Cơ khí chế tạo máy - Chương 5: Chất lượng bề mặt chi tiết gia công

1GV: TRƯƠNG QUỐC THANH Chất lượng bề mặt chi tiết gia công ??? Chương 5: CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT GIA CÔNG 2GV: TRƯƠNG QUỐC THANH Các yếu tố đặc trưng cho chất lượng bề mặt:
Tính chất hình học lớp bề mặt (độ sóng, độ nhám,)
Trạng thái và tính chất cơ lý của lớp bề mặt (độ cứng, chiều sâu lớp biến cứng, ứng suất dư,)
Phản ứng của lớp bề mặt đối với môi trường làm việc (tính chống mòn, xâm thực, độ bềm mõi,) CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT 3GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 1.1Độ nhấp nhô tế vi: Nhấp nhô tế vi đó chính là những vết xước rất nhỏ được hình thành trong quá trình gia công. Đó chính là độ nhám bề mặt, được đo bằng thông số: + Chiều cao nhấp nhô (Rz) + Sai lệch prôfin trung bình cộng (Ra) 1. Tính chất hình học lớp bề mặt (độ sóng, độ nhám,) 4GV: TRƯƠNG QUỐC THANH Chiều cao nhấp nhô (Rz): Là trung bình của 5 khoảng cách từ 5 đỉnh cao nhất đến 5 đáy thấp nhất của nhấp nhô trong chiều dài chuẩn L 5 )hh()hh()hh()hh()hh( 5 )hhhhh()hhhhh( Rz 10987654321 10864297531 −+−+−+−+− = ++++−++++ = 1. Tính chất hình học lớp bề mặt (độ sóng, độ nhám,) 5GV: TRƯƠNG QUỐC THANH Sai lệch prôfin trung bình cộng (Ra): Là trị số trung bình của khoảng cách từ các đỉnh nhấp nhô đến đường trục toạ độ OX. ∑ = ≈ n 1i iy.n 1Ra dx.y. L 1Ra L 0x i∫ = = Tính gần đúng: Tính chính xác: 1. Tính chất hình học lớp bề mặt (độ sóng, độ nhám,) 6GV: TRƯƠNG QUỐC THANH Theo TCVN, độ nhám chia làm 14 cấp, độ nhám thấp nhất ứng với cấp 14 (tức độ nhẵn cao nhất) 0.08 0.05 0.02 0.01 0.080.20.0412 13 14Siêu tinh (∇∇∇∇) 0.253.2 1.6 0.8 0.4 0.63 3.2 0.16 0.08 8 9 10 11Tinh (∇∇∇) 10 6.3 2.5 1.25 0.82055 6 7Bán tinh (∇∇) 8 2.5 320 160 80 40 80 40 20 10 1 2 3 4Thô (∇) Chiều dài chuẩn LRz (µ) Ra (µ) Cấp độ nhámChất lượng bề mặt 1. Tính chất hình học lớp bề mặt (độ sóng, độ nhám,) 7GV: TRƯƠNG QUỐC THANH Độ nhám bề mặt và độ chính xác kích thước có quan hệ chặc chẽ với nhau. Theo kinh nghiệm, người ta xác định độ nhám thông qua cấp chính xác kích thước. Giá trị độ nhám được lấy bằng 5 ÷ 20% dung sai kích thước cần đạt được. 1. Tính chất hình học lớp bề mặt (độ sóng, độ nhám,) 8GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 1.2 Độ sóng bề mặt Độ sóng bề mặt là chu kỳ không bằng phẳng của bề mặt chi tiết máy được quan sát trong phạm vi lớn hơn độ nhám (từ 1 ÷ 10mm). Để phân biệt độ nhám và độ sóng, người ta dựa vào tỉ lệ gần đúng giữa chiều cao nhấp nhô và bước sóng. Biên soạn: ThS. Trần Anh Sơn 1. Tính chất hình học lớp bề mặt (độ sóng, độ nhám,) 9GV: TRƯƠNG QUỐC THANH Độ nhám: l/h = 0 ÷ 50 Độ sóng: L/H = 50 ÷ 1000 h – Chiều cao nhấp nhô tế vi. l – Khoảng cách giữa hai đỉnh nhấp nhô tế vi H – Chiều cao của sóng L – Khoảng cách giữa hai đỉnh sóng. 1. Tính chất hình học lớp bề mặt (độ sóng, độ nhám,) 10GV: TRƯƠNG QUỐC THANH Tính chất cơ lý lớp bề mặt gia công được biểu thị qua các thông số:
Độ cứng bề mặt
Sự biến đổi cấu trúc mạng tinh thể lớp bề mặt
Độ lớn và dấu của ứng suất trong lớp bề mặt.
Chiều sâu lớp biến cứng. 2. Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia công 11GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 2.1 Hiện tượng biến cứng bề mặt Trong quá trình cắt, dưới tác dụng của lực cắt, mạng tinh thể ở lớp bề mặt kim loại bị xô lệch, gây biến dạng dẻo ở vùng trước và sau của lưỡi cắt. Giữa các tinh thể kim loại xuất hiện ứng suất. Thể tích riêng tăng, mật độ kim loại giảm ở vùng cắt. Điều đó dẫn đến thay đổi cơ tính lớp bề mặt  Lớp bề mặt kim loại bị cứng nguội, chắc lại và có độ cứng tế vi cao.
Giới hạn bền, độ cứng, độ giòn tăng
Tính dẻo dai của lớp bề mặt giảm
Tính dẫn từ thay đổi
Một số tính chất khác cũng thay đổi 2. Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia công 12GV: TRƯƠNG QUỐC THANH Mức độ biến cứng và chiều sâu lớp biến cứng phụ thuộc vào các yếu tố:
Lực cắt:
Nhiệt cắt:  Mức độ biến cứng và chiều sâu biến cứng phụ thuộc vào mối quan hệ giữa hai thông số: lực cắt và nhiệt cắt. Lực cắt tăng  mức độ biến dạng dẻo tăng  tăng mức độ biến cứng và chiều sâu biến cứng Nhiệt cắt tăng làm hạn chế hiện tượng biến cứng lớp bề mặt. 2. Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia công 13GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 2.2 Ứng suất dư lớp bề mặt Khi gia công, bề mặt chi tiết xuất hiện lớp ứng suất dư. Trị số, dấu và chiều ứng suất dư phụ thuộc vào điều kiện gia công. 2. Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia công 14GV: TRƯƠNG QUỐC THANH Các nguyên nhân sinh ra ứng suất dư:
Khi cắt vật liệu, trường lực cắt gây ra biến dạng dẻo không đều ở từng khu vực thuộc lớp bề mặt. Khi lực cắt thôi tác dụng, biến dạng dẻo gây ra ứng suất dư. 2. Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia công 15GV: TRƯƠNG QUỐC THANH Các nguyên nhân sinh ra ứng suất dư:
Biến dạng dẻo sinh ra khi cắt làm chắc lớp bề mặt, làm tăng thể thích riêng của lớp kim loại mỏng ngoài cùng. Trong khi đó, thể tích riêng của lớp kim loại bên trong vẫn không đổi. Lớp kim loại ngoài cùng bị biến dạng dẻo làm tăng thể tích riêng nên gây ra ứng suất dư nén; để cân bằng thì lớp kim loại phía trong phải sinh ra ứng suất dư kéo. 2. Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia công 16GV: TRƯƠNG QUỐC THANH Các nguyên nhân sinh ra ứng suất dư:
Nhiệt cắt sinh ra làm nung nóng cục bộ vùng cắt, làm giảm modul đàn hồi của vật liệu. Sau khi cắt, lớp bề mặt bị làm nguội nhanh và bị co lại gây nên ứng suất dư kéo; để cân bằng thì lớp bên trong phải sinh ra ứng suất dư nén. Biên soạn: ThS. Trần Anh Sơn 2. Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia công 17GV: TRƯƠNG QUỐC THANH Các nguyên nhân sinh ra ứng suất dư:
