III. PHƯƠNGPHÁP NGHIÊN CỨU
1.4. Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt chi tiết máy
1.4.1 Các yếu tố mang tính chất hình học của dụng cụ cắt và chếđộ cắt.
Mối quan hệ giữa các thông số hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt với chất lượng bề mặt chi tiết máy được nhiều công trình lý thuyết và thực nghiệm đề
cập đến chủ yếu trên cơ sở các phương pháp gia công tiện, phay... từ kết quả nghiên cứu, bước đầu người ta đã tìm ra các biện pháp công nghệ thích hợp để cải thiện
chất lượng bề mặt chi tiết máy, nhất là giảm chiều cao nhấp nhô tế vi Rz (giảm độ
nhám) để tăng độ nhẵn bóng bề mặt, cải thiện chiều sâu lớp biến cứng cũng nhưđộ
cứng lớp bề mặt. Qua thực nghiệm đã xác định được mối liên hệ giữa chiều cao nhấp nhô tế vi và lượng tiến dao S, bán kính mũi dao và chiều dày phoi nhỏ nhất hmin.
Đường cong 1 biểu thị mối quan hệ tổng quát giữa các thông số Rz, S và r trong phạm vi S > 0,15 mm/vg.
Đường 2 biểu thị mối quan hệ thực nghiệm kể cả phạm vi giá trị của lượng chạy dao S nhỏ hơn(S< 0,1 mm/vg).
H×nh 27:Quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô tế vi và lượng tiến dao khi tiện
Từđường cong 2, người ta xác định được mối quan hệ giữa Rz, S và r, hmin
đối với bước tiện tinh và biểu thị bằng đường cong 3.
Như vậy, tùy theo giá trị thực tế S có thể xác định được mối quan hệ giữa Rz và giá trị S, r và hmin theo công thức sau:
Khi S > 0,15 mm/vg thì giá trị chiều cao nhấp nhô
r S Rz 8 2
Khi S < 0,1 mm/vg thì (1 . ) 2 8 2 min min 2 S h r h r S Rz
Trong đó hmin phụ thuộc và bán kính mũi dao.
Khi lượng chạy dao quá nhỏ (S < 0,03 mm/vg) thì trị số của Rz lại tăng, nghĩa là thực hiện bước gia công tinh không có ý nghĩa với việc cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết. Mặt khác, với giá trị không đổi của S thì có thểđạt độ nhám bề mặt thấp nếu vật liệu gia công có sức bền cao hơn.
H×nh 28: biểu thịảnh hưởng của hình dạng hình học và chếđộ cắt tới độ nhám bề mặt khi tiện
Ởđây, khi tiện với lượng chạy dao nhỏ (hình b) thì chất lượng bề mặt tốt hơn so với lượng chạy dao lớn (hình a).
Cùng với lượng chạy dao như nhau thì với dao có bán kính mũi dao (hình d) có độ nhám bề mặt thấp hơn so với dao lưỡi thẳng (hình c). nếu tăng bán kỉnh đỉnh dao thì độ nhám bề mặt giảm.
Khi tăng góc nghiêng chính thì không ảnh hưởng nhiều tới chất lượng bề
mặt chi tiết.
Chiều sâu cắt cũng có ảnh hưởng như lượng chạy dao s đối với chiều cao nhấp nhô tế vi, nếu bỏ qua độđảo trục chính máy. Ảnh hưởng của lượng chạy dao S
đối với chiều sâu lớp biến cứng giống nhưảnh hưởng của S tới Rz. 1.4.2 Các yếu tố phụ thuộc biến dạng dẻo lớp bề mặt
Khi vật liệu lớp bề mặt chi tiết máy bi biến dạng dẻo mạnh, các cấu trúc tinh thể nhỏ biến thành cấu trúc sợi làm thayb đổi rất nhiều hình dạng và trị số của nhấp nhô tế vi. Ở kim loại giòn, khi gia công, các hạt tinh thể cá biệt bị bóc rời ra cũng làm thay đổi hình dạng nhấp nhô tế vi và làm tăng kích thước nhấp nhô tế vi.
Tốc độ cắt là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt chi tiết máy. Khi cắt thép Cac bon ở vận tốc cắt thấp, nhiệt cắt không cao, phoi kim loại tách dễ, biến dạng ở lớp bề mặt không nhiều, vì vậy độ nhấp nhô tế vi thấp, độ nhám bề mặt thấp.
