Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt của một số loại thép dùng làm khuôn rèn dập khi gia công trên máy phay CNC

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội

Luận văn thạc sỹ khoa học
Ngành: công nghệ cơ khí

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công
nghệ đến chất lượng bề mặt của một số loại
thép dùng làm khuôn rèn dập khi gia công trên
máy phay cnc

Mai văn hång

Hµ néi 2009


Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội

Luận văn thạc sỹ khoa học

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số
công nghệ đến chất lượng bề mặt của một
số loại thép dùng làm khuôn rèn dập khi
gia công trên máy phay cnc

Ngành: công nghệ cơ khí
MÃ số:

Mai văn hồng

Người hướng dẫn khoa học: gs.ts. nguyễn đắc lộc

Hà néi 2009


Mục lục
Mở đầu .........................................................................................................................1
Chương 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài ........................................5
Chương 2. Tổng quan về thép dụng cụ ..................................................................8
2.1 Phân loại và các yêu cầu chung .........................................................................8
2.1.1 Phân loại .....................................................................................................8
2.1.2 Yêu cầu về cơ tính......................................................................................8
2.1.3 Yêu cầu về tính công nghệ và tính kinh tế ...............................................9
2.1.4 Yêu cầu về thành phần hoá học ................................................................9
2.2 Thép làm dụng cụ cắt gọt .................................................................................10
2.2.1 Yêu cầu đối với vật liệu làm dụng cụ cắt................................................10
2.2.2 Thép làm dao có năng suất thấp ..............................................................12
Chương 3. ảnh hưởng yếu tố công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy 27
3.1. Các yếu tố đặc trưng của chất lượng bề mặt gia công ...................................27
3.1.1. Chất lượng hình học của bề mặt gia công .............................................27
3.1.2. Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia công ................................................30
3.2. ảnh hưởng của chất lượng bề mặt tới khả năng làm việc của chi tiết máy ....32
3.2.1. ảnh hưởng tới tính chống mòn ...............................................................32
3.2.2. ảnh hưởng đến tính ăn mòn hoá học của lớp bề mặt chi tiết ................35
3.2.3. ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy..........................................36
3.2.4. ảnh hưởng đến độ chính xác các mối lắp ghép .....................................37
3.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết..................................38
3.3.1. Các nguyên nhân chính ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt.....................38
3.3.2. Các nguyên nhân ảnh hưởng đến độ biến cứng lớp bề mặt ..................43
3.3.3. ảnh hưởng đến ứng suất dư bề mặt .......................................................45

3.4. Phương pháp đảm bảo chất lượng bề mặt. ................................................45
3.5. Nhận xét ...........................................................................................................46
Chương 4. Cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm ............................................48
4.1. Sai sè vµ khư sai sè ..........................................................................................48
4.1.1. Sai sè hƯ thèng ........................................................................................48


4.1.2. Sai số ngẫu nhiên ....................................................................................48
4.1.3. Sai số thô..................................................................................................49
4.2. Kiểm tra tính đồng nhất của các thí nghiệm ..................................................50
4.3. Chọn công thức thực nghiệm và phép làm trơn .............................................52
4.3.1. Chọn bậc tối thiểu của đa thức ...............................................................52
4.3.2. Chọn giữa các công thức khác nhau ......................................................53
4.3.3. Làm trơn các số liệu thực nghiệm ..........................................................54
4.4. Xác định tham số công thức thực nghiệm bằng phương pháp bình phương
nhỏ nhất ...................................................................................................................55
4.4.1. Xác định tham số của các hàm tuyến tính.............................................56
4.4.2. Kiểm định các thông số aj và khoảng xác định sai lệch của chúng.....61
4.3.5. Nhận xét ..................................................................................................61
Chương 5. Kết quả thực nghiệm và xử lý kết quả thực nghiệm .......................62
5.1. Điều kiện thức nghiệm ....................................................................................62
5.2. Kết quả thực nghiệm đối với thép 5XM ......................................................63
5.2.1. Khử sai số thô ..........................................................................................64
5.2.2. Kiểm tra tính đồng nhất của các thực nghiệm.......................................64
5.2.3. Xác định công thức thực nghiệm ...........................................................65
5.2.4. Kiểm tra các tham số aj và khoảng sai lệch của chúng ........................72
5.3. Kết quả thực nghiệm đối víi thÐp 5XHM......................................................73
5.3.1. Khư sai sè th« ..........................................................................................74
5.3.2. KiĨm tra tính đồng nhất của các thực nghiệm.......................................74
5.3.3. Xác định công thøc thùc nghiƯm ...........................................................75

5.3.4. KiĨm tra c¸c tham sè aj và khoảng sai lệch của chúng ........................82
Kết luận và kiến nghị ...............................................................................................84
Tóm tắt luận văn ......................................................................................................86
Tài liệu tham khảo ...................................................................................................89


Các ký hiệu sử dụng trong luận văn
Ký hiệu

Nội dung

Thứ nguyên

Ra

Sai lệch số học trung bình của prôfin

m

RZ

Chiều cao mấp mô theo 10 điểm của prôfin

m

RMax

Chiều cao lớn nhất của prôfin

m

h

Chiều cao mấp mô

m

p

Bước của mấp mô

m

Si

Bước trung bình của mấp mô theo đỉnh

m

Smi

Bước trung bình của mấp mô theo prôfin

m

l

Chiều dài chuẩn

m

ypmi

Chiều cao đỉnh thứ i trong 5 đỉnh cao nhÊt

μm

yvmi

ChiỊu cao ®Ønh thø i trong 5 ®Ønh thÊp nhÊt

μm

n

Sè ®iĨm chia, sè thùc nghiƯm

-

C

HƯ sè

-

x, y, z

Sè mị

-

ti

Thêi gian mòn ban đầu, i = 1: 3

Giây (s)

Ti

Thời gian mòn ổn định, i = 1: 3

Giây (s)

