Ảnh hưởng của chế độ cắt đến các thành phần lực cắt trong tiện cứng trực giao thép 9XC bằng dụng cụ CBN

Phan Quang Thế và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 83(07): 67 - 71 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 67  
ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN CÁC THÀNH PHẦN LỰC CẮT 
TRONG TIỆN CỨNG TRỰC GIAO THÉP 9XC BẰNG DỤNG CỤ CBN 
Phan Quang Thế, Nguyễn Thị Quốc Dung*, Hoàng Minh Phúc 
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên 
TÓM TẮT 
Bài báo này trình bày một nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy 
dao đến các thành phần lực cắt trong tiện cứng trực giao thép 9XC. Mảnh dao CBN dạng đặc với 
thành phần CBN cao được sử dụng trong quá trình tiện cứng phôi ống thép 9XC. Hai nhân tố vận 
tốc cắt và lượng chạy dao được tiến hành thí nghiệm ở hai mức yếu tố. Trong quá trình tiện cứng, 
các thành phần lực cắt đã được đo đạc. Phân tích phương sai kết quả thí nghiệm cho thấy cả ba yếu 
tố vận tốc cắt, lượng chạy dao và tương tác giữa chúng đều có ảnh hưởng đáng kể đến các giá trị 
của lực cắt. Trong đó, lượng chạy dao có ảnh hưởng lớn nhất và vận tốc cắt có ảnh hưởng ít hơn so 
với ảnh hưởng của tương tác giữa vận tốc cắt và lượng chạy dao. 
Từ khóa: Tiện cứng, lực cắt, dụng cụ cắt, phân tích phương sai, tiện cứng trực giao 
ĐẶT VẤN ĐỀ* 
Với nhiều ưu thế nổi bật, tiện cứng đang là 
một phương pháp gia công tinh được ứng 
dụng ngày càng rộng rãi trong các ngành công 
nghiệp[1]. Có rất nhiều nghiên cứu liên quan 
đến quá trình tiện cứng đã được công bố. 
Xem xét các kết quả nghiên cứu cho thấy, 
thuộc tính của dụng cụ cắt và vật liệu phôi, 
thông số hình học của dụng cụ, điều kiện gia 
công và các tính chất của hệ thống công nghệ 
được coi như là các thông số đầu vào của quá 
trình tiện cứng và chúng có thể được lựa chọn 
khi bắt đầu gia công. Các thông số như lực 
cắt, nhiệt cắt, chất lượng bề mặt và tuổi thọ 
dụng cụ được coi như là các tiêu chuẩn về 
hiệu quả của quá trình hoặc là các thông số 
đầu ra. Việc xác định chính xác lực cắt trong 
quá trình gia công luôn đóng vai trò quan 
trọng trong nghiên cứu tối ưu hóa quá trình, 
thiết kế tối ưu các thông số của dụng cụ và hệ 
thống công nghệ. Lực cắt đặc trưng cho công 
suất cần thiết và là chỉ tiêu chủ yếu để thiết kế 
các phần tử của máy cắt kim loại, các cơ cấu 
kẹp và cố định dụng cụ cũng như các yêu cầu 
về độ cứng vững để đảm bảo loại trừ rung 
động trong gia công. Do lớp kim loại được cắt 
đi rất mỏng nên các thành phần lực đo được 
trong cắt kim loại thường không vượt quá vài 
chục đến vài trăm kilogram. Mặc dù lực 
tương đối nhỏ so với các quá trình gia công 
kim loại khác như rèn, épnhưng do tác 
dụng trên một diện tích rất bé đã khiến cho 
*
 Tel: 0915308818; Email: quocdung@tnut.edu.vn 
ứng suất sinh ra trong quá trình cắt kim loại 
thuộc loại cao nhất trong các quá trình gia 
công. Nhiệt độ cao và ứng suất lớn là nguyên 
nhân của một loạt các quá trình hóa lý phức 
tạp xảy ra trong quá trình cắt đồng thời diện 
tích tiếp xúc nhỏ là trở ngại lớn trong việc 
tiếp cận nghiên cứu vùng cắt. Trong quá trình 
tiện cứng, độ cứng cao của phôi cùng với các 
thông số hình học đặc trưng của dụng cụ, tốc 
độ cắt lớn và điều kiện gia công khô đã có 
ảnh hưởng lớn làm cho tác dụng của lực cắt 
có những thay đổi đáng kể so với quá trình 
tiện thông thường. Vì vậy, việc nghiên cứu 
tìm hiểu tác động của các nhân tố cắt đến các 
thành phần lực cắt là điều cần thiết. Đó còn là 
cơ sở để tính toán ứng suất và nhiệt cắt, các 
nhân tố chính ảnh hưởng đến tuổi thọ dụng cụ 
cũng như chất lượng bề mặt gia công. 
Trong phạm vi tìm hiểu về các hiện tượng xảy 
ra trong quá trình tiện cứng, một loạt các 
nghiên cứu đã được tiến hành cho nhiều loại 
vật liệu. Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện thời 
về vấn đề này vẫn chưa cho phép khái quát 
hóa các kết quả đạt được và dự đoán trạng 
thái của các vật liệu khác. Vì vậy, việc nghiên 
cứu đối với các vật liệu này luôn phải tiếp 
tục[2]. Theo Nakayama và cộng sự[3], lực cắt 
trong gia công các vật liệu cứng không lớn 
hơn các vật liệu mềm mềm. Góc trượt lớn và 
sự hình thành phoi răng cưa do độ dẻo kém đã 
làm giảm lực cắt mặc dù độ bền cao của vật 
liệu cứng. Hơn nữa, khi gia công các thép 
cứng, góc trước âm của dụng cụ càng lớn thì 
lực dọc trục càng cao và lực cắt tiếp tuyến 
càng thấp. Sự biến thiên của các thành phần 
Phan Quang Thế và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 83(07): 67 - 71 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 68  
lực cắt cũng bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của 
độ cứng của vật liệu gia công. Strafford và 
Audy [4] đã cho thấy khi tiện cứng thép AISI 
4340 có độ cứng từ 29 đến 57 HRC bằng 
dụng cụ gốm đã có sự tăng tương ứng lực cắt 
từ 30-80%. Trong một công bố khác[5] đã 
chứng tỏ rằng tốc độ cắt càng cao, lực dọc 
trục và lực cắt riêng càng thấp, không phụ 
thuộc vào mòn dụng cụ. 
Ảnh hưởng của điều kiện cắt đến quá trình 
tiến triển của lực cắt cũng đã được mô hình 
trong nhiều nghiên cứu. Bằng việc tiến hành 
các thí nghiệm khi gia công thép AISI D2 ở 
độ cứng 62HRC với dụng cụ cắt CBN, 
Arsecularatne và cộng sự [6] đã kết luận có 
một mối liên hệ chặt chẽ giữa lực cắt và điều 
kiện cắt. Huang và Liang [7] trình bày lực cắt 
tổng cộng là tổng của các thành phần lực để 
tạo phoi và lực do mòn mặt sau. Mô hình này 
được đánh giá bằng thực nghiệm quá trình tiện 
cứng chính xác thép AISI 52100 ở độ cứng 62 
HRC với dụng cụ CBN. Chen [8] cũng công bố 
khi nghiên cứu thực nghiệm tiện cứng thép 
bằng dụng cụ CBN, lực hướng kính có giá trị 
lớn nhất trong ba thành phần lực cắt. 
Để cải thiện hiệu quả chung của công nghệ 
tiện cứng, cần thiết phải có một sự hiểu biết 
hoàn chỉnh về quá trình. Với mục tiêu như 
vậy, nghiên cứu này tập trung vào phân tích 
ảnh hưởng của các nhân tố điều kiện cắt cũng 
như ảnh hưởng của sự tương tác giữa chúng 
đến các thành phần lực trong tiện cứng trực 
giao bằng phương pháp phân tích thống kê. 
THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 
Thí nghiệm được tiến hành trên máy tiện vạn 
năng Tuda (Nhật Bản). Phôi có dạng ống, 
chiều dài L=80mm, đường kính 100, làm từ 
thép hợp kim 9XC (Nga), tôi thể tích đạt độ 
cứng HRC 52-55 (hình1). Thành phần hóa 
học của vật liệu phôi cho trong bảng 1. Dụng 
cụ cắt dùng trong thí nghiệm là mảnh CBN 
đặc hình tam giác, ký hiệu TNGN110308E 
(SECO-Thụy Điển). Bán kính mũi dao r=0,1, 
chiều dày s=3,18 (hình 2). Thân dao của 
SECO ký hiệu CTFNR2525M11 hợp với 
mảnh dao để tạo thành góc trước  = -60, góc 
sau = 60. 
Bảng 1. Thành phần hóa học của thép 9XC 
C Si P Mn Ni Cr Mo 
0,823 1,2351 0,0241 0,5862 0,0332 1,113 0,0192 
V Cu W Ti Al Fe 
Hình 1. Phôi và dao dùng trong thí nghiệm 
Các thành phần lực cắt được đo bằng thiết bị 
đo lực ba chiều ký hiệu PTNKĐ-ĐL (Viện 
Tên lửa-Việt Nam) như hình 2. 
Hình 2. Thiết bị đo lực PTNKĐ-ĐL 
TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM 
Với mục tiêu đơn giản hóa quá trình, thí 
nghiệm xác định ảnh hưởng của các thông số 
chế độ cắt đến các thành phần lực cắt được 
thực hiện theo sơ đồ cắt trực giao. Sơ đồ thí 
nghiệm như hình 3: 
Hình 3. Sơ đồ thí nghiệm tiện cứng trực giao 
Các nghiên cứu đã chứng tỏ quan hệ phụ 
thuộc giữa lực cắt và các thông số chế độ cắt 
là quan hệ hàm số mũ có dạng: F= Cvrtpsq (1) 
Trong trường hợp không xét đến tương tác 
kép giữa các biến thì C, r, p, q là các hằng số. 
Phan Quang Thế và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 83(07): 67 - 71 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 69  
Để tuyến tính hóa, logarit hai vế, hàm biểu 
diễn quan hệ phụ thuộc giữa lực cắt vào chế 
độ cắt sẽ là: lnF=lnC+rlnv+plnt+qlns (2) 
Với sơ đồ cắt trực giao như hình 3, chiều sâu 
cắt t không thay đổi và thành phần lực hướng 
kính Fy sẽ được loại bỏ. Các thí nghiệm được 
qui hoạch theo kế hoạch bậc một hai nhân tố 
ở hai mức yếu tố như trong bảng 2. Ngoài 4 
điểm thí nghiệm cần thực hiện theo qui hoạch 
còn có các thí nghiệm được thực hiện song 
song tại tâm. Mỗi thí nghiệm được thực hiện 
tương ứng với chiều dài cắt L=15mm theo 
phương dọc trục ở chiều sâu cắt cố định là 
3mm. Các dữ liệu ghi được như trong hình 4 
cho thấy lực cắt tương đối ốn định trên suốt 
chiều dài cắt chứng tỏ rung động là không 
đáng kể. Kết quả thí nghiệm được tổng hợp 
trong bảng 3. 
Bảng 2 Các thông số cắt và các mức giá trị 
Mức yếu tố 
Vận tốc cắt 
v (m/p) 
Lượng chạy dao 
s (mm/v) 
-1 75 0.09 
+1 245 0.12 
0 160 0.105 
Hình 4. Biến thiên của các thành phần lực cắt ở a) 
n=330vg/ph; s=0,12 mm/vg; b) n=770vg/ph; 
s=0,12mm/vg; 
Bảng 3. Kết quả thí nghiệm xác định các thành 
phần lực cắt 
Thí 
nghiệm 
Nhân tố Lực cắt 
v 
(m/p) 
s 
(mm/vg) 
Fz (N) Fx(N) 
1 75 0,09 1199.41 297.35 
2 245 0,09 894.85 267.09 
3 75 0,12 1153.09 337.03 
4 245 0,12 1432.56 417.85 
5 160 0,105 1362.48 351.48 
6 160 0,105 1287.28 376.02 
7 160 0,105 1311.52 361.33 
PHÂN TÍCH KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
Hình 5 là đồ thị ảnh hưởng của các nhân tố 
vận tốc cắt v, lượng chạy dao s và tương tác 
giữa chúng đến các thành phần lực cắt Fz và 
Fx trong tiện cứng trực giao. Phân tích 
phương sai của các thành phần lực cắt như 
trong bảng 4. 
Hình 5. Ảnh hưởng của các nhân tố v và s và 
tương tác giữa chúng đến các thành phần lực cắt 
trong tiện cứng trực giao 
Bảng 4. Phân tích phương sai của các thành phần 
lực cắt trong tiện cứng trực giao 
Mô hình phân tích hồi qui xác định giá trị lực 
cắt trong hệ tọa độ logarit sau khi loại trừ các 
hệ số không có nghĩa có dạng như sau: 
Lực Fz: 2 1 27,0509 0,1078 0,1275
$y x x x (3) 
Lực Fx: 2 1 25,7844 0,1078 0,0806
$y x x x (4) 
Mô hình hoàn toàn tương hợp với hệ thống 
thực nghiệm khi thỏa mãn tiêu chuẩn Fisher: 
F<Fb ; với Fb là giá trị chuẩn số Fisher tra 
a) 
c) d) 
f) e) 
b) 
4 3,3903 1,4974ln 6,60203,719.10 vzF v s
Phan Quang Thế và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 83(07): 67 - 71 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 70  
bảng ở mức có nghĩa α=0,05, bậc tự do dư 
f1=1 và bậc tự do lặp f2=2: Fb=18,5; F là giá 
trị thống kê Fisher của các thành phần lực cắt: 
Fz=1,7203 ; Fx=3,4861. Giá trị xác suất P của 
các nhân tố v, s và tương tác giữa chúng đều 
lớn hơn 0,05 chứng tỏ các hệ số của chúng 
trong phương trình hồi qui là có nghĩa và 
chúng có ảnh hưởng đến các thành phần lực 
cắt. Phương trình hồi qui với các biến thực: 
(5) 
(6) 
Mặt hồi qui của hàm biểu diễn lực cắt theo 
các thông số vận tốc cắt v và lượng chạy dao 
s như trong hình 6. Phân tích mặt hồi qui cho 
thấy rõ tác dụng tương tác giữa các biến ảnh 
hưởng đến các giá trị lực cắt. Trên cả hai đồ 
thị, lượng chạy dao s có ảnh hưởng lớn nhất 
đến lực cắt, tiếp theo là ảnh hưởng của tương 
tác giữa lượng chạy dao và vận tốc cắt. Vận 
tốc cắt v có ảnh hưởng ít hơn. Phân tích hình 
ảnh mặt hồi qui hoàn toàn phù hợp với phân 
tích phương sai của các thành phần lực cắt. 
Hình 6. Mặt hồi qui và đồ thị đường mức của các 
thành phần lực cắt Fz (a) và Fx (b) 
KẾT LUẬN 
Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của các 
thông số chế độ cắt đến các thành phần lực 
cắt trong tiện cứng trực giao đã được trình 
bày. Nghiên cứu được thực hiện trên phôi 
thép 9XC với dụng cụ cắt CBN. Kết quả phân 
tích phương sai và phân tích hồi qui chứng tỏ 
rằng mô hình mô tả lực cắt có thể dự đoán các 
giá trị lực cắt với độ tin cậy là 95%. Mối liên 
hệ giữa các thông số cắt và hiệu quả quá trình 
cắt thông qua lực cắt được được biểu diễn 
bằng mô hình hàm số mũ. Phân tích phương 
sai các kết quả thí nghiệm cho thấy ảnh 
hưởng của lượng chạy dao đến lực cắt chiếm 
ưu thế hơn so với vận tốc cắt. Bên cạnh đó 
tương tác giữa vận tốc cắt và lượng chạy dao 
có ảnh hưởng đáng kể đến sự biến thiên của 
các thành phần lực cắt. Điều này cho phép 
xác định được vùng gia công phù hợp của vật 
liệu phôi và dụng cụ. Giá trị của các thành 
phần lực tăng khi tăng giá trị các thông số của 
chế độ cắt. Trong nghiên cứu này, giá trị của 
thành phần lực cắt tiếp tuyến luôn lớn hơn 
nhiều so với lực ăn dao, không phụ thuộc vào 
điều kiện cắt. Nghiên cứu này còn có thể làm 
cơ sở để phân tích tính toán nhiệt và ứng suất 
trong quá trình gia công. Phương pháp phân 
tích nghiên cứu đề xuất cũng có thể mở rộng 
hiệu quả cho các quá trình cắt khác. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Huang Y, Chou Kevin Y, Liang SY. CBN tool 
wear in hard turning: a survey on research 
progresses. Int J Adv Manuf Technol 2006;35(5–
6):443–53. 
[2]. Lahiff C, Gordon S, Phelan P. PCBN tool 
wear modes and mechanisms in finish hard 
turning. Robot Comput Integr Manuf 
2007;23(6):638–44. 
[3]. Nakayama K, Arai M, Kanda T. Machining 
characteristics of hard materials. Ann CIRP 
1988;37(1):89–92. 
[4]. Strafford KN, Audy J. Indirect monitoring of 
machinability in carbon steels by measurement of 
cutting forces. J Mater Process Technol 
1997;67(1–3):150–6. 
[5]. Remadna M, Rigal JF. Evolution during time 
of tool wear and cutting force in the case of hard 
turning with CBN inserts. J Mater Process 
Technol 2006;178:67–75. 
[6]. Arsecularatne JA, Zhang LC, Montross C, 
Mathew P. On machining of hardened AISI D2 
steel with PCBN tools. J Mater Process Technol 
2006;171(2):244–52. 
[7]. Huang Y, Liang SY. Modeling of cutting 
forces under hard turning conditions considering 
tool wear effect. Trans ASME J Manuf Sci Eng 
2005;127(2):262–70. 
[8]. Chen W. Cutting forces and surface finish 
when machining medium hardness steel using 
CBN tools. Int J Mach Tools Manuf 
2000;40(3):455–66. 
2,1426 0,9463ln 3,65040,0837 vxF v s
Phan Quang Thế và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 83(07): 67 - 71 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 71  
ABSTRACT 
THE EFFECT OF CUTTING CONDITION ON CUTTING FORCES IN 
ORTHOGONAL HARD TURNING 9XC STEEL WITH CBN TOOLS 
Phan Quang The, Nguyen Thi Quoc Dung
*
, Hoang Minh Phuc 
Thainguyen University of Technology - TNU 
This paper presents an experimently study of the effects of cutting speed and feed rate on the cutting 
force components in the orthogonal turning. The solid CBN inserts with high containt of CBN were 
used in hard turning of the 9XC steel tube. Two factors cutting speed and feed rate with two levels 
were performed. In the cutting process, force components were measured. Analysis of variances for 
results showed that three factors: cutting speed, feed rate and their interaction had influences on value 
of forces. Among them, speed rate has the largest effect and cutting speed has the lower effect 
compared with the interaction between cutting speed and speed rate. 
Key words: Hard turning, cutting forces, cutting tool, analysis of variance, othogornal hard turning 
*
 Tel: 0915308818; Email : quocdung@tnut.edu.vn