Microsoft Word 00 a loinoidau TV (moi thang1 2016) docx ISSN 1859 1531 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(108) 2016, Quyển 1 53 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ CẮT (S,t)[.]
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(108).2016, Quyển 53 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ CẮT (S,t) ĐẾN LỚP BIẾN CỨNG BỀ MẶT KHI TIỆN TRÊN MÁY TIỆN CNC VỚI VẬT LIỆU THÉP C45 CHƯA QUA NHIỆT LUYỆN RESEARCHING IMPACT OF CUTTING MODE PARAMETERS (S,t) ON NON-ANNEALED C45 STEEL’S HARD SURFACE LAYERS WHILE BEING MACHINED ON A LATHE CNC Nguyễn Bá Thuận Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh; bathuan1784@yahoo.com Tóm tắt - Chất lượng bề mặt có ảnh hưởng lớn đến khả làm việc chi tiết máy Một yếu tố quan trọng chất lượng bề mặt độ biến cứng bề mặt Bề dày, cấu trúc tinh thể kim loại độ cứng lớp biến cứng phụ thuộc nhiều yếu tố, có chế độ cắt gọt (V, S, t) Bài báo trình bày trình thực nghiệm, xử lý số liệu ảnh hưởng hai thông số quan trọng chiều sâu cắt lượng chạy dao đến lớp biến cứng bề mặt gia công máy tiện CNC CTX 310 ECOLINE với vật liệu thép C45 chưa qua nhiệt luyện Qua phân tích, đánh giá ảnh hưởng đưa sở cho việc lựa chọn giá trị chiều sâu cắt lượng chạy dao phù hợp với yêu cầu lớp biến cứng tiện máy CNC Abstract - Surface layer quality has a great influence on the working capability of workpieces One of the important factors of surface quality is surface layer hardness The thickness, the metallic crystalline structure and hardness of this layer depend on numerous factors including the cutting mode (V, S, t) This article presents the experimental process and analysis of data related to the impact of two important parameters namely the cutting depth and feed quantity to hard surface layers while being machined on a lathe CNC CTX 310 ECOLINE with non-annealed C45 steel On this basis, the article analyzes and evaluates the impact and provides bases for choosing the values of cutting depth and feed quantities consistent with the requirements of hard surface layers while being machined on a lathe CNC Từ khóa - biến cứng bề mặt; lớp biến trắng; lớp biến đen; máy tiện CNC; thép C45 chưa nhiệt luyện Key words - surface layer hardness; white layer; dark layer; lathe CNC; non-annealed C45 steel Đặt vấn đề Biến cứng bề mặt tượng xảy trình cắt gọt kim loại Trong trình cắt gọt kim loại, tác động lực cắt lớp bề mặt chi tiết gia công xảy biến dạng dẻo làm độ cứng, độ giòn giới hạn bền tăng, cịn tính dẻo tính dai giảm, tính dẫn từ thay đổi, bề mặt bị chai cứng gọi tượng nguội cứng Có tiêu để đánh giá độ biến cứng: - Độ cứng tế vi - Chiều sâu lớp biến cứng [1] Hiện tượng biến cứng bề mặt nhà nghiên cứu khoa học phát sớm, kết khảo sát nghiên cứu chủ yếu tập trung vào vấn đề sau: - Khi tăng lực cắt, nhiệt cắt mức độ biến dạng dẻo mức độ biến cứng bề mặt tăng Nếu kéo dài tác dụng lực cắt, nhiệt cắt bề mặt kim loại làm tăng chiều sâu lớp biến cứng bề mặt [1] quan sát kính hiển vi quang học SEM thấy màu trắng [4] - Nếu góc trước γ tăng từ giá trị âm đến giá trị dương mức độ chiều sâu biến cứng bề mặt