-1

Giới hạn bền mỏi

N/mm2

-1a

Giới hạn bền mỏi khi không có ứng suất dư

N/mm2

-1b

Giới h¹n bỊn mái khi cã øng st d­

N/mm2

σd

øng st d­ lớn nhất ở lớp bề mặt

N/mm2

S

Bước tiến dao

mm/vòng

V

Vận tốc cắt

m/phút

r

Bán kính mũi dao

mm

hmin

Chiều dày phoi nhỏ nhất

mm

Góc nghiêng chính của dao

Độ (0)

1

Góc nghiêng phụ của dao

Độ (0)




Góc trước của dao

Độ (0)



Góc sau của dao

Độ (0)



Góc nâng của lưỡi cắt chính

Độ (0)



Góc mũi dao

Độ (0)



Góc sắc của dao

Độ (0)

tC

Chiều sâu biến cứng

mm

HV

Độ cứng Vikker

-

HB

Độ cứng Brinell

-

HRC

Độ cứng Rockwell

-



Sai số bình phương trung bình

-

xi

Giá trị ngẫu nhiên của dÃy số

-

x

Giá trị trung bình

-

x*

Giá trị đột biến

-

(t)

Giá trị của ph©n phèi chn

-

α

Sai sè cđa phÐp thư, hƯ sè phơ thuộc vật liệu

-

t

Tỷ số so sánh

-

t/P

Giá trị t của độ tin cậy P

-

yjk

Kết quả thực nghiệm đo được tại lần đo thứ j của thông

-

số k

Yj

Giá trị trung bình của yjk, k = 1 : k

-

S2j

Ph­¬ng sai cđa d·y sè yjk, k = 1 : k

-

K

Sè thÝ nghiªm song song được thực hiện trong cùng

-

một điều kiện
GP

Chỉ số Kokren

-

ai

Các hệ số của hàm mô tả quan hệ giữa đầu vào và đầu

-

ra, i = 1 : n0


Sai số ngẫu nhiên

-


2

Phương sai của phân phối chuẩn

-

bj

Tham số của đa thức thùc nghiƯm Trebusep, j = 1: n0

-

ω

Tû träng ®· biÕt trong các quan trắc

-

n0

Bậc của đa thức thực nghiệm

-

N, n

Số thực nghiệm được tiến hành

-

Sn

Tổng bình phương các độ lệch

-

h, q

Công sai, công bội

-

âi

Tham số của hàm hồi quy thực nghiệm, i = 1 : n0

-

S(â0, â1)

Tổng dư bình phương của hàm hồi quy

-

rxy

Tỷ số so sánh

-

Ký hiệu của hàm håi quy

-

XT

Ma trËn chun vÞ cđa ma trËn X

-

M-1

Ma trËn nghịch đảo của ma trận M

-

Sdư

Phương sai dư, tính theo S(â)

-

m

Số các thông số cần xác định, trừ thông số a0

-

mjj

Số hạng thứ jj của ma trận M-1

-

t(n-m-1,1-


)
2

~

y

Phân vị

1+

của lt ph©n bè Student víi
2

-

(n - m - 1) bËc tù do
γ

§é tin cËy

-


Danh mục bảng biểu

Bảng 2.1 Thành phần hoá học (%) của các mac thép gió thường gặp .....................16
Bảng 2.2 Thành phần hoá học (%) mác thép làm khuôn dập nguội thường gặp...21
Bảng2.3. Thành phần hoá học (%) của các mác thép làm khuôn rèn ......................25
Bảng 3.1: Cấp nhẵn bóng theo TCVN2511-95..........................................................29
Bảng 4.1: Các thí nghiệm để kiểm tra tính đồng nhất giữa các thí nghiệm .............51
Bảng 5.1: Kết quả thực nghiệm đối với thép 5XM .................................................63
Bảng 5.2: Bảng kiểm tra tính đồng nhất của các thực nghiệm. ................................64
Bảng 5.3: Kết quả thực nghiệm đối với thép 5XHM ................................................73
Bảng 5.4: Bảng kiểm tra tính đồng nhất của các thực nghiệm. ................................74


Danh mục hình vẽ
Hình 3.1.: Các yếu tố hình học của lớp bề mặt..........................................................28
Hình 3.2: Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt ......................................................28
Hình 3.3: Các giai đoạn mài mòn của một cặp ma sát..............................................33

Hình 3.4: Quá trình mài mòn của một cặp chi tiết ma sát (tiếp xúc với nhau) ........33
Hình 3.5: Quan hệ giữa lượng mòn ban đầu và Ra ....................................................34
Hình 3.6: Quá trình ăn mòn hó học trên lớp bề mặt của chi tiết máy. .....................35
Hình 3.8: ảnh hưởng của hình dáng hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt đến
nhấp nhô bề mặt khi tiện. ..........................................................................40
Hình 3.9: ảnh hưởng của lượng chạy dao S đối với chiều sâu biến cứng tc, tuỳ theo
loại vật liệu gia công và vật liệu làm dụng cụ cắt. ...................................41
Hình 3.10: ảnh hưởng của vận tốc cắt (V) đến chiều cao nhấp nhô tế vi (RZ) ......42
Hình 3.11: ảnh hưởng của lượng tiến dao (S) đến chiều cao nhấp nhô tế vi (RZ) 43
Hình 3.13: ảnh hưởng của lượng tiến dao (S) và bán kính lưỡi cắt (r) đến độ biến
cứng bề mặt. ...............................................................................................44
Hình 3.14: ảnh hưởng của gãc tr­íc tíi líp biÕn cøng bỊ mỈt................................44


