1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
==========

ĐỖ QUANG

LỰA CHỌN MŨI KHOAN VÀ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CẮT HỢP LÝ
ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ TRONG VIỆC GIA CÔNG LỖ
LẮP HẠT CẮT CỦA CHÓP MŨI KHOAN XOAY CẦU 246

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
MÃ SỐ: 60520103

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

KHOA CHUYÊN MÔN
TRƢỞNG KHOA

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS NGUYỄN QUỐC TUẤN
PHÕNG ĐÀO TẠO

THÁI NGUYÊN - 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
==========

ĐỖ QUANG

LỰA CHỌN MŨI KHOAN VÀ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CẮT HỢP LÝ
ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ TRONG VIỆC GIA CÔNG LỖ
LẮP HẠT CẮT CỦA CHÓP MŨI KHOAN XOAY CẦU 246

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN QUỐC TUẤN

THÁI NGUYÊN - 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




3

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Qua nghiên cứu thực tế sản xuất mũi khoan xoay cầu tại Công ty TNHH một
thành viên cơ khí hóa chất 13 phục vụ ngành khai thác khoáng sản, cụ thể là mũi
khoan xoay cầu 246 với vật liệu chế tạo chóp là thép 20XHM.


Hình 1. Mũi khoan xoay cầu 246
Quá trình gia công các lỗ trên các chóp để lắp các hạt cắt HKC đƣợc thực
hiện trên máy khoan đứng; dụng cụ gia công là mũi khoan vật liệu thép gió P18,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




4

đƣờng kính 10, 13, 14 (tƣơng ứng với các lỗ 10, 13, 14 của chóp).
Sau khi khoan xong các lỗ lắp hạt cắt HKC mới tiến hành nhiệt luyện chóp để
đảm bảo độ cứng theo yêu cầu. Số lƣợng các lỗ đƣợc phân bổ trên các chóp nhƣ
sau:
Bảng 1. Bảng số lượng lỗ phân bổ trên chóp mũi khoan xoay cầu
10

13

14

Chóp 1

19

1

46


Chóp 2

17

3

45

Chóp 3

15

5

44

51

9

135

Loại lỗ
Loại chóp

Cộng:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN





5

Hình 2. Chóp mũi khoan xoay cầu
Do các lỗ lắp hạt cắt HKC đƣợc gia công đạt yêu cầu trƣớc khi nhiệt luyện,
nên sau khi nhiệt luyện xong có sự biến động tăng về sai số kích thƣớc đƣờng
kính, độ côn, độ ô van (thực tế 0,030,04mm; thậm chí có những lỗ tới 0,05mm)
và nhám bề mặt của lỗ khoan. Vì vậy trƣớc khi tiến hành lắp ép các hạt cắt HKC
vào các lỗ phải đo phân loại các lỗ trên chóp theo từng nhóm kích thƣớc đƣờng
kính, đồng thời các hạt cắt HKC phải đƣợc mài theo từng nhóm kích thƣớc lỗ
của chóp đã đƣợc phân loại để đảm bảo độ dôi ép khi tổng lắp hạt cắt HKC vào
chóp mũi khoan (không lắp lẫn đƣợc và phải lắp chọn nên tốn nhiều thời gian
lao động). Sự biến động tăng về sai số độ côn, độ ô van và nhám bề mặt của lỗ
lắp hạt cắt đã làm giảm chất lƣợng mối ghép giữa hạt cắt với lỗ nên dẫn đến tình
trạng tụt hạt cắt khi khoan tại khai trƣờng (chủ yếu xảy ra tình trạng tụt hạt cắt ở
loại lỗ khoan 14). Vì vậy đã làm giảm chất lƣợng cũng nhƣ tuổi thọ của mũi
khoan xoay cầu.
Để khắc phục những tồn tại nêu trên thì cần phải thực hiện công nghệ khoan
lỗ lắp hạt cắt trên chóp sau nhiệt luyện (hay là khoan cứng) để đảm bảo tính ổn
định kích thƣớc các lỗ gia công (giảm sai số kích thƣớc đƣờng kính, độ côn và
độ ô van của lỗ ≤ 0,02mm) và nâng cao chất lƣợng bề mặt của lỗ khoan (giảm
nhám bề mặt lỗ). Từ đó đảm bảo chất lƣợng mối ghép và kiểm soát tốt độ dôi ép
khi tổng lắp hạt cắt vào chóp mũi khoan, giảm tối đa và khắc phục tình trạng tụt
hạt cắt khi khoan; đảm bảo tính lắp lẫn trong quá trình tổ chức sản xuất.
+0,1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN





6

Hình 3. Lỗ gia công
Hiện nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhiều vật liệu dụng cụ cắt
mới ra đời có tính năng cắt rất cao [10, 11, 12, 13], có một số vật liệu làm mũi
khoan có thể gia công đƣợc thép đã tôi và có những kết cấu cải tiến mũi khoan
cho độ chính xác cao trong gia công [8, 9, 14, 15]. Tuy nhiên, việc áp dụng vào
thực tế sản xuất cần phải có những nghiên cứu cụ thể. Từ ý tƣởng đó em chọn đề
tài: “Lựa chọn mũi khoan và xác định chế độ cắt hợp lý để nâng cao hiệu
quả trong việc gia công lỗ lắp hạt cắt của chóp mũi khoan xoay cầu 246”.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học:
+ Lựa chọn đƣợc kết cấu mũi khoan và vật liệu mũi khoan hợp lý để gia
công thép 20XHM đã tôi.
+ Tổng quát hoá ảnh hƣởng của các yếu tố chế độ cắt đến mòn, tuổi bền
của mũi khoan nghiên cứu khi gia công thép 20XHM đã tôi.
- Về mặt thực tiễn:
Là kiến thức thực tế, giúp ngƣời kỹ sƣ lựa chọn kết cấu mũi khoan, vật
liệu mũi khoan và lựa chọn các thông số của chế độ cắt phù hợp, làm giảm mòn,
tăng tuổi bền dụng cụ cắt; đảm bảo độ chính xác kích thƣớc, hình dáng hình học
và nâng cao chất lƣợng bề mặt khi khoan các lỗ lắp hạt cắt HKC trên chóp của
mũi khoan xoay cầu làm bằng vật liệu 20XHM đã tôi.
3. Lựa chọn phƣơng pháp và phƣơng tiện nghiên cứu
- Lựa chọn phƣơng pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với làm
thực nghiệm để chứng minh.
- Phƣơng tiện nghiên cứu: Máy phay CNC: FV - 800, máy chụp tế vi, máy
đo nhám, kính hiển vi điện tử, pan me đo lỗ.
4. Nội dung của đề tài

