Số hóa bởi trung tâm học liệu
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐẦU DAO CẮT BÁNH RĂNG
CÔN XOẮN BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA NHIỆT LUYỆN,
PHUN PHỦ BỀ MẶT
Ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
Mã số:
Học viên: HOÀNG VĂN HUYNH
Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH. BÀNH TIẾN LONG
TS. NGUYỄN TIẾN ĐÔNG
THÁI NGUYÊN, NĂM 2013
GS.TSKH. BÀNH TIẾN LONG TS. NGUYỄN TIẾN ĐÔNG
HỌC VIÊN HOÀNG VĂN HUYNH
DUYỆT BGH
KHOA SAU ĐẠI HỌC
Số hóa bởi trung tâm học liệu
1
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp thạc sỹ kỹ thuật này là công trình do
tôi tổng hợp và nghiên cứu. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo
như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo đã được trích dẫn. Các kết quả kết quả
Bằng tất cả sự kính trọng em xin chân thành cảm ơn tới GS. TSKH. Bành
Tiến Long và T.S Nguyễn Tiến Đông - người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt
quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Đồng thời, em xin chân thành cảm ơn tới Viện nghiên cứu cơ khí Hà Nội,
Viện khoa học vật liệu , Công ty cổ phần thiết bị công nghiệp Tùng Linh, Ban giám
hiệu trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Ban giám hiệu trường Cao đẳng Kinh
tế - kỹ thuật_ Đại Học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong
quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện bản luận văn này.
Xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp và người thân đã động viên giúp đỡ tôi
trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và hoàn thành luận văn
E xin chân thành cảm ơn! Tác giả Hoàng Văn Huynh Số hóa bởi trung tâm học liệu
11-16
1.2. Cấu tạo dụng cụ cắt có lớp phủ
16-18
1.3. Ứng dụng phủ PVD:
18-20
Chƣơng 2: MÒN, TUỔI BỀN VÀ NHU CẦU PHẢI PHUN PHỦ BỀ
MẶT CỦA DỤNG CỤ CẮT BÁNH RĂNG CÔN XOẮN
21
2.1. Mòn dụng cụ cắt
21-26
2.2. Tuổi bền của dụng cụ cắt
26
2.3. Cải thiện dụng cụ cắt bánh răng côn xoắn bằng lớp phủ bề mặt
26-28
Chƣơng 3: THẤM NITƠ VÀ PHỦ PVD - TiN
29
Số hóa bởi trung tâm học liệu
4
3.1. Thấm Nitơ
29-56
3.2 Phủ PVD – TiN
57-71
Chƣơng 4: SO SÁNH TUỔI BỀN CỦA DAO CHƢA PHỦ VÀ DAO
CÓ PHỦ TiN KHI CẮT BÁNH RĂNG CÔN XOẮN
72
4.1. Mục đích thực nghiệm
72
4.2. Chọn phôi
72-73
Hình 3.1 Giản đồ pha Fe – N
Hình 3.2 Tổ chức tế vi của lớp thấm Nitơ
Hình 3.3 Sơ đồ thiết bị thấm Nitơ ở thể khí
Hình 3.4 Ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý tạo thành Plasma
Hình 3.6. Quá trình hình thành Nitơ Plasma
Hình 3.7 Tổ chức lớp thấm và dự báo chiều sâu lớp thấm
Hình 3.8 Hình ảnh lò thấm ở thể khí
Hình 3.9 Hình ảnh lò thấm ở thể lỏng
Hình 3.10 Hình ảnh lò thấm Nitơ Plasma
Hình 3.11 Hình ảnh lò thấm Nitơ Plasma của Đức và Mỹ
Hình 3.12 Hình ảnh lò thấm Nitơ Plasma tại viện nghiên cứu cơ khí Việt Nam
