Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến chất lượng và độ chính xác gia công khi tiện cứng thép hợp kim đã qua tôi bằng dụng cụ CBN trên trung tâm tiện CNC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐẶNG THỊ HỒNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN CHẤT LƯỢNG VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG KHI TIỆN CỨNG THÉP HỢP KIM ĐÃ QUA TÔI BẰNG DỤN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐẶNG THỊ HỒNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN CHẤT LƯỢNG VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG KHI TIỆN CỨNG THÉP HỢP KIM ĐÃ QUA TÔI BẰNG DỤNG CỤ

CBN TRÊN TRUNG TÂM TIỆN CNC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS:NGUYỄN VĂN HÙNG PHÒNG ĐÀO TẠO

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Đặng Thị Hồng, học viên lớp Cao học K15 – Kỹ Thuật Cơ Khí Sau hai năm học tập nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc biệt là sự giúp

đỡ của TS Nguyễn Văn Hùng, thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp của tôi, tôi đã đi đến cuối chặng đường để kết thúc khoá học

Tôi đã quyết định chọn đề tài tốt nghiệp là: “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến chất lượng và độ chính xác gia công khi tiện thép hợp kim

đã qua tôi bằng dụng cụ CBN trên trung tâm tiện CNC”

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của TS.Nguyễn Văn Hùng và chỉ tham khảo các tài liệu đã được liệt kê Tôi không sao chép công trình của các cá nhân khác dưới bất cứ hình thức nào Nếu có tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Người cam đoan

Đặng Thị Hồng

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin được cảm ơn TS.Nguyễn Văn Hùng - Thầy hướng dẫn khoa học của tôi về sự định hướng đề tài, sự hướng dẫn của thầy trong việc tiếp cận và khai thác các tài liệu tham khảo cũng như những chỉ bảo trong quá trình tôi viết luận văn Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn đến cô giáo Vũ Như Nguyệt và thầy giáo Hoàng Anh Toàn về sự giúp đỡ tận tình của thầy, cô trong quá trình tôi làm thí nghiệm và viết luận văn

Tôi cũng muốn cảm ơn ông giám đốc, cán bộ công nhân viên công ty trách nhiệm hữu hạn Vạn Xuân (Thành phố Sông Công), cơ khí máy và phụ tùng số 1 (Thành phố Sông Công) các cán bộ phụ trách trung tâm thí nghiệm trường Đại học

kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, trường Đại học bách khoa Hà Nội đã dành cho tôi những điều kiện thuận lợi nhất, giúp tôi hoàn thành nghiên cứu của mình

Cho tôi được gửi lời cảm ơn tới các cán bộ, nhân viên Xưởng cơ khí nơi tôi tiến hành thực nghiệm

Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn đối với gia đình tôi, các thầy cô giáo, các bạn đồng nghiệp đã ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình làm luận văn này!

Tácgiả

Đặng Thị Hồng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

2 MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

2.1 Mục đích 2

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

3.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 3

4.1 Ý nghĩa khoa học 3

4.2 Ý nghĩa thực tiễn 3

5 NỘI DUNG CÁC VẤN ĐỀ SẼ ĐI SÂU NGHIÊN CỨU 3

Chương I:NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TIỆN VÀ TIỆN CỨNG TRÊN TRUNG TÂM TIỆN CNC 4

1.1 Khái niệm chung về tiện cứng 4

1.2.Các yếu tố công nghệ của chế độ cắt khi tiện 5

1.3 Lực cắt, mòn và tuổi bền khi tiện cứng 7

1.3.1 Lực cắt khi tiện cứng 7

1.3.2 Mòn và tuổi thọ dụng cụ CBN 8

1.4.Chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công 9

1.4.1.Chất lượng bề mặt 9

1.4.2 Độ chính xác gia công 20

1.5.Quá trình tiện cứng 24

Kết luận chương I 25

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM TỐI ƯU HOÁ QUÁ TRÌNH CẮT KHI TIỆN CỨNG 26

2.2 Những định hướng khi nghiên cứu tối ưu hoá chế độ cắt khi tiện cứng vật liệu thép hợp kim đã qua tôi(cụ thể là thép20CrMoNi) bằng dụng cụ cắt CBN trên trung

tâm tiện CNC 27

2.3.Mô hình hoá toán học quá trình nghiên cứu 28

2.4.Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 30

2.4.1 Lý thuyết thực nghiệm 30

2.4.2 Cơ sở lý thuyết 31

2.4.3 Mô hình quy hoạch thực nghiệm 33

2.4.4 Quy hoạch và xử lý số liệu thực nghiệm trên máy tính 35

Kết luận chương II 36

CHƯƠNG III:THÍ NGHIỆM TIỆN CỨNG 37

3.1 Các giới hạn của thí nghiệm 37

3.2 Các thông số đầu vào của thí nghiệm 37

3.3 Các hàm mục tiêu 38

3.4 Xác đi ̣nh giá tri ̣ tối ưu của các yếu tố hàm mu ̣c tiêu 38

3.5 Xây dựng ma trận thí nghiệm 38

3.6 Xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm 39

3.6.1 Mô hình và trang thiết bị thí nghiệm 39

3.6.2 Tiến hành thí nghiệm 44

3.7 Kết quả quá trình thí nghiệm 47

3.7.1 Mòn dụng cụ CBN và nhám bề mặt 47

3.7.2 Xử lý kết quả thí nghiệm 54

3.8 Ứng dụng gia công chi tiết rôtuyn: 70

KẾT LUẬN CHƯƠNG III 79

PHẦN KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 80

TIẾP THEO CỦA ĐỀ TÀI 80

1 Kết luận chung 80

2 Hướng nghiên cứu trong tương lai 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

PHỤ LỤC 85

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

a: chiều dày lớp kim loại bị cắt

ap: chiều dày phoi

Kbd: mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi

Kms: mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của dao Ф: góc trượt

r: bán kính mũi dao

γ(hay γn) : góc trước của dao

Pz (hay Pc): lực tiếp tuyến khi tiện

Py (hay Pp): lực hướng kính khi tiện

Px: lực chiều trục khi tiện

S: lượng chạy dao(mm/vòng)

t: chiều sâu cắt(mm)

V: vận tốc cắt(m/phút)

As: diện tích của mặt phẳng cắt

Vs: vận tốc của vật liệu cắt trên mặt phẳng cắt

Ф: góc tạo phoi

γm: tốc độ biến dạng của các lớp phoi gần mặt trước

δt: chiều dày của vùng biến dạng thứ hai

VBave: chiều cao trung bình của vùng mòn mặt sau

τs: ứng suất tiếp trên vùng mòn mặt sau

µ: hệ số ma sát trên vùng ma sát thông thường của mặt trước µf: hệ số ma sát trên mặt sau

φ1: góc nghiêng phụ

hs: độ mòn giới hạn

Ra, Rz: độ nhám bề mặt khi tiện

Bảng 3.1:Các mức giá trị của biến thí nghiệm 37

Bảng 3.2:Ma trận quy hoạch thực nghiệm 39

Bảng 3.3: Thành phần hoá học của phôi thép 20CrMoNi (%) 42

Bảng 3.4: Nhâ ̣p các thông số thực nghiê ̣m vào Minitab 55

Bảng 3.5: Nhâ ̣p các thông số thực nghiê ̣m vào Minitab 61

Bảng 3.6:Bảng thông số đường kính trục sau 10 lần cắt của phôi số 1 65

Bảng 3.7: Đường kính trục tại 3 vị trí khác nhau phôi số2 85

Bảng 3.8: Đường kính trục tại 3 vị trí khác nhau phôi số3 85

Bảng 3.9: Đường kính trục tại 3 vị trí khác nhau phôi số 4 86

Bảng 3.10: Đường kính trục tại 3 vị trí khác nhau phôi số 5 86

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Chiều sâu cắt khi tiện 6

Hình 1.2 Lượng chạy dao - s 6

Hình 1.3 Ðộ nhám bề mặt 10

Hình 1.4 Quan hệ giữa bán kính mũi dao và chiều sâu lớp biến cứng với các lượng chạy dao khác nhau ( khi dao chưa bị mòn ) 13

Hình 1.5 Quan hệ giữa vận tốc cắt với chiều sâu lớp biến cứng ứng với các lượng mòn mặt sau khác nhau của dao tiện[34] 14

Hình 1.6 Ảnh hưởng của hình dạng lưỡi cắt và lượng chạy dao đến nhám bề mặt ( 54,7 HRC, chiều dài 101,6 mm ) 16

