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

..

ðẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ðẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THANH TÙNG

XÁC ðỊNH CHẾ ðỘ CẮT HỢP LÝ
KHI TIỆN CÓ VA ðẬP THÉP 45 QUA TÔI
BẰNG MẢNH HỢP KIM CỨNG PHỦ TIALN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN – NĂM 2015


ðẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ðẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THANH TÙNG

XÁC ðỊNH CHẾ ðỘ CẮT HỢP LÝ
KHI TIỆN CÓ VA ðẬP 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 ðOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân thực hiện
dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Quốc Tuấn. Trừ những phần tham
khảo ñã ñược ghi rõ trong luận văn, những kết quả, số liệu nêu trong luận văn
là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Người cam ñoan

Nguyễn Thanh Tùng


ii

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tơi xin được cảm ơn PGS.TS Nguyễn Quốc Tuấn, thầy
hướng dẫn khoa học của tôi về sự ñịnh hướng ñề tài, sự hướng dẫn tận tình
cùng những đóng góp q báu trong q trình tơi làm thực nghiệm và viết
luận văn.
Tơi muốn bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến các thầy cơ giáo – Trường
Cao đẳng Cơng nghiệp Việt ðức, Trường ðại học Kỹ thuật Cơng nghiệp đã
dành những điều kiện làm việc tốt nhất cho tôi về cơ sở vật chất, dụng cụ,
máy móc, giúp tơi hồn thành được nghiên cứu của mình.
Tơi muốn được bày tỏ sự biết ơn của mình đến Ban Giám Hiệu, Khoa
ðào tạo sau ðại học Trường ðại học Kỹ thuật Cơng nghiệp đã dành những
điều kiện thuận lợi nhất để tơi hồn thành luận văn này.

Cuối cùng, tơi muốn bày tỏ lịng cảm ơn đối với gia đình và bạn bè đã
ủng hộ và động viên tơi trong suốt quá trình làm luận văn này.
Tác giả

Nguyễn Thanh Tùng


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ðOAN ............................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN.................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ðỒ THỊ ..................................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................... vii
PHẦN MỞ ðẦU ............................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ TIỆN CỨNG ............................ 4
1.1. ðặc 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 tốn 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 ño nhiệt ñộ 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
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


iv

2.2.3. Mịn dụng cụ cắt và cách xác định ........................................................ 29
2.2.4. Ảnh hưởng của mịn 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 ñến tuổi bền của dụng cụ khi tiện cứng .......... 33
2.3.2. Phương pháp xác ñịnh 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 ðỊNH CHẾ ðỘ CẮT HỢP LÝ KHI TIỆN CÓ VA ðẬP
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. ðiều kiện biên........................................................................................ 48
3.2. Thực nghiệm ñể xác ñịnh 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 thơng số đầu vào của thí nghiệm .................................................... 49
3.2.3. Hàm mục tiêu khi tiện có va đập thép 45 qua tơi .................................. 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 ñộ cắt tối ưu ....................................................... 57
3.4. Khảo sát mòn mảnh dao ở chế ñộ 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


v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ðỒ 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 q trình tạo phoi do trượt cục bộ
6
Các giai đoạn hình thành phoi răng cưa trong gia cơng thép
7
100Cr6.
Vịng trịn 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 ñến 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
với thể tích Vc.t10,6.
Các thơng 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 mịn 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 mịn mặt sau và tuổi bền với góc trước
36
γn .
Quan hệ giữa thời gian cắt, tốc độ cắt và độ mịn của dao.
37
Quan hệ giữa tốc ñộ cắt V và tuổi bền T của dao.
37
Quan hệ giữa V và T (ñồ thị lơgarit).
38
Kế hoạch thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu.
42
Máy tiện CTX 310 eco.
45
Các thơng số cơ bản của mảnh dao.
46
Phơi thí nghiệm.
46
Máy ño ñộ nhám SJ-210.
47
ðo 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
ðồ thị bề mặt chỉ tiêu.
55
ðồ thị ñường mức.
55
ðồ thị tối ưu.

56


vi

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 thơng số chế độ cắt khác nhau của Dawson và
35
Thomas.
Bảng thành phần hóa học thép 45.
47
Giá trị thơng số chế ñộ cắt V, S cho thực nghiệm.
49
Ma trận thí nghiệm.
51
Kết quả độ nhám bề mặt chi tiết gia cơng.
52
ðộ nhám bề mặt gia cơng ở chế độ cắt tối ưu.
57


1

PHẦN MỞ ðẦU
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 ñến khả năng làm việc, ñộ
bền, ñộ bền mịn, 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 cơng

