Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi gia công thép C45 sau nhiệt luyện trên máy tiện CNC

0/9/2020 Tóm tắt Nội dung bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thông số chế độ cắt gồm vận tốc cắt V(m/ph), bước tiến S (mm/vg), chiều sâu cắt t (mm) tới độ nhám bề mặt gia công (R a ) khi gia công thép C45 đã tôi thể tích trên máy tiện CNC, sử dụng công nghệ tiện cứng với mảnh chíp dao tiện chế tạo từ vật liệu Nitrit bo lập phương (CBN500). Kết quả nghiên cứu thực nghiệm sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng đã xây dựng được phương trình hồi quy thực nghiệm cấp II, từ đó xác định được bộ thông số chế độ cắt phù hợp nhằm đạt được độ nhám bề mặt gia công theo yêu cầu R a = 3,23104 - 0,027235 ∙ V - 10 ∙ 23077 ∙ S - 0,900465 ∙ t + 0,015 ∙ V ∙ S - 0,000333 ∙ V ∙ S - 0,000333 ∙ V ∙ t + 1,16667 ∙ S ∙ t + 0,000081 ∙ V2 + 37,64878 ∙ S2 + 1,02182 ∙ t2. Từ khóa: Gia công; công nghệ tiện cứng; thông số chế độ cắt; máy tiện CNC; độ nhám bề mặt. Abstract The content of the paper presents the research results of the influence of parameters of cutting mode including Velocity V (m/ph), Feed S (mm/vg), cutting depth t (mm) on surface roughness (R a ) when processing hardened C45 steel (screw details) on CNC lather, using hard turning technology with cubic boron nitride (CBN500). Experimental research results using the responsive surface method have developed an experimental regression equation level II, thereby determining the appropriate set of cutting mode parameters to achieve the machining surface roughness as required Ra = 3,23104 - 0,027235 ∙ V - 10 ∙ 23077 ∙ S - 0,900465 ∙ t + 0,015 ∙ V ∙ S - 0,000333 ∙ V ∙ S - 0,000333 ∙ V ∙ t + 1,16667 ∙ S ∙ t + 0,000081 ∙ V2 + 37,64878 ∙ S2 + 1,02182 ∙ t2. Keywords: Outsourcing; hard lathe technology; cutting mode parameters; CNC machine; surface roughness. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trục vít me là chi tiết quan trọng của máy tiện. Trong quá trình làm việc, độ chính xác của máy bị ảnh hưởng trực tiếp bởi độ chính xác của chi tiết trục vít me, trong đó độ nhám bề mặt chi tiết ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền mòn, ma sát sinh ra trong quá trình làm việc và ảnh hưởng đến công suất truyền động của bộ truyền. Với đặc điểm của chi tiết trục vít me là có tỉ số chiều dài và đường kính L/d lớn, khi gia công chi tiết bị rung động, ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt. Để đảm bảo nĕng suất gia công và độ nhám bề mặt, chi tiết phải qua nguyên công nhiệt luyện sau các nguyên công tiện và cuối cùng là nguyên công mài. Như vậy chi tiết trải qua nhiều lần gá khác nhau do đó ảnh hưởng đến độ chính xác gia công. Sử dụng công nghệ tiện cứng gia công thép đã tôi có độ cứng lớn hơn 45 HRC có ưu điểm: thời gian quay vòng ngắn, quá trình gia công linh hoạt, tuổi thọ làm việc cao, chi phí đầu tư thấp và ít tác động đến môi trường do không cần thiết sử dụng dung dịch tưới nguội trong quá trình cắt gọt. Trong quá trình tiện cứng, nhờ dụng cụ có lưỡi cắt đơn nên có thể điều chỉnh chính xác góc cắt và do đó, dễ dàng gia công các bề mặt phức tạp, một số chi tiết sau khi nhiệt luyện phải qua công đoạn mài, mài khôn. Những công Người phản biện: 1. PGS. TS. Hoàng Văn Gợt 2. TS. Nguyễn Văn Hinh NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 