Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

PHẠM THỊ TUYẾN
ĐỀ TÀI:
KHẢO SÁT MÒN VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT
GIA CÔNG KHI TIỆN LỖ THÉP HỢP KIM
QUA TÔI BẰNG DAO PCBN

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học HDKH: PGS.TS. Phan Quang Thế THÁI NGUYÊN - 2010



THÁI NGUYÊN - 2010

NGƯỜI HƯỚNG HỌC VIÊN
DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. Phan Quang Thế Phạm Thị Tuyến
KHOA ĐÀO TẠO BAN GIÁM HIỆU
DẪN KHOA HỌC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -3-
Mục lục
Lời nói đầu……………………………………………………………… 7
1. Tính cấp thiết của đề tài. 7
2. Mục đích và đối tượng nghiên
cứu……………………………………11
3. Phương pháp nghiên cứu 11
4. Ý nghĩa của đề tài 11
4.1. Ý nghĩa khoa học 11
4.2. Ý nghĩa thực tiễn 11
NỘI DUNG ĐỀ TÀI

cứng 43
2.6.4. Kết luận 43

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -4-
2.7. Tuổi bền của dụng cụ cắt 43
2.7.1. Các nhân tố ảnh hưởng đến tuổi bền của dụng cụ cắt khi tiện
cứng 44
2.7.2. Phương pháp xác định tuổi bền dụng cụ cắt 47
2.7.3. Tuổi bền của dụng cụ cắt khi tiện cứng 49
2.8. Kết luận chương 2. 49
Chương 3 Xây dựng hệ thống thực nghiệm ……… …… …… 50
3.1. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm. 50
3.1.1. Chọn thông số vào. 50
3.1.2. Chọn chỉ tiêu đánh giá. 52
3.1.3. Nhiễu khi tiện cứng. 54
3.2. Xây dựng quy hoạch thực nghiệm. 54
3.2.1. Các nguyên tắc cơ bản của quy hoạch thực nghiệm. 54
3.2.2. Chọn loại kế hoạch thực nghiệm và mô hình hồi quy thực
nghiệm. 55
3.2.3. Xác định miền qui hoạch. 67
3.3. Hệ thống thiết bị thí nghiệm. 68
3.3.1. Máy thí nghiệm. 68
3.3.2. Vật liệu thí nghiệm. 70
3.3.3. Dao 71
3.3.4. Chế độ cắt 72
3.3.5. Hệ thống đo lường 72
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm và thảo luận kết quả……………74

Hình 1.3. Máy Emco Turn 332 Mcplus và Quá trình cắt khô trong tiện
cứng
12
Hình 1.4. Mảnh hợp kim có CBN ở mũi
14
Hình 1.5. Ký hiệu một số mảnh CBN dùng trong tiện cứng
15
Hình 2.1.Chi tiết bề mặt vật rắn
19
Hình 2.2. Quan hệ giữa bán kính mũi dao và chiều sâu lớp biến cứng với
các lượng chạy dao khác nhau (khi dao chưa bị mòn) [7]
24
Hình 2.3. Quan hệ giữa vận tốc cắt với chiều sâu lớp biến cứng ứng với
các lượng mòn mặt sau khác nhau của dao tiện [19]
24
Hình 2.4. Quan hệ giữa bán kính mũi dao, chiều sâu cắt và ứng suất dư
lớp bề mặt
27
Hình 2.5:Ảnh hưởng của thông số hình học của dao tiện tới độ nhám bề
mặt
29
Hình 2.6. Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới nhám bề mặt khi gia công thép
30
Hình 2.7. Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt
31
Hình 2.8. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt liên tục (a)
và khi cắt gián đoạn (b)
33
Hình 2.9. Các dạng mòn phần cắt của dụng cụ khi tiện
36

0
, r =1mm,
T =30 phút [3].
41
Hình 2.14. Tuổi bền dụng cụ tính theo thể tích phoi được bóc tách [15]
42
Hình 2.15. Tuổi bền dụng cụ tính bằng phút [15]
42
Hình 2.16. Quan hệ giữa lượng mòn mặt sau và tuổi bền mảnh PCBN
với góc trước 
n

