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

Bui Anh Tuan
MỤC LỤC
Nội dung
Trang
Trang 1
1
Lời cam đoan
2
Mục lục
3
Danh mục các bảng số liệu
7
Danh mục các hình vẽ, đồ thị, ảnh chụp.
8
PHẦN MỞ ĐẦU
11
1. Tính cấp thiết của đề tài
11
2. Mục đích nghiên cứu
12
3. Đối tƣợng nghiên cứu
12
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
12
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
12
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DỤNG CẮT PHỦ

1.1. Phun phủ dụng cụ cắt

26
1.4 Mũi khoan phủ
26
1.4.1 Đặc tính của mũi khoan phủ
26
1.4.2 Các loại mũi khoan phủ
27
1.4.3 Các cơ chế tác động đến mũi khoan phủ trong quá trình cắt
30
1.4.3.1 Cơ chế mòn
31
1.4.3.2 Cơ chế mài mòn
33
1.4.3.3 Cơ chế mòn do bám dính
34
1.4.3.4 Cơ chế mòn nhiệt
36
1.5 Mũi khoan phủ sau khi mài sắc lại
37
1.6 Kết luận chƣơng 1
39
CHƢƠNG 2 TUỔI BỀN CỦA DỤNG CỤ CẮT PHỦ

2.1 Mòn dụng cụ cắt phủ
40
2.1.1 Quá trình mòn
41
2.1.1.1 Mòn dụng cụ cắt
41
2.1.1.2 Quá trình mòn của dụng cụ cắt

49
f. Mòn do nhiệt
50
2.1.3.2 Cơ chế phá hủy của lớp phủ
50
2.2 Tuổi bền của dụng cụ cắt phủ
51
2.2.1 Khái niệm chung về tuổi bền của dụng cụ cắt
51
2.2.2 Các nhân tố ảnh hƣởng đến tuổi bền của dụng cụ cắt
53
2.2.3 Vai trò của lớp phủ cứng trong việc tăng tuổi bền của dụng cụ
53
2.3 Phƣơng pháp xác định tuổi bền của dụng cụ cắt
55
2.4 Kết luận chƣơng 2
58
CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MỐI QUAN HỆ GIỮA
CHẾ ĐỘ CẮT VÀ TUỔI BỀN CỦA MŨI KHOAN 12 PHỦ TiN KHI
MÀI LẠI MẶT SAU

3.1 Cơ sở lý thuyết xác định tuổi bền của dao
59
3.1.1 Cơ sở xác định tuổi bền của dao bằng thực nghiệm
59
3.1.2 Lựa chọn chỉ tiêu xác định tuổi bền của dao
59
3.2 Thiết kế thí nghiệm
60
3.2.1 Các giới hạn của thực nghiệm


66
3.3.3.3 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa v, s và T khi t = 12
69
3.3.3.4 So sánh tuổi bền khi vẫn còn lớp phủ trên mặt sau và khi đã mài sắc
lại không còn lớp phủ trên mặt sau
70
3.3.3.5 Một số hình ảnh của dao và phôi trong quá trình thực nghiệm
70
3.4 Kết luận chƣơng 3
72
CHƢƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

4.1 Kết luận
73
4.2 Hƣớng nghiên cứu tiếp theo
73
Tài liệu tham khảo
74
Phụ lục lực cắt khi gia công
76

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

DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU
TT
Bảng số
Nội dung
Trang
1

Bảng 3.3
Giá trị tính toán thông số chế độ cắt v, s cho thực
nghiệm

9
Bảng 3.4
Bảng quy hoạch và kết quả thực nghiệm xác định
tuổi bền của dao

10
Bảng 3.5
Bảng kết quả đo lực

11
Bảng 3.6
Các giá trị logarit

12
Bảng 3.7
Bảng kết quả tính toán giá trị (y
i
-
i
y
ˆ
)
2

Phân tích EDAX của phoi thép các bon trung bình
31
7
Hình 1.7
Sự nâng lên của lƣỡi cắt và phân tích EDAX lƣỡi
cắt của mũi khoan phủ TiAlN
32
8
Hình 1.8
Cơ chế của lớp vảy
32
9
Hình 1.8(a)
Hình thái trên SEM
32
10
Hình 1.8(b)
Hàm phổ EDAX
32
11
Hình 1.9
Sự phá huỷ và cơ chế mài mòn cơ học
33
12
Hình 1.10
Sự mòn khốc liệt do chảy dính trên bề mặt
33
13
Hình 1.11
Ảnh SEM của sự mài mòn trên bề mặt mũi khoan

