Xây dựng mô hình dự đoán nhám bề mặt và mòn dụng cụ khi tiện cứng thép x12m bằng dụng cụ cắt CBN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ XUÂN PHƯƠNG

XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN NHÁM BỀ MẶT
VÀ MÒN DỤNG CỤ KHI TIỆN CỨNG THÉP X12M
BẰNG DỤNG CỤ CẮT CBN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Thái Nguyên, năm 2018


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ XUÂN PHƯƠNG

XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN NHÁM BỀ MẶT
VÀ MÒN DỤNG CỤ KHI TIỆN CỨNG THÉP X12M
BẰNG DỤNG CỤ CẮT CBN
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 8520103

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
KHOA CHUYÊN MÔN

CB HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS. TS. HOÀNG VỊ

TS. NGUYỄN THỊ QUỐC DUNG
PHÒNG ĐÀO TẠO

Thái Nguyên, năm 2018


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực
và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào kh ác. Trừ các
phần tham khảo đã được nêu rõ trong Luận văn.
Tác giả

LÊ XUÂN PHƯƠNG


ii

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Thị Quốc Dung đã hướng
dẫn, giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài, thiết kế, thực hiện và đánh giá kết
quả thực nghiệm đến quá trình viết và hoàn chỉnh luận văn.
Tác giả cũng chân thành cảm ơn toàn thể quý thầy cô trong khoa Cơ Khí
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, quý thầy cô trong Trung tâm thí
nghiệm Trường Đại học Sư phạm – ĐH Thái Nguyên, quý Công ty TNHH Cơ
khí Vĩnh Thái đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tác giả trong quá trình

thực hiện thí nghiệm.
Tác giả xin chân thành cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã hỗ
trợ cho tác giả rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện
đề tài luận văn thạc sĩ.
Do năng lực bản thân còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi sai sót,
tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các
nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp.
Tác giả

LÊ XUÂN PHƯƠNG


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... ii
MỤC LỤC .................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .............................................................. vii
PHẦN

MỞ

ĐẦU

............................................................................................................1
1.
TÍNH
CẤP

THIẾT
...............................................................................1

CỦA

ĐỀ

TÀI

2. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ......................................2
2.1
Mục
....................................................................................................................2

đích

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................................2
3.
PHƯƠNG
PHÁP
...............................................................................2

NGHIÊN

CỨU

4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
........................3
4.1.
Ý

nghĩa
khoa
......................................................................................................3

học

4.2 Ý nghĩa thực tiễn .......................................................................................................3
5. NỘI DUNG CÁC VẤN ĐỀ SẼ ĐI SÂU NGHIÊN CỨU ..........................................3
CHƯƠNG
...................................................................................................................4

I:

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TIỆN CỨNG .............................4
TRÊN
TRUNG
TÂM
................................................................................4

TIỆN

1.1.Khái
niệm
chung
về
...................................................................................4

CNC

tiện

cứng

1.2. Các yếu tố công nghệ của chế độ cắt khi tiện ..........................................................5
1.3
Thiết
bị
và
dụng
cụ
............................................................6

cắt

dùng

trong

Kết
luận
chương
........................................................................................................11
CHƯƠNG
.................................................................................................................12

tiện

cứng
I
II

CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT VÀ MÒN DỤNG CỤ KHI TIỆN CỨNG .....................12


iv

2.1. Chất lượng bề mặt khi tiện cứng ............................................................................12
2.1.1
Khái
niệm
chung
về
............................................................................12

lớp

bề

mặt

2.1.2 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng lớp bề mặt sau gia công cơ. .............................12
2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt .....................................................19
2.2
Mòn
dụng
cụ
cắt
.......................................................................23

CBN

khi

tiện

cứng

2.2.1. Các dạng mòn và cơ chế mòn dụng cụ CBN.......................................................23
2.2.2
Các
nhân
tố
ảnh
...................................................25

hưởng

đến

mòn

dụng

cụ

CBN


v

Kết luận chương II ......................................................................................................30
CHƯƠNG
...............................................................................................................31

III

XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ................................................................31
KHI
TIỆN
CỨNG
THÉP
.......................................................31

X12M

ĐÃ

QUA

TÔI

3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến chất lượng bề mặt và mòn
dụng cụ khi tiện cứng thép X12M bằng dụng cụ CBN. ................................................31
3.1.1 Mô hình hoá quá trình nghiên cứu .......................................................................31
3.1.2 Những định hướng khi nghiên cứu tối ưu hoá chế độ cắt khi tiện cứng vật liệu
thép hợp kim đã qua tôi (cụ thể là thép X12M ) bằng dụng cụ cắt CBN trên trung tâm
tiện CNC. .......................................................................................................................32
3.1.3. Mô hình hoá toán học quá trình nghiên cứu........................................................33
3.2
Xây

dựng
hệ
thống
...................................................................34

thiết

bị

thí

nghiệm.