Hình 1.7 Ảnh hưởng của hình dạng lưỡi cắt và lượng chạy dao đến nhám bề mặt ( 51,3 HRC, chiều dài 101,6 mm ) 16

Hình 1.8.Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến nhám bề mặt khi gia côngthép 17

Hình 1.9 Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến nhám bề mặt khi gia công thép 18

Hình 1.10 Ảnh hưởng của độ cứng phôi và hình dạng lưỡi cắt đến nhám bề mặt khi gia công thép ( lượng chạy dao = 0.2 mm/vòng, chiều dài là = 203.2 mm ) 20

Hình 1.11: Hệ thống lực cắt khi tiện 21

Hình 1.12 Quan hệ giữa lượng tăng bán kính ∆r1 và X 22

Hình 1.13 Sự biến đổi về kích thước và hình dáng chi tiết trước khi tiện 22

Hình 1.14 : a) Trường phân bố nhiệt khi tiện 23

Hình 2.1 Mô hình tối ưu hoá quá trình cắt khi tiện 26

Hình 2.2: Sơ đồ thí nghiệm CCD 2 biến 34

Hình 3.1 Mô hình thí nghiệm 39

Hình 3.2 Thiết bị và sơ đồ thí nghiệm 40

Hình 3.3: Mảnh dao CBN sử dụng trong nghiên cứu 41

Hình 3.4: Thân dao gắn mảnh CBN sử dụng trong nghiên cứu 41

Hình 3.5: Phôi thí nghiệm 42

Hình 3.6: Thiết bị đo nhám 43

Hình 3.7: Mảnh dao CBN được đánh số khi gia công 44

Hình 3.8:Một số hình ảnh kết quả đo nhám 46

Hình 3.9: Kính hiển vi điện tử TM - 1000 46

Hình 3.11: Hình ảnh mòn mặt trước của dụng cụ thí nghiệm 49

Hình 3.12: Hình ảnh mòn mặt sau của dụng cụ thí nghiệm 50

Hình 3.13: 51

a Mòn mặt sau của mảnh dao CBN sau khi tiện 12,15 phút cho thấy hình ảnh gồ ghề của vùng mòn 51

b Hình ảnh phóng to của(a) 51

Hình 3.14 Mặt hồi qui và đồ thị đường mức của lượng mòn dụng cụ hs theo các thông số chế độ cắt: vận tốc cắt và lượng chạy dao 58

a) Thiết bị và chế độ thực nghiệm 59

Hình 3.15 Mặt hồi qui và đồ thị đường mức của độ nhám Ra theo các thông số chế độ cắt: vận tốc cắt và lượng chạy dao 63

Hình 3.16 Trường sai lệch hình dạng đường kính trụctại vị trí số 1(L=33) 68

Hình 3.17 Trường sai lệch hình dạng đường kính trụctại ví trí 2 (L = 66) 69

Hình 3.18 Trường sai lệch hình dạng trục tại ví trí 3 (L = 99) 69

PHẦN MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Tiện cứng là phương pháp gia công tiện sử dụng dao bằng vật liệu siêu cứng như: Nitrit bo, kim cương hoặc gốm tổng hợp để thay thế cho nguyên công mài khi

gia công thép hợp kim đã qua tôi đạt độ cứng từ 45 ÷ 65 HRC [15],[18],[30] So với

mài tiện cứng có nhiều ưu thế vượt trội về khía cạnh kinh tế và sinh thái [23,24] Tiện cứng có thể sử dụng một dụng cụ cắt để gia công nhiều chi tiết khác nhau còn đá mài ta phải thay đá hoặc sửa đá Đặc biệt hơn tiện cứng có thể gia công nhiều biên

dạng phức tạp, cấp chính xác của tiện cứng đạt IT 5÷7 và độ nhám bề mặt Rz là

2÷4µm Ở điều kiện gia công đặc biệt tiện cứng có thể đạt được cấp chính xác IT 3÷5 và độ nhám bề mặt Rz<1,5µm[16],[29] Bên cạnh đó tiện cứng còn có thể gia công khô mà không cần sử dụng dung dịch trơn nguội nên không ảnh hưởng đến môi trường và sức khoẻ người lao động [11],[21] Tuy nhiên tiện cứng cũng đòi hỏi máy,

hệ thống công nghệ có độ cứng vững và độ chính xác cao [12] Mặc dù đã có những

ưu thế nổi trội và đã đạt được sự tăng trưởng mạnh mẽ Trong những năm gần đây tiện cứng vẫn là một công nghệ gia công mới chưa được nghiên cứu đầy đủ và khi gia công chi tiết độ song song của hình trụ không chính xác Do độ tin cậy của quá trình chưa cao, chất lượng gia công thiếu ổn định và chi phí dụng cụ cắt lớn nên phạm

vi ứng dụng của công nghệ gia công tiên tiến này còn rất hạn chế [19],[29]

Chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công là một trong những yêu cầu quan trọng nhất đối với chi tiết máy vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc, độ bền, độ bền mòn cũng như tuổi thọ của chi tiết máy Độ chính xác gia công ảnh hưởng đến khả năng lắp ráp, khả năng làm việc, thay thế và sửa chữa Chất lượng bề mặt và

độ chính xác gia công chịu ảnh hưởng rất nhiều của các yếu tố công nghệ Đặc biệt

là các thông số chế độ cắt ( tốc độ cắt-V; lượng chạy dao - s và chiều sâu cắt – t) trong quá trình gia công

Gần đây đã có một số đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt sau khi gia công tiện cứng một số loại thép cơ bản như: 9XC, X12M, ШX15… Nhưng chỉ giới hạn ở việc nghiên cứu chất lượng bề mặt sau khi gia công

của em muốn nghiên cứu sâu hơn về sự ảnh hưởng của các yếu tố chế độ cắt đến đồng thời cả chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công khi tiện cứng bằng dụng cụ CBN

và ứng dụng vào thực tiễn chế tạo máy ở Việt nam Vì vậy em chọn đề tài “Nghiên

cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến chất lượng và độ chính xác gia công khi tiện cứng thép hợp kim đã qua tôi bằng dụng cụ CBN trên trung tâm tiện CNC”

2 MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

2.1 Mục đích

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế

độ cắt đến chất lượng và độ chính xác gia công khi tiện cứng thép hợp kim đã qua tôi trên trung tâm tiện CNC bằng dao tiện CBN Cụ thể là:

-Nghiên cứu đồng thời cả chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công khi tiện bằng dao tiện CBN trên trung tâm tiện CNC khi tiện thép hợp kim

20XMN(20CrMoNi) đã qua tôi đạt độ cứng 60 HRC để tiện ra chi tiết rotuyn

-Xác định được chế độ cắt hợp lý để đạt được chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công Để từ đó tối ưu hoá quá trình gia công tiện cứng, tìm ra được sự ảnh hưởng của thông số công nghệ nào là lớn nhất ảnh hưởng đến chất lượng và độ chính xác gia công

-Làm tài liệu tham khảo về chế độ cắt khi tiện cứng đến chất lượng và độ chính

xác gia công

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

-Đối tượng nghiên cứu của đề tài dùng 10 phôi thép hợp kim

20XMN(20CrMoNi) được dùng khá phổ biến trong ngành công nghệ chế tạo máy

ở nước ta hiện nay để chế tạo ra chi tiết rotuyn

-Phạm vi nghiên cứu của đề tài

+Nghiên cứu tổng quan về công nghệ tiện cứng thép hợp kim đã qua tôi bằng dao cắt CBN

+Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khi tiện cứng đến chất lượng và độ chính xác gia công

+Ứng dụng kết quả nghiên cứu để chế tạo ra chi tiết rôtuyn

3.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm.Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và phân tích các công trình nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực của đề tài, kết hợp với quy hoạch thực nghiệm để tìm miền tối ưu của các thông số chế độ cắt khi tiện cứng thép hợp kim đã qua tôi đạt độ cứng 60 HRC Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trên máy tiện CNC có sử dụng các thiết bị đo hiện đại có độ chính xác cao

4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

4.1 Ý nghĩa khoa học

Các kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở khoa học để ứng dụng công nghệ tiện cứng trong chế tạo các sản phẩm đòi hỏi cả chất lượng bề mặt lẫn độ chính xác gia công góp phần mở rộng phạm vi ứng dụng công nghệ tiện cứng vào thực tiễn sản xuất

