ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN VĂN TÍCH “NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT TỚI CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT KHI TIỆN TINH THÉP 9XC BẰNG DAO HỢP KIM CỨNG PHỦ CVD” TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Thái Nguyên - 2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS Phan Quang Thế và chỉ tham khảo các tài liệu đã đƣợc liệt kê. Tôi không sao chép công trình của các cá nhân khác dƣới bất cứ hình thức nào. Nếu có tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Ngƣời cam đoan Trần Văn Tích Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin đƣợc cảm ơn PGS.TS Phan Quang Thế - Hiệu trƣởng trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên - Thầy hƣớng dẫn khoa học của tôi về sự định hƣớng đề tài, sự hƣớng dẫn của thầy trong việc tiếp cận và khai thác các tài liệu tham khảo cũng nhƣ những chỉ bảo trong quá trình tôi viết luận văn. Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy (cô) giáo – Khoa Cơ khí, Trung tâm thí nghiệm – Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên , về sự giúp đỡ tận tình của các thầy, cô trong quá trình tôi làm thí nghiệm và viết luận văn. Tôi cũng muốn bày tỏ lời cảm ơn tới Ban giám hiệu, Lãnh đạo khoa và các giáo viên trong khoa cơ khí - Trƣờng Cao đẳng nghề Cơ điện Phú Thọ đã dành cho tôi những điều kiện thuận lợi nhất, giúp tôi hoàn thành nghiên cứu của mình. Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn đối với gia đình tôi, các thầy cô giáo, các bạn đồng nghiệp đã ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình làm luận văn này. Tác giả Trần Văn Tích Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................................vi DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ............................................................................vii DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................ix PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 1. Tên đề tài nghiên cứu: ................................................................................................... 1 3. Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................................... 2 4. Dự định kết quả. ............................................................................................................. 3 5. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................................... 3 6. Các công cụ, thiết bị nghiên cứu ................................................................................... 3 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ TIỆN CỨNG ................................................................... 4 VÀ DỤNG CỤ CẮT PHỦ BAY HƠI ............................................................................. 4 1.1. Tổng quan về tiện cứng .............................................................................................. 4 1.1.1. Đặc điểm của quá trình tạo phoi khi tiện cứng ...................................................... 4 1.1.2. Đặc điểm của quá trình tạo phoi khi tiện cứng ...................................................... 7 1.1.2.1. Các hình thái phoi khi cắt kim loại ...................................................................... 8 1.1.2.2 Cơ chế hình thành phoi khi tiện cứng.................................................................10 1.1.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công khi tạo phoi .....11 1.1.3.1. Hiện tƣợng biến dạng phoi .................................................................................11 1.1.3.2. Những yếu tố ảnh hƣởng đến biến dạng phoi ...................................................12 1.2 Dụng cụ cắt phủ bay hơi ............................................................................................16 1.2.1. Tổng quan về phủ bay hơi .....................................................................................16 1.2.2. Phủ CVD ................................................................................................................17 1.2.2.1 Đinh nghĩa ............................................................................................................17 1.2.2.2. Đặc trƣng của phủ CVD .....................................................................................18 1.2.3. Phủ PVD .................................................................................................................19 1.2.4. Vật liệu lớp phun phủ. ...........................................................................................20 1.2.5. Định hƣớng nghiên cứu .........................................................................................25 Chƣơng II: MÒN DỤNG CỤ CẮT ...............................................................................26 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v 2.1. Ma sát của dụng cụ phủ ............................................................................................26 2.2. Mòn của dụng cụ phủ. ..............................................................................................27 2.3. Độ mòn dao. ..............................................................................................................28 2.3.1. Các dạng mòn dụng cụ cắt ....................................................................................29 2.3.2. Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt...........................................................................31 2.3.3. Mòn của dụng cụ phủ bay hơi...............................................................................35 2.3.4. Ảnh hƣởng của mòn dụng cụ phủ đến chất lƣợng bề mặt gia công ...................36 2. 4. Kết luận.....................................................................................................................36 Chƣơng III. NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT TỚI CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT KHI TIỆN TINH THÉP 9XC BẰNG DAO HỢP KIM CỨNG PHỦ CVD.........................................................................................................................37 3.1. Thí nghiệm ................................................................................................................37 3.1.1. Yêu cầu đối với hệ thống thí nghiệm: ..................................................................37 3.1.2. Mô hình thí nghiệm ...............................................................................................37 3.1.3. Thiết bị thí nghiệm.................................................................................................38 3.1.3.1. Máy ......................................................................................................................38 3.1.3.2. Dao.......................................................................................................................39 3.1.3.3. Phôi ......................................................................................................................40 3.1.3.4. Chế độ cắt ............................................................................................................41 3.1.4. Thiết bị đo khác .....................................................................................................41 3.1.4.1. Máy đo độ nhám bề mặt .....................................................................................41 3.1.4.2. Kính hiển vi điện tử SEM ..................................................................................42 3.2.1. Phân tích nhám bề mặt phôi thép 9XC ở các độ chế độ cắt khác nhau..............43 3.2.2. Phân tích lƣợng mòn mặt mặt trƣớc mảnh dao phủ TiAlN khi tiện cứng thép 9XC ở các độ chế độ cắt khác nhau. ...............................................................................46 3.2.3. Phân tích lƣợng mòn mặt mặt trƣớc mảnh dao phủ TiAlN khi tiện cứng thép 9XC ở các độ chế độ cắt khác nhau qua hình chụp Topography bề mặt. ....................49 CHƢƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ .........................................................55 4.1 Kết luận chung. ..........................................................................................................55 4.2. Hƣớng nghiên cứu tiếp theo của đề tài ....................................................................55 TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................56 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ap: Chiều dày phoi Kbd: Mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi Mms: Mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trƣớc của dao Kf: Mức độ biến dạng của phoi θ: Góc trƣợt γ: Góc trƣớc của dao PX: Lực chiều trục khi tiện PY: Lực hƣớng kính khi tiện PZ: Lực tiếp tuyến khi tiện S: Lƣợng chạy dao (mm/vòng) t: Chiều sâu cắt (mm) v: Vận tốc cắt (m/phút) c: Nhiệt dung riêng Φ: Góc tạo phoi K: Hệ số thẩm nhiệt ΔFc, ΔFt: Áp lực tiếp tuyến và pháp tuyến trên vùng mòn mặt sau μ: Hệ số ma sát trên vùng ma sát thông thƣờng của mặt trƣớc r: Bán kính mũi dao hmin: Chiều dày phoi nhỏ nhất Ra, Rz: Độ nhám bề mặt khi tiện PVD: Phủ bay hơi vật lý CVD: Phủ bay hơi hóa học DDTN: Dung dịch tƣới nguội. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ hóa miền tao phoi.............................................................................. 4 Hình 1.2.: Các dạng phoi ..................................................................................................... 6 Hình 1.3: Hiện tƣợng lẹo dao .............................................................................................. 6 Hình 1.4. Sơ đồ hình thành bề mặt gia công và phoi khi cắt có lẹo dao .......................... 7 Hình 1.5. Cơ chế hình thành dạng phoi ổn định: Trƣợt tập trung trên mặt phẳng (a), vùng trƣợt tạo thành mảng (b), vùng trƣợt mở rộng bên dƣới bề mặt gia công (c). ........ 9 Hình 1.6. Các dạng phoi phân đoạn: phoi lƣợn sóng (a) và phoi răng cƣa (b)................. 