Bài giảng Kỹ thuật chế tạo máy - Chương 5: Chất lượng bề mặt chi tiết gia công - Trương Quốc Thanh

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật chế tạo máy - Chương 5: Chất lượng bề mặt chi tiết gia công - Trương Quốc Thanh

1. Chương 5: CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT GIA CÔNG Chất lượng bề mặt chi tiết gia công ??? GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 1
2. CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT Các yếu tố đặc trưng cho chất lượng bề mặt:
   Tính chất hình học lớp bề mặt (độ sóng, độ nhám, )
   Trạng thái và tính chất cơ lý của 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, xâm thực, độ bềm mõi, ) GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 2
3. 1. Tính chất hình học lớp bề mặt (độ sóng, độ nhám , ) 1.1 Độ nhấp nhô tế vi: Nhấp nhô tế vi đó chính là những vết xước rất nhỏ được hình thành trong quá trình gia công. Đó chính là độ nhám bề mặt, được đo bằng thông số: + Chiều cao nhấp nhô (Rz) + Sai lệch prôfin trung bình cộng (Ra) GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 3
4. 1. Tính chất hình học lớp bề mặt (độ sóng, độ nhám , ) Chiều cao nhấp nhô (Rz): Là trung bình của 5 khoảng cách từ 5 đỉnh cao nhất đến 5 đáy thấp nhất của nhấp nhô trong chiều dài chuẩn L (h + h + h + h + h ) − (h + h + h + h + h ) Rz = 1 3 5 7 9 2 4 6 8 10 5 h( − h ) + h( − h ) + h( − h ) + h( − h ) + h( − h ) = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5 GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 4
5. 1. Tính chất hình học lớp bề mặt (độ sóng, độ nhám , ) Sai lệch prôfin trung bình cộng (Ra): Là trị số trung bình của khoảng cách từ các đỉnh nhấp nhô đến đường trục toạ độ OX. 1 n Tính gần đúng: Ra ≈ .∑ y i n i=1 1 L Ra = . y .dx ∫ i Tính chính xác: L x=0 GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 5
6. 1. Tính chất hình học lớp bề mặt (độ sóng, độ nhám , ) Chất lượng bề mặt Cấp độ nhám Ra Rz Chiều dài chuẩn L (µ) (µ) 1 80 320 8 2 40 160 2.5 3 20 80 Thô 4 10 40 Theo TCVN, độ nhám (∇∇∇) chia làm 14 cấp, độ nhám 5 5 20 0.8 thấp nhất ứng với cấp 14 6 Bán tinh 7 2.5 10 ∇∇(∇∇ ∇∇) (tức độ nhẵn cao nhất) 1.25 6.3 8 0.63 3.2 0.25 9 3.2 1.6 10 0.16 0.8 Tinh 11 0.08 0.4 (∇∇∇ ) 12 0.04 0.2 0.08 13 Siêu tinh 14 0.02 0.08 (∇∇∇∇ ) 0.01 0.05 GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 6
7. 1. Tính chất hình học lớp bề mặt (độ sóng, độ nhám , ) Độ nhám bề mặt và độ chính xác kích thước có quan hệ chặc chẽ với nhau. Theo kinh nghiệm, người ta xác định độ nhám thông qua cấp chính xác kích thước. Giá trị độ nhám được lấy bằng 5 ÷ 20% dung sai kích thước cần đạt được. GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 7
8. 1. Tính chất hình học lớp bề mặt (độ sóng, độ nhám , ) 1.2 Độ sóng bề mặt 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 (từ 1 ÷ 10mm). Để phân biệt độ nhám và độ sóng, người ta dựa vào tỉ lệ gần đúng giữa chiều cao nhấp nhô và bước sóng. Biên soạn: ThS.GV: TRƯƠNG Trần QUỐC Anh THANH Sơn 8
9. 1. Tính chất hình học lớp bề mặt (độ sóng, độ nhám , ) Độ nhám: l/h = 0 ÷ 50 Độ sóng: L/H = 50 ÷ 1000 h – Chiều cao nhấp nhô tế vi. l – Khoảng cách giữa hai đỉnh nhấp nhô tế vi H – Chiều cao của sóng L – Khoảng cách giữa hai đỉnh sóng. GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 9
10. 2. Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia công Tính chất cơ lý lớp bề mặt gia công được biểu thị qua các thông số:
    Độ cứng bề mặt
    Sự biến đổi cấu trúc mạng tinh thể lớp bề mặt
    Độ lớn và dấu của ứng suất trong lớp bề mặt.
    Chiều sâu lớp biến cứng. GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 10
11. 2. Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia công 2.1 Hiện tượng biến cứng bề mặt Trong quá trình cắt, dưới tác dụng của lực cắt, mạng tinh thể ở lớp bề mặt kim loại bị xô lệch, gây biến dạng dẻo ở vùng trước và sau của lưỡi cắt. Giữa các tinh thể kim loại xuất hiện ứng suất. Thể tích riêng tăng, mật độ kim loại giảm ở vùng cắt. Điều đó dẫn đến thay đổi cơ tính lớp bề mặt  Lớp bề mặt kim loại bị cứng nguội, chắc lại và có độ cứng tế vi cao.
    Giới hạn bền, độ cứng, độ giòn tăng
    Tính dẻo dai của lớp bề mặt giảm
    Tính dẫn từ thay đổi
    Một số tính chất khác cũng thay đổi GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 11
12. 2. Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia công Mức độ biến cứng và chiều sâu lớp biến cứng phụ thuộc vào các yếu tố: Lực cắt tăng  mức độ biến dạng
    Lực cắt: dẻo tăng  tăng mức độ biến cứng và chiều sâu biến cứng Nhiệt cắt tăng làm hạn chế hiện
    Nhiệt cắt: tượng biến cứng lớp bề mặt.  Mức độ biến cứng và chiều sâu biến cứng phụ thuộc vào mối quan hệ giữa hai thông số: lực cắt và nhiệt cắt. GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 12
13. 2. Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia công 2.2 Ứng suất dư lớp bề mặt Khi gia công, bề mặt chi tiết xuất hiện lớp ứng suất dư. Trị số, dấu và chiều ứng suất dư phụ thuộc vào điều kiện gia công. GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 13
14. 2. Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia công Các nguyên nhân sinh ra ứng suất dư:
    Khi cắt vật liệu, trường lực cắt gây ra biến dạng dẻo không đều ở từng khu vực thuộc lớp bề mặt. Khi lực cắt thôi tác dụng, biến dạng dẻo gây ra ứng suất dư. GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 14
15. 2. Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia công Các nguyên nhân sinh ra ứng suất dư:
    Biến dạng dẻo sinh ra khi cắt làm chắc lớp bề mặt, làm tăng thể thích riêng của lớp kim loại mỏng ngoài cùng. Trong khi đó, thể tích riêng của lớp kim loại bên trong vẫn không đổi. Lớp kim loại ngoài cùng bị biến dạng dẻo làm tăng thể tích riêng nên gây ra ứng suất dư nén; để cân bằng thì lớp kim loại phía trong phải sinh ra ứng suất dư kéo. GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 15
16. 2. Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia công Các nguyên nhân sinh ra ứng suất dư:
    Nhiệt cắt sinh ra làm nung nóng cục bộ vùng cắt, làm giảm modul đàn hồi của vật liệu. Sau khi cắt, lớp bề mặt bị làm nguội nhanh và bị co lại gây nên ứng suất dư kéo; để cân bằng thì lớp bên trong phải sinh ra ứng suất dư nén. Biên soạn: ThS.GV: TRƯƠNG Trần QUỐC Anh THANH Sơn 16
17. 2. Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia công Các nguyên nhân sinh ra ứng suất dư:
    Kim loại bị chuyển pha trong quá trình cắt và nhiệt sinh ra ở vùng cắt làm thay đổi cấu trúc vật liệu  làm thay đổi thể tích kim loại. Lớp kim loại nào hình thành có thể tích riêng lớn sẽ sinh ra ứng suất dư nén; lớp kim loại nào hình thành có thể tích riêng bé sẽ sinh ra ứng suất dư kéo. Biên soạn: ThS.GV: TRƯƠNG Trần QUỐC Anh THANH Sơn 17
18. 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy Khả năng làm việc Chất lượng bề mặt
    Tính chống mòn
    Độ nhấp nhô tế vi
    Độ bền mỏi
    Lớp biến cứng bề mặt
    Tính chống ăn mòn hóa học
    Ứng suất dư lớp bề mặt
    Độ chính xác của các mối lắp ghép GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 18
19. 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy 3.1 Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến tính chống mòn a. Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt Chiều cao và hình dạng của nhấp nhô tế vi trên bề mặt cùng với chiều của vết gia công có ảnh hưởng đến ma sát và mài mòn chi tiết. Biên soạn: ThS.GV: TRƯƠNG Trần QUỐC Anh THANH Sơn 19
20. 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy Các đường a, b, c tương ứng với 3 độ nhám ban đầu khác nhau, độ nhám của đường c là cao nhất. Rz(c) > Rz(b) > Rz(a) Quá trình mòn theo thời gian: 0 ÷ ti : giai đoạn mòn ban đầu ti ÷ T i : giai đoạn mòn bình thường Ti trở đi: giai đoạn mòn kịch liệt GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 20
21. 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy Tuổi thọ của cặp chi tiết có độ nhấp nhô tế vi ban đầu cao nhất (đường c) tương ứng với giai đoạn mòn bình thường ngắn nhất nên tuổi thọ thấp nhất: T 3 < T 2 < T 1. Như vậy, khi chế tạo chi tiết máy, cần giảm chiều cao nhấp nhô ban đầu (Ra, Rz) đến giá trị độ nhám tối ưu , ứng với điều kiện làm việc của chi tiết thì sẽ kéo dài tuổi thọ của chi tiết. GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 21
22. 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy Ở đây, ta đề cập đến giá trị độ nhấp nhô ban đầu tối ưu (Ra tối ưu , Rz tối ưu ) vì còn phải xét đến điều kiện làm việc nặng hay nhẹ của chi tiết máy. Khi giảm Ra qua khỏi giá trị tối ưu Ra1 , R a2 thì sẽ bị mòn kịch liệt vì lực hút giữa các phân tử làm các phân tử trên bề mặt tiếp xúc dễ bị khuếch tán. GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 22
23. 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy Tóm lại:
    Độ nhấp nhô tế vi ban đầu phải đạt giá trị tối ưu để giảm độ mòn của chúng nhỏ nhất.
    Nếu quá nhám các nhấp nhô sẽ bị phá vỡ và cắt đứt.
    Nếu quá nhẵn các phân tử sẽ bị khuếch tán  quá trình mòn càng xảy ra nhanh chóng. GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 23
24. 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy b. Ảnh hưởng của lớp biến cứng
    Làm nâng cao tính chống mòn
    Làm hạn chế tác động tương hỗ giữa các phân tử và tác động tuơng hổ ở bề mặt tiếp xúc.
    Hạn chế Oxy khuếch tán vào bề mặt chi tiết, hình thành các oxýt kim loại, gây ra hiện tượng ăn mòn hóa học.
    Hạn chế quá trình biến dạng dẻo toàn phần, quá trình này gây ra hiện tượng chảy của kim loại, do đó có tác dụng chống mòn.
    Chiều sâu lớp biến cứng t cũng có ảnh hưởng đến tuổi thọ của chi tiết. GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 24
25. 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy c. Ảnh hưởng do ứng suất dư bề mặt: Ứng suất dư lớp bề mặt ảnh hưởng không đáng kể đến tính chống mòn của chi tiết. GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 25
26. 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy 3.2 Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến độ bền mõi của chi tiết a. Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt
    Độ nhám bề mặt càng lớn thì các vết nứt tế vi càng tăng. GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 26
27. 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy Nguyên nhân: do ứng suất tập trung với trị số lớn ở các đáy của các nhấp nhô, ứng suất này sẽ hình thành các vết nứt tế vi, làm giảm độ bền mõi của chi tiết. Đây là nguồn gốc phá hỏng chi tiết. Ví dụ: khi tiện thép C45 với Rz bđ khác nhau: 2 Rz=75 µµµmgiới hạn mỏi σσσ-1=195MN/mm 2 Rz=2 µ mgiới hạn mỏi σσσ-1=282MN/mm GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 27
28. 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy b. Ảnh hưởng của lớp biến cứng Lớp biến cứng bề mặt tăng giúp tăng độ bền mỏi của chi tiết (khoảng 20%) Nguyên nhân:  Lớp biến cứng bề mặt hạn chế gây ra các vết nứt tế vi, nhất là các bề mặt có ứng suất dư nén.  Khi chi tiết làm việc ở môi trường có nhiệt độ cao, lớp biến cứng bề mặt giúp hạn chế quá trình khuếch tán của các phân tử lớp bề mặt chi tiết. GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 28
29. 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy c. Ảnh hưởng do ứng suất dư bề mặt:
    Ứng suất dư nén làm tăng độ bền mõi
    Ứng suất dư kéo làm giảm độ bền mõi GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 29
30. 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy 3.3 Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến tính chống ăn mòn hóa học a. Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt
    Bề mặt nhấp nhô sẽ tạo điều kiện chứa các tạp chất như muối, acid, gây ra ăn mòn hóa học.
    Chiều và hướng ăn mòn xảy ra từ đỉnh đến đáy các nhấp nhô. Các đỉnh nhấp nhô cũ sẽ bị ăn mòn và hình thành các nhấp nhô mới. Quá trình xảy ra liên tục. GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 30
31. 3 Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy Bề mặt chi tiết càng nhẵn bóng thì càng ít bị ăn mòn. Bán kính các đáy nhấp nhô càng lớn thì khả năng chống ăn mòn hóa học càng cao Khắc phục: mạ crôm, kẽm, làm chắc bề mặt, GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 31
32. 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy b. Ảnh hưởng của lớp biến cứng
    Biến dạng dẻo gây nên sự không đồng nhất tế vi của kim loại, trong đó, sinh ra nhiều phần tử ăn mòn. Nhất là ở mặt trượt, gây ra hiện tượng hấp thụ mạnh, tăng cường quá trình ăn mòn và khuếch tán ở lớp bề mặt.
    Sau khi gia công, lớp bề mặt bị biến cứng. Tăng lớp biến cứng bề mặt thì khả năng chống ăn mòn tăng lên.
    Các phương pháp làm tăng lớp biến cứng bề mặt: nhiệt luyện, lăn ép, GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 32
33. 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy c. Ảnh hưởng do ứng suất dư bề mặt:
    Ứng suất dư ít ảnh hưởng đến tính chống ăn mòn của chi tiết. GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 33
34. 4. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến tính năng lắp ghép
    Độ bền các mối lắp ghép phụ thuộc vào độ nhám các bề mặt lắp ghép. Chiều cao nhấp nhô Ra, Rz tham gia vào trường dung sai chế tạo chi tiết máy.
    Đối với lỗ: dung sai của kích thước đường kính lỗ sẽ giảm đi một lượng bằng 2Rz
    Đối với trục: dung sai của kích thước đường kính trục sẽ tăng lên một lượng bằng 2Rz GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 34
35. 4. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến tính năng lắp ghép Đối với mối lắp lỏng: chiều cao nhấp nhô Rz có thể giảm đi 65 ÷ 75%, làm khe hở lắp ghép tăng lên  giảm độ chính xác của mối lắp. Do đó, đối với mối lắp lỏng cần giảm độ nhấp nhô tế vi (tăng độ nhẵn). GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 35
36. 4. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến tính năng lắp ghép Đối với mối lắp chặt: chiều cao nhấp nhô tế vi Rz tăng thì độ bền lắp ghép giảm. Vì khi lắp ghép, các nhấp nhô bị san bằng làm cho độ dôi thực tế của mối lắp ít hơn so với trên tính toán. GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 36