Tài liệu 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…