Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi phay cao tốc đến độ chính xác gia công trên máy CNC đối với thép tôi bằng dao phủ carbide

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- NGUYỄN TRỌNG THANH Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi phay cao tốc đến độ chính xác gia công trên máy CNC

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

-

NGUYỄN TRỌNG THANH

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi phay cao tốc đến độ chính xác gia công trên máy CNC đối với thép

tôi bằng dao phủ Carbide

Chuyên ngành : Chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TRƯƠNG HOÀNH SƠN

MỤC LỤC

Trang Trang phụ bìa

Lời cam đoan

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 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 gia công cao tốc 5

1.1.1.Định nghĩa về gia công cao tốc 5

1.1.2 Yêu cầu về thiết bị cho gia công cao tốc 7

1.1.3.Ưu điểm của gia công cao tốc 11

1.2 Tổng quan về các nghiên cứu 12

1.3 Giới hạn nghiên cứu của đề tài 17

1.3.1 Tính cấp thiết của đề tài 17

1.3.2 Giới hạn nghiên cứu của đề tài 18

1.4 Kết luận 18

CHƯƠNG 2 ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG 20

2.1 Độ chính xác gia công 20

2.1.1 Khái niệm về độ chính xác gia công 20

2.1.2 Các nguyên nhân gây ra sai số gia công 22

2.1.3 Các phương pháp đạt độ chính xác gia công 23

2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác gia công 26

2.1.5 Khả năng đạt độ chính xác của các phương pháp gia công cắt gọt 31

2.1.6 Thông số vật lý của bề mặt gia công 33

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám khi gia công cao tốc 36

2.2.1 Lực cắt 36

2.2.2 Mức độ biến dạng dẻo 39

2.2.3 Nhiệt cắt và độ mòn dao 44

2.2.4 Rung động 47

2.3 Những kết quả đã đạt được trong việc nghiên cứu đến độ nhám bề mặt 47

2.3.1 Các kết quả đối với công cụ truyền thống 47

2.3.2 Các kết quả đã có được đối với máy CNC 52

2.4 Kết luận 53

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM 55

3.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm 55

3.2 Các thông số thí nghiệm 61

3.3 Thực hiện các thí nghiệm và thu thập số liệu 62

CHƯƠNG 4 XỬ LÝ SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 65

4.1 Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới độ nhám bề mặt 65

4.2 Ảnh hưởng của lượng chay dao tới độ nhám bề mặt 69

4.3 Kết luận 71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74

1 Kết luận 74

2 Hướng nghiên cứ tiếp theo 74

LỜI CÁM ƠN 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

MỞ ĐẦU

Cùng với sự lớn mạnh của nền kinh tế đất nước, ngành cơ khí trong đó cơ khí chế tạo máy vẫn khẳng định thế mạnh của mình với vai trò chủ đạo và không ngừng đáp ứng việc tạo ra những sản phẩm chất lương tốt, độ tin cậy cao và đủ sức cạnh tranh

Những chỉ tiêu tạo ra các sản phẩm đó được quyết định bởi độ chính xác gia công Độ chính xác gia công là đặc tính chủ yếu của chi tiết máy Trong thực tế không thể chế tạo chi tiết có độ chính xác tuyệt đối bởi vì khi gia công xuất hiện sai

số Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác gia công như: Độ chính xác của thiết bị công nghệ, kiến thức công nghệ, vật liệu gia công, vật liệu làm dụng cụ cắt, các thông số cắt, công nghệ bôi trơn …Với sự phát triển không ngừng của khoa học

kỹ thuật thì độ chính xác gia công ngày càng được cải thiện

hơn Thách thức của ngành công nghiệp hiện đại là tập trung chủ yếu vào việc đạt được chất lượng cao, không chỉ trong việc đạt đến độ chính xác gia công mà là tăng tốc độ sản xuất tăng hiệu suất của sản phẩm, tiết kiệm chi phí giảm những tác động đến môi trường Một trong những phương pháp đang và đã nghiên cứu ứng dụng ở các nước phát triển đó là phương pháp gia công cao tốc (High Speed Machining-HSM) là một trong những công nghệ gia công cắt gọt hiện đại hiện nay Gia công cao tốc đã được thực hiên cách đây hơn 30 năm Gần đây, với sự phát triển vượt bậc của ngành chế tạo máy hiện nay với những công nghệ liên quan như máy tính, dao cắt, máy công cụ, bộ điều khiển CNC, hệ thống CAM, thì gia công cao tốc ngày càng được quan tâm hơn Các ứng dụng chủ yếu thúc đẩy công nghệ theo hướng gia công cao tốc là gia công chủ yếu trong các lĩnh vực công nghiệp chính như sau:

+ Công nghiệp gia công nhôm: để sản xuất ra các bộ phận của ô tô, các chi tiết máy tính nhỏ và các thiết bị y tế

+ 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 như khuôn dập, khuôn rèn, khuôn nhựa

Tại Việt Nam công nghệ này vẫn chưa được ứng dụng phổ biến, nhằm tìm hiểu và nghiên cứu phương pháp gia công mới nay Trong nội dung luận văn cao

học tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi phay cao tốc đến độ chính xác gia công trên máy phay CNC đối với thép tôi bằng dao phủ Carbide ”

