Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt (v,s,t) đến nhấp nhô bề mặt khi tiện vật liệu c45 trên máy tiện CNC bằng dao thép gió sản xuất tại việt nam

hmin: chiều dày phoi min mm hi : chiều cao nhấp nhô tế vi m  : góc trượt phoi Lực cắt và thông số khác Px: lực chiều trục khi tiện Kg Py: lực hướng kính khi tiện Kg Pz lực tiếp tuyến k

i

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Mạnh Hùng - Mã số: CB120264;

Học viên cao học lớp: 12B CTM;

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí;

Viện Cơ khí - Đại học Bách Khoa Hà Nội

Sau hai năm học tập nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc

biệt là sự giúp đỡ của PGS.TS Trần Thế Lục, thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp của

tôi, tôi đã đi đến cuối chặng đường để kết thúc khóa học

Tôi đã quyết định chon đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt (V,S,t) đến nhấp nhô bề mặt khi tiện vật liệu C45 trên máy tiện CNC bằng dao thép gió sản xuất tại Việt nam”

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng

dẫn của PGS.TS Trần Thế Lục, các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc xuất xứ rõ

ràng, không sao chép dưới mọi hình thức Nếu có vấn đề gì trong nội dung luận văn tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Người cam đoan

Nguyễn Mạnh Hùng

ii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CẮT 3

1.1 Tổng quan về các công trình nghiên cứu xác lập quan hệ giữa độ nhám bề mặt với thông số công nghệ 3

1.2 Các loại vật liệu dụng cụ thường dùng trong ngành chế tạo máy 4

1.2.1 Thép cacbon dụng cụ 4

1 2.2 Thép hợp kim dụng cụ 4

1 2.3 Thép gió 4

1 2.4 Hợp kim cứng 8

1 2.5 Vật liệu sứ 8

1.2.6 Vật liệu tổng hợp 9

1.3 Cơ sở vật lý quá trình cắt kim loại 9

1.3.1 Quá trình cắt và tạo phoi 9

1.3.2 Các dạng phoi 10

1.3.3 Nhiệt cắt 11

1.3.4 Sự co rút phoi và các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số co rút phoi 16

1.4 Kết luận chương 1 24

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT GIA CÔNG CƠ KHÍ 25 2.1 Khái niệm về độ nhám bề mặt 25

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt 27

2.2.1 Ảnh hưởng của thông số hình học dụng cụ cắt và chế độ cắt tới độ nhám bề mặt 27

2.2.2 Các yếu tố phụ thuộc biến dạng dẻo lớp bề mặt 29

2.2.3 Ảnh hưởng do rung động của hệ thống công nghệ đến chất lượng của bề mặt gia công 31

2.3 Ảnh hưởng của nhám bề mặt tới khả năng làm việc của chi tiết máy 32

2.3.1 Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt đến tính chống mòn 32

2.3.2 Ảnh hưởng của nhám bề mặt đến độ bền mỏi của chi tiết máy 34

2.3.3 Ảnh hưởng của nhám bề mặt tới tính chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt chi tiết 35

2.3.4: Ảnh hưởng của nhám bề mặt đến độ chính xác mối lắp ghép 36

2.4 Kết luận chương 2……….…37

Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN ĐỘ NHẤP NHÔ BỀ MẶT CHI TIẾT SAU GIA CÔNG 38

3.1 Thiết bị thực nghiệm 38

3.1.1 Máy tiện CNC CK6240ZX 38

iii

3.1.2 Máy đo độ nhám Mitutoyo, ký hiệu 178-954-3E 39

3.1.3 Vật liệu làm dao 41

3.1.4.Vật liệu gia công 41

3.2 Thiết kế thí nghiệm 42

3.3 Mô hình toán học xác định mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt với chế độ cắt 43

3.4 Tiến hành thực nghiệm 45

3.4.1 Kiểm tra tính đồng nhất của thí nghiệm cần xác định tỷ số giữa phương sai lớn nhất và tổng phương sai 45

3.4.2 Tính các hệ số của phương pháp hồi quy 46

3.4.3 Xây dựng đồ thị : 49

3.5 Kết luận chương 3 51

Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52

4.1 Kết luận 52

4.2 Kiến nghị 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

PHỤ LỤC 55

MỘT SỐ HÌNH ẢNH MÔ TẢ QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM 55

hmin: chiều dày phoi min (mm)

hi : chiều cao nhấp nhô tế vi (m)

 : góc trượt phoi

Lực cắt và thông số khác

Px: lực chiều trục khi tiện (Kg)

Py: lực hướng kính khi tiện (Kg)

Pz lực tiếp tuyến khi tiện (Kg)

kf: mức độ biến dạng phoi

kbd: mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi

kms: mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt sau của dao K: hệ số co rút phoi

Ra, Rz: độ nhám bề mặt (m)

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của một số loại thép gió (%) 5

Bảng 1.2 Công dụng của thép gió theo ký hiệu ISO và một số nước tương ứng 7

Bảng 1.3 Giá trị của hệ số co rút phoi 17

Bảng 2.1: Các giá trị Ra, Rz và chiều dài chuẩn l ứng với các cấp độ nhám bề mặt 27

Bảng 3.1 Thông số máy tiện CNC CK6240ZX 39

Bảng 3.2 Thông số máy đo độ nhám 40

Bảng 3.3 Thành phần hóa học dao cắt 41

Bảng 3.4 Thông số hình học dao cắt 41

Bảng 3.5 Thành phần hóa học thép C45 41

Bảng 3.6 Bảng tính toán các thông số công nghệ 42

Bảng 3.7.Kết quả đo độ nhám với mẫu thực nghiệm thép C45 45

Bảng 3.8 Bảng kiểm tra tính đồng nhất của thực nghiệm thép C45 45

Bảng 3.9 Hệ số của phương trình hồi quy mẫu thép C45 46

Bảng 3.10 Giá trị hàm số của vật liệu C45 48

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Hình 1.1 Sơ đồ tôi và ram thép gió 6

