Công nghệ chế tạo máy/chất lượng bề mặt gia công
Chương 2 : CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG
2.1. Khái niệm về chất lượng bề mặt gia công. 2.1.1. Khái niệm
Hình 2.1
- Chất lượng của lớp kim loại bề mặt ( CLBM) chịu ảnh hưởng bởi vật liệu gia công, ph¬ương pháp gia công cơ và chế độ công nghệ gia công.
- CLBM ảnh hưởng rất lớn đến tính chất sử dụng của chi tiết máy.
- Nội dung nghiên cứu: Khái niệm về CLBM → ảnh hưởng của CLBM đến tính chất sử dụng của CTM → Các yếu tố ảnh hưởng đến đến CLB → Phương pháp đánh giá CLBM →Phương pháp đảm bảo CLBM.
2.1.2. Tính chất hình học lớp bề mặt
1. Nhám bề mặt.
- Tập hợp các mấp mô tê vi bề mặt quan sát trên một khoảng ngắn tiêu chuẩn được gọi là nhám bề mặt.
- Một số chỉ tiêu đánh giá (Hình 2.2):
Hình 2.2
Theo TCVN 2511-1995 nhám bề mặt được đánh giá theo 7 chỉ tiêu (*). Thường sử dụng 2 chỉ tiêu là Ra và Rz, trong đó:
- + Ra – Sai lệch số học trung bình của prôphin. Ra được xác định theo công thức:
(2.1)
- + Rz - Chiều cao mấp mô prôphin theo mười điểm. Rz được xác định theo công thức:
(2.2)
- Theo Theo TCVN 2511-1995 thì độ nhám bề mặt được chia làm 14 cấp từ cấp 1 đến cấp 14 ứng với các giá trị Ra và Rz. Trị số của Ra và Rz tham khảo Bảng 2. Chú ý: Đối với độ nhám thô và rất tinh, việc kiểm tra chỉ áp dụng cho Rz. Đối với độ nhám trung bình, việc kiểm tra chỉ áp dụng cho Ra.
Cấp độ nhám Ra (µm) Rz (µm) Chiều dài chuẩn 1 (mm) Không lớn hơn 1 320 8 2 160 3 80 4 40 2,5 5 20 6 1,6 0,8 7 0,8 8 0,4 9 0,2 0,25 10 0,1 11 0,05 12 0,025 13 0,063 0,08 14 0,032
- Ghi ký hiệu trên bản vẽ chi tiết: Theo TCNV 5707-1993. Yêu cầu về độ nhám bề mặt đ¬ược cho theo giá trị của Ra hoặc Rz .
- - Khi độ nhám bề mặt từ cấp 6 đến cấp 12: Ghi theo Ra.
Ví dụ:
- - Khi độ nhám bề mặt từ cấp 1- cấp 5 và cấp 13,14: Ghi theo Rz .
Ví dụ:
2. Sóng bề mặt
Chu kỳ không bằng phẳng của bề mặt quan sát trong khoảng lớn tiêu chuẩn được gọi là sóng bề mặt.
2.1.3. Tính chất cơ lý lớp bề mặt
Trong quá trình gia công cơ, dưới tác dụng của các quá trình vật lý xảy ra trong vùng cắt, lớp kim loại bề mặt bị biến dạng dẻo (BDD). Sau khi gia công, BDD làm bề mặt sẽ tạo nên lớp biến cứng và ứng suất dư (ƯSD) lớp bề mặt.
Lớp biến cứng bề mặt được đặc trưng bởi mức độ biến cứng và chiều sâu lớp biến cứng. ƯSD lớp bề mặt được đặc trưng bởi trị số, dấu và chiều sâu phân bố ƯSD
2.2 - ảnh hưởng CLBM tới tính chất sử dụng của chi tiết máy.
2.2.1. Ảnh hưởng của nhám bề mặt
- a. Ảnh hưởng đến tính chống mòn
Nhiều công trình nghiên cứu đã chứng minh rằng ma sát và độ mòn của CTM phụ thuộc vào chiều cao và hình dáng của các mấp mô.
Hình 2.3 là các đư¬ờng cong chỉ độ nhám tối ư¬u (các điểm O1 và O2) ứng với độ mòn ban đầu nhỏ nhất của các bề mặt tiếp xúc.
