XácđịnhcáchệsốphươngtrìnhTaylor

ỦY BAN NHÂN DÂN TPHCM
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠNG NGHỆ THỦ ĐỨC

KHOA CƠ KHÍ

THUYẾT MINH NGHIÊN
CỨU KHOA HỌC
CẤP CƠ SỞ
Đề tài:

XÁC ĐỊNH HỆ SỐ PHƯƠNG TRÌNH
TAYLOR KHI TIỆN THÉP KẾT
CẤU BẰNG DỤNG CỤ PHỦ
TITANIUM NITRIT(TiN)
Người thực hiện:
1. Hồ Phi Anh
2. Trần Xuân Trinh

Tp.HCM, tháng 03 năm 2014

Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH


Xác định các hệ số phương trình Taylor

MỤC LỤC

Trang
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CỦA ĐỀ TÀI ............................................................. 1

1.1. Giới thiệu về quá trình phát triển dụng cụ cắt ................................................ 1
1.2. Dụng cụ cắt có lớp phủ.................................................................................. 2
1.2.1. Cấu tạo và đặc điểm của dụng cụ cắt có lớp phủ ..................................... 2
1.2.2. Quy trình phủ ......................................................................................... 3
1.2.2.1. Phương pháp phủ bay hơi vật lý( PVD) ........................................... 3
1.2.2.2. Phương pháp phủ bay hơi hố học (CVD) ....................................... 4
1.2.2.3. Tóm tắt quy trình chế tạo mảnh dao tiện (Insert) ............................. 5
1.2.3. Các loại dụng cụ cắt có lớp phủ thơng dụng ............................................ 8
1.2.4. Các cơng trình nghiên cứu về vật liệu phủ có liên quan đến luận văn .... 10
1.2.4.1. Cơng trình của N.H.KIM,J.S.CHUN “Nghiên cứu tuổi bền của dao
có nền các bít vơnfram và vật liệu lớp phủ các bít ti tan và nhơm oxít” ...... 10
1.2.4.2. “Nghiên cứu mịn và tuổi bền của dao phay lăn răng đĩa xích thép
gió có lớp phủ sản xuất tại Việt Nam", luận văn thạc sĩ, trường đại học thái
nguyên. ...................................................................................................... 13
1.3. Tính Cấp Thiết Của Đề Tài ......................................................................... 14
1.4. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài ................................ 14
1.5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài ......................................... 15
1.7. Kết luận ...................................................................................................... 15
CHƯƠNG 2: MÒN VÀ TUỔI BỀN DỤNG CỤ CẮT CÓ LỚP PHỦ KHI TIỆN
THÉP KẾT CẤU ................................................................................................... 17
2.1. Bản chất vật lý của sự mài mịn dụng cụ cắt ................................................ 17
2.2. Q trình mài mịn dụng cụ cắt.................................................................... 19
2.3. Các dạng mòn của dụng cụ cắt. ................................................................... 20
2.3.1. Mài mòn mặt trước ............................................................................... 21
2.3.2. Mài mòn mặt sau .................................................................................. 22

Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH


Xác định các hệ số phương trình Taylor


2.4. Chỉ tiêu đánh giá sự mài mòn của dụng cụ cắt ............................................. 23
2.4.1. Chỉ tiêu đánh giá mòn mặt sau .............................................................. 23
2.4.2. Chỉ tiêu đánh giá mòn mặt trước ........................................................... 25
2.5. Tuổi bền dao và phương trình Taylor về tuổi bền dao. ................................ 26
2.5.1. Khái niệm tuổi bền dao ......................................................................... 26
2.5.2. Phương trình Taylor về tuổi bền dao ..................................................... 27
2.5.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi bền dao ................................................ 28
2.5.3.1. Ảnh hưởng của chi tiết gia công .................................................... 28
2.5.3.2. Ảnh hưởng của vận tốc cắt ............................................................ 28
2.6. Kết luận ...................................................................................................... 30
CHƯƠNG 3. XÁC ĐỊNH CÁC HỆ SỐ TRONG PHƯƠNG TRÌNH TAYLOR
KHI TIỆN THÉP S45C BẰNG DAO PHỦ TITANIUM NITRIT(TIN) ................ 31
3.1. Cơ sở và phương pháp nghiên cứu .............................................................. 31
3.2. Nhám bề mặt trong gia công........................................................................ 31
3.2.1. Khái niệm................................................................................................. 31
3.2.3. Chiều cao nhấp nhô profin theo mười điểm Rz. ..................................... 32
3.2.4. Phương pháp kiểm tra chất lượng bề mặt chi tiết máy ........................... 33
3.2.5. Các giá trị nhám bề mặt có thể đạt được trong gia công cắt gọt............. 33
3.3. Lựa chọn mơ hình quy hoạch. ..................................................................... 34
3.3.1. Lựa chọn giá trị chế độ cắt .................................................................... 35
3.3.2. Phương pháp định mòn tới hạn ............................................................. 36
3.4. Trang thiết bị thực nghiệm .......................................................................... 38
3.4.1. Máy tiện CNC ...................................................................................... 38
3.4.2. Dụng cụ cắt .......................................................................................... 39
3.4.3. Chi tiết gia công ................................................................................... 40
3.4.4. Dụng cụ đo trong thí nghiệm ................................................................ 41
3.4.4.1. Thiết bị đo độ bóng bề mặt. ........................................................... 41
3.4.4.2. Dụng cụ đo kích thước. ................................................................. 41
3.4.5. Phần mềm mơ phỏng và chương trình gia cơng .................................... 42

3.5. Quy trình thực nghiệm ................................................................................ 43
Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH


Xác định các hệ số phương trình Taylor

3.5.1. Chuẩn bị và kiểm tra mơ hình thực nghiệm........................................... 43
3.5.2. Xây dựng phương trình Taylor về tuổi bền dao khi chỉ xét đến ảnh hưởng
của vận tốc cắt ................................................................................................ 45
3.5.3. Thực nghiệm xây dựng phương trình Taylor mở rộng khi xét ảnh hưởng
của nhiều yếu tố đến tuổi bền dao ................................................................... 49
3.5.3.1. Cơ sở thiết kế thực nghiệm ............................................................ 49
3.5.3.2. Xác định số thí nghiệm lặp ............................................................ 52
3.5.3.3. Kết quả thực nghiệm và xử lý số liệu............................................. 52
3.5.3.4. Xác định các hệ số n, m, k, C trong phương trình Taylor mở rộng . 59
3.5.4. Xác định mối quan hệ giữa các yếu tố chế độ cắt đến tuổi bền dao ....... 61
3.6. Kết luận ...................................................................................................... 64
KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ TIẾP THEO CỦA ĐỀ TÀI...................... 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 66

Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH


Xác định các hệ số phương trình Taylor

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Trang
Hình 1. 1 Sự phát triển các thế hệ dụng cụ .............................................................. 1
Hình 1.2 Cấu tạo dụng cụ cắt có lớp phủ a) Một lớp phủ


b) Nhiều lớp phủ ......... 2

Hình 1.3 Mơ tả ngun lý phủ bay hơi lắng đọng vật lý (PVC)............................... 3
Hình 1.4 Mơ tả ngun lý phủ bay hơi lắng đọng hố học ....................................... 5
Hình 1.5 Mơ tả q trình trộn ngun vật liệu ......................................................... 6
Hình 1. 6 Quá trình định hình dạng mảnh dao ......................................................... 6
Hình 1. 7 Sơ đồ mơ tả q trình thiêu kết................................................................. 7
Hình 1. 8 Sơ đồ cấu trúc thiết bị thiêu kết xung điện Plasma ................................... 7
Hình 1. 9 Mảnh dao được mài tinh sau khi thiêu kết ................................................ 8
Hình 1. 10 Sơ đồ và thiết bị phủ mảnh dao .............................................................. 8
Hình 1. 11 Một số dụng cụ cắt có lớp phủ thơng dụng ............................................. 9
Hình 1. 12 Sơ đồ cơ chế mịn dụng cụ cắt .............................................................. 13
Hình 2. 1 Sự tiếp xúc và ma sát giữa phoi và mặt trước của dao ............................ 17
Hình 2. 2 Mơ tả khối lẹo dao trong quá trình cắt .................................................... 18
Hình 2. 3 Mơ tả khối q trình khuếch tán vật liệu ................................................ 19
Hình 2. 4 Đồ thị mơ tả q trình mài mịn dao qua các giai đoạn ........................... 19
Hình 2. 5 Các dạng mài mịn dụng cụ cắt;.............................................................. 20
Hình 2. 6 Mơ tả hai dạng mịn đặc trưng trên dao tiện; a) Các vùng mịn; .............. 21
Hình 2. 7 Mơ tả mịn mặt trước trên dao tiện, a) mơ hình 3D; b) hình chụp tế vi... 22
Hình 2. 8 Mơ tả mịn mặt sau trên dao tiện. ........................................................... 23
Hình 2. 9 Mặt cắt mòn mặt sau trên dao tiện [28] .................................................. 24
Hình 2. 10 Mặt cắt mịn mặt trước trên dao tiện [29]. ............................................ 26
Hình 2. 11 Ảnh hưởng cấu trúc tế vi đến tuổi bền khi tiện a) gang; b) thép ........... 28
Hình 2. 12 Mơ tả sự phụ thuộc giữa vận tốc cắt và tuổi bền dao theo độ mòn mặt
sau VB cho trước [23] ........................................................................................... 29

Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH



Xác định các hệ số phương trình Taylor

Hình 2. 13 Quan hệ vận tốc cắt, tuổi bền dạng đồ thị Lơgarit [29]. ........................ 29
Hình 3.1 Mơ tả nhám bề mặt xác định Ra............................................................... 32
Hình 3. 2: Mơ tả nhám bề mặt khi xác định Rz....................................................... 32
Hình 3.3 Mơ hình ngun lý đo profin bề mặt [16] ................................................ 33
Hình 3.4 Ảnh hưởng bán kính mũi dao và lượng chạy dao đến độ nhấp nhơ bề mặt
.............................................................................................................................. 34
Hình 3.5 Mơ tả quan hệ giữa mịn dao và sai số gia cơng....................................... 37
Hình 3.6 Máy tiện CNC sử dụng trong thực nghiệm .............................................. 38
Hình 3.7 Cán và lưỡi dao sử dụng trong thực nghiệm ............................................ 39
Hình 3.8 Máy đo độ bóng bề mặt SJ - 301 sử dụng trong thực nghiệm .................. 41
Hình 3.9 Dụng cụ đo kích thước sử dụng trong thực nghiệm ................................. 42
Hình 3.10 Mơ phỏng thực nghiệm bằng phần mềm MTS....................................... 42
Hình 3.11 Mơ hình gia cơng thực nghiệm .............................................................. 44
Hình 3.12 Calip lại thiết bị đo độ bóng bề mặt và kiểm tra phôi trước lúc thực
nghiệm .................................................................................................................. 44
Hình 3.13 Đồ thị mặt ba chiều yếu tố chế độ cắt ảnh hưởng đến tuổi bền dao ........ 49
Hình 3.14 Đồ thị Lôgarit quan hệ giữa vận tốc cắt và tuổi bền dao ........................ 49
Hình 3.15 Mơ tả sơ đồ thực nghiệm ....................................................................... 52
Hình 3.16 Đồ thị dạng 3D quan hệ s,v đến tuổi bền ............................................... 60
Hình 3.17 Đồ thị đường mức với t giữ ở mức thấp ................................................ 60
Hình 3.18 Đồ thị quan hệ giữa vận tốc cắt và tuổi bền ........................................... 60

Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH


Xác định các hệ số phương trình Taylor

DANH MỤC BẢNG BIỂU


Trang
Bảng 1. 1. Chế độ cắt làm thực nghiệm ................................................................. 10
Bảng 1. 2 Tuổi bền dụng cụ cắt carbide không có lớp phủ .................................... 11
Bảng 1. 3 Tuổi bền dụng cụ cắt có lớp phủ TiC ..................................................... 11
Bảng 1. 4 Tuổi bền dụng cụ cắt có lớp phủ TiC +Al2O3 ......................................... 12
Bảng 2. 1 Lượng mòn mặt sau cho phép theo tiêu chuẩn ΓOCT [2] ....................... 24
Bảng 2. 2 Lượng mòn mặt sau cho phép theo tiêu chuẩn AISI/SAE [2] ................. 25
Bảng 2. 3 Giá trị hệ số n và C trong phương trình Taylor [23]. .............................. 27
Bảng 3. 1 Miền giá trị các nhân tố đầu vào ............................................................ 36
Bảng 3. 2 Thông số cơ bản của máy tiện CNC JG – 100 Đài Loan ........................ 38
Bảng 3. 3 Thông số kích thước mảnh Insert ........................................................... 39
Bảng 3. 4. Thơng số kích thước cán dao ................................................................ 40
Bảng 3. 5 Thành phần hố học trong phơi làm thực nghiệm .................................. 40
Bảng 3. 6 Kết quả thực nghiệm.............................................................................. 46
Bảng 3. 7 Ma trận quy hoạch, kết quả .................................................................... 47
Bảng 3. 8 Ma trận thực nghiệm và giá trị mã hoá tương ứng................................. 51
Bảng 3. 9 Kết quả thực nghiệm............................................................................ 53
Bảng 3. 10

Phương sai các thí nghiệm lặp .......................................................... 56

Bảng 3. 11 Các giá trị thu từ phương trình hồi quy ................................................ 58
Bảng 3. 12: Kết quả ma trận quy hoạch thực nghiệm ............................................. 61

Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH


Xác định các hệ số phương trình Taylor


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU VÀ THUẬT NGỮ


Chử viết tắt

Nghĩa tiếng anh

Nghĩa tiếng việt

CAD

Computer Aided Design

Thiết kế với sự hỗ trợ của máy tính

CAM

Computer Aided Manufacturing

Chế tạo với sự hỗ trợ của máy tính

HSS

Hight Speed Stell

Thép gió

PVD

Physical Vapour Deposition


Bay hơi ngưng tụ vật lý

CVD

Chemical Vapour Deposition

Bay hơi ngưng tụ hoá học

HRC

Hardness Rockwell C

Thang đo độ cứng Rockwell

ISO

International Standardization Orgnization

Tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế

DIN

Deutsche Industrie Norm ( tiếng Đức)

Tiêu chuẩn công nghiệp Đức

ANSI

American National Standards Institute


Viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ

JIS

Japan Industry Standard

Tiêu chuẩn nhật

LCD

Liquid Crystal Display

Màn tinh thể lỏng

TCVN

Tiêu Chuẩn Việt Nam

TNHH

Trách Nhiệm Hữu Hạn

ISO 3685

Tool-life testing with single-point turning tools

Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH



Xác định các hệ số phương trình Taylor

LỜI MỞ ĐẦU
Nghiên cứu q trình gia cơng là một lĩnh vực rộng, đã có nhiều cơng
trình nghiên cứu, như khảo sát lực cắt, nhiệt cắt, góc độ và hình dáng hình học
của dao. Tuy nhiên những tìm hiểu về ảnh hưởng của chế độ cắt đến tuổi bền
dao cịn ít, đặc biệt đối với các loại dụng cụ cắt có lớp phủ, càng mới mẽ.
Đối với nhóm vật liệu dụng cụ này nếu hiểu rõ, sẽ mang lại hiệu quả kinh
tế gia cơng rất cao.
Phương trình Taylor về tuổi bền dao tuy đã được sử dụng hàng trăm năm
nhưng chỉ áp dụng cho thép gió, hợp kim cứng, gốm, kim cương….Về vật liệu
phủ chưa có cơng trình nào nghiên cứu và cơng bố rộng rãi, đặc biệt nhóm vật
liệu phủ Titanium Nitrit (TiN) chiếm số lượng rất lớn trên thị trường nhưng
chưa ai ngiên cứu.
Gia cơng cơ khí đã có những phát triển vượt bậc, từ khi con người biết áp
dụng máy tính điện tử hỗ trợ cho q trình thiết kế và gia công. Cho đến ngày
nay với những máy CNC có thể gia cơng với số vịng quay hàng chục ngàn
vòng/phút. Tuy nhiên, để khai thác hiệu quả trang thiết bị, dụng cụ cắt phải chịu
đựng được môi trường khắc nghiệt.
Với xu thế chun mơn hố, chế tạo dụng cụ cắt đã có các tập đồn lớn cung
cấp, nên trong nghiên cứu này khơng đi sâu quy trình chế tạo, chỉ nghiên cứu ứng
dụng hiệu quả. Đưa ra tốc độ cắt hợp lý ứng với một tuổi bền cho trước.

Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH


Xác định các hệ số phương trình Taylor

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CỦA ĐỀ TÀI
1.1. Giới thiệu về quá trình phát triển dụng cụ cắt

Quá trình phát triển vật liệu dụng cụ cắt đã trải qua các giai đoạn vô cùng
mạnh mẽ. Ngay từ khi thép gió (HSS) ra đời đã cải thiện tốc độ cắt đáng kể so
với các loại vật liệu trước đó, tiếp sau đó các nhóm vật liệu hợp kim cứng, vật
liệu gốm có thể cho vận tốc cắt tới hơn hàng ngàn mét/phút, giúp phát triển q
trình gia cơng như tăng năng suất, cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết gia công.
Sự phát triển về khoa hoc và công nghệ kết hợp với việc cạnh tranh kinh
tế đã đặt ra những yêu cầu cao hơn trong việc lựa chọn dụng cụ cắt. Để thỏa
mãn nhu cầu đó người ta tiến hành tìm kiếm những dụng cụ vật liệu mới bằng
cách thử nghiệm rất nhiều vật liệu khác nhau. Những vật liệu dụng cụ cắt mới
đã được phát minh ra trong q trình thí nghiệm là kết quả nỗ lực liên tục của
hàng nghìn thợ lành nghề, của các nhà sáng chế, các nhà công nghệ, các kỹ sư…
Sự phát triển ấy được ví như quá trình tiến hóa trong sinh học.

Hình 1. 1 Sự phát triển các thế hệ dụng cụ

Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH

Trang 1


Xác định các hệ số phương trình Taylor

Từ biểu đồ ta thấy, việc gia công một chi tiết vào năm 1900 mất quá
nhiều thời gian so với bây giờ. Nguyên nhân là do việc cải tiến vật liệu dụng cụ
là nhân tố góp phần tạo nên hiệu quả và năng suất.
Với sự cạnh tranh khốc liệt của thị trường hàng hố như đã biết ở trên.
Điều đó dẫn đến các nhà sản xuất luôn phải áp dụng các công nghệ mới nhằm
tăng năng suất, hạ giá thành sản phẩm. Trong đó cải tiến và lựa chọn dụng cụ
cắt thích hợp là tiêu chí được các doanh nghiệp ưu tiên hàng đầu. Xuất phát từ
nhu cầu thực tiễn nên vật liệu phủ ra đời và phát triển không ngừng về chủng

loại cũng như chất lượng.
Ngày nay trên thị trường có nhiều loại dụng cụ phủ khác nhau về vật liệu
nền (thép gió, hợp kim cứng) và khác nhau về vật liệu lớp phủ như (TiC, TiN,
Mo2N, Al2O3…), khác nhau về một lớp phủ và nhiều lớp phủ. Trong đó dụng cụ
cắt có lớp phủ TiN được sử dụng rộng rãi nhất.
1.2. Dụng cụ cắt có lớp phủ
1.2.1. Cấu tạo và đặc điểm của dụng cụ cắt có lớp phủ
Dụng cụ cắt có lớp phủ, phần cắt gọt được cấu tạo bởi hai phần chính
(hình1.2).
+ Phần nền - Phổ biến là hai loại vật liệu dụng cụ cắt truyền thống, thép
gió và hợp kim cứng.
+ Phần phủ - Bao gồm các loại vật liệu như: Titanium nitrit (TiN),
Titanium carbide (TiC), Titanium carbonitrit (TiCN), Titanium aluminium nitrit
(TiAlN)

Hình 1.2 Cấu tạo dụng cụ cắt có lớp phủ [16]
a) Một lớp phủ

b) Nhiều lớp phủ

Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH

Trang 2


Xác định các hệ số phương trình Taylor

Lớp phủ là lớp vật liệu rất mỏng khoảng 0,002 ÷ 0,01mm với độ cứng rất
cao [1], hệ số ma sát nhỏ nên lực ma sát giữa dòng phoi và mặt trước của dao
giảm,vì vậy trong q trình gia cơng phoi thốt ra quá nhanh không đủ thời gian

truyền nhiệt từ phoi vào dao, làm tăng tuổi bền của dao.
Tùy vào chiến lược kinh doanh nhà sản xuất dụng cụ sẽ quyết định sản
xuất ra loại một lớp phủ hay nhiều lớp phủ. Khi phủ nhiều lớp ta sẽ tận dụng
được ưu thế của các lớp phủ khác nhau, nhằm tạo ra chất lượng dụng cụ cao
hơn. Tuy nhiên quy trình phủ sẽ phức tạp và dẫn đến giá thành sản phấm sẽ cao.
1.2.2. Quy trình phủ
1.2.2.1. Phương pháp phủ bay hơi vật lý( PVD)
Phủ bằng phương pháp bay hơi vật lý (PVD) được thực hiện trong buồng
kín chứa khí trơ với áp suất thấp khoảng dưới 10-2 bar ở nhiệt độ từ 400oC –
600oC [17]. Sau khi phủ xong sẽ tạo nên một lớp màng mỏng trên bề mặt vật
liệu nền, kỹ thuật tạo lớp phủ bằng phương pháp vật lý có thể phân loại ra nhiều
hướng theo cơ chế tạo nguồn hơi từ vật rắn: phương pháp bốc bay bằng cách sử
dụng các nguồn nhiệt, hồ quang, plasma, chùm điện tử; phương pháp phún xạ.
Tuy nhiên có hai phương pháp (PVD) thông dụng là phương pháp bốc bay bằng
nhiệt điện trở và phương pháp phún xạ magnetron phẳng.

a)

b)

Hình 1.3 Mơ tả nguyên lý phủ bay hơi lắng đọng vật lý (PVC)[21]
a) Sơ đồ nguyên lý b) Cấu trúc tế vi lớp phủ

Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH

Trang 3


Xác định các hệ số phương trình Taylor


Với nhiệt độ của q trình phủ như trên, phủ PVD thích hợp cho các dụng
cụ thép gió. Do nhiệt độ thấp các nguyên tử khí và kim loại khi bay hơi phải
được ion hoá và kéo về bề mặt cần phủ nhờ một điện thế âm đặt vào đó. Q
trình bắn phá bề mặt phủ bằng các ion của khí trơ được thực hiện trước khi phủ
để làm tăng độ dính kết của vật liệu phủ với nền.
1.2.2.2. Phương pháp phủ bay hơi hoá học (CVD)
Phủ bay hơi hoá học CVD dùng để phủ lên bề mặt làm việc của dụng cụ
các lớp mỏng ceramics như TiC, TiN, TiCN, Al2O3 và kim cng nhõn
toVi chiu dy 5àm ữ 10àm. Chi tit ph được đặt và nung nóng trong
buồng kín chứa khí H2 (dưới áp suất khí quyển hoặc nhỏ hơn). Các hợp chất
bay hơi được đưa vào buồng để tạo ra các thành phần của lớp phủ thơng qua các
phản ứng hố học. Nhiệt độ của quá trình từ 900o đến 1100 o và chu kỳ nung nóng
diễn ra vài giờ.
Với nhiệt độ phủ như vậy đã vượt quá ngưỡng bền nhiệt, của các loại thép
dụng cụ, đồng thời biến dạng nhiệt lớn sẽ tác động xấu đến dung sai kích thước
dụng cụ. Vì vậy phương pháp này khơng áp dung được các loại thép dụng cụ, chỉ
thích hợp khi phủ vật liệu nền là hợp kim cứng [24]
Cụ thể khi phủ mảnh Insert nền hợp kim cứng, lớp phủ Titanium nitrit
(TiN) thực hiện được bằng cả hai phương pháp (PVC) và (CVD). Cơ bản dựa
trên phản ứng hoá học giữa Titan clorua (TiCl4), Nitơ và Hydro, với phương
trình phản ứng như sau:
2TiCl4 + N2 + 4H2 → 2TiN + 8HCL

Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH

(1.1). [17]

Trang 4



Xác định các hệ số phương trình Taylor

Hình 1.4 Mơ tả nguyên lý phủ bay hơi lắng đọng hoá học[21]
Đặc trưng lớp phủ này có màu vàng, hệ số ma sát nhỏ độ cứng nóng cao,
khả năng bám dính tốt với nền. Dụng cụ cắt có lớp phủ này chịu được tốc độ cắt
và lượng chạy dao lớn. Độ mài mịn mặt sau nhỏ và có thể mài lại được. Tuy
nhiên khi cắt ở tốc độ thấp phoi bị bám vào nhiều, bị mài mòn nhiều hơn so với
dụng cụ khơng có lớp phủ [2].
1.2.2.3. Tóm tắt quy trình chế tạo mảnh dao tiện (Insert)
Bước 1: Chuẩn bị các loại nguyên vật liệu
Bột cô ban, bột cacbit vônfram, các thành phần phụ như cacbit titan,
cacbit tangtan… Sau khi chọn đúng những loại vật liệu cần thiết, tiến hành trộn
đều bằng bồn trộn.

Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH

Trang 5


Xác định các hệ số phương trình Taylor

Hình 1.5 Mơ tả quá trình trộn nguyên vật liệu[21]
Bước 2: Tạo hình các mảnh dao
Sau khi các loại vật liệu được chọn và trộn đều ở bước 1, tiếp theo ép tạo
thành hình dáng, kích thước theo tiêu chuẩn và kiểm tra trước lúc chuyển qua
bước kế tiếp.

Hình 1. 6 Quá trình định hình dạng mảnh dao
Bước 3: Thiêu kết mảnh dao
Sau khi thiêu kết kích thước mảnh dao sẽ bị giảm thể tích xuống cịn 50%

so với trước lúc thiêu kết

Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH

Trang 6


Xác định các hệ số phương trình Taylor

Hình 1. 7 Sơ đồ mơ tả q trình thiêu kết[21]
Ngày nay kỹ thuật thiêu kết xung điện plasma được ứng dụng nhiều. Là
một kỹ thuật tương đối mới, cho phép chuẩn bị mẫu vật liệu có mật độ (tỷ trọng)
lý tưởng, tại nhiệt độ thiêu kết tuơng đối thấp và khoảng thời gian giữ nhiệt
ngắn hơn so với các phuơng pháp thiêu kết truyền thống (như thiêu kết thường,
ép nóng, là các phương pháp thiêu kết đòi hỏi thời gian giữ nhiệt kéo dài hàng
giờ ở nhiệt độ cao).

Hình 1. 8 Sơ đồ cấu trúc thiết bị thiêu kết xung điện Plasma
Bước 4: Mài lại mảnh dao
Sau khi thiêu kết xong tiến hành mài lại kích thước mảnh Insert đúng
kích thước theo yêu cầu.
Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH

Trang 7


Xác định các hệ số phương trình Taylor

Hình 1. 9 Mảnh dao được mài tinh sau khi thiêu kết[21]
Bước 5: Phủ lên các lớp vật liệu khác nhau


Hình 1. 10 Sơ đồ và thiết bị phủ mảnh dao[21]
1.2.3. Các loại dụng cụ cắt có lớp phủ thơng dụng
Hiện nay dụng cụ cắt có lớp phủ chiếm đa số trên thị trường, ứng dụng đa
dạng các loại dụng cụ như: dao tiện, dao phay, dao chuốt, ta rô, dao phay lăn
răng (Hình 1.7).
Bên cạnh sự đa dạng về chủng loại dao được phủ thì sự đa dạng về loại
vật liệu lớp phủ cũng được áp dụng rơng rãi. Với mục đích ứng dụng các ưu thế
khác nhau của các loại lớp phủ nhằm tạo ra các loại dụng cụ cắt có tuổi bền cao.
Sau đây giới thiệu một số loại vật liệu lớp phủ và các đặc điểm của nó.

Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH

Trang 8


Xác định các hệ số phương trình Taylor

Hình 1. 11 Một số dụng cụ cắt có lớp phủ thơng dụng [16]
Lớp phủ Titanium carbide (TiC) – chất này được phủ lên nền mảnh hợp
kim cứng, có khả năng chống mài mịn cao khi gia cơng vật liệu có tính cào
xước
Lớp phủ Titanium nitrit (TiN) – loại lớp phủ này được áp dụng vào
khoảng những năm 60 của thế kỷ trước, loại này có hệ số ma sát nhỏ, độ cứng
nóng cao, bám dính tốt trên nền. Dụng cụ phủ loại này chịu được tốc độ cắt và
lượng chạy dao lớn. Tuy nhiên nếu cắt với vận tốc cắt thấp dễ bị phoi bám vào
dẫn đến bị mòn nhiều hơn vật liệu không phủ.
Lớp phủ nhôm oxyt – khả năng bám dính của nó lên kim loại là khơng
tốt, vì vậy người ta thường phủ thêm một lớp trung gian là TiC. Hợp kim cứng
phủ TiC – Al2O3 thường dùng làm dao tiện để gia công thép, thép đúc và gang

khi cắt với tốc độ cắt cao.
Lớp phủ kim cương – chủ yếu dùng phủ lên vật liệu nền WC và SiN, quá
trình phủ nhằm đảm bảo màng kim cương bám vào lớp nền tương đối khó khăn,
vì hai chất này có hệ số giản nở về nhiệt khác nhau nhiều. Màng mỏng kim
cương được phủ lên nền theo cả hai phương pháp PVC hoặc CVD, cịn tấm kim
cương dày thì cắt bằng laser tinh khiết thành hình rồi hàn vảy lên hợp kim cứng
[2]. Loại lớp phủ này có hiệu quả khi gia công hợp kim nhôm, sợi gia cường và
coposite nền kim loại.

Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH

Trang 9


Xác định các hệ số phương trình Taylor

1.2.4. Các cơng trình nghiên cứu về vật liệu phủ có liên quan đến đề tài
Trong những năm gần đây, công nghệ phủ được sử dụng rộng rãi cho các
dụng cụ như: khoan, ta rô, phay trong gia công thép và gang. Vật liệu phủ chính
là carbide titanium (TiC), Titanium nitride (TiN), Oxyt nhôm (Al2O3), Titanium
cacbide nitride (TiNC) là các vật liệu rất cứng, có độ chống ăn mịn và độ trơ
hóa cao, tăng khả năng chống mài mòn giữa dụng cụ và phoi.
Thời gian qua đã có khơng ít các cơng trình nghiên cứu khoa học, luận
văn thạc sỹ, luận án tiến sỹ cũng như các hảng sản xuất dụng cụ cắt trên thế giới
đã nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mới về sản xuất dụng cụ, sau đây là một
số cơng trình nghiên cứu đã được cơng bố trên các tạp chí thế giới .
1.2.4.1. Cơng trình của N.H.KIM,J.S.CHUN “Nghiên cứu tuổi bền của
dao có nền các bít vơnfram và vật liệu lớp phủ các bít ti tan và nhơm oxít”
Tác giả bài báo đã sử dụng phương pháp nghiên cứu, quy hoạch thực
nghiệm, sử dụng hai phương trình xác định tuổi bền dụng cụ. Thứ nhất phương

trình Taylor T.V n = C (1), và phương trình Wu’s TVαfβtγ = C (2), nhằm nghiên
cứu và so sánh tuổi bền loại dụng cụ cắt carbide khơng có lớp phủ và vật liệu
nền là carbide với hai lớp phủ khác nhau TiC và TiC + Al2O3.
Cơ sở nghiên cứu, tác giả dùng dng c ct cú lp ph TiC dy t 5ữ
8àm, lp ph TiC + Al2O3 dy t 8 ữ10àm. Gii hạn độ mòn dao theo mặt sau
VB = 0.3mm, tiến hành làm thực nghiệm trên máy tiện gia công thép kết cấu,
lần lượt thay đổi các yếu tố đầu vào là chế độ cắt gia công trong khoảng phạm
vi như (bảng 1.1)
Bảng 1.1 Chế độ cắt làm thực nghiệm
Loại vật

Lượng chạy dao

Vận tốc cắt

Chiều sâu cắt

liệu

f(mm/vịng)

v(m/phút)

t(mm)

TiC

0.206 ÷ 0.410

100 ÷ 250


0,1 ÷ 0,5

TiC+ Al2O3

0.206 ÷ 0.410

180 ÷ 400

0,1 ÷ 0,5

Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH

Trang 10


Xác định các hệ số phương trình Taylor

Tiến hành đo tuổi bền dao theo giới hạn mòn mặt sau VB = 0.3mm, ở các
lần thay đổi yếu tố chế độ cắt, tổng hợp thành các bảng dữ liệu. Sau đó quy
hoạch thực nghiệm và đưa ra kết quả (1.2,1.3,1.4)
Bảng 1. 2 Tuổi bền dụng cụ cắt cacbit khơng có lớp phủ
Số lần thực

Vận tốc cắt

Lượng chạy dao

Chiều sâu cắt


Tuổi bền dao

nghiệm

V(m/ph)

f(mm/v)

t(mm)

T(phút)

2

330

0,206

0.1

4.1

3

155

0.410

0.1


20

5

155

0.206

0.5

3

8

320

0.410

0.5

0.3

9

225

0.3

0.3


3.5

10

225

0.3

0.3

3.3

Bảng 1. 3 Tuổi bền dụng cụ cắt có lớp phủ TiC
Số lần thực

Vận tốc cắt

Lượng chạy dao

Chiều sâu cắt

Tuổi bền dao

nghiệm

V(m/ph)

f(mm/v)

t(mm)


T(phút)

2

330

0,26

0.1

8.6

3

155

0.410

0.1

40

5

155

0.206

0.5


16.2

8

330

0.410

0.5

1.5

9

230

0.3

0.3

10

10

230

0.3

0.3


10.5

Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH

Trang 11


Xác định các hệ số phương trình Taylor

Bảng 1. 4 Tuổi bền dụng cụ cắt có lớp phủ TiC +Al 2 O 3
Số lần thực

Vận tốc cắt

Lượng chạy dao

Chiều sâu cắt

Tuổi bền dao

nghiệm

v(m/ph)

f(mm/v)

t(mm)

T(phút)


2

343

0,26

0.1

8.3

3

155

0.410

0.1

32

5

155

0.206

0.5

14


8

343

0.410

0.5

1.7

9

225

0.3

0.3

10.1

10

225

0.3

0.3

10


Sau quá trình xử lý số liệu thực nghiệm tác giả đã xác định được các hệ
số trong phương trình tuổi bền dao Taylor và Wu’s như sau:
-

Phương trình Taylor

+ Dụng cụ cắt carbide khơng phủ:

VT0,23 = 209

+ Dụng cụ cắt carbide phủ TiC:

VT0,26 = 351

+ Dụng cụ cắt carbide phủ TiC + Al2O3:

VT0,29 = 384

-

Phương trình Wu’s

+ Dụng cụ cắt carbide không phủ:
+ Dụng cụ cắt carbide phủ TiC:
+ Dụng cụ cắt carbide phủ TiC + Al2O3:

TV2.594f0.522t1.399 = 385972
TV2.594f0.612t0.822 = 1607242
TV2.163f0.551t0.748 = 214233


Tuổi bền dụng cụ có lớp phủ so với không phủ tăng từ 5 đến 7 lần và cải
thiện tốc độ cắt tốt hơn. Tuổi bền của hai loại dụng cụ phủ TiC + Al2O3 và TiC
là tương đương nhau khi gia công cùng vận tốc cắt
So sánh kết quả phân tích giữa phương trình Taylor;s, Wu’s dường như là
như nhau, tuy nhiên giải pháp Wu ’s phù hợp hơn
Nếu chúng ta muốn tăng tuổi bền dao, sử dụng hợp chất phủ nên chọn
một điều kiện cắt hợp lý nhất

Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH

Trang 12


Xác định các hệ số phương trình Taylor

1.2.4.2. “Nghiên cứu mòn và tuổi bền của dao phay lăn răng đĩa xích thép
gió có lớp phủ sản xuất tại Việt Nam", luận văn thạc sĩ, trường đại học thái
nguyên.
Tổng quan về tình hình nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực đề tài của tác
giả đã thực hiện
- Xây dựng mơ hình nghiên cứu và hệ thực nghiệm
- Thực nghiệm và phân tích dữ liệu
- Xác định mối quan hệ giữa mịn và tuổi bền của dao phay lăn răng đĩa
xích bằng thép gió sản xuất tại Việt Nam
- Phân tích kết quả nghiên cứu và bàn luận
Tác giả đã xây dựng cơ sở lý thuyết về các dạng mòn dụng cụ, và đưa ra
các chỉ tiêu mài mòn, nhằm hỗ trợ trong q trình nghiên cứu thực nghiệm. Đối
với mài mịn mặt sau tác giả đưa ra chỉ tiêu [hs] = (0.8 ÷ 1mm) khi gia cơng
thép, [hs] = (0.8 ÷ 1,4mm) khi gia cơng gang, [hs]= (0.2 ÷ 2,5mm) khi gia cơng

tinh. Mài mịn mặt trước K = 0.4 với dụng cụ cắt là hợp kim cứng, nếu thép gió
sẽ lớn hơn.

Hình 1. 12 Sơ đồ cơ chế mịn dụng cụ cắt
Sau khi xác định giá trị mòn tới hạn tác giả tiếp tục xây dụng mối quan hệ
giữa độ mịn và các thơng số liên quan. Tiến hành làm thực nghiệm và đo các
thông số liên quan trong phương trình độ mịn. Trong q trình thực hiện tác giả
đã sử dụng một số thiết bị hiện đại để đo độ mòn dụng cụ, độ nhám bề mặt như
máy đo toạ độ 3D, Mitutoyo SJ – 201

Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH

Trang 13


Xác định các hệ số phương trình Taylor

1.3. Tính Cấp Thiết Của Đề Tài
Ảnh hưởng của kinh tế thị trường để giảm giá thành sản phẩm một trong
những giải pháp tối ưu là chọn nguyên liệu đầu vào phù hợp về giá cả và chất
lượng. Trong ngành cơ khí chế tạo máy thép S45C được sử dụng rất phổ biến vì:
là ngun liệu dễ tìm, rẻ tiền,có tính phù hợp điều kiện làm việc của các chi tiết
máy điển hình. Tuy nhiên khi môi trường gia công với vật liệu làm dao là vật
liệu phủ và vật liệu chi tiết gia công thép các bon kết cấu này lại chưa có cơng
trình nghiên cứu nào được cơng bố rộng rãi.
Qua tìm hiểu thực tế sản xuất tại một số cơng ty gia cơng, sản xuất cơ khí
tại khu vực Bình Dương, Đồng Nai cũng như tại TP. Hồ Chí Minh. Tác giả nhận
thấy dụng cụ cắt trong các nhà máy này đều sử dụng vật liệu có lớp phủ. Tuy
nhiên khi đề cập đến vấn đề các điều kiện cắt tối ưu cho loại vật liệu mới có
nhiều ưu việt này thì hầu hết các nhà sử dụng đều khơng biết. Tất cả các giá trị

đó được nhà sản xuất vật liệu cung cấp mang tính chất áp đặt, khơng hề có một
tài liệu hướng dẫn. Dẫn đến nhà sử dụng khơng thể chủ động khai thác tính tối
ưu của nó.
Như chúng ta đã biết để tăng năng suất trong gia cơng cắt gọt thì phải
giảm được thời gian phụ, có nghĩa là phải tăng tuổi bền của dụng cụ cắt lên.
Một phương trình được xây dựng từ thực nghiệm để xác định tuổi bền dụng cụ
cho các loại vật liệu truyền thống trước đây rất hiệu quả, đó là công thức Taylor.
Với những lổ hổng, về khai thác và làm chủ công nghệ trong thực tế Việt
Nam hiện nay như đã đề cập ở trên. Tác giả mạnh dạn nghiên cứu đề tài “Xác
định các hệ số phương trình Taylor khi tiện thép kết cấu bằng dụng cụ cắt
có lớp phủ Titanium Nitride(TiN)”. Với mục đích áp dụng những thành quả
nghiên cứu vào thực tế sản xuất nhằm góp phần cải thiện những vấn đề cấp bách
ở trên.
1.4. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là trình bày tóm lược cở sở lý thuyết về
q trình cắt kim loại và các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình cắt nói chung
cũng như q trình cắt bằng mãnh Insert nói riêng
Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH

Trang 14


Xác định các hệ số phương trình Taylor

Nghiên cứu và thiết kế thực nghiệm, tiến hành thực nghiệm gia công với
dụng cụ cắt làm bằng vật liệu nền là carbide được phủ Titanium Nitride (TiN)
khi gia công thép cacbon kết cấu (S45C)
Xác định các hệ số n và C trong cơng thức Taylor nhằm tìm mối quan hệ
tối ưu giữa vận tốc cắt và tuổi bền dao cho cặp vật liệu này.
1.5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Với sự nghiên cứu này góp phần tăng khả năng nghiên cứu về các ứng
dụng vật liệu dụng cụ cắt tiên tiến nhằm nâng cao năng lực cho q trình gia
cơng bằng cắt gọt. Đồng thời có thể bổ sung vào các sổ tay tra cứu chế độ cắt
gia cơng cơ cho nhóm vật liệu dụng cụ phủ.
Kết quả của sự nghiên cứu này sẽ áp dụng vào làm chủ công nghệ trong
sử dụng vật liệu cắt có lớp phủ. Cụ thể khi áp dụng vào thực tế sản xuất sẽ có cơ
sở để chọn các điều kiện cắt sao cho tuổi bền dụng cụ là tốt nhất, chất lượng chi
tiết gia công được cải thiện, giảm thời gian phụ trong gia cơng. Điều đó dẫn đến
nâng cao năng suất gia công, và hạ được giá thành sản phẩm.
1.6. Phương pháp nghiên cứu
Dựa vào cơ sở lý thuyết về nguyên lý cắt gọt kim loại làm nền tảng
nghiên cứu
Lý thuyết về quá trình hình thành phoi
Mối quan hệ giữa các thông số công nghệ tác động đến tuổi bền dụng cụ
Tiến hành làm thực nghiệm
Đo đạc các kết quả thực nghiệm thu được
Dùng phương pháp quy hoạch thực nghiệm tìm mối quan hệ qua lại của
các yếu tố cần nghiên cứu (sự phụ thuộc giữa s,v,t đến tuổi bền dụng cụ T)
1.7. Kết luận
Với những ưu điểm nổi trội như đã tìm hiểu và phân tích ở trên, tác giả nhận
thấy nếu sử dụng dụng cụ cắt có lớp phủ sẽ nâng cao năng suất gia cơng, tăng chất
lượng sản phẩm, đồng thời hạ được giá thành sản phẩm.
Dụng cụ cắt có lớp phủ cho đến thời điểm hiện tại đã đóng một vai trị chính
trên thị trường dụng cụ cắt nói chung, và trong lĩnh vực gia cơng cắt gọt nói riêng.
Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH

Trang 15


Xác định các hệ số phương trình Taylor


Nhận thấy các doanh nghiệp sản xuất cơ khí trên thị trường hiện nay, đa số đã
chuyển đổi từ dụng cụ cắt không có lớp phủ, ghép chặt bằng hàn khí sang dụng cụ
cắt có lớp phủ, sử dụng cả trên máy CNC cũng như máy công cụ truyền thống.

Tác giả: HỒ PHI ANH – TRẦN XUÂN TRINH

Trang 16