Xác lập quan hệ giữa độ nhám bề mặt với các thông số công nghệ khi gia công vật liệu có tính dẻo cao trên máy phay CNC

Hình 1.6 Quan hệ giữa lượng mòn ban đầu và Ra Hình 1.7 Quá trình ăn mòn hoá học trên lớp bề mặt chi tiết máy Hình 1.8 Quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô và lượng tiến dao khi tiện Hình 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GS.TS NGUYỄN ĐẮC LỘC

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, các kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố ở bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Đỗ Tùng Linh

MỤC LỤC MỤC LỤC Trang

Lời cam đoan 2 Mục lục 3 Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 6

Danh mục các bảng 7

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 8

Mở đầu 10

1.1 Các yếu tố đặc trưng của chất lượng bề mặt 16

1.1.1 Chất lượng hình học của bề mặt gia công 16

1.1.2 Tính chất cơ lý của bề mặt gia công 20

1.2 Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt tới khả năng làm việc của chi tiết máy 21

1.2.2 Ảnh hưởng đến tính ăn mòn hóa học của lớp bề mặt chi tiết 25

1.2.3 Ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy 26

1.2.4 Ảnh hưởng đến độ chính xác của các mối lắp ghép 27

1.3 Các yếu tổ ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết máy 28

1.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt 28

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ biến cứng bề mặt 33

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất dư bề mặt 35

2.1 Khái quát về điều khiển số và lịch sử phát triển của máy CNC 37

2.3.1 Đặc điểm kết cấu chung 39

2.3.3 Hệ điều khiển của máy gia công CNC 40

2.3.4 Các hệ thống điều khiển 41

3.1 Khái quát về vật liệu có tính dẻo 50

3.1.1 Tính dẻo của vật liệu 50

3.1.2 Thép không gỉ 50

3.1.4 Nhôm và những đặc tính chủ yếu của nhôm 54

3.2 Nội dung thí nghiệm 56

3.2.1 Phương pháp qui hoạch thực nghiệm 56

3.2.2 Lựa chọn thiết bị 56 3.2.3 Xây dựng công thức xác lập mối quan hệ qua các thí nghiệm với

các loại vật liệu

57

3.2.6 Thí nghiệm với Nhôm công nghiệp Al99 77

Tài liệu tham khảo 87

Phụ lục 89 Tóm tắt luận văn 95

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

Ra - Sai lệch số học trung bình của prôfin µm

Rz - Chiều cao mấp mô theo 10 điểm của prôfin µm

Rmax - Chiều cao lớn nhất của prôfin µm

Si - Bước trung bình của mấp mô theo đỉnh µm

Smi - Bước trung bình của mấp mô theo prôfin µm

C - Hệ số -

x, y, z - Số mũ -

V - Vận tốc cắt m/phút j

Y - Giá trị trung bình của yjk, k = 1 : k -

2

j

S - Phương sai của dãy số yjk, k = 1 : k -

K - Số thí nghiệm song song được thực hiện

trong cùng một điều kiện

-

bi - Các hệ số của hàm mô tả quan hệ giữa đầu

vào và đầu ra, i = 1 : n0

-

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Cấp nhẵn bóng theo TCVN 2511 – 95

Bảng 3.1 Thành phần hóa học và cơ tính của một số loại thép không gỉ

Bảng 3.2 Thành phần, ký hiệu của một số la tông theo TCVN và CDA

Bảng 3.3 Qui đổi thành phần, ký hiệu một số HK nhôm theo TCVN và

Aluminum Association (AA)

Bảng 3.4 Kết quả đo độ nhám qua thí nghiệm của mẫu INOX

Bảng 3.5 Ma trận đơn vị của thí nghiệm Inox

Bảng 3.6 Hệ số của phương trình hồi qui của Inox

Bảng 3.7 Giá trị phương sai của Inox

Bảng 3.8 Qui đổi các đại lượng đầu vào

Bảng 3.9 Giá trị các hàm của Inox

Bảng 3.10 Kết quả đo độ nhám qua thí nghiệm của mẫu Đồng

Bảng 3.11 Ma trận đơn vị của thí nghiệm Đồng

Bảng 3.12 Hệ số phương trình hồi qui của Đồng

Bảng 3.13 Các giá trị phương sai của thí nghiệm mẫu Đồng

Bảng 3.14 Qui đổi các đại lượng đầu vào thí nghiệm Đồng

Bảng 3.15 Giá trị các hàm của Đồng

Bảng 3.16 Kết quả đo độ nhám qua thí nghiệm của mẫu Nhôm

Bảng 3.17 Ma trận đơn vị của thí nghiệm Nhôm

Bảng 3.18 Hệ số phương trình hồi qui của Nhôm

Bảng 3.19 Các giá trị phương sai của thí nghiệm mẫu Nhôm

Bảng 3.30 Qui đổi các đại lượng đầu vào thí nghiệm Nhôm

Bảng 3.21 Giá trị các hàm của Nhôm

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỔ

Hình 1.1 Các yếu tố hình học của lớp bề mặt

Hình 1.2 Sơ đồ xác định độ nhấp nhô tế vi của bề mặt chi tiết máy

Hình 1.3 Tổng quan về độ nhám và độ sóng bề mặt chi tiết máy

Hình 1.4 Các giai đoạn mài mòn của một cặp ma sát

Hình 1.5 Quá trình mài mòn của một cặp chi tiết ma sát (tiếp xúc với nhau) Hình 1.6 Quan hệ giữa lượng mòn ban đầu và Ra

Hình 1.7 Quá trình ăn mòn hoá học trên lớp bề mặt chi tiết máy

Hình 1.8 Quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô và lượng tiến dao khi tiện

Hình 1.9 Ảnh hưởng của hình dáng hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt đến

nhấp nhô bề mặt khi tiện

Hình 1.10 Ảnh hưởng của lượng chạy dao S đối với chiều sâu biến cứng tC, tùy

Hình 1.11 Ảnh hưởng của vận tốc cắt (V) đến chiều cao nhấp nhô tế vi (Rz)

Hình 1.12 Ảnh hưởng của lượng tiến dao (S) đến chiều cao nhấp nhô tế vi (Rz)

Hình 1.13 Ảnh hưởng của lượng tiến dao (S) và bán kính lưỡi cắt (r) đến độ biến

cứng bề mặt

Hình 1.14 Ảnh hưởng của góc trước tới lớp biến cứng bề mặt

Hình 2.1 Mô hình điều khiển DNC

Hình 2.2 Cấu trúc của máy CNC

Hình 2.3 Hệ điều khiển số CNC (Computer Numerical Control)

Hình 2.4 Bộ tích dao trong máy phay CNC

Hình 2.5 Ổ gá dao (tool holder)

Hình 2.6 Kết cấu bộ phận gá dao lên trục chính

Hình 3.1 Giản đồ pha Cu - Zn

Hình 3.2 Máy phay CNC DMU 60 DECKEL MAHO – ĐỨC

Hình 3.3 Đồ thị quan hệ Ra – S – V (t=0,5mm) của vật liệu Inox 304

Hình 3.4 Đồ thị quan hệ Ra – S – t (V=200mm/vg) của vật liệu Inox 304 Hình 3.5 Đồ thị quan hệ Ra – v – t (s=0,15mm/vg) của vật liệu Inox 304

