Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ chính xác gia công khi tiện cao tốc vật liệu SUS304 trên máy tiện CNC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- LÊ THĂNG KHOA Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ chính xác gia công khi tiện cao tốc vật liệu SUS304 t

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

-

LÊ THĂNG KHOA

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ chính xác gia công khi tiện cao tốc vật liệu SUS304 trên máy tiện CNC

CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Công nghệ chế tạo máy

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS TRƯƠNG HOÀNH SƠN

Hà Nội – Năm 2010

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình khác, trừ những phần tham khảo

đã được ghi rõ trong luận văn

Tác giả

Lê Thăng Khoa

MỤC LỤC

Trang Trang phụ bìa

Lời cam đoan 1

1 Tính cấp thiết luận văn 5

2 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 5

2.1 Ý nghĩa khoa học 5

2.2 Ý nghĩa nghĩa thực tiễn 6

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ

TÀI TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 8

1.1 Tổng quan về nghiên cứu gia công cao tốc 8

1.1.1 Lịch sử phát triển 8

1.1.2 Hiệu qủa kinh tế 17

1.2 Giới hạn nghiên cứu 18

1.2.1 Đối tượng nghiên cứu 18

1.2.2 Giới hạn nghiên cứu 18

1.3 Kết luận 18

Chương 2 ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH

2.1 Khái niệm và định nghĩa 20

2.2 Các phương pháp đạt độ chính xác gia công trên máy công cụ 23

2.2.1 Phương pháp cắt thử từng chi tiết riêng biệt 23

2.2.2 Phương pháp tự động đạt kích thước 24

2.2.3 Phương pháp đạt độ chính xác gia công bằng điều khiển thích nghi 25

2.3 Các nguyên nhân gây ra sai số 26

2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác gia công 27

2.4.1 Ảnh hưởng do biến dạng hệ thống công nghệ 27

2.4.2 Ảnh hưởng của độ cứng vững hệ thống công nghệ 29

2.4.3 Ảnh hưởng do mòn dao 29

2.4.5 Ảnh hưởng do độ chính xác và tình trạng mòn của máy, đồ gá, dao 31

2.4.5.3 Ảnh hưởng của dụng cụ cắt 32 2.4.6 Ảnh hưởng do biến dạng nhiệt của máy, dao và chi tiết gia công 33

2.4.6.1 Ảnh hưởng do biến dạng nhiệt của máy 33

2.4.6.2 Ảnh hưởng do biến dạng nhiệt của dao cắt 33

2.4.6.3 Ảnh hưởng do biến dạng nhiệt của chi tiết gia công 33

2.4.6.4 Ảnh hưởng do rung động phát sinh trong quá trình cắt 34

2.4.6.5 Ảnh hưởng do chọn chuẩn và gá đặt chi tiết gia công gây ra 35

2.4.6.6 Ảnh hưởng do phương pháp đo và dụng cụ đo gây ra 35

2.5 Khả năng đạt độ chính xác của các phương pháp gia công cắt gọt 35

2.5.1 Các phương pháp cắt gọt sử dụng dụng cụ cắt có thông số hình

2.5.2 Mài và các phương pháp gia công sử dụng hạt mài 36

2.5.3 Các phương pháp gia công truyền thống có sử dụng máy CNC và

2.5.4 Các phương pháp gia công tiên tiến: Công nghệ Na-nô 37

2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám khi gia công cao tốc 37

2.6.2 Ảnh hưởng của mức độ biến dạng dẻo đến Ra, Rz 40

2.6.3 Ảnh hưởng của nhiệt cắt và độ mòn dao đến Ra, Rz 44

Chương 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ THỰC

3.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm 47 3.1.1 Các thông số công nghệ của vật liệu gia công

3.1.2 Xây dựng mô hình thực nghiệm 47

3.2 Các thông số thí nghiệm 48

3.2.1 Máy thí nghiệm 48

3.2.2 Mẫu thí nghiệm 50

3.2.3 Dụng cụ cắt 50

3.3 Thực hiện các thí nghiệm và thu thập số liệu 53

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận văn

Theo xu thế chung của sự phát triển khoa học kỹ thuật hiện đại trên Thế giới Việt Nam chúng ta có những bước phát triển rất đáng kể, đặc biệt là trong công nghiệp Nhưng so với nền công nghiệp của các nước phát triển trên thế giới chúng

ta còn nhiều thua kém Chính vì vậy việc đào tạo những trí thức trẻ cho tương lai là một việc hết sức quan trọng nhằm đáp ứng nhu cầu cần thiết của nền công nghiệp hiện đại

Yêu cầu cấp thiết của cơ khí nước ta hiện nay là dần dần nội địa hoá các sản phẩm cơ khí chính xác nhằm đưa công nghệ kỹ thuật Việt Nam đuổi kịp với sự phát triển của các nước trong khu vực Để làm được điều này thì việc nghiên cứu, ứng dụng các phương pháp gia công tiên tiến vào sản xuất là một việc cấp thiết Việc gia công các chi tiết có các thông số kỹ thuật phức tạp bằng các máy móc

và kỹ thuật cổ điển là rất khó khăn, đạt độ chính xác thấp và chỉ gia công được các

bề mặt có độ phức tạp, chính xác không cao Ngày nay, cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật hiện đại: Công nghệ hàng không, chế tạo ôtô, khuôn mẫu, quân sự , thì xuất hiện càng nhiều các chi tiết đòi hỏi độ chính xác cao Việc ứng dụng các kỹ thuật và công nghệ mới như máy công cụ gia công cao tốc CNC, công nghệ tạo mẫu nhanh đã giúp cho việc gia công các chi tiết có hình dáng hình học phức tạp được dễ dàng hơn, đạt độ chính xác cao hơn Cùng với đó, con người ngày càng hoàn thiện các kỹ thuật, công nghệ tiên tiến đó Nhiều đề tài nghiên cứu, báo cáo khoa học về các khía cạnh, các vấn đề trong quá trình gia công các chi tiết

có thông số kỹ thuật phức tạp đã được trình bày trong các tạp chí chuyên ngành Với mục đích góp phần nâng cao độ chính xác gia công

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn

2.1 Ý nghĩa khoa học

Gia công các chi tiết có biên dạng phức tạp được áp dụng nhiều trên các máy CNC Nó giúp cho việc gia công các chi tiết có hình dáng hình học phức tạp trở nên đơn giản hơn, đạt độ chính xác cao hơn Phương pháp gia công mới này được ứng

dụng trong nhiều lĩnh vực như: Y học, khuôn mẫu, công nghệ hàng không, chế tạo ô

tô, quân sự, mĩ thuật, Tuy nhiên, trong quá trình gia công nó còn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố sai số khác nhau: Sai số phép đo, sai số toán học, sai số gia công, dẫn đến chi tiết có độ chính xác cao

Trước đây những chi tiết có độ chính xác cao và có các thông số phức tạp sau khi nhiệt luyện đều phải qua công đoạn mài, mài khôn Những công đoạn này thiếu tính linh hoạt và tốn nhiều thời gian Một hạn chế nữa là chi phí cho dung dịch trơn nguội của các công đoạn mài khá cao Những lý do trên làm tăng chi phí cho các công đoạn gia công chính xác Mặt khác chất thải ra khi mài ngày càng gây ô nhiễm môi trường, thúc đẩy các nhà sản xuất loại dần khâu mài trong quy trình công nghệ gia công chi tiết

2.2 Ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu độ chính xác gia công các chi tiết trên máy tiện cao tốc CNC, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm Đặc biệt với thép không gỉ SUS304 là vật liệu

có độ bền cao, dãn nhiệt kém, tốc độ biến cứng nhanh và độ dẻo dai cao

Như vậy khi gia công vật liệu SUS304 phoi bóc ra tạo áp lực lớn lên mũi dao, kết hợp với nhiệt độ cao tại bề mặt phoi và mũi dao, làm một phần kim loại của phoi bị dính lên dao Ngoài ra, sự bết dính lại được thúc đẩy do thép không gỉ dẫn nhiệt kém làm nhiệt độ chỗ tiếp xúc phoi và mũi dao tăng cao Đặc biệt là khi thực hiện nguyên công mài, phoi kim loại bóc ra bết dính lên bề mặt đá mài làm tăng ma sát và dẫn đến hiện tượng làm cùn đá mài Hiện nay việc thực hiện nguyên công mài đối với thép không gỉ đang gạp nhiều khó khăn, trong khi đòi hỏi chất lượng chế tạo các chi tiết đó phải có độ chính xác cao để đảm bảo các mối lắp ghép cơ khí

Do đó một yêu cầu đặt ra là liệu có thể thay thế nguyên công mài bằng nguyên công tiện trên máy CNC mà vẫn đảm bảo được cấp chính xác cần gia công không?

