S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http: / /ww w .lr c - t n u.e d u. v n
Bộ
giáo
dục và
đà
o
tạ
o
Đại học
t
h
ái
n
guy
ê
n
T
r
ờ
n
g
đ
ại
học kỹ
t
huậ
t
b
ề
n
của dao
gắn
m
ản
h
PCbn
t
he
o
chế
đ
ộ
cắt khi
t
i
ệ
n
t
hé
p
9
x
o
máy
Luận
văn
t
h
ạc
sỹ kỹ
t
h
uật
Ngi hng dn khoa
h
c
PGS.TS.
P
ha
n
Q
ua
n
g
T
hế
T
há
g
iả
Trần Ngọc Giang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http: / /ww w .lr c - t n u.e d u. v n
Lời nói đầu
MỤC LỤC
Trang
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
Danh mục các bảng biểu
Mở đầu
1
1. Giới thiệu về công nghệ tiện cứng 1
2. Tính cấp thiết của đề tài 5
2.1. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 6
2.2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 6
2.3. Phương pháp nghiên cứu 7
Chương 1
8
Bản chất vật lý của quá trình cắt thép có độ cứng c
ao
1.1. Qúa trình cắt và tạo phoi 8
1.2. Lực cắt 12
1.2.1. Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt 12
1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện 14
1.3. Nhiệt cắt 16
1.3.1. Khái niệm chung 16
1.3.2. Quá trình phát sinh nhiệt 20
1.4. Kết luận 24
Chương 2
Mòn và tuổi bền dụng cụ khi tiện cứng
3.1. Mòn dụng cụ cắt 46
3.1.1. Khái niệm chung 46
3.1.2. Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt 47
3.1.2.1. Mòn do dính 48
3.1.2.2. Mòn do hạt mài 49
3.1.2.3. Mòn do khuếch tán 49
3.1.2.4. Mòn do ôxi hoá 50
3.1.3. Mòn dụng cụ cắt và cách xác định 51
3.1.3.1. Mòn dụng cụ cắt 51
3.1.3.2. Cách xác định 53
3.1.3.3. Các chỉ tiêu đánh giá sự mài mòn của dụng cụ cắt 54
* Chỉ tiêu mòn tối ưu 54
* Chỉ tiêu mòn công nghệ 55
3.1.4. Ảnh hưởng của mòn dụng cụ đến chất lượng bề mặt khi tiện
cứng
55
3.1.5. Kết luận 55
3.2. Tuổi bền của dụng cụ cắt 55
3.2.1. Khái niệm chung về tuổi bền của dụng cụ cắt 55
3.2.2. Các nhân t ố ảnh hưởng đến tuổi bền của dụng cụ cắt khi tiện
cứng
57
3.2.2.1. Ảnh hưởng của chế độ cắt 57
3.2.2.2. Ảnh hưởng của thông số hình học dụng cụ cắt 59
3.2.3. Phương pháp xác định tuổi bền dụng cụ cắt 60
3.2.4. Tuổi bền của dụng cụ cắt khi tiện cứng 62
Chương 4 63
Nghiên cứu thực nghiệm mối quan hệ giữa mòn và tuổi bền của
dao gắn mảnh PCBN theo chế độ cắt khi tiện thép 9XC qua tôi
4.6. Phần kết luận chung và hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài 88
4.6.1. Phần kết luận chung 88
4.6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài 88
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
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
θ: góc trượt
γ (hay γ
n
) góc trước của dao
P
z
(hay P
c
): lực tiếp tuyến khi tiện
P
y
(hay P
p
): lực hướng kính khi tiện
: nhiệt truyền vào phôi
Q
môi trường
: nhiệt truyền vào môi trường
k
AB
: ứng suất cắt trung bình trong miền biến dạng thứ nhất
A
S
: diện tích của mặt phẳng cắt
V
S
: vận tốc của vật liệu cắt trên mặt phẳng cắt
k
t
: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu gia công
β: hệ số phân bố nhiệt từ mặt phẳng trượt vào phôi và phoi
c: nhiệt dung riêng
ρ: tỷ trọng của vật liệu
R
T
: hệ số nhiệt khi cắt
Φ: góc tạo phoi
γ
mt
: tốc độ biến dạng của các lớp phoi gần mặt trước
δ
t
: độ biến cứng (N/mm
2
);
S: diện tích bề mặt đầu đo kim cương ấn xuống (mm
2
)
P: lực tác dụng của đầu kim cương (N)
r: bán kính mũi dao
h
min
: chiều dày phoi nhỏ nhất
φ
1
V
w
: thể tích mòn mặt sau
V
cr
: thể tích mòn mặt trước
KF, KB, KT: các kích thước vùng mòn mặt trước
h
s
: độ mòn giới hạn
T: thời gian cắt – tuổi bền của dụng cụ cắt (phút)
t
i
: thời gian cắt cơ bản
p: số các yếu tố thay đổi
Ra, Rz: độ nhám bề mặt khi tiện
n: số lần mài lại cho phép
19
(b) Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong cắt kim loại
Hình vẽ 1.11. Tỷ lệ % nhiệt truyền vào phoi, phôi, dao và môi 20
trường phụ thuộc vào vận tốc cắt
Hình vẽ 1.12. Đường cong thực nghiệm của Boothroyd để xác 21
định tỷ lệ nhiệt (β) truyền vào phôi
Hình vẽ 1.13. Sơ đồ phân bố ứng suất trên mặt sau mòn 23
Hình vẽ 2.1. Chi tiết bề mặt vật rắn 26
Hình vẽ 2.2. Độ nhám bề mặt 29
Hình vẽ 2.3. Quan hệ giữa bán kính mũi dao và chiều sâu lớp biến 34
cứng với các lượng chạy dao khác nhau (khi dao chua mòn)
Hình vẽ 2.4. Quan hệ giữa vận tốc cắt với chiều sâu lớp biến cứng 35
ứng với các lượng mòn mặt sau khác nhau của dao tiện
Hình vẽ 2.5. Quan hệ giữa bán kính mũi dao, chiều sâu cắt và ứng 38
suất dư lớp bề mặt
c 1
Hình vẽ 2.6. Ảnh hưởng của thông số hình học của dao tiện tới 41
nhám bề mặt khi gia công thép
Hình vẽ 2.7. Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới nhám bề mặt khi gia 41
công thép
Hình vẽ 2.8. Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt 43
Hình vẽ 3.1. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt 48
liên tục (a) và khi cắt gián đoạn (b)
Hình vẽ 3.2. Các dạng mòn phần cắt của dụng cụ khi tiện 51
Hình vẽ 3.3. Quan hệ giữa một số dạng mòn của dụng cụ hợp kim 52
cứng với thể tích
V .t
0,6
Hình vẽ 3.4. Các thông số đặc trưn g cho mòn mặt trước và mặt 53
sau - ISO3685
Hình vẽ 4.3. Máy tiện CNC- HTC2050 65
Hình vẽ 4.4. Mảnh dao TPGN, 160308 T2001 66
Hình vẽ 4.5. Thân dao MTENN 2020K16-N (hãng CANELA) 66
Hình vẽ 4.6. (a), Phôi thép 9XC qua tôi ứcng, (b,c) Ảnh quang 67
học cấu trúc tế vi thép 9XC theo hai phương song song và vuông
góc với trục
Hình vẽ 4.7. Đồ thị quan hệ giữa thời gian cắt và nhám Ra, Rz 71
Hình vẽ 4.8. 1(a,b)
H
ì
nh
ảnh mặt trước mảnh dao số 1 sau 2,61 72
phút cắt; 1(c,d) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 1 được phóng to
với các vết biến dạng dẻo bề mặt;1(e) Hình ảnh mặt sau mảnh dao
số 1;1(f) Hình ảnh mặt sau mảnh số 1được phóng to.
Hình vẽ 4.9. 2(a) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 2 sau 5,19 phút 73
cắt; 2(b,c,d) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 2 được to;3(a,b) Hình
ảnh mặt trước mảnh dao số 3 sau 7,69 phút cắt; 3(c,d) Hình ảnh
mặt sau mảnh dao số 3.
