phủ có nhiệt cắt thường thấp hơn dụng cụ không phủ trong cùng một điều
kiện cắt gọt.
Lớp phủ cứng có tác dụng chống mòn do hạt mài. Các nhà nghiên cứu kết
luận rằng lớp phủ PVD-TiN giúp cho dụng cụ phủ chống lại mòn do hạt mài, dính,
mỏi và ôxy hoá. Cơ chế phá huỷ của TiN do dính phụ thuộc vào vật liệu đối tiếp.
Hendenqvist và Olsson đã phát hiện ra rằng khi đầu thép gió phủ TiN trượt trên đĩa
thép tôi và ram lớp phủ bị phá huỷ từ bên trong. Khi trượt trên thép trắng TiN bị
bóc ra thành mảnh do cơ chế nứt tách tại biên giới lớp phủ và nền. Khi đầu thép các
bon trung bình trượt trên đĩa thép gió phủ TiN lớp phủ bị vỡ, gãy và cuốn đi do nền

thép gió bị giảm độ cứng vì nhiệt độ cao phát triển dưới lớp phủ.
Việc sử dụng lớp phủ cứng trên nền dụng cụ cắt thường cho bề mặt chi tiết
gia công tốt hơn, tính chất của dụng cụ được nâng cao như tính chống nhiệt, chống
mòn,… Tuy nhiên khả năng làm việc của dụng cụ có thể giảm sau khi mài sắc lại.
Mũi khoan phủ sau khi mài sắc lại trên mặt sau không còn lớp phủ do đó tuổi bền
của chúng sẽ bị ảnh hưởng do nhiệt cắt thâm nhập theo mặt sau vào nền dụng cụ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

38
làm cho nhiệt trong dụng cụ tăng lên. Ngoài ra do không còn lớp phủ trên mặt sau
nên sự mòn trên mặt sau sẽ phát triển nhanh hơn cũng là nhân tố ảnh hưởng đến
tuổi bền của mũi khoan.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

39
1.6 Kết luận chương 1

 Phủ là công nghệ đang được áp dụng rộng rãi trong các sản phẩm
phục vụ đời sống xã hội nói chung và dụng cụ cắt nói riêng.
 Lớp phủ nâng cao được các đặc tính tốt của dụng cụ cắt trong quá
trình gia công.
 Vật liệu phủ đa dạng, có thể thay đổi theo từng điều kiện cụ thể của
quá trình gia công. Đối với dụng cụ cắt nói riêng ứng dụng chủ yếu là
chống mòn, ăn mòn, mài mòn và mòn do nhiệt.
 Tuổi bền của mũi khoan phủ trong quá trình cắt chịu ảnh hưởng của
tổng hợp các yếu tố mài mòn, mòn do bám dính, mòn do nhiệt
 Mũi khoan phủ sau khi mài sắc lại trên mặt sau không còn lớp phủ,
điều này sẽ ảnh hưởng tới tuổi bền của mũi khoan. Do vậy việc
nghiên cứu tuổi bền của mũi khoan sau khi mài lại là rất cần thiết.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

40
CHƢƠNG 2 TUỔI BỀN CỦA DỤNG CỤ CẮT PHỦ

2.1 Mòn dụng cụ cắt phủ
Khái niệm chung về mòn: 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.
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 mòn 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
không 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 mòn ở vùng tiếp xúc chung
bằng không mặc dù một bề mặt vẫn bị mòn. Định nghĩa mòn 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 mòn.
Giống như ma sát, mòn không 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 sáu 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 - hoá ăn
mòn và điện. Theo thống kê khoảng 2/3 mòn xảy ra trong công nghiệp là do các cơ chế
dính, trừ mòn do mỏi, mòn 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 hoá sự phân tích hỏng do mòn. Phân tích bề mặt các chi tiết bị hỏng do
mòn chỉ xác định được các cơ chế mòn ở giai đoạn cuối. 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
không tiếp tục cắt được do mòn hoặc hỏng hoàn toàn.
Mòn 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 công,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

41
chất lượng bề mặt và toàn bộ khía cạnh kinh tế của quá trình gia công. 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 mòn của dụng cụ [2].
2.1.1 Quá trình mòn
2.1.1.1 Mòn dụng cụ cắt:
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 không tiếp tục cắt được do mòn hoặc hỏng hoàn toàn.
Mòn dụng cụ là chỉ tiêu chính 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 công,
chất lượng bề mặt và toàn bộ khía cạnh kinh tế của quá trình gia công. Sự phát triển và
tìm kiếm những vật liệu dụng cụ mới cũng như biện pháp công nghệ mới để tăng khả
năng bền của bề mặt như phủ các vật liệu TiN, TiAlN, CBN,… chính là nhằm tăng
khả năng chống mòn của dụng cụ.
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. Trong
một số trường hợp vết mòn còn xuất hiện dưới dạng là hậu quả của biến dạng dẻo.
“mòn là sự phá huỷ một bề mặt gây ra bởi chuyển động tương đối của nó đối với một
bề mặt khác” [3]
Mòn là hiện tượng phá huỷ bề mặt hay sự tách vật liệu từ 1 hoặc cả 2 bề mặt
trong chuyển động trượt, lăn hoặc va chạm tương đối với nhau. Nói chung mòn sảy ra
do sự tương tác của các mấp mô bề mặt.
Trong quá trình chuyển động tương đối, đầu tiên vật liệu trên bề mặt tiếp xúc bị
biến dạng do ứng suất ở đỉnh các mấp mô vượt quá giới hạn bền dẻo, nhưng chỉ một
phần rất nhỏ bị tách ra. Sau đó vật liệu bị tách ra từ một bề mặt dính sang bề mặt đối
tiếp hoặc tách ra thành những hạt mòn rời. Trong quá trình gia công phoi trượt liên tục

trên mặt trước và phôi trượt liên tục trên mặt sau của dao. Những vật liệu bị tách ra do
mòn liên tục bị phoi và phôi liên tục cuốn đi do đó dao bị mòn khốc liệt. Tuỳ thuộc
vào điều kiện cắt, vật liệu gia công và vật liệu dao mà dao bị mòn theo các dạng khác
nhau. Bên cạnh đó cơ chế mòn của dao rất phức tạp.
2.1.1.2 Quá trình mòn của dụng cụ cắt
Quá trình mòn dao theo thời gian nói chung được chia thành ba giai đoạn Giai
đoan đầu (OA) dao bị mòn nhanh vì sau khi mài lưỡi và mặt dao không phẳng tuyệt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