Hình 3.6 Đồ thị quan hệ Ra – s – v (t=0,5mm) của vật liệu Đồng

Hình 3.7 Đồ thị quan hệ Ra – S – t (v=180m/vg) của vật liệu Đồng thau

Hình 3.8 Đồ thị quan hệ Ra – V – t (s=0,15 m/ph) của vật liệu Đồng thau

Hình 3.9 Đồ thị quan hệ Ra – V – S (t =1,5mm) của vật liệu Nhôm Hình 3.10 Đồ thị quan hệ Ra – V – t (s=0,4 m/ph) của vật liệu Nhôm Hình 3.11 Đồ thị quan hệ Ra – S – t (V= 80 mm/vg) của vật liệu Nhôm

MỞ ĐẦU

Trong một nền kinh tế phát triển thì ngành cơ khí chế tạo đóng một vai trò hết sức quan trọng, làm nền tảng cho việc phát triển kinh tế, củng cố quốc phòng an ninh của đất nước Từ khi ra nhập WTO năm 2006, chúng ta đang hòa nhập mạnh mẽ với nền kinh tế thế giới do đó việc nghiên cứu để hoàn thiện hơn nữa, nâng cao chất lượng và hạ giá thành sản phẩm là nhiệm vụ hàng đầu của ngành công nghệ chế tạo máy

Để đạt được các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật này, việc nghiên cứu xác lập mối quan hệ giữa các thông số công nghệ (thông số đầu vào) với chất lượng bề mặt chi tiết gia công (thông số đầu ra) là một chỉ tiêu quan trọng nhằm đạt được khả năng điều khiển thông số đầu ra theo ý muốn Từ mối quan hệ giữa chất lượng bề mặt với các thông số công nghệ thì người làm công nghệ có thể chọn chế độ cắt tối đa của máy

và dao mà vẫn đảm bảo chất lượng, từ đó có thể tăng năng suất (khai thác tối đa năng suất của máy), giảm giá thành sản phẩm

Trong thời gian gần đây, việc nghiên cứu các mối quan hệ trên đã không còn mới Thực ra với nước ngoài, các trung tâm nghiên cứu của các hãng sản xuất ô tô, chế tạo máy đã nghiên cứu những vấn đề này từ lâu, tuy nhiên việc nghiên cứu này đòi hỏi thực hiện rất nhiều các thí nghiệm tốn kém và mất thời gian, vì vậy những

số liệu nghiên cứu định lượng thường không được công bố, còn các thông tin khoa học được xuất bản thường chỉ mang tính lý thuyết và định hướng hoặc các số liệu bắt nguồn từ các công trình nghiên cứu đã được thực hiện cách đây hàng chục năm, trong điều kiện máy móc, khoa học đã không còn phù hợp do đó các số liệu này ít khi chứa đựng đầy đủ các thông tin cần thiết Trong khi đó nền công nghệ chế tạo máy hiện đại ngày một phát triển với sự xuất hiện của các máy gia công CNC có khả năng kỹ thuật cao, các loại vật liệu mới và công nghệ trơn nguội hiện đại

Các bước tiếp theo chính là nhiệm vụ của các nhà công nghệ hiện đại, nghĩa là xuất phát từ bài toán cụ thể để xác định chế độ cắt phù hợp cho quá trình gia công cắt gọt sao cho vừa đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, vừa đảm bảo được yêu cầu kinh tế

Các tài liệu tham khảo đều chỉ ra rằng khả năng làm việc của chi tiết máy có liên quan tới chất lượng bề mặt của chi tiết máy Chất lượng bề mặt của chi tiết máy không chỉ chịu ảnh hưởng của quá trình gia công cuối cùng mà còn chịu ảnh hưởng trong toàn bộ quá trình gia công Vì vậy để đảm bảo khả năng làm việc của chi tiết máy thì phải đảm bảo được chất lượng bề mặt của chi tiết máy qua việc tìm ra mối quan hệ của chất lượng bề mặt chi tiết máy với các điều kiện gia công như chế độ cắt, thông số hình học của dụng cụ cắt

Như vậy việc nắm vững được mối quan hệ giữa các thông số đầu vào và đầu ra thì

có thể điều chỉnh được chất lượng sản phẩm theo cách chủ quan Hiện nay ở Việt Nam việc xác lập các dữ liệu như vậy đã có những bước đi đúng hướng đầu tiên nhằm xây dựng một ngân hàng phục vụ cho gia công trong các điều kiện cụ thể

TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐỀ TÀI ĐÃ THỰC HIỆN

Trong những năm trở lại đây ở Việt Nam có xu hướng sử dụng máy gia công CNC để nâng cao chất lượng và giảm giá thành sản phẩm Thực tế cho thấy là chất lượng đã được nâng cao, áp lực công việc của người thợ giảm, nhưng giá thành chưa giảm, thậm chí chi phí gia công còn cao hơn nhiều so với máy vạn năng Có rất nhiều nguyên nhân của sự tăng chi phí đó, nhưng nguyên nhân chính là các nhà công nghệ chưa chọn được chế độ cắt phù hợp cho nhóm máy này Do đó việc nghiên cứu để lựa chọn chế độ cắt phù hợp cho nhóm máy CNC là một yêu cầu cấp thiết đặt ra cho các nhà ngiên cứu

Xu hướng sử dụng máy CNC ngày càng nhiều, nên các đề tài nghiên cứu về máy CNC trong những năm gần đây là khá lớn bao gồm cả các đề tài nghiên cứu khoa học, luận án tiến sỹ, luận văn thạc sỹ… Trong đó các đề tài nghiên cứu ứng dụng nhằm khai thác có hiệu quả máy CNC chiếm một tỷ lệ khá lớn, có thể kể là :

Nguyễn Trọng Bình, Hoàng Việt Hồng, Ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhấp nhô tế

vi bề mặt khi phay bằng dao phay mặt đầu trên máy phay CNC, Tạp chí Cơ khí Việt

Nam, Số 60 (5/2002) ; Ảnh hưởng của chế độ cắt đến lượng mòn dao khi phay

bằng dao phay mặt đầu trên máy phay CNC, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 61

(6/2002) ; Nguyễn Ngọc Ánh, Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ

đến chất lượng bề mặt chi tiết máy khi gia công trên máy phay CNC, Luận văn cao

học, ĐHBKHN (2002) ; Nguyễn Đình Thân, Nghiên cứu độ mòn dao tiện khi gia

công vật liệu cơ tính dẻo cao, Luận văn cao học, ĐHBKHN (2003) ; Vũ Đình

Thơm, Tính toán bù bán kính mũi dao khi lập chương trình NC cho máy tiện CNC, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 76 (7/2003) ; Lê Văn Toản, Nghiên cứu ảnh hưởng

của các thông số công nghệ khi mài phẳng tới độ nhám bề mặt trên một số vật liệu

có tính dẻo cao, Luận văn cao học, ĐHBKHN (2005) ; Hà Quang Sáng, Xác lập mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt với các thông số công nghệ khi gia công vật liệu

có tính dẻo cao trên máy tiện CNC, Luận văn cao học ĐHBKHN (2006); Phan

Công Trình, Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề

mặt chi tiết máy khi gia công trên máy phay CNC, Luận văn cao học (2006); Trần

Xuân Việt, Phạm Văn Bổng, Khảo sát thực nghiệm về ảnh hưởng của các thông số

công nghệ V, T, S đến lực cắt trên máy tiện CNC, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 105

