Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới chất lượng bề mặt gia công của các loại thép hợp kim có độ cứng cao trên máy phay CNC

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

Hồ Trọng Chính

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ
TỚI CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG CỦA CÁC LOẠI THÉP
HỢP KIM CÓ ĐỘ CỨNG 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:
1. GS.TS NGUYỄN ĐẮC LỘC

HÀ NỘI - 2010


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ số liệu thực nghiệm và kiến thức được sử dụng
trong luận văn cao học của tôi là hoàn toàn chính xác và dựa trên thực tế đã thực
nghiệm.
Tác giả

Hồ Trọng Chính

2

MỤC LỤC
Trang
Trang bìa phụ ......................................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... 2
MỤC LỤC............................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT........................................ 6
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... 9
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................... 10
MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 12
Chương 1:CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ........ 18
1.1. Tổng quan về nhám bề mặt. .............................................................................. 18
1.1.1. Trung bình sai lệch số học biên độ (prôfin), Ra:....................................... 19
1.1.2. Chiều cao cực đại của biên độ(prôfin), Ry:............................................... 19
1.1.3. Độ cao mười điểm của độ nhám, Rz: ........................................................ 19
1.1.4. Sai lệch tiêu chuẩn của biên độ (profin), Rq: ............................................ 20
1.2. Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt tới khả năng làm việc của chi tiết máy. ........ 21
1.2.1. Ảnh hưởng tới tính chống mòn................................................................. 21
1.2.2. Ảnh hưởng tới độ bền mỏi của chi tiết. .................................................... 24
1.2.3. Ảnh hưởng tới tính chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt chi tiết.......... 25
1.2.4. Ảnh hưởng tới độ chính xác mối lắp ghép................................................ 25
1.2.5. Lựa chọn độ nhám bề mặt......................................................................... 26
1.2.6. Kết luận về tầm quan trọng của độ nhám bề mặt...................................... 27
1.3. Những kết quả nghiên cứu đã đạt được trong việc nghiên cứu các yếu tố ảnh
hưởng tới độ nhám bề mặt chi tiết gia công (Ra, Rz). .............................................. 28
1.3.1. Các kết quả đối với máy công cụ truyền thống. ....................................... 28
1.3.1.1. Các yếu tố mang tính chất hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt. ..... 28
1.3.1.2. Các yếu tố phụ thuộc vào biến dạng dẻo của lớp bề mặt ................ 30
1.3.1.3. Ảnh hưởng do rung động của hệ thống công nghệ đến chất lượng bề
mặt gia công.................................................................................................. 33

3


1.3.1.4. Biện pháp cải thiện độ bóng bề mặt gia công chi tiết máy bằng dụng
cụ cắt có lưỡi cắt định hình. ......................................................................... 34
1.4.Nhận xét. ........................................................................................................... 35
Chương 2:TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CNC............................................. 36
2.1. Tổng quan về công nghệ CNC. ......................................................................... 36
2.2. Tổng quan về máy phay CNC........................................................................... 38
2.2.1. Phân loại máy phay CNC.......................................................................... 38
2.2.1.1. Máy phay CNC (CNC Milling Machine)........................................ 38
2.2.1.2. Trung tâm phay CNC (Milling Center) ........................................... 39
2.2.1.3. Trung tâm phay - tiện CNC (Milling – Turning Center) ............. 39
2.2.2. Hệ thống điều khiển trục chính................................................................. 39
2.2.3. Hệ thống thay dao tự động........................................................................ 40
2.2.4. Ổ gá dao .................................................................................................... 40
2.2.5. Hệ thống điều khiển chạy dao................................................................... 40
2.2.6. Hệ thống kẹp chi tiết ................................................................................. 41
Chương 3:XÁC LẬP MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC THÔNG SỐ CẮT GỌT VÀ
ĐỘ NHÁM BỀ MẶT ............................................................................................. 42
3.1. Khái quát về thép hợp kim. ............................................................................... 42
3.1.1. Thành phần hóa học. ................................................................................. 42
3.1.2. Các đặc tính của thép hợp kim.................................................................. 42
3.1.3. Hợp kim cứng. .......................................................................................... 44
3.1.3.1. Kh¸i niÖm: ....................................................................................... 44
3.1.3.2. Phư¬ng ph¸p chÕ t¹o, ph©n lo¹i hîp kim cøng. .............................. 44
3.1.3.3. Ph©n lo¹i hîp kim cøng. .................................................................. 46
3.2.1. Các thông số công nghệ cơ bản của hệ thống thí nghiệm......................... 48
3.2.1.1. Máy phay CNC Deckel Maho DMU60T.......................................... 48