9 Hình 1.7. Sơ đồ các giai đoạn của quá trình tạo phoi do trƣợt cục bộ ............................11 trong cắt kim loại. ...............................................................................................................11 Hình 1.8: Biến dạng phoi ...................................................................................................12 Hình 1.9: Quan hệ giữa tốc độ cắt và biến dạng của phoi ...............................................13 Hình 1.10: Quan hệ giữa chiều dày cắt và biến dạng của phoi ......................................14 Hình1.11: Quan hệ giữa góc trƣớc và biến dạng của phoi ..............................................14 Hình1.12 Quan hệ giữa bán kính mũi dao r và biến dạng của phoi ...............................15 Hình 1.13: Ảnh hƣởng của đến biến dạng phoi ...........................................................15 Hình 1.14. Khả năng chịu tải trọng của lớp phủ cứng trên nền mềm hơn ......................22 Hình 2.1. Sơ đồ 3 vùng ma sát của Shaw,Ber và Maiman ............................................26 Hình 2.2. Mòn mặt sau .......................................................................................................29 Hình 2.3. Mòn mặt trƣớc....................................................................................................30 Hình 2.4. Mòn đồng thời cả mặt trƣớc và mặt sau ...........................................................30 Hình 2.5. Ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt liên tục ...........................31 Hình 2.6. Ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt gián đoạn .......................32 Hình 2.7. Sơ đồ thể hiện 3 giai đoạn mòn mặt trƣớc của dụng cụ thép gió phủ TiN.....35 Hình 3.1: Kết quả xử lý giữ liệu Ra. .................................................................................45 Hình 3.2: Biểu đồ mức độ ảnh hƣởng của V và S đến nhám bề mặt. .............................45 Hình 3.3: Biểu đồ bề mặt chỉ tiêu quan hệ giữa vận tốc, lƣợng chạy dao và nhám bề mặt. (Sử dụng phần mềm Matlab để vẽ biều đồ quan hệ) ...............................................46 Hình 3.4: Kết quả xử lý giữ liệu lƣợng mòn. ....................................................................47 Hình 3.5: Biểu đồ mức độ ảnh hƣởng của V và S đến lƣợng mòn U. ............................48 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii Hình 3.6: Biểu đồ bề mặt chỉ tiêu quan hệ giữa vận tốc, lƣợng chạy dao và lƣợng mòn. (Sử dụng phần mềm Matlab để vẽ biều đồ quan hệ)........................................................48 Hình 3.9. Ảnh phân tích EDX vùng đen trên phần cắt của dao trên kính hiển vi điện tử .............................................................................................................................................49 Hình 3.10. Ảnh phân tích EDX vùng trắng trên phần cắt của dao trên kính hiển vi điện tử ..........................................................................................................................................50 Hình 3.11 a: Kết quả chụp lƣợng mòn mặt trƣớc qua các thí nghiệm thứ 1. .................50 Hình 3.11 b: Kết quả chụp lƣợng mòn mặt trƣớc qua các thí nghiệm thứ 2. .................51 Hình 3.11 c,d,e: Kết quả chụp lƣợng mòn mặt trƣớc qua các thí nghiệm thứ 3,4,5. .....51 Hình 3.11 f,g,h và i: Kết quả chụp lƣợng mòn mặt trƣớc qua các thí nghiệm thứ 6,7,8 và 9. .....................................................................................................................................52 Hình 3.12: Kết quả chất lƣợng bề mặt trƣớc qua các thí nghiệm. ...................................53 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Dữ liệu thị trƣờng thế giới về phủ bay hơi cho dụng cụ trong lĩnh vực tạo hình và cắt vật liệu ...........................................................................................................17 Bảng 3.1: Thành phần hóa học thép 9XC.......................................................................40 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tên đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ cắt tới chất lƣợng bề mặt khi tiện tinh thép 9XC bằng dao hợp kim cứng phủ CVD” 2. Giới thiệu Trong ngành công nghiệp gia công cơ khí, chất lƣợng bề mặt là một chỉ tiêu đặc biệt quan trọng trong đánh giá, nghiệm thu sản phẩm.Vì nó ảnh hƣởng trực tiếp đến khả năng làm việc, độ bền, độ bền mỏi cũng nhƣ tuổi thọ của chi tiết máy. Để đạt đƣợc chất lƣợng bề mặt theo yêu cầu, sau khi gia công cứng thƣờng có công đoạn mài, đánh bóng. Việc làm này tốn khá nhiều thời gian và công sức. Nâng cao chất lƣợng bề mặt sau khi gia công cứng có thể dẫn đến giảm thời gian, thậm chí loại bỏ đƣợc công đoạn này Tiện cứng là nguyên công tiện các chi tiết đã qua tôi (thƣờng là thép hợp kim) có độ cứng cao khoảng từ 40 – 60 HRC đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ô tô, chế tạo bánh răng, vòng ổ, dụng cụ, khuôn mẫu vv… Tiện cứng đƣợc sử dụng thay mài khi gia công chính xác các chi tiết máy có tỉ số trên đƣờng kính nhỏ, các chi tiết có hình dạng phức tạp và không nhất thiết phải sử dụng dung dịch trơn nguội. Tiện cứng cho độ chính xác cao và nhám bề mặt tƣơng đƣơng với mài nhƣng tiện có khả năng tạo nên lớp bề mặt có ứng suát dƣ 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 tƣ ban đầu thấp hơn nhiều. Tiện cứng thƣờng 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. Việc áp dụng tiện 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, tiện 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… cũng đã đƣợc gia công lần cuối bằng tiện cứng thay cho mài. Vì những lý do trên trong gia công lần cuối so với mài, tiện cứng ngày càng đƣợc các nhà sản xuất yêu thích hơn 2 Những kết quả nghiên cứu đƣợc công bố gần đây trên các tạp chí khoa học cho thấy việc nghiên cứu chủ yếu tập trung vào nghiên cứu ảnh hƣởng của các thông số cắt, chế độ cắt đến quá trình tiện cứng, ảnh hƣởng của độ cứng dao đến nhám bề mặt và lực cắt khi tiện. Nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ cắt đến chất lƣợng bề mặt nhƣ thế nào khi tiện tinh thép 9XC ( Nhám bề mặt, mòn dụng cụ cắt ) khi gia công tiện cứng bằng dao hợp kim cứng phủ CVD , nhằm tìm ra chế độ cắt hợp lý để chất lƣợng bề mặt đạt tối ƣu sẽ tiếp tục đóng góp thêm các kiến thức vào việc nghiên cứu quá trình tiện cứng. Thép 9XC là một loại vật liệu có nhiều ƣu điểm đƣợc dùng rộng rãi nhất để chế tạo dụng cụ cắt với vận tốc thấp nhằm thỏa mãn các yêu cầu về khả năng làm việc đang là yêu cầu cần thiết của các nhà sản xuất. Xác định chế độ cắt khi tiện tinh thép 9XC phụ thuộc vào độ cứng vững của hệ thống công nghệ, công suất của máy, phạm vi làm việc của dụng cụ cắt và độ bóng yêu cầu của chi tiết gia công. Để nghiên cứu và xác định đƣợc chế độ cắt hợp lý ta phải thực hiện bằng phƣơng pháp thực nghiệm bao gồm hàng loạt các thí nghiệm đƣợc lặp lại nhiều lần trong điều kiện không đổi để có khả năng ghi nhận kết quả. Điều kiện thí nghiệm đƣợc xác định bằng những yếu tố không phụ thuộc. Trong đề tài nghiên cứu của luận văn tác giả đề cập đến các yếu tố nghiên cứu ảnh hƣởng của vận tốc cắt, lƣợng chạy dao, ảnh hƣởng tới đối tƣợng nghiên cứu là độ nhám bề mặt sau khi gia công và mòn dụng cụ cắt. Xuất phát từ những lý do trên tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ cắt tới chất lƣợng bề mặt khi tiện tinh thép 9XC bằng dao hợp kim cứng phủ CVD” . 3. Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá ảnh hƣởng của chế độ cắt (s,v,t) tới chất lƣợng bề mặt ( đánh giá thông qua độ nhám bề mặt, mòn dụng cụ cắt ) khi tiện tinh thép 9XC bằng dao hợp kim cứng phủ CVD. Qua đó đƣa ra đƣợc bộ thông số chế độ cắt thích hợp khi tiện cứng thép 9XC để đạt chất lƣợng bề mặt theo yêu cầu. 3 4. Dự định kết quả. Đƣa ra đƣợc bộ thông số chế độ cắt thích hợp khi tiện cứng thép 9XC để đạt chất lƣợng bề mặt theo yêu cầu, là một loại thép có nhiều ƣu điểm đƣợc dùng rộng rãi nhất để chế tạo dụng cụ cắt với vận tốc thấp. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu thực nghiệm để xác định chất lƣợng bề mặt khi thay đổi chế độ cắt trong gia công tiện tinh thép 9XC bằng dao hợp kim cứng phủ CVD trong các khoảng thời gian khác nhau. Xử lý các số liệu thực nghiệm để tìm chế độ cắt tối ƣu nhằm đạt đƣợc chất lƣợng bề mặt theo yêu cầu. 6. Các công cụ, thiết bị nghiên cứu * Mẫu thí nghiệm: Phôi thép 9XC tôi thể tích độ cứng đạt 52-55HRC * Máy tiện Quick Turn Smark 200- Mazak * Máy đo độ nhám Mitutoyo – SJ 210 * Kính hiển vi điện tử SEM * Dao tiện gắn mảnh hợp kim cứng phủ CVD * Dụng cụ do kích thƣớc : - Thƣớc cặp 1/50 L150 Mitutoyo, độ phân giải 0,02mm - Pan me 25-50 Mitutoyo, độ phân giải 0,01mm 4 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ TIỆN CỨNG VÀ DỤNG CỤ CẮT PHỦ BAY HƠI 1.1. Tổng quan về tiện cứng 1.1.1. Đặc điểm của quá trình tạo phoi khi tiện cứng , kích thƣớc và độ bóng bề mặt theo động: - Chuyển động cắt chính (chuyển động làm việc): khi tiện đó là chuyển động quay tròn của phôi. . Khi tiện đó là chuyển động tịnh tiến dọc của dao khi tiện mặt trụ. tạo ra trong lớp kim loại bị cắt một ứng suất lớn hơn sức bền của vật liệu bị gia công. , 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 nhƣ vậy. Hình 1.1. Sơ đồ hóa miền tao phoi của công cắt, độ mòn của dao và chất lƣợng bề mặt gia công phụ thuộc rõ rệt vào công theo mặt trƣớc. Khi dao tiếp tục chuyển động trong vật liệu gia công phát sinh biến dạng đàn hồi, 5 biến dạng này nhanh chóng chuyển sang trạng thái biến dạng dẻo và một lớp phoi có chiều dày Ap thành từ lớp kim loại bị cắt có chiều dày a, di chuyển dọc theo mặt trƣớc của dao. Các dạng phoi Tuỳ theo vật liệu của chi tiết gia công, thông số hình học của dụng cụ cắt, chế độ cắt phoi cắt tạo ra có nhiều hình dạng khác nhau (hình 1.2). Dựa vào các dạng phoi có thể đánh giá đƣợc chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công. Có 3 dạng phoi chủ yếu: * Phoi xếp: Có dạng từng đốt xếp lại, mặt phoi đối diện với mặt trƣớc của dụng cụ cắt thì rất bóng, mặt kia có dạng răng cƣa (hình 1.2 a,b). Phoi xếp xuất hiện khi gia công vật liệu dẻo (thép, đồng thau...) ở tốc độ cắt thấp, chiều dầy cắt lớn, góc cắt lớn (góc trƣớc nhỏ). Khi tạo thành phoi xếp kim loại bị biến dạng rất lớn. * Phoi dây: Có dạng kéo dài liên tục mặt phoi đối diện với mặt trƣớc của dụng cụ cắt nhẵn bóng, mặt những phần tử riêng biệt có hình dáng khác nhau, không liên kết hoặc liên kết yếu với nhau (hình 1.2e). Phoi vụn có đƣợc khi gia công vật liệu giòn (gang, đồng thau cứng...), bề mặt chi tiết gia công có cấu tạo gần giống nhƣ bề mặt kim loại bị phá huỷ giòn, chất lƣợng bề mặt rất thấp.kia hơi gợn (hình 1.2c,d). Ở phoi dây khó quan sát mặt trƣợt hơn phoi xếp, điều đó chứng tỏ biến dạng dẻo khi tạo thành phoi dây ít hơn khi tạo thành phoi xếp do đó cho chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công cao hơn. Phoi dây đƣợc tạo thành khi gia công vật liệu dẻo ở tốc độ cắt cao, chiều dầy cắt nhỏ. * Phoi vụn: Phoi gồm những phần tử riêng biệt có hình dáng khác nhau, không liên kết hoặc liên kết yếu với nhau (hình 1.2 e). Phoi vụn có đƣợc khi gia công vật liệu giòn (gang, đồng thau cứng...), bề mặt chi tiết gia công có cấu tạo gần giống nhƣ bề mặt kim loại bị phá huỷ giòn, chất lƣợng bề mặt rất thấp. 6 Hình 1.2.: Các dạng phoi Hiện tƣợng lẹo dao Hiện tƣợng: Trong quá trình cắt kim loại, ở điều kiên cắt gọt nào đó, đặc biệt là trong quá trình cắt vật liệu dẻo tạo ra phoi dây. Trên mặt trƣớc của dao kề ngay lƣỡi cắt chính xuất hiện những lớp vật liệu có cấu trúc và cơ lý tính khác hẳn với vật liệu của chi tiết gia công và vật liệu làm dao, gắn chặt vào lƣỡi cắt. Hiện tƣợng này gọi là hiện tƣợng lẹo dao, khối kim loại đó gọi là khối lẹo hay lẹo dao. Lẹo dao có hình dạng nhƣ hình 1.3. Hình 1.3: Hiện tượng lẹo dao 7 Nghiên cứu của Williams và Rollason chứng tỏ lẹo dao chỉ xuất hiện khi cắt vật liệu có hai pha trở lên mà không xuất hiện khi cắt kim loại nguyên chất hay hợp kim một pha. Sự hình thành của lẹo dao chứng tỏ có liên quan mật thiết đến cấu trúc tế vi của vật liệu. Hình 1.4. a, Sơ đồ hình thành bề mặt gia công và phoi khi cắt có lẹo dao b, Sơ đồ lý tưởng “Flow zone” trên mặt trước của dụng cụ Theo Trent [22] khi cắt ở chế độ cắt cao “Flow zone” đƣợc hình thành trên mặt trƣớc (Hình 1. 