1

Mở đầu
Trong quá trình sản xuất thì năng suất và chất lượng sản phẩm là hai thông
số luôn được quan tâm hàng đầu nhằm hạ giá thành sản phẩm, nâng cao hiệu quả
sản xuất và người ta luôn luôn tìm cách để cải thiện hai yếu tố trên của quá trình
sản xuất. Muốn thế phải phân tích, tìm hiểu từng yếu tố ảnh hưởng đến quá trình
sản xuất. Đối với quá trình gia công cơ khí một trong những yếu tố có ảnh hưởng
nhiều nhất và từ đó có thể cải thiện năng suất và chất lượng sản phẩm chính thông
số công nghệ (chế độ cắt) của quá trình gia công đó là: lượng chạy dao S, vận tốc
cắt V và chiều sâu cắt t. Tìm hiểu sự phụ thuộc của năng suất và chất lượng gia
công vào các thông số đó, đồng thời xác định mối quan hệ giữa chúng để từ đó có
biện pháp công nghệ phù hợp trong từng điều kiện cụ thể đó là cơ sở để cải thiện
các vấn đề trên.
Trên thực tế khi gia công các vật liệu khác nhau không thể đồng nhất mà
cần có các thông số công nghệ khác nhau nhằm đảm bảo hiệu quả sản xuất và thời

gian sử dụng của các trang thiết bị công nghệ. Số lượng, chủng loại vật liệu sử
dụng trong chế tạo máy lại rất đa dạng với những mục đích sử dụng khác nhau nên
việc nghiên cứu sâu, rộng để đưa ra các chỉ tiêu cho từng loại vật liệu là rất khó
khăn, vì vậy trong thực tế sản xuất đặc biệt sản xuất loạt lớn và hàng khối sẽ phải
tiến hành đánh giá thông số công nghệ (đánh giá tính gia công) của loại vật liệu sẽ
sử dụng nhằm lựa chọn và tối ưu hoá quá trình gia công. Có nhiều phương pháp để
đánh giá tính gia công của vật liệu, nhưng để có kết quả tin cậy đều cần phải tiến
hành khảo sát thông qua các thí nghiệm cụ thể sau đó xử lý kết quả thí nghiệm để
tìm ra mối quan hệ phụ thuộc giữa các yếu tố.
Thép là loại vật liệu kim loại quan trọng được sử dụng rất phổ biến trong
chế tạo máy do có cơ tính tổng hợp cao có thể chịu tải trọng rất nặng và phức tạp
lĩnh vực sử dụng rộng lớn va đa dạng hơn so với gang và các loại vật liệu khác.
Ngoài ra thép còn có khả năng nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện để thay đổi cơ tính
theo hướng mong muốn. Do có khả năng biến dạng dẻo tốt , trong công nghiÖp


2
thép được cung cấp dưới dạng bán thành phẩm: dây, sợi, thanh, tấm, lá, băng, ống,
góc ... tiện lợi cho việc sử dụng. Ngoài khả năng biến dạng dẻo một số nhóm thép
còn có tính hàn tố rất tiện trong xây dựng. Tính đúc của thép nói chung không cao
nhưng một số mác thép có thể đúc thành các sản phẩm định hình tương đối phức
tạp. Do có những ưu điểm như vậy thép được coi là sương sống của công nghiệp.
Một trong những lĩnh vực ứng dụng của thép là gia công áp lực.
Bên cạnh gia công cắt gọt hiện nay gia công áp lực đang có những bước
phát triển mạnh, sản phẩm được cải thiện nhiều cả về năng suất và chất lượng, tỷ
trọng sản phẩm đang ngày một gia tăng đặc biệt trong các lĩnh vực ô tô, xe máy.
Có thể thấy rõ điều này qua những số liệu thống kê ở bảng sau: (Giáo trình Nghiên
cứu tính gia công của vật liệu chế tạo máy và ứng dụng của nó PGS-TS Nguyễn
Viết Tiếp).
STT Phương pháp công nghệ

1970

1975

1985

1995

5

4.41

4.2

4.0

1

Đúc

2

Rèn dập

7.2

7.43

10.9

14.6

3

Chất dẻo

-

1.97

2.4

2.8

4

Hàn

4.9

5.34

4.7

4.0

5

Gia công cơ

31.7

29.31

27.1

25.2

6

Gia công nhiệt

1.3

1.51

1.4

1.3

7

Lắp ráp

32.3

35.31

37.1

38

8

Sửa bề mặt

7.5

5.66

4.7

4.0

9

Công nghệ điện

4.5

4.88

4.3

3.8

10

Công nghệ khác

5.9

4.18

3.0

1.5

Tổng số

100

100

100

100

Khác với gia công cơ, gia công áp lực là phương pháp gia công không phoi,
ít hao tổn kim loại. Nguyên lý chung là dựa vào tính dẻo của kim loại dùng ngoại
lực của thiết bị làm cho kim lọai biến dạng theo hình dạng yêu cầu. Kim loại vẫn
giữ được tính nguyên vẹn không bị phá huỷ, sau khi gia công áp lực chất lượng


3
kim loại được cải thiện nên những chi tiết kim loại quan trọng thường được chế tạo
từ kim loại đà qua gia công áp lực. Các hình thức cơ bản của gia công áp lực bao
gồm: cán, kéo, ép, rèn và dập.
Dập là một trong những phương pháp gia công áp lực được ứng dụng nhiều