Hình vẽ 4.10. 4(a) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 4 sau 10,09 74
phút cắt; 4(b) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 4 được to;4(c,d)
Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 4 ; 4(e,f) Hình ảnh mảng mòn mặt
sau mảnh dao số 4 được phóng to.
Hìnhvẽ 4.11. 5(a)
H
ì
nh
ảnh mặt trước mảnh dao số 5 sau 12,36 75
phút cắt; 5(b,c) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 5 được to;5(d)
Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 5 ; 5(e,f) Hình ảnh mảng mòn mặt
Bảng 4.4. Bộ thông số chế độ cắt 83
Bảng 4.5. Ma trận thí nghiệm 85
Bảng 4.6. Ma trận 6 thí nghiệm thứ nhất 86
=1=
Mở
đầu
CÔNG NGHỆ TIỆN CỨNG VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ T
ÀI
1. Giới thiệu về công nghệ tiện cứng
Tiện cứng (hard turning) chính thức được giới thiệu ở nước ta vào
n
ă
m
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.
Các chi tiết như vòng ổ lăn, 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.
Phương án tối ưu cho việc thay thế này chính là tiện cứng. Tiện cứng là
một cách sử dụng dao bằng 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 ≥ 45HRC). Phương pháp này có thể gia c
ông
chất kết dính,..Khi hết tuổi bền các mảnh không thể mài lại như các dao thông
thường. Chúng được thay ra hoặc xoay đi dùng lưỡi cắt mới (với mảnh nhiều
lưỡi).
Các mảnh hợp kim CBN thường sử dụng cho tiện cứng là TPGN, CNMA,
DNMA, TNG,..Các mảnh hợp kim cương thường là CCMT, CPGM,..nói
chung hàm lượng CBN phụ thuộc vào nhà sản xuất. Người ta phân ra làm ba
loại, hàm lượng cao (nhiều hơn 90% CBN), trung bình ( khoảng 72% CBN)
và thấp (nhỏ hơn 60% CBN). Các mảnh có hàm lượng cao thường sử dụng
cho tiện truyền thống để gia công các vật liệu mềm hơn như kim loại bột,
gang và một số hợp kim đặc biệt.
So với các mảnh carbide thì các mảnh CBN có giá thành cao hơn đáng kể (
từ 4 - 5 lần), song dao CBN lại có tuổi bền lớn hơn rất nhiều. Chi phí dao cụ
=3=
sẽ không là trở ngại khi đã loại bỏ công đoạn mài tinh. Nhiều xưởng sản xuất
còn nhận thấy việc giảm chi phí dung dịch trơn nguội do cắt khô đã bù đắp
lượng chi phí cao hơn về dao.
Dải vật liệu được gia công bằng tiện cứng không hạn chế, ngay cả đối với
thép rèn đã tôi, thép gió và hợp kim cứng bề mặt stellites. Việc hợp kim
stellites có thể gia công bằng tiện cứng đã mở rộng khả năng của tiện cứng kể
cả trong công việc sửa chữa. Vật liệu điển hình được tiện cứng là các thép
hợp kim qua tôi cứng.
Hình vẽ 2. Ký hiệu một số mảnh CBN dùng trong tiện cứng
=4=
Khi tiện cứng, nếu cắt với tốc độ cắt thấp hơn quy định thì mảnh CBN sẽ bị
mòn nhanh và hư hỏng. Thông thường chế độ cắt khuyến cáo là: với tiện tinh
độ cứng vật liệu từ 55 - 67HRC, V = 80 - 160 (m/ph), S = 0,04 - 0,08
(mm/vg); t = 0,1 - 0,5mm với tiện chính xác độ cứng vật liệu từ 45 - 60HRC,
V= 120 - 180 (m/ph), S = 0,02 - 0,04 (mm/vg), t = 0,02 - 0,3mm
[
1
) thì quá trình cắt không thể thực hiện được.
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.
2. Tính cấp thiết của đề tài
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
5210
0 (tiêu chuẩn Mỹ). Đồng thời các nghiên cứu này chưa
đề cập nhiều về vấn 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.
Ta lại biết rằng tiện cứng chủ yếu dùng trong gia công tinh, mảnh dao
thường có giá thành cao, vì vậy tuổi bền của mảnh dao càng trở nên quan
trọng bởi trong quá trình cắt nếu phải thay dao nhiều sẽ tăng sai số, thời gian
máy,.. ảnh hưởng tới năng suất, chất lượng và giá thành sản phẩm.
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 một hàm số mô tả quan hệ giữa tuổi bền và chế độ cắt ứng với một
khoảng giá trị độ cứng trên cơ sở đó sẽ tối ưu hoá được tuổi bền là vấn đề có
1
BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA QUÁ TR
ÌNH
CẮT THÉP CÓ ĐỘ CỨNG C
AO
1.1. Quá trình cắt và tạo phoi
Qúa trình cắt kim loại là quá trì nh lấy đi một lớp phoi trên bề mặt gia
công để có chi tiết đạt hình dạng, kích thước và độ nhám bề mặt theo yêu cầu.
Để thực hiện một quá trình cắt cần thiết phải có hai chuyển động:
- Chuyển động cắt chính (chuyển động làm việc): với tiện đó là chuyển
động quay tròn của phôi.
- Chuyển động chạy dao: đó là chuyển động để đảm bảo duy trì sự tạo
phoi liên tục trong suốt quá trình cắt. Với tiện đó là chuyển động tịnh tiến dọc
của dao khi tiện mặt trụ [1].
Khi cắt, để có thể tạo ra phoi, lực tác dụng vào
da
o cần 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.
Hình 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.
Nghiên cứu quá trình tạo phoi có một ý nghĩa rất quan trọng vì trị số của
công cắt, độ mòn của dao và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rõ rệt
vào
quá trình tạo phoi. (Hình vẽ 1.2)
a,
b,
Hình vẽ 1.3. Sơ đồ miền tạo phoi
Quá trình tạo phoi được phân tích kỹ trong vùng tác động, bao gồm:
* Vùng biến dạng thứ nhất là vùng vật liệu phôi nằm trước mũi dao được giới
OB, OC, OD, OE. Vật liệu gia công trượt theo những mặt đó (là những mặt
có ứng suất tiếp có giá trị cực đại).
Miền tạo phoi được giới hạn bởi đường OA, dọc theo đường đó phát sinh
những biến dạng dẻo đầu tiên, và đường OE - đường kết thúc biến dạng dẻo
và đường AE - đường nối liền khu vực chưa biến dạng của kim loại và phoi.
Ngoài ra lớp kim loại bị cắt, sau khi đã bị biến dạng trong miền tạo phoi,
khi di chuyển thành phoi còn chịu thêm biến dạng phụ do ma sát với mặt
trước của dao.
Những lớp kim loại phía dưới của phoi, kề với mặt trước của dao (hình
vẽ 1.3) chịu biến dạng phụ thêm nhiều hơn các lớp phía trên. Mức độ biến
dạng của chúng thường lớn đến mức là các hạt tinh thể trong chúng 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.
K
ms
: mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước
của dao.
Vì biến dạng dẻo của phoi có tính lan t
ruy
dao một góc bằng .
Mặt OF được gọi là mặt trượt quy ước, còn góc gọi 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 hình vẽ 1.5 nếu chiều dày lớp kim loại bị cắt là a, chiều dày của
phoi là a
1
ta có:
r =
a
a
1
=
OC
.
si
n
OC.cos(
−
)
=
si
n
si
n
(1- 4)
Như vậy góc trượt phụ thuộc vào và tỷ số K. Trong tiện cứng, quá
trình biến dạng trong vùng tạo phoi diễn ra rất phức tạp, chủ yếu do độ cứng
của vật liệu gia công (sau khi tôi) nên giải pháp tốt nhất vẫn là sử dụng mảnh
dao có độ cứng, khả năng chịu nhiệt,… đặc biệt cao. Tiêu biểu cho nhóm này
là các mảnh CBN, PCBN,…
1.2. Lực cắt
1.2.1. Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt
Như đã trình bày ở trên, để thực hiện quá trình tạo phoi, khi cắt dụng cụ
phải tác động vào vật liệu gia công một lực nhất định. Lực này làm biến dạng
Copyright: Tài liệu đại học ©