3. Ý nghĩa của đề tài
2.6. Kết luận chƣơng 2
Quá trình gia công có các yếu tố lực cắt, ma sát ảnh hƣởng rất lớn đến mòn, tuổi bền. Vì vậy cần quan tâm nghiên cứu đến lực trên cơ sở mòn, tuổi bền để xem xét chất lƣợng bề mặt.
Mòn và tuổi bền của dụng cụ khi phay cứng có ảnh hƣởng rất lớn tới chất lƣợng bề mặt và độ chính xác khi phay. Do vậy cần đƣợc nghiên cứu để điều khiển quá trình phay đạt đƣợc yêu cầu kỹ thuật và hiệu quả gia công.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
CHƢƠNG 3 : CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG 3.1. Khái niệm về chất lƣợng bề mặt gia công
3.1.1. Khái niệm
Chất lƣợng của lớp kim loại bề mặt ( CLBM) chịu ảnh hƣởng bởi vật
liệu gia công, phƣơng pháp gia công cơ và chế độ công nghệ gia công.
CLBM ảnh hƣởng rất lớn đến tính chất sử dụng của chi tiết máy.
Nội dung nghiên cứu: Khái niệm về CLBM → ảnh hƣởng của CLBM
đến tính chất sử dụng của CTM → Các yếu tố ảnh hƣởng đến đến CLB → Phƣơng pháp đánh giá CLBM →Phƣơng pháp đảm bảo CLBM.
3.1.2. Cơ lý tính lớp bề mặt a. Nhám bề mặt a. Nhám bề mặt
Độ nhám bề mặt hay còn gọi là nhấp nhô tế vi của lớp bề mặt (H1.2) là tập hợp các bề mặt lồi lõm với bƣớc cực nhỏ và quan sát đƣợc trong 1 phạm vi chiều dài chuẩn rất ngắn. Chiều dài chuẩn là chiều dài để đánh giá các thông số của độ nhám bề mặt (l=0,01÷25mm)
Để đánh giá độ nhấp nhô bề mặt ngƣời ta dùng hai chỉ tiêu đó là Ra, Rz (μm) * Sai lệch trung bình số học của prôfin Ra
Ra là sai lệch trung bình số học các khoảng cách từ những điểm của profil đo đƣợc đến đƣờng trung bình ox đo theo phƣơng vuông góc với đƣờng trung bình của độ nhấp nhô tế vi trên chiều dài chuẩn L.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
z
N P
P
Q
* Chiều cao nhấp nhô tế vi Rz
Chiều cao nhấp nhô tế vi trên chiều dài chuẩn L với giá trị trung bình cộng của các giá trị tuyệt đối của chiều cao 5 đỉnh cao nhất h1, h3, h5 , h7, h9 và chiều sâu của 5 đáy thấp nhất là trị số trung bình của 5 khoảng cách từ 5 đỉnh cao nhất đến 5 đáy thấp nhất h2, h4, h6 , h8, h10, của profil trong khoảng chiều dài chuẩn L.
Công thức
TCVN 2511-95 cũng nhƣ ISO quy định 14 cấp độ nhám bề mặt. Phay cứng chính xác đƣợc cấp chính xác dung sai IT thông thƣờng là cấp (5÷7), với độ nhám bề mặt là Rz = (2 ÷ 4) μm.
Bảng3.1. Các giá trị và chiều dài chuẩn l ứng với các cấp độ nhám bề mặt Ra, Rz
b. Phƣơng pháp đánh giá độ nhám bề mặt
Để đánh giá nhám bề mặt ngƣời ta thƣờng dùng các phƣơng pháp sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.1. Kính hiển vi đo độ nhám
Phƣơng pháp đo độ nhám …bằng máy đo profin Ra, Rz, Rzmax
Hình 3.2. Máy đo độ nhám
Phƣơng pháp so sánh, có thể so sánh theo hai cách:
- So sánh bằng mắt
- So sánh bằng kính hiển vi quang học
c. Độ sóng bề mặt
Chu kỳ không bằng phẳng của bề mặt chi tiết gia công đƣợc quan sát trong khoảng lớn tiêu chuẩn (từ 1 đến 10 mm) đƣợc gọi là độ sóng bề mặt.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
3.2. Các nhân tố ảnh hƣởng đến nhám bề mặt khi phay cứng
a. Ảnh hƣởng của các thông số hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt
Ảnh hƣởng của góc nghiêng chính υ: υ tăng → Rz tăng - Ảnh hƣởng của góc nghiêng phụ υ1 : υ1 tăng → Rz tăng - Ảnh hƣởng của bán kính mũi dao r : r tăng → Rz giảm
b. Ảnh hƣởng của biến dạng dẻo lớp bề mặt
BDD lớp bề mặt ảnh hƣởng rất lớn đến nhám bề mặt. Biến dạng dẻo lớp bề mặt tăng làm tăng nhám bề mặt. Vì vậy, tất cả các nguyên nhân làm tăng biến dạng dẻo lớp bề mặt đều làm tăng nhám bề mặt.
Ảnh hƣởng của tốc độ cắt
Khi tốc độ cắt v thấp, nhiệt cắt không cao, biến dạng dẻo lớp bề măt nhỏ vì vậy nhám bề mặt Rz khá nhỏ.
Ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao
Khi gia công với lƣợng chạy dao S = (0,02÷0,15) mm/vòng thì bề mặt gia công có Rz nhỏ. Nếu gia công với S < 0,02mm/vòng Rz sẽ tăng lên vì ảnh hƣởng của biến dạng dẻo lớn hơn ảnh hƣởng của các yếu tố hình học. Nếu lƣợng chạy dao S > 0,15 mm/vòng thì biến dạng dẻo tăng kết hợp với ảnh hƣởng của các yếu tố hình học, làm Rz tăng.
Ảnh hƣởng của chiều sâu cắt
Chiều sâu cắt quá lớn thì rung động trong quá trình cắt tăng, do đó Rz tăng.
Ảnh hƣởng của vật liệu gia công
Vật liệu dẻo và dai (thép ít cacbon), càng dễ biến dạng dẻo sẽ làm cho Rz tăng. Vật liệu càng cứng, càng khó biến dạng dẻo và độ hạt càng nhỏ thì Rz giảm.
Ảnh hƣởng của rung động của hệ thống công nghệ
Nếu rung động có tần số lớn, biên độ nhỏ sẽ gây ra nhám bề mặt.
Ảnh hƣởng của dung dịch trơn nguội
Dung dịch trơn nguội làm giảm ma sát trong vùng gia công, giảm nhiệt cắt, giảm lực cắt, giảm biến dạng dẻo bề mặt do đó làm giảm Rz.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Ngoài ra độ nhám bề mặt còn phụ thuộc vào: ảnh hƣởng của góc nghiêng
giữa dao và phôi, ảnh hƣởng của tì dao lên bề mặt gia công…
3.3. Ảnh hƣởng của độ nhám bề mặt tới tính chất sử dụng của chi tiết máy
Nhiều công trình nghiên cứu đã chứng minh rằng ma sát và độ mòn của chi tiết máy phụ thuộc vào chiều cao và hình dáng của các mấp mô.
Ảnh hƣởng đến tính chống ăn mòn
Nhám bề mặt còn ảnh hƣởng rất lớn đến tính chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt chi tiết. Độ nhám bề mặt càng cao và bán kính đáy các mấp mô càng lớn thì càng tăng khả năng chống ăn mòn. Có thể chống ăn mòn hóa học bằng phƣơng pháp bảo vệ bề mặt khác nhƣ mạ (mạ rôm, mạ niken), sơn phủ bề mặt .v.v.
Ảnh hƣởng đến độ bền mỏi
Nhám bề mặt ảnh hƣởng rất lớn đến độ bền mỏi của chi tiết, đặc biệt là các chi tiết chịu tải trọng va đập và đổi dấu. Vì tại đáy các mấp mô là nơi tập trung ứng suất với trị số rất lớn, tại đó sẽ xuất hiện các vết nứt tế vi - đó chính là nguyên nhân phá hỏng chi tiết. Vì vậy, nếu độ nhám bề mặt tăng, bán kính đáy các mấp mô lớn thì sẽ nâng cao độ bền mỏi của chi tiết. Ví dụ: bề mặt vật liêu thép đƣợc đánh bóng có độ bền mỏi cao hơn 40% so với bề mặt không đƣợc đánh bóng.
Ảnh hƣởng đến độ chính xác mối ghép
Nhám bề mặt ảnh hƣởng rất lớn đến độ chính xác của mối ghép. - Với các mối gép có khe hở, trong giai đoạn mòn ban đầu chiều cao Rz bị san phẳng từ 65 - 75% do đó khe hở mối ghép tăng lên, độ chính xác mối gép giảm. - Với mối gép có độ dôi, khi ép chiều cao Rz bị chèn xuống làm cho độ bền của mối ghép giảm xuống.
3.4. Các phƣơng pháp nghiên cứu về độ nhám bề mặt
Nhƣ chúng ta đã biết, độ nhám bề mặt ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
ta mong muốn là đạt năng suất, giảm thời gian gia công mà vẫn đảm bảo chất lƣợng bề mặt của chi tiết gia công, độ chính xác và tƣơng quan vị trí hình học. Với các ƣu điểm nổi bật của phay cứng đạt độ bóng cao vì vậy đã có rất nhiều kỹ sƣ, các nhà nghiên cứu cùng với nhiều nghiên cứu về độ bóng bề mặt trong phay cứng. Nhìn chung, các nghiên cứu theo hai hƣớng sau:
Nghiên cứu thực nghiệm: Dựa trên việc xây dựng, quan sát thực tế và
nghiên cứu thí nghiệm độ bóng bề mặt trong phay cứng.
Nghiên cứu mô phỏng: Dựa trên việc xây dựng, nghiên cứu các mô hình
mô phỏng quá trình gia công và dự đoán độ nhám bề mặt trong phay cứng
3.4.1. Nghiên cứu độ nhám bề mặt dựa trên thực nghiệm
Theo hƣớng nghiên cứu này, Guillem Quintana và các cộng sự của ông
đã nghiên cứu: Sử dụng dữ liệu hạt nhân trong máy công cụ cho việc đánh giá
gián tiếp của độ nhám bề mặt trong máy phay đứng, nghiên cứu này đƣợc đang trên tạp chí khoa học Robotics và Tích hợp máy tính vào sản xuất năm 2011 [12]. Qua nghiên cứu này chúng ta có đƣợc một phƣơng pháp khác để xác định độ nhám bề mặt trong gia công phay. Trong nghiên cứu các thí nghiệm đã đƣợc tiến hành thu thập dữ liệu nhằm phát triển các mô hình thuật toán, các mô hình này sẽ đƣợc sử dụng để dự đoán độ nhám bề mặt. Bảy mƣơi hai mẫu đƣợc sử dụng để phát triển hai mạng neutral, một dựa trên đầu vào của gia tốc và các yếu tố đầu vào của hạt nhân, và để so sánh hiệu suất
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.3. Thử nghiệm thiết lập, thu thập dữ liệu và điều chỉnh
Công trình này tập trung dựa trên các thông tin chứa trong các hạt nhân điều khiển số (NC) cho độ nhám bề mặt ở giám sát của một phần trong quá trình. Một giao diện ngƣời máy (HMI) đã đƣợc phát triển để tạo điều kiện thuận lợi cho sự tƣơng tác giữa các nhà điều hành và hạt nhân NC với một giao diện đồ họa ngƣời dùng làm việc trong các máy tính điều khiển số (CNC) màn hình. Thí nghiệm đƣợc thực hiện để có đƣợc các dữ liệu đƣợc mô phỏng với các mạng thần kinh nhân tạo cho độ nhám bề mặt trung bình tham số (Ra) dự đoán. Cuối cùng, một giải pháp nhỏ gọn đã đƣợc thực hiện thông qua các dữ liệu ngƣời dùng toàn cầu (gud). Dữ liệu từ HMI và từ hạt nhân đƣợc thu thập trong gud và phân tích với các mạng thần kinh nhân tạo. Ứng dụng cung cấp các tham số độ nhám bề mặt trung bình của một phần trong quá trình và cung cấp cho các thông số tối ƣu để điều hành. Kiểm tra xác minh đã đƣợc thực hiện, hiển thị kết quả chính xác. Việc sử dụng các ứng dụng phát triển trong nghiên cứu này đảm bảo độ nhám bề mặt Ra yêu cầu, cải thiện cắt giảm các thông số, làm giảm hoạt động hƣớng dẫn sử dụng hoàn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
thành và các bộ phận không thể chấp nhận đƣợc vào cuối của quá trình sản xuất, và cung cấp một giải pháp thực hiện trong màn hình máy công cụ CNC mà không cần bất kỳ bộ cảm biến bên ngoài khác.
Hình 3.4. Cảm biến vị trí của sensor điều khiển tích hợp cho trục chính
Nhƣ vậy, nghiên cứu có các điểm nổi bật mà Guillem Quintana và các cộng sự của ông đã nghiên cứu để đánh giá độ nhám bề mặt đó là:
* Hiệu suất của các dữ liệu hạt nhân để đánh giá gián tiếp độ nhám bề mặt * Dữ liệu đƣợc cung cấp bởi NC hạt nhân là hữu ích để xác định độ nhám bề mặt
* Sử dụng các dữ liệu hạt nhân NC là chi tiết quan trọng hơn so với dữ liệu đƣợc cung cấp bởi gia tốc
* Công trình này là một bƣớc tiến trong quá trình điều chỉnh và giám sát trong gia công phay
Khác với công nghệ gia công phay truyền thống . Ở gia công phay truyền thống thì cho rằng rung động có ảnh hƣởng xấu đến độ nhám bề mặt của chi tiết gia công, tìm các biện pháp làm giảm rung động của hệ thống
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
công nghệ thì ở nghiên cứu này H. Ding cùng các cộng sự đã nghiên cứu: Nghiên cứu thực nghiệm về cải thiện khả năng gia công của thép cứng công cụ bằng cách sử dụng hai chiều rung động trong phay siêu tinh, đƣợc đăng trên tạp chí quốc tế máy công cụ và sản xuất, tháng 12 năm 2010 [13] H. Ding cùng các cộng sự đã có hƣớng nghiên cứu mới mẻ bằng cách sử dụng thêm sự trợ giúp của rung động hai chiều vào trong gia công siêu phay tinh 2-D VAMEM (two dimensional vibration-assited micro-end-milling).
Hình 3.5. Mô hình và quá trình thí nghiệm 2-D VAMEM
Các thí nghiệm đƣợc thực hiện trên thép đã đƣợc tôi cứng, độ cứng của thép (55 – 58 HRC). Từ đó, nhằm nghiên cứu ảnh hƣởng của các thông số rung động đến nhám bề mặt và mòn dụng cụ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.6. Mòn dụng cụ cắt: (a) không có rung động , (b) có các rung động
Với thí nghiệm nhƣ trên, nghiên cứu đã cho thấy rung động theo 2 phƣơng có thể cải thiện nhám bề mặt và giảm mòn dụng cụ so với phay tinh truyền thống. Biên độ rung động lớn và tần số cao giúp cải thiện nhám bề mặt và giảm mòn dụng cụ.
Hình 3.7. Độ nhám bề mặt với biên độ và tần số rung động khác nhau [13]
Nhƣ vậy có thể kết luận rằng với sự trợ giúp của rung động trong gia công phay cứng theo 2 phƣơng là một phƣơng pháp mới, hiệu quả để phay thép dụng cụ đã tôi cứng. Đồng thời, rung động còn có thể đƣợc áp dụng để gia công khuôn dập nhằm cải thiện khả năng cắt gọt, làm tăng chất lƣợng bề mặt chi tiết và tuổi bền dụng cụ.
Cùng với hƣớng nhằm trợ giúp trong gia công phay cứng. Ở nghiên cứu trên H. Ding cùng các cộng sự đã nghiên cứu sử dụng hỗ trợ của rung
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
động vào trong gia công phay cứng [14], còn với S. Melkote cùng các cộng sự của ông là M. Kumar, F. Hashimoto theo cách khác đã nghiên cứu đề tài: “Laser hỗ trợ phay micro (micro milling) để phay các vật liệu cứng, đƣợc đăng trên tạp chí CIRP Annals - Manufacturing Technology, năm 2009 [14]. Trong sự phát triển của những năm gần đây trong sản xuất ở dạng kích thƣớc vi mô thì gia công phay micro có thể gia công những vật liệu đạt đƣợc dung sai rất cao, đạt đƣợc độ nhẵn bóng bề mặt theo yêu cầu. Bằng cách sử dụng dụng cụ cắt nhỏ hơn, cứng hơn hoạt động ở tốc độ cao. Ở nghiên cứu này Melkote cùng các cộng sự của ông đã thử nghiệm sử dụng laser ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) có nghĩa là “khuếch đại ánh sang bằng phát xạ kích” hỗ trợ gia công phay micro.
Thí nghiệm nghiên cứu trên trên thép dụng cụ qua tôi cứng 62 HRC. Thí nghiệm đƣa thêm laser vào trong gia công phay thép tôi cứng trên nhằm đánh giá ảnh hƣởng của nhiệt laser và tốc độ cắt trên độ chính xác chiều dài.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.8. Kết thúc phay (a) dụng cụ mới; (b) và (c) sau khi cắt 1 đoạn 150 mm; (b) bằng tia laser và ( c) không có laser ( tốc độ cắt: 32m/phút, chiều sâu trục cắt: 25 μm,
chiều sâu cắt 1 μm/flute, công suất: 7,5 W),
Nghiên cứu cho thấy, với sự hỗ trợ của tia laser làm nóng, ảnh hƣởng của tốc độ cắt sẽ làm tăng độ nhám bề mặt trong trong đó nó cải thiện tính chính xác độ sâu rãnh
Có thể thấy rằng không chỉ trên thế giới mà ngay ở Việt Nam trong chƣơng trình cấp Nhà nƣớc “Nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ Chế tạo máy” giai đoạn 5 năm 2001-2005 sẽ ứng dụng triển khai việc sử dụng laser để hỗ trợ phay mirco để tối ƣu hóa năng lƣợng laser và tăng tỷ lệ loại bỏ vật liệu khi phay mico vật liệu cứng khác nhƣ gốm sứ thiêu kết. Cũng nhằm hỗ trợ gia công phay cứng nhƣ nghiên cứu [13] và [14] thì ở nghiên cứu này,