Tài liệu Khảo sát mòn và chất lượng bề mặt gia công khi tiện lỗ thép hợp kim qua tôi bằng dao pcbn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -------------------------------------------- PHẠM THỊ TUYẾN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT MÒN VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG KHI TIỆN LỖ THÉP HỢP KIM QUA TÔI BẰNG DAO PCBN CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học HDKH: PGS.TS. Phan Quang Thế THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -2- ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ********************* LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Họ và tên học viên: Phạm Thị Tuyến GV hướng dẫn:PGS.TS. Phan Quang Thế Tên đề tài : Khảo sát mòn và chất lượng bề mặt gia công khi tiện lỗ thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy Mã HV: TNU088625204028 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Phan Quang Thế KHOA ĐÀO TẠO DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN Phạm Thị Tuyến BAN GIÁM HIỆU THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -3Mục lục Lời nói đầu………………………………………………………………...7 1. Tính cấp thiết của đề tài. ....................................................................... 7 2. Mục đích và đối tượng nghiên cứu……………………………………11 3. Phương pháp nghiên cứu..................................................................... 11 4. Ý nghĩa của đề tài ................................................................................ 11 4.1. Ý nghĩa khoa học ......................................................................... 11 4.2. Ý nghĩa thực tiễn .......................................................................... 11 NỘI DUNG ĐỀ TÀI Chương I Nghiên cứu tổng quan về công nghệ tiện cứng………...…12 1.1. Tìm hiểu về công nghệ tiện cứng. .................................................... 12 1.1.1. Giới thiệu chung. ....................................................................... 12 1.1.2. Máy và dụng cụ trong tiện cứng. .............................................. 13 1.1.3. Vật liệu CBN, cấu trúc của mảnh dao....................................... 15 1.2. Tìm hiểu các kết quả nghiên cứu về tiện cứng. ............................... 18 1.3. Kết luận ............................................................................................ 19 Chương 2 Chất lượng bề mặt khi tiện cứng và mòn dụng cụ………..20 2.1. Khái niệm chung về lớp bề mặt ....................................................... 20 2.2. Bản chất của lớp bề mặt ................................................................... 21 2.3. Tính chất lý hoá của lớp bề mặt ....................................................... 21 2.3.1. Lớp biến dạng............................................................................ 21 2.3.2. Lớp Beilbly ............................................................................... 22 2.3.3. Lớp tương tác hóa học............................................................... 22 2.3.4. Lớp hấp thụ hóa học .................................................................. 22 2.3.5. Lớp hấp thụ vật lý ..................................................................... 23 2.4. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt khi tiện cứng .................... 23 2.4.1. Độ nhám bề mặt và phương pháp đánh giá .............................. 23 2.4.2. Tính chất cơ lý lớp bề mặt sau gia công cơ .............................. 24 2.5. Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi tiện cứng ............. 32 2.5.1. Ảnh hưởng của các thông số hình học của dụng cụ cắt ............ 32 2.5.2. Ảnh hưởng của tốc độ cắt ......................................................... 