LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Mạnh Hùng - Mã số: CB120264;
Học viên cao học lớp: 12B CTM;
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí;
Viện Cơ khí - Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Sau hai năm học tập nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc
biệt là sự giúp đỡ của PGS.TS Trần Thế Lục, thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp của
tôi, tôi đã đi đến cuối chặng đường để kết thúc khóa học.
Tôi đã quyết định chon đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt
(V,S,t) đến nhấp nhô bề mặt khi tiện vật liệu C45 trên máy tiện CNC bằng dao
thép gió sản xuất tại Việt nam”
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng
dẫn của PGS.TS Trần Thế Lục, các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc xuất xứ rõ
ràng, không sao chép dưới mọi hình thức. Nếu có vấn đề gì trong nội dung luận văn
tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày ... tháng ... năm 2015
Người cam đoan

Nguyễn Mạnh Hùng

i


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .......................................................................... vii
PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CẮT .............................................3
1.1. Tổng quan về các công trình nghiên cứu xác lập quan hệ giữa độ nhám bề
mặt với thông số công nghệ. ...................................................................................3

3.1. Thiết bị thực nghiệm ......................................................................................38
3.1.1. Máy tiện CNC CK6240ZX .....................................................................38

ii


3.1.2. Máy đo độ nhám Mitutoyo, ký hiệu 178-954-3E ...................................39
3.1.3. Vật liệu làm dao ......................................................................................41
3.1.4.Vật liệu gia công. .....................................................................................41
3.2. Thiết kế thí nghiệm ........................................................................................42
3.3. Mô hình toán học xác định mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt với chế độ cắt.
...............................................................................................................................43
3.4 Tiến hành thực nghiệm. .................................................................................45
3.4.1. Kiểm tra tính đồng nhất của thí nghiệm cần xác định tỷ số giữa phương
sai lớn nhất và tổng phương sai. .......................................................................45
3.4.2 Tính các hệ số của phương pháp hồi quy. ...............................................46
3.4.3 . Xây dựng đồ thị : ...................................................................................49
3.5. Kết luận chương 3 ..........................................................................................51
Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................52
4.1. Kết luận ..........................................................................................................52
4.2. Kiến nghị. .......................................................................................................53
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................54
PHỤ LỤC .................................................................................................................55
MỘT SỐ HÌNH ẢNH MÔ TẢ QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM ........................55

iii


CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Thống số hình học của dụng cụ cắt

góc trượt

r

bán kính mũi dao (mm)

Chế độ cắt
v:

vận tốc cắt (m/ph)

s:

lượng chạy dao (mm/vg)

t:

chiều sâu cắt (mm)

ap :

chiều dày phoi (mm)

b:

chiều rộng phoi (mm)

hmin: chiều dày phoi min (mm)
hi :



K:

hệ số co rút phoi

Ra, Rz: độ nhám bề mặt (m)

iv


T:

tuổi thọ của dao (ph)

hs:

độ mòn tới hạn (m)

c:

nhiệt dung riêng

A:

biên độ dao động (m)

Hv:

độ biến cứng bề mặt


Bảng 3.10. Giá trị hàm số của vật liệu C45 ............................................................ 48

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Hình 1.1. Sơ đồ tôi và ram thép gió

................................................................. 6

Hình 1.2. Sơ đồ hóa miền tạo phoi.

................................................................ 10

Hình 1.3. Các dạng phoi ........................................................................................... 10
Hình 1.4. Các vùng sinh nhiệt……………………………………………………………..12
Hình 1.5. Ảnh hưởng của tốc độ cắt v đến θ 0C ........................................................... 13

Hình 1.6 . Ảnh hưởng của chiều dày cắt a đến nhiệt cắt

............................... 14

Hình 1.7. Ảnh hưởng của chiều rộng cắt b đến nhiệt cắt

.............................. 14

Hình 1.8. Ảnh hưởng của góc cắt δ đến nhiệt cắt

.......................................... 15


Hình 2.4. Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến chiều cao nhấp nhô tế vi Rz .................... 30
Hình 2.5. Ảnh hưởng của lượng chạy dao s đối với chiều cao nhấp nhô tế vi Rz. .. 31
Hình 2.6. Quá trình mài mòn của một cặp chi tiết ma sát(tiếp xúc) với nhau. ........ 33
Hình 2.7. Quan hệ giữa lượng mòn ban đầu (U) và sai lệch profin trung bình Ra. . 34
Hình 2.8. Quá trình ăn mòn hóa học trên lớp bề mặt chi tiết máy.

