ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ XUÂN PHƯƠNG

XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN NHÁM BỀ MẶT
VÀ MÒN DỤNG CỤ KHI TIỆN CỨNG THÉP X12M
BẰNG DỤNG CỤ CẮT CBN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Thái Nguyên, năm 2018


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ XUÂN PHƯƠNG

XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN NHÁM BỀ MẶT
VÀ MÒN DỤNG CỤ KHI TIỆN CỨNG THÉP X12M
BẰNG DỤNG CỤ CẮT CBN
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 8520103

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
KHOA CHUYÊN MÔN

CB HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS. TS. HOÀNG VỊ

thực hiện thí nghiệm.
Tác giả xin chân thành cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã hỗ
trợ cho tác giả rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện
đề tài luận văn thạc sĩ.
Do năng lực bản thân còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi sai sót,
tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các
nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp.
Tác giả

LÊ XUÂN PHƯƠNG


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... ii
MỤC LỤC .................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .............................................................. vii
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA 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 ............................................................................... 2
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

3.1.3. Mô hình hoá toán học quá trình nghiên cứu ........................................................ 33
3.2 Xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm. ................................................................... 34
3.2.1. Mô hình thí nghiệm ............................................................................................. 34
3.2.2 Thiết bị thí nghiệm ............................................................................................... 34
Kết luận chương III ..................................................................................................... 38
CHƯƠNG IV ............................................................................................................... 39
THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ................ 39
ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT VÀ MÒN DỤNG CỤ TRONG TIỆN CỨNG ............ 39
THÉP X12M ĐÃ QUA TÔI BẰNG DỤNG CỤ CBN .............................................. 39
4.1.Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm .................................................................... 39
4.1.1. Lý thuyết thực nghiệm......................................................................................... 39
4.1.2 Cơ sở lý thuyết ...................................................................................................... 40
4.1.3 Các giới hạn của thí nghiệm ............................................................................... 43
4.1.4 Các thông số đầu vào của thí nghiệm ................................................................... 43
4.1.5 Các hàm mục tiêu ................................................................................................. 44
4.2 Lập ma trận thí nghiệm, chọn phương án quy hoạch thực nghiệm ......................... 44
4.2.1 Xử lý kết quả – Xác định mô hình toán phương án bậc 1 .................................... 47
4.2.2 Xác định mô hình toán bậc 2 ................................................................................ 49
4.3 Xây dựng kế hoạch thí nghiệm bậc 2 ..................................................................... 52
4.4 Tiến hành thí nghiệm ............................................................................................... 58
4.5 Kết quả quá trình thí nghiệm ................................................................................... 59
4.5.1 Kết quả thí nghiệm với hàm mục tiêu độ nhám bề mặt Ra .................................. 60


v

4.5.2 Kết quả thí nghiệm mòn dụng cụ CBN ................................................................ 63
4.5.2.1. Phân tích kết quả thí nghiệm với hàm mục tiêu diện tích gia công Sc. ........... 63
4.5.2.2 Xây dựng mô hình hồi quy mô tả mòn dụng cụ ................................................ 69
4.5.2.3 Tối ưu hóa đa mục tiêu ...................................................................................... 72

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Chiều sâu cắt khi tiện ..................................................................................... 5
Hình 1.2 Lượng chạy dao - s ......................................................................................... 6
Hình vẽ 1.3 Máy Emco Turn 332 Mcplus và Quá trình cắt khô trong tiện cứng ............ 7
Hình vẽ 1.4 Ký hiệu một số mảnh CBN dùng trong tiện cứng ........................................ 9
Hình 2.1

Ðộ nhám bề mặt........................................................................................... 12