33 2.5.3. Ảnh hưởng của lượng chạy dao ................................................ 34 2.5.4. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt .................................................... 35 2.5.5. Ảnh hưởng của vật liệu gia công .............................................. 35 2.5.6. Ảnh hưởng của rung động trong hệ thống công nghệ .............. 35 2.6. Mòn dụng cụ cắt ............................................................................... 36 2.6.1. Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt ............................................... 36 2.6.2. Mòn dụng cụ cắt và cách xác định ........................................... 39 2.6.3. Ảnh hưởng của mòn dụng cụ đến chất lượng bề mặt khi tiện cứng ..................................................................................................... 43 2.6.4. Kết luận ..................................................................................... 43 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -42.7. Tuổi bền của dụng cụ cắt ................................................................. 43 2.7.1. Các nhân tố ảnh hưởng đến tuổi bền của dụng cụ cắt khi tiện cứng ..................................................................................................... 44 2.7.2. Phương pháp xác định tuổi bền dụng cụ cắt ............................. 47 2.7.3. Tuổi bền của dụng cụ cắt khi tiện cứng .................................... 49 2.8. Kết luận chương 2. ........................................................................... 49 Chương 3 Xây dựng hệ thống thực nghiệm...………...……...…….....50 3.1. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm. ................................................. 50 3.1.1. Chọn thông số vào..................................................................... 50 3.1.2. Chọn chỉ tiêu đánh giá. ............................................................. 52 3.1.3. Nhiễu khi tiện cứng. ................................................................. 54 3.2. Xây dựng quy hoạch thực nghiệm. .................................................. 54 3.2.1. Các nguyên tắc cơ bản của quy hoạch thực nghiệm. ................ 54 3.2.2. Chọn loại kế hoạch thực nghiệm và mô hình hồi quy thực nghiệm. ................................................................................................ 55 3.2.3. Xác định miền qui hoạch. ......................................................... 67 3.3. Hệ thống thiết bị thí nghiệm. ........................................................... 68 3.3.1. Máy thí nghiệm. ........................................................................ 68 3.3.2. Vật liệu thí nghiệm. ................................................................... 70 3.3.3. Dao ............................................................................................ 71 3.3.4. Chế độ cắt ................................................................................. 72 3.3.5. Hệ thống đo lường..................................................................... 72 Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm và thảo luận kết quả……………74 4.1. Các bước nghiên cứu tối hóa quá trình tiện lỗ thép 9XC qua tôi…..74 4.1.1. Các hàm mục tiêu khi tiện tinh lỗ thép 9XC qua tôi................. 74 4.1.2. Chọn dạng hàm hồi quy. ........................................................... 74 4.2. Tối ưu hóa quá trình tiện lỗ thép 9XC qua tôi bằng dao gắn mảnh PCBN. ..................................................................................................... 78 4.2.1. Xây dựng thuật toán quy hoạch thực nghiệm. .......................... 