Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới chất lượng bề mặt gia công của các loại thép hợp kim có độ cứng cao trên máy phay CNC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- Hồ Trọng Chính NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ TỚI CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG CỦA CÁC LOẠI THÉP HỢP KIM CÓ ĐỘ

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

-

Hồ Trọng Chính

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ TỚI CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG CỦA CÁC LOẠI THÉP HỢP KIM CÓ ĐỘ CỨNG CAO TRÊN MÁY PHAY CNC

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 GS.TS NGUYỄN ĐẮC LỘC

HÀ NỘI - 2010

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ số liệu thực nghiệm và kiến thức được sử dụng trong luận văn cao học của tôi là hoàn toàn chính xác và dựa trên thực tế đã thực nghiệm

Tác giả

Hồ Trọng Chính

MỤC LỤC

Trang

Trang bìa phụ 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 10

MỞ ĐẦU 12

Chương 1:CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG 18

1.1 Tổng quan về nhám bề mặt 18

1.1.1 Trung bình sai lệch số học biên độ (prôfin), Ra: 19

1.1.2 Chiều cao cực đại của biên độ(prôfin), Ry: 19

1.1.3 Độ cao mười điểm của độ nhám, Rz: 19

1.1.4 Sai lệch tiêu chuẩn của biên độ (profin), Rq: 20

1.2 Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt tới khả năng làm việc của chi tiết máy 21

1.2.1 Ảnh hưởng tới tính chống mòn 21

1.2.2 Ảnh hưởng tới độ bền mỏi của chi tiết 24

1.2.3 Ảnh hưởng tới tính chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt chi tiết 25

1.2.4 Ảnh hưởng tới độ chính xác mối lắp ghép 25

1.2.5 Lựa chọn độ nhám bề mặt 26

1.2.6 Kết luận về tầm quan trọng của độ nhám bề mặt 27

1.3 Những kết quả nghiên cứu đã đạt được trong việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt chi tiết gia công (Ra, Rz) 28

1.3.1 Các kết quả đối với máy công cụ truyền thống 28

1.3.1.1 Các yếu tố mang tính chất hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt 28

1.3.1.2 Các yếu tố phụ thuộc vào biến dạng dẻo của lớp bề mặt 30

1.3.1.3 Ảnh hưởng do rung động của hệ thống công nghệ đến chất lượng bề mặt gia công 33

1.3.1.4 Biện pháp cải thiện độ bóng bề mặt gia công chi tiết máy bằng dụng

cụ cắt có lưỡi cắt định hình 34

1.4.Nhận xét 35

Chương 2:TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CNC 36

2.1 Tổng quan về công nghệ CNC 36

2.2 Tổng quan về máy phay CNC 38

2.2.1 Phân loại máy phay CNC 38

2.2.1.1 Máy phay CNC (CNC Milling Machine) 38

2.2.1.2 Trung tâm phay CNC (Milling Center) 39

2.2.1.3 Trung tâm phay - tiện CNC (Milling – Turning Center) 39

2.2.2 Hệ thống điều khiển trục chính 39

2.2.3 Hệ thống thay dao tự động 40

2.2.4 Ổ gá dao 40

2.2.5 Hệ thống điều khiển chạy dao 40

2.2.6 Hệ thống kẹp chi tiết 41

Chương 3:XÁC LẬP MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC THÔNG SỐ CẮT GỌT VÀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT 42

3.1 Khái quát về thép hợp kim 42

3.1.1 Thành phần hóa học 42

3.1.2 Các đặc tính của thép hợp kim 42

3.1.3 Hợp kim cứng 44

3.1.3.1 Kh¸i niÖm: 44

3.1.3.2 Phư¬ng ph¸p chÕ t¹o, ph©n lo¹i hîp kim cøng 44

3.1.3.3 Ph©n lo¹i hîp kim cøng 46

3.2.1 Các thông số công nghệ cơ bản của hệ thống thí nghiệm 48

3.2.1.1 Máy phay CNC Deckel Maho DMU60T 48

3.2.1.2 Hệ điều khiển Heidenhain 50

3.2.1.3 Dụng cụ cắt 50

3.2.1.4 Mẫu thí nghiệm 52

3.2.1.5 Phương pháp phay: Phay mặt đầu 52

3.2.1.6 Dung dịch làm mát 53

3.2.1.7 Thiết bị đo độ bóng chi tiết sau khi gia công 53

3.2.2 Tiến trình thí nghiệm 54

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 57

4.1 Với vật liệu thép X12M 58

4.2 Với vật liệu thép 40X 66

4.3 Với vật liệu thép 9XC 74

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

PHỤ LỤC 86

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ra - Sai lệch prôfin trung bình cộng µm

Rz - Chiều cao nhấp nhô tế vi 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

ypmi - Chiều cao đỉnh thứ i trong 3 đỉnh cao nhất µm

yvmi - Chiều cao đỉnh thứ i trong 3 đỉnh thấp

ti - Thời gian mòn ban đầu, i=1:3 Giây (s)

Ti - Thời gian mòn ổn định, i = 1:3 Giây (s)

ϕ - Góc nghiêng chính của dao Độ (0)

ϕ1 - Góc nghiêng phụ của dao Độ (0)

γ - Góc trước của dao Độ (0)

α - Góc sau của dao Độ (0)

λ - Góc nâng của lưỡi cắt chính Độ (0)

σ - Sai số bình phương trung bình -

xi - Giá trị ngẫu nhiên của dãy số -

x* - Giá trị đột biến - φ(t) - Giá trị của phân phối chuẩn -

α - Sai số của phương pháp thử, hệ số phụ

thuộc vật liệu

-

t/P - Giá trị của t tại độ tin cậy P -

yjk - Kết quả thực nghiệm đo được tại lần đo

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

K - Số thực nghiệm song song được thự hiện

trong cùng một điều kiện

-

ai - Các hệ số của hàm mô tả quan hệ giữa

đầu vào và đầu ra, i = 1 : n0

-

σ2 - Phương sai của phân phối chuẩn -

bj - Tham số của đa thức thực nghiệm

Trebusep, j = 1 : n0

-

ωk - Tỷ trọng đã biết của các quan trắc -

n0 - Bậc của đa thức thực nghiệm -

N, n - Số thực nghiệm tiến hành -

Sn - Tổng bình phương các độ lệch -

ai - Tham số của hàm hồi quy thực nghiệm, i

– m – 1) bậc tự do

-

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Bảng cấp độ nhám theo TCVN

Bảng 1.2 Biện pháp cải thiện độ bóng bề mặt

Bảng 3.1 Thành phần hóa học của loại P

Bảng 3.2 Thành phần hóa học của loại M

Bảng 3.3 Thành phần hóa học của loại K

Bảng 4.2 Ma trận đơn vị của thí nghiệm X12M

Bảng 4.3 Hệ số của các phương trình hồi quy của X12M

Bảng 4.4 Giá trị phương sai của X12M

Bảng 4.5 Kết quả độ nhám của thép 40X

Bảng 4.6 Ma trận đơn vị của thí nghiệm 40X

Bảng 4.7 Hệ số của các phương trình hồi quy của 40X

Bảng 4.8 Giá trị phương sai của 40X

Bảng 4.9 Kết quả độ nhám của thép 9XC

Bảng 4.10 Ma trận đơn vị của thí nghiệm 9XC

Bảng 4.11 Hệ số của các phương trình hồi quy của 9XC

Bảng 4.12 Giá trị phương sai của 9XC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Profil của bề mặt chi tiết

Hình 1.2 Bề mặt chi tiết sau khi mài

Hình 1.3 Sơ đồ xác định profil trung bình cộng Ra

Hình 1.4 Sơ đồ xác định profil trung bình công Ry

Hình 1.5 Sơ đồ xác định profil trung bình công Rz

Hình 1.6 Sơ đồ xác định profil trung bình công Rq

Hình 1.7 Mô hình hai bề mặt tiếp xúc

Hình 1.8 Quan hệ của một cặp ma sát

Hình 1.9 Quan hệ giữa lượng mòn ban đầu U và sai lệch trung profil trung bình

cộng Ra

Hình 1.10 Quan hệ giữa ăn mòn hóa học trên lớp bề mặt ban đầu

Hình 1.11 Quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô tế vi Rz với lượng chạy dao S

Hình 1.12 Ảnh hưởng của hình dạng hình học của dụng cụ cắt với chế độ cắt đến nhâp nhô bề mặt sau khi tiện

Hình 1.13 Hiện tượng lẹo dao

Hình 1.14 Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến chiều cao lẹo dao

Hình 1.15 Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến nhấp nhô tế vi Rz

Hình 1.16 Ảnh hưởng của lượng chạy dao S đối với chiều cao nhấp nhô tế vi Rz Hình 3.1 Quan hệ giữa độ cứng và nhiệt độ làm việc của một số loại vật liệu Hình 3.2 Quá trình chế tạo hợp kim cứng của hãng Sumitomo Nhật bản

Hình 3.3 Trung tâm gia công phay CNC Deckel Maho DMU60T

Hình 3.4 Dao phay trụ

Hình 3.5 Dao phay trụ

Hình 3.6 Các mẫu dùng trong thí nghiệm

Hình 3.7 Sơ đồ cắt khi gia công

Hình 3.8 Gia công trên máy phay Deckel Maho DMU60T

Hình 3.9 Máy đo độ bóng Mitutoyo

Hình 3.10 Đầu đo độ bóng

Hình 4.1 Đồ thị quan hệ Ra với S,V khi t=0,2mm của thép X12M

Hình 4.2 Đồ thị quan hệ Ra với S,V khi t=1mm của thép X12M

Hình 4.3 Đồ thị quan hệ Ra với t,V khi S=0,13(mm/vòng) của thép X12M Hình 4.4 Đồ thị quan hệ Ra với S,V khi t=0,2mm của thép 40X

Hình 4.5 Đồ thị quan hệ Ra với S,V khi t=1mm của thép 40X

Hình 4.6 Đồ thị quan hệ Ra với t,V khi S=0,13(mm/vòng) của thép 40X Hình 4.7 Đồ thị quan hệ Ra với S,V khi t=0,2mm của thép 9XC

Hình 4.8 Đồ thị quan hệ Ra với S,V khi t=1mm của thép 9XC

Hình 4.9 Đồ thị quan hệ Ra với t,V khi S=0,13(mm/vòng) của thép 9XC Hình 1 Các mẫu trước khi gia công

Hình 2 Mẫu X12M sau khi gia công

Hình 3 Mẫu 40X sau khi gia công

Hình 4 Mẫu 9XC sau khi gia công

Hình 5 Một số hình ảnh về đo độ nhám

Trong những năm gần 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 sản phẩm 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 tìm ra được mối quan hệ giữa các thông số của chế độ cắt và chất lượng bề mặt gia công là một yêu cầu cấp thiết đặt ra cho các nhà nghiên cứu Tuy nhiên việc ứng dụng các kiến thức này vào thực tiễn sản xuất còn chưa tương xứng với yêu cầu đặt ra cho ngành chế tạo máy ở Việt Nam hiện nay Nguyên nhân chủ yếu là những thông tin khoa học được xuất bản phần lớn mang tính lý thuyết và định hướng Để có được các thông tin mang tính định lượng, chi tiết thường phải làm rất nhiều các thí nghiệm, tốn rất nhiều thời gian và tiện bạc nên không bao giờ được các trung tâm nghiên cứu nước ngoài công bố, muốn tiếp cận được các số liệu này chúng ta phải mua bản quyền với giá cao Thực tế cho thấy có rất nhiều tài liệu, sổ tay với các số liệu phần lớn có nguồn gốc từ các công trình nghiên cứu được tiến hành cách đây hàng chục năm thậm chí vài chục năm và bản thân các số liệu này ít khi chứa đựng đầy đủ các thông tin cần thiết Điều này xuất phát từ mục đích và điều kiện nghiên cứu của các nhà khoa học, do vậy mỗi nguời tiến hành thí nghiệm của mình theo một điều kiện công nghệ khác nhau và cho ra các kết quả khác nhau Ngoài ra, trong những thập niên vừa qua, ngành công nghệ

gia công cắt gọt cũng như ngành công nghệ vật liệu đã có những bước tiến đáng kể Các máy gia công cắt gọt hiện đại như máy CNC, máy tiện, máy phay tốc độ cao được đưa vào sử dụng cùng với vật liệu gia công mới cũng như công nghệ trơn nguội hiện đại đã mở ra nhiều khả năng lớn cho ngành công nghệ cắt gọt Do vậy các thông số của chế độ gia công trong các cuốn sổ tay không còn đáp ứng đầy đủ các yêu cầu cảu ngành công nghệ chế tạo máy hiện đại mà chỉ nên xem nó như một bước định hướng đầu tiên Các bước tiếp theo chính là nhiệm vụ chủ yếu của các nhà công nghệ hiện nay, xuất phát từ bài toán cụ thể xác định chế độ cắt tối ưu cho quá trình cắt gọt sao cho vừa đảm bảo yêu cầu kỹ thuật của chi tiết, vừa đạt được hiệu quả kinh tế cao nhất Để đạt được điều này, họ cần phải có trong tay những thông tin liên quan đến quá trình cắt gọt như thông tin số liệu về thiết bị gia công, vật liệu làm phôi, kích thước phôi vật liệu làm dụng cụ và đặc biệt là các quá trình

cơ, lý và hóa học xảy ra trong quá trình cắt gọt tại vùng cắt

Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cắt gọt tới chất lượng bề mặt gia công khi gia công các loại thép hợp kim có độ cứng cao trên máy phay CNC” chỉ là một nhánh nhỏ trong công việc nặng nề trên Đây chỉ là một trong loạt đề tài nghiên cứu ứng dụng về việc sử dụng hiệu quả máy CNC Tuy nhiên, theo chúng tôi thì đây là vấn đề cơ bản nhất, bởi chất lượng bề mặt là yêu cầu vô cùng quan trọng của chi tiết gia công Từ các mối quan hệ giữa chất lượng bề mặt với các thông số cắt gọt thì người làm công nghệ có thể chọn chế độ cắt tối đã của máy và dao mà vẫn đảm bảo chất lượng, từ đó có thể tăng năng suất khai thác tối đã của máy, giảm giá thành sản phẩm

TỔNG QUAN CÁC ĐỀ TÀI ĐÃ THỰC HIỆN

Xác lập mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt (đầu ra) với các thông số công nghệ (đầu vào), trên thế giới đã được nghiên cứu từ rất lâu, nhưng các kết quả thực sự của các công trình nghiên cứu này được người ta bảo mật với mục đích thương mại, các công bố báo cáo khoa học được đăng tải chỉ đưa ra các kết quả nghiên cứu mang

tính định hướng Thực chất điều này không có gì khó hiểu vì đa số các viện nghiên cứu khoa học theo đơn đặt hàng của các tập đoàn công nghiệp

Trong đó các đề tài nghiên cứu ứng dụng nhằm khai thác 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); 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(2003); Vũ

Đình Thơm, Tính toán bù bán kính mũi dao khi lập chương trìnhNC 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); 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);

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); …

Trong nhóm đề tài trên có bốn đề tài nghiên cứu trực tiếp nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt, 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 đề tài của mình tác giả Nguyễn Ngọc Ánh đã có 20 thực nghiệm để tìm

ra quan hệ giữa độ nhám bề mặt với chế độ cắt đối với thép khuôn mẫu JIS S55C Tuy nhiên quan hệ đó được xác định trên cơ sở thay đổi chế độ cắt ở các mức khác nhau nhưng không thay đổi theo cách hoán vị các thông số của chế độ cắt, điều đó làm cho kết quả thu được chưa thật sự chính xác

Trong bài báo ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhấp nhô tế vi bề mặt khi phay

băng dao phay mặt đầu trên máy phay CNC, các tác giả đã tiến hành 20 thí nghiệm

và đã đưa ra được công thức quan hệ giữa độ nhám với các thông số của chế độ cắt

Tuy nhiên theo tôi thì các thí nghiệm đó được thực hiện với chế độ cắt thay đổi ít và không mang tính hoán vị nên kết quả nhận được chưa phản ánh hết ảnh hưởng tương quan của các thông số chế độ cắt với nhau

Trong luận văn cao học 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 tiện CNC, tác giả Hà

Quang Sáng cũng đã làm thực nghiệm với 2 mẫu inox và đồng thau và đã cho ra những kết quả tương đối mang tính chính xác Nhưng đó là thực nghiệm trên máy tiện CNC

Trong luận văn cao học nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ

đến chất lượng bề mặt chi tiết khi gia công trên máy phay CNC Tác giả cũng đã

đưa ra cho người đọc kết quả thực nghiệm của 2 mẫu thép là thép C45 và 40X Đây cũng là một trong những đề tài mang tính thực tiễn cũng khá cao nhưng chỉ dừng lại

ở mức nghiên cứu ở trên một số vật liệu tổng quát chung chứ chưa cụ thể cho từng loại vật liệu

Do phạm vi của một đề tài luận văn tốt nghiệp cao học không đủ để thực hiện một công trình nghiên cứu mang tính toàn diện đối với tất cả các loại vật liệu của các ngành chế tạo máy cũng như mọi yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám nên đề tài chỉ tập trung vào các loại vật liệu hợp kim có độ cứng cao, dự tính ba loại vật liệu đặc trưng cho thép hợp kim có độ cứng cao: X12M, 40X và 9XC

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Vật liệu có tính cứng là loại vật liệu được sự dụng nhiều trong ngành chế tạo máy (như dùng trong khuôn mẫu, các chi tiết trong máy…)do đặc điểm của tính chất vật liệu Ở nước ta, gia công vật liệu có tính cứng 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 Việc tác giả chọn đề tài “ Nghiên cứu ảnh

hưởng của các thông số công nghệ tới chất lượng bề mặt gia công của các loại thép

hợp kim có độ cứng 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

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, tôi đã có nhiều sự giúp đỡ quý báu

Trước tiên tôi xin cảm ơn cán bộ hướng dẫn GS.TS Nguyễn Đắc Lộc – người

đã dìu dắt, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài, tôi cũng xin cảm ơn Trung tâm 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

Hồ Trọng Chính

Nhám bề mặt là tập hợp những nhấp nhô có bước tương đối nhỏ trên bề mặt thực của chi tiết được xét trong phạm vi chiều dài chuẩn

Hình 1.1 Profin của bề mặt chi tiết

Hình vẽ phóng to prôfin của bề mặt chi tiết trong giới hạn chiều dài chuẩn l Đường trung bình (m) của prôfin được xác định sao cho tổng diện tích các phần lồi bằng tổng diện tích các phần lõm:

F1 + F3 +…+Fn-1 = F2 + F4 +…+ Fn

Hình 1.2 Bề mặt chi tiết sau khi mài

Nhám bề mặt được đánh giá theo các thông số sau:

1.1.1 Trung bình sai lệch số học biên độ (prôfin), R a :

Ra là trung bình cộng những giá trị tuyệt đối của những sai lệch biên độ (Yi)

so với đường trung bình

∑

=

i i

1.1.2 Chiều cao cực đại của biên độ(prôfin), R y :

Ry là tổng chiều cao đỉnh cao nhất từ hàng trung bình Yp và chiều sâu của đáy thấp nhất từ đường trung bình

Ry = Yp + Yv

1.1.3 Độ cao mười điểm của độ nhám, R z :

Tổng chiều cao trung bình năm đỉnh cao nhất và độ sâu trung bình năm đáy thấp nhất được đo từ một hàng song song với đường trung bình

i

v i

p

R

1.1.4 Sai lệch tiêu chuẩn của biên độ (profin), R q :

Rq là căn bậc hai trung bình cộng bình phương độ lệch biên dạng Yi so với đường trung bình

2 1

1 2

n R

Theo TCVN 2511: 1995 quy định 14 cấp độ nhám và trị số của các thông số nhám Ra và Rz Trị số nhám càng bé thì bề mặt càng nhẵn

Việc chọn chỉ tiêu Ra và Rz là tùy theo chất lượng yêu cầu của bề mặt và đặc tính kết cấu của bề mặt Trong sản xuất thường dùng chỉ tiêu Ra để đánh giá các

bề mặt có độ nhám trung bình Đối với những bề mặt có độ nhám quá thô hoặc rất tinh thì dùng chỉ tiêu Rz, vì nó đánh giá chính xác hơn

Bảng 1.1 Bảng cấp độ nhám theo TCVN

Tùy theo điều kiện làm việc và tính chất sử dụng của các bề mặt chi tiết mà xác định cấp độ nhám Các bề mặt tiếp xúc yêu cầu thông số nhám có trị số bé, các bề mặt không tiếp xúc yêu cầu thông số nhám có trị số lớn Độ chính xác của kích thước càng cao, yêu cầu thông số nhám có trị số càng bé

Các bề mặt chi tiết có độ nhám khác nhau, đòi hỏi các phương pháp gia công khác nhau Bề mặt có trị số nhám càng bé đòi hỏi gia công càng tinh vi

1.2 Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt tới khả năng làm việc của chi tiết máy

Độ nhám bề mặt có ảnh hưởng nhiều đến khả năng làm việc của chi tiết máy, đến mối lắp ghép của chúng trong kết cấu cụ tổng thể của máy

1.2.1 Ảnh hưởng tới tính chống mòn

Chiều cao và hình dạng của nhấp nhô tế vi trên bề mặt cùng với chiều của vết gia công có ảnh hưởng đến ma sát và mài mòn chi tiết máy

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 và tại đó 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 Biến dạng tiếp xúc được xác định theo công thức kinh nghiệm sau:

∆ = C.px (µm) (1.1) Trong đó: C, x – hệ số và số mũ phụ thuộc vào điều kiện thực nghiệm

Khi hai bề mặt có chuyển động tương đối với nhau sẽ xảy ra hiện tượng trượt dẻo ở các đỉnh nhấp nhô Các đỉnh nhấp nhô bị mòn nhanh làm khe hở lắp ghép tăng lên, đó là hiện tượng mòn ban đầu Trong điều kiện làm việc nhẹ và vừa, mòn ban đầu có thể làm cho chiều cao nhấp nhô giảm (65÷75)%, lúc đó diện tích tiếp xúc thực tăng lên và áp suất tiếp xúc giảm đi Mòn ban đầu ứng với thời gian chạy

rà kết cấu cơ khí Ở giai đoạn này hình dạng nhấp nhô và chiều của vết gia công cũng thay đổi Sau giai đoạn này quá trình mài mòn trở nên bình thường và chậm

Đó là giai đoạn mòn bình thường Cuối cùng là giai đoạn mòn kịch liệt, khi đó bề mặt tiếp xúc bị tróc ra, nghĩa là cấu trúc bề mặt chi tiết bị phá hỏng Như vậy, quá trình mài mòn của một cặp chi tiết máy xét trên cơ sở ma sát ở bề mặt tiếp xúc, thường trải qua bai giai đoạn: mòn ban đầu, mòn bình thường, mòn kịch liệt

Hình 1.7 Mô hình 2 bề mặt tiếp xúc

Ở hình 1.8 biểu thị mối quan hệ giữa lượng mòn và thời gian sử dụng của một cặp chi tiết ma sát với nhau tùy theo độ nhám bề mặt ban đầu Độ nhám bề mặt ban đầu phụ thuộc phương pháp gia công Các đường đặc trưng a,b,c ứng với ba độ nhám ban đầu khác nhau của các bề mặt tiếp xúc Ở đây giai đoạn mòn ban đầu là khoảng thời gian từ (0÷t1), từ (0÷t2), từ (0÷t3) Giai đoạn mòn bình thường của cặp chi tiết, tùy theo độ nhám bề mặt ban đầu, ứng với khoảng thời gian từ (t1÷T1), từ (t2÷T2), từ (t3÷T3) Giai đoạn mòn kịch liệt của cặp chi tiết ứng với khoảng thời gian

từ T1, T2, T3 trở đi Ở đường đặc trưng c, cặp chi tiết có độ nhẵn bóng bề mặt ban đầu kém nhất nên giai đoạn mòn ban đầu xảy ra nhanh nhất, nghĩa là xét về thời gian thì t3<t2<t1, như vậy cường độ mòn của cặp chi tiết này là lớn nhất ở gia đoạn mòn ban đầu Tuổi thọ của cặp chi tiết độ nhẵn bóng bề mặt kém nhất ứng với giai đoạn mòn bình thường cũng ngắn nhất, nghĩ là T3<T2<T1

Hình 1.8 Quá trình mòn của một cặp ma sát

Chất lượng bề mặt: đường a: tốt; đường b: trung bình; đường c: xấu

Như vậy khi chế tạo chi tiết máy, nếu giảm hoặc tăng chiều cao nhấp nhô tế vi tới trị số tối ưu, ứng với điều kiện làm việc của chi tiết, thì sẽ đạt được lượng mòn ban đầu ít nhất, qua đó kéo dài tuổi thọ của chi tiết

Ở hình 1.9 ta có quan hệ giữa độ mòn ban đầu (u) và trị số sai lệch profin trung bình cộng Ra, tùy theo điều kiện làm việc nặng 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 trị số tối ưu Ra1, Ra2 thì sẽ bị mòn kịch liệt vì các phần tử kim loại dễ khuếch tán Ngược lại, giá trị của Ra lớn hơn trị số tối ưu Ra1, Ra2 thì lượng mòn sẽ tăng lên vì các nhấp nhô bề mặt bị phá vỡ và cắt đứt

Tóm lại khi thiết kế hai bề mặt ma sát với nhau phải chọn độ nhám bề mặt tối

ưu để giảm độ mòn của chúng đến mức nhỏ nhất, tùy theo điều kiện làm việc cụ thể

Hình 1.9 Quan hệ giữa lượng mòn ban đầu (U) và sai lệch

Đường 1 ứng với điều kiện làm việc nhẹ Đường 2 ứng với điều kiện làm việc nặng

1.2.2 Ảnh hưởng tới độ bền mỏi của chi tiết

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 vợt quá giới hạn mỏi của vật liệu Ứng suất tập trung này sẽ gây ra các vết nứt tế

vi ở các đáy nhấp nhô, đó là nguồn gốc phá hỏng chi tiết máy Mặt khác, độ bền của chi tiết máy cũng sẽ tăng khi chi tiết chịu tải trọng va đập, nếu độ nhám bề mặt thấp

Với thép 45: R Z = 75 µm thì σ-1 = 195 MN/m 2 (195 N/mm 2 )

1.2.3 Ảnh hưởng tới tính chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt chi tiết

Hình 1.10 Quá trình ăn mòn hóa học trên lớp bề mặt chi tiết máy

Các chỗ lõm bề mặt do độ nhấp nhô tế vi tạo ra là nơi chứa các tạp chất như axit, muối, Các tạp chất này có tác dụng ăn mòn hóa học với lớp kim loại Quá trình ăn mòn hóa học trên lớp bề mặt chi tiết làm các nhấp nhô mới hình thành Quá trình ăn mòn hóa học này ở lớp bề mặt xảy ra dọc theo sườn dốc các nhấp nhô tế vi, theo chiều từ đỉnh xuống đáy (mũi tên trên hình 1.10) các nhấp nhô, làm cho các nhấp nhô cũ bị mất đi và các nhấp nhô mới hình thành

Như vậy bề mặt chi tiết máy càng ít nhám (càng nhẵn bóng) thì càng ít bị ăn mòn hóa học, bán kính đáy các nhấp nhô càng lớn thì khả năng chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt càng cao Có thể chống ăn mòn hóa học bằng cách phủ lên bề mặt chi tiết máy một lớp bảo vệ bằng phương pháp mạ (mạ Crôm, mạ Niken) hoặc bằng phương pháp cơ khí làm chắc lớp bề mặt

1.2.4 Ảnh hưởng tới độ chính xác mối lắp ghép

Độ chính xác mối lắp ghép trong kết cấu cơ khí phụ thuộc chất lượng các bề mặt lắp ghép Độ bền các mối lắp ghép, trong đó có độ ổn định của chế độ lắp ghép giữa các chi tiết, phụ thuộc vào độ nhám của 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 của kích thước đường kính sẽ giảm một lượng là 2 Rz, còn đối với trục thì lại tăng thêm 2 Rz

Trong giai đoạn mòn ban đầu (giai đoạn chạy rà) chiều cao nhấp nhô tế vi Rz, đối với mối lắp ghép lỏng, 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 lắp ghép lỏng, để đảm

bảo ổn định của mối lắp ghép trong thời gian sử dụng, trước hết phải giảm độ nhấp nhô tế vi (giảm độ nhám, tăng độ bóng bề mặt), thông qua cách giảm trị số chiều cao nhấp nhô Rz Giá trị hợp lý của chiều cao nhấp nhô Rz được xác định theo độ chính xác của mối lắp, tùy theo trị số dung sai kích thước lắp ghép

Độ bền của mối lắp ghép (mối lắp ghép có độ dôi) có quan hệ trực tiếp với độ nhám bề mặt lắp ghép Chiều cao nhấp nhô tế vi Rz tăng thì độ bền của mối lắp ghép có độ dôi giảm

1.2.5 Lựa chọn độ nhám bề mặt

Lựa chọn các thông số để đánh giá nhám bề mặt cần xuất phát từ công dụng và tính chất làm việc của các bề mặt Các thông số về chiều cao nhám Rz, Ra được sử dụng phổ biến nhất Thông số Ra dùng để đánh giá nhám bề mặt cho những chuẩn mẫu so sánh bề mặt Thông số này có thể xác định dễ dàng trên máy đo profin và được áp dụng phổ biến trong các tài liệu kỹ thuật của các nước trên thế giới Thông số Rz được dùng trong trường hợp do yêu cầu làm việc cần khống chế chiều cao toàn bộ của nhám bề mặt hoặc cho các bề mặt nhám xốp cũng như không thể kiểm tra được thông số Ra trực tiếp bằng máy đo profin hoặc so với mẫu chuẩn Ví dụ: đối với bề mặt có kích thước nhỏ và hình dạng phức tạp (lưỡi cắt của dụng cụ, các chi tiết của cơ cấu đồng hồ hoặc thiết bị điện tử ) Đối với các bề mặt quan trọng, việc quy định một thông số chiều cao nhám chưa đủ mà cần quy định thêm thông số về bước hoặc thông số tp Các thông số về bước Sm và

S có ảnh hưởng quan trọng tới độ ổn định về rung, độ bền khi chịu tải chu kỳ Thông số tp đặc trưng cho diện tích tiếp xúc thực tế của các nhám bề mặt Với đặc trưng đó, tp có ảnh hưởng quan trọng tới tính chất sử dụng của các bề mặt như: độ bền chịu mài mòn, độ cứng vững tiếp xúc, độ kín khít của mối ghép

Việc quy định thêm phương mấp mô được dùng cho các bề mặt dẫn hướng có chuyển động tương đối với nhau hoặc để dẫn hướng dòng cho chất lỏng hoặc chất khí chuyển động so với bề mặt cũng như để đảm bảo độ ổn định chống rung và độ bền khi chịu tải chu kỳ

Lựa chọn các trị số của thông số nhám bề mặt phải phù hợp với điều kiện làm việc của sản phẩm và các yêu cầu sử dụng của bề mặt, đồng thời phải xét đến khả năng gia công để đạt tới trị số nhám đã chọn

Độ nhám có liên quan với dung sai kích thước và dung sai hình dạng bề mặt Khi dung sai kích thước và dung sai hình dạng nhỏ thì yêu cầu về nhám bề mặt phải chặt chẽ Song có thể quy định các yêu cầu nhám bề mặt chặt chẽ trong khi

độ chính xác về kích thước và hình dạng thấp Nhám bề mặt có thể gây ra sai số phụ về kích thước và hình dạng trong quá trình lắp ghép và sử dụng sản phẩm do các mấp mô tế vi bị san phẳng trong quá trình lắp ghép hoặc chịu tải, hoặc bị mòn nhanh chóng trong chuyển động tương đối giữa các bề mặt đối tiếp Do đó đối với mỗi dung sai kích thước và hình dạng của bề mặt cần quy định các yêu cầu tối thiểu về nhám Quan hệ giữa dung sai kích thước và hình dạng và chiều cao nhám

Ra hoặc Rz có thể quy định như sau:

Khi dung sai hình dạng bằng 60% dung sai kích thước T:

1.2.6 Kết luận về tầm quan trọng của độ nhám bề mặt

Tóm lại, chất lượng của bề mặt chi tiết máy có ảnh hưởng nhiều đến khả năng làm việc của các mối lắp ghép của chi tiết máy trong kết cấu cơ khí Tất nhiên, mối quan hệ này rất phức tạp, cần phải tiếp tục khảo sát có hiệu quả hơn, thông qua các công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để từ đó tìm biện pháp tác động tích cực đến chất lượng bề mặt, góp phần nâng cao khả năng làm việc và

đảm bảo chất lượng các mối lắp ghép chi tiết máy Về phương diện công nghệ chế tạo máy cần đi sâu phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng chi tiết máy

1.3 Những kết quả nghiên cứu đã đạt được trong việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt chi tiết gia công (R a , R z )

1.3.1 Các kết quả đối với máy công cụ truyền thống

1.3.1.1 Các yếu tố mang tính chất hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt

Mối quan hệ giữa các yếu thông số hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt với chất lượng bề mặt chi tiết máy đã được nhiều công trình lý thuyết và thực nghiệm

đề cập đến, chủ yếu trên cơ sở phương pháp cắt gọt như tiện, phay, mài Từ kết quả nghiên cứu, bước đầu người ta đã tìm được các biện pháp công nghệ thích hợp để cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết máy, nhất là giảm chiều cao nhấp nhô

tế vi Rz (giảm độ nhám) để tăng độ nhẵn bóng bề mặt Qua thực nghiệm đối với phương pháp tiện người ta đã xác định mối quan hệ giữa các thông số: chiều cao nhấp nhô tế vi Rz, lượng tiến dao S, bán kính mũi dao r, chiều dày phoi nhỏ nhất

hmin

Trên hình 1.11 ta thấy đường cong 1 biểu thị mối quan hệ tổng quát giữa Rz, S

và r, cụ thể là trong phạm vi giá trị của 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 người ta xác định được mối quan hệ giữa Rz, S, r, và hmin đối với bước tiện tinh và biểu thị bằng đường cong 3

Như vậy tùy theo giá trị thực tế của lượng chạy dao S mà ta có thể xác định mối quan hệ giữa Rz với S, r, và hmin như sau:

1 2

h r h

Nếu lượng chạy dao S quá nhỏ (S < 0,03 mm/vòng) thì trị số Rz lại tăng, nghĩa

là thực hiện bước tiện tinh hoặc phay tinh với lượng chạy dao S quá nhỏ sẽ không

có ý nghĩa đối với việc cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết Mặt khác với giá trị không đổi của lượng chạy dao S có thể đạt độ nhám bề mặt thấp hơn nếu vật liệu

có độ bền cao hơn

Hình 1.12 Ảnh hưởng của hình dạng hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt đến nhấp nhô

bề mặt chi tiết khi tiện

Hình 1.12 là ví dụ về ảnh hưởng của hình dạng hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt đến độ nhám khi tiện Ở đây khi tiện lượng chạy dao S1 đưa dao tiện từ

vị trí 1 sang vị trí 2 (hình 1.12a) để lại trên bề mặt chi tiết phần diện tích lớp cắt còn dư (m) phụ thuộc vào bước tiến S1 và hình dạng hình học của dụng cụ cắt Giảm lượng chạy dao từ S1 đến S2 thì chiều cao nhấp nhô sẽ từ Rz’ giảm xuống

