Luận văn 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

g tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =46= Chương 3 MÒN VÀ TUỔI BỀN DỤNG CỤ KHI TIỆN CỨNG 3.1. Mòn dụng cụ cắt 3.1.1. Khái niệm chung Mòn là hiện tượng phá huỷ bề mặt và sự tách vật liệu từ một hoặc cả hai bề mặt trong chuyển động trượt, lăn hoặc va chạm tương đối với nhau. Eyre và Davis định nghĩa mòn liên quan đến sự hao hụt về khối lượng hoặc thể tích, dẫn đến sự thay đổi vượt quá giới hạn cho phép về hình dạng hoặc topography của bề mặt. Nói chung mòn xảy ra do sự tương tác của các nhấp nhô bề mặt. Trong quá trình chuyển động tương đối, đầu tiên vật liệu trên bề mặt tiếp xúc có thể bị biến dạng do ứng suất ở đỉnh các nhấp nhô vượt quá giới hạn dẻo, nhưng chỉ một phần rất nhỏ hoặc không một chút vật liệu nào tách ra, sau đó vật liệu bị tách ra từ bề mặt dính sang bề mặt đối tiếp hoặc tách ra thành những hạt mài rời. Trong trường hợp vật liệu chỉ dính từ bề mặt này sang bề mặt khác, thể tích hay khối lượng mòn ở vùng tiếp xúc chung bằng không mặc dù một bề mặt vẫn bị mòn. Định nghĩa mòn nói chung dựa trên sự mất mát của vật liệu, nhưng sự phá huỷ của vật liệu do biến dạng mà không kèm theo sự thay đổi về khối lượng hoặc thể tích của vật liệu cũng là một dạng mòn. Giống như ma sát, mòn không phải là do tính chất của vật liệu mà là sự phản ứng của một hệ thống, các điều kiện vận hành sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến mòn ở bề mặt tiếp xúc chung. Sai lầm đôi khi cho rằng ma sát lớn trên bề mặt tiếp xúc chung là nguyên nhân mòn với tốc độ cao. Mòn bao gồm các hiện tượng chính tương đối khác nhau và có chung một kết quả là sự tách vật liệu từ các bề mặt trượt đó là: dính - mỏi bề mặt - va chạm - hoá ăn mòn và điện. Theo thống kê khoảng 2/3 mòn xảy ra trong công nghiệp là do các cơ chế dính, trừ mòn do mỏi, mòn do các cơ chế khác là một hiện tượng xảy ra từ từ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =47= Trong thực tế, mòn xảy ra do một hoặc nhiều cơ chế. Trong nhiều trường hợp mòn sinh ra do một cơ chế nhưng có thể phát triển do sự kết hợp với các cơ chế khác làm phức tạp hoá sự phân tích hỏng do mòn. Phân tích bề mặt các chi tiết bị hỏng do mòn chỉ xác định được các cơ chế mòn ở giai đoạn cuối. Trong hầu hết các quá trình cắt kim loại, khả năng cắt của dụng cụ sẽ giảm dần đến một lúc nào đó dụng cụ sẽ không tiếp tục cắt được do mòn hoặc hỏng hoàn toàn. Mòn dụng cụ là chỉ tiêu đánh giá khả năng làm việc của dụng cụ bởi vì nó hạn chế tuổi bền của dụng cụ. Mòn dụng cụ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công, chất lượng bề mặt và toàn bộ khía cạnh kinh tế của quá trình gia công. Sự phát triển và tìm kiếm những vật liệu dụng cụ mới cũng như các biện pháp công nghệ mới để tăng bền bề mặt chính là nhằm mục đích làm tăng khả năng chống mòn của dụng cụ [3]. 3.1.2. Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt Theo Shaw mòn dụng cụ c ắt có thể do dính, hạt mài, khuếch tán, ôxy hóa và mỏi. Các cơ chế mòn này xảy ra đồng thời trong quá trình cắt, tuy nhiên tùy theo điều kiện cắt cụ thể mà một cơ chế nào đó chiếm ưu thế. Ngoài ra dụng cụ còn bị phá hủy do mẻ dăm, nứt và biến dạng dẻo. Theo Loffer trong cắt kim loại nhiệt độ cắt hay vận tốc cắt là nhân tố có ảnh hưởng mạnh nhất đến sự tồn tại của các cơ chế mòn phá hủy. Ở dải vận tốc cắt thấp và trung bình, cơ chế mòn do dính và mòn do hạt mài chiếm ưu thế cho cắt liên tục và gián đoạn. Khi tăng vận tốc cắt, mòn do hạt mài và hóa lý trở lên chiếm ưu thế đối với cắt liên tục và tạo nên vùng mòn mặt trước. Sự hình thành các vết nứt do ứng suất nhiệt biến đổi theo chu kỳ là cơ chế mòn chủ yếu dẫn đến vỡ lưỡi cắt khi cắt không liên tục. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =48= Hình vẽ 3.1. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt liên tục (a) và khi cắt gián đoạn (b) 3.1.2.1. Mòn do dính Khi hai bề mặt rắn, phẳng trượt so với nhau mòn do dính xảy ra tại chỗ tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô dưới tác dụng của tải trọng pháp tuyến. Khi sự trượt xảy ra vật liệu ở vùng này bị trượt (biến dạng dẻo) dính sang bề mặt đối tiếp hoặc tạo thành các mảnh mòn rời, một số mảnh mòn còn được sinh ra do quá trình mòn do mỏi ở đỉnh các nhấp nhô. Giả thuyết đầu tiên về mòn do trượt, sự trượt cắt có thể xảy ra ở bề mặt tiếp xúc chung hoặc về phía vùng yếu nhất của hai vật liệu tại chỗ tiếp xúc. Có giả thuyết, nếu sức bền dính đủ lớn để cản trở chuyển động trượt tương đối, một vùng của vật liệu sẽ bị biến dạng dưới tác dụng của ứng suất nén và tiếp và sự trượt xảy ra mạnh dọc theo các mặt phẳng trượt này tạo thành các mảnh mòn dạng lá mỏng. Nếu biến dạng dẻo xảy ra trên diện rộng ở vùng tiếp xúc đôi khi mảnh mòn sinh ra có dạng như hình nêm và dính sang bề mặt đối tiếp. Đối với dụng cụ cắt mòn do dính phát triển mạnh đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ cao. Các vùng dính bị trượt cắt và tái tạo liên tục theo chu kỳ thậm chí trong khoảng thời gian cắt ngắn, hiện tượng mòn có thể gọi là dính mỏi. Khả năng chống mòn dính mỏi phụ thuộc vào sức bền tế vi của các lớp bề mặt dụng cụ và cường độ dính của nó đối với bề mặt gia công. Cường độ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =49= này được đặc trưng bởi hệ số cường độ dính Ka là tỷ số giữa lực dính riêng và sức bền của vật liệu gia công tại một nhiệt độ xác định. Với đa số các cặp vật liệu thì Ka tăng từ 0,25 đến 1 trong khoảng nhiệt độ từ 9000C ÷ 13000C. Bản chất phá hủy vật liệu ở các lớp bề mặt do dính mỏi là cả dẻo và dòn. Độ cứng của mặt dụng cụ đóng vai trò rất quan trọng trong cơ chế mòn do dính. Khi tăng tỷ số độ cứng giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công từ 1,47 đến 4,3 thì mòn do dính giảm đi khoảng 300 lần. 3.1.2.2. Mòn do hạt mài Trong nhiều trường hợp mòn bắt đầu do dính tạo nên các hạt mòn ở vùng tiếp xúc chung, các hạt mòn này sau đó bị ôxy hoá biến cứng và tích tụ lại là nguyên nhân tạo nên mòn hạt cứng ba vật. Trong một số trường hợp hạt cứng sinh ra và đưa vào hệ thống trượt từ môi trường. Theo Loladze, mòn dụng cụ cắt do hạt mài có nguồn gốc từ các tạp chất cứng trong vật liệu gia công như oxides và nitrides hoặc những hạt các bít của vật liệu gia công trong vùng tiếp xúc giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công tạo nên các vết cào xước trên bề mặt dụng cụ. Môi trường xung quanh có ảnh hưởng lớn đến cường độ của mòn do hạt mài. Ví dụ khi gia công cắt trong môi trường có tính hoá học mạnh, lớp bề mặt bị yếu đi và các hạt mài có thể cắm sâu hơn ở vùng tiếp xúc và tăng tốc độ mòn. Armarego cho rằng khả năng chống mòn do hạt mài tỷ lệ thuận với các tính chất đàn hồi và độ cứng của hai bề mặt ở chỗ tiếp xúc [3]. 