Điều khiển các thông số công nghệ để đảm bảo chất lượng bề mặt khi gia công các vật liệu thép cacbon thông thường trên máy tiện CNC

Bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học bách khoa hà nội
------------------------

Ngô Xuân Hồi

Điều khiển các thông số công nghệ để đảm bảo
chất lợng bề mặt khi gia công các vật liệu thép
cácbon thông thờng trên máy tiện CNC

luận văn thạc sĩ kỹ thuật
công nghệ chế tạo máy

Hà Nội - Năm 2012


Bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học bách khoa hà nội
-------------------------

ngô xuân hồi

Điều khiển các thông số công nghệ để đảm bảo
chất lợng bề mặt khi gia công các vật liệu thép
cácbon thông thờng trên máy tiện CNC

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

luận văn thạc sĩ kỹ thuật
công nghệ chế tạo máy

ngời hớng dẫn khoa học
GS.TS Nguyễn Đắc lộc

hà nội - 2012


Mục lục
Lời cam đoan.......................................................................................................1
Lời cảm ơn.............................................................................................................2
Mục lục...................................................................................................................3
Các ký hiệu và chữ viết tắt........................................................................6
Danh mục các bảng biểu...............................................................................8
Danh mục các hình vẽ và đồ thị...............................................................9
Phần mở đầu.......................................................................................................10
1. Lý do chọn đề tài..............................................................................................10
2. Lịch sử nghiên cứu...........................................................................................11
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tợng, phạm vi nghiên cứu................12
3.1 Mục đích nghiên cứu.................................................................................12
3.2 Đối tợng và phạm vi nghiên cứu..............................................................12
4. Tóm tắt nội dung thực hiện và đóng góp mới của tác giả.................................13
5. Phơng pháp nghiên cứu..................................................................................14
Chơng 1: Chất lợng bề mặt chi tiết máy............................................15
1.1 các yếu tố đặc trng của chất lợng bề mặt......................15
1.1.1 Chất lợng hình học của bề mặt gia công................................................15
1.1.2 Tính chất cơ lý của bề mặt gia công........................................................18
1.2 các yếu tố ảnh hởng đến chất lợng bề mặt chi tiết....19
1.2.1 Các yếu tố ảnh hởng đến độ nhám bề mặt...............................................20
1.2.2 Các nguyên nhân ảnh hởng đến độ biến cứng bề mặt..............................25
1.2.3 ảnh hởng đến ứng suất d bề mặt............................................................26
1.3 Phơng pháp đảm bảo chất lợng bề mặt................................26

1.3.1 Phơng pháp đạt độ nhẵn bề mặt...............................................................26
1.3.2 Phơng pháp đạt độ cứng bề mặt...............................................................27
1.3.3 Phơng pháp đạt ứng suất d bề mặt..........................................................28
1.4 Nhận xét......................................................................................................29


Chơng 2: Tổng quan về công nghệ CNC.................................................30
2.1 Khái quát về máy công cụ CNC...30
2.1.1 Lịch sử phát triển của máy công cụ CNC ..30
2.2.2 Đặc điểm máy công cụ CNC..31
2.2 Khái quát về hệ thống điều khiển CNC..37
2.2.1 Khái niệm hệ điều khiển số....37
2.2.2 Các dạng điều khiển số..37
2.2.3 Hệ điều khiển CNC....37
2.2.4 Một số hệ điều hành...39
2.3 Máy tiện CNC đặc điểm kết cấu..39
Chơng 3 Thép cácbon và ứng dụng của nó.....41
3.1 Những đặc tính của thép các bon ...41
3.1.1 Khái niệm...41
3.1.2 Tính chất .......41
3.1.3 Thành phần hóa học...42
3.1.4 ảnh hởng của cácbon tính chất và công dụng của thép thờng...43
3.1.5 ảnh hởng của các tạp chất...44
3.2 Phân loại thép cácbon....45
3.2.1 Phân loại theo chất lợng...45
3.2.2 Phân loại theo thành phần cácbon..46
3.3 Tiêu chuẩn thép cácbon.....48
3.3.1 Tiêu chuẩn Việt Nam.48
3.3.2 Tiêu chuẩn các nớc..51
Chơng 4 : Điều khiển các thông số công nghệ để đảm bảo chất

lợng bề mặt khi gia công vật liệu thép cácbon thờng trên
máy tiện Cnc.54
4.1 Khái quát về điều khiển các thông số công nghệ..54


