Nghiên cứu mối quan hệ giữa mòn và tuổi bền của dao gắn mảnh PCBN theo chế độ cắt khi tiện thép 9XC qua tôi

S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn

Bộ giáo dục và đào tạo
Đại học thái nguyên
Trường đại học kỹ thuật công nghiệp
--------------------------------------------------------






trần ngọc giang





Nghiên cứu mối quan hệ giữa mòn và tuổi bền

của dao gắn mảnh PCbn theo chế độ cắt
khi tiện thép 9xc qua tôi

Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy






Luận văn thạc sỹ kỹ thuật



Ngi hng dn khoa hc



PGS.TS. Phan Quang Thế






Thái nguy ên - 2008

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin được cảm ơn PGS.TS Phan Quang Thế - Thày
hướng dẫn khoa học của tôi về sự định hướng đề tài, sự hướng dẫn tận tình
của thày trong việc tiếp cận và khai thác các tài liệu tham khảo cũng như
những chỉ bảo trong quá trình tôi làm thực nghiệm và viết luận văn.
Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn tới khoa Sau đại học, khoa Cơ khí, Bộ môn
Cơ học vật liệu, lãnh đạo Trung tâm thí nghiệm đã ủng hộ về tinh thần và tạo
điều kiện cho tôi về thời gian để tôi có thể hoàn thành bản luận văn của mình.
Tôi xin cảm ơn thày giáo TS. Nguyễn Văn Hùng, ThS. Lê Viết Bảo về sự
tạo điều kiện hết sức thuận lợi cho tôi trong quá trình hoàn thành luận văn này.
Tôi cũng muốn cảm ơn tới ông Trưởn g phòng kỹ thuật, các cán bộ,
nhân viên phòng kế hoạch và Xưởng cơ khí Nhà máy Z159 - Thái Nguyên,
các cán bộ phụ trách Phòng thí nghiệm Quang phổ, khoa vật lý trường
ĐHSP Thái Nguyên, Phòng thí nghiệm Kim loại học, đại học Bách khoa
Hà Nội đã dành cho tôi những điều kiện thuận lợi nhất, giúp tôi hoàn thành
nghiên cứu của mình.
Cho tôi được gửi lời cảm ơn tới các cán bộ, nhân viên Xưởng Cơ khí nơi
tôi tiến hành thực nghiệm.
Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn đối với gia đình tôi, các thầy cô
giáo, người thân, các bạn bè đồng nghiệp đã ủng hộ và động viên tôi trong
suốt thời gian thực hiện luận văn này.
Tác giả


Trần Ngọc Giang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

MỤC LỤC


Lời nói đầu
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
Trang
Danh mục các hình vẽ và đồ thị

Danh mục các bảng biểu

Mở đầu
1
1. Giới thiệu về công nghệ tiện cứng 1
2. Tính cấp thiết của đề tài 5
2.1. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 6
2.2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 6
2.3. Phương pháp nghiên cứu 7
Chương 1

8
Bản chất vật lý của quá trình cắt thép có độ cứng cao

1.1. Qúa trình cắt và tạo phoi 8
1.2. Lực cắt 12
1.2.1. Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt 12
1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện 14
1.3. Nhiệt cắt 16
1.3.1. Khái niệm chung 16

1.3.2. Quá trình phát sinh nhiệt 20
1.4. Kết luận 24
Chương 2
25
Chất lượng bề mặt khi tiện cứng

2.1. Khái niệm chung về lớp bề mặt 25
2.2. Bản chất của lớp bề mặt 26
2.3. Tính chất lý hoá của lớp bề mặt 26
2.3.1. Lớp biến dạng 26
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


2.3.2. Lớp Beilbly 27
2.3.3. Lớp tương tác hóa học 27
2.3.4. Lớp hấp thụ hoá học 28
2.3.5. Lớp hấp thụ vật lý 28
2.4. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt khi tiện cứng 29
2.4.1. Độ nhám bề mặt và các phương pháp đánh giá 29
2.4.1.1. Độ nhám bề mặt 29
2.4.1.2. Các phương pháp đánh giá độ nhám bề mặt 32
2.4.2. Tính chất cơ lý lớp bề mặt sau gia công cơ 32
2.4.2.1. Hiện tượng biến cứng của lớp bề mặt 32
2.4.2.2.Ứng suất dư trong lớp bề mặt 35
2.4.2.3. Đánh giá mức độ, chiều sâu lớp biến cứng và ứng suất dư 39
2.5. Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi tiện cứng 40
2.5.1. Ảnh hưởng của các thông số hình học dụng cụ cắt 40
2.5.2. Ảnh hưởng của tốc độ cắt 41
2.5.3. Ảnh hưởng của lượng chạy dao 42
2.5.4. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt 43

2.5.5. Ảnh hưởng của vật liệu gia công 43
2.5.6. Ảnh hưởng của rung động trong hệ thống công nghệ 44
2.6. Kết luận 44
Chương 3
46
Mòn và tuổi bền dụng cụ khi tiện cứng

3.1. Mòn dụng cụ cắt 46
3.1.1. Khái niệm chung 46
3.1.2. Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt 47
3.1.2.1. Mòn do dính 48
3.1.2.2. Mòn do hạt mài 49
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


