i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐẶNG THỊ HỒNG
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ
CẮT ĐẾN CHẤT LƯỢNG VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG KHI
TIỆN CỨNG THÉP HỢP KIM ĐÃ QUA TÔI BẰNG DỤNG CỤ
CBN TRÊN TRUNG TÂM TIỆN CNC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

KHOA CHUYÊN MÔN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS:NGUYỄN VĂN HÙNG
PHÒNG ĐÀO TẠO


ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Đặng Thị Hồng, học viên lớp Cao học K15 – Kỹ Thuật Cơ Khí. Sau hai
năm học tập nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc biệt là sự giúp
đỡ của TS. Nguyễn Văn Hùng, thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp của tôi, tôi đã đi đến
cuối chặng đường để kết thúc khoá học.
Tôi đã quyết định chọn đề tài tốt nghiệp là: “Nghiên cứu ảnh hưởng của các

Tácgiả

Đặng Thị Hồng


iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................ii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii
MỤC LỤC .................................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................ vi
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................... viii
PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI........................................................................................ 1
2. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .................................. 2
2.1 Mục đích................................................................................................................ 2
2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 2
3.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................................................................ 3
4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI.................... 3
4.1. Ý nghĩa khoa học ................................................................................................. 3
4.2 Ý nghĩa thực tiễn ................................................................................................... 3
5. NỘI DUNG CÁC VẤN ĐỀ SẼ ĐI SÂU NGHIÊN CỨU ...................................... 3
Chương I:NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TIỆN VÀ TIỆN
CỨNG TRÊN TRUNG TÂM TIỆN CNC .................................................................. 4
1.1

Khái niệm chung về tiện cứng .......................................................................... 4


3.1. Các giới hạn của thí nghiệm............................................................................... 37
3.2 Các thông số đầu vào của thí nghiệm ................................................................. 37
3.3 Các hàm mục tiêu ................................................................................................ 38
3.4. Xác đinh
̣ giá tri ̣tố i ưu của các yế u tố hàm mu ̣c tiêu .......................................... 38
3.5 Xây dựng ma trận thí nghiệm.............................................................................. 38
3.6 Xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm. .............................................................. 39
3.6.1 Mô hình và trang thiết bị thí nghiệm................................................................ 39
3.6.2 Tiến hành thí nghiệm ....................................................................................... 44
3.7 Kết quả quá trình thí nghiệm............................................................................... 47
3.7.1 Mòn dụng cụ CBN và nhám bề mặt ................................................................. 47
3.7.2. Xử lý kết quả thí nghiệm ................................................................................. 54
3.8. Ứng dụng gia công chi tiết rôtuyn: .................................................................... 70
KẾT LUẬN CHƯƠNG III........................................................................................ 79
PHẦN KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU ................................... 80
TIẾP THEO CỦA ĐỀ TÀI ....................................................................................... 80
1. Kết luận chung .................................................................................................... 80
2. Hướng nghiên cứu trong tương lai ..................................................................... 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 81
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 85


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
a: chiều dày lớp kim loại bị cắt
ap: chiều dày phoi
Kbd: mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi
Kms: mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của dao
Ф: góc trượt

Bảng 3.5: Nhâ ̣p các thông số thực nghiê ̣m vào Minitab ........................................... 61
Bảng 3.6:Bảng thông số đường kính trục sau 10 lần cắt của phôi số 1 .................... 65
Bảng 3.7: Đường kính trục tại 3 vị trí khác nhau phôi số2 ....................................... 85
Bảng 3.8: Đường kính trục tại 3 vị trí khác nhau phôi số3 ....................................... 85
Bảng 3.9: Đường kính trục tại 3 vị trí khác nhau phôi số 4 ...................................... 86
Bảng 3.10: Đường kính trục tại 3 vị trí khác nhau phôi số 5 .................................... 86


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Chiều sâu cắt khi tiện ................................................................................. 6
Hình 1.2 Lượng chạy dao - s ..................................................................................... 6
Hình 1.3

Ðộ nhám bề mặt ...................................................................................... 10

Hình 1.4 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 )............................................................. 13
Hình 1.5 Quan hệ giữa vận tốc cắt với chiều sâu lớp biến cứng ứng với các lượng
mòn mặt sau khác nhau của dao tiện[34] .................................................................. 14
Hình 1.6. Ảnh hưởng của hình dạng lưỡi cắt và lượng chạy dao đến nhám bề mặt. (
54,7 HRC, chiều dài 101,6 mm ) .............................................................................. 16
Hình 1.7 Ảnh hưởng của hình dạng lưỡi cắt và lượng chạy dao đến nhám bề mặt. (
51,3 HRC, chiều dài 101,6 mm ) .............................................................................. 16
Hình 1.8.Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến nhám bề mặt khi gia côngthép .................. 17
Hình 1.9. Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến nhám bề mặt khi gia công thép ....... 18
Hình 1.10. Ảnh hưởng của độ cứng phôi và hình dạng lưỡi cắt đến nhám bề mặt khi
gia công thép ( lượng chạy dao = 0.2 mm/vòng, chiều dài là = 203.2 mm ) ............ 20
Hình 1.11: Hệ thống lực cắt khi tiện ........................................................................ 21

