Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới chất lượng bề mặt gia công của một số loại thép được sử dụng để chế tạo các chi tiết dụng cụ trong ngành gia công áp lực theo phương pháp gia công trên máy

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ tới chất lượng bề mặt gia công số loại thép sử dụng để chế tạo chi tiết dụng cụ ngành gia công áp lực theo phương pháp gia công máy phay CNC TRẦN HUY PHONG Phong.TH211074M@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật khí Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thành Nhân Khoa: CNCTM Trường: Cơ khí Chữ ký GVHD HÀ NỘI 4/2023 CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lâp – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Trần Huy Phong Đề tài luận văn: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ tới chất lượng bề mặt gia công số loại thép sử dụng để chế tạo chi tiết dụng cụ ngành gia công áp lực theo phương pháp gia công máy phay CNC Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số SV: 20211074M Tác giả, người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày… tháng … năm 2023 với nội dung sau: Chỉnh sửa số lỗi soạn thảo định dạng bảng biểu, hình ảnh, công thức Cấu trúc, thu gọn lại bố cục luận văn, thay đổi tên chương phù hợp Bổ sung Biểu đồ đơn biểu diễn loại vật liệu nội dung trình bày đồ thị quan hệ Ra với s, v, t loại thép Chuyển số bảng biểu, hình ảnh phần phụ lục Kết luận tập trung làm bật vấn đề khoa học đề tài Ngày tháng năm 2023 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn TS Nguyễn Thành Nhân Trần Huy Phong CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS Nguyễn Kiên Trung LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cá nhân thực thời gian qua, thực hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Thành Nhân Các số liệu, kết luận nghiên cứu trình bày luận văn hồn tồn trung thực Tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm lời cam đoan NGƯỜI THỰC HIỆN Trần Huy Phong ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Họ tên: Trần Huy Phong Mã học viên: 20211074M Ngành: Kỹ thuật khí Hệ : Thạc sĩ khoa học Mã đề tài: 2021AKTK-TQ18 Họ tên người hướng dẫn: TS Nguyễn Thành Nhân Tên đề tài: “ Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ tới chất lượng bề mặt gia công số loại thép sử dụng để chế tạo chi tiết dụng cụ ngành gia công áp lực theo phương pháp gia công máy phay CNC” Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu mức độ ảnh hưởng thông số chế độ cắt (tốc độ cắt (m/phút), lượng ăn dao (mm/vòng) chiều sâu cắt (mm)) đến độ nhám bề mặt gia cơng độ xác kích thước gia cơng số loại thép sử dụng để chế tạo chi tiết dụng cụ ngành gia cơng áp lực Từ đó, tìm thông số chế độ cắt tối ưu miền thực nghiệm nhằm đạt độ xác kích thước cao độ nhám bề mặt gia công (Ra) nhỏ nhằm ứng dụng cho chế tạo khuôn gia công áp lực Nội dung đề tài, vấn đề cần giải quyết: Chương Tổng quan chất lượng bề mặt yếu tố ảnh hưởng: Trình bày tổng quan độ nhám bề mặt; Ảnh hưởng độ nhám bề mặt tới khả làm việc chi tiết máy;… Chương Tổng quan cơng nghệ CNC: Trình bày tổng quan cơng nghệ CNC; Tổng quan máy phay CNC; Chương Xác lập mối quan hệ thông số cắt gọt độ nhám bề mặt: Lựa chọn thiết bị, dụng cụ, mẫu thí nghiệm, dụng cụ đo kiểm kích thước, nhám bề mặt, ); Nghiên cứu, tính tốn ảnh hưởng thông số chế độ cắt (tốc độ cắt (m/phút), lượng ăn dao (mm/vòng) chiều sâu cắt (mm)) đến độ xác kích thước độ nhám bề mặt; Triển khai thực nghiệm, đo kiểm số liệu; Chương Xử lý số liệu thực nghiệm; Nhận xét, đánh giá rút kết luận Giáo viên hướng dẫn TS Nguyễn Thành Nhân LỜI CẢM ƠN Trong trình nghiên cứu thực đề tài này, với hướng dẫn tận tình thầy TS.Nguyễn Thành Nhân, đến đề tài nghiên cứu em hoàn thành Dù cố gắng nghiên cứu, tìm tịi khơng tránh khỏi thiếu sót, hạn chế Vì em kính mong bảo, đóng góp phê bình thầy giáo để đề tài nghiên cứu em luận văn hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn Trường khí, Đại học Bách khoa Hà Nội lãnh đạo huy phận phòng ban, phân xưởng Nhà máy Z129, Nhà máy Z113 tạo điều kiện giúp em thực hoàn thành đề tài nghiên cứu Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo TS.Nguyễn Thành Nhân người dìu dắt, hướng dẫn tơi suốt q trình thực đề tài thầy NCM CNCTM – Trường Cơ Khí – ĐHBK Hà Nội đóng góp ý kiến q báu suốt q trình tơi thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trường trang bị cho em kiến thức q trình hồn thành học phần cao học Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo hội đồng chấm luận văn thạc sĩ cho ý kiến xét duyệt Tóm tắt nội dung luận văn Trong thời gian gần đây, việc nghiên cứu mối quan hệ không cịn Thực với nước ngồi, trung tâm nghiên cứu hãng sản xuất chế tạo máy nghiên cứu vấn đề từ lâu, nhiên việc nghiên cứu đòi hỏi thực nhiều thí nghiệm tốn thời gian, số liệu nghiên cứu định lượng thường khơng cơng bố, cịn thơng tin khoa học xuất thường mang tính lý thuyết tính định hướng số liệu bắt nguồn từ cơng trình nghiên cứu thực cách hàng chục năm, chí vài chục năm, điều kiện máy móc, khoa học khơng cịn phù hợp số liệu chứa đựng đầy đủ thông tin cần thiết Trong cơng nghiệp chế tạo máy đại ngày phát triển với xuất máy gia cơng CNC, trung tâm gia cơng CNC có khả kỹ thuật cao, loại vật liệu cà công nghệ trơn nguội đại mở nhiều khả lớn cho ngành công nghệ cắt gọt Do thông số chế độ gia công thông tin khoa học xuất không đáp ứng đầy đủ yêu cầu ngành công nghệ chế tạo máy đại mà nên xem bước định hướng Các bước nhiệm vụ chủ yếu nhà công nghệ nay, xuất phát từ toán cụ thể xác định chế độ cắt tối ưu cho trình cắt gọt cho vừa đảm bảo yêu cầu kỹ thuật chi tiết, vừa đạt hiệu kinh tế cao Để đạt điều này, họ cần phải có tay thơng tin liên quan đến q trình cắt gọt thơng tin số liệu thiết bị gia công, vật liệu làm phơi, kích thước phơi vật liệu làm dụng cụ đặc biệt q trình cơ, lý hóa học xảy trình cắt gọt vùng cắt Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ tới chất lượng bề mặt gia công số loại thép sử dụng để chế tạo chi tiết dụng cụ ngành gia công áp lực theo phương pháp gia công máy phay CNC” nhánh nhỏ công việc nặng nề Đây loạt đề tài nghiên cứu ứng dụng việc sử dụng hiệu máy CNC Tuy nhiên, theo chúng tơi vấn đề nhất, chất lượng bề mặt yêu cầu vô quan trọng chi tiết gia công Từ mối quan hệ chất lượng bề mặt với thơng số cắt gọt người làm cơng nghệ chọn chế độ cắt tối ưu máy dao mà đảm bảo chất lượng, từ tăng suất khai thác tối đa máy, giảm giá thành sản phẩm Đối tượng nghiên cứu đề tài bao gồm vấn đề sau: - Nghiên cứu mức độ ảnh hưởng yếu tố là: tốc độ cắt (m/phút), lượng ăn dao (mm/vòng) chiều sâu cắt (mm), chế độ bơi trơn làm mát đến độ xác hình học chi tiết cần gia cơng (độ xác kích thước, độ nhám bề mặt gia cơng) gia công vật liệu thép hợp kim máy phay CNC - Tìm thơng số cơng nghệ hợp lí cho gia công bề mặt phẳng - Lựa chọn phương án công nghệ áp dụng cho sản xuất * Nội dung đề tài, vấn đề cần giải quyết: Những vấn đề nghiên cứu - Xác lập mối quan hệ thông số cắt gọt độ nhám bề mặt - Tiến hành thực nghiệm - Xử lí số liệu thực nghiệm - Phân tích kết thực nghiệm - Nhận xét, kết luận Nội dung chương bố cục sau: Chương Tổng quan công nghệ CNC - Khái quát điều khiển số lịch sử phát triển máy CNC Đặc điểm máy công cụ CNC Kết cấu máy CNC Sơ lược máy phay CNC Kết luận Chương Chất lượng bề mặt yếu tố ảnh hưởng - Tổng quan nhám bề mặt - Ảnh hưởng độ nhám bề mặt tới khả làm việc chi tiết máy - Những kết nghiên cứu đạt việc nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt chi tiết gia công (Ra, Rz) - Kết luận Chương Xác lập mối quan hệ thông số cắt gọt độ nhám bề mặt - Khái quát thép hợp kim - Nội dung thí nghiệm - Đo, kiểm tra đánh giá chất lượng chi tiết gia công Chương Kết bàn luận - Với vật liệu thép P18 - Với vật liệu thép Y8 - Với vật liệu thép X12M Kết luận kiến nghị HỌC VIÊN Trần Huy Phong MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CNC VÀ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG ÁP LỰC 1.1 Tổng quan công nghệ CNC 1.2 Tổng quan máy phay CNC 1.2.1 Cấu trúc hệ thống CNC 1.2.2 Cấu trúc hệ thống CNC 1.2.3 Hệ điều khiển máy gia công CNC 1.2.4 Các hệ thống điều khiển 1.2.5 Phân loại máy phay CNC 1.2.6 Hệ thống điều khiển trục 1.2.7 Hệ thống thay dao tự động 1.2.8 Ổ gá dao 10 1.2.9 Hệ thống điều khiển chạy dao 11 1.2.10 Hệ thống kẹp chi tiết 11 1.3 Tổng quan công nghệ gia công áp lực 11 Ưu điểm nhược điểm phương pháp gia công áp lực 12 1.4 Kết luận 12 CHƯƠNG XÁC LẬP MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC THÔNG SỐ CẮT GỌT VÀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT 14 2.1 Tổng quan nhám bề mặt 14 2.1.1 Trung bình sai lệch số học biên độ (prôfin), R a: 14 2.1.2 Độ cao mười điểm độ nhám, R z: 15 2.1.3 Sai lệch tiêu chuẩn biên độ (profin), Rqi 15 2.2 Ảnh hưởng độ nhám bề mặt tới khả làm việc chi tiết máy 16 2.2.1 Ảnh hưởng tới tính chống mịn 16 2.2.2 Ảnh hưởng tới độ bền mỏi chi tiết 19 2.2.3 Ảnh hưởng tới tính chống ăn mịn hóa học lớp bề mặt chi tiết 19 2.2.4 Ảnh hưởng tới độ xác mối lắp ghép 19 2.2.5 Lựa chọn độ nhám bề mặt 20 2.2.6 Kết luận tầm quan trọng độ nhám bề mặt 21 2.3 Những kết nghiên cứu đạt việc nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt chi tiết gia công (Ra, Rz ) 21 2.3.1 Các kết máy công cụ truyền thống 21 2.4 Nhận xét 26 2.5 Khái quát thép hợp kim 27 2.5.1 Thành phần hóa học 27 2.5.2 Các đặc tính thép hợp kim 27 2.5.3 Hợp kim cứng 28 2.6 TỔNG QUAN CÁC ĐÈ TÀI ĐÃ THỰC HIỆN 32 2.7 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM 33 2.7.1 Phương pháp qui hoạch thực nghiệm 33 2.7.2 Lựa chọn thiết bị 33 2.8 Tiến hành thí nghiệm 37 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 39 3.1 Với vật liệu X12M 40 3.2 Với vật liệu P18 45 3.3 Với vật liệu Y8 51 3.4 Kết luận kiến nghị 57 3.4.1 Kết luận 57 3.4.2 Kiến nghị 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống máy phay CNC điển hình Hình 1.2 Hệ điều khiển số CNC (Computer Numerical Control) Hình 1.3 Máy phay CNC thường Hình 1.4 Trung tâm phay CNC Hình 1.5 Trung tâm phay-tiện CNC Hình 1.6 Trục máy CNC Hình 1.7 Hệ thống thay dao tự động 10 Hình 1.8 Ổ gá dao 10 Hình 2.1 Profin bề mặt chi tiết 14 Hình 2.2 Sơ đồ xác định profin trung bình cộng Ra 14 Hình 2.3 Sơ đồ xác định profin R .15 Hình 2.4 Sơ đồ xác định profin trung bình cộng Rzjis 15 Hình 2.5 Mơ hình bề mặt tiếp xúc 17 Hình 2.6 Q trình mịn cặp ma sát 18 Hình 2.7 Quan hệ lượng mịn ban đầu (U) sai lệch 18 Hình 2.8 Q trình ăn mịn hóa học lớp bề mặt chi tiết máy 19 Hình 2.9 Quan hệ chiều cao nhấp nhô tế vi Rz lượng chạy dao S 21 Hình 2.10 Ảnh hưởng hình dạng hình học dụng cụ cắt chế độ cắt đến nhấp nhô bề mặt chi tiết tiện .22 Hình 2.11 Hiện tượng lẹo dao (BUE) 24 Hình 2.12 Ảnh hưởng tốc độ cắt đến chiều cao lẹo dao 24 Hình 2.13 Ảnh hưởng tốc độ cắt đến chiều cao nhấp nhô tế vi .24 Hình 2.14 Ảnh hưởng lượng chạy dao s chiều cao nhấp nhô tế vi Rz 25 Hình 2.15 Quan hệ độ cứng nhiệt độ làm việc số vật liệu cắt (HKC, thép gió , thép cácbon dụng cụ) .28 Hình 2.16 Quá trình chế tạo hợp kim cứng hãng Sumitomo Nhật Bản .29 Hình 2.17 Trung tâm gia cơng phay CNC DECKEL MAHO DMU 105 33 Hình 2.18 Dao phay Ф25 BAP300R 25x160-C25-3T gắn mảnh dao phay APMT113508PDER RG-CX31NS 35 Hình 2.19 Các mẫu dùng thí nghiệm 35 Hình 2.20 Sơ đồ cắt thí nghiệm gia công 36 Hình 3.11C Đồ thị mối quan hệ Ra với s, t v =100 m/vòng Y8 Tổng hợp đồ thị ta có đồ thị so sánh loại thép: Hình 3.12 Đồ thị mối quan hệ Ra với s, t v =100 m/vịng thép X12M, P18, Y8 63 Hình 3.13A Đồ thị mối quan hệ Ra với s, t v =150 m/vịng thép X12M Hình 3.14B Đồ thị mối quan hệ Ra với s, t v =150 m/vịng thép P18 64 Hình 3.15C Đồ thị mối quan hệ Ra với s, t v =150 m/vòng thép Y8 Tổng hợp đồ thị ta có đồ thị so sánh loại thép: Hình 3.16 Đồ thị mối quan hệ Ra với s, t v =150 m/vòng thép X12M, P18, Y8 65 Hình 3.17A Đồ thị mối quan hệ Ra với v, t s=0,06 m/phút thép X12M Hình 3.18B Đồ thị mối quan hệ Ra với v, t s=0,06 m/phút thép P18 66 Hình 3.19C Đồ thị mối quan hệ Ra với v, t s=0,06 m/phút thép Y8 Tổng hợp đồ thị ta có đồ thị so sánh loại thép: Hình 3.20 Đồ thị mối quan hệ Ra với v, t s=0,06 m/phút thép X12M 67 Hình 3.21B Đồ thị mối quan hệ Ra với v, t s=0,15 m/phút thép P18 Hình 3.22C Đồ thị mối quan hệ Ra với v, t s=0,15 m/phút thép Y8 Tổng hợp đồ thị ta có đồ thị so sánh loại thép: 68 Hình 3.23 Đồ thị mối quan hệ Ra với v, t s=0,15 m/phút thép X12M, P18, Y8 Dựa vào thí nghiệm đồ thị ta có nhận xét sau: - Ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt trình bày có nhiều yếu tố, song hạn chế luận văn tác giả gói gọn yếu tố thơng số cơng nghệ độ ăn dao, vận tốc cắt, chiều sâu cắt Tác giả không xét đến ảnh hưởng thông số hình học dao, nước tưới nguội hay độ xác thiết bị - Thép X12M có tính cắt gọt tốt, thể độ nhám bề mặt qua chế độ gia công giao động từ (0,130…0,604) μm, sau đến thép P18, (0,166…1,163) μm, cuối đến thép Y8 từ (0,152…2,309) μm Kết thí nghiệm tham khảo ứng dụng vào thực tiễn - Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ tới chất lượng bề mặt gia công số loại thép sử dụng để chế tạo chi tiết dụng cụ ngành gia công áp lực theo phương pháp gia công máy phay CNC” đề tài thực tế - Luận văn sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để nghiên cứu xây dựng qua phương trình hồi qui, qua xác lập mối quan hệ độ nhám thông số công nghệ (s, v, t) thể mức độ ảnh hưởng thông số chất lượng bề mặt (độ nhám) chi tiết máy Kết sở để điều chỉnh thơng số cơng nghệ (yếu tố đầu vào) để đạt giá trị độ nhám bề mặt (yếu tố đầu ra) chi tiết nhằm đạt tới hợp lý q trình gia cơng cắt gọt Về mặt toán học kết đạt 69 hồn tồn tin cậy - Đã xây dựng đồ thị độ nhám bề mặt ảnh hưởng thông số công nghệ phần mềm Maple 17 3.4.2 Kiến nghị - Do khuôn khổ luận văn thạc sĩ điều kiện thực thí nghiệm Kết luận văn thực máy phay DMU 105 thiết bị đo độ nhám Hommel-Etamic W10, sử dụng loại dụng cụ cắt, chế độ bôi trơn, làm nguội, kết luận cần kiểm chứng sản xuất trước khẳng định tính sát thực - Với tầm quan trọng độ nhám bề mặt khả làm việc chi tiết, với phát triển ngày cao công nghệ, dụng cụ loại vật liệu Hướng nghiên cứu đề tài tiếp tục thay đổi thông số chế độ cắt gọt theo nhiều mức nữa, thay đổi dụng cụ cắt với thông số vật liệu khác nhau, thay đổi nhiều chế độ bôi trơn làm nguội khác với việc thực gia công tinh loại vật liệu sau tơi có độ cứng cao ≥ 45 HRC) ngày phổ biến máy tiện, máy phay trung tâm gia công CNC, vấn đề mở nhiều hướng nghiên cứu mới, cần tìm hiểu nghiên cứu đưa thông số phù hợp để cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết ứng dụng sản xuất 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Văn Địch (2006), Nghiên cứu độ xác gia cơng thực nghiệm (Giáo trình dùng cho học viên cao học), NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Trần Văn Địch (2004), Gia công tinh bề mặt chi tiết máy, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Trần Văn Địch, Nguyễn Trọng Bình, Nguyễn Thế Đạt, Trần Xuân Việt (2003), Công nghệ chế tạo máy, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Văn Huyền (2004), Cẩm nang kỹ thuật khí, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Bành Tiến Long, Trần Thế Lục, Trần Sỹ Túy (2001), Nguyên lý gia công vật liệu, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Đắc Lộc (2005), Công nghệ chế tạo máy theo hướng tự động hóa sản xuất, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Tiến Thọ, Nguyễn Thị Xuân Bảy, Nguyễn Thị cẩm Tú (2001), Kỹ thuật đo lường kiểm tra chế tạo khí, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Ninh Đức Tốn (2000), Dung sai lắp ghép, NXB Giáo dục Trung tâm thông tin tiêu chuẩn đo lường chất lượng, TCVN2511 : 1995 - Nhám bề mặt - thông số giá trị 10 Nguyễn Doãn Ý (2003), Giáo trình quy hoạch thực nghiệm, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 11 Đỗ Tùng Linh (2010), Xác lập quan hệ độ nhám bề mặt với thông số công nghệ gia công vật liệu có tính dẻo cao máy phay CNC, Luận văn thạc sĩ khoa học, Đại học Bách khoa Hà Nội 12 Hồ Trọng Chính (2010), Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ tới ch ất lượng bề mặt gia cơng loại thép hợp kim có độ cứng cao máy phay CNC, Luận văn thạc sĩ khoa học, Đại học Bách khoa Hà Nội 71 PHỤ LỤC Hình 1: Các mẫu trước gia cơng Hình 2: Mẫu thép P18 sau gia cơng 72 Hình 3: Mẫu thép Y8 gia cơng Hình 4: Mẫu thép X12M sau gia công 73 74 75 Hình 5: Một số hình ảnh tiến hành thí nghiệm 76 Hình 5: Một số kết đo độ nhám 77