Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt (S,t) đến lớp biến cứng bề mặt khi tiện trên máy tiện CNC với vật liệu thép C45 chưa qua nhiệt luyện

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt (S,t) đến lớp biến cứng bề mặt khi tiện trên máy tiện CNC với vật liệu thép C45 chưa qua nhiệt luyện trình bày quá trình thực nghiệm, xử lý số liệu sự ảnh hưởng của hai thông số quan trọng là chiều sâu cắt và lượng chạy dao đến lớp biến cứng bề mặt khi gia công trên máy tiện CNC CTX 310 ECOLINE với vật liệu thép C45 chưa qua nhiệt luyện.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt (S,t) đến lớp biến cứng bề mặt khi tiện trên máy tiện CNC với vật liệu thép C45 chưa qua nhiệt luyện

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(108).2016, Quyển 1 53 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ CẮT (S,t) ĐẾN LỚP BIẾN CỨNG BỀ MẶT KHI TIỆN TRÊN MÁY TIỆN CNC VỚI VẬT LIỆU THÉP C45 CHƯA QUA NHIỆT LUYỆN RESEARCHING IMPACT OF CUTTING MODE PARAMETERS (S,t) ON NON-ANNEALED C45 STEEL’S HARD SURFACE LAYERS WHILE BEING MACHINED ON A LATHE CNC Nguyễn Bá Thuận Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh; bathuan1784@yahoo.com Tóm tắt - Chất lượng bề mặt có ảnh hưởng lớn đến khả năng làm Abstract - Surface layer quality has a great influence on the working việc của chi tiết máy. Một trong những yếu tố quan trọng của chất capability of workpieces. One of the important factors of surface quality is lượng bề mặt là độ biến cứng bề mặt. Bề dày, cấu trúc tinh thể kim surface layer hardness. The thickness, the metallic crystalline structure loại và độ cứng của lớp biến cứng phụ thuộc rất nhiều yếu tố, trong and hardness of this layer depend on numerous factors including the đó có chế độ cắt gọt (V, S, t). Bài báo trình bày quá trình thực cutting mode (V, S, t). This article presents the experimental process and nghiệm, xử lý số liệu sự ảnh hưởng của hai thông số quan trọng là analysis of data related to the impact of two important parameters namely chiều sâu cắt và lượng chạy dao đến lớp biến cứng bề mặt khi gia the cutting depth and feed quantity to hard surface layers while being công trên máy tiện CNC CTX 310 ECOLINE với vật liệu thép C45 machined on a lathe CNC CTX 310 ECOLINE with non-annealed C45 chưa qua nhiệt luyện. Qua đó phân tích, đánh giá sự ảnh hưởng steel. On this basis, the article analyzes and evaluates the impact and và đưa ra được những cơ sở cho việc lựa chọn các giá trị chiều provides bases for choosing the values of cutting depth and feed sâu cắt và lượng chạy dao phù hợp với yêu cầu lớp biến cứng khi quantities consistent with the requirements of hard surface layers while tiện trên máy CNC. being machined on a lathe CNC. Từ khóa - biến cứng bề mặt; lớp biến trắng; lớp biến đen; máy tiện Key words - surface layer hardness; white layer; dark layer; lathe CNC; thép C45 chưa nhiệt luyện. CNC; non-annealed C45 steel. 