3.1.2.3. Mòn do khuếch tán 49
3.1.2.4. Mòn do ôxi hoá 50
3.1.3. Mòn dụng cụ cắt và cách xác định 51
3.1.3.1. Mòn dụng cụ cắt 51
3.1.3.2. Cách xác định 53
3.1.3.3. Các chỉ tiêu đánh giá sự mài mòn của dụng cụ cắt 54
* Chỉ tiêu mòn tối ưu 54
* Chỉ tiêu mòn công nghệ 55
3.1.4. Ảnh hưởng của mòn dụng cụ đến chất lượng bề mặt khi tiện cứng 55
3.1.5. Kết luận 55
3.2. Tuổi bền của dụng cụ cắt 55
3.2.1. Khái niệm chung về tuổi bền của dụng cụ cắt 55
3.2.2. Các nhân t ố ảnh hưởng đến tuổi bền của dụng cụ cắt khi tiện cứng 57
3.2.2.1. Ảnh hưởng của chế độ cắt 57
3.2.2.2. Ảnh hưởng của thông số hình học dụng cụ cắt 59

3.2.3. Phương pháp xác định tuổi bền dụng cụ cắt 60
3.2.4. Tuổi bền của dụng cụ cắt khi tiện cứng 62
Chương 4
63
Nghiên cứu thực nghiệm mối quan hệ giữa mòn và tuổi bền của
dao gắn mảnh PCBN theo chế độ cắt khi tiện thép 9XC qua tôi

4.1. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 63
4.2. Hệ thống thiết bị thí nghiệm 63
4.2.1. Yêu cầu với hệ thống thí nghiệm 63
4.2.2. Mô hình thí nghiệm 64
4.2.3. Thiết bị thí nghiệm 65
4.2.3.1. Máy 65
4.2.3.2. Dao 65
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


4.2.3.3. Phôi 66
4.2.3.4. Chế độ cắt 67
4.3. Thiết bị đo khác 67
4.3.1. Máy đo độ nhám bề mặt 67
4.3.2. Kính hiển vi điện tử 68
4.4. Thí nghi ệm xác định quan hệ mòn của mảnh dao theo chế độ cắt 68
4.4.1. Quy trình tiến hành thí nghiệm 68
4.4.2. Xử lý kết quả thí nghiệm 69
4.4.2.1. Xác định thời gian cắt cơ bản trong các lần cắt 69
4.4.2.2. Xây d ựng quan hệ giữa thông số nhám bề mặt với thời gian cắt 70
4.4.2.3. Các hình ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử về mòn mảnh dao 71
4.4.2.4. Phân tích cơ chế mòn mảnh dao PCBN 76
4.4.2.5. Phân tích nhám bề mặt gia công 78

4.4.2.6. Phân tích kết quả và thảo luận 78
4.4.2.7. Kết luận 80
4.5. Nghiên cứu mối quan hệ giữa tuổi bền mảnh dao PCBN theo
chế độ cắt khi tiện tinh thép 9XC qua tôi
82
4.5.1. Quá trình cắt thép 9XC bằng dao PCBN 82
4.5.2. Lựa chọn chế độ cắt cho nghiên cứu và tìm hàm quan hệ 83
4.6. Phần kết luận chung và hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài 88
4.6.1. Phần kết luận chung 88
4.6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài 88








Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

a
p
: chiều dày phoi
K
bd

: mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi
K
ms
: mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của dao
K
f
: mức độ biến dạng của phoi
θ: góc trượt
γ (hay γ
n
) góc trước của dao
P
z
(hay P
c
): lực tiếp tuyến khi tiện
P
y
(hay P
p
): lực hướng kính khi tiện
P
x
: lực chiều trục khi tiện
S: lượng chạy dao (mm/vòng)
t: chiều sâu cắt (mm)
V: vận tốc cắt (m/phút)
Q: là tổng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cắt
Q
AB

= Q
1
: nhiệt sinh ra trên mặt phẳng trượt
Q
AC
= Q
2
: nhiệt sinh ra trên mặt trước
Q
AD
= Q
2
: nhiệt sinh ra trên mặt sau
Q
phoi
: nhiệt truyền vào phoi
Q
dao
: nhiệt truyền vào dao
Q
phôi
: nhiệt truyền vào phôi
Q
môi trường
: nhiệt truyền vào môi trường
k
AB
: ứng suất cắt trung bình trong miền biến dạng thứ nhất
A
S

: diện tích của mặt phẳng cắt
V
S
: vận tốc của vật liệu cắt trên mặt phẳng cắt
k
t
: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu gia công
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


β: hệ số phân bố nhiệt từ mặt phẳng trượt vào phôi và phoi
c: nhiệt dung riêng
ρ: tỷ trọng của vật liệu
R
T
: hệ số nhiệt khi cắt
Φ: góc tạo phoi
γ

mt
: tốc độ biến dạng của các lớp phoi gần mặt trước
δ
t
: chiều dày của vùng biến dạng thứ hai
K: hệ số thẩm nhiệt
∆F
c
, ∆F
t
: áp lực tiếp tuyến và pháp tuyến trền vùng mòn mặt sau

