Nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng vật liệu gia công (9XC) đến chất lượng bề mặt khi tiện cứng

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

---------------------------------------

NGUYỄN THỊ THỦY

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA ĐỘ CỨNG VẬT
LIỆU GIA CÔNG (9XC) ĐẾN CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT
KHI TIỆN CỨNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

Thái Nguyên - 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

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

Nguyễn Thị Thủy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

iii
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin được cảm ơn PGS.TS Phan Quang Thế - Hiệu
trưởng trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên - Thầy hướng dẫn
khoa học của tôi về sự định hướng đề tài, sự hướng dẫn của thầy trong việc tiếp
cận và khai thác các tài liệu tham khảo cũng như 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 chế
tạo – Trường Cao đẳng nghề Việt – Đức Vĩnh Phúc, 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 giám đốc, cán bộ công nhân viên
công ty trách nhiệm hữu hạn cơ khí chính xác Việt Nam 1- Vĩnh Phúc 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

Nguyễn Thị Thủy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

iv
MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................... vi
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................x
PHẦN MỞ ĐẦU .........................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................2
3. Dự kiến các kết quả đạt được ..................................................................................2
4. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................2
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CẮT KIM LOẠI ............................3
1.1. Đặc điểm của quá trình tạo phoi khi tiện .............................................................3
1.2. Đặc điểm của quá trình tạo phoi khi tiện cứng ....................................................6
1.2.1. Các hình thái phoi khi cắt kim loại ...................................................................7
1.2.2 Cơ chế hình thành phoi khi tiện cứng ................................................................9
1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công khi tạo phoi .....11
1.3.1. Hiện tượng biến dạng phoi ..............................................................................11
1.3.2. Những yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng phoi .................................................12
1.4. Định hướng nghiên cứu ......................................................................................16
Chƣơng II: CHẤT LƢỢNG LỚP BỀ MẶT SAU GIA CÔNG CƠ ...................17
2.1. Khái niệm chung về lớp bề mặt .........................................................................17
2.2. Bản chất của lớp bề mặt .....................................................................................17
2.3. Tính chất lý hoá của lớp bề mặt .........................................................................18
2.3.1. Lớp biến dạng..................................................................................................18
2.3.2. Lớp Beilbly .....................................................................................................19
2.3.3. Lớp tương tác hóa học.....................................................................................19
2.3.4. Lớp hấp thụ hóa học ........................................................................................19
2.3.5. Lớp hấp thụ vật lý ...........................................................................................20
2.4. Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia công ............................................................20
2.4.1. Hiện tượng biến cứng của lớp bề mặt .............................................................20
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

v
2.4.2. Ứng suất dư trong lớp bề mặt..........................................................................21
2.4. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt khi tiện cứng ......................................22
2.4.1. Độ nhám bề mặt và phương pháp đánh giá .....................................................22
2.4.1.1. Độ nhám bề mặt ...........................................................................................22
2.4.1.2. Phương pháp đánh giá độ nhám bề mặt .......................................................25
2.4.2. Tính chất cơ lý lớp bề mặt sau gia công cơ.....................................................26
2.4.2.1. Hiện tượng biến cứng của lớp bề mặt ..........................................................26
2.4.2.2. Ứng suất dư trong lớp bề mặt.......................................................................29
2.4.2.3. Đánh giá mức độ, chiều sâu lớp biến cứng và ứng suất dư .........................32
2.5. Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi tiện cứng ...............................33
2.5.1. Ảnh hưởng của các thông hình học của dụng cụ cắt .......................................33
2.5.2. Ảnh hưởng của tốc độ cắt ...............................................................................34
2.5.3. Ảnh hưởng của lượng chạy dao ......................................................................35
2.5.4. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt ..........................................................................36
2.5.5. Ảnh hưởng của vật liệu gia công ....................................................................36
2.5.6. Ảnh hưởng của rung động trong hệ thống công nghệ .....................................36
2.6. Kết luận ..............................................................................................................37
Chƣơng 3: DỤNG CỤ CẮT PHỦ BAY HƠI ........................................................38
3.1. Tổng quan về phủ bay hơi ..................................................................................38
3.1.1. Phủ CVD .........................................................................................................39
3.1.1.1 Đinh nghĩa .....................................................................................................39
3.1.1.2. Đặc trưng của phủ CVD ...............................................................................40
3.1.2. Phủ PVD..........................................................................................................40
3.2. Vật liệu lớp phun phủ. ........................................................................................42
3.3. Kết luận ..............................................................................................................47
Chƣơng 4. NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG ĐỘ CỨNG THÉP 9XC ĐẾN CHẤT

LƢỢNG BỀ MẶT KHI TIỆN CỨNG ..................................................................48
4.1. THÍ NGHIỆM ....................................................................................................48
4.1.1. Yêu cầu đối với hệ thống thí nghiệm: .............................................................48
4.1.2. Mô hình thí nghiệm .........................................................................................48
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

vi
4.1.3. Thiết bị thí nghiệm. .........................................................................................48
4.1.3.1. Máy ..............................................................................................................48
4.1.3.2. Dao ...............................................................................................................50
4.1.3.3. Phôi ..............................................................................................................50
4.1.3.4. Chế độ cắt .....................................................................................................51
4.1.4. Thiết bị đo .......................................................................................................51
4.1.4.1. Máy đo độ nhám bề mặt ...............................................................................51
4.1.4.2. Kính hiển vi điện tử......................................................................................52
4.2. Trình tự thí nghiệm ............................................................................................52
4.2.1. Chuẩn bị ..........................................................................................................52
4.2.2. Trình tự thí nghiệm .........................................................................................52
4.3. Kết quả thí nghiệm .............................................................................................53
4.3.1. Bảng thông số nhám bề mặt ............................................................................53
4.2. 2. Các hình ảnh chụp về mòn dao và bề mặt phôi sau khi gia công ..................54
4.4. Phân tích kết quả thí nghiệm ..............................................................................58
4.4.1. Phân tích chất lượng bề mặt phôi thép 9XC ở các độ cứng khác nhau và các
lần cắt khác nhau .......................................................................................................58
4.4.1.1. Phân tích nhám bề mặt .................................................................................58
4.4.1.2. Phân tích các hình ảnh chụp topography bề mặt ..........................................58
4.4.1.3. Kết luận ........................................................................................................59
4.4.2. Phân tích cơ chế mòn mảnh dao .....................................................................59

4.4.2.1. Phân tích thí nghiệm.....................................................................................59
4.4.1.2. Kết quả thí nghiệm mòn dụng cụ .................................................................60
4.4.2.3. Kết luận ........................................................................................................62
4.6. Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài ..............................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................65

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

vii
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 trượt
γ: Góc trước của dao
PX: Lực chiều trục khi tiện
PY: Lực hướng kính khi tiện
PZ: Lực tiếp tuyến khi tiện
S: Lượng 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 thường của mặt trước
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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

viii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ hóa miền tao phoi ..............................................................................3
Hình 1.2.: Các dạng phoi.............................................................................................5
Hình 1.3: Hiện tượng lẹo dao ......................................................................................5
Hình 1.4. a, Sơ đồ hình thành bề mặt gia công và phoi khi cắt có lẹo dao .................6
Hình 1.4. 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). ...8
Hình 1.5. Các dạng phoi phân đoạn: phoi lượn sóng (a) và phoi răng cưa (b) ...........9
Hình 1.6. Sơ đồ các giai đoạn của quá trình tạo phoi do trượt cục bộ ......................10
trong cắt kim loại. .....................................................................................................10
Hình 1.7: Biến dạng phoi ..........................................................................................11
Hình 1.8: Quan hệ giữa tốc độ cắt và biến dạng của phoi ........................................12
Hình 1.9: Quan hệ giữa chiều dày cắt và biến dạng của phoi ..................................13
Hình1.10: Quan hệ giữa góc trước và biến dạng của phoi ........................................14
Hình1.10 Quan hệ giữa bán kính mũi dao r và biến dạng của phoi .........................14
Hình 1.11: Ảnh hưởng của

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

Hình vẽ 2.1. Chi tiết bề mặt vật rắn ..........................................................................18

Hình vẽ 2.2. Độ nhám bề mặt ...................................................................................22
Bảng 2.1. Các giá trị Ra, Rz và chiều dài chuẩn l với các cấp độ nhám bề măt .......24
Bảng 2.2. Mức độ và chiều sâu lớp biến cứng ..........................................................26
của các phương pháp gia công cơ .............................................................................26
Hình vẽ 2.3. Quan hệ giữa bán kính mũi dao và chiều sâu lớp biến cứng với các
lượng chạy dao khác nhau (khi dao chưa bị mòn) [16] ............................................27
Hình vẽ 2.4. Quan hệ giữa vận tốc cắt với chiều sâu lớp biến cứng ứng với các
lượng mòn mặt sau khác nhau của dao tiện [16] ......................................................28
Hình vẽ 2.5. Quan hệ giữa bán kính mũi dao, chiều sâu cắt .....................................31
và ứng suất dư lớp bề mặt .........................................................................................31
Hình vẽ 2.6. Ảnh hưởng của thông số hình học của dao tiện ...................................34
tới độ nhám bề mặt ....................................................................................................34
Hình vẽ 2.7. Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới nhám bề mặt khi gia công thép .............34
Hình vẽ 2.8. Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới nhám bề mặt khi gia công thép .............35
Hình 3.1. Khả năng chịu tải trọng của lớp phủ cứng trên nền mềm hơn ..................45
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

ix
Hình 4.1. Mô hình thí nghiệm ...................................................................................48
Hình 4.2. Máy tiện CTX - 310 ..................................................................................48
Hình 4.3. Hình ảnh thân dao .....................................................................................50
Hình 4.5. Hình ảnh mảnh dao và mẫu phôi (Độ cứng 40 45 HRC) khi cắt lần thứ
nhất chụp trên trên kính hiển vi điện tử: ...................................................................54
Hình 4.6. Hình ảnh mảnh dao và mẫu phôi (Độ cứng 40 45 HRC) khi cắt lần thứ
hai chụp trên trên kính hiển vi điện tử: .....................................................................54
Hình 4.7. Hình ảnh mảnh dao và mẫu phôi (Độ cứng 50 55 HRC) khi cắt lần thứ
nhất chụp trên trên kính hiển vi điện tử: ...................................................................55
Hình 4.8. Hình ảnh mảnh dao và mẫu phôi (Độ cứng 50 55 HRC) khi cắt lần thứ

hai chụp trên trên kính hiển vi điện tử: .....................................................................55
Hình 4.9. Hình ảnh mảnh dao và mẫu phôi (Độ cứng 50 55 HRC) khi cắt lần thứ ba
chụp trên trên kính hiển vi điện tử: ...........................................................................56
Hình 4.10. Hình ảnh mảnh dao và mẫu phôi (Độ cứng 57 60 HRC) khi cắt lần thứ
nhất chụp trên trên kính hiển vi điện tử: ...................................................................56
Hình 4.11. Hình ảnh mảnh dao và mẫu phôi (Độ cứng 57 60 HRC) khi cắt lần thứ
hai chụp trên trên kính hiển vi điện tử: .....................................................................57
Hình 4.13. Đồ thị quan hệ giữa độ cứng phôi và nhám bề mặt ................................58
ở các lần cắt khác nhau .............................................................................................58
Hình 4.14. Ảnh phân tích EDX (vùngđen) trên phần cắt của dao trên kính hiển vi
điện tử ........................................................................................................................61

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

x
DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1. Các giá trị Ra, Rz và chiều dài chuẩn l với các cấp độ nhám bề măt .......24
Bảng 2.2. Mức độ và chiều sâu lớp biến cứng ..........................................................26
của các phương pháp gia công cơ .............................................................................26
Bảng 3.1. Dữ liệu thị trường thế giới về phủ bay hơi cho dụng cụ...........................38
trong lĩnh vực tạo hình và cắt vật liệu .......................................................................38
Bảng 4.1. Bảng thông số kỹ thuật của máy ...............................................................49
Bảng 4.2. Thành phần hóa học thép 9XC .................................................................51
Bảng 4.3. Kết quả đo nhám bề mặt phôi ở các độ cứng khác nhau .........................53

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

1
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Chất lượng bề mặt gia công là yếu tố quan trọng trong quá trình gia
công. Chất lượng bề mặt ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc, độ bền,
độ bền mòn của chi tiết. Chất lượng bề mặt là tập hợp nhiều tính chất quan
trọng của lớp bề mặt, cụ thể là:
Hình dáng lớp bề mặt (độ sóng, độ nhám ...)
Trạng thái và tính chất cơ lý của lớp bề mặt (độ cứng tế vi, chiều sâu
biến cứng, ứng suất dư ...)
Phản ứng của lớp bề mặt đối với môi trường làm việc (tính chống mòn,
khả năng chống xâm thực hóa học, độ bền ...)
Nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công là một trong những vấn
đề rất quan trọng của ngành công nghệ chế tạo máy. Việc nghiên cứu và ứng
dụng các giải pháp công nghệ và phương pháp gia công tinh lần cuối các bề
mặt chi tiết máy, đồng thời tìm ra những biện pháp công nghệ mới hoàn thiện
hơn là một nhiệm vụ cấp bách.
Tiện cứng (hard turning) là phương pháp gia công bằng tiện các chi tiết
có độ cứng cao (45 - 70 HRC). Tiện cứng nói chung được tiến hành cắt khô
hoặc gần giống như cắt khô và phổ biến sử dụng dao như: dao hơp kim cứng
phủ CVD, PVD, Nitrit Bo lập phương đa tinh thể (PCBN – Polycrystalline
Cubic Boron Nitride, thường được gọi là CBN – Cubic Boron Nitride), hoặc
Ceramic tổng hợp…
Tiện cứng là một phương pháp gia công tinh lần cuối đòi hỏi độ chính
xác và chất lượng bề mặt cao. Nghiên cứu về tiện cứng nhằm tìm ra các thông
số gia công thích hợp để tối ưu quá trình gia công, đạt các chỉ tiêu tốt nhất về
kỹ thuật là cần thiết.

2
Những kết quả nghiên cứu được công bố gần đây trên các tạp chí khoa
học cho thấy việc nghiên cứu chủ yếu tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng
của các thông số cắt, chế độ cắt đến quá trình tiện cứng, ảnh hưởng của độ
cứng dao đến nhám bề mặt và lực cắt khi tiện. Nghiên cứu ảnh hưởng của độ
cứng vật liệu (9XC) đến chất lượng bề mặt (Nhám bề mặt) khi gia công tiện
cứng, nhằm tìm ra độ cứng phù hợp để chất lượng bề mặt đạt tối ưu sẽ tiếp tục
đóng góp thêm các kiến thức vào việc nghiên cứu quá trình tiện cứng. Ảnh
hưởng của độ cứng là một chỉ tiêu quan trọng trong quá trình gia công cơ khí.
Nghiên cứu về độ cứng, ảnh hưởng của độ cứng đến chất lượng bề mặt chi
tiết gia công (thép 9XC) nhằm tối ưu quá trình gia công, nâng cao chất lượng
bề mặt chi tiết gia công. Vì các lý do trên em chọn đề tài nghiên cứu là
“Nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng vật liệu gia công (9XC) đến chất
lượng bề mặt khi tiện cứng”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của đề tài là với các độ cứng vật liệu 9XC khác nhau,
gia công tiện cứng với chế độ cắt cố định, khảo sát ảnh hưởng của độ cứng
vật liệu gia công đến chất lượng bề mặt (nhám bề mặt).
3. Dự kiến các kết quả đạt đƣợc
Xây dựng được mối quan hệ giữa độ cứng phôi và thông số nhám.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của độ cứng vật liệu gia công
đến chất lượng bề mặt phôi thép 9XC thông qua kết quả đo nhám và hình
chụp topography bề mặt.


3
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CẮT KIM LOẠI
1.1. Đặc điểm của quá trình tạo phoi khi tiện

nh lấy đi một lớp phoi trên bề
, kích thước và độ bóng bề mặt theo
:
- 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 như vậy.

Hình 1.1. Sơ đồ hóa miền tao phoi
của công cắt, độ mòn của dao và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rõ rệt vào
ật
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


4
biến dạ

thành từ lớp kim loại

bị cắt có chiều dày a, di chuyển dọc theo mặt trước 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 được chất lượng 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
trước của dụng cụ cắt thì rất bóng, mặt kia có dạng răng cưa (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 trước 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 trước
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 được
khi gia công vật liệu giòn (gang, đồng thau cứng...), bề mặt chi tiết gia công có
cấu tạo gần giống như bề mặt kim loại bị phá huỷ giòn, chất lượng bề mặt rất
thấp.kia hơi gợn (hình 1.2c,d). Ở phoi dây khó quan sát mặt trượt 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 lượng bề mặt chi tiết gia công cao hơn. Phoi dây được 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
được khi gia công vật liệu giòn (gang, đồng thau cứng...), bề mặt chi tiết gia
công có cấu tạo gần giống như bề mặt kim loại bị phá huỷ giòn, chất lượng bề
mặt rất thấp.


5

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 trước của dao

kề ngay lưỡi 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
lưỡi cắt. Hiện tượng này gọi là hiện tượng lẹo dao, khối kim loại đó gọi là
khối lẹo hay lẹo dao. Lẹo dao có hình dạng như hình 1.3.

Hình 1.3: Hiện tượng lẹo dao


6
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” được hình thành
trên mặt trước (Hình 4b). Lớp cuối cùng của phoi dừng hẳn trên hầu hết diện
tích tiếp xúc của mặt trước còn các lớp tiếp theo biến dạng dẻo tạo thành vùng
biến dạng thứ hai.
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 và đồng nghiệp chỉ ra rằng thường 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 trượt mạnh trong vùng tạo phoi.

7
- Cơ chế thứ hai cho rằng các vết nứt đầu tiên xuất hiện theo chu kỳ
trên bề mặt tự do của phoi phía trước lưỡi cắt và truyền dẫn đến lưỡi cắt.
Poulachon và 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 được tạo ra khi tiện thép có độ cứng từ 10 ÷ 50 HRC, lực cắt
giảm khi tăng độ cứng trong dải này. Điều này được giải thích là khi độ cứng
của vật liệu gia công tăng sẽ làm tăng nhiệt độ trong vùng tạo phoi dẫn đến
tăng góc tạo phoi và giảm chiều dài tiếp xúc giữa phoi và mặt trước. Cả hai
yếu tố đều có tác dụng giảm lực cắt.
Khi tăng độ cứng của vật liệu gia công lên trên 50HRC, phoi sẽ chuyển
từ phoi dây sang phoi dạng răng cưa 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 ngược ảnh hưởng 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 lượng 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
tượng trượt cục bộ xảy ra gián đoạn trong vùng trượt. Khi hiện tượng này xảy
ra, nhiệt độ trong dụng cụ không tăng mà lại bắt đầu giảm. Một điều cần lưu ý
là phoi dạng răng cưa xuất hiện khi khi gia công phôi có độ cứng thấp hơn
nhưng với vận tốc cắt cao hơn. Điều này chứng tỏ cơ chế tạo phoi được điều
khiển bởi sự cân bằng giữa 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.
1.2.1. 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]:

8
+ Dạng phoi dây ổn định (phoi liền): với ba loại tùy theo cơ chế hình
thành bao gồm: vùng trượt tập trung gần như một mặt phẳng, vùng trượt có
dạng mảng và vùng trượt mở rộng có biến dạng dẻo bên dưới bề mặt do dao
mòn (Hình 1.4) [10]

Hình 1.4. 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 lượn sóng, phoi răng cưa (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 thường được dùng để
mô tả cả phoi lượn sóng và phoi răng cưa không còn phù hợp từ khi sự khác
biệt giữa hai loại phoi này được nhận diện. Ví dụ, tần số chu kỳ của phoi lượn
sóng thường khoảng 100Hz trong khi tần số chu kỳ của phoi răng cưa lớn hơn
2÷4 lần. Hơn nữa, phoi lượn sóng không có các đỉnh sắc nhọn như phoi răng
cưa (Hình 1.5) [10].


9

Hình 1.5. Các dạng phoi phân đoạn: phoi lượn sóng (a) và phoi răng cưa (b)
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 thường là sự hình thành phoi răng cưa, lần đầu tiên được Shaw phát hiện
vào năm 1954 [10]. Các lý thuyết khác nhau để giải thích về cơ chế hình thành
phoi răng cưa có thể chia thành hai dạng: Dạng thứ nhất dựa trên sự trượt đoạn
nhiệt ban đầu, một trạng thái mất ổn định nhiệt dẻo thường 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 dưới điều kiện cắt gọt. Kết quả là sự trượt cục
bộ và dạng phoi tuần hoàn được hình thành. Trượt 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 trượt cục bộ là dạng phoi điển hình khi gia
công các vật liệu có hệ thống trượt hạn chế (cấu trúc tinh thể sáu cạnh), khả
năng dẫn nhiệt kém, độ cứng cao như các loại thép hợp kim cứng, các loại


10
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 trượt mạnh (cấu trúc tinh thể bốn
cạnh), tính dẫn nhiệt tốt, độ cứng thấp như các loại thép các bon và thép hợp
kim thông thường [10].
Cơ chế hình thành phoi do trượt cục bộ gồm một chuỗi các quá trình với
hai giai đoạn cơ bản: Giai đoạn thứ nhất là sự trượt không ổn định và biến
dạng cục bộ trong một dải hẹp ở vùng trượt thứ nhất phía trƣớc dụng cụ. Giai
đoạn thứ hai là quá trình phá hủy theo đường nghiêng hình chêm của vật liệu
phôi khi dụng cụ tiến về phía trước với biến dạng không đáng kể để hình
thành một phân đoạn phoi [10].
Quá trình hình thành phoi do trượt cục bộ khác hẳn với quá trình hình
thành phoi liền ổn định (Hình 1.6). Trong trường hợp hình thành phoi liền ổn
định, hiện tượng biến cứng chiếm ưu thế so với hiện tượng mềm hoá vì nhiệt.
Khi trượt diễn ra dọc theo mặt phẳng trượt 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, trượt sẽ chuyển sang mặt phẳng

Hình 1.6. Sơ đồ các giai đoạn của quá trình tạo phoi do trượt cục bộ
trong cắt kim loại.

tiếp theo dẫn đến một sự phân bố biến dạng đồng đều trong phoi ở cấp độ
tổng thể. Trong trường hợp hình thành phoi do trượt cục bộ, sự mềm hoá vì
nhiệt chiếm ưu thế hơn sự biến cứng.


11
1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công khi tạo phoi
1.3.1. Hiện tƣợng biến dạng phoi
Khi cắt kim loại bị biến dạng dẻo nên kích thước của phôi thường thay đổi
so với kích thước 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.

Hình 1.7: Biến dạng phoi
Thông thường : lf < l ; af > a ; bf

b. Hiện tượng thay đổi kích thước này

gọi là hiện tượng biến dạng phoi (còn gọi là hiện tượng 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
lf

(3.4)

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

af
a

(3.5)

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


12
af . b f . l f = a . b . l
Vì bf

b

l
lf

af . l f = a . l

af
a

Kl = Ka = K
Gọi K là hệ số co rút phoi, thông thường K

1.

1.3.2. Những yếu tố ảnh hƣởng đến biến dạng phoi
K đặc trưng cho sự biến dạng xảy ra trong quá trình cắt gọt. K càng lớn
biến dạng càng lớn. Trong cắt gọt người ta mong muốn K nhỏ tức là biến dạng
nhỏ, khi đó công tiêu hao trong quá trình cắt gọt bé, chất lượng bề mặt của chi
tiết gia công cao. Do đó các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia
công khi tạo phoi cũng chính là những yếu tố ảnh hưởng 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 được biểu diễn như hình 1.8.
- Khi Vc tăng từ V1
-

V2 K giảm, chất lượng 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 trước, 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 hưởng này bù trừ lẫn nhau
nhưng ảnh hưởng của lẹo dao lớn hơn.

Hình 1.8: Quan hệ giữa tốc độ cắt và biến dạng của phoi


13
- Khi Vc tăng từ V2

V3 K tăng, chất lượng bề mặt giảm.

Trong vùng tốc độ cắt này, khi Vc tăng chiều cao lẹo dao giảm dần, dẫn
đến góc trước giảm, góc cắt tăng, biến dạng của phoi tăng. Khi Vc tăng, hệ số
ma sát giảm, lực ma sát giảm, biến dạng của phoi giảm. Kết hợp hai ảnh
hưởng này, ảnh hưởng của lẹo dao lớn hơn nên khi Vc tăng, biến dạng của
phoi tăng và đạt giá trị cực đại khi Vc = V3 (tại đây lẹo dao mất hẳn).
- Khi Vc > V3 : lẹo dao không còn, mặt khác nhiệt độ ở vùng cắt rất cao
làm cho lớp kim loại của phoi sát mặt trước bị chảy nhão, hệ số ma sát giữa
phoi và mặt trước giảm, K giảm, chất lượng bề mặt tăng.
- Khi Vc > 200

300 m/f hệ số ma sát

thay đổi rất ít, dẫn đến biến dạng

của phoi hầu như không thay đổi.
- Các giá trị V1, V2, V3 phụ thuộc vào điều kiện gia 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 lượng bề mặt tăng.

Hình 1.9: Quan hệ giữa chiều dày cắt và biến dạng của phoi


14
* Ảnh hƣởng của thông số hình học:
- Ảnh hƣởng của góc trƣớc.
Góc trước

tăng, K giảm (Chất lương 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 trượt trên mặt trước và thoát ra ngoài, do đó khi

tăng biến

dạng của phoi giảm (hình 1.10)

Hình1.10: Quan hệ giữa góc trước và biến dạng của phoi
- 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 lưỡi cắt cong tham gia cắt tăng, phoi thoát ra cong bị biến dạng phụ thêm do
sự giao nhau của chúng trên cung cong (phương thoát phoi xem như thẳng góc với
lưỡi cắt) làm cho biến dạng của phoi tăng, chất lượng bề mặt giảm (hình 3.15)

Hình1.10 Quan hệ giữa bán kính mũi dao r và biến dạng của phoi


15
- Ảnh hƣởng của góc nghiêng chính
+ Khi r = 0, a = S . sin

do đó khi

tăng a tăng , biến dạng của phoi

giảm, chất lương 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 lưỡi cắt cong tham gia cắt tăng, phoi bị biến
dạng phụ thêm do sự giao nhau của lưỡi cắt cong (hình 1.11).Khi r
tăng, sự thay đổi của K phức tạp hơn. Lúc đầu khi
của phoi giảm.

0,

tăng, a tăng, biến dạng

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

càng tăng

Hình 1.11: Ảnh hưởng của

đến biến dạng phoi

- 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 lượng bề mặt giảm), vì vật liệu càng dẻo thì lực liên kết giữa
các nguyên tử trong kim loại càng yếu, khiến cho sự trượt 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 hưởng 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