Tiến Sĩ Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt tới chất lượng bề mặt khi tiện tinh thép 9XC bằng dao hợp kim cứ

1
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tên đề tài nghiên cứu:
“Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt tới chất lượng bề mặt khi tiện tinh thép
9XC bằng dao hợp kim cứng phủ CVD”
2. Giới thiệu
Trong ngành công nghiệp gia công cơ khí, chất lượng bề mặt là một chỉ tiêu
đặc biệt quan trọng trong đánh giá, nghiệm thu sản phẩm.Vì nó ảnh hưởng trực tiếp
đến khả năng làm việc, độ bền, độ bền mỏi cũng như tuổi thọ của chi tiết máy. Để
đạt được chất lượng bề mặt theo yêu cầu, sau khi gia công cứng thường có công
đoạn mài, đánh bóng. Việc làm này tốn khá nhiều thời gian và công sức. Nâng cao
chất lượng bề mặt sau khi gia công cứng có thể dẫn đến giảm thời gian, thậm chí
loại bỏ được công đoạn này
Tiện cứng là nguyên công tiện các chi tiết đã qua tôi (thường là thép hợp kim)
có độ cứng cao khoảng từ 40 – 60 HRC được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ô
tô, chế tạo bánh răng, vòng ổ, dụng cụ, khuôn mẫu vv Tiện cứng được sử dụng
thay mài khi gia công chính xác các chi tiết máy có tỉ số trên đường kính nhỏ, các
chi tiết có hình dạng phức tạp và không nhất thiết phải sử dụng dung dịch trơn
nguội. Tiện cứng cho độ chính xác cao và nhám bề mặt tương đương với mài nhưng
tiện có khả năng tạo nên lớp bề mặt có ứng suát dư nén làm tăng tuổi thọ về mỏi của
chi tiết máy trong các tiếp xúc lăn khi sử dụng, cho năng suất cao hơn mài với đầu
tư ban đầu thấp hơn nhiều. Tiện cứng thường dùng trong nguyên công tiện tinh với
độ chính xác ngang mài nên các yêu cầu về độ chính xác, độ cứng vững của hệ
thống công nghệ rất khắt khe.
Việc áp dụng tiện cứng thay cho mài đang trở nên khá phổ biến trên thế giới
bởi những ưu điểm nổi bật của nó, nhất là hiện nay vấn đề môi trường đang được sự
quan tâm đặc biệt của toàn thế giới. Ở nước ta, tiện cứng đã và đang được áp dụng và
phát triển khá mạnh, các chi tiết như con lăn trong các dây truyền cán thép, chày cối
dập thuốc, vòng ổ cũng đã được gia công lần cuối bằng tiện cứng thay cho mài.
Vì những lý do trên trong gia công lần cuối so với mài, tiện cứng ngày càng
được các nhà sản xuất yêu thích hơn

2
Những kết quả nghiên cứu được công bố gần đây trên các tạp chí khoa học cho
thấy việc nghiên cứu chủ yếu tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số
cắt, chế độ cắt đến quá trình tiện cứng, ảnh hưởng của độ cứng dao đến nhám bề
mặt và lực cắt khi tiện. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt
như thế nào khi tiện tinh thép 9XC ( Nhám bề mặt, mòn dụng cụ cắt ) khi gia công
tiện cứng bằng dao hợp kim cứng phủ CVD , nhằm tìm ra chế độ cắt hợp lý để chất
lượng bề mặt đạt tối ưu sẽ tiếp tục đóng góp thêm các kiến thức vào việc nghiên cứu
quá trình tiện cứng. Thép 9XC là một loại vật liệu có nhiều ưu điểm được dùng
rộng rãi nhất để chế tạo dụng cụ cắt với vận tốc thấp nhằm thỏa mãn các yêu cầu về
khả năng làm việc đang là yêu cầu cần thiết của các nhà sản xuất.
Xác định chế độ cắt khi tiện tinh thép 9XC phụ thuộc vào độ cứng vững của hệ
thống công nghệ, công suất của máy, phạm vi làm việc của dụng cụ cắt và độ bóng
yêu cầu của chi tiết gia công. Để nghiên cứu và xác định được chế độ cắt hợp lý ta
phải thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm bao gồm hàng loạt các thí nghiệm
được lặp lại nhiều lần trong điều kiện không đổi để có khả năng ghi nhận kết quả.
Điều kiện thí nghiệm được xác định bằng những yếu tố không phụ thuộc. Trong đề
tài nghiên cứu của luận văn tác giả đề cập đến các yếu tố nghiên cứu ảnh hưởng của
vận tốc cắt, lượng chạy dao, ảnh hưởng tới đối tượng nghiên cứu là độ nhám bề mặt
sau khi gia công và mòn dụng cụ cắt.
Xuất phát từ những lý do trên tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng
của chế độ cắt tới chất lượng bề mặt khi tiện tinh thép 9XC bằng dao hợp kim
cứng phủ CVD” .
3. Mục tiêu nghiên cứu
Đánh giá ảnh hưởng của chế độ cắt (s,v,t) tới chất lượng bề mặt ( đánh giá
thông qua độ nhám bề mặt, mòn dụng cụ cắt ) khi tiện tinh thép 9XC bằng dao hợp
kim cứng phủ CVD. Qua đó đưa ra được bộ thông số chế độ cắt thích hợp khi tiện
cứng thép 9XC để đạt chất lượng bề mặt theo yêu cầu.

