luận văn Chất lượng và độ bền của chi tiết trong công nghệ hàn

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và
chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Trừ các phần
tham khảo đã được nêu rõ trong Luận văn.
Tác giả

Nguyễn Quốc Khá

-1-


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn GS. TS: Trần Văn Địch, người đã hướng dẫn và
giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài, tổ chức quá trình viết và hồn chỉnh Luận văn.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo và Viện đào tạo Sau đại học,
Viện Cơ khí của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để
hoàn thành bản Luận văn này.
Do năng lực bản thân cịn nhiều hạn chế nên Luận văn khơng tránh khỏi sai
sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cơ giáo, các nhà
khoa học và các bạn đồng nghiệp.

Tác giả

Nguyễn Quốc Khá

-2-


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................2

MỤC LỤC.............................................................................................................3
CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮVIẾT TẮT.........................................................................4
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.............................................................................5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼVÀ ĐỒTHỊ..............................................................6
PHẦN MỞĐẦU......................................................................................................8
Chương 1 CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT MÁY............................................13
1.1. Các yếu tố đặc trưng của chất lượng bề mặt.....................................................13

1.1.1. Chất lượng hình học của bề mặt gia cơng.....................................13
1.1.2. Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia công........................................16

1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết........................................18

1.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt..................................18
1.2.2. Các nguyên nhân ảnh hưởng đến độ biến cứng lớp bề mặt..........22
1.2.3. Ảnh hưởng đến ứng suất dư bề mặ...................................................24
t

1.3. Phương pháp đảm bảo chất lượng bề mặt.........................................................24

1.3.1. Phương pháp đạt độ nhẵn bề mặt....................................................24
1.3.2. Phương pháp đạt độ cứng bề mặt...................................................25
1.3.3. phương pháp đạt ứng suất dư bề mặt.............................................25

1.4. Nhận xét...........................................................................................................26

Chương 2 TỔNG QUAN VỀCÔNG NGHỆCNC...............................................27
2.1. Khái quát về máy công cụ CNC.......................................................................27

2.1.1. Lịch sử phát triên của máy công cụ CNC......................................27

2.1.2. Đặc điểm của máy công cụ CNC....................................................28

2.2. Khái quát về hệ thống điều khiển CNC............................................................30

2.2.1. Khái niệm hệ điều khiển số............................................................30
2.2.2. Các dạng điều khiển số...................................................................30
2.2.3. Hệ điều khiển CNC( Computer Numerical Control).....................30
2.2.4. Một số hệ điều hành........................................................................32

2.3. Máy tiện CNC – Đặc điểm, kết cấu..................................................................32

2.3.1. Sơ lược về máy tiện CNC................................................................32
2.3.2. Phân loại máy tiện CNC.................................................................32
Chương 3 THÉP CACBON VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ........................................34
3.1. Những đặc tính của thép cacbon.......................................................................34

3.1.1. Khái niệm:.......................................................................................34
3.1.2. Tính chất:........................................................................................35
3.1.3. Thành phần hố học........................................................................35
3.1.4. Ảnh hưởng của cacbon tính chất và công dụng của thép thường.....37
3.1.5. Ảnh hưởng của các tạp chấ..............................................................38
t

3.2. Phân loại thép cacbon.......................................................................................39

3.2.1. Phân loại theo chất lượng:...............................................................39
3.2.2. Phân loại theo thành phần cacbon..................................................40

3.3. Tiêu chuẩn thép cacbon....................................................................................42

3.3.1. Tiêu chuẩn Việt Nam:.....................................................................42
3.3.2. Tiêu chuẩn các nước........................................................................46
Chương 4 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐTHÔNG SỐCÔNG NGHỆ
ĐẾN ĐỘNHÁM BỀ MẶT CỦA CHI TIẾT KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY TIỆN
CNC....................................................................................................................49

-3-


4.1. Khái quát về nghiên cứu các thông số công nghệ.............................................49
4.2 Thiết kế thí nghiệm............................................................................................50
4.3. Mơ hình tốn học xác định mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt với chế độ cắt.. 53
4.4. Thực nghiệm với mẫu thép cacbon C45...........................................................56

4.4.1. Kiểm tra tính đồng nhất của thực nghiệm.....................................57
4.4.2. Tính các hệ số của phương trình hồi quy......................................59
4.4.3. Xây dựng đồ thị biểu diễn mối quan hệ của S, V, t đến Ra...........62

4.5. Kết luận chương 4............................................................................................64

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................65
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................67
PHỤ LỤC............................................................................................................69
CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu
Ra
Rz
Rmax
h

p
Si
Smi
l
ypmi
yvmi
n
C
x, y, z
ti
Ti
σ-1
σ-1a
σ-1b
σd
S
V
r
hmin
ϕ
ϕ1
γ

Thứ

Nội dung
- Sai lệch số học trung bình của prơfin
- Chiều cao nhấp nhơ theo 10 điểm của prôfin
- Chiều cao lớn nhất của prôfin
- Chiều cao nhấp nhơ

- Bước của nhấp nhơ
- Bước trung bình của nhấp nhơ theo đỉnh
- Bước trung bình của nhấp nhơ theo prôfin
- Chiều dài chuẩn
- Chiều cao đỉnh thứ i trong 5 đỉnh cao nhất
- Chiều cao đỉnh thứ i trong 5 đỉnh thấp nhất
- Số điểm chia, số thực nghiệm
- Hệ số
- Số mũ
- Thời gian mòn ban đầu, i = 1:3
- Thời gian mòn ổn định, i = 1:3
- Giới hạn bền mỏi
- Giới hạn bền mỏi khi khơng có ứng suất dư
- Giới hạn bền mỏi khi có ứng suất dư
- ứng suất dư lớn nhất ở lớp bề mặt
- Bước tiến dao
- Vận tốc cắt
- Bán kính mũi dao
- Chiều dày phoi nhỏ nhất
- Góc nghiêng chính của dao
- Góc nghiêng phụ của dao
- Góc trước của dao

