Chương 3. Độ chính xác gia công
3.3. Nguyên nhân gây sai số gia công
3.3.1. Do độ chính xác của máy công cụ
3.3.1.1. Do độ chính xác của máy công cụ
Khi chế tạo máy công cụ cũng có nhƣng sai số nhất định, sai số này phản ánh một phần hay toàn bộ lên chi tiết gia công dưới dạng sai số hệ thống. Các sai số hình học của máy do chế tạo như: độ đảo trục chính theo hướng kính; độ đảo của lỗ côn trục chính; độ đảo mặt đầu trục chính; độ đảo và các sai số chế tạo khác của sống trƣợt, của bàn máy, ... sẽ phản ánh toàn bộ hoặc một phần lên chi tiết gia công.
Chúng ta cũng biết rằng sự hình thành các bề mặt gia công là do sự phối hợp các chuyển động cắt của máy nhƣ chuyển động quay của trục chính, chuyển động tịnh tiến của bàn dao.v.v. Nếu các chuyển động này có sai số chúng sẽ gây ra sai số trên gia công.
Ví dụ khi tiện nếu phương chạy dao không song song với đường tâm trục chính trong mặt phẳng nằm ngang thì sau khi gia công chi tiết sẽ bị côn (hình 3.4a). Nếu nhƣ phương chạy dao không song song với trục chính trong mặt phẳng thẳng đứng thì sau khi gia công bề mặt chi tiết có dạng hypecbollôit ( hình 3.4b)
s n
s n
a) b)
Hình 3-4. Sai số khi tiện do trục chính của máy không chính xác
38
Khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu trên máy phay đứng, nếu đường tâm trục chính không vuông góc với bàn máy trong mặt phẳng vuông góc với phương chạy dao thì bề mặt gia công không song song với mặt phẳng định vị (hình 3.5a). Nếu đường tâm trục chính không vuông góc với bàn máy theo phương chạy dao thì bề mặt gia công sẽ bị lõm ( hình 3.5b). Độ lõm a phụ thuộc vào đường kính dao phay, vào độ không vuông góc và chiều rộng phay B.
a) b) Hình 3-5. Sai số khi phay
3.3.1.2. Do độ mòn của máy cụng cụ
Độ mòn của máy công cụ cũng gây ra sai số gia công, hiện tƣợng mòn trong quá trình sử dụng là do ma sát giữa các mặt có chuyển động tương đối với nhau, nhất là khi có bụi phoi trộn lẫn với dầu bôi trơn. Ngoài ra dầu bôi trơn và dung dịch trơn nguội cũng gây nên hiện tƣợng ăn mòn hóa học. Trạng thái mòn của máy sẽ gây ra sai số gia công mang tính chất hệ thống.
Ví dụ đối với máy tiện nếu sống trƣợt của thân máy bị mòn sẽ làm cho xe dao tụt xuống và vị trí tương đối của dao so với chi tiết gia công sẽ sai đi và sinh ra sai số gia công, thông thường sống trượt phía trước máy tiện sẽ mòn nhanh hơn vì chịu lực lớn hơn làm cho dao bị nghiêng.
Tuy nhiên ảnh hưởng của độ mòn của máy đến độ chính xác gia công không lớn vì máy có tốc độ mòn chậm (trừ một số chi tiết đặc biệt nhƣ băng máy, bàn trƣợt.v.v).
3.3.2. Nguyên nhân do dụng cụ cắt
* Do chế tạo.
Sai số khi chế tạo dụng cụ cắt sẽ ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác gia công, đặc biệt là dụng cụ định hình và định kích thước.
Ví dụ:
- Với dao doa, nếu khi chế tạo có sai số đường kính thì sẽ gây nên sai số đường kính lỗ gia công.
- Với dao tiện định hình, nếu có sai số biên dạng sẽ gây ra sai số biên dạng trên chi tiết gia công.
39
- Với ta rô, nếu có sai số về đường kính trung bình của ren, sai số bước ren.v.v.
sẽ gây nên sai số cùng loại trên ren gia công.
* Do mòn
- Ngoài chế tạo, độ mòn của dụng cụ cắt ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác gia công vì tốc độ mòn của dao rất lớn.
Ví dụ: Tiện trục:
D
U Dt
Hình 3-6. Sai số do dao mòn
Do dao bị mòn theo mặt sau một lượng là u nên kích thước nhận được sau gia công.
Dt = D + 2u (3.1)
Trong đó: Dt - đường kính thực nhận được sau gia công.