trong thực tế, có hai dạng gia công dập đó là: dập thể tích và dập tấm.
Dập thể tích còn gọi là rèn khuôn là phương pháp dập mà kim loại được
biến dạng hoàn toàn trong lòng khuôn có hình dạng và kích thước xác định. Còn
dập tấm là phương pháp chế tạo chi tiết từ phôi liệu ở dạng tấm. Sự biến dạng của
kim loại trong khuôn dập có hình dáng, kích thước xác định.
Dụng cụ cắt sử dụng trong công nghệ dập gồm khuôn dập và chày dập,
giống như gia công cơ vật liệu làm dụng cụ biến dạng cũng cần đảm bảo các yêu
cầu về cơ tính, mà yêu cầu cơ bản là độ cứng cao và tính chống mài mòn cao. Độ
cứng cao và phải cao hơn hẳn độ cứng của phôi, sản phẩm, do vậy tuỳ từng loại
dụng cụ sẽ cần độ cứng yêu cầu tối thiểu khác nhau. Tính chống mài mòn cao để
đảm bảo cho dụng cụ làm việc lâu dài, gia công được khối lượng lớn sản phẩm mà
không bị giảm hay mất cấp chính xác. Tuy nhiên bên cạnh việc chú ý đến hai yêu
cầu cơ bản này còn cần chú ý đến độ dai va đập, không cho phép thấp quá giá trị
quy định để tránh bị gÃy vỡ. Ngoài ra còn quan tâm đến tính chịu nhiệt khi dụng
cụ làm việc với năng suất cao và ở trạng thái nóng.
Qua những phân tích trên có thể thấy:
- Công nghệ rèn dập đang là phương pháp gia công có sự phát triển mạnh,
ngày càng được ứng dụng rộng rÃi hơn trong chế tạo cơ khí.
- Vật liệu dùng làm dụng cụ biến dạng trong rèn dập rất đa dạng nên tuỳ
vào mục đích sử dụng mà chọn chủng loại vật liệu phù hợp.
- Thiết kế, chế tạo khuôn dập tốn nhiều công sức và kinh phí với các nguyên
công gia công phức tạp mà thực hiện trên các máy công cụ vạn năng truyền thống
là rất khó, nên cần hạn chế bớt việc chế thử và đơn giản hoá quy trình gia công
bằng cách sử dụng các loại máy điều khiển số, đặc biệt là sử dụng máy phay CNC
cho việc gia công lòng khuôn.


4
- Cần tiến hành nghiên cứu để lựu chọn, tối ưu hoá quá trình chế tạo khuôn
dập mỗi khi có yêu cầu chế tạo mới.

Với những lý do và kết luận trên tôi đà chọn đề tài Nghiên cứu ảnh hưởng
của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt của một số loại thép thường
dùng làm khuôn rèn dập trên máy phay CNC.
Thưc hiện đề tài này là cơ hội quý báu để tôi được tiếp xúc với các thiết bị
công nghệ cao, được tìm hiểu những vấn đề của thực tiễn sản xuất, kiểm chứng
những vấn đề lý thuyết, từ đó tích luỹ thêm kinh nghiệm thực tế cho công việc
giảng dạy của mình. Để hoàn thành tốt đề tài này, tôi nhận được sự giúp đỡ và góp
ý của các thầy, cô và các bạn đồng nghiệp.
Tôi xin trân trọng cảm ơn GS.TS. Nguyễn Đắc Lộc đà hướng dẫn, dìu dắt
tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài Xin cảm ơn Viện đào tạo sau đại học,
khoa Cơ khí, bộ môn Công nghệ chế tạo máy, bộ môn Máy chính xác và dụng cụ
quang học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Xin cảm ơn cán bộ và nhân viên công ty TNHH Cơ khí chính xác Thạnh Hà
(Số 4 ngõ 6 đường Phạm Văn Đồng Quận Cầu Giấy - Hà Nội) đà giúp đỡ tôi
hoàn thành luận văn này.

Hà Nội, tháng 10 năm 2009

Mai Văn Hồng


5
Chương 1

Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài
Như đà biết điều khiển số là một hình thức đặc biệt của tự động hoá, mà ở
đó đối tượng là các máy công cụ. Trong nền sản xuất hiện đại không thể thiếu vai
trò của tự động hoá, nhờ có tự động hoá mà con người được giải phóng khỏi sức
lao động, quá trình sản xuất không những được cải thiện về năng suất mà cả về
mặt chất lượng. Tự động hoá đang được ứng dụng trong rất nhiều ngành kinh tế,

kỹ thuật trong đó có cơ khí chế tạo. Một trong những vấn đề quyết định của tự
động hoá ngành cơ khí chế tạo là kỹ thuật điều khiển số và công nghệ trên các
máy điều khiển số. ở các nước phát triển máy công cụ điều khiển theo chương
trình số (NC và CNC) đà được sử dụng từ 20-30 năm trước và gần đầy đà phát
triển thành các hệ thống, tổ hợp trung tâm gia công. Gần dây ở Việt Nam máy
công cụ điều khiển số đà được sử dụng khá nhiều trong sản xuất không chỉ ở các
nhà máy, viện nghiên cứu cơ khí hay các công ty liên doanh mà ngay cả ở các
xưởng cơ khí tư nhân.
Việc sử dụng máy CNC (Computer Numerical Control) ngày càng nhiều
trong sản xuất đòi hỏi phải có những nghiên cứu cụ thể để sử dụng máy một cách
hiệu quả trong điều kiện sản xuất hiện có, vì vậy các đề tài nghiên cứu về máy
CNC cũng ngày càng nhiều trong các đề tài nghiên cứu khoa học, luận văn thạc sỹ,
luận án tiến sỹ ngành Cơ khí. Trong đó các đề tài nghiên cứu ứng dụng nhằm khai
thác có hiệu quả máy CNC chiếm một phần lớn. Hàng loạt các đề tài như vậy đÃ
gớp phần không nhỏ cho việc sử dụng máy CNC, có thể kể đến: Nguyễn Trọng
Bình, Hoàng Việt Hồng, ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhấp nhô tế vi bề mặt khi
phay bằng dao phay mặt đầu trên máy phay CNC, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số
60 (5/2002); ảnh hưởng của chế độ cắt đến lượng mòn dao khi phay bằng dao
phay mặt đầu trên máy phay CNC, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 61 (6/2002);
Nguyễn Ngọc ánh, Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất


6
lượng bề mặt chi tiết máy khi gia công trên máy phay CNC, Luận văn cao học, Đại
học Bách khoa Hà nội (2002); Vũ Đình Thơm, Tính toán bù bán kính mũi dao khi
lập chương trình NC cho máy tiện CNC, Tạp chí cơ khí Việt Nam, số 76 (7/2003);
Lê Văn Toản, Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi mài phẳng
tới độ nhám bề mặt trên một số vật liệu có tính dẻo cao, Luận văn cao học, Đại
học Bách khoa Hà nội (2005); Trần Xuân Việt, Phạm Văn Bổng, Khảo sát thực
nghiệm về ảnh hưởng của các thông số công nghệ V, S, t đến lực cắt trên máy tiện

CNC, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 105 (12/2005); Lương Đình Thành, Nghiên
cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến năng suet và chất lượng khi gia
công thép 40X trên máy cắt dây tia lửa điện, Luận văn cao học Đại học Bách khoa
Hà nội (2006); Phan Công Trình, Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công
nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy khi gia công trên máy phay CNC, Luận
văn cao học Đại học Bách khoa Hà nội (2006).
Như vậy trong các đề tài nghiên cứu ứng dụng của máy CNC, thì việc
nghiên cứu những vấn đề có liên quan đến chất lượng bề mặt chi tiết máy cũng
khá lớn. Điều này có thể giải thích rằng chất lượng bề mặt là một chỉ tiêu quan
trọng cần đạt được trong quá trình gia công, bởi nó có ảnh hưởng rất lớn đến khả
năng làm việc của bản thân chi tiết. Trong luận văn của Nguyễn Ngọc ánh, tác giả
đà thùc hiƯn 20 thÝ nghiƯm ®Ĩ ®­a ra quan hƯ giữa độ nhám bề mặt với chế độ cắt
của thép làm khuôn mẫu theo tiêu chuẩn Nhật JIS S55C. Tuy nhiên quan hệ đó
được xác định trên cở sở thay đổi chế độ cắt ở các lần thí nghiệm khác nhau nhưng
không thay đổi theo cách hoán vị các thông số của chế độ cắt, điều này làm cho
kết quả thu được chưa thật sự chính xác. Trong bài báo ảnh hưởng của chế độ
cắt đến nhấp nhô tế vi bề mặt khi phay bằng dao phay mặt đầu trên máy phay
CNC, các tác giả đà tiến hành 20 thí nghiệm và đưa ra công thức quan hệ giữa
độ nhám với các thông số của chế độ cắt. Tuy nhiên, theo tôi thì các thí nghiệm đó
được thực hiện với chế độ cắt thay đổi ít và cũng không mang tính hoán vị nên kết
quả nhận được chưa phản ánh ảnh hưởng tương quan của các thông số chế độ c¾t


7
với nhau, mặt khác việc sử dụng chung một công thức cho tất cả các loại vật liệu
cũng sẽ không chính xác.
Tác giả Phan Công Trình đà tiến hành 27 thí nghiệm, trong đó có sự hoán
vị của các thông số (V, S, t) và đưa ra quan hệ giữa độ nhám bề mặt với chế độ cắt
của thép C45 và 40X. Tuy nhiên trong các thí nghiệm đó không có sự thay đổi về
dụng cụ cắt và chế độ bôi trơn, làm lạnh, mà khi xét độ nhám bề mặt cũng cần tính

đến ảnh hưởng của các thông số này, nên kết quả đạt được còn chưa có tính tỉng
qu¸t.


8
Chương 2

tổng quan về thép dụng cụ
2.1 Phân loại và các yêu cầu chung
Trong sản xuất cơ khí các công cụ gia công, chế biến, tạo hình các vật liệu
có ý nghĩa quyết định đế năng suất, chất lượng và giá thành sản phẩm cơ khí. Vì
vậy, chuẩn bị dụng cụ luôn phải đi trước một bước và được hoàn thiện triệt để
trước khi gia công hàng loạt. Việc sử dụng vật liệu làm dụng cụ gia công có tính
năng lµm viƯc ngµy cµng cao cã ý nghÜa rÊt quan trọng đối với các nhà máy chế
tạo cơ khí. Muốn vậy cần phải biết các yêu cầu, tính chất, đặc điểm và công dụng
của loại vật liệu sẽ sử dụng.
2.1.1 Phân loại
Theo bản chất của quá trình gia công có thể chia vật liệu làm dụng cụ gia
công thành ba nhóm lớn sau:
- Thép làm dụng cụ cắt gọt, với đặc trưng tạo hình là tạo ra phoi như: dao
tiện, phay, bào, chuốt...
- Thép làm dụng cụ biến dạng, với đặc trưng tạo hình bằng biến dạng dẻo
như: trục cán, khuôn dập, khuôn ép chảy ... ở cả trạng thái nguội lẫn trạng thái
nóng.
- Thép làm dụng cụ đo như: Palme, thước cặp, dưỡng... tuy không làm thay
đổi hình dạng, kích thước của sản phẩm, nhưng cũng không thiếu trong sản xuất
cơ khí.
2.1.2 Yêu cầu về cơ tính
Tính chất cần thiết cơ bản của dụng cụ gia công là tác dụng lực vào phôi,
sản phẩm mà không hay ít bị mòn, biến dạng, do vậy yêu cầu cơ bản là độ cứng

cao và tính chống mài mòn tốt.


