Xây dựng công cụ hỗ trợ dự đoán chất lượng bề mặt đạt được khi gia công trên máy phay vạn năng

Lưu hành nội bộ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- NGUYỄN ĐỨC LONG XÂY DỰNG CÔNG CỤ HỖ TRỢ DỰ ĐOÁN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT ĐẠT ĐƯỢC KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY VẠN NĂNG LUẬN VĂN

Trang 1

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội bộ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

NGUYỄN ĐỨC LONG

XÂY DỰNG CÔNG CỤ HỖ TRỢ DỰ ĐOÁN

CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT ĐẠT ĐƯỢC KHI GIA CÔNG

TRÊN MÁY PHAY VẠN NĂNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2022

Trang 2

XÂY DỰNG CÔNG CỤ HỖ TRỢ DỰ ĐOÁN

CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT ĐẠT ĐƯỢC KHI GIA CÔNG

TRÊN MÁY PHAY VẠN NĂNG

Mã số: 8520103

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN PHẠM THẾ NHÂN

Đà Nẵng - Năm 2022

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nếu trong

luận văn trung thực và chưa từng công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn ký và ghi rõ họ tên

Nguyễn Đức Long

Trang 4

XÂY DỰNG CÔNG CỤ HỖ TRỢ DỰ ĐOÁN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT ĐẠT

ĐƯỢC KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY VẠN NĂNG

Học viên: Nguyễn Đức LongChuyên Ngành Kỹ thuật Cơ khí

Mã số: 8520103 Khóa: 41 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Trong nghiên cứu này, tiến hành khảo sát thực nghiệm trên máy phay vạn năng 6P11 khi gia công thép C45 Tiến hành gia công với các chế độ cắt khác nhau và tiến hành đo độ nhám của các mẫu sau khi thực nghiệm Nhờ vào phương pháp bình phương nhỏ nhất xây dựng các hàm hồi quy của độ nhám bề mặt ảnh hưởng bởi các thông số chế độ cắt Phương trình độ nhám thu được từ mối tương quan giữa các thông số khác nhau, như lượng tiến dao (f), tốc độ quay (n) và chiều sâu cắt (ap) Sau khi có các phương trình hồi quy, giao diện phần mềm được xây dựng dựa trên ngôn ngữ lập trình Visual Studio để dự đoán độ nhám bề mặt do máy phay vạn năng tạo ra Ngoài việc là một tài liệu tham khảo hữu ích cho việc lựa chọn chế độ cắt, giúp đáng kể thời gian

và công sức cho quá trình xử lý, dể dàng dự đoán độ nhám bề mặt đạt được trước khi gia công, do

đó nâng cao năng suất lao động

Từ khóa – Máy phay; Độ nhám bề mặt (Rz); Chế độ cắt; Phương pháp bình phương nhỏ nhất

BUILDING A SURFACE ROUGHNESS PREDICTION TOOL WHEN MACHING

ON A UNIVERSAL MILLING MACHINE

Abstract - In this study, conducting an experimental survey on the universal milling machine 6P11 when processing C45 steel Conduct machining with different cutting modes and measure the roughness of the samples after testing Thanks to the least squares equation, the regression functions of the surface roughness are built which are affected by the cutting mode parameters The roughness equation is obtained from the correlation between various parameters, such as feedrate (f), rotational speed (n) and Feature depth (ap) After having the regression equations, the software interface is built based on the Visual Studio programming language to predict the surface roughness generated by the universal milling machine In addition to being a useful reference for cutting mode selection, greatly reducing processing time and effort, it is easy to predict the surface roughness achieved prior to machining, thereby improving high labor productivity

Key word - Milling machine; Surface roughness (Rz); Cutting modes; Least Squares Method

Trang 5

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CẮT GỌT KIM LOẠI 1

1.1 Lịch sử phát triển 1

1.2 Các đặc trưng cơ bản của gia công cơ 6

1.2.1 Các khái niệm 6

1.2.2 Bề mặt gia công 8

1.2.3 Các phương pháp gia công cơ 10

1.2.4 Các chuyển động của quá trình gia công cơ 11

1.3 Phương pháp phay 12

1.3.1 Khái niệm 12

1.3.2 Các yếu tố của chế độ cắt khi phay 13

1.3.3 Phay thuận và phay nghịch 14

1.3.4 Đồ gá để định vị và kẹp chặt chi tiết 14

1.3.5 Dung dịch trơn nguội khi phay 15

1.4 Chất lượng của bề mặt chi tiết gia công 15

1.4.1 Các yếu tố đặc trưng 15

1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt 18

1.5.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công 19

1.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ biến cứng bề mặt 21

1.5.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất dư bề mặt 22

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA XỨ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG NHỎ NHẤT 24

2.1 Thiết kế thực nghiệm 24

2.1.1 Khái niệm và lịch sử phát triển của thiết kế thực nghiệm 24

2.1.2 Các nguyên tắc thiết kế thí nghiệm 25

Trang 6

2.1.3 Các loại quy hoạch thực nghiệm 26

2.2 Phương pháp bình phương nhỏ nhất 28

2.2.1 Phuơng trình hàm xấp xỉ là một đa thức 29

2.2.2 Phương trình hàm dạng Aeax 30

2.2.3 Phương trình là hàm có dạng k Ax 30

2.2.4 Phương trình là hàm lượng giác 31

2.3 Một số nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt 32

Chương 3 THỰC NGHIỆM GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY 6P11 37

3.1 Lựa chọn thiết bị gia công thực nghiệm 37

3.2 Chế độ cắt dùng trong thực nghiệm 39

3.3 Kết quả đo thực nghiệm độ nhám bề mặt 41

Chương 4 XỬ LÝ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH DỰ ĐOÁN CHẾ ĐỘ CẮT 45

4.1 Lựa chọn mô hình hồi qui 45

4.2 Xử lý kết quả thực nghiệm 45

4.2.1 Kết quả thực nghiệm khi cắt thép C45 bằng dao thép gió (HSS) Ф= 22 (mm) 46

4.2.2 Kết quả thực nghiệm khi cắt thép C45 bằng dao hợp kim Ф = 31.5 (mm) 54 4.2.3 Kết quả thực nghiệm khi cắt thép C45 với dao phay mặt đầu gắn mảnh Ф= 80 (mm) 61

4.3 Phân tích ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám chi tiết gia công 67

4.3.1 Ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi sử dụng dao thép gió HSS Ф=22 (mm) 67

4.3.2 Ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi sử dụng dao hợp kim Ф=31.5 (mm) 68

4.3.3 Ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi sử dụng dao phay mặt đầu Ф=80 (mm) 69

4.4 Xây dựng giao diện chương trình tính toán dự đoán chất lượng bề mặt đạt được 70

4.4.1 Giao diện chương trình tính toán dự đoán 70

Trang 7

Chương 5 ĐÁNH GIÁ, KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 75

5.1 Đánh giá độ nhám Rz của chương trình dự đoán chất lượng bề mặt 75

5.1.1 Bảng thống kê các giá trị Rz gia công thử khi sử dụng chương trình dự đoán 75

5.1.2 Nhận xét 78

5.2 Kết luận 79

5.3 Hướng phát triển của đề tài 79

DANH MỤC TẠI LIỆU THAM KHẢO… ……….82

PHỤ LỤC ……….84

A Mã code Đồ thị quan hệ Rz với f và n 1 Mã code Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Rz với f và n với dao thép gió Ф=22 (mm)……… ……… 74

2 Mã code Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Rz với f và n với dao hợp kim Ф=31.5 (mm)……… ……….74

3 Mã code Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Rz với f và n với dao phay mặt đầu Ф=80 (mm)……… … ……….………75

B Mã code chương trình dự đoán 1 Mã code chương trình lập trình giao diện Visual Studio (Program.cs)…… 76

2 Mã code chương trình lập trình đăng nhập Visual Studio (form1.cs)……… 76

3 Mã code chương trình lập trình tính toán 3 phương trình (form2.cs)……….… 77

C Các hình ảnh thực nghiệm

Trang 8

Danh mục các ký hiệu

Bảng 1.3 Cấp độ nhẵn bóng bề mặt (TCVN) [6] 17

Bảng 3.1 Bảng thông số chế độ cắt của máy 6P11 37

Bảng 3.2 Miền thông số chế độ cắt thí nghiệm 40

Bảng 3.3 Kết quả đo với dao thép gió (HSS) Ф= 22 (mm) 41

Bảng 3.4 Kết quả đo với dao hợp kim Ф= 31.5 (mm) 42

Bảng 3.5 Kết quả đo với dao phay mặt đầu gắn mảnh Ф= 80 (mm) 43

Bảng 5.1 Bảng giá trị Rz gia công thử khi sử dụng chương trình dự đoán 75

Trang 9

Hình 1.1 Máy khoan kiểu dây cung và máy khoan nhiều trục của người Ai Cập cổ [2]