Do vậy trong quá trình thực hiện, tôi đã chọn đề tài luận văn làm tốt nghiệp:

“Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ chính xác gia công khi tiện cao tốc vật liệu SUS304 trên máy tiện CNC”

Nội dung luận văn bao gồm các chương sau:

Chương 1- Tổng quan về nghiên cứu liên quan đến đề tài trong và ngoài nước và

giới hạn của đề tài

Chương 2- Độ chính xác gia công và các yếu tố ảnh hưởng

Chương 3- Xây dựng mô hình thực nghiệm và thực nghiệm

Chương 4- Kết quả thực nghiệm và thảo luận

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI TRONG VÀ

NGOÀI NƯỚC VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU 1.1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ MÁY GIA CÔNG CAO TỐC

độ chạy dao thấp còn High Efficiency Machining thì có tốc độ chạy dao cao nhưng tốc độ cắt trung bình (Hình 1.1)

Hình 1.1 Máy Emco Turn 332 Mcplus của hãng Emco (Áo)

Gia công cao tốc (high Speed Machining) đạt tốc độ cắt từ 5÷10 lần tốc độ cắt

truyền thống thì nhiệt độ của phoi sẽ giảm Thật ra có nhiều cách khác nhau để định nghĩa gia công cao tốc dựa vào các yếu tố sau:

• Gia công với tốc độ cắt cao

• Gia công với tốc độ quay của trục chính cao

• Gia công với lượng ăn dao cao

• Gia công với tốc độ cắt cao và lượng ăn dao cao

• Gia công với năng suất cao

Thực tế thì gia công cao tốc không đơn giản là cắt với tốc độ cao Nó phải được xem như là một quá trình gia công mà ở đó các bước gia công được thực hiện bằng những phương pháp và thiết bị gia công rất cụ thể Gia công cao tốc cũng không phải là gia công với tốc độ trục chính cao bởi vì có nhiều ứng dụng gia công cao tốc được thực hiện với máy có tốc độ bình thường Gia công cao tốc thường được sử dụng khi gia công tinh thép đã tôi với việc sử dụng cả hai yếu tố là tốc độ cao và lượng ăn dao cao Tùy theo loại vật liệu mà dải (vùng) tốc độ gia công cao tốc khác nhau (hình 1.2 Nguồn http://cokhi-hui.com)

Hình 1.2 Vùng tốc độ gia công cao tốc một số loại vật liệu

Về cơ bản, gia công cao tốc là một sự kết hợp của tốc độ trục chính của máy cao (high spindle speed), lượng ăn dao lớn (high feed), hệ điều khiển CNC cao cấp và

hơn thế nữa Tốc độ trục chính khoảng 8000 vg/ph có thể là điểm khởi đầu cho gia công cao tốc Trong thực tế, tốc độ cao nhất cho gia công cao tốc trên các máy công

cụ ngày càng tăng, lên đến 40.000 vg /ph và hơn thế nữa Tốc độ ăn dao trung bình

ít nhất là 10m/s trong khi tốc độ di chuyển nhanh lên đến 40m/ph và cao hơn, công suất động cơ trục chính ít nhất là 15 kW

Yêu cầu về thiết bị cho gia công cao tốc

Gia công cao tốc đã được áp dụng trên các trung tâm gia công truyền thống với tùy chọn tốc độ trục chính cao

Gần đây các nhà chế tạo máy công cụ đã thiết kế, chế tạo và phát triển các dòng máy dùng cho gia công cao tốc Để thực hiện được gia công cao tốc thì hệ thống dao và máy cũng có những yêu cầu đặc biệt, cụ thể như sau:

• Sử dụng ổ đỡ có tần số quay vòng cao cho trục chính

• Công suất động cơ trục chính cao

• Trục chính phải có độ cứng vững và độ ổn định nhiệt cao

• Truyền động chạy dao động

• Điều khiển động truyền động

• Cấu trúc máy có độ cứng vững cao

• Hệ thống làm lạnh áp suất cao

• Thiết bị kẹp chặt dao đạt độ đồng tâm cao và cân bằng tốt

• Dao được làm bằng vật liệu có tính chống mòn cao…

• Bộ điều khiển CNC có khả năng đáp ứng được cho gia công cao tốc như có khả năng nội suy cung tròn thông qua đường cong NURBS, có chức năng look ahead

• Ưu điểm của gia công cao tốc

So với gia công truyền thống thì gia công cao tốc có những ưu điểm nổi bật Nó

có thể làm giảm thời gian gia công đến 90% và giảm đến 50% chi phí gia công, tùy trường hợp

Một số ưu điểm khác của gia công cao tốc như sau:

• Tốc độ bóc vật liệu cao

• Chất lượng bề mặt gia công tốt

• Độ chính xác hình dáng cao

• Có khả năng gia công được các gân mỏng

• Giảm việc tạo ba via

• Giảm hư hại bề mặt gia công

• Việc áp dụng công nghệ tiện cao tốc để gia công lần cuối các chi tiết mang lại những lợi ích sau:

- Giảm thời gian chu kỳ gia công một sản phẩm

- Giảm chi phí đầu tư thiết bị

- Tăng độ chính xác

- Đạt độ bóng bề mặt cao

- Cho phép nâng cao tốc độ bóc vật liệu (từ 2 ÷ 4 lần), nâng cao năng suất gia công

- Gia công được các contour phức tạp

- Cho phép thực hiện nhiều bước gia công trong cùng một lần gá

Phần lớn các chi tiết trong công nghiệp có dạng tròn xoay Dạng chi tiết này chủ yếu được gia công trên máy tiện máy truyền thống và máy gia công cao tốc CNC cho nên các máy tiện, nhất là trung tâm tiện cao tốc CNC, đóng một vai trò rất quan trọng Sự phát triển của các trung tâm tiện CNC theo sát sự phát triển của các trung tâm gia công CNC (CNC machining center) Sự thay đổi cơ bản đáng chú ý nhất ở các trung tâm tiện là sử dụng băng máy nghiêng, nhờ đó mà các thiết bị khác được

bố trí dễ dàng hơn trong vùng gia công (Hình 1.3)

Hình 1.3 Đầu rơ-vôn-ve với 8 hoặc 12 dao

Hầu hết các trung tâm tiện đều có đầu rơ-vôn-ve với 8 hoặc 12 dao với nhiều kiểu khác nhau, có một hoặc nhiều trục chính được bố trí theo phương thẳng đứng hoặc nằm ngang Các trung tâm tiện cao tốc CNC được phân thành các nhóm cơ bản sau:

• Trung tâm tiện phay (X, Z, C)

• Trung tâm tiện phay (X, Z, C)

• Trung tâm tiện nhiều trục (X, Z, C, Y)

• Trung tâm tiện đứng

• Trung tâm tiện có hai đầu rơ -von -ve

• Trung tâm tiện nhiều trục chính

Sau đây tôi xin sơ lược giới thiệu ba loại trong số các dòng máy nói trên

- Trung tâm tiện phay (X, Z, C)

Sự phát triển chủ yếu ở các trung tâm tiện CNC là sự phát triển của trung tâm tiện phay Nhờ sự tích hợp khả năng phay vào máy tiện, khả năng công nghệ của dòng máy này được gia tăng đáng kể Nhiều loại chi tiết tròn xoay có các lỗ, rãnh và mặt phẳng trên bề mặt Thông thường, các chi tiết này sau khi được tiện xong phải được chuyển đến máy khoan hoặc máy phay để thực hiện các công đoạn tiếp theo như khoan lỗ, phay rãnh, phay mặt phẳng Việc sử dụng nhiều máy công cụ khác nhau để gia công chi tiết sẽ tăng sai số gá đặt do chi tiết phải được gá nhiều lần trên các máy khác nhau Hơn nữa chúng có thể làm chậm trễ trong việc lập kế hoạch gia công trên các máy, việc vận chuyển, lưu kho, Nếu gia công trên trung tâm tiện-phay thì

-có thể chỉ cần một lần gá đặt vẫn -có thể gia công hết các bề mặt Điều này làm nâng cao năng suất gia công và nâng cao độ chính xác