9
Độ cứng cao và phải cao hơn hẳn độ cứng của phôi, sản phẩm do vậy tuỳ
từng loại dụng cụ cần độ cứng yêu cầu tối thiểu khác nhau. Tính chống mài mòn
cao để đảm bảo dụng làm việc được lâu dài, gia công được khối lượng lớn sản
phẩm mà không bị giảm hay mất cấp chính xác. Tuy nhiên trong khi quan tâm chủ
yếu đến hai yêu cầu cơ bản này còn phải kể đến độ dai va đập, không cho phép
thấp quá giá trị quy định để tránh gÃy, vỡ. Ngoài ra còn quan tâm đến tính chịu
nhiệt khi dụng cụ làm việc với năng suất cao và ở trạng thái nóng.
2.1.3 Yêu cầu về tính công nghệ và tính kinh tế
Đối với loại thép dụng cụ thì hai yêu cầu này không thật quan trọng và
không yêu cầu cao như đối với nhóm thép kết cấu vì khối lượng sử dụng rất ít. Tuy
nhiên thép cũng phải có khả năng biến dạng dẻo ở trạng thái nóng và đủ mềm khi
ủ để cắt gọt được. Về kinh tế tuy đắt tiền hơn song phải đủ để bù lại do kéo dài
tuổi bền và tăng năng suất.
2.1.4 Yêu cầu về thành phần hoá học
Cacbon: Như đà biết thành phần cacbon quyết định đến độ cứng và tính
chống mài mòn nên ở những loại dụng cụ có yêu cầu này cao như: dao cắt, dụng
cụ biến dạng nguội và dụng cụ đo có yêu cầu cacbon tối thiểu cao hơn (0,70 ữ
1,00)%, song nói chung là > 1,00%, thậm chí có loại lên tới trên dưới 2,00%. Còn
ở các loại dụng cụ gia công phôi mềm hay ở trạng thái nóng có thể thấp hơn,
khoảng (0,30-0,50)%.
Cũng với lý do trên, thép dụng cụ cacbon chỉ phù hợp với các loại vật liệu
có kích thước nhỏ, hình dạng đơn giản (do độ thấm tôi thấp) và năng suất thấp, chủ
yếu là các dụng cụ cầm tay như: dũa, búa, kìm ...
Hợp kim: Đưa nguyên tố hợp kim vào thép với lượng ít chủ yếu là để tăng
tính thấm tôi do vậy có thể làm được các dụng cụ nhỏ có hình dạng phức tạp. Các
nguyên tố hợp kim đưa vào cũng làm tính chống ram do đó làm tăng tính cứng

nóng, song do với lượng ít nên hiệu quả này không đáng kể.


10
Đưa nguyên tố hợp kim (chủ yếu là W và Mo) với lượng nhiều vào thép,
ngoài tác dụng tăng mạnh tính thấm tôi còn có mục đích chính là gây cản trở
mạnh quá trình ram do tăng cao mạnh nhiệt độ phân hoá của mactenxit, nâng cao
tính cứng nóng. Chính vì vậy mà hầu như các dụng cụ làm việc trên máy đều làm
bằng thép hợp kim.
2.2 Thép làm dụng cụ cắt gọt
Trong các nhà máy cơ khí, cắt gọt là nguyên công có khối lượng lớn hơn cả,
tiêu phí nhiều năng lượng, máy móc, nhân công và chiếm tỉ lệ cao trong giá thành
sản phẩm. Do đó tạo ra các dụng cụ cắt có tốc độ cao là yêu cầu thường xuyên.
2.2.1 Yêu cầu đối với vật liệu làm dụng cụ cắt
Các loại dao làm việc trong điều kiện như tiện, phay, bào, doa ... tuy có
những nét khác biệt song về cơ bản là giống nhau và có thể coi dao tiện là loại điển
hình.
- Để tạo phoi, lưỡi cắt chịu áp lực rất lớn tạo ra công cơ học bóc tách kim
loại, vì vậy dao phải có độ cứng cao hơn hẳn phôi. Trường hợp thông dụng cắt
thép, gang thông thường với HB trên, dưới 200, dao phải có độ cứng > 60HRC.
Các trường hợp khác có thể thấp hơn (khi cắt hợp kim màu) hoặc cao hơn (khi cắt
thép bền nóng, không gỉ, độ bền cao). Để đạt được yêu cầu này dao phải được làm
bằng thép với lượng cacbon tối thiểu là 0,70% và qua tôi cứng + ram thấp thành
mactenxit ram.
- Quá trình cắt dao bị mài sát mặt trước với phoi, mặt sau với phôi, đặc biệt
là trên mặt trước sẽ tạo nên rÃnh lõm do phải biến dạng bẻ gÃy phoi. Tới lúc hai
mặt này bị mòn mạnh, khoảng cách hẹp lại, lưỡi cắt bị gÃy và trở nên mòn, phải
mài lại dao. Vì vậy dao phải có tính chống mài mòn cao để chống tạo thành rÃnh
lõm, yêu cầu này đặc biệt quan trọng đối với trường hợp gia công chính xác. Tính
chống mài mòn của thép phụ thuộc vào các yÕu tè sau:

