Lựa chọn chế độ cắt nhằm tăng tuổi bền của dao phay ngón phủ PVD - TiN sử dụng phay khuôn ép đúc áp lực SKD61

lớp vật liệu mặt sau của phoi với mặt trước của dao cũng như do ma sát tiếp xúc giữa vật liệu phôi với mặt sau của dao trong mặt phẳng cắt. Đặc tính tiếp xúc của cặp ma sát dao với phoi và dao với phôi là cặp ma sát của hai bề mặt luôn luôn mới. Ta biết rằng trong gia công cắt gọt thì phoi và bề mặt gia công liên tục được tạo ra và chúng trượt trên mặt trước và mặt sau của dao. Do vậy dạng tiếp xúc trong vùng tạo phoi luôn ổn định. Hình 26: Vùng tiếp xúc ma sát giữa dao và chi tiết gia công 2.4.1.3. Lực tác dụng lên mặt trước và mặt sau của dụng cụ Khi cắt phoi tác dụng lên mặt trước sinh ra lực pháp tuyến N, phoi chuyển động trên mặt trước sinh ra lực ma sát: F1 = 1.N1 Trong đó: 1 là hệ số ma sát trung bình trên mặt sau. Hướng của lực ma sát F1 trung với quỹ đạo chuyển động. Lực tác dụng lên mặt sau gọi là lực bị động R2. Hình 27: Lực tác dụng lên mặt trước và mặt sau của dụng cụ Tổng hình học của lực N, F, N1, F1 là lực tác dụng lên dụng cụ cắt, lực cắt P. r r r r r P = N + N1 + F + F1 Lực ma sát F trên mặt trước có thể thành lực pháp tuyến với lưỡi cắt FN và lực có hướng dọc theo lưỡi cắt FT do đó: = + r r r r P N N1 + FN r + FT r + F1 Trị số lực P và vị trí của nó trong không gian được xác định bằng trị số và tỷ lệ các lực pháp tuyến và lực ma sát mà những lực này phụ thuộc vào các thông số hình học của dụng cụ cắt cũng như chế độ cắt. Theo các phương x, y, z ta có: P P P x y z Trong đó: P = 2 2 2 Pz = Nyz . cos + Ft . sin + F1 Nyz = FN . sin + N . cos FN = F . cos Ft = F . sin 2.4.2. Mòn dụng cụ 2.4.2.1. Khái niệm chung về mòn 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 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 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. 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. Theo Shanshal và Dygdale 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. Konig cho rằng 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 như phủ bay hơi chính là nhằm tăng khả năng chống mòn của dụng cụ. 2.4.2.2. Các cơ chế mòn của hai bề mặt trượt tương đối Theo Eyer và Davis ma sát và mòn không phải là tính chất thuộc tính của vật liệu mà phụ thuộc vào hệ kỹ thuật trong đó chúng được sử dụng. Ma sát và mòn không hoàn toàn phụ thuộc vào nhau vì ma sát sinh ra do tương tác giữa các nhấp nhô bề mặt có liên quan đến các quá trình cơ, hoá và lý còn mòn lại xảy ra do sự nứt tách trong lòng vật liệu cách bề mặt ma sát một khoảng nào đó. Theo Biswas sự hình thành các hạt mài và hợp chất trong một hệ ma sát, mòn và bôi trơn bắt đầu từ hai quá trình, tương tác về ứng suất và tương tác về vật liệu. Tương tác về ứng suất là tác động tổng hợp của tải trọng và lực ma sát tạo nên các cơ chế mòn như mỏi và mòn bằng hạt mài. Tương tác về vật liệu là tương tác giữa các nguyên tử, phân tử giữa các vật thể hoặc tương tác giữa chúng với môi trường tạo nên các cơ chế mòn liên quan đến tác dụng hoá, lý và dính. Các cơ chế mòn chính thường gặp trong kỹ thuật là mòn do dính, mòn do mỏi, mòn do hạt mài và mòn do tác dụng hoá lý. Theo Shaw mòn dụng cụ có thể do dính, hạt mài, khuếch tán, ôxy hoá và mỏi. Các cơ chế mòn này xảy ra đồng thời trong quá trình cắt, tuy nhiên tuỳ theo điều kiện cắt cụ thể mà một cơ chế nào đó chiếm ưu thế. Ngoài ra dụng cụ còn bị phá huỷ 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 huỷ. Ở dải vận tốc cắt thấp và trung bình, cơ chế mòn do dính và do hạt mài chiếm ưu thế cho cắt liên tục và gián đoạn. Khi tăng vận tốc cắt, mòn do hạt mài và hoá 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. * Mòn do dính Khi hai bề mặt tiếp xúc với nhau, đỉnh các nhấp nhô sẽ bị biến dạng dẻo dưới tác dụng của ứng suất pháp. Khi hai bề mặt chuyển động tương đối với nhau lớp màng mỏng ôxy hoá và hấp thụ bị phá vỡ và vật liệu ở đỉnh các nhấp nhô tiếp xúc trực tiếp gây dính. Có giả thiết, 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 tác dụng của ứng suất nén và tiếp là 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 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 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 đến 13000C. Bản chất phá huỷ vật liệu ở các lớp bề mặt do dính mỏi là cả dẻo và giòn. Độ cứng của 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. Dao thép gió bị biến dạng dẻo mạnh dưới tác dụng của ứng suất tiếp trên vùng mòn mặt trước ở nhiệt độ khoảng 9000C. Khi mặt trước của phoi dính chặt vào mặt trước thì ứng suất tiếp cần thiết để tạo ra sự trượt của các lớp phoi bị biến cứng cũng đủ để gây ra sự trượt trong các lớp vật liệu dụng cụ trong vùng mòn gây ra mòn dính. Loladze và Rabinowicz cho rằng khi hai bề mặt làm từ vật liệu khác nhau trượt tương đối với nhau các mảnh mòn của vật liệu cứng hơn cũng bị tách ra khỏi vùng bề mặt. Nguyên nhân do sự dính ngẫu nhiên của vùng bề mặt có sức bền bị giảm cục bộ với vùng bề mặt có sức bền cao cục bộ của vật liệu mềm. Archard đã đưa ra mô hình tính toán mòn dính theo công thức sau: Q = k. W 3 o Trong đó: Q là lượng mòn trên một đơn vị chiều dài quãng đường trượt [khối lượng/chiều dài]. k là xác suất của một tiếp xúc tạo ra một hạt mòn. o là giới hạn bền của vật liệu mềm hơn. Halling đã chỉ ra công thức tính mòn dính khi kể đến ảnh hưởng lớp màng mỏng tạp chất của Rowe: W Q = km(1+ .f2)1/2. . 