Hình 2.3
b. Ảnh hưởng đến tính chống ăn mòn Nhám bề mặt còn ảnh h¬ưởng rất lớn đến tính chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt chi tiết (hình 2.4).
Hình 2.4
Tại đáy các mấp mô là nơi chứa các dung dịch ăn mòn như¬ axit, muối.v.v... Quá trình ăn mòn hóa học này ở lớp bề mặt xảy ra theo hướng sườn dốc của các mấp mô , do đó các mấp mô cũ bị mất đi và các mấp mô mới được hình thành.
Như vậy, độ nhám bề mặt càng cao và Bán kính đáy các mấp mô càng lớn thì càng tăng khả năng chống ăn mòn. Có thể chống ăn mòn hóa học bằng phư¬ơng pháp bảo vệ bề mặt khác như mạ (mạ rôm, mạ niken), sơn phủ bề mặt .v.v.
c. Ảnh hưởng đến độ bền mỏi
Nhám bề mặt ảnh hưởng rất lớn đến độ bền mỏi của chi tiết, đặc biệt là các chi tiết chịu tải trọng va đập và đổi dấu. Vì tại đáy các mấp mô là nơi tập trung ứng suất với trị số rất lớn, tại đó sẽ xuất hiện các vết nứt tế vi - đó chính là nguyên nhân phá hỏng chi tiết. Vì vậy, nếu độ nhám bề mặt tăng, bán kính đáy các mấp mô lớn thì sẽ nâng cao độ bền mỏi của chi tiết.
Ví dụ: bề mặt vật liêu thép đư¬ợc đánh bóng có độ bền mỏi cao hơn 40% so với bề mặt không đư¬ợc đánh bóng.
d. Ảnh hưởng đến độ chính xác mối ghép
Nhám bề mặt ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác của mối gép. - Với các mối gép có khe hở, trong giai đoạn mòn ban đầu chiều cao Rz bị san phẳng từ 65 - 75% do đó khe hở mối gép tăng lên, độ chính xác mối gép giảm.
- Với mối gép có độ dôi, khi ép chiều cao Rz bị chèn xuống làm cho độ bền của mối ghép giảm xuống.
Việc Rz phù hợp với đặc tính các mối gép có thể theo công thức kinh nghiệm sau:
- Khi đư¬ờng kính lắp ghép
Φ > 50 mm:
Rz = (0,1 - 0,15)δ ( μm) (2.3)
- Khi đư¬ờng kính lắp ghép
Φ= 18 - 50 mm:
Rz = (0,15 - 0,2) (δ μm) (2.4)
- Khi đư¬ờng kính lắp ghép Φ <18 mm:
Rz = (0,2 - 0,25) δ ( μm) (2.5)
2.2.2
-
Ảnh
hưởng
của
biến
cứng
bề
mặt
Bề mặt biến cứng có thể tăng độ bền mỏi của CTM lên khoảng 20% và tăng độ chống mòn của nó lên 2 - 3 lần. Cả chiều sâu và mức độ biến cứng của lớp bề mặt đều có ảnh hư¬ởng đến độ bền mỏi của CTM. Vì lớp biến cứng bề mặt hạn chế khả năng gây ra các vết nứt tế vi tại đáy các mấp mô ( Đó chính là nguyên làm phá hỏng chi tiết).
2.2.3- Ảnh hưởng của ứng suất dư bề mặt
ƯSD trên lớp bề mặt ảnh hưởng rất lớn đến độ bền mỏi của CTM. ƯSD nén trên lớp bề mặt có khả năng làm tăng độ bền mỏi của CTM còn ƯSD kéo trên lớp bề mặt làm giảm độ bền mỏi của chi tiết. Ví dụ: đối với chi tiết từ vật liệu thép độ bền mỏi của nó có thể tăng lên 50% khi trên lớp bề mặt có ứng ƯSD nén và độ bền mỏi giảm 30% khi trên lớp bề rặt có ƯSD kéo.
2.3- Các yếu tố ảnh hưởng đến CLBM
2.3.1. Ảnh hưởng đến nhám bề mặt.
a. Ảnh hưởng của các thông số mang tính chất in dập hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt
- - ảnh hưởng của góc nghiêng chính φ: φ tăng → Rz tăng
- - ảnh hưởng của góc nghiêng phụ φ1 : φ1 tăng → Rz tăng
- - ảnh hưởng của bán kính mũi dao r : r tăng → Rz giảm
- - ảnh hưởng của lượng chạy dao S : S tăng → Rz tăng
Nếu lượng chạy dao S quá nhỏ (S < 0.03 mm/vòng) thì trị số của Rz lại tăng. Nguyên nhân: do S nhỏ hơn bán kính mũi dao nên xảy hiện tượng trượt của mũi dao trên bề mặt gia công.
- - ảnh hưởng của chiều sâu cắt t : t ít ảnh hưởng đến nhám bề mặt. Tuy nhiên không nên cắt với t quá nhỏ
b. Ảnh hưởng của biến dạng dẻo lớp bề mặt
BDD lớp bề mặt ảnh hưởng rất lớn đến nhám bề mặt. BDD lớp bề mặt tăng làm tăng nhám bề mặt. Vì vậy, tất cả các nguyên nhân làm tăng BDD lớp bề mặt đều làm tăng nhám bề mặt.
- Ảnh h¬ưởng của tốc độ cắt v.
Tốc độ cắt v ảnh h¬ưởng rất lớn đến BDD lớp bề mặt do đó ảnh hưởng rất lớn đến nhám bề mặt .
Khi gia công vật liệu dẻo (thép), quan hệ giữa vận tốc cắt và Rz như hình 2.5.
Hình 2.5
- + Khi tốc độ cắt v thấp, nhiệt cắt không cao, BDD lớp bề măt nhỏ vì vậy nhám bề mặt Rz khá nhỏ.
- + Khi tăng tốc độ cắt v lên khoảng 20 - 60 m/phút thì nhiệt cắt lớn, lực cắt lớn , biến dạng dẻo lớp bề mặt lớn và trong khoảng vận tốc này lẹo dao xuất hiện nên nhám bề mặt Rz lớn.
- + Nếu tiếp tục tăng tốc độ cắt v > 60m/ph, tốc độ cắt lớn hơn tốc độ hình thành BDD, do đó BDD không kịp hình thành và do ở khỏang vận tốc cắt này lẹo dao không hình thành được nên nhám bề mặt Rz giảm .
Khi gia công kim loại giòn (gang) các mảnh kim loại bị tr¬ượt và vỡ ra không theo thứ tự do đó làm tăng độ nhám bề mặt. Tăng tốc độ cắt sẽ giảm được hiện t¬ượng vỡ vụn của kim loại và nh¬ư vậy làm tăng độ nhám bề mặt.
- Ảnh h¬ưởng của lượng chạy dao S
Lư¬ợng chạy dao S ngoài ảnh hư¬ởng mang tính chất hình học như đã nói ở trên, còn có ảnh hư¬ởng lớn đến mức độ BDD và biến dạng đàn hồi ở bề mặt gia công, do đó ảnh hưởng rất lớn đến nhám bề mặt. Hình 2.6 là đồ thị quan hệ giữa l¬ượng chạy dao S và Rz khi gia công thép cacbon.
Hình 2.6
Khi gia công với lư¬ợng chạy dao S=(0,02 - 0,15) mm/vòng thì bề mặt gia công có Rz nhỏ. Nếu gia công với S < 0,02mm/vòng Rz sẽ tăng lên vì ảnh hưởng của BDD lớn hơn ảnh hưởng của các yếu tố hình học. Nếu lượng chạy dao S > 0,15 mm/vòng thì BDD tăng kết hợp với ảnh hư¬ởng của các yếu tố hình học, làm Rz tăng(đoạn BC trên hình 2.6).
Như¬ vậy: để đảm báo độ nhám bề mặt và năng suất gia công nên chọn giá trị lư¬ợng chạy dao S trong khoảng từ 0,02 đến 0,125 mm/vòng đối với thép cacbon.