D - đường kính tính toán.
u - lƣợng mòn mặt sau dao.
Lấy (+) khi gia công mặt ngoài, (-) gia công mặt trong.
Độ mòn của dao gây ra sai số gia công trên chi tiết dưới dạng sai số hệ thống biến đổi. Độ mòn của dao vừa gây sai số kích thước, vừa gây ra sai số hình dáng hình học.
Với các dụng cụ định hình độ mòn tại các điểm trên lƣỡi cắt khác nhau, gây ra sai số về biến dạng dao nên sẽ gây ra sai số biến dạng trên chi tiết gia công.
* Quy luật mòn của dao nhƣ hình sau.
I
II
III U (àm)
a
L(Km)
Lb LH L2
UH
U2
Hình 3-7. Quan hệ giữa độ mòn dao với chiều dài đường cắt
40
Quá trình mòn của dao chia làm ba giai đoạn:
+ Giai đoạn I: Giai đoạn mòn ban đầu
Giai đoạn này dao mòn nhanh, nhám bề mặt gia công tăng. Độ mòn ban đầu UH và chiều dài cắt LH phụ thuộc nhiều yếu tố: Vật liệu dụng cụ cắt, vật liệu chi tiết gia công, chất lượng chế tạo dụng cụ , chế độ công nghệ.v.v. Thường LH = 500 - 2000m
+ Giai đoạn II: Giai đoạn mòn bình thường của dao. Dao được sử dụng trong giai đoạn này. Quan hệ giữa lƣợng mòn u và chiều dài cắt L là tuyến tính.
+ Giai đoạn III: Giai đoạn mòn khốc liệt của dao. Không sử dụng dao trong giai đoạn này.
3.3.3. Do biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ.
3.3.3.1. Định nghĩa độ cứng vững của hệ thống công nghệ.
Hệ thống công nghệ không phải là một hệ thống tuyệt đối cứng vững mà nó sẽ bị biến dạng đàn hồi và biến dạng tiếp xúc dưới tác dụng của ngoại lực. Biến dạng này sẽ gây ra sai số gia công.
Trong thực tế, một mặt lực cắt tác dụng lên chi tiết gia công, sau đó thông qua đồ gá truyền đến bàn máy, thân máy; mặt khác lực cắt cũng tác dụng lên dao cắt thông qua cán dao, bàn dao truyền đến thân máy. Bất kỳ chi tiết nào của các cơ cấu máy, đồ gá, dụng cụ và chi tiết gia công khi chịu lực tác dụng của lực cắt ít nhiều đều bị biến dạng làm cho vị trí tương đối của chi tiết so với dụng cụ cắt bị thay đổi gây ra sai số gia công.
Ví dụ: Khi tiện theo sơ đồ sau do biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ thì vị trí tương quan giữa mũi dao và bề mặt gia công bị dịch chuyển là thì bán kính của chi tiết gia công sẽ tăng từ R đến R + R (đường tròn nét đậm tăng kích thước đến đường tròn nét đứt).
R R+
z
y
R
Hình 3-8. Ảnh hưởng của chuyển vị D đến kích thước gia công khi tiện Do biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ nên dao sẽ chuyển vị một lƣợng bằng . đƣợc phân làm 3 thành phần chuyển vị x, y, z theo ba trục tọa độ. Trong đó chuyển vị y có ảnh hưởng tới kích thước gia công nhiều nhất (do y là chuyển vị theo phương pháp tuyến của bề mặt gia công), cũn lượng chuyển vị x không ảnh hưởng nhiều đến kích thước gia công. Kết quả tính toán gần đúng ta có R y. Nếu là dao nhiều lưỡi hoặc dao định hình thì có trường hợp cả ba lượng chuyển vị đều ảnh hưởng đến độ chính xác gia công, lúc đó cần có sự phân tích cụ thể.
41
Phân tích lực cắt tác dụng lên hệ thống công nghệ thành 3 thành phần Px, Py, Pz sau đó đo biến dạng của hệ thống theo 3 phương x, y, z. Gọi Py là thành phần lực pháp tuyến thẳng góc với mặt gia công và y là lượng chuyển vị tương đối giữa dao và chi tiết gia công theo hướng đó, tỷ số giữa Py và y gọi là độ cứng vững của hệ thống công nghệ và ký hiệu là J, ta có:
) / (
/mm kG mm y MN
J Py
Định nghĩa: Độ cứng vững của hệ thống công nghệ là khả năng chống lại sự biến dạng của nó khi có ngoại lực tác dụng vào.
Do đó:
n
i i
y n
i
i J
y P y
1 1
Trong đó: yi- lượng chuyển vị của chi tiết máy hay bộ phận thứ i theo hướng pháp tuyến.
Ji- độ cứng vững của chi tiết máy hay bộ phận thứ i.
Thông thường độ cứng vững của hệ thống công nghệ có thể viết dưới dạng:
đ CTGC
m J J
J J
1 1
1
1
Gọi = 1/J là độ mềm dẻo, ta có định nghĩa về độ mềm dẻo nhƣ sau: “ Độ mềm dẻo của hệ thống công nghệ là khả năng biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ dưới tác dụng của ngoại lực”.
Nhận xét:
Muốn giảm sai số gia công có các biện pháp:
+ Giảm lực cắt Py bằng các biện pháp nhƣ: chọn cơ tính của vật liệu, chọn thông số hình học của dao, chọn chế độ công nghệ hợp lý.v.v.
+ Tăng độ cứng vững bằng các biện pháp nhƣ: sử dụng máy, chọn sơ đồ gá đặt hợp lý .v.v.
3.3.3.2. Ảnh hưởng của độ cứng vững hệ thống công nghệ
Khảo sát quá trình tiện một trục trơn đƣợc gá trên hai mũi tâm của máy tiện có sơ đồ gia công nhƣ hình sau:
Hình 3-9. Ảnh hưởng của độ cứng vững
42
Lúc này vị trí tương đối giữa chi tiết gia công và dao phụ thuộc vào vị trí tương đối của ụ trước, ụ sau và bàn dao, ta có thể khảo sát chuyển vị của từng bộ phận nói trên rồi tổng hợp lại sẽ đƣợc chuyển vị của cả hệ thống công nghệ và biết đƣợc sai số gia công. Các sai số gồm:
- Sai số do chuyển vị của hai mũi tâm gây ra: Độ cứng vững của hai mũi tâm không những gây ra sai số kích thước mà còn gây ra cả sai số hình dáng, nó làm cho trục đó tiện có dạng lõm giữa và hai đầu loe ra.
- Sai số do biến dạng của chi tiết gia công: Ngay tại điểm mà lực cắt tác dụng thì chi tiết gia công sẽ bị võng.
- Sai số do biến dạng của dao cắt và ụ gá dao.
3.3.3.3. Ảnh hưởng do dao mòn
Khi dao bị mòn làm cho kích thước gia công thay đổi một lượng tỷ lệ với kích thước mòn đồng thời các góc độ lưỡi cắt thay đổi làm lực cắt tăng ảnh hưởng đến độ chính xác gia công.
3.3.3.4. Ảnh hưởng do sai số của phôi
Do những sai số hình dạng hình học của phôi mà ngay trong quá trình cắt một phôi, lƣợng dƣ gia công cũng thay đổi làm cho chiều sâu cắt thay đổi và lực cắt thay đổi theo và gây nên sai số hình dạng.
Hình 3-10. Sai số của phôi
Do phôi có sai số hình dáng hình học nên tại tiết diện đang xét có Dphmax và Dphmin . Kích thước chỉnh dao gọi là L.
Khi gia công tại vị trí có D phmax sẽ có tmax Py max ymax nên Kích thước chi tiết nhận đƣợc là D ctmax = 2(L + ymax)
Khi gia công tại vị trí có Dphmin sẽ có tmin Py min ymin nên kích thước chi tiết nhận đƣợc là Dctmin = 2 (L + ymin)
3.3.4. Nguyên nhân do gá đặt chi tiết
Bản thân việc gá đặt chi tiết gia công lên máy cũng có sai số và ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công. Sai số gá đặt gđ gồm:
43 - Sai số chuẩn (do chọn chuẩn gây ra) c
- Sai số kẹp chặt k - Sai số đồ gá đg
đg k c
gđ
2 2 2
đg k c
gđ
Sai số chuẩn có thể xác định bằng cách tìm sai số của khâu khép kín trong chuỗi kích thước công nghệ.
Sai số kẹp chặt chính là lƣợng biến dạng của chi tiết do lực kẹp gây ra.
Sai số đồ gá là tổng hợp những sai số do chế tạo, lắp ráp, gá đặt đồ gá lên máy và do đồ gá mòn gây ra.
Sai số chế tạo, lắp ráp đồ gá cũng ảnh hưởng đến độ chính xác gia công. Các chi tiết quan trọng của đồ gá như các chi tiết định vị, dẫn hướng, so dao... nếu chế tạo có sai số hoặc bị mòn sau một thời gian sử dụng đều làm thay đổi vị trí tương quan giữa máy, dao và chi tiết gia công do đó cũng gây ra sai số gia công.
3.3.5. Nguyên nhân do biến dạng nhiệt và ứng suất dƣ 3.3.5.1. Biến dạng nhiệt của máy và đồ gá.
Máy và đồ gá do chi tiết máy hợp thành. Trong quá trình gia công, nhiệt phát sinh từ các nguồn nhƣ: nhiệt do ma sát, nhiệt cắt, từ các động cơ điện, nhiệt từ môi trường.v.v. sẽ nung nóng các chi tiết máy và do đó chúng sẽ bị biến dạng nhiệt. Biến dạng này sẽ gây nên sai số gia công. Biến dạng nhiệt của máy và đồ gá rất phức tạp, việc nghiên biến dạng này bằng lý thuyết gặp rất nhiều khó khăn. Vì vậy, ảnh hưởng của biến dạng nhiệt của máy và đồ gá ảnh hưởng tới độ chính xác gia công thường đƣợc nghiên cứu bằng thực nghiệm.
Để giảm ảnh hưởng biến dạng nhiệt của máy và đồ gá đến độ chính xác gia công có các biện pháp nhƣ:
- Trước khi gia công cho máy chạy không tải một thời gian để biến dạng nhiệt của máy và đồ gá đạt tới trạng thái bão hoà rồi mới tiến hành gia công.
- Các cơ cấu máy phải đảm bảo điều kiện phát toả nhiệt tốt.
- Các máy gia công đòi hỏi độ chính xác cao phải đặt trong phòng có điều hoà nhiệt độ.v.v.
3.3.5.2. Biến dạng nhiệt của dụng cụ cắt.
Khi cắt, một phần nhiệt cắt rất không lớn đƣợc truyền vào dao, nhƣng do kích thước đầu dao bé nên dao bị nung nóng đến nhiệt độ khá cao. Do đó biến dạng nhiệt của dao là khá lớn nên ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác gia công.
Khi dao bị nung nóng thì dao sẽ bị giãn dài vì vậy nó sẽ gây nên sai số gia công.
Độ giãn dài của dao tại một thời điểm bất kỳ trước lúc đạt tới trạng thái cân bằng nhiệt đƣợc xác định theo công thức:
3.3.5.3. Biến dạng nhiệt của chi tiết gia công.
44
Một phần nhiệt đƣợc truyền vào chi tiết gia công, làm cho nó biến dạng nhiệt do đó gây ra sai số gia công. Nếu chi tiết bị nung nóng đều thì gây ra sai số về kích thước còn nếu bị numg nóng không đều thì vừa gây ra sai số về kích thước, vừa gây ra sai số về hình học. Tuy nhiên biến dạng nhiệt của chi tiết chỉ ảnh hưởng đáng kể khi gia công chi tiết nhỏ, mỏng còn đối với các chi tiết lớn thì ảnh hưởng này không đáng kể.
Để khắc phục biến dạng nhiệt trên chi tiết gia công ta có các biện pháp sau:
- Tưới dung dịch trơn nguội vào vùng đang gia công với một chế độ thích hợp.
- Chi tiết yêu cầu độ chính xác cao phải dùng chế độ cắt thích hợp và gia công trong phân xưởng riêng.
3.3.5.4. Ảnh hưởng của ứng suất dư
Trong quá trình chế tạo phôi hoặc nhiệt luyện, nhiệt độ ở từng phần trên chi tiết không đều nhau cũng nhƣ tốc độ nguội ở các phần khác nhau sẽ gây ra co giãn giữa cac phần đó không bằng nhau, do đó trong kim loại gia công sinh ra ứng suất dƣ.
Ứng suất dƣ có hai loại:
- Ứng suất dƣ bên trong chi tiết.
- Ứng suất dƣ trên bề mặt chi tiết.
Các nghiên cứu công nghệ chứng minh rằng ứng suất dƣ trên bề mặt chi tiết ảnh hưởng không đáng kể đến độ chính xác gia công . Ứng suất dư bên trong chi tiết, theo thời gian sẽ tự cân bằng do đó sẽ làm cho chi tiết sẽ bị cong vêng . Kết quả là gây nên sai số gia công.
Để giảm ảnh hưởng của ứng suất dư, trước khi gia công ta phải có biện pháp để khử ứng suất dƣ nhƣ:
- Dùng kết cấu của chi tiết sao cho khó gây ra ứng suất bên trong.
- Sử dụng vật liệu làm chi tiết hợp lý.
- Chọn quá trình công nghệ gia công nóng đối với từng kết cấu cụ thể.
- Thường hóa tự nhiên và nhân tạo phôi hoặc nhiệt luyện một vài lần trong quá trình công nghệ để khử dẫn ứng suất bên trong.
3.3.6. Nguyên nhân do rung động của hệ thống công nghệ
Rung động của hệ thống công nghệ là một ảnh hưởng rất lớn tới độ chính xác gia công. Rung động sẽ làm cho vị trí tương đối giữa mũi dao và bề mặt gia công thay đổi theo chu kỳ, làm cho diện tích lớp cắt thay đổi nên lực cắt Py thay đổi do đó gây ra sai số gia công, làm tăng độ nhám bề mặt và độ sóng, làm dao mòn nhanh và làm cho lớp kim loại bề mặt bị cứng nguội, hạn chế khả năng cắt gọt.
Rung động xảy ra phần lớn là do độ cứng vững của hệ thống công nghệ kém.
Thường có hai loại: rung động cưỡng bức và rung động tự phát.
* Rung động cƣỡng bức do các lực kích thích từ bên ngoài truyền vào, rung động cƣỡng bức có thể theo chu kỳ hoặc không theo chu kỳ.
Nguồn gốc của các lực kích thích gây ra rung động có thể là:
45
- Các chi tiết máy, dao cắt hoặc chi tiết gia công quay nhanh nhƣng không cân bằng động.
- Có sai số của các chi tiết truyền động trong máy.
- Lƣợng dƣ gia công không đều, bề mặt gia công không liên tục.
- Các mặt tiếp xúc có khe hở.
- Do rung động của các máy xung quanh.
Để giảm rung động cƣỡng bức có thể giải quyết bằng các biện pháp sau:
- Nâng cao độ cứng vững của hệ thống công nghệ.
- Giảm lực kích thích từ bên ngoài truyền tới.
- Yêu cầu các chi tiết truyền động của máy có độ chính xác cao.
- Các chi tiết quay nhanh phải đƣợc cân bằng động.
- Tránh cắt không liên tục.
- Gia công các chi tiết có độ chính xác cao phải có cơ cấu giảm rung, có nền giảm rung cách ly với bên ngoài.
* Hiện tƣợng tự rung là do bản thân quá trình cắt gây ra, nó đƣợc duy trì bởi lực cắt, “ tự rung xuất hiện trong hệ thống công nghệ theo những điều kiện xác định và chúng là hệ thông dao động riêng không tắt dần, đƣợc duy trì nhờ nguồn năng lƣợng đƣợc tích tụ lại do lực cắt gây ra. Tự rung tiếp tục xuất hiện khi mà các điều kiện gây ra chúng chƣa đƣợc loại bỏ”.
Tự rung gây trở ngại rất lớn đến việc nâng cao chất lƣợng và năng suất gia công.
Để giảm bớt hiện tƣợng này ta có những biện pháp sau:
- Tránh hớt lớp phoi quá rộng và quá mỏng.
- Chọn tốc độ cắt hợp lý sao cho không nằm vào vùng cắt xuất hiện lẹo dao.
- Thay đổi hình dạng hình học của dao sao cho giảm lực cắt ở phương có rung động.
- Dùng dung dịch trơn nguội để giảm bớt mòn dao.
- Sử dụng các trang bị giảm rung.
3.3.7. Nguyên nhân do dụng cụ đo và phương pháp đo
Dụng cụ đo và phương pháp đo ảnh hưởng rất lớn tới độ chính xác gia công. Đây không phải là một nguyên nhân do công nghệ mà do đo lường , phản ánh sai dẫn tới thực hiện sai.
- Ứng với mỗi loại dụng cụ đo nó sẽ có một cấp chính xác, một độ phân giải nhất định và chỉ đo đƣợc một cấp chính xác nhất định. Vì vậy nếu chọn dụng cụ đo không phù hợp sẽ gây ra đo sai gây ra sai đo.
- Nếu chọn chuẩn đo lường không đúng hoặc chất lượng bề mặt chuẩn đo lường không tốt sẽ gây ra sai số đo.
- Quy trình quy phạm của một lần đo cũng gây ra sai số đo. Quy trình quy phạm một lần đo đƣợc chia làm 3 giai đoạn: