Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến chất lượng và độ chính xác gia công khi tiện cứng thép hợp kim đã qua tôi bằng dụng cụ CBN trên trung tâm tiện CNC

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐẶNG THỊ HỒNG
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ
CẮT ĐẾN CHẤT LƯỢNG VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG KHI
TIỆN CỨNG THÉP HỢP KIM ĐÃ QUA TÔI BẰNG DỤNG CỤ
CBN TRÊN TRUNG TÂM TIỆN CNC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

KHOA CHUYÊN MÔN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS:NGUYỄN VĂN HÙNG
PHÒNG ĐÀO TẠO



ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Đặng Thị Hồng, học viên lớp Cao học K15 – Kỹ Thuật Cơ Khí. Sau hai
năm học tập nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc biệt là sự giúp
đỡ của TS. Nguyễn Văn Hùng, thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp của tôi, tôi đã đi đến
cuối chặng đường để kết thúc khoá học.
Tôi đã quyết định chọn đề tài tốt nghiệp là: “Nghiên cứu ảnh hưởng của các
thông số chế độ cắt đến chất lượng và độ chính xác gia công khi tiện thép hợp kim
đã qua tôi bằng dụng cụ CBN trên trung tâm tiện CNC”.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng
dẫn của TS.Nguyễn Văn Hùng và chỉ tham khảo các tài liệu đã được liệt kê. Tôi
không sao chép công trình của các cá nhân khác dưới bất cứ hình thức nào. Nếu có
tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Người cam đoan

Đặng Thị Hồng


iii

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin được cảm ơn TS.Nguyễn Văn Hùng - Thầy hướng dẫn khoa
học của tôi về sự định hướng đề tài, sự hướng dẫn của thầy trong việc tiếp cận và khai
thác các tài liệu tham khảo cũng như những chỉ bảo trong quá trình tôi viết luận văn.
Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn đến cô giáo Vũ Như Nguyệt và thầy giáo Hoàng
Anh Toàn về sự giúp đỡ tận tình của thầy, cô trong quá trình tôi làm thí nghiệm và
viết luận văn.
Tôi cũng muốn cảm ơn ông giám đốc, cán bộ công nhân viên công ty trách
nhiệm hữu hạn Vạn Xuân (Thành phố Sông Công), cơ khí máy và phụ tùng số 1
(Thành phố Sông Công) các cán bộ phụ trách trung tâm thí nghiệm trường Đại học
kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, trường Đại học bách khoa Hà Nội đã dành cho
tôi những điều kiện thuận lợi nhất, giúp tôi hoàn thành nghiên cứu của mình.
Cho tôi được gửi lời cảm ơn tới các cán bộ, nhân viên Xưởng cơ khí nơi tôi tiến
hành thực nghiệm.
Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn đối với gia đình tôi, các thầy cô giáo, các
bạn đồng nghiệp đã ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình làm luận văn này!


Tácgiả

Đặng Thị Hồng


iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................ii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii
MỤC LỤC .................................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................ vi
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................... viii
PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI........................................................................................ 1
2. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .................................. 2
2.1 Mục đích................................................................................................................ 2
2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 2
3.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................................................................ 3
4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI.................... 3
4.1. Ý nghĩa khoa học ................................................................................................. 3
4.2 Ý nghĩa thực tiễn ................................................................................................... 3
5. NỘI DUNG CÁC VẤN ĐỀ SẼ ĐI SÂU NGHIÊN CỨU ...................................... 3
Chương I:NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TIỆN VÀ TIỆN
CỨNG TRÊN TRUNG TÂM TIỆN CNC .................................................................. 4
1.1

Khái niệm chung về tiện cứng .......................................................................... 4

1.2.Các yếu tố công nghệ của chế độ cắt khi tiện ....................................................... 5
1.3 Lực cắt, mòn và tuổi bền khi tiện cứng ................................................................. 7
1.3.1 Lực cắt khi tiện cứng .......................................................................................... 7
1.3.2

Mòn và tuổi thọ dụng cụ CBN ...................................................................... 8

1.4.Chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công. ....................................................... 9
1.4.1.Chất lượng bề mặt .............................................................................................. 9
1.4.2 Độ chính xác gia công ...................................................................................... 20
1.5.Quá trình tiện cứng .............................................................................................. 24
Kết luận chương I ...................................................................................................... 25
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM TỐI ƯU HOÁ QUÁ
TRÌNH CẮT KHI TIỆN CỨNG ............................................................................... 26


v

2.1.Mô hình hoá quá trình nghiên cứu ...................................................................... 26
2.2. Những định hướng khi nghiên cứu tối ưu hoá chế độ cắt khi tiện cứng vật liệu
thép hợp kim đã qua tôi(cụ thể là thép20CrMoNi) bằng dụng cụ cắt CBN trên trung
tâm tiện CNC............................................................................................................. 27
2.3.Mô hình hoá toán học quá trình nghiên cứu ....................................................... 28
2.4.Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm................................................................ 30
2.4.1. Lý thuyết thực nghiệm .................................................................................... 30
2.4.2 Cơ sở lý thuyết ................................................................................................. 31
2.4.3 Mô hình quy hoạch thực nghiệm ..................................................................... 33
2.4.4 Quy hoạch và xử lý số liệu thực nghiệm trên máy tính ................................... 35
Kết luận chương II .................................................................................................... 36
CHƯƠNG III: THÍ NGHIỆM TIỆN CỨNG ............................................................ 37
3.1. Các giới hạn của thí nghiệm............................................................................... 37
3.2 Các thông số đầu vào của thí nghiệm ................................................................. 37
3.3 Các hàm mục tiêu ................................................................................................ 38
3.4. Xác đinh
̣ giá tri ̣tố i ưu của các yế u tố hàm mu ̣c tiêu .......................................... 38
3.5 Xây dựng ma trận thí nghiệm.............................................................................. 38
3.6 Xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm. .............................................................. 39
3.6.1 Mô hình và trang thiết bị thí nghiệm................................................................ 39
3.6.2 Tiến hành thí nghiệm ....................................................................................... 44
3.7 Kết quả quá trình thí nghiệm............................................................................... 47
3.7.1 Mòn dụng cụ CBN và nhám bề mặt ................................................................. 47
3.7.2. Xử lý kết quả thí nghiệm ................................................................................. 54
3.8. Ứng dụng gia công chi tiết rôtuyn: .................................................................... 70
KẾT LUẬN CHƯƠNG III........................................................................................ 79
PHẦN KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU ................................... 80
TIẾP THEO CỦA ĐỀ TÀI ....................................................................................... 80
1. Kết luận chung .................................................................................................... 80
2. Hướng nghiên cứu trong tương lai ..................................................................... 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 81
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 85