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 )[17] .......................................................... 17
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 [34] ............................................................................. 18
Hình 2.4 Ảnh hưởng của hình dạng lưỡi cắt và lượng chạy dao ................................... 19
đến nhám bề mặt. ( 54,7 HRC, chiều dài 101,6 mm ) ................................................... 19
Hình 2.5 Ảnh hưởng của hình dạng lưỡi cắt và lượng chạy dao .................................. 20
đến nhám bề mặt.( 51,3 HRC, chiều dài 101,6 mm ) .................................................... 20
Hình 2.6 Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến nhám bề mặt khi gia công thép...................... 20
Hình 2.7. Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến .............................................................. 21
Hình 2.8. Ảnh hưởng của độ cứng phôi và hình dạng lưỡi cắtđến nhám bề mặt .......... 23
khi gia công thép( lượng chạy dao = 0.2 mm/vòng, chiều dài là = 203.2 mm ) ........... 23
Hình 2.9: Hình ảnh mặt trước của mảnh dao CBN khi cắt với ..................................... 26
vận tốc cắt 180 m/p chụp trên kính hiển vi điệntử ........................................................ 26
Hình 2.10: Hình ảnh phóng to vùng vật liệu gia công dínhtrên mặt trước.................... 27
của dụng cụ khi cắt với vận tốc cắt 180m/p .................................................................. 27
Hình 2.11: Hình ảnh mặt trước của mảnh dao CBN ..................................................... 28
chụp trên kính hiển vi điệntử ......................................................................................... 28
Hình 3.1 Mô hình tối ưu hoá quá trình cắt khi tiện ....................................................... 31
Hình 3.2 Mô hình thí nghiệm ........................................................................................ 34
Hình 3.3. Thiết bị và sơ đồ thí nghiệm khảo sát mòn và ............................................... 35

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 ÷ 70 HRC [10,11]. So với mài tiện
cứng có nhiều ưu thế vượt trội về khía cạnh kinh tế và sinh thái [12,13]. 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 đợc cấp chính xác IT 3÷5 và độ nhám bề mặt
Rz
+Ứng dụng kết quả nghiên cứu để chế tạo chi tiết.
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


3

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 57-58 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 mòn dụng cụ
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 kết quả nghiên cứu sẽ cho phép ta mở rộng phạm vi gia công của ngành chế tạo
máy nói chung và công nghệ tiện cứng nói riêng. Góp phần tạo ra các sản phẩm có
chất lượng tốt, giá thành hạ và nâng cao khả năng ứng dụng vào thực tiễn một phương
pháp gia công tinh linh hoạt, thân thiện với môi trường với chi phí đầu tư thấp phù hợp
với điều kiện sản xuất ở nớc ta.
5. NỘI DUNG CÁC VẤN ĐỀ SẼ ĐI SÂU NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu tổng quan về tiện cứng: Khái niệm về tiện cứng, các yếu tố công
nghệ của chế độ cắt, các yếu tố ảnh hởng đến chất lượng bề mặt và độ mòn dụng cụ…
- Ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến chất lượng bề mặt và độ mòn
dụng cụ khi tiện cứng thép hợp kim đã qua tôi bằng dụng cụ cắt CBN trên trung tâm

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 [13],[14],[15]. 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
* 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=
Trong đó:

(m/phút)

D: là đường kính phôi(mm)

n: Là số vòng quay của phôi (vòng/phút)
1.3 Thiết bị và dụng cụ cắt dùng trong 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 (thờng ≥ 45HRC). 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 µm , rõ
ràng với chất lượng đạt được như vậy, tiện cứng hoàn toàn thay thế được cho mài
trong hầu hết các trờng hợp gia công công tinh các sản phẩm.
Các sản phẩm trong tiện cứng khá linh hoạt, từ các chi tiết dạng trục trơn (các
trục ngắn), con lăn,.. tới các chi tiết có biên dạng phức tạp hơn,..
Để áp dụng công nghệ này hệ thống máy, dao, đồ gá phải đảm bảo các yêu cầu
như: Máy tiện đủ độ cứng vững, đủ tốc độ quay trục chính và công suất phù hợp. Các


7

máy tiện NC, CNC được dùng để thực hiện công việc này. Các máy tiện điều khiển
bằng tay cũng có thể được dùng nếu đáp ứng các yêu cầu trên.


[16].
Chi phí dao cụ không phải 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.


