Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ gia công trên máy phay CNC qua đánh giá profile bề mặt

NGUYỄN VĂN CÔNG

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

NGUYỄN VĂN CÔNG

CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ GIA CÔNG TRÊN
MÁY PHAY CNC QUA ĐÁNH GIÁ PROFILE BỀ MẶT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHẾ TẠO MÁY

KHOÁ 2009
Hà Nội – Năm 2011


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

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ GIA CÔNG TRÊN MÁY
PHAY CNC QUA ĐÁNH GIÁ PROFILE BỀ MẶT

Chuyên ngành : CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI

Hà Nội – Năm 2011


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 Văn Công

-1-


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Thị Phương Mai, người đã hướng
dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài, tổ chức thực nghiệm đến quá trình viết
và hoàn 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.
Tác giả cũng chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo, Trung tâm Đào tạo và Thực
hành Công nghệ Cơ khí Trường ĐHSP Kỹ Thuật Hưng Yên đã giúp đỡ tác giả thực
hiện thí nghiệm tại trung tâm công nghệ cao của trường.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót,

tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa
học và các bạn đồng nghiệp.

Tác giả

Nguyễn Văn Công

-2-


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................2
MỤC LỤC ................................................................................................................. 3
CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................4
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ...............................................................................7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ...............................................................8
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 tượng, phạm vi nghiên cứu................11
3.1. Mục đích nghiên cứu. ................................................................................12
3.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................12
4. Tóm tắt nội dung thực hiện và đóng góp mới của tác giả ................................12
5. Phương pháp nghiên cứu. .................................................................................14
Chương 1: CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT MÁY...........................................15
1.1. CÁC YẾU TỐ ĐẶC TRƯNG CỦA CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT. .................15
1.1.1. Chất lượng hình học của bề mặt gia công ..............................................15
1.1.2. Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia công.................................................18
1.2. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT .......20

1.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt ...........................................20
1.2.2. Các nguyên nhân ảnh hưởng đến độ biến cứng lớp bề mặt. ..................24
1.2.3. Ảnh hưởng đến ứng suất dư bề mặt........................................................26
1.3. PHƯƠNG PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT .................................26
1.3.1. Phương pháp đạt độ nhẵn bề mặt ...........................................................26
1.3.2. Phương pháp đạt độ cứng bề mặt ...........................................................27
1.3.3. phương pháp đạt ứng suất dư bề mặt......................................................28
1.4. NHẬN XÉT .....................................................................................................28
Chương 2: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CNC .................................................30
2.1. KHÁI QUÁT VỀ MÁY CÔNG CỤ CNC. ...................................................30
2.1.1. Lịch sử phát triên của máy công cụ CNC...............................................30
2.1.2. Đặc điểm của máy công cụ CNC. ..........................................................31
2.2. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CNC ....................................39
2.2.1. Khái niệm hệ điều khiển số ...................................................................39
2.2.2. Các dạng điều khiển số ..........................................................................39
2.2.3. Hệ điều khiển CNC( Computer Numerical Control) ............................39
2.2.3. Một số hệ điều hành. .............................................................................40
2.3. MÁY PHAY CNC - ĐẶC ĐIỂM, KẾT CẤU ...............................................41
2.3.1. Sơ lược về máy phay CNC .....................................................................41
2.3.2. Phân loại máy phay CNC .......................................................................41
Chương 3: THÉP CACBON VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ .......................................42
3.1. NHỮNG ĐẶC TÍNH CỦA THÉP CACBON...............................................42

-3-


3.1.1. Khái niệm: ..............................................................................................42
3.1.2. Tính chất: ................................................................................................42
3.1.3. Thành phần hoá học................................................................................43
3.1.4. Ảnh hưởng của cacbon tính chất và công dụng của thép thường...........44

3.1.5. Ảnh hưởng của các tạp chất ...................................................................45
3.2. PHÂN LOẠI THÉP CACBON .....................................................................46
3.2.1. Phân loại theo chất lượng: .....................................................................46
3.2.2. Phân loại theo thành phần cacbon ..........................................................47
3.3. TIÊU CHUẨN THÉP CACBON ..................................................................49
3.3.1. Tiêu chuẩn Việt Nam: ............................................................................49
3.3.2. Tiêu chuẩn các nước ...............................................................................52
Chương 4: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ GIA CÔNG TRÊN
MÁY CNC QUA ĐÁNH GIÁ PROFILE BỀ MẶT.................................................55
4.1. KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀN KHIỂN CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ. ...........55
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...............................................................................60
4.4. THỰC NGHIỆM VỚI MẪU THÉP CACBON C45 ....................................62
4.4.1. Kiểm tra tính đồng nhất của thực nghiệm. .............................................63
4.4.2. Tính các hệ số của phương trình hồi quy. ..............................................65
4.4.3. Xây dựng đồ thị biểu diễn mối quan hệ của S, V, t đến Ra ..................68
4.5. THỰC NGHIỆM VỚI MẪU THÉP S50C. ...................................................71
4.5.1. Kiểm tra tính đồng nhất của thực nghiệm. .............................................71
4.5.2. Tính các hệ số của phương trình hồi quy. ..............................................73
4.5.3. Xây dựng đồ thị biểu diễn mối quan hệ của S, V, t đến Ra. .................76
4.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ................................................................................79
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................80
TÓM TẮT LUẬN VĂN ...........................................................................................82
CÁC TỪ KHÓA .......................................................................................................84
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................85
PHỤ LỤC ..................................................................................................................87

-4-

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu

Thứ

Nội dung

nguyên

Ra

- Sai lệch số học trung bình của prôfin

µm

Rz

- Chiều cao nhấp mô theo 10 điểm của prôfin

µm

Rmax

- Chiều cao lớn nhất của prôfin

µm

h

- Chiều cao nhấp mô

µm

p

- Bước của nhấp mô

µm

Si

- Bước trung bình của nhấp mô theo đỉnh

µm

Smi

- Bước trung bình của nhấp mô theo prôfin

µm

l

- Chiều dài chuẩn

µm

ypmi

- Chiều cao đỉnh thứ i trong 5 đỉnh cao nhất

µm

yvmi

- Chiều cao đỉnh thứ i trong 5 đỉnh thấp nhất

µm

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)

σ-1

- Giới hạn bền mỏi

N/mm2

σ-1a

- Giới hạn bền mỏi khi không có ứng suất dư

N/mm2

σ-1b

- Giới hạn bền mỏi khi có ứng suất dư

N/mm2

σd

- ứng suất dư lớn nhất ở lớp bề mặt

N/mm2

S

- Bước tiến dao

mm/vòng

V

- Vận tốc cắt

m/phút

r

- Bán kính mũi dao

mm

hmin

- Chiều dày phoi nhỏ nhất

mm

-5-

ϕ

- Góc nghiêng chính của dao

Độ (0)

ϕ1

- Góc nghiêng phụ của dao

Độ (0)

γ

- Góc trước của dao

Độ (0)

α

- Góc sau của dao

Độ (0)

λ

- Góc nâng của lưỡi cắt chính

Độ (0)

ε

- Góc mũi dao

Độ (0)

β

- 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

-

S2j

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

-

K
Gp

- 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

-6-


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 phương pháp gia công

26

3

1.3

Cấp độ nhẵn ứng với các phương pháp gia công

27

4

3.1

Cơ tính của các số liệu thép CT

50

5

3.2

Thành phần hóa học và cơ tính của thép cacbon tốt

51

6

3.3

7

3.4

Thành phần hóa học của thép loại B

53

8

3.5

Thành phần hóa học thép cacbon tốt của Nhật

54

9

4.1

Thông số kỹ thuật của máy phay DMU - 60T

57

10

4.2

Bảng tính toán các thông số công nghệ

59

11

4.3

12

4.4

Kết quả đo độ nhám với mẫu thực nghiệm thép C45

62

13

4.5

Bảng kiểm tra tính đồng nhất của thực nghiệm thép C45

63

14

4.6

Hệ số phương trình hồi quy mẫu thép C45

64

15

4.7

Bảng giá trị hàm số của vật liệu thép C45

66

16

4.8

Kết quả đo độ nhám với mẫu thực nghiệm thép S50C

70

17

4.9

Bảng kiểm tra tính đồng nhất của thực nghiệm thép S50C

71

18

4.10

Hệ số phương trình hồi quy mẫu thép S50C

72

19

4.11

Bảng giá trị hàm số của vật liệu thép S50C

74

Cơ tính của thép cacbon thường loại A của Việt nam và
Nga

Ma trận thự nghiệm của các thông số đầu vào của thí
nghiệm

-7-

53

61


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

4

`1.4

Quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô và lượng tiến dao khi
tiện.
Ảnh hưởng của hình dáng hình học của dụng cụ cắt và
chế độ cắt đến nhấp nhô bề mặt khi tiện

21
21

Ảnh hưởng của lượng chạy dao S đối với chiều sâu biến
5

1.5

cứng tc, tùy theo loại vật liệu gia công và vật liệu làm

22

dụng cụ cắt
Ảnh hưởng của vận tốc cắt (V) đến chiều cao nhấp nhô

23

6

1.6

7

1.7

8

1.8

9

1.9

Ảnh hưởng của góc trước tới lớp biến cứng bề mặt

25

10

2.1

Cấu tạo máy phay CNC

33

11

2.2

Cấu tạo bàn xoay trên máy CNC

34

12

2.3

Các trục của bàn xoay và máy phay CNC.

34

13

2.4

Cụm trục chính máy phay CNC

36

14

2.5

Băng dẫn hướng máy CNC

36

15

2.6

Kết cấu cụm vít me đai ốc bi

37

16

2.7

Các dạng ổ tích dụng cụ

37

17

2.8

Cơ cấu thay dao

38

18

3.1

Ảnh hưởng của cacbon đến cơ tính của thép thường

44

19

3.2

Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C)

49

tế vi (Rz)
Phân tích hệ lực tác dụng khi bào
Ảnh hưởng của lượng tiến dao (S) và bán kính lưỡi cắt (r)
đến độ biến cứng bề mặt

-8-

24
25

20

4.1

Máy phay CNC Deckel Maho - DMU 50T

57

21

4.2

Kết cấu dao phay trụ đứng

58

22

4.3

Thiết bị đo độ nhám

59

23

4.4

Mẫu thực nghiệm thép C45

62

24

4.5

Đồ thị quan hệ Ra – V – t khi gia công thép C45

67

25

4.6

Đồ thị quan hệ Ra –V - S khi gia công thép C45

68

26

4.7

Đồ thị quan hệ S, t , Ra Khi gia công vật liệu thép C45

69

27

4.8

Mẫu thực nghiệm thép S50C

70

28

4.9

Đồ thị quan hệ Ra – V – t khi gia công thép S50C

75

29

4.10

Đồ thị quan hệ Ra – S – V khi gia công thép S50C

76

30

4.11

Đồ thị quan hệ Ra – S – t khi gia công thép S50C

77

-9-


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 công 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 công
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 học được xuất bản phần lớn mang tính lý
thuyết và định hướng, để có được các thông 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 công trình nghiên cứu cũ và
không chứa đủ thông tin do điều kiện thí nghiệm khác xa với công 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 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.
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
làm việc. Vì vậy muốn đạt được khả năng làm việc của chi tiết máy được hiệu quả

- 10 -


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), thông số hình học của dao ...Dựa
vào mối quan hệ đó thì người làm công nghệ có thể điều khiển các thông số công
nghệ của máy và dao để đảm bảo chất lượng bề mặt chi tiết máy trong quá trình gia
công, 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 quá 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 chế độ gia công trên máy phay CNC qua đánh
giá profile bề mặt”.
2. Lịch sử nghiên cứu.
Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ gia công trên máy phay CNC qua đánh giá
profile bề mặt thực chất là xác lập mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt(đầu ra) với
thông số công nghệ(đầu vào) sau đó dựa vào mối quan hệ đó để điều khiển chế độ
cắt phù hợp cho máy và dao trong quá trình gia công đạt được yêu 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: 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 (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) ; Phan Công Trình, Nghiên cứu
các ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy khi

- 11 -


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 công vật liệu có tính dẻo cao trên máy tiện CNC, Luận
văn thạc sỹ, ĐHBK-HN (2006); 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 các
chế độ gia công đến độ nhám bề mặt, điều đó chứng tỏ việc nghiên cứu ảnh hưởng
của các chế độ gia công 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 phay CNC(DMU 50T), từ đó xác lập mối quan hệ
giữa các thông số của độ nhám bề mặt tới chế độ cắt để người điều khiển máy gia
công thiết lập 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 phay 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 phay 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, thông 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

- 12 -


thông số chế độ cắt v, t, s khi phay vật liệu thép cacbon thông thường trên máy
CNC.
- Máy thực nghiệm: là máy phay CNC DMU 50T của Đức.
- Vật liệu gia công là thép cacbon C45 và S50C.
- Vật liệu làm dao là mảnh hợp kim của Misubitshi – Nhật Bản.
- Đối tượng gia công là phay công tua ngoài
- 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 các yếu tố ảnh hưởng đến
các thông số đặc trưng cho chất lượng bề mặt gia công;
- Nghiên cứu khái quát về công nghệ CNC;
- Đánh giá chất lượng bề mặt khi phay trên máy phay 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 khi phay vật liệu thép cacbon trên máy phay 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

đưa ra được 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 trên 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
phay 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 quá trình cắt.

- 13 -


Giúp cho việc lựa chọn chế độ công nghệ khi soạn một chương trình NC cho
máy và khai thac 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 trường trong dạy học và sản xuất.
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.

- 14 -


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 thông 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 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. 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 cáu 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 không bằng phẳng một cách lý tưởng mà có những
nhấp mô. Những nhấp mô này là do qúa trình biến dạng dẻo của bề mặt chi tiết khi

- 15 -


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 mô trên bề mặt đều là nhám bề mặt, mà nó là tập
hợp những nhấp mô có bước tương đối nhỏ và được xét trong giới hạn dài chuẩn, l
(hình 1.1).
- Những mấp mô có tỷ số giữa bước 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 hưởng lớn đến chất lượng sử
dụng của chi tiết máy.

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

1. Độ nhấp nhô tế vi : Theo tiêu chuẩn TCVN2511-95, để đánh giá độ nhám người
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 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 đường trung bình, đo theo phương
pháp tuyến với đường trung bình. Đường trung bình của (m) là đường chia prôfin
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
R a = ∑ yx
n 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 được sử dụng khi độ nhám quá lớn hoặc
quá nhỏ.
5

Rz =

5

∑ ypmi − ∑ y vmi
i =1

i =1

5

(1.3)

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 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 đưa 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 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). Độ sóng bề mặt
thường xuất hiện khi gia công có rung động của hệ thống công nghệ, quá trình cắt

- 17 -

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

Rz lớn nhất, µm

Ra lớn nhất, µm

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

-

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 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.
1. 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

- 18 -


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 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.
2. 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.

- 19 -

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 quá trình gia công do nhiều
yếu tố công 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 thoát cacbon 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 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).

S2
Với S > 0,15 mm/vg thì : R z =
8r
Với S < 0,1 mm/vg thì : R z =

(1.4)

S2 h min ⎛ r.h min ⎞
+
⎜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 Rz 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 Rz, S và r,
cụ thể là trong phạm vi giá trị lượng chạy dao S > 0,15 mm/vòng.
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/vòng). 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.

- 20 -


Nếu lượng chạy dao quá nhỏ (S < 0,03 mm/vòng) thì Rz tăng do có hiện tượng
trượt dao.
Ra
(µm

1

2
3

0

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

S (m/vg)

Hình 1.3 - Quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô
và lượng tiến dao khi tiện.
Hình 1.4. là sơ đồ biểu diễn sự phụ thuộc của Rz vào S, ϕ, ϕ1 và r. Từ hình
1.4.a, ta thấy rằng khi lượng chạy dao là S1, 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
cắt đến nhấp nhô bề mặt khi tiện

- 21 -


để lại lượng m không thể cắt được từ đó sinh ra độ nhám Rz’, khi giảm lượng 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 (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 (r2 > 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 mòn dụng cụ cũng ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt,
khi góc trước tăng thì Rz giảm, còn khi độ mòn dụng cụ tăng thì Rz 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 địng được quan hệ với S theo công thức 1.6.
tC = C.Sx (µm)

(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 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.
a. Cắt thép C35, dao thép gió HS10, V = 400m/ph.
b. Cắt thép C35, dao kêramic (gốm), V =600m/ph.
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 : α = 50 ; γ = -50 ; λ = 0 ;

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

- 22 -


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 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 thước nhấp nhô 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 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 100
m/ph thì lẹo dao không 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 mãnh 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 ngoài ảnh hưởng mang tính hình học, còn 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 Rz khi gia công thép cacbon.
Độ nhám bề mặt khá ổn định khi S nằm trong khoảng (0,02 ÷ 0,15) mm/vòng. Nếu
S < 0,02 mm/vòng thì độ nhám bề mặt tăng do có hiện tượng trượt dao gây biến

- 23 -