-4-

ngun
µm
µm
µm
µm

µm
µm
µm
µm
µm
µm
Giây (s)
Giây (s)
N/mm2
N/mm2
N/mm2
N/mm2
mm/vịng
m/phút
mm
mm
Độ (0)
Độ (0)
Độ (0)


α
λ
ε
β
tC
HB

x
Yj

S2j
K
Gp

-

Góc sau của dao
Góc nâng của lưỡi cắt chính
Góc mũi dao
Góc sắc của dao
Chiều sâu biến cứng
Độ cứng Brinell
Giá trị trung bình
- Giá trị trung bình của yjk, k = 1 : k

Độ (0)
Độ (0)
Độ (0)
Độ (0)
mm
-

- Phương sai của dãy số yjk, k = 1 : k

-

- Số thí nghiệm song song được thực hiện trong
cùng một điều kiện
- Chỉ số Kokren

-

-

NC (Number Control) – Điều khiển số
CNC (Computer Numerical Control) – Điều khiển số có sự trợ giúp của máy tính
MCU (Machine Control Unit) – Hệ điều khiển máy
ATC (Automatic Tool Changer)
CAD (Computer Aided Design) – Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính
CAM (Computer Aided Manufacturing) – Sản xuất có sự trợ giúp của máy tính

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
TT Bảng số Nội dung
Trang
1
1.1
Cấp độ nhẵn bóng theo TCVN 2511-95
17
2
1.2
Cấp độ nhẵn ứng với các phương pháp gia công
25
Mức độ và chiều sâu biến cứng của các phương pháp gia
3
1.3
26
cơng
4
3.1
Cơ tính của các loại thép phân nhóm A

44

-5-


5

3.2

6

3.3

7
8
9
10

3.4
3.5
4.1
4.2

11

4.3

12
13
14

15

4.4
4.5
4.6
4.7

Thành phần hóa học và cơ tính của thép cacbon tốt
Cơ tính của thép cacbon thường loại A của Việt nam và
Nga
Thành phần hóa học của thép loại B
Thành phần hóa học thép cacbon tốt của Nhật
Thơng số kỹ thuật của máy phay CTX200E
Bảng tính tốn các thơng số cơng nghệ
Ma trận thự nghiệm của các thông số đầu vào của thí
nghiệm
Kết quả đo độ nhám với mẫu thực nghiệm thép C45
Bảng kiểm tra tính đồng nhất của thực nghiệm thép C45
Hệ số phương trình hồi quy mẫu thép C45
Bảng giá trị hàm số của vật liệu thép C45

44
47
48
49
52
54
57
58
58

60
62

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
TT
1
2

Hình số
1.1
1.2

3

1.3

4

`1.4

5

1.5

6

1.6

7

1.7

Nội dung
Trang
Các yếu tố hình học của lớp bề mặt.
15
Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt
15
Quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô và lượng tiến dao khi
20
tiện.
Ảnh hưởng của hình dáng hình học của dụng cụ cắt và
20
chế độ cắt đến nhấp nhô bề mặt khi tiện
Ảnh hưởng của lượng chạy dao S đối với chiều sâu biến
cứng tc, tùy theo loại vật liệu gia công và vật liệu làm
dụng cụ cắt
Ảnh hưởng của vận tốc cắt (V) đến chiều cao nhấp nhơ
tế vi (Rz)
Phân tích hệ lực tác dụng khi bào

-6-

21
22
23


8

1.8

9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21

1.9
2.1
2.2
2.3
3.1
3.2
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7

Ảnh hưởng của lượng tiến dao (S) và bán kính lưỡi cắt
(r) đến độ biến cứng bề mặt
Ảnh hưởng của góc trước tới lớp biến cứng bề mặt
Máy tiện CNC cỡ nhỏ
Máy tiện CNC cỡ lớn
Các trục của máy tiện CNC.
Ảnh hưởng của cacbon đến cơ tính của thép thường
Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C)
Máy tiện CNC CTX200E
Dao tiện CNC gắn mảnh hợp kim

Thiết bị đo độ nhám
Mẫu thực nghiệm thép C45
Đồ thị quan hệ Ra – V – t khi gia công thép C45
Đồ thị quan hệ Ra –V - S khi gia công thép C45
Đồ thị quan hệ S, t , Ra Khi gia công vật liệu thép C45

-7-

24
24
34
34
35
38
43
52
53
54
57

63
64
64


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Các chi tiết máy có độ chính xác, chất lượng bề mặt và độ bền cao là cơ sở
cho sự ra đời các loại thiết bị máy móc, thiết bị hiện đại có chất lượng cao (Độ
chính xác, độ tin cậy, độ bền cao...). Đặc biệt khi Việt Nam ra nhập tổ chức
thương mại thế giới WTO, hòa nhập với nền kinh tế thế giới, do đó việc gia cơng
đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế và đảm bảo tính cạnh tranh trên thị trường là một
đòi hỏi tất yếu đặt ra cho các nhà cơng nghệ. Việc chọn máy móc và chế độ gia
công hợp lý là một trong những yếu tố quan trọng nhất để đảm bảo chất lượng và
giá thành của sản phẩm.
Mặt khác những thông tin khoa học được xuất bản phần lớn mang tính lý
thuyết và định hướng, để có được các thơng tin mang tính định lượng, chi tiết cụ thể
thì ta phải làm rất nhiều thí nghiệm, tốn thời gian và tiền bạc nên rất khó để các
trung tâm nghiên cứu nước ngoài cũng như trong nước công bố, do vậy muốn tiếp
cận được các thông tin này thì cần phải mua lại với giá rất cao. Tuy nhiên cũng có
rất nhiều tài liệu, sổ tay với các số liệu phần lớn từ các cơng trình nghiên cứu cũ và
không chứa đủ thông tin do điều kiện thí nghiệm khác xa với cơng nghệ hiện nay.
Trong những năm trở lại đây ở Việt Nam có xu hướng sử dụng máy gia công
cắt gọt hiện đại được điều khiển theo chương trình số (NC, CNC) như máy tiện,
máy phay 3 trục, 4 trục, 5 trục, máy phay tốc độ cao (High – Speed - Cutting), trung
tâm gia công tiện – phay .v.v.. để nâng cao chất lượng và giảm giá thành sản phẩm.
Thực tế cho thấy là chất lượng đã được nâng cao, áp lực công việc của người thợ
giảm, nhưng giá thành chưa giảm, thậm chí chi phí gia cơng cịn cao hơn nhiều so
với máy vạn năng. Có rất nhiều nguyên nhân của sự tăng chi phí đó, nhưng ngun
nhân chính là các nhà cơng nghệ chưa chọn được chế độ cắt phù hợp cho nhóm máy

này. Do đó việc nghiên cứu để lựa chọn chế độ cắt phù hợp cho nhóm máy CNC là
một yêu cầu cấp thiết đặt ra cho các nhà nghiên cứu.
Chất lượng của chi tiết chính là khả năng làm việc của nó, khả năng làm việc
của chi tiết máy chịu ảnh hưởng quyết định bởi các thông số về chất lượng bề mặt

-8-


làm việc. Vì vậy muốn đạt được khả năng làm việc của chi tiết máy được hiệu quả
nhất thì phải đảm bảo yêu cầu về chất lượng bề mặt, để giải quyết vấn đề đó thì ta
phải tìm được mối quan hệ giữa các thông số chất lượng bề mặt như Ra, Rz,...với
các điều kiện gia công như chế độ cắt (V, t, S), thơng số hình học của dao ...Dựa
vào mối quan hệ đó thì người làm cơng nghệ có thể điều khiển các thơng số cơng
nghệ của máy và dao để đảm bảo chất lượng bề mặt chi tiết máy trong q trình gia
cơng, từ đó dẫn đến tăng năng suất do (Khai thác được tối đa công suất của máy) và
hạ giá thành sản phẩm tiến tới tối ưu hóa q trình cắt gọt trên máy đó.
Về công dụng của vật liệu thép cacbon thông thường trong chế tạo máy thì
thường được dùng để chế tạo các chi tiết trục, bánh răng ...
Xuất phát từ những đặc điểm và tình hình trên tác giả chọn đề tài:

“ Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến độ nhám bề mặt
khi tiện thép cacbon trên máy tiện CNC ”
2. Lịch sử nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt
chi tiết máy trong q trình gia cơng thực chất là xác lập mối quan hệ giữa độ nhám
bề mặt(đầu ra) với thông số công nghệ(đầu vào) sau đó các nhà cơng nghệ dựa vào
mối quan hệ đó để điều khiển chế độ cắt phù hợp cho máy và dao trong q trình
gia cơng đạt được u cầu chất lượng bề mặt.
Việt Nam có xu hướng sử dụng máy CNC ngày càng nhiều, do yêu cầu cấp
thiết của thực tế sản xuất, nên những đề tài nghiên cứu ứng dụng nhằm khai thác

hiệu quả máy CNC là khá lớn trong các đề tài nghiên cứu khoa học, luận án tiến sỹ,
luận văn thạc sỹ, có thể kể đến: Phan Cơng Trình, Nghiên cứu các ảnh hưởng của
các thơng số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy khi gia công trên máy
phay CNC, Luận văn cao học, ĐHBKHN (2006); Trần Xuân Việt, Phạm Văn Bổng,
Khảo sát thực nghiệm về ảnh hưởng của các thông số công nghệ V, t, S đến lực cắt
trên máy tiện CNC, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 105 (12/2005); Hà Quang Sáng ,
Xác lập mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt với các thông số công nghệ khi gia cơng
vật liệu có tính dẻo cao trên máy tiện CNC, Luận văn thạc sỹ, ĐHBK-HN (2006);

-9-


Nguyễn Quốc Tuấn, Điều khiển các thông số công nghệ để đảm bảo chất lượng bề
mặt chi tiết máy khi gia công vật liệu Nhôm và hợp kim Nhôm trên máy phay CNC,
Luận văn thạc sỹ, ĐHBK-HN (2007); Nguyễn Thị Linh, Nghiên cứu chất lượng bề
mặt gia công khi mài thép SUJ 2 bằng đá mài CBN trên máy mài phẳng, Luận văn
thạc sỹ, ĐHKTCN – Thái Nguyên……
Trong nhóm đề tài trên có nhiều đề tài trực tiếp nghiên cứu ảnh hưởng của một
số yếu tố công nghệ đến độ nhám bề mặt, điều đó chứng tỏ việc nghiên cứu ảnh
hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy là rất quan
trọng.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.
3.1. Mục đích nghiên cứu.
- Mục đích nghiên cứu là: Đánh giá chất lượng bề mặt chi tiết khi gia công
thép cacbon thông thường trên máy tiện CNC CTX200E, từ đó xác lập mối quan hệ
giữa các thơng số độ nhám bề mặt với chế độ cắt để người làm công nghệ điều
khiển máy gia công với chế độ cắt phù hợp theo độ nhám yêu cầu.
- Dùng làm tài liệu tham khảo cho sản xuất, giảng dạy và học tập.
3.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là:

- Chất lượng bề mặt khi gia công thép cacbon thông thường trên máy tiện CNC
- Ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt gia công khi gia công vật liệu
thép cacbon thông thường trên máy tiện CNC.
- Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy
gồm nhiều yếu tố như thông số chế độ cắt, thơng số hình học của dao… Phạm vi
nghiên cứu của đề tài là tìm ra mối quan hệ của chất lượng bề mặt chi tiết máy Ra
với các thông số chế độ cắt V, t, S khi tiện vật liệu thép cacbon thông thường trên
máy tiện CNC.
- Máy thực nghiệm: là máy tiện CNC CTX 200E của Đức.
- Vật liệu gia công là thép cacbon C45.
- Vật liệu làm dao là mảnh hợp kim TN150 của WIDIA – GERMANY.

- 10 -


- Đối tượng gia công là tiện trụ trơn
- Thiết bị đo độ nhấp nhô tế vi bề mặt của hãng Mitutoyo – Nhật Bản
4. Tóm tắt nội dung thực hiện và đóng góp mới của tác giả
Nội dung nghiên cứu gồm:
- Nghiên cứu khái quát về chất lượng bề mặt gia công và ảnh hưởng của một
số yếu tố công nghệ đến độ nhám bề mặt khi tiện thép cacbon trên máy tiện CNC.
- Nghiên cứu khái quát về công nghệ CNC.
- Nghiên cứu khái quát về vật liệu thép cacbon.
- Đánh giá chất lượng bề mặt khi tiện trên máy tiện CNC;
- Thực nghiệm với điều kiện thực tế, đo và kiểm tra kết quả thực nghiệm, xử
lý số liệu, xây dựng mơ hình thực nghiệm về quan hệ giữa độ nhám bề mặt gia công
với chế độ cắt khi tiện vật liệu thép cacbon trên máy tiện CNC;
Với ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tế của luận văn sau khi hồn thành sẽ có
những đóng góp đáng kể cho các nhà cơng nghệ.
Ý nghĩa khoa học: Bằng cơ sở lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, luận văn đưa

ra được hàm tốn học mơ tả mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và thông số chế độ
cắt để làm cơ sở cho các nhà cơng nghệ chọn chế độ cắt sau đó điều khiển nó theo
u cầu của mình và cũng làm cơ sở cho các quá trình nghiên cứu khác và hỗ trợ
thiết kế các phần mềm trợ giúp cho điều khiển chế độ cắt.
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu trên của tác giả sẽ đóng góp thêm vào
ngân hàng tra cứu cho các nhà cơng nghệ trong q trình khai thác và sử dụng máy
tiện CNC với hiệu quả cao nhất để gia công chi tiết đảm bảo yêu cầu của chất lượng
bề mặt.
Làm cơ sở cho việc nghiên cứu các khía cạnh khác của q trình cắt.
Giúp cho việc lựa chọn chế độ công nghệ khi soạn một chương trình NC cho
máy và khai thác triệt để máy hơn góp phần vào việc nâng cao năng suất và hạ giá
thành sản phẩm. Đây là một yếu tố quan trọng và có ý nghĩa đối với sự phát triển
trong dạy học và sản xuất.

- 11 -


Đạt được khả năng cho năng suất cao nhất nhưng vẫn đảm bảo chất lượng bề
mặt theo yêu cầu trong sản xuất.
5. Phương pháp nghiên cứu.
Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với
thực nghiệm:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết.
- Tiến hành thí nghiệm và xử lý số liệu thí nghiệm.
- Phân tích và đánh giá kết quả.

- 12 -


Chương 1

CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT MÁY
Chất lượng sản phẩm là một chỉ tiêu quan trọng phải đặc biệt quan tâm khi
chuẩn bị công nghệ chế tạo sản phẩm, nó có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng làm
việc của chi tiết máy. Chất lượng sản phẩm trong nghành chế tạo máy bao gồm chất
lượng chế tạo chi tiết và chất lượng của các chi tiết lắp ghép với nhau thành sản
phẩm hoàn chỉnh. Đối với các chi tiết máy thì chất lượng chế tạo chúng được đánh
giá bằng các thơng số sau đây:
- Độ chính xác về kích thước các bề mặt.
- Độ chính xác về hình dáng các bề mặt.
- Độ chính xác về vị trí tương quan các bề mặt.
- Chất lượng bề mặt.
1.1. Các yếu tố đặc trưng của chất lượng bề mặt
Khả năng làm việc của chi tiết máy phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của lớp
bề mặt. Các yếu tố đặc trưng cho chất lượng bề mặt chi tiết máy bao 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 mịn, khả
năng chống xâm thực hố học, độ bền mỏi...).
- Chất lượng bề mặt chi tiết máy phụ thuộc vào phương pháp và điều kiện gia
công cụ thể. Chất lượng bề mặt là mục tiêu chủ yếu cần đạt được ở bước gia công
tinh của các chi tiết máy. Lớp bề mặt chi tiết máy khác với lớp lõi về cấu trúc của
kim loại, về tính chất cắt gọt và trạng thái biến cứng. Nguyên nhân chính của sự
khác nhau là sự biến dạng dẻo lớp bề mặt. Mức độ và chiều sâu của lớp biên cứng
phụ thuộc vào lực cắt và nhiệt cắt.
1.1.1. Chất lượng hình học của bề mặt gia công
Bề mặt sau khi gia công khơng bằng phẳng một cách lý tưởng mà có những
nhấp nhơ. Những nhấp nhơ này là do q trình biến dạng dẻo của bề mặt chi tiết khi

- 13 -

gia công cắt gọt và là vết lưỡi cắt để lại trên bề mặt gia công, là ảnh hưởng của chấn
động khi cắt và nhiều nguyên nhân khác.
Không phải tất cả các nhấp nhô trên bề mặt đều là nhám bề mặt, mà nó là tập
hợp những nhấp nhơ có bước tương đối nhỏ và được xét trong giới hạn dài chuẩn, l
(hình 1.1).
- Những nhấp nhơ có tỷ số giữa bước nhấp nhô (p) và chiều dài nhấp nhô (h)
bé hơn hoặc bằng 50 (p/h<=50) thì thuộc về nhám bề mặt.
- Những nhấp nhơ mà (50

- Những nhấp nhô mà (1000

- Nhám bề mặt là một thơng số hình học có ảnh hưởng lớn đến chất lượng sử

h2

h1

dụng của chi tiết máy.

h3

Hình 1.1. Các yếu tố hình học của lớp bề mặt.
h1 : Sai lệch hình dạmg
h2 : Sóng bề mặt
h3 : Độ nhám bề mặt

a. Độ nhấp nhô tế vi : Theo tiêu chuẩn TCVN2511-95, để đánh giá độ nhám người

ta sử dụng hai

Hình 1.2. Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt

- 14 -

chỉ tiêu :


- Sai lệch số học trung bình của prơfin, R a: là trị số số học trung bình của các
giá trị tuyệt đối của sai lệch prôfin trong giới hạn chiều dài chuẩn. Sai lệch prôfin là
khoảng cách từ các điểm trên prơfin thực đến đường trung bình, đo theo phương
pháp tuyến với đường trung bình. Đường trung bình của (m) là đường chia prơfin
theo hai phần có có diện tích giới hạn (phần gạch đứng) bằng nhau.
l

Gần đúng :

1
R a = ∫ y x dx
l0

(1.1)

1 n
∑ yx
n 0

(1.2)

Ra =

- 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. R z được sử dụng khi độ nhám quá lớn hoặc
quá nhỏ.

Rz =

5

5

i =1

i =1

∑ ypmi − ∑ y vmi

(1.3)

5

Tiêu chuẩn TCVN2511-95 cũng đưa ra 14 cấp nhẵn bóng với giá trị tương
ứng của Rz, Ra và chiều dài đo chuẩn như (bảng 1.1).
Trong đó Tiêu chuẩn cũng khuyến cáo, đối với các bề mặt quá nhám hoặc q
nhẵn thì nên ghi độ nhám theo Rz cịn các bề mặt có độ nhám trung bình thì nên ghi
theo Ra. Cụ thể là các cấp nhẵn từ cấp 1 đến cấp 5 và cấp 13, 14 thì ghi theo R z cịn
các cấp 6 đến 12 thì ghi theo Ra.

- 15 -

Ngoài hai chỉ tiêu quan trọng là R z và Ra, Tiêu chuẩn còn đưa ra chỉ tiêu R max
(là chiều cao nhấp nhô lớn nhất trong chiều dài xét) để đánh giá các bề mặt làm việc
quan trọng.
b. Độ sóng.
Độ sóng bề mặt là chu kỳ khơng bằng phẳng của bề mặt chi tiết máy được
quan sát trong phạm vi lớn hơn độ nhám bề mặt (từ 1 đến 10 mm). Độ sóng bề mặt
thường xuất hiện khi gia cơng có rung động của hệ thống cơng nghệ, q trình cắt
khơng liên tục, dụng cụ cắt bị đảo... Thơng thường độ sóng xuất hiện khi gia cơng
chi tiết có kích thước lớn và trung bình bằng các phương pháp tiện, phay và mài.
Bảng 1.1. Cấp nhẵn bóng theo TCVN2511 - 95
Cấp nhẵn bóng
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

Rz lớn nhất, µm
320
160

80
40
20
0,10
0,05

Ra lớn nhất, µm
2,5
1,25
0,63
0,32
0,16
0,08
0,04
-

Chiều dài chuẩn l, mm
8,0
2,5
0,8

0,25
0,08

1.1.2. Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia cơng
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 tác 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. Phoi kim

loại được tạo ra do biến dạng dẻo của các hạt kim loại trong vùng trượt. Giữa các
hạt tinh thể kim loại xuất hiện ứng suất. Thể tích riêng và mật độ kim loại giảm ở

- 16 -


vùng cắt. Giới hạn bền, độ cứng, độ giòn của lớp bề mặt được nâng cao. Đồng thời
tính dẫn từ của lớp bề mặt cũng thay đổi. Nhiều tính chất khác của lớp bề mặt cũng
thay đổi. Kết quả tổng hợp là lớp bề mặt bị cứng nguội, chắc lại và có độ cứng tế vi
cao.
Mức độ biến cứng, chiều sâu lớp biến cứng phụ thuộc vào tác dụng của lực
cắt, mức độ biến dạng dẻo của kim loại và ảnh hưởng nhiệt trong vùng cắt. Lực cắt
tăng làm tăng mức độ biến dạng dẻo làm tăng mức độ biến cứng và chiều sâu lớp
biến cứng của bề mặt. Nhiệt cắt hạn chế hiện tượng biến cứng bề mặt. Như vậy mức
độ biến cứng của lớp bề mặt phụ thuộc vào tỷ lệ tác động của hai yếu tố lực cắt và
nhiệt sinh ra trong vùng cắt.
b. Ứng suất dư trong lớp bề mặt
Khi gia công trong lớp bề mặt chi tiết xuất hiện ứng suất dư. Trị số, dấu và
chiều sâu phân bố của ứng suất dư trong lớp bề mặt phụ thuộc vào điều kiện gia
công cụ thể. Các nguyên nhân chính gây ra ứng suất dư trong lớp bề mặt gia công
bao gồm :
- Khi cắt một lớp mỏng vật liệu trường lực gây ra biến dạng dẻo không đều ở
từng khu vực trong lớp bề mặt. Khi trường lực mất đi, biến dạng dẻo gây ra ứng
suất dư trong lớp bề mặt.
- Biến dạng dẻo khi cắt làm chắc lớp kim loại bề mặt, làm tăng thể tích lớp kim
loại mỏng ở ngồi cùng. Lớp kim loại bên trong do không biến dạng dẻo nên vẫn
giữ được thể tích bình thường. Lớp kim loại bên ngồi có xu hướng tăng thể tích
nhưng khơng 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 lớp 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,
dẫn đến sự thay đổi về thể tích của kim loại. Lớp kim loại nào hình thành cấu trúc

- 17 -


có thể tích riêng lớn sẽ sinh ra ứng suất dư nén; lớp kim loại nào hình thành cấu trúc
có thể tích riêng nhỏ sẽ sinh ra ứng suất dư kéo.
1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết
Trạng thái và tính chất bề mặt chi tiết máy trong q trình gia cơng do nhiều
yếu tố cơng nghệ quyết định.
Tính chất cơ lý của lớp bề mặt chi tiết máy bị thay đổi dưới tác dụng của lực
cắt và nhiệt sinh ra trong vùng cắt. Ở các phương pháp cắt gọt (tiện, phay, khoan,
…) thì tác động của lực cắt đối với tính chất cơ lý của lớp bề mặt thường mạnh hơn
tác động của nhiệt cắt. Khi mài thì tác động của nhiệt cắt đến tính chất cơ lý của lớp
bề mặt mạnh hơn nhiệt cắt. Đối với các phương pháp gia công biến dạng dẻo thì có
hiện tượng thốt cacbon ở lớp bề mặt.
Nói chung, q trình hình thành tính chất hình học và cơ lý của lớp bề mặt rất
phức tạp. Sau đây chỉ xét các yếu tố cơ bản nhất.
1.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt
1.2.1.1. Ảnh hưởng của các yếu tố hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt.
Mối quan hệ giữa các thông số hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt đối với
chất lượng bề mặt chi tiết máy đã được nhiều tài liệu đề cập đến [5,8]. Người ta đã
xác định được ảnh hưởng của lượng tiến dao S, bán kinh mũi dao r, chiều dày phôi
nhỏ nhất hmin đến độ nhám bề mặt bằng các công thức quan hệ (1.4) và (1.5).
Với S > 0,15 mm/vg thì : R z =

S2

8r

(1.4)

S2 h min  r.h min 
+
Với S < 0,1 mm/vg thì : R z =
1 + 2 ÷
8r
2 
S 

(1.5)

Từ công thức quan hệ (1.4) và (1.5) ta thấy rằng khi S tăng thì giá trị R z sẽ
tăng; khi bán kính mũi dao tăng thì Rz giảm. Quan hệ này được chỉ ra một cách trực
quan ở hình 1.4.
Hình 1.3. [8], đường cong 1 biểu diến mối quan hệ tổng quát giữa R z, S và r,
cụ thể là trong phạm vi giá trị lượng chạy dao S > 0,15 mm/vòng.

- 18 -


Đường cong 2 biểu thị mối quan hệ thực nghiệm, kể cả phạm vi giá trị lượng
chạy dao S nhỏ hơn (S < 0,1 mm/vịng). Từ đường cong 2 có thể xác định được mối
quan hệ giữa Rz, S và r, hmin đối với bước tiện tinh và biểu thị bằng đường cong 3.
Nếu lượng chạy dao quá nhỏ (S < 0,03 mm/vịng) thì R z tăng do có hiện tượng
trượt dao.
Ra
(µm)

2

1
3

0

0,05 0,10 0,15 0,20

S (m/vg)

Hình 1.3 - Quan hệ giữa chiều cao nhấp nhơ
và lượng tiến dao khi tiện.
Hình 1.4. là sơ đồ biểu diễn sự phụ thuộc của R z vào S, ϕ, ϕ1 và r. Từ hình
1.4.a, ta thấy rằng khi lượng chạy dao là S 1, dao di chuyển từ vị trí 1 đến vị trí 2 sẽ

Hình 1.4 - Ảnh hưởng của hình dáng hình học của dụng cụ cắt và chế độ
- 19 cắt đến nhấp nhô bề mặt khi tiện


để lại lượng m khơng thể cắt được từ đó sinh ra độ nhám R z’, khi giảm lượng chạy
dao (S2 < S1) thì m sẽ nhỏ và sinh ra độ nhám nhỏ (R z” < Rz’), hình 1.4.b. Khi giảm
góc nghiêng chính (ϕ) và góc nghiêng phụ (ϕ1) thì Rz cũng sẽ giảm (hình 1.4.c). So
sánh hình 2.8.d và hình 1.8.e, ta thấy khi tăng bán kính mũi dao (r 2 > r1) thì Rz sẽ
giảm.
Hình 1.4.f cho thấy chiều sâu cắt hầu như không ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt.
Góc trước của dao γ và độ mịn dụng cụ cũng ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt, khi
góc trước tăng thì Rz giảm, cịn khi độ mịn dụng cụ tăng thì R z giảm. Đối với chiều
sâu biến cứng, khi lượng chạy dao nằm trong khoảng từ 0,3 đến 0,5 mm/vòng,

người ta xác định được quan hệ với S theo cơng thức 1.6.
tC = C.Sx (µm)

(1.6)

C, x phụ thuộc vào vật liệu gia cơng (ví dụ, vật liệu thép 35 thì C = 134 ; x = 0,35.
Khi vật liệu là thép 60 thì C = 52 ; x = 0,22) [8].

Hình 1.5 - Ảnh hưởng của lượng chạy dao S đối với chiều sâu biến cứng tc, tùy
theo loại vật liệu gia công và vật liệu làm dụng cụ cắt.
Cắt thép C35, dao thép gió HS10, V = 400m/ph.
Cắt thép C35, dao kêramic (gốm), V =600m/ph.
Cắt thép C60, dao thép gió HS10, V = 400m/ph.
Cắt thép C60, dao kêramic (gốm), V =600m/ph.
Với chiều sâu cắt 1mm, các góc của dao : α = 50 ; γ = -50 ; λ = 0 ;

ϕ = 600 ; bán kính r = 1,25mm ; ε = 900.

- 20 -


Hình 1.5 [8], biểu diễn mối quan hệ giữa lượng chạy dao S đến chiều sâu biến
cứng tc tùy theo vật liệu gia công và vật liệu làm dụng cụ cắt.
1.2.1.2. Các nguyên nhân phụ thuộc vào biến dạng dẻo của lớp bề mặt đến Rz.
Khi vật liệu lớp bề mặt chi tiết máy bị biến dạng dẻo mạnh, các cấu trúc tinh
thể biến thành cấu trúc sợi làm thay đổi hình dạng và trị số nhấp nhơ tế vi. Ở kim
loại giòn, các hạt tinh thể cá biệt bị bóc rời ra cũng làm thay đổi hình dạng nhấp nhơ
tế vi và làm tăng kích thước nhấp nhơ tế vi.
Đối với vận tốc cắt v, khi gia công thép, vận tốc khoảng (15 ÷ 20) m/ph thì Rz
tăng vì ở trong khoảng vận tốc này có xuất hiện lẹo dao. Nếu vận tốc cắt tiếp tục

tăng đến khoảng (30 ÷ 60) m/ph thì lực ma sát giữa phơi và lẹo dao lớn hơn lực bám
dính của lẹo dao trên mặt dao, làm cho Rz giảm dần. Nếu vận tốc lớn hơn 100 m/ph
thì lẹo dao khơng thể hình thành nên độ nhám bề mặt ổn định (hình 1.6).

Hình 1.6 - Ảnh hưởng của vận tốc cắt (V) đến chiều cao nhấp nhô tế vi (Rz)

Khi gia công kim loại giòn (gang), các mảnh vỡ kim loại sẽ trượt lộn xộn lên
bề mặt chi tiết làm tăng độ nhám. Nếu cắt với vận tốc cao thì sẽ giảm được độ hiện
tượng vỡ vụn của phoi nên sẽ giảm được độ nhám bề mặt.
Lượng chạy dao ngồi ảnh hưởng mang tính hình học, cịn có ảnh hưởng lớn
đến biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi ở bề mặt gia công. Hình 1.7 là sơ đồ biểu
diễn mối quan hệ giữa lượng chạy dao S và độ nhám R z khi gia công thép cacbon.
Độ nhám bề mặt khá ổn định khi S nằm trong khoảng (0,02 ÷ 0,15) mm/vịng. Nếu
S < 0,02 mm/vịng thì độ nhám bề mặt tăng do có hiện tượng trượt dao gây biến

- 21 -


dạng dẻo lớn, nếu lượng chạy dao S > 0,15 mm/vịng thì ảnh hưởng của S mang yếu
tố hình học lớn hơn yếu tố biến dạng nên độ nhám bề mặt sẽ tăng do vết lưỡi cắt để
lại trên bề mặt chi tiết.Ảnh hưởng của các góc của dao :
y

δ=
β
α+

γ

v

β

θ

P

ρ

ρ

z

R

α

N

A
δ

γ

Hình 1.7 - Phân tích hệ lực tác dụng khi bào

Ví dụ : Khi bào vì α + β + γ = const ⇒ α tăng, γ tăng ⇒ β giảm ⇒ dao sắc ⇒
thoát phoi dễ ⇒ Rz giảm. Khi α tăng ⇒ ma sát giữa phôi và dao giảm ⇒ P giảm ⇒
Rz giảm. Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội :
Tưới dung dịch trơn nguội vào vùng cắt để giảm nhiệt, bôi trơn bề mặt gia

công, giảm ma sát, giảm mịn dao và thốt phoi dễ ⇒ Rz giảm.
1.2.1.3. Nguyên nhân do rung động của hệ thống công nghệ đến Rz.
Nguyên nhân gây rung động là do lực cắt không đều.
Rung động sẽ tạo ra chuyển động tương đối giữa phôi và dao dẫn đến độ nhám và
độ sóng bề mặt tăng. Có thể giảm rung bằng cách tăng độ cứng vững cho hệ thống
công nghệ, điều chỉnh máy tốt, nâng cao độ chính xác của các cơ cấu truyền động,
thay đổi hình dáng hình học của dao sao cho lực cắt giảm theo hướng có rung.
1.2.2. Các nguyên nhân ảnh hưởng đến độ biến cứng lớp bề mặt.
Khi thay đổi chế độ cắt bằng cách tăng lực cắt và mức độ biến dạng dẻo thì
mức độ biến cứng bề mặt tăng. Nếu kéo dài sự tác dụng của lực cắt trên bề mặt kim
loại sẽ làm tăng chiều sâu lớp biến cứng bề mặt. Khi tiện mức độ biến cứng bề mặt
chi tiết gia công sẽ tăng nếu tăng lượng tiến dao S và bán kính mũi dao r (hình 1.8)

- 22 -


[8]. Nếu tăng góc trước từ giá trị âm đến giá trị dương thì khả năng thốt phoi dễ
nên mức độ biến dạng dẻo giảm dẫn đến mức độ và chiều sâu lớp biến cứng bề mặt
chi tiết giảm (hình 1.9) [8]. Vận tốc cắt có tác dụng rút ngắn thời gian tác động của
lực cắt lên bề mặt chi tiết, vì vậy khi tăng lực cắt thì chiều sâu và mức độ biến cứng
sẽ giảm.

Hình 1.8 - Ảnh hưởng của lượng tiến dao (S) và bán
kính lưỡi cắt (r) đến độ biến cứng bề mặt.
Với lượng tiến dao S = 0,12 mm/vòng.
Với lượng tiến dao S = 0,25 mm/vòng.
Với lượng tiến dao S = 0,50 mm/vòng.
Với lượng tiến dao S = 0,76 mm/vịng.

Hình 1.9 - Ảnh hưởng của góc trước tới lớp biến cứng bề mặt

- 23 -


1.2.3. Ảnh hưởng đến ứng suất dư bề mặt
Nguyên nhân gây ra ứng suất dư bề mặt là do: biến dạng dẻo, biến dạng đàn
hồi, biến đổi nhiệt, chuyển pha trong cấu trúc kim loại.
Nói cung chế độ cắt, hình dáng hình học dụng cụ cắt và dung dịch trơn nguội
là những yếu tố ảnh hưởng nhiều đến sự hình thành ứng suất dư bề mặt chi tiết máy,
kể cả ứng suất tiếp tuyến, pháp tuyến và hướng trục. Tuy nhiên quan hệ giữa ứng
suất dư và các yếu tố trên là rất phức tạp.
1.3. Phương pháp đảm bảo chất lượng bề mặt
Để đảm bảo chất lượng bề mặt gia công, trước hết phải chuẩn bị hệ thống
công nghệ tốt. Ở đây đưa ra phương pháp đảm bảo về độ nhẵn bề mặt, chiều sâu và
mức độ biến cứng bề mặt và ứng suất dư bề mặt.
1.3.1. Phương pháp đạt độ nhẵn bề mặt
Có thể chọn phương pháp gia cơng với chế độ cắt hợp lý để tạo ra độ nhẵn (độ
nhám) đạt giá trị yêu cầu. Bảng 1.2 [5] cho biết các phương pháp gia cơng cắt gọt
có khả năng tạo ra cấp độ nhẵn tương ứng.
Bảng 1.2. Cấp độ nhẵn ứng với các phương pháp gia công
Phương pháp gia công
Tiện, bào thô
Tiện, bào tinh
Tiện, bào rất tinh
Phay thô
Phay tinh
Khoan, khoét
Doa
Chuốt
Chuốt tinh

Mài thô
Mài tinh
Mài rất tinh
Mài nghiền
Mài khôn
Mài siêu tinh xác
Đánh bóng bằng bột mài

Cấp nhẵn bóng
3
4÷6
6÷7
4
5÷7
3÷6
6÷8
6÷7
7÷8
5÷6
7÷8
9 ÷ 10
9 ÷ 13
7 ÷ 10
10 ÷ 14
11 ÷ 13

- 24 -


12 ÷ 14

Đánh bìng bằng vải
1.3.2. Phương pháp đạt độ cứng bề mặt

Chiều sâu và mức độ biến cứng bề mặt phụ thuộc vào phương pháp gia công.
Bảng 1.3. cho biết khả năng biến cứng của các phương pháp gia công.
Bảng 1.3. Cấp độ nhẵn ứng với các phương pháp gia công
Phương pháp gia công

Tiện thô
Tiện tinh
Phay bằng dao phay mặt đầu
Phay bằng dao phay trụ
Khoan và khoét
Doa
Chuốt
Phay lăn răng và xọc răng
Cà răng
Mài tròn thép chưa nhiệt luyện
Mài tròn thép ít nhiệt luyện
Mài trịn thép nhiệt luyện
Mài phẳng

Mức độ bin cng Chiu sõu bin cng
(%)

(àm)

120 ữ 150
140 ữ 180

140 ÷ 160
120 ÷ 140
160 ÷ 170
150 ÷ 160
150 ÷ 200
160 ÷ 200
120 ÷ 180
140 ÷ 160
160 ÷ 200
125 ÷ 130
150

30 ÷ 50
20 ÷ 60
40 ÷ 100
40 ÷ 80
180 ÷ 200
150 ÷ 200
20 ÷ 75
120 ÷ 150
80 ÷ 100
30 ÷ 60
30 ÷ 60
20 ÷ 40
16 ÷ 25

1.3.3. phương pháp đạt ứng suất dư bề mặt
Khi gia công bằng dụng cụ cắt có lưỡi thì ứng suất dư phụ thộc vào biến dạng
đàn hồi của vật liệu gia công và dụng cụ cắt, đồng thời cũng phụ thuộc vào chế độ
cắt thông số hình học của dao và dung dịch trơn nguội.

Các thành phần khác nhau trên bề mặt gia công thường có ứng suất dư khác
nhau về trị số và dấu, nên ảnh hưởng của chế độ cắt, của thông số hình học dụng cụ
cắt, của dung dịch trơn nguội đối với ứng suất dư cũng khác nhau.
Dựa vào những kết quả nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến ứng suất dư
lớp bề mặt của chi tiết gia cơng có thể kết luận sơ bộ như sau [5] :

- 25 -