Chất lƣợng bề mặt gia công đƣợc đánh giá bằng hai yếu tố đặc trƣng : - Tính chất cơ lý của lớp kim loại bề mặt.
- ộ nhám bề mặt.
Chất lƣợng của lớp kim loại bề mặt đƣợc tạo thành bởi tính chất của kim loại và phƣơng pháp gia công cơ. Trong quá trình gia công cơ dƣới tác dụng của lƣỡi cắt, trên bề mặt kim loại tạo thành những vết lồi, lõm và cấu trúc của lớp bề mặt cũng thay đổi (lớp bề mặt bị biến cứng dẻo và tạo thành biến cứng, đồng thời xuất hiện ứng xuất dƣ).
ề mặt có thể có độ sóng và độ nhám cao, độ sóng và độ nhám vừa phải, bề mặt tƣơng đối bằng phẳng nhƣng có độ nhám cao hoặc bề mặt phẳng với độ nhám thấp.
ộ sóng bề mặt xuất hiện khi gia công có rung động của hệ thống công nghệ (Máy – Dao – ồ gá – Chi tiết gia công), quá trình cắt không liên tục, độ đảo của dụng cụ cắt, v.v…Thông thƣờng độ sóng bề mặt xuất hiện khi gia công các chi tiết có kích thƣớc vừa và lớn.
Hình 3.6. Tổng quát về độ nhám và độ sóng bề mặt chi tiết máy
ề mặt các chi tiết gia công bằng các dụng cụ có lƣỡi cắt (dao tiện, dao phay, dao bào,v.v…) có độ nhám với các đặc tính khác nhau:
- ộ nhám dọc (trùng với phƣơng véc tơ vận tốc cắt).
- ộ nhám ngang (vuông góc với phƣơng véc tơ vận tốc cắt).
ộ nhám dọc xuất hiện khi lực cắt có biến đổi gây ra rung động. Ngoài ra độ nhám dọc xuất hiện còn do nguyên nhân lẹo dao (hiện tƣợng lớp kim loại bị dính chặt trên mũi dao).
ộ nhám ngang thƣờng lớn hơn độ nhám dọc. Khi gia công tinh bề mặt bằng dụng cụ hạt mài, độ nhám bề mặt theo các phƣơng ngang và dọc gần nhƣ nhau
Chất lƣợng bề mặt gia công phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Tính chất của vật liệu gia công; Phƣơng pháp gia công (tiện, phay, bào, v.v…); Chế độ cắt; ộ cứng vững của hệ thống công nghệ; Thông số hình học của dao; dung dịch trơn nguội.
Nhƣ vậy chất lƣợng bề mặt gia công là vấn đề rộng, trong phạm vi đề tài luận văn chỉ tập trung nghiên cứu độ nhám bề mặt và những yếu tố cơ bản ảnh hƣởng tới độ nhám bề mặt gia công.
3.2.1. Độ nhám m t gia công
ộ nhám bề mặt (độ nhấp nhô tế vi) là tập hợp tất cả những bề lồi, lõm với bƣớc cực nhỏ và đƣợc quan sát trên một khoảng ngắn tiêu chuẩn.
ộ nhám bề mặt ảnh hƣởng lớn đến tính chất sử dụng của chi tiết máy. Nhiều công trỉnh nghiên cứu đã chứng minh rằng ma sát và độ mòn của chi tiết máy phụ thuộc vào chiều cao và hình dáng của độ nhám bề mặt và phƣơng của vết gia công. ộ nhám bề mặt tăng có ảnh hƣởng xấu đến độ bền của mối ghép căng (lắp chặt) bởi vì khi ép, độ nhám bề mặt bị chèn xuống làm cho độ bền của mối ghép giảm xuống. Ví dụ nhƣ, độ bền của mối ghép giữa trục chính và bánh xe tàu hỏa có độ nhám 36,5 µm giảm 40 so với độ bền mối ghép có độ nhám 18 µm.
ộ nhám bề mặt giảm (độ nhãn bóng bề mặt tăng) cho phép nâng cao độ bền mỏi của các chi tiết. Cụ thể nhƣ bề mặt vật liệu thép đƣợc đánh bóng sẽ có độ bền mỏi cao hơn 40 so với không đƣợc đánh bóng.
ộ nhám bề mặt còn ảnh hƣởng rất lớn đến tính chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt chi tiết. Các chỗ lõm trên bề mặt chi tiết (đáy các nhấp nhô tế vi) là nơi chứa các tạp chất nhƣ axit, muối, v.v…Các tạp chất này có tác dụng ăn mòn hóa học đối với kim loại. ề mặt chi tiết máy có độ nhám càng thấp (độ nhẵn bóng càng cao) thì càng ít bị ăn mòn hóa học. bán kính đáy các nhấp nhô càng lớn thì khả năng chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt càng cao.
3.2.2. Các th ng số đánh giá độ nhám m t gia c ng
ể đánh giá độ nhám, trƣớc hết ta phải vẽ đƣợc đƣờng thẳng chuẩn. ƣờng thẳng chuẩn là đƣờng trung bình đƣợc vẽ sao cho trong phạm vi chiều dài chuẩn l tổng diện tích (phần gạch đứng trên hình 3.7) từ hai phía của đƣờng chuẩn bằng nhau. Chiều dài chuẩn l là chiều dài dùng để đánh giá các thông số của độ nhám, l = 0,01 đến 25mm.
Hình 3.7. Độ nhám bề mặt chi tiết
Theo TCVN 2511 – 95 cũng nhƣ các tiêu chuẩn: ISO, DIN, ANSI và JIS, độ nhám bề mặt đƣợc đánh giá theo một (hoặc một số) trong các thông số sau :
Ra – sai lệch profin trung bình cộng: là trung bình số học các giá trị tuyệt đối của khoảng cách từ các điểm trên profin đến đƣờng trung bình, đo theo phƣơng pháp tuyến với đƣờng trung bình.
Ra đƣợc xác định theo công thức:
(3.12)
Rz – chiều cao nhấp nhô của profin theo mƣời điểm: là trị số trung bình của tổng các giá trị tuyệt đối của chiều cao năm đỉnh cao nhất và chiều sâu năm đáy thấp nhất của profin tính trong phạm vi chiều dài chuẩn đo l:
Trị số Rz đƣợc xác định nhƣ sau :
(3.13)
ộ nhám bề mặt có ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng làm việc của chi tiết máy.
Căn cứ vào Ra và Rz, TCVN 2511 – 95 chia độ nhám bề mặt ra 14 cấp. Theo đó độ nhẵn bề mặt thấp nhất (hay độ nhẵn bóng bề mặt cao nhất) ứng với cấp 14 (Ra = 0,01µm, Rz = 0,05µm). Trên bản vẽ chi tiết máy, yêu cầu về độ nhám bề mặt đƣợc cho theo giá trị của Ra hoặc Rz. Trị số Ra đƣợc cho khi yêu cầu độ nhám bề mặt (độ nhẵn bóng bề mặt) cần đạt từ cấp 6 đến cấp 12 (Ra = 2,5 ÷ 0,04 µm).
Trong thực tế sản xuất nhiều khi ngƣời ta đánh giá độ nhám bề mặt chi tiết theo các mức độ: thô (cấp 1 ÷ 4), bán tinh (cấp 5 ÷ 7), tinh (cấp 8 ÷ 11) và siêu tinh (cấp 12 ÷ 14).
Luận văn chỉ sử dụng chỉ tiêu Ra khi xác định độ nhám bề mặt chi tiết gia công trong nghiên cứu.
3.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám m t gia c ng
3.2.3.1. Thông số hình học của công cụ cắt
Qua thực nghiệm với phƣơng pháp tiện các nhà khoa học đã xác định đƣợc hình dáng và giá trị của độ nhám bề mặt phụ thuộc vào lƣợng chạy dao, hình dáng của lƣỡi cắt và bán kính mũi dao r. Nếu thay đổi góc nghiêng chính và góc nghiêng phụ (đặc trƣng 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 đƣợc vê tròn.
Trong quá trình hình thành độ nhám khi tiện bằng dao có bán kính mũi dao không lớn và lƣợng chạy dao lớn thì độ nhám bề mặt không chỉ chịu ảnh hƣởng của bán kính mũi dao mà còn chịu ảnh hƣởng của lƣỡi cắt chính và lƣỡi cắt phụ, có nghĩa là ảnh hƣởng của các góc nghiêng chính và góc nghiêng phụ. GS. Trebƣsep (ngƣời Nga) đã đƣa ra công thức biểu thị mối quan hệ giữa Rz với S, và ymin nhƣ sau :
Khi S < 0,1 mm/vòng thì
(S – bƣớc trung bình nhấp nhô của profin theo đỉnh bằng giá trị trung bình của các bƣớc nhấp nhô (theo đỉnh) trong phạm vi chiều dài chuẩn l :
).
Ở đây chiều dày phoi kim loại ymin phụ thuộc vào bán kính mũi dao r. Nếu mài lƣỡi dao cắt bằng đá kim cƣơng mịn ở mặt trƣớc và mặt sau lƣỡi cắt, khi r = 10 µm thì ymin = 4µm. Mài dao hợp kim cứng bắng đá thƣờng nếu r = 40µm thì ymin ≥ 20 µm.
Các thông số góc cắt và góc sau cũng ảnh hƣởng tới độ nhám bề mặt. Khi giảm góc cắt δ thì điều kiện thoát 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.
3.2.3.2. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt
Tốc độ cắt là yếu tố quan trọng ảnh hƣởng đến độ nhấp nhô bề mặt. Thực nghiệm nghiên cứu mối quan hệ giữa vận tốc cắt và độ nhám bề mặt thì thấy rằng: khi cắt thép Cacbon ở vận tốc cắt thấp, nhiệt cắt không cao, kim loại dễ tách, biến dạng của lớp bề mặt không nhiều, vì vậy chất lƣợng bề mặt gia công thấp, độ nhấp nhô tế vi lớp bề mặt tăng không đáng kể. Khi tăng vận tốc cắt đến khoảng 15 20m/phút thì nhiệt cắt và lực cắt đều tăng, gây ra biến dạng dẻo mạnh và trong điều kiện nhƣ vậy rất dễ hình thành phoi bám do đó độ nhấp nhô tế vi lớp bề mặt tăng lên. Khi cắt với tốc độ cắt từ tốc độ cắt từ 30m/phút trở lên thì khó hình thành phoi bám, do đó chiều cao nhấp nhô tế vi Rz giảm. Với vận tốc cắt từ 100m/phút trở lên, khi đó nhiệt cắt cao, kim loại dễ biến dạng, lớp kim loại nằm giữa mặt trƣớc của dao và phoi bị nóng chảy làm giảm ma sát, giảm lực cắt, khó hình thành phoi bám, do đó chiều cao nhấp nhô tế vi lớp bề mặt giảm, độ nhẵn bề mặt tăng (hình 3.8).
Hình 3.8. M i quan hệ giữa vận t c cắt với độ nhấp nhô bề mặt
3.2.3.3. Sự ảnh hưởng của lượng chạy dao s đến độ nhám bề mặt
Phƣơng thức gia công tiện là phƣơng thức tạo hình theo vết. ề mặt chi tiết gia công đƣợc tạo thành do vết của dao để lại trên bề mặt. Chính vì lẽ đó, Lƣợng tiến dao S trong quá trình gia công có ảnh hƣởng tƣơng đối lớn đến độ nhám bề mặt. Theo tài liệu Công nghệ chế tạo máy thì chiều cao nhấp nhô tế vi Ra tỷ lệ thuận với lƣợng tiến dao. Có nghĩa là khi tăng lƣợng tiến dao thì chiều cao nhấp nhô tế vi Ra tăng, chất lƣợng bề mặt gia công giảm. Về mặt hình học ta có thể chứng minh mối quan hệ giữa lƣợng chạy dao và độ nhấp nhô tế vi lớp bề mặt nhƣ sau: 1 Cotg Cotg S Rz (3.14 )
Trong đó và 1 là góc nghiêng lƣỡi cắt chính của dao, S là lƣợng tiến dao. Nhìn vào công thức ta thấy khi S tăng thì Rz tăng và ngƣợc lại. Tuy nhiên không phải trong mọi trƣờng hợp đều nhƣ vậy. Thực nghiệm cho thấy khi cắt với lƣợng chạy dao nhỏ (S < 0,03) thì chiều cao nhấp nhô tế vi Rz lại tăng lên. Vấn đề ở đây là gì? Ta hãy xét thực tế yếu tố hình học của dao liên quan với lƣợng chạy dao. Nếu bán kính lƣỡi dao r = 0 (hình 3.9, a) thì dao dễ thâm nhập vào vùng cắt. Nhƣng thực tế r luôn khác 0. án kính này có đƣợc là do kết quả của việc mài dao trên thiết bị và đá mài khác nhau.Nếu mài dao trên đá thông thƣờng thì r = 40m, nếu mài trên đá kim cƣơng thì r = 10m.
án kính r càng lớn thì khả năng thâm nhập vào cùng cắt của dao càng khó. Nhìn vào hình vẽ ta thấy, khi lƣợng tiến dao nhỏ,tức là chiều dày cắt h nhỏ hơn hoặc bằng bán kính lƣỡi dao r thì dao không thể thâm nhập vào vùng cắt, xảy ra hiện tƣợng trƣợt dao ( không cắt đƣợc – hình 3.9,b )
a) b)
Hình 3.9. Ảnh hƣởng bán kính lƣỡi dao đến quá trình cắt
Khi xảy ra hiện tƣợng trƣợt dao thì lực dọc trục tăng, áp lực của dao vào vật tăng lên. ến một điều kiện nào đó, sự trƣợt bị mất, dao lại cắt gọt đƣợc. Hiện tƣợng đó lặp đi lặp lại, việc cắt gọt gián đoạn gây ra rung động cục bộ, bƣớc tiến dao thực tế không là hằng số, đó chính là nguyên nhân gây ra độ nhám bề mặt giảm sút. Khi đó mối quan hệ giữa Rz và bƣớc tiến dao, bán kính lƣỡi dao là: ) . 1 ( 2 . 8 2 2 min min S h r h r S Rz (3.15)
Có thể thấy rằng, bán kính lƣỡi dao r càng lớn thì khi cắt với bƣớc tiến nhỏ thì Rz tăng. Vì vậy đối với phƣơng pháp tiện, trong điều kiện thực tế thì chỉ nên sử dụng lƣợng tiến dao từ 0,05 mm/vòng trở lên thì mới thực sự có ý nghĩa đến độ nhám bề mặt nói riêng và chất lƣợng gia công nói chung. Lƣợng tiến dao S ngoài việc ảnh hƣởng mang tính chất hình học nhƣ trên nó còn có ảnh hƣởng lớn đến mức độ biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi ở bề mặt gia công. Khi cắt thép cácbon với lƣợng tiến dao S = 0,023 0,15mm/vòng thì bề mặt gia công có chất lƣợng thấp, chiều cao nhấp nhô R
lƣợng tiến dao và nó chịu ảnh hƣởng lớn của biến dạng đàn hồi. Khi cắt với lƣợng tiến dao nhỏ hơn 0,022 thì nhấp nhô tế vi tăng lên vì nó chịu ảnh hƣởng của biến dạng dẻo lớn hơn của yếu tố hình học. Khi cắt với lƣợng tiến dao lớn hơn 0,15mm/vòng thì ảnh hƣởng của biến dạng đàn hồi và yếu tố hình học là lớn nhất.
3.2.3.4. Sự ảnh hưởng của chiều sâu cắt t đến độ nhám bề mặt
Chiều sâu cắt t là yếu tố có ảnh hƣởng ít nhất đến độ nhấp nhô tế vi lớp bề mặt khi gia công. Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng, khi thay đổi chiều sâu cắt thì lực cắt đơn vị thay đổi. Sự thay đổi lực cắt làm ảnh hƣởng đến độ cứng vững của hệ thống công nghệ, do đó làm cho chất lƣợng bề mặt gia công giảm trong đó ảnh hƣởng đến chiều cao sóng và bƣớc sóng bề mặt là chủ yếu. Cần chú ý rằng, khi cắt với chiều sâu cắt quá bé thì cũng xảy ra hiện tƣợng trƣợt dao nhƣ khi cắt với lƣợng tiến dao nhỏ.Thực nghiệm cho thấy khi cắt với chiều sâu cắt t = 0,02 0,03mm thƣờng xảy ra hiện tƣợng trựơt dao. Khi đó kim loại chủ yếu bị nén chặt làm cho chiều cao nhấp nhô tế vi tăng lên và lớp bề mặt bị biến cứng, gây khó khăn cho lần gia công tiếp theo.
3.2.3.5. Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến chất lượng bề mặt gia công
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 độ nhẵn bóng bề mặt.
Nhận xét:
- Chất lƣợng bề mặt gia công khi tiện đƣợc đánh giá thông qua độ nhám bề mặt gia công.
- Có nhiều yếu tố ảnh hƣởng trực tiếp tới độ nhám bề mặt gia công khi tiện nhƣ là: Vận tốc cắt, lƣợng chạy dao và chiều sâu cắt.
3.4. Kết luận chƣơng
- Các chỉ tiêu đánh gia về tính kinh tế và kỹ thuật của quá trình gia công trên máy tiện CNC bao gồm: Chi phí điện năng riêng (chi phí năng lƣợng cần thiết để tiện một đơn vị diện tích bề mặt) và chất lƣợng bề mặt gia công (biểu hiện thông qua độ nhám).
- ằng phƣơng pháp lý thuyết đã phân tích động học, động lực học quá trình cắt gọt bằng tiện, từ đó đƣa ra khẳng định đƣợc sự ảnh hƣởng đáng kể, đồng thời của các thông số công nghệ (chế độ cắt) đến các chất lƣợng bề mặt gia công và chi phí điện năng riêng khi tiện bao gồm: Vận tốc cắt, lƣợng chạy dao và chiều sâu cắt.
Chƣơng 4
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm và các tham s điều khiển
4.1.1. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm
Theo mục tiêu, phạm vi nghiên cứu của đề tài, hàm mục tiêu đã xác định là chất lƣợng bề mặt gia công (Ra) và chi phí điện năng riêng Nr, do vậy mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm là xác định đƣợc quy luật và mức độ ảnh hƣởng của các yếu tố thuộc chế độ cắt đến các hàm mục tiêu đã chọn.
4.1.2. Các tham số đi u khiển v khoảng giới hạn của chúng
a yếu tố của chế độ cắt đƣợc chọn là tham số điều khiển bao gồm : Các giá trị này đƣợc chọn trên cơ sở tham khảo từ catalogue máy tiện CNC cũng nhƣ các ý kiến của các nhà chuyên gia chế tạo máy.
- Vận tốc cắt V đƣợc xác định ở giới hạn : 100 ≤ V ≤ 250 ( m/ph). - Lƣợng chạy dao S thay đổi trong khoảng : 0,15 ≤ S ≤ 0,23 (mm/vòng). - Chiều sâu cắt t thay đổi trong khoảng : 0,2 ≤ t ≤ 3 (mm).
4.2. Thiết bị đo và phƣơng pháp đo