Gồm 4 chƣơng:
Chƣơng 1: Nghiên cứu lựa chọn mũi khoan để gia công thép 20XHM đã tôi.
Chƣơng 2: Ảnh hƣởng của các thông số chế độ cắt đến mòn và tuổi bền của mũi
khoan.
Chƣơng 3: Thí nghiệm khoan lỗ 14 trên thép 20XHM đã tôi và kết quả khoan
trên sản phẩm.
Chƣơng 4: Đánh giá hiệu quả của nghiên cứu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




7

Tổng kết, đánh giá kết quả và đề xuất hƣớng nghiên cứu.
Chƣơng 1
NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN MŨI KHOAN
ĐỂ GIA CÔNG THÉP 20XHM ĐÃ TÔI
1.1 Tổng quan về vật liệu dụng cụ cắt:
1.1.1 Đặc tính cơ bản chung của vật liệu dụng cụ.
Đặc tính phần dụng cụ cắt có ảnh hƣởng lớn đến năng suất gia công và
chất lƣợng bề mặt chi tiết. Khả năng giữ đƣợc tính cắt của dụng cụ góp phần
quyết định năng suất gia công của dụng cụ. Dụng cụ làm việc trong điều kiện
cắt khó khăn vì áp lực, nhiệt độ cao, dụng cụ cắt còn bị mài mòn và rung động
trong quá trình cắt.
Trong quá trình gia công, phần cắt của dụng cụ trực tiếp làm nhiệm vụ cắt
để tạo phoi. Để nâng cao năng suất cắt, nâng cao chất lƣợng bề mặt gia công,
phần cắt của dụng cụ không những phải có hình dáng hình học hợp lý mà còn
phải đƣợc chế tạo từ những loại vật liệu thích hợp. Vì vậy vật liệu dụng cụ cắt
cần thiết phải đảm bảo những yêu cầu cơ bản sau đây.

1.1.2 Tính năng cắt
Trong quá trình cắt, ở phần lƣỡi cắt trên mặt trƣớc và mặt sau của dụng cụ
cắt thƣờng xuất hiện ứng suất tiếp xúc rất lớn, khoảng 4000  5000 N/mm2,
đồng thời áp lực riêng lớn gấp 100  200 lần so với áp lực cho phép của chi tiết
máy. Nhiệt độ tập trung trên vùng cắt lên tới 600  9000C. Trong điều kiện nhƣ
vậy, việc cắt chỉ thực hiện có hiệu quả khi dụng cụ cắt có khả năng giữ đƣợc
tính cắt trong khoảng thời gian dài. Điều đó đòi hỏi vật liệu dụng cụ cắt cần phải
có đầy đủ những tính chất cơ lý cần thiết nhƣ độ cứng, độ bền nhiệt, độ chịu
mòn, độ bền cơ học, độ dẫn nhiệt...
- Độ cứng: Độ cứng là một trong những chỉ tiêu quan trọng của vật liệu
dụng cụ cắt. Muốn cắt đƣợc, vật liệu phần cắt của dụng cụ cắt thƣờng phải có độ
cứng lớn hơn vật liệu gia công khoảng HRC25. Độ cứng phần cắt của dụng cụ
cắt thƣờng đạt trong khoảng HRC60-65. Nâng cao độ cứng phần cắt của dụng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




8

cụ cắt cho phép tăng khả năng chịu mòn và tăng tốc độ cắt.
Trong quá trình cắt, cần quan tâm nhiều đến độ cứng nhiệt của lƣỡi cắt
tức là độ cứng xét trong trạng thái lƣỡi cắt bị nung nóng. Vì nó ảnh hƣởng trực
tiếp tới khả năng cắt của dao.
- Độ bền cơ học: Trong quá trình cắt, dụng cụ cắt thƣờng chịu những lực
và những xung lực rất lớn. Mặt khác, dụng cụ cắt còn chịu rung động do hệ
thống công nghệ: Máy - đồ gá - dao - chi tiết không đủ độ cứng vững hoặc do
dao làm việc trong điều kiện tải trọng động lớn hoặc do sự thay đổi liên tục của
lực cắt. Do đó dẫn đến tình trạng lƣỡi cắt dễ bị phá hỏng sớm do mẻ, vỡ, tróc,
mòn,... Vì vậy để nâng cao tính năng cắt và tuổi bền của dao, vật liệu dụng cụ

cắt cần phải có độ bền cơ học cao.
Việc nâng cao độ bền cơ học của vật liệu dụng cụ cắt, nhất là đối với hợp
kim cứng và vật liệu sứ là một trong những hƣớng chính trong lĩnh vực thiết kế
và chế tạo dụng cụ cắt.
- Độ bền nhiệt: Độ bền nhiệt là khả năng giữ đƣợc độ cứng cao và các
tính năng cắt khác ở nhiệt độ cao trong khoảng thời gian dài. Độ bền nhiệt đƣợc
đặc trƣng bởi nhiệt độ giới hạn mà khi nung liên tục vật liệu dụng cụ cắt trong
khoảng thời gian nhất định (khoảng 3 giờ) thì đến nhiệt độ đó độ cứng của nó
cũng không giảm quá mức qui định (khoảng HRC60).
Độ bền nhiệt là yếu tố quan trọng nhất của vật liệu dụng cụ cắt. Nó quyết
định việc duy trì khả năng cắt của dao trong điều kiện nhiệt độ và áp lực rất lớn
ở vùng cắt.
- Độ dẫn nhiệt: Độ dẫn nhiệt của vật liệu dụng cụ cắt càng cao thì nhiệt
lƣợng đƣợc truyền khỏi lƣỡi cắt càng nhanh. Do đó giảm sự tập trung nhiệt độ
trên vùng cắt, tăng độ bền mòn cho dụng cụ cắt. Mặt khác, cho phép nâng cao
tốc độ cắt. Chính vì kim cƣơng có độ dẫn nhiệt lớn hơn hắn so với các loại vật
liệu dụng cụ cắt khác nên cho phép dao kim cƣơng cắt với tốc độ rất cao.
- Tính chịu mòn: Độ bền mòn của vật liệu dụng cụ cắt đƣợc đặc trƣng
bởi khả năng giữ vững hình dáng và thông số hình học phần cắt trong quá trình
gia công.
Trong quá trình cắt, mặt trƣớc dụng cụ tiếp xúc với phoi, mặt sau tiếp xúc
với mặt đang gia công chi tiết với tốc độ trƣợt lớn, nên vật liệu dụng cụ phải có
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