58 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 3 (70) 2020 đoạn này thiếu tính linh hoạt và tốn nhiều thời gian. Một hạn chế nữa là chi phí cho dung dịch trơn nguội của các công đoạn mài khá cao. Những lý do trên làm tĕng chi phí cho các công đoạn gia công chính xác. Mặc khác chất thải ra khi mài ngày càng gây ô nhiễm môi trường, thúc đẩy các nhà sản xuất loại dần khâu mài trong quy trình công nghệ gia công chi tiết. Ưu điểm đáng kể nhất của tiện cứng là có thể dùng một dụng cụ mà vẫn gia công được nhiều chi tiết có hình dáng khác nhau bằng cách thay đổi đường chạy dao, trong khi đó, muốn mài được hình dạng chi tiết khác thì phải sửa lại đá hoặc thay đá khác. Đặc biệt, tiện cứng có thể gia công được những biên dạng phức tạp mà mài khó có thể thực hiện được. Mặt khác, một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, ứng suất dư gây bởi tiện cứng đã làm cải thiện độ bền mỏi của chi tiết gia công [1]. Liên quan đến công nghệ tiện cứng đã có một số công trình khoa học đã được công bố [1], [2]: Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt khi gia công vật liệu 9XC đã tôi với độ cứng 55-57HRC sử dụng vật liệu phần cắt PCBN (Polycrystal cybic boron nitride - Nitrit Bo lập phương đa tinh thể). Kết quả nghiên cứu đã đưa ra kết luận về thông số chế độ cắt: V = 100,26 m/ph, S = 0,15 mm/vg, t = 0,09 mm khi đó nĕng suất cao nhất và độ nhám đạt được Ra = 0,5421 μm. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ gia công chi tiết trên máy tiện vạn nĕng T18A, kết quả nghiên cứu đã xác định được bộ thông số công nghệ hợp lý khi gia công vật liệu C45: V = 40,66 m/ph, S = 0,17 mm/vg, t = 1,55 mm khi đó đảm bảo yêu cầu cao về độ nhám bề mặt. Tuy nhiên chưa có công trình nào nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt khi sử dụng vật liệu dao tiện CBN500 gia công thép đã tôi trên máy tiện CNC CAK-3675. 2. MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 2.1. Thiết bị Máy tiện CNC CAK-3675 với các thông số cơ bản: Công suất động cơ servo trục chính P = 15 kW, đường kính gia công lớn nhất d = 60 mm, chiều dài gia công lớn nhất 800 mm, số dao gia công 04. Hình 1. Máy tiện CNC CAK-3675 2.2. Dụng cụ cắt Dụng cụ cắt: Dao vai tiện thô (T0101), dao vai tiện tinh (T0202) dao tiện ren thang (T0303), vật liệu mảnh chíp CBN500 (cubic boron nitride - Nitrit Bo lập phương). Các thông số kỹ thuật của mảnh chíp thể hiện tại bảng 1. Bảng 1. Thông số mảnh chíp vật liệu CBN500 Dao Góc trước y Góc sau α Góc nâng l Góc nghiêng chính j Góc nghiêng phụ j1 T0101 - 6o 6 0 95o 5o T0202 - 6o 8 0 95o 5o T0303 4o 10 0 60o 60o Trong thực nghiệm chọn dao T0202. 2.3. Dụng cụ đo - Dụng cụ đo độ nhám Mitutoyo SJ-201P độ chính xác 1/100. - Các dụng cụ đo phục vụ quá trình gia công khác: Đồng hồ xo Mitutoyo 1/100. Thước cặp điện tử Mitutoyo 1/100, Panme 1/100. 