Luận án Nghiên cứu quá trình tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN

122 trang phuongnguyen 3030

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận án Nghiên cứu quá trình tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

luan_an_nghien_cuu_qua_trinh_tien_thep_hop_kim_qua_toi_bang.pdf

Nội dung text: Luận án Nghiên cứu quá trình tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN NGUYỄN THỊ QUỐC DUNG NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TIỆN THÉP HỢP KIM QUA TÔI BẰNG DAO PCBN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Thái nguyên – 2012
i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN NGUYỄN THỊ QUỐC DUNG NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TIỆN THÉP HỢP KIM QUA TÔI BẰNG DAO PCBN CHUYÊN NGÀNH: CHẾ TẠO MÁY MÃ SỐ: 62 52 04 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS PHAN QUANG THẾ Thái nguyên – 2012
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Trừ những phần tham khảo đã đƣợc ghi rõ trong luận án, những kết quả, số liệu nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả
ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin đƣợc cám ơn PGS.TS. Phan Quang Thế, Hiệu trƣởng trƣờng Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp, thầy hƣớng dẫn khoa học của tôi về sự định hƣớng chiến lƣợc, sự hƣớng dẫn tận tình cùng những đóng góp quý báu của thầy trong quá trình tôi làm NCS và viết luận án. Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tập thể cán bộ giảng viên, các giáo sƣ, tiến sĩ trƣờng đại học Kỹ thuật Công nghiệp, đặc biệt là bộ môn Kỹ thuật Cơ khí, về những tình cảm và sự giúp đỡ nhiệt tình mà tôi đã nhận đƣợc trong suốt thời gian nghiên cứu. Tôi muốn đƣợc cảm ơn sự giúp đỡ vô tƣ của bạn bè, đồng nghiệp tại các phòng thí nghiệm trƣờng ĐHKT Công Nghiệp, trƣờng ĐHSP Thái Nguyên, trƣờng ĐH Khoa học Tự nhiên, trƣờng ĐHBK Hà Nội, viện Khoa học Vật liệu Việt Nam, các kỹ sƣ của các nhà máy cán thép Lƣu Xá, NasteelVina, Việt-Ý, công ty TNHH Cơ khí Vĩnh Thái, trung tâm gia công trƣờng ĐH Công Nghiệp Hà Nội đã dành những điều kiện làm việc tốt nhất cho tôi về cơ sở vật chất, dụng cụ, máy móc, giúp tôi hoàn thành đƣợc nghiên cứu của mình. Tôi muốn đƣợc bày tỏ sự biết ơn của mình đến Ban Giám Hiệu, khoa Đào tạo sau Đại học, khoa Cơ khí trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã dành những điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành luận án này. Cuối cùng, tôi muốn đƣợc dành tình cảm biết ơn cho gia đình về tình yêu và sự ủng hộ vô bờ của họ trong nghiên cứu của tôi. Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Quốc Dung
iii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Các chữ viết tắt vi Danh mục các thuật ngữ và ký hiệu vi Danh mục các bảng biểu x Danh mục các hình vẽ và đồ thị xi Phần mở đầu 1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TIỆN CỨNG 5 1.1. Khái niệm chung 5 1.2. Vật liệu dụng cụ cắt PCBN 6 1.3. Quá trình tạo phoi khi tiện cứng 9 1.3.1. Các hình thái phoi khi cắt kim loại 9 1.3.2 Cơ chế hình thành phoi khi tiện cứng 10 1.4. Lực và ứng suất trong cắt kim loại 12 1.4.1. Mô hình tính toán lực cắt 12 1.4.2. Mô hình tính lực khi cắt nghiêng 14 1.4.3. Ứng suất trong dụng cụ cắt 15 1.4.4. Sự phân bố ứng suất trong vùng biến dạng 16 1.4.5. Lực cắt khi tiện cứng 17 1.5. Nhiệt cắt trong quá trình tiện cứng 19 1.5.1. Các nguồn nhiệt trong cắt kim loại 19 1.5.2. Các phƣơng pháp đo đạc nhiệt độ trong cắt kim loại 19 1.5.3. Nhiệt cắt khi tiện cứng bằng dụng cụ PCBN 20 1.6. Mòn và tuổi thọ dụng cụ CBN 21 1.6.1. Các dạng mòn và cơ chế mòn dụng cụ PCBN 21 1.6.2. Các nhân tố ảnh hƣởng đến mòn dụng cụ PCBN 23 1.7. Kết luận chƣơng 1 24 Chƣơng 2. NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƢNG CỦA QUÁ TRÌNH TẠO PHOI KHI TIỆN THÉP HỢP KIM QUA TÔI BẰNG DAO PCBN 26 2.1. Phƣơng pháp nghiên cứu sự hình thành phoi 26
iv 2.2. Ảnh hƣởng của độ cứng phôi đến hình thái phoi khi tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN 26 2.3. Ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến hình thái phoi 29 2.4. Cơ chế hình thành phoi khi tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN 32 2.5. Kết luận chƣơng 2 36 Chƣơng 3. NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƢNG VỀ LỰC CẮT KHI TIỆN THÉP HỢP KIM QUA TÔI BẰNG DAO PCBN 37 3.1. Biến thiên lực cắt theo chiều dài cắt khi tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN 37 3.2. Ảnh hƣởng của tốc độ cắt đến các thành phần lực cắt khi tiện cứng trực giao thép 9XC bằng dao PCBN. 40 3.3. Phân tích ảnh hƣởng của điều kiện cắt đến các thành phần lực cắt khi tiện cứng trực giao thép 9XC bằng dụng cụ PCBN. 41 3.4. Kết luận chƣơng 3 43 Chƣơng 4. XÁC ĐỊNH TRƢỜNG PHÂN BỐ NHIỆT TRONG DỤNG CỤ PCBN KHI TIỆN THÉP HỢP KIM QUA TÔI 45 4.1. Xác định trƣờng phân bố nhiệt trong dụng cụ PCBN khi tiện cứng trực giao bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn (FEM) 45 4.1.1. Mô hình tính nhiệt 45 4.1.2. Các thông số xác định từ thực nghiệm 48 4.1.3. Tính toán tốc độ sinh nhiệt riêng 50 4.1.4. Trƣờng phân bố nhiệt trong dụng cụ PCBN khi tiện cứng trực giao thép 9XC bằng dao PCBN xác định bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn 55 4.2. Trƣờng phân bố nhiệt trong dụng cụ PCBN khi tiện cứng trực giao thép 9CX xác định bằng phƣơng pháp thực nghiệm 58 4.2.1. Thiết bị và chế độ thí nghiệm 58 4.2.2. Trƣờng phân bố nhiệt trong dụng cụ PCBN 59 4.3. Kết luận chƣơng 4 61 Chƣơng 5. MÕN DỤNG CỤ PCBN VÀ CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT KHI TIỆN THÉP HỢP KIM QUA TÔI 63 5.1. Mòn và cơ chế mòn dụng cụ PCBN khi tiện thép hợp kim qua tôi 63
v 5.1.1. Ảnh hƣởng của độ cứng vật liệu gia công đến mòn và cơ chế mòn dụng cụ PCBN 63 5.1.2. Ảnh hƣởng của chế độ cắt đến mòn và cơ chế mòn dụng cụ PCBN 68 5.1.3. Biến thiên chiều cao mòn dụng cụ PCBN theo chiều dài cắt khi tiện thép hợp kim qua tôi 71 5.2. Chất lƣợng bề mặt gia công khi tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN 73 5.2.1. Nhám bề mặt gia công 73 5.2.2. Luồng vật liệu biến dạng dẻo và lớp biến cứng bề mặt gia công 74 5.3. Kết luận chƣơng 5 78 Chƣơng 6. TỐI ƢU HÓA ĐA MỤC TIÊU CHẾ ĐỘ CẮT KHI TIỆN THÉP HỢP KIM QUA TÔI BẰNG DAO PCBN 80 6.1. Xây dựng mô hình toán 80 6.1.1. Thiết bị và chế độ thực nghiệm 81 6.1.2. Xây dựng mô hình hồi qui mô tả nhám bề mặt 82 6.1.3. Xây dựng mô hình hồi qui mô tả mòn dụng cụ 85 6.2. Tối ƣu hóa đa mục tiêu chế độ cắt khi tiện thép 9XC qua tôi bằng giải thuật di truyền (GAs) 88 6.2.1. Xác định bài toán 88 6.2.2. Kết quả thực hiện giải thuật di truyền cho bài toán tối ƣu đơn mục tiêu 90 6.2.3. Kết quả thực hiện giải thuật di truyền cho bài toán tối ƣu đa mục tiêu 90 6.3. Kết luận chƣơng 6 93 KẾT LUẬN VÀ PHƢƠNG HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 94 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO 98
vi CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa PCBN Nitrit Bo lập phƣơng đa tinh thể CBN Nitrit Bo lập phƣơng BN Nitrit Bo SEM Kính hiển vi điện tử quét QSD Cơ cấu dừng dao nhanh EDX Phân tích nhiễu xạ Rơnghen RTD Cảm biến nhiệt điện trở FEM Phƣơng pháp phần tử hữu hạn GA Giải thuật di truyền DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VÀ KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa  - Biến dạng 0 MPa Giới hạn trƣợt  - Biến dạng trƣợt  1/s Tốc độ biến dạng  MPa Ứng suất trƣợt G MPa Mô đun đàn hồi trƣợt  - Hệ số ma sát A mm2 Diện tích tiếp xúc 2 AR mm Diện tích tiếp xúc thực V m/p Vận tốc cắt t1 mm Chiều dày cắt t2 mm Chiều dày phoi  rad Góc trƣợt ,  rad Góc trƣớc của dụng cụ y mm Chiều dày vùng biến dạng
vii Vs m/p Vận tốc trƣợt trên mặt phẳng trƣợt Vc m/p Vận tốc phoi trên mặt trƣớc dụng cụ k y MPa ứng suất giới hạn   - Biến dạng giới hạn  y 1/s Tốc độ biến dạng giới hạn w, b mm Chiều rộng cắt FC N Lực tiếp tuyến FT N Lực dọc trục FR N Lực tổng hợp FS N Lực cắt nằm trong mặt phẳng trƣợt FSN N Lực vuông góc với mặt phẳng trƣợt FF N Lực ma sát trên mặt trƣớc của dụng cụ FN N Lực pháp tuyến với mặt trƣớc của dụng cụ Fx, Fy, Fz N Các thành phần lực cắt  rad Góc ma sát  rad Góc nâng của lƣỡi cắt chính kg/m3 Khối lƣợng riêng của vật liệu gia công c J/kg.0C Nhiệt dung riêng của vật liệu gia công RT - Hệ số phân phối nhiệt 0 kx,, k y k z W/m. C Hệ số dẫn nhiệt theo ba phƣơng x, y và z q W/m3 Tốc độ sinh nhiệt riêng thể tích TTT ,, - Biến thiên nhiệt độ theo các phƣơng x, y và z x  y  z h W/m2.C Hệ số truyền nhiệt đối lƣu T oC Nhiệt độ xác định theo không gian và thời gian o T C Nhiệt độ môi trƣờng xung quanh lx,, l y l z - Các cosin chỉ phƣơng của pháp tuyến ngoài trên các biên V mm3 Thể tích của vật thể rắn ux ,uy m/p Thành phần vận tốc của vật liệu theo hai phƣơng x và y ST, Sq, Sh - Các biên phân biệt tạo nên diện tích của phần tử khảo sát
viii o Ti, Tj, Tk C Nhiệt độ tại các điểm nút kAB MPa Ứng suất cắt trên mặt phẳng trƣợt 2 As mm Diện tích mặt phẳng trƣợt  ()x MPa Ứng suất tiếp trên mặt trƣớc V(x) m/p Vận tốc của lớp phoi dƣới cùng  s MPa Giới hạn chảy trƣợt trung bình trên bề mặt tiếp xúc l mm Chiều dài tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ sec MPa ứng suất chảy trƣợt trong vùng biến dạng thứ hai sec 1/s Tốc độ biến dạng trong vùng trƣợt thứ hai 2 q21 W/mm Tốc độ sinh nhiệt do ma sát giữa phoi và mặt trƣớc 2 q22 W/mm Tốc độ sinh nhiệt do biến dạng dẻo của phoi trong miền biến dạng thứ hai 2 q3 W/mm Tốc độ sinh nhiệt trên mặt tiếp xúc giữa dao và phôi Kc - Hệ số lực cắt khi dụng cụ mòn Ftf,Fcf N Lực cắt dọc trục và lực cắt tiếp tuyến khi dụng cụ mòn y - Hàm hồi qui thực nghiệm xj - Các biến mã hóa của thông số zj bj - Hệ số hồi qui của các biến độc lập bju - Hệ số hồi qui của các biến kép N - Số thí nghiệm k - Số yếu tố độc lập m - Số thí nghiệm lặp lại tại tâm XT - Ma trận chuyển vị của ma trận kế hoạch tbj - Chuẩn số Student t - Trị số tra bảng của chuẩn số Student pf2 p - Mức có nghĩa của mô hình hồi qui f2 - Bậc tự do lặp Sb - Độ lệch trung bình của phân bố b l - Số hệ số có nghĩa trong phƣơng trình hồi qui 2 Sll - Phƣơng sai lặp của các thí nghiệm lặp lại ở tâm
ix 0 ya - Giá trị của thực nghiệm lặp lại thứ a 0 y - Trung bình cộng của các thực nghiệm lặp lại 2 Sd - Phƣơng sai dƣ F - Chuẩn số Fisher của mô hình hồi qui thực nghiệm F - Giá trị tra bảng của chuẩn số Fisher pf21 f f1 - Bậc tự do dƣ k f() x E - Véc tơ của các hàm mục tiêu fi(x)
x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. So sánh các tính chất cơ lý của PCBN với một số vật liệu dụng cụ có tính năng cắt cao 8 Bảng 2.1. Thành phần hóa học của thép X12M 27 Bảng 2.2. Thành phần hóa học của thép 9XC 27 Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm xác định các thành phần lực cắt. 42 Bảng 4.1. Thông số mảnh dao PCBN tiện cứng thép 9XC. 48 Bảng 4.2. Các thông số tính toán trƣờng nhiệt độ xác định từ thực nghiệm. 49 Bảng 4.3. Các thông số tính toán xác định các nguồn nhiệt 55 Bảng 4.4. Kim loại phủ và điểm nóng chảy tƣơng ứng 58 Bảng 6.1. Giá trị nhám bề mặt tại các điểm thí nghiệm theo quy hoạch 82 Bảng 6.2. Giá trị diện tích bề mặt gia công tại các điểm thí nghiệm theo qui hoạch85 Bảng 6.3.Các giá trị tối ƣu Pareto và chế độ cắt tƣơng ứng tìm đƣợc từ quá trình tối ƣu hóa 91
xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Cấu trúc tế vi của vật liệu PCBN 6 Hình 1.2. Ảnh hƣởng của thành phần và kích thƣớc hạt CBN đến tính chất của vật liệu PCBN 7 Hình 1.3. Các dạng mảnh dao PCBN 8 Hình 1.4. Dạng hình học lƣỡi cắt dụng cụ PCBN 9 Hình 1.5. Cơ chế hình thành dạng phoi ổn định 9 Hình 1.6. Các dạng phoi phân đoạn. 10 Hình 1.7. Các giai đoạn của quá trình tạo phoi do trƣợt cục bộ trong cắt kim loại 11 Hình 1.8. Các giai đoạn hình thành phoi răng cƣa trong gia công thép 100Cr6 12 Hình 1.9. Vòng tròn lực khi cắt trực giao của Ernst và Merchant 13 Hình 1.10. Sơ đồ mối quan hệ giữa các thành phần lực khi cắt nghiêng 14 Hình 1.11. Biến thiên ứng suất pháp và tiếp trên mặt trƣớc dụng cụ 16 Hình 1.12. Biến thiên ứng suất pháp và tiếp trong mặt phẳng trƣợt 17 Hình 1.13. Các khu vực biến dạng là nguồn sinh nhiệt 19 Hình 2.1. Cấu trúc tế vi của thép X12M ở độ cứng khác nhau 27 Hình 2.2. Cấu trúc tế vi của thép 9XC ở độ cứng khác nhau 27 Hình 2.3. Thiết bị và sơ đồ thí nghiệm khảo sát mòn và cơ chế mòn dao PCBN. 28 Hình 2.4. Hình thái phoi khi tiện thép 9XC ở độ cứng khác nhau 28 Hình 2.5. Hình thái phoi khi tiện thép X12M ở độ cứng khác nhau 28 Hình 2.6. Hình thái phoi khi tiện thép 9XC ứng với vận tốc cắt khác nhau. 29 Hình 2.7. Hình thái phoi khi tiện thép X12M ứng với vận tốc cắt khác nhau 30 Hình 2.8. Hình thái phoi khi tiện trực giao thép 9XC với vận tốc cắt khác nhau 31 Hình 2.9. Mặt cắt ngang của phoi khi cắt trực giao và khi cắt nghiêng 31 Hình 2.10. Cấu trúc gốc phoi thép 9XC ở vận tốc cắt khác nhau 32 Hình 2.11. Phân bố biến dạng trong phoi dây ổn định và phoi răng cƣa 33 Hình 2.12. Kiểm tra độ cứng tại các vị trí biến dạng khác nhau ở gốc phoi 33 Hình 2.13. Độ cứng phoi thay đổi theo cơ chế hình thành phoi 34 Hình 2.14. Hình thái phoi thay đổi theo độ cứng vật liệu phôi và tốc độ cắt 35 Hình 3.1. Sơ đồ và thiết bị thí nghiệm đo lực cắt 37 Hình 3.2. Dữ liệu đo lực cắt khi tiện cứng thép 9XC và X12M 37 Hình 3.3. Đồ thị biến thiên các thành phần lực cắt theo chiều dài cắt 38 Hình 3.4. Kiểm tra độ cứng của các hạt cacbit trong tổ chức thép X12M 39
