TỐI ƯU HOÁ CHẾ ĐỘ CẮT KHI PHAY VẬT LIỆU SKD61
BẰNG MẢNH DAO PHỦ PVD - TIALN KS. DƯƠNG XUÂN TRƯỜNG
TS. NGUYỄN VĂN HÙNG
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp

Đại học Thái Nguyên

Tóm tắt: Hiện nay, mặc dù trên thế giới đã có nhiều đề tài và công trình nghiên cứu về
chế độ gia công cắt gọt và tối ưu hoá chế độ cắt trên các máy CNC. Tuy nhiên, đa số các công
trình nghiên cứu liên quan đến vấn đề này, thường được thực hiện trên một hệ thống công
nghệ cụ thể với các vật liệu và dụng cụ cắt xác định. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu
tối ưu hoá chế độ cắt khi phay vật liệu SKD61 bằng mảnh dao phủ PVD - TIALN, giải bài
toán tối ưu hoá bằng phương pháp thực nghiệm theo mục tiêu tối ưu hoá về năng suất gia
công, mòn dụng cụ cắt và nhám bề mặt, kết hợp với nghiên cứu cơ chế mòn của dụng cụ cắt để
phân tích và đánh giá khách quan kết quả nghiên cứu.
Summary: Nowadays, although there have been many researchs on the cutting
mechanism and optimization of the cutting on CNC machines. However, most of these studies
are often carried out in a specific technological system with defined materials and cutting
tools. This paper presents research results on optimizing of cutting parameters in end milling
SKD61 steel using PVD - TIALN coated carbide insert, resolving the optimization problems
with the experimental method in the direction of optimizing the efficiency of processing,
cutting tool wear and surface roughness in combination with studies on investigation of wear
mechanisms of cutting tool in detail using scanning electron microscope (SEM) for objective
analysis and evaluation of such results.

CT 2
I. GIỚI THIỆU

s Min
- Độ nhám bề mặt : R
z
= f(s,v,t) → R
z Min
III. MÔ TẢ THÍ NGHIỆM
3.1. Thiết bị thí nghiệm
- Máy: Thí nghiệm được tiến hành trên Trung tâm gia công VMC - 85S/CNC.
- Dao: Mảnh dao hợp kim phủ PVD - TIALN có thông số hình học như hình 2.

Hình 2. Thông số hình học mảnh cắt TIALN - Vật liệu: Vật liệu SKD 61 theo tiêu chuẩn JGS của Nhật Bản có thành phần hoá học phân
tích quang phổ như bảng 1 và thí nghiệm gia công ở độ cứng 32 - 40 HRC.
Bảng 1. Thành phần hoá học của SKD61
N.Tố C Mn Si P S Cr Ni
% 0.371 0.339 0.93 0.021 0.0083 5.22 0.103
N.Tố Mo V Cu Nb Al Co Ti
% 1.169 0.835 0.106 0.0079 0.019 0.025 0.008
N.Tố W Pb Sn Mg B Fe
% 0.044 0.013 0.0085 0.01 0.0023 90.75 3.2. Thiết bị đo
1. Máy đo toạ độ 3 chiều CMM - C544 hãng Mistutoyo, Nhật Bản, có độ phân giải 0.0001
mm.
2. Máy đo độ nhám bề mặt: SJ – 201 của hãng Mitutoyo có độ phân giải 0.03µm/300µm,
0.08µm/75µm, 0.04µm/9.4µm.
3. Kính hiển vi điện tử: Máy TM - 1000 của hãng Hitachi, có độ phóng đại 10.000 lần.

3
3.4. Quá trình thí nghiệm
Từ miền giới hạn chế độ cắt, ma trận thí nghiệm được thiết lập theo quy hoạch hợp Box -
Willson [2], mỗi thí nghiệm được thực hiện bằng 2 mảnh cắt TiAlN. Sử dụng máy đo 3 chiều
CMM, đồng hồ so để xác định giá trị mòn mặt sau của dụng cụ cắt và đo nhám bề mặt Ra, Rz.
Đồng thời, phân tích cơ chế mòn của dụng cụ cắt TiAlN trên ảnh SEM. Sau khi thí nghiệm, kết quả được thống kê như bảng 3.
Bảng 3. Kết quả thí nghiệm gia công SKD61
t S V hs Rz Q TT
mm mm/vg m/ph mm
μm
g/ph
1 0.3 0.2 270 0.0025 2.283 17.9
2 0.8 0.2 270 0.0037 3.14 44.6
3 0.3 0.4 270 0.0039 2.065 38.3
4 0.8 0.4 270 0.018 3.533 91.8
5 0.8 0.2 350 0.016 2.013 23
6 0.8 0.2 350 0.0315 2.033 60
7 0.3 0.4 350 0.015 2.553 51.4
8 0.8 0.4 350 0.0547 2.97 129.4
9 0.854 0.3 310 0.039 2.25 76.0
10 0.246 0.3 310 0.0029 2.675 20.8
11 0.55 0,421 310 0.015 3.033 71.8
12 0.55 0,178 310 0.0091 2.215 26.6
13 0.55 0.3 358.6 0.0357 2.545 110.3
14 0.55 0.3 261.4 0.0014 3.26 41.3
15 0.55 0.3 310 0.0102 2.845 90.6
IV. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

2
).
Dựa vào các hàm hồi quy này để khảo sát quá trình gia công vật liệu SKD61, ta được giá
trị các hàm mục tiêu như sau:
- Năng suất Q
max
= 153.224292 (g/ph)
tại: t = 0.854(mm), S = 0.4210(mm/vg), V = 358.6 (m/ph)
- Lượng mòn h
smin
= 0.004788 (mm)
tại: t = 0.246(mm), S = 0.2944(mm/vg), V = 309.996 (m/ph)
- Nhám bề mặt R
zmin
= 1.966820 (µm)
tại: t = 0.246(mm), S = 0.1780(mm/vg), V = 358.6(m/ph) 4.2. Phân tích kết quả nghiên cứu
Để mở rộng phạm vi lựa chọn hợp lý chế độ cắt, ta sử dụng phương pháp khảo sát đồ thị tại
các giá trị tối ưu như hình 3, 5, 7, 9, 10, 11 và đánh giá đầy đủ hơn nữa kết quả nghiên cứu tối
ưu hoá tại các điểm cực trị và miền tối ưu khi phay vật liệu SKD61, ta khảo sát mòn và cơ chế
mòn của mảnh dao TiAlN. Từ đó, đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến năng
suất và chất lượng bề mặt gia công.
4.2.1. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến mòn dụng cụ cắt
- Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao được mô tả như hình 3.
Trên đồ thị ta thấy, vận tốc cắt càng cao thì mòn dụng cụ càng lớn. Khi gia công ở vận tốc
V = 260 – 310 (m/ph) thì ảnh hưởng của lượng chạy dao tới mòn dụng cụ cắt là không đáng kể
và lượng mòn xuất hiện đều trên lưỡi cắt chính (hình 4a). Tuy nhiên, khi tăng vận tốc cắt từ 320
– 350 (m/ph) thì lượng mòn tăng với lượng chạy dao nhỏ như hình 3 và mòn phát triển về phía

cắt V và chiều sâu cắt t theo đồ thị hình 5 để đạt chỉ tiêu về lượng mòn dụng cụ nhỏ nhất.
- Ảnh hưởng của chiều sâu cắt và lượng chạy dao được mô tả như hình 7. Theo quan hệ này thì khi chiều sâu cắt nhỏ 0.1 - 0.43(mm) thì lượng chạy dao không có
ảnh hưởng nhiều đến mòn dụng cụ cắt. Tuy nhiên, khi tăng chiều sâu cắt từ 0.5 - 0.8(mm) thì
lượng mòn tăng nhanh theo lượng chạy dao và chiều sâu cắt và ảnh hưởng của lượng chạy dao
khi đó tăng nhanh hơn.

Hình 7. Ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt đến mòn dụng cụ
Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do khi gia công ở tốc độ cao với lượng chạy dao
và chiều sâu cắt lớn, lực cắt và nhiệt cắt xuất hiện ngày càng tăng. Do đó, hiện tượng nứt tách,
rạn vỡ lưỡi cắt và dính bám vật liệu gia công do nhiệt cắt kết hợp với ôxi hoá lớp bề mặt đã làm
một phần vật liệu bị khuếch tán lẫn nhau, gây mòn nhiều và tiến tới phá huỷ lưỡi dao (hình 6 và
8). Tác động này đã làm giảm tuổi bền của dụng cụ cắt và tăng nhám bề mặt gia công.
CT 2

Hình 8. Hiện tượng khuếch tán vật liệu
Trên đường mức hs = 0.012877 hình 4.5 ta nên chọn chiều sâu cắt (t = 0.5 - 0.7)mm ứng
với vận tốc cắt tối ưu V = 309.996(m/ph).
4.2.2. Cơ chế mòn của dụng cụ cắt TiAlN
Phân tích tại một số điểm cực trị và nghiên cứu cơ chế mòn của dụng cụ cắt TiAlN khi
phay vật liệu SKD61 cho thấy, các mảnh dao đều bị mòn cả mặt trước và mặt sau. Khi gia công ở tốc độ cắt cao, quá trình mòn dụng cụ cắt được phát triển đều trên lưỡi chính (hình 4a).
Nguyên nhân là do các hạt cứng của vật liệu gia công cào xước vào bề mặt tiếp xúc của dụng
cụ. Khi tăng vận tốc cắt V lớn hơn (V = 320 - 350m/ph) ta thấy bắt đầu có hiện tượng dính bám,
nứt tách vật liệu gia công và gây mòn nhiều ở mặt sau rồi phát triển mạnh về phía mũi dao (hình
4b). Hiện tượng nứt tách, rạn vỡ lưỡi cắt và dính bám vật liệu gia công do nhiệt cắt kết hợp với

với lượng chạy dao tối ưu S = 0.1780(mm/vg) ta nên chọn chiều sâu cắt trong khoảng t = 0.45 -
0.85(mm), vận tốc V > 320(m/ph). Nghiên cứu này cũng phù hợp với kết quả khi phay vật liệu
(Ti-6Al4V) [5].
- Ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt đến nhám bền mặt thể hiện như hình 11.

CT 2
Hình 11. Ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt đến nhám bề mặt
Kết quả trên đồ thị cho thấy, ảnh hưởng của lượng chạy dao tới nhám bề mặt là rất rõ và
phù hợp với cơ chế mòn của nghiên cứu này. Khi tăng lượng chạy dao S thì nhám bề mặt tăng
nhanh và ít bị ảnh hưởng của chiều sâu cắt. Tuy nhiên, trên đường mức tối ưu về nhám bề mặt
Rz = 1.8384 thì cần chọn chiều sâu cắt t lớn hơn 0.55(mm) và lượng chạy dao nhỏ hơn
0.22(mm/vg) với vận tốc cắt tối ưu V = 358.6(m/ph) thì quá trình gia công sẽ đạt chỉ tiêu về độ
nhám nhỏ nhất. 4.3. Các sản phẩm ứng dụng
Ứng dụng kết quả nghiên cứu gia công bề mặt khuôn đúc áp lực như hình 12.

Hình 12. Gia công khuôn đực và khuôn cái
Kết quả ứng dụng gia công khuôn mẫu cho thấy, chế độ gia công này cho năng suất và chất
lượng cao hơn so với các chế độ cắt trước đây, cụ thể là: Vận tốc cắt từ 120 - 160(m/ph) theo [3,
10] đã tăng lên từ 260 - 358(m/ph), năng suất gia công đã tăng 3 lần và nhám bề mặt giảm 1.8
lần theo kết quả nghiên cứu này. CT 2
Hình 13. Sản phẩm ứng dụng
V. KẾT LUẬN
Giải bài toán tối ưu hoá bằng phương pháp thực nghiệm và nghiên cứu cơ chế mòn của
dụng cụ cắt đã phản ánh được bản chất Lý - Hoá xảy ra trong quá trình phay vật liệu khuôn mẫu

[10]. Habeeb H.H; Performance of different cutting tools when machining die and mould material;
Department of Mechanical Engineering, University Teenage National, 43009, Kajang, Malaysia.
[11]. W.Y.H. Liew (1), W.L. Teh and X. Ding (2); Wear of nano-coated carbide tools in end milling of
stainless steel; (1) Centre of Materials and Minerals, School of Engineering and Information Technology,
University Malaysia Sabah, Locked Bag 2073, Kota Kinabalu, Sabah, Malaysia 88999 (2) Singapore
Institute of Manufacturing Technology 71 Nanyang Drive, Singapore 638075
♦

CT 2