4. Dự định kết quả
1.3.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi tiện cứng
1.3.3.1. Ảnh hưởng của các thông số hình học của dụng cụ cắt
Đối với phương pháp tiện, qua thực nghiệm người ta đã xác định được mối quan hệ giữa các thông số độ nhám Rz, lượng chạy dao S, bán kính mũi
dao r và chiều dày phoi nhỏ nhất hmin.
Sự hình thành độ nhám bề mặt khi gia công bằng các loại dao tiện khác nhau được mô tả ở hình 2.15.
Ta thấy rằng rõ ràng hình dáng và giá trị của nhám bề mặt phụ thuộc vào lượng chạy dao S1 và hình dáng của lưỡi cắt:
-Ảnh hưởng của góc nghiêng chính φ: khi φ tăng thì Rz tăng -Ảnh hưở ng củ a gó c nghiêng phụ φ1 : khi φ1 tăng thì Rz tăng -Ảnh hưởng của bán kính mũi dao r : khi r tăng thì Rz giảm -Ảnh hưở ng củ a lượ ng chạ y dao S : khi S tăng thì Rz tăng Ở đây hmin phụ thuộc vào bán kính mũi dao r.
Tuy nhiên, khi lượng chạy dao quá nhỏ (S < 0,03 mm/vòng) thì trị số của Rz lại tăng. Nguyên nhân do S nhỏ hơn bá n kí nh mũ i dao nên xả y hiệ n
tượ ng trượ t của mũi dao trên bề mặt gia công . Vì thế khi tiện tinh nếu sử dụng S quá nhỏ sẽ không có ý nghĩa cải thiện chất lượng bề mặt [8], [10], [7].
Hình 1.15. Ảnh hưởng của thông số hình học của dao tiện tới độ nhám bề mặt
1.3.3.2. Ảnh hưởng của tốc độ cắt
Tốc độ cắt có ảnh hưởng rất lớn đến độ nhám bề mặt (hình 1.16).
0
1 20 100 200 V(m/phút)
Hình 1.16 Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới nhám bề mặt khi gia công thép
Theo [2], khi cắt thép cácbon (kim loại dẻo) ở tốc độ thấp, nhiệt cắt không cao, phoi kim loại tách dễ, biến dạng của lớp kim loại không nhiều, vì
vậy độ nhám bề mặt thấp. Khi tăng tốc độ cắt lên khoảng 15 20 m/phút thì nhiệt cắt và lực cắt đều tăng gây ra biến dạng dẻo mạnh, ở mặt trước và mặt sau của dao kim loại bị chảy dẻo. Khi lớp kim loại bị nén chặt ở mặt trước dao và nhiệt độ cao làm tăng hệ số ma sát ở vùng cắt sẽ hình thành lẹo dao. Lẹo dao làm tăng độ nhám bề mặt gia công. Nếu tiếp tục tăng tốc độ cắt, lẹo dao bị nung nóng nhanh hơn, vùng kim loại 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 bị biến mất ứng với tốc độ cắt trong khoảng 30 60 m/phút). Với tốc độ cắt lớn (lớn hơn 60 m/phút) thì lẹo dao không hình thành được nên độ nhám bề mặt gia công giảm.
Trong tiện cứng sử dụng mảnh PCBN thường gia công với tốc độ cắt 100 250 m/phút. Trong khoảng tốc độ cắt này thì lẹo dao rất khó có thể hình thành vì thế tiện cứng cho phép giảm độ nhám bề mặt bằng cách tăng tốc độ cắt.
1.3.3.3. Ảnh hưởng của lượng chạy dao
Lượng chạy dao ngoài ảnh hưởng mang tính chất hình học còn ảnh hưởng lớn đến mức độ biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi ở bề mặt gia công làm cho độ nhám thay đổi. Hình 1.17 [6] biểu diễn mối quan hệ giữa lượng chạy dao S với chiều cao nhấp nhô tế vi Rz khi gia công thép cacbon.
Khi gia công với lượng chạy dao 0,02 0,15 mm/vòng thì bề mặt gia công có độ nhấp nhô tế vi giảm. Nếu S < 0,02 mm/vòng thì độ nhấp nhô tế vi sẽ tăng lên (tức là độ nhẵn bóng sẽ giảm xuống) vì ảnh hưởng của biến dạng dẻo lớn hơn ảnh hưởng của các yếu tố hình học. Nếu lượng chạy dao S > 0,15 mm/vòng thì biến dạng đàn hồi sẽ ảnh hưởng đến sự hình thành các nhấp nhô tế vi đồng thời kết hợp với ảnh hưởng của các yếu tố hình học làm tăng độ nhám bề mặt.
0 0,02 0,15 S (mm/vòng)
Hình 1.17. Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt
Để đảm bảo nhám bề mặt thấp và đạt năng suất gia công cao, đối với thép các bon người ta thường chọn giá trị của lượng chạy dao S trong khoảng từ 0,05 đến 0,12 mm/vòng.
1.3.3.4. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt
Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến độ nhám bề mặt là không đáng kể. Tuy nhiên nếu chiều sâu cắt quá lớn sẽ dẫn đến rung động trong quá trình cắt tăng, do đó làm tăng độ nhám. Ngược lại, chiều sâu cắt quá nhỏ sẽ làm cho dao bị trượt trên bề mặt gia công và xảy ra hiện tượng cắt không liên tục do đó lại làm tăng độ nhám. Hiện tượng gây trượt dao thường ứng với giá trị của chiều sâu cắt trong khoảng 0,02 0,03mm [2].
1.3.3.5. Ảnh hưởng của vật liệu gia công
Vật liệu gia công (hay tính gia công của vật liệu) ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt chủ yếu là do khả năng biến dạng dẻo. Vật liệu dẻo và dai (thép ít cacbon) dễ biến dạng dẻo sẽ làm cho nhám bề mặt tăng hơn so với vật liệu cứng và giòn [2].
Cấu trúc kim loại có độ hạt lớn sẽ làm tăng Rz, khi gia công cắt gọt các vật liệu thường được ram hay thường hóa nhằm đạt cấu trúc hạt nhỏ, phân bố đồng đều hơn. Vật liệu có cơ lý tính khác nhau, khi cắt sẽ có lực, nhiệt cắt, tác động lý hoá khác nhau nên sẽ có Rz khác nhau.
C
A B
Trong tiện cứng việc gia công với vận tốc cao và sử dụng mảnh Hợp kim cứng, CBN,.. đồng thời tiện cứng chủ yếu để gia công tinh nên vấn đề độ cứng không còn là trở ngại lớn. Tất nhiên lúc này người ta phải chọn chế độ cắt thích hợp nhất cho các nguyên công.
1.3.3.6. Ảnh hưởng của rung động trong hệ thống công nghệ
Quá trình rung động trong hệ thống công nghệ tạo ra chuyển động tương đối có chu kỳ giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công dẫn đến làm thay đổi điều kiện ma sát, gây nên độ sóng và nhấp nhô tế vi trên chi tiết 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. Điều này có nghĩa là các bộ phận máy làm việc sẽ có rung động với những tần số khác nhau gây ra sóng dọc và sóng ngang trên bề mặt gia công với bước sóng khác nhau.
Tình trạng của máy có ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt gia công. Do vậy muốn đạt được độ nhám bề mặt gia công thấp trước hết cần phải đảm bảo độ cứng vững cần thiết của hệ thống công nghệ [2], [3].
Các máy được khuyến cáo trong tiện cứng vẫn là các máy CNC, vì thế ảnh hưởng của rung động là không nhiều.
1.4. Kết luận
Cho đến nay có nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước về tối ưu hóa các thông số của quá trình tiện cứng. Các nghiên cứu tập trung về tối ưu hóa chế độ cắt khi tiện cứng các loại thép thông dụng. Tuy nhiên, về vấn đề bán kính mũi dao ảnh hưởng như thế nào đến lực cắt và nhám bề mặt trong quá trình tiện cứng thép ổ lăn thì vẫn chưa có nghiên cứu cụ thể nào. Vì vậy, đề tài này nghiên cứu sự ảnh hưởng của bán kính mũi dao, lượng chạy dao đến nhám bề mặt, lực cắt khi tiện cứng thép ổ lăn bằng dụng cụ phủ PCBN là sự cần thiết, góp phần nâng cao hiệu quả tiện cứng.
CHƯƠNG 2
XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM
2.1. Mục đích thí nghiệm
- Xác định được ảnh hưởng của bán kính mũi dao và lượng chạy dao đến độ nhám bề mặt và lực cắt khi tiện cứng thép ổ lăn SUJ2.
- Xác định bộ thông số bán kính mũi dao và lượng chay dao để sau tiện cho độ nhám nhỏ nhất hoặc lực cắt nhỏ nhất.
2.2. Thiết bị thực hiện thí nghiệm
Thí nghiệm được thực hiện tại Xưởng Cơ khí, Trung tâm Thực nghiệm, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, ĐH Thái Nguyên, dưới những điều kiện cố định sau:
2.2.1. Máy thí nghiệm
Máy để thực hiện thí nghiệm là máy tiện CS – 460 x 1000G (hình 2.1) – Đài Loan sản xuất với những thông số kỹ thuật như Bảng 2.1, cụ thể như sau:
Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của máy
Kích thước máy 2200 x 950 x 1280 mm Đường kính tiện được lớn nhất 460 mm
Chiều dài chống tâm 1000 mm
Tốc độ trục chính 36 - 2000 vòng/phút Công suất động cơ trục chính 7.5 hp
Trọng lượng máy 1.8 tấn
Hình 2.1. Máy tiện CS-460x1000G
2.2.2. Phôi thí nghiệm
Phôi thí nghiệm là thép ổ lăn SUJ2 kích thước 63 x 250 qua tôi đạt độ cứng HRC (58÷62), như hình 2.2.
Hình 2.2. Hình ảnh các phôi thí nghiệm
Thép ổ lăn SUJ2 là loại thép được sử dụng rất phổ biến trong các nhà máy chuyên môn hóa. Ngoài ra, thép ổ lăn SUJ2 còn được sử dụng làm bơm cao áp trong động cơ dieezen và với tính năng như thép dụng cụ để làm trục cán nguội, bàn ren, taro, dụng cụ đo.
Bảng 2.2: Thành phần hóa học các nguyên tố. Mác vật liệu Thành phần hóa học (%) C Si Mn≤ P≤ S≤ Cr≤ SUJ2 0.951.1 0.150.35 0.5 0.025 0.025 1.31.6 Bảng 2.3: Chế độ nhiệt luyện.
Nhiệt độ Môi trường tôi Độ cứng (HB)
790 – 810 Làm nguội chậm 179 – 207 Ủ mềm 790 – 810 710 – 820oC 207 – 229 Ủ đẳng nhiệt 900 – 920 Không khí + giữ nhiệt 270 - 390 Thường hóa
2.2.3. Các dụng cụ đo kiểm
- Dụng cụ đo lực cắt là: Kistler 9257BA do Thụy Sỹ sản xuất (Hình 2.3).
Hình 2.3. Đầu đo lực Kistler 9257BA
-Dụng cụ đo nhám là máy đo độ nhám SJ-201 của hãng Mitutoyo – Nhật Bản, Trung tâm Thí nghiệm trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp (Hình 2.4).
Hình 2.4. Máy đo độ nhám SJ-201 của hãng Mitutoyo – Nhật Bản.
2.2.4. Dụng cụ cắt.
Dụng cụ cắt: Dao tiện đơn gắn mảnh phủ PCBN với 3 loại bán kính mũi dao 0.4 mm, 0.8 mm, 1.2 mm: TDGN160304S2501, TDGN160308S1501, TDGN160312S2501 – Hãng EHWA – Hàn Quốc, thể hiện như hình 2.5.
a) b)
Hình 2.5. Mảnh dao tiện PCBN
2.2.5. Sơ đồ bố trí thí nghiệm.
Sơ đồ bố trí thí nghiệm được thể hiện như hình 2.6
Hình 2.6. Sơ đồ bố trí thí nghiệm. 1 – Phôi
2 – Dao tiện 3 – Thiết bị đo lực 4 – Chấu cặp
5 – Mũi chống tâm quay 6 – Đồ gá thiết bị đo lực 7 – Cụm gá và kẹp dao.
2.2.6. Cơ sở lý thuyết của mô hình thí nghiệm
Thiết kế thí nghiệm dựa trên lý thuyết về quy hoạch thực nghiệm của Genichi Taguchi. Ts.Taguchi (Nhật Bản) là người đặt nền móng cho phương pháp thiết kế chắc chắn (Robust Design), cũng là người đề ra phương pháp thực nghiệm mang tên ông - Taguchi. Mục tiêu phương pháp là thiết kế một quá trình hoặc sản phẩm ít chịu ảnh hưởng bởi những yếu tố gây ra sự sai lệch
về chất lượng. Mục đích là điều chỉnh các thông số đến mức tối ưu để quá trình hoặc sản phẩm ổn định ở mức chất lượng tốt nhất. Phương pháp Taguchi sử dụng các dãy trực giao trong quy hoạch thực nghiệm. Do đó phương pháp này cho phép sử dụng tối thiểu các thí nghiệm cần thiết để để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số lên một đặc tính được lựa chọn nào đó của một quá trình hoặc sản phẩm từ đó nhanh chóng điều chỉnh các thông số tiến đến tối ưu nhanh nhất.
Phương pháp Taguchi sử dụng tỷ số tín hiệu/nhiễu (signal-to-noise) SN được chuyển đổi từ hàm số mất mát L = k (y-m)2, trong đó L là mất mát do sai lệch giá trị đặc tính y nhận được so với giá trị đặc tính m mong muốn, k là hằng số.
Tỷ số SN được xây dựng và chuyển đổi để tính toán cho 3 trường hợp chính: [15]
- Nếu giá trị đặc tính yi cần đạt “Lớn hơn thì tốt hơn” thì:
n i i L y n SN 1 2 1 1 log 10 (2-1) - Nếu giá trị đặc tính yi cần đạt “Nhỏ hơn thì tốt hơn” thì:
n i i S y n SN 1 2 1 log 10 (2-2) - Nếu giá trị đặc tính yi cần đạt “Định mức tốt nhất” thì: 2 2 log 10 S y SNT (2-3) Trong đó n, S, ȳ, yi lần lượt là số lần lặp của một thí nghiệm, độ lệch chuẩn, giá trị trung bình các lần lặp và kết quả của lần lặp thứ i.
Trong mọi trường hợp, tỷ số SN càng lớn thì đặc tính nhận được càng tốt. Phương pháp thực nghiệm Taguchi do không sử dụng toàn bộ các tổ hợp
thí nghiệm nên không đưa ra được một con số chính xác về ảnh hưởng của một thông số đầu vào nào đó đến kết quả đầu ra mà chỉ mang tính chất định hướng. Mặc dù vậy, bằng việc đánh giá qua tỷ số SN giúp những nhà công nghệ biết xu hướng và mức độ ảnh hưởng của từng thông số công nghệ đến kết quả đầu ra. Từ các nhận biết này sẽ giúp các nhà nghiên cứu nhanh chóng tìm ra các thông số công nghệ và phạm vi cần tác động để nhận được hiệu quả đầu ra tốt nhất. Trên cơ sở đánh giá ảnh hưởng riêng lẻ các thông số có thể tìm ra được tổ hợp các thông số công nghệ tối ưu cho kết quả đặc tính đầu ra mong muốn.
Phân tích phương sai ANOVA
- Tổng các bình phương (SS): Tổng các bình phương là thước đo độ lệch của dữ liệu thử nghiệm từ giá trị trung bình của dữ liệu. SST được xác định theo công thức [15]:
(2-4) Trong đó:
n: Số lượng giá trị được kiểm tra
: Giá trị trung bình các kết quả Yi của đối tượng thứ i. -Tổng bình phương của thông số B (SSB)
(2-5) Trong đó:
Bi: Giá trị tại mức i của thí nghiệm nBi: Số kết quả khảo sát ở điều kiện Bi. T: Tổng các giá trị kiểm tra
- Tổng bình phương các lỗi (SSe): Phân bố bình phương của các giá trị khảo sát từ giá trị trung bình của trạng thái B.
- Phần trăm ảnh hưởng của thông số B:
(2-7) Tác giả sử dụng sơ đồ thí nghiệm thiết kế theo phương pháp Taguchi để nghiên cứu ảnh hưởng của:
Bán kính mũi dao r [mm]; với 3 mức: 0.4 mm; 0.8 mm và 1.2 mm
Lượng chạy dao [mm/vòng]; với 3 mức: 0.06 mm/vòng; 0.08 mm/vòng; 0.1 mm/vòng.
Đến độ nhám bề mặt và lực cắt khi tiện cứng vật liệu SUJ2 qua tôi.
Mỗi mẫu thí nghiệm được gia công trong một chế độ gia công (với các thông số của quá trình) như sau:
Số vòng quay trục chính 650 vòng/phút Chiều sâu cắt 0.1 mm
Nhám bề mặt và lực cắt được đo ở 3 lần cắt thứ 2, 3 và 4 rồi lấy kết quả trung bình.
Sử dụng Minitab 16 để thiết kế Taguchi L9 (2 biến 3 mức), tác giả có sơ đồ thí nghiệm như bảng 3.4.
Bảng 2.4. Sơ đồ thí nghiệm theo thiết kế Taguchi L9
Chế độ r S 1 0.4 0.06 2 0.4 0.08 3 0.4 0.10 4 0.8 0.06 5 0.8 0.08 6 0.8 0.10 7 1.2 0.06 8 1.2 0.08 9 1.2 0.10
Dựa vào bảng trên, tác giả tiến hành 9 thí nghiệm với 9 chế độ gia công khác nhau.
Trong nghiên cứu này, tỉ số SN của đặc trưng nhám bề mặt và lực cắt là: “Nhỏ hơn thì tốt hơn” và được xác định theo công thức (2-1).
2.3. Tiến trình thí nghiệm
- Bước 1: Gá lắp trang thiết bị thí nghiệm như trình bày trong hình 2.6 - Bước 2: Với mỗi thí nghiệm, tiến hành tiện chi tiết 2 lượt cắt theo chế độ công nghệ như đã trình bày, lực cắt được đo liên tục từ lúc bắt đầu đến khi kết thúc lượt cắt.
- Bước 3: Tiến hành đo độ nhám bề mặt chi tiết.
- Bước 4: Tiến hành tiện lượt cắt thứ 3, lực cắt được đo liên tục từ lúc bắt đầu đến khi kết thúc lượt cắt, rồi đo nhám bề mặt chi tiết.