4b). Lớp cuối cùng của phoi dừng hẳn trên hầu hết diện tích tiếp xúc của mặt trƣớc còn các lớp tiếp theo biến dạng dẻo tạo thành vùng biến dạng thứ hai. 1.1.2. Đặc điểm của 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 cao. Tiêu biểu cho nhóm này là các mảnh CBN, PCBN, dao hợp kim cứng phủ CVD, PVD… Theo Poulachon [15] và đồng nghiệp chỉ ra rằng thƣờng có hai cơ chế tạo phoi khi gia công thép tôi. - Cơ chế thứ nhất cho rằng Adiabatic shear gây ra sự không ổn định dẫn đến sự trƣợt 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 trƣớc lƣỡi cắt và truyền dẫn đến lƣỡi cắt. Poulachon [15] và 8 đồng nghiệp cũng khẳng định rằng khi tiện trực dao thép 100Cr6 trong dải độ cứng từ 10 ÷ 62 HRC tồn tại 3 kiểu cơ chế cắt. Phoi dây đƣợc tạo ra khi tiện thép có độ cứng từ 10 ÷ 50 HRC, lực cắt giảm khi tăng độ cứng trong dải này. Điều này đƣợc giải thích là khi độ cứng của vật liệu gia công tăng sẽ làm tăng nhiệt độ trong vùng tạo phoi dẫn đến tăng góc tạo phoi và giảm chiều dài tiếp xúc giữa phoi và mặt trƣớc. Cả hai yếu tố đều có tác dụng giảm lực cắt. Khi tăng độ cứng của vật liệu gia công lên trên 50HRC, phoi sẽ chuyển từ phoi dây sang phoi dạng răng cƣa và lực cắt tăng lên. Khi tăng độ cứng, góc tạo phoi tăng và chiều dày của phoi giảm. Khi độ cứng tăng, tồn tại hai yếu tố trái ngƣợc ảnh hƣởng đến cơ chế tạo phoi, đó là tăng độ bền của vật liệu gia công do tăng độ cứng và giảm độ bền của vật liệu gia công do tăng nhiệt độ trong vùng tạo phoi. Khi độ cứng tiếp tục tăng, vật liệu gia công trở nên giòn hơn và yêu cầu năng lƣợng cắt nhỏ hơn. Khi gia công vật liệu giòn, biến dạng nứt trở nên nhỏ hơn và khi nó nhỏ hơn một giới hạn nhất định, nứt trở nên thịnh hành và hiện tƣợng trƣợt cục bộ xảy ra gián đoạn trong vùng trƣợt. Khi hiện tƣợng này xảy ra, nhiệt độ trong dụng cụ không tăng mà lại bắt đầu giảm. Một điều cần lƣu ý là phoi dạng răng cƣa xuất hiện khi khi gia công phôi có độ cứng thấp hơn nhƣng với vận tốc cắt cao hơn. Điều này chứng tỏ cơ chế tạo phoi đƣợc điều khiển bởi sự cân bằng giữa vần tốc cắt và độ cứng của vật liệu gia công và mối quan hệ giữa hai yếu tố này với nhiệt độ trong vùng cắt. 1.1.2.1. Các hình thái phoi khi cắt kim loại Phoi hình thành trong quá trình cắt kim loại rất đa dạng song có thể chia thành hai dạng cơ bản [10]: + Dạng phoi dây ổn định (phoi liền): với ba loại tùy theo cơ chế hình thành bao gồm: vùng trƣợt tập trung gần nhƣ một mặt phẳng, vùng trƣợt có dạng mảng và vùng trƣợt mở rộng có biến dạng dẻo bên dƣới bề mặt do dao mòn (Hình 1.4) [10] 9 Hình 1.5. Cơ chế hình thành dạng phoi ổn định: Trượt tập trung trên mặt phẳng (a), vùng trượt tạo thành mảng (b), vùng trượt mở rộng bên dưới bề mặt gia công (c). + Dạng phoi tuần hoàn: phoi rời, phoi lƣợn sóng, phoi răng cƣa (phoi xếp) và phoi tạo thành với lẹo dao. Đôi khi còn có dạng phoi với bề dày thay đổi không tuần hoàn, đặc biệt là khi cắt kim loại nguyên chất. Khái niệm phoi phân đoạn thƣờng đƣợc dùng để mô tả cả phoi lƣợn sóng và phoi răng cƣa không còn phù hợp từ khi sự khác biệt giữa hai loại phoi này đƣợc nhận diện. Ví dụ, tần số chu kỳ của phoi lƣợn sóng thƣờng khoảng 100Hz trong khi tần số chu kỳ của phoi răng cƣa lớn hơn 2÷4 lần. Hơn nữa, phoi lƣợn sóng không có các đỉnh sắc nhọn nhƣ phoi răng cƣa (Hình 1.5) [10]. Hình 1.6. Các dạng phoi phân đoạn: phoi lượn sóng (a) và phoi răng cưa (b) 10 1.1.2.2 Cơ chế hình thành phoi khi tiện cứng Sự khác biệt cơ bản của quá trình tạo phoi khi gia công thép cứng và thép thông thƣờng là sự hình thành phoi răng cƣa, lần đầu tiên đƣợc Shaw phát hiện vào năm 1954 [10]. Các lý thuyết khác nhau để giải thích về cơ chế hình thành phoi răng cƣa có thể chia thành hai dạng: Dạng thứ nhất dựa trên sự trƣợt đoạn nhiệt ban đầu, một trạng thái mất ổn định nhiệt dẻo thƣờng thấy ở các vật liệu hạn chế về khả năng biến cứng khi bị biến dạng ở tốc độ cao hoặc biến dạng dẻo lớn [10]. Dạng thứ hai cho rằng do sự mất ổn định theo chu kỳ dựa trên sự xuất hiện và lan truyền của các vết nứt ở bề mặt tự do của phoi [14]. Theo quan điểm thứ nhất, sự thay đổi của tốc độ cắt khi gia công các loại vật liệu khó gia công gây ra sự không ổn định của quá trình đã dẫn đến phản ứng cơ nhiệt của vật liệu phôi dƣới điều kiện cắt gọt. Kết quả là sự trƣợt cục bộ và dạng phoi tuần hoàn đƣợc hình thành. Trƣợt cục bộ làm lực cắt thay đổi tuần hoàn và gây ra dao động hoặc va đập trong quá trình cắt, đặc biệt khi độ cứng vững của hệ thống thấp và nhiệt độ trên bề mặt tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ lớn. Phoi hình thành do trƣợt cục bộ là dạng phoi điển hình khi gia công các vật liệu có hệ thống trƣợt hạn chế (cấu trúc tinh thể sáu cạnh), khả năng dẫn nhiệt kém, độ cứng cao nhƣ các loại thép hợp kim cứng, các loại siêu hợp kim của titan và niken. Trái lại, phoi ổn định là dạng phoi thích hợp khi gia công các loại vật liệu có hệ thống trƣợt mạnh (cấu trúc tinh thể bốn cạnh), tính dẫn nhiệt tốt, độ cứng thấp nhƣ các loại thép các bon và thép hợp kim thông thƣờng [10]. Cơ chế hình thành phoi do trƣợt cục bộ gồm một chuỗi các quá trình với hai giai đoạn cơ bản: Giai đoạn thứ nhất là sự trƣợt không ổn định và biến dạng cục bộ trong một dải hẹp ở vùng trƣợt thứ nhất phía trƣớc dụng cụ. Giai đoạn thứ hai là quá trình phá hủy theo đƣờng nghiêng hình chêm của vật liệu phôi khi dụng cụ tiến về phía trƣớc với biến dạng không đáng kể để hình thành một phân đoạn phoi [10]. Quá trình hình thành phoi do trƣợt cục bộ khác hẳn với quá trình hình thành phoi liền ổn định (Hình 1.6). Trong trƣờng hợp hình thành phoi liền ổn định, hiện tƣợng biến cứng chiếm ƣu thế so với hiện tƣợng mềm hoá vì nhiệt. Khi trƣợt diễn ra 11 dọc theo mặt phẳng trƣợt chính a, do bị biến cứng nên ứng suất yêu cầu cho biến dạng tiếp theo trở nên lớn hơn và mặt phẳng yếu nhất sẽ chuyển sang mặt phẳng tiếp theo. Vì vậy, trƣợt sẽ chuyển sang mặt phẳng tiếp theo dẫn đến một sự phân bố biến dạng đồng đều trong phoi ở cấp độ tổng thể. Trong trƣờng hợp hình thành phoi do trƣợt cục bộ, sự mềm hoá vì nhiệt chiếm ƣu thế hơn sự biến cứng. Hình 1.7. Sơ đồ các giai đoạn của quá trình tạo phoi do trượt cục bộ trong cắt kim loại. 1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công khi tạo phoi 1.1.3.1. Hiện tƣợng biến dạng phoi Khi cắt kim loại bị biến dạng dẻo nên kích thƣớc của phôi thƣờng thay đổi so với kích thƣớc của lớp cắt sinh ra nó (hình 1.7). Gọi l: Chiều dài lớp cắt. lf : Chiều dài phoi. a: Chiều dầy lớp cắt. af : Chiều dầy phoi. bf : Chiều rộng phoi. 12 Hình 1.8: Biến dạng phoi Thông thƣờng : lf < l ; af > a ; bf b. Hiện tƣợng thay đổi kích thƣớc này gọi là hiện tượng biến dạng phoi (còn gọi là hiện tƣợng co dãn phoi). Để đánh giá mức độ biến dạng phoi dùng hệ số co rút phoi. - Hệ số biến dạng phoi theo chiều dọc: Kl = l (3.4) lf - Hệ số biến dạng phoi theo chiều dầy : Ka = af (3.5) a Khi kim loại bị biến dạng thể tích hầu nhƣ không thay đổi tức là Vf = V Ta có : Vì bf af . bf . lf = a . b . l b af . lf = a . l l lf af a Kl = K a = K Gọi K là hệ số co rút phoi, thông thƣờng K 1. 1.1.3.2. Những yếu tố ảnh hƣởng đến biến dạng phoi K đặc trƣng cho sự biến dạng xảy ra trong quá trình cắt gọt. K càng lớn biến dạng càng lớn. Trong cắt gọt ngƣời ta mong muốn K nhỏ tức là biến dạng nhỏ, khi đó 13 công tiêu hao trong quá trình cắt gọt bé, chất lƣợng bề mặt của chi tiết gia công cao. Do đó các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công khi tạo phoi cũng chính là những yếu tố ảnh hƣởng đến hệ số biến dạng. * Ảnh hƣởng của tốc độ cắt Thực nghiệm cho thấy quan hệ giữa hệ số biến dạng K và tốc độ cắt V đƣợc biểu diễn nhƣ hình 1.8. - Khi Vc tăng từ V1 V2 K giảm, chất lƣợng bề mặt tăng. - Trong vùng tốc độ cắt này khi Vc tăng tăng lực ma sát tăng, biến dạng của phoi tăng. Mặt khác khi đó lẹo dao xuất hiện và tăng dần làm tăng góc trƣớc, giảm góc cắt quá trình cắt dễ dàng hơn, phoi thoát ra dễ dàng hơn biến dạng của phoi giảm và đạt giá trị cực tiểu tại B ứng với Vc = V2 (tại đây chiều cao lẹo dao lớn nhất). Hai ảnh hƣởng này bù trừ lẫn nhau nhƣng ảnh hƣởng của lẹo dao lớn hơn. Hình 1.9: Quan hệ giữa tốc độ cắt và biến dạng của phoi - Khi Vc tăng từ V2 V3 K tăng, chất lƣợng bề mặt giảm. Trong vùng tốc độ cắt này, khi Vc tăng chiều cao lẹo dao giảm dần, dẫn đến góc trƣớc giảm, góc cắt tăng, biến dạng của phoi tăng. Khi Vc tăng, hệ số ma sát giảm, lực ma sát giảm, biến dạng của phoi giảm. Kết hợp hai ảnh hƣởng này, ảnh hƣởng của lẹo dao lớn hơn nên khi Vc tăng, biến dạng của phoi tăng và đạt giá trị cực đại khi Vc = V3 (tại đây lẹo dao mất hẳn). - Khi Vc > V3 : lẹo dao không còn, mặt khác nhiệt độ ở vùng cắt rất cao làm cho lớp kim loại của phoi sát mặt trƣớc bị chảy nhão, hệ số ma sát giữa phoi và mặt trƣớc giảm, K giảm, chất lƣợng bề mặt tăng. 14 - Khi Vc > 200 300 m/f hệ số ma sát thay đổi rất ít, dẫn đến biến dạng của phoi hầu nhƣ không thay đổi. - Các giá trị V1, V2, V3 phụ thuộc vào điều kiện gia công, vật liệu làm dao, phôi, thông số hình học của dụng cụ cắt. * Ảnh hƣởng của chiều dầy cắt Hình 1.9 là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa chiều dầy cắt a và hệ số biến dạng K. Ta thấy khi a tăng thì K giảm, chất lƣợng bề mặt tăng. Hình 1.10: Quan hệ giữa chiều dày cắt và biến dạng của phoi * Ảnh hƣởng của thông số hình học: - Ảnh hƣởng của góc trƣớc. Góc trƣớc tăng, K giảm (Chất lƣơng bề mặt tăng) vì khi tăng giảm, mũi