Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA CHẾ ĐỘ CẮT VÀ
TUỔI BỀN DỤNG CỤ PHỦ TiAlN KHI TIỆN TINH
THÉP KHÔNG GỈ SUS 201
23.
HOÀNG VĂN VINH

Ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
Mã số :……………… 23.
Học viên : HOÀNG VĂN VINH
Ngƣời HD Khoa học : PGS.TS. NGUYỄN QUỐC TUẤN THÁI NGUYÊN – 2010

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

ĐẠ I HỌ C THÁ I NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG
NGHIỆP


CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc


Học viên HOÀNG VĂN VINH

Ban giám hiệu Khoa Sau Đại học
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trì nh nghiên cứ u củ a tôi . Các kết quả, số
liệ u nêu trong luậ n văn là trung thự c và chưa từ ng đượ c công bố trong bấ t kỳ
công trnh nào khác.

Tác giả luận văn
Hoàng Văn Vinh

4. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 2
Chương 1
1.1. Quá trnh cắt và tạo phoi 3
1.2. Lc cắt khi tiện 6
1.2.1. Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt 6
1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện 8
1.3. Nhiệt cắt 11
1.3.1. Khái niệm chung 11
1.3.2. Các nguồn nhiệt trong cắt kim loại 14
1.4. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt sau gia công cơ 17
1.4.1. Độ nhám bề mặt và phương pháp đánh giá 17
1.4.2. Tính chất cơ lý lớp bề mặt sau gia công cơ 21
1.5. Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi gia công cơ 26
1.5.1. Ảnh hưởng của các thông hình học của dụng cụ cắt 26
1.5.2. Ảnh hưởng của tốc độ cắt 27
1.5.3. Ảnh hưởng của lượng chạy dao 28
1.5.4. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt 29
1.5.5. Ảnh hưởng của vật liệu gia công 29
1.5.6. Ảnh hưởng của rung động hệ thống công nghệ 29
1.6. Kết luận chương 1 30
Chương 2
TỔNG QUAN VỀ DAO PHUN PHỦ
2.1. Khái niệm về phun phủ 31
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2.1.1. Phủ bay hơi hoá học CVD (Chemical Vapour Deposition) -
Phủ bay hơi lý học PVD (Physical Vapour Deposition) 31
2.1.2. Phủ PVD và CVD nâng cao tuổi thọ và hiệu suất dụng cụ 35
2.1.3. So sánh phủ PVD và CVD. 36
2.2. Cấu tạo dụng cụ cắt có lớp phủ 37

không gỉ SUS 201 68
4.4.1. Nội dung: 68
4.3.2. Các thông số đầu vào của thí nghiệm: 69
4.3.3. Thực nghiệm xác định tuổi bền: 69
4.5. Đồ thị biểu diễn s ảnh hưởng của chế độ cắt đến tuổi bền T 76
4.6. So sánh tuổi bền với hợp kim thông dụng. 76
4.6.1. Tính toán tuổi bền dụng cụ hợp kim T15K6. 76
4.6.2. So sánh: 78
4.7. Một số hnh ảnh dụng cụ sau khi gia công: 78
4.8. Kết luận chương 4 83
Chương 5
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN VĂN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU
TIẾP THEO CỦA ĐỀ TÀI
5.1. Kết luận chung 84
5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai 84
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ
Hnh 1.1: Sơ đồ hoá miền tạo phoi 3
Hnh 1.2: Miền tạo phoi 5
Hnh 1.3: Miền tạo phoi với các vận tốc cắt khác nhau 5
Hnh 1.4: Hệ thống lc cắt khi tiện 7
Hnh 1.5: (a) Quan hệ giữa lc cắt và góc trước n 9
(b) Ảnh hưởng của góc trước đến ứng suất n trên dụng cụ cắt 9

trước n 57
Hnh 3.8: Quan hệ giữa thời gian, tốc độ và độ mòn của dao 58
Hnh 3.9: Quan hệ giữa tốc độ cắt V và tuổi bền T của dao 58
Hnh 3.10: Quan hệ giữa V và T (đồ thị lôgarit) 59
Hnh 4.1: Mô hnh hệ thống thí nghiệm 65
Hnh 4.2: Thí nghiệm trên máy tiện 66
Hnh 4.3: Máy tiện thc hiện thí nghiệm (PRIMERO – PL 1840) 67
Hnh 4.4: Dao tiện 68
Hnh 4.5:Vật liệu đang cắt trên máy 69
Hnh 4.6: Đồ thị biểu diển ảnh hưởng của V, S đến tuổi bền khi t=0.3 mm . 76
Hnh 4.7: Ảnh SEM mẫu dao tiện khi chưa gia công. 78
Hnh 4.8: Ảnh SEM mẫu dao tiện sau 42 pht với V = 180(m/p), s =
0,05(mm/vòng), t=0.45 mm 79
Hnh 4.9: Ảnh SEM mẫu dao tiện sau 42 pht với V = 180(m/p), s =
0,15(mm/vòng), t=0.15 mm 80
Hình 4.10: Ảnh SEM mẫu dao tiện sau 49 pht với V = 95(m/p), s =
0,15(mm/vòng), t=0.45 mm 82
Hnh 4.11: Ảnh SEM mẫu dao tiện sau 58.5 pht với V = 95(m/p), s =
0,05(mm/vòng), t=0.15 mm 83

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1: Lịch sử và đặc tính của vật liệu dụng cụ 11
Bảng 1-2: Tính chất cơ - nhiệt một số vật liệu dụng cụ cắt 12
Bảng 1-3: Các giá trị Ra, Rz và chiều dài chuẩn l ứng với các cấp nhám bề
mặt 19
Bảng 1-4: Chiều sâu lớp biến cứng của các phương pháp gia công cơ 21


a
p
: Chiều dày phoi
K
bd
: Mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi
K
ms
: Mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của dao
K
f
: Mức độ biến dạng của phoi
: Góc trượt
: Góc trước của dao
P
x
: Lc chiều trục
P
y
: Lc hướng kính
P
z
: Lc tiếp tuyến
V: Vận tốc cắt (m/pht)
S: Lượng chạy dao (mm/vòng)
t: Chiều sâu cắt (mm)
c : Nhiệt dung riêng
 : Góc tạo phoi
K: Hệ số thẩm nhiệt


1
MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong lĩnh vc gia công cơ khí, nhu cu tăng năng suất, tăng độ chính
xác và nâng cao chất lượng bề mặt gia công càng ngày tăng. Nhiều biện pháp
đã và đang được thc hiện mạnh mẽ nhằm đáp ứng nhu cu này, một trong
những đối tượng được nghiên cứu để giải quyết nhu cu này là dụng cụ cắt.
Cho đến nay việc sử dụng dụng cụ phun phủ đã khá phổ biến trong gia công
cơ khí, các đề tài nghiên cứu các loại vật liệu cắt gọt cũng như phương pháp
tạo dụng cụ cắt mới khá nhiều tuy nhiên giá thành của loại dụng cụ này trên
thị trường hiện nay vẫn rất cao, trong khi đó việc nghiên cứu để sử dụng tối
ưu một loại dụng cụ khi gia công một loại vật liệu cụ thể vẫn còn chưa phổ
biến.
Gia công tiện là một phương pháp gia công được sử dụng rất phổ biến
v vậy việc tm được một tính tối ưu trong gia công có một ý nghĩa rất lớn.
Hiện nay các loại chi tiết chế tạo từ loại vật liệu thép không gỉ được dùng
nhiều và yêu cu ngày càng cao cho chất lượng và giá thành sản phẩm. Việc
tiện thép không gỉ tại Việt Nam hiện nay còn gặp nhiều khó khăn do đây là
loại vật liệu dẻo dẫn nhiệt kém hay tạo dính làm cho dụng cụ chóng mòn. V
vậy một trong những vấn đề cn được nghiên cứu để có thể khai thác hiệu quả
hơn nữa việc sử dụng dụng cụ phun phủ khi gia công thép không gỉ hiện nay
là: “Nghiên cứu mối quan hệ giữa chế độ cắt và tuổi bền của dụng cụ phủ
TiAlN khi tiện tinh thép không gỉ SUS 201”.
2. Mục đích
Xây dng được mối quan hệ giữa chế độ cắt và tuổi bền dụng cụ khi
gia công thép không gỉ bằng dao tiện phủ TiALN.
Tm ra cơ sở cho việc tăng tuổi bền dao tiện phủ TiALN khi gia công
tinh thép không gỉ SUS 201.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành công nghệ chế tạo
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Hoàng Văn Vinh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3
Chương 1
BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH CẮT KIM LOẠI,
CHẤT LƢỢNG LỚP BỀ MẶT SAU GIA CÔNG CƠ

