Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt tới chất lượng bề mặt khi tiện tinh thép 9XC bằng dao hợp kim cứng phủ CVD

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRẦN VĂN TÍCH

“NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT TỚI CHẤT
LƢỢNG BỀ MẶT KHI TIỆN TINH THÉP 9XC BẰNG DAO

HỢP KIM CỨNG PHỦ CVD”

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

Thái Nguyên - 2015

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

/>

ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dƣới sự hƣớng
dẫn của PGS.TS Phan Quang Thế và chỉ tham khảo các tài liệu đã đƣợc liệt kê. Tôi
không sao chép công trình của các cá nhân khác dƣới bất cứ hình thức nào.
Nếu có tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Ngƣời cam đoan

Trần Văn Tích

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

/>

iii
LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin đƣợc cảm ơn PGS.TS Phan Quang Thế - Hiệu trƣởng
trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên - Thầy hƣớng dẫn khoa học của
tôi về sự định hƣớng đề tài, sự hƣớng dẫn của thầy trong việc tiếp cận và khai thác
các tài liệu tham khảo cũng nhƣ những chỉ bảo trong quá trình tôi viết luận văn.
Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy (cô) giáo – Khoa Cơ khí, Trung tâm
thí nghiệm – Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên , về sự giúp đỡ tận
tình của các thầy, cô trong quá trình tôi làm thí nghiệm và viết luận văn.
Tôi cũng muốn bày tỏ lời cảm ơn tới Ban giám hiệu, Lãnh đạo khoa và các giáo
viên trong khoa cơ khí - Trƣờng Cao đẳng nghề Cơ điện Phú Thọ đã dành cho tôi
những điều kiện thuận lợi nhất, giúp tôi hoàn thành nghiên cứu của mình.
Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn đối với gia đình tôi, các thầy cô
giáo, các bạn đồng nghiệp đã ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình làm luận
văn này.
Tác giả

Trần Văn Tích

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

/>

iv
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................... i

LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................................vi
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ............................................................................vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................ix
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
1. Tên đề tài nghiên cứu: ................................................................................................... 1
3. Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................................... 2
4. Dự định kết quả. ............................................................................................................. 3
5. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................................... 3
6. Các công cụ, thiết bị nghiên cứu ................................................................................... 3
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ TIỆN CỨNG ................................................................... 4
VÀ DỤNG CỤ CẮT PHỦ BAY HƠI ............................................................................. 4
1.1. Tổng quan về tiện cứng .............................................................................................. 4
1.1.1. Đặc điểm của quá trình tạo phoi khi tiện cứng ...................................................... 4
1.1.2. Đặc điểm của quá trình tạo phoi khi tiện cứng ...................................................... 7
1.1.2.1. Các hình thái phoi khi cắt kim loại ...................................................................... 8
1.1.2.2 Cơ chế hình thành phoi khi tiện cứng.................................................................10
1.1.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công khi tạo phoi .....11
1.1.3.1. Hiện tƣợng biến dạng phoi .................................................................................11
1.1.3.2. Những yếu tố ảnh hƣởng đến biến dạng phoi ...................................................12
1.2 Dụng cụ cắt phủ bay hơi ............................................................................................16
1.2.1. Tổng quan về phủ bay hơi .....................................................................................16
1.2.2. Phủ CVD ................................................................................................................17
1.2.2.1 Đinh nghĩa ............................................................................................................17
1.2.2.2. Đặc trƣng của phủ CVD .....................................................................................18
1.2.3. Phủ PVD .................................................................................................................19
1.2.4. Vật liệu lớp phun phủ. ...........................................................................................20
1.2.5. Định hƣớng nghiên cứu .........................................................................................25
Chƣơng II: MÒN DỤNG CỤ CẮT ...............................................................................26

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

/>

v
2.1. Ma sát của dụng cụ phủ ............................................................................................26
2.2. Mòn của dụng cụ phủ. ..............................................................................................27
2.3. Độ mòn dao. ..............................................................................................................28
2.3.1. Các dạng mòn dụng cụ cắt ....................................................................................29
2.3.2. Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt...........................................................................31
2.3.3. Mòn của dụng cụ phủ bay hơi...............................................................................35
2.3.4. Ảnh hƣởng của mòn dụng cụ phủ đến chất lƣợng bề mặt gia công ...................36
2. 4. Kết luận.....................................................................................................................36
Chƣơng III. NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT TỚI CHẤT
LƢỢNG BỀ MẶT KHI TIỆN TINH THÉP 9XC BẰNG DAO HỢP KIM CỨNG
PHỦ CVD.........................................................................................................................37
3.1. Thí nghiệm ................................................................................................................37
3.1.1. Yêu cầu đối với hệ thống thí nghiệm: ..................................................................37
3.1.2. Mô hình thí nghiệm ...............................................................................................37
3.1.3. Thiết bị thí nghiệm.................................................................................................38
3.1.3.1. Máy ......................................................................................................................38
3.1.3.2. Dao.......................................................................................................................39
3.1.3.3. Phôi ......................................................................................................................40
3.1.3.4. Chế độ cắt ............................................................................................................41
3.1.4. Thiết bị đo khác .....................................................................................................41
3.1.4.1. Máy đo độ nhám bề mặt .....................................................................................41
3.1.4.2. Kính hiển vi điện tử SEM ..................................................................................42
3.2.1. Phân tích nhám bề mặt phôi thép 9XC ở các độ chế độ cắt khác nhau..............43
3.2.2. Phân tích lƣợng mòn mặt mặt trƣớc mảnh dao phủ TiAlN khi tiện cứng thép
9XC ở các độ chế độ cắt khác nhau. ...............................................................................46