dao dễ ăn sâu vào vật liệu gia công làm biến dạng của lớp cắt giảm, mặt khác phoi dễ trƣợt trên mặt trƣớc và thoát ra ngoài, do đó khi tăng biến dạng của phoi giảm (hình 1.10) Hình1.11: Quan hệ giữa góc trước và biến dạng của phoi 15 - Ảnh hƣởng của bán kính mũi dao r Bán kính mũi dao r tăng, góc nghiêng chính giảm, từ công thức a = S . sin ta thấy chiều dầy trung bình của lớp cắt giảm. Mặt khác r tăng, chiều dài của đoạn lƣỡi cắt cong tham gia cắt tăng, phoi thoát ra cong bị biến dạng phụ thêm do sự giao nhau của chúng trên cung cong (phƣơng thoát phoi xem nhƣ thẳng góc với lƣỡi cắt) làm cho biến dạng của phoi tăng, chất lƣợng bề mặt giảm (hình 3.15) Hình1.12 Quan hệ giữa bán kính mũi dao r và biến dạng của phoi - Ảnh hƣởng của góc nghiêng chính + Khi r = 0, a = S . sin do đó khi tăng a tăng , biến dạng của phoi giảm, chất lƣơng bề tăng. + Một giá trị nào đó (50 600) tiếp tục tăng thì biến dạng của phoi tăng vì khi này chiều dài của đoạn lƣỡi cắt cong tham gia cắt tăng, phoi bị biến dạng phụ thêm do sự giao nhau của lƣỡi cắt cong (hình 1.11).Khi r của K phức tạp hơn. Lúc đầu khi 0, tăng, sự thay đổi tăng, a tăng, biến dạng của phoi giảm. tăng thì chiều dài của đoạn lƣỡi cắt cong tham gia cắt càng tăng Hình 1.13: Ảnh hưởng của đến biến dạng phoi càng 16 - Ảnh hƣởng của vật liệu gia công Trong cùng một điều kiện cắt gọt, vật liệu càng dẻo biến dạng của phoi càng tăng (Chất lƣợng bề mặt giảm), vì vật liệu càng dẻo thì lực liên kết giữa các nguyên tử trong kim loại càng yếu, khiến cho sự trƣợt trong mạng tinh thể càng dễ xảy ra, tức là biến dạng càng dễ xảy ra. Do đó khi cắt vật liệu dẻo, phoi bị biến dạng nhiều hơn khi cắt vật liệu giòn, vật liệu càng dẻo biến dạng càng nhiều. Có thể thấy rằng độ cứng vật liệu gia công ảnh hƣởng không nhỏ đến hệ số biến dạng. Thực nghiệm cho thấy khi gia công thép: b = 300 400 N/ mm2: K = 4 5; b = 600 700N/mm2 : K = 2 3 - Ảnh hƣởng của vật liệu làm dụng cụ cắt Mỗi một loại vật liệu dụng cụ có hệ số ma sát với vật liệu của chi tiết gia công khác nhau. Trong cùng một điều kiện cắt gọt, vật liệu làm dao khác nhau, lực ma sát giữa phoi và mặt trƣớc khác nhau làm biến dạng của phoi cũng khác nhau. Thực nghiệm cho thấy : + HKC nhóm 1 các bit có hệ số ma sát với thép các bon lớn hơn HKC nhóm 2 các bít . nên khi gia công thép nên dùng HKC nhóm 2 các bít. + HKC có hệ số ma sát với thép nhỏ hơn thép gió với thép, vì vậy khi sử dụng HKC để gia công thép biến dạng của phoi nhỏ hơn khi sử dụng thép gió. 1.2 Dụng cụ cắt phủ bay hơi 1.2.1. Tổng quan về phủ bay hơi Kỹ thuât phủ lớp bảo vệ hiện đang đƣợc ứng dụng rông rãi trong công nghiệp. Các chi tiết máy yêu cầu các đặc tính bề mặt khác nhau nhƣ khả năng chống ăn mòn, mòn, oxy hóa. Có nhiều phƣơng pháp công nghệ thỏa mãn yêu cầu này. Tuy nhiên phƣơng pháp tạo lớp phủ từ thể khí sẽ đƣợc đề cập trong phần này. Phủ bay hơi đƣợc chia thành hai nhóm chính là bay hơi hóa học (Phủ CVD)và bay hơi vât lý (Phủ PVD). Trong nhóm này có rất nhiều kỹ thuât phủ dựa trên nguyên tắc dịch chuyển khối lƣợng từ một nguồn tới bề mặt cần phủ ở thể hơi. Một 17 số kỹ thuật kết hợp những đặc tính của một vài kỹ thuật khác nhau cho tính vạn năng cao hơn trong cả qua trình phủ và quá trình khai thác sử dụng sản phẩm. Thống kê số liệu của thị trƣờng thế giới về dụng cụ phủ (Bảng 3.1) cho rằng phủ CVD đƣợc ứng dụng trong ngành dụng cụ thì có đến 60% các dụng cụ hợp kim cứng. Bảng 1.1. Dữ liệu thị trường thế giới về phủ bay hơi cho dụng cụ trong lĩnh vực tạo hình và cắt vật liệu Loại dụng cụ Tổng giá trị Phủ PVD Phủ CVD Không phủ Dụng cụ thép gió 4 tỷ USD 23% 0% 77% Dụng cụ hợp kim 6 tỷ USD 10% 60% 30% Dụng cu tạo hình 8 tỷ USD 3% 5% 92% Tổng số 18 tỷ USD 10% 22% 68% cứng 1.2.2. Phủ CVD 1.2.2.1 Đinh nghĩa CVD là một công nghệ trong đó hỗn hợp khí tƣơng tác với bề mặt của nền ở nhiệt đô tƣơng đối cao làm cho môt vài thành phần trong hỗn hợp khí bị phân tích và tạo thành một lớp màng cứng kim loại hay hợp chất trên bề mặt nên. CVD yêu cầu một nguồn các khí dẫn, buồng phản ứng nâng nhiệt và một hệ thống để xử lý khi thải. Các khí dẫn bao gồm các khí trơ nhƣ: N và Ar, khí khử nhƣ H và rất nhiều khí có hoạt tính khác nhƣ Methane, CO2, hơi nƣớc…Một số khí dẫn ở dƣới dạng dung dịch khí áp suất cao nhƣ TiCl4, SiCl4. Những chất này đƣợc nâng nhiệt tới nhiệt độ trung bình (Dƣới 600c) và hơi nƣớc chuyển xuống buồng phản ứng bằng cách cho bọt khí mang (H hoặc Ar) đi qua dung dịch lỏng. Một số khí dẫn đƣợc tạo thành bằng cách biến đổi một kim loại rắn hay hợp chất thành hơi nhƣ AlCl3 tạo thành nhờ phản ứng của Al với Cl hoăc HCL. Hỗn hợp khí đƣợc đƣa tới một buồng phản ứng và nâng nhiệt tới nhiệt độ yêu cầu. Với CVD thông thƣờng nhiệt độ phản ứng có thể từ 9000c – 20000c phụ 18 thuộc vào lớp phủ cần tạo thành. Tuy nhiên khi sử dụng chất rẫn kim loại hữu cơ nhiệt độ có thể hạ đến 5000c – 8500c (MTCVD). Do chất này bị phân tích ở nhiệt độ tƣơng đối thấp. Nhiệt độ phản ứng có thể hạ thấp hơn bằng cách tăng hoạt tính phản ứng của pha hơi. Kỹ thuật này bao gồm PACVD, LCVD. Phản ứng hóa học của pha khí đƣợc tăng lên bằng cách tạo ra plasma trong pha khí hoặc chiếu chùm tia laze vào hỗn hợp khí. Các khí phản ứng sau đó đƣợc đƣa vào các thiết bị xử lý để trung hòa các chất có hoạt tính cao trong khí thải, tách chất rắn, làm nguội khí trƣớc khi thải ra môi trƣờng. 1.2.2.2. Đặc trƣng của phủ CVD - Kỹ thuật lớp phủ cứng thông qua phản ứng hóa học ở thể khí giữa các hợp chất dẫn ở trạng thái khí tại nhiệt độ trung bình tới cao; - Qúa trình đƣợc tiến hành ở áp suất khí quyển hoặc áp suất thấp; - Sử dụng Plasma hoặc Laze cho phép hạ thấp nhiệt độ phủ do kích thích hoạt tính của các chất phản ứng; - CVD cho phép tạo lớp phủ hỗn hợp (Đa lớp); - Mật độ và độ tinh khiết của lớp phủ có thể điều khiển; - CVD có thể tạo lớp phủ trên các chi tiết có hình dạng phức tạp và trên các vật liệu đặc biệt; - Chiều dày lớp phủ có thể lớn do các dòng khí chuyển động ở dạng lớp; - Cấu trúc của lớp phủ dạng hạt trụ. Tuy nhiên cấu trúc dạng hạt mịn đều cạnh có thể đạt đƣợc; - Điều khiển các phản ứng ở thể khí đặc biệt quan trọng trong việc tạo nên các tính chất mong muốn cho lớp phủ; - Một dải rộng kim loại, hợp kim, hợp chất có thể tạo nên lớp phủ hoặc chi tiết riêng biệt. - Vật liệu phủ tối ƣu: Al203, TiN, TIC. 19 1.2.3. Phủ PVD Phủ PVD đƣợc thực hiện trong buồng kín chứa khí trơ với áp suất thấp khoảng dƣới 10-2 bar ở nhiệt độ từ 4000c – 5000c. Với nhiệt độ của quá trình nhƣ thế phủ PVD thích hợp cho các dụng cụ thép gió. Do nhiệt độ thấp các nguyên tử khí và kim loại khi bay hơi phải đƣợc ion hóa và kéo về bề mặt cần phủ nhờ một điện thế âm đặt vào đó. Quá trình bắn phá bề mặt cần phủ bằng các ion của khí trơ đƣợc thực hiện trƣớc khi phủ để làm tăng độ dính kết của vật liệu phủ với nền. Theo nguyên tắc bay hơi phủ PVD có 4 dạng cơ bản: Sử dụng dòng điện tử có điện thế thấp; dòng điện tử có điện thế cao; điện quang và phƣơng pháp phát xạ từ lệch. Vật liệu phủ thông dụng hiện nay cho PVD là TiN. TiCN, TiAlN và CrN. Theo nguyên tắc bay hơi, phủ PVD có 4 dạng cơ bản: - Sử dụng dòng điện tử có điện thế thấp. - Dòng điện tử có điện thế cao. - Hồ quang. - Phát xạ từ lệch. Vật liệu phủ thông dụng hiện nay cho PVD là TiN, TiCN, TiAlN và CrN. Ứng suất dƣ trong lớp phủ là ứng suất dƣ nén. Chiều dày lớp phủ thƣờng bị hạn chế dƣới trong lớp phủ. 5μ - những năm 1980, phủ PVD đã trở thành một tiêu chuẩn công nghiệp. Hơn 30 năm qua, phủ PVD đã mở rộng bao gồm: TiN, TiCN, TiAlN, CrN… , phủ PVD - TiAlN đã đƣợc sử dụng rộng rãi nhất cho các công cụ cắt. , phủ PVD đã mở rộng thành phủ ngoài nhiều lớp, phủ ngoài hybrid đƣợc phân loại nhƣ phủ ngoài ma sát thấp. Những công nghệ phủ nàycung cấp một . 20 chi tiết chính xác hơn và quan trọng hơn thọ công cụ. Điều này có thể đƣợc đánh giá theo hai cách: 1. Tăng tuổi thọ dao cụ dẫn đến chi phí gia công mỗi lỗ hổng hay lõi sẽ thấp hơn. 2. Tăng tuổi thọ dao cụ sẽ dẫn đến tăng năng suất. Điều này có thể sẽ giữ nguyên mức chi phí gia công nhƣng sẽ tăng năng suất của xƣởng sản xuất bằng cách tăng các thông số của chế độ cắt. công hiệu quả hơn. Ứng dụng phù hợp công nghệ phủ vào các quá , tăng năng suất hay cả hai. công hiệu quả hơn. Tốc độ cắt sẽ tiếp tục tăng lên và nhiều nhiệt hơn sẽ đƣợc sinh ra. Quản lý hiệu q các xu hƣớng sản xuất trong tƣơng lai. khả năng cạnh tranh trong một thị trƣờng cạnh tranh cao đồng thời để tăng lợi nhuận. Thƣờn mới hay thuê thêm nhân viên để đạt đƣợc mục tiêu này. Tuy nhiên, bằng cách pháp chi phí thấp nhằm làm tăng năng suất, tăng lợi nhuận hay cả hai. 1.2.4. Vật liệu lớp phun phủ. Kỹ thuật bề mặt thực chất là tạo ra một hợp thể (lớp phủ nền) với mục đích làm tăng khả năng chống mòn và mài mòn của lớp bề mặt chi tiết, đặc biệt là các chi tiết máy…Tùy theo từng điều kiện làm việc cụ thể mà ngƣời ta sử dụng các loại vật liệu phủ khác nhau. Khi nghiên cứu chúng, ngƣời ta thƣờng quan tâm tới các vấn đề nhƣ: tính chất cơ lý của lớp phủ, một số cơ chế lý hóa trong quá trình tiếp xúc với mặt đối tiếp của lớp phủ. 21 Nói chung tác động của ma sát của lớp phủ ảnh hƣởng do các nguyên nhân sau: - Điều kiện tiếp xúc: tải trọng, tốc độ, hình dạng hình học, nhiệt độ môi trƣờng…Các điều kiện tiếp xúc thực tế rất khác nhau. - Vật liệu tiếp xúc: bao gồm các thông số về tính chất vật lý, hóa học của lớp phủ, nền và bề mặt tiếp xúc đối tiếp. - Cấu trúc vi mô của lớp phủ: Gồm các thông số nhƣ cỡ hạt, tỷ trọng và độ xốp những tham số đó có ảnh hƣởng bởi các phƣơng pháp khác nhau nhƣ phủ CVD hay phủ PVD. - Hệ thống hợp thể lớp phủ và nền bao gồm các thông số: Độ cứng, độ đàn hồi của lớp phủ và nền, độ nhám bề mặt và khả năng tƣơng thích nhiệt và hóa của chúng. Một tính chất quan trọng nữa là khả năng dính kết giữa lớp phủ và nền. - Do yêu cầu của thực tế, vật liệu lớp phủ đƣợc chia làm hai nhóm chính, đó là: Vật liệu lớp phủ mềm và vật liệu lớp phủ cứng. Dƣới đây trình bày một số loại vật liệu phủ cứng điển hình, thƣờng dùng cho dụng cụ cắt kim loại. Lớp phủ cứng - Lớp phủ cứng có khả năng chống mài mòn và ăn mòn rất tốt khi chịu tác động của các nguyên nhân cơ, hóa, nhiệt…Do vậy chúng đƣợc áp dụng cho các bề mặt cần có khả năng chống mài mòn, ăn mòn và mài mòn. Nó sẽ làm tăng tuổi bền, nâng cao tính năng cắt cũng nhƣ tuổi bề của dụng cụ cắt, do đó nó đã và đang đƣợc áp dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực này và đã đem lại nhiều hiệu quả cho quá trình cắt gọt. - Các tính chất khác của lớp phủ nhƣ: độ cứng tế vi, độ dính kết với nền, độ nhám bề mặt, hệ số ma sát khi tiếp xúc, độ ổn định nhiệt và hóa…phụ thuộc nhiều vào thành phần vật liệu của lớp phủ, công nghệ phun phủ. - Vật liệu lớp phủ cứng có rất nhiều loại các hợp chất nhƣ: các nitorit, các loại cacbit và các oxit hay một số hợp chất khác mà chúng đƣợc áp dụng với những ứng dụng phù hợp. 22 a, Lớp phủ Nitorit Titan (TiN) - Lớp phủ TiN đƣợc áp dụng phổ biến nhất. Nó đƣợc tạo bởi công nghệ phủ hóa học CVD và phủ bay hơi lý học PVD. Lớp phủ TiN đƣợc nghiên cứu trong một hệ thống tỷ mỷ và chi tiết cùng với các lớp phủ cứng khác. Từ đó ngƣời ta đã đánh giá và có sự so sánh chính xác hơn về tính chất ma sát của lớp phủ TiN nhƣ: độ cứng cao của lớp phủ, độ dính bám với nền, sự ổn định trạng thái hóa học. + Độ dính bám với nền: Độ dính bám với nền có thể coi là độ bền của sự liên kết hóa học giữa lớp phủ và nền, nó phụ thuộc vào nhân tố nhƣ: trạng thái bề mặt nền, vật liệu nền và vật liệu lớp phủ thông qua cơ lý tính của chúng, ứng suất của lớp tiếp giáp, công nghệ phủ. + Khả năng chống mài do mài mòn: Khả năng chống mòn và mài mòn của lớp phủ TiN trên nền thép đƣợc cải thiện đáng kể với chiều dày lớp phủ khoảng 4-6μm trên nền. Độ nhám bề mặt lớp phủ lúc ban đầu cũng ảnh hƣởng đến khả năng chống mòn, lớp bề mặt càng nhẵn thì nó càng ít bị mài mòn hơn. + Khả năng chịu tác động tải trọng của hệ thống lớp phủ trên nền: là rất quan trọng. Dạng hỏng khi mài mòn của lớp phủ đƣợc xác định từ sự tách ra của các lớp mỏng của quá trình mài mòn. Do đó ta kết luận về khả năng chịu mài mòn thực tế của lớp phủ. Hình 2.2 mô tả khả năng chịu tải trọng của lớp phủ cứng trên nền mềm hơn Hình 1.14. Khả năng chịu tải trọng của lớp phủ cứng trên nền mềm hơn a, Biến dạng dẻo với lớp phủ mỏng; b, Không biến dạng với lớp phủ dày Chiều dày lớp phủ có khả năng chống lại sự tác dụng của ứng suất tiếp xúc khi biến dạng với biến dạng nhỏ hoặc không biến dạng của lớp nền nằm dƣới. Chiều dày lớp phủ bị hỏng chủ yếu là do cơ chế dính gãy. Khả năng chống mòn của lớp phủ 23 TiN có thể hoàn thiện hơn nếu đƣa thêm Titanium vào nhƣ một lớp xen giữa trong kích thƣớc bao của lớp phủ và điều đó có thể cải thiện tốt độ bám dính của lớp phủ (Matthews-1980). Với ứng suất thấp, sự có mặt của titanium có thể cho kết quả có lợi, làm giảm ứng suất và tăng độ bền. b, Lớp phủ TiAlN . Tính dẫn nhiệt kém nhƣng rất cứng. c, Các loại vật liệu phủ cứng khác Một số loại lớp phủ nitorit đặc trƣng khác nhƣ: (ZrN)…và các lớp phủ nhiều hợp chất nitorit nhƣ: Ti(B,N), Ti(C,N)..chúng cũng có những tính chất ma sát tƣơng tự nhƣ lớp phủ TiN nhƣng nói chúng vẫn còn hạn chế cần tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện. Do vậy chúng đƣợc áp dụng trong những ứng dụng thích hợp. Các lớp phủ cacbit Cacbit kim loại nói chung rất cứng, nhiệt độ nóng chảy cao và có đặc tính ma sát tốt. Hệ số ma sát khi chúng trƣợt lên nhau là thấp vào khoảng 0,2. Nó bằng 1/3 giá trị hệ số ma sát khi thép trƣợt trên thép. Rất nhiều loại cacbit đã đƣợc dùng làm vật liệu phủ. Nói chung chúng có hệ số ma sát thấp khi tiếp xúc thƣờng vào khoảng 0,15 đến 0,4 và có khả năng chống mòn tốt. Sau lớp phủ TiN là lớp phủ TiC, là lớp phủ đƣợc nghiên cứu rộng rãi nhất. Còn rất nhiều lớp phủ đáng chú ý khác nhƣ WC, CrC. Nói chung các cacbit đều có khả năng chống mòn rất tốt vì chúng có độ cứng cao, ngoài ra chúng còn có khả năng chống trƣợt, chống lăn rất tốt, do vậy chúng đƣợc sử dụng rộng rãi làm vật liệu phủ chống mòn, đặc biệt trên bề mặt vật liệu dụng cụ cắt. Lớp phủ oxit Lớp phủ oxit có thể tạo bởi một số kỹ thuật và có thể cải thiện đƣợc tính chống mòn và ma sát. Một trong những lớp phủ đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp đó là lớp phủ cứng mỏng dùng Al2O3. Lớp phủ có chiều dày vài μm có khả năng giảm ma sát giữa mặt trƣớc và phoi, chống lại lực và nhiệt độ cao và cải thiện 24 tuổi bền cho dụng cục cắt. Hiện nay, lớp phủ oxit, đặc biệt là lớp phủ Al2O3 tiếp tục đƣợc nghiên cứu và hoàn thiện để nâng cao khả năng sử dụng. Lớp phủ borit Borit nói chung là loại vật liệu rất cứng, nó dùng chủ yếu trong ứng dụng ma sát học ở việc chống mài mòn tốt. Hệ số ma sát trong tiếp xúc nói chung khá cao. Ngƣời ta quan tâm tới lớp phủ TiB2, vì nó có độ món rất thấp trong tiếp xúc trƣợt và lớp phủ FeB, FeB có thể sử dụng nhƣ một loại vật liệu hãm, bởi vì đặc tính ma sát học đặc biệt của nó là mòn rất thấp. Lớp phủ kim cƣơng và giống nhƣ kim cƣơng Đƣợc đặc biệt quan tâm vào những năm 1980. Việc phủ một lớp màng mỏng kim cƣơng đã có từ những năm 1950 nhƣng những nghiên cứu thực sự bùng nổ vào những năm 1980, khi tốc độ lắng đọng tạo ra ở cấp 1μm. Trong ứng dụng ma sát học, khả năng chống trƣợt tốt của lớp phủ kim cƣơng đƣợc áp dụng khi gia công kim loại màu. Khi hai bề mặt kim cƣơng trƣợt lên nhau, hệ số ma sát thƣờng rất thấp, khoảng 0,05 – 0,15 và tốc độ mòn rất thấp. Trong nhiệt độ cao, trong không khí hệ số ma sát thực chất thấp hơn trong chân không. Sự giảm đó rất quan trọng vì nói chung quá trình oxy hóa kết hợp với nhiệt độ cao và trƣợt gây ra bởi sự chuyển pha của kim cƣơng thành graphic. Khi đó hệ số ma sát khi tiếp xúc giảm nhƣng độ cứng lớp phủ cũng giảm xuống. Lớp phủ nhiều hợp chất Lớp phủ nhiều hợp chất đƣợc thực hiện bởi các phƣơng pháp phủ bay hơi CVD, PVD trong lớp phủ đó có sự pha trộn của vài hợp chất vật liệu, sự tập trung điện tử thay đổi và bởi vậy dẫn đến kết quả làm thay đổi tính chất cơ học và tính chất lý học của lớp phủ. Lớp phủ nhiều hợp chất rất cứng, với khả năng chống mài mòn và đƣợc phát triển bởi Kontek cùng với các tác giả khác 25 1.2.5. Định hƣớng nghiên cứu Qua phân tích ở trên ta thấy có rất nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng bề mặt chi tiết khi tạo phoi: Vận tốc cắt, chiều dày cắt, thông số hình học, vật liệu gia công…Ở đề tài này tác giả nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ cắt đến chất lƣợng bề mặt. Để gia công chi tiết sau khi tôi ngƣời ta có thể sử dụng nhiều loại dụng cụ cắt với lớp phủ khác nhau. Ở đề tài này, tác giả sử dụng mảnh dao hợp kim cứng phủ TiAlN để gia công thép 9XC sau khi tôi. 26 Chƣơng II: MÕN DỤNG CỤ CẮT 2.1. Ma sát của dụng cụ phủ Ma sát giữa vật liệu dụng cụ phủ và vật liệu chi tiết gia công đƣợc quan tâm rất nhiều. Ma sát trong cắt kim loại là ma sát trƣợt tuy nhiên đặc điểm của tƣơng tác ma sát khác hẳn với ma sát thông thƣờng trong kỹ thuật là lực ma sát phụ thuộc vào áp lực pháp tuyến theo công thức Fm= f.N Hệ số ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc phụ thuộc vào ứng suất pháp tuyến tại chỗ tiếp xúc hay tỷ số giữa diện tích tiếp xúc thực và diện tích tiếp xúc danh nghĩa Ar/A Kết quả nghiên cứu của Shaw, Ber và Bamin chỉ ra sụ phụ thuộc này trên hình vẽ với 3 vùng ma sát. Vùng I tƣơng ứng với tiếp xúc mà Ar 0.6mm). Hình 2.3. Mòn mặt trước c. Mòn đồng thời mặt trƣớc và mặt sau: (hình 2.4). Dụng cụ cắt bị mòn mặt trƣớc, mặt sau và tạo thành lƣỡi cắt mới. trƣờng hợp này thƣờng gặp khi gia công vật liệu dẻo với chiều dày cắt ( t = 0,1 ÷ 0,5) Hình 2.4. Mòn đồng thời cả mặt trước và mặt sau d. Cùn lƣỡi cắt: Ở dạng dụng cụ bị mòn dọc theo lƣỡi cắt tạo thành cung hình trụ. Bán kính của cung đó đƣợc đo trong bề mặt vuông góc với lƣỡi cắt. Dạng mòn này thƣờng gặp khi gia công các loại vật liệu dẫn nhiệt kém, đặc 31 biệt khi gia công các chất dẻo. Do nhiệt tập trung ở mũi dao nên dao bị cùn nhanh. Cơ chế mòn của dao rất phức tạp và chúng có thể bị mài mòn theo các cơ chế sau đây: 2.3.2. Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt Theo Shaw mòn dụng cụ có thể do dính, hạt mài, khuếch tán, ôxy hóa và mỏi. Các cơ chế mòn này xảy ra đồng thời trong quá trình cắt tuy nhiên tùy theo điều kiện cắt cụ thể mà một cơ chế nào đó chiếm ƣu thế. Ngoài ra dụng cụ còn bị phá hủy do mẻ dăm, nứt và biến dạng dẻo [7]. Theo Loffer trong cắt kim loại nhiệt độ cắt hay vận tốc cắt là nhân tố có ảnh hƣởng mạnh nhất đến sự tồn tại của các cơ chế mòn phá hủy. Ở dải vận tốc cắt thấp và trung bình, cơ chế mòn do dính và do hạt mài chiếm ƣu thế khi cắt liên tục và gián đoạn. Khi tăng vận tốc cắt, mòn do hạt mài và hóa lý trở lên chiếm ƣu thế đối với cắt liên tục và tạo nên vùng mòn mặt trƣớc. Sự hình thành các vết nứt do ứng suất nhiệt biến đổi theo chu kỳ là cơ chế mòn chủ yếu dẫn đến vỡ lƣỡi cắt khi cắt không liên tục [7].. Hình 2.13, 2.14. thể hiện mối quan hệ giữa vận tốc cắt và cơ chế mòn khi cắt liên tục và gián đoạn. Hình 2.5. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt liên tục 32 Hình 2.6. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt gián đoạn a. Mòn do cào xƣớc Khi cắt ở tốc độ thấp, nhiệt cắt thấp, cơ chế mài mòn hạt mài là chính. Các tạp chất có độ cứng cao trong vật liệu gia công, khi chuyển động cào xƣớc các bề mặt tiếp xúc của dụng cụ tạo thành các vết song song với phƣơng thoát phoi. b. Mòn do dính Khi hai bề mặt rắn, phẳng trƣợt so với nhau mòn do dính xảy ra tại chỗ tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô dƣới tác dụng của tải trọng pháp tuyến. Khi sự trƣợt xảy ra vật liệu ở vùng này bị trƣợt (biến dạng dẻo) dính sang bề mặt đối tiếp hoặc tạo thành các mảnh mòn rời, một số mảnh mòn còn đƣợc sinh ra do quá trình mòn do mỏi ở đỉnh các nhấp nhô. Giả thuyết đầu tiên về mòn do trƣợt, sự trƣợt cắt có thể xảy ra ở bề mặt tiếp xúc chung hoặc về phía vùng yếu nhất của hai vật liệu tại chỗ tiếp xúc. Có giả thuyết, nếu sức bền dính đủ lớn để cản trở chuyển động trƣợt tƣơng đối, một vùng của vật liệu sẽ bị biến dạng dƣới tác dụng của ứng suất nén và tiếp và sự trƣợt xảy ra mạnh dọc theo các mặt phẳng trƣợt này tạo thành các mảnh mòn dạng lá mỏng. Nếu biến dạng dẻo xảy ra trên diện rộng ở vùng tiếp xúc đôi khi 33 mảnh mòn sinh ra có dạng nhƣ hình nêm và dính sang bề mặt đối tiếp. Đối với dụng cụ cắt mòn do dính phát triển mạnh đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ cao. Các vùng dính bị trƣợt cắt và tái tạo liên tục theo chu kỳ thậm chí trong khoảng thời gian cắt ngắn, hiện tƣợng mòn có thể gọi là dính mỏi. Khả năng chống mòn dính mỏi phụ thuộc vào sức bền tế vi của các lớp bề mặt dụng cụ và cƣờng độ dính của nó đối với bề mặt gia công. Cƣờng độ này đƣợc đặc trƣng bởi hệ số cƣờng độ dính Ka là tỷ số giữa lực dính riêng và sức bền của vật liệu gia công tại một nhiệt độ xác định. Với đa số các cặp vật liệu thì Ka tăng từ 0,25 đến 1 trong khoảng nhiệt độ từ 9000C - 13000C. Bản chất phá hủy vật liệu ở các lớp bề mặt do dính mỏi là cả dẻo và dòn. Độ cứng của mặt dụng cụ đóng vai trong rất quan trọng trong có chế mòn do dính. Khi tăng tỷ số độ cứng giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công từ 1,47 đến 4,3 thì mòn do dính giảm đi khoảng 300 lần. c. Mòn do hạt mài Trong nhiều trƣờng hợp mòn bắt đầu do dính tạo nên các hạt mòn ở vùng tiếp xúc chung, các hạt mòn này sau đó bị ôxy hoá biến cứng và tích tụ lại là nguyên nhân tạo nên mòn hạt cứng ba vật. Trong một số trƣờng hợp hạt cứng sinh ra và đƣa vào hệ thống trƣợt từ môi trƣờng. Theo Loladze, mòn dụng cụ cắt do hạt mài có nguồn gốc từ các tạp chất cứng trong vật liệu gia công nhƣ oxides và nitrides hoặc những hạt các bít của vật liệu gia công trong vùng tiếp xúc giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công tạo nên các vết cào xƣớc trên bề mặt dụng cụ. Môi trƣờng xung quanh có ảnh hƣởng lớn đến cƣờng độ của mòn do hạt mài. Ví dụ khi gia công cắt trong môi trƣờng có tính hoá học mạnh. lớp bề mặt bị yếu đi và các hạt mài có thể cắm sâu hơn ở vùng tiếp xúc và tăng tốc độ mòn. Armarego cho rằng khả năng chống mòn do hạt mài tỷ lệ thuận với các tính chất đàn hồi và độ cứng của hai bề mặt ở chỗ tiếp xúc [17]. d. Mòn do khuếch tán Nhiệt độ cao phát triển trong dụng cụ đặc biệt là trên mặt trƣớc khi cắt tạo 34 phoi dây là điều kiện thuận lợi cho hiện tƣợng khuếch tán giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công. Colwell đã đƣa ra nghiên cứu của Takeyama cho rằng có sự tăng đột ngột của tốc độ mòn tại nhiệt độ 9300C khi cắt bằng dao hợp kim cứng. Điều này liên quan đến một cơ chế mòn khác đó là hiện tƣợng mòn do khuếch tán, ôxy hoá hoặc sự phân rã hoá học của vật liệu dụng cụ ở các lớp bề mặt. Theo Brierley và Siekmann hiện nay mòn do khuếch tán đã đƣợc chấp nhận rộng rãi nhƣ một dạng mòn quan trọng ở tốc độ cắt cao, họ chỉ ra các quan sát của Opitz cho thấy trong cấu trúc tế vi của các lớp dƣới của phoi thép cắt bằng dao hợp kim cứng chứa nhiều cacbon hơn so với phôi. Điều đó chứng tỏ rằng cacbon từ cacbit volfram đã hợp kim hoá hoặc khuếch tán và phoi làm tăng thành phần cacbon của các lớp này. Trent cho rằng do dính hiện tƣợng khuếch tán xảy ra qua mặt tiếp xúc chung của dụng cụ và vật liệu gia công là hoàn toàn có khả năng. Dụng cụ bị mòn do các nguyên tử cacbon và hợp kim khuyếch tán vào phoi và bị cuốn đi. Khuyếch tán là một dạng của ăn mòn hoá học trên bề mặt dụng cụ nó phụ thuộc vào tính linh động của các nguyên tố liên quan. Tốc độ mòn do khuyếch tán không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ cao mà còn phụ thuộc và tốc độ của dòng vật liệu gần bề mặt dụng cụ có tác dụng cuốn các nguyên tử vật liệu dụng cụ đi. Khi cắt thép và gang Ekemar cho rằng tƣơng tác giữa vật liệu gia công và vật liệu dụng cụ có thể xảy ra. Thành phần chính của các lớp phoi tiếp xúc với dụng cụ là austenite với thành phần cacbon thấp khi nhiệt độ vùng tiếp xúc đủ cao. Austenite này hoà tan một số các nguyên tố hợp kim của dụng cụ trong quá trình cắt. e. Mòn do ôxy hoá Dƣới tác dụng của tải trọng nhỏ các vết mòn kim loại trông nhẵn và sáng, mòn xảy ra với tốc độ mòn thấp và các hạt mòn ôxits nhỏ đƣợc hình thành. Bản chất của cơ chế mòn này là sự bong ra của các lớp ôxy hoá khi đỉnh các nhấp nhô trƣợt lên nhau. Sau khi lớp ôxy hoá bị bong ra thì lớp khác lại đƣợc hình thành theo một quá trình kế tiếp nhau liên tục. Tuy nhiên theo Halling thì lớp màng oxit và các sản phẩm tƣơng tác hoá học với môi trƣờng trên bề mặt tiếp xúc có khả năng ngăn ngừa hiện tƣợng dính của đỉnh các nhấp nhô. Khi đôi ma sát trƣợt làm việc trong 35 môi trƣờng chân không thì mòn do dính xảy ra mạnh do lớp màng oxits không thể hình thành đƣợc. f. Mòn do nhiệt Thể tích vật liệu tại lƣỡi cắt là rất nhỏ nên khi cắt nhiệt độ cao tập trung tại vị trí lƣỡi cắt, do đó sẽ xảy ra hiện tƣợng quá nhiệt của vật liệu dao dẫn đến phá huỷ lƣỡi cắt do nhiệt. 2.3.3. Mòn của dụng cụ phủ bay hơi Để nâng cao khả năng sử dụng của dụng cụ bởi sự kết hợp độc đáo của lớp phủ với nền, độ cứng nóng của lớp phủ cao và khả năng cải thiện điều kiện tiếp xúc ở vùng lƣỡi cắt. Lớp phủ có ƣu điểm nổi bật nhƣ giảm ma sát, giảm dính và khuyếch tán giữa vật liệu gia công và các bề mặt dụng cụ. Có hai cơ chế mòn chính xảy ra trên dụng cụ phủ khi cắt thép đó là nứt, vỡ và bong ra của các mảnh TiN và mòn vật liệu nền. Khi sử dụng dao tiện T15 cắt thép 1045 với vận tốc cắt 100 m/phút đã phát hiện cơ chế mòn chủ yếu là sự gãy, vỡ của lớp phủ khi nền thép gió bị giảm độ cứng do nhiệt độ cao. Mòn liên tục của lớp phủ ở gần vùng mòn mặt trƣớc hầu nhƣ không đáng kể, điều đó nói nên rằng khả năng chống mòn do hạt mài và mòn hoá học của TiN là rất cao. Sự gãy vỡ của lớp phủ trên mặt trƣớc là do nhiệt độ cao phát triển và làm giảm độ cứng của nền. Quá trình gẫy vỡ sẩy ra theo 3 giai đoạn nhƣ hình 2.15. Hình 2.7. Sơ đồ thể hiện 3 giai đoạn mòn mặt trước của dụng cụ thép gió phủ TiN 36 - Giai đoạn 1: Ma sát giữa phoi và lớp phủ sinh ra nhiệt và truyền vào dụng cụ. -Giai đoạn 2: Dƣới tác dụng của ứng suất pháp và tiếp cùng nhiệt độ cao dƣới lớp phủ, nền bị biến dạng dẻo làm cho lớp phủ bị nứt, vỡ cục bộ sau đó bị cuốn đi cùng với dòng phoi làm cho nền bị lộ ra. Ma sát và nhiệt độ của vùng này tiếp tục tăng lên. - Giai đoạn 3: Vùng mòn mặt trƣớc xuất hiện. Nền của lớp phủ gần vùng mòn tiếp tục bị giảm độ cứng làm cho lớp phủ tiếp tục bị nứt, vỡ và cuốn đi theo phoi. Vùng mòn mặt trƣớc phát triển rộng dần làm giảm khả năng cắt gọt của dụng cụ [7]. 2.3.4. Ảnh hƣởng của mòn dụng cụ phủ đến chất lƣợng bề mặt gia công Khi mòn sẽ làm cho hình dạng và thông số hình học phần cắt của dụng cụ thay đổi dẫn đến các hiện tƣợng vật lý sinh ra trong quá trình cắt thay đổi (nhƣ nhiệt cắt, lực cắt ) và ảnh hƣởng xấu đến chất lƣợng bề mặt gia công [2]. 2. 4. Kết luận Chất lƣợng bề mặt khi tiện cứng bị ảnh hƣởng bởi rất nhiều yếu tố nhƣ trình trạng máy, dao, khả năng công nghệ, cơ tính vật liệu phôi và chế độ cắt,...Tuy nhiên do sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các máy NC và CNC, các mảnh dao lắp ghép có độ bền, độ cứng, đồng thời khả năng chịu nhiệt đặc biệt cao đã làm tính công nghệ trong tiện cứng giảm phần nào tính phức tạp. Trong luận văn tác giả nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ cắt tới chất lƣợng bề mặt. 37 Chƣơng III. NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT TỚI CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT KHI TIỆN TINH THÉP 9XC BẰNG DAO HỢP KIM CỨNG PHỦ CVD 3.1. Thí nghiệm 3.1.1. Yêu cầu đối với hệ thống thí nghiệm: - Đáp ứng đƣợc yêu cầu của vấn đề lý thuyết cần nghiên cứu. - Đảm bảo độ chính xác, độ tin cậy và độ ổn định. - Đảm bảo việc thu thập và xử lý các số liệu thí nghiệm thuận lợi. - Đảm bảo tính khả thi. - Đảm bảo tính kinh tế. Hệ thống thiết bị thí nghiệm phục vụ cho đề tài đƣợc đặt tại xƣởng cỏ 2 trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên. 3.1.2. Mô hình thí nghiệm Mô hình thí nghiệm đƣợc sử dụng thể hiện trên hình vẽ: Mô hình thí nghiệm 1. Mâm cặp 2. Chi tiết gia công 3. Mũi chống tâm 4. Dao 38 3.1.3. Thiết bị thí nghiệm. 3.1.3.1. Máy Thiết bị đƣợc thí nghiệm trên máy tiện Quick Turn Smark 200- Mazak Bảng thông số kỹ thuật của máy: Dòng máy Quick Turn Smart 200 Kích thƣớc mâm cặp 200mm (8") Đƣờng kính gia công lớn nhất φ 350mm (φ14") Chiều dài gia công lớn nhất 541mm ( φ 21.299" ) *2 Hành trình trục (X/Z) 195 / 560 mm ( 7.75" / 22" ) Tốc độ trục chính 5000 rpm , 15kw ( 20 hp ) Sức chứa ổ dao 12 Diện tích lắp đặt yêu cầu 2630 × 1685 mm ( 103.5" × 66.1" ) 39 3.1.3.2. Dao Mảnh dao tiện phủ TiAlN (Thành phần lớp phủ Ti: 74,7%; 14,7%, Al: 10,6%). Hãng SANDVIK, ký hiệu mảnh: VNMG 160404- QM Trong đó: + V: Loại mảnh hình thoi góc 350 + N: Góc sau bằng 00 + G: Cấp dung sai của mảnh + M: Kiểu cơ cấu bẻ phoi + 16: Đƣờng kính vòng tròn nội tiếp tam giác iC = 9,525 + 04: Bề dày mảnh S = 4,76 + 04: Bán kính mũi dao R = 0,4 40 Thân dao: 3.1.3.3. Phôi Thép 9XC đƣợc sử dụng trong thí nghiệm có chiều dài L = 300mm, đƣờng kính Ø50, tôi thể tích đạt các độ cứng theo yêu cầu Độ cứng 52 – 55 HRC Bảng 3.1: Thành phần hóa học thép 9XC 41 3.1.3.4. Chế độ cắt Chú ý tới khả năng của máy, mảnh dao và điều kiện gia công tinh sử dụng trong xƣởng thực nghiệm ta chọn đƣợc bộ thông số chế độ cắt cắt thử nhƣ sau: - V = 200 (m/ph) - S = 0,12 (mm/vòng) - t = 0,15(mm) 3.1.4. Thiết bị đo khác 3.1.4.1. Máy đo độ nhám bề mặt Sử dụng máy đo độ nhám Mytutoyo SJ – 210 (Nhật Bản). Các thông số kỹ thuật cơ bản: Hiển thị LCD. Tiêu chuẩn DIN, ISO, JIS, ANSI. - Thông số đo đƣợc: Ra, Rz, Rt, Rq, Rp, Ry, Pc, S, Sm. - Độ phân giải: 0,03μm/300μm; 0,08μm/75μm; 0,04μm/9,4μm. - Bộ chuyển đổi A/D: RS232. - Phần mềm điều khiển và xử lý số liệu MSTATW324.0. 42 3.1.4.2. Kính hiển vi điện tử SEM Sử dụng để lấy kết quả chiều dài đoạn bong tróc bề mặt lớp phủ trên mảnh dao. 3.1.5. Tiến hành thí nghiệm Thí nghiệm dƣợc tiến hành trên máy tiện Quick Turn Smark 200- Mazak, mỗi thí nghiệm đƣợc thực hiện bằng 1 mảnh dao TiAlN. Sau đó đo độ nhám bằng máy đo nhám SJ-201. Mỗi thí nghiệm đo độ nhám 3 lần tại 3 vị trí khác nhau sau đó lấy kết quả trung bình và đƣa vào bảng. Lƣợng bong tróc trên mặt trƣớc dụng cụ cắt đƣợc xác định trên ảnh kính hiển vi điện tử SEM. - Với chiều sâu cắt t= 0,1 mm, chiều dài cắt L= 250 mm. Vận tốc cắt, lƣợng chạy dao và thứ tự thí nghiệm theo thứ tự cho trong bảng 3.1. Bảng 3.1: Bảng quy hoạch và kết quả thực nghiệm xác định lượng mòn mặt trước của dao và nhám bề mặt của chi tiết sau khi gia công. TT v (m/ph) s(mm/vg) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100 130 170 100 130 170 100 130 170 0,125 0,125 0,125 0,16 0,16 0,16 0,25 0,25 0,25 Ra ( m) 1,375 1,21 1,070 0,522 0,650 0,668 0,544 0,716 0,985 Lƣợng mòn U ( m) 119.6 269.1 256.2 241.6 386.3 20.2 82.2 43 97.2 43 3.2 Phân tích kết quả thí nghiệm: 3.2.1. Phân tích nhám bề mặt phôi thép 9XC ở các độ chế độ cắt khác nhau. Tiến hành xử lý số liệu ta có kết quả sau: Hiệu quả quá trình tiện cứng đƣợc đặc trƣng bởi các chỉ tiêu trực tiếp nhƣ năng suất cắt, tuổi bền của dụng cụ, chất lƣợng bề mặt gia công, chi phí năng lƣợng… hoặc các chỉ tiêu trung gian nhƣ lực cắt, nhiệt cắt, mòn dụng cụ, rung động… Các chỉ tiêu này bị chi phối bởi rất nhiều yếu tố độc lập nhƣ các thông số chế độ cắt, dụng cụ cắt, vật liệu phôi… Sự phụ thuộc của các chỉ tiêu này vào điều kiện cắt có thể biểu diễn khái quát bằng hàm: f(a,b,v,s,t, , ,r,Fd,M,N,F,O) trong đó: a,b là bề rộng và bề dày cắt; v- vận tốc cắt; s- lƣợng chạy dao, t- chiều sâu cắt, , ,r - góc trƣớc, góc nghiêng và bán kính mũi dao; M,N- vật liệu của phôi và dao; Fd- diện tích mặt cán dao; O- dung dịch trơn nguội. Việc nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng của tất cả các thông số là điều không thể nên cần phải sàng lọc và tổ hợp các yếu tố nhằm xác định các yếu tố ảnh hƣởng chính để nghiên