Nghiên cứu độ chính xác gia công trên máy phay CNC khi gia công vật liệu có độ dẻo cao

Đối với quá trình gia công cơ khí một trong những yếu tố có ảnh hưởng nhiều nhất và từ đó có thể cải thiện năng suất và chất lượng sản phẩm chính thông số công nghệ chế độ cắt của quá sự

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

-

NGUYỄN THỊ THANH HẢO

NGHIÊN CỨU ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC KHI GIA CÔNG VẬT LIỆU CÓ ĐỘ DẺO

CAO

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Ngành: CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS TRƯƠNG HOÀNH SƠN

HÀ NỘI - 2011

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU 5

1.1 Tổng quan về các nghiên cứu 5

1.2 Phương pháp gia công phay 9

1.3 Vật liệu gia công 10

1.4 Giới hạn nghiên cứu của đề tài 10

1.5 Kết luận 12

CHƯƠNG 2 13

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI 13

2.1 Độ chính xác gia công 13

2.2 Các nguyên nhân gây ra sai số gia công 15

2.3 Các phương pháp đạt độ chính xác gia công 16

2.3.1 Phương pháp cắt thử từng chi tiết riêng biệt 16

2.3.2 Phương pháp tự động đạt kích thước 17

2.3.3 Phương pháp đạt độ chính xác gia công bằng điều khiển thích nghi 18

2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác gia công 19

2.4.1 Biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ 19

2.4.2 Biến dạng tiếp xúc và biến dạng chi tiết gia công 19

2.4.3 Ảnh hưởng do sai số phôi 19

2.4.4 Ảnh hưởng do độ chính xác của máy công cụ 19

2.4.5 Ảnh hưởng của các sai số đồ gá 20

2.4.6 Ảnh hưởng của sai số đến dụng cụ cắt 20

2.4.7 Ảnh hưởng của biến dạng nhiệt của máy 21

2.4.8 Ảnh hưởng của biến dạng nhiệt của dụng cụ cắt 21

2.4.9 Ảnh hưởng của biến dạng nhiệt của chi tiết 21

2.4.10 Ảnh hưởng của rung động trong quá trình cắt 21

2.4.11 Ảnh hưởng của các phương pháp gá đặt 23

2.4.12 Ảnh hưởng của dụng cụ đo và phương pháp đo 23

2.5 Khả năng đạt độ chính xác của các phương pháp gia công cắt gọt 23

2.5.1 Các phương pháp cắt gọt sử dụng dụng cụ cắt có thông số hình học cố định 23

2.5.2 Mài và các phương pháp gia công sử dụng hạt mài 24

2.5.3 Các phương pháp gia công truyền thống có sử dụng máy CNC và dụng cụ cắt tiên tiến 24

2.5.4 Các phương pháp gia công tiên tiến: Công nghệ Na-nô 25

2.6 Thông số vật lý của bề mặt gia công 25

2 7 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám khi gia công 28

2.7.1 Lực cắt 28

2.7.1.1 Khái niệm về lực cắt 28

2.7.1.2 Ảnh hưởng của điều kiện cắt đến lực cắt .29

2.7.2 Mức độ biến dạng dẻo 32

2.7.3 Nhiệt cắt và độ mòn dao 36

2.8 Rung động 39

2.9 Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt tới khả năng làm việc của chi tiết máy 39

2.9.1 Độ nhấp nhô tế vi 39

2.9.2 Phương pháp đánh giá độ nhám bề mặt 40

2.9.3 Ảnh hưởng của độ nhám đến khả năng làm việc của chi tiết máy 41

2.9.3.1 Ảnh hưởng đến tính chống mòn của chi tiết máy 41

2.9.3.2 Ảnh hưởng đến độ bền của các mối ghép 43

2.9.3.3 Ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy 43

2.9.3.4 Ảnh hưởng tới tính chống ăn mòn hoá học của lớp bề mặt chi tiết máy 43

2.9.4 Kết luận về tầm quan trọng của độ nhám bề mặt 44

2.10 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) 44

2.10.1 Các kết quả đối với máy công cụ truyền thống 44

2.10.1.1 Các yếu tố mang tính chất hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt 44

2.10.1.2 Các yếu tố phụ thuộc vào biến dạng dẻo của lớp bề mặt 47

2.10.1.3 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt 49

2.10.1.4 Ảnh hưởng của vật liệu gia công 50

2.10.1.5 Ảnh hưởng do rung động của hệ thống công nghệ đến chất lượng bề mặt gia công 50

2.10.1.6 Biện pháp cải thiện độ bóng bề mặt gia công chi tiết máy bằng dụng cụ cắt có lưỡi cắt định hình 50

2.10.2 Các kết quả đạt được đối với máy CNC 51

2.11 Kết luận 53

CHƯƠNG 3 54

XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM 54

3.1 Xây dựng mô hình thí nghiệm 54

3.1.1 Mô hình thí nghiệm 54

3.1.2 Các thông số công nghệ cơ bản của hệ thống thí nghiệm 54

3.2 Các thông số thí nghiệm 58

3.2.1 Với vận tốc cắt (V) thay đổi được thực hiện trên 10 mẫu với Sr không đổi chọn Sr =0,05 (mm/răng) ta được bảng các số liệu thí nghiệm như sau: 58

3.2.2 Với vận tốc cắt (V) không đổi chọn V =500 (m/phút) được thực hiện trên 10 mẫu với Sr thay đổi ta được bảng các số liệu thí nghiệm như sau: 59

3.3 Thực hiện các thí nghiệm và thu thập số liệu 59

3.3.1 Thí nghiệm về sự ảnh hưởng của vận tốc tới độ nhám 60

3.3.2 Thí nghiệm về sự ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám 61

CHƯƠNG 4 62

XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 62

4.1 Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới độ nhám bề mặt 62

4.2 Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt 66

4.3 Kết luận chung 71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72

1 Kết luận 72

2 Hướng nghiên cứu tiếp theo 72

LỜI CẢM ƠN ! 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

MỞ ĐẦU

Nền kinh tế nước ta trong giai đoạn hiện nay đang phát triển không ngừng về mọi mặt nhờ vào các chính sách đầu tư trong các lĩnh vực thu hút vốn đầu tư nước ngoài Trong đó, các ngành công nghiệp nặng đang được ưu tiên hàng đầu nhằm tạo thành ngành kinh tế mũi nhọn trong công cuộc phát triển đất nước Trong công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, ngành cơ khí đang được khôi phục và phát triển, sau một thời gian dài bị ngừng trệ

Yêu cầu cấp thiết của cơ khí nước ta hiện nay là dần dần nội địa hóa các sản phẩm cơ khí nhằm đưa công nghệ kỹ thuật Việt Nam đuổi kịp với sự phát triển của các nước trong khu vực và trên thế giới 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 Chúng ta đang hòa nhập mạnh mẽ với nền kinh tế thế giới, do đó việc gia công đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế và đảm bảo tính cạnh tranh trên thị trường là một đòi hỏi tất yếu đặt ra cho các nhà công nghệ Việc chọn máy móc và chế độ gia công hợp lý

là một trong những yếu tố quan trọng nhất để đảm bảo chất lượng và giá thành sản phẩm

