Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng bề mặt khi gia công thép cacbon thường trên máy tiện cnc

Lịch sử nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy nhằm xác định mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt (đầu ra) và thông số công nghệ (đầu vào) Dựa vào mối quan hệ này, các nhà công nghệ có thể điều chỉnh chế độ cắt cho máy và dao trong quá trình gia công, từ đó đảm bảo đạt được yêu cầu về chất lượng bề mặt.

Việt Nam đang gia tăng việc sử dụng máy CNC trong sản xuất, dẫn đến nhu cầu nghiên cứu ứng dụng để tối ưu hóa hiệu quả của máy này Nhiều đề tài nghiên cứu khoa học, luận án tiến sĩ và luận văn thạc sĩ đã được thực hiện, chẳng hạn như nghiên cứu của Phan Công Trình về 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, 2006) và nghiên cứu của Trần Xuân Việt, Phạm Văn.

Bổng (2005) đã thực hiện khảo sát thực nghiệm nhằm phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ V, t, S đến lực cắt trên máy tiện CNC, được công bố trong Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 105 Đồng thời, Hà Quang Sáng trong luận văn thạc sỹ của mình tại ĐHBK-HN đã xác lập mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và các thông số công nghệ khi gia công vật liệu có tính dẻo cao trên máy tiện CNC.

Nghiên cứu về chất lượng bề mặt chi tiết máy trong gia công vật liệu nhôm và hợp kim nhôm trên máy phay CNC được thực hiện bởi Nguyễn Quốc Tuấn (2006) trong luận văn thạc sỹ tại ĐHBK-HN Đồng thời, Nguyễn Thị Linh (2007) cũng đã nghiên cứu chất lượng bề mặt gia công khi mài thép SUJ 2 bằng đá mài CBN trên máy mài phẳng trong luận văn thạc sỹ tại ĐHKTCN - Thái Nguyên Những nghiên cứu này đóng góp quan trọng vào việc cải thiện quy trình gia công và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt là rất quan trọng, vì nó trực tiếp tác động đến chất lượng bề mặt của chi tiết máy.

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu là đánh giá chất lượng bề mặt chi tiết gia công thép cacbon thông thường trên máy tiện CNC CTX200E Nghiên cứu này nhằm xác lập mối quan hệ giữa các thông số độ nhám bề mặt và chế độ cắt, giúp người điều khiển máy gia công lựa chọn chế độ cắt phù hợp theo yêu cầu độ nhám.

- Dùng làm tài liệu tham khảo cho sản xuất, giảng dạy và học tập.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là:

- Chất lượng bề mặt khi gia công thép cacbon thông thường trên máy tiện CNC

- Ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt gia công khi gia công vật liệu thép cacbon thông thường trên máy tiện CNC

Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy bao gồm nhiều yếu tố như thông số chế độ cắt và hình học của dao Nghiên cứu này nhằm tìm ra mối quan hệ giữa chất lượng bề mặt chi tiết máy (Ra) và các thông số chế độ cắt như vận tốc cắt (V), thời gian cắt (t) và chiều sâu cắt (S) khi tiện vật liệu thép cacbon thông thường trên máy tiện.

- Máy thực nghiệm: là máy tiện CNC CTX 200E của Đức

- Vật liệu gia công là thép cacbon C45

- Vật liệu làm dao là mảnh hợp kim TN150 của WIDIA – GERMANY

- Đối tượng gia công là tiện trụ trơn

- Thiết bị đo độ nhấp nhô tế vi bề mặt của hãng Mitutoyo – Nhật Bản

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết

- Tiến hành thí nghiệm và xử lý số liệu thí nghiệm

- Phân tích và đánh giá kết quả

CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT MÁY

CÁC YẾU TỐ ĐẶC TRƯNG CỦA CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT

Khả năng hoạt động của chi tiết máy chịu ảnh hưởng lớn từ chất lượng bề mặt Các yếu tố quyết định chất lượng bề mặt của chi tiết máy bao gồm độ nhám, độ cứng, và tính đồng nhất của vật liệu.

-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 của chi tiết máy phụ thuộc vào phương pháp và điều kiện gia công cụ thể, và đây là mục tiêu chính trong bước gia công tinh Lớp bề mặt khác biệt với lớp lõi về cấu trúc kim loại, tính chất cắt gọt và trạng thái biến cứng Sự khác nhau này chủ yếu do biến dạng dẻo ở lớp bề mặt gây ra, trong khi mức độ và chiều sâu của lớp biên cứng lại phụ thuộc vào lực cắt và nhiệt cắt.

1.1.1 Chất lượng hình học của bề mặt gia công

Bề mặt sau gia công thường không hoàn toàn phẳng mà xuất hiện những nhấp nhô Những nhấp nhô này là hệ quả của quá trình biến dạng dẻo xảy ra trên bề mặt chi tiết.

Hình 1.2: Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt h3 h2 h1

Các yếu tố hình học của lớp bề mặt bao gồm sai lệch hình dạng (h1), sóng bề mặt (h2) và độ nhám bề mặt do gia công cắt gọt Độ nhám này được hình thành bởi vết lưỡi cắt để lại trên bề mặt gia công, cũng như ảnh hưởng từ chấn động trong quá trình cắt và nhiều nguyên nhân khác.

Không phải tất cả các nhấp nhô trên bề mặt đều được coi là nhám, mà thực chất chúng là tập hợp những nhấp nhô có kích thước tương đối nhỏ, được khảo sát trong một giới hạn dài chuẩn.

- Những nhấp nhô có tỷ số giữa bước nhấp nhô (p) và chiều dài nhấp nhô (h) bé hơn hoặc bằng 50 (p/h tT ⇒ các hệ số b1, b2, b3, có nghĩa

Vì vậy phương trình hồi quy có dạng

0.5493 2 ln ln 2 min max min 1 max

0.3466 2 ln ln 2 min max min 2 max

0.2027 2 ln ln 2 min max min 3 max

Hay Y = 0.3933X1 + 1.30027X2 - 0.5186X3 + 6.1076 lnRa = 6.1076 + 0.3933*lnt + 1.30027*lnS – 0.5186*lnV

R a = e 6.1076 t 0.3933 S 1.30027 V -0.5186 Để xác định xem phương trình hồi quy trên có nghĩa hay không cần tính các giá trị của hàm

Bảng 4.6 Giá trị hàm số của vật liệu thép C45

Stt Ytb Ytt ( Y tb − Y tt ) 2

Chọn mức ý nghĩa α=0,05, xác suất tin cậy P=0,95, tra bảng Fisher (phụ lục 21)

FT = 8,89 Như vậy Fb = 7.418789999 < FT = 8,89 ; Vậy cho nên phương trình hồi quy trên hoàn toàn có nghĩa.

Theo phương trình hồi quy thực nghiệm R a = e 6.1076 t 0.3933 S 1.30027 V -0.5186, ta nhận thấy rằng yếu tố S có số mũ dương lớn nhất, cho thấy S có ảnh hưởng mạnh mẽ nhất đến Ra theo chiều thuận; tức là khi S tăng, Ra cũng sẽ tăng theo.

V ảnh hưởng đến Ra theo chiều nghịch, tức là khi V tăng thì Ra giảm, trong khi t có số mũ dương nhưng rất nhỏ, cho thấy t ảnh hưởng đến Ra là không đáng kể Để đạt được chất lượng bề mặt mong muốn, các nhà công nghệ cần chú trọng đến bước tiến dao S Dựa vào phương trình đã nêu, các nhà công nghệ có thể điều chỉnh các thông số công nghệ phù hợp nhằm gia công chi tiết với chất lượng bề mặt theo yêu cầu.

4.4.3 Xây dựng đồ thị biểu diễn mối quan hệ của S, V, t đến Ra

Sử dụng phần mềm Microsoft Excel 2003 để thực hiện các phép tính và phần mềm Tablecurve 3D V4.0 để vẽ biểu đồ mối quan hệ giữa S, V, t và Ra, từ đó đưa ra những nhận xét chi tiết về mối quan hệ toán học của các biến này.

4.4.3 1 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Ra với V và t khi S=0.06 (mm/vg)

Hình 4.4 Đồ thị quan hệ Ra – V – t khi gia công thép C45

4.4.3.2 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Ra với V và S khi t =1.5 (mm)

Hình 4.5 Đồ thị quan hệ Ra –V - S khi gia công thép C45 4.4.3.3 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Ra với S và t khi V0 (m/ph).

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4

* Quan sát đồ thị trên hình 4.5 (khi bước tiến S = 0.06 mm/vg)

Vận tốc cắt điều chỉnh trong khoảng 100 ÷ 150 (m/ph)

Chiều sâu cắt điều chỉnh từ 0.5 ÷ 1.5 (mm)

- Khi tăng tốc độ cắt (V) và giảm chiều sâu cắt (t) thì giá trị Ra giảm xuống, cụ thể khi Vmax = 150 (m/ph) và tmin= 0.5(mm) thỡ Ra = 0.7667 àm

- Khi giảm tốc độ cắt (V) và tăng chiều sâu cắt (t) thì giá trị Ra lại tăng lên, vmin 100(m/ph) và tmax= 1.5 (mm) thỡ Ra = 1.72 àm

Trong trường hợp này vận tốc cắt tỷ lệ nghịch với giá trị Ra, còn chiều sâu cắt tỷ lệ thuận với giá trị Ra

*Dựa vào kết quả nghiên cứu có thể đưa ra một số kết luận sau :

- Độ nhám bề mặt bị ảnh hưởng lớn nhất bởi chế độ cắt

- Đã xây dựng được mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt với chế độ cắt là quan hệ hàm lũy thừa như sau :

Mô hình này giúp đánh giá ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt gia công trong các điều kiện công nghệ cụ thể, từ đó làm cơ sở cho việc lựa chọn chế độ cắt hợp lý.

Độ nhám bề mặt trong chế độ cắt chịu ảnh hưởng lớn nhất từ bước tiến dao S, và tỷ lệ nghịch với tốc độ cắt; tức là, khi tốc độ cắt tăng, độ nhám bề mặt giảm Tuy nhiên, tốc độ cắt tối đa bị giới hạn bởi vật liệu gia công, vật liệu dao, cũng như chế độ bôi trơn và làm nguội, do đó không thể tăng tốc độ cắt một cách tùy ý Ngoài ra, chiều sâu cắt chỉ ảnh hưởng rất nhỏ đến độ nhám bề mặt.

Dựa trên kết quả từ phương trình hồi quy thực nghiệm, chúng ta có khả năng điều chỉnh các thông số công nghệ nhằm đạt được độ nhám bề mặt mong muốn Việc lựa chọn chế độ cắt phù hợp và tính toán giá trị tiến dao (S) lớn nhất sẽ giúp tối ưu hóa năng suất Điều này mở ra khả năng tự động chọn chế độ cắt dựa trên yêu cầu về độ nhám bề mặt.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

I Kết luận Độ nhám bề mặt nói riêng và chất lượng bề mặt nói chung do nhiều yếu tố ảnh hưởng trong đó yếu tố chế độ cắt ảnh hưởng rõ nét nhất Để điều chỉnh được các thông số công nghệ khi gia công chi tiết đảm bảo chất lượng bề mặt theo yêu cầu thì ta cần phải xác định quan hệ giữa độ nhám bề mặt với các thông số của chế độ cắt Như vậy để xác định được mối quan hệ trên ta phải tiến hành thực nghiệm bằng cách cho chế độ cắt thay đổi (Trong khoảng đã lựa chọn)sau đó đo độ nhám bề mặt ứng với từng chế độ cắt cụ thể, xử lý số liệu nhận được sẽ thu được hàm hồi quy Được sự đồng ý của cô giáo hướng dẫn, với 3 yếu tố ảnh hưởng (thông số đầu vào) của chế độ cắt là V, t, S, vậy số thực nghiệm cần thiết là

2 3 = 8 Với số thí nghiệm trên thì kết quả nhận được chưa thật sự chính xác tuy nhiên nó cũng đã cho kết quả phù hợp với lý thuyết

Chúng tôi đã chọn thép C45 làm vật liệu thực nghiệm, được sự đồng ý của cán bộ hướng dẫn Thép C45 là loại vật liệu phổ biến, có độ cứng tương đối cao và thường được sử dụng trong chế tạo máy, mang lại kết quả gia công tốt.

Dựa trên sự kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm, nghiên cứu đã xác định mối liên hệ giữa độ nhám bề mặt và các thông số công nghệ Từ mối quan hệ này, chúng ta có thể dễ dàng điều chỉnh các thông số công nghệ để đáp ứng yêu cầu về chất lượng bề mặt.

Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể bổ xung vào ngân hàng dữ liệu và làm tài liệu tham khảo

Các kết quả nghiên cứu trên cần được kiểm chứng trong sản xuất trước khi khẳng định tính sát thực

Trong quá trình thực nghiệm, chúng tôi đã xác định được mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và chế độ cắt, điều này cho thấy rằng chỉ cần sử dụng một loại dao cùng với một chế độ bôi trơn và làm lạnh nhất định.

Độ nhám bề mặt đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất làm việc của chi tiết máy Để phát triển nghiên cứu, cần mở rộng việc thay đổi thông số chế độ cắt với nhiều mức độ khác nhau, áp dụng nhiều loại dao với các thông số và vật liệu đa dạng Bên cạnh đó, việc điều chỉnh các chế độ bôi trơn và làm nguội cũng cần được xem xét Đồng thời, độ nhám bề mặt trước gia công cũng nên được thay đổi để tìm hiểu mối quan hệ giữa độ nhám và nhiều yếu tố khác.

Luận văn được trình bày trong 4 chương với nội dung chính như sau :

Trong phần mở đầu, bài viết đã trình bày rõ ràng lý do lựa chọn đề tài, tóm tắt lịch sử nghiên cứu liên quan, xác định nội dung và đối tượng nghiên cứu, cùng với phạm vi nghiên cứu cụ thể Tác giả cũng đã nêu ra những luận điểm cơ bản, đóng góp của mình cho lĩnh vực nghiên cứu, và mô tả phương pháp nghiên cứu được áp dụng.

Chương 1: Khái quát về chất lượng bề mặt, ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy, các nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt Từ những phân tích đó tìm ra nội dung nghiên cứu phù hợp với khuôn khổ của luận văn thạc sĩ

Chương 2: Tổng quan về công nghệ CNC, Tổng quan về cấu trúc của máy

CNC, máy tiện CNC CTX 200E Hệ điều khiển trên máy CNC, các phần mềm sử dụng và các ứng dụng của CNC trong ngành công nghiệp chế tạo máy

Chương 3: Đề cập đến vật liệu thép cacbon, khái niệm, đặc điểm, thành phần hóa học, phân loại, ký hiệu và các bảng tra cơ tính của các loại vật liệu thép cacbon

Từ đó đưa ra những nội dung và yêu cầu phù hợp với luận văn của mình

Chương 4: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng bề mặt khi gia công thép cac bon thường trên máy tiện CNC, thí nghiệm, các kết quả thực nghiệm, xử lý kết quả để tìm ra quan hệ toán học giữa độ nhám bề mặt (Ra) và các thông số công nghệ (V, t, S) Dựa vào quan hệ đó đưa ra các kết luận về việc điều chỉnh máy sao cho gia công đạt năng suất cao mà vẫn đảm bảo chất lượng bề mặt

Kết luận: Phần này tóm tắt những thành tựu và hạn chế của luận văn so với yêu cầu, đồng thời nhấn mạnh phạm vi nghiên cứu đã thực hiện Ngoài ra, kết luận cũng đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm đáp ứng nhu cầu thực tiễn trong sản xuất.

This thesis embodies five chapters including contents as follows :

Preamble: Highlights reasons for choosing topics, history research, identify where the research object and scope of research, the basic arguments and contributions of the author and research methods

Chapter 1: Overview of surface quality, the influence of surface quality to the work capacity of machine parts, the factors affecting surface quality From this analysis it out of the research consistent with the framework of the master's thesis

Chapter 2: Overview of CNC technology, overview of the structure of the

CNC machines, CNC CTX200E system controller on CNC machine, software and applications used in industry for CNC machine

Chapter 3: Refers to carbon steel materials, concepts, characteristics, chemical composition, classification, signs and tables investigate the mechanical properties of carbon steel materials Then finding out the contents and requirements in line with his thesis