11
+ Độ cứng: Độ cứng càng cao tính chống mài mòn càng tốt. Thường là khi
độ cứng ở mức cao hơn 60HRC, cứ tăng thêm 1 đơn vị độ cứng tuổi bền của dao
tăng thêm từ 25ữ30%.
+ Lượng cacbít dư: Lượng cacbít dư càng cao tính chống mài mòn càng
cao. Các thép cùng tích và sau cùng tích sau khi tôi tuy hầu như có độ cứng như
nhau song tính chống mài mòn khác nhau. Càng xa cùng tích (tức càng nhiều
cacbon) tính chống mài mòn càng cao do càng nhiều cacbit. Chính vì lý do này
phần lớn thép dụng cụ cắt có lượng cacbon >1,00%, đối khi tới 1,50% cá biệt tới
2,00% và hơn.
- Quá trình cắt nhiệt phát sinh nhiều và phần lớn lại tập trung ở lưỡi cắt và
làm cho phần này nóng lên rõ rệt do đó làm giảm khả năng cắt gọt của dao. Đặc
biệt khi cắt gọt ở tốc độ cao, nhiệt độ tại lưỡi cắt cao trên 200 ữ 300oC, mactenxit
bị phân hoá, độ cứng HRC thấp dưới 60, dao không còn khả năng cắt gọt. Do vậy
với dao cắt cần năng suất cao, phải đưa vào thép những nguyên tố tạo cho thép tính
cứng nóng, các nguyên tố này hoà tan vào sắt và do có ái lực mạnh với cacbon nên
giữ nguyên tố này ở lại trong mactenxit tới 500 ữ 6000C. Vì vậy khi cắt gọt với tốc
độ cao, dao tuy vẫn bị nóng lên song vẫn giữ được tổ chøc mactenxit víi ®é cøng
cao (HRC > 60) ®đ ®Ĩ cắt. Khác với độ cứng, tính cứng nóng được xác định bằng
nhiệt độ ram cao nhất mà ở đó độ cứng HRC của thép vẫn còn cao tới 58.
Ngoài ba yêu cầu chính đó ra các thép làm dụng cụ cắt cũng phải thoả mÃn
các yêu cầu khác: độ bền (uốn khi tiện, xoắn khi khoan ... nhờ kết hợp với thiết
kế), độ dai đảm bảo tuy không yêu cầu cao để tránh mẻ, gÃy lưỡi cắt.
Thép làm dụng cụ cắt cũng phải có tính công nghệ nhất định cụ thể:
- Tính thấm tôi tốt để đảm bảo độ cứng cao và đồng nhất khi tôi trong dầu,
nhất là các dao có hình dạng phức tạp như phay, chuốt, mũi khoan ... phải tôi phân
cấp để tránh nứt và biến dạng.
- Có khả năng chịu gia công áp lực ở trạng thái nóng.

12
- Có khả năng chịu gia công cắt ở trạng thái ủ (HB < 265).
- Có tính mài mòn tốt sau khi tôi.
2.2.2 Thép làm dao có năng suất thấp
Là loại thép dùng làm dụng cụ cắt ở tốc độ 5 ÷ 10 mÐt/phót.
1. ThÐp cacbon
Theo TCVN 1822-76 thÐp cacbon dùng làm dao cắt có năng suất thấp có
các mác CD70, CD80, CD80Mn, CD90, CD100, CD110, CD120 vµ CD130 víi
chÊt lượng tốt (P0,035, S0,030) và cũng các mác như vậy nh­ng cã chÊt l­ỵng
cao (P > 0,030, S > 0,020) có thêm chữ A sau cùng như từ CD70A đến CD130A.
Chúng có các đặc tính như sau:
- Sau khi tôi + ram thấp có thể đạt HRC > 60 đủ để cắt. Chế độ tôi của các
thép này như sau: CD70, CD80 tôi hoàn toàn ở 800 ữ 8200C, 780 ữ 8000C,
CD90ữCD130 tôi không hoàn toàn ở 760 ữ7800C. Tuy tất cả đều đạt độ cứng
HRC 60 ữ 62 song các thép sau cùng tích CD100 ữ CD130 có nhiều XeII dư nên
chống mài mòn tốt hơn các mác còn lại.
- Dễ biến dạng nóng, gia công cắt và rẻ tiền
- Độ thấm tôi thấp (chỉ tôi thấu các chi tiết trên dưới 10mm). Với các dao
lớn hơn, lớp tôi mỏng, sau thời gian làm việc khi mài lại không còn đủ độ cứng
nên phải tôi lại, do đó không thn tiƯn khi sư dơng.
- TÝnh cøng nãng thÊp do mactenxit không được hợp kim hoá, có tính
chống ram kém. Tính cứng nóng không vượt quá 200 ữ 2500C, do đó chỉ đạt năng
suất cắt thấp, tốc độ cắt không quá 5 mét/phút. Chính điều này đà hạn chế khả
năng sử dụng.
Công dụng: do những nhược điểm kể trên nên rất ít dùng thép cacbon làm
dao cắt. Nếu có cũng chỉ dùng làm dao cắt có có kích thước nhỏ, hình dạng đơn

13
giản với năng suất thấp hay bằng tay. Dụng cụ điển hình làm bằng thép dụng cụ
cacbon là giũa (thép CD120).
2. Thép hợp kim
Là nhóm thép có thành phần cacbon cao ( > 1% và cao hơn) được hợp kim
hoá thấp và vừa phải với đặc tính có độ thấm tôi tốt hơn hay tính chống mài mòn
cao.
Loại có tính thấm tôi tốt là loại được hợp kim hoá thấp bằng 1%Cr (có thể
thêm 1%Si) với mác điển hình 90CrSi (TCVN 1823-76) thành phần hợp kim như
vậy có tác dụng:
- Cải thiện tính thấm tôi: môi trường tôi dầu vẫn đảm bảo HRC > 60. Cũng
chính vì vậy có thể làm dao nhỏ với hình dạng phức tạp như: mũi khoan, doa, tarô,
bàn ren, lược ren.
- Nâng cao chút ít tính cứng nóng, Silic và crôm còn cản trở mạnh quá trình
ram ở nhiệt độ dưới 250 ữ 3000C, vì thế có tính cứng nóng đến trên dưới 3000C, có
thể cắt với tốc độ 10m/phút hay hơn một chút.
Thép 90CrSi tương đối rẻ với tính năng làm việc tốt hơn thép cácbon nên
được dùng tương đối phổ biến trong chế tạo các loại dao cắt kể trên. Tuy nhiên
cũng có nhược điểm đáng kể nhất là dễ thoát cacbon khi nung nên phải chú ý bảo
vệ khi tôi.
Loại có tính chống mài mòn cao là loại có cacbon rất cao (>1,3%) với
0,50%Cr và 4,0 ữ 5,0%W mác CrW5. Do có cacbon rất cao và nhiều vônfram là
nguyên tố tạo thành cacbit mạnh nên trong thép tồn tại một lượng lớn cácbít làm
tăng rất mạnh tính chống mài mòn. Thép có tính thấm tôi thấp nên môi trường tôi
là nước. Độ cứng HRC sau tôi đạt 66 ữ 68, nên thép được dùng làm dao phay với
tốc độ cắt không lớn lắm để cắt các phôi cứng.


14
3. Thép làm dao có năng suất cao-thép gió

Đây là loại thép làm dao quan trọng nhất, tốt nhất thoả mÃn các yêu cầu đối
với vật liệu làm dao:
- Tốc độ cắt 35 ữ 80 mét/phút.
- Tính chống mài mòn và tuổi bền cao.
- Độ thấm tôi đặc biệt cao (tối thấu với tiết diện bất kỳ).
Thành phần hoá học và tác dụng của các nguyên tố:
Thép gió (high speed steel) hay còn gọi thép dụng cụ tự tôi, có thể là do tự
tôi hoặc tôi trong không khí (gió) cũng đạt được mactenxit cứng nên ở nước ta thép
này được gọi là thép gió. Thép có năng suất cắt cao, tổng lượng hai nguyên tố hợp
kim là W và Mo cao (>10%) và lượng khá lớn Cr (4%), ngoài ra còn có thể có
thêm Vanadi và Côban. Các nguyên tè trong thÐp giã cã t¸c dơng nh­ sau:
Cacbon: biÕn đổi trong giới hạn khá rộng từ 0,70 ữ1,50% đủ để hoà tan vào
máctanxit và tạo thành cacbit với các nguyên tố tạo thành cacbit mạnh là W, Mo
và đặc biệt là V. Khi thêm 1%V phải đưa thêm 0,10 ữ 0,15%C vào thép. Cả hai tác
dụng đó làm thép gió cứng và làm tăng mạnh tính chống mài mòn.
Crôm: có trong mọi thép gió với lượng giống nhau khoảng 4% có tác dụng
làm tăng mạnh độ thấm tôi. Nhờ tổng lượng (Cr + W + Mo) cao >15% nên thép
gió có khả năng tự tôi, tôi thấu với tiết diện bất kỳ và có thể áp dụng tôi phân cấp.
Vônfram: là nguyên tố hợp kim quan trọng nhất không những vì có tỉ lệ cao
nhất (6 ữ18%) mà chính là do tạo ra tính cứng nóng cao nên có năng suất cao. Là
nguyên tố tạo ra cacbit mạnh, W chđ u n»m ë d¹ng Fe3W3C hay Me6C, khi nung
nãng l¹i hay ram nã chØ tiÕt ra khái mactenxit ë khoảng 550ữ5700C, nên duy trì
được độ cứng cao sau khi tôi tới 6000C.
Môlipđen: được dùng để thay thế W đắt lại có tỉ lệ quá cao. Mo có cấu trúc
tinh thể và tính chất rất giống W nên có thể thay thÕ cho nhau theo tû lƯ nguyªn tư


15
là 1:1, song do Mo rẻ hơn lại nhẹ hơn vì thế sự thay thế đem lại hiệu quả kinh tế
cao.

Vanadi: là nguyên tố tạo thành cacbit rất mạnh, V rÊt Ýt hoµ tan vµo austenit
khi nung, trong thÐp nã ở dạng các phần tử cứng, phân tán, làm tăng mạnh tính
chống mài mòn và giữ cho hạt nhỏ khi tôi. Mọi thép đều có ít nhất 1%V, khi vượt
quá 2% tính chống mài mòn tăng lên, song không nên dùng quá 5% vì làm tăng
mạnh tính mài.
Côban: không tạo thành cacbit, nó chỉ hoà tan vào sắt ở dạng dung dịch rắn,
với hàm lượng vượt quá 5% tính cứng nóng của thép gió tăng nên rõ rệt. Nhược
điểm của thép gió chứa Co là dễ bị thoát cacbon khi tôi và khi chứa quá nhiều
(>10ữ12%) thép bị giòn.
Các mác thép và công dụng:
TCVN chưa quy định các mác thép gió, bảng 2.1 giới thiệu bốn trong số
các loại thép gió thường gặp của Nga, Mỹ và Nhật.


16
Bảng 2.1 Thành phần hoá học (%) của các mac thép gió thường gặp
Cr

V

3,80-

1,00-

4,40

1,40

3,75-

0,90-

4,00

1,30

3,80-

0,80-

4,50

1,20

5,00-

3,80-

1,70-

6,50

5,50

4,40

2,10

0,78-

5,50-

4,50-

3,75-

1,75-

0,88

6,75

5,50

4,50

2,20

0,80-

5,50-

4,50-

3,80-

1,60-

0,90

6,70

5,50

4,40

2,20

P18K5

0,85-

17,5-

3,80-

1,80-

5,00-

2

0,95

19,0

4,40

2,40

6,00

0,70-

17,5-

0,40-

3,75-

0,80-

4,25-

0,80

19,0

1,00

4,50

1,20

5,75

0,73-

17,0-

3,80-

0,80-

4,50-

0,83

19,0

4,50

1,20

5,50

P124K

1,40-

12,0-

3,80-

3,30-

5,00-

5

1,50

13,0

4,40

4,10

6,00

1,50-

11,75-

3,75-

4,50-

4,75-

1,60

13,0

5,00

5,25

5,25

1,45-

11,50-

3,80-

4,20-

4,20-

1,60

13,50

4,50

5,20

5,20

AISI

T1

JIS

SKH2

OCT

P6M5

AISI

M2

JIS

SKH51

OCT
AISI

T4

JIS

SKH3

OCT
AISI

T5

JIS

SKH10

0,73-

17,0-

0,80

18,5

0,65-

17,25-

0,80

18,25

0,73-

170-

0,83

19,0

0,80-

5,50-

0,88

Mo
1,00

-

1,00

1,00
1,00
-

Co

Ký hiệu theo
TCVN

0,50
-

80W18Cr4V

P18

W

-

85W6Mo5Cr4V2

OCT

C

85W18Co5 Cr4V2

chuẩn

Mác thép

150W12Co5V5Cr4

Tiêu