Điển hình cho việc ứng dụng công nghệ gia công cao tốc trong một số lĩnh vực công nghiệp như:- Công nghiệp gia công nhôm: Để sản xuất ra các bộ phận của ô tô, các chi tiết nhỏ trong máy
Khái quát chung về công nghệ gia công cao tốc HSM
Sự phát triển không ngừng của ngành cơ khí đã tạo điều kiện cho sự ra đời của các phương pháp gia công cắt gọt hiện đại, trong đó có phương pháp gia công cao tốc (High Speed Machining - HSM) Công nghệ gia công cao tốc đã trở thành một trong những lĩnh vực chính của ngành chế tạo máy, với ứng dụng chủ yếu trong chế tạo khuôn mẫu, chi tiết ngành ô tô và hàng không Mặc dù không phải là công nghệ mới, nhưng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành chế tạo máy và các công nghệ liên quan như máy tính, dao cắt, máy công cụ, bộ điều khiển CNC và hệ thống CAM, gia công cao tốc ngày càng được chú trọng hơn trong việc chế tạo các sản phẩm chất lượng cao và năng suất lớn.
Gia công cao tốc (High Speed Machining - HSM) thường được hiểu là quá trình gia công với tốc độ trục chính rất cao nhưng tốc độ chạy dao thấp Tuy nhiên, định nghĩa chung về gia công cao tốc còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm tốc độ cắt cao, tốc độ quay của trục chính và các phương pháp, thiết bị gia công cụ thể Tốc độ gia công cao tốc có thể khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng và vật liệu, chẳng hạn như gia công thép có thể đạt tốc độ 800m/ph, trong khi gia công gang có thể yêu cầu tốc độ khác.
Ngoài chế độ gia công, vật liệu dao cắt cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình gia công tốc độ cao Tốc độ cắt trong gia công cao tốc có thể thay đổi tùy thuộc vào loại vật liệu được sử dụng, và việc lựa chọn đúng tốc độ cắt phù hợp với vật liệu sẽ giúp tối ưu hóa quá trình gia công.
Hình 1.1: Vùng tốc độ gia công cao tốc một số loại vật liệu.
Ưu điểm của gia công cao tốc
Hệ thống thân và đế máy
Khi gia công trên các máy cao tốc, tốc độ trục chính rất lớn đòi hỏi sự quan tâm đặc biệt đến vấn đề an toàn Để đảm bảo an toàn trong quá trình gia công, hệ thống thân máy cần được trang bị các thiết bị che chắn và bảo vệ cần thiết Cụ thể, khung máy và các hệ thống hỗ trợ như hệ thống che băng máy, hệ thống kẹp chặt phải có độ cứng vững cao để chịu được ứng suất sinh ra khi gia công cao tốc, giảm thiểu rủi ro khi có sự cố về dao.
Máy phay cao tốc thường nặng hơn 1,5 lần và có đế máy rộng hơn so với các máy CNC thông thường cùng kích cỡ, giúp tăng độ chắc chắn Thân máy được chế tạo từ gang đúc không có khuyết tật, điều này góp phần nâng cao độ cứng vững cho máy.
1.4.7 Hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội
Với tốc độ cắt gọt cực lớn, hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội đòi hỏi những yêu cầu đặc biệt để đáp ứng hiệu quả làm mát Khi tốc độ quay cao, vùng gió xoáy xuất hiện xung quanh dao cắt, khiến phương pháp làm nguội truyền thống không còn hiệu quả Do đó, hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội cần có áp suất cao để làm mát dao nhanh chóng Đồng thời, việc thay dao nhanh cũng đòi hỏi dung dịch trơn nguội phải sạch hơn, vì vậy hệ thống cấp dung dịch trơn nguội cần có khả năng lọc tốt để đáp ứng yêu cầu này.
Khi gia công ở tốc độ cao, nhiệt sinh ra lớn khiến việc làm nguội bằng dung dịch trơn nguội không hiệu quả Tuy nhiên, khoảng 70-80% nhiệt sinh ra được phoi và một phần nhờ dụng cụ đưa ra ngoài Do đó, vấn đề chính là tăng khả năng thoát phoi khỏi bề mặt gia công để thoát nhiệt và tránh cào xước bề mặt Để giải quyết vấn đề này, trong gia công tốc độ cao (HSM), người ta thường sử dụng khí nén để thổi bay phoi, thậm chí là phun sương (dung dịch làm mát ở dạng sương mù) với áp suất cao để tăng hiệu quả làm mát.
Máy gia công cao tốc thường dùng
Hiện nay, các loại máy gia công cao tốc như trung tâm phay ngang và phay đứng 3 trục (HMC/VMC) đang rất phổ biến, đặc biệt là trung tâm gia công ngang Với yêu cầu sản xuất ngày càng cao, xu hướng sử dụng trung tâm gia công HMC trong HSM sẽ phát triển mạnh mẽ Máy phay CNC 4 trục cung cấp giải pháp nghiêng dao phay để cải thiện chế độ cắt, trong khi máy 5 trục với các đơn vị trục thay thế cho phép thực hiện gia công thô, bán tinh và tinh với một chế độ thiết lập linh hoạt.
Các trung tâm gia công hiện đại với tốc độ quay cao (10.000 - 50.000 vòng/phút) và công suất trục từ 7,5 - 40kW đang được ứng dụng rộng rãi trong gia công cao tốc (HSM) Để đáp ứng yêu cầu độ cứng vững cao của gia công cao tốc, các trục chính phải có độ rung động thấp và đồ gá dụng cụ phải được cân bằng Hệ thống động cơ servo và bộ điều khiển tiên tiến cũng cần phải hỗ trợ tính năng "look - ahead" để máy công cụ có thể tăng tốc và giảm tốc một cách hiệu quả Công nghệ máy công cụ hiện nay cho phép sử dụng động cơ tuyến tính vận tốc cao, thực hiện các đường ăn dao 3D với tốc độ trên 12m/ph và tăng giảm tốc độ gần 1,0g.
Hình 1.10: Trung tâm phay cao tốc Makino A55 Delta
Hình 1.11 là máy phay cao tốc của hãng Akira seiki thuộc mác chủng loại SV760:
Hình 1.11: Máy phay cao tốchãng Akira seiki SV760.
Bảng 1.1: So sánh thông số kỹ thuật của một số máy gia công cao tốc trục thẳng đứng của một số hãng nổi tiếng:
Thống số kỹ thuật Micron
Công suất trục chính (kW) 10 30 15
Số vòng quay trục chính
Tốc độ ăn dao (mm/ph) 40.000 50.000 60.000
Tốc độ chạy dao nhanh
Số dao trong ổ tích dao 12 30 30
Bộ điều khiển ATEK HS -
Dưới đây là máy phay cao tốc VelociRaptors của hãng DATRON Dynamics (Mỹ) Với tốc độ trục chính của máy từ 7000 ÷ 60000 (vòng/phút)
Hình 1.12: Máy phay cao tốc của hãng Datron
Trong gia công cao tốc, đặc biệt là trong chế tạo khuôn mẫu, phương pháp phay bao hình trên máy phay CNC là lựa chọn phổ biến Để gia công các bề mặt khuôn mẫu phức tạp, người ta thường sử dụng các dao phay ngón với hình dáng đa dạng, bao gồm dao phay ngón đầu phẳng, dao phay ngón đầu phẳng có góc lượn, dao phay ngón đầu cầu và dao phay ngón đầu côn cầu Việc lựa chọn đúng loại dao phay ngón giúp đảm bảo lấy đi nhiều lượng dư nhất, chất lượng bề mặt tốt nhất và năng suất cao nhất.
Hầu hết các phần mềm CAD/CAM đều cho phép khai báo các loại hình dáng dao khác nhau Để định nghĩa hình học của một dụng cụ, người dùng cần nhập các thông số cần thiết.
+ Hình dáng dao: đầu cầu (Ball mill), đầu phẳng (End mill)
+ Bán kính ở góc đối với dao đầu phẳng (Radius)
+ Chiều dài phần me cắt H1 (cut length)
+ Chiều dài an toàn H2 (clear length)
+ Chiều dài từ mũi dao đến chuẩn lỗ gá dụng cụ H3 (gauge length)
Hình 1.13: Các thông số dụng cụ của dao phay ngón
Dao phay ngón đầu cầu là một loại dao phay chuyên dụng, được tạo ra bằng cách thêm góc côn vào dao phay ngón đầu phẳng Loại dao này có khả năng lấy đi lượng dư lớn nhất khi gia công các bề mặt cong, đặc biệt là khi bán kính cong của bề mặt lớn hơn bán kính cong của đầu dao Tuy nhiên, khi gia công mặt phẳng, dao phay đầu cầu để lại phần lượng dư giữa các đường chạy dao và có chế độ cắt không tốt, dẫn đến chất lượng bề mặt không cao Do đó, dao phay đầu cầu thường chỉ được sử dụng trong bước gia công tinh bề mặt.
Dao phay ngón đầu phẳng có khả năng loại bỏ lượng dư hiệu quả hơn so với dao phay đầu cầu khi gia công các bề mặt cong Với chế độ cắt ổn định và vận tốc cắt không đổi tại phần lưỡi cắt, dao phay này đảm bảo chất lượng bề mặt gia công cao.
Dao phay ngón là một loại dụng cụ cắt phổ biến trong gia công bề mặt 3D, với nhiều kiểu dáng và chức năng khác nhau Một số loại dao phay ngón thường được sử dụng bao gồm dao phay ngón đầu phẳng, dao phay ngón đầu phẳng có góc lượn và dao phay ngón đầu cầu, mỗi loại đều có những đặc điểm và ứng dụng riêng trong quá trình gia công.
Dao phay ngón đầu phẳng có góc lượn là sự kết hợp hoàn hảo giữa dao phay ngón đầu cầu và dao phay ngón đầu phẳng, giúp tận dụng ưu điểm của cả hai loại dao này Loại dao này có khả năng lấy đi lượng dư tương đối tốt với các bề mặt cong và chế độ cắt khá tốt Đối với gia công vật đúc và thép hợp kim, cacbit là loại vật liệu dụng cụ cắt phổ biến nhất, với độ dẻo dai cao nhưng độ cứng kém hơn so với các vật liệu cao cấp khác Để cải thiện độ cứng và khả năng chịu mài mòn, dụng cụ cacbit thường được phủ lên lớp bề mặt với lớp mỏng các hợp chất hóa học như TiN, TiAlN và TiCN, hoặc sử dụng lớp phủ mềm/kép như MOVIC để gia công các vật liệu như nhôm, gang, thép kết cấu và thép hợp kim cao ở tốc độ cao.
