Khảo sát chất lượng bề mặt của thép làm khuôn đã qua tôi khi phay cứng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
..

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------------------

PHẠM NGỌC THÀNH

KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CỦA THÉP LÀM KHUÔN ĐÃ
QUA TÔI KHI PHAY CỨNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Thái Nguyên – 2015

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực
và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ một công trình khác, trừ những
phần tham khảo đã đƣợc ghi rõ trong Luận văn.
Thái Nguyên, ngày 15 tháng 12 năm 2014
Tác giả

Phạm Ngọc Thành

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin trân trọng cảm ơn: Thầy giáo PGS.TS.
Nguyễn Đình Mãn - Thầy giáo TS. Trần Quốc Hùng. Thầy hƣớng dẫn khoa
học của tôi về sự định hƣớng đề tài, sự hƣớng dẫn tận tình của Thầy trong
việc tiếp cận và khai thác các tài liệu cũng nhƣ những chỉ bảo trong q trình
tơi làm thực nghiệm và viết luận văn. Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tới các thầy
cơ đã tạo điều kiện hết sức thuận lợi cho tôi đƣợc tiến hành thí nghiệm tại
Trung tâm thí nghiệm của Trƣờng ĐHKTCN trong suốt q trình hồn thành
luận văn này. Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn cán bộ Khoa Sau đại học của
trƣờng, cán bộ phịng thí nghiệm Khoa Cơ khí – ĐHKTCN đã dành cho tơi
những điều kiện thuận lợi nhất, giúp tơi hồn thành nghiên cứu của mình.
Cuối cùng tơi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, đồng nghiệp đã ủng
hộ, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng song do kiến thức và kinh nghiệm cịn hạn chế nên
chắc chắn luận văn khơng tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong muốn
sẽ nhận đƣợc những chỉ dẫn từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để
luận văn đƣợc hoàn thiện và có ý nghĩa hơn nữa trong thực tiễn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả

Phạm Ngọc Thành

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 1

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... 3
MỤC LỤC ......................................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................... 7
DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU ............................................................... 8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ - ẢNH CHỤP .................................. 9
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................. 11
1. Tính cấp thiết của đề tài. ......................................................................... 11
2. Mục đích, đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu .................................. 14
2.1. Mục đích của đề tài ........................................................................ 14
2.2. Đối tƣợng nghiên cứu .................................................................... 14
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................... 14
3. Ý nghĩa của đề tài .................................................................................... 15
3.1. Ý nghĩa khoa học ............................................................................. 15
3.2. Ý nghĩa thực tiễn .............................................................................. 15
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ PHAY VÀ PHAY CỨNG ........................... 15
1.1. Khái niệm về quá trình phay ................................................................ 15
1.2. Các yếu tố cắt của dao phay ................................................................. 17
1.2.1. Chiều sâu cắt ap ............................................................................ 18
1.2.2. Lƣợng chạy dao S ......................................................................... 18
1.2.3. Vận tốc cắt khi phay...................................................................... 18
1.2.4. Chiều sâu phay t ............................................................................ 19
1.2.5. Chiều rộng phay B ........................................................................ 19
1.2.6. Góc tiếp xúc  .............................................................................. 19
1.2.7. Chiều dày cắt a khi phay ............................................................... 20
1.3. Các thành phần lực cắt khi phay .......................................................... 20
1.4. Quá trình phay cứng ............................................................................. 22
1.5. Kết luận chƣơng 1 ................................................................................ 25
CHƢƠNG 2: MÒN VÀ TUỔI BỀN CỦA DỤNG CỤ CẮT ......................... 26
2.1. Mòn của dụng cụ khi phay ................................................................... 26
2.2. Ma sát và mòn của dụng cụ phủ ........................................................... 27

2.2.1. Ma sát của dụng cụ phủ................................................................. 27
2.2.2. Mòn của dụng cụ phủ .................................................................... 28
2.3. Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt .......................................................... 29
2.4. Mòn dao khi phay cứng........................................................................ 31
2.5. Vai trò của lớp phủ cứng trong việc tăng tuổi bền của dụng cụ .......... 32
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