1.1. Quá trình cắt và tạo phoi
Theo [1] quá trình cắt kim loại là quá trnh lấy đi một lớp phoi trên bề
mặt gia công để có chi tiết đạt hnh dạng, kích thước và độ bóng bề mặt theo
yêu cu. Để thc hiện một quá trnh cắt cn thiết phải có hai chuyển động:
- Chuyển động cắt chính (chuyển động làm việc): khi tiện đó là chuyển
động quay tròn của phôi.
- Chuyển động chạy dao: đó là chuyển động để đảm bảo duy tr s tạo
phoi liên tục trong suốt quá trnh cắt. Khi tiện đó là chuyển động tịnh tiến dọc
của dao khi tiện mặt trụ.
Khi cắt, để có thể tạo ra phoi, lc tác dụng vào dao cn phải đủ lớn để
tạo ra trong lớp kim loại bị cắt một ứng suất lớn hơn sức bền của vật liệu bị
gia công.
Hnh dạng, độ cứng, mức độ biến dạng và cấu tạo phoi chứng tỏ rằng lớp
kim loại bị cắt thành phoi đã chịu một ứng suất như vậy.


trước của dao.
Những lớp kim loại phía dưới của phoi, kề với mặt trước của dao (hnh
1.1) chịu biến dạng phụ thêm nhiều hơn các lớp phía trên. Mức độ biến dạng
của chng thường lớn đến mức là các hạt tinh thể trong chng bị kéo dài ra
theo một hướng nhất định, tạo thành têchtua.
Như vậy phoi cắt ra chịu biến dạng không đều.
Mức độ biến dạng của phoi:
K
f
= K
bd
+ K
ms
(1-1)
Ở đây: K
bd
: mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành công nghệ chế tạo
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Hoàng Văn Vinh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5
K
ms
: mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước
của dao.
V biến dạng dẻo của phoi có tính lan truyền, do đó lớp kim loại nằm
phía dưới đường cắt ON (hnh 1.1a) cũng sẽ chịu biến dạng dẻo.

Hình 1.2: Miền tạo phoi

một góc bằng .
Mặt OF được gọi là mặt trượt quy ước còn góc  là góc trượt.
Góc trượt là một thông số đặc trưng cho hướng và giá trị của biến dạng
dẻo trong miền tạo phoi.
Theo hnh 1.4 nếu chiều dày lớp kim loại bị cắt là a, chiều dày của phoi
là a
1
ta có:

)cos(
sin
)cos(.
sin.
1








OC
OC
a
a
r
(1-2)
Và do đó có thể tính  theo công thức:


Việc nghiên cứu lc cắt trong quá trnh gia công vật liệu có ý nghĩa cả về
lý thuyết lẫn thc tiễn. Trong thc tế, những nhận thức về lc cắt rất quan
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành công nghệ chế tạo
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Hoàng Văn Vinh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

7
trọng để thiết kế dụng cụ cắt, thiết kế đồ gá, tính toán và thiết kế máy móc
thiết bị, v.v… Dưới tác dụng của lc cắt cũng như nhiệt cắt dụng cụ sẽ bị
mòn, bị phá huỷ. Muốn hiểu được quy luật mài mòn và phá huỷ th phải hiểu
được quy luật tác động của lc cắt. Muốn tính công tiêu hao khi cắt cn phải
biết lc cắt. Những nhận thức lý thuyết về lc cắt tạo khả năng chính xác hoá
lý thuyết quá trnh cắt. Trong trạng thái cân bằng năng lượng của quá trnh cắt
th các mối quan hệ lc cắt cũng phải cân bằng. Điều đó có nghĩa là một mặt
lc cản cắt tác dụng lên vật liệu chống lại s tách phoi, mặt khác lc cắt do
dụng cụ cắt tác dụng lên lớp cắt và bề mặt cắt [1], [7].
Lc cắt là một hiện tượng động lc học, tức là trong chu trnh thời gian
gia công th lc cắt không phải là một hằng số. Lc cắt được biến đổi theo
quãng đường của dụng cụ. Lc đu lc cắt tăng dn cho đến điểm cc đại.
Giá trị lc cắt cc đại đặc trưng cho thời điểm tách phn tử phoi ra khỏi chi
tiết gia công. Sau đó lc cắt giảm dn song không đạt đến giá trị bằng không
bởi v trước khi kết thc s chuyển dịch phn tử phoi cắt th đã bắt đu biến
dạng phn tử khác [1], [7].
Hệ thống lc cắt khi tiện được mô tả sơ bộ trên hnh 1.4. Lc tổng hợp P
được phân tích thành ba thành phn lc bao gồm: lc tiếp tuyến P
z
(hay P
c
),
lc hướng kính P

ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố khác nhau như: vật liệu gia công, thông số
hnh học của dụng cụ cắt, chế độ cắt, v.v…
Abdullah và Ulvi [16] đã chỉ ra rằng, trong tiện cứng thép ổ lăn AISI
52100 (độ cứng 60HRC) th góc trước của dao PCBN 
n
có ảnh hưởng lớn
đến lc cắt chính F
C
và lc hướng kính F
P.

Qua hình 1.5a ta thấy rằng khi góc trước 
n
(xét về giá trị tuyệt đối, bởi
góc trước 
n
<0) tăng th lc cắt chính và lc hướng kính đều tăng, đặc biệt là
lc hướng tâm. Tuy nhiên, qua đồ thị quan hệ giữa ứng suất và góc trước th
ta thấy rằng ứng suất trên dụng cụ cắt đạt giá trị nhỏ nhất khi 
n
= 30
0
, đồng
thời ứng suất tương đương trên dụng cụ đạt giá trị lớn nhất khi 
n
= 20
0
.

a.

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

10
cũng như độ cứng của vật liệu gia công. Qua hnh 1.6a th ta thấy rằng lượng
chạy dao có ảnh hưởng lớn hơn so với độ cứng của phôi đến lc cắt. Cụ thể ở
lượng chạy dao 0,14 mm/vòng th khi độ cứng phôi tăng từ 62 lên 66HRC th
lc cắt chỉ tăng từ 200,9 lên 212,8N. Trong khi đó, lc cắt tăng từ 200.9 lên
370,65N khi thay đổi lượng chạy dao từ 0,14 lên 0,28mm/vòng. Còn khi tăng
bán kính mũi dao và góc trước th lc cắt đều tăng nhưng không đáng kể
(hình 1.6b,c). Hình 1.6b,c: Ảnh hưởng bán kính mũi dao (b) và góc trước đến lực cắt (c)
(b): t=0,35mm; S=0.28mm/vòng; HRC=56;

n
=20
0

(c): t=0,35mm; S=0.28mm/vòng; HRC=56; r=0,1mm [19]
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành công nghệ chế tạo
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Hoàng Văn Vinh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11
1.3. Nhiệt cắt
1.3.1. Khái niệm chung
Biến dạng dẻo của vật liệu gia công trong vùng tạo phoi, vùng biến dạng
thứ hai và ma sát giữa vật liệu gia công với các mặt của dụng cụ trong quá
trnh cắt sinh nhiệt làm tăng nhiệt độ ở vùng gn lưi cắt dẫn đến làm giảm

300-500
60
1900
Thép gió
12 1908
Thép gió cải tiến
15-20
500-600
60-64
1913
Thép gió (tăng Co và
WC)
20-30
600-650
-
1931
Hợp kim cứng cácbit
vonfram
200
1000-1200
91
1934
Hợp kim cứng WC và
TiC
300
1000-1200
91-92

Bảng 1-2: Tính chất cơ - nhiệt một số vật liệu dụng cụ cắt

Cacbit
Vonfra
m
Gốm sứ
nhân tạo
CBN
Kim cương
nhân tạo
Khối lượng riêng (g/cm
3
)
6.0-15.0
3.8-7.0
3.4-4.3
3.5-4.2
Độ cứng (HV 30)
1300-
1700
1400-
2400
3000-
4500
4000-7000
Modul đàn hồi (GPa)
430-630
300-400
580-680
680-890

độ cứng cao nhất chi sau kim cương nhưng lại có độ bền nhiệt cao hơn kim
cương (1500
0
C) [b]. Bảng 1.2 thể hiện tính chất cơ - nhiệt của vật liệu dụng
cụ CBN so với một số loại vật liệu dụng cụ có tính năng cắt cao khác (Cacbit
Vonfram, gốm sứ nhân tạo và kim cương nhân tạo).
Các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng khoảng 98% - 99% công suất cắt biến
thành nhiệt từ ba nguồn nhiệt, vùng tạo phoi (quanh mặt phẳng trượt AB), mặt
trước (AC) và mặt sau (AD) như trên hnh 1.7.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành công nghệ chế tạo
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Hoàng Văn Vinh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13

Hình 1.7: - (a) Sơ đồ hướng các nguồn nhiệt
- (b) Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong cắt kim loại
Nhiệt từ ba nguồn này truyền vào dao, phoi, phôi và môi trường với tỷ lệ
khác nhau phụ thuộc vào chế độ cắt và tính chất nhiệt của hệ thống dao, phoi,
phôi và môi trường [1], [6]. Thc tế vận tốc cắt là nhân tố ảnh hưởng lớn nhất
đến tỷ lệ này, khi cắt với vận tốc cắt đủ lớn phn lớn nhiệt cắt truyền vào phoi
(hình 1.7b) [1].
Gọi Q là tổng nhiệt lượng sinh ra trong quá trnh cắt:
Q = Q
mặt phẳng cắt
+ Q
mặt trước
+ Q
mặt sau
(1-6)