3.2.1.2. Hệ điều khiển Heidenhain. .............................................................. 50
3.2.1.3. Dụng cụ cắt...................................................................................... 50
3.2.1.4. Mẫu thí nghiệm ................................................................................ 52

4


3.2.1.5. Phương pháp phay: Phay mặt đầu................................................... 52
3.2.1.6. Dung dịch làm mát........................................................................... 53
3.2.1.7. Thiết bị đo độ bóng chi tiết sau khi gia công................................... 53
3.2.2. Tiến trình thí nghiệm. ............................................................................... 54
Chương 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ............................................................... 57
4.1. Với vật liệu thép X12M. ................................................................................... 58
4.2. Với vật liệu thép 40X. ....................................................................................... 66
4.3. Với vật liệu thép 9XC. ...................................................................................... 74
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 84
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 86

5


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu

Nội dung

Thứ nguyên

Ra

-

Sai lệch prôfin trung bình cộng

µm

Rz

-

Chiều cao nhấp nhô tế vi

µm

Rmax

-

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

ypmi

-

Chiều cao đỉnh thứ i trong 3 đỉnh cao nhất

µm

yvmi

-

Chiều cao đỉnh thứ i trong 3 đỉnh thấp µm

nhất
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 N/mm2

dư
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/vßng

V

-

Vận tốc cắt

m/phót

r

-

Bán kính dao

mm

hmin

-

Chiều dày phoi nhỏ nhất

mm

6


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

HV

-

Độ cứng Vikker

-

HB

-

Độ cứng Brinell

-

HRC

-

Độ cứng Rockwell

-

σ

-

Sai số bình phương trung bình

-

xi

-

Giá trị ngẫu nhiên của dãy số

-

x

-

Giá trị trung bình

-

x*

-

Giá trị đột biến

-

φ(t)

-

Giá trị của phân phối chuẩn

-

α

-

Sai số của phương pháp thử, hệ số phụ -

thuộc vật liệu
t

-

Tỷ số so sánh

-

t/P

-

Giá trị của t tại độ tin cậy P

-

yjk

-

Kết quả thực nghiệm đo được tại lần đo -

thứ j, của thông số k

Yj

-

Giá trị trung bình yjk, k = 1 : k

-

S2j

-

Phương sai của dãy số yjk, k = 1 : k

-

K

-

Số thực nghiệm song song được thự hiện -

trong cùng một điều kiện
Gp

-

Chỉ số Kokren

-

7


ai

-

Các hệ số của hàm mô tả quan hệ giữa -

đầu vào và đầu ra, i = 1 : n0
ξ

-

Sai số ngẫu nhiên

-

σ2

-

Phương sai của phân phối chuẩn

-

bj

-

Tham số của đa thức thực nghiệm -

Trebusep, j = 1 : n0
ωk

-

Tỷ trọng đã biết của các quan trắc

-

n0

-

Bậc của đa thức thực nghiệm

-

N, n

-

Số thực nghiệm tiến hành

-

Sn

-

Tổng bình phương các độ lệch

-

h, q

-

Công sai, công bội

-

ai

-

Tham số của hàm hồi quy thực nghiệm, i -

= 1 : n0
S(a0, a1)

-

Tổng dư bình phương của hàm hồi quy

-

rxy

-

Tỷ số so sánh

-

y%

-

Ký hiệu của hàm hồi quy

-

XT

-

Ma trận chuyển vị của ma trận X

-

M-1

-

Ma trận nghịch đảo của ma trận M

-

Sdu

-

Phương sai dư, tính theo S(â)

