Theo [4] chi phí năng lượng riêng là chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng máy và được xác định bằng công thức:
Nr=
M W
(kWh/m3) (3.16)
Trong đó:
W- Chi phí năng lượng để làm ra khối lượng sản phẩm M (kWh); M- Khối lượng sản phẩm mà thiết bị làm ra (m3).
Trong đó:
Nd- Công suất của động cơ cần thiết để cho máy phay hoạt động trong thời gian T làm ra một khối lượng sản phẩm;
T- Thời gian máy phay tạo ra khối lượng sản phẩm M.
M=l.t.B (3.18) Trong đó:
l-Chiều dài của rãnh; t- Chiều sâu của rãnh; B-Chiều rộng của rãnh.
Thay công thức 3.14, 3.15, 3.17 ,3.18 vào công thức 3.17 ta được: Nr= .t.l. η.K .n.T ..z.D .S .t 1,15.C M .T N n q y z x N d N P P (3.19)
Từ công thức 3.19 ta thấy chi phí năng lượng riêng phụ thuộc vào các yếu tố:
- Chiều sâu cắt t; - Lượng chạy dao Sz; - Số răng của lưỡi dao z - Đường kính lưỡi dao D; - Vận tốc cắt v;
3.4. Những nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi phay
3.4.1. Độ nhám bề mặt gia công
Độ nhám bề mặt (độ nhấp nhô tế vi) là tập hợp tất cả những bề lồi, lõm với bước cực nhỏ và được quan sát trên một khoảng ngắn tiêu chuẩn. Trên hình 3.8 là độ nhám bề mặt gia cồng được phóng đại lên nhiều lần.
Hình 3.8. Độ nhám bề mặt
Độ nhám bề mặt ảnh hưởng lớn đến tính chất sử dụng của chi tiết máy. Nhiều công trình 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 phương của vết gia công. Độ nhám bề mặt tăng có ảnh hưởng 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. Độ nhám bề mặt giảm (độ nhẵn bóng bề mặt tăng) cho phép nâng cao độ bền mỏi của các chi tiết. Cụ thể như bề mặt vật liệu thép được đánh bóng sẽ có độ bền mỏi cao hơn 40% so với không được đánh bóng.
Độ nhám bề mặt còn ảnh hưởng rất lớn đến tính chống ăn mòn hoá 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 như axit, muối, vv... Các tạp chất này có tác dụng ăn mòn hoá học đối với kim loại. Bề mặt chi tiết máy có độ nhám càng thấp (độ nhẵn bóng càng cao) thì càng ít bị ăn mòn hoá học. Bán kính đáy các nhấp nhô càng lớn thì khả năng chống ăn mòn hoá học của lớp bề mặt càng cao.
3.4.2. Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt gia công
Để đánh giá độ nhám, trước hết ta phải vẽ được đường thẳng chuẩn. Đường thẳng chuẩn là đường trung bình được vẽ sao cho trong phạm vi chiều dài chuẩn 1 tổng diện tích (phần gạch đứng trên hình 3.8) từ hai phía của đường chuẩn bằng nhau. Chiều dài chuẩn 1 là chiều dài dùng để đánh giá các thông số của độ nhám, 1 = 0,01 đến 25 mm.
Theo TCVN 2511-95 độ nhám bề mặt được đánh giá theo một (hoặc một số) trong các thông số sau:
Ra - sai lệch profin trung bình cộng bằng giá trị trung bình cộng của các chiều cao h tính từ đường trung bình trong phạm vi chiều dài chuẩn 1. Ra
được xác định theo công thức
(3.20) Ở đây: 1 - chiều dài chuẩn; h - tung độ của profin được đo từ đường thẳng chuẩn; n - số lượng tung độ của profin được đo.
Rz - chiều cao nhấp nhô của profin theo mười điểm, được tính bằng giá trị trung bình giữa năm đỉnh cao nhất và năm đỉnh thấp nhất được đo trong phạm vi chiều dài chuẩn 1:
(3.21) sm- bước trung bình các nhấp nhô của profin:
(3.22) s - bước trung bình nhấp nhô của profm theo đỉnh bằng giá trị trung bình của các bước nhấp nhô (theo đỉnh) trong phạm vi chiều dài chuẩn 1:
Rmax - chiều cao lớn nhất các nhấp nhô của profin, là khoảng cách giữa hai đỉnh cao nhất và thấp nhất của độ nhám (xem hình 3.8).
Căn cứ vào Ra và Rz, TCVN 2511-95 chia độ nhám bề mặt ra 14 cấp như giới thiệu ở phụ biểu 02. Theo đó độ nhám 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 được cho theo giá trị của Ra hoặc Rz. Trị số Ra được cho khi yêu cầu độ nhám bề mặt (độ nhẵnbóng bề mặt) cần đạt từ cấp 6 đến cấp 12 (Ra = 2,5 ÷ 0,04µm). Trị số Rz
được ghi trên bản vẽ nếu yêu cầu độ nhám bề mặt cần đạt trong phạm vi từ cấp 1 đến cấp 5 (Rz = 320 ÷ 20 µm) hoặc từ cấp 13 đến 14 (Rz = 0,08 ÷ 0,05 µm). Trong thực tế sản xuất nhiều khi người 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 sử dụng chỉ tiêu Ra khi xác định độ nhám bề mặt chi tiết gia công trong nghiên cứu.
3.4.3. 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 và phay 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 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 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: - Khi s < 0.1 mm/vòng thì :
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 ≥ 20µm .
Nhiều nghiên cứu cũng cho thấy, nếu lượng chạy dao s quá nhỏ (S < 0.03 mm/vg) thì trị số của Rz lại tăng, nghĩa là thực hiện bước tiện tinh hay phay tinh với lượng chạy dao quá nhỏ sẽ không có ý nghĩa đối với việc cải thiện chất lượng bề mặt.
Các thông số góc cắt và góc sau cũng ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt. Khi giảm góc cắtthì 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 a 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 nhồ 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 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
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 3000°C, 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. Vớivận tốc cắt lớn hơn 60m/phút thì lẹo dao không hình thành được, 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 đàn hồi ở bề mặt gia công, làm cho độ nhám thay đổi. Nhiều công trình nghiên cứu cũng cho thấy quan hệ giữa lượng 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 tế vi, kết hợp với ảnh hưởng của các yếu tố hình học, làm cho độ nhám bề mặt tăng lên.
d. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt
Chiều sâu cắt t nhìn chung không có ảnh hưởng đáng kể đến độ nhám bề mặt. 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 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 cao) người ta thường tiến hành thường hóa thép cacbon ở nhiệt độ 850-870°C trước khi cắt gọt.
Độ cứng của vật liệu gia công tăng thi chiều cao nhấp nhô tế vi giảm và hạn chế 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.
Nhận xét:
Qua phân tích ở trên,cho thấy rằng có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hai chỉ tiêu nghiên cứu là chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt gia công chúng có thể chia thành các nhóm như sau:
-Nhóm yếu tố thuộc về chế độ cắt gồm tốc độ cắt, lượng chạy dao,chiều sâu cắt;
-Các yếu tố thuộc về vật liệu.
Các yếu tố này cùng một lúc ánh hưởng đến các chỉ tiêu quan tâm nghiên cứu nói trên. Nếu tiến hành nghiên cứu sự tác động đồng thời của các yếu tố thì cho ta bức tranh đầy đủ, toàn diện, chính xác về qui luật,mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến các chỉ tiêu quan tâm, làm tăng giá trị thực tiễn cũng như ý nghĩa khoa học của đề tài .
Tuy nhiên, do thời gian nghiên cứu có hạn chúng tôi chỉ tập trung nghiên cứu vào hai yếu tố quan trọng là tốc độ cắt và lượng chạy dao để hạn chế tác động của các yếu tố còn lại là khi khảo nghiện giữ nguyên thông số ban đầu của chúng theo đúng tiêu chuẩn.
Chương 4
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 4.1. Chuẩn bị thí nghiệm
4.1.1. Chọn mục tiêu nghiên cứu
Qua phân tích ở chương 3 chúng tôi chọn mục tiêu thực nghiệm là hai hàm chỉ tiêu:
- Chi phí năng lượng riêng Nr. - Độ nhám bề mặt gia công.
4.1.2. Chọn tham số điều khiển
Đề tài lựa chọn hai tham số là: - Góc mài β: 45-65o;
- Lượng chạy dao s: 0,05-0,25 (mm/v).
4.1.3. Chuẩn bị thí nghiệm
Để tiến hành làm thực nghiệm chúng tôi đã sử dụng một số thiết bị sau: + Máy phay đa năng TUM20VS;
+ Nguồn điện 3 pha;
+ Đo tốc độ: sử dụng đồng hồ đo mã hiệu HT-3100 (Onosokki) sản xuất tại Nhật Bản;
+ Đo thời gian bằng đồng hồ bấm giây;
+ Đo công suất tiêu thụ điện bằng thiết bị đo công suất Fluke 41B sản xuất tại Mỹ;
+ Đo độ nhám bằng thiết bị đo độ nhámTR200 cũng được sản xuất ở Mỹ.
4.2. Kết quả thí nghiệm thăm dò
Từ nhữngsố liệu thăm dò (phụ lục 1) thu thập được ta có kết quả như sau:
+ Hàm chi phí năng lượng riêng:
- Số lượng nhóm các giá trị thu thập: c = 5log50 = 8 nhóm - Khoảng chia nhóm K: K = 0,238 8 38 , 12 28 , 14 m X Xmax min
Bảng 4.1. Tổng hợp kết quả phân bố thực nghiệm STT Nr Nrtb fi Nrtb2 fi.Nrb fi.Nrtb2 1 12.38-12.62 12.48 9 155.84 112.35 1402.53 2 12.62-12.85 12.73 9 162.05 114.57 1458.43 3 12.85-13.09 12.94 12 167.33 155.23 2007.92 4 13.09-13.33 13.18 8 173.74 105.45 1389.91 5 13.33-13.57 13.47 7 181.57 94.32 1270.96 6 13.57-13.81 13.61 2 185.32 27.23 370.65 7 13.81-14.04 14.00 1 195.88 14.00 195.88 8 14.04-14.28 14.24 2 202.83 28.48 405.66 Tổng 106.66 50 1424.55 651.62 8501.94
- Xác định đặc trưng của phân bố thực nghiệm (bảng 4.2):
Bảng 4.2. Các đặc trưng của phân bố thực nghiệm
Min 12.38
Max 14.28
Trung bình 13.03
Tổng 651.62
Số trung bình toàn phương z 13.04
Sai tiêu chuẩn S 0.57
hệ số biến động S% 3.42 Phạm vi biến động R 1.90 Độ lệch Sk 0.83 Độ nhọn phân bố Ex -1.30 Tiêu chuẩn 2 tt 14.50
Tra bảng ta được 2 ; 5 . 0 k = 67,5. Bậc tự do k = n - 1 = 49. Như vậy 2 tt < 2 b
số liệu đo được trong bảng thí nghiệm tuân theo phân bố chuẩn. Số lần lặp mỗi thí nghiệm m = 2,94, lấy m = 3.
+ Hàm độ nhám bề mặt gia công: - Khoảng chia nhóm K: K = 0,06 8 182 , 1 659 , 1 m X Xmax min
Bảng 4.3. Tổng hợp kết quả phân bố thực nghiệm
STT Ra Ratb fi Ratb2 fi.Rab fi.Ratb2 1 1.182-1.242 1.211 2 1.466 2.421 2.932 2 1.242-1.301 1.253 2 1.570 2.506 3.140 3 1.301-1.361 1.337 9 1.786 12.029 16.077 4 1.361-1.421 1.391 9 1.934 12.516 17.406 5 1.421-1.480 1.454 12 2.113 17.444 25.358 6 1.480-1.540 1.514 9 2.291 13.623 20.620 7 1.540-1.600 1.565 4 2.448 6.258 9.791 8 1.600-1.659 1.641 3 2.694 4.924 8.083 Tổng 11.364 50 16.302 71.721 103.406
- Xác định đặc trưng của phân bố thực nghiệm (bảng 4.4):
Bảng 4.4. Các đặc trưng của phân bố thực nghiệm
Min 1.18
Max 1.66
Trung bình 1.43
Tổng 71.72
Số trung bình toàn phương z 1.44
Sai tiêu chuẩn S 0.06
Hệ số biến động S% 7.23
Phạm vi biến động R 0.48
Độ lệch Sk -0.08
Độ nhọn phân bố Ex -1.60
- Tra bảng ta được 2