MỤC LỤC

Trang

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

Danh mục các hình vẽ và đồ thị

Danh mục các bảng biểu

Mở đầu 1

1. Giới thiệu về công nghệ tiện cứng 1

2. Tính cấp thiết của đề tài 5

2.1. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 6

2.2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 6

2.3. Phương pháp nghiên cứu 7

Chương 1 8

Bản chất vật lý của quá trình cắt thép có độ cứng cao

1.1. Qúa trình cắt và tạo phoi 8

1.2. Lực cắt 12

1.2.1. Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt 12

1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện 14

1.3. Nhiệt cắt 16

1.3.1. Khái niệm chung 16

1.3.2. Quá trình phát sinh nhiệt 20

1.4. Kết luận 24

Chương 2 25

Chất lượng bề mặt khi tiện cứng

2.1. Khái niệm chung về lớp bề mặt 25

2.2. Bản chất của lớp bề mặt 26

2.3. Tính chất lý hoá của lớp bề mặt 26

2.3.1. Lớp biến dạng 26

2.3.2. Lớp Beilbly 27

2.3.3. Lớp tương tác hóa học 27

2.3.4. Lớp hấp thụ hoá học 28

2.3.5. Lớp hấp thụ vật lý 28

2.4. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt khi tiện cứng 29

2.4.1. Độ nhám bề mặt và các phương pháp đánh giá 29

2.4.1.1. Độ nhám bề mặt 29

2.4.1.2. Các phương pháp đánh giá độ nhám bề mặt 32

2.4.2. Tính chất cơ lý lớp bề mặt sau gia công cơ 32

2.4.2.1. Hiện tượng biến cứng của lớp bề mặt 32

2.4.2.2.Ứng suất dư trong lớp bề mặt 35

2.4.2.3. Đánh giá mức độ, chiều sâu lớp biến cứng và ứng suất dư 39

2.5. Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi tiện cứng 40

2.5.1. Ảnh hưởng của các thông số hình học dụng cụ cắt 40

2.5.2. Ảnh hưởng của tốc độ cắt 41

2.5.3. Ảnh hưởng của lượng chạy dao 42

2.5.4. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt 43

2.5.5. Ảnh hưởng của vật liệu gia công 43

2.5.6. Ảnh hưởng của rung động trong hệ thống công nghệ 44

2.6. Kết luận 44

Chương 3 46

Mòn và tuổi bền dụng cụ khi tiện cứng

3.1. Mòn dụng cụ cắt 46

3.1.1. Khái niệm chung 46

3.1.2. Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt 47

3.1.2.1. Mòn do dính 48

3.1.2.2. Mòn do hạt mài 49

3.1.2.3. Mòn do khuếch tán 49

3.1.2.4. Mòn do ôxi hoá 50

3.1.3. Mòn dụng cụ cắt và cách xác định 51

3.1.3.1. Mòn dụng cụ cắt

51

3.1.3.2. Cách xác định 53

3.1.3.3. Các chỉ tiêu đánh giá sự mài mòn của dụng cụ cắt 54

* Chỉ tiêu mòn tối ưu 54

* Chỉ tiêu mòn công nghệ 55

3.1.4. Ảnh hưởng của mòn dụng cụ đến chất lượng bề mặt khi tiện cứng 55

3.1.5. Kết luận 55

3.2. Tuổi bền của dụng cụ cắt 55

3.2.1. Khái niệm chung về tuổi bền của dụng cụ cắt 55

3.2.2. Các nhân t ố ảnh hưởng đến tuổi bền của dụng cụ cắt khi tiện cứng 57

3.2.2.1. Ảnh hưởng của chế độ cắt 57

3.2.2.2. Ảnh hưởng của thông số hình học dụng cụ cắt 59

3.2.3. Phương pháp xác định tuổi bền dụng cụ cắt 60

3.2.4. Tuổi bền của dụng cụ cắt khi tiện cứng 62

Chương 4 63

Nghiên cứu thực nghiệm mối quan hệ giữa mòn và tuổi bền của

dao gắn mảnh PCBN theo chế độ cắt khi tiện thép 9XC qua tôi

4.1. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

63

4.2. Hệ thống thiết bị thí nghiệm 63

4.2.1. Yêu cầu với hệ thống thí nghiệm 63

4.2.2. Mô hình thí nghiệm 64

4.2.3. Thiết bị thí nghiệm 65

4.2.3.1. Máy 65

4.2.3.2. Dao 65

.2.3.3. Phôi 66

4.2.3.4. Chế độ cắt 67

4.3. Thiết bị đo khác 67

4.3.1. Máy đo độ nhám bề mặt 67

4.3.2. Kính hiển vi điện tử 68

4.4. Thí nghi ệm xác định quan hệ mòn của mảnh dao theo chế độ cắt 68

4.4.1. Quy trình tiến hành thí nghiệm 68

4.4.2. Xử lý kết quả thí nghiệm 69

4.4.2.1. Xác định thời gian cắt cơ bản trong các lần cắt 69

4.4.2.2. Xây d ựng quan hệ giữa thông số nhám bề mặt với thời gian cắt 70

4.4.2.3. Các hình ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử về mòn mảnh dao 71

4.4.2.4. Phân tích cơ chế mòn mảnh dao PCBN 76

4.4.2.5. Phân tích nhám bề mặt gia công 78

4.4.2.6. Phân tích kết quả và thảo luận 78

4.4.2.7. Kết luận 80

4.5. Nghiên cứu mối quan hệ giữa tuổi bền mảnh dao PCBN theo 82

chế độ cắt khi tiện tinh thép 9XC qua tôi

4.5.1. Quá trình cắt thép 9XC bằng dao PCBN 82

4.5.2. Lựa chọn chế độ cắt cho nghiên cứu và tìm hàm quan hệ 83

4.6. Phần kết luận chung và hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài 88

4.6.1. Phần kết luận chung 88

4.6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài 88

Mở đầu

CÔNG NGHỆ TIỆN CỨNG VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

1. Giới thiệu về công nghệ tiện cứng

Tiện cứng (hard turning) chính thức được giới thiệu ở nước ta vào năm

1988, tuy nhiên công nghệ này chưa có điều kiện phát triển mạnh. Cho tới những năm gần đây khi sự đổi mới về khoa học kỹ thuật đang trở thành tất yếu thì tiện cứng đã phát huy được vai trò to lớn của nó trong việc gia công tinh các sản phẩm thép qua tôi cứng.

Các chi tiết như vòng ổ lăn, vòi phun và những chi tiết của hệ thống thuỷ lực,... sau khi nhiệt luyện thường phải qua nguyên công mài hoặc mài khôn. Các nguyên công này thường thiếu linh hoạt và mất nhiều thời gian. Hơn nữa chi phí dung dịch trơn nguội cho nguyên công mài cũng khá cao. Mặt khác chất thải khi mài ngày càng là vấn đề của môi trường sống. Những lý do trên đã thúc đẩy các nhà sản xuất loại dần khâu mài trong quy trình công nghệ gia công tinh chi tiết.

Phương án tối ưu cho việc thay thế này chính là tiện cứng. Tiện cứng là một cách sử dụng dao bằng mảnh vật liệu siêu cứng CBN (Cubic boron nitride), PCBN, PCD hoặc Ceramic tổng hợp nhằm thay thế cho mài trong gia công thép qua tôi (thường ≥ 45HRC). Phương pháp này có thể gia công khô và hoàn thành chi tiết trong cùng một lần gá. Cấp chính xác khi tiện cứng có thể đạt IT5-7, nhám bề mặt Rz = 2 - 4 m , rõ ràng với chất lượng đạt được như vậy, tiện cứng hoàn toàn thay thế được cho mài trong hầu hết các trường hợp gia công công tinh các sản phẩm.

Các sản phẩm trong tiện cứng khá linh hoạt, từ các chi tiết dạng trục trơn(các trục ngắn), con lăn,.. tới các chi tiết có biên dạng phức tạp hơn,..

Để áp dụng công nghệ này hệ thống máy, dao, đồ gá phải đảm bảo các yêu cầu như: Máy tiện đủ độ cứng vững, đủ tốc độ quay trục chính và công suấtphù hợp. Các máy tiện NC, CNC được khuyến cáo thực hiện công việc này.

Hình vẽ 1. Máy Emco Turn 332 Mcplus và Quá trình cắt khô trong tiện cứng Các máy tiện điều khiển bằng tay có thể được dùng nếu đáp ứng được các yêu cầu này.

Đồ gá trong tiện cứng phụ thuộc vào biên dạng các sản phẩm yêu cầu. Nhìn chung các chi tiết gia công đều được cắt mà ít sử dụng đồ gá phụ vì lý do độ cứng vững cần có trong tiện cứng. Hơn nữa với các máy điều khiển số thì điều này không còn nhiều ý nghĩa. Các đồ gá phụ thường kèm theo các máy khi sản xuất.

Dao tiện thường sử dụng là các mảnh lắp ghép với thân theo tiêu chuẩn của từng máy. Các mảnh có nhiều loại theo hình dạng, phần trăm lượng CBN, chất kết dính,..Khi hết tuổi bền các mảnh không thể mài lại như các dao thông thường. Chúng được thay ra hoặc xoay đi dùng lưỡi cắt mới (với mảnh nhiều lưỡi).

Các mảnh hợp kim CBN thường sử dụng cho tiện cứng là TPGN, CNMA, DNMA, TNG,..Các mảnh hợp kim cương thường là CCMT, CPGM,..nói chung hàm lượng CBN phụ thuộc vào nhà sản xuất. Người ta phân ra làm ba loại, hàm lượng cao (nhiều hơn 90% CBN), trung bình ( khoảng 72% CBN) và thấp (nhỏ hơn 60% CBN). Các mảnh có hàm lượng cao thường sử dụng cho tiện truyền thống để gia công các vật liệu mềm hơn như kim loại bột, gang và một số hợp kim đặc biệt.

So với các mảnh carbide thì các mảnh CBN có giá thành cao hơn đáng kể (từ 4 - 5 lần), song dao CBN lại có tuổi bền lớn hơn rất nhiều. Chi phí dao cụsẽ không là trở ngại khi đã loại bỏ công đoạn mài tinh. Nhiều xưởng sản xuất còn nhận thấy việc giảm chi phí dung dịch trơn nguội do cắt khô đã bù đắp lượng chi phí cao hơn về dao.

Dải vật liệu được gia công bằng tiện cứng không hạn chế, ngay cả đối với thép rèn đã tôi, thép gió và hợp kim cứng bề mặt stellites. Việc hợp kim stellites có thể gia công bằng tiện cứng đã mở rộng khả năng của tiện cứng kể cả trong công việc sửa chữa. Vật liệu điển hình được tiện cứng là các thép hợp kim qua tôi cứng.

Khi tiện cứng, nếu cắt với tốc độ cắt thấp hơn quy định thì mảnh CBN sẽ bị mòn nhanh và hư hỏng. Thông thường chế độ cắt khuyến cáo là: với tiện tinh độ cứng vật liệu từ 55 - 67HRC, V = 80 - 160 (m/ph), S = 0,04 - 0,08 (mm/vg); t = 0,1 - 0,5mm với tiện chính xác độ cứng vật liệu từ 45 - 60HRC,

V= 120 - 180 (m/ph), S = 0,02 - 0,04 (mm/vg), t = 0,02 - 0,3mm 1.

Nhiều nhà máy chế tạo ổ đỡ, bánh răng, con lăn và trục bằng thép đã tôi sửdụng chế độ cắt này. Họ có thể đạt dung sai kích thước đến 0,01mmhoặccao hơn nếu thời gian chế tạo lâu hơn và nhám bề mặt rất nhỏ. Ngoài ra giá thành máy mài có thể đắt gấp 2-3 lần máy tiện. Trong nhiều phân xưởng hiện nay họ đã thay thế tiện cứng cho mài truyền thống. Đồng thời khi sử dụng tiện cứng thời gian chu kỳ và điều chỉnh ngắn hơn nhiều so với mài.

Qua đó có thể kết luận rằng, việc áp dụng công nghệ tiện cứng để gia công tinh lần cuối đã mang lại những lợi ích sau:

- Giảm thời gian và chu kỳ gia công một sản phẩm.

- Giảm chi phí đầu tư thiết bị.

- Tăng độ chính xác gia công.

- Đạt độ nhẵn bề mặt cao hơn.

- Cho phép nâng cao tốc độ bóc tách vật liệu (từ 2 - 4 lần).

- Gia công được các contour phức tạp.

- Cho phép thực hiện nhiều bước gia công trong cùng một lần gá.

- Có thể chọn gia công có hoặc không có dụng dich trơn nguội. Gia công khô giảm chi phí gia công và không có chất thải ra môi trường.

Một lợi thế quan trọng nữa khi tiện cứng đó là việc tạo ra một lớp ứng suất dư nén khi gia công, điều này đặc biệt có lợi với những chi tiết yêu cầu độ bền mỏi cao. Điều này với mài lại là một bất lợi. Mặc dù vậy tiện cứng cũng có những nhược điểm cần lưu ý như: do chủ yếu cắt khô nên nhiệt rất cao, dụng cụ có lưỡi cắt đơn nên quá trình cắt không ổn định, chi phí dụng cụ

cắt cao, khi gia công các chi tiết có chiều dài lớn dung sai chế tạo có thể nằmngoài vùng cho phép (trục dài), khi chiều sâu cắt nhỏ hơn chiều sâu cắt tớihạn (tmin) thì quá trình cắt không thể thực hiện được.

Từ những năm 1970 các nghiên cứu đã tập trung vào hướng công nghệ mới để đạt được các mục đích này. Nhưng phải đến những năm 1990, với sự phát triển mạnh của các máy công cụ tiên tiến và vật liệu Nitrit Bor lập phương thì tiện cứng mới được áp dụng rộng rãi trong chế tạo máy. Tiện cứng đã thực sự trở thành công nghệ không thể thiếu trong việc gia công tinh các chi tiết qua tôi cứng. Điều này góp phần không nhỏ cho quá trình lớn mạnh của ngành chế tạo máy nói riêng và ngành công nghiệp nói chung.

2. Tính cấp thiết của đề tài

Qua phần giới thiệu về công nghệ tiện cứng có thể thấy rằng, việc nghiên cứu về tiện cứng, phân tích các quá trình lý, hóa trong tiện cứng đã và đang được quan tâm, tiến hành tại nhiều trung tâm, viện nghiên cứu cũng như các trường đại học trên thế giới. Tuy nhiên từ những công bố trên các tạp chí khoa học cho thấy các kết quả nghiên cứu chủ yếu tập trung vào quá trình tiện cứng thép ổ lăn AISI 5210 0 (tiêu chuẩn Mỹ). Đồng thời các nghiên cứu này chưa đề cập nhiều về vấn đề mòn và tuổi bền của các mảnh dao, đặc biệt với loại thép 9XC, mặt khác việc ứng dụng công nghệ này ở nước ta còn mang nhiều tính kinh nghiệm. Đưa ra được một lý thuyết góp phần cải thiện và nâng cao hiệu quả sản xuất là một tất yếu của các nhà chuyên môn.

Ta lại biết rằng tiện cứng chủ yếu dùng trong gia công tinh, mảnh dao thường có giá thành cao, vì vậy tuổi bền của mảnh dao càng trở nên quan trọng bởi trong quá trình cắt nếu phải thay dao nhiều sẽ tăng sai số, thời gian máy,.. ảnh hưởng tới năng suất, chất lượng và giá thành sản phẩm.

Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ khi tiện cứng đếnmòn và tuổi bền mảnh dao là cần thiết đối với công đoạn gia công tinh. Đặcbiệt khi công nghệ này được áp dụng tại các cơ sở sản xuất ở nước ta. Việctìm ra một hàm số mô tả quan hệ giữa tuổi bền và chế độ cắt ứng với một khoảng giá trị độ cứng trên cơ sở đó sẽ tối ưu hoá được tuổi bền là vấn đề có tính ứng dụng cao. Tác giả đã chọn loại vật liệu, chế độ cắt và độ cứng gia công tại một xưởng sản xuất ở Thái Nguyên để làm cơ sở thực nghiệm.

Do vậy đề tài "Nghiên cứu mối quan hệ giữa mòn và tuổi bền của dao gắn mảnh PCBN theo chế độ cắt khi tiện thép 9XC qua tôi " là cần thiết và có tính ứng dụng trực tiếp.

2.1. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tóm lược một lý thuyết cơ bản về gia công cắt gọt nói chung, tiện cứng nói riêng và tìm ra cơ chế gây mòn các mảnh dao PCBN, đồng thời xác định mối quan hệ giữa tuổi bền của mảnh dao theo chế độ cắt (S,V,t) khi tiện tinh thép 9XC qua tôi đạt độ cứng 56-58 HRC. Qua đó có thể đưa ra một bộ thông số chế độ cắt khi tiện cứng loại thép này đạt tuổi bền cao nhất trong khi vẫn đạt chất lượng bề mặt yêu cầu.

2.2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Về mặt khoa học, đề tài phù hợp với xu thế phát triển khoa học và côngnghệ trong nước cũng như khu vực và thế giới.

Nghiên cứu và kiểm nghiệm các kết quả gần đây về cơ chế gây mòn daoPCBN trong tiện cứng nói chung.

Xây dựng được quan hệ giữa các thông số của chế độ cắt đến tuổi bền khi tiện cứng dưới dạng hàm thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở khoa học cho việc tối ưu hoá quá trình tiện. Đồng thời cũng góp phần đánh giá chất lượng bề mặt khi tiện tinh thép 9XC qua tôi.

Về mặt thực tiễn sẽ áp dụng kết quả khi nghiên cứu thép 9XC vào một cơsở Sản xuất ở Thái Nguyên. Qua đó nâng cao tính cạnh tranh trên thị trườngvà thúc đẩy các nghiên cứu mới trên các khía cạnh khác nhau về tiện cứng.

2.3. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm về ảnh hưởng của chế độ

cắt đến mòn và tuổi bền thông qua hàm thực nghiệm.

Đo nhám bề mặt theo từng điều kiện cắt nhằm xác định tuổi bền mảnh dao theo chỉ tiêu mòn công nghệ.