Giáo trình Công nghệ chế tạo máy I - Lưu Đức Bình

Nội dung text: Giáo trình Công nghệ chế tạo máy I - Lưu Đức Bình

1. Đại học Đà nẵng tr−ờng đại học bách khoa Công nghệ chế tạo máy I Đà Nãng 12-2005
2. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình Ch−ơng 1 các khái niệm cơ bản 1.1- Mở đầu Ngành Chế tạo máy đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất ra các thiết bị, công cụ cho mọi ngành trong nền kinh tế quốc dân, tạo tiền đề cần thiết để các ngành này phát triển mạnh hơn. Vì vậy, việc phát triển KH - KT trong lĩnh vực Công nghệ chế tạo máy có ý nghĩa hàng đầu nhằm thiết kế, hoàn thiện và vận dụng các ph−ơng pháp chế tạo, tổ chức và điều khiển quá trình sản xuất đạt hiệu quả kinh tế cao nhất. Công nghệ chế tạo máy là một lĩnh vực khoa học kỹ thuật có nhiệm vụ nghiên cứu, thiết kế và tổ chức thực hiện quá trình chế tạo sản phẩm cơ khí đạt các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật nhất định trong điều kiện quy mô sản xuất cụ thể. Một mặt Công nghệ chế tạo máy là lý thuyết phục vụ cho công việc chuẩn bị sản xuất và tổ chức sản xuất có hiệu quả nhất. Mặt khác, nó là môn học nghiên cứu các quá trình hình thành các bề mặt chi tiết và lắp ráp chúng thành sản phẩm. Công nghệ chế tạo máy là một môn học liên hệ chặt chẽ giữa lý thuyết và thực tiễn sản xuất. Nó đ−ợc tổng kết từ thực tế sản xuất trải qua nhiều lần kiểm nghiệm để không ngừng nâng cao trình độ kỹ thuật, rồi đ−ợc đem ứng dụng vào sản xuất để giải quyết những vấn đề thực tế phức tạp hơn, khó khăn hơn. Vì thế, ph−ơng pháp nghiên cứu Công nghệ chế tạo máy phải luôn liên hệ chặt chẽ với điều kiện sản xuất thực tế. Ngày nay, khuynh h−ớng tất yếu của Chế tạo máy là tự động hóa và điều khiển quá trình thông qua việc điện tử hóa và sử dụng máy tính từ khâu chuẩn bị sản xuất tới khi sản phẩm ra x−ởng. Đối t−ợng nghiên cứu của Công nghệ chế tạo máy là chi tiết gia công khi nhìn theo khía cạnh hình thành các bề mặt của chúng và quan hệ lắp ghép chúng lại thành sản phẩm hoàn chỉnh. Để làm công nghệ đ−ợc tốt cần có sự hiểu biết sâu rộng về các môn khoa học cơ sở nh−: Sức bền vật liệu, Nguyên lý máy, Chi tiết máy, Máy công cụ, Nguyên lý cắt, Dụng cụ cắt v.v Các môn học Tính toán và thiết kế đồ gá, Thiết kế nhà máy cơ khí, Tự động hóa quá trình công nghệ sẽ hỗ trợ tốt cho môn học Công nghệ chế tạo máy và là những vấn đề có quan hệ khăng khít với môn học này. Môn học Công nghệ chế tạo máy không những giúp cho ng−ời học nắm vững các ph−ơng pháp gia công các chi tiết có hình dáng, độ chính xác, vật liệu khác nhau và công nghệ lắp ráp chúng thành sản phẩm, mà còn giúp cho ng−ời học khả năng phân tích so sánh −u, khuyết điểm của từng ph−ơng pháp để chọn ra ph−ơng pháp gia công thích hợp nhất, biết chọn quá trình công nghệ hoàn thiện nhất, vận dụng đ−ợc kỹ thuật mới và những biện pháp tổ chức sản xuất tối −u để nâng cao năng suất lao động. Mục đích cuối cùng của Công nghệ chế tạo máy là nhằm đạt đ−ợc: chất l−ợng sản phẩm, năng suất lao động và hiệu quả kinh tế cao. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 1
3. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình 1.2- quá trình sản xuất và quá trình công nghệ 1.2.1- Quá trình sản xuất Nói một cách tổng quát, quá trình sản xuất là quá trình con ng−ời tác động vào tài nguyên thiên nhiên để biến nó thành sản phẩm phục vụ cho lợi ích của con ng−ời. Định nghĩa này rất rộng, có thể bao gồm nhiều giai đoạn. Ví dụ, để có một sản phẩm cơ khí thì phải qua các giai đoạn: Khai thác quặng, luyện kim, gia công cơ khí, gia công nhiệt, lắp ráp v.v Nếu nói hẹp hơn trong một nhà máy cơ khí, quá trình sản xuất là quá trình tổng hợp các hoạt động có ích để biến nguyên liệu và bán thành phẩm thành sản phẩm có giá trị sử dụng nhất định, bao gồm các quá trình chính nh−: Chế tạo phôi, gia công cắt gọt, gia công nhiệt, kiểm tra, lắp ráp và các quá trình phụ nh−: vận chuyển, chế tạo dụng cụ, sửa chữa máy, bảo quản trong kho, chạy thử, điều chỉnh, sơn lót, bao bì, đóng gói v.v Tất cả các quá trình trên đ−ợc tổ chức thực hiện một cách đồng bộ nhịp nhàng để cho quá trình sản xuất đ−ợc liên tục. Sự ảnh h−ởng của các quá trình nêu trên đến năng suất, chất l−ợng của quá trình sản xuất có mức độ khác nhau. ảnh h−ởng nhiều nhất đến chất l−ợng, năng suất của quá trình sản xuất là những quá trình có tác động làm thay đổi về trạng thái, tính chất của đối t−ợng sản xuất, đó chính là các quá trình công nghệ. 1.2.2- Quá trình công nghệ Quá trình công nghệ là một phần của quá trình sản xuất, trực tiếp làm thay đổi trạng thái và tính chất của đối t−ợng sản xuất. Đối với sản xuất cơ khí, sự thay đổi trạng thái và tính chất bao gồm: - Thay đổi trạng thái hình học (kích th−ớc, hình dáng, vị trí t−ơng quan giữa các bộ phận của chi tiết ) - Thay đổi tính chất (tính chất cơ lý nh− độ cứng, độ bền, ứng suất d− ) * Quá trình công nghệ bao gồm: - Quá trình công nghệ tạo phôi: hình thành kích th−ớc của phôi từ vật liệu bằng các ph−ơng pháp nh− đúc, hàn, gia công áp lực - Quá trình công nghệ gia công cơ: làm thay đổi trạng thái hình học và cơ lý tính lớp bề mặt. - Quá trình công nghệ nhiệt luyện: làm thay đổi tính chất cơ lý của vật liệu chi tiết cụ thể tăng độ cứng, độ bền. - Quá trình công nghệ lắp ráp: tạo ra một vị trí t−ơng quan xác định giữa các chi tiết thông qua các mối lắp ghép giữa chúng để tạo thành sản phẩm hoàn thiện. Quá trình công nghệ cho một đối t−ợng sản xuất (chi tiết) phải đ−ợc xác định phù hợp với các yêu cầu về chất l−ợng và năng suất của đối t−ợng. Xác định quá trình công nghệ hợp lý rồi ghi thành văn kiện công nghệ thì các văn kiện công nghệ đó gọi là quy trình công nghệ. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 2
4. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình 1.3- các thành phần của quy trình công nghệ 1.3.1- Nguyên công Nguyên công là một phần của quá trình công nghệ, đ−ợc hoàn thành một cách liên tục tại một chỗ làm việc do một hay một nhóm công nhân thực hiện. ở đây, nguyên công đ−ợc đặc tr−ng bởi 3 điều kiện cơ bản, đó là hoàn thành và tính liên tục trên đối t−ợng sản xuất và vị trí làm việc. Trong quá trình thực hiện quy trình công nghệ nếu chúng ta thay đổi 1 trong 3 điều kiện trên thì ta đã chuyển sang một nguyên công khác. Ví dụ: Tiện trục có hình nh− sau: A B Nếu ta tiện đầu A rồi trở đầu để tiện đầu B (hoặc ng−ợc lại) thì vẫn thuộc một nguyên công vì vẫn đảm bảo tính chất liên tục và vị trí làm việc. Nh−ng nếu tiện đầu A cho cả loạt xong rồi mới trở lại tiện đầu B cũng cho cả loạt đó thì thành hai nguyên công vì đã không đảm bảo đ−ợc tính liên tục, có sự gián đoạn khi tiện các bề mặt khác nhau trên chi tiết. Hoặc tiện đầu A ở máy này, đầu B tiện ở máy khác thì rõ ràng đã hai nguyên công vì vị trí làm việc đã thay đổi. Nguyên công là đơn vị cơ bản của quá trình công nghệ. Việc chọn số l−ợng nguyên công sẽ ảnh h−ởng lớn đến chất l−ợng và giá thành sản phẩm, việc phân chia quá trình công nghệ ra thành các nguyên công có ý nghĩa kỹ thuật và kinh tế. * ý nghĩa kỹ thuật: Mỗi một ph−ơng pháp cắt gọt có một khả năng công nghệ nhất định (khả năng về tạo hình bề mặt cũng nh− chất l−ợng đạt đ−ợc). Vì vậy, xuất phát từ yêu cầu kỹ thuật và dạng bề mặt cần tạo hình mà ta phải chọn ph−ơng pháp gia công t−ơng ứng hay nói cách khác chọn nguyên công phù hợp. Ví dụ: Ta không thể thực hiện đ−ợc việc tiện các cổ trục và phay rãnh then ở cùng một chỗ làm việc. Tiện các cổ trục đ−ợc thực hiện trên máy tiện, phay rãnh then thực hiện trên máy phay. * ý nghĩa kinh tế: Khi thực hiện công việc, tùy thuộc mức độ phức tạp của hình dạng bề mặt, tùy thuộc số l−ợng chi tiết cần gia công, độ chính xác, chất l−ợng bề mặt yêu cầu mà ta phân tán hoặc tập trung nguyên công nhằm mục đích đảm bảo sự cân bằng cho nhịp sản xuất, đạt hiệu qủa kinh tế nhất. Ví dụ: Trên một máy, không nên gia công cả thô và tinh mà nên chia gia công thô và tinh trên hai máy. Vì khi gia công thô cần máy có công suất lớn, năng suất cao, không cần chính xác cao để đạt hiệu quả kinh tế (lấy phần lớn l−ợng d−); khi gia công tinh thì cần máy có độ chính xác cao để đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của chi tiết. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 3
5. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình 1.3.2- Gá Tr−ớc khi gia công, ta phải xác định vị trí t−ơng quan giữa chi tiết so với máy, dụng cụ cắt và tác dụng lên chi tiết một lực để chống lại sự xê dịch do lực cắt và các yếu tố khác gây ra khi gia công nhằm đảm bảo chính xác vị trí t−ơng quan đó. Quá trình này ta gọi là quá trình gá đặt chi tiết. Gá là một phần của nguyên công, đ−ợc hoàn thành trong một lần gá đặt chi tiết. Trong một nguyên công có thể có một hoặc nhiều lần gá. Ví dụ: Để tiện các mặt trụ bậc A, B, C ta thực hiện 2 lần gá: A B C - Lần gá 1: Gá lên 2 mũi chống tâm và truyền mômen quay bằng tốc để gia công các bề mặt C và B. - Lần gá 2: Đổi đầu để gia công bề mặt B (vì mặt này ch−a đ−ợc gia công ở lần gá tr−ớc do phải lắp với tốc). 1.3.3- Vị trí Vị trí là một phần của nguyên công, đ−ợc xác định bởi một vị trí t−ơng quan giữa chi tiết với máy hoặc giữa chi tiết với dụng cụ cắt. Một lần gá có thể có một hoặc nhiều vị trí. Ví dụ: Khi phay bánh răng bằng dao phay định hình, mỗi lần phay một răng, hoặc khoan một lỗ trên chi tiết có nhiều lỗ đ−ợc gọi là một vị trí (một lần gá có nhiều vị trí). Còn khi phay bánh răng bằng dao phay lăn răng, mỗi lần phay là một vị trí (nh−ng do tất cả các răng đều đ−ợc gia công nên lần gá này có một vị trí). 1.3.4- B−ớc B−ớc cũng là một phần của nguyên công khi thực hiện gia công một bề mặt (hoặc một tập hợp bề mặt) sử dụng một dụng cụ cắt (hoặc một bộ dụng cụ) với chế độ công nghệ (v, s, t) không đổi. Một nguyên công có thể có một hoặc nhiều b−ớc. Ví dụ: Cũng là gia công hai đoạn trục nh−ng nếu gia công đồng thời bằng hai dao là một b−ớc; còn gia công bằng một dao trên từng đoạn trục là hai b−ớc. * Khi có sự trùng b−ớc (nh− tiện bằng 3 dao cho 3 bề mặt cùng một lúc), thời gian gia công chỉ cần tính cho một bề mặt gia công có chiều dài lớn nhát. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 4
6. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình 1.3.5- Đ−ờng chuyển dao Đ−ờng chuyển dao là một phần của b−ớc để hớt đi một lớp vật liệu có cùng chế độ cắt và bằng cùng một dao. Mỗi b−ớc có thể có một hoặc nhiều đ−ờng chuyển dao. Ví dụ: Để tiện ngoài một mặt trụ có thể dùng cùng một chế độ cắt, cùng một dao để hớt làm nhiều lần; mỗi lần là một đ−ờng chuyển dao. 1.3.6- Động tác Động tác là một hành động của công nhân để điều khiển máy thực hiện việc gia công hoặc lắp ráp. Ví dụ: Bấm nút, quay ụ dao, đẩy ụ động Động tác là đơn vị nhỏ nhất của quá trình công nghệ. Việc phân chia thành động tác rất cần thiết để định mức thời gian, nghiên cứu năng suất lao động và tự động hóa nguyên công. 1.4- các dạng sản xuất và các hình thức tổ chức sản xuất Dạng sản xuất là một khái niệm cho ta hình dung về quy mô sản xuất một sản phẩm nào đó. Nó giúp cho việc định h−ớng hợp lý cách tổ chức kỹ thuật - công nghệ cũng nh− tổ chức toàn bộ quá trình sản xuất. Các yếu tố đặc tr−ng của dạng sản xuất: - Sản l−ợng. - Tính ổn định của sản phẩm. - Tính lặp lại của quá trình sản xuất. - Mức độ chuyên môn hóa trong sản xuất. Tùy theo các yếu tố trên mà ng−ời ta chia ra 3 dạng sản xuất: - Đơn chiếc - Hàng loạt - Hàng khối. 1.4.1- Dạng sản xuất đơn chiếc Dạng sản xuất đơn chiếc có đặc điểm là: - Sản l−ợng hàng năm ít, th−ờng từ một đến vài chục chiếc. - Sản phẩm không ổn định do chủng loại nhiều. - Chu kỳ chế tạo không đ−ợc xác định. Đối với dạng sản xuất này ta phải tổ chức kỹ thuật và công nghệ nh− sau: - Sử dụng các trang thiết bị, dụng cụ công nghệ vạn năng để đáp ứng tính đa dạng của sản phẩm. - Yêu cầu trình độ thợ cao, thực hiện đ−ợc nhiều công việc khác nhau. - Tài liệu h−ớng dẫn công nghệ chỉ là những nét cơ bản, th−ờng là d−ới dạng phiếu tiến trình công nghệ. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 5
7. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình 1.4.2- Dạng sản xuất hàng loạt Dạng sản xuất hàng loạt có đặc điểm là: - Sản l−ợng hàng năm không quá ít. - Sản phẩm t−ơng đối ổn định. - Chu kỳ chế tạo đ−ợc xác định. Tùy theo sản l−ợng và mức độ ổn định sản phẩm mà ta chia ra dạng sản xuất loạt nhỏ, loạt vừa, loạt lớn. Sản xuất loạt nhỏ rất gần và giống với sản xuất đơn chiếc, còn sản xuất loạt lớn rất gần và giống sản xuất hàng khối. 1.4.3- Dạng sản xuất hàng khối Dạng sản xuất hàng khối có đặc điểm là: - Sản l−ợng hàng năm rất lớn. - Sản phẩm rất ổn định. - Trình độ chuyên môn hóa sản xuất cao. Đối với dạng sản xuất này ta phải tổ chức kỹ thuật và công nghệ nh− sau: - Trang thiết bị, dụng cụ công nghệ th−ờng là chuyên dùng. - Quá trình công nghệ đ−ợc thiết kế và tính toán chính xác, ghi thành các tài liệu công nghệ có nội dung cụ thể và tỉ mỉ. - Trình độ thợ đứng máy không cần cao nh−ng đòi hỏi phải có thợ điều chỉnh máy giỏi. - Tổ chức sản xuất theo dây chuyền. Dạng sản xuất hàng khối cho phép áp dụng các ph−ơng pháp công nghệ tiên tiến, có điều kiện cơ khí hóa và tự động hóa sản xuất, tạo điều kiện tổ chức các đ−ờng dây gia công chuyên môn hóa. Các máy ở dạng sản xuất này th−ờng đ−ợc bố trí theo theo thứ tự nguyên công của quá trình công nghệ. Chú ý là việc phân chia thành ba dạng sản xuất nh− trên chỉ mang tính t−ơng đối. Trong thực tế, ng−ời ta còn chia các dạng sản xuất nh− sau: - Sản xuất đơn chiếc và loạt nhỏ. - Sản xuất hàng loạt. - Sản xuất loạt lớn và hàng khối. Ngoài ra, cần phải nắm vững các hình thức tổ chức sản xuất để sử dụng thích hợp cho các dạng sản xuất khác nhau. Trong quá trình chế tạo sản phẩm cơ khí th−ờng đ−ợc thực hiện theo hai hình thức tổ chức sản xuất là: sản xuất theo dây chuyền và không theo dây chuyền. 1-4-4. Hình thức tổ chức sản xuất 1 Hình thức sản xuất theo dây chuyền th−ờng đ−ợc áp dụng ở quy mô sản xuất hàng loạt lớn và hàng khối. Đặc điểm: - Máy đ−ợc bố trí theo thứ tự các nguyên công của quá trình công nghệ, nghĩa Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 6
8. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình là mỗi nguyên công đ−ợc hoàn thành tại một vị trí nhất định. - Số l−ợng chỗ làm việc và năng suất lao động tại một chỗ làm việc phải đ−ợc xác định hợp lý để đảm bảo tính đồng bộ về thời gian giữa các nguyên công trên cơ sở nhịp sản xuất của dây chuyền. Nhịp sản xuất là khoảng thời gian lặp lại chu kỳ gia công hoặc lắp ráp, nghĩa là trong khoảng thời gian này từng nguyên công của quá trình công nghệ đ−ợc thực hiện đồng bộ và sau khoảng thời gian ấy một đối t−ợng sản xuất đ−ợc hoàn thiện và đ−ợc chuyển ra khỏi dây chuyền sản xuất. 2 Hình thức sản xuất không theo dây chuyền th−ờng đ−ợc áp dụng ở quy mô sản xuất loạt nhỏ. Đặc điểm: - Các nguyên công của qúa trình công nghệ đ−ợc thực hiện không có sự ràng buộc lẫn nhau về thời gian và địa điểm. Máy đ−ợc bố trí theo kiểu, loại và không phụ thuộc vào thứ tự các nguyên công. - Năng suất và hiệu quả kinh tế thấp hơn hình thức sản xuất theo dây chuyền. Ngày nay, nhờ ứng dụng các thành tựu về điện tử, tin học, xử lý điện toán và kỹ thuật điều khiển tự động, công nghệ của quá trình sản xuất đ−ợc thực hiện bởi các máy đ−ợc điều khiển tự động nhờ máy tính điện tử, có khả năng lập trình đa dạng để thích nghi với sản phẩm mới. Dạng sản xuất nh− vậy đ−ợc gọi là sản xuất linh hoạt và cũng là dạng sản xuất đặc tr−ng và ngày càng phổ biến trong xã hội. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 7
9. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình Ch−ơng 2 Chất l−ợng bề mặt chi tiết máy Chất l−ợng sản phẩm trong ngành chế tạo máy bao gồm chất l−ợng chế tạo các chi tiết máy và chất l−ợng lắp ráp chúng thành sản phẩm hoàn chỉnh. Để đánh giá chất l−ợng chế tạo các chi tiết máy, ng−ời ta dùng 4 thông số cơ bản sau: - Độ chính xác về kích th−ớc của các bề mặt. - Độ chính xác về hình dạng của các bề mặt. - Độ chính xác về vị trí t−ơng quan giữa các bề mặt. - Chất l−ợng bề mặt. Ch−ơng này chúng ta nghiên cứu các yếu tố đặc tr−ng của chất l−ợng bề mặt, ảnh h−ởng của chất l−ợng bề mặt tới khả năng làm việc của chi tiết máy, các yếu tố ảnh h−ởng đến chất l−ợng bề mặt và các ph−ơng pháp đảm bảo chất l−ợng bề mặt trong quá trình chế tạo chi tiết máy. 2.1- các yếu tố đặc tr−ng cho chất l−ợng bề mặt Khả năng làm việc của chi tiết máy phụ thuộc rất nhiều vào chất l−ợng của lớp bề mặt. Chất l−ợng bề mặt là chỉ tiêu tập hợp nhiều tính chất quan trọng của lớp bề mặt: - Hình dạng lớp bề mặt (độ sóng, độ nhám ) - Trạng thái và tính chất cơ lý của lớp bề mặt (độ cứng, chiều sâu biến cứng, ứng suất d− ) - Phản ứng của lớp bề mặt đối với môi tr−ờng làm việc (tính chống mòn, khả năng chống xâm thực hóa học, độ bền mỏi ) 2.1.1- Tính chất hình học của bề mặt gia công Tính chất hình học của bề mặt gia công đ−ợc đánh giá bằng độ nhám bề mặt và độ sóng bề mặt. a) Độ nhám bề mặt (hình học tế vi, độ bóng) Trong quá trình cắt, l−ỡi cắt của dụng cụ cắt và sự hình thành phoi kim loại tạo ra những vết x−ớc cực nhỏ trên bề mặt gia công. Nh− vậy, bề mặt có độ nhám. Độ nhám của bề mặt gia công đ−ợc đo bằng chiều cao nhấp nhô Rz và sai lệch profin trung bình cộng Ra của lớp bề mặt. 1 Chiều cao nhấp nhô Rz : là trị số trung bình của tổng các giá trị tuyệt đối của chiều cao 5 đỉnh cao nhất và chiều sâu 5 đáy thấp nhất của profin tính trong phạm vi chiều dài chuẩn đo l. Trị số Rz đ−ợc xác định nh− sau: Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 8
10. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình (h + h + h )+ (h + h + h ) R = 1 3 9 2 4 10 z 5 y l Chiều dài chuẩn l là chiều dài của phần bề mặt Đ−ờng đỉnh Rmax đ−ợc chọn để đo độ nhám h y1 5 h10 h1 h3 h9 bề mặt, không tính đến h6 những dạng mấp mô khác h2 h4 yn có b−ớc lớn hơn l (sóng bề Đ−ờng đáy mặt chẳng hạn). Hình 2.1- Độ nhám bề mặt chi tiết. 2 Sai lệch profin trung bình cộng Ra: là trung bình số học các giá trị tuyệt đối của khoảng cách từ các điểm trên profin đến đ−ờng trung bình, đo theo ph−ơng pháp tuyến với đ−ờng trung bình. 1 1 1 n Ra = ∫ yx dx ≈ ∑ yi l 0 n i=1 Độ nhám bề mặt có ảnh h−ởng lớn đến chất l−ợng làm việc của chi tiết máy. Ví dụ: Đối với những chi tiết trong mối ghép động (ổ tr−ợt, sống dẫn, con tr−ợt ), bề mặt làm việc tr−ợt t−ơng đối với nhau nên khi nhám càng lớn càng khó đảm bảo hình thành màng dầu bôi trơn bề mặt tr−ợt. D−ới tác dụng của tải trọng, các đỉnh nhám tiếp xúc với nhau gây ra hiện t−ợng ma sát nửa −ớt, thậm chí cả ma sát khô, do đó giảm thấp hiệu suất làm vịêc, tăng nhiệt độ làm việc của mối ghép. Mặt khác, tại các đỉnh tiếp xúc, lực tập trung lớn, ứng suất lớn v−ợt quá ứng suất cho phép phát sinh biến dạng dẽo phá hỏng bề mặt tiếp xúc, làm bề mặt bị mòn nhanh, nhất là thời kỳ mòn ban đầu. Thời kỳ mòn ban đầu càng ngắn thì thời gian phục vụ của chi tiết càng giảm. Đối với các mối ghép có độ dôi lớn, khi ép hai chi tiết vào nhau để tạo mối ghép thì các nhấp nhô bị san phẳng, nhám càng lớn thì l−ợng san phẳng càng lớn, độ dôi của mối ghép càng giảm nhiều, làm giảm độ bền chắc của mối ghép. Nhám càng nhỏ thì bề mặt càng nhẵn, khả năng chống lại sự ăn mòn càng tốt: bề mặt càng nhẵn bóng thì càng lâu bị gỉ. Độ nhám bề mặt là cơ sở để đánh giá độ nhẵn bề mặt trong phạm vi chiều dài chuẩn rất ngắn l. Theo tiêu chuẩn Nhà n−ớc thì độ nhẵn bề mặt đ−ợc chia làm 14 cấp ứng với giá trị của Ra, Rz (cấp 14 là cấp nhẵn nhất, cấp 1 là cấp nhám nhất). Trong thực tế sản xuất, ng−ời ta đánh giá độ nhám bề mặt chi tiết máy theo các mức độ: thô (cấp 1 ữ 4), bán tinh (cấp 5 ữ 7), tinh (cấp 8 ữ 11), siêu tinh (cấp 12 ữ 14). Trong thực tế, th−ờng đánh giá nhám bề mặt bằng một trong hai chỉ tiêu trên. Việc chọn chỉ tiêu nào là tùy thuộc vào chất l−ợng yêu cầu và đặc tính kết cấu của bề mặt. Chỉ tiêu Ra đ−ợc sử dụng phổ biến nhất vì nó cho phép ta đánh giá chính xác hơn và thuận lợi hơn những bề mặt có yêu cầu nhám trung bình. Với những bề mặt quá Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 9
11. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình nhám hoặc quá bóng thì chỉ tiêu Rz lại cho ta khả năng đánh giá chính xác hơn là dùng chỉ tiêu Ra. Chỉ tiêu Rz còn đ−ợc sử dụng đối với những bề mặt không thể kiểm tra trực tiếp thông số Ra, nh− những bề mặt kích th−ớc nhỏ hoặc có profin phức tạp. b) Độ sóng bề mặt Độ sóng bề mặt là chu kỳ không bằng phẳng của bề mặt chi tiết máy đ−ợc quan sát trong phạm vi lớn hơn độ nhám bề mặt. Ng−ời ta dựa vào tỷ lệ gần đúng L giữa chiều cao nhấp nhô và b−ớc h l sóng để phân biệt độ nhám bề mặt H và độ sóng của bề mặt chi tiết máy. Độ nhám bề mặt ứng với tỷ lệ: l/h = 0 ữ 50 Hình 2.2- Tổng quát về độ nhám và độ sóng Độ sóng bề mặt ứng với tỷ lệ: bề mặt chi tiết máy L/H = 50 ữ 1000 trong đó, L: khoảng cách 2 đỉnh sóng. l: khoảng cách 2 đỉnh nhấp nhô tế vi. H là chiều cao của sóng. h: chiều cao nhấp nhô tế vi. 2.1.2- Tính chất cơ lý của bề mặt gia công a) Hiện t−ợng biến cứng của lớp bề mặt Trong quá trình gia công, tác dụng của lực cắt làm xô lệch mạng tinh thể lớp kim loại bề mặt và gây biến dạng dẻo ở vùng tr−ớc và vùng sau l−ỡi cắt. Phoi kim loại đ−ợc tạo ra do biến dạng dẻo của các hạt kim loại trong vùng tr−ợt. Giữa các hạt tinh thể kim loại xuất hiện ứng suất. Thể tích riêng tăng và mật độ kim loại giảm ở vùng cắt. Giới hạn bền, độ cứng, độ giòn của lớp bề mặt đ−ợc nâng cao; ng−ợc lại tính dẻo dai của lớp bề mặt lại giảm. Tính dẫn từ cũng nh− nhiều tính chất khác của lớp bề mặt cũng thay đổi. Kết quả tổng hợp là lớp bề mặt kim loại bị cứng nguội, chắc lại và có độ cứng tế vi cao. Có 2 chỉ tiêu để đánh giá độ biến cứng: - Độ cứng tế vi. - Chiều sâu của lớp biến cứng. Mức độ biến cứng và chiều sâu lớp biến cứng bề mặt phụ thuộc vào tác dụng của lực cắt, mức độ biến dạng dẻo của kim loại và ảnh h−ởng nhiệt trong vùng cắt. Lực cắt (c−ờng độ, thời gian tác dụng) tăng làm cho mức độ biến dạng dẻo của vật liệu tăng; qua đó làm tăng mức độ biến cứng và chiều sâu lớp biến cứng bề mặt. Nhiệt sinh ra ở vùng cắt (nhiệt độ, thời gian tác dụng) sẽ hạn chế hiện t−ợng biến cứng bề mặt. b) ứng suất d− trong lớp bề mặt Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 10
12. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình Nguyên nhân gây ra ứng suất d− trong lớp bề mặt chi tiết máy: sâu xa nhất vẫn là do biến dạng dẻo. - Khi cắt một lớp mỏng vật liệu, tr−ờng lực xuất hiện gây ra biến dạng dẻo không đều ở từng khu vực trong lớp bề mặt. Khi tr−ờng lực mất đi, biến dạng dẻo không đồng đều này sẽ gây ra ứng suất d− trong lớp bề mặt. - Biến dạng dẻo sinh ra khi cắt làm chắc lớp vật liệu bề mặt, làm tăng thể tích riêng của lớp kim loại mỏng ở ngoài cùng. Lớp kim loại ở bên trong do không bị biến dạng dẻo nên vẫn giữ thể tích riêng bình th−ờng. Lớp kim loại ngoài cùng có xu h−ớng tăng thể tích, gây ra ứng suất d− nén; vì có liên hệ với nhau nên lớp kim loại bên trong phải sinh ra ứng suất d− kéo để cân bằng. - Nhiệt sinh ra ở vùng cắt có tác dụng nung nóng cục bộ các lớp mỏng bề mặt làm giảm môđun đàn hồi của vật liệu, có khi làm giảm tới trị số nhỏ nhất. Sau khi cắt, lớp vật liệu bề mặt ở vùng cắt bị nguội nhanh co lại, sinh ra ứng suất d− kéo; để cân bằng thì lớp kim loại bên trong phải sinh ra ứng suất d− nén. - Kim loại bị chuyển pha trong quá trình cắt và nhiệt sinh ra ở vùng cắt làm thay đổi cấu trúc vật liệu, dẫn đến sự thay đổi về thể tích kim loại. Lớp kim loại nào hình thành cấu trúc có thể tích riêng lớn sẽ sinh ra ứng suất d− nén; lớp kim loại có cấu trúc với thể tích riêng bé phải sinh ra ứng suất d− kéo để cân bằng. c) Ph−ơng pháp xác định chất l−ợng bề mặt Trong thực tế có nhiều ph−ơng pháp xác định chất l−ợng bề mặt chi tiết máy. Sau đây là một số ph−ơng pháp chính: 1 Đo độ nhám bề mặt: - Dùng mũi dò: để đo các bề mặt có độ nhám lớn. - Dùng máy đo quang học: dùng khi độ nhám nhỏ. - Dùng chất dẻo đắp lên chi tiết, đo độ nhám thông qua bề mặt chất dẻo đó: dùng khi đo độ nhám các bề mặt lỗ. - Xác định độ nhám bằng cách so sánh (bằng mắt) vật cần đo với mẫu có sẵn. 2 Đo ứng suất d−: - Dùng tia Rơnghen: chiếu tia rồi khảo sát phân tích biểu đồ Rơnghen. - Dùng cấu trúc điện tử: 3 Đo biến cứng: - Độ cứng: dùng máy đo độ cứng. - Chiều sâu biến cứng: cắt mẫu, đem mài bóng rồi cho xâm thực hóa học để nghiên cứu cấu trúc lớp bề mặt. 2.2- ảnh h−ởng của chất l−ợng bề mặt tới khả năng làm việc của chi tiết máy Khả năng làm việc của chi tiết máy đ−ợc quyết định bởi: tính chống mòn, độ bền mỏi, tính chống ăn mòn hóa học, độ chính xác các mối lắp ghép. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 11
13. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình Chất l−ợng bề mặt ảnh h−ởng đáng kể đến khả năng làm việc của chi tiết máy. Có thể kể ra các yếu tố bị ảnh h−ởng bởi chất l−ợng bề mặt nh−: Hệ số ma sát, tính chống mòn, độ cứng vững tiếp xúc, tính dẫn điện, dẫn nhiệt, độ bền mỏi, độ bền va đập, tính chống ăn mòn Sau đây ta nói đến các ảnh h−ởng th−ờng gặp: 2.2.1- ảnh h−ởng đến tính chống mòn a) ảnh h−ởng đến độ nhám bề mặt Do bề mặt hai chi tiết tiếp xúc nhau có nhấp nhô tế vi nên trong giai đoạn đầu của quá trình làm việc, hai bề mặt này chỉ tiếp xúc nhau ở một số đỉnh cao nhấp nhô; diện tích tiếp xúc thực chỉ bằng một phần của diện tích tính toán. Tại các đỉnh tiếp xúc đó, áp suất rất lớn, th−ờng v−ợt quá giới hạn chảy, có khi v−ợt quá cả giới hạn bền của vật liệu. áp suất đó làm cho các điểm tiếp xúc bị nén đàn hồi và làm biến dạng dẻo các nhấp nhô, đó là biến dạng tiếp xúc. Khi hai bề mặt có chuyển động t−ơng đối với nhau Hình 2.3- Mô hình 2 bề mặt tiếp xúc sẽ xảy ra hiện t−ợng tr−ợt dẻo ở các đỉnh nhấp nhô; các đỉnh nhấp nhô bị mòn nhanh làm khe hở lắp ghép tăng lên. Đó là hiện t−ợng mòn ban đầu. Trong điều kiện làm việc nhẹ và vừa, mòn ban đầu có thể làm cho chiều cao nhấp nhô giảm 65 ữ 75%; lúc đó diện tích tiếp xúc thực tăng lên và áp suất tiếp xúc giảm đi. Sau giai đoạn mòn ban đầu (chạy rà) này, quá trình mài mòn trở nên bình th−ờng và chậm, đó là giai đoạn mòn bình th−ờng (giai đoạn này, chi tiết máy làm việc tốt nhất). Cuối cùng là giai đoạn mòn kịch liệt, khi đó bề mặt tiếp xúc bị tróc ra, nghĩa là cấu trúc bề mặt chi tiết máy bị phá hỏng. Mối quan hệ giữa l−ợng mòn và thời gian sử dụng của một cặp chi tiết ma sát với nhau tùy theo độ nhám bề mặt ban đầu đ−ợc biểu thị nh− sau: Độ mòn c b a [u] t t t T T T 0 3 2 1 3 2 1 Hình 2.4- Quá trình mài mòn của một cặp chi tiết. Các đ−ờng đặc tr−ng a, b, c ứng với ba độ nhám ban đầu khác nhau của các bề mặt tiếp xúc. Đ−ờng đặc tr−ng c, cặp chi tiết có độ nhẵn bóng bề mặt ban đầu kém nhất nên giai đoạn mòn ban đầu xảy ra nhanh nhất, c−ờng độ mòn lớn nhất ở giai Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 12
14. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình đoạn mòn ban đầu. Thực nghiệm chứng tỏ rằng, nếu giảm hoặc tăng độ nhám tới trị số tối −u, ứng với điều kiện làm việc của chi tiết máy thì sẽ đạt đ−ợc l−ợng mòn ban đầu ít nhất, qua đó, kéo dài tuổi thọ của chi tiết máy. Độ mòn (Đ−ờng 1 ứng với điều kiện ban đầu u làm việc nhẹ. Đ−ờng 2 ứng với 2 điều kiện làm việc nặng). L−ợng mòn ban đầu ít nhất ứng với giá trị của Ra tại các điểm u2 Ra1, Ra2; đó là giá trị tối −u của Ra. Nếu giá trị của Ra nhỏ hơn trị 1 số tối −u Ra1, Ra2 thì sẽ bị mòn u1 kịch liệt vì các phấn tử kim loại dễ khuếch tán. Ng−ợc lại, giá trị 0 Ra1 Ra2 Ra của Ra lớn hơn trị số tối −u Ra1, Hình 2.5- Quan hệ giữa l−ợng mòn ban đầu u Ra2 thì l−ợng mòn tăng lên vì các và sai lệch profin trung bình cộng Ra nhấp nhô bị phá vỡ và cắt đứt. b) ảnh h−ởng của lớp biến cứng bề mặt Lớp biến cứng bề mặt của chi tiết máy có tác dụng nâng cao tính chống mòn. Biến cứng bề mặt làm hạn chế sự khuếch tán ôxy trong không khí vào bề mặt chi tiết máy để tạo thành các ôxyt kim loại gây ra ăn mòn kim loại. Ngoài ra, biến cứng còn hạn chế quá trình biến dạng dẻo toàn phần của chi tiết máy, qua đó hạn chế hiện t−ợng chảy và hiện t−ợng mài mòn. Ngoài ph−ơng pháp gia công cắt gọt, ng−ời ta dùng các ph−ơng pháp gia công biến dạng dẻo để biến cứng bề mặt: phun bi, lăn bi, nong ép c) ảnh h−ởng của ứng suất d− trong lớp bề mặt ứng suất d− ở lớp bề mặt chi tiết máy nói chung không có ảnh h−ởng đáng kể tới tính chống mòn nếu chi tiết máy làm việc trong điều kiện ma sát bình th−ờng. 2.2.2- ảnh h−ởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy a) ảnh h−ởng của độ nhám bề mặt Độ nhám bề mặt có ảnh h−ởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy, nhất là khi chi tiết máy chịu tải trọng chu kỳ có đổi dấu, tải trọng va đập vì ở đáy các nhấp nhô tế vi có ứng suất tập trung lớn, ứng suất này sẽ gây ra các vết nứt tế vi và phát triển ở đáy các nhấp nhô, đó là nguồn gốc phá hỏng chi tiết máy do mõi. Nếu độ nhám thấp thì độ bền, giới hạn mỏi của vật liệu sẽ cao, và ng−ợc lại. b) ảnh h−ởng của lớp biến cứng bề mặt Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 13
15. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình Bề mặt bị biến cứng có thể làm tăng độ bền mỏi khoảng 20%. Chiều sâu và mức độ biến cứng của lớp bề mặt đều có ảnh h−ởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy; cụ thể là hạn chế khả năng gây ra các vết nứt tế vi làm phá hỏng chi tiết, nhất là khi bề mặt chi tiết có ứng suất nén. c) ảnh h−ởng của ứng suất d− trong lớp bề mặt ứng suất d− nén trên lớp bề mặt có tác dụng nâng cao độ bền mỏi, còn ứng suất d− kéo lại hạ thấp độ bền mỏi của chi tiết máy. Vì thế, khi chế tạo ng−ời ta cố gắng làm cho chi tiết có đ−ợc ứng suất nén trên bề mặt. Bằng thực nghiệm ta có công thức: −1 −1 0 σtt = σbd − α.σ -1 trong đó: σtt : giới hạn mỏi khi có ứng suất d− (thực tế). -1 σbd : giới hạn mỏi khi không có ứng suất d− (ban đầu). σ0: ứng suất d− lớn nhất, d−ơng nếu ứng suất kéo, âm nếu ứng suất nén. α: là hệ số phụ thuộc vật liệu, đ−ợc cho trong các sổ tay. 2.2.3- ảnh h−ởng tới tính chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt chi tiết máy a) ảnh h−ởng của độ nhám bề mặt Các chỗ lõm trên bề mặt do độ nhám tạo ra là nơi chứa các tạp chất nh− axit, muối Các tạp chất này có tác dụng ăn mòn hóa học đối với kim loại. Quá trình ăn mòn hóa học trên lớp bề mặt chi tiết theo s−ờn của nhấp nhô và hình thành các nhấp nhô mới Nh− vậy, bề mặt chi tiết máy càng ít nhám thì sẽ càng ít bị ăn mòn hóa học (vì khả năng chứa các tạp chất ít), bán kính đáy các nhấp nhô càng lớn khả năng chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt càng cao. Có thể chống ăn mòn hóa học bằng cách phủ lên bề mặt chi tiết máy một lớp bảo vệ bằng ph−ơng pháp mạ hoặc bằng ph−ơng pháp cơ khí làm chắc lớp bề mặt. b) ảnh h−ởng của lớp biến cứng bề mặt Biến cứng tăng thì tính chống ăn mòn giảm vì biến cứng tăng thì sự thay đổi của các hạt không đồng đều. Hạt ferrit biến dạng nhiều hơn hạt peclit, điều đó làm cho năng l−ợng nâng cao không đều và thế năng điện tích của các hạt thay đổi khác nhau. Hạt ferrit biến cứng nhiều hơn sẽ trở thành anốt. Hạt peclit bị biến cứng ít hơn sẽ trở thành catốt. Lúc này, tạo ra các pin ăn mòn nên ăn mòn sẽ tăng. c) ảnh h−ởng của ứng suất d− trong lớp bề mặt ứng suất d− hầu nh− không ảnh h−ởng đến tính chống mòn khi làm việc ở nhiệt độ bình th−ờng. Còn ở nhiệt độ cao thì sẽ có ảnh h−ởng. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 14
16. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình 2.2.4- ảnh h−ởng đến độ chính xác các mối lắp ghép Trong giai đoạn mòn ban đầu, chiều cao nhấp nhô tế vi Rz, đối với mối ghép lỏng có thể giảm đi 65 ữ 75% làm khe hở lắp ghép tăng lên và độ chính xác lắp ghép giảm đi. Để đảm bảo độ ổn định của mối lắp lỏng trong thời gian sử dụng, phải giảm độ nhấp nhô tế vi. Giá trị Rz hợp lý đ−ợc xác định theo độ chính xác của mối lắp tùy theo trị số của dung sai kích th−ớc lắp ghép. - Nếu đ−ờng kính lắp ghép φ > 50mm thì Rz = (0.1 ữ 0.15)T - Nếu đ−ờng kính lắp ghép 18 0.15 mm/vg thì R = z 8.r Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 15
17. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình 2 S h min ⎛ r. h min ⎞ - Khi S 20 àm. - Khi S quá nhỏ (< 0,03 mm/vg) thì trị số của Rz lại tăng, tức là khi gia công tinh với S quá nhỏ sẽ không có ý nghĩa đối với việc cải thiện chất l−ợng bề mặt chi tiết vì xẩy ra hiện t−ợng tr−ợt mà không tạo thành phoi. Chiều sâu cắt t cũng có ảnh h−ởng t−ơng tự nh− l−ợng chạy dao đối với chiều cao nhấp nhô tế vi, nếu bỏ qua độ đảo của trục chính máy. Các thông số hình học của l−ỡi cắt, đặc biệt là góc tr−ớc γ và độ mòn có ảnh h−ởng đến Rz. Khi góc γ tăng thì Rz giảm, độ mòn dụng cụ tăng thì Rz tăng. Ngoài ảnh h−ởng đến nhám bề mặt, hình dáng hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt cũng ảnh h−ởng đến lớp biến cứng bề mặt và đ−ợc tính đến qua hệ số hiệu chỉnh. Ví dụ: Xét sự ảnh h−ởng của hình dạng hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt đến chất l−ợng bề mặt chi tiết khi tiện. S1 m S2 ϕ R’z R’’z ϕ ϕ ϕ1 1 2 1 2 1 a) b) S1 S1 Rz Rz ϕ ϕ r ϕ 1 1 2 1 2 1 c) d) S1 S1 t Rz Rz ϕ r2 ϕ1 2 1 e) 2 f) 1 Hình 2.6- ảnh h−ởng của hình dáng hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi tiện Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 16
18. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình Sau một vòng quay của phôi, dao tiện sẽ dịch chuyển một đoạn là S1 từ vị trí 1 đến vị trí 2 (hình 2.6a). Trên bề mặt gia công sẽ bị chừa lại phần kim loại m không đ−ợc hớt đi bởi dao. Chiều cao nhấp nhô Rz xác định bởi S1 và hình dạng hình học của dao cắt. Nếu giảm l−ợng chạy dao thì chiều cao nhấp nhô cũng giảm (hình 2.6b). Thay đổi giá trị góc ϕ và ϕ1 không những làm thay đổi chiều cao nhấp nhô mà còn làm thay đổi cả hình dạng nhấp nhô (hình 2.6c). Nếu bán kính mũi dao có dạng tròn r1 thì nhấp nhô cũng có đáy lõm tròn (hình 2.6d). Nếu tăng bán kính mũi dao lên r2 thì chiều cao nhấp nhô Rz sẽ giảm (hình 2.6e). Khi bán kính đỉnh r nhỏ và l−ợng chạy dao S lớn, ngoài phần cong của l−ỡi cắt, phần thẳng cũng tham gia vào việc ảnh h−ởng đến hình dạng và chiều cao nhấp nhô (hình 2.6f) b) Các yếu tố phụ thuộc biến dạng dẻo của lớp bề mặt Khi gia công vật liệu dẻo, bề mặt ngoài sẽ biến dạng rất nhiều làm cho cấu trúc của nó thay đổi. Khi đó, hình dạng hình học và độ nhấp nhô đều thay đổi. Khi gia công vật liệu giòn, có một số phần nhỏ lại phá vỡ, làm tăng độ nhấp nhô bề mặt. 1 Tốc độ cắt V là yếu tố cơ bản nhất, ảnh h−ởng tới sự phát triển của biến dạng dẻo khi tiện: - Khi cắt thép Cacbon ở vận tốc thấp, nhiệt cắt không cao, phoi kim loại tách dễ, biến dạng của lớp bề mặt không nhiều, vì vậy độ nhám bề mặt thấp. Khi tăng vận tốc cắt đến khoảng V = 20 ữ 40 m/ph thì nhiệt cắt, lực cắt đều tăng và có giá trị lớn, gây ra biến dạng dẻo mạnh, ở mặt tr−ớc và mặt sau dao kim loại bị chảy dẻo. Khi lớp kim loại bị nén chặt ở mặt tr−ớc dao và nhiệt độ cao làm tăng hệ số ma sát ở vùng cắt sẽ hình thành lẹo dao. Lẹo dao làm tăng độ nhám bề mặt gia công. Nếu tiếp tục tăng vận tốc cắt, lẹo dao bị nung nóng nhanh hơn, vùng kim loại biến dạng bị phá hủy, lực dính của lẹo dao không thắng nổi lực ma sát của dòng phoi và lẹo dao bị cuốn đi (lẹo dao biến mất khi vận tốc cắt khoảng V = 30 ữ 60 m/ph). Với vận tốc cắt V > 60 m/ph thì lẹo dao không hình thành đ−ợc nên độ nhám bề mặt gia công giảm, độ nhẵn tăng. Rz a b V(m/ph) 0 20 100 200 Hình 2.7- ảnh h−ởng của vận tốc cắt đến độ nhấp nhô tế vi Rz - Khi gia công kim loại giòn (gang), các mảnh kim loại bị tr−ợt và vỡ ra không có thứ tự làm tăng độ nhấp nhô tế vi bề mặt. Tăng vận tốc cắt sẽ giảm đ−ợc hiện t−ợng Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 17
19. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình vỡ vụn của kim loại, làm tăng độ nhẵn bóng của bề mặt gia công. 2 L−ợng chạy dao S là thành phần thứ hai của chế độ cắt ảnh h−ởng nhiều Rz C đến chiều cao nhấp nhô Rz. Điều đó không những do liên quan về hình học của dao mà B còn do biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi A của lớp bề mặt. Khi gia công thép Carbon, với giá trị V(m/ph) l−ợng chạy dao S = 0,02 ữ 0,15 mm/vg thì bề 0 0,02 0,15 mặt gia công có độ nhấp nhô tế vi thấp nhất. Hình 2.8- ảnh h−ởng của l−ợng chạy Nếu giảm S 0,15 mm/vg thì biến dạng đàn hồi sẽ ảnh h−ởng đến sự hình thành các nhấp nhô tế vi, kết hợp với ảnh h−ởng của các yếu tố hình học làm cho độ nhám bề mặt tăng lên nhiều. Nh− vậy, để đảm bảo đạt độ nhẵn bóng bề mặt và năng suất cao nên chọn giá trị l−ợng chạy dao S = 0,05 ữ 0,12 mm/vg đối với thép Carbon. 3 Chiều sâu cắt t cũng có ảnh h−ởng t−ơng tự nh− l−ợng chạy dao S đến độ nhám bề mặt gia công, nh−ng trong thực tế, ng−ời ta th−ờng bỏ qua ảnh h−ởng này. Vì vậy, trong quá trình gia công ng−ời ta chọn tr−ớc chiều sâu cắt t. Nói chung, không nên chọn giá trị chiều sâu cắt quá nhỏ vì khi đó l−ỡi cắt sẽ bị tr−ợt và cắt không liên tục. Giá trị chiều sâu cắt t ≥ 0,02 ữ 0,03 (mm). 4 Tính chất vật liệu cũng có ảnh h−ởng đến độ nhám bề mặt chủ yếu là do khả năng biến dạng dẻo. Vật liệu dẻo và dai (thép ít Cacbon) dễ biến dạng dẻo sẽ cho độ nhám bề mặt lớn hơn vật liệu cứng và giòn. Khi gia công thép Carbon, để đạt độ nhám bề mặt thấp, ng−ời ta th−ờng tiến hành th−ờng hóa ở nhiệt độ 850 ữ 8700C (hoặc tôi thấp) tr−ớc khi gia công. Để cải thiện điều kiện cắt và nâng cao tuổi thọ dụng cụ cắt ng−ời ta th−ờng tiến hành ủ ở 9000C trong 5 giờ để cấu trúc kim loại có hạt nhỏ và đồng đều. c) ảnh h−ởng do rung động của hệ thống công nghệ đến chất l−ợng bề mặt Quá trình rung động trong hệ thống công nghệ tạo ra chuyển động t−ơng 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. Sai lệch của các bộ phận máy làm cho chuyển động của máy không ổn định, hệ thống công nghệ sẽ có dao động c−ỡng bức, nghĩa là các bộ phận máy khi làm việc sẽ có rung động với những tần số khác nhau, gây ra sóng dọc và sóng ngang trên bề mặt gia công với b−ớc sóng khác nhau. Khi hệ thống công nghệ có rung động, độ sóng và độ nhấp nhô tế vi dọc sẽ tăng nếu lực cắt tăng, chiều sâu cắt lớn và tốc độ cắt cao. Tình trạng máy có ảnh h−ởng quyết định đến độ nhám của bề mặt gia công. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 18
20. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình Muốn đạt độ nhám bề mặt gia công thấp, tr−ớc hết phải đảm bảo đủ cứng vững, phải điều chỉnh máy tốt và giảm ảnh h−ởng của các máy khác xung quanh. 2.3.2- ảnh h−ởng đến độ biến cứng bề mặt Khi tăng lực cắt, nhiệt cắt và mức độ biến dạng dẻo thì mức độ biến cứng bề mặt tăng. Nếu kéo dài tác dụng của lực cắt, nhiệt cắt trên bề mặt kim loại sẽ làm tăng chiều sâu lớp biến cứng bề mặt. Nếu góc tr−ớc γ tăng từ giá trị âm đến giá trị d−ơng thì mức độ và chiều sâu biến cứng bề mặt chi tiết giảm. Vận tốc cắt tăng làm giảm thời gian tác động của lực gây ra biến dạng kim loại, do đó làm giảm chiều sâu biến cứng và mức độ biến cứng bề mặt. Qua thực nghiệm, ng−ời ta có kết luận: - V 20 m/ph: chiều sâu lớp biến cứng giảm theo giá trị của l−ợng chạy dao Ngoài ra, biến cứng bề mặt cũng tăng nếu dụng cụ cắt bị mòn, bị cùn. 2.3.3- ảnh h−ởng đến ứng suất d− bề mặt Quá trình hình thành ứng suất d− bề mặt khi gia công phụ thuộc vào sự biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, biến đổi nhiệt và hiện t−ợng chuyển pha trong cấu trúc kim loại. Quá trình này rất phức tạp. * Đối với dụng cụ hạt mài: Các chi tiết gia công bằng hạt mài tự do (mài nghiền) th−ờng có ứng suất d− kéo, còn nếu mài bằng đai mài hoặc đá mài thì có ứng suất d− nén. * Đối với dụng cụ có l−ỡi cắt: Ta xét quá trình bào: y Lực cắt R đ−ợc phân γ thành lực pháp tuyến N và lực tiếp tuyến P. v δ Lực cắt R làm cho lớp bề r mặt gia công bị biến dạng n θ dẻo và biến dạng đàn hồi. z α Lực pháp tuyến N gây ra p ρ ứng suất nén. Lực tiếp tuyến P gây ra ứng suất cắt (tr−ợt và kéo). Hình 2.9- Quan hệ giữa lực và góc khi bào Nh− vậy, điều kiện để tạo ra ứng suất nén (ứng suất nén có lợi cho độ bền mỏi của chi tiết máy) trên bề mặt gia công sẽ là: P à.N > P ⇒ à > = cot gθ = cot g(ρ + δ − 900 ) = cot g()ρ − γ N với: à là hệ số poatxông. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 19
21. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình ρ là góc ma sát giữa dao và bề mặt gia công. δ là góc cắt của dao. ở đây, nếu à = (1 ữ 0.5) thì: (1 ữ 0.5) > cotg(ρ - γ) nghĩa là: (450 ữ 720) 0), mà chỉ đạt đ−ợc ứng suất d− nén nếu góc tr−ớc γ có giá trị âm (γ < 0). Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 20
22. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình Ch−ơng 3 độ chính xác gia công 3.1- khái niệm và định nghĩa Độ chính xác gia công của chi tiết máy là mức độ giống nhau về hình học, về tính chất cơ lý lớp bề mặt của chi tiết máy đ−ợc gia công so với chi tiết máy lý t−ởng trên bản vẽ thiết kế. Nói chung, độ chính xác của chi tiết máy đ−ợc gia công là chỉ tiêu khó đạt và gây tốn kém nhất kể cả trong quá trình xác lập ra nó cũng nh− trong quá trình chế tạo. Trong thực tế, không thể chế tạo đ−ợc chi tiết máy tuyệt đối chính xác, nghĩa là hoàn toàn phù hợp về mặt hình học, kích th−ớc cũng nh− tính chất cơ lý với các giá trị ghi trong bản vẽ thiết kế. Giá trị sai lệch giữa chi tiết gia công và chi tiết thiết kế đ−ợc dùng để đánh giá độ chính xác gia công. * Các chỉ tiêu đánh giá độ chính xác gia công: - Độ chính xác kích th−ớc: đ−ợc đánh giá bằng sai số kích th−ớc thật so với kích th−ớc lý t−ởng cần có và đ−ợc thể hiện bằng dung sai của kích th−ớc đó. - Độ chính xác hình dáng hình học: là mức độ phù hợp lớn nhất của chúng với hình dạng hình học lý t−ởng của nó và đ−ợc đánh giá bằng độ côn, độ ôvan, độ không trụ, độ không tròn (bề mặt trụ), độ phẳng, độ thẳng (bề mặt phẳng). - Độ chính xác vị trí t−ơng quan: đ−ợc đánh giá theo sai số về góc xoay hoặc sự dịch chuyển giữa vị trí bề mặt này với bề mặt kia (dùng làm mặt chuẩn) trong hai mặt phẳng tọa độ vuông góc với nhau và đ−ợc ghi thành điều kiện kỹ thuật riêng trên bản vẽ thiết kế nh− độ song song, độ vuông góc, độ đồng tâm, độ đối xứng - Độ chính xác hình dáng hình học tế vi và tính chất cơ lý lớp bề mặt: độ nhám bề mặt, độ cứng bề mặt Khi gia công một loạt chi tiết trong cùng một điều kiện, mặc dù những nguyên nhân sinh ra từng sai số của mỗi chi tiết là giống nhau nh−ng xuất hiện giá trị sai số tổng cộng trên từng chi tiết lại khác nhau. Sở dĩ có hiện t−ợng nh− vậy là do tính chất khác nhau của các sai số thành phần. Một số sai số xuất hiện trên từng chi tiết của cả loạt đều có giá trị không đổi hoặc thay đổi nh−ng theo một quy định nhất định, những sai số này gọi là sai số hệ thống không đổi hoặc sai số hệ thống thay đổi. Có một sai số khác mà giá trị của chúng xuất hiện trên mỗi chi tiết không theo một quy luật nào cả, những sai số này gọi là sai số ngẫu nhiên. 3.2- các ph−ơng pháp đạt độ chính xác gia công trên máy Đối với các dạng sản xuất khác nhau thì sẽ có ph−ơng h−ớng công nghệ và tổ chức sản xuất khác nhau. Để đạt đ−ợc độ chính xác gia công theo yêu cầu ta th−ờng dùng hai ph−ơng pháp sau: Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 20
23. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình 3.2.1- Ph−ơng pháp cắt thử từng kích th−ớc riêng biệt Sau khi gá chi tiết lên máy, cho máy cắt đi một lớp phoi trên một phần rất ngắn của mặt cần gia công, sau đó dừng máy, đo thử kích th−ớc vừa gia công. Nếu ch−a đạt kích th−ớc yêu cầu thì điều chỉnh dao ăn sâu thêm nữa dựa vào du xích trên máy, rồi lại cắt thử tiếp một phần nhỏ của mặt cần gia công, lại đo thử v.v và cứ thế tiếp tục cho đến khi đạt đến kích th−ớc yêu cầu thì mới tiến hành cắt toàn bộ chiều dài của mặt gia công. Khi gia công chi tiết tiếp theo thì lại làm nh− quá trình nói trên. Tr−ớc khi cắt thử th−ờng phải lấy dấu để ng−ời thợ có thể rà chuyển động của l−ỡi cắt trùng với dấu đã vạch và tránh sinh ra phế phẩm do quá tay mà dao ăn vào quá sâu ngay lần cắt đầu tiên. * Ưu điểm: - Trên máy không chính xác vẫn có thể đạt đ−ợc độ chính xác nhờ tay nghề công nhân. - Có thể loại trừ đ−ợc ảnh h−ởng của dao mòn đến độ chính xác gia công, vì khi rà gá, ng−ời công nhân đã bù lại các sai số hệ thống thay đổi trên từng chi tiết. - Đối với phôi không chính xác, ng−ời thợ có thể phân bố l−ợng d− đều đặn nhờ vào quá trình vạch dấu hoặc rà trực tiếp. - Không cần đến đồ gá phức tạp. * Khuyết điểm: - Độ chính xác gia công của ph−ơng pháp này bị giới hạn bởi bề dày lớp phoi bé nhất có thể cắt đ−ợc. Với dao tiện hợp kim cứng mài bóng l−ỡi cắt, bề dày bé nhất cắt đ−ợc khoảng 0,005 mm. Với dao đã mòn, bề dày bé nhất khoảng 0,02 ữ 0,05 mm. Ng−ời thợ không thể nào điều chỉnh đ−ợc dụng cụ để l−ỡi cắt hớt đi một kích th−ớc bé hơn chiều dày của lớp phoi nói trên và do đó không thể bảo đảm đ−ợc sai số bé hơn chiều dày lớp phoi đó. - Ng−ời thợ phải tập trung khi gia công nên dễ mệt, do đó dễ sinh ra phế phẩm. - Do phải cắt thử nhiều lần nên năng suất thấp. - Trình độ tay nghề của ng−ời thợ yêu cầu cao. - Do năng suất thấp, tay nghề của thợ yêu cầu cao nên giá thành gia công cao. Ph−ơng pháp này th−ờng chỉ dùng trong sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ, trong công nghệ sửa chữa, chế thử. Ngoài ra, khi gia công tinh nh− mài vẫn dùng ph−ơng pháp cắt thử ngay trong sản xuất hàng loạt để loại trừ ảnh h−ởng do mòn đá mài. 3.2.2- Ph−ơng pháp tự động đạt kích th−ớc Trong sản xuất hàng loạt lớn, hàng khối, để đạt độ chính xác gia công yêu cầu, chủ yếu là dùng ph−ơng pháp tự động đạt kích th−ớc trên các máy công cụ đã đ−ợc điều chỉnh sẵn. ở ph−ơng pháp này, dụng cụ cắt có vị trí chính xác so với chi tiết gia công. Hay nói cách khác, chi tiết gia công cũng phải có vị trí xác định so với dụng cụ cắt, vị trí này đ−ợc đảm bảo nhờ các cơ cấu định vị của đồ gá, còn đồ gá lại có vị trí xác định Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 21
24. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình trên bàn máy cũng nhờ các đồ định vị riêng. Khi gia công theo ph−ơng pháp này, máy và dao đã đ−ợc điều chỉnh sẵn. Chi tiết gia công đ−ợc định vị nhờ cơ cấu định vị tiếp xúc với mặt đáy và mặt b bên. Dao phay đĩa ba mặt đã đ−ợc điều chỉnh tr−ớc sao cho mặt bên trái của dao K = const cách mặt bên của đồ định vị một khoảng 2 cách b cố định và đ−ờng sinh thấp nhất của dao cách mặt trên của phiến định vị phía a d−ới một khoảng bằng a. Do vậy, khi gia công cả loạt phôi, nếu không kể đến độ Hình 3.1- Ph−ơng pháp tự động đạt kích th−ớc trên máy phay. mòn của dao (coi nh− dao không mòn) thì các kích th−ớc a và b nhận đ−ợc trên chi tiết gia công của cả loạt đều bằng nhau. * Ưu điểm: - Đảm bảo độ chính xác gia công, giảm bớt phế phẩm. Độ chính xác đạt đ−ợc khi gia công hầu nh− không phụ thuộc vào trình độ tay nghề công nhân đứng máy và chiều dày lớp phoi bé nhất có thể cắt đ−ợc bởi vì l−ợng d− gia công theo ph−ơng pháp này sẽ lớn hơn bề dày lớp phoi bé nhất có thể cắt đ−ợc. (Không cần công nhân có tay nghề cao nh−ng cần thợ điều chỉnh máy giỏi). - Chỉ cần cắt một lần là đạt kích th−ớc yêu cầu, do đó năng suất cao. - Nâng cao hiệu quả kinh tế. * Khuyết điểm: (nếu quy mô sản xuất quá bé) - Phí tổn về việc thiết kế, chế tạo đồ gá cũng nh− phí tổn về công, thời gian điều chỉnh máy và dao lớn có thể v−ợt quá hiệu quả mà ph−ơng pháp này mang lại. - Phí tổn về việc chế tạo phôi chính xác không bù lại đ−ợc nếu số chi tiết gia công quá ít khi tự động đạt kích th−ớc ở nguyên công đầu tiên. - Nếu chất l−ợng dụng cụ kém, mau mòn thì kích th−ớc đã điều chỉnh sẽ bị phá vỡ nhanh chóng. Do đó lại phải điều chỉnh để khôi phục lại kích th−ớc điều chỉnh ban đầu. Điều này gây tốn kém và khá phiền phức. 3.3- các nguyên nhân sinh ra sai số gia công Trong quá trình gia công, có rất nhiều nguyên nhân sinh ra sai số gia công. Sai số gia công gồm có sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. Sai số xuất hiện trên từng chi tiết của cả loạt đều có giá trị không đổi gọi là sai số hệ thống không đổi. Hoặc sai số xuất hiện trên từng chi tiết của cả loạt có giá trị thay đổi nh−ng theo một quy luật nhất định, sai số này gọi là sai số hệ thống thay đổi. Có một sai số khác mà giá trị của chúng xuất hiện trên mỗi chi tiết không theo một quy luật nào cả, những sai số này gọi là sai số ngẫu nhiên. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 22
25. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình Các nguyên nhân sinh ra sai số hệ thống không đổi: - Sai số lý thuyết của ph−ơng pháp cắt. - Sai số chế tạo của dụng cụ cắt, độ chính xác và mòn của máy, đồ gá,. - Độ biến dạng của chi tiết gia công. Các nguyên nhân sinh ra sai số hệ thống thay đổi: - Dụng cụ cắt bị mòn theo thời gian. - Biến dạng vì nhiệt của máy, đồ gá, dụng cụ cắt. Các nguyên nhân sinh ra sai số ngẫu nhiên: - Tính chất vật liệu (độ cứng) không đồng nhất. - L−ợng d− gia công không đều (do sai số của phôi). - Vị trí của phôi trong đồ gá thay đổi (sai số gá đặt) - Sự thay đổi của ứng suất d−. - Do gá dao nhiều lần. - Do mài dao nhiều lần - Do thay đổi nhiều máy để gia công một loạt chi tiết. - Do dao động nhiệt của chế độ cắt gọt. 3.3.1- ảnh h−ởng do biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ Hệ thống công nghệ MGDC (máy, đồ gá, dao, chi tiết) không phải là một hệ thống tuyệt đối cứng vững mà ng−ợc lại khi chịu tác dụng của ngoại lực nó sẽ bị biến dạng đàn hồi và biến dạng tiếp xúc. Trong qúa trình cắt gọt, các biến dạng này gây ra sai số kích th−ớc và sai số hình dáng hình học của chi tiết gia công. Lực cắt tác dụng lên chi tiết gia công, sau đó thông qua đồ gá truyền đến bàn máy, thân máy. Mặt khác, lực cắt cũng tác dụng lên dao và thông qua cán dao, bàn dao truyền đến thân máy. Bất kỳ một chi tiết nào của các cơ cấu máy, đồ gá, dụng cụ hoặc chi tiết gia công khi chịu tác dụng của lực cắt ít nhiều đều bị biến dạng. Vị trí xuất hiện biến dạng tuy không giống nhau nh−ng các biến dạng đều trực tiếp hoặc gián tiếp làm cho dao rời khỏi vị trí t−ơng đối so với mặt cần gia công, gây ra sai số. Gọi ∆ là l−ợng chuyển vị t−ơng đối giữa dao và chi tiết gia công do tác dụng của lực cắt lên hệ thống công nghệ. L−ợng chuyển vị ∆ có thể đ−ợc phân tích thành ba l−ợng chuyển vị x, y, z theo ba trục tọa độ X, Y, Z. ∆R Khi tiện, d−ới tác dụng của lực ∆ cắt, dao tiện bị dịch chuyển một l−ợng Pz R là ∆. Lúc đó, bán kính của chi tiết gia công sẽ tăng từ (R) đến (R + ∆R). z Rtt Py Ta có: 2 2 Rtt = R + ∆R = ()R + y + z y 2 ⎛ z ⎞ = ()R + y 1 + ⎜ ⎟ Hình 3.2- ảnh h−ởng của l−ợng chuyển ⎝ R + y ⎠ vị ∆ đến kích th−ớc gia công khi tiện. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 23
26. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình 2 ⎛ z ⎞ vì z là rất nhỏ so với R nên ⎜ ⎟ là đại l−ợng nhỏ không đáng kể, gần đúng ta có: ⎝ R + y ⎠ Rtt ≈ R + y và ∆R ≈ y. Do đó, đối với dao một l−ỡi cắt, l−ợng chuyển vị y (chuyển vị theo ph−ơng pháp tuyến của bề mặt gia công) có ảnh h−ởng tới kích th−ớc gia công nhiều nhất, còn chuyển vị z (chuyển vị theo ph−ơng tiếp tuyến của bề mặt gia công) không ảnh h−ởng nhiều đến kích th−ớc gia công. Đối với dao nhiều l−ỡi cắt hoặc dao định hình thì có tr−ờng hợp cả ba chuyển vị x, y, z đều có ảnh h−ởng đến độ chính xác gia công. Để xác định ảnh h−ởng này, ng−ời ta phải dùng ph−ơng pháp thực nghiệm. Phân lực cắt tác dụng lên hệ thống công nghệ MGDC thành ba thành phần lực Px, Py, Pz, sau đó đo biến dạng của hệ thống theo ba ph−ơng X, Y, Z. Trong tính toán, ng−ời ta chỉ quan tâm đến lực pháp tuyến Py, ở tr−ờng hợp yêu cầu độ chính xác cao, thì phải tính đến độ ảnh h−ởng của Px, Pz bằng cách nhân thêm hệ số. Py là thành phần lực pháp tuyến thẳng góc với mặt gia công và y là l−ợng P chuyển vị t−ơng đối giữa dao và chi tiết gia công. Tỷ số y đ−ợc gọi là độ cứng vững y của hệ thống công nghệ và ký hiệu là JHT : P J = y MN / mm ()kG / mm HT y Nh− vậy, trị số biến dạng y có quan hệ với lực tác dụng theo h−ớng đó và với độ cứng vững của hệ thống công nghệ. Định nghĩa về độ cứng vững: “Độ cứng vững của hệ thống công nghệ là khả năng chống lại biến dạng của nó khi có ngoại lực tác dụng vào”. L−ợng chuyển vị của hệ thống công nghệ không phải là chuyển vị của một chi tiết mà là chuyển vị của cả một hệ thống gồm nhiều chi tiết lắp ghép với nhau. Do đó, theo nguyên lý cộng độc lập tác dụng ta có: y = ym + yg + yd + yp 1 Mặt khác, theo định nghĩa ta có: y = Py . J Σ 1 1 1 1 1 1 Từ đó, suy ra: = + + + = ∑ J Σ J m J g J d J p J i điều này cho thấy rằng, hệ thống càng có nhiều thành phần thì càng kém cứng vững. Với một chi tiết có độ cứng vững là J, nếu ta chia chi tiết này thành nhiều chi tiết nhỏ khác rồi ghép lại thì chi tiết mới sẽ có độ cứng vững kém hơn tr−ớc. Tuy nhiên, đôi khi ta phải chia nhỏ chi tiết ra để cho dễ gia công, lúc này cần phải chọn ph−ơng pháp phù hợp để vẫn đảm bảo việc gia công và độ cững vững. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 24
27. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình 1 Gọi ω = là độ mềm dẻo, thì ta đ−ợc: ω = ω + ω + ω + ω J HT m g d p Ta có định nghĩa độ mềm dẻo: "Độ mềm dẻo của hệ thống là khả năng biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ d−ới tác dụng của ngoại lực". a) ảnh h−ởng của độ cứng vững hệ thống công nghệ Để thấy rõ hơn ảnh h−ởng của độ cứng vững hệ thống công nghệ đến độ chính xác gia công, ta khảo sát quá trình tiện một trục trơn. Chi tiết đ−ợc gá trên hai mũi tâm, vị trí t−ơng đối giữa dao và chi tiết phụ thuộc vào vị trí t−ơng đối của ụ tr−ớc, ụ sau và bàn dao. Do vậy, ta khảo sát chuyển vị của từng bộ phận nói trên, rồi tổng hợp lại sẽ đ−ợc chuyển vị của cả hệ thống công nghệ, từ đó biết đ−ợc sai số gia công. c Sai số do chuyển vị của hai mũi tâm gây ra Giả sử, xét tại vị trí mà dao cắt cách mũi tâm sau một khoảng là x. Lực cắt pháp tuyến tại điểm C’ B’ đang cắt là Py. Lúc này, do kém A’ cứng vững nên mũi tâm sau bị ys D ∆r1 dịch chuyển một đoạn ys từ Ps yt Pt A C B điểm B đến B’, còn mũi tâm tr−ớc bị dịch chuyển một đoạn Py x yt từ điểm A đến A’. Nếu xem L chi tiết gia công cứng tuyệt đối Hình 3.3- Sơ đồ tiện trục trơn trên hai mũi tâm thì đ−ờng tâm của chi tiết sẽ dịch chuyển từ AB đến A’B’. Gọi L là chiều dài trục cần gia công, lúc này lực tác dụng lên mũi tâm sau là: ()L − x ∑ m = 0 ⇔ P .L − P .()L −x = 0 ⇒ P = P . A s y s y L Lực tác dụng lên mũi tâm tr−ớc sẽ là: x P + P = P ⇒ P = P . t s y t y L L−ợng chuyển vị của mũi tâm sau theo ph−ơng lực tác dụng Py: Ps Py (L − x) ys = = . (1) Js Js L L−ợng chuyển vị của mũi tâm tr−ớc theo ph−ơng lực tác dụng Py: Pt Py x y t = = . (2) J t J t L Vậy, vị trí t−ơng đối của mũi dao so với tâm quay của chi tiết sẽ dịch chuyển đi (L − x) một khoảng từ C đến C’: CC' = CD + CD' = y + ()y − y . (3) t s t L Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 25
28. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình Nh− vậy, nếu ch−a kể đến biến dạng của chi tiết gia công thì đại l−ợng CC’ chính là l−ợng tăng bán kính ∆r1 của chi tiết gia công tại mặt cắt đang xét. 2 2 Py (L − x) Py x Thay (1), (2) vào (3) ta đ−ợc: ∆r1 = . 2 + . 2 Js L J t L Từ ph−ơng trình này ta thấy, khi ta thực hiện chuyển động ăn dao dọc để cắt hết chiều dài chi tiết (tức là khi x thay đổi) thì l−ợng tăng bán kính ∆r1 là một đ−ờng cong parabol. Từ đó, ta thấy rõ ảnh h−ởng của độ cứng vững của hai mũi tâm không những gây ra sai số kích th−ớc mà còn cả sai số hình dáng, nó làm cho trục đã tiện có dạng lõm ở giữa và loe ở hai đầu. d Sai số do biến dạng của chi tiết gia công Chi tiết gia công có độ cứng vững không phải là tuyệt đối nh− khi ta xét ở trên, mà nó cũng sẽ bị biến dạng khi chịu tác dụng của lực cắt. Ngay tại điểm mà lực cắt tác dụng, chi tiết gia công sẽ bị võng. Độ võng đó chính là l−ợng tăng bán kính ∆r2 và cũng là một thành phần của sai số gia công. L−ợng tăng bán kính ∆r2 này hoàn toàn có thể xác định đ−ợc nhờ các bài toán cơ bản về biến dạng đàn hồi của một hệ d−ới tác dụng của ngoại lực. Sau đây là vài kết quả cho các tr−ờng hợp điển hình: - Tr−ờng hợp chi tiết gá trên 2 mũi tâm P 2 2 y x ()L − x ∆r = . 2 3EI L với: E: môđun đàn hồi của vật liệu chi tiết gia công. x I: mômen quán tính của mặt 4 L cắt gia công (với trục trơn I = 0,05d ). P L3 Khi dao ở chính giữa chi tiết thì ∆r là lớn nhất: ∆r = y 2 2 max 48EI - Tr−ờng hợp chi tiết gá trên mâm cặp (côngxôn) Khi gia công những chi tiết ngắn L có < 5 , phôi chỉ cần gá trên mâm cặp. d x d L−ợng chuyển vị cực đại của phôi: L3 y = P . max y 3EI ymax Trong tr−ờng hợp này độ cứng L 3EI vững của phôi sẽ là: J = p L3 Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 26
29. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình - Tr−ờng hợp phôi đ−ợc gá trên mâm cặp và có chống mũi tâm sau Khi phôi đ−ợc gá nh− bên thì việc xác định l−ợng chuyển vị cực đại của phôi phải giải bằng bài toán siêu tĩnh. P .L3 Ta có: y = y x max 102.E.I L x tại vị trí: = 2 −1 = 0,414 L y 102.E.I max và: J = p 3 P L y NB - Tr−ờng hợp gia công trục trơn có thêm luynet Khi gia công trục trơn dài L có tỷ số > 10 , cần thiết phải d có thêm luynet. Nếu là luynet cố định thì x l−ợng chuyển vị cực đại của L phôi theo ph−ơng Py đ−ợc xác định bằng công thức: 0,089.P .L3 y = y max Py 48.E.I x tại vị trí: = 0,2343, độ cứng R1 L 48.E.I Py vững của phôi: J = p 0,089.L3 e Sai số do biến dạng của dao và ụ gá dao: Dao cắt và ụ gá dao khi chịu tác dụng của ngoại lực cũng bị biến dạng đàn hồi Py và làm cho bán kính chi tiết gia công tăng lên một l−ợng ∆r3 với: ∆r3 = . J d Độ cứng vững Jd của dao cắt và ụ gá dao là hằng số. ụ dao sẽ mang dao cắt di chuyển dọc theo trục của chi tiết để cắt hết chiều dài. Vì vậy, ở vị trí bất kỳ khi coi chế độ cắt là không đổi thì Py luôn là hằng số. Vì thế, ∆r3 cũng là hằng số. Điều này chứng tỏ rằng ∆r3 chỉ có thể gây ra sai số kích th−ớc đ−ờng kính của chi tiết gia công mà không gây ra sai số hình dáng. Do đó, bằng cách cắt thử, đo và điều chỉnh lại chiều sâu cắt hoàn toàn có thể khử đ−ợc ∆r3. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 27
30. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình b) ảnh h−ởng do dao mòn Khi dao mòn sẽ làm cho l−ỡi cắt bị cùn đi, việc đó làm cho kích th−ớc gia công thay đổi, lực cắt cũng thay đổi một l−ợng ∆Py tỷ lệ thuận với diện tích mòn Um. Ngoài ra, các thông số hình học của dao cũng có ảnh h−ởng đến l−ợng thay đổi lực pháp tuyến Py. Do vậy, khi xác định ∆Py ngoài mòn dao còn phải nhân thêm các hệ số điều chỉnh. Ta có: ∆Py = Kdm. Kϕ. Kγ. Kr. Um (các hệ số tỷ lệ đ−ợc tra theo bảng) Khi gia công trên các máy đã điều chỉnh sẵn (theo ph−ơng pháp tự động đạt kích th−ớc), mòn dao sẽ gây ra sai số hệ thống thay đổi. c) ảnh h−ởng do sai số của phôi Tổng quát thì sai số đ−ờng kính của chi tiết gia công do ảnh h−ởng của độ Py y x n y x cứng vững là: ∆D = 2()y m + y d + y p = 2.y = 2 , với Py = CPy. S . t . HB = Cy. S . t . J Σ Do sai số về hình dạng hình học của phôi trong quá trình chế tạo mà trong quá trình cắt l−ợng d− gia công thay đổi, làm cho chiều sâu cắt cũng thay đổi và lực cắt thay đổi theo, gây nên sai số hình dạng cùng loại trên chi tiết. Kích th−ớc Nếu gọi ∆p là sai số của khi điều chỉnh phôi thì khi gia công sẽ xuất hiện sai số của chi tiết là ∆ct. x a Ta có: ∆ph = 2∆Rph max h m ct p = 2(R - R ) D ph max ph min D = 2(t0 max - t0 min) x a m và ∆ = 2∆ y ct ct t min = 2(ymax - ymin) x a y m min t với, t0 là chiều sâu cắt tính toán Dct min khi điều chỉnh máy; nếu gọi t là chiều cắt thực tế thì: Dph min t = t0 - y Hình 3.4- ảnh h−ởng sai số hình dạng của phôi Do đó: tmax = t0 max - ymax đến sai số hình dạng của chi tiết khi tiện. tmin = t0 min - ymin ∆ ∆ Gọi ε = ph là hệ số chính xác hóa, K = ct là hệ số giảm sai (hệ số in dập). ∆ct ∆ph y − y y − y y − y ⇒ K = max min = max min = max min t 0 max − t 0 min ()t max + ymax − (t min + ymin )()t max − t min + (ymax − ymin ) 1 t − t Vậy, ε = = 1+ max min > 1. K ymax − ymin Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 28
31. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình Hay ∆ph > ∆ct , điều này nói lên rằng sau mỗi b−ớc gia công, sai số sẽ giảm đi. Nếu ε càng lớn thì sai số của phôi ảnh h−ởng đến sai số của chi tiết càng giảm. Từ phôi ban đầu có sai số ∆ph, sau khi gia công lần 1 sẽ đ−ợc chi tiết có sai số ∆D1 là ∆D1. Sau gia công lần 2, sai số chi tiết sẽ là ∆D2, suy ra ε = . ∆D2 Cứ nh− vậy, đến lần cắt thứ i, sai số của chi tiết sau lần cắt i là ∆Di, hệ số chính xác là: ∆D ε = i−1 . ∆Di Nhân các hệ số chính xác ε sau i lần cắt, ta có: ⎛ ∆ ⎞ ln⎜ ph ⎟ ⎛ ∆ ⎞ ⎜ ∆D ⎟ i ⎜ ph ⎟ ⎝ i ⎠ ε = ⎜ ⎟ ⇔ i = . ⎝ ∆Di ⎠ lnε Chú ý rằng, việc tính số b−ớc công nghệ chỉ đúng đến số b−ớc thứ i nào đó mà sai số gia công ∆Di của chi tiết lớn hơn sai số do ảnh h−ởng của hệ thống công nghệ. Tóm lại, không thể sau một lần gia công mà ta đ−ợc chi tiết có độ chính xác theo yêu cầu, và ở các lần gia công về sau thì ảnh h−ởng của sai số do phôi càng ít. 3.3.2- ảnh h−ởng do độ chính xác và tình trạng mòn của máy, đồ gá và dao cắt a) ảnh h−ởng của máy Việc hình thành các bề mặt gia công là do các chuyển động cắt của những bộ phận chính của máy nh− trục chính, bàn xe dao, bàn máy Nếu các chuyển động này có sai số, tất nhiên nó sẽ phản ánh lên bề mặt gia công của chi tiết máy. L * Nếu đ−ờng tâm trục chính máy tiện không song song với sống tr−ợt của thân a máy trong mặt phẳng nằm ngang thì khi tiện rmax chi tiết gia công sẽ có hình côn. Ta có, rmax - r = a, với a là độ không song song trong mặt phẳng nằm ngang trên Sống tr−ợt chiều dài L. * Nếu đ−ờng tâm trục chính máy tiện L không song song với sống tr−ợt của thân máy trong mặt phẳng thẳng đứng thì khi tiện r max chi tiết gia công sẽ có hình hypecbôlôit. 2 2 2 Ta có, rmax = r + b , với b là độ không song song trong mặt phẳng thẳng đứng trên Sống tr−ợt chiều dài L. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 29
32. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình * Nếu sống tr−ợt không thẳng trên mặt phẳng nằm ngang sẽ làm cho quỹ đạo chuyển động của mũi dao không thẳng, làm cho đ−ờng kính chi tiết gia công chỗ to, chỗ nhỏ. Đ−ờng kính Di tại một mặt cắt nào đó sẽ Sống tr−ợt là: Di = D ± 2δ với: D là đ−ờng kính tại mặt cắt đó nếu sống tr−ợt thẳng; δ là l−ợng dịch chuyển lớn nhất của sống tr−ợt trên mặt phẳng nằm ngang so với vị trí tính toán. * Độ lệch tâm của mũi tâm A A-A tr−ớc so với tâm quay của trục e1 chính sẽ làm cho đ−ờng tâm của e chi tiết gia công không trùng với α đ−ờng tâm của hai lỗ tâm đã Tâm quay đ−ợc gia công tr−ớc để gá đặt. (tâm trục chính máy) Chi tiết vẫn có tiết diện tròn nh−ng tâm của nó lệch với Tâm quay khi Tâm quay khi đ−ờng nối hai lỗ tâm là e1. gia công phần B gia công phần A * Nếu chi tiết gia công trong một lần gá thì đ−ờng tâm của chi B A tiết là đ−ờng thẳng nh−ng hợp với đ−ờng nối hai lỗ tâm một Đ−ờng nối hai lỗ tâm góc α. Nh−ng nếu gia công với hai lần gá (đổi đầu) thì mỗi đoạn cắt có một đ−ờng tâm riêng. * Nếu trục chính máy phay đứng không thẳng góc với mặt phẳng của bàn máy theo ph−ơng ngang thì mặt phẳng phay đ−ợc sẽ không song song với mặt α phẳng đáy của chi tiết đã đ−ợc S định vị trên bàn máy. Độ không Bàn máy song song này chính bằng độ không vuông góc của đ−ờng tâm trục chính trên cả chiều rộng của chi tiết gia công. * Nếu trục chính máy phay đứng không thẳng góc với mặt phẳng của bàn máy theo ph−ơng α dọc của bàn máy thì bề mặt gia S Bàn máy công sẽ bị lõm. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 30
33. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình Máy dù đ−ợc chế tạo nh− thế nào thì sau một thời gian sử dụng cũng bị mòn. Hiện t−ợng mòn trong quá trình sử dụng là do ma sát giữa các mặt có chuyển động t−ơng đối với nhau. Nhất là khi có bụi phoi trộn lẫn với dầu bôi trơn thì hiện t−ợng mài mòn càng nhanh. Ngoài ra, dầu bôi trơn và dung dịch trơn nguội còn gây nên hiện t−ợng ăn mòn hóa học ở những bộ phận nó tác dụng vào và làm mòn thêm nhanh. Trạng thái mòn của máy sẽ gây ra sai số mang tính chất hệ thống. b) ảnh h−ởng của đồ gá Sai số chế tạo, lắp ráp đồ gá cũng ảnh h−ởng đến độ chính xác của chi tiết gia công. Nếu đồ gá chế tạo có sai số hoặc bị mòn sau một thời gian sử dụng sẽ làm thay đổi vị trí t−ơng quan giữa máy, dao và chi tiết gia công, do đó, gây ra sai số gia công. Để đảm bảo độ chính xác gia công (bù lại những sai số do chế tạo, lắp ráp, mòn các chi tiết chính của đồ gá), độ chính xác của đồ gá đ−ợc chế tạo ra phải cao hơn ít nhất một cấp so với độ chính xác của kích th−ớc cần đạt đ−ợc sẽ gia công trên đồ gá đó. Điều này không dễ dàng đạt đ−ợc khi gia công những chi tiết có độ chính xác cao. c) ảnh h−ởng của dụng cụ cắt Độ chính xác chế tạo dụng cụ cắt, mức độ mài mòn của nó và sai số gá đặt dụng cụ trên máy đều ảnh h−ởng đến độ chính xác gia công. Khi gia công bằng các dụng cụ định kích th−ớc (mũi khoan, khoét, doa, chuốt ) thì sai số chế tạo dụng cụ ảnh h−ởng trực tiếp đến độ chính xác gia công. Dao phay ngón, phay đĩa dùng để gia công rãnh then thì sai số đ−ờng kính và chiều rộng của dao cũng ảnh h−ởng trực tiếp đến độ chính xác chiều rộng rãnh then. Sai số b−ớc ren, góc nâng của ren, góc đỉnh ren, đ−ờng kính trung bình của các loại tarô, bàn ren đều phản ánh trực tiếp lên ren gia công. Khi gia công bằng các loại dao định hình, nếu prôfin của l−ỡi cắt có sai số sẽ làm sai bề mặt gia công. Ngoài sai số chế tạo, trong quá trình cắt, dao sẽ bị mòn và ảnh h−ởng rất lớn đến độ chính xác gia công. Tùy theo mức độ mòn, dao có thể thay đổi cả hình dạng lẫn kích th−ớc và sinh ra sai số trên chi tiết gia công d−ới dạng sai số hệ thống thay đổi. Ngoài ra, việc gá đặt dao không chính xác cũng gây nên sai số kích th−ớc và hình dạng hình học của chi tiết gia công. Ví dụ, khi tiện ren, nếu dao gá không vuông góc với đ−ờng tâm chi tiết thì góc ren cắt ra ở bên phải và bên trái không bằng nhau Hay khi tiện trục trơn, nếu dao gá cao hơn hoặc thấp hơn tâm quay của chi tiết thì sẽ làm cho đ−ờng kính chi tiết gia công tăng lên một l−ợng. 3.3.3- ảnh h−ởng do biến dạng nhiệt của máy, dao và chi tiết a) ảnh h−ởng do biến dạng nhiệt của máy Khi máy làm việc, nhiệt độ ở các bộ phận khác nhau có thể chênh lệch khoảng 10 ữ 150C, sinh ra biến dạng không đều và máy sẽ mất chính xác. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 31
34. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình ảnh h−ởng đến độ chính xác gia công nhiều nhất là biến dạng nhiệt của ổ trục chính. Nhiệt tăng làm cho tâm trục chính xê dịch theo h−ớng ngang và h−ớng đứng vì các điểm trên nó có nhiệt độ khác nhau. Thông th−ờng, nhiệt tăng nhiều nhất ở ổ đỡ trục chính, nhiệt độ ở đây có thể cao hơn các nơi khác của ụ trục chính từ 30 ữ 40%. Xê dịch theo h−ớng ngang làm thay đổi kích th−ớc và hình dạng của chi tiết gia công, gây ra sai số hệ thống thay đổi. Khi số vòng quay trục chính n càng lớn thì sự xê dịch càng nhiều và tỉ lệ thuận với n . Thời gian đốt nóng ụ trục chính khoảng 3 ữ 5 giờ, sau đó nhiệt độ đốt nóng cũng nh− vị trí tâm sẽ ổn định. Nếu tắt máy sẽ xảy ra quá trình làm nguội chậm và tâm của trục chính sẽ xê dịch theo h−ớng ng−ợc lại. Để khắc phục sai số gia công do biến dạng nhiệt gây ra có thể cho máy chạy không tải chừng 2 ữ 3 giờ rồi mới tiến hành điều chỉnh máy. Ngoài ra, đối với các máy công cụ chính xác cao, ánh nắng mặt trời chiếu vào cũng làm cho máy mất chính xác. b) ảnh h−ởng do biến dạng nhiệt của dao cắt Tại vùng cắt, hầu hết công cơ học cần thiết cho qúa trình cắt đều chuyển thành nhiệt. Tùy theo chế độ cắt, vật liệu làm dao, vật liệu gia công mà tỷ lệ phần nhiệt phân bố vào phoi, chi tiết gia công, dụng cụ cắt và một phần tỏa ra môi tr−ờng xung quanh sẽ khác nhau. Khi nhiệt cắt truyền vào dao, dao bị nở dài, mũi dao v−ơn thêm về phía tr−ớc làm cho đ−ờng kính ngoài giảm đi, đ−ờng kính lỗ tăng lên. Cho đến khi dao ở trạng thái cân bằng nhiệt thì dao không nở dài thêm nữa và nếu không có sự mòn dao thì kích th−ớc gia công sẽ không đổi. c) ảnh h−ởng do biến dạng nhiệt của chi tiết gia công Một phần nhiệt ở vùng cắt truyền vào chi tiết gia công, làm nó biến dạng và gây ra sai số gia công. Nếu chi tiết đ−ợc nung nóng toàn bộ thì chỉ gây ra sai số kích th−ớc, còn nếu bị nóng không đều thì còn gây ra cả sai số hình dáng. Nhiệt độ của chi tiết gia công trong quá trình cắt phụ thuộc vào chế độ cắt. Khi tiện, nếu tăng vận tốc cắt và l−ợng chạy dao, tức là rút ngắn thời gian nung nóng liên tục chi tiết gia công thì nhiệt độ của nó sẽ nhỏ. Còn chiều sâu cắt tăng thì nhiệt độ chi tiết gia công cũng tăng theo. 3.3.4- Sai số do rung động phát sinh ra trong quá trình cắt Rung động của hệ thống công nghệ trong quá trình cắt không những làm tăng độ nhám bề mặt và độ sóng, làm cho dao nhanh mòn mà còn làm cho lớp kim loại mặt bị cứng nguội, hạn chế khả năng cắt gọt. Rung động làm cho vị trí t−ơng đối giữa dao cắt và vật gia công thay đổi theo Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 32
35. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình chu kỳ, nếu tần số thấp, biên độ lớn sẽ sinh ra độ sóng bề mặt; nếu tần số cao, biên độ thấp sẽ sinh ra độ nhám bề mặt. Ngoài ra, rung động làm cho chiều sâu cắt, tiết diện phoi và lực cắt sẽ tăng, giảm theo chu kỳ, làm ảnh h−ởng tới sai số gia công. 3.3.5- Sai số do chọn chuẩn và gá đặt chi tiết gia công gây ra Để có thể gia công đ−ợc phải gá đặt chi tiết lên máy. Bản thân việc gá đặt này cũng có sai số và ảnh h−ởng trực tiếp đến độ chính xác gia công. Khi gá đặt không hợp lý, sai số do gá đặt lớn và ảnh h−ởng đến độ chính xác gia công. 3.3.6- Sai số do ph−ơng pháp đo và dụng cụ đo gây ra Trong quá trình chế tạo, việc kiểm tra, đo l−ờng cũng gây ra sai số và ảnh h−ởng đến độ chính xác gia công. Những sai số do đo l−ờng bao gồm: - Sai số do dụng cụ đo: tuy là dụng cụ để đánh giá độ chính xác gia công nh−ng bản thân nó khi chế tạo, lắp ráp cũng bị sai số. - Sai số do ph−ơng pháp đo nh− chọn chuẩn , cách đọc, lực đo không đều - Sai số do độ mòn của dụng cụ sau một thời gian sử dụng, Để giảm bớt ảnh h−ởng của đo l−ờng đến độ chính xác gia công, khi đo l−ờng phải chọn dụng cụ đo và ph−ơng pháp đo phù hợp với độ chính xác theo yêu cầu. 3.4- các ph−ơng pháp xác định độ chính xác gia công 3.4.1- Ph−ơng pháp thống kê kinh nghiệm Đây là ph−ơng pháp đơn giản nhất, căn cứ vào độ chính xác bình quân kinh tế để đánh giá. Độ chính xác bình quân kinh tế là độ chính xác có thể đạt đ−ợc một cách kinh tế trong điều kiện sản xuất bình th−ờng, là điều kiện sản xuất có đặc điểm sau: - Thiết bị gia công hoàn chỉnh. - Trang bị công nghệ đạt đ−ợc yêu cầu về chất l−ợng. - Sử dụng bậc thợ trung bình. - Chế độ cắt theo tiêu chuẩn và định mức thời gian cũng theo tiêu chuẩn. Cách tiến hành: Cho gia công trên một loại máy, một chế độ công nghệ, bậc thợ trong điều kiện tiêu chuẩn và xem thử đạt đ−ợc độ chính xác gia công ra sao. Làm nhiều lần nh− thế, thống kê lại kết quả đạt đ−ợc và lập thành bảng. Độ chính xác bình quân kinh tế không phải là độ chính xác cao nhất có thể đạt đ−ợc của một ph−ơng pháp gia công và cũng không phải là độ chính xác có thể đạt đ−ợc trong bất kỳ điều kiện nào. Ph−ơng pháp này nên dùng làm tham khảo và khi vận dụng phải căn cứ thêm điều kiện sản xuất cụ thể để xác định cho thích hợp. 3.4.2- Ph−ơng pháp xác suất thống kê Ph−ơng pháp này đ−ợc sử dụng trong sản xuất hàng loạt và hàng khối. Cách tiến hành: Cắt thử một loạt chi tiết có số l−ợng đủ để thu đ−ợc những Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 33
36. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình đặc tính phân bố của kích th−ớc đạt đ−ợc. Thông th−ờng, số l−ợng chi tiết cắt thử từ 60 đến 100 chi tiết trong một lần điều chỉnh máy. Đo kích th−ớc thực của từng chi tiết trong cả loạt. Tìm kích th−ớc giới hạn lớn nhất, nhỏ nhất của cả loạt. Chia khoảng giới hạn từ lớn nhất đến nhỏ nhất đó thành một số khoảng (th−ờng lớn hơn 6 khoảng). Xác định số l−ợng chi tiết có kích th−ớc nằm trong mỗi khoảng và xây dựng đ−ờng cong phân bố kích th−ớc thực nghiệm. Đ−ờng cong thực nghiệm có trục hoành là kích th−ớc đạt đ−ợc, còn trục tung là tần suất của các kích th−ớc xuất hiện trong mỗi một khoảng. Trên đ−ờng cong thực nghiệm ta thấy rằng: kích th−ớc phân bố của cả loạt chi tiết cắt thử tập trung ở khoảng giữa. Số chi tiết cắt thử trong một lần điều chỉnh máy càng lớn thì đ−ờng cong càng có dạng tiệm cận đến đ−ờng cong phân bố chuẩn Gauss. y 0 L Hình 3.5- Đ−ờng cong phân Hình 3.6- Đ−ờng cong phân bố kích th−ớc thực nghiệm. bố kích th−ớc chuẩn Gauss. Ph−ơng trình đ−ờng cong phân bố chuẩn đ−ợc viết d−ới dạng: 2 (Li −L ) 1 2 y = .e 2σ σ. 2π với, σ: ph−ơng sai của đ−ờng cong phân bố. Li: kích th−ớc thực đạt đ−ợc của chi tiết cắt thử thứ i L : kích th−ớc trung bình cộng của loạt chi tiết cắt thử. n ∑Li L = i=1 ; trong đó, n là số l−ợng chi tiết cắt thử của một loạt trong n một lần điều chỉnh máy. Ph−ơng sai của đ−ờng cong phân bố tức thời xác định theo công thức: n 2 ∑()L i − L σ = i=1 n Trong khoảng ± 3σ, các nhánh của đ−ờng cong gần sát với trục hoành và giới hạn tới 99,73% toàn bộ diện tích của nó. Nh− vậy, trong phạm vi ± 3σ đ−ờng cong phân bố chuẩn chứa tới 99,73% số chi tiết trong cả loạt cắt thử. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 34
37. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình y2 ý nghĩa: Giả sử có hai đ−ờng cong φ φ min max phân bố kích th−ớc y1 và y2 với khoảng phân tán t−ơng ứng là 6σ và 6σ . Dung y 1 2 1 sai của kích th−ớc cần gia công là T. Ta thấy rằng, y2 có cấp chính xác cao hơn 6σ2 y1 (vì σ2 T T nên sẽ có phế phẩm. Tuy nhiên, đ−ờng cong phân bố chuẩn mới chỉ thể hiện tính chất phân bố của các sai số ngẫu nhiên. Trong quá trình gia công, các sai số ngẫu nhiên, sai số hệ thống thay đổi, sai số hệ thống không đổi cũng đồng thời xuất hiện. Vì vậy, sau khi xác định đ−ợc ph−ơng sai σ của sai số ngẫu nhiên cần phải xác định quy luật biến đổi của sai số hệ thống thay đổi B(t). Riêng sai số hệ thống không đổi A sẽ không ảnh h−ởng đến sự phân tán kích th−ớc gia công và có thể triệt tiêu đ−ợc nó khi điều chỉnh máy. Nh− vậy, trong quá trình B gia công, phân bố kích th−ớc B = 0 = 3 3σ B thực phải là tổ hợp của quy 3σ = 0,67 3σ luật phân bố chuẩn và quy B B luật biến đổi sai số hệ thống = ∞ = 1,1 3σ 3σ thay đổi là quy luật đồng xác L suất. Lúc này, đ−ờng cong phân bố kích th−ớc sẽ phụ -3σ 0 3σ B Hình 3.7- Đ−ờng cong phân bố kích th−ớc thực. thuộc vào tỷ lệ . 3σ Nếu sai số hệ thống thay đổi không tuyến tính với thời gian thì đ−ờng cong phân bố kích th−ớc sẽ không đối xứng. Hình 3.8- Đ−ờng cong phân bố không đối xứng. Lúc đó, dù đảm bảo 6σ ≤ T nh−ng có thể vẫn có phế phẩm. Nếu khi gia công một loạt chi tiết mà có hai hay nhiều nhóm chi tiết có sai số hệ thống khác nhau thì đ−ờng Hình 3.9- Đ−ờng cong phân bố kích th−ớc cong phân bố sẽ có hai hoặc của 2 nhóm chi tiết trên 2 máy khác nhau. nhiều đỉnh. Ví dụ nh− một loạt chi tiết nh−ng đ−ợc gia công trên hai máy khác nhau thì đ−ờng cong phân bố sẽ có 2 đỉnh. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 35
38. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình B Ngoài ra, có thể tổ hợp các sai số ngẫu nhiên và các sai số hệ thống thay đổi bằng cách xê dịch đ−ờng cong phân bố chuẩn đi một l−ợng bằng sai số hệ thống nh−ng vẫn giữ nguyên hình dạng đ−ờng cong phân bố (hình 3.10). Trong ∆ tr−ờng hợp này, khoảng phân tán tổng cộng các Hình 3.10- Đ−ờng cong phân kích th−ớc cả loạt chi tiết cắt thử đ−ợc xác định bố có tính tới các sai số ngẫu theo công thức: nhiên và sai số hệ thống. ∆ = 6σ + B Ph−ơng pháp này tuy đơn giản nh−ng tốn kém vì phải cắt thử cả loạt chi tiết. Để giảm bớt chi phí đồng thời rút ngắn thời gian xác định quy luật phân bố kích th−ớc, ng−ời ta dùng các số liệu có sẵn để tham khảo khi gia công các kích th−ớc có tính chất t−ơng tự trong điều kiện gia công t−ơng tự. 3.4.3- Ph−ơng pháp tính toán phân tích (dùng trong nghiên cứu) Theo ph−ơng pháp này, ta phân tích nguyên nhân sinh ra sai số gia công, tính các sai số đó, rồi tổng hợp chúng lại thành sai số gia công tổng. Từ đó, vẽ quy luật phân bố và căn cứ vào đó để đánh giá độ chính xác gia công. Trong mọi tr−ờng hợp, sai số gia công tổng phải nhỏ hơn dung sai cho phép của chi tiết cần chế tạo. * Phân tích nguyên nhân: (xem trang 22; 23) * Tổng hợp các sai số: - Tổng các sai số hệ thống không đổi AΣ là một sai số hệ thống không đổi và đ−ợc tổng hợp theo nguyên tắc tổng đại số: p A ∑ = ∑Ai . i=1 - Tổng các sai số hệ thống thay đổi BΣ(t) là một sai số hệ thống thay đổi và đ−ợc tổng hợp theo nguyên tắc tổng đại số: q B ∑ ()t = ∑B j (t). j=1 - Tổng các sai số ngẫu nhiên là một sai số ngẫu nhiên và đ−ợc tổng hợp theo nguyên tắc cộng xác suất, có ph−ơng sai là: n 2 σ∑ = ∑()Kz .σz . z=1 - Sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên tổng hợp theo nguyên tắc tổng số học. * Vẽ quy luật phân bố: Lúc bắt đầu gia công, trung tâm phân bố là C0, khoảng phân tán là D0E0 với C0D0 = C0E0 = 3σ. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 36
39. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình Kích th−ớc Ek σ 3 Ck D k Σ B(t) E0 ∆ C0 Bi(t) A i A D0 L Thời gian (phút) 0 t t t 0 i k Số l−ợng (chiếc) Hình 3.11- Đ−ờng cong phân bố thực kích th−ớc gia công. Sau đó, theo thời gian sai số hệ thống thay đổi sẽ làm cho trung tâm phân bố di động theo đ−ờng C0Ck, giới hạn phân bố nó cũng biến đổi theo đ−ờng D0Dk và E0Ek. Nh− vậy, trong quá trình gia công kích th−ớc các chi tiết đạt đ−ợc theo thời gian sẽ thay đổi trong hai đ−ờng giới hạn D0Dk và E0Ek. Từ đó, đ−ờng phân bố kích th−ớc gia công sẽ có dạng nh− trên, đó là đ−ờng cong tổng hợp của sai số hệ thống thay đổi B(t) và sai số ngẫu nhiên. Khi khoảng phân tán của đ−ờng cong kích th−ớc thực đã bằng với dung sai của chi tiết cần Lmax gia công: ∆Σ = T, thì ta phải điều chỉnh lại máy, đ−a tâm phân bố về lại vị trí ban đầu. Khoảng thời gian giữa hai lần điều chỉnh máy, ng−ời ta gọi là chu kỳ điều chỉnh lại máy. Tck Chú ý rằng, chu kỳ điều chỉnh L min máy phải nhỏ hơn hoặc bằng tuổi bền dao vì nếu không thì dao sẽ h− Hình 3.12- Chu kỳ điều chỉnh lại máy. khi ch−a kịp điều chỉnh lại máy. 3.5- điều chỉnh máy Điều chỉnh máy nhằm để đảm bảo độ chính xác của từng nguyên công. Đây là quá trình chuẩn bị, gá đặt dụng cụ cắt, đồ gá và các trang bị công nghệ khác lên máy; xác định vị trí t−ơng đối giữa dụng cụ cắt và mặt cần gia công nhằm giảm bớt các sai số gia công, đạt đ−ợc các yêu cầu đã cho trên bản vẽ. Trong sản xuất đơn chiếc và loạt nhỏ, độ chính xác gia công yêu cầu có thể Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 37
40. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình đạt đ−ợc bằng ph−ơng pháp cắt thử. Trong sản xuất hàng loạt lớn và hàng khối, độ chính xác gia công nhận đ−ợc bằng ph−ơng pháp tự động đạt kích th−ớc trên máy đã điều chỉnh sẵn. Lúc này, điều chỉnh máy có nhiệm vụ: - Gá đặt đồ gá và dụng cụ cắt vào vị trí có lợi nhất cho điều kiện cắt gọt. - Xác định chế độ làm việc của máy và chu kỳ điều chỉnh lại máy. - Đảm bảo vị trí t−ơng đối của dụng cụ cắt, đồ gá, cữ tỳ, mẫu chép hình để xác định chính xác quỹ tích và l−ợng dịch chuyển của dao so với chi tiết gia công. Đây là vấn đề phức tạp nhất đồng thời nó cũng có ý nghĩa quyết định đến độ chính xác gia công. Hiện nay có ba ph−ơng pháp điều chỉnh hay dùng nhất là: điều chỉnh tĩnh, điều chỉnh theo chi tiết cắt thử bằng calip thợ và điều chỉnh theo chi tiết cắt thử bằng dụng cụ đo vạn năng. 3.5.1- Điều chỉnh tĩnh Điều chỉnh tĩnh là gá dao theo calip hay mẫu khi máy đang đứng yên (ch−a cắt). Tiến hành: - Lắp calip (hoặc mẫu) vào vị trí của chi tiết gia công, sau đó dịch chuyển dụng cụ cắt tỳ sát vào bề mặt của calip (hoặc mẫu) rồi kẹp chặt dụng cụ lại. - Các cữ tỳ cũng theo calip đó mà điều chỉnh một cách t−ơng tự. - Xác định chế độ cắt và chu kỳ điều chỉnh lại máy. - Gá phôi vào vị trí và gia công. Đặc điểm: - Ph−ơng pháp này nhanh, đơn giản. - Tuy nhiên, không đạt đ−ợc độ chính xác gia công cao vì trong quá trình gia công, hệ thống công nghệ bị biến dạng đàn hồi do nhiệt cắt và lực cắt gây ra (khi máy đang đứng yên thì ch−a có). Ngoài ra, do ch−a tính đến độ đảo trục chính (do có khe hở ổ trục), nhám bề mặt của calip hay mẫu chép hình. Do đó, kích th−ớc thực gia công sẽ lớn hơn (mặt ngoài) hoặc nhỏ hơn (mặt trong) so với kích th−ớc yêu cầu. Để hạn chế sai số, ng−ời ta phải bù lại l−ợng thay đổi kích th−ớc thực của chi tiết gia công so với kích th−ớc điều chỉnh bằng cách thêm hoặc bớt đi một l−ợng bổ sung ∆bs (thêm vào khi gia công mặt trong, bớt đi khi gia công mặt ngoài). tt ct Lđc = Lđc ± ∆bs tt Trong đó, Lđc : kích th−ớc điều chỉnh tính toán. ct Lđc : kích th−ớc thực của chi tiết gia công cần nhận đ−ợc sau khi điều chỉnh máy; nếu điều chỉnh ban đầu tâm phân bố nằm ở giữa tr−ờng dung sai thì: (L + L ) L tt = min max , L , L : kích th−ớc nhỏ nhất, lớn nhất trên bản vẽ. dc 2 min max ∆bs: l−ợng bổ sung cho biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ, khe hở ổ đỡ trục chính, độ nhám bề mặt của chi tiết gia công. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 38
41. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình Đối với bề mặt không đối xứng: ∆bs = ∆1 + ∆2 + ∆3 Đối với bề mặt đối xứng: ∆bs = 2(∆1 + ∆2 + ∆3) P với, ∆ : l−ợng biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ, ∆ = y . 1 1 J ∆2: chiều cao nhấp nhô, ∆2 = Rz. ∆3: khe hở bán kính của ổ đỡ trục chính máy, thông th−ờng ∆3 = 0,02 ữ 0,04 mm. Dấu (+) lấy khi gia công mặt tron và dấu (-) khi gia công mặt ngoài Theo kinh nghiệm, sai số của l−ợng bổ sung có thể tới 50% giá trị bản thân nó cộng thêm các sai số khác nên ph−ơng pháp điều chỉnh tĩnh không cho phép đạt độ chính xác cao hơn cấp 7. Vậy, điều chỉnh tĩnh chỉ dùng ở sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ. 3.5.2- Điều chỉnh theo chi tiết cắt thử nhờ calip thợ Ph−ơng pháp này dùng calip làm việc của ng−ời thợ để tiến hành điều chỉnh. Calip là dụng cụ để kiểm tra xem kích th−ớc thực của chi tiết có nằm trong phạm vi dung sai hay không mà không cần biết giá trị thực của chi tiết. Kết cấu của calip nút có hai đầu: một đầu có kích th−ớc danh nghĩa bằng kích th−ớc giới hạn nhỏ nhất của lỗ, gọi là “đầu qua”; một đầu có kích th−ớc danh nghĩa bằng kích th−ớc giới hạn lớn nhất của lỗ, gọi là “đầu không qua”. Tiến hành: - Xác định vị trí t−ơng đối của dao với phôi, sau đó cố định các vấu, cữ chặn - Tiến hành cắt thử khoảng 3 ữ 5 chi tiết. - Dùng calip kiểm tra các chi tiết trên, nếu đạt thì gia công cho cả loạt chi tiết. Đặc điểm: - Điều chỉnh máy theo ph−ơng pháp này chắc chắn có phế phẩm bởi vì loạt chi tiết đ−ợc gia công là n chiếc, có khoảng phân tán là 6σ: + Nếu 6σ > T, thì chắc chắn có phế phẩm. + Nếu 6σ ≤ T, sẽ không có phế phẩm khi tâm của đ−ờng cong phân bố kích th−ớc trùng tâm miền dung sai chi tiết, tuy nhiên do ta không xác định đ−ợc tâm của đ−ờng cong phân bố kích th−ớc do vậy vẫn có phế phẩm. - Nếu số l−ợng chi tiết cắt thử càng nhiều thì phế phẩm càng giảm nh−ng cũng không thể loại trừ hết phế phẩm. Điều chỉnh máy là ph−ơng pháp phổ biến, đ−ợc dùng trong các nhà máy cơ khí. 3.5.3- Điều chỉnh theo chi tiết cắt thử nhờ dụng cụ đo vạn năng Tiến hành: - Gá đặt dao và các cữ hành trình căn cứ vào kích th−ớc điều chỉnh Lđc. - Cắt thử m chi tiết. - Đo kích th−ớc m chi tiết đó, xác định đ−ợc tâm phân bố và ph−ơng sai σ - So sánh tâm phân bố kích th−ớc và tâm dung sai, từ đó điều chỉnh máy theo dung sai thu hẹp. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 39
42. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình Ph−ơng pháp này do giáo s− A. B. Iakhin đề xuất dựa trên cơ sở lý thuyết xác suất là: Nếu có một loạt chi tiết mà kích th−ớc của nó phân bố theo quy luật chuẩn với ph−ơng sai là σ. Nếu phân loại số chi tiết trên thành nhiều nhóm, mỗi nhóm m chi tiết thì kích th−ớc trung bình của các nhóm đã phân cũng phân bố theo quy σ luật chuẩn với ph−ơng sai là σ 1 = . m σ Hình 3.13 chỉ ra các vị trí biên T σ1 = dc m của đ−ờng cong phân bố loạt phôi trong miền dung sai T và các đ−ờng σ cong phân bố của nhóm. Nếu kích th−ớc trung bình cộng của m chi tiết cắt thử rơi vào khoảng M N MN thì sẽ không có phế phẩm. 3σ 3σ1 3σ1 3σ Khoảng MN đ−ợc gọi là dung sai T điều chỉnh Tdc và nó đ−ợc xác định Hình 3.13- Đ−ờng cong phân bố kích th−ớc nh− sau: Tdc = T - 6(σ + σ1) của cả loạt (σ) và đ−ờng cong phân bố theo T Tỷ số = φ đ−ợc gọi là hệ số an kích th−ớc trung bình của từng nhóm (σ1). 6σ toàn vì φ càng lớn thì khả năng giảm phế phẩm càng tăng. Nh− vậy, dung sai điều chỉnh Tdc có quan hệ với dung sai chi tiết chế tạo T, hệ số an toàn φ và số chi tiết cắt thử m. Nếu tăng số chi tiết cắt thử m, dung sai điều chỉnh Tdc sẽ tăng và dễ điều chỉnh hơn nh−ng thời gian cắt thử kéo dài. Số chi tiết cắt thử m đ−ợc xác định nh− sau: 2 ⎛ 6σ ⎞ m > ⎜ ⎟ (th−ờng lấy m = 2 ữ 8 chi tiết) ⎝ T − 6σ ⎠ Nếu có tính đến sai số hệ thống thì dung sai điều chỉnh sẽ giảm xuống. Lúc đó, dung sai điều chỉnh sẽ là: Tdc = T - 6(σ + σ1) - ∆HT = T - 6(σ + σ1) - [A + B(t)] với: A là sai số hệ thống cố định (có thể loại trừ đ−ợc nên không cần quan tâm). B(t) là sai số hệ thống thay đổi. * Nếu không tính đến sai số hệ thống thay đổi B(t): tr−ờng hợp này chỉ nên ứng dụng khi gia công đối mà dụng cụ cắt có tốc độ mài mòn nhỏ nh− dao kim c−ơng ; dùng khi yêu cầu độ chính xác gia công cao bởi vì độ chính xác gia công cao thì cần T nhỏ, lúc đó yêu cầu Tdc nhỏ. * Nếu tính đến sai số hệ thống thay đổi B(t): tr−ờng hợp này đ−ợc sử dụng rộng rãi hơn vì các dao có độ mài mòn nhỏ nh− dao kim c−ơng thì rất đắt. Khi l−ợng mòn của dao làm cho kích th−ớc gia công sắp v−ợt ra khỏi dung sai cho phép thì phải điều chỉnh lại để đ−ờng cong phân bố lùi lại, nằm trong phạm vi dung sai và không sinh ra phế phẩm. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 40
43. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình Ch−ơng 4 Chuẩn trong chế tạo máy 4.1- định nghĩa và phân loại 4.1.1- Định nghĩa Mỗi chi tiết khi đ−ợc gia công cơ th−ờng có các dạng bề mặt sau: bề mặt gia công, bề mặt dùng để định vị, bề mặt dùng để kẹp chặt, bề mặt dùng để đo l−ờng, bề mặt không gia công. Trong thực tế, có thể có một bề mặt làm nhiều nhiệm vụ khác nhau nh− vừa dùng để định vị, vừa dùng để kẹp chặt hay kiểm tra. Để xác định vị trí t−ơng quan giữa các bề mặt của một chi tiết hay giữa các chi tiết khác nhau, ng−ời ta đ−a ra khái niệm về chuẩn và định nghĩa nh− sau: “Chuẩn là tập hợp của những bề mặt, đ−ờng hoặc điểm của một chi tiết mà căn cứ vào đó ng−ời ta xác định vị trí của các bề mặt, đ−ờng hoặc điểm khác của bản thân chi tiết đó hoặc của chi tiết khác”. Nh− vậy, chuẩn có thể là một hay nhiều bề mặt, đ−ờng hoặc điểm. Vị trí t−ơng quan của các bề mặt, đ−ờng hoặc điểm đ−ợc xác định trong quá trình thiết kế hoặc gia công cơ, lắp ráp hoặc đo l−ờng. Việc xác định chuẩn ở một nguyên công gia công cơ chính là việc xác định vị trí t−ơng quan giữa dụng cụ cắt và bề mặt cần gia công của chi tiết để đảm bảo những yêu cầu kỹ thuật và kinh tế của nguyên công đó. 4.1.2- Phân loại Một cách tổng quát, ta có thể phân loại chuẩn trong Chế tạo máy thành các loại nh− sau: Chuẩn Chuẩn Chuẩn thiết kế công nghệ Chuẩn Chuẩn Chuẩn gia công lắp ráp kiểm tra Chuẩn tinh Chuẩn thô Chuẩn Chuẩn tinh chính tinh phụ Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 41
44. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình a) Chuẩn thiết kế Chuẩn thiết kế là chuẩn đ−ợc dùng trong quá trình thiết kế. Chuẩn này đ−ợc hình thành khi lập các chuỗi kích th−ớc trong quá trình thiết kế. Chuẩn thiết kế có thể là chuẩn thực hay chuẩn ảo. Chuẩn thực nh− mặt A (hình 4.1a) dùng để A O xác định kích th−ớc các A1 α bậc của trục. Chuẩn ảo A2 nh− điểm O (hình 4.2b) A3 là đỉnh hình nón của mặt a) b) lăn bánh răng côn dùng Hình 4.1- Chuẩn thiết kế. để xác định góc côn α. b) Chuẩn công nghệ Chuẩn công nghệ đ−ợc chia ra thành: Chuẩn gia công, chuẩn lắp ráp và chuẩn kiểm tra. c Chuẩn gia công dùng để xác định vị trí của những bề mặt, đ−ờng hoặc điểm của chi tiết trong quá trình gia công cơ. Chuẩn này bao giờ cũng là chuẩn thực. B H A A a) b) Hình 4.2- Chuẩn gia công. - Nếu gá đặt để gia công theo ph−ơng pháp tự động đạt kích th−ớc cho cả loạt chi tiết máy thì mặt A làm cả hai nhiệm vụ tỳ và định vị (hình 4.2a). - Nếu rà gá từng chi tiết theo đ−ờng vạch dấu B thì mặt A chỉ làm nhiệm vụ tỳ, còn chuẩn định vị là đ−ờng vạch dấu B (hình 4.2b). Nh− vậy, chuẩn gia công có thể trùng hoặc không trùng với mặt tỳ của chi tiết lên đồ gá hoặc lên bàn máy. Chuẩn gia công còn đ−ợc chia ra thành chuẩn thô và chuẩn tinh. Chuẩn thô là những bề mặt dùng làm chuẩn ch−a qua gia công. Hầu hết các tr−ờng hợp thì chuẩn thô là những yếu tố hình học thực của phôi ch−a gia công; chỉ trong tr−ờng hợp phôi đ−a vào x−ởng đã ở dạng gia công sơ bộ thì chuẩn thô mới là những bề mặt gia công, tr−ờng hợp này th−ờng gặp trong sản xuất máy hạng nặng. Chuẩn tinh là những bề mặt dùng làm chuẩn đã qua gia công. Nếu chuẩn tinh Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 42
45. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình còn đ−ợc dùng trong quá trình lắp ráp thì gọi là chuẩn tinh chính, còn chuẩn tinh không đ−ợc dùng trong quá trình lắp ráp thì gọi là chuẩn tinh phụ. A a) b) Hình 4.3- Chuẩn tinh chính và chuẩn tinh phụ. Ví dụ: - Khi gia công bánh răng, ng−ời ta th−ờng dùng mặt lỗ A để định vị. Mặt lỗ này sau đó sẽ đ−ợc dùng để lắp ghép với trục. Vậy, lỗ A đ−ợc gọi là chuẩn tinh chính (hình 4.3a). - Các chi tiết trục th−ờng có 2 lỗ tâm ở hai đầu. Hai lỗ tâm này đ−ợc dùng làm chuẩn để gia công trục, nh−ng về sau sẽ không tham gia vào lắp ghép, do vậy đây là chuẩn tinh phụ (hình 4.3b). d Chuẩn lắp ráp là chuẩn dùng để xác định vị trí t−ơng quan của các chi tiết khác nhau của một bộ phận máy trong quá trình lắp ráp. Chuẩn lắp ráp có thể trùng với mặt tỳ lắp ráp và cũng có thể không. e Chuẩn kiểm tra (hay chuẩn đo l−ờng) là chuẩn căn cứ vào đó để tiến hành đo hay kiểm tra kích th−ớc về vị trí giữa các yếu tố hình học của chi tiết máy. Ví dụ: Khi kiểm tra độ không đồng tâm của các bậc trên một trục, ng−ời ta th−ờng dùng hai lỗ tâm của trục làm chuẩn, chuẩn này đ−ợc gọi là chuẩn kiểm tra. Chú ý: Trong thực tế, chuẩn thiết kế, chuẩn công nghệ (chuẩn gia công, chuẩn kiểm tra, chuẩn lắp ráp) có thể trùng hoặc không trùng nhau. Do vậy, trong quá trình thiết kế, việc chọn chuẩn thiết kế trùng chuẩn công nghệ là tối −u vì lúc đó mới sử dụng đ−ợc toàn bộ miền dung sai; nếu không thỏa mãn điều trên thì ta chỉ sử dụng đ−ợc một phần của tr−ờng dung sai. Ví dụ: Khi gia công piston, yêu cầu M phải đảm bảo kích th−ớc H1 để đảm bảo tỷ số nén cho động cơ. Chuẩn thiết kế là mặt H1 M. Ta phải chọn chuẩn gia công là M, lúc H đó mới sử dụng đ−ợc hết dung sai của H1; còn nếu chọn chuẩn gia công là N thì phải H2 gia công H2 để đạt đ−ợc H1 thông qua kích th−ớc H. Nh− vậy thì H sẽ là khâu khép N 1 kín, dung sai nó sẽ là tổng dung sai các khâu thành phần H và H2, vì thế gia công H2 sẽ rất khó để đảm bảo dung sai của H1. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 43
46. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình 4.2- quá trình gá đặt chi tiết trong gia công Gá đặt chi tiết bao gồm hai quá trình: định vị chi tiết và kẹp chặt chi tiết. Định vị là sự xác định chính xác vị trí t−ơng đối của chi tiết so với dụng cụ cắt tr−ớc khi gia công. Kẹp chặt là quá trình cố định vị trí của chi tiết sau khi đã định vị để chống lại tác dụng của ngoại lực (chủ yếu là lực cắt) trong quá trình gia công làm cho chi tiết không đ−ợc xê dịch và rời khỏi vị trí đã đ−ợc định vị. Ví dụ: Khi gá đặt chi tiết trên mâm cặp ba chấu tự định tâm. Sau khi đ−a chi tiết lên mâm cặp, vặn cho các chấu cặp tiến vào tiếp xúc với chi tiết sao cho tâm của chi tiết trùng với tâm của trục chính máy, đó là quá trình định vị. Tiếp tục vặn cho ba chấu cặp tạo nên lực kẹp chi tiết để chi tiết sẽ không bị dịch chuyển trong quá trình gia công, đó là quá trình kẹp chặt. Chú ý rằng, trong quá trình gá đặt, bao giờ quá trình định vị cũng xảy ra tr−ớc, chỉ khi nào quá trình định vị kết thúc thì mới bắt đầu quá trình kẹp chặt. Không bao giờ hai quá trình này xảy ra đồng thời hay quá trình kẹp chặt xảy ra tr−ớc quá trình định vị. 4.3- Nguyên tắc định vị 6 điểm Bậc tự do theo một ph−ơng nào đó của một vật rắn tuyệt đối là khả năng di chuyển của vật rắn theo ph−ơng đó mà không bị bởi bất kỳ một cản trở nào trong phạm vi ta đang xét. Một vật rắn tuyệt đối trong không gian có 6 bậc tự do chuyển động. Khi ta đặt nó vào trong hệ tọa độ Đềcác, 6 bậc tự do đó là: 3 bậc tịnh tiến dọc trục T(Ox), T(Oy), T(Oz) và 3 bậc quay quanh trục Q(Ox), Q(Oy), Q(Oz). Hình bên là sơ đồ xác định vị trí của một vật rắn tuyệt đối trong hệ toạ độ Đềcác. - Điểm 1 khống chế bậc tịnh tiến theo Oz - Điểm 2 khống chế bậc quay quanh Oy. - Điểm 3 khống chế bậc quay quanh Ox. - Điểm 4 khống chế bậc tịnh tiến theo Ox - Điểm 5 khống chế bậc quay quanh Oz. - Điểm 6 khống chế bậc tịnh tiến theo Oy Hình 4.4- Nguyên tắc Ng−ời ta dùng nguyên tắc 6 điểm này định vị 6 điểm. để định vị các chi tiết khi gia công. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 44
47. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình Chú ý: - Mỗi một mặt phẳng bất kỳ đều có khả năng khống chế 3 bậc tự do nh−ng không thể sử dụng trong một chi tiết có 2 mặt phẳng cùng khống chế 3 bậc tự do. - Trong quá trình gia công, chi tiết đ−ợc định vị không cần thiết phải luôn đủ 6 bậc tự do mà chỉ cần những bậc tự do cần thiết theo yêu cầu của nguyên công đó. - Số bậc tự do khống chế không lớn hơn 6, nếu có 1 bậc tự do nào đó đ−ợc khống chế quá 1 lần thì gọi là siêu định vị. Siêu định vị sẽ làm cho phôi gia công bị kênh hoặc lệch, không đảm bảo đ−ợc vị trí chính xác, gây ra sai số gá đặt phôi, ảnh h−ởng đến độ chính xác gia công. Do đó, trong quá trình gia công không đ−ợc để xảy ra hiện t−ợng siêu định vị. - Không đ−ợc khống chế thiếu bậc tự do cần thiết, nh−ng cho phép khống chế lớn hơn số bậc tự do cần thiết để có thể dễ dàng hơn cho quá trình định vị gá đặt. - Số bậc tự do cần hạn chế phụ thuộc vào yêu cầu gia công ở từng b−ớc công nghệ, vào kích th−ớc bề mặt chuẩn, vào mối lắp ghép giữa bề mặt chuẩn của phôi với bề mặt làm việc của cơ cấu định vị phôi. a) b) a) b) a) b) Hình 4.5- Một số tr−ờng hợp định vị th−ờng gặp. a) Siêu định vị. b) Định vị đúng. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 45
48. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình Ví dụ minh họa về khả năng khống chế của các chi tiết định vị th−ờng gặp: D D L > D L L D L Hai mũi tâm định vị 5 bậc tự do. Mâm cặp ba chấu định vị 4 bậc tự do. Phiến tỳ kết hợp với một chốt trụ ngắn, một chốt trám định vị 6 bậc tự do. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 46
49. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình 4.4- tính sai số gá đặt Sai số gá đặt của một chi tiết trong quá trình gia công cơ đ−ợc xác định bằng công thức sau: εgd = ε kc + εdg + εc 4.4.1- Sai số kẹp chặt εkc Sai số kẹp chặt là l−ợng chuyển vị của gốc kích th−ớc do lực kẹp thay đổi chiếu theo ph−ơng kích th−ớc thực hiện gây ra: εkc = (ymax - ymin). cosα Trong đó, α: góc giữa ph−ơng kích th−ớc thực hiện và ph−ơng dịch chuyển y của gốc kích th−ớc. ymax, ymin: l−ợng chuyển vị lớn nhất và nhỏ nhất của gốc kích th−ớc khi lực kẹp thay đổi. Sự dịch chuyển của gốc kích th−ớc là do tác dụng của lực kẹp, làm biến dạng bề mặt của chi tiết dùng để định vị với những thành phần định vị của đồ gá. Giáo s− A. P. Xôcôlôpxki bằng thực nghiệm đã đ−a ra công thức xác định biến dạng ở chỗ tiếp xúc giữa mặt chi tiết với vấu tỳ của đồ gá: W W y = C.qn min max H với, C: hệ số phụ thuộc vào vật H min y liệu và tình trạng tiếp xúc; max q: áp lực riêng trên bề mặt y tiếp xúc (N/mm2); Hình 4.6- Sai số do lực kẹp gây ra. n: chỉ số (n<1). Khi lực kẹp thay đổi từ Wmin đến Wmax thì phôi cũng chuyển vị từ ymin đến ymax và do đó, kích th−ớc gia công thay đổi từ Hmin đến Hmax. 4.4.2- Sai số của đồ gá εdg Sai số của đồ gá sinh ra do chế tạo đồ gá không chính xác, do độ mòn của nó và do gá đặt đồ gá trên máy không chính xác: εdg = εct + εm + εd Trong đó, εct: sai số do chế tạo đồ gá, khi chế tạo đồ gá th−ờng lấy độ chính xác của nó cao hơn so với chi tiết gia công trên đồ gá đó. εm: sai số do mòn của đồ gá, sai số này phụ thuộc vào vật liệu, trọng l−ợng phôi, tình trạng bề mặt tiếp xúc giữa phôi với đồ gá và điều kiện gá đặt phôi. εd: sai số do gá đặt đồ gá trên máy, sai số này không lớn lắm. Nói chung, sai số đồ gá là rất nhỏ nên cho phép đ−ợc bỏ qua. Chỉ khi yêu cầu độ chính xác cao thì lúc đó lấy sai số đồ gá bằng (0,2 ữ 0,3) sai số gia công. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 47
50. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình 4.4.3- Sai số chuẩn εc Chuẩn thiết kế và chuẩn công nghệ có thể trùng hoặc không trùng nhau. Nếu chúng trùng nhau tức là thể hiện tốt quan điểm công nghệ của công tác thiết kế. Khi thiết kế, các kích th−ớc là vô h−ớng, có nghĩa là kích th−ớc giữa mặt A và mặt B đ−ợc tạo thành mà không cần quan tâm là kích th−ớc đó là mặt A đến mặt B hay từ mặt B đến mặt A. Về mặt công nghệ mà nói thì các kích th−ớc ghi trong bản vẽ chế tạo không còn là kích th−ớc tĩnh và vô h−ớng nữa. A Xét kích th−ớc 100 ± 0,1 giữa hai bề mặt A và B. Khi thiết kế, ng−ời ta cho kích th−ớc là 100mm 1 0, ± B với sai lệch là ± 0,1mm. Còn trên quan điểm công 100 nghệ thì ta chú ý đến sự hình thành của kích th−ớc đó trong quá trình công nghệ nh− thế nào? Mặt A hay mặt B sẽ đ−ợc gia công tr−ớc; sự hình thành kích th−ớc ra sao để tránh bớt phế phẩm? Hình 4.7- Sự hình thành kích Giả sử, mặt A đ−ợc gia công ở nguyên công sát th−ớc công nghệ. tr−ớc, mặt B đang đ−ợc gia công thì kích th−ớc 100 có gốc ở A và h−ớng về mặt B. Nh− vậy, kích th−ớc công nghệ có h−ớng rõ rệt, h−ớng đó đi từ gốc kích th−ớc tới mặt gia công. Khái niệm về gốc kích th−ớc chỉ dùng trong phạm vi công nghệ, nó có thể trùng hoặc không trùng với chuẩn thiết kế. Về mặt công nghệ, điều quan trọng cần biết là gốc kích th−ớc khi gia công và chuẩn định vị ở nguyên công đó có trùng nhau không? Nếu không trùng sẽ sinh ra sai số chuẩn, ảnh h−ởng đến độ chính xác gia công. ở hình a, khi gia công M H M δ mặt N, gốc kích th−ớc và chuẩn định vị đều nằm trên N N B mặt K, nên khi gia công H δ H mặt N để hình thành kích A A th−ớc A thì sai số chuẩn của kích th−ớc A là εcA = 0. K K ở hình b, nếu gốc kích a) b) th−ớc khi gia công mặt N là Hình 4.8- Sự hình thành sai số chuẩn. M và chuẩn định vị là K thì khi gia công mặt N, kích th−ớc B chịu ảnh h−ởng của sự biến động của gốc kích th−ớc là δH (chuẩn định vị không trùng với gốc kích th−ớc). Khi đó, sai số chuẩn của kích th−ớc B là εcA = δH. Định nghĩa: “Sai số chuẩn phát sinh khi chuẩn định vị không trùng với gốc kích th−ớc và có trị số bằng l−ợng biến động của gốc kích th−ớc chiếu lên ph−ơng kích th−ớc thực hiện”. Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 48
51. Giáo trình: Công nghệ chế tạo máy L−u đức bình Ph−ơng pháp tính sai số chuẩn: c Ph−ơng pháp cực đại - cực tiểu Lập chuỗi kích th−ớc công nghệ cho kích th−ớc cần tính sai số chuẩn L sao cho L là khâu khép kín. Khi đó, L đóng vai trò là một hàm số mà các biến số là các khâu thành phần của chuỗi kích th−ớc công nghệ (có thể là khâu có kích th−ớc thay đổi xi hoặc khâu có kích th−ớc không đổi aj ). L = ϕ(x1, x2, xn; a1, a2, an) Khi tính sai số chuẩn cho một kích th−ớc L nào đó tức là tìm l−ợng biến động ∆L của nó khi những kích th−ớc liên quan thay đổi (các khâu có kích th−ớc thay đổi). ∂ϕ ∂ϕ ∂ϕ εc ()L = ∆L = .∆x1 + .∆x2 + + .∆x n ∂x1 ∂x2 ∂x n n ∂ϕ εc ()L = ∆L = ∑ ∆xi i=1 ∂xi Khi lập chuỗi kích th−ớc công nghệ cần tuân theo nguyên tắc sau: chuỗi kích th−ớc công nghệ đ−ợc bắt đầu từ mặt gia công, tới mặt chuẩn định vị, đến chuẩn đo l−ờng (gốc kích th−ớc) rồi cuối cùng trở về mặt gia công. Ph−ơng pháp này đ−ợc dùng khi độ chính xác không cao trong điều kiện sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ. d Ph−ơng pháp xác suất Ph−ơng pháp này đ−ợc dùng khi yêu cầu độ chính xác gia công chi tiết cao và trong sản xuất hàng loạt hay hàng khối bởi vì nó có độ tin cậy cao hơn ph−ơng pháp cực đại - cực tiểu. Sai số chuẩn của kích th−ớc L nào đó tính theo ph−ơng pháp xác suất là: n 2 ⎛ ∂ϕ ⎞ 2 2 K∑ .εc ()L = ∑⎜ ⎟ .Ki .∆xi i=1⎝ ∂xi ⎠ trong đó, Ki là hệ số phụ thuộc vào quy luật phân bố của các kích th−ớc trong chuỗi kích th−ớc công nghệ, th−ờng lấy Ki = 1 ữ 1,5. Khi phân bố theo đ−ờng cong phân bố chuẩn Gauss thì Ki = 1. Nh− vậy, nhận thấy rằng khi muốn tính sai số chuẩn cho một kích th−ớc L nào đó, tr−ớc tiên ta phải xác định đ−ợc chuỗi kích th−ớc liên quan của nó, rồi sau đó dùng các công thức trên để tính. ví dụ về tính sai số chuẩn theo ph−ơng pháp cực đại - cực tiểu: Ví dụ 1: Tính sai số chuẩn của các kích th−ớc M, K và H trong tr−ờng hợp khoan lỗ d trên mặt trụ có đ−ờng kính D δD theo ph−ơng pháp tự động đạt kích th−ớc. Chi tiết đ−ợc định vị trên khối V dài với góc α và then bằng, kẹp chặt bằng lực W (sơ đồ định vị nh− hình vẽ). Khoa Cơ khí - Tr−ờng Đại học Bách khoa 49