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)

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 .. 19
1.2.2.5. Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao r. ............................................................ 21
1.2.2.6. Ảnh hưởng của mòn dụng cụ cắt ................................................................. 22
1.3 Nhám bề mặt ....................................................................................................... 22
1.3.1 Bản chất của lớp bề mặt ................................................................................... 23
1.3.2. Tính chất lý hoá của lớp bề mặt ...................................................................... 24
1.3.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi tiện cứng ............................ 26
1.3.3.1. Ảnh hưởng của các thông số hình học của dụng cụ cắt ............................... 26
1.3.3.2. Ảnh hưởng của tốc độ cắt ............................................................................ 27
1.3.3.3. Ảnh hưởng của lượng chạy dao ................................................................... 28
v


1.3.3.4. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt ....................................................................... 29
1.3.3.5. Ảnh hưởng của vật liệu gia công ................................................................. 29
1.3.3.6. Ảnh hưởng của rung động trong hệ thống công nghệ .................................. 30
1.4. Kết luận .............................................................................................................. 30
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM ..................................... 31
2.1. Mục đích thí nghiệm ..........................................................................................31
2.2. Thiết bị thực hiện thí nghiệm .............................................................................31
2.2.1. Máy thí nghiệm ...............................................................................................31
2.2.2. Phôi thí nghiệm ...............................................................................................32
Hình 2.2. Hình ảnh các phôi thí nghiệm ...................................................................32
2.2.3. Các dụng cụ đo kiểm .......................................................................................33

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của máy .................................................................31
Bảng 2.2: Thành phần hóa học các nguyên tố. .........................................................33
Bảng 2.3: Chế độ nhiệt luyện. ...................................................................................33
Bảng 2.4. Sơ đồ thí nghiệm theo thiết kế Taguchi L9 ..............................................38
Bảng 3.1. Kết quả độ nhám Ra, Fx, Fy, Fz và tỉ số SN của chỉ tiêu. .................... 40
Bảng 3.2. ANOVA trị số Ra ....................................................................................41
Bảng 3.3. Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đến độ nhám trung bình ..................42
Bảng 3.4. Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Ra .........................43
Bảng 3.5. ANOVA trị số Fx ....................................................................................44
Bảng 3.6. Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đến lực dọc trục trung bình .............44
Bảng 3.7. Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Fx........................45
Bảng 3.8. ANOVA trị số Fy ....................................................................................46
Bảng 3.9. Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đến lực cắt hướng kính trung bình Fy .....47
Bảng 3.10. Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Fy......................48
Bảng 3.11. ANOVA trị số Fz ..................................................................................49
Bảng 3.12. Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đến lực tiếp tuyến trung bình Fz ..........50
Bảng 3.13. Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Fz ......................51
Bảng 3.14. Trị số S/N và giá trị chuẩn hóa Zij của SN. ............................................56
Bảng 3.15. Độ sai lệch j(k) của dãy tham chiếu. ..................................................57
Bảng 3.16. Trị số quan hệ xám ứng với các thông số đầu ra và trị số quan hệ xám
trung bình. .................................................................................................................58
Bảng 3.17: Hệ số quan hệ GRA 0i (k) .....................................................................59
Bảng 3.18. ANOVA trị số quan hệ xám ...................................................................60
Bảng 3.19. Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến hệ số quan hệ xám. ...............60

viii


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 3.2. Ảnh hưởng của các thông số đến độ nhám trung bình. .............................42
Hình 3.3. Ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Ra ....................................43
Hình 3.4. Ảnh hưởng của các thông số đến Fx trung bình. ......................................44
Hình 3.5. Ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Fx ....................................46
Hình 3.6. Ảnh hưởng của các thông số đến Fy trung bình. ......................................47
Hình 3.7. Ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Fy ....................................49
Hình 3.8. Ảnh hưởng của các thông số đến Fz trung bình........................................50
Hình 3.9. Ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Fz .....................................52
Hình 3.10. Hệ số quan hệ GRA theo thứ tự thí nghiệm ............................................59
Hình 3.11. Ảnh hưởng của các thông số đến trị số quan hệ GRA trung bình. ........61

x


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Giới thiệu về tiện cứng
Theo sự phát triển của lĩnh vực vật liệu mới trong khoảng mười năm trở
lại đây, vật liệu thường sử dụng làm dao tiện cứng là CBN (Cubic nitrit Bo),
có thể làm tăng độ chính xác trong tiện cứng, với độ cứng của phôi vào
khoảng 40 - 65 HRC. So sánh với quá trình mài, ưu thế trong tiện cứng cho ta
thấy: thời gian quay vòng ngắn, quá trình gia công linh hoạt, tuổi thọ làm việc
cao, chi phí đầu tư thấp, thân thiện với môi trường. Ngày nay, với sự ra đời
của các loại dụng cụ cắt siêu cứng CBN, các ứng dụng của công nghệ tiện
cứng đã tăng lên rõ rệt trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp
chế tạo ô tô, ổ lăn, các thiết bị thủy lực, bánh răng, cam, trục và các chi tiết
cơ khí khác.
Trong tiện cứng chính xác, một điều quan trọng được xét đến đó là hạn
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

ra môi trường.
Trên cơ sở phân tích trên, tác giả chọn đề tài:
“NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BÁN KÍNH MŨI DAO ĐẾN
QUÁ TRÌNH TIỆN CỨNG THÉP Ổ LĂN BẰNG DỤNG CỤ PCBN”
2. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về bản chất vật lý của quá trình cắt kim loại khi
tiện cứng và đặc điểm quá trình tiện cứng.
- Nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của bán kính mũi dao tới nhám
bề mặt, lực cắt khi sử dụng dụng cụ PCBN tiện tinh thép ổ lăn.
3. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. Nghiên cứu
tổng quan về các vấn đề liên quan đến tiện cứng từ đó rút ra vấn đề định
hướng cho nghiên cứu về nhám bề mặt, lực cắt.
Tiến hành các nghiên cứu và phân tích thực nghiệm sử dụng mảnh dao
PCBN tiện tinh thép ổ lăn để xác định nhám bề mặt, lực cắt và mòn dụng cụ
khi sử dụng dao có bán kính mũi khác nhau.

2


4. Dự định kết quả
Phát hiện quy luật ảnh hưởng của bán kính mũi dao tới lực cắt, nhám bề
mặt trong quá trình tiện cứng thép ổ lăn bằng dụng cụ PCBN.
Xây dựng mô hình về mối quan hệ giữa nhám bề mặt, lực cắt và bán
kính mũi dao.

3


CHƯƠNG I


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 hạn giữa vùng vật liệu phoi và vùng vật liệu phôi. Dưới tác dụng
của lực tác động trước hết trong vùng này xuất hiện biến dạng dẻo. Khi ứng
suất do lực tác động gây ra vượt quá giới hạn bền của kim loại thì xuất hiện
hiện tượng trượt và phoi được hình thành (vùng AOE). Trong quá trình cắt,
vùng phoi một luôn di chuyển cùng với dao.
- Vùng ma sát thứ nhất là vùng vật liệu phoi tiếp xúc với mặt trước của dao.
- Vùng ma sát thứ hai là vùng vật liệu phoi tiếp xúc với mặt sau của dao.
- Vùng tách là vùng bắt đầu quá trình tách kim loại khỏi phôi để
hình thành phoi.
Vật liệu dòn khác biệt vật liệu dẻo ở vùng biến dạng thứ nhất, do tổ
chức hạt là khác nhau nên ở vùng này biến dạng dẻo hầu như không xảy ra.
Quá trình bóc tách phoi diễn ra gần như đồng thời với lực tác động.
Việc nghiên cứu quá trình tạo phoi có một ý nghĩa rất quan trọng vì trị
số của công cắt (công làm biến dạng chiếm 90% công cắt), độ mòn của
dao (tuổi thọ của dụng cụ cắt) và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rất
nhiều vào quá trình tạo phoi.
Khi cắt do tác dụng của lực P (Hình 1.1), dao bắt đầu nén vật liệu gia
công theo mặt trước. Khi dao tiếp tục chuyển động trong vật liệu gia công
phát sinh biến dạng đàn hồi, biến dạng này nhanh chóng chuyển sang trạng
thái biến dạng dẻo và một lớp phoi có chiều dày ap được hình thành từ lớp
kim loại bị cắt có chiều dày a, di chuyển dọc theo mặt trước của dao.
Việc nghiên cứu kim loại trong miền tạo phoi chứng tỏ rằng trước khi
biến thành phoi, lớp kim loại bị cắt đã trải qua một giai đoạn biến dạng nhất
định, nghĩa là giữa lớp kim loại bị cắt và phoi có một khu vực biến dạng. Khu
vực này được gọi là miền tạo phoi (Hình 1.2).

5

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…).
Vận tốc cắt có ảnh hưởng lớn nhất đến chiều rộng miền tạo phoi. Tăng
vận tốc cắt miền tạo phoi sẽ co hẹp lại. Hiện tượng đó có thế được giải thích
như sau :
Khi tăng vận tốc cắt vật liệu gia công sẽ chuyển qua miền tạo phoi với
tốc độ nhanh hơn. Khi di chuyển với vận tốc lớn như vậy, vật liệu gia công sẽ
đi ngang qua đường OA nhanh đến mức sự biến dạng dẻo không kịp xảy ra
theo đường OA mà chậm đi một thời gian theo đường OA’. Tương tự như
vậy, nơi kết thúc quá trình biến dạng trong miền tạo phoi sẽ là đường OE’
chậm hơn so với OE (hình 1.3).

Hình 1.3: Miền tạo phoi ứng với vận tốc cắt khác nhau
Như vậy ở vận tốc cắt cao miền tạo phoi sẽ là A’OE’; A’OE’ quay đi
một góc theo chiều quay của kim đồng hồ và khi đó chiều dày cắt giảm đi so
với trước (a’1 < a1) vì biến dạng dẻo giảm đi.
Khi vận tốc cắt rất lớn miền tạo phoi co hẹp đến mức mà chiều rộng
của nó chỉ vào khoảng vài phần trăm milimet. Trong trường hợp đó sự biến
dạng của vật liệu gia công có thể xem như nằm lân cận mặt OF. Do đó để cho
đơn giản, ta có thể xem một cách gần đúng quá trình biến dạng dẻo khi cắt
xảy ra ngay trên mặt phẳng OF đi qua lưỡi cắt và làm với phương chuyển
động của dao một góc bằng .
Mặt OF được gọi là mặt trượt quy ước, còn góc  gọi là góc trượt.

7


Góc trượt là một thông số đặc trưng cho hướng và giá trị của biến dạng

cos
K  sin 

(1-4)

Như vậy góc trượt  phụ thuộc vào  và tỉ số K.
Khi cắt kim loại bị biến dạng dẻo nên kích thước của phôi thường thay
đổi so với kích thước của lớp kim loại sinh ra nó. Đại lượng K đặc trưng cho
sự biến dạng xảy ra trong quá trình cắt gọt, K càng lớn biến dạng càng lớn.
Trong cắt gọt người ta mong muốn K nhỏ tức là biến dạng nhỏ, khi đó công
tiêu hao trong quá trình cắt gọt bé, chất lượng bề mặt của chi tiết gia công
cao. Thực nghiệm cho thấy quan hệ giữa K và V như hình 1.5.

8


K
3

V3

V1
V2

2
0

20

40

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
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 …
Poulachon và đồng nghiệp [14] đã chỉ ra rằng thường có hai cơ chế tạo
phoi lý thuyết khi gia công thép tôi.
- Cơ chế thứ nhất cho rằng adiabatic shear gây ra sự không ổn định dẫn
đến sự trượt mạnh trong vùng tạo phoi.
- Cơ chế thứ hai cho rằng các vết nứt đầu tiên xuất hiện theo chu kỳ
trên bề mặt tự do của phoi phía trước lưỡi cắt và truyền dần đến lưỡi cắt.
Poulachon và đồng nghiệp cũng khẳng định rằng khi tiện trực giao thép
100Cr6 trong dải độ cứng từ 10 ÷ 62 HRC tồn tại của 3 kiểu cơ chế cắt.
Phoi dây được tạo ra khi tiện thép có độ cứng từ 10 ÷ 50 HRC, lực cắt
giảm khi tăng độ cứng trong dải này. Điều này được giải thích là khi độ cứng
của vật liệu gia công tăng sẽ làm tăng nhiệt độ trong vùng tạo phoi làm giảm

10


độ bền của vật liệu gia công dẫn đến tăng góc tạo phoi và giảm chiều dài tiếp
xúc giữa phoi và mặt trước. Cả hai yếu tố đều có tác dụng giảm lực cắt.
Khi tăng độ cứng của vật liệu gia công lên trên 50 HRC, phoi sẽ

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
trống tồn tại giữa vết nứt và mặt trong của phoi do biến dạng dẻo. Sự phân bố
ứng suất nén đã giảm trong giai đoạn 2 và 3 lại trở nên quan trọng và tạo nên
vết nứt mới cho một chu kỳ tạo mảnh phoi vụn mới [14].
Dạng phoi được hình thành phụ thuộc vào sự cân bằng giữa vận tốc cắt
và độ cứng của vật liệu gia công và mối liên hệ giữa hai thông số này với
nhiệt độ sinh ra trong vùng cắt. Hình 1.8 sự ảnh hưởng của tỷ số HVphoi /
HVphôi (Tỷ số giữa độ cứng lớn nhất đo trên phoi và độ cứng của phôi ban
đầu) đến dạng phoi hình thành. Kết quả thí nghiệm cho thấy biến cứng ảnh
hưởng lớn đến sự hình thành phoi khi độ cứng của phôi tăng hoặc vận tốc cắt
thấp [14].
12


Hình 1.8: Dạng của phoi trong mối liên hệ với độ cứng của phôi
và vận tốc cắt
1.2. Lực cắt khi tiện
1.2.1. Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt
Ta đã biết, 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 vật liệu

chuyển động chính và các chi tiết khác của máy công cụ.
Thành phần lực hướng kính Py có tác dụng làm cong chi tiết, ảnh hưởng
đến độ chính xác gia công, độ cứng vững của máy và dụng cụ cắt.
Thành phần Fx tác dụng ngược hướng chạy dao, nó dùng để tính độ bền
của chi tiết trong chuyển động phụ, độ bền của dao cắt và công suất tiêu hao
của cơ cấu chạy dao.
Lực cắt tổng cộng được xác định:
F 

Fx2  Fy2  Fz2

(1- 5)

Trường hợp tổng quát các thành phần lực này không thuần nhất. Trị số
của Fz là hình chiếu chính, xác định bằng lực pháp tuyến tác dụng lên mặt

14


trước của dao. Còn lại Fx, Fy phụ thuộc vào độ lớn và hướng của lực ma sát.
Bởi vậy các thành phần lực này thay đổi khi thay đổi vật liệu gia công, thông
số hình học dụng cụ cắt và chế độ cắt, …
Lực cắt khi gia công vật liệu có độ cứng cao không cao hơn so với khi
gia công vật liệu có độ cứng thấp trong cùng điều kiện. Góc tạo phoi lớn và
phoi dạng răng cưa do tính dẻo của vật liệu gia công kém làm giảm lực cắt
mặc dù độ bền của vật liệu cao. Khi gia công thép 0,25% các bon thay đổi độ
cứng đến HV500 sử dụng dao có góc trước 0o, lực cắt hầu như độc lập với độ
cứng. Mặt khác khi sử dụng góc trước -20o, khi tăng độ cứng của phôi cả lực
cắt và lực hướng kính đều giảm. Tăng góc trước âm có tác dụng làm tăng
thành phần lực cắt hướng kính đáng kể [4].