Trong những năm trở lại đây ở Việt Nam có xu hướng sử dụng máy gia công CNC để nâng cao chất lượng và giảm giá thành sản phẩm Thực tế cho thấy là chất lượng đã được nâng cao, áp lực công việc của người thợ giảm, nhưng giá thành chưa giảm Có rất nhiều nguyên nhân, nhưng nguyên nhân chính là các nhà công nghệ chưa chọn được chế độ cắt tối ưu cho nhóm máy này Do đó việc nghiên cứu

để lựa chọn chế độ cắt tối ưu cho nhóm máy CNC là một yêu cầu cấp thiết đặt ra cho các nhà nghiên cứu

Đề tài “Nghiên cứu độ chính xác gia công trên máy phay CNC khi gia công

vật liệu có độ dẻo cao” là một trong số những công việc trên Đây chỉ là một trong

loạt đề tài nghiên cứu ứng dụng về việc sử dụng hiệu quả của máy CNC Đề tài nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến chất lượng bề mặt của chi tiết 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 mối quan hệ giữa chất lượng bề mặt với các thông số công nghệ thì người làm công nghệ có thể chọn chế độ cắt tối ưu cho máy và dao

mà vẫn đảm bảo chất lượng, từ đó có thể tăng năng suất, giảm giá thành sản phẩm

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

bề mặt và giảm giá thành sản phẩm

* Ý nghĩa thực tiễn:

Kết quả nghiên cứu sẽ được áp dụng với nhóm vật liệu có độ dẻo cao nhằm nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết, tăng năng suất, độ tin cậy cao và giảm giá thành sản phẩm

Nghiên cứu độ chính xác gia công các chi tiết khi gia công trên máy phay CNC góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm Đặc biệt với vật liệu có độ dẻo cao là một trong những loại vật liệu khó gia công Do đó, cần nghiên cứu đưa ra được các thông số công nghệ hợp lý để đạt được chất lượng bề mặt cao nhất có thể và đưa ra được các nguyên nhân gây ra sai số gia công

Thực hiện đề tài này là cơ hội rất quý báu để tôi tiếp xúc với các thiết bị công nghệ cao, được tìm hiểu các vấn 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 của bản thân

Để hoàn thành được đề tài này, trước tiên tôi xin chân thành cảm ơn cán bộ hướng dẫn TS Trương Hoành Sơn đã hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện

đề tài

CHƯƠNG 1

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

VÀ NGOÀI NƯỚC VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về các nghiên cứu

Năng suất và chất lượng sản phẩm là hai thông số luôn được quan tâm hàng đầu nhằm hạ giá thành sản phẩm, nâng cao hiệu quả sản xuất và người ta luôn luôn tìm cách để cải thiện hai mặt trên của quá trình sản xuất Muốn thế phải phân tích, tìm hiểu từng yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất Đối với quá trình gia công

cơ khí một trong những yếu tố có ảnh hưởng nhiều nhất và từ đó có thể cải thiện năng suất và chất lượng sản phẩm chính thông số công nghệ (chế độ cắt) của quá

sự phụ thuộc của năng suất và chất lượng gia công vào các thông số đó, đồng thời xác định mối quan hệ giữa chúng để từ đó có biện pháp công nghệ phù hợp trong từng điều kiện cụ thể đó là cơ sở để cải thiện các vấn đề trên

Trên thực tế khi gia công các vật liệu khác nhau không thể đồng nhất mà cần

có các thông số công nghệ khác nhau nhằm đảm bảo hiệu quả sản xuất và thời gian

sử dụng của các trang thiết bị công nghệ Số lượng, chủng loại vật liệu sử dụng trong chế tạo máy lại rất đa dạng với những mục đích sử dụng khác nhau nên việc nghiên cứu sâu, rộng để đưa ra các chỉ tiêu cho từng loại vật liệu là rất khó khăn, vì vậy trong thực tế sản xuất đặc biệt sản xuất loạt lớn và hàng khối sẽ phải tiến hành đánh giá thông số công nghệ (đánh giá tính gia công) của loại vật liệu sẽ sử dụng nhằm lựa chọn và tối ưu hoá quá trình gia công Có nhiều phương pháp để đánh giá tính gia công của vật liệu, nhưng để có kết quả tin cậy đều cần phải tiến hành khảo sát thông qua các thí nghiệm cụ thể sau đó xử lý kết quả thí nghiệm để tìm ra mối quan hệ phụ thuộc giữa các yếu tố

Bên cạnh gia công cắt gọt hiện nay gia công áp lực đang có những bước phát triển mạnh, sản phẩm được cải thiện nhiều cả về năng suất và chất lượng, tỷ trọng sản phẩm đang ngày một gia tăng đặc biệt trong các lĩnh vực ô tô, xe máy Có thể

thấy rõ điều này qua những số liệu thống kê ở bảng sau: (Giáo trình Nghiên cứu

tính gia công của vật liệu chế tạo máy và ứng dụng của nó PGS-TS Nguyễn Viết

Khác với gia công cơ, gia công áp lực là phương pháp gia công không phoi, ít

hao tổn kim loại Nguyên lý chung là dựa vào tính dẻo của kim loại dùng ngoại lực

của thiết bị làm cho kim loại biến dạng theo hình dạng yêu cầu, kim loại vẫn giữ

được tính nguyên vẹn không bị phá huỷ, sau khi gia công áp lực chất lượng kim loại

được cải thiện nên những chi tiết kim loại quan trọng thường được chế tạo từ kim

loại đã qua gia công áp lực Các hình thức cơ bản của gia công áp lực bao gồm: cán,

kéo, ép, rèn và dập

Dập là một trong những phương pháp gia công áp lực được ứng dụng nhiều trong thực tế, có hai dạng gia công dập đó là: dập thể tích và dập tấm

Dập thể tích còn gọi là rèn khuôn là phương pháp dập mà kim loại được biến dạng hoàn toàn trong lòng khuôn có hình dạng và kích thước xác định Còn dập tấm

là phương pháp chế tạo chi tiết từ phôi liệu ở dạng tấm Sự biến dạng của kim loại trong khuôn dập có hình dáng, kích thước xác định

Dụng cụ cắt sử dụng trong công nghệ dập gồm khuôn dập và chày dập, giống như gia công cơ vật liệu làm dụng cụ biến dạng cũng cần đảm bảo các yêu cầu về

cơ tính, mà yêu cầu cơ bản là độ cứng cao và tính chống mài mòn cao Độ cứng cao

và phải cao hơn hẳn độ cứng của phôi, sản phẩm, do vậy tuỳ từng loại dụng cụ sẽ cần độ cứng yêu cầu tối thiểu khác nhau Tính chống mài mòn cao để đảm bảo cho dụng cụ làm việc lâu dài, gia công được khối lượng lớn sản phẩm mà không bị giảm hay mất cấp chính xác Tuy nhiên bên cạnh việc chú ý đến hai yêu cầu cơ bản này còn cần chú ý đến độ dai và đập, không cho phép thấp quá giá trị quy định để tránh

bị gãy vỡ Ngoài ra còn quan tâm đến tính chịu nhiệt khi dụng cụ làm việc với năng suất cao và ở trạng thái nóng