Hình 1.2 Sơ đồ hóa miền tạo phoi 10

Hình 1.3 Các dạng phoi 10

Hình 1.4 Các vùng sinh nhiệt……… 12

Hình 1.5 Ảnh hưởng của tốc độ cắt v đến θ 0C 13

Hình 1.6 Ảnh hưởng của chiều dày cắt a đến nhiệt cắt 14

Hình 1.7 Ảnh hưởng của chiều rộng cắt b đến nhiệt cắt 14

Hình 1.8 Ảnh hưởng của góc cắt δ đến nhiệt cắt 15

Hình 1.9 Ảnh hưởng của góc  đến nhiệt cắt , v= 100 m/ph, S= 0,5 mm/vòng 15

Hình 1.10 Sơ đồ tính toán sự co rút phoi 18

Hình 1.11 a) Ảnh hưởng của góc φ đến hệ số co rút phoi 18

Hình 1.11 b) Phương thoát phoi khi lưỡi cắt cong 19

Hình 1.12 Quan hệ giữa chế độ cắt và hệ số co rút phoi 20

Hình 1.13 Dạng lẹo dao 21

Hình 1.14 Quan hệ giữa tốc độ cắt và chiều cao lẹo dao 22

Hình 1.15 Quan hệ giữa độ dẻo của vật liệu gia công với chiều cao lẹo dao 23

Hình 1.16 Quan hệ giữa chiều dày cắt và với tốc độ hình thành và chiều cao lẹo dao 23

Hình 1.17 Điều kiện hình thành lẹo dao 24

Hình 2.1 Độ nhám bề mặt 25

Hình 2.2 Quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô tế vi và lượng tiến dao khi tiện 28

Hình 2.3 Biểu thị ảnh hưởng của hình dạng hình học và chế độ cắt tới độ nhám bề mặt khi tiện 29

Hình 2.4 Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến chiều cao nhấp nhô tế vi Rz 30

Hình 2.5 Ảnh hưởng của lượng chạy dao s đối với chiều cao nhấp nhô tế vi Rz 31

Hình 2.6 Quá trình mài mòn của một cặp chi tiết ma sát(tiếp xúc) với nhau 33

Hình 2.7 Quan hệ giữa lượng mòn ban đầu (U) và sai lệch profin trung bình Ra 34

Hình 2.8 Quá trình ăn mòn hóa học trên lớp bề mặt chi tiết máy 35

Hình 3.1 Mô hình máy tiện CNC 38

Hình 3.2 Máy đo độ nhám Mitutoyo, ký hiệu 178-954-3E 40

viii

Hình 3.3 Dao tiện vai xén phải, phần cắt được làm bằng thép gió 41Hình 3.4 Bản vẽ chi tiết gia công, thép C45 42Hình 3.5 Đồ thị quan hệ giữa Ra – V – t khi gia công thép C45 bằng dao thép gió 49Hình 3.6 Đồ thị quan hệ giữa Ra – S – V khi gia công thép C45 bằng dao thép gió 50Hình 3.7 Đồ thị quan hệ giữa Ra – S – t khi gia công thép C45 bằng dao thép gió 50

1

PHẦN MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Chất lượng bề mặt trong gia công là một trong những yêu cầu kỹ thuật quan trọng của ngành gia công cơ khí và gắn với sự phát triển của khoa học công nghệ

Khi công nghệ càng phát triển thì chất lượng bề mặt càng được coi là yếu tố chủ chốt của công nghệ gia công Chính lẽ đó mà ngay nay, các thiết bị đo hiện đại lần lượt ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu về kiểm tra chất lượng bề mặt chi tiết sau gia công

Chất lượng bề mặt gia công là một hàm đa biến của các yếu tố công nghệ (chế độ cắt, thông số hình học dụng cụ, vật liệu ) vì vậy nghiên cứu chất lượng bề mặt là nghiên cứu các yếu tố liên quan ảnh hưởng trực tiếp tới chúng

Chính vì tính cấp thiết của yếu tố này nên tôi chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh

hưởng của chế độ cắt (V,S,t) đến nhấp nhô bề mặt khi tiện vật liệu C45 trên máy tiện CNC bằng dao thép gió sản xuất tại Việt Nam” làm đề tài nghiên cứu

II Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở khoa học về ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến

độ nhám bề mặt sau khi gia công

- Thông qua nghiên cứu thực nghiệm gia công vật liệu thép C45 bằng dao thép gió sản xuất tại việt nam trên máy Tiện CNC để tìm ra mối quan hệ toán học giữa độ nhám bề mặt với các yếu tố của chế độ cắt (V,S,t) và để kiểm định tính đúng đắn của lý thuyết

III Nội dung nghiên cứu

Xuất phát từ đề tài nghiên cứu, luận văn này có nội dung như sau:

- Nghiên cứu lý thuyết về chế độ cắt và ảnh hưởng của chế độ cắt tới chất

lượng bề mặt

- Tổng quan về các nghiên cứu độ nhám bề mặt

- Nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của các chế độ cắt (V, S, t) đến độ nhám bề mặt cuả chi tiết gia công

- Ghi chép kết quả, phân tích, tổng hợp, đưa ra mối liên hệ giữa chế độ cắt và

độ nhấp nhô bề mặt

2

IV Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu là tìm hiểu sự ảnh hưởng của chế độ cắt đối với độ nhám bề mặt (Chiều cao nhấp nhô bề mặt) Việc nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành với các điều kiện sau:

- Máy thực nghiệm: Máy tiện CNC CK6240ZX

- Vật liệu gia công là Thép C45

- Vật liệu làm dao là thép gió sản xuất tại Việt Nam

- Đối tượng gia công là mặt trụ ngoài

- Thiết bị đo độ nhấp nhô tế vi bề mặt của hãng Mitutoyo, ký hiệu 4E

178–954-V Phương pháp nghiên cứu

Dùng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

- Nghiên cứu lý thuyết để tìm hiểu mối quan hệ giữa các yếu tố chế độ cắt với độ nhám bề mặt gia công

- Nghiên cứu thực nghiệm ở các chế độ cắt (v, s, t) độc lập khác nhau, lần lượt thay đổi từng thông số chế độ cắt

- Ghi chép kết quả, phân tích, tổng hợp, đưa ra mối liên hệ giữa chế độ cắt và

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CẮT

1.1 Tổng quan về các công trình nghiên cứu xác lập quan hệ giữa độ nhám bề mặt với thông số công nghệ

Xác lập mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt (đầu ra) với thông số công nghệ (đầu vào), trên thế giới đã được nghiên cứu từ rất lâu, nhưng các kết quả thực sự của các công trình nghiên cứu này được người ta bảo mật với mục đích thương mại, các công bố, báo cáo khoa học được đăng tải chỉ đưa ra các kết quả ngiên cứu mang tính định hướng Thực ra những điều đó không có gì khó hiểu bởi vì đa số các Viện nghiên cứu thực hiện các đề tài nghiên cứu khoa học theo đơn đặt hàng của các tập đoàn công nghiệp với tính thương mại hóa

Mục đích chính của công trình nghiên cứu này là tìm ra công thức tổng quát

mối quan hệ giữa độ nhám (R a ) với các thông số công nghệ ( v, s, t ) thông qua các

phương pháp thực nghiệm, khi gia công vật liệu thép C45 bằng dao thép gió sản

xuất tại Việt Nam

Điểm chung của các công trình nghiên cứu này là các nhà nghiên cứu khoa học đều đưa ra được mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt với các thông số công nghệ thông qua phương trình:

Theo Lyre ta có quan hệ giữa độ nhám với các thông số công nghệ như sau :

Ra= CR.sa.vp.tz [ 9 ] Trong những đề tài nghiên cứu gần đây, có rất nhiều đề tài trực tiếp nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt, điều đó chứng tỏ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công là rất quan trọng

Hầu hết các công trình nghiên cứu đều đi đến kết luận:

- Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào tính chất hình học dụng cụ cắt và chế độ cắt

- Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào biến dạng dẻo của lớp bề mặt

- Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào độ cứng vững hệ thống công nghệ

Từ những đánh giá như trên, dự định đề tài nghiên cứu này sẽ chú trọng giải quyết các vấn đề sau đây:

4

- Tổng quan về quá trình cắt, chất lượng lớp bề mặt và ảnh hưởng của các yếu

tố đến chất lượng bề mặt chi tiết máy sau gia công

- Độ nhám bề mặt và ảnh hưởng của nó tới khả năng làm việc của chi tiết máy

- Thực nghiệm và kiểm tra kết quả thực nghiệm

- Quy hoạch thực nghiệm, sử lý số liệu để tìm ra mối quan hệ

1.2 Các loại vật liệu dụng cụ thường dùng trong ngành chế tạo máy

Hiện nay, vật liệu phần cắt dụng cụ được sử dụng gồm các loại sau: thép cacbon dụng cụ, thép hợp kim dụng cụ, thép gió, hợp kim cứng, vật liệu sành sứ, vật liệu tổng hợp và vật liệu mài

1.2.1 Thép cacbon dụng cụ

Thép cacbon dụng cụ phải có đủ độ cứng, tính chịu nhiệt và chịu mài mòn nên lượng cacbon trong thép không nhỏ hơn 0,7%, thường tử 0,7 ÷ 1,3% và hàm lượng P, S thấp (P < 0,035%, S < 0,025%) Độ cứng sau khi tôi và ram đạt 60 ÷ 62 HRC Sau khi ủ độ cứng khoảng 107 ÷ 217 HB nên dễ gia công bằng cắt gọt và gia công bằng áp lực

Nhiệt độ làm việc khoảng 2000C ÷ 2500C , vận tốc cắt tối đa 25 m/phút

Thép cacbon dụng cụ có độ thấm tôi thấp nên được tôi trong nước Vì vậy nó thường được dùng làm các dụng cụ gia công bằng tay như dũa, đục,…

1 2.2 Thép hợp kim dụng cụ

Thép hợp kim dụng cụ là loại thép có hàm lượng cacbon cao và với một số nguyên tố hợp kim khoảng 0,5 ÷ 3%

Các nguyên tố hợp kim Cr, W, Co, V có tác dụng tăng khả năng chịu nhiệt

và tính thấm tôi của thép hợp kim dụng cụ Nó được tôi trong dầu và chịu được nhiệt độ đến 3000C ÷ 4000C

Các loại thép hợp kim dụng cụ hiện nay được dùng chủ yếu để chế tạo các loại dụng cụ cầm tay và gia công ở tốc độ thấp v < 25 m/phút

1 2.3 Thép gió

Thép gió là loại thép hợp kim có hàm lượng vonfram rất cao Ngoài ra còn

có các thành phần hợp kim khác như vanadi, coban, crom để tạo nên thép gió với những tính năng đặc biệt

5

Thép gió là loại vật liệu dụng cụ được dùng rộng rãi Thép gió có thể cắt với tốc độ gấp 2 ÷ 4 lần các loại thép cacbon dụng cụ và hợp kim dụng cụ Thép gió làm việc được ở nhiệt độ 550 ÷ 6500C , vận tốc cắt đạt từ 20 m/phút ÷ 50 m/phút Thành phần vonfram là nguyên tố hợp kim quan trọng nhất trong thép gió Cùng với crom, vanadi chúng tạo thành với cacbon những cacbit hợp kim phức tạp Các cacbit này có đặc điểm là nâng cao tính chịu nhiệt của thép gió

Tác dụng chủ yếu của Cr là tăng độ thấm tôi, vanadi tạo thành cacbit vanadi

có độ cứng cao, tính chịu mòn cao Coban không tạo thành cacbit mà hòa tan vào sắt Khi thép gió có hàm lượng coban > 5% thì nhiệt độ làm việc của thép gió được nâng cao

Mn < 0,4%, Si < 0,4%, Mo < 0,5%, Ni < 0,4%, P < 0,03%, S < 0,03%

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của một số loại thép gió (%) [ 1 ] Ngoài ra, chất lượng thép gió phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt luyện Vì vậy khi nhiệt luyện thép gió cần chú ý một số điểm sau :

- Không nung nóng thép gió đột ngột đến nhiệt độ cao (nhiệt độ tôi bằng

13000C) mà phải tăng nhiệt dần dần từ 6500C , vì thép gió có độ dẫn nhiệt kém

Hình 1.1 Sơ đồ tôi và ram thép gió [ 1 ]

- Phạm vi sử dụng thép gió được trình bày trong bảng 1.2

Ký hiệu các loại thép gió thông dụng

Phạm vi sử dụng ISO TCVN

(Vịêt Nam)

JIS (Nhật)

AISI (Mỹ)

OCT (Nga)

1.3353 80W18Cr4V SKH2 T1 P18

Dùng cho tất cả các loại dụng cụ cắt để gia công thép cacbon, thép hợp kim

Dùng để chế tạo các loại dụng cụ đơn giản, gia công các loại thép kết cấu 1.3343 85W6Mo5Cr SKH51 M2 P6M5 Dùng như loại trên,

7

các loiaj dụng cụ cắt ren và dụng cụ cắt chịu va đập

SG-5-3 M3 PGM53

Dùng chế tạo các dụng cụ gia công tinh (dao tiện định hình, mũi doa, dao chuốt, dao phay), gia công các loại thép kết cấu hợp kim và không hợp kim

Dùng chế tạo các dụng cụ gia công tinh, gia công các loại thép ostenit dẻo

M4 P18K52

Dùng chế tạo các dụng cụ gia công thô

và bán tinh khi cắt các loại thép và hợp kim nóng, không rỉ

và sức bền cao

Dùng chế tạo các dụng cụ gia công thô

và bán tinh, gia công các loại thép không

rỉ, thép hợp kim Bảng 1.2 Công dụng của thép gió theo ký hiệu ISO và một số nước tương ứng

8

1 2.4 Hợp kim cứng

Hợp kim cứng là loại vật liệu dụng cụ được chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột (hợp kim bột) nghĩa là loại hợp kim không qua nấu chảy Hợp kim cứng được chế tạo từ các loại cacbit hợp kim và bột hợp kim Các loại bột được trộn theo các tỷ lệ, sau đó được ép thành các dạng khác nhau và thiêu kết Hiện nay HKC được dùng nhiều và phổ biến trong công nghiệp

So với các loại vật liệu dụng cụ thông thường thì HKC là loại vật liệu có độ cứng cao (80 ÷ 90 HRA) và chịu được nhiệt độ cao ( 800 ÷ 10000C) Do đó dụng cụ cắt bằng HKC có thể cắt đến tốc độ Vc > 100m/ph

Thành phần chủ yếu của các loại HKC là các loại bột mịn: cacbit vonfram (WC), cacbit titan (TiC), cacbit tantan (TaC) và thành phần coban (Co) làm nhiệm

vụ liên kết

Độ cứng của HKC phụ thuộc vào lượng cacbit TiC, TaC và coban Coban càng nhiều thì độ cứng càng giảm, độ bền và tính dẻo càng lớn TiC, TaC càng nhiều thì độ cứng càng cao

Hợp kim cứng được chế tạo thành các dạng theo tiêu chuẩn (các mảnh HKC) Các mảnh đó được hàn hoặc kẹp lên thân dụng cụ tiêu chuẩn Ngày nay các mảnh HKC được phủ lên một lớp mỏng vài micromet ( µm) bằng các loại cacbit cứng như TiC, TiC/TiN (cacbit titan, nitrit titan ) Các lớp phủ làm tăng độ cứng, tính chịu mài mòn và tính chịu nhiệt của HKC ( độ cứng > 90 HRA, chịu được nhiệt độ khoảng 10000C , ứng với tốc độ cắt Vc > 300 m/ph )

1 2.5 Vật liệu sứ

Vật liệu sứ đã được nghiên cứu từ những năm 1930 và phát triển sau những năm 1950 Quá trình chế tạo giống như HKC Đất sét kỹ thuật ( oxit nhôm AL2O3 ) được nung nóng đến nhiệt độ khoảng 1400 ÷ 16000C Sau đó nghiền nhỏ thành bột mịn Bột mịn AL2O3 được ép thành các mảnh dao tiêu chuẩn và được thiêu kết

Đặc tính chủ yếu của các loại vật liệu sứ là:

- Độ cứng và tính dòn cao do đó tính chịu mòn cao, tính chịu nhiệt cao được dùng cắt ở tốc độ cao

Các loại vật liệu tổng hợp dùng làm vật liệu dụng cụ là kim cương và nitrit

Bo Các loại vật liệu này thường được gọi là vật liệu siêu cứng: Độ cứng Vicker lớn hơn 50000 N/mm2 ( tức lớn hơn 50 GPa )

Kim cương tự nhiên HVm ≈ 100 GPa

Kim cương tổng hợp HVm ≈ 90 ÷ 100 GPa

Kim cương tự nhiên và kim cương tổng hợp được sử dụng cho các dụng cụ gia công tinh để gia công các bề mặt chất lượng cao ( độ bóng và độ chính xác cao ) như dao tiện kim cương, bút sửa đá mài, …

Kim cương nhân tạo được tổng hợp từ graphit ở áp suất và nhiệt độ cao ( khoảng 100000 atm và 25000C )

Đối với loại vật liệu dụng cụ nền là nitrit Bo có độ cứng thấp hơn kim cương một ít nhưng sức bền nhiệt cao ( khoảng 1200 ÷ 14000C ) Vật liệu dụng cụ nitrit Bo được dùng để gia công các loại thép tôi với năng suất cao hơn các loại vật liệu dụng

cụ khác

1.3 Cơ sở vật lý quá trình cắt kim loại

1.3.1 Quá trình cắt và tạo phoi

Khi cắt, để có thể tạo ra phoi, lực tác dụng vào dao cần phải đủ lớn để tạo ra trong kim loại bị cắt một ứng suất lớn hơn sức bền của vật liệu bị gia công

Hình dạng, độ cứng, mức độ biến dạng và cấu tạo phoi chứng tỏ rằng lớp kim loại biến thành phoi chịu một ứng suất như vậy

Việc nghiên cứu quá trình tạo phoi có một ý nghĩa rất quan trọng vì trị số của công cắt, độ mòn của dao và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc lớn vào quá trình tạo phoi

Hình 1.2 Sơ đồ hóa miền tạo phoi [ 4 ]

Khi cắt do tác dụng của lực P ( hình 1.2.a ), dao bắt đầu nén vật liệu gia công theo mặt trước Khi dao tiếp tục chuyển động trong vật liệu gia công phát sinh biến dạng đàn hồi, biến dạng này nhanh chóng chuyển sang biến dạng dẻo và một lớp phoi - có chiều dày aP - được hình thành từ lớp kim loại bị cắt có chiều dày a, di chuyển dọc theo mặt trước của dao Có thể nói, quá trình cắt là quá trình nén dẻo kim loại rồi đứt ra tạo thành phoi

1.3.2 Các dạng phoi

Tùy theo vật liệu gia công, thông số hình học của dao và chế độ cắt, phoi cắt

ra có thể có nhiều hình dạng khác nhau

a) Phoi xếp; b) Phoi dây c) Phoi vụn

Hình 1.3 Các dạng phoi

11

1.3.2.1 Phoi xếp

Phoi thu được khi gia công vật liệu dẻo ( thép, đồng thau, …) ở tốc độ cắt thấp, chiều dày cắt lớn và góc cắt của dao có giá trị tương đối lớn Phoi kéo dài thành từng đoạn ngắn mặt đối diện với mặt trước của dao rất bóng, mặt kia có nhiều gợn nẻ Nhìn chung phoi có dạng từng đốt xếp lại ( hình 1.3.a )

Phoi xếp chịu biến dạng rất lớn, do đó vật liệu gia công bị mất tính dẻo và được hóa bền đến mức là các phần tử của phoi đều bị trượt theo mặt OF Phoi xếp thu được khi gia công thép có độ cứng cao hơn độ cứng của vật liệu gia công từ 2 đến 3 lần Điều đó chứng tỏ vật liệu bị hóa bền ở mức độ cao

1.3.2.2 Phoi dây

Phoi thu được khi gia công vật liệu dẻo với tốc độ cắt cao, chiều dày nhỏ Phoi kéo dài liên tục, mặt kề với mặt trước của dao rất bóng, còn mặt đối diện hơi gợn ( hình 1.3.b ) ở phoi dây ta khó quan sát mặt trượt như phoi xếp Điều đó chứng tỏ mức độ biến dạng dẻo khi tạo thành phoi dây ít hơn khi hình thành phoi xếp

1.3.2.3 Phoi vụn

Khi gia công vật liệu giòn ( gang, đồng thau cứng, …) ở tốc độ cắt thấp ta thường thu được loại phoi này Khi cắt rap hoi vụn , rung động quá trình cắt lớn, chất lượng bề mặt gia công giảm

1.3.3 Nhiệt cắt

1.3.3.1 Nhiệt lượng sinh ra khi cắt

Nhiệt lượng Q sinh ra trong quá trình cắt là do kết quả của :

- Công ma sát trong giữa các phần tử của vật liệu trong quá trình biến dạng (Nhiệt biến dạn Qbd)

- Công giữa ma sát ngoài giữa phôi và mặt trước của dao: Qmst

- Công ma sát ngoài giữa chi tiết và mặt sau của dao : Qmss

Do phương trình cân bằng nhiệt:

Q = Qbd + Qmst + Qmss

Nếu cho rằng toàn bộ công cơ học khi cắt biến thành nhiệt thì có thể viết :

12

.v (kcalo/ ph)

E – đương lượng nhiệt , E = 427

Trong thực tế không phải toàn bộ công tiêu hao trong quá trình cắt biến thành nhiệt, nhưng trong tính toán thông thường có thể bỏ qua

Trong quá trình cắt có thể giả thiết rằng nhiệt cắt sinh ra tại các vùng sau :

- Vùng I : các lớp kim loại trượt và tạo thành phoi Vùng các lớp kim loại bị biến dạng dẻo lớn và trượt đứt theo mặt đó : Qbd

- Vùng II : vùng tiếp xúc giữa phoi và mặt trước của dao - Qmst

- Vùng III : vùng tiếp xúc giữa mặt sau của dụng cụ và chi tiết gia công - Qmss

Mỗi nguồn sinh nhiệt có một phạm vi xác định nhất định Phần lớn nhiệt lượng sinh ra do biến dạng truyền vào phoi, một phần nhỏ truyền sang chi tiết gia công Nhiệt lượng sinh ra ở vùng ma sát giữa mặt trước của dụng cụ và phoi phần lớn truyền vào phoi, một phần nhỏ truyền vào dụng cụ (3 ÷ 5%) Nhiệt lượng sunh

ra do ma sát với mặt sau của dao được truyền vào chi tiết và dao

Lượng nhiệt sinh ra ở 3 vùng sinh nhiệt được truyền vào phoi Qf , truyền vào chi tiết Q ct , truyền vào dao Qd và một phần nhỏ truyền vào không khí Qkk Từ đó ta có thể viết phương trình cân bằng nhiệt khi cắt :

Qbd + Qmst + Qmss = Qf + Q ct + Qd + Qkk [ 7 ]

Hình 1.4 Các vùng sinh nhiệt [ 7 ]

13

[ 7 ]

Lượng nhiệt truyền vào phoi, chi tiết và dao trong quá trình cắt luôn thay đổi phụ thuộc vào điều kiện gia công, chế độ cắt, …

1.3.3.2 Nhiệt độ khi cắt

Nhiệt cắt θoC là nhiệt lượng sinh ra khi làm nung nóng các bộ phận ở vùng cắt (phoi, chi tiết, dao)

Nhiệt cắt θoC do nhiệt lượng gây ra, đồng thời phụ thuộc vào thể tích của vật thể chứa nhiệt và khả năng truyền nhiệt của chúng Trong quá trình cắt nhiệt lượng sinh ra khi cắt Q

sẽ nung nóng phoi, dao và chi tiết gia công với tình trạng nhiệt độ khác nhau Nhiệt độ không giống nhau tại các điểm khác nhau trên dao, phoi và chi tiết Đường đẳng nhiệt trong phoi nằm song song với mặt trượt còn trong dao hầu như tập trung xung quanh lưỡi cắt Đường truyền nhiệt theo hướng vuông góc với đường đẳng nhiệt

Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm chứng tỏ rằng nhiệt độ cao nhất nằm ở vùng cắt nằm ở giữa khu vực tiếp xúc của phoi và dao (trung tâm áp lực) tại điểm cách lưỡi cắt một khoảng bằng 0,3 ÷ 0,5 chiều dài tiếp xúc của phoi lên mặt trước l

1.3.3.3 Ảnh hưởng của các nhân tố đến nhiệt cắt

14

- Ảnh hưởng của lượng chay dao S :

Tăng lượng chạy dao S thì nhiệt cắt tăng nhưng không tăng tỷ lệ thuận (Hình 1.6)

Hình 1.6 Ảnh hưởng của chiều dày cắt a đến nhiệt cắt [ 7 ]

- Ảnh hưởng của chiều sâu cắt t : chiều sâu cắt ảnh hưởng đến nhiệt cắt ít hơn lượng chạy dao (hình 1.7)

Hình 1.7 Ảnh hưởng của chiều rộng cắt b đến nhiệt cắt [ 7 ]

Khi tăng chiều sâu cắt t, chiều dài phần làm việc của lưỡi cắt tăng (b tăng), truyền nhiệt tốt hơn nên nhiệt cắt thay đổi ít

Góc trước của dao ảnh hưởng đến nhiệt cắt Tăng góc cắt  giảm góc trước thì nhiệt cắt tăng

15

Hình 1.8 Ảnh hưởng của góc cắt δ đến nhiệt cắt [ 7 ] Tăng góc  giảm b, giảm chiều dài lưỡi cắt tham gia cắt nên nhiệt cắt tăng

Hình 1.9 Ảnh hưởng của góc  đến nhiệt cắt , v= 100 m/ph, S= 0,5 mm/vòng [ 7 ]

Vật liệu làm dao và vật liệu gia công có ảnh hưởng đến nhiệt cắt Khi cắt vật liệu giòn nhiệt cắt thấp hơn khi cắt các vật liệu dẻo Nhiệt cắt phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt dung và tính dẫn nhiệt của vật liệu gia công và vật liệu làm dao

Vật liệu làm dao có tính dẫn nhiệt tốt, nhiệt cắt sẽ thấp hơn Kích thước thân dao cũng ảnh hưởng đến nhiệt cắt do khả năng truyền nhiệt của thân dao Kích thước thân dao càng lớn thì nhiệt cắt càng thấp

Dung dịch trơn nguội có ảnh hưởng lớn đến nhiệt cắt Khi dùng dung dịch trơn nguội thì nhiệt cắt giảm nhanh Ngoài tác dụng làm nguội, dung dịch trơn

C - Hệ số ảnh hưởng đến phương pháp gia công

n , y, x- các số mũ chỉ ảnh hưởng của tốc độ cắt v, lượng chạy dao S, chiều sâu cắt t

v, S, t – Tốc độ cắt (m/ph) , Lượng chạy dao (mm/vg), chiều sâu cắt (mm)

K - hệ số ảnh hưởng của các điều khiện ngoài khác như vật liệu gia công, vật liệu làm dao, thông số hình học của dao

Trong công thức thực nghiệm trên x < y < n, có nghĩa là ảnh hưởng lớn nhất đến nhiệt cắt là tốc độ cắt , ảnh hưởng của chiều sâu cắt t đến nhiệt cắt là nhỏ nhất

Như vậy theo kết quả thực nghiệm khi muốn tăng năng suất tức là tăng v, S, t thì đứng trên quan điểm nhiệt cắt thì ta nên tăng t vì t ít ảnh hưởng đến nhiệt cắt

[1]

1.3.4 Sự co rút phoi và các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số co rút phoi

Về mặt hình thức, sự biến dạng dẻo của lớp kim loại bị cắt được biểu hiện: chiều dài của lớp phoi cắt ra Lf ngắn hơn quãng đường mà dao phải đi L dọc theo

bề, mặt gia công, còn chiều dày của phoi af lớn hơn chiều dày cắt a Chiều rộng của phoi bf khi góc λ nhỏ ( λ < 300 ) thay đổi không đáng kể so với chiều rông cắt b

Sự biến đổi kích thước của lớp kim loại bị cắt, do kết quả của biến dạng dẻo, được đánh giá bằng hệ số co rút phoi và được ký hiệu là K

Nếu cho rằng thể tích khối kim loại trước và sau khi biến dạng không đổi và

bf = b thì ta có:

K =

f L

L

=

a

a f

Trị số của hệ số co rút phoi phụ thuộc vào tất cả các yếu tố có ảnh hưởng đến

sự biến dạng của phoi ( tính chất cơ lý của vật liệu gia công, hình dạng hình học của

17

dao, chế độ cắt và các điều kiện cắt khác ) và có giá trị thay đổi trong một phạm vi rộng K = 1 ÷ 8

1.3.4.1 Ảnh hưởng của vật liệu gia công

Tính chất của vật lệu gia công có ảnh hưởng lớn đến hệ số co rút phoi Khi giữ nguyên các điều kiện cắt khác, vật liệu càng dẻo thì sự liên kết giữa các nguyên

tử trong kim loại càng yếu, khiến cho sự sắp xếp của mạng tinh thể kim loại càng dễ

bị phá hủy, do đó khi cắt kim loại sẽ bị biến dạng nhiều hơn

Bảng 1.3 cho giá trị của hệ số co rút phoi khi cắt các kim loại khác nhau ở cùng một điều kiện cắt

Vật liệu gia công Hệ số co

Độ co tương đối ( % )

- Không tồn tại một quan hệ rõ ràng nào giữa hệ số co rút phoi và các thông

số đặc trưng cho tính chất cơ lý của vật liệu gia công

1.3.4.2 Ảnh hưởng của góc cắt δ

Xét ( hình 1.10) trong tam giác OCF ta có: CF = OF.Sinθ = a

Trong tam giác OBF ta có: BF = OF.Cos(θ - ) = af

Hình 1.10 Sơ đồ tính toán sự co rút phoi [ 5 ]

1.3.4.3 Ảnh hưởng của góc nghiêng chính φ

Khi r = 0 , góc φ càng tăng thì hệ số co rút phoi càng giảm, vì khi φ tăng thì chiều dày cắt sẽ tăng do đó phoi càng dày và càng khó bị biến dạng

Nếu r ≠ 0 thì khi φ thay đổi, sự thay đổi của hệ số co rút phoi phức tạp hơn Ban đầu khi tăng φ, do chiều dày cắt tăng nên hệ số co rút phoi giảm Khi vượt quá giá trị 600 ÷ 700 thì hệ số co rút phoi tăng lên vì chiều dày phần cong của lưỡi cắt tham gia làm việc tăng lên (AB > A’B’) Phoi khi thoát ra còn bị biến dạng thêm do

sự giao nhau trên cung cong (phương thoát phoi coi như thẳng góc với lưỡi cắt, hình 1.11b) Ngoài ra chiều dày cắt lúc này thay đổi dọc theo đoạn cong của lưỡi cắt và

có giá trị nhỏ hơn chiều dày cắt trên đoạn thẳng, do đó phoi trên đoạn cong bị biến dạng nhiều hơn trên đoạn thẳng

Hình 1.11 b) Phương thoát phoi khi lưỡi cắt cong [ 5 ]

Trên đoạn cong của lưỡi cắt (khi λ > 00) giá trị của góc trước thay đổi và giảm dần (theo chiều kim đồng hồ) khiến cho hệ số co rút phoi tăng

Khi tăng bán kính mũi dao, hệ số co rút phoi tăng do chiều dài đoạn cong của lưỡi cắt tăng

1.3.4.4 Ảnh hưởng của chế độ cắt

Khi tăng tốc độ cắt, chiều dài tiếp xúc giữa phoi và mặt trước của dao giảm

đi do đó làm giảm ma sát, hệ số co rút phoi giảm

Khi tốc độ cắt đạt 200 ÷ 300 m/ph, thì hệ số co rút phoi hầu như không thay đổi

Chiều sâu cắt có ảnh hưởng không đáng kể đến sự co rút của phoi

Dung dịch trơn nguội có tác dụng làm giảm ma sát khi cắt,do đó làm giảm sự

co rút của phoi

Hệ số co rút phoi là một thông số quan trọng quyết định sự tiến triển của quá trình cắt, bởi vì sự thay đổi của hệ số co rút phoi kéo theo sự thay đổi của lực cắt, chất lượng của bề mặt gia công

Trong một chừng mực nào đó, hệ số co rút hoi có thể đặc trưng cho mức độ biến dạng dẻo

Tuy nhiên hệ số co rút phoi không thể dùng làm tiêu chuẩn định lượng chính xác cho biến dạng dẻo, bởi vì ngay cả khi hệ số co rút phoi K = 1 thì vẫn có biến dạng dẻo

Để đăc trưng cho biến dạng dẻo về mặt số lượng, có thể dùng độ trượt tương đối

K 1,9 1,8 1,7 1,6

21

1.3.5 Hiện tượng lẹo dao

Trong quá trình cắt khi cắt ra phoi dây, trên mặt trước của dao kề ngay lưỡi cắt thường xuất hiện những lớp kim loại coa cấu trúc kim tương khác hẳn với vật liệu gia công và vật liệu làm dao Nếu lớp kim loại này bám chắc và lưỡi cắt của dụng cụ thì được gọi là lẹo dao

Cơ chế của quá trình hình thành lẹo dao có thể giải thích như sau: do chịu áp lực lớn và nhiệt độ cao, mặt khác vì mặt trước của dao không tuyệt đối nhẵn nên các lớp kim loại bị cắt nằm kề sát với mặt trước của dao trong quá trình cắt có tốc độ di chuyển chậm và trong những điều kiện nhất định lực cản thắng được lực ma sát trong nội bộ kim loại thì lớp kim loại sẽ nằm lại ở mặt trước tạo thành lẹo dao Vì bị biến dạng rất lớn nên độ cứng của lẹo dao lớn hơn độ cứng của vật liệu gia công từ 2,5 ÷ 3,5 lần và do đó có thể thay thế vật liệu làm dao để thực hiện quá trình cắt được

Thông số đặc trưng cho kích thước của lẹo dao là chiều cao của lẹo dao Khi tiện thép 45 không có dung dịch trơn nguội chiều cao của lẹo dao có thể biểu diễn bằng công thức thực nghiệm sau:

195 0 8 1

.

7 90

S V

22

Góc trước  trong tiết diện chính của lẹo dao phụ thuộc vào tốc độ cắt và dao động trong phạm vi từ 22 ÷ 370 Tăng tốc độ cắt thì ó giảm Mặt lẹo dao đối diện với mặt cắt khiến cho góc sau của lẹo dao bằng không

Bán kính cong ρn của lẹo dao nằm trong giới hạn ( 8 ÷ 15 ) 10-3 mm bằng bán kính cong của lưỡi cắt được mài Ngoài ra khi cắt, ρn hầu như không đổi ( còn bán kính cong của lưỡi dao thì tăng lên vì bị mòn ) Vì lẽ đó khi cắt phoi mỏng, lẹo dao ổn định có ý nghĩa rất lớn Nó có tác dụng như một cái chêm cho phép dao cắt được một chiều dày cắt rất nhỏ

Trị số, hình dạng, tính ổn định của lẹo dao của cặp vật liệu gia công và vật liệu làm dao phụ thuộc vào nhiều yếu tố :

- Tốc đô cắt Quan hệ giữa tốc độ cắt và lẹo dao (hình 1.14)

Hình 1.14 Quan hệ giữa tốc độ cắt và chiều cao lẹo dao [ 1 ]

Ở khu vực I khi tốc độ cắt thấp, phoi cắt ra là phoi vụn, không có hiện tượng lẹo dao

Ở khu vực II khi cắt tạo thành phoi dây, lẹo dao bắt đầu xuất hiện Tăng tốc

độ cắt thì chiều cao lẹo dao tăng Giới hạn trên của khu vực II là tốc độ cắt ứng với chiều cao lẹo dao lớn nhất

Ở khu vực III khi tiếp tục tăng tốc độ thì chiều cao lẹo dao giảm Giới hạn trên của khu vực này là tốc độ cắt ứng với thời điểm lẹo dao bắt đầu biến mất

Ở khu vực IV khi tốc độ cắt đã khá cao, không có hiện tượng lẹo dao

- Tính chất của vật liệu gia công

Hình 1.15 Quan hệ giữa độ dẻo của vật liệu gia công với chiều cao lẹo dao [ 1 ]

Khi vật liệu gia công càng dẻo thì tốc độ hình thành lẹo dao càng thấp và chiều cao lẹo dao càng lớn Vật liệu có cấu tạo peclit hạt có độ dẻo cao hơn của vật liệu có cấu tạo peclit mảnh Chiều cao của lẹo dao càng lớn khi lượng peclit có trong thép càng nhiều

Hình 1.16 Quan hệ giữa chiều dày cắt và với tốc độ hình thành và chiều cao lẹo dao[ 1 ]

Chiều dày cắt càng lớn tốc độ hình thành lẹo dao càng thấp và chiều cao lẹo dao càng cao

Để khắc phục hiện tượng lẹo dao người ta sử dụng mọi biện pháp làm giảm bớt ma sát trên mặt trước của dao, tăng góc trước, dùng dung dịch trơn nguội, mài bóng lưỡi cắt, …

* Qúa trình cắt là quá trình nén dẻo kim loại rồi đứt ra tạo thành phoi

* Các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình cắt : Hiện tượng co rút phoi, hiện tượng nhiệt cắt, hiện tượng lẹo dao…

* Vận tốc cắt V, lượng chạy dao S có ảnh hưởng lớn đến hiện tượng nhiệt cắt Chiều sâu cắt t ít ảnh hưởng đến hiện tượng nhiệt cắt

* Trong các yếu tố của chế độ cắt thì tốc độ cắt ảnh hưởng đến hệ số co rút phoi nhiều nhất Chiều sâu cắt có ảnh hưởng không đáng kể đến sự co rút của phoi

* Ở tốc độc cắt thấp (< 10 m/ph) không hình thành lẹo dao

* Tốc độ cắt (khoảng từ 10 – 30 m/ph) tăng thì chiều cao lẹo dao tăng

* Ở tốc độc cắt cao hơn 30m/ph lẹo dao mất đi (không còn lẹo dao)

Từ phân tích cơ sở vật lý của quá trình cắt tìm ra các biện pháp đúng để tác động tích cực đến chất lượng bề mặt gia công

25

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT GIA CÔNG CƠ KHÍ

2.1 Khái niệm về độ nhám bề mặt

Tính chất hình học của bề mặt gia công được đánh giá bằng độ nhấp nhô tế

vi và độ sóng bề mặt:

- Độ nhấp nhô tế vi

Trong quá trình cắt, lưỡi cắt của dụng cụ và sự hình thành phoi kim loại tạo

ra những vết xước cực nhỏ trên bề mặt gia công Như vậy bề mặt gia công có độ nhám (độ nhấp nhô tế vi) Độ nhấp nhô tế vi của bề mặt gia công được đo bằng

chiều cao nhấp nhô (R z )và sai lệch profin trung bình cộng (R a ) của lớp bề mặt

Chiều cao nhấp nhô (R z ) là trị số trung bình của 5 khoảng cách từ 5 đỉnh cao

nhất đến 5 đỉnh thấp nhất của nhấp nhô bề mặt tế vi trong phạm vi chiều dài chuẩn l