2.5. Mòn và tuổi bền của dụng cụ khi phay cứng ....................................... 33
2.5.1. Mòn của dao khi phay cứng .......................................................... 33
2.5.2. Tuổi bền của dao khi phay cứng ................................................... 34
2.6. Kết luận chƣơng 2 ............................................................................ 34
CHƢƠNG 3 : CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG................................... 35
3.1. Khái niệm về chất lƣợng bề mặt gia công............................................ 35
3.1.1. Khái niệm ...................................................................................... 35
3.1.2. Cơ lý tính lớp bề mặt..................................................................... 35
3.2. Các nhân tố ảnh hƣởng đến nhám bề mặt khi phay cứng .................... 38
3.3. Ảnh hƣởng của độ nhám bề mặt tới tính chất sử dụng của chi tiết máy .. 39
3.4. Các phƣơng pháp nghiên cứu về độ nhám bề mặt ............................... 39
3.4.1. Nghiên cứu nhám bề mặt dựa trên thực nghiệm ........................... 40
3.4.2. Nghiên cứu dựa trên các mơ hình mơ phỏng ................................. 48
3.5. Kết luận chƣơng 3 ................................................................................ 57
CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ............................................ 60
4.1. Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm ................................................ 60
4.1.1. Lý thuyết thực nghiệm. ................................................................. 60
4.1.1.1. Các nguyên tắc thiết kế thí nghiệm ............................................ 60
4.1.1.2. Các loại thí nghiệm .................................................................... 60
4.1.1.3. Lựa chọn thiết kế thí nghiệm ..................................................... 61
4.1.2. Cơ sở lý thuyết .............................................................................. 61

4.1.2.1. Thực nghiệm tối ƣu hố ............................................................. 61
4.1.2.2. Tiến trình tối ƣu hố ................................................................... 62
4.1.2.3. Mức độ phù hợp của mơ hình .................................................... 63
4.1.2.4. Kế hoạch thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu ......................................... 63
4.1.2.5. Phƣơng pháp đo và tổng hợp kết quả đo.................................... 64
4.1.3. Các giới hạn của thí nghiệm.......................................................... 64
4.1.4. Các thơng số đầu vào của thí nghiệm ........................................... 65
4.1.5. Các hàm mục tiêu .......................................................................... 66
4.1.6. Chọn dạng hàm hồi quy ................................................................ 66
4.1.7. Xây dựng ma trận thí nghiệm ....................................................... 66
4.1.8. Trang thiết bị thí nghiệm ............................................................... 67
4.1.8.1. Máy thí nghiệm .......................................................................... 67
4.1.8.2. Dụng cụ cắt thí nghiệm .............................................................. 69
4.1.8.3. Phơi............................................................................................. 70
4.1.8.4. Dụng cụ đo kiểm ........................................................................ 70
4.2. Tiến hành thí nghiệm ........................................................................... 70
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

4.3. Xử lý kết quả thí nghiệm ...................................................................... 71
4.3.1. Phân tích số liệu thực nghiệm với hàm mục tiêu nhám bề mặt .... 71
4.3.2. Biểu đồ quan hệ giữa vận tốc, lƣợng chạy dao và nhám bề mặt .. 73
4.3.3. Phân tích biểu đồ và lời khun cơng nghệ .................................. 74
4.4. Kết luận chƣơng 4 ................................................................................ 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 77

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
KÍ HIỆU

Ý NGHĨA

γ

Góc trƣớc



Góc tác động

1

Góc trƣợt



Góc cắt

t

Ciều sâu cắt

S

Lƣợng chạy dao

V

Vận tốc cắt

Ra

Độ nhám bề mặt

L

Chiều dài phoi

Lo

Chiều dài cắt

a1

Chiều dầy phoi thực tế

a

Chiều dầy phoi lý thuyết

R

Tổng hợp lực tác dụng lên dao

Ro

Lực tổng hợp pháp tuyến

R1

Tổng hợp lực tác dụng lên mặt sau

N

Lực pháp tuyến tác dụng lên mặt trƣớc

Fo

Lực ma sát của phoi lên mặt trƣớc

N'