Những dụng cụ có đường kính nhỏ khoảng từ 1,5 đến 0,5 in, thường được gắn cacbit với lớp phủ TiCN hoặc AlTiN, tùy thuộc vào độ cứng của vật liệu gia công Cụ thể, lớp phủ TiCN được sử dụng cho vật liệu có độ cứng nhỏ hơn 42 HRC, trong khi lớp phủ AlTiN được sử dụng cho vật liệu có độ cứng 42 HRC và lớn hơn Trong ứng dụng cắt cao tốc, lựa chọn dụng cụ và lớp phủ phù hợp với từng loại vật liệu là rất quan trọng, chẳng hạn như CBN và SiN cho gang, TiN và TiCN phủ lên cacbit cho thép hợp kim dưới 42 HRC, và TiAlN và AlTiN phủ lên cacbit cho hợp kim thép tôi luyện 42 HRC và lớn hơn Trong một số trường hợp đặc biệt, như tiện vật liệu có độ cứng tới 60 HRC, có thể sử dụng PCBN gắn vào lưỡi cắt thích hợp để gia công.
Các vật liệu dụng cụ cắt thường sử trong gia công cao tốc:
CBN (cubic boron nitride – Nitrit bo lập phương)
Các mảnh hợp kim CBN như CNGA, DNGA, VNGA, CNMP và TNG thường được sử dụng cho gia công cao tốc, trong khi các mảnh hợp kim cương như CCMT, CPGM và DCMT cũng được ưa chuộng Thông thường, các mảnh hợp kim này chứa khoảng 50% CBN tùy theo nhà sản xuất Mặc dù mảnh CBN đắt hơn mảnh carbide từ 4-5 lần, nhưng chúng có thể chế tạo được nhiều sản phẩm hơn và giúp giảm chi phí nguyên công mài tinh, từ đó tiết kiệm chi phí dao cụ Ngoài ra, việc cắt khô cũng giúp giảm chi phí dung dịch trơn nguội, bù đắp cho chi phí cao hơn của dao CBN.
Mảnh dao PCBN sở hữu khả năng cắt gọt vượt trội, cho phép cắt ở tốc độ cao và chiều sâu cắt lớn Chúng có thể gia công hiệu quả các loại thép đã tôi cứng và hợp kim chịu nhiệt bền, với độ cứng trên 35 HRC, bao gồm các vật liệu như inconel 600, rene, satellite và colmonoy.
PCD được sản xuất tương tự như PCBN và có nhiều tính chất giống nhau, nhưng chúng phục vụ cho những ứng dụng khác nhau Điểm khác biệt chính là dụng cụ kim cương không phù hợp cho gia công thép và các vật liệu chứa sắt khác Do kim cương là cacbon tinh khiết, trong khi thép có ái lực cao với cacbon, nên khi cắt ở tốc độ cao, nhiệt độ tăng lên nhanh chóng làm cho ái lực giữa thép và cacbon mạnh mẽ, dẫn đến việc các phân tử cacbon bị hút vào thép, gây ra tình trạng lưỡi cắt bị gãy nhanh chóng.
Dụng cụ phủ TiCN (Titanium cacbonitride)
Lớp phủ Titanium cacbonitride (TiCN) là lựa chọn phổ biến cho dụng cụ cắt và mảnh dao, với hơn 90% các mảnh dao được bảo vệ bởi lớp áo ngoài kết tủa từ các pha hơi (CVD) có ít nhất một lớp TiCN Đặc tính nổi bật của lớp phủ TiCN là chứa một lượng nhỏ cacbon và hạt nitơ có kích thước cỡ 50-300 nanomet, mang lại khả năng chống mài mòn rất cao Ngoài ra, lớp phủ TiCN còn có thể được tạo ra với cỡ hạt nhỏ đến 25 nanomet, kết hợp với khả năng chống nhiệt cao của VCD, giúp tăng cường hiệu suất cho các dụng cụ cắt.
Lớp phủ có cấu trúc tinh thể nano tạo nên bề mặt hình kim, cho phép phủ vật liệu thuận lợi lên lớp ôxít nhôm kế tiếp Sự gắn kết chặt chẽ giữa hai lớp phủ này giúp tăng cường khả năng chống mòn và nhiệt, cung cấp giải pháp toàn diện cho gia công cao tốc mà không lo giảm tuổi thọ của dụng cụ.
Lớp phủ TitanNitride (TiN) là lựa chọn phổ biến nhất trong gia công cơ khí, đặc trưng bởi màu vàng nổi bật và thường được áp dụng trên thép gió và carbide Với độ cứng cao và hệ số ma sát thấp, lớp phủ TiN giúp giảm thiểu xói mòn, mài mòn và dính trong quá trình gia công, đồng thời dễ dàng nhận biết sự mài mòn của lưỡi cắt thông qua màu vàng đặc trưng.
Cơ sở vật lý gia công cao tốc
Biến dạng vật liệu trong quá trình cắt
Trạng thái của vật liệu trong quá trình gia công cao tốc phụ thuộc vào:
+ Phương thức chảy dẻo ban đầu do tốc độ biến dạng cao sinh ra.
+ Đặc tính biến cứng do biến dạng của vật liệu gia công.
+ Quan hệ theo thời gian giữa ứng suất chảy dẻo và nhiệt sinh ra trong quá trình biến dạng dẻo.
Phạm vi tốc độ biến dạng trượt phù hợp để gia công là khoảng 10⁴ s⁻¹ Tốc độ này và sự xô lệch mạng tinh thể phụ thuộc vào cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu cắt Nghiên cứu cho thấy rằng độ bền đàn hồi trượt có mối quan hệ tuyến tính với tốc độ biến dạng.
Trong hầu hết các nghiên cứu về quá trình gia công, việc so sánh thuộc tính vật liệu phôi và vật liệu dụng cụ ở nhiệt độ vùng nghiên cứu là rất quan trọng Tuy nhiên, cần lưu ý rằng tính chất vật liệu phôi cũng bị ảnh hưởng đáng kể khi xảy ra độ biến dạng lớn và tốc độ biến dạng cao, đòi hỏi phải xem xét kỹ lưỡng trong quá trình phân tích.
Biến dạng xảy ra trong quá trình cắt
Khi nghiên cứu quá trình cắt trực giao, sự biến dạng của vật liệu xảy ra trong vùng cắt sơ cấp, được giới hạn bởi hai đường song song gần lưỡi cắt Tại đây, phần tử vật chất đạt được tốc độ biến dạng cần thiết để gia công, làm biến đổi ứng suất chảy và tiếp tục bị biến dạng đến giá trị γ R P R Giá trị này chỉ bị ảnh hưởng bởi ứng suất chảy ban đầu của vật liệu, được xác định thông qua thử nghiệm động học cắt kim loại.
Để thu thập dữ liệu về giới hạn độ bền chảy ở tốc độ biến dạng cao, phương pháp đột đã được áp dụng để xây dựng các vùng trượt mỏng trong các tấm nhôm, đồng, đồng thanh và thép mềm Hình 1.18 cho thấy kết quả đối với tấm thép mềm trong khoảng nhiệt độ 293K < T < 713K Cơ chế giảm sự lệch mạng tinh thể (dislocation) dẫn đến mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất chảy cắt và tốc độ biến dạng cắt trong vùng cắt Tốc độ biến dạng phổ biến trong vùng cắt sơ cấp khi cắt thép mềm cao tốc nằm trong khoảng 2 – 20.10⁴ s⁻¹, và tốc độ biến dạng thu được từ thử nghiệm cắt tốc độ với các loại vật liệu khác cũng tương tự.
Hình 1.18: Ứng suất chảy dẻo ở các nhiệt độ khác nhau ở vùng sơ cấp
Vật liệu ở trạng thái này cho phép ta xác định một hệ số độ nhớt thô (macroscopic viscosity coefficient) Mỗi giá trị của hệ số này ứng với một đường ứng suất chảy cắt (shear yield stress) trong hình 1.18 Giá trị của hệ số này có thể được xác định là hệ số góc của đường ứng suất cắt, từ đó có thể biểu diễn bằng phương trình: ky = k0(T) + àγ (1.1).
293 0 primary zone lower yield stress
1.7.2.2 Đáp ứng của vật liệu diễn ra qua vùng cắt sơ cấp
Nghiên cứu vùng cắt sơ cấp và thứ cấp được tách riêng biệt và sau đó lần lượt được đánh giá thông qua phương trình cơ bản sau:
Trong phương trình trên k là ứng suất chảy ở nhiệt độ T, γlà độ biến dạng, γ là tốc độ biến dạng.
Khi các phần tử vật liệu tiếp cận vùng biến dạng trượt, chúng bắt đầu biến dạng khi chạm vào ranh giới giữa hai đường song song với lưỡi cắt Vật liệu biến dạng trượt tại ứng suất chảy cắt k R y R và độ biến dạng chảy γ R y R, với tốc độ biến dạng chảy γ y và nhiệt độ khởi đầu T R 0 R Trong vùng này, vật liệu vẫn duy trì độ biến dạng chảy γ R y R và nhiệt sinh ra là không đáng kể, vì vậy vẫn được coi là T R 0 R Điều này được thể hiện trong phần đầu của phương trình 1.2.
Phương trình được chia ra nhằm tách biệt ảnh hưởng của biến dạng chảy dẻo ban đầu và các luồng biến dạng tiếp theo, được biểu diễn bởi ba thành phần trong phương trình 1.2 Trong vùng cắt sơ cấp, vật liệu trải qua biến dạng nhiều hơn, có thể đạt đến γ= 2 – 5, dẫn đến hiện tượng biến dạng làm hóa cứng do cơ chế cản trở xô lệch mạng tinh thể Đồng thời, quá trình biến dạng dẻo cũng sinh ra một lượng nhiệt đáng kể, làm mềm vật liệu Mặc dù các cơ chế này có thể bù đắp cho nhau trong một số phạm vi nhất định, sự làm mềm lại phụ thuộc vào thời gian, do đó cần bổ sung vào phương trình 1.2.