42
đối, nên dao và chi tiết tiếp xúc điểm do đó dao bị mòn nhanh hơn. Giai đoạn tiếp theo
(AB) giai đoạn này mòn ổn định vì khi này các điểm nhô cao đã bị san phẳng. Tiếp
xúc giữa dao và chi tiết là tiếp xúc đường hoặc tiếp xúc mặt. Tốc độ mòn tăng rất
chậm theo thời gian.
Giai đoạn cuối (BC) giai đoạn này mòn xảy ra khốc liệt. Vì lúc này ma sát tăng lên
mạnh, nhiệt độ cao tổ chức kim loại bị thay đổi, độ cứng giảm xuống. Qua trình mòn
xảy ra nhanh. Khi bị mài mòn đến trị số h
s
nhất định dao không thể tiếp tục làm việc
được nữa.
2.1.1.3 Cách xác định mòn dụng cụ cắt
Xác định mòn là một trong những cơ sở để đưa ra giới hạn tuổi bền của dụng cụ.
Với những dụng cụ làm từ những vật liệu thông thường thì lượng giới hạn lượng mòn
lớn nên xác định đơn giản hơn những dụng cụ phủ vì giới hạn lượng mòn rất nhỏ. Mòn
mặt trước và mặt sau là hai dạng mòn thường gặp trong cắt kim loại. Công thức của
Opitz về quan hệ tương đối giữa dạng mòn dao hợp kim cứng với vận tốc cắt và chiều
sâu cắt đã được Shaw đưa ra như trên hình 2.1.

Hình 2.1: Quan hệ giữa một số dạng mòn của dụng cụ hợp kim cứng với thể tích
0, 6
c1
V .t
, trong đó V tính bằng m/ph; t
1
tính bằng mm/vg
Loladze cho rằng cơ chế hình thành vùng mòn mặt trước của dao hợp kim cứng
khác so với dao thép gió. Bởi theo ông do hợp kim cứng có độ cứng nóng cao đến
hàng nghìn độ C nên hiện tượng khuếch tán ở trạng thái rắn gây mòn với tốc độ cao
xảy ra trên mặt trước từ vùng có nhiệt độ cao nhất. Như vậy mòn mặt trước đều có
nguồn gốc do nhiệt.
a
a/2
w
w
d
(a) Mòn trơn mũi dao:
0,6
c1
V .t 11

(b) Mòn mặt trước tại lưỡi cắt:
0,6
c1
11 V .t 17


(c) Mòn mặt sau:
0,6
c1
17 V .t 30

(d) Mòn mặt trước:
0,6
c1
V .t 30

(e) Biến dạng dẻo lưỡi cắt:
0,6
c1
V .t 30


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

43
Boothroyd cho rằng mòn mặt sau xảy ra do tương tác giữa mặt sau của dụng cụ
với bề mặt gia công và bề mặt mòn song song với phương của vận tốc cắt. Trent cho
rằng, mòn mặt sau xảy ra trong hầu hết các quá trình cắt kim loại và không đều trên
suốt chiều dài lưỡi cắt. Cơ chế mòn mặt sau của dụng cụ hợp kim cứng ở tốc độ cắt
thấp là sự tách ra của các hạt cacbit tạo nên bề mặt mòn không bằng phẳng, khi cắt ở

tốc độ cắt cao thì vùng mòn mặt sau nhẵn và trơn.
Trong điều kiện hình thành lẹo dao, lượng mòn mặt sau tỷ lệ nghịch với lượng
mòn mặt trước. Khi mòn mặt trước xuất hiện sẽ làm tăng góc trước thực, thúc đẩy sự
hình thành và ổn định của lẹo dao có tác dụng bảo vệ mặt sau khỏi bị mòn. Trái lại khi
mòn mặt trước không xuất hiện, dạng của lẹo dao sẽ thay đổi theo xu hướng không có
tác dụng bảo vệ mặt sau khỏi mòn, dẫn đến thúc đẩy sự phát triển của mòn mặt sau.
Theo thì mòn mặt trước và mặt sau có thể tính toán gần đúng như sau:
Thể tích mòn mặt sau:
2
W
.
2
ave
VB btg
V


(2- 1)
Trong đó: VB
ave
là chiều cao trung bình của vùng mòn
Thể tích mòn mặt trước:
cr
2 ( )
3
b KB KF KT
V


(2- 2)

Hình 2.2 Các thông số đặc trưng cho mòn mặt trước và mặt sau – ISO3685
Các kích thước dùng để xác định mòn chỉ ra trên hình 2.2 có thể đo bằng kính
hiển vi dụng cụ hoặc thiết bị quang học khác, hoặc bằng phương pháp chụp ảnh. Ngoài
ra người ta còn đo khối lượng dụng cụ và sử dụng phương pháp đo radiotracer
(phương pháp đồng vị phóng xạ) để xác định.
2.1.1.4 Mòn dụng cụ cắt phủ