78 4.2.2. Xác định hàm hồi quy. .............................................................. 79 4.3. Nghiên cứu hình thái, cấu trúc và tính chất cơ lý lớp bề mặt và cơ chế mòn của mảnh dao PCBN………………………………………….84 4.3.1. Nghiên cứu hình thái bề mặt mảnh dao PCBN. ........................ 84 4.3.2. Nghiên cứu cấu trúc và tính chất cơ lý lớp kim loại bề mặt. .... 88 4.4. Thảo luận kết quả nghiên cứu khi tiện cứng thép 9XC bằng mảnh dao PCBN............................................................................................ 89 Phần kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài………………….91 1. Kết luận chung. ......................................................................... ……..91 2. Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài. .............................................. 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO.……………………………………………...92 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -5- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1. Máy tiện CNC – Nhật 11 Hình 1.2. Máy tiện CNC MaJax NHật 12 Hình 1.3. Máy Emco Turn 332 Mcplus và Quá trình cắt khô trong tiện 12 cứng Hình 1.4. Mảnh hợp kim có CBN ở mũi 14 Hình 1.5. Ký hiệu một số mảnh CBN dùng trong tiện cứng 15 Hình 2.1.Chi tiết bề mặt vật rắn 19 Hình 2.2. Quan hệ giữa bán kính mũi dao và chiều sâu lớp biến cứng với 24 các lượng chạy dao khác nhau (khi dao chưa bị mòn) [7] Hình 2.3. Quan hệ giữa vận tốc cắt với chiều sâu lớp biến cứng ứng với 24 các lượng mòn mặt sau khác nhau của dao tiện [19] Hình 2.4. Quan hệ giữa bán kính mũi dao, chiều sâu cắt và ứng suất dư 27 lớp bề mặt Hình 2.5:Ảnh hưởng của thông số hình học của dao tiện tới độ nhám bề 29 mặt Hình 2.6. Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới nhám bề mặt khi gia công thép 30 Hình 2.7. Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt 31 Hình 2.8. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt liên tục (a) 33 và khi cắt gián đoạn (b) Hình 2.9. Các dạng mòn phần cắt của dụng cụ khi tiện 36 Hình 2.10. Quan hệ giữa một số dạng mòn của dụng cụ hợp kim cứng với 36 thể tích Vc .t10,6 , trong đó V tính bằng m/ph; t1 tính bằng (mm/vg) Hình 2.11. Các thông số đặc trưng cho mòn mặt trước và mặt sau – 38 ISO3685 Hình 2.12. Vùng mài lại của dụng cụ cắt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 38 http://www.lrc-tnu.edu.vn -6Hình 2.13. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến mòn mặt trước và mặt sau của 41 dao thép gió S12-1- 4-5 dùng tiện thép AISI C1050, với t = 2mm. Thông số hình học của dụng cụ:  = 80,  =100,  = 40,  = 900,  = 600, r =1mm, T =30 phút [3]. Hình 2.14. Tuổi bền dụng cụ tính theo thể tích phoi được bóc tách [15] Hình 2.15. Tuổi bền dụng cụ tính bằng phút [15] 42 Hình 2.16. Quan hệ giữa lượng mòn mặt sau và tuổi bền mảnh PCBN 43 42 với góc trước n Hình 2.17. Quan hệ giữa thời gian cắt, tốc độ cắt và độ mòn của dao 44 Hình 2.18. Quan hệ giữa tốc độ cắt V và tuổi bền T của dao 44 Hình 2.19. Quan hệ giữa V và T (đồ thị lôgarit) 45 Hình 3.1. Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm. 47 Hình 3.2. Sơ đồ khối xử lý kết quả đo. 54 Hình 3.3. Sơ đồ khối xác định hàm hồi quy một biến 55 Hình 3.4. Sơ đồ khối xác định hàm hồi quy nhiều biến. 60 Hình 3.5. Sơ đồ khối thuật toán Gradient 63 Hình 3.6. Máy tiện CNC- HTC2050 65 Hình 3.7: Hệ thống thiết bị thí nghiệm 66 Hình 3.8. Phôi thí nghiệm 67 Hình 3.9. Mảnh dao EB28X, 160308 T2001 68 Hình 3.10. Thân dao MTENN 2020K16-N (hãng CANELA) 68 Hình 3.11. Máy đo độ nhám bề mặt SJ – 201. 