-

m

-

Số các thông số ‘cần xác định, trừ thông -

số a0
mjj

-

Số hạng thứ ij của ma trận nghịch đảo M-1

α
t(n − m − 1,1 − )
2

-

Phân vị

-

1+ γ
của luật phối Student với (n
2

– m – 1) bậc tự do
γ

-

Độ tin cậy

-

8

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Bảng cấp độ nhám theo TCVN.
Bảng 1.2. Biện pháp cải thiện độ bóng bề mặt.
Bảng 3.1. Thành phần hóa học của loại P.
Bảng 3.2. Thành phần hóa học của loại M.
Bảng 3.3. Thành phần hóa học của loại K.
Bảng 3.4. Thành phần hóa học của thép 40X.
Bảng 3.5. Thành phần hóa học của thép 9XC.
Bảng 3.6. Thành phần hóa học của thép X12M.
Bảng 3.7. Bảng thông số kỹ thuật của máy phay CNC Deckel Maho DMU60T.
Bảng 3.8. Điều kiện quy hoạch thực nghiệm ba yếu tố.
Bảng 4.1. Kết quả độ nhám của thép X12M.
Bảng 4.2. Ma trận đơn vị của thí nghiệm X12M.
Bảng 4.3. Hệ số của các phương trình hồi quy của X12M.
Bảng 4.4. Giá trị phương sai của X12M.
Bảng 4.5. Kết quả độ nhám của thép 40X.
Bảng 4.6. Ma trận đơn vị của thí nghiệm 40X.
Bảng 4.7. Hệ số của các phương trình hồi quy của 40X.
Bảng 4.8. Giá trị phương sai của 40X.
Bảng 4.9. Kết quả độ nhám của thép 9XC.
Bảng 4.10. Ma trận đơn vị của thí nghiệm 9XC.
Bảng 4.11. Hệ số của các phương trình hồi quy của 9XC.
Bảng 4.12. Giá trị phương sai của 9XC.

9


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1

Profil của bề mặt chi tiết.

Hình 1.2

Bề mặt chi tiết sau khi mài

Hình 1.3

Sơ đồ xác định profil trung bình cộng Ra

Hình 1.4

Sơ đồ xác định profil trung bình công Ry

Hình 1.5

Sơ đồ xác định profil trung bình công Rz

Hình 1.6

Sơ đồ xác định profil trung bình công Rq

Hình 1.7

Mô hình hai bề mặt tiếp xúc

Hình 1.8

Quan hệ của một cặp ma sát.

Hình 1.9

Quan hệ giữa lượng mòn ban đầu U và sai lệch trung profil trung bình
cộng Ra.

Hình 1.10

Quan hệ giữa ăn mòn hóa học trên lớp bề mặt ban đầu.

Hình 1.11

Quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô tế vi Rz với lượng chạy dao S

Hình 1.12

Ảnh hưởng của hình dạng hình học của dụng cụ cắt với chế độ cắt đến
nhâp nhô bề mặt sau khi tiện.

Hình 1.13

Hiện tượng lẹo dao.

Hình 1.14

Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến chiều cao lẹo dao.

Hình 1.15

Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến nhấp nhô tế vi Rz.

Hình 1.16

Ảnh hưởng của lượng chạy dao S đối với chiều cao nhấp nhô tế vi Rz

Hình 3.1

Quan hệ giữa độ cứng và nhiệt độ làm việc của một số loại vật liệu.

Hình 3.2

Quá trình chế tạo hợp kim cứng của hãng Sumitomo Nhật bản

Hình 3.3

Trung tâm gia công phay CNC Deckel Maho DMU60T

Hình 3.4

Dao phay trụ

Hình 3.5

Dao phay trụ

Hình 3.6

Các mẫu dùng trong thí nghiệm.

Hình 3.7

Sơ đồ cắt khi gia công

Hình 3.8

Gia công trên máy phay Deckel Maho DMU60T.

Hình 3.9

Máy đo độ bóng Mitutoyo

10


Hình 3.10

Đầu đo độ bóng.

Hình 4.1. Đồ thị quan hệ Ra với S,V khi t=0,2mm của thép X12M.
Hình 4.2. Đồ thị quan hệ Ra với S,V khi t=1mm của thép X12M.
Hình 4.3. Đồ thị quan hệ Ra với t,V khi S=0,13(mm/vòng) của thép X12M.
Hình 4.4. Đồ thị quan hệ Ra với S,V khi t=0,2mm của thép 40X.
Hình 4.5. Đồ thị quan hệ Ra với S,V khi t=1mm của thép 40X.
Hình 4.6. Đồ thị quan hệ Ra với t,V khi S=0,13(mm/vòng) của thép 40X.
Hình 4.7. Đồ thị quan hệ Ra với S,V khi t=0,2mm của thép 9XC.
Hình 4.8. Đồ thị quan hệ Ra với S,V khi t=1mm của thép 9XC.
Hình 4.9. Đồ thị quan hệ Ra với t,V khi S=0,13(mm/vòng) của thép 9XC.
Hình 1. Các mẫu trước khi gia công.
Hình 2. Mẫu X12M sau khi gia công.
Hình 3. Mẫu 40X sau khi gia công.

Hình 4. Mẫu 9XC sau khi gia công.
Hình 5. Một số hình ảnh về đo độ nhám.

11


MỞ ĐẦU
Trong một nền kinh tế phát triển thì gia công cơ khí đóng một vai trò hết sức
quan trọng, vì gia công cơ khí sẽ tạo ra máy móc cho các ngành, nghề khác. Chúng
ta đang hòa nhập mạnh mẽ 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 các chế độ gia công hợp lý là
một trong những yếu tố quan trọng nhất để đảm bảo chất lượng và giá thành sản
phẩm.
Trong những năm gần 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 sản
phẩm 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 tìm ra được mối quan hệ giữa các thông số của chế độ cắt và
chất lượng bề mặt gia công là một yêu cầu cấp thiết đặt ra cho các nhà nghiên cứu.
Tuy nhiên việc ứng dụng các kiến thức này vào thực tiễn sản xuất còn chưa
tương xứng với yêu cầu đặt ra cho ngành chế tạo máy ở Việt Nam hiện nay. Nguyên
nhân chủ yếu là những thông tin khoa 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
thường phải làm rất nhiều các thí nghiệm, tốn rất nhiều thời gian và tiện bạc nên
không bao giờ được các trung tâm nghiên cứu nước ngoài công bố, muốn tiếp cận
được các số liệu này chúng ta phải mua bản quyền với giá cao. Thực tế cho thấy có
rất nhiều tài liệu, sổ tay với các số liệu phần lớn có nguồn gốc từ các công trình
nghiên cứu được tiến hành cách đây hàng chục năm thậm chí vài chục năm và bản

thân các số liệu này ít khi chứa đựng đầy đủ các thông tin cần thiết. Điều này xuất
phát từ mục đích và điều kiện nghiên cứu của các nhà khoa học, do vậy mỗi nguời
tiến hành thí nghiệm của mình theo một điều kiện công nghệ khác nhau và cho ra
các kết quả khác nhau. Ngoài ra, trong những thập niên vừa qua, ngành công nghệ

12


gia công cắt gọt cũng như ngành công nghệ vật liệu đã có những bước tiến đáng kể.
Các máy gia công cắt gọt hiện đại như máy CNC, máy tiện, máy phay tốc độ cao
được đưa vào sử dụng cùng với vật liệu gia công mới cũng như công nghệ trơn
nguội hiện đại đã mở ra nhiều khả năng lớn cho ngành công nghệ cắt gọt. Do vậy
các thông số của chế độ gia công trong các cuốn sổ tay không còn đáp ứng đầy đủ
các yêu cầu cảu ngành công nghệ chế tạo máy hiện đại mà chỉ nên xem nó như một
bước định hướng đầu tiên. Các bước tiếp theo chính là nhiệm vụ chủ yếu của các
nhà công nghệ hiện nay, xuất phát từ bài toán cụ thể xác định chế độ cắt tối ưu cho
quá trình cắt gọt sao cho vừa đảm bảo yêu cầu kỹ thuật của chi tiết, vừa đạt được
hiệu quả kinh tế cao nhất. Để đạt được điều này, họ cần phải có trong tay những
thông tin liên quan đến quá trình cắt gọt như thông tin số liệu về thiết bị gia công,
vật liệu làm phôi, kích thước phôi vật liệu làm dụng cụ và đặc biệt là các quá trình
cơ, lý và hóa học xảy ra trong quá trình cắt gọt tại vùng cắt.
Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cắt gọt tới chất lượng bề mặt
gia công khi gia công các loại thép hợp kim có độ cứng cao trên máy phay CNC”
chỉ là một nhánh nhỏ trong công việc nặng nề trên. Đây chỉ là một trong loạt đề tài
nghiên cứu ứng dụng về việc sử dụng hiệu quả máy CNC. Tuy nhiên, theo chúng tôi
thì đây là vấn đề cơ bản nhất, bởi chất lượng bề mặt là yêu cầu vô cùng quan trọng
của chi tiết gia công. Từ các mối quan hệ giữa chất lượng bề mặt với các thông số
cắt gọt thì người làm công nghệ có thể chọn chế độ cắt tối đã của máy và dao mà
vẫn đảm bảo chất lượng, từ đó có thể tăng năng suất khai thác tối đã của máy, giảm
giá thành sản phẩm.

TỔNG QUAN CÁC ĐỀ TÀI ĐÃ THỰC HIỆN
Xác lập mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt (đầu ra) với các thông số công nghệ
(đầu vào), trên thế giới đã được nghiên cứu từ rất lâu, nhưng các kết quả thực sự của
các công trình nghiên cứu này được người ta bảo mật với mục đích thương mại, các
công bố báo cáo khoa học được đăng tải chỉ đưa ra các kết quả nghiên cứu mang

13


tính định hướng. Thực chất điều này không có gì khó hiểu vì đa số các viện nghiên
cứu khoa học theo đơn đặt hàng của các tập đoàn công nghiệp.
Trong đó các đề tài nghiên cứu ứng dụng nhằm khai thác 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); 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(2003); Vũ
Đình Thơm, Tính toán bù bán kính mũi dao khi lập chương trìnhNC 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); 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 cao học,
ĐHBKHN(2006); …
Trong nhóm đề tài trên có bốn đề tài nghiên cứu trực tiếp nghiên cứu ảnh
hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt, điều đó chứng tỏ việc
nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết
máy là rất quan trọng.

Trong đề tài của mình tác giả Nguyễn Ngọc Ánh đã có 20 thực nghiệm để tìm
ra quan hệ giữa độ nhám bề mặt với chế độ cắt đối với thép khuôn mẫu JIS S55C.
Tuy nhiên quan hệ đó được xác định trên cơ sở thay đổi chế độ cắt ở các mức khác
nhau nhưng không thay đổi theo cách hoán vị các thông số của chế độ cắt, điều đó
làm cho kết quả thu được chưa thật sự chính xác.
Trong bài báo ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhấp nhô tế vi bề mặt khi phay
băng dao phay mặt đầu trên máy phay CNC, các tác giả đã tiến hành 20 thí nghiệm
và đã đưa ra được công thức quan hệ giữa độ nhám với các thông số của chế độ cắt.

14


Tuy nhiên theo tôi thì các thí nghiệm đó được thực hiện với chế độ cắt thay đổi ít và
không mang tính hoán vị nên kết quả nhận được chưa phản ánh hết ảnh hưởng
tương quan của các thông số chế độ cắt với nhau.
Trong luận văn cao học 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 tiện CNC, tác giả Hà
Quang Sáng cũng đã làm thực nghiệm với 2 mẫu inox và đồng thau và đã cho ra
những kết quả tương đối mang tính chính xác. Nhưng đó là thực nghiệm trên máy
tiện CNC.
Trong luận văn cao học nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ
đến chất lượng bề mặt chi tiết khi gia công trên máy phay CNC. Tác giả cũng đã
đưa ra cho người đọc kết quả thực nghiệm của 2 mẫu thép là thép C45 và 40X. Đây
cũng là một trong những đề tài mang tính thực tiễn cũng khá cao nhưng chỉ dừng lại
ở mức nghiên cứu ở trên một số vật liệu tổng quát chung chứ chưa cụ thể cho từng
loại vật liệu.
Do phạm vi của một đề tài luận văn tốt nghiệp cao học không đủ để thực hiện
một công trình nghiên cứu mang tính toàn diện đối với tất cả các loại vật liệu của
các ngành chế tạo máy cũng như mọi yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám nên đề tài chỉ
tập trung vào các loại vật liệu hợp kim có độ cứng cao, dự tính ba loại vật liệu đặc

trưng cho thép hợp kim có độ cứng cao: X12M, 40X và 9XC.

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Vật liệu có tính cứng là loại vật liệu được sự dụng nhiều trong ngành chế tạo
máy (như dùng trong khuôn mẫu, các chi tiết trong máy…)do đặc điểm của tính
chất vật liệu. Ở nước ta, gia công vật liệu có tính cứng 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. Việc tác giả chọn đề tài “ Nghiên cứu ảnh
hưởng của các thông số công nghệ tới chất lượng bề mặt gia công của các loại thép

15


hợp kim có độ cứng 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 cứng của vật liệu

-

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

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

16


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, tôi đã có nhiều sự giúp đỡ quý
báu.
Trước tiên tôi xin cảm ơn cán bộ hướng dẫn GS.TS. Nguyễn Đắc Lộc – người
đã dìu dắt, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài, tôi cũng xin cảm ơn
Trung tâm 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

Hồ Trọng Chính

17


Chương 1:
CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG
1.1. Tổng quan về nhám bề mặt.
Sau khi gia công, bề mặt của chi tiết không bằng phẳng một cách tuyệt đối,
nghĩa là không đạt được bề mặt hình học lý tưởng. nếu quan sát bề mặt của chi tiết
dưới kính hiển vi, sẽ thấy được những nhấp nhô do vết dao gia công lưu lại trên bề
mặt của chi tiết.
Nhám bề mặt là tập hợp những nhấp nhô có bước tương đối nhỏ trên bề mặt
thực của chi tiết được xét trong phạm vi chiều dài chuẩn.

Hình 1.1. Profin của bề mặt chi tiết

Hình vẽ phóng to prôfin của bề mặt chi tiết trong giới hạn chiều dài chuẩn l.
Đường trung bình (m) của prôfin được xác định sao cho tổng diện tích các phần
lồi bằng tổng diện tích các phần lõm:
F1 + F3 +…+Fn-1 = F2 + F4 +…+ Fn

Hình 1.2. Bề mặt chi tiết sau khi mài

18


Nhám bề mặt được đánh giá theo các thông số sau:
1.1.1. Trung bình sai lệch số học biên độ (prôfin), Ra:
Ra là trung bình cộng những giá trị tuyệt đối của những sai lệch biên độ (Yi)
so với đường trung bình.
Ra =

1 n
∑ Yi
n i =1

Hình 1.3. Sơ đồ xác định profin trung bình cộng Ra
1.1.2. Chiều cao cực đại của biên độ(prôfin), Ry:
Ry là tổng chiều cao đỉnh cao nhất từ hàng trung bình Yp và chiều sâu của đáy
thấp nhất từ đường trung bình.
Ry = Yp + Yv

Hình 1.4. Sơ đồ xác định profin Ry
1.1.3. Độ cao mười điểm của độ nhám, Rz:
Tổng chiều cao trung bình năm đỉnh cao nhất và độ sâu trung bình năm đáy
thấp nhất được đo từ một hàng song song với đường trung bình.

19


Rz =

1 5
1 5
Y pi + ∑ Yvi
∑
5 i =1
5 i =1

Hình 1.5. Sơ đồ xác định profin trung bình cộng Rz
1.1.4. Sai lệch tiêu chuẩn của biên độ (profin), Rq:
Rq là căn bậc hai trung bình cộng bình phương độ lệch biên dạng Yi so với
đường trung bình.
1

⎛ 1 n 2 ⎞2
Rq = ⎜ ∑ Yi ⎟
⎝ n i =1 ⎠

Hình 1.6. Sơ đồ xác định profin Rq
Theo TCVN 2511: 1995 quy định 14 cấp độ nhám và trị số của các thông số
nhám Ra và Rz. Trị số nhám càng bé thì bề mặt càng nhẵn.

20

Việc chọn chỉ tiêu Ra và Rz là tùy theo chất lượng yêu cầu của bề mặt và đặc
tính kết cấu của bề mặt. Trong sản xuất thường dùng chỉ tiêu Ra để đánh giá các
bề mặt có độ nhám trung bình. Đối với những bề mặt có độ nhám quá thô hoặc rất
tinh thì dùng chỉ tiêu Rz, vì nó đánh giá chính xác hơn.
Bảng 1.1. Bảng cấp độ nhám theo TCVN.

Tùy theo điều kiện làm việc và tính chất sử dụng của các bề mặt chi tiết mà
xác định cấp độ nhám. Các bề mặt tiếp xúc yêu cầu thông số nhám có trị số bé,
các bề mặt không tiếp xúc yêu cầu thông số nhám có trị số lớn. Độ chính xác của
kích thước càng cao, yêu cầu thông số nhám có trị số càng bé.
Các bề mặt chi tiết có độ nhám khác nhau, đòi hỏi các phương pháp gia công khác
nhau. Bề mặt có trị số nhám càng bé đòi hỏi gia công càng tinh vi.
1.2. Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt tới khả năng làm việc của chi tiết máy.
Độ nhám bề mặt có ảnh hưởng nhiều đến khả năng làm việc của chi tiết máy,
đến mối lắp ghép của chúng trong kết cấu cụ tổng thể của máy.
1.2.1. Ảnh hưởng tới tính chống mòn.

21


Chiều cao và hình dạng của nhấp nhô tế vi trên bề mặt cùng với chiều của vết
gia công có ảnh hưởng đến ma sát và mài mòn chi tiết máy.
Do bề mặt hai chi tiết tiếp xúc với nhau có nhấp nhô tế vi nên ở giai đoạn đầu
hai bề mặt này chỉ tiếp xúc với nhau trên một số đỉnh nhấp nhô cao, diện tích tiếp
xúc chỉ bằng một phần diện tích tính toán và tại đó có áp suất rất lớn, thường vượt
quá giới hạn chảy, có khi vượt cả giới hạn bền của vật liệu, làm cho các điểm tiếp
xúc bị nén đàn hồi và biến dạng dẻo các nhấp nhô, đó là biến dạng tiếp xúc. Biến
dạng tiếp xúc được xác định theo công thức kinh nghiệm sau:
∆ = C.px (µm)

(1.1)

Trong đó: C, x – hệ số và số mũ phụ thuộc vào điều kiện thực nghiệm.
p - áp suất tại chổ tiếp xúc (N/mm2).
Khi hai bề mặt có chuyển động tương đối với nhau sẽ xảy ra hiện tượng trượt
dẻo ở các đỉnh nhấp nhô. Các đỉnh nhấp nhô bị mòn nhanh làm khe hở lắp ghép
tăng lên, đó là hiện tượng mòn ban đầu. Trong điều kiện làm việc nhẹ và vừa, mòn
ban đầu có thể làm cho chiều cao nhấp nhô giảm (65÷75)%, lúc đó diện tích tiếp
xúc thực tăng lên và áp suất tiếp xúc giảm đi. Mòn ban đầu ứng với thời gian chạy
rà kết cấu cơ khí. Ở giai đoạn này hình dạng nhấp nhô và chiều của vết gia công
cũng thay đổi. Sau giai đoạn này quá trình mài mòn trở nên bình thường và chậm.
Đó là giai đoạn mòn bình thường. Cuối cùng là giai đoạn mòn kịch liệt, khi đó bề
mặt tiếp xúc bị tróc ra, nghĩa là cấu trúc bề mặt chi tiết bị phá hỏng. Như vậy, quá
trình mài mòn của một cặp chi tiết máy xét trên cơ sở ma sát ở bề mặt tiếp xúc,
thường trải qua bai giai đoạn: mòn ban đầu, mòn bình thường, mòn kịch liệt.

Hình 1.7. Mô hình 2 bề mặt tiếp xúc

22


Ở hình 1.8 biểu thị mối quan hệ giữa lượng mòn và thời gian sử dụng của một
cặp chi tiết ma sát với nhau tùy theo độ nhám bề mặt ban đầu. Độ nhám bề mặt ban
đầu phụ thuộc phương pháp gia công. Các đường đặc trưng a,b,c ứng với ba độ
nhám ban đầu khác nhau của các bề mặt tiếp xúc. Ở đây giai đoạn mòn ban đầu là
khoảng thời gian từ (0÷t1), từ (0÷t2), từ (0÷t3). Giai đoạn mòn bình thường của cặp
chi tiết, tùy theo độ nhám bề mặt ban đầu, ứng với khoảng thời gian từ (t1÷T1), từ
(t2÷T2), từ (t3÷T3). Giai đoạn mòn kịch liệt của cặp chi tiết ứng với khoảng thời gian
từ T1, T2, T3 trở đi. Ở đường đặc trưng c, cặp chi tiết có độ nhẵn bóng bề mặt ban
đầu kém nhất nên giai đoạn mòn ban đầu xảy ra nhanh nhất, nghĩa là xét về thời

gian thì t3mòn ban đầu. Tuổi thọ của cặp chi tiết độ nhẵn bóng bề mặt kém nhất ứng với giai
đoạn mòn bình thường cũng ngắn nhất, nghĩ là T3
Hình 1.8. Quá trình mòn của một cặp ma sát
Chất lượng bề mặt: đường a: tốt; đường b: trung bình; đường c: xấu
Như vậy khi chế tạo chi tiết máy, nếu giảm hoặc tăng chiều cao nhấp nhô tế vi
tới trị số tối ưu, ứng với điều kiện làm việc của chi tiết, thì sẽ đạt được lượng mòn
ban đầu ít nhất, qua đó kéo dài tuổi thọ của chi tiết.
Ở hình 1.9 ta có quan hệ giữa độ mòn ban đầu (u) và trị số sai lệch profin
trung bình cộng Ra, tùy theo điều kiện làm việc nặng 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

23


trị Ra nhỏ hơn trị số tối ưu Ra1, Ra2 thì sẽ bị mòn kịch liệt vì các phần tử kim loại dễ
khuếch tán. Ngược lại, giá trị của Ra lớn hơn trị số tối ưu Ra1, Ra2 thì lượng mòn sẽ
tăng lên vì các nhấp nhô bề mặt bị phá vỡ và cắt đứt.
Tóm lại khi thiết kế hai bề mặt ma sát với nhau phải chọn độ nhám bề mặt tối
ưu để giảm độ mòn của chúng đến mức nhỏ nhất, tùy theo điều kiện làm việc cụ thể.

Hình 1.9. Quan hệ giữa lượng mòn ban đầu (U) và sai lệch
profintrung bình cộng Ra
Đường 1 ứng với điều kiện làm việc nhẹ. Đường 2 ứng với điều kiện làm việc
nặng.
1.2.2. Ảnh hưởng tới độ bền mỏi của chi tiết.
Độ nhám bề mặt có ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy, nhất là khi nó
chịu tải trọng chu kỳ có đổi dấu, vì ở đáy các nhấp nhô có ứng suất tập trung lớn, có
khi vợt quá giới hạn mỏi của vật liệu. Ứng suất tập trung này sẽ gây ra các vết nứt tế

vi ở các đáy nhấp nhô, đó là nguồn gốc phá hỏng chi tiết máy. Mặt khác, độ bền của
chi tiết máy cũng sẽ tăng khi chi tiết chịu tải trọng va đập, nếu độ nhám bề mặt thấp.
Với thép 45: RZ = 75 µm thì σ-1 = 195 MN/m2 (195 N/mm2).
RZ = 2 µm thì σ-1 = 282 MN/m2 (282 N/mm2).

24


1.2.3. Ảnh hưởng tới tính chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt chi tiết.

Hình 1.10. Quá trình ăn mòn hóa học trên lớp bề mặt chi tiết máy.
Các chỗ lõm bề mặt do độ nhấp nhô tế vi tạo ra là nơi chứa các tạp chất như
axit, muối,... Các tạp chất này có tác dụng ăn mòn hóa học với lớp kim loại. Quá
trình ăn mòn hóa học trên lớp bề mặt chi tiết làm các nhấp nhô mới hình thành.
Quá trình ăn mòn hóa học này ở lớp bề mặt xảy ra dọc theo sườn dốc các nhấp
nhô tế vi, theo chiều từ đỉnh xuống đáy (mũi tên trên hình 1.10) các nhấp nhô, làm
cho các nhấp nhô cũ bị mất đi và các nhấp nhô mới hình thành.
Như vậy bề mặt chi tiết máy càng ít nhám (càng nhẵn bóng) thì càng ít bị ăn
mòn hóa học, bán kính đáy các nhấp nhô càng lớn thì khả năng chống ăn mòn hóa
học của lớp bề mặt càng cao. Có thể chống ăn mòn hóa học bằng cách phủ lên bề
mặt chi tiết máy một lớp bảo vệ bằng phương pháp mạ (mạ Crôm, mạ Niken)
hoặc bằng phương pháp cơ khí làm chắc lớp bề mặt.
1.2.4. Ảnh hưởng tới độ chính xác mối lắp ghép.
Độ chính xác mối lắp ghép trong kết cấu cơ khí phụ thuộc chất lượng các bề
mặt lắp ghép. Độ bền các mối lắp ghép, trong đó có độ ổn định của chế độ lắp
ghép giữa các chi tiết, phụ thuộc vào độ nhám của các bề mặt lắp ghép. Ở đây,
chiều cao nhấp nhô tế vi Rz tham gia vào trường dung sai chế tạo chi tiết máy: đối
với lỗ thì dung sai của kích thước đường kính sẽ giảm một lượng là 2 Rz, còn đối
với trục thì lại tăng thêm 2 Rz.
Trong giai đoạn mòn ban đầu (giai đoạn chạy rà) chiều cao nhấp nhô tế vi Rz,

đối với mối lắp ghép lỏng, có thể giảm đi (65÷75)% làm khe hở lắp ghép tăng lên
và độ chính xác lắp ghép giảm đi. Như vậy, đối với các mối lắp ghép lỏng, để đảm

25