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
a: chiều dày lớp kim loại bị cắt
ap: chiều dày phoi
Kbd: mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi
Kms: mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của dao
Ф: góc trượt
r: bán kính mũi dao
γ(hay γn) : góc trước của dao
Pz (hay Pc): lực tiếp tuyến khi tiện
Py (hay Pp): lực hướng kính khi tiện
Px: lực chiều trục khi tiện
S: lượng chạy dao(mm/vòng)
t: chiều sâu cắt(mm)
V: vận tốc cắt(m/phút)
As: diện tích của mặt phẳng cắt
Vs: vận tốc của vật liệu cắt trên mặt phẳng cắt
Ф: góc tạo phoi
γm: tốc độ biến dạng của các lớp phoi gần mặt trước
δt: chiều dày của vùng biến dạng thứ hai
VBave: chiều cao trung bình của vùng mòn mặt sau
τs: ứng suất tiếp trên vùng mòn mặt sau
µ: hệ số ma sát trên vùng ma sát thông thường của mặt trước
µf: hệ số ma sát trên mặt sau
φ1: góc nghiêng phụ
hs: độ mòn giới hạn
Ra, Rz: độ nhám bề mặt khi tiện


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1:Các mức giá trị của biến thí nghiệm .......................................................... 37
Bảng 3.2:Ma trận quy hoạch thực nghiệm ................................................................ 39
Bảng 3.3: Thành phần hoá học của phôi thép 20CrMoNi (%) ................................. 42
Bảng 3.4: Nhâ ̣p các thông số thực nghiê ̣m vào Minitab ........................................... 55
Bảng 3.5: Nhâ ̣p các thông số thực nghiê ̣m vào Minitab ........................................... 61
Bảng 3.6:Bảng thông số đường kính trục sau 10 lần cắt của phôi số 1 .................... 65
Bảng 3.7: Đường kính trục tại 3 vị trí khác nhau phôi số2 ....................................... 85
Bảng 3.8: Đường kính trục tại 3 vị trí khác nhau phôi số3 ....................................... 85
Bảng 3.9: Đường kính trục tại 3 vị trí khác nhau phôi số 4 ...................................... 86
Bảng 3.10: Đường kính trục tại 3 vị trí khác nhau phôi số 5 .................................... 86


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Chiều sâu cắt khi tiện ................................................................................. 6
Hình 1.2 Lượng chạy dao - s ..................................................................................... 6
Hình 1.3

Ðộ nhám bề mặt ...................................................................................... 10

Hình 1.4 Quan hệ giữa bán kính mũi dao và chiều sâu lớp biến cứng với các lượng
chạy dao khác nhau ( khi dao chưa bị mòn )............................................................. 13
Hình 1.5 Quan hệ giữa vận tốc cắt với chiều sâu lớp biến cứng ứng với các lượng
mòn mặt sau khác nhau của dao tiện[34] .................................................................. 14
Hình 1.6. Ảnh hưởng của hình dạng lưỡi cắt và lượng chạy dao đến nhám bề mặt. (
54,7 HRC, chiều dài 101,6 mm ) .............................................................................. 16
Hình 1.7 Ảnh hưởng của hình dạng lưỡi cắt và lượng chạy dao đến nhám bề mặt. (
51,3 HRC, chiều dài 101,6 mm ) .............................................................................. 16
Hình 1.8.Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến nhám bề mặt khi gia côngthép .................. 17
Hình 1.9. Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến nhám bề mặt khi gia công thép ....... 18
Hình 1.10. Ảnh hưởng của độ cứng phôi và hình dạng lưỡi cắt đến nhám bề mặt khi
gia công thép ( lượng chạy dao = 0.2 mm/vòng, chiều dài là = 203.2 mm ) ............ 20
Hình 1.11: Hệ thống lực cắt khi tiện ........................................................................ 21
Hình 1.12 Quan hệ giữa lượng tăng bán kính ∆r1 và X ........................................... 22
Hình 1.13 Sự biến đổi về kích thước và hình dáng chi tiết trước khi tiện ................ 22
Hình 1.14 : a) Trường phân bố nhiệt khi tiện ........................................................... 23
Hình 2.1 Mô hình tối ưu hoá quá trình cắt khi tiện ................................................... 26
Hình 2.2: Sơ đồ thí nghiệm CCD 2 biến ................................................................... 34
Hình 3.1 Mô hình thí nghiệm .................................................................................... 39
Hình 3.2. Thiết bị và sơ đồ thí nghiệm ..................................................................... 40
Hình 3.3: Mảnh dao CBN sử dụng trong nghiên cứu ............................................... 41
Hình 3.4: Thân dao gắn mảnh CBN sử dụng trong nghiên cứu................................ 41
Hình 3.5: Phôi thí nghiệm ......................................................................................... 42
Hình 3.6: Thiết bị đo nhám ....................................................................................... 43
Hình 3.7: Mảnh dao CBN được đánh số khi gia công .............................................. 44
Hình 3.8:Một số hình ảnh kết quả đo nhám .............................................................. 46
Hình 3.9: Kính hiển vi điện tử TM - 1000 ................................................................ 46