..................... 35

Hình 3.1. Mô hình máy tiện CNC........................................................................................38
Hình 3.2 . Máy đo độ nhám Mitutoyo, ký hiệu 178-954-3E ...............................................40

vii


Hình 3.3. Dao tiện vai xén phải, phần cắt được làm bằng thép gió ......................... 41
Hình 3.4 . Bản vẽ chi tiết gia công, thép C45. ......................................................... 42
Hình 3.5 . Đồ thị quan hệ giữa Ra – V – t khi gia công thép C45 bằng dao thép gió.
.................................................................................................................................. 49
Hình 3.6 . Đồ thị quan hệ giữa Ra – S – V khi gia công thép C45 bằng dao thép gió.
.................................................................................................................................. 50
Hình 3.7 . Đồ thị quan hệ giữa Ra – S – t khi gia công thép C45 bằng dao thép gió.
.................................................................................................................................. 50

viii


PHẦN MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài
Chất lượng bề mặt trong gia công là một trong những yêu cầu kỹ thuật quan
trọng của ngành gia công cơ khí và gắn với sự phát triển của khoa học công nghệ.



IV. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu là tìm hiểu sự ảnh hưởng của chế độ cắt đối với độ
nhám bề mặt (Chiều cao nhấp nhô bề mặt). Việc nghiên cứu thực nghiệm được tiến
hành với các điều kiện sau:
- Máy thực nghiệm: Máy tiện CNC CK6240ZX
- Vật liệu gia công là Thép C45.
- Vật liệu làm dao là thép gió sản xuất tại Việt Nam.
- Đối tượng gia công là mặt trụ ngoài.
- Thiết bị đo độ nhấp nhô tế vi bề mặt của hãng Mitutoyo, ký hiệu 178–9544E.
V. Phương pháp nghiên cứu
Dùng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.
- Nghiên cứu lý thuyết để tìm hiểu mối quan hệ giữa các yếu tố chế độ cắt
với độ nhám bề mặt gia công.
- Nghiên cứu thực nghiệm ở các chế độ cắt (v, s, t) độc lập khác nhau, lần
lượt thay đổi từng thông số chế độ cắt.
- Ghi chép kết quả, phân tích, tổng hợp, đưa ra mối liên hệ giữa chế độ cắt và
độ nhấp nhô bề mặt.
VI. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
1. Ý nghĩa khoa học.
Bằng cách nghiên cứu cơ sở lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, luận án cần
đưa được hàm toán học mô tả mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt với chế độ cắt làm
cơ sở cho việc tối ưu hóa quá trình cắt cũng như cho các nghiên cứu khác của chế
độ cắt.
2. Ý nghĩa thực tiễn.
Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể làm cơ sở cho việc lựa chọn chế độ cắt
hợp lý khi gia công thép C45 bằng dao thép gió sản xuất tại Việt Nam để giảm chi
phí gia công và tăng năng suất, chất lượng của sản phẩm.


-

Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào tính chất hình học dụng cụ cắt và chế độ cắt

-

Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào biến dạng dẻo của lớp bề mặt

-

Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào độ cứng vững hệ thống công nghệ
Từ những đánh giá như trên, dự định đề tài nghiên cứu này sẽ chú trọng giải

quyết các vấn đề sau đây:

3


-

Tổng quan về quá trình cắt, chất lượng lớp bề mặt và ảnh hưởng của các yếu

tố đến chất lượng bề mặt chi tiết máy sau gia công
-

Độ nhám bề mặt và ảnh hưởng của nó tới khả năng làm việc của chi tiết máy

-

Thực nghiệm và kiểm tra kết quả thực nghiệm


4


Thép gió là loại vật liệu dụng cụ được dùng rộng rãi. Thép gió có thể cắt với
tốc độ gấp 2 ÷ 4 lần các loại thép cacbon dụng cụ và hợp kim dụng cụ. Thép gió
làm việc được ở nhiệt độ 550 ÷ 6500C , vận tốc cắt đạt từ 20 m/phút ÷ 50 m/phút
.Thành phần vonfram là nguyên tố hợp kim quan trọng nhất trong thép gió. Cùng
với crom, vanadi chúng tạo thành với cacbon những cacbit hợp kim phức tạp. Các
cacbit này có đặc điểm là nâng cao tính chịu nhiệt của thép gió.
Tác dụng chủ yếu của Cr là tăng độ thấm tôi, vanadi tạo thành cacbit vanadi
có độ cứng cao, tính chịu mòn cao. Coban không tạo thành cacbit mà hòa tan vào
sắt. Khi thép gió có hàm lượng coban > 5% thì nhiệt độ làm việc của thép gió được
nâng cao.
Nhãn hiệu

