Giáo trình Công nghệ chế tạo máy - Chương 2: Chất lượng bề mặt chi tiết máy - Lưu Đức Bình

Nội dung text: Giáo trình Công nghệ chế tạo máy - Chương 2: Chất lượng bề mặt chi tiết máy - Lưu Đức Bình

1. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình Ch−ơng 2 Chất l−ợng bề mặt chi tiết máy Chất l−ợng sản phẩm trong ngành chế tạo máy bao gồm chất l−ợng chế tạo các chi tiết máy và chất l−ợng lắp ráp chúng thành sản phẩm hoàn chỉnh. Để đánh giá chất l−ợng chế tạo các chi tiết máy, ng−ời ta dùng 4 thông số cơ bản sau: - Độ chính xác về kích th−ớc của các bề mặt. - Độ chính xác về hình dạng của các bề mặt. - Độ chính xác về vị trí t−ơng quan giữa các bề mặt. - Chất l−ợng bề mặt. Ch−ơng này chúng ta nghiên cứu các yếu tố đặc tr−ng của chất l−ợng bề mặt, ảnh h−ởng của chất l−ợng bề mặt tới khả năng làm việc của chi tiết máy, các yếu tố ảnh h−ởng đến chất l−ợng bề mặt và các ph−ơng pháp đảm bảo chất l−ợng bề mặt trong quá trình chế tạo chi tiết máy. 2.1- các yếu tố đặc tr−ng cho chất l−ợng bề mặt Khả năng làm việc của chi tiết máy phụ thuộc rất nhiều vào chất l−ợng của lớp bề mặt. Chất l−ợng bề mặt là chỉ tiêu tập hợp nhiều tính chất quan trọng của lớp bề mặt: - Hình dạng lớp bề mặt (độ sóng, độ nhám ) - Trạng thái và tính chất cơ lý của lớp bề mặt (độ cứng, chiều sâu biến cứng, ứng suất d− ) - Phản ứng của lớp bề mặt đối với môi tr−ờng làm việc (tính chống mòn, khả năng chống xâm thực hóa học, độ bền mỏi ) 2.1.1- Tính chất hình học của bề mặt gia công Tính chất hình học của bề mặt gia công đ−ợc đánh giá bằng độ nhám bề mặt và độ sóng bề mặt. a) Độ nhám bề mặt (hình học tế vi, độ bóng) Trong quá trình cắt, l−ỡi cắt của dụng cụ cắt và sự hình thành phoi kim loại tạo ra những vết x−ớc cực nhỏ trên bề mặt gia công. Nh− vậy, bề mặt có độ nhám. Độ nhám của bề mặt gia công đ−ợc đo bằng chiều cao nhấp nhô Rz và sai lệch profin trung bình cộng Ra của lớp bề mặt. 1 Chiều cao nhấp nhô Rz : là trị số trung bình của tổng các giá trị tuyệt đối của chiều cao 5 đỉnh cao nhất và chiều sâu 5 đáy thấp nhất của profin tính trong phạm vi chiều dài chuẩn đo l. Trị số Rz đ−ợc xác định nh− sau: Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 8
2. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình (h + h + h )+ (h + h + h ) R = 1 3 9 2 4 10 z 5 y l Chiều dài chuẩn l là chiều dài của phần bề mặt Đ−ờng đỉnh Rmax đ−ợc chọn để đo độ nhám h y1 5 h10 h1 h3 h9 bề mặt, không tính đến h6 những dạng mấp mô khác h2 h4 yn có b−ớc lớn hơn l (sóng bề Đ−ờng đáy mặt chẳng hạn). Hình 2.1- Độ nhám bề mặt chi tiết. 2 Sai lệch profin trung bình cộng Ra: là trung bình số học các giá trị tuyệt đối của khoảng cách từ các điểm trên profin đến đ−ờng trung bình, đo theo ph−ơng pháp tuyến với đ−ờng trung bình. 1 1 1 n Ra = ∫ yx dx ≈ ∑ yi l 0 n i=1 Độ nhám bề mặt có ảnh h−ởng lớn đến chất l−ợng làm việc của chi tiết máy. Ví dụ: Đối với những chi tiết trong mối ghép động (ổ tr−ợt, sống dẫn, con tr−ợt ), bề mặt làm việc tr−ợt t−ơng đối với nhau nên khi nhám càng lớn càng khó đảm bảo hình thành màng dầu bôi trơn bề mặt tr−ợt. D−ới tác dụng của tải trọng, các đỉnh nhám tiếp xúc với nhau gây ra