Báo GTVT: Nghiên cứu cơ chế mòn mảnh dao khi tiện cứng thép 40X

Việc sử dụng các vật liệu có độ cứng và chịu nhiệt cao trong ngành Hàng không, công nghiệp ô tô, sản xuất tua-bin hơi và các ứng dụng hạt nhân đang gia tăng từng ngày.

Bài viết này thuộc danh mục:✅ Công nghệ , được chúng tôi tổng hợp từ báo GTVT, nguồn bài: http://www.tapchigiaothong.vn/nghien-cuu-co-che-mon-manh-dao-khi-tien-cung-thep-40x-d61181.html

kS. VŨ VĂN TỊNH

TS. DƯƠNG QUỐC DŨNG

ThS. NGUYỄN TÀI HOÀI THANH Học viện Kỹ thuật Quân sự

TÓM TẮT: Việc sử dụng các vật liệu có độ cứng và chịu nhiệt cao trong ngành Hàng không, công nghiệp ô tô, sản xuất tua-bin hơi và các ứng dụng hạt nhân đang gia tăng từng ngày. Bài báo trình bày một nghiên cứu thực nghiệm về tiện cứng thép 40X dưới điều kiện cắt khô sử dụng mảnh dao tiện carbide phủ. Nghiên cứu về cơ chế mòn mảnh dao carbide phủ với điều kiện cắt khác nhau, ảnh hưởng của vận tốc cắt tới mòn dụng cụ. Thí nghiệm cho thấy vận tốc cắt là một yếu tố có ý nghĩa cao để ảnh hưởng tới hiệu suất của dao. Các cơ chế mòn khác nhau với các điều kiện khác nhau cũng được báo cáo đầy đủ.

TỪ KHÓA: Tiện cứng, mòn dụng cụ cắt, dao carbide phủ.

ABSTRACT: The use of high strength and heat resistant materials is increasing day by day in aerospace, automotive, steam turbines and nuclear

applications. This paper presents an experimental investigation of finish hard turning of 40X steel under dry conditions using coated carbide tools. Study on the wear mechanisms of coated carbide tools under different cutting conditions, effect of cutting speed on tool wear. Cutting speed was observed to be a highly signifcant factor to affect the tool performance. Different wear mechanisms under different conditions were reported.

Keywords: Hard turning, wear mechanisms, coated carbide tools.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, vật liệu có độ cứng cao với nhiệt độ nóng chảy cao hơn được sử dụng rộng rãi cho nhiều ứng dụng như sản xuất động cơ hàng không, tua-bin hơi, vòng bi và các ứng dụng liên quan đến ngành công nghiệp ô tô [1,2]. Những vật liệu này bao gồm siêu hợp kim, kim loại chịu nhiệt, thép hợp kim... [3,4]. Do trong quá trình gia công các vật liệu này gây ma sát và sinh nhiệt tại vùng cắt là những vấn đề thường gặp, lực cắt cao và chất lượng bề mặt không tốt là phổ biến [5], đòi hỏi phải có các nghiên cứu cụ thể về chế độ cắt.

Vật liệu dụng cụ cắt thích hợp để sử dụng cho gia công các vật liệu này là CBN. CBN có độ cứng và chống mài mòn chỉ sau kim cương, nó có sức chịu nhiệt tốt, tính dẫn điện, tính ổn định hóa học tốt và có độ cứng nóng cao [4]. Tuy nhiên, chi phí liên quan đến sản xuất nguyên liệu CBN là rất cao, đã tập trung sự chú ý của các nhà nghiên cứu vào tìm kiếm vật liệu thay thế. Các nghiên cứu cho thấy rằng, trong phạm vi độ cứng phôi cụ thể, dao carbide phủ dùng trong tiện cứng có tính kinh tế khá hơn so với dao CBN. Ở vận tốc cắt cao hiệu suất của dao carbide phủ bị suy giảm nhanh so với dao CBN [6].

Đã có nhiều nghiên cứu về tiện cứng được công bố, nhưng chủ yếu là với các dụng cụ cắt làm bằng CBN và vật liệu gốm. Các nghiên cứu liên quan đến kiểm tra hiệu suất cắt của dao carbide phủ trong tiện cứng là rất ít. Trong nghiên cứu này đề cập đến các khía cạnh liên quan đến hiệu suất cắt của dao như tuổi thọ dụng cụ và cơ chế mòn dụng cụ trong tiện cứng thép 40X sử dụng dao carbide phủ CVD ba lớp TiN/Al2O3/TiCN. Nghiên cứu này cũng nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt tới mòn dụng cụ, các kết quả được hiển thị trên ảnh kỹ thuật số được chụp bằng kính hiển vi điện tử.

2. NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ MÒN DAO KHI TIỆN CỨNG THÉP 40X

2.1. Mô hình và tiến trình thí nghiệm

Vật liệu phôi được sử dụng trong thí nghiệm là thép 40X với độ cứng trung bình 47.5 HRC duy trì đồng đều, dao động tối đa ±2.5 HRC sau khi tôi cứng. Chọn phôi thanh tròn có đường kính 30mm và chiều dài 300mm (Hình 2.1), để tỉ lệ L/D không vượt quá 10 theo Tiêu chuẩn ISO 3685 [7]. Quá trình thí nghiệm được thực hiện trên máy tiện CNC EMCOTURN E45 (Hình 2.2), sử dụng các mảnh dao khác nhau ở mỗi vận tốc cắt khác nhau trong điều kiện cắt khô.

Hình 2.1: Phôi thí nghiệm

Hình 2.2: Máy tiện CNC EMCOTURN E45

Mảnh dao sử dụng trong thí nghiệm là mảnh carbide phủ CVD-CA525 ký hiệu VNMG160408HQ (Hình 2.3) của hãng KYOCERA - Nhật Bản, với 3 lớp phủ: Lớp trong cùng TiCN, lớp trung gian Al2O3, lớp ngoài cùng TiN. Lớp phủ này làm tăng khả năng chịu mài mòn và chịu nhiệt của dụng cụ. Các mảnh dao có bán kính mũi là 0.8mm. Thân dao được sử dụng để kẹp chặt các mảnh dao là thân dao MVLNR2020K-16 của hãng KYOCERA - Nhật Bản, được thiết kế theo tiêu chuẩn ISO với các góc dao sau khi gá: Góc nghiêng chính`phi` = 29o, góc nghiêng phụ`phi` 1 = 0o, góc trước `gamma` = 9o và góc sau của dao `alpha` = 6o (Hình 2.4).

Hình 2.3: Mảnh dao VNMG160408HQ

Hình 2.4: Thân dao MVLNR2020K-16

Khi tiện vận tốc cắt là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến tuổi thọ của dao, tiếp theo là lượng tiến dao và chiều sâu cắt. Trong nghiên cứu này, dựa trên cơ sở lý thuyết và khuyến cáo của nhà sản xuất vận tốc cắt được chọn lần lượt là 200m/phút, 240m/phút, 280m/phút. Lượng tiến dao S = 0.15mm/vòng và chiều sâu cắt t = 0.1mm. Như trong Hình 2.5 ta thấy chiều cao mòn mặt sau VB ở các vị trí là không đồng đều, vì vậy ta lấy tiêu chí đánh giá mòn là chiều cao vết mòn mặt sau lớn nhất VBmax thay cho chiều cao vết mòn mặt sau trung bình VBavg.

Hình 2.5: Dao carbide phủ sau khi tiện 3.90 phút tại V = 240m/phút, S = 0.15mm/vòng, t = 0.1mm

Mỗi lần cắt, dao chạy tương ứng với chiều dài cắt 250mm theo chiều dài phôi và sau mỗi 500mm chiều dài cắt chiều cao vết mòn mặt sau lớn nhất VBmax được đo và ghi lại một lần. Chiều cao vết mòn mặt sau lớn nhất VBmax được đo bằng phần mềm Micro Measure trên nền ảnh kỹ thuật số được chụp bằng kính hiển vi điện tử (Hình 2.6).

Hình 2.6: Hệ thống thiết bị thí nghiệm

2.2. Phân tích kết quả thí nghiệm

Trong phần này trình bày các kết quả của thí nghiệm. Biểu đồ thể hiện sự biến thiên chiều cao mòn mặt sau ở ba vận tốc cắt khác nhau. Cơ chế mòn dao với các vận tốc cắt khác nhau được hiển thị trên ảnh kỹ thuật số.

