BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐỖ TÙNG LINH

XÁC LẬP QUAN HỆ GIỮA ĐỘ NHÁM BỀ MẶT VỚI CÁC THÔNG SỐ
CÔNG NGHỆ KHI GIA CÔNG VẬT LIỆU CÓ TÍNH DẺO CAO TRÊN
MÁY PHAY CNC

Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS.TS. NGUYỄN ĐẮC LỘC

HÀ NỘI - 2010


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, các kết quả nghiên cứu
trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố ở bất kỳ công
trình nào khác.
Tác giả

Đỗ Tùng Linh


MỤC LỤC

10

Chương 1 : CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT MÁY

16

1.1. Các yếu tố đặc trưng của chất lượng bề mặt

16

1.1.1. Chất lượng hình học của bề mặt gia công

16

1.1.2. Tính chất cơ lý của bề mặt gia công

20

1.2 Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt tới khả năng làm việc của chi tiết máy

21

1.2.1. Ảnh hưởng đến tính chống mòn

21

1.2.2. Ảnh hưởng đến tính ăn mòn hóa học của lớp bề mặt chi tiết

25


37

2.2. Đặc điểm của máy công cụ CNC

38

2.3. Kết cấu của máy CNC

39

3


2.3.1. Đặc điểm kết cấu chung

39

2.3.2. Cấu trúc của hệ thống CNC

39

2.3.3. Hệ điều khiển của máy gia công CNC

40

2.3.4. Các hệ thống điều khiển

41

2.4. Sơ lược về máy phay CNC


GIA CÔNG
3.1. Khái quát về vật liệu có tính dẻo

50

3.1.1. Tính dẻo của vật liệu

50

3.1.2. Thép không gỉ

50

3.1.3. La tông (Đồng thau)

52

3.1.4. Nhôm và những đặc tính chủ yếu của nhôm

54

3.2. Nội dung thí nghiệm

56

3.2.1. Phương pháp qui hoạch thực nghiệm

56


87

Phụ lục

89

Tóm tắt luận văn

95

5


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
Ký hiệu

Nội dung

Thứ nguyên

Ra

- Sai lệch số học trung bình của prôfin

µm

Rz

- Chiều cao mấp mô theo 10 điểm của prôfin


l

- Chiều dài chuẩn

µm

n

- Số điểm chia, số thực nghiệm

-

C

- Hệ số

-

x, y, z

- Số mũ

-

S

- Bước tiến dao

mm/vòng



-

-

Các hệ số của hàm mô tả quan hệ giữa đầu vào và đầu ra, i = 1 : n0

6


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1

Cấp nhẵn bóng theo TCVN 2511 – 95

Bảng 3.1

Thành phần hóa học và cơ tính của một số loại thép không gỉ

Bảng 3.2

Thành phần, ký hiệu của một số la tông theo TCVN và CDA

Bảng 3.3

Qui đổi thành phần, ký hiệu một số HK nhôm theo TCVN và
Aluminum Association (AA)

Bảng 3.4


Bảng 3.12

Hệ số phương trình hồi qui của Đồng

Bảng 3.13

Các giá trị phương sai của thí nghiệm mẫu Đồng

Bảng 3.14

Qui đổi các đại lượng đầu vào thí nghiệm Đồng

Bảng 3.15

Giá trị các hàm của Đồng

Bảng 3.16

Kết quả đo độ nhám qua thí nghiệm của mẫu Nhôm

Bảng 3.17

Ma trận đơn vị của thí nghiệm Nhôm

Bảng 3.18

Hệ số phương trình hồi qui của Nhôm

Bảng 3.19


Hình 1.5

Quá trình mài mòn của một cặp chi tiết ma sát (tiếp xúc với nhau).

