Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu sự ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt của các thông số công nghệ trong gia công tốc độ cao

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Bằng quy hoạch thực nghiệm xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ tốc độ cắt, lượng chạy dao răng, chiều sâu cắt dọc trục đến độ nhám bề mặt trong gia công

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Giới thiệu chung về vấn đề nghiên cứu

Gia công tốc độ cao là quá trình gia công mà tốc độ loại bỏ vật liệu nhanh gấp năm đến mười lần so với gia công truyền thống cùng với nhiệt cắt tại vị trí tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ bắt đầu giảm[6] Là quá trình gia công nên cũng thực hiện giống như gia công truyền thống tức là một quá trình cơ học nơi mà vật liệu dư thừa từ phôi được loại bỏ bằng quá trình cắt để tạo thành dạng hình học xác định và hoàn thiện bề mặt của chi tiết Gia công có thể được thực hiện trên hầu như tất cả các vật liệu rắn mặc dù điều này thường được áp dụng để cắt kim loại và hợp kim, không thường xuyên đối với nhựa và gỗ và hiếm khi là các chất rắn khác

Trong gia công tốc độ cao đạt được nhiều ưu điểm so với gia công truyền thống như nhiệt cắt giảm, năng suất cao, chất lượng bề mặt tốt, giảm chi phí cho các khâu trung gian Vì vậy mà gia công tốc độ cao ngày càng được sử dụng rộng rãi để đáp ứng nhu cầu về chất lượng và giá thành sản phẩm Nhằm đáp ứng nhu cầu gia công của ngành công nghiệp cơ khí, đặc biệt là cơ khí chính xác, khuôn mẫu thì cần có những tìm hiểu sâu về gia công tốc độ cao để đáp ứng tạo ra những sản phẩm chất lượng cao và chi phí thấp Sản phẩm chất lượng ở đây là những chi tiết đảm bảo các tiêu chí sau khi gia công về kết cấu bề mặt (chẳng hạn như độ nhám) và các tính chất cơ lý của chi tiết như ứng suất dư và độ cứng bề mặt Vì vậy cần thực hiện các nghiên cứu, thực nghiệm đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm để có những quá trình sản xuất có hiệu quả nhất Độ nhám bề mặt của chi tiết gia công là một trong những tiêu chí quan trọng trong việc đánh giá chất lượng bề mặt chi tiết, chất lượng chi tiết Ngoài ra, bề mặt chi tiết cũng là một đặc điểm quan trọng đảm bảo chức năng của chi tiết khi

HV: Mai Công Hiển – 7140908 15 Luận văn thạc sĩ lắp ráp, hoạt động Một chi tiết có chất lượng bề mặt tốt có rất nhiều lợi thế Ví dụ như trong việc chống hư hỏng do mỏi thì độ nhám bề mặt là một trong những tiêu chí cần thiết Bên cạnh đó, độ nhám bề mặt tốt có thể cải thiện khả năng chống ăn mòn, giảm ma sát, mài mòn và tiếng ồn Do đó, tuổi thọ của của chi tiết cũng được cải thiện Trong nền kinh tế, một sản phẩm chất lượng, giá cả hợp lý và tuổi thọ cao luôn là sự lựa chọn của người tiêu dùng

Do đáp ứng được nhiều tiêu chí trong sản xuất như giảm chi phí gia công cũng như tăng năng suất nên gia công tốc độ cao ngày càng được sử dụng phổ biến trong sản xuất cơ khí như ô tô, hàng không, đóng tàu, cơ khí chính xác, khuôn mẫu.

Tình hình về vấn đề nghiên cứu ở Việt Nam

Máy gia công tốc độ cao ngày càng được sử dụng ở nhiều nơi đặc biệt là ở các khu công nghiệp lớn nói chung và các công ty có vốn đầu tư nước ngoài Nhưng về việc làm sao để sử dụng tốt nhất, hiệu quả nhất gia công tốc độ cao trong sản xuất công nghiệp thì đòi hỏi phải thực hiện những nghiên cứu cần thiết để hiểu rõ hơn về khả năng hoạt động của máy, các phương pháp điều chỉnh để thu được kết quả tốt nhất hoặc có thể tích hợp thêm những môđun mới để mở rộng phạm vi sử dụng máy cũng như dễ đạt được những yêu cầu mong muốn trong gia công

Theo tìm hiểu thông tin từ mạng internet thì các nghiên cứu trong nước tập trung vào gia công trên máy CNC, còn đối với gia công tốc độ cao hầu như rất ít hoặc nghiên cứu nhưng chưa công bố rộng rãi Mặc dù vậy, chúng ta có thể áp dụng những nghiên cứu đối với máy CNC dựa theo cách thức, quy trình, đối tượng áp dụng để giảm thiểu thời gian, tiết kiệm chi phí và đạt được những hiệu quả mong muốn Dưới đây là sơ lược luận văn tiến sĩ về gia công tốc độ cao: Nguyễn Thanh Bình – 2016: Luận văn tiến sĩ nghiên cứu về sự ảnh hưởng của chế độ cắt gồm có tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt hướng trục đến