3.1.2.3. Mòn do khuếch tán Nhiệt độ cao phát triển trong dụng cụ đặc biệt là trên mặt trước khi cắt tạo phoi dây là điều kiện thuận lợi cho hiện tượng khuếch tán giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công. Colwell đã đưa ra nghiên cứu của Takeyama cho rằng có sự tăng đột ngột của tốc độ mòn tại nhiệt độ 9300C khi cắt bằng dao hợp kim cứng. Điều này liên quan đến một cơ chế mòn khác đó là hiện tượng mòn do khuếch tán, ôxy hoá hoặc sự phân rã hoá học của vật liệu dụng cụ ở Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =50= các lớp bề mặt. Theo Brierley và Siekman hiện nay mòn do khuếch tán đã được chấp nhận rộng rãi như một dạng mòn quan trọng ở tốc độ cắt cao, họ chỉ ra các quan sát của Opitz cho thấy trong cấu trúc tế vi của các lớp dưới của phoi thép cắt bằng dao hợp kim cứng chứa nhiều cacbon hơn so với phôi. Điều đó chứng tỏ rằng cacbon từ cacbit volfram đã hợp kim hoá hoặc khuếch tán vào phoi làm tăng thành phần cacbon của các lớp này. Trent cho rằng do dính hiện tượng khuếch tán xảy ra qua mặt tiếp xúc chung của dụng cụ và vật liệu gia công là hoàn toàn có khả năng. Dụng cụ bị mòn do các nguyên tử cacbon và hợp kim khuếch tán vào phoi và bị cuốn đi. Khuếch tán là một dạng của ăn mòn hoá học trên bề mặt dụng cụ nó phụ thuộc vào tính linh động của các nguyên tố liên quan. Tốc độ mòn do khuếch tán không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ cao mà còn phụ thuộc và tốc độ của dòng vật liệu gần bề mặt dụng cụ có tác dụng cuốn các nguyên tử vật liệu dụng cụ đi. Khi cắt thép và gang, Ekemar cho rằng tương tác giữa vật liệu gia công và vật liệu dụng cụ có thể xảy ra. Thành phần chính của các lớp phoi tiếp xúc với dụng cụ là austenite với thành phần cacbon thấp khi nhiệt độ vùng tiếp xúc đủ cao. Austenite này hoà tan một số các nguyên tố hợp kim của dụng cụ trong quá trình cắt. 3.1.2.4. Mòn do ôxy hoá Dưới tác dụng của tải trọng nhỏ các vết mòn kim loại trông nhẵn và sáng, mòn xảy ra với tốc độ mòn thấp và các hạt mòn oxits nhỏ được hình thành. Bản chất của cơ chế mòn này là sự bong ra của các lớp ôxy hoá khi đỉnh các nhấp nhô trượt lên nhau. Sau khi lớp ôxy hoá bị bong ra thì lớp khác lại được hình thành theo một quá trình kế tiếp nhau liên tục. Tuy nhiên theo Halling thì lớp màng oxit và các sản phẩm tương tác hoá học với môi trường trên bề mặt tiếp xúc có khả năng ngăn ngừa hiện tượng dính của đỉnh các Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =51= nhấp nhô. Khi đôi ma sát trượt làm việc trong môi trường chân không thì mòn do dính xảy ra mạnh do lớp màng oxits không thể hình thành được.  Thông qua nghiên cứu về các cơ chế mòn của dụng cụ cắt, đồng thời qua hình vẽ 3.1a ta thấy rằng, trong tiện cứng (đó là quá trình cắt liên tục) sử dụng mảnh PCBN do vận tốc cắt cao nên mòn dụng cụ xảy ra theo cơ chế mòn do hạt mài là chủ yếu, ngoài ra dụng cụ còn bị mòn do khuếch tán, hoặc xảy ra đồng thời với cả hai cơ chế và mòn do dính là không hoặc rất khó xảy ra vì mòn do dính chỉ xảy ra khi gia công ở vận tốc cắt thấp. 3.1.3. Mòn dụng cụ cắt và cách xác định 3.1.3.1. Mòn dụng cụ cắt Trong quá trình cắt, phoi trượt trên mặt trước và chi tiết chuyển động tiếp xúc với mặt sau của dao gây nên hiện tượng mòn ở phần cắt dụng cụ. Mòn là dạng hỏng cơ bản của dụng cụ cắt. Mòn dụng cụ là một quá trình phức tạp, xảy ra theo hiện tượng lý hóa ở các bề mặt tiếp xúc phoi và chi tiết với dụng cụ gia công. Trong quá trình cắt, áp lực trên các bề mặt tiếp xúc lớn hơn rất nhiều so với áp lực làm việc của chi tiết máy (khoảng 15 ÷ 20 lần) và dụng cụ bị mòn theo nhiều dạng khác nhau [1]. Hình vẽ 3.2. Các dạng mòn phần cắt của dụng cụ khi tiện Phần cắt dụng cụ trong quá trình gia công thường bị mòn theo các dạng sau: (a) (b) (c) (d) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =52= - Mòn theo mặt sau, hình vẽ 3.2a - Mòn theo mặt trước, hình vẽ 3.2b - Mòn đồng thời cả mặt trước và mặt sau, hình vẽ 3.2c - Mòn tù lưỡi cắt, hình vẽ 3.2d Mòn mặt trước và mặt sau là hai dạng mòn thường gặp trong cắt kim loại. Công thức của Opitz về quan hệ tương đối giữa dạng mòn dao hợp kim cứng với vận tốc cắt và chiều sâu cắt đã được Shaw đưa ra như trên hình vẽ 3.2. Hình vẽ 3.3. Quan hệ giữa một số dạng mòn của dụng cụ hợp kim cứng với thể tích 0,6c 1V .t , trong đó V tính bằng m/ph; t1 tính bằng (mm/vg) Loladze cho rằng cơ chế hình thành vùng mòn mặt trước của dao hợp kim cứng khác so với dao thép gió. Bởi theo ông do hợp kim cứng có độ cứng nóng cao đến hàng nghìn độ C nên hiện tượng khuếch tán ở trạng thái rắn gây mòn với tốc độ cao xảy ra trên mặt trước từ vùng có nhiệt độ cao nhất. Như vậy mòn mặt trước đều có nguồn gốc do nhiệt. Boothroyd cho rằng mòn mặt sau xảy ra do tương tác giữa mặt sau của dụng cụ với bề mặt gia công và bề mặt mòn song song với phương của vận tốc cắt. Trent cho rằng, mòn mặt sau xảy ra trong hầu hết các quá trình cắt a a/2 w w d (a) Mòn trơn mũi dao: 0,6c 1V .t 11< (b) Mòn mặt trước tại lưỡi cắt: 0,6c 111 V .t 17< < (c) Mòn mặt sau: 0,6c 117 V .t 30< < (d) Mòn mặt trước: 0,6c 1V .t 30> (e) Biến dạng dẻo lưỡi cắt: 0,6c 1V .t 30>> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =53= kim loại và không đều trên suốt chiều dài lưỡi cắt. Cơ chế mòn mặt sau của dụng cụ hợp kim cứng ở tốc độ cắt thấp là sự tách ra của các hạt cacbit tạo nên bề mặt mòn không bằng phẳng, khi cắt ở tốc độ cắt cao thì vùng mòn mặt sau nhẵn và trơn. Trong điều kiện hình thành lẹo dao, lượng mòn mặt sau tỷ lệ nghịch với lượng mòn mặt trước. Khi mòn mặt trước xuất hiện sẽ làm tăng góc trước thực, thúc đẩy sự hình thành và ổn định của lẹo dao có tác dụng bảo vệ mặt sau khỏi bị mòn. Trái lại khi mòn mặt trước không xuất hiện, dạng của lẹo dao sẽ thay đổi theo xu hướng không có tác dụng bảo vệ mặt sau khỏi mòn, dẫn đến thúc đẩy sự phát triển của mòn mặt sau. 3.1.3.2. Cách xác định Theo Doyle thì mòn mặt trước và mặt sau có thể tính toán gần đúng như sau: * Thể tích mòn mặt sau: 2 W . 2 aveVB b tgV α= (3-1) Trong đó: VBave là chiều cao trung bình của vùng mòn Hình vẽ 3.4. Các thông số đặc trưng cho mòn mặt trước và mặt sau – ISO3685 * Thể tích mòn mặt trước: cr 2 ( ) 3 b KB KF KTV −= (3-2) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =54= Các kích thước dùng để xác định mòn chỉ ra trên hình vẽ 3.3 có thể đo bằng kính hiển vi dụng cụ hoặc thiết bị quang học khác, hoặc bằng phương pháp chụp ảnh. Ngoài ra người ta còn đo khối lượng dụng cụ và sử dụng phương pháp đo radiotracer (phương pháp đồng vị phóng xạ) để xác định. 3.1.3.3. Các chỉ tiêu đánh giá sự mài mòn của dụng cụ cắt * Chỉ tiêu mòn tối ưu Dấu hiệu dụng cụ cắt được xem là mòn thì được gọi là chỉ tiêu mòn. Nếu nguyên công không có yêu cầu cao về độ chính xác, độ nhám bề mặt thì nên dùng dụng cụ cho đến khi mòn đạt thời gian gia công lớn nhất, và độ mòn như vậy gọi là mòn tối ưu. Để khôi phục lại khả năng cắt của dụng cụ, phải mài lại. Mỗi loại dao có một vùng mài lại riêng. Hình 3.5 cho thấy các lớp vật liệu dao được cắt trong mỗi lần mài lại. Số lần mài lại cho phép n xác định bằng cách chia chiều dài vùng mài lại cho chiều dày của lớp vật liệu được cắt trong mỗi lần mài lại. Do đó tổng tuổi bền của dụng cụ: )1( +=Σ nTT phút (3-3) Ở đây: T- tuổi bền của dụng cụ (phút) n - số lần mài lại cho phép. * Chỉ tiêu mòn công nghệ Hình vẽ 3.5. Vùng mài lại của dụng cụ cắt h n =4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =55= Mòn công nghệ là hiện tượng mòn mà tại đó dụng cụ cắt bị ngừng sử dụng do những hạn chế về công nghệ như: độ nhám bề mặt tăng, kích thước gia công không chính xác, xuất hiện dao động của hệ thống công nghệ, chi tiết bị nung nóng mạnh, dụng cụ cắt bị gẫy,...Chỉ tiêu này chủ yếu được dùng để nghiên cứu dụng cụ cho gia công tinh. Trong luận văn Tác giả sử dụng mòn công nghệ để xác định tuổi bền cho mảnh dao. 3.1.4. Ảnh hưởng của mòn dụng cụ đến chất lượng bề mặt khi tiện cứng Khi mảnh CBN bị mòn, dạng và thông số hình học phần cắt bị thay đổi dẫn đến các hiện tượng vật lý, hoá học sinh ra trong quá trình cắt thay đổi (như nhiệt cắt, lực cắt, ôxy hoá,…) và điều này sẽ ảnh hưởng xấu đến chất lượng bề mặt gia công khi tiện cứng [26]. Hạn chế mòn nâng cao tuổi bền mảnh dao trong tiện cứng là vấn đề luôn cần thiết ở mọi quá trình cắt gọt nói chung. 3.1.5. Kết luận Qua các nghiên cứu lý thuyết và bằng các thực nghiệm về xác định mòn dụng cụ cắt trong tiện cứng sử dụng mảnh PCBN, người ta thấy rằng quy luật mài mòn của dao CBN không hoàn toàn giống với quy luật mài mòn thông thường. Do không có quá trình mài lại nên giai đoạn mòn ban đầu và mòn bình thường diễn ra khá lâu, hầu hết trong thời gian sử dụng. Giai đoạn mòn khốc liệt thường diễn ra nhanh chóng, thể hiện ngay trên bề mặt gia công hay phần cắt bị mòn, phá huỷ. 3.2. Tuổi bền của dụng cụ cắt 3.2.1. Khái niệm chung về tuổi bền của dụng cụ cắt Tuổi bền của dụng cụ cắt là thời gian làm việc liên tục của dụng cụ giữa hai lần mài sắc, hay nói cách khác tuổi bền của dụng cụ là thời gian làm việc liên tục của dụng cụ cho đến khi bị mòn đến độ mòn giới hạn (hs) [1]. Tuổi bền là nhân tố quan trọng ảnh hưởng lớn đến năng suất và tính kinh tế trong gia công cắt. Tuổi bền của dụng cụ phụ thuộc vào chính yêu cầu kỹ thuật của Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =56= chi tiết gia công. Vì thế phương pháp dự đoán tuổi bền cơ bản có ý nghĩa cho mục đích so sánh [3]. Phương trình cơ bản của tuổi bền là phương trình Taylor: n tV.T C= (3-4) Trong đó: - T là tuổi bền (phút) - V là vận tốc cắt (m/phút) - Ct là hằng số thực nghiệm Phương trình Taylor mở rộng bao gồm cả ảnh hưởng của lượng chạy dao (S) và chiều sâu cắt (t) được viết như sau: n a b tV.T .s .t K= (3-5) Các mô hình toán học khai triển bậc nhất và bậc hai loga của tuổi bền dường như phù hợp hơn với các dữ liệu cho dao composite. Khác với các phương trình tổng quát (3-4), (3-5) các mô hình toán học này hạn chế trong một dải với các điều kiện dùng để tạo nên các dữ liệu thực nghiệm. Trong trường hợp vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt được sử dụng như là các thông số độc lập thì mô hình toán học bậc nhất có dạng: 0 1 2 3LnT b b lnV b lnS b ln t= + + + (3-6) Mô hình bậc hai có dạng: 2 2 0 1 2 3 11 22 2 33 12 13 32 LnT b b lnV b lnS b ln t b (lnV ) b (lnS) b (ln t) b (lnV )(lnS) b (lnV )(ln t) b (lnS)(ln t) = + + + + + + + + + (3-7) Trong thực tế tuổi bền của dụng cụ thường bị phân tán vì các lý do sau đây: - Sự thay đổi của độ cứng, cấu trúc tế vi, thành phần hoá học và các đặc tính bề mặt của phôi. - Sự thay đổi của vật liệu dụng cụ, thông số hình học và phương pháp mài. - Sự thay đổi của hệ thống công nghệ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =57= Ở chương 4, Tác giả sử dụng quy hoạch thực nghiệm nhằm tìm ra tuổi bền T theo chế độ cắt (S,V,t). Nếu hàm mô tả có dạng (3-6) thì kết luận Hàm hồi quy tương hợp với thực tế. 3.2.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến tuổi bền của dụng cụ cắt khi tiện cứng 3.2.2.1. Ảnh hưởng của chế độ cắt đến tuổi bền của dụng cụ cắt Chế độ cắt, đặc biệt là vận tốc cắt và lượng chạy dao là tác nhân ảnh hưởng mạnh nhất tới tuổi bền. Kết quả thí nghiệm của Opitz và Konig được Trent đưa ra trên hình 3.4. Với mòn mặt trước quy luật mòn tương đối đơn giản, mòn tăng chậm cho tới vận tốc cắt tới hạn mà tại đó tốc độ mòn tăng vọt. Lượng chạy dao càng lớn thì vận tốc cắt giới hạn càng nhỏ. Với mòn mặt sau tốc độ mòn cũng tăng nhanh từ vận tốc cắt và lượng chạy dao giới hạn như mòn mặt trước vì từ tốc độ này các cơ chế mòn phụ thuộc nhiệt độ quyết định tuổi bền. Tuy nhiên ở dưới dải tốc độ này tốc độ mòn mặt sau tăng, giảm liên tục vì ở đây các cơ chế mòn không phụ thuộc vào nhiệt độ. Hình vẽ 3.5. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến mòn mặt trước và mặt sau của dao thép gió S 12-1-4-5 dùng tiện thép AISI C1050, với t = 2mm. Thông số hình học của dụng cụ: α=80, γ=100, λ=40, χ=900, ε= 600, r=1mm, T =30 phút [3]. Tuổi bền cho mỗi cặp dụng cụ và vật liệu gia công được xác định trong dải vận tốc cắt cao. Và đường cong Taylor của tuổi bền chỉ có ý nghĩa trong điều Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =58= kiện cắt ở dải vận tốc cắt cao, vì khi đó tuổi bền của dụng cụ bị chi phối bởi các cơ chế mòn phụ thuộc nhiệt độ cao liên quan đến biến dạng, khuếch tán và ôxy hoá. Bảng 3.1. Các thông số chế độ cắt khác nhau của Dawson và Thomas [27] Hình vẽ 3.6. Tuổi bền dụng cụ tính theo thể tích phoi được bóc tách [27] Các bộ thông số thí nghiệm Th ể tí h h i ( 3 ) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =59= Hình vẽ 3.7. Tuổi bền dụng cụ tính bằng phút [27] Trong tiện cứng với dao gắn mảnh CBN Dawson và Thomas đã thí nghiệm với các bộ thông số khác nhau cho trong bảng 3.1. Kết quả cho thấy rằng tuổi bền của dụng cụ tính theo khối lượng phoi bóc tách được thể hiện ở hình vẽ 3.6 và tính theo phút được thể hiện trên hình v ẽ 3.7. Hai ông đã kết luận vận tốc cắt có ảnh hưởng mạnh hơn so với lượng chạy dao đến tuổi bền của dụng cụ. Vì thế để tăng tuổi bền của dụng cụ có thể giảm vận tốc cắt đồng thời kết hợp tăng lượng chạy dao. Bởi năng suất cắt quan hệ tuyến tính với cả vận tốc cắt và lượng chạy dao. Khi giảm vận tốc cắt đi một nửa đồng thời tăng lượng chạy dao nên gấp đôi thì năng suất vẫn được duy trì [27]. Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đến tuổi bền thông qua các cơ chế mòn diễn ra ở chế độ cắt đã cho phụ thuộc nhiều hay ít vào nhiệt độ. Do đó việc áp dụng công thức Taylor cần phải cân nhắc trong từng trường hợp cụ thể [3]. 3.2.2.2. Ảnh hưởng của thông số hình học đến tuổi bền của dụng cụ cắt Thông số hình học của dụng cụ cắt có ảnh hưởng rất lớn đến tuổi bền của dụng cụ, đặc biệt là góc trước γn. Nghiên cứu của Zhou, Walter và các đồng nghiệp [26] khi tiện cứng thép ổ lăn 100Cr6 bằng dao gắn mảnh PCBN Các bộ thông số thí nghiệm Tu ổi b ề d ( hú t) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =60= cho thấy khi góc trước γn tăng dẫn đến tăng lực cắt, đồng thời góc trước γn có quan hệ với tuổi bền của dụng cụ như đồ thị hình 3.8. Hình vẽ 3.8. Quan hệ giữa lượng mòn mặt sau và tuổi bền mảnh PCBN với góc trước γn Như vậy trong tiện cứng sử dụng dao gắn mảnh PCBN nên sử dụng dao có góc trước γ trong khoảng 10 ÷ 200, điều này sẽ có lợi là làm giảm lượng mòn của dao cũng như tăng tuổi thọ của dụng cụ. 3.2.3. Phương pháp xác định tuổi bền dụng cụ cắt Nghiên cứu ảnh hưởng của các nhân tố của quá trình căt đến tuổi bền T bằng phương pháp thực nghiệm đo độ mòn cho phép mặt sau [hs]. Với các kết quả thực nghiệm, các đồ thị quan hệ giữa độ mòn, tuổi bền và các nhân tố ảnh hưởng được xác lập. Trên cơ sở đó xác định được quan hệ giữa tuổi bền và các nhân tố ảnh hưởng. Hình vẽ 3.9. Quan hệ giữa thời gian cắt, tốc độ cắt và độ mòn của dao Góc trước γn (độ) Góc trước γn (độ) Tu ổi b ề ( hú ) L ư µm ) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =61= Quan hệ giữa tốc độ, độ mòn và thời gian được biểu thị trên hình vẽ 3.9. Với độ mòn cho phép [hs] đã xác định được thời gian làm việc của dụng cụ với các tốc độ khác nhau (t1 với V1; t2, t3 với V2, V3 với V1 <V2 <V3 <V4; t1, t2, t3, t4 chính là tuổi bền T của dụng cụ ứng với tốc độ V1, V2, V3, V4…) khi các yếu tố cắt khác được cố định. Trên cơ sở đó lập được đồ thị quan hệ giữa tốc độ cắt và tuổi bền ở hình vẽ 3.10 và chuyển sang đồ thị lôgarit ở hình vẽ 3.11. Hình vẽ 3.10. Quan hệ giữa tốc độ cắt V và tuổi bền T của dao Qua đồ thị quan hệ V-T ta thiết lập được công thức liên hệ giữa tốc độ và tuổi bền: lg lg lgV A m T= − ⇒ lg lg lg A Vm T − = ⇒ m AV T = (3-8) . onstmV T c= ⇒ m AT V = (3-9) Hình vẽ 3.11. Quan hệ giữa V và T (đồ thị lôgarit) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =62= 3.2.4. Tuổi bền của dụng cụ cắt khi tiện cứng Khi nghiên cứu tuổi bền dụng cụ cắt trong tiện cứng do chủ yếu sử dụng các mảnh HKC hay các mảnh CBN nên tuổi bền được xác định khá đơn giản. Sau các lần cắt có thể dựa vào chỉ tiêu mòn công nghệ kết luận dụng cụ cắt đã bị hỏng, không thể tiếp tục làm việc theo chất lượng yêu cầu, do vậy ta có được tổng thời gian gia công tính bằng T(phút). Hoặc dựa vào chiều cao mòn cho phép ở mặt sau dụng cụ để xác định tuổi bền. Trong thực tế điều này là không khả thi vì sự phức tạp của nó, nên chỉ tiêu mòn công nghệ hay được dùng hơn. Ví dụ khi cắt thép có độ cứng từ 62-65 HRC, với một điều kiện cắt nhất định, tuổi bền T thể hiện hình vẽ 3.7. [ ]27 . Vấn đề ở đây là giải pháp nào có thể nâng cao tuổi bền trong điều kiện gia công cụ thể, với một chế độ cắt cụ thể,..là nhiệm vụ của các nhà chuyên môn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =63= Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MỐI QUAN HỆ GIỮA MÒN VÀ TUỔI BỀN CỦA DAO GẮN MẢNH PCBN THEO CHẾ ĐỘ CẮT KHI TIỆN TINH THÉP 9XC QUA TÔI 4.1. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Phương pháp thực nghiệm đóng một vai trò rất quan trọng trong nghiên cứu. Chỉ có thực nghiệm mới cho ta kết quả chính xác để khẳng định chân lý khoa học. Thực nghiệm được coi như một hệ thống có tác động nhằm thu nhận những thông tin chính xác về đối tượng nghiên cứu. Phương pháp thực nghiệm bao gồm một loạt các thí nghiệm được lặp lại nhiều lần trong những điều kiện nhất định để có khả năng ghi nhận kết quả. Điều kiện thí nghiệm xác định bằng các yếu tố (hoặc các biến số không phụ thuộc) kxxx ,.., 21 , mà người ta giả thiết chúng ảnh hưởng tới đối tượng nghiên cứu. Với kết quả của thí nghiệm, người ta có thể nhận được hàm số phụ thuộc y đã giả thiết phụ thuộc vào các yếu tố kxxx ,.., 21 . Qua đó cho phép ta xây dựng hàm số quan hệ y = f(x) hay tìm ra các quy luật dựa vào những đồ thị dựng được bằng thực nghiệm. 4.2. Hệ thống thiết bị thí nghiệm 4.2.1. Yêu cầu với hệ thống thí nghiệm Trong nghiên cứu khoa học việc xây dựng hệ thống thí nghiệm cần đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật sau: - Đáp ứng được yêu cầu của vấn đề lý thuyết cần nghiên cứu. - Đảm bảo độ chính xác, độ tin cậy và độ ổn định. - Đảm bảo việc thu thập và xử lý các số liệu thí nghiệm thuận lợi. - Đảm bảo tính khả thi. - Đảm bảo tính kinh tế. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =64= Hệ thống thí nghiệm được trình bày dưới đây nhằm phục vụ cho 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”. Hệ thống thiết bị được đặt tại Xưởng Cơ khí của thầy giáo ThS. Lê Viết Bảo - Khoa Cơ khí. 4.2.2. Mô hình thí nghiệm Mô hình thí nghiệm đã sử dụng thể hiện trên hình vẽ 4.2 t S n L D 1 2 3 4 Lcắt Hình vẽ 4.1. Hệ thống thiết bị thí nghiệm Hình vẽ 4.2. Mô hình thí nghiệm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =65= 1. Mâm cặp 2. Chi tiết gia công 3. Mũi chống tâm 4. Dao 4.2.3. Thiết bị thí nghiệm 4.2.3.1. Máy Sử dụng máy tiện CNC- HTC 2050 (Trung Quốc), hình vẽ 4.3 4.2.3.2. Dao * Mảnh dao: mảnh dao PCBN: TPGN 160308 T2001, EB28X (hình vẽ 4.4) Các thông số cơ bản (tra theo Catalog PCD/PCBN Cutting Tools của EHWA Diamond Industrial Co., LTD) γ = 110; λ = -110 (góc tạo thành khi đã gá mảnh lên thân dao) L = 16 mm; I.C = 9,25 mm; T = 3,18 mm; R = 0,8 mm. Hàm lượng CBN: 50%; chất dính kết TiC; cỡ hạt: 2µm. (T- mảnh tam giác, P - góc sau 110, G - cấp dung sai của mảnh, N - kiểu cơ cấu bẻ phoi, L=16mm, 03≈ chiều dày mmT 18,3= ; R = 0,8mm) Hình vẽ 4.3. Máy tiện CNC- HTC2050 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =66= Hình vẽ 4.5. Thân dao MTENN 2020K16-N (hãng CANELA) * Thân dao: sử dụng thân dao: MTENN 2020 K16 -N (hãng CANELA) (hình vẽ 4.5). 4.2.3.3. Phôi Thép hợp kim 9XC, L = 300mm, ∅62, tôi thể tích đạt độ cứng 56-58 HRC- (thực hiện tại Xưởng Cơ khí của thày giáo ThS. Lê Viết Bảo, thành phần hoá học qua phân tích (tại Nhà máy Z159 - Thái Nguyên) được kết quả như trong bảng 4.1.Cấu trúc tế vi theo hai phương dọc trục và vuông góc với trục ở hình vẽ 4.6. cho thấy các hạt các bít (FeCr)3C có đường kính tới 3µm. mảnh dao PCBN Hình vẽ 4.4. Mảnh dao TPGN, 160308 T2001 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =67= 4.2.3.4. Chế độ cắt Các bộ thông số V, S, t được lựa chọn, sử dụng tuỳ thuộc vào yêu cầu thí nghiệm, đồng thời thay đổi theo mô hình nghiên cứu. 4.3. Thiết bị đo khác 4.3.1. Máy đo độ nhám bề mặt Sử dụng máy đo độ nhám Mitutoyo SJ - 201 (Nhật Bản). Các thông số kỹ thuật cơ bản: - Hiển thị LCD. Tiêu chuẩn DIN, ISO, JIS, ANSI. Bảng 4.1. Thành phần các nguyên tố hoá học thép 9XC Hình vẽ 4.6. (a), Phôi thép 9XC qua tôi cứng, (b,c) Ảnh quang học cấu trúc tế vi thép 9XC theo hai phương song song và vuông góc với trục Phôi thép 9XC, L = 300mm b, c, a, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =68= - Thông số đo được: Ra, Rz, Rt, Rq, Rp, Ry, Pc, S, Sm. - Độ phân giải: 0,03µm/300µm; 0,08µm/75µm; 0,04µm/9,4µm. - Bộ chuyển đổi A/D: RS232. - Phần mềm điều khiển và xử lý số liệu MSTATW324.0. 4.3.2. Kính hiển vi điện tử Sử dụng kính hiển vi điện tử, TM-1000 Hitachi, Nhật Bản, có độ phóng đại 10000 lần (Khoa vật lý Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên). 4.4. Thí nghiệm xác định quan hệ mòn của mảnh dao theo chế độ cắt 4.4.1. Quy trình tiến hành thí nghiệm Máy, dao và mô hình thí nghiệm được thể hiện như ở trên. Chế độ cắt được chọn sao cho phù hợp với công suất máy, điều kiện gia công tinh, khả năng cắt của mảnh CBN và cố định trong tất cả các lần cắt. Nhằm tìm ra quy luật mòn theo thời gian (chiều dài cắt), tác giả sử dụng chế độ cắt và số lần cắt như Bảng 4.2. Quá trình thí nghiệm tiến hành như sau: - Làm sạch, lau khô bằng cồn và đánh số thứ tự các mảnh dao từ số 1→số 5. - Gá phôi vào chấu cặp sao cho đảm bảo độ đồng tâm cao (do quá trình tạo chuẩn thô trên máy khi tiện thô phôi thép về 60φ ). )1(→ Gá mảnh dao số 1 vào thân dao trên máy, kẹp chặt, chọn điểm chuẩn phôi, dao và chế độ cắt trên màn hình điều khiển. Thứ nhất cho dao chạy hết chiều dài ứng với một lần cắt L1 = 250mm. Dừng máy tiến hành đo nhám bề mặt (chi tiết vẫn phải kẹp chặt trên chấu cặp). Ở đây nhám được đo theo phương đường sinh và tại 3 vị trí khác nhau trên phôi, lấy giá trị trung bình của 3 lần đo ta được trị số Ra, Rz. Tháo mảnh dao và dùng dụng cụ gắp mảnh dao đặt vào vị trí đã đánh dấu trước đó. )2(→ Gá mảnh dao số 2 vào thân dao trên máy, quá trình lặp lại tương tự, chỉ khác số lần cắt tăng gấp 2 ứng với L2 = 500mm,..đo nhám tương tự lần 1. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =69= Bảng 4.2. Chế độ cắt và các thông số nhám ....... Cứ tiến hành theo quy luật này tới mảnh dao số 5 ta sẽ được các thông số đặc trưng cho nhám và lập thành bảng sau: 4.4.2. Xử lý kết quả thí nghiệm 4.4.2.1. Xác định thời gian cắt cơ bản trong các lần cắt Ứng với mỗi mảnh dao ta có thời gian cắt )51( ÷=iti xác định như sau: )(61,2 955.1,0 1.250 . . 1 phnS iLt i === )(69,7 4,974.1,0 3.250 . . 3 phnS iLt i === )(19,5 6,962.1,0 2.250 . . 2 phnS iLt i === )(09,10 6,990.1,0 4.250 . . 4 phnS iLt i === )(36,12 1011.1,0 5.250 . . 5 phnS iLt i === Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =70= Bảng 4.3. Thời gian cắt và các thông số nhám Sau khi tính toán lập được bảng dưới đây: 4.4.2.2. Xây dựng quan hệ giữa thông số nhám bề mặt với thời gian cắt Lượng mòn mảnh dao tăng dần khi một thông số chất lượng bề mặt giảm dần, thể hiện qua nhám Ra (Rz) tăng. Các hình ảnh về lượng mòn mặt sau, mặt trước được chụp bằng kính hiển vi điện tử và xác định ở phần sau. Bằng phần mềm Excel, lấy thông số trên bảng 4.3 ta xây dựng được đồ thị sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =71= 4.4.2.3. Các hình ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử về mòn mảnh dao Hình vẽ 4.7. Đồ thị quan hệ giữa thời gian cắt và nhám Ra, Rz 0 1 2 3 4 5 0 5 10 15 (t ) Phút R a, R z Series1 Series2 [ ]mµ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =72= Hình vẽ 4.8. 1(a,b) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 1 sau 2,61 phút cắt; 1(c,d) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 1 được phóng to với các vết biến dạng dẻo bề mặt;1(e) Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 1;1(f) Hình ảnh mặt sau mảnh số 1được phóng to. 1(a) 1(b) 1(c) 1(d) 1(e) 1(f) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =73= Hình vẽ 4.9. 2(a) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 2 sau 5,19 phút cắt; 2(b,c,d) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 2 được to;3(a,b) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 3 sau 7,69 phút cắt; 3(c,d) Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 3. 2(a) 2(b) 2(c) 2(d) 3(a) 3(b) 3(c) 3(d) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =74= 4(a) 4(b) 4(e) 4(d) 4(c) 4(f) Hình vẽ 4.10. 4(a) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 4 sau 10,09 phút cắt; 4(b) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 4 được to;4(c,d) Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 4 ; 4(e,f) Hình ảnh mảng mòn mặt sau mảnh dao số 4 được phóng to. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =75= Hình vẽ 4.11. 5(a) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 5 sau 12,36 phút cắt; 5(b,c) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 5 được to;5(d) Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 5 ; 5(e,f) Hình ảnh mảng mòn mặt sau mảnh dao số 5 được phóng to;5(b) Hình ảnh cơ chế mòn mặt trước với sự bóc tách của lớp vật liệu dụng cụ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =76= 5(a) 5(b) 5(c) 5(e) 5(f) 5(d) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =77= Hình vẽ 4.12. 1(a) Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 1 sau 2,61 phút cắt; 3(b) Hình vẽ 4.12. 1(a) Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 1 sau 2,61 phút cắt; 3(b) Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 3 sau 7,69 phút cắt;4(c) Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 4 sau 10,09 phút cắt ; 5(d) Hình ảnh mảng mòn mặt sau mảnh dao số 5 sau 12,36 phút cắt. 4.4.2.4. Phân tích cơ chế mòn mảnh dao PCBN Kết quả quan sát các mảnh dao trên kính hiển vi điện tử cho thấy (Phần trên) chúng đều bị mòn cả mặt trước và mặt sau. Sau 2,61 phút cắt, tương ứng với chiều dài cắt 250 mm, dọc theo lưỡi cắt chính xuất hiện vòng cung mòn (hình 1.d) với chiều rộng xấp xỉ mµ10 . Trên vùng mòn mặt trước này không nhìn thấy hình ảnh các hạt CBN như vùng chưa bị mòn. Đấy là hình ảnh mòn vật liệu dòn theo cơ chế "biến dạng dẻo bề mặt do hạt cứng cày trên bề mặt dưới tác dụng của ứng suất pháp rất lớn gây ra" . 1(a) 3(b) 4(c) 5(d) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =78= Sau 5,19 phút cắt, tương ứng với chiều dài cắt là 500 mm, bản chất mòn trên mặt trước không thay đổi tuy chiều dài cung mòn trên lưỡi cắt chính tăng lên nhưng bề rộng của vùng mòn vẫn giữ không đổi khoảng mµ10 .(hình 2.d) Sau 7,69 phút cắt, tương ứng với chiều dài cắt là 750 mm, vùng mòn trên luỡi cắt chính lan rộng gần tới đỉnh nhưng vẫn giữ nguyên bề rộng khoảng mµ10 (hình 3.b). Sau 10,09 phút cắt, tương ứng với chiều dài cắt là 1000 mm, vùng mòn mặt trước phát triển đến cung tròn của lưỡi cắt và lúc này bề rộng vùng cắt đạt tới mµ20 . Cuối cùng khi gian cắt đạt 12,36 phút, tương ứng với chiều dài cắt là 1250 mm, hiện tượng mòn mặt trước thay đổi căn bản như (hình 5.a) với bề rộng vùng mòn khoảng mµ120 , không còn hiện tượng dính của VLGC trên bề mặt vùng mòn mà chỉ có vùng mòn gồ ghề. Từ (hình 5.b) ta thấy rằng những mảnh vật liệu dụng cụ bong ra khỏi bề mặt theo cơ chế mòn dính hoặc dính kết hợp với mỏi. Mòn mặt sau thể hiện trên hình vẽ 4.12; 1(a) sau 2,61 phút cắt; 3(b) sau 7,69 phút cắt; 4(c) sau 10,09 phút cắt và 5(d) sau 12,36 phút cắt. Kết quả quan sát cho thấy, vùng mòn mặt sau phát triển chậm từ khi bắt đầu cắt tới 7,69 phút, đạt chiều cao mòn mặt sau mhs µ50≈ với bề mặt khá bằng phẳng và VLGC dính nhẹ trên bề mặt mòn sau. Sau 10,09 phút cắt thì chiều cao này cũng chỉ đạt mhs µ60≈ . Hình ảnh VLGC dính trên vùng mòn mặt sau thể hiện ở hình 4(c). Tuy nhiên trên mặt sau lại xuất hiện hai mảng dạng vảy nằm ngay phía dưới vùng giao của cạnh tự do của phoi khi thoát khỏi mặt trước với các lưỡi cắt. Hình ảnh phóng to của khối bên trái trên hình 4(e). Đến 12,36 phút gia công thì trên toàn mặt sau của dụng cụ bị biến dạng theo một kiểu đặc biệt với các mảng VLDC dạng vảy, hình 5(e) và 5(d). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =79= VLDC bị dồn nén tạo các mảng vảy nhẵn, rộng với chiều cao vùng mòn mặt sau mhs µ750≈ và VLGC dính trên bề mặt mòn là không đáng kể. 4.4.2.5. Phân tích nhám bề mặt gia công Kết quả đo nhám bề mặt gia công trong mặt phẳng đứng chứa đường tâm của phôi và dọc theo một đường sinh của mặt trụ cho trong bảng 4.3. Giá trị Ra sau 10,09 phút cắt tăng 23% so với sau khi cắt 7,69 phút và tương ứng là sự gia tăng 15% giá trị Rz. Sự tăng đột biến của độ nhám sau 10,09 phút cắt liên quan đến sự phát triển của chiều rộng vùng mòn mặt trước đến 50% và chiều cao vùng mòn mặt sau tới 20% với sự xuất hiện của hai mảng dạng vảy trên vùng mặt sau. Đồ thị quan hệ giữa nhám bề mặt gia công với thời gian cắt thể hiện trên hình vẽ 4.7. 4.4.2.6. Phân tích kết quả và thảo luận Khi gia công bằng dao CBN hiện tượng biến dạng lưỡi cắt không xảy ra, mòn mặt trước và mặt sau đồng thời tồn tại, vùng mòn mặt trước rất gần lưỡi cắt. Trong nghiên cứu này, mòn xuất hiện trên cả hai mặt chỉ sau 2,61 phút cắt. Tuy nhiên vùng mòn mặt trước không nằm gần lưỡi cắt mà phát triển từ lưỡi cắt tạo thành bề mặt tương đối phẳng và phát triển dần theo hướng thoát phoi như trên hình 2(a), 3(a) và 4(a). Trên vùng mòn nhiều hạt CBN bị tách khỏi bề mặt do tương tác của VLGC làm yếu pha thứ hai của VLDC theo như kết quả nghiên cứu của Kenvin và đồng nghiệp [ ]5 , điểm khác biệt ở nghiên cứu này là cơ chế mòn do khuếch tán kết hợp với cào xước do Polachon và đồng nghiệp [ ]32 đề xuất dường như không còn phù hợp với kết quả vừa tìm được. Hình ảnh các rãnh biến dạng dẻo bề mặt do các hạt cứng các bít (FeCr)3C và các ôxít khác trong thép 9XC dưới tác dụng của ứng suất pháp rất lớn ở vùng gần lưỡi cắt gây nên là cơ chế mòn trên mặt trước. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =80= Sau thời gian cắt đủ lớn, khi mòn phát triển dần vào phía trong vùng mặt trước theo hướng thoát phoi, ứng suất pháp giảm đi nhanh chóng, hiện tượng dính trở nên phổ biến ở vùng phoi thoát khỏi mặt trước thì cơ chế mòn do mỏi kết hợp với dính là nguyên nhân của mòn ở vùng này gây bóc tách từng mảnh VLDC ra khỏi vùng bề mặt như trên hình 5(d). Đây chính là phát hiện mới về cơ chế mòn mặt trước trong tiện tinh cứng. Hơn nữa từ hình 5(a) có thể thấy khi mòn mặt trước phát triển trên hầu hết diện tích tiếp xúc giữa phoi và mặt trước thì cơ chế mòn do bóc tách các mảnh vật liệu trở nên chiếm ưu thế, thay cho cơ chế mòn do cào xước làm cho mòn mặt trước phát triển với tốc độ cao hơn. Bề mặt vùng mòn trở nên gồ ghề và không nhẵn như bề mặt vùng mòn mặt trước thông thường. Điều này có thể giải thích do cơ tính của PCBN ít bị suy giảm bởi nhiệt độ cao trong vùng cắt, tuy nhiên tác dụng có chu kỳ của các hạt cứng trong thép lên bề mặt kết hợp với dính đã làm cho bề mặt của dụng cụ bị phá huỷ theo cơ chế dính mỏi kết hợp sau một thời gian gia công nhất định. Mòn mặt sau cũng phát triển theo quy luật thông thường trong cắt kim loại cho đến 7,69 phút, hình 3(c,d). Cơ chế mòn mặt sau tương đối phù hợp với kết quả nghiên cứu của Kenvin như trên hình 3(d). Nhưng sau 10,09 phút gia công trên bề mặt sau lại xuất hiện hai mảng dạng vảy cục bộ, hình 4(c). Đây là vùng tương ứng với các rãnh mòn sâu trên dụng cụ khi cắt các hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao và theo Shaw [ ]33 , các rãnh mòn sâu trên mặt trước và sau ở vùng này có liên quan đến tác dụng truyền nhiệt mạnh ở hai bên rìa của phoi vào bề mặt dụng cụ cắt và đó là hiện tượng mòn phức tạp liên quan đến nhiệt. Theo Trent [ ]35 nhiệt độ cao kết hợp với biến cứng của phoi, tác dụng của ôxi trong môi trường cắt đã tạo nên các rãnh mòn sâu ở vùng này trên dao tiện cácbít khi tiện thép. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =81= Khi thời gian cắt tăng lên 12,36 phút các mảng dạng vảy này phát triển trên toàn mặt sau và một số mảng bong ra tạo nên mòn. Đây cũng là một phát hiện mới về cơ chế mòn mặt sau trong tiện tinh cứng. Từ các kết quả đo nhám bề mặt nhận thấy rằng cho tới 7,69 phút cắt, Ra gần như không thay đổi Ra = 0,53 - 0,60 mµ , nhưng khi thời gian cắt đạt tới 10,09 phút có sự thay đổi đột ngột về nhám bề mặt, Ra tăng xấp xỉ 23%, sau đó thay đổi không nhiều tới 12,36 phút cắt. Nhám bề mặt tăng nhanh khi mòn mặt trước và mặt sau đạt tới một mức nào đó và sau đó giữ gần như không đổi. Điều này có thể liên quan trực tiếp tới sự phát triển giới hạn bề rộng của vùng mòn trên mặt trước tới 20 mµ và sự xuất hiện các mảng dạng vảy trên mặt sau như đã phân tích ở trên. Có thể thấy rằng nếu như mòn trên mặt trước và sau phát triển theo cơ chế khuếch tán, suy yếu pha thứ hai dẫn đến bóc tách các hạt CBN như các nghiên cứu mới đây thì tuổi bền của các mảnh dao CBN có thể sẽ cao hơn nhiều lần so với thực tế. Hiện tượng bong từng mảng VLDC trên mặt trước, tạo thành dạng vảy và bong VLDC ở mặt sau là nguyên nhân cơ bản rút ngắn tuổi bền của dụng cụ cắt. Các cơ chớ mòn này có thể liên quan đến nhiệt, số chu kỳ cào xước của hạt cứng trong VLGC đồng thời dính trên bề mặt tiếp xúc của mặt trước và mặt sau cũng như sự kết hợp với tác dụng ôxi hoá từ môi trường. 4.4.2.7. Kết luận Các kết quả của nghiên cứu cho thấy khi tiện tinh thép 9XC qua tôi cứng bằng dao PCBN mòn xảy ra chủ yếu ở mặt trước và mặt sau. Giai đoạn đầu, cơ chế mòn mặt trước chủ yếu là biến dạng dẻo do tác dụng cào xước của các hạt cứng trong thép và sự tách ra khỏi bề mặt của các hạt CBN. Cơ chế mòn mặt sau là quá trình bóc tách của các hạt CBN do pha thứ hai của VLGC bị yếu đi khi tương tác với VLGC. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =82= Ở giai đoạn sau, cơ chế mòn mặt trước là do mỏi dính với sự bóc tách của từng mảng vật liệu trên mặt trước. Cơ chế mòn này có thể liên quan tới nhiệt, số chu kỳ cào xước của hạt cứng và dính kết hợp với tác dụng ôxy hoá từ môi trường tạo nên các mảng dạng vảy và bong ra khỏi mặt sau. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =83= 4.5. Nghiên cứu mối quan hệ giữa tuổi bền mảnh dao PCBN theo chế độ cắt khi tiện tinh thép 9XC qua tôi 4.5.1. Quá trình cắt thép 9XC bằng dao PCBN Ta biết rằng cơ chế gia công trong tiện cứng là rất phức tạp và đặc biệt, bởi lẽ nhiệt trong quá trình cắt chủ yếu truyền vào phoi (70 - 85%), tuy nhiên sự thay đổi tính chất cơ lý của vật liệu gia công, cấu trúc lớp cắt, thông số hình học phần cắt và các yếu tố khác đều có ảnh hưởng đến tuổi bền dụng cụ cắt. Vật liệu dụng cụ cắt không đồng nhất, phương pháp nhiệt luyện và cách mài dao, bán kính đỉnh dao, sự thay đổi độ cứng vững có liên quan đến chế độ hoạt động của máy - tất cả những yếu tố này có ảnh hưởng đến năng suất gia công. Vì vậy cần có phương pháp nghiên cứu thích hợp tìm ra mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố. Trên cơ sở đó đưa ra giải pháp nâng cao tuổi bền dụng cụ cắt, tức nâng cao năng suất gia công và hạ giá thành sản phẩm. Mối quan hệ giữa các yếu tố được nghiên cứu bằng thực nghiệm với sự thay đổi đồng thời nhiều yếu tố nhằm giảm thời gian và hạn chế các chi phí phụ. Một trong những phương pháp đó là quy hoạch thực nghiệm. Dùng phương pháp này có thể xác định được mô hình toán học mô tả mối quan hệ giữa các yếu tố, đồng thời nếu dùng phần mềm có thể dễ dàng tối ưu hoá được hàm số lựa chọn. Trường hợp vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt được sử dụng như là các thông số độc lập thì mô hình tuổi bền cho quá trình tiện có dạng: 0 1 2 3LnT b b lnV b lnS b ln t= + + + (4-1) Các thí nghiệm được thực hiện trên cơ sở phân tích các yếu tố, có nghĩa là cả 3 thông số V, S, t cùng đồng thời thay đổi. Ở đây ta cần xác định các hệ số 3210 ,,, bbbb . Mỗi yếu tố thay đổi theo hai mức, tức là p2 (p là số các yếu tố thay đổi, p = 3). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =84= Đặt: 321 ln;ln;ln; xtxSxVyLnT ==== Ta nhận được hàm 3322110 xbxbxbby +++= (4-2) 4.5.2. Lựa chọn chế độ cắt cho nghiên cứu và tìm hàm quan hệ Chú ý tới khả năng của máy, mảnh dao và điều kiện gia công tinh sử dụng trong Xưởng thực nghiệm ta chọn được bộ thông số chế độ cắt như sau. Bảng 4.4 Các mức biến đổi này được mã hoá nhờ các phương trình chuyển đổi để mức cao tương ứng (+1), còn mức thấp tương ứng (-1); Từ đó có hệ sau: ( )( ) 1140ln180ln 180lnln2 1 +− − = Vx ( )( ) 107,0ln15,0ln 15,0lnln2 2 +− − = Sx (4-3) ( )( ) 108,0ln14,0ln 14,0lnln2 3 +− − = tx Bảng 4.4. Bộ thông số chế độ cắt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =85= Để đơn giản hoá việc tính toán các thí nghiệm, người ta sử dụng khối lập phương với gốc toạ độ nằm ở tâm của khối lập phương. Các điểm thí nghiệm là các đỉnh khối lập phương (4 đỉnh là các vòng tròn to) và 2 thí nghiệm bổ sung để kiểm tra tính đồng nhất các thí nghiệm (các thí nghiệm 9,10 ở tâm khối lập phương). Nếu giả thiết về tính đồng nhất của các thí nghiệm không được chấp nhận cần phải tiến hành thêm 6 thí nghiệm (4 ở đỉnh, 2 ở tâm). Các thí nghiệm với chế độ cắt được ghi ở đỉnh và tâm khối lập phương. Số liệu cho trong bảng 4.5. 1 3 8 2 5 V = 140 S = 0,07 t = 0,08 1 V = 180 S = 0,07 t = 0,08 V = 140 S = 0,15 t = 0,08 4 V = 180 S = 0,15 t = 0,08 V = 140 S = 0,07 t = 0,14 6 V = 180 S = 0,07 t = 0,14 7 V = 140 S = 0,15 t = 0,14 V = 180 S = 0,15 t = 0,14 9 10 11 12 V = 160 S = 0,11 t = 0,11 )(1 Vx )(2 Sx )(3 tx Hình vẽ 4.13. Quy hoạch thực nghiệm theo khối lập phương Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =86= Các phôi thí nghiệm được chọn là loạt chi tiết con lăn đang được sản xuất hàng loạt tại Xưởng thực nghiệm, chiều dài l = 27,5 mm, Dmax= 49 mm, Dmin= 30 mm, độ cứng đạt 56-58 HRC, chỉ tiêu để xác định tuổi bền là theo chỉ tiêu mòn công nghệ. Khi nhám bề mặt lớn hơn yêu cầu nhám khi tiện tinh ≥ Cấp 7b { }mRa µ18,0 −= thì dừng quá trình cắt và lấy tổng thời gian đã cắt làm tuổi bền mảnh dao. Sau lần bù bán kính mũi dao đầu tiên, cứ sau một loạt 3 chi tiết tiến hành đo nhám chi tiết gia công để xác định thời điểm thay dao. Trên cơ sở 6 thí nghiệm thứ nhất ta xác định các hệ số của phương trình 3322110 xbxbxbby +++= bằng phương pháp cực tiểu. Ma trận của các biến số x của 6 thí nghiệm thứ nhất được thể hiện trong bảng 4.6 Bảng 4.5. Ma trận thí nghiệm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =87= Theo phương pháp cực tiểu thì tổng bình phương của các giá trị sai lệch y từ các sai lệch theo phương trình (4-2) phải nhỏ nhất, tức là: ( ) Minxbxbxbby =−−−−∑ 23322110 (4-4) Vế trái của (4-4) được ký hiệu bằng các chữ f (hàm số của biến số 3210 ,,, bbbb ). Cực tiểu hàm số này được tính theo các phương trình sau: ;0;0;0;0 3210 = ∂ ∂ = ∂ ∂ = ∂ ∂ = ∂ ∂ b f b f b f b f (4-5) Sau khi khai triển theo (4-5), biến đổi và rút gọn ta nhận được: ∑∑∑∑ +++= 3322110 xbxbxbNby 313212211101 xxbxxbxbxbyx ∑∑∑∑∑ +++= (4-6) 323222211202 xxbxbxxbxbyx ∑∑∑∑∑ +++= 322233311303 xxbxbxxbxbyx ∑∑∑∑∑ +++= Ở đây: + N y b ∑=0 với N =6; Bảng 4.6. Ma trận 6 thí nghiệm thứ nhất Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =88= + ∑ ∑= 2 1 1 1 x yx b + ∑ ∑ = 2 2 2 2 x yx b + ∑ ∑= 2 3 3 3 x yx b ; chú ý rằng: ∑ 21x =∑ 22x =∑ 23x = 4; Cách tính ib , ví dụ ( ) ( )8532181513121 4 1 4 1 yyyyxyxyxyxyb +−−=+++= Thay các trị số iy (i = 2-8) vào hệ trên nhận được: ( ) ( ) 27,309,300,348,208,414,483,2 6 1 6 1 6543210 =++++++++++=→ yyyyyyb ( ) ( ) 73,048,208,414,483,2 4 1 4 1 85321 −=+−−=+−−=→ yyyyb ( ) ( ) 07,048,208,414,483,2 4 1 4 1 85322 −=+−+−=+−+−=→ yyyyb ( ) ( ) 10,048,208,414,483,2 4 1 4 1 85323 −=++−−=++−−=→ yyyyb Thay các hệ số trên vào (4.2) nhận được: 321 1,007,073,027,3 xxxLnTy −−−== (4-7) Hệ (3) có thể viết dưới dạng: ( )( ) 52,40ln81140ln180ln 180lnln2 1 −=+− − = VVx ( )( ) 6ln63,2107,0ln15,0ln 15,0lnln2 2 +=+− − = SSx (4-8) ( )( ) 04,8ln57,3108,0ln14,0ln 14,0lnln2 3 +=+− − = ttx Cuối cùng thay (8) vào (7) nhận được: tSVLnTy ln57,0ln18,0ln84,563,31 −−−== (4-9) Hàm (9) hoàn toàn tương hợp với mô hình toán học dạng logarit bậc nhất mà lý thuyết đã đưa ra. Vậy mối quan hệ giữa tuổi bền mảnh dao PCBN có quan hệ bậc nhất dạng logarít với chế độ cắt khi tiện cứng thép 9XC. Từ mô hình này ta có thể tối ưu hoá các thông số khác khá dễ dàng, bằng tính toán đại số hay phần mềm Matlap. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =89= 4.6. PHẦN KẾT LUẬN CHUNG VÀ H ƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CỦA ĐỀ TÀI 4.6.1. Phần k ết luận chung Qua nội dung đã thực hiện của Luận văn, tác giả rút ra được các kết luận sau: - Đánh giá tổng quan các nghiên cứu gần đây trong lĩnh vực tiện nói chung và tiện cứng nói riêng trên các khía cạnh về lý, hoá, nhiệt, chất lượng bề mặt, mòn và tuổi bền,... - Giới thiệu các nguyên nhân gây mòn trong tiện cứng đồng thời kiểm nghiệm và phát hiện những vấn đề mới về mòn mảnh dao CBN. Đặc biệt với loại thép hợp kim điển hình ở Việt Nam là 9XC. - Trên cơ sở nghiên cứu tìm được sẽ đề xuất các biện pháp c ông nghệ nâng cao tuổi bền mảnh dao CBN, nâng cao hiệu quả trong gia công cắt gọt. - Tìm được bản chất tương tác ma sát trên mặt trước của dụng cụ. - Tìm được công thức biểu diễn quan hệ giữa chế độ cắt với tuổi bền mảnh dao CBN thông qua hàm hồi quy thực nghiệm. Từ hàm này có thể tối ưu hoá dễ dàng để đạt mục tiêu là Tmax. - Ứng dụng trực tiếp vào một cơ sở sản xuất tại nơi làm thực nghiệm đề tài. 4.6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài Kết quả nghiên cứu của đề tài chỉ dừng ở một chế độ công nghệ, một kiểu mảnh dao, một loại vật liệu và khoảng độ cứng nhất định. Vì vậy cần tiến hành thí nghiệm một cách tổng quan hơn để tìm ra các quy luật rộng hơn trong cơ chế gây mòn mảnh CBN nói chung. Hàm hồi quy tìm được là hàm logarit bậc một, có thể tối ưu nhằm đạt được hàm mục tiêu yêu cầu. Tuy nhiên trong một điều kiện nhất định nào đó tác giả vẫn khuyến cáo nên dùng hàm logarit bậc hai để nhận được các ảnh hưởng tới tuổi bền toàn diện hơn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =90= Việc tối ưu hoá vấn đề nhiệt cắt, lực cắt, thông số hình học của dao và đặc biệt là có nên hay không việc sử dụng biện pháp bôi trơn tối thiểu trong vùng cắt khi tiện cứng ? Những gợi mở trên giúp các nhà nghiên cứu có thêm nhiều dữ liệu để kiểm tra, đánh giá và phát hiện mới về lĩnh vực tiện nói riêng và tiện cứng nói chung.