Xác lập quan hệ giữa độ nhám bề mặt với các thông số công nghệ khi gia công vật liệu có tính dẻo cao trên máy phay CNC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐỖ TÙNG LINH

XÁC LẬP QUAN HỆ GIỮA ĐỘ NHÁM BỀ MẶT VỚI CÁC THÔNG SỐ
CÔNG NGHỆ KHI GIA CÔNG VẬT LIỆU CÓ TÍNH DẺO CAO TRÊN
MÁY PHAY CNC

Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS.TS. NGUYỄN ĐẮC LỘC

HÀ NỘI - 2010


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, các kết quả nghiên cứu
trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố ở bất kỳ công
trình nào khác.
Tác giả

Đỗ Tùng Linh


MỤC LỤC

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa

1

Lời cam đoan

2

Mục lục

3

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

6

Danh mục các bảng

7

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

8

Mở đầu

10

Chương 1 : CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT MÁY

16

1.1. Các yếu tố đặc trưng của chất lượng bề mặt

16

1.1.1. Chất lượng hình học của bề mặt gia công

16

1.1.2. Tính chất cơ lý của bề mặt gia công

20

1.2 Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt tới khả năng làm việc của chi tiết máy

21

1.2.1. Ảnh hưởng đến tính chống mòn

21

1.2.2. Ảnh hưởng đến tính ăn mòn hóa học của lớp bề mặt chi tiết

25

1.2.3. Ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy

26

1.2.4. Ảnh hưởng đến độ chính xác của các mối lắp ghép

27

1.3 Các yếu tổ ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết máy

28

1.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt

28

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ biến cứng bề mặt

33

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất dư bề mặt

35

Chương 2: NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG NGHỆ CNC

36

2.1. Khái quát về điều khiển số và lịch sử phát triển của máy CNC

37

2.2. Đặc điểm của máy công cụ CNC

38

2.3. Kết cấu của máy CNC

39

3


2.3.1. Đặc điểm kết cấu chung

39

2.3.2. Cấu trúc của hệ thống CNC

39

2.3.3. Hệ điều khiển của máy gia công CNC

40

2.3.4. Các hệ thống điều khiển

41

2.4. Sơ lược về máy phay CNC

44

2.4.1. Phân loại máy phay CNC

45

2.4.2. Hệ thống điều khiển trục chính

45

2.4.3. Hệ thống thay dao tự động

46

2.4.4. Ổ gá dao

47

2.4.5. Hệ thống điều khiển chạy dao

48

2.4.6. Hệ thống gá kẹp chi tiết

49

Chương 3: XÁC LẬP QUAN HỆ GIỮA ĐỘ NHÁM VÀ CÁC THÔNG SỐ

50

GIA CÔNG
3.1. Khái quát về vật liệu có tính dẻo

50

3.1.1. Tính dẻo của vật liệu

50

3.1.2. Thép không gỉ

50

3.1.3. La tông (Đồng thau)

52

3.1.4. Nhôm và những đặc tính chủ yếu của nhôm

54

3.2. Nội dung thí nghiệm

56

3.2.1. Phương pháp qui hoạch thực nghiệm

56

3.2.2. Lựa chọn thiết bị

56

3.2.3. Xây dựng công thức xác lập mối quan hệ qua các thí nghiệm với

57

các loại vật liệu
3.2.4. Thí nghiệm với Inox 201

60

3.2.5. Thí nghiệm với Đồng thau

69

3.2.6. Thí nghiệm với Nhôm công nghiệp Al99

77

Kết luận và kiến nghị

85

4


Tài liệu tham khảo

87

Phụ lục

89

Tóm tắt luận văn

95

5


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
Ký hiệu

Nội dung

Thứ nguyên

Ra

- Sai lệch số học trung bình của prôfin

µm

Rz

- Chiều cao mấp mô theo 10 điểm của prôfin

µm

- Chiều cao lớn nhất của prôfin

µm

h

- Chiều cao mấp mô

µm

p

- Bước của mấp mô

µm

Si

- Bước trung bình của mấp mô theo đỉnh

µm

Smi

- Bước trung bình của mấp mô theo prôfin

µm

l

- Chiều dài chuẩn

µm

n

- Số điểm chia, số thực nghiệm

-

C

- Hệ số

-

x, y, z

- Số mũ

-

S

- Bước tiến dao

mm/vòng

V

- Vận tốc cắt

m/phút

Yj

- Giá trị trung bình của yjk, k = 1 : k

-

S2j

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

-

K

- Số thí nghiệm song song được thực hiện -

Rmax

trong cùng một điều kiện
Gp

- Chỉ số Kokren

bi

-

-

Các hệ số của hàm mô tả quan hệ giữa đầu vào và đầu ra, i = 1 : n0

6


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1

Cấp nhẵn bóng theo TCVN 2511 – 95

Bảng 3.1

Thành phần hóa học và cơ tính của một số loại thép không gỉ

Bảng 3.2

Thành phần, ký hiệu của một số la tông theo TCVN và CDA

Bảng 3.3

Qui đổi thành phần, ký hiệu một số HK nhôm theo TCVN và
Aluminum Association (AA)

Bảng 3.4

Kết quả đo độ nhám qua thí nghiệm của mẫu INOX

Bảng 3.5

Ma trận đơn vị của thí nghiệm Inox

Bảng 3.6

Hệ số của phương trình hồi qui của Inox

Bảng 3.7

Giá trị phương sai của Inox

Bảng 3.8

Qui đổi các đại lượng đầu vào

Bảng 3.9

Giá trị các hàm của Inox

Bảng 3.10

Kết quả đo độ nhám qua thí nghiệm của mẫu Đồng

Bảng 3.11

Ma trận đơn vị của thí nghiệm Đồng

Bảng 3.12

Hệ số phương trình hồi qui của Đồng

Bảng 3.13

Các giá trị phương sai của thí nghiệm mẫu Đồng

Bảng 3.14

Qui đổi các đại lượng đầu vào thí nghiệm Đồng

Bảng 3.15

Giá trị các hàm của Đồng

Bảng 3.16

Kết quả đo độ nhám qua thí nghiệm của mẫu Nhôm

Bảng 3.17

Ma trận đơn vị của thí nghiệm Nhôm

Bảng 3.18

Hệ số phương trình hồi qui của Nhôm

Bảng 3.19

Các giá trị phương sai của thí nghiệm mẫu Nhôm

Bảng 3.30

Qui đổi các đại lượng đầu vào thí nghiệm Nhôm

Bảng 3.21

Giá trị các hàm của Nhôm

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỔ
Hình 1.1

Các yếu tố hình học của lớp bề mặt.

Hình 1.2

Sơ đồ xác định độ nhấp nhô tế vi của bề mặt chi tiết máy

Hình 1.3

Tổng quan về độ nhám và độ sóng bề mặt chi tiết máy

Hình 1.4

Các giai đoạn mài mòn của một cặp ma sát.

Hình 1.5

Quá trình mài mòn của một cặp chi tiết ma sát (tiếp xúc với nhau).

Hình 1.6

Quan hệ giữa lượng mòn ban đầu và Ra

Hình 1.7

Quá trình ăn mòn hoá học trên lớp bề mặt chi tiết máy

Hình 1.8

Quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô và lượng tiến dao khi tiện

Hình 1.9

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

Hình 1.10

Ảnh hưởng của lượng chạy dao S đối với chiều sâu biến cứng tC, tùy

Hình 1.11

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

Hình 1.12

Ảnh hưởng của lượng tiến dao (S) đến chiều cao nhấp nhô tế vi (Rz)

Hình 1.13

Ảnh hưởng của lượng tiến dao (S) và bán kính lưỡi cắt (r) đến độ biến
cứng bề mặt.

Hình 1.14

Ảnh hưởng của góc trước tới lớp biến cứng bề mặt

Hình 2.1

Mô hình điều khiển DNC

Hình 2.2

Cấu trúc của máy CNC

Hình 2.3

Hệ điều khiển số CNC (Computer Numerical Control)

Hình 2.4

Bộ tích dao trong máy phay CNC

Hình 2.5

Ổ gá dao (tool holder)

Hình 2.6

Kết cấu bộ phận gá dao lên trục chính

Hình 3.1

Giản đồ pha Cu - Zn

Hình 3.2

Máy phay CNC DMU 60 DECKEL MAHO – ĐỨC

Hình 3.3

Đồ thị quan hệ Ra – S – V (t=0,5mm) của vật liệu Inox 304

Hình 3.4

Đồ thị quan hệ Ra – S – t (V=200mm/vg) của vật liệu Inox 304

Hình 3.5

Đồ thị quan hệ Ra – v – t (s=0,15mm/vg) của vật liệu Inox 304

8


Hình 3.6

Đồ thị quan hệ Ra – s – v (t=0,5mm) của vật liệu Đồng

Hình 3.7

Đồ thị quan hệ Ra – S – t (v=180m/vg) của vật liệu Đồng thau

Hình 3.8

Đồ thị quan hệ Ra – V – t (s=0,15 m/ph) của vật liệu Đồng thau

Hình 3.9

Đồ thị quan hệ Ra – V – S (t =1,5mm) của vật liệu Nhôm

Hình 3.10

Đồ thị quan hệ Ra – V – t (s=0,4 m/ph) của vật liệu Nhôm

Hình 3.11

Đồ thị quan hệ Ra – S – t (V= 80 mm/vg) của vật liệu Nhôm

9


MỞ ĐẦU
Trong một nền kinh tế phát triển thì ngành cơ khí chế tạo đóng một vai trò hết sức
quan trọng, làm nền tảng cho việc phát triển kinh tế, củng cố quốc phòng an ninh
của đất nước. Từ khi ra nhập WTO năm 2006, chúng ta đang hòa nhập mạnh mẽ với

nền kinh tế thế giới do đó việc nghiên cứu để hoàn thiện hơn nữa, nâng cao chất
lượng và hạ giá thành sản phẩm là nhiệm vụ hàng đầu của ngành công nghệ chế tạo
máy.
Để đạt được các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật này, việc nghiên cứu xác lập mối quan hệ
giữa các thông số công nghệ (thông số đầu vào) với chất lượng bề mặt chi tiết gia
công (thông số đầu ra) là một chỉ tiêu quan trọng nhằm đạt được khả năng điều
khiển thông số đầu ra theo ý muốn. Từ mối quan hệ giữa chất lượng bề mặt với các
thông số công nghệ thì người làm công nghệ có thể chọn chế độ cắt tối đa của máy
và dao mà vẫn đảm bảo chất lượng, từ đó có thể tăng năng suất (khai thác tối đa
năng suất của máy), giảm giá thành sản phẩm.
Trong thời gian gần đây, việc nghiên cứu các mối quan hệ trên đã không còn
mới. Thực ra với nước ngoài, các trung tâm nghiên cứu của các hãng sản xuất ô tô,
chế tạo máy đã nghiên cứu những vấn đề này từ lâu, tuy nhiên việc nghiên cứu này
đòi hỏi thực hiện rất nhiều các thí nghiệm tốn kém và mất thời gian, vì vậy những
số liệu nghiên cứu định lượng thường không được công bố, còn các thông tin khoa
học được xuất bản thường chỉ mang tính lý thuyết và định hướng hoặc các số liệu
bắt nguồn từ các công trình nghiên cứu đã được thực hiện cách đây hàng chục năm,
trong điều kiện máy móc, khoa học đã không còn phù hợp do đó các số liệu này ít
khi chứa đựng đầy đủ các thông tin cần thiết. Trong khi đó nền công nghệ chế tạo
máy hiện đại ngày một phát triển với sự xuất hiện của các máy gia công CNC có
khả năng kỹ thuật cao, các loại vật liệu mới và công nghệ trơn nguội hiện đại.
Các bước tiếp theo chính là nhiệm vụ của các nhà công nghệ hiện đại, nghĩa là
xuất phát từ bài toán cụ thể để xác định chế độ cắt phù hợp cho quá trình gia công
cắt gọt sao cho vừa đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, vừa đảm bảo được yêu cầu kinh tế.
Đề đạt được điều này họ phải có thông tin liên quan tới quá trình gia công cắt gọt.

10


Các tài liệu tham khảo đều chỉ ra rằng khả năng làm việc của chi tiết máy có

liên quan tới chất lượng bề mặt của chi tiết máy. Chất lượng bề mặt của chi tiết máy
không chỉ chịu ảnh hưởng của quá trình gia công cuối cùng mà còn chịu ảnh hưởng
trong toàn bộ quá trình gia công. Vì vậy để đảm bảo khả năng làm việc của chi tiết
máy thì phải đảm bảo được chất lượng bề mặt của chi tiết máy qua việc tìm ra mối
quan hệ của chất lượng bề mặt chi tiết máy với các điều kiện gia công như chế độ
cắt, thông số hình học của dụng cụ cắt.
Như vậy việc nắm vững được mối quan hệ giữa các thông số đầu vào và đầu ra thì
có thể điều chỉnh được chất lượng sản phẩm theo cách chủ quan. Hiện nay ở Việt
Nam việc xác lập các dữ liệu như vậy đã có những bước đi đúng hướng đầu tiên
nhằm xây dựng một ngân hàng phục vụ cho gia công trong các điều kiện cụ thể

TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐỀ TÀI ĐÃ THỰC HIỆN
Trong những năm trở lại đây ở Việt Nam có xu hướng sử dụng máy gia công
CNC 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 công còn cao hơn nhiều so với máy vạn năng. Có
rất nhiều nguyên nhân của sự tăng chi phí đó, nhưng nguyên nhân chính là các nhà
công 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 ngiên cứu.
Xu hướng sử dụng máy CNC ngày càng nhiều, nên các đề tài nghiên cứu về
máy CNC trong những năm gần đây là khá lớn bao gồm cả các đề tài nghiên cứu
khoa học, luận án tiến sỹ, luận văn thạc sỹ… Trong đó các đề tài nghiên cứu ứng
dụng nhằm khai thác có hiệu quả máy CNC chiếm một tỷ lệ khá lớn, có thể kể là :
Nguyễn Trọng Bình, Hoàng Việt Hồng, Ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhấp nhô tế
vi bề mặt khi phay bằng dao phay mặt đầu trên máy phay CNC, Tạp chí Cơ khí Việt
Nam, Số 60 (5/2002) ; Ảnh hưởng của chế độ cắt đến lượng mòn dao khi phay
bằng dao phay mặt đầu trên máy phay CNC, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 61

11

(6/2002) ; Nguyễn Ngọc Ánh, Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ
đến chất lượng bề mặt chi tiết máy khi gia công trên máy phay CNC, Luận văn cao
học, ĐHBKHN (2002) ; Nguyễn Đình Thân, Nghiên cứu độ mòn dao tiện khi gia
công vật liệu cơ tính dẻo cao, Luận văn cao học, ĐHBKHN (2003) ; Vũ Đình
Thơm, Tính toán bù bán kính mũi dao khi lập chương trình NC cho máy tiện CNC,
Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 76 (7/2003) ; Lê Văn Toản, Nghiên cứu ảnh hưởng
của các thông số công nghệ khi mài phẳng tới độ nhám bề mặt trên một số vật liệu
có tính dẻo cao, Luận văn cao học, ĐHBKHN (2005) ; Hà Quang Sáng, Xác lập
mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt với các thông số công nghệ khi gia công vật liệu
có tính dẻo cao trên máy tiện CNC, Luận văn cao học ĐHBKHN (2006); Phan
Công Trình, Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề
mặt chi tiết máy khi gia công trên máy phay CNC, Luận văn cao học (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)…
Trong nhóm đề tài trên, số đề tài trực tiếp nghiên cứu ảnh hưởng của các thông
số công nghệ đến độ nhám bề mặt đối với các loại máy CNC và vật liệu khác nhau
có một số lượng đáng kể, 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.
Trong một số các đề tài đã đi sâu vào nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số
công nghệ tới chất lượng bề mặt (độ nhám Ra, Rz) khi gia công trên máy gia công
CNC với các phương pháp gia công khác nhau như tiện, phay, mài... Vật liệu gia
công cũng thay đổi khác nhau, từ vật liệu thông thường thép các bon C45 tới 40X
hoặc các loại vật liệu có tính dẻo cao như đồng thau, thép không gỉ, ... Chế độ gia
công thường được chọn nghiên cứu là chế độ gia công tinh, bởi lý do gia công trên
máy CNC thường chi phí cao hơn trên máy dụng cụ thông thường, việc gia công
trên máy CNC thường là công đoạn gia công tinh sau cùng do đó các nghiên cứu
này nhằm phục vụ việc đúc rút kinh nghiệm, đưa ra các bảng thực nghiệm xác định

được chế độ cắt phù hợp khi gia công ở công đoạn này.

12


Các đề tài này hầu hết đều đi đến kết luận:
-

Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào tính chất hình học của dụng cụ cắt và
chế độ cắt

-

Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào biến dạng dẻo của lớp bề mặt

-

Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào độ cứng vững của hệ thống công nghệ

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Vật liệu có tính dẻo (nhôm, thép không gỉ, đồng thau …) là loại vật liệu được
sự dụng nhiều trong ngành công nghiệp chế tạo máy do đặc điểm của tính chất vật
liệu. Ở nước ta, gia công vật liệu có tính dẻo cũng đã được thực hiện nhiều trên các
loại máy CNC, phương pháp phay là một phương pháp gia công cơ bản, có thể đặc
trưng cho nhiều phương pháp gia công khác, cũng đã có nhiều công trình nghiên
cứu về liên quan vấn đề này. Cùng với những yêu cầu cấp thiết về việc lập các ngân
hàng dữ liệu góp phần phong phú hóa các tài liệu liên quan tới ngành công nghệ chế
tạo của nước ta, việc tác giả chọn đề tài “ Xác lập mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt
với các thông số công nghệ khi gia công vật liệu có tính dẻo cao trên máy phay
CNC” cũng chỉ là đóng góp một phần rất nhỏ trong nhánh nghiên cứu trên.

Từ các phân tích và đánh giá trên, đề tài này sẽ tập trung vào giải quyết các vấn đề
như sau:
-

Khái quát về lý thuyết cắt gọt, độ nhấp nhô bề mặt và ảnh hưởng của
nó tới chi tiết máy

-

Nghiên cứu về công nghệ CNC

-

Tính dẻo của vật liệu

-

Quy hoạch thực nghiệm để tìm ra mối quan hệ giữa độ nhám và các
thông số chế độ cắt

Trong phạm vi của một đề tài luận văn tốt nghiệp cao học không đủ thực hiện một
công trình nghiên cứu mang tính toàn diện các vật liệu mang tính dẻo cao của ngành
chế tạo máy cũng như mọi yếu tố ảnh hưởng tới độ nhám, đề tài sẽ chỉ tập trung vào

13


một số vật liệu đặc trưng mang tính dẻo cao là đồng thanh, thép không gỉ (inox) và
nhôm dẻo.
Các công cụ dùng để xác định mối quan hệ trên là máy phay CNC DMU 60T

của hãng DECKEL MAHO, và máy đo độ nhám MITUTOYO 301 phần công thức
tính toán được thực hiện qua phần mềm Microsoft Excel và lập đồ thị quan hệ dựa
trên phần mềm Table curve 3.0

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp nghiên cứu là phương pháp quy hoạch thực nghiệm, xây dựng
phương trình hồi quy xác định mối quan hệ giữa độ nhám Ra (Rz) với các thông số
công nghệ V, t, S.
Trước đây để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới độ chính
xác gia công hay độ nhám bề mặt người ta thường dùng phương pháp thay đổi một
yếu tố và cố định các yếu tố còn lại sau đó lại lần lượt làm thí nghiệm tương tự với
các yếu tố khác. Tuy nhiên cách làm này rất mất thời gian và tốn kém vì phải thực
hiện một số lượng các thí nghiệm rất lớn và trong trường hợp có nhiều yếu tố ảnh
hưởng thì cho kết quả có độ tin cậy thấp Để khắc phục nhược điểm này người ta
dùng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, cho phép nghiên cứu ảnh hưởng của
nhiều yếu tố đồng thời tới một chỉ tiêu nào đó của độ chính xác gia công.
Mục đích của qui hoạch thực nghiệm là xây dựng mô hình toán học (phương trình
hồi qui) biểu thị mối quan hệ giữa thông số đầu ra và các thông số đầu vào và từ mô
hình toán học ấy có thể tối ưu hóa được thông số đầu ra, có nghĩa là tối ưu hóa được
nguyên công hay qui trình.
Thực hiện đề tài này là cơ hội rất quý báu để tôi được tiếp xúc với các thiết bị
công nghệ cao, được tìm hiểu những vấu đề của thực tiễn sản xuất, kiểm chứng
những vấn đề lý thuyết, từ đó tích lũy thêm kinh nghiệm thực tế cho công việc
giảng dạy của mình. Để hoàn thành được đề tài này cùng với sự nỗ lực của bản
thân, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ quý báu.

14


Trước tiên tôi chân thành xin cảm ơn GS.TS. Nguyễn Đắc Lộc – người thầy

đã dìu dắt, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài, tôi cũng xin cảm ơn
Viện Đào tạo sau đại học, Viện Cơ khí, Bộ môn Công nghệ chế tạo máy – Trường
đại học Bách khoa Hà Nội.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các cán bộ tại Trung tâm công nghệ cao,
Xưởng thực hành cắt gọt, Phòng đo – Khoa Cơ khí, Trường đại học Sư phạm kỹ
thuật Hưng Yên đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.
Hà Nội, tháng 10 năm 2010

Đỗ Tùng Linh

15


Chương 1
KHÁI QUÁT VỀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT MÁY
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. Chất lượng gồm chất lượng
bản thân chi tiết và chất lượng của các chi tiết lắp ghép với nhau.
1.1.

CÁC YẾU TỐ ĐẶC TRƯNG CỦA CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT

Chất lượng bề mặt là tập hợp nhiều tính chất quan trọng của lớp bề mặt, cụ thể là:
- 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.

1.1.1. 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 qúa trình biến dạng dẻo của bề mặt chi tiết khi
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 nhô có bước tương đối nhỏ và được xét trong giới hạn dài chuẩn
(hình 1.1).
-

Những nhấp nhô 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 nhô mà (50

- Những nhấp nhô mà (1000

- Nhám bề mặt là một thông số hình học có ảnh hưởng lớn đến chất lượng sử
dụng của chi tiết máy.

16


h1

h2
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
Trong quá trình cắt, lưỡi cắt của dụng cụ cắt và sự hình thành phoi kim loại
tạo ra những vết xước cực nhỏ trên bề mặt gia công. Như vậy bề mặt gia công có độ
nhám (độ nhấp nhô tế vi). Độ nhấp nhô tế vi của bề mặt gia công được đo bằng
chiều cao nhấp nhô (Rz) và sai lệch prôphin trung bình cộng (Ra) của lớp bề mặt.
Chiều cao nhấp nhô (Rz) là trị số trung bình của 5 khoảng cách từ 5 đỉnh cao nhất
đến 5 đáy thấp nhất của nhấp nhô bề mặt tế vi trong phạm vi chiều dài chuẩn l

Hình 1.2 Sơ đồ xác định độ nhấp nhô tế vi của bề mặt chi tiết máy

17


Trị số Rz được xác định như sau:
(h1 + h3 + h 5 + h 7 + h 9) − ( h 2 + h 4 + h 6 + h8)
5

Rz =

=

(1.1)

( h1 − h 2) + ( h 3 − h 4) + ( h 5 − h 6) + ( h 7 − h8) + (h 9 − h10)
5

Sai lệch prôphin trung bình cộng (Ra) là trị số trung bình của khoảng cách từ các
đỉnh trên đường nhấp nhô tế vi với đường trục tọa độ 0X:
-

Tính gần đúng Ra ≈

1 n
∑ yi
n i=1

(1.2)

-

Tính chính xác Ra ≈

1 1
y dx
l x∫=0

(1.3)

Độ nhấp nhô tế vi (độ nhám bề mặt)là cơ sở để đánh giá độ nhẵn bề mặt trong
phạm vi chiều dài tiêu chuẩn l
Theo tiêu chuẩn nhà nước Việt Nam thì độ nhẵn bề mặt được chia làm 14 cấp
ứng với giá trị của Rz và Ra. Độ nhẵn bề mặt cao nhất ứng với cấp 14 (Ra ≤
0,01µm; Rz ≤ 0,05µm). Trên bản vẽ chi tiết máy, yêu cầu về độ nhám bề mặt được
cho theo giá trị Ra hoặc Rz. Trị số Ra cho khi yêu cầu của độ nhẵn bề mặt cần đạt
cấp 6 đến cấp 12 (Ra = 2,5 ÷ 0,04 µm). Trị số Rz ghi trên bản vẽ nếu yêu cầu của độ
nhẵn bề mặt cần đạt trong phạm vi cần đạt cấp 1 đến cấp 5 (Rz = 320 ÷ 20 µm),
hoặc cấp 13 đến cấp 14 (Rz = 0,08 ÷ 0,05 µm). Trong thực tế sản xuất nhiều khi
người ta đánh giá độ nhám bề mặt chi tiết máy theo các mức độ : thô, bán tinh, tinh
và siêu tinh (bảng 1.1)
Độ nhám bề mặt và độ chính xác kích thước có quan hệ với nhau chặt chẽ.

Theo kinh nghiệm, người ta dựa vào cấp chính xác về kích thước để xác định độ
nhám bề mặt tương ứng, cụ thể là giá trị của độ nhám bề mặt khoảng 5 ÷ 20% dung
sai của kích thước cần đạt.

18


Bảng 1.1 Cấp nhẵn bóng theo TCVN 2511 - 95
Chất lượng bề

Cấp nhẵn

Rz lớn nhất,

Ra lớn nhất,

Chiều dài

mặt

bóng

µm

µm

chuẩn l, mm

Thô

1

320

-

2

160

-

3

80

-

4

40

-

5

20

-

6

-

2,5

7

-

1,25

8

-

0,63

9

-

0,32

10

-

0,16

11

-

0,08

12

-

0,04

13

0,10

-

14

0,05

-

Bán tinh

Tinh

Siêu tinh

8,0

2,5

0,8

0,25

0,08

b. Độ sóng
Độ sóng bề mặt là chu kỳ không 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). Người ta dựa
vào tỷ lệ gần đúng giữa chiều cao nhấp nhô và bước sóng để phân biệt nhấp nhô tế
vi (độ nhám) bề mặt và độ sóng của bề mặt chi tiết máy (Hình 1.2)
-

Độ nhám bề mặt ứng với tỷ lệ l/h = 0 ÷ 50

-

Độ sóng bề mặt ứng với tỷ lệ l/h = 50 ÷ 1000

19


Hình 1.3 Tổng quan về độ nhám và độ sóng bề mặt chi tiết máy
h. Chiều cao nhấp nhô tế vi
l. Khoảng cách giữa 2 đỉnh nhấp nhô tế vi
H. Chiều cao của sóng

L. Khoảng cách giữa 2 đỉnh sóng

Độ sóng bề mặt thường xuất hiện khi gia công có rung động của hệ thống
công nghệ, quá trình cắt không liên tục, dụng cụ cắt bị đảo... Thông thường độ sóng
xuất hiện khi gia công chi tiết có kích thước lớn và trung bình bằng các phương
pháp tiện, phay và mài.
1.1.2. Tính chất cơ lý của 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 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
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

20


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 ngoài cùng. Lớp kim loại bên trong do không biến dạng dẻo nên
vẫn giữ được thể tích 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 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
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.

ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT TỚI KHẢ NĂNG LÀM
VIỆC CỦA CHI TIẾT MÁY

1.2.1. Ảnh hưởng đến tính chống mòn
a. Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt.

21


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 nên tại các đỉnh tiếp xúc 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. Được xác định theo công thức kinh nghiệm sau [8] :
∆ = C.px (µm)

(1.4)

Trong đó : C, x – hệ số và số mũ phụ thuộc vào điều kiện thực nghiệm.
p - áp suất tại chỗ tiếp xúc.
Phân tích mòn của một cặp ma sát có 3 giai đoạn (hình 1.4) :
Giai đoạn mòn ban đầu : Khi hai bề mặt mới tiếp xúc nếu có chuyển động
tương đối với nhau sẽ xẩy ra hiện tượng trượt dẻo ở các đỉnh nhấp nhô làm cho các
đỉnh nhấp nhô mòn nhanh. Trong điều kiện làm việc nhẹ, mòn ban đầu có thể làm
chiều cao nhấp nhô giảm 60 – 75% [8]. Mòn ban đầu ứng với thời gian chạy rà. Ở
giai đoạn này hình dạng nhấp nhô và chiều cao vết gia công cũng thay đổi. Giai
đoạn này ứng với đoạn dốc lớn (trước thời điểm t) ở hình 1.4.
Giai đoạn mòn bình thường : Sau giai đoạn mòn ban đầu quá trình mòn trở
nên bình thường và chậm vì diện tích tiếp xúc thực đã tăng lên và áp suất tiếp xúc
giảm đi. Đây chính là giai đoạn làm việc thật của chi tiết. Giai đoạn này tương ứng
với đoạn dốc nhỏ (từ t đến T) ở hình 1.4.
Giai đoạn mòn khốc liệt : Khi đó bề mặt tiếp xúc bị tróc ra, cấu trúc bề mặt chi
tiết bị phá hỏng. Đây là giai đoạn nguy hiểm, thường xuất hiện hỏng ngẫu nhiên,
không nên sử dụng chi tiết ở giai đoạn này. Giai đoạn này tương ứng với thời điểm
sau T (hình 1.4).

22

Lượng mòn

α
T

t

Hình 1.4 Các giai đoạn mài mòn của một cặp ma sát.

Lượng mòn

c

α1

α2

b

a

α3

T3

t t t

T2

T1

Hình 1.5 – Quá trình mài mòn của một cặp
chi tiết ma sát (tiếp xúc với nhau).

Hình 1.5. là sơ đồ biểu diễn mối quan hệ giữa lượng mòn và thời gian làm việc của
các cặp ma sát có độ nhám khác nhau.
Đường cong a có độ nhám bề mặt nhỏ nhất, mặc dù có thời gian chạy rà (t1)
lớn nhất nhưng thời gian làm việc (T1 – t1) cũng lớn nhất ; Đường cong c có độ
nhám bề mặt lớn nhất thì lại có thời gian làm việc ngắn nhất. Các góc α thể hiện tốc
độ mòn trong thời gian chạy rà, với chi tiết có độ nhám càng lớn thì tốc độ mòn
trong thời gian chạy rà càng cao.

23


Từ hình 1.5 ta có thể kết luận là bề mặt có độ nhám nhỏ thì tốc độ mòn càng thấp,
lượng mòn ban đầu nhỏ dẫn đến tuổi thọ cao (Ra1 < Ra2 < Ra3 ⇒ T1 > T2 > T3). Như
vậy việc gia công đạt độ nhám tối ưu là một yêu cầu cần thiết
U

2

Độ mòn ban đầu

1

0

Ra1

Ra2

Ra

Hình 1.6 - Quan hệ giữa lượng mòn ban đầu và Ra
1 - Điều kiện làm việc nhẹ.
2 - Điều kiện làm việc nặng.
Hình 1.6 [8] là sơ đồ quan hệ giữa độ mòn ban đầu (U) và trị số của sai lệch prôfin
trung bình (Ra) tùy theo điều kiện làm việc nặng hay nhẹ. Lượng mòn ban đầu ít
nhất ứng với giá trị của Ra tại các điểm Ra1, Ra2. Đó là giá trị tối ưu của Ra. Nếu giá
trị Ra nhỏ hơn giá trị tối ưu thì sẽ bị mòn kịch liệt do các phần tử kim loại dễ bị
khuếch tán, còn nếu Ra lớn hơn giá trị tối ưu thì lượng mòn sẽ tăng lên do các nhấp
nhô bề mặt bị phá vỡ và cắt đứt.
b. Ảnh hưởng của lớp biến cứng bề mặt.
Lớp biến cứng bề mặt có tác dụng nâng cao tính chống mòn vì nó hạn chế biến
dạng dẻo toàn phần của chi tiết qua đó hạn chế hiện tượng chảy và mài mòn kim
loại. Biến cứng bề mặt làm hạn chế tác động tương hỗ giữa các phần tử và các tác
động tương hỗ cơ học ở bề mặt tiếp xúc, nghĩa là hạn chế sự khuếch tán ôxy trong
không khí vào bề mặt chi tiết máy để tạo thành ôxyt kim loại gây ra ăn mòn ở bề
mặt kim loại.
c. Ảnh hưởng của ứng suất dư bề mặt.

24


Ứng suất dư lớp bề mặt của chi tiết máy nói chung không ảnh hưởng đáng kể
đến tính chống mòn nếu chi tiết làm việc ở điều kiện ma sát bình thường. Còn ứng
suất dư bên trong, xét trên toàn bộ diện tích chi tiết máy, có thể ảnh hưởng đến tính
chất và cường độ mòn của chi tiết máy.
1.2.2. Ảnh hưởng đến tính ăn mòn hóa học của lớp bề mặt chi tiết

a. 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 axit,
muối… Các tạp chất này có tính chất ăn mòn đối với kim loại. Quá ttrình ăn mòn
hóa học trên lớp bề mặt chi tiết làm các nhấp nhô mới hình thành. Quá trình này ở
lớp bề mặt xẩy ra dọc theo sườn dốc của các nhấp nhô tế vi, theo chiều từ đỉnh
xuống đáy các nhấp nhô, làm cho các nhấp nhô cũ mất đi và hình thành các nhấp
nhô mới (Hình 1.7).
Như vậy chiều cao nhấp nhô càng thấp (độ nhám thấp) thì càng ít bị ăn mòn,
bán kính đáy các nhấp nhô càng lớn thì khả năng chống ăn mòn càng cao. Có thể
chống ăn mòn bằng cách phủ lên lớp bề mặt chi tiết một lớp bảo vệ bằng phương
pháp mạ (mạ crôm, mạ niken) hoặc bằng phương pháp cơ khí làm chắc lớp bề mặt.
Nhấp nhô cũ

Nhấp nhô mới

Hình 1.7 – Quá trình ăn mòn hoá học
trên lớp bề mặt chi tiết máy

b. Ảnh hưởng của lớp biến cứng bề mặt.
Biến dạng dẻo và biến cứng bề mặt kim loại có mức độ khác nhau, tùy theo
hướng các hạt tinh thể kim loại và thành phần cấu tạo của chúng. Hạt ferit biến dạng
nhiều hơn hạt peclit. Điều đó làm cho năng lượng nâng cao không đều và thế năng

25