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

..

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

luận văn thạc sĩ khoa học
ngành : công nghệ cơ khí
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

phan công trình

hà nội 2006


1

Mục lục
Mục lục ..........................................................................................................1
Mở đầu ............................................................................................................3
Các ký hiệu sử dụng trong luận văn ............................................ 5
Chương 1 : Tổng quan các đề tài đ thực hiện .............................. 9
Chương 2 : Chất lượng bề mặt chi tiết máy .................................... 11
2.1. Các yếu tố đặc trưng của chất lượng bề mặt ................... 11
2.1.1. Chất lượng hình học của bề mặt gia công ............................................. 11
2.1.2. Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia công ............................................... 15
2.2. ảnh hưởng của chất lượng bề mặt tới khả năng làm việc
của chi tiết máy ........................................................................................ 17
2.2.1. ¶nh h­ëng tíi tÝnh chèng mßn ............................................................ 17

2.2.2. ¶nh h­ëng đến tính ăn mòn hoá học của lớp bề mặt chi tiết ................ 20
2.2.3. ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy ........................................ 22
2.2.4. ảnh hưởng đến độ chính xác các mối lắp ghép .................................... 23
2.3. Các nhân ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết .......... 24
2.3.1. Các nguyên nhân chính ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt ...................... 24
2.3.2. Các nguyên nhân ảnh hưởng đến độ biến cứng lớp bề mặt ................... 30
2.3.3. ảnh hưởng đến ứng suất dư bề mặt ...................................................... 32
2.4. Phương pháp đảm bảo chất lượng bề mặt ................................. 32
2.4.1. Phương pháp đạt độ nhẵn bề mặt.......................................................... 32
2.4.2. Phương pháp đạt độ cứng bề mặt.......................................................... 33
2.4.3. phương pháp đạt ứng suất dư bề mặt .................................................... 34
2.5. phương pháp đánh giá chất lượng bề mặt ................................ 35
2.5.1. Đánh giá độ nhám bề mặt .................................................................... 35
2.5.2. Đánh giá mức độ và chiều sâu biến cứng ............................................. 35
2.5.3. Đánh giá ứng suất dư bề mặt ................................................................ 35
2.6. NhËn xÐt ................................................................................................. 36
Ch­¬ng 3 : C¬ së lý thut quy ho¹ch thùc nghiƯm ............... 38
3.1. Sai sè vµ khư sai sè ............................................................................. 38
3.1.1. Sai sè hƯ thèng ..................................................................................... 38
3.1.2. Sai sè ngÉu nhiªn ................................................................................. 38
3.1.3. Sai sè thô ............................................................................................. 39
3.2. Kiểm tra tính đồng nhất của các thÝ nghiÖm .......................... 41
T
6
2

26T

T
6

2

26T

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6

2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

26T

T
6

2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6

2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6

2

T
6
2

T
6
2

26T

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6

2

26T

T
6
2

T
6
2

T
6
2

26T

26T

T
6
2


2

3.3. Chọn công thức thực nghiệm và phép làm trơn .................... 42
3.3.1. Chän bËc tèi thiĨu cđa ®a thøc ............................................................. 42
3.3.2. Chọn giữa các công thức khác nhau ..................................................... 44

3.3.3. Làm trơn các số liệu thực nghiệm ........................................................ 45
3.4. Xác định tham số công thức thực nghiệm bằng phương
pháp bình phương nhỏ nhất................................................................... 45
3.4.1. Xác định tham số của hàm tuyến tính .................................................. 47
3.4.2. Kiểm định các tham số a j và khoảng xác định sai lệch của chúng ........ 52
3.5. Nhận xét ................................................................................................. 53
Chương 4 : Kết quả thực nghiệm và xử lý kết quả ..................... 55
4.1. Điều kiện thùc nghiƯm ....................................................................... 55
4.2. KÕt qu¶ thùc nghiƯm víi thÐp 45 ................................................... 56
4.2.1. Khư sai sè th« ...................................................................................... 57
4.2.2. KiĨm tra tính đồng nhất của các thực nghiệm ...................................... 57
4.2.3. Chọn công thức thực nghiệm................................................................ 58
4.2.4. Kiểm tra các tham số a j và khoảng sai lệch của chúng ......................... 65
4.2. KÕt qu¶ thùc nghiƯm víi thÐp 40X ................................................ 67
4.2.1. Khử sai số thô ...................................................................................... 68
4.2.2. Kiểm tra tính đồng nhất của các thực nghiệm ...................................... 68
4.2.3. Xác định công thøc thùc nghiƯm .......................................................... 69
4.2.4. KiĨm tra c¸c tham sè a j và khoảng sai lệch của chúng ......................... 76
4.3. Kết luận chương 4............................................................................... 77
Chương 5 : Kết luận và kiến nghị ......................................................... 78
Tóm tắt luận văn .................................................................................... 80
Tài liệu tham kh¶o ................................................................................ 832
T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6