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 cơng nghệ mới hồn 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 ña tinh thể
hoặc Ceramic tổng hợp ñể thay thế cho nguyên cơng mài khi gia cơng 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 ñiểm ñáng
kể nhất của tiện cứng là có thể dùng một dụng cụ mà vẫn gia cơng được nhiều
chi tiết có hình dáng khác nhau bằng cách thay ñổi ñường chạy dao. Trong
khi đó, muốn mài được hình dạng các chi tiết khác nhau thì phải sửa đá hoặc
thay đá khác. ðặc biệt, tiện cứng có thể gia cơng được những biên dạng phức
tạp mà mài khó có thể thực hiện được. Ngồi ra, chất lượng bề mặt khi tiện
cứng cũng có một số ưu ñiểm so với mài như ảnh hưởng của nhiệt đến bề mặt
gia cơng 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 cịn có thể thực hiện gia công khô, không cần sử dụng
dung dịch trơn nguội nên khơng ảnh hưởng đến mơi trường và sức khỏe người
lao ñộng [10], [28]. Tuy nhiên, tiện cứng cũng ñòi hỏi máy, hệ thống cơng
nghệ có độ cứng vững và độ chính xác cao [15].


2

Mặc dù có những ưu điểm nổi bật và đã ñạt ñược sự tăng trưởng mạnh
mẽ trong những năm gần ñây, tiện cứng vẫn ñang là một công nghệ gia cơng
mới chưa được nghiên cứu đầy đủ và các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào
q trình tiện cứng khơng có va đập. Trong thực tế có nhiều trường hợp gia
cơng có va đập như gia cơng trục bánh răng, trục then hoa, … Vì vậy, việc bổ

sung các nghiên cứu tìm hiểu về ảnh hưởng của các yếu tố cơng nghệ khi tiện
cứng có va đập đến chất lượng bề mặt gia cơng là cần thiết đối với ngành cơ
khí.
Chế độ cắt có ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng bề mặt gia cơng
khi tiện có va đập thép 45 đã qua tơi (một loại vật liệu được sử dụng khá phổ
biến ñể chế tạo trục bánh răng, trục then hoa, …)? Việc tìm ra bộ chế độ cắt
hợp lý ñể ñạt chất lượng bề mặt tốt nhất cho q trình này đang là u cầu cần
thiết của các nhà sản xuất. Do vậy ñề tài “Xác ñịnh 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 ñề tài là ñánh giá ảnh hưởng của chế ñộ cắt
(S, V, t) ñến chất lượng bề mặt (chủ yếu là nhám bề mặt) và tuổi bền dụng cụ
khi tiện có va đập thép 45 sau khi tơi sử dụng mảnh hợp kim cứng phủ TiAlN.
Qua đó ñưa ra ñược bộ thông số chế ñộ cắt hợp lý để đạt chất lượng bề gia
cơng theo u 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 cơng bố, đưa ra các
giả thiết và các tính tốn biến ñổi phù hợp ñể xây dựng cơ sở lý thuyết và
thiết lập các mơ hình thực nghiệm.


3

Nghiên cứu thực nghiệm ñược 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 thơng qua kết quả đo nhám và hình chụp topography bề mặt.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài
4.1. Ý nghĩa khoa học

ðề 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 q
trình tiện.
ðề tài sẽ bổ sung ñược một số kết quả nghiên cứu cơ bản trong điều
kiện kỹ thuật và cơng 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 cơng có va đập thép 45 sau khi tơi trên
khía cạnh về chất lượng bề mặt gia cơng.
Q trình ứng dụng các kết quả nghiên cứu sẽ cho phép mở rộng phạm
vi gia cơng của ngành chế tạo máy nói chung và của cơng 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 mơi trường, chi phí đầu tư thấp, phù hợp với ñiều kiện sản
xuất ở Việt Nam.


4

Chương 1. T
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TIỆ
ỆN CỨNG
1.1. ðặc ñiểm
m quá trình ttạo phoi khi tiện cứng
1.1.1. Các hình thái phoi khi ccắt kim loại
Phoi hình thành trong quá trình ccắt
ắt kim loại rất đa dạng song có thể chia
thành hai dạng cơ bản
ản [[35]:

- Dạng
ạng phoi dây ổn ñịnh (phoi liền): Với ba loại tùy theo cơ chế
ch hình thành,
bao gồm vùng trượt
ợt tập trung gần nh
như một
ột mặt phẳng, vùng
v
trượt có dạng
mảng và vùng trượt
ợt mở rộng có biến dạng dẻo bbên dưới
ới bề mặt do mịn
m dao
(hình 1.1) [34].
- Dạng phoi tuần hồn:
àn: Phoi rrời, phoi lượn
ợn sóng, phoi răng cưa
c (phoi xếp) và
phoi tạo thành với
ới lẹo dao.

