Nghiên cứu bản chất của quá trình phay cao tốc và ảnh hưởng của nó

Lựa chọn độ nhám bề mặt 2.2.6 Kết luận về tầm quan trọng của độ nhám bề mặt 2.3 Những kết quả đã đạt được trong việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt chi tiết gia công

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là do bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS NGUYỄN HUY NINH Ngoài các phần tài liệu tham khảo đã được liệt kê và nêu rõ trong Luận văn, các số liệu và kết quả thực nghiệm là trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác

Hà nội, Ngày tháng năm 2015

Người thực hiện

Trần Hồng Thanh

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS: Nguyễn Huy Ninh, người đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài, tổ chức thực nghiệm đến quá trình viết

và hoàn chỉnh Luận văn

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo và Viện đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành bản Luận văn này

Tác giả cũng chân thành cảm ơn Trung tâm BK _CNC và các giáo viên thuộc trung tâm đã tạo điều kiện về thiết bị và giúp đỡ trong quá trình sự dụng thiết bị để thực hiện luận văn

Tác giả cũng rất lấy làm cảm kích trước những ý kiến đóng góp của các thầy, cô giáo thuộc Viện Cơ khí và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tác giả tháo gỡ những vướng mắc trong thời gian thực hiện Luận văn

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp để Luận văn được hoàn thiện hơn và có ý nghĩa trong

Môc lôc Trang Trang bìa

3.Tóm tắt nội dung thực hiện và đóng góp mới của tác giả 12

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CAO TỐC (HSM) 13

1.7 Yêu cầu về thiết bị cho gia công cao tốc 27

1.8 Ưu điểm và nhược điểm của gia công cao tốc 30 1.9 Thời gian gia công

1.10 Ứng dụng

31

31

CHƯƠNG 2: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ NHÁM

BỀ MẶT

2.1 Tổng quan về nhám bề mặt sản phẩm

2.1.1 Trung bình sai lệch số học biên độ (prôfin), Ra

2.1.2 Chiều cao cực đại của biên độ(prôfin), Ry

2.1.3 Độ cao mười điểm của độ nhám, Rz

2.1.4 Sai lệch tiêu chuẩn của biên độ (profin), Rq

2.2 Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt tới khả năng làm việc của

chi tiết máy

2.2.1 Ảnh hưởng tới tính chống mòn

2.2.2 Ảnh hưởng tới độ bền mỏi của chi tiết

2.2.3 Ảnh hưởng tới tính chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt

chi tiết

2.2.4 Ảnh hưởng tới độ chính xác mối lắp ghép

2.2.5 Lựa chọn độ nhám bề mặt

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

2.3 Những kết quả đã đạt được trong việc nghiên cứu các yếu tố

ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt chi tiết gia công (Ra, Rz)

2.3.1.2 Các yếu tố phụ thuộc vào biến dạng dẻo của lớp bề mặt 46

2.3.1.3 Ảnh hưởng do dung động của hệ thống công nghệ đến chất 49

2.3.2.2 Nhiệt cắt và lực cắt trong gia công cao tốc 52

2.3.3 Kết luận chương 2 53 CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VỀ LẬP TRÌNH HEIDENHAIN –

CODE SỬ DỤNG TRONG CÁC MÁY CNC

3.2 Dao cắt và chuyển động lập trình của dao cắt 56

3.4 Lập trình gia công Heidenhain – code 60

3.4.3 Điều khiển các đường vào/ra của đường chạy dao 71

3.5.2 Các chu trình phay mặt phẳng, mặt đầu

76 3.5.3 Các hàm chức năng phụ

3.5.4 Ví dụ lập trình và gia công pis ton

77

79

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ

CẮT ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHI PHAY CAO TỐC 84

4.1 Xây dựng hệ thống thí nghiệm 84 4.1.1 Điều kiện thực nghiệm

4.1.1.1 Sơ đồ thực nghiệm

4.1.1.2 Máy gia công và dụng cụ cắt

4.1.1.3 Máy đo độ nhám Mitutoyo SJ301

4.1.1.4 Vật liệu gia công

4.1.1.5 Phương pháp phay mặt đầu

Ra - Sai lệch số học trung bình của prôfin m

Rz - Chiều cao nhấp mô theo 10 điểm của prôfin m Rmax - Chiều cao lớn nhất của prôfin m

Si - Bước trung bình của nhấp mô theo đỉnh m Smi - Bước trung bình của nhấp mô theo prôfin m

l - Chiều dài chuẩn m ypmi - Chiều cao đỉnh thứ i trong 5 đỉnh cao nhất m yvmi - Chiều cao đỉnh thứ i trong 5 đỉnh thấp nhất m

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

Ti - Thời gian mòn ổn định, i = 1:3 Giây (s) Thd - Là dung sai hình dạng

-1a - Giới hạn bền mỏi khi không có ứng suất dƣ N/mm2

-1b - Giới hạn bền mỏi khi có ứng suất dƣ N/mm2

d - ứng suất dƣ lớn nhất ở lớp bề mặt N/mm2

HSM (High Speed Machining ): Gia công cao tốc

CNC (Computer Numerical Control) – Điều khiển số có sự trợ giúp của máy tính MCU (Machine Control Unit) – Hệ điều khiển máy

CAD (Computer Aided Design) – Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính

CAM (Computer Aided Manufacturing) – Sản xuất có sự trợ giúp của máy tính

RP (rapid prototyping) – Tạo mẫu nhanh

EDM(Electric Discharge Machining)- Gia công tia lửa điện

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

1 1.1 Thuộc tính của những vật liệu cắt và lớp phủ cao cấp 19

7 4.3 Ma trận thí nghiệm các thông số đầu vào 83

8 4.4 Bảng tính toán các thông số công nghệ 84

1 1.1 Nhiệt độ gia công khi phay cao tốc (theo dự đoán của

3 1.2 Vùng tốc độ gia công cao tốc một số loại vật liệu 15

5 1.4 Mối liên hệ giữa kỹ thuật gia công và máy công cụ 16

6 1.5 Kiểu mòn trên dao tiện và mũi khoan trong phay cao tốc 17

7 1.6 Kiểu mòn trên dao phay ngón trong phay cao tốc 17

Cách ghi ký hiệu trên bản vẽ

8 1.7 Ảnh hưởng của các lớp phủ vật liệu dụng cụ khác nhau lên

10 1.9 Phoi sinh ra từ những vận tốc cắt khác nhau 20

11 1.10 Bề dày phoi thay đổi khi vận tốc cắt khác nhau 21

12 1.11 Hình thái của phoi nhận được trong vùng gia công thông

13 1.12 Mặt cắt của việc hình thành phoi trong gia công khi cắt

14 1.13 Tần số của phoi xếp và diện tích phoi xếp bị biến dạng

15 1.14 Nhờ phay cao tốc mà khi gia công thành mỏng không bị

uốn cong vì lực cắt nhỏ so với pp truyền thống 24

16 1.15 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến lực cắt 24

17 1.16 Các vùng nhiệt cắt khác trong quá trình cắt vuông góc 25

18 1.17 Đường cong về nhiệt của Salomon và Mc Gee 26

19 1.18 Nhiệt cắt của chi tiết và dao tạiV=600m/ph, Sr=0,25mm/r 26

20 1.19 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt 27

21 1.20 Vùng kỹ thuật tối ưu cho gia công cao tốc 27

23 1.23 Ảnh hưởng của thời gian gia công đến chất lượng độ

26 2.3 Sơ đồ xác định Profin trung bình cộng Ra 34

28 2.5 Sơ đồ xác định Profin trung bình cộng Rz 35

33 2.10 Quá trình ăn mòn hóa học trên lớp bề mặt chi tiết máy 40

34 2.11 Quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô tế vi Rz và lượng chạy

35 2.12 Ảnh hưởng của hình dạng hình học của dụng cụ cắt và

chế độ cắt đến nhấp nhô bề mặt chi tiết khi tiện 46

37 2.14 Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến chiều cao lẹo dao 48

38 2.15 Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến chiều cao nhấp nhô tế viRz 48

39 2.16 Ảnh hưởng của lượng chạy dao S đối với chiều cao nhấp

40 2.17 Lượng chạy dao và bán kính của các dụng cụ cắt ảnh

41 2.18 So sánh giữa gia công truyền thống và phay cao tốc 52

41 4.6 Ảnh hưởng của V,Sz lên Ra khi t=0,2mm 86

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay khoa học kỹ thuật không ngừng phát triển, các máy công cụ điều khiển số (NC và CNC) hiện đang được sử dụng phổ biến tại các nước phát triển Trong những năm gần đây các máy CNC được nhập vào Việt Nam với số lượng ngày càng phát triển Việc tìm hiểu khai thác khả năng công nghệ gia công trên máy CNC cũng như trên trung tâm gia công nhằm đạt hiệu quả kinh tế cao đang là nhiệm

vụ cấp bách

Gia công cao tốc (High Speed Machining-HSM) là một trong những công nghệ gia công hiện đại So với phương pháp cắt gọt truyền thống thì gia công cao tốc có khả năng nâng cao năng suất, độ chính xác, chất lượng chi tiết gia công, giảm chi phí sản xuất và thời gian gia công

Ở Việt Nam, gia công cao tốc chưa có vị trí xứng đáng trong đào tạo và trong thực tiễn sản xuất Vì thế có rất ít công trình nghiên cứu về gia công cao tốc Việc

sử dụng gia công cao tốc trong thực tế sản xuất còn hạn chế Vì vậy việc nghiên cứu sâu sắc và ứng dụng hiệu quả quá trình gia công cao tốc, góp phần nâng cao chất lượng các sản phẩm cơ khí là một vấn đề rất cấp thiết hiện nay ở nước ta

Để nâng cao hơn nữa hiệu quả của các trung tâm gia công vào chương trình đào tạo Đai học, Sau đại học, nghiên cứu khoa học, chuyển giao công nghệ và khai thác trong quá trình sản xuất và gia công các sản phẩm có độ phức tạp và độ chính xác gia công cao

Vì vậy tác giả chọn đề tài:

“Nghiên cứu bản chất của quá trình phay cao tốc và ảnh hưởng của nó đến

độ nhám bề mặt và độ chính xác khi gia công cao tốc trên trung tâm gia công 5 trục

với chế độ cắt để người làm công nghệ điều khiển máy gia công với chế độ cắt phù hợp theo độ nhám yêu cầu

- Dùng làm tài liệu tham khảo cho sản xuất, giảng dạy và học tập

2.2 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các thông số chế độ cắt ảnh hưởng tới Ra khi

phay cao tốc trên trung tâm gia công cao tốc 5 trục UCP600

3 Tóm tắt nội dung thực hiện và đóng góp mới của tác giả

Nội dung nghiên cứu gồm:

- Tìm hiểu hệ điều hành Heidenhain (iTNC 530) cho các máy CNC

- Biên tập tài liệu hướng dẫn sự dung Trung tâm gia công cao tốc 5 trục UCP 600

- Làm rõ cơ sở lý thuyết và bản chất của quá trình gia công cao tốc

- Gia công mẫu trên trung tâm gia công 5 trục UCP600 và đo các thông số công nghệ để so sánh giữa phương pháp cắt cao tốc và cắt bình thường

Ý nghĩa đề tài:

- Những nghiên cứu về gia công cao tốc được công bố gần đây tập trung vào việc nghiên cứu các ảnh hưởng của phay cao tốc đến độ nhám bề mặt và độ chính xác gia công Đề tài đã làm sáng tỏ hơn về bản chất HSM và đóng góp một số kết quả vào hướng nghiên cứu này