F
cf
, F
tf
: lực cắt tiếp tuyến và pháp tuyến đo khi mòn dao
VB
ave
: chiều cao trung bình của vùng mòn mặt sau
τ
f
: ứng suất tiếp trên vùng mòn mặt sau
K
c
, K
t
: các hệ số thực nghiệm
µ: hệ số ma sát trên vùng ma sát thông thường của mặt trước
µ
f
: hệ số ma sát trên mặt sau
b: hệ số truyền nhiệt
H
v
: độ biến cứng (N/mm
2
);
S: diện tích bề mặt đầu đo kim cương ấn xuống (mm
2
)
P: lực tác dụng của đầu kim cương (N)

r: bán kính mũi dao
h
min
: chiều dày phoi nhỏ nhất

φ
1

V
w
: thể tích mòn mặt sau
V
cr
: thể tích mòn mặt trước
KF, KB, KT: các kích thước vùng mòn mặt trước
h
s
: độ mòn giới hạn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


T: thời gian cắt – tuổi bền của dụng cụ cắt (phút)
t
i
: thời gian cắt cơ bản
p: số các yếu tố thay đổi
Ra, Rz: độ nhám bề mặt khi tiện
n: số lần mài lại cho phép
VLGC: vật liệu gia công
VLDC: vật liệu dụng cụ

HKC: hợp kim cứng
x
i
: các ký hiệu mã hoá
N: số thí nghiệm


















Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Trang
Hình vẽ 1.1. Máy và quá trình cắt khô trong tiện cứng 2
Hình vẽ 1.2. Ký hiệu một số mảnh CBN dùng trong tiện cứng 3
Hình vẽ 1.3. Sơ đồ miền tạo phoi 8
Hình vẽ 1.4. Miền tạo phoi 10
Hình vẽ 1.5. Miền tạo phoi ứng với tốc độ cắt khác nhau 11
Hình vẽ 1.6. Tính góc trượt
θ
11
Hình vẽ 1.7. Hệ thống lực cắt khi tiện 13
Hình vẽ 1.8. Ảnh hưởng của góc
ϕ
tới lực cắt
15
Hình vẽ 1.9. Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao tới lực cắt 16
Hình vẽ 1.10. (a) Sơ đồ hướng các nguồn nhiệt
(b) Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong cắt kim loại
19
Hình vẽ 1.11. Tỷ lệ % nhiệt truyền vào phoi, phôi, dao và môi
trường phụ thuộc vào vận tốc cắt
20
Hình vẽ 1.12. Đường cong thực nghiệm của Boothroyd để xác
định tỷ lệ nhiệt (β) truyền vào phôi
21
Hình vẽ 1.13. Sơ đồ phân bố ứng suất trên mặt sau mòn 23
Hình vẽ 2.1. Chi tiết bề mặt vật rắn 26
Hình vẽ 2.2. Độ nhám bề mặt 29
Hình vẽ 2.3. Quan hệ giữa bán kính mũi dao và chiều sâu lớp biến
cứng với các lượng chạy dao khác nhau (khi dao chua mòn)
34

Hình vẽ 2.4. Quan hệ giữa vận tốc cắt với chiều sâu lớp biến cứng
ứng với các lượng mòn mặt sau khác nhau của dao tiện
35
Hình vẽ 2.5. Quan hệ giữa bán kính mũi dao, chiều sâu cắt và ứng
suất dư lớp bề mặt
38
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hình vẽ 2.6. Ảnh hưởng của thông số hình học của dao tiện tới
nhám bề mặt khi gia công thép
41
Hình vẽ 2.7. Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới nhám bề mặt khi gia
công thép
41
Hình vẽ 2.8. Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt 43
Hình vẽ 3.1. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt
liên tục (a) và khi cắt gián đoạn (b)
48
Hình vẽ 3.2. Các dạng mòn phần cắt của dụng cụ khi tiện 51
Hình vẽ 3.3.

Quan hệ giữa một số dạng mòn của dụng cụ hợp kim
cứng với thể tích
0,6
c1
V .t

52
Hình vẽ 3.4. Các thông số đặc trưn g cho mòn mặt trước và mặt

sau - ISO3685
53
Hình vẽ 3.5. Vùng mài lại của dụng cụ cắt 54
Hình vẽ 3.5. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến mòn mặt trước và mặt
sau của dao thép gió S 12-1-4-5 dùng tiện thép AISI C1050, với t =
2mm. Thông số hình học của dụng cụ: α=8
0
, γ=10
0
, λ=4
0
, χ=90
0
,
ε= 60
0
, r=1mm, thời gian cắt T =30 phút.
57
Hình vẽ 3.6. Tuổi bền dụng cụ tính theo thể tích phoi được bóc tách 58
Hình vẽ 3.7. Tuổi bền dụng cụ tính bằng phút 59
Hình vẽ 3.8. Quan hệ giữa lượng mòn mặt sau và tuổi bền mảnh
PCBN với góc trước γ
n
60
Hình vẽ 3.9. Quan hệ giữa thời gian, tốc độ và độ mòn của dao 60
Hình vẽ 3.10. Quan hệ giữa tốc độ cắt V và tuổi bền T của dao 61
Hình vẽ 3.11. Quan hệ giữa V và T (đồ thị lôgarit) 61
Hình vẽ 4.1. Hệ thống thiết bị thí nghiệm 64
Hình vẽ 4.2. Mô hình thí nghiệm 64
Hình vẽ 4.3. Máy tiện CNC- HTC2050 65