2

Hình 1.2 Máy mài trong cho gỗ và máy làm kím của Da Vinci [2] 2

Hình 1.3 Máy khoét của Wilkinson [2] 3

Hình 1.4 Máy tiện ren vít đầu tiên của Maudslay [2] 4

Hình 1.5 Máy phay vạn năng của Brown [2] 4

Hình 1.6 Máy mài phẳng của Brown và Sharpe [2] 5

Hình 1.7 Máy ba trục chính trong gia công block động cơ tại Ford Model T [2] 6

Hình 1.8 Máy vận chuyển 2 trạm- 8 trục chính để gia công block động cơ V8 [2] 6

Hình 1.9 Các thành phần của hệ thống công nghệ [3] 7

Hình 1.10 Sơ đồ quá trình tạo phoi [2] 8

Hình 1.11 Các bề mặt gia công tròn xoay có đường cong thẳng [3] 9

Hình 1.12 Các bề mặt gia công tròn xoay có đường sinh cong và khấp khúc [3] 9

Hình 1.13 Các bề mặt có đường chuẩn là đường thẳng [3] 9

Hình 1.14 Các bề mặt đặc biệt [3] 10

Hình 1.15 Phương pháp gia công chép hình [3] 10

Hình 1.16 Các phương pháp gia công theo vết và bao hình [3] 11

Hình 1.18 Chuyển động chính và chuyển động chạy dao khi tiện, phay, khoan [3] 12

Hình 1.19 Các dạng chạy dao [12] 14

Hình 1.20 Sơ đồ các phương pháp phay [12] 14

Hình 1.21 Sơ đồ xác định nhám bề mặt 16

Hình 1.21 Quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô tế vi Rz và lượng tiến dao 19

Hình 1.22 Sự hình thành nhấp nhô tế vi khi mũi dao có bán kính r 20

Hình 1.23 Quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô Rz và tốc độ cắt Vc 21

Hình 1.24 Quan hệ giữa độ biến cứng và chiều sâu cắt 22

Hình 2.1 Mô hình hóa các quá trình, các đối tượng nghiên cứu [4] 24

Trang 10

Hình 2.2 Ảnh hưởng của chế độ cắt khi phay đến độ nhám [13] 32

Hình 2.3 Ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt [14] 34

Hình 2.4 Ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt [9] 34

Hình 2.5 Đồ thì biểu diễn mối quan hệ giữa Ra, t và Sd khi mài phẳng [10] 36

Hình 3.1 Thông tin về máy phay đứng vạn năng 6P11 37

Hình 3.2 Máy đo độ nhám Mitutoyo SJ – 210 38

Hình 3.3 Phôi thí nghiệm thép carbon C45 39

Hình 3.4 Dụng cụ cắt sử dụng trong thực nghiệm 39

Hình 4.1 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Rz với f và n 67

Hình 4.4 Giao diện đăng nhập chương trình dự đoán 70

Hình 4.5 Giao diện thông tin Máy Phay đứng 6P11 71

Hình 4.6 Giao diện thông tin người thực hiện chương trình dự đoán 71

Hình 4.7 Giao diện đăng nhập dự đoán với dao thép gió HSS Ф= 22 (mm) 72

Hình 4.8 Giao diện độ nhám Rz làm thử với dao thép gió HSS Ф= 22 (mm) 72

Hình 4.9 Giao diện đăng nhập dự đoán với dao phay hợp kim Ф= 31.5 (mm) 73

Hình 4.10 Giao diện đăng nhập dự đoán với dao phay mặt đầu Ф= 80 (mm) 74

Hình 4.11 Giao diện độ nhám Rz làm thử với dao phay mặt đầu Ф= 80 (mm) 74

Hình 5.1 Giá trị Rz được dự đoán thử với dao thép gió Ф=22 (mm) 75

Hình 5.2 Giá trị Rz được dự đoán thử với dao thép gió Ф=22 (mm) 76

Hình 5.3 Giá trị Rz được dự đoán thử với dao phay mặt đầu Ф=80 (mm) 76

Hình 5.4 Giá trị Rz được dự đoán thử với dao phay mặt đầu Ф=80 (mm) 77

Hình 5.5 Giá trị Rz đo thực tế với dao thép gió Ф=22 -0.85-500-0.5 77

Hình 5.6 Giá trị Rz đo thực tế với dao thép gió Ф=22 -1.35-500-0.5 77

Hình 5.7 Giá trị Rz đo thực tế với dao phay mặt đầu Ф=80 -0.85-500-2.0 77

Hình 5.8 Giá trị Rz đo thực tế với dao phay mặt đầu Ф=80 -1.35-500-2.0 78

Hình C1 Gá phôi 84

Trang 11

Hình C2 Gia công 85 Hình C3 Đo độ nhám khi gia công bằng dao hợp kim Ф= 31.5 (mm) T15K10…….85

Trang 12

Hình C4 Đo độ nhám khi gia công bằng dao hợp kim Ф= 31.5 (mm) T15K10…….85

Hình C10 Đo độ nhám khi gia công bằng dao phay mặt đầu Ф= 80 (mm)…………87

Hình C11 Đo độ nhám khi gia công bằng dao phay mặt đầu Ф= 80 (mm)…………88

Hình C12 Đo độ nhám khi gia công bằng dao phay mặt đầu Ф= 80 (mm) 88

Hình C15 Đồ thị độ nhám 89

Hình C16 Đồ thị độ nhám 89

Trang 13

MỞ ĐẦU

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Lịch sử phát triển của các loại máy cắt kim loại (máy công cụ), từ các loại máy vạn năng đến các loại máy tiên tiến (máy kỹ thuật số - điều khiển bằng chương trình) giúp cho ngành chế tạo sản xuất nhanh hơn, chính xác hơn Hiện nay, nước ta đang từng bước Công nghiệp hóa - Hiện đại hóa, nên việc ưu tiên đầu tư thêm nhiều máy móc tiên tiến và hiện đại là cần thiết Tuy nhiên, với tiềm lực còn nhiều hạn chế thì các loại máy cơ truyền thống như máy tiện vạn năng, máy phay vạn năng, máy doa, máy mài, máy bào, … (dùng cho sản xuất đơn chiếc và sửa chữa) vẫn còn được sử dụng rộng rãi trong thời gian đến Bên cạnh đó, tại các trường Đại học, Cao đẳng, Trung cấp nghề, các doanh nghiệp vừa và nhỏ vẫn còn đang sử dụng các loại máy này Nhận thấy vần để đảm bảo chất lượng chi tiết gia công về hình dạng và bề mặt, khi gia công trên các loại máy này còn nhiều hạn chế như: do tay nghề của người thợ, do yếu tố công nghệ của máy, do tính chất cơ lý của vật liệu gia công dẫn đến sai số kích thước, hình dạng, tính chất lớp bề mặt,… Đó cũng là điều trăn trở hay gặp phải trong quá trình hướng dẫn thực hành tại Xưởng Chế tạo máy - trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Đại học Đà Nẵng Cùng với đó, tại các cơ sở sản xuất và ở xưởng thực hành tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, vật liệu được sử dụng rất đa dạng như: thép hợp kim, C45, CT3, nhôm, gang, đồng… Cho nên tôi nhận thầy cần phải có hướng đi cụ thể từ cơ sở lý thuyết kết hợp với kinh nghiệm lẫn thực nghiệm để khảo sát quy luật ảnh hưởng và xây dựng giao diện chương trình dự đoán ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến độ nhám bề mặt chi tiết gia công Điều này giúp cho công nhân và cán bộ kỹ thuật nhanh chóng và dễ dàng lựa chọn chế độ cắt hợp lý trên máy theo yêu cầu độ nhám bề mặt Phục vụ tốt nhất cho quá trình hướng dẫn thực hành, và cũng là cơ sở cho các em sinh viên nắm bắt, học hỏi, để khi ra trường có đủ kiến thức và năng lực khi làm tại các nhà máy, xí nghiệp Với những lý do trên, tôi thực hiện đề tài “Xây dựng công cụ hổ trợ dự đoán chất lượng bề mặt đạt được khi gia công trên máy phay vạn năng”, đề tài không những bổ ích cho tôi và sinh viên mà còn là công cụ tra cứu và tài liệu tham khảo cho nhiều người yêu mê ngành chế tạo máy và cho cả doanh nghiệp

II MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Khảo sát quy luật ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt n, f, ap đến độ nhám bề mặt Từ đó xây dựng giao diện chương trình dự đoán độ nhám bề mặt đạt được khi gia công với chế độ cắt chọn trước

Củng cố kiến thức, làm tài liệu tham khảo và công cụ tra cứu trong dạy học tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - ĐHĐN và phục vụ sản xuất cộng đồng

III ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Trang 14

• Đối tượng nghiên cứu

o Thép carbon C45,

o Máy phay Liên Xô 6P11

o Lưỡi phay ngón/(dao phay mặt đầu)

o Chế độ cắt: f, n, ap và độ nhám bề mặt Rz

• Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết về cắt gọt kim loại, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng chi tiết gia công Gia công thực nghiệm trên máy phay đứng 6P11 Dùng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xem xét ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt chi tiết gia công Từ đó xây dựng công cụ để dự đoán độ nhám bề mặt đạt được khi gia công trên máy phay đứng 6P11

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Kết hợp nghiên cứu giữa phương pháp lý thuyết và thực nghiệm:

• Nghiên cứu lý thuyết:

o Nghiên cứu nguyên lý cắt gọt kim loại, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng chi tiết gia công

o Nghiên cứu phương pháp của quy hoạch thực nghiệm để khảo sát ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhám bề mặt

• Nghiên cứu thực nghiệm và xử lý số liệu thực nghiệm:

o Tiến hành thí nghiệm và xử lý số liệu thực nghiệm

o Phân tích, tổng hợp đánh giá kết quả và rút ra các phương trình hồi quy

o Ứng dụng tin học để xây dựng công cụ tính toán dự đoán độ nhám bề mặt đạt được tương ứng với chế độ cắt lựa chọn

V Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

• Ý nghĩa khoa học:

o Nghiên cứu và củng cố kiến thức giữa lý thuyết và thực nghiệm trong gia công cắt gọt kim loại

o Xác định được ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến độ nhám bề mặt chi tiết gia công trên máy phay đứng 6P11, làm cơ sở để thực hiện trên các máy công cụ khác cũng như máy CNC

o Xây dựng được công cụ hổ trợ để dự đoán chất lượng bề mặt đạt được khi gia công trên máy phay vạn năng

• Ý nghĩa thực tiễn:

o Đưa ra quy luật ảnh hưởng và xây dựng được công cụ tính toán dự đoán độ nhám

bề mặt đạt được của chi tiết gia công theo chế độ cắt lựa chọn Làm tài liệu tham khảo

Trang 15

và công cụ tra cứu nhanh chóng, tiết kiệm thời gian, phục vụ trong dạy học tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, ĐHĐN cũng như các doanh nghiệp sản xuất

o Cơ sở để nghiên cứu các phương pháp gia công khác như: tiện, mài, doa…

VI DỰ KIẾN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

Gia công thực nghiệm, xác định được phương trình hồi quy thực nghiệm để tìm hàm phụ thuộc của các biến chế độ cắt đến độ nhám bề mặt

Xây dựng giao diện chương trình máy tính để tính toán dự đoán dự đoán độ nhám

bề mặt đạt được khi gia công trên máy phay vạn năng 6P11

Trang 16

Trong thời Kỳ cổ đại và Trung cổ có một nghề đặc biệt được biết đến với tên gọi

là “ giả kim thuật” hay còn gọi là luyện kim thuật và những người làm nghề này được gọi với cái tên là những nhà giả kim (một nghề nghiệp - thợ đúc- rèn) của loài người, với công việc chính của họ là tạo ra các vật dụng hay công cụ tốt hơn từ các quặng khai thác được như: sắt, đồng Trong thời kỳ này, việc đúc và luyện vật liệu kim loại như: đồng, sắt vàng… thêm vào các chất hóa học như: thủy ngân, lưu huỳnh… đã tạo ra những sản phẩm tốt hơn, bền hơn và đẹp hơn và công nghệ lúc bấy giờ là rèn bằng búa (dập trong khuôn hở) là hoạt động chính của thợ rèn, nó cũng là cơ sở cho các quá trình biến dạng tạo hình làm tiền xu, dây và cán lăn, tất cả đều phát triển trong thời kỳ trung

cổ hoặc thời kỳ đầu thời trung cổ Trong thời kỳ này để tăng năng suất lao động, tăng chất lượng sản phẩm, giảm thời gian làm việc và chờ đợi thì có bốn phương pháp sản xuất đặc trưng như: [2]

- Máy khoan nhiều trục chính thời Ai Cập cổ: người Ai Cập cổ đại đã sử dụng số lượng hạt kim loại để trang trí xác ướp và làm trong nhà xưởng chuyên biệt Bước cuối cùng trong sản xuất hạt kim loại là khoan các lỗ gắn kết bằng cách sử dụng một mũi khoan bằng đồng Do đó, đã có một số thợ đã phát triển các phương pháp khoan nhiều mũi khoan từ một cây cung để tăng năng suất

Trang 17

Hình 1.1 Máy khoan kiểu dây cung và máy khoan nhiều trục của người Ai Cập cổ [2]

- Mài dụng cụ kiểu Philistines: Kinh thánh Hebrew nói rằng Philistines, có một thời điểm chinh phục người Do Thái không mài được dụng cụ, và đã nhận ra kỹ năng này cũng có ích trong việc làm vũ khí Thay vào đó, người Do Thái được yêu cầu phải gởi những dụng cụ của họ cho những người thợ Philistines, những người đã trả tiền để mài tinh theo từng chi tiết Theo nguyên mẫu của Kinh thánh này thì các doanh nghiệp mài dụng cụ thời đó vẫn thường sử dụng cấu trúc phí trên từng chi tiết

- Máy công cụ của Da Vinci: Theo các tài liệu cổ được tìm thấy thì thiên tài Leonardo Da Venci sống ở thời Phục hưng ở nước Ý đã vẽ thiết kế sơ bộ cho một số máy bao gồm: máy tiện, máy cắt ren, máy phay khoét và máy mài Không có máy nào trong số những máy này được chế tạo nhưng nhiều thiết kế lại có các chi tiết được phát triển và sử dụng độc lập trong thực tiễn sau này Hai mẫu thiết kế đại diện được thể hiện trong hình (1.2), đó là máy mài trong khung gỗ (hình 1.2.a) trông khá ấn tượng giống như một máy khôn lỗ hiện đại và máy làm kim (thực ra là một hệ thống sản xuất năm trạm) trong (hình 1.2.b) cũng tương tự như các máy quay số và chỉ số sau đó

Hình 1.2 Máy mài trong cho gỗ và máy làm kím của Da Vinci [2]

- Đồng hồ thời Trung cổ: Nhằm nắm bắt thời gian trong một ngày để lao động, nghỉ ngơi và để phân chia thời gian ngày và đêm một cách hợp lý nhất cũng như là tiền

để xác định một tuần một tháng hay xa hơn là một năm Những người thợ làm đồng hồ thời Trung cổ với tư chất thông minh sáng tạo, cần cù đã phát minh cũng như luôn cải tiến đã tạo ra một số dụng cụ cầm tay để cắt chính xác các trục, ốc vít, bánh răng và các chi tiết phức tạp cho khóa hãm Những thiết kế chuyển động tinh vi (ren vít và bánh răng) này là tiền đề cơ sở ảnh hưởng phương pháp động học này cho sự phát triển của máy tiện và máy cắt răng sau này

Trang 18

Quá trình phát triển của máy công cụ được tóm lược qua các giai đoạn sau:

* Cuộc cách mạng Công nghiệp ở cuối thế kỷ 18

Các loại công cụ, máy móc luôn luôn được nâng cấp cải tạo có độ cứng vũng cao hơn, mạnh hơn, năng suất cao hơn… theo thời gian và đặc biệt trong giai đoạn cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất vào cuối thế kỷ 18, mà chủ yếu là các nước Châu