2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

R

R

T
6
2

26T

T
6

2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

26T

T
6

2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

R

R

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

26T

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

T
6
2

R

T
6
2

T
6
2

T
6
2

26T

T
6
2

T
6
2

R

T
6
2

26T

26T

T
6
2


3

Mở đầu
T
6
2

T
6
2

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 mÏ víi nỊn kinh tÕ thÕ giíi, do ®ã viƯc 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.
Trong những năm trở lại đây ở Việt Nam có xu hướng sử dụng máy gia
công CNC để nâng cao chất lượng và giảm giá thành sản phẩm. Thực tế cho thấy
là chất lượng đà 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 tối ưu cho nhóm máy này.
Do đó việc nghiên cứu để lựa chọn chế độ cắt tối ưu cho nhóm máy CNC là một
yêu cầu cấp thiết đặt ra cho các nhà ngiên cứu.
Đề tài 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 chỉ là một nhánh rất 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 qua trọng của chi
tiết gia công. Từ mối qua hệ giữa chất lượng bề mặt với các thông số công nghệ
thì người làm công nghệ có thể chọn chế độ cắt tối đa của máy và dao mà vẫn


4

đảm bảo chất lượng, từ đó có thể tăng năng suất (khai thác tối đa năng suất của
máy), giảm giá thành sản phẩm.
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 đà có nhiều sự giúp đỡ
quý báu.
Trước tiên tôi xin cảm ơn cán bộ hướng dẫn GS.TS. Nguyễn Đắc Lộc
người đà 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, Khoa Cơ khí, Bộ môn Công nghệ chế tạo
máy Trường đại học Bách khoa Hà Nội.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp tại Khoa Cơ khí,
Trung tâm công nghệ cao, Xưởng thực hành cắt gọt, Phòng đo Trường đại học
Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên đà giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.

Hưng Yên, tháng 10 năm 2006

Phan Công Trình


5

Các ký hiệu sử dụng trong luận văn
Ký hiệu

Nội dung

Thứ
nguyên

R a - Sai lệch số học trung bình của prôfin

àm

R z - Chiều cao mấp mô theo 10 điểm của prôfin

àm

R

R

R max - Chiều cao lớn nhất của prôfin
R

àm

h - Chiều cao mấp mô

àm

p - Bước của mấp mô

àm

Si - Bước trung bình của mấp mô theo đỉnh

àm

Smi - Bước trung bình của mấp mô theo prôfin

àm

R

R

l - Chiều dài chuẩn

àm

y pmi - Chiều cao đỉnh thứ i trong 5 ®Ønh cao nhÊt

µm

y vmi - ChiỊu cao ®Ønh thø i trong 5 đỉnh thấp nhất

àm

R

R

n - Số điểm chia, số thùc nghiƯm

-

C - HƯ sè

-

x, y, z - Sè mị

-

t i - Thời gian mòn ban đầu, i = 1:3

Giây (s)

T i - Thời gian mòn ổn định, i = 1:3

Giây (s)

R

R

-1 - Giới hạn bền mỏi

N/mm2

-1a - Giới hạn bền mỏi khi không có ứng suất dư

N/mm2

-1b - Giíi h¹n bỊn mái khi cã øng st d­

N/mm2

R

R

R

σ d - øng suÊt d­ lín nhÊt ë líp bỊ mỈt
R

P

P

P

N/mm2
P


6

S - Bước tiến dao

mm/vòng

V - Vận tốc cắt

m/phút

r - Bán kính mũi dao
h min - Chiều dày phoi nhỏ nhÊt
R

ϕ - Gãc nghiªng chÝnh cđa dao
ϕ 1 - Gãc nghiêng phụ của dao
R

mm
mm
Độ (0)
P

P

Độ (0)

