Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến lực cắt và nhám bề mặt khi phay thép SKD11

ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology8 Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT
ĐẾN LỰC CẮT VÀ NHÁM BỀ MẶT KHI PHAY THÉP SKD11
Mạc Thị Bích1, 2, Phạm Thị Hoa1, Bành Tiến Long1, 2, Nguyễn Đức Toàn1, 2
1 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên
2 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Ngày tòa soạn nhận được bài báo: 10/10/2017
Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 05/11/2017
Ngày bài báo được chấp nhận đăng: 15/11/2017
Tóm tắt:
Bài báo nghiên cứu lực cắt và nhám bề mặt khi phay thép SKD11 xét đến ảnh hưởng của quá trình 
gia nhiệt cho phôi trong quá trình gia công bằng phương pháp nung nhiệt cảm ứng từ tần số cao. Trước 
tiên, cấu trúc tế vi của vật liệu phôi trước và sau khi gia nhiệt 200oC được so sánh để khẳng định tổ chức 
và cơ tính phôi không thay đổi. Lực cắt và độ nhấp nhô tế vi bề mặt của chi tiết sau đó được đo đạc và thu 
thập dữ liệu tại cùng chế độ cắt khi phay thép SKD11 tại nhiệt độ phòng và có hỗ trợ gia nhiệt 200oC. Độ 
giảm lực cắt và độ nhám bề mặt khi phay có và không gia nhiệt cuối cùng được tính toán nhằm phân tích 
ảnh hưởng của việc gia nhiệt đến các thông số đầu ra. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng lực cắt giảm mạnh 
và chất lượng bề mặt chi tiết gia công được cải thiện đáng kể khi gia công có hỗ trợ gia nhiệt. Nghiên cứu 
cũng cho thấy rõ hiệu quả của phương pháp gia công có hỗ trợ nhiệt trong việc nâng cao chất lượng sản 
phẩm và ổn định quá trình cắt.
Từ khóa: Gia công gia nhiệt, thép SKD11, lực cắt, độ nhám bề mặt.
1. Đặt vấn đề
Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa 
học công nghệ là sự ra đời của các loại vật liệu mới 
khó gia công nhưng được ứng dụng rộng rãi trong 
công nghiệp. Gia công gia nhiệt là một phương 
pháp gia công mới được nghiên cứu và phát triển từ 
đầu thế kỷ 20. Phương pháp này đã cải thiển được 
tính năng cắt gọt của vật liệu nhờ quá trình gia nhiệt 
được đưa vào ngay trước khi gia công và chi tiết 
được để nguội tự nhiên trong không khí. Dưới tác 
dụng của nhiệt độ cao, kim loại được mềm hóa nên 
quá trình cắt gọt được thực hiện dễ dàng hơn [1].
Singh Harpreet và đồng nghiệp [2] đã nghiên 
cứu về nhám bề mặt và tỉ lệ loại bỏ vật liệu khi 
gia công khô thông thường và gia công gia nhiệt 
thép EN8 bằng nguồn nhiệt laze. Nghiên cứu kết 
luận rằng, việc đưa nguồn nhiệt từ bên ngoài vào 
để giảm độ bền, độ cứng vật liệu. Độ nhám bề mặt 
được cải thiện và tỉ lệ loại bỏ vật liệu tăng đáng kể. 
Phương pháp gia công tiện hợp kim Inconel 718 có 
gia nhiệt bằng chùm Plasma đã được nghiên cứu bởi 
Z.Y.Wang và đồng nghiệp [3]. Nghiên cứu kết luận 
độ nhám bề mặt được cải thiện 250%, lực cắt giảm 
30% - 50% và tuổi thọ dụng cụ cắt tăng lên 170% 
so với gia công thông thường.
Hiện nay có nhiều phương pháp gia nhiệt 
khác nhau với hiệu quả và phù hợp với một số 
phương pháp gia công nhất định. Trong đó, gia 
nhiệt bằng cảm ứng từ là một phương pháp gia nhiệt 
rất hiệu quả, chi phí thấp và là sự lựa chọn tốt trong 
trường hợp phay đứng đối với những kim loại và 
hợp kim có từ tính [4].
Thép SKD11 là một loại thép được sử dụng 
rộng rãi trong ngành công nghiệp sản xuất khuôn 
mẫu bởi độ dẻo, độ bền và độ cứng được duy trì tại 
nhiệt độ cao [5]. Tuy nhiên, tính chất vật liệu làm 
thép dụng cụ làm cho phương pháp gia công thông 
thường trở thành khó khăn với chi phí cao. Phương 
pháp tiện có gia nhiệt bằng laze đã trở thành giải 
pháp hiệu quả, thay thế cho phương pháp gia công 
thông thường với kết quả nghiên cứu lực cắt, lượng 
mòn dụng cụ và nhám bề mặt giảm mạnh.