Âu mà nổi bật nhất là ở Vương quốc Anh và nước Pháp Các nghiên cứu và cải tiến của các nhà khoa học, kỹ sư ở đây đã làm thay đổi quan trọng và mạnh mẽ trong thiết kế động cơ hơi nước và việc phát minh ra máy móc thiết bị tự động cho sản xuất dệt Wilkinson đã thiết kế máy phay khoét có độ nặng và gia công chính xác hơn các máy phay và máy khoét Canon (đã đỡ hai đầu trục, giúp tăng độ cứng, tính chính xác và sử dụng dao cắt bằng các mảnh lắp thay thế được bởi một vít nằm bên trong trục khoét) Máy này là máy công cụ hiện đại đầu tiên được công nhận, vì nó có thể thực hiện cắt chi tiết nặng với độ chính xác hợp lý và thiết kế được nhận rộng vào cuối thế kỷ 20 [2]

Các loại công cụ ở cùng giai đoạn này thể hiện ở hình: 1.3, 1.4

Hình 1.3 Máy khoét của Wilkinson [2]

Trang 19

Hình 1.4 Máy tiện ren vít đầu tiên của Maudslay [2]

* Công nghiệp sản xuất (theo số lượng) thế kỷ 19

Phương pháp sản xuất theo số lượng bắt đầu ở đầu thế kỷ 19 đến cuối thế kỷ 19, phương pháp này lúc đầu nhằm mục đích phục vụ cho nhu cầu để sản xuất trong ngành công nghiệp vũ khí nhỏ và theo thời gian được áp dụng cho các ngành phục vụ cuộc sống của con người như: xe đạp, máy may, đồng hồ máy và đánh chữ… Sản xuất theo phương pháp này không sử dụng các phép đo hoặc dung sai mà tập trung vào các dụng

cụ kiểm tra giới hạn so với các phương pháp sản xuất thời kỳ này Và nó được đặt là phương pháp hệ thống sản xuất của Mỹ hay còn gọi là phương pháp sản xuất thay thế [2]

Các loại máy ở giai đoạn này thể hiện ở hình: 1.5, 1.6

Hình 1.5 Máy phay vạn năng của Brown [2]

Trang 20

Hình 1.6 Máy mài phẳng của Brown và Sharpe [2]

Phương pháp sản xuất ra rất nhiều sản phẩm ở bất kỳ đâu trong khu phân xưởng của nhà máy mà các sản phẩm đều có chất lượng về độ chính xác tương đương nhau theo yêu cầu ngày càng tăng của xã hội, chính là phương pháp sản xuất hàng loạt Để làm được đó, đòi hỏi phải chuyên hóa công việc cao cùng với đó là sự chuyển dịch từ các dụng cụ đo từ giới hạn sang đo theo kích thước và dung sai Và để đạt được tiêu chuẩn yêu cầu về độ chính xác và tính đồng nhất khi gia tăng khối lượng: thứ nhất là sử dụng các đồ gá trên các máy tiêu chuẩn và thứ hai là sự phát triển các máy chuyên dụng

để sản xuất số lượng lớn [2]

Các loại máy móc ở thời kỳ này thể hiện ở hình: 1.7, 1.8

Trang 21

Hình 1.7 Máy ba trục chính trong gia công block động cơ tại Ford Model T [2]

Hình 1.8 Máy vận chuyển 2 trạm- 8 trục chính để gia công block động cơ V8 [2]

* Điều khiển số

Sau năm 1945, là sự lên ngôi của phương thức sản xuất mới đó là áp dụng phương pháp điều khiển số NC, nó đánh dấu cho kỷ nguyển sử dụng công nghệ tin học trong sản xuất tự động hóa (bằng chương trình máy tính) Việc áp dụng điều khiển số NC trong sản xuất dẫn đến các máy công cụ vạn năng đã được cải tiến tốt nhất tiên tiến hơn

để phục các ngành công nghiệp như: máy bay, xe hơi và đóng tàu thủy… và đặc biệt là

là ngành công nghiệp máy bay do có nhiều chi tiết đòi hỏi phải độ chính xác cao và chi tiết phức tạp

1.2 Các đặc trưng cơ bản của gia công cơ

1.2.1 Các khái niệm

a) Gia công cơ

Gia công cơ hay còn gọi là gia công kim loại bằng cắt gọt là một phương pháp gia công kim loại từ phôi, để đạt được chi tiết theo đúng yêu cầu kỹ thuật cho trước (hình

Trang 22

dáng, kích thước, vị trí tương quang giữa các bề mặt và chất lượng bề mặt) bằng cách hớt bỏ dần những lớp kim loại thừa khỏi chi tiết nhờ các lưỡi cắt của dụng cụ cắt

b) Hệ thống công nghệ

Muốn hoàn thành nhiệm vụ cắt gọt, con người phải sử dụng một hệ thống thiết bị nhằm tách lớp kim loại thừa ra khỏi phôi, nhưng đồng thời phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đã cho trên bản vẽ Hệ thống thiết bị dùng để hoàn thành nhiệm vụ cắt gọt được gọi là hệ thống công nghệ, bao gồm: máy, dao, đồ, gá và chi tiết gia công Trong đó:

- Máy: có nhiệm vụ cung cấp năng lượng và các chuyển động cần thiết cho quá trình cắt gọt

- Dao: có nhiệm vụ trực tiếp cắt bỏ lớp lượng dư ra khỏi chi tiết nhờ năng lượng máy cung cấp thông qua các chuyển động tương đối

- Đồ gá: có nhiệm vụ xác định và giữ vị trí tương quan chính xác giữa dao và chi tiết gia công trong suốt quá trình gia công

- Chi tiết gia công: là đối tượng của quá trình cắt gọt, mọi kết quả của quá trình gia công đều được phản ánh lên chi tiết

Và tất nhiên để hoàn thành nhiệm vụ cắt gọt, mỗi bộ phận của hệ thống công nghệ

có nhiệm vụ riêng, đồng thời phải có mối quan hệ tác động lẫn nhau [3]

Hình 1.9 Các thành phần của hệ thống công nghệ [3]

c) Cơ chế cắt gọt kim loại

Sự hình thành phoi là quá trình cắt gọt kim loại do sự tác động của năng lượng thông qua dụng cụ cắt gọt, vật liệu phôi bị biến dạng, phoi tạo ra và hình thành bề mặt kim loại mới được tạo ra Hình 1.10 là sơ đồ quá trình tạo phoi

Trang 23

Hình 1.10 Sơ đồ quá trình tạo phoi [2]

Quá trình hình thành phoi là quá trình liên tục biến dạng dẻo và được chia làm 4 vùng, sự biến đổi cấu trúc của chi tiết (vùng a) và sự biến đổi cấu trúc của phôi cắt (vùng b), khi cắt vật liệu giòn thì (vùng e) là vùng có khả năng tách vật liệu, (vùng c) là vùng thoát phoi và (vùng d) là vùng của bề dày lớp cắt

Quá trình cắt gọt kim loại, là quá trình hớt đi một lượng dư gia công của kim loại phôi để hình ra chi tiết cần gia công, do có sự quay của phôi (đối với gia công tiện) và

có sự quay của dao (đối với gia công phay), nên có hiện tượng trượt trên bề mặt dao, việc trượt này liên tục làm cho các biến dạng dẻo liên tục được phát sinh trong các lớp biên (Vùng bị chảy), có kết cấu biến dạng hình thành song song với mặt trước, được phát hiện bởi áp lực của một quá trình chảy do mức độ biến dạng rất cao Phoi được hình thành trong quá trình cắt gọt kim loại tạo ra phoi có nhiều dạng phoi liên tục, không liên tục, phôi dạng tấm và phoi xếp [2]

1.2.2 Bề mặt gia công

Bề mặt gia công chi tiết trong cơ khí rất đa dạng Tuy nhiên, phần lớn chúng đều hình thành bằng quét các đường sinh theo đường chuẩn, với đường sinh và đường chuẩn

là đường thẳng, đường tròn hoặc đường cong nào đó [3]

a) Dạng các bề mặt có đường chuẩn là đường tròn

Bề mặt có đường chuẩn là đường tròn là các bề mặt được tạo thành khi cho đường sinh chuyển động tương đối xung quanh đường chuẩn tròn với đặc trưng cơ bản là có trục chuẩn đối xứng hoặc tầm đối xứng Nếu đường sinh là đường thẳng, ta sẽ được bề mặt dạng trụ, nếu đường sinh song song với đường tâm hoặc được bề mặt hình côn nếu đường sinh giao với đường tâm như hình 1.11