1. Đặt vấn đề khi quan sát bằng kính hiển vi quang học hoặc SEM thì sẽ Biến cứng bề mặt là một hiện tượng xảy ra trong quá thấy màu trắng [4]. trình cắt gọt kim loại. Trong quá trình cắt gọt kim loại, dưới - Lớp biến trắng bề mặt không có lợi cho độ bền sản tác động của lực cắt trên lớp bề mặt chi tiết gia công xảy ra phẩm. Khi tiện cứng, nếu hiện tượng lẹo dao mặt sau xuất biến dạng dẻo làm độ cứng, độ giòn giới hạn bền tăng, còn hiện có độ lớn cao thì chiều sâu lớp biến cứng có thể lớn tính dẻo tính dai giảm, tính dẫn từ thay đổi, bề mặt bị chai hơn 12μm [5]. cứng gọi là hiện tượng nguội cứng. - Chiều sâu lớp biến cứng tăng khi quá trình lẹo dao mặt Có 2 chỉ tiêu để đánh giá độ biến cứng: sau tăng. Cấu trúc tế vi lớp biến trắng chịu ảnh hưởng của - Độ cứng tế vi. cấu trúc vật liệu bề mặt chi tiết gia công; hàm lượng các - Chiều sâu của lớp biến cứng [1]. bon trên bề mặt chi tiết gia công tăng theo thời gian khi cacbit không khuyếch tán. Vật liệu gia công có độ hạt càng Hiện tượng biến cứng bề mặt được các nhà nghiên cứu mịn thì càng có ảnh hưởng làm tăng tốc độ hình thành lớp khoa học phát hiện khá sớm, các kết quả khảo sát và nghiên biến cứng khi gia công [6]. cứu chủ yếu tập trung vào các vấn đề sau: - Lớp biến cứng làm giảm độ bền mỏi lăn, trong lúc đó - Khi tăng lực cắt, nhiệt cắt và mức độ biến dạng dẻo ứng suất dư nén bề mặt lại làm tăng độ bền mỏi này. Lớp thì mức độ biến cứng bề mặt tăng. Nếu kéo dài tác dụng biến cứng có ảnh hưởng lớn đến độ bền mỏi của các chi tiết của lực cắt, nhiệt cắt trên bề mặt kim loại sẽ làm tăng chiều làm việc dưới dạng lăn như: trục, ổ bi, mayơ,… [7]. sâu lớp biến cứng bề mặt [1]. - Kết quả cho thấy ảnh hưởng của ứng suất bề mặt đến - Nếu góc trước γ tăng từ giá trị âm đến giá trị dương độ bền mỏi của chi tiết gia công lớn hơn ảnh hưởng của lớp thì mức độ và chiều sâu biến cứng bề mặt chi tiết giảm [1]. biến cứng [8]. - Vận tốc cắt làm giảm thời gian tác động của lực gây - Nhiệt cắt càng cao thì lượng austenit còn sót lại trong ra biến dạng kim loại, do đó làm giảm chiều sâu biến cứng lớp biến cứng càng lớn. Ảnh chụp TEM ở độ phân giải cao và mức độ biến cứng bề mặt [1]. cho thấy rõ sự khác biệt cấu trúc và độ hạt của kim loại nền - Ngoài ra, biến cứng bề mặt cũng tăng nếu dụng cụ cắt và kim loại lớp biến trắng [9]. bị mòn, bị cùn [1]. Từ những tài liệu tham khảo trong và ngoài nước cho - Dung dịch làm nguội không ảnh hưởng đến sự xuất thấy vấn đề biến cứng bề mặt là một vấn đề khoa học được hiện của lớp biến trắng (white layer), nhưng có thể làm nhiều người quan tâm. Tuy nhiên, do tính phức tạp của quá giảm chiều sâu lớp này (dark layer) [3]. trình biến cứng và ảnh hưởng của nó đến tuổi thọ của chi tiết - Lớp biến trắng bề mặt không có lợi cho độ bền sản máy mà các công trình kể trên chưa đề cập đến hết các yếu phẩm. Lớp biến trắng là lớp kim loại hình thành trên bề mặt tố, phân tích một cách đầy đủ các hiện tượng xẩy ra khi gia chi tiết gia công, có sự chuyển biến cấu trúc mactenxit công tiện, đặc biệt là chưa nghiên cứu ảnh hưởng của các chuyển sang austenit. Chúng được gọi là lớp biến trắng vì thông số công nghệ đến biến cứng bề mặt khi gia công tiện