Hình 1.1. Cơ chế hình thành dạng
ạng phoi ổn ñịnh.
a) Trượt
ợt tập trung tr
trên mặt phẳng; b) Vùng trượt
ợt tạo thành
th
mảng;
c) Vùng trư

trượt mở rộng bên dưới
ới bề mặt gia cơng [34].
ðơi khi cịn
ịn có ddạng phoi với bề dày thay đổi
ổi khơng tuần hồn,
ho đặc biệt
là khi cắt
ắt kim loại nguy
nguyên chất.
Khái niệm
ệm phoi phân ñoạn thường được dùng đểể mơ tả cả phoi lượn
l
sóng
và phoi răng cưa khơng ccịn phù hợp từ khi sự khác biệt giữa
ữa hai loại phoi này
n
được
ợc nhận diện. Ví dụ, tần số chu kỳ của phoi llượn
ợn sóng thường
th
khoảng
100Hz trong khi tần
ần số chu kỳ của phoi răng ccưa lớn hơn
ơn 2÷4 lần.
l
Hơn nữa,
phoi lượn
ợn sóng khơng có các đỉnh sắc nhọn nh
như
ư phoi răng cưa (hình

(h
1.2) [35].


5

Hình 1.2. Các dạng
ạng phoi phân đoạn.
a) Phoi lượn sóng; b) Phoi răng cưa [35
35].
1.1.2. Cơ chế hình
ình thành phoi khi ti
tiện cứng
Sự khác biệt cơ
ơ bbản của quá trình tạo
ạo phoi khi gia công thép cứng và
v thép
thông thường là sự
ự hhình thành phoi răng cưa, lần đầu tiên
ên ñược
ñư Shaw phát
hiện vào năm 1954 [[9]. Các lý thuyết
ết khác nhau để giải thích về cơ
c chế hình
thành phoi răng cưa có th
thể chia thành hai dạng:
ạng: Dạng thứ nhất dựa trên
tr sự
trượt
ợt ñoạn nhiệt ban ñầu, một trạng thái mất ổn ñịnh nhiệ

nhiệtt dẻo
d thường thấy ở
các vật
ật liệu hạn chế về khả năng biến cứng khi bị biến dạng ở tốc ñộ cao hoặc
biến dạng dẻo lớn [442], [43]. Dạng
ạng thứ hai cho rằng do sự mất ổn ñịnh theo
chu kỳ dựa trên sự
ự xuất hiện vvà lan truyền
ền của các vết nứt ở bề mặt tự do của
phoi [9], [34], [35].
Theo quan ñiểm
ểm thứ nhất, sự thay đổi của tốc độ cắt khi gia cơng các loại
vật
ật liệu khó gia cơng gây ra sự khơng ổn ñịnh của quá tr
trình
ình ñã dẫn ñến phản
ứng cơ nhiệt
ệt của vật liệu phơi ddưới
ới điều kiện cắt gọt. Kết quả là
l sự trượt cục
bộ và dạng
ạng phoi tuần ho
hoàn ñược hình thành. Trượt cục bộ làm lực
l cắt thay ñổi
tuần hoàn
àn và gây ra dao ññộng hoặc va ñập trong q trình
ình cắt,
c đặc biệt khi độ
cứng
ứng vững của hệ thống thấp vvà nhiệt ñộ trên bềề mặt tiếp xúc giữa phoi và

v
dụng cụ lớn. Phoi hình
ình thành do tr
trượt cục bộ là dạng phoi
hoi điển
đi hình khi gia
cơng các vật
ật liệu có hệ thống tr
trượt hạn chế (cấu
ấu trúc tinh thể sáu cạnh),
cạnh khả


6

năng dẫn
ẫn nhiệt kém, ñộ cứng cao nh
như các loại
ại thép hợp kim cứng, các loại
siêu hợp
ợp kim của titan vvà niken. Trái lại, phoi ổn ñịnh là dạng
ạng phoi thích hợp
khi gia cơng các loại
ại vật liệu có hệ thống tr
trượt
ợt mạnh (cấu trúc tinh thể bốn
cạnh),
ạnh), tính dẫn nhiệt tốt, ñộ cứng thấp nh
như các loại
ại thép các bon và

v thép hợp
kim thơng thường [433].
Cơ chế hình
ình thành phoi do tr
trượt
ợt cục bộ gồm một chuỗi các quá trình
tr
với
hai giai đoạn cơ bản:
ản: Giai đoạn thứ nhất llà sự trượt
ợt khơng ổn định và biến
dạng
ạng cục bộ trong một dải hẹp ở vvùng trượt
ợt thứ nhất phía trước
tr
dụng cụ. Giai
đoạn thứ hai làà q trình phá hhủy theo đường nghiêng
êng hình chêm của
c vật liệu
phơi khi dụng
ụng cụ tiến về phía tr
trước với
ới biến dạng khơng đáng kể ñể hình
h
thành một
ột phân ñoạn phoi [[43].

Hình 1.3. Sơ ñồồ các giai đoạn của q tr
trình tạo
ạo phoi do trượt

tr
cục bộ [43].
Quá trình hình thành phoi do tr
trượt
ợt cục bộ khác hẳn với q trình
tr
hình
thành phoi liền
ền ổn định (h
(hình 1.3). Trong trường hợp hình
ình thành phoi liền
li ổn
định, hiện tượng
ợng biến cứng chiếm ưu thế so với hiện tượng
ợng mềm hóa vì
v nhiệt.
Khi trượt
ợt diễn ra dọc theo mặt ph
phẳng trượt
ợt chính a, do bị biến cứng nên
n ứng
suất yêu cầu
ầu cho biến dạng tiếp theo trở nnên lớn hơn và mặt
ặt phẳng yếu nhất sẽ
chuyển
ển sang mặt phẳng tiếp theo. V
Vì vậy, trượt
ợt sẽ chuyển sang mặt phẳng tiếp
theo dẫn
ẫn ñến một sự phân bố biến dạng ñồng ñều trong phoi ở cấp ñộ tổng

thể. Trong trường
ờng hợp hhình thành phoi do trượt
ợt cục bộ, sự mềm hóa vì
v nhiệt
chiếm ưu thế hơn sự
ự biến cứng. Khi tr
trượt
ợt diễn ra dọc theo mặt phẳng trượt
tr
chính a (hình 1.3), ssức bền ở ñây nhỏ hơn nên mặt
ặt phẳng này
n vẫn là mặt
phẳng yếu nhất vàà trư
trượt tiếp
ếp tục diễn ra ở đây hay nói khác đi trượt
tr
được giới


7

hạn trong một
ột mặt phẳng hẹp. V
Vì vậy,
ậy, sự phân bố biến dạng trong phoi ở cấp
ñộ tổng thể làà khơng đđồng đều. Như vậy, bản chất của cơ
ơ chế
ch tạo phoi ở ñây
chỉ là sự
ự cạnh tranh của hai hiện ttượng cơ nhiệt là biến

ến cứng và
v mềm hóa vì
nhiệt [42].
ểm thứ hai, quá tr
trình hình thành phoi răng
ăng cưa là do sự
s mất
Theo quan ñiểm
ổn ñịnh theo chu kỳ dựa tr
trên sự xuất hiện và lan truyền
ền của các vết nứt ở bề
mặt
ặt tự do của phoi trải qua các giai đoạn (h
(hình 1.4) [27]:

Hình 1.4. Các giai đo
đoạn hình thành phoi răng
ăng cưa trong gia cơng thép
100Cr6 (760HV), thông ssố
ố cắt v = 100m/ph, s = 0,1mm/vg, t = 1mm, mơi
trường
ờng cắt khơ, dao PCBN có chất gắn kết ceramic [[27].
Giai ñoạn
ạn 1: Khi ứng suất cắt ñạt tới giá trị tới hạn, một vết nứt ñột nhiên
xuất hiện và phát triển
ển về phía llưỡi cắt.
Giai đoạn
ạn 2: Do sự xuất hiện của vết nứt, thể tích phoi giữa vết nứt và
v
cạnh viền lưỡi

ỡi cắt bị ñẩy llên hầu như khơng có bất
ất kỳ biến dạng nào.
n
Khi
dụng
ụng cụ tiến về phía tr
trước, khe hở giữa vết nứt và cạnh
ạnh viền
viề lưỡi cắt sẽ nhỏ
dần làm chiều dày của
ủa phoi giảm. Tốc ñộ tr
trượt
ợt của phoi trên
tr mặt trước của
dụng cụ và ở bề mặt vết nứt lớn ñến nỗi ma sát llàm nhiệt
ệt ñộ tăng ñến gần
ñiểm chuyển hóa A3. Vì th
thế, mactensite có thể được
ợc tạo ra dưới
d
dạng các lớp


8

trắng xung quanh đoạn phoi vừa hình thành. Bên cạnh ñó một lớp trắng tương
tự tồn tại trên bề mặt gia công do ma sát lớn với mặt sau của dụng cụ.
Giai ñoạn 3: Chiều rộng của khe hở hẹp ñến mức mà tốc ñộ ñẩy ra và
biến dạng dẻo của phoi là rất cao. Dưới tác dụng của nhiệt ñộ cao, hai lớp
trắng trên phoi hòa nhập với nhau tạo thành phần cịn 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 ñoạn 4: Phân ñoạn phoi ñược hình thành và ñiền ñầy 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 ñoạn 2 và 3 đóng vai trị quan trọng trở lại
để bắt đầu một vết nứt mới và các hiện tượng của chu kỳ sẽ ñược lặp lại.
Dạng phoi tạo thành ñược ñiều khiển bởi sự cân bằng giữa tốc ñộ cắt và
ñộ 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. Mơ hình tính tốn lực cắt
Lực cắt cần thiết ñể 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 thơng thường thì diện tích mặt phẳng trượt
lại thay ñổi nhiều phụ thuộc vào ñiều 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 =

t1w
sin φ

(1 − 1)


9

Trong q trình ccắt, có thể chủ động điều khiển ñượcc các thông số
s chiều
rộng phoi (chiềuu sâu ccắt) w và chiều dày cắt (lượng chạy
y dao) t1 nhưng không
thể ñiều khiển ñượcc tr
trực tiếp góc trượt ø. Khi góc trượt
ợt nhỏ, lực trượt
tr
có thể
lớn
ớn gấp 5 lần khi góc tr
trượt lớn nhất. Vì vậy việc nghiên cứu
ứu các nhân tố ảnh
hưởng tới góc trượt ø sẽ giúp điều khiển hoặc dự đốn được
ợc lực cắt [39].
[
ðểể xây dựng các biểu thức dự đốn định llượng
ợng về trạng thái vật liệu phơi
trong q trình cắt cũng
ũng nh
như xác định
ịnh các nhân tố quyết định chiều dày
d phoi,
góc trượt ø và lực
ực cắt ttương ứng, nhiều mơ hình dự đốn lực
ực cắt, ứng suất dư,
d
hình dạng phoi đã đư
được phát triển như mơ hình của Ernst vàà Merchant (1941),
Lee và Shaffer (1951), Kobayashi và Thomsen (1962), Rowe và Spick (1967),

Wright (1982), … Tuy nhiên, cho đđến
ến nay vẫn khơng có mơ hình
h
nào đúng
với mọi điều kiện
ện cắt [[17].
Trong sốố các mơ hhình đề cập ở trên,
ên, khơng mơ hình nào có sự
s cải tiến
đáng kểể so với mơ hhình của Ernst và Merchant vẫn là cột
ột mốc quan trọng
trong lý thuyết
ết về cắt kim loại. Theo mơ hhình này, lực
ực tổng hợp giữa dao và
phoi FR là một
ột vector tổng hợp của các th
thành phần
ần lực vng góc (hình
(h
1.5):

Hình 1.5. Vịng tròn llực khi cắt trực giao của Ernst và
à Merchant [17].
[


10

FR = FS + FSN = FF + FN = FC + FT

(1 − 2)

Trong đó: FR là lực tổng hợp; FS là lực cắt nằm trong mặt phẳng trượt; FSN là
lực vng góc với mặt phẳng trượt; FF là lực ma sát ở trên mặt trước của dụng
cụ; FN là lực pháp tuyến với mặt trước của dụng cụ; FC là lực cắt chính; FT là
lực dọc trục.
Lực thành phần tác dụng trên mặt phẳng trượt và mặt trước của dụng cụ
có quan hệ với các thành phần lực cắt chính (lực tiếp tuyến FC và lực dọc trục
FT):
 FS = FC cosφ − FT sin φ
 F = F sin φ + F cosφ
 SN
C
T

 FF = FC sin α + FT cosα
 FN = FC cosα − FT sin α

(1 − 3)

Với α là góc trước, ø là góc trượt.
1.2.2. Ứng suất trong dụng cụ cắt
Với cấu tạo phức tạp của dụng cụ và ñiều kiện cắt trong q trình gia
cơng, việc đánh giá chính xác ứng suất cục bộ tác dụng lên dụng cụ gần lưỡi
cắt là một thách thức ñối với các phương pháp phân tích hiện có [39].
Trong một q trình tiện đơn giản, có hai loại ứng suất chính quan trọng
tác dụng lên dụng cụ:
- Ứng suất pháp do lực cắt chính tác dụng lên mặt trước dụng cụ tại vùng tiếp
xúc là ứng suất nén, có thể xác định bằng tỉ số giữa lực cắt chính và diện tích
tiếp xúc.

- Ứng suất tiếp do lực ăn dao tác dụng lên mặt trước dụng cụ, xác ñịnh bằng tỉ
số giữa lực ăn dao và diện tích tiếp xúc. Vì lực ăn dao nhỏ so với lực cắt
chính nên ứng suất tiếp nhỏ hơn ứng suất pháp tác dụng trên cùng diện tích
tiếp xúc, thường chỉ vào khoảng 30÷60% giá trị trung bình của ứng suất pháp.
- Khi dụng cụ mịn, có cả ứng suất pháp và tiếp tác dụng lên mặt sau của dụng
cụ. Mặc dù diện tích tiếp xúc trên mặt sau đơi khi có thể xác định rõ ràng


11

nhưng rất
ất khó xác định giá trị của lực tác dụng tr
trên
ên nó. Cho đến
đ nay, vẫn
khơng có một
ột đánh giá ñáng tin cậy nnào về ứng suất trên mặt
ặt sau dụng cụ [39]
[
Ngồi ra, cịn có các ứng suất khác tác dụng lên
ên thân dụng
d
cụ liên quan
ñến
ến cấu trúc chung của dụng cụ vvà ñộ
ộ cứng vững kết nối tại nơi
n dụng cụ được
lắp
ắp đặt khi gia cơng. Tuy nhi
nhiên, vì khơng liên quan đến

