Chương 3 : Chất lượng gia cơng chi tiết
3.1. Chất lượng bề mặt gia cơng
Chất lượng bề mặt gia cơng phụ thuộc vào phương pháp và điều kiện gia
cơng cụ thể. Chất lượng bề mặt là mục tiêu chủ yếu cần đạt ở bước gia cơng
tinh. Chất lượng bề mặt gia cơng được đánh giá bằng độ nhấp nhơ tế vi, độ song song và tính chất cơ lý của bề mặt gia cơng.
3.1.1. Các yếu tố đặc trưng chất lượng bề mặt a. Độ nhấp nhơ tế vi (độ nhám bề mặt)
Trong quá trình cắt, lưỡi cắt đưa dụng cụ cắt và sự hình thành phoi kim loại tạo ra những vết xước cực nhỏ trên bề mặt gia cơng, đĩ chính là độ nhấp nhơ tế vi. Độ nhấp nhơ tế vi được đánh giá bằng chiều cao nhấp nhơ RZ và sai lệch profin trung bình cộng (Ra) của lớp nhấp nhơ bề mặt ( hình 3.1)
Hình 3.1. Sơ đồ xác định độ nhấp nhơ tế vi
Chiều cao nhấp nhơ là trị số trung bình của 5 khoảng, từ 5 đỉnh cao nhất đến 5 đáy thấp nhất của nhấp nhơ tế vi trong phạm vi chiều dài chuẩn . Trị số được xác định theo cơng thức :
Sai lệch profin trung bình cộng Ra là trị số trung bình của khoảng cách từ các
đỉnh trên đường nhấp nhơ tế vi tới đường trục tọa độ :
Độ nhấp nhơ tế vi (độ nhẵn bĩng) là cơ sở để đánh giá độ nhẵn bĩng bề mặt
trong phạm vi chiều dài chuẩn .
Theo tiêu chuẩn nhà nước thì độ nhẵn bĩng chia làm 14 cấp
Độ nhẵn bĩng cao nhất ứng với cấp 14 : Độ nhẵn bĩng thấp nhất ứng với cấp 1 :
Trên bản vẽ chi tiết :
Trị số RZ dùng cho cấp nhẵn bĩng cấp 1 đến cấp 5 cấp 13 và cấp 14. Trị số Ra dùng cho cấp nhẵn bĩng cấp 6 đến cấp 12. Bảng 3.1. Cấp nhẵn bĩng bề mặt Chất lượng bề mặt Cấp nhẵn bĩng Ra (µm) RZ (µm) Chiều dài chuẩn (mm) Thơ 1 2 3 4 80 40 20 10 320 160 80 40 8 2,5 Bán tinh 5 6 7 5 2,5 1,25 20 10 6,3 2,5 0,8 Tinh 8 9 10 11 0,63 0,32 0,16 0,08 3,2 1,6 0,8 0,4 0,025 Siêu tinh 12 13 14 0,04 0,02 0,01 0,2 0,08 0,05 0,08
b. Độ sĩng bề mặt
Độ sĩng bề mặt là chu kỳ khơng bằng phẳng của bề mặt chi tiết máy được
quan sát trong phạm vi lớn hơn độ nhám bề mặt ( hình 3.2)
Hình 3.2. Độ nhám và độ sĩng bề mặt
Tiêu chuẩn phân biệt độ nhám là tỷ số ≤50
h l , độ sĩng H L = 500÷1000
c. Tính chất cơ lý của mặt gia cơng
Tính cơ lí của lớp bề mặt được biểu thị bằng độ cứng tế vi về giá trị ứng suất dư trong lớp bề mặt.
Độ cứng tế vi được phát sinh trong quá trình gia cơng dưới tác dụng của lực
cắt. Mức độ về chiều sâu của lớp bị biến cứng phụ thuộc vào tác dụng của lực cắt.
Ứng suất dư được sinh ra do các nguyên nhân: lực cắt gây nên biến dạng dẻo
khơng đều ở từng khu vực , do nhiệt ở vùng cắt.
Trị số, dấu và chiều sâu ứng suất trong lớp bề mặt phụ thuộc vào các điều
kiện gia cơng cụ thể .
3.1.2. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy a. Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt:
Do bề mặt chi tiết cĩ độ nhám, nên khi hai chi tiết lắp ghép giữa hai bề mặt
lắp ghép, chi tiết tiếp xúc nhau ở các đỉnh nhấp nhơ. Tại các đỉnh lực lớn do diện tích tiếp xúc nhỏ làm cho các điểm tiếp xúc bị đàn hồi và biến dạng dẻo. Khi hai bề mặt chuyển động tương đối với nhau sẽ xảy ra hiện tượng trượt dẻo ở các đỉnh nhấp nhơ. Các đỉnh nhấp nhơ bị mịn nhanh làm khe hở lắp ghép tăng được
gọi là hiện tượng trượt dẻo ở các đỉnh nhấp nhơ. Các khe đỉnh nhấp nhơ này bị mịn nhanh dẫn đến khe hở lắp ghép tăng lên. Đĩ là hiện tượng mịn ban đầu.
Quá trình mịn của cặp chi tiết tiếp xúc được thể hiện ở hình 3.3, trong điều kiện làm việc nhẹ và vừa, mịn ban đầu (khu vực I) cĩ thể làm cho chiều cao nhấp
nhơ giảm 65 75%, diện tích tiếp xúc tăng lên, áp lực giảm xuống. Mịn ban đầu
ứng với thời gian chạy rà kết cấu cơ khí. Sau giai đoạn mịn chạy rà, quá trình
mịn trở nên bình thường và chậm, giai đoạn này gọi là mịn làm việc (khu vực
II), sau mịn làm việc bề mặt làm việc bị trĩc ra, kết cấu bề mặt bị phá hủy , phá hỏng, giai đoạn nay gọi là mịn phá hủy (khu vực III). Đối với chi tiết máy trước khi bị mịn phá hủy xảy ra, bề mặt làm việc cịn cĩ thể phục hồi, cịn sau khi bị mịn phá hủy xảy ra chi tiết khơng thể phục hồi khả năng làm việc.
Trong hình 3.3 biểu thị mối quan hệ giữa lượng mịn về thời gian sử dụng của ba cặp chi tiết cĩ độ nhám khác nhau, cặp a cĩ độ nhám lớn nhất, thời gian mịn ban đầu xảy ra nhanh nhất, thời gian sử dụng ngắn nhất :
,
Hình 3.3 Quá trình mài mịn của cặp chi tiết tiếp xúc
Như vậy giá trị độ nhám bề mặt ảnh hưởng đến tuổi thọ của bề mặt chi tiết máy. Độ nhẵn bĩng cao thì thời gian làm việc càng dài, tuy vậy tùy theo đđiều kiện làm việc cụ thể để chọn độ nhám bề mặt tối ưu.
Độ nhám bề mặt giảm sẽ làm tăng độ bền mỏi của chi tiết gia cơng, ví dụ :
Bề mặt làm việc thép được đánh bĩng cĩ độ bền mỏi cao hơn 40% so với bề mặt khơng được đánh bĩng.
Độ nhám bề mặt cịn ảnh hưởng đến tính chống ăn mịn hĩa học của lớp bề
mặt (hình 3.4) các chỗ lõm (đáy các nhấp nhơ tế vi) là nơi chứa các tạp chất axit, muối, các tạp chất này cĩ tác dụng ăn mịn hĩa học đối với kim loại, quá trình ăn mịn hĩa học làm cho nhấp nhơ mới được hình thành, chiều sâu ăn mịn hình
Như vậy bề mặt chi tiết cĩ độ nhẵn bĩng càng cao thì càng lâu bị ăn mịn hĩa học, cĩ thể chống ăn mịn hĩa học bằng cách mạ crom, niken, hoặc tạo ra lớp cứng nguội bề mặt .
Hình 3.4. Qúa trình ăn mịn hĩa học trên bề mặt chi tiết
Độ chính xác của mối lắp phụ thuộc vào chất lượng các bề mặt lắp ghép. Độ
bền các mối lắp, độ ổn định của chế độ phụ thuộc vào độ nhám bề mặt lắp ghép, giá trị hợp lí của chiều cao nhấp nhơ được xác định theo độ chính xác của
mối lắp (dung sai
Khi đường kính lắp ghép >50 mm, thì =( 0,1 0,15) Khi đường kính lắp ghép 18 50 mm, thì = ( 0,15 0,2) Khi đường kính lắp ghép <18 mm, thì = (0,2 – 0,25)
b. Ảnh hưởng lớp biến cứng bề mặt :
Bề mặt bị biến cứng cĩ thể tăng tính chống mịn lên 2 3 lần, tăng độ bền mỏi của chi tiết lên đến 20%, chiều sâu và mức độ của biến cứng lớp bề mặt đều
ảnh hưởng đến độ bền mỏi, hạn chế khả năng gây ra các vết nứt làm phá hỏng
chi tiết. Tuy nhiên, bề mặt quá cứng cũng làm giảm độ bền mỏi.
c. Ảnh hưởng của ứng suất dư :
Ứng suất dư nén trên lớp bề mặt cĩ khả năng làm tăng độ bền mỏi, cịn ứng
suất dư kéo trên bề mặt sẽ làm giảm độ bền mỏi của chi tiết. Ví dụ , đối với chi tiết từ vật liệu thấp, độ bền mỏi của nĩ cĩ thể tăng lên 50% khi trên lớp bề mặt cĩ ứng suất dư nén và độ mỏi giảm 30% khi trên lớp bề mặt cĩ ứng suất dư kéo
3.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng bề mặt 3.1.3.1. Ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt
a. Thơng số hình học của dụng cụ cắt và bước tiến dao
Khảo sát sự hình thành độ nhấp nhơ bề mặt khi gia cơng tiện (hình 3.5) nhận thấy: sau một vịng quay của chi tiết, dao thực hiện một lượng ăn dao là s(mm).
Khi dao chuyển từ vị trí 1 sang vị trí 2 cĩ một phần kim loại khơng được hớt
đi là tam giác abc và giá trị chiều cao nhấp nhơ phụ thuộc vào lượng chạy dao s và thơng số hình học của dụng cụ như
Hình 3.5 Sơ đồ tạo thành nhấp nhơ bề mặt
Trên hình 3.6 thể hiện sự ảnh hưởng của các thơng số hình học của dao tiện và bước tiến dao S đến độ nhám bề mặt .
Ví dụ : Khi giảm lượng chạy dao từ đến gía trị thì chiều cao nhấp nhơ giảm (hình 3.6 a). Khi tăng bán kính đỉnh dao từ dến chiều cao nhấp nhơ giảm (hình 3.6 b) . Khi tăng gĩc thì chiều cao nhấp nhơ tăng (hình 3.6c)
b. Vận tốc cắt :
Vận tốc cắt cĩ ảnh hưởng rất lớn đến độ nhám bề mặt .
Ví dụ : khi cắt thép cacbon ở vận tốc thấp, nhiệt cắt khơng cao, phoi kim loại tách dễ , biến dạng của lớp kim loại khơng nhiều, vì vậy độ nhám bề mặt thấp. Khi tăng vận tốc lên khoảng 15 – 20 (m / phút) thì nhiệt cắt và lực cắt tăng gây ra biến dạng dẻo mạnh ở mặt trước và mặt sau của dao. Khi lớp kim loại bị nén chặt ở mặt trước và nhiệt độ cao làm hình thành lẹo dao. Lẹo dao cĩ độ cứng cao và tham gia vào quá trình cắt , làm thay đổi gĩc trước , làm độ nhám bề mặt
tăng lên. Nhưng nếu tiếp tục tăng vận tốc cắt lên lớn hơn 60(m / phút), lẹo dao mất đi, độ nhám bề mặt giảm dần .
Hình 3.7-Ảnh hưởng vận tốc cắt đến độ nhám bề
Khi gia cơng kim loại giịn(như gang) các mảnh kim loại bị trượt và vỡ ra khơng theo qui luật nhất định, do đĩ làm tăng độ nhấp nhơ bề mặt, nếu tăng vận tốc cắt sẽ làm giảm độ nhấp nhơ.
c. Vật liệu gia cơng :
Vật liệu gia cơng ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt, chủ yếu là do khả năng
biến dạng dẻo. Vật liệu dẻo, dai bị biến dạng dẻo sẽ làm cho độ nhám bề mặt
tăng hơn so với vật liệu cứng và giịn.
Độ cứng của vật liệu gia cơng tăng thì độ nhám bề mặt giảm và hạn chế ảnh
hưởng của vận tốc cắt tới độ nhám bề mặt .
Ví dụ: Thường hĩa thép cacbon ở nhiệt độ 850 870 C trước khi cắt gọt thì độ nhám bề mặt sau gia cơng giảm .
d. Rung động của hệ thống cơng nghệ :
Quá trình cơng nghệ của hệ thống cơng nghệ tạo ra chuyển động tương đối
cĩ chu kỳ giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia cơng, làm thay đổi điều kiện ma sát, gây nên độ sĩng và độ nhấp nhơ tế vi trên bề mặt gia cơng sẽ tăng nếu lực cắt
tăng , chiều sâu cắt lớn, vận tốc cắt cao. Do vậy, muốn tăng độ nhẵn bĩng bề
mặt phải tăng cường độ cứng của hệ thống cơng nghệ.
3.1.3.2. Ảnh hưởng đến độ biến cứng bề mặt :
Khi tăng lực cắt và mức độ biến dạng dẻo thì mức độ biến cứng của bề mặt
tăng. Nếu kéo dài thời gian tác dụng lực thì làm tăng chiều sâu lớp biến cứng. Khi tiện, chiều sâu biến cứng tăng khi tăng lượng tiến dao S và bán kính dao r. Thơng số hình học của dao cũng ảnh hưởng đến mức độ biến cứng.
Ví dụ khi tăng gĩc trước của dao từ giá trị âm đến giá trị dương thì mức độ và chiều sâu biến cứng giảm. Vận tốc tăng làm giảm thời gian tác động của lực cắt và nhiệt cắt , do vậy làm giảm mức độ và chiều sâu lớp biến cứng .
3.1.3.3. Ảnh hưởng đến ứng suất dư:
Dựa vào kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng
đến ứng suất dư lớp bề mặt, ta nhận thấy rằng nếu tăng vận tốc cắt hoặc tăng
lượng tiến dao rất cĩ thể làm tăng hoặc giảm ứng suất dư ( tùy theo điều kiện cụ thể ) nhưng nếu tăng lượng tiến dao sẽ làm tăng chiều sâu ứng suất. Khi gia
cơng bằng dụng cụ cĩ lưỡi cắt vật liệu gia cơng giịn thường gây ứng suất nén, cịn vật liệu dẻo gây ra ứng suất kéo. Gia cơng bằng đá mài thường gây ra ứng suất dẻo kéo. Mài bằng đá mài gây ra ứng suất dư nén.