1.3.1.2 Các yếu tố phụ thuộc vào biến dạng dẻo của lớp bề mặt

Khi vật liệu lớp bề mặt chi tiết máy bị biến dạng dẻo mạnh, các cấu trúc tinh thể nhỏ biến thành cấu trúc sợi làm thay đổi rất nhiều hình dạng và trị số của nhấp nhô tế vi (thay đổi Ra và Rz) Ở kim loại giòn, khi gia công, 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

Tốc độ cắt là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt chi tiết máy (hình 1.15) Khi cắt thép cacbon ở vận tốc cắt thấp, nhiệt cắt không cao, phoi kim loại tách dễ, biến dạng của lớp bề mặt không nhiều, vì vậy độ nhấp nhô tế vi bề mặt thấp, độ nhám bề mặt thấp Khi tăng tốc độ cắt đến khoảng (15÷20) mét/phút thì nhiệt cắt, lực cắt đều tăng và có giá trị lớn, gây ra biến dạng dẻo mạnh, ở mặt trước và mặt sau dao kim loại chảy dẻo Khi lớp kim loại bị nén chặt ở mặt trước dao và nhiệt độ cao làm tăng hệ số ma sát ở vùng cắt sẽ hình thành lẹo dao (hình 1.13) Đó là do một ít kim loại bị chảy và bám vào mặt trước và một phần mặt sau của dao Về cấu trúc thì lẹo dao là hạt kim loại rất cứng, nhiệt độ nóng chảy lên tới khoảng 30000C, bám rất chắc vào mặt trước và một phần mặt sau của dao Lẹo dao làm tăng độ nhám bề mặt gia công Nếu tiếp tục tăng vận tốc cắt, lẹo dao bị nung nóng nhanh hơn, vùng kim loại biến dạng bị phá hủy, lực dính của lẹo dao không thắng nổi lực ma sát của dòng phoi và lẹo dao bị cuốn đi Lẹo dao biến mất ứng với tốc độ cắt khoảng từ (30÷60) m/phút Với tốc độ cắt lớn hơn 60 m/phút thì lẹo dao không hình thành được nên độ nhám bề mặt gia công giảm, độ nhẵn bóng bề mặt gia công tăng (hình 1.14) nêu rõ ảnh hưởng của vận tốc cắt đến sự hình thành và mất đi của lẹo dao Hình (1.15) cho biết ảnh hưởng của vận tốc cắt

V đến chiều cao nhấp nhô tế vi Rz, khi cắt gọt kim loại

Hình 1.13 Hiện tượng lẹo dao (BUE)

Hình 1.14 Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến chiều cao lẹo dao

Khi gia công kim loại giòn (gang) các mảnh kim loại bị trượt và vỡ ra không

có thứ tự làm tăng nhấp nhô tế vi bề mặt Tăng tốc độ cắt sẽ giảm đượchiện tượng

vỡ vụn của kim loại, làm tăng độ nhẵn bóng của bề mặt gia công

Lượng chạy dao S ngoài ảnh hưởng mang tính chất hình học như đã nêu ở trên, còn có ảnh hưởng đến mức độ biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi ở bề mặt gia công Hình (1.16) cho biết quan hệ giữa lượng chạy dao S và chiều cao nhấp nhô tế vi Rz khi gia công thép các bon, với giá trị của lượng chạy dao S = (0,02÷0,15) mm/vòng thì bề mặt gia công có độ nhấp nhô tế vi thấp nhất, nếu giảm S < 0,02 (mm/vòng) thì bề mặt gia công có độ nhấp nhô tế vi sẽ tăng lên, độ nhẵn bóng bề mặt giảm vì ảnh hưởng của biến dạng dẻo lớn hơn ảnh hưởng của các yếu tố hình học Nếu trị số S > 0,15 (mm/vòng) thì biến dạng đàn hồi sẽ ảnh hưởng đến sự hình thành các nhấp nhô tế vi, kết hợp với ảnh hưởng của các yếu tố hình học, làm cho độ nhám bề mặt tăng lên nhiều

Hình 1.16 Ảnh hưởng của lượng chạy dao S đối với chiều cao nhấp nhô tế vi R z

Như vậy để đảm bảo đạt độ nhẵn bóng bề mặt cao và năng suất cao nên chọn giá trị của lượng chạy dao S trong khoảng (0,05÷0,12) mm/vòng đối với thép các bon Khi gia công tinh thép các bon nên tránh khoảng vận tốc cắt sinh lẹo dao Chiều sâu cắt cũng ảnh hưởng tương tự như lượng chạy dao S đến độ nhám bề mặt gia công (nó tác động thông qua lực cắt và rung động), nhưng trong thực tế người ta thường bỏ qua ảnh hưởng này Nó chung không nên chọn giá trị của chiều sâu cắt quá nhỏ vì khi cắt lưỡi dao sẽ bị trượt trên mặt gia công và cắt không liên tục Hiên tượng gây ra trượt dao thường ứng với giá trị của chiều sâu cắt khoảng (0,02÷0,03) mm

Loại vật liệu gia công có ảnh hưởng đến độ nhấp nhô tế vi (độ nhám bề mặt) chủ yếu là do khả năng biến dạng dẻo Vật liệu dẻo và dai (thép ít các bon) dễ biến dạng dẻo sẽ cho độ nhám bề mặt lớn hơn vật liệu cứng và giòn

1.3.1.3 Ảnh hưởng do rung động của hệ thống công nghệ đến chất lượng bề mặt gia công

Quá trình rung động trong hệ thống công nghệ tạo ra chuyển động tương đối

có chu kỳ giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công, làm thay đổi điều kiện ma sát, gây nên độ sóng và nhấp nhô tế vi trên bề mặt gia công Tình trạng máy có ảnh quyết định đến độ nhám bề mặt gia công Muốn đạt độ nhám bề mặt gia công thấp (độ nhẵn bề mặt cao) trước hết cần phải đảm bảo đủ cứng vững, phải điểu chỉnh máy tốt và giảm ảnh hưởng của các máy khác xung quanh

Tóm lại, ảnh hưởng tổng hợp của ba nhóm yếu tố trên tới độ nhám (độ nhẵn bóng) bề mặt chi tiết máy phần lớn mang tính chất ngẫu nhiên Các số liệu khảo sát cho thấy chiều cao nhấp nhô tế vi có thể thay đổi đến 10 lần trong cùng một chế độ cắt Mặt khác hình dạng hình học tế vi bao giờ cũng mang sai số hệ thống

và sai số ngẫu nhiên của quá trình cắt Người ta thường phải dùng phương pháp tính toán phân tích phức tạp để xác định chính xác hình dạng hình học tế vi của bề mặt gia công có xét đến sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên của quá trình cắt Ví

dụ dùng hàm số tương quan để phân tích biên dạng thực của bề mặt gia công

1.3.1.4 Biện pháp cải thiện độ bóng bề mặt gia công chi tiết máy bằng dụng

cụ cắt có lưỡi cắt định hình

Bảng 1.2 Biện pháp cải thiện độ bóng bề mặt

Yếu tố ảnh hưởng Biện pháp làm giảm chiều cao nhấp nhô tế vi (Rz)

Vật liệu gia công Sức bền cao, giới hạn chảy cao, nhiều các bon, độ cứng

cao Lượng tiến dao S Giá trị S nhỏ (giá trị nhỏ nhất khoảng 0,03 mm/vòng) Chiều sâu cắt t Giá trị của chiều sâu cắt nhỏ (giá trị nhỏ nhất 0,01mm) Vận tốc cắt Giá trị của vận tốc cắt không nằm trong vùng gây lẹo dao Vật liệu dụng cụ cắt Độ cứng nóng (chịu nhiệt) tăng, khả năng chịu nhiệt của

dụng cụ cắt tăng theo thứ tự sau: thép gió, hợp kim cứng, gốm, kim cương

Dung dịch trơn nguội Độ nhớt tăng theo thứ tự: nước, dầu

1.4 Nhận xét

Chất lượng bề mặt bao gồm nhiều yếu tố, do nhiều thông số tác động với các mức độ khác nhau, như các thông số công nghệ, vật liệu, dụng cụ cắt… Do hạn chế về thời gian và được sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn nên đề tài chỉ tập trung vào việc tìm hiểu sự ảnh hưỏng của các thông số công nghệ đến chất lượng

bề mặt khi phay trên máy phay CNC Deckel Maho DMU60T, với vật liệu gia công là thép hợp kim cứng như: X12M, 40X và 9XC

Các yếu tố của chất lượng bề mặt có ảnh hưởng đến chức năng làm việc của chi tiết theo từng mức độ nhất định Do đó khi gia công vật liệu này thì chất lượng bề mặt cần quan tâm đó là độ nhám bề mặt

Trong các thông số tác động đến độ nhám bề mặt thì các thông số về chế độ cắt ảnh hưởng rõ nét nhất Do vậy nội dung của đề tài chỉ còn là việc xác định các thông số công nghệ của quá trình phay ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi gia công thép hợp kim có độ cứng cao như X12M, 40X và 9XC Cụ thể là tìm mối quan hệ toán học giữa độ nhám bề mặt với các chế độ cắt

Chương 2:

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CNC 2.1 Tổng quan về công nghệ CNC

Vào giữa thế kỷ XX, nền kinh tế thế giới đã có những bước tiến lớn mang tính toàn cầu Các hệ thống máy móc, thiết bị cũ không thể đáp ứng được nhu cầu của con người trong việc phát triển kinh tế cũng như chinh phục tự nhiên Ý tưởng chế tạo ra một máy gia công tự động thực hiện quá trình cắt đã được manh nha từ đầu thế kỷ trở nên cần thiết hơn bao giờ hết Đặc biệt sau đại chiế thế giới lần thứ hai (1945), cùng với sự ra đời của hàng loạt nước theo đường lối Chủ nghĩa Xã hội đã đưa thế giới phân làm hai thái cực là Tư bản Chủ nghĩa và Xã hôi Chủ nghĩa Đường lối chính trị của cả hai khác hẳn nhau đã trở thành mâu thuẫn trên mọi phương diện xã hội, kinh tế, quân sự Để dành được ưu thế thì việc thiết kế, chế tạo

ra các loại máy móc, thiết bị, vũ khí mới đã trở nên cấp bách hơn bao giờ hết Chính

vì lẽ đó, việc nghiên cứu, chế tạo máy gia công tự động đã có kết quả bước đầu ngay từ những năm 50 Nhưng phải đến những năm 70, sự bùng nổ của công nghệ thông tin đã thúc đẩy và đưa kỹ thuật CAD/CAM – CNC lên một tầm cao mới mà đỉnh cao là năm 1979, khớp nối liên hoàn kỹ thuật CAD/CAM – CNC đã được khai thông Quá trình từ khi có ý tưởng về sản phẩm hay vật mẫu đến khi chế tạo ra sản phẩm được rút ngắn, sản phẩm đa dạng và phong phú hơn bao giờ hết, đáp ứng nền kinh tế thị trường

Quá trình chế tạo sản phẩm nói chung có thể khái quát qua hồ sơ hình 3.1[1] Quá trình thiết kế sản phẩm trước đây thường rất dài vì thiếu công cụ thiết kế Quá trình chế tạo sản phẩm gặp khó khăn vì thiết bị không đáp ứng được, có những công đoạn phải làm thủ công nên mất thời gian Quá trình Marketting thường diễn ra chậm Như vậy quá trình chế tạo sản phẩm từ khi có ý tưởng đến khi đưa được sản phẩm đến với tay người tiêu dùng là cả một chặng đường dài Chính vì lẽ đó nó không thể đáp ứng được với cơ chế thị trường

Quá trình chế tạo sản phẩm hiện nay có bước đột phá Ý tưởng về sản phẩm được thiết kế ngay trên máy tính bằng phần mềm AutoCAD hay các phần mềm thiết

kế khác như SolidWork, Inventor và phần mềm hỗ trợ kiểm tra phù hợp Việc thiết kế sản phẩm còn được hỗ trợ bởi thiết bị dò hình số hoá [1] hay thiết bị tạo mẫu nhanh Sau khi có thiết kế, chuỗi liên hoàn CAD/CAM đã cho phép chuyển đổi bản vẽ sang chương trình gia công tự động Quá trình chế tạo sản phẩm (CAM) đã được tự động hoá cao, gia công được các bề mặt phức tạp nhờ kỹ thuật CNC, hệ thống thông tin cập nhật nhanh Chính vì lẽ đó quá trình chế tạo sản phẩm trở nên ngắn hơn bao giờ hết [1].

Để việc ứng dụng kỹ thuật CAD/CAM-CNC đạt được kết quả tốt thì việc hoạch định quy trình công nghệ có sự trợ giúp của máy tính CAPP (Computer Aided Process Planning) đóng một vai trò quan trọng bởi nó là cầu nối giữa thiết kế

và chế tạo, là một liên kết trong các hoạt động tổ hợp của hệ thống chế tạo Hơn nữa việc hoạch định đó còn có lợi ích sau:

- Năng suất tăng, tổ hợp nhanh các năng lực sản xuất

- Chi phí sản xuất giảm vì giảm bớt được công chuẩn bị sản xuất Sử dụng có hiệu quả hơn về máy, về nguyên liệu

- Tiết kiệm được thời gian, tăng cường tính linh hoạt do khả năng đáp ứng nhanh các đòi hỏi thay thế về cấu hình sản phẩm

- Thể hiện tính nhất quán [18]

Ngày nay, giải pháp lập trình CAD/CAM-CNC đã được nghiên cứu, tạo lập và

ứng dụng trong đào tạo, sản xuất, với ý tưởng ẩn sâu là sử dụng duy nhất một hệ cơ

sở dữ liệu kỹ thuật (a single technical database) cho cả hai khâu thiết kế và chế tạo

chi tiết trong quá trình nghiên cứu, thiết kế phát triển sản phẩm cũng như trong quá trình sản xuất chế tạo sản phẩm [18] Các thủ tục xử lý trong kỹ thuật CAD/CAM-CNC có thể khái quát qua sơ đồ hình 2.2

Xu hướng hiện nay, việc hoạch định quy trình công nghệ thường được định hướng linh hoạt hoá Trong ngành Cơ khí đã có sự dịch chuyển từ tự động hoá các doanh nghiệp có quy mô sản xuất lớn sang quy mô vừa và nhỏ điều đó đã cho phép

dễ dàng thực hiện linh hoạt hoá Với định hướng này, dây chuyền gia công chi tiết

cơ khí có thể thực hiện theo một trong các phương án sau:

Phương án1: Dùng máy vạn năng kết hợp gá lắp, điều chỉnh theo nhóm chi tiết Phương án 2: Dùng máy chuyên dùng đơn giản có khả năng điều chỉnh theo nhóm chi tiết gia công

Phương án 3: Dùng các máy hay trung tâm gia công CNC theo giải pháp tập trung nguyên công, tự động hoá việc điều khiển theo hướng linh hoạt hoá và tự động hoá Quá trình từ thiết kế đến chế tạo ra sản phẩm có sự đóng góp đắc lực của kỹ thuật CAD/CAM-CNC nhưng vai trò của con người trong đó có ý nghĩa quyết định Chương trình gia công NC, CNC dù có được xây dựng từ chuỗi liên thông thì cũng không thể đáp ứng với mọi loại máy, mọi loại vật liệu, mọi phương thức gia công

mà thể hiện rõ nhất là việc sử dụng chế độ cắt trên máy

2.2 Tổng quan về máy phay CNC

Ngày nay, với kích thước máy tới cỡ vừa, không thể phân định rõ giữa máy phay và trung tâm gia công Nhiều hang chế tạo máy trang bị cho các máy phay những bộ phận to động hoá như: ổ tích dụng cụ với tay tóm dụng cụ, cơ cấu thay đổi phôi/chi tiết gia công, trục chính nằm ngang và trục chính thẳng đứng…

Các máy phay ngày nay được trang bị hệ thống điều khiển theo biên dạng (quỹ

đạo) với ít nhất là 3 đến 5 trục điều khiển, với phép nội suy (interpolation) không

gian (đồng thời) cho mọi trục điều khiển Khâu chương trình gia công

(programming), do vậy được thực hiện nhờ hệ thống lập trình có máy tính trợ giúp

và các hệ xử lý thích nghi (hậu xử lý) phù hợp với máy

2.2.1 Phân loại máy phay CNC

Việc phân loại máy phay CNC chỉ mang tính tương đối Tuỳ thuộc vào tính

vạn năng, số dao có thể tích trong ổ dao (Tool magazine) ta chia máy phay CNC

thành các loại cơ bản sau:

2.2.1.1 Máy phay CNC (CNC Milling Machine)

Máy phay CNC thường được dùng để chỉ các máy phay có một hoặc một vài dao trong ổ tích dao, thông thường ổ tích dao không chứa quá 12 dao và có dạng

mâm xoay (turret)

2.2.1.2 Trung tâm phay CNC (Milling Center)

Là loại máy phay có tính vạn năng cao hơn, thông thường số dao có thể tích trong ổ

tích dao từ 12 đến hàng trăm dao Ổ tích dao (Tool magazine) thường có dạng xích

quay, dao được thay tự động hoặc dùng Robot cấp dao

2.2.1.3 Trung tâm phay - tiện CNC (Milling – Turning Center)

Là trung tâm phay CNC có tích hợp và có khả năng làm việc như máy tiện CNC Loại máy này có tính vạn năng rất cao Tuy nhiên kết cấu phức tạp và đắt tiền

2.2.2 Hệ thống điều khiển trục chính

Cũng như các máy phay thông thường trục chính trên máy phay CNC đảm bảo chuyển động cắt chính Trục chính tiêu tốn công suất lớn nhất trên máy, vì vậy công suất trục chính thường được dung làm chỉ tiêu đánh giá công suất gia công của máy Yêu cầu cơ bản đối với gia công trục chính là có khoảng thay đổi số vòng quay rộng, với momen lớn, ổn định và khả năng quá tải cao Để đảm bảo điều đó, trên các máy thông thường người ta dùng động cơ xoay chiều không đồng bộ hoặc đồng bộ kèm theo hộp số cơ khí có cấp và vô cấp

Trên máy phay CNC, tốc độ điều khiển trục chính cần được điều khiển vô cấp, tự động theo chương trình trong phạm vi rộng Điều đó rất cần thiết nhất là khi thay đổi đường kính dao phay mà lại cần duy trì vận tốc cắt không đổi Gần đây nhờ tiến

bộ của khoa học kỹ thuật điều khiển số, các động cơ không đồng bộ điều khiển bằng biến tần được sử dụng rộng rãi Khi cần định vị góc trục chính người ta gắn bộ mã

hoá (encode) lên trục động cơ

So với trục chính của máy thông thường, trục chính của máy phay CNC làm việc với tốc độ cao hơn (tới hàng vạn v/ph), thường xuyên có gia tốc lớn Vì vậy yêu cầu cân bằng, bôi trơn đặc biệt cao hơn Ngoài ra do nhu cầu thay dao nhanh, thay dao tự động, cơ cấu kẹp dao, phôi trên các máy phay CNC thường được điều khiển tự động bằng khí nén hoặc thuỷ lực

2.2.3 Hệ thống thay dao tự động

Có nhiệm vụ lấy dao từ ổ chứa gá vào trục chính và lấy dao từ trục chính cất

vào ổ chứa dao một cách nhanh chóng Ổ chứa dao (Tool magazine) là hệ thống lưu

trữ dao có thể nhận biết được các vị trí và truy xuất tự động

2.2.4 Ổ gá dao

Ổ gá dao sẽ giúp thuận lợi cho việc thay đổi nhiều dao và trục chính máy một cách nhanh chóng, chính xác Cấu tạo ổ gá dao:

Đầu gá côn (Taperet Shank): Đầu gá dao côn dung lắp ổ gá dao lên trục chính

Theo tiêu chuẩn ANSI có 6 cỡ ổ gá dao côn cơ bản sau #30, #35, #40, #45, #50,

#60, máy càng lớn dùng đầu gá côn có số hiệu càng lớn Độ côn tiêu chuẩn là 3.5in./ft (hệ số 7:24)

Vành ổ gá dao (Flange): Dùng để ổ gá dao có thể gắp giữ bởi tay gắp thay dao hoặc

trục chính, có hai loại cơ bản, V-Flange và BT-Flange V-Flange thường được dùng đối với các dao kích thước hệ inch và BT-Flange thường dùng gá dao kích thước hệ mét

Núm cố định ổ dao (Retension Knob): Núm cố định ổ dao dung để thanh khoá

của trục chính (locking drawbar) kéo ổ gá dao cho siết chặt vào trục chính và thả nó

ra tự động:

Bộ gá thân dao (Adaptors): Bộ gá thân dao được thiết kế theo nhiều kiểu khác

nhau nhằm gá được nhiều loại và cỡ dao khác nhau Thông thường ổ gá dao được đặt tên theo bộ gá thân dao tương ứng Thường gặp là: end mill holders, tap holders, collect holders, boring bar holders…

2.2.5 Hệ thống điều khiển chạy dao

Hệ thống điều khiển chạy dao đảm bảo chuyển động tạo hình, nên nó quyết định khả năng công nghệ (tức là kích thước, hình dạng, độ chính xác của bề mặt gia công) của máy Trên thực tế chuyển động tạo hình của máy phay CNC có thể do dao hoặc phôi thực hiện

Chuyển động của các trục được điều khiển tự động từ chương trình Trên các máy không đòi hỏi độ chính xác cao thường dùng động cơ bước Hệ điều khiển