Trang 24

Hình 1.11 Các bề mặt gia công tròn xoay có đường cong thẳng [3]

Nếu đường sinh là đường cong, ta sẽ tạo được bề mặt dạng tang trống hoặc được bề mặt ren, nếu đường sinh là đường khấp khúc, đường chuẩn là đường tròn và đường thẳng song song với đường tâm khối ren

Hình 1.12 Các bề mặt gia công tròn xoay có đường sinh cong và khấp khúc [3] b) Dạng các bề mặt có đường chuẩn là đường thẳng

Đây là những bề mặt được quy ước tạo thành bởi đường sinh là đường thẳng, đường cong hoặc đường gấp khúc trượt trên đường chuẩn là đường thẳng

Hình 1.13 Các bề mặt có đường chuẩn là đường thẳng [3]

Trang 25

c) Dạng các bề mặt đặc biệt

Các dạng bề mặt đặc biệt là các bề mặt không gian phức tạp có đường kính chuẩn

và đường sinh là đường tròn, đường thẳng hoặc đường cong nào đó (thân khai…)

Hình 1.14 Các bề mặt đặc biệt [3]

1.2.3 Các phương pháp gia công cơ

Có nhiều cách phân loại các phương pháp gia công

a) Xuất phát từ nguyên lý tạo hình bề mặt

Người ta phân thành các phương pháp gia công chép hình, theo vết và bao hình:

- Phương pháp chép hình là phương pháp gia công với lưỡi dao cắt trùng với đường sinh của bề mặt gia công Nếu lưỡi cắt có dạng đường sinh cần gia công thì gọi là gia công chép hình với dao định hình (hình 1.15 a) Nếu lưỡi cắt của dao thẳng và có chuyển động theo biên dạng của dưỡng (mẫu) chép hình thì gọi là gia công chép hình bằng dưỡng (hình 1.15.b) [3]

Hình 1.15 Phương pháp gia công chép hình [3]

Trang 26

- Phương pháp gia công theo vết (phuơng pháp quỹ tích) là phương pháp gia công

có bề mặt gia công được hình thành do tổng hợp các vết chuyển động của lưỡi cắt tạo nên (hình 1.16.a), tức là quỹ tích của các vết chuyển động của mũi dao là đường sinh của bề mặt gia công Và bao hình là phương pháp tạo hình khi cho lưỡi cắt chuyển động,

nó luôn tạo thành nhiều đường, nhiều bề mặt tiếp tuyến liên tục với bề mặt gia công (hình 1.16 b) Qũy tích của những tiếp điểm này chính là đường sinh của bề mặt gia công (còn gọi là hình bao của lưỡi cắt) Bề mặt tạo hình sẽ không phụ thuộc vào hình dạng của lưỡi cắt [3]

Hình 1.16 Các phương pháp gia công theo vết và bao hình [3]

b) Xuất phát từ yêu cầu kỹ thuật của chi tiết gia công

Người ta có thể phân thành gia công thô, gia công bán tinh và gia công bóng [3]

c) Phân loại theo máy gia công

Theo cách phân loại này ta có: gia công trên máy tiện gia công trên máy phay, gia công trên máy bào, gia công trên máy khoan, gia công trên máy mài

1.2.4 Các chuyển động của quá trình gia công cơ

Tùy thuộc vào phương pháp gia công và yêu cầu tạo hình bề mặt, hệ thống công nghệ cần tạo ra những chuyển động tương đối nhằm hình thành nên bề mặt gia công Những chuyển động này được gọi là chuyển động cắt gọt và chúng được phân làm ba loại: chuyển động chính, chuyên động chạy dao và chuyển động phụ

a) Chuyển động chính

Chuyển động chính hay còn gọi là chuyển động cắt chính, là chuyển động tạo ra phoi và tiêu hao năng lượng cắt lớn nhất Chuyển động này tạo ra vận tốc cắt để thực hiện quá trình cắt gọt, là chuyển động cơ bản của máy cắt, được thực hiện qua dao hoặc phôi Nó có thể là chuyển động quay, tịnh tiến hoặc kết hợp cả hai Đại lượng đặc trưng của tốc độ quay là n và vận tốc cắt là Vc

Trang 27

Ví dụ, nhóm các máy tiện, khoan - doa, phay, mài có chuyển động chính là quay; nhóm các máy bào, xọc, chuốt có chuyển động chính là tịnh tiến khứ hồi [3]

b) Chuyển động chạy dao

Chuyển động chạy dao là chuyển động dao hay phôi, kết hợp với chuyển động chính tạo nên quá trình cắt gọt, tức là cắt hết lượng dư Chuyển động này có thể liên tục hay gián đoạn, quay hoặc tịnh tiến, chuyển động này thường được thực hiện theo xu hướng vuông góc với chuyển động chính Đại lượng đặc trưng của lượng tiến dao là f

và vận tốc tiến dao là Vf

Ví dụ, nhóm các máy tiện, phay, bào, xọc, khoan- doa… có chuyển động chạy dao

là tịnh tiến; nhóm máy mài trụ, mài hành tinh… có chuyển động chay dao là quay [3]

1.3 Phương pháp phay

1.3.1 Khái niệm

Phay là phương pháp gia công kim loại có nâng suất cao, được sử dụng rộng rãi ở các nước công nghiệp phát triển từ nửa thế kỷ 19 Trong máy phay có thể phay được các mặt phẳng, các rãnh, các gờ lồi, các mặt định hình phức tạp, cắt đứt, gia công mặt tròn xoay, trục then hoa, cắt ren, gia công bánh răng… Do dao phay có nhiều lưỡi cắt cùng làm việc, đồng thời tốc độ phay cũng cao hơn nên phương pháp phay hầu như thay thế cho phương pháp bào và phần lớn phương pháp xọc trong sản xuất hàng loạt và hàng

Trang 28

khối Phay là một trong những phương pháp gia công đạt năng suất cao nhất nhưng phay không cho độ chính xác, độ bóng cao lắm, cụ thể là độ chính xác không cao hơn cấp 8 -

7 và Ra = 3.2 – 0.2

1.3.2 Các yếu tố của chế độ cắt khi phay

Chuyển động chính là do dao phay quay tạo nên và chuyển động chạy dao là chuyển động chạy dao tịnh tiến vuông góc theo ba phương do bàn máy mang phôi thực hiện

Tốc độ cắt V c là quảng đường (đo bằng mét) mà một điểm trên lưỡi cắt chính ở cách trục quay xa nhất đi được trong một phút Sau một vòng quay của dao phay, điểm

của lưỡi cắt nằm trên đường tròn của dao có đường kính D sẽ đi được quãng đường mà

chiều dài là chu vi của đường tròn đó, tức là bằng 𝜋 𝐷 Để xác định quãng đường mà điểm đó đi được trong một phút, cần phải nhân quãng đường đi được sau một vòng với

số vòng quay của dao trong một phút, tức là π D n (mm/phút) Nếu tốc độ cắt biểu thị bằng m/ph, thì công thức tính tốc độ cắt có dạng sau:

.1000

c

D n

v = 

(1.1) Khi phay người ta phân biệt các dạng lượng chạy dao theo hình (1.18) như sau:

- Lượng chạy dao răng (fZ, mm/răng), là lượng dịch của bàn máy với chi tiết hoặc dao khi dao quay được một răng

- Lượng chạy dao một vòng quay của dao phay (f, mm/vòng), là lượng dịch

chuyển của bàn máy với chi tiết, hoặc của dao sau một vòng quay của dao phay Lượng chay dao một vòng bằng lượng chạy dao răng nhân với số răng của dao phay:

.

z

- Lượng chạy dao phút (f, mm/phút), là lượng dịch chuyển tương đối của bàn máy

với chi tiết hoặc dao phay trong một phút Lượng chạy dao phút bằng lượng chạy dao vòng nhân với số vòng quay trong một phút [12]

. z .

Trang 29

Hình 1.18 Các dạng chạy dao [12]

1.3.3 Phay thuận và phay nghịch

Khi phay bằng các dao phay hình trụ, dao đĩa phay, người ta phân biệt hai loại: phay nghịch (phay ngược chiều chuyển động chạy dao) và phay thuận (phay cùng chiều chuyển động chạy dao) Phay nghịch là quá trình phay khi chiều chuyển động của dao phay và chi tiết ngược nhau (hình 1.19, a, b) Phay thuận là quá trình phay khi chiều chuyển động của dao phay và chi tiết trùng nhau (hình 1.19, c, d)

Khi phay nghịch chiều dày cắt thay đổi từ 0 tại điểm A (điểm vào của răng) đến cực đại tại điểm B (điểm ra của răng) Khi phay thuận chiều dày cắt thay đổi từ cực ở điểm B (điểm vào của răng) đến 0 ở điểm A Góc nghiêng của lưỡi cắt chính khi phay thuận có trị số dương, còn khi phay nghịch có trị số âm Trong điều kiện giống nhau thì tuổi bền của dao khi phay thuận cao hơn khi phay nghịch, nhược điểm của phương pháp phay nghịch là ở chổ dao phay luôn có xu hướng nâng chi tiết lên khỏi bàn máy [12]

Hình 1.19 Sơ đồ các phương pháp phay [12]

1.3.4 Đồ gá để định vị và kẹp chặt chi tiết

Các đồ gá vạn năng như vấu kẹp, khối V, mỏ kẹp… dùng để kẹp chặt nhiều chi tiết khác nhau và chủ yếu được dùng trong sản xuất đơn chiếc và hàng loạt nhỏ Vấu kẹp dùng để kẹp các loại chi tiết lớn hoặc có các chi tiết có hình dạng phức tạp trên bàn

Trang 30

máy Phiến gá có hai mặt vuông góc nhau, loại này dùng để kẹp chặt những chi tiết gia công có các mặt phẳng hợp với nhau một góc 900, còn phiến gá quay dùng để gia công

có các mặt nghiêng Còn các loại mỏ kẹp (êtô) máy có thể truyền động để kẹp chặt bằng tay, bằng khí nén hay bằng thủy lực

1.3.5 Dung dịch trơn nguội khi phay

Trong gia công dung dịch trơn nguội (COЖ) chủ yếu dùng để giảm nhiệt ở dụng

cụ cắt gọt, làm giảm nhiệt độ vùng cắt, cho nên tuổi thọ của dao và chất lượng gia công tăng lên Cùng với đó dung dịch trơn nguội cũng giữ cho dụng cụ gia công và chi tiết không bị ôxi hóa Cho nên yêu cầu đối với dung dịch trơn nguội là:

- Độ lạnh và độ nhờn cao

- Tính chống ôxi hóa

- Đảm bảo điều kiện vê sinh trong lao động

Dung dịch trơn nguội được tưới vào vùng cắt với phương pháp tưới áp lực theo mặt sau của dao, có thể sử dụng phương pháp phun sương hay các phương pháp khác

Sử dụng dung dịch trơn nguội một cách hợp lý có thể tăng tuổi bền của dao lên từ 1.5 đến 4 lần, mỗi loại tổ hợp gia công như: vật liệu chi tiết gia công, vật liệu làm dụng cụ cắt, và chế độ cắt chỉ thích hợp với một loại dung dịch trơn nguội nhất định [11]

1.4 Chất lượng của bề mặt chi tiết gia công

a) Tính chất hình học của bề mặt gia công

Tính chất hình học của bề mặt gia công được đánh giá bằng độ nhám tế vi và độ sóng bề mặt

Độ nhám bề mặt: Trong quá trình cắt gọt, lưỡi cắt của dao và sự hình thành phoi tạo ra những vết xướt cục bộ trên bề mặt gia công và làm cho bề mặt có độ nhám Độ nhám bề mặt gia công được đo bằng chiều cao nhấp nhô RZ và sai lệch Profin trung bình cộng Ra của lớp bề mặt Để đánh giá độ nhám bề mặt ta dùng các chỉ tiêu sau:

Trang 31

- Chiều cao nhấp nhô RZ là trị số trung bình của 5 khoảng cách từ 5 đỉnh cao nhất đến 5 đáy thấp nhất của nhấp nhô trên bề mặt đo đến một đường thẳng song song với đường trung bình trong chiều dài cơ sở l Trị số RZ được xác định theo công thức sau:

+ Tính gần đúng: 

=

 n

i i

Trong thực tế, sản xuất người ta đánh giá độ bóng bề mặt chi tiết máy theo các mức độ: thô, bán tinh, tinh và siêu tinh (bảng 1.3)

m



Trang 32

b) Tính chất cơ lí của bề mặt gia công

Tính chất cơ lí của bề mặt chi tiết máy được biểu thị bằng độ cứng bề mặt, sự biến đổi cấu trúc về mạng tinh thể của lớp bề mặt, độ lớn và dấu của ứng suất dư trong lớp

bề mặt, chiều sâu lớp biến cứng bề mặt

Hiện tượng biến cứng của lớp bề mặt: Trong quá trình gia công, tác dụng của lực cắt làm xô lệch mạng tinh thể lớp kim loại bề mặt và gây nên biến dạng dẻo ở vùng trước và vùng sau lưỡi cắt Phoi kim loại được tạo ra do biến dạng dẻo của các hạt kim loại trong vùng trượt Giữa các hạt tinh thể kim loại xuất hiện ứng xuất Thể tích riêng tăng và mật độ kim loại giảm ở vùng cắt Giới hạn bền, độ cứng, độ giòn của lớp kim loại bề mặt được nâng cao Đồng thời tính dẫn từ của lớp bề mặt cũng thay đổi Kết quả tổng hợp là lớp kim loại bề mặt bị cứng nguội, chắc lại và có độ cứng tế vi cao Độ cứng

tế vi là một tính chất lí học quan trọng của lớp bề mặt

Mức độ biến cứng và chiều sâu biến cứng bề mặt phụ thuộc vào tác dụng của lực cắt, mức độ biến dạng dẽo của kim loại và ảnh hưởng nhiệt của vùng cắt Lực cắt tăng làm cho mức độ biến dạng dẻo của vật liệu tăng, qua đó làm tăng mức độ biến cứng chiều sâu lớp biến cứng bề mặt Nhiệt sinh ra ở vùng cắt sẽ hạn chế biến cứng ở lớp bề mặt Như vậy mức độ biến cứng của lớp bề mặt phụ thuộc vào tỉ lệ tác động giữa hai yếu tố lực cắt và nhiệt cắt sinh ra trong vùng cắt

Ứng suất dư trong lớp bề mặt: Khi gia công trong lớp bề mặt chi tiết có ứng suất

dư Trị số, dấu và chiều sâu phân bố của ứng suất dư trong lớp bề mặt phụ thuộc vào các

Trang 33

điều kiện khi gia công cụ thể Nguyên nhân chủ yếu gây ra ứng suất dư trong lớp kim loại bề mặt chi tiết máy:

- Khi cắt một lớp mỏng vật liệu, trường lực xuất hiện gây nên biến dạng dẻo không đều ở từng khu vực trong lớp bề mặt Khi trường lực mất đi, biến dạng dẻo gây ra ứng suất dư trong lớp bề mặt

- Biến dạng dẻo sinh ra khi cắt, làm chắc lớp vật liệu bề mặt Lớp kim loại ở bên trong do không bị biến dạng dẽo nên vẫn giữ thể tích riêng bình thường Lớp kim loại ngoài cùng có xu hướng tăng thể tích gây ra ứng suất dư nén, để cân bằng thì lớp kim loại bên trong phải sinh ra ứng suất dư kéo

- Nhiệt sinh ra ở vùng cắt có tác dụng nung nóng cục bộ các lớp mỏng bề mặt làm giảm mô đun đàn hồi của vật liệu, có khi giảm tới giá trị nhỏ nhất Sau khi cắt, lớp vật liệu bề mặt ở vùng cắt bị nguội lạnh, co lại, sinh ra ứng suất dư kéo, để cân bằng thì lớp kim loại ở bên trong phải sinh ra ứng suất dư nén

- Kim loại bị chuyển pha trong quá trình cắt và nhiệt sinh ra ở vùng cắt làm thay đổi cấu trúc vật liệu, dẫn đến sự thay đổi về thể tích của lớp kim loại Lớp kim loại nào hình thành cấu trúc có thể tích riêng lớn sẽ sinh ra ứng suất dư nén, lớp kim loại nào có cấu trúc với thể tích riêng bé sẽ sinh ra ứng suất dư kéo để cân bằng

Độ cứng lớp biến cứng bề mặt được xác định bằng máy đo độ cứng Chiếu sâu lớp biến cứng bề mặt được xác định bằng cách cắt mẫu, đem mài bóng rồi xâm thực hóa học

để nghiên cứu cấu trúc của lớp bề mặt

Ứng suất dư trong lớp bề mặt được xác định bằng phương pháp tia Rơnghen, rồi khảo sát, phân tích biểu đồ Rơnghen, hoặc bằng phương pháp cấu trúc điện tử trên cơ

sở hiện tượng khúc xạ của các điện tử tùy theo chiều dày lớp kim loại bề mặt cần khảo sát [6]

1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt

Quá trình hình thành tính chất hình học và tính chất cơ lý của lớp bề mặt chi tiết gia công là khá phức tạp ở đây ta sẽ khảo sát một số yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công bao gồm:

- Các yếu tố ảnh hưởng có tính chất in dập hình học lên bề mặt gia công ví dụ như: dao cắt, chế độ cắt

- Các yếu tố ảnh hưởng phụ thuộc vào biến dạng dẻo của lớp bề mặt

- Các yếu tố ảnh hưỏng do dao động của máy, dao động của chi tiết gia công

Trang 34

1.5.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công

a) Ảnh hưởng do in dập hình học của dao cắt và chế độ cắt đến độ nhám bề mặt

Qua thực nghiệm theo phương pháp tiện người ta xác định được mối quan hệ giữa các thông số độ nhám Rz, lượng tiến dao S, bán kính mũi dao r, chiều dày phôi nhỏ nhất

hmin Ở hình (1.21) mô tả mối quan hệ trên:

Hình 1.21 Quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô tế vi R z và lượng tiến dao

Đường số 1 biểu thị mối quan hệ tổng quát giữa Rz, S và r khi lượng chạy dao S >

0,15 (mm/vòng) Đường số 2 biểu thị mối quan hệ thực nghiệm kể cả khi S< 0,1 (mm/vòng) Từ đường số 2 người ta xác định được mối quan hệ giữa Rz,S, r và hmin

Còn khi tiện tinh được mô tả như đường số 3 Về mặt định lượng thì khi S > 0,15

mm/vòng thì 2

8

S Rz

r

= và khi S< 0,1 mm/vòng thì 2 min min

2

1

S Rz

Ở đây hmin phụ thuộc vào bán kính mũi dao r

- Ví dụ: nếu mũi cắt được mài bằng đá kim cương mịn thì khi r = 10( )  m hmin

= 4 ( ), m còn nếu mài dao hợp kim cứng bằng đá thường thì khi r = 40 ( )  m hmin >

20 ( ), m khi lượng chạy dao S quá nhỏ (S < 0,03 mm/vòng) thì Rz lại tăng nghĩa là khi

tiện tinh hoặc phay tinh với S quá nhỏ sẽ không có ý nghĩa với việc cải thiện chất lượng

Trang 35

Hình 1.22 Sự hình thành nhấp nhô tế vi khi mũi dao có bán kính r

- Ảnh hưởng của S đến chiều sâu lớp biến cứng bề mặt cũng tương tự như ảnh hưởng của S với Rz Tốc độ cắt Vc là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến nhám bề mặt của chi tiết máy đặc biệt là nếu cắt ở vùng tốc độ sinh ra hiện tượng lẹo dao làm độ nhám bề mặt tăng đáng kể [6]

b) Các yếu tố mang tính biến dạng dẻo ảnh hưởng đến độ nhám

Khi vật liệu lớp bề mặt bị biến dạng dẻo mạnh cấu trúc tinh thể nhỏ biến thành cấu trúc sợi làm thay đổi đáng kể hình dạng và giá trị của Rz, với vật liệu giòn khi gia công các hạt tinh thể cá biệt bóc rời ra cũng làm thay đổi hình dạng nhấp nhô và làm tăng kích thước nhấp nhô

Với tốc độ cắt người ta thấy khi cắt thép carbon ở tốc độ cắt thấp nhiệt cắt không cao, phoi dễ dàng bị tách ra, biến dạng dẻo không nhiều làm độ nhám không lớn Nhưng khi cắt với vận tốc từ 20 - 40 m/phút gây ra lẹo dao làm tăng độ nhám bề mặt đáng kể nhưng nếu tiếp tục tăng vận tốc cắt Vc lên (40-60) m/phút thì hiện tượng này sẽ bị mất

đi và làm độ nhẵn bề mặt gia công tăng đáng kể Đường cong 1 biểu diễn sự hình thành lẹo dao, đường cong 2 biểu diễn sự hình thành chiều cao nhấp nhô tế vi Rz

Trang 36

Hình 1.23 Quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô Rz và tốc độ cắt V c

Với kim loại giòn Ví dụ: Gang các mảnh kim loại bị trượt và vỡ ra không theo thứ

tự làm tăng nhấp nhô bề mặt, tăng tốc độ cắt sẽ giảm được các mảnh vỡ, chiều cao nhấp nhô tế vi giảm

Lượng tiến dao S: ngoài ảnh hưởng mang tính chất in dập hình học như đã kể nó

còn ảnh hưởng đến mức độ biến dạng dẻo biến dạng đàn hồi của bề mặt gia công

Hình vẽ biểu diễn mối quan hệ giữa lượng tiến dao S với Rz khi gia công thép

carbon, ta thấy khi S = (0,02 – 0,15) (mm/vòng) thì bề mặt gia công có Rz thấp nhất

Nếu giảm S < 0,02 mm/vòng thì Rz lại tăng lên vì ảnh hưởng của biến dạng dẻo lúc này

lớn hơn so với ảnh hưởng in dập hình học Nếu trị số lượng chạy dao S > 0,15 (mm/vòng)

thì biến dạng đàn hồi ảnh lại ảnh hưởng đến sự hình thành các nhấp nhô, kết hợp với ảnh hưởng của các yếu tố in dập hình học làm độ nhám tăng đáng kể Do vậy khi gia công thép carbon ở các nguyên công cuối để đảm bảo được năng suất cũng như độ nhẵn

bề mặt người ta chọn S = (0,02– 0,15) (mm/vòng)

Chiều sâu cắt cũng ảnh hưởng tương tự như lượng tiến dao đến độ nhám bề mặt Tuy nhiên trong thực tế thường bỏ qua những ảnh hưởng này Song cần lưu ý không nên chọn t quá bé vì khi cắt dao sẽ bị trượt lên bề mặt gia công làm cho Rz tăng cao

Loại vật liệu gia công cũng ảnh hưởng đến nhám bề mặt chủ yếu là do khả năng biến dạng dẻo của chúng Vật liệu dẻo như thép ít carbon dễ bị biến dạng dẻo nên có độ nhám Rz lớn hơn các loại vậy liệu cứng và giòn [6]

c) Ảnh hưởng do rung động của hệ thống công nghệ đến nhám bề mặt

Hiện tượng rung động trong quá trình cắt, tạo ra chuyển động tương đối có chu kỳ giữa dao và chi tiết gia công làm thay đổi điều kiện ma sát gây ra độ sóng và nhấp nhô

tế vi do vậy muốn đạt được độ nhám bề mặt gia công thấp trước hết phải làm cho máy

đủ cứng vững phải điều chỉnh máy tốt và giảm tác động của môi trường xung quanh

1.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ biến cứng bề mặt

Nếu thay đổi chế độ cắt mà làm tăng lực cắt và mức độ biến dạng dẻo thì mức độ biến cứng cũng tăng Nếu kéo dài tác dụng của lực cắt trên bề mặt kim loại sẽ làm tăng chiều sâu lớp biến cứng bề mặt Khi tiện người ta thấy biến cứng bề mặt chi tiết gia công

tăng nếu lượng tiến dao S và bán kính mũi dao r tăng Góc trước của dao tăng từ giá trị âm đến giá trị dương thì chiều sâu biến cứng của lớp bề mặt giảm

Trang 37

Hình 1.24 Quan hệ giữa độ biến cứng và chiều sâu cắt

Những yếu tố trên đây làm tăng lực cắt vì vậy làm tăng mức độ biến dạng dẻo nên làm tăng độ biến cứng:

- Tốc độ cắt vC: Có tác dụng kéo dài hoặc rút ngắn thời gian tác dụng của lực cắt

và nhiệt cắt trên bề mặt chi tiết Tốc độ cắt tăng làm giảm thời gian tác dụng của lực gây biến dạng kim loại, do đó làm giảm chiều sâu biến cứng và mức độ biến cứng