Lực pháp tuyến tác dụng lên mặt sau

Fo

Lực ma sát của phoi lên mặt sau

Px

Thành phần lực cắt theo phƣơng X

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Py

Thành phần lực cắt theo phƣơng Y

Pz

Thành phần lực cắt theo phƣơng Z

n

Số vịng quay của trục chính

A

Cơng hớt phoi

Ps

Lực trong mặt phẳng trƣợt

Q

Nhiệt lƣợng tỏa ra trong quá trình cắt

o

Độ mịn dao



Thời gian làm việc của dao

ϕ

Góc nghiêng chính của dao



Góc sau

D

Đƣờng kính dao phay

P

Lực vịng

DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

TT

Bảng số

Nội dung
Giá trị tính tốn giá trị thơng số chế độ cắt V, S

Trang
51

1

Bảng 4.1

2

Bảng 4.2 Ma trận thí nghiệm

53

3

Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật cơ bản của máy

54

4

Bảng 4.4 Thành phần các nguyên tố hoá học thép SKD11

57

5

Bảng 4.5

cho thực nghiệm

Bảng quy hoạch và kết quả thực nghiệm xác định
tuổi bền của dao

58

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ - ẢNH CHỤP
Hình 1.1. Dao phay trụ răng xoắn ................................................................... 16
Hình 1.2. Dao phay mặt đầu............................................................................ 17
Hình 1.3. Dao phay răng nhọn và dao phay hớt lƣng ..................................... 17
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Hình 1.4. Các yếu tố cắt khi phay ................................................................... 17
Hình 1.5: Tốc độ cắt khi phay ......................................................................... 18
Hình 1.6: Góc tiếp xúc khi phay: (a) Bằng dao phay trụ; (b) Bằng dao phay
mặt đầu ............................................................................................ 20
Hình 1.7: Lực tác dụng lên răng dao phay trụ răng xoắn ............................... 22
Hình 1.8: Máy phay CNC ............................................................................... 23
Hình 1.9. Hình dạng – kích thƣớc chế tạo của thân dao kí hiệu TRM4 và
mảnh ghép hãng Mitssubishi- Nhật Bản [2] ................................... 23
Hình 1.10. Dao phay rãnh có gắn mảnh ghép hãng Sandvik [2] .................... 24
Hình 2.1: Sơ đồ 3 vùng ma sát của Shaw,Ber và Mamin. ............................. 28
Hình 2.2: Ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt liên tục ......... 30
Hình 2.3: Ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến cơ chế mịn khi cắt gián đoạn ..... 30
Hình 2.4: Sơ đồ thể hiện 3 giai đoạn mòn mặt trƣớc của dụng cụ thép gió phủ
TiN .................................................................................................. 31
Hình 2.5: Quan hệ V.T-V và V.T.a khi cắt thép 40Cr ................................... 32

Hình 2.6. (a) Quan hệ tuổi bền của dao thép gió phủ PVD theo vận tốc cắt dao
tiện ................................................................................................... 33
(b) Dao phay mặt đầu dùng để phay thép cácbon tôi cải thiện. ...................... 33
Hình 3.1. Kính hiển vi đo độ nhám ................................................................. 37
Hình 3.2. Máy đo độ nhám.............................................................................. 37
Hình 3.3. Thử nghiệm thiết lập, thu thập dữ liệu và điều chỉnh ..................... 41
Hình 3.4. Cảm biến vị trí của sensor điều khiển tích hợp cho trục chính ....... 42
Hình 3.5. Mơ hình và q trình thí nghiệm 2-D VAMEM ............................. 43
Hình 3.6. Mịn dụng cụ cắt: (a) khơng có rung động , (b) có các rung động.. 44
Hình 3.7. Độ nhám bề mặt với biên độ và tần số rung động khác nhau [13] . 44
Hình 3.8. Kết thúc phay (a) dụng cụ mới; (b) và (c) sau khi cắt 1 đoạn 150
mm; (b) bằng tia laser và ( c) khơng có laser ( tốc độ cắt: 32m/phút,
chiều sâu trục cắt: 25 μm, chiều sâu cắt 1 μm/flute, công suất: 7,5
W), ................................................................................................... 46
Hình 3.9. Ảnh hƣởng của tốc độ cắt tới độ nhám bề mặt và chiều rộng phoi 47
Hình 3.10. Mơ tả lƣỡi cắt ................................................................................ 50
Hình 3.11. Tạo khối 3D phoi và phơi ............................................................. 50
Hình 3.12. Thí nghiệm và kết quả mơ phỏng ................................................. 51
Hình 3.13. Mối quan hệ giữa thiết lập phôi với hƣớng cắt. FX: ăn dao theo
phƣơng x (N), FY: chọn lƣợng ăn dao phƣơng y (N), FZ: trục cắt
chính (N). ........................................................................................ 52
Hình 3.14. 2D profiles độ nhám bề mặt của các định hƣớng đƣờng cắt, đo dọc
theo một hƣớng lựa chọn ăn dao ..................................................... 53
Hình 3.15. Ứng dụng 3D FEM mô phỏng trong gia công phay ..................... 54
Hình 3.16. Ứng suất khơng đều của phoi trong q trình bóc tách ................ 54
Hình 3.17. So sánh giữa FEM (a) và dùng giải tích (b) đƣờng cong của lực cắt
để ..................................................................................................... 55
phay 2 đƣờng răng ........................................................................................... 55
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Hình 3.18. Mơ hình dụng cụ cắt khơng phủ WC/Co và phủ CBN ................. 56
Hình 3.19. So sánh dự đốn của phân bố nhiệt độ (TºC)................................ 56
Hình 3.20. So sánh dự đốn tỉ lệ phân bố phủ CBN và khơng phủ WC/Co ... 56
Hình 3.21. Tối ƣu các thơng số phay micro biểu diễn trong khơng gian hàm
tốn học (bên trái) và khơng gian giải pháp (bên phải) .................. 57
Hình 4.1 . (a) Sơ đồ thí nghiệm 22; (b) 4 thí nghiệm dọc trục và 1 thí nghiệm
trung tâm; (c) Thí nghiệm CCD ...................................................... 64
Hình 4.3. Bề mặt chỉ tiêu quan hệ giữa vận tốc, lƣợng chạy dao ................... 73
và nhám bề mặt ............................................................................................... 73
Hình 4.4. Biểu đồ đƣờng mức quan hệ giữa vận tốc, lƣợng chạy dao và nhám
bề mặt .............................................................................................. 74

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Phay cứng đƣợc hiểu là phay các chi tiết có độ cứng cao (45  70 HRC),
có thể tiến hành với điều kiện cắt khô (dry – không sử dụng dung dịch trơn
nguội) hoặc gần giống nhƣ cắt khô và phổ biến sử dụng dao gắn mảnh Nitrit
Bo lập phƣơng đa tinh thể (PCBN – Polycrystalline Cubic Boron Nitride, hay
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

vẫn thƣờng đƣợc gọi là CBN – Cubic Boron Nitride). Ngƣời ta cho rằng, sự
ra đời và phát triển của vật liệu dụng cụ cắt CBN nhƣ là một giải pháp tối ƣu
cho phay cứng. Bởi vật liệu CBN có độ cứng rất cao chỉ thấp hơn so với kim
cƣơng, nhƣng khơng giống nhƣ kim cƣơng CBN có tính ổn định và bền nhiệt
cao (hơn 10000C). Mặt khác, CBN có thể tạo hình với các hình dạng và kích
thƣớc khác nhau…..

Công nghệ phay cứng đã và đang phát triển đầy tiềm năng với những ƣu
điểm có thể so sánh (trong nhiều trƣờng hợp có thể thay thế cho mài) với
cơng nghệ mài – một phƣơng pháp gia công tinh lần cuối mang tính truyền
thống đối các thép có độ cứng cao.
Việc áp dụng công nghệ phay cứng để gia công lần cuối các chi tiết so
với cơng nghệ mài có các ƣu điểm nổi bật sau:
- Giảm thời gian chu kỳ gia cơng một sản phẩm.
- Giảm chi phí đầu tƣ thiết bị.
- Tăng độ chính xác.
- Đạt độ bóng bề mặt cao.
- Cho phép nâng cao tốc độ bóc vật liệu (từ 2 - 4 lần), nâng cao năng
suất gia công.
- Gia công đƣợc các contour phức tạp.
- Cho phép thực hiện nhiều bƣớc gia công trong cùng một lần gá.
- Phay cứng có khả năng tạo ra lớp bề mặt có ứng suất dƣ nén (lớp bề
mặt này có tác dụng nâng cao sức bền mỏi của chi tiết máy).
Hơn nữa, thông thƣờng nhƣ trƣớc đây những chi tiết nhƣ vòng ổ lăn, vòi
phun, bánh răng, cam và những chi tiết của hệ thống thủy lực .v.v… sau khi
nhiệt luyện phải qua công đoạn mài, mài khôn. Những cơng đoạn này thiếu
tính linh hoạt và tốn nhiều thời gian. Một hạn chế nữa là chi phí cho dung
dịch trơn nguội của các công đoạn mài khá cao. Những lý do trên làm tăng chi
phí cho các cơng đoạn gia cơng chính xác. Mặt khác chất thải ra khi mài gây ơ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

nhiễm môi trƣờng, thúc đẩy các nhà sản xuất loại dần khâu mài trong quy
trình cơng nghệ gia cơng chi tiết.
Vì những lý do trên trong gia cơng lần cuối so với mài phay cứng ngày

càng đƣợc các nhà sản xuất u thích hơn.
Tuy nhiên phay cứng cũng có những nhƣợc điểm cần lƣu ý nhƣ: do chủ
yếu là cắt khơ nên nhiệt của q trình rất cao, chi phí dụng cụ cắt cao (mảnh
CBN đắt hơn so với mảnh cacbide khoảng 4-5 lần), khi gia cơng các chi tiết
có chiều dài lớn dung sai chế tạo có thể nằm ngoài vùng cho phép, khi chiều
sâu cắt nhỏ hơn chiều sâu cắt tới hạn (t min) thì quá trình cắt không thể thực
hiện đƣợc.
Việc áp dụng phay cứng thay cho mài đang trở nên khá phổ biến trên thế
giới bởi những ƣu điểm nổi bật của nó, nhất là hiện nay vấn đề môi trƣờng
đang đƣợc sự quan tâm đặc biệt của toàn thế giới. Ở nƣớc ta, phay cứng đã và
đang đƣợc áp dụng và phát triển khá mạnh, các chi tiết nhƣ con lăn trong các
dây truyền cán thép, chày cối dập thuốc, vòng ổ v.v… cũng đã đƣợc gia công
lần cuối bằng tiện cứng thay cho mài.
Việc nghiên cứu ảnh hƣởng của các nhân tố đến quá trình phay cứng,
phân tích các q trình vật lý trong phay cứng đã và đang đƣợc quan tâm, tiến
hành tại nhiều trung tâm, viện nghiên cứu cũng nhƣ các trƣờng đại học trên
thế giới.
Chất lƣợng bề mặt gia công là một trong những yêu cầu quan trọng nhất
đối với chi tiết máy vì nó ảnh hƣởng trực tiếp đến khả năng làm việc, độ bền,
độ bền mòn cũng nhƣ tuổi thọ của chi tiết máy. Quá trình tạo lớp bề mặt gia
cơng có chất lƣợng bằng phƣơng pháp gia cơng cơ chịu ảnh hƣởng của nhiều
yếu tố công nghệ. Việc nghiên cứu ảnh hƣởng của các yếu tố công nghệ khi
phay cứng đến chất lƣợng bề mặt gia công là cần thiết đối với ngành cơ khí.
Chế độ cắt có ảnh hƣởng nhƣ thế nào đến chất lƣợng bề mặt khi phay
thép làm khuôn đã qua tôi ( SKD11 hoặc SKD61). Việc tìm ra bộ chế độ cắt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

