Xác định chế độ cắt hợp lý khi tiện có va đập thép 45 qua tôi bằng mảnh hợp kim cứng phủ tialn

đẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG đẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THANH TÙNG

XÁC đỊNH CHẾ đỘ CẮT HỢP LÝ
KHI TIỆN CÓ VA đẬP THÉP 45 QUA TÔI
BẰNG MẢNH HỢP KIM CỨNG PHỦ TIALN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN – NĂM 2015


đẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG đẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
NGUYỄN THANH TÙNG
XÁC đỊNH CHẾ đỘ CẮT HỢP LÝ
KHI TIỆN CÓ VA đẬP THÉP 45 QUA TÔI
BẰNG MẢNH HỢP KIM CỨNG PHỦ TIALN
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 60520103
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. NGUYỄN QUỐC TUẤN

THÁI NGUYÊN – NĂM 2015

i
LỜI CAM đOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân thực hiện
dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Quốc Tuấn. Trừ những phần tham
khảo đã được ghi rõ trong luận văn, những kết quả, số liệu nêu trong luận văn
là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Người cam đoan

Nguyễn Thanh Tùng


ii
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin được cảm ơn PGS.TS Nguyễn Quốc Tuấn, thầy
hướng dẫn khoa học của tôi về sự định hướng đề tài, sự hướng dẫn tận tình
cùng những đóng góp quý báu trong quá trình tôi làm thực nghiệm và viết
luận văn.
Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô giáo – Trường
Cao đẳng Công nghiệp Việt đức, Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã
dành những điều kiện làm việc tốt nhất cho tôi về cơ sở vật chất, dụng cụ,
máy móc, giúp tôi hoàn thành được nghiên cứu của mình.
Tôi muốn được bày tỏ sự biết ơn của mình đến Ban Giám Hiệu, Khoa
đào tạo sau đại học Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã dành những
điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành luận văn này.
Cuối cùng, tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn đối với gia đình và bạn bè đã
ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình làm luận văn này.
Tác giả

Nguyễn Thanh Tùng

3

MỤC LỤC
LỜI CAM đOAN ...............................................................................................
i

LỜI

ƠN....................................................................................................ii

CẢM
DANH

MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ đỒ THỊ ..................................................... v DANH
MỤC CÁC BẢNG BIỂU ...................................................................vii PHẦN
MỞ đẦU ............................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TIỆN CỨNG............................ 4
1.1. đặc điểm quá trình tạo phoi khi tiện cứng .................................................
4
1.1.1. Các hình thái phoi khi cắt kim loại ......................................................... 4
1.1.2. Cơ chế hình thành phoi khi tiện cứng ..................................................... 5
1.2. Lực và ứng suất trong cắt kim loại .............................................................
8
1.2.1. Mô hình tính toán lực cắt ........................................................................ 8
1.2.2. Ứng suất trong dụng cụ cắt.................................................................... 10
1.2.3. Sự phân bố ứng suất trong vùng biến dạng ...........................................
11
1.2.4. Lực cắt khi tiện cứng .............................................................................
13

1.3. Nhiệt cắt trong quá trình tiện cứng........................................................... 14
1.3.1. Các nguồn nhiệt trong cắt kim loại .......................................................
14
1.3.2. Các phương pháp đo nhiệt độ trong cắt kim loại ..................................
15
1.3.3. Nhiệt cắt khi tiện cứng .......................................................................... 16
1.4. Kết luận chương 1 .................................................................................... 17
Chương 2. DỤNG CỤ PHUN PHỦ ................................................................
18
2.1. Các loại vật liệu dụng cụ cắt dùng trong tiện cứng ..................................
18
2.1.1. Vật liệu sứ (ceramics) ....................................................................... 18
2.1.2. Nitrit Bo lập phương (CBN) ............................................................. 19
2.1.3. Vật liệu phủ ........................................................................................... 21