Hình 3.16. Trường sai lệch hình dạng đường kính trục tại vị trí số 1(L=33) .......... 68
Hình 3.17. Trường sai lệch hình dạng đường kính trục tại ví trí 2 (L = 66) ............ 69
Hình 3.18. Trường sai lệch hình dạng trục tại ví trí 3 (L = 99) ............................... 69


1

PHẦN MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Tiện cứng là phương pháp gia công tiện sử dụng dao bằng vật liệu siêu cứng
như: Nitrit bo, kim cương hoặc gốm tổng hợp để thay thế cho nguyên công mài khi
gia công thép hợp kim đã qua tôi đạt độ cứng từ 45 ÷ 65 HRC [15],[18],[30]. So với
mài tiện cứng có nhiều ưu thế vượt trội về khía cạnh kinh tế và sinh thái [23,24]. Tiện
cứng có thể sử dụng một dụng cụ cắt để gia công nhiều chi tiết khác nhau còn đá
mài ta phải thay đá hoặc sửa đá. Đặc biệt hơn tiện cứng có thể gia công nhiều biên
dạng phức tạp, cấp chính xác của tiện cứng đạt IT 5÷7 và độ nhám bề mặt Rz là
2÷4µm. Ở điều kiện gia công đặc biệt tiện cứng có thể đạt được cấp chính xác IT
3÷5 và độ nhám bề mặt Rz
xác gia công.
2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
-Đối tượng nghiên cứu của đề tài dùng 10 phôi thép hợp kim
20XMN(20CrMoNi) được dùng khá phổ biến trong ngành công nghệ chế tạo máy
ở nước ta hiện nay để chế tạo ra chi tiết rotuyn.
-Phạm vi nghiên cứu của đề tài.
+Nghiên cứu tổng quan về công nghệ tiện cứng thép hợp kim đã qua tôi bằng
dao cắt CBN.


3

+Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khi tiện cứng đến chất lượng và độ
chính xác gia công.
+Ứng dụng kết quả nghiên cứu để chế tạo ra chi tiết rôtuyn
3.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm.Trên cơ sở nghiên
cứu lý thuyết và phân tích các công trình nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực của đề
tài, kết hợp với quy hoạch thực nghiệm để tìm miền tối ưu của các thông số chế độ
cắt khi tiện cứng thép hợp kim đã qua tôi đạt độ cứng 60 HRC. Nghiên cứu thực
nghiệm được tiến hành trên máy tiện CNC có sử dụng các thiết bị đo hiện đại có độ
chính xác cao.
4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
4.1. Ý nghĩa khoa học
Các kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở khoa học để ứng dụng công nghệ tiện
cứng trong chế tạo các sản phẩm đòi hỏi cả chất lượng bề mặt lẫn độ chính xác gia
công góp phần mở rộng phạm vi ứng dụng công nghệ tiện cứng vào thực tiễn sản xuất
ở nước ta.
4.2 Ý nghĩa thực tiễn
Các kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng tại các nhà máy. Quá trình ứng dụng các

[23,24]. Tiện cứng có thể sử dụng một dụng cụ cắt để gia công nhiều chi tiết khác
nhau còn đá mài ta phải thay đá hoặc sửa đá. Chi phí đầu tư cho một máy tiện CNC
chỉ bằng 1/2 đến 1/10 máy mài[10]. Ngoài ra công nghệ này còn góp phần hình thành
nên một nền sản xuất công nghiệp bền vững, chất lượng bề mặt khi gia công bằng
phương pháp tiện cũng có một số ưu điểm hơn so với mài như: Ảnh hưởng nhiệt đến
bề mặt gia công nhỏ do chiều dài và thời gian tiếp xúc giữa dụng cụ và phôi ngắn,
lớp ứng suất dư nén bề mặt có chiều sâu lớn nhưng vẫn giữ được độ chính xác và
kích thước, hình dáng và tính nguyên vẹn của bề mặt [14] ,[16] ,[20] ,[27]. Đặc biệt
hơn tiện cứng có thể gia công nhiều biên dạng phức tạp, các chi tiết có dạng hình
cầu…cấp chính xác của tiện cứng đạt IT 5÷7 và độ nhám bề mặt Rz là 2÷4µm. Ở điều
kiện gia công đặc biệt tiện cứng có thể đạt được cấp chính xác IT 3÷5 và độ nhám
bề mặt Rz

Ăn dao

t

Hình 1.1 Chiều sâu cắt khi tiện

* Lượng chạy dao s
Là lượng dịch chuyển của một điểm trên lưỡi cắt theo phương chạy dao trong
một đơn vị qui ước.

s

Hình 1.2 Lượng chạy dao - s


7

*Vận tốc cắt v
Là lượng dịch chuyển tương đối của một điểm trên lưỡi cắt so với phôi đo theo
phương chuyển động cắt trong một đơn vị thời gian.
V=

π.D.n
1000

( m/phút)

Trong đó: D: là đường kính phôi(mm)
n:Là số vòng quay của phôi (vòng/phút)

và cộng sự kết luận rằng lực ăn dao có giá trị lớn nổi trội trong các thành phần lực
cắt khi tiện cứng chính xác bằng dụng cụ CBN. Lực cắt, đặc biệt là lực ăn dao, tăng
khi tăng lượng chạy dao và bán kính vê tròn cạnh lưỡi cắt.
1.3.2 Mòn và tuổi thọ dụng cụ CBN
Các dạng mòn và cơ chế mòn dụng cụ CBN
Mòn và tuổi thọ dụng cụ là tiêu chuẩn thông thường nhất dùng để đánh giá hiệu
suất của dụng cụ cắt, khả năng gia công của vật liệu và là một trong những chỉ tiêu
được quan tâm nhất khi chọn dụng cụ cắt và điều kiện gia công. Tương tự như các
vật liệu dụng cụ cắt thông thường, mòn mặt trước và mặt sau là hai dạng hỏng chủ
yếu của dao tiện CBN. Tuy nhiên, mòn mặt trước ở dụng cụ CBN bắt đầu từ rất gần
lưỡi cắt và lưỡi cắt của mảnh dao CBN không bị biến dạng khi cắt.
Trong khi có một vài lý thuyết khác nhau liên quan đến các cơ chế mòn xuất
hiện trong quá trình tiện cứng bằng dụng cụ CBN, có một sự thống nhất chung cho
rằng mòn gây ra bởi sự kết hợp của một vài cơ chế. Các cơ chế thông thường
nhất được sử dụng để giải thích quá trình mòn dụng cụ CBN bao gồm mài mòn,
dính và khuếch tán và mòn do tương tác hóa học.
Các nhân tố ảnh hưởng đến mòn dụng cụ CBN.
Các nhân tố đã được nhận biết có ảnh hưởng quyết định đến tuổi thọ và hiệu
suất dụng cụ CBN bao gồm: thành phần của vật liệu phôi và dụng cụ, thông số hình
học của dao, điều kiện gia công và độ cứng vững của hệ thống công nghệ.
+) Thành phần của vật liệu dụng cụ: Là nhân tố quan trọng có ảnh hưởng đáng
kể tới mòn dụng cụ. Với hai loại vật liệu CBN có thành phần CBN cao và thấp, cả
giá trị nhám bề mặt gia công và mòn dụng cụ ở vật liệu có thành phần CBN cao đều
lớn hơn vật liệu có thành phần CBN thấp và CBN thấp có khả năng chống mòn nhiệt
tốt hơn [22], [28]. Tốc độ mòn có quan hệ gần như tuyến tính với vận tốc cắt và sự
khác nhau về tốc độ mòn của hai loại vật liệu CBN tăng theo vận tốc cắt[22].


9



Nhiều tính chất khối của vật liệu có liên quan đến bề mặt ở mức độ khác nhau.
Thường các tính chất hoá, lý của 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 được quan tâm[6].
b.Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng lớp bề mặt sau gia công cơ.
*Độ nhám bề mặt và phương pháp đánh giá
-Độ nhám bề mặt
Độ nhám bề mặt hay còn gọi là độ nhấp nhô tế vi là tập hợp tất cả các bề mặt
lồi lõm với bước cực nhỏ và được quan sát trong phạm vi chiều dài chuẩn rất ngắn[5].
Chiều dài chuẩn L là chiều dài để đánh giá các thông số của độ nhám bề
mặt(l=0.01÷25mm).
Độ nhám bề mặt gia công đã được phóng đại lên nhiều lần thể hiện trên hình 1-3

R max

Ðường đỉnh

h5

h3

h1

h7
h9

h6

h2
h4

1

Ra= ∫0 𝑌𝑥 𝑑𝑥 = ∑𝑛𝑖=1 𝑌𝑖
𝑙
𝑛
+Rz là chiều cao nhấp nhô profin theo mười điểm, là trị số trung bình của tổng
các giá trị tuyệt đối của chiều cao năm đỉnh cao nhất và năm đáy thấp nhất của profin
trong chiều dài chuẩn l. Rz được xác định theo công thức.

Rz=

(ℎ1+ℎ3+ℎ5+⋯+ℎ9)−(ℎ2+ℎ4+⋯+ℎ10)
5

Ngoài ra độ nhám bề mặt được đánh giá qua chiều cao nhấp nhô lớn nhất Rmax.
Chiều cao nhấp nhô Rmax là khoảng cách giữa hai đỉnh cao nhất và thấp nhất của
nhám(profin bề mặt trong giới hạn chiều dài chuẩn l).
-Phương pháp đánh giá độ nhám bề mặt
Để đánh giá độ nhám bề mặt người ta thường dùng các phương pháp sau:
+Phương pháp quang học(Dùng kính hiển vi Linich). Phương pháp này đo được
bề mặt có độ nhẵn cao thường từ cấp 10 đến cấp 14.
+Phương pháp đo độ nhám Ra,Rz,Rmax… bằng máy đo profin. Phương pháp
này sử dụng mũi dò để đo profin lớp bề mặt có cấp độ nhẵn đến cấp 11. Đây chính
là phương pháp được tác giả sử dụng để đánh giá độ nhám bề mặt khi tiện cứng.
Tuy nhiên với các bề mặt lỗ thường phải in bằng chất dẻo bề mặt chi tiết rồi mới đo
bảng in trên các máy đo độ nhám bề mặt.
*Độ sóng bề mặt:
Chu kì không bằng phẳng của chi tiết gia công được quan sát trong phạm vi
khoảng lớn tiêu chuẩn(từ 1 đến 10mm) được gọi là độ sóng bề mặt. Nguyên nhân
xuất hiện độ sóng bề mặt là do rung động của hệ thống công nghệ. Do quá trình cắt

Hình 1.4 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 )
Khi dao còn mới(chưa bị mòn)chiều sâu lớp biến cứng giảm khi tăng bán kính
mũi dao do chiều dày lớp phoi không được cắt nhỏ. Tuy nhiên khi dao bị mòn nhiều
thì chiều sâu lớp biến trắng lại tăng theo bán kính mũi dao. Bởi vì khoảng cách giữa
lưỡi cắt và bề mặt gia công là nhỏ hơn.
Kenvin Chou và đồng nghiệp cũng chứng tỏ chiều sâu lớp biến cứng phụ thuộc
vào vận tốc cắt như đồ thị hình 1.5.
Chiều sâu lớp biến cứng tăng theo vận tốc cắt. Với cùng vận tốc cắt
(v=2÷4m/s) thì dao bị mòn nhiều hơn thì sẽ tạo ra lớp biến cứng có chiều dày lớn
hơn khá nhiều với dao chưa bị mòn.


14

Hình 1.5 Quan hệ giữa vận tốc cắt với chiều sâu lớp biến cứng ứng với các lượng
mòn mặt sau khác nhau của dao tiện[34]
Bề mặt lớp biến cứng có tác dụng làm tăng độ bền mỏi của chi tiết khoảng 20%,
tăng độ chống mòn lên khoảng 2 đến 3 lần. Mức độ biến cứng và chiều sâu của nó có
khả năng hạn chế gây ra các vết nứt tế vi làm phá hỏng chi tiết. Tuy nhiên bề mặt quá
cứng lại làm giảm độ bền mỏi chi tiết[5].
Quá trình hình thành ứng suất dư bề mặt sau gia công cơ phụ thuộc vào biến trị
số, dấu và chiều sâu phân bố ứng suất dư. Trị số và dấu phụ thuộc vào biến dạng đàn
hồi của vật liệu gia công, chế độ cắt, thông số hình học của dụng cụ cắt và dung dịch
trơn nguội.
*Các nguyên nhân chủ yếu gây ra ứng suất dư
+Khi gia công trường lực xuất hiện gây ra biến dạng dẻo không đồng đều trong
lớp bề mặt. Khi trường lực mất đi biến dạng dẻo gây ra ứng suất dư trong lớp bề mặt.
+Biến dạng dẻo làm tăng thể tích riêng của lớp kim loại mỏng ngoài cùng. Lớp
kim loại bên trong thể tích riêng không thay đổi. Do đó không bị biến dạng dẻo. Lớp

16

Hình 1.6. Ảnh hưởng của hình dạng lưỡi cắt và lượng chạy dao đến nhám bề
mặt. ( 54,7 HRC, chiều dài 101,6 mm )
Hình

1.7

Ảnh
hưởng

của

hình
lưỡi

dạng
cắt và
lượng
chạy

dao

đến
nhám

bề

mặt. (