3.2.1. Mô hình thí nghiệm .............................................................................................34
3.2.2 Thiết bị thí nghiệm ...............................................................................................34
Kết
luận
chương
.....................................................................................................38

III

CHƯƠNG IV ...............................................................................................................39
THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT
................39
ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT VÀ MÒN DỤNG CỤ TRONG TIỆN CỨNG ............39
THÉP
X12M
ĐÃ
QUA

..............................................39

TÔI

4.1.Phương
pháp
nghiên
....................................................................39

BẰNG

DỤNG

cứu

CỤ

thực

CBN
nghiệm

4.1.1. Lý thuyết thực nghiệm.........................................................................................39
4.1.2 Cơ sở lý thuyết......................................................................................................40
4.1.3 Các giới hạn của thí nghiệm ...............................................................................43
4.1.4
Các
thông
số
đầu

...................................................................43

vào

của

thí

nghiệm

4.1.5 Các hàm mục tiêu .................................................................................................44
4.2 Lập ma trận thí nghiệm, chọn phương án quy hoạch thực nghiệm .........................44
4.2.1 Xư lý kết quả – Xác định mô hình toán phương án bậc 1
....................................47
4.2.2

Xác

định

mô

hình

toán

bậc

2

vi

................................................................................49
4.3 Xây dựng kế hoạch thí nghiệm bậc 2 .....................................................................52
4.4
Tiến
hành
thí
...............................................................................................58

nghiệm

4.5 Kết quả quá trình thí nghiệm ...................................................................................59
4.5.1 Kết quả thí nghiệm với hàm mục tiêu độ nhám bề mặt Ra ..................................60


v

4.5.2 Kết quả thí nghiệm mòn dụng cụ CBN ................................................................63
4.5.2.1. Phân tích kết quả thí nghiệm với hàm mục tiêu diện tích gia công Sc. ...........63
4.5.2.2 Xây dựng mô hình hồi quy mô tả mòn dụng cụ ................................................69
4.5.2.3 Tối ưu hóa đa mục tiêu ......................................................................................72
hs = 120,3952 μm ..........................................................................................................74
Kết luận chương IV .....................................................................................................75
PHẦN KẾT LUẬN CHUNG ......................................................................................76
VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CỦA ĐỀ TÀI ......................................76
1. Kết luận chung ...........................................................................................................76
2. Hướng nghiên cứu trong tương lai ............................................................................76
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................77

PHỤ LỤC .....................................................................................................................82


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2-1 Các giá trị Ra và Rz theo chiều dài chuẩn l ứng với cấp độ nhám bề mặt......15
Bảng 2.2 Mức độ và chiều sâu lớp biến cứng của các phương pháp gia công .............16
Bảng 3.1: Thành phần hoá học của phôi thép X12M (%) .............................................36
Bảng 4.1. Giá trị tính toán giá trị thông số chế độ cắt v,s,t cho thực nghiệm ...............43
Bảng 4.2. Kế hoạch toàn phần n =3...............................................................................45
Bảng 4.3 Khai báo các biến thí nghiệm:........................................................................53
Bảng 4.4 Kết quả thí nghiệm .........................................................................................60
Bảng 4.5. Giá trị trung bình nhám bề mặt tại các điểm thí nghiệm theo qui hoạch....60
Bảng 4.6: Nhập các thông số thực nghiệm vào Minitab ...............................................61
Bảng 4.7. Kết quả đo chiều cao vùng mòn mặt sau (hs) ...............................................70
Bảng 4.8. Nhập kết quả đo chiều cao mòn mặt sau (hs)vào phần mềm Minitab ..........70
Bảng 4.9. Nhập kết quả đo chiều cao mòn mặt sau (hs) và độ nhám bề mặt ................73
Ra vào phần mềm Minitab .............................................................................................73


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Chiều sâu cắt khi tiện .....................................................................................5
Hình 1.2 Lượng chạy dao - s .........................................................................................6
Hình vẽ 1.3 Máy Emco Turn 332 Mcplus và Quá trình cắt khô trong tiện cứng ............7
Hình vẽ 1.4 Ký hiệu một số mảnh CBN dùng trong tiện cứng........................................9
Hình 2.1 Ðộ nhám bề mặt...........................................................................................12
Hình 2.2 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 )[17] ..........................................................17
Hình 2.3: Quan hệ giữa vận tốc cắt với chiều sâu lớp biến cứng ứng với các lượng mòn
mặt sau khác nhau của dao tiện [34] .............................................................................18
Hình 2.4 Ảnh hưởng của hình dạng lưỡi cắt và lượng chạy dao...................................19
đến nhám bề mặt. ( 54,7 HRC, chiều dài 101,6 mm ) ...................................................19
Hình 2.5 Ảnh hưởng của hình dạng lưỡi cắt và lượng chạy dao..................................20
đến nhám bề mặt.( 51,3 HRC, chiều dài 101,6 mm ) ....................................................20
Hình 2.6 Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến nhám bề mặt khi gia công thép......................20
Hình 2.7. Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến ..............................................................21
Hình 2.8. Ảnh hưởng của độ cứng phôi và hình dạng lưỡi cắtđến nhám bề mặt ..........23
khi gia công thép( lượng chạy dao = 0.2 mm/vòng, chiều dài là = 203.2 mm ) ...........23
Hình 2.9: Hình ảnh mặt trước của mảnh dao CBN khi cắt với .....................................26
vận tốc cắt 180 m/p chụp trên kính hiển vi điệntư ........................................................26
Hình 2.10: Hình ảnh phóng to vùng vật liệu gia công dínhtrên mặt trước....................27
của dụng cụ khi cắt với vận tốc cắt 180m/p ..................................................................27
Hình 2.11: Hình ảnh mặt trước của mảnh dao CBN .....................................................28
chụp trên kính hiển vi điệntư .........................................................................................28
Hình 3.1 Mô hình tối ưu hoá quá trình cắt khi tiện .......................................................31
Hình 3.2 Mô hình thí nghiệm ............................................................... ......................... 34
Hình 3.3. Thiết bị và sơ đồ thí nghiệm khảo sát mòn và...............................................35
chất lượng bề mặt dụng cụ CBN ...................................................................................35
Hình 3.4: Mảnh dao CBN sư dụng trong nghiên cứu....................................................36
Hình 3.5: Thân dao gắn mảnh CBN sư dụng trong nghiên cứu ....................................36
Hình 3.6. Thiết bị đo kích thước....................................................................................37


