Nghiên cứu cơ chế mòn dao gắn mảnh PCBN sử dụng tiện tinh thép 09CrSi qua tôi

C«ng nghÖ - Sè 4(48) Tập 2/N¨m 2008 
109 
Hình 5. (a) Mòn mặt sau của mảnh dao PCBN sau khi tiện 12,36 phút 
cho thấy hình ảnh gồ ghề của vùng mòn. (b) Hình ảnh phóng to của (a). 
Hình ảnh phóng to của khối bên trái thể hiện trên hình 4(d). Đến 12,36 phút gia công thì 
trên toàn bề mặt sau của dụng cụ bị biến dạng theo một kiểu rất đặc biệt với các mảng vật liệu 
dụng cụ dạng vNy (hình 5(a) và 5(b)). Vật liệu dụng cụ bị dồn nén tạo tên các mảng vNy nhẵn, 
rộng với chiều cao hs ≈ 750 µm và VLGC dính trên bề mặt mòn là không đáng kể. 
3.2. Nhám bề mặt gia công 
Kết quả đo nhám bề trong mặt phẳng thẳng đứng chứa đường tâm của phôi và dọc theo 
một đường sinh của mặt trụ cho trên bảng 2. Giá trị Ra của nhám bề mặt sau khi cắt 10,09 phút 
tăng 23% so với sau khi cắt 7,69 phút và tương ứng là sự gia tăng 15% giá trị Rz. Sự gia tăng 
đột biến của độ nhám sau 10,09 phút cắt liên quan đến sự phát triển của chiều rộng vùng mòn 
mặt trước đến 50% và chiều cao vùng mòn mặt sau tới 20% với sự xuất hiện hai mảng dạng vNy 
trên vùng mặt sau. Kết quả đo nhám bề mặt gia công thể hiện trên bảng 2. Đồ thị biểu diễn sự 
biến thiên của nhám bề mặt theo thời gian thể hiện trên hình 6. 
 Bảng 2. Nhám bề mặt sau những khoảng 
thời gian gia công khác nhau 
Mảnh 
dao số 
Chiều dài 
cắt (mm) 
Thời gian 
cắt (phút) 
Trung bình 
Ra (Rz) [µm] 
01 250 2,61 0,53 (2,84) 
02 500 5,19 0,56 (3,01) 
03 750 7,69 0,60 (3,16) 
04 1000 10,09 0,74 (3,63) 
05 1250 12,36 0,78 (3,87) 
 Hình 6. Đồ thị biểu diễn sự biến thiên 
 của nhám bề mặt theo thời gian cắt 
4. Phân tích kết quả và thảo luận 
Theo Trent và Wight [6], khi gia công bằng dao CBN hiện tượng biến dạng lưỡi cắt 
không xảy ra, mòn mặt trước và mặt sau đồng thời tồn tại, vùng mòn mặt trước rất gần lưỡi cắt. 
Trong nghiên cứu này, mòn dụng cụ xuất hiện cả trên mặt trước và mặt sau chỉ sau 2,61 phút gia 
công. Tuy nhiên vùng mòn mặt trước không nằm gần lưỡi cắt mà phát triển từ lưỡi cắt tạo thành 
mặt trước phụ tương đối phẳng và phát triển dần theo hướng thoát phoi như trên hình 3(a). Trên 
(a) (b) 
0
1
2
3
4
5
0 5 10 15
Ra Rz
µm 
Phút 
Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008 
110 
vùng mòn nhiều hạt PCBN bị tách ra khỏi bề mặt do tương tác của VLGC làm yếu pha thứ hai 
của VLDC theo như kết quả nghiên cứu của Kevin và đồng nghiệp [4]. Tuy nhiên, cơ chế mòn 
do khuếch tán kết hợp với cào xước do Poulachon và đồng nghiệp [1] đề xuất dường như không 
phù hợp với các kết quả của nghiên cứu này. Hình ảnh các rãnh biến dạng dẻo trên vùng mòn 
mặt trước trên Hình 3(b) khẳng định biến dạng dẻo bề mặt do các hạt cứng (các bít (FeCr)3C) và 
các ôxít khác trong thép 09CrSi dưới tác dụng của ứng suất pháp rất lớn ở vùng gần lưỡi cắt gây 
nên là cơ chế mòn chính trên mặt trước. 
Tuy nhiên sau thời gian cắt đủ lớn, khi mòn phát triển dần vào phía trong vùng mặt trước 
theo hướng thoát phoi, ứng suất pháp trên mặt trước giảm đi nhanh chóng, hiện tượng dính trở 
nên phổ biến ở vùng phoi thoát khỏi mặt trước thì cơ chế mòn do mỏi kết hợp với dính là 
nguyên nhân mòn ở vùng này gây bóc tách từng mảnh VLDC ra khỏi vùng bề mặt như trên 
Hình 3(d). Đây là một phát hiện mới về cơ chế mòn mặt trước trong tiện tinh cứng. Hơn nữa từ 
Hình 3(c) có thể thấy khi mòn mặt trước phát triển trên hầu hết diện tích tiếp xúc giữa phoi và 
mặt trước thì cơ chế mòn do bóc tách các mảnh vật liệu trở nên chiếm ưu thế thay cho cơ chế 
mòn do cào xước làm cho mòn mặt trước phát triển với tốc độ cao hơn. Bề mặt vùng mòn trở 
nên gồ ghề và không nhẵn như bề mặt vùng mòn mặt trước thông thường. Điều này có thể giải 
thích do cơ tính của PCBN ít bị suy giảm bởi nhiệt độ cao trong vùng cắt, tuy nhiên tác dụng có 
chu kỳ của các hạt cứng trong thép lên bề mặt kết hợp với dính đã làm cho bề mặt của dụng cụ 
bị phá hủy theo cơ chế dính mỏi kết hợp sau một thời gian gia công nhất định. 
Mòn mặt sau cũng phát triển theo quy luật thông thường trong cắt kim loại cho đến 7,69 
phút (Hình 4(a)). Cơ chế mòn mặt sau tương đối phù hợp với kết quả nghiên cứu của Kenvin [4] 
như trên Hình 4(c). Tuy nhiên, sau 10,09 phút gia công trên mặt sau xuất hiện hai mảng dạng 
vNy cục bộ (Hình 4(b)). Đây là vùng tương ứng với các rãnh mòn sâu trên dụng cụ khi cắt các 
hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao và theo Shaw [7], thì các rãnh mòn sâu trên mặt trước và sau 
ở vùng này có liên quan đến tác dụng truyền nhiệt mạnh ở hai bên rìa của phoi vào bề mặt dụng 
cụ cắt. Đây là hiện tượng mòn phức tạp liên quan nhiều đến nhiệt độ cao. Theo Trent [6] nhiệt 
độ cao kết hợp với biến cứng của phoi, tác dụng của ôxy trong môi trường môi trường cắt đã tạo 
nên các rãnh mòn sâu ở vùng này trên dao tiện các bít khi tiện thép. Khi thời gian cắt tăng lên 
đến 12,36 phút các mảng dạng vNy này phát triển trên toàn mặt sau và một số mảng bong ra tạo 
nên mòn. Đây cùng là một phát hiện mới về cơ chế mòn mặt sau trong tiện tinh cứng. 
Từ các kết quả đo nhám bề mặt có thể thấy cho đến 7,69 phút cắt, Ra gần như không 
thay đổi Ra = 0,53 ÷ 0,60 µm, những khi thời gian cắt đạt tới 10,09 phút có sự thay đổi đột biến 
về nhám bề mặt, Ra tăng xấp xỉ 23%, sau đó Ra giữ gần như không thay đổi tới 12,36 phút cắt. 
Nhám bề mặt tăng nhanh khi mòn mặt trước và mặt sau đạt tới một mức độ nào đó và sau đó giữ 
gần như không đổi. Điều này có thể liên quan trực tiếp tới sự phát triển bề rộng của vùng mòn 
trên mặt trước tới 20 µm và sự xuất hiện các mảng dạng vNy trên mặt sau như đã phân tích ở 
phần trên. 
Có thể thấy rằng nếu như mòn trên mặt trước và sau phát triển theo cơ chế khuếch tán, 
suy yếu pha thứ hai dẫn đến bóc tách các hạt CBN như các nghiên cứu mới đây thì tuổi bền của 
mảnh dao CBN có thể sẽ cao hơn nhiều lần so với thực tế. Hiện tượng bong từng mảng VLDC 
T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(48) Tập 2/N¨m 2008 
111 
trên mặt trước, tạo thành dạng vNy và bong từng mảng VLDC trên mặt sau là nguyên nhân cơ 
bản làm rút ngắn tuổi bền của dụng cụ. Các cơ chế mòn này có thể liên quan đến nhiệt, số chu kì 
cào xước của hạt cứng trong VLGC và dính trên bề mặt tiếp xúc của mặt trước và mặt sau cũng 
như kết hợp với tác dụng ôxi hóa của ôxi từ môi trường. 
 5. Kết luận 
Các kết quả của nghiên cứu cho thấy khi tiện tinh thép 09CrSi bằng dao PCBN mòn mặt 
trước và mặt sau là hai dạng mòn chủ yếu. Trong giai đoạn đầu, cơ chế mòn mặt trước chủ yếu 
là biến dạng dẻo do tác dụng cào xước của các hạt cứng trong thép và sự tách ra khỏi bề mặt của 
các hạt CBN. Cơ chế mòn mặt sau là quá trình bóc tách của các hạt CBN do pha thứ hai của 
VLDC bị yếu đi khi tương tác với VLGC. Trong giai đoạn sau, cơ chế mòn mặt trước là do mỏi 
dính với sự bóc tách của từng mảng vật liệu trên mặt trước. Cơ chế mòn mặt sau có thể liên 
quan đến nhiệt, số chu kì cào xước của hạt cứng và dính kết hợp với tác dụng ôxi hóa của ôxi từ 
môi trường tạo nên các mảng dạng vảy và bong ra khỏi mặt sau
 
Tóm tắt 
Đặc điểm của quá trình tạo phoi, lực cắt, nhiệt cắt và mòn trong quá trình tiện cứng đã 
được đề cập nhiều trong nhiều nghiên cứu mới đây, tuy nhiên cơ chế mòn dụng cụ PCBN khi 
tiện tinh vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ. Kết quả nghiên cứu của các tác giả khi tiện tinh thép 
09CrSi qua tôi bằng dao gắn mảnh PCBN cho thấy mòn mặt trước và sau là hai dạng mòn chính. 
Cơ chế mòn trên mặt trước liên quan đến tác dụng cào xước của hạt cứng trong vật liệu gia công 
(VLGC) và mòn do mỏi-dính của các lớp bề mặt. Mòn mặt sau của dụng cụ không đơn thuần là 
sự bong ra của các hạt CBN mà có thể liên quan đến hiện tượng phức tạp của nhiệt, tương tác 
giữa VLGC và vật liệu dụng cụ (VLDC) kết hợp với hiện tượng ôxy hóa. Mòn ảnh hưởng trực 
tiếp đến nhám bề mặt chi tiết gia công. 
Summary 
A study of wear mechanisms of PCBN cutting tools used in precision turning of 
hardened 09crsi steel 
The features of chip formation, cutting temperature and wear in hard turning are 
addressed in recent studies but the wear mechanism of PCBN cutting tool in precision turning 
has not been realli understood. The research results of the authors in turning hardened 09CrSi 
steel using PCBN cutting tools shows that rake face and flank face wear were the two main 
types of wear. The mechanism of the rake face wear involved with the abrasion wear caused by hard 
particles in the steel and wear of surface layers based on adhesion - fatigue. The flank face wear was 
not normalli the detachments of CBN particles but might be involving directli with heat, frictional 
interactions between work and tool materials in a combination with oxidation phenomenon. Wear of 
cutting tool had directli affected surface roughness of the machined element. 
Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008 
112 
Tài liệu tham khảo 
[1]. Diniz.A.E, Ferreira.J.R, Filho.F.T. (2003), “Influence of Refrigeration/ Lubrication 
Condition on SAE 52100 Hardened Steel Turning at Several Cutting Speeds”, International Journal of 
Machine Tools and Manufacturing, Vol. 43, pp. 317-326. 
[2]. Guo.Y.B, Sahni. J.(2004), “A Comparative Study of Hard Turned and Cylindricalli Ground 
White Layers”, International Journal of Machine Tools and Manufacturing, Vol. 44, pp. 135-145. 
[3]. Kevin Chou.Y, Evans.C.J, Barash.M.M. (2002), “Experimental Investigation on CBN Turning of 
Hardened AIAI 52100 Steel”, Journal of Materials Processing Technology, Vol.124, pp. 274-283. 
[4]. Liu.X.L, Wen.D.H, Li.Z.J, Xiao.L, Yan.F.G. (2002), “Cutting Temperature and Tool Wear of 
Hard Turning Hardened Bearing Steel”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 129, pp. 200-206. 
[5]. Poulachon.G, Bandyopadhyay.B.P, Jawahir.I.S, Pheulpin.S, Seguin.E. (2004), “Wear 
Behavior of CBN while Turning Various Hardened Steels”, Wear, Vol. 256, pp.302-310. 
[6]. Shaw M.C. (1989), Metal Cutting Principles, Oxford University Press, New York. 
[7]. Trent E.M and Wight P.K. (2000), Metal Cutting, Butterworth-Heinemann USA.