9

Hình vẽ 1.4 Ký hiệu một số mảnh CBN dùng trong tiện cứng
Khi tiện cứng, nếu cắt với tốc độ cắt thấp hơn quy định thì mảnh CBN sẽ bị
mòn nhanh và 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 [19].
Nhiều nhà máy chế tạo ổ đỡ, bánh răng, con lăn và trục bằng thép đã tôi sử
dụng chế độ cắt này. Họ có thể đạt dung sai kích thước đến ± 0,01mm hoặc cao hơn
nếu thời gian chế tạo lâu hơn và nhám bề mặt rất nhỏ. Ngoài ra giá thành máy mài có
thể đắt gấp 2-3 lần máy tiện. Trong nhiều phân xưởng hiện nay họ đã thay thế tiện
cứng cho mài truyền thống. Đồng thời khi sử dụng tiện cứng thời gian chu kỳ và điều
chỉnh ngắn hơn nhiều so với mài.
Qua đó có thể kết luận rằng, việc áp dụng công nghệ tiện cứng để gia công tinh
lần cuối đã mang lại những lợi ích sau:
- Giảm thời gian và chu kỳ gia công một sản phẩm.
- Giảm chi phí đầu thiết bị.
- Tăng độ chính xác gia công.
- Đạt độ nhẵn bề mặt cao hơn.

pháp cho năng suất cao nhưng chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công không cao.
Do vậy các phương pháp này chỉ dùng để gia công thô và bán tinh để gia công các chi
tiết có hình dáng đơn giản.
Hiện nay với sự phát triển của kỹ thuật CNC và các loại vật liệu dụng cụ cắt
mới cho năng suất và chất lượng cao. Ta có thể gia công tinh đạt độ chính xác và chất
lượng bề mặt cao mà không cần phải qua nguyên công mài. Điều đặc biệt hơn nữa là ta
có thể gia công chi tiết có biên dạng phức tạp, biên dạng hình chỏm cầu mà không cần
phải dưỡng. Tiện cứng là một phương pháp tiện tiên tiến cho độ chính xác và chất
lượng bề mặt cao thường được sử dụng để tiện tinh các bề mặt thép hợp kim đã qua
tôi. Do vậy hướng nghiên cứu của đề tài“Xây dựng mô hình dự đoán nhám bề mặt và
mọn dụng cụ khi tiện cứng thép X12M bằng dụng cụ cắt CBN” là rất cần thiết để góp
phần nâng cao chất lượng và độ chính xác gia công cứng thép hợp kim đã qua tôi. Qua
đó góp phần tạo nên nền sản xuất công nghiệp bền vững.


12

CHƯƠNG II
CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT VÀ MÒN DỤNG CỤ KHI TIỆN CỨNG
2.1. Chất lượng bề mặt khi tiện cứng
2.1.1 Khái niệm chung về lớp bề mặt
Bề mặt là sự 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 được đặc trưng của lớp bề mặt ta cần biết mô hình và định luật
của kim loại nguyên chất không có tương tác với 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 động của môi trường để thiết lập khái niệm mô
hình bề mặt thực.
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

+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 năm đỉnh cao nhất và năm đáy thấp
nhất của profin trong chiều dài chuẩn l. Rz được xác định theo công thức.

Rz=

Ngoài ra độ nhám bề mặt được đánh giá qua chiều cao nhấp nhô lớn nhất R max.
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)
Cũng theo tiêu chuẩn TCVN 2511-1995 thì độ nhám bề mặt được chia làm 14
cấp, từ cấp 1 đến cấp 14 với các giá trị Ra,Rz. Trị số nhám càng bé thì bề mặt càng
nhẵn và ngược lại. Độ nhám bề mặt thấp nhất hay độ bóng bề mặt cao nhất ứng với cấp
14(tương ứng với Ra

). Việc chọn chỉ tiêu Ra hay Rz là tuỳ

thuộc vào chất lượng yêu cầu của bề mặt. Chỉ tiêu Ra được gọi là thông số ưu tiên và được
sử dụng phổ biến nhất do nó cho phép đánh giá chính xác và thuận tiện hơn những bề mặt
có ưu cầu độ nhám trung bình (độ nhám từ cấp 6÷12). Đối với những bề mặt có độ nhám
quá thô (từ cấp 1÷5) và rất tinh (cấp 13,14) thì dùng chỉ tiêu Rz sẽ cho ta khả năng đánh
giá chính xác hơn khi dùng Ra (Bảng 2.1)


14

Cấp độ
Nhám bề

Thông số nhám(µm)
Loại


6

7

8

9

10

11

12

13

Ra

a

Từ 2,5 đến 2,0

b