Nghiên cứu xác định chế độ công nghệ hợp lý khi phay các chi tiết hợp kim nhôm thành mỏng

Theo các tài liệu đã công bố về quá trình phay chi tiết thành mỏng làmbằng hợp kim nhôm thì nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của thông số côngnghệ tới độ nhám bề mặt và biến dạng chi tiết,

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ MẠNH ĐỨC

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ HỢP LÝ KHI PHAY CÁC CHI TIẾT HỢP KIM NHÔM THÀNH MỎNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã ngành: 8520103

TRƯỞNG KHOA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS Hoàng Vị Thái Nguyên, tháng 4 năm 2019

1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN ht t p : / / l r c tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin –

Hiện đang công tác tại : Trung tâm phát triển khoa học và công nghệ

-Sở Khoa học công nghệ Thái Nguyên

Tôi xin cam đoan những kết quả có được trong luận văn là do bản thântôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Hoàng Vị Ngoàithông tin trích dẫn từ các tài liệu tham khảo đã được liệt kê, các kết quả và

số liệu thực nghiệm là do tôi thực hiện và chưa được công bố trong bất cứcông trình nào khác

Thái Nguyên, tháng 04 năm 2019

Người thực hiện

Lê Mạnh Đức

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin –

ĐHTN ht t p : / / l r c tnu.edu.vn

3

1 Tính cấp thiết của đề tài:

LỜI NÓI ĐẦU

Các chi tiết dạng thành mỏng thường được sử dụng trong nhiều ngànhcông nghiệp bao gồm các lĩnh vực ô tô hàng không và máy chính xác Vì cácchi tiết dạng thành mỏng thường dễ bị biến dạng vì có độ cứng thấp, rất khó

có thể kiểm soát độ chính xác gia công, thường dẫn đến làm tăng chi phí củaquá trình sản xuất Để đảm bảo độ chính xác gia công, sự biến dạng cần đượckiểm soát trong quá trình làm việc Nếu không các chi tiết sẽ bị hỏng các biếndạng của chi tiết có thể tách làm hai dạng là biến dạng do gia công và biếndạng sau gia công Biến dạng do gia công được sinh ra ngay trong quá trìnhcắt phần vật liệu chứa ứng suất dư ban đầu, trong khi biến dạng sau gia công(biến dạng tiếp theo) (thường xảy ra do tồn tại ứng xuất dư do gia công) xảy

ra sau khi lắp ráp xong Nhiều trường hợp được báo cáo từ các ngành côngnghiệp về các ví dụ tương tự, các chi tiết thành mỏng bị loại bỏ vì xảy ra biếndạng tiếp theo Như vậy, việc hiểu về dạng của ứng suất dư trong gia công làrất cần thiết

Theo các tài liệu đã công bố về quá trình phay chi tiết thành mỏng làmbằng hợp kim nhôm thì nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của thông số côngnghệ tới độ nhám bề mặt và biến dạng chi tiết, từ đó xác định chế độ công

nghệ hợp lý chưa được quan tâm Chính vì vậy tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu xác định chế độ công nghệ hợp lý khi phay các chi tiết hợp kim nhôm thành mỏng ”, góp phần hoàn thiện bổ sung kiến thức lý thuyết cũng như cải

thiện và nâng cao hiệu quả sản xuất khi phay chi tiết thành mỏng làm bằnghợp kim nhôm

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu của đề tài là Tập trung giải quyết vấn đề ảnh hưởng của các yếu

tố công nghệ tới lực cắt, độ nhám và độ chính xác kích thước khi phay các chi

tiết hợp kim nhôm thành mỏng, từ đó xác định được chế độ công nghệ tối ưu.

- Xây dựng được mô hình nghiên cứu.

- Xác định được ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ (như vận tốc cắt,lượng chạy dao, chiều sâu cắt và chiến lược chạy dao) tới độ nhám bề mặt vàsai lệch kích thước chiều dày thành khi phay chi tiết làm bằng hợp kim nhôm

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Xác định được quy luật ảnh hưởng của các yếu tố điều khiển kiểm soátquá trình gia công thành mỏng

5 Phương pháp nghiên cứu

Với mục đích nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới biếndạng chi tiết và nhám bề mặt, tác giả chọn phương pháp nghiên cứu là kết hợpnghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm trong đó nghiên cứu thựcnghiệm là cơ bản Nghiên cứu lý thuyết tổng quan các vấn đề liên quan đếngia công trong phay chi tiết thành mỏng từ đó định hướng cho nghiên cứu vềbiến dạng chi tiết khi gia công Nghiên cứu thực nghiệm để xác định được ảnhhưởng các thông số công nghệ tới biến dạng chi tiết và nhám bề mặt, từ đóđưa ra bộ thông số công nghệ hợp lý

6 Các công cụ cần thiết cho nghiên cứu

- Phôi bằng hợp kim nhôm, dao phay

- Trung tâm phay Mazak VC530

- Máy đo nhám

- Dụng cụ đo vạn năng

7 Nội dung nghiên cứu của luận văn

Ngoài lời nói đầu, tài liệu tham khảo, phụ lục, nội dung chính gồm 3chương và phần kết luận chung

Chương 1: Tổng quan về quá trình cắt – mòn dao thép gió khi phay Chương 2: Ảnh hưởng của dung dịch bôi trơn làm nguội tới các thông

số cơ bản của quá trình phay

Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của dầu Emusil có trộn bột Al2O3

vào dầu Emusil khi phay rãnh sử dụng dao phay thép gió

Phần Kết luận chung

Luận văn này đối với Tôi là một cơ hội lớn để rèn luyện khả năng thựchiện một đề tài phục vụ thực tiễn sản xuất dựa trên cơ sở các lý thuyết khoahọc và công nghệ Luận văn này được hoàn thành là nhờ có rất nhiều sự giúp

đỡ và hướng dẫn tận tình của cá nhân và tập thể Lời cảm ơn sâu sắc nhất Tôi

xin gửi đến giáo viên hướng dẫn khoa học, thầy giáo PGS.TS Hoàng Vị đã

tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành côngtrình nghiên cứu này

Tôi xin cám ơn Ban giám hiệu, phòng Đào tạo sau đại học, các thầy côgiáo trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình chỉ bảo vàgiúp đỡ tôi trong quá trình học tập

Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tạo điều kiện của Ban Giám đốcTrung tâm phát triển khoa học và công nghệ - Sở Khoa học và Công nghệThái Nguyên cùng sự động viên khích lệ của gia đình, bạn bè, đồng nghiệptrong suốt thời gian tôi học tập và làm luận văn

Thái Nguyên, tháng 4 năm 2019

Người thực hiện

Lê Mạnh Đức

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI NÓI ĐẦU 3

LỜI CẢM ƠN 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH PHAY CHI TIẾT HỢP KIM NHÔM DẠNG THÀNH MỎNG 12

1.1 Tổng quan hợp kim nhôm và các chi tiết hợp kim nhôm thành mỏng 12

1.1.1 Giới thiệu về hợp kim nhôm 12

1.1.2 Đặc điểm hình học của các chi tiết thành mỏng 14

1.2 Tổng quan về quá trình phay và quá trình hình thành phoi 16

1.2.1 Giới thiệu về quá trình phay 16

1.2.2 Quá trình cắt khi phay 17

1.2.3 Các chuyển động cơ bản khi phay 21

1.2.4 Các thành phần của lớp bề mặt bị cắt khi phay 21

1.3.Các chỉ tiêu đánh giá tính gia công của vật liệu 27

1.3.1.Tính chất cơ học của vật liệu 27

1.3.2 Quá trình biến dạng và hình thành phoi 27

1.3.3 Lực cắt 28

1.3.4.Nhiệt cắt 28

1.3.5.Mòn dụng cụ cắt 29

1.3.6 Chất lượng bề mặt gia công 33

1.3.7 Độ chính xác gia công 39

1.3.8 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế về quá trình gia công chi tiết hợp kim nhôm thành mỏng 40

