Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy khi gia công trên máy phay CNC

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy khi gia công trên máy phay CNC Trình bày tổng quan các đề tài đã thực hiện. Chất lượng bề mặt chi tiết máy. Cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm. Kết quả thực nghiệm và xử lý kết quả. Tác giả đưa ra kết luận và kiến nghị.

luận văn thạc sĩ khoa học

ngành : công nghệ cơ khí

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy khi gia công trên máy phay CNC

phan công trình

hà nội 2006

Mở đầu2

Trong một nền kinh tế phát triển thì gia công cơ khí đóng một vai trò hết sức quan trọng, vì gia công cơ khí sẽ tạo ra máy móc cho các ngành, nghề khác Chúng ta đang hòa nhập mạnh mẽ với nền kinh tế thế giới, do đó việc gia công

đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế và đảm bảo tính cạnh tranh trên thị trường là một

đòi hỏi tất yếu đặt ra cho các nhà công nghệ Việc chọn máy móc và chế độ gia công hợp lý là một trong những yếu tố quan trọng nhất để đảm bảo chất lượng và giá thành của sản phẩm

Trong những năm trở lại đây ở Việt Nam có xu hướng sử dụng máy gia công CNC để nâng cao chất lượng và giảm giá thành sản phẩm Thực tế cho thấy

là chất lượng đã được nâng cao, áp lực công việc của người thợ giảm, nhưng giá thành chưa giảm, thậm chí chi phí gia công còn cao hơn nhiều so với máy vạn năng Có rất nhiều nguyên nhân của sự tăng chi phí đó, nhưng nguyên nhân chính là các nhà công nghệ chưa chọn được chế độ cắt tối ưu cho nhóm máy này

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

Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng

bề mặt chi tiết máy khi gia công trên máy phay CNC” chỉ là một nhánh rất nhỏ trong công việc nặng nề trên Đây chỉ là một trong loạt đề tài nghiên cứu ứng dụng về việc sử dụng hiệu quả máy CNC Tuy nhiên, theo chúng tôi thì đây là vấn đề cơ bản nhất, bởi chất lượng bề mặt là yêu cầu vô cùng qua trọng của chi tiết gia công Từ mối qua hệ giữa chất lượng bề mặt với các thông số công nghệ thì người làm công nghệ có thể chọn chế độ cắt tối đa của máy và dao mà vẫn

đảm bảo chất lượng, từ đó có thể tăng năng suất (khai thác tối đa năng suất của máy), giảm giá thành sản phẩm

Thực hiện đề tài này là cơ hội rất quý báu để tôi được tiếp xúc với các thiết

bị công nghệ cao, được tìm hiểu những vấu đề của thực tiễn sản xuất, kiểm chứng những vấn đề lý thuyết, từ đó tích lũy thêm kinh nghiệm thực tế cho công việc giảng dạy của mình Để hoàn thành được đề tài này, tôi đã có nhiều sự giúp đỡ quý báu

Trước tiên tôi xin cảm ơn cán bộ hướng dẫn GS.TS Nguyễn Đắc Lộc – người đã dìu dắt, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài, tôi cũng xin cảm ơn Trung tâm Đào tạo sau đại học, Khoa Cơ khí, Bộ môn Công nghệ chế tạo máy – Trường đại học Bách khoa Hà Nội

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp tại Khoa Cơ khí, Trung tâm công nghệ cao, Xưởng thực hành cắt gọt, Phòng đo – Trường đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Hưng Yên, tháng 10 năm 2006

Phan Công Trình

Các ký hiệu sử dụng trong luận văn

nguyên

RR a - Sai lệch số học trung bình của prôfin àm

RR z - Chiều cao mấp mô theo 10 điểm của prôfin àm

RR max - Chiều cao lớn nhất của prôfin àm

SR i - Bước trung bình của mấp mô theo đỉnh àm

SR mi - Bước trung bình của mấp mô theo prôfin àm

yR pmi - Chiều cao đỉnh thứ i trong 5 đỉnh cao nhất àm

yR vmi - Chiều cao đỉnh thứ i trong 5 đỉnh thấp nhất àm

n - Số điểm chia, số thực nghiệm -

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

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

S - Bước tiến dao mm/vòng

hR min - Chiều dày phoi nhỏ nhất mm

ϕ - Góc nghiêng chính của dao Độ (P

0 P

)

ϕR 1 - Góc nghiêng phụ của dao Độ (P

0 P

)

0 P

)

0 P

)

λ - Góc nâng của lưỡi cắt chính Độ (P

0 P

)

0 P

)

0 P

φ(t) - Giá trị của phân phối chuẩn -

α - Sai số của pháp thử, hệ số phụ thuộc vật liệu -

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

yR jk - Kết quả thực nghiệm đo được tại lần đo thứ j, -

của thông số đo k j

Y - Giá trị trung bình của yR jk R, k = 1 : k - 2

j

S - Phương sai của dãy số yR jk R, k = 1 : k -

K - Số thí nghiệm song song được thực hiện trong cùng một điều kiện

2 - Phương sai của phân phối chuẩn -

bR j - Tham số của đa thức thực nghiệm Trebusep, j =

1 : nR 0

-

ωR k - Tỷ trọng đã biết của các quan trắc -

nR 0 - Bậc của đa thức thực nghiệm -

Chương 1

Tổng quan các đề tài đà thực hiện

Trong những năm trở lại đây ở Việt Nam có xu hướng sử dụng máy CNC ngày càng nhiều, nên các đề tài nghiên cứu về máy CNC là khá lớn trong các đề tài nghiên cứu khoa học, luận án tiến sỹ, luận văn thạc sỹ… Trong đó các đề tài nghiên cứu ứng dụng nhằm khai thác có hiệu quả máy CNC chiếm một tỷ lệ khá lớn, có thể kể là : Nguyễn Trọng Bình, Hoàng Việt Hồng, ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhấp nhô tế vi bề mặt khi phay bằng dao phay mặt đầu trên máy phay CNC, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 60 (5/2002) ; ảnh hưởng của chế độ cắt đến lượng mòn dao khi phay bằng dao phay mặt đầu trên máy phay CNC, Tạp chí Cơ

khí Việt Nam, Số 61 (6/2002) ; Nguyễn Ngọc ánh, Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy khi gia công trên máy phay CNC, Luận văn cao học, ĐHBKHN (2002) ; Nguyễn Đình Thân, Nghiên cứu độ mòn dao tiện khi gia công vật liệu cơ tính dẻo cao, Luận văn cao học,

ĐHBKHN (2003) ; Vũ Đình Thơm, Tính toán bù bán kính mũi dao khi lập chương trình NC cho máy tiện CNC, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 76 (7/2003) ;

Lê Văn Toản, Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi mài phẳng tới độ nhám bề mặt trên một số vật liệu có tính dẻo cao, Luận văn cao học,

ĐHBKHN (2005) ; Trần Xuân Việt, Phạm Văn Bổng, Khảo sát thực nghiệm về

ảnh hưởng của các thông số công nghệ V, T, S đến lực cắt trên máy tiện CNC,

Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 105 (12/2005)…

Trong nhóm đề tài trên có hai đề tài trực tiếp nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt, điều đó chứng tỏ việc nghiên cứu ảnh

hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy là rất quan trọng

Trong đề tài của mình tác giả Nguyễn Ngọc ánh đã có 20 thực nghiệm để tìm ra quan hệ giữa độ nhám bề mặt với chế độ cắt đối với thép khuôn mẫu JIS S55C Tuy nhiên quan hệ đó được xác định trên cơ sở thay đổi chế độ cắt ở các mức khác nhau nhưng không thay đổi theo cách hoán vị các thông số của chế độ cắt, điều đó làm cho kết quả thu được chưa thật sự chính xác

Trong bài báo ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhấp nhô tế vi bề mặt khi phay bằng dao phay mặt đầu trên máy phay CNC, các tác giả đã tiến hành 20 thí

nghiệm và đã đưa ra được công thức quan hệ giữa độ nhám với các thông số của chế độ cắt Tuy nhiên theo tôi thì các thí nghiệm đó được thực hiện với chế độ cắt thay đổi ít và không mang tính hoán vị nên kết quả nhận được chưa phản ánh hết

ảnh hưởng tương quan của các thông số chế độ cắt với nhau

Chương 2

Chất lượng bề mặt chi tiết máy

Chất lượng bề mặt là một chỉ tiêu trong chất lượng chế tạo chi tiết, nó có

ảnh hưởng rất lớn đến khả năng làm việc của chi tiết máy Chất lượng gồm chất lượng bản thân chi tiết và chất lượng của các chi tiết lắp ghép với nhau

2.1 Các yếu tố đặc trưng của chất lượng bề mặt

2.1.1 Chất lượng hình học của bề mặt gia công

Bề mặt sau khi gia công không bằng phẳng một cách lý tưởng mà có những mấp mô Những mấp mô này là do qúa trình biến dạng dẻo của bề mặt chi tiết khi gia công cắt gọt, và là vết lưỡi cắt để lại trên bề mặt gia công, là ảnh hưởng của chấn động khi cắt và nhiều nguyên nhân khác

Không phải tất cả các mấp mô trên bề mặt đều là nhám bề mặt, mà nó là tập hợp những mấp mô có bước tương đối nhỏ và được xét trong giới hạn dài chuẩn, l (hình 2.1)

- Những mấp mô có tỷ số giữa bước mấp mô (p) và chiều dài mấp mô (h) bé hơn hoặc bằng 50 (p/h<=50) thì thuộc về nhám bề mặt

- Những mấp mô mà (50<p/h<=1000) thuộc về sóng bề mặt

h3 : Độ nhám bề mặt

Hình 2.2 – Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt

- Những mấp mô mà (1000<p/h) thuộc về sai lệch hình dạng

- Nhám bề mặt là một thông số hình học có ảnh hưởng lớn đến chất lượng sử dụng của chi tiết máy

1 Độ nhấp nhô tế vi : Theo tiêu chuẩn TCVN2511-95, để đánh giá độ nhám

người ta sử dụng hai chỉ tiêu :

- Sai lệch số học trung bình của prôfin, RR a R : là trị số số học trung bình của các giá trị tuyệt đối của sai lệch prôfin trong giới hạn chiều dài chuẩn Sai lệch prôfin

là khoảng cách từ các điểm trên prôfin thực đến đường trung bình, đo theo phương pháp tuyến với đường trung bình Đường trung bình của (m) là đường chia prôfin theo hai phần có có diện tích giới hạn (phần gạch đứng) bằng nhau

- Chiều cao mấp mô prôfin theo 10 điểm, RR Z R : là trị số trung bình của tổng các giá trị tuyệt đối của chiều cao 5 đỉnh cao nhất và chiều sâu 5 đáy thấp nhất của prôfin trong giới hạn chiều dài chuẩn RR z R được sử dụng khi độ nhám quá lớn hoặc quá nhỏ

i 1 i 1 z

Ngoài hai chỉ tiêu quan trọng là RR z R và RR a R, Tiêu chuẩn còn đưa ra chỉ tiêu

RR max R (là chiều cao nhấp nhô lớn nhất trong chiều dài xét) để đánh giá các bề mặt làm việc quan trọng

2 Độ sóng

Độ sóng bề mặt là chu kỳ không bằng phẳng của bề mặt chi tiết máy được quan sát trong phạm vi lớn hơn độ nhám bề mặt (từ 1 đến 10 mm) Độ sóng bề mặt thường xuất hiện khi gia công có rung động của hệ thống công nghệ, quá trình cắt không liên tục, dụng cụ cắt bị đảo Thông thường độ sóng xuất hiện khi gia công chi tiết có kích thước lớn và trung bình bằng các phương pháp tiện, phay và mài

2.1.2 Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia công

Tính chất cơ lý được biểu thị bằng độ cứng bề mặt, sự biến đổi cấu trúc tinh thể lớp bề mặt, chiều sâu lớp biến cứng bề mặt

1 Hiện tượng biến cứng lớp bề mặt

Trong quá trình gia công dưới tác dụng của lực cắt làm xô lệch mạng tinh thể của kim loại lớp bề mặt, gây biến dạng dẻo ở vùng trước và sau lưỡi cắt Phoi kim loại được tạo ra do biến dạng dẻo của các hạt kim loại trong vùng trượt Giữa các hạt tinh thể kim loại xuất hiện ứng suất Thể tích riêng và mật độ kim loại giảm ở vùng cắt Giới hạn bền, độ cứng, độ giòn của lớp bề mặt được nâng cao

Đồng thời tính dẫn từ của lớp bề mặt cũng thay đổi Nhiều tính chất khác của lớp

bề mặt cũng thay đổi Kết quả tổng hợp là lớp bề mặt bị cứng nguội, chắc lại và

có độ cứng tế vi cao

Mức độ biến cứng, chiều sâu lớp biến cứng phụ thuộc vào tác dụng của lực cắt, mức độ biến dạng dẻo của kim loại và ảnh hưởng nhiệt trong vùng cắt Lực cắt tăng làm tăng mức độ biến dạng dẻo làm tăng mức độ biến cứng và chiều sâu lớp biến cứng của bề mặt Nhiệt cắt hạn chế hiện tượng biến cứng bề mặt Như vậy mức độ biến cứng của lớp bề mặt phụ thuộc vào tỷ lệ tác động của hai yếu tố lực cắt và nhiệt sinh ra trong vùng cắt

2 ứng suất dư trong lớp bề mặt

Khi gia công trong lớp bề mặt chi tiết xuất hiện ứng suất dư Trị số, dấu và chiều sâu phân bố của ứng suất dư trong lớp bề mặt phụ thuộc vào điều kiện gia công cụ thể Các nguyên nhân chính gây ra ứng suất dư trong lớp bề mặt gia công bao gồm :

- Khi cắt một lớp mỏng vật liệu trường lực gây ra biến dạng dẻo không đều ở từng khu vực trong lớp bề mặt Khi trường lực mất đi, biến dạng dẻo gây ra ứng suất dư trong lớp bề mặt

- Biến dạng dẻo khi cắt làm chắc lớp kim loại bề mặt, làm tăng thể tích lớp kim loại mỏng ở ngoài cùng Lớp kim loại bên trong do không biến dạng dẻo nên vẫn giữ được thể tích bình thường Lớp kim loại bên ngoài có xu hướng tăng thể tích nhưng không tăng được nên gây ra ứng suất nén, để cân bằng lớp bên trong gây ra ứng suất kéo

- Nhiệt sinh ra tại vùng cắt nung nóng cục bộ lớp bề mặt, làm giảm môđun

đàn hồi của vật liệu Sau khi cắt lớp bề mặt nguội nhanh, co lại gây ra ứng suất dư kéo, để cân bằng lớp trong gây ra ứng suất dư nén

- Kim loại chuyển pha và nhiệt cắt làm thay đổi cấu trúc lớp kim loại bề mặt, dẫn đến sự thay đổi về thể tích của kim loại Lớp kim loại nào hình thành cấu trúc có thể tích riêng lớn sẽ sinh ra ứng suất dư nén ; lớp kim loại nào hình thành cấu trúc có thể tích riêng nhỏ sẽ sinh ra ứng suất dư kéo

2.2 ảnh hưởng của chất lượng bề mặt tới khả năng làm việc của chi tiết máy

Chất lượng bề mặt có ảnh hưởng nhiều đến khả năng làm việc của chi tiết máy,

đến tính chất của mối ghép Sau đây phân tích ảnh hưởng của từng yếu tố chất lượng

bề mặt đến tính chống mài mòn, tính chống ăn mòn, độ bền mỏi và tính chất của mối ghép

2.2.1 ảnh hưởng tới tính chống mòn

1 ảnh hưởng của độ nhám bề mặt

Do bề mặt hai chi tiết tiếp xúc với nhau có nhấp nhô tế vi nên ở giai đoạn

đầu hai bề mặt này chỉ tiếp xúc với nhau trên một số đỉnh nhấp nhô cao, diện tích tiếp xúc chỉ bằng một phần diện tích tính toán nên tại các đỉnh tiếp xúc có áp suất rất lớn, thường vượt quá giới hạn chảy, có khi vượt cả giới hạn bền của vật liệu, làm cho các điểm tiếp xúc bị nén đàn hồi và biến dạng dẻo các nhấp nhô, đó là biến dạng tiếp xúc Được xác định theo công thức kinh nghiệm sau [8] :

∆ = C.pP

x P

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

p - áp suất tại chỗ tiếp xúc

Phân tích mòn của một cặp ma sát có 3 giai đoạn (hình 2.3) :

Giai đoạn mòn ban đầu : Khi hai bề mặt mới tiếp xúc nếu có chuyển động tương đối với nhau sẽ xẩy ra hiện tượng trượt dẻo ở các đỉnh nhấp nhô làm cho các đỉnh nhấp nhô mòn nhanh Trong điều kiện làm việc nhẹ, mòn ban đầu có thể làm chiều cao nhấp nhô giảm 60 – 75% [8] Mòn ban đầu ứng với thời gian chạy rà ở giai đoạn này hình dạng nhấp nhô và chiều cao vết gia công cũng thay

đổi Giai đoạn này ứng với đoạn dốc lớn (trước thời điểm t) ở hình 2.3

Hình 2.3 – Các giai doạn mài mòn của một cặp ma sát

Giai đoạn mòn bình thường : Sau giai đoạn mòn ban đầu quá trình mòn trở nên bình thường và chậm vì diện tích tiếp xúc thực đã tăng lên và áp suất tiếp xúc giảm đi Đây chính là giai đoạn làm việc thật của chi tiết Giai đoạn này tương ứng với đoạn dốc nhỏ (từ t đến T) ở hình 2.3

Giai đoạn mòn khốc liệt : Khi đó bề mặt tiếp xúc bị tróc ra, cấu trúc bề mặt chi tiết bị phá hỏng Đây là giai đoạn nguy hiểm, thường xuất hiện hỏng ngẫu nhiên, không nên sử dụng chi tiết ở giai đoạn này Giai đoạn này tương ứng với thời điểm sau T (hình 2.3)

0 Ra1 Ra2 Ra

21

Hình 2.5 - Quan hệ giữa lượng mòn ban đầu và Ra

1 - Điều kiện làm việc nhẹ

2 - Điều kiện làm việc nặng

Từ hình 2.4 ta có thể kết luận là bề mặt có độ nhám nhỏ thì tốc độ mòn càng thấp, lượng mòn ban đầu nhỏ dẫn đến tuổi thọ cao (RR a1 R < RR a2 R < RR a3 R ⇒ TR 1 R > TR 2 R >

TR 3 R) Như vậy việc gia công đạt độ nhám tối ưu là một yêu cầu cần thiết

Hình 2.5 [8] là sơ đồ quan hệ giữa độ mòn ban đầu (U) và trị số của sai lệch prôfin trung bình (RR a R) tùy theo điều kiện làm việc nặng hay nhẹ Lượng mòn ban

đầu ít nhất ứng với giá trị của RR a R tại các điểm RR a1 R, RR a2 R Đó là giá trị tối ưu của RR a R Nếu giá trị Ra nhỏ hơn giá trị tối ưu thì sẽ bị mòn kịch liệt do các phần tử kim

loại dễ bị khuếch tán, còn nếu RR a R lớn hơn giá trị tối ưu thì lượng mòn sẽ tăng lên

do các nhấp nhô bề mặt bị phá vỡ và cắt đứt

2 ảnh hưởng của lớp biến cứng bề mặt

Lớp biến cứng bề mặt có tác dụng nâng cao tính chống mòn vì nó hạn chế biến dạng dẻo toàn phần của chi tiết qua đó hạn chế hiện tượng chảy và mài mòn kim loại Biến cứng bề mặt làm hạn chế tác động tương hỗ giữa các phần tử và các tác động tương hỗ cơ học ở bề mặt tiếp xúc, nghĩa là hạn chế sự khuếch tán

ôxy trong không khí vào bề mặt chi tiết máy để tạo thành ôxyt kim loại gây ra ăn mòn ở bề mặt kim loại

3 ảnh hưởng của ứng suất dư bề mặt

ứng suất dư lớp bề mặt của chi tiết máy nói chung không ảnh hưởng đáng

kể đến tính chống mòn nếu chi tiết làm việc ở điều kiện ma sát bình thường Còn ứng suất dư bên trong, xét trên toàn bộ diện tích chi tiết máy, có thể ảnh hưởng

đến tính chất và cường độ mòn của chi tiết máy

2.2.2 ảnh hưởng đến tính ăn mòn hoá học của lớp bề mặt chi tiết

1 ảnh hưởng của độ nhám bề mặt

Các chỗ lõm do nhấp nhô tế vi tạo ra là nơi chứa các chất ăn mòn như axit, muối… Các tạp chất này có tính chất ăn mòn đối với kim loại Quá ttrình ăn mòn hóa học trên lớp bề mặt chi tiết làm các mấp mô mới hình thành Quá trình này ở lớp bề mặt xẩy ra dọc theo sườn dốc của các mấp mô tế vi, theo chiều từ đỉnh xuống đáy các mấp mô, làm cho các mấp mô cũ mất đi và hình thành các mấp mô mới (Hình 2.6)

Như vậy chiều cao nhấp nhô càng thấp (độ nhám thấp) thì càng ít bị ăn mòn, bán kính đáy các mấp mô càng lớn thì khả năng chống ăn mòn càng cao Có thể chống ăn mòn bằng cách phủ lên lớp bề mặt chi tiết một lớp bảo vệ bằng phương

pháp mạ (mạ crôm, mạ niken) hoặc bằng phương pháp cơ khí làm chắc lớp bề mặt

2 ảnh hưởng của lớp biến cứng bề mặt

Biến dạng dẻo và biến cứng bề mặt kim loại có mức độ khác nhau, tùy theo hướng các hạt tinh thể kim loại và thành phần cấu tạo của chúng Hạt ferit biến dạng nhiều hơn hạt peclit Điều đó làm cho năng lượng nâng cao không đều và thế năng điện tích thay đổi khác nhau Các hạt ferit biến cứng nhiều hơn sẽ trở nên anôt Các hạt peclit biến cứng ít hơn sẽ trở thành các catôt Đồng thời các mạng lưới nguyên tử bị lệch với mức độ khác nhau trong các hạt tinh thể

Kết quả của sự biến dạng dẻo tạo nên sự không đồng nhất tế vi của kim loại nhiều tinh thể, trong đó sinh ra nhiều phần tử ăn mòn, nhất là ở mặt phẳng trượt, gây ra hiện tượng hấp thụ mạnh, tăng cường quá trình ăn mòn và khuếch tán ở lớp bề mặt Bề mặt chi tiết máy qua quá trình gia công cơ sẽ bị biến cứng, độ nhám bề mặt bị thay đổi làm cho tính chống ăn mòn hóa học của kim loại cũng

bị thay đổi Sau khi tiện, tốc độ ăn mòn thép trong axit sufuric loãng có thể nhanh gấp 12,5 lần so với sau khi đánh bóng [8], vì độ nhám bề mặt sau khi đánh bóng thấp hơn sau khi tiện

Nhấp nhô mớiNhấp nhô cũ

Hình 2.6 - Qúa trình ăn mòn hoá học trên lớp bề mặt chi tiết máy

Độ nhám bề mặt có ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy, nhất là khi

nó chịu tải trọng chu kỳ có đổi dấu, vì ở đáy các nhấp nhô có ứng suất tập trung lớn, có khi vượt quá giới hạn mỏi của vật liệu ứng suất tập trung này sẽ gây ra các vết nứt tế vi ở đáy các mấp mô, đó là nguồn gốc phá hỏng chi tiết máy

Với thép 45 khi đạt RR Z R = 75 àm thì σR -1 R = 195 MN/mP

2 P

(195 N/mmP

2 P

)

còn RR Z R = 2 àm thì σR -1 R = 282 MN/mP

2 P

(282 N/mmP

2 P

) [8]

Nghĩa là trường hợp độ nhám bề mặt thấp thì giới hạn bền mỏi của vật liệu cao

Mặt khác, độ bền của chi tiết máy cũng sẽ tăng khi chi tiết chịu tải trọng va

đập, nếu độ nhám bề mặt thấp Đối với tháp CT5 nếu giảm độ nhám bề mặt từ RR Z R

= 100 àm xuống RR Z R = 0,1 àm thì độ bền chịu va đập có thể tăng 17% [8]

2 ảnh hưởng của lớp biến cứng bề mặt

Bề mặt bị biến cứng có thể tăng độ bền mỏi khoảng 20% Chiều sâu và mức

độ biến cứng của lớp bề mặt đều có ảnh hường đến độ bền mỏi của chi tiết máy, vì nó hạn chế khả năng gây ra các vết nứt tế vi làm phá hỏng chi tiết, nhất là khi

bề mặt chi tiết có ứng suất dư nén

3 ảnh hưởng của ứng suất dư

ứng suất dư nén trên lớp bề mặt có tác dụng làm tăng độ bền mỏi của chi tiết, còn ứng suất dư kéo thì ngược lại ảnh hưởng của ứng suất dư bề mặt đối với

độ bền mỏi của chi tiết có thể xác định bằng công thức 2.4 [8]

σR -1b R = σR -1a R - ασR d R (2.4)

2.2.4 ảnh hưởng đến độ chính xác các mối lắp ghép

Độ chính xác các mối lắp ghép trong kết cấu cơ khí phụ thuộc chất lượng các bề mặt lắp ghép Độ bền các mối ghép, trong đó có độ ổn định của chế độ lắp ghép giữa các chi tiết, phụ thuộc vào độ nhám các bề mặt lắp ghép ở đây, chiều cao mấp mô tế vi RR z R tham gia vào trường dung sai chế tạo chi tiết máy : đối với

lỗ thì dung sai kích thước đường kính sẽ giảm một lượng là 2RR z R, còn đối với trục thì tăng lên 2RR z R

Đối với mối ghép lỏng, trong giai đoạn mòn ban đầu chiều cao mấp mô tế vi

RR z R có thể giảm đi 65% ữ 75% làm khe hở lắp ghép tăng lên và độ chính xác lắp ghép giảm đi Như vậy, đối với các mối ghép lỏng, để đảm bảo độ ổn định các mối ghép trong thời gian sử dụng, trước hết phải giảm độ nhấp nhô tế vi (giảm

RR z R) Giá trị hợp lý của RR z R được xác định theo độ chính xác của lắp ghép tùy theo trị số của dung sai lắp ghép Thường được xác định như sau [8] :

Tóm lại, chất lượng bề mặt có ảnh hưởng lớn đến tính chất mối ghép Trong

đó độ nhám bề mặt có ảnh hưởng lớn và rõ ràng nhất Tuy nhiên vẫn chưa có các công trình nghiên cứu sâu về lý thuyết của vấn đề này

2.3 Các nhân ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết

Trạng thái và tính chất bề mặt chi tiết máy trong quá trình gia công do nhiều yếu tố công nghệ quyết định

Tính chất cơ lý của lớp bề mặt chi tiết máy bị thay đổi dưới tác dụng của lực cắt và nhiệt sinh ra trong vùng cắt ở các phương pháp cắt gọt (tiện, phay, khoan,…) thì tác động của lực cắt đối với tính chất cơ lý của lớp bề mặt thường mạnh hơn tác động của nhiệt cắt Khi mài thì tác động của nhiệt cắt đến tính chất cơ lý của lớp bề mặt mạnh hơn nhiệt cắt Đối với các phương pháp gia công biến dạng dẻo thì có hiện tượng thoát cacbon ở lớp bề mặt

Nói chung, quá trình hình thành tính chất hình học và cơ lý của lớp bề mặt rất phức tạp Sau đây chỉ xét các yếu tố cơ bản nhất

2.3.1 Các nguyên nhân chính ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt

1 ảnh hưởng của các yếu tố hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt

Mối quan hệ giữa các thông số hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt đối với chất lượng bề mặt chi tiết máy đã được nhiều tài liệu đề cập đến [5,8] Người

ta đã xác định được ảnh hưởng của lượng tiến dao S, bán kinh mũi dao r, chiều dày phôi nhỏ nhất hR min R đến độ nhám bề mặt bằng các công thức quan hệ (2.5) và (2.6)

Với S > 0,15 mm/vg thì :

2

z

SR8r

Hình 2.7 [8], đường cong 1 biểu diến mối quan hệ tổng quát giữa RR z R, S và r,

cụ thể là trong phạm vi giá trị lượng chạy dao S > 0,15 mm/vòng Đường cong 2 biểu thị mối quan hệ thực nghiệm, kể cả phạm vi giá trị lượng chạy dao S nhỏ hơn (S < 0,1 mm/vòng) Từ đường cong 2 có thể xác định được mối quan hệ giữa

RR z R, S và r, hR min R đối với bước tiện tinh và biểu thị bằng đường cong 3

Nếu lượng chạy dao quá nhỏ (S < 0,03 mm/vòng) thì RR z R tăng do có hiện tượng trượt dao

Hình 2.8 là sơ đồ biểu diễn sự phụ thuộc của RR z R vào S, ϕ, ϕR 1 R và r Từ hình 2.8.a, ta thấy rằng khi lượng chạy dao là SR 1 R, dao di chuyển từ vị trí 1 đến vị trí 2

sẽ để lại lượng m không thể cắt được từ đó sinh ra độ nhám RR z R’, khi giảm lượng chạy dao (SR 2 R < SR 1 R) thì m sẽ nhỏ và sinh ra độ nhám nhỏ (RR z R” < RR z R’) – hình 2.8.b Khi giảm góc nghiêng chính (ϕ) và góc nghiêng phụ (ϕR 1 R) thì RR z R cũng sẽ giảm (hình 2.8.c) So sánh hình 2.8.d và hình 2.8.e, ta thấy khi tăng bán kính mũi

Ra

(àm)

0,20

Hình 2.7 - Quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô

và lượng tiến dao khi tiện

1

2

3

Hình 2.8 - ảnh hưởng của hình dáng hình học của dụng cụ cắt và

chế độ cắt đến nhấp nhô bề mặt khi tiện

dao (rR 2 R > rR 1 R) thì RR z R sẽ giảm Hình 2.8.f cho thấy chiều sâu cắt hầu như không ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt

Góc trước của dao γ và độ mòn dụng cụ cũng ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt, khi góc trước tăng thì RR z R giảm, còn khi độ mòn dụng cụ tăng thì RR z R giảm

Đối với chiều sâu biến cứng, khi lượng chạy dao nằm trong khoảng từ 0,3

đến 0,5 mm/vòng, người ta xác địng được quan hệ với S theo công thức 2.7

tR C R = C.SP

x P

C, x phụ thuộc vào vật liệu gia công (ví dụ, vật liệu thép 35 thì C = 134 ; x = 0,35 Khi vật liệu là thép 60 thì C = 52 ; x = 0,22) [8]

Hình 2.9 - ảnh hưởng của lượng chạy dao S đối với chiều sâu biến cứng tC,

tùy theo loại vật liệu gia công và vật liệu làm dụng cụ cắt

2 Các nguyên nhân phụ thuộc vào biến dạng dẻo của lớp bề mặt đến RRzR

Khi vật liệu lớp bề mặt chi tiết máy bị biến dạng dẻo mạnh, các cấu trúc tinh thể biến thành cấu trúc sợi làm thay đổi hình dạng và trị số nhấp nhô tế vi ở kim loại giòn, các hạt tinh thể cá biệt bị bóc rời ra cũng làm thay đổi hình dạng nhấp nhô tế vi và làm tăng kích thước nhấp nhô tế vi

Hình 2.10 - ảnh hưởng của vận tốc cắt (V) đến chiều cao nhấp nhô tế vi (Rz)

Đối với vận tốc cắt v, khi gia công thép, vận tốc khoảng (15 ữ 20) m/ph thì

RR z R tăng vì ở trong khoảng vận tốc này có xuất hiện lẹo dao Nếu vận tốc cắt tiếp tục tăng đến khoảng (30 ữ 60) m/ph thì lực ma sát giữa phôi và lẹo dao lớn hơn lực bám dính của lẹo dao trên mặt dao, làm cho RR z R giảm dần Nếu vận tốc lớn hơn 100 m/ph thì lẹo dao không thể hình thành nên độ nhám bề mặt ổn định (hình 2.10)

Khi gia công kim loại giòn (gang), các mãnh vỡ kim loại sẽ trượt lộn xộn lên bề mặt chi tiết làm tăng độ nhám Nếu cắt với vận tốc cao thì sẽ giảm được độ hiện tượng vỡ vụn của phoi nên sẽ giảm được độ nhám bề mặt

Lượng chạy dao ngoài ảnh hưởng mang tính hình học, còn có ảnh hưởng lớn

đến biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi ở bề mặt gia công Hình 2.11 là sơ đồ biểu diễn mối quan hệ giữa lượng chạy dao S và độ nhám RR z R khi gia công thép cacbon Độ nhám bề mặt khá ổn định khi S nằm trong khoảng (0,02 ữ 0,15) mm/vòng Nếu S < 0,02 mm/vòng thì độ nhám bề mặt tăng do có hiện tượng trượt dao gây biến dạng dẻo lớn, nếu lượng chạy dao S > 0,15 mm/vòng thì ảnh

β α

δ = α+β

ρ γ

θ A δ

P

Hình 2.12 - Phân tích hệ lực tác dụng khi bào

v y

z

Hình 2.11 - ảnh hưởng của lượng tiến dao (S) đến

chiều cao nhấp nhô tế vi (Rz)

hưởng của S mang yếu tố hình học lớn hơn yếu tố biến dạng nên độ nhám bề mặt

sẽ tăng do vết lưỡi cắt để lại trên bề mặt chi tiết

ảnh hưởng của các góc của dao :

Ví dụ : Khi bào

Vì α + β + γ = const ⇒ α tăng, γ tăng ⇒ β giảm ⇒ dao sắc ⇒ thoát phoi dễ

⇒ RR z R giảm Khi α tăng ⇒ ma sát giữa phôi và dao giảm ⇒ P giảm ⇒ RR z R giảm

ảnh hưởng của dung dịch trơn lạnh :

Tưới dung dịch trơn lạnh vào vùng cắt để giảm nhiệt, bôi trơn bề mặt gia công, giảm ma sát, giảm mòn dao và thoát phoi dễ ⇒ RR z R giảm

3 Nguyên nhân do rung động của hệ thống công nghệ đến RRzR

Nguyên nhân gây rung động là do lực cắt không đều

Rung động sẽ tạo ra chuyển động tương đối giữa phôi và dao dẫn đến độ nhám

và độ sóng bề mặt tăng

Có thể giảm rung bằng cách tăng độ cứng vững cho hệ thống công nghệ,

điều chỉnh máy tốt, nâng cao độ chính xác của các cơ cấu truyền động, thay đổi hình dáng hình học của dao sao cho lực cắt giảm theo hướng có rung

2.3.2 Các nguyên nhân ảnh hưởng đến độ biến cứng lớp bề mặt

Khi thay đổi chế độ cắt bằng cách tăng lực cắt và mức độ biến dạng dẻo thì mức độ biến cứng bề mặt tăng Nếu kéo dài sự tác dụng của lực cắt trên bề mặt kim loại sẽ làm tăng chiều sâu lớp biến cứng bề mặt Khi tiện mức độ biến cứng

bề mặt chi tiết gia công sẽ tăng nếu tăng lượng tiến dao S và bán kính mũi dao r (hình 2.13) [8]

Nếu tăng góc trước từ giá trị âm đến giá trị dương thì khả năng thoát phoi dễ nên mức độ biến dạng dẻo giảm dẫn đến mức độ và chiều sâu lớp biến cứng bề mặt chi tiết giảm (hình 2.14) [8]

Vận tốc cắt có tác dụng rút ngắn thời gian tác động của lực cắt lên bề mặt chi tiết, vì vậy khi tăng lực cắt thì chiều sâu và mức độ biến cứng sẽ giảm

Hình 2.14 - ảnh hưởng của góc trước tới lớp biến cứng bề mặt

Hình 2.13 - ảnh hưởng của lượng tiến dao (S) và bán kính

lưỡi cắt (r) đến độ biến cứng bề mặt

1 Với lượng tiến dao S = 0,12 mm/vòng

2 Với lượng tiến dao S = 0,25 mm/vòng

3 Với lượng tiến dao S = 0,50 mm/vòng

4 Với lượng tiến dao S = 0,76 mm/vòng

2.3.3 ảnh hưởng đến ứng suất dư bề mặt

Nguyên nhân gây ra ứng suất dư bề mặt là do : biến dạng dẻo, biến dạng

đàn hồi, biến đổi nhiệt, chuyển pha trong cấu trúc kim loại

Nói cung chế độ cắt, hình dáng hình học dụng cụ cắt và dung dịch trơn nguội là những yếu tố ảnh hưởng nhiều đến sự hình thành ứng suất dư bề mặt chi tiết máy, kể cả ứng suất tiếp tuyến, pháp tuyến và hướng trục Tuy nhiên quan hệ giữa ứng suất dư và các yếu tố trên là rất phức tạp

Bảng 2.2 Cấp độ nhẵn ứng với các phương pháp gia công

Phay b»ng dao phay mÆt ®Çu 140 ÷ 160 40 ÷ 100

Chuốt 150 ữ 200 20 ữ 75

Phay lăn răng và xọc răng 160 ữ 200 120 ữ 150

Mài tròn thép chưa nhiệt luyện 140 ữ 160 30 ữ 60

Mài tròn thép ít nhiệt luyện 160 ữ 200 30 ữ 60

Mài tròn thép nhiệt luyện 125 ữ 130 20 ữ 40

2.4.3 phương pháp đạt ứng suất dư bề mặt

Khi gia công bằng dụng cụ cắt có lưỡi thì ứng suất dư phụ thộc vào biến dạng đàn hồi của vật liệu gia công và dụng cụ cắt, đồng thời cũng phụ thuộc vào chế độ cắtm thông số hình học của dao và dung dịch trơn nguội

Các thành phần khác nhau trên bề mặt gia công thường có ứng suất dư khác nhau về trị số và dấu, nên ảnh hưởng của chế độ cắt, của thông số hình học dụng

cụ cắt, của dung dịch trơn nguội đối với ứng suất dư cũng khác nhau

Dựa vào những kết quả nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến ứng suất dư lớp bề mặt của chi tiết gia công có thể kết luận sơ bộ như sau [5] :

- Tăng vận tôc cắt (v) hoặc tăng lượng chạy dao (S) có thể tăng hoặc giảm ứng suất dư bề mặt chi tiết máy

- Tăng lượng chạy dao làm tăng chiều sâu có ứng suất dư

- Góc trước âm gây ra ứng suất dư nén

- Gia công vật liệu giòn bằng dụng cụ cắt có lưỡi gây ra ứng suất dư nén, còn gia công vật liệu dẻo thường gây ra ứng suất dư kéo

- Gia công nằng đá mài thường gây ra ứng suất dư kéo, còn gia công bằng

đai mài thường gây ra ứng suất dư nén

- Phương pháp đo prôfin để xác định RR a R, RR z R, RR max R,… bằng máy đo prôfin

- Phương pháp so sánh với vật mẫu, phương pháp này có thể sử dụng ngay tại vị trí sản xuất, tuy nhiên nó chỉ đo các bề mặt có cấp nhẵn bóng từ 3 ữ 7

2.5.2 Đánh giá mức độ và chiều sâu biến cứng

Độ cứng có thể được đo bằng các phương pháp khác nhau tùy theo độ cứng của vật liệu Nhìn chung các phương pháp đo đều có đặc điểm chung là dùng lực

để ấn một mũi thử thâm nhập vào vật liệu, đo kích thước miệng vết lõm trên vật liệu để xác định độ cứng Trong thực tế thường sử dụng 3 phương pháp đo sau :

- Phương pháp đo độ cứng Brinell, là phương pháp đo dùng mũi thử bằng bi thép Phương pháp này chỉ áp dụng để đo độ cứng dưới 450 HB

- Phương pháp đo độ cứng Rockwell, là phương pháp đo dùng mũi thử hình nón bằng kim cương Phương pháp này áp dụng để đo độ cứng bề mặt cho theo chỉ tiêu là HRC

- Phương pháp đo độ cứng Vikker, phương pháp này cũng sử dụng mũi kim cương nhưng có dạng hình tháp 4 cạnh đều Phương pháp này áp dụng để đo độ cứng bề mặt cho theo chỉ tiêu là HV

Đo chiều sâu biến cứng bằng cách cắt mẫu, đem mài bóng rồi cho xâm thực hóa học để nghiên cứu cấu trúc lớp bề mặt

2.5.3 Đánh giá ứng suất dư bề mặt

ứng suất dư thường được xác định theo các phương pháp sau :

- Phương pháp tia Rơnghen : dùng tia Rơnghen kích thích trên bề mặt mẫu một lớp dày (5 ữ 10) àm và sau mỗi lần kichs thích thì chụp ảnh đồ thị tia Rơnghen Phương pháp này cho phéo đo được cả chiều sâu biến cứng Tuy nhiên,

đây là phương pháp phức tạp và tốn thời gian

- Phương pháp tính toán lượng biến dạng : sau khi hớt từng lớp mỏng kim loại bằng phương pháp hóa học và điện cơ khí người ta tính toán được lượng biến dạng của chi tiết mẫu Dựa vào lượng biến dạng này xác định được ứng suất dư Cũng có thể dùng tia Rơnghen để đo khoảng cách giữa các phần tử trong lớp kim loại biến dạng và không biến dạng Với khoảng cách này có thể xác định được ứng suất dư

2.6 Nhận xét

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

bề mặt khi phay trên máy CNC, vật liệu gia công là thép 45 và thép 40X

Các yếu tố của chất lượng bề mặt có ảnh hưởng đến chức năng làm việc của chi tiết theo từng mức độ nhất định Độ biến cứng và chiều sâu biến cứng chủ yếu

là do biến dạng dẻo sinh ra, đối với thép 45 và thép 40X là thép cứng nên độ biến dạng dẻo thấp Do đó khi gia công hai loại vật liệu này thì chất lượng bề mặt cần quan tâm đó là độ nhám bề mặt Vì vậy tìm hiểu và khống chế độ nhám bề mặt khi gia công thép 45 và thép 40X là một yêu cầu tất yếu của quá trình gia công Trong các thông số tác động đến độ nhám bề mặt thì các thông số về chế độ cắt ảnh hưởng rõ nét nhất Mặt khác đây là đề tài nghiên cứu ứng dụng để sử dụng máy CNC có hiệu quả, các thông số về dao cụ, về dung dịch trơn nguội…

đã được nhiều công trình nghiên cứu và đã được cụ thể bằng các con dao tiêu chuẩn, bằng các loại dung dịch trơn nguội đã được pha chế sẵn

Do vậy nội dung của đề chỉ còn là việc xác định các thông số công nghệ ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi gia công thép 45 và thép 40X trên máy phay CNC Cụ thể là tìm mối liên hệ toán học giữa độ nhám bề mặt với các chế độ cắt

Chương 3

Cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm

Bài toán quy hoạch thực nghiệm là từ những kết quả thực nghiệm tìm ra mối quan hệ toán học giữa thông số đầu ra với các thông số đầu vào Để tìm được hàm quan hệ toán học đó thường phải tiến hành một số bước và dựa vào một số phương pháp sau :

3.1 Sai số và khử sai số

Trong số liệu thực nghiệm thường chứa các sai số chưa biết nào đó, vấn đề

là phải xử lý và tính toán các kết quả sao cho sai số là nhỏ nhất Để làm được

điều đó cần biết tính chất của sai số và biết cách sử dụng chúng

3.1.1 Sai số hệ thống

Sai số hệ thống thường xẩy ra do nhiều nguyên nhân khác nhau như : không

điều chỉnh chính xác dụng cụ đo, sự thay đổi của nhiệt độ ảnh hưởng đến độ chính xác, độ mòn dao, mòn đồ gá… Các sai số loại này có thể tìm ra nguyên nhân, đo đạc và điều chỉnh được Vì vậy mà các kết quả thực nghiệm coi như đã loại bỏ sai số hệ thống

3.1.2 Sai số ngẫu nhiên

Sai số ngẫu nhiên là loại sai số còn lại sau khi đã khử sai số hệ thống, hay nói cách khác sai số ngẫu nhiên là sai số xẫy ra một cách ngẫu nhiên, không dự

riêng biệt Việc xác định ảnh hưởng của chúng dựa vào các hiểu biết về quy luật phân phối các đại lượng ngẫu nhiên

3.1.3 Sai số thô

Sai số thô nãy sinh do vi phạm điều kiện cơ bản trong thực nghiệm, hay do sơ suất của người thực hiện Khi phát hiện sai số thô, cần bỏ ngay kết quả, thực hiện lại công việc (nếu điều kiện cho phép) hoặc thực hiện các phương pháp toán học loại bỏ sai số thô với độ tin cậy và hiệu quả nhất định sao cho bảng kết quả cuối cùng không còn sai số thô

1 Phương pháp khử sai số thô

Khi thu được kết quả thực nghiệm, ta nhận ra một vài kết quả khác rõ rệt so với các kết quả khác, ta có thể nghi ngờ kết quả đó chứa sai số thô

Trước hết ta phải kiểm tra các điều kiện cơ bản có bị vi phạm không, sau đó

sử dụng một số phương pháp đánh giá, loại boe hay giữ lại các số liệu đột biến, chủ yếu dựa vào sai số bình phương trung bình σ (đã cho biết hoặc chưa biết) với giả thiết rằng tất cả các thí nghiệm được thực hiện với cùng một điều kiện và độc lập với nhau

2 Khử sai số thô khi biết σ

Giả sử có giá trị đột xuất x* nào đó trong dãy số liệu thu được, các giá trị còn lại là xR 1 R, xR 2 R, …, xR n R Giá trị trung bình cộng là :

x x xx

n 1n

−

=

+σ