Xemtailieu Tải về Chất lượng bề mặt chi tiết máy
Giáo trình: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY / A Lưu Đức BÌNH CHƯƠNG 2 _v A / . CHAT LƯỢNG BỂ MẶT CHI TIẾT MÁY Chát lượng sẩn phẩm trong ngành chế tạo máy bao gồm chất lượng chế tạo các chi tiết máy và chất lượng lắp ráp chúng thành sẩn phẩm hoàn chỉnh. Để đánh giá chất lượng chế tạo các chi tiết máy, ngưòi ta dùng 4 thông số cơ bản sau: Độ chính xác về kích thưóc của các bề mặt. Độ chính xác về hình dạng của các bề mặt. Độ chính xác về vị trí tương quan giữa các bề mặt. Chất lượng bề mặt. Chương này chúng ta nghiên cứu các yếu tố đặc trưng của chất lượng bề mặt, ảnh hưởng của chất lượng bề mặt tói khả năng làm việc của chi tiết máy, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt và các phương pháp đảm bảo chất lượng bề mặt trong quá trình chế tạo chi tiết máy. 2.1- CÁC YẾU TỐ ĐẶC TRƯNG CHO CHAT LƯỢNG BỂ MẶT Khả năng làm việc của chi tiết máy phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của lóp bề mặt. Chất lượng bề mặt là chỉ tiêu tập hợp nhiều tính chất quan trọng của lóp bề mặt: Hình dạng lóp bề mặt (độ sóng, độ nhám...) Trạng thái và tính chất cơ lý của lóp bề mặt (độ cứng, chiều sâu biến cứng, ứng suất dư...) Phản ứng của lóp bề mặt đối vói môi trưòng làm việc (tính chống mòn, khả năng chống xâm thực hóa học, độ bền mỏi...) 2.1.1- TÍNH CHẤT HÌNH HỌC CỦA BỂ MẶT GIA CÔNG Tính chất hình học của bề mặt gia công được 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, lưỡi cắt của dụng cụ cắt và sự hình thành phoi kim loại tạo ra những vết xưóc cực nhỏ trên bề mặt gia công. Như vậy, bề mặt có độ nhám. Độ nhám của bề mặt gia công được đo bằng chiều cao nhấp nhô R z và sai lệch profin trung bình cộng Ra của lóp bề mặt. 1 Chiều cao nhấp nhô Rz : là trị số trung bình của tong 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 được xác định như sau: Khoa Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa 1 Giáo trình: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY R_ ( h 1 + h Lưu Đức BÌNH .. + 3 h h 9)+( 2 + h 4 .. + h 10) 5 z Chiều dài chuẩn l là chiều dài của phần bề mặt được chọn để đo độ nhám bề mặt, không tính đến những dạng mấp mô khác có bưóc lón hơn l (sóng bề mặt chẳng hạn). yn 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 đường trung bình, đo theo phương pháp tuyến với đường trung bình. 1 1 R 1 0 a _ 1 In Ịn\y ldx n ẳw x * i_i Độ nhám bề mặt có ảnh hưởng lón đến chất lượng làm việc của chi tiết máy. Ví dụ: Đối vói những chi tiết trong mối ghép động (ổ trượt, sống dẫn, con trượt...), bề mặt làm việc trượt tương đối vói nhau nên khi nhám càng lón càng khó đảm bảo hình thành màng dầu bôi trơn bề mặt trượt. Dưói tác dụng của tải trọng, các đỉnh nhám tiếp xúc vói nhau gây ra hiện tượng ma sát nửa ưót, 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 lón, ứng suất lón vượt quá ứng suất cho phép phát sinh biến dạng dẽo phá hỏng bề mặt tiếp xúc, làm bề mặt bị mòn nhanh, nhất là thòi kỳ mòn ban đầu. Thòi kỳ mòn ban đầu càng ngắn thì thòi gian phục vụ của chi tiết càng giảm. Đối vói các mối ghép có độ dôi lón, khi ép hai chi tiết vào nhau để tạo mối ghép thì các nhấp nhô bị san phẳng, nhám càng lón thì lượng san phẳng càng lón, 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 nưóc thì độ nhẵn bề mặt được chia làm 14 cấp ứng vói giá trị của R , R (cấp 14 là cấp nhẵn nhất, cấp 1 là cấp nhám nhất). Trong thực tế sản xuất, ngưòi ta đánh giá độ nhám bề mặt chi tiết máy theo các mức độ: thô (cấp 1 ^ 4), bán tinh (cấp 5 + 7), tinh (cấp 8 + 11), siêu tinh (cấp 12 + 14). Trong thực tế, thưòng đánh giá nhám bề mặt bằng một trong hai chỉ tiêu trên. Việc chọn chỉ tiêu nào là tùy thuộc vào chất lượng yêu cầu và đặc tính kết cấu của bề mặt. Chỉ tiêu Ra được 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. Vói những bề mặt quá a z Khoa Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa 2 Giáo trình: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Lưu 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 được sử dụng đối vói những bề mặt không thể kiểm tra trực tiếp thông số Ra, như những bề mặt kích thưóc nhỏ hoặc có profin phức tạp. b) Độ sóng bề mặt Đô sóng bê' mặt là chu kỳ không bằng phẳng của bê' mặt chi tiết máy được quan sát trong phạm vi lớn hơn đô nhám bê mặt. Ngưòi ta dựa vào tỷ lệ gần đúng giữa chiều cao nhấp nhô và bưóc sóng để phân biệt độ nhám bề mặt và độ sóng của bề mặt chi tiết máy. Độ nhám bề mặt ứng vói tỷ lệ: l/h = 0 -T- 50 Hình 2.2- Tổng quát về độ nhám và độ Độ sóng bề mặt ứng vói tỷ lệ: L/H sóng bề mặt chi tiết máy = 50 -T- 1000 ng 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 CHAT Cơ LÝ CỦA BỂ MẶT GIA CÔNG _____* _ ______________________y_ _ _____9_ _ w ______ __ /\ a) Hiện tượng biến cứng của lớp bề mặt Trong quá trình gia công, tác dụng của lực cắt làm xô lệch mạng tinh thể lóp kim loại bề mặt và gây biến dạng dẻo ở vùng trưóc và vùng sau lưỡi cắt. Phoi kim loại được tạo ra do biến dạng dẻo của các hạt kim loại trong vùng trượt. Giữa các hạt tinh thể kim loại xuất hiện ứng suất. Thể tích riêng tăng và mật độ kim loại giảm ở vùng cắt. Giói hạn bền, độ cứng, độ giòn của lóp bề mặt được nâng cao; ngược lại tính dẻo dai của lóp bề mặt lại giảm. Tính dẫn từ cũng như nhiều tính chất khác của lóp bề mặt cũng thay đổi. Kết quả tổng hợp là lóp 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 lóp biến cứng. Mức độ biến cứng và chiều sâu lóp biến cứng bề mặt phụ thuộc vào tác dụng của lực cắt, mức độ biến dạng dẻo của kim loại và ảnh hưởng nhiệt trong vùng cắt. Lực cắt (cưòng độ, thòi 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 lóp biến cứng bề mặt. Nhiệt sinh ra ở vùng cắt (nhiệt độ, thòi gian tác dụng) sẽ hạn chế hiện tượng biến cứng bề mặt. Khoa Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa 3 Giáo trình: CÔNG NGHỆ CHE TẠO MÁY Lưu Đức BÌNH ứng suất dư trong lớp bề mặtNguyên nhân gây ra ứng suất dư trong lóp bề mặt chi tiết máy: sâu xa nhất vẫn là do biến dạng dẻo. Khi cắt một lóp mỏng vật liệu, trưòng lực xuất hiện gây ra biến dạng dẻo không đều ở từng khu vực trong lóp bề mặt. Khi trưòng lực mất đi, biến dạng dẻo không đổng đều này sẽ gây ra ứng suất dư trong lóp bề mặt. Biến dạng dẻo sinh ra khi cắt làm chắc lóp vật liệu bề mặt, làm tăng thể tích riêng của lóp kim loại mỏng ở ngoài cùng. Lóp kim loại ở bên trong do không bị biến dạng dẻo nên vẫn giữ thể tích riêng bình thưòng. Lóp kim loại ngoài cùng có xu hưóng tăng thể tích, gây ra ứng suất dư nén; vì có liên hệ vói nhau nên lóp kim loại bên trong phải sinh ra ứng suất dư kéo để cân bằng. Nhiệt sinh ra ở vùng cắt có tác dụng nung nóng cục bộ các lóp mỏng bề mặt làm giảm môđun đàn hổi của vật liệu, có khi làm giảm tói trị số nhỏ nhất. Sau khi cắt, lóp vật liệu bề mặt ở vùng cắt bị nguội nhanh co lại, sinh ra ứng suất dư kéo; để cân bằng thì lóp kim loại bên trong phải sinh ra ứng suất dư 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. Lóp kim loại nào hình thành cấu trúc có thể tích riêng lón sẽ sinh ra ứng suất dư nén; lóp kim loại có cấu trúc vói thể tích riêng bé phải sinh ra ứng suất dư kéo để cân bằng. b) Phương pháp xác định chất lượng bề mặt Trong thực tế có nhiều phương pháp xác định chất lượng bề mặt chi tiết máy. Sau đây là một số phương pháp chính: © Đo độ nhám bề mặt: - Dùng mũi dò: để đo các bề mặt có độ nhám lón. - 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 vói mẫu có sẵn. 2 Đo ứng suất dư: - Dùng tia Rơnghen: chiếu tia rổi khảo sát phân tích biểu đổ Rơnghen. - Dùng cấu trúc điện tử: 2 Đo biến cứng: - Độ cứng: dùng máy đo độ cứng. - Chiều sâu biến cứng: cắt mẫu, đem mài bóng rổi cho xâm thực hóa học để nghiên cứu cấu trúc lóp bề mặt. 2.2- ẢNH HƯỞNG CỦA CHAT LƯỢNG BỂ MẶT TỚI KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA CHI TIẾT MÁY Khả năng làm việc của chi tiết máy được quyết định bởi: tính chống mòn, đô bên mỏi, tính chống ăn mòn hóa học, đô chính xác các mối lắp ghép. Khoa Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa 4 Giáo trình: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Lưu ĐỨc BÌNH Chất lượng bề mặt ảnh hưởng đáng kể đến khả năng làm việc của chi tiết máy. Có thể kể ra các yếu tố bị ảnh hưởng bởi chất lượng bề mặt như: 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 hưởng thường gặp: 2.2.1- ẢNH HƯỞNG ĐẾN TÍNH CHốNG MÒN a) xảy ra Ảnh hưởng 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 lón, thường vượt quá giói hạn chảy, có khi vượt quá cả giói hạn bền của vật liệu. Áp suất đó làm cho các điểm tiếp xúc bị nén đàn hổi và làm biến dạng dẻo các nhấp nhô, đó là biến dạng tiếp xúc. Khi hai bề mặt có chuyển động tương đối vói nhau hiện tượng trượt dẻo ở các đỉnh nhấp nhô; các đỉnh Hình 2.3- Mô hình 2 bề mặt tiếp nhấp nhô bị mòn nhanh làm khe hở lắp ghép tăng xúc lên. Đó là hiện tượng mòn ban đầu. Trong điều kiện làm việc nhẹ và vừa, mòn ban đầu có thể làm cho chiều cao nhấp nhô giảm 65 + 75%; lúc đó diện tích tiếp xúc thực tăng lên và áp suất tiếp xúc giảm đi. Sau giai đoạn mòn ban đầu (chạy rà) này, quá trình mài mòn trở nên bình thường và chậm, đó là giai đoạn mòn bình thường (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 lượng mòn và thời gian sử dụng của một cặp chi tiết ma sát vói nhau tùy theo độ nhám bề mặt ban đầu được biểu thị như sau: Hình 2.4- Quá trình mài mòn của một cặp chi tiết. Các đường đặc trưng a, b, c ứng vói ba độ nhám ban đầu khác nhau của các bề mặt tiếp xúc. Đường đặc trưng c, cặp chi tiết có độ nhẵn bóng bề mặt ban đầu kém nhất nên giai đoạn mòn ban đầu xảy ra nhanh nhất, cường độ mòn lón nhất ở giai Khoa Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa 5 Giáo trình: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Lưu ĐỨc BÌNH đoạn mòn ban đầu. Thực nghiệm chứng tỏ rằng, nếu giảm hoặc tăng độ nhám tói trị số tối ưu, ứng vói điều kiện làm việc của chi tiết máy thì sẽ đạt được lượng mòn ban đầu ít nhất, qua đó, kéo dài tuổi thọ của chi tiết Độ mòn ban đầu u máy. (Đường 1 ứng vói điều kiện làm việc nhẹ. Đường 2 ứng vói điều kiện làm việc nặng). Lượng mòn ban đầu ít nhất ứng vói giá trị của Ra tại các điểm Ra1, Ra2; đó là giá trị tối ưu của Ra. Nếu giá trị của Ra nhỏ hơn trị số tối ưu Ra1, Ra2 thì sẽ bị mòn kịch liệt vì các phấn tử kim loại dễ khuếch tán. Ngược lại, giá trị của Hình 2.5- Quan hệ giữa lượng mòn ban đầu u và Ra lón hơn trị số tối ưu R a1, Ra2 thì sai lệch profin trung bình cộng Ra lượng mòn tăng lên vì các nhấp nhô bị phá vỡ và cắt đứt. b) Ảnh hưởng của lớp biến cứng bề mặt Lóp 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 tượng chảy và hiện tượng mài mòn. Ngoài phương pháp gia công cắt gọt, người ta dùng các phương pháp gia công biến dạng dẻo để biến cứng bề mặt: phun bi, lăn bi, nong ép ... c) Ảnh hưởng của ứng suất dư trong lớp bề mặt ứng suất dư ở lóp bề mặt chi tiết máy nói chung không có ảnh hưởng đáng kể tói tính chống mòn nếu chi tiết máy làm việc trong điều kiện ma sát bình thường. 2.2.2- ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ BEN MỎI CỦA CHI TIẾT MÁY a) Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt Độ nhám bề mặt có ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy, nhất là khi 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 lón, 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, giói hạn mỏi của vật liệu sẽ cao, và ngược lại. b) Ảnh hưởng của lớp biến cứng bề mặt Khoa Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa 6 Giáo trình: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Lưu ĐỨc BÌNH c) Bề mặt bị biến cứng có thể làm tăng độ bền mỏi khoảng 20%. Chiều sâu và mức độ biến cứng của lóp bề mặt đều có ảnh hưởng 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. d) Ảnh hưởng của ứng suất dư trong lớp bề mặt úng suất dư nén trên lóp bề mặt có tác dụng nâng cao độ bền mỏi, còn ứng suất dư kéo lại hạ thấp độ bền mỏi của chi tiết máy. Vì thế, khi chế tạo người ta cố gắng làm cho chi tiết có được ứng suất nén trên bề mặt. Bằng thực nghiệm ta có công thức: ơ tt _ ơbd — a.ơ trong đó: ơtt_1: giói hạn mỏi khi có ứng suất dư (thực tế). ơbd_1: giói hạn mỏi khi không có ứng suất dư (ban đầu). ơ°: ứng suất dư lón nhất, dương nếu ứng suất kéo, âm nếu ứng suất nén. a: là hệ số phụ thuộc vật liệu, được cho trong các sổ tay. 2.2.3- ẢNH HƯỞNG TỚI TÍNH CHốNG ĂN MÒN HÓA HỌC CỦA LỚP BE MẶT CHI TIẾT MÁY a) Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt Các chỗ lõm trên bề mặt do độ nhám tạo ra là nơi chứa các tạp chất như axit, muối... Các tạp chất này có tác dụng ăn mòn hóa học đối vói kim loại. Quá trình ăn mòn hóa học trên lóp bề mặt chi tiết theo sườn của nhấp nhô và hình thành các nhấp nhô mói Như 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 lón khả năng chống ăn mòn hóa học của lóp bề mặt càng cao. Có thể chống ăn mòn hóa học bằng cách phủ lên bề mặt chi tiết máy một lóp bảo vệ bằng phương pháp mạ hoặc bằng phương pháp cơ khí làm chắc lóp bề mặt. b) Ảnh hưởng 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 lượng 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 hưởng của ứng suất dư trong lớp bề mặt ứng suất dư hầu như không ảnh hưởng đến tính chống mòn khi làm việc ở nhiệt độ bình thường. Còn ở nhiệt độ cao thì sẽ có ảnh hưởng. Khoa Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa 7 Giáo trình: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Lưu ĐỨc BÌNH 2.2.4- ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CÁC Mối LẮP GHÉP Trong giai đoạn mòn ban đầu, chiều cao nhấp nhô tế vi R z, đối vói mối ghép lỏng có thể giảm đi 65 ^ 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 được xác định theo độ chính xác của mối lắp tùy theo trị số của dung sai kích thưóc lắp ghép. - Nếu đường kính lắp ghép ộ > 50mm thì Rz = (0.1 ^ 0.15)T - Nếu đường kính lắp ghép 18 < ộ < 50mm thì Rz = (0.15 ^ 0.2)T - Nếu đường kính lắp ghép ộ < 18mm thì Rz = (0.2 ^ 0.25)T Vói các mối ghép có đô dôi lón khi ép hai chi tiết vào nhau để tạo mối ghép thì nhám bị san phẳng, nhám càng lón thì lượng san phẳng càng lón, độ dôi của mối ghép càng giảm, độ bền mối ghép giảm. Rz tăng thì độ bền của mối ghép chặt giảm. Ví dụ: Độ bền mối lắp chặt giữa vành bánh xe lửa và trục ứng vói chiều cao nhấp nhô tế vi Rz là 36.5 qm sẽ thấp hơn khoảng 40% so vói độ bền cũng của mối lắp đó ứng vói Rz là 18 qm, vì độ dôi ở mối lắp ghép sau nhỏ hơn ở mối lắp ghép trưóc cỡ 15%. Tóm lại, đô chính xác các mối lắp ghép trong kết cấu cơ khí phụ thuộc vào chất lượng các bề mặt lắp ghép. Độ bên các mối lắp ghép, trong đó độ ổn định của chế'độ lắp ghép giữa các chi tiết, phụ thuộc vào độ nhám của các bề mặt lắp ghép. 2.3- CÁC YẾU Tố ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHAT LƯỢNG BE MẶT CHI TIẾT Trạng thái và tính chất của lóp bề mặt chi tiết máy trong quá trình gia công do nhiều yếu tố công nghệ quyết định như tính chất vật liệu, thông số công nghệ, vật liệu dao, sự rung động trong quá trình gia công, dung dịch trơn nguội ... Người ta chia các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt thành 3 nhóm: Các yếu tố ảnh hưởng mang tính in dập hình học của dụng cụ cắt và của thông số công nghệ lên bề mặt gia công. - Các yếu tố ảnh hưởng phụ thuộc vào biến dạng dẻo của lóp bề mặt. - Các yếu tố ảnh hưởng do rung động máy, dụng cụ, chi tiết gia công. 2.3.1- ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ NHÁM BE MẶT a) Các yếu tố mang tính in dập hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt Để nghiên cứu, ta xét phương pháp tiên. Qua thực ngiệm, người ta đã xác định mối quan hệ giữa các thông số: độ nhấp nhô tế vi R z, lượng tiến dao S, bán kính mũi dao r, chiều dày phoi nhỏ nhất có thể cắt được h min. Tùy theo giá trị thực tế của lượng chạy dao S mà ta có thể xác định mối quan hệ trên như sau: S2 - Khi S > 0.15 mm/vg thì Rz = 8.r Khoa Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa 8 Giáo trình: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Lưu ĐỨc BÌNH S2 h • ( r h™; ^ - Khi S < 0.1 mm/vg thì Rz = — + 1 + min 8.r 2^ S2 ) Ở đây, hmin phụ thuộc bán kính r của mũi dao: + Nếu mài lưỡi cắt bằng đá kim cương mịn, lúc đó r = 10 p,m thì h min = 4 p,m. + Mài dao hợp kim cứng bằng đá thường nếu r = 40 p,m thì h min > 20 p,m. - Khi S quá nhỏ (< 0,03 mm/vg) thì trị số của R z lại tăng, tức là khi gia công tinh với S quá nhỏ sẽ không cố ý nghĩa đối với việc cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết vì xẩy ra hiện tượng trượt mà không tạo thành phoi. Chiều sâu cắt t cũng có ảnh hưởng tương tự như lượng chạy dao đối vói chiều cao nhấp nhô tế vi, nếu bỏ qua độ đảo của trục chính máy. Các thông số hình học của lưỡi cắt, đặc biệt là góc trưóc Y và độ mòn có ảnh hưởng đến Rz. Khi gốc ỵtăng thì Rz giảm, độ mòn dụng cụ tăng thì Rz tăng. Ngoài ảnh hưởng đến nhám bề mặt, hình dáng hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt cũng ảnh hưởng đến lóp biến cứng bề mặt và được tính đến qua hệ số hiệu chỉnh. z z a) b) Rz c) Rz e) Khoa Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa 9 Giáo trình: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Lưu ĐỨc BÌNH Ví dụ: Xét sự ảnh hưởng của hình dạng hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt đến chất lượng bề mặt chi tiết khi tiện. Hình 2.6- Ảnh hưởng của hình dáng hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi tiện z f) Khoa Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa 10 Giáo trình: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Lưu ĐỨc BÌNH Sau một vòng quay của phôi, dao tiện sẽ dịch chuyển một đoạn là S 1 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 được hớt đi bởi dao. Chiều cao nhấp nhô Rz xác định bởi S1 và hình dạng hình học của dao cắt. Nếu giảm lượng chạy dao thì chiều cao nhấp nhô cũng giảm (hình 2.6b). Thay đổi giá trị góc ọ và ọ 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 lượng chạy dao S lón, ngoài phần cong của lưỡi cắt, phần thẳng cũng tham gia vào việc ảnh hưởng 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. ® Tốc độ cắt V là yếu tố cơ bản nhất, ảnh hưởng tói 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 lóp bề mặt không nhiều, vì vây độ nhám bề mặt thấp. Khi tăng vân tốc cắt đến khoảng V = 20 -ỉ-40 m/ph thì nhiệt cắt, lực cắt đều tăng và có giá trị lón, gây ra biến dạng dẻo mạnh, ở mặt trưóc và mặt sau dao kim loại bị chảy dẻo. Khi lóp kim loại bị nén chặt ở mặt trưóc 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 vân 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 vân tốc cắt khoảng V = 30 ỉ 60 m/ph). Vói vân tốc cắt V > 60 m/ph thì lẹo dao không hình thành được nên độ nhám bề mặt gia công giảm, độ nhẵn tăng. Rz Khoa Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa 11 vỡ vụn của kim loại, làm tăng độ nhẵn bóng của bề mặt gia công. © Lượng chạy dao S là thành phần thứ hai của chế độ cắt ảnh hưởng nhiều Giáo trình: CÔNG NGHỆ y CHE Lưu BÌNH C TẠO MÁY đến chiều cao nhấp nhô Rz. Điều đóĐỨc không Bnhững do liên quan về hình học của dao mà còn do biến dạng dẻo và Khi gia công kim biến dạng đàn hổi A loại ■— của lóp bề mặt. Khi gia công thép Carbon, vói giá trị V (m/ph) lượng chạy dao S = 0,02 ỉ 0,15 mm/vg thì bề 11 mặt gia công có độ nhấp nhô tế vi thấp nhất. Nếu giảm S < 0,02 mm/vg thì độ nhấp nhô tế giảm vì ảnh hưởng của biến dạng dẻo lón hơn ảnh 1 giòn (gang), các mảnh kim loại bị trượt và vỡ ra không có thứ tự làm tăng độ nhấp nhô tế vi bề mặt. Tăng vân tốc cắt sẽ giảm được hiện tượngRz ‘ 0 0,02 0,15 Hình 2.8- Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến độ nhấp nhô tế vi Rz. ởng của các yếu tố hình học. Nếu lượng chạy dao S > 0,15 mm/vg thì biến dạng đàn hổi sẽ ảnh hưởng đến sự hình thành các nhấp nhô tế vi, kết hợp vói ảnh hưởng của các yếu tố hình học làm cho độ nhám bề mặt tăng lên nhiều. Như vây, để đảm bảo đạt độ nhẵn bóng bề mặt và năng suất cao nên chọn giá trị lượng chạy dao S = 0,05 -ỉ 0,12 mm/vg đối với thép Carbon. 3 Chiều sâu cắt t cũng có ảnh hưởng tương tự như lượng chạy dao S đến độ nhám bề mặt gia công, nhưng trong thực tế, ngưòi ta thường bỏ qua ảnh hưởng này. Vì vây, trong quá trình gia công người ta chọn trưóc chiều sâu cắt t. Nói chung, không nên chọn giá trị chiều sâu cắt quá nhỏ vì khi đó lưỡi cắt sẽ bị trượt và cắt không liên tục. Giá trị chiều sâu cắt t > 0,02 ỉ 0,03 (mm). 4 Tính chất vật liêu cũng có ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt chủ yếu là do khả năng biến dạng dẻo. Vât liệu dẻo và dai (thép ít Cacbon) dễ biến dạng dẻo sẽ cho độ nhám bề mặt lón hơn vât liệu cứng và giòn. Khi gia công thép Carbon, để đạt độ nhám bề mặt thấp, người ta thường tiến hành thường hóa ở nhiệt độ 850 ỉ 870 0C (hoặc tôi thấp) trưóc khi gia công. Để cải thiện điều kiện cắt và nâng cao tuổi thọ dụng cụ cắt người ta thường tiến hành ủ ở 900 0C trong 5 giờ để cấu trúc kim loại có hạt nhỏ và đổng đều. c) Ảnh hưởng do rung động của hê thống công nghê đến chất lượng bề mặt Quá trình rung động trong hệ thống công nghệ tạo ra chuyển động tương 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 phân máy làm cho chuyển động của máy không ổn định, hệ thống công nghệ sẽ có dao động cưỡng bức, nghĩa là các bộ phân máy khi làm việc sẽ có rung động vói những tần số khác nhau, gây ra sóng dọc và sóng ngang trên bề mặt gia công vói bưóc 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 lón và tốc độ cắt cao. Giáo trình: CÔNG NGHỆ CHE TẠO MÁY Lưu ĐỨc BÌNH Tình trạng máy có ảnh hưởng quyết định đến độ nhám của bề mặt gia công. Giáo trình: CÔNG NGHỆ CHE TẠO MÁY a Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Lưu ĐỨc BÌNH 18Muốn đạt độ nhám bề mặt gia công thấp, trưóc hết phải đảm bảo đủ cứng vững, phải điều chỉnh máy tốt và giảm ảnh hưởng của các máy khác xung quanh. 2.3.2- ẢNH HƯỞNG ĐEN ĐỘ BIẾN CÚNG BỂ 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 lóp biến cứng bề mặt. Nếu góc trước Y tăng từ giá trị âm đến giá trị dương thì mức độ và chiều sâu biến cứng bề mặt chi tiết giảm. Vân 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, người ta có kết luân: - V < 20 m/ph: chiều sâu lóp biến cứng tăng theo giá trị của vân tốc cắt - V > 20 m/ph: chiều sâu lóp biến cứng giảm theo giá trị của lượng chạy dao Ngoài ra, biến cứng bề mặt cũng tăng nếu dụng cụ cắt bị mòn, bị cùn. 2.3.3- ẢNH HƯỞNG ĐẾN ÚNG SUẤT DƯ BỂ MẶT Quá trình hình thành ứng suất dư bề mặt khi gia công phụ thuộc vào sự biến dạng đàn hổi, biến dạng dẻo, biến đổi nhiệt và hiện tượng 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) thường có ứng suất dư kéo, còn nếu mài bằng đai mài hoặc đá mài thì có ứng suất dư nén. * Đối với dụng cụ có lưỡi cắt: Ta xét quá trình bào: Lực cắt R được phân thành lực pháp tuyến N và lực tiếp tuyến P. Lực cắt R làm cho lóp bề mặt gia công bị biến dạng dẻo và biến dạng đàn hổi. Lực pháp tuyến N gây ra ứng suất nén. Lực tiếp tuyến P gây ra ứng suất cắt (trượt và kéo). Hình 2.9- Quan hệ giữa lực và góc khi bào Như vây, 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-.N > P ^^> — = cot g 0 = cot g(p + ỗ - 900 ) = cot g(p - Y) Khoa Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa 1 Giáo trình: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY : p, là hệ số poatxông. Khoa Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa 2 Lưu ĐỨc BÌNH Giáo trình: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Lưu ĐỨc BÌNH p là góc ma sát giữa dao và bề mặt gia công. ỗ là góc cắt của dao. Ở đây, nếu ^ = (1 ^ 0.5) thì: (1 ^ 0.5) > cotg(p - Y) nghĩa là: (450 ^ 720) < (p - Y) Mà thường thì p = 500 ^ 700, như vây rất khó đạt được ứng suất dư nén trong điều kiện góc trưóc Y có giá trị dương (Y > 0), mà chỉ đạt được ứng suất dư nén nếu góc trước ỵcó giá trị âm (Y < 0). Khoa Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa 3 Tải về bản full