xii Hình 3.5. Ảnh hƣởng của bán kính mũi dao và chiều sâu cắt đến ực cắt 39 Hình 3.6. Biến thiên của các thành phần lực cắt theo độ cứng khi tiện thép X12M ứng với chiều dài cắt khác nhau 40 Hình 3.7. Sơ đồ thí nghiệm tiện cứng trực giao 40 Hình 3.8. Đồ thị biến thiên lực cắt theo vận tốc cắt khi tiện trực giao thép 9XC 41 Hình 3.9. Biến thiên lực cắt theo vận tốc cắt khi tiện cứng trực giao thép 9XC 41 Hình 3.10. Ảnh hƣởng của các nhân tố v và s và tƣơng tác giữa chúng đến các thành phần lực cắt trong tiện cứng trực giao thép 9XC bằng dụng cụ PCBN. 42 Hình 3.11. Mặt hồi qui và đồ thị đƣờng mức của các thành phần lực cắt Fz và Fx 43 Hình 4.1. Mô hình bài toán tính nhiệt và các điều kiện biên 45 Hình 4.2. Các điều kiện biên sử dụng trong mô hình nhiệt 46 Hình 4.3. Ảnh SEM chụp mặt cắt gốc phoi và vết tiếp xúc trên bề mặt dụng cụ khi tiện trực giao thép 9XC 48 Hình 4.4. Biến thiên nhiệt tạo thành trên mặt tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ. 52 Hình 4.6. Phân bố ứng suất trên mặt tiếp xúc giữa dao và phôi 54 Hình 4.7. Mô hình tính toán trƣờng phân bố nhiệt trong tiện cứng trực giao 55 Hình 4.8. Sơ đồ tác dụng của các nguồn nhiệt trong mô hình tính toán trƣờng phân bố nhiệt. 56 Hình 4.9. Trƣờng phân bố nhiệt khi tiện thép 9XC bằng dao PCBN trong trƣờng hợp dụng cụ sắc 56 Hình 4.10. Trƣờng phân bố nhiệt khi tiện thép 9XC bằng dao PCBN trong trƣờng hợp dụng cụ bị mòn 57 Hình 4.11. Phôi thép 9XC dùng trong thí nghiệm. 58 Hình 4.12. Mảnh ghép PCBN dạng đặc và thân dao sử dụng trong thí nghiệm. 58 Hình 4.13. Kính hiển vi điện tử quét Jeol-JSM 5410 LV. 58 Hình 4.14. Phân tích EDX thành phần lớp phủ 59 Hình 4.15. Ảnh SEM bề mặt ghép mảnh PCBN đƣợc phủ các kim loại 60 Hình 4.16. Các đƣờng đẳng nhiệt trong dụng cụ PCBN xác định bằng thực nghiệm 60 Hình 5.1. Các dạng hỏng của dụng cụ PCBN. 63 Hình 5.2. Hình ảnh mòn mặt trƣớc và mặt sau của dao PCBN 64 Hình 5.3. Các vùng mòn mặt trƣớc dụng cụ PCBN khi gia công thép X12M 65 Hình 5.4. Vết mòn dạng sóng do tác dụng của các hạt cacbit trong vật liệu phôi. 65 Hình 5.5. Phân tích EDX các chất trên bề mặt dụng cụ 67
xiii Hình 5.6. Ảnh vùng mòn mặt sau của mảnh dao PCBN khi cắt thép 9XC ở vận tốc khác nhau 68 Hình 5.7. Cấu trúc tế vi tổ chức vật liệu vùng phồng rộp dƣới lƣỡi cắt phụ và vùng vật liệu nguyên thủy của dụng cụ PCBN 69 Hình 5.8. Ảnh vùng mòn mặt trƣớc mảnh PCBN 69 Hình 5.9. Góc thoát nhiệt trên mặt sau dƣới lƣỡi cắt chính và phụ. 71 Hình 5.10. Ảnh SEM vùng mòn mặt sau mảnh PCBN khi tiện cứng thép 9XC với chiều dài cắt khác nhau 71 Hình 5.11. Ảnh SEM mòn mặt sau mảnh PCBN khi tiện thép 9XC và X12M 72 Hình 5.12. Đồ thị biến thiên chiều cao mòn mặt sau theo chiều dài cắt của mảnh PCBN khi tiện thép 9XC 72 Hình 5.13. Thiết bị đo nhám Mitutoyo SI-201. 73 Hình 5.14. Đồ thị biến thiên nhám bề mặt theo chiều dài cắt 73 Hình 5.15. Đồ thị biến thiên nhám bề mặt theo độ cứng khi tiện thép X12M 74 Hình 5.16. Ảnh chụp topography bề mặt khi tiện thép X12M ứng với độ cứng phôi khác nhau 75 Hình 5.17. Ảnh chụp topgraphy bề mặt khi tiện thép 9XC độ cứng 52HRC ứng với vận tốc cắt khác nhau 76 Hình 5.18. Kiểm tra độ cứng tế vi lớp bề mặt gia công khi tiện thép 9XC và X12M ở độ cứng khác nhau 76 Hình 5.19. Biến thiên độ cứng của lớp bề mặt gia công nhận đƣợc khi tiện thép 9XC và X12M ở độ cứng khác nhau. 77 Hình 5.20. Cấu trúc tế vi lớp bề mặt gia công khi tiện thép 9XC và X12M độ cứng 57HRC với chiều dài cắt khác nhau 78 Hình 6.1. Giá trị nhám bề mặt xác định từ thực nghiêm và mô hình hồi qui. 84 Hình 6.2. Mặt hồi qui và đồ thị đƣờng mức của độ nhám Ra theo các thông số chế độ cắt 84 Hình 6.3. Giá trị diện tích gia công xác định từ thực nghiệm và mô hình hồi qui. 87 Hình 6.4. Mặt hồi qui và đồ thị đƣờng mức của diện tích gia công Sc theo các thông số chế độ cắt 87 Hình 6.5. Đồ thị mặt biên tối ƣu Pareto và giải pháp tối ƣu thỏa hiệp 92
1 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Tiện thép hợp kim qua tôi có độ cứng lớn hơn 45HRC hay tiện cứng, đang là một lựa chọn rất hấp dẫn thay cho nguyên công mài bởi các ƣu thế: thời gian quay vòng ngắn, quá trình gia công linh hoạt, tuổi thọ làm việc cao, chi phí đầu tƣ thấp và ít tác động đến môi trƣờng. Trong quá trình tiện cứng, nhờ dụng cụ có lƣỡi cắt đơn nên có thể điều chỉnh chính xác góc cắt và do đó, dễ dàng gia công các bề mặt phức tạp của sản phẩm. Mặt khác, một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, ứng suất dƣ gây bởi tiện cứng đã làm cải thiện độ bền mỏi của chi tiết gia công. Tiện cứng bắt đầu đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực chế tạo cơ khí từ những năm 1980. Với sự ra đời và phát triển của các loại dụng cụ cắt siêu cứng PCBN (Nitrit Bo lập phƣơng đa tinh thể), 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. Mặc dù có những ƣu điểm nổi bật nhƣ một biện pháp gia công linh hoạt, thân thiện với môi trƣờng, trong lĩnh vực gia công chính xác khi yêu cầu độ chính xác hình học tới một vài micromet, việc ứng dụng của tiện cứng còn bị hạn chế bởi tính thiếu ổn định liên quan đến chất lƣợng cục bộ và độ tin cậy khi gia công. Nhƣợc điểm nữa do độ cứng của chi tiết lớn nên dụng cụ bị mòn nhanh làm tăng chi phí gia công. Thêm vào đó, độ giòn cao và độ dai va đập thấp của vật liệu dụng cụ cắt PCBN cũng đòi hỏi hệ thống công nghệ có độ cứng vững và độ chính xác cao. Mặc dù việc nghiên cứu các đặc trƣng hóa lý để nhận biết và điều khiển các nhân tố ảnh hƣởng tới hiệu quả quá trình tiện cứng đã và đang đƣợc tiến hành tại nhiều nơi trên thế giới, các kết quả công bố cho thấy việc nghiên cứu vẫn chƣa đủ sâu sắc và triệt để. Chính vì độ ổn định thấp liên quan đến chất lƣợng cục bộ và độ tin cậy khi gia công nên tiện cứng chính xác còn chƣa thỏa mãn đƣợc yêu cầu của hầu hết các ngành công nghiệp. Mặt khác, dù có khả năng thay thế cho mài trong gia công các bề mặt chính xác chịu ứng suất cao, động học khi tiện rất khác so với quá trình mài nên cần có những nghiên cứu sâu và đầy đủ hơn về ảnh hƣởng của các yếu tố công nghệ cũng nhƣ tác động tƣơng quan của các quá trình hóa lý xảy ra khi tiện cứng.
2 Ở Việt nam, công nghệ tiện cứng đã bắt đầu đƣợc ứng dụng ở một vài cơ sở sản xuất. Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chƣa có công trình nghiên cứu nào về lĩnh vực công nghệ này đƣợc công bố. 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 triển của các loại dụng cụ cắt siêu cứng và các máy gia công tự động, công nghệ tiện cứng đang thu hút đƣợc sự quan tâm đặc biệt. Vì vậy, việc nghiên cứu bản chất quá trình, xác định các nhân tố ảnh hƣởng tới chất lƣợng và tính ổn định của quá trình gia công nhằm tìm ra các biện pháp nâng cao hiệu quả, mở rộng phạm vi ứng dụng của công nghệ tiện cứng ở Việt Nam là cần thiết và cấp bách. 2. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Mục đích nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của luận án là nghiên cứu các đặc trƣng vật lý của quá trình tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN nhƣ: cơ chế hình thành phoi, lực và nhiệt cắt, mòn dụng cụ. Trên cơ sở các nghiên cứu đƣợc tiến hành trong điều kiện gia công rất gần với thực tiễn sản xuất, có thể nhận biết một số nhân tố ảnh hƣởng tới hiệu quả quá trình tiện cứng là tuổi thọ dụng cụ và chất lƣợng bề mặt, đề xuất đƣợc những biện pháp nâng cao hiệu quả của quá trình tiện cứng. Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng tập trung vào việc tìm kiếm tập hợp các thông số cắt tối ƣu thỏa mãn nhiều mục tiêu làm cơ sở cho việc điều khiển quá trình tiện cứng sau này. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu của quá trình tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN là hai loại thép hợp kim 9XC và thép X12M, đƣợc sử dụng khá phổ biến trong ngành cơ khí chế tạo ở nƣớc ta. Đề tài giới hạn phạm vi nghiên cứu ở các vấn đề sau: + Nghiên cứu tổng quan về công nghệ tiện cứng và vật liệu dụng cụ PCBN. + Nghiên cứu các đặc trƣng vật lý khi tiện cứng hai loại thép hợp kim 9XC và X12M bằng dao PCBN bao gồm quá trình tạo phoi, lực cắt và nhiệt cắt. + Nghiên cứu các chỉ tiêu mòn dụng cụ PCBN và chất lƣợng bề mặt gia công khi tiện thép cứng thép hợp kim 9XC và X12M.
3 + Xác định tập hợp các thông số cắt tối ƣu thỏa mãn hai mục tiêu đối lập là nhám bề mặt và tuổi thọ dụng cụ khi tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN. 3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm. Việc nghiên cứu lý thuyết dựa trên sự phân tích và tổng hợp các kết quả đã công bố, đƣa ra các giả thiết và các tính toán biến đổi phù hợp để xây dựng cơ sở lý thuyết và thiết lập các mô hình thực nghiệm. Nghiên cứu thực nghiệm đƣợc tiến hành với hệ thống thiết bị thực nghiệm đƣợc thiết kế, chế tạo có đủ độ tin cậy, sử dụng các thiết bị đo hiện đại có độ chính xác cao nhằm kiểm chứng các mô hình lý thuyết, tìm ra các mối quan hệ hoặc đối chiếu, kiểm chứng với các kết quả nghiên cứu đã có. 4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Ý nghĩa khoa học Các kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở khoa học để thiết lập các chỉ dẫn công nghệ trong quá trình tiện cứng, đặc biệt trong việc điều khiển, tối ƣu hóa quá trình. Kết quả nghiên cứu cũng là cơ sở khoa học để ứng dụng công nghệ tiện cứng trong chế tạo các sản phẩm đòi hỏi bề mặt làm việc có chất lƣợng cao, góp phần tăng tính ổn định và độ tin cậy của một phƣơng pháp gia công tinh sau nhiệt luyện, nâng cao hiệu quả và mở rộng phạm vi ứng dụng công nghệ tiện cứng. Ý nghĩa thực tiễn Những kết quả nghiên cứu của đề tài có thể ứng dụng tại các nhà máy, phân xƣởng sản xuất cơ khí khi gia công các sản phẩm, chi tiết đƣợc chế tạo bằng các loại thép hợp kim, chủ yếu là thép crôm, yêu cầu cao về độ bền, độ cứng và độ chịu nhiệt trong ô tô, xe máy, tàu thủy, máy công cụ, động cơ, thiết bị và các dây chuyền cán thép ở trong nƣớc. Quá trình ứng dụng các kết quả nghiên cứu sẽ cho phép mở rộng phạm vi gia công của ngành chế tạo máy nói chung và của công nghệ tiện cứng nói riêng, góp phần tạo ra những sản phẩm có chất lƣợng tốt, giá thành hạ và nâng cao khả năng ứng dụng vào thực tiễn một phƣơng pháp gia công tinh linh hoạt, thân thiện với môi trƣờng, chi phí đầu tƣ thấp, phù hợp với điều kiện sản xuất ở Việt Nam.
4 5. NỘI DUNG CÁC VẤN ĐỀ SẼ ĐI SÂU NGHIÊN CỨU Nội dung nghiên cứu sẽ đi sâu vào các vấn đề sau: - Nghiên cứu tổng quan về công nghệ tiện cứng: Vật liệu dụng cụ cắt PCBN, quá trình tạo phoi, lực cắt, nhiệt cắt và mòn dụng cụ khi tiện cứng. - Làm rõ mối liên hệ của hình thái phoi với độ cứng vật liệu và vận tốc gia công khi tiện thép hợp kim 9XC và X12M bằng dao PCBN. Phân tích hình ảnh gốc phoi để rút ra nhận định về cơ chế hình thành phoi phụ thuộc vào hai quá trình biến cứng và mềm hóa vì nhiệt. - Khảo sát biến thiên lực cắt phụ thuộc vào vật liệu gia công, vận tốc cắt và chiều dài gia công khi tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN. Nhận biết đƣợc mối liên hệ giữa cơ chế hình thành phoi với lực cắt. - Sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn giải bài toán truyền nhiệt và xác định trƣờng phân bố nhiệt cho quá trình tiện cứng trực giao thép 9XC với sự hỗ trợ của phần mềm ABAQUS. Bằng cách phủ các kim loại nguyên chất có điểm nóng chảy xác định để lấy thông tin về nhiệt độ, kiểm chứng kết quả mô phỏng lý thuyết bằng thực nghiệm. - Phân tích các cơ chế mòn và dạng mòn dụng cụ PCBN khi tiện cứng hai loại thép hợp kim 9XC và X12M. Khảo sát ảnh hƣởng của vật liệu phôi, vận tốc cắt và chiều dài gia công tới mòn dụng cụ và chất lƣợng bề mặt gia công. Giải thích mối liên hệ giữa nhiệt cắt và mòn dụng cụ. - Ứng dụng giải thuật di truyền trong quá trình tối ƣu hóa đa mục tiêu chế độ cắt để xác định tập hợp các thông số tối ƣu khi tiện cứng thép 9XC bằng dao PCBN. Sử dụng phƣơng pháp phân tích hồi quy để xây dựng các mô hình lực cắt, nhám bề mặt gia công và tuổi thọ dụng cụ. Phần kết luận chung và phƣơng hƣớng nghiên cứu tiếp theo. Equation Chapter (Next) Section 1
5 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TIỆN CỨNG 1.1. Khái niệm chung Tiện cứng là phƣơng pháp tiện sử dụng dao bằng các vật liệu siêu cứng nhƣ Nitrit Bo, kim cƣơng hoặc gốm tổng hợp để thay thế cho nguyên công mài khi gia công thép tôi có độ cứng từ 4570HRC [47], [58]. So với mài, tiện cứng có nhiều ƣu thế vƣợt trội về khía cạnh kinh tế và sinh thái [77], [80]. Ƣu thế đáng kể nhất của tiện cứng là có thể dùng một dụng cụ mà vẫn gia công đƣợc nhiều chi tiết có hình dáng khác nhau bằng cách thay đổi đƣờng chạy dao. Trong khi đó, muốn mài đƣợc hình dạng chi tiết khác thì phải sửa lại đá hoặc thay đá khác. Đặc biệt, tiện cứng có thể gia công đƣợc những biên dạng phức tạp mà mài khó có thể thực hiện đƣợc. Nếu xét về chi phí đầu tƣ thì một máy tiện CNC chỉ bằng khoảng 1/2 đến 1/10 máy mài CNC [16]. Cấp chính xác khi tiện cứng đạt IT5÷7 và nhám bề mặt đạt Rz = 2÷4 µm. Ở điều kiện gia công đặc biệt, tiện cứng có thể đạt đƣợc độ chính xác IT3÷5 và nhám bề mặt Rz<1,5m [48], [96]. Ngoài ra, chất lƣợng bề mặt khi tiện cứng cũng có một số ƣu điểm so với mài nhƣ: Ảnh hƣởng nhiệt đến bề mặt gia công nhỏ do chiều dài và thời gian tiếp xúc giữa dụng cụ và phôi ngắn, lớp ứng suất dƣ nén bề mặt có chiều sâu lớn nhƣng vẫn giữ đƣợc độ chính xác kích thƣớc, hình dạng và tính nguyên vẹn bề mặt [42], [48], [64], [91]. Bên cạnh đó, tiện cứng còn có thể thực hiện gia công khô, không cần sử dụng dung dịch trơn nguội nên không ảnh hƣởng đến môi trƣờng và sức khỏe ngƣời lao động [19], [74]. Tuy nhiên tiện cứng cũng đòi hỏi máy, hệ thống công nghệ có độ cứng vững và độ chính xác cao [29]. Mặc dù có những ƣu thế nổi bật và đã đạt đƣợc sự tăng trƣởng mạnh mẽ trong trong những năm gần đây, tiện cứng vẫn đang là một công nghệ gia công mới chƣa đƣợc nghiên cứu đầy đủ. Do độ tin cậy của quá trình chƣa cao, chất lƣợng gia công thiếu ốn định và chi phí dụng cụ cắt lớn nên phạm vi ứng dụng của công nghệ gia công tiên tiến này còn rất hạn chế [57], [96]. Vì vậy, việc bổ sung các nghiên cứu tìm hiểu về các hiện tƣợng cơ lý tính của quá trình, nhận biết đƣợc các thông số điều khiển để nâng cao hiệu quả quá trình cũng nhƣ cải tiến công nghệ chế tạo dụng cụ cắt và máy gia công sẽ mở rộng tiềm năng ứng dụng của công nghệ tiện cứng [80].
6 1.2. Vật liệu dụng cụ cắt PCBN Vật liệu dụng cụ cắt PCBN (Nitrit Bo lập phƣơng đa tinh thể) là vật liệu kết hợp giữa các hạt Nitrit Bo lập phƣơng (CBN) với chất kết dính đƣợc thiêu kết ở nhiệt độ 12000C và áp suất 5,5GPa. Thành phần PCBN bao gồm các hạt CBN với kích thƣớc vài micromet (1÷30μm tùy yêu cầu về mật độ) phân bố trong một chất nền chứa cacbit kim loại, nitrit hoặc ôxit (Hình 1.1). Cấu trúc đồng đều của PCBN đã khắc phục đƣợc các nhƣợc điểm của CBN đơn tinh thể nhƣ tính có Hình 1.1. Cấu trúc tế vi của vật liệu PCBN: (1) và (2)vùng TiCN nhỏ và lớn; thớ và dị hƣớng [11]. Hiện nay, chất (3)vùng Al2O3 và (4)vùng hỗn hợp của kết dính gốm kim loại đang đƣợc sử Al2O3 [11]. dụng rộng rãi vì kết hợp đƣợc sự gắn kết dẻo dai của kim loại với độ cứng và bền nhiệt của gốm [102]. CBN là một trong bốn dạng tinh thể của Nitrit Bo (BN) gồm: Hexagonal (HBN), Rhombohedral (RBN), Wurtzitic (WBN) và Cubic (CBN) [35], [54]. CBN đƣợc tổng hợp thành công lần đầu tiên vào năm 1957 và bắt đầu đƣợc đƣa ra thị trƣờng dƣới dạng dụng cụ cắt và bột mài từ năm 1969. Tính chất ít tƣơng tác hóa học với nhóm hợp kim thép, độ cứng cao và tính ổn định ở nhiệt độ cao, đặc biệt trong điều kiện ô xy hóa đã làm cho vật liệu CBN trở thành loại vật liệu công nghiệp thích hợp hơn so với kim cƣơng. Đƣợc coi là vật liệu của thế kỷ 20, hiện nay Nitrit Bo đang đƣợc ứng dụng rất hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ nhƣ vật liệu kỹ thuật điện tử, vật liệu kỹ thuật hạt nhân, vật liệu dụng cụ cắt, vật liệu bôi trơn và vật liệu chịu lửa [54]. Đặc tính của vật liệu PCBN phụ thuộc chủ yếu vào hàm lƣợng CBN, thành phần chất dính kết và kích cỡ hạt. Căn cứ vào hàm lƣợng CBN mà PCBN đƣợc chia thành hai loại: Vật liệu PCBN với hàm lƣợng CBN thấp, khoảng 50% và vật liệu với hàm lƣợng CBN cao, khoảng 80÷90% [102]. Hàm lƣợng CBN càng cao thì khả năng dẫn nhiệt càng lớn và tính chống mòn càng tăng. Cỡ hạt CBN càng lớn thì khả năng chống mòn tăng nhƣng chất lƣợng lƣỡi cắt giảm (Hình 1.2) [96]. Trạng thái của vật liệu dụng cụ PCBN trong quá trình gia công bị ảnh hƣởng bởi rất nhiều
7 nhân tố bao gồm: thành phần Chất lƣợng lƣỡi cắt của vật liệu PCBN, vật liệu phôi, bản chất quá trình gia CBN cao công, điều kiện cắt cũng nhƣ các CBN thấp thông số dụng cụ cắt. Tuy hiệu quả của dụng cụ cắt phụ thuộc Độ dẫn nhiệt vào nhiều yếu tố song các nghiên cứu đến nay cho thấy, (% Hàm CBN thể tích) lƣợng với thành phần CBN thấp, dụng Kích thƣớc hạt CBN trung bình (μm) cụ cắt PCBN đạt đƣợc hiệu quả Hình 1.2. Ảnh hƣởng của thành phần và kích tốt hơn trong gia công vật liệu thƣớc hạt CBN đến tính chất của vật liệu cứng cả về phƣơng diện tuổi thọ PCBN [96]. dụng cụ lẫn chất lƣợng bề mặt. Nhờ các tính chất quí giá nhƣ độ cứng cao, bền nhiệt và ít tƣơng tác hóa học ở nhiệt độ cao, PCBN có thể sử dụng để cắt với tốc độ cao các hợp kim thép và các vật liệu khó gia công nhƣ: thép hợp kim tôi cứng đến 70HRC, thép rèn với độ cứng 45÷68HRC, gang tôi, các loại siêu hợp kim Niken và Côban [56]. Tuy không cứng bằng kim cƣơng song PCBN lại có những ƣu thế nổi bật với vai trò dụng cụ cắt khi gia công thép tôi, gang tôi và các loại siêu hợp kim vì ít có ái lực hóa học với nhóm hợp kim của sắt và tính ổn định ở nhiêt độ cao, ở nhiệt độ 16000K không tác dụng với hợp kim sắt và không có sự chuyển hóa cấu trúc tinh thể Nitrit Bo dạng lục giác (HBN) giống Graphit [54]. So với hợp kim cứng và gốm, tuy PCBN có giá thành rất cao, thƣờng gấp từ 10÷20 lần và hạn chế về dạng hình học, song lại có thể đáp ứng các yêu cầu đạt đƣợc mức độ cao về năng suất, độ chính xác và độ đồng đều trong gia công chế tạo, đặc biệt là các yêu cầu của quá trình tự động hóa trong gia công nhƣ giảm thời gian dừng máy, thời gian và số lần thay thế dụng cụ nên nhu cầu tiêu thụ dụng cụ PCBN liên tục tăng ở mức hai chữ số [56], [97]. Tuy nhiên, dù có độ cứng rất cao nhƣng do độ dai va đập kém nên hạn chế việc sử dụng PCBN trong các quá trình cắt gọt nặng, có va đập nhiều nhƣ phay [97]. Hiện nay, PCBN đang đƣợc sử dụng rộng rãi ở dạng bột cho quá trình mài, dạng thiêu kết cho quá trình cắt nhƣ cƣa, cắt gọt, nghiền ép, đặc biệt triển vọng trong quá trình tiện cứng [99].
8 Bảng 1.1 trình bày một số tính chất cơ lý của vật liệu dụng cụ cắt PCBN và một số vật liệu dụng cụ cắt theo các công ty chế tạo dụng cụ Kennametal, Sandvik, Sumitomo và De Beerd. Từ đây có thể thấy PCBN là loại vật liệu dụng cụ có tính năng thích hợp nhất cho việc gia công bằng cắt gọt các loại vật liệu có độ bền độ cứng cao [96]. Bảng 1.1. So sánh các tính chất cơ lý của PCBN với một số vật liệu dụng cụ có tính năng cắt cao [96]. Cacbit Gốm sứ Kim cƣơng Tính chất cơ lý PCBN Vonfram nhân tạo nhân tạo Khối lƣợng riêng (g/cm3) 6.0-15.0 3.8-7.0 3.4-4.3 3.5-4.2 Độ cứng (HV 30) 1300-1700 1400-2400 3000-4500 4000-7000 Modul đàn hồi (GPa) 430-630 300-400 580-680 680-890 Giới hạn bền (Mpa1/2) 8-18 2-7 6.7 8.89 Độ bền nhiệt (°C) 800-1200 1300-1800 1500 600 Hệ số truyền nhiệt (W/mK) 100 30-40 40-200 560 Hệ số giãn nở vì nhiệt (10-6K-1) 5.0-7.5 7.4-9.0 3.6-4.9 0.8 Do điều kiện chế tạo khó khăn, cấu tạo và hình dạng các mảnh dụng cụ PCBN bị hạn chế và thƣờng đƣợc chế tạo ở ba dạng (Hình 1.3) [17]: - Mảnh dao có mũi gắn PCBN trên nền hợp kim cứng (Hình 1.3a). - Mảnh dao có lớp bề mặt PCBN gắn trên nền hợp kim cứng (Hình 1.3b). - Mảnh dao nguyên khối PCBN (Hình 1.3c). Chiều dày lớp PCBN đƣợc chế tạo ở ba mức: 1,6; 3,2; 4,76 mm theo tiêu chuẩn ISO/ANSI [17]. Hình 1.3. Các dạng mảnh dao PCBN [97]: PCBN ở Do đƣợc sử dụng chủ yếu trong quá trình gia mũi lƣỡi cắt (a) ; PCBN ở công tinh với chiều sâu cắt và lƣợng chạy dao nhỏ lớp bề mặt (b) ; PCBN nguyên khối (c). nên quá trình cắt khi tiện cứng chỉ diễn ra ở bán kính mũi dao hoặc dọc theo cạnh viền lƣỡi cắt, việc chế tạo dạng hình học lƣỡi cắt dụng cụ PCBN đóng vai trò rất quan trọng. Bên cạnh đó,
9 dụng cụ cắt PCBN thƣờng đƣợc sử dụng để gia công vật liệu có độ cứng cao nên dạng hình học phù hợp của lƣỡi cắt sẽ giúp bảo vệ dụng cụ không bị hƣ hỏng sớm, vỡ hoặc sứt mẻ [27]. Dạng hình học của lƣỡi cắt còn ảnh hƣởng tới tính nguyên trạng, ứng suất dƣ và việc tạo thành lớp trắng trên bề mặt gia công [92]. Lƣỡi cắt dụng cụ PCBN thƣờng Nhìn từ mặt trƣớc Nhìn từ mặt bên đƣợc chế tạo với dạng hình học nhƣ vát Mảnh dao cạnh, lƣợn tròn cạnh hoặc kết hợp. Ngoài ra còn có dạng lƣợn cung ô van hoặc parabol (Hình 1.4) [71]. Thực tế cho thấy, các dụng cụ có lƣỡi cắt đƣợc gia công có tuổi thọ hơn hẳn so với các Vát Lƣợn Vát cạnh Vát dài cạnh cạnh và lƣợn lƣợn tròn dụng cụ có lƣỡi cắt sắc nhờ tạo thành Hình 1.4. Dạng hìnhtròn học lƣỡi cắt góc trƣớc âm làm tăng sức bền cho dao dụng cụ PCBN [71]. [27]. Mảnh dao có lƣỡi cắt đƣợc lƣợn góc có xu hƣớng tạo lực cắt nhỏ hơn do đó mòn mặt sau ít hơn. Tuy nhiên, hiệu quả gia công của mảnh dao lƣợn góc lại kém hơn so với mảnh dao đƣợc vát góc hoặc có cạnh sắc [91]. Hiện nay, dụng cụ đƣợc vát cạnh lƣỡi cắt thƣờng đƣợc dụng trong tiện thô và tiện cứng. Trong các điều kiện cắt khắc nghiệt, lƣỡi cắt có thể đƣợc lƣợn góc thêm vào vát cạnh hoặc vát cạnh kép để bảo vệ lƣỡi cắt khỏi bị vỡ hoặc sứt mẻ. Lƣỡi cắt lƣợn góc thƣờng đƣợc dùng trong quá trình tiện cứng lần cuối [92]. 1.3. Quá trình tạo phoi khi tiện cứng 1.3.1. Các hình thái phoi khi cắt kim loại Phoi hình thành trong quá trình cắt kim loại rất đa dạng song có thể chia thành hai dạng cơ bản [83]: + Dạng phoi dây ổn định (phoi liền): với ba loại tùy theo cơ chế hình thành bao gồm: vùng trƣợt tập a a trung gần nhƣ một mặt phẳng, vùng a) b) c) trƣợt có dạng mảng và vùng trƣợt Hình 1.5. Cơ chế hình thành dạng phoi ổn định: Trƣợt tập trung trên mặt phẳng(a), mở rộng có biến dạng dẻo bên dƣới vùng trƣợt tạo thành mảng(b), vùng trƣợt bề mặt do dao mòn (Hình 1.5) [82]. mở rộng bên dƣới bề mặt gia công(c) [82].