43
Hình 2.17. Quan hệ giữa thời gian cắt, tốc độ cắt và độ mòn của dao
44
Hình 2.18. Quan hệ giữa tốc độ cắt V và tuổi bền T của dao
44
Hình 2.19. Quan hệ giữa V và T (đồ thị lôgarit)
45
Hình 3.1. Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm.
47
Hình 3.2. Sơ đồ khối xử lý kết quả đo.
54
Hình 3.3. Sơ đồ khối xác định hàm hồi quy một biến
55
Hình 3.4. Sơ đồ khối xác định hàm hồi quy nhiều biến.
60
Hình 3.5. Sơ đồ khối thuật toán Gradient
63
Hình 3.6. Máy tiện CNC- HTC2050

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -7-
tại t = 0,08 mm; S
n
= 0,045 mm/vg;

= 150 m/ph; L=80mm.
Hình 4.6. Ảnh SEM bề mặt của mảnh dao PCBN khi tiện cứng thép 9XC
tại t = 0,08 mm; S
n
= 0,045 mm/vg;

= 150 m/ph; L=160mm
80
Hình 4.7. Ảnh SEM bề mặt của mảnh dao PCBN khi tiện cứng thép 9XC
tại t = 0,08 mm; S
n
= 0,045 mm/vg;

= 150 m/ph; L=240mm
81
Hình 4.8. Ảnh SEM bề mặt của mảnh dao PCBN khi tiện cứng thép 9XC
tại t = 0,06 mm; S
n
= 0,09 mm/vg;  = 180 m/ph; L=80mm.
81
Hình 4.9. Ảnh SEM bề mặt của mảnh dao PCBN khi tiện cứng thép 9XC
tại t = 0,06 mm; S
-8-
DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang
Bảng 2.1: Mức độ và chiều sâu lớp biến cứng của các phương pháp gia
công cơ
22
Bảng 2.2: Các thông số chế độ cắt khác nhau của Dawson và Thomas [15]
42
Bảng 3.1: Ma trận quy hoạch trung tâm hợp thành đối xứng với 3 thông
số ảnh hưởng.
64
Bảng 3.2: Thành phần hoá học của mẫu thí nghiệm thép 9XC.
67
Bảng 4.1: Giá trị mã hóa và giá trị thực ở các mức của các thông số.
73
Bảng 4.2: Ma trận thí nghiệm khi tiện cứng thép 9XC
73
Bảng 4.3: Kết quả thí nghiệm tiện tinh lỗ thép 9XC qua tôi bằng dụng cụ
cắt gắn mảnh PCBN.
74

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -9-
LỜI NÓI ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài.

cụ cắt cao, nhiệt cắt cao do chủ yếu sử dụng phương pháp cắt khô và cắt ở tốc
độ cắt cao.
Chất lượng bề mặt gia công và mòn dụng cụ là hai yếu tố quan trọng
trong quá trình gia công. Chất lượng bề mặt ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng
làm việc, độ bền, độ bền mòn của chi tiết máy. Mòn dụng cụ không chỉ làm
giảm độ chính xác hình dạng chi tiết mà còn làm tăng lực cắt, tăng ma sát và
nhiệt một cách đáng kể dẫn đến phá huỷ bề mặt chi tiết gia công và dụng cụ cắt.
Mòn dụng cụ là hàm số của cơ tính của vật liệu gia công và chế độ cắt trong
tiện cứng.
Những kết quả nghiên cứu được công bố gần đây trên các tạp chí khoa
học cho thấy việc nghiên cứu chủ yếu tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của
các thông số như Cơ chế cắt [6],[7], mòn dao [3],[4], Những nghiên cứu này
cho thấy điều kiện cắt (chẳng hạn như tốc độ cắt, lượng chạy dao, hình học
dụng cụ, thuộc tính vật liệu của cả chi tiết gia công lẫn dao) ảnh hưởng rõ rệt
đến bề mặt gia công cuối, 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[1]. Tuy nhiên các đề tài nghiên cứu chủ yếu tập trung vào khảo sát ảnh
hưởng của chi tiết và dụng cụ khi tiện hoặc phay các bề mặt ngoài với điều kiện
gia công dễ, độ cứng vững của hệ thống công nghệ cao nên chất lượng bề mặt
đạt được tốt. Còn đối với tiện lỗ thì điều kiện gia công khó khăn hơn và phụ
thuộc nhiều vào đường kính lỗ, độ cứng vững của hệ thống công nghệ kém hơn,
điều kiện thoát phoi thoát nhiệt kém hơn so với tiện ngoài nên chất lượng bề
mặt đạt được cũng kém hơn. Mặt khác việc nghiên cứu khảo sát mòn và chất
lượng bề mặt khi gia công lỗ thép hợp kim bằng tiện cứng còn ít được đề cập
đến.
Do vậy đề tài:” Khảo sát mòn và chất lượng bề mặt gia công khi tiện lỗ
thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN” là cần thiết và có tính ứng dụng trực
tiếp.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -12-
NỘI DUNG ĐỀ TÀI