P

P

- Góc trước của dao

§é (0)

α - Gãc sau cđa dao

§é (0)

λ - Gãc nâng của lưỡi cắt chính

Độ (0)

- Góc mũi dao

Độ (0)

- Góc sắc của dao

Độ (0)

t C - Chiều sâu biến cứng

mm

R

P

P

P

P

P

HV - Độ cứng Vikker

-

HB - Độ cứng Brinell

-

HRC - Độ cứng Rockwell

-

- Sai số bình phương trung bình

-

xi - Giá trị gnẫu nhiên của dÃy số

-

x - Giá trị trung bình

-

R

x* - Giá trị đột biến
(t) - Giá trị của phân phối chuẩn
- Sai số cđa ph¸p thư, hƯ sè phơ thc vËt liƯu
t - Tỷ số so sánh
t /P - Giá trị của t tại độ tin cậy P
R

-

y jk - Kết quả thực nghiệm đo được tại lần đo thứ j, R

P

P

P

P

P


7

của thông số đo k

Y j - Giá trị trung b×nh cđa y jk , k = 1 : k

-

S2j - Ph­¬ng sai cđa d·y sè y jk , k = 1 : k

-

R

R

R

R

K - Sè thÝ nghiÖm song song ®­ỵc thùc hiƯn trong cïng mét ®iỊu kiƯn
G p - Chỉ số Kokren

-

R

ai
R

-

Các hệ số của hàm mô tả quan hệ giữa đầu vào và đầu ra, i = 1 : n 0
R

- Sai số ngẫu nhiên
2 - Phương sai của phân phối chuẩn
P

bj
R

-

-

Tham số của đa thức thực nghiÖm Trebusep, j = 1 : n0
R

ω k - Tû trọng đà biết của các quan trắc

-

n 0 - Bậc cđa ®a thøc thùc nghiƯm

-

N, n - Sè thùc nghiƯm được tiến hành

-

Sn - Tổng bình phương các độ lệch

-

R

R

R

h, q - Công sai, công bội
âi
R

-

-

Tham số của hàm hồi quy thùc nghiƯm, i = 1 : n0
R

S(© 0 , â 1 ) - Tổng dư bình phương của hàm håi quy
R

R

R

R

rxy - Tû sè so s¸nh

R

y - Ký hiƯu của hàm hồi quy

-

XT - Ma trận chuyển vị của ma trận X

-

M-1 - Ma trận nghịch đảo của ma trËn M

-

P

P


8

Sdu - Phương sai dư, tính theo S(â)

-

R

m

-

Số các thông số cần xác định, trừ thông số a 0

-

mjj

-

Số hạng thø jj cđa ma trËn M-1

-

P

R

P

1+ γ
α
cđa lt ph©n phèi Student víi (n
t(n − m − 1,1 − ) - Phân vị
2
2
m 1) bậc tự do
- Độ tin cËy

-

9

Chương 1

Tổng quan các đề tài đ thực hiện
Trong những năm trở lại đây ở Việt Nam có xu hướng sử dụng máy CNC
ngày càng nhiều, nên các đề tài nghiên cứu về máy CNC là khá lớn trong các đề
tài nghiên cứu khoa học, luận án tiến sỹ, luận văn thạc sỹ Trong đó các đề tài
nghiên cứu ứng dụng nhằm khai thác có hiệu quả máy CNC chiếm một tỷ lệ khá
lớn, có thể kể là : Nguyễn Trọng Bình, Hoàng Việt Hồng, ảnh hưởng của chế độ
cắt đến nhấp nhô tế vi bề mặt khi phay bằng dao phay mặt đầu trên máy phay
CNC, Tạp chí Cơ khÝ ViƯt Nam, Sè 60 (5/2002) ; ¶nh h­ëng cđa 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) ; Nguyễn Đình Thân, Nghiên
cứu độ mòn dao tiện khi gia công vật liệu cơ tính dẻo cao, Luận văn cao học,
ĐHBKHN (2003) ; Vũ Đình Thơm, Tính toán bù bán kính mũi dao khi lập
chương trình NC cho máy tiện CNC, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 76 (7/2003) ;
Lê Văn Toản, Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi mài phẳng
tới độ nhám bề mặt trên một số vật liệu có tính dẻo cao, Luận văn cao học,
ĐHBKHN (2005) ; Trần Xuân Việt, Phạm Văn Bổng, Khảo sát thực nghiệm về
ảnh hưởng của các thông số công nghệ V, T, S đến lực cắt trên máy tiện CNC,
Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 105 (12/2005)
Trong nhóm đề tài trên có hai đề tài trực tiếp nghiên cứu ảnh hưởng của các
thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt, điều đó chứng tỏ việc nghiên cøu ¶nh


10

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 đà 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
bằng dao phay mặt đầu trên máy phay CNC, các tác giả đà tiến hành 20 thí
nghiệm và đà đưa ra được công thức quan hệ giữa độ nhám với các thông số của
chế độ cắt. 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.


11

Chương 2

Chất lượng bề mặt chi tiết máy
Chất lượng bề mặt là một chỉ tiêu trong chất lượng chế tạo chi tiết, nó có
ảnh hưởng rất lớn đến khả năng làm việc của chi tiết máy. Chất lượng gồm chất
lượng bản thân chi tiết và chất lượng của các chi tiết lắp ghép với nhau.
2.1. Các yếu tố đặc trưng của chất lượng bề mặt
- 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.
2.1.1. 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
mấp mô. Những mấp mô này là do qúa trình biến dạng dẻo của bề mặt chi tiết
khi gia công cắt gọt, và là vết lưỡi cắt để lại trên bề mặt gia công, là ảnh hưởng
của chấn động khi cắt và nhiều nguyên nhân khác.
Không phải tất cả các mấp mô trên bề mặt đều là nhám bề mặt, mà nó là tập
hợp những mấp mô có bước tương đối nhỏ và được xét trong giới hạn dài chuẩn, l
(hình 2.1).
- Những mấp mô có tỷ số giữa bước mấp mô (p) và chiều dài mấp mô (h) bé
hơn hoặc bằng 50 (p/h<=50) thì thuộc về nhám bề mặt.
- Những mấp mô mà (50

12

- Những mấp 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 2.1 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 2.2 Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mỈt


13

- Sai lệch số học trung bình của prôfin, R a : là trị số số học trung bình của các
R

R

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

(2.1)

1 n
R a = ∑ yx
n 0

(2.2)

- ChiỊu cao mÊp m« pr«fin theo 10 điểm, R Z : là trị số trung bình của tổng
R

R

các giá trị tuyệt đối của chiều cao 5 đỉnh cao nhất và chiều sâu 5 đáy thấp nhất
của prôfin trong giới hạn chiều dài chuẩn. R z được sử dụng khi độ nhám quá lớn
R

R

hoặc quá nhỏ.
5

y

5

y vmi

pmi
=i 1 =i 1
z

R =

5

(2.3)

Tiêu chuẩn TCVN2511-95 cũng đưa ra 14 cấp nhẵn bóng với giá trị tương
ứng của R z , R a và chiều dài đo chuẩn như b¶ng 2.1.
R

R

R

R


14

Bảng 2.1. Cấp nhẵn bóng theo TCVN2511 - 95
Cấp nhẵn bãng R z lín nhÊt, µm
R

R a lín nhÊt, µm

R

R

R

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

-

ChiỊu dài chuẩn l,
mm
8,0

2,5

0,8

0,25

0,08

Trong đó Tiêu chuẩn cũng khuyến cáo, đối với các bề mặt quá nhám hoặc
quá nhẵn thì nên ghi độ nhám theo R z còn các bề mặt có độ nhám trung bình thì
R

R

nên ghi theo R a . Cụ thể là các cấp nhẵn từ cấp 1 đến cấp 5 và cấp 13, 14 thì ghi
R

R

theo R z còn các cấp 6 đến 12 thì ghi theo Ra .
R

R

R

R

Ngoài hai chỉ tiêu quan trọng là R z và R a , Tiêu chuẩn còn đưa ra chỉ tiêu
R

R

R

R

R max (là chiều cao nhấp nhô lớn nhất trong chiều dài xét) để đánh giá các bề mặt
R

R

làm việc quan träng.


15

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 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.
2.1.2. 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 thĨ kim lo¹i xt hiƯn øng st. ThĨ tÝch riêng và mật độ kim loại
giảm ở vùng cắt. Giới hạn bền, độ cứng, độ giòn của lớp bề mặt được nâng cao.
Đồng thời tính dẫn từ của lớp bề mặt cũng thay đổi. Nhiều tính chất khác của lớp
bề mặt cũng thay đổi. Kết quả tổng hợp là lớp bề mặt bị cứng nguội, chắc lại và

có độ cứng tế vi cao.
Mức độ biến cứng, chiều sâu lớp biến cứng phụ thuộc vào tác dụng của lực
cắt, mức độ biến dạng dẻo của kim loại và ảnh hưởng nhiệt trong vùng cắt. Lực
cắt tăng làm tăng mức độ biến dạng dẻo làm tăng mức độ biến cứng và chiều sâu
lớp 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 vïng c¾t.


16

2. ứng suất dư trong lớp bề mặt
Khi gia công trong líp bỊ mỈt chi tiÕt xt hiƯn øng st 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 c¾t mét líp máng vËt liƯu tr­êng lùc 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 thĨ tÝch riªng lín sÏ sinh ra øng st d­ nén ; lớp kim loại nào hình thành

cấu trúc có thĨ tÝch riªng nhá sÏ sinh ra øng st d­ kÐo.


17

2.2. ảnh hưởng của chất lượng bề mặt tới khả năng làm việc
của chi tiết máy
Chất lượng bề mặt có ảnh hưởng nhiều đến khả năng làm việc của chi tiết máy,
đến tính chất của mối ghép. Sau đây phân tích ảnh hưởng của từng yếu tố chất lượng
bề mặt đến tính chống mài mòn, tính chống ăn mòn, độ bền mỏi và tính chất của
mối ghép.
2.2.1. ảnh hưởng tới tính chống mòn
1. ảnh hưởng của độ nhám bề mặt.
Do bỊ mỈt hai chi tiÕt tiÕp xóc víi nhau cã nhấp nhô tế vi nên ở giai đoạn
đầu hai bề mặt này chỉ tiếp xúc với nhau trên một số ®Ønh nhÊp nh« cao, diƯn tÝch
tiÕp xóc chØ b»ng mét phần diện tích tính toán nên tại các đỉnh tiếp xúc có áp suất
rất lớn, thường vượt quá giới hạn chảy, có khi vượt cả giới hạn bền của vật liệu,
làm cho các điểm tiếp xúc bị nén đàn hồi và biến dạng dẻo các nhấp nhô, đó là
biến dạng tiếp xúc. Được xác định theo công thức kinh nghiệm sau [8] :
= C.px (àm)
P

P

(2.4)

Trong đó : C, x hệ số và số mũ phụ thuộc vào điều kiện thực nghiệm.
p - áp suất tại chỗ tiếp xúc.
Phân tích mòn của một cặp ma sát có 3 giai đoạn (hình 2.3) :
Giai đoạn mòn ban đầu : Khi hai bề mặt mới tiếp xúc nếu có chuyển động

tương đối với nhau sẽ xẩy ra hiện tượng trượt dẻo ở các đỉnh nhấp nhô làm cho
các đỉnh nhấp nhô mòn nhanh. Trong điều kiện làm việc nhẹ, mòn ban đầu có thể
làm chiều cao nhấp nhô giảm 60 75% [8]. Mòn ban đầu ứng với thời gian
chạy rà. ở giai đoạn này hình dạng nhấp nhô và chiều cao vết gia công cũng thay
đổi. Giai đoạn này ứng với đoạn dốc lớn (trước thời điểm t) ở hình 2.3.


18

Giai đoạn mòn bình thường : Sau giai đoạn mòn ban đầu quá trình mòn trở
nên bình thường và chậm vì diện tích tiếp xúc thực đà tăng lên và áp suất tiếp xúc
giảm đi. Đây chính là giai đoạn làm việc thật của chi tiết. Giai đoạn này tương
ứng với đoạn dốc nhỏ (từ t đến T) ở hình 2.3.
Giai đoạn mòn khốc liệt : Khi đó bề mặt tiếp xúc bị tróc ra, cấu trúc bề mặt
chi tiết bị phá hỏng. Đây là giai đoạn nguy hiểm, thường xuất hiện hỏng ngẫu
nhiên, không nên sử dụng chi tiết ở giai đoạn này. Giai đoạn này tương ứng với

Lượng mòn

thời điểm sau T (hình 2.3).


T

t

Hình 2.3 Các giai doạn mài mòn của một cặp ma sát.

Lượng mòn

c

1
t3 t2 t1

2

b

3

T3

T2

T1

Hình 2.4 - Qúa trình mài mòn của một cặp
chi tiÕt ma s¸t (tiÕp xóc víi nhau).

a


19

Hình 2.4. là sơ đồ biểu diễn mối quan hệ giữa lượng mòn và thời gian làm
việc của các cặp ma sát có độ nhám khác nhau.
Đường cong a có độ nhám bề mặt nhỏ nhất, mặc dù có thời gian chạy rà (t 1 )
R

R

lớn nhất nhưng thời gian lµm viƯc (T 1 – t 1 ) cịng lín nhất ; Đường cong c có độ
R

R

R

R

nhám bề mặt lớn nhất thì lại có thời gian làm việc ngắn nhất. Các góc thể hiện
tốc độ mòn trong thời gian chạy rà, với chi tiết có độ nhám càng lớn thì tốc độ
mòn trong thời gian chạy rà càng cao.
Từ hình 2.4 ta có thể kết luận là bề mặt có độ nhám nhỏ thì tốc độ mòn càng
thấp, lượng mòn ban đầu nhỏ dẫn đến tuổi thọ cao (R a1 < R a2 < R a3 ⇒ T 1 > T 2 >
R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

T 3 ). Nh­ vËy viÖc gia công đạt độ nhám tối ưu là một yêu cầu cần thiết.
R

R

U
Đ ộ mòn ban đầu

2
1

0

Ra1

Ra2

Ra

Hình 2.5 - Quan hệ giữa lượng mòn ban đầu và Ra
1 - Điều kiện làm việc nhẹ.
2 - Điều kiện làm việc nặng.
Hình 2.5 [8] là sơ đồ quan hệ giữa độ mòn ban đầu (U) và trị số của sai lệch
prôfin trung bình (R a ) tùy theo điều kiện làm việc nặng hay nhẹ. Lượng mòn ban

R

R

đầu ít nhất ứng với giá trị của R a tại các điểm R a1 , R a2 . Đó là giá trị tối ưu của R a .
R

R

R

R

R

R

R

R

Nếu giá trị R a nhỏ hơn giá trị tối ưu thì sẽ bị mòn kịch liệt do các phần tử kim
R

R


20

loại dễ bị khuếch tán, còn nếu R a lớn hơn giá trị tối ưu thì lượng mòn sẽ tăng lên

R

R

do các nhấp nhô bề mặt bị phá vỡ và cắt đứt.
2. ảnh hưởng của lớp biến cứng bề mặt.
Lớp biến cứng bề mặt có tác dụng nâng cao tính chống mòn vì nó hạn chế
biến dạng dẻo toàn phần của chi tiết qua đó hạn chế hiện tượng chảy và mài mòn
kim loại. Biến cứng bề mặt làm hạn chế tác động tương hỗ giữa các phần tử và
các tác động tương hỗ cơ học ở bề mặt tiếp xúc, nghĩa là hạn chế sự khuếch tán
ôxy trong không khí vào bề mặt chi tiết máy để tạo thành ôxyt kim loại gây ra ăn
mòn ở bề mặt kim loại.
3. ảnh hưởng của ứng suất dư bề mặt.
ứng suất dư lớp bề mặt của chi tiết máy nói chung không ảnh hưởng đáng
kể đến tính chống mòn nếu chi tiết làm việc ở điều kiện ma sát bình thường. Còn
ứng suất dư bên trong, xét trên toàn bộ diện tích chi tiết máy, có thể ảnh hưởng
đến tính chất và cường độ mòn của chi tiết máy.
2.2.2. ảnh hưởng đến tính ăn mòn hoá học của lớp bề mặt chi tiết
1. ảnh hưởng của độ nhám bề mặt.
Các chỗ lõm do nhấp nhô tế vi tạo ra là nơi chứa các chất ăn mòn như axit,
muối Các tạp chất này có tính chất ăn mòn đối với kim loại. Quá ttrình ăn mòn
hóa học trên lớp bề mặt chi tiết làm các mấp mô mới hình thành. Quá trình này ở
lớp bề mặt xẩy ra dọc theo sườn dốc của các mấp mô tế vi, theo chiều từ đỉnh
xuống đáy các mấp mô, làm cho các mấp mô cũ mất đi và hình thành các mấp
mô mới (Hình 2.6).
Như vậy chiều cao nhấp nhô càng thấp (độ nhám thấp) thì càng ít bị ăn mòn,
bán kính đáy các mấp mô càng lớn thì khả năng chống ăn mòn càng cao. Có thể
chống ăn mòn bằng cách phủ lên lớp bề mặt chi tiết một lớp bảo vệ bằng phương

21

pháp mạ (mạ crôm, mạ niken) hoặc bằng phương pháp cơ khí làm chắc lớp bề
mặt.
Nhấp nhô cũ

Nhấp nhô mới

Hình 2.6 - Qúa trình ăn mòn hoá học
trên lớp bề mặt chi tiết máy

2. ảnh hưởng của lớp biến cứng bề mặt.
Biến dạng dẻo và biến cứng bề mặt kim loại có mức độ khác nhau, tùy theo
hướng các hạt tinh thể kim loại và thành phần cấu tạo của chúng. Hạt ferit biến
dạng nhiều hơn hạt peclit. Điều đó làm cho năng lượng nâng cao không đều và
thế năng điện tích thay đổi khác nhau. Các hạt ferit biến cứng nhiều hơn sẽ trở
nên anôt. Các hạt peclit biến cứng ít hơn sẽ trở thành các catôt. Đồng thời các
mạng lưới nguyên tử bị lệch với mức độ khác nhau trong các hạt tinh thể
Kết quả của sự biến dạng dẻo tạo nên sự không đồng nhất tế vi của kim loại
nhiều tinh thể, trong đó sinh ra nhiều phần tử ăn mòn, nhất là ở mặt phẳng trượt,
gây ra hiện tượng hấp thụ mạnh, tăng cường quá trình ăn mòn và khuếch tán ở
lớp bề mặt. Bề mặt chi tiết máy qua quá trình gia công cơ sẽ bị biến cứng, độ
nhám bề mặt bị thay đổi làm cho tính chống ăn mòn hóa học của kim loại cũng
bị thay đổi. Sau khi tiện, tốc độ ăn mòn thÐp trong axit sufuric lo·ng cã thĨ
nhanh gÊp 12,5 lÇn so với sau khi đánh bóng [8], vì độ nhám bề mặt sau khi đánh
bóng thấp hơn sau khi tiện.


22

3. ¶nh h­ëng cđa øng st d­ :
øng st d­ hầu như không ảnh hưởng đến tính chống ăn mòn hóa học của
kim loại.
2.2.3. ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy
1. ảnh hưởng của độ nhám bề mặt.
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 vượt quá giới hạn mỏi của vật liệu. ứng suất tập trung này sẽ gây ra
các vết nứt tế vi ở đáy các mấp mô, đó là nguồn gốc phá hỏng chi tiết máy.
Với thép 45 khi đạt R Z = 75 àm thì -1 = 195 MN/m2 (195 N/mm2).
R

R

R

R

P

P

P

P

còn R Z = 2 àm thì -1 = 282 MN/m2 (282 N/mm2) [8].
R

R

R

R

P

P

P

P

Nghĩa là trường hợp độ nhám bề mặt thấp thì giới hạn bền mỏi của vật liệu
cao.
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. Đối với tháp CT5 nếu giảm độ nhám bề mặt từ R Z
R

R

= 100 àm xuống R Z = 0,1 àm thì độ bền chịu va đập có thể tăng 17% [8].
R

R

2. ảnh hưởng của lớp biến cứng bề mặt.
Bề mặt bị biến cứng có thể tăng độ bền mỏi khoảng 20%. Chiều sâu và mức
độ biến cứng của lớp bề mặt đều có ảnh hường đến độ bền mỏi của chi tiết máy,
vì nó hạn chế khả năng gây ra các vết nứt tế vi làm phá hỏng chi tiết, nhất là khi

bề mặt chi tiết cã øng st d­ nÐn.
3. ¶nh h­ëng cđa øng st d­.


23

ứng suất dư nén trên lớp bề mặt có tác dụng làm tăng độ bền mỏi của chi
tiết, còn ứng suất dư kéo thì ngược lại. ảnh hưởng của ứng suất dư bề mặt đối với
độ bền mỏi của chi tiết có thể xác định bằng công thức 2.4 [8].
-1b = -1a - d
R

R

R

R

R

(2.4)

R

2.2.4. ảnh hưởng đến độ chính xác các mối lắp ghép
Độ chính xác các mối lắp ghép trong kết cấu cơ khí phụ thuộc chất lượng
các bề mặt lắp ghép. Độ bền các mối ghép, trong đó có độ ổn định của chế độ lắp
ghép giữa các chi tiết, phụ thuộc vào độ nhám các bề mặt lắp ghép. ở đây, chiều
cao mấp mô tÕ vi R z tham gia vµo tr­êng dung sai chế tạo chi tiết máy : đối với
R

R

lỗ thì dung sai kích thước đường kính sẽ giảm một lượng là 2R z , còn đối với trục
R

R

thì tăng lên 2R z .
R

R

Đối với mối ghép lỏng, trong giai đoạn mòn ban đầu chiều cao mấp mô tế vi
R z có thể giảm đi 65% ữ 75% làm khe hở lắp ghép tăng lên và độ chính xác lắp
R

R

ghép giảm đi. Như vậy, đối với các mối ghép lỏng, để đảm bảo độ ổn định các
mối ghép trong thời gian sử dụng, trước hết phải giảm độ nhấp nhô tế vi (giảm
R z ). Giá trị hợp lý của R z được xác định theo độ chính xác của lắp ghép tùy theo
R

R

R

R

trị số của dung sai lắp ghép. Thường được xác định như sau [8] :
Nếu đường kính lắp ghép lớn hơn 50 mm thì R Z = (0,1 ữ 0,15).
R

R

Nếu đường kính lắp ghép từ (18 ữ 50) mm thì R Z = (0,15 ữ 0,2).
R

R

Nếu đường kính lắp ghép nhỏ hơn 18 mm thì R Z = (0,2 ữ 0,25).
R

R

Độ bền của mối ghép chặt có quan hệ trực tiếp với độ nhám bề mặt lắp
ghép. Độ nhám bề mặt tăng thì độ bền mối ghép chặt giảm.
Tóm lại, chất lượng bề mặt có ảnh hưởng lớn đến tính chất mối ghép. Trong
đó độ nhám bề mặt có ảnh hưởng lớn và rõ ràng nhất. Tuy nhiên vẫn chưa có các
công trình nghiên cứu sâu về lý thuyết của vấn đề này.


24

2.3. Các nhân 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.
2.3.1. Các nguyên nhân chính ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt
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 đà được nhiều tài liệu đề cập đến [5,8]. Người
ta đà xác định được ảnh hưởng của lượng tiến dao S, bán kinh mũi dao r, chiều
dày phôi nhỏ nhất h min đến độ nhám bề mặt bằng các công thức quan hệ (2.5) và
R

R

(2.6).
Với S > 0,15 mm/vg thì : R z =

S2
8r

(2.5)

S2 h min  r.h min 
Víi S < 0,1 mm/vg th× : R z =+
1 + 2 
8r
2 
S

(2.6)

Từ công thức quan hệ (2.5) và (2.6) ta thấy rằng khi S tăng thì giá trị R z sẽ
R

R

tăng ; khi bán kính mũi dao tăng thì R z giảm. Quan hệ này được chỉ ra một cách
R

trực quan ë h×nh 2.8.

R