- Công nghệ rèn dập đang là phương pháp gia công có sự phát triển mạnh, ngày càng được ứng dụng rộng rãi hơn trong chế tạo cơ khí

mục đích sử dụng mà chọn chủng loại vật liệu phù hợp

công gia công phức tạp mà thực hiện trên các máy công cụ vạn năng truyền thống là rất khó, nên cần hạn chế bớt việc chế thử và đơn giản hoá quy trình gia công bằng cách sử dụng các loại máy điều khiển số, đặc biệt là sử dụng máy phay CNC cho việc gia công lòng khuôn

dập mỗi khi có yêu cầu chế tạo mới

Như đã biết điều khiển số là một hình thức đặc biệt của tự động hoá, mà ở đó đối tượng là các máy công cụ Trong nền sản xuất hiện đại không thể thiều vai trò của tự động hoá, nhờ có tự động hoá mà con người được giải phóng khỏi sức lao động, quá trình sản xuất không những được cải thiện về năng suất mà cả về mặt chất lượng Tự động hoá đang được ứng dụng trong rất nhiều ngành kinh tế, kỹ thuật trong đó có cơ khí chế tạo Một trong những vấn đề quyết định của tự động hoá ngành cơ khí chế tạo là kỹ thuật điều khiển số và công nghệ trên các máy điều khiển số Ở các nước phát triển máy công cụ điều khiển theo chương trình số (NC

và CNC) đã được sử dụng từ 20-30 năm trước và gần đầy đã phát triển thành các hệ thống, tổ hợp trung tâm gia công

Trong những năm trở lại đây ở Việt Nam có xu hướng sử dụng máy CNC ngày càng nhiều, nên các đề tài nghiên cứu về máy CNC là khá lớn trong các đề tài nghiên cứu khoa học, luận án tiến sỹ, luận văn thạc sỹ… Trong đó các đề tài nghiên cứu ứng dụng nhằm khai thác có hiệu quả máy CNC chiếm một tỷ lệ khá lớn, có thể

kể là : Nguyễn Trọng Bình, Hoàng Việt Hồng, Ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhấp nhô tế vi bề mặt khi phay bằng dao phay mặt đầu trên máy phay CNC, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 60 (5/2002) ; Ảnh hưởng của chế độ cắt đến lượng mòn dao khi phay bằng dao phay mặt đầu trên máy phay CNC, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 61 (6/2002) ; Nguyễn Ngọc Ánh, Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy khi gia công trên máy phay CNC, Luận văn cao học, ĐHBKHN (2002) ; Nguyễn Đình Thân, Nghiên cứu độ mòn dao tiện khi gia công vật liệu cơ tính dẻo cao, Luận văn cao học, ĐHBKHN (2003) ; Vũ Đình Thơm, Tính toán bù bán kính mũi dao khi lập chương trình NC cho máy tiện CNC, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 76 (7/2003) ; Lê Văn Toản, Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi mài phẳng tới độ nhám bề mặt trên một số vật liệu

có tính dẻo cao, Luận văn cao học, ĐHBKHN (2005) ; Trần Xuân Việt, Phạm Văn Bổng, Khảo sát thực nghiệm về ảnh hưởng của các thông số công nghệ V, T, S đến lực cắt trên máy tiện CNC, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 105 (12/2005)…

Trong nhóm đề tài trên có hai đề tài 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

Các nghiên cứu về phay từ trước đến nay, chủ yếu được áp dụng cho các loại vật liệu có độ cứng cao, vật liệu đã qua gia công nhiệt mà chưa có sự quan tâm, nghiên cứu đúng mức về phay đối với các loại vật liệu mềm (có tính dẻo cao) như đồng, nhôm mà trên thực tế cần phải gia công bẳng phay các loại vật liệu này Do

vậy, trong luận văn này, tôi trình bày một số “Nghiên cứu độ chính xác gia công

trên máy phay CNC khi gia công vật liệu có độ dẻo cao” Vật liệu đặc trưng cho

nhóm vật liệu này là đồng thau

1.2 Phương pháp gia công phay

Phay là phương pháp gia công cắt gọt trong đó dụng cụ cắt quay tròn tạo ra chuyển động cắt Chuyển động tiến dao thông thường là do máy, cũng có khi do dao hoặc do cả máy và dao cùng thực hiện theo các hướng khác nhau Khác với tiện và khoan, các lưỡi cắt của dao phay không tham gia cắt liên tục, phoi ngắn hơn, lưỡi cắt bị nung nóng gián đoạn nên khả năng chịu tải tốt hơn

Tiết diện ngang của phoi không đồng đều nên lực cắt dao động và lưỡi cắt chịu tải trọng va đập và gây ra rung động trong quá trình phay, vì thế máy phay phải được chế tạo sao cho có độ cứng vững cao Hiện nay có các loại máy phay đứng, máy phay ngang, máy phay giường hoặc máy phay chuyên dùng Trong những năm gần đây máy phay CNC đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong sản xuất Ngoài ra người ta còn chế tạo các trung tâm gia công để thực hiện các công việc khác nhau như phay, khoan, khoét, doa trong cùng một lần gá

- Đặc điểm của máy phay CNC so với máy phay vạn năng:

+ Ưu điểm:

• Giảm giá thành điều hành gián tiếp

+ Nhược điểm

1.3 Vật liệu gia công

Trong giới hạn đề tài nghiên cứu Latông (đồng thau) Latông là hợp kim của đồng mà nguyên tố chính là kẽm La tông đơn giản và được dùng nhiều hơn cả, đó

là hợp kim chỉ có hai nguyên tố là đồng – kẽm

Điều rất đặc biệt là Zn khi hòa tan vào Cu không những nâng cao độ bền mà

cả độ dẻo của dung dịch rắn (đây là một trong số ít các trường hợp hiếm có, thông thường độ bền tăng lên, độ dẻo, độ dai phải giảm đi), đồng thời có hiệu ứng hóa bền biến dạng cao Do vậy nói chung cơ tính của Latông cao hơn và rẻ hơn đồng nguyên chất Độ dẻo cao nhất ứng với khoảng 30%Zn Ngoài ra khi pha thêm Zn mầu đỏ của đồng giảm dần và chuyển dần thành vàng

1.4 Giới hạn nghiên cứu của đề tài

Độ chính xác của chi tiết máy bị ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố như tình trạng máy, dao, khả năng công nghệ, cơ tính vật liệu phôi và chế độ cắt Tuy nhiên do sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các máy CNC đã phần nào giảm tính phức tạp đó Nhiệm vụ của các nhà chuyên môn là làm thế nào để chọn được các thông số công nghệ hợp lý để đạt được các mục tiêu về năng suất và chất lượng đặt ra