4.2 Thiết kế thí nghiệm...56
4.3 Mô hình toán học xác định mối quan hệ giữa độ nhám bề
mặt với chế độ cắt.58
4.4 Thực nghiệm với mẫu thép cácbon c45...60
4.4.1 Kiểm tra tính đồng nhất của thực nghiệm..61
4.4.2 Tính các hệ số của phơng trình hồi quy...62
4.5 Thực nghiệm với mẫu thép cácbon S50C.66
4.5.1 Kiểm tra tính đồng nhất của thực nghiệm..67
4.5.2 Tính các hệ số của phơng trình hồi quy......68
4.6 Kết luận chơng 4.72
Kết luận và kiến nghị...73
Tóm tắt luận văn...75
Các từ khóa....77
Tài liệu tham khảo....78
Phụ lục.80


Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và
cha từng đợc ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Trừ các phần tham
khảo đã đợc nêu rõ trong Luận văn.

Tác giả

Ngô Xuân Hồi

-1-


Lời cảm ơn
Tác giả xin chân thành cảm ơn GS, TS Nguyễn Đắc Lộc, ngời đã hớng dẫn
và giúp đỡ tận tình từ định hớng đề tài, tổ chức thực hiện đến quá trình viết và hoàn
chỉnh Luận văn.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn tới Ban lãnh đạo và Viện đào tạo Sau đại học,
Viện cơ khí của trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để
hoàn thành Luận văn này.
Tác giả cũng chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Công ty cơ khí 17 - Bộ quốc
phòng đã giúp đỡ tác giả thực hiện thí nghiệm tại xí nghiệp cơ khí 1-17.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế, Luận văn không tránh khỏi những
sai sót, tác giả rất mong nhận đợc sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các
nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp.

Tác giả

Ngô Xuân Hồi

-2-


Các ký hiệu và chữ viết tắt
Ký hiệu

Nội dung

Thứ nguyên

Ra

- Sai lệch số học trung bình của prôfin

àm

Rz

- Chiều cao nhấp mô theo 10 điểm của prôfin

àm

Rmax

- Chiều cao lớn nhất của prôfin

àm

h

- Chiều cao nhấp mô

àm

p

- Bớc của nhấp mô

àm

Si

- Bớc trung bình của nhấp mô theo đỉnh

àm

Smi

- Bớc trung bình của nhấp mô theo prôfin

àm

l

- Chiều dài chuẩn

àm

ypmi

- Chiều cao đỉnh thứ i trong 5 đỉnh cao nhất

àm

yvmi

- Chiều cao đỉnh thứ i trong 5 đỉnh thấp nhất

àm

n

- Số điểm chia, số thực nghiệm

-

C

- Hệ số

-

x, y, z

- Số mũ

-

ti

- Thời gian mòn ban đầu, i = 1:3

Giây (s)

Ti

- Thời gian mòn ổn định, i = 1:3

Giây (s)

-1

- Giới hạn bền mỏi

N/mm2

-1a

- Giới hạn bền mỏi khi không có ứng suất d

N/mm2

-1b

- Giới hạn bền mỏi khi có ứng suất d

N/mm2

d

- ứng suất d lớn nhất ở lớp bề mặt

N/mm2

S

- Bớc tiến dao

mm/vòng

V

- Vận tốc cắt

m/phút

r

- Bán kính mũi dao

Mm

hmin

- Chiều dày phoi nhỏ nhất

Mm



- Góc nghiêng chính của dao

Độ (o)

1

- Góc nghiêng phụ của dao

Độ (o)



- Góc trớc của dao

Độ (o)

-6-


Các ký hiệu và chữ viết tắt

Ký hiệu

Nội dung

Thứ nguyên



- Góc sau của dao

Độ (0)



- Góc nâng của lỡi cắt chính

Độ (0)

- Góc mũi dao

Độ (0)



- Góc sắc của dao

Độ (0)

tC

- Chiều sâu biến cứng

mm

HB

- Độ cứng Brinell

-

x

- Giá trị trung bình

-

Yj

- Giá trị trung bình của yjk, k=1:k

-

S 2j

- Phơng sai của dãy số yjk, k=1 :k

-

K

- Số thí nghiệm song song đợc thực hiện trong cùng một điều kiện

Gp

- Chỉ số Kokren

-

NC (Number control) - Điều khiển số
CNC (Cumputer Numerical Control) - Điều khiển số có sự trợ giúp của máy tính.
MCU (Machine Control Unit) - Hệ điều khiển máy.
ATC (Automatic Tool Changer) - Thay dao tự động.
CAD (Cumputer Aided Design) - Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính.
CAM (Cumputer Aided Manufacturing) - Sản xuất có sự trợ giúp của máy tính.

