Trong quá trình gia công thì việc giảm bớt những sai số gia công là một trong những yêu cầu luôn đƣợc coi trọng. Có những nguyên nhân dẫn đến sai số gia công nhƣ:
- Biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ;
- Độ chính xác của máy;
- Sai số đồ gá;
- Sai số của dụng cụ cắt; - Biến dạng nhiệt của máy; - Biến dạng nhiệt của dao; - Biến dạng nhiệt của chi tiết; - Rung động trong quá trình cắt;
- Phƣơng pháp gá đặt;
- Dụng cụ đo và phƣơng pháp đo.
Trong đó sai số do biến dạng của hệ thống công nghệ có một ý nghĩa rất quan trọng.
Hệ thống công nghệ bao gồm: máy, dao, đồ gá và chi tiết gia công không phải có độ cứng một cách tuyệt đối. Khi chịu tác dụng của ngoại lực chúng đều bị biến dạng. Nguyên nhân là do vật liệu của các chi tiết có tính đàn hồi, bản thân các bộ phận máy, chi tiết, đồ gá, dao tuy đã đƣợc thiết kế tối ƣu về hình dáng song vẫn có kích thƣớc xác định có nghĩa vẫn chịu biến dạng theo thuyết biến dạng đàn hồi của cơ học vật rắn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Những biến dạng trong hệ thống công nghệ đều mang tính đàn hồi. Nhƣ vậy khi gia công bằng phƣơng pháp cắt gọt trên các máy cắt kim loại, dƣới tác dụng của lực cắt thì các thành phần của hệ thống công nghệ đều bị biến dạng đàn hồi. Ngoài sự biến dạng thể tích còn có biến dạng tiếp xúc bề mặt do các bộ phận đều có sự lắp ghép của nhiều chi tiết.
Do có biến dạng đàn hồi và biến dạng tiếp xúc làm cho vị trí tƣơng đối giữa dao và chi tiết không ổn định dẫn tới sai số gia công.
Mức độ biến dạng của vật liệu, phụ thuộc vào ứng suất sinh ra trong nó và mô đun đàn hồi của vật liệu. Mức độ biến dạng tiếp xúc, phụ thuộc vào áp suất tiếp xúc, chiều cao nhấp nhô, hƣớng của nhấp nhô và độ cứng của vật liệu lớp bề mặt.
Khi gia công chi tiết, ngƣời ta mong muốn vừa có năng suất cao, vừa đảm bảo độ chính xác. Thế nhƣng năng suất cao thƣờng gắn với tăng lực và tăng biến dạng. Vì vậy ta phải tìm cách giảm bớt biến dạng của hệ thống công nghệ khi chịu tác dụng của lực cắt.
Độ cứng vững của hệ thống công nghệ là khả năng chống lại biến dạng của nó do ngoại lực gây ra. Độ cứng vững của hệ thống công nghệ đƣợc biểu diễn định lƣợng bằng công thức sau:
y P
J y (2.1)
Trong đó:
J : độ cứng vững (KN/mm hoặc KG/mm);
Py : lực tác dụng theo phƣơng hƣớng kính của bề mặt gia công (KN hoặc KG);
y : lƣợng dịch chuyển của mũi dao theo phƣơng tác dụng của lực (mm).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Cùng một chi tiết hay cùng một hệ thống và tại một vị trí nhƣng theo những phƣơng khác nhau thì độ cứng vững cũng khác nhau. Vậy cần phải phân tổng các lực tác dụng thành ba thành phần Px , Py , Pz theo ba trục tọa độ vuông góc nhau ox, oy, oz để nghiên cứu. Trên thực tế chỉ có những biến dạng thẳng góc với bề mặt gia công là ảnh hƣởng nhiều nhất tới sai số gia công nên ta chỉ nghiên cứu lực và biến dạng theo phƣơng này.
Độ cứng vững của hệ thống công nghệ cũng có thể đƣợc biểu diễn qua số gia. y y i P J (2.2) Trong đó: ; y P
y: là số gia của lực tác dụng và của lƣợng dịch chuyển. Từ (2.1) ta rút ra: y P y J 1 (2.3) Đặt J 1
là độ mềm dẻo của phần máy hoặc hệ thống, và để tiện sử dụng ta dùng độ mềm dẻo để tính toán biến dạng thay cho dùng độ cứng vững.
Biến dạng tổng hợp của hệ thống công nghệ đƣợc tính thông qua:
d f g m ht y y y y y (2.4)
Cũng tƣơng tự, độ mềm dẻo của hệ thống:
d f g m ht (2.5)
Hoặc độ mềm dẻo đƣợc viết dƣới dạng khác: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
d g f m ht J J J J J 1 1 1 1 1 (2.6)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
m
: độ mềm dẻo của máy;
f
: độ mềm dẻo của phôi gia công;
g
: độ mềm dẻo của đồ gá;
d
: độ mềm dẻo của dao cắt;
m J : độ cứng vững của máy; f J : độ cứng vững của phôi; g J : độ cứng vững của đồ gá; d J : độ cứng vững của dao cắt; ht J : độ cứng vững của hệ thống.
Biến dạng của hệ thống bằng tổng biến dạng của các khâu thành phần đo tại một điểm trên cùng một phƣơng.
Độ cứng vững của hầu hết các khâu trong hệ thống công nghệ phải xác định bằng thực nghiệm, chỉ có những phôi có hình dạng tƣơng đối đơn giản nhƣ: trục trơn, thanh, dầm,… và một số loại dao là có thể xác định bằng phƣơng pháp tĩnh. Sở dĩ nhƣ vậy vì bất kì độ cứng vững của bất kì một hệ thống nào cũng đều do hai thành phần quy định:
- Thành phần thứ nhất là khả năng chống lại biến dạng đàn hồi của hệ thống. Thành phần này có thể đƣợc tính toán khá chính xác nhờ các công thức về sức bền vật liệu hoặc về lý thuyết đàn hồi cho những chi tiết đơn giản. Nhƣng thƣờng hệ thống máy lại đƣợc nối ghép từ nhiều chi tiết nên nó trở nên phức tạp vậy mà việc tính toán cũng rất khó khăn.
- Thành phần thứ hai là khả năng chống lại biến dạng tiếp xúc giữa bề mặt nối ghép với nhau. Có thể định nghĩa độ cứng vững tiếp xúc là tỉ số giữa
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
áp lực đơn vị q trên mặt tiếp xúc theo phƣơng pháp tuyến và chuyển vị y của nó y q (2.7) Trong đó:
: độ cứng vững của bề mặt tiếp xúc. (N/mm3 hoặc kG/mm3);
q: áp suất đơn vị (N/mm2 hoặc kG/mm2);
y: chuyển vị tƣơng đối giữa hai bề mặt (mm).
Biến dạng tiếp xúc có thể bao gồm các nguyên nhân: khi chƣa chịu tải giữa các bề mặt bị ngăn cách bởi đệm không khí hoặc dầu bôi trơn nhƣng khi chịu tải chúng bị đẩy ra khỏi vùng tiếp xúc. Điểm đầu các bề mặt chỉ tiếp xúc trên các điểm nhấp nhô, khi tăng tải trọng áp suất cục bộ quá lớn gây biến dạng dẻo làm san phẳng một phần chiều cao nhấp nhô. Các nhấp nhô giữa hai bề mặt có thể cài xen kẽ nhau. Nếu vật liệu một bên quá cứng một bên quá mềm thì đỉnh nhọn phần nhô ra của vật liệu cứng bị lún sâu vào vật liệu mềm. Tất cả các nguyên nhân trên đều dẫn đến khe hở tiếp xúc giữa hai bề mặt giảm, đó là biến dạng tiếp xúc.
Nhƣ vậy thành phần biến dạng thứ hai này không phải là biến dạng đàn hồi cũng không hoàn toàn là biến dạng dẻo, nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố thuộc về chất lƣợng bề mặt của các chi tiết nên rất khó xác định bằng phƣơng pháp tính toán mà phải xác định bằng thực nghiệm.
Từ kinh nghiệm thực tế ngƣời ta xác định đƣợc quan hệ giữa biến dạng tiếp xúc và áp suất tiếp xúc nhƣ sau:
4 , 0 .q C y (2.8)
C: phụ thuộc vào chiều cao nhấp nhô trên bề mặt tiếp xúc và phụ thuộc vào vật liệu của các chi tiết. Với chi tiết bằng gang, bề mặt đƣợc mài có
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
chiều cao nhấp nhô Rz= 15µm thì C = 11. Chi tiết là thép mềm, bề mặt qua mài có chiều cao nhấp nhô Rz = 15µm thì C = 35. Chi tiết bằng thép mềm, bề mặt qua bào, chiều cao nhấp nhô Rz = 35µm thì C = 9.
Từ kết quả trên ta thấy độ cứng vững tiếp xúc phụ thuộc vào chiều cao nhấp nhô, hƣớng của nhấp nhô, phụ thuộc vào tính chất cơ lí của lớp vật liệu bề mặt.
Nhƣ vậy biến dạng tiếp xúc không phải là biến dạng đàn hồi của các bộ phận mà sau khi thôi tác dụng lực nó không trở lại vị trí ban đầu. Biến dạng tiếp xúc cũng không hoàn toàn là biến dạng dẻo vì nếu là biến dạng dẻo thì chỉ sau một thời gian làm việc chi tiết sẽ bị phá hủy hoặc không còn đảm bảo độ chính xác. Vậy bản chất của biến dạng tiếp xúc là sự thay đổi của khe hở giữa hai bề mặt tiếp xúc chịu tải trọng. Sau khi thôi tác dụng lực biến dạng không trở về trị số ban đầu mà có biến dạng dƣ. Có thể giải thích điều này: khi có lực tác dụng trạng thái tiếp xúc giữa các bề mặt bị thay đổi và tháo bỏ khi trạng thái tiếp xúc không trở về trạng thái ban đầu. Trạng thái tiếp xúc sau khi chịu tải trọng không phải là trạng thái ổn định, nó bị thay đổi sau một thời gian ngắn hoặc khi không còn giữ nguyên vị trí ấy nữa.
Khe hở giữa các bề mặt tiếp xúc sẽ trở về vị trí ban đầu nếu trạng thái tiếp xúc trở về trạng thái ban đầu. Nhƣ vậy biến dạng của hệ thống công nghệ gồm có hai thành phần: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Thành phần biến dạng đàn hồi của vật liệu các chi tiết, thành phần này sẽ trở về không khi thôi tác dụng lực.
- Thành phần biến dạng tiếp xúc là sự thay đổi khe hở giữa hai bề mặt tiếp xúc, nó phụ thuộc vào trạng thái tiếp xúc giữa chúng. Thành phần này không trở về không khi thôi tác dụng lực.
Từ phân tích trên ta thấy để tăng độ cứng vững của hệ thống (hay giảm độ mềm dẻo) thì phải giảm hai thành phần biến dạng trên:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Giảm thành phần biến dạng thứ nhất bằng cách tăng kích thƣớc các chi tiết và có kết cấu hợp lí để giảm ứng suất sinh ra trong nó. Chọn vật liệu có mô đun đàn hồi lớn. Nhƣng điều này không thể tăng mãi đƣợc.
- Giảm thành phần biến dạng thứ hai, đây là biện pháp có hiệu quả đối với thực tế ở nƣớc ta hiện nay, bằng cách nâng cao chất lƣợng bề mặt của các mặt tiếp xúc nhƣ: gia công các bề mặt có độ nhẵn bóng cao để hạ thấp chiều cao nhấp nhô, làm bằng các đỉnh nhấp nhô để tăng diện tích tiếp xúc bằng phƣơng pháp cạo, gõ hoặc lăn ép. Chọn vật liệu hợp lí, dùng các biện pháp để tăng cơ tính của lớp vật liệu bề mặt. Chăm sóc và bảo quản tốt các bề mặt tiếp xúc. Cắt thử và điều chỉnh máy để đƣa các bề mặt tiếp xúc vào đúng vị trí và trạng thái nhƣ gia công.
2.2 Ảnh hƣởng của biến dạng hệ thống công nghệ đến sai số gia công khi phay trên máy phay đƣ́ng.
Xét nguyên công phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu trên máy phay đƣ́ng. Trong quá trình gia công , lƣ̣c dọc trục P0 có ảnh hƣởng đến sai số gia công.
Hình 2.1 Sơ đồ phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu trên máy phay đứng P0
P0 n
t
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Áp dụng công thức (2.4) ta có lƣợng biến dạng của hệ thống:
d f g m ht y y y y y Với:
Lƣợng biến dạng của dao phay:
d d
J P
y 0 (2.9)
Lƣợng biến dạng của đồ gá:
g g
J P
y 0 (2.10)
Lƣợng biến dạng của phôi:
f f
J P
y 0 (2.11)
Lƣợng biến dạng của bàn máy:
m m J P y 0 (2.12) Trong đó:
Jd: độ cƣ́ng vƣ̃ng của dao.
Jg: độ cƣ́ng vƣ̃ng của đồ gá. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Jf: độ cƣ́ng vƣ̃ng của phôi.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
CHƢƠNG 3: THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ CỨNG VỮNG ĐỘNG CỦA MÁY PHAY ĐỨNG
3.1 Cơ sở thí nghiệm.
Dựa vào lý thuyết độ cứng vững của hệ thống công nghệ; Dựa vào các công thức liên quan đến chế độ cắt để tính lực cắt;
Dựa vào các hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào các thông số công nghệ nhƣ: góc độ của dao, vật liệu làm phần cắt, vật liệu gia công…;
Dựa vào độ chính xác có thể đạt đƣợc của đồng hồ đo, máy đo.
3.2 Mô hình xác định độ cứng vững động bằng thực nghiệm.
Độ cứng vững động đƣợc xác định khác hẳn so với độ cứng vững tĩnh ở chỗ lực tác dụng là lực cắt thực tế trong quá trình gia công. Bằng phƣơng pháp này cho phép đánh giá chính xác hơn độ cứng vững của máy vì có tính đến ảnh hƣởng của rung động, va đập cũng nhƣ biến dạng của hệ thống công nghệ. Việc tính toán chính xác theo độ cứng vững động làm cơ sở ngăn ngừa sai số gia công, cho nên độ chính xác cao hơn.
Nội dung của tính toán theo độ cứng vững động là chọn thí nghiệm có các thông số thay đổi sẽ tạo ra biến đổi về lực cắt. Các nhân tố ảnh hƣởng đến lực cắt bao gồm:
- Tính chất của vật liệu gia công; - Sự thay đổi chế độ cắt;
- Góc độ của dao.
Với phạm vi nghiêm cứu của đề tài, vận tốc cắt đƣợc thay đổi còn các yếu tố khác cố định để xét ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến độ cứng vững động của máy.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Trong quá trình làm thí nghiệm, chọn loại dao phay gắn mảnh hợp kim cƣ́ng, do có thể thay thế dễ dàng sau mỗi lần làm thí nghiệm nên loại bỏ đƣợc yếu tố ảnh hƣởng do thông số hình học của dao.
Lực cắt khi phay đƣợc tính theo công thức:
MP w q u y Z x p Z K n D Z B S t C P . . . . . . . 10 (N) (3.1) Trong đó:
Z: số răng dao phay;
n: số vòng quay của dao (vòng/phút);
Cp: hệ số, tra bảng 5.41 [1];
x; y; u; q; w – các số mũ, tra bảng 5.41 [1]
Mp
K : hệ số điều chỉnh cho chất lƣợng của vật liệu gia công, tra bảng
5.9 [1] n B n Mp K K 750 . ; B
: giới hạn bền của vật liệu gia công;
v
n : số mũ;
t: chiều sâu cắt (mm);
Sz: lƣợng chạy dao răng (mm/răng);
B: bề rộng phay (mm); (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 3.1 Sơ đồ đo chuyển vị tương đối giữa dao và phôi khi phay
Để tạo ra vận tốc cắt thay đổi, phối hợp sự thay đổi số vòng quay trục chính và lƣợng chạy dao phút. Ứng với từng giá trị cụ thể, ta xác định đƣợc tốc độ cắt và từ đó tính đƣợc lực cắt P và chuyển vị tƣơng đối y giữa dao và phôi. Lập bảng tính đƣợc tỷ số y P J . Vẽ đồ thị quan hệ giữa n, SM và J.
3.3 Thƣ̣c nghiệm và xƣ̉ lý số liệu.
Máy phay: NIIGATA 2UMB.
Chế độ cắt: Chiều sâu cắt t = 4 (mm).
Dung dịch trơn nguội: Không.
Thông số dao: Đƣờng kính dao phay D = 120 (mm).
Số răng dao phay Z = 3 (răng). Vật liệu phần cắt T15K6.
n
t
Ðồng hồ so
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phôi: Thép 45 (không nhiệt luyện).
Kích thƣớc L x B x H = 350 x 80 x 30 Dải số vòng quay trục chính: 230; 300; 430; 610; 870 (vòng/phút).
Lƣợng chạy dao phút: 20; 31,5; 50; 80 (mm/phút).
Kết quả thí nghiệm thu đƣợc trình bày trong các bảng dƣới đây:
Bảng 3.1 Quan hệ giữa lực cắt P0, chuyển vị y và độ cƣ́ng vƣ̃ng J khi lƣợng chạy dao phút SM = 20 (mm/phút).
Thông số
Số vòng quay của trục chính (vòng/phút)
230 300 430 610 870