Trong nghiên cứu này, cấu trúc vật liệu thép 
SKD11 sau khi gia nhiệt đã được đánh giá mức độ 
ảnh hưởng thông qua việc so sánh cấu trúc tế vi 
trước và sau khi gia nhiệt đến 200oC rồi làm nguội 
tự nhiên trong không khí. Ảnh hưởng của nhiệt độ 
cao đến lực cắt, độ nhám bề mặt khi gia công có gia 
nhiệt cũng đã được phân tích. Các bộ thí nghiệm với 
cùng chế độ cắt tại nhiệt độ phòng và nhiệt độ cao 
lần lượt được thực hiện. Các kết quả được thảo luận, 
so sánh và đánh giá hiệu quả của việc gia nhiệt so 
với phương pháp gia công phay tại nhiệt độ phòng.
2. Thiết kế thực nghiệm
2.1. Vật liệu gia công và dụng cụ cắt
Bảng 1. Thành phần hóa học của thép hợp kim 
SKD11 [6]
C Cr Mo Si
1,4 – 1,6 11 – 13 0,7 – 1,2 ≤ 0,6
Mn Ni V
≤ 0,6 - 0,15 – 0,3
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017 Journal of Science and Technology 9
Nghiên cứu được thực hiện với vật liệu thép 
SKD11. Bảng 1 là thành phần hóa học của thép 
SKD11. Kích thước phôi: 70 mm x31 mm x 80 mm. 
Đây là loại thép được sử dụng rộng rãi trong ngành 
công nghiệp khuôn mẫu.
Dao phay mặt đầu có đường kính ϕ = 40 mm 
được sử dụng với mảnh hợp kim cứng của hãng 
PRAMET (APKT 1604PDR – GM), Cộng Hòa Séc. 
Không sử dụng dung dịch làm mát trong suốt quá 
trình gia công.
2.2. Thiết bị thí nghiệm
2.2.1. Sơ đồ thí nghiệm
Thực nghiệm trên máy phay MC500. Tốc độ 
quay trục chính 100 – 30000 vòng/phút, công suất 
trục chính 15 kW, tốc độ dịch chuyển của bàn máy 
khi gia công 30000 mm/phút, tốc độ chạy không 
lớn nhất 48000 mm/phút, hành trình dịch chuyển 
bản máy X x Y x Z = 500 mm x 400 mm x 300 mm.
2.2.2. Thiết bị chụp cấu trúc tế vi bề mặt
Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp chụp 
ảnh tổ chức tế vi bằng kính hiển vi quang học 
Axiovert 25 CA tại Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật 
liệu, Đại học Bách Khoa Hà Nội (Hình 1).
Axiovert 25 CA là một loại kính hiển vi 
ngược sáng dùng cho nghiên cứu vật liệu. Thiết bị 
này được sử dụng kết hợp với phần mềm phân tích 
ảnh Image-Pro Plus để phân tích pha vật liệu (thành 
phần pha, kích thước pha, tỷ lệ pha, chiều dày lớp 
thấm). Kích thước máy: rộng 245 mm, sâu 680 
mm, cao 510 mm. Trọng lượng: 13 kg. Nguồn điện: 
115/230V 50 - 60Hz. Độ phóng đại: 100, 200, 500, 
1000 lần.
Hình 1. Kính hiển vi quang học Axiovert 25 CA
2.2.3. Thiết bị đo lực cắt
Thiết bị đo lực cắt ba thành phần của hãng 
Kisler – Thụy Sỹ (Hình 2). Thiết bị này sử dụng 
cảm biến đo lực 9257B – Kisler với dải đo lực: Fx 
= 1500 N, Fy = 1500 N, Fz = 5000 N. Độ nhạy của 
cảm biến theo phương X, Y: 7,39 pC/N, theo phương 
Z: 3,72 pC/N. Sử dụng phần mềm DASYlab 10.0 để 
chuyển đổi tín hiệu A/D và thu thập kết quả đo về 
máy tính.
Hình 2. Hình ảnh thí nghiệm
2.2.4. Thiết bị đo nhám
Hình 3. Thiết bị đo độ nhám bề mặt SV – C3200
Thiết bị đo độ nhám bề mặt SV – C3200 của 
hãng Mitutoyo kết hợp với phần mềm Formtracepak 
(Hình 3). Bộ điều khiển đơn vị theo trục X và trục 
Z được trang bị bộ mã hóa tuyến tính (loại ABS 
trên trục Z) có độ chính xác cao. Tốc độ đo của 
máy: 0.02 – 5 mm/s. Phương pháp đo: đầu đo dịch 
chuyển theo vuông góc với vết gia công.
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology10 Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Kết quả cấu trúc tế vi bề mặt sau gia nhiệt
Một trong những nguyên tắc cơ bản khi gia 
công có hỗ trợ nhiệt là không làm thay đổi tính chất 
cơ lý, tổ chức tế vi của vật liệu. Hai mẫu thử được 
chuẩn bị mẫu và hình ảnh chụp tổ chức tế vi vật liệu 
được trình bày như Hình 4.
Quan sát Hình 4 cho thấy, khi nung mẫu 
thử tới 200oC thì tổ chức tế vi của vật liệu không 
thay đổi. Nguyên nhân là do nhiệt độ nung thấp hơn 
nhiệt độ chuyển pha của vật liệu. Phân tích tổ chức 
tế vi vật liệu SKD11 gồm có:
- Tổ chức Cacbit Crom Cr
7
C
3
 là các tấm 
trắng, hạt tròn sáng phân tán trên bề mặt;
- Tổ chức Xêmentit là các chấm tối hình cầu;
- Tổ chức Peclit nền sáng.
Như vậy, quá trình gia nhiệt cho phôi thép 
SKD11 tại nhiệt độ 200oC trước khi gia công không 
làm thay đổi tổ chức tế vi của vật liệu.
Hình 4. Hình ảnh chụp tổ chức tế vi vật liệu SKD11 
với độ phóng đại 1000 lần
a) Mẫu ban đầu b) Mẫu sau nung nhiệt 200oC
3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến lực cắt và 
độ nhám bề mặt 
Các thí nghiệm được thực hiện lần lượt với 
chế độ cắt được giữ nguyên và chỉ thay đổi nhiệt 
độ. Đầu tiên thí nghiệm được thực hiện tại nhiệt độ 
phòng. Sau đó thí nghiệm được thực hiện tại nhiệt 
cao. Chế độ cắt, nhiệt độ được lựa chọn thí nghiệm 
và kết quả lực cắt F, độ nhám bề mặt Ra theo thứ tự 
như Bảng 1 và Bảng 2. Trong đó lực cắt F là lực cắt 
tổng hợp được phân tích thành 3 thành phần theo 
công thức (1). Độ giảm lực cắt và độ nhám bề mặt 
khi gia công gia nhiệt so với gia công thông thường 
được tính theo công thức (2).
F = F F Fx y z
2 2 2+ + (1)
Trong đó: F
x
, F
y
, F
z
 lần lượt là lực cắt theo các 
phương X, Y, Z
∆A(%) = A
A A
R
R T-
 ∙ 100% (2)
Trong đó: A là lực cắt hoặc độ nhám bề mặt. A
R
, 
A
T
 theo thứ tự là giá trị đầu ra khi gia công thông 
thường và gia công gia nhiệt.
Bảng 1. Thông số công nghệ và nhiệt độ gia công
Thông số công 
nghệ
Gia công 
thông thường
Gia công gia 
nhiệt
V
c
 (m/p) 190 190
f (mm/p) 230 230
t (mm) 0,5 0,5
T (oC) 25 200
Bảng 2. Giá trị lực cắt và độ nhám bề mặt
Giá trị Gia công 
thông thường
Gia công 
gia nhiệt
Độ giảm 
(%)
F (N) 135,98 62,205 54,3
Ra (μm) 0,177 0,128 27,7
Hình 5 là đồ thị lực cắt khi gia công thông 
thường và gia công gia nhiệt. Bảng 2 và Hình 5 cho 
thấy sự thay đổi lực cắt khi có sự tham gia của quá 
trình gia nhiệt. Lực cắt khi gia công tại nhiệt độ cao 
giảm 54,3% so với khi gia công tại nhiệt độ phòng. 
Nguyên nhân là do dưới tác dụng của nhiệt độ cao, 
vật liệu được mềm hóa, giảm ma sát giữa phoi và 
mặt trước của dụng cụ cắt, giảm ma sát giữa mặt sau 
của dụng cụ cắt và bề mặt đã gia công khiến cho quá 
trình cắt gọt được thực hiện dễ dàng hơn.
Đồ thị nhám của bề mặt chi tiết khi gia công 
thông thường và gia công gia nhiệt được trình bày 
trên Hình 6. Đầu đo độ nhám dịch chuyển theo 
phương vuông góc với bề mặt gia công. Quan sát 
Hình 6 ta thấy, sai lệch trung bình Ra giảm khi gia 
công tại nhiệt độ cao. Giá trị Ra giảm 27,7% so với 
gia công thông thường. Như vậy, độ nhám bề mặt 
được cải thiện đáng kể khi gia công có sự hỗ trợ của 
nhiệt độ. Nguyên nhân độ nhám bề mặt giảm là do 
tính dẻo dai của vật liệu tăng tại nhiệt độ cao. Hơn 
nữa, lực cắt giảm đã hạn chế các hiện tượng gây 
nhiễu đến bề mặt như uốn hoặc rung động quá trình 
cắt. Sự biến đổi lực cắt trong suốt quá trình gia công 
giảm khiến cho quá trình tạo phoi linh hoạt hơn và 
giảm lực đẩy của phoi cũng là nguyên nhân giúp 
cho độ nhám bề mặt giảm.
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017 Journal of Science and Technology 11
a)
b)
Hình 5. Đồ thị lực cắt khi gia công thông thường (a) 
và khi gia công gia nhiệt (b)
a)
b)
Hình 6. Đồ thị nhám bề mặt chi tiết khi gia công 
thông thường (a) và khi gia công gia nhiệt (b)
4. Kết luận
Bài báo đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt 
độ cao đến tính gia công vật liệu khi phay thép 
SKD11. Với cùng chế độ cắt cụ thể, tác động của 
nhiệt độ cao đến lực cắt và độ nhám bề mặt đã được 
nghiên cứu. Bài báo đã rút ra một số kết luận như 
sau:
- Khi gia công gia nhiệt 200oC, lực cắt đã 
giảm 54,3% so với phương pháp gia công thông 
thường;
- Độ nhám bề mặt giảm 27,7% so với phương 
pháp gia công thông thường;
- Tổ chức pha của vật liệu thép SKD11 
không thay đổi khi nung phôi 200oC;
- Gia công gia nhiệt là một phương pháp gia 
công mới. Trong đó nhiệt độ cao hỗ trợ và mang lại 
hiệu quả cho quá trình gia công.
Tài liệu tham khảo
[1]. M. S. D. S. Sun , M. Brandt, “Thermally Enhanced Machining of Hard-to-machine Materials—A 
review,” Int. J. Mach. Tools Manuf., vol. 50, no. 8, pp. 663–680, 2010.
[2]. E. M. G. Singh Harpreet, Er.Sandeep Sharma, “Analysis of Surface Roughness and Material 
Removal Rate in Dry and Thermal Assisted Machining of EN8 Steel,” Int. J. Eng. Sci. Res. Technol., 
vol. 4, no. 11, pp. 577–583, 2015.
[3]. G. P. Z. Y. Wang, K. P. Rajurkar, J. Fan, S. Lei, Y. C. Shin, “Hybrid Machining of Inconel 718,” 
Int. J. Mach. Tools Manuf., vol. 43, pp. 1391–1396, 2003.
[4]. A. K. M. Nurul Amin and T. L. Ginta, Heat-Assisted Machining, vol. 11. Elsevier, 2014.
[5]. S. Xavierarockiaraj and P. Kuppan, “Investigation of Cutting Forces, Surface Roughness and 
Tool Wear during Laser Assisted Machining of SKD11Tool Steel,” Procedia Eng., vol. 97, pp. 1657–
1666, 2014.
[6]. C. Wang, Y. Xie, L. Zheng, Z. Qin, D. Tang, and Y. Song, “Research on the Chip Formation 
Mechanism during the High-speed Milling of Hardened Steel,” Int. J. Mach. Tools Manuf., vol. 79, 
pp. 31–48, 2014.
 Gia công thông thường 
 Gia công gia nhiệt 
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology12 Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017
RESEARCH ON EFFECTING OF THERMAL – ASSISTED PROCESS
ON CUTTING FORCE AND ROUGHNESS DURING MILLING SKD11
Abstract:
The paper investigating the cutting force and surface roughness of SKD11 steel considers the 
effect of heat treatment on the workpiece during milling by high frequency induction thermal assisted. The 
unchangeable microstructure of SKD11 at room and 200oC was first captured, compared and confirmed. 
Cutting force and surface roughness after milling SKD11 was then measured at room and 200oC temperatures 
in the same cutting conditions. Finally, the effect of thermal assisted on the cutting force and surface 
roughness was analyzed. The results show that the force is greatly reduced and the surface quality of the 
workpiece is significantly improved under thermal assisted milling. The study also reveals the effectiveness 
of thermal assisted processing in improving product quality and stabilizing the cutting process.
Keywords: thermal assisted milling, SKD11 steel, cutting force, surface roughness.