Hình 1.6

Quan hệ giữa lượng mòn ban đầu và Ra

Hình 1.7

Quá trình ăn mòn hoá học trên lớp bề mặt chi tiết máy

Hình 1.8

Quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô và lượng tiến dao khi tiện

Hình 1.9

Ảnh hưởng của hình dáng hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt đến
nhấp nhô bề mặt khi tiện

Hình 1.10

Ảnh hưởng của lượng chạy dao S đối với chiều sâu biến cứng tC, tùy

Hình 1.11

Ảnh hưởng của vận tốc cắt (V) đến chiều cao nhấp nhô tế vi (Rz)

Hình 1.12

Ổ gá dao (tool holder)

Hình 2.6

Kết cấu bộ phận gá dao lên trục chính

Hình 3.1

Giản đồ pha Cu - Zn

Hình 3.2

Máy phay CNC DMU 60 DECKEL MAHO – ĐỨC

Hình 3.3

Đồ thị quan hệ Ra – S – V (t=0,5mm) của vật liệu Inox 304

Hình 3.4

Đồ thị quan hệ Ra – S – t (V=200mm/vg) của vật liệu Inox 304

Hình 3.5

Đồ thị quan hệ Ra – v – t (s=0,15mm/vg) của vật liệu Inox 304

8


Hình 3.6

nền kinh tế thế giới do đó việc nghiên cứu để hoàn thiện hơn nữa, nâng cao chất
lượng và hạ giá thành sản phẩm là nhiệm vụ hàng đầu của ngành công nghệ chế tạo
máy.
Để đạt được các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật này, việc nghiên cứu xác lập mối quan hệ
giữa các thông số công nghệ (thông số đầu vào) với chất lượng bề mặt chi tiết gia
công (thông số đầu ra) là một chỉ tiêu quan trọng nhằm đạt được khả năng điều
khiển thông số đầu ra theo ý muốn. Từ mối quan hệ giữa chất lượng bề mặt với các
thông số công nghệ thì người làm công nghệ có thể chọn chế độ cắt tối đa của máy
và dao mà vẫn đảm bảo chất lượng, từ đó có thể tăng năng suất (khai thác tối đa
năng suất của máy), giảm giá thành sản phẩm.
Trong thời gian gần đây, việc nghiên cứu các mối quan hệ trên đã không còn
mới. Thực ra với nước ngoài, các trung tâm nghiên cứu của các hãng sản xuất ô tô,
chế tạo máy đã nghiên cứu những vấn đề này từ lâu, tuy nhiên việc nghiên cứu này
đòi hỏi thực hiện rất nhiều các thí nghiệm tốn kém và mất thời gian, vì vậy những
số liệu nghiên cứu định lượng thường không được công bố, còn các thông tin khoa
học được xuất bản thường chỉ mang tính lý thuyết và định hướng hoặc các số liệu
bắt nguồn từ các công trình nghiên cứu đã được thực hiện cách đây hàng chục năm,
trong điều kiện máy móc, khoa học đã không còn phù hợp do đó các số liệu này ít
khi chứa đựng đầy đủ các thông tin cần thiết. Trong khi đó nền công nghệ chế tạo
máy hiện đại ngày một phát triển với sự xuất hiện của các máy gia công CNC có
khả năng kỹ thuật cao, các loại vật liệu mới và công nghệ trơn nguội hiện đại.
Các bước tiếp theo chính là nhiệm vụ của các nhà công nghệ hiện đại, nghĩa là
xuất phát từ bài toán cụ thể để xác định chế độ cắt phù hợp cho quá trình gia công
cắt gọt sao cho vừa đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, vừa đảm bảo được yêu cầu kinh tế.
Đề đạt được điều này họ phải có thông tin liên quan tới quá trình gia công cắt gọt.

10


Các tài liệu tham khảo đều chỉ ra rằng khả năng làm việc của chi tiết máy có



(6/2002) ; Nguyễn Ngọc Ánh, Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ
đến chất lượng bề mặt chi tiết máy khi gia công trên máy phay CNC, Luận văn cao
học, ĐHBKHN (2002) ; Nguyễn Đình Thân, Nghiên cứu độ mòn dao tiện khi gia
công vật liệu cơ tính dẻo cao, Luận văn cao học, ĐHBKHN (2003) ; Vũ Đình
Thơm, Tính toán bù bán kính mũi dao khi lập chương trình NC cho máy tiện CNC,
Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 76 (7/2003) ; Lê Văn Toản, Nghiên cứu ảnh hưởng
của các thông số công nghệ khi mài phẳng tới độ nhám bề mặt trên một số vật liệu
có tính dẻo cao, Luận văn cao học, ĐHBKHN (2005) ; Hà Quang Sáng, Xác lập
mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt với các thông số công nghệ khi gia công vật liệu
có tính dẻo cao trên máy tiện CNC, Luận văn cao học ĐHBKHN (2006); Phan
Công Trình, Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề
mặt chi tiết máy khi gia công trên máy phay CNC, Luận văn cao học (2006); Trần
Xuân Việt, Phạm Văn Bổng, Khảo sát thực nghiệm về ảnh hưởng của các thông số
công nghệ V, T, S đến lực cắt trên máy tiện CNC, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 105
(12/2005)…
Trong nhóm đề tài trên, số đề tài trực tiếp nghiên cứu ảnh hưởng của các thông
số công nghệ đến độ nhám bề mặt đối với các loại máy CNC và vật liệu khác nhau
có một số lượng đáng kể, điều đó chứng tỏ việc nghiên cứu ảnh hưởng của các
thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy là rất quan trọng.
Trong một số các đề tài đã đi sâu vào nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số
công nghệ tới chất lượng bề mặt (độ nhám Ra, Rz) khi gia công trên máy gia công
CNC với các phương pháp gia công khác nhau như tiện, phay, mài... Vật liệu gia
công cũng thay đổi khác nhau, từ vật liệu thông thường thép các bon C45 tới 40X
hoặc các loại vật liệu có tính dẻo cao như đồng thau, thép không gỉ, ... Chế độ gia
công thường được chọn nghiên cứu là chế độ gia công tinh, bởi lý do gia công trên
máy CNC thường chi phí cao hơn trên máy dụng cụ thông thường, việc gia công
trên máy CNC thường là công đoạn gia công tinh sau cùng do đó các nghiên cứu
này nhằm phục vụ việc đúc rút kinh nghiệm, đưa ra các bảng thực nghiệm xác định

Từ các phân tích và đánh giá trên, đề tài này sẽ tập trung vào giải quyết các vấn đề
như sau:
-

Khái quát về lý thuyết cắt gọt, độ nhấp nhô bề mặt và ảnh hưởng của
nó tới chi tiết máy

-

Nghiên cứu về công nghệ CNC

-

Tính dẻo của vật liệu

-

Quy hoạch thực nghiệm để tìm ra mối quan hệ giữa độ nhám và các
thông số chế độ cắt

Trong phạm vi của một đề tài luận văn tốt nghiệp cao học không đủ thực hiện một
công trình nghiên cứu mang tính toàn diện các vật liệu mang tính dẻo cao của ngành
chế tạo máy cũng như mọi yếu tố ảnh hưởng tới độ nhám, đề tài sẽ chỉ tập trung vào

13


một số vật liệu đặc trưng mang tính dẻo cao là đồng thanh, thép không gỉ (inox) và
nhôm dẻo.
Các công cụ dùng để xác định mối quan hệ trên là máy phay CNC DMU 60T

đã dìu dắt, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài, tôi cũng xin cảm ơn
Viện Đào tạo sau đại học, Viện Cơ khí, Bộ môn Công nghệ chế tạo máy – Trường
đại học Bách khoa Hà Nội.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các cán bộ tại Trung tâm công nghệ cao,
Xưởng thực hành cắt gọt, Phòng đo – Khoa Cơ khí, Trường đại học Sư phạm kỹ
thuật Hưng Yên đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.
Hà Nội, tháng 10 năm 2010

Đỗ Tùng Linh

15


Chương 1
KHÁI QUÁT VỀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT MÁY
Chất lượng bề mặt là một chỉ tiêu trong chất lượng chế tạo chi tiết, nó có ảnh
hưởng rất lớn đến khả năng làm việc của chi tiết máy. Chất lượng gồm chất lượng
bản thân chi tiết và chất lượng của các chi tiết lắp ghép với nhau.
1.1.

CÁC YẾU TỐ ĐẶC TRƯNG CỦA CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT

Chất lượng bề mặt là tập hợp nhiều tính chất quan trọng của lớp bề mặt, cụ thể là:
- Hình dáng lớp bề mặt (độ sóng, độ nhám...).
- Trạng thái và tính chất cơ lý lớp bề mặt (độ cứng, chiều sâu lớp biến cứng, ứng
suất dư...).
- Phản ứng của lớp bề mặt đối với môi trường làm việc (tính chống mòn, khả
năng chống xâm thực hoá học, độ bền mỏi...).
Chất lượng bề mặt chi tiết máy phụ thuộc vào phương pháp và điều kiện gia
công cụ thể.

a. Độ nhấp nhô tế vi
Trong quá trình cắt, lưỡi cắt của dụng cụ cắt và sự hình thành phoi kim loại
tạo ra những vết xước cực nhỏ trên bề mặt gia công. Như vậy bề mặt gia công có độ
nhám (độ nhấp nhô tế vi). Độ nhấp nhô tế vi của bề mặt gia công được đo bằng
chiều cao nhấp nhô (Rz) và sai lệch prôphin trung bình cộng (Ra) của lớp bề mặt.
Chiều cao nhấp nhô (Rz) là trị số trung bình của 5 khoảng cách từ 5 đỉnh cao nhất
đến 5 đáy thấp nhất của nhấp nhô bề mặt tế vi trong phạm vi chiều dài chuẩn l

Hình 1.2 Sơ đồ xác định độ nhấp nhô tế vi của bề mặt chi tiết máy

17


Trị số Rz được xác định như sau:
(h1 + h3 + h 5 + h 7 + h 9) − ( h 2 + h 4 + h 6 + h8)
5

Rz =

=

(1.1)

( h1 − h 2) + ( h 3 − h 4) + ( h 5 − h 6) + ( h 7 − h8) + (h 9 − h10)
5

Sai lệch prôphin trung bình cộng (Ra) là trị số trung bình của khoảng cách từ các
đỉnh trên đường nhấp nhô tế vi với đường trục tọa độ 0X:
-


Theo kinh nghiệm, người ta dựa vào cấp chính xác về kích thước để xác định độ
nhám bề mặt tương ứng, cụ thể là giá trị của độ nhám bề mặt khoảng 5 ÷ 20% dung
sai của kích thước cần đạt.

18


Bảng 1.1 Cấp nhẵn bóng theo TCVN 2511 - 95
Chất lượng bề

Cấp nhẵn

Rz lớn nhất,

Ra lớn nhất,

Chiều dài

mặt

bóng

µm

µm

chuẩn l, mm

Thô


6

-

2,5

7

-

1,25

8

-

0,63

9

-

0,32

10

-

0,16


8,0

2,5

0,8

0,25

0,08

b. Độ sóng
Độ sóng bề mặt là chu kỳ không bằng phẳng của bề mặt chi tiết máy được
quan sát trong phạm vi lớn hơn độ nhám bề mặt (từ 1 đến 10 mm). Người ta dựa
vào tỷ lệ gần đúng giữa chiều cao nhấp nhô và bước sóng để phân biệt nhấp nhô tế
vi (độ nhám) bề mặt và độ sóng của bề mặt chi tiết máy (Hình 1.2)
-

Độ nhám bề mặt ứng với tỷ lệ l/h = 0 ÷ 50

-

Độ sóng bề mặt ứng với tỷ lệ l/h = 50 ÷ 1000

19


Hình 1.3 Tổng quan về độ nhám và độ sóng bề mặt chi tiết máy
h. Chiều cao nhấp nhô tế vi
l. Khoảng cách giữa 2 đỉnh nhấp nhô tế vi
H. Chiều cao của sóng

chiều sâu phân bố của ứng suất dư trong lớp bề mặt phụ thuộc vào điều kiện gia
công cụ thể. Các nguyên nhân chính gây ra ứng suất dư trong lớp bề mặt gia công
bao gồm :
- Khi cắt một lớp mỏng vật liệu trường lực gây ra biến dạng dẻo không đều ở
từng khu vực trong lớp bề mặt. Khi trường lực mất đi, biến dạng dẻo gây ra ứng
suất dư trong lớp bề mặt.
- Biến dạng dẻo khi cắt làm chắc lớp kim loại bề mặt, làm tăng thể tích lớp
kim loại mỏng ở ngoài cùng. Lớp kim loại bên trong do không biến dạng dẻo nên
vẫn giữ được thể tích bình thường. Lớp kim loại bên ngoài có xu hướng tăng thể
tích nhưng không tăng được nên gây ra ứng suất nén, để cân bằng lớp bên trong gây
ra ứng suất kéo.
- Nhiệt sinh ra tại vùng cắt nung nóng cục bộ lớp bề mặt, làm giảm môđun đàn
hồi của vật liệu. Sau khi cắt lớp bề mặt nguội nhanh, co lại gây ra ứng suất dư kéo,
để cân bằng lớp trong gây ra ứng suất dư nén.
- Kim loại chuyển pha và nhiệt cắt làm thay đổi cấu trúc lớp kim loại bề mặt,
dẫn đến sự thay đổi về thể tích của kim loại. Lớp kim loại nào hình thành cấu trúc
có thể tích riêng lớn sẽ sinh ra ứng suất dư nén; lớp kim loại nào hình thành cấu trúc
có thể tích riêng nhỏ sẽ sinh ra ứng suất dư kéo.
1.2.

ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT TỚI KHẢ NĂNG LÀM
VIỆC CỦA CHI TIẾT MÁY

1.2.1. Ảnh hưởng đến tính chống mòn
a. Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt.

21


Do bề mặt hai chi tiết tiếp xúc với nhau có nhấp nhô tế vi nên ở giai đoạn đầu

Lượng mòn

α
T

t

Hình 1.4 Các giai đoạn mài mòn của một cặp ma sát.

Lượng mòn

c

α1

α2

b

a

α3

T3

t t t

T2

T1

Ra2

Ra

Hình 1.6 - Quan hệ giữa lượng mòn ban đầu và Ra
1 - Điều kiện làm việc nhẹ.
2 - Điều kiện làm việc nặng.
Hình 1.6 [8] là sơ đồ quan hệ giữa độ mòn ban đầu (U) và trị số của sai lệch prôfin
trung bình (Ra) tùy theo điều kiện làm việc nặng hay nhẹ. Lượng mòn ban đầu ít
nhất ứng với giá trị của Ra tại các điểm Ra1, Ra2. Đó là giá trị tối ưu của Ra. Nếu giá
trị Ra nhỏ hơn giá trị tối ưu thì sẽ bị mòn kịch liệt do các phần tử kim loại dễ bị
khuếch tán, còn nếu Ra lớn hơn giá trị tối ưu thì lượng mòn sẽ tăng lên do các nhấp
nhô bề mặt bị phá vỡ và cắt đứt.
b. Ảnh hưởng của lớp biến cứng bề mặt.
Lớp biến cứng bề mặt có tác dụng nâng cao tính chống mòn vì nó hạn chế biến
dạng dẻo toàn phần của chi tiết qua đó hạn chế hiện tượng chảy và mài mòn kim
loại. Biến cứng bề mặt làm hạn chế tác động tương hỗ giữa các phần tử và các tác
động tương hỗ cơ học ở bề mặt tiếp xúc, nghĩa là hạn chế sự khuếch tán ôxy trong
không khí vào bề mặt chi tiết máy để tạo thành ôxyt kim loại gây ra ăn mòn ở bề
mặt kim loại.
c. Ảnh hưởng của ứng suất dư bề mặt.

24


Ứng suất dư lớp bề mặt của chi tiết máy nói chung không ảnh hưởng đáng kể
đến tính chống mòn nếu chi tiết làm việc ở điều kiện ma sát bình thường. Còn ứng
suất dư bên trong, xét trên toàn bộ diện tích chi tiết máy, có thể ảnh hưởng đến tính
chất và cường độ mòn của chi tiết máy.
1.2.2. Ảnh hưởng đến tính ăn mòn hóa học của lớp bề mặt chi tiết