C

Cr

W

V

Co

1.Thép gió có năng suất thường
P18

0,7 ÷ 0,8

4,3 ÷ 5,1

—

P14 4

1,2 ÷ 1,3

4,0 ÷ 4,6

13,0 ÷ 14,5

3,4 ÷ 4,1

—

P18 2

0,85 ÷ 0,95

3,8 ÷ 4,4

17,5 ÷ 19,0

1,8 ÷ 2,4

—

P9K5


4,3 ÷ 5,1

5,0 ÷ 6,0

P18K5 2

0,85 ÷ 0,95

3,8 ÷ 4,4

17,5 ÷ 19,0

1,8 ÷ 2,4

5,0 ÷ 6,0

Tất cả các nhãn hiệu thép nói trên đều có hàm lượng tạp chất hạn chế:
Mn < 0,4%, Si < 0,4%, Mo < 0,5%, Ni < 0,4%, P < 0,03%, S < 0,03%

Bảng 1.1. Thành phần hóa học của một số loại thép gió (%)

[1]

Ngoài ra, chất lượng thép gió phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt luyện. Vì vậy khi
nhiệt luyện thép gió cần chú ý một số điểm sau :
- Không nung nóng thép gió đột ngột đến nhiệt độ cao (nhiệt độ tôi bằng
13000C) mà phải tăng nhiệt dần dần từ 6500C , vì thép gió có độ dẫn nhiệt kém.

5



% ¤d-

50

15

5

2

HRC

62

64

64,5

65

Hình 1.1. Sơ đồ tôi và ram thép gió

Thêi gian

[1]

- Phạm vi sử dụng thép gió được trình bày trong bảng 1.2.
Ký hiệu các loại thép gió thông dụng
ISO


gia
cacbon,

công
thép

thép
hợp

kim
—

1.3302

T7

P12

Dùng như loại trên
Dùng để chế tạo các

—

—

P9

loại dụng cụ đơn
giản, gia công các


PGM53

hình, mũi doa, dao
chuốt, dao phay), gia
công các loại thép
kết cấu hợp kim và
không hợp kim
Dùng chế tạo các

1.3318

P12 3

S12-1-4

dụng cụ gia công
tinh, gia công các
loại thép ostenit dẻo.
Dùng chế tạo các
dụng cụ gia công thô

M4

P18K52

và bán tinh khi cắt
các loại thép và hợp
kim nóng, không rỉ
và sức bền cao.

(WC), cacbit titan (TiC), cacbit tantan (TaC) và thành phần coban (Co) làm nhiệm
vụ liên kết.
Độ cứng của HKC phụ thuộc vào lượng cacbit TiC, TaC và coban. Coban
càng nhiều thì độ cứng càng giảm, độ bền và tính dẻo càng lớn. TiC, TaC càng
nhiều thì độ cứng càng cao.
Hợp kim cứng được chế tạo thành các dạng theo tiêu chuẩn (các mảnh HKC).
Các mảnh đó được hàn hoặc kẹp lên thân dụng cụ tiêu chuẩn. Ngày nay các mảnh
HKC được phủ lên một lớp mỏng vài micromet ( µm) bằng các loại cacbit cứng như
TiC, TiC/TiN (cacbit titan, nitrit titan ). Các lớp phủ làm tăng độ cứng, tính chịu
mài mòn và tính chịu nhiệt của HKC ( độ cứng > 90 HRA, chịu được nhiệt độ
khoảng 10000C , ứng với tốc độ cắt Vc > 300 m/ph ).
1. 2.5. Vật liệu sứ.
Vật liệu sứ đã được nghiên cứu từ những năm 1930 và phát triển sau những
năm 1950. Quá trình chế tạo giống như HKC. Đất sét kỹ thuật ( oxit nhôm AL2O3 )
được nung nóng đến nhiệt độ khoảng 1400 ÷ 16000C. Sau đó nghiền nhỏ thành bột
mịn. Bột mịn AL2O3 được ép thành các mảnh dao tiêu chuẩn và được thiêu kết.
Đặc tính chủ yếu của các loại vật liệu sứ là:
- Độ cứng và tính dòn cao do đó tính chịu mòn cao, tính chịu nhiệt cao được
dùng cắt ở tốc độ cao.