2.4. Phôi thực nghiệm - Chọn phôi trong thực nhiệm là thép C45 đã tôi thể tích đạt độ cứng 50 - 54 HRC, độ bền s = 800 MPa, thành phần hóa học thép C45 trong bảng 2. Bảng 2. Thành phần hóa học của thép C45 Thành phần hóa học %C min-max %Si min-max %Mn min-max Tỷ lệ nguyên tố 0,42 ÷ 0,5 0,15 ÷ 0,35 0,5 ÷ 0,8 Thành phần hóa học % P % S % Cr min - max Tỷ lệ nguyên tố ≤ 0,25 ≤ 0,25 0,2÷0,4 - Kích thước phôi: Ø25 × 750 đã khoan tâm 2 đầu. 2.5. Đặc điểm điều khiển đường chạy dao Để đảm bảo nĕng suất gia công, hạn chế dao chạy không, trong chương trình gia công sử dụng các chu trình gia công và giữ vận tốc cắt không đổi để đảm bảo độ nhám bề mặt đồng đều trên sườn ren: - Tiện thô sử dụng chu trình (G71): Chiều sâu cắt không đổi. - Tiện tinh sử dụng chu trình (G70): Chạy dao liên tục theo biên dạng gia công. - Tiện ren sử dụng chu trình (G76): Ĕn dao theo phương dọc trục, nhằm giảm lực cắt và ring động. LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 59Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 3 (70) 2020 - Ổn định vận tốc cắt (G96): Tự động điều chỉnh số vòng quay theo đường kính phôi, vận tốc cắt không đổi với mỗi dao. 3. NỘI DUNG THỰC NGHIỆM 3.1. Phương pháp thực nghiệm Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp II, đa yếu tố. Hàm mục tiêu là độ nhám bề mặt có mối quan hệ với các thông số chế độ cắt 1 2 3Y = (X ,X ,X ) = (V,S,t) thông qua phương trình hồi quy được xác định theo phương pháp bề mặt đáp ứng. 3.2. Thực nghiệm đa yếu tố - Theo [3] khi tiện thép các bon bằng dao CBN chọn khoảng thông số thực nghiệm ban đầu: V = 80 ÷ 180 m/ph; S ≤ 0,2 mm/vg; t ≤ 1,0 mm. - Cĕn cứ vào các điều kiện trên và trang thiết bị công nghệ chọn thông số ban đầu thực nghiệm cho bước gia công tiện tinh bề mặt trụ trên chi tiết vít me. + Vận tốc cắt: V = 100 ÷ 150 m/ph. Trong thực nghiệm vận tốc cắt được tính theo công thức. π.d.nV= mm/ph1000 + Lượng chạy dao: S = 0,05 ÷ 0,15 mm/vòng. + Chiều sâu cắt: t = 0,2 ÷ 0,5 mm. + Không sử dụng dung dịch tưới nguội. - Đặt các thông số đầu vào: 1 2 3X =V; X = S; X = t 1maxX = 150 1minX = 100 1tbX = 125 2maxX = 0,15 2minX = 0,05 2tbX = 0,1 3maxX = 0,5 3minX = 0,2 3tbX = 0,35 - Mã hóa giá trị: 1maxX = +1 1minX = -1 1tbX = 0 2maxX = +1 2minX = -1 2tbX = 0 3maxX = +1 3minX = -1 3tbX = 0 - Số lần thực nghiệm: Theo [4], tổng số thí nghiệm cần thực hiện: N = 2k + N0 + Nα (1) Phương án quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp II được dùng để xác định giá trị tối ưu của hàm mục tiêu với số lượng yếu tố công nghệ k = 3. Số thí nghiệm ở phương án trực giao toàn phần là 2k = 8, số thí nghiệm thực hiện tại tâm N0 = k = 3, số thí nghiệm thực hiện ở điểm sao (*) Nα = 2 ∙ k = 6. Thay các giá trị vào (1), vậy tổng số thí nghiệm cần thực hiện là N = 17. Điểm sao (*) là điểm cách tâm thực một khoảng bằng α gọi là cánh tay đòn, và được tính theo công thức [4]: 2 k-2 k-1α = N.2 - 2 Þ2α = 1,831 α = 1,35 (2) Theo [2]: - Dạng tổng quát phương trình hồi quy cấp II: å å å3 3 3 2k 0 j j ij i j jj j j=1 i,j=1 j=1 Y = b + b X + b X X + b X (3) Trong đó: kY : Hàm mục tiêu (Yk = Ra); 0b : Hệ số hồi quy bậc 0; jb :Hệ số hồi quy bậc 1 mô tả ảnh hưởng của 1 thông số chế độ cắt đến độ nhám; i jb : Hệ số hồi quy mô tả ảnh hưởng đồng thời của 2 thông số chế độ cắt tới độ nhám bề mặt; jjb : Hệ số hồi quy bậc 2 mô tả ảnh hưởng của 1 thông số chế độ cắt đến độ nhám; i,jX : Nhân tố mã hóa ảnh hưởng của thông số chế độ cắt tới độ nhám bề mặt. - Khai triển phương trình (3), được phương trình hồi quy dạng chính tắc: Y = b0 + b1X1 + b2X2 + b3X3 + b12X1X2 + b13X1X3 + b23X2X3 + b11X21 + b22X22 + b33X23 - Các mức thông số chế độ cắt (mức cơ sở, mức trên, mức dưới, mức sao (*), cánh tay đòn, mức giới hạn được thể hiện ở bảng 3. Bảng 3. Mức các yếu tố thực nghiệm trực giao cấp II Các mức Các yếu tố ảnh hưởng V (m/ph) S (mm/vg) T (mm) Mức trên (+1) 150 0,15 0,5 Mức cơ sở (0) 125 0,1 0,35 Mức dưới (-1) 100 0,05 0,2 α - cánh tay đòn ±1,35 ±1,35 ±1,35 Mức giới hạn trên (+1,35) 166,88 0,18 0,57 Mức giới hạn dưới (-1,35) 83,13 0,02 0,13 Các mức giới hạn thỏa mãn [5]. Sau khi mã hóa (bảng 4) và tiến hành thực nghiệm gia công cắt gọt trên máy tiện CNC, đo kiểm tra độ nhám bề mặt trên chi tiết, kết quả thực nghiệm trong bảng 4. (4) NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 60 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 3 (70) 2020 Bảng 4. Ma trận thực nghiệm trực giao cấp II N Biến mã hóa Biến thực Độ nhám bề mặt đo được X1 X2 X3 V (m/ph) S (mm/vg) t (mm) Ra (µm) k2 1 +1 +1 +1 150 0,15 0,5 0,49 2 +1 +1 -1 150 0,15 0,2 0,48 3 +1 -1 1 150 0,05 0,5 0,44 4 +1 -1 -1 150 0,05 0,2 0,52 5 -1 +1 +1 100 0,15 0,5 0,72 6 -1 +1 -1 100 0,15 0,2 0,76 7 -1 -1 +1 100 0,05 0,5 0,80 8 -1 -1 -1 100 0,05 0,2 0,82 2k 9 -1,35 0 0 83,13 0,1 0,35 0,84 10 +1,35 0 0 166,88 0,1 0,35 0,39 11 0 -1,35 0 125 0,02 0,35 0,76 12 0 +1,35 0 125 0,18 0,35 0,67 13 0 0 -1,35 125 0,1 0,13 0,55 14 0 0 +1,35 125 0,1 0,57 0,50 0N 15 0 0 0 125 0,1 0,35 0,46 16 0 0 0 125 0,1 0,35 0,46 17 0 0 0 125 0,1 0,35 0,47 Các số liệu được xử lý bằng phần mềm MS Excel và phần mềm Design Expert nhằm phân tích các hệ số của phương trình hồi quy cấp II, bề mặt đáp ứng và tối ưu hàm hồi quy. Kiểm tra sự có nghĩa của các hệ theo chuẩn Student và sự tương thích của phương trình hồi quy so với thực nghiệm theo tiêu chuẩn Fisher [6]. Kết quả được phương trình hồi quy với sai lệch chuẩn R2 = 92,81. R a = 3,23104 - 0,027235 ∙ V - 10 ∙ 23077 ∙ S - 0,900465 ∙ t + 0,015 ∙ V ∙ S - 0,000333 ∙ V ∙ S - 0,000333 ∙ V ∙ t + 1,16667 ∙ S ∙ t + 0,000081 ∙ V2 + 37,64878 ∙ S2 + 1,02182 ∙ t2. (5) Độ nhám bề mặt được mô tả bởi phương trình (5). Phương trình này thể hiện sự ảnh hưởng của các thông số vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu tới độ nhám bề mặt chi tiết gia công. Hình 2. Bề mặt đáp ứng biểu diễn quan hệ giữa vận tốc cắt và lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt Hình 3. Bề mặt đáp ứng biểu diễn quan hệ giữa vận tốc cắt và chiều sâu cắt tới độ nhám bề mặt Hình 4. Bề mặt đáp ứng biểu diễn quan hệ giữa lượng chạy dao và chiều sâu cắt tới độ nhám bề mặt LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 61Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 3 (70) 2020 (Nét đứt biểu diễn sai lệch bình phương trung bình) Hình 5. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của vận tốc cắt tới độ nhám bề mặt Nhận xét: Khi tĕng vận tốc cắt thì độ nhám giảm, độ nhám giảm mạnh khi tĕng vận tốc cắt khoảng từ 83 m/ph đến 130 m/ph, tiếp tục tĕng vận tốc cắt tới khoảng 150 m/ph độ nhám giảm chậm, khi tĕng vận tốc cắt lớn hơn 150 m/ph thì độ nhám có xu hướng tĕng. Nguyên nhân do nhiệt sinh ra lớn, khả nĕng thoát phoi giảm đi và dao tiện mòn nhanh. Hình 6. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt Nhận xét Khi giảm lượng chạy dao đến 0,1 mm/vg thì độ nhám giảm, tuy nhiên không lên chọn lượng chạy dao nhỏ hơn 0,1 mm/vg khi đó với lưỡi cắt chính của dao tiện có bán kính cong sẽ gây ra hiện tượng trượt giữa lưỡi cắt dao tiện và bề mặt chi tiết gia công làm độ nhám tĕng mạnh. Hình 7. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của chiều sâu cắt tới độ nhám bề mặt Nhận xét: Trong vùng khảo sát, ảnh hưởng của chiều sâu cắt tới độ nhám không nhiều, tuy nhiên không lên tĕng chiều sâu cắt quá lớn sẽ gây ra rung động trong quá trình gia công do công suất và lực cắt lớn khi đó độ nhám sẽ tĕng nhanh. Không nên chọn chiều sâu cắt quá nhỏ khi đó xảy ra hiện tượng trượt giữa lưỡi cắt của dao và bề mặt chi tiết gia công, nên chọn chiều sâu cắt trong khoảng 0,25 mm đến 0,35 mm. Độ lệch so với điểm tham chiếu Hình 8. Đồ thị tương quan ảnh hưởng của thông số chế độ cắt tới độ nhám bề mặt A) Vận tốc cắt; B) Lượng chạy dao; C) Chiều sâu cắt Nhận xét chung Theo đồ thị biên dạng đáp ứng hàm hồi quy thì vận tốc cắt có ảnh hưởng lớn nhất tới độ nhám bề mặt chi tiết gia công, sau đó đến lượng chạy dao, chiều sâu cắt ít ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt. Cĕn cứ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 62 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 3 (70) 2020 vào đặc điểm trên làm cơ sở cho việc chọn các thông số chế độ cắt cho việc gia công. Với bề mặt yêu cầu độ nhám R a = 0,63, sử dụng phần mềm Matlab tính toán được chế độ cắt tối ưu V = 111m/ ph, S = 0,12 mm/vg, t = 0,13 mm. Kiểm nghiệm gia công với chế độ cắt trên đo được độ nhám bề mặt Ra = 0,65 µm, kết quả chấp nhận được. Hình 9. Chi tiết sau khi gia công 4. KẾT LUẬN Bằng nghiên cứu thực nghiệm và phân tích kết quả thực nghiệm, đã xây dựng được phương trình hồi quy bậc II(5), các đồ thị và nhận xét sự ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt tới độ nhám bề mặt chi tiết. Cĕn cứ vào phương trình hồi quy thực nghiệm cấp II lựa chọn được bộ thông số chế độ cắt hợp lý: V = 111 m/ph, S = 0,12 mm/vg, t = 0,13 mm cho gia công thép C45 đã nhiệt luyện bằng dao gắn mảnh CBN500 trên máy tiện CNC đạt độ nhám Ra = 0,65 µm (cấp 7). TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thị Quốc Dung (2012), Luận án tiến sĩ Nghiên cứu quá trình tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN, Đại học Thái Nguyên. [2] T.S Hoàng Việt (2016), Ảnh hưởng của một số thông số chế độ cắt đến độ nhám bề mặt gia công trên máy tiện, Tạp chí khoa học và công nghệ Lâm nghiếp số 2-2016. [3] Ibrahim A. Al-Zkeri, M.S (2007), Presented in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree Doctor of Philosophy in the Graduate School of the Ohio State University, The Ohio State University. [4] Nguyễn Minh Tuyển (2005), Quy hoạch thực nghiệm, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [5] Nguyễn Doãn Ý (2009), Xử lý số liệu thực nghiệm trong kỹ thuật, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [6] Montgomery, Douglas C, Design and Analysis of Experiments (4th edition), New York John Wiley & Son. Mạc Văn Giang - Tóm tắt quá trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo, nghiên cứu): + Năm 2004: Tốt nghiệp Đại học ngành Chế tạo máy, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. + Năm 2010: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Công nghệ kỹ thuật cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. - Tóm tắt công việc hiện tại: Giảng viên khoa Cơ khí, Trường Đại học Sao Đỏ. - Lĩnh vực quan tâm: Tính toán, thiết kế máy, công nghệ chế tạo máy, lập trình và gia công trên máy CNC. - Email: macvgiang@gmail.com. - Điện thoại: 0971953180. THÔNG TIN TÁC GIẢ