Kim loại bị chuyển pha trong quá trình cắt và nhiệt sinh ra ở vùng cắt làm thay đổi cấu trúc vật liệu  làm thay đổi thể tích kim loại. Lớp kim loại nào hình thành có thể tích riêng lớn sẽ sinh ra ứng suất dư nén; lớp kim loại nào hình thành có thể tích riêng bé sẽ sinh ra ứng suất dư kéo. Biên soạn: ThS. Trần Anh Sơn 2. Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia công 18GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy Chất lượng bề mặt
Độ nhấp nhô tế vi
Lớp biến cứng bề mặt
Ứng suất dư lớp bề mặt Khả năng làm việc
Tính chống mòn
Độ bền mỏi
Tính chống ăn mòn hóa học
Độ chính xác của các mối lắp ghép 19GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 3.1 Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến tính chống mòn a. Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt Chiều cao và hình dạng của nhấp nhô tế vi trên bề mặt cùng với chiều của vết gia công có ảnh hưởng đến ma sát và mài mòn chi tiết. Biên soạn: ThS. Trần Anh Sơn 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy 20GV: TRƯƠNG QUỐC THANH Các đường a, b, c tương ứng với 3 độ nhám ban đầu khác nhau, độ nhám của đường c là cao nhất. Rz(c) > Rz(b) > Rz(a) Quá trình mòn theo thời gian: 0 ÷ ti : giai đoạn mòn ban đầu ti ÷ Ti : giai đoạn mòn bình thường Ti trở đi: giai đoạn mòn kịch liệt 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy 21GV: TRƯƠNG QUỐC THANH Tuổi thọ của cặp chi tiết có độ nhấp nhô tế vi ban đầu cao nhất (đường c) tương ứng với giai đoạn mòn bình thường ngắn nhất nên tuổi thọ thấp nhất: T3 < T2 < T1. Như vậy, khi chế tạo chi tiết máy, cần giảm chiều cao nhấp nhô ban đầu (Ra, Rz) đến giá trị độ nhám tối ưu, ứng với điều kiện làm việc của chi tiết thì sẽ kéo dài tuổi thọ của chi tiết. 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy 22GV: TRƯƠNG QUỐC THANH Ở đây, ta đề cập đến giá trị độ nhấp nhô ban đầu tối ưu (Ratối ưu, Rztối ưu) vì còn phải xét đến điều kiện làm việc nặng hay nhẹ của chi tiết máy. Khi giảm Ra qua khỏi giá trị tối ưu Ra1, Ra2 thì sẽ bị mòn kịch liệt vì lực hút giữa các phân tử làm các phân tử trên bề mặt tiếp xúc dễ bị khuếch tán. 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy 23GV: TRƯƠNG QUỐC THANH Tóm lại:
Độ nhấp nhô tế vi ban đầu phải đạt giá trị tối ưu để giảm độ mòn của chúng nhỏ nhất.
Nếu quá nhám các nhấp nhô sẽ bị phá vỡ và cắt đứt.
Nếu quá nhẵn các phân tử sẽ bị khuếch tán  quá trình mòn càng xảy ra nhanh chóng. 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy 24GV: TRƯƠNG QUỐC THANH b. Ảnh hưởng của lớp biến cứng
Làm nâng cao tính chống mòn
Làm hạn chế tác động tương hỗ giữa các phân tử và tác động tuơng hổ ở bề mặt tiếp xúc.
Hạn chế Oxy khuếch tán vào bề mặt chi tiết, hình thành các oxýt kim loại, gây ra hiện tượng ăn mòn hóa học.
Hạn chế quá trình biến dạng dẻo toàn phần, quá trình này gây ra hiện tượng chảy của kim loại, do đó có tác dụng chống mòn.
Chiều sâu lớp biến cứng t cũng có ảnh hưởng đến tuổi thọ của chi tiết. 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy 25GV: TRƯƠNG QUỐC THANH c. Ảnh hưởng do ứng suất dư bề mặt: Ứng suất dư lớp bề mặt ảnh hưởng không đáng kể đến tính chống mòn của chi tiết. 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy 26GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 3.2 Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến độ bền mõi của chi tiết a. Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt
Độ nhám bề mặt càng lớn thì các vết nứt tế vi càng tăng. 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy 27GV: TRƯƠNG QUỐC THANH Nguyên nhân: do ứng suất tập trung với trị số lớn ở các đáy của các nhấp nhô, ứng suất này sẽ hình thành các vết nứt tế vi, làm giảm độ bền mõi của chi tiết. Đây là nguồn gốc phá hỏng chi tiết. Ví dụ: khi tiện thép C45 với Rzbđ khác nhau: Rz=75 µmgiới hạn mỏi σ-1=195MN/mm2 Rz=2 µmgiới hạn mỏi σ-1=282MN/mm2 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy 28GV: TRƯƠNG QUỐC THANH b. Ảnh hưởng của lớp biến cứng Lớp biến cứng bề mặt tăng giúp tăng độ bền mỏi của chi tiết (khoảng 20%) Nguyên nhân:  Lớp biến cứng bề mặt hạn chế gây ra các vết nứt tế vi, nhất là các bề mặt có ứng suất dư nén.  Khi chi tiết làm việc ở môi trường có nhiệt độ cao, lớp biến cứng bề mặt giúp hạn chế quá trình khuếch tán của các phân tử lớp bề mặt chi tiết. 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy 29GV: TRƯƠNG QUỐC THANH c. Ảnh hưởng do ứng suất dư bề mặt:
Ứng suất dư nén làm tăng độ bền mõi
Ứng suất dư kéo làm giảm độ bền mõi 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy 30GV: TRƯƠNG QUỐC THANH 3.3 Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến tính chống ăn mòn hóa học a. Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt
Bề mặt nhấp nhô sẽ tạo điều kiện chứa các tạp chất như muối, acid, gây ra ăn mòn hóa học.
Chiều và hướng ăn mòn xảy ra từ đỉnh đến đáy các nhấp nhô. Các đỉnh nhấp nhô cũ sẽ bị ăn mòn và hình thành các nhấp nhô mới. Quá trình xảy ra liên tục. 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy 31GV: TRƯƠNG QUỐC THANH Bề mặt chi tiết càng nhẵn bóng thì càng ít bị ăn mòn. Bán kính các đáy nhấp nhô càng lớn thì khả năng chống ăn mòn hóa học càng cao Khắc phục: mạ crôm, kẽm, làm chắc bề mặt, 3 Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy 32GV: TRƯƠNG QUỐC THANH b. Ảnh hưởng của lớp biến cứng
Biến dạng dẻo gây nên sự không đồng nhất tế vi của kim loại, trong đó, sinh ra nhiều phần tử ăn mòn. Nhất là ở mặt trượt, gây ra hiện tượng hấp thụ mạnh, tăng cường quá trình ăn mòn và khuếch tán ở lớp bề mặt.
Sau khi gia công, lớp bề mặt bị biến cứng. Tăng lớp biến cứng bề mặt thì khả năng chống ăn mòn tăng lên.
Các phương pháp làm tăng lớp biến cứng bề mặt: nhiệt luyện, lăn ép, 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy 33GV: TRƯƠNG QUỐC THANH c. Ảnh hưởng do ứng suất dư bề mặt:
Ứng suất dư ít ảnh hưởng đến tính chống ăn mòn của chi tiết. 3. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến khả năng làm việc của chi tiết máy 34GV: TRƯƠNG QUỐC THANH
Độ bền các mối lắp ghép phụ thuộc vào độ nhám các bề mặt lắp ghép. Chiều cao nhấp nhô Ra, Rz tham gia vào trường dung sai chế tạo chi tiết máy.
Đối với lỗ: dung sai của kích thước đường kính lỗ sẽ giảm đi một lượng bằng 2Rz
Đối với trục: dung sai của kích thước đường kính trục sẽ tăng lên một lượng bằng 2Rz 4. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến tính năng lắp ghép 35GV: TRƯƠNG QUỐC THANH Đối với mối lắp lỏng: chiều cao nhấp nhô Rz có thể giảm đi 65 ÷ 75%, làm khe hở lắp ghép tăng lên  giảm độ chính xác của mối lắp. Do đó, đối với mối lắp lỏng cần giảm độ nhấp nhô tế vi (tăng độ nhẵn). 4. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến tính năng lắp ghép 36GV: TRƯƠNG QUỐC THANH Đối với mối lắp chặt: chiều cao nhấp nhô tế vi Rz tăng thì độ bền lắp ghép giảm. Vì khi lắp ghép, các nhấp nhô bị san bằng làm cho độ dôi thực tế của mối lắp ít hơn so với trên tính toán. 4. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến tính năng lắp ghép