(12/2005)…

Trong nhóm đề tài trên, số đề tài trực tiếp nghiên cứu ảnh hưởng của các thông

số công nghệ đến độ nhám bề mặt đối với các loại máy CNC và vật liệu khác nhau

có một số lượng đáng kể, điều đó chứng tỏ việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy là rất quan trọng

Trong một số các đề tài đã đi sâu vào nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới chất lượng bề mặt (độ nhám Ra, Rz) khi gia công trên máy gia công CNC với các phương pháp gia công khác nhau như tiện, phay, mài Vật liệu gia công cũng thay đổi khác nhau, từ vật liệu thông thường thép các bon C45 tới 40X hoặc các loại vật liệu có tính dẻo cao như đồng thau, thép không gỉ, Chế độ gia công thường được chọn nghiên cứu là chế độ gia công tinh, bởi lý do gia công trên máy CNC thường chi phí cao hơn trên máy dụng cụ thông thường, việc gia công trên máy CNC thường là công đoạn gia công tinh sau cùng do đó các nghiên cứu này nhằm phục vụ việc đúc rút kinh nghiệm, đưa ra các bảng thực nghiệm xác định được chế độ cắt phù hợp khi gia công ở công đoạn này

Các đề tài này hầu hết đều đi đến kết luận:

- Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào tính chất hình học của dụng cụ cắt và

chế độ cắt

- Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào biến dạng dẻo của lớp bề mặt

- Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào độ cứng vững của hệ thống công nghệ

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Vật liệu có tính dẻo (nhôm, thép không gỉ, đồng thau …) là loại vật liệu được

sự dụng nhiều trong ngành công nghiệp chế tạo máy do đặc điểm của tính chất vật liệu Ở nước ta, gia công vật liệu có tính dẻo cũng đã được thực hiện nhiều trên các loại máy CNC, phương pháp phay là một phương pháp gia công cơ bản, có thể đặc trưng cho nhiều phương pháp gia công khác, cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu về liên quan vấn đề này Cùng với những yêu cầu cấp thiết về việc lập các ngân hàng dữ liệu góp phần phong phú hóa các tài liệu liên quan tới ngành công nghệ chế

tạo của nước ta, việc tác giả chọn đề tài “ Xác lập mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt

với các thông số công nghệ khi gia công vật liệu có tính dẻo cao trên máy phay CNC” cũng chỉ là đóng góp một phần rất nhỏ trong nhánh nghiên cứu trên

Từ các phân tích và đánh giá trên, đề tài này sẽ tập trung vào giải quyết các vấn đề như sau:

- Khái quát về lý thuyết cắt gọt, độ nhấp nhô bề mặt và ảnh hưởng của

nó tới chi tiết máy

- Nghiên cứu về công nghệ CNC

- Tính dẻo của vật liệu

- Quy hoạch thực nghiệm để tìm ra mối quan hệ giữa độ nhám và các

thông số chế độ cắt

Trong phạm vi của một đề tài luận văn tốt nghiệp cao học không đủ thực hiện một công trình nghiên cứu mang tính toàn diện các vật liệu mang tính dẻo cao của ngành chế tạo máy cũng như mọi yếu tố ảnh hưởng tới độ nhám, đề tài sẽ chỉ tập trung vào

một số vật liệu đặc trưng mang tính dẻo cao là đồng thanh, thép không gỉ (inox) và nhôm dẻo

Các công cụ dùng để xác định mối quan hệ trên là máy phay CNC DMU 60T của hãng DECKEL MAHO, và máy đo độ nhám MITUTOYO 301 phần công thức tính toán được thực hiện qua phần mềm Microsoft Excel và lập đồ thị quan hệ dựa trên phần mềm Table curve 3.0

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu là phương pháp quy hoạch thực nghiệm, xây dựng phương trình hồi quy xác định mối quan hệ giữa độ nhám Ra (Rz) với các thông số công nghệ V, t, S

Trước đây để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới độ chính xác gia công hay độ nhám bề mặt người ta thường dùng phương pháp thay đổi một yếu tố và cố định các yếu tố còn lại sau đó lại lần lượt làm thí nghiệm tương tự với các yếu tố khác Tuy nhiên cách làm này rất mất thời gian và tốn kém vì phải thực hiện một số lượng các thí nghiệm rất lớn và trong trường hợp có nhiều yếu tố ảnh hưởng thì cho kết quả có độ tin cậy thấp Để khắc phục nhược điểm này người ta dùng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, cho phép nghiên cứu ảnh hưởng của nhiều yếu tố đồng thời tới một chỉ tiêu nào đó của độ chính xác gia công

Mục đích của qui hoạch thực nghiệm là xây dựng mô hình toán học (phương trình hồi qui) biểu thị mối quan hệ giữa thông số đầu ra và các thông số đầu vào và từ mô hình toán học ấy có thể tối ưu hóa được thông số đầu ra, có nghĩa là tối ưu hóa được nguyên công hay qui trình

Thực hiện đề tài này là cơ hội rất quý báu để tôi được tiếp xúc với các thiết bị công nghệ cao, được tìm hiểu những vấu đề của thực tiễn sản xuất, kiểm chứng những vấn đề lý thuyết, từ đó tích lũy thêm kinh nghiệm thực tế cho công việc giảng dạy của mình Để hoàn thành được đề tài này cùng với sự nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ quý báu

Trước tiên tôi chân thành xin cảm ơn GS.TS Nguyễn Đắc Lộc – người thầy

đã dìu dắt, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài, tôi cũng xin cảm ơn Viện Đào tạo sau đại học, Viện Cơ khí, Bộ môn Công nghệ chế tạo máy – Trường đại học Bách khoa Hà Nội

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các cán bộ tại Trung tâm công nghệ cao, Xưởng thực hành cắt gọt, Phòng đo – Khoa Cơ khí, Trường đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Hà Nội, tháng 10 năm 2010

Đỗ Tùng Linh

Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT MÁY

Chất lượng bề mặt là một chỉ tiêu trong chất lượng chế tạo chi tiết, nó có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng làm việc của chi tiết máy Chất lượng gồm chất lượng bản thân chi tiết và chất lượng của các chi tiết lắp ghép với nhau

1.1 CÁC YẾU TỐ ĐẶC TRƯNG CỦA CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT

Chất lượng bề mặt là tập hợp nhiều tính chất quan trọng của lớp bề mặt, cụ thể là:

1.1.1 Chất lượng hình học của bề mặt gia công

Bề mặt sau khi gia công không bằng phẳng một cách lý tưởng mà có những nhấp nhô Những nhấp nhô này là do qúa trình biến dạng dẻo của bề mặt chi tiết khi gia công cắt gọt, và là vết lưỡi cắt để lại trên bề mặt gia công, là ảnh hưởng của chấn động khi cắt và nhiều nguyên nhân khác

Không phải tất cả các nhấp nhô trên bề mặt đều là nhám bề mặt, mà nó là tập hợp những nhấp nhô có bước tương đối nhỏ và được xét trong giới hạn dài chuẩn (hình 1.1)

- Những nhấp nhô có tỷ số giữa bước nhấp nhô (p) và chiều dài nhấp nhô (h)

bé hơn hoặc bằng 50 (p/h<=50) thì thuộc về nhám bề mặt

- Những nhấp nhô mà (50<p/h<=1000) thuộc về sóng bề mặt

- Những nhấp nhô mà (1000<p/h) thuộc về sai lệch hình dạng

- Nhám bề mặt là một thông số hình học có ảnh hưởng lớn đến chất lượng sử dụng của chi tiết máy

a Độ nhấp nhô tế vi

Trong quá trình cắt, lưỡi cắt của dụng cụ cắt và sự hình thành phoi kim loại tạo ra những vết xước cực nhỏ trên bề mặt gia công Như vậy bề mặt gia công có độ nhám (độ nhấp nhô tế vi) Độ nhấp nhô tế vi của bề mặt gia công được đo bằng chiều cao nhấp nhô (Rz) và sai lệch prôphin trung bình cộng (Ra) của lớp bề mặt 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 bề mặt tế vi trong phạm vi chiều dài chuẩn l

Hình 1.2 Sơ đồ xác định độ nhấp nhô tế vi của bề mặt chi tiết máy

h3 h2

Trị số Rz được xác định như sau:

5

)8h6h4h2h()97h5h3

h

1

=

Sai lệch prôphin trung bình cộng (Ra) là trị số trung bình của khoảng cách từ các

đỉnh trên đường nhấp nhô tế vi với đường trục tọa độ 0X:

- Tính gần đúng ∑

=

1 i

yin

dxyl

1

Độ nhấp nhô tế vi (độ nhám bề mặt)là cơ sở để đánh giá độ nhẵn bề mặt trong

phạm vi chiều dài tiêu chuẩn l

Theo tiêu chuẩn nhà nước Việt Nam thì độ nhẵn bề mặt được chia làm 14 cấp

ứng với giá trị của Rz và Ra Độ nhẵn bề mặt cao nhất ứng với cấp 14 (Ra ≤

0,01µm; Rz ≤ 0,05µm) Trên bản vẽ chi tiết máy, yêu cầu về độ nhám bề mặt được

cho theo giá trị Ra hoặc Rz Trị số Ra cho khi yêu cầu của độ nhẵn bề mặt cần đạt

cấp 6 đến cấp 12 (Ra = 2,5 ÷ 0,04 µm) Trị số Rz ghi trên bản vẽ nếu yêu cầu của độ

nhẵn bề mặt cần đạt trong phạm vi cần đạt cấp 1 đến cấp 5 (Rz = 320 ÷ 20 µm),

hoặc cấp 13 đến cấp 14 (Rz = 0,08 ÷ 0,05 µm) Trong thực tế sản xuất nhiều khi

người ta đánh giá độ nhám bề mặt chi tiết máy theo các mức độ : thô, bán tinh, tinh

và siêu tinh (bảng 1.1)

Độ nhám bề mặt và độ chính xác kích thước có quan hệ với nhau chặt chẽ

Theo kinh nghiệm, người ta dựa vào cấp chính xác về kích thước để xác định độ

nhám bề mặt tương ứng, cụ thể là giá trị của độ nhám bề mặt khoảng 5 ÷ 20% dung

sai của kích thước cần đạt

Bảng 1.1 Cấp nhẵn bóng theo TCVN 2511 - 95

Chất lượng bề

mặt

Cấp nhẵn bóng

vi (độ nhám) bề mặt và độ sóng của bề mặt chi tiết máy (Hình 1.2)

- Độ nhám bề mặt ứng với tỷ lệ l/h = 0 ÷ 50

- Độ sóng bề mặt ứng với tỷ lệ l/h = 50 ÷ 1000

Hình 1.3 Tổng quan về độ nhám và độ sóng bề mặt chi tiết máy

h Chiều cao nhấp nhô tế vi

l Khoảng cách giữa 2 đỉnh nhấp nhô tế vi

H Chiều cao của sóng

L Khoảng cách giữa 2 đỉnh sóng

Độ sóng bề mặt thường xuất hiện khi gia công có rung động của hệ thống công nghệ, quá trình cắt không liên tục, dụng cụ cắt bị đảo Thông thường độ sóng xuất hiện khi gia công chi tiết có kích thước lớn và trung bình bằng các phương pháp tiện, phay và mài

1.1.2 Tính chất cơ lý của bề mặt gia công

Tính chất cơ lý được biểu thị bằng độ cứng bề mặt, sự biến đổi cấu trúc tinh thể lớp bề mặt, chiều sâu lớp biến cứng bề mặt

a Hiện tượng biến cứng lớp bề mặt

Trong quá trình gia công dưới tác dụng của lực cắt làm xô lệch mạng tinh thể của kim loại lớp bề mặt, gây biến dạng dẻo ở vùng trước và 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 suất Thể tích riêng và mật độ kim loại giảm ở vùng cắt Giới hạn bền, độ cứng, độ giòn của lớp bề mặt được nâng cao Đồng thời tính dẫn từ của lớp bề mặt cũng thay đổi Nhiều tính chất khác của lớp bề mặt cũng thay đổi Kết quả tổng hợp là lớp bề mặt bị cứng nguội, chắc lại và có độ cứng tế vi cao

Mức độ biến cứng, chiều sâu lớp biến cứng phụ thuộc vào tác dụng của lực cắt, mức độ biến dạng dẻo của kim loại và ảnh hưởng nhiệt trong vùng cắt Lực cắt tăng làm tăng mức độ biến dạng dẻo làm tăng mức độ biến cứng và chiều sâu lớp

biến cứng của bề mặt Nhiệt cắt hạn chế hiện tượng biến cứng bề mặt Như vậy mức

độ biến cứng của lớp bề mặt phụ thuộc vào tỷ lệ tác động của hai yếu tố lực cắt và nhiệt sinh ra trong vùng cắt

b Ứng suất dư trong lớp bề mặt

Khi gia công trong lớp bề mặt chi tiết xuất hiện ứng suất dư Trị số, dấu và chiều sâu phân bố của ứng suất dư trong lớp bề mặt phụ thuộc vào điều kiện gia công cụ thể Các nguyên nhân chính gây ra ứng suất dư trong lớp bề mặt gia công bao gồm :

- Khi cắt một lớp mỏng vật liệu trường lực gây ra 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 khi cắt làm chắc lớp kim loại bề mặt, làm tăng thể tích lớp kim loại mỏng ở ngoài cùng Lớp kim loại bên trong do không biến dạng dẻo nên vẫn giữ được thể tích bình thường Lớp kim loại bên ngoài có xu hướng tăng thể tích nhưng không tăng được nên gây ra ứng suất nén, để cân bằng lớp bên trong gây

ra ứng suất kéo

- Nhiệt sinh ra tại vùng cắt nung nóng cục bộ lớp bề mặt, làm giảm môđun đàn hồi của vật liệu Sau khi cắt lớp bề mặt nguội nhanh, co lại gây ra ứng suất dư kéo,

để cân bằng lớp trong gây ra ứng suất dư nén

- Kim loại chuyển pha và nhiệt cắt làm thay đổi cấu trúc lớp kim loại bề mặt, dẫn đến sự thay đổi về thể tích của 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 hình thành cấu trúc

có thể tích riêng nhỏ sẽ sinh ra ứng suất dư kéo

1.2 ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT TỚI KHẢ NĂNG LÀM

VIỆC CỦA CHI TIẾT MÁY

1.2.1 Ảnh hưởng đến tính chống mòn

a Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt

Do bề mặt hai chi tiết tiếp xúc với nhau có nhấp nhô tế vi nên ở giai đoạn đầu hai bề mặt này chỉ tiếp xúc với nhau trên một số đỉnh nhấp nhô cao, diện tích tiếp xúc chỉ bằng một phần diện tích tính toán nên tại các đỉnh tiếp xúc có áp suất rất lớn, thường vượt quá giới hạn chảy, có khi vượt cả giới hạn bền của vật liệu, làm cho các điểm tiếp xúc bị nén đàn hồi và biến dạng dẻo các nhấp nhô, đó là biến dạng tiếp xúc Được xác định theo công thức kinh nghiệm sau [8] :

Trong đó : C, x – hệ số và số mũ phụ thuộc vào điều kiện thực nghiệm

p - áp suất tại chỗ tiếp xúc

Phân tích mòn của một cặp ma sát có 3 giai đoạn (hình 1.4) :

Giai đoạn mòn ban đầu : Khi hai bề mặt mới tiếp xúc nếu có chuyển động tương đối với nhau sẽ xẩy ra hiện tượng trượt dẻo ở các đỉnh nhấp nhô làm cho các đỉnh nhấp nhô mòn nhanh Trong điều kiện làm việc nhẹ, mòn ban đầu có thể làm chiều cao nhấp nhô giảm 60 – 75% [8] Mòn ban đầu ứng với thời gian chạy rà Ở giai đoạn này hình dạng nhấp nhô và chiều cao vết gia công cũng thay đổi Giai đoạn này ứng với đoạn dốc lớn (trước thời điểm t) ở hình 1.4

Giai đoạn mòn bình thường : Sau giai đoạn mòn ban đầu quá trình mòn trở nên bình thường và chậm vì diện tích tiếp xúc thực đã tăng lên và áp suất tiếp xúc giảm đi Đây chính là giai đoạn làm việc thật của chi tiết Giai đoạn này tương ứng với đoạn dốc nhỏ (từ t đến T) ở hình 1.4

Giai đoạn mòn khốc liệt : Khi đó bề mặt tiếp xúc bị tróc ra, cấu trúc bề mặt chi tiết bị phá hỏng Đây là giai đoạn nguy hiểm, thường xuất hiện hỏng ngẫu nhiên, không nên sử dụng chi tiết ở giai đoạn này Giai đoạn này tương ứng với thời điểm sau T (hình 1.4)

Hình 1.5 là sơ đồ biểu diễn mối quan hệ giữa lượng mòn và thời gian làm việc của các cặp ma sát có độ nhám khác nhau

Đường cong a có độ nhám bề mặt nhỏ nhất, mặc dù có thời gian chạy rà (t1) lớn nhất nhưng thời gian làm việc (T1 – t1) cũng lớn nhất ; Đường cong c có độ nhám bề mặt lớn nhất thì lại có thời gian làm việc ngắn nhất Các góc α thể hiện tốc

độ mòn trong thời gian chạy rà, với chi tiết có độ nhám càng lớn thì tốc độ mòn trong thời gian chạy rà càng cao

Hình 1.5 – Quá trình mài mòn của một cặp

chi tiết ma sát (tiếp xúc với nhau)

Từ hình 1.5 ta có thể kết luận là bề mặt có độ nhám nhỏ thì tốc độ mòn càng thấp, lượng mòn ban đầu nhỏ dẫn đến tuổi thọ cao (Ra1 < Ra2 < Ra3 ⇒ T1 > T2 > T3) Như vậy việc gia công đạt độ nhám tối ưu là một yêu cầu cần thiết

Hình 1.6 [8] là sơ đồ quan hệ giữa độ mòn ban đầu (U) và trị số của sai lệch prôfin trung bình (Ra) tùy theo điều kiện làm việc nặng hay nhẹ Lượng mòn ban đầu ít nhất ứng với giá trị của Ra tại các điểm Ra1, Ra2 Đó là giá trị tối ưu của Ra Nếu giá trị Ra nhỏ hơn giá trị tối ưu thì sẽ bị mòn kịch liệt do các phần tử kim loại dễ bị khuếch tán, còn nếu Ra lớn hơn giá trị tối ưu thì lượng mòn sẽ tăng lên do các nhấp nhô bề mặt bị phá vỡ và cắt đứt

b Ảnh hưởng của lớp biến cứng bề mặt

Lớp biến cứng bề mặt có tác dụng nâng cao tính chống mòn vì nó hạn chế biến dạng dẻo toàn phần của chi tiết qua đó hạn chế hiện tượng chảy và mài mòn kim loại Biến cứng bề mặt làm hạn chế tác động tương hỗ giữa các phần tử và các tác động tương hỗ cơ học ở bề mặt tiếp xúc, nghĩa là hạn chế sự khuếch tán ôxy trong không khí vào bề mặt chi tiết máy để tạo thành ôxyt kim loại gây ra ăn mòn ở bề mặt kim loại

c Ảnh hưởng của ứng suất dư bề mặt

21

Hình 1.6 - Quan hệ giữa lượng mòn ban đầu và R a

1 - Điều kiện làm việc nhẹ

2 - Điều kiện làm việc nặng

U

Ứng suất dư lớp bề mặt của chi tiết máy nói chung không ảnh hưởng đáng kể đến tính chống mòn nếu chi tiết làm việc ở điều kiện ma sát bình thường Còn ứng suất dư bên trong, xét trên toàn bộ diện tích chi tiết máy, có thể ảnh hưởng đến tính chất và cường độ mòn của chi tiết máy

1.2.2 Ảnh hưởng đến tính ăn mòn hóa học của lớp bề mặt chi tiết

a Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt

Các chỗ lõm do nhấp nhô tế vi tạo ra là nơi chứa các chất ăn mòn như axit, muối… Các tạp chất này có tính chất ăn mòn đối với kim loại Quá ttrình ăn mòn hóa học trên lớp bề mặt chi tiết làm các nhấp nhô mới hình thành Quá trình này ở lớp bề mặt xẩy ra dọc theo sườn dốc của các nhấp nhô tế vi, theo chiều từ đỉnh xuống đáy các nhấp nhô, làm cho các nhấp nhô cũ mất đi và hình thành các nhấp nhô mới (Hình 1.7)

Như vậy chiều cao nhấp nhô càng thấp (độ nhám thấp) thì càng ít bị ăn mòn, bán kính đáy các nhấp nhô càng lớn thì khả năng chống ăn mòn càng cao Có thể chống ăn mòn bằng cách phủ lên lớp bề mặt chi tiết một lớp bảo vệ bằng phương pháp mạ (mạ crôm, mạ niken) hoặc bằng phương pháp cơ khí làm chắc lớp bề mặt

b Ảnh hưởng của lớp biến cứng bề mặt

Biến dạng dẻo và biến cứng bề mặt kim loại có mức độ khác nhau, tùy theo hướng các hạt tinh thể kim loại và thành phần cấu tạo của chúng Hạt ferit biến dạng nhiều hơn hạt peclit Điều đó làm cho năng lượng nâng cao không đều và thế năng

Nhấp nhô mớiNhấp nhô cũ

Hình 1.7 – Quá trình ăn mòn hoá học

trên lớp bề mặt chi tiết máy

điện tích thay đổi khác nhau Các hạt ferit biến cứng nhiều hơn sẽ trở nên anôt Các hạt peclit biến cứng ít hơn sẽ trở thành các catôt Đồng thời các mạng lưới nguyên

tử bị lệch với mức độ khác nhau trong các hạt tinh thể

Kết quả của sự biến dạng dẻo tạo nên sự không đồng nhất tế vi của kim loại nhiều tinh thể, trong đó sinh ra nhiều phần tử ăn mòn, nhất là ở mặt phẳng trượt, gây ra hiện tượng hấp thụ mạnh, tăng cường quá trình ăn mòn và khuếch tán ở lớp

bề mặt Bề mặt chi tiết máy qua quá trình gia công cơ sẽ bị biến cứng, độ nhám bề mặt bị thay đổi làm cho tính chống ăn mòn hóa học của kim loại cũng bị thay đổi Sau khi tiện, tốc độ ăn mòn thép trong axit sufuric loãng có thể nhanh gấp 12,5 lần

so với sau khi đánh bóng [8], vì độ nhám bề mặt sau khi đánh bóng thấp hơn sau khi tiện

c Ảnh hưởng của ứng suất dư :

Ứng suất dư hầu như không ảnh hưởng đến tính chống ăn mòn hóa học của kim loại

1.2.3 Ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy

a Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt

Độ nhám bề mặt có ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy, nhất là khi nó chịu tải trọng chu kỳ có đổi dấu, vì ở đáy các nhấp nhô có ứng suất tập trung lớn, có khi vượt quá giới hạn mỏi của vật liệu Ứng suất tập trung này sẽ gây ra các vết nứt

tế vi ở đáy các nhấp nhô, đó là nguồn gốc phá hỏng chi tiết máy

100 µm xuống RZ = 0,1 µm thì độ bền chịu va đập có thể tăng 17% [8]

b Ảnh hưởng của lớp biến cứng bề mặt

Bề mặt bị biến cứng có thể tăng độ bền mỏi khoảng 20% Chiều sâu và mức độ

biến cứng của lớp bề mặt đều có ảnh hường đến độ bền mỏi của chi tiết máy, vì nó

hạn chế khả năng gây ra các vết nứt tế vi làm phá hỏng chi tiết, nhất là khi bề mặt

chi tiết có ứng suất dư nén

c Ảnh hưởng của ứng suất dư

Ứng suất dư nén trên lớp bề mặt có tác dụng làm tăng độ bền mỏi của chi tiết,

còn ứng suất dư kéo thì ngược lại Ảnh hưởng của ứng suất dư bề mặt đối với độ

bền mỏi của chi tiết có thể xác định bằng công thức 1.5 [8]

1.2.4 Ảnh hưởng đến độ chính xác các mối lắp ghép

Độ chính xác các mối lắp ghép trong kết cấu cơ khí phụ thuộc chất lượng các

bề mặt lắp ghép Độ bền các mối ghép, trong đó có độ ổn định của chế độ lắp ghép

giữa các chi tiết, phụ thuộc vào độ nhám các bề mặt lắp ghép Ở đây, chiều cao

nhấp nhô tế vi Rz tham gia vào trường dung sai chế tạo chi tiết máy : đối với lỗ thì

dung sai kích thước đường kính sẽ giảm một lượng là 2Rz, còn đối với trục thì tăng

lên 2Rz

Đối với mối ghép lỏng, trong giai đoạn mòn ban đầu chiều cao nhấp nhô tế vi

Rz có thể giảm đi 65% ÷ 75% làm khe hở lắp ghép tăng lên và độ chính xác lắp

ghép giảm đi Như vậy, đối với các mối ghép lỏng, để đảm bảo độ ổn định các mối

ghép trong thời gian sử dụng, trước hết phải giảm độ nhấp nhô tế vi (giảm Rz) Giá

trị hợp lý của Rz được xác định theo độ chính xác của lắp ghép tùy theo trị số của

dung sai lắp ghép Thường được xác định như sau [8] :

Nếu đường kính lắp ghép lớn hơn 50 mm thì RZ = (0,1 ÷ 0,15)δ

Nếu đường kính lắp ghép từ (18 ÷ 50) mm thì RZ = (0,15 ÷ 0,2)δ

Nếu đường kính lắp ghép nhỏ hơn 18 mm thì RZ = (0,2 ÷ 0,25)δ

Độ bền của mối ghép chặt có quan hệ trực tiếp với độ nhám bề mặt lắp ghép

Độ nhám bề mặt tăng thì độ bền mối ghép chặt giảm

Tóm lại, chất lượng bề mặt có ảnh hưởng lớn đến tính chất mối ghép Trong

đó độ nhám bề mặt có ảnh hưởng lớn và rõ ràng nhất Tuy nhiên vẫn chưa có các

công trình nghiên cứu sâu về lý thuyết của vấn đề này

1.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI

TIẾT MÁY

Trạng thái và tính chất bề mặt chi tiết máy trong quá trình gia công do nhiều yếu tố

công nghệ quyết định

Tính chất cơ lý của lớp bề mặt chi tiết máy bị thay đổi dưới tác dụng của lực

cắt và nhiệt sinh ra trong vùng cắt Ở các phương pháp cắt gọt (tiện, phay,

khoan,…) thì tác động của lực cắt đối với tính chất cơ lý của lớp bề mặt thường

mạnh hơn tác động của nhiệt cắt Khi mài thì tác động của nhiệt cắt đến tính chất cơ

lý của lớp bề mặt mạnh hơn lực cắt Đối với các phương pháp gia công biến dạng

dẻo thì có hiện tượng thoát cacbon ở lớp bề mặt

Nói chung, quá trình hình thành tính chất hình học và cơ lý của lớp bề mặt

rất phức tạp Sau đây chỉ xét các yếu tố cơ bản nhất

1.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt

a Ảnh hưởng của các yếu tố hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt

Mối quan hệ giữa các thông số hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt đối với chất

lượng bề mặt chi tiết máy đã được nhiều tài liệu đề cập đến [5,8] Người ta đã xác

định được ảnh hưởng của lượng tiến dao S, bán kinh mũi dao r, chiều dày phôi nhỏ

nhất hmin đến độ nhám bề mặt bằng các công thức quan hệ (1.6) và (1.7)

Với S > 0,15 mm/vg thì :

2 z

SR8r

Từ công thức quan hệ (1.6) và (1.7) ta thấy rằng khi S tăng thì giá trị Rz sẽ

tăng ; khi bán kính mũi dao tăng thì Rz giảm Quan hệ này được chỉ ra một cách trực

quan ở hình 1.8

Hình 1.8 [8], đường cong 1 biểu diến mối quan hệ tổng quát giữa Rz, S và r,

cụ thể là trong phạm vi giá trị lượng chạy dao S > 0,15 mm/vòng Đường cong 2 biểu thị mối quan hệ thực nghiệm, kể cả phạm vi giá trị lượng chạy dao S nhỏ hơn (S < 0,1 mm/vòng) Từ đường cong 2 có thể xác định được mối quan hệ giữa Rz, S

và r, hmin đối với bước tiện tinh và biểu thị bằng đường cong 3

Nếu lượng chạy dao quá nhỏ (S < 0,03 mm/vòng) thì Rz tăng do có hiện tượng trượt dao

Hình 1.9 là sơ đồ biểu diễn sự phụ thuộc của Rz vào S, ϕ, ϕ1 và r Từ hình 1.9.a, ta thấy rằng khi lượng chạy dao là S1, dao di chuyển từ vị trí 1 đến vị trí 2 sẽ

để lại lượng m không thể cắt được từ đó sinh ra độ nhám Rz’, khi giảm lượng chạy dao (S2 < S1) thì m sẽ nhỏ và sinh ra độ nhám nhỏ (Rz” < Rz’) – hình 1.9.b Khi giảm góc nghiêng chính (ϕ) và góc nghiêng phụ (ϕ1) thì Rz cũng sẽ giảm (hình 1.9.c) So sánh hình 1.9.d và hình 1.9.e, ta thấy khi tăng bán kính mũi dao (r2 > r1) thì Rz sẽ giảm Hình 1.9.f cho thấy chiều sâu cắt hầu như không ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt

Ra

(µm)

0,20

Hình 1.8 - Quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô

và lượng tiến dao khi tiện

1

2

3

Góc trước của dao γ và độ mòn dụng cụ cũng ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt, khi góc trước tăng thì Rz giảm, còn khi độ mòn dụng cụ tăng thì Rz giảm

Đối với chiều sâu biến cứng, khi lượng chạy dao nằm trong khoảng từ 0,3 đến 0,5 mm/vòng, người ta xác địng được quan hệ với S theo công thức 1.8

Hình 1.9 - Ảnh hưởng của hình dáng hình học của dụng cụ cắt và chế độ

cắt đến nhấp nhô bề mặt khi tiện

b Các nguyên nhân phụ thuộc vào biến dạng dẻo của lớp bề mặt đến R z

Khi vật liệu lớp bề mặt chi tiết máy bị biến dạng dẻo mạnh, các cấu trúc tinh thể biến thành cấu trúc sợi làm thay đổi hình dạng và trị số nhấp nhô tế vi Ở kim loại giòn, các hạt tinh thể cá biệt bị bóc rời ra cũng làm thay đổi hình dạng nhấp nhô

tế vi và làm tăng kích thước nhấp nhô tế vi

Đối với vận tốc cắt v, khi gia công thép, vận tốc khoảng (15 ÷ 20) m/ph thì Rztăng vì ở trong khoảng vận tốc này có xuất hiện lẹo dao Nếu vận tốc cắt tiếp tục tăng đến khoảng (30 ÷ 60) m/ph thì lực ma sát giữa phôi và lẹo dao lớn hơn lực bám dính của lẹo dao trên mặt dao, làm cho Rz giảm dần Nếu vận tốc lớn hơn 100 m/ph thì lẹo dao không thể hình thành nên độ nhám bề mặt ổn định (hình 2.10)

Hình 1.10 - Ảnh hưởng của lượng chạy dao S đối với chiều sâu biến cứng t C , tùy

theo loại vật liệu gia công và vật liệu làm dụng cụ cắt

Khi gia công kim loại giòn (gang), các mãnh vỡ kim loại sẽ trượt lộn xộn lên

bề mặt chi tiết làm tăng độ nhám Nếu cắt với vận tốc cao thì sẽ giảm được độ hiện tượng vỡ vụn của phoi nên sẽ giảm được độ nhám bề mặt

Lượng chạy dao ngoài ảnh hưởng mang tính hình học, còn có ảnh hưởng lớn đến biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi ở bề mặt gia công Hình 1.12 là sơ đồ biểu diễn mối quan hệ giữa lượng chạy dao S và độ nhám Rz khi gia công thép cacbon

Hình 1.12 - Ảnh hưởng của lượng tiến dao (S) đến

chiều cao nhấp nhô tế vi (R z )

Hình 1.11 - Ảnh hưởng của vận tốc cắt (V) đến chiều cao nhấp nhô tế vi (R z )

Độ nhám bề mặt khá ổn định khi S nằm trong khoảng (0,02 ÷ 0,15) mm/vòng Nếu S < 0,02 mm/vòng thì độ nhám bề mặt tăng do có hiện tượng trượt dao gây biến dạng dẻo lớn, nếu lượng chạy dao S > 0,15 mm/vòng thì ảnh hưởng của S mang yếu tố hình học lớn hơn yếu tố biến dạng nên độ nhám bề mặt sẽ tăng do vết lưỡi cắt để lại trên bề mặt chi tiết

c Nguyên nhân do rung động của hệ thống công nghệ đến R z

Nguyên nhân gây rung động là do lực cắt không đều

Rung động sẽ tạo ra chuyển động tương đối giữa phôi và dao dẫn đến độ nhám và

độ sóng bề mặt tăng

Có thể giảm rung bằng cách tăng độ cứng vững cho hệ thống công nghệ, điều chỉnh máy tốt, nâng cao độ chính xác của các cơ cấu truyền động, thay đổi hình dáng hình học của dao sao cho lực cắt giảm theo hướng có rung

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

Khi thay đổi chế độ cắt bằng cách tăng lực cắt và mức độ biến dạng dẻo thì mức độ biến cứng bề mặt tăng Nếu kéo dài sự tác dụng của lực cắt trên bề mặt kim loại sẽ làm tăng chiều sâu lớp biến cứng bề mặt Khi tiện mức độ biến cứng bề mặt chi tiết gia công sẽ tăng nếu tăng lượng tiến dao S và bán kính mũi dao r (hình 1.13) [8]

Nếu tăng góc trước từ giá trị âm đến giá trị dương thì khả năng thoát phoi dễ nên mức độ biến dạng dẻo giảm dẫn đến mức độ và chiều sâu lớp biến cứng bề mặt chi tiết giảm (hình 1.14) [8]

Vận tốc cắt có tác dụng rút ngắn thời gian tác động của lực cắt lên bề mặt chi tiết, vì vậy khi tăng lực cắt thì chiều sâu và mức độ biến cứng sẽ giảm

Hình 1.13 - Ảnh hưởng của lượng tiến dao (S) và bán kính lưỡi

cắt (r) đến độ biến cứng bề mặt

1 Với lượng tiến dao S = 0,12 mm/vòng

2 Với lượng tiến dao S = 0,25 mm/vòng

3 Với lượng tiến dao S = 0,50 mm/vòng

4 Với lượng tiến dao S = 0,76 mm/vòng

Hình 1.14 - Ảnh hưởng của góc trước tới lớp biến cứng bề mặt

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

Nguyên nhân gây ra ứng suất dư bề mặt là do : biến dạng dẻo, biến dạng đàn hồi, biến đổi nhiệt, chuyển pha trong cấu trúc kim loại

Nói chung chế độ cắt, hình dáng hình học dụng cụ cắt và dung dịch trơn nguội là những yếu tố ảnh hưởng nhiều đến sự hình thành ứng suất dư bề mặt chi tiết máy, kể cả ứng suất tiếp tuyến, pháp tuyến và hướng trục Tuy nhiên quan hệ giữa ứng suất dư và các yếu tố trên là rất phức tạp

Chương 2 NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG NGHỆ CNC

2.1 KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA

MÁY CNC

Điều khiển số (Numerical Control) ra đời với mục đích điều khiển các quá trình công nghệ gia công cắt gọt trên các máy công cụ Về thực chất, đây là một quá trình tự động điều khiển các hoạt động của máy (như các máy cắt kim loại, robot, băng tải vận chuyển phôi liệu hoặc chi tiết gia công, các kho quản lý phôi và sản phẩm ) trên cơ sở các dữ liệu được cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên bao gồm các chữ số, số thập phân, các chữ cái và một số ký tự đặc biệt tạo nên một chương trình làm việc của thiết bị hay hệ thống

Trước đây, cũng đã có các quá trình gia công căt gọt được điều khiển theo chương trình bằng các kỹ thuật chép hình theo mẫu, chép hình bằng hệ thống thủy lực, cam hoặc điều khiển bằng mạch logic Ngày nay, với việc ứng dụng các thành quả tiến bộ của Khoa học - Công nghệ, nhất là trong lĩnh vực điều khiển số và tin học đã cho phép các nhà Chế tạo máy nghiên cứu đưa vào máy công cụ các hệ thống điều khiển cho phép thực hiện các quá trình gia công một cách linh hoạt hơn, thích ứng với nền sản xuất hiện đại và mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn

Về mặt khoa học: Trong những điều kiện hiện nay, nhờ những tiến bộ kỹ thuật

đã cho phép chúng ta giải quyết các bài toán phức tạp hơn với độ chính xác cao hơn

mà trước đây hoặc chưa đủ điều kiện hoặc quá phức tạp khiến ta phải bỏ qua một số yếu tố và dẫn đến một kết quả gần đúng Chính vì vậy đã cho phép các nhà Chế tạo máy thiết kế và chế tạo các máy với các cơ cấu có hiệu suất cao, độ chính xác truyền động cao cũng như những khả năng chuyển động tạo hình phức tạp và chính xác hơn

Lịch sử phát triển của NC bắt nguồn từ các mục đích về quân sự và hàng không vũ trụ khi mà yêu cầu các chỉ tiêu về chất lượng của các máy bay, tên lửa, xe tăng là cao nhất (có độ chính xác và độ tin cậy cao nhất, có độ bền và tính hiệu quả khi sử dụng cao ) Ngày nay, lịch sử phát triển NC đã trải qua các quá trình phát

triển không ngừng cùng với sự phát triển trong lĩnh vực vi xử lý từ 4 bit, 8bit cho đến nay đã đạt đến 32 bit và cho phép thế hệ sau cao hơn thế hệ trước và mạnh hơn

về khả năng lưu trữ và xử lý

Từ các máy CNC riêng lẽ (CNC Machines - Tools) cho đến sự phát triển cao hơn là các trung tâm gia côngCNC (CNC Engineering - Centre) có các ổ chứa dao lên tới hàng trăm và có thể thực hiện nhiều nguyên công đồng thời hoặc tuần tự trên cùng một vị trí gá đặt Cùng với sự phát triển của công nghệ truyền số liệu, các mạng cục bộ và liên thông phát triển rất nhanh đã tạo điều kiện cho các nhà công nghiệp ứng dụng để kết nối sự hoạt động của nhiều máy CNC dưới sự quản lý của một máy tính trung tâm DNC (Directe Numerical Control) với mục đích khai thác một cách có hiệu quả nhất như bố trí và sắp xếp các công việc trên từng máy, tổ chức sản xuất và quản lý chất lượng sản phẩm

Hình 2.1 Mô hình điều khiển DNC

2.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA MÁY CÔNG CỤ CNC

Máy công cụ CNC khác máy công cụ thông thường một cách đáng kể vì máy thông thường được một người công nhân có tay nghề điều khiển bằng tay Anh ta đọc bản vẽ chi tiết rồi sử dụng các thông số của máy dựa trên kinh nghiệm bản thân,

vì thế chất lượng và năng suất phụ thuộc rất lớn vào kỹ năng của người vận hành Các máy công cụ CNC đã khắc phục được những khó khăn kể trên vì điều khiển các chức năng của máy được quyết định và vận hành độc lập với người vận hành

Các máy công cụ CNC là các thiết bị gia công có thể lập trình tự do và phù hợp cao với việc sản xuât tự động loạt nhỏ và trung bình

Ưu điểm chính của chúng là tính linh hoạt và tốc độ thay đổi nhanh các chương trình gia công với sự can thiệp tối thiểu bằng tay Tính linh hoạt của máy CNC đạt được là do :

- Khả năng lập lại trong các chương trình thực hiện

- Khả năng đưa vào trực tiếp các kích thước chi tiết và số liệu hành trình dao trên máy công cụ khi yêu cầu

- Không còn các yếu tố hạn chế chương trình cơ khí như cam, rãnh, chốt dừng hay tấm mẫu, nghĩa là không cần mọi sự điều chỉnh cơ khí

- Có khả năng đưa ra các giá trị tối ưu vào để điều khiển như tỉ số tiến dao, tốc độ trục chính và tắt – mở dung dịch trơn nguội mà thông thường bắt buộc phải do con người vận hành

- Việc điều chỉnh tất cả các chức năng phụ của máy như việc thay dao và cấp phôi tự động được máy tính hóa

- Có khả năng lập trình các giá trị bù cho các dụng cụ cắt và phôi khi chúng được gắn trên các miếng đỡ tiêu chuẩn

Việc phát triển máy CNC như vậy đã có một tác động lớn tới kết cấu của máy công

cụ Những thiết bị điều khiển lớn và cồng kềnh trước đây đã biến mất và những mạch điện tử nay đã gộp vào trong cấu trúc máy

2.3 KẾT CẤU CỦA MÁY CNC

Về kết cấu chung, thông thường máy NC và CNC đều có phần cơ sở (thân máy, bàn máy, hệ thống truyền động trục chính, hệ thống chạy dao, hệ thống điều khiển, hệ thống gá kẹp và các thiết bị phụ trợ - làm mát, bôi trơn ) Tuy nhiên kết cấu chung cũng như kết cấu của từng hệ thống của máy CNC có nhiều điểm khác so với máy thông thường

2.3.1 Đặc điểm kết cấu chung

Sự thay đổi trong kết cấu chung của máy CNC chủ yếu do sự có mặt bộ điều khiển, một số đặc điểm có thể dễ dàng nhận thấy như sau:

- Hệ truyền động cơ khí được chế tạo cứng vững, chính xác, giảm thiểu ma sat Các đường trượt được nhiệt luyện phủ kim giảm ma sát và mài mòn hoặc dùng con lăn Các truyền động vít me đai ốc bi để giảm ma sát và triệt tiêu khe hở Hệ thống hộp số, hộp tốc độ gần như không còn vì các động cơ đều được điều khiển vô cấp

- Vùng làm việc của máy CNC thường được bao kín để đảm bảo an toàn tối

đa cho người sử dụng Việc thay dao, thay và kẹp phôi, tải phoi, hệ thống làm mát thường được thực hiện tự động

- Máy CNC hầu như không còn các tay quay, cần gạt cơ khí vì các chức năng thay đổi chế độ gia công, dịch chuyển bàn máy (chạy dao) đều được thực hiện tự động hoặc dùng các phím điều khiển, tay quay điện tử

- Thay vì kết cấu đúc, hệ thống khung sườn của máy CNC thường có kết cấu khung hàn, cho phép giảm khối lượng, ít bị biến dạng nhiệt mà vẫn cứng vững ổn định

- Các máy và trung tâm gia công CNC thường được trang bị các hệ thống thay dao tự động, cấp phôi tự động, tải phoi tự động Vị trí của đài dao thường được chuyển về phía sau máy để thuận tiện cho điều khiển và không cản trở quan sát của công nhân

2.3.2 Cấu trúc của hệ thống CNC

Hệ thống CNC gồm 6 phần chính:

- Chương trình gia công (part program)

- Thiết bị đọc chương trình (program input device)

- Hệ điều khiển máy (MCU)

- Hệ thống truyền động (drive system)

- Máy công cụ (machine tool)

- Hệ thống phản hồi (feedback system)

Hình 2.2 Cấu trúc của máy CNC

2.3.3 Hệ điều khiển máy gia công CNC

Hệ điều khiển máy hoạt động trên cơ sở phần cứng (hardware) và phần mềm (software) Phần cứng ở đây là hệ điều khiển và lập trình gia công CNC do các hãng