Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt tới cơ chế mòn dụng cụ PCBN sử dụng tiện tinh thép 9XC qua tôi.pdf

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



LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT





NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC CẮT
TỚI CƠ CHẾ MÒN DỤNG CỤ PCBN SỬ DỤNG
TIỆNTINH THÉP 9XC QUA TÔI




Ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
Mã số : 11120611008
Học viên : NGUYỄN THỊ THANH VÂN



Người hướng dẫn Khoa học:
PGS.TS. PHAN QUANG THẾ

THÁI NGUYÊN - 2009





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




LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT




Họ và tên học viên : NGUYỄN THỊ THANH VÂN
Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS. PHAN QUANG THẾ
Tên đề tài : Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt tới cơ chế mòn
dụng cụ PCBN sử dụng tiện tinh thép 9XC qua tôi.

Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
Ngày giao đề tài :
Ngày hoàn thành :

Khoa đào tạo
sau đại học



Ts Nguyễn Văn Hùng
Người hướng dẫn
khoa học



PGS.TS Phan Quang Thế
Học viên




KS. Nguyễn Thị Thanh Vân



LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin trân trọng cảm ơn:
Thầy giáo PGS.TS Phan Quang Thế - Thầy hướng dẫn khoa học của tôi về
sự định hướng đề tài, sự hướng dẫn tận tình của Thầy trong việc tiếp cận
và khai thác các tài liệu cũng như những chỉ bảo trong quá trình tôi làm

thực nghiệm và viết luận văn.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới:
Thầy giáo ThS. Lê Viết Bảo – Cô giáo ThS. Nguyễn Thị Quốc Dung
đã tạo điều kiện hết sức thuận lợi cho tôi được tiến hành thí nghiệm tại
xưởng sản xuất và trong suốt quá trình hoàn thành luận văn này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn cán bộ phụ trách phòng thí nghiệm
Quang phổ khoa Vật lý trường ĐHSP Thái Nguyên; cán bộ phòng kỹ thuật
và xưởng Nhiệt luyện công ty phụ tùng số 1; cán bộ, nhân viên xưởng cơ
khí nơi tôi tiến hành thực nghiệm; cán bộ phòng thí nghiệm khoa cơ khí –
ĐHKTCN đã dành cho tôi những điều kiện thuận lợi nhất, giúp tôi hoàn
thành nghiên cứu của mình.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn Trường Cao đẳng nghề Cơ điện-Luyện
kim Thái Nguyên nơi tôi đang công tác đã tạo điều kiện cho tôi được học
tập nâng cao trình độ, mở mang kiến thức.
Cuối cùng tôi 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.
Thái Nguyên, tháng 4 năm 2009
Học viên

Nguyễn Thị Thanh Vân



MỤC LỤC


Lời cảm ơn
Mụclục
Danh mục các ký hiệu

Danh mục các chữ viết tắt
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
Danh mục các bảng biểu
PHẦN MỞ ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết của đề tài 1
2. Nội dung nghiên cứu 2
3. Phương pháp nghiên cứu. 3
4. Dự định kết quả 3
CHƯƠNG I : BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA QUẢ TRÌNH CẮT VÀ MÒN
DỤNG CỤ
4
1.1. Bản chất vật lý 4
1.1.1. Quá trình cắt và tạo phoi 4
1.1.2. Đặc điểm quá trình tạo phoi khi tiện cứng 11
1.2. Lực cắt khi tiện 14
1.2.1. Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt 14
1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện 18
1.2.2.1. Ảnh hưởng của vận tốc cắt 18
1.2.2.2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt 20
1.2.2.3. Ảnh hưởng của vât liệu gia công 20
1.2.2.4. Ảnh hưởng của vật liệu làm dao và đặc điểm của vật liệu CBN
khi tiện cứng
21
1.2.2.5. Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao r 23
1.2.2.6. Ảnh hưởng của mòn dụng cụ cắt 24
1.3. Nhiệt cắt 24
1.3.1. Khái niệm chung 24
1.3.2. Trường nhiệt độ 29
1.3.3. Quá trình phát sinh nhiệt 32
1.3.3.1. Nhiệt trong vùng biến dạng thứ nhất 32

1.3.3.2. Nhiệt trên mặt nước (Q
AC
) và trường nhiệt độ 33
1.3.3.3. Nhiệt trên mặt tiếp xúc giữa mặt sau và bề mặt gia công (Q
AD
) và
trường nhiệt độ
34
1.3.3.4. Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới nhiệt cắt và trường nhiệt độ trong
dụng cụ
35
1.4. Kết luận 36
1.5. Mòn dụng cụ cắt 37
1.5.1. Dạng mòn 37
1.5.2. Các cơ chế mòn cơ bản của dụng cụ cắt 41
1.5.2.1 Mòn do dính 42
1.5.5.2. Mòn do hạt mài 43
1.5.5.3. Mòn do khuếch tán 44
1.5.2.4. Mòn do ôxy hóa 45
1.6. Mòn dụng cụ PCBN 45
CHƯƠNG II : NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ MÒN DỤNG CỤ
PCBN VÀ NHÁM BỀ MẶT
54
2.1. Thí nghiệm 54
2.1.1. Yêu cầu đối với hệ thống thí nghiệm 54
2.1.2. Mô hình thí nghiệm 54
2.1.3. Thiết bị thí nghiệm 55
2.1.3.1. Máy 55
2.1.3.2. Dao 55
2.1.3.3. Phôi 56

2.1.3.4. Chế độ cắt 57
2.1.3.5. Thiết bị đo nhám bề mặt 58
2.1.3.6. Thiết bị phân tích bề mặt và kim tương 58
2.2. Trình tự thí nghiệm 58
2.3. Kết quả thí nghiệm 59
2.3.1. Tương tác ma sát giữ a phoi và mặt trước 59
2.3.2. Tương tác ma sát giữa phoi và mặt sau dụng cụ 64
2.3.3. Kết luận 64
2.4. Mòn dụng cụ PCBN và nhám bề mặt 64
2.4.1. Phân tích thí nghiệm 64
2.4.2. Kết quả thí nghiệm mòn dụng cụ PCBN 65
2.4.3. Thảo luận kết quả 69
2.4.4. Kết luận 71
CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ ẢNH HƯỞNG
CỦA VẬN TỐC CẮT ĐẾN CƠ CHẾ MÒN DỤNG CỤ PCBN
72
3.1. Nghiên cứu thực nghiệm 72
3.2. Thí nghiệm 72
3.2.1. Thiết bị thí nghiệm và dụng cụ đo 72
3.2.2. Trình tự thí nghiệm 73
3.3. Kết quả thí nghiệm 73
3.4. Phân tích kết quả thí nghiệm 78
3.5. Phương trình hồi quy 80
3.6. Kết luận 84
CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU TIẾP THEO CỦA ĐỀ TÀI
85
4.1. Kết luận chung 85
4.2. Phương pháp nghiên cứu tiếp theo 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
a: chiều dày lớp kim loại bị cắt
a
p
: chiều dày phoi
K
f
: mức độ biến dạng của 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
θ
: góc trượt
r: bán kính mũi dao
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: 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
3
: nhiệt sinh ra trên mặt sau
Q
phoi
: nhiệt truyền vào phoi

Q
dao
: nhiệt truyền vào dao
Q
môi trường
: nhiệt truyền vào môi trường
Q
phôi
: nhiệt truyền vào phôi
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
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
Ф: góc tạo phoi
γ
m

: 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
ΔF
c
, ΔF
t
: áp lực tiếp tuyến và pháp tuyến trên 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
s
: 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
θ
o
: nhiệt cắt
Cl: hệ số phụ thuộc vào điều kiện gia công
u: số mũ biểu thị ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt
φ: góc nghiêng chính
φ
1
: góc nghiêng phụ
V
w
: thể tích mòn mặt sau
V
cr
: thể tích mòn mặt trước
KB, KF, KT: các kích thước vùng mòn mặt trước
h
s
: độ mòn giới hạn
R
a
, R
z
: độ nhám bề mặt khi tiện

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ



Hình 1.1: Sơ đồ miền tạo phoi ......................................................................... 5
Hình 1.2: Miền tạo phoi ................................................................................... 6
Hình 1.3: Miền tạo phoi ứng với vận tốc cắt khác nhau .................................. 8
Hình 1.4: Tính góc trượt θ.............................. Error! Bookmark not defined.
Hình 1.5: Quan hệ giữa vận tốc cắt và biến dạng của phoi. Error! Bookmark
not defined.
Hình 1.6: Quan hệ giữa bán kính mũi dao r và biến dạng của phoi ........ Error!
Bookmark not defined.
Hình 1.7: Ba giai đoạn hình thành phoi khi tiện thép 100Cr6 với .......... Error!
Bookmark not defined.
V = 100 m/p; s = 0,1mm/v; t = 1mm; môi trường cắt khô. . Error! Bookmark
not defined.
Hình 1.8: Dạng của phoi trong mối liên hệ với độ cứng của phôi .......... Error!
Bookmark not defined.
và vận tốc cắt ................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.9: Hệ thống lực cắt khi tiện ................ Error! Bookmark not defined.
Hình 1.10: Mối quan hệ giữa lực cắt và chiều dài cắt khi tiện thép thấm
Các bon, Ni tơ tôi cứng đến 60 HRC bằng dao PCBN .. Error! Bookmark not
defined.
với
γ
= - 6
o
và
α

= 0
o
. .................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.11: Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới lực cắt ........ Error! Bookmark not
defined.
Hình 1.12: Cấu trúc tế vi của hai loại mảnh dao (BZN6000 – 92% CBN –
High CBN) và (BZN8100 – 70% CBN – Low CBN) [13]. . Error! Bookmark
not defined.
Hình 1.13: Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao tới lực cắt ... Error! Bookmark
not defined.
Hình 1.14: ....................................................................................................... 28
(a) Sơ đồ hướng các nguồn nhiệt. ................................................................... 28
(b) Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong cắt kim loại. ......................... 28
Hình 1.15 : Tỷ lệ % nhiệt truyền vào phoi, phôi, dao và môi trường ........... 29
phụ thuộc vào vận tốc cắt [6] .......................................................................... 29
Hình 1.16: Trường nhiệt độ khi tiện .............................................................. 30
Đường nét liền: Đường đẳng nhiệt; đường nét đứt: Dòng nhiệt.Dòng nhiệt
vuông góc với đường đẳng nhiệt. .................................................................... 30
Hình 1.17: Sự phân bố nhiệt độ khi tiện trên mặt phân cách phoi - dụng cụ 31
Hình 1.18: Đường cong thực nghiệm của Boothroyd .. Error! Bookmark not
defined.
để xác định tỷ lệ nhiệt (β) truyền vào phôi [11]. ........... Error! Bookmark not
defined.
Hình 1.19: Sơ đồ phân bố ứng suất trên mặt sau mòn .. Error! Bookmark not
defined.
Hình 1.20 : Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới nhiệt độ cắt .... Error! Bookmark
not defined.
1. Thép austenit mangan 2. Thép Cacbon 3. Gang 4. Nhôm ............... Error!
Bookmark not defined.
Hình 1.21: Các dạng mòn phần cắt của dụng cụ khi tiện.... Error! Bookmark

not defined.
Hình 1.22: Quan hệ giữa một số dạng mòn của dụng cụ .... Error! Bookmark
not defined.
Hình 1.23: Các thông số đặc trưng cho mòn mặt trước ................................. 41
và mặt sau – ISO3685 [19].............................................................................. 41
Hình 1.24: Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn .... Error! Bookmark
not defined.
khi cắt liên tục (a) và cắt gián đoạn (b) [23] ... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.25: Sơ đồ mòn mặt trước và sau của mảnh dao PCBN .............. Error!
Bookmark not defined.
trên mặt cắt ngang [15] ................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.26: Hình ảnh biến dạng dẻo lưỡi cắt [12].......... Error! Bookmark not
defined.
(V = 250m/p, S = 0,1mm/v, t = 0,125mm, r = 3,2mm, lưỡi cạnh viền) .. Error!
Bookmark not defined.
Hình 1.27: Hình ảnh mòn mặt sau dao BZN 8100 và BZN6000 [13] .... Error!
Bookmark not defined.
Hình 1.28: Vùng tương tác gi ữa vật liệu gia công và vật liệu dụng cụ [16].
......................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.29: Sơ đồ đơn giản về quá trình mòn dính trên vùng có
lớp đọng của vật liệu gia công [13] ................. Error! Bookmark not defined.
Hình 1.30: Độ cứng tế vi của một số loại các bít ở nhiệt độ 20
o
C [15]. ........ 51
Hình 2.1. Mô hình thí nghiệm…………………………................................54
Hình 2.2. Máy tiện CNC - HTC 2050………………………………………55
Hình 2.3. Mảnh dao PCBN sử dụng trong nghiên cứu ……………………..56
Hình 2.4. Thân dao MTENN 2020 K16 - N………………………………...56
Hình 2.5. Cấu trúc kim cương của thép 9XC sử dụng trong thí nghiệm……57
Hình 2.6. Hình ảnh mặt trước của mảnh dao PCBN khi cắt với vận tốc cắt

180m/p chụp trên kính hiển vi điện tử……………………………………… 60
Hình 2.7. Hình ảnh phóng to vùng vật liệu gia công dính trên mặt trước của
dụng cụ khi cắt với vận tốc cắt 180m/p…………………………………..... 61
Hình 2.8: Hình ảnh mặt trước của mảnh dao PCBN chụp trên kính .............
63
hiển vi điện tử .............................................................................................. 63
a. Khi cắt với vận tốc cắt 160 m/p sau khi tiện 12,36 phút ...................... 63
b. Khi cắt với vận tốc cắt 140 m/p sau khi tiện 19,72 phút ...................... 63
Hình 2.9: ......................................................................................................... 66
(a): Hình ảnh mòn mặt trước của mảnh dao PCBN sau khi tiện 2,61 phút
với các vết biến dạng dẻo bề mặt. ............................................................... 66
(b): Hình ảnh phóng to của (a). ................................................................... 66
(c): Mòn mặt trước của mảnh dao PCBN sau khi tiện 12,36 phút cho thấy
bề mặt bị mòn rất ghồ ghề. .......................................................................... 66
(d): Hình ảnh cơ chế mòn mặt trước với sự bóc tách của các lớp vật liệu
dụng cụ do dính - mỏi. ................................................................................ 66
Hình 2.10: ....................................................................................................... 67
(a) Mòn mặt sau của mảnh dao PCBN sau khi tiện 7,69 phút cho thấy vật
liệu gia công dính trên vùng mòn tương đối phẳng. ................................... 67
(b) Ảnh mòn mặt sau, sau 10,09 phút gia công. ......................................... 67
(c) Ảnh phóng to vật liệu gia công bám lên vùng mòn mặt sau (b)............ 67
(d) Góc mòn bên trái của (b). ...................................................................... 67
Hình 2.11: ....................................................................................................... 68
(a) Mòn mặt sau của mảnh dao PCBN sau khi tiện 12,36 phút cho thấy hình
ảnh gồ ghề của vùng mòn. .......................................................................... 68
(b) Hình ảnh phóng to của (a). .................................................................... 68
Hình 3.1: Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ nhám ....................................... 73
Hình 3.2. Đồ thị quan hệ giữa vận tốc cắt và nhám Ra, Rz…………………75
Hình 3.3: Ảnh vùng mòn mặt sau của mảnh dao PCBN cắt với vận tốc cắt: 75
(a): v

1
= 180 m/p sau 7,69 phút ............................................................... 75
(b): v
2
= 160 m/p sau 12,36 phút ............................................................. 75
(c): v
3
= 140 m/p sau 19,72 phút ............................................................. 75
Hình 3.4: ......................................................................................................... 76
(a)Ảnh phóng to vùng mòn mặt sau trên lưỡi cắt chính từ hình 3.3(c) .. 76
(b)Ảnh phóng to vùng “phồng” dưới lưỡi cắt phụ từ hình 3.3(b)........... 76
(c)So sánh cấu trúc tế vi vùng “phồng” dưới lưỡi cắt phụ (c
’
) với cấu trúc
tế vi nguyên thuỷ của PCBN (c) ............................................................. 76
(d)Ảnh phóng to vùng dính vật liệu gia công trên mặt sau dưới lưỡi cắt
phụ từ hình 3.3(c). ................................................................................... 76
Hình 3.5: ......................................................................................................... 77
(a) Ảnh mặt trước của mảnh dao PCBN cắt với vận tốc cắt 160 m/p sau
12,36 phút. ............................................................................................... 77
(b) Ảnh phóng to thể hiện cơ chế phá huỷ lưỡi cắt phụ từ hình 3.4(a) ... 77
Khi giảm vận tốc cắt xuống 160 m/p sau 12,36 phút, trên mặt sau chỉ
xuất hiện một vùng bị “phồng” ở phía dưới lưỡi cắt phụ. Tiếp tục giảm
vận tốc cắt tới 140 m/p, sau 19,72 phút, trên mặt sau chỉ tồn tại vùng
dính vật liệu gia công (Hình 3.3(c)). ....................................................... 77
Hình 3.6: Mặt hồi quy dạng Loga của nhám bề mặt Ra theo loga của
lượng chạy dao S và vận tốc V khi t = 0,12 mm…………………… ……….81
Hình 3.7: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhám bề mặt R
a
và S,V.

Các vùng nhám bề mặt R
a
nhận giá trị tối ưu (t = 0,12 mm). ......................... 82
Hình 3.8: Mặt hồi quy dạng loga của tuổi bền T theo loga của lượng
chạy dao S và vận tốc V khi t = 0,12 mm. ...................................................... 83
Hình 3.9: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tuổi bền dụng cụ cắt T
và S, V. Các vùng tuổi bền T nhận giá trị tối ưu (t = 0,12 mm) ..................... 83









DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Lịch sử và đặc tính của vật liệu dụng cụ cắt 26
Bảng 1.2: Tính chất cơ - nhiệt một số vật liệu dụng cụ 27
Bảng 1.3: Tính chất cơ - nhiệt của một số vật liệu phủ 27
Bảng 2.1: Thành phần hoá học của phôi thép 9XC (%) 57
Bảng 2.2: Vận tốc cắt và các thông số nhám 59
Bảng 3.1: Kết quả đo nhám bề mặt tương ứng với các chế độ cắt
thiết kế 74

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


1
PHẦN MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài :
Tiện cứng là nguyên công tiện các chi tiết đã qua tôi (thường là thép
hợp kim) có độ cứng cao khoảng từ 40 ÷ 65 HRC được sử dụng rộng rãi trong
công nghiệp ô tô, chế tạo bánh răng, vòng ổ, dụng cụ, khuôn mẫu vv… Tiện
cứng được sử dụng thay mài khi gia công chính xác các chi tiết máy có tỉ số
chiều dài trên đường kính nhỏ, các chi tiết có hình dáng phức tạp và không
nhất thiết phải sử dụng dung dịch trơn nguội. Tiện cứng cho độ chính xác và
nhám bề mặt tương đương với mài nhưng tiện cứng có khả năng tạo nên lớp
bề mặt có ứng suất dư nén làm tăng tuổi thọ về mỏi của chi tiết máy trong các
tiếp xúc lăn khi sử dụng, cho năng suất cao hơn mài với đầu tư ban đầu thấp

hơn nhiều. Tiện cứng thường dùng trong nguyên công tiện tinh với độ chính
xác ngang mài nên các yêu cầu về độ chính xác, độ cứng vững của hệ thống
công nghệ rất khắt khe.
Vật liệu thường sử dụng làm dao tiện cứng là CBN (Cubic nitrit Bo).
Đây là loại vật liệu tổng hợp sử dụng các hạt CBN với chất gắn kết l à TiC
hoặc kim loại như Co.
Khi sử dụng mảnh dao với hàm lượng CBN thấp (CBN – L) và cao
(CBN – H), mòn xuất hiện trên cả mặt trước và sau với ba cơ chế mòn khác
nhau là mòn do dính, mòn do cào xước và mòn do nhiệt, trong đó mòn do
nhiệt là cơ chế mòn chính. Mòn ảnh hưởng trực tiếp đến nhám bề mặt chi tiết
gia công, do vậy nó phải được nghiên cúu để nắm vững và điều khiển nhằm
giảm tác động của nó và nâng cao chất lượng của quá trình cắt gọt. Mòn của
dụng cụ cắt là hiện tượng lý hoá phức tạp trong quá trình gia công cắt gọt các
vật liệu. Cũng như mòn của các chi tiết máy, mòn của dụng cụ làm thay đổi
các thông số hình học dụng cụ và giảm tuổi bền cũng như khả năng làm việc

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


2
của dụng cụ. Mòn của dụng cụ còn ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và độ
chính xác của bề mặt gia công. Đối với quá trình gia công loạt lớn và tự động
hoá, độ mòn và tuổi bền của dụng cụ lại càng được quan tâm và chú ý hơn do
các ảnh hưởng của nó tới năng suất và chất lượng của sản phẩm chế tạo. Do
vậy, việc nghiên cứu quá trình mòn khi tiện cứng để nâng cao khả năng làm
việc, nâng cao chất lượng bề mặt gia công là cần thiết đối với ngành cơ khí.
Khi tiện thép nhiệt luyện bằng dao nitritbo xuất hiện lực cắt đơn vị lớn,
do đó ở vùng tiếp xúc nhiệt độ cắt tăng cao, gây ảnh hưởng đến tuổi bền của
dao và chất lượng lớp bề mặt của chi tiết gia công.
Xét về mặt mài mòn của dụng cụ cắt cần quan tâm tới nhiệt độ

lớn nhất
trên mặt trước và mặt sau, sự phân bố nhiệt trên các bề mặt này. Nhưng việc
xác định nhiệt độ

lớn nhất này rất khó khăn. Mặt khác nhiệt độ

cắt chịu ảnh
hưởng của vận tốc cắt lớn hơn so với lượng chạy dao. Khi tiện tinh, chiều sâu
cắt nhỏ, vận tốc cắt lớn, áp lực lên dao nhỏ, nhiệt độ

tập trung ở vùng mũi dao
cao nên làm dao bị mềm ra và cùn nhanh.
Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn như thế nào khi tiện tinh
thép hợp kim dụng cụ 9XC qua tôi một loại vật liệu có nhiều ưu điểm được
dùng rộng rãi nhất để chế tạo dụng cụ cắt với vận tốc thấp nhằm thoả mãn các
yêu cầu về khả năng làm việc đang là yêu cầu cần thiết của các nhà sản xuât.
Do vậy đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt tới cơ chế
mòn dụng cụ PCBN sử dụng tiện tinh thép 9XC qua tôi” là cần thiết và
cấp bách.
2. Nội dung nghiên cứu.
- Nghiên cứu tổng quan về bản chất vật lý của quá trình cắt kim loại khi
tiện và cơ chế mòn của dụng cụ cắt.
- Nghiên cứu thực nghiệm về mòn dụng cụ PCBN và ảnh hưởng của
vận tốc cắt tới cơ chế mòn dụng cụ PCBN sử dụng tiện tinh thép 9XC qua tôi.

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


3

3. Phương pháp nghiên cứu.
Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghi ệm. Nghiên
cứu tổng quan về các vấn đề liên quan đến tiện cứng từ đó rút ra vấn đề định
hướng cho nghiên cứu về mòn và tuổi bền của dụng cụ.
Tiến hành các nghiên cứu và phân tích thực nghiệm sử dụng mảnh dao
PCBN tiện tinh thép 9XC qua tôi để xác định cơ chế mòn và tuổi bền của dao
khi cắt với các vận tốc cắt khác nhau. Xác định mối quan hệ giữa vận tốc cắt
và nhám bề mặt gia công khi sử dụng các vận tốc cắt khác nhau sau những
khoảng thời gian khác nhau.
Xử lý các số liệu thực nghiệm để tìm vận tốc cắt tối ưu nhằm đạt được
chất lượng bề mặt tốt nhất hoặc tuổi bền cao nhất.
4. Dự định kết quả :
Phát hiện ra một số cơ chế mòn dụng cụ PCBN mới mối quan hệ giữa
mòn, cơ chế mòn và vận tốc cắt.
Xác định được vận tốc cắt tối ưu trong dải vận tốc cắt sử dụng trong
nghiên cứu nhằm đạt được nhám bề mặt nhỏ nhất hoặc tuổi bền cao nhất của
dụng cụ.











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

4
CHƯƠNG I
BẢN CHÂT VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH CẮT
VÀ MÒN DỤNG CỤ

1.1. Bản chất vật lý.
Trong quá trình gia công kim loại bằng cắt gọt có rất nhiều hiện tượng
vật lý xảy ra: phát sinh nhiệt, ma sát, mài mòn, lẹo dao, rung động, biến cứng,
biến dạng phoi…Các hiện tượng vật lý này ảnh hưởng rất lớn đến công tiêu
hao trong quá trình cắt gọt, độ mòn của dụng cụ cắt, chất lượng của chi tiết
gia công.
1.1.1. Quá trình cắt và tạo phoi.
Quá trình cắt kim loại là quá trình 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
chuyện 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 [6].
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 (hình1.1).

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

5

Hình 1.1: Sơ đồ miền tạo phoi

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 th ứ nhất là vùng vật liệu phoi tiếp xúc với mặt trước của dao.
- Vùng ma sát th ứ hai là vùng vật liệu phôi tiếp xúc với mặt sau của dao.
- Vùng tách là vùng bắt đầu quá trình tách kim loại khỏ i 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 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 (công làm biến dạng chiếm 90% công cắt), độ mòn của dao
(tuổi thọ của dụng cụ cắt) và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rất nhiều
vào quá trình tạo phoi.
a. b.

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


6
Khi cắt do tác dụng của lực P (hình 1.1), 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 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 1.2).










Hình 1.2: Miền tạo phoi

Trong miền này (như sơ đồ hoá hình 1.1) 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, đường OE - đường kết thúc biến dạng dẻo
và đường AE - đường nối liền khu vực chưa biến dạng của kim loại và phoi.

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

7
Trong quá trình cắt, miền tạo phoi AOE di chuyển cùng với dao.
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 1.1) 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 têch tua.
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
là mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi
K
ms
là mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của dao.
Vì biến dạng dẻo của phoi có tính lan truyền, do đó lớp kim loại nằm
phía dưới đường cắt ON (hình 1.1a) cũng sẽ chịu biến dạng dẻo.
Chiều rộng của miền tạo phoi phụ thuộc vào tính chất của vật liệu gia

công và điều kiện cắt (thông số hình học của dao, chế độ cắt…).
Vận tốc cắt có ảnh hưởng có ảnh hưởng lớn nhất đến chiều rộng miền
tạo phoi. Tăng vận tốc cắt miền tạo phoi sẽ co hẹp lại. Hiện tượng đó có thế
được giải thích như sau :
Khi tăng vận tốc cắt vật liệu gia công sẽ chuyển qua miền tạo phoi với
tốc độ nhanh hơn. Khi di chuyển với vận tốc 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’. Tương tự như
vậy, nơi kết thúc quá trình biến dạng trong miền tạo phoi sẽ là đường OE’
chậm hơn so với OE (hình 1.3).

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


8

Hình 1.3: Miền tạo phoi ứng với vận tốc cắt khác nhau
Như vậy ở vận tốc 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 vận tốc 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 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.

Hình 1.4: Tính góc trượt θ

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


9
V
1
V
2
V
3
K
3
2
0
20
40
60
80
Theo hình vẽ 1.4 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)
Do đó có thể tính
θ
theo công thức :
γ
γ
θ
sin.1
cos.
r
r
tg
−
=

(1-3)
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 tỉ số K.
Khi cắt kim loại bị biến dạng dẻo nên kích thước của phôi thường thay
đổi so với kích thước của lớp kim loại sinh ra nó. Đại lượng K đặc trưng cho
sự biến dạng xảy ra trong quá trình cắt gọt, K càng lớn biến dạng càng lớn.
Trong cắt gọt người ta mong muốn K nhỏ tức là biến dạng nhỏ, khi đó công
tiêu hao trong quá trình cắt gọt bé, chất lượng bề mặt của chi tiết gia công
cao. Thực nghiệm cho thấy quan hệ giữa K và V như hình 1.5.

Hình 1.5: Quan hệ giữa vận tốc cắt và biến dạng của phoi


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


10
Khi V
c
tăng từ V
1
đến V
2
biến dạng của phoi giảm
Trong vùng vận tốc cắt này khi V
c
tăng µ tăng do đó lực ma sát tăng,
biến dạng của phoi tăng. Mặt khác khi này lẹo dao xuất hiện và tăng dần làm
tăng góc trước, giảm góc cắt thì quá trình cắt dễ dàng hơn, phoi thoát ra dễ
dàng hơn biến dạng của phoi giảm và đạt gia trị cực tiểu tại B ứng với
V
c
= V
2

(tại đây chiều cao lẹo dao lớn nhất).
Hai ảnh hưởng này bù trừ lẫn nhau nhưng ảnh hưởng của lẹo dao lớn
hơn.
Khi V
c
tăng từ V
2
÷ V
3
biến dạng của phoi tăng.
Trong vùng vận tốc cắt này khi V
c
tăng chiều cao lẹo dao giảm dần,
dẫn đến góc trước giảm, góc cắt tăng, biến dạng của phoi tăng. Khi V
c
tăng,
hệ số ma sát giảm, lực ma sát giảm, biến dạng của phoi giảm. Kết hợp hai ảnh
hưởng này, ảnh hưởng của lẹo dao lớn hơn nên khi V
c
tăng biến dạng của
phoi tăng và đạt giá trị cực đại khi V
c
= V
3
(tại đây lẹo dao mất hẳn).
Khi V
c
> V
3
: lẹo dao không còn, mặt khác nhiệt độ cắt ở vùng cắt rất

cao làm cho lớp kim loại của phoi sát mặt trước bị chảy nhão, hệ số ma sát
giữa phoi và mặt trước giảm, K giảm.
Khi V
c
> 200 ÷ 300 m/f hệ số ma sát µ thay đổi rất ít, dẫn đến biến
dạng của phoi hầu như không thay đổi.
Các giá trị V
1
, V
2
, V
3
phụ thuộc vào điều kiện gia công, vật liệu làm dao,
phôi, thông số hình học của dụng cụ cắt.
Bán kính mũi dao r cũng ảnh hưởng đến hệ số biến dạng phoi, r tăng
chiều dày trung bình của lớp cắt giảm, chiều dài của đoạn lưỡi cắt cong tham
gia cắt tăng, phoi thoát ra cong bị biến dạng phụ thêm do sự giao nhau của
chúng trên cung cong (phương thoát phoi xem như thẳng góc với lưỡi cắt)
làm cho biến dạng của phoi tăng hình 1.6.

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


11

Hình 1.6: Quan hệ giữa bán kính mũi dao r và biến dạng của phoi
1.1.2. Đặc điểm quá trình tạo phoi khi tiện cứng
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 …
Poulachon và đồng nghiệp [14] đã chỉ ra rằng thường có hai cơ chế tạo
phoi lý thuyết khi gia công thép tôi.
- Cơ chế thứ nhất cho rằng adiabatic shear gây ra sự không ổn định dẫn
đến sự trượt mạnh trong vùng tạo phoi.
- Cơ chế thứ hai cho rằng các vết nứt đầu tiên xuất hiện theo chu kỳ
trên bề mặt tự do của phoi phía trước lưỡi cắt và truyền dần đến lưỡi cắt.
Poulachon và đồng nghiệp cũng khẳng định rằng khi tiện trực giao thép
100Cr6 trong dải độ cứng từ 10 ÷ 62 HRC tồn tại của 3 kiểu cơ chế cắt.
Phoi dây được tạo ra khi tiện thép có độ cứng từ 10 ÷ 50 HRC, lực cắt
giảm khi tăng độ cứng trong dải này. Điều này được giải thích là khi độ cứng
của vật liệu gia công tăng sẽ làm tăng nhiệt độ trong vùng tạo phoi làm giảm
độ bền của vật liệu gia công dẫn đến tăng góc tạo phoi và giảm chiều dài tiếp
xúc giữa phoi và mặt trước. Cả hai yếu tố đều có tác dụng giảm lực cắt.
Khi tăng độ cứng của vật liệu gia công lên trên 50 HRC, phoi sẽ chuyển
từ phoi dây sang phoi dạng răng cưa và lực cắt tăng lên. Khi tăng độ cứng,