Chương I NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ
CÔNG NGHỆ TIỆN CỨNG
1.1. Tìm hiểu về công nghệ tiện cứng.
1.1.1. Giới thiệu chung.
Tiện cứng (hard turning) chính thức được giới thiệu ở nước ta vào năm 1988,
tuy nhiên công nghệ này chưa có điều kiện phát triển mạnh. Cho tới những năm
gần đây khi sự đổi mới về khoa học kỹ thuật đang trở thành tất yếu thì tiện cứng
đã phát huy được vai trò to lớn của nó trong việc gia công tinh các sản phẩm thép
qua tôi cứng.
Từ những năm 1970 các nghiên cứu đã tập trung vào hướng công nghệ
mới để đạt được các mục đích này. Nhưng phải đến những năm 1990, với sự phát
triển mạnh của các máy công cụ tiên tiến và vật liệu Nitrit Bor lập phương thì
tiện cứng mới được áp dụng rộng rãi trong chế tạo máy. Tiện cứng đã thực sự trở
thành công nghệ không thể thiếu trong việc gia công tinh các chi tiết qua tôi
cứng. Điều này góp phần không nhỏ cho quá trình lớn mạnh của ngành chế tạo
máy nói riêng và ngành công nghiệp nói chung.
Các chi tiết như con lăn dùng trong cán thép, vòi phun và những chi tiết của
hệ thống thuỷ lực, sau khi nhiệt luyện thường phải qua nguyên công mài hoặc
mài khôn. Các nguyên công này thường thiếu linh hoạt và mất nhiều thời gian.
Hơn nữa chi phí dung dịch trơn nguội cho nguyên công mài cũng khá cao. Mặt
khác chất thải khi mài ngày càng là vấn đề của môi trường sống. Những lý do
trên đã thúc đẩy các nhà sản xuất loại dần khâu mài trong quy trình công nghệ
gia công tinh chi tiết.

Quốc … Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -14-
Hình 1.1. Máy tiện CNC – Nhật

Hình 1.2. Máy tiện CNC MaJax NHật

Vật liệu dụng cụ khi tiện cứng thường sử dụng là các mảnh vật liệu siêu
cứng CBN (Cubic boron nitride), PCBN, PCD hoặc Ceramic tổng hợp nhằm thay
thế cho mài trong gia công thép qua tôi (thường

50HRC). Phương pháp này có
thể gia công khô và hoàn thành chi tiết trong cùng một lần gá. Cấp chính xác khi
tiện cứng có thể đạt IT5-7, nhám bề mặt Rz = 2 - 4
m

, rõ ràng với chất lượng
đạt được như vậy, tiện cứng hoàn toàn thay thế được cho mài trong hầu hết các
trường hợp gia công tinh các sản phẩm.
Hình 1.3. Máy Emco Turn 332 Mcplus và Quá trình cắt khô trong tiện cứng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -15-


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -16-
thấy rằng việc giảm chi phí dung dịch trơn nguội do cắt khô bù đắp lượng chi phí
cao hơn về dao.

Hình 1.4. Mảnh hợp kim có CBN ở mũi.
PCBN được tạo thành bằng cách thấm các hạt CBN vào nền carbide liên
kết ở nhiệt độ cao (1700 – 1800
o
C), áp suất 6.900MPa. Lớp nền carbide gồm các
hạt carbide wolfram nhỏ liên kết chặt chẽ với nhau bằng cobalt. Trong điều kiện
nhiệt độ và áp suất cao, cobalt bị chảy lỏng và bao các CBN, liên kết các hạt mài.
Quá trình này tạo ra một khối đa tinh thể. Cấu trúc đa tinh thể của CBN có các
tính chất ổn định đẳng hướng, chống được sự mẻ và rạn nứt, có độ cứng đồng
nhất và tính chống mòn cao theo mọi hướng. Các mảnh dao làm bằng PCBN có
tính cắt gọt rất tốt. Có thể cắt ở tốc độ cao, chiều sâu cắt lớn, gia công được các
thép đã tôi cứng và các hợp kim bền nóng (độ cứng trên 35HRC) như inconel
600, rene, stellite, colmonoy…