ix

Hình 3.10:Hình ảnh đo mòn dao CBN ...................................................................... 47
Hình 3.11: Hình ảnh mòn mặt trước của dụng cụ thí nghiệm................................... 49
Hình 3.12: Hình ảnh mòn mặt sau của dụng cụ thí nghiệm ...................................... 50
Hình 3.13: .................................................................................................................. 51
a. Mòn mặt sau của mảnh dao CBN sau khi tiện 12,15 phút cho thấy hình ảnh gồ ghề
của vùng mòn. ........................................................................................................... 51
b. Hình ảnh phóng to của(a). ..................................................................................... 51
Hình 3.14. Mặt hồi qui và đồ thị đường mức của lượng mòn dụng cụ hs theo các
thông số chế độ cắt: vận tốc cắt và lượng chạy dao .................................................. 58
a) Thiết bị và chế độ thực nghiệm ............................................................................. 59
Hình 3.15. Mặt hồi qui và đồ thị đường mức của độ nhám Ra theo các thông số chế
độ cắt: vận tốc cắt và lượng chạy dao ....................................................................... 63
Hình 3.16. Trường sai lệch hình dạng đường kính trục tại vị trí số 1(L=33) .......... 68
Hình 3.17. Trường sai lệch hình dạng đường kính trục tại ví trí 2 (L = 66) ............ 69
Hình 3.18. Trường sai lệch hình dạng trục tại ví trí 3 (L = 99) ............................... 69


1

PHẦN MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Tiện cứng là phương pháp gia công tiện sử dụng dao bằng vật liệu siêu cứng
như: Nitrit bo, kim cương hoặc gốm tổng hợp để thay thế cho nguyên công mài khi
gia công thép hợp kim đã qua tôi đạt độ cứng từ 45 ÷ 65 HRC [15],[18],[30]. So với
mài tiện cứng có nhiều ưu thế vượt trội về khía cạnh kinh tế và sinh thái [23,24]. Tiện
cứng có thể sử dụng một dụng cụ cắt để gia công nhiều chi tiết khác nhau còn đá
mài ta phải thay đá hoặc sửa đá. Đặc biệt hơn tiện cứng có thể gia công nhiều biên
dạng phức tạp, cấp chính xác của tiện cứng đạt IT 5÷7 và độ nhám bề mặt Rz là
2÷4µm. Ở điều kiện gia công đặc biệt tiện cứng có thể đạt được cấp chính xác IT
3÷5 và độ nhám bề mặt Rz<1,5µm[16],[29]. Bên cạnh đó tiện cứng còn có thể gia
công khô mà không cần sử dụng dung dịch trơn nguội nên không ảnh hưởng đến môi
trường và sức khoẻ người lao động [11],[21]. Tuy nhiên tiện cứng cũng đòi hỏi máy,
hệ thống công nghệ có độ cứng vững và độ chính xác cao [12]. Mặc dù đã có những
ưu thế nổi trội và đã đạt được sự tăng trưởng mạnh mẽ. Trong những năm gần đây
tiện cứng vẫn là một công nghệ gia công mới chưa được nghiên cứu đầy đủ và khi
gia công chi tiết độ song song của hình trụ không chính xác. Do độ tin cậy của quá
trình chưa cao, chất lượng gia công thiếu ổn định và chi phí dụng cụ cắt lớn nên phạm
vi ứng dụng của công nghệ gia công tiên tiến này còn rất hạn chế [19],[29].
Chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công là một trong những yêu cầu quan
trọng nhất đối với chi tiết máy vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc, độ
bền, độ bền mòn cũng như tuổi thọ của chi tiết máy. Độ chính xác gia công ảnh hưởng
đến khả năng lắp ráp, khả năng làm việc, thay thế và sửa chữa. Chất lượng bề mặt và
độ chính xác gia công chịu ảnh hưởng rất nhiều của các yếu tố công nghệ. Đặc biệt
là các thông số chế độ cắt ( tốc độ cắt-V; lượng chạy dao - s và chiều sâu cắt – t) trong
quá trình gia công.
Gần đây đã có một số đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất
lượng bề mặt sau khi gia công tiện cứng một số loại thép cơ bản như: 9XC, X12M,
ШX15… Nhưng chỉ giới hạn ở việc nghiên cứu chất lượng bề mặt sau khi gia công


2

các loại thép nói trên hay đi nghiên cứu về mòn dụng cụ cắt. Chính vì lẽ đó mà đề tài
của em muốn nghiên cứu sâu hơn về sự ảnh hưởng của các yếu tố chế độ cắt đến đồng
thời cả chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công khi tiện cứng bằng dụng cụ CBN
và ứng dụng vào thực tiễn chế tạo máy ở Việt nam. Vì vậy em chọn đề tài “Nghiên
cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến chất lượng và độ chính xác gia
công khi tiện cứng thép hợp kim đã qua tôi bằng dụng cụ CBN trên trung tâm
tiện CNC”.
2. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
2.1 Mục đích
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế
độ cắt đến chất lượng và độ chính xác gia công khi tiện cứng thép hợp kim đã qua tôi
trên trung tâm tiện CNC bằng dao tiện CBN. Cụ thể là:
-Nghiên cứu đồng thời cả chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công khi
tiện bằng dao tiện CBN trên trung tâm tiện CNC khi tiện thép hợp kim
20XMN(20CrMoNi) đã qua tôi đạt độ cứng 60 HRC để tiện ra chi tiết rotuyn.
-Xác định được chế độ cắt hợp lý để đạt được chất lượng bề mặt và độ chính
xác gia công. Để từ đó tối ưu hoá quá trình gia công tiện cứng, tìm ra được sự ảnh
hưởng của thông số công nghệ nào là lớn nhất ảnh hưởng đến chất lượng và độ chính
xác gia công.
-Làm tài liệu tham khảo về chế độ cắt khi tiện cứng đến chất lượng và độ chính
xác gia công.
2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
-Đối tượng nghiên cứu của đề tài dùng 10 phôi thép hợp kim
20XMN(20CrMoNi) được dùng khá phổ biến trong ngành công nghệ chế tạo máy
ở nước ta hiện nay để chế tạo ra chi tiết rotuyn.
-Phạm vi nghiên cứu của đề tài.
+Nghiên cứu tổng quan về công nghệ tiện cứng thép hợp kim đã qua tôi bằng
dao cắt CBN.