HV: Mai Công Hiển – 7140908 16 Luận văn thạc sĩ độ nhám bề mặt, lực cắt và độ mòn dụng cụ Vật liệu sử dụng cho thực nghiệm là thép SKD11 Trong đó, đối với ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt được chia ra làm hai phần: thứ nhất là sử dụng dao phay mặt đầu thu được phương trình Thứ hai là sử dụng dao phay ngón có tính đến khảo sát thay đổi góc nghiên trục dao 15 0 theo phương đứng thu được phương trình Dao mặt đầu đường kính 32mm mảnh hợp kim ký hiệu 345-1305M-PM 4230 Trong nghiên cứu này, ta thấy được sự ảnh hưởng của cả ba yếu tố chế độ cắt là tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu đến độ nhám bề mặt trong gia công phay tốc độ cao với vật liệu thép SKD11.[7]

Tình hình về vấn đề nghiên cứu trên thế giới

Đối với thế giới, gia công tốc độ cao không còn là khái niệm mới nữa mà được sử dụng rộng rãi với nhiều nghiên cứu về nhiều lĩnh vực khác nhau trong gia công tốc độ cao do các cá nhân hay tổ chức thực hiện để áp dụng có hiệu quả cho sản xuất Và độ nhám bề mặt là một trong số những yếu tố được quan tâm để đánh giá chất lượng sản phẩm chi tiết nên được xem là vấn đề quan trọng cần được nghiên cứu, đánh giá để đưa vào áp dụng cho thực tiễn sản xuất Bởi nếu một sản phẩm đạt được nhám bề mặt sẽ giảm bớt các khâu phụ trợ, giảm chi phí, tăng tuổi thọ chi tiết Đối với nghiên cứu về độ nhám bề mặt trong gia công tốc độ cao, có nhiều nghiên cứu đạt được qua những đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt như các thông số chế độ cắt, các thông số hình học dao, chế độ tưới nguội, loại vật liệu gia công thông qua các kết quả thực nghiệm và các phần mềm hỗ trợ để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số Và để chúng ta có cái nhìn rõ hơn về độ nhám bề mặt thì điều cần thiết phải hiểu được các thông số ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt Từ đó, chọn ra các thông số phù hợp cho nghiên cứu Sau đây là một số nghiên cứu được thực hiện trên thế giới về ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt trong gia công tốc độ cao:

HV: Mai Công Hiển – 7140908 17 Luận văn thạc sĩ

 Đerzija Begić-Hajdarević, ČekićAhmet, Malik Kulenović – 2013: Trong nghiên cứu này, thể hiện tác động của các thông số cắt lên độ nhám bề mặt trong gia công tốc độ cao đối với thép carbon Các thông số cắt được sử dụng bao gồm tốc độ cắt và lượng chạy dao Các thí nghiệm cắt được thực hiện bằng cách sử dụng hai dao phay, đường kính 20mm và 40 mm Kết quả cho thấy, cả hai thông số cắt đã ảnh hưởng sâu sắc đến độ nhám bề mặt Nghiên cứu cũng cho thấy độ nhám bề mặt tốt hơn là thu được trong quá trình gia công với dụng cụ cắt đường kính 40 mm.Độ nhám bề mặt giảm với sự gia tăng của tốc độ cắt trong phay mặt tốc độ cao Khảo sát cũng cho thấy rằng lượng chạy dao trên răng có ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt trong phay tốc độ cao của thép cacbon Độ nhám tăng lên cùng với sự gia tăng của lượng chạy dao trên răng Hơn nữa, hướng phay (phay thuận và phay nghịch) không có ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công cho vật liệu trong các thí nghiệm [8]

 Jana Novakova, Lenka Petrkovska, Josef Brychta, Robert Cep, and Lenka Ocenasova – 2009 Bài báo này đánh giá sự ảnh hưởng của thông số cắt đến chất lượng bề mặt trên ba tiêu chí độ cứng bề mặt, độ nhám bề mặt và ứng suất dư Thực hiện các thí nghiệm phay với dao phay ngón đường kính 18mm, vật liệu thép có ký hiệu 12 050.1 Và kết quả đạt được trong nghiên cứu là thể hiện sự ảnh hưởng của thông số lượng chạy dao đến ba tiêu chí độ cứng bề mặt, độ nhám bề mặt và ứng suất dư qua các đồ thị [10]

 Vikas Pare, Geeta Agnihotri, Chimata Krishna (2014) Bài báo này dùng kỹ thuật Meta Heuristic để tối ưu hóa các thông số công nghệ trong gia công phay tốc độ cao đối với vật liệu composite AlSiC Các thông số công nghệ gồm có tốc độ cắt (x1), lượng chạy dao( x 2 ), chiều sâu cắt(x 3 ), hệ số khoảng cách đường chạy dao (Step-over ratio) ( x 4 ) Phương trình hồi quy dùng để khảo sát trong nghiên cứu này R a = 0.893 – 0.00028 x 1 + 0.00186 x 2 + 1.19 x 3 + 3.39 x 4 Trong nghiên cứu này, các vi cấu trúc của composite Al SiC được tìm thấy là ổn định sau khi thử nghiệm trước và sau khi gia công tốc độ cao Các mô hình độ nhám bề mặt

HV: Mai Công Hiển – 7140908 18 Luận văn thạc sĩ sau khi tối ưu hóa sử dụng bốn kỹ thuật meta-heuristic thì kỹ thuật giải thuật tìm kiếm hấp dẫn (Gravitational Search Algorithms – GSA) được chứng minh là tốt nhất trong số bốn kỹ thuật về giá trị tối ưu của độ nhám bề mặt và kỹ thuật tối ưu hóa dựa trên dạy – học (Teaching-Learning-Based Optimization – TLBO) đã cho kết quả tốt hơn về số lần lặp lại khi thực hiện Phương trình hồi quy phi tuyến tính tốt hơn giải thích mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và các thông số đầu vào [9]

 Waseem Akhtar, Jianfei Sun, and Wuyi Chen (2014) Trong nghiên cứu này thể hiện sự ảnh hưởng của ba thông số cắt là tốc độ cắt, chiều sâu cắt, lượng chạy dao đối với các thông số chất lượng bề mặt như độ nhám bề mặt, độ cứng bề mặt, ứng suất dư Khi sử dụng hai loại dụng cụ cắt là mảnh hợp kim và mảnh gốm để phay tinh hợp kim GH4169/Inconel 718 Tất cả ba thông số cắt là tốc độ cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt đã được tìm thấy có một tác động đáng kể đến chất lượng bề mặt Mặc dù các thông số cắt khác nhau đối với hai loại mảnh cắt cho các ảnh hưởng khác nhau nhưng bề mặt tốt hơn được lấy tại lượng chạy dao nhỏ nhất và tốc độ cắt và chiều sâu cắt trung bình Hơn nữa, mảnh hợp kim tạo ra bề mặt tốt hơn, ứng suất dư bề mặt còn lại chủ yếu là nén, trong khi mảnh gốm tạo ra ứng suất dư kéo bề mặt rất cao và bề mặt kém Ngoài ra, bài báo còn đưa ra nhấn mạnh sự ảnh hưởng của thông số chiều sâu cắt đối với chất lượng bề mặt.Kết luận quan trọng rút ra từ nghiên cứu này được rằng: Tất cả ba thông số cắt có ảnh hưởng đáng kể đến đặc điểm bề mặt của sản phẩm Trái ngược với các phương pháp truyền thống liên quan đến các tác động tối thiểu của chiều sâu cắt, nghiên cứu này cho thấy tầm quan trọng của chiều sâu cắt là một tham số quan trọng kiểm soát các thuộc tính bề mặt [11]

 M.S Kasim, C.H Che Haron, J.A Ghani, M.A Sulaiman (2013) Bài báo thể hiện nghiên cứu về ảnh hưởng của thông số cắt đối với độ nhám bề mặt trong điều kiện bôi trơn tối thiểu khi phay tốc độ cao cho vật liệu Inconel 718 Bài báo đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số cắt ( tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt theo hướng kính, chiều sâu cắt theo hướng trục) đến độ nhám bề mặt

HV: Mai Công Hiển – 7140908 19 Luận văn thạc sĩ

Ngoài ra, bài báo còn đưa ra phương trình hồi quy R a = -0.639 + 0.014V c - 0.353F z + 1.150a p - 0.394a e - 5.048x10 -5 V c 2 - 5.237F z 2 - 0.54686a p 2 + 0.059352a e 2 + 7.82143E-003V c F z - 3.71925E-003V c a p - 1.79848E- 003V c a e - 1.11735F z a p + 1.95067F z a e + 0.22490a p a e trong đó còn có sự tác động qua lại giữa các nhân tố với nhau đối với độ nhám bề mặt.Nghiên cứu này cho thấy sự tương tác giữa chiều sâu cắt hướng tâm và lượng chạy dao là yếu tố chi phối nhất ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt [14]

 Chi-Hsiang Chen, Yung-Cheng Wang, Bean-Yin Lee (2013) Bài báo cho thấy sự ảnh hưởng của các thông số độ nhám mặt sau của dụng cụ cắt, tốc độ cắt, chiều sâu cắt dọc trục, chiều sâu cắt hướng kính, lượng chạy dao đến độ nhám bề mặt của phôi gia công thông qua thời gian gia công Ngoài ra, còn đánh giá đến độ mài mòn của dụng cụ cắt, tuổi thọ của dụng cụ cắt, tỷ lệ loại bỏ vật liệu theo thời gian và thể tích loai bỏ vật liệu.[15]

 Sabahudin Ekinović, Elma Ekinović (2003) Trong bài báo này có sự so sánh thể hiện ưu điểm về chất lượng bề mặt của gia công tốc độ cao với gia công truyền thống Sự thể hiện này thông qua các yếu tố công nghệ được thí nghiệm như tốc độ cắt, lượng chạy dao, bán kính mũi dao, phương pháp phay (phay thuận hay phay nghịch) Đối với thép dẻo (105HB) khi phay, tiện tốc độ cao thì lượng chạy dao càng tăng thì độ nhám bề mặt tăng với dao phủ cacbit TiAlN, TiN Trong khi với thép cứng (56 - 60HRC) thì tăng tốc độ cắt làm giảm độ nhám bề mặt với vật liệu dao CBN Và vật liệu là đồng thau, thấy được rằng hướng phay không thực sự ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt, với vận tốc cắt, độ lệch tâm khi tiện và bán kính mũi dao thì giá trị càng tăng mang lại giá trị độ nhám bề mặt tốt hơn trong khi đó thì tăng lượng chạy dao khiến cho tăng độ nhám bề mặt Gia công tốc độ cao lần lượt là phay và tiện tốc độ cao với các vật liệu thép dẻo, thép cứng và đồng thau Kết quả cho thấy gia công tốc độ cao là một công nghệ sản xuất tương đối mới cho một năng suất cao hơn, một bề mặt tuyệt vời và độ chính xác tốt trong quá trình sản xuất [12]

HV: Mai Công Hiển – 7140908 20 Luận văn thạc sĩ

 Alaattin Kaỗal, Ferhat Yıldırım (2013) Bài bỏo thực hiện nghiờn cứu gia công tiện tốc độ cao đối với vật liệu 60WCrV8 sử dụng dụng cụ cắt là mảnh chèn bằng gốm và CBN Bài báo thể hiện ảnh hưởng của thông số như tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt đến độ nhám bề mặt, lực cắt, độ mòn của dụng cụ cắt Ngoài ra, còn cho thấy các yếu tố loại dụng cụ, tốc độ cắt và chiều sâu cắt có tác động nhiều hơn yếu tố lượng chạy dao.[18]

 Li Zhanjie, Yan Bing, Tian Meili (2007) Bài báo dùng mạng thần kinh nhân tạo để dự đoán độ nhám bề mặt trong gia công tốc độ cao đối với vật liệu Cr18Ni9 Trong các thí nghiệm sử dụng các thông số đầu vào để dự đoán độ nhám bề mặt gồm có tốc độ cắt, lượng chạy dao răng, chiều sâu cắt hướng kính và chiều sâu cắt hướng trục Và kết quả thu được phương trình hồi quy Ra 0.155785v 0.1079 f z -0.0239 a p -0.1914 a e 0.4304 và một số kết luận như khi gia công thép không gỉ Cr18Ni9, chiều sâu cắt hướng kính (a e ) có ảnh hưởng lớn đến giá trị độ nhám bề mặt.Mô hình dự báo sử dụng mạng nơron RBF (Radial Basis Function) giúp ích cho việc nghiên cứu về tối ưu thông số cắt và cơ sở dữ liệu cắt gọt Từ những ảnh hưởng dự báo của các dữ liệu thử nghiệm, sai số tương đối khi sử dụng mạng nơron RBF ít hơn sử dụng mô hình hồi quy tuyến tính đa biến áp dụng cho các dự đoán của độ nhám bề mặt Mạng nơron RBF đã tự thích ứng mạnh mẽ và chức năng nghiên cứu cho thấy khả năng lập biểu đồ phi tuyến mạnh hơn so với phân tích hồi quy và cho phép bất kỳ điều kiện cắt định lượng là đầu vào của mạng Do vậy, nhiều yếu tố ảnh hưởng về độ nhám bề mặt có thể được thêm vào mô hình [16]

 Than Tun Aung Trong nghiên cứu này cho thấy sự ảnh hưởng của các thông số tốc độ cắt, chiều sâu cắt dọc trục, chiều sâu cắt hướng kính, lượng chạy dao Trong đó, chiều sâu cắt dọc trục, chiều sâu cắt hướng kính, lượng chạy dao có ảnh hưởng quan trọng nhất đối với độ nhám bề mặt.Trong bài báo này, các thí nghiệm đã được tiến hành cho thấy tác động của chiều sâu cắt hướng kính (RDC) và chiều sâu cắt hướng trục (ADC) trong gia công phay ảnh hưởng đến giá trị độ

HV: Mai Công Hiển – 7140908 21 Luận văn thạc sĩ nhám bề mặt (Ra) của chi tiết Trong các thí nghiệm với vật liệu thép dẻo 91 HRB và dao cắt cacbit nguyên khối đường kính 16 mm với trường hợp của phương pháp gia công truyền thống và gia công tốc độ cao (HSM) tương ứng Phân tích độ nhám bề măt được thực hiện bằng cách cắt thử nghiệm Quan sát thấy rằng gia công tốc độ cao cung cấp cho chất lượng bề mặt tốt hơn phương pháp truyền thống Nói cách khác, chiều sâu cắt hướng kính lớn và chiều sâu cắt hướng trục nhỏ cắt gây ra độ nhám bề mặt cao hơn Chiều sâu cắt hướng kính, chiều sâu cắt hướng trục và lượng chạy dao là những yếu quan trọng nhất đến chất lượng bề mặt của chi tiết Thay vì sử dụng chế độ cắt cao trong phương pháp gia công thông thường, nó được khuyến cáo rằng gia công tốc độ cao với chiều sâu cắt hướng trục, tốc độ cắt và lượng chạy dao cao nên được sử dụng để đảm bảo chất lượng bề mặt tốt hơn và tối đa hóa tốc độ sản xuất [17]

Khuyết điểm và hạn chế chƣa làm đƣợc

Các nghiên cứu trên thế giới qua tìm hiểu thông tin từ internet, sách, các bài báo, báo cáo thì những nghiên cứu này đều đã thực hiện và đem lại nhiều kết quả quan trọng, cho thấy được ảnh hưởng của nhiều thông số đến độ nhám bề mặt như các thông số chế độ cắt v, s, t đối với chiều sâu cắt t trong gia công phay còn chia thành chiều sâu cắt hướng kính (a p ), chiều sâu cắt hướng trục (a e ), còn có các thông số khác ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt như là bán kính mũi dao, các thông số hình học dao, khoảng cách giữa hai đường chạy dao đối với phay, vật liệu gia công, vật liệu dao nhưng đa phần những nghiên cứu này chỉ nghiên cứu về ảnh hưởng của đơn yếu tố đối với độ nhám bề mặt hay nếu đa yếu tố thì chỉ có những ảnh hưởng độc lập của từng yếu tố đối với độ nhám bề mặt chứ ít nghiên cứu có sự tác động qua lại giữa các yếu tố đến độ nhám bề mặt Và các nghiên cứu hầu hết thực hiện trên một loại vật liệu gia công hay loại dụng cụ cắt nhất định nên để tạo thêm nhiều dữ liệu cho thực tế gia công cần thực hiện thêm nhiều nghiên cứu hơn

HV: Mai Công Hiển – 7140908 22 Luận văn thạc sĩ

Các loại máy và dụng cụ cắt trong gia công tốc độ cao

1.5.1 Một số máy gia công cao tốc:

Dưới đây là một số loại máy gia công tốc độ cao có trên thị trường:

Máy RXP500DS Máy TV – 500

Máy HS430L Máy Haas VF-2

Hình 1.1: Một số loại máy gia công cao tốc trên thị trường.[18]

HV: Mai Công Hiển – 7140908 23 Luận văn thạc sĩ

1.5.2 Một số dụng cụ cắt:

Một số loại dao phay thường được sử dụng:

Dao phay ngón nguyên khối

Dao phay gắn mảnh hợp kim

Hình 1.2: Một số hình ảnh về dụng cụ cắt.[18]

HV: Mai Công Hiển – 7140908 24 Luận văn thạc sĩ

1.5.3 Một số loại máy đo độ nhám:

Máy đo độ nhám bề mặt SJ210/4MN Máy đo độ nhám bề mặt SJ-411

Máy đo độ nhám bề mặt SRT6350 Máy đo độ nhám bề mặt SRT-5000 Hình 1.3: Một số hình ảnh về máy đo độ nhám trên thị trường.[18]

Tính cấp thiết của đề tài

Gia công phay là loại hình gia công lâu đời mà vẫn được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp sản xuất để sản xuất các chi tiết có bề mặt phức tạp Nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp sản xuất cơ khí bao gồm các lĩnh vực ô tô và hàng không vũ trụ, cơ khí chính xác, khuôn mẫu Chất lượng của bề mặt đóng một vai trò rất quan trọng trong việc đánh giá chất lượng một chi tiết Chất lượng bề mặt chi tiết bao gồm một số yếu tố như độ biến cứng bề mặt, độ nhám bề mặt, ứng suất dư, trong đó, để đánh giá chất lượng bề mặt chi tiết thì

HV: Mai Công Hiển – 7140908 25 Luận văn thạc sĩ độ nhám bề mặt là yếu tố đóng vai trò quan trọng được xem xét khi đánh giá chất lượng bề mặt chi tiết Độ nhám bề mặt ảnh hưởng đến một số thuộc tính, chức năng của chi tiết, chẳng hạn như độ mòn, truyền nhiệt và khả năng bôi trơn, chống lại mỏi, độ bền lắp ráp Ngày nay, độ nhám bề mặt đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định và đánh giá chất lượng bề mặt của một chi tiết vì nó ảnh hưởng đến các chức năng của chi tiết cũng như dễ cung cấp cái nhìn trực quan về chi tiết đó

Chất lượng của chi tiết phụ thuộc rất nhiều vào độ nhám bề mặt Tăng độ nhám bề mặt cũng dẫn đến giảm chất lượng chi tiết về cả mặt tính năng sản phẩm và yếu tố thẩm mĩ Trong lĩnh vực sản xuất, đặc biệt là trong kỹ thuật, chất lượng bề mặt có thể có một tầm quan trọng đáng kể mà có thể ảnh hưởng đến sự hoạt động của một chi tiết và còn ảnh hưởng đến chi phí sản xuất cũng như giá thành của chi tiết Độ nhám bề mặt được quan tâm đặc biệt trong ngành công nghiệp gia công, cụ thể như ngành khuôn mẫu, cơ khí chính xác Đó là một tiêu chí thiết kế quan trọng trong nhiều trường hợp, chẳng hạn như các chi tiết chịu mỏi, đòi hỏi độ chính xác phù hợp, yếu tố thẩm mĩ cao

Thách thức của ngành công nghiệp gia công hiện đại chủ yếu tập trung vào việc đạt được chất lượng cao về gia công chi tiết có kích thước chính xác và bề mặt chất lượng cao, tốc độ sản xuất cao và tiết kiệm chi phí cùng với đó là giảm tác động đến môi trường Trong quá trình gia công, gia công tốc độ cao là cần thiết để đạt được chất lượng bề mặt mong muốn để sản xuất các chi tiết cung cấp các chức năng cần thiết và đáp ứng các yêu cầu được nêu ra

Các loại vật liệu chi tiết khi được gia công sẽ mang lại độ nhám bề mặt khác nhau với thông số công nghệ trong quá trình gia công khác nhau Điều đó được đặc trưng bởi nhiều yếu tố khác nhau của từng loại vật liệu và trong đó có độ cứng của vật liệu Theo như quan sát thường thấy các vật liệu khác nhau hoặc có độ cứng khác nhau khi gia công cần có chế độ cắt khác nhau và cũng mang lại

HV: Mai Công Hiển – 7140908 26 Luận văn thạc sĩ chất lượng bề mặt khác nhau Do đó, việc cân nhắc sử dụng loại vật liệu nào để có chế độ công nghệ phù hợp trong gia công cũng cần được quan tâm

Vì vậy, với tầm quan trọng của độ nhám bề mặt trong gia công đến các tính năng của chi tiết, chẳng hạn như khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn, ma sát và tính thẩm mĩ Trong khi đó, độ nhám bề mặt chịu ảnh hưởng của các thông số khác nhau Để có được các kiến thức về các thông số phù hợp cho gia công, cần có những nghiên cứu để có thể tìm được mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và các thông số gia công Vì vậy, tôi thực hiện nghiên cứu này, với mục tiêu là nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ cụ thể là các thông số chế độ cắt gồm có tốc độ cắt v, lượng chạy dao răng s r , chiều sâu cắt hướng trục a p Thực hiện nghiên cứu đối với vật liệu là thép cacbon trên máy phay tốc độ cao.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Mục tiêu của luận văn là xây dựng phương trình hồi quy biểu diễn sự phụ thuộc của độ nhám bề mặt với các thông số công nghệ trong gia công tốc độ cao trên vật liệu thép cacbon Từ đó, đánh giá được mức độ ảnh hưởng của các thông số đến độ nhám bề mặt

Trong nghiên cứu, để đạt được mục tiêu trên cần đạt được một số nội dung như sau:

- Tìm hiểu về gia công tốc độ cao, gia công phay tốc độ cao

- Tìm hiểu về lý thuyết cắt trong gia công kim loại

- Tìm hiểu về độ nhám bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt

- Tìm hiểu về lý thuyết quy hoạch thực nghiệm

- Tiến hành thực nghiệm, xác định phương trình hồi quy biểu diễn độ nhám bề mặt với các thông số liên quan

- Đánh giá, phân tích các số liệu và hệ số của phương trình hồi quy Từ đó, đưa ra những kết luận về nghiên cứu

HV: Mai Công Hiển – 7140908 27 Luận văn thạc sĩ

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trên gia công phay tốc độ cao, vật liệu gia công được sử dụng là thép C45 và thực hiện gia công với dao phay ngón đường kính 8mm Các thông số đầu vào được chọn là tốc độ cắt, lượng chạy dao răng, chiều sâu cắt dọc trục.

Ý nghĩa của đề tài

1.8.1 Ý nghĩa khoa học: Áp dụng các kiến thức lý thuyết và phương pháp thực nghiệm mang tính khoa học để phân tích, đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đối với độ nhám bề mặt khi gia công phay tốc độ cao Kết quả đạt được sẽ là cơ sở khoa học, tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo

Sử dụng kết quả đạt được để ứng dụng cho thực tiễn, cụ thể là trong gia công tốc độ cao để đạt được độ nhám bề mặt như mong muốn theo các thông số dựa theo phương trình hồi quy Việc đạt được độ nhám bề mặt mong muốn giúp giảm chi phí gia công, còn góp phần tăng năng suất

HV: Mai Công Hiển – 7140908 28 Luận văn thạc sĩ

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chất lƣợng bề mặt và độ nhám bề mặt trong gia công

2.1.1 Bề mặt trong gia công:

Bề mặt là những gì mà ta chạm vào khi đang cầm, nắm một đối tượng, chẳng hạn như một chi tiết được chế tạo Các nhà thiết kế xác định kích thước của chi tiết và sự liên quan giữa các bề mặt khác nhau với nhau của chi tiết Những bề mặt danh nghĩa, thể hiện bởi các đường viền bề mặt dự kiến của chi tiết, được xác định bởi các đường trong bản vẽ kỹ thuật Các bề mặt danh nghĩa xuất hiện như những đường thẳng, vòng tròn lý tưởng, lỗ tròn, các cạnh và các bề mặt khác có tính chất hình học hoàn hảo Các bề mặt thực tế của một chi tiết gia công được xác định bởi các quá trình được sử dụng để làm ra chúng Sự đa dạng của các quá trình có sẵn trong sản xuất cho ra kết quả là một vùng thay đổi lớn về đặc tính bề mặt và điều quan trọng là để hiểu được công nghệ gia công các bề mặt

Bề mặt có mục đích quan trọng trong thương mại và công nghệ với một số lý do khác nhau cho các ứng dụng khác nhau: Tính thẩm mỹ, khi các bề mặt phẳng và không có vết trầy xước đem đến một ấn tượng tốt cho khách hàng Bề mặt tác động đến sự an toàn khi cầm nắm Ma sát và mòn phụ thuộc vào đặc tính bề mặt Các bề mặt ảnh hưởng đến tính chất cơ học và vật lý của chi tiết, ví dụ như những lỗ hổng bề mặt có thể là điểm tập trung ứng suất Lắp ráp các chi tiết bị ảnh hưởng bởi các bề mặt của chúng Bề mặt trơn tru làm cho tiếp xúc tốt hơn Để tạo ra một bề mặt liên quan đến việc xác định các đặc điểm của một bề mặt như kết cấu bề mặt, tính chất cơ lý của bề mặt và các mối quan hệ giữa các quá trình sản xuất và các đặc điểm của bề mặt hoàn chỉnh

2.1.2 Chất lƣợng của bề mặt gia công:

Một quan sát vi mô của các bề mặt của một chi tiết cho thấy những điểm bất thường và không hoàn hảo của nó Các đặc tính của một bề mặt điển hình được minh họa trong phần phóng đại bề mặt của một chi tiết kim loại trong hình 2.1

HV: Mai Công Hiển – 7140908 29 Luận văn thạc sĩ

Hình 2.1 Mặt cắt phóng đại của một chi tiết kim loại điển hình [2]

Mặt cắt phóng đại của một chi tiết kim loại điển hình cho thấy cấu trúc chi tiết sau gia công của chi tiết gồm 3 lớp [2]:

- Lớp cấu trúc bề mặt của chi tiết: Lớp này có các đặc trưng như độ nhám, độ sóng, vết và sai sót Bề mặt này được tạo ra từ các quá trình sản xuất cơ khí

- Lớp vật liệu bị thay đổi: Trong quá trình gia công dưới tác động của lực cắt, xử lý nhiệt, điện hay hóa học làm cho cơ tính của lớp vật liệu này bị biến đổi thể hiện ở các đặc trưng như ứng suất dư, chiều sâu biến cứng

- Lớp nền hay lớp vật liệu ban đầu của chi tiết: Là lớp lớn nhất có cấu trúc vật liệu như ban đầu của phôi

Từ đây, việc đánh giá một chi tiết gia công được thực hiện thông qua đánh giá chất lượng bề mặt gia công của chi tiết bằng hai yếu tố đặc trưng cơ bản: tính chất cơ lý của lớp kim loại bề mặt và cấu trúc lớp bề mặt mà độ nhám bề mặt là thông số quan trọng thường dùng để đánh giá chất lượng bề mặt

2.1.3 Kết cấu của một bề mặt:

Kết cấu bề mặt bao gồm sự lặp đi lặp lại hoặc ngẫu nhiên của sai lệch tính từ bề mặt danh nghĩa của một chi tiết, được quy định bởi bốn tính năng: độ nhám, độ sóng, vết và sai sót, thể hiện trong hình 2.2

HV: Mai Công Hiển – 7140908 30 Luận văn thạc sĩ

Hình 2.2 Cấu trúc bề mặt của chi tiết.[2]

- Độ nhám bề mặt đề cập đến khoảng cách nhỏ mịn sai lệch từ bề mặt danh nghĩa được xác định bởi các đặc tính vật liệu và quá trình hình thành bề mặt

- Độ sóng được định nghĩa là sai lệch có khoảng cách lớn hơn nhiều so với độ nhám, chúng xảy ra vì sai lệch gia công, rung động, xử lý nhiệt và các yếu tố tương tự

- Vết (lay) là hướng chi phối hoặc đường nét của các kết cấu bề mặt Nó được xác định theo phương pháp sản xuất sử dụng để tạo ra bề mặt, thường là từ quá trình hoạt động của dụng cụ cắt

- Cuối cùng, sai sót là những bất thường xảy ra trên bề mặt, bao gồm các vết nứt, vết trầy xước, lẫn tạp chất và khuyết tật trên bề mặt

Các thước đo thường được sử dụng trong hầu hết trường hợp để đánh giá kết cấu bề mặt là độ nhám bề mặt

2.1.4.1 Một số khái niệm: Độ nhám bề mặt hay độ nhấp nhô tế vi là tập hợp những bề lồi, lõm với bước cực nhỏ và được quan sát trên một khoảng ngắn tiêu chuẩn.[4]

Các thông số đánh giá độ nhám thông thường được sử dụng là Ra, Rz Theo tiêu chuẩn nhà nước thì độ nhám bề mặt được chia làm 14 cấp tương ứng với độ

HV: Mai Công Hiển – 7140908 31 Luận văn thạc sĩ nhẵn bóng bề mặt Độ nhám thấp nhất ứng với cấp 14 hay độ nhẵn bóng cao nhất Trị số Ra được cho khi yêu cầu độ nhám bề mặt đạt cấp 6 đến cấp 12 Trị số Rz được cho khi yêu cầu giá trị độ nhám cấp 1 đến cấp 5 và cấp 13, 14.[4]

Hình 2.3 Sai lệch so với bề mặt danh nghĩa [2] Đối với hình 2.3, độ nhám bề mặt có thể được định nghĩa là mức trung bình của các độ lệch dọc từ bề mặt danh nghĩa trên một chiều dài bề mặt nhất định Trung bình số học thường được sử dụng, dựa trên các giá trị tuyệt đối của độ lệch và giá trị độ nhám này được gọi bằng tên độ nhám trung bình Giá trị độ nhám được tính như phương trình 2.1:

Vật liệu thép cacbon

Thép cacbon không phải là hợp kim chỉ có sắt và cacbon mà còn có một số hàm lượng nguyên tố khác do quá trình nấu luyện Thép cacbon có hàm lượng cacbon nhỏ hơn 2,14% và một số tạp chất thông thường như Mn, Si, P, S… Ngoài ra, còn có các tạp chất ngẫu nhiên do thường sử dụng nguồn nguyên liệu là thép phế liệu, các tạp chất là các nguyên tố như Cr, Ni, Cu, Mo, V Bên cạnh đó còn có các tạp chất ẩn do quá trình hòa tan các chất khí trong quá trình nấu luyện Các tạp chất này được giới hạn ở mức độ cho phép để tránh ảnh hưởng đến tổ chức và cơ tính của thép cacbon

Cacbon là nguyên tố quan trọng nhất, quyết định chủ yếu đến tổ chức và cơ tính của thép cacbon Khi thay đổi hàm lượng thì cơ tính của thép thay đổi rất nhiều Ngoài ra, hàm lượng các tạp chất cũng ảnh hưởng nhiều đến cơ tính của thép

HV: Mai Công Hiển – 7140908 41 Luận văn thạc sĩ

Thép cacbon được phân loại theo nhiều cách khác nhau như phân loại dựa theo chất lượng, phân loại theo phương pháp luyện kim, phân loại theo phương pháp khử oxi, phân loại theo công dụng

Thép cacbon được sử dụng với nhiều ưu điểm như giá rẻ, có cơ tính nhất định và tính công nghệ tốt Bên cạnh đó cũng có một số hạn chế như độ thấm tôi thấp, độ chống mài mòn thấp, độ bền ở trạng thái thường hóa và ủ thấp, giới hạn đàn hồi không cao

Thép C45 là thép hóa tốt thuộc nhóm thép kết cấu, phân loại thép theo công dụng, thường dùng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng tĩnh và va đập cao, yêu cầu về độ bền và độ dẻo dai cao Cơ tính tổng hợp đạt được cao nhất của thép bằng cách nhiệt luyện hóa tốt

Thép C45 có hàm lượng C là 0.45% Có đặc diểm nổi bật là rẻ tiền, tính công nghệ tốt, tuy nhiên độ thấm tôi thấp và môi trường tôi là nước nên dễ bị biến dạng nứt, cơ tính không cao

Sử dụng nhiệt luyện để nâng cao tính cắt gọt và nâng cao cơ tính tổng hợp của vật liệu

Bảng 2.2: Thành phần hóa học của thép C45.[17]

Mác thép Thành phần nguyên tố %

C45 0.42-0.49