hiện t−ợng ma sát nửa −ớt, thậm chí cả ma sát khô, do đó giảm thấp hiệu suất làm vịêc, tăng nhiệt độ làm việc của mối ghép. Mặt khác, tại các đỉnh tiếp xúc, lực tập trung lớn, ứng suất lớn v−ợt quá ứng suất cho phép phát sinh biến dạng dẽo phá hỏng bề mặt tiếp xúc, làm bề mặt bị mòn nhanh, nhất là thời kỳ mòn ban đầu. Thời kỳ mòn ban đầu càng ngắn thì thời gian phục vụ của chi tiết càng giảm. Đối với các mối ghép có độ dôi lớn, khi ép hai chi tiết vào nhau để tạo mối ghép thì các nhấp nhô bị san phẳng, nhám càng lớn thì l−ợng san phẳng càng lớn, độ dôi của mối ghép càng giảm nhiều, làm giảm độ bền chắc của mối ghép. Nhám càng nhỏ thì bề mặt càng nhẵn, khả năng chống lại sự ăn mòn càng tốt: bề mặt càng nhẵn bóng thì càng lâu bị gỉ. Độ nhám bề mặt là cơ sở để đánh giá độ nhẵn bề mặt trong phạm vi chiều dài chuẩn rất ngắn l. Theo tiêu chuẩn Nhà n−ớc thì độ nhẵn bề mặt đ−ợc chia làm 14 cấp ứng với giá trị của Ra, Rz (cấp 14 là cấp nhẵn nhất, cấp 1 là cấp nhám nhất). Trong thực tế sản xuất, ng−ời ta đánh giá độ nhám bề mặt chi tiết máy theo các mức độ: thô (cấp 1 ữ 4), bán tinh (cấp 5 ữ 7), tinh (cấp 8 ữ 11), siêu tinh (cấp 12 ữ 14). Trong thực tế, th−ờng đánh giá nhám bề mặt bằng một trong hai chỉ tiêu trên. Việc chọn chỉ tiêu nào là tùy thuộc vào chất l−ợng yêu cầu và đặc tính kết cấu của bề mặt. Chỉ tiêu Ra đ−ợc sử dụng phổ biến nhất vì nó cho phép ta đánh giá chính xác hơn và thuận lợi hơn những bề mặt có yêu cầu nhám trung bình. Với những bề mặt quá Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 9
3. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình nhám hoặc quá bóng thì chỉ tiêu Rz lại cho ta khả năng đánh giá chính xác hơn là dùng chỉ tiêu Ra. Chỉ tiêu Rz còn đ−ợc sử dụng đối với những bề mặt không thể kiểm tra trực tiếp thông số Ra, nh− những bề mặt kích th−ớc nhỏ hoặc có profin phức tạp. b) Độ sóng bề mặt Độ sóng bề mặt là chu kỳ không bằng phẳng của bề mặt chi tiết máy đ−ợc quan sát trong phạm vi lớn hơn độ nhám bề mặt. Ng−ời ta dựa vào tỷ lệ gần đúng L giữa chiều cao nhấp nhô và b−ớc h l sóng để phân biệt độ nhám bề mặt H và độ sóng của bề mặt chi tiết máy. Độ nhám bề mặt ứng với tỷ lệ: l/h = 0 ữ 50 Hình 2.2- Tổng quát về độ nhám và độ sóng Độ sóng bề mặt ứng với tỷ lệ: bề mặt chi tiết máy L/H = 50 ữ 1000 trong đó, L: khoảng cách 2 đỉnh sóng. l: khoảng cách 2 đỉnh nhấp nhô tế vi. H là chiều cao của sóng. h: chiều cao nhấp nhô tế vi. 2.1.2- Tính chất cơ lý của bề mặt gia công a) Hiện t−ợng biến cứng của lớp bề mặt Trong quá trình gia công, tác dụng của lực cắt làm xô lệch mạng tinh thể lớp kim loại bề mặt và gây biến dạng dẻo ở vùng tr−ớc và vùng sau l−ỡi cắt. Phoi kim loại đ−ợc tạo ra do biến dạng dẻo của các hạt kim loại trong vùng tr−ợt. Giữa các hạt tinh thể kim loại xuất hiện ứng suất. Thể tích riêng tăng và mật độ kim loại giảm ở vùng cắt. Giới hạn bền, độ cứng, độ giòn của lớp bề mặt đ−ợc nâng cao; ng−ợc lại tính dẻo dai của lớp bề mặt lại giảm. Tính dẫn từ cũng nh− nhiều tính chất khác của lớp bề mặt cũng thay đổi. Kết quả tổng hợp là lớp bề mặt kim loại bị cứng nguội, chắc lại và có độ cứng tế vi cao. Có 2 chỉ tiêu để đánh giá độ biến cứng: - Độ cứng tế vi. - Chiều sâu của lớp biến cứng. Mức độ biến cứng và chiều sâu lớp biến cứng bề mặt phụ thuộc vào tác dụng của lực cắt, mức độ biến dạng dẻo của kim loại và ảnh h−ởng nhiệt trong vùng cắt. Lực cắt (c−ờng độ, thời gian tác dụng) tăng làm cho mức độ biến dạng dẻo của vật liệu tăng; qua đó làm tăng mức độ biến cứng và chiều sâu lớp biến cứng bề mặt. Nhiệt sinh ra ở vùng cắt (nhiệt độ, thời gian tác dụng) sẽ hạn chế hiện t−ợng biến cứng bề mặt. b) ứng suất d− trong lớp bề mặt Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 10
4. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình Nguyên nhân gây ra ứng suất d− trong lớp bề mặt chi tiết máy: sâu xa nhất vẫn là do biến dạng dẻo. - Khi cắt một lớp mỏng vật liệu, tr−ờng lực xuất hiện gây ra biến dạng dẻo không đều ở từng khu vực trong lớp bề mặt. Khi tr−ờng lực mất đi, biến dạng dẻo không đồng đều này sẽ gây ra ứng suất d− trong lớp bề mặt. - Biến dạng dẻo sinh ra khi cắt làm chắc lớp vật liệu bề mặt, làm tăng thể tích riêng của lớp kim loại mỏng ở ngoài cùng. Lớp kim loại ở bên trong do không bị biến dạng dẻo nên vẫn giữ thể tích riêng bình th−ờng. Lớp kim loại ngoài cùng có xu h−ớng tăng thể tích, gây ra ứng suất d− nén; vì có liên hệ với nhau nên lớp kim loại bên trong phải sinh ra ứng suất d− kéo để cân bằng. - Nhiệt sinh ra ở vùng cắt có tác dụng nung nóng cục bộ các lớp mỏng bề mặt làm giảm môđun đàn hồi của vật liệu, có khi làm giảm tới trị số nhỏ nhất. Sau khi cắt, lớp vật liệu bề mặt ở vùng cắt bị nguội nhanh co lại, sinh ra ứng suất d− kéo; để cân bằng thì lớp kim loại bên trong phải sinh ra ứng suất d− nén. - Kim loại bị chuyển pha trong quá trình cắt và nhiệt sinh ra ở vùng cắt làm thay đổi cấu trúc vật liệu, dẫn đến sự thay đổi về thể tích kim loại. Lớp kim loại nào hình thành cấu trúc có thể tích riêng lớn sẽ sinh ra ứng suất d− nén; lớp kim loại có cấu trúc với thể tích riêng bé phải sinh ra ứng suất d− kéo để cân bằng. c) Ph−ơng pháp xác định chất l−ợng bề mặt Trong thực tế có nhiều ph−ơng pháp xác định chất l−ợng bề mặt chi tiết máy. Sau đây là một số ph−ơng pháp chính: 1 Đo độ nhám bề mặt: - Dùng mũi dò: để đo các bề mặt có độ nhám lớn. - Dùng máy đo quang học: dùng khi độ nhám nhỏ. - Dùng chất dẻo đắp lên chi tiết, đo độ nhám thông qua bề mặt chất dẻo đó: dùng khi đo độ nhám các bề mặt lỗ. - Xác định độ nhám bằng cách so sánh (bằng mắt) vật cần đo với mẫu có sẵn. 2 Đo ứng suất d−: - Dùng tia Rơnghen: chiếu tia rồi khảo sát phân tích biểu đồ Rơnghen. - Dùng cấu trúc điện tử: 3 Đo biến cứng: - Độ cứng: dùng máy đo độ cứng. - Chiều sâu biến cứng: cắt mẫu, đem mài bóng rồi cho xâm thực hóa học để nghiên cứu cấu trúc lớp bề mặt. 2.2- ảnh h−ởng của chất l−ợng bề mặt tới khả năng làm việc của chi tiết máy Khả năng làm việc của chi tiết máy đ−ợc quyết định bởi: tính chống mòn, độ bền mỏi, tính chống ăn mòn hóa học, độ chính xác các mối lắp ghép. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 11
5. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình Chất l−ợng bề mặt ảnh h−ởng đáng kể đến khả năng làm việc của chi tiết máy. Có thể kể ra các yếu tố bị ảnh h−ởng bởi chất l−ợng bề mặt nh−: Hệ số ma sát, tính chống mòn, độ cứng vững tiếp xúc, tính dẫn điện, dẫn nhiệt, độ bền mỏi, độ bền va đập, tính chống ăn mòn Sau đây ta nói đến các ảnh h−ởng th−ờng gặp: 2.2.1- ảnh h−ởng đến tính chống mòn a) ảnh h−ởng đến độ nhám bề mặt Do bề mặt hai chi tiết tiếp xúc nhau có nhấp nhô tế vi nên trong giai đoạn đầu của quá trình làm việc, hai bề mặt này chỉ tiếp xúc nhau ở một số đỉnh cao nhấp nhô; diện tích tiếp xúc thực chỉ bằng một phần của diện tích tính toán. Tại các đỉnh tiếp xúc đó, áp suất rất lớn, th−ờng v−ợt quá giới hạn chảy, có khi v−ợt quá cả giới hạn bền của vật liệu. áp suất đó làm cho các điểm tiếp xúc bị nén đàn hồi và làm biến dạng dẻo các nhấp nhô, đó là biến dạng tiếp xúc. Khi hai bề mặt có chuyển động t−ơng đối với nhau Hình 2.3- Mô hình 2 bề mặt tiếp xúc sẽ xảy ra hiện t−ợng tr−ợt dẻo ở các đỉnh nhấp nhô; các đỉnh nhấp nhô bị mòn nhanh làm khe hở lắp ghép tăng lên. Đó là hiện t−ợng mòn ban đầu. Trong điều kiện làm việc nhẹ và vừa, mòn ban đầu có thể làm cho chiều cao nhấp nhô giảm 65 ữ 75%; lúc đó diện tích tiếp xúc thực tăng lên và áp suất tiếp xúc giảm đi. Sau giai đoạn mòn ban đầu (chạy rà) này, quá trình mài mòn trở nên bình th−ờng và chậm, đó là giai đoạn mòn bình th−ờng (giai đoạn này, chi tiết máy làm việc tốt nhất). Cuối cùng là giai đoạn mòn kịch liệt, khi đó bề mặt tiếp xúc bị tróc ra, nghĩa là cấu trúc bề mặt chi tiết máy bị phá hỏng. Mối quan hệ giữa l−ợng mòn và thời gian sử dụng của một cặp chi tiết ma sát với nhau tùy theo độ nhám bề mặt ban đầu đ−ợc biểu thị nh− sau: Độ mòn c b a [u] t t t T T T 0 3 2 1 3 2 1 Hình 2.4- Quá trình mài mòn của một cặp chi tiết. Các đ−ờng đặc tr−ng a, b, c ứng với ba độ nhám ban đầu khác nhau của các bề mặt tiếp xúc. Đ−ờng đặc tr−ng c, cặp chi tiết có độ nhẵn bóng bề mặt ban đầu kém nhất nên giai đoạn mòn ban đầu xảy ra nhanh nhất, c−ờng độ mòn lớn nhất ở giai Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 12
6. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình đoạn mòn ban đầu. Thực nghiệm chứng tỏ rằng, nếu giảm hoặc tăng độ nhám tới trị số tối −u, ứng với điều kiện làm việc của chi tiết máy thì sẽ đạt đ−ợc l−ợng mòn ban đầu ít nhất, qua đó, kéo dài tuổi thọ của chi tiết máy. Độ mòn (Đ−ờng 1 ứng với điều kiện ban đầu u làm việc nhẹ. Đ−ờng 2 ứng với 2 điều kiện làm việc nặng). L−ợng mòn ban đầu ít nhất ứng với giá trị của Ra tại các điểm u2 Ra1, Ra2; đó là giá trị tối −u của Ra. Nếu giá trị của Ra nhỏ hơn trị 1 số tối −u Ra1, Ra2 thì sẽ bị mòn u1 kịch liệt vì các phấn tử kim loại dễ khuếch tán. Ng−ợc lại, giá trị 0 Ra1 Ra2 Ra của Ra lớn hơn trị số tối −u Ra1, Hình 2.5- Quan hệ giữa l−ợng mòn ban đầu u Ra2 thì l−ợng mòn tăng lên vì các và sai lệch profin trung bình cộng Ra nhấp nhô bị phá vỡ và cắt đứt. b) ảnh h−ởng của lớp biến cứng bề mặt Lớp biến cứng bề mặt của chi tiết máy có tác dụng nâng cao tính chống mòn. Biến cứng bề mặt làm hạn chế sự khuếch tán ôxy trong không khí vào bề mặt chi tiết máy để tạo thành các ôxyt kim loại gây ra ăn mòn kim loại. Ngoài ra, biến cứng còn hạn chế quá trình biến dạng dẻo toàn phần của chi tiết máy, qua đó hạn chế hiện t−ợng chảy và hiện t−ợng mài mòn. Ngoài ph−ơng pháp gia công cắt gọt, ng−ời ta dùng các ph−ơng pháp gia công biến dạng dẻo để biến cứng bề mặt: phun bi, lăn bi, nong ép c) ảnh h−ởng của ứng suất d− trong lớp bề mặt ứng suất d− ở lớp bề mặt chi tiết máy nói chung không có ảnh h−ởng đáng kể tới tính chống mòn nếu chi tiết máy làm việc trong điều kiện ma sát bình th−ờng. 2.2.2- ảnh h−ởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy a) ảnh h−ởng của độ nhám bề mặt Độ nhám bề mặt có ảnh h−ởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy, nhất là khi chi tiết máy chịu tải trọng chu kỳ có đổi dấu, tải trọng va đập vì ở đáy các nhấp nhô tế vi có ứng suất tập trung lớn, ứng suất này sẽ gây ra các vết nứt tế vi và phát triển ở đáy các nhấp nhô, đó là nguồn gốc phá hỏng chi tiết máy do mõi. Nếu độ nhám thấp thì độ bền, giới hạn mỏi của vật liệu sẽ cao, và ng−ợc lại. b) ảnh h−ởng của lớp biến cứng bề mặt Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 13
7. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình Bề mặt bị biến cứng có thể làm tăng độ bền mỏi khoảng 20%. Chiều sâu và mức độ biến cứng của lớp bề mặt đều có ảnh h−ởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy; cụ thể là hạn chế khả năng gây ra các vết nứt tế vi làm phá hỏng chi tiết, nhất là khi bề mặt chi tiết có ứng suất nén. c) ảnh h−ởng của ứng suất d− trong lớp bề mặt ứng suất d− nén trên lớp bề mặt có tác dụng nâng cao độ bền mỏi, còn ứng suất d− kéo lại hạ thấp độ bền mỏi của chi tiết máy. Vì thế, khi chế tạo ng−ời ta cố gắng làm cho chi tiết có đ−ợc ứng suất nén trên bề mặt. Bằng thực nghiệm ta có công thức: −1 −1 0 σtt = σbd − α.σ -1 trong đó: σtt : giới hạn mỏi khi có ứng suất d− (thực tế). -1 σbd : giới hạn mỏi khi không có ứng suất d− (ban đầu). σ0: ứng suất d− lớn nhất, d−ơng nếu ứng suất kéo, âm nếu ứng suất nén. α: là hệ số phụ thuộc vật liệu, đ−ợc cho trong các sổ tay. 2.2.3- ảnh h−ởng tới tính chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt chi tiết máy a) ảnh h−ởng của độ nhám bề mặt Các chỗ lõm trên bề mặt do độ nhám tạo ra là nơi chứa các tạp chất nh− axit, muối Các tạp chất này có tác dụng ăn mòn hóa học đối với kim loại. Quá trình ăn mòn hóa học trên lớp bề mặt chi tiết theo s−ờn của nhấp nhô và hình thành các nhấp nhô mới Nh− vậy, bề mặt chi tiết máy càng ít nhám thì sẽ càng ít bị ăn mòn hóa học (vì khả năng chứa các tạp chất ít), bán kính đáy các nhấp nhô càng lớn khả năng chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt càng cao. Có thể chống ăn mòn hóa học bằng cách phủ lên bề mặt chi tiết máy một lớp bảo vệ bằng ph−ơng pháp mạ hoặc bằng ph−ơng pháp cơ khí làm chắc lớp bề mặt. b) ảnh h−ởng của lớp biến cứng bề mặt Biến cứng tăng thì tính chống ăn mòn giảm vì biến cứng tăng thì sự thay đổi của các hạt không đồng đều. Hạt ferrit biến dạng nhiều hơn hạt peclit, điều đó làm cho năng l−ợng nâng cao không đều và thế năng điện tích của các hạt thay đổi khác nhau. Hạt ferrit biến cứng nhiều hơn sẽ trở thành anốt. Hạt peclit bị biến cứng ít hơn sẽ trở thành catốt. Lúc này, tạo ra các pin ăn mòn nên ăn mòn sẽ tăng. c) ảnh h−ởng của ứng suất d− trong lớp bề mặt ứng suất d− hầu nh− không ảnh h−ởng đến tính chống mòn khi làm việc ở nhiệt độ bình th−ờng. Còn ở nhiệt độ cao thì sẽ có ảnh h−ởng. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 14
8. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình 2.2.4- ảnh h−ởng đến độ chính xác các mối lắp ghép Trong giai đoạn mòn ban đầu, chiều cao nhấp nhô tế vi Rz, đối với mối ghép lỏng có thể giảm đi 65 ữ 75% làm khe hở lắp ghép tăng lên và độ chính xác lắp ghép giảm đi. Để đảm bảo độ ổn định của mối lắp lỏng trong thời gian sử dụng, phải giảm độ nhấp nhô tế vi. Giá trị Rz hợp lý đ−ợc xác định theo độ chính xác của mối lắp tùy theo trị số của dung sai kích th−ớc lắp ghép. - Nếu đ−ờng kính lắp ghép φ > 50mm thì Rz = (0.1 ữ 0.15)T - Nếu đ−ờng kính lắp ghép 18 0.15 mm/vg thì R = z 8.r Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 15
9. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình 2 S h min ⎛ r. h min ⎞ - Khi S 20 àm. - Khi S quá nhỏ (< 0,03 mm/vg) thì trị số của Rz lại tăng, tức là khi gia công tinh với S quá nhỏ sẽ không có ý nghĩa đối với việc cải thiện chất l−ợng bề mặt chi tiết vì xẩy ra hiện t−ợng tr−ợt mà không tạo thành phoi. Chiều sâu cắt t cũng có ảnh h−ởng t−ơng tự nh− l−ợng chạy dao đối với chiều cao nhấp nhô tế vi, nếu bỏ qua độ đảo của trục chính máy. Các thông số hình học của l−ỡi cắt, đặc biệt là góc tr−ớc γ và độ mòn có ảnh h−ởng đến Rz. Khi góc γ tăng thì Rz giảm, độ mòn dụng cụ tăng thì Rz tăng. Ngoài ảnh h−ởng đến nhám bề mặt, hình dáng hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt cũng ảnh h−ởng đến lớp biến cứng bề mặt và đ−ợc tính đến qua hệ số hiệu chỉnh. Ví dụ: Xét sự ảnh h−ởng của hình dạng hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt đến chất l−ợng bề mặt chi tiết khi tiện. S1 m S2 ϕ R’z R’’z ϕ ϕ ϕ1 1 2 1 2 1 a) b) S1 S1 Rz Rz ϕ ϕ r ϕ 1 1 2 1 2 1 c) d) S1 S1 t Rz Rz ϕ r2 ϕ1 2 1 e) 2 f) 1 Hình 2.6- ảnh h−ởng của hình dáng hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi tiện Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 16
10. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình Sau một vòng quay của phôi, dao tiện sẽ dịch chuyển một đoạn là S1 từ vị trí 1 đến vị trí 2 (hình 2.6a). Trên bề mặt gia công sẽ bị chừa lại phần kim loại m không đ−ợc hớt đi bởi dao. Chiều cao nhấp nhô Rz xác định bởi S1 và hình dạng hình học của dao cắt. Nếu giảm l−ợng chạy dao thì chiều cao nhấp nhô cũng giảm (hình 2.6b). Thay đổi giá trị góc ϕ và ϕ1 không những làm thay đổi chiều cao nhấp nhô mà còn làm thay đổi cả hình dạng nhấp nhô (hình 2.6c). Nếu bán kính mũi dao có dạng tròn r1 thì nhấp nhô cũng có đáy lõm tròn (hình 2.6d). Nếu tăng bán kính mũi dao lên r2 thì chiều cao nhấp nhô Rz sẽ giảm (hình 2.6e). Khi bán kính đỉnh r nhỏ và l−ợng chạy dao S lớn, ngoài phần cong của l−ỡi cắt, phần thẳng cũng tham gia vào việc ảnh h−ởng đến hình dạng và chiều cao nhấp nhô (hình 2.6f) b) Các yếu tố phụ thuộc biến dạng dẻo của lớp bề mặt Khi gia công vật liệu dẻo, bề mặt ngoài sẽ biến dạng rất nhiều làm cho cấu trúc của nó thay đổi. Khi đó, hình dạng hình học và độ nhấp nhô đều thay đổi. Khi gia công vật liệu giòn, có một số phần nhỏ lại phá vỡ, làm tăng độ nhấp nhô bề mặt. 1 Tốc độ cắt V là yếu tố cơ bản nhất, ảnh h−ởng tới sự phát triển của biến dạng dẻo khi tiện: - Khi cắt thép Cacbon ở vận tốc thấp, nhiệt cắt không cao, phoi kim loại tách dễ, biến dạng của lớp bề mặt không nhiều, vì vậy độ nhám bề mặt thấp. Khi tăng vận tốc cắt đến khoảng V = 20 ữ 40 m/ph thì nhiệt cắt, lực cắt đều tăng và có giá trị lớn, gây ra biến dạng dẻo mạnh, ở mặt tr−ớc và mặt sau dao kim loại bị chảy dẻo. Khi lớp kim loại bị nén chặt ở mặt tr−ớc dao và nhiệt độ cao làm tăng hệ số ma sát ở vùng cắt sẽ hình thành lẹo dao. Lẹo dao làm tăng độ nhám bề mặt gia công. Nếu tiếp tục tăng vận tốc cắt, lẹo dao bị nung nóng nhanh hơn, vùng kim loại biến dạng bị phá hủy, lực dính của lẹo dao không thắng nổi lực ma sát của dòng phoi và lẹo dao bị cuốn đi (lẹo dao biến mất khi vận tốc cắt khoảng V = 30 ữ 60 m/ph). Với vận tốc cắt V > 60 m/ph thì lẹo dao không hình thành đ−ợc nên độ nhám bề mặt gia công giảm, độ nhẵn tăng. Rz a b V(m/ph) 0 20 100 200 Hình 2.7- ảnh h−ởng của vận tốc cắt đến độ nhấp nhô tế vi Rz - Khi gia công kim loại giòn (gang), các mảnh kim loại bị tr−ợt và vỡ ra không có thứ tự làm tăng độ nhấp nhô tế vi bề mặt. Tăng vận tốc cắt sẽ giảm đ−ợc hiện t−ợng Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 17
11. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình vỡ vụn của kim loại, làm tăng độ nhẵn bóng của bề mặt gia công. 2 L−ợng chạy dao S là thành phần thứ hai của chế độ cắt ảnh h−ởng nhiều Rz C đến chiều cao nhấp nhô Rz. Điều đó không những do liên quan về hình học của dao mà B còn do biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi A của lớp bề mặt. Khi gia công thép Carbon, với giá trị V(m/ph) l−ợng chạy dao S = 0,02 ữ 0,15 mm/vg thì bề 0 0,02 0,15 mặt gia công có độ nhấp nhô tế vi thấp nhất. Hình 2.8- ảnh h−ởng của l−ợng chạy Nếu giảm S 0,15 mm/vg thì biến dạng đàn hồi sẽ ảnh h−ởng đến sự hình thành các nhấp nhô tế vi, kết hợp với ảnh h−ởng của các yếu tố hình học làm cho độ nhám bề mặt tăng lên nhiều. Nh− vậy, để đảm bảo đạt độ nhẵn bóng bề mặt và năng suất cao nên chọn giá trị l−ợng chạy dao S = 0,05 ữ 0,12 mm/vg đối với thép Carbon. 3 Chiều sâu cắt t cũng có ảnh h−ởng t−ơng tự nh− l−ợng chạy dao S đến độ nhám bề mặt gia công, nh−ng trong thực tế, ng−ời ta th−ờng bỏ qua ảnh h−ởng này. Vì vậy, trong quá trình gia công ng−ời ta chọn tr−ớc chiều sâu cắt t. Nói chung, không nên chọn giá trị chiều sâu cắt quá nhỏ vì khi đó l−ỡi cắt sẽ bị tr−ợt và cắt không liên tục. Giá trị chiều sâu cắt t ≥ 0,02 ữ 0,03 (mm). 4 Tính chất vật liệu cũng có ảnh h−ởng đến độ nhám bề mặt chủ yếu là do khả năng biến dạng dẻo. Vật liệu dẻo và dai (thép ít Cacbon) dễ biến dạng dẻo sẽ cho độ nhám bề mặt lớn hơn vật liệu cứng và giòn. Khi gia công thép Carbon, để đạt độ nhám bề mặt thấp, ng−ời ta th−ờng tiến hành th−ờng hóa ở nhiệt độ 850 ữ 8700C (hoặc tôi thấp) tr−ớc khi gia công. Để cải thiện điều kiện cắt và nâng cao tuổi thọ dụng cụ cắt ng−ời ta th−ờng tiến hành ủ ở 9000C trong 5 giờ để cấu trúc kim loại có hạt nhỏ và đồng đều. c) ảnh h−ởng do rung động của hệ thống công nghệ đến chất l−ợng bề mặt Quá trình rung động trong hệ thống công nghệ tạo ra chuyển động t−ơng đối có chu kỳ giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công, làm thay đổi điều kiện ma sát, gây nên độ sóng và nhấp nhô tế vi trên bề mặt gia công. Sai lệch của các bộ phận máy làm cho chuyển động của máy không ổn định, hệ thống công nghệ sẽ có dao động c−ỡng bức, nghĩa là các bộ phận máy khi làm việc sẽ có rung động với những tần số khác nhau, gây ra sóng dọc và sóng ngang trên bề mặt gia công với b−ớc sóng khác nhau. Khi hệ thống công nghệ có rung động, độ sóng và độ nhấp nhô tế vi dọc sẽ tăng nếu lực cắt tăng, chiều sâu cắt lớn và tốc độ cắt cao. Tình trạng máy có ảnh h−ởng quyết định đến độ nhám của bề mặt gia công. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 18
12. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình Muốn đạt độ nhám bề mặt gia công thấp, tr−ớc hết phải đảm bảo đủ cứng vững, phải điều chỉnh máy tốt và giảm ảnh h−ởng của các máy khác xung quanh. 2.3.2- ảnh h−ởng đến độ biến cứng bề mặt Khi tăng lực cắt, nhiệt cắt và mức độ biến dạng dẻo thì mức độ biến cứng bề mặt tăng. Nếu kéo dài tác dụng của lực cắt, nhiệt cắt trên bề mặt kim loại sẽ làm tăng chiều sâu lớp biến cứng bề mặt. Nếu góc tr−ớc γ tăng từ giá trị âm đến giá trị d−ơng thì mức độ và chiều sâu biến cứng bề mặt chi tiết giảm. Vận tốc cắt tăng làm giảm thời gian tác động của lực gây ra biến dạng kim loại, do đó làm giảm chiều sâu biến cứng và mức độ biến cứng bề mặt. Qua thực nghiệm, ng−ời ta có kết luận: - V 20 m/ph: chiều sâu lớp biến cứng giảm theo giá trị của l−ợng chạy dao Ngoài ra, biến cứng bề mặt cũng tăng nếu dụng cụ cắt bị mòn, bị cùn. 2.3.3- ảnh h−ởng đến ứng suất d− bề mặt Quá trình hình thành ứng suất d− bề mặt khi gia công phụ thuộc vào sự biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, biến đổi nhiệt và hiện t−ợng chuyển pha trong cấu trúc kim loại. Quá trình này rất phức tạp. * Đối với dụng cụ hạt mài: Các chi tiết gia công bằng hạt mài tự do (mài nghiền) th−ờng có ứng suất d− kéo, còn nếu mài bằng đai mài hoặc đá mài thì có ứng suất d− nén. * Đối với dụng cụ có l−ỡi cắt: Ta xét quá trình bào: y Lực cắt R đ−ợc phân γ thành lực pháp tuyến N và lực tiếp tuyến P. v δ Lực cắt R làm cho lớp bề r mặt gia công bị biến dạng n θ dẻo và biến dạng đàn hồi. z α Lực pháp tuyến N gây ra p ρ ứng suất nén. Lực tiếp tuyến P gây ra ứng suất cắt (tr−ợt và kéo). Hình 2.9- Quan hệ giữa lực và góc khi bào Nh− vậy, điều kiện để tạo ra ứng suất nén (ứng suất nén có lợi cho độ bền mỏi của chi tiết máy) trên bề mặt gia công sẽ là: P à.N > P ⇒ à > = cot gθ = cot g(ρ + δ − 900 ) = cot g()ρ − γ N với: à là hệ số poatxông. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 19
13. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình ρ là góc ma sát giữa dao và bề mặt gia công. δ là góc cắt của dao. ở đây, nếu à = (1 ữ 0.5) thì: (1 ữ 0.5) > cotg(ρ - γ) nghĩa là: (450 ữ 720) 0), mà chỉ đạt đ−ợc ứng suất d− nén nếu góc tr−ớc γ có giá trị âm (γ < 0). Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 20