10 + Dạng phoi tuần hoàn: phoi rời, phoi lƣợn sóng, phoi răng cƣa (phoi xếp) và phoi tạo thành với lẹo dao. Đôi khi còn có dạng phoi với bề dày thay đổi không tuần hoàn, đặc biệt là khi cắt kim loại nguyên chất. Khái niệm phoi phân đoạn thƣờng đƣợc dùng để mô tả cả phoi lƣợn sóng và phoi răng a) cƣa không còn phù hợp từ khi sự khác biệt giữa hai loại phoi này đƣợc nhận diện. Ví dụ, tần số chu kỳ của phoi lƣợn sóng thƣờng khoảng 100Hz trong khi chu kỳ của phoi răng b) cƣa lớn hơn 2÷4 lần. Hơn nữa, phoi lƣợn sóng Hình 1.6. Các dạng phoi phân không có các đỉnh sắc nhọn nhƣ phoi răng cƣa đoạn: phoi lƣợn sóng (a) và phoi (Hình 1.6) [83]. răng cƣa (b) [83]. 1.3.2 Cơ chế hình thành phoi khi tiện cứng Sự khác biệt cơ bản của quá trình tạo phoi khi gia công thép cứng và thép thông thƣờng là sự hình thành phoi răng cƣa, lần đầu tiên đƣợc Shaw phát hiện vào năm 1954 [14]. Các lý thuyết khác nhau để giải thích về cơ chế hình thành phoi răng cƣa có thể chia thành hai dạng: Dạng thứ nhất dựa trên sự trƣợt đoạn nhiệt ban đầu, một trạng thái mất ổn định nhiệt dẻo thƣờng thấy ở các vật liệu hạn chế về khả năng biến cứng khi bị biến dạng ở tốc độ cao hoặc biến dạng dẻo lớn [104], [103]. Dạng thứ hai cho rằng do sự mất ổn định theo chu kỳ dựa trên sự xuất hiện và lan truyền của các vết nứt ở bề mặt tự do của phoi [14], [82], [83]. Theo quan điểm thứ nhất, sự thay đổi của tốc độ cắt khi gia công các loại vật liệu khó gia công gây ra sự không ổn định của quá trình đã dẫn đến phản ứng cơ nhiệt của vật liệu phôi dƣới điều kiện cắt gọt. Kết quả là sự trƣợt cục bộ và dạng phoi tuần hoàn đƣợc hình thành. Trƣợt cục bộ làm lực cắt thay đổi tuần hoàn và gây ra dao động hoặc va đập trong quá trình cắt, đặc biệt khi độ cứng vững của hệ thống thấp và nhiệt độ trên bề mặt tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ lớn. Phoi hình thành do trƣợt cục bộ là dạng phoi điển hình khi gia công các vật liệu có hệ thống trƣợt hạn chế (cấu trúc tinh thể sáu cạnh), khả năng dẫn nhiệt kém, độ cứng cao nhƣ các loại thép hợp kim cứng, các loại siêu hợp kim của titan và niken. Trái lại, phoi ổn định
11 là dạng phoi thích hợp khi gia công các loại vật liệu có hệ thống trƣợt mạnh (cấu trúc tinh thể bốn cạnh), tính dẫn nhiệt tốt, độ cứng thấp nhƣ các loại thép các bon và thép hợp kim thông thƣờng [104]. Cơ chế hình thành phoi do trƣợt cục bộ gồm một chuỗi các quá trình với hai giai đoạn cơ bản: Giai đoạn thứ nhất là sự trƣợt không ổn định và biến dạng cục bộ trong một dải hẹp ở vùng trƣợt thứ nhất phía trƣớc dụng cụ. Giai đoạn thứ hai là quá trình phá hủy theo đƣờng nghiêng hình chêm của vật liệu phôi khi dụng cụ tiến về phía trƣớc với biến dạng không đáng kể để hình thành một phân đoạn phoi [104]. Quá trình hình thành phoi do trƣợt cục bộ khác hẳn với quá trình hình thành phoi liền (Hình 1.7). Trong trƣờng hợp hình thành phoi liền, hiện tƣợng biến cứng chiếm ƣu thế so với hiện tƣợng mềm hoá vì nhiệt. Khi trƣợt diễn ra dọc theo mặt phẳng trƣợt chính a, do bị biến cứng nên ứng suất yêu cầu cho biến dạng tiếp theo trở nên lớn hơn và mặt phẳng yếu nhất sẽ chuyển sang mặt phẳng tiếp theo. Vì vậy, C C I y a C I s1 B c B I B a Dao Dao S1 l Dao S s s 1 a' 2 II II D c II b S2 D D b A A A' A A' x Hình 1.7. Sơ đồ các giai đoạn của quá trình tạo phoi do trƣợt cục bộ trong cắt kim loại [104]. trƣợt sẽ chuyển sang mặt phẳng tiếp theo dẫn đến một sự phân bố biến dạng đồng đều trong phoi ở cấp độ tổng thể. Trong trƣờng hợp hình thành phoi do trƣợt cục bộ, sự mềm hoá vì nhiệt chiếm ƣu thế hơn sự biến cứng. Khi trƣợt diễn ra dọc theo mặt phẳng trƣợt chính a (Hình 1.7), sức bền ở đây nhỏ hơn nên mặt phẳng này vẫn là mặt phẳng yếu nhất và trƣợt tiếp tục diễn ra ở đây hay nói khác đi, trƣợt đƣợc giới hạn trong một mặt phẳng hẹp. Vì vậy, sự phân bố biến dạng trong phoi ở cấp độ tổng thể là không đồng đều. Nhƣ vậy, bản chất của cơ chế tạo phoi ở đây chỉ là sự cạnh tranh của hai hiện tƣợng cơ nhiệt là biến cứng và mềm hóa vì nhiệt [103]. Theo quan điểm thứ hai, quá trình hình thành phoi răng cƣa là do sự mất ổn định theo chu kỳ dựa trên sự xuất hiện và lan truyền của các vết nứt ở bề mặt tự do của phoi trải qua các giai đoạn (Hình 1.8) [73]:
12 Giai đoạn 1: Khi ứng suất cắt đạt tới giá trị tới hạn, một vết nứt đột nhiên xuất hiện và phát triển về phía lƣỡi cắt. Giai đoạn 2: Do sự xuất hiện của vết nứt, thể tích phoi giữa vết nứt và cạnh viền lƣỡi cắt bị đẩy lên hầu nhƣ không có bất kỳ biến dạng nào. Khi dụng cụ tiến về phía trƣớc, khe hở giữa Vết nứt ban đầu vết nứt và cạnh viền lƣỡi cắt sẽ nhỏ dần làm chiều dày của phoi giảm. Tốc độ Các lớp trƣợt của phoi trên trắng Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3 mặt trƣớc của dụng Hình 1.8. Các giai đoạn hình thành phoi răng cƣa trong cụ và ở bề mặt vết gia công thép 100Cr6 (760HV), thông số cắt v = 100m/p, nứt lớn đến nỗi ma s=0,1 mm/vòng, t =1mm, môi trƣờng cắt khô, dao PCBN có chất gắn kết ceramic [73]. sát làm nhiệt độ tăng đến gần điểm chuyển hóa A3. Vì thế, mactensite có thể đƣợc tạo ra dƣới dạng các lớp trắng xung quanh đoạn phoi vừa hình thành. Bên cạnh đó một lớp trắng tƣơng tự tồn tại trên bề mặt gia công do ma sát lớn với mặt sau của dụng cụ. Giai đoạn 3: Chiều rộng của khe hở hẹp đến mức mà tốc độ đẩy ra và biến dạng dẻo của phoi là rất cao. Dƣới tác dụng của nhiệt độ cao, hai lớp trắng trên phoi hòa nhập với nhau tạo thành phần còn lại của đoạn phoi. Tại đây, chiều dày phoi rất nhỏ và nó nguội đi rất nhanh. Vì thế, sự chuyển hóa trong vùng này là đoạn nhiệt. Giai đoạn 4: Phân đoạn phoi đƣợc hình thành và điền đầy vào chỗ trống giữa vết nứt và mặt bên trong của phoi do biến dạng lớn. Sự phân bố ứng suất nén mà bị giảm xuống trong giai đoạn 2 và 3 đóng vai trò quan trọng trở lại để bắt đầu một vết nứt mới và các hiện tƣợng của chu kỳ sẽ đƣợc lặp lại. Dạng phoi tạo thành đƣợc điều khiển bởi sự cân bằng giữa tốc độ cắt và độ cứng của phôi thông qua mối liên hệ giữa hai thông số trên là nhiệt cắt [73]. 1.4. Lực và ứng suất trong cắt kim loại 1.4.1. Mô hình tính toán lực cắt Lực cắt cần thiết để tạo thành phoi trong cắt kim loại phụ thuộc vào giới hạn trƣợt của vật liệu phôi và diện tích mặt phẳng trƣợt. Trong khi giới hạn chảy trƣợt
13 của các kim loại và hợp kim trong cắt kim loại thay đổi rất ít trong dải rộng tốc độ cắt và chiều sâu cắt thông thƣờng thì diện tích mặt phẳng trƣợt lại thay đổi nhiều phụ thuộc vào điều kiện cắt nên ảnh hƣởng của diện tích mặt phẳng trƣợt tới lực cắt lớn hơn nhiều so với ảnh hƣởng của giới hạn chảy trƣợt trong cắt kim loại [94]. Trong trƣờng hợp cắt trực giao, diện tích mặt phẳng trƣợt có quan hệ với chiều dày lớp cắt t1, chiều rộng phoi w và góc trƣợt theo biểu thức: t w A 1 (1.1) S sin Trong quá trình cắt, có thể chủ động điều khiển đƣợc các thông số chiều sâu cắt (w) và lƣợng chạy dao (t1) nhƣng không thể điều khiển đƣợc trực tiếp góc trƣợt  . Khi góc trƣợt nhỏ, lực trƣợt có thể lớn gấp 5 lần khi góc trƣợt lớn nhất. Vì vậy việc nghiên cứu các nhân tố ảnh hƣởng tới góc trƣợt  sẽ giúp điều khiển hoặc dự đoán đƣợc lực cắt [94]. Để xây dựng các biểu thức dự đoán định lƣợng về trạng thái vật liệu phôi trong quá trình cắt cũng nhƣ xác định các nhân tố quyết định chiều dày phoi, góc trƣợt  và lực cắt tƣơng ứng, nhiều mô hình dự đoán lực cắt, ứng suất dƣ, hình dạng phoi đã đƣợc phát triển nhƣ mô hình của Ernst và Merchant (1941), Lee và Shaffer (1951), Kobayashi và Thomsen (1962), Rowe và Spick (1967), Wright (1982) Tuy nhiên, cho đến nay vẫn không có mô hình nào đúng với mọi điều kiện cắt [42]. Các mô hình tính toán lực cắt đƣợc trình bày trong Phụ lục I. Trong số các mô hình đề cập ở trên, không mô hình nào có sự cải tiến đáng kể Vc Phoi so với mô hình của Ernst và Merchant t2 [42]. Vòng tròn lực của Merchant vẫn là Vïng B biÕn d¹ng cột mốc quan trọng trong lý thuyết về cắt V Dao 1 t FSN Phôi FS kim loại. Theo mô hình này, lực tổng hợp FC    FT A giữa dao và phoi FR là một vector tổng FR  hợp của các thành phần lực vuông góc FF FN (Hình 1.9): Hình 1.9. Vòng tròn lực khi cắt trực giao của Ernst và Merchant [42]. FFFFFFFR S SN F N C T (1.2) Trong đó: FR là lực tổng hợp; FS là lực cắt nằm trong mặt phẳng trượt; FSN là lực
14 vuông góc với mặt phẳng trượt; FF lực ma sát ở trên mặt trước của dụng cụ; FN là lực pháp tuyến với mặt trước của dụng cụ; FC là lực cắt chính; FT là lực dọc trục. Lực thành phần tác dụng trên mặt phẳng trƣợt và mặt trƣớc của dụng cụ có quan hệ với các thành phần lực cắt chính (lực tiếp tuyến FC và lực dọc trục FT): FFFSCT cos sin  FFFSN Csin T cos  (1.3) FFFFCT sin cos FFFNCT cos sin  Với là góc trƣớc;  là góc trƣợt. 1.4.2. Mô hình tính lực khi cắt nghiêng Trong quá trình cắt nghiêng, tỉ lệ của các thành phần lực cắt Fz, Fy, Fz phụ thuộc vào chiều sâu cắt và lƣợng chạy dao. Điều này có thể đƣợc giải thích bởi thực tế rằng chiều sâu cắt và lƣợng chạy O E dao ảnh hƣởng đến hƣớng thoát Nm Nmy B Fx smx N phoi và vì vậy đến hƣớng của mx T T  x X T lực ma sát giữa phoi và mặt Y smy Fy sm  sz trƣớc dụng cụ. Hình 1.10 mô tả A  D s m F  lực tác dụng lên mặt trƣớc dụng k l C  N Nz cụ có góc nâng của lƣỡi cắt y chính λ=0 [107]. Với mặt trƣớc n Fz AOBC là tạo một góc trƣớc γ z với mặt phẳng đáy AOED R vuông góc với véc tơ vận tốc Hình 1.10. Sơ đồ mối quan hệ giữa các thành cắt. Lực pháp tuyến N và lực phần lực khi cắt nghiêng [107]. tiếp tuyến F tác dụng trên mặt trƣớc. Hệ trục xyz có trục z song song với phƣơng vận tốc cắt và trục x song song với phƣơng của bƣớc tiến dao. Hệ trục vuông góc kln có trục n vuông góc với mặt trƣớc và trục l trùng với lƣỡi cắt và tạo thành góc nghiêng chính φ với trục x. Trục m là giao của mặt nk với mặt AOED. Sử dụng hệ trục tọa độ kln trên có thể xác định đƣợc mối quan hệ giữa các thành phần lực pháp tuyến N và lực ma sát F với các thành phần Fz, Fy, Fz của lực tổng hợp chiếu lên hệ trục xyz nhƣ sau:
15 +) Fz N z S z Ncos S sin (1.4) +) Fy T y N my S my Tcos N m sin S m sin 2 2 2 → FTNSy sin m cos m cos (1.5) +) FSNTSNTx mx mx x m sin cos sin (1.6) 2 2 2 Fz Ncos Fc os  sin  FFNFy sin sin sin  cos cos  cos cos  (1.7) FFNFx cos cos  cos sin  sin sin  cos Nếu có thể đo đạc các thành phần lực sẽ xác định đƣợc góc thoát phoi trên mặt trƣớc dụng cụ: Fsin F c os tg yx (1.8) FFFzsin ( y cos x sin )cos  Hệ số ma sát μ bằng tỉ số giữa lực tiếp tuyến với lực pháp tuyến tác dụng trên mặt trƣớc dụng cụ đƣợc xác định: 22 [FFFFFz sin ( y cos x sin )cos  ] ( y sin x cos )  (1.9) FFFzcos ( y cos x sin )sin  Khi  0 → FFFycos x sin xy và FFyxsin cos 0 FFsin cos Do đó:  z xy (1.10) FFzcos xy sin 1.4.3. Ứng suất trong dụng cụ cắt Với cấu tạo phức tạp của dụng cụ và điều kiện cắt trong quá trình gia công, việc đánh giá chính xác ứng suất cục bộ tác dụng lên dụng cụ gần lƣỡi cắt là một thách thức đối với các phƣơng pháp phân tích hiện có [94]. Trong một quá trình tiện đơn giản, có hai loại ứng suất chính quan trọng tác dụng lên dụng cụ: - Ứng suất pháp do lực cắt chính tác dụng lên mặt trƣớc dụng cụ tại vùng tiếp xúc là ứng suất nén, có thể xác định bằng tỉ số giữa lực cắt chính và diện tích tiếp xúc.
16 - Ứng suất tiếp do lực ăn dao tác dụng lên mặt trƣớc dụng cụ, xác định bằng tỉ số giữa lực ăn dao và diện tích tiếp xúc. Vì lực ăn dao nhỏ so với lực cắt chính nên ứng suất tiếp nhỏ hơn ứng suất pháp tác dụng trên cùng diện tích tiếp xúc, thƣờng chỉ vào khoảng 30%-60% giá trị trung bình của ứng suất pháp. - Khi dụng cụ mòn, có cả ứng suất pháp và tiếp tác dụng lên mặt sau của dụng cụ. Mặc dù diện tích tiếp xúc trên mặt sau đôi khi có thể xác định rõ ràng nhƣng rất khó xác định giá trị của lực tác dụng trên nó. Cho đến nay, vẫn không có một đánh giá đáng tin cậy nào về ứng suất trên mặt sau dụng cụ. Ngoài ra, còn có các ứng suất khác tác dụng lên thân dụng cụ liên quan đến cấu trúc chung của dụng cụ và độ cứng vững kết nối tại nơi dụng cụ đƣợc lắp đặt khi gia công. Tuy nhiên, vì không liên quan đến quá trình tạo phoi và tuổi thọ dụng cụ nên các ứng suất này không đƣợc xem xét [94]. 1.4.4. Sự phân bố ứng suất trong vùng biến dạng Giá trị của ứng suất trung bình trong vùng biến dạng khi gia công có thể xác Fs định dựa trên giá trị lực đo đạc và diện tích vùng biến dạng: s . Trƣờng phân As bố ứng suất trong vùng biến dạng có liên quan trực tiếp đến quá trình sinh nhiệt, ảnh hƣởng đến cơ chế hình thành phoi và xác định yêu cầu đối với vật liệu dụng cụ. Sự phân bố ứng suất trên vùng biến c dạng khi gia công rất phức tạp. Theo nghiên c cứu của nhiều tác giả, trên vùng tiếp xúc của V phoi với mặt trƣớc dụng cụ, ứng suất cắt  c c B bằng hằng số trên một nửa phần phoi tiếp Phoi xúc gần nhất với lƣỡi cắt và sẽ giảm dần đến c A D D' C l x không trên nửa còn lại, đạt giá trị bằng 1 l Phoi rêi khái không tại điểm C khi phoi rời khỏi bề mặt Vïng dÝnh Vïng tr•îtư mÆt tr•ícư dông cô Dao dụng cụ. Ứng suất phápc tăng đơn điệu từ điểm C tới lƣỡi cắt A (Hình 1.11) [81]. Hình 1.11. Biến thiên ứng suất pháp và tiếp trên mặt trƣớc dụng Ứng suất pháp thay đổi trên mặt trƣớc cụ [81]. theo quy luật [106]:  ()()x l x n (1.11)
17 n Ứng suất pháp có giá trị cực đại tại lƣỡi cắt:()xl M (1.12) n s l  (1.13) M ll 1 với n là hằng số, xác định từ thực nghiệm: n = 19÷22 cho thép các bon thấp [55];  là hệ số ma sát trên mặt trƣớc. Ứng suất tiếp biến thiên theo quy luật: ()x s với 0 xl1 (1.14) n lx (x)=  (x)=  s với l1 x l (1.15) ll 1 Gần đúng ll 2 1 . Chiều dài vùng ứng suất trƣợt bằng hằng số giảm tƣơng đối so với tổng chiều dài tiếp xúc khi tăng góc trƣớc của dụng cụ. Trạng thái phân bố ứng suất trên mặt s phẳng trƣợt cũng tƣơng tự nhƣ trên bề mặt s tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ [81]. Hình C 1.12 đã biểu diễn sự thay đổi của ứng suất Phoi s Dao tiếp  s và ứng suất pháp  s trên mặt phẳng s trƣợt. Trong vùng AE (gần lƣỡi cắt nhất)  s s B E' E A không phụ thuộc vào ứng suất pháp  s trên MÆt ph¼ng tr•îtư mặt phẳng trƣợt, trong khi trên vùng E’B V  (gần bề mặt tự do nhất) tỉ số s xấp xỉ bằng Hình 1.12. Biến thiên ứng suất  s pháp và tiếp trong mặt phẳng trƣợt [81]. hằng số và phù hợp với định luật Amonton cho bề mặt ma sát trƣợt. Hai vùng này đƣợc kết nối với nhau nhờ một vùng chuyển tiếp EE’ nơi mật độ các vết nứt tế vi tăng đến mức nối thông với nhau. 1.4.5. Lực cắt khi tiện cứng Trong quá trình tiện cứng, độ cứng cao của phôi cùng với tốc độ cắt cao và điều kiện gia công khô đã làm cho tác dụng của lực cắt có những thay đổi đáng kể so với các quá trình gia công thông thƣờng. Lực cắt trong gia công các vật liệu cứng không lớn hơn các vật liệu mềm [66]. Góc trƣợt lớn và sự hình thành phoi răng cƣa do độ
18 dẻo kém làm giảm lực cắt mặc dù độ bền cao của vật liệu cứng. Trƣờng hợp gia công các thép cứng, góc trƣớc âm của dụng cụ càng lớn thì lực dọc trục càng cao và lực cắt tiếp tuyến càng thấp. Sự biến thiên của các thành phần lực cắt cũng bị ảnh hƣởng bởi sự thay đổi độ cứng vật liệu gia công. Strafford và Audy [87] đã khẳng định khi tiện cứng thép AISI 4340 có độ cứng từ 29 đến 57HRC bằng dụng cụ gốm đã có sự tăng tƣơng ứng lực cắt từ 30÷80%. Trong một công bố khác đã chứng tỏ rằng tốc độ cắt càng cao, lực dọc trục và lực cắt riêng càng thấp, không phụ thuộc vào mòn dụng cụ [12]. Ảnh hƣởng của điều kiện cắt đến quá trình tiến triển của lực cắt cũng đã đƣợc mô hình trong nhiều nghiên cứu. Bằng việc tiến hành các thí nghiệm khi gia công thép AISI D2 ở độ cứng 62HRC với dụng cụ cắt PCBN, Arsecularatne và cộng sự [12] đã kết luận có một mối liên hệ chặt chẽ giữa lực cắt và điều kiện cắt. Huang và Liang [39] trình bày lực cắt tổng cộng là tổng của các thành phần lực để tạo phoi và lực do mòn mặt sau. Mô hình này đƣợc đánh giá bằng thực nghiệm quá trình tiện cứng chính xác thép AISI 52100 ở độ cứng 62HRC với hai loại dụng cụ PCBN hàm lƣợng CBN cao và thấp. Kết quả cho thấy, lực hƣớng kính và lực tiếp tuyến có giá trị nhỏ hơn, nhiệt độ trên bề mặt tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ có giá trị cao hơn khi sử dụng dao với hàm lƣợng CBN thấp. Chen [20] cũng công bố khi nghiên cứu thực nghiệm tiện cứng thép bằng dụng cụ PCBN, lực hƣớng kính có giá trị lớn nhất trong ba thành phần lực cắt. Ozel và cộng sự [68] cũng kết luận, lực cắt khi gia công bằng dụng cụ PCBN nhạy cảm với sự thay đổi của các thông số hình học của dụng cụ và mòn dụng cụ. Bề mặt của sản phẩm khi gia công bằng dụng cụ PCBN cũng tƣơng đƣơng nhƣ bề mặt đƣợc mài. Thêm nữa, lực cắt cũng nhƣ nhám bề mặt còn bị ảnh hƣởng bởi thông số hình học của dụng cụ. Dụng cụ với cạnh lƣỡi cắt mài tròn sẽ làm giảm lực cắt nhƣng làm tăng nhiệt độ trên mặt tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ. Sử dụng các kết quả từ mô hình cơ nhiệt của mặt phẳng trƣợt khi cắt trực giao có kể ảnh hƣởng của biến dạng, tốc độ biến dạng, nhiệt độ và độ cứng phôi ban đầu, Yan và cộng sự [100] kết luận rằng lực ăn dao có giá trị lớn nổi trội trong các thành phần lực cắt khi tiện cứng chính xác bằng dụng cụ PCBN. Lực cắt, đặc biệt là lực ăn dao, tăng khi tăng lƣợng chạy dao và bán kính vê tròn cạnh lƣỡi cắt.
19 1.5. Nhiệt cắt trong quá trình tiện cứng 1.5.1. Các nguồn nhiệt trong cắt kim loại Trong quá trình cắt kim loại, năng lƣợng bị tiêu tốn vào việc tạo phoi và thắng lực ma sát giữa phôi và dụng cụ. Hầu hết năng lƣợng này chuyển hóa thành nhiệt tạo ra nhiệt độ cao ở vùng biến dạng và những vùng xung quanh của phoi, dụng cụ và phôi (Hình 1.13) [26]. Nhiệt độ cắt đóng vai trò quan trọng trong quyết định hiệu quả gia công. Nhiệt VùngDeformation biến dạng zone độ trong vùng biến dạng cơ sở, nơi diễn ra RakeMặt facetrƣớc biến dạng lớn để hình thành phoi có ảnh hƣởng đến các thuộc tính cơ học của vật Relief face Mặt sau liệu gia công và do đó đến các lực cắt. Nhiệt Hình 1.13. Các khu vực biến dạng độ trên mặt trƣớc dụng cụ có ảnh hƣởng lớn là nguồn sinh nhiệt [26]. đến tuổi thọ dụng cụ cắt. Nhiệt độ trên mặt sau dụng cụ sẽ ảnh hƣởng đến trạng thái hoàn thiện và cấu trúc kim loại của bề mặt gia công. Nhiệt độ vừa phải sẽ giảm bớt ứng suất dƣ trên bề mặt gia công do giảm bớt sự chênh lệch nhiệt độ trong khi nhiệt độ cao có thể dẫn đến lớp cháy hoặc lớp cứng trên bề mặt gia công. Về cơ bản, trong quá trình cắt có thể nhận biết đƣợc ba nguồn sinh nhiệt [42]: - Vùng trƣợt cơ sở. - Mặt tiếp xúc giữa phoi và mặt trƣớc dụng cụ. - Mặt tiếp xúc giữa phôi và mặt sau dụng cụ. Nguồn nhiệt sau cùng (mặt tiếp xúc giữa phôi và dụng cụ) có thể bỏ qua nếu dùng dụng cụ sắc. 1.5.2. Các phƣơng pháp đo đạc nhiệt độ trong cắt kim loại Nhiệt độ trong cắt kim loại bắt đầu đƣợc quan tâm về mặt định lƣợng từ những năm 1920. Nhiệt độ dụng cụ cắt có thể đƣợc xác định bằng các phƣơng pháp nhƣ: nhiệt điện, ngẫu nhiệt, bức xạ hồng ngoại, vẽ bản đồ sự thay đổi về cấu trúc và độ cứng của vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ, xác định màu thép tôi, sử dụng các vật liệu chỉ thị nhiệt độ đặt vào các bề mặt cần xác định nhiệt độ v.v song tất cả các phƣơng pháp đều chƣa cho kết quả chính xác. Ví dụ, phƣơng pháp nhiệt điện chỉ đo
20 đƣợc nhiệt độ trung bình trên toàn bộ vùng tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ, mặt khác cả phôi và dụng cụ đều phải là chất dẫn điện nên một số dụng cụ nhƣ gốm không thể áp dụng phƣơng pháp này. Việc gia công các lỗ đặt cặp ngẫu nhiệt sẽ phá vỡ và có thể làm thay đổi trƣờng nhiệt trong cắt kim loại. Việc vẽ bản đồ nhiệt độ bằng cách sử dụng cặp ngẫu nhiệt cũng rất rƣờm rà vì phải dùng nhiều dụng cụ với các cặp ngẫu nhiệt đặt tại các điểm khác nhau. Kỹ thuật đo bức xạ là thƣờng hạn chế việc tiếp cận vào bề mặt cần đo. Màu thép tôi của phoi phụ thuộc vào chiều dày của lớp ôxy hóa trên bề mặt phoi mà chiều dày này phụ thuộc vào thời gian ở nhiệt độ cũng nhƣ sự tập trung ôxy và làm cho sự giải thích gặp khó khăn [42]. Sự phát triển gần đây trong công nghệ phủ cho phép sử dụng một phƣơng pháp mới để đo nhiệt độ dụng cụ bằng việc dùng các màng mỏng cảm biến nhiệt điện trở RTDs (Resistance Temperature Detectors) đặt trực tiếp trên bề mặt dụng cụ. Các cảm biến này có độ dày đặc trƣng khoảng chừng vài nanomet, ảnh hƣởng của nó trong quá trình cắt là không đáng kể. Hơn nữa, với chiều rộng chỉ vài micromet, có thể đặt nhiều cảm biến cạnh nhau trong vùng tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ. Tuy nhiên, trong quá trình phát triển của cảm biến nhiệt điện trở, lớp phủ mặt ngoài đang là một điểm bế tắc. Tất cả các lớp phủ đƣợc thử nghiệm đều bị tróc ngay khi cắt và sau đó, cảm biến bị phá hủy bởi phoi [42]. Nhƣ vậy, vẫn không có một phƣơng pháp đơn giản nào đƣợc nhận biết để đo đạc nhiệt độ trong phoi, phôi và dụng cụ, thậm chí trong quá trình cắt trực giao. Điều này đặc biệt càng khó khăn đối với vật liệu dụng cụ PCBN vì với độ cứng cao và không dẫn điện nên việc sử dụng phƣơng pháp nhiệt điện trở và gia công lỗ đặt cặp ngẫu nhiệt gặp nhiều trở ngại. Thực tế mới chỉ có một vài nghiên cứu thử nghiệm đo đạc nhiệt độ dụng cụ PCBN bằng việc đặt ngẫu nhiệt hoặc chất chỉ thị nhiệt độ bên dƣới mảnh dao hay đo bức xạ hồng ngoại [60], [79], [88]. Chính vì vậy, các mô hình phân tích dự đoán nhiệt độ khi tiện thép hợp kim qua tôi bằng dụng cụ PCBN càng đƣợc quan tâm nghiên cứu. 1.5.3. Nhiệt cắt khi tiện cứng bằng dụng cụ PCBN Các nghiên cứu về nhiệt cắt trong quá trình tiện cứng còn chƣa nhiều. Hiểu biết về quá trình sinh nhiệt và phân bố nhiệt trong dụng cụ cắt khi tiện cứng vẫn còn ở mức rất hạn chế. Các nhân tố có ảnh hƣởng lớn nhất đến nhiệt cắt khi tiện cứng là
21 tính chất của vật liệu phôi và dụng cụ, các thông số của điều kiện cắt. Ngoài ra còn có thể có một số nhân tố khác nhƣ chế độ làm nguội, kích thƣớc phôi [88]. Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy quy luật thay đổi nhiệt độ trong quá trình tiện cứng không tuân theo lý thuyết cắt kim loại truyền thống. Cấu trúc tế vi của vật liệu phôi gia công có ảnh hƣởng lớn đến nhiệt cắt. Ví dụ, nhiệt độ trong tiện cứng thép ổ lăn GCr15 bằng dụng cụ PCBN tăng khi độ cứng phôi tăng đến 50HRC, vƣợt qua giá trị này nhiệt cắt sẽ giảm. Điều này đƣợc giải thích là do cơ chế tạo phoi thay đổi, phoi răng cƣa xuất hiện đã làm tăng khả năng dẫn nhiệt ra khỏi vùng biến dạng. Trong khoảng độ cứng của phôi từ 30÷64HRC, nhiệt cắt tăng cùng với sự tăng của tốc độ cắt, lƣợng chạy dao. Tuy nhiên ảnh hƣởng của tốc độ cắt đến tuổi thọ dụng cụ PCBN nhỏ hơn nhiều so với dụng cụ bằng gốm và hợp kim cứng [59]. Vận tốc cắt có ảnh hƣởng lớn nhất tới nhiệt cắt khi tiện cứng. Chiều sâu cắt và lƣợng chạy dao có ảnh hƣởng ít hơn [88]. Cũng có bằng chứng cho thấy nhiệt cắt giảm khi tăng chiều sâu cắt t khi tiện cứng. Điều này bởi vì khi tăng chiều sâu cắt sẽ làm góc mặt phẳng trƣợt tăng và nguồn nhiệt trên vùng trƣợt cơ sở sẽ có ảnh hƣởng ít hơn đến bề mặt gia công do khoảng cách từ mặt phẳng trƣợt đến bề mặt đƣợc cắt lớn hơn [23]. 1.6. Mòn và tuổi thọ dụng cụ CBN 1.6.1. Các dạng mòn và cơ chế mòn dụng cụ PCBN Mòn và tuổi thọ dụng cụ là tiêu chuẩn thông thƣờng nhất dùng để đánh giá hiệu suất của dụng cụ cắt, khả năng gia công của vật liệu và là một trong những chỉ tiêu đƣợc quan tâm nhất khi chọn dụng cụ cắt và điều kiện gia công. Tƣơng tự nhƣ các vật liệu dụng cụ cắt thông thƣờng, mòn mặt trƣớc và mặt sau là hai dạng hỏng chủ yếu của dao tiện PCBN. Tuy nhiên, mòn mặt trƣớc ở dụng cụ PCBN bắt đầu từ rất gần lƣỡi cắt [74] và lƣỡi cắt của mảnh dao PCBN không bị biến dạng khi cắt [94]. Trong khi có một vài lý thuyết khác nhau liên quan đến các cơ chế mòn xuất hiện trong quá trình tiện cứng bằng dụng cụ PCBN, có một sự thống nhất chung cho rằng mòn gây ra bởi sự kết hợp của một vài cơ chế. Các cơ chế thông thƣờng nhất đƣợc sử dụng để giải thích quá trình mòn dụng cụ PCBN bao gồm mài mòn [46], [67], [74], dính và khuếch tán [49], [67], [105] và mòn do tƣơng tác hóa học [33], [38], [61].
22 +) Mài mòn: Mài mòn gây ra bởi các hạt cứng trong phôi và cũng bởi các hạt CBN từ vật liệu dụng cụ [31]. Khi lớp vật liệu dính kết bị mài mòn bởi vật liệu phôi, các hạt CBN dễ dàng bị tách khỏi vật liệu dụng cụ và trở thành các hạt mài mòn đối với vật liệu dụng cụ [61]. +) Dính và khuếch tán: Dính xảy ra khi vật liệu phôi hoặc phoi nóng chảy dƣới tác dụng của nhiệt độ và ứng suất cao ở vùng cắt và dính vào bề mặt không tiếp xúc của dụng cụ [13], [33], [61]. Diện tích và chiều dày của lớp dính phụ thuộc vào điều kiện cắt và tốc độ mòn dụng cụ bởi vì các nhân tố này quyết định nhiệt độ vùng cắt. Cấu trúc, thành phần và mức độ lớp dính đƣợc quyết định bởi vật liệu dụng cụ [22], [49]. Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng những hợp chất đƣợc tạo thành không cứng nhƣ vật liệu PCBN đã làm cho quá trình mài mòn tăng thêm [22], [38]. Khuếch tán có thể xảy ra khi nhiệt độ ở vùng cắt cao [33], [49], [105]. Chất dính kết trong dụng cụ PCBN đƣợc cho rằng dễ bị mòn dạng này nhất và sẵn sàng phản ứng với vật liệu phôi để tạo ra một sự thay đổi về cấu trúc [49]. Điều này làm giảm khả năng chống mòn của chất dính kết và dẫn đến tăng mài mòn dụng cụ. Tốc độ khuếch tán tăng cùng với sự tăng của nhiệt độ nhƣng do nhiệt độ cắt với dụng cụ PCBN tƣơng đối thấp, thƣờng nhỏ hơn 9000C nên cơ chế mòn này đƣợc cho rằng chỉ thực sự đáng kể khi điều kiện cắt rất khắc nghiệt [67]. +) Tƣơng tác hóa học và lớp vật liệu dính bám: Lớp vật liệu dính bám thƣờng xuyên quan sát thấy trên bề mặt dụng cụ PCBN sau khi cắt kim loại là do phản ứng hóa học xảy ra trên vùng tiếp xúc giữa phôi với dụng cụ hoặc không khí [13], [33], [61]. Diện tích và chiều dày lớp dính bám phụ thuộc vào điều kiện cắt và tốc độ mòn của dụng cụ vì các nhân tố này quyết định nhiệt độ trong vùng tiếp xúc [33], [49], [67], [105]. Cấu trúc, thành phần và mức độ các lớp dính phụ thuộc vào vật liệu dụng cụ PCBN [22], [49]. Lớp dính bám bề mặt đƣợc cho rằng có khả năng bảo vệ dụng cụ cho tới khi đạt tới nhiệt độ làm lớp dính bám trở nên mềm và bị mất đi, lúc đó tốc độ mòn dụng cụ sẽ tăng [61]. Lớp dính bám trên bề mặt dụng cụ có ảnh hƣởng đến sự tiêu tán nhiệt từ bề mặt dụng cụ vào môi trƣờng và nhƣ vậy, làm ảnh hƣởng đến nhiệt cắt. Tƣơng tác hóa học trong vùng tiếp xúc cũng có thể hình thành các hợp chất có điểm o nóng chảy thấp, ví dụ B2O3 với điểm nóng chảy 723 K. Trong điều kiện nhiệt độ cao đã hình thành một pha lỏng ở vùng tiếp xúc giữa dụng cụ với phoi và góp phần làm giảm hệ số ma sát trong vùng tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ PCBN [46]
23 1.6.2. Các nhân tố ảnh hƣởng đến mòn dụng cụ PCBN Các nhân tố đã đƣợc nhận biết có ảnh hƣởng quyết định đến tuổi thọ và hiệu suất dụng cụ PCBN bao gồm: thành phần của vật liệu phôi và dụng cụ, thông số hình học của dao, điều kiện gia công và độ cứng vững của hệ thống công nghệ. +) Thành phần của vật liệu dụng cụ: Là nhân tố quan trọng có ảnh hƣởng đáng kể tới mòn dụng cụ. Với hai loại vật liệu PCBN có thành phần CBN cao và thấp, cả giá trị nhám bề mặt gia công và mòn dụng cụ ở vật liệu có thành phần CBN cao đều lớn hơn vật liệu có thành phần CBN thấp và CBN thấp có khả năng chống mòn nhiệt tốt hơn [16], [22], [31], [38], [44], [46], [67]. Tốc độ mòn có quan hệ gần nhƣ tuyến tính với vận tốc cắt và sự khác nhau về tốc độ mòn của hai loại vật liệu PCBN tăng theo vận tốc cắt [22]. +) Thông số hình học của dụng cụ: Các thông số góc vát cạnh lƣỡi cắt, chiều rộng vát cạnh lƣỡi cắt, cung mài tròn cạnh lƣỡi cắt có ảnh hƣởng quyết định đến tuổi thọ của dụng cụ cắt. Góc trƣớc âm sẽ làm tăng tuổi thọ dụng cụ PCBN [16], [47], [50], [51], [68], [84], [92]. Việc tăng bán kính mũi dao sẽ làm tăng mức độ mòn mặt sau vì làm giá trị của các thành phần lực cắt tăng, chủ yếu là lực dọc trục và lực hƣớng kính. Việc chế tạo sẵn cạnh viền lƣỡi cắt không làm thay đổi tốc độ mòn dụng cụ [43]. Chiều rộng vát cạnh lƣỡi cắt có ảnh hƣởng đến lực cắt khi lực cắt tăng cùng với sự tăng chiều rộng vát cạnh lƣỡi cắt [84]. Phân tích cũng cho thấy dạng mòn thành rãnh trên cạnh dụng cụ PCBN là do cạnh phoi gây ra [37], [43]. +) Vật liệu phôi: Mòn dụng cụ PCBN phụ thuộc vào thành phần cấu trúc tế vi của vật liệu phôi nhƣ thành phần và kích thƣớc của các hạt cacbit, thành phần mactenxit [22], [72], [74]. Nghiên cứu cũng cho thấy trong quá trình bóc vật liệu ở tốc độ cao, mòn dụng cụ PCBN phụ thuộc vào loại, kích thƣớc và thành phần của các pha cứng trong phôi và cả các hạt CBN bị tách ra từ vật liệu dụng cụ [49], [61], [67]. +) Hệ thống gia công: Bao gồm dụng cụ cắt, cán dao, đồ gá, trục chính máy gia công và nền móng đặt máy [45]. Điều kiện tiếp xúc giữa phôi và dụng cụ quyết định cơ chế mòn dụng cụ PCBN và chúng đƣợc điều khiển bởi nhiều nhân tố. Ngoài thành phần vật liệu dụng cụ PCBN và vật liệu phôi, các thông số hình học của dụng cụ, còn có độ ổn định của hệ thống công nghệ [23], [25], [45], [93]. Bất kỳ sự không ổn định nào trong máy gia công cũng sẽ có ảnh hƣởng tiêu cực tới mòn dụng cụ và lực cắt, và đến lƣợt nó quyết định chất lƣợng và độ chính xác gia công.
24 1.7. Kết luận chƣơng 1 Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu đƣợc tiến hành song các nghiên cứu về quá trình tiện cứng còn chƣa đủ để khái quát hóa các kết quả đạt đƣợc và dự đoán trạng thái của các loại vật liệu trong các điều kiện gia công khác nhau. Nghiên cứu về quá trình tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN còn nhiều khía cạnh cần tiếp tục nghiên cứu để làm rõ nhƣ: Nghiên cứu quá trình tạo phoi mới đƣợc tiến hành ở một vài vật liệu, chƣa có nhiều kết quả của các nghiên cứu khác nhau để kiểm chứng và đối chiếu. Nghiên cứu về nhiệt cắt hầu hết mới dừng ở nội dung tính toán phân tích hoặc mô phỏng số, chƣa đƣợc kiểm chứng bằng thực nghiệm. Một vài nghiên cứu thực nghiệm về nhiệt cắt khi tiện cứng còn chƣa tiếp cận đƣợc vào vùng cắt nhƣ sử dụng thiết bị đo bức xạ hồng ngoại, đặt ngẫu nhiệt đo nhiệt độ trung bình ở đáy mảnh dao hoặc dùng phƣơng pháp nhiệt điện bằng cách phủ lớp kim loại dẫn điện lên dụng cụ [59], [79]. Khi độ cứng vững của hệ thống công nghệ đƣợc đảm bảo, việc điều khiển chất lƣợng và hiệu quả gia công chỉ có thể thực hiện đƣợc bằng việc nghiên cứu đánh giá các thông tố ảnh hƣởng, ƣớc tính giá trị lực cắt, nhiệt cắt và mòn dụng cụ, các nhân tố chủ yếu làm thay đổi độ chính xác về kích thƣớc của sản phẩm cũng nhƣ nhám bề mặt hoặc làm biến đổi cơ tính của vật liệu gia công [24], [53]. Xuất phát từ thực trạng việc ứng dụng công nghệ tiện cứng còn nhiều hạn chế, các nghiên cứu về tiện cứng hầu nhƣ chƣa đƣợc thực hiện ở Việt Nam, nội dung tiếp theo của luận án sẽ sẽ tập trung nghiên cứu các vấn đề: - Nghiên cứu quá trình tạo phoi khi tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN. Làm rõ mối liên hệ giữa hình thái phoi và cơ chế hình thành phoi với độ cứng vật liệu và vận tốc gia công khi tiện hai loại thép hợp kim 9XC và X12M. - Khảo sát biến thiên lực cắt phụ thuộc vào vật liệu gia công, vận tốc cắt và chiều dài gia công. Nhận biết quy luật phát triển lực cắt và các nhân tố ảnh hƣởng đến lực cắt khi tiện thép hợp kim 9XC và X12M qua tôi bằng dao PCBN. - Sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn giải bài toán truyền nhiệt và xác định trƣờng phân bố nhiệt trong quá trình tiện cứng trực giao thép 9XC bằng dao PCBN thông qua tính toán bằng phần mềm ABAQUS. Bằng cách phủ các kim loại nguyên chất có điểm nóng chảy xác định để lấy thông tin về nhiệt độ, kiểm
25 chứng mô hình lý thuyết. - Phân tích các cơ chế mòn và dạng mòn dụng cụ PCBN khi tiện cứng hai loại thép hợp kim 9XC và X12M. Khảo sát ảnh hƣởng của vật liệu phôi, vận tốc cắt và chiều dài gia công tới mòn dụng cụ và chất lƣợng bề mặt gia công. Rút ra mối liên hệ giữa nhiệt cắt và mòn dụng cụ. - Ứng dụng giải thuật di truyền để xác định tập hợp các thông số cắt tối ƣu thỏa mãn mục tiêu nhám bề mặt và tuổi thọ dụng cụ khi tiện thép 9XC qua tôi bằng dao PCBN. Xây dựng các mô hình lực cắt, nhám bề mặt và tuổi thọ dụng cụ bằng phƣơng pháp hồi quy thực nghiệm.
26 Chƣơng 2 NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƢNG CỦA QUÁ TRÌNH TẠO PHOI KHI TIỆN THÉP HỢP KIM QUA TÔI BẰNG DAO PCBN 2.1. Phƣơng pháp nghiên cứu sự hình thành phoi Nghiên cứu sự hình thành phoi rất khó khăn bởi vì tốc độ gia công thực tế lớn và kích thƣớc của đối tƣợng cần quan sát rất nhỏ. Sử dụng máy quay tốc độ cao với độ phóng đại nhỏ chỉ giới hạn ở việc quan sát sự thay đổi hình dạng bên ngoài của phoi trong quá trình biến dạng và có thể dẫn đến sai sót khi giải thích cho các hiện tƣợng xảy ra tại trung tâm phoi. Kết hợp máy quay phim và sử dụng đĩa silica trong suốt ghép với vật liệu phôi có thể quan sát các điều kiện tại trung tâm phoi nhƣng cũng chỉ giới hạn ở dải tốc độ và kích cỡ nhỏ [94]. Dao saphia trong suốt cho phép quan sát bề mặt tiếp xúc giữa dao và phoi song không thể áp dụng cho các hiện tƣợng xảy ra đối với vật liệu dụng cụ kim loại. Bằng việc dừng quá trình cắt đột ngột, tức là làm đông lạnh quá trình cắt có thể lƣu giữ lại rất nhiều chi tiết quan trọng xảy ra trong quá trình cắt. Để đáp ứng mục tiêu này, các loại các cơ cấu dừng nhanh đã đƣợc phát triển [15], [21], [98], [101]. Loại cơ cấu dừng nhanh sử dụng thành công nhất là dùng lực đẩy nổ để đẩy dụng cụ ra khỏi vị trí cắt ở tốc độ rất cao theo chiều chuyển động của phôi [18], [32], [72]. Tuy nhiên, phƣơng pháp này rất khó áp dụng ở điều kiện trong nƣớc do gặp khó khăn về việc tiếp cận các vật liệu nổ. Mẫu thu đƣợc khi sử dụng cơ cấu dừng dao nhanh thƣờng là phoi bị đứt gắn trên dụng cụ hoặc mẫu phoi còn gắn nguyên trên phôi. Quan sát mẫu trên kính hiển vi điện tử sẽ cho các hình ảnh giá trị về quá trình hình thành phoi nhƣ biến dạng, tốc độ biến dạng, các vùng trƣợt và góc tạo phoi [42]. Để phục vụ cho quá trình nghiên cứu sự hình thành phoi khi tiện thép hợp kim qua tôi sử dụng dao PCBN, một loại thiết bị dừng dao nhanh áp dụng nguyên lý đòn bẩy và lò xo đã đƣợc thiết kế và chế tạo nhƣ trình bày trong phần Phụ lục II. 2.2. Ảnh hƣởng của độ cứng phôi đến hình thái phoi khi tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN Nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hƣởng của độ cứng phôi đến hình thái phoi đƣợc tiến hành với hai loại thép hợp kim 9XC và X12M. Các phôi thép đƣợc nhiệt luyện đạt ba độ cứng khác nhau. Phân tích cấu trúc tế vi của vật liệu phôi X12M
27 cho thấy tổ chức mactenxit xen lẫn cacbit nhiều loại nằm rải rác. Có thể thấy rõ khi độ a) b) c) cứng càng cao, mức độ hòa tan của các hạt cacbit Hình 2.1. Cấu trúc tế vi của thép X12M (a) độ cứng 45HRC; (b) độ cứng 57HRC; (c) độ cứng 62HRC. càng thấp dẫn đến kích thƣớc cacbit thô trong phôi tăng: 35 m ở độ cứng 45HRC; 5 10m và kéo thành dải ở độ cứng 57HRC; 10 25m với mật độ dày đặc với kích thƣớc lớn ở độ cứng 62HRC (Hình 2.1). Với phôi thép 9XC kích thƣớc của các hạt cacbit nhỏ và đồng đều, kích thƣớc dƣới 1μm, chủ yếu là mactenxit dạng hình kim bên cạnh austenit dƣ màu sáng (Hình 2.2). Cấu trúc a) b) c) tế vi không thay đổi nhiều khi độ cứng tăng từ Hình 2.2. Cấu trúc tế vi của thép 9XC (a) độ cứng 45HRC; (b) độ cứng 57HRC (c) độ cứng 62HRC. 45HRC đến 62HRC. Thành phần hóa học của hai loại phôi thép cho trong Bảng 2.1 và Bảng 2.2. Bảng 2.1. Thành phần hóa học của thép X12M Nguyên tố C Si P Mn Ni Cr Mo Hàm lƣợng % 0,823 1,2351 0,0241 0,5862 0,0332 1,113 0,0192 Nguyên tố Cu/ W Ti Al Fe V Hàm lƣợng % 0,2876 0,1768 0,0299 0,0011 95,447 0,1499 Bảng 2.2. Thành phần hóa học của thép 9XC Nguyên tố C Si P Mn Ni Cr Mo Hàm lƣợng % 1,4916 0,3589 0,0112 0,2404 0,2125 11,393 0,3803 Nguyên tố Cu Ti Al Fe V Hàm lƣợng % 0,3383 0,0063 0,0249 85,396 0,1799 Thí nghiệm đƣợc tiến hành trên máy tiện số CNC-HTC2050 (Trung Quốc) (Hình 2.3a), sử dụng các mảnh dao PCBN ký hiệu TPGN160308T200-EB28X của
28 a) b) c) d) Dao Phôi Hình 2.3. Thiết bị và sơ đồ thí nghiệm khảo sát mòn và cơ chế mòn dụng cụ PCBN. Máy tiện CNC-HTC2050 (a); Mảnh (b) và thân dao (c); Sơ đồ thí nghiệm (d). hãng EHWA - Hàn quốc (Hình 2.3b,c), chế độ cắt: v=100m/p; s=0,15mm/v; a) d) g) k) t=0.2mm. Sơ đồ thí nghiệm nhƣ trên Hình 2.3d. Kết quả cho thấy ở cả hai b) e) h) l) loại thép, sự thay đổi về hình thái phoi đều xảy ra khi độ cứng lớn hơn 50HRC (Hình c) f) i) m) 2.4 và Hình 2.5). Hình 2.4. Hình thái phoi khi tiện thép 9XC ở độ cứng khác nhau: 43HRC (a,b,c); 52HRC (d,e,f); Khi độ cứng nhỏ hơn 57HRC(g,h,i); 62HRC (k,l,m). 50HRC, phoi tạo thành ở dạng phoi liền với các biến dạng trƣợt đồng đều, liên tục, a) d) g) bƣớc biến dạng nhỏ có thể quan sát thấy ở mặt trên của phoi (Hình 2.4 và Hình b) e) h) 2.5a,b,c). Khi độ cứng lớn hơn 50HRC phoi hình thành ở dạng phoi phân đoạn dạng c) i) răng cƣa với biến dạng trƣợt f) trở nên ngắt quãng theo chu Hình 2.5. Hình thái phoi khi tiện thép X12M 9XC kỳ (Hình 2.4d-m; Hình 2.5d- ở độ cứng khác nhau: 43HRC (a,b,c); 57HRC (d,e,f); 62HRC (g,h,i). i). Trong dải độ cứng từ 57
29 đến 62HRC, các phoi răng cƣa có bƣớc biến dạng vào khoảng 70μm, tƣơng ứng với tần số của các phân đoạn phoi là 160Hz đối với cả hai loại thép (Hình 2.4f,i,m và Hình 2.5f,i). Sự tăng tần số của các phân đoạn phoi trong dải độ cứng 57 đến 62HRC không rõ nét. Có thể thấy, khi độ cứng phôi tăng, vật liệu trở nên giòn hơn. Khi gia công vật liệu giòn, năng lƣợng yêu cầu cho quá trình cắt ít hơn do độ bền liên kết của các đứt gãy yếu. Khi độ bền liên kết giảm đến giá trị nhất định, các nứt gãy trở nên nổi trội và sự trƣợt cục bộ xảy ra gián đoạn trong vùng trƣợt, phoi phân đoạn đƣợc hình thành. 2.3. Ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến hình thái phoi Hình thái phoi tạo thành không chỉ phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu gia công mà còn phụ thuộc vào tốc độ cắt. Khi tốc độ biến dạng lớn, thời gian không đủ để nhiệt sinh ra từ công biến dạng dẻo đƣợc truyền đi làm nhiệt độ tăng đáng kể dẫn đến làm mềm vật liệu biến dạng. Vùng vật liệu chịu cƣờng độ biến dạng lớn tập trung ở vùng trƣợt thứ nhất bị yếu đi một cách mạnh mẽ và vì vậy, sự biến dạng trong phoi trở nên không đồng nhất. Trong một dải hẹp giữa các phân đoạn (khoảng 0,002mm), biến dạng là rất lớn. Trái lại, bên trong các phân đoạn, biến dạng tƣơng đối nhỏ. Về hình dạng, các phoi phân đoạn tƣơng tự nhƣ phoi rời đƣợc ghép lại với nhau. Dạng phoi này giữ nguyên khi vận tốc tăng ít nhất là đến a1) b1) c1) d1) e1) tốc độ 30,488m/ph mà không có sự thay đổi sang dạng phoi a2) b2) c2) d2) e2) khác hoặc chuyển về dạng phoi liền [94]. Vận tốc mà dạng a3) b3) c3) d3) e3) phoi chuyển đổi từ Hình 2.6. Hình thái phoi khi tiện thép 9XC độ cứng phoi liền sang phoi 57HRC, chiều sâu cắt t=0,02mm; s=0,15mm/v lần lƣợt phân đoạn cũng thay ứng với vận tốc v=9,42(a); 26,4(b); 64(c); 113(d) và 282,6m/ph(e). đổi đối với các vật liệu khác nhau đã đƣợc kiểm chứng trong một số nghiên cứu. Nghiên cứu ảnh
30 hƣởng của tốc độ cắt đến hình thái phoi đối với thép hợp kim 9XC và X12M đƣợc tôi cứng đạt 57HRC cho thấy, ở tốc độ cắt thấp, phoi hình thành ở dạng phoi rời và chuyển sang phoi liền ở tốc độ cắt trung bình và phoi răng cƣa ở tốc độ cắt cao. Tuy nhiên, thí nghiệm với thép 9XC cho thấy khi tốc độ cắt giảm xuống 9,42m/p phoi vẫn hình thành ở dạng liền. Ở tốc độ cắt trên 100m/p bắt đầu có sự chuyển đổi từ phoi liền sang phoi răng cƣa, chuyển hoàn toàn sang phoi răng cƣa ở tốc độ 113,04m/p (Hình 2.6). Với thép X12M sự thay đổi về hình a1) b1) c1) d1) e1) thái phoi xảy ra với tốc độ nhanh hơn. Khi vận tốc cắt dƣới a2) b2) c2) d2) e2) 16,9m/p phoi tạo thành ở dạng phoi rời và chuyển thành phoi a3) b3) c3) d3) e3) liền trong dải vận tốc từ 16÷26m/p. Ở tốc Hình 2.7. Hình thái phoi khi tiện thép X12M độ cứng 57HRC với chiều sâu cắt t=0,02mm; s=0,15mm/v ở vận độ cắt trên 42,3m/p tốc v=9,42(a); 26,4(b); 64(c); 113(d) và 282,6m/p(e). bắt đầu có sự chuyển đổi từ phoi liền sang phoi răng cƣa, chuyển hoàn toàn sang phoi răng cƣa ở tốc độ 64m/p và giữ nguyên dạng phoi đến tốc độ 282,6m/p (Hình 2.7). Khác với các nghiên cứu trƣớc cho rằng phoi răng cƣa có hình dạng giống phoi rời đƣợc ghép với nhau, hình ảnh SEM cho thấy phoi rời có hình dạng khác hẳn phoi răng cƣa khi chiều dài các đoạn phoi rời lớn hơn nhiều so với các phân đoạn răng cƣa. Phân tích ảnh chụp SEM có thể thấy rõ phoi rời nhận đƣợc ở tốc độ cắt thấp thực ra là các đoạn phoi liền bị đứt. Nguyên nhân gây ra sự đứt đoạn của phoi liền khi tốc độ cắt thấp là do rung động quá lớn khiến việc hình thành các vết nứt phát triển mạnh mẽ ở bề mặt dƣới của phoi và bề mặt gia công mới tạo thành. Khi phoi bị cuộn lại với bán kính cong nhỏ và bị chèn ép trong không gian hẹp sẽ dễ dàng đứt rời thành từng đoạn ngắn (Hình 2.7a). Nghiên cứu cũng chứng tỏ hình thái phoi không chỉ phụ thuộc vào vận tốc cắt mà còn phụ thuộc vào chiều sâu cắt và lƣợng chạy dao khi tiện trực giao thép 9XC
31 với chiều sâu cắt t=2mm, lƣợng chạy dao s=0,08m/vg vận tốc cắt v=119m/p, giới hạn chuyển đổi hình thái phoi xảy ra ở vận tốc cao hơn: a1) b1) c1) d1) e1) v=188m/p. Tần số các phân đoạn của phoi răng cƣa có sự a2) b2) c2) d2) e2) tăng rõ rệt theo vận tốc cắt, vào khoảng 157kHz tƣơng ứng a3) b3) c3) d3) e3) với bƣớc 50μm ở vận Hình 2.8. Hình thái phoi khi tiện trực giao thép 9XC độ tốc cắt 471m/p và cứng 50 HRC tƣơng ứng với các vận tốc cắt v=75(a); 119(b) ;188(c) ;298(d) ;471m/p (e). 44,8kHz tƣơng ứng với bƣớc răng bằng 70μm ở vận tốc cắt 188m/p (Hình 2.8). Ảnh chụp SEM còn cho thấy, khác với quá trình cắt trực giao, khi cắt nghiêng tiết diện ngang chữ nhật của phoi đã chuyển thành hình tam giác. Phần diện tích phoi tiếp xúc với bề mặt mới tạo thành của chi tiết gia công bị biến dạng mạnh mẽ theo phƣơng lực cắt chính. Thể tích kim loại tƣơng ứng với chiều rộng bằng bƣớc a) b) c) d) tiến dao s trên bề mặt Bề mặt chƣa Bề mặt tạo thành chi tiết gia công đã bị gia công nén ép xuống giá trị rất nhỏ gần bằng không và h) bị phá hủy theo chu kỳ e) f) g) (Hình 2.9). Sự tạo Bề mặt Bề dày phoi tiếp xúc với bề mặt tạo gia công thành bị nén ép và phá hủy theo chu kỳ thành bề mặt mới của Hình 2.9. Mặt cắt ngang của phoi khi cắt trực giao (a) và chi tiết gia công không khi cắt nghiêng (b-f). phải do tác dụng cắt của dụng cụ để tách ra các lớp vật liệu mà do tác dụng “cày” lên bề mặt chi tiết để
32 nén các lớp vật liệu và cuối cùng vật liệu bị phá hủy dƣới tác dụng của ứng suất nén lớn. Đặc trƣng này của quá trình tạo phoi cũng góp phần quyết định các tính chất đặc trƣng của bề mặt mới tạo thành nhƣ nhám bề mặt, ứng suất dƣ, lớp biến cứng và luồng vật liệu biến dạng dẻo trên bề mặt gia công. 2.4. Cơ chế hình thành phoi khi tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN Cơ chế hình thành phoi khi tiện cứng đƣợc phân tích dựa vào hình ảnh chụp SEM các mẫu gốc phoi thu đƣợc nhờ sử dụng thiết bị dừng dao nhanh. Có thể thấy rõ phân bố biến dạng khác biệt trong quá trình hình thành phoi dây ổn định và phoi răng cƣa. Trong quá trình hình thành phoi dây ổn định, thấy rõ hình ảnh biến dạng tổng thể đồng đều dọc theo thân phoi và lớp chảy dẻo bên ở mặt dƣới của phoi. Điều Lớp chảy Lớp trắng này chứng tỏ tồn tại lớp dẻo Cạnh viền lƣỡi Vùng mặt chảy dẻo tại bề mặt tiếp xúc a) cắt mảnh CBN b) phẳng trƣợt giữa phoi và mặt trƣớc Dải trƣợt cục bộ dụng cụ (Hình 2.10a,b). Vùng mặt Khi hình thành phoi phẳng trƣợt răng cƣa, phân bố biến c) d) Lớp trắng dạng có sự thay đổi với biến dạng lớn tại vị trí các Hình 2.10. Cấu trúc gốc phoi thép 9XC độ cứng 55HRC khi cắt ở vận tốc v=45,2m/p (a); 113m/p (b); dải hẹp giữa các răng cƣa 283m/p (c,d) với t=0,7mm; s=0,1mm/v. và biến dạng không đáng kể tại trung tâm của các răng cƣa. Lớp chảy dẻo tại bề mặt dƣới của phoi nơi tiếp xúc với mặt trƣớc của dụng cụ đã chuyển thành lớp trắng dƣới tác dụng của biến dạng lớn và nhiệt độ cao (Hình 2.10c,d). Nhƣ vậy sự hình thành phoi răng cƣa đi cùng với biến dạng cục bộ rất lớn và nhiệt độ cục bộ tăng cao làm thay đổi cấu trúc tế vi của vật liệu và hình thành các lớp trắng. Hình ảnh phân tích cấu trúc tế vi của phoi thép 9XC cho thấy rõ tổ chức mactenxit xen lẫn các hạt cacbit với kích thƣớc nhỏ ở phần thân phoi, các hạt bị biến dạng kéo dài ở phần giữa các phân đoạn răng cƣa và lớp biến trắng nằm ở mặt dƣới của các phân đoạn (Hình 2.11).
33 Phân tích ảnh chụp cấu trúc tế vi gốc phoi thu đƣợc nhờ sử dụng cơ cấu dừng dao nhanh cho thấy rõ các dải a) b) trƣợt cục bộ xuất hiện trong quá trình hình thành phoi răng cƣa và không thấy hình ảnh các vết nứt ở phía trƣớc lƣỡi cắt trong quá trình Lớp chảy dẻo Biến dạng đồng đểu tạo phoi (Hình 2.10). c) Biến dạng cục bộ d) Nhƣ vậy có thể khẳng định cơ chế hình thành phoi răng cƣa trong nghiên cứu này là do trƣợt đoạn Lớp trắng nhiệt bởi trạng thái mất ổn định Hình 2.11. Phân bố biến dạng đồng đều trong phoi dây ổn định (a,b); biến dạng không đều nhiệt dẻo của vật liệu nhƣ kết luận với lớp trắng tạo thành ở phoi răng cƣa (c,d). của Zhen[103], [104] mà không phải do sự xuất hiện và lan truyền của các vết nứt nhƣ trong nghiên cứu của Poulachon [73]. Trong quá trình gia công, vật liệu trong vùng cắt dƣới tác dụng của biến dạng lớn và nhiệt độ cao sẽ chịu tác động của hai hiện tƣợng cơ nhiệt là tăng bền do biến cứng và giảm bền do mềm hóa vì nhiệt. Khi phoi dây ổn định đƣợc hình thành, hiện tƣợng biến cứng chiếm ƣu thế so với quá trình mềm hóa vì nhiệt. Sự biến cứng khiến cho giới hạn bền của vật liệu tăng cao và vì vậy, ứng suất yêu cầu cho biến dạng phá hủy tiếp theo tăng lên, quá trình trƣợt tại mặt phẳng trƣợt sẽ nhanh chóng đƣợc chuyển sang mặt phẳng kế tiếp yếu hơn làm biến dạng tổng thể trong phoi trở nên đồng đều. Trái lại, khi hình thành phoi dây tuần hoàn dạng răng cƣa, hiện tƣợng mềm hóa vì nhiệt chiếm ƣu 460HV thế khiến cho biến dạng 584HV trƣợt tập trung tại dải trƣợt 578HV 549HV 598HV cục bộ, nơi vật liệu bị yếu 521HV 536HV 597HV đi do tác dụng mềm hóa vì 602HV 604HV nhiệt. Trƣợt mạnh trong 586HV 464HV một dải hẹp đã tạo thành 453HV 475HV 474HV các phân đoạn phoi làm Hình 2.12. Kiểm tra độ cứng tại các vị trí biến dạng cho phân bố biến dạng khác nhau ở gốc phoi liền (a); phoi răng cƣa (b).
34 tổng thể trong phoi trở nên không đều. Kiểm tra độ cứng của phoi tại vị trí biến dạng khác nhau đã chứng tỏ điều này khi độ cứng của phoi thay đổi so với độ cứng vật liệu phôi ban đầu (Hình 2.12). Với mẫu phoi thu đƣợc khi gia công thép 9XC ở chế độ cắt s=0,07; t=0,115; v= 47m/p471m/p, các phoi liền có độ cứng trung bình tại trung tâm phoi là 549  559HV, tăng 19%; các phoi răng cƣa có độ cứng trung bình tại các răng cƣa từ 406  494HV, giảm 3% so với độ cứng phôi ban đầu là 464HV. Với quá trình hình thành phoi răng cƣa, biến dạng 564HV 548HV 555HV 550HV 567HV 587HV 547HV 529HV 534HV mạnh tại các dải trƣợt cục bộ dẫn đến nhiệt độ sinh ra lớn 523HV 535HV đã làm thay đổi tổ chức tế vi 484HV 498HV 478HV 461HV 506HV b) a) 502HV của kim loại và tạo thành các lớp trắng với độ cứng tăng 367HV 468HV cao: Độ cứng trung bình tại 383HV 468HV 383HV 367HV các dải trƣợt cục bộ của các V V răng cƣa là 523 571HV, 457HV 631HV 613HV 501HV 501HV 457HV 464HV 563HV 538H 563HV 538HV tăng17,8% so với độ cứng c) d) 464HV phôi ban đầu (Hình 2.13). Hình 2.13. Độ cứng phoi thay đổi theo cơ chế hình thành phoi: Độ cứng tăng khi hình thành Nhƣ vậy có thể thấy, khi phoi liền (a,b), độ cứng giảm khi hình thành phoi răng cƣa (c,d). độ cứng vật liệu gia công tăng đã dẫn đến năng lƣợng cần thiết cho biến dạng trƣợt của vật liệu tăng và làm tăng nhiệt độ tại vùng biến dạng và làm mềm vật liệu gia công tạo điều kiện cho phoi dây tuần hoàn dạng răng cƣa đƣợc hình thành. Vùng nhiệt độ cao phát triển trong dải trƣợt cục bộ của phoi tạo thành các lớp trắng. Tƣơng tự nhƣ vậy, sự thay đổi của tốc độ cắt khi gia công các loại vật liệu khó gia công đã gây ra sự không ổn định của quá trình đã dẫn đến phản ứng cơ nhiệt của vật liệu phôi dƣới điều kiện cắt gọt. Tốc độ cắt cao tƣơng ứng với tốc độ biến dạng cao khiến cho nhiệt sinh ra trong vùng biến dạng không kịp truyền đi làm nhiệt độ tăng cao dẫn đến làm mềm vật liệu. Kết quả là sự trƣợt cục bộ và dạng phoi tuần hoàn đƣợc hình thành. Nhƣ vậy, bản chất của cơ chế tạo phoi ở đây chỉ là sự cạnh tranh của hai hiện tƣợng cơ nhiệt là biến cứng và mềm hóa vì nhiệt. Có
35 thể đánh giá đặc trƣng này bằng tỉ số giữa độ cứng lớn nhất của phoi với độ cứng ban đầu của phôi gia công n: n=HVph/HVbd. Sự phụ thuộc của hình thái phoi vào tốc độ cắt và độ cứng của vật liệu phôi khi tiện cứng thép 9XC và X12M đƣợc tổng hợp nhƣ trên Hình 2.14. Sự hình thành phoi dây tuần hoàn do trƣợt cục bộ làm lực cắt thay đổi tuần hoàn và gây ra dao động hoặc va đập trong quá trình cắt, đặc biệt khi sự cứng vững của §é cøng (HRC) 55 157kHz vìnhiệt Mềm hóa hóa Mềm Vùng trƣợt cục bộ 50 406HV 44,8kHz n=0,87 Vùng trƣợt 9XC 45 đồng đều X12 494HV M n=1,06 549HV n=1,18 Biến cứng Biến 559HV n=1,2 25 50 75 100 125 150 500 V Biến cứng Mềm hóa (m/ph) vì nhiệt Hình 2.14. Hình thái phoi thay đổi theo độ cứng vật liệu phôi và tốc độ gia công của thép 9XC (nét chấm là giới hạn chuyển đổi hình thái phoi của thép X12M). hệ thống thấp và nhiệt độ trên bề mặt tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ lớn. Các kết quả thực nghiệm cho thấy, dạng phoi tuần hoàn làm tăng sự mài mòn của dao do sự hình thành các phân đoạn phoi đi cùng với tải trọng dao động mỏi tác dụng lên lƣỡi cắt mảnh của dụng cụ. Tuy vật liệu bị mềm hóa khi biến dạng ở tốc độ rất cao nhƣng lực cắt giảm không đáng kể và mòn dụng cụ tăng rất nhanh cùng với sự tăng tốc độ cắt. Một khi sự không ổn định của kim loại bắt đầu, nó gây ra những va đập trong vật liệu, trong thân dao và máy gia công. Vì vậy, bất kỳ điều gì làm giảm cƣờng độ của sự phân đoạn luôn đem lại lợi ích cho hiệu quả gia công nói chung.
36 2.5. Kết luận chƣơng 2 - Dạng phoi hình thành trong quá trình tiện thép hợp kim qua tôi sử dụng dao PCBN bao gồm phoi rời, phoi dây ổn định và phoi răng cƣa, trong đó dạng phoi răng cƣa là dạng phoi chủ yếu, hình thành trong một dải rộng điều kiện cắt và vật liệu gia công. Phoi rời hình thành ở tốc độ cắt thấp và là các đoạn đứt rời của phoi liền mà không phải của phoi răng cƣa. - Hình thái phoi phụ thuộc vào độ cứng vật liệu và chế độ gia công, chủ yếu là vận tốc cắt. Giới hạn chuyển đổi hình thái phoi từ phoi dây ổn định sang phoi răng cƣa đối với cả hai loại thép 9XC và X12M đều ở độ cứng trên 50HRC. Vận tốc tƣơng ứng với sự thay đổi về hình thái phoi là 113m/p với thép 9XC và 42,3m/p với thép X12M. Giới hạn chuyển đổi hình thái phoi cũng phụ thuộc vào các thông số cắt khác nhƣ chiều sâu cắt và lƣợng chạy dao. - Dạng phoi hình thành phụ thuộc vào sự cạnh tranh của hai quá trình mềm hóa vì nhiệt và biến cứng của vật liệu gia công. Quá trình hình thành phoi liền đi cùng với hiện tƣợng biến cứng với độ cứng phoi tăng 19,3% so với độ cứng phôi ban đầu. Phoi răng cƣa đƣợc hình thành khi quá trình mềm hóa vì nhiệt chiếm ƣu thế với độ cứng trung bình của phoi giảm 3% so với độ cứng phôi ban đầu. Biến dạng mạnh tại các dải trƣợt cục bộ làm thay đổi cơ tính vật liệu dẫn đến sự hình thành các lớp trắng với độ cứng tăng 17,3% so với độ cứng phôi ban đầu. - Cơ chế hình thành phoi răng cƣa là sự trƣợt đoạn nhiệt do hiện tƣợng mất ổn định nhiệt dẻo của vật liệu, xảy ra trong dải hẹp vật liệu bị mềm hóa vì nhiệt, không phải do sự hình thành và lan truyền của các vết nứt tế vi. Tần số các răng cƣa tăng từ 44,8kHz lên 157kHz khi vận tốc cắt tăng từ 188m/p lên 471m/p. - Sự hình thành phoi răng cƣa làm tăng rung động và gây tải trọng thay đổi tuần hoàn trong quá trình cắt. Tải trọng thay đổi có thể làm lƣỡi cắt bị phá hủy vì mỏi.
37 Chƣơng 3 NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƢNG VỀ LỰC CẮT KHI TIỆN THÉP HỢP KIM QUA TÔI BẰNG DAO PCBN 3.1. Biến thiên lực cắt theo chiều dài cắt khi tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN Nghiên cứu biến thiên lực cắt theo chiều dài cắt khi tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN đƣợc tiến hành với quá trình tiện bề mặt trụ ngoài trên hai loại thép 9XC và X12M tôi đạt độ cứng 5557HRC. Các thành phần lực cắt đƣợc đo bằng thiết bị đo lực cắt ba chiều Kistler-Thụy sĩ cùng bộ khuếch đại và thiết bị ngoại vị NI-USB 6009-Hungari. Thí nghiệm đƣợc tiến hành trên máy tiện vạn năng HOWA STRONG 860 (Nhật Bản). Sơ đồ và thiết bị dùng trong thí nghiệm nhƣ Hình 3.1. a) b) c) Hình 3.1. Sơ đồ (a,b) và thiết bị thí nghiệm đo lực cắt (c) khi tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN. Khảo sát sự phát triển của lực cắt theo chiều dài cắt đƣợc thực hiện ở chế độ cắt cố định v=110m/p; s=0,07mm/v; t=0,115mm. Sử dụng dao gắn mảnh PCBN ký hiệu TPGN160308-EB15 a) d) của hãng EHWA (Hàn quốc) có bán kính mũi r=0,8mm. b) e) Dữ liệu đo lực nhận đƣợc cho thấy giá trị lực c) f) cắt tƣơng đối ổn định, dao động là không đáng kể (Hình 3.2). Đồ thị biểu Hình 3.2. Dữ liệu đo lực cắt khi tiện cứng thép 9XC(a,b,c) và X12M(d,e,f) ở chế độ cắt v=110m/p; diễn sự thay đổi của lực s=0,07mm/v; t=0,115mm ứng với chiều dài cắt khác cắt theo chiều dài cắt của nhau L=336; 1680; 3360m.
38 hai loại thép 9XC và X12M đƣợc biểu diễn nhƣ trên Hình 3.3. Phân tích đồ thị lực cắt trên hình Hình 3.2 và Hình 3.3 cho thấy, khi tiện cứng thép 9XC, giá trị của các thành phần lực cắt khá nhỏ, chỉ vài chục Niutơn. Lực cắt tăng không đáng kể trên toàn bộ chiều dài cắt hơn 3000m. Thành phần lực dọc trục Fy và lực tiếp tuyến Fz có giá trị gần bằng nhau, xấp xỉ 60N. Chênh lệch giữa hai thành phần lực tăng nhẹ theo chiều dài cắt. Lực dọc trục Fx có giá trị nhỏ nhất, chỉ khoảng 1517N và hầu nhƣ không thay đổi (Hình 3.3a). Bien thien cac thanh phan luc cat Bien thien cac thanh phan luc cat khi tien cung thep 9XC khi tien cung thep X12M 70 900 60 800 700 50 Fz 600 Fz 40 Fy 500 Fy 30 400 Fx Fx Luc cat (N) cat Luc 300 Luc cat (N) cat Luc 20 200 10 100 0 0 a) 0 1000 2000 3000 4000 b) 0 1000 2000 3000 4000 Chieu dai cat L (m) Chieu dai cat L (m) Hình 3.3. Đồ thị biến thiên các thành phần lực cắt theo chiều dài cắt khi tiện thép 9XC(a) và X12M(b) độ cứng 57HRC ở chế độ cắt v=110m/p; s=0,07mm/v; t=0,115mm. Giá trị của các thành phần lực cắt khi tiện thép X12M lớn hơn rất nhiều so với lực cắt khi tiện cứng thép 9XC. Tốc độ tăng lực cắt rất lớn, từ vài chục Niu tơn ở chiều dài cắt 300m lên tới gần 1000N ở chiều dài cắt trên 3000m. Lực hƣớng kính Fy lớn hơn nhiều so với lực tiếp tuyến Fz. Sự chênh lệch giữa hai thành phần tăng mạnh khi chiều dài cắt tăng, giá trị lực Fy luôn lớn gấp khoảng 4 lần lực tiếp tuyến Fz (Hình 3.3b). Có thể xác định đƣợc nguyên nhân của sự chênh lệch lực cắt khi gia công hai loại thép 9XC và X12M thông qua phân tích cấu trúc tổ chức tế vi của chúng ở cùng độ cứng 57HRC. Thép 9XC có tổ chức hạt nhỏ mịn, các hạt cacbit kích thƣớc dƣới 1μm phân bố đồng đều xen lẫn tổ chức mactenxit hình kim bên cạnh austenit dƣ màu sáng (Hình 2.2). Cấu trúc tế vi của thép X12M cho thấy các hạt cacbit có kích thƣớc lớn, đôi khi kết thành dải dài nằm rải rác với mật độ cao bên cạnh tổ chức mactenxit (Hình 2.1b). Với độ cứng rất cao của các hạt cacbit, có thể đạt tới 658÷713HV so với tổ chức nền có độ cứng 512÷545HV đã cản trở quá trình cắt loại
39 vật liệu này và làm giá trị 651HV các thành phần lực cắt tăng 715HV cao (Hình 3.4). Bên cạnh đó, các hạt cacbit cũng 512HV đóng vai trò các hạt mài a) b) 545HV mòn đẩy nhanh tốc độ mòn Hình 3.4. Tổ chức tế vi của thép 9XC(a) và kiểm tra do khiến cho tốc độ gia độ cứng của các hạt cacbit trong tổ chức thép tăng của lực cắt lớn. X12M(b). Trong cả hai trƣờng hợp tiện cứng thép 9XC và X12M, lực hƣớng tâm Fy luôn có giá trị lớn nhất trong ba thành phần lực cắt. Hiện tƣợng này có thể lý giải dựa trên phân tích hình học lƣỡi cắt và đặc điểm quá trình tiện cứng chính xác. Do bán kính mũi dao lớn (r=0,8mm) và chiều sâu cắt nhỏ (t=0,115mm) nên quá trình cắt chỉ diễn ra tại bán kính mũi dao làm góc tiếp xúc của lƣỡi cắt và bề mặt gia công nhỏ khiến cho lực hƣớng Kr tâm F có giá trị lớn vƣợt trội (Hình Fx Fx y Kr 3.5). Khi dao bị mòn, hình học lƣỡi Fy Fy Fxy cắt và mũi dao thay đổi làm thay đổi Fxy tƣơng quan giữa các thành phần lực đồng thời làm cho quá trình cắt diễn a) b) ra chủ yếu là nén và cày lên bề mặt Hình 3.5. Ảnh hƣởng của bán kính mũi gia công thay cho quá trình cắt nên dao và chiều sâu cắt đến tƣơng quan giữa giá trị các thành phần lực cần thiết các thành phần lực cắt [20]. để tạo phoi tăng [20]. Sự biến thiên của lực cắt theo chiều dài cắt còn phụ thuộc vào độ cứng vật liệu gia công (Hình 3.6). Khi độ cứng nhỏ hơn 50HRC, lực cắt giảm khi độ cứng tăng, giá trị lực tiếp tuyến Fz có giá trị lớn nhất trong ba thành phần lực cắt. Khi độ cứng lớn hơn 50HRC, lực cắt tăng cùng với sự tăng độ cứng vật liệu gia công. Lực hƣớng tâm Fy có giá trị vƣợt trội trong ba thành phần lực cắt. Quy luật này vẫn giữ nguyên khi tăng chiều dài cắt. Từ kết quả nghiên cứu quá trình hình thành phoi có thể thấy mối liên quan giữa quy luật biến thiên của lực cắt với hình thái phoi đƣợc tạo thành. Ở độ cứng dƣới 50HRC phoi liền đƣợc hình thành và sự xuất hiện của phoi răng cƣa khi độ cứng vật
40 Bien thien luc cat theo do cung khi tien thep Bien thien luc cat theo do cung khi tien thep X12M ung voi chieu dai cat L=255m X12M ung voi chieu dai cat L=510m 120 180 160 100 140 80 Fz 120 Fz 100 60 Fy Fy Fx 80 Fx Luc cat (N) cat Luc 40 (N) cat Luc 60 40 20 20 0 0 a) 43 50 57 62 b) 43 50 57 62 Do cung (HRC) Do cung (HRC) Hình 3.6. Biến thiên của các thành phần lực cắt theo độ cứng khi tiện thép X12M ứng với chiều dài cắt L=255m(a) L=510m(b); v=110m/ph; s=0,12mm/v; t=0,15mm. liệu phôi tăng. Sự hình thành phoi răng cƣa đi cùng với sự mềm hóa vì nhiệt do hiện tƣợng trƣợt đoạn nhiệt với biến dạng dẻo lớn và nhiệt độ cục bộ tăng đã dẫn đến lực cắt yêu cầu cho quá trình tạo phoi giảm. 3.2. Ảnh hƣởng của tốc độ cắt đến các thành phần lực cắt khi tiện cứng trực giao thép 9XC bằng dao PCBN. Nghiên cứu ảnh hƣởng của tốc độ 1 2 3 4 5 6 cắt đến các thành phần lực cắt đƣợc tiến hành cho quá trình tiện trực giao thép 9XC qua tôi nhƣ sơ đồ trên Hình 3.7. Thí nghiệm đƣợc thực hiện trên phôi ống ở chế độ cắt t=2mm; Hình 3.7. Sơ đồ thí nghiệm tiện cứng trực s=0,06mm; vận tốc cắt lần lƣợt là giao: 1-Mâm cặp, 2-phôi, 3-dao, 4-thiết bị v=18,8; 29,8; 47,1; 75,4; 119,3; đo lực, 5-bộ chuyển đổi tín hiệu, 6-màn hình hiển thị. 188,4; 298,3; 471m/ph. Các dữ liệu thu đƣợc nhƣ trên Hình 3.8 cho thấy tốc độ cắt có ảnh hƣởng lớn đến các thành phần lực cắt. Quá trình tiện cứng ở vận tốc cắt nhỏ cho thấy rung động lớn, đặc biệt ở vận tốc dƣới 50m/ph (Hình 3.8a,b). Trong khoảng vận tốc nghiên cứu từ 18,8471 m/ph lực cắt giảm dần theo thời gian với tốc độ giảm lực cắt khác nhau. Tốc độ giảm lực cắt lớn nhất ứng với vận tốc nhỏ hơn 50m/p, tốc độ giảm lực cắt nhỏ hơn trong khoảng vận tốc 50m/ph v 200m/ph. Khi lực cắt lớn hơn 200m/ph, tốc độ giảm lực cắt gần nhƣ bằng hằng số. Đồ thị biểu diễn mối liên
41 hệ giữa lực cắt và vận tốc cắt nhƣ trên Hình 3.9. Hiện tƣợng rung động lớn khi tiện cứng ở vận tốc thấp cho thấy giá trị lực cắt liên quan trực a) b) c) d) tiếp đến dạng phoi đƣợc hình thành. Khi vận tốc rất thấp, phoi e) e) hình thành ở dạng phoi rời đi g) h) cùng với các rung động mạnh. Hình 3.8. Biến thiên lực cắt theo vận tốc cắt khi tiện trực giao thép 9XC độ cứng 52HRC với Mặt khác, tốc độ thấp làm tăng t=2mm; s=0,06mm/v; v=18,8; 29,8; 47,1; 75,4; rung động do tác động của các 119,3; 188,4; 298,3; 471m/ph. yếu tố lệch tâm gây ra trong khi tốc độ cao làm tăng khả năng tự định tâm của chi tiết gia công. Hiện tƣợng lực cắt giảm khi Bien thien luc cat theo van toc vận tốc cắt tăng trong quá trình khi tien cung truc giao thep 9XC 700 tiện cứng đã đƣợc ghi nhận ở 600 một số nghiên cứu [20], [34], 500 Fz 400 [78]. Nguyên nhân của hiện Fy 300 Fx tƣợng này đƣợc cho rằng khi (N) cat Luc 200 tăng vận tốc cắt, tốc độ biến 100 dạng tăng khiến ma sát và nhiệt 0 0 100 200 300 400 500 sinh ra lớn làm giảm độ cứng Van toc cat (m/p) Hình 3.9. Đồ thị biến thiên lực cắt theo vận của vật liệu gia công. Vì thế tốc cắt khi tiện cứng trực giao thép 9XC với năng lƣợng yêu cầu cho quá s=0,06mm/v; t=2mm ; chiều dài cắt L=200m. trình cắt giảm làm lực cắt giảm. 3.3. Phân tích ảnh hƣởng của điều kiện cắt đến các thành phần lực cắt khi tiện cứng trực giao thép 9XC bằng dụng cụ PCBN. Việc nghiên cứu ảnh hƣởng của các thông số cắt và tƣơng tác giữa chúng đến lực cắt khi tiện cứng thép 9XC qua tôi bằng dao PCBN đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp phân tích thống kê. Nghiên cứu đƣợc tiến hành trên sơ đồ cắt trực giao nhƣ Hình 3.7. Với sơ đồ này, chiều sâu cắt t không đổi và thành phần lực hƣớng kính Fy sẽ đƣợc loại bỏ. Các thí nghiệm đƣợc quy hoạch theo kế hoạch bậc một hai nhân tố ở hai mức yếu tố nhƣ trong Bảng 3.1. Ngoài 4 điểm thí
42 nghiệm cần thực hiện theo quy Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm xác định các hoạch còn có các thí nghiệm đƣợc thành phần lực cắt. Nhân tố Lực cắt Thí thực hiện song song tại tâm. Mỗi v s nghiệm Fz (N) Fx(N) thí nghiệm đƣợc thực hiện tƣơng (m/p) (mm/vg) 1 75 0,09 1199.41 297.35 ứng với chiều dài cắt L=25mm 2 245 0,09 894.85 267.09 theo phƣơng dọc trục ở chiều sâu 3 75 0,12 1153.09 337.03 cắt cố định t=3mm. Kết quả thí 4 245 0,12 1432.56 417.85 nghiệm đƣợc tổng hợp trong hai 5 160 0,105 1362.48 351.48 cột cuối của Bảng 3.1. 6 160 0,105 1287.28 376.02 7 160 0,105 1311.52 361.33 Hình 3.10 là đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của các nhân tố vận tốc cắt v, lƣợng chạy dao s và tƣơng tác giữa chúng đến các thành phần lực cắt Fz và Fx. Từ đồ thị cho thấy các thành phần lực cắt Fz và Fx bị ảnh hƣởng đáng kể bởi vận tốc cắt và lƣợng chạy dao. Với chiều sâu cắt lớn t = 2mm, giá trị của các thành phần a) c) e) b) d) f) Hình 3.10. Ảnh hƣởng của các nhân tố v và s và tƣơng tác giữa chúng đến các thành phần lực cắt trong tiện cứng trực giao thép 9XC bằng dụng cụ PCBN. lực đo đƣợc tƣơng đối cao, trong đó lực cắt chính Fz có giá trị lớn nhất. Đồ thị cũng cho thấy cho thấy ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao đến các thành phần lực cắt lớn hơn ảnh hƣởng của vận tốc cắt. Có thể giải thích hiện tƣợng này là do khi tăng lƣợng chạy dao, chiều dày phoi khi chƣa biến dạng tăng. Vì lực cắt tỉ lệ trực tiếp với
43 chiều dày phoi khi chƣa biến dạng nên lƣợng chạy dao đóng vai trò là nhân tố ảnh hƣởng chính đến lực cắt. Tƣơng tác giữa vận tốc cắt và lƣợng chạy dao tác động đến lực cắt nhiều hơn vận tốc cắt. Mô hình hồi quy biểu diễn các giá trị lực cắt có dạng: 4 3,3903 1,4974lnv 6,6020 Fz 3,719.10 v s (3.1) 2,1426 0,9463lnv 3,6504 Fx 0,0837 v s (3.2) Mô hình đã đƣợc kiểm tra thỏa mãn các tiêu chuẩn thống kê nên hoàn toàn tƣơng hợp với hệ thống thực nghiệm. Mặt hồi quy biểu diễn biến thiên lực cắt theo các thông số vận tốc cắt v và lƣợng chạy dao s nhƣ trong Hình 3.11. Phân tích mặt hồi quy thấy rõ tác dụng tƣơng tác giữa các biến ảnh hƣởng đến các giá trị lực cắt. Trên cả hai a) b) đồ thị, lƣợng chạy dao và Hình 3.11. Mặt hồi qui và đồ thị đƣờng mức của các thành phần lực cắt Fz (a) và Fx (b). tƣơng tác giữa lƣợng chạy dao với vận tốc cắt có ảnh hƣởng lớn nhất đến lực cắt. Vận tốc cắt có ảnh hƣởng ít nhất, đặc biệt khi lƣợng chạy dao nhỏ, việc tăng vận tốc cắt lại cho giá trị lực cắt giảm. Điều này đƣợc cho là liên quan đến sự hình thành phoi răng cƣa làm giảm yêu cầu năng lƣợng tiêu thụ cho quá trình tạo phoi dẫn đến giảm lực cắt [73]. 3.4. Kết luận chƣơng 3 - Giá trị lực cắt trong quá trình tiện cứng thép hợp kim qua tôi sử dụng dao PCBN không lớn hơn giá trị lực cắt khi tiện thông thƣờng. Lực hƣớng tâm Fy luôn có giá trị lớn nhất trong ba thành phần lực cắt. Độ lớn và tƣơng quan giữa các thành phần lực cắt phụ thuộc mạnh mẽ vào vật liệu gia công. - Khi độ cứng vật liệu gia công nhỏ hơn 50HRC, lực cắt có xu hƣớng giảm khi độ cứng vật liệu gia công tăng. Khi độ cứng vật liệu gia công lớn hơn 50HRC, lực cắt tăng khi tăng độ cứng của vật liệu gia công. Lực cắt có giá trị nhỏ nhất khi vật liệu gia công có độ cứng khoảng 50HRC, tƣơng ứng với sự xuất hiện dạng phoi răng cƣa.
44 - Trong dải tốc độ khảo sát từ 18,8m/p471m/ph, lực cắt giảm dần khi vận tốc cắt tăng. Tốc độ giảm lực cắt cũng giảm cùng với sự tăng của vận tốc cắt. Đặc biệt dao động và lực cắt sinh ra lớn khi tiện thép hợp kim qua tôi ở tốc độ thấp (dƣới 50m/ph). - Ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao và tƣơng tác giữa lƣợng chạy dao và vận tốc cắt tới lực cắt lớn hơn ảnh hƣởng của vận tốc cắt.
45 Chƣơng 4 XÁC ĐỊNH TRƢỜNG PHÂN BỐ NHIỆT TRONG DỤNG CỤ PCBN KHI TIỆN THÉP HỢP KIM QUA TÔI 4.1. Xác định trƣờng phân bố nhiệt trong dụng cụ PCBN khi tiện cứng trực giao bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn (FEM) 4.1.1. Mô hình tính nhiệt Bài toán truyền nhiệt cho hệ thống dao-phoi-phôi khi tiện cƣỡng bức là bài toán truyền nhiệt trong không gian ba chiều. Tuy nhiên, có thể quy về bài toán truyền nhiệt theo hai chiều với sự hiệu chỉnh thích hợp. Vùng mô hình nhiệt và các điều kiện biên Biªn ®o¹n nhiÖt đƣợc mô tả trên Hình 4.1 [90]. Vì chiều rộng dụng cụ và chiều rộng phoi (theo hƣớng pháp q=h (T-T )   f tuyến với mặt phẳng trong hình) lớn hơn 30 n Dao Bµn g¸ dao lần chiều dày phoi khi chƣa bị biến dạng, mô hình thỏa mãn hoàn toàn với bài toán truyền Vc M¶nh Phoi dao CBN nhiệt theo hai phƣơng. Kích thƣớc hình học y của mô hình đƣợc xác định trong phạm vi Ph«i ux=V   vùng chịu tác động của gradient nhiệt độ. x n Hầu hết các bề mặt ngoài là đoạn nhiệt, nghĩa T=T là nhiệt mất mát do đối lƣu và bức xạ vào Hình 4.1. Mô hình bài toán tính nhiệt và các điều kiện biên [90]. môi trƣờng là không đáng kể. Điều này tƣơng đƣơng với việc không sử dụng dung dịch trơn nguội. Phƣơng trình truyền nhiệt ổn định trong không gian hai chiều trong quá trình cắt kim loại đƣợc viết dƣới dạng [90] : TTTT      c ux u y q(,) x y k x k y (4.1) x  y  x  x  y  y trong đó: là khối lƣợng riêng của vật liệu; c là nhiệt dung riêng; ux ,uy là thành phần vận tốc của vật liệu theo hai phƣơng x và y; kx, ky là hệ số dẫn nhiệt theo hai phƣơng x và y; q là tốc độ sinh nhiệt riêng. Giả sử kx = ky = k và coi nguồn nhiệt chỉ tập trung trên các mặt phẳng trƣợt và mặt trƣớc của dụng cụ thì phƣơng trình (4.1) có thể viết thành: