1
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Phay cứng được hiểu là phay các chi tiết có độ cứng cao (45 ÷ 70 HRC), có thể
tiến hành với điều kiện cắt khô (dry – không sử dụng dung dịch trơn nguội) hoặc
gần giống như cắt khô và phổ biến sử dụng dao gắn mảnh Nitrit Bo lập phương đa
tinh thể (PCBN – Polycrystalline Cubic Boron Nitride, hay vẫn thường được gọi là
CBN – Cubic Boron Nitride). Người ta cho rằng, sự ra đời và phát triển của vật
liệu dụng cụ cắt CBN như là một giải pháp tối ưu cho phay cứng. Bởi vật liệu
CBN có độ cứng rất cao chỉ thấp hơn so với kim cương, nhưng không giống như
kim cương CBN có tính ổn định và bền nhiệt cao (hơn 1000 0C). Mặt khác, CBN có
thể tạo hình với các hình dạng và kích thước khác nhau…..
Cơng nghệ phay cứng đã và đang phát triển đầy tiềm năng với những ưu điểm có
thể so sánh (trong nhiều trường hợp có thể thay thế cho mài) với cơng nghệ mài – một
phương pháp gia công tinh lần cuối mang tính truyền thống đối các thép có độ cứng
cao.
Việc áp dụng công nghệ phay cứng để gia công lần cuối các chi tiết so với cơng
nghệ mài có các ưu điểm nổi bật sau:
- Giảm thời gian chu kỳ gia cơng một sản phẩm.
- Giảm chi phí đầu tư thiết bị.
-Tăng độ chính xác.
- Đạt độ bóng bề mặt cao.
- Cho phép nâng cao tốc độ bóc vật liệu (từ 2 - 4 lần), nâng cao năng suất gia công.
- Gia công được các contour phức tạp.
- Cho phép thực hiện nhiều bước gia công trong cùng một lần gá.
- Phay cứng có khả năng tạo ra lớp bề mặt có ứng suất dư nén (lớp bề mặt này có tác
dụng nâng cao sức bền mỏi của chi tiết máy).
Hơn nữa, thông thường như trước đây những chi tiết như vòng ổ lăn, vòi phun,
bánh răng, cam và những chi tiết của hệ thống thủy lực .v.v… sau khi nhiệt luyện phải
qua công đoạn mài, mài khôn. Những công đoạn này thiếu tính linh hoạt và tốn nhiều
thời gian. Một hạn chế nữa là chi phí cho dung dịch trơn nguội của các công đoạn mài
khá cao. Những lý do trên làm tăng chi phí cho các cơng đoạn gia cơng chính xác. Mặt
khác chất thải ra khi mài gây ô nhiễm môi trường, thúc đẩy các nhà sản xuất loại dần
khâu mài trong quy trình cơng nghệ gia công chi tiết.
2
Vì những lý do trên trong gia cơng lần cuối so với mài phay cứng ngày càng được
các nhà sản xuất u thích hơn.
Tuy nhiên phay cứng cũng có những nhược điểm cần lưu ý như: do chủ yếu là cắt
khơ nên nhiệt của q trình rất cao, chi phí dụng cụ cắt cao (mảnh CBN đắt hơn so với
mảnh cacbide khoảng 4-5 lần), khi gia công các chi tiết có chiều dài lớn dung sai chế
tạo có thể nằm ngoài vùng cho phép, khi chiều sâu cắt nhỏ hơn chiều sâu cắt tới hạn
(tmin) thì q trình cắt khơng thể thực hiện được.
Việc áp dụng phay cứng thay cho mài đang trở nên khá phổ biến trên thế giới bởi
những ưu điểm nổi bật của nó, nhất là hiện nay vấn đề môi trường đang được sự quan
tâm đặc biệt của toàn thế giới. Ở nước ta, phay cứng đã và đang được áp dụng và phát
triển khá mạnh, các chi tiết như con lăn trong các dây truyền cán thép, chày cối dập
thuốc, vòng ổ v.v… cũng đã được gia công lần cuối bằng tiện cứng thay cho mài.
Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các nhân tố đến q trình phay cứng, phân tích các
q trình vật lý trong phay cứng đã và đang được quan tâm, tiến hành tại nhiều trung
tâm, viện nghiên cứu cũng như các trường đại học trên thế giới.
Chất lượng bề mặt gia công là một trong những yêu cầu quan trọng nhất đối với
chi tiết máy vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc, độ bền, độ bền mòn cũng
như tuổi thọ của chi tiết máy. Quá trình tạo lớp bề mặt gia cơng có chất lượng bằng
phương pháp gia công cơ chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố công nghệ. Việc nghiên cứu
ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ khi phay cứng đến chất lượng bề mặt gia cơng là
cần thiết đối với ngành cơ khí.
Chế độ cắt có ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng bề mặt khi phay thép làm
khuôn đã qua tôi ( SKD11 hoặc SKD61). Việc tìm ra bộ chế độ cắt tối ưu để đạt chất
lượng bề mặt tốt nhất cho quá trình này đang là yêu cầu cần thiết của các nhà sản xuất.
Từ lý do nêu trên, tác giả đã chọn đề tài nghiên cứu “Khảo sát chất lượng bề mặt
của thép làm khuôn đã qua tôi khi phay cứng”
2. Mục đích, đối tượng và phương pháp nghiên cứu
2.1. Mục đích của đề tài
- Xác định được độ ảnh hưởng các yếu tố của chế độ cắt (t, s, v) đến độ nhám bề
mặt thép làm khuôn đã qua tôi khi phay cứng.
- Xác định được chế độ cắt đáp ứng theo chỉ tiêu độ nhám bề mặt gia công.
2.2. Đối tượng nghiên cứu
Ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám lớp bề mặt thép làm khuôn SKD11 đã qua
tôi khi phay cứng bằng dao phay gắn mảnh CBN.
3
2.3. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiện cứu:
+ Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm
Khảo sát ảnh hưởng của chế độ cắt ( v, s, t ) đến độ nhám bề mặt của thép làm
khuôn đã qua tơi khi phay cứng có sự thay đổi gì sau mỗi lần thay đổi thơng số cắt. Từ
đó so sánh các thông số để lựa chọn được bộ thông số phù hợp nhất.
Nghiên cứu thực nghiệm: Gia công chi tiết trên máy phay CNC, với phôi thép
hợp kim SKD11 đã qua tạo hình dáng và tơi đạt độ cứng 45 ÷ 50HRC, dụng cụ cắt là
dao phay CBN hai lưỡi cắt ký hiệu VP15TF (dao phay mặt đầu) của hãng Mitsubishi –
Nhật Bản.
3. Ý nghĩa của đề tài
3.1. Ý nghĩa khoa học
- Bằng cách nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, đề tài sẽ làm cơ sở
cho việc nghiên cứu các khía cạnh khác của q trình gia công thép hợp kim đã qua tôi.
- Các phương pháp nâng cao độ nhám bề mặt chi tiết gia công hiện nay vẫn được
các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu. Đề tài sẽ đóng góp một số
kết quả vào hướng nghiên cứu này.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn
Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số chế độ cắt đến độ nhám bề mặt của thép làm
khuôn SKD11 đã qua tôi khi phay bằng dao phay gắn mảnh CBN để lựa chọn các thông
số tối ưu khi gia cơng. Vì thế nghiên cứu này có thể được ứng dụng khi phay tinh thép
làm khuôn trên máy công cụ
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ PHAY VÀ PHAY CỨNG
1.1. Khái niệm về q trình phay
Phay là phương pháp gia cơng kim loại, có độ chính xác khơng cao hơn cấp 4 - 3
và độ bóng khơng hơn cấp 6; là một trong những phương pháp gia công đạt năng suất
cao nhất.
Bằng phương pháp phay, người ta có thể gia cơng mặt phẳng, mặt định hình phức
tạp, rãnh then, cắt đứt, gia cơng mặt xoay trịn, trục then hoa, cắt ren, bánh răng... Dụng
cụ để cắt kim loại khi phay goi là dao phay.
Dao phay là loại dụng cụ cắt có nhiều lưỡi nên q trình cắt ngồi những đặc
điểm giống q trình cắt khi tiện cịn có những đặc điểm sau:
- Do có một số lưỡi cùng tham gia cắt nên năng suất khi phay cao.
4
- Lưỡi cắt của dao phay làm việc không liên tục, cùng với khối lượng thân dao thường
lớn nên điều kiện truyền nhiệt tốt.
- Diện tích cắt khi phay thay đổi, do đó lực cắt thay đổi gây rung động trong quá trình cắt.
- Do lưỡi cắt làm việc gián đoạn, gây va đập và rung động nên khả năng tồn tại lẹo dao ít.
Hình. Dao phay trụ răng xoắn
( Mặt trước 1; mặt sau 2; cạnh viền 3; lưng rang 4; lưỡi cắt xoắn 5 )
Hình. Dao phay mặt đầu
Hình. Dao phay răng nhọn và dao phay hớt lưng
5
1.2. Các yếu tố cắt của dao phay
Hình. Các yếu tố cắt khi phay
1.2.1. Chiều sâu cắt ap
Là khoảng cách giữa bề mặt đã gia công với bề mặt chưa gia cơng đo theo phương
vng góc với bề mặt đã gia công sau một lát cắt.
1.2.2. Lượng chạy dao S
Lượng chạy dao răng Sz (mm/răng): Là lượng chạy dao xác định khi dao quay được
một góc răng.
Lượng chạy dao vịng Sv (mm/vòng): Là lượng chạy dao xác định sau khi dao quay
được một vòng.
Lượng chạy dao phút Sph (mm/phút): Là lượng chạy dao xác định trong một phút.
Giữa chúng có quan hệ như sau: Sv= Z . Sz
(1 – 1)
Sph = n . Sv = n . Z . Sz
(1 – 2)
1.2.3. Vận tốc cắt khi phay
Trong quá trình phay do sự phối hợp của hai chuyển động tạo hình, chuyển động
quay của dao và chuyển động tịnh tiến của chi tiết gia cơng.
y
n
dao
Vn
Vc
D
Chi tiÕt
Vs
s
Hình 1.5: Tốc độ cắt khi phay
Tốc độ cắt khi phay được biểu diễn:
6
Vc = Vn + Vs
Vc =
Vn
2
(1-3)
2
+ Vs ± 2 Vn .Vn .Cos (VnVs )
Dấu (+) ứng với trường hợp phay nghịch. Dấu (-) ứng với trường hợp phay thuận.
πDn
( m / ph)
1000
(1 – 4)
Vs = S z .Z .n (m / ph)
Trong đó:
(1 – 5)
Vn =
Thực tế thì giá trị của Vs rất nhỏ so với Vn khi tính tốn chế độ cắt người ta thường
bỏ qua lượng Vs khi đó cơng thức (1-3) có dạng:
Vc = Vn =
πDn
( m / ph)
1000
(1 – 6)
1.2.4. Chiều sâu phay t
Là kích thước lớp kim loại được cắt đi, đo theo phương vuông góc với lực của
dao phay ứng với góc tiếp xúc ψ .
Khi phay bằng dao phay hình trụ răng thẳng và xoắn, dao phay đĩa, dao phay định
hình, dao phay góc thì chiều sâu phay trùng với chiều sâu cắt t0
Khi phay rãnh bằng dao phay ngón thì chiều sâu phay bằng đường kính dao, khi
phay bề mặt vng góc thì chiều sâu phay bằng chiều sâu cắt t0
Khi phay khơng đối xứng bằng dao phay mặt đầu thì chiều sâu phay t 0 được đo
ứng với góc tiếp xúc ψ , còn khi phay đối xứng chiều sâu phay bằng chiều rộng chi tiết.
1.2.5. Chiều rộng phay B
Là kích thước lớp kim loại được cắt đo theo phương chiều trục của dao phay. Khi
cắt bằng dao phay hình trụ thì chiều rộng phay bằng chiều rộng chi tiết, khi phay rãnh
bằng dao phay đĩa thì chiều rộng phay bằng chiều dày dao phay (hay chiều rộng rãnh);
Khi phay rãnh bằng dao phay ngón thì chiều rộng phay bằng chiều sâu rãnh, khi phay
mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu thì chiều rộng phay bằng chiều sâu cắt t0 (B = t0).
1.2.6. Góc tiếp xúc ψ
Là góc ở tâm của dao chắn cung tiếp xúc l giữa dao và chi tiết
D2
t
ψ
D2
O
2
ψ/
O
t
t
2
ψ
t
2
n
s
n
s
l
a)
b)
Hình 1.6: Góc tiếp xúc khi phay: (a) Bằng dao phay trụ; (b) Bằng dao phay mặt đầu
7
Khi phay bằng dao phay trụ, dao phay ngón, dao phay đĩa và dao phay định hình góc
tiếp xúc được tính theo cơng thức sau:
Cosψ = 1−
2t
D
hay
sinψ =
1 − cosψ
=
2
t
D
(1-7)
Khi phay đối xứng bằng dao phay mặt đầu thì:
π
+ξ
2
2t
2t
Sinξ = − 1
ξ = arcSin( − 1)
D
D
π
2t
ψ = + arcSin( − 1)
2
D
ψ=
(1-8)
1.2.7. Chiều dày cắt a khi phay
Chiều dày cắt a khi phay là một trong những yếu tố quan trong của quá trình
phay. Chiều day cắt khi phay là khoảng cách giữa 2 vị trí của quỹ đạo chuyển động của
một điểm trêm lưỡi cắt ứng với lượng chạy dao răng Sz.
Ở trên ta coi gần đúng quỹ đạo chuyển động tương đối của lưỡi cắt là đường trịn,
do đó chiều dày cắt a được đo theo phương đường kính của dao.
Trong quá trình phay, chiều dày cắt a biến đổi từ trị số a min đến amax hoặc từ amax
đến amin tùy theo phương pháp phay.
1.3. Các thành phần lực cắt khi phay
- Lực cắt tổng R tác dụng lên một răng dao phay cũng như lực cắt khi tiện có thể
được phân tích những lực thành phần theo các phương xác định.
- Khi phay bằng dao phay trụ răng thẳng ta có: R = Pr + Pz hoặc R = Pd + Pn
Pz -Lực vòng hay còn gọi là lực tiếp tuyến. Nó là lực cắt chính để tạo phoi, khi thiết kế
hay kiểm tra người ta tính toán động lực học của máy theo Pz.
Pr -Lực hướng kính tác dụng vng góc với phương trục chính của máy phay. Nó có
xu hướng làm võng trục gá dao, đồng thời nó tạo ra một áp lực trên các ổ của trục chính,
do đó gây ra momen ma sát phụ trên ổ. Khi tính tốn sức bền trục gá dao cũng như tính
tốn ổ trục chính phải dùng lực này.
Pd -Thành phần lực thẳng đứng, tùy theo phay thuận hay phay nghịch mà nó có tác
dụng đè chi tiết xuống hay nâng chi tiết lên. Qua P d người ta có thể tính kết cấu đồ gá
kẹp chi tiết và tính áp lực trên bề mặt của sống trượt bàn máy phay.
Từ hình 1.7, ta có quan hệ sau: Pd = Pz sin θ i ± Pr cos θ i
Dấu (+) khi phay thuận, dấu (-) khi phay nghịch.
(1-9)
8
Pn -Thành phần lực nằm ngang hay là lực chạy dao vì nó có phương trùng với
phương chạy dao. Tùy theo phay thuận hay phay nghịch mà nó có tác dụng tăng hay
khử độ giơ của cơ cấu truyền động vít me đai ốc. Tính tốn cơ cấu chạy dao cũng như
đồ gá kẹp chi tiết tiến hành theo lực này ta có:
Pn = Pz cos θ i ± Pr sin θ i
(1-10)
Dấu (+) khi phay nghịch, dấu (-) khi phay thuận.
Mối quan hệ giữa các lực trên trong điều kiện tiêu chuẩn có giá trị gần đúng đối
với dao phay trụ răng thẳng và xoắn.
Khi phay thuận:
Pr = (0,6 − 0,8) Pz ;
Pn = (0,8 − 0,9) Pz ;
Pd = (0,7 − 0,9) Pz
Khi phay nghịch:
Pr = (0,6 − 0,8) Pz ;
Pn = (1,0 − 1,2) Pz ;
Pd = (0,2 − 0,3) Pz
Ps
P0
Pr
ω
Ps
P0
R
Q
PN
Pz
R
(a)
(b)
Hình 1.7: Lực tác dụng lên răng dao phay trụ răng xoắn
Nếu ta ký hiệu Q là lực tổng tác dụng lên răng xoắn thì nó có thể được biểu diễn
như sau: Q = R + P0 hay Q = PN + Pz
(1-11)
R -Thành phần lực tác dụng trong mặt phẳng vng góc với trục dao theo hình 1-
9a, giống như dao răng thẳng ta có: R = Pr + Pz
PN -Thành phần lực tác dụng vuông góc với lưỡi cắt.
Ps - Thành phần lực dọc trục theo lưỡi cắt được tạo ra do ma sát của phơi trên mặt
trước dao theo phương xoắn vít, do đó gây ra sự co rút phoi theo chiều rộng lớp cắt.
P0 -Lực chiều trục.
Các thành phần lực trên phụ thuộc góc xoắn ω và phương răng, giữa P0, Pz và Ps
có quan hệ như sau:
P0 = 0,28Pztg ω
(1-12)
Ps = 0,28Pzsin ω
(1-13)
Chiều của lực P0 và Ps phụ thuộc phương của rãnh xoắn. Độ lớn của chúng ngoài
phụ thuộc vào Pz cịn phụ thuộc vào góc ω
9
1.4. Quá trình phay cứng
Phay cứng là tên gọi của phương pháp gia công phay các chi tiết đã qua tơi
(thường là thép hợp kim) có độ cứng cao khoảng 40 ÷ 70 HRC [1]. Phương pháp này có
thể sử để thay thế một số phương pháp gia công khác như mài, gia cơng bằng xung
điện…Khi chi tiết có hình dạng tương đối phức tạp. Phay cứng cho năng suất cao với
vốn đầu tư ban đầu thấp hơn nhiều, vật liệu làm dao phay cứng là các vật liệu phun phủ
như: TiN, TiAlN, CBN (Cubic Boron Nitride )… với vật liệu nền là thép gió hoặc thép
hợp kim cứng để làm tăng khả năng cắt gọt của chúng.
Phương pháp này có thể gia cơng khơ và hồn thành chi tiết trong cùng một lần
gá. Cấp chính xác khi phay cứng đạt IT6 và độ bóng bề mặt (Rz = 2 - 4 μm), có thể so
sánh với chất lượng khi mài. Khi gia công thép đã tôi, người ta thường gia cơng khơ
hồn tồn. Để thực hiện phay cứng thì máy phay phải cứng vững, dụng cụ cắt bằng vật
liệu siêu cứng, tốc độ quay trục chính và cơng suất phù hợp. Máy phay CNC được lựa
chọn để thực hiện cơng việc phay cứng.
Hình: Máy phay CNC
Các mảnh hợp kim thường sử dụng cho phay cứng là: CBN, CNGA, DNGA, VNGA.
Vật liệu phun phủ như: TiAl, TiN…
Hình: Hình dạng – kích thước chế tạo của thân dao kí hiệu TRM4 và mảnh ghép hãng
Mitssubishi- Nhật Bản [2]
10
Hình: Dao phay rãnh có gắn mảnh ghép hãng Sandvik
Việc áp dụng công nghệ phay cứng để gia công tinh các chi tiết mang lại những lợi ích sau:
- Giảm chi phí đầu tư thiết bị
- Giảm chu kì gia cơng một sản phẩm
- Tăng độ chính xác
- Đạt độ bóng bề mặt cao
Phay tinh thép hợp kim qua tơi (phay cứng) là một phương pháp gia cơng cơ có thể
đạt được chất lượng bề mặt cao và được sử dụng tương đối phổ biến để thay thế cho mài
trong trường hợp:
- Ngun cơng mài khơng thể hoặc khó có thể thực hiện được do đặc điểm của bề
mặt gia cơng (bề mặt phức tạp, kích thước dọc trục của bề mặt gia công quá nhỏ...)
- Nhược điểm cơ bản của phương pháp mài là ảnh hưởng của nhiệt cắt tới chất
lượng lớp bề mặt lớn và tạo ra trong lớp bề mặt ứng suất dư kéo làm giảm độ bền mỏi
của chi tiết máy. Do đó với những chi tiết có u cầu cao về độ bền mỏi thì tiện cứng có
nhiều ưu điểm hơn.
1.5. Kết luận chương 1
Phay truyền thống trên máy vạn năng và gia công thông thường là một phương pháp
cho năng suất cao nhưng chất lượng bề mặt không cao. Do vậy phương pháp này
thường dùng cho gia công thô và bán tinh.
Ngày nay, việc mở rộng khả năng công nghệ của phương pháp gia công bằng phay
là một hướng nghiên cứu trong gia công vật liệu do sự phát triển của công nghệ vật liệu
đang tạo ra nhiều loại vật liệu dụng cụ mới cùng với các biện pháp công nghệ bề mặt
tiên tiến.
Chế độ cắt khi gia cơng có ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng bề mặt của chi tiết
gia công cũng như năng suất và giá thành của sản phẩm. Do vậy, đề tài tập trung nghiên
11
cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt của chi tiết gia công khi phay cứng
thép làm khn đã qua tơi SKD11, từ đó đưa ra chế độ cắt tối ưu cho quá trình này.
Từ lý do nêu trên, tác giả đã chọn đề tài nghiên cứu “Khảo sát chất lượng bề mặt
của thép làm khuôn đã qua tơi khi phay cứng ”
CHƯƠNG 2: MỊN VÀ TUỔI BỀN CỦA DỤNG CỤ CẮT
2.1. Mòn của dụng cụ khi phay
Độ mòn dao là đại lượng xuất hiện trong q trình cắt khi phay. Độ mịn của dao
ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của chi tiết gia cơng. Khi dao mịn lưỡi cắt thường
bị vê trịn dẫn đến cơ chế quá trình cắt bị ảnh hưởng, lớp bề mặt bị biến dạng nhiều hơn,
do đó khơng chỉ chiều chiều cao nhấp nhô của lớp bề mặt mà cơ tính lớp bề mặt cũng
thay đổi. Điều này làm cho lực cắt trong q trình gia cơng thay đổi gây ra rung động
nhiều hơn, các rung động này lại ảnh hưởng ngược lại đến lực cắt và nhiệt cắt. Vì vậy
để đánh giá độ mịn dao thơng qua việc xác định chất lượng lớp bề mặt chi tiết gia công.
Thông thường khi gia công, chiều cao nhấp nhô tế vi bề mặt thay đổi đột ngột thì cần
phải thay đổi dụng cụ gia cơng. Do đó phải mơ hình hố q trình mịn khi phay, việc
xây dựng mơ hình q trình mịn dao khi phay chẳng những xây dựng được cơ sở cho
việc giải bài toán tối ưu khi phay mà còn làm sáng tỏ các vấn đề liên quan đến việc tự
điều chỉnh dao và thay dao tự động thông qua tuổi bền của dao.
Trong hầu hết các quá trình cắt kim loại, khả năng cắt của dụng cụ sẽ giảm dần đến
một lúc nào đó dụng cụ sẽ khơng tiếp tục cắt được do mịn hoặc hỏng hồn tồn. Mịn
dụng cụ là chỉ tiêu chính đánh giá khả năng làm việc của dụng cụ bởi vì nó hạn chế tuổi
bền của dụng cụ. Mòn dụng cụ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia cơng, chất
lượng bề mặt và tồn bộ khía cạnh kinh tế của q trình gia cơng. Sự phát triển và tìm
kiếm những vật liệu dụng cụ mới cũng như biện pháp công nghệ mới để tăng khả năng
bền của bề mặt như phủ các vật liệu TiN, TiAlN, CBN,… chính là nhằm tăng khả năng
chống mòn của dụng cụ.
Định nghĩa mòn liên quan đến sự hao hụt về khối lượng hoặc thể tích, dẫn đến sự thay
đổi vượt quá giới hạn cho phép về hình dạng hoặc topography của bề mặt. Trong một số
trường hợp vết mòn còn xuất hiện dưới dạng là hậu quả của biến dạng dẻo. “mòn là sự phá
huỷ một bề mặt gây ra bởi chuyển động tương đối của nó đối với một bề mặt khác”.
Mịn là hiện tượng phá huỷ bề mặt hay sự tách vật liệu từ 1 hoặc cả 2 bề mặt trong
chuyển động trượt, lăn hoặc va chạm tương đối với nhau. Nói chung mòn sảy ra do sự
tương tác của các mấp mô bề mặt.
12
Trong quá trình chuyển động tương đối, đầu tiên vật liệu trên bề mặt tiếp xúc bị
biến dạng do ứng suất ở đỉnh các mấp mô vượt quá giới hạn bền dẻo, nhưng chỉ một
phần rất nhỏ bị tách ra. Sau đó vật liệu bị tách ra từ một bề mặt dính sang bề mặt đối
tiếp hoặc tách ra thành những hạt mịn rời. Trong q trình gia cơng phoi trượt liên tục
trên mặt trước và phôi trượt liên tục trên mặt sau của dao. Những vật liệu bị tách ra do
mịn liên tục bị phoi và phơi liên tục cuốn đi... do đó dao bị mịn khốc liệt. Tuỳ thuộc
vào điều kiện cắt, vật liệu gia công và vật liệu dao mà dao bị mòn theo các dạng khác
nhau. Bên cạnh đó cơ chế mịn của dao rất phức tạp.
2.2. Ma sát và mòn của dụng cụ phủ
2.2.1. Ma sát của dụng cụ phủ
Ma sát giữa vật liệu dụng cụ phủ và vật liệu chi tiết gia công được quan tâm rất nhiều.
Ma sát trong cắt kim loại là ma sát trượt tuy nhiên đặc điểm của tương tác ma sát khác hẳn
với ma sát thông thường trong kỹ thuật là lực ma sát phụ thuộc vào áp lực pháp tuyến
theo công thức Fm= f.N
Hệ số ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc phụ thuộc vào ứng suất pháp tuyến tại chỗ
tiếp xúc hay tỷ số giữa diện tích tiếp xúc thực và diện tích tiếp xúc danh nghĩa A r/A Kết
quả nghiên cứu của Shaw, Ber và Bamin [4] chỉ ra sự phụ thuộc này trên hình vẽ với 3
vùng ma sát. Vùng I tương ứng với tiếp xúc mà Ar << A là vùng mà định luật ma sát
trượt khô của Amonton nghiệm đúng nghĩa là f = τ/σ =const.
Vùng III là vùng dưới tác dụng của ứng suất cắt tới hạn vật liệu vẫn không bị phá huỷ
(khơng thấy vết nứt tế vi trong lịng vật liệu) khi này Ar/A=1 và τ độc lập với σ.
Vùng II là vùng chuyển tiếp giữa vùng I và vùng III. Trong vùng II hệ số ma sát f
giảm khi tăng tải trọng pháp tuyến. Vùng II là vùng tương tác ma sát giữa VLGC và
VLDC trên các bề mặt của dụng cụ trong cắt kim loại. Theo Phan Quang Thế [2] đã chỉ
ra mơ hình ba vùng tiếp xúc ma sát trên mặt trước khi tiện vật liệu mềm bằng dao saphia
và tiện thép các bon trung bình bằng dao thép gió phủ PVD-TiN. Theo mơ hình này thì
nhiệt độ cao xuất hiện trên mặt trước thuộc vùng 3 là vùng phoi trượt trên mặt trước và
mòn mặt trước bắt đầu phát triển từ vùng này. Đây là vùng vật liệu gia cơng dính nhiều
nhất trên mặt trước của dụng cụ phủ PVD sau khi lớp một phần lớp phủ bị phá vỡ.
2.2.2. Mòn của dụng cụ phủ
Mòn là hiện tượng phá huỷ bề mặt và sự tách vật liệu từ một hoặc cả hai bề mặt trong
chuyển động trượt, lăn hoặc va chạm tương đối với nhau. Eyre và Davis định nghĩa mòn liên
quan đến sự hao hụt về khối lượng hoặc thể tích, dẫn đến sự thay đổi vượt quá giới hạn cho phép
về hình dạng hoặc topography của bề mặt. Nói chung mịn xảy ra do sự tương tác của các nhấp
13
nhơ bề mặt. Trong q trình chuyển động tương đối, đầu tiên vật liệu trên bề mặt tiếp xúc có thể
bị biến dạng do ứng suất ở đỉnh các nhấp nhô vượt quá giới hạn dẻo, nhưng chỉ một phần rất
nhỏ hoặc không một chút vật liệu nào tách ra, sau đó vật liệu bị tách ra từ bề mặt dính sang bề
mặt đối tiếp hoặc tách ra thành những hạt mài rời. Trong trường hợp vật liệu chỉ dính từ bề mặt
này sang bề mặt khác, thể tích hay khối lượng mịn ở vùng tiếp xúc chung bằng khơng mặc dù
một bề mặt vẫn bị mòn. Định nghĩa mòn nói chung dựa trên sự mất mát của vật liệu, nhưng sự
phá huỷ của vật liệu do biến dạng mà không kèm theo sự thay đổi về khối lượng hoặc thể tích
của vật liệu cũng là một dạng mịn.
Trong thực tế, mòn xảy ra do một hoặc nhiều cơ chế. Trong nhiều trường hợp mòn
sinh ra do một cơ chế nhưng có thể phát triển do sự kết hợp với các cơ chế khác làm phức
tạp hố sự phân tích hỏng do mịn. Phân tích bề mặt các chi tiết bị hỏng do mòn chỉ xác định
được các cơ chế mịn ở giai đoạn cuối.
Trong hầu hết các q trình cắt kim loại, khả năng cắt của dụng cụ sẽ giảm dần đến một
lúc nào đó dụng cụ sẽ khơng tiếp tục cắt được do mịn hoặc hỏng hồn tồn. Mòn dụng cụ là
chỉ tiêu đánh giá khả năng làm việc của dụng cụ bởi vì nó hạn chế tuổi bền của dụng cụ.
Mòn dụng cụ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia cơng, chất lượng bề mặt và tồn bộ
khía cạnh kinh tế của q trình gia cơng. Sự phát triển và tìm kiếm những vật liệu dụng cụ
mới cũng như các biện pháp công nghệ mới để tăng bền bề mặt chính là nhằm mục đích làm
tăng khả năng chống mòn của dụng cụ.
2.3. Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt
Theo Shaw mòn dụng cụ có thể do dính, hạt mài, khuếch tán, ơxy hóa và mỏi. Các
cơ chế mòn này xảy ra đồng thời trong quá trình cắt tuy nhiên tùy theo điều kiện cắt cụ
thể mà một cơ chế nào đó chiếm ưu thế. Ngồi ra dụng cụ cịn bị phá hủy do mẻ dăm,
nứt và biến dạng dẻo.
Theo Loffer trong cắt kim loại nhiệt độ cắt hay vận tốc cắt là nhân tố có ảnh hưởng
mạnh nhất đến sự tồn tại của các cơ chế mòn phá hủy. Ở dải vận tốc cắt thấp và trung
bình, cơ chế mịn do dính và do hạt mài chiếm ưu thế khi cắt liên tục và gián đoạn. Khi
tăng vận tốc cắt, mòn do hạt mài và hóa lý trở lên chiếm ưu thế đối với cắt liên tục và
tạo nên vùng mòn mặt trước. Sự hình thành các vết nứt do ứng suất nhiệt biến đổi theo
chu kỳ là cơ chế mòn chủ yếu dẫn đến vỡ lưỡi cắt khi cắt không liên tục..
2.4. Mòn dao khi phay cứng
Để nâng cao khả năng sử dụng của dụng cụ bởi sự kết hợp độc đáo của lớp phủ
với nền, độ cứng nóng của lớp phủ cao và khả năng cải thiện điều kiện tiếp xúc ở vùng
lưỡi cắt. Lớp phủ có ưu điểm nổi bật như giảm ma sát, giảm dính và khuyếch tán giữa
14
vật liệu gia công và các bề mặt dụng cụ. Có hai cơ chế mịn chính xảy ra trên dụng cụ
phủ khi cắt thép đó là nứt, vỡ và bong ra của các mảnh TiAlN và mòn vật liệu nền. Quá
trình gẫy vỡ sẩy ra theo 3 giai đoạn như hình 2.10.
- Giai đoạn 1: Ma sát giữa phoi và lớp phủ sinh ra nhiệt và truyền vào dụng cụ.
- Giai đoạn 2: Dưới tác dụng của ứng suất pháp và tiếp cùng nhiệt độ cao dưới lớp
phủ, nền bị biến dạng dẻo làm cho lớp phủ bị nứt, vỡ cục bộ sau đó bị cuốn đi cùng với
dịng phoi làm cho nền bị lộ ra. Ma sát và nhiệt độ của vùng này tiếp tục tăng lên.
- Giai đoạn 3: Vùng mòn mặt trước xuất hiện. Nền của lớp phủ gần vùng mòn tiếp
tục bị giảm độ cứng làm cho lớp phủ tiếp tục bị nứt, vỡ và cuốn đi theo phoi. Vùng mòn
mặt trước phát triển rộng dần làm giảm khả năng cắt gọt của dụng cụ [10].
2.5. Vai trò của lớp phủ cứng trong việc tăng tuổi bền của dụng cụ
Một số thông số quan trọng khi nghiên cứu tuổi bền của dụng cụ cắt là chiều dài
của hành trình cắt là V.T[m] và diện tích cắt là V.T.a[m 2] là các hàm số của vận tốc cắt
hay nhiệt độ. Khi tăng vận tốc cắt (nhiệt cắt) từ giá trị vận tốc thấp thì cả V.T và V.T.a
đều tăng và đạt cực đại ở một giá trị xác định. Sau đó tiếp tục tăng vận tốc thì cả V.T và
V.T.a đều giảm. Điều này thể hiện rõ trên hình 2.13 [10].
Hình: Quan hệ V.T-V và V.T.a khi cắt thép 40Cr
Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đến tuổi bền thơng qua các cơ chế
mịn diễn ra ở chế độ cắt đã cho phụ thuộc nhiều hay ít vào nhiệt độ. Do đó việc ứng
dụng công thức Taylor phải cân nhắc trong từng trường hợp cụ thể.
Có thể thấy rằng lớp phủ cứng có tác dụng giảm ma sát trên mặt trước, giảm nhiệt
độ cực đại và sự phát triển của trường nhiệt độ trong dụng cụ dẫn đến giảm mòn do nhiệt
và tăng tuổi bền cho dụng cụ. Hơn nữa lớp phủ cứng tạo nên một lớp phân cách giữa vật
liệu gia công và vật liệu dụng cụ với khả năng chống dính, chống cào xước cơ học cao do
tính trơ hố học và độ cứng cao của nó là ngun nhân giảm mịn và tăng tuổi bền. Ngoài
15
ra tính chất nhiệt đặc biệt của lớp phủ cịn làm giảm tỷ lệ truyền nhiệt vào phoi và dao là
nhân tố quan trọng làm tăng tuổi bền của dụng cụ phủ khi cắt với chế độ cắt cao.
2.5. Mòn và tuổi bền của dụng cụ khi phay cứng
2.5.1. Mòn của dao khi phay cứng
Các dạng mòn và cơ chế mòn của dao phay cứng cũng giống như các dạng và cơ
chế mịn của dụng cụ cắt nói chung. Nhưng về cơ bản dao sẽ có hai cơ chế mịn chính là
nứt, vỡ và bong ra của các mảnh TiAlN và mòn vật liệu nền. Do đặc điểm vận tốc cắt
gọt, lượng chạy dao là khác nhau dẫn đến sẽ có hiện tượng và lượng mịn khác nhau. Vì
vậy việc nghiên cứu q trình mịn - Tuổi bền của dao tại vận tốc tốc, lượng chạy dao
khác nhau của dao phay cứng là một yêu cầu của thực tế. Vì thế việc nghiên cứu chọn ra
một chế độ cắt phù hợp để tăng hiệu quả sử dụng dao (tuổi bền dao lớn nhất) khi dùng
dao phay cứng gia công một loại vật liệu trong một điều kiện cụ thể là rất cần thiết và
đem lại hiệu quả cho quá trình gia cơng. Đó cũng chính là cơ sở để tác giả lựa chọn đề
tài này để tăng hiệu quả sử dụng dao trong sản xuất.
2.5.2. Tuổi bền của dao khi phay cứng
Dao phay cứng với đặc điểm lớp phủ rất mỏng thường chỉ vào khoảng vài µm
đến vài chục µm. Mà đặc trưng của dao phay cứng là khả năng cắt gọt sẽ giảm đi đáng
kể khi lớp phủ trên bề mặt bị mài mòn, bị nứt, bong cục bộ. Chính vì vậy có thể coi dao
phay cứng có tuổi bền bằng tuổi thọ.
Tuổi thọ của dao phay cứng thường được xác định như sau:
- Theo chất lượng bề mặt gia cơng
- Xác định theo độ chính xác kích thước của chi tiết gia cơng
- Xác định theo lượng mịn mặt sau hs
- Xác định theo lực, nhiệt độ cắt
- Xác định theo khối lượng…
2.6. Kết luận chương 2
Quá trình gia cơng có các yếu tố lực cắt, ma sát ảnh hưởng rất lớn đến mịn, tuổi
bền. Vì vậy cần quan tâm nghiên cứu đến lực trên cơ sở mòn, tuổi bền để xem xét chất
lượng bề mặt.
Mòn và tuổi bền của dụng cụ khi phay cứng có ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng bề
mặt và độ chính xác khi phay. Do vậy cần được nghiên cứu để điều khiển quá trình
phay đạt được yêu cầu kỹ thuật và hiệu quả gia công.
16
CHƯƠNG 3 : CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG
3.1. Khái niệm về chất lượng bề mặt gia cơng
3.1.1. Khái niệm
• Chất lượng của lớp kim loại bề mặt ( CLBM) chịu ảnh hưởng bởi vật liệu gia
công, phương pháp gia cơng cơ và chế độ cơng nghệ gia cơng.
• CLBM ảnh hưởng rất lớn đến tính chất sử dụng của chi tiết máy.
• Nội dung nghiên cứu: Khái niệm về CLBM → ảnh hưởng của CLBM đến tính
chất sử dụng của CTM → Các yếu tố ảnh hưởng đến đến CLB → Phương pháp đánh
giá CLBM →Phương pháp đảm bảo CLBM.
3.1.2. Cơ lý tính lớp bề mặt
a. Nhám bề mặt
Độ nhám bề mặt hay cịn gọi là nhấp nhơ tế vi của lớp bề mặt (H1.2) là tập hợp
các bề mặt lồi lõm với bước cực nhỏ và quan sát được trong 1 phạm vi chiều dài chuẩn
rất ngắn. Chiều dài chuẩn là chiều dài để đánh giá các thông số của độ nhám bề mặt
(l=0,01÷25mm)
Để đánh giá độ nhấp nhơ bề mặt người ta dùng hai chỉ tiêu đó là Ra, Rz (μm)
* Sai lệch trung bình số học của prơfin Ra
Ra là sai lệch trung bình số học các khoảng cách từ những điểm của profil đo được đến
đường trung bình ox đo theo phương vng góc với đường trung bình của độ nhấp nhơ
tế vi trên chiều dài chuẩn L.
Q = PN + Pz
* Chiều cao nhấp nhô tế vi Rz
Chiều cao nhấp nhô tế vi trên chiều dài chuẩn L với giá trị trung bình cộng của các
giá trị tuyệt đối của chiều cao 5 đỉnh cao nhất h1, h3, h5 , h7, h9 và chiều sâu của 5 đáy
thấp nhất là trị số trung bình của 5 khoảng cách từ 5 đỉnh cao nhất đến 5 đáy thấp nhất
h2, h4, h6 , h8, h10, của profil trong khoảng chiều dài chuẩn L.
Công thức
17
TCVN 2511-95 cũng như ISO quy định 14 cấp độ nhám bề mặt. Phay cứng chính
xác được cấp chính xác dung sai IT thơng thường là cấp (5÷7), với độ nhám bề mặt là
Rz = (2 ÷ 4) μm.
Bảng3.1. Các giá trị và chiều dài chuẩn l ứng với các cấp độ nhám bề mặt Ra, Rz
b. Phương pháp đánh giá độ nhám bề mặt
Để đánh giá nhám bề mặt người ta thường dùng các phương pháp sau:
+ Phương pháp quang học (dùng kính hiển vi Linich).
+ Phương pháp đo độ nhám …bằng máy đo profin Ra, Rz, Rzmax
+ Phương pháp so sánh, có thể so sánh theo hai cách:
- So sánh bằng mắt
- So sánh bằng kính hiển vi quang học
c. Độ sóng bề mặt
Chu kỳ khơng bằng phẳng của bề mặt chi tiết gia công được quan sát trong khoảng
lớn tiêu chuẩn (từ 1 đến 10 mm) được gọi là độ sóng bề mặt.
3.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến nhám bề mặt khi phay cứng
a. Ảnh hưởng của các thơng số hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt Ảnh hưởng của
góc nghiêng chính φ: φ tăng → Rz tăng - Ảnh hưởng của góc nghiêng phụ φ1 : φ1 tăng
→ Rz tăng - Ảnh hưởng của bán kính mũi dao r : r tăng → Rz giảm
b. Ảnh hưởng của biến dạng dẻo lớp bề mặt
BDD lớp bề mặt ảnh hưởng rất lớn đến nhám bề mặt. Biến dạng dẻo lớp bề mặt tăng
làm tăng nhám bề mặt. Vì vậy, tất cả các nguyên nhân làm tăng biến dạng dẻo lớp bề
mặt đều làm tăng nhám bề mặt.
+ Ảnh hưởng của tốc độ cắt
18
Khi tốc độ cắt v thấp, nhiệt cắt không cao, biến dạng dẻo lớp bề măt nhỏ vì vậy nhám bề
mặt Rz khá nhỏ.
+ Ảnh hưởng của lượng chạy dao
Khi gia cơng với lượng chạy dao S = (0,02÷0,15) mm/vịng thì bề mặt gia cơng có Rz
nhỏ. Nếu gia cơng với S < 0,02mm/vịng Rz sẽ tăng lên 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/vịng thì
biến dạng dẻo tăng kết hợp với ảnh hưởng của các yếu tố hình học, làm Rz tăng.
+ Ảnh hưởng của chiều sâu cắt
Chiều sâu cắt quá lớn thì rung động trong q trình cắt tăng, do đó Rz tăng.
+ Ảnh hưởng của vật liệu gia công
Vật liệu dẻo và dai (thép ít cacbon), càng dễ biến dạng dẻo sẽ làm cho Rz tăng. Vật liệu
càng cứng, càng khó biến dạng dẻo và độ hạt càng nhỏ thì Rz giảm.
+ Ảnh hưởng của rung động của hệ thống cơng nghệ
Nếu rung động có tần số lớn, biên độ nhỏ sẽ gây ra nhám bề mặt.
+ Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội
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 Rz.
+ Ngồi ra độ nhám bề mặt cịn phụ thuộc vào: ảnh hưởng của góc nghiêng giữa dao và
phơi, ảnh hưởng của tì dao lên bề mặt gia cơng…
3.3. Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt tới tính chất sử dụng của chi tiết máy
Nhiều cơng 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 các mấp mơ.
+ Ảnh hưởng đến tính chống ăn mịn
Nhám bề mặt cịn ảnh hưởng rất lớn đến tính chống ăn mịn hóa học của lớp bề
mặt chi tiết. Độ nhám bề mặt càng cao và bán kính đáy các mấp mơ càng lớn thì càng
tăng khả năng chống ăn mịn. Có thể chống ăn mịn hóa học bằng phương pháp bảo vệ
bề mặt khác như mạ (mạ rôm, mạ niken), sơn phủ bề mặt .v.v.
+ Ảnh hưởng đến độ bền mỏi
Nhám bề mặt ảnh hưởng rất lớn đến độ bền mỏi của chi tiết, đặc biệt là các chi
tiết chịu tải trọng va đập và đổi dấu. Vì tại đáy các mấp mô là nơi tập trung ứng suất với
trị số rất lớn, tại đó sẽ xuất hiện các vết nứt tế vi - đó chính là ngun nhân phá hỏng chi
tiết. Vì vậy, nếu độ nhám bề mặt tăng, bán kính đáy các mấp mơ lớn thì sẽ nâng cao độ
bền mỏi của chi tiết. Ví dụ: bề mặt vật liêu thép được đánh bóng có độ bền mỏi cao hơn
40% so với bề mặt không được đánh bóng.
19
+ Ảnh hưởng đến độ chính xác mối ghép
Nhám bề mặt ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác của mối ghép. - Với các mối
gép có khe hở, trong giai đoạn mòn ban đầu chiều cao Rz bị san phẳng từ 65 - 75% do
đó khe hở mối ghép tăng lên, độ chính xác mối gép giảm. - Với mối gép có độ dơi, khi
ép chiều cao Rz bị chèn xuống làm cho độ bền của mối ghép giảm xuống.
3.4. Các phương pháp nghiên cứu về độ nhám bề mặt
Như chúng ta đã biết, độ nhám bề mặt ảnh hưởng lớn đến chất lượng làm việc
của chi tiết, dụng cụ và máy công cụ. Khi phay cứng, điều mà chúng ta mong muốn là
đạt năng suất, giảm thời gian gia công mà vẫn đảm bảo chất lượng bề mặt của chi tiết
gia cơng, độ chính xác và tương quan vị trí hình học. Với các ưu điểm nổi bật của phay
cứng đạt độ bóng cao vì vậy đã có rất nhiều kỹ sư, các nhà nghiên cứu cùng với nhiều
nghiên cứu về độ bóng bề mặt trong phay cứng. Nhìn chung, các nghiên cứu theo hai
hướng sau:
+ Nghiên cứu thực nghiệm: Dựa trên việc xây dựng, quan sát thực tế và nghiên cứu thí
nghiệm độ bóng bề mặt trong phay cứng.
+ Nghiên cứu mô phỏng: Dựa trên việc xây dựng, nghiên cứu các mơ hình mơ phỏng
q trình gia cơng và dự đốn độ nhám bề mặt trong phay cứng
3.4.1. Nghiên cứu độ nhám bề mặt dựa trên thực nghiệm
Theo hướng nghiên cứu này, Guillem Quintana và các cộng sự của ông đã nghiên
cứu: Sử dụng dữ liệu hạt nhân trong máy công cụ cho việc đánh giá gián tiếp của độ nhám
bề mặt trong máy phay đứng, nghiên cứu này được đang trên tạp chí khoa học Robotics và
Tích hợp máy tính vào sản xuất năm 2011 [12]. Qua nghiên cứu này chúng ta có được một
phương pháp khác để xác định độ nhám bề mặt trong gia cơng phay. Trong nghiên cứu các
thí nghiệm đã được tiến hành thu thập dữ liệu nhằm phát triển các mô hình thuật tốn, các
mơ hình này sẽ được sử dụng để dự đoán độ nhám bề mặt. Bảy mươi hai mẫu được sử dụng
để phát triển hai mạng neutral, một dựa trên đầu vào của gia tốc và các yếu tố đầu vào của
hạt nhân, và để so sánh hiệu suất của nguồn dữ liệu khi tính tốn các thơng số độ nhám bề
mặt trung bình (Ra).
20
Hình. Thử nghiệm thiết lập, thu thập dữ liệu và điều chỉnh
Cơng trình này tập trung dựa trên các thơng tin chứa trong các hạt nhân điều
khiển số (NC) cho độ nhám bề mặt ở giám sát của một phần trong quá trình. Một giao
diện người máy (HMI) đã được phát triển để tạo điều kiện thuận lợi cho sự tương tác
giữa các nhà điều hành và hạt nhân NC với một giao diện đồ họa người dùng làm việc
trong các máy tính điều khiển số (CNC) màn hình. Thí nghiệm được thực hiện để có
được các dữ liệu được mô phỏng với các mạng thần kinh nhân tạo cho độ nhám bề mặt
trung bình tham số (Ra) dự đốn. Cuối cùng, một giải pháp nhỏ gọn đã được thực hiện
thơng qua các dữ liệu người dùng tồn cầu (gud). Dữ liệu từ HMI và từ hạt nhân được
thu thập trong gud và phân tích với các mạng thần kinh nhân tạo. Ứng dụng cung cấp
các tham số độ nhám bề mặt trung bình của một phần trong quá trình và cung cấp cho
các thông số tối ưu để điều hành. Kiểm tra xác minh đã được thực hiện, hiển thị kết quả
chính xác. Việc sử dụng các ứng dụng phát triển trong nghiên cứu này đảm bảo độ
nhám bề mặt Ra yêu cầu, cải thiện cắt giảm các thông số, làm giảm hoạt động hướng
dẫn sử dụng hoàn thành và các bộ phận không thể chấp nhận được vào cuối của quá
trình sản xuất, và cung cấp một giải pháp thực hiện trong màn hình máy cơng cụ CNC
mà khơng cần bất kỳ bộ cảm biến bên ngồi khác.
Hình. Cảm biến vị trí của sensor điều khiển tích hợp cho trục chính
21
Như vậy, nghiên cứu có các điểm nổi bật mà Guillem Quintana và các cộng sự của ông
đã nghiên cứu để đánh giá độ nhám bề mặt đó là:
* Hiệu suất của các dữ liệu hạt nhân để đánh giá gián tiếp độ nhám bề mặt
* Dữ liệu được cung cấp bởi NC hạt nhân là hữu ích để xác định độ nhám bề mặt
* Sử dụng các dữ liệu hạt nhân NC là chi tiết quan trọng hơn so với dữ liệu được cung
cấp bởi gia tốc
* Cơng trình này là một bước tiến trong quá trình điều chỉnh và giám sát trong gia công phay
Khác với công nghệ gia công phay truyền thống . Ở gia công phay truyền thống
thì cho rằng rung động có ảnh hưởng xấu đến độ nhám bề mặt của chi tiết gia công, tìm
các biện pháp làm giảm rung động của hệ thống cơng nghệ thì ở nghiên cứu này H.
Ding cùng các cộng sự đã nghiên cứu: Nghiên cứu thực nghiệm về cải thiện khả năng gia
công của thép cứng công cụ bằng cách sử dụng hai chiều rung động trong phay siêu tinh,
được đăng trên tạp chí quốc tế máy cơng cụ và sản xuất, tháng 12 năm 2010 [13] H. Ding
cùng các cộng sự đã có hướng nghiên cứu mới mẻ bằng cách sử dụng thêm sự trợ giúp của
rung động hai chiều vào trong gia công siêu phay tinh 2-D VAMEM (two dimensional
vibration-assited micro-end-milling).
Hình. Mơ hình và q trình thí nghiệm 2-D VAMEM
Các thí nghiệm được thực hiện trên thép đã được tôi cứng, độ cứng của thép (55 – 58
HRC). Từ đó, nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của các thơng số rung động đến nhám bề
mặt và mịn dụng cụ.
Nghiên cứu nhằm đánh giá ảnh hưởng của các thơng số gia cơng đến độ nhám bề
mặt, hình thành phoi và việc phủ dụng cụ cắt bằng CBN. Qua thí nghiệm, nghiên cứu đã
so sánh kết quả đạt được tương ứng với hai trường hợp thí nghiệm ở trên và cho rằng.
Việc sử dụng CBN để phủ dụng cụ cắt là một lợi thế hơn rất nhiều so với khi không phủ
CBN khi gia công phay cứng, dụng cụ cắt được phủ CBN giúp làm tăng độ bóng bề mặt
22
đồng thời giúp quá trình tạo phoi đồng thời. Cùng với hướng nghiên cứu bằng thực
nghiệm, Xiaobin Cui cùng với các cộng sự đã nghiên cứu: “Độ bóng bề mặt và sự hình
thành phoi trong phay bề mặt tốc độ cao thép AISI H13” đăng trên tạp chí quốc tế công
nghệ sản xuất tháng 10 năm 2011 [16] đã đề cập. Nhiều nghiên cứu trước đây về gia
công tốc độ cao đã được tiến hành để đạt được hiệu quả và độ chính xác gia cơng cao.
Trong nghiên cứu này, đã thu được các đặc tính của lực cắt, độ nhám bề mặt,
phoi trong phay cao tốc bề mặt của thép AISI H13 (46-47HRC). Bằng nghiên cứu thực
nghiệm điều tra quan sát các dạng phoi và màu sắc của phoi.
Nghiên cứu đã cho thấy, khi cắt cao tốc ở 1400 m/phút có thể coi là giá trị
ngưỡng. Ở tải trọng tương đối thấp, bề mặt gia công lần cuối tốt, và hiệu quả của gia
công cắt gọt sẽ tăng đồng thời. Khi tốc độ cắt dưới 1400 m/phút, các thứ tự thông số cắt
ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt Ra là chiều sâu cắt, tốc độ cắt, và tốc độ ăn dao.
Nghiên cứu đã cho thấy: tốc độ ăn dao thấp, chiều sâu cắt thấp, và tốc độ cắt thấp
dưới 1400 m/phút, độ nhám bề mặt Ra của bề mặt gia công dưới 0,3 μm, ta nên tránh
tốc độ cắt trên 1400 m/phút nếu tốc độ cắt và chiều sâu cắt thấp.
Năm 2009, cũng cùng hướng nghiên cứu với C.K. Toh, Vũ Như Nguyệt, Đại học kỹ
thuật công nghiệp Thái Nguyên với nghiên cứu: “Nghiên cứu nâng cao chất lượng bề
mặt chi tiết gia cơng bằng tối ưu hóa một số yếu tố kỹ thuật của quá trình phay tinh trên
máy công cụ CNC” [17].
3.4.2. Nghiên cứu dựa trên các mơ hình mơ phỏng
Ngồi các phương pháp nghiên cứu dựa trên mơ hình lý thuyết trên. Ngày nay, với
sự phát triển như vũ bão của tin học và ứng dụng cơng nghệ của máy tính vào trong tính
tốn thiết kế công nghiệp. Đặc biệt, công nghệ đồ họa 2D, 3D việc thiết kế và nghiên cứu
các chi tiết máy, máy, mơ phỏng các q trình gia cơng bằng các phần mềm đồ họa
( MASTERCAM, INVENTER, CATIA…) đang ngày càng phát triển và phổ biến
Các mơ hình mơ phỏng trên máy tính có những ưu điểm sau:
* Thiết kế, chỉnh sửa dễ dàng
* Trực quan hơn, cho phép quan sát được ở nhiều góc nhìn 3D
* Tăng độ chính xác
* Lưu trữ thành cơ sở dữ liệu giữa để dễ quản lý hơn. Trao đổi thơng tin một cách
nhanh chóng dễ dàng
* Phân tích, mơ phỏng và kiểm tra mơ hình 3D dễ dàng hơn
Khi phay các bề mặt phức tạp thì việc gia cơng chính xác là rất khó khăn, hạn chế. Bởi
vì, do lực cắt khi phay gây ra sai lệch và độ tin cậy của gia công phay không đạt yêu
23
cầu. Nhằm nâng cao, cải thiện chất lượng bề mặt trong khi vẫn duy trì độ tin cậy cao
của quá trình phay. Với sự nghiên cứu tìm hiểu cơng nghệ mới ứng dụng máy tính vào
trong thiết kế sản xuất [18], [19]. K. Weinert cùng với cộng sự của ông là A. Enselmann
và J. Friedhoff đã đưa ra nghiên cứu bằng cách ứng dụng dựa trên máy tính: “Mơ phỏng
gia cơng phay để tối ưu q trình trong lĩnh vực sản xuất Khuôn kéo sợi và khuôn mẫu”
được đăng trên tạp chí CIRP Annals – Cơng nghệ sản xuất (1997) [18]. Nghiên cứu đã
đưa ra phương pháp phát triển sử dụng hiệu quả mơ hình khối để mơ phỏng q trình
cắt. Đồng thời tính tốn lượng chạy dao tối ưu các khía cạnh chính trong cơng nghệ
phay 3 trục trong tính tốn, lựa chọn lượng chạy dao tương ứng. Việc lựa chọn lượng
chạy dao hợp lý nhằm mục đích để tránh dụng cụ chịu quá tải trong khi đang gia công
các bề mặt. Việc ứng dụng CAD (Computer Aided Design) vào trong mô phỏng gia
công phay là rất cần thiết, nhằm cải thiện nâng cao chất lượng bề mặt là phương pháp
rất hiệu quả và được chứng minh bằng một ví dụ thực tế Cùng với hướng ứng dụng
CAD-CAM vào trong thiết kế và sản xuất như nghiên cứu trên [18], Nikolaos Tapoglou
và Aristomenis Antoniadis đã công bố một bài báo viết về phương pháp ứng dụng đồ
họa máy tính CAD-CAM để mơ phỏng dự đốn kết quả độ nhám bề mặt trong gia công
phay: Mô phỏng chiều chuyển động của phay bề mặt, được đăng trên tạp chí
Measurement, 2012 [19].
Hình: Mơ tả lưỡi cắt
Phay bề mặt là phương pháp sản xuất hiệu quả nhất, gia cơng thơ và hồn thiện
phần lớn bề mặt của các bộ phận kim loại. Nghiên cứu đã trình bày một mơ hình mơ
phỏng mới đã được phát triển và ứng dụng vào môi trường CAD Và với ứng dụng này
có thể mơ phỏng chính xác sản phẩm bằng phần mềm CAD nếu các dữ liệu phay, chẳng
hạn như độ nhám bề mặt, kích thước phoi không sai lệch, cắt giảm các thành phần của
lực cắt và xử lý lực cắt động…là rất cần thiết. Mơ hình mơ phỏng đúng với chuyển
24
động của dụng cụ cắt bằng cách sử dụng chính xác thơng số hình học của dụng cụ cắt.
Từ đó, dự báo chính xác kết quả độ nhám bề mặt.
Hình: Thí nghiệm và kết quả mơ phỏng
Nikolaos Tapoglou cùng các cộng sự của ông đã xác minh một cách kỹ lưỡng độ
chính xác của mơ hình mơ phỏng với ứng dụng của CAD. Bằng cách thực hiện một loạt
các thí nghiệm phay. Đồng thời mơ hình trên đã đề xuất được chính minh là phù hợp để
xác định các điều kiện tối ưu cho gia công phay bề mặt. Phần mềm có thể tích hợp dễ
dàng vào các hệ thống CAD-CAM Thêm một hướng nghiên cứu mô phỏng, C.K. Toh
đã nghiên cứu đề tài: Phân tích địa hình bề mặt trong phay cao tốc lần cuối thép cứng gá
nghiêng, được đăng trên tạp chí Precision Engineering, tháng 10 năm 2004 [21]. Trong
nghiên cứu chỉ ra các kết cấu bề mặt của một bề mặt được phay là quá trình vốn quan
trọng trong gia công phay lần cuối. Đây là một trong những tiêu chuẩn được sử dụng
phổ biến nhất để xác định khả năng công nghệ của phôi. C.K. Toh đã đánh giá hướng
đường cắt của dao phay trên phôi nghiêng một góc 75º để mơ phỏng phay kết thúc của
khuôn mẫu tự do và khuôn kéo dây
3.5. Kết luận chương 3
Qua phần nghiên cứu tổng quan về các tài liệu, có thể thấy độ nhám bề mặt trong
phay cứng vẫn đang là đề tài thời sự và rất đang được quan tâm. Với sự phát triển không
ngừng về mặt cơng nghệ cũng như địi hỏi độ chính xác cao về các thơng số kích thước,
độ bóng bề mặt, giảm bớt các yếu tố ảnh hưởng và nâng cao chất lượng của bề mặt. Các
nhà nghiên cứu đã đưa ra rất nhiều nghiên cứu về độ bóng bề mặt trong phay cứng. Tuy
nhiên, có thể quan tâm một số nghiên cứu sau:
25
Theo hướng nghiên cứu thực nghiệm, các nhà nghiên cứu đo độ nhám bằng cách
sử dụng dữ liệu hạt nhân trong máy công cụ CNC để đánh giá gián tiếp độ nhám bề mặt
trong máy phay đứng. Việc sử dụng dữ liệu hạt nhân rất hữu ích, đơn giản có nhiều ưu
điểm hơn việc sử dụng dữ liệu gia tốc. Cịn trong việc hỗ trợ q trình gia cơng phay
cứng các nghiên cứu đã sử dụng sự hỗ trợ của rung động hai chiều, hỗ trợ bởi laser. Sự
hỗ trợ của rung động trong gia công phay là sự khác biệt giữa gia công phay hiện đại và
so với truyền thống. Đó là phương pháp mới, hiệu quả trong việc cải thiện khả năng cắt
gọt, nâng cao chất lượng bề mặt và để gia công thép dụng cụ đã tôi cứng. Laser là một
trong những phát minh ảnh hưởng lớn nhất trong thế kỉ 20. Laser được ứng dụng ở
nhiều lĩnh vực khác nhau. Ở đây, nghiên cứu đã đưa laser vào việc hỗ trợ phay cứng đã
đem lại kết quả rất tốt. Hỗ trợ của tia laser cải thiện tính chính xác độ sâu rãnh của chi
tiết. Ngồi ra, nghiên cứu sử dụng vật liệu CBN là một trong những loại vật liệu cứng
nhất (chỉ sau kim cương), độ dẫn nhiệt cao, tính chống mài mịn cực tốt, có tính trơ hóa
học tốt dùng để phủ dụng cụ cắt. Khi sử dụng CBN để phủ dụng cụ cắt đem lại rất nhiều
ưu điểm: gia cơng các chi tiết có độ cứng lớn hơn 48 HRC, gia công dễ dàng các chi tiết
có độ cứng cao, ổn định ở nhiệt độ cao, chịu được hóa chất, gia cơng đạt độ bóng bề
mặt tốt…Đồng thời, các nghiên cứu đã đánh giá được các thông số ảnh hưởng tới độ
nhám bề mặt như: góc nghiêng gá phơi, tốc độ cắt…qua đó đã nghiên cứu nâng cao chất
lượng bề mặt chi tiết gia cơng bằng cách tối ưu hóa một số u tố kỹ thuật: ví dụ như
tốc độ cắt tối ưu 1400 m/phút đối với thép AISI H13, góc nghiêng gá phơi tối ưu 75º đối
với phay tinh khuôn mẫu tự do và khn kéo dây. Qua phân tích các kết quả của các
hướng nghiên cứu trên, các nghiên cứu đã nghiên cứu theo nhiều hướng khác nhau về
độ bóng bề mặt trong phay cứng. Cùng với đó là các phương pháp nghiên cứu hiện đại
được ứng dụng, đem lại nhiều kết quả tốt về độ nhám bề mặt trong phay cứng. Tuy
nhiên, các nghiên cứu về độ bóng bề mặt vẫn còn những vấn đề tồn tại sau:
* Chưa thể khác định chính xác độ nhám bề mặt trong mọi trường hợp.
* Sử dụng các thiết bị giá thành cao, thường được sử dụng trong các loại máy công cụ
hiện đại.
* Khi tối ưu hóa các thơng số của q trình gia cơng phay cứng đạt độ bóng bề
thường kéo theo năng suất giảm và tính kinh tế cao.
* Nghiên cứu chưa được ứng dụng nhiều trong gia công phay cứng
* Mới chỉ nghiên cứu trên một số vật liệu hợp kim cụ thể trong khi còn nhiều vật liệu
hợp kim đang được sử dụng phổ biến mà chưa được nghiên cứu.