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -17-
Hình 1.5. Ký hiệu một số mảnh CBN dùng trong tiện cứng
So sánh tiện cứng với tiện thường và mài
Tiện cứng có những khác biệt đáng kể so với tiện truyền thống vật liệu
mềm. Bởi vì vật liệu trong tiện cứng có độ cứng cao hơn nên lực cắt sinh ra khi

điều chỉnh ngắn hơn nhiều so với mài.
1.2. Tìm hiểu các kết quả nghiên cứu về tiện cứng.
Qua phần giới thiệu về công nghệ tiện cứng có thể thấy rằng, việc nghiên
cứu về tiện cứng, phân tích các quá trình lý, hóa trong tiện cứng đã và đang được
quan tâm, tiến hành tại nhiều trung tâm, viện nghiên cứu cũng như các trường đại
học trên thế giới. Tuy nhiên từ những công bố trên các tạp chí khoa học cho thấy
các kết quả nghiên cứu chủ yếu tập trung vào quá trình tiện cứng thép ổ lăn AISI
52100 (tiêu chuẩn Mỹ). Đồng thời các nghiên cứu này chưa đề cập nhiều về vấn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -19-
đề mòn và tuổi bền của các mảnh dao, đặc biệt với loại thép 9XC, mặt khác việc
ứng dụng công nghệ này ở nước ta còn mang nhiều tính kinh nghiệm. Đưa ra
được một lý thuyết góp phần cải thiện và nâng cao hiệu quả sản xuất là một tất
yếu của các nhà chuyên môn.
Những kết quả nghiên cứu được công bố gần đây trên các tạp chí khoa học
cho thấy việc nghiên cứu chủ yếu tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của các
thông số như Cơ chế cắt [1,2], mòn dao [3,4], Những nghiên cứu này cho thấy
điều kiện cắt (chẳng hạn như tốc độ cắt, lượng chạy dao, hình học dụng cụ,
thuộc tính vật liệu của cả chi tiết gia công lẫn dao) ảnh hưởng rõ rệt đến bề mặt
gia công cuối, 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[6].
1.3. Kết luận
- Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ khi tiện cứng đến
mòn và tuổi bền mảnh dao là cần thiết đối với công đoạn gia công tinh. Đặc biệt
khi công nghệ này được áp dụng tại các cơ sở sản xuất ở nước ta. Việc tìm ra bộ
thông số cắt và mối quan hệ giữa tuổi bền và chế độ cắt ứng với một khoảng giá
trị độ cứng cụ thể cho từng trường hợp tiện như tiện các bề mặt ngoài và các bề

yếu tố, các yếu tố này cũng ảnh hưởng tới lực cắt và nhiệt cắt. Đối với các bề mặt
chịu tải trọng lớn cần đặc biệt chú ý tới tính cơ lý của lớp bề mặt.
Bề mặt là mặt phân cách giữa hai môi trường khác nhau. Bề mặt kim loại có
thể được tạo thành bằng các phương pháp gia công khác nhau nên có cấu trúc và
đặc tính khác nhau. Để xác định đặc trưng của bề mặt ta cần biết mô hình và định
luật kim loại nguyên chất – không có tương tác với các môi trường khác và sự
khác nhau về sự sắp xếp các nguyên tử, tác dụng của lực trên bề mặt so với bên
trong. Sau đó nghiên cứu sự thay đổi của lớp bề mặt do tác dụng của môi trường
để thiết lập khái niệm mô hình bề mặt thực.
Nhiều tính chất khối của vật liệu có quan hệ đến bề mặt ở mức độ khác nhau.
Thường các tính chất lý, hóa của các lớp bề mặt là quan trọng, tuy nhiên các đặc
trưng cơ học như độ cứng và phân bố ứng suất trong lớp này cũng cần được quan
tâm [8].