Hình 1.4 Đầu rơ-vôn-ve với động cơ dẫn động dao phay (http://cokhi-hui.com)

Để thực hiện nguyên công phay trên máy tiện người ta sẽ cho trục chính đứng yên Thay vào đó dao sẽ quay (trên đầu rơ-vôn-ve hình 1.4) Để thực hiện được công việc này thì đầu rơ-vôn-ve được trang bị một động cơ riêng Trục chính của máy được phân độ (quay) một cách hợp lý để gia công được các biên dạng cần thiết Đây được gọi là trục C Trên hình 1.4 biểu diễn đầu rơ-vôn-ve của trung tâm tiện-phay với động cơ dẫn động dao phay

- Trung tâm tiện có hai đầu rơ-vôn-ve

Hình 1.5 Trung tâm tiện có hai đầu rơ-vôn-ve (Nguồn http://cokhi-hui.com)

Trên hình 1.5 là trung tâm tiện với hai đầu rơ-vôn-ve Hai đầu rơ-vôn-ve này có chuyển động độc lập nhau Ưu điểm chính của dòng máy này là nó có khả năng gia công hai dao cùng một lúc Khi gia công hai dao đồng thời thì lượng phoi sinh ra khá lớn, do đó cần phải lấy phoi đi một cách cẩn thận

- Trung tâm tiện cao tốc CNC Đứng

Hình 1 6 Trung tâm tiện đứng V160 của hãng INDEX Corp (http://cokhi-hui.com) Đối với các chi tiết có đường kính lớn thì rất khó gia công trên các máy có trục nằm ngang Trong trường hợp này người ta sử dụng trung tâm tiện đứng để thay thế

Trung tâm tiện đứng là bước phát triển máy tiện đứng theo hướng gia công hoàn thành chi tiết chỉ trong một lần gá đặt Chúng thường có một trục dịch chuyển theo phương thẳng đứng Trục này mang một đầu phay hoặc là một sự kết hợp của đầu trượt với một cổng di động Đầu trượt này có thể kết hợp một đầu phay hoặc các dao tiện Trung tâm tiện đứng có thể sử dụng bàn máy quay tròn quanh trục thẳng đứng và các phôi nặng sẽ được lắp trên bàn máy đó Cũng có loại trung tâm tiện đứng mà chi tiết được lắp trên mâm cặp của trục chính ở phía trên còn đầu rơ -vôn-

ve ở phía dưới Loại này dùng để gia công chi tiết cỡ nhỏ hơn so với trung tâm tiện đứng truyền thống Trên hình 1.6 là trung tâm tiện đứng kiểu này

Với việc tích hợp nhiều tính năng, một số hãng đã phát triển các trung tâm tiện đứng thành các máy đa chức năng Các máy này có thể thực hiện được các nguyên công như tiện, khoan, phay, mài, cắt răng, Ví dụ điển hình cho loại máy này là dòng máy trung tâm sản xuất đứng đa chức năng của hãng EMAG Dòng máy này được thiết kế rất linh hoạt để cung cấp cho các nhu cầu gia công rất khác nhau của các chi tiết ngành ô tô Máy này có hai trục chính nên có thể gia công hai chi tiết cùng lúc Hiện nay gia công cao tốc (High Speed Machining-HSM) được xem là một trong những lĩnh vực chính của ngành chế tạo máy Thực ra gia công cao tốc không mới, nó đã được thực hiên cách đây hơn 30 năm (máy gia công cao tốc ASMC hãng QUANTUM - hình 1.7)

Hình 1.7 Máy gia công cao tốc ASMC (hãng QUANTUM)

Gần đây, với sự phát triển vượt bậc của ngành chế tạo máy hiện nay với những công nghệ liên quan như máy tính, dao cắt, máy công cụ, bộ điều khiển CNC, hệ thống CAM, thì gia công cao tốc ngày càng được quan tâm hơn Các ứng dụng chủ yếu thúc đẩy công nghệ theo hướng gia công cao tốc là: Chế tạo khuôn mẫu, chế tạo các chi tiết ngành ô tô và gia công các chi tiết ngành hàng không được gia công trên náy gia công cao tốc

Rất khó để nêu lên một định nghĩa chung về gia công cao tốc Tốc độ gia công thì rất cụ thể cho từng ứng dụng Ví dụ tốc độ gia công cao tốc khi gia công thép vào khoảng 800m/ph nhưng giá trị này vẫn chưa phải là giá trị tốc độ gia công cao tốc khi gia công gang Nói chung, để định nghĩa gia công cao tốc dựa vào các yếu tố sau: Tốc độ cắt cao, tốc độ quay của trục chính cao, lượng ăn dao cao, tốc độ cắt cao, lượng ăn dao cao và năng suất cao Tốt nhất là nói rằng gia công cao tốc có nghĩa là cắt gọt vật liệu nhanh hơn bình thường cho những công đoạn cụ thể Bảng

sau trình bày một so sánh điển hình giữa gia công cao tốc và gia công thông thường

Bảng: So sánh gia công cao tốc và gia công thường (Nguồn http://cokhi-hui.com)

Tốc độc chạy dao trên các trục, mm/ph 10.000 2.500 ÷ 60.000

Tốc độ chạy dao nhanh, mm/ph 20.000 20.000 ÷ 60.000

Trong một số trường hợp người ta cũng có thể sử dụng máy truyền thống để gia công cao tốc Tuy nhiên, nói chung, để thực hiện được gia công cao tốc thì máy cũng có những yêu cầu đặc biệt Sau đây là một số yêu cầu cụ thể:

Trục chính phải có độ cứng vững và độ ổn định nhiệt cao Các ổ đỡ phải có tần số quay vòng cao Kích thước ổ, kiểu ổ, số ổ, tải, kiểu bôi trơn ổ và vật liệu làm ổ yêu cầu phải được kiểm tra gắt gao cho máy công cụ gia công cao tốc Kiểu ổ đỡ lai hoặc hoàn toàn bằng ceramic cũng có thể cần thiết cho gia công cao tốc

Động cơ dẫn động chạy dao tốc độ cao

Khả năng tăng tốc và giảm tốc nhanh rất quan trọng cho việc nâng cao năng suất Một máy công cụ với tốc độ tăng tốc/giảm tốc cao có thể duy trì vùng tốc độ chạy dao không đổi trên hầu hết hành trình cắt Gia công cao tốc yêu cầu các động cơ dẫn động các trục có công suất cao

• Bộ điều khiển CNC có khả năng đáp ứng được cho gia công cao tốc

Bộ điều khiển CNC phải có khả năng xử lý đủ nhanh Xu hướng phát triển các bộ điều khiển CNC là chúng phải giảm được thời gian xử lý các khối lệnh và tăng khả năng look ahead, có khả năng nội suy cung tròn thông qua đường cong NURBS

Hệ thống máy phải chắc chắn và độ cứng vững cao khung máy và các hệ thống hỗ trợ như hệ thống che băng máy, hệ thống nước làm mát, hệ thống kẹp chặt, phải có

độ cững vững cao để chịu được ứng suất sinh ra khi gia công cao tốc Thiết bị che chắn máy và các cửa sổ phải được làm bền nhằm đảm bảo an toàn khi có sự cố về dao Vấn đề an toàn phải được đặt lên hàng đầu khi gia công cao tốc

• Trục chính và thiết bị kẹp chặt dao có đồng tâm cao và cân bằng tốt

Khi số vòng quay tăng thì lực li tâm sẽ tăng bình phương với vận tốc quay |F|

= mw2r Sự mất cân bằng trong hệ thống cũng như sự không đồng tâm sẽ làm gia tăng lực li tâm, gây rung động máy Do đó hệ thống gá dao và kẹp chặt dao, trục chính phải có độ đồng tâm cao và cân bằng tốt trong gia công cao tốc

• Hệ thống cấp dung dịch trơn nguội

Gia công cao tốc yêu cầu phải có hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội áp suất cao để có thể làm mát dao một cách hiệu quả Ở tốc độ quay cao thì xung quanh dao cắt xuất hiện vùng gió xoáy nên phương pháp làm nguội truyền thống không thể làm nguội hiệu quả Việc thay dao nhanh yêu cầu dung dịch trơn nguội phải sạch hơn so với thông thường nên hệ thống cấp dung dịch trơn nguội phải có khả năng

lọc tốt Trong nhiều trường hợp người ta thích sử dụng gia công cao tốc khô để loại trừ các rắc rối do hệ thông cấp dung dịch trơn nguội không đạt yêu cầu.

Nhu cầu về gia công cao tốc rất rộng lớn và đa dạng do đó hiện nay có nhiều kiểu máy khác nhau cho công nghệ này

Gia công tốc độ cao (High Speed Machining-HSM) là một trong những phương pháp gia công hiện đại So với các phương pháp cắt gọt truyền thống thì gia công tốc độ cao giúp nâng cao năng suất, độ chính xác và chất lượng chi tiết gia công Về

cơ bản, gia công cao tốc là một sự kết hợp giữa tốc độ cắt cao và lượng ăn dao lớn Nhiệt tập trung ở mũi cắt lớn là nhân tố giúp gia công tốc độ cao có các đặc tính kỹ thuật vượt trội so với các phương pháp gia công truyền thống như ít lẹo dao, lực cắt

bé, chất lượng bề mặt gia công lớn Tốc độ trục chính trong gia tốc độ cao có thể đạt 40.000 vg/ph Tốc độ ăn dao thấp nhất 10 m/s Ngoài ra các yếu tố khác như chế độ gia công, vật liệu dao cắt cũng có ảnh hưởng lớn đến quá trình gia công tốc độ cao

1.1.2 Hiệu quả kinh tế

Hiệu quả kinh tế của máy gia công cao tốc CNC thể hiện qua các khía cạnh sau:

- Khi chi tiết có độ phức tạp cao, lựa chọn phương pháp gia công phù hợp nhất là gia công trên máy gia công cao tốc CNC Bởi vì gia công trên máy gia công cao tốc CNC rút ngắn thời gian gia công, đạt độ chính xác yêu cầu và giá thành rẻ hơn so với khi gia công trên máy công cụ vạn năng và máy tự động cứng

- Khả năng thay đổi dạng sản phẩm chế tạo nhanh vì chỉ cần thay đổi chương trình điều khiển mà không cần thay đổi cấu trúc máy hoặc thêm đồ gá chuyên dùng Máy điều khiển số đáp ứng được tính linh hoạt của sản xuất

- Chi phí cho sản xuất dụng cụ cắt cho máy gia công cao tốc CNC nhỏ hơn so với dạng máy khác vì máy gia công cao tốc CNC được trang bị tính năng đánh giá lượng mòn dụng cụ và tự động điều chỉnh máy để bù lượng mòn

- Máy gia công cao tốc CNC có tính năng tự động kiểm tra chất lượng ngay trong quá trình gia công mà các máy thông thường không có khả năng này Do vậy giảm đáng kể tổn phí cho kiểm tra chất lượng chi tiết gia công

- Thời gian gia công chi tiết trên máy gia công cao tốc CNC nhỏ hơn so với máy vạn năng do tập trung nguyên công cao

- Máy gia công cao tốc không cần dùng các đồ gá chuyên dùng để gá kẹp phôi

1.2 GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU

1.2.1 Đối tượng nghiên cứu

Việc ứng dụng các kỹ thuật và công nghệ mới như máy công cụ gia công cao tốc CNC, công nghệ tạo mẫu nhanh đã giúp cho việc gia công các chi tiết có hình dáng hình học phức tạp được dễ dàng hơn, đạt độ chính xác cao hơn Cùng với đó, con người ngày càng hoàn thiện các kỹ thuật, công nghệ tiên tiến đó Nhiều đề tài nghiên cứu, báo cáo khoa học về các khía cạnh, các vấn đề trong quá trình gia công

các chi tiết có thông số kỹ thuật phức tạp đã được trình bày trong các tạp chí cơ khí

Thép là một loại vật liệu được sử dụng phổ biến trong thực tế, đặc biệt là thép không gỉ SUS 304 Loại vật liệu này đã, đang và sẽ được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và trong đời sống hàng ngày, trong các nhà máy hoá chất, công nghiệp đóng tàu, chế tạo máy bay… Vì thế, cần thiết phải nghiên cứu về tính gia công để xác định chế độ cắt và sử dụng loại vật liệu này hiệu quả hơn

1.2.2 Giới hạn nghiên cứu của luận văn: Gồm các nội dung sau

- Nghiên cứu tính gia công của thép không gỉ SUS304

- Nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ cắt đến ( Ra , Rz)

- Nghiên cứu ảnh hưởng lượng chạy dao đến ( Ra , Rz)

- Nghiên cứu ảnh hưởng chiều sâu cắt đến ( Ra , Rz)

1.3 KẾT LUẬN

Qua nghiên cứu tổng quan về quá trình gia công cao tốc, tìm hiểu các công trình nghiên cứu trong nước và trên thế giới Kết hợp với việc nghiên cứu sự ảnh hưởng các thông số công nghệ khi gia công cao tốc đến độ chính xác gia công

Gia công cao tốc trên máy tiện CNC có một vị trí quan trọng trong ngành cơ khí chính xác do khả năng gia công tốc độ cao những vật liệu có độ cứng, độ bền cao, cho độ chính xác và độ bóng bề mặt cao có thể đạt cấp ∇8

Gia công cao tốc trên máy tiện CNC được chọn là nguyên công gia công tinh lần cuối vì vậy chất lượng bề mặt chi tiết gia công có ảnh hưởng quan trọng đến khả năng làm việc sau này của chi tiết máy Chất lượng bề mặt thường được chọn làm chỉ tiêu để tối ưu hóa quá trình gia công tinh

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình gia công tiện cao tốc tới độ chính xác gia công là cơ sở để tìm ra các biện pháp nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết khi gia công tiện cao tốc

Các thông số công nghệ như lượng chạy dao (s), tốc độ cắt (V) và chiều sâu cắt (t) có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng bề mặt của chi tiết gia công cao tốc Khi đã nghiên cứu, xác định được sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ của quá trình tiện cao tốc đến độ chính xác gia công chúng ta có thể lựa chọn cho các thông số các giá trị tối ưu Và chất lượng bề mặt chi tiết sẽ được nâng cao

Việc nâng cao chất lượng chi tiết khi gia công tiện cao tốc sẽ dẫn đến một hệ quả

là các máy móc, thiết bị gia công cao tốc đó sẽ đạt độ chính xác cao hơn, quá trình hoạt động tốt hơn

Công nghiệp phát triển và yêu cầu về chất lượng sản phẩm ngày càng cao Do

đó, việc nghiên cứu làm sao để sản phẩm làm ra đạt chất lượng tốt nhất, hiệu quả kinh tế cao nhất là một việc làm không thể thiếu Một trong số những nghiên cứu quan trọng đó chính là nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi gia công trên máy tiện cao tốc CNC đến chất lượng bề mặt chi tiết Với kết quả của nghiên cứu này sẽ là cơ sở cho quá trình tối ưu hóa các thông số công nghệ khi gia công trên máy tiện cao tốc CNC

CHƯƠNG 2

ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

2.1 Khái niệm và định nghĩa

Các chi tiết máy khi được thiết kế đều có các yêu cầu kỹ thuật để đảm bảo tính năng làm việc của chúng Đó có thể là độ chính xác về kích thước hay vị trí tương quan Tuy nhiên, đó mới chỉ là trên bãn vẽ thiết kế Khi gia công, việc đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của chi tiết được ghi trên bản vẽ là rất cần thiết Thực tế là giữa chi tiết được gia công với chi tiết lý tưởng trên bản vẽ có những sai số khác nhau, và các sai số đó được gọi là sai số gia công

Định nghĩa về độ chính xác gia công: Là mức độ giống nhau giữa chi tiết lý

tưởng trên bản vẽ thiết kế và chi tiết thực được gia công

Thực tế, không thể chế tạo được chi tiết máy hoàn toàn tuyệt đối chính xác, vì vậy người ta dùng giá trị sai lệch của nó để đánh giá độ chính xác gia công

Các dạng sai số: Được thể hiện theo sơ đồ (hình 2.1)

- Sai số trong từng chi tiết

- Sai số trong loạt sản phẩm

Hình 2.1 Các dạng sai số

Độ chính xác của chi tiết máy được đánh giá theo các yếu tố sau đây:

học được đáng giá qua độ phẳng của nó so với độ phẳng lý tưởng

- Độ chính xác vị trí tương quan

Độ chính xác này thực chất là sự xoay đi một góc nào đó của bề mặt này so vơi

bề mặt kia ( dùng làm chuẩn) Độ chính xác vị trí tương quan thường được ghi thành một điều điện kỹ thuật trên bản vẽ như: Độ song song, vuông góc, đồng tâm

v.v

Nói chung, độ chính xác gia công là chỉ tiêu khó đạt nhất và gây tốn kém nhất kể

cả trong quá trình xác lập cũng như trong quá trình chế tạo Độ chính xác gia công

là một yếu tố rất quan trọng trong gia công cơ khí, nó phản ánh trình độ gia công của một nền sản xuất cơ khí Tuy niên, việc nâng cao độ chính xác gia công là điều rất cần thiết vì điều đó sẽ làm nâng cao chất lượng sử dụng của chi tiết máy, làm giảm thời gian lắp ráp sản phẩm v.v Tuy nhiên, cũng cần phải hiểu rằng, việc nâng cao độ chính xác gia công đồng nghĩa với việc giá thành chi tiết sẽ bị nâng cao như đựơc chỉ ra trong hình 2.2

Hình 2.2 Mối quan hệ giữa độ chính xác gia công và giá thành sản phẩm

Dung sai chế tạo Giá thành

Độ chính xác gia công trong điều kiện sản xuất phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, do

đó người ta thường gia công chi tiết với “độ chính xác kinh tế” chứ không phải “ độ chính xác có thể đạt tới “Độ chính xác có thể đạt tới” là độ chính xác đạt được trong những điều kiện đặc biệt không tính đến giá thành gia công (máy chính xác, đồ gá tốt, công nhân có tay nghề cao, v.v…)

Hình 2.3 Mối quan hệ giữa các phương pháp gia công và giá thành

Hình 2.3 Mô tả mối quan hệ giữa giá thành gia công (C) và độ chính xác (sai số: δ) của các phương pháp cắt gọt khác nhau Đường 1 mô tả quan hệ giữa C và δ

khi gia công thô, đường 2- khi gia công tinh và đường 3 - khi mài

Ta thấy đường cong 2 cắt cả hai đường cong 1 và 3, tạo ra 3 vùng khác nhau là vùng I, vùng II và vùng III Như vậy,vùng I có thể gọi là độ chính xác có thể đạt tới (độ chính xác cao nhất), vùng II là độ chính xác kinh tế còn vùng III là độ chính xác đảm bảo.Ta có thể phân tích các đường cong này như sau: Ví dụ, bằng phương pháp tiện tinh (đường cong 2) có thể đạt được mức độ chính xác ở vùng I nhưng giá thánh C cao, vì vậy bằng phương pháp tiện cao tốc cho ta giá thành hạ hơn( đường cong 3) Độ chính xác ở vùng III có thể đạt được bằng tiện tốc độ cao (tinh) ( đường cong 2) nhưng tốt hơn là dùng phương pháp gia công thô ( đường cong 1) Để đạt

độ chính xác ở vùng II tốt nhất là dùng phương pháp tiện tốc độ cao vì có giá thành

2.2 Các phương pháp đạt độ chính xác gia công trên máy công cụ

2.2.1 Phương pháp cắt thử từng chi tiết riêng biệt

Bản chất của phương pháp này là sau khi gá phôi trên máy, người công nhân đưa dao vào và cắt đi một lớp phoi trên một đoạn ngắn l sau đó dừng máy để kiểm tra kích thước Nếu chưa đạt được kích thước thì lại điều chỉnh ăn dao sâu thêm rồi lại cắt thử và kiểm tra Quá trình đó được lặp đi lặp lại cho đến khi đạt được kích thước thì mới gia công trên toàn bộ chiều dài L (Hình 2.4)

Hình 2.4 Phương pháp cắt thử

Trước khi cắt thử, thường phải lấy dấu để người thợ không làm hỏng phôi khi cho dao ăn sâu hơn mức cho phép ở lần cắt thử đầu tiên

Phương pháp cắt thử có ưu điểm:

- Trên máy gia công không chính xác vẫn có thể đạt kích thước gia công chính xác cao nhờ vào tay nghề người thợ

- Loại trừ ảnh hưởng của mòn dao, do dao luôn được điều chỉnh đúng kích thước

- Có thể tận dụng được phôi không chính xác do có quá trình rà và vạch dấu

- Không cần có đồ gá phức tạp

Tuy nhiên phương pháp này vẫn có những nhược điểm sau:

- Độ chính xác gia công bị giới hạn bởi bề dày lớp phoi bé nhất có thể cắt được Với dao tiện hợp kim cứng mài bóng lưỡi cắt, bề dày bé nhất có thể cắt được 0.005 mm Với dao đã mòn bề dày bé nhất có thể cắt được từ 0.02÷0.05 mm Người thợ không thể điều chỉnh lưỡi cắt hớt đi một kích thước bé hơn chiều dày phoi nói trên, do đó không thể đảm bảo được sai số bé hơn chiều dày lớp phoi

- Người thợ phải tập trung khi gia công nên dễ mệt mỏi, dễ phát sinh phế phẩm

- Do phải cắt thử nhiều lần nên năng suất thấp

- Trình độ tay nghề người thợ yêu cầu cao

- Năng suất thấp, tay nghề người thợ yêu cầu cao nên giá thành gia công cao Phương pháp này chỉ sử dụng trong sản xuất đơn chiếc, sản xuất loạt nhỏ, trong công nghệ sửa chữa, chế thử Ngoài ra, khi gia công tinh như mài vẫn dùng phương pháp cắt thử trong sản xuất hàng loạt để loại trừ ảnh hưởng do mòn đá

2.2.2 Phương pháp tự động đạt kích thước

Ở phương pháp này, dụng cụ cắt có vị trí chính xác so với chi tiết gia công Hay nói cách khác, chi tiết gia công cũng phải có vị trí xác định so với dụng cụ cắt, vị trí này được đảm bảo nhờ các cơ cấu định vị của đồ gá, còn đồ gá lại có vị trí xác định trên bàn máy nhờ các đồ định vị riêng

Hình 2.5 Phương pháp tự động đạt kích thước trên máy phay

Khi gia công theo phương pháp này máy và dao đã được điều chỉnh sẵn Chi tiết gia công được định vị nhờ cơ cấu định vị tiếp xúc với mặt đáy và mặt bên Dao phay đĩa 3 mặt đã được điều chỉnh sẵn sao cho mặt bên trái của dao cách mặt bên của đồ định vị một khoảng cách b cố định và đường sinh thấp nhất của dao cách mặt trên của phiến tỳ định vị phía dưới một khoảng cách bằng a Do vậy, khi gia công cả loạt phôi, nếu không kể đến độ mòn dao thì các kích thước a, b thu được trên cả loạt chi tiết là như nhau (hình 2.5)

Ưu điểm của phương pháp này:

- Đảm bảo độ chính xác gia công, giảm bớt phế phẩm Độ chính xác sản phẩm gia công hầu như không phụ thuộc vào tay nghề thợ đứng máy và chiều dày lớp phoi bé nhất có thể cắt được

- Chỉ cần một lần là đạt kích thước yêu cầu, do đó năng suất cao

- Nâng cao hiệu quả kinh tế

Nhược điểm (nếu qui mô sản xuất bé)

- Phí tổn về thiết kế, chế tạo đồ gá cũng như phí tổn về công, thời gian điều chỉnh máy và dao lớn có thể vượt quá hiệu quả mà phương pháp này mang lại

- Phí tổn về việc chế tạo phôi chính xác không bù lại được nếu số chi tiết gia công quá ít khi tự động đạt kích thước ở nguyên công đầu tiên

- Nếu chất lượng dụng cụ kém, mau mòn thì kích thước đã điều chỉnh sẽ bị phá vỡ nhanh chóng Do đó lại phải điều chỉnh để khôi phục kích thước điều chỉnh ban đầu Điều này gây tốn kém và khá phức tạp

2.2.3 Phương pháp đạt độ chính xác gia công bằng điều khiển thích nghi

Ngày nay, với sự phát triển của kỹ thuật thông tin và kỹ thuật điều khiển tự động, tự động hoá, độ chính xác gia công có thể đạt được bằng phương pháp điều khiển thích nghi Theo phương pháp này thì trong qúa trình gia công, các kích thước gia công cần đạt luôn được đo trong suốt quá trình gia công Các giá trị đo được này

sẽ là các thông tin cần thiết để cho các bộ điều khiển có thể điều khiển dụng cụ cắt hay chi tiết tiến ra, vào một lượng hợp lý để đảm bảo kích thước cần gia công, qua

đó đảm bảo độ chính xác gia công Tuy nhiên, giá thành chế tạo của loại hình này

còn rất cao nên chỉ được áp dụng cho các chi tiết cần độ chính xác cao ở nước ta hình thức này chưa phổ biến

2.3 Các nguyên nhân gây ra sai số gia công

Trong quá trình gia công, có rất nhiều nguyên nhân gây ra sai số gia công Sai số gia công gồm có sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên

Sai số xuất hiện trên từng chi tiết của cả loạt đều có giá trị không đổi gọi là sai số

Các nguyên nhân sinh ra sai số hệ thống không dổi:

- Sai số lý thuyết của phương pháp cắt

- Sai số chế tạo của dụng cụ cắt, độ chính xác và mòn của máy, đồ gá,…

- Đọ biến dạng của chi tiết gia công

Các nguyên nhân sinh ra sai số hệ thống thay đổi:

- Dụng cụ cắt bị mòn theo thời gian

- Biến dạng vì nhiệt của máy, đồ gá, dụng cụ cắt

Các nguyên nhân sinh ra sai số ngẫu nhiên:

- Tính chất vật liệu (độ cứng) không đồng nhất

- Lượng sư gia công không đều (do sai số của phôi)

- Sự thay đổi của ứng suất dư

- So gá dao nhiều lần

- Do mài dao nhiều lần

- Do thay đổi nhiều máy để gia công một loạt chi tiết

- Do dao động nhiệt của chế độ cắt gọt

2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác gia công

2.4.1 Ảnh hưởng do biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ

Hệ thống công nghệ MGDC (máy, đồ gá, dao, chi tiết) không phải là một hệ thống tuyệt đối cứng vững mà ngược lại khi chịu tác dụng của ngoại lực nó 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

Lực cắt tác dụng lên chi tiết gia công, sau đó thông qua đồ gá truyền đến bàn máy, thân máy Mặt khác, lực cắt cũng tác dụng lên dao và thông qua cán dao, bàn dao truyền đến thân máy Bất kỳ một chi tiết nào cuả các cơ cấu máy, đồ gá, dụng

cụ hoặc chi tiết gia công khi chịu tác dụng của lực cắt ít nhiều đều bị biến dạng Vị trí xuất hiện biến dạng tuy không giống nhau nhưng các biến dạng đều trực tiếp hoặc gián tiếp làm cho dao rời khỏi vị trí tương đối so với mặt cần gia công, gây ra sai số

Gọi là lượng chuyển vị trí tương đối giữa dao và chi tiết gia công do tác dụng của lực cắt lên hệ thống công nghệ Lượng chuyển vị có thể được phân tích thành

ba lượng chuyển vị x, y, z theo ba trụ tọa độ X, Y, Z (Hình 2.6)

Hình 2.6 Ảnh hưởng của lượng chuyển vị đến kích thước gia công khi tiện

Khi tiện, dưới tác dụng của lực cắt, dao tiện bị dịch chuyển một lượng là ∆R Lúc

đó, bán kính của chi tiết gia công sẽ tăng từ ( R) đến (R+ ∆R)

Ta có:

Đối với dao nhiều lưỡi cắt hoặc dao định hình thì có trường hợp cả ba chuyền vị

x, y, z đều có ảnh hưởng đến độ chính xác gia công Để xác định ảnh hưởng này, người ta phải dùng phương pháp thực nghiệm Phân lực cắt tác dụng lên hệ thống

công nghệ MGDC thành ba thành phần lực P z ,P y ,P z , sau đó đo biến dạng của hệ

thống theo ba phương X, Y, Z

Trong tính toán, người ta chỉ quan tâm đến lực pháp tuyến Py, ở trường hợp yêu cầu độ chính xác cao, thì phải tính toán đến độ ảnh hưởng của Px, Pz bằng cách nhân thêm hệ số

Px là thành phần lực pháp tuyến thẳng góc với mặt gia công và y là lượng chuyển

vị tương đối giữa dao và chi tiết gia công Tỷ số được gọi là độ cứng vững của hệ thống công nghệ và ký hiệu là JHT:

Gọi ω = là độ mềm dẻo, thì ta được: ωHT = ωm+ ωd+ ωp

Ta có định nghĩa độ mềm dẻo: " Độ mềm dẻo của hệ thống là khả năng biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ dưới tác dụng của ngoại lực"

2.4.2 Ảnh hưởng của độ cứng vững hệ thống công nghệ

Để thấy rõ hơn ảnh hưởng của độ cứng vững hệ thống công nghệ đến độ chính xác gia công, ta khảo sát quá trình tiện một trục trơn Chi tiết được gá trên hai mũi tâm,

vị trí tương đối giữa dao và chi tiết phụ thuộc vào vị trí tương đối của ụ trước, ụ sau

và bàn dao Do vậy, ta khảo sát chuyển vị của từng bộ phận nói trên, rồi tổng hợp lại sẽ được chuyển vị của cả hệ thống công nghệ, từ đó biết được sai số gia công

Ta có: Py = Kdm.Kϕ Kγ Kr Um

Khi gia công trên các máy đã điều chỉnh sẵn, mòn dao sẽ gây ra sai số hệ thống thay đổi

2.4.4 Ảnh hưởng do sai số của phôi

Tổng quát thì sai số đường kính của chi tiết gia công do ảnh hưởng của độ cứng

vững là D = 2(ym + yd + yp) = 2y = 2 với Py = CPy.Sy.tx.HBn= Cy.Sytx

Do sai số về hình dáng hình học của phôi trong quá trình chế tạo mà trong quá trình cắt lượng dư gia công thay đổi, làm cho chiều sâu cắt cũng thay đổi và lực cắt thay đổi theo, gây nên sai số hình dạng cùng loại trên chi tiết

Hình 2.7 Ảnh hưởng sai số hình dạng của phôi đến sai số hình dạng của chi tiết khi tiện

Nếu gọi ph là sai số của phôi thì khi gia công sẽ xuất hiện sai số của chi tiết là ct

Ta có ph = 2 Rph = 2(Rph max - Rph min) = 2( t0 max - t0 min)

Và ct = 2(ymax - ymin)

Với t0 là chiều sâu cắt tính toán khi điều chỉnh máy; nếu gọi t là chiều sâu cắt thực

tế thì: t = t0 - y

Do đó tmax = t0 max - ymax

tmin = t0 min - ymin

Gọi là hệ số chính xác hóa, K = là hệ số giảm sai (hệ số in dập)

K = = =

Vậy = = 1 + > 1

Hay ph > ct , điều này nói lên rằng sau mỗi bước gia công, sai số sẽ giảm đi Nếu càng lớn thí sai số của phôi ảnh hưởng đến sai số của chi tiết càng giảm

Từ phôi ban đầu có sai số ph , sau khi gia công lần một sẽ được chi tiết có sai số

là D1 Sau khi gia công lần 2, sai số của chi tiết là D2, suy ra

Cứ như vậy cho đến lần cắt thứ i , sai số của chi tiết sau lần cắt i là Di, hệ số chính

2.4.5 Ảnh hưởng do độ chính xác và tình trạng mòn của máy, đồ gá và dao cắt

2.4.5.1 Ảnh hưởng của máy

Việc hình thành các bề mặt gia công là do các chuyển động cắt của những bộ phận chính của máy như trục chính, bàn xe dao, bàn máy Nếu các chuyển động này

có sai số, tất nhiên nó sẽ phản ánh lên trên bề mặt gia công của chi tiết máy

2.4.5.2 Ảnh hưởng của đồ gá

Sai số chế tạo, sai số lắp ghép đồ gá cũng ảnh hưởng đến độ chính xác của chi tiết gia công Nếu đồ gá chế tạo có sai số hoặc bị mòn sau một thời gian sử dụng sẽ

làm thay đổi vị trí tương quan giữa máy, dao và chi tiết gia công, do đó gây nên sai

số gia công

Để đảm bảo độ chính xác gia công (bù lại những sai số do chế tạo, lắp ráp, mòn các chi tiết chính của đồ gá), độ chính xác của đồ gá được chế tạo phải cao hơn ít nhất một cấp so với độ chính xác kích thước cần đạt được của chi tiết sẽ gia công trên đồ gá đó Điều này không dễ dàng đạt được khi gia công những chi tiết có độ chính xác cao

2.4.5.3 Ảnh hưởng của dụng cụ cắt

Độ chính xác chế tạo dụng cụ cắt, mức độ mài mòn của nó và sai số gá đặt dụng

cụ trên máy đều ảnh hưởng đến độ chính xác gia công

Khi gia công bằng các dụng cụ định kích thước (mũi khoan, khoét, doa, chuốt) thì sai số chế tạo dụng cụ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công

Dao phay ngón, dao phay đĩa dùng để gia công rãnh then thì sai số đường kính

và chiều rộng của dao cũng ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của chiều rộng rãnh then

Sai số bước ren, góc nâng của ren, góc đỉnh ren, đường kính trung bình của các loại tarô, bàn ren đều phản ánh trực tiếp lên ren gia công

Khi gia công bằng các loại dao định hình, nếu profin của lưỡi cắt có sai số sẽ gây

ra sai bề mặt gia công

Ngoài sai số chế tạo, trong quá trình cắt, dao sẽ bị mòn và ảnh hưởng rất lớn đến

độ chính xác gia công Tùy theo mức độ mòn, dao có thể thay đổi cả hình dáng lẫn kích thước và sinh ra sai số trên chi tiết gia công dưới dạng sai số hệ thống thay đổi Ngoài ra việc gá đặt dao không chính xác cũng gây nên sai số kích và sai số hình dáng hình học của chi tiết gia công Ví dụ khi tiện ren, nếu dao gá không vuông góc với đường tâm của chi tiết thì góc ren cắt ra ở bên phải và ở bên trái không bằng nhau Hay khi tiện trục trơn, nếu dao gá cao hơn tâm quay của chi tiết thì sẽ làm cho đường kính của chi tiết gia công tăng lên một lượng

2.4.6 Ảnh hưởng do biến dạng nhiệt của máy, dao và chi tiết

2.4.6.1 Ảnh hưởng do biến dạng nhiệt của máy

Khi máy làm việc, nhiệt độ ở các bộ phận khác nhau có thể chênh lệch khoảng 10÷150C, sinh ra biến dạng không đều và máy sẽ mất chính xác

Ảnh hưởng đến độ chính xác gia công nhiều nhất là biến dạng nhiệt ở ổ trục chính Nhiệt tăng làm cho tâm trục chính xê dịch theo phương ngang và phương đứng vì các điểm trên nó có nhiệt độ khác nhau

Thông thường, nhiệt tăng nhiều nhất ở ổ đỡ trục chính, nhiệt độ ở đây có thể cao hơn các nơi khác của ụ trục chính từ 30 ÷ 40%

Để khắc phục sai số gia công do biến dạng nhiệt gây ra có thể cho máy chạy không tải chừng 2÷3 giờ rồi mới tiến hành chỉnh máy

Ngoài ra đối với các máy công cụ chính xác cao thì ánh nắng mặt trời chiếu vào cũng là cho máy mất chính xác

2.4.6.2 Ảnh hưởng do biến dạng nhiệt của dao cắt

Tại vùng cắt, hầu hết công cơ học cần thiết cho quá trình cắt đều chuyển thành nhiệt Tùy theo chế độ cắt, vật liệu làm dao, vật liệu gia công mà tỷ lệ phần nhiệt phân bố vào phoi, chi tiết gia công, dụng cụ cắt và một phần tỏa ra môi trường xung quanh sẽ khác nhau

Khi nhiệt cắt truyền vào dao, dao bị nở dài, mũi dao vươn lên phía trước làm cho đường kính ngoài giảm đi, đường kính lỗ tăng lên Cho đến khi dao ở trạng thái cân bằng nhiệt thì dao không nở dài thêm nữa và nếu không có sự mòn của dao thì kích thước gia công sẽ không đổi

2.4.6.3 Ảnh hưởng do biến dạng nhiệt của chi tiết gia công

Một phần nhiệt ở vùng cắt truyền vào chi tiết gia công, làm nó biến dạng và gây

ra sai số gia công Nếu chi tiết gia công được nung nóng toàn bộ thì chỉ gây ra sai số kích thước, còn nếu bị nóng không đều thì còn gây ra cả sai số hình dáng hình học Nhiệt cắt của chi tiết gia công trong quá trình cắt phụ thuộc vào chế độ cắt Khi tiện, nếu tăng vận tốc cắt và lượng chạy dao, tức là rút ngắn thời gian nung nóng

liên tục chi tiết gia công thì nhiệt độ của nó sẽ nhỏ Còn nếu chiều sâu cắt tăng thì nhiệt độ của nó cũng tăng theo

2.4.6.4 Ảnh hưởng do rung động phát sinh trong quá trình cắt

Rung động của hệ thống công nghệ trong quá trình cắt không những làm tăng độ nhám và độ sóng, làm cho dao nhanh mòn mà còn làm cho lớp kim loại bề mặt bị cứng nguội, hạn chế khả năng cắt gọt

Rung động làm vị trí tương đối giữa dao cắt và vật gia công thay đổi theo chu kì, nếu tần số thấp, biên độ lớn sẽ gây ra sóng bề mặt, nếu tần số cao, biên độ nhỏ sẽ sinh ra độ nhám bề mặt

Ngoài ra, rung động làm cho chiều sâu cắt, tiết diện phoi và lực cắt tăng, giảm theo chu kỳ, làm ảnh hưởng tới sai số gia công

Rung động có hai loại: Rung động cưỡng bức và tự rung động

a) Rung động cưỡng bức:

Nguyên nhân gây ra rung động cưỡng bức là do các lực kích thích từ bên ngoài truyền vào Rung động cưỡng bức có thể có hoặc không có chu kỳ tùy theo lực kích thích có hoặc không có chu kỳ Nguồn gốc sinh ra rung động cưỡng bức là:

- Các chi tiết máy, dao hoặc chi tiết gia công quay nhanh nhưng không được cân bằng tốt

- Các chi tiết truyền động trong máy có sai số lớn

- Lượng dư gia công không đều

- Bề mặt gia công không liên tục

- Các bề mặt tiếp xúc có khe hở lớn

Để giảm rung động người ta thường sử dụng các biện pháp sau đây:

- Nâng cao độ cứng của hệ thống công nghệ

- Giảm lực truyền động cần phải được gia công với độ chính xác cao

- Các chi tiết quay nhanh cần phải được cân bằng tốt

- Tính cắt không liên tục

- Khi gia công các chi tiết có độ chính xác cao cần phải có cơ cấu giảm rung và có nền giảm rung cách ly với bên ngoài

b) Rung động tự phát (Tự rung)

Tự rung động hay là rung động sinh ra bởi quá trình cắt và nó được duy trì bởi lực cắt Khi ngừng cắt thì hiện tượng tự rung cũng kết thúc

Để giảm tự rung người ta dùng các biện pháp sau đây:

- Không nên cắt lớp phoi qúa rộng và qúa mỏng

- Chọn cắt độ cắt hợp lý sao cho không nằm trong vùng có xuất hiện lẹo dao

-Thay đổi hình dáng hình học của dao sao cho giảm lực cắt ở phương có rung động

- Dùng dung dịch bôi trơn nguội để giảm bớt mòn dao

- Nâng cao độ cứng của hệ thống công nghệ

- Sử dụng các cơ cấu giảm rung

2.4.6.5 Ảnh hưởng do chọn chuẩn và gá đặt chi tiết gia công gây ra

Để có thể gia công được phải gá đặt chi tiết lên máy Bản thân việc gá đặt này cũng có sai số và ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công Khi gá đặt không hợp lý, sai số do gá đặt lớn và ảnh hưởng đến độ chính xác gia công

2.4.6.6 Ảnh hưởng do phương pháp đo và dụng cụ đo gây ra

Trong quá trình chế tạo, việc kiểm tra đo lường cũng gây ra sai số và ảnh hưởng đến độ chính xác gia công Những sai số đó bao gồm:

- Sai số do dụng cụ đo: Tuy là dụng cụ để đánh giá độ chính xác gia công nhưng bản thân nó khi chế tạo, lắp ghép cũng có sai số

- Sai số do phương pháp đo như chọn chuẩn, cách đọc, lực đo không đều

- Sai số do độ mòn của dụng cụ sau một thời gian sử dụng

Để giảm bớt ảnh hưởng của đo lường đến độ chính xác gia công, khi đo lường phải chọn dụng cụ đo và phương pháp đo phù hợp với độ chính xác yêu cầu