H×nh 29:ảnh hưởng của vận tốc cắt tới chiều sâu lớp biến cứng khi mài C45
Khi tăng vận tốc cắt lên khoảng 15-20 m/ph thì nhiệt cắt, lực cắt đều tăng và có giá trị lớn, gây ra biến dạng dẻo mạnh, ở mặt trước và sau dao, kim loại bị chảy dẻo. Khi lớp kim loại bị nén chặt ở mặt trước và nhiệt độ cao làm tăng hệ số ma sát
ở vùng cắt sẽ hình thành lẹo dao. Nếu tiếp tục tăng vận tốc cắt, lẹo dao bị nung nóng nhanh hơn, vùng kim loại biến dạng bị phá hủy, lực dính của lẹo dao không thắng nổi lực ma sát của dòng phoi và lẹo dao bị cuốn đi. Lẹo dao biến mất ứng với
vận tốc cắt khoảng 30-60 m/ph nên lẹo dao không hình thành được nên độ nhám bề
mặt gia công giảm.
H×nh 30:ảnh hưởng của tốc độ cắt đến chiều cao nhấp nhô tế vi Rz
Lượng chạy dao s ngoài ảnh hưởng mang tính chất hình học còn có ảnh hưởng lớn đến mức độ biến dạng dẻo và đàn hồi bề mặt gia công. Hình dưới mô tả ảnh hưởng của lượng chạy dao s tới độ nhấp nhô tế vi Rz (m). Khi lượng chạy dao s (0,02 -0,15) thì độ nhấp nhô Rz thấp nhất. Nếu giảm s< 0,02 mm/vg thì độ nhấp nhô tế vi sẽ tăng lên vì ảnh hưởng của biến dạng dẻo lớn hơn ảnh hưởng của yếu tố
hình học. Nếu S > 0,15 mm/vg thì biến dạng đàn hồi sẽ ảnh hưởng đến sự hình thành nhấp nhô tế vi, kết hợp với ảnh hưởng của yếu tố hình học làm cho độ nhám bề mặt tăng lên nhiều (đoạn BC).
H×nh 31: ảnh hưởng của lượng chạy dao s đối với chiều cao nhấp nhô tế vi Rz.
1.4.3 Ảnh hưởng do rung động hệ thống công nghệđến chất lượng bề mặt gia công Quá trình rung động của hệ thống công nghệ (cưỡng bức và tự phát) tạo ra Quá trình rung động của hệ thống công nghệ (cưỡng bức và tự phát) tạo ra chuyển động tương đối có chu kỳ giữa dụng cụ và chi tiết gia công làm thay đổi
điều kiện ma sát gây nên độ sóng và nhấp nhô tế vi trên bề mặt gia công. Sai lệch của các bộ phận máy làm cho chuyển động của máy không ổn định, hệ thống công nghệ sẽ có dao động cưỡng bức, nghĩa là các bộ phận máy khi làm việc sẽ có rung
động với những tần số khác nhau gây ra sóng dọc và sóng ngang trên bề mặt chi tiết gia công với bước sóng khác nhau (từ vài mm đến vài phần mười mm). Khi hệ
thống công nghệ có rung động, độ sóng và độ nhấp nhô tế vi dọc sẽ tăng nếu lực cắt tăng, chiều sâu cắt lớn và tốc độ cắt cao. Tình trạng máy có ảnh hưởng trực tiếp tối chất lượng bề mặt. Như vậy, muốn đạt độ nhám bề mặt gia công thấp trước hết phải
đảm bảo máy đủ độ cứng vững, phải điều chỉnh tốt và giảm các chấn động xung quanh ảnh hưởng tới máy.
1.5. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt tới khả năng làm việc của chi tiết máy.
Chất lượng bề mặt có ảnh hưởng nhiều đến khả năng làm việc của chi tiết máy, đến mối lắp ghép của chúng trong kết cấu máy.
1.5.1 Ảnh hưởng đến tính chống mòn
(a) Ảnh hưởng đến độ nhấp nhô tế vi.
Chiều cao và hình dạng nhấp nhô tế vi cùng với vết gia công có ảnh hưởng
đến ma sát và mài mòn chi tiết máy.
Do bề mặt hai chi tiết tiếp xúc với nhau có nhấp nhô tế vi, nên trong giai
đoạn đầu của quá trình làm việc, hai bề mặt này chỉ tiếp xúc với nhau ở một sốđỉnh cao nhấp nhô. Diện tích tiếp xúc thực chỉ bằng một phần của diện tích tiếp xúc tính toán. Tại các đỉnh tiếp xúc đó áp suất rất lớn, thường vượt qua giới hạn chảy, có khi vượt qua giới hạn bền của vật liệu làm cho lớp tiếp xúc bị đàn hồi, làm biến dạng dẻo các đỉnh nhấp nhô.
Khi hai bề mặt có hiện tượng trượt tương đối với nhau sẽ xảy ra hiện tượng biến dạng dẻo ở các đỉnh nhấp nhô. Các đỉnh nhấp nhô bị mòn nhanh làm cho khe hở lắp ghép tăng lên. Đó là hiện tượng mòn ban đầu. Trong điều kiện làm việc nhẹ
và vừa, mòn ban đầu có thể làm cho chiều cao nhấp nhô giảm 65-75%, lúc đó diện tích tiếp xúc tăng lên và áp suất tiếp xúc giảm đi. Mòn ban đầu ứng với thời gian chạy rà kết cấu cơ khí. Ở giai đoạn này, hình dạng nhấp nhô và chiều của vết gia công cũng thay đổi. Sau giai đoạn này là quá trình mài mòn trở lên bình thường và chậm. Đó là giai đoạn mòn bình thường. Cuối cùng là giai đoạn mòn khốc liệt, khi
đó bề mặt tiếp xúc bị tróc ra, nghĩa là cấu trúc bề mặt chi tiết bị phá hỏng.
Như vậy, khi chế tạo chi tiết máy, nếu giảm hoặc tăng chiều cao nhấp nhô tế
vi tới trị số tối ưu, ứng với điều kiện làm việc của chi tiết thì sẽđạt được lượng mòn ban đầu ít nhất và kéo dài tuổi thọ chi tiết.
(b) ảnh hưởng của lớp biến cứng
Lớp biến cứng của bề mặt chi tiết máy có tác dụng nâng cao tính chống mài mòn của chi tiết. Biến cứng làm hạn chế tác động tương hỗ giữa các phần tử và tác
động tương hỗ cơ học ở bề mặt tiếp xúc, nghĩa là hạn chế sự khuyếch tán oxy trong không khí vào bề mặt chi tiết máy để tạo thành ô xít kim loại có tác dụng ăm mòn kim loại.
Hiện tượng biến cứng lớp bề mặt còn hạn chế quá trình biến dạng dẻo toàn phần của chi tiết máy, qua đó hạn chếđược hiện tượng chảy và hiện tượng mòn của chi tiết.
(c) ảnh hưởng của ứng suất dư lớp bề mặt
Ứng suất dư lớp bề mặt nói chung không ảnh hưởng đáng kể tới tính chống mòn, nếu chi tiết máy làm việc trong điều kiện ma sát bình thường. Còn ứng suất bên trong xét trên toàn bộ tiết diện của chi tiết máy, có thểảnh hưởng đến tính chất và cường độ mòn chi tiết máy.
1.5.2 Ảnh hưởng đến độ bền mỏi chi tiết máy
Độ nhám bề mặt có ảnh hưởng đến độ bền mỏi chi tiết máy nhất là khi chi tiết chịu tải trọng có chu kỳ đổi dấu, vì ở đáy các nhấp nhô tế vi có tập trung ứng suất dư với trị số lớn, có khi trị số này vượt quá giới hạn mỏi của vật liệu. Ứng suất tập trung này sẽ gây ra các vết nứt tế vi ở đáy của nhâp nhô, đó là nguồn gốc gây phá hỏng chi tiết máy.
(b) Ảnh hưởng của lớp biến cứng bề mặt
Bề mặt bị biến cứng có thể làm tăng độ bền mỏi chi tiết khoảng 20%. Chiều sâu và mức độ biến cứng của lớp bề mặt đều có ảnh hưởng đến độ bền mỏi chi tiết máy. Cụ thể là hạn chế khả năng gây ra các vết nứt tế vi làm phá hỏng chi tiết máy, nhất là khi bề mặt chi tiết máy có ứng suất dư nén.
Khi chi tiết máy làm việc ở môi trường có nhiệt độ cao, dưới tác dụng của nhiệt quá trình khuyếch tán các phần tử kim loại trong lớp bề mặt sẽ tăng lên, làm giảm độ bền mỏi của chi tiết.
(c) Ảnh hưởng của ứng suất dư bề mặt
Ứng suất dư nén lớp bề mặt có tác dụng nâng cao độ bền mỏi, còn ứng suất dư nén lại hạ thấp độ bền mỏi của chi tiết máy. Ảnh hưởng của ứng suất dưđối với
độ bền mỏi chi tiết máy, xét về trị số và dấu của ứng suất dư có thể xác định bằng mối quan hệ theo thực nghiệm:
-1b = -1a - d. Trong đó:
-1a giới hạn mỏi khi không có ứng suất dư lớp bề mặt -1b giới hạn mỏi khi có ứng suất dư lớp bề mặt
dứng suất dư lớn nhất, kể cả dấu, ở lớp bề mặt hệ số phụ thuộc vào loại vật liệu chi tiết.