- Ảnh h¬ưởng của chiều sâu cắt t
Chiều sâu cắt nhìn chung không có ảnh hư¬ởng đáng kể đến độ nhám bề mặt. Tuy nhiên nếu chiều sâu cắt quá lớn thì rung động trong quá trình cắt tăng, do đó Rz tăng . Ngư¬ợc lại, chiều sâu cắt quá nhỏ sẽ làm cho dao bị trư¬ợt trên bề mặt gia công và xảy ra hiện tư¬ợng cắt không liên tục, do đó Rz tăng.
- Ảnh hư¬ởng của vật liệu gia công
Vật liệu gia công ảnh h¬ưởng đến độ nhám bề mặt chủ yếu là do khả năng BDD. Vật liệu dẻo và dai (thép ít cacbon),càng dễ BDD sẽ làm cho Rz tăng. Vật liệu càng cứng, càng khó BDD và độ hạt càng nhỏ thì Rz giảm.
Độ cứng của vật liệu gia công tăng thì sẽ hạn chế được ảnh h¬ưởng của tốc độ cắt tới nhám bề mặt.
- Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội
Dung dịch trơn nguội làm giảm ma sát trong vùng gia công, giảm nhiệt cắt, giảm lực cắt, giảm BDD bề mặt do đó làm giảm Rz .
c. Ảnh hư¬ởng của rung động của hệ thống công nghệ
Rung động của HTCN 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. Nếu rung động có tần số lớn, biên độ nhỏ sẽ gây ra nhám bề mặt. Nếu rung động có tần số nhỏ, biên độ lớn sẽ gây ra sóng bề mặt. Rung động giảm - độ nhám bề mặt tăng.
2.3.2. Ảnh hưởng đến lớp biến cứng bề mặt
BDD lớp bề mặt tăng sẽ làm tăng lớp biến cứng bề mặt. Vì vậy tất cả các nguyên nhân làm tăng lực cắt sẽ làm tăng BDD lớp bề mặt do đó sẽ làm tăng mức độ biến lớp bề mặt. Tăng thời gian tác dụng của lực cắt sẽ làm tăng chiều sâu lớp biến cứng.
2.4. Phương pháp đánh giá chất lượng bề mặt.
2.4.1. Đánh giá độ nhám bề mặt.
Để đánh giá độ nhám bề mặt ngư¬ời ta dùng các ph¬ương pháp sau đây:
a. Phương pháp so sánh.
- So sánh bằng mắt.
- So sánh bằng kính hiển vi quang học.
b. Đo các chỉ tiêu nhám bề mặt bằng phư¬ơng pháp quang học (dùng kính hiển vi Linich).
c. Đo các chỉ tiêu nhám bề mặt Ra, Rz , Rmax .v.v. bằng máy dò profin.
2.4.2. Đánh giá mức độ và chiều sâu biến cứng.
- Để đánh giá mức độ và chiều sâu biến cứng ngư¬ời ta chuẩn bị một mẫu kim tương rồi đ¬ưa mẫu này lên kiểm tra để đo độ cứng.
- Để đo chiều sau biến cứng, dùng đầu kim cương tác động lần lượng xuống bề mặt mẫu từ ngoài vào trong, từ đó sẽ xác định được chiều sâu biến cứng.
2.4.3- Đánh giá ứng suất dư.
Để đánh giá (xác định) ứng suất dư người ta thường dùng tia Rơnghen kích thích trên bề mặt mẫu một lớp dày 5 -10 µm và sau mỗi lần kích thích ta chụp ảnh đồ thị Rơnghen. Phư¬ơng pháp này cho phép đo đư¬ợc cả chiều sâu biến cứng. Tuy nhiên, ph¬ương pháp này rất phức tạp và tốn nhiều thời gian cho điều chỉnh đồ thị Rơnghen (mất khoáng 10 giờ trong một lần đo).
4.5. Phương pháp đảm bảo chất lượng bề mặt.
1/ Lựa chọn được phương pháp gia công hợp lý. Vì : ứng với một phương pháp gia công chỉ đạt được một cấp chính xác và một cấp độ nhám nhất định. Khả năng đạt độ nhám bề mặt của các phương pháp gia công tham khảo trong các sổ tay CNCT máy. Ví dụ:
2/ Lựa chọn được chế độ công nghệ hợp lý. Ví dụ:
