Với một chi tiết máy có ba thông số quan trọng nhất quyết định đến chất lƣợng cũng nhƣ tuổi thọ của nó đó là độ bền cơ tính, chất lƣợng bề mặt và độ chính xác về kích thƣớc, hình dáng. Phòng đo kiểm của trƣờng Cao Đẳng Nghề Công Nghệ Cao Hà Nội đã đƣợc trang bị các thiết bị hiện đại để xác định các thông số nói trên.
4.2.1.Máy đo độ cứng:
Độ cứng: Là thuộc tính cơ bản của vật liệu, nó liên quan chặt chẽ đến độ bền của vật liệu. Có nhiều phƣơng pháp xác định độ cứng khác nhau:
- Phƣơng pháp đo độ cứng theo vết xƣớc
Đƣợc xác định bằng cách so sánh độ cứng của khoáng vật cần biết với mẫu chuẩn, dựa trên tính chất khoáng vật có độ cứng lớn hơn sẽ làm trầy khoáng vật có độ cứng nhỏ hơn, thông thƣờng theo thang độ cứng của Môxơ (F. Mohs; nhà khoáng vật học Đức). Thang đo độ cứng Mohs dựa trên mƣời loại khoáng vật đã có sẵn, ngoại trừ kim cƣơng. Theo đó, vật liệu mền nhất là Tan, vật liệu cứng nhất là kim cƣơng.
Thang đo độ cứng tƣơng đối này mang nhiều tính hạn chế trong thực tiễn sử dụng, không cung cấp đƣợc kết quả chính xác và không phù hợp với các loại kim loại, vật liệu hiện đại.
64
Độ cứng thang Mohs Khoáng vật
1 Tan (Mg3Si4O10(OH)2)
2 Thạch cao (CaSO4•2H2O)
3 Đá canxit (CaCO3)
4 Đá fluorit (CaF2)
5 Âptit (Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-)) 6 Ôctcla felspat (KAlSi3O8)
6 Thạch Anh (SiO2)
8 Topaz (Al2SiO4(OH-,F-)2)
9 Corundum (Al2O3)
10 Kim cƣơng (C)
Bảng 4.1: Thang đo độ cứng Mohs
Ngày nay, các phƣơng pháp đo độ cứng thƣờng sử dụng một đầu thử (có hình dạng đặc biệt và có độ cứng hơn mẫu đo) ấn tác động lên bề mặt mẫu thử. Theo đó trị số độ cứng đƣợc tính toán trên cơ sở lực tác động và độ sâu hoặc kích cỡ của vết lõm. Có 3 phƣơng pháp đo độ cứng đƣợc biết đến nhiều nhất là là Brinell, Vicker và Rockwell:
Phƣơng pháp đo độ cứng Brinell: là phƣơng pháp đo độ cứng do J.A. Brinell đƣa ra vào năm 1900, sử dụng một viên bi thép đk 10mm với lực ấn 3000 kg ấn lõm vào bề mặt kim loại. Đối với các kim loại mềm, lực ấn sẽ đƣợc giảm xuống 500kg, và đối với các kim loại cực cứng, sẽ sử dụng đến bi thử cardbide tungsten giám thiếu biến dạng đầu thử.
Lực tác động toàn phần sẽ đƣợc duy trì trong khoảng 10 – 15 giây đối với thử độ cứng của gang và thép, và tối thiểu 30 giây với các kim loại khác. Đƣờng kính của vết lõm trên bề mặt vật liệu thử đƣợc đo bằng kính hiển vi. Độ cứng Brinell đƣợc xác định theo công thức:
65
Hình 4.1: Phƣơng pháp đo độ cứng Brinel
Trong đó: F: Lực tác động D: Đƣờng kính bi
Di: Đƣờng kính vết lõm.
Thông số độ cứng Brinell thƣờng đƣợc viết liền với các điều kiện thử. Ví dụ 75HB 10/500/300 có nghĩa là độ cứng Brinel 75 đo đƣợc khi sử dụng bi thử đƣờng kính 10mm, lực thử 500 kg tác động trong vòng 30 giây.
So với các phƣơng pháp thử độ cứng khác, bi thử Brinell tạo ra vết lõm sâu và rộng nhất, do đó phép thử sẽ bình quân đƣợc độ cứng trên một phạm vi rộng hơn của vật đo. Đây là phƣơng pháp tối ƣu để đô độ cứng khối hoặc hoặc độ cứng tổng thể của một loại vật liệu, đặc biệt là vật liệu có cấu trúc không đồng đều. Các vết xƣớc và độ nhám bề mặt hầu nhƣ không ảnh hƣởng tới phép thử Brinell. Các giá trị BHN tiêu biểu là Nhôm 35MPa, thép gió 120Mpa, thép không gỉ 1250Mpa. Tuy nhiên phƣơng pháp thử này không phù hợp với đo các vật thể nhỏ.
Phƣơng pháp đo Độ cứng Vicker: đƣợc phát triển vào những năm 1920. Các tính toán của phƣơng pháp thử Vicker không thuộc với kích cỡ của đầu thử. Đầu thử có thể sử dụng cho mọi loại vật liệu. Phép thử sử dụng một mũi thử kim cƣơng hình chóp 4 cạnh có góc giữa các mặt phẳng đối diện là 1360. Góc này xấp xỉ tỷ lệ lý thuyết của đƣờng kính vết lõm với đƣờng kính bi thử trong phƣơng pháp thử
66
Brinell. Giá trị độ cứng (thƣờng phiên âm DPH, VHN hoặc VPH) xác định bằng lực tác động chia cho diện tích mặt lõm theo công thức
Hình 4.2: Phƣơng pháp đo độ cứng Vicker
Phƣơng pháp thử này có thể sử dụng cho tất cả các loại kim loại. Với một lực thử cho trƣớc, nó cho kết quả một thang đo liên tục, từ kim loại mềm là 5DPH tới các kim loại cứng là 1500 DPH.
Phƣơng pháp đo độ cứng Rockwell: là phƣơng pháp đo độ cứng bằng cách tác động làm lõm vật thử với một đầu thử kim cƣơng hình nón hoặc bi thép cứng. Quy trình đo cơ bản nhƣ sau : tác động đầu thử vào vật mẫu với một lực tối thiểu, thƣờng là 10kgf. Khi đạt độ cân bằng, thiết bị đo (theo dõi dịch chuyển đầu đo và các phản hồi về thay đổi chiều sâu tác động của đầu đo) ghi lại giá trị xác định. Tiếp đến, trong khi vẫn duy trì lực tác động tối thiểu, ngƣời ta tác động thêm một lực tối đa. Khi đạt đƣợc độ cân bằng, thôi tác động lực tối đa nhƣng vẫn duy trì lực tác động tối thiểu ban đầu. Khi lực tối đa đƣợc thu về, độ sâu vết lõm trên bề mặt vật
67
thử sẽ đƣợc phục hồi một phần. Độ sâu vết lõm còn lại (kết quả của phát và thu lực tối đa) đƣợc sử dụng để tính toán độ cứng Rockwell.
Hình 4.3: Phƣơng pháp đo độ cứng Rockwell F0: Lực tác dụng ban đầu
F: Lực tác động tổng hợp
Có nhiều thang đo độ cứng Rockwell, ký hiệu là RA, RB, RC, … tuỳ thuộc vào loại và kích thƣớc đầu đo cũng nhƣ giá trị lực tác dụng đƣợc sử dụng.
HRA . . . . carbides, thép tôi cứng bề mặt
HRB . . . . Phôi đồng đỏ, thép mềm, phôi nhôm, gang mềm…
HRC . . . . Gang cứng , thép tôi hoặc các vật liệu cứng hơn 100 HRB
HRD . . . . Thép mỏng, gang mềm
HRE . . . . Gang, nhôm , kim loại ổ bi
HRF . . . . Kim loại tấm có chiều dầy mỏng
HRG . . . . Đồng phốtpho, beryllium copper,Thiếc, chì …
HRK . . . . }
HRL . . . . }
HRM . . . .} . . . . Kim loại ổ bi mềm, nhựa, các vật liệu cực mỏng
HRP . . . . }
HRR . . . . }
HRS . . . . }
HRV . . . . }
Ví dụ nhƣ thép tôi đƣợc thử ở thang đo C với đầu thử kim cƣơng và lực tác động tối đa 150kg sẽ nẵm trong khoảng RC 20 tới RC 70. Với các vật liệu mềm hơn
68
đƣợc thử ở thang đo B bi thử đk 1/16 inch và lực thử tối đa 100 kg, kết quả đo trong phạm vi RB 0 tới RB100. Thang đo A (với đầu thử kim cƣơng và lực thử tối đa 60kg) thƣờng dùng dải phạm vi vật liệu đồng nhiệt luyện tới carbide.
Kiểm tra độ cứng theo phƣơng pháp Rockwell cho kết quả nhanh và chính xác. Vết lõm bằng phƣơng pháp thử này thƣơng nhỏ, do đó chi tiết sau nhiệt luyện có thể thử độ cứng bằng phƣơng pháp này mà không bị hƣ hại.
Máy đo độ cứng vật liệu: AR – 10
Hình 4.4: Máy đo độ cứng vật liệu AR - 10
Loại máy này trang bị hai loại mũi thử là mũi kim cƣơng và mũi bi, kết hợp với hệ thông đối trọng có thể điều chỉnh đƣợc do đó thiết bị này có thể đo đƣợc theo cả thang Brinell, Vicker và Rockwell. Với hệ thống các động cơ và các cảm biến sẽ thực hiện quy trình đo một cách chính xác, kết quả đo là đáng tin cậy.
4.2.2.Máy đo độ nhám:
Tổng quan về độ nhám bề mặt
Sau khi gia công, bề mặt của chi tiết không bằng phẳng một cách tuyệt đối, nghĩa là không đạt đƣợc bề mặt hình học lý tƣởng. nếu quan sát bề mặt của chi tiết
69
dƣới kính hiển vi, sẽ thấy đƣợc những mấp mô do vết dao gia công lƣu lại trên bề mặt của chi tiết.
Nhám bề mặt là tập hợp những mấp mô có bƣớc tƣơng đối nhỏ trên bề mặt thực của chi tiết đƣợc xét trong phạm vi chiều dài chuẩn.
Hình 4.5: Nhám bề mặt
Hình vẽ phóng to prôfin của bề mặt chi tiết trong giới hạn chiều dài chuẩn l. Đƣờng trung bình (m) của prôfin đƣợc xác định sao cho tổng diện tích các phần lồi bằng tổng diện tích các phần lõm:
F1 + F3 +…+Fn-1 = F2 + F4 +…+ Fn
Nhám bề mặt đƣợc đánh giá theo các thông số sau:
- Trung bình sai lệch số học biên độ(prôfin), Ra:
Ra là trung bình cộng những giá trị tuyệt đối của những sai lệch biên độ (Yi) so với đƣờng trung bình. 1 1 N i Ra Yi N
Hình 4.6: Trung bình sai lệch số học biên độ(prôfin), Ra
m L Y1 Yn Y1 Y2 F1 F3 F2 F4 Fn-1 Fn
70
- Chiều cao cực đại của biên độ(prôfin), Ry:
Ry là tổng chiều cao đỉnh cao nhất từ hàng trung bình Yp và chiều sâu của đáy thấp nhất từ đƣờng trung bình.
Ry = Yp + Yv
Hình 4.7: Chiều cao cực đại của biên độ(prôfin), Ry
- Độ cao mƣời điểm của độ nhám, Rz:
Tổng chiều cao trung bình năm đỉnh cao nhất và độ sâu trung bình năm đáy thấp nhất đƣợc đo từ một hàng song song với đƣờng trung bình.
Rz = 5 5 1 1 1 1 5 i 5 i Ypi Yvi
71
- Sai lệch tiêu chuẩn của biên độ(prôfin), Rq
Rq là căn bậc hai trung bình cộng bình phƣơng độ lệch biên dạng Yi so với đƣờng trung bình. 1 2 2 1 1 N i Rq Yi N
Hình 4.9: Sai lệch tiêu chuẩn của biên độ(prôfin), Rq
Độ nhám bề mặt:
Nhám bề mặt đƣợc thể hiện bằng độ nhám bề mặt. Theo TCVN 2511: 1995 quy định 14 cấp độ nhám và trị số của các thông số nhám Ra và. Trị số nhám càng bé thì bề mặt càng nhẵn.
Việc chọn chỉ tiêu Ravà Rz là tùy theo chất lƣợng yêu cầu của bề mặt và đặc tính kết cấu của bề mặt. Trong sản xuất thƣờng dùng chỉ tiêu Ra để đánh giá các bề mặt có độ nhám trung bình. Đối với những bề mặt có độ nhám quá thô hoặc rất tinh thì dùng chỉ tiêu Rz,vì nó đánh giá chính xác hơn.
Tùy theo điều kiện làm việc và tính chất sử dụng của các bề mặt chi tiết mà xác định cấp độ nhám. Các bề mặt tiếp xúc yêu cầu thông số nhám có trị số bé, các bề mặt không tiếp xúc yêu cầu thông số nhám có trị số lớn. Độ chính xác của kích thƣớc càng cao, yêu cầu thông số nhám có trị số càng bé.
Các bề mặt chi tiết có độ nhám khác nhau, đòi hỏi các phƣơng pháp gia công khác nhau. Bề mặt có trị số nhám càng bé đòi hỏi gia công càng tinh vi.
72
Máy đo độ nhám di động SJ – 301
Hình 4.10: Máy đo độ nhám SJ-301
Máy đo độ nhám SJ-301là loại máy đo độ nhám bằng đầu kim, đƣợc phát triển cho việc sử dụng ở phân xƣởng. Máy có khả năng xác định kết cấu bề mặt với những thông số khác nhau phù hợp với các tiêu chuẩn quốc gia khác nhau và tiêu chuẩn quốc tế. Kết quả đo đƣợc hiển thị qua màn hình và in ra giấy. Việc lựa chọn các thông số hiển thị đƣợc lựa chọn một cách dễ dàng thông qua panel điều khiển.
Hình 4.11: Cấu tạo của máy đo độ nhám SJ-301 Giấy in
Đầu đo cào trên bề mặt chi tiết
Màn hình cảm ứng
Đầu đo Chi tiết
73 y O x M(x,y,z) i j k Nguyên tắc đo của máy:
Một mũi dò sẽ đƣợc kéo một đoạn nhỏ trên bề mặt của chi tiết. Độ nhám của mặt phẳng đƣợc xác định từ sự thay đổi vị trí theo chiều thẳng đứng của mũi dò khi đầu dò đi ngang qua mặt phẳng.Với sự tích hợp của các thiết bị điện, điện tử để xử lý các tìn hiệu từ đầu đo thu đƣợc để đƣa ra kết quả đo. Kết quả đo sẽ đƣợc hiển thị trên màn hình. Máy đƣợc tích hợp để có thể xác định độ nhám bề mặt theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau nhƣ JIS-B-0601-2001, JIS-B-0601-1994, JIS-B-0601-1982, DIN, ISO và ANSI.
4.2.3.Máy đo tọa độ - CMM
Đúng nhƣ tên gọi của nó máy CMM sẽ xác định tọa độ của các điểm, sau đó dựa vào các thuật toán để tính toán nội suy ra các đƣờng, các mặt.
Tổng quan về máy đo tọa độ
- Hệ tọa độ Đề các vuông góc + Hệ tọa độ Đề các
Hình 4.12: Hệ tọa độ Đề các
Trong không gian cho ba trục toạ độ Ox, Oy , Oz vuông góc với nhau từng đôi một và đồng qui với nhau tại điểm O. Gọi i , j,k lần lƣợt là các véc tơ đơn vị trên các trục Ox, Oy , Oz tức là :
74
i . j = -1
j.k = -1
i .k = -1
hệ trục tọa độ nhƣ vậy gọi là hệ trục tọa độ Đề các vuông góc Oxyz Trong đó :
O – là gốc của hệ trục tọa độ Ox – là trục hoành
Oy – là trục tung Oz – là trục cao
Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz đã chọn, cho một điểm M bất kỳ. Do ba véc tơ đơn vị i , j,k là không đồng phẳng nên có duy nhất một bộ ba số x, y, z sao cho:
OM = xi + yj + zk
Ngƣời ta còn gọi bộ ba số {x,y,z} là tọa độ của véc tơ OM, đồng thời do một véc tơ OMchỉ xác định duy nhất một điểm M trong không gian nên {x,y,z} cũng chính là tọa độ của điểm M hay ngƣời ta viết M {x,y,z} nghĩa là điểm M có ba tọa độ dài:
x - gọi là hoành độ y - gọi là tung độ z - gọi là cao độ
Nhƣ vậy với mọi điểm M đều có một bộ ba tọa độ duy nhất để xác định nó và ngƣợc lại một bộ ba số {x,y,z} chỉ xác định duy nhất một điểm nhận nó làm tọa độ.
Dấu của tọa độ phụ thuộc vào góc 1/8 chứa nó. Với qui định chiều dƣơng có chiều ngƣợc chiều kim đồng hồ.
75
Góc 1/8 1 2 3 4 5 6 7 8
X + - - + + - - +
Y + + - - + + - -
Z + + + + - - - -
Bảng 4.2: Bảng xét dấu tọa độ theo các góc 1/8
Với một điểm M bất kỳ nhƣ trên ta có thể tính đƣợc cosin chỉ phƣơng của véc tơ đơn vị t trên đoạn OM là (l,m,n) trong đó :
l = cosa
m = cosb với l2
+ m2 + n2 = 1 n = cosc
Trong đó a, b, c lần lƣợt là góc tạo bởi OM và các trục Ox , Oy , Oz.
Khi đó ta xác định đƣợc góc e giữa hai hƣớng có các cosin chỉ phƣơng lần lƣợt là (l1,m1,n1) và (l2,m2,n2) qua công thức :
cose = l1l2 + ,m1m2 + n1n2
Góc e đƣợc tính từ đƣờng thẳng thứ nhất tới đƣờng thẳng thứ hai theo hƣớng ngƣợc chiều kim đồng hồ. Quan hệ này còn giúp ta xác định đƣợc góc giữa đƣờng thẳng hay mặt phẳng này với đƣờng thẳng hay mặt phẳng khác đồng thời đƣợc sử dụng trong phép quay tọa độ.
+ Đo lƣờng và phƣơng pháp tọa độ
Đo lƣờng là ngành công nghệ cơ bản nhất trong các ngành công nghệ, là một ngành khoa học đƣợc sử dụng rộng rãi trong các nhiệm vụ đo kiểm tra, đảm bảo chất lƣợng sản phẩm, tự động hoá trong quá trình sản xuất và công nghệ cũng nhƣ trong công tác nghiên cứu khoa học của các lĩnh vực khoa học khác nhau. Đặc biệt trong ngành cơ khí, đo lƣờng chiếm một vị trí vô cùng quan trọng trong việc kiểm tra đánh giá chất lƣợng sản phẩm mà ở đây là độ chính xác về các thông số hình học nhƣ hình dáng, kích thƣớc, vị trí tƣơng quan giữa các bề mặt hay về độ nhẵn bề mặt. Trong thực tế sản xuất các chỉ tiêu kỹ thuật của các chi tiết quyết định chất
76
lƣợng sử dụng của nó. Nói rộng ra độ chính xác của các chi tiết đƣợc chế tạo thể