3.2.3. Phân tích lƣợng mòn mặt mặt trƣớc mảnh dao phủ TiAlN khi tiện cứng thép
9XC ở các độ chế độ cắt khác nhau qua hình chụp Topography bề mặt. ....................49
CHƢƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ .........................................................55
4.1 Kết luận chung. ..........................................................................................................55
4.2. Hƣớng nghiên cứu tiếp theo của đề tài ....................................................................55
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................56

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

/>

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ap:

Chiều dày phoi

Kbd:

Mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi

Mms:

Mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trƣớc của dao

Kf:

Mức độ biến dạng của phoi

θ:

Góc trƣợt

γ:

Góc trƣớc của dao

PX:

Lực chiều trục khi tiện

PY:

Lực hƣớng kính khi tiện

PZ:

Lực tiếp tuyến khi tiện

S:

Lƣợng chạy dao (mm/vòng)

t:

Chiều sâu cắt (mm)

v:

Vận tốc cắt (m/phút)

c:

Nhiệt dung riêng

Φ:

Góc tạo phoi

K:

Hệ số thẩm nhiệt

ΔFc, ΔFt:

Áp lực tiếp tuyến và pháp tuyến trên vùng mòn mặt sau

μ:

Hệ số ma sát trên vùng ma sát thông thƣờng của mặt trƣớc

r:

Bán kính mũi dao

hmin:

Chiều dày phoi nhỏ nhất

Ra, Rz: Độ nhám bề mặt khi tiện
PVD:

Phủ bay hơi vật lý

CVD:

Phủ bay hơi hóa học

DDTN: Dung dịch tƣới nguội.

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

/>

vii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ hóa miền tao phoi.............................................................................. 4
Hình 1.2.: Các dạng phoi ..................................................................................................... 6
Hình 1.3: Hiện tƣợng lẹo dao .............................................................................................. 6
Hình 1.4. Sơ đồ hình thành bề mặt gia công và phoi khi cắt có lẹo dao .......................... 7
Hình 1.5. Cơ chế hình thành dạng phoi ổn định: Trƣợt tập trung trên mặt phẳng (a),
vùng trƣợt tạo thành mảng (b), vùng trƣợt mở rộng bên dƣới bề mặt gia công (c). ........ 9
Hình 1.6. Các dạng phoi phân đoạn: phoi lƣợn sóng (a) và phoi răng cƣa (b)................. 9
Hình 1.7. Sơ đồ các giai đoạn của quá trình tạo phoi do trƣợt cục bộ ............................11
trong cắt kim loại. ...............................................................................................................11
Hình 1.8: Biến dạng phoi ...................................................................................................12
Hình 1.9: Quan hệ giữa tốc độ cắt và biến dạng của phoi ...............................................13
Hình 1.10: Quan hệ giữa chiều dày cắt và biến dạng của phoi ......................................14
Hình1.11: Quan hệ giữa góc trƣớc và biến dạng của phoi ..............................................14

Hình1.12 Quan hệ giữa bán kính mũi dao r và biến dạng của phoi ...............................15
Hình 1.13: Ảnh hƣởng của

đến biến dạng phoi ...........................................................15

Hình 1.14. Khả năng chịu tải trọng của lớp phủ cứng trên nền mềm hơn ......................22
Hình 2.1. Sơ đồ 3 vùng ma sát của Shaw,Ber và Maiman ............................................26
Hình 2.2. Mòn mặt sau .......................................................................................................29
Hình 2.3. Mòn mặt trƣớc....................................................................................................30
Hình 2.4. Mòn đồng thời cả mặt trƣớc và mặt sau ...........................................................30
Hình 2.5. Ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt liên tục ...........................31
Hình 2.6. Ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt gián đoạn .......................32
Hình 2.7. Sơ đồ thể hiện 3 giai đoạn mòn mặt trƣớc của dụng cụ thép gió phủ TiN.....35
Hình 3.1: Kết quả xử lý giữ liệu Ra. .................................................................................45
Hình 3.2: Biểu đồ mức độ ảnh hƣởng của V và S đến nhám bề mặt. .............................45
Hình 3.3: Biểu đồ bề mặt chỉ tiêu quan hệ giữa vận tốc, lƣợng chạy dao và nhám bề
mặt. (Sử dụng phần mềm Matlab để vẽ biều đồ quan hệ) ...............................................46
Hình 3.4: Kết quả xử lý giữ liệu lƣợng mòn. ....................................................................47
Hình 3.5: Biểu đồ mức độ ảnh hƣởng của V và S đến lƣợng mòn U. ............................48