69 Hình 3.12. Kính hiển vi điện tử TM-1000 69 Hình 4.1. Sơ đồ cấu trúc chương trình phần mềm hồi quy và tối ưu hóa. 71 Hình 4.2. Đồ thị quan hệ của nhám bề mặt Ra với S,V 77 Hình 4.3. Đồ thị quan hệ của nhám bề mặt Ra với t,S 78 Hình 4.4. Đồ thị quan hệ của nhám bề mặt Ra với t,V 78 Hình 4.5. Ảnh SEM bề mặt của mảnh dao PCBN khi tiện cứng thép 9XC 80 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -7tại t = 0,08 mm; Sn = 0,045 mm/vg;  = 150 m/ph; L=80mm. Hình 4.6. Ảnh SEM bề mặt của mảnh dao PCBN khi tiện cứng thép 9XC 80 tại t = 0,08 mm; Sn = 0,045 mm/vg;  = 150 m/ph; L=160mm Hình 4.7. Ảnh SEM bề mặt của mảnh dao PCBN khi tiện cứng thép 9XC 81 tại t = 0,08 mm; Sn = 0,045 mm/vg;  = 150 m/ph; L=240mm Hình 4.8. Ảnh SEM bề mặt của mảnh dao PCBN khi tiện cứng thép 9XC 81 tại t = 0,06 mm; Sn = 0,09 mm/vg;  = 180 m/ph; L=80mm. Hình 4.9. Ảnh SEM bề mặt của mảnh dao PCBN khi tiện cứng thép 9XC 82 tại t = 0,06 mm; Sn = 0,09 mm/vg;  = 180 m/ph; L=160mm. Hình 4.10. Ảnh SEM bề mặt của mảnh dao PCBN khi tiện cứng thép 82 9XC tại t = 0,06 mm; Sn = 0,09 mm/vg;  = 180 m/ph; L=240mm. Hình 4.11. Ảnh cấu trúc bề mặt của mảnh dao PCBN khi tiện cứng thép 83 9XC tại t = 0,06 mm; Sn = 0,09 mm/vg;  = 120 m/ph. Hình 4.12. Ảnh cấu trúc bề mặt của mảnh dao PCBN khi tiện cứng thép 9XC tại t = 0,10 mm; Sn = 0,09 mm/vg;  = 120 m/ph. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 83 -8- DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 2.1: Mức độ và chiều sâu lớp biến cứng của các phương pháp gia 22 công cơ Bảng 2.2: Các thông số chế độ cắt khác nhau của Dawson và Thomas [15] 42 Bảng 3.1: Ma trận quy hoạch trung tâm hợp thành đối xứng với 3 thông 64 số ảnh hưởng. Bảng 3.2: Thành phần hoá học của mẫu thí nghiệm thép 9XC. 67 Bảng 4.1: Giá trị mã hóa và giá trị thực ở các mức của các thông số. 73 Bảng 4.2: Ma trận thí nghiệm khi tiện cứng thép 9XC 73 Bảng 4.3: Kết quả thí nghiệm tiện tinh lỗ thép 9XC qua tôi bằng dụng cụ 74 cắt gắn mảnh PCBN. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -9- LỜI NÓI ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài. Các chi tiết máy có độ chính xác, chất lượng bề mặt và độ bền cao là cơ sở cho sự ra đời các loại máy móc, thiết bị hiện đại, có chất lượng cao (độ chính xác, độ tin cậy, độ bền cao…). Phương pháp tiện cứng có một vị trí quan trọng trong gia công cơ khí hiện đại nhờ khả năng vượt trội so với các phương pháp cắt gọt khác khi gia công những vật liệu có độ bền cơ học và độ cứng cao cho độ chính xác và độ nhẵn bóng bề mặt cao. Tiện cứng, hay là tiện các thép cứng, được hiểu là phương pháp gia công bằng tiện các chi tiết có độ cứng cao (45 † 70 HRC). Tiện cứng nói chung được tiến hành cắt khô hoặc gần giống như cắt khô và phổ biến sử dụng dao bằng vật liệu siêu cứng như Nitrit Bo lập phương đa tinh thể (PCBN-Polycrystalline Cubic Boron Nitride, thường được gọi là CBN-Cubic Boron Nitride), PCD hoặc Ceramic tổng hợp[10], [16]. Sự ra đời và phát triển của vật liệu dụng cụ cắt PCBN như là một giải pháp tối ưu cho tiện cứng. Khi đã tôi cứng, 1 số chi tiết không thể khoan khoét được, vì trong thực tế có rất nhiều chi tiết phải tôi xong người ta mới gia công, đối với các mặt ngoài có chiều dài lớn thì có thể mài, nhưng các mặt ngoài có chiều dài ngắn, dùng tiện hiệu quả hơn nhiều như phôi bánh răng, trục cam...Mài chỉ có hiệu quả khi chiều dài chi tiết lớn. Các chi tiết bậc nhiều liên tiếp, lỗ nhỏ dùng mài không có hiệu quả, lỗ không mài được nên bắt buộc phải tiện cứng. Sử dụng tiện cứng không những đã trở nên ngày càng phổ biến, mà hiện nay còn là phương pháp được chấp nhận nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm trong gia công cuối. Ngày nay bằng cách dùng tiện cứng thay cho mài, sẽ dễ dàng gia công các bề mặt phức tạp của sản phẩm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -10Tuy nhiên, tiện cứng có một số nhược điểm đáng lưu ý như: Chi phí dụng cụ cắt cao, nhiệt cắt cao do chủ yếu sử dụng phương pháp cắt khô và cắt ở tốc độ cắt cao. Chất lượng bề mặt gia công và mòn dụng cụ là hai yếu tố quan trọng trong quá trình gia công. Chất lượng bề mặt ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc, độ bền, độ bền mòn của chi tiết máy. Mòn dụng cụ không chỉ làm giảm độ chính xác hình dạng chi tiết mà còn làm tăng lực cắt, tăng ma sát và nhiệt một cách đáng kể dẫn đến phá huỷ bề mặt chi tiết gia công và dụng cụ cắt. Mòn dụng cụ là hàm số của cơ tính của vật liệu gia công và chế độ cắt trong tiện cứng. Những kết quả nghiên cứu được công bố gần đây trên các tạp chí khoa học cho thấy việc nghiên cứu chủ yếu tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số như Cơ chế cắt [6],[7], mòn dao [3],[4], Những nghiên cứu này cho thấy điều kiện cắt (chẳng hạn như tốc độ cắt, lượng chạy dao, hình học dụng cụ, thuộc tính vật liệu của cả chi tiết gia công lẫn dao) ảnh hưởng rõ rệt đến bề mặt gia công cuối,...nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt gia công khi tiện tinh thép X12M qua tôi bằng dao gắn mảnh PCBN[1]. Tuy nhiên các đề tài nghiên cứu chủ yếu tập trung vào khảo sát ảnh hưởng của chi tiết và dụng cụ khi tiện hoặc phay các bề mặt ngoài với điều kiện gia công dễ, độ cứng vững của hệ thống công nghệ cao nên chất lượng bề mặt đạt được tốt. Còn đối với tiện lỗ thì điều kiện gia công khó khăn hơn và phụ thuộc nhiều vào đường kính lỗ, độ cứng vững của hệ thống công nghệ kém hơn, điều kiện thoát phoi thoát nhiệt kém hơn so với tiện ngoài nên chất lượng bề mặt đạt được cũng kém hơn. Mặt khác việc nghiên cứu khảo sát mòn và chất lượng bề mặt khi gia công lỗ thép hợp kim bằng tiện cứng còn ít được đề cập đến. Do vậy đề tài:” Khảo sát mòn và chất lượng bề mặt gia công khi tiện lỗ thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN” là cần thiết và có tính ứng dụng trực tiếp. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -112. Mục đích và đối tượng nghiên cứu. Nghiên cứu về dạng mòn, cơ chế mòn của dụng cụ và chất lượng bề mặt gia công khi tiện lỗ thép hợp kim qua tôi (9XC) bằng dao PCBN. 3. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. - Nghiên cứu lý thuyết về bản chất vật lý của quá trình tiện cứng và tiện lỗ. - Xây dựng hệ thống thí nghiệm. - Nghiên cứu thực nghiệm để xác định dạng mòn và cơ chế mòn dụng cụ (mảnh CBN) và chất lượng bề mặt thông qua hàm hồi quy thực nghiệm (nhám bề mặt) khi tiện lỗ. - Phân tích sự mòn dao và bề mặt chi tiết sau đó tổng hợp kết quả thu được. Từ đó đưa ra các thông số chế độ cắt hợp lý. 4. Ý nghĩa của đề tài 4.1. Ý nghĩa khoa học Đề tài phù hợp với xu thế phát triển khoa học và công nghệ gia công kim loại trong nước cũng như khu vực và trên thế giới. Khảo sát cơ chế mòn dụng cụ và chất lượng bề mặt khi tiện lỗ thép hợp kim sẽ đóng góp thêm kiến thức thực tiễn về quá trình tiện cứng. Cung cấp thêm các kiến thức về mòn, cơ chế mòn, tốc độ mòn và chất lượng lớp bề mặt. 4.2. Ý nghĩa thực tiễn Việc khảo sát mòn và chất lượng bề mặt khi gia công lỗ thép hợp kim có ý nghĩa thực tiễn quan trọng. Kết quả của việc nghiên cứu này sẽ là cơ sở để áp dụng vào các quá trình gia công lỗ thép hợp kim một cách thích hợp nhất mà phương pháp mài không thể mài được như gia công các lỗ nhỏ thông hoặc các chi tiết có lỗ bậc.. Cối thuốc viên, cối pin.... - Kết quả nghiên cứu cũng có thể dùng làm tham khảo cho các cơ sở sản xuất có sử dụng mảnh dao là vật liệu PCBN. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -12- NỘI DUNG ĐỀ TÀI Chương I NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TIỆN CỨNG 1.1. Tìm hiểu về công nghệ tiện cứng. 1.1.1. Giới thiệu chung. 