chi tiết giảm [1] - Vận tốc cắt làm giảm thời gian tác động lực gây biến dạng kim loại, làm giảm chiều sâu biến cứng mức độ biến cứng bề mặt [1] - Ngoài ra, biến cứng bề mặt tăng dụng cụ cắt bị mòn, bị cùn [1] - Dung dịch làm nguội không ảnh hưởng đến xuất lớp biến trắng (white layer), làm giảm chiều sâu lớp (dark layer) [3] - Lớp biến trắng bề mặt khơng có lợi cho độ bền sản phẩm Lớp biến trắng lớp kim loại hình thành bề mặt chi tiết gia cơng, có chuyển biến cấu trúc mactenxit chuyển sang austenit Chúng gọi lớp biến trắng - Lớp biến trắng bề mặt khơng có lợi cho độ bền sản phẩm Khi tiện cứng, tượng lẹo dao mặt sau xuất có độ lớn cao chiều sâu lớp biến cứng lớn 12μm [5] - Chiều sâu lớp biến cứng tăng trình lẹo dao mặt sau tăng Cấu trúc tế vi lớp biến trắng chịu ảnh hưởng cấu trúc vật liệu bề mặt chi tiết gia công; hàm lượng bon bề mặt chi tiết gia công tăng theo thời gian cacbit không khuyếch tán Vật liệu gia cơng có độ hạt mịn có ảnh hưởng làm tăng tốc độ hình thành lớp biến cứng gia cơng [6] - Lớp biến cứng làm giảm độ bền mỏi lăn, lúc ứng suất dư nén bề mặt lại làm tăng độ bền mỏi Lớp biến cứng có ảnh hưởng lớn đến độ bền mỏi chi tiết làm việc dạng lăn như: trục, ổ bi, mayơ,… [7] - Kết cho thấy ảnh hưởng ứng suất bề mặt đến độ bền mỏi chi tiết gia công lớn ảnh hưởng lớp biến cứng [8] - Nhiệt cắt cao lượng austenit cịn sót lại lớp biến cứng lớn Ảnh chụp TEM độ phân giải cao cho thấy rõ khác biệt cấu trúc độ hạt kim loại kim loại lớp biến trắng [9] Từ tài liệu tham khảo nước cho thấy vấn đề biến cứng bề mặt vấn đề khoa học nhiều người quan tâm Tuy nhiên, tính phức tạp q trình biến cứng ảnh hưởng đến tuổi thọ chi tiết máy mà cơng trình kể chưa đề cập đến hết yếu tố, phân tích cách đầy đủ tượng xẩy gia công tiện, đặc biệt chưa nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ đến biến cứng bề mặt gia công tiện 54 Nguyễn Bá Thuận máy tiện kỹ thuật số Vì mục đích báo nghiên cứu hai thông số chiều sâu cắt lượng chạy dao tiện máy CNC CTX 310 ECOLINE với vật liệu thép C45 chưa qua nhiệt luyện nhằm góp phần hồn thiện lý thuyết biến cứng bề mặt gia công cắt gọt Nội dung nghiên cứu 2.1 Thiết bị cho thí nghiệm 2.1.1 Vật liệu mẫu thí nghiệm Thép C45 chưa qua nhiệt luyện có khả chịu lực ép lớn, độ dẻo, độ dai va đập chống biến dạng tốt Chính thép C45 thường dùng sản xuất chi tiết máy dùng lĩnh vực khí chế tạo máy Sau thành phần hóa học thép C45: Bảng Thành phần hóa học thép C45 (Đơn vị tính %, trích theo TCVN 8301) Mác thép C Si Mn P≤ S≤ Cr Ni Cu Thành phần khác 45 0,42∼0,50 0,17∼0,37 0,50∼0,80 0,035 0,04 ≤ 0,25 ≤ 0,25 ≤ 0,25 - Ở ta chọn 20 mẫu đem gia công cắt gọt phương pháp tiện với chế độ cắt gọt khác (Bảng 2) Bảng Thơng số thí nghiệm gia cơng mẫu Mẫu 10 Thông số điều khiển t (mm) S (mm/vg) 1,0 0,07 1,0 0,13 1,0 0,19 1,0 0,25 1,5 0,07 1,5 0,13 1,5 0,19 1,5 0,25 2,0 0,07 2,0 0,13 Mẫu 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Thông số điều khiển t (mm) S (mm/vg) 2,0 0,19 2,0 0,25 0,5 0,15 1,1 0,15 1,7 0,15 2,3 0,15 0,5 0,2 1,1 0,2 1,7 0,2 2,3 0,2 đồng khơng đổi suốt q trình thực thí nghiệm; Nhiệt độ môi trường gia công luôn ổn định nhiệt độ phịng gia cơng; Tổng hợp yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công ổn định không đổi suốt q trình thực thí nghiệm 2.2.1 Cách tiến hành thí nghiệm a Đo độ cứng mẫu Độ cứng đo phương pháp khác tuỳ theo độ cứng vật liệu Nhìn chung phương pháp đo có đặc điểm chung dùng lực để ấn mũi thử thâm nhập vào vật liệu, đo kích thước miệng vết lõm vật liệu để xác định độ cứng Để đo độ cứng lớp bề mặt ta dùng phương pháp đo độ cứng Viker theo tiêu HV b Đo chiều sâu lớp biến cứng mẫu Cắt ngang mẫu, làm bề mặt chụp lại bề mặt mẫu kính hiển vi điện tử quét (SEM) để nghiên cứu cấu trúc lớp bề mặt Hình Các mẫu thí nghiệm 2.1.2 Máy gia cơng Hình Đo chiều sâu lớp biến cứng 2.2.2 Kết đạt Bảng Kết thí nghiệm Mẫu Hình Máy tiện CNC CTX 310 ECOLINE 2.2 Thí nghiệm thực nghiệm để đánh giá Các thí nghiệm thiết kế với giả thiết sau đây: Chất lượng dụng cụ cắt điều kiện bơi trơn tất thí nghiệm nhau; Tính chất vật liệu 10 Độ Chiều sâu cứng H biến cứng (HV) Δ (μm) 17,8 238,8223 16,5 238,1531 13,6 237,5401 11,3 236,8959 18,6 238,6748 16,7 237,5509 13,7 236,8859 11,9 236,581 20,7 239,1629 18,7 238,5537 Mẫu 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Độ Chiều sâu cứng H biến cứng (HV) Δ (μm) 14,7 237,7033 13,2 237,1089 15,2 236,5713 16,1 237,0475 17,5 237,7473 19,1 238,4222 14,1 236,522 15,6 236,926 17,1 237,7142 18,3 238,4698 ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(108).2016, Quyển 2.3 Xử lý kết Theo nhiều kết nghiên cứu, phụ thuộc độ biến cứng bề mặt vào thơng số t, S có dạng: y = a(x)b [10] Lần lượt thay đổi thông số t, S (bảng thông số) biểu diễn chúng đồ thị trục hồnh biểu diễn thay đổi thơng số cơng nghệ (t, S) cịn trục tung biểu diễn kết đo độ cứng (H) chiều sâu lớp biến cứng (Δ) thay đổi thông số cơng nghệ Các điểm chấm hình vng đồ thị biểu diễn điểm thực nghiệm, nối điểm lại ta đường cong biểu diễn đồ thị phương trình y = a(x)b, đường cong gần điểm thực nghiệm Dùng phần mềm SPSS (Statistical Package for Social Sciences) 15.0 để xử lý số liệu, ta kết mức độ ảnh hưởng thông số đầu vào (t, S) đến độ cứng (H) chiều sâu lớp biến cứng (Δ) sau: 2.3.1 Ảnh hưởng đơn thông số đầu vào đến độ cứng bề mặt (H) a Ảnh hưởng đơn t Bảng Bảng thông số ảnh hưởng đơn t đến H t 0,5 1,1 1,7 2,3 H 236,5713 237,0475 237,7473 238,4222 a 235,24 b -0,06 55 R 0,97 Vậy: H = 235,24 S-0,06 (2) Nhận xét: Nhìn vào đồ thị ta thấy tăng thơng số S độ cứng lớp biến cứng giảm, cịn tăng t chiều sâu lớp biến cứng tăng Điều phù hợp với lý thuyết, có ý nghĩa lớn thực tiễn nhằm điều chỉnh chế độ gia công phù hợp với chức làm việc chi tiết máy sau 2.3.2 Ảnh hưởng đơn thông số đầu vào đến chiều sâu lớp biến cứng bề mặt (Δ) a Ảnh hưởng đơn t Bảng Bảng thông số ảnh hưởng đơn t đến Δ t 0,5 1,1 1,7 2,3 Δ 14,1 15,6 17,1 18,3 Δ=a.(t)b 13,7 16,1 17,6 18 H = a(t)b 227,622 238,65 244,965 246,606 Hình Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng t b R2 0,205 0,959 a 15,805 0,205 Hình Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng t a 237,289 b 0,06 R2 0,927 Vậy: H = 237,289 t0,06 (1) b Ảnh hưởng đơn S Bảng Bảng thông số ảnh hưởng đơn S đến H S 0,07 0,13 0,19 0,25 H 238,8223 238,1531 237,5401 236,8959 Vậy: Δ = 15,805 t (3) b Ảnh hưởng đơn S Bảng Bảng thông số ảnh hưởng đơn S đến Δ S 0,07 0,13 0,19 0,25 Δ 17,8 16,5 13,6 11,3 Δ = a(S)b 19,61 14,85 12,52 11,97 H = a(S)b 273,844 265,84 258,6 258,331 Hình Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng S b R2 -0,449 0,890 a 5,941 -0,449 Vậy: Δ = 5,941 S (4) Nhận xét: Nhìn vào đồ thị ta thấy tăng lần Hình Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng S 56 Nguyễn Bá Thuận lượt thơng số S chiều sâu lớp biến cứng giảm cịn tăng t chiều sâu lớp biến cứng tăng Điều phù hợp với lý thuyết Một lần khẳng định chiều sâu lớp biến cứng vật liệu ảnh hưởng đáng kể tới q trình gia cơng, cụ thể bước tiến dao S chiều sâu cắt t, phù hợp lý thuyết nêu Điều có ý nghĩa lớn thực tiễn, điều chỉnh chế độ gia công phù hợp với chức làm việc chi tiết máy sau 2.3.3 Ảnh hưởng kết hợp thông số đầu vào t, S đến biến cứng bề mặt a Xây dựng ma trận quy hoạch thực nghiệm Các thông số đầu vào mã hóa là: X1 = t; X2 = S Khi số điểm thí nghiệm N cần thiết phải tiến hành N = 2n [2] Trong n thơng số đầu vào, n = 2, N = 22 = (điểm) Từ tiến hành thí nghiệm b Xử lý số liệu Phương trình biểu diễn mối quan hệ kết hợp thông số đầu vào độ cứng lớp biến cứng H chiều sâu lớp biến cứng Δ có dạng y = a(x)b(y)c Tiến hành xử lý số liệu phần mềm SPSS ta kết sau: - Độ cứng H: a b 242,823 -0,001 c R2 -0,004 0,959 (-0,001) (-0,004) H = 242,823t S (5) Logarit hai vế ta có phương trình: lnH = 5,49 - 0,001lnt - 0,004lnS (6) b 116,31 0,03 - Chiều sâu lớp biến cứng: lnΔ = 4,75 + 0,03lnS + 0,104lnt Thí nghiện tiến hành máy CNC CTX 310 ECOLINE xưởng thực hành, phịng thí nghiệm Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh số liệu thực nghiệm xử lý theo lý thuyết quy hoạch thực nghiệm với trợ giúp phần mềm SPSS, nên kết nhận đáng tin cậy Kết nghiên cứu thực nghiệm báo có ý nghĩa thực tiễn cao nhằm điều chỉnh chế độ gia công phù hợp với chức làm việc chi tiết, lựa chọn tối ưu thông số cắt gọt S, t nhằm đạt chất lượng bề mặt tốt TÀI LIỆU THAM KHẢO - Chiều sâu lớp biến cứng Δ: a nhiều vào chế độ cắt tốc độ cắt V, chiều sâu cắt t, lượng chạy dao S Bằng nghiên cứu thực nghiệm chứng tỏ rằng: - Khi tăng lượng chạy dao S độ cứng H lớp biến cứng bề mặt giảm, cịn tăng chiều sâu cắt t độ cứng lớp biến cứng bề mặt tăng Điều hoàn toàn phù hợp với lý thuyết - Khi tăng lượng chạy dao S chiều sâu Δ lớp biến cứng bề mặt giảm, tăng chiều sâu cắt t chiều sâu Δ lớp biến cứng bề mặt tăng Điều hoàn toàn phù hợp với lý thuyết Bằng thực nghiệm tìm mối quan hệ độ cứng bề mặt lớp biến cứng độ sâu với thơng số cắt gọt S, t Đã xây dựng hàm số mô tả phụ thuộc biến cứng bề mặt ảnh hưởng đồng thời hai thông số Mối phụ thuộc có dạng: - Độ cứng bề mặt: lnH = 5,49 - 0,001lnt - 0,004lnS c R2 0,104 0,899 Δ = 116,31t S (7) Logarit hai vế ta có phương trình: 0,03 0,104 lnΔ = 4,75 + 0,03lnS + 0,104lnt (8) 2.4 Nhận xét kết thí nghiệm Qua kết thí nghiệm ta có nhận xét sau: - Độ cứng lớp biến cứng bề mặt hàm số phụ thuộc vào hai thông số đầu vào: Chiều sâu cắt t, bước tiến dao S Phương trình (5) cho thấy thứ tự ảnh hưởng mạnh tới độ cứng lớp biến cứng bề mặt H S, t - Nhìn vào phương trình (7) dễ thấy thứ tự ảnh hưởng mạnh tới chiều sâu lớp biến cứng t, S, bên cạnh hệ số lnt lnS nhỏ chứng tỏ thơng số t S có ảnh hưởng nhỏ đến chiều sâu lớp biến cứng Kết luận Từ kết nghiên cứu, rút kết luận sau: Biến cứng bề mặt tượng lý xảy thường xun q trình gia cơng cắt gọt Nó có ảnh hưởng đến chất lượng chi tiết Bề dày lớp biến cứng, cấu trúc tinh thể kim loại độ cứng phụ thuộc [1] Trần Văn Địch, Lê Văn Tiến (2002), Công nghệ chế tạo máy, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [2] Nguyễn Văn Kháng (2006), Quy hoạch thực nghiệm, Đại học Mỏ Địa chất, Hà Nội [3] A Attanasio, D Umbrello, C Cappellini, G Rotella, R M’Saoubi, Tool wear effects on white and dark layer formation in hard turning of AISI 52100 steel, Wear (vol.286 – 287, 2011), pp98 – 107 [4] G Poulachon, A Albert, M Schluraff, I S Jawahir, An experimental investigation of work material microstructure effects on white layer formation in PCBN hard turning, International Journal of Machine Tools & Manufacture (vol.45, 2005), pp211 – 218 [5] Y B Guo, J Sahni, A comparative study of hard turned and cylindrically ground white layers, International Journal of Machine Tools & Manufacture (vol.44, 2004), pp135 – 145 [6] Zbigniew Zurecki, Ranajit Ghosh, and John H Frey, Investigation of White Layers Formed in Conventional and Cryogenic Hard Turning of Steels, ASME Proceedings (vol.42313, 2003), pp 211 – 220 [7] Dale W Schwach, Y.B Guo, A fundamental study on the impact of surface integrity by hard turning on rolling contact fatigue, International Journal of Fatigue (vol.28, 2006), pp1838 – 1844 [8] Stephen Smith, Shreyes N Melkote, Edgar Lara-Curzio, Thomas R Watkins, Larry Allard, Laura Riester, Effect of surface integrity of hard turned AISI 52100 steel on fatigue performance, Materials Science and Engineering A (vol.459, 2007), pp337 – 346 [9] A Ramesha, S.N Melkotea, L.F Allardb, L Riesterb, T.R Watkinsb, Analysis of white layers formed in hard turning of AISI 52100 steel, Materials Science and Engineering A (vol.390, 2005), pp88 – 97 [10] Nguyễn Bá Thuận, Nghiên cứu ảnh hưởng thông số chế độ cắt thơng số hình học dao đến lớp biến cứng bề mặt tiện máy tiện CNC CTX 310 ECOLINE với vật liệu thép C45 chưa qua nhiệt luyện, Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật, Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội, 2013 (BBT nhận bài: 16/9/2016, phản biện xong: 26/9/2016) ... kết sau: - Độ cứng H: a b 242,823 -0 ,001 c R2 -0 ,004 0,959 (-0 ,001) (-0 ,004) H = 242,823t S (5) Logarit hai vế ta có phương trình: lnH = 5,49 - 0,001lnt - 0,004lnS (6) b 116,31 0,03 - Chiều sâu... thuộc biến cứng bề mặt ảnh hưởng đồng thời hai thông số Mối phụ thuộc có dạng: - Độ cứng bề mặt: lnH = 5,49 - 0,001lnt - 0,004lnS c R2 0,104 0,899 Δ = 116,31t S (7) Logarit hai vế ta có phương trình:... 12,52 11,97 H = a(S)b 273,844 265,84 258,6 258,331 Hình Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng S b R2 -0 ,449 0,890 a 5,941 -0 ,449 Vậy: Δ = 5,941 S (4) Nhận xét: Nhìn vào đồ thị ta thấy tăng lần Hình Đồ thị biểu