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

/>

viii
Hình 3.6: Biểu đồ bề mặt chỉ tiêu quan hệ giữa vận tốc, lƣợng chạy dao và lƣợng mòn.
(Sử dụng phần mềm Matlab để vẽ biều đồ quan hệ)........................................................48
Hình 3.9. Ảnh phân tích EDX vùng đen trên phần cắt của dao trên kính hiển vi điện tử
.............................................................................................................................................49
Hình 3.10. Ảnh phân tích EDX vùng trắng trên phần cắt của dao trên kính hiển vi điện

tử ..........................................................................................................................................50
Hình 3.11 a: Kết quả chụp lƣợng mòn mặt trƣớc qua các thí nghiệm thứ 1. .................50
Hình 3.11 b: Kết quả chụp lƣợng mòn mặt trƣớc qua các thí nghiệm thứ 2. .................51
Hình 3.11 c,d,e: Kết quả chụp lƣợng mòn mặt trƣớc qua các thí nghiệm thứ 3,4,5. .....51
Hình 3.11 f,g,h và i: Kết quả chụp lƣợng mòn mặt trƣớc qua các thí nghiệm thứ 6,7,8
và 9. .....................................................................................................................................52
Hình 3.12: Kết quả chất lƣợng bề mặt trƣớc qua các thí nghiệm. ...................................53

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

/>

ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Dữ liệu thị trƣờng thế giới về phủ bay hơi cho dụng cụ trong lĩnh vực tạo
hình và cắt vật liệu ...........................................................................................................17
Bảng 3.1: Thành phần hóa học thép 9XC.......................................................................40

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

/>

1
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tên đề tài nghiên cứu:
“Nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ cắt tới chất lƣợng bề mặt khi tiện tinh thép
9XC bằng dao hợp kim cứng phủ CVD”
2. Giới thiệu
Trong ngành công nghiệp gia công cơ khí, chất lƣợng bề mặt là một chỉ tiêu

đặc biệt quan trọng trong đánh giá, nghiệm thu sản phẩm.Vì nó ảnh hƣởng trực tiếp
đến khả năng làm việc, độ bền, độ bền mỏi cũng nhƣ tuổi thọ của chi tiết máy. Để
đạt đƣợc chất lƣợng bề mặt theo yêu cầu, sau khi gia công cứng thƣờng có công
đoạn mài, đánh bóng. Việc làm này tốn khá nhiều thời gian và công sức. Nâng cao
chất lƣợng bề mặt sau khi gia công cứng có thể dẫn đến giảm thời gian, thậm chí
loại bỏ đƣợc công đoạn này
Tiện cứng là nguyên công tiện các chi tiết đã qua tôi (thƣờng là thép hợp kim)
có độ cứng cao khoảng từ 40 – 60 HRC đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ô
tô, chế tạo bánh răng, vòng ổ, dụng cụ, khuôn mẫu vv… Tiện cứng đƣợc sử dụng
thay mài khi gia công chính xác các chi tiết máy có tỉ số trên đƣờng kính nhỏ, các
chi tiết có hình dạng phức tạp và không nhất thiết phải sử dụng dung dịch trơn
nguội. Tiện cứng cho độ chính xác cao và nhám bề mặt tƣơng đƣơng với mài nhƣng
tiện có khả năng tạo nên lớp bề mặt có ứng suát dƣ 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
tƣ ban đầu thấp hơn nhiều. Tiện cứng thƣờng 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 công nghệ rất khắt khe.
Việc áp dụng tiện cứng thay cho mài đang trở nên khá phổ biến trên thế giới
bởi những ƣu điểm nổi bật của nó, nhất là hiện nay vấn đề môi trƣờng đang đƣợc sự
quan tâm đặc biệt của toàn thế giới. Ở nƣớc ta, tiện cứng đã và đang đƣợc áp dụng và
phát triển khá mạnh, các chi tiết nhƣ con lăn trong các dây truyền cán thép, chày cối
dập thuốc, vòng ổ… cũng đã đƣợc gia công lần cuối bằng tiện cứng thay cho mài.
Vì những lý do trên trong gia công lần cuối so với mài, tiện cứng ngày càng
đƣợc các nhà sản xuất yêu thích hơn


2
Những kết quả nghiên cứu đƣợc công bố gần đây trên các tạp chí khoa học cho
thấy việc nghiên cứu chủ yếu tập trung vào nghiên cứu ảnh hƣởng của các thông số
cắt, chế độ cắt đến quá trình tiện cứng, ảnh hƣởng của độ cứng dao đến nhám bề

mặt và lực cắt khi tiện. Nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ cắt đến chất lƣợng bề mặt
nhƣ thế nào khi tiện tinh thép 9XC ( Nhám bề mặt, mòn dụng cụ cắt ) khi gia công
tiện cứng bằng dao hợp kim cứng phủ CVD , nhằm tìm ra chế độ cắt hợp lý để chất
lƣợng bề mặt đạt tối ƣu sẽ tiếp tục đóng góp thêm các kiến thức vào việc nghiên cứu
quá trình tiện cứng. Thép 9XC là một loại vật liệu có nhiều ƣu điểm đƣợc dùng
rộng rãi nhất để chế tạo dụng cụ cắt với vận tốc thấp nhằm thỏa mãn các yêu cầu về
khả năng làm việc đang là yêu cầu cần thiết của các nhà sản xuất.
Xác định chế độ cắt khi tiện tinh thép 9XC phụ thuộc vào độ cứng vững của hệ
thống công nghệ, công suất của máy, phạm vi làm việc của dụng cụ cắt và độ bóng
yêu cầu của chi tiết gia công. Để nghiên cứu và xác định đƣợc chế độ cắt hợp lý ta
phải thực hiện bằng phƣơng pháp thực nghiệm bao gồm hàng loạt các thí nghiệm
đƣợc lặp lại nhiều lần trong điều kiện không đổi để có khả năng ghi nhận kết quả.
Điều kiện thí nghiệm đƣợc xác định bằng những yếu tố không phụ thuộc. Trong đề
tài nghiên cứu của luận văn tác giả đề cập đến các yếu tố nghiên cứu ảnh hƣởng của
vận tốc cắt, lƣợng chạy dao, ảnh hƣởng tới đối tƣợng nghiên cứu là độ nhám bề mặt
sau khi gia công và mòn dụng cụ cắt.
Xuất phát từ những lý do trên tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hƣởng
của chế độ cắt tới chất lƣợng bề mặt khi tiện tinh thép 9XC bằng dao hợp kim
cứng phủ CVD” .
3. Mục tiêu nghiên cứu
Đánh giá ảnh hƣởng của chế độ cắt (s,v,t) tới chất lƣợng bề mặt ( đánh giá
thông qua độ nhám bề mặt, mòn dụng cụ cắt ) khi tiện tinh thép 9XC bằng dao hợp
kim cứng phủ CVD. Qua đó đƣa ra đƣợc bộ thông số chế độ cắt thích hợp khi tiện
cứng thép 9XC để đạt chất lƣợng bề mặt theo yêu cầu.


3
4. Dự định kết quả.
Đƣa ra đƣợc bộ thông số chế độ cắt thích hợp khi tiện cứng thép 9XC để đạt
chất lƣợng bề mặt theo yêu cầu, là một loại thép có nhiều ƣu điểm đƣợc dùng rộng

rãi nhất để chế tạo dụng cụ cắt với vận tốc thấp.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu thực nghiệm để xác định chất lƣợng bề mặt khi thay đổi chế độ cắt
trong gia công tiện tinh thép 9XC bằng dao hợp kim cứng phủ CVD trong các
khoảng thời gian khác nhau.
Xử lý các số liệu thực nghiệm để tìm chế độ cắt tối ƣu nhằm đạt đƣợc chất lƣợng
bề mặt theo yêu cầu.
6. Các công cụ, thiết bị nghiên cứu
* Mẫu thí nghiệm: Phôi thép 9XC tôi thể tích độ cứng đạt 52-55HRC
* Máy tiện Quick Turn Smark 200- Mazak
* Máy đo độ nhám Mitutoyo – SJ 210
* Kính hiển vi điện tử SEM
* Dao tiện gắn mảnh hợp kim cứng phủ CVD
* Dụng cụ do kích thƣớc :
- Thƣớc cặp 1/50 L150 Mitutoyo, độ phân giải 0,02mm
- Pan me 25-50 Mitutoyo, độ phân giải 0,01mm


4
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ TIỆN CỨNG
VÀ DỤNG CỤ CẮT PHỦ BAY HƠI

1.1. Tổng quan về tiện cứng
1.1.1. Đặc điểm của quá trình tạo phoi khi tiện cứng

, kích thƣớc và độ bóng bề mặt theo
động:
- Chuyển động cắt chính (chuyển động làm việc): khi tiện đó là chuyển động
quay tròn của phôi.
. Khi tiện đó là chuyển động tịnh tiến dọc của dao

khi tiện mặt trụ.
tạo ra
trong lớp kim loại bị cắt một ứng suất lớn hơn sức bền của vật liệu bị gia công.
, 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 nhƣ vậy.

Hình 1.1. Sơ đồ hóa miền tao phoi
của công
cắt, độ mòn của dao và chất lƣợng bề mặt gia công phụ thuộc rõ rệt vào
công theo mặt
trƣớc. Khi dao tiếp tục chuyển động trong vật liệu gia công phát sinh biến dạng đàn hồi,


5
biến dạng này nhanh chóng chuyển sang trạng thái biến dạng dẻo và một lớp phoi có
chiều dày Ap

thành từ lớp kim loại bị cắt có chiều dày a, di chuyển dọc

theo mặt trƣớc của dao.
Các dạng phoi
Tuỳ theo vật liệu của chi tiết gia công, thông số hình học của dụng cụ cắt, chế
độ cắt phoi cắt tạo ra có nhiều hình dạng khác nhau (hình 1.2). Dựa vào các dạng
phoi có thể đánh giá đƣợc chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công.
Có 3 dạng phoi chủ yếu:
* Phoi xếp: Có dạng từng đốt xếp lại, mặt phoi đối diện với mặt trƣớc của
dụng cụ cắt thì rất bóng, mặt kia có dạng răng cƣa (hình 1.2 a,b). Phoi xếp xuất hiện
khi gia công vật liệu dẻo (thép, đồng thau...) ở tốc độ cắt thấp, chiều dầy cắt lớn,
góc cắt

lớn (góc trƣớc nhỏ). Khi tạo thành phoi xếp kim loại bị biến dạng rất lớn.

