Phân tích tribology về mòn trong gia công cắt gọt

ĐẶT VẤN ĐỀ
Theo lý thuyết mòn truyền thống, trong gia công cắt gọt, xuất hiện vị trí ma
sát ngoài, đồng thời của mặt trước dụng cụ, của phoi, của mặt sau dụng cụ đối với
bề mặt cắt và bề mặt chi tiết đã gia công. Công của lực ma sát trên mặt trước và
mặt sau của dụng cụ chính là nguyên nhân gây mòn các mặt đó của dụng cụ. Một
phần đáng kể nhiệt lượng hình thành trong quá trình cắt có nguồn gốc từ quá trình
ma sát. Giá trị lực ma sát trên mặt trước dụng cụ xác định lượng co rút của phoi và
lực cắt. Trên khía cạnh khác, lực ma sát trong quá trình cắt, phụ thuộc vào điều
kiện vùng gia công: nhiệt độ, giá trị và đặc điểm của ứng suất, trạng thái vật liệu
v.v. Ma sát trong gia công cắt gọt khác biệt đáng kể so với ma sát ngoài trong các
liên kết chi tiết máy và được thực hiện trong điều kiện tải thường rất lớn (200 –
500 kgf/mm2). Nhiệt độ bề mặt chịu tải có thể đạt đến 1000˚C; các bề mặt chịu tải
trượt tương đối với nhau với vận tốc lớn.
Ngày nay với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học về ma sát, mài mòn và bôi
trơn (Tribology) – khoa học nghiên cứu sự tác động tương hỗ của những bề mặt
tiếp xúc trong những điều kiện nhiệt độ và áp suất xác định, các nhà khoa học đã
có điều kiện đi sâu vào nghiên cứu bản chất của cơ chế mòn trong gia công cắt gọt,
để tìm ra những lý giải cặn kẽ cho vấn đề này.
Trong khuôn khổ bài tiểu luận, chúng tôi xin trình bày những giải thích về sự
tác động tương hỗ giữa phoi được cắt và dụng cụ trên cơ sở lý thuyết Tribology
theo hướng tiếp cận mới sự phân tích tải tác dụng xuất hiện trong gia công cắt gọt
kim loại đã được các nhà khoa học tổng kết trong thời gian gần đây.


I. Lý thuyết mòn dụng cụ
Trong thời gian gia công, dụng cụ gây biến dạng phôi, phần vật liệu bị cắt bỏ
tách, thoát ra và hình thành phoi. Trong quá trình biến dạng xuất hiện tải tác dụng
ở dạng cơ và dạng nhiệt, mà theo thời gian chúng sẽ dẫn đến mòn và phá hủy cấu
trúc dụng cụ. Theo lý thuyết mòn truyền thống, sự phá hủy cấu trúc dụng cụ có
nguyên nhân từ ma sát xuất hiện giữa dụng cụ và phoi, tức là bản thân dụng cụ và
phoi chỉ trượt tiếp xúc chứ không liên kết với nhau.

Thế nhưng nghiên cứu mới đây về cơ chế phá hủy dụng cụ đã chỉ ra rằng, đặc
điểm của tải tác dụng cơ và nhiệt nêu trên, đặc biệt trong quá trình gia công vật
liệu có độ bền cao không thể diễn giải hoàn toàn trong khuôn khổ lý thuyết mòn
truyền thống, khi mà chúng ta chỉ xem xét sự tác dụng tương hỗ giữa phoi và dụng
cụ.
Nghiên cứu ma sát, mài mòn đã chỉ ra rằng quá trình gia công không bị giới
hạn bởi một lần cắt duy nhất và sự hình thành phoi từ sau lần cắt đó. Trên thực tế
quá trình tiếp xúc xuất hiện và kết thúc được lặp lại. Phần phoi được cắt bám dính
vào bề mặt trước của dụng cụ, sau đó nó lại tiếp tục cắt lần nữa trước khi nó hoàn
toàn trượt khỏi bề mặt dụng cụ. Cơ chế mòn chủ yếu là sự lặp đi lặp lại của vết cắt
(bản chất là sự dịch chuyển phần tử vật liệu, tức sự trượt), mà không phải là do ma
sát.

Hình 1


Trên hình 1 và hình 2 biểu diễn quá trình gia công kim loại từ quan điểm khoa
học về ma sát, mài mòn, bôi trơn. Hình 1 cho thấy vùng 5 là vùng xảy ra lớp biến
dạng đầu tiên (sơ khai) của vật liệu được gia công. Vùng 3 là vùng phân chia, tức
là ở đó xảy ra điểm dừng sự trượt của phoi, bởi vì trong vùng này chuyển động
tương đối của vật liệu phôi và dụng cụ thực tế là bằng không. Sự cắt vật liệu bắt
đầu xảy ra trong vùng trượt sơ khai 1, ở đó vật liệu bắt đầu tách ra và hình thành
phoi. Sau đó trong vùng trượt 2, phoi trượt tiếp xúc với bề mặt trước của dao. Dưới
tác dụng của lực tải cơ học, phoi bám dính vào bề mặt trước của dụng cụ.

Hình 2
Phân tích tribology trên hình 2 đã cho kết quả trực quan hơn về hiện tượng
xảy ra trong vùng trượt 2. Thực nghiệm chỉ ra, trong miền A, cạnh cắt với tác dụng
của lực cắt lớn ép vào vật liệu, do đó vật liệu bám dính vào dụng cụ. Trong miền B
vật liệu tiếp tục bám dính vào mặt trước của dụng cụ. Và trong miền C phoi bị cắt

và trượt khỏi mặt trước, đồng thời cũng kết thúc sự tiếp xúc với phoi của dụng cụ
Trên hình 1 cũng cho thấy, trong vùng 4 xảy ra quá trình trượt thứ 2 theo mặt
sau của dụng cụ. Quá trình này cũng xảy ra với trình tự không khác với sự cắt và
bám dính vật liệu vào mặt trước của dụng cụ như trong vùng 2. Tuy nhiên, trong
quá trình gia công một số vật liệu vùng trượt 2 theo mặt sau của dụng cụ lại dẫn tới
hóa bền bề mặt, và chính hiện tượng này làm tăng tải tác dụng lên dụng cụ và phôi.


II. Phân tích sự hình thành lẹo dao trên cạnh cắt của dụng cụ
Thoạt đầu một lớp vật liệu mỏng bám dính vào bề mặt trước của dụng cụ, sau
đó những lớp vật liệu cứ liên tục được tích lũy. Quá trình này có thể dẫn đến sự
hình thành lẹo dao không mong muốn. Nếu như trên dụng cụ tích lũy một lượng
vật liệu đáng kể thì profin của lưỡi cắt có thể bị thay đổi. Ngoài ra, lượng vật liệu
được tích lũy đó có thể bị gãy hoặc vỡ dẫn đến làm khuyết tật lưỡi cắt. Trường
hợp xấu nhất của hiện tượng này có thể là sự tác dụng qua lại giữa lẹo lưỡi cắt và
phôi. Như vậy trong bất cứ trường hợp nào kể trên việc hình thành lẹo dao có thể
cản trở quá trình gia công được tiên đoán và được kiểm soát.
Sự bám dính phoi vào bề mặt trước của dụng cụ phụ thuộc vào 2 phương diện
của quá trình gia công. Một là tải tác dụng cơ và nhiệt lớn trong vùng cắt gọt. Khía
cạnh khác là vận tốc trượt nhỏ của chuyển động tương đối giữa phoi đối với mặt
trước của dụng cụ bắt đầu từ thời điểm dừng chuyển động ở điểm kết thúc đã chỉ ra
ở trên. Khi 2 vật liệu dụng cụ, phoi trượt tiếp xúc với nhau trong điều kiện tải tác
dụng cơ học và nhiệt độ lớn đồng thời trong sự dịch chuyển chậm, tạo nên điều
kiện thuận lợi để hai vật liệu này bám dính vào nhau và hình thành lẹo trên lưỡi cắt
của dao.

Hình 3
Để giảm mức độ bám dính và xác xuất hình thành lẹo dao can thiết phải giảm
thời gian tiếp xúc của phoi với mặt trước dụng cụ. Giải pháp dễ nhận thấy nhất đó
là tăng vận tốc cắt và sử dụng dụng cụ có góc nhọn hơn. Vận tốc cắt tăng làm giảm

thời gian tiếp xúc dụng cụ với vật liệu phôi. Đồng thời nhiệt độ tăng tăng trong hệ
quả của việc tăng vận tốc cũng làm cho giảm độ bền của lẹo dao hoặc loại trừ hoàn
toàn hiện tượng này. Bên cạnh đó thì dụng cụ nhọn hơn có được góc trước lớn, nhờ
điều này mà phoi được dịch chuyển được khoảng độ dài lớn hơn trong chu kỳ thời
gian đã được thiết lập sẵn, điều đó đồng nghĩa với việc phoi dịch chuyển nhanh
hơn.
III. Phân tích đặc tính của các vật liệu
Lĩnh vực nghiên cứu ma sát, mài mòn, bôi trơn chỉ dành được nhiều sự quan
tâm cách đây không lâu, bởi khoảng 20 năm trước thì những vật liệu có khuynh
hướng dẫn tới hiện tượng hình thành lẹo dao rất ít khi được gia công. Ví dụ khi gia
công các loại thép có hàm lượng các bon cao, thì hiện tượng hình thành lẹo dao
không phải là vấn đề đáng kể. Việc sử dụng những thông số gia công phù hợp đã
cho phép tránh khỏi sự bám dính vật liệu và chống lại hiện tượng hình thành lẹo
dao. Ngoài ra, trong gia công vật liệu có phoi rất ngắn, như gang chẳng hạn, thì
vấn đề nêu trên thậm chí không tồn tại. Trường hợp ngược lại, gia công vật liệu có
phoi dài lại đòi hỏi thời gian tiếp xúc phoi và dụng cụ lâu hơn, việc này tạo nên
nguy cơ bổ sung cho quá trình hình thành lẹo dao. Trong gia công những vật liệu
thuộc nhóm như các loại thép hàm lượng các bon thấp hoặc các loại nhôm thì xác
xuất tạo thành lẹo dao lại càng lớn hơn.

Hình 4


Hầu hết lẹo dao được tạo thành trong gia công những vật liệu có độ dẻo, độ
mài mòn, và độ nhạy cảm với bám dính cao. Trong số những ví dụ đó có thể kể
đến các vật liệu được sử dụng trong công nghiệp năng lượng và hàng không vũ trụ
như các hợp kim Titan, các hợp kim trên nền Niken và các loại hợp kim chịu nhiệt.
Thêm nữa, các yếu tố khác ảnh hưởng trực tiếp đến sự hình thành lẹo dao phải kể

đến đó là tải tác dụng cơ học và nhiệt độ, những yếu tố mà thường xuất hiện trong
gia công các hợp kim bền và có khả năng truyền nhiệt kém. Đó là chưa kể đến khi
cắt những vật liệu này, vận tốc cắt thường ở mức thấp hoặc trung bình.
Ngoài cách tăng vận tốc cắt và sử dụng dao cắt nhọn hơn, tồn tại một số biện
pháp chống lại việc hình thành lẹo dao. Cơ sở của những giải pháp này là sự cải
thiện chất lượng bề mặt dụng cụ. Trên thực tế tồn tại hai cách tiếp cận vấn đề trái
ngược nhau. Theo hướng thứ nhất, nếu như bề mặt dụng cụ nhẵn, trơn hơn thì
trong quá trình trượt tiếp xúc của phoi tương đối với mặt trước dụng cụ tạo ra ít
hơn năng lượng. Khi đó nhiệt độ thấp hơn và sự tiếp xúc ít hơn sẽ làm giảm
khuynh hướng tạo thành lẹo dao. Theo hướng thứ hai, tức theo quan điểm ngược
lại, nếu nhấp nhô tế vi bề mặt dụng cụ với các đỉnh nhấp nhô tế vi lớn hơn thì sẽ
đảm bảo tiếp xúc ít hơn giữa phoi và mặt trước dụng cụ, và bằng cách này sẽ giảm
xác xuất bám dính. Tuy nhiên chưa một hướng tiếp cận nào trong số đó được minh
chứng tính đúng đắn của nó trong những điều kiều kiện bất kỳ, thế nên phụ thuộc
vào các điều kiện cụ thể, sử dụng cả hai hướng trên có thể đạt được hiệu quả.
IV. Kết luận:
Những nghiên cứu và lý thuyết trong lĩnh vực Tribology về các yếu tố dụng
cụ và công nghệ, được đã được đặt ra để giải quyết những vấn đề như sự hình
thành lẹo dao nhằm hướng tới việc đảm bảo chất lượng bề mặt gia công theo
những yêu cầu đặt ra từ khách hàng. Ngoài ra những yêu cầu đặt ra đối với kích
thước và hình dạng, chất lượng chi tiết thường được xác định bởi độ nhám bề mặt.
Chất lượng bề mặt là chỉ tiêu cao nhất, đặc biệt trong công nghiệp hàng không vũ
trụ và nguyên tử, mà phần lớn những khuyết tật gia công thường dẫn tới hình thành
nứt trên những chi tiết chịu tải chính của thiết bị bay cũng như những thiết bị trong
sản xuất năng lượng.
Sự hình thành lẹo dao làm giảm chất lượng bề mặt gia công chi tiết và dẫn tới
sự cần thiết phải thường xuyên thay thế dụng cụ. Những nghiên cứu rộng rãi trong
lĩnh vực ma sát, mài mòn, bôi trơn (tribology) đã cho phép giảm xác xuất hình

thành lẹo dao và hạn chế những hệ quả của nó. Mức độ thành công có thể được đo
bằng mối quan hệ giữa giá thành và khả năng sản xuất, cụ thể là bằng giá thành sản
xuất 1mm2 bề mặt chi tiết chuẩn xác theo yêu cầu. Trong khoảng 5 năm trở lại đây,
tỉ lệ giá thành và khả năng sản xuất đối với gia công tinh Titan đã giảm khoảng 20
lần. Lĩnh vực nghiên cứu, khai thác vật liệu và biên dạng hình học dụng cụ đã dành
được những thành công nhất định, và để đạt được kết quả tốt hơn hai yếu tố đó cần
được kết hợp cân nhắc kỹ lưỡng. Ý nghĩa của cơ chế ma sát, mài mòn tác động
trong quá trình sử dụng dụng cụ cho phép người vận hành điều khiển các hiện
tượng, như sự hình thành lẹo dao, để đạt được độ nhám bề mặt theo yêu cầu đặt ra
với chi phí nhỏ hơn và năng xuất và lợi nhuận cao hơn.
V. Triển vọng áp dụng kết quả nghiên cứu ma sát, mài mòn, bôi trơn trong
gia công cắt gọt
Ngày nay các kết quả nghiên cứu tribology đã được sử dụng trong chế tạo và
khai thác dụng cụ cắt và trong quá trình gia công cắt gọt. Đứng trên quan điểm gia
công cắt gọt, việc sử dụng vận tốc cắt lớn hơn và biên dạng hình học cạnh cắt nhọn
hơn thường cho phép kiểm soát sự hình thành lẹo dao hiệu quả hơn. Bên cạnh đó,
sự thay đổi yếu tố hình học của dụng cụ, thậm chí như sử dụng dụng cụ với góc cắt
dương, cũng là một giải pháp khác cho phép rút phoi từ phôi.
Phủ bề mặt dụng cụ là phương pháp đã được kiểm chứng giảm sự bám dính
vật liệu trên dụng cụ cắt. Lớp phủ với tính bôi trơn tốt như TiN thường được sử
dụng trong gia công các loại thép để tạo điều kiện thuận lợi, dễ dàng hơn cho sự
tách thoát phoi. Chẳng hạn lớp phủ kim cương thường được tiến hành trên các
dụng cụ gia công các loại hợp kim nhôm.
Thời gian gần đây khi tiến hành chế tạo và khai thác dụng cụ cắt các nhà khoa
học trong lĩnh vực chế tạo máy dành nhiều sự quan tâm đến vai trò của lớp phủ để
hạn chế sự hình thành lẹo dao. Ví dụ lớp phủ thế hệ mới Seco Duratomic bằng
phương pháp CVD trên cơ sở nền oxit nhôm được tạo thành trên cơ sở nguyên lý
của tribology. Dựa trên những nghiên cứu mới nhất về sự tác động qua lại giữa
phôi và dụng cụ cắt như đã trình bày ở trên các kỹ sư – nhà chế tạo đã thay đổi
thành phần lớp phủ theo hướng có lợi nhất cho chất lượng sản phẩm gia công.

Công nghệ lớp phủ Seco khác cũng rất được quan tâm hiện nay, đó là công
nghệ lớp phủ thế hệ mới bằng phương pháp PVD – lớp phủ màu kim loại bạc,


được thiết kế cho mảnh hợp kim dao phay MS2050. Lớp phủ này có đặc tính khác
biệt bởi tính chịu nhiệt và loại bỏ phần lớn sự hình thành lẹo dao trong gia công vật
liệu nhớt, như Titan. Loại bỏ hiện tượng lẹo dao khiến cho thời hạn sử dụng mảnh
hợp kim được tăng lên tới khoảng 50%, và chúng có thể làm việc ở chế độ gia
công cắt gọt khắc nghiệt hơn trong so sánh tương quan với những dụng cụ trước
đây.
Những nghiên cứu chủ yếu trong lĩnh vực Tribology luôn hướng tới việc xem
xét các hiện tượng có ảnh hưởng tới năng suất gia công, như lẹo dao chẳng hạn.
Trong một số trường hợp lớp vật liệu mỏng của phôi trên bề mặt dụng cụ có thể
làm chậm sự phát triển của mòn. Vấn đề gặp khó khăn ở chỗ để đạt được chiều dày
của lớp vật liệu bảo vệ nêu trên, mà trong giới hạn đó nó không gây ảnh hưởng
đáng kể tới biên dạng hình học của dao và được bám dính chặt vào bề mặt dụng cụ.
Nhờ việc thường xuyên đưa vào sử dụng những hợp kim mới có hiệu quả
cao, việc gia công chúng đã thúc đẩy những nhiệm vụ mới trong lĩnh vực
Tribology. Khoa học về ma sát, mài mòn và bôi trơn đã thực sự được phát triển
năng động trong lĩnh vực cắt gọt kim loại. Những kết quả nghiên cứu mới trong
lĩnh vực khoa học ma sát, mài mòn, bôi trơn đã thực sự có giá trị và được các kỹ sư
sử dụng trong chế tạo dụng cụ cắt gọt, cũng như các phương pháp công nghệ gia
công. Đây thực sự là bước tiến lớn của Khoa học về ma sát, mài mòn và bôi trơn.


Tài liệu tham khảo
1. PGS.TS Nguyễn Doãn Ý. Giáo trình ma sát, mài mòn, bôi trơn – Nhà xuất
bản Khoa học – kỹ thuật;
2. GS.TS Trần Văn Địch. Nguyên lý cắt kim loại – Nhà xuất bản Khoa học –
kỹ thuật;

3. Nguồn internet:
/>nosti_processa_rezania_splavov_vo/3;
4. Производственный журнал по металлообработке ЭМО «Экспозиция
Металлообработка», №5 2015г.