Nhìn trên hình vẽ là ảnh hưởng của tốc độ cắt vC và lượng tiến dao S đến chiều sâu biến cứng t c Khi tăng lượng tiến dao thì có lúc làm tăng, có lúc làm giảm mức độ

và chiều sâu lớp biến cứng bề mặt, vì yếu tố quyết định là lực cắt Qua thực nghiệm người ta nhận thấy rằng với lượng chạy dao khoảng 0,3 (mm/vòng), thì khi tốc độ cắt

vC < 20 (m/phút) thì chiều sâu lớp biến cứng tc giảm theo giá trị của vận tốc, ngược lại

khi tốc độ cắt vC > 20 (m/phút) thì chiều sâu lớp biến cứng lại tăng Ngoài ra biến cứng còn tăng khi dao cắt bị mòn

- Góc trước của dao tăng từ giá trị âm đến giá trị dương (−60 0 150) thì chiều sâu và mức độ biến cứng của lớp bề mặt giảm [6]

1.5.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất dư bề mặt

Sự hình thành ứng suất dư ở bề mặt gia công phụ thuộc vào biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, biến dạng nhiệt và hiện tượng chuyển pha trong cấu trúc kim loại Quá trình này rất phức tạp nói chung chế độ cắt, hình dáng hình học của dao và dung dịch trơn nguội là những yếu tố có ảnh hưởng nhiều đến sự hình thành ứng suất dư trên bề mặt gia công Tuy vậy rất khó xác lập mối quan hệ cụ thể giữa chúng

Các vị trí khác nhau trên bề mặt gia công thường có ứng suất dư khác nhau cả về trị số lẫn dấu Dựa vào một số kết quả nghiên cứu người ta có một số nhận định sau:

Trang 38

- Khi tăng vận tốc cắt vC hoặc lượng tiến dao S cũng có thể tăng mà cũng có thể

giảm ứng suất dư trên bề mặt gia công

- Lượng tiến dao S làm tăng chiều sâu có ứng suất dư

- Góc trước  của dao giảm đến trị số âm lớn thường gây ra ứng suất dư nén tùy theo tốc độ của vận tốc cắt Vcvà lượng tiến dao S

- Gia công bằng dụng cụ cắt bình thường (không phải làm bằng đá mài hoặc hạt mài) nếu vật liệu gia công giòn, thường gây ra ứng suất dư nén, còn nếu vật liệu gia công dẻo thường gây ra ứng suất dư kéo

- Gia công bằng đá mài thường có ứng suất dư kéo lớn [6]

Trang 39

PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG NHỎ NHẤT 2.1 Thiết kế thực nghiệm

2.1.1 Khái niệm và lịch sử phát triển của thiết kế thực nghiệm

Các phương pháp thiết kế thực nghiệm được R.Fisher đề xuất vào những năm 1930 trong tài liệu Design of Experiment Ở nước ta, thường được gọi bằng tên “Quy hoạch thực nghiệm” được giải thích như là một tập hợp có hệ thống các bước để tiến hành thí nghiệm

Thực tế cho thấy rằng, các quá trình công nghệ và kỹ thuật rất phức tạp, bao gồm một tập hợp các yếu tố ảnh hưởng và nhiều tiêu chí đánh giá khác nhau, trong đa số các

hệ thống hay quá trình kỹ thuật, các mối quan hệ vào - ra thường không thể mô tả một cách đầy đủ bằng các hàm lý thuyết, nên người ta thường mô hình hóa các quá trình, đối tượng nghiên cứu như một hộp đen (Back box) Hình 2.1

Hình 2.1 Mô hình hóa các quá trình, các đối tượng nghiên cứu [4]

Thông thường, các tín hiệu đầu vào được sơ đồ hóa thành ba nhóm: đối tượng đầu vào, các tham số (yếu tố) điều khiển được và các yếu tố không điều khiển được Trong quá trình xử lý các tin hiệu, chúng ta không biết và cũng không cần quan tâm đến những

gì xãy ra bên trong hộp đen, nghĩa là cách thức các thông số trên tác động nhau như thế nào, cái nào cần quan tâm là làm sao để xác lập được quan hệ vào - ra, để từ đó có thể điều khiển được quá trình hay nhận được thông số theo ý muốn Và vấn đề này có thể nhận được từ kết quả bằng thực nghiệm

Quy hoạch thực nghiệm được sử dụng như một công cụ hữu ích nhằm khảo sát bất kỳ một đáp ứng của một hệ thống, một quá trình hay một đối tượng nào đó, sự thay đổi của đáp ứng được coi như một hàm của một hay nhiều tín hiệu khác được gọi là biến

Trang 40

thí nghiệm Đề thực hiện thí nghiệm, người lập thí nghiệm phải xây dựng một ma trận thực nghiệm chứa các xác lập cho các biến thí nghiệm, rồi tiến hành thí nghiệm để thu thập các kết quả đáp ứng và tiếp đó sẽ xây dựng được mô hình quan hệ các biến vào -

ra dựa vào áp dụng thông kê toán học Từ mô hình này, sẽ sử dụng nhiều mục đích khác nhau như lựa chọn các thông số tối ưu của quá trình, tổng hợp hay phân tích ảnh hưởng của các thông số riêng lẻ…

Qua đó ta thấy, nếu thiết kế được một kế hoạch thực nghiệm tốt sẽ cho phép các nhà thực nghiệm (nhà nghiên cứu) tiến hành số lượng thí nghiệm ít nhất, tốn chi phí ít nhất và thời gian ngắn nhất cho phép mà lại thu được nhiều dữ liệu thông tin nhất về đối tượng nghiên cứu

Và quy hoạch thực nghiệm cứu được đề xuất bởi nhà thống kê Ronal Fisher, phương pháp này tiếp tục được nghiên cứu và phát triển bởi George Edward Pelham Box và Genichi Taguchi Phương pháp này dựa và mô hình hồi quy và phân tích đồ họa

để tối ưu hóa mô hình thực nghiệm bằng các thuật toán Mục tiêu là tìm ra mối quan hệ giữa tập hợp các thông số đầu vào và tập hợp các thông số đầu ra [4]

Các trình tự của thiết kế thí nghiệm

2.1.2 Các nguyên tắc thiết kế thí nghiệm

Trong thiết kế thiết thực nghiệm có nguyên tắc cơ bản đó là: nguyên tắc ngẫu nhiên, nguyên tắc lặp lại và nguyên tắc tạo khối, các nguyên tắc này được sử dụng để tạo ra những kết quả thí nghiệm có độ tin cậy cao, thì điều đó nghĩa là các nguyên tắc này được ứng dụng để làm giảm hoặc thậm chí là khử bỏ các sai số của thí nghiệm

a) Nguyên tắc ngẫu nhiên

Ngẫu nhiên là nên tảng của việc sử dụng các phương pháp thống kê trong thiết kế thí nghiệm, bằng cách ngẫu nhiên hóa, thứ tự thay đổi giá trị các thông số thí nghiệm, cách bố trí thí nghiệm, thứ tự tiến hành từng thí nghiệm phải theo thứ tự ngẫu nhiên Những phương pháp thông kê đòi hỏi rằng các quan sát (hoặc các lỗi) là các biến ngẫu nhiên được phân phối độc lập Sự ngẫu nhiên thường làm cho giả định này có giá trị bằng cách ngẫu nhiên hóa thí nghiệm, ta đã bình quân hóa, cho nên đã làm giảm ảnh hưởng của xấu của các sai số đo, các yếu tố nhiễu Điều đó có nghĩa là ngẫu nhiên hóa cho mọi giá trị của mỗi nhân tố đều có cơ hội ngang nhau dể bị ảnh hưởng của nhiễu [4]

Phỏng đoán

(Conjecture)

Thiết kế(Design)

Thí nghiệm(Experiment)

Phân tích(Analysis)

Tiêu đề	Xây Dựng Công Cụ Hỗ Trợ Dự Đoán Chất Lượng Bề Mặt Đạt Được Khi Gia Công Trên Máy Phay Vạn Năng
Tác giả	Nguyễn Đức Long
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Phạm Thế Nhân
Trường học	Đại học Bách Khoa - ĐHĐN
Chuyên ngành	Kỹ thuật cơ khí
Thể loại	luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	121
Dung lượng	5,72 MB

Xây dựng công cụ hỗ trợ dự đoán chất lượng bề mặt đạt được khi gia công trên máy phay vạn năng

Giao diện đăng nhập chương trình dự đốn