PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
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. Đồng thời trong nhiều trường
hợp phay cứng đóng vai trị là nguyên công chuẩn bị cho nguyên công
mài nhằm nâng cao năng suất, chất lượng bề mặt của chi tiết gia công.
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… sau khi
nhiệt luyện phải qua công đoạn mài, mài khôn. Những công đoạn này thiếu
tính linh hoạt và tốn nhiều thời gian, chi phí lớn và gây ơ nhiễm mơi trường.
Vì những lý do trên trong gia công lần cuối so với mài, phay cứng
ngày càng được các nhà sản xuất yêu thích hơn [14].
Việc áp dụng phay cứng thay cho mài hoặc là bước chuẩn bị cho
công đoạn mài đang trở nên khá phổ biến trên thế giới bởi những ưu điểm
nổi bật của nó. Ở nước ta, phay cứng đã và đang được áp dụng và phát triển
khá mạnh, các chi tiết, thiết bị trong các dây truyền công nghệ hiện đại cũng
đã được gia công lần cuối bằng phay cứng thay cho mài. Đặc biệt đối với
trường hợp gia công các loại chi tiết mỏng, dễ cong vênh như: các loại căn
lót chịu mài mịn trong đầu máy tàu hỏa thì việc áp dụng cơng nghệ phay
cứng trước khi mài để nâng cao năng suất, chất lượng cho chi tiết là vấn đề
đặt ra cấp thiết hơn bao giờ hết.
Việc nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến quá trình cắt, ảnh
hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia cơng trong khi phay cứng và 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.
Việc nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt khi phay cứng đến quá
trình cắt, đến độ nhám bề mặt khi phay thép 60C2 đã qua tôi và xác định
được bộ thông số chế độ cắt hợp lý để đạt chất lượng bề mặt tốt nhất cho
quá trình này đang là yêu cầu cần thiết của các nhà sản xuất.
Xuất phát từ lý do nêu trên, tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu
ảnh hưởng của chế độ cắt đến quá trình cắt khi phay thép 60C 2 qua tơi
bằng dao phay hợp kim cứng phủ PVD ” là cần thiết và cấp bách.
2. Mục đích và phương pháp nghiên cứu
2.1. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến q trình cắt khi phay
thép 60C2 qua tơi (đánh giá thông qua lực cắt) và chất lượng bề mặt đạt
được sau khi gia công (đánh giá thông qua nhám bề mặt R a).
2.2. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, trong đó chủ
yếu là nghiên cứu thực nghiệm.
3. Đối tượng nghiên cứu
Vật liệu: Thép lị xo 60C2 qua tơi đạt độ cứng: 35 ÷ 38 HRC
Máy cơng cụ: Trung tâm gia cơng VMC - 85S.
1
Dao: Dao phay mặt đầu gắn mảnh HKC phủ PVD
Chương 1:
Phương pháp: Phay tinh mặt phẳng
TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CẮT GỌT KHI PHAY
4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học:
+ Bổ sung lý về phay cứng khi gia công thép đã qua tôi có độ cứng
cao, đặc biệt là thép lị xo 60C2 qua tơi.
1.1. Các thơng số cơ bản của q trình cắt
1.1.1. Quá trình hình thành phoi
1.1.1.1. Khái niệm và phân loại phoi
* Gia công kim loại bằng cắt gọt là một phương pháp gia công
kim loại rất phổ biến trong ngành cơ khí chế tạo máy.
+ Xây dựng được mối quan hệ giữa các thông số của nhám bề mặt (Ra),
Quá trình cắt kim loại là quá trình con người sử dụng các dụng cụ cắt
với các thông số của chế độ cắt (S, V) khi phay mặt phẳng dưới dạng các hàm
để hớt đi lớp kim loại thừa khỏi chi tiết, nhằm đạt được những yêu cầu cho
thực nghiệm.
trước về hình dáng, kích thước, vị trí tương quan giữa các bề mặt và chất
- Ý nghĩa thực tiễn: Sử dụng làm cơ sở cho việc lựa chọn chế độ cắt
khi phay cứng các loại thép đã qua tơi có độ cứng cao tại các cơ sở sản xuất
ở Việt Nam để nâng cao độ chính xác, và chất lượng bề mặt chi tiết gia
lượng bề mặt của chi tiết gia công.
Lớp kim loại thừa trên chi tiết cần hớt bỏ đi được gọi là lượng dư
gia công cơ.
Lớp kim loại đã bị cắt bỏ khỏi chi tiết được gọi là phoi cắt.
công.
5. Nội dung của luận văn
Kết cấu của luận văn bao gồm ba chương và phần kết luận chung:
Chương 1: Tổng quan về gia công cắt gọt khi phay
Chương 2: Phay cứng thép 60C2 qua tôi bằng dao phay hợp kim
cứng phủ PVD
1.1.1.2. Quá trình hình thành phoi khi cắt vật liệu dẻo
Khi dao dịch chuyển các phân tử kim loại lúc đầu bị nén đàn hồi
(hình 2a), sau đó bị biến dạng dẻo, q trình biến dạng dẻo tăng dần cho
đến khi bị lực liên kết bên trong của các phân tử chặn lại. Ở thời điểm này
xảy ra sự xếp lớp của các phần tử phoi và sự trượt của chúng trên mặt
phẳng BC (hình 1.2b). Hiện tượng tương tự cũng xảy ra đối với các phần tử
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm và xử lý số liệu
tiếp theo từ 1 ÷ 5 (hình 1.2c).
Kết luận chung và thảo luận kết quả
2
dẫn đến lực cắt khá ổn định, ít rung động. Do vậy dễ đạt được các chỉ tiêu
về độ nhám bề mặt, chất lượng bề mặt cao.
1.2. Lực cắt
1.2.1. Cơ sở lý thuyết của lực cắt gọt
Trong quá trình cắt, dụng cụ cắt chịu tác dụng của các lực. Các lực này tác
dụng lên phôi và lưỡi cắt. Lực cắt gồm các lực sau:
- Thành phần lực Pz theo phương chuyển động chính hoặc theo
phương dịch chuyển của dao và ta gọi Pz là lực tiếp tuyến.
(Hình vẽ. Sơ đồ quá trình hình thành phoi khi cắt vật liệu dẻo)
Biến dạng dẻo xảy ra trong vùng được giới hạn bằng góc Ψ, góc này
- Thành phần lực Py theo phương trùng với đường tâm dao và ta
gọi Py là lực hướng kính.
được gọi góc tác động. Góc β1 gọi là góc trượt, cịn mặt phẳng BC gọi là mặt
phẳng trượt.
Q trình hình thành phoi trên đây xảy ra khi gia cơng các vật liệu dẻo
- Ngồi hai thành phần lực Pz và Py cịn có thêm thành phần lực
Px (lực tác dụng theo phương trục chi tiết).
1.2.2. Ảnh hưởng của điều kiện cắt đến lực cắt
với chiều sâu cắt lớn và góc cắt δ nhỏ.
1.1.1.3. Q trình hình thành phoi khi phay cứng
Đối với quá trình hình thành phoi khi phay cứng cũng có những đặc
điểm cơ bản như khi q trình hình thành phoi khi gia cơng vật liệu dẻo, tuy
nhiên đối với phay cứng do chiều sâu cắt nhỏ, tốc độ cắt lớn nên phoi hình
thành trong quá trình phay cứng thường là phoi dây.
Điều kiện cắt gọt bao gồm nhiều yếu tố như chế độ cắt S, V, t, độ
cứng vững của hệ thống cơng nghệ; có hay không tưới dung dịch trơn
nguội vào vùng cắt,…Ở đây ta chỉ khảo sát ảnh hưởng của chế độ cắt đến
lực cắt.
Khảo sát ảnh hưởng của các thông số S, V, t đến lực cắt trong quá
trình cắt. Sử dụng nguyên lý cộng tác dụng, khi nghiên cứu ảnh hưởng của
Biến dạng cắt khi tạo phoi dây là bé nhất. Do vậy trong những
một thơng số nào đó, trong thí nghiệm ta cho tất cả các yếu tố khác không
trường hợp gia công tinh ta cần cố gắng tạo phoi dây bằng cách nâng cao tốc
thay đổi và chỉ cho yếu tố đang xét thay đổi, sau đó tổng hợp lại ta nhận
độ cắt.
được ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố xét đến lực cắt:
Khi tạo phoi dây, do phoi được hình thành một cách liên tục, do đó
3
- Ảnh hưởng của chiều sâu cắt t đến lực cắt.
- Ảnh hưởng của lượng chạy dao s đến lực cắt.
- Ảnh hưởng của tốc độ cắt v đến lực cắt.
1.3.2. Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến nhiệt cắt
Dung dịch trơn nguội xâm nhập vào vùng cắt có tác dụng làm mát
và tải nhiệt ra khỏi vùng cắt, do đó làm nhiệt độ vùng cắt giảm xuống. [4]
1.3. Nhiệt
1.4. Khái quát tình hình nghiên cứu về phay cứng
1.3.1. Nhiệt cắt
1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên Thế giới
Hiện tượng nhiệt trong q trình cắt đóng vai trị rất quan trọng, bởi vì
Việc áp dụng phay cứng thay cho mài hoặc là ngun cơng
nó ảnh hưởng đến q trình tạo phoi, lẹo dao, co rút phoi, lực cắt và cấu trúc
chuyển bị cho mài đang trở nên khá phổ biến trên thế giới bởi những ưu
lớp bề mặt. Ngoài ra, nhiệt cắt còn ảnh hưởng rất lớn đến cường độ mịn và
điểm nổi bật của nó, nhất là hiện nay khi vấn đề ô nhiễm môi trường do
tuổi bền dao [4].
các loại chất hóa học được sử dụng làm dung dịch tưới nguội cho quá
Thực tế cho thấy, phần lớn cơng cắt gọt A (hơn 99,5%) sinh ra
nhiệt cắt. Vì vậy, lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình cắt là:
Q =A/427 = Pz.V/427
Nhiệt cắt Q được tính bằng kcal/phút.
Nhiệt trong q trình cắt lan tỏa từ điểm có nhiệt độ cao nhất đến
điểm có nhiệt độ thấp nhất. Nhiệt trong quá trình cắt chủ yếu tập trung ở
phoi và một phần ở dụng cụ. Nhiệt do ma sát ở mặt trước và mặt sau sẽ tập
trung ở mặt trước và mặt sau, ở phoi và chi tiết gia cơng (hình vẽ). Có một
phần nhỏ nhiệt tỏa ra vào mơi trường xung quanh.
trình mài hoặc phay đang được sự quan tâm đặc biệt của toàn thế giới.
Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các nhân tố đến q trình
phay cứng, phân tích các quá 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.
1.4.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam
Ở nước ta, phay cứng đã và đang được áp dụng và phát triển khá mạnh
mẽ. Đã có một số cơng trình nghiên cứu về phay cứng như: 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, Nghiên cứu ảnh
hưởng của các thông số chế độ cắt đến mòn và tuổi bền của dao phay hợp
kim cứng phủ TiAlN khi phay thép hợp kim đã qua tơi,...
(Hình vẽ: Sơ đồ hình thành và lan tỏa nhiệt)
4
1.5. Kết luận
năng suất cao hơn mài với đầu tư ban đầu thấp hơn nhiều. Phay cứng
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,
thường dùng trong nguyên công phay tinh với độ chính xác tương đương
ngun cơng mài.
độ bền, độ bền mòn cũng như tuổi thọ của chi tiết máy. Q trình tạo lớp bề
Khi gia cơng thép đã tơi, người ta thường gia cơng khơ hồn tồn.
mặt gia cơng có chất lượng bằng phương pháp gia cơng cơ chịu ảnh hưởng
Các thông tin đáng tin cậy chỉ ra rằng cắt khơ hồn tồn thép đã tơi khi so
của nhiều yếu tố công nghệ. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt khi
sánh với cắt tưới tràn giảm được lực cắt và công suất đặt lên chi tiết của
phay cứng đến quá trình cắt, đến độ nhám bề mặt khi phay thép đã qua tôi
máy công cụ là kết quả của sự tăng nhiệt độ cắt.
và xác định được bộ thông số chế độ cắt hợp lý để đạt chất lượng bề mặt tốt
nhất đang là yêu cầu cấp thiết của các nhà sản xuất cơ khí.
Khi phay cứng người ta áp dụng phương pháp phay cao tốc vì khi
phay cao tốc, nhiệt lượng phát ra lớn mà thời gian để nhiệt lượng đó tản đi
ngắn. Các loại dao cácbít, dao CBN, dao phủ PVD thích hợp cho trường
Chương 2
PHAY CỨNG THÉP 60C2 QUA TÔI BẰNG DAO PHAY HKC PHỦ
PVD
2.1. Đặc điểm quá trình phay cứng thép qua tơi.
hợp này vì nó vẫn duy trì được độ cứng ở nhiệt độ 1000 ÷ 11000C.
Vấn đề đặt ra cho các nhà kỹ thuật cơ khí là phải tìm cách nghiên
cứu để tận dụng tối đa được những những ưu điểm và hạn chế đến mức tối
thiểu các tác động có hại trong q trình gia cơng khi thực hiện phay
cứng. Để đáp ứng được điều này thì việc cần thiết phải nghiên cứu và tìm
Phay cứng là nguyên công phay các chi tiết đã qua tôi (thường là
ra được các thông số chế độ cắt hợp lý đáp ứng một cách hiệu quả nhất
thép hợp kim) có độ cứng cao khoảng từ 40 ÷ 65 HRC được sử dụng rộng
cho quá trình cắt, đảm bảo năng xuất và chất lượng sản phẩm đồng thời
rãi trong công nghiệp ô tơ, tàu hỏa, chế tạo bánh răng, vịng ổ, dụng cụ,
năng cao được tuổi thọ của dao phay.
khuôn mẫu vv… phay cứng thường được sử dụng thay cho nguyên công mài
khi gia cơng chính xác các chi tiết máy, khn mẫu có kích thước nhỏ, các
chi tiết có hình dáng phức tạp và đạt năng suất cao.
Phay cứng cho độ chính xác và nhám bề mặt tương đương với mài
nhưng phay cứng có khả năng tạo nên lớp bề mặt có ứng suất dư nén làm
tăng tuổi thọ về mỏi của chi tiết máy trong các tiếp xúc lăn khi sử dụng, cho
2.2. Các đặc tính cơ bản của thép lị xo.
Thép lị xo được hiểu là loại thép có khả năng đàn hồi cao, thường
được dùng để chế tạo các loại lị xo (spring), đệm vênh (clip, có lắp trong
cần khởi động xe máy), căn lót trong các đầu máy tàu hỏa, ... Khả năng
đàn hồi này của thép lò xo ổn định nhất sau khi nhiệt luyện để đạt độ cứng
từ 42 ÷ 48 HRC.
5
Thép lị xo có nhiều loại khác nhau. Đại diện cho loại thép hợp kim
này là mác thép 60C2 (GOST), S60CM(JIS), có bổ sung thêm Mo để tăng
độ thấm tơi và làm nhỏ hạt khi nung ở nhiệt độ cao).
2.3. Gia công cắt gọt khi phay
2.3.1. Khái niệm chung
Phay là phương pháp gia công kim loại được dùng phổ biến từ thế kỷ
XIX. Từ đó đến nay nó đã trải qua một thời kỳ dài phát triển. Phương pháp
phay được nhiều học giả quan tâm nghiên cứu.
Nói chung, dao phay là dụng cụ nhiều lưỡi cắt nên quá trình cắt ngồi
những đặc điểm của phương pháp tiện, cịn có những đặc điểm sau đây:
- Năng suất phay cao hơn bào nhiều lần do có đồng thời nhiều lưỡi
(Các loại dao phay)
a- dao phay trụ; b- dao phay đĩa và dao phay rãnh; c- dao phay ngón;
d,e- dao phay mặt đầu; g- dao phay định hình; h- dao phay cắt đứt
2.3.3. Vật liệu chế tạo dao phay
cắt.
- Lưỡi cắt của dao phay không làm việc liên tục, mặt khác khối lượng
thân dao thường lớn nên khả năng truyền nhiệt tốt.
- Diện tích cắt khi phay thay đổi do đó lực cắt thay đổi gây rung động
trong quá trình cắt.
- Khả năng tồn tại lẹo dao ít do lưỡi cắt làm việc gián đoạn gây
va đập và rung động.
2.3.2. Phân loại dao phay
Hợp kim cứng thường được sử dụng cho chế tạo dao phay mặt đầu,
dao phay có kích thước lớn. Ít khi được sử dụng để chế tạo dao phay ngón
cắt rãnh.
2.3.4. Dao phay Hợp kim cứng phủ PVD
Phủ PVD được thực hiện trong buồng kín khí trơ với áp suất thấp khoảng
10-2bar ở nhiệt độ từ 400oC-500oC. Với nhiệt độ của q trình như thế phủ
PVD thích hợp cho các dụng cụ thép gió, thép hợp kim,... Do nhiệt độ
thấp các nguyên tử khí và kim loại khi bay hơi phải được ion hoá và kéo
về bề mặt cần phủ nhờ một điện thế âm đặt vào đó. Q trình bắn phá bề
mặt phủ bằng các ion được thực hiện trước khi phủ để làm tăng độ dính
kết của vật liệu phủ với nền. Theo nguyên tắc bay hơi phủ PVD có 4 dạng
cơ bản
6
Phủ PVD đã mở rộng phạm vi sử dụng của HKC như các mảnh dao
phay hợp kim cứng phủ PVD trong một số trường hợp tỏ ra tốt hơn dao gắn
Các góc của dao phay được chọn phụ thuộc vào tính chất của vật
liệu gia cơng, điều kiện cắt và kết cấu của nó.
mảnh các bít. Hơn nữa PVD cịn có thể phủ được ở trạng thái khơng cân
bằng nhiệt mà CVD không thể thực hiện được, như phủ hợp chất kim cương
nhân tạo với các hạt các bít siêu nhỏ WC/C. Ưu điểm này của PVD là cơ sở
cho việc phủ các lớp bôi trơn cùng với các lớp phủ cứng như MoS 2 và
Góc nghiêng chính φ của dao phay mặt đầu thường bằng 45 ÷ 60 0
và được chọn phụ thuộc vào độ cứng vững của hệ thống công nghệ.
2.3.6. Các yếu tố của lớp cắt
WC/C, chẳng hạn các lưỡi cắt của mũi khoan cần được bảo vệ bằng các lớp
phủ cứng, nhưng các bề mặt rãnh thoát phoi cần được phủ bằng lớp giảm ma
sát. Điều này mở ra một triển vọng mới về ứng dụng của phủ PVD cho các
dụng cụ ép, dập và các chi tiết máy chính xác.
2.3.5. Các thơng số hình học của dao phay
Ở dao phay mặt đầu (hình vẽ) các lưỡi cắt được chế tạo giống như các
dao tiện có lưỡi cắt chuyển tiếp.
(Hình vẽ: Sơ đồ cắt phoi của răng dao phay)
Q trình phay có những đặc điểm sau:
- Mỗi răng của dao phay trong quá trình cắt sẽ hớt ra phoi có dạng
một dấu phẩy.
- Mỗi một răng của dao phay làm việc với chế độ gián đoạn theo chu
trình.
(Hình vẽ: Các thơng số hình học phần cắt của dao phay mặt đầu)
7
2.3.6. Lực cắt khi phay
Tổng hợp lực R1 có thể phân tích thành hai thành phần: lực vịng P
(PZ) tác dụng theo tiếp tuyến của quỹ đạo chuyển động của lưỡi cắt và lực
hướng kính Py (hình a).
2.4. Ứng dụng của phay cứng thép 60C2 qua tôi và giới hạn vấn đề
nghiên cứu.
2.4.1. Ứng dụng
Trong điều kiện sản xuất cụ thể tại Việt Nam thì việc nghiên cứu
ứng dụng phay cứng thay cho nguyên công mài là phương pháp gia cơng
truyền thống để gia cơng các sản phẩm căn lót trong đầu máy tàu hỏa
nhằm nâng cao năng xuất và chất lượng sản phẩm đang trở thành mục
tiêu đặt ra cho các nhà sản xuất cơ khí.
2.4.2. Giới hạn vấn đề nghiên cứu
Trong khuôn khổ của đề tài, tác giả tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:
- Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số lượng chay dao S, vận tốc
( Hình vẽ. Sơ đồ lực cắt tác dụng lên dao phay trụ)
Trong đó:
a) Răng thẳng; b) Răng xoắn (răng nghiêng)
2.3.7. Độ mòn và tuổi bền của dao phay
cắt tới chất lượng bề mặt gia công trong điều kiện cắt khơ hồn tồn và
được đánh giá qua yếu tố về độ nhám bề mặt chi tiết.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số lượng chay dao S, vận tốc
cắt tới q trình cắt trong điều kiện cắt khơ hồn tồn và được đánh giá qua
Tùy thuộc vào điều kiện cắt, răng dao phay có thể bị mài mịn tùy
yếu tố về lực cắt trong qúa trình gia cơng.
theo mặt trước (hình a) hoặc đồng thời bị mài mịn theo cả hai mặt trước và
sau (hình b). Chiều dày cắt càng nhỏ, độ mòn của mặt sau càng lớn.
Trên cơ sở của các vấn đề nghiên cứu trên, tác giả chọn phương
pháp nghiên cứu là kết hợp nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực
nghiệm trong đó nghiên cứu thực nghiệm là cơ bản.
( Hình vẽ. Các dạng mài mịn của răng dao phay)
8
Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
3.2. Giới thiệu hệ thống thực nghiệm
3.1. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
3.2.1. Yêu cầu đối với hệ thống thí nghiệm
Để nghiên cứu thực nghiệm một cách khoa học và chính xác cần
dựa trên lý thuyết quy hoạch thực nghiệm hiện đại phù hợp với đề tài.
Dưới đây là một số vấn đề lý thuyết về quy hoạch thực nghiệm mà
khi nghiên cứu cần thực hiện để đạt được kết quả chính xác.
3.1.1. Các nguyên tắc cơ bản của quy hoạch thực nghiệm
Việc xây dựng hệ thống thí nghiêm đảm bảo được các yêu cầu kỹ
thuật có vai trị rất lớn trong nghiên cứu khoa học.
3.2.2. Hệ thống thí nghiệm:
Hệ thống thí nghiệm phay cứng thép 60C2 qua tôi bằng dao phay
mặt đầu Hợp kim cứng phủ PVD được tiến hành tại Trung tâm gia cơng
- Ngun tắc khơng lấy tồn bộ các trạng thái đầu vào
VMC - 85S tại trường Đại học Kỹ Thuật Công nghiệp - Đại học Thái
- Nguyên tắc phức tạp dần mơ hình tốn học
Ngun như sau:
- Ngun tắc đối chứng với nhiễu
- Nguyên tắc ngẫu nhiên hoá
- Nguyên tắc tối ưu của quy hoạch thực nghiệm
3.1.2. Quy hoạch thực nghiệm và mơ hình hồi quy thực nghiệm
Phương pháp thực nghiệm là một phần quan trọng của việc nghiên
cứu tối ưu hóa thơng số cơng nghệ khi mài. Cần có phương pháp thực
nghiệm tiên tiến và phù hợp để kiểm chứng các giải thuyết khoa học và đưa
ra những kết luận, hướng dẫn chính xác có cơ sở khoa học.
Dưới đây là một số vấn đề lý thuyết về quy hoạch thực nghiệm mà
khi nghiên cứu cần thực hiện để đạt được kết quả tốt nhất.
- Các đặc trưng thống kê quan trọng
- Hàm hồi quy một biến (3.14)
(Ảnh: Hệ thống thí nghiệm)
9
3. 3. Thiết bị thí nghiệm
SUBMICRON).
- Máy cơng cụ: Thí nghiệm được thực hiện tại Trung tâm gia công
VMC - 85S d
(Ảnh: Mảnh dao Hợp kim cứng phủ PVD)
- Đồ gá: Sử dụng tấm gá và các thanh kẹp hiện có tại Trung tâm
Thí nghiệm - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái
Nguyên để gá đặt đầu đo lực Kistler 9257 BA
- Phơi:
- Thép lị xo 60C2 đã qua tạo hình dáng và tơi
- Độ cứng: 35 ÷ 38 HRC
- Kích thước: 100 x 80 x 7
(Ảnh: Trung tâm gia công VMC - 85S)
- Dao: Sử dụng dao phay mặt đầu Ø 80 gắn mảnh HKC phủ PVD của
hãng LAMINA có Ký hiệu: APMT
1604
PDTR (LT 30 - PVD
10
(Hình 3.4: Phơi thép lị xo 60C2)
- Dụng cụ đo kiểm:
3.4. Xử lý số liệu thực nghiệm
3.4.1.Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm
- Đầu đo lực kế Kistler 9257BA được kết nối với máy tính
Sử dụng sơ đồ quy hoạch thực nghiệm, ma trận quy hoạch thực
nghiệm thể hiện như sau:
(Hình vẽ: Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm)
(Ảnh: Bộ thiết bị đầu đo lực kế Kistler 9257BA)
- Máy đo nhám SJ-201 - Mitutoyo – Nhật Bản
- Bộ thơng số thí nghiệm được xác định thông qua sơ đồ quy hoạch
thực nghiệm với ma trận thực nghiệm 6 điểm trong đó có 02 thông số công
nghệ thay đổi là vận tốc cắt (n) và lượng chạy dao (S), cụ thể như sau:
(Ảnh: Máy đo nhám SJ-201)
- Thước cặp độ phân giải 0,01 – Mitutoyo – Nhật Bản
(Bảng 3.1: Ma trận thực nghiệm 6 điểm)
11
3.4.2. Mục đích thí nghiệm
Khảo sát độ nhám bề mặt chi tiết gia công (Ra) và lực cắt (F) thông
qua các thông số tốc độ cắt (n) lượng chạy dao (S) để từ đó xác định được các
thơng số chế độ cắt hợp lý nhất cho quá trình cắt khi thực hiện gia công phay
mặt phẳng thép 60C2 đã qua tôi bằng dao phay mặt đầu gắn mảnh Hợp kim
cứng phủ PVD.
Các chỉ tiêu đánh giá ảnh hưởng của chế độ cắt đến các thơng số kỹ
thuật trong q trình cắt khi phay cứng thép 60C2 qua tôi bằng dao phay mặt
đầu gắn mảnh Hợp kim cứng phủ PVD:
- Lực cắt khi phay
- Thí nghiệm được tiến hành theo 6 bước từ 1 - 6 với vận tốc cắt,
lượng chay dao cụ thể theo bảng kê ở trên và chiều sâu cắt cho tồn bộ q
trình thí nghiệm là t = 0,3mm. Mỗi bước thí nghiệm được tiến hành gia cơng
trong điều kiện cắt khơ hồn tồn khơng có dung dịch tưới nguội trong thời
gian là 5 phút sau đó tiến hành đo độ nhám bề mặt chi tiết bằng máy đo độ
nhám SJ-201 - Mitutoyo – Nhật Bản, đồng thời chi tiết gia công được gá đặt
trên đầu đo lực Kistler 9257BA sẽ cho ta các số liệu cụ thể về các thành phần
lực cắt trong quá trình gia cơng thí nghiệm. Các bước được lập lại tương tự
cho đến hết 6 thí nghiệm và cho kết quả 6 thí nghiện đạt được như trong
bảng.
+ Tổng hợp số liệu thí nghiệm:
- Độ nhám bề mặt chi tiết
3.4.3. Trình tự tiến hành thí nghiệm:
* Chuẩn bị trước khi thí nghiệm:
- Chuẩn bị đầy đủ máy, dao, phôi, thiết bị đo,...
- Xây dựng sơ đồ quy hoạch thực nghiệm, ma trận thực nghiệm với
2 thông số công nghệ thay đổi là vận tốc cắt (n) và lượng chạy dao (S).
* Phương pháp tiến hành thực nghiệm:
+ Lập sơ đồ quy hoạch thực nghiệm:
- Q trình tiến hành thí nghiệm được thực hiện theo sơ đồ quy hoạch
(Bảng 3.2: Kết quả thực nghiệm)
thực nghiệm 6 điểm từ 1 đến 6 với các thông số công nghệ (n) và (S) theo đúng
ma trận tính tốn.
+ Tiến hành thí nghiệm:
12
3.4.4. Xử lý số liệu:
Thực nghiệm quá trình phay cứng, nghiên cứu chất lượng bề mặt gia
công dưới ảnh hưởng của hai thông số chế độ cắt: n(v/ph); S (m/ph). Chỉ
tiêu đánh giá chất lượng bề mặt gia công là: độ nhám Ra.
Kết quả của nhiều cơng trình nghiên cứu thực nghiệm về phay cứng đã cho
thấy quan hệ giữa các chỉ tiêu đánh giá Y (R a) với chế độ cắt (n, S) có dạng hàm
mũ:
Ra = C.n a1 .S a2
Các số mũ a1, a2 và hệ số C của phương trình (3.18) được xác định bằng thực
nghiệm.
Lấy logarit hai vế ta có:
y = ao + a1x1 + a2x2
Như vậy hàm hồi quy nhám bề mặt Ra, Fx, Fy và Fz có dạng như sau:
Trong đó:
lnRa = -19,1 + 1,56lnn + 1,9lnS
y = lnRa; a0 = lnC; x1 = lnt; x2 = lnS
lnFx = 6,46 – 0,653lnn + 0,604lnS
.
Trong phương trình (3.19) y, x1, x2 đã biết. Cần xác định các hệ số: ao; a1; a2
Để nhận được các phương trình dạng (3.18), dùng phần mềm
Minitab 16 để giải phương trình (3.19) với kết quả thực nghiệm trong bảng
tổng hợp số liệu thí nghiệm (Bảng 3.2.), ta được phương trình hồi quy như
sau:
lnFy = 4,89 - 0.189lnn + 0.34lnS
lnFz = -5,58 + 1,59lnn + 0,329lnS
Sau khi đổi biến có quan hệ giữa nhám bề mặt R a, Fx, Fy và Fz với
vận tốc cắt (n) và lượng chạy dao (S) theo hàm sau:
Ra = 5,07.10 −9.n1,56 .S 1,9
Fx = 639,06.n −0,653 .S 0,604
13
Fy = 132,95.n −0,189 .S 0,34
lựa chọn vận tốc cắt hợp lý. Còn ở cùng một giá trị vận tốc khi ta tăng
Fz = 3,77.10 −3.n1,59 .S 0,329
lượng chạy dao chiều dầy phoi tăng ma sát trên mặt trước, mặt sau tăng,
Đây chính là phương trình hồi quy thực nghiệm của quan hệ giữa
nhám, lực cắt với vận tốc cắt và lượng chạy dao. Dùng phần mềm Matlab7
để vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ của hàm như sau:
lượng chạy dao thì giá trị các thành phần lực cắt tăng một lượng lớn. Tăng
điều này cho thấy khi tăng lượng chạy dao thì lực cắt tăng nên lượng mịn
cũng tăng. Vậy khi gia công cần chọn các thông số chế độ cắt hợp lý để có
lực cắt nhỏ nhất nhằm tăng tuổi bền cho dao nên ta chọn chế độ cắt trong
khoảng 400 ≤ n ≤ 500 (v/phút) với lượng chạy dao S ≤ 48 (mm/phút).
- Trên biểu đồ ta thấy vận tốc cắt càng cao thì nhám bề mặt càng
thấp (độ nhẵn bóng cao) và lượng chạy dao càng lớn thì nhám bề mặt
cũng tăng theo (giảm độ nhẵn bóng). Do đó muốn dùng dao phay gắn
mảnh HKC phủ PVD gia công tinh vật liệu thép 60C2 qua tơi đạt bề mặt
chất lượng tốt ta có thể chọn cắt ở vận tốc trong khoảng 400 ≤ n ≤ 560
(v/phút) với lượng chạy dao S ≤ 48 (mm/phút).
Từ các kết quả nhận xét ở trên, ta nên chọn chế độ cắt để có được
chất lượng bề mặt Ra là nhỏ nhất với lực cắt hợp lý nhưng vẫn đảm bảo
được năng suất gia công khi phay tinh thép 60C2 đã qua tôi bằng dao
phay mặt đầu gắn mảnh Hợp kim cứng phủ PVD trong khoảng
400 ≤ n ≤ 560 (v/phút) với lượng chạy dao S ≤ 48 (mm/phút) và chiều
sâu cắt (t) phù hợp với nguyên công phay tinh.
3.5. Thảo luận kết quả
3.6. Kết luận chương 3
- Dựa vào các biểu đồ, đồ thị quan hệ giữa vận tốc, lượng chạy dao
1. Đã xây dựng được hệ thống thí nghiệm (máy, dao, vật liệu gia
và lực cắt ta thấy ở cùng một giá trị lượng chạy dao khi vận tốc cắt tăng lực
công, thiết bị đo,…) cùng với các điều kiện công nghệ cụ thể để tiến hành
cắt giảm do đó ta cần cắt với tốc độ cao. Nhưng khi vận tốc cắt tăng cao thì
nghiên cứu bằng thực nghiệm nhằm xây dựng các mơ hình thể hiện ảnh
tuổi bền giảm, vì thế khi phay cứng trong điều kiện cắt khó khăn cần cân đối
hưởng của chế độ cắt tới một vài thơng số đặc trưng cho q trình cắt khi
14
phay cứng thép 60C2 qua tôi bằng dao phay mặt đầu gắn mảnh hợp kim
tốc cắt và lượng chạy dao tới nhám bề mặt và lực cắt khi phay cứng thép
cứng phủ PVD.
60C2 qua tôi.
2. Đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm, đã thu nhận, lưu trữ, xử lý
được số liệu thực nghiệm đảm bảo độ tin cậy.
3. Đã xây dựng được mối quan hệ hàm số giữa các đại lượng
ra của q trình phay cứng đó là nhám bề mặt (Ra) và lực cắt (F) và
đại lượng vào là chế độ cắt (vận tốc cắt, lượng chạy dao S) dưới dạng
hàm số mũ. Đã đưa ra nhận xét về quy luật ảnh hưởng của chế độ cắt
đến lực cắt và thông số đánh giá chất lượng bề mặt điển hình là nhám
- Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn to lớn: Với các độ nhám
bề mặt yêu cầu dựa vào hàm thực nghiệm có thể lựa chọn chế độ gia công
hợp lý với lực cắt trong quá trình cắt là hợp lý nhất để góp phần nâng cao
chất lượng hiệu quả kinh tế, kỹ thuật của quá trình sản xuất khi thực hiện
gia cơng các loại vật liệu thép lị xo, thép làm khn đã qua tơi bằng phay
cứng.
Hướng nghiên cứu tiếp theo
Đề tài đã thu được một số kết quả khá tốt nhưng vẫn còn nhiều
bề mặt.
hạn chế mà tác giả sẽ nghiên cứu và hoàn thiện trong tương lai để hoàn
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
thiện đề tài của mình. Sau đây là một số hướng chính:
Nội dung của đề tài là: “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt
- Nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của cả ba thông số chế độ cắt
đến quá trình cắt khi phay thép 60C2 qua tôi bằng dao phay hợp kim
(S, V, t) đến chất lượng bề mặt và độ chính xác khi phay cứng thép qua tôi
cứng phủ PVD”. Qua ba chương luận văn đã nêu được các vấn đề sau:
60C2.
- Luận văn đã trình bày khái quát về quá trình phay cứng, đặc điểm
của q trình phay cứng thép qua tơi và các thơng số cơ bản của q trình
cắt như: q trình tạo phoi, lực cắt, nhiệt cắt,....
- Đã tổng kết được các lý thuyết cơ bản về công nghệ phay cứng,
các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của bề mặt chi tiết khi phay cứng.
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của chế độ cắt đến tuổi bền của dao
phay hợp kim cứng phủ PVD khi phay cứng thông qua đánh giá mòn dao.
- Nghiên cứu, đánh giá các hiện tượng vật lý trong q trình cắt
để nâng cao độ chính xác, chất lượng bề mặt, mòn và tuổi bền dao phay
khi phay cứng.
- Đã xây dựng được quan hệ giữa nhám bề mặt và lực cắt với chế độ
công nghệ gia công (vận tốc cắt, lượng chạy dao S) dưới dạng các hàm thực
nghiệm. Từ đó đã đánh giá được ảnh hưởng của các thông số công nghệ vận
15