Mũi khoan phủ TiAlN

21
Hình 1.14(b)
Mũi khoan phủ TiCN

22
Hình 1.14(c)
Mũi khoan phủ TiN

23
Hình 1.15
Phân tích EDAX trên vùng tiếp xúc
36
24
Hình 1.15(a)
Ảnh SEM của vùng tiếp xúc

25
Hình 1.15(b)
Hàm phổ EDAX

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

26
Hình 1.16
Ảnh SEM của các vết nứt nhiệt tế vi sinh ra trên lớp
phủ TiAlN của mũi khoan
37
27

Hình 2.3
Quan hệ giữa độ mòn và số lỗ gia công của các loại
lớp phủ
44
33
Hình 2.4
Quan hệ mòn và thời gian cắt của phủ đa lớp
44
34
Hình 2.5
Quan hệ mòn và thời gian cắt của phủ đa lớp khi gia
công thép gió
45
35
Hình 2.6
Ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt
liên tục
45
36
Hình 2.7
Ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt
gián đoạn
46
37
Hình 2.8
Mòn mặt sau
46
38
Hình 2.9
Mòn mặt trƣớc

0
,

=4
0
,

=90
0
,

= 60
0
, r=1mm, thời gian cắt T =30 phút
[4].
53 44
Hình 2.15
Quan hệ V.T-V và V.T.a khi cắt thép 40Cr bằng dao
T15K6 với h
s
= 0,6 mm.(1) s = 0,037 mm/v: (2) s =
0,3 mm/v (3) s = 0,1 mm/v; (4) s = 0,5 mm/v.
54
45
Hình 2.16(a)
Quan hệ tuổi bền của dao thép gió phủ PVD theo
vận tốc cắt dao tiện

Máy, dao, phôi và thiết bị đo lực
70
53
Hình 3.4
Sơ đồ gia công
70
54
Hình 3.5
Thiết bị chuyển đổi tín hiệu
71

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

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay với sự phát triển của khoa học, công nghệ. Dụng cụ cắt đã có
những bước tiến đáng kể về chất lượng và kết cấu. Cụ thể là về chất lượng chế tạo
vật liệu mới, phun phủ bề mặt, cải tiến kết cấu.
Phun phủ là phương pháp tạo ra trên bề mặt dụng cụ cắt có vật liệu nền là
các bít hoặc thép gió một hoặc nhiều lớp chức năng có giá trị sử dụng cao nhằm:
- Nâng cao khả năng chống ăn mòn hoá học.
- Cải thiện tính chất ma sát, nâng cao khả năng chống mài mòn.
- Điều chỉnh các tính chất vật lý cũng như hoá học đặc biệt.
- Các lớp phủ thường có chiều dày 1-4μm.
- Có các loại vật liệu phủ sau: TiN, TiCN, TiAlN, CrN …
TiN là vật liệu phủ thông dụng cho dụng cụ cắt. TiN có độ cứng cao, bền
nhiệt cao và hệ số ma sát nhỏ. Đối với nguyên công khoan hiện nay loại mũi khoan
thông dụng được sử dụng trong thực tế là mũi khoan phủ TiN.
Mặt khác khi gia công, chế độ cắt ảnh hưởng rất lớn đến tuổi bền của dụng
cụ cắt. Đặc biệt với các nguyên công gia công lỗ thì mũi khoan chịu ảnh hưởng của

trình cắt.
* Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả của đề tài được dùng làm cơ sở để chọn bộ
thông số s, v với t = 12 của quá trình khoan trong các điều kiện cụ thể.
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm.
29
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Bảng 1.6 Trích sơ đồ lựa chọn mũi khoan cho chế độ công nghệ (trích bảng Catalogue hãng Guhring)

Thép hợp
kim AlSi
Thép có độ
bền cao
Thép kết cấu,
thép các bon
RT 150 GG
Sai
Đúng
Đúng
Đúng
Chế độ cắt
không làm mát
Sai
Sai
Sai
Sai
Sai
Sai
RT 150 F
RT 150 U
RT 50 G
RT 80 F
RT 80 U
RT 100 GN
RT 200 G
Đúng
RT 100 F
RT 100 U
Đúng

(S) 1183 27 HE
(F) 2479 27 HA
(F) 2471 27 HE
(S) 2711 28 HA
(F) 4044 28 HA
(F) 4045 28 HE
( ) 24 DZ
( ) 1798 24 DZ
( ) 1799 26 DZ
(S) 1441 24 HE
(S) 1171 24 HE
(S) 1442 26 HE
(S) 1172 26 HE
(S) 1443 28 HE
(S) 1173 28 HE
( ) 1206 26 HE
(S) 1662 26 HA
(S) 1182 26 HE
(F) 2478 26 HA
(F) 2470 27 HA
(S) 1242 25 DZ
(S) 1673 25 HA
(F) 2473 25 DZ
(F) 2480 25 HA
(F) 2712 27 HA
Trong đó:
(S): mũi khoan phủ TiN
(F): mũi khoan có lớp
phủ chịu nhiệt
( ): mũi khoan không

93
57
7
109
69
8
117
75
9
125
81
10
133
87
11
142
94
12
151
101
13
151
101
14
160
108
15
169
114
16

thành phần bản ferum có nhiệt độ nóng chảy cao hơn. Trong đó một số thành phần
khác của phôi như Mn, P có giới hạn nóng chảy thấp hơn trong quá trình khoan
(hình 1.6). Nhiệt độ nóng chảy tới hạn của sắt khoảng 1538
0
C. Chúng ta có thể giả
thiết rằng nhiệt độ tại điểm tiếp xúc lớn hơn 1538
0
C. Tại thời điểm này các phân tử
khác của cấu trúc có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn như là Mn và P có thể bị thoát ra
hết và không thể dò vết bằng phân tích EDX. (Nhiệt độ nóng chảy của Mn và P là
khoảng 1246
0
C và 44,1
0
C) [12].

Hình 1.5 Sự nâng lên của lưỡi cắt mũi khoan phủ TiN [12]

Hình 1.6 Phân tích EDAX của phoi thép các bon trung bình
1.4.3.1 Cơ chế mòn
Trong trường hợp chung, tất cả các mũi khoan đều có cơ chế chịu mòn cơ
học biến đổi của một hỗn hợp các yếu tố khác nhau và sự gây mòn khác như số lỗ
khoan hoặc việc tăng vận tốc cắt. Đối với mũi khoan không phủ, điều đó được thể

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

32
hiện khi quan sát thấy sự nâng cao biên dạng lưỡi cắt sau 12 lỗ khoan. Hình 1.7 cho
thấy sự hình thành của việc nâng cao lưỡi cắt. Phân tích EDAX thấy rằng thành
phần của lưỡi cắt bao gồm cả các phân tử phủ (Ti, Al, N) và phân tử phôi (Fe). Ở

nhô và các rãnh trên lưỡi cắt có lớp phủ chất lượng tố tở trên các bề mặt như hình
1.11. Sự xuất hiện của mài mòn cơ học là một phần tất yếu của quá trình khoan. Khi
đó các đỉnh nhấp nhô bị cắt đứt và cùn đi như thấy ở trên hình 1.12. Quá trình mài
mòn cơ học được tìm thấy trong khi kiểm nghiệm đặc tính của quá trình khoan.

Hình 1.11 Ảnh SEM sự mài mòn cơ học trên bề mặt của mũi khoan phủ TiN [12]
Hình 1.12 Đỉnh các nhấp nhô bị san bằng và ép chặt trên mặt bị mòn của mũi khoan
phủ TiN. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

34

Hình 1.11 Hình 1.12
1.4.3.3 Cơ chế mòn do bám dính
Trong quá trình khoan, đỉnh các nhấp nhô là đối tượng của các tiếp xúc lặp
lại trong biến dạng dẻo. Sau đó, vật liệu ở đỉnh các nhấp nhô trở nên không bền và
bị cắt đứt cục bộ (một phần), bị tách ra, hình thành lớp chuyển tiếp và bắt đầu phát
triển như trong hình 1.13. Sau đó, nó có dạng như 1 miếng vá. Đây là một phần diễn
ra trong quá trình khoan, có hai con đường chuyển tiếp của lớp màng trượt nguyên
nhân là do cấu tạo của các lớp chuyển tiếp trên cả hai mặt bên của các bề mặt trượt.
Trên hình 1.14 trình bày phân tích EDAX trên bề mặt của mũi khoan. Nó cho ta
thấy các lớp chuyển tiếp có thành phần bao gồm cả vật liệu của lớp phủ (Ti, Al, C,
N, Cr) và vật liệu của phôi (Fe, Mn, Cr) như trong bảng 2. Đây là một quá trình đã
biết như là sự hợp kim hoá của lớp chuyển tiếp đã được quan sát thấy trong các
nghiên cứu khác của Chen và Rigney [12].
Sự hình thành các lớp chuyển tiếp là sự nén chặt, sự dính và trượt của các
mảnh vụn mòn và các mảnh vụn mới hình thành trong quá trình khoan. Khi phoi cắt
bị tác động có đủ độ bền liên kết với nhau thành các màng mỏng, các lớp mỏng này

O K
4,25
21,4
3,44
Al K
13,1
-
-
Ti K
35,59
27,9
1,54
Cr K
-
0,47
1,57
Mn K
1,1
0,49
1,85
Fe K
27,8
30,92
71,7
Total
100
100
100
Bảng 1.5 Thành phần cấu tạo trên các bề mặt mòn [12]


Hàm phổ EDAX
Nhiệt độ vùng tiếp xúc tăng lên mở đầu cho các ứng suất nhiệt. Trong đó có
thể thêm vào ứng suất cơ và làm cho tổng ứng suất tiếp xúc tăng lên. Kết quả phát
sinh các vết nứt nhiệt tế vi ở trên vùng tiếp xúc. Trong quá trình khoan các vết nứt
tế vi nhiệt lớn lên, lan truyền và cuối cùng liên kết với nhau tạo thành tổ hợp các vết
nứt nhiệt tế vi như trên hình 1.16(c).

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

37

Hình 1.16 Ảnh SEM của các vết nứt nhiệt tế vi sinh ra trên lớp phủ TiAlN
(a) Vùng tiếp xúc bị giãn nở nhiệt
(b) Bước ban đầu của các vết nứt tế vi
(c) Sự phát sinh tổ hợp của các vết nứt tế vi do nhiệt
1.5 Mũi khoan sau khi mài sắc lại
Đối với nguyên công khoan chế độ thoát phoi khó khăn, nhiệt cắt lớn. Trong
quá trình cắt lớp phủ trên bề mặt có tác dụng giảm lực cắt, lực ma sát và biến dạng
vật liệu gia công. Do đó công tiêu hao cho quá trình cắt giảm dẫn tới nhiệt giảm,
mặt khác tính dẫn nhiệt của vật liệu lớp phủ (TiN …) thường kém so với vật liệu
nền chúng có tác dụng như một lớp ngăn cách nhiệt truyền vào nền vật liệu dụng cụ.
Dụng cụ phủ có nhiệt cắt thường thấp hơn dụng cụ không phủ trong cùng một điều
kiện cắt gọt.
Lớp phủ cứng có tác dụng chống mòn do hạt mài. Các nhà nghiên cứu kết
luận rằng lớp phủ PVD-TiN giúp cho dụng cụ phủ chống lại mòn do hạt mài, dính,
mỏi và ôxy hoá. Cơ chế phá huỷ của TiN do dính phụ thuộc vào vật liệu đối tiếp.
Hendenqvist và Olsson đã phát hiện ra rằng khi đầu thép gió phủ TiN trượt trên đĩa
thép tôi và ram lớp phủ bị phá huỷ từ bên trong. Khi trượt trên thép trắng TiN bị
bóc ra thành mảnh do cơ chế nứt tách tại biên giới lớp phủ và nền. Khi đầu thép các
bon trung bình trượt trên đĩa thép gió phủ TiN lớp phủ bị vỡ, gãy và cuốn đi do nền


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

39
1.6 Kết luận chương 1

 Phủ là công nghệ đang được áp dụng rộng rãi trong các sản phẩm
phục vụ đời sống xã hội nói chung và dụng cụ cắt nói riêng.
 Lớp phủ nâng cao được các đặc tính tốt của dụng cụ cắt trong quá
trình gia công.
 Vật liệu phủ đa dạng, có thể thay đổi theo từng điều kiện cụ thể của
quá trình gia công. Đối với dụng cụ cắt nói riêng ứng dụng chủ yếu là
chống mòn, ăn mòn, mài mòn và mòn do nhiệt.
 Tuổi bền của mũi khoan phủ trong quá trình cắt chịu ảnh hưởng của
tổng hợp các yếu tố mài mòn, mòn do bám dính, mòn do nhiệt
 Mũi khoan phủ sau khi mài sắc lại trên mặt sau không còn lớp phủ,
điều này sẽ ảnh hưởng tới tuổi bền của mũi khoan. Do vậy việc
nghiên cứu tuổi bền của mũi khoan sau khi mài lại là rất cần thiết. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

40
CHƢƠNG 2 TUỔI BỀN CỦA DỤNG CỤ CẮT PHỦ

chế tuổi bền của dụng cụ. Mòn dụng cụ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công,

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

41
chất lượng bề mặt và toàn bộ khía cạnh kinh tế của quá trình gia công. Sự phát triển và
tìm kiếm những vật liệu dụng cụ mới cũng 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].
2.1.1 Quá trình mòn
2.1.1.1 Mòn dụng cụ cắt:
Trong hầu hết các quá trình cắt kim loại, khả năng cắt của dụng cụ sẽ giảm dần
đến một lúc nào đó dụng cụ sẽ không tiếp tục cắt được do mòn hoặc hỏng hoàn toàn.
Mòn dụng cụ là chỉ tiêu chính đánh giá khả năng làm việc của dụng cụ bởi vì nó hạn
chế tuổi bền của dụng cụ. Mòn dụng cụ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công,
chất lượng bề mặt và toàn bộ khía cạnh kinh tế của quá trình gia công. Sự phát triển và
tìm kiếm những vật liệu dụng cụ mới cũng như biện pháp công nghệ mới để tăng khả
năng bền của bề mặt như phủ các vật liệu TiN, TiAlN, CBN,… chính là nhằm tăng
khả năng chống mòn của dụng cụ.
Định nghĩa mòn liên quan đến sự hao hụt về khối lượng hoặc thể tích, dẫn đến sự
thay đổi vượt quá giới hạn cho phép về hình dạng hoặc topography của bề mặt. Trong
một số trường hợp vết mòn còn xuất hiện dưới dạng là hậu quả của biến dạng dẻo.
“mòn là sự phá huỷ một bề mặt gây ra bởi chuyển động tương đối của nó đối với một
bề mặt khác” [3]
Mòn là hiện tượng phá huỷ bề mặt hay sự tách vật liệu từ 1 hoặc cả 2 bề mặt
trong chuyển động trượt, lăn hoặc va chạm tương đối với nhau. Nói chung mòn sảy ra
do sự tương tác của các mấp mô bề mặt.
Trong quá trình chuyển động tương đối, đầu tiên vật liệu trên bề mặt tiếp xúc bị
biến dạng do ứng suất ở đỉnh các mấp mô vượt quá giới hạn bền dẻo, nhưng chỉ một
phần rất nhỏ bị tách ra. Sau đó vật liệu bị tách ra từ một bề mặt dính sang bề mặt đối
tiếp hoặc tách ra thành những hạt mòn rời. Trong quá trình gia công phoi trượt liên tục
Hình 2.1: Quan hệ giữa một số dạng mòn của dụng cụ hợp kim cứng với thể tích
0, 6
c1
V .t
, trong đó V tính bằng m/ph; t
1
tính bằng mm/vg
Loladze cho rằng cơ chế hình thành vùng mòn mặt trước của dao hợp kim cứng
khác so với dao thép gió. Bởi theo ông do hợp kim cứng có độ cứng nóng cao đến
hàng nghìn độ C nên hiện tượng khuếch tán ở trạng thái rắn gây mòn với tốc độ cao
xảy ra trên mặt trước từ vùng có nhiệt độ cao nhất. Như vậy mòn mặt trước đều có
nguồn gốc do nhiệt.
a
a/2
w
w
d
(a) Mòn trơn mũi dao:
0,6
c1
V .t 11


tốc độ cắt cao thì vùng mòn mặt sau nhẵn và trơn.
Trong điều kiện hình thành lẹo dao, lượng mòn mặt sau tỷ lệ nghịch với lượng
mòn mặt trước. Khi mòn mặt trước xuất hiện sẽ làm tăng góc trước thực, thúc đẩy sự
hình thành và ổn định của lẹo dao có tác dụng bảo vệ mặt sau khỏi bị mòn. Trái lại khi
mòn mặt trước không xuất hiện, dạng của lẹo dao sẽ thay đổi theo xu hướng không có
tác dụng bảo vệ mặt sau khỏi mòn, dẫn đến thúc đẩy sự phát triển của mòn mặt sau.
Theo thì mòn mặt trước và mặt sau có thể tính toán gần đúng như sau:
Thể tích mòn mặt sau:
2
W
.
2
ave
VB btg
V


(2- 1)
Trong đó: VB
ave
là chiều cao trung bình của vùng mòn
Thể tích mòn mặt trước:
cr
2 ( )
3
b KB KF KT
V


(2- 2)