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hình vẽ 4.4. Mảnh dao TPGN, 160308 T2001 66
Hình vẽ 4.5. Thân dao MTENN 2020K16-N (hãng CANELA) 66
Hình vẽ 4.6. (a), Phôi thép 9XC qua tôi cứng, (b,c) Ảnh quang
học cấu trúc tế vi thép 9XC theo hai phương song song và vuông
góc với trục
67
Hình vẽ 4.7. Đồ thị quan hệ giữa thời gian cắt và nhám Ra, Rz 71
Hình vẽ 4.8. 1(a,b) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 1 sau 2,61
phút cắt; 1(c,d) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 1 được phóng to
với các vết biến dạng dẻo bề mặt;1(e) Hình ảnh mặt sau mảnh dao
số 1;1(f) Hình ảnh mặt sau mảnh số 1được phóng to.
72
Hình vẽ 4.9. 2(a) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 2 sau 5,19 phút
cắt; 2(b,c,d) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 2 được to;3(a,b) Hình
ảnh mặt trước mảnh dao số 3 sau 7,69 phút cắt; 3(c,d) Hình ảnh
mặt sau mảnh dao số 3.
73
Hình vẽ 4.10. 4(a) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 4 sau 10,09
phút cắt; 4(b) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 4 được to;4(c,d)
Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 4 ; 4(e,f) Hình ảnh mảng mòn mặt
sau mảnh dao số 4 được phóng to.
74
Hìnhvẽ 4.11. 5(a) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 5 sau 12,36
phút cắt; 5(b,c) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 5 được to;5(d)
Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 5 ; 5(e,f) Hình ảnh mảng mòn mặt
sau mảnh dao số 5 được phóng to; 5(b) Hình ảnh cơ chế mòn mặt
trước với sự bóc tách của lớp vật liệu dụng cụ.

75
Hình vẽ 4.12. 1(a) Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 1 sau 2,61 phút
cắt; 3(b) Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 3 sau 7,69 phút cắt;4(c)
Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 4 sau 10,09 phút cắt ; 5(d) Hình ảnh
mảng mòn mặt sau mảnh dao số 5 sau 12,36 phút cắt.
76
Hình vẽ 4.13. Quy hoạch thực nghiệm theo khối lập phương 84

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU


Trang
Bảng 1.1. Lịch sử và đặc tính của vật liệu dụng cụ cắt 17
Bảng 1.2. Tính chất cơ - nhiệt một số vật liệu dụng cụ cắt 18
Bảng 1.3. Tính chất cơ - nhiệt một số vật liệu dụng cụ phủ 18
Bảng 2.1. Các giá trị R
a
, R
z
và chiều dài chuẩn l ứng với các cấp
độ nhám bề mặt
31
Bảng 2.2. Mức độ và chiều sâu lớp biến cứng của các phương
pháp gia công cơ
33
Bảng 3.1. Các thông số chế độ cắt khác nhau của Dawson và

Thomas
58
Bảng 4.1. Thành phần các nguyên tố hoá học thép 9XC 67
Bảng 4.2. Chế độ cắt và các thông số nhám 69
Bảng 4.3. Thời gian cắt và các thông số nhám 70
Bảng 4.4. Bộ thông số chế độ cắt 83
Bảng 4.5. Ma trận thí nghiệm 85
Bảng 4.6. Ma trận 6 thí nghiệm thứ nhất 86







Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


=1=
Mở đầu
CÔNG NGHỆ TIỆN CỨNG VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
1. Giới thiệu về công nghệ tiện cứng
Tiện cứng (hard turning) chính thức được giới thiệu ở nước ta vào năm
1988, tuy nhiên công nghệ này chưa có điều kiện phát triển mạnh. Cho tới
những năm gần đây khi sự đổi mới về khoa học kỹ thuật đang trở thành tất
yếu thì tiện cứng đã phát huy được vai trò to lớn của nó trong việc gia công
tinh các sản phẩm thép qua tôi cứng.
Các chi tiết như vòng ổ lăn, vòi phun và những chi tiết của hệ thống thuỷ
lực,... sau khi nhiệt luyện thường phải qua nguyên công mài hoặc mài khôn.
Các nguyên công này thường thiếu linh hoạt và mất nhiều thời gian. Hơn nữa

chi phí dung dịch trơn nguội cho nguyên công mài cũng khá cao. Mặt khác
chất thải khi mài ngày càng là vấn đề của môi trường sống. Những lý do trên
đã
thúc đẩy các nhà sản xuất loại dần khâu mài trong quy trình công nghệ gia
công tinh chi tiết.
Phương án tối ưu cho việc thay thế này chính là tiện cứng. Tiện cứng là
một cách sử dụng dao bằng mảnh vật liệu siêu cứng CBN (Cubic boron
nitride), PCBN, PCD hoặc Ceramic tổng hợp nhằm thay thế cho mài trong gia
công thép qua tôi (thường
≥
45HRC). Phương pháp này có thể gia công khô
và hoàn thành chi tiết trong cùng một lần gá. Cấp chính xác khi tiện cứng có
thể đạt IT5-7, nhám bề mặt Rz = 2 - 4
m
µ
, rõ ràng với chất lượng đạt được
như vậy, tiện cứng hoàn toàn thay thế được cho mài trong hầu hết các trường
hợp gia công công tinh các sản phẩm.
Các sản phẩm trong tiện cứng khá linh hoạt, từ các chi tiết dạng trục trơn
(các trục ngắn), con lăn,.. tới các chi tiết có biên dạng phức tạp hơn,..
Để áp dụng công nghệ này hệ thống máy, dao, đồ gá phải đảm bảo các yêu
cầu như: Máy tiện đủ độ cứng vững, đủ tốc độ quay trục chính và công suất
phù hợp. Các máy tiện NC, CNC được khuyến cáo thực hiện công việc này.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


=2=

Các máy tiện điều khiển bằng tay có thể được dùng nếu đáp ứng được các yêu
cầu này.
Đồ gá trong tiện cứng phụ thuộc vào biên dạng các sản phẩm yêu cầu.
Nhìn chung các chi tiết gia công đều được cắt mà ít sử dụng đồ gá phụ vì lý
do độ cứng vững cần có trong tiện cứng. Hơn nữa với các máy điều khiển số
thì điều này không còn nhiều ý nghĩa. Các đồ gá phụ thường kèm theo các
máy khi sản xuất.
Dao tiện thường sử dụng là các mảnh lắp ghép với thân theo tiêu chuẩn
của từng máy. Các mảnh có nhiều loại theo hình dạng, phần trăm lượng CBN,
chất kết dính,..Khi hết tuổi bền các mảnh không thể mài lại như các dao thông
thường. Chúng được thay ra hoặc xoay đi dùng lưỡi cắt mới (với mảnh nhi
ều
lưỡi).
Các mảnh hợp kim CBN thường sử dụng cho tiện cứng là TPGN, CNMA,
DNMA, TNG,..Các mảnh hợp kim cương thường là CCMT, CPGM,..nói
chung hàm lượng CBN phụ thuộc vào nhà sản xuất. Người ta phân ra làm ba
loại, hàm lượng cao (nhiều hơn 90% CBN), trung bình ( khoảng 72% CBN)
và thấp (nhỏ hơn 60% CBN). Các mảnh có hàm lượng cao thường sử dụng
cho tiện truyền thống để gia công các vật liệu mềm hơn như kim loại bột,
gang và một số hợp kim đặc biệt.
So với các mảnh carbide thì các mảnh CBN có giá thành cao hơn đáng kể (
từ 4 - 5 lần), song dao CBN lại có tuổi bền lớn hơn rất nhiều. Chi phí dao cụ
Hình vẽ 1. Máy Emco Turn 332 Mcplus và Quá trình cắt khô trong tiện cứng


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

=3=
sẽ không là trở ngại khi đã loại bỏ công đoạn mài tinh. Nhiều xưởng sản xuất
còn nhận thấy việc giảm chi phí dung dịch trơn nguội do cắt khô đã bù đắp
lượng chi phí cao hơn về dao.
Dải vật liệu được gia công bằng tiện cứng không hạn chế, ngay cả đối với
thép rèn đã tôi, thép gió và hợp kim cứng bề mặt stellites. Việc hợp kim
stellites có thể gia công bằng tiện cứng đã mở rộng khả năng của tiện cứng kể
cả trong công việc sửa chữa. Vật liệu điển hình được tiện cứng là các thép
hợp kim qua tôi cứng.



















Hình vẽ 2. Ký hiệu một số mảnh CBN dùng trong tiện cứng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


=4=
Khi tiện cứng, nếu cắt với tốc độ cắt thấp hơn quy định thì mảnh CBN sẽ bị
mòn nhanh và hư hỏng. Thông thường chế độ cắt khuyến cáo là: với tiện tinh
độ cứng vật liệu từ 55 - 67HRC, V = 80 - 160 (m/ph), S = 0,04 - 0,08
(mm/vg); t = 0,1 - 0,5mm với tiện chính xác độ cứng vật liệu từ 45 - 60HRC,
V= 120 - 180 (m/ph), S = 0,02 - 0,04 (mm/vg), t = 0,02 - 0,3mm
[ ]
1
.
Nhiều nhà máy chế tạo ổ đỡ, bánh răng, con lăn và trục bằng thép đã tôi sử
dụng chế độ cắt này. Họ có thể đạt dung sai kích thước đến
mm01,0±
hoặc
cao hơn nếu thời gian chế tạo lâu hơn và nhám bề mặt rất nhỏ. Ngoài ra giá
thành máy mài có thể đắt gấp 2-3 lần máy tiện. Trong nhiều phân xưởng hiện
nay họ đã thay thế tiện cứng cho mài truyền thống. Đồng thời khi sử dụng tiện
cứng thời gian chu kỳ và điều chỉnh ngắn hơn nhiều so với mài.
Qua đó có thể kết luận rằng, việc áp dụng công nghệ tiện cứng để gia công
tinh lần cuối đã mang lại những lợi ích sau:
- Giảm thời gian và chu kỳ gia công một sản phẩm.
- Giảm chi phí đầu tư thiết bị.
- Tăng độ chính xác gia công.
- Đạt độ nhẵn bề mặt cao hơn.
- Cho phép nâng cao tốc độ bóc tách vật liệu (từ 2 - 4 lần).
- Gia công được các contour phức tạp.

- Cho phép thực hiện nhiều bước gia công trong cùng
một lần gá.
- Có thể chọn gia công có hoặc không có dụng dich trơn nguội. Gia công khô
giảm chi phí gia công và không có chất thải ra môi trường.
Một lợi thế quan trọng nữa khi tiện cứng đó là việc tạo ra một lớp ứng
suất dư nén khi gia công, điều này đặc biệt có lợi với những chi tiết yêu cầu
độ bền mỏi cao. Điều này với mài lại là một bất lợi. Mặc dù vậy tiện cứng
cũng có những nhược điểm cần lưu ý như: do chủ yếu cắt khô nên nhiệt rất
cao, dụng cụ có lưỡi cắt đơn nên quá trình cắt không ổn định, chi phí dụng cụ
cắt cao, khi gia công các chi tiết có chiều dài lớn dung sai chế tạo có thể nằm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


=5=
ngoài vùng cho phép (trục dài), khi chiều sâu cắt nhỏ hơn chiều sâu cắt tới
hạn (t
min
) thì quá trình cắt không thể thực hiện được.
Từ những năm 1970 các nghiên cứu đã tập trung vào hướng công nghệ
mới để đạt được các mục đích này. Nhưng phải đến những năm 1990, với sự
phát triển mạnh của các máy công cụ tiên tiến và vật liệu Nitrit Bor lập
phương thì tiện cứng mới được áp dụng rộng rãi trong chế tạo máy. Tiện cứng
đã thực sự trở thành công nghệ không thể thiếu trong việc gia công tinh các
chi tiết qua tôi cứng. Điều này góp phần không nhỏ cho quá trình lớn mạnh
của ngành chế tạo máy nói riêng và ngành công nghiệp nói chung.
2. Tính cấp thiết của đề tài
Qua phần giới thiệu về công nghệ tiện cứng có thể thấy rằng, việc nghiên
cứu về tiện cứng, phân tích các quá trình lý, hóa trong tiện cứng đã và đang
được quan tâm, tiến hành tại nhiều trung tâm, viện nghiên cứu cũng như các

trường đại học trên thế giới. Tuy nhiên từ những công bố trên các tạp chí khoa
học cho thấy các kết quả nghiên cứu chủ yếu tập trung vào quá trình tiện cứng
thép ổ lăn AISI 52100 (tiêu chuẩn Mỹ). Đồng thời các nghiên cứu này chưa
đề cập nhiều về vấn đề mòn và tuổi bền của các mảnh dao, đặc biệt với loại
thép 9XC, mặt khác
việc ứng dụng công nghệ này ở nước ta còn mang nhiều
tính kinh nghiệm. Đưa ra được một lý thuyết góp phần cải thiện và nâng cao
hiệu quả sản xuất là một tất yếu của các nhà chuyên môn.
Ta lại biết rằng tiện cứng chủ yếu dùng trong gia công tinh, mảnh dao
thường có giá thành cao, vì vậy tuổi bền của mảnh dao càng trở nên quan
trọng bởi trong quá trình cắt nếu phải thay dao nhiều sẽ tăng sai số, thời gian
máy,.. ảnh hưởng tới năng suất, chất lượng và giá thành sản phẩm.
Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ khi tiện cứng đến
mòn và tuổi bền mảnh dao là cần thiết đối với công đoạn gia công tinh. Đặc
biệt khi công nghệ này được áp dụng tại các cơ sở sản xuất ở nước ta. Việc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


=6=
tìm ra một hàm số mô tả quan hệ giữa tuổi bền và chế độ cắt ứng với một
khoảng giá trị độ cứng trên cơ sở đó sẽ tối ưu hoá được tuổi bền là vấn đề có
tính ứng dụng cao. Tác giả đã chọn loại vật liệu, chế độ cắt và độ cứng gia
công tại một xưởng sản xuất ở Thái Nguyên để làm cơ sở thực nghiệm.
Do vậy đề tài "Nghiên cứu mối quan hệ giữa mòn và tuổi bền của dao
gắn mảnh PCBN theo chế độ cắt khi tiện thép 9XC qua tôi " là cần thiết và
có tính ứng dụng trực tiếp.
2.1. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tóm lược một lý thuyết cơ bản về gia
công cắt gọt nói chung, tiện cứng nói riêng và tìm ra cơ chế gây mòn các

mảnh dao PCBN, đồng thời xác định mối quan hệ giữa tuổi bền của mảnh dao
theo chế độ cắt
(S,V,t) khi tiện tinh thép 9XC qua tôi đạt độ cứng 56-58 HRC.
Qua đó có thể đưa ra một bộ thông số chế độ cắt khi tiện cứng loại thép này
đạt tuổi bền cao nhất trong khi vẫn đạt chất lượng bề mặt yêu cầu.
2.2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Về mặt khoa học, đề tài phù hợp với xu thế phát triển khoa học và công
nghệ trong nước cũng như khu vực và thế giới.
Nghiên cứu và kiểm nghiệm các kết quả gần đây về cơ chế gây mòn dao
PCBN trong tiện cứng nói chung.
Xây dựng được quan hệ giữa các thông số của chế độ cắt đến tuổi bền
khi tiện cứng dưới dạng hàm thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở
khoa học cho việc tối ưu hoá quá trình tiện. Đồng thời cũng góp phần đánh
giá chất lượng bề mặt khi tiện tinh thép 9XC qua tôi.
Về mặt thực tiễn sẽ áp dụng kết quả khi nghiên cứu thép 9XC vào một cơ
sở Sản xuất ở Thái Nguyên. Qua đó nâng cao tính cạnh tranh trên thị trường
và thúc đẩy các nghiên cứu mới trên các khía cạnh khác nhau về tiện cứng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