3
4. Dự định kết quả.
Đưa ra được bộ thông số chế độ cắt thích hợp khi tiện cứng thép 9XC để đạt
chất lượng bề mặt theo yêu cầu, là một loại thép có nhiều ưu điểm được dùng rộng
rãi nhất để chế tạo dụng cụ cắt với vận tốc thấp.
5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu thực nghiệm để xác định chất lượng bề mặt khi thay đổi chế độ cắt
trong gia công tiện tinh thép 9XC bằng dao hợp kim cứng phủ CVD trong các
khoảng thời gian khác nhau.
Xử lý các số liệu thực nghiệm để tìm chế độ cắt tối ưu nhằm đạt được chất lượng
bề mặt theo yêu cầu.
6. Các công cụ, thiết bị nghiên cứu
* Mẫu thí nghiệm: Phôi thép 9XC tôi thể tích độ cứng đạt 52-55HRC
* Máy tiện Quick Turn Smark 200- Mazak
* Máy đo độ nhám Mitutoyo – SJ 210
* Kính hiển vi điện tử SEM
* Dao tiện gắn mảnh hợp kim cứng phủ CVD
* Dụng cụ do kích thước :
- Thước cặp 1/50 L150 Mitutoyo, độ phân giải 0,02mm
- Pan me 25-50 Mitutoyo, độ phân giải 0,01mm




Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
iv
MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN . i
LỜI CẢM ƠN iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU . ix
PHẦN MỞ ĐẦU . 1
1. Tên đề tài nghiên cứu: . 1
3. Mục tiêu nghiên cứu 2
4. Dự định kết quả. . 3
5. Phương pháp nghiên cứu . 3
6. Các công cụ, thiết bị nghiên cứu . 3
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TIỆN CỨNG . 4
VÀ DỤNG CỤ CẮT PHỦ BAY HƠI . 4
1.1. Tổng quan về tiện cứng 4
1.1.1. Đặc điểm của quá trình tạo phoi khi tiện cứng 4
1.1.2. Đặc điểm của quá trình tạo phoi khi tiện cứng 7
1.1.2.1. Các hình thái phoi khi cắt kim loại 8
1.1.2.2 Cơ chế hình thành phoi khi tiện cứng . 10
1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công khi tạo phoi . 11
1.1.3.1. Hiện tượng biến dạng phoi . 11
1.1.3.2. Những yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng phoi . 12
1.2 Dụng cụ cắt phủ bay hơi 16
1.2.1. Tổng quan về phủ bay hơi . 16
1.2.2. Phủ CVD 17
1.2.2.1 Đinh nghĩa 17
1.2.2.2. Đặc trưng của phủ CVD . 18
1.2.3. Phủ PVD . 19
1.2.4. Vật liệu lớp phun phủ. . 20
1.2.5. Định hướng nghiên cứu . 25
Chương II: MÒN DỤNG CỤ CẮT . 26
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
v
2.1. Ma sát của dụng cụ phủ 26
2.2. Mòn của dụng cụ phủ. 27
2.3. Độ mòn dao. 28
2.3.1. Các dạng mòn dụng cụ cắt 29
2.3.2. Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt . 31
2.3.3. Mòn của dụng cụ phủ bay hơi . 35
2.3.4. Ảnh hưởng của mòn dụng cụ phủ đến chất lượng bề mặt gia công . 36
2. 4. Kết luận . 36
Chương III. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT TỚI CHẤT
LƯỢNG BỀ MẶT KHI TIỆN TINH THÉP 9XC BẰNG DAO HỢP KIM CỨNG
PHỦ CVD . 37
3.1. Thí nghiệm 37
3.1.1. Yêu cầu đối với hệ thống thí nghiệm: 37
3.1.2. Mô hình thí nghiệm . 37
3.1.3. Thiết bị thí nghiệm. 38
3.1.3.1. Máy 38
3.1.3.2. Dao . 39
3.1.3.3. Phôi 40
3.1.3.4. Chế độ cắt 41
3.1.4. Thiết bị đo khác . 41
3.1.4.1. Máy đo độ nhám bề mặt . 41
3.1.4.2. Kính hiển vi điện tử SEM 42
3.2.1. Phân tích nhám bề mặt phôi thép 9XC ở các độ chế độ cắt khác nhau. . 43
3.2.2. Phân tích lượng mòn mặt mặt trước mảnh dao phủ TiAlN khi tiện cứng thép
9XC ở các độ chế độ cắt khác nhau. . 46
3.2.3. Phân tích lượng mòn mặt mặt trước mảnh dao phủ TiAlN khi tiện cứng thép
9XC ở các độ chế độ cắt khác nhau qua hình chụp Topography bề mặt. 49
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ . 55
4.1 Kết luận chung. 55
4.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 56

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ap: Chiều dày phoi
Kbd: Mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi
Mms: Mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của dao
Kf: Mức độ biến dạng của phoi
θ : Góc trượt
γ: Góc trước của dao
PX: Lực chiều trục khi tiện
PY: Lực hướng kính khi tiện
PZ: Lực tiếp tuyến khi tiện
S: Lượng chạy dao (mm/vòng)
t : Chiều sâu cắt (mm)
v : Vận tốc cắt (m/phút)
c: Nhiệt dung riêng
Φ: Góc tạo phoi
K: Hệ số thẩm nhiệt
ΔFc, ΔFt: Áp lực tiếp tuyến và pháp tuyến trên vùng mòn mặt sau
à : Hệ số ma sát trên vùng ma sát thông thường của mặt trước
r : Bán kính mũi dao
hmin: Chiều dày phoi nhỏ nhất
Ra, Rz: Độ nhám bề mặt khi tiện
PVD: Phủ bay hơi vật lý
CVD: Phủ bay hơi hóa học
DDTN: Dung dịch tưới nguội.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
vii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ hóa miền tao phoi 4
Hình 1.2.: Các dạng phoi . 6
Hình 1.3: Hiện tượng lẹo dao 6
Hình 1.4. Sơ đồ hình thành bề mặt gia công và phoi khi cắt có lẹo dao 7
Hình 1.5. Cơ chế hình thành dạng phoi ổn định: Trượt tập trung trên mặt phẳng (a),
vùng trượt tạo thành mảng (b), vùng trượt mở rộng bên dưới bề mặt gia công (c). 9
Hình 1.6. Các dạng phoi phân đoạn: phoi lượn sóng (a) và phoi răng cưa (b) . 9
Hình 1.7. Sơ đồ các giai đoạn của quá trình tạo phoi do trượt cục bộ 11
trong cắt kim loại. . 11
Hình 1.8: Biến dạng phoi . 12
Hình 1.9: Quan hệ giữa tốc độ cắt và biến dạng của phoi . 13
Hình 1.10: Quan hệ giữa chiều dày cắt và biến dạng của phoi 14
Hình1.11: Quan hệ giữa góc trước và biến dạng của phoi 14
Hình1.12 Quan hệ giữa bán kính mũi dao r và biến dạng của phoi . 15
Hình 1.13: Ảnh hưởng của đến biến dạng phoi . 15
Hình 1.14. Khả năng chịu tải trọng của lớp phủ cứng trên nền mềm hơn 22
Hình 2.1. Sơ đồ 3 vùng ma sát của Shaw,Ber và Maiman 26
Hình 2.2. Mòn mặt sau . 29
Hình 2.3. Mòn mặt trước 30
Hình 2.4. Mòn đồng thời cả mặt trước và mặt sau . 30
Hình 2.5. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt liên tục . 31
Hình 2.6. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt gián đoạn . 32
Hình 2.7. Sơ đồ thể hiện 3 giai đoạn mòn mặt trước của dụng cụ thép gió phủ TiN . 35
Hình 3.1: Kết quả xử lý giữ liệu Ra. . 45
Hình 3.2: Biểu đồ mức độ ảnh hưởng của V và S đến nhám bề mặt. . 45
Hình 3.3: Biểu đồ bề mặt chỉ tiêu quan hệ giữa vận tốc, lượng chạy dao và nhám bề
mặt. (Sử dụng phần mềm Matlab để vẽ biều đồ quan hệ) . 46
Hình 3.4: Kết quả xử lý giữ liệu lượng mòn. 47
Hình 3.5: Biểu đồ mức độ ảnh hưởng của V và S đến lượng mòn U. 48
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
viii
Hình 3.6: Biểu đồ bề mặt chỉ tiêu quan hệ giữa vận tốc, lượng chạy dao và lượng mòn.
(Sử dụng phần mềm Matlab để vẽ biều đồ quan hệ) 48
Hình 3.9. Ảnh phân tích EDX vùng đen trên phần cắt của dao trên kính hiển vi điện tử
. 49
Hình 3.10. Ảnh phân tích EDX vùng trắng trên phần cắt của dao trên kính hiển vi điện
tử 50
Hình 3.11 a: Kết quả chụp lượng mòn mặt trước qua các thí nghiệm thứ 1. . 50
Hình 3.11 b: Kết quả chụp lượng mòn mặt trước qua các thí nghiệm thứ 2. . 51
Hình 3.11 c,d,e: Kết quả chụp lượng mòn mặt trước qua các thí nghiệm thứ 3,4,5. . 51
Hình 3.11 f,g,h và i: Kết quả chụp lượng mòn mặt trước qua các thí nghiệm thứ 6,7,8
và 9. . 52
Hình 3.12: Kết quả chất lượng bề mặt trước qua các thí nghiệm. . 53
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Dữ liệu thị trường thế giới về phủ bay hơi cho dụng cụ trong lĩnh vực tạo
hình và cắt vật liệu . 17
Bảng 3.1: Thành phần hóa học thép 9XC . 40