- Chế độ cắt có ảnh hưởng nhiều đến các thông số đặc trưng của phương pháp gia công cao tốc

- Phay cao tốc là một quá trình phức tạp với lớn các thông số ảnh hưởng và

chỉ tiêu đánh giá

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm được trình bày trong

luận văn không chỉ phù hợp với đối tượng nghiên cứu của đề tài mà còn có thể sử dụng khi nghiên cứu quá trình phay cao tốc ứng với các điều kiện gia công khác nhau

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về gia công cao tốc và quy hoạch thực nghiệm

-Nghiên cứu thực nghiệm gia công thép làm khuôn và xử lý số liệu thí nghiệm

- Phân tích và đánh giá kết quả

Tốc độ cắt (m/phút) Hình 1.1 Nhiệt độ gia công khi phay cao tốc (theo dự đoán của Salomon)

Salomon thực hiện nghiên cứu cơ bản của mình trên lưỡi cưa tròn, và vì tốc độ cao quay không có sẵn ông đã có thể đạt tốc độ cắt cao chỉ bằng cách tăng đường kính

Tuy nhiên, gia công phần lớn các phôi, các công cụ có đường kính rất lớn hiếm khi được sử dụng Điều này có nghĩa rằng trong ứng dụng thực tế tốc độ cắt cao, chủ yếu có thể đạt được là tốc độ quay cao Tuy nhiên điều này đã không thể thực hiện được vào lúc đó Nghiên cứu cơ bản của Salomon cho thấy rằng có một phạm vi nhất định cắt tốc độ, nơi không thể gia công thực hiện do quá mức nhiệt

độ cao Vì lý do này, cắt cao tốc gia công cũng có thể được gọi là tốc độ cắt vượt quá giới hạn đó Với hiện đại kiến thức, Viện ptw (Production engineering and Machine tools) xác định tốc độ cao gia công như là cắt với tốc độ vượt quá tốc độ thông thường từ 5 đến 10 lần

Vào năm 1977, lần đầu tiên tốc độ cắt cho máy phay có tốc độ lên tới 1.980 m/phút Các xét nghiệm cũng cho thấy chất lượng bề mặt được cải thiện, tăng đáng kể với việc tăng tốc độ cắt Một kết quả quan trọng của các xét nghiệm này

là ở tốc độ cao cắt nhiệt sinh ra trong quá trình gia công phần lớn sẽ truyền vào phoi Năm 1979, Không quân Mỹ bắt đầu một chương trình nghiên cứu toàn diện

sự hợp tác với General Electric để điều tra cơ bản có hiệu lực mối quan hệ và kiểm tra các cơ hội tích hợp tốc độ cao vào công nghiệp gia công ứng dụng Nó đã được tìm thấy rằng cắt tối ưu phạm vi tốc độ trong các hợp kim nhôm gia công khoảng 1.500 và 4.500 m/phút

Kỹ thuật gia công là nền cơ bản để phát triển tất cả các thiết bị liên quan đến quá trình cắt cao tốc Điều này nói lên kỹ thuật gia công vật liệu đặc thù không chỉ ảnh hưởng đến sự phát triển của dao cụ mà còn là cách đặc biệt để thiết kế các thiết bị trong máy công cụ cũng như bản chất đặc biệt của quá trình gia công

1.2 Định nghĩa về gia công cao tốc

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

Tóm lại việc định nghĩa về HSM không đơn giản, nó dựa vào vật liệu gia công, phương pháp gia công, dao cắt Vì vậy việc định nghĩa về HSM phụ thuộc vào kỹ thuật hiện hành.Tùy theo loại vật liệu mà dải (vùng) tốc độ gia công cao tốc khác nhau

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(vòng/phút) 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 60.000 (vòng/phút) và hơn thế nữa Tốc độ ăn dao trung bình ít nhất là 10 (m/s) trong khi tốc độ di chuyển nhanh lên đến 40 (m/phút) và cao hơn, công suất động cơ trục chính ít nhất là 15 kW

Xem xét một cách toàn diện thì HSM hứa hẹn một thị trường mới, vì gia công cao tốc không chỉ làm giảm lực cắt, tăng chất lượng bề mặt Tuy nhiên tuổi bền của dao lại giảm đi khi tăng tốc độ cắt, vì vậy cần phải nghiên cứu để phát triển về dụng cụ dùng trong cắt cao tốc

0 v(m/min)

Big cutting volume

S urface quality

Cuting forces (N) Tool life(min)

Hình 1.3 Tổng quan của gia công cao tốc

Kỹ thuật gia công là nền cơ bản để phát triển tất cả các thiết bị liên quan đến quá trình cắt cao tốc Điều này nói lên kỹ thuật gia công vật liệu đặc thù không chỉ ảnh hưởng đến sự phát triển của dao cụ mà còn là cách đặc biệt để thiết kế các thiết bị trong máy công cụ cũng như bản chất đặc biệt của quá trình gia công

Hình 1.4 Mối liên hệ giữa kỹ thuật gia công và máy công cụ

1.3 Dụng cụ cắt

Trong gia công cao tốc thì sự mòn của dụng cụ cắt là vấn đề rất cần sự lưu tâm, nó quyết định đến tuổi bền của dao

Hình 1.5 Kiểu mòn trên dao tiện và mũi khoan trong phay cao tốc

Hình 1.6 Kiểu mòn trên dao phay ngón trong phay cao tốc

Ngoài ra ta thấy vật liệu dụng cụ cắt có ảnh hưởng quan trọng đến độ nhám bề mặt Trong số những dụng cụ cắt được dùng gia công vật đúc, và những thép hợp kim, cacbit là loại vật liệu dụng cụ cắt phổ biến nhất Dụng cụ cắt trong phay cao

tốc có tuổi thọ ngắn nhất là cacbit, tuy nhiên nó có thể áp dụng cho gia công vật liệu mềm Những dụng cụ cacbit có một độ dẻo dai cao nhƣng độ cứng kém hơn

so với những vật liệu cao cấp nhƣ nitril bo (CBN) và gốm sứ Để cải thiện độ cứng dụng cụ cacbit đƣợc phủ lên với lớp mạ cứng nhƣ TiN, TiAlN và TiCN, và mới đây với phủ 2 lớp phủ mềm nhƣ MOVIC Do đó dụng cụ sẽ mòn ít hơn và vì vậy tuổi bền dao đƣợc tăng lên

Hình 1.7 Ảnh hưởng của các lớp phủ vật liệu dụng cụ khác nhau lên

biệt khó khăn khi tiện (HRC 60± 65), PCBN gắn vào lƣỡi cắt thích hợp cũng đƣợc

sử dụng một cách thành công Ngoài ra hầu hết hình dáng hình học của dụng cụ

cắt đều có thể dùng trong gia công cao tốc

Bảng 1.1 Thuộc tính của những vật liệu cắt và lớp phủ cao cấp

Hình 1.8 Dụng cụ dùng trong phay cao tốc

Hình 1.9 Phoi sinh ra từ những vận tốc cắt khác nhau (f =10µm/vòng, t = 100µm)

Từ sự quan sát phoi thoát ra, cũng dễ nhận thấy rằng bề dày của phoi cũng thay đổi khi tăng vận tốc cắt Trong khoảng vận tốc cắt v (100÷200 m/s), bề dày phoi sẽ giảm, rồi sau đó sẽ tăng lại khi tăng v

Hình 1.10 Bề dày phoi thay đổi khi vận tốc cắt khác nhau (f =10µm/vòng, t =

100µm)

Những thí nghiệm khác của các tác giả S.Dolinsek, S.Ekinovic, J.Kopac trên thép cứng trong gia công cao tốc đã cho những kết quả sau đây:

Hình 1.11 Hình thái của phoi nhận được trong vùng gia công thông thường và

gia công cao tốc

Khi tốc độ cắt vc = 50 m/phút, cấu trúc tế vi của vật liệu phụ thuộc vào loại biến dạng cổ điển với việc tinh thể kim loại bị giãn dài đồng đều Nhƣng với sự xuất hiện của vùng trắng ở mặt trong của phoi Đó là hậu quả của hóa mềm của vật liệu

vì nhiệt Độ cứng tế vi trung bình là 660 HV, nó có mối liên hệ với độ cứng tế vi ban đầu của vật liệu (629 HV), chứng tỏ rằng biến dạng ở mức thấp

Hình 1.12 Mặt cắt của việc hình thành phoi trong gia công khi cắt tại: a, vận tốc

cắt v = 150 m/phút; b, v = 300 m/phút; c, v = 1500 m/phút

Tại vận tốc cắt v = 150 m/phút, phoi là phoi xếp với kiểu dáng hình răng cƣa (hình 1.12a) ta nhìn thấy rõ vùng trắng ở cả mặt trong của phoi và giữa các răng cƣa Do đó sự xuất hiện của hóa mềm vì nhiệt và biến dạng xảy ra Độ cứng tế vi của vùng trắng này là 756 HV Tuy nhiên, bên trong vùng không biến dạng của phoi thì độ cứng tế vi chỉ có 632 HV, nó chỉ ra hoàn toàn không có sự biến dạng tại đây

so với tình trạng vật liệu ban đầu Như vậy trung bình là 62% diện tích phoi xếp bị biến dạng

Khi v = 300 m/phút, phoi phân đoạn rõ hơn, với bề dày mỏng và kích thước

bé hơn so với 2 dạng phoi tại 2 vận tốc cắt đã đề cập trước Do đó bề dày của vùng trắng nhỏ đi và độ cứng tế vi trung bình đạt 742 HV Tại bên trong phoi thì độ cứng

là 640 HV Ở trường hợp này, trung bình khoảng 40% diện tích phoi xếp bị biến dạng

Tại v = 1500 m/phút, sự phân đoạn của phoi rất rõ ràng, với bề dày mỏng và

độ lớn nhỏ Bề dày của vùng trắng nhỏ đi so với khi vận tốc thấp hơn Độ cứng tế vi

là 720 HV, còn bên trong thì đạt 618 HV Cuối cùng, trung bình khoảng 33% diện tích phoi xếp bị biến dạng

Hình 1.13 Tần số của phoi xếp và diện tích phoi xếp bị biến dạng khi thay đổi vận

tốc cắt

1.5 Lực cắt

Đầu tiên lực cắt sẽ tăng khi ta tăng vận tốc cắt nhưng đến một giá trị lớn nhất

nó sẽ bắt đầu giảm khi ta tiếp tục tăng vận tốc cắt Sở dĩ lực cắt cao tại vận tốc cắt thấp là do quá trình hình thành lẹo dao, còn khi cắt tốc độ cao thì lực cắt giảm do kích cỡ của lẹo dao giảm đi và do sự hóa mềm của vật liệu gia công Tuy nhiên cũng đã có một số nghiên cứu về lực cắt và chỉ ra rằng trong một số trường hợp lực cắt sẽ giảm đến mức nhỏ nhất rồi sẽ bắt đầu tăng lên khi ta tiếp tục tăng vận tốc cắt

Hình 1.14 Nhờ phay cao tốc mà khi gia công thành mỏng không bị uốn cong

vì lực cắt nhỏ so với phương pháp truyền thống.

Hình 1.15 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến lực cắt

1.6 Nhiệt cắt

Trong quá trình cắt, thì nhiệt cắt sinh ra chủ yếu truyền vào phoi, một phần nhỏ truyền vào dao và truyền vào chi tiết gia công

Hình 1.16 Các vùng nhiệt cắt khác trong quá trình cắt vuông góc

Nhiệt cắt sẽ tăng khi vận tốc cắt tăng và nó sẽ không giảm khi vận tốc cắt tiếp tục tăng nhƣ dự đoán nổi tiếng của Salomon (mục 1.1/hình 1.17a) Ông J.F.Mc Gee đã chỉ ra một ví dụ khi cắt nhôm là: Nhiệt cắt nhôm sẽ tăng khi ta tăng vận tốc cắt cho đến khi tới nhiệt độ nóng chảy của nhôm (hình 1.17b)

Hình 1.17 Đường cong về nhiệt của Salomon và Mc Gee

Hình 1.18 Nhiệt cắt của chi tiết và dao tại v =600 m/phút, S r =0,25mm/răng

Hình 1.19 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt

1.7 Yêu cầu về thiết bị cho gia công cao tốc

Để tối ƣu hóa vận tốc cắt cũng nhƣ lƣợng chạy dao, thì có thể nói rằng không

có loại máy gia công cao tốc nào có thể đƣợc sử dụng một cách tổng quát

Hình 1.20 Vùng kỹ thuật tối ưu cho gia công cao tốc

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 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 (hình 1.22)

 Công suất động cơ trục chính cao vì cần có một lượng công suất đáng

kể để quay trục chính ở tốc độ cao

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

 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

 Cấu trúc máy có 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

 Hệ thống làm lạnh áp suất cao 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, ở 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

 Trục chính và thiết bị kẹp chặt dao đạt độ đồng tâm cao và cân bằng tốt Khi số vòng quay tăng thì lực li tâm sẽ tăng bình phương với vận tốc quay 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 dao kẹp chặt dao, trục chính phải có độ đồng tâm cao và cân bằng tốt trong gia công cao tốc

 Dao được làm bằng vật liệu có tính chống mòn cao

Hình 1.21 Ổ lai với bi làm bằng ceramic

1.8 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 bavia

 Ít gây hư hại bề mặt gia công

1.8 Nhược điểm của gia công cao tốc

Những sự bất lợi chung của sự gia công bằng máy cao tốc là: sự mòn dụng cụ cắt quá mức, nhu cầu sử dụng các máy công cụ đặc biệt và những máy công cụ đắt với những trục chính và những bộ điều khiển cao cấp, đồ gá, sự cân bằng giá đỡ dụng cụ, và cuối cùng nhưng quan trọng nhất: yêu cầu vật liệu và lớp phủ cao cấp của dụng cụ cắt

Song song với việc tăng cường ứng dụng gia công cao tốc, đó là nghiên cứu cho sự phát triển vật liệu mới của dụng cụ cắt, cải thiện thiết kế của những chi tiết chèn (đệm) dụng cụ cắt, những chiến lược mới trong việc hình thành đường dao cắt CNC và sự cải tiến những điều kiện quá trình cắt Hơn nữa, sự mô phỏng có máy tính hỗ trợ của những quá trình cắt làm xuất hiện những kỹ thuật hữu ích để

dự đoán nhiệt độ và ứng suất dụng cụ cắt và để nâng cao tuổi bền dụng cụ cắt Một số nhược điểm khác của gia công cao tốc như sau:

 Cần có quy trình gia công đặc biệt, lập trình phức tạp

 Dễ mòn các chi tiết dẫn hướng, vít me đai ốc, bạc đạn trục chính,dẫn đến chi phí bảo trì cao

 Yêu cầu người điều khiển phải có kiến thức về HSM

 Đặc biệt chú ý đến vấn đề an toàn trong gia công

1.9 Thời gian gia công

Lƣợng chạy dao trong gia công cao tốc rất lớn, dẫn tới khối lƣợng bóc tách vật liệu lớn Điều này có ý nghĩa đến việc quan điểm là thời gian gia công để đạt đƣợc

Công nghiệp hàng không: để gia công các chi tiết làm bằng nhôm với thành mỏng

Công nghiệp khuôn mẫu: để gia công tinh với độ chính xác các chi tiết làm

bằng vật liệu cứng nhƣ khuôn dập, khuôn rèn, khuôn nhựa

Bảng 1.2 Đặc điểm và phạm vi áp dụng của gia công cao tốc

Năng suất cao - Gia công kim loại màu

- Gia công thép, gang

- Công nghiệp chế tạo hàng không

- Chế tạo các chi tiết máy nói chung đặc biệt là chế tạo khuôn mẫu

Chất lượng bề

mặt cao

- Gia công tinh

- Gia công các phôi đặc biệt

- Chi tiết quang

- Chi tiết cơ khí chính xác

Lực cắt nhỏ - Gia công phôi có

thành, vách mỏng

- Công nghiệp hàng không

- Công nghiệp ô tô

Do các ưu điểm nổi bật trên đây nên gia công cao tốc được áp dụng rộng rãi

trong chế tạo khuôn mẫu

1.11 Kết luận chương 1

- HSM là một phương pháp gia công tiên tiến, có nhiều ưu điểm về năng suất và

chất lượng Tuy nhiên, để đạt được những ưu điểm nói trên, HSM cũng có những yêu cầu cần được đáp ứng về máy móc, thiết bị, dụng cụ cắt và chiến lược chạy dao Những yếu tố này đã và đang không ngừng được nghiên cứu để nâng cao hiệu quả của phương pháp gia công tốc độ cao và tiếp tục làm cho khái niệm “ tốc độ cao”chỉ

mang tính tương đối

Chương 2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT

2.1 Tổng quan về nhám bề mặt

Sau khi gia công, bề mặt của chi tiết không bằng phẳng một cách tuyệt đối, nghĩa là không đạt được bề mặt hình học lý tưởng nếu quan sát bề mặt của chi tiết dưới kính hiển vi, sẽ thấy được những mấp mô do vết dao gia công lưu lại trên bề mặt của chi tiết

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

Hình 2.1 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 2.2 Bề mặt chi tiết sau khi mài

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

2.1.1 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)

n

R

11

Hình 2.3 Sơ đồ xác định profin trung bình cộng R a

2.1.2 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

Hình 2.4 Sơ đồ xác định profin R y

2.1.3 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

1

i v i

p

R

Hình 2.5 Sơ đồ xác định profin trung bình cộng R z

2.1.4 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

Hình 2.6 Sơ đồ xác định profin R q

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 2.1 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

2.2 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

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

p - áp suất tại chổ tiếp xúc (N/mm 2 )

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 2.7 Mô hình 2 bề mặt tiếp xúc

Ở hình 2.8 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 2.8 Quá trình mòn của một cặp ma sát Chất lượng bề mặt: đường a: tốt; đường b: trung bình; đường c: xấu

Nhƣ vậy khi chế tạo chi tiết máy, nếu giảm hoặc tăng chiều cao nhấp nhô tế

vi tới trị số tối ƣu, ứng với điều kiện làm việc của chi tiết, thì sẽ đạt đƣợc lƣợng mòn ban đầu ít nhất, qua đó kéo dài tuổi thọ của chi tiết

Ở hình 2.9 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 Lƣợng mòn ban đầu ít nhất ứng với giá trị của Ra tại các điểm Ra1, Ra2; đó là giá trị tối ƣu của Ra Nếu giá trị Ra nhỏ hơn trị số tối ƣu Ra1, Ra2 thì sẽ bị mòn kịch liệt vì các phần tử kim loại dễ khuếch tán Ngƣợc lại, giá trị của Ra lớn hơn trị số tối ƣu Ra1, Ra2 thì lƣợng 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

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

Hình 2.9 Quan hệ giữa lượng mòn ban đầu (U) và sai lệch

profintrung bình cộng R a

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

2.2.2 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