ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRẦN TRUNG SƠN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BÁN KÍNH MŨI DAO
ĐẾN QUÁ TRÌNH TIỆN CỨNG THÉP Ổ LĂN BẰNG
DỤNG CỤ PCBN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2018

i


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là:

Trần Trung Sơn

Học viên:

Lớp Cao học K16

Đơn vị công tác:

Trường Trung cấp nghề Hà Tĩnh

Tên đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của bán kính mũi dao đến quá trình
tiện cứng thép ổ lăn bằng dụng cụ PCBN”

các nhà khoa học và bạn bè đồng nghiệp để bản thân em cũng như Luận văn
được hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn!
HỌC VIÊN

Trần Trung Sơn

iii


CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

PCBN: Nitrit Bo lập phương đa tinh thể
CBN: Nitrit Bo lập phương
BN: Nitrit Bo
a: chiều dày lớp kim loại bị cắt
ap: chiều dày phoi
Kf: mức độ biến dạng của 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
 : góc trượt

r: bán kính mũi dao
 (hay  n) : góc trước của dao

Fz (hay Fc): lực tiếp tuyến khi tiện
Fy (hay Fp): lực hướng kính khi tiện
Fx: lực chiều trục khi tiện
S: lượng chạy dao (mm/vòng)
t: chiều sâu cắt (mm)

LỤC...................................................................................................................

HIỆU
MỤC
v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .......................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ...............................................................................ix
PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1
1. Giới thiệu về tiện cứng ............................................................................................
1
2. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................... 2
3. Phương pháp nghiên cứu......................................................................................... 2
4. Dự định kết quả ....................................................................................................... 3
CHƯƠNG I: BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH TIỆN CỨNG ....................
4
1.1. Bản chất vật lý...................................................................................................... 4
1.1.1. Quá trình cắt và tạo phoi ................................................................................... 4
1.1.2. Đặc điểm quá trình tạo phoi khi tiện cứng ......................................................
10
1.2. Lực cắt khi tiện................................................................................................... 13
1.2.1. Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt ......................................................
13
1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện .......................................................
17
1.2.2.1 Ảnh hưởng của vận tốc cắt............................................................................ 17
1.2.2.2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt .........................................
18
1.2.2.3. Ảnh hưởng của vật liệu gia công ................................................................. 18
1.2.2.4. Ảnh hưởng của vật liệu làm dao và đặc điểm của vật liệu CBN khi tiện cứng

2.2.3. Các dụng cụ đo kiểm.......................................................................................33
2.2.4. Dụng cụ cắt. ....................................................................................................34
2.2.5. Sơ đồ bố trí thí nghiệm....................................................................................35
2.2.6. Cơ sở lý thuyết của mô hình thí nghiệm .........................................................35
2.3. Tiến trình thí nghiệm..........................................................................................39
2.4. Kết luận .............................................................................................................. 39
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................... 40
3.1. Kết quả đo thực nghiệm .....................................................................................40
3.2. Đánh giá kết quả thực nghiệm ...........................................................................41
3.2.1. Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến Ra ..................................................41
3.2.2. Ảnh hưởng của các yếu tố đến lực dọc trục Fx...............................................44
3.3.3. Ảnh hưởng của các yếu tố đến lực hướng kính Fy .........................................46
3.3.4. Ảnh hưởng của các yếu tố đến lực tiếp tuyến Fz ............................................49
3.3.5. Tối ưu hóa đa mục tiêu....................................................................................53
3.3.5.1. Các bước tối ưu hóa sử dụng phân tích quan hệ xám (Grey Relational
Analysis – GRA). ........................................................................................53
3.3.5.2. Thực hiện các bước của lý thuyết. ............................................................... 56
CHƯƠNG IV. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ................................................... 63
4.1. Kết luận chung ...................................................................................................63
vi
i


4.2. Khuyến cáo......................................................................................................... 63
4.3. Ý nghĩa khoa học ............................................................................................... 64
4.4. Ý nghĩa thực tiễn ................................................................................................ 64
4.5. Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài ..............................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 65

vii

viii


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Sơ đồ miền tạo phoi ....................................................................................4
Hình 1.2: Miền tạo phoi ..............................................................................................6
Hình 1.3: Miền tạo phoi ứng với vận tốc cắt khác nhau .............................................7
Hình 1.4: Tính góc trượt  ..........................................................................................8
Hình 1.5: Quan hệ giữa vận tốc cắt và biến dạng của phoi.........................................9
Hình 1.6. Quan hệ giữa bán kính mũi dao r và biến dạng của phoi ..........................10
Hình 1.7. Ba giai đoạn hình thành phoi khi tiện thép 100Cr6 .................................11
Hình 1.8: Dạng của phoi trong mối liên hệ với độ cứng của phôi ............................13
Hình 1.9: Hệ thống lực cắt khi tiện ...........................................................................14
Hình 1.10: Mối quan hệ giữa lực cắt và chiều dài cắt khi tiện thép thấm Các bon,
Ni tơ tôi cứng đến 60 HRC bằng dao PCBN ..............................................15
Hình 1.11: Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới lực cắt ....................................................17
Hình 1.12: Cấu trúc tế vi của hai loại mảnh dao TDGN160304S2501,
TDGN160308S1501....................................................................................20
Hình 1.13: Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao tới lực cắt .........................................21
Hình 1.14. Chi tiết bề mặt vật rắn ............................................................................24
Hình 1.15. Ảnh hưởng của thông số hình học của dao tiện tới độ nhám bề mặt ......27
Hình 1.16 Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới nhám bề mặt khi gia công thép................27
Hình 1.17. Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt ..............................29
Hình 2.1. Máy tiện CS-460x1000G ..........................................................................32
Hình 2.2. Hình ảnh các phôi thí nghiệm ...................................................................32
Hình 2.3. Đầu đo lực Kistler 9257BA.......................................................................33
Hình 2.4. Máy đo độ nhám SJ-201 của hãng Mitutoyo – Nhật Bản. ........................34
Hình 2.5. Mảnh dao tiện PCBN ................................................................................34
Hình 2.6. Sơ đồ bố trí thí nghiệm..............................................................................35
Hình 3.1. Thiết kế thí nghiệm Taguchi. ....................................................................40

chế tối đa sự mài mòn dụng cụ cắt nhằm duy trì độ chính xác hình dạng và bề
mặt cho sản phẩm, hạn chế thời gian thay dụng cụ cắt tránh sai số. Sự mài
mòn dụng cụ không chỉ làm giảm trực tiếp độ chính xác hình học mà còn
tăng đáng kể lực khi cắt, tăng nhám bề mặt. Sự thay đổi lực cắt cũng là
nguyên nhân làm cho dụng cụ chuyển động không ổn định, làm dẫn đến giảm
độ chính xác. Mặt khác, bán kính mũi của dụng cụ cũng quan trọng trong
việc xác định độ nhám của bề mặt, lực gia công. Dụng cụ với bán kính mũi
lớn sẽ cho bề mặt nhẵn hơn thông thường. Khi đó, bán kính mũi dụng cụ
đóng vai trò quan trọng việc quyết định hình dạng mặt cắt ngang kết hợp với
độ sâu cắt và tốc độ dẫn tiến. Do đó, bán kính mũi liên quan rất chặt chẽ đến
chất lượng bề mặt. Có thể xem xét rằng bán kính mũi dụng cụ đóng vai trò
quan trọng không chỉ trong việc xác định độ nhám bề mặt mà còn trong biến
dạng chảy dẻo nhiệt của phôi trong quá trình tiện cứng. Hiện nay, dụng cụ cắt
CBN khá đắt, do đó, nhằm đảm bảo hiệu suất làm việc đủ cao với giá thành
thấp, tối ưu hóa hình dạng dụng cụ cắt là cần thiết.
Với việc sử dụng ngày càng phổ biến của các loại thép hợp kim có độ
bền và độ cứng cao trong ngành cơ khí chế tạo, cùng với sự ra đời và phát
1


triển của các loại dụng cụ cắt siêu cứng và các máy gia công tự động, công
nghệ tiện cứng đang thu hút được sự quan tâm đặc biệt. Việc áp dụng công
nghệ tiện cứng để gia công lần cuối các chi tiết mang lại những lợi ích sau:
- Giảm thời gian chu kỳ gia công một sản phẩm
- Giảm chi phí đầu tư thiết bị.
- Tăng độ chính xác.
- Đạt độ bóng bề mặt cao.
- Cho phép nâng cao tốc độ bóc vật liệu (từ 2 – 4 lần so với mài), nâng
cao năng suất gia công.
- Gia công được các bề mặt phức tạp

1.1. Bản chất vật lý
Trong quá trình gia công kim loại bằng cắt gọt có rất nhiều hiện tượng
vật lý xảy ra: phát sinh nhiệt, ma sát, mài mòn, lẹo dao, rung động, biến cứng,
biến dạng phoi…Các hiện tượng vật lý này ảnh hưởng rất lớn đến công tiêu
hao trong quá trình cắt gọt, lực cắt, độ mòn của dụng cụ, chất lượng bề mặt
của chi tiết gia công.
1.1.1. Quá trình cắt và tạo phoi
Quá trình cắt kim loại là quá trình 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 chuyện
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 6.
Khi cắt để có thể tạo ra phoi, lực tác dụng vào dao 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 (hình1.1).

a.

b.

Hình 1.1: 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

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, đường OE - đường kết thúc biến dạng dẻo
và đường AE - đường nối liền khu vực chưa biến dạng của kim loại và phoi.
Trong quá trình cắt, miền tạo phoi AOE di chuyển cùng với dao.
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 1.1) 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 tua.
Như vậy phoi cắt ra chịu biến dạng không đều. Mức độ biến dạng của


phoi:
Kf = Kbd + Kms

(1 –1)

Ở đây:
Kbd là mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi
Kms là mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của dao.


Vì biến dạng dẻo của phoi có tính lan truyền, do đó lớp kim loại nằm
phía dưới đường cắt ON (hình 1.1a) cũng sẽ chịu biến dạng dẻo.
Chiều rộng của miền tạo phoi phụ thuộc vào tính chất của vật liệu gia
công và điều kiện cắt (thông số hình học của dao, chế độ cắt…).


OC . s in 
s in 
a


a1 OC.cos(   cos(   )
)

(1-2)

Do đó có thể tính  theo công thức :
tg 
Nếu đặt K 
tg 

r. cos 
1  r.sin 

(1-3)

1
thì ta có công thức sau :
r
cos
K  sin


(1-4)


Trong vùng vận tốc cắt này khi Vc tăng µ tăng do đó lực ma sát tăng,
biến dạng của phoi tăng. Mặt khác khi này lẹo dao xuất hiện và tăng dần làm
tăng góc trước, giảm góc cắt thì quá trình cắt dễ dàng hơn, phoi thoát ra dễ
dàng hơn biến dạng của phoi giảm và đạt giá trị cực tiểu tại B ứng với Vc =
V2 (tại đây chiều cao lẹo dao lớn nhất).
Hai ảnh hưởng này bù trừ lẫn nhau nhưng ảnh hưởng của lẹo dao lớn
hơn.
Khi Vc tăng từ V2 ÷ V3 biến dạng của phoi tăng.
Trong vùng vận tốc cắt này khi Vc tăng chiều cao lẹo dao giảm dần,
dẫn đến góc trước giảm, góc cắt tăng, biến dạng của phoi tăng. Khi Vc tăng,
hệ số ma sát giảm, lực ma sát giảm, biến dạng của phoi giảm. Kết hợp hai ảnh
hưởng này, ảnh hưởng của lẹo dao lớn hơn nên khi Vc tăng biến dạng của
phoi tăng và đạt giá trị cực đại khi Vc = V3 (tại đây lẹo dao mất hẳn).
Khi Vc > V3: lẹo dao không còn, mặt khác nhiệt độ cắt ở vùng cắt rất
cao làm cho lớp kim loại của phoi sát mặt trước bị chảy nhão, hệ số ma sát
giữa phoi và mặt trước giảm, K giảm.
Khi Vc > 200 ÷ 300 m/f hệ số ma sát µ thay đổi rất ít, dẫn đến biến
dạng của phoi hầu như không thay đổi.
Các giá trị V1, V2, V3 phụ thuộc vào điều kiện gia công, vật liệu làm dao,
phôi, thông số hình học của dụng cụ cắt.


Bán kính mũi dao r cũng ảnh hưởng đến hệ số biến dạng phoi, r tăng
chiều dày trung bình của lớp cắt giảm, chiều dài của đoạn lưỡi cắt cong tham
gia cắt tăng, phoi thoát ra cong bị biến dạng phụ thêm do sự giao nhau của
chúng trên cung cong (phương thoát phoi xem như thẳng góc với lưỡi cắt)
làm cho biến dạng của phoi tăng hình 1.6.

Hình 1.6. Quan hệ giữa bán kính mũi dao r và biến dạng của phoi
1.1.2. Đặc điểm quá trình tạo phoi khi tiện cứng

giảm. Một điều cần lưu ý là phoi dạng răng cưa xuất hiện khi gia công phôi có
độ cứng thấp hơn nhưng với vận tốc cắt cao hơn. Điều này chứng tỏ cơ chế
tạo phoi được điều khiển bởi sự cân bằng giữa vận tốc cắt và độ cứng của vật
liệu gia công và mối quan hệ giữa hai yếu tố này với nhiệt độ trong vùng cắt.
Hình 1.7 chỉ ra 3/4 giai đoạn hình thành phoi răng cưa khác nhau.

Hình 1.7. Ba giai đoạn hình thành phoi khi tiện thép 100Cr6 với
V = 100 m/p; s = 0,1mm/v; t = 1mm; môi trường cắt khô.


Giai đoạn 1: Khi ứng suất cắt đạt giá trị tới hạn trong vùng tạo phoi một
vệt nứt đột nhiên xuất hiện và phát triển gần đến lưỡi cắt. Chiều dài của vết
nứt là rất quan trọng và có thể so sánh với chiều dày của phoi khi biến dạng
không xảy ra. Tất nhiên vết nứt xuất hiện trước khi phoi răng cưa được hình
thành.
Giai đoạn 2: Do sự xuất hiện của vết nứt, vùng phoi giữa vết nứt và
cạnh viền sẽ bị đẩy lên không kèm theo biến dạng và vết nứt sẽ bị khép lại khi
dụng cụ tiến lên phía trước và chiều cao của phoi giảm xuống. Tốc độ trượt
của phoi trên mặt trước lớn đến mức mà có thể tạo ra nhiệt độ cao gần điểm
A3 vì thế Máctensít sinh ra do ma sát giữa các lớp phoi thể hiện ở dạng lớp
trắng bao quanh mảnh phoi được hình thành. Hơn nữa một lớp trắng tương tự
sẽ sinh ra trên bề mặt gia công do ma sát rất lớn giữa mặt sau của dụng cụ với
bề mặt gia công có nguyên nhân là lực hướng kính Py rất lớn.
Giai đoạn 3: Khi chiều rộng của khe hở trở nên hẹp tới mức mà tốc độ
bật ra và biến dạng dẻo của phoi là rất lớn. Dưới tác dụng của nhiệt độ cao hai
lớp trắng trên phoi và trên bề mặt phân cách giữa phoi và bề mặt gia công kết
hợp lại tạo nên phần thứ hai của phoi răng cưa. Do ở đây chiều dày của phoi
rất nhỏ và tốc độ nguội rất cao vì thế hiện tượng chuyển đổi trong vùng này là
“adiabatic”.
Giai đoạn 4: Mảnh phoi răng cưa hình thành và thực tế điền vào chỗ

Lực cắt là một hiện tượng động lực học, tức là trong chu trình thời gian
gia công thì lực cắt không phải là một hằng số. Lực cắt được biến đổi theo
quãng đường của dụng cụ. Lúc đầu lực cắt tăng dần cho đến điểm cực đại.