1.5.3 Ảnh hưởng tới chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt chi tiết
(a) Ảnh hưởng của độ nhấp nhô tế vi bề mặt
Các chỗ lõm bề mặt do độ nhấp nhô tế vi tạo ra là nơi chứa các tạp chất như
axit, muối, v.v... các tạp chất này có tác dụng ăn mòn hóa học đối với kim loại. Quá trình ăn mòn hóa học trên lớp bề mặt làm cho nhấp nhô mới hình thành. Quá trình
ăn mòn này ở lớp bề mặt xảy ra dọc theo sườn dốc của nhấp nhô tế vi, theo chiều từ đỉnh xuống đáy các nhấp nhô làm cho các nhấp nhô cũ mất đi và các nhấp nhô mới hình thành.
Như vậy, bề mặt chi tiết càng ít nhám (càng nhẵn bóng) thì càng ít bị ăn mòn hơn, bán kính đáy nhấp nhô càng lớn thì khả năng chống ăn mòn càng cao.
(b) ảnh hưởng của lớp biến cứng bề mặt
Biến dạng dẻo và biến cứng bề mặt kim loại có mức độ khác nhau, tùy theo hướng các hạt tinh thể kim loại và thành phần cấu tạo của chúng. Hạt ferrit biến dạng nhiều hơn hạt pectit. Điều đó làm cho năng lượng nâng cao không đều và thế
năng điện tích của các hạt thay đổi khác nhau. Các hạt ferrit biến cứng nhiều hơn sẽ
trở thành các anốt, các hạt pectit biến cứng ít hơn sẽ trở thành catốt. Đồng thời các mạng lưới nguyên tử sẽ bị lệch với mức độ khác nhau trong mạng tinh thể.
Kết quả của biến dạng dẻo tạo nên sự không đồng nhất tế vi của kim loại nhiều tinh thể, trong đó sinh ra nhiều phần tửăn mòn, nhất là ở mặt phẳng trượt gây ra hiện tượng hấp thụ mạnh, tăng cường quá trình ăn mòn hóa học và khuyếch tán lớp bề mặt. Bề mặt chi tiết máy qua quá trình gia công cơ sẽ bị biến cứng, độ nhám bề mặt sẽ bị thay đổi làm cho quá trình chống ăn mòn hóa học của kim loại cũng bị
thay đổi. Sau khi tiện, tốc độ ăn mòn thép trong dung dịch axit sunfuric loãng có thể
nhanh gấp 12,5 lần so với sau khi đánh bóng, vì độ nhám bề mặt sau khi đánh bóng thấp hơn sau khi tiện.
1.5.4 Ảnh hưởng tới độ chính xác mối lắp ghép
Độ chính xác mối lắp ghép trong kết cấu cơ khí phụ thuộc chất lượng bề mặt lắp ghép. Độ bền các mối lắp ghép, trong đó có độổn định của chếđộ lắp ghép giữa các chi tiết máy phụ thuộc và độ nhám các bề mặt lắp ghép. Ở đây, chiều cao nhấp nhô tế vi Rz có tham gia vào trường dung sai chế tạo chi tiết máy. Đối với lỗ thì dung sai kích thước sẽ giảm 2Rz, còn đối với trục tăng 2Rz.
Như vậy, chất lượng của bề mặt chi tiết máy ảnh hưởng nhiều đến khả năng làm việc và các mối lắp ghép của chi tiết máy trong kết cấu cơ khí.
Quá trình gia công là một quá trình tổng hợp của nhiều yếu tố với mục đích cuối cùng là tạo ra được chi tiết đạt yêu cầu kỹ thuật nhất định (kích thước, hình dáng hình học, độ nhám, bóng). Trong quá trình gia công xảy ra sự biến đổi lý hóa vô cùng phức tạp và chính sự biến đổi lý hóa này tạo nên chất lượng bề mặt chi tiết
Chất lượng bể mặt sau gia công cơ bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố và nó cũng
ảnh hưởng tới chi tiết trong cơ cấu. Quá trình hình thành bề mặt khi gia công là một quá trình phức tạp, tại đó xảy ra nhiều quá trình biến đổi lý hóa lớp bề mặt, sau đó mới tạo ra bề mặt thực. Do đó phải nắm được những đặc tính cơ bản của quá trình biến đổi phức tạp đó thì mới điều khiển được chất lượng bề mặt, từđó mới đảm bảo
được yêu cầu phù hợp cho chi tiết trong cơ cấu
Nhiệm vụ của nhà chuyên môn là phải tìm ra một chế độ thích hợp ứng với từng khoảng chất lượng bề mặt nhất định mà mục tiêu đề ra.
Trong đề tài này, tác gia đi và nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt ( s, t và v) của dụng cụ cắt là thép gió sản xuất tại Việt Nam để tìm ra chế độ cắt thích hợp khi gia công vật liệu C45 bằng phương pháp tiện.
CHƯƠNG 2
MÒN VÀ TUỔI BỀN DỤNG CỤ CẮT