tối ƣu để đạt chất lƣợng bề mặt tốt nhất cho quá trình này đang là yêu cầu cần
thiết của các nhà sản xuất.
Từ lý do nêu trên, tác giả đã chọn đề tài nghiên cứu “Khảo sát chất lƣợng
bề mặt của thép làm khuôn đã qua tôi khi phay cứng”
2. Mục đích, đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu
2.1. Mục đích của đề tài
- Xác định đƣợc độ ảnh hƣởng các yếu tố của chế độ cắt (t, s, v) đến độ
nhám bề mặt thép làm khuôn đã qua tôi khi phay cứng.
- Xác định đƣợc chế độ cắt đáp ứng theo chỉ tiêu độ nhám bề mặt gia công.
2.2. Đối tƣợng nghiên cứu
Ảnh hƣởng của chế độ cắt đến độ nhám lớp bề mặt thép làm khuôn
SKD11 đã qua tôi khi phay cứng bằng dao phay gắn mảnh CBN.
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phƣơng pháp nghiện cứu:
+ Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm
Khảo sát ảnh hƣởng của chế độ cắt ( v, s, t ) đến độ nhám bề mặt của
thép làm khuôn đã qua tơi khi phay cứng có sự thay đổi gì sau mỗi lần thay
đổi thơng số cắt. Từ đó so sánh các thông số để lựa chọn đƣợc bộ thông số
phù hợp nhất.
Nghiên cứu thực nghiệm: Gia công chi tiết trên máy phay CNC, với
phôi thép hợp kim SKD11 đã qua tạo hình dáng và tơi đạt độ cứng 45 ÷
50HRC, dụng cụ cắt là dao phay CBN hai lƣỡi cắt ký hiệu VP15TF (dao phay
mặt đầu) của hãng Mitsubishi –Nhật Bản.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

3. Ý nghĩa của đề tài
3.1. Ý nghĩa khoa học

- Bằng cách nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, đề tài sẽ
làm cơ sở cho việc nghiên cứu các khía cạnh khác của q trình gia cơng thép
hợp kim đã qua tôi.
- Các phƣơng pháp nâng cao độ nhám bề mặt chi tiết gia công hiện nay
vẫn đƣợc các nhà khoa học trong và ngoài nƣớc quan tâm nghiên cứu. Đề tài
sẽ đóng góp một số kết quả vào hƣớng nghiên cứu này.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn
Nghiên cứu ảnh hƣởng của thông số chế độ cắt đến độ nhám bề mặt của
thép làm khuôn SKD11 đã qua tôi khi phay bằng dao phay gắn mảnh CBN để
lựa chọn các thơng số tối ƣu khi gia cơng. Vì thế nghiên cứu này có thể đƣợc
ứng dụng khi phay tinh thép làm khuôn trên máy công cụ CNC.

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ PHAY VÀ PHAY CỨNG
1.1. Khái niệm về quá trình phay
Phay là phƣơng pháp gia cơng kim loại, có độ chính xác khơng cao hơn
cấp 4 - 3 và độ bóng khơng hơn cấp 6; là một trong những phƣơng pháp gia
cơng đạt năng suất cao nhất.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Bằng phƣơng pháp phay, ngƣời ta có thể gia cơng mặt phẳng, mặt định
hình phức tạp, rãnh then, cắt đứt, gia cơng mặt xoay trịn, trục then hoa, cắt
ren, bánh răng... Dụng cụ để cắt kim loại khi phay goi là dao phay.
Dao phay là loại dụng cụ cắt có nhiều lƣỡi nên q trình cắt ngồi
những đặc điểm giống q trình cắt khi tiện cịn có những đặc điểm sau:
- Do có một số lƣỡi cùng tham gia cắt nên năng suất khi phay cao.
- Lƣỡi cắt của dao phay làm việc không liên tục, cùng với khối lƣợng
thân dao thƣờng lớn nên điều kiện truyền nhiệt tốt.

