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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

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

THÁI NGUYÊN - 2010

NGƯỜI HƯỚNG HỌC VIÊN

DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. Phan Quang Thế Phạm Thị Tuyến

KHOA ĐÀO TẠO BAN GIÁM HIỆU

DẪN KHOA HỌC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

-3-

Mục 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

-4-

2.7. 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

cứng

12

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

các lượng chạy dao khác nhau (khi dao chưa bị mòn) [7]

24

Hình 2.3. Quan hệ giữa vận tốc cắt với chiều sâu lớp biến cứng ứng với

các lượng mòn mặt sau khác nhau của dao tiện [19]

24

Hình 2.4. Quan hệ giữa bán kính mũi dao, chiều sâu cắt và ứng suất dư

lớp bề mặt

27

Hình 2.5:Ảnh hưởng của thông số hình học của dao tiện tới độ nhám bề

mặt

29

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)

và khi cắt gián đoạn (b)

33

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

thể tích

0,6 V .t c 1

, trong đó V tính bằng m/ph; t1 tính bằng (mm/vg)

36

Hình 2.11. Các thông số đặc trưng cho mòn mặt trước và mặt sau –

ISO3685

38

Hình 2.12. Vùng mài lại của dụng cụ cắt 38

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

-6-

Hình 2.13. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến mòn mặt trước và mặt sau của

dao thép gió S12-1- 4-5 dùng tiện thép AISI C1050, với t = 2mm. Thông

số hình học của dụng cụ:  = 8

0

,  =100

,  = 4

0

,  = 900

,  = 600

, r =1mm,

T =30 phút [3].

41

Hình 2.14. Tuổi bền dụng cụ tính theo thể tích phoi được bóc tách [15]

42

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

với góc trước n

43

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

-7-

tại 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

tại t = 0,08 mm; Sn = 0,045 mm/vg;  = 150 m/ph; L=160mm

80

Hình 4.7. Ảnh SEM bề mặt của mảnh dao PCBN khi tiện cứng thép 9XC

tại t = 0,08 mm; Sn = 0,045 mm/vg;  = 150 m/ph; L=240mm

81

Hình 4.8. Ảnh SEM bề mặt của mảnh dao PCBN khi tiện cứng thép 9XC

tại t = 0,06 mm; Sn = 0,09 mm/vg;  = 180 m/ph; L=80mm.

81

Hình 4.9. Ảnh SEM bề mặt của mảnh dao PCBN khi tiện cứng thép 9XC

tại t = 0,06 mm; Sn = 0,09 mm/vg;  = 180 m/ph; L=160mm.

82

Hình 4.10. Ảnh SEM bề mặt của mảnh dao PCBN khi tiện cứng thép

9XC tại t = 0,06 mm; Sn = 0,09 mm/vg;  = 180 m/ph; L=240mm.

82

Hình 4.11. Ảnh cấu trúc bề mặt của mảnh dao PCBN khi tiện cứng thép

9XC tại t = 0,06 mm; Sn = 0,09 mm/vg;  = 120 m/ph.

83

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.

83

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

-8-

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 2.1: Mức độ và chiều sâu lớp biến cứng của các phương pháp gia

công cơ

22

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

số ảnh hưởng.

64

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

cắt gắn mảnh PCBN.

74

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.