Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến quá trình cắt khi phay thép 60c2 qua tôi bằng dao phay hợp kim cứng phủ PVD

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------

 

--------

NGUYỄN HỮU HẢI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN QUÁ TRÌNH
CẮT KHI PHAY THÉP 60C2 QUA TÔI BẰNG DAO PHAY
HỢP KIM CỨNG PHỦ PVD.

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số
:

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

TS TRẦN MINH ĐỨC

THÁI NGUYÊN – NĂM 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là: Nguyễn Hữu Hải - Học viên cao học lớp K14 chuyên ngành Kỹ thuật Cơ
khí, khóa 2011- 2013 trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên.

Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trƣờng, tôi lựa chọn thực
hiện đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến quá trình cắt khi
phay thép 60C2 qua tôi bằng dao phay hợp kim cứng phủ PVD”
Đƣợc sự giúp đỡ và hƣớng dẫn tận tình của Thầy giáo TS. Trần Minh Đức
và sự nỗ lực của bản thân, đề tài đã đƣợc hoàn thành.
Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và
chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ một công trình khác, trừ những phần tham
khảo đã đƣợc ghi rõ trong Luận văn.
Thái Nguyên, ngày 18 tháng 11 năm 2014
Học viên

Nguyễn Hữu Hải

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

iii

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS. Trần Minh Đức- Thầy
đã tận tình hƣớng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.

Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trƣờng Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp, Phòng quản lý đào tạo sau đại học, Khoa Cơ khí và bộ môn Chế tạo máy đã

tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện
bản luận văn này.
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.

Mặc dù đã cố gắng song do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc
chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong muốn sẽ nhận
đƣợc những chỉ dẫn từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc
hoàn thiện và có ý nghĩa hơn nữa trong thực tiễn.
Xin trân trọng cảm ơn!

Tác giả

Nguyễn Hữu Hải

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

iv
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................
LỜI CẢM ƠN ...........................................................................................................

i
iii

MỤC LỤC .................................................................................................................

iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..............................................

vii

BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................

ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................

x

PHẦN MỞ ĐẦU ....................................................................................................

-1-

1. Tính cấp thiết của đề tài .....................................................................................

-1-

2. Mục đích và phƣơng pháp nghiên cứu ...............................................................

-2-

3. Đối tƣợng nghiên cứu .........................................................................................

-3-

4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ..............................................................

-3-

5. Nội dung của luận văn ........................................................................................

-3-

Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CẮT GỌT KHI PHAY ............... - 4 1.1. Các thông số cơ bản của quá trình cắt .............................................................

-4-

1.1.1. Quá trình hình thành phoi ............................................................................

-4-

1.1.1.1. Khái niệm và phân loại phoi .....................................................................

-4-

1.1.1.2. Quá trình hình thành phoi khi cắt vật liệu dẻo .......................................... - 5 1.1.1.3. Quá trình hình thành phoi khi phay cứng .................................................

-5-

1.2. Lực cắt .............................................................................................................

-6-

1.2.1. Cơ sở lý thuyết của lực cắt gọt .....................................................................

-6-

1.2.2. Ảnh hƣởng của điều kiện cắt đến lực cắt .....................................................

-7-

1.3. Nhiệt ................................................................................................................

-9-

1.3.1. Nhiệt cắt .......................................................................................................

-9-

1.3.2. Ảnh hƣởng của dung dịch trơn nguội đến nhiệt cắt ................................... - 12 1.4. Khái quát tình hình nghiên cứu về phay cứng ..............................................
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

- 12 />

v
1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên Thế giới ........................................................... - 12 1.4.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam............................................................ - 12 1.5. Kết luận ......................................................................................................... - 13 Chƣơng 2. PHAY CỨNG THÉP 60C2 QUA TÔI BẰNG DAO PHAY HKC
PHỦ PVD ............................................................................................................ - 14 2.1. Đặc điểm quá trình phay cứng thép qua tôi. ................................................. - 14 2.2. Các đặc tính cơ bản của thép lò xo. .............................................................. - 15 2.3. Gia công cắt gọt khi phay.............................................................................. - 16 2.3.1. Khái niệm chung ........................................................................................ - 16 2.3.2. Phân loại dao phay ..................................................................................... - 16 2.3.3. Vật liệu chế tạo dao phay ........................................................................... - 17 2.3.4. Dao phay hợp kim cứng phủ PVD ........................................................... - 172.3.5. Các thông số hình học của dao phay .......................................................... - 18 2.3.6. Các yếu tố của lớp cắt ................................................................................ - 20 2.3.7. Lực cắt khi phay ......................................................................................... - 22 2.3.8. Độ mòn và tuổi bền của dao phay .............................................................. - 23 2.4. Ứng dụng của phay cứng thép 60C2 qua tôi và giới hạn vấn đề nghiên cứu. .... - 24 2.4.1. Ứng dụng .................................................................................................... - 24 2.4.2. Giới hạn vấn đề nghiên cứu ....................................................................... - 24 Chƣơng 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ..................................................... - 26 3.1. Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm ......................................................... - 26 3.1.1. Các nguyên tắc cơ bản của quy hoạch thực nghiệm .................................. - 26 3.1.2. Quy hoạch thực nghiệm và mô hình hồi quy thực nghiệm ........................ - 27 3.2. Giới thiệu hệ thống thực nghiệm ................................................................... - 30 3.2.1. Yêu cầu đối với hệ thống thí nghiệm ......................................................... - 30 3.2.2. Hệ thống thí nghiệm: .................................................................................. - 30 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

vi
3. 3. Thiết bị thí nghiệm ....................................................................................... - 31 3.4. Xử lý số liệu thực nghiệm ............................................................................. - 34 3.4.1.Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm ..................................................................... - 34 3.4.2. Mục đích thí nghiệm .................................................................................. - 35 3.4.3. Trình tự tiến hành thí nghiệm: ................................................................... - 35 3.4.4. Xử lý số liệu: ............................................................................................. - 37 3.5. Thảo luận kết quả .......................................................................................... - 41 3.6. Kết luận chƣơng 3 ......................................................................................... - 42 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ................ - 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. - 45 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

KÍ HIỆU
γ

Ý NGHĨA
Góc trƣớc
Góc tác động

1

Góc trƣợt
Góc cắt

t

Ciều sâu cắt

S

Lƣợng chạy dao

V

Vận tốc cắt

Ra

Độ nhám bề mặt

L

Chiều dài phoi

Lo

Chiều dài cắt
Chiều dầy phoi thực tế

a1
a

Chiều dầy phoi lý thuyết

R

Tổng hợp lực tác dụng lên dao

Ro
R1
N
Fo
N'

F

o

Lực tổng hợp pháp tuyến
Tổng hợp lực tác dụng lên mặt sau
Lực pháp tuyến tác dụng lên mặt trƣớc
Lực ma sát của phoi lên mặt trƣớc
Lực pháp tuyến tác dụng lên mặt sau
Lực ma sát của phoi lên mặt sau

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

viii

Px

P

y

Pz
n

Thành phần lực cắt theo phƣơng X
Thành phần lực cắt theo phƣơng Y
Thành phần lực cắt theo phƣơng Z
Số vòng quay của trục chính

A

Công hớt phoi

A

Công sinh ra biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo

1

A2
A3
Ps
Q
o

Công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt trƣớc dao
Công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt sau dao
Lực trong mặt phẳng trƣợt
Nhiệt lƣợng tỏa ra trong quá trình cắt
Độ mòn dao
Thời gian làm việc của dao

ϕ

Góc nghiêng chính của dao
Góc sau

D

Đƣờng kính dao phay

P

Lực vòng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

ix
BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Các loại phoi .......................................................................................... - 5 Hình 1.2. Sơ đồ quá trình hình thành phoi khi cắt vật liệu dẻo ............................. - 5 Hình 1.3. Sơ đồ tác dụng của lực khi cắt tự do ...................................................... - 6 Hình 1.4. Sơ đồ hình thành và lan tỏa nhiệt ......................................................... - 11 Hình 2.1. Các loại dao phay ................................................................................. - 17 Hình 2.2. Các thông số hình học phần cắt của dao phay mặt đầu ....................... - 19 Hình 2.3. Sơ đồ cắt phoi của răng dao phay ........................................................ - 20 Hình 2.4. Sơ đồ tính góc tiếp xúc ......................................................................... - 21 Hình 2.5. Sơ đồ xác định chiều dày cắt và diện tích lớp cắt của các răng dao phay
khi chúng đồng thời tham gia vào quá trình cắt ................................................... - 21 Hình 2.6. Sơ đồ lực cắt tác dụng lên dao phay trụ ............................................... - 22 Hình 2.7. Các dạng mài mòn của răng dao phay ................................................. - 23 Hình 3.1: Hệ thống thí nghiệm ............................................................................. - 31 Hình 3.2: Trung tâm gia công VMC - 85S .......................................................... - 32 Hình 3.4: Phôi thép lò xo 60C2 ............................................................................ - 33 Hình 3.5:Bộ thiết bị đầu đo lực kế Kistler 9257BA ............................................. - 33 Hình 3.6: Máy đo nhám SJ-201 ........................................................................... - 34 Hình 3.7: Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm ............................................................. - 34 Hình 3.8:Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa S, n và Ra ............................................ - 39 Hình 3.9:Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa S, n và Fx ............................................ - 40 Hình 3.10:Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa S, n và Fy .......................................... - 41 Hình 3.11:Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa S, n và Fz .......................................... - 41 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

x
DANH MỤC BẢNG BIỂU
(Bảng 3.1: Ma trận thực nghiệm 6 điểm) ................................................... - 35 (Bảng 3.2: Kết quả thực nghiệm).................................................................. - 36 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

-1-

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ phay cứng đã và đang phát triển đầy tiềm năng với những ƣu điểm có
thể so sánh (trong nhiều trƣờng hợp có thể thay thế cho mài) với công nghệ mài – một
phƣơng pháp gia công tinh lần cuối mang tính truyền thống đối các thép có độ cứng
cao. Đồng thời trong nhiều trƣờng hợp phay cứng đóng vai trò là nguyên công chuẩn
bị cho nguyên công mài nhằm nâng cao năng suất, chất lƣợng bề mặt của chi tiết gia
công.
- Phay cứng có khả năng tạo ra lớp bề mặt có ứng suất dƣ nén (lớp bề mặt này có
tác dụng nâng cao sức bền mỏi của chi tiết máy)
Hơn nữa, thông thƣờng nhƣ trƣớc đây những chi tiết nhƣ vòng ổ lăn, vòi phun,
bánh răng, cam và những chi tiết của hệ thống thủy lực… sau khi nhiệt luyện phải qua
công đoạn mài, mài khôn. Những công đoạn này thiếu tính linh hoạt và tốn nhiều thời
gian. Một hạn chế nữa là chi phí cho dung dịch trơn nguội của các công đoạn mài khá
cao. Những lý do trên làm tăng chi phí cho các công đoạn gia công chính xác. Mặt
khác chất thải ra khi mài gây ô nhiễm môi trƣờng, thúc đẩy các nhà sản xuất loại dần
khâu mài trong quy trình công nghệ gia công chi tiết.
Vì những lý do trên trong gia công lần cuối so với mài, phay cứng ngày càng
đƣợc các nhà sản xuất yêu thích hơn [14].
Bên cạnh những ƣu điểm nổi bật trên thì phay cứng cũng có những hạn chế đó là
quá trình gia công trong điều kiện khắc nghiệt (không có dung dịch tƣới nguội), lực
cắt lớn dẫn đến rung động lớn trong quá trình phay làm ảnh hƣởng không nhỏ đến
chất lƣợng bề mặt gia công.
Việc áp dụng phay cứng thay cho mài hoặc là bƣớc chuẩn bị cho công đoạn mài
đang trở nên khá phổ biến trên thế giới bởi những ƣu điểm nổi bật của nó. Ở nƣớc ta,
phay cứng đã và đang đƣợc áp dụng và phát triển khá mạnh, các chi tiết, thiết bị trong
các dây truyền công nghệ hiện đại cũng đã đƣợc gia công lần cuối bằng phay cứng
thay cho mài. Đặc biệt đối với trƣờng hợp gia công các loại chi tiết mỏng, dễ cong
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

-2vênh nhƣ: các loại căn lót chịu mài mòn trong đầu máy tàu hỏa thì việc áp dụng công
nghệ phay cứng trƣớc khi mài để nâng cao năng suất, chất lƣợng cho chi tiết là vấn đề
đặt ra cấp thiết hơn bao giờ hết.
Việc nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ cắt đến quá trình cắt, ảnh hƣởng đến chất
lƣợng bề mặt chi tiết gia công trong khi phay cứng và phân tích các quá trình vật lý
trong phay cứng đã và đang đƣợc quan tâm, tiến hành tại nhiều trung tâm, viện nghiên
cứu cũng nhƣ các trƣờng đại học trên thế giới.
Chất lƣợng bề mặt gia công là một trong những yêu cầu quan trọng nhất đối với
chi tiết máy vì nó ảnh hƣởng trực tiếp đến khả năng làm việc, độ bền, độ bền mòn
cũng nhƣ tuổi thọ của chi tiết máy. Quá trình tạo lớp bề mặt gia công có chất lƣợng
bằng phƣơng pháp gia công cơ chịu ảnh hƣởng của nhiều yếu tố công nghệ. Việc
nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ cắt khi phay cứng ảnh hƣởng đến chất lƣợng bề
mặt gia công là cần thiết đối với ngành cơ khí.
Việc nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ cắt khi phay cứng đến quá trình cắt, đến
độ nhám bề mặt khi phay thép 60C2 đã qua tôi và xác định đƣợc bộ thông số chế độ
cắt hợp lý để đạt chất lƣợng bề mặt tốt nhất cho quá trình này đang là yêu cầu cần
thiết của các nhà sản xuất.
Xuất phát từ lý do nêu trên, tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hƣởng của
chế độ cắt đến quá trình cắt khi phay thép 60C2 qua tôi bằng dao phay hợp kim cứng
phủ PVD ” là cần thiết và cấp bách.
2. Mục đích và phƣơng pháp nghiên cứu
2.1. Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ cắt đến quá trình cắt khi phay thép
60C2 qua tôi (đánh giá thông qua lực cắt) và chất lƣợng bề mặt đạt đƣợc sau
khi gia công (đánh giá thông qua nhám bề mặt Ra).
2.2. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, trong đó chủ yếu là nghiên
cứu thực nghiệm.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

-33. Đối tƣợng nghiên cứu
Vật liệu gia công: Thép lò xo 60C2 qua tôi đạt độ cứng: 35 ÷ 38 HRC
Máy công cụ: Trung tâm gia công VMC - 85S - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp – Đại học Thái Nguyên.
Dao: Dao phay mặt đầu gắn mảnh HKC phủ PVD
Phƣơng pháp: Phay tinh mặt phẳng
4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học:
+ Bổ sung lý về phay cứng khi gia công thép đã qua tôi có độ cứng cao, đặc biệt
là thép lò xo 60C2 qua tôi.
+ Xây dựng đƣợc mối quan hệ giữa các thông số của nhám bề mặt (R a), với các
thông số của chế độ cắt (S, V) khi phay mặt phẳng dƣới dạng các hàm thực nghiệm.
+ Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho việc nghiên cứu tối ƣu hoá quá trình phay cứng.
- Ý nghĩa thực tiễn: Sử dụng làm cơ sở cho việc lựa chọn chế độ cắt khi phay
cứng các loại thép đã qua tôi có độ cứng cao tại các cơ sở sản xuất ở Việt Nam để nâng
cao độ chính xác, và chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công.
5. Nội dung của luận văn
Kết cấu của luận văn bao gồm ba chƣơng và phần kết luận chung:
Chương 1: Tổng quan về gia công cắt gọt khi phay
Chương 2: Phay cứng thép 60C2 qua tôi bằng dao phay hợp kim cứng phủ PVD
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm và xử lý số liệu
Kết luận chung và thảo luận kết quả

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

-4Chƣơng 1:
TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CẮT GỌT KHI PHAY
1.1. Các thông số cơ bản của quá trình cắt
1.1.1. Quá trình hình thành phoi
1.1.1.1. Khái niệm và phân loại phoi

* Gia công kim loại bằng cắt gọt là một phương pháp gia công kim loại rất phổ
biến trong ngành cơ khí chế tạo máy.
Quá trình cắt kim loại là quá trình con ngƣời sử dụng các dụng cụ cắt để hớt đi lớp
kim loại thừa khỏi chi tiết, nhằm đạt đƣợc những yêu cầu cho trƣớc về hình dáng, kích
thƣớc, vị trí tƣơng quan giữa các bề mặt và chất lƣợng bề mặt của chi tiết gia công.

Lớp kim loại thừa trên chi tiết cần hớt bỏ đi đƣợc gọi là lƣợng dƣ gia công
cơ. Lớp kim loại đã bị cắt bỏ khỏi chi tiết đƣợc gọi là phoi cắt.
* Phân loại phoi
- Phoi dây (Hình 1.1a) đƣợc hình thành khi gia công vật liệu dẻo với chiều sâu
cắt nhỏ, tốc độ cắt và góc trƣớc lớn [4].
- Phoi xếp lớp (Hình 1.1b) đƣợc hình thành khi gia công thép và các vật liệu
dẻo khác với chiều sâu cắt lớn, tốc độ cắt và góc trƣớc nhỏ [4].
- Phoi vụn (Hình 1.1c) đƣợc hình thành khi gia công các vật liệu dẻo với chiều
sâu cắt lớn, tốc độ cắt và góc trƣớc nhỏ [4].
Khi gia công các vật liệu giòn (gang) với chiều sâu cắt và góc trƣớc
phoi vụn. (Hình 1.1d) có hình dạng không giống nhau đƣợc hình thành.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

lớn thì

/>

-5(Hình 1.1. Các loại phoi)
1.1.1.2. Quá trình hình thành phoi khi cắt vật liệu dẻo
Khi dao dịch chuyển các phân tử kim loại lúc đầu bị nén đàn hồi (hình 2a), sau
đó bị biến dạng dẻo, quá trình biến dạng dẻo tăng dần cho đến khi bị lực liên kết bên
trong của các phân tử chặn lại. Ở thời điểm này xảy ra sự xếp lớp của các phần tử phoi
và sự trƣợt của chúng trên mặt phẳng BC (hình 1.2b). Hiện tƣợng tƣơng tự cũng xảy
ra đối với các phần tử tiếp theo từ 1 5 (hình 1.2c).

(Hình 1.2. Sơ đồ quá trình hình thành phoi khi cắt vật liệu dẻo)
Biến dạng dẻo xảy ra trong vùng đƣợc giới hạn bằng góc , góc này đƣợc gọi góc
tác động. Góc 1 gọi là góc trƣợt, còn mặt phẳng BC gọi là mặt phẳng trƣợt.
Quá trình hình thành phoi trên đây xảy ra khi gia công các vật liệu dẻo với chiều
sâu cắt lớn và góc cắt nhỏ.
1.1.1.3. Quá trình hình thành phoi khi phay cứng
Đối với quá trình hình thành phoi khi phay cứng cũng có những đặc điểm cơ
bản nhƣ khi quá trình hình thành phoi khi gia công vật liệu dẻo, tuy nhiên đối với phay
cứng do chiều sâu cắt nhỏ, tốc độ cắt lớn nên phoi hình thành trong quá trình phay
cứng thƣờng là phoi dây.
Biến dạng cắt khi tạo phoi dây là bé nhất. Do vậy trong những trƣờng hợp gia
công tinh ta cần cố gắng tạo phoi dây bằng cách nâng cao tốc độ cắt.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

-6Khi tạo phoi dây, do phoi đƣợc hình thành một cách liên tục, do đó dẫn đến lực
cắt khá ổn định, ít rung động. Do vậy dễ đạt đƣợc các chỉ tiêu về độ nhám bề mặt, chất
lƣợng bề mặt cao.
1.2. Lực cắt
1.2.1. Cơ sở lý thuyết của lực cắt gọt
Trong quá trình cắt, dụng cụ cắt chịu tác dụng của các lực. Các lực này tác

dụng lên phôi và lƣỡi cắt. Hình 1.3a là sơ đồ lực tác động lên phôi khi cắt tự do.

(Hình 1.3. Sơ đồ tác dụng của lực khi cắt tự do)
Mặt trƣớc của dao chịu tác dụng của lực R 0, lực R0 là tổng hợp lực pháp tuyến N và
lực ma sát của phoi lên mặt trƣớc F 0, có nghĩa là: R0= N + F0. Mặt sau của dao (gần lƣỡi
cắt) chịu tác dụng của lực pháp tuyến N’ và lực ma sát lên mặt sau của dao F 0’.

Tổng hai lực N’ và F0’ là R1. Vì góc sau α nhỏ và có độ mòn ở mặt sau của dao, cho
nên ta có thể tính lực nhƣ trên hình 1.4b, có nghĩa là phƣơng của lực F 0’ ngƣợc với
phƣơng tốc độ cắt V. Để thực hiện đƣợc quá trình cắt hoặc để giữ trạng thái cân bằng
của dao thì từ ngoài phải có một lực tác dụng lên dao R = R0+ R1
Phân tích lực R tác dụng lên dao ra hai thành phần:
- Thành phần lực Pz theo phƣơng chuyển động chính hoặc theo phƣơng dịch
chuyển của dao và ta gọi Pz là lực tiếp tuyến.
- Thành phần lực Py theo phƣơng trùng với đƣờng tâm dao và ta gọi P y là lực
hƣớng kính. Khi chiếu các lực lên phƣơng của trục y và trục z ta đƣợc:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

-7Pz = Ncosγ + F0sinγ + F0’
Py = -Nsinγ + F0cosγ+ N’
Lực pháp tuyến N có thể xác định theo công thức gần đúng sau đây:
N =σ0tSK

m

Trong đó:
2

σ0: giới hạn chảy của vật liệu gia công khi bị nén (kG/mm );
t: chiều sâu cắt (mm);
S: lƣợng chạy dao (mm/vòng);
K: hệ số co rút phoi;
m: số mũ của K (phụ thuộc vào vật liệu gia công).
Ngoài hai thành phần lực Pz và Py còn có thêm thành phần lực Px (lực tác dụng theo
phƣơng trục chi tiết).
Tƣơng quan của các thành phần lực này trong điều kiện gia công bình thƣờng có thể
đƣợc tính nhƣ sau [4]:
Px = (0,2 ÷ 0,3)Pz
Py = (0,3 ÷ 0,4)Pz
1.2.2. Ảnh hƣởng của điều kiện cắt đến lực cắt
Điều kiện cắt gọt bao gồm nhiều yếu tố nhƣ chế độ cắt S, V, t, độ cứng vững
của hệ thống công nghệ; có hay không tƣới dung dịch trơn nguội vào vùng cắt,…Ở
đây ta chỉ khảo sát ảnh hƣởng của chế độ cắt đến lực cắt.
Khảo sát ảnh hƣởng của các thông số S, V, t đến lực cắt trong quá trình cắt. Sử
dụng nguyên lý cộng tác dụng, khi nghiên cứu ảnhs hƣởng của một thông số nào đó,
trong thí nghiệm ta cho tất cả các yếu tố khác không thay đổi và chỉ cho yếu tố đang

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

-8xét thay đổi, sau đó tổng hợp lại ta nhận đƣợc ảnh hƣởng đồng thời của các yếu tố xét
đến lực cắt.
Ảnh hưởng của chiều sâu cắt t đến lực cắt.
Vì chiều rộng cắt b = t/sin có ý nghĩa vật lý trong quá trình cắt nên ta sẽ khảo
sát ảnh hƣởng của b đến lực cắt Pv.
Thực hiện cắt thử nghiệm với các yếu tố khác không đổi, cho b thay đổi các giá

trị khác nhau, ta đo đƣợc các giá trị lực cắt Pv tƣơng ứng nhƣ trên đồ thị.
Từ đồ thị ta nhận thấy rằng khi tăng b thì lực cắt cũng tăng. Nếu nhƣ cắt với

P

C

v

x

.b p

lực cắt P v (N)

chiều dày cắt atb = 1mm thì lực cắt chính Pv đƣợc tính bằng công thức sau:

v

pv

Kết quả xử lý số liệu đo
đƣợc nhƣ đồ thị ta
nhận đƣợc:

x
pv

1

chiều rộng cắt b (mm)

Ảnh hưởng của lượng chạy dao s đến lực cắt.
Vì chiều dày cắt a = s.sin có ý nghĩa vật lý trong quá trình cắt nên ta sẽ khảo sát
ảnh hƣởng của a (qua atb) đến lực cắt Pv.
Thực hiện cắt thử nghiệm với các yếu tố khác không đổi với b=1mm, cho a thay
đổi các giá trị khác nhau, ta đo đƣợc các giá trị lực cắt P v tƣơng ứng.
Bằng cách xử lý các số liệu đo ta có thể biểu diễn mối quan hệ giữa lự cắt và a
nhƣ sau:

P
v

C

.a

yp

v

pv

Từ đồ thị Hình vẽ trên ta nhận thấy rằng khi tăng chiều dày cắt a thì lực cắt cũng
tăng, nhƣng không tăng nhiều nhƣ đối với b, vì rằng khi tăng a thì sẽ tăng độ lớn của
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

-9góc tách phoi dẫn đến giảm lực cắt đơn vị, mặt khác khi tăng a thì không làm tăng chiều

dài làm việc thực tế của lƣỡi cắt một cách tuyến tính nhƣ khi tăng chiều rộng cắt b.

Kết hợp cho thay đổi đồng thời chiều rộng cắt b và chiều dày cắt a, mối quan hệ
giữa lực cắt Pv và b, a đƣợc viết nhƣ sau:

P

C

v

x

.b p .a
v

yp

v

p

v

Hoặc có thể viết theo S

C' .
pv
t

P
v

xp

v

.s

yp

v

Trong đó ta nhận thấy:

x
pv

y
pv

Ảnh hưởng của tốc độ cắt v đến lực cắt.
Qua thực nghiệm ta thấy rằng: ở tốc độ cắt thấp mối quan hệ giữa tốc độ cắt v
với lực cắt P rất phức tạp và khó xác định qui luật. Tuy nhiên khi cắt với tốc độ phổ
biến ở phạm vi tốc độ cao nhƣ ngày nay đang sử dụng thì nhận thấy rằng khi tăng tốc
độ cắt v , lực cắt hầu nhƣ không thay đổi hoặc thay đổi không đáng kể. Do vậy để đơn
giản trong công thức tính lực cắt ta thƣờng bỏ qua yếu tố tốc độ cắt.
1.3. Nhiệt
1.3.1. Nhiệt cắt
Hiện tƣợng nhiệt trong quá trình cắt đóng vai trò rất quan trọng, bởi vì nó ảnh

hƣởng đến quá trình tạo phoi, lẹo dao, co rút phoi, lực cắt và cấu trúc lớp bề mặt.
Ngoài ra, nhiệt cắt còn ảnh hƣởng rất lớn đến cƣờng độ mòn và tuổi bền dao [4].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 10 Sự tỏa nhiệt khi cắt là do một công A (kGm) sinh ra trong quá trình hớt phoi.
Công A đƣợc xác định theo công thức: A = A1 + A2 + A3 (1)
Trong đó:
A1: công sinh ra biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo;
A2: công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt trƣớc của dao;
A3: công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt sau của
dao. Mặt khác, công A đƣợc tính theo công thức: A = Pz.L
Trong đó:
Pz: lực cắt tác dụng theo phƣơng tốc độ cắt (kG);
L: quãng đƣờng mà dụng cụ đi qua hay chiều dài cắt (m).
Các công thành phần trong công thức (1) có tỉ lệ nhƣ sau: A1 = 55%, A2 = 35%,
A3 = 10%. Nếu lấy quãng đƣờng mà dụng cụ đi qua trong một phút, ta có công thức
trong một phút:
A = Pz.V = Ps.Vs + F.VF + F1.VF1
Trong đó:
V: tốc độ cắt (m/phút);
Pz: lực trong mặt phẳng trƣợt hay lực trƣợt (kG);
Vs :

tốc độ trƣợt (m/phút);

F: lực ma sát ở mặt trƣớc của dao (kG);
F1: lực ma sát ở mặt sau của dao (kG);
VF = V/K: tốc độ chuyển động của phoi ở mặt trƣớc của dao (m/phút);

K: hệ số co rút phoi;
VF1: tốc độ chuyển động của bề mặt gia công tƣơng đối so với mặt trƣớc của
dao (m/phút), VF1 = V.
Thực tế cho thấy, phần lớn công cắt gọt A (hơn 99,5%) sinh ra nhiệt cắt. Vì
vậy, lƣợng nhiệt tỏa ra trong quá trình cắt là:
Q =A/427 = Pz.V/427
Nhiệt cắt Q đƣợc tính bằng kcal/phút.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 11 Nhiệt trong quá trình cắt lan tỏa từ điểm có nhiệt độ cao nhất đến điểm có nhiệt
độ thấp nhất. Nhiệt trong quá trình cắt chủ yếu tập trung ở phoi và một phần ở dụng
cụ. Nhiệt do ma sát ở mặt trƣớc và mặt sau sẽ tập trung ở mặt trƣớc III và mặt sau IV,
ở phoi II và chi tiết gia công I (hình 1.4). Có một phần nhỏ nhiệt tỏa ra vào môi trƣờng
xung quanh.

(Hình 1.4. Sơ đồ hình thành và lan tỏa nhiệt)
Khi biết lƣợng nhiệt sinh ra trong quá trình cắt lan tỏa giữa phoi, chi tiết gia
công và dụng cụ, có thể viết phƣơng trình nhiệt nhƣ sau:
Q = Q1 + Q2 + Q3 = Qp + Qd + Qc + Qm
Trong đó:
Q1, Q2, Q3: nhiệt ứng với các công ở công thức (1);
Qp, Qd, Qc, Qm: nhiệt ở phoi, ở dụng cụ, ở chi tiết và ở môi trƣờng xung quanh.

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy khi gia công với tốc độ cắt không lớn
(30 ÷ 40 m/phút) tỉ lệ nhiệt nhƣ sau:
Qp ≈ 60 ÷ 70%; Qd ≈ 3%; Qc ≈30 ÷ 40%; Qm ≈ 1 ÷ 2%. Khi tốc độ cắt tăng, tỉ lệ
nhiệt vào phoi tăng. Ví dụ, khi tốc độ cắt V = 400 ÷ 500 m/phút, nhiệt vào phoi Qp ≈

97 ÷ 98%; Qd ≈ 1%. Thực nghiệm cũng đã khẳng định rằng tính dẫn nhiệt của chi tiết
gia công càng nhỏ thì nhiệt tỏa vào dụng cụ càng lớn. [4]
Khi cắt với tốc độ V = 10 m/phút, nhiệt độ lớn nhất trên mặt trƣớc của dao khoảng
0

0

540 C, còn trên khoảng cách 0,2 mm của mặt trƣớc nhiệt độ khoảng 450 C. Khi tốc độ
0

0

cắt là V = 200 m/phút nhiệt độ ở các nơi tƣơng ứng là 1265 C và 400 C. [4]

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 12 Khi gia công vật liệu có tính dẫn nhiệt thấp, ví dụ hợp kim Titan BT2 thì nhiệt độ
vào dao lớn hơn khi gia công các vật liệu thông thƣờng khác.
Khi nói về nhiệt độ cắt, cần nhớ rằng nó có giá trị không nhƣ nhau ở các điểm
khác nhau của vùng cắt. Ở các điểm khác nhau của bề mặt dụng cụ và phoi có nhiệt độ
khác nhau. Ngoài ra, tại mỗi điểm nhiệt độ có thể thay đổi theo thời gian. Nhiệt độ cao
nhất tồn tại ở tâm áp lực của phoi xuống dao và ở lƣỡi cắt chính. [4]
1.3.2. Ảnh hƣởng của dung dịch trơn nguội đến nhiệt cắt
Dung dịch trơn nguội xâm nhập vào vùng cắt có tác dụng làm mát và tải nhiệt ra
khỏi vùng cắt, do đó làm nhiệt độ vùng cắt giảm xuống. [4]
1.4. Khái quát tình hình nghiên cứu về phay cứng
1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên Thế giới
Việc áp dụng phay cứng thay cho mài hoặc là nguyên công chuyển bị cho mài

đang trở nên khá phổ biến trên thế giới bởi những ƣu điểm nổi bật của nó, nhất là hiện
nay khi vấn đề ô nhiễm môi trƣờng do các loại chất hóa học đƣợc sử dụng làm dung
dịch tƣới nguội cho quá trình mài hoặc phay đang đƣợc sự quan tâm đặc biệt của toàn
thế giới.
Việc nghiên cứu ảnh hƣởng của các nhân tố đến quá trình phay cứng, phân tích
các quá trình vật lý trong phay cứng đã và đang đƣợc quan tâm, tiến hành tại nhiều
trung tâm, viện nghiên cứu cũng nhƣ các trƣờng đại học trên thế giới.
H. Ding et al cùng các cộng sự đã nghiên cứu sử dụng hỗ trợ của rung động vào trong
gia công phay cứng, đƣợc đăng trên tạp chí quốc tế máy công cụ và sản xuất, tháng 12
năm 2010. Còn với S. Melkote cùng các cộng sự của ông là M. Kumar, F. Hashimoto
theo cách khác đã nghiên cứu đề tài: “Laser hỗ trợ phay micro (micro milling) để phay
các vật liệu cứng, đƣợc đăng trên tạp chí CIRP Annals - Manufacturing Technology,
năm 2009.
1.4.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam
Ở nƣớc ta, phay cứng đã và đang đƣợc áp dụng và phát triển khá mạnh mẽ. Đã
có một số công trình nghiên cứu về phay cứng nhƣ: Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng
bề mặt chi tiết gia công bằng tối ƣu hóa một số yếu tố kỹ thuật của quá trình phay tinh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 13 trên máy công cụ CNC, Nghiên cứu ảnh hƣởng của các thông số chế độ cắt đến mòn
và tuổi bền của dao phay hợp kim cứng phủ TiAlN khi phay thép hợp kim đã qua tôi,...
1.5. Kết luận
Chất lƣợng bề mặt gia công là một trong những yêu cầu quan trọng nhất đối với
chi tiết máy vì nó ảnh hƣởng trực tiếp đến khả năng làm việc, độ bền, độ bền mòn
cũng nhƣ tuổi thọ của chi tiết máy. Quá trình tạo lớp bề mặt gia công có chất lƣợng
bằng phƣơng pháp gia công cơ chịu ảnh hƣởng của nhiều yếu tố công nghệ. Việc
nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ cắt khi phay cứng đến quá trình cắt, đến độ nhám bề
mặt khi phay thép đã qua tôi và xác định đƣợc bộ thông số chế độ cắt hợp lý để đạt

chất lƣợng bề mặt tốt nhất đang là yêu cầu cấp thiết của các nhà sản xuất cơ khí.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 14 Chƣơng 2
PHAY CỨNG THÉP 60C2 QUA TÔI BẰNG DAO PHAY HKC PHỦ PVD
2.1. Đặc điểm quá trình phay cứng thép qua tôi.
Phay cứng là nguyên công phay các chi tiết đã qua tôi (thƣờng là thép hợp kim)
có độ cứng cao khoảng từ 40 ÷ 65 HRC đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ô tô,
tàu hỏa, chế tạo bánh răng, vòng ổ, dụng cụ, khuôn mẫu vv… phay cứng thƣờng đƣợc
sử dụng thay cho nguyên công mài khi gia công chính xác các chi tiết máy, khuôn mẫu
có kích thƣớc nhỏ, các chi tiết có hình dáng phức tạp và đạt năng suất cao.
Phay cứng cho độ chính xác và nhám bề mặt tƣơng đƣơng với mài nhƣng phay
cứng có khả năng tạo nên lớp bề mặt có ứng suất 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. Phay cứng thƣờng dùng trong nguyên công phay tinh với độ
chính xác tƣơng đƣơng nguyên công mài. Trong một số trƣờng hợp gia công khuôn
mẫu không sử dụng đƣợc mài mà chỉ sử dụng phƣơng pháp phay tinh nên các yêu cầu
về độ chính xác, độ cứng vững của hệ thống công nghệ đặt ra rất khắt khe.
Khi gia công thép đã tôi, ngƣời ta thƣờng gia công khô hoàn toàn. Các thông
tin đáng tin cậy chỉ ra rằng cắt khô hoàn toàn thép đã tôi khi so sánh với cắt tƣới tràn
giảm đƣợc lực cắt và công suất đặt lên chi tiết của máy công cụ là kết quả của sự tăng
nhiệt độ cắt.
Khi phay cứng ngƣời ta áp dụng phƣơng pháp phay cao tốc vì khi phay cao
tốc, nhiệt lƣợng phát ra lớn mà thời gian để nhiệt lƣợng đó tản đi ngắn. Cho nên nhiệt
0

độ ở vùng cắt có lúc quá 700 800 c. Dƣới ảnh hƣởng của nhiệt độ đó, kim loại bị cắt

gọt sẽ mềm đi và trở thành dễ cắt, nhƣ vậy tuổi thọ của dao sẽ tăng lên. Trong điều
kiện này, không phải độ cứng của vật phay hạn chế tuổi thọ của lƣỡi cắt và chính là
nhiệt độ của vật phay. Ở nhiệt độ này, chủ yếu là lƣỡi cắt cần thiết có giữ đƣợc tính
năng cắt gọt của nó. Các loại dao cácbít, dao CBN, dao phủ PVD thích hợp cho trƣờng
0

hợp này vì nó vẫn duy trì đƣợc độ cứng ở nhiệt độ 1000 1100 C.
Bên cạnh những ƣu điểm nổi bật trên thì phay cứng còn có những nhƣợc điểm
đánh kể đó là quá trình phay cứng phát ra một lƣợng nhiệt rất lớn, nóng nhất ở chỗ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 15 phoi tiếp xúc với mặt trƣớc. Trong đó, 60

80% nhiệt lƣợng truyền sang phoi, 10

40% nhiệt lƣợng truyền vào dao, 3 9% truyền vào vật đang gia công và 1 2,5% tản vào
môi trƣờng xung quanh. Nhiệt gây ra nhiều tác hại lớn cho gia công cắt gọt, là một
trong những nguyên nhân chủ yếu hạn chế năng suất cắt gọt. Đối với chi tiết gia công,
nhiệt lƣợng truyền sang đó sẽ đƣợc dự trữ để gây tác hại cho dao, mặt khác còn làm
giãn nở chi tiết dẫn đến việc đo kiểm khó chính xác. Tuy phôi bị nóng mềm hơn nên
dễ cắt gọt hơn, song ảnh hƣởng xấu là cơ bản.
Vấn đề đặt ra cho các nhà kỹ thuật cơ khí là phải tìm cách nghiên cứu để tận
dụng tối đa đƣợc những những ƣu điểm và hạn chế đến mức tối thiểu các tác động có
hại trong quá trình gia công khi thực hiện phay cứng. Để đáp ứng đƣợc điều này thì
việc cần thiết phải nghiên cứu và tìm ra đƣợc các thông số chế độ cắt hợp lý đáp ứng
một cách hiệu quả nhất cho quá trình cắt, đảm bảo năng xuất và chất lƣợng sản phẩm
đồng thời năng cao đƣợc tuổi thọ của dao phay.
2.2. Các đặc tính cơ bản của thép lò xo.

Thép lò xo đƣợc hiểu là loại thép có khả năng đàn hồi cao, thƣờng đƣợc dùng để
chế tạo các loại lò xo (spring), đệm vênh (clip, có lắp trong cần khởi động xe máy),
căn lót trong các đầu máy tàu hỏa, ... Khả năng đàn hồi này của thép lò xo ổn định nhất
sau khi nhiệt luyện để đạt độ cứng từ 42 ÷ 48 HRC.
Thép lò xo có nhiều loại khác nhau. Đối với những yêu cầu kỹ thuật không cao,
vật liệu sử dụng thƣờng là các mác thép carbon cao (%C > 0.6%, tƣơng đƣơng các
mác từ C60 trở lên). Khả năng đàn hồi của các mác thép này chủ yếu đƣợc tạo ra nhờ
độ cứng cao sau nhiệt luyện. Các mác thƣờng đƣợc dùng là S60C ÷S80C(JIS).Một
thành phần khác đƣợc sử dụng nhiều nhất trong việc chế luyện các loại thép lò xo là
Silic (Si). Do những đặc điểm của mình, khi đi vào mạng tinh thể của thép, Si làm xô
lệch mạng theo hƣớng làm tăng khả năng đàn hồi. Đại diện cho loại thép hợp kim này
là mác thép 60C2 (GOST), S60CM(JIS), có bổ sung thêm Mo để tăng độ thấm tôi và
làm nhỏ hạt khi nung ở nhiệt độ cao).
Trong nhiều trƣờng hợp, thành phần Si đƣợc thay thế bằng Mn hoặc các nguyên
tố hợp kim khác có tác dụng tƣơng đƣơng (đều có khả năng tạo carbid nhƣ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>