- Diện tích cắt khi phay thay đổi, do đó lực cắt thay đổi gây rung động
trong quá trình cắt.
- Do lƣỡi cắt làm việc gián đoạn, gây va đập và rung động nên khả
năng tồn tại lẹo dao ít.

Hình 1.1. Dao phay trụ răng xoắn
( Mặt trƣớc 1; mặt sau 2; cạnh viền 3; lƣng rang 4; lƣỡi cắt xoắn 5 )

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Hình 1.2. Dao phay mặt đầu

Hình 1.3. Dao phay răng nhọn và dao phay hớt lưng

1.2. Các yếu tố cắt của dao phay

Hình 1.4. Các yếu tố cắt khi phay

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

1.2.1. Chiều sâu cắt ap
Là khoảng cách giữa bề mặt đã gia công với bề mặt chƣa gia công đo theo
phƣơng vng góc với bề mặt đã gia cơng sau một lát cắt.
1.2.2. Lƣợng chạy dao S
Lƣợng chạy dao răng Sz (mm/răng): Là lƣợng chạy dao xác định khi dao
quay đƣợc một góc răng.

Lƣợng chạy dao vịng Sv (mm/vịng): Là lƣợng chạy dao xác định sau khi
dao quay đƣợc một vòng.
Lƣợng chạy dao phút Sph (mm/phút): Là lƣợng chạy dao xác định trong
một phút.
Giữa chúng có quan hệ nhƣ sau: Sv= Z . Sz

(1 – 1)

Sph = n . Sv = n . Z . Sz

(1 – 2)

1.2.3. Vận tốc cắt khi phay
Trong quá trình phay do sự phối hợp của hai chuyển động tạo hình,
chuyển động quay của dao và chuyển động tịnh tiến của chi tiết gia công.
y

dao

n

Vn

Vc

D

Chi tiÕt
Vs
s

Hình 1.5: Tốc độ cắt khi phay

Tốc độ cắt khi phay đƣợc biểu diễn:
Vc  Vn  Vs
Vc 

Vn

2

V

2

s

 2 Vn .Vn .Cos(VnVs )

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

(1-3)

/>

Dấu (+) ứng với trƣờng hợp phay nghịch. Dấu (-) ứng với trƣờng hợp
phay thuận.
Trong đó:

Vn 

Dn
1000

(1 – 4)

( m / ph)

(1 – 5)

Vs  S z .Z .n (m / ph)

Thực tế thì giá trị của Vs rất nhỏ so với V n khi tính tốn chế độ cắt ngƣời
ta thƣờng bỏ qua lƣợng Vs khi đó cơng thức (1-3) có dạng:
Vc  Vn 

Dn
1000

( m / ph)

(1 – 6)

1.2.4. Chiều sâu phay t
Là kích thƣớc lớp kim loại đƣợc cắt đi, đo theo phƣơng vng góc với
lực của dao phay ứng với góc tiếp xúc  .
Khi phay bằng dao phay hình trụ răng thẳng và xoắn, dao phay đĩa, dao
phay định hình, dao phay góc thì chiều sâu phay trùng với chiều sâu cắt t0
Khi phay rãnh bằng dao phay ngón thì chiều sâu phay bằng đƣờng kính
dao, khi phay bề mặt vng góc thì chiều sâu phay bằng chiều sâu cắt t0

Khi phay không đối xứng bằng dao phay mặt đầu thì chiều sâu phay t0
đƣợc đo ứng với góc tiếp xúc  , cịn khi phay đối xứng chiều sâu phay bằng
chiều rộng chi tiết.
1.2.5. Chiều rộng phay B
Là kích thƣớc lớp kim loại đƣợc cắt đo theo phƣơng chiều trục của dao
phay. Khi cắt bằng dao phay hình trụ thì chiều rộng phay bằng chiều rộng chi
tiết, khi phay rãnh bằng dao phay đĩa thì chiều rộng phay bằng chiều dày dao
phay (hay chiều rộng rãnh); Khi phay rãnh bằng dao phay ngón thì chiều rộng
phay bằng chiều sâu rãnh, khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu thì
chiều rộng phay bằng chiều sâu cắt t0 (B = t0).
1.2.6. Góc tiếp xúc 
Là góc ở tâm của dao chắn cung tiếp xúc l giữa dao và chi tiết

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

D2

t

O



D2

O





t

t
2



t
2

n

s

n

s

l
a)

b)

Hình 1.6: Góc tiếp xúc khi phay: (a) Bằng dao phay trụ; (b) Bằng dao phay mặt đầu
Khi phay bằng dao phay trụ, dao phay ngón, dao phay đĩa và dao phay định hình
góc tiếp xúc đƣợc tính theo cơng thức sau:
Cos  1