ến q trình
tr
tạo phoi và
tuổi thọ dụng cụ nên
ên các ứng suất này khơng được
ợc xem xét.
1.2.3. Sự
ự phân bố ứng suất trong vvùng biến dạng
Giá trịị của ứng suất trung bbình trong vùng biến
ến dạng khi gia cơng có thể
xác định dựa trên
ên giá tr
trị lực đo được và diện tích vùng
ùng biến
bi dạng: τ s =

Fs
.
As

Trường phân bố ứng
ng su
suất trong vùng biến dạng
ng có liên quan trực
tr tiếp đến q
trình sinh nhiệt, ảnh
nh hư
hưởng đến cơ chế hình thành phoi và xác ñịnh yêu cầu
ñối với vật liệu dụng
ng ccụ.

Hình 1.6. Biến
ến thi
thiên ứng suất pháp và tiếp trên mặt trước
ớc dụng cụ [33].
[
Sự
ự phân bố ứng suất tr
trên vùng biến
ến dạng khi gia công rất phức tạp. Theo
nghiên cứu
ứu của nhiều tác giả, tr
trên vùng tiếp
ếp xúc của phoi với mặt trước
tr
dụng
cụ, ứng suất cắt τc bằng
ằng hằng số tr
trên một
ột nửa phần phoi tiếp xúc gần nhất với
lưỡi cắt và sẽẽ giảm dần đến 0 tr
trên nửa cịn lại,
ại, đạt giá trị bằng 0 tại ñiểm C


12

khi phoi rời khỏi bềề mặt dụng cụ. Ứng suất pháp σc tăng ñơn ñiệu
ñi từ ñiểm C
tới lưỡi cắt A (hình

ình 1.6) [[33].
Ứng suất phápp thay đđổi trên mặt trước theo quy luật [44
4]:
σ ( x ) = (l − x ) n

(1 − 4)

Ứng suất pháp có giá trị cực ñại tại llưỡi cắt:
σ ( x) = σ M = l n

τ  l 
µ= s 

σ M  l − l1 

(1 − 5)
n

(1 − 6)

Với µ là hệệ số ma sát tr
trên mặt trước; n là hằng
ằng số, xác định từ thực
nghiệm:
ệm: n = 19÷22 cho thép các bon thấp [[20].
Ứng suất tiếp biến thi
thiên theo quy luật:
τ ( x) = τ s
l−x
τ ( x ) = µσ ( x ) = τ s 


 l − l1 

với 0 ≤ x ≤ l1

(1 – 7)

với l1 ≤ x ≤ l

(1 – 8)

n

Gần ñúng l ≈ 2l1. Chiều dài vùng ứng suất trượt bằng
ng hằng
h
số giảm tương
ñối so với tổng chiềuu dài ti
tiếp xúc khi tăng góc trước α củaa dụng
d
cụ.

Hình 1.7. Biến
ến thi
thiên ứng suất pháp và tiếp
ếp trong mặt phẳng trượt
tr
[33].

13

Trạng thái phân bố ứng suất trên mặt phẳng trượt cũng tương tự như
trên bề mặt tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ [33]. Hình 1.7 đã biểu diễn sự thay
ñổi của ứng suất tiếp τs và ứng suất pháp σs trên mặt phẳng trượt. Trong vùng
AE (gần lưỡi cắt nhất) τs không phụ thuộc vào ứng suất pháp σs trên mặt
phẳng trượt, trong khi trên vùng E’B (gần bề mặt tự do nhất) tỉ số

τs
xấp xỉ
σs

bằng hằng số và phù hợp với ñịnh luật Amonton cho bề mặt ma sát trượt. Hai
vùng này ñược kết nối với nhau nhờ một vùng chuyển tiếp EE’ nơi mật ñộ các
vết nứt tế vi tăng đến mức nối thơng với nhau.
1.2.4. Lực cắt khi tiện cứng
Trong q trình tiện cứng, độ cứng cao của phơi cùng với tốc độ cắt cao
và điều kiện gia cơng khơ đã làm cho tác dụng của lực cắt có những thay đổi
đáng kể so với các q trình gia cơng thơng thường. Lực cắt khi gia công các
vật liệu cứng không lớn hơn lực cắt khi gia cơng các vật liệu mềm [25]. Góc
trượt lớn và sự hình thành phoi răng cưa do độ dẻo kém làm giảm lực cắt mặc
dù ñộ bền cao của vật liệu cứng. Trường hợp gia cơng các thép cứng, góc
trước âm của dụng cụ càng lớn thì lực dọc trục càng cao và lực cắt tiếp tuyến
càng thấp. Sự biến thiên của các thành phần lực cắt cũng bị ảnh hưởng bởi sự
thay đổi độ cứng vật liệu gia cơng. Strafford và Audy [36] ñã khẳng ñịnh khi
tiện cứng thép AISI 4340 có độ cứng từ 29÷57HRC bằng dụng cụ gốm đã có
sự tăng tương ứng lực cắt từ 30÷80%. Trong một cơng bố khác đã chứng tỏ
rằng tốc độ cắt càng cao, lực dọc trục và lực cắt riêng càng thấp, khơng phụ
thuộc vào mịn dụng cụ [8].
Ảnh hưởng của điều kiện cắt đến q trình tiến triển của lực cắt cũng đã

được mơ hình trong nhiều nghiên cứu. Bằng việc tiến hành các thí nghiệm khi
gia cơng thép AISI D2 ở ñộ cứng 62HRC với dụng cụ cắt PCBN,
Arsecularatne và cộng sự [8] đã kết luận có một mối liên hệ chặt chẽ giữa lực
cắt và ñiều kiện cắt. Huang và Liang [16] trình bày lực cắt tổng cộng là tổng


14

của các thành phần lực ñể tạo phoi và lực do mịn mặt sau. Mơ hình này được
đánh giá bằng thực nghiệm q trình tiện cứng chính xác thép AISI 52100 ở
ñộ cứng 62HRC với hai loại dụng cụ PCBN hàm lượng CBN cao và thấp. Kết
quả cho thấy, lực hướng kính và lực tiếp tuyến có giá trị nhỏ hơn, nhiệt ñộ
trên bề mặt tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ có giá trị cao hơn khi sử dụng dao
với hàm lượng CBN thấp. Chen [11] cũng công bố khi nghiên cứu thực
nghiệm tiện cứng thép bằng dụng cụ PCBN, lực hướng kính có giá trị lớn
nhất trong ba thành phần lực cắt. Ozel và cộng sự [26] cũng kết luận, lực cắt
khi gia công bằng dụng cụ PCBN nhạy cảm với sự thay đổi của các thơng số
hình học của dụng cụ và mòn dụng cụ. Bề mặt của sản phẩm khi gia công
bằng dụng cụ PCBN cũng tương ñương như bề mặt ñược mài. Thêm nữa, lực
cắt cũng như nhám bề mặt còn bị ảnh hưởng bởi thơng số hình học của dụng
cụ. Dụng cụ với cạnh lưỡi cắt mài tròn sẽ làm giảm lực cắt nhưng làm tăng
nhiệt ñộ trên mặt tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ. Sử dụng các kết quả từ mơ
hình cơ nhiệt của mặt phẳng trượt khi cắt trực giao có kể ñến ảnh hưởng của
biến dạng, tốc ñộ biến dạng, nhiệt độ và độ cứng phơi ban đầu, Yan và cộng
sự [41] kết luận rằng lực theo phương chạy dao có giá trị lớn nổi trội trong
các thành phần lực cắt khi tiện cứng chính xác bằng dụng cụ PCBN. Lực cắt,
ñặc biệt là lực theo phương chạy dao tăng khi tăng lượng chạy dao và bán
kính vê trịn cạnh lưỡi cắt.
1.3. Nhiệt cắt trong quá trình tiện cứng
1.3.1. Các nguồn nhiệt trong cắt kim loại

Trong quá trình cắt kim loại, năng lượng bị tiêu tốn vào việc tạo phoi và
thắng lực ma sát giữa phôi và dụng cụ. Hầu hết năng lượng này chuyển hóa
thành nhiệt tạo ra nhiệt ñộ cao ở vùng biến dạng và những vùng xung quanh
của phoi, dụng cụ với phơi (hình 1.8) [14].
Nhiệt độ cắt đóng vai trị quan trọng quyết định hiệu quả gia cơng. Nhiệt
độ trong vùng biến dạng cơ sở, nơi diễn ra biến dạng lớn để hình thành phoi


15

có ảnh hưởng đếnn các thu
thuộc tính cơ học
ọc của vật liệu gia cơng và
v do đó đến
các lực
ực cắt. Nhiệt độ tr
trên mặt trước dụng cụ có ảnh hưởng
ởng lớn ñến tuổi thọ
dụng
ụng cụ cắt. Nhiệt ñộ tr
trên mặt sau dụng cụ sẽ ảnh hưởng
ởng đến trạng thái hồn
ho
thiện và cấu
ấu trúc kim loại của bề mặt gia công
công. Nhiệt
ệt ñộ vừa phải sẽ giảm bớt
ứng suất dư trên bềề mặt gia công do giảm bớt sự ch
chênh lệch
ệch nhiệt độ trong khi

nhiệt
ệt độ cao có thể dẫn đến lớp cháy hoặc lớp cứng tr
trên bềề mặt gia cơng.

Hình 1.8. Các khu vvực biến dạng là nguồn
ồn sinh nhiệt [14].
[
Về cơ bản, trong q trình ccắt có thể nhận biết ñư
ược ba nguồn sinh
nhiệt [17]: Vùng trư
trượt cơ sở, mặt tiếp xúc giữa phoi vàà mặt
m trước dụng cụ,
mặt
ặt tiếp xúc giữa phôi vvà mặt sau dụng cụ. Nguồn
ồn nhiệt sau cùng
c
(mặt tiếp
xúc giữa phơi và dụng
ụng cụ) có thể bỏ qua nếu ddùng dụng cụ
ụ sắc.
1.3.2. Các phương pháp ño nhi
nhiệt ñộ trong cắt kim loại
Nhiệt
ệt ñộ trong cắt kim loại bắt ñầu ññược quan tâm vềề mặt ñịnh lượng
l
từ
những
ững năm 1920. Nhiệt ñộ dụng cụ cắt có thể ññược
ợc xác ñịnh bằng các phương
ph

pháp như: nhiệt
ệt ñiện, ngẫu nhiệt, bức xạ hồng ngoại, vẽ bản ñồ sự thay ñổi về
cấu trúc và ñộộ cứng của vật liệu phụ thuộc vvào nhiệt
ệt độ, xác định màu
m thép
tơi, sử
ử dụng các vật liệu chỉ thị nhiệt ñộ ñặt vvào các bềề mặt cần xác ñịnh nhiệt
ñộ,
ộ, … song tất cả các ph
phương pháp đều chưa cho kết
ết quả chính xác. Ví dụ,
phương pháp nhiệt
ệt điện chỉ đo đđược nhiệt độ trung bình
ình trên tồn bộ
b vùng tiếp
xúc giữa phoi và dụng
ụng cụ, mặt khác cả phôi vvà dụng
ụng cụ ñều phải là
l chất dẫn
ñiện nên một
ột số dụng cụ nh
như gốm không thể áp dụng phương
ương pháp này. Việc
gia cơng các lỗỗ đặt cặp ngẫu nhiệt sẽ phá vỡ vvà có thể làm
àm thay đổi
đ trường


16

nhiệt trong cắt kim loại. Việc vẽ bản ñồ nhiệt ñộ bằng cách sử dụng cặp ngẫu
nhiệt cũng rất rườm rà vì phải dùng nhiều dụng cụ với các cặp ngẫu nhiệt ñặt
tại các ñiểm khác nhau. Kỹ thuật ño bức xạ thường hạn chế việc tiếp cận vào
bề mặt cần đo. Màu thép tơi của phoi phụ thuộc vào chiều dày của lớp ơxy
hóa trên bề mặt phoi mà chiều dày này phụ thuộc vào thời gian ở nhiệt ñộ
cũng như sự tập trung ôxy và làm cho sự giải thích gặp khó khăn [17].
Sự phát triển gần đây trong công nghệ phủ cho phép sử dụng một
phương pháp mới ñể ño nhiệt ñộ dụng cụ bằng việc dùng các màng cảm biến
nhiệt ñiện trở RTDs (Resistance Temperature Detectors) ñặt trực tiếp trên bề
mặt dụng cụ. Các cảm biến này có độ dày đặc trưng khoảng chừng vài
nanomet, ảnh hưởng của nó trong q trình cắt là khơng đáng kể. Hơn nữa,
với chiều rộng chỉ vài micromet, có thể ñặt nhiều cảm biến cạnh nhau trong
vùng tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ. Tuy nhiên, trong quá trình phát triển của
cảm biến nhiệt điện trở, lớp phủ mặt ngồi ñang là một ñiểm bế tắc. Tất cả
các lớp phủ ñược thử nghiệm ñều bị tróc ngay khi cắt và sau đó cảm biến bị
phá hủy bởi phoi [17].
Như vậy, vẫn khơng có một phương pháp đơn giản nào được nhận biết
để đo đạc nhiệt độ trong phoi, phơi và dụng cụ, thậm chí trong q trình cắt
trực giao. Thực tế mới chỉ có một vài nghiên cứu thử nghiệm ño nhiệt ñộ
dụng cụ PCBN bằng việc ñặt ngẫu nhiệt hoặc chất chỉ thị nhiệt ñộ bên dưới
mảnh dao hay ño bức xạ hồng ngoại [22], [30], [37].
1.3.3. Nhiệt cắt khi tiện cứng
Các nghiên cứu về nhiệt cắt trong quá trình tiện cứng cịn chưa nhiều.
Hiểu biết về q trình sinh nhiệt và phân bố nhiệt trong dụng cụ cắt khi tiện
cứng vẫn còn ở mức rất hạn chế. Các nhân tố có ảnh hưởng lớn nhất đến nhiệt
cắt khi tiện cứng là tính chất của vật liệu phơi và dụng cụ, các thơng số của
điều kiện cắt. Ngồi ra cịn có thể có một số nhân tố khác như chế độ làm
nguội, kích thước phơi [37]. Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy quy luật thay