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 gia công cao tốc

1.1.1.Định nghĩa về gia công cao tốc

Trong những năm gần đây gia công với tốc độ cao đang phát triển với sự tiến

bộ vượt bậc nhờ sự phát triển của máy công cụ và hệ điều khiển So với phương pháp cắt gọt truyền thống thì gia công cao tốc không chỉ thể hiện cắt bỏ kim loại với tốc độ cao tăng khả năng nâng cao năng suất, độ chính xác và chất lượng chi tiết gia công và cũng có thể giảm chi phí sản xuất và thời gian gia công Nhờ có chế độ cắt cao nhưng lực cắt thấp làm giảm quá trình mòn của dụng cụ tăng tuổi thọ của dao tốt hơn Bề mặt chi tiết qua gia công cao tốc đạt độ bóng cao có thể so sánh với các phương pháp gia công khác như: Mài, gia công băng tia lửa điện …Ngoài thuật ngữ (High Speed Machining-HSM) nói trên còn có các thuật ngữ sau cũng ám chỉ gia công cao tốc: High-Velocity Machining, High Performance Machining, High Efficiency Machining, High Agile Machining và High Productivity Machining Theo cách hiểu thông thường thì gia công cao tốc (High Speed Machining-HSM) gia công với tốc độ trục chính rất cao nhưng tốc độ chạy dao thấp còn High Efficiency Machining thì có tốc độ chạy dao cao nhưng tốc độ cắt trung bình

Gia công với tốc độ cắt cao

Gia công với tốc độ quay của trục chính cao

Gia công với lượng ăn dao cao

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

Gia công với năng suất cao

Thực tế thì gia công cao tốc không đơn giản là cắt với tốc độ cao Nó phải được xem như là một quá trình gia công mà ở đó các bước gia công được thực hiện bằng những phương pháp và thiết bị gia công rất cụ thể

Theo bài báo cáo khoa học : Gia công cao tốc – Phương pháp gia công

hiện đại của nhóm tác giả: Giáo sư Lucjan Przybylski và Tiến sĩ Bogdan Slodki -

Đại học Công nghệ, Viện Kỹ thuật sản xuất

Nội dung của bài báo cáo các tác giả muốn làm rõ hơn các định nghĩa về gia công cao tốc và đưa ra giới hạn chế độ cắt độ khi gia công cao tốc đối với các vật liệu khác nhau tương ứng với dụng cụ cắt Tùy theo loại vật liệu mà dải (vùng) tốc

độ gia công cao tốc khác nhau theo bảng 1

Dao phủ WC, PCV, PCD

Dao phủ, CBN Ceramic Vật liệu Gia công

thường Vc(m/ph)

Gia công cao tốc Vc(m/ph)

Gia công thường

46 183(Ceramic, CBN)

Bảng1: Vận tốc cắt khi gia công thường và gia công cao tốc của một số vật liệu

Gia công cao tốc cũng không phải là gia công với tốc độ trục chính cao bởi

vì có nhiều ứng dụng gia công cao tốc được thực hiện với máy có tốc độ bình

thường Gia công cao tốc thường được sử dụng khi gia công tinh thép đã tôi với việc sử cả hai yếu tố là tốc độ cao và lượng ăn dao cao

1.1.2 Yêu cầu về thiết bị cho gia công cao tốc

Những phát hiện mới của gia công cao tốc luôn được phát triển liên tục và được ứng dụng trong các ngành: Công nghệ ôtô, các bộ phận máy bay, ngành công nghiệp điện tử và trong sản xuất các sản phẩm cơ khí Nhờ sự phát của gia công cao tốc dẫn đến sự phát triển của các máy công cụ có tốc độ cắt cao góp phần vào

sự phát triển của gia công cắt gọt Gia công cao tốc đã và đang được áp dụng trên các trung tâm gia công truyền thống với tùy chọn tốc độ trục chính cao

Hiện nay gia công cao tốc (High Speed Machining-HSM) được xem là một trong những lĩnh vực chính của ngành chế tạo máy Thực ra gia công cao tốc không mới, nó đã được thực hiên cách đây hơn 30 năm Gần đây, với sự phát triển vượt bậc của ngành chế tạo máy hiện nay với những công nghệ liên quan như máy tính, dao cắt, máy công cụ, bộ điều khiển CNC, hệ thống CAM, thì gia công cao tốc ngày càng được quan tâm hơn Các ứng dụng chủ yếu thúc đẩy công nghệ theo hướng gia công cao tốc là: chế tạo khuôn mẫu, chế tạo các chi tiết ngành ôtô và gia công các chi tiết ngành hàng không

Rất khó để nêu lên một định nghĩa chung về gia công cao tốc Tốc độ gia công thì rất cụ thể cho từng ứng dụng Ví dụ khi tốc độ gia công cao tốc khi gia

công thép vào khoảng 400m/ph nhưng giá trị này vẫn chưa phải là giá trị tốc độ gia công cao tốc khi gia công gang

Hình 1: Là máy gia công cao tốc Quantum AS với tốc độ trục chính là 12.000vg/ph, tốc độ chạy dao nhanh lên đến 30m/ph

Nói chung, để định nghĩa gia công cao tốc dựa vào các yếu tố sau: tốc độ cắt cao, tốc độ quay của trục chính cao, lượng ăn dao cao, tốc độ cắt cao và lượng ăn dao cao và năng suất cao Tốt nhất là nói rằng gia công cao tốc có nghĩa là cắt gọt vật liệu nhanh hơn bình thường cho những công đoạn cụ thể Trong một số trường hợp người ta cũng có thể sử dụng máy truyền thống để gia công cao tốc Tuy nhiên, nóichung, để thực hiện được gia công cao tốc thì máy cũng có những yêu cầu đặc biệt

Sau đây là một số yêu cầu cụ thể:

Công suất của động cơ trục chính phải đủ lớn vì cần có một lượng công suất đáng

kể để quay trục chính ở tốc độ cao

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

có thể cần thiết cho gia công cao tốc

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 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

HSM -700

Mazak FJV-25N

Deckel DMC- V65

Hệ thống máy phải chắc chắn và độ cứng vững cao khung máy và các hệ thống

hỗ trợ như hệ thống che băng máy, hệ thống nước làm mát, hệ thống kẹp chặt,… phải có độ cững vững cao để chịu được ứng suất sinh ra khi gia công cao tốc Thiết

bị che chắn máy và các cửa sổ phải được làm bền nhằm đảm bảo an toàn khi có sự

cố về dao Vấn đề an toàn phải được đặt lên hàng đầu khi gia công cao tốc

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

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

Tóm lại để thực hiện được gia công cao tốc thì hệ thống dao và máy cũng có những yêu cầu đặc biệt, cụ thể như sau:

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

Công suất động cơ trục chính cao

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

Truyền động chạy dao động

Điều khiển động truyền động

Cấu trúc máy có độ cứng vững cao

Hệ thống làm lạnh áp suất cao

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

Dao được làm bằng vật liệu có tính chống mòn cao

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

1.1.3.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

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

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

so với khi gia công trên máy công cụ vạn năng và máy tự động cứng

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

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

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

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

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

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

Không gây hư hại bề mặt gia công

1.2 Tổng quan về các nghiên cứu

Trên thế giới việc nghiên cứu ứng dụng gia công cao tốc nói chung và phay cao tốc nói riêng đã có từ 30 năm nay các thành tựu nghiên cứu trong lĩnh vực này như sau:

a, Phay cao tốc với vật liệu cần gia công Ti-6Al-4V sử dụng dụng cụ cắt phủ Carbide - Bài báo cáo này được đăng trên - Tạp chí nghiên cứu khoa học châu

âu

Do các tác giả :

+ Nagi Elmagrabi – Khoa Cơ khí và Vật liệu - Đại học Quốc gia Malaysia + Che Hassan C.H – Khoa Cơ khí và Vật liệu - Đại học Quốc gia Malaysia + F.M Shuaeib - Đại học Garyounis Benghazi, Libya

Nội dung của bài báo cáo:

Tìm những ứng dụng mới trong gia công cao tốc làm tăng năng suất trong sản xuất Gia công cao tốc là lý do mà theo bao cáo cho rằng nó là nguyên nhân dẫn đến sự mòn nhanh của dụng cụ cắt Trong thực tế sản xuất với vật liệu Titan và hợp kim của nó khi gia công luôn hạn chế tốc độ cắt nhỏ hơn 60(m/phút) Để tìm ra được chế độ cắt hợp lý khi gia công cao tốc đối với vật liệu này, trong bài báo cáo

đã nói lên quá trình thử nghiệm phay cao tốc đối với vật liệu Titan(Ti-6AL-4V) với

dụng cụ cắt phủ và không phủ Carbide

Thực nghiệm:

phủ Carbide Quá trình thực nghiệm được thực hiện với các chế độ cắt khác nhau:

Lương ăn dao lần lượt là: 1; 1,5; 2; với tốc độ cắt tương ứng là 50, 80, 105 m/phút vận tốc tương ứng là 0,1; 0,15;2 mm/răng

Trong quá trình gia công không dùng chất tưới nguội và được thực hiện trên máy trung tâm gia công đứng 750 SABRRE CMEINNATI được điều khiển bởi hệ

850 Achramatic sx

Ý nghĩa thực tế :

Tìm được tốc độ cắt phù hợp với vật liệu Titan với điều kiện gia công không

sử dụng chất tưới nguội Đây là phương pháp gia công không chất tưới nguội là một phương pháp gia công ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ khi gia công vật liệu Titan và Niken Là những vật liệu ứng dụng nhiều trong ngành hàng không vũ trụ như: độ chống mài mòn cao, chịu va đập tốt có tỷ khối nhỏ và khả năng chiu nhiệt cao

b, Phay cao tốc với vật liệu là hợp kim nhẹ

Bài báo cáo đăng trên Tạp chí các thành tựu trong Vật liệu, Kỹ thuật và Sản xuất Của tác giả :

F Cus a co-operating, U Zuperl và V Gecevska b

Khoa cơ khí trường Đại học Maribor Slovenia

Nội dung của bài báo cáo

Mục đích của bài này được tác giả giới thiệu những ứng dụng của gia công cao tốc đối với kim nhẹ Cho thấy gia công cao tốc là kết quả của sự tiến bộ khoa học kỹ thuật Nó là công nghệ phay hiện đại hơn hẳn các dạng phay thường và đạt được các hiểu quả quan trọng trong cắt gọt Những lợi thế của gia công cao tốc trong gia công vật liệu nhẹ đã đạt được những năng suất cao hơn các dạng gia công khác.: tiết kiệm được thời gian gia công, kéo dài tuổi thọ của dụng cụ…

Kết quả và ý nghĩa: bề mặt gia công cao tốc đối với vật liệu nhẹ có chất

lượng cao, chất lương khi gia công cao tốc ở một số vị trí có thể sánh với mài

Ý nghĩa thiết thực: Phay cao tốc với kim loại nhẹ Al và Magiê là hai loại vật

liệu được ứng dụng rất nhiều trong thực tế có đến 95% được ứng dụng trong máy bay và công nghệ ôtô Kết quả đạt được chất lượng bề mặt cao và thời gian gia công ngắn

c, Cơ chế bôi trơn với số lượng tối thiểu trong phay cao tốc với vật liệu thép tôi

Do tác giả: Y.S Liao, H.M Lin Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí, Đại học Quốc gia Đài

Loan, Đài Bắc 106, Đài Loan Được đăng trên tạp chí máy Công cụ và Sản xuất

Nội dung của bài báo cáo:

Báo cáo nói lên tỷ lệ mòn của dụng cụ cắt do nhiệt là một vấn đề quan trọng

cần được giải quyết trong gia công cao tốc đối với thép tôi Nhưng vẫn đề tưới

nguội trong phay cao tốc nói riêng và gia công cao tốc nói chung hiện nay vẫn

không giải quyết được hết các vấn đề này, đặc biệt trong gia công thép tôi Các

dung dịch tưới nguội được dùng trong quá trình gia công ở đây có thể coi là làm

mát và bôi trơn, vì thế nhiệt cắt có thể giảm ảnh hưởng đến mòn dụng cụ và độ

bóng bề mặt gia công cũng được cải thiện Tuy nhiên trong gia công liên tục đặc

biệt ở tốc độ cao quá trình cắt gọt gây ra các biến động của nhiệt độ cắt phát sinh

tạo ra các vết nứt trên các cạnh của lưới cắt và sau đó gây mẻ lưỡi cắt Đ ể giảm

thiểu mức độ tác động này gần như không còn trong nội dung của bài báo cáo này

nói lên việc nghiên cứu sâu hơn quá trình làm mát khi phay cao tốc với thép tôi,

bằng cơ chế bôi trơn với số lượng tối thiểu (Minimum quantity lubrication-MQL)

Quá trình nghiên cứu này đi sâu vào cơ chế MQL trong phay cao tốc được tìm

hiểu sâu hơn

Thực nghiệm:

Thí nghiệm được tiến hành trên máy 1 máy trung tâm gia công đứng vật liệu

được sử dụng ở đây là NAK80 ( tương ứng với AiSi-p21,41HRC)

Dụng cụ được sử dụng bằng dao thép gió đường kính của hãng Sandivk

(R390-UT308M-PM1025) phủ Tian có khả chiu được nhiệt độ cao

Quá trình thí nghiệm: Chộn một ít nhớt phân huỷ sinh học tổng hợp Ester và dung

dich Castrol ES3 đây chính là dung dịch bôi trơn sử dụng cho quá trình thí nghiệm

(MQL) Quá trình bôi trơn được thực hiên bằng cách cho dung dịch được cung cấp

làm mát bằng hệ thống bôi trơn STEIDLE với tốc độ dòng chảy là 10ml/h và áp

suất bơm là 0,45Mpa

Tốc độ cắt được thực hiện ở các thông số cắt sau: Vc = 300, 400, 500(m/ph);

lượng chạy dao Sr = 0,1; 0,15; 0,2(mm/răng) với chiều sâu ăn dao là 0,3mm

Lực cắt được đo bằng lực kế KISLER, độ mòn của dao được đo bằng thiết bị của NIKONMM40, ngoài ra còn kính hiện vi và thiết bị SEM

Kết quả:

Nghiên cứu thấy răng cơ chế của MQL trong HSM bằng thép tôi, kết quả cho thấy rằng so với cắt khô, việc thực hiện cơ chế MQL đều cho kết quả cao như tiêu chí cần đạt: tuổi thọ của dao cao chất lượng bề mặt chi tiết tốt và được thể hiện ở tất

cả tốc độ cắt đưa ra tại nghiên cứu này Vai trò của cơ chế MQL trong HSM với thép cứng đã được làm rõ, trong quá trình thí nghiệm dung dich bôi trơn đã cung cấp thêm oxy để thúc đẩy sự hình thành một lớp oxit bảo vệ lưỡi cắt Lớp oxit này

là hợp chất của Fe, Mn, Si và Al và được kiểm chứng cho thấy rằng nó như một rào cản có hiểu quả giúp giảm nhiệt sinh ra trong quá trình cắt ảnh hưởng đến dụng cụ

và bề mặt chi tiết gia công Kết quả tìm ra được một chế độ cắt tối ưu mà tại đó hình thành lớp oxit ổn định Khi tốc độ cắt nhỏ hơn tốc độ tối ưu, có lớp oxit nhưng

ít hơn và tuổi thọ của dao trong trường hợp này thấp hơn và hiểu quả của quá trình cắt không được cao Như khi tốc độ cắt cao hơn nhiều so với tối ưu giá trị, các lớp bảo vệ đã vắng mặt và nhiệt vết nứt xuất hiện là kết quả từ sự biến động lớn về nhiệt độ đã được tìm thấy trên bề mặt của lưỡi cắt Do đó, ứng dụng MQL không phải là xuất phát ở tốc độ cắt cực cao mà trong phạm vi tốc độ nao đó thì mới đạt được hiểu quả của quá trình cắt

Ngoài báo cáo nghiên cứu: “Cơ chế bôi trơn với số lượng tối thiểu trong phay cao tốc với vật liệu thép tôi “

Và nhiều các nghiên cứu khác đã và đang được công bố:

+, Ảnh hưởng của các chất bôi trơn số lượng tối thiểu trong phay cao với vật liệu AISI D2 thép có độ cứng cao (62HRC) với dao phủ Carbide

của nhóm tác giả:

- M.C Kang; K.H Kim ; S.H Shin : Quốc gia Trung tâm Nghiên cứu Vật

liệu Giải pháp Hybrid Vật liệu, Đại học Quốc gia Pusan, San 30, Dong, Keumjung-Ku,609-735 Busan, HànQuốc

Jangjeon S.H Jang và J.H Park Trường Cơ khí, Đại học quốc gia Pusan, San 30,

Jangjeon-Dong, Keumjung-Ku, 609-735 Busan, Hàn Quốc

- C Kim Viện nghiên cứu Công nghệ cơ khí, Đại học quốc gia Pusan, San

30, Jangjeon-Dong, Keumjung-Ku, 609-735 Busan, Hàn Quốc

Được đăng trên Tạp Chí Công Nghệ

+,Gia công khô và Bôi trơn với số lượng tối thiểu

của nhóm tác giả:

K Weinert thuộc Đại học Dortmund, Đức

I Inasaki thuộc Khoa hoá học và Công nghệ, Đại học Keio, Yokohama,

Nhật Bản

JW Sutherland, Kỹ thuật Cơ khí, Đại học Công nghệ Michigan, Houghton,

Michigan, USA

T Wakabayashi Khoa Kỹ thuật, Đại học Kagawa, Takamatsu, Nhật Bản

Được đăng trên Tạp Chí Công Nghệ

+, Nghiên cứu về Ma Sát trong bôi trơn với số lượng tối thiểu trong cắt gọt

Nhóm tác giả thực hiện:

S Minl, I lnasakil Khoa hoá học và Công nghệ, Đại học Keio, Yokohama,

Nhật Bản

T Wadal, S Suda Phòng thí nghiệm Nghiên cứu dầu mỡ bôi trơn, Tổng

công ty Nippon Oil, Yokohama, Nhật Bản

T Wakabayashi Khoa Kỹ thuật, Đại học Kagawa, Takamatsu, Nhật Bản

Được đăng trên Tạp Chí Vật liệu và Công nghệ trong gia công

+, Tự động lựa chọn tốc độ tối ưu của trục chính khi gia công cao tốc

- Đăng trên tạp chí quốc tế máy công cụ & Sản xuất

do tác giả :

Bediaga a, J Mun˜oa a, J Herna´ndez a, L.N Lo´ pez de Lacalle b,

-Khoa cơ khí – Trường Đai học kỹ thuật Basque – Tây Ban Nha

+,Lựa chọn các thông số gia công tối ưu trong gia phay cao tốc với thép tôi cứng dùng cho khuôn phun

Nhóm tác giả thực hiện:

J Vivancos v à C J Luis b thuộc Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí, Đại học Kỹ

thuật Catalonia, Catalonia, Tây Ban Nha

L Costa thuộc Cơ khí chế tạo máy , Đại học Công Navarre, Tây Ban Nha

Đăng trên tạp chí quốc tế máy Công cụ & Sản xuất

Và còn nhiều các nghiên cứu khác trong lĩnh vực gia công cao tốc

1.3 Giới hạn nghiên cứu của đề tài

1.3.1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngay nay với sự phát triển không ngừng của cuộc sống các sản phẩm phục

vụ nhu cầu của con người ngày càng đa dạng Để làm ra các sản phẩm cơ khí có các thông số kỹ thuật phức tạp bằng các máy móc và kỹ thuật cổ điển là rất khó có thể đạt được độ chính xác khi gia công được các bề mặt có độ phức tạp cao Với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật hiện đại: công nghệ hàng không, chế tạo ôtô, khuôn mẫu, quân sự, thì xuất hiện càng nhiều các chi tiết đòi hỏi độ chính xác cao Việc ứng dụng các kỹ thuật và công nghệ mới như máy công cụ gia công cao tốc CNC, công nghệ tạo mẫu nhanh đã giúp cho việc gia công các chi tiết có hình dáng hình học phức tạp được dễ dàng hơn, đạt độ chính xác cao hơn Cùng với đó, con người ngày càng hoàn thiện các kỹ thuật, công nghệ tiên tiến đó Nhiều đề tài nghiên cứu, báo cáo khoa học về các khía cạnh, các vấn đề trong quá trình gia công các chi tiết có hình dáng hình học phức tạp đã được trình bày trong các tạp chí chuyên ngành Với mục đích góp phần nâng cao độ chính xác và năng suất gia công các chi tiết có thông số hình học phức tạp Với sự phát triển không ngừng của xã hội, sự hội nhập ngày càng cao của đất nước ta với thế giới với nền kinh tế mở mà mấy năm gần đây máy CNC đã trở nên phổ biến trong các nhà máy, cơ sở sản xuất

Bởi vậy việc tiếp cận các phương pháp gia công hiện đại luôn là nhu cầu cấp thiết trong nền kinh tế thị trường Một trong những phương pháp gia công đó là gia công cao tốc Nó là công nghệ gia công hiện đại hơn hẳn các dạng gia công thường

và đạt được các hiểu quả quan trọng trong cắt gọt Những lợi thế của gia công cao tốc là đạt được những năng suất cao hơn các dạng gia công khác… tiết kiệm được

thời gian gia công, kéo dài tuổi thọ của dụng cụ… Nó cũng là phương pháp gia công giúp cho việc gia công các chi tiết có hình dáng hình học phức tạp trở nên đơn giản hơn, đạt độ chính xác cao hơn và năng suất tăng nhanh hơn Những phát hiện mới của gia công cao tốc luôn được phát triển liên tục và được ứng dụng trong các ngành: Công nghệ ôtô, các bộ phận máy bay, ngành công nghiệp điện tử và trong sản xuất các sản phẩm cơ khí Nhờ sự phát triển của gia công cao tốc dẫn đến sự phát triển của các máy công cụ có tốc độ cắt cao góp phần vào sự phát triển của gia công cắt gọt

Cho thấy gia công cao tốc là kết quả của sự tiến bộ khoa học kỹ thuật những ứng dụng của nó tai Việt Nam còn rất hạn chế Vì vậy việc nghiên cứu cũng những dụng những thành quả trong gia công cao tốc trên các máy cao tốc CNC nhằm nâng cao độ chính xác của chi tiết gia công, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và năng suất lao đông đạt hiểu quả cao góp phần vào sự phát triển của toàn xã hội

1.3.2 Giới hạn nghiên cứu của đề tài

Trong phần - Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi phay cao tốc đến độ chính xác gia công trên máy phay CNC đối với thép tôi bằng dao phủ Carbide - đối với thép tôi đạt độ cứng 35- 45 HRC 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, trong độ nhám bề mặt Ra bằng khoảng 5-20% dung sai kích thước Bề mặt có 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/ph), tốc độ chạy dao S(mm/răng) tới độ nhám bề mặt chi tiết máy (Ra) khi gia công cao tốc trên máy CNC được thực hiện với các loại vật liệu có độ cứng ≥ 35HRC bằng phương pháp thực nghiệm

1.4 Kết luận

Qua nghiên cứu tổng quan về quá trình gia công cao tốc, tìm hiểu các công trình nghiên cứu trong nước và trên thế giới Kết hợp với việc nghiên cứu sự ảnh

hưởng các thông số công nghệ khi gia công cao tốc đến độ chính xác gia công, chúng ta thấy:

do khả năng gia công tốc độ cao những vật liệu có độ cứng, độ bền cao, cho độ chính xác và độ bóng bề mặt cao

vậy chất lượng bề mặt chi tiết gia công có ảnh hưởng quan trọng đến khả năng làm việc sau này của chi tiết máy Chất lượng bề mặt thường được chọn làm chỉ tiêu để tối ưu hóa quá trình gia công tinh

công phay cao tốc tới độ chính xác gia công là cơ sở để tìm ra các biện pháp nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết khi gia công phay cao tốc

- Các thông số công nghệ: tốc độ cắt V(m/phút), tốc độ chạy dao S(mm/răng)

có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng bề mặt của chi tiết gia công cao tốc Khi đã nghiên cứu, xác định được sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ của quá trình phay cao tốc đến độ chính xác gia công chúng ta có thể lựa chọn cho các thông số các giá trị tối ưu Và chất lượng bề mặt chi tiết sẽ được nâng cao

- Việc nâng cao chất lượng chi tiết khi gia công phay cao tốc sẽ dẫn đến một hệ quả là các máy móc, thiết bị gia công cao tốc đó sẽ đạt độ chính xác cao hơn, quá trình hoạt động tốt hơn

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

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

CHƯƠNG 2

ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

2.1 Độ chính xác gia công

2.1.1 Khái niệm về độ chính xác gia công

Các chi tiết máy (CTM) 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 tương quan Tuy nhiên, đó mới chỉ là trên bãn

vẽ thiết kế Khi gia công, việc đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật của chi tiết ược ghi trên bản vẽ là rất cần thiết Thực tế là giữa chi tiết được gia công với chi tiết lý tưởng trên bản vẽ có những sai lệch khác nhau và các sai số đó được gọi là sai số gia công Do vậy, độ chính xác gia công đã được định nghĩa như sau:

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

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

a, Độ chính xác 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 hình học lý tưởng của chi tiết Ví dụ, khi gia công chi tiết là mặt phẳng, độ chính xác hình dáng hình

học được đáng 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 vơi bề mặt kia ( dùng làm chuẩn) Độ chính xác vị trí tương quan thường được ghi thành một điều điện kỹ thuật trên bản vẽ thiết kê Ví dụ, độ song song, độ vuông góc, độ

đồng tâm,v.v…

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

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

là một yếu tố rất quan trọng trong gia công cơ khí, nó phản ánh trình độ gia công

của một nền sản xuất cơ khí

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

Tuy niên, việc nâng cao độ chính xác gia công là điều rất cần thiết vì điều đó sẽ làm nâng cao chất lượng sử dụng của chi tiết máy, làm giảm thời gian lắp ráp sản phẩm v.v Tuy nhiên, cũng cần phải hiểu rằng, việc nâng cao độ chính xác gia công đồng nghĩa với việc giá thành chi tiết sẽ bị nâng cao như đựơc chỉ ra trong hình 2.1

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 “

Hình 2.2 Mối quan hệ giữa các phương pháp gia công và giá thành

Dung sai chÕ t¹o Gi¸ thµnh

Độ chính xác có thể đạt tới” là độ chính xác đạt được trong những điều kiện đặc biệt không tính đến giá thành gia công (máy chính xác, đồ gá tốt, công nhân có tay nghề cao,v.v…)

Hình 2.2 mô tả mối quan hệ giữa giá thành gia công (C) và độ chính xác (sai

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

Ta thấy đường cong 2 cắt cả hai đường cong 1 và 3, tạo ra 3 vùng I,II,III khác nhau Như vậy,vùng I có thể gọi là độ chính xác có thể đạt tới (độ chính xác cao nhất), vùng II là độ chính xác kinh tế còn vùng III là độ chính xác đảm bảo.Ta có thể phân tích các đường cong này như sau: Ví dụ, bằng phương pháp phay tinh (đường cong 2) có thể đạt được mức độ chính xác ở vùng I nhưng giá thánh C cao,

vì vậy bằng phương pháp mài cho ta giá thành hạ hơn( đường cong 3) Độ chính xác

ở vùng III có thể đạt được bằng phay tinh ( đường cong 2) nhưng tốt hơn là dùng phương pháp phay thô ( đường cong 1) Để đạt độ chính xác ở vùng II tốt nhất là dùng phương pháp phay tinh vì có giá thành hạ nhất

2.1.2 Các nguyên nhân gây ra sai số gia công

Khi gia công một lọat 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 số sai số xuất hiện trên từng chi tiết của

cả lọat đều có giá trị không đổi theo một qui luật nào đó Những sai số này gọi là sai

số hệ thống cố định hoặc hệ thống thay đổi Có một số sai số khác mà giá trị của

chúng xuất hiện trên mỗi chi tiết không theo một qui 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 lọat chi tiết

- Dao động nhiệt của quá trình cắt

- Các lọai rung động trong quá trình cắt

2.1.3 Các phương pháp đạt độ chính xác gia công

Để đạt độ chính xác gia công ngừơi ta thường dùng 3 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

a, Phương pháp cắt thử từng chi tiết riêng biệt

Bản chất của phương pháp là sau khi gá phôi trên 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 thường 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)

- Lọai trừ ảnh hưởng của mòn dao khi gia công cả lọat chi tiết (do dao luôn 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 dầy 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 dày 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 bề dày lớp phôi

đó

- Người thợ phải làm việc căng thẳng nên dễ mệt, do đó có thể gây ra phế phẩm

- Năng suất thấp do phải cắt nhiều lần

- Do năng suất thấp nên giá thành gia công cao

Với những nhược điểm trên đây, cho nên phương pháp cắt thử chỉ được sử dụng trong sản xuất đơn chiếc và hàng lọat nhỏ, trong sản xuất thử và trong sữa chữa hoặc trong các phân xưởng dụng cụ Trong sản xuất hàng lọat lớn và hàng khối, phương pháp cặt thử chủ yếu được dùng ở nguyên công mài bởi vì trong nguyên công này, dụng cụ cắt (đá mài) bị mòn rất nhanh và phá vỡ kích thướcđã 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

có vị trí xác định so với dụng cụ cắt Vị trí này của chi tiết gia công được đảm bảo nhờ cơ cấu định vị của đồ gá Còn đồ gá cũng có vị trí xác định trên máy nhờ cơ cấu định vị riêng

Hình 2.3 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 3a) bàn máy phay được điều chỉnh sao cho mặt tỳ của má tĩnh 1 của êtô cách trục quay của dao phay một đọan K = D/2 +a ( D- đường kích dao phay)

Như vật, 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 dày nhỏ nhất của lớp phôi được cắt và trình độ tay nghề của 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 qủa kinh tế

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

- Chi phí cho việc thiết kế, chế tạo đồ gá chũng như chí pchí cho việc điều chỉnh máy, điều chỉnh dao có khi vượt quá hiệu qủa 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

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

Ngày nay, với sự phát triển của kỹ thuật thông tin và kỹ thuật điều khiển tự động,

tự động hoá, độ chính xác gia cônốác 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 luôn được đo trong suốt quá tring gia công Các giá trị đo được này sẽ

là các thông tin cần thiết để cho các bộ điều khiển có thể điều khiẻn dụng cụ cắt hay chi tiết tiến ra, vào một lượng hợp lý để đảm bảo kích thước cần gia công, qua đó đảm bảo độ chính xác gia công Tuy nhiên, giá thành chế tạo của loại hình này còn rất cao nên chỉ được áp dụng cho các chi tiết cần độ chính xác cao Ở nước ta hình thức này chưa phổ biến

2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác gia công

2.1.4.1 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

2.1.4.2 Biến dạng tiếp xúc và biến dạng của 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 lý thuyết đàn hồi

2.1.4.3 Ảnh hưởng do sai số của phôi

Khi gia công, dao bị mòn làm cho lực cắt Py và biến dạng đàn hồi của hệ thống công 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 ô-van, độ côn, độ đảo,v.v…

2.1.4.4.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 côn trục chính

- Độ đảo mặt đầu của trục chính

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

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 chính như trục chính, bàn máy hoặc bàn giao v.v… nếu các chuyển động này có sai số chúng sẽ phản ánh lên bề mặt của chi tiết gia công

2.1.4.5 Ảnh hưởng của sai số của 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 các chi tiết định vị, dẫn hướng,

so dao,v.v Nếu có sai số do chế tạo hoặc 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 của máy công cụ rất chậm, vì vậy sai số về hình học của đồ gá sẽ phản ảnh lên các chi tiết được gia công là như nhau và mang tính hệ thống Ngòai 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

2.1.4.6 Ảnh hưởng của sai số của dụng cụ cắt

Độ chính xác chế tạo dụng cụ cắt, mức độ mài mòn của nó và sai số gá đặt trên máy đều ảnh hưởng đến độ chính xác gia công Khi gia công bằng các dụng cụ định kích thước (ví dụ như mũi khoan, mũi khóet, dao doa, dao chuốt v.v) 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

lọai tarô và bàn ren đều phản ánh trực tiếp lên ren gia công

Khi gia công các mặt định hình bằng các dao định hình ( như dao tiện định hình, dao phay răng môđun) thì sai số prophin của dao sẽ gây ra sai số hình dạng bề

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

ổ 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 va đứng Do đó các chi tiết gia công ở đầu và cuối ca làm việc sẽ có các kích thước khác nhau

2.1.4.8 Ảnh hưởng của biến dạng nhiệt của dụng cụ cắt

Khi cắt, nhiệt cắt truyền vào dao với tỷ lệ không lớn (10 ÷ 20%) Tuy nhiên,

tỷ 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

2.1.4.9 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 ngòai 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

2.1.4.10 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 gia công không liên tục

- Các bề mặt tiếp xúc có khe hở lớn

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

- Nâng cao độ cứng của hệ thống công nghệ

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

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

- Tính cắt không liên tục

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

b).Rung động tự phát (Tự rung)

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

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

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

- Nâng cao độ cứng của hệ thống công nghệ

- Sử dụng các cơ cấu giảm rung

2.1.4.11 Ảnh hưởng của 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

2.1.4.12, 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

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

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

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

2.1.5.2 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)

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

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

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

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

thước của sản phẩm, công nghệ Na-no đã và đang được nghiên cứu và phát triển

xác gia công trong tương lai

2.1.6 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:

h

t

H H S

• 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 ứng

suất dư hσ

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

Hình 2.4 - Sự phân bố lớp ứng suất dư và lớp biến cứng trên bề mặt chi tiết

• I: lớp kim loại nguyên thủy

• II: lớp kim loại bị biến dạng đàn hồi

• III: lớp kim loại biến dạng dẻo khi cắt

• IV: lớp kim loại mỏng đã bị phá hủy

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

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

Trong đó D được tính như sau:

Trong đó: HVs: là độ cứng tế vi sau khi gia công

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

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

2.2.1 Lực cắt

2.2.1.1 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

• Điểm đặt của lực

• Hướng (phương và chiều) tác dụng của lực

• Giá trị (độ lớn) của lực

lực cắt theo định nghĩa trên có thể hiểu rằng có nguồn gốc từ quá trình biến dạng và

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

2.2) 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

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

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

Hình 2.5 Ảnh hưởng của chiều rộng cắt đến lực cắt

• Ảnh hưởng của lượng chạy dao s đến lực cắt