Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công

a. Thông số hình học của công cụ cắt

Qua thực nghiệm đối với phương pháp tiện các nhà khoa học đã xác định được hình dáng và giá trị của độ nhám bề mặt phụ thuộc vào lượng chạy dao, hình dáng của lưỡi cắt và bán kính mũi dao r. Nếu thay đổi góc

44

nghiêng chính và góc nghiêng phụ (đặc trưng cho góc mài) thì chiều cao và hình dáng của độ nhám sẽ thay đổi. Khi gia công bằng dao có bán kính mũi dao lớn thì hình dáng của độ nhám cũng có dạng được vê tròn.

Trong quá trình hình thành độ nhám khi tiện bằng dao có bán kính mũi dao không lớn và lượng chạy dao lớn thì độ nhám bề mặt không chỉ chịu ảnh hưởng của bán kính mũi dao mà còn chịu ảnh hưởng của lưỡi cắt chính và và lưỡi cắt phụ, có nghĩa là ảnh hưởng của các góc nghiêng chính và phụ. GS. Trebưsep (người Nga) đã đưa ra công thức biểu thị mối quan hệ giữa Rz với S,r và hmin như sau:

- Khi S > 0.15 mm/vòng thì: 2 8 z S R r  . - Khi S < 0.1 mm/vòng thì : 2 min min 2 1 8 2 z h rh S R r S         .

Ở đây, chiều dày phoi kim loại hmin phụ thuộc vào bán kính mũi dao r. Nếu mài lưỡi dao cắt bằng đá kim cương mịn ở mặt trước và mặt sau lưỡi cắt, khi r = 10 µm thì hmin = 4µm. Mài dao hợp kim cứng bằng đá thường nếu r = 40 µm thì hmin ≥ 20 µm.

Các thông số góc cắt và góc sau cũng ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt. Khi giảm góc cắt δ thì điều kiện thóat phoi khi cắt tốt hơn, phoi sẽ ít bị biến dạng hơn do đó làm cho chiều cao nhấp nhô khi cắt giảm đi. Tăng góc sau α của dao thì độ nhấp nhô bề mặt giảm vì diện tích tiếp xúc giữa dao và chi tiết giảm, do đó ma sát giảm.

b. Ảnh hưởng của vận tốc cắt

Vận tốc cắt có ảnh hưởng rất lớn đế độ nhám bề mặt. Nhiều kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã cho thấy tương quan giữa vận tốc cắt với độ nhấp nhô bề mặt là hàm phi tuyến. Khi cắt thép cacbon ở vận tốc cắt 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 vận tốc cắt lên khoảng 15÷20

45

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. Đó là lí do một ít kim loại bị chảy và bám vào mặt trước và một phần mặt sau của dao.Về cấu trúc thì lẹo dao là hạt kim loại rất cứng, nhiệt độ nóng chảy lên tới khoảng 30000C, bám rất chắc vào mặt trước và một phần mặt sau của dao. Lẹo dao làm tăng độ nhám bề mặt gia công. 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/phút. Với vận tốc cắt lớn hơn 60 m/phút thì lẹo dao không hình thành đựợc, nên độ nhám bề mặt gia công giảm (độ nhẵn bóng bề mặt tăng).

Khi gia công kim loại giòn (gang) các mảnh kim loại bị trượt và vỡ ra không theo thứ tự do đó làm tăng độ nhấp nhô (độ nhám) bề mặt. Tăng vận tốc cắt sẽ giảm được hiện tượng vỡ vụn của kim loại và như vậy làm giảm độ nhấp nhô bề mặt.

c. Ảnh hưởng của lượng chạy dao

Lượng chạy dao S ngoài ảnh hưởng mang tính chất hình học như đã nói ở trên, còn có ảnh hưởng lớn đến mức độ biến dạng dẻo và biến dạng dàn hồi ở bề mặt gia công, làm cho độ nhám thay đổi . Nhiều công trình nghiên cứu cũng cho thấy quan hệ giữa độ chạy dao S và chiều cao nhấp nhô tế vi (độ nhám bề mặt ) Rz khi gia công thép cacbon là hàm phi tuyến.

Khi gia công với lượng chạy dao S = 0.02÷0.15 mm/vòng thì bề mặt gia công có độ nhấp nhô tế vi giảm. Nếu gia công với S < 0.02 mm/vòng thì độ nhấp nhô sẽ tăng lên (độ nhẵn bóng 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

46

tế vi, kết hợp với ảnh hưởng của các yếu tố hình học, làm cho độ nhám bề mặt tăng lên. Nhiều nghiên cứu cũng khuyến nghị: để đảm bảo độ nhẵn bóng của bề mặt và năng suất gia công nên chọn giá trị chạy dao S trong khoảng từ 0.05 đến 0.12 mm/vòng đối với thép cacbon.

d. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt

Chiều sâu cắt t nhìn chung không có ảnh hưởng đáng kể đến độ nhám bề mặt [15]. Tuy nhiên nếu chiều sâu cắt quá lớn thì rung động trong quá trình cắt tăng, do đó độ nhám có thể tăng. 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 độ nhám bề mặt lại tăng. Hiện tượng gây trượt dao thường ứng với giá trị của chiều sâu cắt trong khoảng 0.02÷0.03 mm.

e. Ảnh hưởng của vật liệu gia công

Vật liệu gia công ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt (độ nhấp nhô tế vi) chủ yếu là do khả năng biến dạng dẻo. Vật liệu dẻo và dai (thép ít cacbon) dễ biến dạng dẻo sẽ làm cho độ nhám bề mặt tăng hơn so với vật liệu cứng và giòn.

Để đạt được độ nhám bề mặt thấp (độ nhẵn bóng bề nặt cao) người ta thường tiến hành thường hóa thép cacbon ở nhiệt độ 850÷8700C trước khi cắt gọt.

Độ cứng của vật liệu gia công tăng thì chiều cao nhấp nhô tế vi giảm và hạn chế của ảnh hưởng của tốc độ cắt tới chiều cao nhấp nhô tế vi. Khi độ cứng của vật liệu gia công đạt tới giá trị HB = 5000N/mm2 thì ảnh hưởng của tốc độ cắt tới chiều cao nhấp nhô tế vi (Rz) hầu như không còn. Mặt khác, giảm tính dẻo của vật liệu gia công bằng biến cứng bề mặt cũng làm giảm chiều cao nhấp nhô tế vi.

f. Ảnh hưởng của rung động của hệ thống công nghệ

Quá trình rung động trong hệ thống công nghệ tạo ra chuyển động tương đối có chu kì giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công, làm thay đổi điều kiện ma sát, gây nên độ sóng nhấp nhô tế vi trên bề mặt gia công. Sai lệch của các bộ

47

phận máy làm cho chuyển động máy không ổn định, hệ thống công nghệ sẽ cho dao động cưỡng bức, nghĩa là các bộ phận máy khi làm việc sẽ có rung động với tần số khác nhau, gây ra sóng dọc và sóng ngang trên bề mặt gia công với bước sóng khác nhau. Khi hệ thống công nghệ có độ rung động, độ sóng và độ nhấp nhô tế vi dọc tăng nếu lực cắt tăng, chiều sâu cắt lớn và tốc độ cao, ví dụ, khi mài.

Tình trạng của máy có ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt gia công. Muốn đạt độ nhám bề mặt gia công thấp trước hết phải đảm bảo có đủ độ cứng vững cần thiết.

Độ nhám của bề mặt gia công còn phụ thuộc vào độ cứng vững của chi tiết khi kẹp chặt. Ví dụ, khi kẹp chi tiết gia công dạng trục một đầu (kẹp côngxôn), độ nhám bề mặt tăng dần từ đầu được kẹp chặt sang đầu không được kẹp chặt. Khi chi tiết gia công được chống tâm hai đầu thì độ nhám bề mặt tăng dần từ hai đầu tới tâm của chi tiết (nếu tỉ lệ giữa chiều dài l và đường kính d phôi 1/d ≤ 15).

3.4. Các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến chỉ tiêu chi phí năng lượng riêng

Theo các công trình nghiên cứu [4,5, 33, 34], chi phí năng lượng riêng là chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng của thiết bị và kỹ thuật sử dụng chúng trong sản xuất. Chi phí năng lượng riêng được xác định theo công thức:

Nr W M

 (3.10) Trong đó W- chi phí năng lượng để tạo ra một khối lượng sản phẩm sau thời gian làm việc, kW.h; M- lượng sản phẩm tạo ra sau thời gian t. Lượng sản phẩm tùy theo thực tế có thể tính là khối lượng (tấn, m3) hoặc diện tích các bề măt (m2), hay chiều dài sản phẩm (m, km)…

Như vậy, những yếu tố nào trong quá trình làm việc ảnh hưởng tới M hoặc W thì ảnh hưởng tới Nr.

48

Từ nguyên lý làm việc của máy tiện LD 134.OE cho thấy để tiện gia công các chi tiết trục cần có hai chuyển động đồng thời là chuyển động chính tạo ra vận tốc cắt - chuyển động quay của phôi và chuyển động ăn dao (ụ gá dao). Công suất tiêu thụ của động cơ dẫn động các cơ cấu được tính theo công thức [23, 31]:

N 3.U.I.cos (3.11)

Trong đó: N - công suất của động cơ; U - điện áp dây của động cơ; I - cường độ dòng điện dây; cosφ - hệ số công suất của động cơ.

Như vậy năng lượng điện tiêu thụ được tính theo công thức: W N.t (3.12)

Ở đây: t - thời gian sử dụng điện từ lúc khởi động đến khi hoàn thành công việc và tắt máy.

Nếu không có sự tổn hao năng lượng tại các động cơ, theo định luật bảo toàn năng lượng thì toàn bộ năng lượng điện W được biến thành cơ năng – công cơ học. Thực tế khi hoạt động có mất mát điện năng do điện trở của dây dẫn trong các cuộn dây của động cơ, mất mát từ trong các lõi thép stato và rôto. Sự hao phí năng lượng này được thể hiện qua hệ số hiệu suất của động cơ  0,750,95.

Như vậy chỉ một phần điện năng W’ biến thành cơ năng để thực hiện quá trình cắt gọt:

W'W.. (3.13) Hay:

N'N. (3.14)

N’ chính là năng lượng cần thiết để làm quay trục dao, thắng được lực cản do ma sát trong các ổ đỡ, lực cản cắt.

49

Năng lượng tổn hao do ma sát trong các ổ đỡ phụ thuộc vào thiết bị còn năng lượng để thắng lực cản cắt - thực hiện quá trình gia công chính là công suất cắt cần thiết tính từ các biểu thức lực cắt (biểu thức 3.5).

Trong biểu thức (3.10), ta thấy M chính là năng suất gia công. Năng suất gia công tỷ lệ với năng suất thời gian máy hay cường độ quá trình cắt. Theo giáo sư Philonenko S.N.[47], năng suất máy hay cường độ quá trình cắt Q tỷ lệ thuận với tích các thông số chế độ cắt:

Q = A0vts , (3.15) Ở đây A0 - hệ số phụ thuộc đặc tính công cụ, kích thước chi tiết và điều kiện kỹ thuật gia công.

Từ những kết quả trên thấy rõ, những yếu tố cơ bản ảnh hưởng tới chi phí năng lượng riêng Nr trong quá trình phay bao gồm:

- Loại vật liệu, các tính chất cơ lý của vật liệu; - Các thông số của lưỡi cắt (dao tiện);

- Các thông số chế độ cắt (v, s, t).

Như phạm vi nghiên cứu đã đề cập, luận văn lựa chọn hai thông số để xác định ảnh hưởng của chúng tới chi phí năng lượng riêng Nr đó là V và S.

Tóm lại: Dựa vào đặc tính của máy tiện LD 134.OE, ta thấy rằng các

chỉ tiêu để đánh giá về chất lượng và hiệu quả của máy như chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công, chi phí năng lượng cần thiết cho quá trình cắt có thể tính toán được theo các công thức lý thuyết. Song các công thức này chưa biểu diễn cụ thể, tường minh tương quan giữa chúng với các tham số của máy nói chung, các thông số của chế độ cắt nói riêng. Ta chỉ có thể tính được giá trị của độ nhám bề mặt và sai số kích thước chi tiết gia công trong từng điều kiện cụ thể với các số liệu cho trước của các tham số đã nêu. Việc tính toán này cũng khá phức tạp vì chúng được xác định thông qua nhiều đại lượng

50

trung gian. Nghĩa là theo các công thức lý thuyết, ta rất khó, hoặc không thể đánh giá được cụ thể mức độ ảnh hưởng giữa các tham số của thiết bị đến các chỉ tiêu cần xem xét. Để thực hiện được mục đích của đề tài đặt ra, ta chỉ còn cách tìm quan hệ giữa chúng theo phương pháp thực nghiệm.

51

Chương 4

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1. Mục tiêu thực nghiệm và các tham số điều khiển

4.1.1. Mục tiêu thực nghiệm

Theo mục đích, phạm vi nghiên cứu của đề tài thì mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm chính là cần xác định hai đại lượng: chi phí năng lượng riêng Nr

và độ nhám bề mặt Ra chi tiết gia công trong mối tương quan với các tham số điều khiển.

4.1.2. Các tham số điều khiển và khoảng giới hạn của chúng

Hai yếu tố của chế độ cắt được chọn là tham số điều khiển bao gồm: - Vận tốc cắt V được xác định ở giới hạn : 5 ≤ V ≤ 105 (m/ph).

Các giá trị này được chọn trên cơ sở tham khảo các nghiên cứu từ các nhà chế tạo máy và các công trình về tối ưu hóa các quá trình gia công tiện trên các máy cỡ trung. Trong thực nghiệm vận tốc cắt được xác định theo công thức (3.3), thay đổi vận tốc cắt bằng cách thay đổi tốc độ quay trục chính gá phôi nhờ bộ biến tốc của máy.

- Lượng chạy dao S thay đổi trong khoảng: 0,1 ≤ S ≤ 0,5 (mm/vòng). Các giá trị của S được lựa chọn trên cơ sở các công trình nghiên cứu về năng suất, chất lượng gia công, độ bền của máy, khả năng làm việc của công cụ [1, 3, 5, 10, 15, 20, 40, 43, 47]. Trong thực nghiệm lượng chạy dao được xác định và điều chỉnh bằng thiết bị phụ trợ chuyển động theo nguyên lý trục vít me. Điều này đảm bảo cho chuyển động chạy dao điều khiển được khách quan và chuẩn xác.

Trong tổ hợp yếu tố ảnh hưởng tới quá trình gia công thì những yếu tố thuộc về thép như: loại thép, các tính chất cơ - lý - hóa học của thép được xem là những đại lượng ngẫu nhiên và ấn định trước (thép C45), vì vậy không thuộc đối tượng nghiên cứu ở đề tài luận văn. Để hạn chế sự tác động của

52

chúng đến độ chính xác phép đo khi làm thực nghiệm, chúng tôi chọn những phôi đảm bảo yêu cầu chung của công nghệ gia công chế tạo các chi tiết máy [5, 16]. Dao cắt (dao tiện) được chọn với các thông số cụ thể theo “ Cẩm nang kỹ thuật cơ khí” và “ Sổ tay gia công cơ khí” [10, 15].

4.2.Thiết bị đo và phương pháp đo

+ Đo độ nhám bề mặt gia công: Dùng thiết bị chuyên dùng TR200 Handheld Roughness Tester. Thiết bị được sản xuất tại Mỹ, độ chính xác Ra

0.005 µm (hình 4.1, phụ biểu 02). Phương pháp đo theo Tiêu chuẩn ISO. Đánh giá cấp độ nhám bề mặt chi tiết gia công theo TCVN 2511-95.

+ Đo kích thước của chi tiết: Dùng bộ thước kẹp, panme điện tử được

sản xuất tại Nhật bản (Hãng Mitutoyo) độ chính xác 0.001mm . Phương pháp đo sai lệch đường kính - TCVN 5906-95.

+ Kiểm tra tốc độ quay của các trục và thời gian cắt: sử dụng đầu đo HT-3100 và đồng hồ bấm giây (hình 2, phụ biểu 02).

+ Đo tiêu hao năng lượng điện: Để đo tiêu hao năng lượng điện chúng

tôi chọn các thiết bị: Công tơ điện 3 pha mã hiệu MV3E-4.3x100 A,45 vòng/kW.h sản xuất tại Thụy Sĩ với cấp chính xác bằng 1 vì nó đáp ứng được yêu cầu về công suất và độ chính xác cần đo.

+ Đo điện áp: Chúng tôi chọn Vônkế có thang đo từ 0  500 V với cấp

chính xác bằng 1. Vôn kế này được sản xuất tại Nga.

+ Đo cường độ dòng điện: Chúng tôi chọn Ampe kìm K2002PA, có

thang đo 0  30 A với cấp chính xác bằng 1. Thiết bị được sản xuất tại Hàn