2.2.1. Phân tích sự biến thiên của chiều cao mòn mặt sau

Chiều cao vết mòn mặt sau lớn nhất được đo bằng kính hiển vi điện tử với phần mềm phân tích hình ảnh. Sau mỗi 500mm chiều dài cắt, kính hiển vi điện tử lại chụp ảnh mặt sau, mặt trước và mũi dao để biết được tốc độ mòn và cơ chế mòn. Mỗi phép đo được thực hiện 3 lần và lấy kết quả là giá trị trung bình của 3 lần đo. Kết quả thí nghiệm được thể hiện trong Bảng 2.1. Quan hệ giữa mòn dao với vận tốc cắt theo thời gian được trình bày trong Hình 2.7. Từ đồ thị chỉ ra rằng, chiều cao mòn phụ thuộc rất lớn vào tốc độ cắt. Ở tốc độ cắt thấp mòn dao tiến triển chậm hơn. Tốc độ mòn dao sẽ tăng lên khi tăng tốc độ cắt. Vì khi tăng tốc độ cắt, nhiệt độ tại vùng cắt sẽ tăng lên dẫn đến dao sẽ bị mòn nhanh hơn. Với tốc độ cắt cao nhất dao sẽ có tuổi thọ nhỏ nhất so với hai vận tốc cắt còn lại. Tuổi bền dao là lớn nhất khi chọn vận tốc cắt nhỏ nhất.

Bảng 2.1. Kết quả thí nghiệm

No

V (m/ph)

Lc (mm)

T (ph)

VBmax1

(µm)

VBmax2 (µm)

VBmax3 (µm)

TB (µm)

1

200

500

1,56

54

60

59

58

2

200

1000

3,12

93

86

81

87

3

200

1500

4,68

115

117

112

115

4

200

2000

6,24

129

133

134

132

5

200

2500

7,80

174

177

179

177

6

240

500

1,30

99

100

103

101

7

240

1000

2,60

112

116

119

116

8

240

1500

3,90

155

157

152

155

9

240

2000

5,20

169

173

174

172

10

240

2500

6,50

194

197

199

197

11

280

500

1,11

118

113

119

117

12

280

1000

2,22

121

123

124

123

13

280

1500

3,33

164

171

169

168

14

280

2000

4,44

178

173

184

178

15

280

2500

5,55

271

258

262

264

Hình 2.7: Biến thiên chiều cao mòn mặt sau theo thời gian

Hình 2.8: Dao carbide phủ sau khi tiện 7.80 phút tại v = 200m/phút, S = 0.15mm/vòng, t = 0.1mm

2.2.2. Phân tích cơ chế mòn dao

Như hiển thị trong Hình 2.8 quan sát được cả mòn mặt sau và mòn mặt trước. Khu vực mòn xảy ra chủ yếu gần bán kính mũi của dao, vì chiều sâu cắt được lựa chọn khá thấp so với bán kính dao. Mòn mặt trước và mòn mặt sau gần khu vực mũi dao xảy ra trong suốt quá trình gia công ở trên tất cả các mảnh dao dùng trong thí nghiệm.

Trong quá trình tiện với mảnh carbide phủ, đặc biệt khi tốc độ cắt cao hơn (280m/phút), có sự biến dạng đáng kể của lớp phủ và nứt gãy ở cạnh lưỡi cắt. Hiện tượng mòn dao nhanh, với sự biến dạng lớp phủ là do nhiệt cắt cao dẫn đến hiện tượng mòn do dính (Hình 2.9) và độ cứng vật liệu tương đối cao cắt ở vận tốc cắt lớn dẫn đến hiện tượng mòn nứt gãy (Hình 2.10). Tróc vỡ ở cạnh lưỡi cắt bắt đầu với sự lan rộng của các vết nứt ở tốc độ cắt cao hơn.

Hình 2.9: Dao carbide phủ sau khi tiện 3.90 phút tại V = 240m/phút, S = 0.15mm/vòng, t = 0.1mm

Hình 2.10: Nứt gãy ở cạnh khi tiện ở V = 280m/phút, S = 0.15mm/vòng, t = 0.1mm

Trong quá trình cắt ở vận tốc 200m/phút, hiện tượng mài mòn mặt sau được quan sát trên Hình 2.11, là do sự ma sát giữa phôi và mặt sau dao có sự xuất hiện của hạt mài.

Hình 2.11: Dao carbide phủ sau khi tiện 3.12 phút tại V = 200m/phút, S = 0.15mm/vòng, t = 0.1mm

Hình 2.12: Dao carbide phủ sau khi tiện 5.30 phút tại V = 240m/phút, S = 0.15mm/vòng, t = 0.1mm

Hiện tượng mòn bám dính được quan sát từ sự biến dạng lớp phủ tại vận tốc cắt 240 m/phút trong quá trình cắt liên tục. Do tăng tốc độ cắt, nhiệt độ tại vùng cắt tăng cao, dẫn đến tăng độ bám dính (Hình 2.12).

Hiện tượng mòn mặt trước cũng được quan sát thấy trên Hình 2.13, đáng kể nhất là ở vận tốc cắt cao nhất, nguyên nhân chính là do lớp phủ chống mài mòn trên bề mặt đã bị loại bỏ.

Hình 2.13: Dao carbide phủ sau khi tiện 4.44phút tại V=280m/phút, S=0.15mm/vòng, t=0.1mmhinh213

Vậy, cơ chế mòn chính của mảnh dao carbide phủ khi tiện cứng thép 40X ở vận tốc cắt 200 - 280 m/ph là mài mòn cơ học và bám dính dẫn đến biến dạng dẻo ở tốc độ thấp và trung bình. Mặt khác, mòn nhanh với nứt gãy ở cạnh lưỡi cắt ở vận tốc cắt cao hơn dẫn đến giảm tuổi bền dụng cụ.

3. KẾT LUẬN

Khi tiện cứng thép 40X sau tôi, độ cứng phôi 45 - 50 HRC ở vận tốc cắt 200 - 280 m/ph, sự biến thiên chiều cao mòn của dụng cụ carbide phủ theo thời gian phụ thuộc khá nhiều vào vận tốc cắt. Với tốc độ cắt thấp mòn dao tiến triển chậm hơn. Tốc độ mòn dao sẽ tăng lên khi tăng tốc độ cắt. Với tốc độ cắt cao nhất dao sẽ có tuổi thọ nhỏ nhất so với hai vận tốc cắt còn lại. Tuổi bền dao là lớn nhất khi chọn vận tốc cắt nhỏ nhất. Cơ chế mòn chính của mảnh dao carbide phủ là mài mòn cơ học và bám dính dẫn đến biến dạng dẻo ở tốc độ cắt thấp và trung bình, mòn nhanh với nứt gãy do nhiệt cắt cao ở lưỡi dụng cụ cắt với vận tốc cắt cao hơn.

Tài liệu tham khảo

[1]. K.A. Venugopal, S. Paul, A.B. Chattopadhyay (2007), Growth of tool wear in turning of Ti-6Al-4V alloy under cryogenic cooling, Wear, Vol. 262, pp.1071-1078.

[2]. S. Sun, M. Brandt, M.S. Dargusch (2010), Machining Ti-6Al-4V alloy with cryogenic compressed air cooling, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 50, pp. 933-942.

[3]. E. Ezugwu, J. Bonney, Y. Yamane (2003), An overview of the machinability of aeroengine alloys, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 134, pp. 233-253.

[4]. Manu Dogra, V. S. Sharma, A. Sachdeva, N. M. Suri, J.S. Dureja (April 2010), Tool Wear, Chip Formation and Workpiece Surface Issues in CBN Hard Turning: A Review, International Journal of Precision Engineering and Manufacturing- Springer, Vol. 11, No. 2, pp. 341-358.

[5]. Suresh R, Basavarajappa S, Gaitonde VN, Samuel GL (2012), Machinability investigations on hardened AISI 4340 steel using coated carbide insert, Int J Refract Met Hard Mater, 33, pp. 75-86.

[6]. Sales, W.F. Costa, L.A. Santos, S.C. Diniz, A.E. Bonney, J. Ezugwu, E.O. (2009), Performance of coated, cemented carbide, mixed-ceramic and PCBN-H tools when turning W320 steel, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 41(7-8), pp. 660-669.

[7]. International Organization for Standardization (1993), Tool-Life Testing with Single Point Turning Tools, ISO 3685-1993 (E), 2nd Edition; ISO: Geneve, Switzerland.

Tìm kiếm:✨

  • Dương Quốc Dũng, Máy tiện, Visual Basic, Thép hợp kim, Ga-ma, Sinh nhiệt, Alpha, Dẫn điện, Đồ thị, Học viện kỹ thuật quân sự, Độ cứng, Biến thiên, Nhân Chính, Geneva, IS, Nhật Bản, Vết nứt

Báo GTVT: Nghiên cứu cơ chế mòn mảnh dao khi tiện cứng thép 40X Báo GTVT: Nghiên cứu cơ chế mòn mảnh dao khi tiện cứng thép 40X Reviewed by 2technews on tháng 7 02, 2018 Rating: 5

Không có nhận xét nào:

Được tạo bởi Blogger.