-7-


Danh mục các bảng biểu

TT

Bảng số

Nội dung

Trang

1

1.1

Cấp độ nhẵn bóng theo TCVN 2511-95

18

2

1.2

Cấp độ nhẵn ứng với các phơng pháp gia công

27

3

1.3

Cấp độ nhẵn ứng với các phơng pháp gia công

28

4

2.1

So sánh sự khác nhau giữa máy công cụ vạn năng và 31
máy CNC

5

3.1

Cơ tính của các số liệu thép CT

49

6

3.2

Thành phần hóa học và cơ tính của thép cácbon tốt

50

7

3.3

Cơ tính của thép cácbon thờng loại A của Việt Nam và 51
Nga

8

3.4

Thành phần hóa học của thép loại B

52

9

3.5

Thành phần hóa học của thép cácbon tốt của Nhật

53

10

4.1

Thông số kỹ thuật của máy tiện ST-20

55

11

4.2

Bảng tính toán các thông số công nghệ

58

12

4.3

Ma trận thực nghiệm của các thông số đầu vào của thí 60
nghiệm

13

4.4

Kết quả đo độ nhám với mẫu thực nghiệm thép C45

61

14

4.5

Bảng kiểm tra tính đồng nhất của thực nghiệm thép C45

61

15

4.6

Hệ số phơng trình hồi quy mẫu thép C45

63

16

4.7

Bảng giá trị hàm số của vật liệu C45

66

17

4.8

Kết quả đo độ nhám với mẫu thực nghiệm thép S50C

66

18

4.9

Bảng kiểm tra tính đồng nhất của thực nghiệm thép 67
S50C

19

4.10

Hệ số phơng trình hồi quy mẫu thép S50C

69

20

4.11

Bảng giá trị hàm số của vật liệu S50C

71

-8-


Danh mục các hình vẽ và đồ thị
TT

Hình số

Nội dung

Trang

1

1.1

Các yếu tố hình học của lớp bề mặt

16

2

1.2

Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt

16

3

1.3

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

21

4

1.4

ảnh hởng của hình dáng hình học của dụng cụ cắt và chế 21

độ cắt đến nhấp nhô bề mặt khi tiện

5

1.5

ảnh hởng của lợng chạy dao S đối với chiều sâu biến 22
cứng tC , tùy theo loại vật liệu gia công và vật liệu làm dụng
cụ cắt

6

1.6

ảnh hởng của vận tốc cắt V đến chiều cao nhấp nhô Rz

23

7

1.7

Phân tích hệ lực tác dụng khi bào

24

8

1.8

ảnh hởng của lợng tiến dao (S) và bán kính lỡi cắt (r)

25

9

1.9

ảnh hởng của góc trớc tới lớp biến cứng bề mặt

26

10

2.1

Cấu tạo máy tiện CNC

33

11

2.2

Một số hình ảnh về bàn xoay

34

12

2.3

Cụm trục chính máy phay CNC

35

13

2.4

Băng dẫn hớng máy

35

14

2.5

Cụm vít me đai ốc bi

36

15

2.6

ổ tích dụng cụ

36

16

3.1

ảnh hởng của cácbon tới cơ tính của thép thờng

43

17

3.2

Giản đồ Fe-C

48

18

4.1

Máy tiện CNC ST-20(Mỹ)

56

19

4.2

Thân + mảnh dao tiện ngoài hãng WALTER (Đức)

57

20

4.3

Mẫu thép trớc gia công

57

21

4.4

Máy đo độ nhám bề mặt

57

22

4.5

Mẫu thực nghiệm thép C45

60

23

4.6

Mẫu thực nghiệm thép S50C

66

-9-


Phần mở đầu
1. Lý do chọn đề tài
Các chi tiết máy có độ chính xác, chất lợng bề mặt và độ bền cao là cơ sở
cho sự ra đời của các loại thiết bị máy móc, thiết bị hiện đại, chất lợng cao. Tại
Việt Nam trong những năm gần đây do có sự hòa nhập sâu rộng với nền kinh tế thế
giới nên đòi hỏi các sản phẩm cơ khí phải đạt đợc các tiêu chuẩn quốc tế để đủ sức
cạnh tranh trên thị trờng. Trong nền công nghiệp quốc phòng Việt Nam hiện nay
việc sản xuất ra các sản phẩm vũ khí, khí tài đáp ứng yêu cầu chiến tranh hiện đại là
một đòi hỏi tất yếu. Máy móc thiết bị hiện đại đã đợc trang bị ở hầu hết các cơ sở
sản xuất việc chọn chế độ gia công hợp lý là một trong những yếu tố quan trọng để
đảm bảo chất lợng và hạ giá thành sản phẩm.
Những thông tin khoa học phần lớn mang tính lý thuyết và định hớng, để có
các thông tin mang tính định lợng, chi tiết cụ thể có thể áp dụng vào thực tế sản
xuất của doanh nghiệp thì ta phải làm rất nhiều thí nghiệm, tốn nhiều thời gian và
tiền bạc nên rất khó để các trung tâm nghiên cứu trong và ngoài nớc công bố. Hiện
nay cũng có rất nhiều tài liệu, sổ tay với các số liệu từ các công trình nghiên cứu cũ
nhng không chứa đủ thông tin do điều kiện thí nghiệm khác xa với công nghệ hiện
nay. Để có đủ cơ sở dữ liệu mang tính định lợng về chế độ công nghệ có thể áp
dụng trong sản xuất tại đơn vị thì cần thiết phải làm thực nghiệm với thiết bị công
nghệ hiện có.
Trong những năm gần đây ngành cơ khí Việt Nam nói chung và các cơ sở
công nghiệp quốc phòng nói riêng đều đợc đầu t các máy gia công hiện đại điều
khiển theo chơng trình số (NC, CNC) nh máy tiện, máy phayThực tế cho thấy

với việc đầu t này chất lợng sản phẩm đã không ngừng đợc nâng cao, sản phẩm
đã không còn phụ thuộc nhiều vào trình độ tay nghề của công nhân. Tuy nhiên giá
thành của sản phẩm cha thực sự giảm, thậm chí có nhng nơi chi phí còn tăng cao
hơn so với máy vạn năng. Có nhiều nguyên nhân của sự tăng chi phí đó nhng có
một nguyên nhân quan trọng đó là các nhà công nghệ cha cha chọn đợc chế độ
cắt hợp lý cho nhóm máy này. Do đó việc nghiên cứu thực nghiệm tại đơn vị sản

- 10 -


xuất để lựa chọn chế độ cắt hợp lý cho nhóm máy CNC là một yêu cầu cấp thiết đặt
ra.
Chất lợng của chi tiết máy chính là khả năng làm việc của nó, khả năng đó
phụ thuộc vào kích thớc và các thông số chất lợng bề mặt làm việc của sản
phẩm.Vì vậy muốn chi tiết máy làm việc hiệu quả thì phải đảm bảo yêu cầu về chất
lợng bề mặt. Để giải quyết vấn đề đó thì ta phải tìm đợc mối quan hệ giữa các
thông số chất lợng bề mặt Ra, Rz với các điều kiện gia công nh chế độ cắt
(V,S,t), thông số hình học của dao, dung dịch tới nguội Dựa vào mối quan hệ đó
ngời công nghệ có thể điều khiển các thông số công nghệ của máy và dao để đảm
bảo chất lợng bề mặt chi tiết máy trong quá trình gia công từ đó tăng năng suất và
hạ giá thành sản phẩm tiến tới tối u hóa quá trình cắt gọt trên máy đó.
Trong chế tạo máy thép cácbon thông thờng đợc sử dụng làm nhiều chi tiết
quan trọng nh các chi tiết trục, bánh răng Trong sản xuất quốc phòng nhiều chi
tiết quan trọng của vũ khí, khí tài đợc chế tạo từ thép cácbon thông thờng nh kim
hỏa, thân khóa nòng
Xuất phát từ những đặc điểm tình hình trên tác giả chọn đề tài Điều khiển
các thông số công nghệ để đảm bảo chất lợng bề mặt khi gia công các vật liệu
thép cácbon thông thờng trên máy tiện CNC .
2. Lịch sử nghiên cứu
Điều khiển các thông số công nghệ để đảm bảo chất lợng bề mặt chi tiết

máy trong quá trình gia công 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 công nghệ dựa vào mối
quan hệ đó để điều khiển chế độ cắt hợp lý cho máy và dao trong quá trình gia công
đạt đợc yêu cầu chất lợng bề mặt theo yêu cầu.
Việt Nam có xu hớng sử dụng máy CNC ngày càng nhiều, do yêu cầu cấp
thiết của thực tế sản xuất nên những đề tài nghiện cứu ứng dụng nhằm khai thác
hiệu quả máy CNC là khá lớn. Có thể kể đến các tác giả Nguyễn Trọng Bình, Hoàng
Việt Hồng: ảnh hởng 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
hởng của chế độ cắt đến lợng mòn dao khi phay bằng dao phay mặt đầu trên máy

- 11 -


phay CNC, Tạp chí Cơ khí Việt Nam số 61(6/2002); Nguyễn Ngọc ánh, Nghiên
cứu ảnh hởng của các thông số công nghệ đến chất lợng bề mặt khi gia công trên
máy phay CNC, Luận văn cao học, ĐHBKHN (2002); Phan Công Trình, Nghiên
cứu các ảnh hởng của các thông số công nghệ đến chất lợng 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 sự ảnh hởng của các thông số
công nghệ S, V, t 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 công vật liệu có tính dẻo cao trên máy tiện CNC, luận
văn thạc sỹ, ĐHBKHN (2006); Nguyễn Quốc Tuấn, Điều khiển các thông số công
nghệ để đảm bảo chất lợng bề mặt chi tiết máy khi gia công vật liệu nhôm và hợp
kim nhôm trên máy phay CNC, luận văn thạc sỹ, ĐHBKHN (2007).
Trong các nhóm đề tài trên có nhiều đề tài trực tiếp nghiên cứu ảnh hởng
của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt, điều đó chứng tỏ việc nghiên cứu
ảnh hởng của các thông số công nghệ đến chất lợng bề mặt là rất quan trọng.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tợng, phạm vi áp dụng

3.1 Mục đích nghiên cứu
- Đánh giá chất lợng bề mặt chi tiết khi gia công thép cácbon thông thờng trên
máy tiện CNC (ST20) từ đó xác lập mối quan hệ giữa các thông số độ nhám bề mặt
với chế độ cắt để ngời 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 tại đơn vị đồng thời có định hớng mở
rộng nghiên cứu đối với các loại vật liệu gia công khác.
3.2 Đối tợng và phạm vi nghiên cứu.
3.2.1 Đối tợng
- Chất lợng bề mặt khi gia công thép cácbon thông thờng trên máy tiện CNC.
- ảnh hởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt gia công khi gia công vật liệu thép
các bon thông thờng trên máy tiện CNC.

- 12 -


- ảnh hởng của các thông số công nghệ đến chất lợng bề mặt chi tiết máy gồm
nhiều yếu tố nh thông số chế độ cắt, thông số hình học của dao
3.2.2 Phạm vi nghiên cứu
- Tìm ra mối quan hệ của chất lợng bề mặt chi tiết máy Ra với các thông số
công nghệ V,S,t khi tiện vật liệu thép cácbon thông thờng trên máy tiện CNC
- Máy thực nghiệm là máy tiện ST20 của Mỹ
- Vật liệu gia công là thép cácbon C45 và S50C.
- Dao tiện là dao tiện ngoài mảnh dao DNMG110404-NM4-WPP20 của Đức
- Đối tợng gia công là tiện đờng kính ngoài.
- Thiết bị đo độ nhám là thiết bị đo độ nhám 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 lợng bề mặt gia công và các yếu tố ảnh
hởng đến các thông số đặc trng cho chất lợng bề mặt gia công;

-

Nghiên cứu khái quát về công nghệ CNC;

-

Nghiên cứu khái quát về vật liệu thép cacbon;

-

Đánh giá chất lợng 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 mô 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 hoàn thành sẽ
có những đóng góp đáng kể cho các nhà công nghệ.
ý nghĩa khoa học: Bằng cơ sở lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, luận văn
đa ra đợc hàm toán học mô tả mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và thông số chế
độ cắt để làm cơ sở cho các nhà công nghệ chọn chế độ cắt sau đó điều khiển nó
theo yêu 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 của tác giả sẽ đóng góp thêm vào ngân
hàng tra cứu cho các nhà công nghệ trong quá 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 lợng bề

- 13 -

mặt. Đối với thực tế tại đơn vị kết quả nghiên cứu này đợc áp dụng vào quá trình
sản xuất qua đó đem lại năng suất, chất lợng bề mặt theo yêu cầu.
Làm cơ sở cho việc nghiên cứu các khía cạnh khác của quá trình cắt.
Giúp cho việc lựa chọn chế độ công nghệ khi soạn một chơng 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
của khoa và nhà trờng trong dạy học và sản xuất.
Đạt đợc khả năng cho năng suất cao nhất nhng vẫn đảm bảo chất lợng bề
mặt theo yêu cầu trong sản xuất.
5. Phơng pháp nghiên cứu.
Đề tài đợc thực hiện bằng phơng 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.

- 14 -


Chơng 1

Chất lợng bề mặt chi tiết máy
Chất lợng 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 hởng rất lớn đến khả năng làm
việc của chi tiết máy. Chất lợng sản phẩm trong ngành chế tạo máy bao gồm chất
lợng chế tạo chi tiết và chất lợng của các chi tiết lắp ghép với nhau thành sản
phẩm hoàn chỉnh. Đối với các chi tiết máy thì chất lợng chế tạo chúng đợc đánh
giá bằng các thông số sau đây:
-

Độ chính xác về kích thớc các bề mặt.

-

Độ chính xác về hình dáng các bề mặt.

-

Độ chính xác về vị trí tơng quan các bề mặt.

-

Chất lợng bề mặt.

1.1.Các yếu tố đặc trng của chất lợng bề mặt.
Khả năng làm việc của chi tiết máy phụ thuộc rất nhiều vào chất lợng của lớp
bề mặt. Các yếu tố đặc trng cho chất lợng 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 d).

-

Phản ứng của lớp bề mặt đối với môi trờng làm việc (tính chống mòn, khả
năng chống xâm thực hoá học, độ bền mỏi)

-

Chất lợng bề mặt chi tiết máy phụ thuộc vào phơng pháp và điều kiện gia
công cụ thể. Chất lợng bề mặt là mục tiêu chủ yếu cần đạt đợc ở bớc 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 biến cứng phụ thuộc vào lực cắt và nhiệt cắt.

1.1.1.Chất lợng hình học của bề mặt gia công
Bề mặt sau khi gia công không bằng phẳng một cách lý tởng mà có những
nhấp nhô. Những nhấp nhô này là do quá trình biến dạng dẻo của bề mặt chi tiết khi

- 15 -


gia công cắt gọt, và là vết lỡi cắt để lại trên bề mặt gia công, là ảnh hởng của chấn
động khi cắt và nhiều nguyên nhân khác.
Không phải tất cả các nhấp mô trên bề mặt đều là nhám bề mặt, mà nó là tập hợp
những nhấp mô có bớc tơng đối nhỏ và đợc xét trong giới hạn dài chuẩn l (hình

1.1).
-

Những nhấp mô có tỷ số giữa bớc nhấp mô (p) và chiều dài nhấp mô (h) bé
hơn hoặc bằng 50 (p/h <= 50) thì thuộc về nhám bề mặt.

-

Những nhấp mô mà (50

-

Những nhấp mô mà (1000

-

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

Hình 1.1 Các yếu tố hình học của lớp bề mặt
h1: Sai lệch hình dạng
h2: Sóng bề mặt
h3: Độ nhám bề mặt
1.Độ nhấp nhô tế vi: Theo tiêu chuẩn TCVN2511-95, để đánh giá độ nhám ngời ta
sử dụng hai chỉ tiêu:

Hình 1.2 Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt

- 16 -

- Sai lệch số học trung bình của prôfin, Ra: là trị 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 prôfin thực đến đờng trung bình, đo theo phơng
pháp tuyến với đờng trung bình. Đờng trung bình của (m) là đờng chia prôfin
theo hai phần có diện tích giới hạn (phần gạch đứng) bằng nhau.
l

Gần đúng
-

Ra =

1
y x dx
l 0

(1.1)

Ra =

1 n
Yx
l 0

(1.2)

Chiều cao nhấp mô 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. Rz đợc sử dụng khi độ nhám quá

lớn hoặc quá nhỏ.
5

y
Rz=

i =1

5

pmi

yvmi
i =1

(1.3)

5

Tiêu chuẩn TCVN2511-95 cũng đa ra 14 cấp nhẫn bóng với giá trị tơng
ứng của Rz và Ra và chiều dài đo chuẩn nh (bảng 1.1).
Trong đó Tiêu chuẩn cũng khuyến cáo, đối với các bề mặt quá nhám hoặc
quá nhẵn thì nên ghi độ nhám theo Rz còn 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 Rz
còn các cấp 6 đến 12 thì ghi theo Ra.
Ngoài hai chỉ tiêu quan trọng là Rz và Ra, Tiêu chuẩn còn đa ra chỉ tiêu Rmax
(là chiều cao nhấp nhô lớn nhất trong chiều dài xét) để đánh giá các bề mặt làm việc
quan trọng.
2.Độ sóng.
Độ sóng là bề mặt chu kỳ không bằng phẳng của bề mặt chi tiết máy đợc

quan sát trong phạm vi lớn hơn độ nhám bề mặt (từ 1 đến 10 mm). Độ sóng bề mặt
thờng 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 thờng độ sóng xuất hiện khi gia công chi
tiết có kích thớc lớn và trung bình bằng các phơng pháp tiện, phay và mài.

- 17 -


Bảng 1.1. Cấp nhẵn bóng theo TCVN2511-95
Cấp nhẵn

Rz lớn nhất àm

Ra lớn nhất, àm

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

-

bóng

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 công.
Tính chất cơ lý đợc biểu thị bằng độ cứng bề mặt, sự biến đổi cấu trúc tinh
thể lớp bề mặt, chiều sâu lớp biến cứng bề mặt.
1. Hiện tợng biến cứng lớp bề mặt.
Trong quá trình gia công dới tác dụng của lực cắt làm xô lệch mạng tinh thể
của kim loại lớp bề mặt, gây biến dạng dẻo ở vùng trớc và sau lỡi cắt. Phoi kim
loại đợc tạo ra do biến dạng dẻo của các hạt kim loại trong vùng trợt. 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 đợc 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.

- 18 -


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 hởng 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 tợng biến cứng bề mặt. Nh 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.
2. ứng suất d trong lớp bề mặt.
Khi gia công trong lớp bề mặt chi tiết xuất hiện ứng suất d. Trị số, dấu và
chiều sâu phân bố của ứng suất d trong lớp bề mặt phụ thuộc vào điều kiện gia
công cụ thể. Các nguyên nhân chính gây ra ứng suất d trong lớp bề mặt gia công
bao gồm:
-

Khi cắt một lớp mỏng vật liệu trờng lực gây ra biến dạng dẻo không đều ở
từng khu vực trong lớp bề mặt. Khi trờng lực mất đi, biến dạng dẻo gây ra
ứng suất d 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 đợc thể tích bình thờng. Lớp kim loại bên ngoài có xu hớng tăng

thể tích nhng không tăng đợc 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
kéo, để cân bằng lớp trong gây ra ứng suất d 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 d nén; lớp kim loại nào hình
thành cấu trúc có thể tích riêng nhỏ sẽ sinh ra ứng suất d kéo.

1.2 Các yếu tố ảnh hởng đến chất lợng bề mặt chi tiết.
Trạng thái và tính chất bề mặt chi tiết máy trong quá trình gia công do nhiều
yếu tố công nghệ quyết định.

- 19 -


Tính chất cơ lý của lớp bề mặt chi tiết máy bị thay đổi dới tác dụng của lực
cắt và nhiệt sinh ra trong vùng cắt. ở các phơng pháp cắt gọt (tiện, phay, khoan,
) thì tác động của lực cắt đối với tính chất cơ lý của lớp bề mặt thờng 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 lực cắt. Đối với các phơng pháp gia công biến dạng dẻo thì có
hiện tợng thoát cácbon ở lớp bề mặt.
Nói chung, quá 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 hởng đến độ nhám bề mặt.
1.2.1.1.ảnh hởng 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 lợng bề mặt chi tiết máy đã đợc nhiều tài liệu đề cập đến [5,8]. Ngời ta đã
xác định đợc ảnh hởng của lợng tiến dao S, bán kính mũi dao r, chiều dày phôi
nhỏ nhất hmin đến độ nhám bề mặt bằng công thức quan hệ (1.4) và (1.5).
Với S > 0,15 mm/vg thì: Ra=

S2
8r

Với S < 0,1 mm/vg thì: Rz =

S 2 hmin r.hmin
+
1 + 2
8r
2
S

(1.4)
(1.5)

Từ công thức quan hệ (1.4) và (1.5) ta thấy rằng khi S tăng thì giá trị Rz sẽ
tăng; khi bán kính mũi dao tăng thì Rz giảm. Quan hệ này đợc chỉ ra một cách trực
quan ở hình 1.4.
Hình 1.3.[8], đờng cong 1 biểu diễn mối quan hệ tổng quát giữa Rz, S và r,
cụ thể là trong phạm vi giá trị lợng chạy dao S > 0,15 mm/vòng.
Đờng cong 2 biểu thị mối quan hệ thực nghiệm, kể cả phạm vi giá trị lợng

chạy dao S nhỏ hơn (S < 0,1mm/vòng). Từ đờng cong 2 có thể xác định đợc mối
quan hệ giữa Rz, S và r, hmin đối với bớc tiện tinh và biểu thị bằng đờng cong 3.
Nếu lợng chạy dao quá nhỏ (S < 0,03 mm/vòng) thì Rz tăng do có hiện
tợng trợt dao.

- 20 -


Hình 1.3 Quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô và lợng tiến dao khi tiện

Hình 1.4 ảnh hởng của hình dáng hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt
đến nhấp nhô bề mặt khi tiện

- 21 -


Hình 1.4 là sơ đồ biểu diễn sự phụ thuộc của Rz vào S, , 1 và r.
Từ hình 1.4.a, ta thấy rằng khi lợng chạy dao là S1 dao di chuyển từ vị trí 1
đến vị trí 2 sẽ để lại lợng m không thể cắt đợc từ đó sinh ra độ nhám Rz, khi giảm
lợng chạy dao (S2 < S1 ) thì m sẽ nhỏ và sinh ra độ nhám nhỏ (Rz < Rz), hình
1.4.b. Khi giảm góc nghiêng chính () và góc nghiêng phụ (1) 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 (r2
>r1) thì Rz sẽ giảm.
Hình 1.4.f cho thấy chiều sâu cắt hầu nh không ảnh hởng đến độ nhám bề
mặt. Góc trớc của dao và độ mòn dụng cụ cũng ảnh hởng đến độ nhám bề mặt,
khi góc trớc tăng thì Rz giảm, còn khi độ mòn dụng cụ tăng thì giảm. Đối với chiều
sâu biến cứng, khi lợng chạy dao nằm trong khoảng từ 0,3 đến 0,5 mm/vòng, ngời
ta xác định đợc quan hệ với S theo công thức 1.6.
tC = C . Sx (àm)

(1.6)

C, x phụ thuộc vào vật liệu gia công (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 hởng của lợng chạy dao S đối với chiều sâu
biến cứng tc, tuỳ theo loại vật liệu gia công và vật liệu làm dụng cụ
cắt.
a. Cắt thép C35, dao thép gió HS10, V = 400m/ph.
b. Cắt thép C35, dao kêramic (gốm), V = 600m/ph.

- 22 -


c. Cắt thép C60, dao thép gió HS10, V = 400m/ph.
d. Cắt thép C60, dao kêramic (gốm), V = 600m/ph.
Với chiều sâu cắt 1mm, các góc của dao: = 5o ; = -5o; = 0;

= 60o ; bán kính r = 1,25 mm; = 90o.
Hình 1.5 [8], biểu diễn mối quan hệ giữa lợng chạy dao S đến chiều sâu biến
cứng tc tuỳ 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 nhô tế vi. ở kim
loại giòn, các hạt tinh thể cá biệt bị bóc rời ra cũng làm thay đổi hình dạng nhấp nhô
tế vi và làm tăng kích thớc nhấp nhô tế vi.
Đối với vận tốc cắt v, khi gia công thép, vận tốc khoảng (15 ữ 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 ữ 60) m/ph thì lực ma sát giữa phôi và lẹo dao lớn hơn lực bám
dính của lẹo dao trên mặt dao, làm cho Rz giảm dần. Nếu vận tốc lớn hơn 100m/ph

thì lẹo dao không thể hình thành nên độ nhám bề mặt ổn định (hình 1.6).

Hình 1.6- ảnh hởng 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 trợt lộn xộn lên
bề mặt chi tiết làm tăng độ nhám. Nếu cắt với vận tốc cao thì sẽ giảm đợc độ hiện
tợng vỡ vụn của phoi nên sẽ giảm đợc độ nhám bề mặt.

- 23 -