ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU

Mã số

: 60520103

THÁI NGUYÊN - 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 1

/>

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân thực hiện dƣới
sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Quốc Tuấn. Trừ những phần tham khảo đã
đƣợc ghi rõ trong luận văn, những kết quả, số liệu nêu trong luận văn là trung
thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Ngƣời cam đoan

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 2

/>

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin đƣợc cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Quốc Tuấn, thầy hƣớng
dẫn khoa học của tôi về sự định hƣớng đề tài, sự hƣớng dẫn tận tình cùng những

Chƣơng I - THÉP KHÔNG GỈ .................................................................................... 14
1.1. Khái quát về thép không gỉ................................................................................ 14
1.2 Đặc tính của thép không gỉ .............................................................................. 15
1.3. Ứng dụng thép không gỉ:................................................................................... 16
.................................................................................... 16
1.4.1. Thép không gỉ austenit ............................................................................. 17
1.4.2. Thép không gỉ Ferit .................................................................................. 18
1.4.3. Thép không gỉ mactenxit ......................................................................... 19
1.4.4. Thép không gỉ tăng cứng bằng hoá già ở nhiệt độ thấp (precipitation
hardening). ......................................................................................................... 19
1.4.5. Thép không gỉ lƣỡng pha ......................................................................... 20
...................................................................... 20
1.6.
chƣơng 1 .......................................................................................... 23
Chƣơng 2 - PHỦ PVD VÀ ỨNG DỤNG TRONG CẮT KIM LOẠI....................... 23
2.1. Phủ bay hơi hoá học CVD (Chemical Vapour Deposition) - Phủ bay hơi lý
học PVD (Physical Vapour Deposition)................................................................ 23
2.1.1. Khái niệm phủ PVD ................................................................................. 24
2.1.2. Khái niệm phủ CVD ................................................................................ 27
2.1.3. Tại sao phải sử dụng phủ PVD hoặc CVD .............................................. 27
2.1.4. Phủ PVD và CVD nâng cao tuổi thọ và hiệu suất dụng cụ ...................... 27
2.1.5. Mức độ nâng cao tuổi thọ dụng cụ sau khi phủ PVD và CVD ................ 28
2.1.6. Phƣơng pháp phủ nào tốt hơn, PVD hay CVD ........................................ 28
2.2. Ứng dụng phủ PVD: ....................................................................................... 29
2.3.
2 .......................................................................................... 32
Chƣơng 3 ........................................................................ 33
3.1. Quá trình phay và phay rãnh........................................................................... 33
3.1.1. Khái niệm chung ...................................................................................... 33
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 4

4.5. Kết luận chƣơng 4 .............................................................................................. 84
Chƣơng 5 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CỦA
ĐỀ TÀI...................................................................................................................... 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 87

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 5

/>

Trang
1

Tác động của hàm lượng Crom đến tốc độ ăn mòn

13

2

Cấu trúc lớp phủ

22

3

Bột phủ PVD

22

4


Chiều dày cắt khi phay bằng dao phay ngón, dao phay mặt đầu

37

10

38

11

39

12

Phay lỗ chữ nhật trên phôi hộp, phay bậc bằng dao phay ngón

42

13

Phay rãnh then bằng dao phay ngón
Sơ đồ thể hiện các khả năng tương tác của hạt mài với bề mặt
của vật liệu, vết mòn và mặt cắt ngang của nó.
Hình ảnh SEM mòn ở góc và mặt sau trên lưỡi cắt chính dao
phay
Hình ảnh SEM mòn ở góc trên mặt trước dao phay ngón thép
gió

42


24

45
47
47

50
51
51

Sơ đồ thể hiện 3 giai đoạn mòn mặt trước của dụng cụ thép gió
phủ TiN
Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến mòn mặt trước và mặt sau của
dao

52
54

25

Quan hệ tuổi bền của dao thép gió phủ PVD theo vận tốc cắt

55

26

Quan hệ giữa thời gian, tốc độ và độ mòn của dao

57



65

-

66

-201
Kế hoạch thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu.

68

34

74

35

75

36

-201

37
38

= 3mm
Nhập số liệu


ưu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 7

83

/>

Trang
19
20

1
2
Dữ liệu thị trường thế giới về phủ bay hơi cho dụng cụ
trong lĩnh vực tạo hình và cắt vật liệu.
4 Các dạng phủ PVD
5 Độ cứng của các kim loại, hợp kim và vật liệu phủ
6 Ứng dụng của phủ PVD
7 Giới thiệu các dạng phủ PVD
8 Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy
9 T
10 Giá trị thông số chế độ cắt V, S cho thực nghiệm
11
12
13
14
15
16
17

74
77
77

/>

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Quá trình gia công phay trƣớc đây đa phần đều sử dụng các loại dao phay
làm từ thép gió hoặc cácbít. [2] Tùy từng loại vật liệu gia công khác nhau mà
ngƣời ta chọn loại vật liệu dao phù hợp. Đối với phay rãnh kín thƣờng sử dụng
dao phay ngón. Tuy nhiên khi phay rãnh, nhất là những rãnh hẹp, sâu và kín thì
chúng đều gặp phải vấn đề là mòn rất nhanh [3]. Nguyên nhân chính có thể kể
đến là do khó khăn trong quá trình thoát phoi, chiều dày cắt lớn (bằng 100%
đƣờng kính dao), chiều dài gá dao lớn nên tốc độ cắt không cao.
Thép không gỉ đƣợc sử dụng rộng rãi trong chế tạo máy cũng nhƣ các lĩnh vực
khác nhƣ làm bulông, đai ốc, các chi tiết máy yêu cầu khả năng chống ăn mòn,
các chi tiết trong lĩnh vực y tế, thực phẩm
… Trong đó, thép không gỉ SUS 201 là loại vật liệu rất khó
gia công với giới hạn bền khoảng có thể lên đến 1700 MPa (thép C45 có giới
hạn bền chỉ khoảng 700 – 800 MPa), độ cứng cao, khả năng thoát nhiệt trong
quá trình gia công kém nên năng suất gia công thấp, dao bị mòn rất nhanh [5-6].
Để khắc phục vấn đề này thì hiện nay ngƣời ta xem xét sử dụng dao phay
ngón với lớp phủ khác nhau nhƣ Ti, TiN, TiAlN … Tuy nhiên việc nghiên cứu
xác định chế độ cắt hợp lý cho loại dụng cụ cắt này vẫn chƣa đƣợc tiến hành
đầy đủ. Do đó vẫn chƣa tận dụng đƣợc tối đa ƣu điểm của loại dụng cụ mới này
nhằm giảm thời gian gia công, nâng cao tuổi thọ dụng cụ, giảm giá thành tạo ra
sản phẩm. Đặc biệt ở Việt Nam hiện nay dụng cụ cắt phủ TiAlN đƣợc sử dụng
ngày càng phổ biến. Vì vậy việc
đến tuổi bền