ở nước ta

4.2 Ý nghĩa thực tiễn

Các kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng tại các nhà máy Quá trình ứng dụng các kết quả nghiên cứu sẽ cho phép ta mở rộng phạm vi gia công của ngành chế tạo máy nói chung và công nghệ tiện cứng nói riêng Góp phần tạo ra các sản phẩm có chất lượng tốt, giá thành hạ và nâng cao khả năng ứng dụng vào thực tiễn một phương pháp gia công tinh linh hoạt, thân thiện với môi trường với chi phí đầu tư thấp phù

hợp với điều kiện sản xuất ở nước ta

5 NỘI DUNG CÁC VẤN ĐỀ SẼ ĐI SÂU NGHIÊN CỨU

-Nghiên cứu tổng quan về tiện cứng:

-Xây dựng mô hình nghiên cứu và hệ thống quy hoạch thực nghiệm từ đó tối ưu hoá quá trình gia công

-Triển khai kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất của việt nam

-Hướng nghiên cứu tiếp theo

Chương I:

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TIỆN

VÀ TIỆN CỨNG TRÊN TRUNG TÂM TIỆN CNC

1.1 Khái niệm chung về tiện cứng

Thuật ngữ tiện cứng(Hardturning)là phương pháp gia công tiện các chi tiết có

độ cứng cao(45 ÷ 70HRC) Tiện cứng được tiến hành cắt khô hoặc gần như cắt khô

và phổ biến sử dụng dao bằng vật liệu siêu cứng như: Nitrit bo lập phương đa tinh thể(CBN), PCD, kim cương hoặc ceramic tổng hợp để thay thế cho nguyên công mài

khi gia công thép hợp kim đã qua tôi đạt độ cứng từ 45÷70 HRC [15],[18],[30]

Tiện cứng là một phương pháp gia công tinh lần cuối sử dụng dao cắt với lưỡi cắt có hình dáng hình học xác định để gia công chi tiết đòi hỏi có độ chính xác và chất lượng bề mặt cao Nghiên cứu về tiện cứng nhằm tìm ra các thông số gia công thích hợp để tối ưu hoá quá trình gia công đạt các chỉ tiêu tốt nhất về kỹ thuật là rất cần thiết

So với mài tiện cứng có nhiều ưu thế vượt trội về khía cạnh kinh tế và sinh thái [23,24] Tiện cứng có thể sử dụng một dụng cụ cắt để gia công nhiều chi tiết khác nhau còn đá mài ta phải thay đá hoặc sửa đá Chi phí đầu tư cho một máy tiện CNC chỉ bằng 1/2 đến 1/10 máy mài[10] Ngoài ra công nghệ này còn góp phần hình thành nên một nền sản xuất công nghiệp bền vững, chất lượng bề mặt khi gia công bằng phương pháp tiện cũng có một số ưu điểm hơn so với mài như: Ảnh hưởng nhiệt đến

bề mặt gia công nhỏ do chiều dài và thời gian tiếp xúc giữa dụng cụ và phôi ngắn, lớp ứng suất dư nén bề mặt có chiều sâu lớn nhưng vẫn giữ được độ chính xác và kích thước, hình dáng và tính nguyên vẹn của bề mặt [14] ,[16] ,[20] ,[27] Đặc biệt hơn tiện cứng có thể gia công nhiều biên dạng phức tạp, các chi tiết có dạng hình

cầu…cấp chính xác của tiện cứng đạt IT 5÷7 và độ nhám bề mặt Rz là 2÷4µm Ở điều kiện gia công đặc biệt tiện cứng có thể đạt được cấp chính xác IT 3÷5 và độ nhám

bề mặt Rz<1,5µm[16],[19 ] Bên cạnh đó tiện cứng còn có thể gia công khô mà không

cần sử dụng dung dịch trơn nguội nên không ảnh hưởng đến môi trường và sức khoẻ người lao động [11],[21] Do có nhiều ưu điểm nên tiện cứng được bắt đầu giới thiệu rộng rãi và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực chế tạo cơ khí từ những năm 1980 Gia công cứng đã phát triển đáng kể trong các phương pháp gia công khác nhau như: Phay cứng, khoan, chuốt, phay lăn răng và những hình thức khác cùng với sự phát triển của dụng cụ cắt, vật liệu dụng cụ cắt siêu cứng và các thiết kế dụng cụ cắt đặc biệt, chế độ cắt hợp lý đã làm cho việc gia công các vật liệu cứng trở lên dễ dàng hơn

Nó là một bước đi tiên phong được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp như một phương tiện nâng cao khả năng gia công các chi tiết chịu tải trọng Đặc biệt là công nghiệp chế tạo ô tô để chế tạo ra nhiều chi tiết như: Vòng bi, chế tạo khuôn và khuôn mẫu cũng như các thành phần khác cho các ngành công nghiệp tiên tiến

Thép sau khi tôi là thành phần điển hình được gia công cứng với độ cứng trên lớp bề mặt có chiều sâu chỉ 1mm cho nó có khả năng chống mài mòn và độ bền cơ học cao Thép này được sử dụng để chế tạo ra các chi tiết Bao gồm: Bánh răng, các loại trục, trục cam, khớp các đăng và các thiết bị cho ngành giao thông vận tải nói riêng và ngành cơ khí nói chung

Tuy nhiên tiện cứng cũng còn nhiều hạn chế như: Chi phí dụng cụ cho mỗi đơn

vị là cao hơn đáng kể so với mài, đòi hỏi máy, hệ thống công nghệ có độ cứng vững

và độ chính xác cao[12] Mặc dù đã có những ưu thế nổi trội và đã đạt được sự tăng trưởng mạnh mẽ Trong những năm gần đây tiện cứng vẫn là một công nghệ gia công mới chưa được nghiên cứu đầy đủ và khi gia công chi tiết hay bị méo, độ song song của hình trụ không chính xác Do độ tin cậy của quá trình chưa cao, chất lượng gia công thiếu ổn định và chi phí dụng cụ cắt lớn nên phạm vi ứng dụng của công nghệ gia công tiên tiến này còn rất hạn chế [19],[29]

1.2.Các yếu tố công nghệ của chế độ cắt khi tiện

* Chiều sâu cắt t (mm)

Là khoảng cách giữa bề mặt chưa gia công và bề mặt đã gia công theo phương vuông góc với bề mặt đã gia công trong một lần cắt

Trong đó: D: là đường kính phôi(mm)

d: Là đường kính chi tiết hình thành sau mỗi lần cắt(mm)

Hình 1.1 Chiều sâu cắt khi tiện

* Lượng chạy dao s

Là lượng dịch chuyển của một điểm trên lưỡi cắt theo phương chạy dao trong một đơn vị qui ước

Hình 1.2 Lượng chạy dao - s

t

Ăn dao

s

n:Là số vòng quay của phôi (vòng/phút)

1.3 Lực cắt, mòn và tuổi bền khi tiện cứng

độ dẻo kém làm giảm lực cắt mặc dù độ bền cao của vật liệu cứng[1]

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 [8]đã kết luận có một mối liên hệ chặt chẽ giữa lực cắt và điều kiện cắt Yong Huang

và Liang [30]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 62HRC với hai loại dụng cụ CBN hàm lượng CBN cao và thấp Kết quả cho thấy, lực hướng kính và lực tiếp tuyến có giá trị nhỏ hơn, nhiệt độ trên bề mặt tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ có giá trị cao hơn khi sử dụng dao với hàm lượng CBN thấp Chen 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 Ozel và cộng sự cũng kết luận, lực cắt khi gia công bằng dụng cụ CBN nhạy cảm với sự thay đổi của các thông số hình học của dụng cụ và mòn dụng cụ Bề mặt của sản phẩm khi gia công bằng dụng cụ CBN cũng tương đương như bề mặt được mài Thêm nữa, lực cắt cũng như nhám bề mặt còn bị ảnh hưởng bởi thông số hình học của dụng cụ Dụng cụ với cạnh lưỡi cắt mài tròn sẽ làm

dụng các kết quả từ mô hình cơ nhiệt của mặt phẳng trượt khi cắt trực giao có kể ảnh hưởng của biến dạng, tốc độ biến dạng, nhiệt độ và độ cứng phôi ban đầu, Yan

và cộng sự kết luận rằng lực ăn dao có giá trị lớn nổi trội trong các thành phần lực cắt khi tiện cứng chính xác bằng dụng cụ CBN Lực cắt, đặc biệt là lực ăn dao, tăng khi tăng lượng chạy dao và bán kính vê tròn cạnh lưỡi cắt

1.3.2 Mòn và tuổi thọ dụng cụ CBN

Các dạng mòn và cơ chế mòn dụng cụ CBN

Mòn và tuổi thọ dụng cụ là tiêu chuẩn thông thường nhất dùng để đánh giá hiệu suất của dụng cụ cắt, khả năng gia công của vật liệu và là một trong những chỉ tiêu được quan tâm nhất khi chọn dụng cụ cắt và điều kiện gia công Tương tự như các vật liệu dụng cụ cắt thông thường, mòn mặt trước và mặt sau là hai dạng hỏng chủ yếu của dao tiện CBN Tuy nhiên, mòn mặt trước ở dụng cụ CBN bắt đầu từ rất gần lưỡi cắt và lưỡi cắt của mảnh dao CBN không bị biến dạng khi cắt

Trong khi có một vài lý thuyết khác nhau liên quan đến các cơ chế mòn xuất hiện trong quá trình tiện cứng bằng dụng cụ CBN, có một sự thống nhất chung cho rằng mòn gây ra bởi sự kết hợp của một vài cơ chế Các cơ chế thông thường nhất được sử dụng để giải thích quá trình mòn dụng cụ CBN bao gồm mài mòn, dính và khuếch tán và mòn do tương tác hóa học

Các nhân tố ảnh hưởng đến mòn dụng cụ CBN

Các nhân tố đã được nhận biết có ảnh hưởng quyết định đến tuổi thọ và hiệu suất dụng cụ CBN bao gồm: thành phần của vật liệu phôi và dụng cụ, thông số hình học của dao, điều kiện gia công và độ cứng vững của hệ thống công nghệ

+) Thành phần của vật liệu dụng cụ: Là nhân tố quan trọng có ảnh hưởng đáng

kể tới mòn dụng cụ Với hai loại vật liệu CBN có thành phần CBN cao và thấp, cả giá trị nhám bề mặt gia công và mòn dụng cụ ở vật liệu có thành phần CBN cao đều lớn hơn vật liệu có thành phần CBN thấp và CBN thấp có khả năng chống mòn nhiệt tốt hơn [22], [28] Tốc độ mòn có quan hệ gần như tuyến tính với vận tốc cắt và sự khác nhau về tốc độ mòn của hai loại vật liệu CBN tăng theo vận tốc cắt[22]

+) Thông số hình học của dụng cụ: Các thông số góc vát cạnh lưỡi cắt, chiều rộng vát cạnh lưỡi cắt, cung mài tròn cạnh lưỡi cắt có ảnh hưởng quyết định đến tuổi thọ của dụng cụ cắt Góc trước âm sẽ làm tăng tuổi thọ dụng cụ CBN [22] Việc tăng bán kính mũi dao sẽ làm tăng mức độ mòn mặt sau vì làm giá trị của các thành phần lực cắt tăng, chủ yếu là lực dọc trục và lực hướng kính

+)Vật liệu phôi: Mòn dụng cụ CBN phụ thuộc vào thành phần cấu trúc tế vi của vật liệu phôi như thành phần và kích thước của các hạt cacbit, thành phần

mactenxit [28] Nghiên cứu cũng cho thấy trong quá trình bóc vật liệu ở tốc độ cao, mòn dụng cụ CBN phụ thuộc vào loại, kích thước và thành phần của các pha cứng trong phôi và cả các hạt CBN bị tách ra từ vật liệu dụng cụ

+) Hệ thống gia công: Bao gồm dụng cụ cắt, cán dao, đồ gá, trục chính máy gia công và nền móng đặt máy Điều kiện tiếp xúc giữa phôi và dụng cụ quyết định

cơ chế mòn dụng cụ CBN và chúng được điều khiển bởi nhiều nhân tố Ngoài thành phần vật liệu dụng cụ CBN và vật liệu phôi, các thông số hình học của dụng cụ, còn

có độ ổn định của hệ thống công nghệ [8], [17] Bất kỳ sự không ổn định nào trong máy gia công cũng sẽ có ảnh hưởng tiêu cực tới mòn dụng cụ, chất lượng và độ chính xác gia công

1.4.Chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công

1.4.1.Chất lượng bề mặt

a.Khái niệm chung về lớp bề mặt

Bề mặt là sự phân cách giữa hai môi trường khác nhau Bề mặt kim loại có thể được tạo thành bằng các phương pháp gia công khác nhau nên có cấu trúc và đặc tính khác nhau Để xác định được đặc trưng của lớp bề mặt nhau ta cần biết mô hình và định luật của kim loại nguyên chất không có tương tác với môi trường khác và sự khác nhau về sự sắp xếp các nguyên tử, tác dụng của lực trên bề mặt so với bên trong Sau đó nghiên cứu sự thay đổi của lớp bề mặt do tác động của môi trường để thiết lập khái niệm mô hình bề mặt thực

Thường các tính chất hoá, lý của lớp bề mặt là quan trọng Tuy nhiên, các đặc trưng

cơ học như độ cứng và phân bố ứng suất trong lớp này cũng được quan tâm[6]

b.Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng lớp bề mặt sau gia công cơ

*Độ nhám bề mặt và phương pháp đánh giá

-Độ nhám bề mặt

Độ nhám bề mặt hay còn gọi là độ nhấp nhô tế vi là tập hợp tất cả các bề mặt lồi lõm với bước cực nhỏ và được quan sát trong phạm vi chiều dài chuẩn rất ngắn[5] Chiều dài chuẩn L là chiều dài để đánh giá các thông số của độ nhám bề mặt(l=0.01÷25mm)

Độ nhám bề mặt gia công đã được phóng đại lên nhiều lần thể hiện trên hình 1-3

tới đường trung bình Đường trung bình (m) là đường chia profin bề mặt sao cho trong phạm vi chiều dài chuẩn l tổng diện tích hai phía của đường chuẩn bằng nhau.Ra

được xác định theo công thức

Ra=1

𝑙∫ 𝑌𝑥01 𝑑𝑥 =1

𝑛∑𝑛𝑖=1𝑌𝑖+Rz là chiều cao nhấp nhô profin theo mười điểm, là trị số trung bình của tổng các giá trị tuyệt đối của chiều cao năm đỉnh cao nhất và năm đáy thấp nhất của profin trong chiều dài chuẩn l Rz được xác định theo công thức

Rz=(ℎ1+ℎ3+ℎ5+⋯+ℎ9)−(ℎ2+ℎ4+⋯+ℎ10)

5

Ngoài ra độ nhám bề mặt được đánh giá qua chiều cao nhấp nhô lớn nhất Rmax Chiều cao nhấp nhô Rmax là khoảng cách giữa hai đỉnh cao nhất và thấp nhất của nhám(profin bề mặt trong giới hạn chiều dài chuẩn l)

*Độ sóng bề mặt:

Chu kì không bằng phẳng của chi tiết gia công được quan sát trong phạm vi khoảng lớn tiêu chuẩn(từ 1 đến 10mm) được gọi là độ sóng bề mặt Nguyên nhân xuất hiện độ sóng bề mặt là do rung động của hệ thống công nghệ Do quá trình cắt liên tục, độ đảo của dụng cụ cắt… Thông thường độ sóng bề mặt xuất hiện khi gia công các chi tiết có kích thước vừa và lớn bằng các phương pháp tiện, phay,mài…

xác thì chiều sâu cắt nằm trong khoảng từ 0,02 đến 0,3mm Do đó lực cắt sẽ không cao, đồng thời yêu cầu độ cứng vững công nghệ cao dẫn đến rung động nhỏ Do đó

độ sóng bề mặt nhỏ Vì vậy đề tài không đánh giá độ sóng bề mặt

*Tính chất cơ lý của lớp bề mặt sau gia công cơ

-Hiện tượng biến cứng của lớp bề mặt

Trong quá trình gia công cơ, dưới tác dụng của lực cắt, mạng tinh thể của lớp kim loại bị xô lệch và biến dạng dẻo ở vùng trước và sau lưỡi cắt …Kết quả là lớp

bề mặt kim loại bị cứng nguội và có độ cứng tế vi rất cao Mức độ biến cứng và chiều sâu lớp biến cứng phụ thuộc vào các phương pháp gia công cơ và các thông số hình học của dao Cụ thể là phụ thuộc vào lực cắt, mức độ biến dạng dẻo của kim loại

và nhiệt trong vùng cắt Lực cắt làm cho mức độ biến dạng dẻo tăng, kết quả là chiều sâu lớp biến cứng và biến cứng bề mặt tăng Nhiệt sinh ra trong vùng cắt sẽ hạn chế sự biến cứng lớp bề mặt Như vậy mức độ biến cứng của lớp bề mặt phụ thuộc vào tỷ lệ tác động giữa 2 yếu tố Đó là: Lực cắt và nhiệt cắt sinh ra trong vùng cắt

