Tài liệu 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.

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 http://www.lrc.tnu.edu.vn 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 http://www.lrc.tnu.edu.vn 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 http://www.lrc.tnu.edu.vn 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 http://www.lrc.tnu.edu.vn 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 http://www.lrc.tnu.edu.vn 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 http://www.lrc.tnu.edu.vn 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 http://www.lrc.tnu.edu.vn 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 http://www.lrc.tnu.edu.vn 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 http://www.lrc.tnu.edu.vn 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 http://www.lrc.tnu.edu.vn 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 http://www.lrc.tnu.edu.vn 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 http://www.lrc.tnu.edu.vn 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 http://www.lrc.tnu.edu.vn 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 http://www.lrc.tnu.edu.vn 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 http://www.lrc.tnu.edu.vn 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 http://www.lrc.tnu.edu.vn 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 http://www.lrc.tnu.edu.vn 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 http://www.lrc.tnu.edu.vn 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 http://www.lrc.tnu.edu.vn 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 http://www.lrc.tnu.edu.vn