3 o Trong đó: km là hằng số do đôi kim loại trượt và không phụ thuộc vào tính chất của các lớp màng hoặc chất bôi trơn. là hệ số kể đến mức độ khuyết tật của lớp màng, = Am . Ar * Mòn do mỏi Am là diện tích tiếp xúc trực tiếp giữa kim loại và kim loại. Theo Bayer mòn do mỏi xảy ra vùng gần bề mặt do vật liệu chịu ứng suất biến đổi theo chu kỳ. Các vết nứt về mỏi xuất hiện, phát triển từ bề mặt và tự cắt nhau tạo nên các hạt mòn. Hiện tượng này xảy ra chủ yếu khi hai bề mặt lăn và va chạm đối với nhau. Halling cho rằng khí các đỉnh nhấp nhô không bị dính hoặc mòn do hạt mài thì sẽ bị biến dạng dẻo. Sau một số lần tiếp xúc đủ lớn nhấp nhô có thể bị phá huỷ do mỏi tạo nên hạt mòn. Lý thuyết mòn do dính không giải thích được tại sao các hạt mòn rời lại được tạo ra, đặc biệt là hạt mòn từ bề mặt cứng hơn. Nhưng lại có thể giải thích bằng quá trình mòn do mỏi. Vì thế Armarego cho rằng hai cơ chế mòn do mỏi và dính đều là bộ phận của một quá trình mòn. Theo Halling cho đến nay chưa có một lý thuyết thoả đáng nào về mỏi được đưa ra. Đối với phần lớn các vật liệu, biến dạng dẻo sinh ra trong mỗi chu kỳ có liện hệ 2. đến số chu kỳ phá huỷ N theo phương trình của Kragelski: ( Trong đó: p là độ lớn biến dạng dẻo trong một chu kỳ.  fail )2 = N. p fail là biến dạng dẻo giới hạn để phá huỷ khi kéo. Halling cũng đề cập đến phương trình mỏi của Wohler như sau: N = ( So )t S Trong đó: N là số chu kỳ phá huỷ tại ứng suất S. So là ứng suất phá huỷ trong một chu kỳ ứng suất đơn. t là hằng số biến thiên từ 2 đến 20. Các quan hệ giữa mòn và mỏi, tải trọng và sức bền vật liệu có khuynh hướng phi tuyến, vì thế không thể sử dụng hệ số mòn k như trong mòn do dính và hạt mài. * 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. Vật liệu tách khỏi bề mặt thông qua biến dạng dẻo trong quá trình mòn do cào xước có thể xảy ra theo vài chế độ. Cày là hiện tượng tạo rãnh do hạt mài cứng trượt và gây ra biến dạng dẻo của vật liệu mềm hơn. Khi các nhấp nhô của bề mặt cứng và ráp hoặc các hạt cứng trượt trên bề mặt mềm hơn và phá huỷ bề mặt tiếp xúc chung bằng biến dạng dẻo hoặc nứt tách, trong trường hợp vật đối tiếp là vật liệu dẻo có độ dai va đập cao, đỉnh các nhấp nhô cứng hoặc các hạt cứng sẽ gây nên biến dạng dẻo của vật liệu mềm hơn trong cả trường hợp tải nhẹ nhất, trong trường hợp vật liệu giòn có độ dai va đập thấp mòn xảy ra do nứt tách. 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 gọt 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. Armerego 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. Hình 28: Sơ đồ thể hiện các khả năng tương tác của hạt mài với bề mặt của vật liệu, vết mòn và mặt cắt ngang của nó. Theo Gahr khả năng chống mòn do hạt mài tăng mạnh hơn khi tăng độ cứng đối với kim loại nguyên chất so với thép được nhiệt luyện hoặc ceramics. Tuy nhiên khả năng chống mòn do hạt mài không tăng, thậm chí còn giảm khi tăng độ cứng của một số kim loại có khả năng biến cứng nguội lớn. Vì vậy độ cứng sau chế tạo không đặc trưng cho tương tác giữa các hạt mài và bề mặt mòn. * 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 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 chế 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 các bon hơn so với phôi. Điều đó chứng tỏ rằng các bon từ các bít volfram đã hợp kim hoá hoặc khuếch tán vào phoi làm tăng thành phần các bon của các lớp này. Min và Youzhen đã phát hiện hiện tượng khuếch tán khi phay hợp kim titan bằng dao phay gắn mảnh hợp kim cứng ở vận tốc cắt 200m/phút. Họ đã quan sát một lớp giàu các bon dọc theo mặt tiếp xúc giữa bề mặt dụng cụ và vật liệu gia công, dưới bề mặt dụng cụ xuất hiện một lớp thiếu các bon. * 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 thấp và các hạt mòn ôxits 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 lớp màng ôxits và các sản phẩm của tương tác hoá học với môi trường trên bề mặt tiếp xúc có khả năng ngăn ngừa hiện tượng dính của đỉnh các nhấp nhô. Khi đôi ma sát trượt làm việc trong môi trường chân không thì mòn do dính xảy ra mạnh do lớp màng ôxits không thể hình thành được. 2.4.2.3. Vai trò của lớp phủ cứng trong giảm mòn Lớp phủ cứng có tác dụng chống mòn do hạt mài, lớp phủ PVD-TiN giúp cho dụng cụ phủ chống lại mòn do hạt mài, dính, mỏi và ôxy hoá. TiCN có khả năng chống mỏi tốt nhất, TiAlN có khả năng chống mòn tốt hơn TiN một chút nhưng cả hai đều có khả năng chống mòn khoảng 1/3 của TiCN. TiN là một hợp chất có tính trơ hoá học cao, ở nhiệt độ trên 5500C TiN bắt đầu bị ôxy hoá theo phương trình: 2TiN + 2O2 2TiO2 + N2 Khi đó TiN bị rỗ và đổi mầu. Nhiệt độ cao truyền qua lớp phủ tới nền và ôxy hoá bề mặt tiếp xúc chung làm yếu liên kết giữa lớp phủ và nền. Theo nghiên cứu của tập thể tác giả T.L.Banh, Q.T.Phan và D.B.Nguyen, [6]. Nghiên cứu cơ chế mòn của dao phay ngón phủ PVD-TiN. Hình 29: Hình ảnh SEM mòn ở góc và mặt sau trên lưỡi cắt chính dao phay ngón thép gió không phủ (chế độ cắt v = 18,85m/phút, S = 100mm/phút, d = 4mm). Hình 30: Hình ảnh SEM mòn ở góc và mặt sau trên lưỡi cắt chính dao phay ngón thép gió phủ TiCN (chế độ cắt v = 39,26m/phút, S = 250mm/phút, d = 4mm). Hình 31: Hình ảnh SEM mòn mặt sau trên lưỡi cắt chính dao phay ngón thép gió phủ TiCN (chế độ cắt v = 39,26m/phút, S = 250mm/phút, d = 4mm). (a) (b) Hình 32: Hình ảnh SEM mòn ở góc trên mặt trước dao phay ngón thép gió phủ TiN (chế độ cắt v = 39,26m/phút, S = 250mm/phút, d = 4mm sau 5 phút) hình (a) (chế độ cắt v = 50,26m/phút, S = 250mm/phút, d = 4mm sau 7 phút) hình (b) (a) (b) Hình 33: Hình ảnh SEM phá hỏng góc và lưỡi cắt dao phay ngón thép gió phủ TiN (chế độ cắt v = 39,26m/phút, S = 630mm/phút, d = 4mm) hình (a) Ảnh SEM hiển thị rõ ràng biến dạng vùng mũi dao phay ngón thép gió phủ TiN khi nhiệt độ cao (chế độ cắt v = 50,26m/phút, S = 250mm/phút, d = 4mm) hình (b) Trên đây là một số hình ảnh khi phay thép 1045 bằng dao phay ngón thép gió phủ PVD-TiN, [6]. So sánh với dao không phủ ở tốc độ cắt cao kết quả cho thấy chất lượng bề mặt sau gia công tốt hơn và tuổi bền dao đạt cao hơn. Mòn mặt sau là loại mòn chính làm giảm tuổi bền của dụng cụ. Trong nghiên cứu này, các lớp phủ làm giảm lượng mòn và thay đổi cơ chế mòn. Điều quan trọng là khi cắt với tốc độ cắt và lượng chạy dao cao là mòn các góc hoặc mòn lưỡi cắt chính. 