4

2.2. Mòn dụng cụ .............................................................................................
24
2.2.1. Khái niệm chung về mòn....................................................................... 24
2.2.2. Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt ...........................................................
26


4

2.2.3. Mòn dụng cụ cắt và cách xác định ........................................................ 29
2.2.4. Ảnh hưởng của mòn dụng cụ đến chất lượng bề mặt khi tiện cứng ..... 32
2.3. Tuổi bền của dụng cụ ............................................................................... 32

2.3.1. Các nhân tố ảnh hưởng đến tuổi bền của dụng cụ khi tiện cứng .......... 33
2.3.2. Phương pháp xác định tuổi bền dụng cụ cắt ......................................... 37
2.3.3. Tuổi bền của dụng cụ cắt khi tiện cứng ................................................ 38
2.4. Kết luận chương 2 .................................................................................... 38
Chương 3. XÁC đỊNH CHẾ đỘ CẮT HỢP LÝ KHI TIỆN CÓ VA đẬP
THÉP 45 QUA TÔI BẰNG MẢNH HỢP KIM CỨNG PHỦ TIALN .......... 40
3.1. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm..................................................... 40
3.1.1. Cơ sở lý thuyết....................................................................................... 40
3.1.2. Thiết kế thí nghiệm................................................................................ 44
3.1.3. điều kiện biên........................................................................................ 48
3.2. Thực nghiệm để xác định chế độ cắt hợp lý khi tiện có va đập thép 45 qua
tôi bằng mảnh dao phủ TiAlN ......................................................................... 48
3.2.1. Nội dung ................................................................................................ 48
3.2.2. Các thông số đầu vào của thí nghiệm.................................................... 49
3.2.3. Hàm mục tiêu khi tiện có va đập thép 45 qua tôi .................................. 50
3.2.4. Chọn dạng hàm hồi quy......................................................................... 50
3.2.5. Xây dựng kế hoạch thí nghiệm.............................................................. 50
3.2.6. Thực hiện thí nghiệm............................................................................. 51
3.2.7. Phân tích kết quả thí nghiệm ................................................................. 52
3.3. Tuổi bền dụng cụ ở chế độ cắt tối ưu ....................................................... 57
3.4. Khảo sát mòn mảnh dao ở chế độ cắt tối ưu ............................................ 58
3.5. Kết luận chương 3 .................................................................................... 60
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ................ 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 62


5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ đỒ THỊ
Hình

Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 1.8
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 2.8
Hình 2.9
Hình 2.10
Hình 2.11
Hình 2.12
Hình 2.13
Hình 2.14
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8

Hình 3.9
Hình 3.10
Hình 3.11

Nội dung
Trang
Cơ chế hình thành dạng phoi ổn định.
4
Các dạng phoi phân đoạn.
5
Sơ đồ các giai đoạn của quá trình tạo phoi do trượt cục bộ
6
Các giai đoạn hình thành phoi răng cưa trong gia công thép
7
100Cr6.
Vòng tròn lực khi cắt trực giao của Ernst và Merchant.
9
Biến thiên ứng suất pháp và tiếp trên mặt trước dụng cụ.
11
Biến thiên ứng suất pháp và tiếp trong mặt phẳng trượt.
12
Các khu vực biến dạng là nguồn sinh nhiệt.
15
Cấu trúc tế vi của hai loại mảnh dao BZN6000-92%CBN
20
(High CBN) và BZN8100-70%CBN (Low CBN).
Lớp phủ nhiều lớp.
24
Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn.
26

Các dạng mòn phần cắt của dụng cụ khi tiện.
29
Quan hệ giữa một số dạng mòn của dụng cụ hợp kim cứng
30
0,6
với thể tích Vc.t1 .
Các thông số đặc trưng cho mòn mặt trước và mặt sau.
31
Vùng mài lại của dụng cụ cắt.
32
Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến mòn mặt trước và mặt sau
34
của dao thép gió.
Tuổi bền dụng cụ tính theo thể tích phoi được bóc tách.
35
Tuổi bền dụng cụ tính bằng phút.
36
Quan hệ giữa lượng mòn mặt sau và tuổi bền với góc trước
36
n.
Quan hệ giữa thời gian cắt, tốc độ cắt và độ mòn của dao.
37
Quan hệ giữa tốc độ cắt V và tuổi bền T của dao.
37
Quan hệ giữa V và T (đồ thị lôgarit).
38
Kế hoạch thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu.
42
Máy tiện CTX 310 eco.
45

Các thông số cơ bản của mảnh dao.
46
Phôi thí nghiệm.
46
Máy đo độ nhám SJ-210.
47
đo nhám bề mặt.
52
Nhập số liệu thí nghiệm độ nhám Ra.
53
Kết quả phân tích số liệu thí nghiệm độ nhám Ra.
53
đồ thị bề mặt chỉ tiêu.
55
đồ thị đường mức.
55
đồ thị tối ưu.
56


6

Hình 3.12
Hình 3.13
Hình 3.14
Hình 3.15
Hình 3.16

Số liệu kết quả tối ưu.
Quan hệ giữa nhám bề mặt và thời gian gia công.

Ảnh chụp mặt sau dụng cụ cắt sau 10 phút gia công.
Ảnh chụp mặt sau dụng cụ cắt sau 20 phút gia công.
Ảnh chụp mặt sau dụng cụ cắt sau 30 phút gia công.

56
58
59
59
60


vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
TT
Bảng 2.1
Bảng 3.1
Bảng 3.2
Bảng 3.3
Bảng 3.4
Bảng 3.5

Nội dung
Trang
Các thông số chế độ cắt khác nhau của Dawson và
35
Thomas.
Bảng thành phần hóa học thép 45.
47
Giá trị thông số chế độ cắt V, S cho thực nghiệm.
49

Ma trận thí nghiệm.
51
Kết quả độ nhám bề mặt chi tiết gia công.
52
độ nhám bề mặt gia công ở chế độ cắt tối ưu.
57


1


2

PHẦN MỞ đẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Chất lượng bề mặt 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, độ bền mỏi cũng như tuổi thọ của chi tiết máy. Nâng cao
chất lượng bề mặt là một trong những vấn đề rất quan trọng của ngành công
nghệ chế tạo máy. Việc nghiên cứu và ứng dụng các giải pháp công nghệ cho
phương pháp gia công tinh lần cuối các bề mặt chi tiết máy, đồng thời tìm ra
những biện pháp công nghệ mới hoàn thiện hơn là một nhiệm vụ cấp bách.
Tiện cứng (hard turning) là phương pháp tiện sử dụng dao bằng các vật
liệu siêu cứng như Carbide phủ CVD, PVD, Nitrit Bo lập phương đa tinh thể
hoặc Ceramic tổng hợp để thay thế cho nguyên công mài khi gia công các vật
liệu có độ cứng cao (40 ÷ 70HRC) [18], [21]. So với mài, tiện cứng có nhiều
ưu điểm vượt trội về khía cạnh kinh tế và sinh thái [29], [32]. Ưu điểm đáng
kể nhất của tiện cứng là có thể dùng một dụng cụ mà vẫn gia công được nhiều
chi tiết có hình dáng khác nhau bằng cách thay đổi đường chạy dao. Trong
khi đó, muốn mài được hình dạng các chi tiết khác nhau thì phải sửa đá hoặc

thay đá khác. đặc biệt, tiện cứng có thể gia công được những biên dạng phức
tạp mà mài khó có thể thực hiện được. Ngoài ra, chất lượng bề mặt khi tiện
cứng cũng có một số ưu điểm so với mài như ảnh hưởng của 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
kích thước, hình dạng và tính nguyên vẹn bề mặt [17], [19], [23], [38]. Bên
cạnh đó, tiện cứng còn có thể thực hiện gia công khô, không cần sử dụng
dung dịch trơn nguội nên không ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe người
lao động [10], [28]. Tuy nhiên, tiện cứng cũng đòi hỏi máy, hệ thống công
nghệ có độ cứng vững và độ chính xác cao [15].


Mặc dù có những ưu điểm nổi bật và đã đạt được sự tăng trưởng mạnh
mẽ trong những năm gần đây, tiện cứng vẫn đang là một công nghệ gia công
mới chưa được nghiên cứu đầy đủ và các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào
quá trình tiện cứng không có va đập. Trong thực tế có nhiều trường hợp gia
công có va đập như gia công trục bánh răng, trục then hoa, … Vì vậy, việc bổ
sung các nghiên cứu tìm hiểu về ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ khi tiện
cứng có va đập đến chất lượng bề mặt gia công là cần thiết đối với ngành cơ
khí.
Chế độ cắt có ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng bề mặt gia công
khi tiện có va đập thép 45 đã qua tôi (một loại vật liệu được sử dụng khá phổ
biến để chế tạo trục bánh răng, trục then hoa, …)? Việc tìm ra bộ chế độ cắt
hợp lý để đạt chất lượng bề mặt tốt nhất cho quá trình này đang là yêu cầu cần
thiết của các nhà sản xuất. Do vậy đề tài “Xác định chế độ cắt hợp lý khi tiện
có va đập thép 45 qua tôi bằng mảnh hợp kim cứng phủ TiAlN” là cần thiết
và cấp bách.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là đánh giá ảnh hưởng của chế độ cắt
(S, V, t) đến chất lượng bề mặt (chủ yếu là nhám bề mặt) và tuổi bền dụng cụ

khi tiện có va đập thép 45 sau khi tôi sử dụng mảnh hợp kim cứng phủ TiAlN.
Qua đó đưa ra được bộ thông số chế độ cắt hợp lý để đạt chất lượng bề gia
công theo yêu cầu.
3. Phương pháp nghiên cứu
Tìm hiểu lý thuyết kết hợp nghiên cứu thực nghiệm. Việc tìm hiểu lý
thuyết dựa trên sự phân tích và tổng hợp các kết quả đã công bố, đưa ra các
giả thiết và các tính toán biến đổi phù hợp để xây dựng cơ sở lý thuyết và
thiết lập các mô hình thực nghiệm.


Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trên các hệ thống thiết bị thí
nghiệm hiện đại có độ tin cậy và độ chính xác cao để đánh giá chất lượng bề
mặt thông qua kết quả đo nhám và hình chụp topography bề mặt.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
4.1. Ý nghĩa khoa học
đề tài phù hợp với xu thế phát triển khoa học và công nghệ gia công
kim loại trong nước cũng như khu vực và thế giới.
Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học cho việc điều khiển, tối ưu quá
trình tiện.
đề tài sẽ bổ sung được một số kết quả nghiên cứu cơ bản trong điều
kiện kỹ thuật và công nghệ cụ thể ở Việt Nam.
4.2. Ý nghĩa thực tiễn
Các kết quả nghiên cứu của đề tài có thể ứng dụng tại các nhà máy,
phân xưởng sản xuất cơ khí khi gia công có va đập thép 45 sau khi tôi trên
khía cạnh về chất lượng bề mặt gia công.
Quá trình ứng dụng các kết quả nghiên cứu sẽ cho phép mở rộng phạm
vi gia công của ngành chế tạo máy nói chung và của công nghệ tiện cứng nói
riêng, góp phần tạo ra những 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, chi phí đầu tư thấp, phù hợp với điều kiện sản

xuất ở Việt Nam.


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TIỆN CỨNG
1.1. đặc điểm quá trình tạo phoi khi tiện cứng
1.1.1. Các hình thái phoi khi cắt kim loại


Phoi hình thành trong quá trình cắt kim loại rất đa dạ g song có thể chia
thành hai dạng cơ bản [35]:
- Dạng phoi dây ổn định (phoi liền): Với ba loại tùy theo cơ chế hình thành,
bao gồm vùng trượt tập trung gần như một mặt phẳng, vùng trượt có dạng
mảng và vùng trượt mở rộng có biến dạng dẻo bên dưới bề mặt do mòn dao
(hình 1.1) [34].
- Dạng phoi tuần hoàn: Phoi rời, phoi lượn sóng, phoi răng cưa (phoi xếp) và
phoi tạo thành với lẹo dao.

Hình 1.1. Cơ chế hình thành dạng phoi ổn định.
a) Trượt tập trung trên mặt phẳng; b) Vùng trượt tạo thành mảng;
c) Vùng trượt mở rộng bên dưới bề mặt gia công [34].
đôi khi còn có dạng phoi với bề dày thay đổi không tuần hoàn, đặc biệt
là khi cắt kim loại nguyên chất.
Khái niệm phoi phân đoạn thường được dùng để mô tả cả phoi lượn sóng
và phoi răng cưa không còn phù hợp từ khi sự khác biệt giữa hai loại phoi này
được nhận diện. Ví dụ, tần số chu kỳ của phoi lượn sóng thường khoảng
100Hz trong khi tần số chu kỳ của phoi răng cưa lớn hơn 2÷4 lần. Hơn nữa,
phoi lượn sóng không có các đỉnh sắc nhọn như phoi răng cưa (hình 1.2) [35].


Hình 1.2. Các dạng phoi phân đoạn.

a) Phoi lượn sóng; b) Phoi răng cưa [35].
1.1.2. Cơ chế hình thành phoi khi tiện cứng
Sự khác biệt cơ bản của quá trình tạo phoi khi gia công thép cứng và thép


thông thường là sự hình thành phoi răng cưa, lần đầu tiên được Shaw phát
hiện vào năm 1954 [9]. Các lý thuyết khác nhau để giải thích về cơ chế hình
thành phoi răng cưa có thể chia thành hai dạng: Dạng thứ nhất dựa trên sự
trượt đoạn nhiệt ban đầu, một trạng thái mất ổn định nhiệt dẻo thường thấy ở
các vật liệu hạn chế về khả năng biến cứng khi bị biến dạng ở tốc độ cao hoặc
biến dạng dẻo lớn [42], [43]. Dạng thứ hai cho rằng do sự mất ổn định theo
chu kỳ dựa trên sự xuất hiện và lan truyền của các vết nứt ở bề mặt tự do của
phoi [9], [34], [35].
Theo quan điểm thứ nhất, sự thay đổi của tốc độ cắt khi gia công các loại
vật liệu khó gia công gây ra sự không ổn định của quá trình đã dẫn đến phản
ứng cơ nhiệt của vật liệu phôi dưới điều kiện cắt gọt. Kết quả là sự trượt cục
bộ và dạng phoi tuần hoàn được hình thành. Trượt cục bộ làm lực cắt thay đổi
tuần hoàn và gây ra dao động hoặc va đập trong quá trình cắt, đặc biệt khi độ
cứng vững của hệ thống thấp và nhiệt độ trên bề mặt tiếp xúc giữa phoi và
dụng cụ lớn. Phoi hình thành do trượt cục bộ là dạng phoi điển hình khi gia
công các vật liệu có hệ thống trượt hạn chế (cấu trúc tinh thể sáu cạnh), khả



năng dẫn nhiệt kém, độ cứng cao như các loại thép hợp kim cứng, các loại
siêu hợp kim của titan và niken. Trái lại, phoi ổn định là dạng phoi thích hợp
khi gia công các loại vật liệu có hệ thống trượt mạnh (cấu trúc tinh thể bốn
cạnh), tính dẫn nhiệt tốt, độ cứng thấp như các loại thép các bon và thép hợp
kim thông thường [43].
Cơ chế hình thành phoi do trượt cục bộ gồm một chuỗi các quá trình với

hai giai đoạn cơ bản: Giai đoạn thứ nhất là sự trượt không ổn định và biến
dạng cục bộ trong một dải hẹp ở vùng trượt thứ nhất phía trước dụng cụ. Giai
đoạn thứ hai là quá trình phá hủy theo đường nghiêng hình chêm của vật liệu
phôi khi dụng cụ tiến về phía trước với biến dạng không đáng kể để hình
thành một phân đoạn phoi [43].

Hình 1.3. Sơ đồ các giai đoạn của quá trình tạo phoi do trượt cục bộ [43].
Quá trình hình thành phoi do trượt cục bộ khác hẳn với quá trình hình
thành phoi liền ổn định (hình 1.3). Trong trường hợp hình thành phoi liền ổn
định, hiện tượng biến cứng chiếm ưu thế so với hiện tượng mềm hóa vì nhiệt.
Khi trượt diễn ra dọc theo mặt phẳng trượt chính a, do bị biến cứng nên ứng
suất yêu cầu cho biến dạng tiếp theo trở nên lớn hơn và mặt phẳng yếu nhất sẽ
chuyển sang mặt phẳng tiếp theo. Vì vậy, trượt sẽ chuyển sang mặt phẳng tiếp
theo dẫn đến một sự phân bố biến dạng đồng đều trong phoi ở cấp độ tổng
thể. Trong trường hợp hình thành phoi do trượt cục bộ, sự mềm hóa vì nhiệt
chiếm ưu thế hơn sự biến cứng. Khi trượt diễn ra dọc theo mặt phẳng trượt
chính a (hình 1.3), sức bền ở đây nhỏ hơn nên mặt phẳng này vẫn là mặt
phẳng yếu nhất và trượt tiếp tục diễn ra ở đây hay nói khác đi trượt được giới


hạn trong một mặt phẳng hẹp. Vì vậy, sự phân bố biến dạng trong phoi ở cấp
độ tổng thể là không đồng đều. Như vậy, bản chất của cơ chế tạo phoi ở đây
chỉ là sự cạnh tranh của hai hiện tượng cơ nhiệt là biến cứng và mềm hóa vì
nhiệt [42].
Theo quan điểm thứ hai, quá trình hình thành phoi răng cưa là do sự mất
ổn định theo chu kỳ dựa trên sự xuất hiện và lan truyền của các vết nứt ở bề
mặt tự do của phoi trải qua các giai đoạn (hình 1.4) [27]:


Hình 1.4. Các giai đoạn hình thành phoi răng cưa trong gia công thép

100Cr6 (760HV), thông số cắt v = 100m/ph, s = 0,1mm/vg, t = 1mm, môi
trường cắt khô, dao PCBN có chất gắn kết ceramic [27].
Giai đoạn 1: Khi ứng suất cắt đạt tới giá trị tới hạn, một vết nứt đột nhiên
xuất hiện và phát triển về phía lưỡi cắt.
Giai đoạn 2: Do sự xuất hiện của vết nứt, thể tích phoi giữa vết nứt và
cạnh viền lưỡi cắt bị đẩy lên hầu như không có bất kỳ biến dạng nào. Khi
dụng cụ tiến về phía trước, khe hở giữa vết nứt và cạnh viền lưỡi cắt sẽ nhỏ
dần làm chiều dày của phoi giảm. Tốc độ trượt của phoi trên mặt trước của
dụng cụ và ở bề mặt vết nứt lớn đến nỗi ma sát làm nhiệt độ tăng đến gần
điểm chuyển hóa A3. Vì thế, mactensite có thể được tạo ra dưới dạng các lớp


trắng xung quanh đoạn phoi vừa hình thành. Bên cạnh đó một lớp trắng tương
tự tồn tại trên bề mặt gia công do ma sát lớn với mặt sau của dụng cụ.
Giai đoạn 3: Chiều rộng của khe hở hẹp đến mức mà tốc độ đẩy ra và
biến dạng dẻo của phoi là rất cao. Dưới tác dụng của nhiệt độ cao, hai lớp
trắng trên phoi hòa nhập với nhau tạo thành phần còn lại của đoạn phoi. Tại
đây, chiều dày phoi rất nhỏ và nó nguội đi rất nhanh. Vì thế, sự chuyển hóa
trong vùng này là đoạn nhiệt.
Giai đoạn 4: Phân đoạn phoi được hình thành và điền đầy vào chỗ trống
giữa vết nứt và mặt bên trong của phoi do biến dạng lớn. Sự phân bố ứng suất
nén mà bị giảm xuống trong giai đoạn 2 và 3 đóng vai trò quan trọng trở lại
để bắt đầu một vết nứt mới và các hiện tượng của chu kỳ sẽ được lặp lại.
Dạng phoi tạo thành được điều khiển bởi sự cân bằng giữa tốc độ cắt và
độ cứng của phôi thông qua mối liên hệ giữa hai thông số trên là nhiệt cắt
[27].
1.2. Lực và ứng suất trong cắt kim loại
1.2.1. Mô hình tính toán lực cắt
Lực cắt cần thiết để tạo thành phoi trong cắt kim loại phụ thuộc vào giới
hạn trượt của vật liệu phôi và diện tích mặt phẳng trượt. Trong khi giới hạn

chảy trượt của các kim loại và hợp kim trong cắt kim loại thay đổi rất ít trong
dải rộng tốc độ cắt và chiều sâu cắt thông thường thì diện tích mặt phẳng trượt
lại thay đổi nhiều phụ thuộc vào điều kiện cắt nên ảnh hưởng của diện tích
mặt phẳng trượt tới lực cắt lớn hơn nhiều so với ảnh hưởng của giới hạn chảy
trượt trong cắt kim loại [39].
Trong trường hợp cắt trực giao, diện tích mặt phẳng trượt có quan hệ với
chiều dày lớp cắt t1, chiều rộng phoi w và góc trượt ø theo biểu thức:
AS

t1 w
sin

(1 1)


Trong quá trình cắt, có thể chủ động điều khiển được các thông số chiều
rộng phoi (chiều sâu cắt) w và chiều dày cắt (lượng chạy dao) t1 nhưng không


thể điều khiển được trực tiếp góc trượt ø. Khi góc trượt n ỏ, lực trượt có thể
lớn gấp 5 lần khi góc trượt lớn nhất. Vì vậy việc nghiên cứu các nhân tố ảnh
hưởng tới góc trượt ø sẽ giúp điều khiển hoặc dự đoán được lực cắt [39].
để xây dựng các biểu thức dự đoán định lượng về trạng thái vật liệu phôi
trong quá trình cắt cũng như xác định các nhân tố quyết định chiều dày phoi,
góc trượt ø và lực cắt tương ứng, nhiều mô hình dự đoán lực cắt, ứng suất dư,
hình dạng phoi đã được phát triển như mô hình của Ernst và Merchant (1941),
Lee và Shaffer (1951), Kobayashi và Thomsen (1962), Rowe và Spick (1967),
Wright (1982), … Tuy nhiên, cho đến nay vẫn không có mô hình nào đúng
với mọi điều kiện cắt [17].
Trong số các mô hình đề cập ở trên, không mô hình nào có sự cải tiến

đáng kể so với mô hình của Ernst và Merchant vẫn là cột mốc quan trọng
trong lý thuyết về cắt kim loại. Theo mô hình này, lực tổng hợp giữa dao và
phoi FR là một vector tổng hợp của các thành phần lực vuông góc (hình 1.5):

Hình 1.5. Vòng tròn lực khi cắt trực giao của Ernst và Merchant [17].