=7=
2.3. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm về ảnh hưởng của chế độ
cắt đến mòn và tuổi bền thông qua hàm thực nghiệm.
Đo nhám bề mặt theo từng điều kiện cắt nhằm xác định tuổi bền mảnh dao
theo chỉ tiêu mòn công nghệ.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

=8=
Chương 1
BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH
CẮT THÉP CÓ ĐỘ CỨNG CAO
1.1. Quá trình cắt và tạo phoi
Qúa trình cắt kim loại là quá trì nh lấy đi một lớp phoi trên bề mặt gia
công để có chi tiết đạt hình dạng, kích thước và độ nhám bề mặt theo yêu cầu.
Để thực hiện một quá trình cắt cần thiết phải có hai chuyển động:
- Chuyển động cắt chính (chuyển động làm việc): với tiện đó là chuyển
động quay tròn của phôi.
- Chuyển động chạy dao: đó là chuyển động để đảm bảo duy trì sự tạo
phoi liên tục trong suốt quá trình cắt. Với tiện đó là chuyển động tịnh tiến dọc
của dao khi tiện mặt trụ [1].
Khi cắt, để có thể tạo ra phoi, lực tác dụng vào dao cần phải đủ lớn để
tạo ra trong lớp kim loại bị cắt một ứng suất lớn hơn sức bền của vật liệu bị
gia công.
Hình dạng, độ cứng, mức độ biến dạng và cấu tạo phoi chứng tỏ rằng lớp
kim loại bị cắt thành phoi đã chịu một ứng suất như vậy.
Nghiên cứu quá trình tạo phoi có một ý nghĩa rất quan trọng vì trị số của
công cắt, độ mòn của dao và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rõ rệt vào
quá trình tạo phoi. (Hình vẽ 1.2)
Hình vẽ 1.3. Sơ đồ miền tạo phoi
a,
b,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


=9=

Quá trình tạo phoi được phân tích kỹ trong vùng tác động, bao gồm:
* Vùng biến dạng thứ nhất là vùng vật liệu phôi nằm trước mũi dao được giới
hạn giữa vùng vật liệu phoi và vùng vật liệu phôi. Dưới tác dụng của lực tác
động trước hết trong vùng này xuất hiện biến dạng dẻo. Khi ứng suất do lực
tác động gây ra vượt quá giới hạn bền của kim loại thì xuất hiện hiện tượng
trượt và phoi được hình thành (vùng AOE). Trong quá trình cắt, vùng phoi
một luôn di chuyển cùng với dao.
* Vùng ma sát thứ nhất là vùng vật liệu phoi tiếp xúc với mặt trước của dao.
* Vùng ma sát thứ hai là vùng vật liệu phôi tiếp xúc với mặt sau của dao.
* Vùng tách là vùng bắt đầu quá trình tách kim loại khỏi phôi để hình thành
phoi.
Vật liệu dòn khác biệt vật liệu dẻo ở vùng biến dạng thứ nhất, do tổ chức
hạt là khác nhau nên ở vùng này biến dạng dẻo hầu như là không xảy ra. Quá
trình bóc tách phoi diễn ra gần như đồng thời với lực tác động.
Việc nghiên cứu quá trình tạo phoi có một ý nghĩa rất quan trọng vì trị số
của công cắt, độ mòn của dao và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rõ rệt
vào quá trình tạo phoi.
Khi cắt do tác dụng của lực P (hình vẽ 1.3), dao bắt đầu nén vật liệu gia
công theo mặt trước. Khi dao tiếp tục chuyển động trong vật liệu gia công
phát sinh biến dạng đàn hồi, biến dạng này nhanh chóng chuyển sang trạng
thái biến dạng dẻo và một lớp phoi có chiều dày a
p
được hình thành từ lớp
kim loại bị cắt có chiều dày a, di chuyển dọc theo mặt trước của dao.
Việc nghiên cứu kim loại trong miền tạo phoi chứng tỏ rằng trước khi
biến thành phoi, lớp cắt kim loại bị cắt đã trải qua một giai đoạn biến dạng
nhất định, nghĩa là giữa lớp kim loại bị cắt và phoi có một khu vực biến dạng.
Khu vực này được gọi là miền tạo phoi (hình vẽ 1.4).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