Năng lượng hoạt hóa phân tử Q đóng vai trò quan trọng trong quá trình gia công vật liệu Trong vùng cắt sơ cấp, mỗi phần tử vật liệu chỉ ở trong khoảng 200 giây, do đó tác dụng làm mềm hóa vật chất do nhiệt là không đáng kể, ngay cả khi gia công ở tốc độ rất cao Điều này được minh họa rõ ràng ở hình 1.19, cho thấy sự gia tăng tốc độ cắt chỉ có hiệu quả khi đạt đến một giá trị đủ lớn.
Hình 1.19: Nhiệt độ tính toán trong vùng cắt sơ cấp
Nghiên cứu cho thấy rằng vật liệu không có đủ thời gian trong vùng cắt sơ cấp để được làm mềm hóa đáng kể Do đó, giá trị "ứng suất cắt động" của vật liệu trong vùng cắt sơ cấp luôn cao và không thay đổi, bất kể tốc độ gia công, kể cả ở vùng tốc độ cao.
1.7.2.3 Đáp ứng của vật liệu dọc qua vùng cắt thứ cấp
Vùng cắt thứ cấp là khu vực kéo dài từ điểm (O) trên lưỡi cắt dụng cụ đến hết chiều dài tiếp xúc với phoi, thường có chiều dài ít nhất là 1-2 mm tùy thuộc vào vật liệu gia công Khi một phần tử vật liệu đi qua vùng này, nó sẽ trải qua nhiều tác động phức tạp, khác biệt so với vùng cắt sơ cấp chỉ dài từ 0,1-0,2 mm.
Khi gia công thép không gỉ, thép hợp kim và hợp kim ngành hàng không, nhiệt độ gia công thường cao hơn Tuy nhiên, nhiệt độ và thời gian chịu tác dụng cao hơn không nhất thiết làm mềm phần tử vật liệu Ứng suất trung bình có thể tính được bằng cách chia lực cắt đo được cho diện tích tiếp xúc, nhưng điều này không phản ánh chính xác ứng suất cắt thực tế Thực tế, ứng suất cắt trung bình tăng cùng với sức bền vật liệu cắt, đặc biệt là ở đầu khu vực tiếp xúc gần ma sát phía sau.
Kết quả các thí nghiệm đã chỉ ra rằng, khó khăn khi cắt trong vùng cắt thứ cấp là phải đối phó với biến dạng hóa cứng ở đầu của vùng cắt Mặc dù phía sau vùng cắt này có sự mềm hóa vật liệu đáng kể do nhiệt, nhưng ứng suất trượt được tạo ra khi gia công các hợp kim ở tốc độ cao vẫn là rất lớn, gây ra thách thức trong quá trình cắt.
Khi tốc độ cắt tăng cao, nhiều phần tử vật liệu trong vùng cắt thứ cấp bị ảnh hưởng bởi sự ngăn cản xô lệch mạng tinh thể và biến dạng hóa cứng, đặc biệt rõ ràng hơn với các vật liệu như thép không gỉ, hợp kim thép, titan và các hợp kim niken Ở tốc độ cắt lớn, sự phát triển của phoi dọc theo bề mặt dụng cụ sau lưỡi cắt cản trở quá trình cắt, đồng thời sự lấn chiếm mạnh mẽ tại mặt trước của phoi tạo ra một ứng suất ma sát rất lớn, gây ra cản trở đáng kể trong quá trình cắt.
Động học và động lực học HSM
Luồng phoi
1.8.1.1 Các dạng phoi hình thành
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra rằng khi gia công thép đã tôi, cấu trúc vi mô của vật liệu phôi và các thuộc tính nhiệt có ảnh hưởng đáng kể đến luồng phoi thoát Đặc biệt, lực cắt tăng cao khi độ cứng của phôi tăng cao Tuy nhiên, các thuộc tính nhiệt khác nhau của vật liệu dụng cụ cũng có thể làm giảm lực cắt Để hiểu rõ hơn về quá trình này và cải thiện năng suất của dụng cụ cắt, việc áp dụng lý thuyết biến dạng và kỹ thuật tối ưu hóa là cần thiết.
Hình 1.20: Các dạng phoi hình thành khi gia công thép tôi
Trong gia công vật liệu cứng, sự hình thành phoi dây thường xảy ra khi chiều dày cắt nhỏ hơn 0,1 mm, bất kể tốc độ cắt cao hay thấp Tuy nhiên, khi chiều dày cắt lớn hơn và tốc độ cắt cao, phoi sẽ xếp dạng "răng cưa", gây ra dao động tuần hoàn của cả sự cắt lẫn lực cắt Điều này có thể dẫn tới sự rung động tần số cao, ảnh hưởng đến tuổi bền và sự phá hỏng của dụng cụ cắt, đặc biệt là khi gia công với tốc độ cao.
Nghiên cứu gần đây đã áp dụng kỹ thuật cắt gián đoạn và hình ảnh vi vật liệu để minh họa sự hình thành của phoi “răng cưa” Hiện tượng này xảy ra do sự hình thành tuần hoàn của các vết rạn phía trước dụng cụ, như được thể hiện trong hình ảnh.
Trong quá trình gia công vật liệu cứng, có hai loại phoi chính là phoi dây với chiều dày nhỏ và phoi xếp dạng răng cưa với chiều dày lớn (thường trên 0,1 mm) Nghiên cứu gần đây cho thấy tần số rung động trong quá trình cắt với phoi xếp dạng răng cưa rất cao Mặc dù ảnh hưởng của sự hình thành phoi đến mòn dụng cụ cắt và chất lượng bề mặt chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng, nhưng rõ ràng rằng sự hình thành phoi có tác động đáng kể đến lực cắt.
1.8.1.2 Ảnh hưởng của luồng phoi đến lực cắt
Quá trình thoát của luồng phoi trong phay rãnh sử dụng dao phay ngón đầu bằng với lưỡi cắt thẳng bằng hợp kim đã được mô phỏng chi tiết tại lưỡi cắt chính và lưỡi cắt phụ thông qua mô hình FEM Thông qua quá trình mô phỏng này, sự hình thành phoi cũng được dự đoán chính xác, cung cấp cái nhìn sâu sắc về cơ chế cắt trong quá trình gia công.
Hình 1.21: Luồng phoi dự đoán ở một tốc độ cắt V R c R = 200m/ph và tốc độ ăn dao f R z R = 0,155 mm/răng 1.8.2 Xác định lực cắt của qúa trình phay
Trong quá trình phay, các răng cắt của dụng cụ tuần tự vào cắt, dẫn đến sự thay đổi liên tục về số răng cắt làm việc và tiết diện phoi ở mỗi răng cắt ra, tạo nên một quá trình cắt phức tạp và đòi hỏi sự chính xác cao.
Hình 1.22: Mô hình xác định lực cắt khi phay
Bước đầu tiên trong quá trình này bao gồm việc mô tả đặc điểm và mô hình hóa lực cắt tức thời của một răng cắt trên phôi, phụ thuộc vào tính chất vật liệu phôi, hình học dụng cụ cắt và các tham số cắt thay đổi Lực cắt này được đo theo phương X và phương Y bởi một lực kế và sau đó được quy đổi trong một hệ thống tham chiếu khác trên răng cắt để xác định lực tiếp tuyến F R t R và lực hướng kính F R R R.
Bước thứ hai trong quá trình phay là xác định các lực tiếp tuyến trên tất cả các răng cắt Đây là thông số quan trọng cần được quan tâm vì nó giúp tính toán công suất được sử dụng bởi trục chính của máy Bằng cách tổng hợp lực cắt tức thời, chúng ta có thể xác định được lực tổng hợp của dụng cụ cắt tác dụng lên phôi, từ đó đưa ra các tính toán và điều chỉnh cần thiết.
Lực cắt có thể được xác định một cách dễ dàng, tuy nhiên mô hình hóa lực cắt tức thời của dụng cụ cắt tác dụng lên phôi lại là một thách thức Hầu hết các mô hình đều dựa trên giả định rằng lực cắt tỷ lệ với tiết diện phoi Các mô hình này có thể được biểu diễn bằng các phương trình, trong đó lực cắt tức thời tiếp tuyến và hướng kính được tính toán dựa trên các hệ số lực cắt, chiều dày tức thời của phoi, chiều sâu cắt và lượng chạy dao răng.
Hệ số K R T R và hệ số K R R R chủ yếu phụ thuộc vào thuộc tính của vật liệu phôi và dụng cụ cắt Ngoài ra, hai hệ số này cũng có thể được xác định khi phay bằng cách xem xét ảnh hưởng của sự thay đổi chiều dày phoi Khi chiều dày phoi giảm, lực cắt cũng giảm và có thể được biểu diễn bằng các phương trình để tính toán chính xác hệ số K R T R và hệ số K R R R.
K = (1.8) Ở đây: h là chiều dày tức thời của phoi.
Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết gia công cao tốc (HSM) đã cho thấy sự kết hợp quan trọng giữa các thông số công nghệ và chất lượng bề mặt khi phay cao tốc thép cứng, qua đó giúp xác định ảnh hưởng của các thông số này đến độ nhám bề mặt.
Gia công cao tốc giữ vai trò quan trọng trong ngành cơ khí, đặc biệt là cơ khí chính xác Ưu điểm nổi bật của gia công cao tốc là khả năng gia công tốc độ cao trên các loại vật liệu có độ cứng và độ bền cao, từ đó tạo ra các chi tiết cơ khí có độ chính xác và độ bóng bề mặt cao.
Gia công cao tốc thường được lựa chọn là phương pháp gia công tinh cuối cùng nhờ vào khả năng gia công chính xác và đạt được độ bóng bề mặt cao.
Các thông số công nghệ như tốc độ cắt V (m/ph) và tốc độ chạy dao S (mm/ph) đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định chất lượng bề mặt của chi tiết gia công khi gia công cao tốc Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số này đến độ nhám bề mặt khi phay cao tốc giúp lựa chọn giá trị thông số tối ưu, từ đó nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công.
Nghiên cứu nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm và tối ưu hóa hiệu quả kinh tế là một việc làm quan trọng Một trong những nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực gia công cơ khí là tìm hiểu ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi gia công cao tốc đến chất lượng bề mặt chi tiết Kết quả nghiên cứu này sẽ là cơ sở để tối ưu hóa các thông số công nghệ khi gia công trên máy phay cao tốc CNC, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí sản xuất.
CHƯƠNG 2: ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG 2.1 Khái niệm độ chính xác gia công
Tính chất của sai số gia công
Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống cố định
- Sai số lý thuyết của phương pháp cắt gọt.
- Sai số chế tạo máy, dao, đồ gá
- Biến dạng nhiệt của chi tiết gia công.
2.2.2 Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống thay đổi (theo thời gian gia công)
- Dụng cụ bị mòn theo thời gian gia công.
- Biến dạng nhiệt của máy, dao và đồ gá.
Các nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên
- Độ cứng của vật liệu không đồng đều
- Lượng dư gia công không đồng đều.
- Vị trí của phôi trong đồ gá thay đổi (dẫn đến sai số gá đặt).
- Thay đổi của ứng suất dư.
- Thay đổi nhiều máy để gia công một loại chi tiết.
- Dao động nhiệt của quá trình cắt.
- Các loại rung động trong quá trình cắt.
Các phương pháp đạt độ chính xác gia công
Phương pháp cắt thử từng chi tiết
Quy trình cắt thử trên máy đòi hỏi sự chính xác và tỉ mỉ của người công nhân Sau khi gá phôi lên máy, người công nhân sẽ đưa dao vào và thực hiện cắt thử một lượng dư nhất định Tiếp theo, họ sẽ dừng máy để kiểm tra kích thước và so sánh với yêu cầu Nếu kết quả chưa đạt yêu cầu, người công nhân sẽ điều chỉnh dao để ăn sâu thêm nữa và tiếp tục quá trình cắt thử.
(đã lấy dấu) một cách nhanh chóng và tránh phế phẩm (do dao được đưa vào quá sâu)
Phương pháp này có một số ưu điểm như:
- Trên máy không chính xác vẫn có thể đạt độ chính xác cao (dựa vào tay nghề của người thợ).
- Loại trừ ảnh hưởng của dao mòn khi gia công cả loạt chi tiết (do dao luôn được điều chỉnh đúng vị trí).
- Không cần chế tạo đồ gá đắt tiền mà chỉ cần người thợ rà gá chính xác. Tuy nhiên phương pháp cắt thử có những nhược điểm sau:
Độ chính xác trong gia công phụ thuộc vào bề dày tối thiểu của lớp phoi được cắt bỏ Khi sử dụng dao hợp kim với lưỡi mài bóng, bề dày phoi tối thiểu không thể nhỏ hơn 0,05 mm Do đó, trong quá trình gia công bằng phương pháp cắt thử, người thợ không thể điều chỉnh dao để đạt được bề dày phoi nhỏ hơn mức này, dẫn đến việc không thể đảm bảo kích thước có sai số nhỏ hơn bề dày lớp phoi.
- Người thợ phải làm việc căng thẳng nên dễ mệt mỏi, do đó có thể gây phế phẩm.
- Năng suất thấp do phải cắt nhiều lần.
- Do năng suất thấp nên giá thành gia công cao
Phương pháp cắt thử thường được áp dụng trong sản xuất đơn chiếc, hàng loạt nhỏ, sản xuất thử và sửa chữa, hoặc trong các phân xưởng dụng cụ do những hạn chế của nó Tuy nhiên, trong sản xuất hàng loạt lớn và hàng khối, phương pháp này vẫn được sử dụng chủ yếu ở nguyên công mài, nơi lượng mòn của đá có thể được bù lại thông qua điều chỉnh bằng tay trong quá trình gia công.
Phương pháp tự động đạt kích thước
Trong sản xuất hàng loạt lớn, để đảm bảo độ chính xác gia công, phương pháp tự động đạt kích thước được sử dụng Phương pháp này yêu cầu dụng cụ cắt được điều chỉnh trước để có vị trí cố định so với chi tiết gia công Đồng thời, chi tiết gia công cũng cần có vị trí xác định so với dụng cụ cắt, điều này được đảm bảo nhờ cơ cấu định vị của đồ gá Đồ gá cũng phải có vị trí xác định trên máy thông qua cơ cấu định vị riêng.
Hình 2.3: Gia công chi tiết theo phương pháp tự động đạt kích thước
1 – ê tô; 2 – chi tiết gia công; 3 – dao phay
Khi phay phôi (chi tiết gia công) 2 để đạt kích thước a và b, bàn máy phay cần được điều chỉnh để mặt tỳ của má tĩnh 1 của ê tô cách trục quay của dao phay một đoạn K = D + a.
Trong quá trình gia công, mặt bên của dao phay 3 cần được điều chỉnh cách mặt đứng của má tĩnh ê tô một khoảng b Việc điều chỉnh có thể thực hiện thông qua phương pháp cắt thử hoặc sử dụng cơ cấu so dao của đồ gá chuyên dụng Sau khi hoàn tất điều chỉnh, quá trình gia công sẽ diễn ra tự động mà không cần di chuyển bàn máy theo hai phương ngang và đứng.
Do trong quá trình gia công kích thước K và b cố định nên độ chính xác của
Khi áp dụng phương pháp tự động đạt kích thước, độ chính xác gia công không phụ thuộc vào người công nhân trực tiếp thực hiện, mà nằm ở sự kết hợp của ba yếu tố chính: thợ điều chỉnh máy, thợ chế tạo dụng cụ và nhà công nghệ, mỗi người đảm nhiệm vai trò riêng biệt như điều chỉnh máy, chế tạo đồ gá và xác định chuẩn công nghệ, kích thước phôi cũng như phương pháp gá đặt nó trên đồ gá.
Phương pháp tự động đạt kích thước có những ưu điểm sau đây:
Đảm bảo độ chính xác gia công cao, giảm thiểu phế phẩm là mục tiêu quan trọng trong sản xuất Đặc biệt, độ chính xác này không bị phụ thuộc vào bề dày nhỏ nhất của lớp phoi được cắt, cũng như trình độ tay nghề của công nhân, giúp quá trình gia công trở nên ổn định và đáng tin cậy hơn.
- Chỉ cắt một lần là đạt kích thước, không mất thời gian lấy dấu và cắt thử, do đó năng suất gia công tăng.
Việc sử dụng hợp lý nhân công có trình độ tay nghề cao là yếu tố quan trọng trong quá trình sản xuất hiện đại Sự phát triển của tự động hóa đã tạo điều kiện cho những công nhân này phát huy tối đa khả năng của mình, không chỉ điều chỉnh máy móc mà còn có thể điều khiển nhiều máy khác nhau cùng một lúc, giúp nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm.
- Nâng cao hiệu quả kinh tế.
Tuy nhiên phương pháp này cũng có những nhược điểm sau đây:
Chi phí thiết kế và chế tạo đồ gá, cùng với chi phí điều chỉnh máy và dao, có thể vượt quá lợi ích kinh tế mà phương pháp này mang lại.
- Chi phí cho việc chế tạo phôi chính xác đôi khi không bù lại được nếu số chi tiết gia công quá ít.
Nếu dụng cụ bị mài mòn nhanh chóng, kích thước đã được điều chỉnh sẽ thay đổi nhanh chóng, dẫn đến việc phải điều chỉnh lại nhiều lần Điều này không chỉ gây tốn kém về thời gian và kinh phí mà còn làm giảm độ chính xác của sản phẩm, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng tổng thể.
2.3.3 Phương pháp đạt độ chính xác gia công bằng điều khiển thích nghi
Ngày nay, sự phát triển của khoa học công nghệ, đặc biệt là sự kết hợp giữa kỹ thuật thông tin và kỹ thuật điều khiển tự động, đã mở ra khả năng đạt được độ chính xác cao trong gia công thông qua phương pháp điều khiển thích nghi.
Phương pháp gia công này đảm bảo độ chính xác cao thông qua việc đo kiểm tra kích thước chi tiết trong quá trình gia công và truyền dữ liệu về trung tâm xử lý để điều khiển dụng cụ cắt hoặc chi tiết dịch chuyển một cách chính xác Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là giá thành sản phẩm cao, khiến nó chỉ được sử dụng cho các chi tiết đòi hỏi độ chính xác cao và chưa được ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam.
Các nguyên nhân gây ra sai số gia công
Biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ
Hệ thống công nghệ, bao gồm máy đồ gá chi tiết gia công, hoạt động như một hệ thống đàn hồi Khi chịu tác động của lực cắt, hệ thống này sẽ trải qua những biến dạng đàn hồi, dẫn đến sự thay đổi về giá trị biến dạng Điều này có thể gây ra sai số kích thước và sai số hình dáng hình học của chi tiết gia công, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm cuối cùng.
Lực cắt thay đổi trong quá trình gia công là kết quả của sự không cố định về lượng dư gia công, tính chất cơ lý của vật liệu gia công và sự mòn của dao Điều này ảnh hưởng đến biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ, phụ thuộc vào lực cắt và độ cứng vững của hệ thống Biến dạng đàn hồi của hệ thống hoặc các phần tử trong hệ thống phụ thuộc vào biến dạng của chi tiết và biến dạng tiếp xúc của các bề mặt lắp ghép, bao gồm biến dạng kéo, nén, uốn, xoắn hoặc tổng hợp các biến dạng đó, được tính toán dựa trên các công thức của sức bền vật liệu hoặc lý thuyết đàn hồi.
Ảnh hưởng do sai số của phôi
Khi gia công, sự mài mòn của dao cắt có thể dẫn đến tăng lực cắt và biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ, gây ra biến động về kích thước của chi tiết máy Đồng thời, sự biến động của độ cứng vật liệu và lượng dư gia công cũng có thể gây ra sai số về hình dáng hình học của chi tiết Ngoài ra, hiện tượng in dập (di truyền công nghệ) cũng có thể ảnh hưởng đến sai số hình dáng hình học và tính chất của cả phôi và chi tiết gia công.
Ảnh hưởng của độ chính xác của máy công cụ
Thông thường máy công cụ có những sai số hình học như sau:
- Độ đảo hướng kính của trục
- Độ đảo của lỗ côn trục chính.
- Độ đảo mặt đầu của trục chính.
- Các sai số của các bộ phận khác như sống trượt, bàn máy, vv…
Các sai số trên bề mặt gia công thường phản ánh một phần hoặc toàn bộ các sai số hệ thống trong quá trình gia công Quá trình hình thành bề mặt chi tiết gia công phụ thuộc vào chuyển động cưỡng bức của các bộ phận như trục chính, bàn máy hoặc bàn dao Khi các chuyển động này có sai số, chúng sẽ trực tiếp ảnh hưởng đến độ chính xác của bề mặt chi tiết gia công, tạo ra các sai số hệ thống không mong muốn.
2.4.4 Ảnh hưởng của sai số của đồ gá
Sai số chế tạo và lắp ráp của đồ gá có ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác của chi tiết gia công Các chi tiết quan trọng như định vị, dẫn hướng, so dao nếu có sai số do chế tạo hoặc mòn sẽ làm thay đổi vị trí tương đối giữa máy - dao - chi tiết, gây ra sai số gia công Để xác định sai số này, có thể dựa vào tính toán dung sai của các chi tiết chủ yếu của đồ gá hoặc dựa vào kích thước thực tế của các chi tiết đó khi chế tạo.
Tốc độ mòn của đồ gá và máy công cụ thường rất chậm, do đó sai số về hình học của đồ gá sẽ được phản ánh một cách hệ thống lên các chi tiết được gia công, tạo ra sự nhất quán trong sai số.
Sai số do lắp ráp đồ gá lên máy cũng là một nguyên nhân gây ra sai số gia công đáng kể Khi lắp ráp, nếu không được thực hiện chính xác, đồ gá có thể bị mất vị trí chính xác so với dụng cụ cắt, dẫn đến sai số gia công không mong muốn.
Ảnh hưởng của sai số của dụng cụ cắt
Độ chính xác gia công phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm độ chính xác chế tạo dụng cụ cắt, mức độ mài mòn và sai số gá đặt trên máy Đối với các dụng cụ định kích thước như mũi khoan, mũi khoét, dao doa và dao chuốt, sai số của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công Ngoài ra, khi gia công rãnh then bằng dao phay ngón hoặc dao phay đĩa, sai số đường kính và bề rộng của dao cũng ảnh hưởng đến độ chính xác chiều rộng của rãnh then Đối với gia công ren, sai số bước ren, góc đỉnh ren và đường kính trung bình của taro và bàn ren sẽ phản ánh trực tiếp lên ren gia công Cuối cùng, khi gia công các mặt định hình bằng dao định hình, sai số prôfin của dao sẽ gây ra sai số hình dạng bề mặt.
Ngoài sai số chế tạo, trong quá trình cắt dao sẽ bị mòn và ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác gia công.
Ảnh hưởng của biến dạng nhiệt của máy tới độ chính xác gia công
Khi máy hoạt động, các bộ phận của nó bị nóng lên chủ yếu do nhiệt ma sát, nhiệt từ động cơ và hệ thống thủy lực Nhiệt độ giữa các bộ phận có thể chênh lệch từ 10 đến 50 độ C, với nhiệt độ cao nhất ở hai ổ trục chính, ảnh hưởng lớn đến độ chính xác gia công Sự gia tăng nhiệt độ dẫn đến sự dịch chuyển của tâm trục chính theo cả phương ngang và phương đứng, gây ra sự khác biệt về kích thước của các chi tiết gia công ở đầu và cuối ca làm việc.
Ảnh hưởng của biến dạng nhiệt của dụng cụ cắt tới độ chính xác gia công
Khi cắt, nhiệt độ truyền vào dao với tỷ lệ không lớn (10 ÷ 20%) nhưng vẫn gây ra biến dạng đáng kể Sự giãn nở của dao làm thay đổi kích thước và hình dạng của lưỡi cắt, dẫn đến sai số gia công Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của sản phẩm gia công, do đó cần phải kiểm soát nhiệt độ cắt một cách hiệu quả.
2.4.8 Ảnh hưởng của biến dạng nhiệt của chi tiết tới độ chính xác gia công
Trong quá trình cắt, nhiệt độ tại vùng cắt truyền vào chi tiết gia công, dẫn đến biến dạng và sai số gia công Nếu chi tiết được nung nóng đồng đều, chỉ gây ra sai số kích thước Tuy nhiên, khi chi tiết bị nung nóng không đều, sẽ không chỉ xuất hiện sai số kích thước mà còn ảnh hưởng đến sai số hình dáng.
Nhiệt độ của chi tiết gia công phụ thuộc vào chế độ cắt Khi tốc độ cắt và lượng chạy dao cao, thời gian tác động nhiệt tới chi tiết sẽ giảm, dẫn đến nhiệt độ giảm Cụ thể, khi tăng tốc độ cắt từ 30 lên 0,44 mm/vòng với tốc độ cắt không đổi là 140 m/ph và chiều sâu cắt 3 mm, nhiệt độ của chi tiết giảm từ 36°C xuống 11°C.
Ảnh hưởng của rung động trong quá trình cắt tới độ chính xác gia công
Rung động của hệ thống công nghệ trong quá trình cắt làm thay đổi vị trí tương đối giữa dao cắt và chi tiết gia công, gây ra sự không bằng phẳng trên bề mặt chi tiết Tần số rung động thấp và biên độ lớn tạo ra độ sóng bề mặt, trong khi tần số rung động cao và biên độ thấp tạo ra độ nhám bề mặt Rung động cũng làm tăng, giảm chiều sâu cắt, tiết diện phoi và lực cắt theo chu kỳ, ảnh hưởng đến độ chính xác gia công Có hai loại rung động chính trong quá trình cắt là rung động cưỡng bức và tự rung động, mỗi loại đều có tác động riêng đến chất lượng bề mặt chi tiết.
Rung động cưỡng bức xảy ra khi các lực kích thích từ bên ngoài tác động vào hệ thống Tùy thuộc vào tính chất của lực kích thích, rung động cưỡng bức có thể mang tính chu kỳ hoặc không Nguồn gốc của rung động cưỡng bức chủ yếu xuất phát từ các yếu tố tác động bên ngoài.
- Các chi tiết máy, dao hoặc chi tiết gia công quay nhanh nhưng không được cân bằng tốt.
- Các chi tiết truyền động trong máy có sai số lớn.
- Lượng dư gia công không đều.
- Bề mặt gia công không liên tục.
- Các bề mặt tiếp xúc có khe hở lớn. Để giảm rung động cưỡng bức người ta thường sử dụng các biện pháp sau đây:
- Nâng cao độ cứng vững của hệ thống công nghệ.
- Giảm lực kích thích từ bên ngoài.
- Các chi tiết truyền động cần phải được gia công với độ chính xác cao.
- Các chi tiết quay nhanh cần phải được cân bằng tốt.
- Tránh cắt không liên tục.
Khi gia công các chi tiết có độ chính xác cao, việc trang bị cơ cấu giảm rung và nền móng cách ly rung là vô cùng quan trọng Điều này giúp giảm thiểu tác động của rung động từ bên ngoài, đảm bảo độ chính xác và chất lượng của sản phẩm gia công.
Tự rung động là hiện tượng rung động sinh ra trong quá trình cắt và được duy trì bởi lực cắt Khi quá trình cắt kết thúc, hiện tượng tự rung cũng chấm dứt Để giảm thiểu tác động của tự rung động, người ta thường áp dụng một số biện pháp hiệu quả.
- Không nên cắt lớp phoi quá rộng và quá mỏng.
- Chọn chế độ cắt hợp lý sao cho không nằm trong vùng có xuất hiện lẹo dao.
- Thay đổi hình dáng hình học của dao sao cho giảm lực cắt ở phương có rung động.
- Dùng dung dịch trơn nguội để giảm bớt mòn dao.
- Nâng cao độ cứng vững của hệ thống công nghệ.
- Sử dụng các cơ cấu giảm rung.
Ảnh hưởng của phương pháp gá đặt tới độ chính xác gia công
Để thực hiện gia công trên máy, chi tiết cần phải được định vị và kẹp chặt một cách chính xác Quá trình này được gọi là gá đặt, bao gồm hai bước quan trọng là định vị và kẹp chặt chi tiết Tuy nhiên, gá đặt cũng có thể gây ra sai số và ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của quá trình gia công.
Sai số gá đặt bao gồm:
- Sai số đồ gá ε dg
Sai số gá đặt được tính theo công thức: ε gd = ε c + ε k + ε dg
2.4.11 Ảnh hưởng của dụng cụ đo và phương pháp đo tới độ chính xác gia công
Dụng cụ đo và phương pháp đo cũng gây ra sai số và ảnh hưởng đến độ chính xác gia công
Dụng cụ đo trong quá trình chế tạo luôn có sai số, vì vậy việc sử dụng chúng để xác định độ chính xác của chi tiết có thể dẫn đến kết quả không chính xác.
Phương pháp đo lường trong gia công có thể gây ra sai số và ảnh hưởng đến độ chính xác của sản phẩm cuối cùng Để giảm thiểu tác động này, việc lựa chọn dụng cụ đo và phương pháp đo phù hợp là rất quan trọng Bằng cách áp dụng phương pháp đo lường hợp lý, doanh nghiệp có thể đảm bảo độ chính xác gia công cao hơn và nâng cao chất lượng sản phẩm.
CHƯƠNG 3: ĐỘ NHÁM BỀ MẶT 3.1 Khái niệm độ nhám bề mặt
Bề mặt chi tiết sau khi gia công thường không bằng phẳng một cách lý tưởng mà có những mấp mô Những mấp mô này là kết quả của quá trình biến dạng dẻo của lớp bề mặt chi tiết khi cắt gọt lớp kim loại, đồng thời cũng chịu ảnh hưởng của chấn động khi cắt và vết lưỡi cắt để lại trên bề mặt gia công.
Không phải tất cả các mấp mô trên bề mặt đều thuộc về nhám bề mặt, mà chúng là tập hợp các mấp mô có bước tương đối nhỏ và được xét trong giới hạn chiều dài chuẩn Chiều dài chuẩn là chiều dài của phần bề mặt được chọn để đo nhám bề mặt, loại bỏ những dạng mấp mô khác có bước lớn hơn như sóng bề mặt.
Độ nhám bề mặt, còn được biết đến là độ nhấp nhô tế vi, là tập hợp tất cả những điểm lồi và lõm cực nhỏ trên bề mặt vật liệu, được quan sát và đo lường trên một khoảng ngắn tiêu chuẩn để đánh giá độ mịn và chất lượng của bề mặt.
Hình 3.1 là độ nhám bề mặt gia công được phóng đại lên nhiều lần.
Hình 3.1: Độ nhám bề mặt Để đánh giá độ nhám, trước hết ta phải vẽ được đường thẳng chuẩn Đường
Chiều dài chuẩn l là thông số quan trọng dùng để đánh giá các chỉ tiêu của độ nhám bề mặt, với giá trị dao động từ 0,01 đến 25 mm Để đánh giá độ nhám bề mặt, người ta thường sử dụng chỉ tiêu Sai lệch profin trung bình (Ra), giúp cung cấp thông tin chính xác về độ mịn và độ nhám của bề mặt.
R a – sai lệch profin trung bình cộng bằng giá trị trung bình cộng của các giá trị chiều cao h tính từ đường trung bình trong phạm vi chiều dài chuẩn l.
Rađược xác định theo công thức sau:
(3.1) Ở đây: l chiều dài chuẩn;– h – tung độ của profin được đo từ đường thẳng chuẩn; n – số lượng tung độ của profin được đo.
Ngoài ra, để đánh giá độ nhám bề mặt người ta còn dùng chỉ tiêu: Chiều cao nhấp nhô profin theo mười điểm Rz
R z – Chiều cao nhấp nhô bằng giá trị trung bình giữa năm đỉnh cao nhất và năm đỉnh thấp nhất của profin được đo trong phạm vi chiều dài chuẩn l:
S R m R – bước nhấp nhô theo đường trung bình bằng giá trị trung bình của các bước nhấp nhô (theo đường trung bình) trong phạm vi chiều dài chuẩn l:
(3.3) Ở đây: n – bước nhấp nhô (theo đường trung bình) trong phạm vi chiều dài chuẩn; n dl h l h R n i a
S bước nhấp nhô theo đỉnh bằng giá trị trung bình của các bước nhấp nhô (theo đỉnh) trong phạm vi chiều dài chuẩn l:
Đường thẳng cách đều đường trung bình được vẽ cách đỉnh cao nhất của độ nhám một lượng là P, đại lượng này được chọn trong khoảng 5 – 90% Rz (chiều cao nhấp nhô cực đại), trong đó n là bước nhấp nhô theo đỉnh trong phạm vi chiều dài chuẩn l.
Hình dáng độ nhám có tác động trực tiếp đến vật liệu, với chiều dài phần vật liệu tại một vị trí nhất định được tính bằng tổng chiều dài của kim loại đi qua các điểm của độ nhám.
Hình 3.2: Đường cong của phần vật liệu Đôi khi phần vật liệu F được đánh giá theo phần trăm (%) của bề mặt gia công:
(3.5) Ở đây: l R i R – chiều dài của độ nhám ở một vị trí nào đó;
L – Chiều dài của phần bề mặt được quan sát. n
Độ nhám bề mặt được đo bằng cách điền đầy lớp kim loại vào các bề mặt song song đi qua các đỉnh cao nhất và thấp nhất của độ nhám Đường cong a của phần vật liệu đặc trưng cho khả năng chịu tải của bề mặt, trong đó mỗi điểm trên đường cong được tính bằng tổng khoảng cách bề rộng của độ nhám nằm trên cùng một độ cao h, thể hiện qua công thức l R 1 R + l R 2 R + l R 3 R.
Mức độ điền đầy bề mặt bằng kim loại đóng vai trò quan trọng trong việc tăng độ chống mòn và độ kín khít của các bề mặt lắp ghép Khi mức độ điền đầy bề mặt cao hơn, độ chống mòn và độ kín khít cũng tăng theo, giúp nâng cao hiệu suất và tuổi thọ của sản phẩm Điều này cho thấy rằng, ngay cả khi chiều cao của độ nhám bề mặt giống nhau, hình dáng và phần vật liệu của độ nhám có thể khác nhau, dẫn đến sự khác biệt về chất lượng và hiệu suất của bề mặt.
Trong sản xuất, đánh giá nhám bề mặt thường dựa trên một trong hai chỉ tiêu quan trọng Ngoài ra, người ta còn sử dụng chiều cao nhấp nhô lớn nhất R (Rmax) để đánh giá độ nhám, được tính bằng khoảng cách giữa hai đỉnh cao nhất và thấp nhất của độ nhám.
Việc lựa chọn chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt (Rz hoặc Ra) phụ thuộc vào chất lượng yêu cầu và đặc tính kết cấu của bề mặt Thông số Ra được ưu tiên sử dụng phổ biến nhất vì nó cho phép đánh giá chính xác và thuận lợi hơn đối với bề mặt có yêu cầu nhám trung bình Tuy nhiên, đối với bề mặt nhám quá thô hoặc quá nhỏ, chỉ tiêu Rz lại là lựa chọn phù hợp hơn, mang lại khả năng đánh giá chính xác hơn so với chỉ tiêu Ra Ngoài ra, chỉ tiêu Rz còn được sử dụng đối với những bề mặt không thể kiểm tra trực tiếp thông số Ra của nhám, chẳng hạn như bề mặt kích thước nhỏ hoặc có profin phức tạp như lưỡi cắt dụng cụ, chi tiết trong đồng hồ.
Độ nhám bề mặt được chia làm 14 cấp ứng với các giá trị Ra và Rz theo tiêu chuẩn nhà nước Trong đó, cấp 14 có độ nhám bề mặt thấp nhất với giá trị Ra = 0,01 μm và Rz = 0,05 μm, tương ứng với độ nhẵn bóng bề mặt cao nhất Trên bản vẽ chi tiết máy, yêu cầu về độ nhám bề mặt được thể hiện qua giá trị của Ra hoặc Rz, tùy thuộc vào cấp độ nhám bề mặt cần đạt Cụ thể, trị số Ra được sử dụng khi yêu cầu độ nhám bề mặt từ cấp 6 đến cấp 12 (Ra 2,5-0,04 μm), còn trị số Rz được ghi trên bản vẽ khi yêu cầu độ nhám bề mặt từ cấp 1 đến cấp 5 (Rz = 320-20 μm) hoặc từ cấp 13 đến cấp 14.
Trong sản xuất thực tế, người ta thường đánh giá độ nhỏ mịn bề mặt chi tiết máy theo các mức độ khác nhau, bao gồm thô (cấp 1-4), bán tinh (cấp 5-7) và tinh (cấp 8 trở lên), tương ứng với các giá trị độ nhám bề mặt khác nhau.
Dưới đây là bảng các giá trị Ra, R z và chiều dài chuẩn l ứng với các cấp độ nhám
Bảng 3.1: Cấp độ nhám và các giá trị l tương ứng
Cấp độ nhỏm R a (àm) R z (àm) Chiều dài chuẩn l
3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt
Ảnh hưởng của thông số hình học của dụng cụ cắt
Hình dạng hình học tế vi của bề mặt gia công chịu ảnh hưởng trực tiếp từ hình dạng hình học của dao, chế độ cắt và các yếu tố công nghệ khác như biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, ma sát, lẹo dao và rung động.
Qua thực nghiệm, phương pháp tiện đã xác định được mối quan hệ giữa các thông số quan trọng, bao gồm độ nhám (chiều cao nhấp nhô tế vi) Rz, lượng tiến dao S, bán kính mũi dao r và chiều dày phoi nhỏ nhất h R min.
Hình 3.3 mô tả sự hình thành độ nhám bề mặt khi gia công bằng các loại dao tiện khác nhau.
Ảnh hưởng của thông số hình học của dao tiện tới độ nhám bề mặt là một yếu tố quan trọng trong gia công cơ khí Khi dao tiện thực hiện một lượng ăn dao và dịch chuyển trên bề mặt chi tiết gia công, phần kim loại chưa được hớt đi sẽ tạo thành độ nhám bề mặt Hình dáng và giá trị của độ nhám bề mặt phụ thuộc vào lượng chạy dao và hình dáng của lưỡi cắt Việc giảm lượng chạy dao hoặc thay đổi góc nghiêng chính và góc nghiêng phụ có thể làm thay đổi chiều cao và hình dáng của độ nhám Ngoài ra, sử dụng dao có bán kính mũi dao lớn cũng có thể làm giảm chiều cao của độ nhám và tạo ra hình dáng được vê tròn.
Từ những luận trên đây, giáo sư người Nga Trebưsep đã đưa ra công thức biểu thị mối quan hệ giữa Rz với s, r và hmin R R như sau:
Khi chiều dày phoi kim loại S nhỏ hơn 0,1 mm/vòng, chiều dày phoi tối thiểu phụ thuộc vào bán kính mũi dao r Ví dụ, khi mài lưỡi dao cắt bằng đá kim cương mịn ở mặt trước và mặt sau lưỡi cắt với bán kính mũi dao r = 10 mm, chiều dày phoi tối thiểu h_R_min R đạt 4 μm Trong khi đó, nếu mài dao hợp kim cứng bằng đỏ thường với bán kính mũi dao r = 40 mm, chiều dày phoi tối thiểu h_R_min R có thể đạt giá trị từ 20 μm trở lên.
Nếu lượng chạy dao S quá nhỏ (S < 0,03 mm/vòng) thì trị số Rz lại tăng, r
Tăng góc sau của dao sẽ giúp giảm độ nhấp nhô bề mặt do diện tích tiếp xúc giữa dao và chi tiết giảm, dẫn đến giảm ma sát Ngoài ra, giảm góc cắt cũng giúp cải thiện điều kiện thoát phoi khi cắt, giảm biến dạng phoi và làm giảm chiều cao nhấp nhô khi cắt.
3.2.2 Ảnh hưởng của tốc độ cắt
Sự ảnh hưởng của yếu tố tốc độ cắt V đến độ nhám bề mặt chi tiết máy được thể hiện như hình dưới đây (hình 3.4)
Hình 3.4: Ảnh hưởng của tốc độ cắt (V) tới độ nhám bề mặt khi gia công thép
Khi cắt thép cacbon ở tốc độ thấp, nhiệt cắt và độ nhám bề mặt thấp do phoi kim loại tách dễ dàng và biến dạng lớp kim loại không nhiều Khi tăng tốc độ cắt lên khoảng 15 ÷ 20 m/phút, nhiệt cắt và lực cắt tăng, gây ra biến dạng dẻo mạnh và hình thành lẹo dao, là hạt kim loại cứng bám chặt vào mặt dao Lẹo dao làm tăng độ nhám bề mặt gia công Nếu tiếp tục tăng tốc độ cắt, lẹo dao bị nung nóng và lực dính không thắng nổi lực ma sát, dẫn đến lẹo dao biến mất ở tốc độ cắt khoảng 30 ÷ 60 m/phút Với tốc độ cắt lớn hơn 60 m/phút, lẹo dao không hình thành, giúp giảm độ nhám bề mặt gia công.
Khi tăng tốc độ cắt (ngoài vùng hình thành lẹo dao) thì biến dạng dẻo khi cắt giảm đi, do đó độ bóng sau gia công tăng lên.
Khi cắt vật liệu giòn như gang với tốc độ thấp, phoi sẽ đứt theo biên giới các hạt tinh thể, dẫn đến độ bóng bề mặt không cao Ngược lại, khi cắt ở tốc độ cao, các tinh thể sẽ bị cắt ngang, giúp giảm đáng kể độ nhấp nhô của bề mặt.
Ảnh hưởng của lượng chạy dao
Lượng chạy dao S không chỉ ảnh hưởng đến các yếu tố hình học mà còn tác động lớn đến mức độ biến dạng dẻo và đàn hồi trên bề mặt gia công, dẫn đến sự thay đổi độ nhám Đồ thị trong Hình 3.5 minh họa mối quan hệ giữa lượng chạy dao S và chiều cao nhấp nhô tế vi (độ nhám bề mặt) Rz khi gia công thép cacbon.
Khi gia công với lượng chạy dao S từ 0,02 đến 0,15 mm/vòng, độ nhấp nhô tế vi trên bề mặt gia công giảm Ngược lại, nếu S nhỏ hơn 0,02 mm/vòng, độ nhấp nhô tế vi tăng lên, dẫn đến độ nhẵn bóng giảm do ảnh hưởng của biến dạng dẻo vượt trội hơn so với các yếu tố hình học Trong trường hợp S lớn hơn 0,15 mm/vòng, biến dạng đàn hồi kết hợp với các yếu tố hình học sẽ làm tăng độ nhám bề mặt.
Để đạt được bề mặt nhẵn bóng và năng suất gia công tối ưu, nên lựa chọn giá trị lượng chạy dao S từ 0,05 đến 0,12 mm/vòng khi gia công thép cacbon Ngoài ra, trong quá trình gia công tinh thép cacbon, cần tránh khoảng vận tốc cắt gây ra hiện tượng lẹo dao.
Ảnh hưởng của chiều sâu cắt
Chiều sâu cắt có tác động đáng kể đến độ nhám bề mặt gia công, tuy nhiên thường bị bỏ qua trong thực tế Nếu chiều sâu cắt quá lớn, rung động tăng lên và độ nhám bề mặt cũng sẽ tăng Ngược lại, chiều sâu cắt quá nhỏ khiến dao trượt trên bề mặt gia công, dẫn đến hiện tượng cắt không liên tục và làm tăng độ nhám Hiện tượng trượt dao thường xảy ra khi chiều sâu cắt nằm trong khoảng 0,02 ÷ 0,03 mm.
Ảnh hưởng của vật liệu gia công
Loại vật liệu gia công có ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt, chủ yếu thông qua khả năng biến dạng dẻo Đối với vật liệu dẻo, biến dạng dẻo trở thành yếu tố chính tác động đến độ nhấp nhô vi tế của bề mặt.
Thép ít cacbon có cấu trúc pherit thường tạo ra bề mặt cắt với nhiều vết xước và không nhẵn Khi tăng độ cứng của thép, độ nhấp nhô trên bề mặt cắt sẽ giảm do hệ số ma sát, biến dạng dẻo và hiện tượng atghêdi mỏi được giảm bớt.
Vật liệu dẻo và dai như thép ít cacbon dễ dàng biến dạng, dẫn đến độ nhám bề mặt cao hơn so với vật liệu cứng và giòn Để đạt được độ nhám bề mặt thấp, thường tiến hành quá trình thường hóa thép cacbon ở nhiệt độ 850 ÷ 870 °C trước khi cắt gọt Khi độ cứng của vật liệu gia công tăng, chiều cao nhấp nhô tế vi giảm, hạn chế ảnh hưởng của tốc độ cắt tới chiều cao này Khi độ cứng đạt giá trị HB = 5000 n/mm², ảnh hưởng của tốc độ cắt đến chiều cao nhấp nhô tế vi gần như không còn Ngoài ra, việc giảm tính dẻo của vật liệu gia công thông qua biến cứng bề mặt cũng góp phần làm giảm chiều cao nhấp nhô tế vi.
3.2.6 Ảnh hưởng do rung động của hệ thống công nghệ đến độ nhám bề mặt
Quá trình rung động trong hệ thống công nghệ tạo ra chuyển động chu kỳ giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công, làm thay đổi điều kiện ma sát và dẫn đến độ sóng, nhấp nhô tế vi trên bề mặt gia công Sai lệch của các bộ phận máy gây ra sự không ổn định trong chuyển động, dẫn đến dao động cưỡng bức với các tần số khác nhau, tạo ra sóng dọc và sóng ngang trên bề mặt gia công với bước sóng đa dạng.
Tình trạng của máy ảnh hưởng đáng kể đến độ nhám bề mặt gia công Để đạt được độ nhám bề mặt thấp, cần đảm bảo độ cứng vững cần thiết Thêm vào đó, độ nhám của bề mặt gia công còn phụ thuộc vào độ cứng vững của chi tiết trong quá trình kẹp chặt.
Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến độ nhám bề mặt
Dung dịch trơn nguội đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến độ nhấp nhô khi cắt Việc lựa chọn dung dịch trơn nguội phù hợp giúp nâng cao độ bóng trong cùng một điều kiện gia công Để xác định chiều cao nhấp nhô thực tế, các công thức kinh nghiệm được sử dụng, xem xét các nhân tố ảnh hưởng Từ đó, bảng và giản đồ được lập ra để xác định độ bóng theo các điều kiện cắt cụ thể.
CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM, NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHI
PHAY CAO TỐC THÉP CỨNG
Xây dựng mô hình thực nghiệm
Mô hình thí nghiệm
Để thực hiện thí nghiệm, cần xây dựng mô hình thí nghiệm với các yếu tố đầu vào, bao gồm thông số công nghệ của quá trình phay như máy, phôi và dụng cụ cắt Kết quả đầu ra của thí nghiệm là độ nhám bề mặt của chi tiết.
Mô hình thí nghiệm được thể hiện qua sơ đồ:
- Kích thước, hình dáng hình học dao
- Hình dáng và kích thước
Quá trình phay cao tốc Độ nhám bề mặt
Thông số công nghệ đầu vào Quá trình cắt Số liệu đầu ra
Thông số đầu vào của thí nghiệm
4.1.2.1 Máy dùng để gia công
Máy phay cao tốc Akira Seiki loại SV760 được sử dụng trong thí nghiệm tại Công ty TNHH sản xuất và DVTM Kim Long, Xuân Phương, Từ Liêm, Hà Nội Các thông
Bảng 4.1 : Các thông số cơ bản của máy phay cao tốc Akira Seiki SV760 Đặc tính kỹ thuật Thông số
Hệ điều khiển Akira Mi 645
Số trục được điều khiển cơ bản 4 trục
Tải trọng bàn tiêu chuẩn 800 kg
Công suất Môtơ max 25HP/5 min/18HP/30 min
Tốc độ trục chính 14000 RPM
Tốc độ chạy bàn nhanh theo trục X/Y/Z 48/48/36 m/ph
Tốc độ chạy bàn gia công theo trục X/Y/Z 12/12/12 m/ph
Sai số định vị ±0,004 mm
Dung lượng ổ dao Kiểu tay gắp 28 dao
Hình 4.1 : Máy phay cao tốc hãng Akira seiki SV760
- Loại dao: Dao phay ngón φ10 hợp kim 4 me OSG
- Ký hiệu dao: 3013100 WX - EMS
- Hãng sản xuất: OSG – Nhật Bản
Hình 4.2 : Dao phay ngón hợp kim 4 me OSG
- Kích thước hình học của dao: + Tổng chiều dài dao: 70 mm
+ Chiều dài phần me cắt: 30 mm
4.1.2.3 Phôi dùng trong thí nghiệm
Phôi được dùng trong thí nghiệm là các phôi thép C45 đã qua nhiệt luyện đạt được độ cứng từ 40 ÷ 45 HRC, với kích thước cụ thể là (40x 40x 50)
Hình 4.3 : Mẫu thực nghiệm thép C45 qua nhiệt luyện 4.1.2.4 Phương pháp phay
Phương pháp phay ở đây là phay mặt phẳng bằng dụng cụ là dao phay ngón, với kích thước chi tiết như bản vẽ dưới:
Chi tiết được định vị và kẹp chặt như sau:
Hình 4.5 : Sơ đồ định vị và kẹp chặt chi tiết
Chi tiết được định vị và kẹp chặt bằng ê tô trong máy, trong quá trình gia công thường xuyên sử dụng dung dịch trơn nguội.
4.1.2.5 Thiết bị đo độ nhám bề mặt chi tiết sau khi gia công
Việc đo độ bóng của chi tiết sau khi gia công được thực hiện bằng máy đo Mitutoyo SJ – 201P tại Phòng đo lường Trung tâm đo lường quân đội–
- Chế độ đo: Chiều dài đo: 0,8 mm
- Vị trí đo: Đường đo cách mép đường gia công từ 1 đến 1,5 mm
Khoảng cách giữa các đường đo từ 2 đến 3 mm
Hình 4.8: Đầu đo thực hiện khi đo độ nhám bề mặt chi tiết
Các thông số thí nghiệm
Trong luận văn này, tác giả khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ như tốc độ cắt V (m/ph), bước tiến dao S (mm/vòng) và chiều sâu cắt t (mm) đến độ nhám bề mặt chi tiết máy (Ra) trong quá trình phay cao tốc thép cứng trên máy phay NC Nghiên cứu được thực hiện thông qua phương pháp thực nghiệm kết hợp với lý thuyết để đưa ra những kết luận chính xác.
Trong thí nghiệm này, tác giả áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để phân tích dữ liệu thực nghiệm Phương pháp này giúp nghiên cứu mối quan hệ phụ thuộc giữa các yếu tố, thường chưa được xác định rõ ràng Cụ thể, trong phần thực nghiệm, các yếu tố được xem xét bao gồm chế độ cắt (V, S, t) và độ nhám bề mặt chi tiết (Ra).
Trong thí nghiệm, mỗi mẫu được gia công theo một chế độ cụ thể với các thông số điều khiển nhất định Các thông số này sẽ được điều chỉnh trong khoảng cho phép của thiết bị và được ghi chép, tính toán để đánh giá ảnh hưởng của chúng đến chất lượng bề mặt.
Nhóm thí nghiệm này được thiết kế với ba tham số chính ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt Ra, bao gồm vận tốc cắt V (m/ph), bước tiến S (mm/út vòng) và chiều sâu cắt.
Quy hoạch thực nghiệm trực giao là phương pháp xây dựng mô hình toán học để biểu thị mối quan hệ giữa các thông số đầu ra và đầu vào Đối với k thông số đầu vào, số thí nghiệm cần thực hiện là 2^P k P, trong đó k là số yếu tố ảnh hưởng Nghiên cứu này tập trung vào ba yếu tố ảnh hưởng của chế độ cắt, bao gồm V, S và t, nhằm xác định số lượng thực nghiệm cần thiết.
2 P 3 P = 8 và thêm 3 thí nghiệm ở tâm, nên số thí nghiệm cần làm là 11 thí nghiệm Các yếu tố trong quá trình thí nghiệm thay đổi ở hai mức dưới và trên.
Thí nghiệm được tiến hành sử dụng dao phay ngón 10 hợp kim 4 me có ký φ hiệu3013100 WX – EMS của hãng OSG – Nhật bản.
Theo khuyến cáo của nhà sản xuất thì miền giới hạn của chế độ cắt như sau:
* Vận tốc cắt tối ưu: 200 m/ph ≤ V ≤ 400 m/ph
* Chiều sâu cắt: 0,1 mm ≤ t ≤ 0,3 mm
Qua khảo sát thực tế, tác giả nhận thấy thiết bị được chọn làm thí nghiệm có thể thực hiện được miền chế độ cắt như trên.
Theo quy hoạch thực nghiệm, ta chọn miền nghiên cứu thực nghiệm là:
V R max R = 400 (m/phút) S R max R 0,2 (mm/vòng) = t R max R = 0,3 (mm)
V R min R = 200 (m/phút) S R min R 0,05(mm/vòng) = t R min R = 0,1 (mm)
Các yếu tố x R i R thực nghiệm là:
P = 1/2(lnx R imax R + lnx R imin R ) Khoảng biến thiên: ρ R i R = 1/2(lnx R imax R - lnx R imin R )
4.3 Mô hình toán học xác định độ nhám bề mặt phụ thuộc vào chế độ cắt
Chế độ cắt có tác động đáng kể đến độ nhám bề mặt, và nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng mối quan hệ giữa độ nhấp nhô tế vi của lớp bề mặt với chế độ cắt tuân theo quy luật hàm số mũ, cho thấy tính phi tuyến trong sự ảnh hưởng của các yếu tố này.
Để xác định mô hình toán học về ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi sử dụng máy phay cao tốc CNC, cần thực hiện các thử nghiệm cắt Điều này giúp so sánh sự tương đồng với các thiết bị truyền thống.
Giả thiết mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và chế độ cắt tuân theo quy luật hàm mũ Có nghĩa là:
Hằng số K R Ra R cùng với các số mũ x, y, z phản ánh ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt được xác định qua thực nghiệm Hàm này là phi tuyến, và để đơn giản hóa, ta có thể tuyến tính hóa bằng cách lấy logarit hai vế, từ đó tạo ra một phương trình mới.
Ln(R a ) = Ln(K R Ra R ) + x.Ln(V) + y.Ln(S) + z Ln(t) Đặt: y = Ln(Ra) a R 0 R = Ln(K R Ra R ); a R 1 R = x; a R 2 R = y ; a R 3 R = z x R 1 R = Ln(V); x R 2 R = Ln(S) ; x R 3 R = Ln(t)
Ta sẽ được phương trình mới: ŷ= a R 0 R + a R 1 R x R 1 R + a R 2 R x R 2 R + a3 R R x R 3 R (4.2)
Bài toán xác định hàm hồi quy thực nghiệm với n biến số được thực hiện thông qua phương pháp bình phương cực tiểu Để tối ưu hóa kết quả, cần bố trí thí nghiệm theo tính chất của ma trận trực giao cấp 1 Đồng thời, các biến tự nhiên sẽ được chuyển đổi sang các biến mã hóa không thứ nguyên, với các biến thực tế được ký hiệu là Zj, trong đó j = 1 đến k, và Zj nằm trong khoảng từ Z đến Zj.
Z R j R = Z 0 j ⇔ x R j R = 0 Trong thực nghiệm với ba biến đầu vào, chúng tôi đã thực hiện 8 thí nghiệm tại các đỉnh của đơn hình đều và 3 thí nghiệm ở trung tâm, tạo ra bảng quy hoạch thực nghiệm như sau:
Bảng 4.3: Bảng quy hoạch thực nghiệm khi phay
Stt Biến mã hóa Biến thực nghiệm x R 1 x R 2 x R 3 V (m/ph) S (mm/vòng) t (mm)
4.4 Thực hiện các thí nghiệm và thu thập số liệu
Tiến hành thí nghiệm trên các mẫu chi tiết được đánh số từ 1 đến 11 Mỗi bề mặt sẽ được gia công phay mặt phẳng bằng dao phay ngón, với từng thí nghiệm được đánh số thứ tự riêng biệt.
Đối với mỗi bề mặt gia công thí nghiệm, chúng ta cần điều chỉnh các thông số chế độ cắt phù hợp Mỗi bề mặt sẽ có phiếu thực hiện thí nghiệm riêng Sau khi hoàn tất quá trình cắt, bề mặt gia công sẽ được làm sạch trước khi tiến hành đo độ nhám Đối với mỗi mẫu thí nghiệm, chúng ta thực hiện ba lần đo và lấy kết quả trung bình Từ đó, chúng ta sẽ lập bảng quy hoạch thực nghiệm tương ứng.
Bảng 4.4: Bảng quy hoạch thực nghiệm khi phay và kết quả đo độ nhám chi tiết
Stt x R 1 x R 2 x R 3 V (m/ph) S (mm/vũng) t (mm) Ra ( m) à
4.5 Tính các hệ số của phương trình hồi quy Áp dụng tính chất của quy hoạch trực giao cấp 1 ta tính các hệ số theo công thức:
Thay vào phương trình ta được: ŷ = a R 0 R + a R 1 R x R 1 R + a R 2 R x R 2 R + a3 R R x R 3 R ŷ = 0,315 – 0,09 x R 1 R + 0,0275 x R 2 R - 0,03 x R 3 R (4.4)
4.6 Kiểm định các tham số a R i
Ta có 3 thí nghiệm lặp ở tâm với kết quả như sau:
Tính phương sai tái sinh với các thí nghiệm lặp ở tâm:
Có thể so sánh tỷ số sau: ai ai s i t = a , trong đó tính t R ai R để so sánh
Ta chọn mức độ có nghĩa α= 0,05 cho các bảng thống kê.
Với mức ý nghĩa α = 0,05 và bậc tự do n = 3, tra bảng Student cho thấy t R α = 2,353 Khi so sánh, tất cả các giá trị t đều lớn hơn t R α, điều này cho thấy mọi hệ số trong phương trình hồi quy đều có ý nghĩa thống kê.
4.7 Kiểm định sự phù hợp của mô hình
Sau khi xây dựng được mô hình ŷ, ta tính phương sai dư:
Trong đó ŷ R i R có giá trị là: ŷ R 1 R 0,4075; = ŷ R 2 R = 0,2275; ŷ R 3 R = 0,4625; ŷ R 4 R = 0,2825
Với bậc tử R 1 R = n (k 1) = – + 4 , bậc mẫu n R 0 R – 1 = 2
Chọn mức ý nghĩa α= 0,05, tra bảng Fisher ta được F R α R = 19,3
⇒ Fˆ < F R α R Vậy mô hình là phù hợp Chuyển về biến Z R j
⇒ ŷ = 0,599 – 0,0009 Z R 1 R + 0, 7 Z36 2 R R – 0,3 Z R 3 R a R 0 R = Ln(K R Ra R ) → K R Ra R = e P a0 PR R = e P 0,59 9 P R R = 1,82 thay vào ta được:
R R a R = 1, V82 P - 0,000 9 P S P 0,36 7 P t P -0,3 P ( m) à Đây là phương trình hồi quy thực nghiệm
Từ phương trình hồi quy thực nghiệm chúng ta thấy:
- S ảnh hưởng tới Ranhiều nhấtvà theo chiều tỷ lệ thuận, nghĩa là khi S tăng thì R a tăng.
Và t có ảnh hưởng tiêu cực đến Ra, theo chiều tỷ lệ nghịch, tức là khi V và t tăng lên thì Ra sẽ giảm xuống Đặc biệt, ảnh hưởng của t đến Ra mạnh hơn nhiều so với ảnh hưởng của V.
Xây dựng đồ thị biểu diễn mối quan hệ
4 8.1 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa R a với V và S khi t = 0,1 (mm)
Sử dụng phần mềm Tablecurve 3D V4.0 vẽ biểu đồ quan hệ như hình dưới đây:
Hình 4.9: Đồ thị quan hệ Ra - V – S khi gia công thép qua nhiệt luyện
4.8.2 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Ra với V và t khi S = 0,05 (mm/vòng)
Hình 4.10: Đồ thị quan hệ Ra - V – t khi gia công thép qua nhiệt luyện
4.8.3 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Ra với S và t khi V = 200 (m/phút)