Nghiên cứu ảnh hưởng của cơ cấu giảm chấn trên cán dao tiện ngoài đến độ bóng bề mặt của quá trình tiện

TỔNG QUAN

Tình hình nghiên cứu và ứng dụng dụng cụ cắt trên thế giới

Trong bối cảnh toàn cầu hóa và sự phát triển của nền kinh tế thị trường, lĩnh vực cơ khí đang giữ vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy tiến bộ khoa học Nhu cầu gia công cơ khí ngày càng cao về năng suất, độ chính xác và chất lượng bề mặt đã dẫn đến nhiều cải tiến trong quy trình gia công Đặc biệt, độ nhám bề mặt là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng gia công, trong đó dụng cụ cắt đóng vai trò then chốt Nhiều công ty nổi tiếng trên thế giới như Kennametal tại Mỹ và Mitsubishi tại Nhật Bản đã nghiên cứu và sản xuất các dụng cụ cắt tiên tiến, đáp ứng nhu cầu của thị trường trong nước và quốc tế.

Công ty Sandvik (Thụy Điển) đã tiên phong trong việc nghiên cứu và phát triển cán dao giảm chấn, giúp giảm rung động trong quá trình gia công, đặc biệt là với các mũi khoan và khoét Những cải tiến này nhằm nâng cao hiệu suất cắt, như thể hiện qua các hình ảnh minh họa Tuy nhiên, các nghiên cứu của Sandvik chủ yếu được thực hiện trên vật liệu tiêu chuẩn và trong điều kiện gia công lý tưởng, do đó, kết quả đạt được có thể không phản ánh chính xác trong thực tế.

Hình 1.4: Dao tiện giảm chấn [1]

Hình 1.5: Dao phay giảm chấn [1]

Hình 1.6: Dao doa giảm chấn [1]

Nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu và phát triển các phương pháp hiệu quả nhằm giảm rung động trong quá trình cắt gọt Bài báo "Cải thiện hiệu suất của dụng cụ cắt CBN bằng cách tăng cường tính năng giảm chấn" của L N Devin và A A Osadchii đã chỉ ra những cải tiến quan trọng trong lĩnh vực này.

2012 [2]: Trong đề tài nghiên cứu nhóm tác giả tập trung thiết kế kết cấu dụng cụ cắt

Nghiên cứu cải tiến dụng cụ cắt thông qua việc tích hợp cơ cấu giảm chấn nhằm nâng cao độ ổn định và giảm dao động trong quá trình gia công Đề tài tập trung vào ảnh hưởng của cơ cấu giảm chấn đến biên độ dao động, tuổi thọ của dụng cụ cắt CBN và chất lượng độ nhám bề mặt sau gia công Các tác giả đã thực hiện thí nghiệm với chi tiết giảm rung, lớp phủ vật liệu đặc biệt trên lưỡi cắt và cán dao bằng vật liệu giảm chấn Mô hình cơ cấu giảm chấn được thiết kế với lưỡi dao vuông CBN kẹp chặt giữa các chi tiết giảm chấn, và gia tốc kế được lắp đặt để đo rung động trong quá trình cắt Kết quả cho thấy cơ cấu giảm chấn không chỉ tăng cường độ ổn định mà còn giảm đáng kể rung động của dụng cụ, đồng thời làm giảm lực Py và Pz trên cán dao Tăng tốc độ cắt làm giảm rung động do nhiệt độ vùng cắt tăng, trong khi tăng tốc độ tiến dao lại làm tăng biên độ dao động Việc sử dụng vật liệu TiNi trong chế tạo chi tiết giảm chấn giúp giảm biên độ rung và gia tăng tuổi thọ dụng cụ, đồng thời cải thiện độ nhám bề mặt Ra trong gia công vật liệu cứng như 5KhGSA, KhVG và U8.

Việc sử dụng cơ cấu giảm chấn là rất hiệu quả trong quá trình gia công các vật liệu có độ cứng trên 60 HRC, đặc biệt khi áp dụng với tốc độ cắt lớn hơn 2 m/s Điều này giúp cải thiện chất lượng gia công và tăng cường hiệu suất làm việc.

1 – insert cắt CBN; 2 – tấm đỡ giảm chấn; 3 – gia tốc kế; 4 – mỏ kẹp chặt

Hình 1.7: Cơ cấu giảm chấn dao tiện với tấm đỡ

In 2012, P Sam Paul published an article titled "Effect of Magneto Rheological Damper on Tool Vibration During Hard Turning," which demonstrated that the use of magneto rheological (MR) fluid significantly reduces tool vibration during the hard turning of AISI steel.

4340 với độ cứng 46HRC so với cán dao thường (Hình 1.8)

Hình 1.8: Sơ đồ lực cắt chính và lực giảm chấn của cơ cấu MR

In 2015, P Sam Paul conducted a research study titled “Effect of Nanoparticles on the Performance of Magnetorheological Fluid Damper During Hard Turning Process.” This study focused on reducing the temperature and increasing the viscosity of magnetorheological (MR) fluid by incorporating nanoparticles, specifically aluminum oxide (0.1%) and titanium oxide (0.2%) The results demonstrated an enhancement in cutting performance, as illustrated in Figure 1.9.

Hình 1.9: Sơ đồ cơ cấu giảm chấn MR

Nghiên cứu “Development of designs of damping cutting tools” của nhóm tác giả V V Malyhin, E I Yatsun, Yu N Seleznev, và S G Novikov, công bố năm 2016, tập trung vào thiết kế và phát triển cơ cấu giảm chấn nhằm kiểm soát độ ổn định của dụng cụ cắt trong quá trình gia công Nghiên cứu dựa trên lý thuyết và mô hình thực nghiệm, xác định sự thay đổi không theo quy luật của cấu trúc tế vi bề mặt sản phẩm Nhóm tác giả đã chế tạo mô hình cơ cấu giảm chấn cho dao tiện với hai nửa chi tiết bạc lót được lắp ghép và các vít điều chỉnh để cải thiện chất lượng bề mặt gia công.

Trong quá trình gia công, bạc lót (7) được sử dụng để điều chỉnh và cố định cán dao tiện (3), lắp bên trong chi tiết (6) làm từ vật liệu đặc biệt nhằm giảm chấn Mảnh dao tiện hợp kim (1) được gắn trên cán dao và cố định bằng cơ cấu đồ gá (2) Chi tiết giảm chấn (6) có nhiệm vụ cách ly cán dao tiện khỏi cơ cấu đồ gá, giúp giảm biên độ dao động trong gia công Kết quả thí nghiệm cho thấy chất lượng bề mặt gia công được cải thiện rõ rệt, với độ nhám bề mặt Ra giảm từ 20-40% khi sử dụng cơ cấu giảm chấn Độ dao động của cán dao tiện được khảo sát bằng thiết bị chuyển đổi rung động thành tín hiệu số, cho thấy cơ cấu giảm chấn giúp giảm dao động lên đến 30% so với các dao tiện thông thường.

Nghiên cứu của nhóm tác giả đã chỉ ra rằng việc sử dụng cơ cấu giảm chấn không chỉ giúp giảm độ dao động của cán dao mà còn hạn chế va đập trong quá trình gia công tiện.

Hình 1.10: Dụng cụ cắt giảm chấn

1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng dụng cụ cắt trong nước

Sự phát triển của nền công nghiệp gắn liền với sự tiến bộ của thiết bị và công cụ sản xuất Để nâng cao năng suất, giảm chi phí và cải thiện chất lượng sản phẩm gia công, cần áp dụng các biện pháp cải tiến hiệu quả trong quá trình sản xuất và cắt gọt.

Ngày nay, thiết bị gia công cắt gọt, đặc biệt là thiết bị điều khiển chương trình số và hệ thống tự động, đang phát triển mạnh mẽ Sự phát triển của thiết bị này kéo theo sự tiến bộ của dụng cụ cắt, với mối liên hệ chặt chẽ giữa máy gia công và dụng cụ cắt Tại Việt Nam, chỉ có một số cơ sở chế tạo dụng cụ cắt như công ty cổ phần dụng cụ số 1, công ty Vạn Xuân, và công ty TNHH dụng cụ An Mi, trong khi phần lớn dụng cụ cắt vẫn phải nhập khẩu và ứng dụng nghiên cứu có sẵn vào sản xuất Dụng cụ cắt nội địa còn hạn chế về năng suất và chưa chú trọng đến vấn đề rung động trong quá trình gia công, đặc biệt là việc phát triển dụng cụ cắt giảm rung động.

Việc sản xuất dụng cụ cắt trong nước hiện đang gặp khó khăn trong việc cạnh tranh với các sản phẩm quốc tế và khu vực, do phần lớn các công ty phải nhập khẩu dụng cụ cắt với giá thành cao và phụ thuộc vào nhà sản xuất Để nâng cao khả năng cạnh tranh, Việt Nam cần nghiên cứu và áp dụng công nghệ dụng cụ cắt tiên tiến từ thế giới, nhằm chủ động sản xuất các sản phẩm có tính năng cắt gọt tốt với giá thành hợp lý.

Ngành cơ khí chế tạo hiện đang phát triển theo ba hướng chính: máy gia công, công nghệ, và dụng cụ cắt Trong bối cảnh thực tế tại Việt Nam, việc phát triển và ứng dụng dụng cụ cắt được xem là cần thiết và phù hợp để đáp ứng nhu cầu của thị trường.

Độ nhám bề mặt là yếu tố quan trọng phản ánh chất lượng quá trình gia công và đặc điểm làm việc của chi tiết Nhiều nghiên cứu trong nước đã chỉ ra ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến chất lượng bề mặt gia công.

Tính cấp thiết đề tài

Trong gia công cắt gọt cơ khí, rung động là hiện tượng thường gặp do mọi vật thể có khối lượng và tính đàn hồi đều sẽ rung động khi chịu tác động của lực.

Máy công cụ hoạt động như một hệ đàn hồi, do đó trong quá trình gia công, lực cắt và ngoại lực tác động lên hệ thống sẽ gây ra rung động Không có quá trình cắt gọt kim loại nào mà không có sự rung động, điều này trở thành hiện tượng đi kèm trong gia công Trong một số điều kiện nhất định, rung động có thể gia tăng mạnh mẽ, dẫn đến việc giảm thiểu các chỉ tiêu về kinh tế và chất lượng sản phẩm Rung động có thể gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng trong quá trình gia công cắt gọt kim loại.

- Không cho phép sử dụng hết công suất của máy hoặc khả năng cắt của dụng cụ

- Tăng mức độ nguy hiểm phá huỷ cơ học lưỡi cắt của dụng cụ cắt

- Giảm độ chính xác hình học của chi tiết gia công, độ nhám bề mặt không tốt

Hiện nay, nghiên cứu về dụng cụ cắt nhằm giảm rung động vẫn còn hạn chế Trên thế giới, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc tăng độ cứng của cán dao, cải thiện vật liệu dụng cụ cắt và điều chỉnh góc dao Các thí nghiệm được công bố thường mang tính chất nghiên cứu và áp dụng chung Tại Việt Nam, nghiên cứu về giảm rung động và cơ cấu giảm chấn của cán dao vẫn còn mới mẻ, và chưa có công trình nghiên cứu ứng dụng phù hợp với điều kiện gia công, thành phần vật liệu và thiết bị trong nước.

Nghiên cứu về cơ cấu giảm chấn trên cán dao cắt là cần thiết để nâng cao hiệu quả sản xuất tại Việt Nam Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của cơ cấu giảm chấn trên cán dao tiện ngoài đến độ bóng bề mặt của quá trình tiện” được lựa chọn nhằm tìm hiểu tác động của cơ cấu giảm chấn xoay quanh trục cán dao, khác với nghiên cứu trước đó của Lê Hoàng Lâm chỉ cho phép cố định theo ba phương X, Y, Z Mục tiêu của nghiên cứu này không chỉ phục vụ cho sản xuất mà còn đóng góp vào giáo dục và phát triển ngành cơ khí, từ đó thúc đẩy sự phát triển của các ngành liên quan.

Nhiệm vụ, giới hạn và phương pháp nghiên cứu

Xuất phát từ đề tài và mục đích nghiên cứu, luận văn phải giải quyết những nội dung sau:

- Khái quát lý thuyết cắt gọt kim loại, nhám bề mặt

Lý thuyết về rung động trong gia công đề cập đến các nguyên nhân gây ra rung động, tác động của rung động đến chất lượng bề mặt gia công và những giải pháp hiệu quả để giảm thiểu rung động Việc hiểu rõ các yếu tố này không chỉ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn nâng cao hiệu suất gia công.

- Nghiên cứu chế tạo cơ cấu giảm chấn cho cán dao tiện ngoài

- Thí nghiệm so sánh ưu và nhược điểm của các cơ cấu giảm chấn trên dao tiện ngoài

+ Chuẩn bị máy, phôi, các cơ cấu giảm chấn dao tiện và mảnh insert

+ Chuẩn bị thiết bị đo

+ Tiến hành thí nghiệm gia công trên các cơ cấu giảm chấn dao tiện ngoài

+ Xử lý số liệu, lập biểu đồ và phân tích đánh giá kết quả

Do điều kiện thực tế, tác giả đã thực hiện thí nghiệm với cơ cấu giảm chấn gắn trên cán dao tiện ngoài bằng phương pháp gia công cơ khí truyền thống Các thiết bị sử dụng bao gồm máy tiện, cán dao, mảnh Insert, vật liệu gia công, máy đo độ nhám, và cân điện tử, cùng với chế độ cắt được lựa chọn phù hợp.

- Mãnh insert CNMG120404 – TN6010 KYOCERA

- Vật liệu gia cụng: thộp C45, kớch thước ỉ30 x 250 (mm)

- Chế độ cắt không đổi: t = 0,25 mm, S = 0,05 mm/vòng, n = 1000 vòng/phút

- Các thí nghiệm được thực hiện trên máy tiện CS6140/750 tại xưởng Cắt gọt kim loại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long

- Máy đo độ nhám Mitutoyo SJ- 210

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của các thông số giảm chấn trên cán dao tiện ngoài đối với độ nhám bề mặt của chi tiết gia công Thí nghiệm được thực hiện trong cả hai điều kiện có dầu và không có dầu, nhằm so sánh sự khác biệt về độ nhám bề mặt khi áp dụng cùng một chế độ cắt Kết quả của nghiên cứu sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về vai trò của giảm chấn trong quá trình gia công.

1.4.3.1 Phương pháp thu thập thông tin

Để nghiên cứu đề tài một cách hiệu quả, cần tiếp cận các tài liệu nghiên cứu và thông tin liên quan từ các tạp chí khoa học, tài liệu chuyên ngành, cũng như các nguồn tin từ báo chí, đài truyền hình và internet.

1.4.3.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Thực hiện tiến hành thực nghiệm, để có thể tối thiểu hóa số thí nghiệm cần thiết mà vẫn đảm bảo mức độ tin cậy

Tác giả nghiên cứu về rung động và tác động của nó đến độ nhám bề mặt, đồng thời khám phá các phương pháp và công nghệ giảm rung cho cán dao giảm chấn.

Trong nghiên cứu này, tác giả đã áp dụng môn học quy hoạch thực nghiệm để tiến hành thí nghiệm và xử lý số liệu Qua việc lập biểu đồ, tác giả đã thể hiện mối liên hệ giữa khối lượng con trượt, độ cứng lò xo với rung động và độ nhám bề mặt khi gia công bằng các cơ cấu giảm chấn dao tiện, nhằm đưa ra những kết luận chính xác.

Bố cục đề tài

Đề tài được chia làm 5 chương với các nội dung như sau:

Lý do chọn đề tài, tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học – thực tiễn, nhiệm vụ, giới hạn và phương pháp nghiên cứu

- Chương 2: Rung động và ảnh hưởng của rung động đến độ nhám bề mặt

Bài viết tổng quan về rung động và tác động của nó đến độ nhám bề mặt, đồng thời đề xuất các giải pháp giảm rung động nhằm định hướng nghiên cứu hiệu quả Ngoài ra, bài viết cũng trình bày cơ sở lý thuyết về cắt gọt kim loại và công nghệ tiện, giúp người đọc hiểu rõ hơn về mối liên hệ giữa rung động và chất lượng bề mặt trong quá trình gia công.

- Chương 3: Cơ sở lý thuyết cắt gọt và công nghệ tiện

Trình bày cơ sở lý thuyết cắt gọt kim loại và công nghệ tiện

- Chương 4: Dụng cụ cắt giảm chấn trong công nghệ tiện

Hãng Sandvik đã trình bày nguyên lý giảm chấn, từ đó tác giả đề xuất phương án thiết kế cán dao tiện giảm chấn nhằm phục vụ cho nghiên cứu và thí nghiệm.

- Chương 5: Thí nghiệm và đánh giá kết quả

Thực hiện các thí nghiệm và đánh giá kết quả nhằm lựa chọn phương án thiết kế tối ưu nhất

- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài

ĐỘ NHÁM VÀ RUNG ĐỘNG TRONG QUÁ TRÌNH CẮT GỌT

Lý thuyết về độ nhám

Bề mặt chi tiết sau gia công thường không hoàn toàn phẳng mà xuất hiện những nhấp nhô vi mô, được hình thành do rung động của dao cắt trong quá trình gia công Những nhấp nhô này có nhiều dạng khác nhau, ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt sản phẩm.

Quan sát một phần bề mặt đã được khuếch đại, nhận thấy các loại nhấp nhô:

- Nhấp nhô có chiều cao h1 là sai lệch hình dạng hình học đại quang

- Nhấp nhô có chiều cao h2 là độ sóng bề mặt

- Nhấp nhô có chiều cao h3 là nhám bề mặt Đây là những nhấp nhô tế vi trên bề mặt xét trong phạm vi chiều dài chuẩn l rất nhỏ

- Để phân biệt độ sóng và độ nhám bề mặt, có thể dùng tỉ lệ tương đối giữa bước

Pi và chiều cao hi Độ nhám: 𝑃 𝑖

Hình 2.1: Các loại nhấp nhô trên bề mặt chi tiết

2.1.2 Ký hiệu nhám bề mặt trên bản vẽ

- : Dùng cho bề mặt gia công không phoi

- : Dùng cho bề mặt có yêu cầu gia công cắt gọt

- : Dùng cho bề mặt không qui định phương pháp gia công

- h : Chiều cao khổ chữ trong bản vẽ

Hình 2.2: Cách ghi ký hiệu nhám bề mặt [9]

Trong việc ghi nhận độ nhám bề mặt, vị trí 1 yêu cầu ghi trị số Ra hoặc Rz Đối với độ nhám cấp 1 đến 5 và cấp 13 đến 14, thông số Rz thường được sử dụng (cần ghi chữ “Rz” trong ký hiệu) Trong khi đó, từ cấp 6 đến 12, thông số Ra là lựa chọn phổ biến (không cần ghi chữ “Ra” trong ký hiệu).

+ Vị trí 2: Ghi phương pháp gia công lần cuối (nếu có) như cạo, đánh bóng… + Vị trí 3: Ghi trị số chiều dài chuẩn (nếu khác tiêu chuẩn)

+ Vị trí 4: Ghi ký hiệu hướng nhấp nhô (nếu có)

- Các loại hướng nhấp nhô bề mặt và ký hiệu

+ Hướng nhấp nhô song song: ký hiệu =

+ Hướng nhấp nhô vuông góc: ký hiệu ┴

+ Hướng nhấp nhô đan chéo: ký hiệu ×

+ Hướng nhấp nhô bất kỳ: ký hiệu M

+ Hướng nhấp nhô xoáy tròn: ký hiệu C

+ Hướng nhấp nhô xoáy hướng kính: ký hiệu R

2.1.3 Ảnh hưởng của độ nhám đến tính chất làm việc và độ bền của chi tiết Ảnh hưởng đến tính chống mòn: Đối với các chi tiết trong mối ghép động như ổ trượt, sống dẫn, con trượt… Khi làm việc, các bề mặt của chi tiết tiếp xúc với nhau ở một số đỉnh nhấp nhô nên diện tích tiếp xúc thực chỉ bằng một phần diện tích (hình 2.3 b) Nhám bề mặt sẽ đẩy dầu ra chỗ tiếp xúc làm giảm hiệu suất làm việc, tăng nhiệt độ, bề mặt tiếp xúc nhanh mòn, giảm thời gian sử dụng Độ nhẵn bóng càng cao thì khả năng chống mài mòn càng tốt [9] (hình 2.3 a)

Hình 2.3: Độ nhám ảnh hưởng đến tính chống mòn

Nhám bề mặt có ảnh hưởng đáng kể đến độ bền mỏi của các chi tiết chịu tải trọng chu kỳ và tải trọng động Càng nhiều nhấp nhô trên bề mặt, càng dễ xảy ra hiện tượng tập trung ứng suất tại đáy các nhấp nhô, điều này dẫn đến sự hình thành rạng nứt và làm giảm độ bền mỏi của chi tiết.

Độ nhám bề mặt ảnh hưởng đáng kể đến độ bền mỏi của chi tiết Các chỗ lõm và nhấp nhô trên bề mặt dễ tích tụ axit, muối và tạp chất, làm tăng nguy cơ ăn mòn Do đó, bề mặt càng nhẵn bóng thì khả năng chống ăn mòn càng hiệu quả.

Độ nhám bề mặt có ảnh hưởng đáng kể đến tính chính xác và độ bền của mối lắp ghép Trong các lắp ghép có độ hở, các nhấp nhô bề mặt sẽ bị mòn nhanh chóng trong giai đoạn đầu, dẫn đến việc tăng khe hở và làm giảm độ chính xác Ngược lại, trong lắp ghép có độ dôi, khi hai chi tiết được ép lại, các nhấp nhô sẽ bị san phẳng, làm giảm độ dôi và ảnh hưởng đến độ bền chặt của mối ghép.

Hình 2.6: Độ nhám ảnh hưởng đến độ chính xác mối ghép [9]

2.1.4 Chỉ tiêu đánh giá nhám bề mặt Để đánh giá nhám bề mặt, người ta dùng một số yếu tố hình học của những nhấp nhô làm chỉ tiêu (Ra và Rz đơn vị đo μm), nhưng phải xét trong một phạm vi nhỏ của bề mặt, giới hạn trong chiều dài chuẩn l (mm) Chiều dài chuẩn là chiều dài khoảng bề mặt dùng để đo nhấp nhô tế vi của bề mặt Giá trị của chiều dài chuẩn được quy định phụ thuộc vào nhám bề mặt [9]

Độ nhám được phân chia thành nhiều cấp độ khác nhau, cụ thể như sau: Đối với độ nhám cấp 1 đến 3, chiều dài chuẩn là 8 mm; độ nhám cấp 4 đến 6 có chiều dài chuẩn là 2,5 mm; độ nhám cấp 7 đến 9 với chiều dài chuẩn 0,8 mm; độ nhám cấp 10 đến 12 có chiều dài chuẩn là 0,25 mm; và cuối cùng, độ nhám cấp 13 đến 14 có chiều dài chuẩn là 0,08 mm.

Sai lệch trung bình số học của prôfin R a là giá trị trung bình của các khoảng cách tuyệt đối giữa các điểm trên đường nhấp nhô và đường trung bình, được tính trong phạm vi chiều dài chuẩn l.

𝑛∑ 𝑛 𝑖=1 |𝑦 𝑖 | (2.1) Đường trung bình là đường chia các nhấp nhô bề mặt thành hai phần sao cho diện tích của hai phần đó bằng nhau

Hình 2.7: Prôfin trên bề mặt xét theo Ra

Chiều cao trung bình của prôfin theo 10 điểm R z

Chiều cao trung bình của prôfin theo 10 điểm Rz được tính bằng cách lấy giá trị trung bình của 5 khoảng cách từ 5 đỉnh cao nhất đến 5 điểm đáy thấp nhất trong phạm vi chiều dài chuẩn l.

Theo TCVN 2511-95 và ISO, có 14 cấp độ nhám được ký hiệu bằng ký hiệu √ và các trị số tương ứng Các cấp độ từ 6 đến 12 chủ yếu sử dụng giá trị Ra, trong khi các cấp độ từ 1 đến 5 và 13 đến 14 sử dụng giá trị Rz Khi ghi độ nhám trên bản vẽ, nếu sử dụng Ra chỉ cần ghi giá trị, còn nếu sử dụng Rz thì cần ghi thêm ký hiệu chữ.

Rz kèm theo giá trị như hình 2.9 Trong thực tế sản xuất, tuỳ theo các phương pháp gia công khác nhau sẽ đạt các cấp độ nhám khác nhau

Hình 2.9: Ký hiệu độ nhám theo Ra và Rz [9].

Bảng 2.1: Các giá trị thông số độ nhám bề mặt (TCVN 2511 – 95)

Trị số nhám Chiều dài chuẩn L

Phương pháp gia công Ứng dụng

1 320 - 160 8 Tiện thô, cưa, dũa, khoan

Bề mặt không tiếp xúc, không quan trọng

Bề mặt tiếp xúc tĩnh, động, bề mặt răng

Bề mặt tiếp xúc động: mặt răng, mặt pittông, xi lanh, chốt

9 0,32-0,16 0,8 Mài tinh, nghiền, gia công phương pháp đặc biệt

Bề mặt mút, van, bi, con lăn, dụng cụ đo, căn mẫu

13 0,1 - 0,05 0,08 Bề mặt chi tiết chính xác, dụng cụ đo

Bảng 2.2: Các giá trị tiêu chuẩn của Ravà Rz

Độ nhám bề mặt thấp nhất, tương ứng với cấp nhám 14, đạt giá trị Rz từ 0,05 μm đến 0,025 μm Để phù hợp với mục tiêu và phương pháp thí nghiệm, đề tài lựa chọn mức gia công từ bán tinh đến tinh.

2.1.5 Phương pháp đánh giá độ nhám

Các phương pháp đánh giá nhám bề mặt:

Phương pháp so sánh là một kỹ thuật sử dụng mắt thường để đối chiếu bề mặt gia công với mẫu nhám, lựa chọn cấp nhám bề mặt theo mẫu đã định Tuy nhiên, độ chính xác của phương pháp này được đánh giá là thấp.

Phương pháp sử dụng máy dò prôfin là một kỹ thuật hiệu quả để đo độ nhám bề mặt, với khả năng đo từ cấp 4 đến cấp 11 Phương pháp này mang lại độ chính xác cao, giúp người sử dụng có được các thông số cần thiết về bề mặt một cách đáng tin cậy.

- Phương pháp đo quang học (dùng kính hiển vi): Phương pháp này thường đo độ nhám từ cấp 10 đến cấp 14, đạt độ chính xác rất cao

Đánh giá chất lượng bề mặt bao gồm các chỉ tiêu như độ nhám, độ biến cứng, chiều sâu lớp biến cứng và ứng suất dư Trong nghiên cứu này, tác giả tập trung vào chỉ tiêu độ nhám để đánh giá chất lượng bề mặt, sử dụng phương pháp máy dò prôfin để thực hiện so sánh.

Lý thuyết về rung động trong quá trình cắt gọt

2.2.1 Tổng quan về rung động trong quá trình cắt gọt [10]

Rung động là hiện tượng tự nhiên và kỹ thuật phổ biến, xảy ra khi các vật thể có khối lượng và tính đàn hồi chịu tác động của lực Trong quá trình gia công, máy công cụ, với đặc tính là hệ đàn hồi, sẽ rung động do tác động của ngoại lực và lực cắt Không có quá trình cắt gọt kim loại nào mà không có sự rung động của hệ thống công nghệ Rung động không chỉ là hiện tượng kèm theo mà còn có thể gia tăng mạnh mẽ trong những điều kiện nhất định, ảnh hưởng tiêu cực đến các chỉ tiêu kinh tế và chất lượng sản phẩm Những hậu quả cụ thể của rung động trong gia công cắt gọt kim loại có thể gây thiệt hại đáng kể.

- Không cho phép sử dụng hết công suất của máy, khả năng cắt của dụng cụ

- Gây mòn nhanh các bộ phận chính của máy (băng máy, trục chính) làm giảm độ chính xác của máy, bộ phận gá lắp phôi

- Tăng mức độ nguy hiểm phá huỷ cơ học lưỡi cắt của dụng cụ cắt

- Phá huỷ cơ học dụng cụ cắt (gãy răng dụng cụ cắt) hoặc cán dao

- Giảm độ chính xác hình học của chi tiết gia công, độ nhám bề mặt

- Gây tiếng ồn cho môi trường làm việc

2.2.2 Các dạng rung động và nguyên nhân gây ra rung động

Rung động trong quá trình cắt thường bao gồm các loại sau:

- Rung động tự kích thích

Rung động cưỡng bức là hiện tượng xảy ra khi các lực tác động từ bên ngoài tác động lên một hệ thống Tùy thuộc vào nguồn lực tác động, rung động cưỡng bức có thể được phân loại thành chu kỳ hoặc không chu kỳ Những lực này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định nguồn gốc và tính chất của rung động.

21 lực tác động xuất phát từ các sai số trong chi tiết máy, bao gồm khe hở giữa các mặt tiếp xúc, khâu quay không cân bằng, sự không đồng đều của lượng dư gia công, bề mặt gia công không liên tục, và rung động từ các máy xung quanh.

Biện pháp để giảm rung động cưỡng bức:

- Tăng độ cứng vững của hệ thống công nghệ (máy, dao, đồ gá)

- Yêu cầu độ chính xác chế tạo – lắp ráp máy, đồ gá có độ chính xác cao

- Tránh cắt không liên tục

- Phôi cần được chọn lọc và gia công sơ bộ

- Trang bị thêm cơ cấu giảm rung động

- Móng máy đủ khả năng dập tắt dao động và được cách ly chấn động với tác động lực ở xung quanh

- Đặt những máy làm việc có độ rung động lớn như: máy dập, máy rèn, máy búa…xa những máy gia công chính xác

2.2.2.2 Rung động tự kích thích

Là loại rung động do bản thân chuyển động cắt gây ra, việc khắc phục nó rất khó khăn và khó tìm ra nguyên nhân

Nguyên nhân gây ra rung động tự kích thích do:

- Lực ma sát giữa dao và phoi biến đổi khi gia công (đặc biệt là trong gia công hình thành phoi vụn)

- Sự hóa cứng không đều

- Lượng dư cắt gọt không đều

- Sự thay đổi chiều cao phoi bám

- Sự không đồng nhất của vật liệu gia công…

Rung động tự phát chỉ khắc phục được một phần chứ không loại trừ được hoàn toàn

Các nhân tố ảnh hưởng đến rung động

Khi tăng tốc độ cắt, biên độ dao động sẽ tăng lên trong vùng lẹo dao Tuy nhiên, khi biên độ dao động đạt đến một giá trị cực đại nhất định, tốc độ cắt sẽ tiếp tục tăng nhưng biên độ dao động lại giảm.

- Chiều sâu cắt tăng biên độ dao động tăng ảnh hưởng đến hệ thống công nghệ

- Ảnh hưởng của thông số hình học, góc nghiêng chính φ càng tăng rung động giảm (lực P y = P N cos𝜑; lực P y ảnh hưởng đến rung động nhiều nhất)

Trong quá trình gia công gang, việc cắt tạo ra phoi vụn và lực cắt thay đổi, dẫn đến sự gia tăng rung động Đối với vật liệu dẻo, điều kiện hình thành lẹo dao thường cao, làm cho rung động dễ xảy ra hơn.

Rung động trong quá trình gia công có nhiều yếu tố ảnh hưởng, đặc biệt là cơ cấu giảm chấn trên cán dao tiện ngoài so với cán dao thông thường Nghiên cứu cho thấy cơ cấu giảm chấn có tác dụng đáng kể khi tiện ở những vị trí khó khăn, đặc biệt là khi cán dao cần phải gá đặt dài Chiều dài cán dao không chỉ ảnh hưởng đến chế độ cắt mà còn tác động lớn đến độ nhám bề mặt và năng suất gia công.

Rung động riêng trong hệ thống máy và dụng cụ cắt có thể phát sinh từ va đập, chế độ cắt không phù hợp, hoặc khi dụng cụ bắt đầu vào cắt Mặc dù ảnh hưởng của rung động riêng trong quá trình cắt thường không đáng kể, nhưng nó là một dao động tắt dần nhanh chóng Dao động tắt dần này rất quan trọng trong việc xác định đặc tính của quá trình dao động, phục vụ cho việc nghiên cứu hiện tượng rung động trong cắt.

2.2.3 Giải pháp để giảm rung động

2.2.3.1 Nhóm biện pháp liên quan tới cấu trúc máy

- Đảm bảo độ cứng vững của nền máy như giải pháp lắp đặt máy có bộ phận giảm chấn

- Lựa chọn vị trí đặt máy tối ưu tránh nguồn dao động từ bên ngoài

- Bàn trượt, bàn dao được gia công và lắp ráp đúng yêu cầu

- Biện pháp định hướng lực cắt sao cho lực cắt vuông góc với hướng của máy có độ mềm dẻo động lực học tốt nhất

2.2.3.2 Nhóm biện pháp liên quan tới phôi và dụng cụ gia công

- Dùng các bộ phận đỡ phụ làm tăng độ cứng vững của chi tiết gia công

- Giảm trọng lượng của phôi, thay đổi hình dạng phôi

- Sử dụng dao có độ cứng vững cao, dao có bộ phận giảm rung

- Chọn dao phù hợp vật liệu gia công, góc dao sắc, dao có bán kính mũi dao nhỏ hơn chiều sâu cắt

- Nếu dao gá dài cần phải tăng đường kính dao hoặc sử dụng cán dao giảm chấn

2.2.3.3 Các biện pháp liên quan tới quá trình cắt

- Sử dụng dung dịch tưới nguội phù hợp, giải nhiệt tốt, thoát phoi tốt

- Chọn hướng vào và ra dao tối ưu, quá trình gia công liên tục

- Chọn chế độ cắt tránh hiện tượng lẹo dao, phoi bám

- Sử dụng giải pháp giảm rung động, hấp thụ rung động

- Chọn chế độ cắt tối ưu, phù hợp từng loại dao và từng loại vật liệu

2.2.4.1 Các tham số động học của dao động điều hòa

- Dao động điều hòa được mô tả về phương diện động học như sau [11] y(t) = Asin(ωt + α) = Asinψ(t)

Dao động điều hòa, hay còn gọi là dao động hình sin, được đặc trưng bởi biên độ dao động A không thay đổi Trong đó, góc pha ψ(t) = ωt + φ thể hiện trạng thái dao động, với α là pha ban đầu Tần số vòng ω, đo bằng rad/s hoặc s⁻¹, là yếu tố quan trọng trong việc mô tả đặc tính của dao động điều hòa.

- Chu kỳ của dao động điều hòa:

- Tần số của dao động điều hòa f (Hz hoặc s -1 ): f  T1

- Mối quan hệ giữa tần số dao động f và tần số vòngω: ω = 2πf (2.7)

- Giả sử các điều kiện ban đầu là: t = 0; y(0) = y0 ;

- Phương trình dao động có dạng: y0 = Asinα (2.8)

2.2.4.2 Phương trình vi phân dao động

- Các phương trình Lagrange loại II được áp dụng để thiết lập các phương trình vi phân chuyển động của hệ có dạng tổng quát như sau [11] i i i q Q

(  (2.10) i = 1 – n qi: là tọa độ suy rộng

Qi: là lực suy rộng

T: là biểu thức động năng n: là số bậc tự do của hệ a Dao động cưỡng bức không cản chịu kích động điều hòa

Dao động tuyến tính cưỡng bức không cản của hệ n bậc tự do chịu kích động điều hòa có dạng: t f q C q

(2.11) Ở chế độ bình ổn ta tìm được nghiệm phương trình có dạng: t u t q ( )  sin  (2.12)

Thế vào phương trình trên ta có: f H u f u C

(2.13) Trong đó ma trận truyền theo công thức:

H (2.14) b Phương trình đường đàn hồi của thanh chịu uốn

- Phương trình vi phân của thanh đàn hồi là [12] x x

(2.15) Trong đó EIx là độ cứng của dầm khi chịu uốn

- Lấy tích phân lần thứ nhất ta được phương trình góc xoay là:

- Lấy tích phân lần thứ hai ta được phương trình đàn hồi là:

C và D là hai hằng số tích phân sẽ được xác định dựa trên các điều kiện biên Những điều kiện này phụ thuộc vào cách liên kết của dầm cũng như sự thay đổi tải trọng tác động lên dầm (Hình 2.9).

Hình 2.10: Các liên kết của dầm

- Phương trình đàn hồi và góc xoay cho dầm console như hình vẽ sau đây:

Hình 2.11: Dầm console chịu uốn

- Phương trình moment uốn tại mặt cắt có hoành độ z là:

- Ta được phương trình vi phân đàn hồi như sau:

Trong đó C, D được xác định từ các điều kiện biên về độ võng và góc xoay tại ngàm: z = L; φ = 0; y = 0 x x

- Vậy phương trình đường đàn hồi và góc xoay là: x x x x x

(2.19) c Phương trình dao động dọc của thanh chịu nén

Hình 2.12: Sơ đồ chuyển vị của thanh do lực dọc trục tác dụng

- Điều kiện ban đầu: l : Chiều dài dao chịu nén

A = BxH: Tiết diện cán dao

E: Mođun đàn hồi của dầm

Vị trí của điểm A được xác định bởi lực hướng kính Py, và khi Py dao động tuần hoàn, nó lặp lại sau mỗi vòng quay của trục chính Phương trình dao động mô tả sự thay đổi này là

 , với chu kỳ dao động của Py là thời gian của 1 vòng quay trục chính

(2.21) d Đối với hệ giảm chấn sử dụng lò xo:

Hình 2.13: Mô hình vật lý của hệ giảm chấn

- Với: m1: là khối lượng của con trượt

K1: là độ cứng lò xo

A: tiết diện thanh chịu nén

K: độ cứng của hệ tương đương l

- Ta có phương trình dao động:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CẮT GỌT VÀ CÔNG NGHỆ TIỆN

Cơ sở lý thuyết cắt gọt

3.1.1 Khái quát về quá trình cắt gọt kim loại

Cắt gọt kim loại là quá trình loại bỏ các lớp kim loại từ bề mặt phôi để tạo ra chi tiết với kích thước và hình dạng chính xác Trong quá trình này, lực cắt và nhiệt cắt được sinh ra, ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng bề mặt và độ chính xác của chi tiết Những yếu tố này cũng tác động đến dụng cụ cắt, quyết định mức độ mòn và tuổi thọ của dụng cụ Quá trình tạo phoi trong cắt gọt kim loại được phân tích kỹ lưỡng trong vùng tác động.

Hình 3.1: Quá trình tạo phoi [13]

Vùng biến dạng là khu vực vật liệu phôi nằm trước mũi dao, được phân cách giữa vùng vật liệu phoi và vùng vật liệu phôi Khi lực cắt động tác động, vùng này trải qua biến dạng dẻo Nếu ứng suất do lực cắt động vượt quá giới hạn cho phép của kim loại, sẽ xảy ra hiện tượng trượt và hình thành phoi.

+ Vùng ma sát (2): Là vùng vật liệu phoi tiếp xúc với mặt trước của dao

+ Vùng ma sát (3): Là vùng vật liệu phôi tiếp xúc với mặt sau của dao

Vùng tách là giai đoạn đầu tiên trong quá trình cắt kim loại, nơi kim loại được tách ra khỏi phôi để tạo thành phoi Quá trình này được thực hiện thông qua các dụng cụ cắt như dao tiện, dao phay, dao bào, dao chuốt và mũi khoan, sử dụng trên các máy cắt kim loại như máy tiện, máy phay, máy bào, máy chuốt và máy khoan Để thực hiện quá trình cắt hiệu quả, cần có hai chuyển động cơ bản.

30 cắt chính và chuyển động chạy dao

Chuyển động cắt chính là chuyển động cơ bản trong quá trình cắt, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra phoi và tiêu thụ công suất lớn nhất Chuyển động này có thể là quay tròn hoặc tịnh tiến của dụng cụ cắt hoặc phôi, và nó quyết định tốc độ cắt trong quá trình gia công.

Chuyển động chạy dao là một yếu tố quan trọng trong quá trình cắt, giúp duy trì hiệu suất cắt Chuyển động này có thể diễn ra liên tục hoặc gián đoạn, tuy nhiên, tốc độ của chuyển động chính luôn phải lớn hơn tốc độ của chuyển động chạy dao để đảm bảo hiệu quả cắt tối ưu.

Trong quá trình cắt kim loại, phôi và dao được kẹp chặt trên máy, tạo ra các bề mặt mới thông qua sự biến dạng và hớt dần của các lớp bề mặt, kèm theo sự hình thành phoi Khi bắt đầu cắt, dao tiếp xúc với chi tiết và lưỡi dao dần ăn sâu vào kim loại, làm cho vật liệu bị dồn ép Sự lún sâu của lưỡi dao thắng lực liên kết giữa các lớp kim loại, dẫn đến hiện tượng trượt phân tử phoi đầu tiên Tiếp theo, dao tiếp tục chuyển động, tách các phân tử phoi tiếp theo khỏi kim loại chính, từ đó hình thành phoi và thực hiện quá trình cắt gọt.

3.1.2 Lý thuyết về quá trình tiện [13]

3.1.2.1 Các chuyển động khi tiện

Chuyển động chính (ký hiệu

V hoặc n): là chuyển quay tròn của chi tiết

Chuyển động tiến: là chuyển động tịnh tiến của dao, gồm 2 chuyển động:

Chuyển động tiến dọc (S → d) là chuyển động theo đường tâm của chi tiết gia công, trong khi chuyển động tiến ngang (S → n) diễn ra vuông góc với đường tâm của chi tiết đó.

Hình 3.2: Các chuyển động khi tiện

3.1.2.2 Các yếu tố cắt khi tiện a Tốc độ cắt V(m/ph)

Là khoảng dịch chuyển tương đối giữa dao và chi tiết theo hướng chuyển động chính trong một đơn vị thời gian

 là tổng hình học của vectơ vận tốc chuyển động chính (

V ) với vectơ vận tốc của chuyển động tiến (V S

 nhỏ hơn rất nhiều so với V  nên bỏ qua, ta có V  =V t

 Dn (m/ph) Với n(v/ph) là số vòng quay của chi tiết trong một phút, D (mm) là đường kính lớn nhất của chi tiết

Hình 3.3: Tốc độ cắt khi tiện b Bước tiến S (mm/v)

Là khoảng dịch chuyển tương đối của dao theo hướng chuyển động tiến sau một vòng quay của chi tiết c Chiều sâu cắt t (mm)

Là khoảng cách giữa bề mặt chưa gia công và bề mặt đã gia công sau một lần cắt (lát cắt)

D  Với Do là đường kính chi tiết đã gia công, D là đường kính chi tiết chưa gia công d Chiều rộng cắt b (mm)

Là chiều dài lưỡi cắt tham gia cắt

 sin b  t với  là góc nghiêng chính e Chiều dày cắt a (mm)

Khoảng cách giữa hai vị trí của lưỡi cắt khi dao tiến một bước S

Ta có công thức: a  S sin  f Diện tích lớp cắt F(mm 2 )

Diện tích cắt được xác định trên mặt phẳng chứa lưỡi cắt chính và vùng cắt gọt Khi lưỡi cắt song song với mặt phẳng ngang, diện tích lớp cắt sẽ được tính toán theo công thức cụ thể.

Hình 3.4: Các yếu tố cắt khi tiện g Thời gian chạy máy Tm(ph)

Tm dùng để định mức thời gian ứng dụng trong việc lập quy trình công nghệ

+ L(mm): Chiều dài hành trình:

+ l: Chiều dài chi tiết gia công

Hình 3.5: Sơ đồ tính thời gian chạy máy 3.1.2.3 Kết cấu dao tiện

Hình 3.6: Kết cấu dao tiện

Kết cấu dao tiện chia làm 2 phần: thân dao và phần cắt

Có 3 kích thước cơ bản:

Các kích thước của thân dao được chọn theo tiêu chuẩn để phù hợp với ổ gá dao trên máy tiện

Phần cắt (đầu dao hay phần làm việc)

Hình 3.7: Các bề mặt khi gia công chi tiết

Trước khi xác định kết cấu của phần cắt, ta có một số định nghĩa sau:

Mặt chưa gia công (1): là bề mặt của chi tiết mà dao sẽ cắt đến

Mặt đang gia công (2): là bề mặt của chi tiết mà dao đang cắt

Mặt đã gia công (3): là bề mặt của chi tiết mà dao đã cắt qua

- Mặt trước (mặt thoát): là mặt của dao mà phoi trượt lên đó (phoi thoát ra trên mặt này)

- Mặt sau chính (mặt sát chính): là bề mặt của dao đối diện với bề mặt đang gia công của chi tiết

- Mặt sau phụ (mặt sát phụ): là bề mặt của dao đối diện với bề mặt đã gia công của chi tiết

- Lưỡi cắt chính là giao tuyến giữa mặt trước và mặt sau chính Giữ nhiệm vụ chủ yếu trong quá trình cắt

- Lưỡi cắt phụ: là giao tuyến giữa mặt trước và mặt sau phụ Khi cắt có một phần lưỡi cắt phụ tham gia cắt

- Mũi dao: là giao điểm của lưỡi cắt chính và lưỡi cắt phụ

Hình 3.8: Kết cấu phần cắt 3.1.2.5 Lực cắt khi tiện

- Nghiên cứu lực cắt rất quan trọng vì từ lực cắt ta có thể tính được công suất tiêu hao trong quá trình cắt

Lực cắt đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá quá trình gia công, ảnh hưởng đến hiệu suất khi làm việc với các loại vật liệu và dụng cụ cắt khác nhau.

Xác định lực cắt chính xác là yếu tố quan trọng giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống công nghệ, đồng thời tính toán và đưa ra giải pháp hiệu quả để giảm rung động trong quá trình cắt.

Trong quá trình gia công, lực cắt đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng đến tính chất của quá trình này Việc xác định lực cắt phù hợp giúp lựa chọn chế độ cắt tối ưu cho từng loại vật liệu, từ đó nâng cao năng suất và độ chính xác trong gia công.

Người ta phân tích lực làm 3 phần:

- Lực dọc trục P X : có phương song song với bước tiến, chiều ngược với bước tiến S

- Lực hướng kínhP Y : có phương vuông góc với bước tiến, chiều đẩy dao ra khỏi chi tiết gia công

Hai lực P X , P Y hợp thành lực P N và nằm trên mặt phẳng cơ bản

- Lực tiếp tuyến P Z : có phương trùng với vectơ vận tốc V nhưng chiều ngược lại

Tổng hợp 3 lực P X , P Y , P Z ta có:

Thực nghiệm cho thấy nếu φ = 45 o , γ = 15 o thì:

Ta nhận thấy PZ nhỏ hơn R không bao nhiêu nên lấy R = PZ làm lực cắt khi tiện

- Với dao vai ta có Py = 0

- Với dao tiện cắt đứt ta có Px = 0

Ta đã biết tổng hợp lực R⃗⃗ ở trên, nhưng lực này do đâu mà có

Khi cắt phôi, tác động lên mặt trước của dao tạo ra áp lực N1 nhằm vượt qua lực liên kết nội bộ của kim loại, cùng với đó là lực ma sát F1 Hợp lực từ hai yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong quá trình cắt.

Hình 3.9: Phân tích lực cắt khi tiện

- Tương tự trên mặt sau của dao xuất hiện áp lực N 2 và lực ma sátF 2 Ta có hợp lực:

- Hợp lực RQ 1 Q 2 Đó là tất cả các lực tác dụng lên dao

3.1.2.7 Tác dụng của lực lên máy – dao – chi tiết gia công a Tác dụng của lực lên dao

- Lực P Z : gây uốn thân dao, dao phải thỏa mãn điều kiện an toàn:

-  u : ứng suất uốn do lực PZ tạo ra

- l: chiều dài dao chịu uốn (mm)

- Wx : moment chống uốn của tiết diện chịu uốn (mm 3 )

-    u : ứng suất uốn cho phép của vật liệu làm thân dao

W x  : khi thân dao là hình chữ nhật

W x  : khi thân dao là hình vuông

Hình 3.10: Hợp lực cắt khi tiện

W x  : khi thân dao là hình tròn Đối với dao gắn hợp kim cứng hoặc sứ thì không cần kiểm nghiệm  u vì lực

PZ gây mẻ mãnh hợp kim hoặc sứ trước khi thân dao gãy

- Lực P Y : đẩy dao ra khỏi chi tiết gia công, gây nén lệch tâm, nhỏ, thường bỏ qua, chỉ tính đối với dao tiện cắt đứt

- Lực P X : gây uốn thân dao theo phương ngang, nhỏ, thường bỏ qua, chỉ tính đối với dao tiện vai

Hình 3.11: Lực tác dụng của dao vào phôi b Tác dụng của lực lên máy [13]

- Lực P Z : tạo nên moment cản quay, gây xoắn trục chính, uốn các bánh răng trong hộp tốc độ Điều kiện để cắt gọt được là M c    M t

Với   M t là moment cho phép của trục chính, tra thuyết minh máy

: kết hợp với lực P Z tạo nên lực Q gây uốn trục chính, thông qua bàn xa dao làm uốn trục trơn và trục vitme

Lực P x tác động lên trục chính gây nén, ảnh hưởng đến việc chọn ổ lăn và cản trở chuyển động tiến Điều này dẫn đến việc uốn các chi tiết truyền động trong hộp bước tiến, đồng thời làm tăng áp lực của bàn xa dao lên rãnh trượt, từ đó gây ra sự mau mòn cho rãnh trượt.

Hợp lực Q ct  P Z ct  P y ct tạo ra moment xoắn và uốn cho chi tiết Khi chi tiết có dạng trống, nó sẽ chống tâm ở hai đầu, trong khi đó, nếu chi tiết có dạng loa kèn, lực sẽ được cặp bằng mâm cặp.

Vì vậy khi gia công phải đảm bảo:

- f: là độ võng chi tiết

- L: là chiều dài chi tiết gia công chịu lực

- E: là modul đàn hồi của vật liệu

Ethép =2.10 4 KG/mm 2 ; Egang =8.10 3 KG/mm 2

J = 0,05D 4 khi tiết diện chi tiết hình tròn

-   f : là độ võng cho phép

- m: là hệ số cứng vững, phụ thuộc vào cách gá chi tiết

+ m = 3: chi tiết kẹp trên mâm cặp

+ m = 48: chi tiết chống trên 2 mũi chống tâm

+ m y: chi tiết được kẹp một đầu mâm cặp, một đầu chống tâm

- Lực Py : gây nén lệch tâm chi tiết, nhỏ, bỏ qua.

Các yếu tố ảnh hưởng tới rung động khi gia công tiện

- Trong quá trình gia công tiện các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến biến dạng thì đều ảnh hưởng đến rung động như:

3.2.1 Ảnh hưở ng của kim loa ̣i gia công

- Kim loại dẻo thì dễ biến da ̣ng và biến da ̣ng nhiều hơn kim loại dòn

- Vật liệu dẻo có độ bền càng cao càng khó biến dạng và ngược lại

- Vật liệu dòn có độ cứng HB càng cao càng khó biến dạng và ngược lại

3.2.2 Ảnh hưở ng của chế đô ̣ cắt (t, S, V)

- Vận tốc cắt V: ảnh hưởng đến biến dạng nhiều nhất:

+ Khi V ≤ 50 m/ph thì biến dạng tăng vì ma sát tăng

Khi vận tốc dao V vượt quá 50 m/ph, hiện tượng biến dạng giảm do lớp phoi tiếp xúc với mặt trước của dao trở nên mềm hơn, tạo ra một lớp nhờn trên bề mặt dao, từ đó làm giảm ma sát.

Hình 3.12: Cách gá chi tiết

Hình 3.13: Quan hệ giữa V và biến dạng

3.2.3 Ảnh hưởng của thông số hình học dao đến biến dạng

- Góc trước γ: γ tăng thì phoi thoát dễ dàng nên biến dạng giảm

- Góc sau α: α tăng thì ma sát giữa dao và chi tiết giảm nên biến dạng giảm

- Góc lệch chính φ: gọi R là bán kính mũi dao

+ Khi R=0: φ tăng thì a tăng nên biến dạng giảm

Nếu φ≤60˚ khi φ tăng thì a tăng nên biến dạng giảm

Khi góc φ lớn hơn 60˚, sự biến dạng sẽ tăng lên ít hơn khi góc φ tăng Điều này xảy ra vì khi φ tăng, giá trị a cũng tăng, dẫn đến sự giảm biến dạng Mặc khác, khi φ tăng, cung tiếp xúc A’B’ sẽ lớn hơn AB, làm cho biến dạng tăng lên Cuối cùng, việc tăng φ cũng sẽ làm tăng phương biến dạng, dẫn đến sự gia tăng biến dạng.

Do đó khi φ tăng thì biến dạng tăng ít

Bán kính mũi dao R ảnh hưởng trực tiếp đến biến dạng và độ dày của phoi cắt Khi R tăng, biến dạng tăng theo, dẫn đến việc chiều dày phoi cắt không đều và khó khăn trong việc thoát phoi Do đó, dao có bán kính R không thích hợp cho gia công thô Ngược lại, trong gia công tinh, khi R tăng, diện tích dư để lại sẽ nhỏ nhưng ma sát lại lớn.

Hình 3.14: Quan hệ giữa φ và biến dạng

Ngoài ra, dung dịch tưới nguội cũng làm giảm nhiệt cắt và giảm ma sát cũng làm giảm biến dạng.

Chất lượng bề mặt gia công

Chất lượng bề mặt gia công được đánh giá bởi 2 yếu tố:

- Cơ tính lớp bề mặt

- Độ nhám bề mặt gia công

Chúng tôi nghiên cứu độ nhám bề mặt gia công vì nó phản ánh rõ ràng ảnh hưởng của việc chọn dao và chế độ cắt đến chất lượng bề mặt Để đánh giá nhám bề mặt, hai thông số thường được sử dụng nhất là

- Sai lệch trung bình số học của profin Ra

- Chiều cao mấp mô của Profin theo mười điểm Rz

DỤNG CỤ CẮT GIẢM CHẤN TRONG CÔNG NGHỆ TIỆN

Cán dao giảm chấn của hãng Sandvik

4.1.1 Giới thiệu về cán dao giảm chấn

Trong gia công, nhiều bề mặt khó tiếp cận yêu cầu sử dụng cán dao dài Tuy nhiên, cán dao dài và không đủ cứng vững dễ gây ra rung động Nếu chiều dài gá dao lớn hơn 1,5 lần chiều cao cán dao, nó được coi là cán dao gá dài Một giải pháp hiệu quả để giảm rung động là sử dụng cán dao giảm chấn.

Cán dao giảm chấn của Sandvik là một thương hiệu nổi tiếng trong lĩnh vực dụng cụ cắt gọt kim loại, nổi bật với thiết kế cơ cấu giảm rung động nhờ hệ thống giảm chấn bên trong Sản phẩm này thường được sử dụng trong các tình huống khó tiếp cận bề mặt gia công, yêu cầu gá dao dài, đồng thời giúp tăng năng suất cắt gọt và cải thiện chất lượng bề mặt gia công.

Cán dao giảm chấn không thể loại bỏ hoàn toàn rung động trong quá trình cắt, nhưng là một biện pháp hiệu quả để giảm thiểu rung động Hiện tượng rung động thường xảy ra khi dao mới vào cắt, khi lẹo dao hoặc phôi biến cứng Việc sử dụng cán dao giảm chấn giúp giảm rung động hiệu quả trong suốt quá trình gia công, từ đó cải thiện năng suất và hiệu quả cắt.

Rung động có thể làm giảm giá trị của các tham số chế độ cắt như vận tốc cắt, bước tiến và chiều sâu cắt, dẫn đến giảm năng suất gia công Việc sử dụng cán dao giảm chấn giúp tăng các giá trị tham số chế độ cắt mà vẫn đảm bảo an toàn, giảm thiểu rung động, dung sai kích thước và cải thiện chất lượng bề mặt Điều này không chỉ tăng năng suất bóc tách kim loại mà còn giảm thời gian gia công, từ đó giảm chi phí sản xuất.

Hình 4.1: Cán dao tiện chống rung [1]

Hình 4.2: Cán dao doa chống rung [1]

4.1.2 Cấu tạo cán dao giảm chấn

Cán dao giảm chấn của hãng Sandvik, dùng cho tiện, phay và doa, có cấu trúc tương đồng Bên trong, hệ thống giảm chấn gồm một khối kim loại làm đối trọng, được giữ cố định bởi hai miếng đệm cao su, cùng với một loại dầu đặc biệt giúp tăng cường khả năng giảm chấn.

Hình 4.3: Cấu tạo cán dao giảm chấn [1]

B: Đối trọng được bao phủ bên trong cán dao bằng một lớp dung dịch dầu nhờn

Cán dao phay giảm chấn mang lại hiệu quả vượt trội so với cán dao thường trong việc giảm rung động, như thể hiện trong đồ thị hình 4.5 Sự khác biệt này được ghi nhận theo thời gian t, cho thấy ưu điểm của cán dao giảm chấn trong việc cải thiện độ ổn định và chất lượng gia công.

Hình 4.5: Quá trình tắt rung động của cán dao thường và dao giảm chấn [1]

4.1.2.1 Nguyên lý giảm chấn trong cán dao

Cán dao giảm chấn hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ rung động, chuyển đổi dao động từ công cụ gia công thành dao động riêng của bộ phận giảm chấn Bộ phận này rung với tần số riêng lệch pha 180 so với rung động bên ngoài, tạo ra một lực ngược chiều và cùng độ lớn với ngoại lực, giúp loại bỏ rung động trong quá trình gia công Toàn bộ động năng và năng lượng được hấp thụ qua đối trọng, được bao phủ bởi lớp dầu nhờn, giúp triệt tiêu rung động hiệu quả.

Tính kinh tế trong đầu tư dụng cụ cắt giảm chấn

Cán dao giảm chấn có chi phí đầu tư cao hơn so với cán dao thông thường, nhưng những lợi ích mà nó mang lại cho hệ thống công nghệ, bao gồm máy móc, đồ gá, dao và chi tiết gia công, là rất đáng kể.

+ Băng máy ít mòn, trục chính ít rung động, tăng tuổi thọ của máy

+ Đồ gá ít rung động, tăng độ chính xác gia công và tuổi thọ đồ gá

+ Mảnh insert ít mẻ, cán dao ít dao động, tăng tuổi thọ của dao

+ Tăng độ chính xác dung sai kích thước và độ nhám bề mặt gia công

+ Chi tiết gia công đạt yêu cầu chế tạo, yêu cầu lắp ráp, tăng độ bền

+ Tăng chế độ cắt, giảm thời gian gia công, tăng năng suất

+ Giảm tiếng ồn nơi làm việc, cải thiện sự an toàn khi gia công

+ Cán dao có thể giảm chấn trong suốt quá trình gia công và sử dụng trong loạt sản xuất

Cán dao giảm chấn có nhược điểm là chi phí mua cao hơn so với cán dao thường, điều này được thể hiện rõ trên hóa đơn Tuy nhiên, để hiểu rõ giá trị của nó, cần phân tích các lợi ích mà cán dao giảm chấn mang lại Nhiều công ty sản xuất tại Việt Nam thường chỉ chú trọng vào lợi nhuận bên ngoài mà không xem xét những lợi ích nội tại từ việc sử dụng cán dao giảm chấn.

Việc chứng minh ưu điểm của cán dao giảm chấn có thể thực hiện qua các loạt sản xuất cụ thể, so sánh chi phí sản xuất giữa cán dao thường và cán dao giảm chấn Cần xem xét tổng thể các chi phí như cán dao, insert dao, thời gian gia công, thời gian ngừng máy và số phế phẩm Đồng thời, việc so sánh năng suất và doanh thu bằng số liệu cụ thể sẽ giúp khẳng định giá trị của sản phẩm Để đạt được hiệu quả cao, cần thay đổi tư duy đầu tư sản xuất theo hướng công nghiệp hiện đại và chuyên môn hóa Phân tích sâu rộng các yếu tố ảnh hưởng của cán dao giảm chấn sẽ giúp làm rõ giá trị thực sự của sản phẩm này.

Cán dao giảm chấn có chi phí đầu tư cao hơn so với cán dao thường, nhưng lại là giải pháp hiệu quả để giảm chi phí sản xuất và đầu tư dụng cụ cắt Việc sử dụng cán dao giảm chấn không chỉ đảm bảo an toàn trong quá trình gia công mà còn giúp giảm thời gian gia công và thời gian ngừng máy, từ đó nâng cao năng suất, tăng lợi nhuận và khả năng cạnh tranh cho doanh nghiệp.

Thiết kế cán dao giảm chấn

4.3.1.1 Mô hình cơ cấu giảm chấn theo phương Z a Trường hợp cán dao thường

Hình 4.5: Sơ đồ chuyển vị của cán dao tiện do lực Pz tác dụng Điều kiện ban đầu:

- Tiết diện cán dao: BxH = 20x20 (mm)

- Mođun đàn hồi của cán dao: E = 205.10 3 (N/mm 2 )

Phương trình chuyển vị của thanh chịu uốn là: [12]

Điểm A có vị trí phụ thuộc vào PZ, và nếu PZ dao động theo chu kỳ, lặp lại sau mỗi vòng quay của trục chính, thì phương trình dao động sẽ được xác định.

 , với chu kỳ dao động của Pz là thời gian của 1 vòng quay trục chính

  b Trường hợp cán dao giảm chấn

Dao động của dầm tại điểm B tương đương với dao động của lò xo có độ cứng K, với

Từ mô hình dao, ta đưa ra mô hình vật lý như sau:

Hình 4.6: Mô hình vật lý của cán dao tiện giảm chấn theo phương Z

Với: m = 0,1 kg: khối lượng ống giảm chấn m1 = 0,022 kg: khối lượng con trượt

Theo lý thuyết dao động, phương trình dao động của điểm B là: Z B  A sin(  t )

- Phương trình dao động của cán dao thường:

- Phương trình dao động của cán dao giảm chấn:

Kết luận: Trong quá trình gia công, dao động của cán dao thường có biên độ lớn hơn so với dao động của cán dao giảm chấn tại cùng một thời điểm.

4.3.1.2 Cán dao thiết kế theo phương án X a Trường hợp cán dao thường

Hình 4.7: Sơ đồ chuyển vị của cán dao tiện do lực Px tác dụng Điều kiện ban đầu:

- Tiết diện cán dao: BxH = 20x20 (mm)

- Mođun đàn hồi của cán dao: E = 205.10 3 (N/mm 2 )

Phương trình chuyển vị của thanh chịu uốn là:

Vị trí của điểm A được xác định bởi PX, với giả định rằng PX dao động tuần hoàn và lặp lại sau mỗi vòng quay của trục chính Phương trình dao động mô tả sự biến đổi này.

 , với chu kỳ dao động của Px là thời gian của 1 vòng quay trục chính

  b Trường hợp cán dao giảm chấn

Dao động của dầm tại điểm B tương đương với dao động của lò xo có độ cứng K, với

Từ mô hình dao, ta đưa ra mô hình vật lý như sau:

Hình 4.8: Mô hình vật lý của cán dao tiện giảm chấn theo phương X

Với: m = 0,1 kg: khối lượng ống giảm chấn m1 = 0,022 kg: khối lượng con trượt

Theo lý thuyết dao động, phương trình dao động của điểm B là: X B  A sin(  t )

- Phương trình dao động của cán dao thường:

- Phương trình dao động của cán dao giảm chấn:

Kết luận: Trong quá trình gia công, dao động của cán dao thường có biên độ lớn hơn so với dao động của cán dao giảm chấn tại cùng một thời điểm.

Kết quả từ mô hình toán học cho thấy mô hình giảm chấn theo phương Z và X có biên độ dao động nhỏ hơn trên cán dao thường.

Mặt khác khi phân tích lực cắt của quá trình tiện ngoài với dao vai, ta thấy lực

Mô hình giảm chấn mới được đề xuất dựa trên nguyên lý giảm chấn trong cán dao tiện của hãng Sandvik và nghiên cứu trong luận văn thạc sỹ của Lê Hoàng Lâm, với đặc điểm là thiết kế và chế tạo xoay quanh trục Y Mục tiêu của mô hình này là khảo sát ảnh hưởng của cơ cấu giảm chấn theo các phương khác nhau, không chỉ giới hạn ở phương X và phương Z.

Hình 4.9: Cơ cấu giảm chấn quay quanh trục Y

Hình 4.10: Cơ cấu giảm được gắn trên cán dao tiện ngoài

THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