9

tính chịu mòn cao. Phần cắt của dụng cụ, khi đủ sức bền cơ học, thì dạng hỏng

chủ yếu là dụng cụ bị mài mòn. Thực tế chỉ rõ rằng khi độ cứng càng cao thì
tính chịu mòn vật liệu càng cao. Tính chịu mòn vật liệu tỷ lệ thuận với độ cứng.
Một trong những nguyên nhân chủ yếu gây ra mòn dao là hiện tƣợng dính
chảy của vật liệu làm dao. Tính chảy dính của vật liệu làm dao đƣợc đặc trƣng
bởi nhiệt độ chảy dính giữa hai vật liệu tiếp xúc với nhau... Vật liệu làm dao tốt
là loại vật liệu có nhiệt độ chảy dính cao. Qua nghiên cứu thực nghiệm, nhiệt độ
chảy dính của các loại kỹ thuật hợp kim cứng có cacbit vonfram (WC), cacbit
titan (TiC) với thép (10000C ) cao hơn các hợp kim coban với thép (6750C).
1.1.3 Tính công nghệ
Dụng cụ cắt thƣờng có hình dáng hình học phức tạp, đòi hỏi những yêu cầu
kỹ thuật khá cao về độ chính xác hình dáng kích thƣớc, độ nhẵn bề mặt. Vì vậy,
vật liệu dụng cụ cắt cần phải có tính công nghệ tốt.
Tính công nghệ tốt là khả năng của vật liệu cho phép gia công hợp lý, dễ
dàng bằng các phƣơng pháp gia công khác nhau nhƣ hàn, gia công bằng áp lực,
bằng cắt, bằng nhiệt luyện, bằng hóa nhiệt...
Tính công nghệ của vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ thành phần hóa
học, cấu trúc tế vi, kích thƣớc hạt, độ cứng, độ bền cơ học, độ dẫn nhiệt...
1.1.4 Tính kinh tế
Khi chọn vật liệu dụng cụ cắt, ngoài việc chú ý đến tính năng cắt, tính
công nghệ, còn cần phải chú ý đến giá thành của chúng nữa. Vật liệu dụng cụ
cắt thƣờng đắt tiền. Chi phí vật liệu thƣờng chiếm một tỷ lệ cao trong giá thành
chế tạo dụng cụ cắt.
Do đó cần phải chọn vật liệu dụng cụ cắt phù hợp với yêu cầu kỹ thuật
của dao, của chi tiết gia công, nhằm giảm chi phí chế tạo dao cho một đơn vị chi
tiết gia công.
1.2 Dụng cụ phủ và ứng dụng trong cắt kim loại
1.2.1 Đặc điểm phủ bay hơi lý học (PVD)
Phủ PVD đƣợc thực hiện trong buồng kín chứa khí trơ với áp suất thấp
khoảng dƣới 10-2 bar ở nhiệt độ từ 4000C - 5000C. Với nhiệt độ của quá trình
nhƣ thế 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 đƣợc ion hoá và kéo về bề mặt cần
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




10

phủ nhờ một điện thế âm đặt vào đó. Quá trình bắn phá bề mặt phủ bằng các ion
của khí trơ đƣợc thực hiện trƣớc khi phủ để làm tăng độ dính kết của vật liệu
phủ với nền. Theo nguyên tắc bay hơi, phủ PVD có 4 dạng cơ bản:
- Sử dụng dòng điện tử có điện thế thấp.
- Dòng điện tử có điện thế cao.
- Hồ quang.
- Phát xạ từ lệch.
Vật liệu phủ thông dụng hiện nay cho PVD là TiN, TiCN, TiAlN và CrN.
Ứng suất dƣ trong lớp phủ là ứng suất dƣ nén. Chiều dày lớp phủ thƣờng bị hạn
chế dƣới 5m để tránh sự tạo nên ứng suất dƣ có cƣờng độ cao trong lớp phủ.
Phủ PVD dễ tạo ứng suất nén trên vật liệu nền. Hợp kim có lớp phủ PVD
phù hợp cho việc gia công các loại vật liệu có độ dẻo cao, phoi dễ bám dính nhƣ
loại vật liệu thuộc nhóm Austenitic M, Nhôm N. Loại lớp phủ này chịu đƣợc sự
thay đổi nhiệt tốt hơn so với lớp phủ CVD.
Từ khi công nghệ phủ ngoài PVD - TiN lần đầu tiên đƣợc giới thiệu vào
đầu những năm 1980, phủ PVD đã trở thành một tiêu chuẩn công nghiệp. Hơn
30 năm qua, phủ PVD đã mở rộng bao gồm: TiN, TiCN, TiAlN, CrN… Đối với
hầu hết các ứng dụng gia công khuôn đúc, phủ PVD - TiAlN đã đƣợc sử dụng
rộng rãi nhất cho các công cụ cắt.
Gần đây, phủ PVD đã mở rộng thành phủ ngoài nhiều lớp, phủ ngoài
hybrid đƣợc phân loại nhƣ phủ ngoài ma sát thấp. Những công nghệ phủ này
cung cấp một giải pháp gia công không thể thay thế đƣợc trong những vật liệu

đòi hỏi tốc độ cắt thấp và độ mài mòn cao. Phủ PVD là thành phần quan trọng
của gia công tốc độ cao vì khi tốc độ cắt tăng lên, lƣợng nhiệt sinh ra trong quá
trình gia công sẽ tăng lên nhiều.
Quản lý hiệu quả sự tăng nhiệt này sẽ tạo ra sự hoàn thiện bề mặt tốt hơn,
hình học chi tiết chính xác hơn và quan trọng hơn cả là sự tăng năng suất thông
qua sự tăng tuổi thọ dụng cụ. Điều này có thể đƣợc đánh giá theo hai cách:
1. Tăng tuổi thọ dao cụ dẫn đến chi phí gia công mỗi lỗ hổng hay lỗi sẽ
thấp hơn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




11

2. Tăng tuổi thọ dao cụ sẽ dẫn đến tăng năng suất. Điều này có thể sẽ giữ
nguyên mức chi phí gia công nhƣng sẽ tăng năng suất của xƣởng sản xuất bằng
cách tăng các thông số cắt.
Với hệ số ma sát và tốc độ mài mòn thấp, phủ PVD giúp cho mọi quá
trình gia công hiệu quả hơn. Ứng dụng phù hợp công nghệ phủ vào các quá trình
sản xuất có thể giúp giảm chi phí, tăng năng suất hay cả hai. Tốc độ cắt sẽ tiếp
tục tăng lên và nhiều nhiệt hơn sẽ đƣợc sinh ra. Quản lý hiệu quả sự tăng nhiệt
này rất quan trọng để theo kịp các xu hƣớng sản xuất trong tƣơng lai.
Các nhà sản xuất hiện nay vẫn không ngừng tìm kiếm những biện pháp
duy trì khả năng cạnh tranh trong một thị trƣờng cạnh tranh cao đồng thời để
tăng lợi nhuận. Thƣờng thì các nhà sản xuất phải đối mặt với việc mua thiết bị
mới hay thuê thêm nhân viên để đạt đƣợc mục tiêu này. Tuy nhiên, bằng cách
phân tích quá trình gia công và ứng dụng một số công nghệ phủ ngoài hiện đại,
các xƣởng gia công có thể tìm ra một giải pháp chi phí thấp nhằm làm tăng năng

suất, tăng lợi nhuận hay cả hai.
1.2.2 Đặc điểm phủ bay hơi hóa học (CVD)
Phủ bay hơi hoá học CVD dùng để phủ lên bề mặt làm việc của dụng cụ
các lớp mỏng ceramics nhƣ TiC, TiN, TiCN, Al2O3 và kim cƣơng nhân tạo…với
chiều dày 5m ÷ 10m. Chi tiết phủ đƣợc đặt và nung nóng trong buồng kín
chứa khí H2 (dƣới áp suất khí quyển hoặc nhỏ hơn). Các hợp chất bay hơi đƣợc
đƣa vào buồng này để tạo ra các thành phần của lớp phủ thông qua các phản ứng
hoá học. Nhiệt độ của quá trình từ 8000C đến 10500C và chu kỳ nung nóng diễn
ra vài giờ.
Phủ CVD tạo ứng suất kéo trên bề mặt vật liệu nền.
Phủ CVD sẽ có ƣu thế hơn trong nhiều ứng dụng khi dung sai và vật liệu
cho phép, đặc biệt là trong các ứng dụng tạo hình biến dạng kim loại có ứng suất
cao. Các quá trình phủ CVD tạo ra các liên kết kiểu khuếch tán giữa lớp phủ và
nền, liên kết này lớn hơn nhiều so với liên kết đƣợc tạo ra trong phủ PVD.
Kết luận:
Mặc dù mỗi phƣơng pháp phủ khác nhau có những đặc tính khác nhau, để
đánh giá hiệu quả đối với mỗi ứng dụng riêng thì có 2 đặc trƣng chính đƣợc
chọn làm cơ sở, đó là: Độ cứng và ma sát.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




12

Bảng 1.1: Độ cứng của các kim loại, hợp kim và vật liệu phủ
Vật liệu

Thép dụng cụ


HSS

Hợp kim cứng

PVD & CVD

58 - 62

62 - 65

70 - 76

> 80

Độ cứng (HRC)

So với dụng cụ có nền không phủ thì việc phủ có hệ số ma sát nhỏ hơn
nhiều. Đối với các dụng cụ tạo hình biến dạng, hệ số ma sát thấp cũng có nghĩa
là sẽ làm giảm áp lực tác dụng. Trong ứng dụng các dụng cụ cắt, giảm hệ số ma
sát sẽ làm giảm sự phát sinh nhiệt trong quá trình gia công, do đó làm chậm quá
trình phá hủy lƣỡi cắt. Còn trong các ứng dụng có ma sát trƣợt, lớp phủ có xu
hƣớng làm giảm sự bám dính của vật liệu cho phép quá trình di chuyển tƣơng
đối ít bị hạn chế hơn.
Theo các đánh giá sơ bộ, tuổi thọ dụng cụ khi phủ thƣờng gấp từ 2 - 3 lần
so với khi không phủ. Tuy nhiên trong nhiều trƣờng hợp, ứng dụng cụ thể còn
cho thấy tuổi thọ có thế tăng gấp 10 lần.
1.2.3 Đặc điểm của một số loại vật liệu phủ
Hiện nay trên thị trƣờng có nhiều hãng khác nhau cung cấp dụng cụ phủ,
mỗi hãng lớp phủ có đặc điểm khác nhau 8, 14, 15 , cụ thể ở bảng sau:
Bảng 1.2: Một số loại vật liệu phủ

TT

1

Tên hãng

Ký hiệu

WALTER

P4841C-1R-

(Đức)

A57 WXP40
P4841C-1R-

3

4
5

V=(5070)
m/phút

E57 WKP25S
R220.29I0092-06.7A

V=(4060)


VERTEX

C16-DM16-

V=(2050)

(Đài Loan)

120

m/ph

MITSUBISHI

APGT1135P

V=(4060)

(Nhật)

DER-G2
NWDXT052
504-L-

m/ph

SANDVIK
2

Tốc độ cắt

khuyến cáo

(Thụy Điển)

NACHI

Phƣơng
Vật liệu phủ
pháp phủ
PVD

TiCN

CVD

TiCN+Al2O3

Độ cứng
vật liệu
gia công

Độ cứng
lớp phủ

≤ 50 HRC

(+TiN).
PVD

Ti6A14V


m/ph

V=(3050)
m/ph

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

≤ 50 HRC

PVD

TiN

PVD

TiN, TiAlN

PVD

TiN, TiAlN

≤ 60 HRC

> 80HRC

≤ 55 HRC
≤ 50 HRC





13
(Nhật)

NCP300

1.3 Mũi khoan và chế độ độ cắt khi khoan
1.3.1 Các loại mũi khoan
Tạo lỗ thuộc về những nguyên công quan trọng nhất trong chế tạo máy.
Khi chế tạo động cơ ô tô, giá thành gia công lỗ thƣờng cao nhất. Khoan là quá
trình tạo lỗ bằng gia công cắt gọt phổ biến và thông dụng nhất từ bề mặt đặc; các
quá trình tạo lỗ khác là đột, gia công bằng tia lửa điện, laser, chùm tia điện tử...
Khoan không những chỉ có thể thực hiện trên các máy khoan mà còn có
thể tiến hành trên các máy khác nhƣ: máy tiện vạn năng, máy tiện tự động và
bán tự động, máy revônve, máy phay…
Mũi khoan để gia công lỗ có nhiều loại khác nhau tuỳ theo công dụng của
chúng nhƣ: mũi khoan ruột gà, mũi khoan lỗ sâu, mũi khoan lỗ tâm. Chúng
thƣờng có khả năng gia công lỗ tƣơng đối sâu. Nói chung mũi khoan bền và linh
hoạt, tuy nhiên tùy theo đƣờng kính cần thận trọng để khoan lỗ chính xác mà
không bị gãy mũi khoan. Hơn nữa khi khoan phoi thoát ra ngƣợc với hƣớng
chuyển động chạy dao. Kết quả làm phoi dễ bị kẹt và giảm tác dụng của dung
dịch trơn nguội gây khó khăn cho quá trình khoan.

Hình 1.1. Các kiểu mũi khoan

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN





14

Thông thƣờng, đƣờng kính lỗ khoan lớn hơn đƣờng kính mũi khoan (dễ
quan sát thấy khi rút mũi khoan khỏi lỗ). Lƣợng lay rộng này tùy thuộc vào chất
lƣợng mũi khoan, máy, cũng nhƣ thực tế sản xuất.
Khoan có thể gia công đƣợc lỗ có đƣờng kính từ Ф 0,1  Ф80 mm, nhƣng
phổ biến nhất là những lỗ có đƣờng kính Ф ≤ 35 mm. Sở dĩ nhƣ vậy vì khi
khoan lỗ lớn thì lực đè tác dụng vuông góc với trục mũi khoan rất lớn có thể làm
lệch hoặc gãy mũi khoan. Lực đè lớn cũng làm biến dạng chi tiết gia công khi
máy không đủ độ cứng vững hoặc làm chi tiết quay tƣơng đối trong đồ gá. Lực
đè biến đổi từ vài newton cho đến 100 kN khi khoan lỗ lớn từ vật liệu có độ bền
cao. Tƣơng tự momen xoắn khi khoan có thể lên đến 4000 N.m. Độ chính xác và
độ bóng của khoan thấp (cấp 7, Rz=80-40 μm).
Để khắc phục những hiện tƣợng trên, ngoài việc yêu cầu đảm bảo độ
chính xác của máy, độ chính xác chế tạo và mài dao, còn có một số biện pháp
công nghệ sau đây:
- Khoan bằng cách cho vật quay, dao tịnh tiến nhƣ tiến hành trên máy
tiện, song phải đảm bảo độ cứng vững của chi tiết và mũi khoan thật tốt. Thực tế
cho thấy biện pháp này có hiệu quả rõ rệt.
- Dùng bạc dẫn hƣớng khoan để tăng độ cứng vững và ổn định của mũi
khoan.
- Khoan với lƣợng chạy dao nhỏ để giảm bớt lực cắt.
- Đối với những lỗ nhỏ, có thể dùng mũi khoan tâm để khoan mồi trƣớc,
định tâm cho mũi khoan sau.
- Do chuyển động quay lỗ khoan tồn tại các rãnh tế vi theo chu vi làm
giảm độ bền mỏi khi chịu tải trọng động
1.3.2 Mũi khoan gắn mảnh
Một trong các dụng cụ cắt năng suất cao trong gia công hiện đại là mũi khoan
gắn mảnh hợp kim (còn gọi là mũi khoan chắp).


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




15

Hình 1.2. Phần cắt gọt của mũi khoan gắn mảnh
Loại mũi khoan này sử dụng các mảnh carbides (hợp kim cứng) tƣơng tự
các dao phay hoặc tiện. Mũi khoan đƣợc thiết kế để khoan vật liệu rắn, không
yêu cầu khoan tâm hoặc khoan điểm, tốc độ trục chính cao và tốc độ cắt tƣơng
đối thấp. Trong hầu hết các trƣờng hợp, loại mũi khoan này đƣợc dùng để khoan
các lỗ suốt, nhƣng cũng có thể khoan lỗ cụt. Kiểu mũi khoan này còn đƣợc dùng
để doa với lƣợng dƣ gia công thấp đến trung bình.
Trong minh họa này, đƣờng kính D của mũi khoan là kích cỡ lỗ do mũi
khoan tạo ra. Chiều dài đỉnh H do nhà chế tạo mũi khoan xác định. Ví dụ, mũi
khoan chắp với đƣờng kính D = 1.25 inch, có chiều dài đỉnh H là 0.055. Mũi
khoan này có thể dùng cho ứng dụng quay hoặc tĩnh tại, ngang hoặc đứng, trên
trung tâm gia công hoặc máy tiện. Để đạt hiệu suất cao, cần cung cấp chất làm
nguội với áp suất cao qua suốt chiều dài mũi khoan đặc biệt khi gia công các vật
liệu cứng, lỗ sâu, hoặc nằm ngang. Chất làm nguội không chỉ giải nhiệt mà còn
giúp đẩy phoi ra ngoài. Khi sử dụng mũi khoan chắp, cần bảo đảm đủ công suất
ở trục chính của máy. Các yêu cầu công suất tại trục chính tăng tỷ lệ với đƣờng
kính mũi khoan.
Trên trung tâm gia công, mũi khoan chắp đƣợc lắp vào trục máy, do đó
quay chung với trục. Theo kiểu lắp này, mũi khoan đƣợc dùng trong trục chính
phải có độ cứng vững cao. Sự cung cấp chất làm nguội có thể gộp cả chất làm
nguội bên trong, bộ ống thích hợp để làm nguội qua lỗ khi mũi khoan đƣợc dùng
trên trung tâm gia công.

1.3.3 Chế độ cắt khi khoan

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




16

Hình 1.3. Các thông số chế độ cắt
Các yếu tố cắt khi khoan gồm các thông số sau đây :
1.3.3.1 Tốc độ cắt (v).
Tốc độ cắt khi khoan là tốc độ vòng ứng với đƣờng kính lớn nhất của mũi
khoan :
v=

 Dn

1000

(m/ph)

Trong đó:
D: đƣờng kính mũi khoan, mm.
n: số vòng quay của mũi khoan trong một phút, vg/ph.
1.3.3.2 Lượng chạy dao (s).
Lƣợng chạy dao khi khoan là lƣợng dịch chuyển của mũi khoan theo
chiều trục sau một vòng quanh nó, đƣợc tính bằng mm/vg. Vì mũi khoan có hai
lƣỡi cắt chính, nên mỗi răng thực hiện đƣợc một lƣợng chạy dao răng là:
sz=s/2 (mm/).

Nếu tính trong một phút thì lƣợng chạy dao phút là sph=s.n (mm/ph)Sph.n,m/ph
S2 

ы
2

1.3.3.3 Chiều sâu cắt (t).
Chiều dày lớp kim loại bị cắt đi, đo theo phƣơng vuông góc với trục của
mũi khoan.
Trƣờng hợp khoan vào phôi đặc (hình 6 - a)
t

D
2

(mm)

Trƣờng hợp khoan rộng lỗ đã có trƣớc (hình 6 - b) :
t

Dd
2

(mm)

Trong đó: d - đƣờng kính lỗ trƣớc khi khoan rộng, mm.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN





17

1.3.3.4 Chiều dày cắt (a), chiều rộng cắt (b), diện tích cắt (f) - bỏ qua ảnh
hưởng của lưỡi cắt ngang
+ Chiều dày cắt a - lớp kim loại đƣợc cắt đi sau một vòng quay của mũi
khoan, đo theo phƣơng vuông góc với lƣỡi cắt chính trên mặt đáy:
a = sz.sinφ =

s
.sinφ
2

(mm)

Ở đây: φ – một nửa góc ở đỉnh giữa hai lƣỡi cắt chính.
+ Chiều rộng cắt b - đoạn lƣỡi cắt chính tham gia cắt trên mặt đáy.
b

D
t
b
hay
2sin
sin

(mm)

+ Diện tích cắt F - diện tích cắt sau một vòng quay của mũi khoan:

F=2f= 2ab =

( D  d )s
4

(mm2)

1.3.3.5 Năng suất cắt gọt (Mcg)
Năng suất cắt gọt là thể tích phoi mà mũi khoan (gồm hai lƣỡi cắt chính)
bóc đi trong một đơn vị thời gian.
Mcg= Fvtb=2ab.πDtbn ≈ 2szt.πDtbn = st.πDtbn
Mặt khác có D = 2t =2Dtb
Do đó Mcg=

 D2
4

3

sn (mm /ph)

Kết luận:
Việc sử dụng mũi khoan có phần cắt là vật liệu phủ TiCN, TiN, TiAlN,
TiCN + Al2O3 (+TiN)... có thể gia công đƣợc thép đã tôi.
1.4 Kết luận chƣơng 1
- Qua phân tích ở trên để khoan vật liệu 20XHM nhiệt luyện đạt độ cứng
35 - 40 HRC phải chọn loại dụng cụ có độ cứng cao hơn. Em lựa chọn sử dụng
mũi khoan chắp mảnh Hãng WALTER của Cộng hòa liên bang Đức để nghiên
cứu.
- Mảnh cắt phủ:

+ Mảnh cắt trong: Ký hiệu P4841C-1R-A57 WXP40, Phủ PVD: TiCN.
+ Mảnh cắt ngoài: Ký hiệu: P4840P-1R-E57 WKP 25S, Phủ CVD: TiCN
+ Al2O3 (+TiN).
+ Độ cứng lớp phủ HV (0,05): 3000-3500 tƣơng đƣơng 80HRC.
+ Mảnh dụng cụ khi mòn, hỏng một góc có thể xoay để gia công ứng với
các góc khác. Nhƣ vậy mỗi mảnh dụng cụ có thể gia công bốn lƣợt.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




18

+ Lớp phủ cứng ngoài có độ cứng rất cao còn có tác dụng ngăn nhiệt độ
không truyền vào dụng cụ, làm giảm ma sát giữa dụng cụ và phôi trong quá
trình gia công.
+ Các mảnh dụng cụ phủ tiêu chuẩn, có tính lắp lẫn cao nhƣ vậy rất thuận
tiện cho quá trình thay thế dụng cụ khi dụng cụ mòn, hỏng.
- Với hệ số ma sát và tốc độ mài mòn thấp, dụng cụ phủ giúp cho mọi quá
trình gia công hiệu quả hơn. Ứng dụng phù hợp công nghệ phủ vào các quá trình
sản xuất có thể giúp giảm chi phí, tăng năng suất hay cả hai. Tuổi thọ dụng cụ
khi phủ thƣờng gấp từ 2 - 3 lần so với khi không phủ.
Chƣơng 2
ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ CẮT
ĐẾN MÒN VÀ TUỔI BỀN CỦA MŨI KHOAN
2.1 Chất lƣợng bề mặt sau gia công cơ
2.1.1 Khái niệm chung về lớp bề mặt
Bề mặt là mặt phân cách giữa hai môi trƣờng khác nhau. Bề mặt kim loại
có thể đƣợc tạo thành bằng các phƣơng pháp gia công khác nhau nên có cấu trúc
và đặc tính khác nhau. Để xác định đặc trƣng của bề mặt ta cần biết mô hình và

định luật kim loại nguyên chất - không có tƣơng tác với môi trƣờng khác và sự
khác nhau về sự sắp xếp các nguyên tử, tác dụng của lực trên bề mặt so với bên
trong. Sau đó nghiên cứu sự thay đổi của lớp bề mặt do tác dụng của môi trƣờng
để thiết lập khái niệm mô hình bề mặt thực.
2.1.2 Bản chất của lớp bề mặt
Bề mặt vật rắn hay chính xác là một mặt phân cách rắn - khí hay rắn lỏng có cấu trúc và tính chất phức tạp phụ thuộc vào bản chất của chất rắn,
phƣơng pháp tạo nên bề mặt đó và tƣơng tác giữa bề mặt đó với môi trƣờng
xung quanh.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




19

Hình 2.1. Chi tiết bề mặt vật rắn
Các tính chất của bề mặt vật rắn rất quan trọng đối với tƣơng tác bề mặt, bởi
vì tính chất bề mặt ảnh hƣởng trực tiếp tới diện tích tiếp xúc thực, ma sát, mòn
và bồi trơn. Hơn nữa các tính chất bề mặt còn đóng vai trò quan trọng trong các
ứng dụng khác nhau nhƣ: Quang học, nhiệt, điện, sơn và trang trí…Bề mặt vật
rắn, bản thân nó bao gồm vài vùng có tính chất cơ, lý khác nhau với vật liệu
khối bên trong đó là lớp hấp thụ vật lý, hoá học, lớp tƣơng tác hoá học, lớp
Beibly, lớp biến dạng khốc liệt, lớp biến dạng nhẹ và cuối cùng là lớp vật liệu
nền.
2.1.3 Các chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng bề mặt sau gia công cơ
2.1.3.1 Độ nhám bề mặt và phương pháp đánh giá
* Độ nhám bề mặt
Cũng theo TCVN 2511 - 1995 thì độ nhám bề mặt đƣợc chia thành 14
cấp, từ cấp 1 đến cấp 14 ứng với các giá trị Ra và Rz. Trị số nhám càng bé thì bề

mặt càng nhẵn và ngƣợc lại. Độ nhám bề mặt thấp nhất (hay độ nhẵn bề mặt cao
nhất) ứng với cấp 14 (tƣơng ứng với Ra  0,01m và Rz  0,05m). Việc chọn
chỉ tiêu Ra hay Rz là tuỳ thuộc vào chất lƣợng yêu cầu của bề mặt. Chỉ tiêu Ra
đƣợc gọi là thông số ƣu tiên và đƣợc sử dụng phổ biến nhất do nó cho phép ta
đánh giá chính xác hơn và thuận lợi hơn những bề mặt có yêu cầu nhám trung
bình (độ nhám từ cấp 6 đến cấp 12). Đối với những bề mặt có độ nhám quá thô
(độ nhám từ cấp 1 đến cấp 5) và rất tinh (cấp 13, cấp 14) thì dùng chỉ tiêu Rz sẽ
cho ta khả năng đánh giá chính xác hơn khi dùng Ra.
Trong thực tế sản xuất nhiều khi ngƣời ta đánh giá độ nhám theo các mức
độ: Thô (cấp 1 - cấp 4), bán tinh (cấp 5 - cấp 7), tinh (cấp 8 - cấp 11) và siêu tinh
(cấp 12 - cấp 14).
* Phương pháp đánh giá nhám bề mặt
Để đánh giá nhám bề mặt ngƣời ta thƣờng dùng các phƣơng pháp sau đây:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




20

- Phƣơng pháp quang học (dùng kính hiển vi Linich). Phƣơng pháp này
đo đƣợc bề mặt có độ nhẵn bóng cao (độ nhám thấp) thƣờng từ cấp 10 đến cấp
14.
- Phƣơng pháp đo độ nhám Ra, Rz, RMax…bằng máy đo profin. Phƣơng
pháp này sử dụng mũi dò để đo profin lớp bề mặt có cấp độ nhẵn tới cấp 11.
Đây là phƣơng pháp đƣợc tác giả sử dụng sau khi khoan các mẫu thí nghiệm.
- Phƣơng pháp so sánh, có thể so sánh theo hai cách:
+ So sánh bằng mắt
+ So sánh bằng kính hiển vi quang học.
2.1.3.2 Độ sóng bề mặt

Chu kỳ không bằng phẳng của bề mặt chi tiết gia công đƣợc quan sát
trong khoảng lớn tiêu chuẩn (từ 1 đến 10mm) đƣợc gọi là độ sóng bề mặt.
Nguyên nhân xuất hiện độ sóng bề mặt là do rung động của hệ thống công
nghệ (Máy - Đồ gá - Dao - Chi tiết gia công), do quá trình cắt không liên tục, độ
đảo của dụng cụ cắt…Thông thƣờng độ sóng bề mặt xuất hiện khi gia công các
chi tiết có kích thƣớc vừa và lớn bằng các phƣơng pháp tiện, phay và mài.
2.1.3.3 Tính chất cơ lý lớp bề mặt sau gia công cơ
* Hiện tượng biến cứng của lớp bề mặt
Trong quá trình gia công cơ dƣới tác dụng của lực cắt, mạng tinh thể của
lớp kim loại bề mặt bị xô lệch và gây biến dạng dẻo ở vùng trƣớc và vùng sau
lƣỡi cắt. Phoi đƣợc tạo ra do biến dạng dẻo của các hạt kim loại trong vùng
trƣợt. Trong vùng cắt, thể tích riêng của kim loại tăng, còn mật độ kim loại giảm
làm xuất hiện ứng suất. Khi đó nhiều tính chất của lớp bề mặt thay đổi nhƣ giới
hạn độ bền, độ cứng, độ giòn đƣợc nâng cao, ngƣợc lại tính dẻo dai lại
giảm…Kết quả là lớp bề mặt kim loại bị cứng nguội và có độ cứng tế vi rất cao.
Mức độ biến cứng và chiều sâu lớp biến cứng phụ thuộc vào các phƣơng pháp
gia công và các thông số hình học của dao. Cụ thể là phụ thuộc vào lực cắt, mức
độ biến dạng dẻo của kim loại và nhiệt độ trong vùng cắt. Lực cắt làm cho mức
độ biến dạng dẻo tăng, kết quả là mức độ biến cứng và chiều sâu lớp biến cứng
bề mặt tăng. Nhiệt sinh ra ở vùng cắt sẽ hạn chế hiện tƣợng biến cứng bề mặt.
Nhƣ vậy mức độ biến cứng của lớp bề mặt phụ thuộc vào tỷ lệ tác động giữa hai
yếu tố lực cắt và nhiệt sinh ra trong vùng cắt.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




21

* Ứng suất dư trong lớp bề mặt

Quá trình hình thành ứng suất dƣ bề mặt sau gia công cơ phụ thuộc vào
biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, biến đổi nhiệt và hiện tƣợng chuyển pha trong
cấu trúc kim loại, quá trình này diễn ra phức tạp. Ứng suất dƣ lớp bề mặt đƣợc
đặc trƣng bởi trị số, dấu và chiều sâu phân bố ứng suất dƣ. Trị số và dấu phụ
thuộc vào biến dạng đàn hồi của vật liệu gia công, chế độ cắt, thông số hình học
của dụng cụ và dung dịch trơn nguội.
Các nguyên nhân chủ yếu gây ra ứng suất dƣ là:
- Khi gia công trƣờng lực xuất hiện gây biến dạng dẻo không đều trong
lớp bề mặt. Khi trƣờng lực mất đi biến dạng dẻo gây ra ứng suất dƣ trong lớp bề
mặt.
- Biến dạng dẻo làm tăng thể tích riêng của lớp kim loại mỏng ngoài cùng.
Lớp kim loại bên trong vẫn giữ thể tích riêng bình thƣờng do đó không bị biến
dạng dẻo. Lớp kim loại ngoài cùng gây ứng suất dƣ nén còn lớp kim loại bên
trong sinh ra ứng suất dƣ kéo để cân bằng.
- Nhiệt sinh ra ở vùng cắt lớn sẽ nung nóng cục bộ các lớp mỏng bề mặt
làm mô đun đàn hồi của vật liệu giảm. Sau khi cắt, lớp vật liệu này sinh ra ứng
suất dƣ kéo do bị nguội nhanh và co lại, để cân bằng thì lớp kim loại bên trong
phải sinh ra ứng suất dƣ nén.
- Trong quá trình cắt thể tích kim loại có sự thay đổi do kim loại bị
chuyển pha và nhiệt sinh ra ở vùng cắt làm thay đổi cấu trúc vật liệu. Lớp kim
loại nào hình thành cấu trúc có thể tích riêng lớn sẽ sinh ra ứng suất dƣ nén và
ngƣợc lại sẽ sinh ra ứng suất dƣ kéo để cân bằng.
+ Các yếu tố ảnh hƣởng đến ứng suất dƣ trong lớp bề mặt của chi tiết sau
gia công cơ nhƣ sau:
- Tăng tốc độ cắt V hoặc tăng lƣợng chạy dao S có thể làm tăng hoặc
giảm ứng suất dƣ.
- Lƣợng chạy dao S làm tăng chiều sâu của ứng suất dƣ.
- Góc trƣớc âm gây ra ứng suất dƣ nén - ứng suất dƣ có lợi.
- Khi gia công vật liệu giòn bằng dụng cụ cắt có lƣỡi gây ra ứng suất dƣ
nén còn vật liệu dẻo thƣờng gây ứng suất dƣ kéo.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




22

Ứng suất nén trong lớp bề mặt làm tăng độ bền mỏi của chi tiết, còn ứng
suất dƣ kéo lại làm giảm độ bền mỏi.
Ví dụ: Chi tiết đƣợc làm từ thép, khi trên bề mặt có ứng suất dƣ nén thì độ
bền mỏi có thể tăng lên 50%, còn khi có ứng suất dƣ kéo thì giảm 30%.
2.2 Mòn và tuổi bền của dụng cụ
2.2.1 Mòn dụng cụ
2.2.1.1 Khái niệm chung về mòn
Mòn là hiện tƣợng phá huỷ bề mặt và sự tách vật liệu từ một hoặc cả hai
bề mặt trong chuyển động trƣợt, lăn hoặc va chạm tƣơng đối với nhau. Eyre và
Davis định nghĩa mòn liên quan đến về khối lƣợng hoặc thể tích, dẫn đến sự
thay đổi vƣợt quá giới hạn cho phép về hình dạng hoặc topography của bề mặt.
Nói chung mòn xảy ra do sự tƣơng tác của các nhấp nhô bề mặt. Trong quá trình
chuyển động tƣơng đối, đầu tiên vật liệu trên bề mặt tiếp xúc có thể bị biến dạng
do ứng suất ở đỉnh các nhấp nhô vƣợt quá giới hạn dẻo, nhƣng 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 trƣờng
hợp vật liệu chỉ dính từ bề mặt này sang bề mặt khác, thể tích hay khối lƣợng
mòn ở vùng tiếp xúc chung dựa trên sự mất mát của vật liệu, nhƣng sự phá huỷ
của vật liệu do biến dạng mà không kèm theo sự thay đổi về khối lƣợng hoặc thể
tích của vật liệu cũng là một dạng mòn.
Giống nhƣ 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 hƣởng 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 đƣợc 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 hƣởng trực tiếp đến độ chính xác gia công, chất lƣợng 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 nhƣ các biện pháp công nghệ mới để

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




23

tăng bền bề mặt nhƣ phủ bay hơi chính là nhằm tăng khả năng chống mòn của
dụng cụ.
2.2.1.2 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 đƣợc sử dụng. Ma sát và
mòn không hoàn toàn phụ thuộc vào nhau vì ma sát sinh ra do tƣơng 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, tƣơng tác về ứng suất và tƣơng tác về vật liệu.
Tƣơng tác về ứng suất là tác động tổng hợp của tải trọng và lực ma sát tạo nên
các cơ chế mòn nhƣ mỏi và mòn bằng hạt mài. Tƣơng tác về vật liệu là tƣơng
tác giữa các nguyên tử, phân tử giữa các vật thể hoặc tƣơng tác giữa chúng với

môi trƣờng tạo nên các cơ chế mòn liên quan đến tác dụng hoá, lý và dính. Các
cơ chế mòn chính thƣờng 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 ƣu 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 hƣởng 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 ƣu thế cho cắt
liên tục và gián đoạn. Khi tăng vận tốc cắt, mòn do hạt mài và hoá lý trở lên
chiếm ƣu thế đối với cắt liên tục và tạo nên vùng mòn mặt trƣớc. Sự hình thành
các vết nứt do ứng suất nhiệt biến đổi theo chu kỳ là cơ chế mòn chủ yếu dẫn
đến vỡ lƣỡi cắt khi cắt không liên tục.
Nhân tố then chốt trong tốc độ mòn của hầu nhƣ tất cả các vật liệu làm
dao là nhiệt độ đạt đƣợc trong suốt quá trình gia công. Thông thƣờng ngƣời ta
cho rằng tất cả năng lƣợng sinh ra khi cắt đƣợc chuyển thành nhiệt và 80%
lƣợng nhiệt này đƣợc phoi mang đi (điều này sẽ thay đổi và phụ thuộc vào một
số nhân tố - đặc biệt là tốc độ cắt), 20% lƣợng nhiệt còn lại truyền vào dao cắt.
* Mòn do dính
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




24

Khi hai bề mặt tiếp xúc với nhau, đỉnh các nhấp nhô sẽ bị biến dạng dẻo
dƣới tác dụng của ứng suất pháp. Khi hai bề mặt chuyển động tƣơng 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 trƣợt tƣơng
đối, một vùng của vật liệu sẽ bị biến dạng dƣới tác dụng của ứng suất nén và
tiếp là sự trƣợt xảy ra mạnh dọc theo các mặt phẳng trƣợt 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 nhƣ 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 trƣợt cắt và tái tạo liên tục theo chu kỳ thậm chí trong
khoảng thời gian cắt ngắn, hiện tƣợng 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
cƣờng độ dính của nó đối với bề mặt gia công. Cƣờng độ này đƣợc đặc trƣng
bởi hệ số cƣờng 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 K a tăng từ 0,25
đến 1 trong khoảng nhiệt độ từ 900 0C 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 dƣới tác dụng của ứng suất tiếp trên
vùng mòn mặt trƣớc ở nhiệt độ khoảng 900 0C. Khi mặt trƣớc của phoi dính chặt
vào mặt trƣớc thì ứng suất tiếp cần thiết để tạo ra sự trƣợt của các lớp phoi bị
biến cứng cũng đủ để gây ra sự trƣợt 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
trƣợt tƣơng 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN





25

bền bị giảm cục bộ với vùng bề mặt có sức bền cao cục bộ của vật liệu mềm.
Archard đã đƣa ra mô hình tính toán mòn dính theo công thức sau:
Q = k.
Trong đó:

W
3 o

Q là lƣợng mòn trên một đơn vị chiều dài quãng đƣờng trƣợt

[khối lƣợng/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 hƣởng lớp màng
mỏng tạp chất của Rowe:
Q = km(1+.f2)1/2..
Trong đó:

W
3 o

km là hằng số do đôi kim loại trƣợt 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

Am là diện tích tiếp xúc trực tiếp giữa kim loại và kim loại.
* Mòn do mỏi
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 tƣợng này xảy ra chủ yếu khi hai bề mặt lăn và
va chạm đối với nhau. Halling cho rằng khi 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 đƣợc tại sao các hạt mòn rời lại đƣợc tạo ra, đặc biệt là hạt mòn
từ bề mặt cứng hơn. Nhƣng 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 chƣa có một lý thuyết thoả đáng nào về mỏi
đƣợc đƣa ra. Đối với phần lớn các vật liệu, biến dạng dẻo sinh ra trong mỗi chu
kỳ có liện hệ đến số chu kỳ phá huỷ N theo phƣơng trình của Kragelski:
(

2. fail

p

)2 = N.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN