Nghiên cứu độ nhám bề mặt gia công của một số loại thép cacbon khi gia công trên máy phay CNC

1 B GIO DC V O TO I HC NNG TRNG DIấN TH NGHIN CặẽU ĩ NHAẽM Bệ MT GIA CNG CUA MĩT S LOAI THEẽP CACBON KHI GIA CNG TRN MAẽY PHAY CNC TểM TT LUN VN THC S K THUT Ngi hng dn khoa hc : PGS.TS. Trn Xuõn Tựy Nng - Nm 2011 2 M U 1. TNH CP THIT CA TI Cht lng b mt gia cụng ca chi tit cú ý ngha ủc bit quan trng v kh nng lm vic v tui bn ca chi tit. T yờu cu thc t v chc nng v ủiu kin lm vic ca mỏy múc m thit b ngy cng ủũi hi rt cao v cht lng ca b mt chi tit mỏy nh: tc ủ lm vic cao, ti ln, cụng sut ln, ỏp sut v nhit ủ cao, tui th v ủ tin cy cao, ủ chớnh xỏc lm vic cao, trng lng tng ủi bộ. Do ủú, vic nghiờn cu cỏc yu t cụng ngh nh hng ủn cht lng b mt chi tit mỏy l vic lm rt cn thit. c bit l nguyờn cụng gia cụng tinh bi vỡ nguyờn cụng ny cỏc ủc tớnh cht lng ca lp b mt ủc hỡnh thnh rừ nột. i vi cỏc mỏy vn nng, quy lut v ct gt v cht lng chi tit gia cụng ủó cú nhiu cụng trỡnh nghiờn cu, tng kt v ủa vo chng trỡnh ủo to, ng dng trong thc t. i vi mỏy CNC cũn ớt cỏc cụng trỡnh nghiờn cu. Vỡ vy, ủ ti "Nghiờn cu ủ nhỏm b mt gia cụng ca mt s loi thộp Cacbon khi gia cụng trờn mỏy phay CNC" l ht sc cn thit. 2. MC CH NGHIấN CU ti s kim chng thc nghim v ủ nhỏm b mt vi mt s vt liu gia cụng khi gia cụng trờn mỏy CNC dựng lm ti liu tra cu, phc v cho vic hc tp, nghiờn cu. 3. I TNG V PHM VI NGHIấN CU Nghiờn cu ủ nhỏm b mt ca mt s loi thộp Cacbon khi gia cụng cựng ch ủ ct, dao, mỏy v cỏc ủiu kin khỏc trờn mỏy phay CNC. Vic nghiờn cu thc nghim ủc tin hnh vi cỏc ủiu kin sau: - Vt liu gia cụng: l thộp Cacbon S40C, S45C, S55C v SKD11. - Mỏy thc nghim: Mỏy phay CNC Mill 155 ca hóng EMCO. - B mt gia cụng l mt phng. 3 - Thiết bị ño ñộ nhám: Máy ño ñộ nhám của Taylor Hobson - United Kingdom. - Chế ñộ cắt (theo tài liệu chỉ dẫn khả năng cắt gọt tốt nhất của dao): Trong quá trình gia công thép Cacbon bằng dao phay mặt ñầu gắn mãnh hợp kim cứng của Nhật Bản. 4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Lý thuyết về chế ñộ cắt, ñộ nhám bề mặt, vật liệu gia công nói chung và thép Cacbon nói riêng, ñộ cứng của vật liệu, phân tích xử lý số liệu thực nghiệm. - Chế ñộ cắt, dao, dạng bề mặt gia công ñiển hình. - Nghiên cứu ñộ nhám và ñộ cứng vật liệu khi gia công. - Xác ñịnh chế ñộ cắt, lập trình gia công các mẫu ñã lựa chọn. - Đo ñộ cứng, ñộ nhám bề mặt và xác ñịnh quan hệ giữa ñộ nhám và thành phần cacbon. 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. - Sử dụng phương pháp thống kê ñể phân tích theo kết quả thực nghiệm. 6. DỰ KIẾN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC - Bảng tổng hợp các kết quả thực nghiệm về ñộ nhám bề mặt với các loại thép Cacbon khi cùng một chế ñộ cắt và các ñiều kiện gia công khác khi gia công trên máy phay CNC. Xây dựng các phương trình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa ñộ nhám và thành phần cacbon và quan hệ giữa ñộ nhám và lượng chạy dao. - Những ñề xuất nhằm cải thiện ñộ nhám bề mặt khi gia công trên máy CNC. 7. CẤU TRÚC LUẬN VĂN Chương 1: Tổng quan và cơ sở lý thuyết Chương 2: Cơ sở và quá trình thực nghiệm Chương 3: Xử lý kết quả thực nghiệm 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. TỔNG QUAN Chất lượng bề mặt chi tiết gia công liên quan ñến nhiều yếu tố và ñiều kiện gia công, cụ thể như: - Phụ thuộc vào vật liệu gia công: tính dẻo, ñộ cứng . - Phụ thuộc vào phương pháp gia công: gia công bằng hình thức nào? - Phụ thuộc vào tình trạng máy: ñộ cứng vững của máy, trạng thái mòn . - Phụ thuộc vào dụng cụ cắt: hình dáng hình học, vật liệu làm dao . - Phụ thuộc vào ñộ cứng vững hệ thống công nghệ, phụ thuộc vào chế ñộ cắt (vận tốc cắt, chiều sâu cắt, lượng chạy dao). - Phụ thuộc vào chế ñộ bôi trơn làm mát. Trong các yếu tố kể trên, ảnh hưởng của chế ñộ cắt mang tính chất bao trùm hơn cả. Vì chính chế ñộ cắt chi phối cả sự phát sinh nhiệt cắt, lực cắt, phoi bám (lẹo dao), và rung ñộng của hệ thống công nghệ. Tuy nhiên, quan hệ giữa ñộ nhám bề mặt và thành phần phần trăm của một số loại thép Cacbon khi gia công trên máy phay CNC cũng cần ñược quan tâm. 1.2. LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ CHẾ ĐỘ CẮT 1.2.1. Khái niệm về cắt gọt kim loại Quá trình cắt kim loại là quá trình hớt bỏ lớp kim loại thừa khỏi chi tiết, nhằm ñạt ñược những yêu cầu cho trước về hình dáng, kích thước, vị trí tương quan giữa các bề mặt và chất lượng bề mặt của chi tiết gia công. 1.2.2. Các chuyển ñộng cắt gọt Chuyển ñộng cắt gọt ñược phân làm hai loại chuyển ñộng: - Chuy ể n ñộ ng chính. - Các chuy ể n ñộ ng ph ụ . 5 1.2.2.1. Chuyển ñộng chính Chuy ể n ñộ ng chính là chuy ể n ñộ ng ch ủ y ế u th ự c hi ệ n quá trình t ạ o ra phoi và tiêu hao n ă ng l ượ ng c ắ t l ớ n nh ấ t. 1.2.2.2. Các chuyển ñộng phụ Chuyển ñộng phụ là những chuyển ñộng tiếp tục tạo phoi. 1.2.3. Lớp cắt và tiết diện cắt Lớp kim loại bị hớt bỏ ñi ứng với một vòng quay hay một hành trình kép của chuyển ñộng chính gọi là lớp cắt. 1.3. CHẤT LƯỢNG CỦA CHI TIẾT GIA CÔNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT Quá trình gia công kim lo ạ i th ườ ng ph ả i ñ áp ứ ng các yêu c ầ u sau: - Ch ỉ tiêu v ề ch ấ t l ượ ng: ñả m b ả o ch ấ t l ượ ng chi ti ế t theo yêu c ầ u. - Ch ỉ tiêu v ề n ă ng su ấ t: ñả m b ả o n ă ng su ấ t gia công l ớ n nh ấ t hay th ờ i gian gia công chi ti ế t là nh ỏ nh ấ t. - Ch ỉ tiêu v ề kinh t ế : ñả m b ả o chi phí gia công nh ỏ nh ấ t. 1.3.1. Chất lượng chi tiết gia công 1.3.1.1. Độ chính xác gia công a. Khái quát: b. Điều chỉnh ñạt ñộ chính xác yêu cầu: 1.3.1.2. Chất lượng bề mặt Ch ấ t l ượ ng b ề m ặ t c ủ a chi ti ế t máy t ậ p h ợ p nhi ề u tính ch ấ t quan tr ọ ng hình h ọ c và c ơ lý c ủ a l ớ p b ề m ặ t. Nó ñượ c ñ ánh giá theo các ch ỉ tiêu sau ñ ây: - Đặ c tính hình h ọ c c ủ a b ề m ặ t ( ñộ sóng, ñộ nhám, sai s ố hình h ọ c .). - Tr ạ ng thái và tính ch ấ t c ơ lý c ủ a l ớ p b ề m ặ t ( ñộ c ứ ng, ứ ng su ấ t d ư , chi ề u sâu bi ế n c ứ ng, .). - Ph ả n ứ ng c ủ a l ớ p b ề m ặ t ñố i v ớ i môi tr ườ ng làm vi ệ c (tính ch ố ng mòn, kh ả n ă ng ch ố ng xâm th ự c hóa h ọ c, ñộ b ề n mõi .). 6 1.3.2. Các thông số ñánh giá chất lượng bề mặt 1.3.2.1. Tính chất hình học của bề mặt gia công a. Độ nhám bề mặt: Độ nhám b ề m ặ t hay còn g ọ i là nh ấ p nhô t ế vi là t ậ p h ợ p t ấ t c ả nh ữ ng v ế t l ồ i, lõm v ớ i b ướ c c ự c ng ắ n ñể t ạ o thành profin b ề m ặ t chi ti ế t trong ph ạ m vi chi ề u dài chu ẩ n l. Thông th ườ ng ng ườ i ta th ườ ng s ử d ụ ng hai ch ỉ tiêu ñ ó là R a và R z : - Sai l ệ ch trung bình s ố h ọ c c ủ a prôfin Ra, ñượ c ñ o b ằ ng µ m. - Chi ề u cao nh ấ p nhô trung bình c ủ a profin R z , ñượ c ñ o b ằ ng µ m. b. Độ sóng bề mặt: Chu k ỳ không b ằ ng ph ẳ ng c ủ a b ề m ặ t chi ti ế t gia công ñượ c quan sát trong kho ả ng l ớ n tiêu chu ẩ n (t ừ 1 ñế n 10mm) ñượ c g ọ i là ñộ sóng b ề m ặ t. 1.3.2.2. Tính chất cơ lý của bề mặt gia công 1.3.3. Ảnh hưởng của các yếu tố ñến ñộ nhám bề mặt khi gia công cơ - Nh ữ ng nguyên nhân có liên quan ñế n hình d ạ ng hình h ọ c c ủ a dao c ắ t. - Nh ữ ng nguyên nhân có liên quan ñế n bi ế n d ạ ng ñ àn h ồ i và bi ế n d ạ ng d ẻ o c ủ a v ậ t li ệ u gia công. - Nh ữ ng nguyên nhân có liên quan ñế n ñộ c ứ ng v ữ ng c ủ a h ệ th ố ng công ngh ệ và rung ñộ ng. - Ph ụ thu ộ c vào ch ế ñộ bôi tr ơ n làm mát: Lo ạ i dung d ị ch tr ơ n ngu ộ i, l ư u l ượ ng t ướ i, th ờ i ñ i ể n t ướ i . 1.3.3.1. Ảnh hưởng của thông số hình học của dao ñến ñộ nhám bề mặt - Khi S > 0,15mm/vòng thì: 2 8 r S R z = (1.14) - Khi S > 0,15mm/vòng thì : 2 min min 2 r R 8 2 1 z h rhS S   = + +     (1.15) 7 Hình 1.5. Ảnh hưởng của tốc ñộ cắt tới ñộ nhám bề mặt khi gia công thép Hình 1.6. Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới ñộ nhám bề mặt 1.3.3.2. Ảnh hưởng của tốc ñộ cắt Khi c ắ t thép Cacbon ở t ố c ñộ th ấ p, nhi ệ t c ắ t không cao, phoi kim lo ạ i d ễ tách, bi ế n d ạ ng c ủ a l ớ p kim lo ạ i không nhi ề u, vì v ậ y ch ấ t l ượ ng b ề m ặ t gia công th ấ p. Khi t ă ng t ố c ñộ c ắ t lên kho ả ng 15 ÷ 20 m/phút thì nhi ệ t c ắ t và l ự c c ắ t ñề u t ă ng gây ra bi ế n d ạ ng d ẻ o m ạ nh, và trong ñ i ề u ki ệ n nh ư v ậ y r ấ t d ễ hình thành phoi bám do ñ ó ñộ nh ấ p nhô t ế vi l ớ p b ề m ặ t t ă ng lên. Khi c ắ t v ớ i t ố c ñộ c ắ t t ừ 30m/phút tr ở lên thì khó hình thành phoi bám, do ñ ó chi ề u cao nh ấ p nhô b ề m ặ t R z gi ả m. Khi c ắ t v ớ i v ậ n t ố c c ắ t t ừ 100m/phút tr ở lên, nhi ệ t c ắ t cao, kim lo ạ i d ễ bi ế n d ạ ng, l ớ p kim lo ạ i n ằ m gi ữ a m ặ t tr ướ c c ủ a dao và phoi b ị nóng ch ả y làm gi ả m ma sát, gi ả m l ự c c ắ t, khó hình thành phoi bám, do ñ ó chi ề u cao nh ấ p nhô t ế vi l ớ p b ề m ặ t gi ả m, ñộ nh ẵ n b ề m ặ t t ă ng lên. 1.3.3.3. Ảnh hưởng của lượng chạy dao Khi gia công v ớ i l ượ ng ch ạ y dao 0,02 ÷ 0,15mm/vòng thì b ề m ặ t gia công có ñộ nh ấ p nhô t ế vi gi ả m. N ế u S < 0,02mm/vòng thì ñộ nh ấ p nhô t ế vi s ẽ t ă ng lên (t ứ c là ñộ nh ẵ n bóng s ẽ gi ả m xu ố ng) vì ả nh h ưở ng c ủ a bi ế n d ạ ng d ẻ o l ớ n h ơ n ả nh h ưở ng c ủ a các y ế u t ố hình h ọ c. N ế u l ượ ng ch ạ y dao S > 0,15mm/vòng thì bi ế n d ạ ng ñ àn h ồ i s ẽ ả nh h ưở ng ñế n s ự 8 hình thành các nh ấ p nhô t ế vi ñồ ng th ờ i k ế t h ợ p v ớ i ả nh h ưở ng c ủ a các y ế u t ố hình h ọ c làm t ă ng ñộ nhám b ề m ặ t. Để ñả m b ả o ñộ nh ẵ n bóng b ề m ặ t và n ă ng su ấ t gia công, ñố i v ớ i thép Cacbon ng ườ i ta th ườ ng ch ọ n giá tr ị c ủ a l ượ ng ch ạ y dao S trong kho ả ng t ừ 0,05 ñế n 0,12mm/vòng. 1.3.3.4. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt Ả nh h ưở ng c ủ a chi ề u sâu c ắ t ñế n ñộ nhám b ề m ặ t là không ñ áng k ể . Tuy nhiên n ế u chi ề u sâu c ắ t quá l ớ n s ẽ d ẫ n ñế n rung ñộ ng trong quá trình c ắ t t ă ng, do ñ ó làm t ă ng ñộ nhám. Ng ượ c l ạ i, chi ề u sâu c ắ t quá nh ỏ s ẽ làm cho dao b ị tr ượ t trên b ề m ặ t gia công. Th ự c nghi ệ m cho th ấ y khi c ắ t v ớ i chi ề u sâu c ắ t t = 0,02 ÷ 0,03mm th ườ ng x ả y ra hi ệ n t ượ ng tr ượ t dao. Khi ñ ó kim lo ạ i ch ủ y ế u b ị nén ch ặ t làm cho chi ề u cao nh ấ p nhô t ế vi t ă ng lên và l ớ p b ề m ặ t b ị bi ế n c ứ ng, gây khó kh ă n cho l ầ n gia công ti ế p theo. 1.3.3.5. Ảnh hưởng của vật liệu gia công V ậ t li ệ u gia công (hay tính gia công c ủ a v ậ t li ệ u) ả nh h ưở ng ñế n ñộ nhám b ề m ặ t ch ủ y ế u là do kh ả n ă ng bi ế n d ạ ng d ẻ o. V ậ t li ệ u d ẻ o và dai (thép ít cacbon) d ễ bi ế n d ạ ng d ẻ o s ẽ làm cho nhám b ề m ặ t l ớ n h ơ n so v ớ i v ậ t li ệ u c ứ ng và giòn. 1.3.3.6. Ảnh hưởng của rung ñộng của hệ thống công nghệ Quá trình rung ñộ ng trong h ệ th ố ng công ngh ệ t ạ o ra chuy ể n ñộ ng t ươ ng ñố i có chu k ỳ gi ữ a d ụ ng c ụ c ắ t và chi ti ế t gia công d ẫ n ñế n làm thay ñổ i ñ i ề u ki ệ n ma sát, gây nên ñộ sóng và nh ấ p nhô t ế vi trên b ề m ặ t gia công. Sai l ệ ch c ủ a các b ộ ph ậ n máy làm cho chuy ể n ñộ ng c ủ a máy không ổ n ñị nh, h ệ th ố ng công ngh ệ s ẽ có dao ñộ ng c ưỡ ng b ứ c. Đ i ề u này có ngh ĩ a là các b ộ ph ậ n máy làm vi ệ c s ẽ có rung ñộ ng v ớ i nh ữ ng t ầ n s ố khác nhau gây ra sóng d ọ c và sóng ngang trên b ề m ặ t gia công v ớ i b ướ c sóng khác nhau. 9 Hình 1.7. Ảnh hưởng của cacbon tới cơ tính của thép thường 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 200 400 600 800 1000 1200 0 200 200 300 HB 60 50 40 30 20 10 2400 2000 1600 1200 800 400 % C σ b , MN/m ψ, δ % a k, KJ/m 2 ψ σ b a k δ HB 1.4. CÁC THÀNH PHẦN VẬT LIỆU CỦA CÁC LOẠI THÉP CACBON 1.4.1. Khái niệm và thành phần hóa học của thép Cacbon Thép là h ợ p kim gi ữ a s ắ t và cacbon v ớ i l ượ ng cacbon nh ỏ h ơ n 2,14%. Do ñ i ề u ki ệ n n ấ u luy ệ n t ừ qu ặ ng s ắ t, nên ngoài hai nguyên t ố chính là Fe và C, trong thép còn có các nguyên t ố khác, ñ ó là các t ạ p ch ấ t th ườ ng có (Mn, Si, P, S), các t ạ p ch ấ t ẩ n (H, N, O .) và các t ạ p ch ấ t ng ẫ u nhiên (Cr, Ni, Cu, Mo, Mn, Co, V, Ti .). Thành ph ầ n hóa h ọ c c ủ a thép thông th ườ ng ngoài Fe ra ñượ c gi ớ i h ạ n nh ư sau: C < 2,14%; Mn ≤ 0,5% ÷ 0,8%; Si ≤ 0,3% ÷ 0,6%; P ≤ 0,03 ÷ 0,06%; S ≤ 0,03 ÷ 0,06% (theo tiêu chu ẩ n ISO: S, P ≤ 0,03%). 1.4.2. Ảnh hưởng của cacbon tới tổ chức, tính chất và công dụng của thép 1.4.2.1. Tổ chức tế vi 1.4.2.2. Cơ tính Khi thành ph ầ n cacbon t ă ng lên, ñộ b ề n và ñộ c ứ ng t ă ng, còn ñộ d ẻ o và ñộ dai gi ả m. V ề m ặ t ñị nh l ượ ng, có th ể th ấ y c ứ t ă ng 0,1%C, ñộ c ứ ng HB s ẽ t ă ng thêm kho ả ng 20÷25 ñơ n v ị , gi ớ i h ạ n b ề n ( σ b ) t ă ng thêm kho ả ng 60÷80Pa, ñộ giãn dài ( δ ) gi ả m ñ i kho ả ng 2÷4%, ñộ th ắ t t ỷ ñố i ( ψ ) gi ả m ñ i kho ả ng 1÷5%, ñộ dai va ñậ p (a k ) gi ả m ñ i kho ả ng 200 kJ/m 2 , . 10 1.4.2.3. Vai trò của cacbon. Công dụng của thép theo thành phần cacbon 1.4.3. Phân loại thép Cacbon 1.4.3.1. Theo mức ñộ sạch tạp chất từ thấp ñến cao có các mức chất lượng sau 1.4.3.2. Theo phương pháp khử ôxy 1.4.3.3. Theo công dụng 1.4.4. Ký hiệu Thép cacbon 1.4.4.1. Nhóm thép cacbon chất lượng thường 1.4.4.2. Nhóm thép kết cấu 1.4.4.3. Nhóm thép dụng cụ 1.4.4.4. Nhóm thép Cacbon có công dụng riêng 1.5. MÁY CNC VÀ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG TRÊN MÁY CNC (CAD/CAM/CNC) 1.5.1. Đặc trưng cơ bản của máy CNC 1.5.2. Cấu trúc cơ bản của máy CNC 1.5.3. Công nghệ gia công trên máy CNC (CAD/CAM-CNC) 1.5.3.1. Hệ trục tọa ñộ máy công cụ CNC 1.5.3.2. Các ñiểm gốc, ñiểm chuẩn trên máy công cụ CNC 1.5.3.3. Tổng quan về công nghệ CAD/CAM 1.5.3.4. Lập trình gia công theo công nghệ CAD/CAM - CNC 1.6. Kết luận chương Trong ch ươ ng này, lu ậ n v ă n gi ớ i thi ệ u lý thuy ế t c ơ b ả n v ề ch ế ñộ c ắ t, ch ấ t l ượ ng c ủ a chi ti ế t gia công và phân tích các ả nh h ưở ng c ủ a các y ế u t ố nh ư : hình dáng hình h ọ c c ủ a dao, t ố c ñộ c ắ t, l ượ ng ch ạ y dao, chi ề u sâu c ắ t, v ậ t li ệ u gia công c ũ ng nh ư rung ñộ ng c ủ a h ệ th ố ng công ngh ệ . ñế n ñộ nhám b ề m ặ t và trình bày tóm t ắ t các ch ỉ tiêu ñ ánh giá ch ấ t l ượ ng b ề m ặ t R a , R z . Bên c ạ nh ñ ó là vi ệ c trình bày các 11 thành ph ầ n nguyên t ố hóa h ọ c c ủ a các lo ạ i thép Cacbon dùng cho nghiên c ứ u, ñặ c bi ệ t là ả nh h ưở ng c ủ a thành ph ầ n cacbon ñế n tính ch ấ t c ơ lý c ủ a thép. Gi ớ i thi ệ u máy CNC và công ngh ệ gia công trên máy CNC (CAD/CAM-CNC). Đồ ng th ờ i c ũ ng gi ớ i thi ệ u và phân tích ch ế ñộ c ắ t trên máy v ạ n n ă ng và trên máy CNC. 2CHƯƠNG 2 CƠ SỞ VÀ QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM 2.1. CHỌN MẪU GIA CÔNG 2.1.1. Chọn máy và chế ñộ cắt khi gia công thô 2.1.1.1. Máy gia công 2.1.1.2. Chế ñộ cắt Chế ñộ cắt TT Tên mẫu n (vòng/phút) S z (mm/vòng) t (m) 1 Thép S40C (JIS G4051-1979) 1320 0,09 1,5 2 Thép S45C (JIS G4051-1979) 1320 0,09 1,03 3 Thép S55C (JIS G4051-1979) 1320 0,09 1 4 Thép SKD11 (JIS G4404-1983) 1320 0,09 0,5 2.1.2. Mẫu gia công Hình 2.1. Phôi trước khi gia công Bảng 2.1. Chế ñộ cắt khi gia công thô 12 2.2. CHỌN LOẠI VẬT LIỆU V ậ t li ệ u nghiên c ứ u: Là các lo ạ i thép Cacbon S40C, S45C, S55C, và SKD11 không qua x ử lý nhi ệ t. 2.3. THÀNH PHẦN CÁC BON CỦA MẪU, ĐỘ CỨNG CỦA MẪU 2.3.1. Cơ tính của mẫu TT Tên mẫu Giới hạn chảy ch σ (N/mm 2 ) Giới hạn bền b σ (N/mm 2 ) Độ dãn dài 5 δ (%) Độ cứng (HBS) Độ cứng HRC 1 Thép S40C (JIS G4051-1979) 372.10 576.12 23.1 181.0 2 Thép S45C (JIS G4051-1979) 378.43 594.61 22.0 199.0 3 Thép S55C (JIS G4051-1979) 375.18 671.20 17.2 204.0 4 Thép SKD11 (JIS G4404-1983) - - - 63.4 2.3.2. Thành phần hóa học của mẫu Thành phần hóa học TT Tên mẫu C (%) SI (%) Mn (%) P (%) S (%) Ni (%) Cr (%) Cu (%) 1 Thép S40C (JIS G4051-1979) 0.3914 0.1722 0.6218 0.0245 0.0301 0.0114 0.0127 0.1456 2 Thép S45C (JIS G4051-1979) 0.4506 0.1861 0.6451 0.0244 0.0314 0.0103 0.0134 0.1047 3 Thép S55C (JIS G4051-1979) 0.5537 0.2046 0.7510 0.0217 0.0315 0.0107 0.0119 0.1241 4 Thép SKD11 (JIS G4404-1983) 1.5510 0.3450 0.4500 0.0142 0.0157 - 0.4133 - Bảng 2.3. Thành phần hóa học của thép Cacbon Bảng 2.2. Cơ tính của thép Cacbon dùng ñể nghiên cứu 13 2.4. MÁY CNC VÀ DAO DÙNG TRONG THÍ NGHIỆM 2.4.1. Máy gia công 2.4.2. Kết cấu dao phay Dao phay m ặ t ñầ u g ắ n mãnh h ợ p kim c ứ ng (hình 2.4) có các thông s ố c ơ b ả n (tra theo Mitsubishi General Catalogue 2009 - 2010) nh ư sau: Kích thước (mm) Kiểu Số thứ tự Số răng D 1 L 1 D 9 L 7 D 8 W 1 L 8 Trọng lượng dụng cụ (kg) t (mm) BAP300 050A07R 7 50 40 22 20 11 10.4 6.3 0.4 9 Bảng 2.5. Các thông số cơ bản của dao Hình 2.6. Kết cấu dao phay mặt ñầu dùng ñể nghiên cứu Hình 2.4. Thông số cơ bản của dao Hình 2.5. Thông số hình học mãnh cắt 14 2.5. YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA BỀ MẶT VÀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT 2.5.1. Yêu cầu kỹ thuật của bề mặt 2.5.2. Yêu cầu ñộ nhám bề mặt 2.6. CHỌN CHẾ ĐỘ CẮT VÀ CÁC YẾU TỐ CÔNG NGHỆ KHÁC TRÊN MÁY CNC 2.6.1. Chế ñộ cắt trên máy vạn năng 2.6.1.1. Khái niệm chung 2.6.1.2. Các yếu tố của chế ñộ cắt - Chi ề u sâu c ắ t t (mm). - L ượ ng ch ạ y dao s (mm/vòng). - T ố c ñộ c ắ t v (m/ph). 2.6.1.3. Chế ñộ cắt khi phay trên máy vạn năng Hi ệ n nay, tài li ệ u v ề ch ế ñộ c ắ t c ủ a ph ươ ng pháp gia công phay trên máy v ạ n n ă ng r ấ t phong phú và ñ a d ạ ng, các k ỹ s ư d ễ dàng khai thác và s ử d ụ ng có hi ệ u qu ả kinh t ế . Thông th ườ ng trên các phi ế u công ngh ệ hay trong các tài li ệ u thi ế t k ế các k ỹ s ư ñ ã ch ọ n tr ướ c ch ế ñộ c ắ t theo ph ươ ng pháp tra b ả ng hay tính theo các ñ i ề u ki ệ n c ắ t, v ậ t li ệ u gia công, m ứ c ñộ ả nh h ưở ng c ủ a các thông s ố v ậ n t ố c c ắ t, l ự c c ắ t, momen xo ắ n, công su ấ t… Trong ph ạ m vi nghiên c ứ u c ủ a ñề tài, tác gi ả ch ỉ trình bày lý thuy ế t c ơ b ả n v ề ch ế ñộ c ắ t c ủ a ph ươ ng pháp gia công phay trên máy v ạ n n ă ng. 2.6.2. Chế ñộ cắt trên máy CNC Vi ệ c s ử d ụ ng ch ế ñộ c ắ t th ườ ng theo khuy ế n cáo c ủ a nhà cung c ấ p máy, cung c ấ p d ụ ng c ụ m ộ t ph ầ n, còn ch ủ y ế u là theo kinh nghi ệ m nh ư khi th ự c hi ệ n gia công trên máy v ạ n n ă ng. 2.6.3. Gia công cắt gọt khi phay 2.6.3.1. Khái niệm chung 2.6.3.2. Phân loại dao phay 2.6.3.3. Vật liệu chế tạo dao phay 15 2.6.3.4. Các thông số hình học của dao phay 2.6.3.5. Các yếu tố của lớp cắt 2.6.3.6. Lực cắt khi phay 2.6.3.7. Độ mòn và tuổi bền của dao phay 2.6.3.8. Ảnh hưởng của dung dịch bôi trơn - làm nguội ñến quá trình cắt kim loại 2.6.4. Chọn chế ñộ cắt Theo tài li ệ u ch ỉ d ẫ n thì kh ả n ă ng c ắ t g ọ t t ố t nh ấ t c ủ a dao v ớ i ch ế ñộ c ắ t: v = 225m/phút, s ph = 200÷300 mm/phút; t = 0,5 mm. 2.6.5. Các yếu tố công nghệ khác 2.7. GIA CÔNG CÁC MẪU THỰC NGHIỆM TRÊN MÁY CNC 2.7.1. Chuẩn bị trước khi gia công 2.7.2. Chương trình gia công 2.8. KẾT LUẬN CHƯƠNG N ộ i dung chính c ủ a ch ươ ng này là t ậ p trung vào công tác chu ẩ n b ị các trang thi ế t b ị dùng ñể gia công các m ẫ u v ậ t li ệ u, ch ọ n v ậ t li ệ u, ch ế ñộ c ắ t, dao c ắ t, máy CNC, dung d ị ch tr ơ n ngu ộ i, ch ươ ng trình gia công CNC, c ũ ng nh ư các ñ i ề u ki ệ n công ngh ệ khác. Đồ ng th ờ i, ti ế n hành quá trình ñị nh v ị phôi trên êtô th ủ y l ự c và k ẹ p ch ặ t, các thao tác máy nh ằ m xác ñị nh ñ i ể m chu ẩ n ñể ti ế n hành gia công theo ch ươ ng trình ñ ã xây d ự ng. 3CHƯƠNG 3 XỬ LÝ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 3.1. DỤNG CỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ NHÁM BỀ MẶT 3.1.1. Dụng cụ ño và tính năng kỹ thuật 3.1.1.1. Mô tả dụng cụ ño Máy ñ o ñộ nhám b ề m ặ t c ủ a Taylor Hobson - United Kingdom dùng ñể ki ể m tra ñộ nhám c ơ b ả n c ủ a các thông s ố R a , R z . 16 3.1.1.2. Tính năng kỹ thuật 3.1.2. Phương pháp ño - Đ o ñộ nhám b ề m ặ t theo ph ươ ng pháp ti ế p xúc. 3.2. KẾT QUẢ ĐO ĐỘ NHÁM BỀ MẶT SAU KHI GIA CÔNG Đ o các giá tr ị R a và R z trên t ừ ng m ẫ u v ậ t li ệ u, m ỗ i m ẫ u ti ế n hành ñ o 3 l ầ n t ạ i 3 v ị trí khác nhau, sau ñ ó l ấ y giá tr ị trung bình c ộ ng c ủ a ba l ầ n ñ o. Chúng ta nh ậ n ñượ c k ế t qu ả nh ư sau: Chế ñộ cắt: V= 225 (m/ph); S ph = 200 (mm/ph); t = 1 (mm) Thông số nhám R a (µm) Thông số nhám R z (µm) Mẫu vật liệu thử Mẫu số Lần ño 1 Lần ño 2 Lần ño 3 Giá trị trung bình Lần ño 1 Lần ño 2 Lần ño 3 Giá trị trung bình 1 3.09 3.38 3.03 3.17 15.9 17.5 15.4 16.27 2 2.35 2.77 3.16 2.76 14.9 14.7 16.3 15.30 S40C 3 2.75 2.85 2.53 2.71 2.88 18.7 20.7 18.9 19.43 17.00 1 2.78 2.48 2.86 2.70 19.4 16.6 18.2 18.07 2 2.03 2.27 2.66 2.32 9.30 11.4 12.4 11.03 S45C 3 3.87 2.91 2.02 2.93 2.65 10.2 13.9 13.4 12.50 13.87 1 2.82 2.85 2.60 2.76 11.4 12.5 13.6 12.50 2 2.89 3.11 2.26 2.75 11.5 11.8 16.7 13.33 S55C 3 1.00 1.59 1.04 1.21 2.24 9.50 10.2 10.0 9.90 11.91 1 0.43 0.42 0.49 0.45 2.40 2.20 2.30 2.30 2 0.16 0.23 0.21 0.20 1.90 2.20 2.50 2.20 SKD11 3 0.52 0.45 0.63 0.53 0.39 2.10 1.90 1.80 1.93 2.14 Chế ñộ cắt: V= 225 (m/ph); S ph = 300 (mm/ph); t = 1 (mm) Thông số nhám R a (µm) Thông số nhám R z (µm) Mẫu vật liệu thử Mẫu số Lần ño 1 Lần ño 2 Lần ño 3 Giá trị trung bình Lần ño 1 Lần ño 2 Lần ño 3 Giá trị trung bình 1 3.01 2.98 3.22 3.07 19.5 19.4 20.7 19.87 2 3.63 3.11 3.89 3.54 17.6 14.0 21.9 17.83 S40C 3 3.26 3.01 3.21 3.16 3.25 20.5 19.0 19.4 19.63 19.11 Bảng 3.3. Kết quả ño ñộ nhám trung bình với S=300(mm/ph) Bảng 3.2. Kết quả ño ñộ nhám trung bình với S=200(mm/phút) 17 1 2.82 2.76 2.92 2.83 19.4 15.6 14.7 16.57 2 3.43 3.03 3.21 3.22 16.7 12.7 13.7 14.37 S45C 3 3.03 3.02 3.05 3.03 3.03 15.7 12.9 14.8 14.47 15.13 1 1.88 2.07 2.40 2.11 12.6 12.5 13.1 12.73 2 2.50 2.77 2.55 2.60 12.7 12.9 13.8 13.13 S55C 3 2.56 2.87 2.60 2.67 2.46 12.8 13.2 12.5 12.83 12.90 1 0.78 0.75 0.72 0.73 3.10 3.50 2.70 3.10 2 0.65 0.75 0.71 0.70 3.90 3.40 3.20 3.50 SKD11 3 0.74 0.68 0.64 0.69 0.71 2.80 3.20 3.70 3.23 3.28 3.3. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM 3.3.1. Cơ sở lý thuyết về quy hoạch thực nghiệm 3.3.1.1. Khái niệm về quy hoạch thực nghiệm Trong ñ a s ố tr ườ ng h ợ p, khi quan h ệ ph ụ thu ộ c gi ữ a các hi ệ n t ượ ng ch ư a ñượ c bi ế t m ộ t cách ñầ y ñủ , vi ệ c ñ i tìm c ự c tr ị ph ả i ti ế n hành th ự c nghi ệ m. T ứ c là chúng ta ph ả i làm hàng lo ạ t các thí nghi ệ m và tìm ra thí nghi ệ m t ố t nh ấ t. Tuy nhiên, công vi ệ c tr ở nên r ấ t khó kh ă n khi ng ườ i nghiên c ứ u ph ả i ti ế n hành th ự c nghi ệ m nhi ề u y ế u t ố . Để gi ả m b ớ t s ố thí nghi ệ m khi kh ả o sát t ươ ng tác nhi ề u y ế u t ố ta ph ả i ti ế n hành quy ho ạ ch th ự c nghi ệ m. 3.3.1.2. Thiết lập mô hình thí nghiệm Trình t ự các b ướ c ñể xác l ậ p mô hình th ố ng kê th ự c nghi ệ m nh ư sau: 1) Xác ñị nh hàm toán h ọ c mô t ả m ố i quan h ệ gi ữ a các y ế u t ố ñầ u vào và ñầ u ra. 2) Xác ñị nh các thông s ố mô hình theo s ố li ệ u th ự c nghi ệ m. 3) Ki ể m tra s ự t ươ ng thích c ủ a mô hình. 3.3.2. Xác ñịnh tham số thực nghiệm bằng phương pháp bình phương bé nhất 3.3.2.1. Xác ñịnh tham số của hàm tuyến tính một biến số 3.3.2.2. Tuyến tính hóa, hàm phi tuyến 3.3.2.3. Xác ñịnh tham số của hàm tuyến tính nhiều biến số 18 3.4. XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM 3.4.1. Xây dựng hàm thực nghiệm và tuyến tính hóa hàm thực nghiệm 3.4.1.1. Xây dựng quan hệ giữa ñộ nhám R a và phần trăm cacbon T ừ k ế t qu ả th ự c nghi ệ m khi ñ o R a v ớ i S = 200 (mm/ph), ta có b ả ng s ố li ệ u sau: Ơ x i y i X = lgx Y = lgy 0,3914 2,88 - 0,3979 0,4594 0,4506 2,65 - 0,3468 0,4232 0,5537 2,24 - 0,2596 0,3502 1,5510 0,39 0,1761 - 0,4089 Áp d ụ ng các công th ứ c khi tuy ế n tính hóa hàm phi tuy ế n, chúng ta có k ế t qu ả : A = 0,7305; b = - 1,0959 a = 10 0,7305 = 5,376 suy ra y = 5,376x -1,0959 (3.38) Sau khi tuy ế n tính hóa ta thu ñượ c hàm tuy ế n tính nh ư sau: Y = 0,7305 – 1,0959X (3.39) 3.4.1.2. Xây dựng quan hệ giữa ñộ nhám R z và phần trăm cacbon T ừ k ế t qu ả th ự c nghi ệ m khi ñ o R z v ớ i S = 200 (mm/ph), ta có b ả ng s ố li ệ u sau: x i y i X = lgx Y = lgy 0,3914 19,11 - 0,3979 1,2812 0,4506 15,13 - 0,3468 1,1798 0,5537 12,90 - 0,2596 1,1106 1,5510 3,28 0,1761 0,5159 Áp d ụ ng các công th ứ c khi tuy ế n tính hóa hàm phi tuy ế n, chúng ta có k ế t qu ả : A = 4,4035; b = - 1,6746 a = 10 4,4035 = 25322,116 suy ra y = 25322,116x -1,6746 (3.40) Sau khi tuy ế n tính hóa ta thu ñượ c hàm tuy ế n tính nh ư sau: Y = 25322,116 – 1,6746X (3.41) 19 3.4.2. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa ñộ nhám bề mặt R a , R z với phần trăm cacbon 3.4.2.1. Quan hệ giữa ñộ nhám bề mặt R a với phần trăm cacbon 3.4.2.2. Quan hệ giữa nhám bề mặt R z với phần trăm cacbon Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa R a và phần trăm cacbon trước khi làm trơn ñường cong µm Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa R z và phần trăm cacbon trước khi làm trơn ñường cong. µm Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa R a và phần trăm cacbon sau khi làm trơn và tuyến tính hóa ñường cong. µm 20 T ừ ñồ th ị hình 3.5, hình 3.6, hình 3.7 và hình 3.8 ta th ấ y khi gia công thép Cacbon v ớ i cùng m ộ t ch ế ñộ c ắ t (các ñ i ề u ki ệ n khác là nh ư nhau): - Độ nhám b ề m ặ t t ă ng khi l ượ ng ch ạ y dao t ă ng. - Độ nhám b ề m ặ t gi ả m ( ñộ bóng t ă ng) khi ph ầ n tr ă m cacbon t ă ng (hay ñộ c ứ ng c ủ a v ậ t li ệ u t ă ng). 3.4.2.3. Quan hệ giữa nhám bề mặt R a với phần trăm cacbon và lượng chạy dao S a. Quy hoạch quay cấp II 1) Xây d ự ng và mô t ả toán h ọ c: Mô t ả toán h ọ c c ủ a ph ươ ng án quay c ấ p II có d ạ ng nh ư sau: Y = b 0 + b 1 .X 1 +…+ b k .X k + b 12 .X 1 .X 2 + … + b 11 .X 1 2 + b kk *X k 2 (3.42) 2) Xác ñị nh các h ệ s ố trong ph ươ ng trình mô t ả toán h ọ c: 3) Ki ể m nghi ệ m s ự h ồ i quy c ủ a ph ươ ng trình th ự c nghi ệ m: - Tính ph ươ ng sai t ươ ng thích theo: * * 2 du ts tt tt S S S f − = (3.50) - Tính chu ẩ n Fisher theo công th ứ c sau: 2 2 tt tn ts S F S = (3.54) Đế n ñ ây, n ế u ph ươ ng trình th ự c nghi ệ m h ồ i quy thì ti ế n hành tr ả v ề bi ế n th ự c theo công th ứ c: 0 j j j j x x X λ − = (3.55) Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa R z và phần trăm cacbon sau khi làm trơn và tuyến tính hóa ñường cong. µm