NGHIÊN cứu KHẢO sát sự ẢNH HƯỞNG của VIỆC gá DAO CAO hơn tâm đến CHẤT LƯỢNG bề mặt KHI TIỆN côn

Thông qua thực nghiệm và phân tích, bài báo đề cập đến sự ảnh hưởng của việc gá dao cao hơn tâm đến chất lượng bề mặt chi tiết máy, bao gồm độ nhám bề mặt và độ thẳng của đường sinh bề m

NGHIÊN C ỨU KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC GÁ DAO CAO HƠN

TÂM ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI TIỆN CÔN

A STUDY THE EFFECT OF TOOL FIXING HIGH ABOVE CENTER ON SURFACE

QUALITY IN CONE TURNING

TS Ph ạm Văn Bổng

Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

phambong1963@gmail.com

TÓM T ẮT

Chất lượng bề mặt chi tiết máy phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, trong đó có sự ảnh hưởng

của việc gá dao khi gia công trên máy cắt kim loại Thông qua thực nghiệm và phân tích, bài báo đề cập đến sự ảnh hưởng của việc gá dao cao hơn tâm đến chất lượng bề mặt chi tiết máy, bao gồm độ nhám bề mặt và độ thẳng của đường sinh bề mặt chi tiết khi tiện chi tiết dạng côn trên máy tiện Khi gá dao cao hơn tâm, do đường tiếp xúc của dao và chi tiết gia công không trùng với đường sinh chi tiết dẫn đến tạo ra bề mặt chi tiết dạng côn nhưng có đường sinh là

một đường phi tuyến, đồng thời do bề mặt gia công tiếp xúc với mặt sau của dao nên độ nhám

bề mặt bị ảnh hưởng, dao gá càng cao hơn tâm thì chiều cao nhấp nhô lớp bề mặt càng tăng

Từ khóa: gá dao cao, nhám bề mặt, độ thẳng, đường sinh, tiện côn

ABSTRACT

Surface quality is affected by many factors such as the tool fixing on metal cutting machine Through the experimental and analysis, this paper deals with the influence of the tool fixing high above center on surface quality part including roughness surface and generatrix line straightness of cone turning part When tool is fixed high above center, the contact line between tool tip and cutting part is not coincidental with the generatrix line Thus, the surface turning part is cone with non-linear generatrix line and the roughness surface is affected by the contact between the cutting part surface and end-relief tool surface Tool fixing is higher than the center, the roughness surface is higher

Keywords: tool fixing high, roughness surface, straightness, generatrix line, cone

turning

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Chi tiết có dạng bề mặt côn (hình nón) được sử dụng rất nhiều trong ngành chế tạo máy ở

dạng trục côn như: các loại chuôi côn của dụng cụ cắt, trục gá, các loại bạc côn trong lắp ráp,… hay ở các mối lắp yêu cầu độ chính xác đồng tâm cao Để tạo ra mặt côn thông qua cắt gọt có

rất nhiều phương pháp như tiện côn, mài côn, khoét côn, trong đó tiện côn chiếm tỷ trọng nhiều nhất Bề mặt côn khi tiện phải đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác của góc côn φ, về độ

thẳng đường sinh, về độ nhám bề mặt Các nghiên cứu đều chỉ ra rằng khi tiện côn việc gá dao cao (hoặc thấp) hơn tâm máy có ảnh hưởng đến năng suất, chất lượng bề mặt gia công [1], [3], [4] nhưng hầu hết các nghiên cứu đó đều chỉ đưa ra là việc gá dao cao hơn tâm một lượng H sẽ làm thay đổi một số góc của dao nên nó ảnh hưởng đến quá trình cắt và chất lượng bề mặt Tuy nhiên các tài liệu đó chưa đề cập đến sự ảnh hưởng đến độ thẳng của đường sinh khi tiện và cũng chưa đưa ra mối quan hệ giữa độ cao H đó với độ nhám bề mặt Ra

2 N ỘI DUNG

2.1 Kh ảo sát sự ảnh hưởng của việc gá dao cao hơn tâm đến độ thẳng đường sinh khi tiện côn

Khi tiện mặt trụ dao gá ngang hay cao(thấp) hơn tâm cũng không làm ảnh hưởng đến độ

thẳng đường sinh Tuy nhiên khi tiện mặt côn, việc gá dao không ngang tâm sẽ ảnh hưởng đến độ thẳng của đường sinh Để làm rõ vấn đề này ta xét một trường hợp cụ thể như sau (hình 1):

1- Hình chiếu đường chạy dao trên mặt phẳng cơ bản 2- Hình chiếu đường sinh chi tiết gia công

Hình 1 Gá dao cao hơn tâm khi tiện côn

Gọi khoảng cách từ mặt đầu chi tiết đến vị trí dao tiện là x, về mặt hình học ta có thể xác định được bán kính tại vị trí dao cắt như sau:

Với y = (L +x).tgα

Với x = 0 ÷ l; α =φ/2

Như vậy, nếu đường chuyển dịch của dao bắt đầu cắt gọt có tọa độ gốc tại điểm giao

của hai đường sinh(đường1) thì đường sinh thực của chi tiết sẽ là một đường phi tuyến (đường 2) trên hình 2 Phương trình biểu diễn đường sinh là phương trình (1)

Hình 2 Đường sinh chi tiết khi gá dao cao hơn tâm

Lượng sai lệch ΔR = R1 - R2chính là độ không thẳng lớn nhất của đường sinh

Lượng sai lệch này sẽ ảnh hưởng rất lớn đến chiều dài tiếp xúc giữa hai bề mặt côn trong lắp ráp

2.2 S ự ảnh hưởng việc gá dao cao hơn tâm đến độ nhám bề mặt khi tiện côn trên máy tiện

2.2.1 Xác định mô hình hàm toán học biểu diễn mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và chi ều cao H

Để xác định mô hình hàm toán học biểu diễn mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và chiều cao gá dao H ta làm các thực nghiệm sau:

Thực hiện với 3 loạt thực nghiệm cắt với 3 loại chi tiết chế tạo bằng vật liệu thép 45 có kích thước chiều dài mỗi đoạn và đường kính phần để gá kẹp trên máy như nhau, kích thước đường kính lớn bề mặt côn khác nhau Loại 1 gồm 8 chi tiết có kích thước đường kính lớn của côn Φ = 50mm (hình 3a), loại 2 gồm 8 chi tiết có kích thước Φ = 40mm (hình 3b), loại 3 gồm

8 chi tiết có kích thước Φ = 30mm (hình 3c)

Hình 3 Các chi tiết thực nghiệm

Sử dụng dao tiện gắn mảnh hợp kim cứng có các thông số góc là: Góc sau chính α =

100, góc sau phụ α1 = 60, góc trước γ = 00, góc nghiêng lưỡi cắt chính λ = 00, góc lệch chính φ

= 750, góc lệch phụ φ1 = 150 Gá dao cao hơn tâm với chiều cao H thay đổi trong khoảng từ 0,25 ÷ 2mm Thực hiện cắt trên máy tiện CNC của hãng ECOCA do Đài Loan sản xuất có tốc

độ quay trục chính lớn nhất 2000vg/phút, công suất động cơ 3,7KW Chế độ cắt khi thực nghiệm V = 80m/ph; S=0,1mm/vg; t = 0,5mm Mỗi loạt thực nghiệm thực hiện với 3 lần tiện tương ứng với 8 lần thay đổi độ cao H Sau khi cắt thực nghiệm, tiến hành đo chiều cao nhấp nhô tế vi bề mặt gia công bằng thiết bị chuyên dùng là máy đo SJ – 201- Mitutoyo Kết quả

đo thực nghiệm trong bảng 1

B ảng 1 Kết quả đo độ nhám bề mặt

N 0 H

mm

K ết quả đo nhám bề mặt Ra (µm)

Đối với thực nghiệm 1 Đối với thực nghiệm 2 Đối với thực nghiệm 3

Để xác định mô hình hàm toán học, giả thiết rằng mối quan hệ giữa chiều cao gá dao cao hơn tâm với độ nhám bề mặt theo 3 dạng là: hàm tuyến tính, hàm phi tuyến, hàm bậc ba

Sử dụng phần mềm tính toán MATLAB R6.5 [5] cho kết quả như sau (bảng 2)

B ảng 2: Các hàm biểu diễn mối quan hệ

Loạt

thực

nghiệm

số

D ạng hàm Mô hình toán h ọc Hàm bi ểu diễn mối quan hệ Độ tin cậy

1

Tuy ến tính R a = aH + b R a =0,164H+0,4793 r=70,13% Phi tuy ến R a = C.H ar R a =0,681 H 0.1288 r= 58,5%

B ậc 3 R a =A.X 3 + B.X 2 + C.X+D R a =0,27X 3 - 0,89X 2 + 0,92X+

0.37

r= 92,42%

2

Tuyến tính R a = aH + b R a =0,2H+0,581 r=73,66% Phi tuy ến R a = C.H ar R a =0,8172H 0.2103 r= 69,66%

B ậc 3 R a =A.X 3 + B.X 2 + C.X+D R a =0,08X 3 - 0,36X 2 + 0,625X+

0,49

r= 94,73%

3

Tuyến tính R a = aH + b R a =-0,1825H + 0,8428 r=14,59% Phi tuy ến R a = C.H ar R a =0,50896H -0.5274 r=19,07%

B ậc 3 R a =A.X 3 + B.X 2 + C.X+D R a =-0,48X 3 + 0,83X 2 - 0,053X+

0,61

r= 75,87%

Theo kết quả ta thấy rằng mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và chiều cao gá dao cao hơn tâm theo hàm bậc 3 có độ tin cậy cao nhất, theo hàm tuyến tính và phi tuyến có độ tin cậy

thấp Vì vậy ta chọn mô hình toán biểu diễn mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt Ra và chiều cao H là: Ra=A.X3+ B.X2+ C.X+D

2.2.2 Thực nghiệm và xử lý kết quả

* Mô hình th ực nghiệm: Lựa chọn hệ thống thực nghiệm có mô hình như hình 4

Hình 4 Mô hình c ắt thực nghiệm

* Máy dùng trong thực nghiệm: Quá trình thí nghiệm được thực hiện trên máy Tiện

CNC của hãng ECOCA do Đài Loan sản xuất có tốc độ quay trục chính lớn nhất 2000vg/phút, công suất động cơ 3,7KW

* Ch ế độ cắt khi cắt thực nghiệm: Tham khảo tài liệu [2] về lựa chọn chế độ cắt bán

tinh khi gia công thép 45, chế độ cắt khi thực nghiệm được lựa chọn là: Vận tốc cắt V = 80m/phút; Lượng chạy dao S = 0,1mm/vòng; Chiều sâu cắt t = 1mm

* D ụng cụ cắt: Sử dụng dao tiện gắn mảnh hợp kim cứng có các thông số góc là: Góc

sau chính α = 100, góc sau phụ α1 = 60, góc trước γ = 00,góc nghiêng lưỡi cắt chính λ = 00, góc lệch chính φ = 750, góc lệch phụ φ1 = 150

* Phôi dùng trong th ực nghiệm: Sử dụng phôi chế tạo bằng thép 45, được tiện thô có

kích thước như sau (hình 5):

Hình 5 Phôi dùng trong th ực nghiệm

* D ụng cụ đo

Đo nhám bề mặt: Đo chiều cao nhấp nhô tế vi bề mặt gia công bằng thiết bị chuyên dùng là máy đo SJ – 201- Mitutoyo có độ phân giải 0,32/300µm; 0,08/75µm; 0,04/9,4µm;

Phần mềm điều khiển và xử lý số liệu MSTATW A/D:RS – 232

* Chi ều cao gá dao cao hơn tâm: Chiều cao gá dao cao hơn tâm máy trong khoảng từ

0,25 đến 2mm Thay đổi chiều cao gá dao cao hơn tâm máy bằng cách dùng các tấm lót (căn đệm gá dao) có kích thước bề dày khác nhau và lượng chênh lệch 0,25mm Ứng với mỗi thực nghiệm ta sẽ có chiều cao dao gá cao hơn tâm máy theo bảng 3

B ảng 3 Chế độ thực nghiệm

TT

Chế độ cắt

H - Chiều cao gá cao hơn tâm máy

(mm)

Độ nhám bề mặt Ra

(µm)

V

(m/ph)

S (mm/vg)

t (mm)

2.2.2.2 K ết quả đo và xử lý số liệu thực nghiệm

* K ết quả đo

Tiến hành thực nghiệm với 8 thí nghiệm, đo độ nhám tại điểm giữa của chi tiết với 3 vị trí đo khác nhau (cách nhau 1200) và lấy giá trị trung bình, ta được kết quả như sau (bảng 4)

B ảng 4 Kết quả đo độ nhám bề mặt

TT

Chế độ cắt

H - Chiều cao gá cao hơn tâm máy

(mm)

Độ nhám bề mặt Ra

(µm)

V

(m/ph)

S (mm/vg)

t (mm)

* X ử lý kết quả thực nghiệm

Từ mô hình toán học: Ra=A.X3+ B.X2+ C.X+D, đặt Y = Ra, khi đó ta có phương trình: Y= A.X3+ B.X2+ C.X+D

Hệ phương trình xác định các hệ số A,B,C,D có dạng [6]:







n: là số lần thực nghiệm

Yi: là giá trị độ nhám độ nhám đo thực nghiệm

Xi: là giá trị điều chỉnh độ cao H theo thực nghiệm

Bảng 5 Kết quả các giá trị theo bảng

(mm)

Yi

(µm)

Xi2 (mm)

Xi3

(mm)

Xi4

(mm)

Xi5

(mm)

Xi6

(mm) 1.1 0,25 1,06 0,0625 0,016 0,004 0,001 0,0003 1.2 0,5 1,17 0,25 0,125 0,063 0,031 0,0157 1.3 0,75 1,35 0,5625 0,422 0,316 0,237 0,178

1.5 1,25 1,46 1,5625 1,953 2,442 3,052 3,815 1.6 1,5 1,45 2,25 3,375 5,063 7,594 11,391 1.7 1,75 1,58 3,0625 5,359 9,379 16,413 28,723

Tổng giá trị 11,12 12,75 20,25 34,2656 60,328 109,122

Tổng giá trị ∑X Y i i=12,3075 2

i i

X Y

∑ =19,441 ∑X Y i3 i=31,405

Thay các giá trị của biến thực nghiệm vào hệ phương trình thì ta có phương trình mới:

11,12 8 9 12, 75 20, 25

13, 3075 9 12, 75 20, 25 34, 2656

19, 441 12, 75 20, 25 34, 2656 60, 328

31, 405 20, 25 34, 2656 60, 328 109,1221









Giải hệ phương trình 4 ẩn ta được các hệ số:

A=0,181, B=-0,727,C=1,1479,D=0,7993

Thay vào ta được hàm hồi quy: R a= 0,181X 3 – 0,727X 2 + 1,1479X+0,7993

Tọa độ điểm thực nghiệm

Hình 6 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa R a và H

* Đánh giá độ tin cậy của hàm hồi quy thực nghiệm

Độ tin cậy được đánh giá bằng công thức [6]:

2 ,2 2

y

σ

−

=

( )

2 2

1

2

1

1 1 1 1

n

n

n

n

σ σ

−

−

∑

∑

Với:

i

i

y : Giá trị trung bình của Ra thực nghiệm

,

i

y : Giá trị đo độ nhám Ra theo hàm hồi quy thực nghiệm

Bảng 6 Kết quả các giá trị theo bảng

(m/phút)

S (mm/vòng)

t (mm)

H (mm) y i

,

i

y (y i−y i)2 ( ,)

y − y 2

1.1 100 0,1 1 0,25 1,06 1,04 0,1089 0,000266

1.3 100 0,1 1 0,75 1,35 1,32 0,0016 0,00049

1.5 100 0,1 1 1,25 1,46 1,45 0,0049 0,00007

1.7 100 0,1 1 1,75 1,58 1,55 0,0361 0,0008

Kết quả ta tính được: 0, 262 0, 0061

0, 262

* Ki ểm tra sự tồn tại của các hệ số A,B,C,D trong phương trình hồi quy

Sự có nghĩa của hệ số hồi quy được kiểm định theo tiêu chuẩn Student [6]:

i i bj

b t S

=

Trong đó:

bi là hệ số thứ i trong phương trình hồi quy

Sbi là độ lệch quân phương của hệ số thứ i,N: số lượng thí nghiêm

Mà ta có: S bj S th

N

=

Sth là phương sai tái hiện được tính theo công thức:

1

1 N

N

= ∑

Sj là phương sai mẫu thực nghiệm X

( )2 2

1

1 N

N

Xi: là giá trị H theo biến thực nghiệm ở lần đo thứ i

X : là giá trinh trung bình của H theo biến thực nghiệm

Bảng 7 Kết quả các giá trị theo bảng

1

1 N

i

Ta có:

1

1 1

(0, 096 0, 049 0, 017 0, 002 0, 002 0, 017 0, 048 0, 095) 8

N

N

Như vậy: 0, 041 0, 071

8

th bj

S S

N

Thay vào ta được biểu thức: i

i bj

b t S

=

0

0

0, 7993

11, 26

0, 071

t

0, 071

t

1

2

0, 727

10, 24

0, 071

t

0, 071

t

Theo đánh giá hàm student với xác suất tin cậy P=0,95 khi số lượng thí nghiệm m=N=8 t(Pym)=2,365 ≤ tinhư vậy các hệ số A,B,C,D thực sự tồn tại

3 KẾT LUẬN

Qua các phân tích và nghiên cứu ở trên cho thấy rằng khi tiện bề mặt côn, việc gá dao

cao hơn tâm một khoảng H sẽ ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công như sau:

- Đường sinh của bề mặt côn là một đường phi tuyến, Sự ảnh hưởng của chiều cao gá dao cao hơn tâm đến kích thước bán kính mặt côn tại một điểm cách mặt đầu của côn một khoảng x được biểu diễn qua phương trình: Rx = Đường kính của

bề mặt côn càng nhỏ thì độ không thẳng của đường sinh càng lớn

- Do mặt sau của dao cà sát vào bề mặt gia công nên độ nhám bề mặt gia công kém, độ cao H càng lớn thì độ nhấp nhô lớp bề mặt gia công càng cao Trong phạm vi thực nghiệm cắt thép 45 với vận tốc cắt V = 80m/phút; lượng chạy dao S = 0,1mm/vòng; chiều sâu cắt t = 1mm thì mối quan hệ giữa H và Ra được xác định bằng công thức:

Ra= 0,181X 3 – 0,727X 2 + 1,1479X+0,7993

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Quang Châu (dịch), Kỹ thuật tiện, NXB CNKT,1981

[2] Trần Văn Địch (chủ biên), Công nghệ chế tạo máy, NXB KHKT, 2008

[3] Bành Tiến Long, Trần Thế Lục, Trần Sỹ Túy, Nguyên lý gia công vật liệu, NXB Khoa học

và Kỹ thuật Hà Nôi, 2008

[4] Trần Đức Quý và các tác giả, Giáo trình công nghệ chế tạo máy, NXB Giáo dục, 2011

[5] Hoàng Phương, MATLAP giải trình đồ họa, NXB trẻ, TP Hồ Chí Minh, 2000

[6] Nguyễn Doãn Ý, Quy Hoạch thực nghiệm, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2003