Qua nghiên cứu bằng mô hình nhiệt cắt đồng thời tiến hành thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của bán kính mũi dao đến chiều sâu lớp biến cứng(lớp trắng) trong tiện cứng của Kevin Chou và Huisong Kết quả đều cho thấy chiều sâu lớp biến cứng phụ thuộc vào bán kính mũi dao.Hình 1.4

Hình 1.4 Quan hệ giữa bán kính mũi dao và chiều sâu lớp biến cứng với các

lượng chạy dao khác nhau ( khi dao chưa bị mòn )

Khi dao còn mới(chưa bị mòn)chiều sâu lớp biến cứng giảm khi tăng bán kính mũi dao do chiều dày lớp phoi không được cắt nhỏ Tuy nhiên khi dao bị mòn nhiều thì chiều sâu lớp biến trắng lại tăng theo bán kính mũi dao Bởi vì khoảng cách giữa lưỡi cắt và bề mặt gia công là nhỏ hơn

Kenvin Chou và đồng nghiệp cũng chứng tỏ chiều sâu lớp biến cứng phụ thuộc vào vận tốc cắt như đồ thị hình 1.5

Chiều sâu lớp biến cứng tăng theo vận tốc cắt Với cùng vận tốc cắt

(v=2÷4m/s) thì dao bị mòn nhiều hơn thì sẽ tạo ra lớp biến cứng có chiều dày lớn hơn khá nhiều với dao chưa bị mòn

Hình 1.5 Quan hệ giữa vận tốc cắt với chiều sâu lớp biến cứng ứng với các lượng

mòn mặt sau khác nhau của dao tiện[34]

Bề mặt lớp biến cứng có tác dụng làm tăng độ bền mỏi của chi tiết khoảng 20%, tăng độ chống mòn lên khoảng 2 đến 3 lần Mức độ biến cứng và chiều sâu của nó có khả năng hạn chế gây ra các vết nứt tế vi làm phá hỏng chi tiết Tuy nhiên bề mặt quá cứng lại làm giảm độ bền mỏi chi tiết[5]

Quá trình hình thành ứng suất dư bề mặt sau gia công cơ phụ thuộc vào biến trị

số, dấu và chiều sâu phân bố ứng suất dư Trị số và dấu phụ thuộc vào biến dạng đàn hồi của vật liệu gia công, chế độ cắt, thông số hình học của dụng cụ cắt và dung dịch trơn nguội

*Các nguyên nhân chủ yếu gây ra ứng suất dư

+Khi gia công trường lực xuất hiện gây ra biến dạng dẻo không đồng đều trong lớp bề mặt Khi trường lực mất đi biến dạng dẻo gây ra ứng suất dư trong lớp bề mặt +Biến dạng dẻo làm tăng thể tích riêng của lớp kim loại mỏng ngoài cùng Lớp kim loại bên trong thể tích riêng không thay đổi Do đó không bị biến dạng dẻo Lớp kim loại ngoài cùng gây ra ứng suất dư nén còn lớp kim loại bên trong gây ra ứng suất dư kéo để cân bằng

+Nhiệt sinh ra ở vùng cắt lớn sẽ nung nóng cục bộ các lớp mỏng bề mặt làm môđun đàn hồi của vật liệu giảm Sau khi cắt lớp vật liệu này sinh ra ứng suất dư kéo

do bị nguội nhanh và co lại cân bằng phải sinh ra ứng suất dư nén để cân bằng +Trong quá trình cắt thể tích của kim loại bị thay đổi vì bị chuyển pha và nhiệt sinh ra trong vùng cắt làm thay đổi cấu trúc vật liệu Lớp kim loại nào hình thành cấu trúc có thể tích riêng lớn sẽ hình thành ứng suất dư nén và ngược lại sẽ sinh ra ứng suất dư kéo để cân bằng

*Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất dư trong lớp bề mặt của chi tiết sau gia công cơ như sau:

+Tăng tốc độ cắt-v hoặc tăng lượng chạy dao-s có thể làm tăng hoặc giảm ứng suất dư

+Lượng chạy dao-s làm tăng chiều sâu ứng suất dư

+Góc trước γ âm gây ra ứng suất dư nén-ứng suất dư có lợi

+Khi gia công vật liệu giòn hoặc dụng cụ cắt có lưỡi cắt gây ra ứng suất dư nén còn vật liệu dẻo gây ra ứng suất dư kéo

Ứng suất dư nén trong lớp bề mặt làm tăng độ bền mỏi của chi tiết còn ứng suất

dư kéo làm giảm độ bền mỏi

c.Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt

*Ảnh hưởng của các thông số hình học của dụng cụ cắt

Khi tiến hành thí nghiệm với thép AISI H13, Tugrul Ozel và đồng nghiệp đã chỉ ra được ảnh hưởng của lượng chạy dao và hình dạng lưỡi cắt đến nhám bề mặt

Đồ thị các thông số nhám bề mặt được biểu diễn như trên hình 1.6 và hình 1.7

Hình 1.6 Ảnh hưởng của hình dạng lưỡi cắt và lượng chạy dao đến nhám bề

Hình vẽ này nói lên ảnh hưởng chính của lượng chạy dao và hình dạng lưỡi cắt đến nhám bề mặt

Hình 1.6 biểu diễn ảnh hưởng của lượng chạy dao và hình dạng lưỡi cắt đến thông số nhám Ra khi độ cứng phôi là 54,7 HRC, tốc độ cắt là 200(m/ph) và chiều dài cắt là 101,6(mm)

Hình 1.7 biểu diễn ảnh hưởng của lượng chạy dao và hình dạng lưỡi cắt đến thông số nhám Ra khi độ cứng phôi là 51,3 HRC, tốc độ cắt là 100(m/ph) và chiều dài cắt là 101,6(mm)

Hai hình trên cho thấy rằng tất cả sự chuẩn bị giới hạn đều trùng nhau ở lượng chạy dao thấp nhất(0,05mm/vòng) Tuy nhiên với tốc độ cắt đã chọn thì khi phôi có

độ cứng cao hơn thì nhám bề mặt tốt hơn và ngược lại Rõ ràng với mỗi hình dạng lưỡi cắt khác nhau thì lượng chạy dao cũng có ảnh hưởng đến nhám bề mặt Đặc biệt nhám bề mặt tăng khi lượng chạy dao tăng và nó tỷ lệ với bình phương lượng chạy dao

*Ảnh hưởng của tốc độ cắt

Tốc độ cắt có ảnh hưởng rất lớn đến nhám bề mặt (hình 1.8)

Hình 1.8.Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến nhám bề mặt khi gia côngthép

Theo[2], khi cắt thép các bon(kim loại dẻo) ở tốc độ thấp, nhiệt cắt không cao, phoi kim loại dễ tách, biến dạng của lớp kim loại không nhiều Vì vậy độ nhám bề mặt thấp Khi tăng tốc độ ctốc độ cắt lên 15÷20(m/ph) thì nhiệt cắt và lực cắt đều

lớp kim loại bị nén chặt ở mặt trước dao và nhiệt độ cao làm tăng hệ số ma sát ở vùng cắt sẽ hình thành lẹo dao Lẹo dao làm tăng độ nhám bề mặt gia công Nếu tiếp tục tăng tốc độ cắt, lẹo dao bị nung nóng nhanh hơn, vùng kim loại bị phá huỷ, lực dính của lẹo dao không thắng được lực ma sát ở dòng phoi và lẹo dao bị cuốn đi (lẹo dao biến mất ứng với tốc độ cắt trong khoảng 30÷60(m/ph)) Với tốc độ cắt lớn (>60m/ph) thì lẹo dao không hình thành được nên độ nhám bề mặt gia công giảm

Trong tiện cứng sử dụng mảnh dao CBN thường gia công với tốc độ cắt 100

÷250(m/ph) Trong khoảng tốc độ cắt này thì lẹo dao rất khó có thể hình thành Vì thế tiện cứng cho phép giảm độ nhám bề mặt bằng cách tăng tốc độ cắt

*Ảnh hưởng của lượng chạy dao

Lượng chạy dao ngoài ảnh hưởng mang tính chất hình học còn ảnh hưởng lớn đến mức độ biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi ở bề mặt gia công làm cho độ nhám thay đổi Hình 1.9 biểu diễn mối quan hệ giữa lượng chạy dao s với chiều cao nhấp nhô tế vi Rz khi gia công thép các bon

Hình 1.9 Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến nhám bề mặt khi gia công thép

Khi gia công với lượng chạy dao 0.02÷0.15(mm/vòng) thì bề mặt gia công có

độ nhấp nhô tế vi giảm Nếu s < 0.02(mm/vòng) thì độ nhấp nhô tế vi sẽ tăng lên(tức

là độ nhẵn bề mặt giảm xuống) Vì ảnh hưởng của biến dạng dẻo lớn hơn ảnh hưởng của các yếu tố hình học Nếu lượng chạy dao s>0.15(mm/vòng) thì biến dạng đàn

hồi sẽ ảnh hưởng đến sự hình thành các nhấp nhô tế vi Đồng thời kết hợp với ảnh hưởng của các yếu tố hình học làm tăng nhám bề mặt

Để đảm bảo độ nhẵn bóng bề mặt và năng suất gia công, đối với thép các bon người ta người ta thường chọn giá trị của lượng chạy dao s trong khoảng từ 0.05÷0.12(mm/vòng)

*Ảnh hưởng của chiều sâu cắt

Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến nhám bề mặt là không đáng kể Tuy nhiên nếu chiều sâu cắt quá lớn sẽ dẫn đến rung động trong quá trình cắt tăng Do đó làm tăng

độ nhám Ngược lại nếu chiều sâu cắt quá nhỏ sẽ làm cho dao bị trượt trên bề mặt gia công và xảy ra hiện tượng cắt không liên tục

*Ảnh hưởng của vật liệu gia công

Vật liệu gia công(hay tính gia công của vật liệu) ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt chủ yếu là do khả năng biến dạng dẻo[28]

*Ảnh hưởng của rung động của hệ thống công nghệ

Quá trình rung động của hệ thống công nghệ tạo ra chuyển động tương đối có chu kỳ giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công dẫn đến làm thay đổi điều kiện ma sát gây lên độ sóngvà độ nhấp nhô tế vi trên chi tiết gia công Trước hết cần phải đảm bảo độ cứng vững của hê thống công nghệ[2],[5]

*Ảnh hưởng của độ cứng của vật liệu gia công

Tugrul Ozel và đồng nghiệp đã chỉ ra rằng ảnh hưởng của độ cứng và hình dạng lưỡi cắt cũng có ảnh hưởng đến nhám bề mặt Dựa trên các phân tích trước ảnh hưởng chính của sự tương tác giữa hình dạng lưỡi cắt và độ cứng phôi được thống kê có ý nghĩa quan trọng với các thông số nhám bề mặt Ra

Đặc tính và độ cứng phôi có ảnh hưởng đến chất lượng và độ bền của bề mặt gia công cuối Dụng cụ CBN phải phù hợp với các loại vật liệu phôi khác nhau để thuận lợi cho việc gia công lần cuối Ở đây vật liệu gia công thường có độ cứng nằm trong khoảng từ 45÷70 HRC

Hình 1.10 Ảnh hưởng của độ cứng phôi và hình dạng lưỡi cắt đến nhám bề mặt khi gia côngthép ( lượng chạy dao = 0.2 mm/vòng, chiều dài là = 203.2 mm )

Các nghiên cứu gần đây của Chou và đồng nghiệp, Thiele và đồng nghiệp, Ozel

và đồng nghiệp với các loại vật liệu khác nhau cho thấy khi độ cứng vật liệu phôi tăng thì nhám bề mặt giảm, ngoài ra độ cứng của phôi còn ảnh hưởng đến mòn và tuổi bền của dao

1.4.2 Độ chính xác gia công

a Khái niệm về độ chính xác gia công

- Độ chính xác gia công của chi tiết máy là mức độ giống nhau về hình học, về tính chất cơ lý của lớp bề mặt chi tiết máy được gia công so với chi tiết máy lý tưởng trên bản vẽ thiết kế Đây là chỉ tiêu khó đạt được nhất và gây tốn kém nhất kể cả trong quá trình xác lập ra nó cũng như trong quá trình chế tạo

-Độ chính xác về vị trí tương quan được đánh giá theo sai số về góc yêu cầu giữa vị trí bề mặt này với bề mặt kia trong hai mặt phẳng toạ độ vuông góc với nhau -Độ chính xác hình học đại quan là mức độ phù hợp lớn nhất của chúng với hình dáng hình học lý tưởng của nó

-Độ sóng bề mặt là chu kỳ không bằng phẳng của bề mặt chi tiết được quan sát trong phạm vi nhỏ(từ 1÷100mm)

-Sai lệch hình học tế vi Đây là sai số bề mặt thực quan sát trong một miền rất nhỏ khoảng 1mm2

-Tính chất cơ lý của lớp bề chi tiết gia công là một trong những chỉ tiêu quan trọng của độ chính xác gia công Nó ảnh hưởng lớn đến điều kiện làm việc của chi tiết máy

b Các nguyên nhân gây ra sai số gia công

*Ảnh hưởng do độ biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ MGDC( máy, đồ gá, dao, chi tiết gia công)

Khi chịu lực tác dụng hệ thống công nghệ sẽ bị biến dạng đàn hồi và biến dạng tiếp xúc Trong quá trình cắt gọt các biến dạng này gây ra sai số kích thước và sai số hình dáng hình học của chi tiết gia công

-Ảnh hưởng của lực cắt Hệ thống lực cắt khi tiện được mô tả sơ bộ như hình 1.11 Nó được phân tích thành 3 thành phần Đó là: Lực tiếp tuyến Pz, lực hướng kính

Py, lực ngược hướng chuyển động của dao Px Trong đó Pz là lực cắt chính

P= Px + Py +Pz

Hình 1.11: Hệ thống lực cắt khi tiện

Trong gia công cứng lực xuyên tâm(lực đẩy) thành phần của lực cắt lớn hơn so với lực tiếp tuyến(lực cắt) thành phần và sự khác biệt làm tăng đáng kể mòn mặt sau Điều này là do sự đàn hồi của vật liệu phôi khi gia công Lực đẩy lớn là nguyên nhân chính dẫn đến sai số kích thước trong gia công cứng

Py

Px

Pz

P Pz

Py

Hình 1.11 H? th?ng l? c c?t khi ti?n

những gây ra sai số kích thước mà còn cả sai số hình dáng Nó làm cho trục đang tiện

có dạng lõm ở giữa và loe hai đầu to ra khi tiện trục trơn[2] như hình 1.12

Hình 1.12 Quan hệ giữa lượng tăng bán kính ∆r1 và X

Hình 1.13 Sự biến đổi về kích thước và hình dáng chi tiết trước khi tiện

-Ảnh hưởng của mòn dao gây lên sai số kích thước

-Ảnh hưởng do sai số của phôi làm cho chiều sâu cắt và lực cắt thay đổi dẫn đến sai số hình dạng

*Ảnh hưởng của độ chính xác của máy, dao, đồ gá và tình trạng mòn của chúng đến

độ chính xác gia công

-Sai số của máy công cụ dẫn đến sai số kích thước và hình dạng

-Sai số của đồ gá gây lên sai số gia công

-Sai số của dụng cụ cắt làm ảnh hưởng đến độ chính xác gia công

*Ảnh hưởng do biến dạng nhiệt của hệ thống công nghệ MGDC đến độ chính xác gia công

= L

J L

+ L

v? c?a mui tâm

Hình 1.12 Quan h? gi?a lu?ng tang bán kính và x1 + 2 ? r1

1 2

Hình 1.13 S? bi?n d?i v? kích thu?c và hình dáng chi ti?t tr?c khi ti?n

∆r1 min

của mũi tâm

Trong quá trình gia công, hệ thống công nghệ MGDC đều bị nóng lên do ma sát, do nhiệt cắt truyền vào và do ảnh hưởng của môi trường xung quanh Mức độ nóng lên của các bộ phận không đồng đều gây ra biến dạng do nhiệt của các bộ phận không đồng đều dẫn đến sai số kích thước và hình dạng gia công

-Sai số do biến dạng nhiệt và máy

-Sai số do biến dạng nhiệt của dụng cụ cắt

-Sai số do biến dạng nhiệt chi tiết gia công Khi gia công nhiệt truyền vào chi tiết gia công làm nó biến dạng gây ra sai số gia công Nếu chi tiết bị nung nóng toàn

bộ thì chỉ gây ra sai số kích thước còn không đồng đều thì gây ra cả sai số hình dáng Nhiệt độ của chi tiết gia công trong quá trình cắt phụ thuộc vào chế độ cắt Khi tiện nếu tăng vận tốc cắt và bước tiến sẽ làm giảm nhiệt còn chiều sâu cắt tăng dẫn đến nhiệt cũng tăng và sai số do biến dạng nhiệt của chi tiết chỉ ảnh hưởng đến độ chính xác gia công khi chi tiết mỏng nhỏ (hình 1.13)

Hình 1.14 : a) Trường phân bố nhiệt khi tiện

b) Sự biến dạng chi tiết sau khi tiện

*Sai số do rung động phát sinh ra trong quá trình cắt

Rung động trong quá trình cắt của hệ thống công nghệ không những làm tăng

độ nhám bề mặt làm cho dao mòn nhanh mà còn làm lớp kim loại bề mặt bị cứng nguội hạn chế khả năng cắt gọt

a )

b )

Hình 1.16 a Tru?ng phân b? nhi?t khi ti?n

b S? bi?n d?ng chi ti?t sau khi ti?n

*Sai số do phương pháp đo và dụng cụ đo

1.5.Quá trình tiện cứng

Tiện cứng là nguyên công tiện các chi tiết đã qua tôi(thường là thép hợp kim)

có độ cứng cao từ 45÷75 HRC được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp chế tạo ô tô, chế tạo bánh răng, vòng bi, dụng cụ khuôn và khuôn mẫu… tiện cứng được sử dụng thay cho nguyên công mài khi gia công đặc biệt là chi tiết có dạng hình chỏm cầu đạt

độ chính xác và năng suất cao

Tiện cứng cho độ chính xác và nhám bề mặt tương đương so với mài nhưng tiện cứng có khả năng tạo nên lớp bề mặt có ứng suất dư nén làm tăng tuổi thọ về độ bền mỏi của chi tiết máy Tiện cứng thường dùng trong nguyên công gia công tinh Trong một số gia công như các chi tiết có dạng hình cong, hình chỏm cầu nếu ta sử dụng phương pháp mài thì ta phải dùng dưỡng còn nếu ta tiện cứng chi tiết thì ta vẫn có thể gia công mà không cần dùng dưỡng nhưng yêu cầu khi gia công tiện cứng thì đòi hỏi độ cứng vững của hệ thống công nghệ rất khắt khe

Trong quá trình gia công cứng dụng cụ cắt sẽ bị mòn điều đó làm ảnh hưởng trực tiếp đến nhám bề mặt chi tiết gia công Nó còn ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác và chất lượng bề mặt gia công

Độ chính xác gia công và chất lượng bề mặt sau gia công cơ luôn là hai yếu tố quan trọng trong quá trình gia công cứng Chất lượng bề mặt ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc, độ bền và độ bền mỏi của chi tiết còn độ chính xác chi tiết ảnh hưởng đến khả năng lắp ráp, thay thế và sửa chữa của chi tiết máy Đối với quá trình gia công loạt lớn và tự động hoá thì độ chính xác gia công và chất lượng bề mặt càng được quan tâm hơn vì nó ảnh hưởng đến tính kinh tế và kỹ thuật

Do vậy nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ chế độ cắt đến chất lượng và độ chính xác gia công là rất cần thiết trong quá trình tiện cứng nhằm nâng cao quá trình gia công cứng

ta có thể gia công chi tiết có biên dạng phức tạp, biên dạng hình chỏm cầu mà không

cần phải dưỡng Do vậy em chọn hướng nghiên cứu của đề tài“Nghiên cứu ảnh

hưởng của các thông số chế độ cắt đến chất lượng và độ chính xác gia công khi tiện cứng thép hợp kim đã qua tôi bằng dụng cụ CBN trên trung tâm tiện CNC” để góp phần nâng cao chất lượng và độ chính xác gia công cứng thép hợp kim đã qua tôi Qua đó góp phần tạo nên nền sản xuất công nghiệp bền vững

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM TỐI ƯU HOÁ QUÁ TRÌNH

CẮT KHI TIỆN CỨNG

2.1.Mô hình hoá quá trình nghiên cứu

Tiện cứng là một phương pháp gia công tinh lần cuối sử dụng dao cắt với lưỡi cắt có hình dáng hình học xác định để gia công các chi tiết có biên dạng phức tạp như chỏm cầu mà không phải dùng dưỡng đạt độ chính xác gia công và chất lượng bề mặt cao mà không cần qua nguyên công mài Nghiên cứu về tiện cứng nhằm tìm ra các thông số chế độ cắt thích hợp để tối ưu hoá quá trình gia công, đạt được các chỉ tiêu tốt nhất về kỹ thuật là rất cần thiết

Để nghiên cứu tối ưu hoá chế độ cắt một cách có logic và hệ thống trên cơ sở nghiên cứu tổng quan và các kết quả đã nghiên cứu Ta xây dựng mô hình hoá khi tiện như hình 2.1

Hình 2.1 Mô hình tối ưu hoá quá trình cắt khi tiện

Từ mô hình trên ta thấy, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cắt khi tiện như: Độ cứng vững của hệ thống công nghệ, độ chính xác của máy, vật liệu và chất lượng của phôi gia công, chất lượng và thông số hình học của dụng cụ cắt, chế độ cắt s,v,t ,chúng có ảnh hưởng lớn đến thông số đầu ra là các chỉ tiêu về kinh tế và kỹ thuật như: Năng suất, chất lượng và độ chính xác bề mặt gia công, mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt

Để tối ưu hoá chế độ cắt ta phải xây dựng mối quan hệ giữa hàm mục tiêu và các thông số công nghệ, sau đó khảo sát bài toán tìm cực trị, tìm miền tối ưu và cách xác định các phương án tối ưu cho quá trình cắt trong những điều kiện khác nhau Từ kết quả tối ưu hoá ta có thể xây dựng được mô hình và giải bài toán tối ưu theo các chỉ tiêu về kinh tế và kỹ thuật

2.2 Những định hướng khi nghiên cứu tối ưu hoá chế độ cắt khi tiện cứng vật liệu thép hợp kim đã qua tôi(cụ thể là thép20CrMoNi) bằng dụng cụ cắt CBN trên trung tâm tiện CNC

Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan ở chương 1 và dựa vào điều kiện thiết bị thí nghiệm hiện có ở Việt Nam đề tài xây dựng những điều kiện và nhiệm vụ nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm tối ưu hoá chế độ cắt khi tiện thép hợp kim

20XMN(20CrMoNi) đã qua tôi đạt độ cứng 60 HRC với dụng cụ cắt là vật liệu siêu cứng CBN trên trung tâm tiện CNC theo những định hướng sau:

-Xây dựng mô hình hoá quá trình nghiên cứu và thực nghiệm nhằm đưa ra mô hình tổng quát quá trình nghiên cứu

-Phân tích những nghiên cứu về chế độ cắt thép hợp kim đã qua tôi đạt độ cứng 60÷65 HRC và thực nghiệm sơ bộ để xác định khoảng chế độ cắt nghiên cứu

-Thiết kế, hệ thống thực nghiệm: Hệ thống đo mòn dụng cụ cắt(đo độ mòn dao

hs), hệ thống đo độ chính xác gia công(đo độ trụ Δ), đo chất lượng bề mặt gia công(đo

độ nhám Ra)

-Xác định ma trận thí nghiệm và xây dựng mô hình quy hoạch thực nghiệm, từ

đó thiết lập chương trình quy hoạch để tìm điểm cực trị và miền tối ưu hoá quá trình gia công

S(mm/vòng) và chiều sâu cắt t không thay đổi = 0.1(mm), các thông số này được lựa chọn tối ưu dựa vào điều kiện gia công cụ thể

-Các hàm mục tiêu tối ưu là: Chất lượng bề mặt(đo độ trụ Δ) và độ chính xác gia công(đo độ nhám Ra)

-Các điều kiện biên khi nghiên cứu được xác định dựa trên các yêu cầu kỹ thuật, điều kiện gia công và các đại lượng đặc trưng cho quá trình cắt

-Tối ưu hoá chế độ cắt khi tiện thép hợp kim 20XMN(20CrMoNi) đã qua tôi đạt độ cứng 60 HRC với dụng cụ cắt là vật liệu siêu cứng CBN trên trung tâm tiện CNC Sau đó nghiên cứu thực nghiệm là tìm giá trị cực trị hay vùng tối ưu theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm Cụ thể là tác giả sử dụng “ Phương pháp bề mặt chỉ tiêu”(Response Surface Methods - RSM)

-Kết quả quy hoạch thực nghiệm được phân tích khách quan bằng cách nghiên cứu và khảo sát chất lượng bề mặt gia công(độ nhám bề mặt Ra) và độ chính xác gia công(độ trụ Δ) Sau khi tiện chi tiết rotuyn bằng vật liệu là thép hợp kim 20XMN(20CrMoNi) dựa trên kết quả nghiên cứu độ nhám Ra và độ trụ Δ khi tiện trụ trơn ta áp dụng bộ thông

số tối ưu vào chế tạo chi tiết rotuyn rồi đánh giá chất lượng bề mặt(độ nhám Ra) và độ chính xác gia công(độ trụΔ) thông qua ảnh SEM chụp trên kính hiển vi điện tử

-Từ kết quả khảo sát tối ưu hoá, ta xác định được điểm cực trị và miền tối ưu cho từng thông số.Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài tác giả sẽ tìm miền tối ưu cho hai thông số Đó là:độ mòn dao hs và độ nhám Ra Từ đó đưa ra những kết luận và hướng dẫn cụ thể nhằm ứng dụng vào thực tế sản xuất cho quá trình tiện chi tiết rotuyn bằng vật liệu là thép hợp kim 20XMN(20CrMoNi) bằng dụng cụ cắt CBN trên trung tâm tiện CNC

2.3.Mô hình hoá toán học quá trình nghiên cứu

Để thực hiện tối ưu hoá quá trình gia công và tìm cực trị, ta cần phải mô hình hoá toán học các hàm mục tiêu

Các hàm mục tiêu ở dạng tổng quát như sau: Y=ƒ(s,v)

Trong đó Y là chỉ tiêu tối ưu hoá(thông số đầu ra) là chất lượng bề mặt (độ nhám Ra) và độ chính xác gia công(độ trụ Δ)(Có rất nhiều tiêu chí để đánh giá chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công nhưng do yêu cầu của chi tiết gia công nên trong đề tài tác giả chỉ chọn một tiêu chí để đánh giá chất lượng bề mặt là độ nhám

Ra và độ chính xác gia công là độ trụ Δ) Ngoài ra tác giả còn đánh giá thêm một thông số đầu ra nữa Đó là:độ mòn dao hs(Vì trong tiện cứng thông số hình học của dụng cụ cắt có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công) Các thông số S,V là các đại lượng nghiên cứu(Lượng chạy dao, vận tốc cắt khi tiện) Để đánh giá thêm sự ảnh hưởng của chiều sâu cắt thì sau khi đã cắt ở chiều sâu cắt t = 0.1(mm) không đổi thì tác giả có thay đổi một lượng nhỏ chiều sâu cắt để đánh giá sự ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến độ nhám Ravà độ trụ Δ trên cơ sở quá trình nghiên cứu thực nghiệm

Để phản ánh khách quan quá trình nghiên cứu ta cần khảo sát nhiều thông số ảnh hưởng tới quá trình gia công, khi đó vấn đề cần phải giải quyết sẽ triệt để và toàn diện hơn Tuy nhiên, về mặt toán học thì quá trình nghiên cứu sẽ rất phức tạp và khó

áp dụng vào thực tiễn sản xuất, nhưng nếu bỏ qua nhiều thông số ảnh hưởng thì mô hình và kết quả nghiên cứu sẽ kém chính xác Do vậy, khi chọn hàm mục tiêu tối ưu hoá quá trình cắt ta cần giới hạn bài toán phù hợp với điều kiện gia công cụ thể, các giới hạn này là các điều kiện biên của hàm mục tiêu

Từ cơ sở nghiên cứu tổng quan và những định hướng quá trình nghiên cứu như

trên, đề tài“Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến chất lượng và

độ chính xác gia công khi tiện cứng thép hợp kim đã qua tôi bằng dụng cụ CBN trên trung tâm tiện CNC” thực hiện trên hệ thống công nghệ cụ thể nhằm giải quyết

đạt mục đích về nâng cao chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công khi tiện cứng

Vì vậy cần nghiên cứu và khảo sát các hàm mục tiêu cụ thể như sau:

-Độ nhám bề mặt :Ra/Rz =f(s,v) RaMin /RzMin

-Mòn dụng cụ cắt :hs=f(s,v) hsmin

-Độ chính xác gia công :Δ=Δ(s,v) Δmax

thuộc lĩnh vực của đề tài, ta thấy có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công như: Thông số hình học dụng cụ cắt, các thông số chế độ cắt, vật liệu phôi, độ cứng vững công nghệ và phương pháp bôi trơn làm mát…Trong nội dung nghiên cứu của

đề tài ta cố định một số thông số đầu vào như vật liệu gia công, dụng cụ cắt, chiều sâu cắt, máy gia công , dụng cụ đo, phương pháp làm mát Các thông số được quan tâm và khảo sát là: Vận tốc cắt, lượng chạy dao

2.4.Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

2.4.1 Lý thuyết thực nghiệm

a Các nguyên tắc thiết kế thí nghiệm

* Nguyên tắc ngẫu nhiên(Principle of Randomization)

Nguyên tắc ngẫu nhiên được áp dụng nhằm hạn chế ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu.Theo nguyên tắc này thứ tự thay đổi giá trị các thông số thí nghiệm, cách bố trí thí nghiệm, thứ tự tiến hành từng thí nghiệm phải được tiến hành theo một thứ tự ngẫu nhiên

*Nguyên tắc lặp lại (Principle of Replication)

Đó là mỗi thí nghiệm cần được thực hiện ít nhất nhiều hơn một lần

*Nguyên tắc tạo khối(Principle of Blocking)

Thường được sử dụng khi số lượng thí nghiệm nhiều Khi đó ta cần chia thành nhiều khối thí nghiệm Khối là tập hợp các thí nghiệm có chung một hay là một vài đặc tính nào đó Trong mỗi khối các thí nghiệm được thiết kế được tuân thủ theo nguyên tắc lặp và nguyên tắc ngẫu nhiên Nói cách khác, thứ tự các thí nghiệm trong khối được xáo trộn một cách ngẫu nhiên Đồng thời, các thí nghiệm trong khối được lặp lại và xử lý thống kê như một kế hoạch riêng

-Xác định đâu là yếu tố ảnh hưởng chính đến đối tượng hay quá trình khảo sát -Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố

-Đánh giá mức độ ảnh hưởng tương tác giữa các yếu tố

Loại thí nghiệm này thường khai thác các dạng thiết kế thí nghiệm toàn phần 2 mức khi các yếu tố thí nghiệm không lớn hoặc thiết kế thí nghiệm riêng phần hay thiết kế thí nghiệm P-B

*Thí nghiệm tối ưu hoá

Thí nghiệm tối ưu hoá nhằm tìm kiếm tập xác lập các yếu tố đầu vào và đạt được giá trị tối ưu ở đầu ra Thí nghiệm tối ưu thường sử dụng các dạng thiết kế thí nghiệm “bề mặt chỉ tiêu” Trong trường hợp hàm mục tiêu không có hàm cực trị trong phạm vi khảo sát, thí nghiệm cho phép ta tạo các xác lập để đạt được giá trị xác định của hàm mục tiêu

c.Lựa chọn thiết kế thí nghiệm

Từ mục đích nghiên cứu của đề tài và phân tích các loại thí nghiệm như trên tác giả đã lựa chọn thí nghiệm tối ưu hoá để tiến hành quy hoạch thực nghiệm cho đề tài nghiên cứu của mình

2.4.2 Cơ sở lý thuyết

a.Thực nghiệm tối ưu hoá:

Một trong những mục đích chính của nghiên cứu thực nghiệm trong kỹ thuật là tìm giá trị cực trị hay tìm vùng tối ưu cho một quá trình hay các điều kiện tối ưu để vận hành một hệ thống Lớp các bài toán nghiên cứu thực nghiệm về vấn đề tối ưu thường được biết đến với tên gọi “Phương pháp bề mặt chỉ tiêu”(Response Surface Methods-RSM)

b.Tiến trình tối ưu hoá: