Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ chính xác gia công khi tiện cao tốc trên máy tiện CNC với vật liệu là thép không gỉ SUS 304

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- NGUYỄN XUÂN TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG KHI TIỆN CAO TỐC TRÊN MÁY TIỆN C

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- NGUYỄN XUÂN TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG KHI TIỆN CAO TỐC TRÊN MÁY TIỆN CNC VỚI VẬT

LIỆU LÀ THÉP KHÔNG GỈ SUS 304

CHUYÊN NGÀNH : CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TIẾN SĨ TRƯƠNG HOÀNH SƠN

Hà Nội – Năm 2012

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa 1

M ục lục 2

Lời cam đoan 4

Lời nói đầu 5

CHƯƠNG1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI

TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU 6

1 Tổng quan gia công cao tốc 6

1.1 Định nghĩa về gia công cao tốc 6

1.2 Yêu cầu về thiết bị cho gia công cao tốc 7 1.3.Ưu điểm của gia công cao tốc 10 2 Tổng quan về các nghiên cứu 12 3 Giới hạn nghiên cứu của đề tài 16 3.1 Tính cấp thiết của đề tài 16 3.2 Giới hạn nghiên cứu của đề tài 17 4 Kết luận 18 CHƯƠNG 2: ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG 20

1 Độ chính xác gia công 20 1.1 Khái niệm về độ chính xác gia công 20 1.2 Các nguyên nhân gây ra sai số gia công 22 1.3 Các phương pháp đạt độ chính xác gia công 23 1.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác gia công 27 1.5 Khả năng đạt độ chính xác của các phương pháp gia công cắt gọt 32 1.6 Mỗi liên hệ giữa độ nhám và độ chính xác kích thước 34 2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám khi gia công cao tốc 42 2 1 Lực cắt 42 2.2 Biến dạng dẻo 44 2.3 Nhiệt cắt và độ mòn dao 46 2.4 Rung động 50 3 Những kết quả nghiên cứu đã đạt được trong việc nghiên cứu đến độ nhám bề mặt 50 3.1 Các kết quả đối với công cụ truyền thống 50 3.2 Các kết quả đã có được đối với máy CNC 55 4 Kết luận 56 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN 57

1 Xây dựng mô hình thực nghiệm 57 2 Các thông số thí nghiệm 62 3 Thực hiện các thí nghiệm và thu thập số liệu 63 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 65

1 Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới độ nhám bề mặt 65

2 Ảnh hưởng của lượng chay dao tới độ nhám bề mặt 67

2

3.Thảo luận kết quả thí nghiệm 69

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn Thạc sĩ “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến

độ chính xác gia công khi tiện cao tốc trên máy tiện CNC với vật liệu là thép không gỉ SUS 304”

Được hoàn thành bởi tác giả Nguyễn Xuân Trường – Học viên Cao học ngành Công nghệ chế tạo máy – Khóa 2011B – Viện Cơ Khí – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận Văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì một công trình khác, trừ những phần tham khảo đã được ghi rõ trong Luận Văn

Tác giả Luận Văn

Nguyễn Xuân Trường

4

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự lớn mạnh của nền kinh tế đất nước, ngành cơ khí trong đó cơ khí chế tạo máy vẫn khẳng định thế mạnh của mình với vai trò chủ đạo và không ngừng đáp ứng việc tạo ra những sản phẩm chất lượng tốt, độ tin cậy cao và đủ sức cạnh tranh

Những chỉ tiêu tạo ra các sản phẩm đó được quyết định bởi độ chính xác gia công Độ chính xác gia công là đặc tính chủ yếu của chi tiết máy Trong thực tế không thể chế tạo chi tiết có độ chính xác tuyệt đối bởi vì khi gia công xuất hiện sai

số Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác gia công như: Độ chính xác của thiết bị công nghệ, kiến thức công nghệ, vật liệu gia công, vật liệu làm dụng cụ cắt, các thông số cắt, công nghệ bôi trơn … Để đảm bảo được điều này thì việc nghiên cứu, tìm hiểu các phương pháp gia công xuất phát từ bản chất động học của một quá trình đến kết quả gia công để từ đó có thể khống chế, điều chỉnh các đại lượng ảnh hưởng để có thể đạt được chất lượng và năng suất gia công theo yêu cầu Trong nội

dung luận văn cao học tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ chính xác gia công khi tiện cao tốc trên máy tiện CNC với vật liệu thép không gỉ SUS 304” Nội dung luận văn bao gồm:

1 Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu liên quan đến đề tài trong và ngoài nước và giới hạn nghiên cứu

2 Chương 2: Độ chính xác gia công

3 Chương 3: Mô hình thực nghiệm và điều kiện thực hiện

4 Chương 4: Kết quả thực nghiệm và thảo luận

5 Kết luận chung và hướng nghiên cứu tiếp theo

Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp về những khiếm khuyết còn tồn tại trong luận văn này Xin chân thành cảm ơn!

5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU

1 Tổng quan gia công cao tốc

1.1 Định nghĩa về gia công cao tốc

So với phương pháp cắt gọt truyền thống thì gia công cao tốc có khả năng nâng cao năng suất, độ chính xác và chất lượng chi tiết gia công và cũng có thể giảm chi phí sản xuất và thời gian gia công Ngoài thuật ngữ (High Speed Machining-HSM) nói trên còn có các thuật ngữ sau cũng là gia công cao tốc như: High-Velocity Machining, High Performance Machining, High Efficiency Machining, High Agile Machining và High Productivity Machining Theo cách hiểu thông thường thì gia công cao tốc(High Speed Machining-HSM) gia công với tốc

độ trục chính rất cao nhưng tốc độ chạy dao thấp còn High Efficiency Machining thì

có tốc độ chạy dao cao nhưng tốc độ cắt trung bình

Gia công với tốc độ cắt cao

Gia công với tốc độ quay của trục chính cao

Gia công với lượng ăn dao cao

Gia công với tốc độ cắt cao và lượng ăn dao cao

Gia công với năng suất cao

Thực tế thì gia công cao tốc không chỉ đơn giản là cắt với tốc độ cao Nó phải được xem như là một quá trình gia công mà ở đó các bước gia công được thực hiện bằng những phương pháp và thiết bị gia công rất cụ thể

6

Gia công cao tốc cũng không chỉ là gia công với tốc độ trục chính cao bởi vì

có nhiều ứng dụng gia công cao tốc được thực hiện với máy có tốc độ bình thường Gia công cao tốc thường được sử dụng khi gia công tinh thép đã tôi với việc sử dụng cả hai yếu tố là tốc độ cao và lượng ăn dao cao Tùy theo loại vật liệu mà dải (vùng) tốc độ gia công cao tốc khác nhau

Về cơ bản, gia công cao tốc là một sự kết hợp của tốc độ trục chính của máy cao (high spindle speed), lượng ăn dao lớn (high feed), hệ điều khiển CNC cao cấp

và hơn thế nữa Trong thực tế, tốc độ cao nhất cho gia công cao tốc trên các máy công cụ ngày càng tăng, lên đến 40.000 vg/ph và có thể cao hơn nữa Tốc độ ăn dao trung bình ít nhất là 10m/s trong khi tốc độ di chuyển nhanh lên đến 40m/ph và cao hơn, công suất động cơ trục chính ít nhất là 15 kW

1.2 Yêu cầu về thiết bị cho gia công cao tốc

Gia công cao tốc đã được áp dụng trên các trung tâm gia công truyền thống với tùy chọn tốc độ trục chính cao Hiện nay gia công cao tốc (High Speed Machining-HSM) được xem là một trong những lĩnh vực chính của ngành chế tạo máy Thực ra gia công cao tốc không mới, nó đã được thực hiên cách đây hơn 30 năm Gần đây, với sự phát triển vượt bậc của ngành chế tạo máy hiện nay với những công nghệ liên quan như máy tính, dao cắt, máy công cụ, bộ điều khiển CNC, các phần mềm CAD - CAM, thì gia công cao tốc ngày càng được quan tâm hơn Các ứng dụng chủ yếu thúc đẩy công nghệ theo hướng gia công cao tốc là: Chế tạo khuôn mẫu, chế tạo các chi tiết với độ chính xác cao để phục vụ cho các ngành như: Ngành ô tô, xe máy, hàng không vũ trụ, y tế…

Rất khó để nêu lên một định nghĩa chung về gia công cao tốc Tốc độ gia công thì rất cụ thể cho từng ứng dụng Ví dụ khi tốc độ gia công cao tốc khi gia công thép vào khoảng 550m/ph nhưng giá trị này vẫn chưa phải là giá trị tốc độ gia công cao tốc khi gia công gang Nói chung, để định nghĩa gia công cao tốc dựa vào các yếu tố sau: tốc độ cắt cao, tốc độ quay của trục chính cao, lượng ăn dao cao, tốc độ cắt cao

và lượng ăn dao cao và năng suất cao Tóm lại, có thể nói rằng gia công cao tốc có nghĩa là cắt gọt vật liệu nhanh hơn bình thường cho những công đoạn cụ thể

7

Nói chung, để thực hiện được gia công cao tốc thì máy cũng có những yêu cầu đặc biệt Sau đây là một số yêu cầu cụ thể:

• Động cơ dẫn động trục chính

Công suất của động cơ trục chính phải đủ lớn vì cần có một lượng công suất đáng

kể để quay trục chính ở tốc độ cao

• Trục chính và ổ đỡ trục chính

Độ cứng vững tĩnh và động của trục chính phải cao

Trục chính phải có độ cứng vững và độ ổn định nhiệt cao Các ổ đỡ phải có tần số quay vòng cao Kích thước ổ, kiểu ổ, số ổ, tải, kiểu bôi trơn ổ và vật liệu làm ổ yêu cầu phải được kiểm tra gắt gao cho máy công cụ gia công cao tốc Kiểu ổ đỡ lai hoặc hoàn toàn bằng ceramic cũng có thể cần thiết cho gia công cao tốc

• Động cơ dẫn động chạy dao tốc độ cao

Khả năng tăng tốc và giảm tốc nhanh rất quan trọng cho việc nâng cao năng suất Một máy công cụ với tốc độ tăng tốc/giảm tốc cao có thể duy trì vùng tốc độ chạy dao không đổi trên hầu hết hành trình cắt Gia công cao tốc yêu cầu các động cơ dẫn động các trục có công suất cao

• Bộ điều khiển CNC có khả năng đáp ứng được cho gia công cao tốc

Bộ điều khiển CNC phải có khả năng xử lý đủ nhanh Xu hướng phát triển các bộ điều khiển CNC là chúng phải giảm được thời gian xử lý các khối lệnh và tăng khả năng “look ahead”, có khả năng nội suy cung tròn thông qua đường cong NURBS

Hệ thống máy phải chắc chắn và độ cứng vững cao Khung máy và các hệ thống hỗ trợ như hệ thống che băng máy, hệ thống nước làm mát, hệ thống kẹp chặt,… phải có độ cững vững cao để chịu được ứng suất sinh ra khi gia công cao tốc Thiết bị che chắn máy và các cửa sổ phải được làm bền nhằm đảm bảo an toàn khi có sự cố về dao Vấn đề an toàn phải được đặt lên hàng đầu khi gia công cao tốc

8

Bảng 1 Các thông số kỹ thuật của máy gia công cao tốc

Thông số kỹ thuật Mikron HSM

700

Mazak 25N

FJV-Deckel DMC V65

• Trục chính và thiết bị kẹp chặt dao có độ đồng tâm cao và cân bằng tốt

Khi số vòng quay tăng thì lực li tâm sẽ tăng bình phương với vận tốc quay Sự mất

cân bằng trong hệ thống cũng như sự không đồng tâm sẽ làm gia tăng lực li tâm,

gây rung động máy trong quá trình làm việc Do đó hệ thống gá dao và dao kẹp chặt

dao, trục chính phải có độ đồng tâm cao và cân bằng tốt trong gia công cao tốc

• Hệ thống cấp dung dịch trơn nguội

Gia công cao tốc yêu cầu phải có hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội áp suất

cao để có thể làm mát dao một cách hiệu quả ở tốc độ quay cao, ở xung quanh dao

cắt xuất hiện vùng gió xoáy nên phương pháp làm nguội truyền thống không thể

làm nguội hiệu quả Việc thay dao nhanh yêu cầu dung dịch trơn nguội phải sạch

hơn so với thông thường nên hệ thống cấp dung dịch trơn nguội phải có khả năng

9

lọc tốt Trong nhiều trường hợp người ta thích sử dụng gia công cao tốc khô để loại trừ các rắc rối do hệ thống cấp dung dịch trơn nguội không đạt yêu cầu

Nhu cầu về gia công cao tốc rất rộng lớn và đa dạng do đó hiện nay có nhiều kiểu máy khác nhau cho công nghệ này

Tóm lại để thực hiện được gia công cao tốc thì hệ thống dao và máy cũng có những yêu cầu đặc biệt, cụ thể như sau:

Sử dụng ổ đỡ có tần số quay vòng cao cho trục chính

Công suất động cơ trục chính cao

Trục chính phải có độ cứng vững và độ ổn định nhiệt cao

Truyền động chạy dao động

Điều khiển động truyền động

Cấu trúc máy có độ cứng vững cao

Hệ thống làm mát với áp suất cao

Thiết bị kẹp chặt dao đạt độ đồng tâm cao và cân bằng tốt

Dao được làm bằng vật liệu có tính chống mòn cao…

Bộ điều khiển CNC có khả năng đáp ứng được cho gia công cao tốc như có khả năng nội suy cung tròn thông qua đường cong NURBS, có chức năng “look ahead”, …

1.3 Ưu điểm của gia công cao tốc

So với gia công truyền thống thì gia công cao tốc có những ưu điểm nổi bật

Nó có thể làm giảm thời gian gia công đến 90% và giảm đến 50% chi phí gia công, tùy trường hợp

Hiệu quả kinh tế của máy gia công cao tốc CNC thể hiện qua các khía cạnh sau:

- Khi chi tiết có độ phức tạp cao, lựa chọn phương pháp gia công phù hợp nhất là gia công trên máy gia công cao tốc CNC Ngoài ra gia công cao tốc CNC thường được dùng trong sản xuất hàng loạt, hàng khối Bởi vì gia công trên máy gia công cao tốc CNC rút ngắn thời gian gia công, đạt độ chính xác yêu cầu và giá thành rẻ hơn so với khi gia công trên máy công cụ vạn năng và máy tự động cứng

10

- Khả năng thay đổi dạng sản phẩm chế tạo nhanh và chỉ cần thay đổi chương trình điều khiển mà không cần thay đổi cấu trúc máy hoặc thêm đồ gá chuyên dùng Máy điều khiển số đáp ứng được tính linh hoạt của sản xuất

- Chi phí cho sản xuất dụng cụ cắt cho máy gia công cao tốc CNC nhỏ hơn so với dạng máy khác vì máy gia công cao tốc CNC được trang bị tính năng đánh giá lượng mòn dụng cụ và tự động điều chỉnh máy để bù lượng mòn

- Máy gia công cao tốc CNC có tính năng tự động kiểm tra chất lượng ngay trong quá trình gia công mà các máy thông thường không có khả năng này Do vậy giảm đáng kể tổn phí cho kiểm tra chất lượng chi tiết gia công

- Thời gian gia công chi tiết trên máy gia công cao tốc CNC nhỏ hơn so với máy vạn năng do sự tập trung nguyên công cao

- Máy gia công cao tốc CNC không cần dùng các đồ gá chuyên dùng để gá kẹp phôi

Một số ưu điểm khác của gia công cao tốc như sau:

Tốc độ bóc vật liệu cao

Chất lượng bề mặt gia công tốt

Độ chính xác hình dáng cao

Có khả năng gia công được các gân mỏng

Giảm việc tạo bavia

Không gây hư hại bề mặt gia công

Những khó khăn gặp phải khi gia công cao tốc:

Máy: Có độ cứng vững cao, tốc độ trục chính lớn, độ đồng tâm giữa thiết bị kẹp và trục chính cao

Đồ gá: đảm bảo lực kẹp lớn, ổn định

Dao: Có độ bền nhiệt lớn, độ cứng và tuổi bền cao

Dung dịch trơn nguội: Có độ sạch cao, khả năng bôi trơn làm nguội tốt

Vì vậy chi phí đầu tư trang thiết bị, dụng cụ khi gia công cao tốc lớn hơn nhiều so với các phương pháp gia công thông thường

11

2 Tổng quan về các nghiên cứu

Hiện nay gia công cao tốc đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy, doanh nghiệp Các máy CNC đã được các nhà máy khai thác Tuy nhiên việc

sử dụng và khai thác chúng như thế nào để đạt được hiệu quả kinh tế cao vẫn còn là một vấn đề cần nghiên cứu Vì việc sử dụng các máy công cụ CNC đắt tiền như vậy chỉ mang lại hiệu quả cao khi máy làm việc với chế độ công nghệ hợp lý Nếu không thì sẽ gây ra lãng phí và hiệu quả thấp Do vậy việc nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt tới độ nhám bề mặt đã được nghiên cứu nhiều ở các nước phát triển như Đức, Mỹ, Nhật, Pháp, Thuỵ Sĩ Nhưng khi mua các thiết bị gia công đắt tiền của các nước này, các hãng bán thiết bị chỉ đưa ra hướng dẫn công nghệ ở dạng khái quát Còn chế độ cắt tối ưu là bản quyền của riêng từng hãng, họ không bán nhằm giữ độc quyền riêng cạnh tranh Do vậy, nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt tới

độ bóng khi gia công trên máy CNC là vấn đề thời sự và là đòi hỏi tất yếu khách quan của nền chế tạo cơ khí hiện đại của nước ta

Ví dụ, thí nghiệm nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ cắt tới độ nhám bề mặt của tác giả Chang-Xue(Jack)Feng

Tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của 5 thông số chính (vật liệu, lượng chạy dao, góc trước(180-α-β.),chiều sâu cắt, tốc độ cắt) và tác động của từng cặp thông số lên

độ nhám của chi tiết gia công Thí nghiệm được tiến hành trên máy tiện CNC YAM CK-1, và kết qủa được đo trên máy kiểm tra độ bóng SJ-301 của hãng Mitutoyo

Dựa trên quá trình phân tích kết quả thí nghiệm với phần mềm MINITAB tác giả đưa ra công thức sau:

12

Các kết luận đã được đưa ra:

- Trong những ảnh hưởng chính thì ảnh hưởng của góc trước của dụng cụ cắt cũng đáng kể bên cạnh ảnh hưởng của lượng chạy dao, bán kính mũi dao, vật liệu phôi, và tốc độ cắt Ảnh hưởng của chiều sâu cắt là không đáng kể

13

- Để tạo ra bề mặt có độ bóng cao thì nên chọn các thông số công nghệ : Vật liệu có độ cứng thấp hơn, lượng chạy dao nhỏ, góc trước dụng cụ cắt lớn hơn, và tốc

độ cắt cao hơn

- Thí nghiệm cũng cho thấy rằng: Khi góc dụng cụ cắt lớn và độ cứng vật liệu nhỏ hơn thì sẽ cho bề mặt nhẵn bóng hơn Với vật liệu mềm khi gia công với chiều sâu cắt lớn cũng có thể tạo ra bề mặt có độ nhẵn bóng cao Khi cắt ở tốc độ cắt cao thì góc trước dụng cụ cắt nhỏ hơn sẽ cho độ bóng thấp hơn là khi sử dụng góc trước lớn hơn

Bên cạnh những kết luận đưa ra, nghiên cứu của tác giả cũng đã đưa ra một cách đặt vấn đề mang tính hệ thống cho việc thiết kế và phân tích thí nghiệm giúp giảm chi phí, thời gian, và khối lượng tiến hành thí nghiệm

Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến khi gia công trên máy CNC cũng đã và đang được nghiên cứu ở nước ta Luận án tiến sỹ kỹ thuật “Mô hình hóa quá trình cắt khi phay trên máy CNC” của tác giả Hoàng Việt Hồng” Trong luận án của mình tác giả đã nghiên cứu, thiết lập mô hình các đại lượng đặc trưng xuất hiện trong và sau quá trình cắt khi phay để xây dựng miền giới hạn của bài toán xác định chế độ cắt tối ưu khi phay, tìm tín hiệu phù hợp phục vụ cho điều khiển thích nghi trong quá trình phay, đảm bảo hệ thống làm việc an toàn, tăng năng suất gia công, tận dụng hết khả năng cắt của dụng cụ, nâng cao độ chính xác nguyên công và góp phần thực hiện tự động hóa quá trình sản xuất, dẫn tới chi phí sản xuất thấp

a

R

Mô hình nghiên cứu:

Mô hình hóa quá trình cắt khi phay trên máy CNC trong điều kiện:

- Máy phay CNC (DMU - 60T của hãng DECKEL MAHO - CHLB Đức)

- Dao phay ngón sử dụng mảnh cắt tiêu chuẩn (mảnh hợp kim APMT103508 PDER phủ ACZ350 của hãng SUMITOMO - Nhật Bản)

- Vật liệu gia công là thép C55, thép làm khuôn

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng ở đây là nghiên cứu kết hợp giữa suy diễn lý thuyết và thực nghiệm Nghiên cứu bằng thực nghiệm dựa trên cơ sở lý

14

thuyết quy hoạch thực nghiệm, xây dựng hệ thống thí nghiệm ổn định có sử dụng các thiết bị đo hiện đại kết nối với hệ thống máy tính để có thể tự động hóa quá trình thu thập và lưu trữ dữ liệu

Kết quả đạt được:

Trong luận án của mình tác giả đã đề cập một cách đầy đủ các thông số đặc trưng xuất hiện trong và sau quá trình cắt, và thực hiện khảo sát chi tiết sự biến thiên của các đại lượng này bằng cách tìm mối quan hệ giữa các đại lượng này với chế độ cắt và thời gian Ở đây chúng ta chỉ xem xét kết quả đã đạt được của đề tài

về ảnh hưởng của chế độ cắt lên độ bóng trong quá trình gia công

Các kết quả đã đạt được cho phép ta xác định được chất lượng bề mặt chi tiết gia công trong điều kiện gia công cụ thể Với yêu cầu đảm bảo chiều cao nhấp nhô

tế vi bề mặt cho trước của chi tiết thì mô hình độ nhám đã trở thành các ràng buộc

về chất lượng của quá trình gia công

Trên thế giới việc nghiên cứu ứng dụng gia công cao tốc nói chung đã có từ

30 năm nay các thành tựu nghiên cứu trong lĩnh vực này như:

a, Phay cao tốc với vật liệu cần gia công Ti-6Al-4V sử dụng dụng cụ cắt Carbide Coated - Bài báo cáo này được đăng trên - Tạp chí nghiên cứu khoa học

Châu Âu -

Do các tác giả :

+, Nagi Elmagrabi – Khoa Cơ khí và Vật liệu

- Đại học Quốc gia Malaysia

+, Che Hassan C.H – Khoa Cơ khí và Vật liệu

- Đại học Quốc gia Malaysia

+, Jaharah A.G – Khoa Cơ khí và Vật liệu

- Đại học Quốc gia Malaysia

+, F.M Shuaeib - Đại học Garyounis Benghazi, Libya

Nội dung của bài báo cáo:

Thực hiện phay cao tốc trên vật liệu Titan (Ti-6Al-4V) sử dụng dụng cụ cắt Carbide Coated Quá trình thí nghiệm được thực hiện với các tốc độ cắt khác nhau:

15

Lương ăn dao lần lượt là: 1; 1,5; 2; với tốc độ cắt tương ứng là 50, 80, 105 m/phút vận tốc tương ứng là 0,1; 0,15;2 mm/răng

Trong quá trình gia công không dùng chất tưới nguội

Kết quả đạt được:

Tìm được tốc độ cắt phù hợp với vật liệu Titan với điều kiện gia công không

sử dụng chất tưới nguội Phương pháp gia công không chất tưới nguội là một

phương pháp gia công ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ khi gia công vật liệu Titan và Niken

b, Tự động lựa chọn tốc độ tối ưu của trục chính khi gia công cao tốc- - Đăng trên tạp chí quốc tế máy công cụ & Sản xuất– do tác giả :

Bediaga a, J Mun˜oa a, J Herna´ndez a, L.N Lo´ pez de Lacalle b, -Khoa cơ khí – Trường Đai học kỹ thuật Basque – Tây Ban Nha

Nội dung của bài báo cáo:

Đi vào tìm hiểu vấn đề rung động và tiếng ồn phát sinh trong gia công cao tốc Nhằm tìm ra cách khắc phục vấn đề này một cách hiểu quả

3 Giới hạn nghiên cứu của đề tài

3.1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay với sự phát triển không ngừng của cuộc sống các sản phẩm phục vụ nhu cầu của con người ngày càng đa dạng Để làm ra các sản phẩm cơ khí có các thông

số kỹ thuật phức tạp bằng các máy móc và kỹ thuật cổ điển là rất khó có thể đạt được độ chính xác khi gia công được các bề mặt có độ phức tạp cao Với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật hiện đại: Công nghệ hàng không, y tế, chế tạo ôtô, khuôn mẫu, quân sự… thì xuất hiện càng nhiều các chi tiết đồi hỏi độ chính xác cao Việc ứng dụng các kỹ thuật và công nghệ mới như máy công cụ gia công cao tốc CNC, công nghệ tạo mẫu nhanh đã giúp cho việc gia công các chi tiết có hình dáng hình học phức tạp được dễ dàng hơn, đạt độ chính xác cao hơn Cùng với đó, con người ngày càng hoàn thiện các kỹ thuật, công nghệ tiên tiến đó Nhiều đề tài

16

nghiên cứu, báo cáo khoa học về các khía cạnh, các vấn đề trong quá trình gia công các chi tiết có hình dáng hình học phức tạp đã được trình bày trong các tạp chí chuyên ngành Với mục đích góp phần nâng cao độ chính xác và năng suất gia công các chi tiết có thông số hình học phức tạp Với sự phát triển không ngừng của xã hội, sự hội nhập ngày càng cao của đất nước ta với thế giới với nền kinh tế mở mà những năm gần đây máy CNC đã trở nên phổ biến trong các nhà máy, cơ sở sản xuất Bởi vậy việc tiếp cận các phương pháp gia công hiện đại luôn là nhu cầu cấp thiết trong nền kinh tế thị trường Một trong những phương pháp gia công đó là gia công cao tốc Là phương pháp gia công giúp cho việc gia công các chi tiết có hình dáng hình học phức tạp trở nên đơn giản hơn, đạt độ chính xác cao hơn và năng suất tăng tăng cao hơn Phương pháp gia công mới này được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: Y học, khuôn mẫu, công nghệ hàng không, chế tạo ô tô, quân sự, mĩ thuật,…

Bởi vậy việc nghiên cứu độ chính xác khi gia công cao tốc các chi tiết có hình dáng hình học phức tạp trên máy cao tốc CNC nhằm nâng cao độ chính xác của chi tiết gia công, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và năng suất lao động đạt hiệu quả cao

3.2 Giới hạn nghiên cứu của đề tài

Trong phần “ Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ chính xác gia công khi tiện cao tốc trên máy tiện CNC với vật liệu là thép không

gỉ SUS 304” Ở đây độ chính xác gia công là một thông số mang tính tổng hợp

Tuy nhiên, hai yếu tố rất quan trọng trong độ chính xác gia công là độ chính xác về kích thước và độ nhám bề mặt thì lại có quan hệ mật thiết với nhau, trong độ nhám

bề mặt Ra bằng khoảng 5-20% dung sai kích thước Bề mặt có độ nhám nhỏ thì độ chính xác về kích thước hình học mới cao và ngược lại

Do vậy phạm vi luận văn này chỉ giới hạn ở việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ: Tốc độ cắt V(m/ph), tốc độ chạy dao S(mm/vòng), chiều

17

sâu cắt tới độ nhám bề mặt chi tiết máy (Ra và Rz) khi tiện cao tốc trên máy tiện CNC được thực hiện với các mẫu vật liệu là thép không gỉ SUS 304 bằng phương pháp thực nghiệm

4 Kết luận

Qua nghiên cứu tổng quan về quá trình gia công cao tốc, tìm hiểu các công trình nghiên cứu trong nước và trên thế giới Kết hợp với việc nghiên cứu sự ảnh hưởng các thông số công nghệ khi gia công cao tốc đến độ chính xác gia công, chúng ta thấy:

- Gia công cao tốc đã và sẽ có một vị trí quan trọng trong ngành cơ khí chính xác do khả năng gia công tốc độ cao những vật liệu có độ cứng, độ bền cao, cho độ chính xác và độ bóng bề mặt cao

- Gia công cao tốc thường được chọn là nguyên công gia công tinh lần cuối vì vậy chất lượng bề mặt chi tiết gia công có ảnh hưởng quan trọng đến khả năng làm việc sau này của chi tiết máy Chất lượng bề mặt thường được chọn làm chỉ tiêu để tối ưu hóa quá trình gia công tinh

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình gia công tiện cao tốc tới chất lượng bề mặt chi tiết gia công là cơ sở để tìm ra các biện pháp nâng cao độ chính xác gia công khi tiện cao tốc

- Các thông số công nghệ: Tốc độ cắt V(m/ph), tốc độ chạy dao S(mm/ph) có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng bề mặt của chi tiết gia công cao tốc Khi đã nghiên cứu, xác định được sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ của quá trình tiện cao tốc đến độ chính xác gia công, chúng ta có thể lựa chọn cho các thông số các giá trị tối ưu Tư đó chất lượng bề mặt chi tiết sẽ được nâng cao

- Việc nâng cao chất lượng chi tiết khi gia công tiện cao tốc sẽ dẫn đến một hệ quả là các máy móc, thiết bị gia công cao tốc đó sẽ đạt độ chính xác cao hơn, quá trình hoạt động tốt hơn

Công nghiệp phát triển và yêu cầu về chất lượng sản phẩm ngày càng cao Do

đó, việc nghiên cứu làm sao để sản phẩm làm ra đạt chất lượng tốt nhất, hiệu quả

18

kinh tế cao nhất là một việc làm không thể thiếu Một trong số những nghiên cứu quan trọng đó chính là xem xét sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi gia công trên máy cao tốc đến chất lượng bề mặt chi tiết Với kết quả của nghiên cứu này sẽ là cơ sở cho quá trình tối ưu hóa các thông số công nghệ khi gia công trên máy tiện cao tốc CNC

19

CHƯƠNG 2

ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG

1 Độ chính xác gia công

1.1 Khái niệm về độ chính xác gia công

Các chi tiết máy (CTM) khi được thiết kế đều phải có các yêu cầu kỹ thuật nhất định để đảm bảo tính năng làm việc của chúng Đó có thể là độ chính xác về kích thước, chất lượng bề mặt hay vị trí tương quan Tuy nhiên, đó mới chỉ là trên bãn

vẽ thiết kế Khi gia công, việc đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật của chi tiết được ghi trên bản vẽ là rất cần thiết Thực tế là giữa chi tiết được gia công với chi tiết lý tưởng trên bản vẽ có những sai lệch khác nhau và các sai số đó được gọi là sai số gia công Do vậy, độ chính xác gia công đã được định nghĩa như sau:

“Độ chính xác gia công của chi tiết máy là mức độ giống nhau về kích thước, hình dáng và vị trí tương quan giữa chi tiết gia công trên máy và chi tiết lý tưởng trên bản vẽ thiết kế”

Độ chính xác của chi tiết máy được đánh giá theo các yếu tố sau đây:

a, Độ chính xác kích thước:

Đó là độ chính xác về kích thước thẳng hoặc kích thước góc Độ chính xác kích

thước được đánh giá bằng sai số của kích thước thực so với kích thước lý tưởng

được ghi trên bản vẽ

b, Độ chính xác hình dáng hình học:

Đó là mức độ phù hợp giữa hình dáng hình học và hình dáng hình học lý tưởng của chi tiết Ví dụ, khi gia công chi tiết là mặt phẳng, độ chính xác hình dáng hình

học được đáng giá qua độ phẳng của nó so với độ phẳng lý tưởng

c, Độ chính xác vị trí tương quan:

Độ chính xác này thực chất là sự xoay đi một góc nào đó của bề mặt này so vơi bề mặt kia ( dùng làm chuẩn) Độ chính xác vị trí tương quan thường được ghi thành

20

một điều điện kỹ thuật trên bản vẽ thiết kê Ví dụ , độ song song, độ vuông góc, độ

đồng tâm,v.v…

Nói chung, độ chính xác gia công là chỉ tiêu khó đạt nhất và gây tốn kém nhất kể

cả trong quá trình xác lập cũng như trong quá trình chế tạo Độ chính xác gia công

là một yếu tố rất quan trọng trong gia công cơ khí, nó phản ánh trình độ gia công của một nền sản xuất cơ khí Tuy niên, việc nâng cao độ chính xác gia công là điều rất cần thiết vì điều đó sẽ làm nâng cao chất lượng sử dụng của chi tiết máy, làm giảm thời gian lắp ráp sản phẩm v.v Tuy nhiên, cũng cần phải hiểu rằng, việc nâng cao độ chính xác gia công đồng nghĩa với việc giá thành chi tiết sẽ bị nâng cao như

đựơc chỉ ra trong biểu đồ (hình 1.2)

G i¸ th µ n h

D u n g s a i c h Õ t¹ o

Hình1.2 Mối quan hệ giữa độ chính xác gia công và giá thành sản phẩm

Độ chính xác gia công trong điều kiện sản xuất phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, do

đó người ta thường gia công chi tiết với “độ chính xác kinh tế” chứ không phải “ độ chính xác có thể đạt tới “

Độ chính xác có thể đạt tới” là độ chính xác đạt được trong những điều kiện đặc biệt không tính đến giá thành gia công (máy chính xác, đồ gá tốt, công nhân có tay nghề cao,v.v…)

21

Hình 1- 3 Mối quan hệ giữa các phương pháp gia công và giá thành

Hình 1-3 mô tả mối quan hệ giữa giá thành gia công (C) và độ chính xác (sai số: δ) của các phương pháp cắt gọt khác nhau Đường 1 mô tả quan hệ giữa C và δkhi gia công thô, đường 2- khi gia công tinh và đường 3 - khi mài

Ta thấy đường cong 2 cắt cả hai đường cong 1 và 3, tạo ra 3 vùng I,II,III khác nhau Như vậy,vùng I có thể gọi là độ chính xác có thể đạt tới (độ chính xác cao nhất), vùng II là độ chính xác kinh tế còn vùng III là độ chính xác đảm bảo.Ta có thể phân tích các đường cong này như sau: Ví dụ, bằng phương pháp phay tinh (đường cong 2) có thể đạt được mức độ chính xác ở vùng I nhưng giá thánh C cao,

vì vậy bằng phương pháp mài cho ta giá thành hạ hơn( đường cong 3) Độ chính xác

ở vùng III có thể đạt được bằng phay tinh ( đường cong 2) nhưng tốt hơn là dùng phương pháp phay thô ( đường cong 1) Để đạt độ chính xác ở vùng II tốt nhất là dùng phương pháp phay tinh vì có giá thành hạ nhất

1.2 Các nguyên nhân gây ra sai số gia công:

Khi gia công một loạt chi tiết trong cùng một điều kiện xác định mặc dù những

nguyên nhân gây ra từng sai số của mỗi chi tiết là giống nhau nhưng sai số tổng cộng trên từng chi tiết lại khác nhau Sở dĩ có hiện tượng như vậy là do tính chất khác nhau của các sai số thành phần Một số sai số xuất hiện trên từng chi tiết của

cả loạt đều có giá trị không đổi theo một qui luật nào đó Những sai số này gọi là sai

số hệ thống cố định hoặc hệ thống thay đổi Có một số sai số khác mà giá trị của

22

chúng xuất hiện trên mỗi chi tiết không theo một qui luật nào cả và những sai số

này gọi là sai số ngẫu nhiên

a, Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống cố định :

- Sai số lý thuyết của phương pháp cắt

- Sai số chế tạo của máy, dao, đồ gá

- Biến dạng nhiệt của chi tiết gia công

b, Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống thay đổi (theo thời gian gia công)

- Dụng cụ bị hao mòn theo thời gian gia công

- Biến dạng nhiệt của máy, dao và đồ gá

c, 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

- Gá dao nhiều lần

- Mài dao nhiều lần

- Thay đổi nhiều máy để gia công một lọat chi tiết

- Dao động nhiệt của quá trình cắt

- Các lọai rung động trong quá trình cắt

1.3 Các phương pháp đạt độ chính xác gia công:

Để đạt độ chính xác gia công ngừơi ta thường dùng 3 phương pháp sau đây :

- Phương pháp cắt thử từng chi tiết riêng biệt

- Phương pháp tự động đạt kích thước

- Phương pháp điều khiển thích nghi

a, Phương pháp cắt thử từng chi tiết riêng biệt

Bản chất của phương pháp là sau khi gá phôi trên máy người công nhân đưa dao vào và tiến hành cắt thử một lượng dư nhất định,sau đó dừng máy để kiểm tra

23

kích thước Nếu chưa đạt yêu cầu thì lại điều chỉnh dao ăn sâu thêm nữa rồi lại cắt thử và kiểm tra,công việc được lặp đi lặp lại cho đến khi đạt kích thước yêu cầu Trước khi cắt thử, phôi thường được lấy dấu để người thợ có thể đưa dao vào vị trí (đã lấy dấu) một cách nhanh chóng và để tránh phế phẩm (do dao được đưa vào quá sâu)

Phương pháp cắt thử có những ưu điểm sau đây :

- Trên máy không chính xác vẫn có thể đạt được độ chính xác cao (nhờ vào tay nghề của người công nhân)

- Lọai trừ ảnh hưởng của mòn dao khi gia công cả lọat chi tiết (do dao luôn 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 lại có những nhược điểm sau:

- Độ chính xác gia công phụ thuộc vào bề dầy nhỏ nhất của lớp phôi được hớt

đi Ví dụ, khi tiện bằng dao hợp kim (có mài bóng lưỡi) bề dầy phôi có thể cắt được không nhỏ hơn 0.02mm, còn khi tiện bằng dao đã mòn thì bề dày phôi có thể cắt được không nhỏ hơn 0.05mm Như vậy, khi gia công bằng phương pháp cắt thử người thợ không thể điều chỉnh được dao để lưỡi cắt có thể hớt đi bề dày phôi nói trên, do đó không thể đảm bảo được kích thước có sai số nhỏ hơn bề dày lớp phôi

đó

- Người thợ phải làm việc căng thẳng nên dễ mệt, do đó có thể gây ra phế phẩm

- Năng suất thấp do phải cắt nhiều lần

- Do năng suất thấp nên giá thành gia công cao

Với những nhược điểm trên đây, cho nên phương pháp cắt thử chỉ được sử dụng trong sản xuất đơn chiếc và hàng lọat nhỏ, trong sản xuất thử và trong sửa chữa hoặc trong các phân xưởng dụng cụ Trong sản xuất hàng lọat lớn và hàng

24

khối, phương pháp cắt thử chủ yếu được dùng ở nguyên công mài bởi vì trong nguyên công này, dụng cụ cắt (đá mài) bị mòn rất nhanh và phá vỡ kích thước đã được điều chỉnh Do đó lượng mòn của đá có thể được bù lại nhờ điều chỉnh đá bằng tay trong quá trình gia công để vẫn đảm bảo độ chính xác gia công

Hình 1.4 Gia công theo phương pháp tự động đạt kích thước

Ví dụ, khi phay phôi( chi tiết gia công) 2 để đạt kích thước a và b ( hình 1.4a) bàn máy phay được điều chỉnh sao cho mặt tỳ của má tĩnh 1 của êtô cách trục quay của dao phay một đọan K = D/2 +a ( D- đường kích dao phay)

Như vậy, khi sử dụng phương pháp tự động đạt kích thước thì việc đảm bảo

độ chính xác gia công không phải do người công nhân thực hiện mà do: Thợ điều chỉnh ( có nhiệm vụ điều chỉnh máy) ; thợ chế tạo dụng cụ ( có nhiệm vụ chế tạo đồ

25

gá) và nhà công nghệ (có nhiệm vụ xác định chuẩn công nghệ, kích thước phôi và 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, giảm phế phẩm Độ chính xác gia công không phụ thuộc vào bề dày nhỏ nhất của lớp phôi được cắt và trình độ tay nghề của công nhân

- Chỉ cắt một lần là đạt kích thước, không mất thời gian lấy dấu và cắt thử, do đó năng suất gia công tăng

- Sử dụng hợp lý công nhân có trình độ tay nghề cao Với sự phát triển của tự động hóa quá trình sản xuất, những công nhân có trình độ tay nghề cao có khả năng điều chỉnh máy và cùng lúc phục vụ nhiều máy khác nhau

- Nâng cao hiệu qủa kinh tế

Tuy nhiên phương pháp này có những nhược điểm sau đây :

- Chi phí cho việc thiết kế, chế tạo đồ gá chũng như chí pchí cho việc điều chỉnh máy, điều chỉnh dao có khi vượt quá hiệu qủa kinh tế của phương pháp 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 mau mòn thì kích thước đã được điều chỉnh sẽ thay đổi nhanh, do

đó cần phải điều chỉnh lại nhiều lần Điều này gây tốn kém cả về thời gian và kinh phí, đồng thời làm cho độ chính xác giảm

c, Phương pháp đạt độ chính xác gia công bằng điều khiển thích nghi

Ngày nay, với sự phát triển của kỹ thuật thông tin và kỹ thuật điều khiển tự động, tự động hoá, độ chính xác gia công có thể đạt được bằng phương pháp điều khiển thích nghi Theo phương pháp này thì trong quá trình gia công, các kích thước gia công cần đạt luôn được đo trong suốt quá trình gia công Các giá trị đo được này sẽ là các thông tin cần thiết để cho các bộ điều khiển có thể điều khiẻn dụng cụ cắt hay chi tiết tiến ra, vào một lượng hợp lý để đảm bảo kích thước cần gia

26

công, qua đó đảm bảo độ chính xác gia công Tuy nhiên, giá thành chế tạo của loại hình này còn rất cao nên chỉ được áp dụng cho các chi tiết cần độ chính xác cao Ở

nước ta hình thức này chưa phổ biến

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác gia công

1.4.1 Biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ

Hệ thống công nghệ (Máy-Dao-Đồ gá-Chi tiết gia công) là một hệ thống đàn hồi Sự thay đổi các giá trị biến dạng đàn hồi dưới tác dụng của lực cắt sẽ gây ra sai

số kích thước và sai số hình dáng hình học của chi tiết gia công

Lực cắt thay đổi là do lượng dư gia công không cố định, tính chất cơ lý của vật liệu gia công không cố định và do mòn dao Biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ phụ thuộc vào lực cắt và độ cứng vững của bản thân hệ thống đó

1.4.2 Biến dạng tiếp xúc và biến dạng của chi tiết gia công

Lượng biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ (hoặc của các phần tử trong

hệ thống) phụ thuộc vào biến dạng của bản thân các chi tiết và biến dạng tiếp xúc của các bề mặt lắp ghép Biến dạng của bản thân chi tiết (biến dạng kéo, biến dạng nén, biến dạng uốn, biến dạng xoắn hoặc tổng hợp các biến dạng đó) được tính theo các công thức của sức bền vật liệu hoặc theo lý thuyết đàn hồi

1.4.3 Ảnh hưởng do sai số của phôi

Khi gia công, dao bị mòn làm cho lực cắt Py và biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ tăng lên, do đó kích thước của chi tiết máy cũng bị biến động Còn

sự biến động của độ cứng vật liệu và lượng dư gia công sẽ gây ra sai số hình dáng hình học của chi tiết Hơn nữa, trong thực tế cũng tồn tại hiện tượng in dập (di truyền công nghệ) sai số hình dáng hình học cùng tính chất của phôi và chi tiết gia công như độ ô-van, độ côn, độ đảo,v.v……

1.4.4 Ảnh hưởng do 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 chính

- Độ đảo của lỗ côn trục chính

27

- Độ đảo mặt đầu của trục chính

- Các sai số của các bộ phận khác như sống trượt, bàn máy,v.v…

Các sai số trên đây sẽ phản ánh một phần hoặc toàn bộ lên chi tiết gia công dưới dạng sai số hệ thống Việc hình thành các bề mặt gia công là do chuyển động cưỡng bức của các bộ phận chính như trục chính, bàn máy hoặc bàn giao v.v… nếu các chuyển động này có sai số chúng sẽ phản ánh lên bề mặt của chi tiết gia công

1.4.5 Ảnh hưởng của sai số của đồ gá

Sai số chế tạo và lắp ráp của đồ gá cũng ảnh hưởng đến độ chính xác của chi tiết gia công Các chi tiết quan trọng của đồ gá như các chi tiết định vị, dẫn hướng,

so dao,v.v Nếu có sai số do chế tạo hoặc mòn sẽ làm thay đổi vị trí tương đối giữa Máy-Dao-Chi tiết, do đó cũng gây ra sai số gia công Sai số này có thể xác định được bằng tính toán dựa vào dung sai của các chi tiết chủ yếu của đồ gá hoặc có thể dựa vào kích thước thực tế của các chi tiết đó khi chế tạo

Nhìn chung, tốc độ mòn của đồ gá cũng như của máy công cụ rất chậm, vì vậy sai số về hình học của đồ gá sẽ phản ảnh lên các chi tiết được gia công là như nhau

và mang tính hệ thống Ngoài ra, sai số do lắp ráp đồ gá lên máy cũng gây ra sai số gia công vì nó làm mất vị trí chính xác của đồ gá so với dụng cụ cắt

1.4.6 Ảnh hưởng của sai số của dụng cụ cắt

Độ chính xác chế tạo dụng cụ cắt, mức độ mài mòn của nó và sai số gá đặt trên máy đều ảnh hưởng đến độ chính xác gia công Khi gia công bằng các dụng cụ định kích thước (ví dụ như mũi khoan, mũi khoét, dao doa, dao chuốt v.v) thì sai số của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công.Khi gia công rãnh then bằng dao phay ngón, dao phay đĩa thì sai số đường kính và bề rộng của dao cũng

ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác chiều rộng của rãnh then

Sai số bước ren, góc nâng của ren, góc đỉnh ren, đường kính trung bình của

các lọai tarô và bàn ren đều phản ánh trực tiếp lên ren gia công

28

Khi gia công các mặt định hình bằng các dao định hình ( như dao tiện định hình, dao phay răng môđun) thì sai số prophin 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

1.4.7 Ảnh hưởng của biến dạng nhiệt của máy

Khi máy làm việc, các bộ phận khác nhau của nó bị nung nóng chủ yếu là do nhiệt ma sát, nhiệt phát ra từ động cơ và từ hệ thống thủy lực Nhiệt độ của các bộ phận khác nhau có thể chênh lệch trong khoảng 100 C ÷ 500 C , trong đó nhiệt độ ở hai ổ trục chính có giá trị lớn nhất và có ảnh hưởng lớn nhất đến độ chính xác gia công Nhiệt độ tăng lên làm cho tâm trục chính xê dịch theo cả hai phương ngang và đứng Do đó các chi tiết gia công ở đầu và cuối ca làm việc sẽ có các kích thước

khác nhau

1.4.8 Ảnh hưởng của biến dạng nhiệt của dụng cụ cắt

Khi cắt, nhiệt cắt truyền vào dao với tỷ lệ không lớn (10% ÷ 20%) Tuy nhiên, tỷ lệ nhiệt này cũng gây ra biến dạng đáng kể của dao cắt Sự giãn nở chiều

dài dao sẽ làm thay đổi vị trí dao đã được điều chỉnh và gây ra sai số gia công

1.4.9 Ảnh hưởng của biến dạng nhiệt của chi tiết

Một phần nhiệt ở vùng cắt được truyền vào chi tiết gia công, làm cho nó biến

dạng và gây ra sai số gia công Nếu chi tiết nung nóng đều thì chỉ gây ra sai số kích thước, còn nếu nó bị nung nóng cục bộ, không đều thì ngoài sai số kích thước còn

gây ra sai số hình dáng Nhiệt độ được truyền vào chi tiết phụ thuộc vào chế độ cắt

Ví dụ, khi tiện với tốc độ cắt và lượng chạy dao cao, có nghĩa là rút ngắn thời gian tác động nhiệt tới chi tiết gia công thì nhiệt độ giảm.Chẳng hạn, khi tăng tốc độ cắt

từ 30m/phút đến 150m/phút với chiều sâu cắt không đổi (3mm) và lượng chạy dao

0.44mm/vòng thì nhiệt độ của chi tiết giảm

29

1.4.10 Ảnh hưởng của rung động trong quá trình cắt

Rung động của hệ thống công nghệ trong quá trình cắt làm cho vị trí tương

đối giữa dao cắt và chi tiết gia công thay đổi theo chu kỳ, do đó ghi lại trên bề mặt chi tiết hình dáng không bằng phẳng Nếu sai số rung động thấp, biên độ lớn sẽ sinh

ra độ nhám bề mặt Ngoài ra, do rung động chiều sâu cắt, tiết diện phoi và lực cắt sẽ tăng, giảm theo chu kỳ làm ảnh hưởng đến độ chính xác gia công Rung động có hai loại: Rung động cưỡng bức và tự rung động

a) Rung động cưỡng bức:

Nguyên nhân gây ra rung động cưỡng bức là do các lực kích thích từ bên ngoài truyền vào Rung động cưỡng bức có thể có hoặc không có chu kỳ tùy theo

lực kích thích có hoặc không có chu kỳ Nguồn gốc sinh ra rung động cưỡng bức là:

- 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 người ta thường sử dụng các biện pháp sau đây:

- Nâng cao độ cứng của hệ thống công nghệ

- Giảm lực truyền động cần phải được gia công với độ chính xác cao

- Các chi tiết quay nhanh cần phải được cân bằng tốt

Để giảm tự rung người ta dùng các biện pháp sau đây:

- Không nên cắt lớp phoi quá rộng và quá mỏng

- Chọn cắt 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 của hệ thống công nghệ

- Sử dụng các cơ cấu giảm rung

1.4.11 Ảnh hưởng của phương pháp gá đặt

Để gia công được trên máy, chi tiết phải được định vị và kẹp chặt Hai quá trình này (định vị và kẹp chặt) được gọi là gá đặt Bản thân gá đặt này cũng sai số

và ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công

1.4.12 Ảnh hưởng của dụng cụ đo và phương pháp đo

Dụng cụ đo và phương pháp đo cũng gây ra sai số và ảnh hưởng đến độ chính xác gia công

Bản thân dụng cụ đo khi chế tạo cũng có sai số, do đó khi dùng nó để xác định

độ chính xác của chi tiết sẽ cho ta kết quả không chính xác

Ngoài ra phương pháp đo (gá chi tiết gia công lên dụng cụ đo hoặc đồ gá, sau

đó điều chỉnh chuỗi kích thước rồi thực hiện phép đo) cũng gây ra sai số và ảnh hưởng đến độ chính xác gia công

31

Để giảm bớt ảnh hưởng của đo lường đến độ chính xác gia công cần phải chọn dụng cụ đo và phương pháp đo hợp lý

1.5 Khả năng đạt độ chính xác của các phương pháp gia công cắt gọt

1.5.1 Các phương pháp cắt gọt sử dụng dụng cụ cắt có thông số hình học cố định

Hiện nay, việc gia công bằng phương pháp cắt gọt bằng dụng cụ cắt có lưỡi cắt

cố định vẫn chiếm một tỷ lệ lớn trong quá trình gia công chế tạo các sản phẩm cơ khí Đó là các phương pháp gia công như Tiện, Phay, Bào, Khoan, Khét, Doa v.v Mỗi phương pháp gia công cho một độ chính xác khác nhau nhưng nói chung là độ chính xác gia công của các phương pháp này vẫn thấp, đạt độ chính xác cao nhất khoảng cấp 7 [2], do các yếu tố sau:

- Tốc độ gia công thấp nên chất lượng bề mặt chi tiết chưa cao

- Do chiều sâu cắt tới hạn lớn (Lớn hơn 0,02mm)

- Thường gia công các vật liệu chưa qua nhiệt luyện nên chất lượng bề mặt gia công thấp

Do đó, trong các quá trình gia công đòi hỏi độ chính xác cao thì các quá trình trên vẫn chưa đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật đã đề ra mà chỉ đóng vai trò là các nguyên công gia công thô hoặc gia công trước nhiệt luyện, chuẩn bị cho quá trình gia công có độ chính xác cao hơn như Mài, Nghiền, Khôn v.v

1.5.2 Mài và các phương pháp gia công sử dụng hạt mài

Mài và các phương pháp gia công bằng vật liệu hạt mài như Nghiền, Khôn, Mài siêu tinh xác là các phương pháp gia công tinh cho độ chính xác gia công cao Bằng phương pháp mài, có thể gia công đwợc chi tiết đạt độ chính xác cấp 6-7, độ bóng ∇8-∇10, do đó có thể sử dụng cho gia công lần cuối Với các phương pháp gia công khác còn có thể đạt độ chính xác cao hơn nữa Do vậy đây là các phương pháp được sử dụng chủ yếu để gia công các chi tiết đạt độ chính xác cao và rất cao Sở dĩ các phương pháp gia công này đạt độ chính xác gia công cao vì một số nguyên nhân sau:

32

- Chiều sâu cắt trong các nguyên công này rất nhỏ Chiều sâu cắt khi mài

từ 2-20 μm, khi nghiền và khôn còn nhỏ hơn nữa

- Tốc độ cắt rất lớn (khi mài) hoặc rất bé (khi nghiền, khôn)

1.5.3 Các phương pháp gia công truyền thống có sử dụng máy CNC và dụng

cụ cắt tiên tiến

Độ chính xác gia công phụ thuộc nhiều vào máy công cụ được sử dụng để gia công chi tiết Ngày nay, với sự ra đời của các máy CNC, độ chính xác gia công cơ khí đã được tăng lên đáng kể, đặc biệt khi gia công bằng các dụng cụ cắt vật liệu mới có tính năng sử dụng tốt hơn Đó là do:

- Máy CNC có độ chính xác rất cao Độ chính xác của các máy CNC cao hơn rất nhiều sơ với các máy công cụ truyền thống Sai số dịch chuyển chạy dao trong máy CNC là 1μm với các máy Trung tâm gia công (Machinning Center) và 0,1μm

cho các Trung tâm mài (Grinding Center)

- Có thể cắt với tốc độ cắt cao hơn nhiều so với máy truyền thống Hiện nay, các máy CNC đã có tốc độ trục chính lên tới 30.000v/ph Với tốc độ trục chính cao như vậy, có thể gia công cát gọt kim loại với tốc độ cao, điều này làm cho chất lượng bề mặt cao hơn qua đó góp phần làm tăng độ chính xác gia công

1.5.4 Các phương pháp gia công tiên tiến: Công nghệ Na-nô

Với các phương pháp gia công truyền thống đã nêu trên, việc nâng cao độ chính xác gia công đã được nghiên cứu và đã đạt được nhiều kết quả đáng kể Tuy nhiên, các phương pháp công nghệ trên chỉ mới dừng lại ở giới hạn kích thước là Micromet (10-6mm) Hiện nay, để nâng cao độ chính xác gia công và thu gọn kích thước của sản phẩm, công nghệ Na-no đã và đang được nghiên cứu và phát triển Với việc giới hạn kích thước nghiên cứu đạt tới 10-9mm, chiều sâu cắt đạt tới

10-9mm, công nghệ Na-no đã và đang là hướng nghiên cứu mới để nâng cao độ chính xác gia công trong tương lai

33

1.6 Mỗi liên hệ giữa độ nhám và độ chính xác kích thước.

Độ nhám có liên quan với dung sai kích thước và dung sai hình dạng bề mặt Khi dung sai kích thước và dung sai hình dạng nhỏ thì yêu cầu về nhám bề mặt phải chặt chẽ Song có thể quy định các yêu cầu nhám bề mặt chặt chẽ trong khi độ chính xác về kích thước và hình dạng thấp Nhám bề mặt có thể gây ra sai số phụ về kích thước và hình dạng trong quá trình lắp ghép và sử dụng sản phẩm do các nhấp nhô

tế vi bị san phẳng trong quá trình lắp ghép hoặc chịu tải, hoặc bị mòn nhanh chóng trong chuyển động tương đối giữa các bề mặt đối tiếp Do đó đối với mỗi dung sai kích thước và hình dạng của bề mặt cần quy định các yêu cầu tối thiểu về nhám Quan hệ giữa dung sai kích thước và hình dạng và chiều cao nhám , hoặc có thể quy định như sau:

a

Khi dung sai hình dạng bằng 60% dung sai kích thước T:

hoặc 0,05

34

nhấp nhô tế vi của bề mặt gia công được đo bằng chiều cao (Rz) và sai lệch profin trung bình cộng (Ra) của lớp bề mặt

Chiều cao nhấp nhô (Rz) là trị số trung bình của 5 khoảng cách từ 5 đỉnh cao nhất đến 5 đáy thấp nhất của nhấp nhô bề mặt tế vi tính trong phạm vi chiều dài chuẩn L

Hình 2.1 Sơ đồ xác định độ nhấp nhô tế vi của bề mặt chi tiết

Trị số R z được xỏc định như sau:

5

5

10 9 8

7 6

5 4

3 2

1

10 8 6 4 2 9

7 5 3 1

)(

)(

)(

)(

)

(

)(

)(

h h h

h h

h h

h h

h

h h h h h h

h h h

h

R z

−+

−+

−+

−+

−

=

++++

−++++

a

35

R hoặc Trị số cho khi yêu cầu độ nhám bề mặt cần đạt từ cấp 6 đến cấp

12 ( = 2,5 ÷ 0.04 μm) Trị số được ghi trên bản vẽ nếu yêu cầu độ nhẵn bề mặt cần đạt trong phạm vi từ cấp 1 đến cấp 5 là ( = 320 ÷ 20 μm), hoặc từ cấp 13 đến cấp 14 là ( = 0,08 ÷ 0.05 μm) Trong thực tế sản xuất nhiều khi người ta đánh giá

độ nhám bề mặt chi tiết máy theo các mức độ: Thô, bán tinh, tinh và siêu tinh

0,08

36

1.6.2 Ảnh hưởng của độ nhám tới khả năng làm việc của chi tiết máy

Độ nhám bề mặt có ảnh hưởng nhiều đến khả năng làm việc của chi tiết máy, đến mối lắp ghép của chúng trong kết cấu tổng thể của máy Ở đây ta chỉ khảo sát một số ảnh hưởng cơ bản của độ nhám bề mặt đối với khả năng làm việc của chi tiết máy (tính chống mòn, độ bền mỏi, tính chống ăn mòn hóa học, độ chính xác của các mối lắp ghép)

cả giới hạn bền của vật liệu áp suất đó làm cho các điểm tiếp xúc bị nén đàn hồi và làm biến dạng dẻo các nhấp nhô, đó là biến dạng tiếp xúc Biến dạng tiếp xúc có thể tính theo công thức thực nghiệm như sau:

2

mm

N /

37

cơ sở ma sát ở bề mặt tiếp xúc, thường trải qua ba giai đoạn: mòn ban đầu, mòn bình thường, mòn kịch liệt

Ở hình 2.2 biểu thị mối quan hệ giữa lượng mòn và thời gian sử dụng của một cặp chi tiết ma sát với nhau tùy theo độ nhám bề mặt ban đầu Độ nhám bề mặt ban đầu phụ thuộc phương pháp gia công Các đường đặc trưng a, b,c ứng với ba độ nhám ban đầu khác nhau của các bề mặt tiếp xúc ở đây giai đoạn mòn ban đầu là khoảng thời gian từ 0 đến ; từ 0 đến ; từ 0 đến Giai đoạn mòn bình thường của cặp chi tiết, tùy theo độ nhám bề mặt ban đầu, ứng với khoảng thời gian từ đến , đến , đến Giai đoạn mòn kịch liệt của cặp chi tiết ứng với khoảng thời gian từ , , trở đi ở đường đặc trưng c, cặp chi tiết có độ nhẵn bóng bề mặt ban đầu kém nhất nên giai đoạn mòn ban đầu xảy ra nhanh nhất, nghĩa

là xét về thời gian thì < < , như vậy cường độ mòn của cặp chi tiết này là lớn nhất ở giai đoạn mòn ban đầu Tuổi thọ của cặp chi tiết có độ nhẵn bóng bề mặt kém nhất ứng với giai đoạn mòn bình thường cũng ngắn nhất, nghĩa là < <

T

3 2 1

c

Hình 2.2 Quá trình mài mòn của một cặp chi tiết ma sát (tiếp xúc) với nhau

38