Bài giảng Cơ sở công nghệ chế tạo máy - Chương 4: Chất lượng bề mặt chi tiết máy - Phan Thanh Vũ

CHƢƠNG 4 
1 12/07/2015 
CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT CHI 
TIẾT MÁY 
12/07/2015 
Chất lƣợng sản phẩm là chỉ tiêu quan trọng 
phải đặc biệt quan tâm khi chuẩn bị công 
nghệ chế tạo sản phẩm 
Đối với chi tiết máy thì chất lƣợng chế tạo 
chúng đƣợc đánh giá bằng các thông số cơ 
bản sau đây: 
Độ chính xác về kích thƣớc của các bề mặt. 
Độ chính xác về hình dạng của các bề mặt. 
Độ chính xác về vị trí tƣơng quan giữa các 
bề mặt. 
Chất lƣợng bề mặt. 
2 
12/07/2015 
§4.1 Yếu tố đặc trƣng của chất lƣợng 
bề mặt 
Hình dáng 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 dƣ...) 
Phản ứng của lớp bề mặt đối với môi trƣờng 
làm việc (tính chống mòn, khả năng chống 
xâm thực hóa học, độ bền ...) 
3 
12/07/2015 
4.1.1 Tính chất hình học của bề mặt 
gia công 
Độ nhấp nhô tế vi bề mặt (độ nhám) đƣợc 
biểu thị bằng một trong hai chỉ tiêu Ra và 
Rz; đƣợc quan sát trong phạm vi rất nhỏ. 
Độ sóng của bề mặt là chu kỳ không 
phẳng của bề mặt chi tiết máy, đƣợc 
quan sát trong phạm vi lớn hơn (từ 1 đến 
10 mm). 
4 
12/07/2015 
Hình 4.1 
Tổng quan về độ nhám và độ sóng bề mặt chi tiết máy 
Tổng quan về độ nhám và độ sóng 
5 
12/07/2015 
4.1.2 Tính chất cơ lý của lớp bề mặt chi 
tiết gia công 
Tính chất cơ lý của bề mặt chi tiết máy được 
biểu thị bằng độ cứng bề mặt, sự biến đổi về 
cấu trúc mạng tinh thể lớp bề mặt, độ lớn và 
dấu của ứng suất trong lớp bề mặt, chiều sâu 
lớp biến cứng bề mặt  
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 hưởng 
nhiệt trong vùng cắt 
6 
12/07/2015 
Khi gia công, trong lớp bề mặt chi tiết có ứng 
suất dư 
Nguyên nhân chủ yếu gây ra ứng suất dư 
trong lớp bề mặt chi tiết máy sau khi gia công: 
Khi cắt kim loại, do biến dạng dẻo cho nên 
bề mặt ngoài được làm chắc, thể tích riêng 
tăng. Lớp bề mặt ngoài có khuynh hướng 
bành trướng thể tích, nhưng vì có liên hệ với 
lớp bên trong nên ở lớp ngoài sinh ra ứng 
suất dư nén còn lớp trong lại có ứng suất dư 
kéo 
7 
12/07/2015 
Khi gia công, nhiệt cắt nung nóng bề mặt 
ngoài làm môđun đàn hồi của nó bị giảm đến 
tối thiểu. Sau đó lại bị nguội nhanh cho nên nó 
co lại. Nhưng vì có liên hệ vơí lớp bên trong 
cho nên ở lớp ngoài sinh ra ứng dư kéo còn 
bên trong sinh ra ứng suất dư nén. 
8 
12/07/2015 
§4.2 Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt 
tới khả năng làm việc của chi tiết máy 
Ảnh hưởng của độ nhấp nhô bề mặt 
Ảnh hưởng của độ biến cứng 
Ảnh hưởng của ứng suất dư 
9 
12/07/2015 
4.2.1 Ảnh hưởng của độ nhấp nhô bề 
mặt 
a) Đối với tính chống mòn 
Chiều cao và hình dáng không bằng phẳng 
của bề mặt cùng với chiều của vết gia công 
ảnh hưởng đến ma sát và mài mòn 
Khi hai bề mặt chuyển động tương đối với 
nhau xảy ra trượt dẻo ở các đỉnh nhấp nhô 
dẫn đến hiện tượng mòn nhanh chóng ban 
đầu, khe hở lắp tăng lên 
10 
12/07/2015 
Chi tieát A 
Chi tieát B 
l2 l3 l4 l5 li 
l1 
Hình 4.2 
Sơ đồ tiếp xúc ban đầu của cặp chi tiết ma sát với nhau 
L
l
K
n
i
i
 1
K: hệ số tiếp xúc 
L: diện tích mặt tiếp xúc 
Li: diện tích tiếp xúc thực 
11 
12/07/2015 
Trong điều kiện làm việc nhẹ và trung bình, 
mòn ban đầu có thể làm cho chiều cao nhấp 
nhô giảm 65-75%, lúc đó diện tích tiếp xúc 
thực tăng lên và áp suất giảm xuống 
Sau giai đoạn này mòn trở nên bình thường 
và chậm. 
12 
12/07/2015 
Độ mòn 
cho phép 
Độ mòn μm a b c 
 t2a t2b t2c Thời gian 
aa ab ac 
 t1a t1b t1c 
Quá trình mài mòn của một cặp chi tiết ma sát 
với nhau 
13 
12/07/2015 
Quá trình mài mòn của một cặp chi tiết ma 
sát với nhau thường qua 3 giai đoạn. Quy luật 
mòn như sau : 
Giai đọạn I là giai đoạn mòn ban đầu (mòn 
nhanh) 
Giai đọan II là giai đoạn mòn ổn định (mòn 
chậm) 
Giai đọan III là giai đọan mòn phá hủy, 
mòn rất nhanh dẫn đến sự phá hủy. 
14 
12/07/2015 
b) Đối với độ bền mỏi của chi tiết 
Độ nhẵn bóng bề mặt ảnh hưởng lớn đến độ 
bền mỏi của chi tiết nhất là chi tiết chịu tải 
trọng chu kỳ đổi dấu, vì ở các đáy nhấp nhô 
có ứng suất tập trung với trị số rất lớn có 
khi vượt qúa giới hạn mỏi của vật liệu. 
Lúc đó dễ tạo thành các vết nứt là nguồn 
gốc phá hoại chi tiết. 
15 
12/07/2015 
c) Đối với tính chống ăn mòn của lớp bề 
mặt 
Các chỗ lõm bề mặt là nơi chứa đựng các axít, 
muối và các tạp chất khác, chúng có tác dụng ăn 
mòn hoá học kim loại. Sau khi ăn mòn hết bề 
mặt lại tạo thành các nhấp nhô mới và cứ thế 
tiếp tục. 
Các chất ăn mòn đọng ở các chỗ lõm của vết 
nhấp nhô sẽ ăn mòn theo sườn dốc của các nhấp 
nhô đó theo chiều mũi tên dần dần làm mất các 
nhấp nhô cũ và hình thành các nhấp nhô mới và 
cứ thế tiếp tục 
16 
12/07/2015 
Hình 4.4 Quá trình ăn mòn hóa học trên bề 
mặt chi tiết 
Nhấp nhô mới 
Nhấp nhô cũ 
17 
12/07/2015 
d) Đối với độ chính xác và các mối lắp ghép . 
• Độ chính xác của các mối lắp quyết định bởi 
khe hở (hoặc độ dôi) lắp, mà khe hở lại quyết 
định phần lớn bởi độ nhẵn bóng các bề mặt lắp 
ghép với nhau. 
• Thực nghiệm cho thấy độ bền của mối lắp 
ghép có quan hệ trực tiếp với độ bóng bề mặt 
lắp ghép. Tăng chiều cao nhấp nhô thì độ bền 
mối lắp ghép giảm 
18 
12/07/2015 
4.2.2 Ảnh hƣởng của lớp biến cứng 
a) Đối với tính chống mòn 
Kim loại lớp bề mặt bị biến cứng thường 
nâng cao tính chống mòn vì nó làm giảm tác 
động tương hổ giữa các phân tử và tác dụng 
tương hổ cơ học ở chỗ tiếp xúc 
Hiện tượng biến cứng bề mặt chi tiết máy còn 
hạn chế quá trình biến dạng dẻo toàn phần 
của chi tiết máy, qua đó hạn chế hiện tượng 
chảy và hiện tượng mài mòn của kim loại. 
19 
12/07/2015 
b) Đối với độ bền mỏi của chi tiết máy 
Bề mặt bị biến cứng có thể làm tăng độ bền 
mỏi từ 15% -20% 
Chiều sâu và mức độ biến cứng của lớp bề mặt 
đều có ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết 
máy, vì nó làm cho các vết nứt tế vi phá hoại 
chi tiết rất khó sinh ra, nhất là khi bề mặt chi 
tiết có ứng suất dư nén 
Tuy vậy biến cứng lại có hại khi chi tiết làm 
việc lâu ở nhiệt độ cao, vì nó thúc đẩy mạnh 
quá trình khuếch tán trong lớp bề mặt làm 
giảm độ bền mỏi của chi tiết máy 
20 
12/07/2015 
c) Đối với tính chống ăn mòn hóa học của lớp 
bề mặt chi tiết máy 
Biến dạng dẻo và biến cứng lớp bề mặt có mức 
độ khác nhau tùy theo thành phần kim loại khác 
nhau. 
Quá trình gia công cơ xảy ra biến cứng bề mặt 
và thay đổi độ nhẵn bóng bề mặt làm thay đổi 
tính chống ăn mòn hóa học của kim loại. Tốc độ 
ăn mòn thép trong dung dịch axít sunfuaric loãng 
sau khi tiện có thể nhanh gấp 12,5 lần so với sau 
khi đánh bóng. 
21 
12/07/2015 
4.2.3 Ảnh hƣởng của ứng suất dƣ 
a) Đối với tính chống ăn mòn 
Ứng suất dư lớp bề mặt sinh ra trong quá trình 
gia công không có ảnh hưởng gì đến tính chống 
ăn mòn của chi tiết về sau này trong các điều 
kiện ma sát bình thường (trượt trong chế độ mòn 
ôxy hóa). Đó là nói đến ứng suất dư lớp bề mặt 
còn ứng suất bên trong (toàn tiết diện) của chi 
tiết có thể ảnh hưởng đến tính chất và cường độ 
mòn của chi tiết máy 
22 
12/07/2015 
b) Đối với độ bền mỏi của chi tiết máy 
Ứng suất dư nén trên lớp bề mặt có tác dụng 
nâng cao độ bền mỏi, còn ứng suất dư kéo lại 
hạ thấp độ bền mỏi của chi tiết máy. 
Nếu chi tiết máy làm việc lâu ở nhiệt độ cao 
thì ảnh hưởng của ứng suất dư lớp bề mặt tới 
độ bền mỏi của vật liệu sẽ giảm 
23 
12/07/2015 
§4.3 Các nguyên nhân ảnh hƣởng đến 
chất lƣợng bm chi tiết máy 
- Do thông số hình học của dao và chế 
độ cắt 
- Do các yếu tố liên quan đến biến 
dạng dẻo 
- Do rung động 
24 
12/07/2015 
4.3.1 Ảnh hƣởng đến độ nhấp nhô 
bề mặt 
Các yếu tố mang tính chất in dập hình học của 
dụng cụ cắt và chế độ cắt đến độ nhấp nhô bề 
mặt 
Những hiện tượng phát sinh trong quá trình 
cắt và có liên quan đến biến dạng dẻo của lớp 
bề mặt 
Nguyên nhân rung động của hệ thống công 
nghệ . 
25 
12/07/2015 
a) Các yếu tố mang tính in dập hình học 
26 
12/07/2015 
a) Các yếu tố mang tính in dập hình học 
)(
1
mm
ctgctg
S
RZ
 

a và b S1 > S2  RZ > RZ’ 
a và c φ > φ’’ và φ1 > φ1’’  RZ > RZ’’ 
d và e r1 RZ2 
Trƣờng hợp r = 0  
Trƣờng hợp r ≠ 0  )(
8
2
mm
r
S
RZ 
Chiều sâu t không ảnh hƣởng đến nhấp nhô 
27 
12/07/2015 
b) Những hiện tƣợng phát sinh trong quá 
trình cắt có liên quan đến biến dạng dẻo của 
lớp bề mặt. 
 Vận tốc cắt có ảnh hưởng rất lớn tới chất 
lượng bề mặt, V cao phoi tách dễ, biến dạng 
giảm, độ bóng tăng. 
 Khi V từ 10÷30 m/phút nhiệt cắt, lực cắt tăng 
gây ra chảy dẻo ở mặt trước và sau dao. Lớp 
kim loại bị nén chặt ở mặt trước của dao, hình 
thành lẹo dao có chu kì nhanh (sinh ra và mất 
đi) gây ra rung động, ảnh hưởng lớn đến độ 
bóng bề mặt. 
28 
12/07/2015 
Ảnh hƣởng của tốc độ cắt V đến chiều cao RZ 
RZ (μm) 
V m/ph 
1 20 100 200 
29 
12/07/2015 
 Khi V tiếp tục tăng, vùng 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. Khi V khoảng 
70÷80 m/phút lẹo dao biến mất. 
 Khi V từ 80 m/phút lẹo dao không hình thành và 
độ bóng được nâng cao. 
 Khi gia công vật liệu dòn, tăng tốc độ cắt làm 
giảm hiện tượng vỡ vụn của kim loại, làm 
tăng độ bóng của bề mặt. 
30 
12/07/2015 
 Bước tiến S ngoài ảnh hưởng mang tính chất 
hình học còn có ảnh hưởng lớn đến độ biến 
dạng dẻo và đàn hồi ở bề mặt gia công 
 Chiều sâu cắt t ảnh hưởng không lớn đến độ bóng 
bề mặt nhưng nếu t giảm từ 0,02÷0,03 thì lưỡi 
dao có thể bị trượt trên mặt gia công. Vì vậy 
không chọn t quá bé. 
 Vật liệu gia công ảnh hưởng đến độ bóng bề mặt 
chủ yếu là do biến dạng dẻo. 
 Cắt có dung dịch trơn nguội làm tăng độ bóng 
31 
12/07/2015 
A 
B 
C 
RZ (μm) 
0 0,02 0,15 S (mm) 
Ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao đến chiều cao RZ 
32 
12/07/2015 
c) Nguyên nhân rung động của hệ thống công 
nghệ 
 Độ cứng vững của hệ thống công nghệ không 
tốt dẫn đến sự phát sinh rung động khi cắt, làm 
giảm chất lượng bề mặt. 
 Quá trình rung động nên tạo chuyển động 
tương đối có chu kì giữa dụng cụ cắt và vật 
liệu gia công làm thay đổi điều kiện ma sát do 
đó gây nên độ sóng và các nhấp nhô trên bề 
mặt. 
33 
12/07/2015 
4.3.2 Ảnh hƣởng đến biến cứng bề mặt 
Khi thay đổi chế độ cắt làm tăng lực cắt và 
mức độ biến dạng dẻo thì mức độ biến cứng bề 
mặt tăng. nếu kéo dài tác dụng của lực cắt trên 
bề mặt kim loại sẽ làm tăng chiều sâu lớp biến 
cứng bề mặt. 
Góc trước γ tăng từ âm sang dương thì mức độ 
và chiều sâu biến cứng 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 
34 
12/07/2015 
Qua thực nghiệm ta có kết luận: 
Khi V < 20m/ph thì chiều sâu lớp biến cứng 
TC tăng theo giá trị của vận tốc cắt. 
Khi V > 20m/ph thì chiều sâu lớp biến cứng lại 
giảm. 
Chiều sâu lớp biến cứng tăng theo giá trị giảm 
dần của lựơng tiến dao. 
Dụng cụ cắt bị mòn cũng làm biến cứng tăng. 
35 
12/07/2015 
Ảnh hƣởng của S và r đối với độ biến cứng bề 
mặt chi tiết máy 
10 50 100 150 200 250 
160 
240 
320 
400 
480 
560 
HV (N/mm
2) 
r (μm) 
    
1. S=0,12
mm/vg 
2. S=0,25
mm/vg 
3. S=0,5 
mm/vg 
4. S=0,76 
mm/vg 
36 
12/07/2015 
§4.4 Các phƣơng pháp nâng cao chất 
lƣợng bề mặt gia công chi tiết máy 
Phương pháp đạt độ bóng bề mặt 
Xuất phát từ các nguyên nhân ảnh 
hưởng nói trên ta có thể chọn chế độ 
cắt gọt và phương pháp gia công hợp 
lý để đảm bảo độ nhẵn bóng bề mặt 
theo yêu cầu 
39 
12/07/2015 
Các phƣơng pháp tạo lớp cứng nguội bề 
mặt 
Phun bi :Bi được phun lên bề mặt gia 
công với tốc độ lớn 
Lăn bi 
Gõ đập 
Nong 
40 
12/07/2015 
Phun bi 
41 
12/07/2015 
Cho bi vào ổ (1), bi được cơ cấu nâng lên ổ 
chứa (3), trong quá trình này các bi rơi vãi 
được rơi vào ổ (2). 
Nếu mở khóa (4), bi sẽ rơi trong một ống 
thẳng đứng xuống roto (5) quay nhanh (2000  
3500vg/ph) nhờ động cơ (7). 
Khi quay roto sẽ làm văng bi vào bề mặt gia 
công (6). Để quay chi tiết gia công và thực 
hiện tiến dao phải có một đồ giá riêng. Bi phun 
rồi lại rơi xuống ổ chứa (1) như lúc đầu 
42 
12/07/2015 
Phun bi 
43 
Phun bi bánh răng 
12/07/2015 
Lăn ép bằng con lăn hoặc lăn bi 
44 
12/07/2015 
Nhờ lực li tâm làm văng các viên bi thép 
đường kính 7  12mm . Bi dịch chuyển tự do 
trong các lỗ của một đầu lăn quay với tốc độ 
20  40m/s, ép lên bề mặt gia công làm nhẵn 
bóng và biến cứng bề mặt. 
Có thể dùng phương pháp này để gia công 
lần cuối các loại chi tiết như trục khuỷu, 
xylanh, xécmăng, vòng ổ bi. Có thể gia công 
mặt ngoài, mặt trong hoặc mặt phẳng 
45 
12/07/2015 
Gõ đập 
46 
12/07/2015 
Bản chất phương pháp này là dùng một đồ gá 
đặc biệt (kiểu cơ khí, hơi ép hoặc điện) để 
thao tác một chày đập lên bề gia công 
Nhờ xung lực của chày đập để làm chắc bề 
mặt 
Có thể dùng gia công góc lượn cổ trục khuỷu 
(hình 4.13), bánh răng v.v 
47 
12/07/2015 
Nong 
Vùng biến 
dạng dẻo 
48 
12/07/2015 
Thường để gia công lỗ thông, dùng một dụng 
cụ đường kính lớn hơn lỗ kéo qua lỗ (có thể 
làm trên máy chuốt) như hình 4.25a hoặc có thể 
dùng bi để ấn lót qua lỗ trên máy ép 
Phương pháp này chỉ gia công các lỗ ngắn. Khi 
chày nong (hoặc bi) đi qua lỗ thì bề mặt biến 
dạng dẻo rất lớn làm nhẵn bóng bề mặt và nâng 
cao tính chất cơ lý của nó và độ chính xác. 
Phương pháp này dùng để gia công lỗ bạc. Độ 
chính xác có thể đạt cấp 2 và độ nhẵn bóng bề 
mặt đạt 9  11. 
49