Hình 3.13 Hình ảnh lò thấm Nitơ Plasma tại viện nghiên cứu cơ khí Hà Nội
Hình 3.14 Hình ảnh quá trình thấm Nitơ Plasma điều khiển bằng máy tính
Hình 3.15 Một số sản phẩm ứng dung công nghệ thấm Nitơ Plasma
Hình 3.16 Thấm 8 lƣỡi dao phay bánh răng côn xoắn
Hình 3.17 Hình ảnh lò phủ PVD – TiN
Hình 3.18 Một số hình ảnh phủ PVD – TiN
Hình 3.19 Hình ảnh phủ 8 lƣỡi dao PVD – TiN
Hình 4.1 Bản vẽ chế tạo phôi thí nghiệm
Hình 4.2 Bản vẽ kết cấu lƣỡi cắt trong và lƣỡi cắt ngoài
Số hóa bởi trung tâm học liệu
6
Hình 4.3 Bản vẽ kết cấu dụng cụ gia công bánh răng côn xoắn
Hình 4.4 Các bản vẽ thí nghiệm cắt bánh răng
Hình 4.5 Một số hình ảnh hoạt động và sản phẩm của Công ty thiết bị công
nghiệp Tùng Linh
Bảng 5
Phƣơng pháp bảo vệ cục bộ khi thấm Nitơ
Bảng 6
Đo độ cứng thô đại
Bảng 7
Đo độ cứng tế vi
Số hóa bởi trung tâm học liệu
8
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Kể từ khi đất nước chuyển sang kinh tế thị trường, sản xuất công nghiệp cũng
như các công trình xây dựng khác của chúng ta đã ghi nhận có một tốc độ phát triển
nhanh. Trên quan điểm vì sự phát triển bền vững kinh tế của đất nước, chúng ta cần
phải sử dụng những nguyên vật liệu nhập khẩu và nguyên vật liệu trong nước sản
Giảm ma sát giữa bề mặt dụng cụ cắt và vật liệu gia công, phoi cắt được thoát dễ
dàng hơn giúp giảm tải nhiệt lớn cho lưỡi cắt của dụng cụ.
Ứng dụng của dụng cụ cắt có phủ cứng trong công nghiệp:
Tuổi thọ của mũi khoan tăng lên nhiều lần tùy thuộc và loại vật liệu được gia công:
4 lần đối với thép tăng cứng bề mặt, thép dụng cụ. 5 lần đối với gang đúc. 9 lần đối
với thép không rỉ.
Tuổi thọ mũi ta rô tăng lên trên 2 lần đối với các vật liệu như thép không rỉ, thép
các bon, gang xám, thậm chí tăng lên đến 4 ÷ 5 lần đối với thép kết cấu.
Do vậy việc tiến hành nghiên cứu “Nâng cao chất lượng đầu dao cắt bánh
răng côn xoắn bằng phương pháp hóa nhiệt luyện, phun phủ bề mặt” là rất cần
thiết.
2. Mục đích của đề tài:
Xây dựng công nghệ phun phủ bề mặt đầu dao (lưỡi dao) côn xoắn; xác định
các thông số ảnh hưởng của đầu dao phay khi cắt bánh răng côn xoắn sau khi đầu
dao cắt được hóa nhiệt luyện, phun phủ bề mặt, đến năng suất gia công và chất
lượng sản phẩm đảm bảo theo yêu cầu.
3. Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài:
- Đầu dao (6’’, 9’’); vật liệu thân dao thép 45; vật liệu lưỡi dao P9, P18.
- Vật liệu gia công: Thép CT45
- Công nghệ phun phủ PVD – TiN tại Viện nghiên cứu cơ khí Hà Nội.
Số hóa bởi trung tâm học liệu
10
- Máy: máy phay 525, 528 tại Công ty thiết bị công nghiệp Tùng Linh
4. Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài:
- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thí nghiệm.
- Tiến hành thí nghiệm và xử lý số liệu thí nghiệm.
- Phân tích và đánh giá kết quả.
5. Ý nghĩa của đề tài:
- Ý nghĩa khoa học: Về mặt khoa học đề tài phù hợp với xu thế phát triển
nóng đáp ứng được các chế độ công nghệ trung bình và thấp, giá thành thấp.
Thép gió được dùng làm dụng cụ cho các nguyên công như: Khoan, khoét, doa,
phay rãnh…nói chung là các nguyên công gia công lần cuối. Điều kiện thoát phoi
và nhiệt ở đó thường khó khăn hơn so với tiện vì thế việc nâng cao chế độ công
nghệ và tuổi bền cho dao thép gió bằng phủ có ý nghĩa vô cùng quan trọng để nâng
cao n
đáng kể tốc độ cắt lẫn tuổi thọ của dụng cụ.
Bảng1: Dữ liệu thị trường thế giới về phủ bay hơi cho dụng cụ
Loại dụng cụ
Tổng giá trị
Phủ PVD
Phủ VCD
Không phủ
Dụng cụ thép gió
4 tỷ USD
23%
0%
77%
Dụng cụ hợp kim cứng
6tỷ USD
10%
60%
30%
Dụng cụ tạo hình
8 tỷ USD
3%
5%
92%
Tổng số
18 tỷ USD
- 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
dư trong lớp phủ là ứng suất dư nén. Chiều dày lớp phủ thường bị hạn chế dưới
Số hóa bởi trung tâm học liệu
13
5 m để tránh sự tạo nên ứng suất dư có cường độ cao trong lớp phủ.
Từ khi công nghệ phủ ngoài PVD - TiN lần đầu tiên được giới thiệu vào đầu 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… Đối với hầu hết các ứng
dụng gia công khuôn đúc, phủ PVD - TiAlN đã được sử dụng rộng rãi nhất cho các
công cụ cắt. Bảng 2: Các dạng phủ PVD
Gần đây, phủ PVD đã mở rộng thành phủ ngoài nhiều lớp, phủ ngoài hybrid được
phân loại như phủ ngoài ma sát thấp. Những công nghệ phủ này cùng cấp một giải
pháp gia công không thể thay thế được trong những vật liệu đòi hỏi tốc độ cắt thấp
và độ mài mòn cao. Phủ PVD là thành phần quan trọng của gia công tốc độ cao vì
khi tốc độ cắt tăng lên, lượng nhiệt sinh ra trong quá trình gia công sẽ tăng lên
nhiều.
Quản lý hiệu quả sự tăng nhiệt này sẽ tạo ra sự hoàn thiện bề mặt tốt hơn, hình học
chi tiết chính xác hơn và quan trọng hơn cả là sự tăng năng suất thông qua sự tăng
tuổi thọ công cụ. Điều này có thể được 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 nhưng sẽ tăng năng suất của xưởng sản xuất bằng cách tăng
các thông số của chế độ cắt.
C ÷ 1050
o
C và chu kỳ nung nóng diễn ra vài giờ.
1.1.3. Tại sao phải sử dụng phủ PVD hoặc CVD
Chưa quan tâm tới các ứng dụng cụ thể, lý do chính để sử dụng PVD hoặc CVD hết
sức đơn giản, đó là bài toán kinh tế: Làm giảm chi phí trên mỗi sản phẩm.
Bài toán tiết kiệm chi phí được xác định dễ dàng như sau:
Giảm thời gian gia công, thời gian thay dụng cụ + Tăng tốc độ gia công = Tiết
kiệm.
1.1.4. Phủ PVD và CVD nâng cao tuổi thọ và hiệu suất dụng cụ
Mặc dù mỗi phương pháp phủ khác nhau có những đặc tính khác nhau, để đánh giá
hiệu quả đối với mỗi ứng dụng riêng thì có 2 đặc trưng chính được chọn làm cơ sở,
đó là: độ cứng và ma sát.
Vật liệu
Thép dụng cụ
HSS
Hợp kim cứng
PVD&CVD
Độ cứng
(HRC)
58 62
62 65
70 76
> 80
Bảng 4: Độ cứng của các kim loại, hợp kim và vật liệu phủ
So với dụng cụ có nền không phủ thì việc phủ có hệ số ma sát nhỏ hơn nhiều.
Đối với các dụng cụ tạo hình biến dạng, hệ số ma sát thấp cũng có nghĩa là sẽ làm
giảm áp lực tác dụng. Trong ứng dụng các dụng cụ cắt, giảm hệ số ma sát sẽ làm
giảm sự phát sinh nhiệt trong quá trình gia công, do đó làm chậm quá trình phá hủy
lưỡi cắt. Còn trong các ứng dụng có ma sát trượt, lớp phủ có xu hướng làm giảm sự
khuôn mẫu Hơn nữa, nhiệt độ quá trình thấp nghĩa là sai lệch về điểm “0” sẽ được
tiến hành trên hầu hết các vật liệu, miễn là nhiệt độ rút ra chính xác vẫn được duy
trì.
1.2. Cấu tạo dụng cụ cắt có lớp phủ
Có thể có một hoặc nhiều lớp phủ trên bề mặt mảnh hợp kim. Loại một lớp phủ
được chế tạo đơn giản và rẻ tiền tuy nhiên tuổi thọ của dao thấp do dao chóng mòn
hơn và vết nứt (nếu có) dễ lan đến vật liệu nền hơn so với loại nhiều lớp phủ. Loại
nhiều dụng nhất định. Có thể có
2, 3 hoặc nhiều lớp phủ hơn. Loại này tạo cho dao độ tin cậy cao hơn và khả năng
gia công liên tục dài hơn. Một loạt các lớp phủ mỏng bảo vệ vật liệu nền một cách
mạnh mẽ hiệu quả, kéo dài tuổi bền của chọn
mảnh hợp kim nhiều lớp phủ với lớp ngoài cùng có ma sát thấp (chẳng hạn bằng
TiN), lớp kế tiếp có tính chống mòn do tạo lỗ trống (oxit nhôm), lớp thứ 3 có tác
dụng chống mòn do tạo lỗ trống và mòn mặt sau (TiCN), cuối cùng là vật liệu nền.
1.2.1. Vật liệu nền
kim. Tungsten
carbide vẫn là vật liệu nền chính. Tùy theo ứng dụng mà chọn
Số hóa bởi trung tâm học liệu
17
chất nền được sử dụng
là carbide.Tùy theo vật liệu chi tiết gia công mà chọn dao với chất nền thích hợp.
mảnh hợp kim có khả năng chống biến dạng
. Chất nền bằng tungsten carbide được hợp kim
hóa bởi một số carbide khối (TiC, TaC, NbC và VC) có
thép. Khi gia công vật liệu có tính dính như thép
mòn và chống tạo lỗ trống (do lẹo dao và
tróc) nên vật liệu nền có độ dai cao hơn với lư
+ Lớp phủ siêu cứng:
Vật liệu phủ này là graphít, ceramic, vật liệu tổng hợp.
1.3. Ứng dụng phủ PVD:
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
- Phương pháp phát xạ từ lệch
Vật liệu phủ thông dụng hiện nay cho PVD là TiN, TiCN, TiAlN và CrN. Ứng suất
dư trong lớp phủ là ứng suất dư nén. Chiều dày lớp phủ thường bị hạn chế dưới
5 m để tránh sự tạo nên ứng suất dư có cường độ cao trong lớp phủ. Phương pháp
dùng dòng điện tử có điện thế thấp như hình 1.2 (a) dùng để phủ TiN và TiCN sử
dụng dòng điện tử 100V để bay hơi Ti. Mức độ ion hoá của kim loại bay hơi và khí
phản ứng cao, tuy nhiên hệ thống này chỉ phủ các chi tiết có kích thước không lớn.
Tốc độ phủ thấp.
Các dụng cụ có kích thước lớn thường được phủ bằng dòng điện tử có điện thế cao
như hình 1.2 (b). Tốc độ phủ cao, tuy nhiên điện thế 10000V làm giảm khả năng ion
hoá của dòng kim loại bay hơi và phản ứng vì thế người ta sử dụng một hệ ba cực
để tăng mức độ ion hoá cho hệ thống. Hệ thống này chỉ phủ được TiN và TiCN.
Số hóa bởi trung tâm học liệu
19
Hình 1.2: Sơ đồ 4 phương pháp phủ PVD cơ bản
(a) Dòng điện tử có điện thế thấp
(b) Dòng điện tử có điện thế cao
(c) Hồ quang
(d) Phát xạ từ lệch
Sơ đồ bay hơi bằng hồ quang được dùng để phủ TiAlN hình 1.2(c). Tuy nhiên hợp
Phương pháp phủ hóa học CVD thực hiện ở nhiệt độ 800
0
C ÷ 1050
0
C.Với chiều
dày từ 5 µm ÷ 10µm.
So sánh phủ lý hoc PVD và phủ lý học CVD.
Giới thiệu một số vật liệu phủ và tính chất của các vật liệu phủ.
Số hóa bởi trung tâm học liệu
21
Chƣơng 2: MÒN, TUỔI BỀN VÀ NHU CẦU PHẢI PHUN PHỦ BỀ MẶT
CỦA DỤNG CỤ CẮT BÁNH RĂNG CÔN XOẮN
2.1. Mòn dụng cụ cắt
2.1.1. Khái niệm chung về mòn
bề mặt trong chuyển động trượt, lăn hoặc va chạm tương đối với nhau. Eyre
và như các biện pháp công nghệ mới để
tăng bền bề mặt chính là nhằm mục đích làm tăng khả năng chống mòn của dụng
cụ.
2.1.2. Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt:
Theo Shaw mòn dụng cụ có thể do dính, hạt mài, khuếch tán, ôxy hóa và
theo điều kiện cắt
cụ thể mà một cơ chế nào đó chiếm ưu thế. Ngoài ra dụng cụ còn bị phá hủy do mẻ
dăm, nứt và biến dạng dẻo.
Theo Loffer trong cắt kim loại nhiệt độ cắt hay vận tốc cắt là nhân tố có ảnh
. Ở dải vận
, cơ chế mòn do dính và mòn do hạt mài chiếm ưu thế cho cắt liên tục và
gián đoạn. Khi tăng vận tốc cắt, mòn do hạt mài và hóa
suất nhiệt biến đổi theo chu kỳ là cơ chế mòn
không liên tục.
2.1.2.1. Mòn do dính
Khi hai bề mặt rắn, phẳng trượt so với nhau mòn do dính xảy ra tại chỗ
trượt xảy ra vật
liệu ở vùng này bị trượt (biến dạng dẻo) dính sang bề mặt đối tiếp hoặc tạo thành
các mảnh mòn rời, một số mảnh mòn còn được sinh ra do
.
Có giả thuyết, nếu sức bền dính đủ lớn để cản trở chuyển động trượt tương đối, một
vùng của vật liệu sẽ bị biến dạng dưới tác dụng của ứng suất
tạo thành các mảnh mòn
dạng lá mỏng. Nếu biến dạng dẻo xảy ra trên diện
Số hóa bởi trung tâm học liệu
23
sang bề mặt đối tiếp.
Nhiệt độ cao phát triển trong dụng cụ đặc biệt là trên mặt trước khi cắt tạo phoi dây
là điều kiện thuận lợi cho hiện tượng khuếch tán giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu
gia công. Colwell đã đưa ra nghiên cứu của Takeyama cho
Copyright: Tài liệu đại học ©