S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn
của dao gắn mảnh PCbn theo chế độ cắt
khi tiện thép 9xc qua tôi
Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Ngi hng dn khoa hc
PGS.TS. Phan Quang Thế
Thái nguy ên - 2008
MỤC LỤCLời nói đầu
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
Trang
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
Danh mục các bảng biểu
Mở đầu
1
1. Giới thiệu về công nghệ tiện cứng 1
2. Tính cấp thiết của đề tài 5
2.1. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 6
2.2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 6
2.3. Phương pháp nghiên cứu 7
Chương 1
8
Bản chất vật lý của quá trình cắt thép có độ cứng cao
1.1. Qúa trình cắt và tạo phoi 8
1.2. Lực cắt 12
1.2.1. Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt 12
1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện 14
1.3. Nhiệt cắt 16
1.3.1. Khái niệm chung 16
2.5.5. Ảnh hưởng của vật liệu gia công 43
2.5.6. Ảnh hưởng của rung động trong hệ thống công nghệ 44
2.6. Kết luận 44
Chương 3
46
Mòn và tuổi bền dụng cụ khi tiện cứng
3.1. Mòn dụng cụ cắt 46
3.1.1. Khái niệm chung 46
3.1.2. Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt 47
3.1.2.1. Mòn do dính 48
3.1.2.2. Mòn do hạt mài 49
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.1.2.3. Mòn do khuếch tán 49
3.1.2.4. Mòn do ôxi hoá 50
3.1.3. Mòn dụng cụ cắt và cách xác định 51
3.1.3.1. Mòn dụng cụ cắt 51
3.1.3.2. Cách xác định 53
3.1.3.3. Các chỉ tiêu đánh giá sự mài mòn của dụng cụ cắt 54
* Chỉ tiêu mòn tối ưu 54
* Chỉ tiêu mòn công nghệ 55
3.1.4. Ảnh hưởng của mòn dụng cụ đến chất lượng bề mặt khi tiện cứng 55
3.1.5. Kết luận 55
3.2. Tuổi bền của dụng cụ cắt 55
3.2.1. Khái niệm chung về tuổi bền của dụng cụ cắt 55
3.2.2. Các nhân t ố ảnh hưởng đến tuổi bền của dụng cụ cắt khi tiện cứng 57
3.2.2.1. Ảnh hưởng của chế độ cắt 57
3.2.2.2. Ảnh hưởng của thông số hình học dụng cụ cắt 59
4.4.2.6. Phân tích kết quả và thảo luận 78
4.4.2.7. Kết luận 80
4.5. Nghiên cứu mối quan hệ giữa tuổi bền mảnh dao PCBN theo
chế độ cắt khi tiện tinh thép 9XC qua tôi
82
4.5.1. Quá trình cắt thép 9XC bằng dao PCBN 82
4.5.2. Lựa chọn chế độ cắt cho nghiên cứu và tìm hàm quan hệ 83
4.6. Phần kết luận chung và hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài 88
4.6.1. Phần kết luận chung 88
4.6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài 88 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
a
p
: chiều dày phoi
K
bd
= Q
1
: nhiệt sinh ra trên mặt phẳng trượt
Q
AC
= Q
2
: nhiệt sinh ra trên mặt trước
Q
AD
= Q
2
: nhiệt sinh ra trên mặt sau
Q
phoi
: nhiệt truyền vào phoi
Q
dao
: nhiệt truyền vào dao
Q
phôi
: nhiệt truyền vào phôi
Q
môi trường
: nhiệt truyền vào môi trường
k
AB
: ứng suất cắt trung bình trong miền biến dạng thứ nhất
A
S
F
cf
, F
tf
: lực cắt tiếp tuyến và pháp tuyến đo khi mòn dao
VB
ave
: chiều cao trung bình của vùng mòn mặt sau
τ
f
: ứng suất tiếp trên vùng mòn mặt sau
K
c
, K
t
: các hệ số thực nghiệm
µ: hệ số ma sát trên vùng ma sát thông thường của mặt trước
µ
f
: hệ số ma sát trên mặt sau
b: hệ số truyền nhiệt
H
v
: độ biến cứng (N/mm
2
);
S: diện tích bề mặt đầu đo kim cương ấn xuống (mm
2
)
P: lực tác dụng của đầu kim cương (N)
HKC: hợp kim cứng
x
i
: các ký hiệu mã hoá
N: số thí nghiệm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình vẽ 2.4. Quan hệ giữa vận tốc cắt với chiều sâu lớp biến cứng
ứng với các lượng mòn mặt sau khác nhau của dao tiện
35
Hình vẽ 2.5. Quan hệ giữa bán kính mũi dao, chiều sâu cắt và ứng
suất dư lớp bề mặt
38
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình vẽ 2.6. Ảnh hưởng của thông số hình học của dao tiện tới
nhám bề mặt khi gia công thép
41
Hình vẽ 2.7. Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới nhám bề mặt khi gia
công thép
41
Hình vẽ 2.8. Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt 43
Hình vẽ 3.1. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt
liên tục (a) và khi cắt gián đoạn (b)
48
Hình vẽ 3.2. Các dạng mòn phần cắt của dụng cụ khi tiện 51
Hình vẽ 3.3.
Quan hệ giữa một số dạng mòn của dụng cụ hợp kim
cứng với thể tích
0,6
c1
V .t
52
Hình vẽ 3.4. Các thông số đặc trưn g cho mòn mặt trước và mặt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình vẽ 4.4. Mảnh dao TPGN, 160308 T2001 66
Hình vẽ 4.5. Thân dao MTENN 2020K16-N (hãng CANELA) 66
Hình vẽ 4.6. (a), Phôi thép 9XC qua tôi cứng, (b,c) Ảnh quang
học cấu trúc tế vi thép 9XC theo hai phương song song và vuông
góc với trục
67
Hình vẽ 4.7. Đồ thị quan hệ giữa thời gian cắt và nhám Ra, Rz 71
Hình vẽ 4.8. 1(a,b) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 1 sau 2,61
phút cắt; 1(c,d) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 1 được phóng to
với các vết biến dạng dẻo bề mặt;1(e) Hình ảnh mặt sau mảnh dao
số 1;1(f) Hình ảnh mặt sau mảnh số 1được phóng to.
72
Hình vẽ 4.9. 2(a) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 2 sau 5,19 phút
cắt; 2(b,c,d) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 2 được to;3(a,b) Hình
ảnh mặt trước mảnh dao số 3 sau 7,69 phút cắt; 3(c,d) Hình ảnh
mặt sau mảnh dao số 3.
73
Hình vẽ 4.10. 4(a) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 4 sau 10,09
phút cắt; 4(b) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 4 được to;4(c,d)
Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 4 ; 4(e,f) Hình ảnh mảng mòn mặt
sau mảnh dao số 4 được phóng to.
74
Hìnhvẽ 4.11. 5(a) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 5 sau 12,36
phút cắt; 5(b,c) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 5 được to;5(d)
Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 5 ; 5(e,f) Hình ảnh mảng mòn mặt
sau mảnh dao số 5 được phóng to; 5(b) Hình ảnh cơ chế mòn mặt
trước với sự bóc tách của lớp vật liệu dụng cụ.
Thomas
58
Bảng 4.1. Thành phần các nguyên tố hoá học thép 9XC 67
Bảng 4.2. Chế độ cắt và các thông số nhám 69
Bảng 4.3. Thời gian cắt và các thông số nhám 70
Bảng 4.4. Bộ thông số chế độ cắt 83
Bảng 4.5. Ma trận thí nghiệm 85
Bảng 4.6. Ma trận 6 thí nghiệm thứ nhất 86
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =1=
Mở đầu
CÔNG NGHỆ TIỆN CỨNG VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
1. Giới thiệu về công nghệ tiện cứng
Tiện cứng (hard turning) chính thức được giới thiệu ở nước ta vào năm
1988, tuy nhiên công nghệ này chưa có điều kiện phát triển mạnh. Cho tới
những năm gần đây khi sự đổi mới về khoa học kỹ thuật đang trở thành tất
yếu thì tiện cứng đã phát huy được vai trò to lớn của nó trong việc gia công
tinh các sản phẩm thép qua tôi cứng.
Các chi tiết như vòng ổ lăn, vòi phun và những chi tiết của hệ thống thuỷ
lực,... sau khi nhiệt luyện thường phải qua nguyên công mài hoặc mài khôn.
Các nguyên công này thường thiếu linh hoạt và mất nhiều thời gian. Hơn nữa
Các máy tiện điều khiển bằng tay có thể được dùng nếu đáp ứng được các yêu
cầu này.
Đồ gá trong tiện cứng phụ thuộc vào biên dạng các sản phẩm yêu cầu.
Nhìn chung các chi tiết gia công đều được cắt mà ít sử dụng đồ gá phụ vì lý
do độ cứng vững cần có trong tiện cứng. Hơn nữa với các máy điều khiển số
thì điều này không còn nhiều ý nghĩa. Các đồ gá phụ thường kèm theo các
máy khi sản xuất.
Dao tiện thường sử dụng là các mảnh lắp ghép với thân theo tiêu chuẩn
của từng máy. Các mảnh có nhiều loại theo hình dạng, phần trăm lượng CBN,
chất kết dính,..Khi hết tuổi bền các mảnh không thể mài lại như các dao thông
thường. Chúng được thay ra hoặc xoay đi dùng lưỡi cắt mới (với mảnh nhi
ều
lưỡi).
Các mảnh hợp kim CBN thường sử dụng cho tiện cứng là TPGN, CNMA,
DNMA, TNG,..Các mảnh hợp kim cương thường là CCMT, CPGM,..nói
chung hàm lượng CBN phụ thuộc vào nhà sản xuất. Người ta phân ra làm ba
loại, hàm lượng cao (nhiều hơn 90% CBN), trung bình ( khoảng 72% CBN)
và thấp (nhỏ hơn 60% CBN). Các mảnh có hàm lượng cao thường sử dụng
cho tiện truyền thống để gia công các vật liệu mềm hơn như kim loại bột,
gang và một số hợp kim đặc biệt.
So với các mảnh carbide thì các mảnh CBN có giá thành cao hơn đáng kể (
từ 4 - 5 lần), song dao CBN lại có tuổi bền lớn hơn rất nhiều. Chi phí dao cụ
Hình vẽ 1. Máy Emco Turn 332 Mcplus và Quá trình cắt khô trong tiện cứng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =4=
Khi tiện cứng, nếu cắt với tốc độ cắt thấp hơn quy định thì mảnh CBN sẽ bị
mòn nhanh và hư 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
[ ]
1
.
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
mm01,0±
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 tư thiết bị.
- Tăng độ chính xác gia công.
- Đạt độ nhẵn bề mặt cao hơn.
- Cho phép nâng cao tốc độ bóc tách vật liệu (từ 2 - 4 lần).
- Gia công được các contour phức tạp.
trường đại học trên thế giới. Tuy nhiên từ những công bố trên các tạp chí khoa
học cho thấy các kết quả nghiên cứu chủ yếu tập trung vào quá trình tiện cứng
thép ổ lăn AISI 52100 (tiêu chuẩn Mỹ). Đồng thời các nghiên cứu này chưa
đề cập nhiều về vấn đề mòn và tuổi bền của các mảnh dao, đặc biệt với loại
thép 9XC, mặt khác
việc ứng dụng công nghệ này ở nước ta còn mang nhiều
tính kinh nghiệm. Đưa ra được một lý thuyết góp phần cải thiện và nâng cao
hiệu quả sản xuất là một tất yếu của các nhà chuyên môn.
Ta lại biết rằng tiện cứng chủ yếu dùng trong gia công tinh, mảnh dao
thường có giá thành cao, vì vậy tuổi bền của mảnh dao càng trở nên quan
trọng bởi trong quá trình cắt nếu phải thay dao nhiều sẽ tăng sai số, thời gian
máy,.. ảnh hưởng tới năng suất, chất lượng và giá thành sản phẩm.
Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ khi tiện cứng đến
mòn và tuổi bền mảnh dao là cần thiết đối với công đoạn gia công tinh. Đặc
biệt khi công nghệ này được áp dụng tại các cơ sở sản xuất ở nước ta. Việc
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =6=
tìm ra một hàm số mô tả quan hệ giữa tuổi bền và chế độ cắt ứng với một
khoảng giá trị độ cứng trên cơ sở đó sẽ tối ưu hoá được tuổi bền là vấn đề có
tính ứng dụng cao. Tác giả đã chọn loại vật liệu, chế độ cắt và độ cứng gia
công tại một xưởng sản xuất ở Thái Nguyên để làm cơ sở thực nghiệm.
Do vậy đề tài "Nghiên cứu mối quan hệ giữa mòn và tuổi bền của dao
gắn mảnh PCBN theo chế độ cắt khi tiện thép 9XC qua tôi " là cần thiết và
có tính ứng dụng trực tiếp.
2.1. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tóm lược một lý thuyết cơ bản về gia
công cắt gọt nói chung, tiện cứng nói riêng và tìm ra cơ chế gây mòn các
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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 phôi 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 là 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, độ mòn của dao và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rõ rệt
vào quá trình tạo phoi.
Khi cắt do tác dụng của lực P (hình vẽ 1.3), 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 a
p
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 cắt 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 vẽ 1.4).
= K
bd
+ K
ms
(1-1)
Ở đây: K
bd
: mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi.
K
ms
: mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước
của dao.
Hình vẽ 1.4. Miền tạo phoi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =11=
Vì biến dạng dẻo của phoi có tính lan truyền, do đó lớp kim loại nằm
phía dưới đường cắt ON (hình 1.3a) cũng sẽ chịu biến dạng dẻo.
Chiều rộng của miền tạo phoi phụ thuộc vào tính chất vật liệu gia công
và điều kiện cắt (thông số hình học của dao, chế độ cắt,…)
Tốc độ cắt có ảnh hưởng lớn nhất đến chiều rộng miền tạo phoi. Tăng
tốc độ cắt miền tạo phoi sẽ co hẹp lại. Hiện tượng đó có thể được giải thích
như sau:
dao một góc bằng θ.
Mặt OF được gọi là mặt trượt quy ước, còn góc θ gọi là góc trượt.
Góc trượt là một thông số đặc trưng cho hướng và giá trị của biến dạng
dẻo trong miền tạo phoi.
Theo hình vẽ 1.5 nếu chiều dày lớp kim loại bị cắt là a, chiều dày của
phoi là a
1
ta có:
)cos(
sin
)cos(.
sin.
1
γθ
θ
γθ
θ
−
=
−
==
OC
OC
a
a
r
(1-2)
Và do đó có thể tính θ theo công thức:
và tỷ số K. 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,…
1.2. Lực cắt
1.2.1. Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt
Như đã trình bày ở trên, 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 và phoi được hình thành. Tuy nhiên dụng cụ cắt cũng chịu một phản
lực tương tự. Việc nghiên cứu lực cắt trong quá trình gia công vật liệu có ý
Copyright: Tài liệu đại học ©