CHƯƠNG 2: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI BIẾN DẠNG VÀ HÁM BỀ MẶT KHI PHAY CÁC CHI TIẾT HỢP KIM NHÔM A6061 48

2.1 Giới thiệu về hợp kim nhôm A6061 45

2.1.1 Hợp kim nhôm A6061 45

2.2 Phay chi tiết hợp kim nhôm thành mỏng A6061 46

2.2.1 Tính gia công của hợp kim nhôm A6061 46

2.3 Nhám bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng tới nhám bề mặt khi phay chi tiết thành

mỏng 49

2.2.1 Ảnh hưởng của chế độ cắt 49

2.2.2 Ảnh hưởng của vật liệu dụng cụ cắt và vật liệu gia công 54

2.2.3 Ảnh hưởng của chiến lược chạy dao khi phay các chi tiết thành mỏng 54

2.3 Giới hạn vấn đề nghiên cứu 56

2.4 Phương pháp nghiên cứu 56

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT TỚI ĐỘ NHÁM BỀ MẶT VÀ BIẾN DẠNG CHI TIẾT KHI PHAY CHI TIẾT HỢP KIM NHÔM THÀNH MỎNG 58

3.1 Đặt vấn đề 58

3.2 Thiết kế hệ thống thí nghiệm 58

3.2.1 Yêu cầu của hệ thống thí nghiệm 58

3.2.2 Hệ thống thí nghiệm 58

3.2.2.3 Chế độ công nghệ 60

3.2.2.4 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi 61

3.3 Kết quả và thảo luận 69

3.4Ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát tới biến dạng chi tiết khi phay chi tiết thành mỏng 70

3.4.1 Ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát tới độ nhám bề mặt gia công 81

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 91

1 Kết luận chung 91

2 Hướng nghiên cứu tiếp theo 91

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các cấp độ nhám bề mặt theo TCVN 2511-1995 37

Bảng 2.1 Thành phần hóa học của hợp kim nhôm A6061 45

Bảng 2.2 Đặc điểm cơ học của hợp kim nhôm A6061 45

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của dao phay ngón sử dụng cho thí nghiệm 60

Bảng 3.2 Chế độ cắt khảo sát 61

Bảng 3.3 Các thông số khảo sát và mức giá trị tương ứng 62

Bảng 3.4 Bậc tự do của ma trận thí nghiệm 63

Bảng 3.5 Thiết kế thí nghiệm L9 63

Bảng 3.6 Ma trận thí nghiệm 64

Bảng 3.7 Giá trị biến dạng chi tiết, độ nhám và tỷ số S/N tương ứng 70

Hình 1 1 Chi tiết có dạng thành mỏng 15

Hình 1 2 Quá trình hình thành phoi [5] 17

Hình 1 3 Các dạng phoi khi gia công cắt gọt kim loại [5] 18

Hình 1 4 Góc tiếp xúc khi phay bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón 23

Hình 1 5 Phay không đối xứng bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón 24

Hình 1 6 Chiều dày cắt khi phay bằng dao phay ngón, dao phay mặt đầu 24

Hình 1 7 Các phương pháp phay 26

Hình 1 8 Sơ đồ thể hiện các khả năng tương tác của hạt mài với bề mặt của vật liệu, vết mòn và mặt cắt ngang của nó .31

Hình 1 9 Cấu trúc tế vi lớp bề mặt gia công 34

Hình 1 10 Nhám bề mặt, sóng bề mặt và các vết nứt vết gia công trên bề mặt 35

Hình 1 11 Xác định nhám bề mặt Rz 37

Hình 1 12 Đo nhám bằng phương pháp cơ học 38

Hình 1 13 Đo nhám trên các bề mặt khác nhau 38

Hình 1 14 Biến dạng của chi tiết trong quá trình gia công 40

Hình 2 1 Chi tiết thành mỏng được gia công bởi bởi Fokker Aerost 48

Hình 2 2 Miền tạo phoi khi gia công kim loại 50

Hình 2 3 Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới hệ số co rút phoi khi gia công thép cacbon 50

Hình 2 4 Ảnh hưởng của các thông số hình học tới nhám bề mặt khi tiện 51

Hình 2 5 Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt Rz 53

Hình 3 1 Trung tâm phay đứng Mazak 530C 59

Hình 3 2 Dao phay ngón của hãng YG 60

Hình 3 3 Chế độ cắt khuyến cáo của nhà sản xuất khi phay cạnh 61

Hình 3 4 Đồng hồ so 1/1000 mm 65

Hình 3 5 Đo độ nhám sản phẩm 65

Hình 3 6 Thiết lập các thông số trong mô hình thí nghiệm TAGUCHI 68

Hình 3 7 Đo biến dạng chi tiết 69

Hình 3 8 Đo nhám bề mặt 69

Hình 3 9 Giá trị trung bình của biến dạng chi tiết và mức độ ảnh hưởng của các thông số 71

Hình 3 10 Ảnh hưởng tới giá trị trung bình của lượng biến dạng chi tiết 71

Hình 3 11 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và lượng chạy dao tới lượng biến dạng của chi tiết 73 Hình 3 13 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và chiều rộng cắt tới lượng biến dạng của chi tiết 74 Hình 3 14 Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao và chiều sâu cắt tới lượng biến dạng của chi tiết 74 Hình 3 15 Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao và chiều rộng cắt tới lượng biến dạng của chi tiết 75 Hình 3 16 Ảnh hưởng tương tác giữa chiều sâu cắt và chiều rộng cắt tới lượng biến dạng của chi tiết 75 Hình 3 17 Tỷ số S/N trung bình của lượng biến dạng chi tiết và mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ 76 Hình 3 18 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới tỷ số S/N của lượng biến dạng chi tiết 77 Hình 3 19 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và lượng chạy dao răng tới tỷ số S/N của lượng biến dạng chi tiết 78 Hình 3 20 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và chiều sâu cắt tới tỷ số S/N của lượng biến dạng chi tiết 78 Hình 3 21 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và chiều rộng cắt tới tỷ số S/N của lượng biến dạng chi tiết 79 Hình 3 22 Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao răng và chiều sâu cắt tới tỷ

số S/N của lượng biến dạng chi tiết 79 Hình 3 23 Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao răng và chiều rộng cắt tới tỷ

số S/N của lượng biến dạng chi tiết 80 Hình 3 24 Ảnh hưởng tương tác giữa chiều sâu cắt và chiều rộng cắt tới tỷ số S/N của lượng biến dạng chi tiết 80 Hình 3 25 Giá trị độ nhám trung bình và mức độ ảnh hưởng của các thông số 81 Hình 3 26 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới giá trị độ nhám trung bình 82

Hình 3 27 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và lượng chạy dao tới giá trị độ nhám trung bình 82 Hình 3 28 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và chiều rộng cắt tới giá trị độ nhám trung bình 83 Hình 3 29 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và chiều sâu cắt tới giá trị độ nhám trung bình 83

Hình 3 30 Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao và chiều sâu cắt tới giá trị độ nhám trung bình 84 Hình 3 31 Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao và chiều rộng cắt tới giá trị

độ nhám trung bình 84 Hình 3 32 Ảnh hưởng tương tác giữa chiều sâu cắt và chiều rộng cắt tới giá trị độ nhám trung bình 85 Hình 3 33 Tỷ số S/N của độ nhám trung bình và mức độ ảnh hưởng của các thông

số 85 Hình 3 34 Ảnh hưởng của các thông số tới tỷ số S/N của độ nhám trung bình 86 Hình 3 35 Ảnh hưởng tương tác vận tốc cắt và lượng chạy dao tới tỷ số S/N của độ nhám trung bình 87 Hình 3 36 Ảnh hưởng tương tác vận tốc cắt và chiều sâu cắt tới tỷ số S/N của độ nhám trung bình 87 Hình 3 37 Ảnh hưởng tương tác vận tốc cắt và chiều rộng cắt tới tỷ số S/N của độ nhám trung bình 88 Hình 3 38 Ảnh hưởng tương tác lượng chạy dao và chiều rộng cắt tới tỷ số S/N của

độ nhám trung bình 88 Hình 3 39 Ảnh hưởng tương tác lượng chạy dao và chiều sâu cắt tới tỷ số S/N của

độ nhám trung bình 89 Hình 3 40 Ảnh hưởng tương tác chiều sâu cắt và chiều rộng cắt tới tỷ số S/N của

độ nhám trung bình 89

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH PHAY CHI TIẾT HỢP

KIM NHÔM THÀNH MỎNG 1.1 Tổng quan hợp kim nhôm và các chi tiết dạng thành mỏng

1.1.1 Giới thiệu về hợp kim nhôm

Ngày nay nhôm là kim loại rất quan trọng trong đời sống của conngười, nhưng về mặt lịch sử nhôm thuộc loại nguyên tố “trẻ” Nhôm được tìm

ra năm 1808, công lao ấy thuộc về Dauy Nhờ các phản ứng hóa học ông đãtách được nguyên tố kim loại nhẹ có màu sáng gọi là Alumin Bắt đầu từnhững năm 30 của thế kỷ 19 người ta đã sản xuất nhôm trên quy mô côngnghiệp bằng phương pháp khoa học, tuy nhiên sản lượng hàng năm rất nhỏ

Từ năm 1854 đến 1890 toàn thế giới sản xuất được khoảng 200 tấnnhôm, vào năm 1890 nhôm được sản xuất bằng phương pháp điện phân dungdịch ôxít nhôm (Al2O3) nóng chảy trong Criolit (Na3AlF6) Chỉ trong vòngchín năm từ năm 1890 đến 1899 thế giới sản xuất được 2800 tấn nhôm Riêngnăm 1930 sản lượng đạt tới 270.000 tấn, năm 1968 sản lượng nhôm là8.386.200 tấn, từ năm 1960 hàng năm sản lượng tăng 15%, những năm gầnđây chỉ tăng 5%/năm Ngày nay khi nhịp độ sản xuất tăng lên mạnh hơn, vị trícủa vật liệu kim loại này được đưa lên hàng thứ hai sau thép

Hợp kim nhôm đầu tiên ra đời vào năm 1906, đó là hợp kim do AlfredWeinmer tìm ra, hiện nay được phát triển thành các Đura (hợp kim nhôm biếndạng điển hình được dùng trong kỹ thuật hàng không) trên cơ sở Al-CuMg(có 95% Al, 4% Cu và 1% Mg) đang được sử dụng rộng rãi Sản lượng vànhu cầu ứng dụng nhôm so với các kim loại kết cấu khác tăng lên khôngngừng Những ưu điểm chính của nhôm là trọng lượng riêng nhỏ, độ dẫn điệndẫn nhiệt cao, khả năng chống ăn mòn trong nhiều môi trường khá tốt Độ bềnriêng của hợp kim nhôm khoảng 16,5 trong khi đó của thép là 15,4 Vì vậykhi ứng dụng hợp kim nhôm làm vật liệu kết cấu và khuôn mẫu nó tỏ ra có

những ưu điểm lớn, về mặt trữ lượng nhôm nhiều hơn sắt, theo tính toánnhôm chiếm khoảng 8,8% còn sắt chỉ chiếm 5,1% trọng lượng vỏ trái đất.Nhôm là nguyên tố có dạng mạng tinh thể lập phương tâm mặt, có màu sángbạc, và có những đặc điểm sau :

- Khối lượng riêng nhỏ (2,8 g/cm3 ) chỉ khoảng 1/3 so với thép Do vậylàm giảm khối lượng kết cấu, chi tiết, được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vựchàng không, vận tải…

- Có tính chống mòn nhất định trong khí quyển do luôn có lớp màngôxít (Al2O3) phủ trên lớp bề mặt có tính bảo vệ cao

- Có tính dẫn điện cao: tính dẫn điện kém hơn vàng, bạc, đồng

Phân loại và kí hiệu của hợp kim nhôm

Ký hiệu: Để ký hiệu các hợp kim nhôm người ta thường dùng hệ thốngđánh số theo AA (Aluminum Association) của Hoa kỳ bằng xxxx cho loạibiến dạng và xxx.x cho loại đúc, trong đó:

- Số đầu tiên có các ý nghĩa sau

đó T1: biến dạng nóng, tôi, hóa già tự nhiên, T3: tôi, biến dạng nguội, hóa già

tự nhiên, T4: tôi, hóa già tự nhiên (giống đoạn đầu và cuối của T3), T5: biếndạng nóng, tôi, hóa già nhân tạo (hai đoạn đầu giống T1), T6: tôi, hóa giànhân tạo (đoạn đầu giống T4), T7: tôi, quá hóa già, T8: tôi, biến dạng nguội,hóa già nhân tạo (hai đoạn đầu giống T3), T9: tôi, hóa già nhân tạo, biến dạngnguội (hai đoạn đầu giống T6) (ngoài ra còn Txx, Txxx, Txxxx) TCVN1659-75 có quy định cách ký hiệu hợp kim nhôm được bắt đầu bằng Al vàtiếp theo lần lượt từng ký hiệu hóa học của nguyên tố hợp kim cùng chỉ số %của nó, nếu là hợp kim đúc sau cùng có chữ Đ Ví dụ AlCu4Mg là hợp kimnhôm chứa ~4%Cu, ~1%Mg Với nhôm sạch bằng Al và số chỉ phần trăm của

nó, ví dụ Al99, Al99,5

1.1.2 Đặc điểm hình học của các chi tiết thành mỏng

Các chi tiết dạng thành mỏng thường được sử dụng trong nhiều ngànhcông nghiệp bao gồm các lĩnh vực oto hàng không và máy chính xác Nóichung, các chi tiết có độ dày trong khoảng từ 1 đến 5 mm được coi là chi tiếtdạng thành mỏng (như hình 1.1) Đặc biệt các chi tiết thành mỏng bằng hợp

kim nhôm được sử dụng phổ biến trong ngành hàng không vì nó có nhiều ưuđiểm, như:

- Khối lượng của chi tiết dạng thành mỏng giảm đáng kể so với chi tếtđặc mà vẫn đảm bảo các yêu cầu về độ chính xác cũng như đảm bảo khả năngchịu lực [1] Sử dụng các chi tiết thành mỏng có thể loại bỏ tới 95% trọnglượng của khối chi tiết lắp ráp ban đầu [2]

- Sử dụng chi tiết dạng thành mỏng có thể giảm giá thành sản xuất nhờviệc giảm khối lượng lắp ráp, giảm vật liệu, giảm chi phí quản lý, giảm chiphí lưu kho [1,3]

- Sử dụng chi tiết thành mỏng có thể tăng được độ chính xác tổng hợpcủa sản phẩm [1]

Hình 1 1 Chi tiết có dạng thành mỏng

1.2 Tổng quan về quá trình phay và quá trình hình thành phoi

1.2.1 Giới thiệu về quá trình phay

Phay là một phương pháp gia công cắt đi một lớp kim loại (hay còn gọi

là lượng dư gia công để tạo thành phoi) trên bề mặt của phôi để được chi tiết

có hình dáng, kích thước, độ chính xác, độ bóng theo yêu cầu kỹ thuật trênbản vẽ Quá trình đó được thực hiện trên các máy phay Phay là phương phápgia công kim loại, có độ chính xác không cao hơn cấp 3-4 và độ bóng khônghơn cấp 6, là một trong những phương pháp gia công đạt năng suất cao nhất.Bằng phương pháp phay người ta có thể gia công mặt phẳng, định hình phứctạp, rãnh then, cắt đứt, gia công mặt tròn xoay, trục then hoa, cắt ren, bánhrăng…

Phay có thể dùng để gia công tinh, gia công lần cuối để đạt được độbóng, độ chính xác cao, dễ cơ khí hoá, tự động hoá, cho năng suất cao, dùngtrong sản xuất đơn chiếc, sản xuất hàng loạt và hàng khối Số lượng nguyêncông gia công cắt gọt đạt tới 60% - 70% công việc gia công cơ khí thì nguyêncông phay cũng chiếm một tỷ lệ lớn Máy phay có số lượng nhiều, chiếm tỷ lệlớn và giữ một vị trí quan trọng trong các Nhà máy, Phân xưởng cơ khí

Dao phay là loại dụng cụ cắt có nhiều lưỡi, trong quá trình cắt ngoàinhững đặc điểm giống quá trình cắt khi tiện, còn có những đặc điểm sau:

- Dao phay có một số lưỡi cắt cùng tham gia cắt, nên năng suất cắt khiphay cao hơn khi bào

- Lưỡi cắt của dao phay làm việc không liên tục, cùng với khối lượngthân dao phay thường lớn nên điều kiện truyền nhiệt tốt

- Diện tích cắt khi phay thay đổi, do đó lực cắt thay đổi gây rung độngtrong quá trình cắt

- Do lưỡi cắt làm việc gián đoạn, gây va đập và rung động, nên khảnăng tồn tại lẹo dao ít

1.2.2 Quá trình cắt khi phay

Quá trình cắt kim loại thực chất là sử dụng dụng cụ hình chêm để hớt đimột lớp kim loại từ phôi Lực tác dụng sinh ra do sự tương tác giữa dụng cụcắt và phôi, đối với phương pháp phay thì sự tương tác đó là chuyển độngquay của dao phay và sự cản trở lại chuyển động quay của phôi Như vậy, lựctác dụng phải đủ lớn để tạo ra trong kim loại bị cắt một ứng suất lớn hơn sứcbền của vật liệu gia công (khả năng liên kết giữa các tinh thể kim loại), đồngthời phải thắng được lực cản do ma sát trong quá trình gia công bao gồm:

- Ma sát giữa các tinh thể kim loại khi trượt lên nhau;

- Ma sát giữa phoi và mặt trước của dao trong quá trình tạo phoi;

- Ma sát giữa bề mặt đã gia công với mặt sau của dao

Quá trình hình thành phoi đã được nhiều tác giả như: Trent, Wright [4],Zorev N.N và các đồng nghiệp [5], Doyle E.D [6], nghiên cứu với nhiềucách tiếp cận khác nhau Tất cả các nghiên cứu đó đều kết luận rằng khichịu tác dụng của lực, kim loại bị biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo rồi biếndạng phá huỷ

Hình 1 2 Quá trình hình thành phoi [5]

Khi quá trình cắt xảy ra, trước tiên là các tinh thể kim loại bị dồn ép(nén), khi lực tác dụng vượt quá giới hạn bền của vật liệu thì các tinh thể kimloại bị trượt lên nhau và tách ra khỏi vật gia công tạo thành phoi Quá trìnhbiến dạng đó xảy ra trong một vùng mà ta có thể gọi là vùng tạo phoi (giới

hạn bởi đường cong OA, OE, hình 1.2) [5] Trong vùng này có những mặttrượt OA, OB, OC, OD, OE Vật liệu gia công trượt theo những mặt đó, cáctinh thể kim loại bị xếp chồng lên nhau Tuỳ theo cấu trúc của vật liệu giacông, chế độ cắt mà có thể tạo ra phoi vụn, phoi xếp hay phoi dây

Như vậy, kết quả của biến dạng kim loại là tách ra khỏi phôi một phầnvật liệu, phần còn lại chính là chi tiết gia công Tuy nhiên, do vùng biến dạngcủa kim loại xảy ra ở cả phần vật liệu giữ lại (phía dưới điểm O) nên bề mặtchi tiết sau khi gia công có tính chất khác hẳn trước khi gia công và thường có

độ cứng cao hơn Hiện tượng đó chính là hiện tượng biến cứng lớp bề mặt.Ngoài ra trong vùng cắt còn có rất nhiều hiện tượng vật lý khác xảy ra mà ta

sẽ nghiên cứu cụ thể ở các phần sau Quá trình cắt kim loại khi phay vềnguyên tắc không khác quá trình cắt khi tiện Ở đây tập trung nghiên cứu một

số hiện tượng xảy ra trong quá trình cắt Lớp kim loại được cắt gọi là phoi, cóthể có nhiều dạng khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện gia công

Theo giáo sư I.A.Time thì phoi có các dạng sau đây: Phoi dây, phoi xếp

và phoi vụn

- Phoi vụn: Là phoi tồn tại ở dạng hạt, thường nhận được khi gia công vật liệu

có tính dẻo thấp như gang, đồng thau, hình 1.3a

Hình 1 3 Các dạng phoi khi gia công cắt gọt kim loại [5]

Quá trình biến dạng của vật liệu trong vùng cắt thường không qua giaiđoạn biến dạng dẻo (vì các vật liệu đó có tính dẻo rất thấp)

Khi cắt tạo thành phoi vụn thì có một số đặc điểm như: Chiều cao nhấpnhô bề mặt không cao, tính chất lớp bề mặt ít thay đổi, lực cắt không ổn định,

ít gây mất an toàn [5]

- Phoi xếp: Là phoi tồn tại ở dạng đoạn ngắn, mặt dưới của phoi (mặttiếp xúc với mặt trước của dao) nhẵn, mặt trên xù xì như răng cưa Dạng phoinày thường có khi gia công vật liệu dẻo như thép có lượng các bon thấp, đượcgia công với chiều dày cắt lớn, vận tốc cắt không cao, hình 1.3b

Khi cắt tạo thành phoi xếp có một số đặc điểm: Chiều cao nhấp nhô bềmặt không cao lắm, bề mặt chi tiết gia công bị biến dạng dẻo nên có tính chất

cơ lý khác một ít so với tính chất của vật liệu gia công Phoi xếp thu được saukhi gia công thép, có độ cứng cao hơn độ cứng của vật liệu gia công từ 2÷3lần Điều đó chứng tỏ vật liệu đã được hoá bền ở mức độ cao

- Phoi dây: Là phoi tồn tại ở dạng dây dài, bề dày không lớn Tuỳ theovật liệu gia công, hình dáng hình học đầu dao và chế độ công nghệ mà phoitồn tại ở dạng dây dài hay xoắn lò xo Dạng phoi này thường có khi gia côngvật liệu có tính dẻo với tốc độ cắt cao, hình 1.3c

Khi cắt hình thành phoi dây có đặc điểm: Chiều cao nhấp nhô bề mặtgia công cao, lực cắt đơn vị nhỏ và ít thay đổi Tuy nhiên cần chú ý tìm biệnpháp bẻ phoi vì phoi dây đặc biệt là dây dài rất dễ gây mất an toàn [5]

Khi gia công các vật liệu có tính dẻo cao như thép và nhôm, trên mặttrước của dao (ngay gần mũi dao) thường xuất hiện những lớp kim loại có cấutrúc khác hẳn so với cấu trúc của phoi và vật liệu gia công Lớp kim loại nàybám rất chắc vào dao và tham gia cắt gọt như một mũi dao vì nó có độ cứngrất cao Hiện tượng này còn được gọi là hiện tượng lẹo dao (built up edge).Hiện tượng lẹo dao được phân tích xem xét dưới nhiều góc độ khác nhaunhưng đều có điểm thống nhất chung về nguyên lý hình thành Khi cắt, donhiệt phát sinh nên một lớp mỏng kim loại nằm giữa mặt trước của dao vàmặt dưới của phoi bị nóng chảy; lớp kim loại này hầu hết chuyển động theo

phoi ra ngoài Tuy nhiên, do bề mặt dao không tuyệt đối nhẵn nên có lực masát cản trở chuyển động đó làm cho nó di chuyển chậm lại và trong một điềukiện nhất định, khi lực cản lớn hơn lực liên kết giữa lớp kim loại đó với phoithì nó bị giữ lại bám rất chắc vào mũi dao gây ra hiện tượng lẹo dao [5].Chiều cao của lớp kim loại bám trên bề mặt càng ngày càng lớn nhưng nókhông tồn tại mãi mà đến một lúc nào đó nó lại bị cuốn theo phoi ra ngoài,tiếp tục hình thành lớp kim loại bám tiếp theo

Hiện tượng lẹo dao hình thành trong quá trình cắt có ưu điểm bảo vệđầu mũi dao và làm tăng khả năng thoát phoi (do góc trước của dao được tănglên) Tuy nhiên, sự xuất hiện lẹo dao lúc gia công có ảnh hưởng rất lớn đếnquá trình gia công và chất lượng bề mặt chi tiết Lẹo dao làm thay đổi cácthông số hình học của dụng cụ cắt (góc cắt) do đó làm tăng lực cắt Lực cắtthay đổi, kéo theo các ảnh hưởng khác như tăng nhiệt cắt và rung độngDo đó,mọi biện pháp để hạn chế sự xuất hiện của lẹo dao khi gia công tinh sẽ là yếu

tố rất quan trọng nhằm nâng cao chất lượng chi tiết gia công

Để khử lẹo dao, cần phải mài bóng mặt trước của dao thật cẩn thậnhoặc thay đổi tốc độ cắt (thường thường tăng tới 30m/phút hoặc cao hơn),đồng thời cũng có thể sử dụng dung dịch trơn nguội trong từng điều kiện giacông cụ thể

- Sự co rút phoi: Trong quá trình cắt phoi bị biến dạng và ngắn hơn sovới phần chi tiết được cắt ra Hiện tượng phoi bị ngắn theo chiều dài được gọi

là sự co rút của phoi theo chiều dài Thể tích của kim loại khi bị biến dạngthực tế không thay đổi Vì vậy, trong khi chiều dài của phoi giảm thì diện tíchtiết diện ngang của phoi tăng Diện tích tiết diện ngang của phoi tăng đượcgọi là sự co rút của phoi theo chiều ngang

- Hiện tượng nhiệt trong quá trình cắt: Trong quá trình cắt chi tiết giacông, dụng cụ cắt và phoi bị nung nóng Khi tăng tốc độ cắt, đặc biệt là khicắt các phoi mỏng, nhiệt độ trong vùng cắt sẽ tăng tới 600oC Nếu tốc độ cắt

tiếp tục tăng, trong nhiều trường hợp phoi cắt sẽ bị nung nóng tới 900oC (màu

đỏ sáng) Nhiệt độ ở vùng cắt tăng là do có hiện tượng cơ năng chuyển thànhnhiệt năng trong quá trình cắt Nhiệt cắt xuất hiện bằng sự chuyển đổi từ côngcắt, gần như tất cả công cần thiết trong quá trình cắt đều biến thành nhiệt trừcông biến dạng đàn hồi và công kín (tổng của hai loại công này nhỏ, khôngvượt quá 5%), phần còn lại chuyển thành nhiệt trong quá trình cắt Khoảng 97

- 98% công suất cắt biến thành nhiệt Khi sử dụng dung dịch trơn nguội thìthông thường nhiệt độ cắt giảm nhanh vì ngoài tác dụng làm nguội, dung dịchcòn có tác dụng bôi trơn làm giảm ma sát trong quá trình cắt Hiệu quả làmnguội càng lớn thì nhiệt cắt càng giảm nhiều

1.2.3 Các chuyển động cơ bản khi phay

Chuyển động cơ bản là các chuyển động để thực hiện quá trình cắt gọt,hình thành các bề mặt chi tiết gia công, bao gồm:

- Chuyển động chính (chuyển động cắt): là chuyển động chủ yếu thựchiện quá trình cắt tạo ra phoi, ký hiệu là V (m/phút) hoặc n (vòng/phút).Chuyển động chính khi phay là chuyển động quay tròn của dao phay đượctruyền dẫn qua trục chính

- Chuyển động chạy dao S là chuyển động để thực hiện quá trình cắttiếp tục và cắt hết chiều dài chi tiết Đó là chuyển động dọc, ngang hoặc thẳngđứng của bàn máy phay có gá phôi Chúng thường vuông góc với trục dao

1.2.4 Các thành phần của lớp bề mặt bị cắt khi phay

Các thông số của yếu tố cắt và chế độ cắt khi phay bao gồm chiều sâulớp cắt to, lượng chạy dao S, vận tốc cắt V, chiều sâu phay t, chiều rộng phay

B, chiều dày cắt a Khi phay các yếu tố này ảnh hưởng đến tuổi bền của dao,chất lượng bề mặt gia công, công suất cắt và năng suất cắt

- Chiều sâu cắt t: Chiều sâu cắt là kích thước lớp kim loại được cắt điứng với một lần chuyển dao, đo theo phương vuông góc với bề mặt gia công(mm)

- Lượng chạy dao S: Được phân làm 3 loại:

- Chiều sâu phay t

Chiều sâu phay là kích thước lớp kim loại được cắt đi, đo theo phươngvuông góc với trục của dao phay ứng với góc tiếp xúc ψ

Khi phay rãnh bằng dao phay ngón thì chiều sâu phay bằng đường kínhdao, khi phay bề mặt vuông góc thì chiều sâu phay bằng chiều sâu cắt to

- Chiều rộng phay B

Chiều rộng phay là kích thước lớp kim loại được cắt theo phương chiềutrục của dao phay

Khi phay bằng dao phay ngón thì chiều rộng phay bằng chiều sâu rãnh,khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu thì chiều rộng phay bằng chiềusâu cắt to (B = to).

- Góc tiếp xúc ψ Là góc ở tâm của dao chắn cung tiếp xúc t giữa dao vàchi tiết

Khi phay bằng dao phay trụ, dao phay ngón, dao phay đĩa và dao phay định hình góc tiếp xúc được tính theo công thức sau:

( 1- 8)

Hình 1 4 Góc tiếp xúc khi phay bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón

Khi phay đối xứng bằng dao phay mặt đầu thì:

(1-9)Khi phay không đối xứng bằng bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón thì:

(1-10)

Hình 1 5 Phay không đối xứng bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón

- Chiều dày cắt a khi phay

Chiều dày cắt khi phay là một trong những yếu tố quan trọng của quátrình phay Chiều dày cắt khi phay là khoảng cách giữa hai vị trí kế tiếp củaquỹ đạo chuyển động của một điểm trên lưỡi cắt ứng với lượng chạy dao răng

Sz Coi gần đúng quỹ đạo chuyển động tương đối của lưỡi cắt là đường tròn,

do đó chiều dày cắt a được đo theo phương đường kính của dao Trong qúatrình phay, chiều dày cắt a biến đổi từ trị số amin đến amax hoặc từ amax đếnamin tuỳ theo phương pháp phay

Hình 1 6 Chiều dày cắt khi phay bằng dao phay ngón, dao phay mặt đầu

Chiều dày cắt tại điểm C: ac = AC

Gần đúng, coi ΔACB vuông tại C, ta có

Công thức tổng quát:

(1-11)

(1-12)Với ψ là góc tiếp xúc tức thời giữa đường vuông góc với mặt gia công

và bán kính tại điểm tiếp xúc của đỉnh răng dao với chi tiết gia công

Do góc ψ thay đổi từ 0 đến ϕ nên aC cũng thay đổi theo ψ

Với ψ = 00 có a = amin = 0

Với ψ = φ có amax = SZ sinφ

Vì chiều dày cắt a thay đổi từ a =0 đến amax = SZ sinφ nên diện tíchcắt và lực cắt cũng bị thay đổi theo

Hình 1 7 Các phương pháp phay

Chiều rộng khi phay

Là kích thước lớp kim loại được cắt đo theo phương chiều trục của dao Khi phay bằng dao phay trụ, chiều rộng phay bằng chiều rộng chi tiết b=

B Khi phay rãnh bằng dao phay đĩa, chiều rộng phay bằng chiều rộng rãnh Khi phay rãnh bằng dao phay ngón, chiều rộng phay bằng chiều sâurãnh

Khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu, chiều rộng phay bằng chiềusâu cắt t

1.3.1.Tính chất cơ học của vật liệu

Vật liệu có độ bền, độ cứng càng cao thì ảnh hưởng không tốt của nóđến quá trình gia công là rất lớn Vì vậy, tính gia công sẽ tỷ lệ nghịch với tínhchất cơ lý của vật liệu gia công

Khi gia công, độ cứng của vật liệu gia công thường được dùng nhưphép đo tương đối để đánh giá tính gia công của vật liệu, vật liệu càng cứngthì tính gia công càng kém Tuy nhiên, thép với thành phần cacbon thấp, hợpkim màu thường có tính dẻo cao và có xu hướng hình thành lẹo dao lại làmgiảm tính gia công của vật liệu Ảnh hưởng của cơ lý tính vật liệu đến tính giacông của vật liệu chế tạo máy là rất lớn, đôi khi nó quyết định đến tính giacông của vật liệu [7]

1.3.2 Quá trình biến dạng và hình thành phoi

Khi cắt, để tạo ra phoi, lực tác dụng từ dao cần phải đủ lớn để tạo ra trong lớp kim loại bicắtmột ứng suất lớn hơn sức bền của vật liệu gia công Hình dạng, độ cứng, mức độ biến dạng và cấu tạo phoi chứng tỏ rằng, lớp kimloại bị cắt thành phoi đã chịu một ứng suất như vậy Việc nghiên cứu quátrình tạo phoi có ý nghĩa rất quan trọng vì trị số của công suất cắt, độ mòn của dao và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rõ rệt vào quá trình tạo phoi [4-7] Đánh giá biến dạng phoi dùng hệ số co giãn phoi:

- Hệ số co giãn phoi theo chiều dọc:

Trong đó: L0 là chiều dài lớp kim loại bị cắt đo trên phôi

Lf là chiều dài thực tế đo của phoi

KL là hệ số co giãn phoi theo chiều dọc

- Hệ số co giãn phoi theo chiều dày:

Trong đó: a là chiều dày lớp kim loại bị cắt đo trên phôi

af là chiều dày thực tế đo của phoi

Ka là hệ số co giãn phoi theo chiều dày

- Hệ số co giãn phoi theo chiều rộng:

Trong đó: b là chiều rộng lớp kim loại bị cắt đo trên phôi

bf là chiều dài thực tế đo của phoi

Kb là hệ số co giãn phoi theo chiều dọc

Hệ số co giãn phoi biểu thị mức độ biến dạng trung bình của phoi Căn

cứ vào hệ số co giãn, có thể tìm ra các quan hệ ảnh hưởng giữa các yếu tố khicắt với quá trình biến dạng khi cắt.[6-7]

1.3.3 Lực cắt

Trong quá trình cắt, dưới tác dụng của dụng cụ cắt, kim loại gia công bịbiến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo Cùng một lúc, khi biến dạng lớp cắt, daochịu tác dụng lên mặt trước và mặt sau các lực tương ứng Đây là một trongnhững chỉ tiêu để đánh giá hiệu quả quá trình gia công từ quan điểm lực cắt

Lực cắt chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố như tốc độ cắt, vật liệu giacông, vật liệu làm dao

Tính gia công phụ thuộc rất nhiều vào lực cắt Lực cắt lớn thì tính giacông sẽ thấp và ngược lại Đánh giá theo quan điểm lực cắt là vật liệu cắt vớilực cắt nhỏ thì tính gia công tốt trong cùng điều kiện: phương pháp giacông, dao, chế độ cắt, điều kiện cắt.[7]

1.3.4.Nhiệt cắt

Nguồn nhiệt phát sinh trong quá trình cắt là do công tiêu hao đểlại như: biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo lớp bị cắt và lớp tiếp xúcgiữa bề mặt đã gia công với dao, hay để khắc phục ma sát trên mặttrước của dao với phoi và mặt sau của dao với phôi

Đánh giá tính gia công theo quan điểm nhiệt cắt là cắt vật liệugia công với nhiệt cắt càng nhỏ thì tính gia công của vật liệu càng tốt,nhiệt cắt là hệ quả của lực cắt Khảo sát ảnh hưởng của tính gia công vậtliệu theo nhiệt cắt cũng như với lực cắt.[7]

1.3.5.1 Cơ bản về mòn dụng cụ cắt

a, Khái niệm

Mòn là hiện tượng phá huỷ bề mặt và sự tách vật liệu từ một hoặc cảhai bề mặt trong chuyển động trượt, lăn hoặc va chạm tương đối với nhau.Eyre và Davis định nghĩa mòn liên quan đến về khối lượng hoặc thể tích, dẫnđến sự thay đổi vượt quá giới hạn cho phép về hình dạng hoặc topography của

bề mặt Nói chung mòn xảy ra do sự tương tác của các nhấp nhô bề mặt.Trong quá trình chuyển động tương đối, đầu tiên vật liệu trên bề mặt tiếp xúc

có thể bị biến dạng do ứng suất ở đỉnh các nhấp nhô vượt quá giới hạn dẻo,nhưng chỉ một phần rất nhỏ hoặc không một chút vật liệu nào tách ra, sau đóvật liệu bị tách ra từ bề mặt dính sang bề mặt đối tiếp hoặc tách ra thànhnhững hạt mài rời

Do áp lực, nhiệt độ và tốc độ cắt, các bề mặt tiếp xúc của dao trong quátrình sử dụng bị mài mòn Tất cả các loại dụng cụ đều bị mài mòn: theo mặtsau (dạng mài mòn thứ nhất) hoặc theo mặt sau và mặt trước (dạng mòn thứhai) Cả hai loại mòn này đều tồn tại khi gia công với mọi chế độ cắt đượcdùng trong sản xuất

b, Các cơ chế mòn của hai bề mặt trượt tương đối

* Mòn do dính

Khi hai bề mặt tiếp xúc với nhau, đỉnh các nhấp nhô sẽ bị biến dạngdẻo dưới tác dụng của ứng suất pháp Khi hai bề mặt chuyển động tương đốivới nhau lớp màng mỏng ôxy hoá và hấp thụ bị phá vỡ và vật liệu ở đỉnh cácnhấp nhô tiếp xúc trực tiếp gây dính

Nếu sức bền dính đủ lớn để cản trở chuyển động trượt tương đối, mộtvùng của vật liệu sẽ bị biến dạng dưới tác dụng của ứng suất nén và tiếp là sựtrượt xảy ra mạnh dọc theo các mặt phẳng trượt tạo thành các mảnh mòn dạng

lá mỏng Nếu biến dạng xảy ra trên diện rộng ở vùng tiếp xúc đôi khi mảnhmòn sinh ra có dạng như hình nêm và dính sang bề mặt đối tiếp.

Loladze và Rabinowicz cho rằng khi hai bề mặt làm từ vật liệu khácnhau trượt tương đối với nhau các mảnh mòn của vật liệu cứng hơn cũng bịtách ra khỏi vùng bề mặt Nguyên nhân do sự dính ngẫu nhiên của vùng bềmặt có sức bền bị giảm cục bộ với vùng bề mặt có sức bền cao cục bộ của vậtliệu mềm Archard đã đưa ra mô hình tính toán mòn dính theo công thức sau:

(1-13)Trong đó: Q là lượng mòn trên một đơn vị chiều dài quãng đườngtrượt [khối lượng/chiều dài]

k - là xác suất của một tiếp xúc tạo ra một hạt mòn

σ là giới hạn bền của vật liệu mềm hơn

bộ phận của một quá trình mòn

* Mòn do hạt mài

Trong nhiều trường hợp mòn bắt đầu do dính tạo nên các hạt mòn ởvùng tiếp xúc chung, các hạt mòn này sau đó bị ôxy hoá biến cứng và tích tụ

cứng sinh ra và đưa vào hệ thống trượt từ môi trường Vật liệu tách khỏi bềmặt thông qua biến dạng dẻo trong quá trình mòn do cào xước có thể xảy ratheo vài chế độ.

Cày là hiện tượng tạo rãnh do hạt mài cứng trượt và gây ra biến dạngdẻo của vật liệu mềm hơn Khi các nhấp nhô của bề mặt cứng và ráp hoặc cáchạt cứng trượt trên bề mặt mềm hơn và phá huỷ bề mặt tiếp xúc chung bằngbiến dạng dẻo hoặc nứt tách, trong trường hợp vật đối tiếp là vật liệu dẻo có

độ dai va đập cao, đỉnh các nhấp nhô cứng hoặc các hạt cứng sẽ gây nên biếndạng dẻo của vật liệu mềm hơn trong cả trường hợp tải nhẹ nhất, trong trườnghợp vật liệu giòn có độ dai va đập thấp mòn xảy ra do nứt tách

Mòn dụng cụ cắt do hạt mài có nguồn gốc từ các tạp chất cứng trongvật liệu gia công như oxides và nitrides hoặc những hạt các bít của vật liệu giacông trong vùng tiếp xúc giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công tạo nêncác vết cào xước trên bề mặt dụng cụ

Hình 1 8 Sơ đồ thể hiện các khả năng tương tác của hạt mài với bề mặt của

vật liệu, vết mòn và mặt cắt ngang của nó.

* Mòn do khuếch tán

Nhiệt độ cao phát triển trong dụng cụ đặc biệt là trên mặt trước khi cắttạo phoi dây là điều kiện thuận lợi cho hiện tượng khuếch tán giữa vật liệu

dụng cụ và vật liệu gia công Colwell đã đưa ra nghiên cứu của Takeyama chorằng có sự tăng đột ngột của tốc độ mòn tại nhiệt độ 9300C khi cắt bằng daohợp kim cứng Điều này liên quan đến một cơ chế mòn khác đó là hiện tượngmòn do khuếch tán, ôxy hoá hoặc sự phân rã hoá học của vật liệu dụng cụ ởcác lớp bề mặt Theo Brierley và Siekman hiện nay mòn do khuếch tán đãđược chấp nhận rộng rãi như một dạng mòn quan trọng ở chế độ cắt cao, họchỉ ra các quan sát của Opitz cho thấy trong cấu trúc tế vi của các lớp dướicủa phoi thép cắt bằng dao hợp kim cứng chứa nhiều các bon hơn so với phôi.

Điều đó chứng tỏ rằng các bon từ các bít volfram đã hợp kim hoá hoặckhuếch tán vào phoi làm tăng thành phần các bon của các lớp này

Min và Youzhen đã phát hiện hiện tượng khuếch tán khi phay hợp kimtitan bằng dao phay gắn mảnh hợp kim cứng ở vận tốc cắt 200m/phút Họ đãquan sát một lớp giàu các bon dọc theo mặt tiếp xúc giữa bề mặt dụng cụ vàvật liệu gia công, dưới bề mặt dụng cụ xuất hiện một lớp thiếu các bon

* Mòn do ôxy hoá

Dưới tác dụng của tải trọng nhỏ, các vết mòn kim loại trông nhẵn vàsáng Mòn xảy ra với tốc độ thấp và các hạt mòn ôxits nhỏ được hình thành.Bản chất của cơ chế mòn này là sự bong ra của các lớp ôxy hoá khi đỉnh cácnhấp nhô trượt lên nhau Sau khi lớp ôxy hoá bị bong ra thì lớp khác lại đượchình thành theo một quá trình kế tiếp nhau liên tục Tuy nhiên theo Hallinglớp màng ôxits và các sản phẩm của tương tác hoá học với môi trường trên bềmặt tiếp xúc có khả năng ngăn ngừa hiện tượng dính của đỉnh các nhấp nhô

Khi đôi ma sát trượt làm việc trong môi trường chân không thì mòn dodính xảy ra mạnh do lớp màng ôxits không thể hình thành được

1.3.5.2 Ảnh hưởng của mòn dụng cụ cắt tới tính gia công của vật liệu

Trong quá trinh cắt, phoi trượt trên mặt trước và chi tiết chuyển độngtiếp xúc với mặt sau của dao gây lên hiện tượng mòn ở phần cắt dụng cụ Mài

các bề mặt tiếp xúc phoi và chi tiết với dụng cụ gia công Khi mài mòn, dạng

và thông số hình học của phần cắt dụng cụ cắt thay đổi gây nên các hiệntượng vật lý sinh ra trong quá trình cắt (nhiệ tcắt,lực cắt ) và ảnh hưởngxấu đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công Trong quá trình cắt, áp lực lên

bề mặt tiếp xúc lớn hơn rất nhiều sovới áplực làm việc của chi tiết máy vàdụng cụ bị mài mòn theo nhiều dạng khác nhau như mòn theo mặt sau, mòntheo mặt trước [7]

Đánh giá tính gia công của vật liệu theo quan điểm độ mòn và tuổi bềncủa dụng cụ cắt có nghĩa là xem xét ảnh hưởng của vật liệu gia công tớimòn và tuổi bền của dụng cụ cắt.Vật liệu khi cắt cho tuổi bền của daothấp thì tính gia công thấp và ngược lại.[7]

1.3.6 Chất lượng bề mặt gia công

Chất lượng bề mặt (CLBM) gia công như một tiêu chí đánh giá tính giacông của vật liệu Chất lượng bề mặt càng tốt thì vật liệu càng dễ gia công.Trong thực tế, chất lượng bề mặt của chi tiết máy có ý nghĩa quan trọng

để dảm bảo tuổi thọ của chúng CLBM chi tiết máy ảnh hưởng trực tiếp đếntính chất ma sát trong vùng làm việc; đến khá năng chống mài mòn cơ học;chống ăn mòn hóa, CLBM còn ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu tải trọng

va đập, đến độ bền mỏi, của chi tiết máy Chất lượng bề mặt chi tiết giacông chịu ảnh hưởng rất lớn bởi phương pháp, qúa trình và chế độ công nghệgia công

Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt bao gồm:

+ Độ nhám bề mặt hay còn gọi là độ nhấp nhô tế vi

+ Độ sóng bề mặt

+ Độ cứng tế vi hay cấu trúc tế vi lớp bề mặt

+ Ứng suất dư bề mặt

Đánh giá tính gia công theo chất lượng bề mặt thường được sử dụngkhi gia công tinh [7]

Mặt cắt ngang cấu trúc bề mặt chi tiết được tạo thành bởi quá trình giacông cho ở (hình 1.9)

Hình 1 9 Cấu trúc tế vi lớp bề mặt gia công

Chất lượng bề mặt được cấu thành bởi tính chất hình học tế vi lớp bềmăt (cấu trúc bề mặt -Surface texture), tính chất cơ lý lớp bề mặt gồm lớp

hư hỏng bề mặt (Surface integrity) và thay đổi cấu trúc tế vi (Microstructuraltransformations) Cấu trúc lớp bề mặt và tính chất cơ lý lớp bề mặt phảiđược đảm bảo và kiểm soát được trong suốt quá trình gia công

Trong quá trình cắt, lưỡi cắt của dụng cụ cắt tác động vào bề mặt giacông tạo thành phoi đồng thời hình thành những vết xước cực nhỏ trên bềmặt gia công gọi là độ nhám bề mặt

Độ nhám bề mặt (độ nhấp nhô tê vi) là tập hợp tất cả những bề mặtlồi, lõm với bước cực nhỏ và được quan sát trên một khoảng ngắn tiêu chuẩn

1.3.6.1 Cấu trúc bề mặt (Surface texture)

Cấu trúc bề mặt liên quan đến những yếu tố về hình học đến bề mặt giacông Cấu trúc bề mặt gồm Profin bề mặt (nhám bề mặt; sóng bề mặt) vàcác lỗi hình dáng trên bề mặt như vết gia công (Lay), các vết nứt, vết càoxước,v.v như hình 1.10

+ Nhám bề mặt (Surface roughness): tập hợp các mập mô bề mặt quansát trong khoảng ngắn tiêu chuẩn (theo TCVN TCVN 5120 : 2007:Profin độ nhám (roughness profile)là Profile thu đƣợc từ profin ban đầubằng cách loại bỏ thành phần sóng dài thông qua sử dụng bộ lọc profin λc) + Sóng bề mặt (Waviness): Độ không bằng phẳng của bề mặt quan sáttrong khoảng lớn tiêu chuẩn (theo TCVN TCVN 5120 : 2007: Profin độsóng (waviness profile) là Profin thu được bằng các ứng dụng tiếp sau của bộlọc profin λf và bộ lọc profin λc đối với profin ban đầu, bằng cách loại bỏthành phần sóng dài nhờ bộ lọc profin λf và loại bỏ thành phần sóng ngắnnhờ bộ lọc profin (λc).

- Các lỗi hình dáng: các vết gia công (Lay); vết nứt, khuyết tật (Flaws);vết chầy xước (cracks),v.v

Hình 1 10 Nhám bề mặt, sóng bề mặt và các vết nứt vết gia công trên bề mặt

b Tiêu chuẩn Quốc gia về nhám bề mặt

Tiêu chuẩn Quốc gia đặc tính hình học của sản phẩm – Nhám

bề mặt: các thuật ngữ, định nghĩa và các thông số nhám bề mặt đượcquy định trong TCVN 5120 : 2007 (ISO 4287 : 1999); phương pháp Profinquy định trong TCVN 2511: 2007 (ISO 12085 : 1996); cách ghi nhám bề mặttrên tài liệu kỹ thuật của sản phẩm quy định trong TCVN 5707 : 2007 (ISO

1302 : 22002)

Hai thông số thường dùng để đánh giá nhám bề mặt gồm:

- Sai lệch trung bình cộng của profin được đánh giá Ra (Hình 1.11) Ra

được xác định theo công thức: (1.14)

Lm là chiều dài đo nhám, được quy định theo tiêu chuẩn quốc tế

Thực tế nhám là đại lượng không liên tục, phép tính tích phân (2.1)được thay bằng phép cộng số để tính Ra:

(1.15)

- n là chỉ số nhấp nhô có giá trị đo yi

Đơn vị đo chiều cao nhấp nhô là m hoặc -in do kích thước nhấp nhôthường rất bé Khi đo nhám theo Ra, quy định đo ngắt đoạn (Cutoff length)trên khoảng 1:5 chiều dài chuẩn để kết quả đo không bị ảnh hưởng bởi cácđỉnh lượn sóng trên bề mặt

Theo TCVN 2511-1995 quy định, nhám bề mặt có14 cấp độ (bảng 1.1).Chất lượng bề mặt ở cấp độ “thô” và “siêu tinh”, đánh giá nhám theo chỉ sốRz; ở cấp độ tinh và bán tinh, đánh giá nhám bề mặt theo chỉ số Ra

Dụng cụ đo bề mặt hoạt động dựa trên nguyên lý chức năng cơ họcthường được gọi là dụng cụ đầu dò (stylus instruments) Phương pháp đo cơ

học được phân thành phương pháp quét và phương pháp cảm biến Đốivới phương pháp quét (scanning), một đầu dò tiếp xúc được hạ xuống bề mặtkiểm tra với tần số xác định.

Hướng bề mặt dưới mũi kim với tốc độ cấp liệu (tốc độ đưa vào) khôngđổi Đường tiếp xúc của đầu dò có thể nhận biết được một cách cơ học,quang học, điện hoặc điện tử Có thể nâng đầu dò tiếp xúc lên một mức cốđịnh (nguyên lý WOXEN) hoặc có thể nâng lên một lượng xác định từđiểm tác động bề mặt tương ứng (quá trình tiếp xúc phân tốc/ vi sai-differential tactile procedure) (Hình 1.12)

Hình 1 12 Đo nhám bằng phương pháp cơ học

Hình 1 13 Đo nhám trên các bề mặt khác nhau

Trong quá trình tiếp xúc phân tốc, vi sai, năng lượng tác động của đầu

dò tiếp xúc thấp hơn sơ với nguyên lý WOXEN và cho thấy độ phân tán biên

Do đó, độ sâu cắt của kim là không đổi, độ chính xác đo cao hơn sovới phương pháp WOXEN Trong trường hợp thiết bị hoạt động theo

và hạ xuống phù hợp với mặt cạnh.

Chuyển động nâng chỉ ra tương ứng đối với điểm đối chiếutrong thiết bị hoặc tương ứng với mức đối chiếu Lúc này, bộ chuyển đối cơhọc, điện, quang học và điện tử được sử dụng

Phương pháp cảm biến cạnh được sử dụng rất nhiều Độc lập với kiểudáng thiết kế đầu dò được sử dụng, ba thiết kế hệ thống được phân biệt (Hình1.13) Mặt phẳng hệ thống đối chiếu/ hệ thống tham chiếu Trong hệ thốngnày, bộ phận quét được hướng trên mặt phẳng đối chiếu (mặt phẳng/ bào, cọc/hình trụ) tương ứng với mặt phẳng hình học lý tưởng của mẫu thử nghiệm vàhướng dọc theo mặt phẳng đo Ngoài các lỗi do hình dạnh thước cặp, hệ thốngquét này cho giá trị đáng tin cậy của độ nhám và độ lượn sóng của mẫu thửnghiệm Tuy nhiên, khi đo bề mặt rất nhỏ hoặc rất rộng, thao tác hệ thốngquét này dễ sai số Một phương pháp thay thế là hệ thống tiếp xúc bề mặtđối chiếu Tại đây, phôi di chuyển theo chiều ngang trên bàn máy định hướngchính xác dưới hệ thống quét được cố định chắc chắn Bên cạnh độ nhám, cóthể xác định cấu trúc vĩ mô của bề mặt ở những khoảng nhất định

1.3.7 Độ chính xác gia công

Độ chính xác gia công là mức độ đạt được khi gia công các chitiết thực so với độ chính xác thiết kế đề ra Trong thực tế, độ chính xácgia công thường được biểu hiện bằng sai lệch về kích thước và sai lệch

về hình dáng Sai lệch gia công càng lớn tức là độ chính xác gia côngcàng kém Trong quá trình gia công bằng bất kì phương pháp nào đềuphải dựa vào hình dáng và kích thước đã thiết kế Trong thực tế, khó cóthể đạt được yêu cầu lý tưởng Hình dáng kích thước thực so với yêucầu thiết kế có những sai lệch nhất định, dovậy người ta đánh giá tínhgia công trên quan điểm độ chính xác gia công thông qua sai số của quátrình gia công.[7]