2t
D

sin 

hay

1  cos

2

t
D

(1-7)

Khi phay đối xứng bằng dao phay mặt đầu thì:



2



Sin 




2

2t
1
D

 arcSin(

  arcSin(

2t
 1)
D

(1-8)

2t
 1)
D

1.2.7. Chiều dày cắt a khi phay
Chiều dày cắt a khi phay là một trong những yếu tố quan trong của quá
trình phay. Chiều day cắt khi phay là khoảng cách giữa 2 vị trí của quỹ đạo
chuyển động của một điểm trêm lƣỡi cắt ứng với lƣợng chạy dao răng Sz.
Ở trên ta coi gần đúng quỹ đạo chuyển động tƣơng đối của lƣỡi cắt là
đƣờng tròn, do đó chiều dày cắt a đƣợc đo theo phƣơng đƣờng kính của dao.
Trong q trình phay, chiều dày cắt a biến đổi từ trị số amin đến amax
hoặc từ amax đến amin tùy theo phƣơng pháp phay.
1.3. Các thành phần lực cắt khi phay
- Lực cắt tổng R tác dụng lên một răng dao phay cũng nhƣ lực cắt khi
tiện có thể đƣợc phân tích những lực thành phần theo các phƣơng xác định.

- Khi phay bằng dao phay trụ răng thẳng ta có: R  Pr  Pz hoặc R  Pd  Pn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Pz -Lực vòng hay còn gọi là lực tiếp tuyến. Nó là lực cắt chính để tạo phoi,

khi thiết kế hay kiểm tra ngƣời ta tính tốn động lực học của máy theo Pz.
Pr -Lực hƣớng kính tác dụng vng góc với phƣơng trục chính của máy

phay. Nó có xu hƣớng làm võng trục gá dao, đồng thời nó tạo ra một áp lực
trên các ổ của trục chính, do đó gây ra momen ma sát phụ trên ổ. Khi tính
tốn sức bền trục gá dao cũng nhƣ tính tốn ổ trục chính phải dùng lực này.
Pd -Thành phần lực thẳng đứng, tùy theo phay thuận hay phay nghịch mà

nó có tác dụng đè chi tiết xuống hay nâng chi tiết lên. Qua Pd ngƣời ta có thể
tính kết cấu đồ gá kẹp chi tiết và tính áp lực trên bề mặt của sống trƣợt bàn
máy phay.
Từ hình 1.7, ta có quan hệ sau: Pd  Pz sin  i  Pr cos i

(1-9)

Dấu (+) khi phay thuận, dấu (-) khi phay nghịch.
Pn -Thành phần lực nằm ngang hay là lực chạy dao vì nó có phƣơng trùng

với phƣơng chạy dao. Tùy theo phay thuận hay phay nghịch mà nó có tác
dụng tăng hay khử độ giơ của cơ cấu truyền động vít me đai ốc. Tính tốn cơ
cấu chạy dao cũng nhƣ đồ gá kẹp chi tiết tiến hành theo lực này ta có:
Pn  Pz cos i  Pr sin  i

(1-10)

Dấu (+) khi phay nghịch, dấu (-) khi phay thuận.
Mối quan hệ giữa các lực trên trong điều kiện tiêu chuẩn có giá trị gần
đúng đối với dao phay trụ răng thẳng và xoắn.
Khi phay thuận:

Pr  (0,6  0,8) Pz ;

Pn  (0,8  0,9) Pz ;

Khi phay nghịch:

Pr  (0,6  0,8) Pz ;

Pn  (1,0  1,2) Pz ;

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Pd  (0,7  0,9) Pz

Pd  (0,2  0,3) Pz

/>

Ps
P0


Ps

P0

Pr

R

Q
PN

Pz

R

(a)

(b)

Hình 1.7: Lực tác dụng lên răng dao phay trụ răng xoắn

Nếu ta ký hiệu Q là lực tổng tác dụng lên răng xoắn thì nó có thể đƣợc
biểu diễn nhƣ sau: Q  R  P0 hay Q  PN  Pz

(1-11)

R -Thành phần lực tác dụng trong mặt phẳng vng góc với trục dao

theo hình 1-9a, giống nhƣ dao răng thẳng ta có: R  Pr  Pz
PN -Thành phần lực tác dụng vng góc với lƣỡi cắt.
Ps - Thành phần lực dọc trục theo lƣỡi cắt đƣợc tạo ra do ma sát của

phôi trên mặt trƣớc dao theo phƣơng xoắn vít, do đó gây ra sự co rút phoi
theo chiều rộng lớp cắt.
P0 -Lực chiều trục.