2. Mục tiêu của nghiên cứu
Mục tiêu chung của đề tài nghiên cứu ảnh hƣởng của các chế độ cắt khác
nhau đến tuổi thọ của dao phay ngón phủ TiN khi phay rãnh có B = 6 mm, vật
liệu là thép không gỉ SUS 201
Các mục tiêu cụ thể là
- Xây dựng mô hình thực nghiệm để xác định mối quan hệ giữa chế cắt đến
tuổi thọ của dao phay ngón có lớp phủ
- Tiến hành gia công thực nghiệm để xác định mối quan hệ giữa tuổi thọ của
dao và các thông số của chế độ cắt
- Xây dựng bảng quy hoạch số liệu thực nghiệm đo đƣợc, xác định hàm hồi
qui thực nghiệm nhằm chọn chế độ cắt phù hợp với từng mục tiêu cụ thể.
3. Ý nghĩa nghiên cứu
3.1. Ý nghĩa khoa học:
Nghiên cứu lý thuyết về ảnh hƣởng của các chế độ cắt đến mòn và
tuổi bền của dao phay ngón phủ TiAlN khi phay rãnh
3.2. Ý nghĩa thực tiễn:
Là kiến thức thực tế, giúp ngƣời kỹ sƣ lập trình lựa chọn các thông
số của chế độ cắt phù hợp, làm giảm mòn, tăng tuổi bền, tiết kiệm kinh phí
gia công, hạ giá thành sản phẩm khi gia công thép SUS 201 với rãnh B = 6
mm bằng dao phay ngón phủ TiAlN.
4. Phƣơng pháp và phƣơng pháp luận
4.1. Phương pháp nghiên cứu:
Tìm hiểu lý thuyết kết hợp nghiên cứu thực nghiệm.
4.2. Phương pháp luận:

chất lƣợng và tuổi
bền

- Trung tâm gia công

- Lực cắt.

1. Sai số:

CNC.

- Nhiệt cắt.

- Kích thước.

- Vật liệu chi tiết gia công

- Rung động.

- Hình dáng hình học.

- Mòn và cơ chế mòn.

- Vị trí tương quan.

201.
- Dụng cụ cắt (thông số

2. Chất lƣợng bề mặt.


- Vật liệu gia công Thép không gỉ SUS 201.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 12

/>

Phạm Xuân Tùng

CHK14-CTM

6. Nội dung nghiên cứu:
Chương 1:
Chương 2: Phủ PVD và ứng dụng trong cắt kim loại.
Chƣơng 3:

-

dao

phay phủ.
Chương 4: Ảnh hƣởng của chế độ cắt đến mòn dao phay phủ PVD-TiAlN khi
gia công thép

201.

Kết luận và phương hướng nghiên cứu.
Nội dung của luận văn đƣa ra các kết quả nghiên cứu về mòn và tuổi
bền của dụng cụ cắt, so sánh kết quả với thí nghiệm đã tiến hành trƣớc đó.
Phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến mòn dụng cụ khi gia công với các chế
độ cắt khác nhau, từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục trong quá trình gia

Lớp màng oxit crom ổn định và có tính bảo vệ đối với môi trƣờng không khí
bình thƣờng hay có độ ẩm cao (mild aqueous), tính chất này có thể đƣợc nâng
cao bằng tỉ lệ cao hơn của crom, nikel, molybden và các nguyên tố hợp kim
khác. Crom làm tăng tính ổn định của lớp màng bảo vệ, molybden và crom
làm tăng khả năng chống loại sự xâm nhập của chloride, nikel nâng cao khả
năng của lớp màng bảo vệ đối với môi trƣờng axit mạnh.
Nếu lớp màng bảo vệ (thụ động) bị yếu hay b

sự có mặt của

oxy trong môi trƣờng xung quanh tái tạo và duy trì khả năng bảo vệ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 14

/>

Phạm Xuân Tùng

CHK14-CTM

Hình 1: Tác động của hàm lượng Crom đến tốc độ ăn mòn (Trong môi
trường không khí bình thường)
này giải thích cho xu hƣớng của vật liệu trong việc hình thành lẹo dao
trên dụng

. Các nguyên tố hợp kim khác có thể đƣợc đƣa vào trong quá

trình nấu nhƣ Ni, Mo, Co hay Ti, với mục đích thay đổi hay nâng cao các tính
chất hoặc đặc tính nào đó.
1.2. Đặc tính của thép không gỉ
Khả năng chống ăn mòn và chịu nhiệt. Thép không gỉ tuỳ theo thành phần

học mới đã đƣợc phát triển để đáp ứng các yêu cầu về khả năng chống ăn mòn
cao hơn, độ bền cơ học lớn hơn, các đặc tính gia công khác, khả năng chịu
nhiệt ...
Ví dụ:

một trong những loại thép không gỉ đƣợc dùng nhiều nhất

cho một phạm vi lớn các sản phẩm từ đồ nấu ăn đến các thiết bị cho các nhà
máy hoá chất. Có một vài mác cải tiến để đáp ứng yêu cầu về khả năng chống
ăn mòn, đặc biệt là trong môi trƣờng hàng hải nhƣ loại 316 thƣờng đƣợc chọn
vì có làm lƣợng hợp kim cao hơn loại 304. Loại 305 có mức độ biến cứng
nguội nhỏ hơn loại 304 và phù hợp với phƣơng pháp dập nguội hơn, loại 303
là loại có tính gia công tôt hơn so với loại 304.

Có một vài phƣơng pháp thông dụng để phân loại thép không gỉ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 16

/>

Phạm Xuân Tùng

CHK14-CTM

Theo hệ thống đánh số của AISI: tức là theo dãy số 200, 300 và 400.
Phân loại theo cấu trúc luyện kim: austenit, ferit, mactenxit, tăng cứng bằng
thay đổi cấu trúc mạng (precipitation hardening) hay lƣỡng kim (duplex)

1.4.1. Thép không gỉ austenit
Là loại có thành phần chính là Cr, Ni và Mn hay chỉ chứa Cr và Ni. Theo
AISI chúng lần lƣợt đƣợc kí hiệu trong dãy 200 hay 300.

vậy, cho dù Selen không còn đƣợc dùng để nâng cao tính gia công cho
phần lớn các chi tiết, vẫn đƣợc dùng để chế tạo loại 303 Se).
 Canxi đƣợc dùng để nâng cao tính gia công, đặc biệt là trong các ứng dụng
khoan lỗ sâu.
 Hàm lƣợng Ni tăng sẽ tăng cƣờng tính bền nhƣ trong loại 304N và 316N.
 Loại thép không gỉ 200, với các mác 201, 202, 203 và 205, tƣơng ứng với
loại 300 nhƣ 301, 302, 303 và 305. Trong loại 200, Mn dùng để thay một
phần Ni.
1.4.2. Thép không gỉ Ferit
Là loại chỉ có Cr và đƣợc phân vào nhóm 400. Tỉ lệ C/Cr thấp trong loại
thép không gỉ ferit loại bỏ tác động của biến đổi cấu trúc do nhiệt, ý nghĩa của
nó đơn giản là chúng không thể tôi cứng đƣợc (Chỉ có thể tăng cứng chúng
bằng biến dạng nguội)
Nhóm thép không gỉ ferit 400 có từ tính mạnh, độ dẻo cao và có khả năng
chống ăn mòn và oxi hoá tôt. Khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ ferit
đƣợc nâng cao bằng cách tăng hàm lƣợng Cr và Mo, trong khi độ dẻo, độ dai và
tính hàn cũng đƣợc nâng cao bằng cách giảm hàm lƣợng C và N. Mác cơ bản là
430, với tỉ lệ Cr danh định 17%. Loại thép không gỉ dễ gia công là 430F.
Có một vài loại thép không gỉ ferit mới với các đặc tính đƣợc cải thiện và
đƣợc phân thành các nhóm sau: Những loại thép không gỉ có khoảng 18%Cr có
khả năng chống ăn mòn tƣơng tự nhƣ loại 304 nhƣ loại 444, loại có hàm lƣợng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 18

/>

Phạm Xuân Tùng

CHK14-CTM


Phạm Xuân Tùng

CHK14-CTM

Trƣớc khi đƣợc biến cứng, tính gia công của thép không gỉ biến cứng bằng
hoá già ở nhiệt độ thấp (precipitation hardening) gần bằng hoặc nhỏ hơn một
chút so với loại 304 ủ. Ví dụ loại S17700 có hệ số tính gia công 45, so với 100
của loại thép không gỉ 416. Khả năng chống ăn mòn của các loại thép không gỉ
này trong điều kiện đã đƣợc tăng cứng tƣơng đƣơng với loại 304.

1.4.5. Thép không gỉ lưỡng pha
Là loại vật liệu có hai pha austenit và ferit với tỉ lệ gần 50-50. Đặc tính điển
hình của loại vật liệu này là độ bền, khả năng chống ăn mòn và tính gia công
tuyệt vời, đặc biệt là những loại có chứa nitơ.
Mác 329 là loại thép không gỉ chứa 26% Cr cho khả năng chống ăn mòn tốt
trong môi trƣờng clorua. Các loại vật liệu lƣỡng pha mới hơn có nitơ (S31893
và S32550) có tính hàn tốt, một ứng dụng luôn gặp khó khăn với loại 329.

Đặc tính của thép không gỉ có ảnh hƣởng lớn đến tính gia công bao gồm:
 Độ bền kéo tƣơng đối cao
 Mức độ bị biến cứng do biến dạng nguội lớn, đặc biệt là thép không gỉ
austenit.
 Độ dẻo cao
Khi gia công bằng các phƣơng pháp truyền thống. Phoi đƣợc tách bỏ trong
quá trình gia công v tác động một áp lực lớn đến đầu dụng cụ, các áp lực này
khi kết hợp với nhiệt độ cao tại vùng tiếp xúc phoi, dao gây ra quá trình hàn áp
lực của phoi lên dụng cụ. Thêm vào đó tính dẫn nhiệt thấp của thép không gỉ
liên tục của lẹo dao.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 20



/>

Phạm Xuân Tùng

CHK14-CTM

1:

LÝ TÍNH CỦA THÉP KHÔNG GỈ
Loại
thép

Mật
độ

Mô Điệ
dun
n
Lb/ đàn trở
Cu hồi riên
psi g tại
.in x 10 68
0
F
ôm

Nhiệ
t
dung

bền độ
lớn
ủ
nhấ
t

/>

Phạm Xuân Tùng

CHK14-CTM

2:
a: Làm nguội nhanh từ nhiệt độ ủ nay
b: ủ đầy đủ - làm nguội chậm
c: ủ dƣới tới hạn chuyển pha và làm nguội
1.6.

hƣơng 1
,n
g
ơ

,

hóa chất, công nghiệp sấy,

.
Chƣơng 2 - PHỦ PVD VÀ ỨNG DỤNG TRONG CẮT KIM LOẠI
2.1. Phủ bay hơi hoá học CVD (Chemical Vapour Deposition) - Phủ bay

23%

0%

77%

Dụng cụ hợp kim
cứng
Dụng cụ tạo hình

6 tỷ USD

10%

60%

30%

8 tỷ USD

3%

5%

92%

18 tỷ USD

10%



mặt phủ bằng các ion của khí trơ đƣợc thực hiện trƣớc khi phủ để làm tăng
độ dính kết của vật liệu phủ với nền.
Lớp phủ
(Chống mòn)
(Chống sốc nhiệt)
(Chống hàn)
Vật liệu nền

Hình 2: Cấu trúc lớp phủ

Hình 3: Bột phủ PVD
Theo nguyên tắc bay hơi, 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.
- Phát xạ từ lệch.
Vật liệu phủ thông dụng hiện nay cho PVD là TiN, TiCN, TiAlN và CrN.
Ứng suất dƣ trong lớp phủ là ứng suất dƣ nén. Chiều dày lớp phủ thƣờng bị
hạn chế dƣới 5m để tránh tạo nên ứng suất dƣ có cƣờng độ cao trong lớp phủ
Từ khi công nghệ phủ ngoài PVD - TiN lần đầu tiên đƣợc 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 25

/>