* Phoi dây: Có dạng kéo dài liên tục mặt phoi đối diện với mặt trƣớc của
dụng cụ cắt nhẵn bóng, mặt những phần tử riêng biệt có hình dáng khác nhau, không
liên kết hoặc liên kết yếu với nhau (hình 1.2e). Phoi vụn có đƣợc khi gia công vật liệu
giòn (gang, đồng thau cứng...), bề mặt chi tiết gia công có cấu tạo gần giống nhƣ bề
mặt kim loại bị phá huỷ giòn, chất lƣợng bề mặt rất thấp.kia hơi gợn (hình 1.2c,d). Ở
phoi dây khó quan sát mặt trƣợt hơn phoi xếp, điều đó chứng tỏ biến dạng dẻo khi tạo
thành phoi dây ít hơn khi tạo thành phoi xếp do đó cho chất lƣợng bề mặt chi tiết gia
công cao hơn. Phoi dây đƣợc tạo thành khi gia công vật liệu dẻo ở tốc độ cắt cao, chiều
dầy cắt nhỏ.
* Phoi vụn: Phoi gồm những phần tử riêng biệt có hình dáng khác nhau,
không liên kết hoặc liên kết yếu với nhau (hình 1.2 e). Phoi vụn có đƣợc khi gia
công vật liệu giòn (gang, đồng thau cứng...), bề mặt chi tiết gia công có cấu tạo gần
giống nhƣ bề mặt kim loại bị phá huỷ giòn, chất lƣợng bề mặt rất thấp.


6

Hình 1.2.: Các dạng phoi
Hiện tƣợng lẹo dao
Hiện tƣợng: Trong quá trình cắt kim loại, ở điều kiên cắt gọt nào đó, đặc biệt
là trong quá trình cắt vật liệu dẻo tạo ra phoi dây. Trên mặt trƣớc của dao kề ngay
lƣỡi cắt chính xuất hiện những lớp vật liệu có cấu trúc và cơ lý tính khác hẳn với vật
liệu của chi tiết gia công và vật liệu làm dao, gắn chặt vào lƣỡi cắt. Hiện tƣợng này
gọi là hiện tƣợng lẹo dao, khối kim loại đó gọi là khối lẹo hay lẹo dao. Lẹo dao có
hình dạng nhƣ hình 1.3.

Hình 1.3: Hiện tượng lẹo dao

7
Nghiên cứu của Williams và Rollason chứng tỏ lẹo dao chỉ xuất hiện khi cắt
vật liệu có hai pha trở lên mà không xuất hiện khi cắt kim loại nguyên chất hay hợp
kim một pha. Sự hình thành của lẹo dao chứng tỏ có liên quan mật thiết đến cấu trúc
tế vi của vật liệu.

Hình 1.4. a, Sơ đồ hình thành bề mặt gia công và phoi khi cắt có lẹo dao
b, Sơ đồ lý tưởng “Flow zone” trên mặt trước của dụng cụ
Theo Trent [22] khi cắt ở chế độ cắt cao “Flow zone” đƣợc hình thành trên mặt
trƣớc (Hình 1. 4b). Lớp cuối cùng của phoi dừng hẳn trên hầu hết diện tích tiếp xúc của
mặt trƣớc còn các lớp tiếp theo biến dạng dẻo tạo thành vùng biến dạng thứ hai.
1.1.2. Đặc điểm của quá trình tạo phoi khi tiện cứng
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 cao. Tiêu biểu cho nhóm này là các mảnh
CBN, PCBN, dao hợp kim cứng phủ CVD, PVD…
Theo Poulachon [15] và đồng nghiệp chỉ ra rằng thƣờng có hai cơ chế tạo phoi
khi gia công thép tôi.
- Cơ chế thứ nhất cho rằng Adiabatic shear gây ra sự không ổn định dẫn đến
sự trƣợt 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 trƣớc lƣỡi cắt và truyền dẫn đến lƣỡi cắt. Poulachon [15] và


8
đồng nghiệp cũng khẳng định rằng khi tiện trực dao thép 100Cr6 trong dải độ cứng
từ 10 ÷ 62 HRC tồn tại 3 kiểu cơ chế cắt.
Phoi dây đƣợc tạo ra khi tiện thép có độ cứng từ 10 ÷ 50 HRC, lực cắt giảm
khi tăng độ cứng trong dải này. Điều này đƣợc giải thích là khi độ cứng của vật liệu

gia công tăng sẽ làm tăng nhiệt độ trong vùng tạo phoi dẫn đến tăng góc tạo phoi và
giảm chiều dài tiếp xúc giữa phoi và mặt trƣớc. Cả hai yếu tố đều có tác dụng giảm
lực cắt.
Khi tăng độ cứng của vật liệu gia công lên trên 50HRC, phoi sẽ chuyển từ
phoi dây sang phoi dạng răng cƣa và lực cắt tăng lên. Khi tăng độ cứng, góc tạo
phoi tăng và chiều dày của phoi giảm. Khi độ cứng tăng, tồn tại hai yếu tố trái
ngƣợc ảnh hƣởng đến cơ chế tạo phoi, đó là tăng độ bền của vật liệu gia công
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
lƣợng cắt nhỏ hơn. Khi gia công vật liệu giòn, biến dạng nứt trở nên nhỏ hơn và khi
nó nhỏ hơn một giới hạn nhất định, nứt trở nên thịnh hành và hiện tƣợng trƣợt cục
bộ xảy ra gián đoạn trong vùng trƣợt. Khi hiện tƣợng này xảy ra, nhiệt độ trong
dụng cụ không tăng mà lại bắt đầu giảm. Một điều cần lƣu ý là phoi dạng răng cƣa
xuất hiện khi khi gia công phôi có độ cứng thấp hơn nhƣng với vận tốc cắt cao hơn.
Điều này chứng tỏ cơ chế tạo phoi đƣợc điều khiển bởi sự cân bằng giữa vần 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.
1.1.2.1. Các hình thái phoi khi cắt kim loại
Phoi hình thành trong quá trình cắt kim loại rất đa dạng song có thể chia thành
hai dạng cơ bản [10]:
+ Dạng phoi dây ổn định (phoi liền): với ba loại tùy theo cơ chế hình thành
bao gồm: vùng trƣợt tập trung gần nhƣ một mặt phẳng, vùng trƣợt có dạng mảng và
vùng trƣợt mở rộng có biến dạng dẻo bên dƣới bề mặt do dao mòn (Hình 1.4) [10]


9

Hình 1.5. Cơ chế hình thành dạng phoi ổn định: Trượt tập trung trên mặt phẳng (a),
vùng trượt tạo thành mảng (b), vùng trượt mở rộng bên dưới bề mặt gia công (c).

+ Dạng phoi tuần hoàn: phoi rời, phoi lƣợn sóng, phoi răng cƣa (phoi xếp) và
phoi tạo thành với lẹo dao.
Đôi khi còn có dạng phoi với bề dày thay đổi không tuần hoàn, đặc biệt là khi
cắt kim loại nguyên chất. Khái niệm phoi phân đoạn thƣờng đƣợc dùng để mô tả cả
phoi lƣợn sóng và phoi răng cƣa không còn phù hợp từ khi sự khác biệt giữa hai
loại phoi này đƣợc nhận diện. Ví dụ, tần số chu kỳ của phoi lƣợn sóng thƣờng
khoảng 100Hz trong khi tần số chu kỳ của phoi răng cƣa lớn hơn 2÷4 lần. Hơn nữa,
phoi lƣợn sóng không có các đỉnh sắc nhọn nhƣ phoi răng cƣa (Hình 1.5) [10].

Hình 1.6. Các dạng phoi phân đoạn: phoi lượn sóng (a) và phoi răng cưa (b)


10
1.1.2.2 Cơ chế hình thành phoi khi tiện cứng
Sự khác biệt cơ bản của quá trình tạo phoi khi gia công thép cứng và thép
thông thƣờng là sự hình thành phoi răng cƣa, lần đầu tiên đƣợc Shaw phát hiện vào
năm 1954 [10]. Các lý thuyết khác nhau để giải thích về cơ chế hình thành phoi răng
cƣa có thể chia thành hai dạng: Dạng thứ nhất dựa trên sự trƣợt đoạn nhiệt ban đầu,
một trạng thái mất ổn định nhiệt dẻo thƣờng thấy ở các vật liệu hạn chế về khả năng
biến cứng khi bị biến dạng ở tốc độ cao hoặc biến dạng dẻo lớn [10]. Dạng thứ hai cho
rằng do sự mất ổn định theo chu kỳ dựa trên sự xuất hiện và lan truyền của các vết nứt
ở bề mặt tự do của phoi [14].
Theo quan điểm thứ nhất, sự thay đổi của tốc độ cắt khi gia công các loại vật
liệu khó gia công gây ra sự không ổn định của quá trình đã dẫn đến phản ứng cơ
nhiệt của vật liệu phôi dƣới điều kiện cắt gọt. Kết quả là sự trƣợt cục bộ và dạng
phoi tuần hoàn đƣợc hình thành. Trƣợt cục bộ làm lực cắt thay đổi tuần hoàn và gây
ra dao động hoặc va đập trong quá trình cắt, đặc biệt khi độ cứng vững của hệ thống
thấp và nhiệt độ trên bề mặt tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ lớn. Phoi hình thành do
trƣợt cục bộ là dạng phoi điển hình khi gia công các vật liệu có hệ thống trƣợt hạn
chế (cấu trúc tinh thể sáu cạnh), khả năng dẫn nhiệt kém, độ cứng cao nhƣ các loại

thép hợp kim cứng, các loại siêu hợp kim của titan và niken. Trái lại, phoi ổn định
là dạng phoi thích hợp khi gia công các loại vật liệu có hệ thống trƣợt mạnh (cấu
trúc tinh thể bốn cạnh), tính dẫn nhiệt tốt, độ cứng thấp nhƣ các loại thép các bon và
thép hợp kim thông thƣờng [10].
Cơ chế hình thành phoi do trƣợt cục bộ gồm một chuỗi các quá trình với hai
giai đoạn cơ bản: Giai đoạn thứ nhất là sự trƣợt không ổn định và biến dạng cục bộ
trong một dải hẹp ở vùng trƣợt thứ nhất phía trƣớc dụng cụ. Giai đoạn thứ hai là quá
trình phá hủy theo đƣờng nghiêng hình chêm của vật liệu phôi khi dụng cụ tiến về
phía trƣớc với biến dạng không đáng kể để hình thành một phân đoạn phoi [10].
Quá trình hình thành phoi do trƣợt cục bộ khác hẳn với quá trình hình thành
phoi liền ổn định (Hình 1.6). Trong trƣờng hợp hình thành phoi liền ổn định, hiện
tƣợng biến cứng chiếm ƣu thế so với hiện tƣợng mềm hoá vì nhiệt. Khi trƣợt diễn ra


11
dọc theo mặt phẳng trƣợt chính a, do bị biến cứng nên ứng suất yêu cầu cho biến
dạng tiếp theo trở nên lớn hơn và mặt phẳng yếu nhất sẽ chuyển sang mặt phẳng
tiếp theo. Vì vậy, trƣợt sẽ chuyển sang mặt phẳng tiếp theo dẫn đến một sự phân bố
biến dạng đồng đều trong phoi ở cấp độ tổng thể. Trong trƣờng hợp hình thành phoi
do trƣợt cục bộ, sự mềm hoá vì nhiệt chiếm ƣu thế hơn sự biến cứng.

Hình 1.7. Sơ đồ các giai đoạn của quá trình tạo phoi do trượt cục bộ
trong cắt kim loại.
1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công khi tạo phoi
1.1.3.1. Hiện tƣợng biến dạng phoi
Khi cắt kim loại bị biến dạng dẻo nên kích thƣớc của phôi thƣờng thay đổi so với
kích thƣớc của lớp cắt sinh ra nó (hình 1.7).
Gọi

l: Chiều dài lớp cắt.

lf : Chiều dài phoi.
a: Chiều dầy lớp cắt.
af : Chiều dầy phoi.
bf : Chiều rộng phoi.


12

Hình 1.8: Biến dạng phoi
Thông thƣờng : lf < l ; af > a ; bf

b. Hiện tƣợng thay đổi kích thƣớc này gọi là

hiện tượng biến dạng phoi (còn gọi là hiện tƣợng co dãn phoi).
Để đánh giá mức độ biến dạng phoi dùng hệ số co rút phoi.
- Hệ số biến dạng phoi theo chiều dọc:
Kl =

l

(3.4)

lf

- Hệ số biến dạng phoi theo chiều dầy :
Ka =

af

(3.5)

a

Khi kim loại bị biến dạng thể tích hầu nhƣ không thay đổi tức là Vf = V
Ta có :
Vì bf

af . bf . lf = a . b . l
b

af . lf = a . l

l
lf

af
a

Kl = K a = K
Gọi K là hệ số co rút phoi, thông thƣờng K

1.

1.1.3.2. Những yếu tố ảnh hƣởng đến biến dạng phoi
K đặc trƣng cho sự biến dạng xảy ra trong quá trình cắt gọt. K càng lớn biến
dạng càng lớn. Trong cắt gọt ngƣời ta mong muốn K nhỏ tức là biến dạng nhỏ, khi đó


13
công tiêu hao trong quá trình cắt gọt bé, chất lƣợng bề mặt của chi tiết gia công cao. Do

đó các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công khi tạo phoi cũng
chính là những yếu tố ảnh hƣởng đến hệ số biến dạng.
* Ảnh hƣởng của tốc độ cắt
Thực nghiệm cho thấy quan hệ giữa hệ số biến dạng K và tốc độ cắt V
đƣợc biểu diễn nhƣ hình 1.8.
- Khi Vc tăng từ V1

V2 K giảm, chất lƣợng bề mặt tăng.

- Trong vùng tốc độ cắt này khi Vc tăng

tăng

lực ma sát tăng, biến dạng

của phoi tăng. Mặt khác khi đó lẹo dao xuất hiện và tăng dần làm tăng góc trƣớc,
giảm góc cắt

quá trình cắt dễ dàng hơn, phoi thoát ra dễ dàng hơn biến dạng của

phoi giảm và đạt giá trị cực tiểu tại B ứng với Vc = V2 (tại đây chiều cao lẹo dao lớn
nhất). Hai ảnh hƣởng này bù trừ lẫn nhau nhƣng ảnh hƣởng của lẹo dao lớn hơn.

Hình 1.9: Quan hệ giữa tốc độ cắt và biến dạng của phoi
- Khi Vc tăng từ V2

V3 K tăng, chất lƣợng bề mặt giảm.

Trong vùng tốc độ cắt này, khi Vc tăng chiều cao lẹo dao giảm dần, dẫn đến
góc trƣớc 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 hƣởng này, ảnh
hƣởng 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 không còn, mặt khác nhiệt độ ở vùng cắt rất cao làm
cho lớp kim loại của phoi sát mặt trƣớc bị chảy nhão, hệ số ma sát giữa phoi và mặt
trƣớc giảm, K giảm, chất lƣợng bề mặt tăng.


14
- Khi Vc > 200

300 m/f hệ số ma sát

thay đổi rất ít, dẫn đến biến dạng của

phoi hầu nhƣ không thay đổi.
- Các giá trị V1, V2, V3 phụ thuộc vào điều kiện gia công, vật liệu làm dao,
phôi, thông số hình học của dụng cụ cắt.
* Ảnh hƣởng của chiều dầy cắt
Hình 1.9 là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa chiều dầy cắt a và hệ số biến
dạng K. Ta thấy khi a tăng thì K giảm, chất lƣợng bề mặt tăng.

Hình 1.10: Quan hệ giữa chiều dày cắt và biến dạng của phoi
* Ảnh hƣởng của thông số hình học:
- Ảnh hƣởng của góc trƣớc.
Góc trƣớc tăng, K giảm (Chất lƣơng bề mặt tăng) vì khi tăng

giảm, mũi

dao dễ ăn sâu vào vật liệu gia công làm biến dạng của lớp cắt giảm, mặt khác phoi

dễ trƣợt trên mặt trƣớc và thoát ra ngoài, do đó khi

tăng biến dạng của phoi giảm

(hình 1.10)

Hình1.11: Quan hệ giữa góc trước và biến dạng của phoi


15
- Ảnh hƣởng của bán kính mũi dao r
Bán kính mũi dao r tăng, góc nghiêng chính

giảm, từ công thức a = S . sin

ta

thấy chiều dầy trung bình của lớp cắt giảm. Mặt khác r tăng, chiều dài của đoạn lƣỡi cắt
cong tham gia cắt tăng, phoi thoát ra cong bị biến dạng phụ thêm do sự giao nhau của
chúng trên cung cong (phƣơng thoát phoi xem nhƣ thẳng góc với lƣỡi cắt) làm cho biến
dạng của phoi tăng, chất lƣợng bề mặt giảm (hình 3.15)

Hình1.12 Quan hệ giữa bán kính mũi dao r và biến dạng của phoi
- Ảnh hƣởng của góc nghiêng chính
+ Khi r = 0, a = S . sin

do đó khi

tăng a tăng , biến dạng của phoi giảm,

chất lƣơng bề tăng.
+ Một giá trị nào đó (50

600) tiếp tục tăng

thì biến dạng của phoi tăng vì

khi này chiều dài của đoạn lƣỡi cắt cong tham gia cắt tăng, phoi bị biến dạng phụ
thêm do sự giao nhau của lƣỡi cắt cong (hình 1.11).Khi r
của K phức tạp hơn. Lúc đầu khi

0,

tăng, sự thay đổi

tăng, a tăng, biến dạng của phoi giảm.

tăng thì chiều dài của đoạn lƣỡi cắt cong tham gia cắt càng tăng

Hình 1.13: Ảnh hưởng của

đến biến dạng phoi

càng


16
- Ảnh hƣởng của vật liệu gia công
Trong cùng một điều kiện cắt gọt, vật liệu càng dẻo biến dạng của phoi càng
tăng (Chất lƣợng bề mặt giảm), vì vật liệu càng dẻo thì lực liên kết giữa các nguyên

tử trong kim loại càng yếu, khiến cho sự trƣợt trong mạng tinh thể càng dễ xảy ra,
tức là biến dạng càng dễ xảy ra. Do đó khi cắt vật liệu dẻo, phoi bị biến dạng nhiều
hơn khi cắt vật liệu giòn, vật liệu càng dẻo biến dạng càng nhiều. Có thể thấy rằng
độ cứng vật liệu gia công ảnh hƣởng không nhỏ đến hệ số biến dạng. Thực nghiệm
cho thấy khi gia công thép:
b = 300

400 N/ mm2: K = 4

5;

b = 600

700N/mm2 : K = 2

3

- Ảnh hƣởng của vật liệu làm dụng cụ cắt
Mỗi một loại vật liệu dụng cụ có hệ số ma sát với vật liệu của chi tiết gia công
khác nhau. Trong cùng một điều kiện cắt gọt, vật liệu làm dao khác nhau, lực ma sát
giữa phoi và mặt trƣớc khác nhau làm biến dạng của phoi cũng khác nhau.
Thực nghiệm cho thấy :
+ HKC nhóm 1 các bit có hệ số ma sát với thép các bon lớn hơn HKC nhóm 2
các bít . nên khi gia công thép nên dùng HKC nhóm 2 các bít.
+ HKC có hệ số ma sát với thép nhỏ hơn thép gió với thép, vì vậy khi sử dụng
HKC để gia công thép biến dạng của phoi nhỏ hơn khi sử dụng thép gió.
1.2 Dụng cụ cắt phủ bay hơi
1.2.1. Tổng quan về phủ bay hơi
Kỹ thuât phủ lớp bảo vệ hiện đang đƣợc ứng dụng rông rãi trong công nghiệp.
Các chi tiết máy yêu cầu các đặc tính bề mặt khác nhau nhƣ khả năng chống ăn

mòn, mòn, oxy hóa. Có nhiều phƣơng pháp công nghệ thỏa mãn yêu cầu này. Tuy
nhiên phƣơng pháp tạo lớp phủ từ thể khí sẽ đƣợc đề cập trong phần này.
Phủ bay hơi đƣợc chia thành hai nhóm chính là bay hơi hóa học (Phủ CVD)và
bay hơi vât lý (Phủ PVD). Trong nhóm này có rất nhiều kỹ thuât phủ dựa trên
nguyên tắc dịch chuyển khối lƣợng từ một nguồn tới bề mặt cần phủ ở thể hơi. Một