2.5 Khả năng đạt độ chính xác của các phương pháp gia công cắt gọt

2.5.1 Các phương pháp cắt gọt sử dụng dụng cụ cắt có thông số hình học cố định Hiện nay, việc gia công bằng phương pháp cắt gọt bằng dụng cụ cắt có lưỡi cắt cố định vẫn chiếm một tỷ lệ lớn trong quá trình gia công chế tạo các sản phẩm cơ khí

Đó là các phương pháp gia công như Tiện, Phay, Bào, Khoan, Khét, Doa v.v Mỗi phương pháp gia công cho một độ chính xác khác nhau nhưng nói chung là độ

chính xác gia công của các phương pháp này vẫn thấp, đạt độ chính xác cao nhất

khoảng cấp 7, do các yếu tố sau:

- Tốc độ gia công thấp nên chất lượng bề mặt chi tiết chưa cao

- Do chiều sâu cắt tới hạn lớn (Lớn hơn 0,02mm)

- Thường gia công các vật liệu chưa qua nhiệt luyện nên chất lượng bề mặt gia công thấp

Do đó, trong các quá trình gia công đòi hỏi độ chính xác cao thì các quá trình trên vẫn chưa đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật đó đề ra mà chỉ đóng vai trò là các nguyên công gia công thô hoặc gia công trước nhiệt luyện, chuẩn bị cho quá trình gia công có độ chính xác cao hơn như Mài, Nghiền, Khôn v.v

2.5.2 Mài và các phương pháp gia công sử dụng hạt mài

Mài và các phương pháp gia công bằng vật liệu hạt mài như Nghiền, Khôn, mài siêu tinh là các phương pháp gia công tinh cho độ chính xác gia công cao Bằng phương pháp mài, có thể gia công được chi tiết đạt độ chính xác cấp 6÷7, độ bóng

∇8÷∇10, do đó có thể sử dụng cho gia công lần cuối Với các phương pháp gia công khác còn có thể đạt độ chính xác cao hơn nữa Do vậy đây là các phương pháp được sử dụng chủ yếu để gia công các chi tiết đạt độ chính xác cao và rất cao Sở dĩ các phương pháp gia công này đạt độ chính xác gia công cao vỡ một số nguyên nhân sau:

- Chiều sâu cắt trong các nguyên công này rất nhỏ Chiều sâu cắt khi mài từ 2÷20

µm, khi nghiền và khôn còn nhỏ hơn nữa

- Tốc độ cắt rất lớn (khi mài) hoặc rất bé (khi nghiền, khôn)

2.5.3 Các phương pháp gia công truyền thống có sử dụng máy CNC và dụng

cụ cắt tiên tiến

Độ chính xác gia công phụ thuộc nhiều vào máy công cụ được sử dụng để gia công chi tiết Ngày nay, với sự ra đời của các máy CNC, độ chính xác gia công cơ khí đã được tăng lên đáng kể, đặc biệt khi gia công bằng các dụng cụ cắt vật liệu mới có tính năng sử dụng tốt hơn Đó là do:

Máy CNC có độ chính xác rất cao Độ chính xác của các máy CNC cao hơn rất nhiều sơ với các máy công cụ truyền thống Sai số dịch chuyển chạy dao trong máy CNC là 1µm với các máy Trung tâm gia công (Machinning Center) và 0,1µm cho các Trung tâm mài (Grinding Center)

Có thể cắt với tốc độ cắt cao hơn nhiều so với máy truyền thống Hiện nay, các máy CNC đó có tốc độ trục chính lên tới 30.000v/ph Với tốc độ trục chính cao như vậy, có thể gia công cắt gọt kim loại với tốc độ cao, điều này làm cho chất lượng bề mặt cao hơn qua đó góp phần làm tăng độ chính xác gia công

2.5.4 Các phương pháp gia công tiên tiến: Công nghệ Na-nô

Với các phương pháp gia công truyền thống đã nên trên, việc nâng cao độ chính xác gia công đó được nghiên cứu và đạt được nhiều kết quả đáng kể Tuy nhiên, các phương pháp công nghệ trên chỉ mới dừng lại ở giới hạn kích thước là Micromet (10-6mm) Hiện nay, để nâng cao độ chính xác gia công và thu gọn kích thước của sản phẩm, công nghệ Na-no đó và đang được nghiên cứu và phát triển Với việc giới hạn kích thước nghiên cứu đạt tới 10-9mm, chiều sâu cắt đạt tới 10-9mm, công nghệ Na-no đó và đang là hướng nghiên cứu mới để nâng cao độ chính xác gia công

trong tương lai

2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám khi gia công cao tốc

2.6.1 Ảnh hưởng của lực cắt đến Ra, Rz

Trong qúa trình cắt kim loại, để tách được phoi và thắng được ma sát cần phải

có lực Lực sinh ra trong quá trình cắt là động lực cần thiết nhằm thực hiện quá trình biến dạng và ma sát

Việc nghiên cứu lực cắt trong qúa trình cắt kim loại có ý nghĩa cả lý thuyết lẫn thực tiễn Trong thực tế, những hiểu biết về lực cắt rất quan trọng để thiết kế dụng

cụ cắt, đồ gá, tính toán thiết kế máy móc thiết bị, Dưới tác dụng của lực và nhiệt, dụng cụ sẽ bị mòn, bị phá huỷ Muốn hiểu được quy luật mài mòn và phá huỷ dao tài phải hiểu được quy luật tác động của lực cắt Muốn tính công tiêu hao khi cắt cần phải biết lực cắt Những hiểu biết lý thuyết về lực cắt tạo khả năng chính xác

hoá lý thuyết quá trình cắt Trong trạng thái còn bằng năng lượng của quá trình cắt thì các mối quan hệ lực cắt cũng cân bằng

Lực cắt sinh ra khi cắt là một hiện tượng động lực học, tức là trong chu trình thời gian gia công thì lực cắt không phải là hằng số mà biến đổi theo quãng đường của dụng cụ

Qúa trình cắt thực hiện được cần có lực để thắng biến dạng và ma sát, do vậy lực cắt theo định nghĩa trên có thể hiểu rằng có nguồn gốc từ qúa trình biến dạng và ma sát Biến dạng khi cắt có biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo Do vậy lực sinh ra do biến dạng cũng có lực biến dạng đàn hồi Prdh

và lực biến dạng dẻo Prd

Những lực này cùng với lực ma sát tác dụng lên dao (cụ thể trên mặt trước và mặt sau dao) và

bề mặt chi tiết

Điều kiện cắt gọt bao gồm nhiều yếu tố như chế độ cắt v, s, t; độ cứng vững của

hệ thống cụng nghệ; có hay không tưới dung dịch trơn nguội vào vựng cắt…ở đây

ta chỉ khảo sát ảnh hưởng của chế độ cắt đến lực cắt

Khảo sát ảnh hưởng của các thông số v, s, t đến lực cắt trong qúa trình cắt Sử dụng nguyên lý cộng tác dụng, khi nghiên cứu ảnh hưởng của một thông số nào đó, trong thí nghiệm ta cho tất cả các yếu tố khác không thay đổi và chỉ cho yếu tố đang xét thay đổi, sau đó tổng hợp lại ta nhận được ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố xét đến lực cắt

• Ảnh hưởng của chiều sâu cắt t đến lực cắt

Vì chiều rộng cắt b = t/sinϕ có ý nghĩa vật lý trong qúa trình cắt nên ta sẽ khảo sát ảnh hưởng của b đến lực cắt Pv

Thực hiện cắt thử nghiệm với các yếu tố khác không đổi, cho b thay đổi các giá trị khác nhau, ta đo được các giá trị lực cắt Pv tương ứng như trên đồ thị (hình 2.8)

Từ đồ thị ta nhận thấy rằng khi tăng b thì lực cắt cũng tăng Nếu như cắt với chiều dày cắt atb = 1mm thì lực cắt chính Pv được tính bằng:

Hình 2.8 Ảnh hưởng chiều sâu cắt đến lực cắt

• Ảnh hưởng của lượng chạy dao s đến lực cắt

Vì chiều dày cắt a = s.sinϕ có ý nghĩa vật lý trong qúa trình cắt nên ta sẽ khảo sát ảnh hưởng của a (qua atb) đến lực cắt Pv

Thực hiện cắt thử nghiệm với các yếu tố khác không đổi với b=1mm, cho a thay đổi các giá trị khác nhau, ta đo được các giá trị lực cắt Pv tương ứng

Bằng cách xử lý các số liệu đo ta có thể biểu diễn mối quan hệ giữa lực cắt Pv và chiều dày cắt a như sau: