Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt (v, s, t) đến độ mòn của dao phay trụ đứng bằng thép gió sản xuất tại việt nam khi gia công thép 45

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Anh Đức - Mã số: CB101283;
Học viên cao học lớp: 10B CTM;
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy;
Viện Cơ khí - Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Tôi xin cam đoan: Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ kỹ thuật đề tài: “ Nghiên
cứu ảnh hưởng của chế độ cắt V, S, t đến độ mòn của dao phay trụ đứng thép gió
sản xuất tại Việt Nam khi gia công thép 45 ”.
Do thầy PGS.TS Trần Thế Lục hướng dẫn.
Đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, tất cả các nội dung trong luận văn
đều được giâo viên hướng dẫn thông qua và đạt yêu cầu, các tài liệu tham khảo đều
có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng.
Nếu có vấn đề gì trong nội dung luận văn tôi xin hoàn toàn chịu trách
nhiệm.

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập, nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp, nhất là
thầy PGS.TS Trần Thế Lục và các thầy cô trong bộ môn: Nguyên lý gia công vật
liệu và dụng cụ công nghiệp.
Tôi xin chân trọng cám ơn !

Tác giả

Nguyễn Anh Đức


MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan

1

Mục lục

2

Danh mục các bảng biều

5

Danh mục các hình vẽ

6

Danh mục các ký hiệu và viết tắt

8

Phần mở đầu

9

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về quá trình cắt

11

1.1. Các loại vật liệu dụng cụ thường dùng trong ngành chế tạo máy

11

1.1.1. Đặc tính cơ bản chung của vật liệu dụng cụ

11

1.1.1.1. Độ cứng

11

1.1.1.2. Độ bền cơ học

11

1.1.1.3. Tính chịu nhiệt

11

1.1.1.4. Tính chịu mòn

12

1.1.1.5. Tính công nghệ

12

1.1.2. Các loại vật liệu dụng cụ

12

1.1.2.1. Thép các bon dụng cụ

12

1.1.2.2. Thép hợp kim dụng cụ

13

1.1.2.3. Thép gió

13

1.1.2.4. Hợp kim cứng

17

1.1.2.5. Vật liệu sứ

18

1.1.2.6. Vật liệu tổng hợp

19

1.2. Cơ sở vật lý quá trình cắt kim loại

19

1.2.1. Cấu tạo tinh thể kim loại

20

1.2.1.1. Cấu tạo nguyên tử

20

1.2.1.2. Liên kết kim loại

21

1.2.1.3. Cấu tạo mạng tinh thể kim loại

21

2


1.2.2. Sự biến dạng của tinh thể

22

1.2.2.1 Biến dạng dẻo của đơn tinh thể

24

1.2.2.2. Biến dạng dẻo của đa tinh thể

25

1.2.3. Quá trình cắt và tạo phoi

26

1.2.4. Các dạng phoi

30

1.2.4.1. Phoi xếp

30

1.2.4.1. Phoi dây

31

1.2.4.2. Phoi vụn

31

1.2.5. Sự co rút phoi và các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số co rút phoi

32

1.2.5.1. Ảnh hưởng của vật liệu gia công

33

1.2.5.2. Ảnh hưởng của góc cắt

34

1.2.5.3. Ảnh hưởng của góc nghiêng chính φ

35

1.2.5.4.Ảnh hưởng của chế độ cẳt

37

a. Tốc độ cắt

37

b. Chiều dày cắt

37

1.2.6. Hiện tượng lẹo dao

38

Chương II: Đặc điểm quá trình cắt khi phay

44

2.1. Động học quá trình cắt khi phay

44

2.1.1. Các yếu tố của chế độ cắt khi phay

46

2.1.1.1. Chiều sâu cắt

46

2.1.1.2. Lượng chạy dao

46

2.1.1.3. Tốc độ cắt

46

2.1.2. Lớp kim loại bị cắt khi phay

47

2.1.2.1. Chiều sâu phay t

47

2.1.2.2. Chiều rộng phay B

48

2.1.2.3. Góc tiếp xúc

48

2.1.2.4. Chiều dầy cắt a

48

2.1.2.5. Chiều rộng lớp cắt b

49

2.2. Các thành phần lực cắt khi phay

51

3


2.3. Đặc điểm của dao phay trụ đứng

56

2.4. Mòn và tuổi bền dụng cụ cắt

58

2.4.1. Khái niệm mòn dụng cụ

58

2.4.2. Cơ chế mài mòn dụng cụ

59

2.4.2.1. Mài mòn vì chảy dính

59

2.4.2.2. Mài mòn hạt mài

62

2.4.2.3. Mòn khuyếch tán

63

2.4.4. Mòn oxy hóa

63

2.4.5. Mòn do nhiệt

64

2.4.3. Các dạng mài mòn phần cắt dụng cụ

64

2.4.3.1. Mài mòn theo mặt sau

65

2.4.3.2. Mài mòn theo mặt trước

65

2.43.3. Mòn đồng thời mặt trước và mặt sau

65

2.4.3.4. Mòn tù lưỡi cắt

65

2.4.4. Cách xác định vùng mòn theo tiêu chuẩn ISO 3685 : 1993

66

2.4.5. Chỉ tiêu đánh giá mòn dụng cụ

67

2.4.6. Tuổi bền dụng cụ cắt

68

2.4.6.1. Khái niệm tuổi bền dụng cụ

68

2.4.6.2. Ảnh hưởng các yếu tố đến tuổi bền

68

Chương III: Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của chế độ cắt...

71

3.1. Chuẩn bị thí nghiệm

71

3.1.1. Máy thí nghiệm

71

3.1.2. Dụng cụ thí nghiệm

72

3.1.3. Vật liệu thí nghiệm

73

3.1.4. Dụng cụ đo mòn dao

74

3.1..5. Bề mặt gia công

74

3.2. Kết quả thí nghiệm

75

3.2.1. Thí nghiệm 1

76

3.2.2. Thí nghiệm 2

79

4


3.3.3. Thí nghiệm 3

81

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

84

4.1. Kết luận

84

4.2. Kiến nghị

85

Tài liệu tham khảo

86

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1. Thành phần hóa học của một số loại thép gió

14

Bảng 1.2. Công dụng của thép gió theo ISO và một số nước

15

Bảng 1.3. Giá trị của hệ số co rút phoi

34

Bảng 2.1. Dao phay trụ đuôi trụ (TJC 0308)

56

Bảng 2.2. Dao phay trụ đuôi côn (TJC 0307)

56

Bảng 3.1.Dãy tốc độ cắt của máy phay ENSHU

72

Bảng 3.2. Dãy bước tiến của máy phay ENSHU

72

Bảng 3.3. Thành phần hóa học của dao

73

Bảng 3.4. Thành phần hóa học của thép 45

73

Bảng 3.5. Kết quả thí nghiệm 1

76

Bảng 3.6. Bảng số liệu hàm hồi quy của hs theo V

77

Bảng 3.7. Bảng số liệu tính toán hàm hồi quy hs theo V

77

Bảng 3.8. Kết quả thí nghiệm 2

79

Bảng 3.9. Bảng số liệu hàm hồi quy của hs theo S

80

Bảng 3.10. Bảng số liệu tính toán hàm hồi quy hs theo S

80

Bảng 3.11. Kết quả thí nghiệm 3

81

Bảng 3.12. Bảng số liệu hàm hồi quy của hs theo t

82

Bảng 3.13. Bảng số liệu tính toán hàm hồi quy hs theo t

82

5


DANH MỤC CÁC BẢNG HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1. Sơ đồ tôi và ram thép gió

15

Hình 1.2. Các kiểu mạng tinh thể của kim loại

21

Hình 1.3. Sơ đồ kéo kim loại

23

Hình 1.4. Sơ đồ hóa miền tạo phoi

27

Hình 1.5. Miền tạo phoi ứng với tốc độ cắt khác nhau

28

Hình 1.6. Tính góc trượt

29

Hình 1.7. Các dạng phoi

30

Hình 1.8. Sơ đồ tính toán sự co rút phoi

35

Hình 1.9.a. Ảnh hưởng của góc nghiêng chính φ đến đến hệ số co rút phoi

36

Hình 1.9.b. Phương thoát phoi khi lưỡi cắt cong

36

Hình 1.10. Quan hệ giữa chế độ cắt và hệ số co rút phoi

38

Hình 1.11. Các dạng lẹo dao

39

Hình 1.12. Quan hệ giữa tốc độ cắt và chiều cao lẹo dao

40

Hình 1.13. Quan hệ giữa độ dẻo của VLGC với chiều cao lẹo dao

41

Hình 1. 14. Quan hệ giữa chiều dày cắt với tốc độ hình thành và chiều ...

41

Hình 1. 15. Quan hệ giữa góc trước  với tốc độ hình thành và chiều ...

42

Hình 1.16. Điều kiện hình thành lẹo dao

43

Hình 2.1. Các dạng dao phay chủ yếu

45

Hình 2.2. Quỹ đạo của lưỡi cắt khi phay

47

Hình 2.3. Góc tiếp xúc khi phay

48

Hình 2.4. Chiều rộng lớp cắt khi phay bằng dao phay trụ răng xoắn

49

Hình 2.5. Lực cắt khi phay nghịch

51

Hình 2.6. Lực cắt khi phay thuận

51

Hình 2.7. Ảnh hưởng của a và ω đến Px/Pz

53

Hình 2.8. Quan hệ Pv/Pz và t/D khi phay thép

54

6


Hình 2.9. Quan hệ Ph/Pz và t/D khi phay thép

54

Hình 2.10. Thành phần lực khi phay bằng dao phay trụ răng xoắn

55

Hình 2.11. Dao phay trụ đuôi trụ sản xuất tại Việt Nam

58

Hình 2.12. Dao phay trụ đuôi côn sản xuất tại Việt Nam

58

Hình 2.13. Các dạng mòn phần cắt dụng cụ

64

Hình 2.14. Sự phát triển vùng mòn theo tiêu chuẩn ISO 3185 : 1993

66

Hình 2.15. Quan hệ giữa lượng mòn và thời gian

67

Hình 2.16. Quan hệ giữa V và T (đồ thị Logarit)

69

Hình 3.1. Máy phay đứng ENSHU

71

Hình 3.2. Dao phay trụ đứng thép gió  16 sản xuất tại Việt Nam

73

Hình 3.3. Kính lúp đo độ mòn có vạch chia

74

Hình 3.4. Bề mặt gia công

75

Hình 3.5. Quan hệ giữa vận tốc cắt V và lượng mòn mặt sau hs

76

Hình 3.6. Quan hệ giữa vận tốc cắt S và lượng mòn mặt sau hs

80

Hình 3.7. Quan hệ giữa vận tốc cắt t và lượng mòn mặt sau hs

81

7


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
Thông số hình học của dụng cụ:
:

góc trước

:

góc sau



góc nghiêng chính

i

góc nghiêng phụ



góc mũi dao



góc sắc



góc cắt



góc trượt

r

bán kính mũi dao

Chế độ cắt
v:

vận tốc cắt (m/ph)

s:

lượng chạy dao (mm/vg)

t:

chiều sâu cắt (mm)

ap :

chiều dày phoi

h:

chiều dày phoi min

Lực cắt và thông số khác
Px:

lực hướng kính khi phay

Py:

lực chiều trục khi phay

Pz

lực tiếp tuyến (lực cắt chính) khi phay

kf:

mức độ biến dạng phoi

kbd:

mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi

kms:

mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt sau của dao

k:

hệ số dẫn nhiệt

T:

tuổi thọ của dụng cụ (ph)

hs :

độ mòn dụng cụ

8


PHẦN MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Phay là một phương pháp gia công rất phổ biến, có khả năng công nghệ khá
rộng rãi. Phay không những gia công được mặt phẳng mà còn có thể gia công được
nhều bề mặt định hình khác nhau.
Dao phay là loại dụng cụ có nhiều răng cắt, chuyển động cắt chính là quay tròn
quanh trục của dao. Trừ dao phay định hình , còn các loại dao phay khác thì tuỳ
thuộc vào công dụng và tính vạn năng đã được tiêu chuẩn hoá theo tiêu chuẩn quốc
gia và quốc tế.
Dao phay trụ đứng là loại dao dùng trên máy phay đứng dùng để gia công các
mặt phẳng, rãnh then, ...
Trong quá trình gia công mòn dụng cụ là một vấn đề rất nghiêm trọng. Nó

không những làm tăng chi phí sản xuất mà còn làm giảm chất lượng của sản phẩm.
Mòn dụng cụ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: chế độ cắt (s, v, t), vật liệu và các
thông số hình học của dụng cụ, vật liệu chi tiết gia công, dung dịch trơn nguội và
đặc tính của máy công cụ.
Một trong những vấn đề cần được nghiên cứu để có thể làm giảm chi phí sản
xuất và tăng chất lượng của sản phẩm khi phay đó là: “ Nghiên cứu ảnh hưởng
của chế độ cắt S, V, T đến độ mòn của dao phay trụ đứng thép gió sản xuất tại
Việt Nam khi gia công thép 45 ”.

2. Mục đích nghiên cứu
- Đánh giá ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ mòn của dao phay trụ đứng thép
gió sản xuất tại Việt Nam khi gia công thép 45. Trên cơ sở đó đưa ra một chế độ cắt
hợp lý.
- Làm tài liệu tham khảo về chế độ cắt khi sử dụng dao phay trụ đứng thép
gió sản xuất tại Việt Nam.

9


3. Đối tượng nghiên cứu
- Xác định mối quan hệ giữa chế độ cắt và độ mòn của dao phay trụ đứng
thép gió sản xuất tại Việt Nam.
- Vật liệu gia công là thép 45
- Bề mặt gia công là bề mặt rãnh
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
5.1. Ý nghĩa khoa học
Xây dựng được quan hệ giữa các thông số của chế độ cắt với độ mòn của dao
phay trụ đứng thép gió sản xuất tại Việt Nam khi gia công thép 45 dưới dạng các

hàm thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở khoa học cho việc tối ưu hoá quá
trình phay. Đồng thời cũng góp phần đánh giá khả năng cắt của dao phay thép gió
sản xuất tại Việt Nam.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể làm cơ sở cho việc lựa chọn chế độ cắt
hợp lý khi gia công thép 45 bằng dao phay trụ đứng thép gió sản xuất tại Việt Nam
để giảm chi phí gia công và tăng năng suất, chất lượng của sản phẩm.

10


Chương 1
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CẮT

1.1. Các loại vật liệu dụng cụ thường dùng trong ngành chế tạo máy
Dụng cụ làm việc trong điều kiện cắt khó khăn không những phải chịu áp lực
lớn, nhiệt độ cao mà còn bị mài mòn và rung động trong quá trình cắt.
Việc nghiên cứu vật liệu dụng cụ (phần cắt) sẽ góp phần quan trọng trong việc
lựa chọn dụng cụ khi sử dụng nó, góp phần giảm chi phí dụng cụ, tăng năng suất và
đảm bảo chất lượng gia công.
1.1.1. Đặc tính cơ bản chung của vật liệu dụng cụ
Vật liệu dụng cụ phải đảm bảo các yêu cầu cơ bản sau:
1.1.1.1. Độ cứng
Để gia công được vật liệu thì vật liệu phải có độ cứng cao hơn vật liệu gia
công. Lựa chọn độ cứng vật liệu dụng cụ phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu gia
công.
Thông thường khi gia công vật liệu có độ cứng khoảng 200 ÷ 220 HB vật
liệu phần cắt dụng cụ phải có độ cứng lớn hơn 60 HRC.
1.1.1.2. Độ bền cơ học
Trong quá trình gia công phần cắt dụng cụ chịu tải trọng cơ học và dung

động lớn, vì vậy vật liệu dụng cụ phải có sức bền cơ học tốt để tránh gãy vỡ trong
quá trình gia công. Vật liệu dụng cụ có sức bền cơ học càng cao thì tính năng sử
dụng của nó càng tốt.
1.1.1.3. Tính chịu nhiệt
Tính chịu nhiệt là một đặc tính quan trọng nhất quyết định chất lượng của
loại vật kiệu dụng cụ. Trong quá trình cắt nhiệt cắt lớn, phần cắt dụng cụ ngoài chịu
tải trọng cơ học lớn còn chịu tải trọng nhiệt cao.
Tính chịu nhiệt của vật liệu dụng cụ là khả năng giữ được đặc tính cắt (độ
cứng, độ bền cơ hoc, …) ở nhiệt độ cao trong thời gian dài.

11


Nhiệt cắt thường rất lớn có thể lên đến hàng ngàn độ C, do vậy tính chịu
nhiệt là một trong những đặc tính quan trọng nhất của vật liệu dụng cụ.
1.1.1.4. Tính chịu mòn
Trong quá trình cắt, mặt trước dụng cụ tiếp xúc với phoi, mặt sau tiếp xúc
với mặt đang gia công của chi tiết, với tốc độ trượt lớn, nên vật liệu dụng cụ phải có
tính chống mòn cao.
Phần cắt dụng cụ khi đủ độ bền cơ học, thì dạng hỏng chủ yếu của là dụng cụ
bị mài mòn. Tính chịu mòn của vật liệu tỷ lệ thuận với độ cứng.
Một trong những nguyên nhân chủ yếu gây ra mòn dao là hiện tượng chảy
dính của vật liệu làm dao. Tính chảy dính của vật liệu làm dao được đặc trưng bởi
nhiệt độ chảy dính giữa hai vật liệu tiếp xúc với nhau, …
Vật liệu làm dao tốt là loại vật liệu có nhiệt độ chảy dính cao.Qua các nghiên
cứu thực nghiệm, nhiệt độ chảy dính của các loại hợp kim cứng có cacbit confram
(WC), cacbit titan (TiC) với thép (11000C) cao hơn các hợp kim coban với thép
(6750C).
1.1.1.5. Tính công nghệ
Tính công nghệ của vật liệu làm dao được đặc trưng bởi tính khó hay dễ

trong quá trình gia công để tạo hình dụng cụ cắt.
Tính công nghệ được thể hiện ở nhiều mặt: tính khó hay dễ khi gia công
bằng cắt gọt, nhiệt luyện, độ dẻo ở trạng thái nguội và nóng, …
Ngoài những đặc tính chủ yếu trên vật liệu dụng cụ cần phải có một số đặc tính
khác như tính dẫn nhiệt cao, giá thành thấp, …
1.1.2. Các loại vật liệu dụng cụ
Hiện nay, vật liệu phần cắt dụng cụ được sử dụng gồm các loại sau: thép
cacbon dụng cụ, thép hợp kim dụng cụ, thép gió, hợp kim cứng, vật liệu sành sứ,
vật liệu tổng hợp và vật liệu mài.
1.1.2.1. Thép cacbon dụng cụ
Thép cacbon dụng cụ phải có đủ độ cứng, tính chịu nhiệt và chịu mài mòn
nên lượng cacbon trong thép không nhỏ hơn 0,7%, thường tử 0,7 ÷ 1,3% và hàm

12


lượng P, S thấp (P < 0,035%, S < 0,025%). Độ cứng sau khi tôi và ram đạt 60 ÷ 62
HRC. Sau khi ủ độ cứng khoảng 107 ÷ 217 HB nên dễ gia công bằng cắt gọt và gia
công bằng áp lực.
Nhiệt độ làm việc khoảng 2000C ÷ 2500C , vận tốc cắt tối đa 25 m/phút.
Thép cacbon dụng cụ có độ thấm tôi thấp nên được tôi trong nước. Vì vậy nó
thường được dùng làm các dụng cụ gia công bằng tay như dũa, đục,…
1.1.2.2. Thép hợp kim dụng cụ
Thép hợp kim dụng cụ là loại thép có hàm lượng cacbon cao và với một số
nguyên tố hợp kim khoảng 0,5 ÷ 3%.
Các nguyên tố hợp kim Cr, W, Co, V có tác dụng tăng khả năng chịu nhiệt
và tính thấm tôi của thép hợp kim dụng cụ. Nó được tôi trong dầu và chịu được
nhiệt độ đến 3000C ÷ 4000C .
Các loại thép hợp kim dụng cụ hiện nay được dùng chủ yếu để chế tạo các
loại dụng cụ cầm tay và gia công ở tốc độ thấp v < 25 m/phút.

1.1.2.3. Thép gió
Thép gió là loại thép hợp kim có hàm lượng vonfram rất cao. Ngoài ra còn
có các thành phần hợp kim khác như vanadi, coban, crom để tạo nên thép gió với
những tính năng đặc biệt.
Thép gió là loại vật liệu dụng cụ được dùng rộng rãi. Thép gió có thể cắt với
tốc độ gấp 2 ÷ 4 lần các loại thép cacbon dụng cụ và hợp kim dụng cụ. Thép gió
làm việc được ở nhiệt độ 550 ÷ 6500C , vận tốc cắt đạt từ 20 m/phút ÷ 50 m/phút
.Thành phần vonfram là nguyên tố hợp kim quan trọng nhất trong thép gió. Cùng
với crom, vanadi chúng tạo thành với cacbon những cacbit hợp kim phức tạp. Các
cacbit này có đặc điểm là nâng cao tính chịu nhiệt của thép gió.
Tác dụng chủ yếu của Cr là tăng độ thấm tôi, vanadi tạo thành cacbit vanadi
có độ cứng cao, tính chịu mòn cao. Coban không tạo thành cacbit mà hòa tan vào
sắt. Khi thép gió có hàm lượng coban > 5% thì nhiệt độ làm việc của thép gió được
nâng cao.

13


Bảng 1.1. Thành phần hóa học của một số loại thép gió (%)
Nhãn hiệu

C

Cr

W

V

Co

1.Thép gió có năng suất thường
P18

0,7 ÷ 0,8

3,8 ÷ 4,4

17,5 ÷ 19,0

1,0 ÷ 1,4

—

P9

0,85 ÷ 0,95

3,8 ÷ 4,4

8,5 ÷ 10,0

2,0 ÷ 2,6

—

2.Thép gió có năng suất cao
P95

1,4 ÷ 1,5

3,8 ÷ 4,4

0,9 ÷ 10,5

4,3 ÷ 5,1

—

P14 4

1,2 ÷ 1,3

4,0 ÷ 4,6

13,0 ÷ 14,5

3,4 ÷ 4,1

—

P18 2

0,85 ÷ 0,95

3,8 ÷ 4,4

17,5 ÷ 19,0

1,8 ÷ 2,4

—

P9K5

0,9 ÷ 1,0

3,8 ÷ 4,4

0,9 ÷ 10,5

2,0 ÷ 2,6

5,0 ÷ 6,0

P9K10

0,9 ÷ 1,0

3,8 ÷ 4,4

0,9 ÷ 10,5

2,0 ÷ 2,6

9,5 ÷ 10,5

P10K5 5

1,45 ÷ 1,55

4,0 ÷ 4,6

10,0 ÷ 11,5

4,3 ÷ 5,1

5,0 ÷ 6,0

P18K5 2

0,85 ÷ 0,95

3,8 ÷ 4,4

17,5 ÷ 19,0

1,8 ÷ 2,4

5,0 ÷ 6,0

Tất cả các nhãn hiệu thép nói trên đều có hàm lượng tạp chất hạn chế:
Mn < 0,4%, Si < 0,4%, Mo < 0,5%, Ni < 0,4%, P < 0,03%, S < 0,03%

Ngoài ra, chất lượng thép gió phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt luyện. Vì vậy khi nhiệt
luyện thép gió cần chú ý một số điểm sau :
- Không nung nóng thép gió đột ngột đến nhiệt độ cao (nhiệt độ tôi bằng
13000C) mà phải tăng nhiệt dần dần từ 6500C , vì thép gió có độ dẫn nhiệt kém.
Thông thường thép gió được nung nóng qua 3 lò với nhiệt độ lần lượt là 6500C,
8500C và 13000C.

- Phải ram sau khi tôi nhiều lần (3 lần) mỗi lần trong 1 giờ. Sau mỗi lần ram
phải để nguội đến nhiệt độ thường để làm mất ứng suất bên trong, khử Otennit dư
và tăng độ cứng ( độ cứng tăng từ 2 – 3 HRC, hiện tượng này gọi là độ cứng thứ 2 ).

14


oC

T«i 1300
1200

Ram
850

900
600

550

LÇn 1

LÇn 2

LÇn 3

560

560

560

300

% ¤d­

50

15

5

2

HRC

62

64

64,5

65

Thêi gian

Hình 1.1. Sơ đồ tôi và ram thép gió
- Phạm vi sử dụng thép gió được trình bày trong bảng 1.2.
Bảng 1.2. Công dụng của thép gió theo ký hiệu ISO và một số nước tương ứng
Ký hiệu các loại thép gió thông dụng

ISO

TCVN

JIS

AISI

OCT

(Vịêt Nam)

(Nhật)

(Mỹ)

(Nga)

Phạm vi sử dụng

Dùng cho tất cả
các loại dụng cụ
1.3353

80W18Cr4V

SKH2

T1

P18

cắt để gia công
thép cacbon, thép
hợp kim

1.3302

—

T7

P12

Dùng như loại trên
Dùng để chế tạo
các loại dụng cụ

—

—

P9

đơn giản, gia công
các loại thép kết
cấu

1.3343

85W6Mo5Cr4V

SKH51

M2

15

P6M5

Dùng như loại


trên, đặc biệt để

2

chế tạo các loiaj
dụng cụ cắt ren và
dụng cụ cắt chịu
va đập
Dùng chế tạo các
dụng cụ gia công
tinh (dao tiện định
hình, mũi doa, dao
SG-5-3

M3

PGM53

chuốt, dao phay),
gia công các loại
thép kết cấu hợp
kim và không hợp
kim
Dùng chế tạo các
dụng cụ gia công

1.3318

P12 3

S12-1-4

tinh, gia công các
loại thép ostenit
dẻo.
Dùng chế tạo các
dụng cụ gia công
thô và bán tinh khi

M4

P18K52

cắt các loại thép và
hợp kim nóng,
không rỉ và sức
bền cao.

Dùng chế tạo các

1.3243

S6-5-2-5

M35

P6M5K5

dụng cụ gia công
thô và bán tinh, gia

16


công các loại thép
không rỉ, thép hợp
kim.

1.1.2.4. Hợp kim cứng
Hợp kim cứng là loại vật liệu dụng cụ được chế tạo bằng phương pháp luyện
kim bột (hợp kim bột) nghĩa là loại hợp kim không qua nấu chảy. Hợp kim cứng
được chế tạo từ các loại cacbit hợp kim và bột hợp kim. Các loại bột được trộn theo
các tỷ lệ, sau đó được ép thành các dạng khác nhau và thiêu kết. Hiện nay HKC
được dùng nhiều và phổ biến trong công nghiệp.
So với các loại vật liệu dụng cụ thông thường thì HKC là loại vật liệu có độ
cứng cao (80 ÷ 90 HRA) và chịu được nhiệt độ cao ( 800 ÷ 10000C). Do đó dụng cụ
cắt bằng HKC có thể cắt đến tốc độ Vc > 100m/ph.
Thành phần chủ yếu của các loại HKC là các loại bột mịn: cacbit vonfram

(WC), cacbit titan (TiC), cacbit tantan (TaC) và thành phần coban (Co) làm nhiệm
vụ liên kết.
Hợp kim cứng được chế tạo qua các giai đoạn chủ yếu sau:
-

Tạo bột vonfram, titan, tantan nguyên chất.

-

Tạo ra các cacbit tương ứng từ các bột nguyên chất W, Ti, Ta là WC,
TiC, TaC.

-

Trộn bột cacbit với bột coban theo thành phần tương ứng với các loại
HKC.

-

ép hỗn hợp dưới áp suất lớn ( 100 ÷ 140 MN/mm2 ), nung sơ bộ ở nhiệt
độ 9000C trong khoảng 1 giờ.

-

Tạo hình theo các dạng yêu cầu.

-

Thiêu kết lần cuối ở nhiệt độ cao 1400 ÷ 15000C trong 1 đến 3 giờ tạo
thành HKC.

Ở nhiệt độ cao coban nóng chảy tạo thành chất dính kết liên kết các hạt cacbit
thành HKC. Sau khi thiêu kết, HKC có độ cứng cao lớn hơn 85 HRC, nên chỉ có thể

17


gia công bằng hạt mài hoặc bằng các phương pháp đặc biệt ( điện hóa, tia lửa điện ,
..).
Độ cứng của HKC phụ thuộc vào lượng cacbit TiC, TaC và coban. Coban càng
nhiều thì độ cứng càng giảm, độ bền và tính dẻo càng lớn. TiC, TaC càng nhiều thì
độ cứng càng cao.
ISO phân hợp kim cứng theo 3 nhóm chính :
- Nhóm ký hiệu P cho các loại vật liệu cắt ra phoi dây.
- Nhóm ký hiệu M là loại vạn năng dùng gia công các loại vật liệu cắt ra phoi
dây và phoi xếp.
- Nhóm ký hiệu K dùng gia công các loại vật liệu cắt ra phoi hạt và phoi vụn.
Hợp kim cứng được chế tạo thành các dạng theo tiêu chuẩn (các mảnh HKC
). Các mảnh đó được hàn hoặc kẹp lên thân dụng cụ tiêu chuẩn. Ngày nay các mảnh
HKC được phủ lên một lớp mỏng vài micromet ( µm) bằng các loại cacbit cứng như
TiC, TiC/TiN (cacbit titan, nitrit titan ). Các lớp phủ làm tăng độ cứng, tính chịu
mài mòn và tính chịu nhiệt của HKC ( độ cứng > 90 HRA, chịu được nhiệt độ
khoảng 10000C , ứng với tốc độ cắt Vc > 300 m/ph ).
1.1.2.5. Vật liệu sứ
Vật liệu sứ đã được nghiên cứu từ những năm 1930 và phát triển sau những
năm 1950. Quá trình chế tạo giống như HKC. Đất sét kỹ thuật ( oxit nhôm AL2O3 )
được nung nóng đến nhiệt độ khoảng 1400 ÷ 16000C. Sau đó nghiền nhỏ thành bột
mịn. Bột mịn AL2O3 được ép thành các mảnh dao tiêu chuẩn và được thiêu kết.
Hiện nay có 3 loại vật liệu sứ được sử dụng:
- Loại oxit nhôm thuần khiết, loại này hầu như chỉ có oxit nhôm.

- Loại vật liệu sứ trộn. Thành phần cơ bản của loại này vẫn là oxit nhôm
ngoài ra còn trộn thêm các cacbit: TiC, TaC, WC, TiN
- Loại vật liệu sứ không có oxit. Loại này được chế tạo từ nitrit silic
( Si3N4 ) có sức bền uốn cao hơn nhiều hai loại trên.
Đặc tính chủ yếu của các loại vật liệu sứ là:

18


- Độ cứng và tính dòn cao do đó tính chịu mòn cao, tính chịu nhiệt cao được
dùng cắt ở tốc độ cao.
- Tính dẫn nhiệt kém nên không dùng dung dịch trơn nguội. Nếu tới dung
dịch trơn nguội dễ gây nứt các mảnh sứ.
- Tính dẻo kém do đó sức bền uốn thấp vì vậy vật liệu sứ không chịu được
rung động, va đập cũng như lực cắt lớn.
- Mài sắc mảnh sứ rất khó và chỉ có thể mài bằng đá mài kim cương.
1.1.2.6. Vật liệu tổng hợp
Các loại vật liệu tổng hợp dùng làm vật liệu dụng cụ là kim cương và nitrit
Bo. Các loại vật liệu này thường được gọi là vật liệu siêu cứng: Độ cứng Vicker lớn
hơn 50000 N/mm2 ( tức lớn hơn 50 GPa ).
Kim cương tự nhiên HVm ≈ 100 GPa
Kim cương tổng hợp

HVm ≈ 90 ÷ 100 GPa

Nitrit Bo

HVm ≈ 50 ÷90 GPa

Kim cương tự nhiên và kim cương tổng hợp được sử dụng cho các dụng cụ

gia công tinh để gia công các bề mặt chất lượng cao ( độ bóng và độ chính xác cao )
như dao tiện kim cương, bút sửa đá mài, …
Kim cương nhân tạo được tổng hợp từ graphit ở áp suất và nhiệt độ cao (
khoảng 100000 atm và 25000C ).
Đối với loại vật liệu dụng cụ nền là nitrit Bo có độ cứng thấp hơn kim cương
một ít nhưng sức bền nhiệt cao ( khoảng 1200 ÷ 14000C ). Vật liệu dụng cụ nitrit Bo
được dùng để gia công các loại thép tôi với năng suất cao hơn các loại vật liệu dụng
cụ khác.
1.2. Cơ sở vật lý quá trình cắt kim loại
Đối tượng khảo sát của quá trình cắt là nghiên cứu sự biến dạng đàn hồi và
biến dạng dẻo của vật liệu gia công và dụng cụ cắt, lực, ứng suất, công tiêu hao khi
cắt, … Từ đó, xác định các quy luật ảnh hưởng của điều kiện cắt đến những đặc tính
cơ học của quá trình cắt.

19


Nghiên cứu sự biến dạng dẻo của vật liệu gia công trong quá trình cắt là một
trong những hướng nghiên cứu chủ yếu. Như đã biết sự biến dạng dẻo của vật liệu
gia công đồng thời rảy ra trong miền tạo phoi, ở phần phoi tiếp xúc với mặt trước
của dụng cụ cũng như ở miền tiếp xúc của bề mặt gia công với mặt sau dụng cụ.
Trạng thái ứng suất và biến dạng giữa các vùng kể trên ở một mức nào đó ( tùy điều
kiện cắt cụ thể) có quan hệ tương hỗ, do đó xác lập được mối quan hệ đó giúp ta
hiểu được sâu hơn về các quy luật phức tạp của quá trình cắt.
1.2.1. Cấu tạo tinh thể của kim loại
Hiện nay trong bảng tuần hoàn Mendeleep đã có hơn 100 nguyên tố hóa học,
trong đó ba phần tư là kim loại. Theo định nghĩa cổ điển, để phân biệt kim loại và
phi kim thì kim loại là những vật thể sáng, dẻo, có thể rèn được, có tính dẫn nhiệt
cao. Các định nghĩa như trên chưa được hoàn toàn chính xác, hiện nay người ta cho
rằng đặc điểm chủ yếu để phân biệt kim loại và phi kim là: Kim loại có hệ số nhiệt

độ của điện trở dương ( tức là khi nhiệt độ thì điện trở tăng) còn phi kim có hệ số
nhiệt độ của điện trở âm.
Để có thể giải thích các tính chất của kim loại và hiểu được những hiện
tựơng xảy ra trong quá trình cắt, ta cần biết cấu tạo nguyên tử và các sắp xếp các
nguyên tử của kim loại.
1.2.1.1. Cấu tạo nguyên tử
Như đã biết, mỗi nguyên tử là một hệ thống phức tạp bao gồm hạt nhân ( có
chứa pronton, notron) và các điện tử tự do bao quanh nó. Đặc điểm quan trọng nhất
của kim loại là số điện tử hóa trị ( số điện tử ở lớp ngoài cùng đối với kim loại
thông thường và lớp sát ngoài cùng đối với kim loại ở nhóm chuyển tiếp) rất ít,
thường chỉ là 1, 2. Những điện tử này rễ bị bứt ra và trở thành điện tử tự do, còn
nguyên tử trở thành ion dương.
Điện tử tự do quyết định các tính chất đặc trưng cho kim loại như tính dẫn
nhiệt, sự phản xạ ánh sáng. Mặt khác điện tử tự do có trong kim loại là một đặc
trưng để hình thành liên kết kim loại và nó bảo đảm cho mối liên kết này không bị
biến đổi trong quá trình biến dạng dẻo, khiến cho kim loại có tính dẻo cao

20


1.2.1.2. Liến kết kim loại
Trong hóa học ta đã làm quen với liên kết ion ( ví dụ, muối NaCl) trong đó
lực tác dụng giữa các nguyên tử là lực hút tĩnh điện giữa các nguyên tử trái dấu ( ví
dụ, Na+ và Cl-). Mối liên kết giữa các nguyên tử ( ion ) kim loại thì khác.
Như đã biết, phần lớn các nguyên tử trong kim loại tồn tại dưới dạng ion
dương có các điện tử tự do bao quanh . Giữa các ion dương sinh ra lực đẩy, còn
giữa các điện tử tự do và ion dương sinh ra lực hút. Sự cân bằng của hai lực này
chính là cơ sở của liên kết kim loại
1.2.1.3 Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại
Các nguyên tử trong kim loại sắp xếp có trật tự. Chúng đều nằm trên các mặt

song song và cách đều nhau. Các mặt này gọi là mặt tinh thể. Tập hợp vô số các mặt
tinh thể như vậy tạo thành mạng tinh thể.
Để đơn giản trong việc nghiên cứu và biểu diễn các mạng tinh thể người ta
dùng ô cơ bản. Ô cơ bản là phần nhỏ nhất đặc trưng cho một loại mạng tinh thể. Có
thể xen mạng tinh thể gồm vô số ô cơ bản sắp xếp liên tiếp nhau hợp thành.
Trong các kim loại thông thường ta thường gặp 3 loại mạng tinh thể : lập
phương thể tâm, lập phương diện tâm và lục giác xếp chặt ( hình 1.2 )

Hình 1.2. Các kiểu mạng tinh thể của kim loại

21


Thực tế không phải ở mọi điểm của mạng tinh thể kim loại đều có cấu tạo
trật tự như đã trình bày ở trên, mà trong một số bộ phận của mạng có sự phá hủy
sắp xếp trật tự, gây nên sai lệch về mạng tinh thể. Cần chú ý là những sai lệch này
luôn luôn tồn tại trong mạng, rất khó phá hủy. Có nhiều nguyên nhân gây ra sai lệch
trong mạng tinh thể, một trong những nguyên nhân đó là kim loại không thể nguyên
chất tuyệt đối mà luôn có một lượng nhất định các nguyên tố khác. Do kích thước
các nguyên tử đó khác với các nguyên tử kim loại nền do đó nó làm mất đi sự sắp
xếp trật tự kim loại.
Nói chung những sai lệch về mạng tinh thể chiếm tỷ lệ rất thấp ( thường
không quá 1 ÷ 2% thể tích mạng ) nhưng có ảnh hưởng rất lớn đến cơ tính kim loại.

1.2.2. Sự biến dạng của tinh thể
Biến dạng là quá trình làm thay đổi hình dạng của kim loại do tác dụng của
tải trọng bên ngoài hay của các hiện tương vật lý.
Khi tác dụng tải trọng bên ngoài lên kim loại, tùy theo mức độ chất tải, kim
loại có thể biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo hoặc bị phá hủy.
Biến dạng đàn hồi là biến dạng bị mất đi sau khi bỏ tải trọng. Biến dạng đàn

hồi xảy ra khi tải trọng tác dụng nhỏ hơn tải trọng ứng với giới hạn đàn hồi.
Trên biểu đồ kéo ( hình 1.3 ) biến dạng đàn hồi ứng với đoạn thẳng. Khi tác
dụng tải trọng nhỏ hơn PP kim loại bị kéo dài ra một đoạn nào đó tỷ lệ thuận với tải
trọng nhưng khi bỏ tải trọng đi thì kim loại trở lại với kích thước ban đầu.

22


Hình 1.3. Sơ đồ kéo kim loại

Biến dạng đàn hồi có thể xảy ra dưới tác dụng của ứng suất tiếp hoặc ứng
suất pháp, theo đó mạng tinh thể hoặc như bị kéo dài ra, hoặc bi xô đi, nhưng khi bỏ
lực tác dụng lập tức trở lại trạng thái ban đầu.
Biến dạng dẻo là biến dạng vẫn còn lại sau khi đã bỏ tải trọng tác dụng. Biến
dạng dẻo xảy ra khi tải trọng tác dụng vượt quá tải trọng ứng với biến dạng đàn hồi.
Sơ đồ kéo ở hình 1.3 chỉ rõ nếu tải trọng tác dụng lớn hơn PP ( ví dụ Pa ) thì
khi bỏ tải trọng, kim loại không trở về theo đường biến dạng kéo ban đầu OP mà
theo đường aa, song song với OP. Kết quả là sau khi bỏ tải trọng, mẫu kéo dài thêm
một đoạn Oa,.
Phá hủy là quá trình làm đứt liên kết giữa các nguyên tử trong mạng, khiến
cho các phần tử của kim loại bị rời nhau ra. Quá trình phá hủy đối với kim loại là
vật liệu dẻo thường xảy ra sau khi vật liệu chịu biến dạng dẻo với tải trọng lớn.

23


Sơ đồ kéo hình 1.3 chỉ rõ nếu tải trọng đạt tới Pb mẫu bị hình thành cổ thắt,
lúc này lực giảm đi nhưng cổ thắt vẫn phát triển ( mẫu vẫn dài ra ) cho đến khi đứt.
Thực chất của quá trình phá hủy là sự phát sinh và phát triển của vết nứt tế
vi.

1.2.2.1. Biến dạng dẻo của đơn tinh thể
Để việc khảo sát biến dạng dẻo của kim loại ( đa tinh thể ) được thuận lợi,
trước tiên khảo sát trường hợp đơn giản và cơ bản nhất là biến dạng dẻo của đơn
tinh thể.
Hình thức biến dạng dẻo chủ yếu của đơn tinh thể là trượt. Ngoài ra còn có
hình thức song tinh.
Trượt là sự dịch chuyển tương đối với nhau của các phần tinh thể theo những
mặt và những phương nhất định gọi là mặt và phương trượt.
Mạng tinh thể của kim loại bao gồm vô số mặt và phương, nhưng không phải
mặt và phương nào cũng có thể là mặt và phương trượt. Mặt và phương xảy ra trượt
phải có liên kết nguyên tử bền hơn khi dịch chuyển, mối liên kết nguyên tử trong nó
không bị phá hủy, đồng thời mối liên kết giữa các mặt trượt với nhau phải yếu.
Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng: chỉ những thành phần ứng suất tiếp do ngoại
lực gây ra trên mặt trượt mới gây ra trượt.
Quá trình trượt ở trong mạng tinh thể của đơn tinh thể sẽ xảy ra theo trình tự
sau:
-

Trước hết mạng tinh thể sẽ bị trượt theo hệ trượt có lợi nhất, tức là hệ có
ứng suất tiếp trên nó lớn hơn cả. Theo hệ trượt này hai phần của đơn tinh
thể dịch chuyển tương đối với nhau một khoảng cách nào đó rồi dừng lại
vì mạng tinh thể vùng xung quanh mặt trượt bị xô lệch không có khả
năng tiếp tục được nữa. Tiếp đó mạng tinh thể lại tiếp tục trượt trên các
mặt khác song song với mặt trượt ban đầu. Quá trình cứ như vậy cho đến
khi các mặt của cùng một hệ trượt trượt hết.

-

Cuối cùng trên bề mặt của đơn tinh thể xuất hiện những bậc thang mà ta
gọi là giải trượt.

24


Ngoài trượt là chủ yếu ra kim loại còn bi biến dạng dẻo là song tinh. Song tinh là sự
chuyển động giữa hai phần tử của mạng tinh thể theo các mặt và phương nhất định
để sau đó hai phần của mạng tinh thể đối xứng với nhau qua mặt đó. Mặt phẳng đối
xứng gọi là mặt song tinh.
Khác với trượt, song tinh tiến hành với tốc độ nhanh hơn nhiều do đó thường
xảy ra khi chịu va đập. Nói chung biến dạng dẻo bằng song tinh khó hơn trượt rất
nhiều.
1.2.2.2. Biến dạng dẻo của đa tinh thể
Như đã biết , đa tinh thể là tập hợp của nhiều đơn tinh thể nên có thể coi biến
dạng dẻo của đư tinh thể là sự tổng hợp biến dạng dẻo của nhiều đơn tinh thể. Do
vậy, trong từng hạt cùng có các quá trình trượt và song tinh, song do phương mạng
giữa các hạt lệch nhau, ở vùng biên giới hạt mạng tinh thể bị xô lệch nên quá trình
biến dạng dẻo của đa tinh thể phức tạp hơn nhiều và mang một số đặc điểm mới
sau:
- Trạng thái ứng suất trong đa tinh thể không đều. Do phương mạng giữa các
hạt lệch nhau nên tải trọng đặt vào dù là cùng hướng và phân bố đều, các hạt khác
nhau vẫn chịu kéo nén khác nhau, thậm chí có hạt bị kéo, có hạt bị nén, có hạt chịu
biến dạng nhiều, có hạt bị biến dạng ít, có hạt chịu biến dạng đàn hồi.
- Do phương mạng giữa các hạt trong đa tinh thể định hướng ngẫu nhiên, nên
có hạt dễ, có hat khó biến dạng. Hạt có phương mạng dễ biến dạng sẽ trượt trước,
song lại bị các hạt xung quanh chưa biến dạng cản trở sự trượt, khi đó lực tác dụng
phải tăng lên nữa để khắc phục trở lực trượt của các hạt xung quanh thì quá trình
trượt của hạt mới tiếp tục được.
Như vậy có thể thấy trở lực đối với biến dạng dẻo của đa tinh thể lớn hơn đơn tinh
thể.
-Biên giới hạt có ảnh hưởng rất lớn đến biến dạng dẻo của đa tinh thể. Do

mạng tinh thể ở biên giới hạt bị xô lệch nên ở nhiệt độ thường nó khó bị biến dạng
dẻo hơn bản thân hạt. Đó cũng là lý do giải thích hiện tượng kim loại hạt nhỏ có độ
bền hơn kim loại hạt lớn. Hơn nữa cũng để thấy rằng hạt càng nhỏ có nghĩa là trong

25