viii

Hình 4.1. Mặt hồi qui và đồ thị đường mức của độ nhám Ra theo các thông số chế
độ cắt: vận tốc cắt và lượng chạy dao. .........................................................................62

Hình 4.2. Đồ thị tối ưu với hàm mục tiêu Ra .................................................................62
Như vậy sẽ chọn thông số tối ưu cho Ra = 0,5063μm ứng với: ....................................63
Hình 4.3: Hình ảnh mòn mặt trước của các mảnh dao thí nghiệm................................64
Hình 4.4: Hình ảnh mòn
.........................................65
Hình 4.5: Hình ảnh
................................... 66

mòn

mặt
mặt

trước
sau

của

của

dụng

cụ

thí

nghiệm

các

mảnh

dao

thí

nghiệm

Hình 4.6: Hình ảnh mòn mặt sau của dụng cụ thí nghiệm khi tiện đạt diện tích gia công
Sc = 580464,17 mm2.....................................................................................................67
Hình 4.7: Chiều cao mòn dụng cụ thí nghiệm số 4 ....................................................... 69
Hình 4.8. Mặt hồi qui và đồ thị đường mức của diện tích gia công Sc theo các thông
số chế độ cắt: vận tốc và chiều sâu cắt (a); vận tốc cắt và lượng chạy dao (b), chiều sâu
cắt và lượng chạy dao (c)................................................................ ............................... 71
Hình 4.9. Đồ thị tối ưu cho chiều cao mòn mặt sau hs .................................................72
Hình 4.10 Đồ thị tối ưu với hàm mục tiêu (hs) và Ra....................................................73


1

PHẦN MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Tiện cứng là phương pháp gia công tiện sư dụng dao bằng vật liệu siêu cứng
như: Nitrit bo, kim cương hoặc gốm tổng hợp để thay thế cho nguyên công mài khi gia
công thép hợp kim đã qua tôi đạt độ cứng từ 45 ÷ 70 HRC [10,11]. So với mài tiện
cứng có nhiều ưu thế vượt trội về khía cạnh kinh tế và sinh thái [12,13]. Tiện cứng có
thể sư dụng một dụng cụ cắt để gia công nhiều chi tiết khác nhau còn đá mài ta phải
thay đá hoặc sửa đá. Đặc biệt hơn tiện cứng có thể gia công nhiều biên dạng phức tạp,
cấp chính xác của tiện cứng đạt IT 5÷7 và độ nhám bề mặt Rz là 2÷4µm. Ở điều kiện
gia công đặc biệt tiện cứng có thể đạt đợc cấp chính xác IT 3÷5 và độ nhám bề mặt

Rz<1,5µm[15,18]. Bên cạnh đó tiện cứng còn có thể gia công khô mà không cần sư
dụng dung dịch trơn nguội nên không ảnh hưởng đến môi trường và sức khoẻ người
lao động [17,18]. Tuy nhiên tiện cứng cũng đòi hỏi máy, hệ thống công nghệ có độ
cứng vững và độ chính xác cao [10]. Mặc dù đã có những ưu thế nổi trội và đã đạt đợc
sự tăng trởng mạnh mẽ. Trong những năm gần đây tiện cứng vẫn là một công nghệ gia
công mới chưa được nghiên cứu đầy đủ và khi gia công chi tiết độ song song của hình
trụ không chính xác. Do độ tin cậy của quá trình chưa cao, chất lượng gia công thiếu
ổn định và chi phí dụng cụ cắt lớn nên phạm vi ứng dụng của công nghệ gia công tiên
tiến này còn rất hạn chế.
Chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công là một trong những yêu cầu quan
trọng nhất đối với chi tiết máy vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc, độ
bền, độ bền mòn cũng như tuổi thọ của chi tiết máy. Độ chính xác gia công ảnh hưởng
đến khả năng lắp ráp, khả năng làm việc và thay thế và sửa chữa. Chất lượng bề mặt và
độ chính xác gia công chịu ảnh hưởng rất nhiều của các yếu tố công nghệ. Đặc biệt là
các thông số chế độ cắt (tốc độ cắt-V; lượng chạy dao - s và chiều sâu cắt – t) trong
quá trình gia công. Chính vì lẽ đó việc nghiên cứu chất lượng bề mặt và độ chính xác
khi gia công tiện cứng là rất cần thiết.
Gần đây đã có một số đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất
lượng bề mặt sau khi gia công tiện cứng một số loại thép cơ bản như: 9XC, X12M,
ШX15… Nhưng chỉ giới hạn ở việc nghiên cứu chất lượng bề mặt sau khi gia công
các loại thép nói trên hay đi nghiên cứu về mòn dụng cụ cắt. Chính vì lẽ đó mà đề tài


2

của em muốn nghiên cứu sâu hơn về sự ảnh hưởng của các yếu tố chế độ cắt đến đồng
thời cả chất lượng bề mặt và độ mòn dụng cụ cắt khi tiện cứng bằng dụng cụ CBN và
ứng dụng vào thực tiễn chế tạo máy ở Việt nam. Vì vậy “Xây dựng mô hình dự đoán
nhám bề mặt và mòn dụng cụ khi tiện cứng thép X12M bằng dụng cụ cắt CBN ”
là rất cần thiết.

2. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
2.1 Mục đích
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế
độ cắt đến chất lượng bề mặt và mòn dụng cụ khi tiện cứng thép hợp kim đã qua tôi
trên trung tâm tiện CNC bằng dao tiện CBN. Cụ thể là:
-Nghiên cứu đồng thời cả chất lượng bề mặt và mòn dụng cụ gia công khi tiện
bằng dao tiện CBN trên trung tâm tiện CNC khi tiện thép hợp kim X12M đã qua tôi
đạt độ cứng 57-58 HRC.
-Xác định được chế độ cắt hợp lý để đạt được chất lượng bề mặt tốt nhất và
mòn dụng cụ là ít nhất. Để từ đó tối ưu hoá quá trình gia công tiện cứng, tìm ra được
sự ảnh hưởng của thông số công nghệ nào là lớn nhất ảnh hưởng đến chất lượng và độ
mòn. Từ đó xác định được miền tối ưu của các thông số chế độ cắt trong quá trình gia
công tiện cứng.
-Làm tài liệu tham khảo về chế độ cắt khi tiện cứng đến chất lượng và độ chính
xác gia công.
2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu của đề tài dùng phôi thép hợp kim X12M được dùng
khá phổ biến trong ngành công nghệ chế tạo máy ở nớc ta hiện nay.
-Phạm vi nghiên cứu của đề tài.
+Nghiên cứu tổng quan về công nghệ tiện cứng thép hợp kim đã qua tôi bằng
dao cắt CBN
+Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khi tiện cứng đến chất lượng và độ mòn
dụng cụ.
+Ứng dụng kết quả nghiên cứu để chế tạo chi tiết.
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm. Trên cơ sở nghiên
cứu lý thuyết và phân tích các công trình nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực của đề


3

tài, kết hợp với quy hoạch thực nghiệm để tìm miền tối ưu của các thông số chế độ
cắt khi tiện cứng thép hợp kim đã qua tôi đạt độ cứng 57-58 HRC. Nghiên cứu thực
nghiệm được tiến hành trên máy tiện CNC có sư dụng các thiết bị đo hiện đại có độ
chính xác cao.
4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
4.1. Ý nghĩa khoa học
Các kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở khoa học để ứng dụng công nghệ
tiện cứng trong chế tạo các sản phẩm đòi hỏi cả chất lượng bề mặt lẫn độ mòn dụng cụ
góp phần mở rộng phạm vi ứng dụng công nghệ tiện cứng vào thực tiễn sản xuất ở
nước ta.
4.2 Ý nghĩa thực tiễn
Các kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng tại các nhà máy. Quá trình ứng dụng
các kết quả nghiên cứu sẽ cho phép ta mở rộng phạm vi gia công của ngành chế tạo
máy nói chung và công nghệ tiện cứng nói riêng. Góp phần tạo ra các sản phẩm có
chất lượng tốt, giá thành hạ và nâng cao khả năng ứng dụng vào thực tiễn một phương
pháp gia công tinh linh hoạt, thân thiện với môi trường với chi phí đầu tư thấp phù hợp
với điều kiện sản xuất ở nớc ta.
5. NỘI DUNG CÁC VẤN ĐỀ SẼ ĐI SÂU NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu tổng quan về tiện cứng: Khái niệm về tiện cứng, các yếu tố công
nghệ của chế độ cắt, các yếu tố ảnh hởng đến chất lượng bề mặt và độ mòn dụng cụ…
- Ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến chất lượng bề mặt và độ mòn
dụng cụ khi tiện cứng thép hợp kim đã qua tôi bằng dụng cụ cắt CBN trên trung tâm
tiện CNC.
- Xây dựng mô hình nghiên cứu và hệ thống quy hoạch thực nghiệm từ đó tối
ưu hoá quá trình gia công.
- Triển khai kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất của việt nam
- Hướng nghiên cứu tiếp theo.

4

CHƯƠNG I:
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TIỆN CỨNG
TRÊN TRUNG TÂM TIỆN CNC
1.1.Khái niệm chung về tiện cứng
Thuật ngữ tiện cứng (Hardturning) là phương pháp gia công tiện các chi tiết có
độ cứng cao (45 ÷ 70HRC). Tiện cứng được tiến hành cắt khô hoặc gần như cắt khô và
phổ biến sư dụng dao bằng vật liệu siêu cứng như: Nitrit bo lập phương đa tinh thể
(CBN), PCD, kim cương hoặc ceramic tổng hợp để thay thế cho nguyên công mài khi
gia công thép hợp kim đã qua tôi đạt độ cứng từ 45 ÷ 70 HRC [11,12,13].
Tiện cứng là một phương pháp gia công tinh lần cuối sư dụng dao cắt với lưỡi
cắt có hình dáng hình học xác định để gia công chi tiết đòi hỏi có 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 hoá quá trình gia công, đạt các chỉ tiêu tốt nhất về kỹ thuật là rất cần
thiết.
So với mài tiện cứng có nhiều ưu thế vượt trội về khía cạnh kinh tế và sinh thái
Tiện cứng có thể sư dụng một dụng cụ cắt để gia công nhiều chi tiết khác nhau còn đá
mài ta phải thay đá hoặc sửa đá. Chi phí đầu tư cho một máy tiện CNC chỉ bằng 1/2
đến 1/10 máy mài[16]. Ngoài ra công nghệ này còn góp phần hình thành nên một nền
sản xuất công nghiệp công nghiệp bền vững, chất lượng bề mặt khi gia công bằng
phương pháp tiện cũng có một số ưu điểm hơn so với mài như: Ảnh hưởng nhiệt đến
bề mặt gia công nhỏ do chiều dài và thời gian tiếp xúc giữa dụng cụ và phôi ngắn, lớp
ứng suất dư nén bề mặt có chiều sâu lớn nhưng vẫn giữ được độ chính xác và kích
thước, hình dáng và tính nguyên vẹn của bề mặt [13],[14],[15]. Đặc biệt hơn tiện cứng
có thể gia công nhiều biên dạng phức tạp, các chi tiết có dạng hình cầu…cấp chính xác
của tiện cứng đạt IT 5÷7 và độ nhám bề mặt Rz là 2÷4µm. Ở điều kiện gia công đặc
biệt tiện cứng có thể đạt được cấp chính xác

IT 3÷5 và độ nhám bề mặt

Rz<1,5µm[14,15 ]. Bên cạnh đó tiện cứng còn có thể gia công khô mà không cần sư
dụng dung dịch trơn nguội nên không ảnh hưởng đến môi trường và sức khoẻ người
lao động [18,22]. Do có nhiều ưu điểm nên tiện cứng được bắt đầu giới thiệu rộng rãi
và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực chế tạo cơ khí từ những năm 1980. Gia công cứng đã
phát triển đáng kể trong các phương pháp gia công khác nhau như: Phay cứng, khoan,


5

chuốt, phay lăn răng và những hình thức khác cùng với sự phát triển của dụng cụ cắt,
vật liệu dụng cụ cắt siêu cứng và các thiết kế dụng cụ cắt đặc biệt, chế độ cắt hợp lý đã
làm cho việc gia công các vật liệu cứng trở lên dễ dàng hơn. Nó là một bước đi tiên
phong được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp như một phương tiện
nâng cao khả năng gia công các chi tiết chịu tải trọng. Đặc biệt là công nghiệp chế tạo
ô tô để chế tạo ra nhiều chi tiết như: Vòng bi, chế tạo khuôn và khuôn mẫu cũng như
các thành phần khác cho các ngành công nghiệp tiên tiến.
Thép sau khi tôi là thành phần điển hình được gia công cứng với độ cứng trên
lớp bề mặt có chiều sâu chỉ 1mm cho nó có khả năng chống mài mòn và độ bền cơ học
cao. Thép này được sư dụng để chế tạo ra các chi tiết. Bao gồm: Bánh răng, các loại
trục, trục cam, khớp các đăng và các thiết bị cho ngành giao thông vận tải nói riêng và
ngành cơ khí nói chung.
Tuy nhiên tiện cứng cũng còn nhiều hạn chế như: Chi phí dụng cụ cho mỗi đơn
vị là cao hơn đáng kể so với mài, đòi hỏi máy, hệ thống công nghệ có độ cứng vững và
độ chính xác cao [19]. Mặc dù đã có những ưu thế nổi trội và đã đạt được sự tăng
trưởng mạnh mẽ. Trong những năm gần đây tiện cứng vẫn là một công nghệ gia công
mới chưa được nghiên cứu đầy đủ và khi gia công chi tiết hay bị méo, độ song song
của hình trụ không chính xác. Do độ tin cậy của quá trình chưa cao, chất lượng gia
công thiếu ổn định và chi phí dụng cụ cắt lớn nên phạm vi ứng dụng của công nghệ gia
công tiên tiến này còn rất hạn chế .

1.2. Các yếu tố công nghệ của chế độ cắt khi tiện
* Chiều sâu cắt t (mm)

Hình 1.1 Chiều sâu cắt khi tiện
Là khoảng cách giữa bề mặt cha gia công và bề mặt đã gia công theo phương vuông
góc với bề mặt đã gia công trong một lần cắt.


6

Khi tiện ngoài t

(mm)

Trong đó: D: là đường kính phôi(mm)
d: Là đường kính chi tiết hình thành sau mỗi lần cắt(mm)
* Lượng chạy dao s

Hình 1.2 Lượng chạy dao - s
Là lượng dịch chuyển của một điểm trên lưỡi cắt theo phương chạy dao trong một đơn
vị qui ước.
* Vận tốc cắt v
Là lượng dịch chuyển tương đối của một điểm trên lưỡi cắt so với phôi đo theo
phương chuyển động cắt trong một đơn vị thời gian.
V=
Trong đó:

(m/phút)

D: là đường kính phôi(mm)

n: Là số vòng quay của phôi (vòng/phút)
1.3 Thiết bị và dụng cụ cắt dùng trong tiện cứng
Tiện cứng là một cách sư dụng dao bằng mảnh vật liệu siêu cứng CBN (Cubic
boron nitride), PCBN, PCD hoặc Ceramic tổng hợp nhằm thay thế cho mài trong gia
công thép qua tôi (thờng ≥ 45HRC). Phương pháp này có thể gia công khô và hoàn
thành chi tiết trong cùng một lần gá.
Cấp chính xác khi tiện cứng có thể đạt IT5-7, nhám bề mặt Rz = 2 - 4 µm , rõ
ràng với chất lượng đạt được như vậy, tiện cứng hoàn toàn thay thế được cho mài
trong hầu hết các trờng hợp gia công công tinh các sản phẩm.
Các sản phẩm trong tiện cứng khá linh hoạt, từ các chi tiết dạng trục trơn (các
trục ngắn), con lăn,.. tới các chi tiết có biên dạng phức tạp hơn,..
Để áp dụng công nghệ này hệ thống máy, dao, đồ gá phải đảm bảo các yêu cầu
như: Máy tiện đủ độ cứng vững, đủ tốc độ quay trục chính và công suất phù hợp. Các


7

máy tiện NC, CNC được dùng để thực hiện công việc này. Các máy tiện điều khiển
bằng tay cũng có thể được dùng nếu đáp ứng các yêu cầu trên.

Hình vẽ 1.3 Máy Emco Turn 332 Mcplus và Quá trình cắt khô trong tiện cứng
Đồ gá trong tiện cứng phụ thuộc vào biên dạng các sản phẩm yêu cầu.
Nhìn chung các chi tiết gia công đều được cắt mà ít sư dụng đồ gá phụ vì lý do độ
cứng vững cần có trong tiện cứng. Hơn nữa với các máy điều khiển số thì điều này
không còn nhiều ý nghĩa. Các đồ gá phụ thường kèm theo các máy khi sản xuất.
Dao tiện thường sư dụng là các mảnh lắp ghép với thân theo tiêu chuẩn của
từng máy. Các mảnh có nhiều loại theo hình dạng, phần trăm lượng CBN, chất kết
dính,..Khi hết tuổi bền các mảnh không thể mài lại như các dao thông thường. Chúng
được thay ra hoặc xoay đi dùng lưỡi cắt mới (với mảnh nhiều lưỡi).

Các mảnh hợp kim CBN thường sư dụng cho tiện cứng là TPGN, CNMA,
DNMA, TNG,..Các mảnh hợp kim cương thường là CCMT, CPGM,..nói chung hàm
lượng CBN phụ thuộc vào nhà sản xuất. Người ta phân ra làm ba loại, hàm lượng cao
(nhiều hơn 90% CBN), trung bình ( khoảng 72% CBN) và thấp (nhỏ hơn 60%
CBN). Các mảnh có hàm lượng cao thường sư dụng cho tiện truyền thống để gia
công các vật liệu mềm hơn như kim loại bột, gang và một số hợp kim đặc biệt. So
với các mảnh carbide thì các mảnh CBN có giá thành cao hơn đáng kể (từ 4 - 5 lần),
song dao CBN lại có tuổi bền lớn hơn rất nhiều.
CBN là một trong bốn dạng tinh thể của Nitrit Bo (BN) gồm: Hexagonal
(HBN), Rhombohedral (RBN), Wurtzitic (WBN) và Cubic (CBN) [20,21]. CBN được
tổng hợp thành công lần đầu tiên vào năm 1957 và bắt đầu được đưa ra thị trường dưới
dạng dụng cụ cắt và bột mài từ năm 1969. Tính chất ít tương tác hóa học với nhóm


