Thạc Sĩ Nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng thép X12M đã qua tôi đến chất lượng lớp bề mặt và mòn dụng cụ khi t

PHẦN MỞ ĐẦU

1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI.

Thuật ngữ tiện cứng (hard turning) được hiểu là phương pháp gia công bằng tiện các chi tiết có độ cứng cao (45 ư 70 HRC). Tiện cứng nói chung được tiến hành cắt khô hoặc gần giống như cắt khô và phổ biến sử dụng dao bằng vật liệu siêu cứng như Nitrit Bo lập phương đa tinh thể (PCBN – Polycrystalline Cubic Boron Nitride, thường được gọi là CBN – Cubic Boron Nitride), PCD hoặc Ceramic tổng hợp.
Tiện cứng là 1 phương pháp gia công tinh lần cuối đòi hỏi độ chính xác và chất lượng bề mặt cao. Nghiên cứu về tiện cứng nhằm tìm ra các thông số gia công thích hợp để tối ưu quá trình gia công, đạt các chỉ tiêu tốt nhất về kỹ thuật là cần
thiết.

Chất lượng bề mặt gia công và mòn dụng cụ là hai yếu tố quan trọng trong quá trình gia công. Chất lượng bề mặt ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc, độ bền, độ bền mòn của chi tiết máy. Mòn dụng cụ không chỉ làm giảm độ chính xác hình dạng chi tiết mà còn làm tăng lực cắt, tăng ma sát và nhiệt một cách đáng kể dẫn đến phá huỷ bề mặt chi tiết gia công và dụng cụ cắt. Mòn dụng cụ là hàm số của cơ tính của vât liệu gia công và chế độ cắt trong tiện cứng.
Độ cứng có ảnh hưởng lớn đến chất lượng bề mặt gia công, bên cạnh đó nó cũng ảnh hưởng đến mòn, cơ chế mòn và tốc độ mòn dao. Tuy nhiên, 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 phôi đến nhám bề mặt và lực cắt khi tiện thép AISI H13 [6], [9]. Nghiên cứu về ảnh hưởng của độ cứng phôi đến tính chất bề mặt và mòn dụng cụ trong quá trình tiện thép X12M đã qua tôi sẽ tiếp tục đóng góp thêm các kiến thức vào việc nghiên cứu quá trình tiện cứng.


Thép X12M là loại thép chịu nóng thuộc họ Mactenxit. Thành phần hoá học của thép này gồm có: 0.11-0.26%C ; 10-13%Cr ; 0.5-2%Mo ; 0.5-4%W ; 0-0.3%V
; 0-0.6%No ; 0-0.15%Ti có thể cho vào < 1.0%Ni.Chế độ nhiệt luyện đối với mác thép này là tôi hoặc thường hoá ở 1000-11500 C và ram ở 650-7500 C.Thép này thường được dùng để chế tạo cánh tuốc bin , máy hoá amoniac ở nhiệt độ 5400 C, có khi dùng đến 6000 C đối với chi tiết chịu lực nhỏ [14]
Ảnh hưởng của độ cứng là một chỉ tiêu quan trọng trong quá trình gia công cơ khí. Nghiên cứu về độ cứng, ảnh hưởng của độ cứng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công (thép X12M đã qua tôi) và mòn dụng cụ (mảnh CBN) nhằm tối ưu quá trình gia công, nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công. Bên cạnh đó nó cũng là cơ sở để thiết kế dụng cụ cắt, sử dụng dụng cụ cắt một cách hợp lý sao cho mòn dụng cụ là chậm nhất, nâng cao tuổi bền dụng cụ.
Vì các lý do trên em thấy cần thiết khi chọn đề tài nghiên cứu là “Nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng thép X12M đã qua tôi đến chất lượng lớp bề mặt và mòn dụng cụ khi tiện cứng”



MỤC LỤC

Lời cam đoan

Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt 5

Danh mục các bảng biểu 6

Danh mục các đồ thị, hình vẽ 6

PHẦN MỞ ĐẦU 8

1. Tính cấp thiết của đề tài 8

2. Nội dung nghiên cứu 9

3. Phương pháp nghiên cứu 9

NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI 10

Chương 1. BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH CẮT KIM 10

LOẠI

1.1. Đặc điểm của quá trình tạo phoi khi tiện cứng. 10

1.2. Lực cắt khi tiện 11

1.2.1. Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt. 11

1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện 12

1.3. Kết luận 15

Chương 2. CHẤT LưỢNG LỚP BỀ MẶT SAU GIA CÔNG CƠ 16

2.1. Khái niệm chung về lớp bề mặt 16

2.2. Bản chất của lớp bề mặt 16

2.3. Tính chất lý, hoá lớp bề mặt. 16

2.3.1. Lớp biến dạng 16

2.3.2. Lớp Beilbly 17

2.3.3. Lớp tương tác hoá học 17

2.3.4. Lớp hấp thụ hoá học 18

2.3.5. Lớp hấp thụ vật lý. 18

2.4. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt sau gia công cơ 18

2.4.1. Độ nhám bề mặt và phương pháp đánh giá 18

2.4.1.1. Độ nhám bề mặt 18

2.4.1.2. Phương pháp đánh giá độ nhám bề mặt 21

2.4.2. Độ sóng bề mặt 22

2.4.3. Tính chất cơ lý lớp bề mặt sau gia công cơ 22

2.4.3.1. Hiện tượng biến cứng của lớp bề mặt 22

2.4.3.2. Ứng suất dư trong lớp bề mặt 25

2.4.3.3. Đánh giá mức độ, chiều sâu lớp biến cứng và ứng suất dư 27

2.5. Các nhân tố ảnh hưởng đến nhám bề mặt khi gia công cơ 28

2.5.1. Ảnh hưởng của các thông số hình học của dụng cụ cắt 28

2.5.2. Ảnh hưởng của tốc độ cắt 30

2.5.3. Ảnh hưởng của lượng chạy dao 31

2.5.4. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt 31

2.5.5. Ảnh hưởng của vật liệu gia công 32

2.5.6. Ảnh hưởng của rung động của hệ thống công nghệ 32

2.5.7. Ảnh hưởng của độ cứng vật liệu gia công 32

2.6. Kết luận 33

Chương 3. MÒN DỤNG CỤ CẮT 35

3.1. Khái niệm chung về mòn 35

3.2. Mòn dụng cụ 36

3.3. Cơ chế mòn của dụng cụ cắt. 38

3.3.1. Mòn do dính 39

3.3.2. Mòn do hạt mài 40

3.3.3. Mòn do khuyếch tán 40

3.3.4. Mòn do oxy hoá 41

3.4. Mòn dụng cụ CBN 42

3.5. Ảnh hưởng của độ cứng phôi đến mòn dụng cụ và tuổi bền dụng 43

cụ

3.6. Kết luận 49


Chương 4. NGHIÊN CỨU ẢNH HưỞNG CỦA ĐỘ CỨNG THÉP 50
X12M ĐÃ QUA TÔI ĐẾN CHẤT LưỢNG LỚP BỀ MẶT VÀ MÒN DỤNG CỤ KHI TIỆN CỨNG

4.1. Thí nghiệm 50

4.2. Trình tự thí nghiệm 54

4.3. Kết quả thí nghiệm 55

4.3.1. Xây dựng quan hệ giữa thông số nhám bề mặt với độ cứng 55

phôi.

4.3.2. Các hình ảnh chụp về mòn dao và topography bề mặt phôi ở 58
các độ cứng khác nhau và ở các lần cắt khác nhau
4.4. Phân tích kết quả thí nghiệm 64
4.4.1. Mòn dụng cụ CBN 64
4.4.1.1. Phân tích thí nghiệm 64
4.4.1.2.Kết quả thí nghiệm mòn dụng cụ CBN 64
4.4.1.3. Kết luận 68
4.4.2. Phân tích chất lượng bề mặt phôi thép X12M ở các độ cứng 69

khác nhau và ở các lần cắt khác nhau

4.4.2.1. Phân tích nhám bề mặt 69

4.4.2.2. Phân tích các hình ảnh chụp topography bề mặt 70

4.5. Kết luận 70

4.6. Phần kết luận chung và hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài 72

4.6.1. Phần kết luận chung 72

4.6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73




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

∆Fc, ∆Ft: 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
Hv: độ biến cứng (N/mm2)

r : Bán kính mũi dao

hmin: Chiều dày phoi nhỏ nhất

hS: Độ mòn giới hạn

T: Thời gian cắt - tuổi bền của dụng cụ cắt (phút) Ra, Rz: Độ nhám bề mặt khi tiện



DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1. Các giá trị Ra, Rz và chiều dài chuẩn l ứng với các cấp độ nhám bề mặt Bảng 2.2. Mức độ và chiều sâu lớp biến cứng của các phương pháp gia công cơ Bảng 4.1. Thành phần các nguyên tố hoá học thép X12M
Bảng 4.3. Độ cứng phôi và các thông số nhám

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Hệ thống lực cắt khi tiện

Hình 1.2. a) Quan hệ giữa lực cắt và góc trước γn

b) Ảnh hưởng của góc trước đến ứng suất trên dụng cụ cắt Hình 1.3. Ảnh hưởng của lượng chạy dao và độ cứng phôi đến lực cắt Hình 1.4. Ảnh hưởng của bán kính mũi dao (a) và góc trước đến lực cắt Hình 2.1. Độ nhám bề mặt
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)
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
Hình 2.4. Ảnh hưởng của hình dạng lưỡi cắt và lượng chạy dao đến nhám bề mặt

(54,7HRC, chiều dài 101,6mm)

Hình 2.5. Ảnh hưởng của hình dạng lưỡi cắt và lượng chạy dao đến nhám bề mặt

(51,3HRC, chiều dài = 101,6mm)

Hình 2.6. Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến nhám bề mặt khi gia công thép

Hình 2.7. Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến độ nhám bề mặt

Hình 2.8. Ảnh hưởng của độ cứng phôi và hình dạng lưỡi cắt đến nhám bề mặt

(lượng chạy dao = 0,2mm/vòng, chiều dài = 203,2mm) Hình 3.1. Các dạng mòn phần cắt của dụng cụ
Hình 3.2. Quan hệ giữa một số dạng mòn của dụng cụ hợp kim cứng với thể tích

Vc.t10,6, trong đó V tính bằng m/ph, t1 tính bằng mm/vòng

Hình 3.3. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt liên tục (a) và khi cắt gián đoạn (b)
Hình 3.4. Mòn mặt sau ở các độ cứng khác nhau

Hình 3.5. Biểu đồ mòn ở độ cứng 60HRC

Hình 3.6. Biểu đồ mòn của các dụng cụ ở các độ cứng khác nhau (thời gian gia công

là 5 phút

Hình 3.7. Ảnh h ưởng của độ cứng phôi đ ến lực cắt ( v = 100m/phút; S =

0,1mm/vòng; t = 0,2mm)

Hình 3.8. Ảnh hưởng của độ cứng phôi đến nhiệt cắt Hình 3.9. Ảnh hưởng của độ cứng phôi đến góc trượt Hình 4.1. Mô hình thí nghiệm
Hình 4.2. Máy tiện CNC – HTC 2050

Hình 4.3. Mảnh dao PCBN sử dụng trong nghiên cứu

Hình 4.4. Thân dao MTENN 2020 K16 – N

Hình 4.5. Hình ảnh của mảnh dao CBN và mẫu phôi khi cắt lần đầu chụp trên kính hiển vi điện tử (độ cứng phôi 45 – 47 HRC)
Hình 4.6. Hình ảnh của mảnh dao CBN và mẫu phôi khi cắt lần thứ 2 ứng với chiều dài cắt L = 750 mm (Độ cứng phôi 45 – 47 HRC)
Hình 4.7. Hình ảnh của mảnh dao CBN và mẫu phôi khi cắt lần thứ 3 ứng với chiều dài cắt L = 750 mm (Độ cứng phôi 45 – 47 HRC)
Hình 4.8. Hình ảnh của mảnh dao CBN và mẫu phôi khi cắt lần thứ nhất chụp trên kính hiển vi điện tử (độ cứng phôi 54 – 56 HRC)
Hình 4.9. Hình ảnh của mảnh dao CBN và mẫu phôi khi cắt lần thứ 3 chụp trên kính hiển vi điện tử (độ cứng phôi 54 – 56 HRC)
Hình 4.10. Hình ảnh của mảnh dao CBN và mẫu phôi khi cắt lần thứ nhất chụp trên kính hiển vi điện tử (độ cứng phôi 60 – 62 HRC)
Hình 4.11. Mòn mặt sau ở các độ cứng khác nhau ( L = 750 mm)

Hình 4.12. Đồ thị quan hệ giữa độ cứng phôi và nhám bề mặt ở các lần cắt khác

nhau (L = 750 mm)