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. 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. Các chi tiết như con lăn dùng trong cán thép, 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. 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[10],[11],[12],[18]: - Giảm thời gian và chu kỳ gia công một sản phẩm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -13- 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 nằm ngoài vùng cho phép (trục dài), khi chiều sâu cắt nhỏ hơn chiều sâu cắt tới hạn (tmin) thì quá trình cắt không thể thực hiện được. 1.1.2. Máy và dụng cụ trong tiện cứng. Máy sử dụng trong tiện cứng thường là các máy CNC có tốc độ được điều chỉnh vô cấp, điều này giúp chọn được tốc độ tối ưu khi tiện. Hiện nay trên thị trường có rất nhiều các loại máy tiện CNC của các hãng như: Nhật, Đức, Trung Quốc … Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -14Hình 1.1. Máy tiện CNC – Nhật Hình 1.2. Máy tiện CNC MaJax NHật Hình 1.3. Máy Emco Turn 332 Mcplus và Quá trình cắt khô trong tiện cứng Vật liệu dụng cụ khi tiện cứng thường sử dụng là các 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  50HRC). 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 tinh các sản phẩm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -15Các sản phẩm trong tiện cứng khá linh hoạt, từ các chi tiết dạng trục trơn (các trục ngắn), con lăn, các lỗ lắp bi của con lăn, các lỗ cần độ chính xác cao sau khi tôi... 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 suất phù hợp. Chính vì vậy mà các máy tiện NC, CNC được khuyến cáo thực hiện công việc này. 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. 1.1.3. Vật liệu CBN, cấu trúc của mảnh dao. 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 mảnh carbide thì các mảnh CBN đắt hơn đáng kể (từ 4 -5 lần), nhưng dao CBN chế tạo được nhiều sản phẩm hơn. Chi phí dao cụ sẽ không đáng kể khi tính đến việc loại nguyên công mài tinh. Nhiều xưởng sản xuất còn nhận Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -16thấy rằng việc giảm chi phí dung dịch trơn nguội do cắt khô bù đắp lượng chi phí cao hơn về dao. Hình 1.4. Mảnh hợp kim có CBN ở mũi. PCBN được tạo thành bằng cách thấm các hạt CBN vào nền carbide liên kết ở nhiệt độ cao (1700 – 1800oC), áp suất 6.900MPa. Lớp nền carbide gồm các hạt carbide wolfram nhỏ liên kết chặt chẽ với nhau bằng cobalt. Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, cobalt bị chảy lỏng và bao các CBN, liên kết các hạt mài. Quá trình này tạo ra một khối đa tinh thể. Cấu trúc đa tinh thể của CBN có các tính chất ổn định đẳng hướng, chống được sự mẻ và rạn nứt, có độ cứng đồng nhất và tính chống mòn cao theo mọi hướng. Các mảnh dao làm bằng PCBN có tính cắt gọt rất tốt. Có thể cắt ở tốc độ cao, chiều sâu cắt lớn, gia công được các thép đã tôi cứng và các hợp kim bền nóng (độ cứng trên 35HRC) như inconel 600, rene, stellite, colmonoy… Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -17- Hình 1.5. Ký hiệu một số mảnh CBN dùng trong tiện cứng So sánh tiện cứng với tiện thường và mài Tiện cứng có những khác biệt đáng kể so với tiện truyền thống vật liệu mềm. Bởi vì vật liệu trong tiện cứng có độ cứng cao hơn nên lực cắt sinh ra khi tiện cứng cũng lớn hơn. Vì thế lượng ăn dao khi tiện cứng phải được giới hạn. Trong hầu hết các trường hợp, mảnh hợp kim tiện cứng phải có các thông số hình học âm. Góc trước âm tạo điều kiện cắt gọt tốt cho lưỡi cắt vì tốc độ càng cao và chiều sâu cắt tương đối nhỏ tập trung lực ở đó. Tuy nhiên, đôi khi doa lỗ thì góc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -18trước dương là tốt nhất. Tương tự như vậy, để bảo vệ lưỡi cắt không bị mẻ, trên mảnh hợp kim người ta vát mép các lưỡi cắt hoặc bo tròn. Tiện thông thường bị giới hạn bởi độ cứng của vật liệu. Trong khi đó 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 được gia công bằng tiện cứng đã mở rộng khả năng của tiện cứng kể cả công việc sửa chữa. 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 [3]. Nhiều nhà máy chế tạo ổ đỡ, bánh răng, con lăn và trục bằng thép đã tôi sử dụng chế độ cắt này. Họ có thể đạt dung sai kích thước là rất nhỏ 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. 1.2. Tìm hiểu các kết quả nghiên cứu về tiện cứng. 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 52100 (tiêu chuẩn Mỹ). Đồng thời các nghiên cứu này chưa đề cập nhiều về vấn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -19đề 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. Những kết quả nghiên cứu được công bố gần đây trên các tạp chí khoa học cho thấy việc nghiên cứu chủ yếu tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số như Cơ chế cắt [1,2], mòn dao [3,4], Những nghiên cứu này cho thấy điều kiện cắt (chẳng hạn như tốc độ cắt, lượng chạy dao, hình học dụng cụ, thuộc tính vật liệu của cả chi tiết gia công lẫn dao) ảnh hưởng rõ rệt đến bề mặt gia công cuối,...nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt gia công khi tiện tinh thép X12M qua tôi bằng dao gắn mảnh PCBN[6]. 1.3. Kết luận - Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ khi tiện cứng đến mòn và tuổi bền mảnh dao là cần thiết đối với công đoạn gia công tinh. Đặc biệt khi công nghệ này được áp dụng tại các cơ sở sản xuất ở nước ta. Việc tìm ra bộ thông số cắt và mối quan hệ giữa tuổi bền và chế độ cắt ứng với một khoảng giá trị độ cứng cụ thể cho từng trường hợp tiện như tiện các bề mặt ngoài và các bề mặt lỗ là vấn đề có tính ứng dụng cao. - 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -20- Chương 2 CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI TIỆN CỨNG VÀ MÒN DỤNG CỤ CẮT 2.1. Khái niệm chung về lớp bề mặt Chất lượng bề mặt là tập hợp nhiều tính chất quan trọng của lớp bề mặt, như hình dáng lớp bề mặt, trạng thái, tính chất cơ lý của lớp bề mặt và khả năng phản ứng của chúng đối với môi trường làm việc. Chất lượng chi tiết máy phụ thuộc vào phương pháp và điều kiện gia công cụ thể. Chất lượng bề mặt là mục tiêu chủ yếu cần đạt ở bước gia công tinh các bề mặt chi tiết máy. Lớp bề mặt chi tiết máy khác với lớp lõi về cấu trúc kim loại, về tính chất cắt gọt và trạng thái biến cứng. Nguyên nhân của hiện tượng này là do quá trình biến dạng dẻo lớp bề mặt. Mức độ và chiều sâu biến cứng bề mặt phụ thuộc vào nhiều yếu tố, các yếu tố này cũng ảnh hưởng tới lực cắt và nhiệt cắt. Đối với các bề mặt chịu tải trọng lớn cần đặc biệt chú ý tới tính cơ lý của lớp bề mặt. Bề mặt là mặt phân cách giữa hai môi trường khác nhau. Bề mặt kim loại có thể được tạo thành bằng các phương pháp gia công khác nhau nên có cấu trúc và đặc tính khác nhau. Để xác định đặc trưng của bề mặt ta cần biết mô hình và định luật kim loại nguyên chất – không có tương tác với các môi trường khác và sự khác nhau về sự sắp xếp các nguyên tử, tác dụng của lực trên bề mặt so với bên trong. Sau đó nghiên cứu sự thay đổi của lớp bề mặt do tác dụng của môi trường để thiết lập khái niệm mô hình bề mặt thực. Nhiều tính chất khối của vật liệu có quan hệ đến bề mặt ở mức độ khác nhau. Thường các tính chất lý, hóa của các lớp bề mặt là quan trọng, tuy nhiên các đặc trưng cơ học như độ cứng và phân bố ứng suất trong lớp này cũng cần được quan tâm [8]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn