Bài Giảng Chất Lượng Bề Mặt Chi Tiết Máy

Chng 2
Cht lng b mt chi tit mỏy
Chất lượng bề mặt là một chỉ tiêu trong chất lượng chế tạo chi tiết,
nó có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng làm việc của chi tiết máy.


1. Các yếu tố đặc trưng của chất lượng bề mặt
Gồm:
- Hình dáng lớp bề mặt (độ sóng, độ nhám...).
- Trạng thái và tính chất cơ lý lớp bề mặt (độ cứng, chiều sâu lớp biến
cứng, ứng suất dư...).
- Phản ứng của lớp bề mặt đối với môi trường làm việc (tính chống mòn,
khả năng chống xâm thực hoá học, độ bền mỏi...).
Chất lượng bề mặt chi tiết máy phụ thuộc vào phương pháp và điều
kiện gia công cụ thể.


1.1 Chất lượng hình học của bề mặt gia công
Bề mặt sau khi gia công không bằng phẳng một cách lý tưởng mà có
những nhấp nhô. Những nhấp nhô này là do quá trình biến dạng dẻo của
bề mặt chi tiết khi gia công cắt gọt, do vết của lưỡi cắt để lại trên bề mặt
gia công, do ảnh hưởng của rung động khi cắt và nhiều nguyên nhân
khác.

Bề mặt CTM sau khi mài


BÒ mÆt chi tiÕt m¸y sau khi gia c«ng (Mµi)


Hình dáng hình học bề mặt CTM được đặc trưng bởi: độ nhấp nhô tế vi

(độ nhám) và độ sóng.
- Độ nhấp nhô tế vi (độ nhám bề mặt). Được xác định bởi hai thông số
sau:

Hình 1 Độ nhám bề mặt CTM

+ Chiều cao nhấp nhô prôfin theo 10 điểm, RZ: Là trị số trung bình của
tổng các giá trị tuyệt đối của chiều cao 5 đỉnh cao nhất và chiều sâu 5 đáy
thấp nhất của prôfin trong giới hạn chiều dài chuẩn.
5

Rz =

H
i =1

5

Max

H min
i =1

5


+ Sai lệch trung bình số học của prôfin Ra: là trị số trung bình của
khoảng cách từ đỉnh trên đường nhấp nhô tế vi tới đường trung bình
OX.

Độ nhám bề mặt CTM
l

1
1 n
Ra = hx dx hi
l0
n i =1
Với:
-l: Chiều dài chuẩn
- hx: Chiều cao nhấp nhô tính từ đường chuẩn
- n: Số nhấp nhô được đo


Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) độ nhám được chia thành 14 cấp, trong đó
thấp nhất là cấp 1 và cao nhất là cấp 14. Rz được dùng cho trường hợp độ nhám
từ cấp 1-5, cấp 13, 14. Còn từ cấp 6-12 thì sử dụng Ra.
Cấp độ nhám

Ra(àm)

Rz(àm)

Không lớn hơn

1
2
3

84

40
20

320
150
80

4
5

10
5

40
20

6
7
8

2,5
1,25
0,63

10
6,3
3,2

9
10

11
12

0,32
0,16
0,08
0,04

1,6
0,8
0,4
0,2

Chiều dài
chuẩn l
(mm)

8
2,5

0,8

0,25

13
0,02
0,08
0,1
14 đỏ là ký 0,01
0,05 được sử dụng trên các bản vẽ

Ghi chú: Chữ in đậm màu
hiệu độ nhám


Ký hiệu độ nhám trên các bản vẽ kỹ thuật:
Ghi theo Rz:
Ghi theo Ra:

Rz40

5

Trong thực tế sản xuất, người ta thường hay sử dụng ký hiệu để chỉ độ bóng
bề mặt. Ký hiệu này cũng được sử dụng rộng rải trong các bản vẽ của các nước
công nghiệp phát triển như Nhật Bản, Đức, Mỹ v.v Tuy nhiên, khi ghi độ bóng
người ta thường kèm thêm phương pháp gia công.
Ví dụ: G có nghĩa là bề mặt đạt độ bóng đó bằng phương pháp mài.
:
Tương đương với Ra= 10-20àm
:
Tương đương với Ra= 2,5-5àm
: Tương đương với Ra= 1,25-0,32àm
: Tương đương với Ra= 0,16-0,01àm
G

- Độ sóng
Độ sóng là tập hợp tất cả độ nhấp nhô được lặp lại theo chu kỳ trên bề mặt chi
tiết. Độ sóng được xác định trên một chiều dài chuẩn lớn hơn so với độ nhám bề
mặt.

1.2. Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia công
Tính chất cơ lý được biểu thị bằng độ cứng bề mặt, sự biến đổi cấu trúc
tinh thể lớp bề mặt, chiều sâu lớp biến cứng bề mặt.
a) Hiện tượng biến cứng lớp bề mặt.
Trong quá trình gia công dưới tức dụng của lực cắt làm xô lệch mạng
tinh thể của kim loại lớp bề mặt, gây biến dạng dẻo ở vùng trước và sau
lưỡi cắt làm cho kim loại của lớp bề mặt bị cứng nguội, chắc lại và có độ
cứng tế vi cao.

Sơ đồ cắt trong
gia công cắt gọt


Sù thay ®æi cÊu tróc tinh thÓ líp bÒ mÆt


Thay ®æi ®é cøng trong líp bÒ mÆt mµi


b. ứng suất dư trong lớp bề mặt.
Khi gia công trong lớp bề mặt chi tiết xuất hiện ứng suất dư. Các
nguyên nhân chính gây ra ứng suất dư trong lớp bề mặt gia công là :
Khi cắt một lớp mỏng vật liệu trường lực gây ra biến dạng dẻo không
đều. Khi trường lực mật đi biến dạng dẻo gây ra ứng suất dư.
Biến dạng dẻo khi cắt làm chắc lớp kim loại bề mặt. Lớp kim loại bên
trong do không biến dạng dẻo nên vẫn bình thường. Lớp kim loại bên
ngoài có xu hướng tăng thể tích nhưng không tăng được nên gây ra ứng
suất nén, để cân bằng lớp bên trong gây ra ứng suất kéo.
Nhiệt sinh ra tại vùng cắt nung nóng cục bộ bề mặt, làm giảm môđun

đàn hồi của vật liệu. Sau khi cắt lớp bề mặt nguội nhanh, co lại gây ra
ứng suất dư kéo, để cân bằng lớp trong gây ra ứng suất dư nén.
Kim loại chuyển pha và nhiệt cắt làm thay đổi cấu trúc lớp kim loại bề
mặt và gây ra ứng suất dư nén nếu có xu hướng tăng thể tích.


ứng suất dư dưới lớp bề mặt

Chiều sâu tính từ bề mặt

- Đo độ nhám: Bằng dụng cụ quang học hay bằng các thiết bị đo tiếp xúc
- Đo độ cứng tế vi: Dùng các thiết bị đo độ cứng
- Đo ứng suất dư: Dùng phương pháp chiếu tia Rơn-ghen


2.2. ảnh hưởng của chất lượng bề mặt tới khả
năng làm việc của chi tiết máy.
2.2.1. ảnh hưởng tới tính chống mòn.
1. ảnh hưởng của độ nhám bề mặt.
Do bề mặt hai chi tiết tiếp xúc với nhau có nhấp nhô tế vi nên ở giai
đoạn đầu hai bề mặt này chỉ tiếp xúc với nhau trên một số đỉnh nhấp nhô
cao, diện tích tiếp xúc chỉ bằng một phần diện tích tính toán và tại đó có
áp suất rất lớn, thường vượt quá giới hạn chảy, có khi vượt cả giới hạn
bền của vật liệu, làm cho các điểm tiếp xúc bị nén đàn hồi và biến dạng
dẻo các nhấp nhô, đó là biến dạng tiếp xúc. Biến dạng tiếp xúc được xác
định theo công thức kinh nghiệm sau :
= C.px (àm)
Trong đó :
C, x hệ số và số mũ phụ thuộc vào điều kiện thực nghiệm.
p - áp suất tại chổ tiếp xúc.

Mßn ban ®Çu
Mßn b×nh th­êng
c

L­îng
mßn

b

Mßn khèc liÖt

a

L­îng
mßn cho
phÐp
α3

α2

α1

T T T

T

T

Qu¸ tr×nh mßn cña mét cÆp ma s¸t
ChÊt l­îng bÒ mÆt:
a: Tèt, b: Trung b×nh; c: XÊu

T

Thêi gian


§iÒu kiÖn lµm viÖc nÆng
§iÒu kiÖn lµm viÖc nhÑ
2
nß mgnî­ L

1

0

T

T

T

Thêi gian

Quan hÖ gi÷a l­îng mßn vµ ®iÒu kiÖn lµm viÖc ban ®Çu


2.2.2. ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy

1. nh hng ca nhỏm b mt:
Độ nhám bề mặt có ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy, nhất
là khi nó chịu tải trọng chu kỳ có đổi dấu, vì ở đáy các nhấp nhô có ứng
suất tập trung lớn, có khi vượt quá giới hạn mỏi của vật liệu.
Với thép 45: RZ = 75 àm thì -1 = 195 MN/m2 (195 N/mm2).
RZ = 2 àm thì -1 = 282 MN/m2 (282 N/mm2).
2. nh hng ca lp bin cng b mt:
Bề mặt bị biến cứng có thể tăng độ bền mỏi khoảng 20%. Chiều sâu và
mức độ biến cứng của lớp bề mặt đều có ảnh hưởng đến độ bền mỏi của
chi tiết máy, vì nó hạn chế khả năng gây ra các vết nứt tế vi làm phá
hỏng chi tiết, nhất là khi bề mặt chi tiết có ứng suất dư nén.
3. nh hng ca ng sut d:
ứng suất dư nén trên lớp bề mặt có tác dụng làm tăng độ bền mỏi của
chi tiết, còn ứng suất dư kéo thì ngược lại.

-1b = -1a - d

Với: -1a giới hạn mỏi khi không có ứng suất dư bề mặt; -1b giới hạn mỏi khi
có ứng suất dư bề mặt; d ứng suất dư bề mặt lớn nhất; hệ số phụ thuộc vật


2.2.3. ảnh hưởng đến tính ăn mòn hoá học của lớp bề mặt chi tiết
1. ảnh hưởng của độ nhám bề mặt.
Các chỗ lõm do nhấp nhô tế vi tạo ra là nơi chứa các chất ăn mòn. Như
vậy chiều cao nhấp nhô càng thấp thì càng bị ăn mòn.
2. ảnh hưởng của lớp biến cứng bề mặt.
Cấu trúc kim loại có hạt cứng (peclit) và hạt mềm (ferrit). Hạt mềm biến
dạng dẻo nhiều hơn khả năng biến cứng cao hơn mức năng lượng
nâng cao không đều thế năng điện tích của các hạt thay đổi khác nhau
ferrit trở thàh anốt (+) peclit trở thành catốt (-)

3. ảnh hưởng của ứng suất dư :
ứng suất dư hầu như không ảnh hưởng đến tính ăn mòn
2.2.4. ảnh hưởng đến độ chính xác các mối lắp ghép.
Nhận xét :
- Độ chính xác mối ghép phụ thuộc chất lượng bề mặt lắp ghép.
- Độ bền mối ghép (độ ổn định của chế độ lắp: chặt, lỏng, trung gian)
giữa các chi tiết tuỳ thuộc độ nhám bề mặt lắp ghép


2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết.
1. nh hưởng của các yếu tố hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt in
dập lên bề mặt gia công.
Chế độ cắt khi gia công bằng phương pháp cắt gọt (có phoi) gồm: Tốc độ
cắt V (m/ph); Lượng tiến dao: S (mm/vg ; Chiều sâu cắt : t (mm)
- Bước tiến dao S
S1

S1

T



Rz

Rz

T

1

1



,
1

2

Lượng tiến dao nhỏ

2

1

Lượng tiến dao lớn
+ Với S > 0,15 mm/vg :
+ Với S < 0,1 mm/vg :

S2
Rz =
8r
S 2 a min r.a min
Rz =
+
1 + 2
8r
2
S

Rz

Rz theo lý thuyết

Rz=S2/8r

0

0,01

0,02

0,03

0,05

S (m/vg)

Quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô Rz và lư
ợng chạy dao S (Lý thuyết)
- ảnh hưởng của chiều sâu cắt t
Chiều sâu cắt ảnh hưởng không đến độ nhám bề mặt trên phương diện
hình học nhưng nó lại tác động thông qua lực cắt và rung động


BÒ mÆt chi tiÕt m¸y sau khi mµi b»ng ®¸ CBN víi c¸c tèc ®é chi tiÕt kh¸c
Dry grinding
Cool-air grinding

nhau
Vｆ

3

9

15

SEM observation after 200 grinding passes
V ｆ =3, 9, 15 mm/s, V ＝ 30 ｍ /s, a ＝ 7μ ｍ


2. Các nguyên nhân phụ thuộc vào biến dạng dẻo
Mức độ biến dạng dẻo của lớp bề mặt phụ thuộc vào: vật liệu gia
công, chế độ cắt, thông số hình học của dụng cụ cắt, dung dịch trơn
lạnh
- ảnh hưởng của vật liệu gia công:
+ Vật liệu dẻo và dai (thép ít C) dễ bị biến dạng độ nhám tăng khi
biến dạng dẻo tăng.
+ Độ cứng của vật liệu tăng độ nhám giảm.
+ Giảm tính dẻo của vật liệu = biến cứng bề mặt cũng làm giảm độ
nhám.
- ảnh hưởng của vận tốc cắt V (m/ph):
ảnh hưởng của tốc độ cắt tới chất lượng bề mặt thông qua tốc độ
biến dạng, lực cắt cũng như nhiệt cắt sinh ra trong quá trình gia công.
Nói chung, tốc độ cắt là một thông số quan trọng ảnh hưởng tới chất lư
ợng gia công chi tiết nói chung và độ nhám bề mặt nói riêng.

Độ nhám bề mặt đo được
- Vật liệu chi tiết: C45
- Vật liệu dụng cụ cắt: P20
- Tốc độ chaỵ dao:0,2mm/vg;
- Chiều sâu cắt: 1mm

+ Khi V < 20m/ph, do tốc độ biến dạng nhỏ,nhiệt cắt nhỏ nên chất lượng bề
mặt tốt
+ Khi V =20 - 40m/ph, cắt ở vùng tốc độ này chất lượng bề mặt không tốt do
xuất hiện lẹo dao. Lẹo dao làm cho quá các thông số của dao thay đổi
+ Khi V>40m/ph: Chất lượng bề mặt tốt do lẹo dao đã bị nóng chảy và bị phoi
cuốn đi.
Nói chung khi gia công phải tránh vùng tốc độ cắt sinh ra lẹo dao



LÑo dao