Các thành phần lực trên phụ thuộc góc xoắn  và phƣơng răng, giữa
P0, Pz và Ps có quan hệ nhƣ sau: P0 = 0,28Pztg 

(1-12)

Ps = 0,28Pzsin 

(1-13)

Chiều của lực P0 và Ps phụ thuộc phƣơng của rãnh xoắn. Độ lớn của
chúng ngồi phụ thuộc vào Pz cịn phụ thuộc vào góc 
1.4. Q trình phay cứng
Phay cứng là tên gọi của phƣơng pháp gia công phay các chi tiết đã qua
tơi (thƣờng là thép hợp kim) có độ cứng cao khoảng 40 ÷ 70 HRC [1].
Phƣơng pháp này có thể sử để thay thế một số phƣơng pháp gia công khác
nhƣ mài, gia cơng bằng xung điện…Khi chi tiết có hình dạng tƣơng đối phức
tạp. Phay cứng cho năng suất cao với vốn đầu tƣ ban đầu thấp hơn nhiều, vật
liệu làm dao phay cứng là các vật liệu phun phủ nhƣ: TiN, TiAlN, CBN
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

(Cubic Boron Nitride )… với vật liệu nền là thép gió hoặc thép hợp kim cứng
để làm tăng khả năng cắt gọt của chúng.
Phƣơng pháp này có thể gia cơng khơ và hồn thành chi tiết trong cùng
một lần gá. Cấp chính xác khi phay cứng đạt IT6 và độ bóng bề mặt (Rz = 2 4 μm), có thể so sánh với chất lƣợng khi mài. Khi gia công thép đã tơi, ngƣời

ta thƣờng gia cơng khơ hồn tồn. Để thực hiện phay cứng thì máy phay phải
cứng vững, dụng cụ cắt bằng vật liệu siêu cứng, tốc độ quay trục chính và
cơng suất phù hợp. Máy phay CNC đƣợc lựa chọn để thực hiện cơng việc
phay cứng.

Hình 1.8: Máy phay CNC

Các mảnh hợp kim thƣờng sử dụng cho phay cứng là: CBN, CNGA, DNGA,
VNGA. Vật liệu phun phủ nhƣ: TiAl, TiN…

Hình 1.9. Hình dạng – kích thước chế tạo của thân dao kí hiệu TRM4 và mảnh ghép
hãng Mitssubishi- Nhật Bản [2]

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Hình 1.10. Dao phay rãnh có gắn mảnh ghép hãng Sandvik [2]

Việc áp dụng công nghệ phay cứng để gia cơng tinh các chi tiết mang lại
những lợi ích sau:
Giảm chi phí đầu tƣ thiết bị
Giảm chu kì gia cơng một sản phẩm
Tăng độ chính xác
Đạt độ bóng bề mặt cao
Phay tinh thép hợp kim qua tôi (phay cứng) là một phƣơng pháp gia
cơng cơ có thể đạt đƣợc chất lƣợng bề mặt cao và đƣợc sử dụng tƣơng đối
phổ biến để thay thế cho mài trong trƣờng hợp:
- Nguyên cơng mài khơng thể hoặc khó có thể thực hiện đƣợc do đặc
điểm của bề mặt gia công (bề mặt phức tạp, kích thƣớc dọc trục của bề mặt

gia cơng quá nhỏ...)
- Nhƣợc điểm cơ bản của phƣơng pháp mài là ảnh hƣởng của nhiệt cắt
tới chất lƣợng lớp bề mặt lớn và tạo ra trong lớp bề mặt ứng suất dƣ kéo làm
giảm độ bền mỏi của chi tiết máy. Do đó với những chi tiết có yêu cầu cao về
độ bền mỏi thì tiện cứng có nhiều ƣu điểm hơn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

1.5. Kết luận chƣơng 1
Phay truyền thống trên máy vạn năng và gia công thông thƣờng là một
phƣơng pháp cho năng suất cao nhƣng chất lƣợng bề mặt không cao. Do vậy
phƣơng pháp này thƣờng dùng cho gia công thô và bán tinh.
Ngày nay, việc mở rộng khả năng công nghệ của phƣơng pháp gia công
bằng phay là một hƣớng nghiên cứu trong gia công vật liệu do sự phát triển
của công nghệ vật liệu đang tạo ra nhiều loại vật liệu dụng cụ mới cùng với
các biện pháp công nghệ bề mặt tiên tiến.
Chế độ cắt khi gia công có ảnh hƣởng rất nhiều đến chất lƣợng bề mặt
của chi tiết gia công cũng nhƣ năng suất và giá thành của sản phẩm. Do vậy,
đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ cắt đến chất lƣợng bề mặt
của chi tiết gia công khi phay cứng thép làm khn đã qua tơi SKD11, từ đó
đƣa ra chế độ cắt tối ƣu cho quá trình này.
Từ lý do nêu trên, tác giả đã chọn đề tài nghiên cứu “Khảo sát chất
lượng bề mặt của thép làm khuôn đã qua tơi khi phay cứng ”

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>