8

hợp kim thép, độ cứng cao và tính ổn định ở nhiệt độ cao, đặc biệt trong điều kiện ô xy
hóa đã làm cho vật liệu CBN trở thành loại vật liệu công nghiệp thích hợp hơn so với
kim cương. Được coi là vật liệu của thế kỷ 20, hiện nay Nitrit Bo đang được ứng dụng
rất hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ như vật liệu kỹ thuật điện tử,
vật liệu kỹ thuật hạt nhân, vật liệu dụng cụ cắt, vật liệu bôi trơn và vật liệu chịu lửa
[16].
Chi phí dao cụ không phải là trở ngại khi đã loại bỏ công đoạn mài tinh. Nhiều
xưởng sản xuất còn nhận thấy việc giảm chi phí dung dịch trơn nguội do cắt khô đã bù
đắp lượng chi phí cao hơn về dao.
Dải vật liệu được gia công bằng tiện cứng không hạn chế, ngay cả đối với thép
rèn đã tôi, thép gió và hợp kim cứng bề mặt stellites. Việc hợp kim stellites có thể gia
công bằng tiện cứng đã mở rộng khả năng của tiện cứng kể cả trong công việc sưa
chữa. Vật liệu điển hình được tiện cứng là các thép hợp kim qua tôi cứng.

9

Hình vẽ 1.4 Ký hiệu một số mảnh CBN dùng trong tiện cứng
Khi tiện cứng, nếu cắt với tốc độ cắt thấp hơn quy định thì mảnh CBN sẽ bị
mòn nhanh và hỏng. Thông thường chế độ cắt khuyến cáo là: với tiện tinh độ cứng
vật liệu từ 55 - 67HRC, V = 80 - 160 (m/ph), S = 0,04 - 0,08 (mm/vg); t = 0,1
- 0,5mm với tiện chính xác độ cứng vật liệu từ 45 - 60HRC, V= 120 - 180 (m/ph), S
= 0,02 - 0,04 (mm/vg), t = 0,02 - 0,3mm [19].
Nhiều nhà máy chế tạo ổ đỡ, bánh răng, con lăn và trục bằng thép đã tôi sư
dụng chế độ cắt này. Họ có thể đạt dung sai kích thước đến ± 0,01mm hoặc cao hơn
nếu thời gian chế tạo lâu hơn và nhám bề mặt rất nhỏ. Ngoài ra giá thành máy mài có
thể đắt gấp 2-3 lần máy tiện. Trong nhiều phân xưởng hiện nay họ đã thay thế tiện
cứng cho mài truyền thống. Đồng thời khi sư dụng tiện cứng thời gian chu kỳ và điều
chỉnh ngắn hơn nhiều so với mài.
Qua đó có thể kết luận rằng, việc áp dụng công nghệ tiện cứng để gia công tinh
lần cuối đã mang lại những lợi ích sau:
- Giảm thời gian và chu kỳ gia công một sản phẩm.
- Giảm chi phí đầu thiết bị.
- Tăng độ chính xác gia công.
- Đạt độ nhẵn bề mặt cao hơn.
- Cho phép nâng cao tốc độ bóc tách vật liệu (từ 2 - 4 lần).
- Gia công được các contour phức tạp.
- Cho phép thực hiện nhiều bước gia công trong cùng một lần gá.
- Có thể chọn gia công có hoặc không có dụng dich trơn nguội. Gia công khô
giảm chi phí gia công và không có chất thải ra môi trường.
Một lợi thế quan trọng nữa khi tiện cứng đó là việc tạo ra một lớp ứng suất
dư nén khi gia công, điều này đặc biệt có lợi với những chi tiết yêu cầu độ bền mỏi
cao. Điều này với mài lại là một bất lợi. Mặc dù vậy tiện cứng cũng có những
nhược điểm cần lưu ý như: do chủ yếu cắt khô nên nhiệt rất cao, dụng cụ có lưỡi cắt

10

đơn nên quá trình cắt không ổn định, chi phí dụng cụ cắt cao, khi gia công các chi tiết
có chiều dài lớn dung sai chế tạo có thể nằm ngoài vùng cho phép (trục dài), khi
chiều sâu cắt nhỏ hơn chiều sâu cắt tới hạn (tmin) thì quá trình cắt không thể thực
hiện được.
Từ những năm 1970 các nghiên cứu đã tập trung vào hướng công nghệ mới
để đạt được các mục đích này. Nhng phải đến những năm 1990, với sự phát triển
mạnh của các máy công cụ tiên tiến và vật liệu Nitrit Bor lập phương thì tiện
cứng mới được áp dụng rộng rãi trong chế tạo máy. Tiện cứng đã thực sự trở thành
công nghệ không thể thiếu trong việc gia công tinh các chi tiết qua tôi cứng. Điều
này góp phần không nhỏ cho quá trình lớn mạnh của ngành chế tạo máy nói riêng và
ngành công nghiệp nói chung.


11

Kết luận chương I
Tiện truyền thống trên máy tiện vạn năng và công thông thường là một phương
pháp cho năng suất cao nhưng chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công không cao.
Do vậy các phương pháp này chỉ dùng để gia công thô và bán tinh để gia công các chi
tiết có hình dáng đơn giản.
Hiện nay với sự phát triển của kỹ thuật CNC và các loại vật liệu dụng cụ cắt
mới cho năng suất và chất lượng cao. Ta có thể gia công tinh đạt độ chính xác và chất
lượng bề mặt cao mà không cần phải qua nguyên công mài. Điều đặc biệt hơn nữa là ta
có thể gia công chi tiết có biên dạng phức tạp, biên dạng hình chỏm cầu mà không cần
phải dưỡng. Tiện cứng là một phương pháp tiện tiên tiến cho độ chính xác và chất
lượng bề mặt cao thường được sư dụng để tiện tinh các bề mặt thép hợp kim đã qua

tôi. Do vậy hướng nghiên cứu của đề tài“Xây dựng mô hình dự đoán nhám bề mặt và
mọn dụng cụ khi tiện cứng thép X12M bằng dụng cụ cắt CBN” là rất cần thiết để góp
phần nâng cao chất lượng và độ chính xác gia công cứng thép hợp kim đã qua tôi. Qua
đó góp phần tạo nên nền sản xuất công nghiệp bền vững.


12

CHƯƠNG II
CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT VÀ MÒN DỤNG CỤ KHI TIỆN CỨNG
2.1. Chất lượng bề mặt khi tiện cứng
2.1.1 Khái niệm chung về lớp bề mặt
Bề mặt là sự phân cách giữa hai môi trường khác nhau. Bề mặt kim loại có thể
được tạo thành bằng các phương pháp gia công khác nhau nên có cấu trúc và đặc tính
khác nhau. Để xác định được đặc trưng của lớp bề mặt ta cần biết mô hình và định luật
của kim loại nguyên chất không có tương tác với môi trường khác và sự khác nhau về
sự sắp xếp các nguyên tử, tác dụng của lực trên bề mặt so với bên trong. Sau đó nghiên
cứu sự thay đổi của lớp bề mặt do tác động của môi trường để thiết lập khái niệm mô
hình bề mặt thực.
Nhiều tính chất khối của vật liệu có liên quan đến bề mặt ở mức độ khác nhau.
Thường các tính chất hoá, lý của lớp bề mặt là quan trọng. Tuy nhiên, các đặc trưng cơ
học như độ cứng và phân bố ứng suất trong lớp này cũng được quan tâm [26].
2.1.2 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng lớp bề mặt sau gia công cơ.
*Độ nhám bề mặt và phương pháp đánh giá
-Độ nhám bề mặt hay còn goi là độ nhấp nhô tế vi là tập hợp tất cả các bề mặt
lồi lõm với bước cực nhỏ và được quan sát trong phạm vi chiều dài chuẩn rất ngắn
[27]. Chiều dài chuẩn L là chiều dài để đánh giá các thông số của độ nhám bề mặt
(l=0.01÷25mm).
Độ nhám bề mặt gia công đã được phóng đại lên nhiều lần thể hiện trên hình 2.1

Hình 2.1 Ðộ nhám bề mặt
Theo tiêu chuẩn TCVN 2511-1995 thì nhám bề mặt được đánh giá thông qua
bảy chỉ tiêu. Thông thường người ta chỉ dung hai chỉ tiêu. Đó là: Ra và Rz.


13

Trong đó:
+Ra là sai lệch trung bình số học của profin, là trung bình số học các giá trị
tuyệt đối của sai lệch profin(y) trong khoảng chiều dài chuẩn. Sai lệch profin(y) là
khoảng cách từ các điểm trên đường profin đến đường trung bình đo theo phương pháp
tuyến tới đường trung bình. Đường trung bình (m) là đường chia profin bề mặt sao cho
trong phạm vi chiều dài chuẩn l tổng diện tích hai phía của đường chuẩn bằng nhau.R a
được xác định theo công thức
Ra=

=

+Rz là chiều cao nhấp nhô profin theo mười điểm, là trị số trung bình của tổng
các giá trị tuyệt đối của chiều cao năm đỉnh cao năm đỉnh cao nhất và năm đáy thấp
nhất của profin trong chiều dài chuẩn l. Rz được xác định theo công thức.

Rz=

Ngoài ra độ nhám bề mặt được đánh giá qua chiều cao nhấp nhô lớn nhất R max.
Chiều cao nhấp nhô Rmax là khoảng cách giữa hai đỉnh cao nhất và thấp nhất của nhám
(profin bề mặt trong giới hạn chiều dài chuẩn l)
Cũng theo tiêu chuẩn TCVN 2511-1995 thì độ nhám bề mặt được chia làm 14
cấp, từ cấp 1 đến cấp 14 với các giá trị Ra,Rz. Trị số nhám càng bé thì bề mặt càng
nhẵn và ngược lại. Độ nhám bề mặt thấp nhất hay độ bóng bề mặt cao nhất ứng với cấp

14(tương ứng với Ra

). Việc chọn chỉ tiêu Ra hay Rz là tuỳ

thuộc vào chất lượng yêu cầu của bề mặt. Chỉ tiêu Ra được gọi là thông số ưu tiên và
được sư dụng phổ biến nhất do nó cho phép đánh giá chính xác và thuận tiện hơn
những bề mặt có ưu cầu độ nhám trung bình (độ nhám từ cấp 6÷12). Đối với những bề
mặt có độ nhám quá thô (từ cấp 1÷5) và rất tinh (cấp 13,14) thì dùng chỉ tiêu Rz sẽ cho
ta khả năng đánh giá chính xác hơn khi dùng Ra (Bảng 2.1)