Trong phần “Nghiên cứu độ chính xác gia công trên máy phay CNC khi gia

công vật liệu có độ dẻo cao” , ở đây độ chính xác gia công là một thông số mang

tính tổng hợp Tuy nhiên hai yếu tố rất quan trọng trong độ chính xác gia công là

độ chính xác về kích thước và độ nhám bề mặt thì lại có quan hệ mật thiết với nhau,

độ nhám bề mặt nhỏ thì độ chính xác về kích thước hình học mới cao và ngược lại

Do vậy, phạm vi luận văn này chỉ giới hạn ở việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ: tốc độ cắt V (m/phút), tốc độ chạy dao S (mm/răng) tới độ nhám bề mặt chi tiết máy (Ra) khi gia công trên máy phay CNC được thực hiện với vật liệu có độ dẻo cao bằng phương pháp thực nghiệm

Độ chính xác gia công

Độ chính xác của một chi tiết

Sai lệch bề mặt chi tiết

1.5 Kết luận

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

đó, việc nghiên cứu làn sao để sản phẩm làm ra đạt chất lượng tốt nhất, hiệu quả kinh tế cao nhất là một việc làm không thể thiếu Ngày nay công nghệ vật liệu đang rất phát triển nên việc nghiên cứu chế độ cắt tối ưu cho từng loại vật liệu là một việc làm rất cần thiết Một trong số những nghiên cứu quan trọng đó chính là xem xét sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi gia công vật liệu có độ dẻo cao 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 vật liệu có độ dẻo cao trên máy phay CNC

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI

2.1 Độ chính xác gia công

Nghiên cứu về độ chính xác gia công

Khái niệm về độ chính xác gia công: Các chi tiết máy khi được thiết kế đều phải có các yêu cầu kỹ thuật nhất định để đảm bảo tính năng làm việc của chúng

Đó có thể là độ chính xác về kích thước, chất lượng bề mặt hay vị trí liên quan Tuy nhiên, đó mới chỉ là trên bản vẽ thiết kế Khi gia công, việc đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật của chi tiết được ghi trên bản vẽ là rất cần thiết Thực tế là giữa các chi tiết được gia công với các chi tiết lý tưởng trên bản vẽ có những sai lệch khác nhau

và các sai số đó được gọi là sai số gia công Do vậy, độ chính xác gia công được định nghĩa như sau:

“Độ chính xác gia công của chi tiết máy là mức độ giống nhau về kích thước, hình dáng và vị trí tương quan giữa các chi tiết gia công trên máy và các chi tiết lý tưởng trên bản vẽ thiết kế”

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

a Độ chính xác về kích thước

Đó là độ chính xác về kích thước thẳng hoặc kích thước góc Độ chính xác kích thước được đánh giá bằng sai số của kích thước thực so với kích thước lý tưởng được ghi trên bản vẽ

b Độ chính xác hình dáng hình học

Đó là mức độ phù hợp giữa hình dáng hình học và hình dáng lý tưởng của chi tiết Ví dụ, khi gia công chi tiết hình trụ, độ chính xác hình dáng hình học được đánh giá qua độ côn, ôvan, độ đa cạnh, độ phình tang trống còn khi gia công mặt phẳng, độ chính xác hình dáng hình học được đánh giá qua độ phẳng của nó so với

độ phẳng lý tưởng

c 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 với bề mặt kia (dùng làm chuẩn) Độ chính xác vị trí tương quan thường được ghi thành một điều kiện kỹ thuật trên bản vẽ thiết kế Ví dụ: độ song song, độ vuông góc, độ lệch tâm, độ đối xứng

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 nhiên, việc nâng cao độ chính xác gia công là một việc 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 Tuy nhiên, cũng cần phải hiểu rằng, việc nâng cao độ chính xác gia công cũng đồng nghĩa với việc giá thành chi tiết sẽ bị nâng cao như được chỉ ra trong hình 2.1

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”

Gi¸ thµnh

Hình 2.1 Mối quan hệ giữa độ chính xác gia công và giá thành sản phẩm

Dung sai chÕ t¹o

Độ chính xác có thể đạt tới là độ chính xác có thể 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 )

2.2 Các nguyên nhân gây ra sai số gia công

Khi gia công một loạt chi tiết trong cùng một điều kiện xác định mặc dù những nguyên nhân gây ra từng sai số của mỗi chi tiết là giống nhau nhưng sai số tổng cộng trên từng chi tiết lại khác nhau Sở dĩ có hiện tượng như vậy là do tính chất khác nhau của các sai số thành phần Một sai số xuất hiện trên từng chi tiết của

cả loạt đều có giá trị không đổi theo một quy luật nào đó Những sai số này gọi là sai số hệ thống cố định hoặc hệ thống thay đổi Có một sai số khác mà giá trị của chúng xuất hiện trên mỗi chi tiết không theo một quy luật nào cả và những sai số này gọi là sai số ngẫu nhiên

a Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống cố định

+ Sai số lý thuyết của phương pháp cắt

+ Sai số chế tạo của máy, dao, đồ gá

+ Biến dạng nhiệt của chi tiết gia công

b Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống thay đổi (theo thời gian gia công)

+ Dụng cụ bị hao mòn theo thời gian gia công

+ Biến dạng nhiệt của máy, dao và đồ gá

c Các nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên

+ Độ cứng của vật liệu không đồng đều

+ Lượng dư gia công không đồng đều

+ Vị trí của phôi trong đồ gá thay đổi (dẫn đến sai số gá đặt)

+ Thay đổi của ứng suất dư

+ Gá dao nhiều lần

+ Mài dao nhiều lần

+ Thay đổi nhiều máy để gia công một loạt chi tiết

+ Dao động nhiệt của quá trình cắt

+ Các loại rung động trong quá trình cắt

2.3 Các phương pháp đạt độ chính xác gia công

Để đạt độ chính xác gia công người ta thường dùng hai phương pháp sau đây: + Phương pháp cắt thử từng chi tiết riêng biệt

+ Phương pháp tự động đạt kích thước

+ Phương pháp điều khiển thích nghi

2.3.1 Phương pháp cắt thử từng chi tiết riêng biệt

Bản chất của phương pháp là sau khi gá phôi lên máy người công nhân đưa dao vào và tiến hành cắt thử một lượng dư nhất định, sau đó dùng máy để kiểm tra kích thước Nếu chưa đạt yêu cầu thì lại điều chỉnh dao ăn sâu thêm nữa rồi lại cắt thử và kiểm tra, công việc được lặp đi lặp lại cho đến khi đạt kích thước yêu cầu Trước khi cắt thử, phôi được lấy dấu để người thợ có thể đưa dao vào vị trí (đã lấy dấu) một cách nhanh chóng và để tránh phế phẩm (do dao được đưa vào quá sâu) Phương pháp cắt thử có những ưu điểm sau đây:

- Trên máy không chính xác vẫn có thể đạt được độ chính xác cao (nhờ vào tay nghề của người công nhân)

- Loại trừ ảnh hưởng của mòn dao khi gia công cả loạt chi tiết (do dao luôn được điều chỉnh đúng vị trí)

- Không cần chế tạo đồ gá đắt tiền mà chỉ cần người thợ rà gá chính xác Tuy nhiên, phương pháp cắt thử lại có những nhược điểm sau:

- Độ chính xác gia công phụ thuộc vào bề dày nhỏ nhất của lớp phôi được hớt

đi Ví dụ, khi tiện bằng dao hợp kim (có mài bóng lưỡi) bề dầy phôi có thể cắt được không nhỏ hơn 0,02mm, còn khi tiện bằng dao đã mòn thì bề dầy phôi có thể cắt được không nhỏ hơn 0,05mm Như vậy, khi gia công bằng phương pháp cắt thử người thợ không thể điều chỉnh được dao để lưỡi cắt có thể hớt đi bề dày phôi nói trên, do đó không thể đảm bảo được kích thước có sai số nhỏ hơn lớp bề dày phôi

- Do năng suất thấp nên giá thành không cao

Với những nhược điểm trên đây, cho nên phương pháp cắt thử chỉ được sử dụng trong sản xuất đơn chiếc và hàng loạt nhỏ, trong sản xuất thử và trong sửa chữa hoặc trong các phân xưởng dụng cụ Trong sản xuất hàng loạt lớn và hàng khối, phương pháp cắt thử chủ yếu dùng ở nguyên công mài vì trong nguyên công này, dụng cụ cắt (đá mài) bị mòn rất nhanh và phá vỡ kích thước đã được điều chỉnh Do đó lượng mòn của đá có thể được bù lại nhờ điều chỉnh đá bằng tay trong quá trình gia công để vẫn đảm bảo độ chính xác gia công

2.3.2 Phương pháp tự động đạt kích thước

Trong sản xuất hàng loạt lớn và hàng khối để đạt độ chính xác gia công chủ yếu người ta thường dùng phương pháp tự động đạt kích thước Bản chất của phương pháp này thường là trước khi gia công, dụng cụ cắt được điều chỉnh sẵn để

có vị trí tương quan cố định so với chi tiết gia công Nói cách khác thì các chi tiết gia công cũng phải có vị trí xác định so với dụng cụ cắt Vị trí này của chi tiết gia công được đảm bảo nhờ có cơ cấu định vị của đồ gá Còn đồ gá cũng có vị trí xác định trên máy nhờ có cơ cấu định vị riêng

Hình 2.2 Gia công theo phương pháp tự động đạt kích thước

Ví dụ, khi phay phôi (chi tiết gia công) 2 để đạt kích thước a và b (hình.2.2) bàn máy phay được điều chỉnh sao cho mặt tỳ của má tĩnh 1 của êtô cách trục quay của dao phay một đoạn K = D/2 + a (D- đường kính dao phay)

Như vậy, khi sử dụng phương pháp tự động đạt kích thước thì việc đảm bảo độ chính xác gia công không phải do người công nhân thực hiện mà do: thợ điều chỉnh (có nhiệm vụ điều chỉnh máy); thợ chế tạo dụng cụ (có nhiệm vụ chế tạo đồ gá) và nhà công nghệ ( có nhiệm vụ xác định chuẩn công nghệ, kích thước phôi và phương pháp gá đặt nó trên đồ gá)

Phương pháp tự động đạt kích thước có những ưu điểm sau đây:

- Đảm bảo độ chính xác gia công Giảm phế phẩm Độ chính xác gia công không phụ thuộc vào bề dầy nhỏ nhất của lớp phôi được cắt và trình độ tay nghề của người công nhân

- Chỉ cắt một lần là đạt kích thước, không mất thời gian lấy dấu và cắt thử, do

đó năng suất gia công tăng

- Sử dụng hợp lý công nhân có trình độ tay nghề cao Với sự phát triển của tự động hóa quá trình sản xuất, những công nhân có trình độ tay nghề cao có khả năng điều chỉnh máy và cùng lúc phục vụ nhiều máy khác nhau

- Nâng cao hiệu quả kinh tế

Tuy nhiên phương pháp này cũng có nhược điểm sau đây:

- Chi phí cho việc thiết kế, chế tạo đồ gá cũng như chi phí cho việc điều chỉnh máy, điều chỉnh dao có khi vượt quá hiệu quả kinh tế của phương pháp mang lại

- Chi phí cho việc chế tạo phôi chính xác đôi khi không bù lại được nếu số chi tiết gia công quá ít

- Nếu dụng cụ mau mòn thì kích thước đã được điều chỉnh sẽ thay đổi nhanh,

do đó cần phải điều chỉnh lại nhiều lần Điều này gây tốn kém cả về thời gian và kinh phí, đồng thời làm cho độ chính xác giảm

2.3.3 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 hóa, độ chính xác gia công có thể đạt được bằng phương pháp điều khiển thích nghi Theo phương pháp này thì trong quá trình gia công, các kích thước gia công cần đạt được 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 được các 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 được 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

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

2.4.1 Biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ

Hệ thống công nghệ (Máy – Dao – Đồ gá – chi tiết gia công) là một hệ thống đàn hồi Sự thay đổi các giá trị biến dạng đàn hồi dưới tác dụng của lực cắt sẽ gây ra sai số kích thước và sai số hình dáng hình học của chi tiết gia công

Lực cắt thay đổi là do lượng dư gia công không cố định, tính chất cơ lý của vật liệu gia công không cố định và do mòn dao Biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ phụ thuộc vào lực cắt và độ cứng vững của bản thân hệ thống đó

2.4.2 Biến dạng tiếp xúc và biến dạng chi tiết gia công

Lượng biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ (hoặc của các phần tử trong

hệ thống) phụ thuộc vào biến dạng của bản thân các chi tiết và biến dạng tiếp xúc của các bề mặt lắp ghép Biến dạng của bản thân chi tiết (biến dạng kéo, biến dạng nén, biến dạng uốn, biến dạng xoắn hoặc tổng hợp các biến dạng đó) được tính theo các công thức của sức bền vật liệu hoặc theo thuyết bền đàn hồi

2.4.3 Ảnh hưởng do sai số phôi

nghệ tăng lên, do đó kích thước của chi tiết máy cũng bị biến động Còn sự biến động của độ cứng vật liệu và lượng dư gia công sẽ gây ra sai số hình dáng hình học của chi tiết Hơn nữa, trong thực tế cũng tồn tại hiện tượng in dập (di truyền công nghệ) sai số hình dáng hình học cùng tính chất của phôi và chi tiết gia công như độ ôvan, độ côn, độ đảo,

2.4.4 Ảnh hưởng do độ chính xác của máy công cụ

Thông thường máy công cụ có những sai số hình học như sau:

- Độ đảo hướng kính của trục chính

- Độ đảo của lỗ trục chính

- Độ đảo mặt đầu của trục chính

- Các sai số của các bộ phận khác như sống trượt, bàn máy,

Các sai số trên đây sẽ phản ánh một phần hoặc toàn bộ lên chi tiết gia công dưới dạng sai số hệ thống Việc hình thành các bề mặt gia công là do chuyển động cưỡng bức của các bộ phận như trục chính, bàn máy hoặc bàn dao nếu các chuyển động này có sai số chúng sẽ phản ánh lên bề mặt của chi tiết gia công

2.4.5 Ảnh hưởng của các sai số đồ gá

Sai số chế tạo và lắp ráp của đồ gá cũng ảnh hưởng đến độ chính xác của chi tiết gia công Các chi tiết quan trọng của đồ gá như chi tiết định vị, dẫn hướng, so dao, Nếu có sai số do chế tạo hoặc do mòn sẽ làm thay đổi vị trí tương đối giữa máy – dao – chi tiết, do đó cũng gây ra sai số gia công Sai số này có thể xác định được bằng tính toán dựa vào dung sai của các chi tiết chủ yếu của đồ gá hoặc có thể dựa vào kích thước thực tế của các chi tiết đó khi chế tạo

Nhìn chung tốc độ mòn của đồ gá cũng như máy công cụ là rất chậm, vì vậy sai số về hình học của đồ gá sẽ phản ánh lên các chi tiết được gia công là như nhau

và mang tính hệ thống Ngoài ra, sai số do lắp ráp đồ gá lên máy cũng gây ra sai số gia công vì nó làm mất vị trí chính xác của đồ gá so với dụng cụ cắt

2.4.6 Ảnh hưởng của sai số đến dụng cụ cắt

Độ chính xác chế tạo dụng cụ cắt, mức độ mài mòn của nó và sai số gá đặt trên máy dều ảnh hưởng đến độ chính xác gia công Khi gia công bằng các dụng cụ định kích thước (ví dụ như mũi khoan, mũi khoét, dao doa, dao chuốt ) thì sai số của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công Khi gia công rãnh then bằng dao phay ngón, dao phay đĩa thì sai số đường kính và bề rộng của dao cũng ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác chiều rộng của rãnh then

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

Khi gia công các mặt định hình bằng các loại dao định hình (như dao tiện định hình,dao phay răng môđun) thì sai số profin của dao gây ra sai số hình dạng bề mặt Ngoài sai số chế tạo, trong quá trình cắt dao sẽ bị mòn và ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác gia công

2.4.7 Ảnh hưởng của biến dạng nhiệt của máy

Khi máy làm việc, các bộ phận khác nhau của nó bị nung nóng chủ yếu là do nhiệt ma sats, nhiệt phát ra từ động cơ và hệ thống thủy lực Nhiệt độ của các bộ

trục chính có giá trị lớn nhất và có ảnh hưởng lớn nhất đến độ chính xác gia công Nhiệt độ tăng lên làm cho tâm trục chính xê dịch theo cả hai phương ngang và đứng Do đó các chi tiết gia công ở đầu và cuối ca làm việc sẽ có các kích thước khác nhau

2.4.8 Ảnh hưởng của biến dạng nhiệt của dụng cụ cắt

lệ nhiệt này cũng gây ra biến dạng đáng kể của dao cắt Sự giãn nở chiều dài dao sẽ làm thay đổi vị trí dao đã được điều chỉnh và gây ra sai số gia công

2.4.9 Ảnh hưởng của biến dạng nhiệt của chi tiết

Một phần nhiệt ở vùng cắt được truyền vào chi tiết gia công, làm cho nó biến dạng và gây ra sai số gia công Nếu chi tiết nung nóng đều thì chỉ gây ra sai số kích thước, còn nếu nó bị nung nóng cục bộ, không đều thì ngoài sai số kích thước còn gây ra sai số hình dáng Nhiệt độ được truyền vào chi tiết phụ thuộc vào chế độ cắt

Ví dụ, khi tiện với tốc độ cắt và lượng chạy dao cao, có nghĩa là rút ngắn thời gian tác động nhiệt tới chi tiết gia công thì nhiệt độ giảm Chẳng hạn, khi tăng tốc độ cắt

từ 30 đến 150m/phút với chiều sâu cắt không đổi 3mm và lượng chạy dao 0,44mm/vòng thì nhiệt độ của chi tiết giảm

2.4.10 Ảnh hưởng của rung động trong quá trình cắt

Rung động của hệ thống công nghệ trong quá trình cắt làm cho vị trí tương đối giữa dao cắt và chi tiết gia công thay đổi theo chu kỳ, do đó ghi lại trên bề mặt chi

tiết hình dáng không bằng phẳng Nếu sai số rung động thấp, biên độ lớn sẽ sinh ra

độ nhám bề mặt Ngoài ra, do rung động chiều sâu cắt, tiết diện phoi và lực cắt sẽ tăng, giảm theo chu kỳ làm ảnh hưởng đến độ chính xác 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 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 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 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 quá rộng và quá mỏng

- Chọn chế độ cắt hợp lý sao 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

2.4.11 Ảnh hưởng của các phương pháp gá đặt

Để gia công được trên máy, chi tiết phải được định vị và kẹp chặt Hai quá trình này (định vị và kẹp chặt) được gọi là gá đặt Bản thân gá đặt này cũng sai số

và ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công

2.4.12 Ảnh hưởng của dụng cụ đo và phương pháp đo

Dụng cụ đo và phương pháp đo cũng gây ra sai số và ảnh hưởng đến độ chính xác gia công

Bản thân dụng cụ đo khi chế tạo cũng có sai số, do đó khi dùng nó để xác định độ chính xác của chi tiết sẽ cho ta kết quả không chính xác

Ngoài ra phương pháp đo (gá chi tiết gia công lên dụng cụ đo hoặc đồ gá, sau đó điều chỉnh chuỗi kích thước rồi thực hiện phép đo) cũng gây ra sai số và ảnh hưởng đến độ chính xác gia công

Để giảm bớt ảnh hưởng của đo lường đến độ chính xác gia công cần phải chọn dụng cụ đo và phương pháp đo hợp lý

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 đã 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 xác là các phương pháp gia công tinh cho độ chính xác gia công cao Bằng phương pháp mài, có thể gia công đwợc 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 vì 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 đã có tốc độ trục chính lên tới 30.000v/ph Với tốc độ trục chính cao như vậy, có thể gia công cát 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 nêu trên, việc nâng cao độ chính xác gia công đã được nghiên cứu và đã 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 đã 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 đã và đang là hướng nghiên cứu mới để nâng cao độ chính xác gia công trong tương lai

2.6 Thông số vật lý của bề mặt gia công

Tính chất cơ lý của bề mặt gia công bao gồm sự biến cứng bề mặt và ứng suất

dư:

a Sự biến cứng bề mặt

Trong quá trình gia công dưới tác dụng của lực cắt, trên bề mặt của kim loại sinh ra biến dạng dẻo Các hạt tinh thể bị kéo lệch mạng gây nên ứng suất giữa các tinh thể Tác dụng này làm giảm mật độ kim loại, nâng cao giới hạn bền, nâng cao

độ cứng và độ giòn, làm giảm tính dẻo và tính dai hiện tượng này gọi là sự biến cứng và chiều sâu biến cứng của bề mặt kim loại Mức độ biến cứng (H có thể xác định theo công thức sau:

dư được tạo thành:

• Khi cắt kim loại do biến dạng dẻo cho nên lớp bề mặt ngoài được làm chắc, thể tích tăng lên Lớp bề mặt ngoài có khuynh hướng lấn chiếm thể tích, nhưng vì

có liên hệ lớp bên trong nên ở lớp ngoài sinh ra ứng suất dư nén còn ở lớp bên trong lại có ứng suất dư kéo

• Khi gia công nhiệt cắt nung nóng bề mặt ngoài, làm mođun đàn hồi của nó giảm đến tối thiểu sau đó lại nguội nhanh nên nó co lại nhưng vì có liên hệ với lớp bên trong nên lớp bên ngoài gây ra ứng suất kéo còn bên trong sinh ra ứng suất dư nén

Có nhiều nguyên nhân gây ra ứng suất dư cho nên sự phân bố giá trị, dấu đặc tính cũng như chiều sâu ứng suất dư trên bề mặt kim loại rất phức tạp Để đánh giá

Như vậy để đánh giá chất lượng bề mặt người ta thường dùng các thông số sau

Hình 2.3 - Sự phân bố lớp ứng suất dư và lớp biến cứng trên bề mặt chi tiết

Trên hình vẽ còn cho ta thấy sự thay đổi độ cứng và ứng suất dư lớp bề mặt

Độ hóa bền (hay biến cứng) được biểu thị bằng hệ số D

Trong đó D được tính như sau:

HVt: là độ cứng tế vi trước khi gia công

Theo kinh nghiệm khi cắt kim loại D= 120% đến 200%, chiều sâu lớp biến cứng

Lc= 20÷300µm Riêng mài có chiều sâu biến cứng tương đối nhỏ: Lc< 60µm Các hiện tượng cơ lý trên là kết quả của quá trình biến dạng và ma sát khi cắt Những hiện tượng cơ lý này ảnh hưởng rất lớn đến kết quả gia công ra sản phẩm

2 7 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám khi gia công

2.7.1 Lực cắt

2.7.1.1 Khái niệm về lực cắt

Trong quá 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 quá 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 Muồn hiểu được quy luật mài mòn và phá huỷ dao thì 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 cân 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

Theo cơ học, nghiên cứu về lực nói chung là xác định 3 yếu tố:

ma sát Biến dạng khi cắt có biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo Do vậy lực sinh ra

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

2.7.1.2 Ảnh hưởng của điều kiện cắt đến lực cắt

Điều kiện cắt gọt bao gồm nhiều yếu tố như chế độ cắt v, s, t; độ cứng vững của hệ thống công nghệ; có hay không tưới dung dịch trơn nguội vào vùng 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 quá 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 quá trình cắt nên ta sẽ khảo

Thực hiện cắt thử nghiệm với các yếu tố khác không đổi, cho b thay đổi các

Từ đồ thị ta nhận thấy rằng khi tăng b thì lực cắt cũng tăng Nếu như cắt với

Hình 2.4 Ảnh hưởng của chiều rộng 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 quá trình cắt nên ta sẽ khảo

Thực hiện cắt thử nghiệm với các yếu tố khác không đổi với b=1mm, cho a

Bằng cách xử lý các số liệu đo ta có thể biểu diễn mối quan hệ giữa lực cắt và

a như sau:

pv v

Hình 2.5 Ảnh hưởng của chiều dày cắt đến lực cắt

Kết hợp cho thay đổi đồng thời chiều rộng cắt b và chiều dày cắt a, mối quan

. p v. p v v

' . p v . p v v

để đơn gian trong công thức tính lực cắt ta thường bỏ qua yếu tố v

Nghiên cứu về lực phát sinh trong cắt gọt đặc biệt là trong gia công cao tốc đối với các vật liệu có độ cứng cao là một trong những vấn đề rất cần thiết Nghiên cứu những ảnh hưởng của nó đến nhám bề mặt là một trong những tiêu chí quan trọng Theo báo cáo khoa học “ Sự ảnh hưởng của lực cắt đến chất lượng bề mặt”

của tác giả X.Fana và M.Loftusb thuộc Trường Đại học Birmingham,

Birmingham vương Quốc Anh được đăng trên tạp chí Quốc tế nghiên cứu và Sản xuất Tác giả đã lập được mô hình thực nghiệm kiểm soát được lực cắt trong quá trình cắt không chỉ mang lại tính hiểu quả đem lại sự an toàn trong quá trình cắt gọt

mà cho chất lượng bề mặt chi tiết tốt hơn Những nghiên cứu của nhóm tác giả có ý nghĩa quan trọng khi gia công các vật liệu có độ cứng Nội dung thí nghiệm tác giả thực hiện kiểm tra lực đối khi gia công thép P20(30HRC) với dụng cụ phủ Carbide

Bề mặt gia công sẽ được kiểm tra khi gia công với 2 thông số chiều sâu cắt khác nhau Với lượng tiến dao tối ưu tương ứng với một lực cắt được thực hiện với mỗi lần ăn dao khác nhau Với kết quả đo đạc và tính toán nhóm tác giả cho thấy được nhám bề mặt thay đổi khi lực cắt phụ thuộc vào lượng chạy dao Sư liên hệ giữa lực căt và nhám bề mặt thể hiện khi lực cắt lớn tạo ra bề mặt thô hơn khi gia công với lực cắt nhỏ Và chất lượng của bề mặt có thể được duy trì nếu ta kiểm soát được lực cắt không đổi

2.7.2 Mức độ biến dạng dẻo

Thực tế cho thấy rằng: dù dao được chế tạo từ loại vật liệu gì và mài sắc bằng cách nào thì đầu dao cũng không thể sắc nhọn lý tưởng được mà luôn luôn tồn tại một phần có bán kính ρ Ví dụ: dao thép gió tuỳ thuộc vào điều kiện mài sắc, bán kính đầu dao tồn tại trong khoảng ρ = 10-18 µm; dao hợp kim cứng thì ρ= 18-20

µm Một thực tế khác cũng không thể bỏ qua khi nghiên cứu quá trình hình thành bề mặt đã gia công là sự tiếp xúc, ma sát giữa bề mặt sau dao và bề mặt đã gia công của chi tiết khi cắt Sự tiếp xúc này một mặt do quá trình mài mòn mặt sau của dao gây nên, mặt khác do biến dạng đàn hồi của lớp kim loại sát bề mặt đã gia công gây nên

Những thực tế không thể bỏ qua đó được miêu tả ở mô hình 2.6

Hình 2.6.Quá trình ảnh hưởng của dao cắt đến bề mặt chi tiết

2 Tại O (phân tử kim loại O) có phương trượt v c // v

khả năng trượt để thành phoi

công Do đó sự trượt bị chặn lại - không thể thành phoi cắt

Từ những nhận xét trên cho ta rút ra kết luận rất quan trọng như sau:

Khi cắt, những phần tử kim loại trên trên lớp cắt có chiều dày a nằm trên mặt

OF sẽ bị trượt và tạo thành phoi; những phần tử kim loại nằm trước mặt OF sẽ bị đầu dao nén ép để tạo thành bề mặt đã gia công của chi tiết Lớp kim loại bị nén ép

đó có chiều dày ∆a Lớp kim loại ∆a bị biến dạng dưới sức ép của đầu dao và mặt sau dao

Hình 2.7 Sự biến dạng dẻo trong cắt gọt

hồi Do biến dạng đàn hồi nên khi ra khỏi mặt sau dao một phần của lớp kim loại được phục hồi 1 lượng ∆h < ∆a

Phân tích trạng thái ứng lực của các phần tử kim loại trong khu vực bị chèn ép

đầu dao ép, vừa chịu ứng suất kéo τ do ma sát giữa mặt dao và các phần tử kim loại

trên chi tiết sát đó Cũng tương tự như vậy đối với các phần tử kim loại trong khu

ngột từ vùng chèn ép ra trạng thái tự do bị các phần tử kim loại trước nó và sau nó kéo ra (hình 2.7) Do hiện tượng kéo giãn đột ngột đó nên bề mặt đã gia công dễ phát sinh các vết nứt tế vi

Hình 2.8 Nhiệt phát sinh trong vùng cắt

Bên cạnh tải trong lực phức tạp như vậy, bề mặt đã gia công còn nhận tác dụng nhiệt cũng hết sức phức tạp (Hình 2.8)

Tải trọng lực và tải trọng nhiệt phức tạp như vậy cho bề mặt đã gia công những hiện tượng cơ - lý cũng hết sức phức tạp Những hiện tượng đó là:

1 Ứng suất dư phát sinh ra trong lớp bề mặt sát bề mặt đã gia công

2 Một lớp mỏng của lớp bề mặt đã gia công bị hoá bền (hay bị biến cứng)

3 Trên bề mặt đã gia công xuất hiện các vết nứt tế vi

Tổng hợp những kết quả nghiên cứu quá trình thành phoi và quá trình hình thành bề mặt đã gia công, được đúc kết thành lý thuyết 5 vùng biến dạng khi cắt (hình 2.9)

Hình 2.9 Các vùng biến dạng trong quá trình cắt

Vùng I là vùng bắt đầu phát sinh biến dạng khi cắt Hình thành biến dạng chủ yếu trong vùng này là biến dạng đàn hồi Những phần tử kim loại càng gần mặt OA thì mức độ biến dạng càng tăng OA là giới hạn chuyển biến từ biến dạng đàn hồi sang trạng thái biến dạng dẻo (trượt)

Vùng II là vùng biến dạng dẻo của vật liệu gia công Các phần tử kim loại càng gần mặt OC được coi như dần hoàn thành biến dạng dẻo sắp sửa tách ra trở thành các phần tử phoi Đây là vùng biến dạng mảnh liệt nhất

Vùng III là vùng ma sát giữa mặt trước của dao với các phần tử kim loại phoi cắt sau khi ra khỏi vùng biến dạng dẻo II Do ma sát nên bề mặt này của phoi sau khi ra khỏi mặt trước dao rất nhẵn bóng

Vùng IV là vùng biến dạng và ma sát giữa mặt sau dao với các phần tử kim loại trên bề mặt đã gia công nằm sát mặt dao Về biến dạng thì đây là vùng vừa có biến dạng đàn hồi, vừa có biến dạng dẻo

Vùng V là vùng của các phần tử kim loại đã hoàn thành biến dạng và trở thành phoi cắt

2.7.3 Nhiệt cắt và độ mòn dao

Trong quá trình cắt, phoi cắt chuyển động trượt và ma sát trên mặt trước dao, mặt đang gia công của chi tiết chuyển động tiếp xúc với mặt sau của dao trong điều kiện áp lực lớn, nhiệt độ cao, ma sát khốc liệt và liên tục gây nên hiện tượng mài mòn dao

Trong các yếu tố cắt thì tốc độ cắt là yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến nhiệt cắt Khi tăng tốc đọ cắt thì nhiệt cắt lúc đầu tăng nhanh, sau khi đã đạt được độ lớn nhất định thì cường độ tăng chậm lại và đường cong của hàm số phụ thuộc θ = f(v) gần tiệm cận với nhiệt độ nóng chảy của vật liệu gia công

Bằng thực nghiệm ta có thể thiết lập được mối quan hệ giữa nhiệt cắt và tốc độ

dạng và thông số hình học phần cắt dao thay đổi gây nên những hiện tượng vất lý có ảnh hưởng xấu đến quá trình cắt và chất lượng nhám của bề mặt gia công Do đặc điểm của quá trình cắt phức tạp nên khác với mài mòn trên các chi tiết máy bình thường, mài mòn dao có nhiều dạng khác nhau

Nghiên cứu sự mòn của dao có thể tìm được các nguyên nhân mòn sau:

- Mài mòn do cào xước: Thường xảy ra ở tốc độ cắt tương đối thấp, sự mài mòn chủ yếu là do kết quả của ma sát giữa mặt trước của dao với phoi và mặt sau của dao với chi tiết gia công Do nhiệt cắt thấp, một phần tạp chất trong vật liệu gia công có độ cứng lớn hơn độ cứng của vật liệu làm dao nên khi cắt chúng cào xước mặt trước của dao tạo thành các rãnh song song theo phương thoát phoi

- Mài mòn vì nhiệt: Ở tốc độ cắt tương đối cao, khi nhiệt độ cắt đạt đến nhiệt

độ nào đó, cấu trúc tế vi trong lớp bề mặt dao thay đổi, độ bền giảm Do đó làm dao chóng mòn

- Mài mòn vì ôxi hoá: Ở tốc độ cắt cao, những lớp trên bề mặt làm việc của dao có thể bị ôxi hoá, lớp này dòn dễ bị phá huỷ và quá trình cứ tiếp tục xảy ra như vậy

- Mài mòn vì dính: Khi cắt do áp suất và nhiệt độ cao, phoi cắt thoát ra dính vào mặt trước dao, khi chuyển động phoi sẽ dứt đi từng mảng nhỏ vật liệu trên mặt trước dao và kết quả là mặt trước của xuất hiện những vết lồi lõm

- Mài mòn vì khuyếch tán: Khi cắt bằng dao hợp kim cứng, ở tốc độ cắt cao, dao thường bị mòn vì khuyếch tán Hiện tượng mòn này thường xảy ra khi có sự tương tự về thành phần hoá học giữa vật liệu gia công và vật liệu làm dao Các nguyên tử của vật liệu làm dao khuếch tán sang vật liệu gia công làm dao bị mòn nhanh

Trong gia công cao tốc với vận tốc cắt lớn(Vc >120m/ph) nguyên nhân gây mòn dao do cào xước có thể bỏ qua được

Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến độ bền của dao

Ở hình 2.11 thể hiện mức độ mòn của dao phụ thuộc vào nhiệt độ cắt gọt Đồ thị này chỉ mang tính định tính Khi nhiệt độ cắt lớn mức độ mòn vì nhiệt của dao