S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn -21-
2.2. Bn cht ca lp b mt
B mt vt rn hay chớnh xỏc l mt mt phõn cỏch rn-khớ hay rn-lng, cú
cu trỳc v tớnh cht phc tp ph thuc vo bn cht ca cht rn, phng phỏp
to nờn b mt ú v tng tỏc gia b mt ú vi mụi trng xung quanh.
Cỏc tớnh cht ca b mt vt rn rt quan trng i vi tng tỏc b mt,
bi vỡ cỏc tớnh cht b mt nh hng trc tip ti din tớch tip xỳc thc, ma sỏt,
mũn v bụi trn. Hn na cỏc tớnh cht b mt cũn úng vai trũ quang trng
trong cỏc ng dng khỏc nhau nh: quang hc, in, nhit, sn v trang trớ B
mt vt rn, bn thõn nú bao gm vi vựng cú tớnh cht c, lý khỏc nhau vi vt
liu khi bờn trong ú l lp hp th vt lý, hoỏ hc, lp tng tỏc hoỏ hc, lp
Beilbly, lp bin dng khc lit, lp bin dng nh v cui cựng l lp vt liu
nn [3].

Lớp Beilbly trên bề mặt kim loại là hợp kim được tạo nên do sự chảy và
biến dạng dẻo bề mặt, do biến dạng và tốc độ biến dạng lớn của các lớp phân tử
bề mặt trong quá trình gia công cơ, sau đó cứng lên nhờ quá trình tôi do nền vật
liệu khối có nhiệt độ thấp. Lớp Beilbly có cấu trúc vô định hình hoặc đa tinh thể
với chiều dày từ 1 - 100m. Các nguyên công gia công như mài nghiền, đánh
bóng có thể giảm chiều dày của lớp này.
2.3.3. Lớp tương tác hóa học
Lớp ôxy hóa có thể tạo thành trong quá trình gia công cơ hay ma sát.
Nhiệt sinh ra trong các quá trình tạo hình hoặc ma sát làm tăng tốc độ ôxy hóa và
tạo nên nhiều loại ôxit khác nhau. Khi cặp đôi ma sát hoạt động trong không khí
phản ứng có thể xảy ra giữa các lớp ôxit của hai bề mặt. Sự tồn tại của chất bôi
trơn và chất phụ gia có thể tạo nên các lớp ôxits bảo vệ bề mặt quan trọng.
Lớp ôxy hóa có thể gồm một hay nhiều lớp thành phần. Sắt có thể tạo thành
ôxít sắt với hỗn hợp các ôxít Fe
3
O
4
, Fe
2
O
3
và lớp FeO trong cùng. Với hợp kim,
lớp ôxít bề mặt có thể là hỗn hợp của một vài ôxít, một số ôxít có tác dụng bảo
vệ không cho quá trình ôxy hóa tiếp tục xảy ra như trên bề mặt của nhôm và
titan.
2.3.4. Lớp hấp thụ hóa học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn


chuẩn rất ngắn (l).Chiều dài chuẩn l là chiều dài dùng để đánh giá các thông số
của độ nhám bề mặt (với l = 0,01 đến 25mm).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -24-
Ngoài ra độ nhám bề mặt còn được đánh giá qua chiều cao nhấp nhô lớn
nhất R
max
. Chiều cao nhấp nhô R
max
là khoảng cách giữa hai đỉnh cao nhất và
thấp nhất của độ nhám (prôfin bề mặt trong giới hạn chiều dài chuẩn l).
b. Phương pháp đánh giá độ nhám bề mặt
Để đánh giá độ nhám bề mặt người ta thường dùng các phương pháp sau
đây:
*) Phương pháp quang học (dùng kính hiển vi Linich). Phương pháp này đo
được bề mặt có độ nhẵn bóng cao (độ nhám thấp) thường từ cấp 10 đến cấp 14.
*) Phương pháp đo độ nhám R
a
, R
z
, R
max
v.v… bằng máy đo prôfin.
Phương pháp này sử dụng mũi dò để đo prôfin lớp bề mặt có cấp độ nhẵn tới cấp
11. Tuy nhiên đối với các bề mặt lỗ thường phải in bằng chất dẻo bề mặt chi tiết
rồi mới đo bản in trên các máy đo độ nhám bề mặt.
*) Phương pháp so sánh, có thể làm theo hai cách:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -25-
Doa
150  160
150  200
Chuốt
150  200
20 75
Phay lăn răng và xọc răng
160  200
120  200
Cà răng
120  180
80  100
Mài tròn thép chưa nhiệt luyện
140  160
30  60
Mài tròn thép ít cacbon
160  200
30  60
Mài tròn ngoài các thép sau nhiệt
luyện
125  130
20  40
Mài phẳng
150
16  25