cứu. Trong nghiên cứu này, các yếu tố đầu vào đƣợc xác định dựa trên các thông tin tiên nghiệm, có đƣợc nhờ kết quả quan sát trực tiếp từ quá trình tiện cứng và các tài liệu tham khảo của các mô hình nghiên cứu tƣơng tự. Các nghiên cứu đã có cho thấy, các yếu số ảnh hƣởng lớn nhất tới các chất lƣợng bề mặt và tuổi thọ dụng cụ là các thông số về chế độ cắt bao gồm vận tốc cắt v, chiều sâu cắt t và lƣợng chạy dao s. Trong giới hạn của nghiên cứu này chỉ xét đến ảnh hƣởng của vận tốc cắt và lƣợng chạy dao: V(m/ph); S (mm/vòng). Chọn chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng bề mặt gia công là: độ nhám Ra. Kết quả của nhiều công trình nghiên cứu thực nghiệm về tiện cứng [1], [2]; [3]; [6]… đã cho thấy quan hệ giữa các chỉ tiêu đánh giá F (Ra) với chế độ cắt (V, S,T) có dạng hàm mũ: F Cvr s pt q (*) Các số mũ r, p, q và hệ số C của phƣơng trình (*) đƣợc xác định bằng thực nghiệm. Lấy logarit hai vế và đặt: f = lnRa; a0 = lnC; x1 = lnV; x2 = lnS ; r = a1 p = a2 44 ta có: lnRa = lnC + a1lnV + a2lnS f = ao + a1x1 + a2x2 (**) Trong phƣơng trình (**) f, x1, x2 đã biết. Cần xác định các hệ số: ao; a1; a2. Bảng kết quả quy đổi logait các thông số đầu vào và đầu ra của thí nghiệm: TT lnv lnS ln(Ra) ( m) lnU 1 2 3 4 5 6 7 8 9 4.61 4.87 -2.08 -2.08 0.32 0.19 4.78 5.6 5.14 -2.08 0.07 5.55 4.61 4.87 -1.83 -1.83 -0.65 -0.43 5.49 5.96 5.14 -1.83 -0.4 3.01 4.61 4.87 -1.39 -1.39 -0.61 -0.33 4.41 3.76 5.14 -1.39 -0.02 4.58 Để nhận đƣợc các phƣơng trình dạng (*), dùng phần mềm Design Expert 8.0.5 để giải phƣơng trình (**) với kết quả thực nghiệm trong bảng tổng hợp số liệu thí nghiệm (bảng 3.1), sau khi loại bỏ các hệ số không có ý nghĩa ta đƣợc phƣơng trình hồi quy nhƣ sau: 45 Hình 3.1: Kết quả xử lý giữ liệu Ra. Từ kết quả hồi quy ta nhận đƣợc kết quả sau khi loại bỏ các hệ số không có ý nghĩa nhƣ sau: Ra 0,6636V 0, 098 S 0 , 053 Biểu đồ quan hệ giữa vận tốc, lƣợng chạy dao và nhám bề mặt: Hình 3.2: Biểu đồ mức độ ảnh hưởng của V và S đến nhám bề mặt. 46 Ra (micro) 1.26 1.24 1.22 1.2 1.18 1.16 1.14 1.12 100 0.25 120 140 sv(mm/vg) (m/ph) 0.2 160 180 0.1 0.15 S (mm/vg) v (m/ph) Hình 3.3: Biểu đồ bề mặt chỉ tiêu quan hệ giữa vận tốc, lượng chạy dao và nhám bề mặt. (Sử dụng phần mềm Matlab để vẽ biều đồ quan hệ) Từ đồ thị có thể thấy khi gia công thép 9XC ở các chế độ khác nhau bằng mảnh dao phủ TiAlN, nhám bề mặt giảm khi tăng lƣợng chạy dao từ 0,125 đến 0,19 mm/vg và tăng lên khi lƣợng chạy dao tăng từ 0,19 đến 0,25 mm/vg. Khi vận tốc cắt tăng nhám bề mặt tăng. 3.2.2. Phân tích lƣợng mòn mặt mặt trƣớc mảnh dao phủ TiAlN khi tiện cứng thép 9XC ở các độ chế độ cắt khác nhau. Tiến hành xử lý số liệu ta có kết quả sau: Tƣơng tự nhƣ khi nhiên cứu nhám bề mặt trong quá trình tiện cứng, ta nghiên cứu lƣợng mòn mặt trƣớc dƣới ảnh hƣởng của hai thông số chế độ cắt: V(m/ph); S (mm/vòng). Chỉ tiêu đánh giá lƣợng mòn mặt trƣớc là: lƣợng mòn U. Kết quả của nhiều công trình nghiên cứu thực nghiệm về tiện cứng [1], [2]; [3]; [6]… đã cho thấy quan hệ giữa các chỉ tiêu đánh giá F (U) với chế độ cắt (V, S) có dạng hàm mũ: F Cvr s pt q (***) Các số mũ r, p, q và hệ số C của phƣơng trình (***) đƣợc xác định bằng thực nghiệm. 47 Lấy logarit hai vế và đặt: f = lnU; a0 = lnC; x1 = lnV; x2 = lnS; r = a1 p = a2 ta có: lnU = lnC + a1lnV + a2lnS f = ao + a1x1 + a2x2 (****) Trong phƣơng trình (****) f, x1, x2 đã biết. Cần xác định các hệ số: ao; a1; a2. Để nhận đƣợc các phƣơng trình dạng (***), dùng phần mềm Design Expert 8.0.5 để giải phƣơng trình (****) với kết quả thực nghiệm trong bảng tổng hợp số liệu thí nghiệm (bảng 3.1), sau khi loại bỏ các hệ số không có ý nghĩa ta đƣợc phƣơng trình hồi quy nhƣ sau: Hình 3.4: Kết quả xử lý giữ liệu lượng mòn. 48 Từ kết quả hồi quy ta nhận đƣợc kết quả sau khi loại bỏ các hệ số không có ý nghĩa nhƣ sau: U 120.03V 0, 26 S 0,53 Biểu đồ quan hệ giữa vận tốc, lƣợng chạy dao và lƣợng mòn mặt trƣớc: Hình 3.5: Biểu đồ mức độ ảnh hưởng của V và S đến lượng mòn U. u (micro) 18 16 14 12 10 0.25 180 0.2 s (mm/vg) 160 140 0.15 120 0.1 100 v (m/ph) Hình 3.6: Biểu đồ bề mặt chỉ tiêu quan hệ giữa vận tốc, lượng chạy dao và lượng mòn. (Sử dụng phần mềm Matlab để vẽ biều đồ quan hệ) 49 Từ đồ thị có thể thấy khi gia công thép 9XC ở các chế độ khác nhau bằng mảnh dao phủ TiAlN, lƣợng mòn mặt trƣớc giảm khi tăng lƣợng chạy dao từ 0,125 đến 0,25 mm/vg. Khi vận tốc cắt tăng thì lƣợng mòn giảm. 3.2.3. Phân tích lƣợng mòn mặt mặt trƣớc mảnh dao phủ TiAlN khi tiện cứng thép 9XC ở các độ chế độ cắt khác nhau qua hình chụp Topography bề mặt. Quan sát hình ảnh phần cắt của dao trên kính hiển vi ta thấy tại đây có hai vùng rất rõ dệt: Vùng đen và vùng trắng. Sau khi phân tích EDX (Hình 3.9; hình 3.10) thấy rằng: Vùng đen trên phần cắt của dao có thành phần hóa học các chất nhƣ sau: W: 45,5%; Co: 34,7%; Al:7,9%; Ba: 4,6%; Ti: 4,0% (Hình 3.9). Phân tích EDX cho thấy vùng đen là vùng bị mòn không còn xuất hiện thành phần lớp phủ TiAlN trên vùng này nữa, các chất còn lại chính là lớp nền. EDX phân tích thành phần hóa học vùng trắng trên phần cắt của dao (Hình 3.10) có: Ti = 35,9%; Fe = 28,8%; 0 = 9,8%; N= 9,3 %, Al= 7,3%; Ca = 3,2%; Ba=2,5%; Si=0,9%; Cr = 0,9%; C = 0,2%. Kết quả phân tích cho thấy vùng này có thành phần Fe, c, Cr, Si đó chính là thành phần của vật liệu gia công do sự trƣợt và dính của các lớp dƣới của phoi vào bề mặt vùng cắt. Hình 3.9. Ảnh phân tích EDX vùng đen trên phần cắt của dao trên kính hiển vi điện tử 50 Hình 3.10. Ảnh phân tích EDX vùng trắng trên phần cắt của dao trên kính hiển vi điện tử Ở thí nghiệm thứ nhất, trên mặt trƣớc của dao xuất hiện sự bám dính của vật liệu gia công lên bề mặt với bề rộng xấp xỉ 120 μm (hình 3.7 a). Lƣợng mòn khá đồng đều. Hình 3.11 a: Kết quả chụp lượng mòn mặt trước qua các thí nghiệm thứ 1. Ở thí nghiệm thứ hai, hầu nhƣ không còn xuất hiện vùng trắng, vùng đen chiếm gần nhƣ toàn bộ rộng khoảng 269 μm (hình 3.11 b). Trên vùng mòn mặt trƣớc này không nhìn thấy hình ảnh của lớp phủ nhƣ vùng chƣa bị mòn, lớp bề mặt có cấu trúc sóng. Vết mòn này khá nguy hiểm có thể dẫn đến phá hủy lƣỡi cắt. Đây là hình ảnh mòn vật liệu dòn theo cơ chế biến dạng dẻo bề mặt do hạt cứng cày trên bề mặt dƣới tác dụng của ứng suất pháp rất lớn ở vùng lƣỡi cắt gây ra. 51 Hình 3.11 b: Kết quả chụp lượng mòn mặt trước qua các thí nghiệm thứ 2. Ở thí nghiệm thứ 3 và 4 (hình 3.11 c, d), lƣợng mòn còn nghiệm trọng và rộng hơn ở lần thí nghiệm thứ 2. Đặc biệt ở thí nghiệm thứ 5 (hình 3.10 e), lớp phủ gần nhƣ biến mất hoàn toàn và chiều rộng mòn khá lớn (khoảng 386 μm). c) d) e) Hình 3.11 c,d,e: Kết quả chụp lượng mòn mặt trước qua các thí nghiệm thứ 3,4,5. 52 Còn trong các thí nghiệm thứ 6, 7, 8 và 9 (hình 3.11 f, g, h và i), vùng trắng đã xuất hiện trở lại. Sự mòn dụng cụ đã đồng đều hơn trên bề rộng của lƣỡi cắt. Đặc biệt trong thí nghiệm thứ 6 (hình 3.11 f), kết quả cho thấy mòn là ít nhất, chiều dài cung mòn trên lƣỡi cắt chính và bề rộng cung mòn gần nhƣ là không thay đổi. f) h) g) i) Hình 3.11 f,g,h và i: Kết quả chụp lượng mòn mặt trước qua các thí nghiệm thứ 6,7,8 và 9. 53 3.2.4. Phân tích nhám bề mặt khi tiện cứng thép 9XC ở các độ chế độ cắt khác nhau qua hình chụp SEM bề mặt. c) a) d) g) b) e) h) f) i) Hình 3.12: Kết quả chất lượng bề mặt trước qua các thí nghiệm. Nhám bề mặt ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng làm việc của chi tiết máy. Đối với những chi tiết trong mối ghép động (ổ trƣợt, sống dẫn, con trƣợt...), bề mặt chi tiết làm việc trƣợt tƣơng đối với nhau, nên khi nhám càng lớn càng khó đảm bảo hình thành màng dầu bôi trơn bề mặt trƣợt. Dƣới tác dụng của tải trọng các đỉnh nhám tiếp xúc với nhau gây ra hiện tƣợng ma sát nửa ƣớt, thậm chí cả ma sát khô, dẫn đến làm giảm hiệu xuất làm việc, tăng nhiệt độ làm việc của mối ghép. Mặt 54 khác tại các đỉnh tiếp xúc, lực tập trung lớn, ứng xuất lớn vƣợt quá ứng xuất cho phép gây biến dạng chảy phá hỏng bề mặt tiếp xúc, bề mặt làm việc nhanh mòn. Do vậy, nhám bề mặt ảnh hƣởng lớn trong quá trình làm việc, gây hƣ hỏng và phá hủy cơ cấu máy. Ngƣợc lại, nhám càng nhỏ thì bề mặt càng nhẵn, khả năng chống lại sự ăn mòn càng tốt. - Quy luật ảnh hƣởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt gia công khi tiện cứng thép 9XC qua tôi trong các thí nghiệm là giống nhau. Các thông số S và V đều ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt gia công nhƣng ở các mức độ khác nhau: theo biểu đồ thể hiện mức độ ảnh hƣởng của S và V đến nhám bề mặt (hình 3.2) lƣợng chạy dao có ảnh hƣởng mạnh hơn nhiều so với vận tốc cắt đến nhám bề mặt sau tiện cứng. - Nhám bề mặt mài hình thành chủ yếu bởi dao tiện có góc nghiêng chính và nghiêng phụ. Về mặt lý thuyết, góc nghiêng chính và nghiêng phụ của dao tiện càng lớn thì nhám bề mặt càng lớn. Quan sát hình 3.12 ta thấy: Ở thí nghiệm thứ 4 và thứ 6 (Hình 3.12 d, f) cho chất lƣợng bề mặt sau gia công tốt nhất. 3.3 Kết luận Từ các kết quả thí nghiêm có thể thấy mòn mặt trƣớc của dụng cụ có thể chia thành ba vùng rõ rệt theo phƣơng thoát phoi thông qua mức độ dính của vật liệu gia công với mặt trƣớc. Vùng một nằm sát lƣỡi cắt với những vết biến dạng dẻo bề mặt do các hạt cứng trong vật liệu gia công gây nên, vùng hai tiếp theo với sự dính nhẹ của vật liệu gia công trên mặt trƣớc, vùng ba là vùng phoi thoát ra khỏi mặt trƣớc, ở đây vật liệu gia công dính nhiều trên bề mặt. Theo các kết quả nghiên cứu của Tren[22] thì vùng một là vùng ngay sát lƣỡi cắt là vùng mà các lớp vật liệu gia công sát mặt trƣớc dính và dừng trên mặt trƣớc tạo nên vùng biến dạng thứ hai trên phoi. Tuy nhiên, các hình ảnh bề mặt cho thấy hiện tƣợng biến dạng dẻo bề mặt do cào xƣớc theo hƣớng thoát phoi gây mòn tạo nên mặt trƣớc phụ với góc trƣớc phụ âm. Vùng hai là vùng dính của vật liệu gia công với mức độ tăng dần về phía vùng thoát phoi khỏi mặt trƣớc. Vùng ba vật liệu gia công dính nhiều trên mặt trƣớc với các vết trƣợt của vật liệu phôi, đây là vùng ma sát thông thƣờng với hệ số ma sát f = const phù hợp với mô hình của Zorev[12]. 55 CHƢƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 4.1 Kết luận chung. Với nội dung “nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ cắt tới chất lƣợng bề mặt khi tiện tinh thép 9XC bằng dao hợp kim cứng phủ CVD” qua bốn chƣơng đề tài đã giải quyết đƣợc các vấn đề sau: - Đã triển khai thành công kỹ thuật tiện cứng thép 90CrSi; độ cứng HRC > 52; độ nhám Ra < 1.25 μm; không sử dụng DDTN. - Đề tài đã đánh giá đƣợc ảnh hƣởng của vận tốc cắt và lƣợng chạy dao đến chất lƣợng bề mặt thép 9XC khi tiện bằng dao hợp kim cứng phủ TiAlN. - Đánh giá đƣợc ảnh hƣởng của vận tốc cắt và lƣợng chạy dao đến mòn mặt trƣớc của dụng cụ cắt phủ TiAlN thông qua ảnh chụp mòn dao và phân tích EDX dƣới kính hiển vi điện tử. - Tìm đƣợc mối liên hệ giữa lƣợng mòn mặt trƣớc dụng cụ (U) và nhám bề mặt của chi tiết (Ra) sau gia công với kết quả: Ra 0,6636V 0, 098 S ( U 120.03V 0, 26 0 , 21 ln V 0 , 053) S (0,15lnV 0,53) 4.2. Hƣớng nghiên cứu tiếp theo của đề tài Kết quả nghiên cứu của đề tài chỉ dừng ở một chế độ công nghệ, một loại dụng cụ cắt, một loại vật liệu và một chiều sâu cắt nhất định. Vì vậy cần tiến hành thí nghiệm một cách tổng quan hơn để tìm ra các quy luật rộng hơn trong cơ chế mòn phần cắt của dao và chất lƣợng bề mặt phôi. Nghiên cứu ảnh hƣởng của hình dạng lƣỡi cắt đến chất lƣợng bề mặt và mòn dụng cụ. Nghiên cứu ảnh hƣởng của lực cắt đến chất lƣợng bề mặt và tuổi bền dụng cụ. Nghiên cứu triển khai đề tài trên trung tâm CNC hiện đại hơn, tối ƣu hóa nhiều mục tiêu hơn (Hạ giá thành sản phẩm, nâng cao tuổi bền dao, đánh giá chiều sâu lớp trắng, vật liệu làm dao) để có thể có công bố trên tạp chí có uy tín. 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Trần Hữu Đà, Nguyễn Văn Hùng, Cao Thanh Long (1998), “Cơ sở chất lượng quá trình cắt”, Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. [2]. Phan Quang Thế (2002), Luận án Tiến sĩ. “Nghiên cứu khả năng làm việc của dụng cụ thép gió phủ dùng cắt thép cacbon trung bình”, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội. [3]. Trần Văn Địch, Nguyễn Trọng Bình, Nguyễn Thế Đạt, Nguyễn Viết Tiếp, Trần Xuân Việt (2003), “Công nghệ chế tạo máy”, NXB Khoa học và kỹ thuật. . (2001), Nguyên Lý Gia công vật [4]. liệu, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [5]. Trần Thế Lục (1988). “Giáo trình mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt”, Khoa cơ khí - Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. [6]. PGS.TS Phan Quang Thế, Th.S Nguyễn Thị Quốc Dung (2008). “Tương tác ma sát giữa phoi và mặt trước của dao gắn mảnh PCBN khi tiện tinh thép 9XC qua tôi”. Tạp chí khoa học và công nghệ các trƣờng đại học (60). [7].PGS.TS Phan Quang Thế, Th.S Nguyễn Thị Quốc Dung (2008). “Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến mòn và cơ chế mòn dụng cụ gắn mảnh PCBN khi tiện tinh thép 9XC qua tôi”. Tạp chí khoa học và công nghệ các trƣờng đại học (62). [8]. Nguyễn Mạnh Cƣờng(2007). “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt gia công khi tiện tinh thép X12M qua tôi bằng dao gắn mảnh PCBN”. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành công nghệ chế tạo máy. Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên. [9] Hoàng Văn Vinh “Nghiên cứu mối quan hệ giữa chế độ cắt và tuổi bền dụng cụ hủ TiAlN khi tiện tinh thép không gỉ SUS201” Luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành công nghệ chế tạo máy. Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên. 57 [10] Nguyễn Thị Quốc Dung (2012), Luận án Tiến sĩ. “Nghiên cứu quá trình tiện tinh thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN” Trƣờng Đại học kỹ thuât công nghiệp Thái Nguyên. [11]. X.L. Liu, D.H. Wen, Z.J. Li, L.Xiao, F.G. Yan. Cutting temperature and tool wear of hard turning hardened bearing steel. Journal of Materials Processing Technology 129 (2002) 200 – 2006. [12]. Zorev N.N. (1963), Interrelationship between shear processes occurring along tool face and on shear plane in metal cutting, International research in production engineering, The American Society of mechanical Engineers, New York, pp. 48-67. [13]. Abdullah Kurt, Ulvi Seker. The effect of chamfer angle of polycrystalline cubic boron nitride cutting tool on the cutting forces and the tool stresses in finishing hard turning of AISI 52100 steel. Materials and Design 26(2005) 351 – 356. [14].Tug˘rul O¨ zel*, Yig˘it Karpat. Predictive modeling of surface roughness and tool wear in hard turning using regression and neural networks. International Journal of Machine Tools & Manufacture 45 (2005) 467–479. [15]. G. Poulachon , A. Moisan , I.S.Jawahir. Tool-wearmechanisms in hardturning with polycrystalline cubic boronnitride tools. Wear 250 (2001) 576–586. [16]. Y. Kevin Chou , Chris J. Evans. Cubic boron nitride tool wear in interrupted hard cutting. Wear 225–229 (1999) 234–245 [17]. Patrik Dahlman, Fredrik Gunnberg, Michael Jacobson, The influence of rake angle, cutting feed and cutting depth on residual stresses in hard turning. Journal of Materials Processing Technology 147 (2004) 181 – 184. [18]. Meng Liua, Jun – ichiro Takagia, Akira Tsukudab, Effect of tool nose radius and tool wear on residual stress distribution in hard turning of bearing steel, Journal of Materials Processing Technology 150 (2004), 234 – 241. 58 [19]. Tugrul Ozel, Tsu-Kong Hsu, Erol Zeren (11August 2004). Effects of cutting edge geometry, workpiece hardness, feed rate and cutting speed on surface roughness and forces in finish turning of hardened AISI H13 steel. ORIGINAL ARTICLE. [20]. H A Kishawy and M A Elbestawi. Tool wear and surface integrity during high-speed turning of hardened steel with polycrystalline cubic boron nitride tools. Intelligent Machines and Manufacturing Research Centre, McMaster University, Hamilton, Ontario, Canada (755 - 767) [21]. Jiang Hua, Rajiv Shivpuri, Xiaomin Cheng, Vikram Bedekar, Yoichi Masumoto, Fukuo Hashimoto, Thomas R. Watkins. Effect of feed rate, workpiecehardness and cutting edge on subsurface residual stress in the hard turning of bearing steel using chamfer + hone cutting edge geometry. Materials Science and Engineering A394 (2005) 238 – 248. [22]. Trent E.M. and Wright P.K. (2000), Metal Cutting, ButterworthHeinemann, USA. [...]... giá ảnh hƣởng của chế độ cắt (s,v,t) tới chất lƣợng bề mặt ( đánh giá thông qua độ nhám bề mặt, mòn dụng cụ cắt ) khi tiện tinh thép 9XC bằng dao hợp kim cứng phủ CVD Qua đó đƣa ra đƣợc bộ thông số chế độ cắt thích hợp khi tiện cứng thép 9XC để đạt chất lƣợng bề mặt theo yêu cầu 3 4 Dự định kết quả Đƣa ra đƣợc bộ thông số chế độ cắt thích hợp khi tiện cứng thép 9XC để đạt chất lƣợng bề mặt theo yêu... nghiên cứu đƣợc công bố gần đây trên các tạp chí khoa học cho thấy việc nghiên cứu chủ yếu tập trung vào nghiên cứu ảnh hƣởng của các thông số cắt, chế độ cắt đến quá trình tiện cứng, ảnh hƣởng của độ cứng dao đến nhám bề mặt và lực cắt khi tiện Nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ cắt đến chất lƣợng bề mặt nhƣ thế nào khi tiện tinh thép 9XC ( Nhám bề mặt, mòn dụng cụ cắt ) khi gia công tiện cứng bằng dao. .. tài nghiên cứu của luận văn tác giả đề cập đến các yếu tố nghiên cứu ảnh hƣởng của vận tốc cắt, lƣợng chạy dao, ảnh hƣởng tới đối tƣợng nghiên cứu là độ nhám bề mặt sau khi gia công và mòn dụng cụ cắt Xuất phát từ những lý do trên tác giả đã chọn đề tài: Nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ cắt tới chất lƣợng bề mặt khi tiện tinh thép 9XC bằng dao hợp kim cứng phủ CVD 3 Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá ảnh. .. 1.1 Tổng quan về tiện cứng 1.1.1 Đặc điểm của quá trình tạo phoi khi tiện cứng , kích thƣớc và độ bóng bề mặt theo động: - Chuyển động cắt chính (chuyển động làm việc): khi tiện đó là chuyển động quay tròn của phôi Khi tiện đó là chuyển động tịnh tiến dọc của dao khi tiện mặt trụ tạo ra trong lớp kim loại bị cắt một ứng suất lớn hơn sức bền của vật liệu bị gia công , độ cứng, mức độ biến dạng và cấu... cầu, là một loại thép có nhiều ƣu điểm đƣợc dùng rộng rãi nhất để chế tạo dụng cụ cắt với vận tốc thấp 5 Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu thực nghiệm để xác định chất lƣợng bề mặt khi thay đổi chế độ cắt trong gia công tiện tinh thép 9XC bằng dao hợp kim cứng phủ CVD trong các khoảng thời gian khác nhau Xử lý các số liệu thực nghiệm để tìm chế độ cắt tối ƣu nhằm đạt đƣợc chất lƣợng bề mặt theo yêu cầu... dao hợp kim cứng phủ CVD , nhằm tìm ra chế độ cắt hợp lý để chất lƣợng bề mặt đạt tối ƣu sẽ tiếp tục đóng góp thêm các kiến thức vào việc nghiên cứu quá trình tiện cứng Thép 9XC là một loại vật liệu có nhiều ƣu điểm đƣợc dùng rộng rãi nhất để chế tạo dụng cụ cắt với vận tốc thấp nhằm thỏa mãn các yêu cầu về khả năng làm việc đang là yêu cầu cần thiết của các nhà sản xuất Xác định chế độ cắt khi tiện tinh. .. hiện theo chu kỳ trên bề mặt tự do của phoi phía trƣớc lƣỡi cắt và truyền dẫn đến lƣỡi cắt Poulachon [15] và 8 đồng nghiệp cũng khẳng định rằng khi tiện trực dao thép 100Cr6 trong dải độ cứng từ 10 ÷ 62 HRC tồn tại 3 kiểu cơ chế cắt Phoi dây đƣợc tạo ra khi tiện thép có độ cứng từ 10 ÷ 50 HRC, lực cắt giảm khi tăng độ cứng trong dải này Điều này đƣợc giải thích là khi độ cứng của vật liệu gia công... thành graphic Khi đó hệ số ma sát khi tiếp xúc giảm nhƣng độ cứng lớp phủ cũng giảm xuống Lớp phủ nhiều hợp chất Lớp phủ nhiều hợp chất đƣợc thực hiện bởi các phƣơng pháp phủ bay hơi CVD, PVD trong lớp phủ đó có sự pha trộn của vài hợp chất vật liệu, sự tập trung điện tử thay đổi và bởi vậy dẫn đến kết quả làm thay đổi tính chất cơ học và tính chất lý học của lớp phủ Lớp phủ nhiều hợp chất rất cứng, với... nghiên cứu Qua phân tích ở trên ta thấy có rất nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng bề mặt chi tiết khi tạo phoi: Vận tốc cắt, chiều dày cắt, thông số hình học, vật liệu gia công…Ở đề tài này tác giả nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ cắt đến chất lƣợng bề mặt Để gia công chi tiết sau khi tôi ngƣời ta có thể sử dụng nhiều loại dụng cụ cắt với lớp phủ khác nhau Ở đề tài này, tác giả sử dụng mảnh dao hợp. .. trình cắt gọt bé, chất lƣợng bề mặt của chi tiết gia công cao Do đó các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công khi tạo phoi cũng chính là những yếu tố ảnh hƣởng đến hệ số biến dạng * Ảnh hƣởng của tốc độ cắt Thực nghiệm cho thấy quan hệ giữa hệ số biến dạng K và tốc độ cắt V đƣợc biểu diễn nhƣ hình 1.8 - Khi Vc tăng từ V1 V2 K giảm, chất lƣợng bề mặt tăng - Trong vùng tốc độ cắt này khi ... đề tài: Nghiên cứu ảnh hƣởng chế độ cắt tới chất lƣợng bề mặt tiện tinh thép 9XC dao hợp kim cứng phủ CVD Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá ảnh hƣởng chế độ cắt (s,v,t) tới chất lƣợng bề mặt ( đánh... trình tiện cứng, ảnh hƣởng độ cứng dao đến nhám bề mặt lực cắt tiện Nghiên cứu ảnh hƣởng chế độ cắt đến chất lƣợng bề mặt nhƣ tiện tinh thép 9XC ( Nhám bề mặt, mòn dụng cụ cắt ) gia công tiện cứng. .. Tên đề tài nghiên cứu: Nghiên cứu ảnh hƣởng chế độ cắt tới chất lƣợng bề mặt tiện tinh thép 9XC dao hợp kim cứng phủ CVD Giới thiệu Trong ngành công nghiệp gia công khí, chất lƣợng bề mặt tiêu