Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt khi tiện cao tốc trên máy tiện cnc

Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hµ néi Bïi thÕ hïng - c«ng nghƯ khí Luận văn thạc sỹ khoa học 2007 - 2009 Hà nội 2009 Ngành: Công nghệ khí Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt đến chất lượng bề mặt tiện cao tốc máy tiện cnc Bùi hùng Hà nội 2009 Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội - Luận văn thạc sỹ khoa học Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt đến chất lượng bề mặt tiện cao tốc máy tiện cnc Ngành: Công nghƯ c¬ khÝ M· sè: Bïi thÕ hïng Ng­êi h­íng dẫn khoa học: TS Trương hoành sơn Hà nội 2009 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng, số liệu kết thực nghiệm nghiên cứu luận văn hoàn toàn thực tế khách quan Những kết tương tự chưa sử dụng để bảo vệ học vị Tôi xin cam đoan rằng, giúp đỡ việc thực luận văn rõ nguồn gốc Tác giả luận văn Bùi Thế Hùng LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn TS Trương Hoành Sơn Những gợi ý giúp đỡ lựa chọn đề tài luận văn tốt nghiệp, hướng dẫn tận tình, ủng hộ thường xuyên động viên thầy trình thực đồ án sở để hồn thành luận văn Bên cạnh thầy đưa đánh giá tổng kết sâu sắc gợi mở hướng phát triển đề tài nghiên cứu tương lai Đồ án hồn thành khơng có cộng tác hỗ trợ từ Phịng thí nghiệm CNC - thuộc Trung tâm Thực hành Cơ khí, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Phịng thí nghiệm Đo lường - thuộc Khoa Cơ khí, trường Cao đẳng Cơng nghiệp Sao Đỏ Tơi xin cảm ơn sâu sắc tới giúp đỡ tận tình cán cơng tác hai Phịng thí nghiệm kể q trình thực nghiệm Tôi chân thành gửi lời cảm ơn tới tất thầy giáo tham gia giảng dạy tất mơn học chương trình cao học Các Thầy cung cấp cho tất kiến thức cần thiết làm tảng để tơi hòan thành tốt nội dung luận văn tốt nghiệp Cuối cùng, muốn gửi lời cảm ơn đặc biệt tới người thân gia đình, bạn bè đồng nghiệp - quan tâm, động viên ủng hộ nhiệt tình họ suốt thời gian thực đề tài Hải Dương 10/2009 Bùi Thế Hùng Lời cam đoan Lời cảm ơn MỞ ĐẦU MỤC LỤC Trang Chương ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CƠNG 1.1 Khái niệm độ xác gia cơng 1.1.1 Độ xác kích thước 1.1.2 Độ xác hình dáng hình học 1.1.3 Độ xác vị trí tương quan 1.2 Các nguyên nhân gây sai số gia công 11 1.2.1 Các nguyên nhân gây sai số hệ thống cố định 11 1.2.2 Các nguyên nhân gây sai số hệ thống thay đổi 12 1.2.3 Các nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên 12 1.3 Các phương pháp đạt độ xác gia công 12 1.3.1 Phương pháp cắt thử 12 1.3.2 Phương pháp tự động đạt kích thước 1.3.3 Phương pháp đạt độ xác gia cơng điều khiển thích 14 nghi 15 1.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới độ xác gia cơng 16 1.4.1 Biến dạng đàn hồi hệ thống công nghệ 16 1.4.2 Biến dạng tiếp xúc biến dạng chi tiết gia công 1.4.3 Ảnh hưởng sai số phôi 16 16 1.4.4 Ảnh hưởng độ xác máy cơng cụ 1.4.5 Ảnh hưởng sai số đồ gá 17 17 1.4.6 Ảnh hưởng sai số dụng cụ cắt 18 1.4.7 Ảnh hưởng biến dạng nhiệt máy 18 1.4.8 Ảnh hưởng biến dạng nhiệt dụng cụ cắt 19 1.4.9 Ảnh hưởng biến dạng nhiệt chi tiết 19 1.4.10 Ảnh hưởng rung động trình cắt 19 1.4.11 Ảnh hưởng phương pháp gá đặt 1.4.12 Ảnh hưởng dụng cụ đo phương pháp đo 1.5 Khả đạt độ xác phương pháp gia công cắt gọt 1.5.1 Các phương pháp cắt gọt sử dụng dụng cụ cắt có thơng số hình học cố định 1.5.2 Mài phương pháp gia công sử dụng hạt mài 21 21 21 22 22 1.5.3 Các phương pháp gia công truyền thống có sử dụng máy CNC dụng cụ cắt tiên tiến 1.5.4 Các phương pháp gia công tiên tiến 1.6 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài giới hạn đề tài 1.6.1 Các nghiên cứu có liên quan 23 23 24 24 1.6.2 Giới hạn đề tài Chương ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT MÁY VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT 24 2.1 Độ nhấp nhô tế vi 2.2 Ảnh hưởng độ nhám tới khả làm việc chi tiết máy 27 28 26 2.2.1 Ảnh hưởng đến tính chống mịn 28 2.2.2 Ảnh hưởng đến độ bền mỏi chi tiết 2.2.3 Ảnh hưởng đến tính chống ăn mịn hóa học lớp bề mặt 32 32 2.2.4 Ảnh hưởng đến độ xác mối lắp ghép 33 2.2.5 Lựa chọn độ nhám bề mặt 33 2.2.6 Kết luận tầm quan trọng độ nhám bề mặt 2.3 Những kết nghiên cứu đạt việc nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt(Ra, Rz) 35 35 2.3.1 Các kết máy công cụ truyền thống 2.3.2 Các kết đạt máy CNC Chương NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ (V S) TỚI ĐỘ NHÁM BỀ MẶT 43 3.1 Xây dựng mơ hình thí nghiệm 52 51 3.1.1 Mơ hình thí nghiệm 52 3.1.2 Các thơng số hệ thống thí nghiệm 52 3.1.3 Tiến trình thí nghiệm 57 3.2 Kết thí nghiệm thảo luận 58 3.2.1 Với vật liệu thép 90CrSi 58 3.2.2 Với vật liệu chi tiết thép CT38 64 3.2.3 Ảnh hưởng vật liệu gia công 66 3.3 Kết luận 67 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 68 4.1 Kết luận 69 4.2 Hướng nghiên cứu 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 MỞ ĐẦU Ngày nay, công nghiệp gia công hướng tới công nghệ đảm bảo độ xác gia cơng chất lượng bề mặt chi tiết máy đòi hỏi ngày cao Việc đưa vào sử dụng máy công cụ điều khiển số NC, CNC q trình gia cơng khí xu hướng tất yếu để nâng cao độ xác gia cơng, qua nâng cao lực sản xuất, lực cạnh tranh nề kinh tế thị trường tồn cầu hố Tuy nhiên, việc sử dụng máy NC, CNC, máy công cụ đắt tiền, cách có hiệu việc nghiên cứu khả công nghệ chúng điều cần thiết Công việc tiến hành nhiều giới, Việt Nam có số nghiên cứu chưa đầy đủ Xuất phát từ nhu cầu thực tế mà đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt đến chất lượng bề mặt tiện cao tốc máy tiện CNC” chọn cho luận văn tốt nghiệp cao học Toàn nghiên cứu luận văn trình bày chương Chương giới thiệu chung độ xác gia cơng Chương giới thiệu độ xác gia cơng, phương pháp đạt độ xác gia cơng khí yếu tố gây nên sai số gia cơng Chương trình bày chi tiết chất lượng bề mặt chi tiết máy, mà cụ thể độ nhám bề mặt Ngoài ra, ảnh hưởng độ nhám bề mặt đến khả làm việc chi tiết máy ảnh hưởng thông số công nghệ trình cắt đến độ nhám bề mặt dược đề cập đến chương Một số ảnh hưởng thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt chi tiết máy gia công máy CNC trình bày chương Quá trình thực nghiệm tiến hành máy tiện CNC SL-153, sử dụng dụng cụ cắt mảnh hợp kim cứng có phủ Cac-bít Các thảo luận kết đạt được, đánh giá đưa kết luận kết thực nghiệm phần chương Chương trình bày số kết luận đạt đề tài nghiên cứu đưa hướng nghiên cứu Phần chủ yếu đưa kết luận phân tích mơ hình lý thuyết thực nghiệm đề tài Đánh giá kết đề tài đưa vấn đề liên quan chưa nghiên cứu đề tài, đề xuất hướng nghiên cứu nhằm đảm bảo hiệu tối đa nội dung đề tài Do thời gian có hạn kiến thức nhiều hạn chế nên chắn thiếu sót, em mong bảo thày, đóng góp ý kiến bạn đồng nghiệp, để luận văn hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn Chí Linh, tháng 10 năm 2009 Tác giả Bùi Thế Hùng CHƯƠNG ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CƠNG 1.1 Khái niệm độ xác gia cơng Khi thiết kế chế tạo máy đó, bên cạnh tính tốn động học, tính tốn độ bền, độ cứng vững độ chống mịn cịn cần phải tính tốn độ xác Độ xác đặc tính chủ yếu chi tiết máy Trong thực tế, ta chế tạo chi tiết có độ xác tuyệt đối gia cơng xuất sai số Vì vậy, độ xác gia cơng khác Nâng cao độ xác gia cơng độ xác lắp ráp làm tăng độ bền tuổi thọ máy Ví dụ, tăng độ xác vịng bi (giảm khe hở) xuống từ 20 µm đến 10 µm thời gian phục vụ tăng lên từ 740 đến 1200 Nâng cao độ xác gia cơng cho phép loại bỏ công việc điều chỉnh lắp ráp, tạo điều kiện cho việc lắp lẫn hoàn toàn thực phương pháp lắp ráp theo dây chuyền Như khơng giảm nhẹ khối lượng lắp ráp mà cịn giảm nhẹ công việc sửa chữa máy vận hành Như độ xác gia cơng chi tiết máy hiểu sau: “Độ xác gia cơng chi tiết máy mức độ giống kích thước, hình dáng hình học vị trí tương quan chi tiết gia công máy chi tiết lý tưởng vẽ” [1] Bản vẽ thiết kế chi tiết Chi tiết thực Hình 1.1 Bản vẽ chi tiết máy Rz (µm) 61 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 Feed rate S(mm/v) Hình 3.7 Ảnh hưởng tốc độ tiến dao đến Ra Rz Tuy nhiên, cắt với chiều sâu cắt t=0,2mm kết không cong hai trường hợp Khi cắt với bước tiến dao S=0,02mm/v độ nhám bề mặt lại tăng lên so với cắt chế độ S=0,05mm/v Độ nhám bề mặt thu lớn so với cắt t=0,5mm Nguyên nhân cắt với tốc độ V=300m/ph chiều sâu cắt nhỏ, mức độ biến dạng tạo phoi lớn vật liệu gia công làm tăng độ nhám bề mặt Khi cắt với s=0,02mm/v khả xâm nhập lưỡi cắt vào vật liệu chi tiết gia công để tạo phoi khó khăn trượt nhiều nên ảnh hưởng biến dạng dẻo đến độ nhám lớn tăng độ nhám bề mặt Bảng 3.6 Ảnh hưởng S đến Ra Rz V = 300 m/ph; t= 0,2 mm; Smm/vg 0.02 0.05 0.07 0.10 0.15 Ra (μm) 0.38 0.26 0.30 0.29 0.35 Rz (μm) 2.20 1.65 1.80 1.91 2.10 62 Ra (µm) 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 Rz (µm) Feed rate S (mm/v) 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 Feed rate S(mm/v) Hình 3.7 Ảnh hưởng S lên Ra Rz b) Ảnh hưởng vận tốc cắt 63 Bảng 3.7 Ảnnh hưởng S V = 250 m/ph; t= 0,5 mm; Smm/vg 0.02 0.05 0.07 0.10 0.15 Ra (μm) 0.52 0.23 0.18 0.25 0.43 Rz (μm) 2.70 1.49 1.13 1.42 2.49 0.6 0.5 Rz (µm) 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 Rz (µm) Feed rate S(µm) 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 Feed rate S(mm/v) Hình 3.8 Ảnh hưởng tốc độ tiến dao lên Ra Rz 64 Khi giảm tốc độ cắt từ 300m/ph xuống 250m/ph độ nhám bề mặt lại có xu hướng giảm xuống Chẳng hạn cắt với bước tiến dao S=0,05mm/vg Ra=0,23µm Rz=1,49µm so với Ra=0,29µm Rz=1,9µm cắt với V=300m/s Điều lý giải với vận tốc cắt mức độ biến dạng tạo phoi ảnh hưởng biến dạng dẻo tới độ nhám bề mặt Tuy cắt với tốc độ cao rung động lớn làm cho độ nhám bề mặt tăng lên Do vấn đề cần phải giải tiện cao tốc làm giảm rung động trình cắt 3.2.2 Với vật liệu chi tiết CT38 Ảnh hưởng bước tiến dao đến độ nhám bề mặt chi tiết tiện thép CT38 thể bảng 3.7 hình 3.9 Có thể nhận ảnh hưởng tốc độ chạy dao đến chất độ nhám bề mặt phù hợp với lý thuyết Tuy nhiên, cắt với vật liệu có độ dẻo cao CT38 bước tiến dao nhỏ 0,1mm/vg xuất hiện tượng trượt dao bề mặt chi tiết làm tăng độ nhám bề mặt Độ nhẵn bóng đạt tốt trường hợp cấp cắt với S=0,1mm/v Với kết thay nguyên công mài tiện tinh cao tốc Mặt khác tiện cao tốc khơng nên tiện với bước tiến dao nhỏ 0,1mm/v ảnh hưởng biến dạng dẻo đến độ nhám bề mặt lớn, độ nhẵn bóng khơng cải thiện Bảng 3.7 Ảnh hưởng S cắt dao có t=0,5 mm; V = 300 m/ph Smm/vg 0.02 0.05 0.07 0.10 0.15 0.20 Ra (μm) 0.71 0.58 0.47 0.37 0.56 0.75 Rz (μm) 4.97 3.77 2.98 2.79 2.86 2.95 65 0.8 0.7 Ra (µm) 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.20 0.25 Rz (µm) Feed rate S(mm/v) 0.00 0.05 0.10 0.15 Feed rate S(mm/v) Hình 3.9 Ảnh hưởng S lên Ra Rz 66 Ra (µm) 3.2.3 Ảnh hưởng vật liệu gia cơng 1.0 CT38 90CrSi 0.8 0.6 0.4 0.2 Rz (µm) 0.0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 Feed rate S(mm/v) CT38 90CrSi 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 Feed rate S(mm/v) Hình 3.10 Ảnh hưởng vật liệu chi tiết gia công lên Ra Rz 67 Ảnh hưởng vật liệu đến độ nhám bề mặt chi tiết gia cơng thể hình 3.10 với chế độ cắt V=300m/ph t=0,5mm Có thể thấy cắt bước tiến dao nhỏ 0,5mm/v độ nhám cắt vật liệu CT38 lớn so với cắt vật liệu 90CrSi Lý cắt điều kiện ảnh hưởng biến dạng dẻo tác động nhiều đến chất lượng bề mặt Vật liệu CT38 có độ dẻo cao nên biến dạng dẻo nhiều làm tăng độ nhám bề mặt Tuy nhiên, cắt với tốc độ tiến dao lớn 0,15mm/v độ nhám bề mặt cắt vật liệu 90CrSi lại lớn Đó cắt với bước tiến dao lớn với vật liệu có độ cứng lớn 90CrSi, lực cắt lớn đo gây rung động trình cắt làm tăng độ nhám bề mặt chi tiết gia công Tuy nhiên để khẳng định thêm điều cần có thêm thí nghiệm bổ sung khác 3.3 Kết luận Với kết thu nhận thấy tiện cao tốc làm tăng độ nhẵn bóng bề mặt chi tiết gia cơng Độ nhẵn bóng tăng đến cấp tiện với tốc độ cắt 300m/ph Ảnh hưởng tốc độ tiến dao đến độ nhám khơng có thay đổi so với tiện thông thường ngoại trừ giá trị bắt đầu có xu hướng trượt dao tăng lên Với loại vật liệu khác ảnh hưởng tính chất vật liệu đến độ nhám bề mặt tiện cao tốc tương tự q trình tiện thơng thường Khi tăng vận tốc cắt độ nhám có xu hướng giảm xuống nhiên phải giải vấn đề rung động, đảm bảo độ cứng vững hệ thống công nghệ 68 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 69 4.1 Kết luận Tiện cao tốc xu hướng phát triển chung gia công cắt gọt kim loại nhằm nâng cao suất gia công chất lượng bề mặt chi tiết máy Các nghiên cứu cho thấy tiện cao tốc làm tăng độ nhám bề mặt lên đến cấp so với tiện thông thường với điều kiện gia công máy, dụng cụ cắt Trong trình tiện cao tốc, ảnh hưởng tốc độ chạy dao vật liệu chi tiết gia công đến độ nhám bề mặt tương tự tiện thông thường Khi tiện cao tốc không nên thực với tốc độ chạy dao bé tiện vật liệu có độ dẻo dai cao làm tăng độ nhám bề mặt chi tiết 4.2 Hướng nghiên cứu Để ứng dụng tiện cao tốc vào sản xuất không nghiên cứu đến độ nhám bề mặt mà cong phải tiến hành nghiên cứư ảnh hưởng đến yếu tố khác tuổi bền dụng cụ cắt, nhiệt cắt sinh tiện, độ biến cứng bề mặt ứng suất dư gây tiện Do số hướng nghiên cứu tương lai là: - Nghiên cứu độ bền dụng cụ cắt tiện cao tốc - Nghiên cứu nhiệt sinh vùng cắt ảnh hưởng nhiệt cắt tới chi tiết gia công - Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ tới độ biến cứng ứng suất dư lớp bề mặt chi tiết máy 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Văn Địch, Nguyễn Trọng Bình, Nguyễn Thế Đạt, Nguyễn Viết Tiếp, Trần Xuân Việt (2006), Công nghệ chế tạo máy, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Trần Văn Địch, Trần Xuân Việt, Nguyễn Trọng Doanh, Lưu Văn Nhang (2001), Tự động hóa q trình sản xuất, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Tạ Duy Liêm (2005), Kỹ thuật điều khiển điều chỉnh lập trình khai thác máy cơng cụ CNC, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Phạm Ngọc Tuấn, Nguyễn Văn Tường (2007), Các phương pháp gia công đặc biệt, NXB Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Hồ Chí Minh Hà Văn Vui (2006), Dung sai lắp ghép chuỗi kích thước, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Graham T Smith (2008), Cutting ToolTechnology Industrial Handbook, © Springer-Verlag London Limited J Paulo Davim (2008), Machining Fundamentals and Recent Advances, © Springer-Verlag London Limited Mitutoyo, SJ-201P Surface roughness tester, Mitutoyo Comrporation Chang – Xue (Jack) Feng (2001), An Experimental Study of the Impact of Turning Parameters on Surface Roughness, Paper No.2036, Proceedings of 2001Industrial Engineering Research Conference 10 Tugrul Ozel, Tsu-Kong Hsu, Erol Zeren (2005), Effects of cutting edge geometry, workpiece hardness, feed rate and cutting Speed on surface roughness and forces in finish turning of hardened AISI H13 steel, London, Int J adv Manut Technol (2005)25: 262-269 71 11 Hasan Gokkaya (2006), The effects of cutting tool coating on the surface roughness of AISI 1015 Steel depending on cutting paraments, Turkish J Eng Env Sci 30 (2006), 307-316 TUBITAK 12 Mr Luke Huang & Dr Joseph C Chen (2001), “A multiple regression model to predict in process surface roughness in turning operation via accelerometer”, Journal of industrial technology volume 17 ( number –February 2001 to Apirl 2001) TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt đến chất lượng bề mặt tiện cao tốc máy tiện CNC Chương Độ xác gia cơng Khi thiết kế chế tạo máy đó, bên cạnh việc tính tốn động học, tính tốn độ bền, độ cứng vững độ chống mịn cần phải tính tốn độ xác Độ xác đặc tính chủ yếu chi tiết máy Trong thực tế, ta khơng thể chế tạo chi tiết có độ xác tuyệt đối gia cơng xuất sai số Để đánh giá độ xác chi tiết người ta đưa ba yếu tố là: độ xác kích thước, độ xác hình dáng hình học độ xác vị trí tương quan Khi gia cơng, có nhiều ngun nhân sinh sai số gia cơng Sai số gia cơng gồm có sai số hệ thống sai số ngẫu nhiên Chương Độ nhám bề mặt chi tiết máy yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt Bề mặt chi tiết máy sau gia công xong không phẳng mà có mấp mơ, mấp mơ có quan hệ l/d