8


- Tính dẫn nhiệt kém nên không dùng dung dịch trơn nguội. Nếu tới dung
dịch trơn nguội dễ gây nứt các mảnh sứ.
- Tính dẻo kém do đó sức bền uốn thấp vì vậy vật liệu sứ không chịu được
rung động, va đập cũng như lực cắt lớn.
- Mài sắc mảnh sứ rất khó và chỉ có thể mài bằng đá mài kim cương.
1.2.6. Vật liệu tổng hợp.
Các loại vật liệu tổng hợp dùng làm vật liệu dụng cụ là kim cương và nitrit

9


b1



B



b

b1
P
c

d

A

P

D
C

b1
b1

b2

phoi - có chiều dày aP - được hình thành từ lớp kim loại bị cắt có chiều dày a, di
chuyển dọc theo mặt trước của dao. Có thể nói, quá trình cắt là quá trình nén dẻo
kim loại rồi đứt ra tạo thành phoi.
1.3.2. Các dạng phoi.
Tùy theo vật liệu gia công, thông số hình học của dao và chế độ cắt, phoi cắt
ra có thể có nhiều hình dạng khác nhau.

a). Phoi xếp;

b). Phoi dây.
Hình 1.3. Các dạng phoi

10

c). Phoi vụn
[7]


1.3.2.1. Phoi xếp.
Phoi thu được khi gia công vật liệu dẻo ( thép, đồng thau, …) ở tốc độ cắt
thấp, chiều dày cắt lớn và góc cắt của dao có giá trị tương đối lớn. Phoi kéo dài
thành từng đoạn ngắn mặt đối diện với mặt trước của dao rất bóng, mặt kia có nhiều
gợn nẻ. Nhìn chung phoi có dạng từng đốt xếp lại ( hình 1.3.a ).
Phoi xếp chịu biến dạng rất lớn, do đó vật liệu gia công bị mất tính dẻo và
được hóa bền đến mức là các phần tử của phoi đều bị trượt theo mặt OF. Phoi xếp
thu được khi gia công thép có độ cứng cao hơn độ cứng của vật liệu gia công từ 2
đến 3 lần. Điều đó chứng tỏ vật liệu bị hóa bền ở mức độ cao.
1.3.2.2. Phoi dây
Phoi thu được khi gia công vật liệu dẻo với tốc độ cắt cao, chiều dày nhỏ.
Phoi kéo dài liên tục, mặt kề với mặt trước của dao rất bóng, còn mặt đối diện hơi


Trong đó :
Q – lượng nhiệt sinh ra (kcalo)
A – công cắt (Kg.m/ph)
P – lực cắt (kG)
v – tốc độ cắt (m/ph)
E – đương lượng nhiệt , E = 427
Trong thực tế không phải toàn bộ công tiêu hao trong quá trình cắt biến
thành nhiệt, nhưng trong tính toán thông thường có thể bỏ qua.
Trong quá trình cắt có thể giả thiết rằng nhiệt cắt sinh ra tại các vùng sau :
- Vùng I : các lớp kim loại trượt và tạo thành phoi. Vùng các lớp kim loại bị biến
dạng dẻo lớn và trượt đứt theo mặt đó : Qbd
- Vùng II : vùng tiếp xúc giữa phoi và mặt trước của dao - Qmst
- Vùng III : vùng tiếp xúc giữa mặt sau của dụng cụ và chi tiết gia công - Qmss

Hình 1.4. Các vùng sinh nhiệt

[7]

Mỗi nguồn sinh nhiệt có một phạm vi xác định nhất định. Phần lớn nhiệt
lượng sinh ra do biến dạng truyền vào phoi, một phần nhỏ truyền sang chi tiết gia
công. Nhiệt lượng sinh ra ở vùng ma sát giữa mặt trước của dụng cụ và phoi phần
lớn truyền vào phoi, một phần nhỏ truyền vào dụng cụ (3 ÷ 5%). Nhiệt lượng sunh
ra do ma sát với mặt sau của dao được truyền vào chi tiết và dao.
Lượng nhiệt sinh ra ở 3 vùng sinh nhiệt được truyền vào phoi Qf , truyền vào chi
tiết Q ct , truyền vào dao Qd và một phần nhỏ truyền vào không khí Qkk . Từ đó ta có
thể viết phương trình cân bằng nhiệt khi cắt :
Qbd + Qmst + Qmss = Qf + Q ct + Qd + Qkk

12



- Ảnh hưởng của lượng chay dao S :
Tăng lượng chạy dao S thì nhiệt cắt tăng nhưng không tăng tỷ lệ thuận (Hình 1.6)

Hình 1.6 . Ảnh hưởng của chiều dày cắt a đến nhiệt cắt

[7]

- Ảnh hưởng của chiều sâu cắt t : chiều sâu cắt ảnh hưởng đến nhiệt cắt ít hơn lượng
chạy dao (hình 1.7)

Hình 1.7. Ảnh hưởng của chiều rộng cắt b đến nhiệt cắt

[7]

Khi tăng chiều sâu cắt t, chiều dài phần làm việc của lưỡi cắt tăng (b tăng),
truyền nhiệt tốt hơn nên nhiệt cắt thay đổi ít.
Góc trước của dao ảnh hưởng đến nhiệt cắt. Tăng góc cắt  giảm góc trước 
thì nhiệt cắt tăng.

14


Hình 1.8. Ảnh hưởng của góc cắt δ đến nhiệt cắt

[7]

Tăng góc  giảm b, giảm chiều dài lưỡi cắt tham gia cắt nên nhiệt cắt tăng


n, y, x - các số mũ chỉ ảnh hưởng của tốc độ cắt v, lượng chạy dao S, chiều
sâu cắt t
v, S, t – Tốc độ cắt (m/ph) , Lượng chạy dao (mm/vg), chiều sâu cắt (mm)
K - hệ số ảnh hưởng của các điều khiện ngoài khác như vật liệu gia công,
vật liệu làm dao, thông số hình học của dao...
Trong công thức thực nghiệm trên x < y < n , có nghĩa là ảnh hưởng lớn
nhất đến nhiệt cắt là tốc độ cắt , ảnh hưởng của chiều sâu cắt t đến nhiệt cắt là nhỏ
nhất.
Như vậy theo kết quả thực nghiệm khi muốn tăng năng suất tức là tăng v, S, t
thì đứng trên quan điểm nhiệt cắt thì ta nên tăng t vì t ít ảnh hưởng đến nhiệt cắt.
[1]
1.3.4. Sự co rút phoi và các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số co rút phoi.
Về mặt hình thức, sự biến dạng dẻo của lớp kim loại bị cắt được biểu hiện:
chiều dài của lớp phoi cắt ra Lf ngắn hơn quãng đường mà dao phải đi L dọc theo
bề, mặt gia công, còn chiều dày của phoi af lớn hơn chiều dày cắt a. Chiều rộng của
phoi bf khi góc λ nhỏ ( λ < 300 ) thay đổi không đáng kể so với chiều rông cắt b.
Sự biến đổi kích thước của lớp kim loại bị cắt, do kết quả của biến dạng dẻo,
được đánh giá bằng hệ số co rút phoi và được ký hiệu là K.
Nếu cho rằng thể tích khối kim loại trước và sau khi biến dạng không đổi và
bf = b thì ta có:
K=

a
L
= f
Lf
a

Trị số của hệ số co rút phoi phụ thuộc vào tất cả các yếu tố có ảnh hưởng đến
sự biến dạng của phoi ( tính chất cơ lý của vật liệu gia công, hình dạng hình học của


đối ( % )

Thép 30KCA

1,9

322

770

2375

0,384

Thép 35

2,84

265

512

1500

0,531

Thép 20X

3,64

1.3.4.2. Ảnh hưởng của góc cắt δ.
Xét ( hình 1.10) trong tam giác OCF ta có: CF = OF.Sinθ = a
Trong tam giác OBF ta có: BF = OF.Cos(θ - ) = af
Do đó:
K=

af
a

=

Cos(   )
Sin

Mặt khác  = 900 - δ

17