=10=








Trong miền này (như sơ đồ hoá hình vẽ 1.3) có những mặt trượt OA,
OB, OC, OD, OE. Vật liệu gia công trượt theo những mặt đó (là những mặt
có ứng suất tiếp có giá trị cực đại).
Miền tạo phoi được giới hạn bởi đường OA, dọc theo đường đó phát sinh
những biến dạng dẻo đầu tiên, và đường OE - đường kết thúc biến dạng dẻo
và đường AE - đường nối liền khu vực chưa biến dạng của kim loại và phoi.
Ngoài ra lớp kim loại bị cắt, sau khi đã bị biến dạng trong miền tạo phoi,
khi di chuyển thành phoi còn chịu thêm biến dạng phụ do ma sát với mặt
trước của dao.
Những lớp kim loại phía dưới của phoi, kề với mặt trước của dao (hình
vẽ 1.3) chịu biến dạng phụ thêm nhiều hơn các lớp phía trên. Mức độ biến
dạng của chúng thường lớn đến mức là các hạt tinh thể trong chúng bị kéo dài
ra theo một hướng nhất định, tạo thành têchtua.
Như vậy phoi cắt ra chịu biến dạng không đều.
Mức độ biến dạng của phoi:
K
f

= K
bd
+ K
ms
(1-1)
Ở đây: K
bd
: mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi.
K
ms
: mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước
của dao.
Hình vẽ 1.4. Miền tạo phoi


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


=11=
Vì biến dạng dẻo của phoi có tính lan truyền, do đó lớp kim loại nằm
phía dưới đường cắt ON (hình 1.3a) cũng sẽ chịu biến dạng dẻo.
Chiều rộng của miền tạo phoi phụ thuộc vào tính chất vật liệu gia công
và điều kiện cắt (thông số hình học của dao, chế độ cắt,…)




Tốc độ cắt có ảnh hưởng lớn nhất đến chiều rộng miền tạo phoi. Tăng
tốc độ cắt miền tạo phoi sẽ co hẹp lại. Hiện tượng đó có thể được giải thích
như sau:

Khi tăng tốc độ cắt, vật liệu gia công sẽ chuyển qua miền tạo phoi với
tốc độ nhanh hơn. Khi di chuyển với tốc độ lớn như vậy, vật liệu gia công sẽ
đi ngang qua đường OA nhanh đến mức sự biến dạng dẻo không kịp xảy ra
theo đường OA mà chậm đi một thời gian - theo đường OA’ (hình vẽ 1.5).
Tương tự như vậy, nơi kết thúc quá trình biến dạng trong miền tạo phoi sẽ là
đường OE’ chậm hơn so với OE.
Như vậy ở tốc độ cắt cao miền tạo phoi sẽ là A’OE’ ; A’OE’ quay đi một
góc theo chiều quay của kim đồng hồ và khi đó chiều dày cắt giảm đi so với
trước (a
1
’< a
1
) vì biến dạng dẻo giảm đi.
Khi tốc độ cắt rất lớn miền tạo phoi co hẹp đến mức mà chiều rộng của
nó chỉ vào khoảng vài phần trăm milimet. Trong trường hợp đó sự biến dạng
Hình vẽ 1.5. Miền tạo phoi
ứng với tốc độ cắt khác nhau

Hình vẽ 1.6. Tính góc trượt
θ



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


=12=
của vật liệu gia công có thể xem như nằm lân cận mặt OF. Do đó để cho đơn
giản, ta có thể xem một cách gần đúng quá trình biến dạng dẻo khi cắt xảy ra
ngay trên mặt phẳng OF đi qua lưỡi cắt và làm với phương chuyển động của

dao một góc bằng θ.
Mặt OF được gọi là mặt trượt quy ước, còn góc θ gọi là góc trượt.
Góc trượt là một thông số đặc trưng cho hướng và giá trị của biến dạng
dẻo trong miền tạo phoi.
Theo hình vẽ 1.5 nếu chiều dày lớp kim loại bị cắt là a, chiều dày của
phoi là a
1
ta có:

)cos(
sin
)cos(.
sin.
1
γθ
θ
γθ
θ
−
=
−
==
OC
OC
a
a
r
(1-2)
Và do đó có thể tính θ theo công thức:

γ
γ
θ
sin.1
cos.
r
r
tg
−
=
(1-3)
và nếu đặt
r
K
1
=
thì ta có công thức sau:

γ
γ
θ
sin
cos
−
=
K
tg
(1- 4)
Như vậy góc trượt θ phụ thuộc vào
γ

và tỷ số K. Trong tiện cứng, quá
trình biến dạng trong vùng tạo phoi diễn ra rất phức tạp, chủ yếu do độ cứng
của vật liệu gia công (sau khi tôi) nên giải pháp tốt nhất vẫn là sử dụng mảnh
dao có độ cứng, khả năng chịu nhiệt,… đặc biệt cao. Tiêu biểu cho nhóm này
là các mảnh CBN, PCBN,…
1.2. Lực cắt
1.2.1. Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt
Như đã trình bày ở trên, để thực hiện quá trình tạo phoi, khi cắt dụng cụ
phải tác động vào vật liệu gia công một lực nhất định. Lực này làm biến dạng
vật liệu và phoi được hình thành. Tuy nhiên dụng cụ cắt cũng chịu một phản
lực tương tự. Việc nghiên cứu lực cắt trong quá trình gia công vật liệu có ý