3

+Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khi tiện cứng đến chất lượng và độ
chính xác gia công.
+Ứng dụng kết quả nghiên cứu để chế tạo ra chi tiết rôtuyn
3.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm.Trên cơ sở nghiên
cứu lý thuyết và phân tích các công trình nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực của đề
tài, kết hợp với quy hoạch thực nghiệm để tìm miền tối ưu của các thông số chế độ
cắt khi tiện cứng thép hợp kim đã qua tôi đạt độ cứng 60 HRC. Nghiên cứu thực
nghiệm được tiến hành trên máy tiện CNC có sử dụng các thiết bị đo hiện đại có độ
chính xác cao.
4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
4.1. Ý nghĩa khoa học
Các kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở khoa học để ứng dụng công nghệ tiện
cứng trong chế tạo các sản phẩm đòi hỏi cả chất lượng bề mặt lẫn độ chính xác gia
công góp phần mở rộng phạm vi ứng dụng công nghệ tiện cứng vào thực tiễn sản xuất
ở nước ta.
4.2 Ý nghĩa thực tiễn
Các kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng tại các nhà máy. Quá trình ứng dụng các
kết quả nghiên cứu sẽ cho phép ta mở rộng phạm vi gia công của ngành chế tạo máy
nói chung và công nghệ tiện cứng nói riêng. Góp phần tạo ra các sản phẩm có chất
lượng tốt, giá thành hạ và nâng cao khả năng ứng dụng vào thực tiễn một phương
pháp gia công tinh linh hoạt, thân thiện với môi trường với chi phí đầu tư thấp phù
hợp với điều kiện sản xuất ở nước ta.
5. NỘI DUNG CÁC VẤN ĐỀ SẼ ĐI SÂU NGHIÊN CỨU
-Nghiên cứu tổng quan về tiện cứng:
-Xây dựng mô hình nghiên cứu và hệ thống quy hoạch thực nghiệm từ đó tối ưu
hoá quá trình gia công.
-Triển khai kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất của việt nam
-Hướng nghiên cứu tiếp theo.


4

Chương I:
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TIỆN
VÀ TIỆN CỨNG TRÊN TRUNG TÂM TIỆN CNC
1.1 Khái niệm chung về tiện cứng
Thuật ngữ tiện cứng(Hardturning)là phương pháp gia công tiện các chi tiết có
độ cứng cao(45 ÷ 70HRC). Tiện cứng được tiến hành cắt khô hoặc gần như cắt khô
và phổ biến sử dụng dao bằng vật liệu siêu cứng như: Nitrit bo lập phương đa tinh
thể(CBN), PCD, kim cương hoặc ceramic tổng hợp để thay thế cho nguyên công mài
khi gia công thép hợp kim đã qua tôi đạt độ cứng từ 45÷70 HRC [15],[18],[30].
Tiện cứng là một phương pháp gia công tinh lần cuối sử dụng dao cắt với lưỡi
cắt có hình dáng hình học xác định để gia công chi tiết đòi hỏi có độ chính xác và
chất lượng bề mặt cao. Nghiên cứu về tiện cứng nhằm tìm ra các thông số gia công
thích hợp để tối ưu hoá quá trình gia công đạt các chỉ tiêu tốt nhất về kỹ thuật là rất
cần thiết.
So với mài tiện cứng có nhiều ưu thế vượt trội về khía cạnh kinh tế và sinh thái
[23,24]. Tiện cứng có thể sử dụng một dụng cụ cắt để gia công nhiều chi tiết khác
nhau còn đá mài ta phải thay đá hoặc sửa đá. Chi phí đầu tư cho một máy tiện CNC
chỉ bằng 1/2 đến 1/10 máy mài[10]. Ngoài ra công nghệ này còn góp phần hình thành
nên một nền sản xuất công nghiệp bền vững, chất lượng bề mặt khi gia công bằng
phương pháp tiện cũng có một số ưu điểm hơn so với mài như: Ảnh hưởng nhiệt đến
bề mặt gia công nhỏ do chiều dài và thời gian tiếp xúc giữa dụng cụ và phôi ngắn,
lớp ứng suất dư nén bề mặt có chiều sâu lớn nhưng vẫn giữ được độ chính xác và
kích thước, hình dáng và tính nguyên vẹn của bề mặt [14] ,[16] ,[20] ,[27]. Đặc biệt
hơn tiện cứng có thể gia công nhiều biên dạng phức tạp, các chi tiết có dạng hình
cầu…cấp chính xác của tiện cứng đạt IT 5÷7 và độ nhám bề mặt Rz là 2÷4µm. Ở điều
kiện gia công đặc biệt tiện cứng có thể đạt được cấp chính xác IT 3÷5 và độ nhám
bề mặt Rz<1,5µm[16],[19 ]. Bên cạnh đó tiện cứng còn có thể gia công khô mà không


5

cần sử dụng dung dịch trơn nguội nên không ảnh hưởng đến môi trường và sức khoẻ
người lao động [11],[21]. Do có nhiều ưu điểm nên tiện cứng được bắt đầu giới thiệu
rộng rãi và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực chế tạo cơ khí từ những năm 1980. Gia
công cứng đã phát triển đáng kể trong các phương pháp gia công khác nhau như:
Phay cứng, khoan, chuốt, phay lăn răng và những hình thức khác cùng với sự phát
triển của dụng cụ cắt, vật liệu dụng cụ cắt siêu cứng và các thiết kế dụng cụ cắt đặc
biệt, chế độ cắt hợp lý đã làm cho việc gia công các vật liệu cứng trở lên dễ dàng hơn.
Nó là một bước đi tiên phong được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực sản xuất công
nghiệp như một phương tiện nâng cao khả năng gia công các chi tiết chịu tải trọng.
Đặc biệt là công nghiệp chế tạo ô tô để chế tạo ra nhiều chi tiết như: Vòng bi, chế tạo
khuôn và khuôn mẫu cũng như các thành phần khác cho các ngành công nghiệp tiên
tiến.
Thép sau khi tôi là thành phần điển hình được gia công cứng với độ cứng trên
lớp bề mặt có chiều sâu chỉ 1mm cho nó có khả năng chống mài mòn và độ bền cơ
học cao. Thép này được sử dụng để chế tạo ra các chi tiết. Bao gồm: Bánh răng, các
loại trục, trục cam, khớp các đăng và các thiết bị cho ngành giao thông vận tải nói
riêng và ngành cơ khí nói chung.
Tuy nhiên tiện cứng cũng còn nhiều hạn chế như: Chi phí dụng cụ cho mỗi đơn
vị là cao hơn đáng kể so với mài, đòi hỏi máy, hệ thống công nghệ có độ cứng vững
và độ chính xác cao[12]. Mặc dù đã có những ưu thế nổi trội và đã đạt được sự tăng
trưởng mạnh mẽ. Trong những năm gần đây tiện cứng vẫn là một công nghệ gia công
mới chưa được nghiên cứu đầy đủ và khi gia công chi tiết hay bị méo, độ song song
của hình trụ không chính xác. Do độ tin cậy của quá trình chưa cao, chất lượng gia
công thiếu ổn định và chi phí dụng cụ cắt lớn nên phạm vi ứng dụng của công nghệ
gia công tiên tiến này còn rất hạn chế [19],[29].
1.2.Các yếu tố công nghệ của chế độ cắt khi tiện
* Chiều sâu cắt t (mm)
Là khoảng cách giữa bề mặt chưa gia công và bề mặt đã gia công theo phương
vuông góc với bề mặt đã gia công trong một lần cắt.


6

Khi tiện ngoài

t=

D−d
2

(mm)

Trong đó: D: là đường kính phôi(mm)
d: Là đường kính chi tiết hình thành sau mỗi lần cắt(mm)

Ăn dao

t

Hình 1.1 Chiều sâu cắt khi tiện

* Lượng chạy dao s
Là lượng dịch chuyển của một điểm trên lưỡi cắt theo phương chạy dao trong
một đơn vị qui ước.

s

Hình 1.2 Lượng chạy dao - s


7

*Vận tốc cắt v
Là lượng dịch chuyển tương đối của một điểm trên lưỡi cắt so với phôi đo theo
phương chuyển động cắt trong một đơn vị thời gian.
V=

π.D.n
1000

( m/phút)

Trong đó: D: là đường kính phôi(mm)
n:Là số vòng quay của phôi (vòng/phút)
1.3 Lực cắt, mòn và tuổi bền khi tiện cứng
1.3.1 Lực cắt khi tiện cứng
Trong quá trình tiện cứng, độ cứng cao của phôi cùng với tốc độ cắt cao và
điều kiện gia công khô đã làm cho tác dụng của lực cắt có những thay đổi đáng kể
so với các quá trình gia công thông thường. Lực cắt trong gia công các vật liệu cứng
không lớn hơn các vật liệu mềm. Góc trượt lớn và sự hình thành phoi răng cưa do
độ dẻo kém làm giảm lực cắt mặc dù độ bền cao của vật liệu cứng[1].
Ảnh hưởng của điều kiện cắt đến quá trình tiến triển của lực cắt cũng đã được
mô hình trong nhiều nghiên cứu. Bằng việc tiến hành các thí nghiệm khi gia công
thép AISI D2 ở độ cứng 62HRC với dụng cụ cắt CBN, Arsecularatne và cộng sự
[8]đã kết luận có một mối liên hệ chặt chẽ giữa lực cắt và điều kiện cắt. Yong Huang
và Liang [30]trình bày lực cắt tổng cộng là tổng của các thành phần lực để tạo phoi
và lực do mòn mặt sau. Mô hình này được đánh giá bằng thực nghiệm quá trình tiện
cứng chính xác thép AISI 52100 ở độ cứng 62HRC với hai loại dụng cụ CBN hàm
lượng CBN cao và thấp. Kết quả cho thấy, lực hướng kính và lực tiếp tuyến có giá
trị nhỏ hơn, nhiệt độ trên bề mặt tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ có giá trị cao hơn
khi sử dụng dao với hàm lượng CBN thấp. Chen cũng công bố khi nghiên cứu thực
nghiệm tiện cứng thép bằng dụng cụ CBN, lực hướng kính có giá trị lớn nhất trong
ba thành phần lực cắt. Ozel và cộng sự cũng kết luận, lực cắt khi gia công bằng
dụng cụ CBN nhạy cảm với sự thay đổi của các thông số hình học của dụng cụ và
mòn dụng cụ. Bề mặt của sản phẩm khi gia công bằng dụng cụ CBN cũng tương
đương như bề mặt được mài. Thêm nữa, lực cắt cũng như nhám bề mặt còn bị ảnh
hưởng bởi thông số hình học của dụng cụ. Dụng cụ với cạnh lưỡi cắt mài tròn sẽ làm


8

giảm lực cắt nhưng làm tăng nhiệt độ trên mặt tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ. Sử
dụng các kết quả từ mô hình cơ nhiệt của mặt phẳng trượt khi cắt trực giao có kể
ảnh hưởng của biến dạng, tốc độ biến dạng, nhiệt độ và độ cứng phôi ban đầu, Yan
và cộng sự kết luận rằng lực ăn dao có giá trị lớn nổi trội trong các thành phần lực
cắt khi tiện cứng chính xác bằng dụng cụ CBN. Lực cắt, đặc biệt là lực ăn dao, tăng
khi tăng lượng chạy dao và bán kính vê tròn cạnh lưỡi cắt.
1.3.2 Mòn và tuổi thọ dụng cụ CBN
Các dạng mòn và cơ chế mòn dụng cụ CBN
Mòn và tuổi thọ dụng cụ là tiêu chuẩn thông thường nhất dùng để đánh giá hiệu
suất của dụng cụ cắt, khả năng gia công của vật liệu và là một trong những chỉ tiêu
được quan tâm nhất khi chọn dụng cụ cắt và điều kiện gia công. Tương tự như các
vật liệu dụng cụ cắt thông thường, mòn mặt trước và mặt sau là hai dạng hỏng chủ
yếu của dao tiện CBN. Tuy nhiên, mòn mặt trước ở dụng cụ CBN bắt đầu từ rất gần
lưỡi cắt và lưỡi cắt của mảnh dao CBN không bị biến dạng khi cắt.
Trong khi có một vài lý thuyết khác nhau liên quan đến các cơ chế mòn xuất
hiện trong quá trình tiện cứng bằng dụng cụ CBN, có một sự thống nhất chung cho
rằng mòn gây ra bởi sự kết hợp của một vài cơ chế. Các cơ chế thông thường
nhất được sử dụng để giải thích quá trình mòn dụng cụ CBN bao gồm mài mòn,
dính và khuếch tán và mòn do tương tác hóa học.
Các nhân tố ảnh hưởng đến mòn dụng cụ CBN.
Các nhân tố đã được nhận biết có ảnh hưởng quyết định đến tuổi thọ và hiệu
suất dụng cụ CBN bao gồm: thành phần của vật liệu phôi và dụng cụ, thông số hình
học của dao, điều kiện gia công và độ cứng vững của hệ thống công nghệ.
+) Thành phần của vật liệu dụng cụ: Là nhân tố quan trọng có ảnh hưởng đáng
kể tới mòn dụng cụ. Với hai loại vật liệu CBN có thành phần CBN cao và thấp, cả
giá trị nhám bề mặt gia công và mòn dụng cụ ở vật liệu có thành phần CBN cao đều
lớn hơn vật liệu có thành phần CBN thấp và CBN thấp có khả năng chống mòn nhiệt
tốt hơn [22], [28]. Tốc độ mòn có quan hệ gần như tuyến tính với vận tốc cắt và sự
khác nhau về tốc độ mòn của hai loại vật liệu CBN tăng theo vận tốc cắt[22].


9

+) Thông số hình học của dụng cụ: Các thông số góc vát cạnh lưỡi cắt, chiều
rộng vát cạnh lưỡi cắt, cung mài tròn cạnh lưỡi cắt có ảnh hưởng quyết định đến tuổi
thọ của dụng cụ cắt. Góc trước âm sẽ làm tăng tuổi thọ dụng cụ CBN [22]. Việc tăng
bán kính mũi dao sẽ làm tăng mức độ mòn mặt sau vì làm giá trị của các thành phần
lực cắt tăng, chủ yếu là lực dọc trục và lực hướng kính.
+)Vật liệu phôi: Mòn dụng cụ CBN phụ thuộc vào thành phần cấu trúc tế vi
của vật liệu phôi như thành phần và kích thước của các hạt cacbit, thành phần
mactenxit [28]. Nghiên cứu cũng cho thấy trong quá trình bóc vật liệu ở tốc độ cao,
mòn dụng cụ CBN phụ thuộc vào loại, kích thước và thành phần của các pha cứng
trong phôi và cả các hạt CBN bị tách ra từ vật liệu dụng cụ.
+) Hệ thống gia công: Bao gồm dụng cụ cắt, cán dao, đồ gá, trục chính máy
gia công và nền móng đặt máy. Điều kiện tiếp xúc giữa phôi và dụng cụ quyết định
cơ chế mòn dụng cụ CBN và chúng được điều khiển bởi nhiều nhân tố. Ngoài thành
phần vật liệu dụng cụ CBN và vật liệu phôi, các thông số hình học của dụng cụ, còn
có độ ổn định của hệ thống công nghệ [8], [17]. Bất kỳ sự không ổn định nào trong
máy gia công cũng sẽ có ảnh hưởng tiêu cực tới mòn dụng cụ, chất lượng và độ
chính xác gia công..
1.4.Chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công.
1.4.1.Chất lượng bề mặt
a.Khái niệm chung về lớp bề mặt
Bề mặt là sự phân cách giữa hai môi trường khác nhau. Bề mặt kim loại có thể
được tạo thành bằng các phương pháp gia công khác nhau nên có cấu trúc và đặc tính
khác nhau. Để xác định được đặc trưng của lớp bề mặt nhau ta cần biết mô hình và
định luật của kim loại nguyên chất không có tương tác với môi trường khác và sự
khác nhau về sự sắp xếp các nguyên tử, tác dụng của lực trên bề mặt so với bên trong.
Sau đó nghiên cứu sự thay đổi của lớp bề mặt do tác động của môi trường để thiết lập
khái niệm mô hình bề mặt thực.


10

Nhiều tính chất khối của vật liệu có liên quan đến bề mặt ở mức độ khác nhau.
Thường các tính chất hoá, lý của lớp bề mặt là quan trọng. Tuy nhiên, các đặc trưng
cơ học như độ cứng và phân bố ứng suất trong lớp này cũng được quan tâm[6].
b.Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng lớp bề mặt sau gia công cơ.
*Độ nhám bề mặt và phương pháp đánh giá
-Độ nhám bề mặt
Độ nhám bề mặt hay còn gọi là độ nhấp nhô tế vi là tập hợp tất cả các bề mặt
lồi lõm với bước cực nhỏ và được quan sát trong phạm vi chiều dài chuẩn rất ngắn[5].
Chiều dài chuẩn L là chiều dài để đánh giá các thông số của độ nhám bề
mặt(l=0.01÷25mm).
Độ nhám bề mặt gia công đã được phóng đại lên nhiều lần thể hiện trên hình 1-3

R max

Ðường đỉnh

h5

h3

h1

h7
h9

h6

h2
h4

h8

h10

Ðường đáy

Hình 1.3

Ðộ nhám bề mặt

Theo tiêu chuẩn TCVN 2511-1995 thì nhám bề mặt được đánh giá thông qua
bảy chỉ tiêu. Thông thường người ta chỉ dùng hai chỉ tiêu. Đó là:Ra và Rz.
Trong đó:
+Ra là sai lệch trung bình số học của profin, là trung bình số học các giá trị tuyệt
đối của sai lệch profin(y) trong khoảng chiều dài chuẩn. Sai lệch profin(y) là khoảng
cách từ các điểm trên đường profin đến đường trung bình đo theo phương pháp tuyến

yn


11

tới đường trung bình. Đường trung bình (m) là đường chia profin bề mặt sao cho
trong phạm vi chiều dài chuẩn l tổng diện tích hai phía của đường chuẩn bằng nhau.Ra
được xác định theo công thức
1

1

1

Ra= ∫0 𝑌𝑥 𝑑𝑥 = ∑𝑛𝑖=1 𝑌𝑖
𝑙
𝑛
+Rz là chiều cao nhấp nhô profin theo mười điểm, là trị số trung bình của tổng
các giá trị tuyệt đối của chiều cao năm đỉnh cao nhất và năm đáy thấp nhất của profin
trong chiều dài chuẩn l. Rz được xác định theo công thức.

Rz=

(ℎ1+ℎ3+ℎ5+⋯+ℎ9)−(ℎ2+ℎ4+⋯+ℎ10)
5

Ngoài ra độ nhám bề mặt được đánh giá qua chiều cao nhấp nhô lớn nhất Rmax.
Chiều cao nhấp nhô Rmax là khoảng cách giữa hai đỉnh cao nhất và thấp nhất của
nhám(profin bề mặt trong giới hạn chiều dài chuẩn l).
-Phương pháp đánh giá độ nhám bề mặt
Để đánh giá độ nhám bề mặt người ta thường dùng các phương pháp sau:
+Phương pháp quang học(Dùng kính hiển vi Linich). Phương pháp này đo được
bề mặt có độ nhẵn cao thường từ cấp 10 đến cấp 14.
+Phương pháp đo độ nhám Ra,Rz,Rmax… bằng máy đo profin. Phương pháp
này sử dụng mũi dò để đo profin lớp bề mặt có cấp độ nhẵn đến cấp 11. Đây chính
là phương pháp được tác giả sử dụng để đánh giá độ nhám bề mặt khi tiện cứng.
Tuy nhiên với các bề mặt lỗ thường phải in bằng chất dẻo bề mặt chi tiết rồi mới đo
bảng in trên các máy đo độ nhám bề mặt.
*Độ sóng bề mặt:
Chu kì không bằng phẳng của chi tiết gia công được quan sát trong phạm vi
khoảng lớn tiêu chuẩn(từ 1 đến 10mm) được gọi là độ sóng bề mặt. Nguyên nhân
xuất hiện độ sóng bề mặt là do rung động của hệ thống công nghệ. Do quá trình cắt
liên tục, độ đảo của dụng cụ cắt… Thông thường độ sóng bề mặt xuất hiện khi gia
công các chi tiết có kích thước vừa và lớn bằng các phương pháp tiện, phay,mài…


12

Trong tiện tinh chiều sâu cắt nhỏ thông thường từ 0,1 đến 0,5mm và tiện chính
xác thì chiều sâu cắt nằm trong khoảng từ 0,02 đến 0,3mm. Do đó lực cắt sẽ không
cao, đồng thời yêu cầu độ cứng vững công nghệ cao dẫn đến rung động nhỏ. Do đó
độ sóng bề mặt nhỏ. Vì vậy đề tài không đánh giá độ sóng bề mặt.
*Tính chất cơ lý của lớp bề mặt sau gia công cơ.
-Hiện tượng biến cứng của lớp bề mặt.
Trong quá trình gia công cơ, dưới tác dụng của lực cắt, mạng tinh thể của lớp
kim loại bị xô lệch và biến dạng dẻo ở vùng trước và sau lưỡi cắt. …Kết quả là lớp
bề mặt kim loại bị cứng nguội và có độ cứng tế vi rất cao. Mức độ biến cứng và chiều
sâu lớp biến cứng phụ thuộc vào các phương pháp gia công cơ và các thông số hình
học của dao. Cụ thể là phụ thuộc vào lực cắt, mức độ biến dạng dẻo của kim loại
và nhiệt trong vùng cắt. Lực cắt làm cho mức độ biến dạng dẻo tăng, kết quả là
chiều sâu lớp biến cứng và biến cứng bề mặt tăng. Nhiệt sinh ra trong vùng cắt sẽ
hạn chế sự biến cứng lớp bề mặt. Như vậy mức độ biến cứng của lớp bề mặt phụ
thuộc vào tỷ lệ tác động giữa 2 yếu tố. Đó là: Lực cắt và nhiệt cắt sinh ra trong
vùng cắt.
Qua nghiên cứu bằng mô hình nhiệt cắt đồng thời tiến hành thực nghiệm nghiên
cứu ảnh hưởng của bán kính mũi dao đến chiều sâu lớp biến cứng(lớp trắng) trong
tiện cứng của Kevin Chou và Huisong. Kết quả đều cho thấy chiều sâu lớp biến cứng
phụ thuộc vào bán kính mũi dao.Hình 1.4


13

Hình 1.4 Quan hệ giữa bán kính mũi dao và chiều sâu lớp biến cứng với các
lượng chạy dao khác nhau ( khi dao chưa bị mòn )
Khi dao còn mới(chưa bị mòn)chiều sâu lớp biến cứng giảm khi tăng bán kính
mũi dao do chiều dày lớp phoi không được cắt nhỏ. Tuy nhiên khi dao bị mòn nhiều
thì chiều sâu lớp biến trắng lại tăng theo bán kính mũi dao. Bởi vì khoảng cách giữa
lưỡi cắt và bề mặt gia công là nhỏ hơn.
Kenvin Chou và đồng nghiệp cũng chứng tỏ chiều sâu lớp biến cứng phụ thuộc
vào vận tốc cắt như đồ thị hình 1.5.
Chiều sâu lớp biến cứng tăng theo vận tốc cắt. Với cùng vận tốc cắt
(v=2÷4m/s) thì dao bị mòn nhiều hơn thì sẽ tạo ra lớp biến cứng có chiều dày lớn
hơn khá nhiều với dao chưa bị mòn.


14

Hình 1.5 Quan hệ giữa vận tốc cắt với chiều sâu lớp biến cứng ứng với các lượng
mòn mặt sau khác nhau của dao tiện[34]
Bề mặt lớp biến cứng có tác dụng làm tăng độ bền mỏi của chi tiết khoảng 20%,
tăng độ chống mòn lên khoảng 2 đến 3 lần. Mức độ biến cứng và chiều sâu của nó có
khả năng hạn chế gây ra các vết nứt tế vi làm phá hỏng chi tiết. Tuy nhiên bề mặt quá
cứng lại làm giảm độ bền mỏi chi tiết[5].
Quá trình hình thành ứng suất dư bề mặt sau gia công cơ phụ thuộc vào biến trị
số, dấu và chiều sâu phân bố ứng suất dư. Trị số và dấu phụ thuộc vào biến dạng đàn
hồi của vật liệu gia công, chế độ cắt, thông số hình học của dụng cụ cắt và dung dịch
trơn nguội.
*Các nguyên nhân chủ yếu gây ra ứng suất dư
+Khi gia công trường lực xuất hiện gây ra biến dạng dẻo không đồng đều trong
lớp bề mặt. Khi trường lực mất đi biến dạng dẻo gây ra ứng suất dư trong lớp bề mặt.
+Biến dạng dẻo làm tăng thể tích riêng của lớp kim loại mỏng ngoài cùng. Lớp
kim loại bên trong thể tích riêng không thay đổi. Do đó không bị biến dạng dẻo. Lớp
kim loại ngoài cùng gây ra ứng suất dư nén còn lớp kim loại bên trong gây ra ứng
suất dư kéo để cân bằng.


15

+Nhiệt sinh ra ở vùng cắt lớn sẽ nung nóng cục bộ các lớp mỏng bề mặt làm
môđun đàn hồi của vật liệu giảm. Sau khi cắt lớp vật liệu này sinh ra ứng suất dư kéo
do bị nguội nhanh và co lại cân bằng phải sinh ra ứng suất dư nén để cân bằng.
+Trong quá trình cắt thể tích của kim loại bị thay đổi vì bị chuyển pha và nhiệt
sinh ra trong vùng cắt làm thay đổi cấu trúc vật liệu. Lớp kim loại nào hình thành cấu
trúc có thể tích riêng lớn sẽ hình thành ứng suất dư nén và ngược lại sẽ sinh ra ứng
suất dư kéo để cân bằng.
*Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất dư trong lớp bề mặt của chi tiết sau gia công cơ
như sau:
+Tăng tốc độ cắt-v hoặc tăng lượng chạy dao-s có thể làm tăng hoặc giảm ứng
suất dư.
+Lượng chạy dao-s làm tăng chiều sâu ứng suất dư.
+Góc trước γ âm gây ra ứng suất dư nén-ứng suất dư có lợi.
+Khi gia công vật liệu giòn hoặc dụng cụ cắt có lưỡi cắt gây ra ứng suất dư nén
còn vật liệu dẻo gây ra ứng suất dư kéo.
Ứng suất dư nén trong lớp bề mặt làm tăng độ bền mỏi của chi tiết còn ứng suất
dư kéo làm giảm độ bền mỏi.
c.Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt
*Ảnh hưởng của các thông số hình học của dụng cụ cắt
Khi tiến hành thí nghiệm với thép AISI H13, Tugrul Ozel và đồng nghiệp đã
chỉ ra được ảnh hưởng của lượng chạy dao và hình dạng lưỡi cắt đến nhám bề mặt.
Đồ thị các thông số nhám bề mặt được biểu diễn như trên hình 1.6 và hình 1.7


16

Hình 1.6. Ảnh hưởng của hình dạng lưỡi cắt và lượng chạy dao đến nhám bề
mặt. ( 54,7 HRC, chiều dài 101,6 mm )
Hình

1.7

Ảnh
hưởng

của

hình
lưỡi

dạng
cắt và
lượng
chạy

dao

đến
nhám

bề

mặt. (

51,3

HRC,
chiều dài 101,6 mm )


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×