2.4.2.4. Mòn dụng cụ và cách xác định * Mòn dụng cụ 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 của dụng cụ. Mòn là dạng hỏng cơ bản của dụng cụ cắt. Mòn mặt trước và mòn mặt sau là hai dạng mòn thường gặp nhất trong cắt kim loại. Mòn dụng cụ là một quá trình phức tạp, xảy ra theo hiện tượng lý, hoá 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 đến 20 lần) và dụng cụ bị mòn theo nhiều dạng khác nhau. Phần cắt của dụng cụ trong quá trình gia công thường bị mòn theo các dạng sau: - Mòn theo mặt sau, hình 34 (a). - Mòn theo mặt trước, hình 34 (b). - Mòn đồng thời cả mặt trước và mặt sau, hình 34 (c). - Mòn tù lưỡi cắt, hình 34 (d). Hình 34: Các dạng mòn phần cắt của dụng cụ Mòn mặt trước và mặt sau là hai dạng mòn thường gặp nhất trong cắt kim loại. Hình 35: Quan hệ giữa một số dạng mòn của dụng cụ hợp kim cứng với thể tích Loladez cho rằng cơ chế hình thành vùng mòn mặt trước của dao hợp kim cứng khác 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 có nguồn gốc do nhiệt. * Mòn dụng cụ phủ bay hơi Hendenqvist và Bromark kết luận rằng TiN nâng cao khả năng sử dụng dụng cụ bởi sự kết hợp độc đáo của lớp phủ với nền, độ cứng nóng của lớp phủ cao, khả năng chống mòn cao và khă năng cải thiện điều kiện tiếp xúc ở vùng lưỡi cắt. Theo họ thì TiN có những ưu điểm nổi bật như giảm ma sát, giảm dính và khuếch tán giữa vật liệu gia công và các bề mặt dụng cụ. Theo Hendenqvist thì có hai cơ chế mòn chính xảy ra trên dụng cụ phủ TiN khi cắt thép đó là nứt, vỡ và bong ra của các mảnh TiN và mòn vật liệu nền. Hơn nữa ông cũng đã quan sát được mòn liên tục của lớp phủ trên mặt sau của dao thép gió phủ CVD-TiN. Nghiên cứu về mòn dao phay ngón phủ PVD khi gia công thép không gỉ của W.Y.H.Liew, W.L.Teh và X.Ding, [7]. Kết quả cho thấy khi tăng độ cứng của vật liệu từ 40HRC đến 55HRC kết quả mũi dao bị cùn, hình thành các vết nứt trên dụng cụ và điều quan trọng là tăng mòn mặt sau và mòn do hạt mài. Kéo dài quá trình cắt vật liệu có độ cứng 55HRC cũng dẫn đến gãy và nứt tại trung tâm dao phay. Nghiên cứu mòn dụng cụ phủ và không phủ khi phay thép với sự thay đổi tốc độ cắt và lượng chạy dao. Cho thấy mòn do ma sát xuất hiện khi cắt ở tốc độ cắt thấp làm cho mũi dao không ổn định hình thành cùn dụng cụ ở bề mặt phân chia. Gia công với lượng chạy dao cao là nguyên nhân gây ra ứng lực trên dụng cụ, kết quả mũi dụng cụ bị mòn. Hình 36: Ảnh hưởng của độ cứng vật liệu đến mòn mặt sau khi phay ở tốc độ cắt 25m/phút và 50m/phút trong 12 phút. [7]. (a) (b) (c) Hình 37: Hình ảnh các vết nứt xuất hiện trên mặt trước và mặt sau của dụng cụ (a) So sánh dụng cụ khi phay thép có độ cứng 40HRC và 55HRC (b) Hình ảnh mặt trước và trung tâm dao phay khi phay thép 40HRC cho thấy không có dấu hiệu của mòn và gẫy (c). [7]. Fenske và đồng nghiệp sử dụng dao tiện T15 cắt thép 1045 với vận tốc cắt 100m/phút đã phát hiện cơ chế mòn chủ yếu là sự gãy, vỡ của lớp phủ khi nền thép gió bị giảm độ cứng do nhiệt độ cao. Mòn liên tục của lớp phủ ở gần vùng mòn mặt trước hầu như không đáng kể, điều đó nói nên rằng khả năng chống mòn do hạt mài và mòn hoá học của TiN là rất cao. Theo họ thì sự gãy vỡ của lớp phủ trên mặt trước là do nhiệt độ cao phát triển và làm giảm độ cứng của nền. Quá trình gãy vỡ xảy ra theo 3 giai đoạn như trên hình 38. Hình 38: Sơ đồ thể hiện 3 giai đoạn mòn mặt trước của dụng cụ thép gió phủ TiN Giai đoạn 1: Ma sát giữa phoi và lớp phủ sinh nhiệt truyền vào dụng cụ. Giai đoạn 2: Dưới tác dụng của ứng suất pháp và tiếp cùng nhiệt độ cao dưới lớp phủ, nền bị biến dạng dẻo làm cho lớp phủ bị nứt, vỡ bộ phận sau đó bị cuốn đi cùng với dòng phoi làm cho nền bị lộ ra. Ma sát và nhiệt độ của vùng này tiếp tục tăng lên. Giai đoạn 3: Vùng mòn mặt trước xuất hiện. Nền của lớp phủ gần vùng mòn tiếp tục bị giảm độ cứng làm cho lớp phủ tiếp tục bị nứt, vỡ và cuốn đi theo phoi. Vùng mòn mặt trước phát triển rộng dần. * Cách xác định mòn Hình 39: Các thông số đặc trưng cho mòn mặt trước và mặt sau Mòn mặt trước và mặt sau của dụng cụ có thể tính toán gần đúng như sau: Vw = V.B2ave.b.tg /2 Trong đó: V. Bave là chiều cao trung bình của vùng mòn. Thể tích mòn mặt trước: Vct = 2b(KB – KF)KT/3 Các kích thước dùng để xác định mòn chỉ ra trên hình 39 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. Hình 40: Hình ảnh mòn mặt trước và mặt sau khi chụp trên kính hiển vi điện tử 2.4.3. Tuổi bền của dụng cụ 2.4.3.1. Khái niệm Tuổi bền của dụng cụ 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]. Tuổi bền của dụng cụ cắt có ảnh hưởng lớn đến tính kinh tế trong gia công cắt. Tuổi bền của dụng cụ phụ thuộc chính vào yêu cầu kỹ thuật của chi tiết gia công. Vì thế các phương pháp dự đoán tuổi bền cơ bản có ý nghĩa cho mục đích so sánh. Phương trình cơ bản của tuổi bền là phương trình Taylor: V.Tn = Ct Trong đó: T là thời gian (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 và chiều sâu cắt được viết như sau: V.Tn.sa.tb = Kt Với dụng cụ thép gió các số mũ n = 0,17; a = 0,77 và b = 0,37. T đo bằng phút, V đo bằng ft/min, s và t đo bằng inhes. 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: LnT = bo + b1lnV + b2lnS + b3lnt Mô hình bậc hai có dạng: LnT = bo + b1lnV + b2lnS + b3lnt + b11(lnV)2 + b22(lnS)2 + b33(lnt)2 + + b12(lnV).(lnS) + b13(lnV).(lnt) + b14(lnS).(lnt) Trong thực tế tuổi bền của dụng cụ thường bị phân tán vì các lý do sau đây: - Sự thay đổi 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 dao động của hệ thống máy, dao, công nghệ. 2.4.3.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến tuổi bền * Chế độ cắt Hình 41: 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 C1045) t = 2mm. Thông số hình học của dụng cụ cắt: = 80, = 100, = 900, = 600, r = 1mm, thời gian cắt T = 30 phút. Chế độ cắt đặc biệt là vận tốc cắt và lượng chạy dao là tác nhân ảnh hưởng tới tuổi bền mạnh nhất. Hình 41 là một trong những kết quả thí nghiệm của Opitz và Konig được Trent đưa ra. * Vai trò của lớp phủ cứng trong việc tăng tuổi bền của dụng cụ Sự hình thành lớp phủ trên bề mặt chi tiết nhằm nâng cao một số tính chất khác của vật liệu đặc biệt là độ cứng, nhân tố quan trọng đối với các đặc tính có lợi khác như khả năng chống mòn. Có thể thấy rằng lớp phủ cứng có tác dụng giảm ma sát trên mặt trước, giảm nhiệt độ cực đại và sự phát triển của trường nhiệt độ trong dụng cụ dẫn đến giảm mòn do nhiệt và tăng tuổi bền cho dụng cụ. Hơn nữa lớp phủ cứng tạo nên một lớp phân cách giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công với khả năng chống dính, chống cào xước cơ học cao do tính trơ hoá học và độ cứng cao của nó là nguyên nhân giảm mòn và tăng tuổi bền. Ngoài ra tính chất nhiệt đặc biệt của lớp phủ còn làm thay đổi tỷ lệ truyền nhiệt vào phoi và dao là nhân tố quan trọng làm tăng tuổi bền của dụng cụ phủ khi cắt với chế độ cắt cao. Tuy nhiên vai trò nâng cao tuổi bền của dụng cụ phủ khác nhau thay đổi theo điều kiện gia công cụ thể. Vai trò nâng cao tuổi bền của dụng cụ khi sử dụng vật liệu phủ khác nhau thay đổi theo điều kiện gia công, hình 42 chỉ ra mối quan hệ tuổi bền của dao tiện và dao phay mặt đầu thép gió phủ TiN, TiCN, TiAlN dùng để cắt thép các bon SAE4340 theo vận tốc cắt cho cả cắt liên tục hình 42 (a), và không liên tục hình 42 (b). Hình 42: Quan hệ tuổi bền của dao thép gió phủ PVD theo vận tốc cắt: (a) dao tiện; (b) dao phay mặt đầu dùng cắt thép các bon tôi cải thiện Từ hai đồ thị trên cho thấy trong cắt liên tục (tiện) TiAlN có tác dụng nâng cao tuổi bền của dao thép gió tốt nhất sau đó đến TiN và cuối cùng là TiCN. Trái lại trong cắt và đập (phay) TiCN lại có tác dụng nâng cao tuổi bền tốt nhất sau đó đến TiN và TiAlN. Như vậy mỗi loại vật liệu đều có khả năng nâng cao tuổi bền của dụng cụ khác nhau tuỳ theo điều kiện cắt trong đó dụng cụ được sử dụng. * Ảnh hưởng của các yếu tố đến tuổi bền của dao phay Tuổi bền của dao phay phụ thuộc vào 3 thông số vật lý: tốc độ cắt V, chiều dày cắt a, chiều rộng cắt b. Sự phụ thuộc được biểu thị bằng công thức: T = CT V m1 a x1 b y1 Trong đó: CT là hệ số không đổi phụ thuộc vào tính chất cơ lý của vật liêu gia công, vật liệu dụng cụ cắt và các điều kiện khác. m1, x1, y1 các số mũ của V, a, b. Trong quá tình cắt, mức độ ảnh hưởng của các thông số vật lý tới tuổi bền của dao được xác định bằng các số mũ theo công thức trên. Số mũ của thông số nào càng cao thì ảnh hưởng của nó càng lớn, theo nhiều kết quả thì số mũ m = 5. Nếu lấy sô mũ x = 1, y = 0,3 [3] khi tiện và phay thép 45 bằng dụng cụ hợp kim cứng T15K6 thì công thức trên có dạng: T = CT V 5 a b0,3 Nếu tăng tốc độ cắt, chiều dày cắt và chiều rộng cắt thì tuổi bền của dụng cụ giảm, các thông số này lại ảnh hưởng khác nhau tới tuổi bền của dụng cụ, trong đó tốc độ cắt ảnh hưởng tới tuổi bền nhiều nhất. Tuổi bền của dao tỷ lệ nghịch với chiều dày cắt, nếu tăng lượng chạy dao khi tiện hoặc tăng lượng chạy dao khi phay lên hai lần (do đó tăng chiều dày cắt lên hai lần) thì tuổi bền giảm xuống 2 lần. Chiều rộng ảnh hưởng tới tuổi bền ít hơn, điều đó có nghĩa là chiều sâu cắt khi tiện và phay bằng dao phay mặt đầu, hoặc chiều rộng cắt phay bằng dao phay trụ không ảnh hưởng nhiều tới tuổi bền của dao, công thức trên chỉ đúng cho một số giá trị nhất định của T, nếu tăng T thì m giảm trong cùng điều kiện như nhau (tốc độ cắt, chiều dày cắt, chiều rộng cắt…) tuổi bền của răng dao phay nhỏ hơn tuổi bền của dao tiện từ 7 đến 10 lần, điều đó có thể giải thích bằng sự cắt gián đoạn và tiết diện cắt thay đổi khi phay. 2.4.3.3. Cách xác đinh tuổi bền của dụng cụ cắt Hình 43: Quan hệ giữa thời gian, tốc độ và độ mòn của dao Nghiên cứu ảnh hưởng các nguyên tố của quá trình cắt đến tuổi bền bằng phương pháp thực nghiệm đo mòn cho phép mặt sau hình 43, 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. Quan hệ giữa tốc độ, độ mòn và thời gian được thể hiện trên hình 43, với độ mòn cho phép [h] đã xác định được thời gian làm việc của dụng cụ với các tốc độ khác nhau (T1 với V1, T2 với V2, T3 với V3,… với V1< V2< V3…) 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 và chuyển sang đồ thị lôga hình 44. Hình 44: Quan hệ giữa V và T (đồ thị lôga) Qua đồ thị quan hệ V-T thiết lập công thức liên hệ giữa tốc độ và tuổi bền: V = A/Tm Chƣơng 3 - NGHIÊN CỨU VỀ MÒN DAO PHAY PHỦ PVD-TiN KHI GIA CÔNG THÉP SKD61 3.1. Thí nghiệm Thí nghiệm được tiến hành tại Phòng Thí nghiệm Cơ khí và Động lực - Khoa Cơ khí trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Mục đích của thí nghiệm nhằm lựa chọn chế độ cắt phù hợp cho dao phay ngón thép gió phủ PVD - TiN khi gia công vật liệu chế tạo khuôn ép đúc áp lực SKD61. Qua thí nghiệm lựa chọn được chế độ cắt để gia công vật liệu chế tạo khuôn mẫu (Gia công nửa khuôn dưới của bộ khuôn ép nắp bình ga, số lượng 6 phần tử dạng hốc) đảm bảo tăng tuổi bền của dụng cụ. Tác giả sử dụng máy đo độ bóng bề mặt SJ-201 của hãng Mitutoyo - Nhật Bản để đo độ bóng của các đường gia công thử. Hình 45: Hình ảnh hốc trong thì nghiệm được thiết kế trên phần mềm CATIA 3.1.1. Dao Sử dụng dao phay ngón thép gió 2 me cắt 10 phủ PVD-TiN của hãng Mitsubishi Nhật Bản cung cấp (ký hiệu: 10 G-2MS U8) với chiều dày lớp phủ 2 m (theo số liệu của nhà sản xuất) được sử dụng để gia công thép SKD61. Dao có độ cứng phần chuôi (52-55HRC) và phần cắt (62-65HRC). Thông số hình học của dao cho trên bảng sau: Góc xoắn Góc trước chính Góc sau trên cạnh viền Góc sau trên lưỡi cắt chính Góc sau phụ trên lưỡi cắt chính Chiều rộng cạnh viền 300 150 30 50 300 0,5mm Bảng 8: Các thông số hình học của dao phay ngón 10 phủ PVD - TiN 3.1.2. Phôi Phôi thép SKD61 thí nghiệm được rèn, sau đó ủ trong lò giảm độ cứng đến 225 - 235HB. Sau đó được phay thành khối 300x210x30 bằng dao phay gắn mảnh hợp kim cứng. Thành phần hoá học của phôi được xác định bằng phương pháp phân tích quang phổ chỉ ra trên bảng: % C Mn Si S P Ni Cr Mo Cu V Ti Al W SKD61 0,371 0,339 0,930 0,0083 0,021 0,103 5,220 1,169 0,106 0,853 0,0082 0,019 0,044 Bảng 8: Thành phần hoá học của thép SKD61 Sử dụng kính hiển vi quang học AXOVOC-1000 của Nhật tại phòng thì nghiệm vật liệu trường Đại học Bách Khoa Hà Nội để chụp cấu trúc kim tương của thép SKD61. Hình 46: Cấu trúc kim tương của thép SKD61 thí nghiệm chụp trên tiết diện dọc phôi tỷ lệ phóng đại 500 và 1000 lần. Hình 47: Cấu trúc kim tương của thép SKD61 thí nghiệm chụp trên tiết diện ngang phôi tỷ lệ phóng đại 500 và 1000 lần 3.1.3. Máy Trung tâm gia công VMC - 85S do hãng Maximart sản xuất năm 2003 với hệ điều khiển Fanuc OMD, máy có khả năng tích hợp CAD/CAM qua cổng RS 232. Thông số kỹ thuật cơ bản của máy Thông số Đơn vị Kích thƣớc Kích thước bàn làm việc mm 515 x 1050 Hành trình theo trục X mm 850 Hành trình theo trục Y mm 560 Hành trình theo trục Z mm 520 Đường kính trục chính mm 65 Tốc độ cắt (chạy dao) mm/ph 1 - 5000 Tốc độ dịch chuyển nhanh theo X, Y mm/ph 12000 Tốc độ dịch chuyển nhanh theo Z mm/ph 10000 Công suất động cơ chính Kw 3.7 - 5.5 Động cơ secvo X, Y, Z Kw 0.5 - 3.5 Trọng lượng Kg 4200 Tốc độ quay trục chính Vg/ph 60 - 8000 Số đầu dao 16 BT 40 Kích thước tổng thể mm 3500 x 3020 x 2520 Bảng 9: Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy 3.1.4. Chế độ cắt Tác giả sử dụng dải tốc độ cắt 20, 30 và 40m/phút (tương ứng với vận tốc trục chính 637, 995 và 1274 vòng/phút), lượng chạy dao từ 100 đến 260mm/phút. Chiều dầy phoi cắt được lựa chọn a = 2mm = const, chiều sâu cắt t = 10mm. Chiều dài mỗi rãnh cắt l = 210mm, dạng phay là phay nghịch trong môi trường không khí (cắt khô). Dao 10 S (mm/phút) V (m/phút) Tình trạng dao sau 3 rãnh cắt 1 100 20 Tốt 2 100 30 Tốt 3 100 40 Tốt 4 140 20 Tốt 5 140 30 Tốt 6 140 40 Tốt 7 170 20 Tốt 8 170 30 Tốt 9 170 40 Tốt 10 200 20 Tốt 11 200 30 Tốt 12 200 40 Tốt 13 230 20 Tốt 14 230 30 Tốt 15 230 40 Tốt 16 260 20 Tốt 17 260 30 Tốt 18 260 40 Tốt 19 170 50 Bề mặt dao có màu tím nhạt 20 200 50 Bề mặt dao có màu tím nhạt Bảng 10: Các chế độ cắt sử dụng để cắt thử với dao 10 phủ PVD-TiN phay đoạn thẳng trên vật liệu SKD61 3.2. Kết quả thí nghiệm 3.2.1. Nhám bề mặt Tiến hành gia công, quan sát đo và ghi chép kết quả thí nghiệm. Đo các đường cắt, giá trị Ra và Rz là trung bình cộng của ba lần đo tại ba vị trí khác nhau của đường gia công. Chiều dài cắt là 210mm, sau ba đường cắt thay dao khác để tiếp tục gia công ở chế độ cắt khác. TT a (mm) t (mm) S (mm/phút) V (m/phút) Ra ( m) Rz ( m) 1. 2 10 140 20 2,14 7,12 2. 2 10 140 30 1,52 6,05 3. 2 10 140 40 1,3 5,03 4. 2 10 170 20 2,88 8,32 5. 2 10 170 30 2,63 7,47 6. 2 10 170 40 1,76 6,4 7. 2 10 200 20 1,75 5,35 8. 2 10 200 30 1,03 4,54 9. 2 10 200 40 0,88 3,98 10. 2 10 230 20 6,11 20,4 11. 2 10 230 30 4,43 19,68 12. 2 10 230 40 3,88 19,52 13. 2 10 260 20 2,15 9,08 14. 2 10 260 30 1,56 7,24 15. 2 10 260 40 1,67 7,02 Bảng 10: Bảng tổng hợp dữ liệu gia công 3.2.2. Thời gian gia công Tổng hợp thời gian gia công ứng với các lượng chạy dao khác nhau theo bảng 11 (thời gian tính cho một đường cắt): S(mm/phút) 100 140 170 200 230 260 T (phút) 2,2 1,5 1,03 0,98 0,95 0,82 Bảng 11: Thời gian gia công với lượng chạy dao khác nhau Kết quả sau khi gia công ba đường cắt dụng cụ vẫn làm việc tốt. Tác giả cũng thử với tốc độ cắt 50m/phút, lượng chạy dao lần lượt là 170mm/phút, 200mm/phút dụng cụ vẫn làm việc bình thường, tuy nhiên phoi có màu tím hung chứng tỏ nhiệt độ phát sinh trong quá tình cắt cao. Kiểm tra các đường cắt với tốc độ V = 40m/phút, S = 170mm/phút, S = 200mm/phút cho độ bóng bề mặt cao. Qua kiểm tra dụng cụ cắt: bề mặt dụng cụ bình thường. 3.2.3. Phân tích kết quả Qua các đường cắt thử có thể thấy, với ba đường cắt thì dụng cụ mòn không đáng kể, bề mặt gia công độ bóng bề mặt đạt cao. Trong quá trình gia công tác giả nhận thấy: phoi sau khi gia công bị cuốn vào vùng cắt, ảnh hưởng đến quá trình làm việc của dụng cụ, vì vậy tác giả sử dụng khí để đẩy phoi ra khỏi vùng cắt, tạo điều kiện cho dao làm việc tốt hơn. 3.2.4. Kết luận Với mục đích đặt ra của đề tài nhằm tăng tuổi bền của dụng cụ, tác giả chọn tốc độ cắt và lượng chạy dao trung bình để tăng tuổi bền cho dụng cụ. Chế độ cắt đó cũng phù hợp với kết quả thí nghiệm qua các lần cắt thử, chọn bộ chế độ cắt để gia công các hốc: V = 40m/phút. S = 200mm/phút. (thay đổi lượng chạy dao để so sánh S = 170mm/phút) a = 2mm = const. t = 5mm. (thay đổi chiều sâu cắt để so sánh t = 7,5mm) Chƣơng 4 – ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN MÒN DAO PHAY PHỦ PVD-TiN KHI GIA CÔNG THÉP SKD61 4.1. Ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao 4.1.1. Kết quả thí nghiệm Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến mòn được khảo sát trên dao phay ngón phủ PVD-TiN dùng cắt thép SKD61 sử dụng bộ chế độ cắt 9, 12 và 15 để gia công ba đường cắt thử và sử dụng bộ chế độ cắt 9 và 12 để gia công hoàn thiện một hốc. Các dao sau khi gia công được cắt trên máy cắt dây phần cắt của dao (mũi dao), làm sạch bằng cồn, dùng máy nén khí để làm sạch các vết bẩn. Thông số mòn mặt sau, hình ảnh mòn dụng cụ được chụp trên kính hiển vi điện tử (ảnh SEM). Kết qủa thể hiện trên bảng 12 và 13: Lượng chạy dao (mm/phút) 170 230 260 hs (mm) 0,05 0,07 0,06 Bảng 12: Thông số mòn theo lượng chạy dao khi gia công ba đường cắt Lượng chạy dao (mm/phút) 170 200 hs (mm) 0,14 0,18 Bảng 13: Thông số mòn theo lượng chạy dao khi gia công hốc Khi gia công với thay đổi lượng chạy dao tốc độ cắt giữ cố định V = 40m/phút. Kết quả cho thấy lượng mòn hầu như không thay đổi hoặc thay đổi không đáng kể. Khi gia công ở hốc lượng mòn mặt sau chênh lệch 0,04mm (40 m), như vậy với lượng chạy dao cao cho kết quả tốc độ mòn mặt sau nhanh hơn. 4.1.2. Phân tích kết quả Thay đổi lượng chạy dao khi đó thời gian gia công thay đổi, với lượng chạy dao S = 200mm/phút thời gian gia công nhanh hơn so với lượng chạy dao S = 170mm/phút (nhanh hơn 15 phút 12 giây). Qua kết quả ở trên, khi gia công khuôn (khi gia công các đường cong) nên chọn lượng chạy dao trung bình 170mm/phút. Tuy nhiên không nên chọn lượng chạy dao quá thấp vì khi đó lực cắt giảm đi nhưng ma sát giữa dao và chi tiết gia công tăng lên làm tăng mòn dụng cụ. Khi chụp trên kính hiển vi điện tử đã thấy những vết hỏng trên lưỡi cắt chính dù khi đó cắt ở lượng chạy dao S = 170mm/phút. 4.2. Ảnh hƣởng của tốc độ cắt 4.2.1. Kết quả thí nghiệm Các dao được sử dụng gia công ba đường cắt với bộ chế độ cắt 11 và 12, kết quả thể hiện trên bảng 14: Tốc độ cắt (m/phút) 30 40 hs (mm) 0,3 0,05 Bảng 14: Thông số mòn theo tốc độ cắt Với lượng chạy dao thấp dụng cụ mòn rất nhanh 6 lần. Chiều cao mòn mặt sau hs = 0,3mm chỉ sau 3 đường cắt (Sau 2,94 phút) 4.2.2. Phân tích kết quả Từ kết quả trên ta thấy, khi gia công với tốc độ thấp lượng mòn mặt sau rất lớn tuy chỉ sau ba đường cắt, với lượng chạy dao V = 40m/phút (tốc độ cắt tác giả lựa chọn để gia công các hốc) cho thấy lượng mòn rất nhỏ. Tuy nhiên cũng không nên tăng tốc độ cắt quá lớn (lớn hơn 40 - 50m/phút) vì khi cắt thử với tốc độ cắt V = 50m/phút nhiệt sinh ra rất lớn, qua quan sát dụng cụ đã thấy trên bề mặt có dấu hiệu bị cháy đặc biệt là ở vùng lưỡi cắt chính. 4.3. Cơ chế mòn dao phay phủ PVD-TiN Dao phay ngón thép gió phủ trong nghiên cứu được phủ PVD-TiN trên toàn bộ dao, sau khi cắt được mài lại mặt sau. Trong nghiên cứu của tác giả Phan Quang Thế [5], đã đưa ra kết luận hiệu quả của dụng cụ phủ nằm ở mặt trước của lưỡi cắt chính chứ không phải trên mặt sau. Qua nghiên cứu thấy mòn bắt đầu xuất hiện khi một phần của lớp phủ bị phá huỷ, tạo nên vùng mòn ở trung tâm của vùng nhiệt. Trên hình 48, 49 và 50 là một số hình ảnh chụp dụng cụ khi gia công các đường cắt thử. Mỗi dao thực hiện ba đường cắt, sau mỗi lần sử dụng dao, tiến hành cắt ngắn bằng chiều sâu cắt và mài lại. (a) (b) (c) (e)  (d) (f) (f) (g) (h) Hình 48: Ảnh SEM của dụng cụ với chế độ cắt S = 30m/phút, S = 200mm/phút, thời gian cắt t = 2 phút 56 giây. Hình (a): Ảnh mặt sau trên cạnh viền với độ phóng đại 200 lần. Hình (b): Ảnh mặt sau trên cạnh viền với độ phóng đại 500 lần. Hình (c): Ảnh mặt sau trên cạnh viền với độ phóng đại 1000 lần. Hình (d): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 200 lần. Hình (e): Ảnh chụp vùng tiếp giáp mũi dao với độ phóng đại 400 lần. Hình (f): Ảnh chụp giao tuyến giữa mặt trước và mặt sau (ở mặt đầu) với độ phóng đại 500 lần. Hình (g): Ảnh chụp phần nứt trên mặt sau của dụng cụ. Hình (h): Ảnh chụp phần nứt trên mặt sau của dụng cụ. Hình (i): Ảnh chụp phần giao tuyến trên mặt sau giữa vùng mòn và không mòn Qua hình ảnh ta thấy rất rõ khi một phần của lớp phủ bị mòn, vùng mòn xuất hiện và lớn dần, vùng mòn chủ yếu ở mặt sau, bề mặt dụng cụ bị cào xước mạnh do các hạt mài mòn. Vùng mầu sáng là vật liệu nền dụng cụ, vùng mầu sẫm là vùng vật liệu phủ. Ở hình 48 (a), (b), (c) lưỡi dụng cụ bị sứt mẻ, không thẳng do dụng cụ bị yếu và va chạm phải các hạt mài khi gia công. Nhiệt phát sinh trong quá trình gia công lớn dẫn đến hiện tượng vật liệu chảy dính bám trên bề mặt của dụng cụ (hình b). Các vết nứt đã xuất hiện trong lớp phủ (hình c), điều này khẳng định lại đúng cơ chế phá huỷ của vật liệu phủ. Mũi dụng cụ bị phá huỷ nghiêm trọng, mũi dụng cụ bị cùn, xuất hiện các vết nứt trên bề mặt dụng cụ (hình 48 f, g) vết nứt lớn dần bong ra khỏi lớp vật liệu nền, bị bóc đi cả mảng vật liệu nền, làm xuất hiện các lỗ sâu trên bề mặt (hình d, e), lưỡi cắt phần giao tuyến mặt trước và mặt sau cũng bị cùn (hình f). Điều này làm giảm khả năng cắt gọt của dụng cụ. (a) (b) (c) (d) (e) (f) Hình 49: Ảnh SEM của dụng cụ với chế độ cắt S = 40m/phút, S = 260mm/phút, thời gian cắt t = 2 phút 28 giây. Hình (a): Ảnh mặt sau trên cạnh viền với độ phóng đại 500 lần. Hình (b): Ảnh mặt sau trên cạnh viền với độ phóng đại 2000 lần. Hình (c): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 200 lần. Hình (d): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 500 lần. Hình (e): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 1000 lần. Hình (f): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 2000 lần. Tương tự như kết quả ở trên, những với tốc độ và lượng chạy dao lớn hơn, nhiệt độ sinh ra cao, xuất hiện lớp vật liệu nền bị vỡ (hình b). Vật liệu nóng chảy bám dính lên mũi dụng cụ (hình e, f). Trên mặt sau của dụng cụ vật liệu gia công bám dính trên bề mặt (hình b), Tại mũi dụng cụ cắt cũng xuất hiện hiện tượng này (hình e, f). (a) (b) Hình 50: Ảnh SEM của dụng cụ với chế độ cắt S = 40m/phút, S = 230mm/phút, thời gian cắt t = 2 phút 51 giây. Hình (a): Ảnh chụp mũi dao và một phần mặt sau với độ phóng đại 500 lần Hình (b): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 2000 lần. Khi giảm lượng chạy dao từ 260mm/phút còn S = 230mm/phút, (hình 49 d và hình 50 a) ta thấy mũi dụng cụ mòn ít hơn, nhưng vẫn xảy ra hiện tượng bám dính của vật liệu gia công lên bề mặt dụng cụ. Tiếp tục giảm lượng chạy dao xuống còn S = 170mm/phút (trên hình 51), hiện tượng bám dính vẫn xảy ra. Bắt đầu xuất hiện hiện tượng chảy dính của vật liệu gia công trên bề mặt dụng cụ. (a) (b) (c) (d) Hình 51: Ảnh SEM của dụng cụ với chế độ cắt S = 40m/phút, S = 170mm/phút, thời gian cắt t = 3 phút 5 giây. Hình (a): Ảnh mặt trước mặt sau trên cạnh viền với độ phóng đại 500 lần. Hình (b): Ảnh mặt trước mặt sau trên cạnh viền với độ phóng đại 2000 lần. Hình (c): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 500 lần. Hình (d): Ảnh chụp phần sát mũi dao trên mặt sau với độ phóng đại 2000 lần. Với tốc độ cắt V = 40m/phút, thay đổi lượng chạy dao, khi lượng chạy dao giảm (S = 170mm/phút), thấy xuất hiện hiện tượng lớp phủ bị nứt, xảy ra hiện tượng vật liệu gia công bị chảy dính trên lưỡi cắt (hình 50 c), vùng tiếp giáp lưỡi mũi cắt trên mặt sau với độ phóng đại 2000 lần (hình d) thấy rõ cơ chế đó, mũi dao bị cùn mạnh. Qua các hình ảnh cho thấy rất rõ cơ chế phá huỷ dao phay ngón phủ: Sau khi bị mòn một phần lớp phủ TiN lớp vật liệu nền (thép gió) bị phá huỷ rất nhanh. Ở các chế độ cắt khác nhau lớp vật liệu nền có thể bị bóc từng mảng, sứt mẻ, bị nứt hoặc bị chảy dính lên trên bề mặt dụng cụ. Ứng dụng chế độ cắt khi gia công thử các đường cắt, phân tích và so sánh ở trên, lựa chọn chế độ cắt V = 40m/phút, S = 170mm/phút, S = 200mm/phút để gia công các hốc. Kết quả thể hiện qua chụp ảnh SEM ở hình 52 và 53. (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) (k) (l) (m) Hình 52: Ảnh SEM của dụng cụ khi phay hốc với chế độ cắt V = 40m/phút, S = 200mm/phút, thời gian cắt t = 35 phút 18 giây. Hình (a): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 200 lần. Hình (b): Ảnh chụp lưỡi cắt giao tuyến mặt trước và mặt sau (mặt đầu) với độ phóng đại 500 lần. Hình (c): Ảnh chụp lưỡi cắt giao tuyến mặt trước và mặt sau (mặt đầu) vùng tiếp giáp với mũi dao với độ phóng đại 1500 lần. Hình (d): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 500 lần. Hình (e): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 500 lần. Hình (f): Ảnh chụp mặt sau trên cạnh viền với độ phóng đại 200 lần. Hình (g): Ảnh chụp mặt sau trên cạnh viền (phần mòn nhiều nhất) với độ phóng đại 500 lần. Hình (h): Ảnh chụp mặt sau trên cạnh viền (phần mòn nhiều nhất) với độ phóng đại 500 lần. Hình (i): Ảnh chụp mặt sau trên cạnh viền (phần mòn nhiều nhất) với độ phóng đại 2000 lần. Hình (k, l, m): Ảnh chụp các vết nứt trên cạnh viền (a) (b) (c) (d) (e) (f) Hình 53: Ảnh SEM của dụng cụ khi phay hốc với chế độ cắt V = 40m/phút, S = 170mm/phút, thời gian cắt t = 20 phút 6 giây. Hình (a): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 100 lần. Hình (b): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 200 lần. Hình (c): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 200 lần. Hình (d): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 500 lần. Hình (e): Ảnh mặt sau trên cạnh viền (phần mòn nhiều nhất) với độ phóng đại 200 lần. Hình (f): Ảnh mặt sau trên cạnh viền (phần mòn nhiều nhất) với độ phóng đại 300 lần. Qua hình ảnh trên cho thấy khi cắt với lượng chạy dao S = 200mm/phút dao bị mòn ít hơn, đặc biệt là mức độ cào xước trên bề mặt. Hiện tượng bám dính vật liệu gia công xảy ra ít hơn. Có thể thấy mặt trước hầu như không bị mòn, chủ yếu là mòn mặt sau. Mũi dao cùn mạnh ảnh hưởng đến khả năng gia công của dụng cụ, với lượng chạy dao S = 170mm/phút ở đầu mũi dao bị phá huỷ mạnh, với lượng chạy dao S = 200mm/phút vẫn xảy ra hiện tượng chảy dính vật liệu (hình 52 c). Khi cắt với chế độ cắt V = 40m/phút, S = 200mm/phút xuất hiện nhiều vết nứt trên cạnh viền, đặc biệt là vùng cách mũi dụng cụ bằng chiều dày phoi cắt (a = 2mm) đây cũng là vùng mòn nhiều nhất trên cạnh viền. Thành phần hoá học tại vùng mòn mặt sau của dụng cụ được phân tích trên máy S-4800 do hãng Hitachi sản xuất tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Hình 54: Các điểm phân tích thành phần hoá học trên mặt sau với chế độ cắt V = 30m/phút, S = 200mm/phút (a) (b) (c) (d) Hình 55: Phổ thu được ứng với các điểm D1, D2, D3, D4 trên hình 54. (hình a: D1, hình b: D2, hình c: D3, hình d: D4) Kết quả cụ thể cho trên bảng 15: Điểm C N O Si Ti Cr Fe Mo Co W 1 5,24 25,44 11,04 0,18 37,32 1,17 15,54 0,85 - 1,22 2 4,42 22,71 23,43 0,30 29,24 1,31 16,27 0,72 - 1,59 3 5,35 0,22(Al) 32,45 0,70 16,13 2,70 38,45 0,79 - 3,21(Co) 4 5,53 1,21(Ge) 6,46 1,35 1,23(V) 4,38 61,38 3,93 4,72 9,80 Bảng 15: Thành phần hoá học đo tại các điểm D1, D2, D3, D4 trên hình 54. Từ bảng 15 Tại vùng mòn nhiều nhất và vùng mòn ít nhất (lớp phủ chưa bị mòn) ngoài thành phần lớp phủ (gồm Ti và N) còn xuất hiện các thành phần hoá học khác, điều này chứng tỏ xảy ra hiện tượng khuếch tán. Đó cũng là nguyên nhân làm cho lớp phủ yếu đi làm mòn dụng cụ. Hình 56: Các điểm phân tích thành phần hoá học trên mặt sau với chế độ cắt V = 40m/phút, S = 260mm/phút (a) (b) (c) (d) Hình 57: Phổ thu được ứng với các điểm D1, D2, D3, D4 trên hình 56. (hình a: D1, hình b: D2, hình c: D3, hình d: D4) Điểm C N O Si Ti Cr Fe Mo Co W 1 2,52 40,55 - 0,18 56,09 0,24 0,42 - - - 2 2,64 37,77 - - 58,65 - 0,94 - - - 3 9,09 0,31 (P) 12,08 1,77 1,11 (V) 2,96 37,04 9,67 5,63 18,86 4 54,81 - 29,17 - - - 16,02 - - - Bảng 16: Thành phần hoá học đo tại các điểm D1, D2, D3, D4 trên hình 56. Tương tự như trên, cũng xảy ra hiện tượng khuếch tán trên mặt sau dụng cụ, tuy nhiên ở chế độ cắt này hiện tượng khuếch tán xảy ra ít hơn. Điều này cũng phù hợp với kết quả đo mòn mặt sau dụng cụ. Khi cắt ở tốc độ cắt V = 30m/phút thì lượng mòn mặt sau lớn hơn. Hình 58: Các điểm phân tích thành phần hoá học trên mặt sau khi phay hốc với chế độ cắt V = 40m/phút, S = 170mm/phút (a) (b) (c) Hình 59: Phổ thu được ứng với các điểm D1, D2, D3 trên hình 58. (hình a: D1, hình b: D2, hình c: D3) Điểm C N O Si Ti Cr Fe Mo Co W 1 2,07 - 50,96 0,58 18,82 1,56 24,14 - 1,88 - 2 3,46 - 40,52 0,77 9,96 2,16 39,43 0,69 3,01 - 3 2,97 0,67(Al) 22,44 2,28 1,43 4,49 51,40 4,47 4,99 3,67 Bảng 17: Thành phần hoá học đo tại các điểm D1, D2, D3 trên hình 58. Hình 60: Các điểm phân tích thành phần hoá học trên mặt sau khi phay hốc với chế độ cắt V = 40m/phút, S = 200mm/phút (a) (b) (c) Hình 57: Phổ thu được ứng với các điểm D1, D2, D3 trên hình 60. (hình a: D1, hình b: D2, hình c: D3) Điểm C N O Si Ti Cr Fe Mo Co W 1 1,86 12,93 40,18 - 36,87 0,42 7,05 0,69(Ta) - - 2 2,53 19,06 37,85 2,57 28,54 1,01 5,17 1,36 0,70 1,20(V) 3 8,41 1,17 (Ge) 8,95 1,87 1,01(V) 3,72 45,13 7,94 5,90 15,55 Bảng 18: Thành phần hoá học đo tại các điểm D1, D2, D3 trên hình 60. Khi gia công hốc, tốc độ cắt giữ không đổi, tiến hành thay đổi lượng chạy dao, tăng lượng chạy dao từ S = 170mm/phút đến S = 200mm/phút kết quả cho thấy hiện tượng khuếch tán xảy ra chậm hơn. 4.4. Hiệu quả sử dụng dao phay ngón phủ PVD-TiN 4.4.1. Kết quả đo nhám và mòn dụng cụ Kết quả đo nhám ở bảng 10 và hình ảnh mòn dụng cụ qua các ảnh trên cho thấy hiệu quả rất lớn khi sử dụng dao phay ngón phủ PVD-TiN để gia công vật liệu SKD61, với cùng tốc độ cắt tăng lượng chạy dao thì mòn thay đổi rất nhỏ, nếu giữ cùng lượng chạy dao thay đổi tốc độ cắt thì mòn thay đổi lớn (khi tăng tốc độ cắt từ 30m/phút đến 40m/phút chiều cao mòn mặt sau giảm 5 lần). 4.4.2. Nhận xét và kết luận Khi gia công vật liệu SKD61 (cụ thể là gia công các hốc) chiều cao mòn mặt sau lớn nhất hs = 0,125mm (ứng với bộ chế độ cắt V = 40m/phút, S = 170mm/phút) vẫn nằm trong giới hạn [hs] cho phép, thể tích phoi bóc đi Vphoi = 34,73cm3. So sánh với nghiên cứu gia công trước (tiêu tốn 12 con dao) thì trong nghiên cứu của tác giả chỉ tốn 4 con dao. Tuy nhiên với bốn con dao tác giả sử dụng nghiên cứu vẫn có thể tiếp tục sử dụng để gia công. Như vậy hiệu quả sử dụng dao phay ngón thép gió phủ PVD-TiN so với sử dụng dụng cụ trong nghiên cứu trước đã rất rõ ràng. Chƣơng 5 - KẾT LUẬN VÀ PHƢƠNG HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 5.1. Kết luận Khi cắt thép SKD61 với tốc độ cắt lựa chọn, lượng chạy dao thay đổi khi gia công các hốc S = 170 và 200mm/phút, chiều dày phoi a = 2mm, chiều sâu cắt t = 5 và 7,5mm khi đó thời gian gia công giảm xuống. Dụng cụ bị mòn những vẫn nằm trong giới hạn cho phép. Mũi dao bị phá huỷ mạnh do nhiệt cắt tại mũi dao lớn nhất, ở vùng gần mũi dao dụng cụ mòn ít hơn và phất triển mạnh dần đến vị trí cách mũi cắt khoảng 2mm (bằng chiều dày phoi) thì dụng cụ mòn nhiều nhất, các vết nứt trên bề mặt xuất hiện nhiều nhất. Bề mặt trước của dụng cụ mòn hầu như không đáng kể như hình 52 (b), do ma sát giữa phoi và mặt trước, một phần mặt trước tính từ lưỡi cắt dường như bề mặt nhẵn hơn. Không thấy xuất hiện các vết cào xước trên bề mặt. Ở mặt sau hiện tượng cào xước xảy ra mạnh hơn, các vết cào xước xuất hiện cùng chiều chuyển động của dao. Khi cắt với bộ chế độ cắt (V = 40m/phút, S = 200mm/phút) hiện tượng này ít hơn so với khi cắt với bộ chế độ cắt (V = 40m/phút, S = 170mm/phút). Với tốc độ cắt V = 40m/phút không hình thành lẹo dao. Cơ chế mòn dụng cụ rất rõ ràng, với lớp phủ: lớp phủ ở phần giao tuyến giữa mặt trước và mặt sau mòn, sau đó phát triển rộng dần, lớp phủ có xuất hiện các vết nứt, chảy rồi bong ra từng mảng. Với vật liệu nền cũng xuất hiện các vết chảy, bong ra từng mảng vật liệu làm xuất hiện các lỗ sâu trên bề mặt, cứ như vậy dụng cụ bị bào mòn đến khi dụng cụ không còn khả năng cắt. Sự phá huỷ của mũi cắt rất lớn, sau khi gia công một hốc mũi dụng cụ bị mòn và phát triển dần về phía lưỡi cắt. Nhám bề mặt đo được sau các lần cắt Rz = 3,98 đến 19,68 m, Ra = 0,88 đến 6,11 m. Tuổi bền của dụng cụ cắt tính theo thể tích phoi bóc đi đúng bằng thể tích hốc, thể tích hốc tính toán trên phần mềm: Vphoi = 34,73cm3 ứng với hs = 0,125mm. 5.2. Phƣơng hƣớng nghiên cứu tiếp theo Hạn chế của nghiên cứu này chỉ dừng lại ở việc lựa chọn chế độ cắt phù hợp để gia công vật liệu chế tạo khuôn đúc áp lực SKD61. Tiếp tục nghiên cứu để lựa chọn chế độ cắt tối ưu cho dụng cụ đặc biệt khi phay các cung tròn, tương tự như khi phay hốc. Tiếp tục nghiên cứu nhiệt phát sinh trong quá trình cắt, đo lực cắt để làm sáng tỏ hơn cơ chế phá huỷ của lớp phủ khi phay thép SKD61. Tiếp tục nghiên cứu cơ chế phá huỷ mũi dao, nghiên cứu mòn mặt trước của dụng cụ do các nguyên nhân khác nhau. Tiếp tục nghiên cứu mòn dụng cụ khi phay thép SKD61 đã qua tôi kết hợp biện pháp làm mát phù hợp để có khái niệm đầy đủ hơn qua đó khai thác, sử dụng dụng cụ cắt phủ PVD-TiN một cách hiệu quả hơn.