54 Nguyễn Bá Thuận trên máy tiện kỹ thuật số. Vì vậy mục đích của bài báo là 2.1.1. Vật liệu mẫu thí nghiệm nghiên cứu hai thông số chiều sâu cắt và lượng chạy dao khi Thép C45 chưa qua nhiệt luyện có khả năng chịu lực ép tiện trên máy CNC CTX 310 ECOLINE với vật liệu thép lớn, độ dẻo, độ dai va đập và chống biến dạng tốt. Chính vì C45 chưa qua nhiệt luyện nhằm góp phần hoàn thiện lý vậy thép C45 thường được dùng trong sản xuất các chi tiết thuyết về biến cứng bề mặt khi gia công bằng cắt gọt. máy dùng trong lĩnh vực cơ khí chế tạo máy. Sau đây là 2. Nội dung nghiên cứu thành phần hóa học của thép C45: 2.1. Thiết bị cho thí nghiệm Bảng 1. Thành phần hóa học của thép C45 (Đơn vị tính %, trích theo TCVN 8301) Thành phần Mác thép C Si Mn P≤ S≤ Cr Ni Cu khác 45 0,42∼0,50 0,17∼0,37 0,50∼0,80 0,035 0,04 ≤ 0,25 ≤ 0,25 ≤ 0,25 - Ở đây ta chọn 20 mẫu rồi đem gia công cắt gọt bằng đồng nhất và không đổi trong suốt quá trình thực hiện thí phương pháp tiện với chế độ cắt gọt khác nhau (Bảng 2). nghiệm; Nhiệt độ môi trường gia công luôn luôn ổn định Bảng 2. Thông số thí nghiệm gia công mẫu và bằng nhiệt độ trong phòng gia công; Tổng hợp các yếu Thông số điều Thông số điều tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công là ổn định và Mẫu khiển Mẫu khiển không đổi trong suốt quá trình thực hiện thí nghiệm. t (mm) S (mm/vg) t (mm) S (mm/vg) 2.2.1. Cách tiến hành thí nghiệm 1 1,0 0,07 11 2,0 0,19 a. Đo độ cứng của các mẫu 2 1,0 0,13 12 2,0 0,25 3 1,0 0,19 13 0,5 0,15 Độ cứng có thể được đo bằng các phương pháp khác 4 1,0 0,25 14 1,1 0,15 nhau tuỳ theo độ cứng của vật liệu. Nhìn chung các phương 5 1,5 0,07 15 1,7 0,15 pháp đo đều có đặc điểm chung là dùng lực để ấn một mũi 6 1,5 0,13 16 2,3 0,15 thử thâm nhập vào vật liệu, đo kích thước miệng vết lõm trên 7 1,5 0,19 17 0,5 0,2 vật liệu để xác định độ cứng. Để đo độ cứng của lớp bề mặt 8 1,5 0,25 18 1,1 0,2 ta dùng phương pháp đo độ cứng Viker theo chỉ tiêu HV. 9 2,0 0,07 19 1,7 0,2 b. Đo chiều sâu lớp biến cứng của các mẫu 10 2,0 0,13 20 2,3 0,2 Cắt ngang mẫu, làm sạch bề mặt rồi chụp lại bề mặt đó của mẫu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để nghiên cứu cấu trúc lớp bề mặt. Hình 1. Các mẫu thí nghiệm 2.1.2. Máy gia công Hình 3. Đo chiều sâu lớp biến cứng 2.2.2. Kết quả đạt được Bảng 3. Kết quả thí nghiệm Độ Chiều sâu Độ Chiều sâu Mẫu cứng H biến cứng Mẫu cứng H biến cứng (HV) Δ (μm) (HV) Δ (μm) 1 17,8 238,8223 11 14,7 237,7033 2 16,5 238,1531 12 13,2 237,1089 3 13,6 237,5401 13 15,2 236,5713 4 11,3 236,8959 14 16,1 237,0475 Hình 2. Máy tiện CNC CTX 310 ECOLINE 5 18,6 238,6748 15 17,5 237,7473 2.2. Thí nghiệm thực nghiệm để đánh giá 6 16,7 237,5509 16 19,1 238,4222 7 13,7 236,8859 17 14,1 236,522 Các thí nghiệm được thiết kế với những giả thiết sau 8 11,9 236,581 18 15,6 236,926 đây: Chất lượng dụng cụ cắt và điều kiện bôi trơn trong tất 9 20,7 239,1629 19 17,1 237,7142 cả các thí nghiệm là như nhau; Tính chất của vật liệu là 10 18,7 238,5537 20 18,3 238,4698
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(108).2016, Quyển 1 55 2.3. Xử lý kết quả a b R 2 Theo nhiều kết quả nghiên cứu, sự phụ thuộc độ biến 235,24 -0,06 0,97 cứng bề mặt vào các thông số t, S có dạng: y = a(x)b. [10]. Vậy: H = 235,24. S-0,06 (2) Lần lượt thay đổi các thông số t, S (bảng thông số) và biểu Nhận xét: Nhìn vào các đồ thị ta thấy rằng khi tăng diễn chúng trên đồ thị trong đó trục hoành biểu diễn sự thay thông số S thì độ cứng của lớp biến cứng đều giảm, còn khi đổi các thông số công nghệ (t, S) còn trục tung biểu diễn tăng t thì chiều sâu lớp biến cứng tăng. Điều này là phù hợp kết quả đo được của độ cứng (H) và chiều sâu lớp biến cứng với lý thuyết, có ý nghĩa rất lớn trong thực tiễn nhằm điều (Δ) khi thay đổi thông số công nghệ. Các điểm chấm hình chỉnh chế độ gia công phù hợp với chức năng làm việc của vuông trên đồ thị biểu diễn các điểm thực nghiệm, nối các chi tiết máy sau này. điểm này lại ta được đường cong biểu diễn đồ thị phương trình y = a(x)b, đây là đường cong gần các điểm thực 2.3.2. Ảnh hưởng đơn của các thông số đầu vào đến chiều nghiệm nhất. Dùng phần mềm SPSS (Statistical Package sâu lớp biến cứng bề mặt (Δ) for Social Sciences) 15.0 để xử lý số liệu, ta được các kết a. Ảnh hưởng đơn của t quả về mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào (t, S) Bảng 6. Bảng thông số ảnh hưởng đơn của t đến Δ đến độ cứng (H) và chiều sâu lớp biến cứng (Δ) như sau: t Δ Δ=a.(t)b 2.3.1. Ảnh hưởng đơn của các thông số đầu vào đến độ 0,5 14,1 13,7 cứng bề mặt (H) 1,1 15,6 16,1 a. Ảnh hưởng đơn của t 1,7 17,1 17,6 2,3 18,3 18 Bảng 4. Bảng thông số ảnh hưởng đơn của t đến H t H H = a(t)b 0,5 236,5713 227,622 1,1 237,0475 238,65 1,7 237,7473 244,965 2,3 238,4222 246,606 Hình 6. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của t a b R2 15,805 0,205 0,959 0,205 Vậy: Δ = 15,805. t (3) b. Ảnh hưởng đơn của S Hình 4. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của t Bảng 7. Bảng thông số ảnh hưởng đơn của S đến Δ a b R2 S Δ Δ = a(S)b 237,289 0,06 0,927 0,07 17,8 19,61 Vậy: H = 237,289. t0,06 (1) 0,13 16,5 14,85 b. Ảnh hưởng đơn của S 0,19 13,6 12,52 0,25 11,3 11,97 Bảng 5. Bảng thông số ảnh hưởng đơn của S đến H S H H = a(S)b 0,07 238,8223 273,844 0,13 238,1531 265,84 0,19 237,5401 258,6 0,25 236,8959 258,331 Hình 7. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của S a b R2 5,941 -0,449 0,890 -0,449 Vậy: Δ = 5,941. S (4) Nhận xét: Nhìn vào các đồ thị ta thấy rằng khi tăng lần Hình 5. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của S
56 Nguyễn Bá Thuận lượt thông số S thì chiều sâu lớp biến cứng đều giảm còn nhiều vào chế độ cắt như tốc độ cắt V, chiều sâu cắt t, lượng khi tăng t thì chiều sâu lớp biến cứng tăng. Điều này là phù chạy dao S. hợp với lý thuyết. 2. Bằng nghiên cứu thực nghiệm đã chứng tỏ rằng: Một lần nữa có thể khẳng định rằng chiều sâu lớp biến - Khi tăng lượng chạy dao S thì độ cứng H của lớp biến cứng của vật liệu ảnh hưởng đáng kể tới quá trình gia công, cứng bề mặt giảm, còn khi tăng chiều sâu cắt t thì độ cứng cụ thể ở đây là bước tiến dao S và chiều sâu cắt t, phù hợp của lớp biến cứng bề mặt tăng. Điều này hoàn toàn phù hợp lý thuyết đã nêu. Điều này có ý nghĩa rất lớn trong thực với lý thuyết. tiễn, điều chỉnh chế độ gia công phù hợp với chức năng làm - Khi tăng lượng chạy dao S thì chiều sâu Δ của lớp biến việc của chi tiết máy sau này. cứng bề mặt giảm, còn khi tăng chiều sâu cắt t thì chiều sâu 2.3.3. Ảnh hưởng kết hợp của các thông số đầu vào t, S đến Δ của lớp biến cứng bề mặt tăng. Điều này cũng hoàn toàn biến cứng bề mặt phù hợp với lý thuyết. a. Xây dựng ma trận quy hoạch thực nghiệm 3. Bằng thực nghiệm đã tìm ra được mối quan hệ giữa Các thông số đầu vào được mã hóa là: X1 = t; X2 = S. độ cứng bề mặt lớp biến cứng và độ sâu của nó với các Khi đó số điểm thí nghiệm N cần thiết phải tiến hành là thông số cắt gọt S, t. Đã xây dựng hàm số mô tả sự phụ N = 2n. [2]. thuộc của biến cứng bề mặt dưới ảnh hưởng đồng thời cả Trong đó n là thông số đầu vào, n = 2, do đó N = 22 = 4 hai thông số trên. Mối phụ thuộc đó có dạng: (điểm). Từ đó tiến hành thí nghiệm. - Độ cứng bề mặt: lnH = 5,49 - 0,001lnt - 0,004lnS b. Xử lý số liệu - Chiều sâu lớp biến cứng: lnΔ = 4,75 + 0,03lnS + 0,104lnt Phương trình biểu diễn mối quan hệ kết hợp giữa các Thí nghiện được tiến hành trên máy CNC CTX 310 thông số đầu vào đối với độ cứng của lớp biến cứng H và ECOLINE tại xưởng thực hành, phòng thí nghiệm của Trường chiều sâu lớp biến cứng Δ có dạng y = a(x)b(y)c. Tiến hành Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh và số liệu thực nghiệm được xử lý số liệu trên phần mềm SPSS ta được kết quả như sau: xử lý theo lý thuyết quy hoạch thực nghiệm với sự trợ giúp - Độ cứng H: của phần mềm SPSS, nên kết quả nhận được là đáng tin cậy. a b c R2 4. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm của bài báo có ý nghĩa 242,823 -0,001 -0,004 0,959 thực tiễn cao nhằm điều chỉnh chế độ gia công phù hợp với chức năng làm việc của chi tiết, lựa chọn tối ưu các thông số (-0,001) (-0,004) H = 242,823t S (5) cắt gọt như S, t nhằm đạt chất lượng bề mặt là tốt nhất. Logarit cả hai vế ta có phương trình: lnH = 5,49 - 0,001lnt - 0,004lnS (6) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Văn Địch, Lê Văn Tiến (2002), Công nghệ chế tạo máy, NXB. - Chiều sâu lớp biến cứng Δ: Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. a b c R2 [2] Nguyễn Văn Kháng (2006), Quy hoạch thực nghiệm, Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội. 116,31 0,03 0,104 0,899 [3] A. Attanasio, D. Umbrello, C. Cappellini, G. Rotella, R. M’Saoubi, Δ = 116,31t S 0,03 0,104 (7) Tool wear effects on white and dark layer formation in hard turning of AISI 52100 steel, Wear (vol.286 – 287, 2011), pp98 – 107. Logarit cả hai vế ta có phương trình: [4] G. Poulachon, A. Albert, M. Schluraff, I. S. Jawahir, An experimental lnΔ = 4,75 + 0,03lnS + 0,104lnt (8) investigation of work material microstructure effects on white layer formation in PCBN hard turning, International Journal of Machine 2.4. Nhận xét kết quả thí nghiệm Tools & Manufacture (vol.45, 2005), pp211 – 218. Qua kết quả thí nghiệm ta có những nhận xét sau: [5] Y. B. Guo, J. Sahni, A comparative study of hard turned and cylindrically ground white layers, International Journal of Machine - Độ cứng của lớp biến cứng bề mặt là hàm số phụ thuộc Tools & Manufacture (vol.44, 2004), pp135 – 145. vào hai thông số đầu vào: Chiều sâu cắt t, bước tiến dao S. [6] Zbigniew Zurecki, Ranajit Ghosh, and John H. Frey, Investigation of Phương trình (5) cho thấy thứ tự ảnh hưởng mạnh nhất tới White Layers Formed in Conventional and Cryogenic Hard Turning độ cứng của lớp biến cứng bề mặt H là S, t. of Steels, ASME Proceedings (vol.42313, 2003), pp 211 – 220. [7] Dale W. Schwach, Y.B. Guo, A fundamental study on the impact of - Nhìn vào phương trình (7) dễ thấy thứ tự ảnh hưởng surface integrity by hard turning on rolling contact fatigue, mạnh nhất tới chiều sâu lớp biến cứng là t, S, bên cạnh đó International Journal of Fatigue (vol.28, 2006), pp1838 – 1844. các hệ số của lnt và lnS rất nhỏ chứng tỏ các thông số t và [8] Stephen Smith, Shreyes N. Melkote, Edgar Lara-Curzio, Thomas R. S có ảnh hưởng rất nhỏ đến chiều sâu lớp biến cứng. Watkins, Larry Allard, Laura Riester, Effect of surface integrity of hard turned AISI 52100 steel on fatigue performance, Materials 3. Kết luận Science and Engineering A (vol.459, 2007), pp337 – 346. [9] A. Ramesha, S.N. Melkotea, L.F. Allardb, L. Riesterb, T.R. Watkinsb, Từ những kết quả nghiên cứu, có thể rút ra những kết Analysis of white layers formed in hard turning of AISI 52100 steel, luận sau: Materials Science and Engineering A (vol.390, 2005), pp88 – 97. 1. Biến cứng bề mặt là một hiện tượng cơ lý xảy ra [10] Nguyễn Bá Thuận, Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt và thông số hình học của dao đến lớp biến cứng bề mặt khi tiện thường xuyên trong quá trình gia công cắt gọt. Nó có ảnh trên máy tiện CNC CTX 310 ECOLINE với vật liệu thép C45 chưa hưởng đến chất lượng chi tiết. Bề dày của lớp biến cứng, qua nhiệt luyện, Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật, Đại học Mỏ - Địa chất cấu trúc tinh thể kim loại và độ cứng của nó phụ thuộc rất Hà Nội, 2013. (BBT nhận bài: 16/9/2016, phản biện xong: 26/9/2016)