Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật cơ khí: Nghiên cứu phay khô hợp kim nhôm A7075 bằng dụng cụ phủ Nitride Titan và đối sánh với phay ướt

Chia sẻ: Dopamine Grabbi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:160

Thêm vào BST

Báo xấu

40
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nghiên cứu nhằm phân tích cơ sở lý thuyết về quá trình tạo phoi, động lực học quá trình phay nhôm hợp kim A7075 khi phay khô và phay ướt; phân tích mối quan hệ giữa các thông số chế độ cắt với lực cắt, độ nhám bề mặt, mòn dụng cụ cắt khi phay khô và phay ướt; phân tích mối quan hệ lượng mòn dụng cụ cắt khi phay khô và phay ướt nhôm hợp kim. Mời các bạn tham khảo nội dung đề tài!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật cơ khí: Nghiên cứu phay khô hợp kim nhôm A7075 bằng dụng cụ phủ Nitride Titan và đối sánh với phay ướt

BỘ GIÁO DỤC VÀĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ NHƯ TRANG NGHIÊN CỨU PHAY KHÔ HỢP KIM NHÔM A7075 BẰNG DỤNG CỤ PHỦ NITRIDE TITAN VÀ ĐỐI SÁNH VỚI PHAY ƯỚT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ NHƯ TRANG NGHIÊN CỨU PHAY KHÔ HỢP KIM NHÔM A7075 BẰNG DỤNG CỤ PHỦ NITRIDE TITAN VÀ ĐỐI SÁNH VỚI PHAY ƯỚT Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Trần Xuân Thái 2. TS. Nguyễn Trọng Hải Hà Nội – 2021
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến TS Trần Xuân Thái, TS Nguyễn Trọng Hải hai người thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo và động viên tôi thực hiện luận án. Tôi vô cùng biết ơn đến GS.TSKH Bành Tiến Long đã định hướng đề tài, góp ý và tận tình giúp đỡ và động viên tôi hoàn thành luận án. Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện tốt nhất và giúp đỡ, động viên tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Tôi xin gửi lời cám ơn tới Thầy, Cô bộ môn Gia Công Vật Liệu Và Dụng Cụ Công Nghiệp - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã đóng góp ý kiến, hỗ trợ và giúp đỡ tôi. Tôi xin cảm ơn khoa Cơ khí – Phòng thí nghiệm Đo lường khoa Cơ khí, Trung Tâm Hồng Hải Foxcon– Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội đã giúp đỡ, hỗ trợ tôi hoàn thành thực nghiệm của luận án. Tôi gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Trường, khoa Cơ Khí, Bộ môn CNCTM - Trường Đại học kinh tế kỹ thuật công nghiệp đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi về thời gian giúp tôi hoàn thành luận án. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã luôn ở bên động viên khích lệ và mong muốn tôi hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày 16 tháng 09 năm 2021 Tác giả Lê Như Trang i
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS Trần Xuân Thái và TS Nguyễn Trọng Hải. Kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Hà Nội, ngày 16 tháng 09 năm 2021 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1 TÁC GIẢ TS TRẦN XUÂN THÁI LÊ NHƯ TRANG HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 2 TS. NGUYỄN TRỌNG HẢI ii
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...........................................vii DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................ ix DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... xiii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC YẾU TỐ KHI GIA CÔNG HỢP KIM NHÔM A7075 ............................................................................................................ 5 1.1 Đặc điểm và ứng dụng của hợp kim nhôm A7075 ........................................ 5 1.1.1 Đặc điểm của hợp kim nhôm ...................................................................... 5 1.1.2 Phân loại hợp kim nhôm.............................................................................. 5 1.1.3 Ứng dụng của hợp kim nhôm A7075 .......................................................... 7 1.1.4 Các nghiên cứu về hợp kim nhôm A7075 ................................................... 8 1.2 Cơ sở vật lý quá trình tạo phoi khi gia công A7075 ................................... 11 1.2.1 Quá trình tạo phoi khi gia công kim loại ................................................... 11 1.2.2 Các dạng phoi hình thành trong quá trình cắt. .......................................... 15 1.3 Dụng cụ cắt khi gia công hợp kim nhôm A7075 ......................................... 17 1.3.1 Đặc điểm của vật liệu làm dụng cụ cắt ..................................................... 17 1.3.2 Một số vật liệu dùng làm dụng cụ cắt khi gia công hợp kim nhôm A7075 17 1.4 Những vấn đề khi gia công khô và gia công có dung dịch trơn nguội hợp kim nhôm A7075 .................................................................................................. 24 1.5 Nghiên cứu trong và ngoài nước trong những năm gần đây ..................... 29 1.5.1 Nghiên cứu trong nước .............................................................................. 29 1.5.2 Nghiên cứu ngoài nước ............................................................................. 31 1.6 Kết luận chương 1 .......................................................................................... 34 CHƯƠNG 2. ĐỘNG LỰC HỌC VÀ CÁC HIỆN TƯỢNG XẢY RA KHI PHAY HỢP KIM NHÔM A7075 ....................................................................................... 35 2.1 Lực cắt và các yếu tố ảnh hưởng .................................................................. 35 2.1.1 Lực cắt khi phay hợp kim nhôm A7075 .................................................... 35 2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi phay .............................................. 38 2.2 Rung động và ổn định trong quá trình phay hợp kim nhôm A7075 ........ 40 2.2.1 Hiện tượng rung động khi cắt .................................................................... 40 2.2.2 Mô hình rung động khi phay ..................................................................... 41 2.2.3 Sự ổn định trong quá trình gia công .......................................................... 45 iii
2.3 Hiện tượng mài mòn dụng cụ cắt[9] khi phay hợp kim nhôm A7075. ..... 46 2.3.1 Các dạng mài mòn dụng cụ cắt ................................................................ 47 2.3.2 Cơ chế mài mòn của dụng cụ cắt khi phay hợp kim nhôm A7075 ......... 48 2.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến mài mòn dụng cụ cắt. ..................................... 49 2.4 Hiện tượng nhiệt sinh ra trong quá trình gia công hợp kim nhôm A7075 ............................................................................................................................... 51 2.5 Chất lượng bề mặt chi tiết gia công khi gia công hợp kim nhôm A7075 .. 54 2.5.1 Sự biến cứng lớp bề mặt khi gia công ....................................................... 54 2.5.2 Độ nhám bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng khi phay hợp kim nhôm A7075 . ............................................................................................................................ 56 2.6 Kết luận chương 2 .......................................................................................... 59 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN LỰC CẮT, ĐỘ NHÁM VÀ MÒN DỤNG CỤ KHI PHAY HỢP KIM NHÔM A7075 BẰNG DAO PHAY PHỦ NITRIDE TITAN ...................................................................................................................... 60 3.1 Mục tiêu của nghiên cứu thực nghiệm ......................................................... 60 3.2 Nội dung của nghiên cứu thực nghiệm ........................................................ 60 3.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm khi phay hợp kim nhôm A7075.. 61 3.3.1 Tiến trình nghiên cứu thực nghiệm ........................................................... 61 3.3.2 Thiết kế các thông số và ma trận thực nghiệm khi phay hợp kim nhôm A7075. ................................................................................................................ 62 3.4 Lựa chọn trang bị thí nghiệm ....................................................................... 63 3.4.1 Dụng cụ cắt ................................................................................................ 63 3.4.2 Vật liệu gia công và máy dùng cho thí nghiệm ......................................... 64 3.4.3 Các thiết bị đo dùng khi phay hợp kim nhôm A7075 ............................... 65 3.5 Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến lực cắt khi phay hợp kim nhôm A7075. ................................................................................................. 67 3.5.1 Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến lực cắt FU (N) khi phay ướt hợp kim nhôm A705. ................................................................................................. 67 3.5.2.Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến lực cắt (FK) khi phay khô hợp kim nhôm A7075 ................................................................................................ 72 3.6 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám khi phay hợp kim nhôm A7075. ......................................................................................................... 77 3.6.1 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám (RaU) khi phay ướt hợp kim nhôm A7075. ........................................................................................ 77 iv
3.6.2 Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến độ nhám (RaK) khi phay khô hợp kim nhôm A7075. ................................................................................. 81 3.7 Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến độ mòn dao HS khi phay hợp kim nhôm A7075 ................................................................................. 85 3.7.1 Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ độ mòn dao (HsU) khi phay ướt hợp kim nhôm A7075. ............................................................................................... 85 3.7.2 Kết quả phân tích ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến độ mòn dao HsK khi phay khô hợp kim nhôm A7075. ....................................................... 90 3.8 Kết luận chương 3 .......................................................................................... 94 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ VÀ TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH PHAY KHÔ HỢP KIM NHÔM A7075 BẰNG DAO PHAY PHỦ NITRIDE TITAN ...................................................................................................................... 96 4.1 Nghiên cứu đánh giá các thông số đầu ra của quá trình phay khô so với phay ướt hợp kim nhôm A7075 .......................................................................... 96 4.1.1 Đánh giá lực cắt khi phay khô so với phay ướt hợp kim nhôm A7075 .... 96 4.1.2. Đánh giá độ nhám bề mặt khi phay khô so với phay ướt hợp kim nhôm A7075 ................................................................................................................. 98 4.1.3 Đánh giá độ mòn dao khi phay khô so với phay ướt hợp kim nhôm A7075 .......................................................................................................................... 102 4.2 Phân tích mối quan hệ của các thông số đầu ra trong khi phay hợp kim nhôm A7075. ....................................................................................................... 105 4.2.1 Phân tích mối quan hệ giữa lực cắt và độ nhám khi phay khô hợp kim nhôm A7075 ............................................................................................................... 106 4.2.2. Phân tích mối quan hệ giữa lực cắt và lượng mòn dao mặt sau khi phay khô hợp kim nhôm A7075 ....................................................................................... 107 4.2.3. Phân tích mối quan hệ giữa độ nhám và lượng mòn dao mặt sau khi phay khô hợp kim nhôm A7075 ................................................................................ 108 4.3 Nghiên cứu tối ưu một số thông số khi phay hợp kim nhôm A7075 bằng dao phay phủ Nitride Titan .............................................................................. 109 4.3.1 Đặt vấn đề ................................................................................................ 109 4.3.2 Các phương pháp tối ưu hóa ................................................................... 110 4.3.2.1 Tối ưu hóa theo phương pháp sử dụng thuật toán di truyền GA ...... 110 4.3.2.2 Tối ưu hóa theo phương pháp qui hoạch tuyến tính ......................... 113 4.3.3 Tối ưu hóa quá trình phay ....................................................................... 115 4.3.3.1. Hàm mục tiêu. .................................................................................. 115 4.3.3.2 Điều kiện biên và miền giới hàn ....................................................... 117 v
4.3.3.3 Tối ưu hóa đơn mục tiêu. .................................................................. 118 4.3.3.4 Tối ưu hóa đa mục tiêu ..................................................................... 121 4.4 Kết luận chương 4 ........................................................................................ 125 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO................................... 127 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .............. 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 130 PHỤ LỤC vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải Đơn vị CNC (Computer Numerical Control)- Điều khiển số có sự hỗ trợ của máy tính Hs Độ mòn dụng cụ cắt m HsU Độ mòn dụng cụ cắt khi phay ướt m HsK Độ mòn dụng cụ cắt khi phay khô m F Lực cắt khi phay N FU Lực cắt khi phay ướt N FK Lực cắt khi phay khô N Ra Nhám bề mặt chi tiết m RaU Nhám bề mặt chi tiết khi phay ướt m RaK Nhám bề mặt chi tiết khi phay khô m xy Rung động theo phương x và phương y Lf Chiều dài của lớp phoi mm L Chiều dài quãng đường dao đi mm t Chiều sâu cắt mm t1 Chiều dày phoi chưa biến dạng mm t2 Chiều dày phoi đã biến dạng mm Vc Vận tốc cắt m/phút F1 Lực tác dụng lên mặt trước N F2 Lực tác dụng lên mặt sau N R1 Lực cắt N Fx Lực cắt theo phương x N Fy Lực cắt theo phương y N Fz Lực cắt theo phương z N Ft Lực tiếp tuyến N Fc Lực cắt chính N Ai() Diện tích phoi chưa cắt của răng thứ I tại góc  mm2 D Đường kính dụng cụ cắt mm Ff Lực ma sát tác dụng dọc theo dòng chảy của phoi N Fn Lực pháp tuyến thẳng góc tới góc cắt của dao N vii
KR Hằng số không thứ nguyên liên quan đến lực hướng tâm và lực tiếp tuyến KA Hằng số không thứ nguyên liên quan đến lực dọc trục và lực tiếp tuyến  Góc biến dạng độ n Góc cắt pháp tuyến tức thời độ m Góc quay của lưỡi cắt độ Cm Chiều dày phoi trung bình mm ANOVA Phân tích phương sai R Hệ số tương quan bội R2 Hệ số xác định R Square Hệ số điều chỉnh Df Số bậc tự do Tổng bình phương mức động và sai lệch bình phương của SS chúng MS Phương sai hay số bình quân của tổng bình phương sai lệch viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Góc nhôm của giản đồ Al-nguyên tố hợp kim. ........................................... 6 Hình 1.2. Các sản phẩm của hợp kim nhôm A7075 ................................................... 8 Hình 1.3. Sự thay đổi ứng suất khi thay đổi tốc độ cắt (a) và lượng tiến dao (b) ....... 9 Hình 1.4. Vết nứt ở các giai đoạn khác nhau trên bề mặt gia công ........................... 9 Hình 1.5. Ảnh hưởng của tốc độ cắt và chiều sâu cắt ............................................... 10 Hình 1.6. Ảnh hưởng của công nghệ làm mát đến độ nhám bề mặt ở tốc độ cắt khác nhau ........................................................................................................................... 10 Hình 1.7. Ảnh hưởng của tốc độ cắt (a) và lượng tiến dao (b) đến nhiệt ................. 11 Hình 1.8. Phoi hình thành trong quá trình cắt .......................................................... 12 Hình 1.9. Cơ chế hình thành phoi ............................................................................. 12 Hình 1.10. Trạng thái hình thành phoi: a) Sự hình thành phoi cho vật liệu mềm, b) Hình thành phoi cho vật liệu ủ mềm, c) Sự hình thành phoi cho khi gia công dao có bán kính cong lớn. ..................................................................................................... 13 Hình 1.11. Trạng thái hình thành phoi; a) ảnh tế vi phoi hình thành khi gia công thép AISI1041; b) Biểu đồ hình thành phoi; c) Vec tơ tốc độ cắt ................................... 13 Hình 1.12. Cơ chế hình thành phoi .......................................................................... 14 Hình 1.13. Sơ đồ hình thành vết nứt tế vi khi gia công . .......................................... 14 Hình 1.14.Các dạng phoi hình thành trong quá trình cắt . ........................................ 15 Hình 1.15. Sự thay đổi cấp độ phân đoạn của phoi ở các tốc độ cắt khác nhau ...... 16 Hình 1.16. Đường cong ứng suất – biến dạng của 2 loại cacbit và thép gió . .......... 18 Hình 1.17. Độ cứng nóng của hợp kim cứng và thép gió. ........................................ 18 Hình 1.18. Cấu trúc tế vi của thép gió; a) thép cacbon, b) thép gió .......................... 20 Hình 1.19. Đường cong nhiệt độ của thép cacbon và théo gió ................................ 21 Hình 1.20. Ảnh hưởng của nhiệt độ và ứng suất của các vật liệu khác nhau. .......... 21 Hình 1.21. Độ cứng tế vi của các lớp phun phủ ........................................................ 23 Hình 1.22. Hệ số cắt, góc cắt với hệ số ma sát  ứng với điều kiện khác nhau . ..... 25 Hình 1.23. Hướng phun dung dịch trơn nguội ......................................................... 26 Hình 1.24. Sơ đồ nhiệt khi gia công thép; a) khô; b) tỷ lệ pha 30:1 hướng A, c) tỷ lệ 30:1 theo hướng C. Điều kiện cắt 183 m/phút, bước tiến 0,25 mm/vòng, vật liệu dao M34 HSS, thời gian cắt 30s ( theo Smart and Trent, 1974).. .................................... 27 Hình 1.25. Sơ đồ nhiệt khi gia công Niken; a) khô; b) tỷ lệ pha 30:1 hướng A, c) tỷ lệ 30:1 theo hướng C. Điều kiện cắt 183 m/phút, bước tiến 0,25 mm/vòng, vật liệu dao M34 HSS, thời gian cắt 30s (theo Smart and Trent, 1974). ............................... 27 Hình 1.26. Ảnh hưởng của việc làm mát tới độ mòn của dao (a) và phoi hình thành(b) ................................................................................................................................... 31 ix
Hình 2.1. Các thành phần lực cắt khi phay ............................................................... 36 Hình 2.2. Phân tích lực cắt khi phay họp kim nhôm A707 ....................................... 38 Hình 2.3. Giá trị trung bình lực cắt khi thực nghiệm. ............................................... 39 Hình 2.4. Mô hình động học khi phay ...................................................................... 42 Hình 2.5. Hình dạng cơ bản của một biểu đồ ổn định của quá trình phay ............. 45 Hình 2.6. Cơ chế mài mòn và các dạng mài mòn dụng cụ cắt . ................................ 47 Hình 2.7. Các trạng thái mài mòn dụng cụ cắt ......................................................... 47 Hình 2.8. Mài mòn dụng cụ cắt khi thí nghiệm AISI H13 ở tốc độ V = 389 m/phút........................................................................................................................ 48 Hình 2.9. Tóm tắt ảnh hưởng của mài mòn đến quá trình cắt................................... 49 Hình 2.10. Ảnh hưởng của các thông số đến mài mòn khi cố định ae và fz a) V= 400 m/phút; b) V=800 m/phút c) V= 1200 m/phút; d) V = 1600 m/phút ........................ 50 Hình 2.11. Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến mài mòn khi phay thuận và nghịch . ...... 50 Hình 2.12. Lượng mòn (w) thay đổi với thời gian khác nhau ................................. 51 Hình 2.13. Nguồn nhiệt sinh ra trong quá trình cắt .................................................. 52 Hình 2.14. Sơ đồ lý tưởng của nguồn nhiệt chuyển động trên mặt cắt . ................... 52 Hình 2.15. Ảnh hưởng của nhiệt độ khi cắt với chiều sâu cắt khác nhau . ............... 53 Hình 2.16. Sự thay đổi ứng suất dư theo chiều sâu lớp bề mặt kim loại .................. 54 Hình 2.17. Ảnh hưởng của V,S, đến ứng suất tiếp T và  ..................................... 55 Hình 2.18. Độ cứng nguội K và chiều sâu lớp cứng nguội ...................................... 56 Hình 2.19. Profile độ nhám bề mặt ........................................................................... 57 Hình 2.20. Biểu đồ thể hiện các tham số cắt ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt ......... 57 Hình 2.21. Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến độ nhám bề mặt ...................................... 58 Hình 3.1. Tiến trình nghiên cứu thực nghiệm ........................................................... 61 Hình 3.2. Dụng cụ cắt trong nghiên cứu thực nghiệm .............................................. 64 Hình 3.3. Mẫu phôi 1 ................................................................................................ 64 Hình 3.4. Mẫu phôi 2 ................................................................................................ 65 Hình 3.5. Máy phay CNC HS Super MC500 ............................................................ 65 Hình 3.6. Thiết lập hệ thống đo lực cắt ..................................................................... 66 Hình 3.7. Thiết lập hệ thống đo độ nhám bề mặt gia công ....................................... 66 Hình 3.8. Thiết lập hệ thống đo mòn mặt sau dụng cụ cắt........................................ 67 Hình 3.9. Lực cắt (FU1) ứng với t,S,V ở thời gian 90 phút khi phay ướt hợp kim nhôm A7075 .............................................................................................................. 71 Hình 3.10. Lực cắt (FU2) ứng với t,S,V ở thời gian 180 phút khi phay ướt hợp kim nhôm A7075 .............................................................................................................. 71 x
Hình 3.11. Lực cắt (FU2) ứng với t,S,V ở thời gian 270 phút khi phay ướt hợp kim nhôm A7075 .............................................................................................................. 71 Hình 3.12. Lực cắt (FK1) ứng với t,S,V ở thời gian 90 phút khi phay ướt hợp kim nhôm A7075 .............................................................................................................. 75 Hình 3.13. Lực cắt (FK2) ứng với t,S,V ở thời gian 180 phút khi phay ướt hợp kim nhôm A7075 .............................................................................................................. 75 Hình 3.14. Lực cắt (FK3) ứng với t,S,V ở thời gian 270 phút khi phay ướt hợp kim nhôm A7075 .............................................................................................................. 75 Hình 3.15. Độ nhám (RaU1) ứng với t,S,V ở thời gian 90 phút khi phay ướt hợp kim nhôm A7075 .............................................................................................................. 80 Hình 3.16. Độ nhám (RaU2) ứng với t,S,V ở thời gian 180 phút khi phay ướt hợp kim nhôm A7075 .............................................................................................................. 80 Hình 3.17. Độ nhám (RaU3) ứng với t,S,V ở thời gian 270 phút khi phay ướt hợp kim nhôm A7075 .............................................................................................................. 80 Hình 3.18. Độ nhám (RaK1) ứng với t,S,V ở thời gian 90 phút khi phay khô hợp kim nhôm A7075 .............................................................................................................. 84 Hình 3.19. Độ nhám (RaK2) ứng với t,S,V ở thời gian 180 phút khi phay khô hợp kim nhôm A7075 ....................................................................................................... 84 Hình 3.20. Độ nhám (RaK3) ứng với t,S,V ở thời gian 270 phút khi phay khô hợp kim nhôm A7075 ....................................................................................................... 84 Hình 3.21. Độ mòn (HsU1) ứng với t,S,V ở thời gian 90 phút khi phay ướt hợp kim nhôm A7075 .............................................................................................................. 87 Hình 3.22. Độ mòn (HsU1) ứng với t,S,V ở thời gian 180 phút khi phay ướt hợp kim nhôm A7075 ....................................................................................................... 87 Hình 3.23. Độ mòn (HsU1) ứng với t,S,V ở thời gian 270 phút khi phay ướt hợp kim nhôm A7075 ....................................................................................................... 87 Hình 3.24. Độ mòn (HsK1) ứng với t,S,V ở thời gian 90 phút khi phay ướt hợp kim nhôm A7075 .............................................................................................................. 93 Hình 3.25. Độ mòn (HsK2) ứng với t,S,V ở thời gian 180 phút khi phay ướt hợp kim nhôm A7075 ....................................................................................................... 93 Hình 3.26. Độ mòn (HsK3) ứng với t,S,V ở thời gian 270 phút khi phay ướt hợp kim nhôm A7075 ....................................................................................................... 93 Hình 4.1. Biểu đồ lực cắt khi gia công ướt và gia công khô trong 90 phút. ............. 96 Hình 4.2. Biểu đồ lực cắt khi gia công ướt và gia công khô trong 180 phút. ........... 97 Hình 4.3. Biểu đồ lực cắt khi gia công ướt và gia công khô trong 270 phút. ........... 97 xi
Hình 4.4. Lực cắt khi gia công khô trong các khoảng thời gian khác nhau .............. 98 Hình 4.5. Độ nhám bề mặt khi gia công khô và gia công ướt ở 90 phút .................. 99 Hình 4.6. Độ nhám bề mặt khi gia công khô và gia công ướt ở 180 phút .............. 100 Hình 4.7. Độ nhám bề mặt khi gia công khô và gia công ướt sau 180 phút ........... 100 Hình 4.8. Độ nhám bề mặt sau khoảng thời gian gia công 90, 180, 270 phút ........ 101 Hình 4.9. Độ nhám bề mặt chi tiết sau thời gian gia công 90 phút, 180 phút và 270 phút với chế độ cắt S = 800 (mm/phút), V = 188 (m/phút), t = 1,5 (mm) .............. 101 Hình 4.10. Lượng mòn dao mặt sau tại các thí nghiệm khác nhau sau 90 phút gia công.. ................................................................................................................................. 103 Hình 4.11. Lượng mòn dao mặt sau tại các thí nghiệm khác nhau sau 180 phút ... 103 gia công ................................................................................................................... 103 Hình 4.12. Lượng mòn dao mặt sau tại các thí nghiệm khác nhau sau 270 phút ... 103 gia công ................................................................................................................... 103 Hình 4.13. Lượng mòn dao mặt sau tại các thí nghiệm khác nhau sau 90 phút, 180 phút và 270 phút gia công ....................................................................................... 104 Hình 4.14. Lượng mòn dao mặt sau khi gia công với chế độ cắt V = 188 (m/phút), S = 1600 (mm/phút), t = 0,5 (mm) sau các thời gian gia công khác nhau. ................ 104 Hình 4. 15. Mối quan hệ giữa lực cắt và độ nhám bề mặt a)Khi cố định tốc độ cắt và tốc độ chạy dao, b) khi cố định tốc độ cắt và chiều sâu cắt, c) khi cố định tốc độ chạy dao và chiều sâu cắt................................................................................................. 106 Hình 4.16. Mối quan hệ giữa lực cắt và lượng mòn dao mặt sau a) Khi cố định tốc độ cắt và tốc độ chạy dao, b) khi cố định tốc độ cắt và chiều sâu cắt, c) khi cố định tốc độ chạy dao và chiều sâu cắt ................................................................................... 107 Hình 4.17. Mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và lượng mòn dao mặt sau a)Khi cố định tốc độ cắt và tốc độ chạy dao, b) khi cố định tốc độ cắt và chiều sâu cắt, c) khi cố định tốc độ chạy dao và chiều sâu cắt ................................................................ 108 Hình 4.18. Sơ đồ thực hiện giải thuật di truyền ...................................................... 111 Hình 4.19. Mô hình đường cắt thực nghiệm khi phay thuận .................................. 115 Hình 4.20. Giao diện giải thuật di truyền (GA) tối ưu hóa chế độ cắt trong matlab ................................................................................................................................. 119 Hình 4.21. Giao diện kết quả chế độ cắt tối ưu và Ramin ...................................... 119 xii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 .Thành phần hóa học của hợp kim nhôm A7075 (%) . ................................7 Bảng 1.2. Đặc tính vật lý của hợp kim nhôm A7075 . ................................................7 Bảng 1.3. Thành phần của các loại thép gió .............................................................19 Bảng 3.1 Thông số chế độ cắt dùng cho thực nghiệm ..............................................62 Bảng 3.2 Ma trận thực nghiệm ..................................................................................63 Bảng 3.3. Kết quả đo lực cắt khi phay ướt hợp kim nhôm A7075 ở các khoảng thời gian 90 phút, 180 phút, 270 phút...............................................................................68 Bảng 3.4. Phân tích phương sai ANOVA ảnh hưởng của (t,S,V) đến RaU ở các khoảng thời gian gia công là 90 phút, 180 phút, 270 phút. .......................................69 Bảng 3.5. Kết quả đo lực cắt khi phay khô hợp kim nhôm A7075 ở các khoảng thời gian 90 phút, 180 phút, 270 phút...............................................................................73 Bảng 3.6. Phân tích phương sai ANOVA ảnh hưởng của (t,S,V) đến RaU ở các khoảng thời gian 90 phút, 180 phút, 270 phút. .........................................................74 Bảng 3.7. Kết quả đo độ nhám bề mặt khi phay ướt hợp kim nhôm A7075 ở các khoảng thời gian 90 phút, 180 phút, 270 phút ..........................................................77 Bảng 3.8. Phân tích phương sai ANOVA ảnh hưởng của (t,S,V) đến RaU ở các khoảng thời gian 90 phút, 180 phút, 270 phút. .........................................................78 Bảng 3.9. Kết quả đo độ nhám bề mặt khi phay khô hợp kim nhôm A7075 ở các khoảng thời gian khác nhau ......................................................................................81 Bảng 3.10. Kết quả phân tích phương sai độ nhám bề mặt khi phay khô hợp kim nhôm A7075 ở các khoảng thời gian gia công khác nhau. .................................................83 Bảng 3.11. Kết quả đo lượng mòn dao khi phay ướt hợp kim nhôm A7075 ở các khoảng thời gian khác nhau ......................................................................................85 Bảng 3.12. Kết quả phân tích phương sai độ mòn dụng cụ cắt khi phay ướt hợp kim nhôm A7075 ở các khoảng thời gian gia công khác nhau. .......................................88 Bảng 3.13. Kết quả đo lượng mòn dao khi phay khô hợp kim nhôm A7075 ở các khoảng thời gian khác nhau ......................................................................................90 Bảng 3.14. Kết quả phân tích phương sai cho độ mòn dụng cụ cắt HsK khi phay khô hợp kim nhôm A7075 ...............................................................................................92 Bảng 4.1. Bảng lực cắt khi gia công ướt và gia công khô trong thời gian gia công 90 phút, 180 phút, 270 phút ...........................................................................................96 Bảng 4.2. Bảng so sánh độ nhám bề mặt khi phay ướt và phay khô trong thời gian gia công 90 phút, 180 phút, 270 phút ........................................................................99 xiii
Bảng 4.3. Bảng so sánh lượng mòn dụng cụ cắt khi phay ướt và phay khô trong thời gian gia công 90 phút, 180 phút, 270 phút ..............................................................102 Bảng 4.4. Kết quả tối ưu hóa chế độ cắt sử dụng thuật toán di truyền (GA) sau khi gia công 90 phút phay không có dung dịch trơn nguội .................................................120 Bảng 4.5. Kết quả tối ưu hóa chế độ cắt sử dụng thuật toán di truyền (GA) sau khi gia công 90 phút có dung dịch trơn nguội. ...................................................................120 Bảng 4.6. Kết quả tối ưu hóa chế độ cắt sử dụng thuật toán di truyền (GA) sau khi gia công 180 phút phay không có dung dịch trơn nguội ...............................................120 Bảng 4.7. Kết quả tối ưu hóa chế độ cắt sử dụng thuật toán di truyền (GA) sau khi gia công 180 phút có dung dịch trơn nguội. .................................................................121 Bảng 4.8. Kết quả tối ưu hóa chế độ cắt sử dụng thuật toán di truyền (GA) sau khi gia công 270 phút phay không có dung dịch trơn nguội ...............................................121 Bảng 4.9. Kết quả tối ưu hóa chế độ cắt sử dụng thuật toán di truyền (GA) sau khi gia công 270 phút có dung dịch trơn nguội. .................................................................121 Bảng 4.10. Giá trị Ra và ∆Hs phay không có dung dịch trơn nguội sau 90 phút ...124 Bảng 4.11. Giá trị Ra và ∆Hs phay có dung dịch trơn nguội sau 90 phút ..............124 Bảng 4.12. Giá trị Ra và ∆Hs phay không có dung dịch trơn nguội sau 180 phút .124 Bảng 4.13. Giá trị Ra và ∆Hs phay có dung dịch trơn nguội sau 180 phút ............124 Bảng 4.14. Giá trị Ra và ∆Hs phay không có dung dịch trơn nguội sau 270 phút .125 Bảng 4.15. Giá trị Ra và ∆Hs phay có dung dịch trơn nguội sau 270 phút ............125 xiv
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay trong gia công cơ khí ngoài lựa chọn các phương án gia công tối ưu nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, các doanh nghiệp còn chú ý đến việc đảm bảo sức khỏe của người thợ và mức độ ảnh hưởng tới môi trường trong quá trình sản xuất. Đối với ngành chế tạo máy hàng năm tiêu thụ một lượng lớn dung dịch dùng để tưới nguội cho các công đoạn gia công sản phẩm và sau khi sử dụng lượng lớn dung dịch này thải ra gây ô nhiễm môi trường. Dung dịch trơn nguội có tác dụng giảm sự mài mòn dao, giảm nhiệt từ chi tiết gia công, dao và máy, giúp quá trình thoát phoi dễ dàng và giảm ứng suất cắt sinh ra trong chi tiết gia công, dụng cụ và thiết bị. Tuy nhiên việc sử dụng dung dịch trơn nguội đã làm gia tăng đáng kể chi phí gia công, thông thường chi phí cho dung dịch trơn nguội có thể từ 7-17% chi phí sản xuất. Bên cạnh đó dung dịch trơn nguội làm ảnh hưởng đến sức khỏe người vận hành máy. Như vậy từ những chi phí về mua dung dịch, xử lý các vấn đề sau gia công của dung dịch trơn nguội, chi phí bảo vệ sức khỏe người thợ là các mối quan tâm lớn của các nhà sản xuất. Với sự phát triển của vật liệu, xu thế của các nhà thiết kế chế tạo sản phẩm hiện nay đang thay dần các vật liệu thép bằng các vật liệu hợp kim nhôm với mục đích làm giảm trọng lượng của các thiết bị và tăng tuổi thọ cho thiết bị do vật liệu hợp kim nhôm có tính chịu nhiệt cao (khoảng 5600c) mà vẫn đảm bảo được chức năng làm việc của chi tiết máy. Hiện nay gia công khô được coi phương pháp gia công được mong muốn của các doanh nghiệp vì có những ưu điểm đặc biệt đối hệ sinh thái. Đã nhiều nhà máy áp dụng bắt buộc với việc gia công khô để bảo môi trường và đảm bảo an toàn vệ sinh lao động. Những lợi thế của gia công khô bao gồm: không gây ô nhiễm khí quyển (hoặc nước), không nguy hiểm cho sức khỏe, không gây tổn thương cho da và không gây dị ứng, đặc biệt hơn nữa là giảm chi phí gia công. Gia công khô làm giảm chi phí chế tạo từ dung dịch trơn nguội sinh ra. Đã có các nghiên cứu cho rằng khi gia công khô làm tăng ma sát, mài mòn dụng cụ cắt tăng, nhiệt độ gia công cao ảnh hưởng đến quá trình hình thành phoi và độ chính xác của bề mặt gia công. Tuy nhiên gia công khô lại có điểm tích cực như giảm sốc nhiệt và cải thiện tuổi thọ của dụng cụ cắt trong quá trình cắt không liên tục. Gia công khô đã được nghiên cứu và phát triển từ việc làm thế nào bù đắp tác dụng có lợi của việc gia công có dung dịch trơn nguội. Trong khi đó gia công không tưới nguội không phải là phù hợp cho tất cả các công đoạn và áp dụng cho tất cả các loại phôi liệu, trong một số trường hợp nếu chọn dao cụ một cách hợp lý và chính xác sẽ có thể làm giảm thiểu hoặc loại bỏ hoàn toàn dung dịch 1
trơn nguội. Dao cụ với lớp phủ nitric titan sẽ cho phép gia công các vật liệu với bước tiến lớn, tốc độ cao làm giảm thời gian tiếp xúc của mảnh dao và phôi liệu, làm giảm được nhược điểm độ cứng giảm nhanh ở nhiệt độ cao của dao cụ và lớp phủ này làm giảm ma sát giữa dao và vật liệu gia công vì thế tăng được hiệu quả gia công khô. Nhôm và hợp kim nhôm là vật liệu chủ yếu dùng gia công khô, do độ dẫn nhiệt cao, khả năng hấp thụ nhiệt của nhôm cũng khá lớn. Mặc khác khi gia công hợp kim nhôm có thể gây ra biến dạng do sự giãn nở nhiệt. Ngoài ra khi gia công hợp kim nhôm cũng gây ra các vấn đề liên quan đến sự hình thành phoi. Do vậy khi gia công nhôm và hợp kim nhôm cần phải sử dụng dụng cụ cắt với lớp phun phủ phù hợp. Từ những phân tích nêu trên tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu phay khô hợp kim nhôm A7075 bằng dụng cụ phủ Nitride Titan và đối sánh với phay ướt” để nghiên cứu nhằm mục đích phân tích ảnh hưởng các thông số chế độ cắt đến một số thông số đặc trưng trong quá trình gia công hợp kim nhôm A7075 ở hai điều kiện gia công khô (phay khô) và gia công có dung dịch trơn nguội (phay ướt). Đánh giá các ảnh hưởng của các yếu tố chế độ cắt đến các thông số đầu ra như: lực cắt, mài mòn và độ nhám bề mặt. So sánh kết quả đầu ra ở hai điều kiện gia công khô và gia công có sử dụng dung dịch trơn nguội. Trên cơ sở đó tính toán chế độ cắt tối ưu góp phần vào tiếp cận, khai thác máy và thiết bị, tăng hiệu quả trong sản xuất và là cơ sở ban đầu cho các nghiên cứu tiếp theo. 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục đích - Phân tích cơ sở lý thuyết về quá trình tạo phoi, động lực học quá trình phay nhôm hợp kim A7075 khi phay khô và phay ướt. - Phân tích mối quan hệ giữa các thông số chế độ cắt với lực cắt, độ nhám bề mặt, mòn dụng cụ cắt khi phay khô và phay ướt. Phân tích mối quan hệ lượng mòn dụng cụ cắt khi phay khô và phay ướt nhôm hợp kim. - Xây dựng hàm mục tiêu tối ưu hóa, thiết lập điều kiện biên, miền giới hạn đối với hệ thống công nghệ để giải bài toán tối ưu hóa chế độ cắt khi phay khô vật liệu hợp kim nhôm. - Xác định được ưu nhược điểm của gia công khô và gia công ướt nhôm hợp kim A7075 giúp cho nhà sản xuất dễ lựa chọn phương pháp gia công 2
2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu + Đối tượng nghiên cứu - Quá trình gia công hợp kim nhôm A7075 trong điều kiện phay khô và phay ướt khi sử dụng dao phay ngón có phủ Nitride Titan. +Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu quá trình tạo phoi và động lực học và các hiện tượng: nhiệt cắt, mài mòn…trong quá trình phay khô và phay ướt hợp kim nhôm A7075. - Thực nghiệm, đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến lực cắt, mài mòn dụng cụ cắt, độ nhám bề mặt khi phay khô và phay ướt hợp kim nhôm A7075 ở các khoảng thời gian khác nhau. - Đánh giá ảnh hưởng của phay khô và phay ướt, tối ưu hóa quá trình phay hợp kim nhôm A7075. 2.3. Phương pháp nghiên cứu - Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, ứng dụng phần mềm trong quy hoạch thực nghiệm xử lý số liệu. - Nghiên cứu lý thuyết để phân tích tác động tương hỗ giữa các thông số chế độ cắt đến lực cắt, độ nhám bề mặt và mòn dao. - Thực nghiệm gia công để xây dựng hàm quan hệ thông số công nghệ với các yếu tố trong quá trình cắt: Lực cắt, độ nhám bề mặt và mòn dao. Xây dựng mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và thời gian gia công với lực cắt, độ nhám bề mặt và mòn dao. 2.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học - Đánh giá được mức độ ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến lực cắt, độ nhám bề mặt và lượng mòn dao khi phay hợp kim nhôm A7075 thông qua các hàm toán - Xây dựng mô hình toán học, phân tích và đánh giá ảnh hưởng thông số chế độ cắt đến một số thông số đặc trưng như lực cắt, nhám bề mặt và mòn dao khi phay khô và phay có dung dịch trơn nguội. - Giải bài toán tối ưu hóa chế độ cắt trong quá trình phay khô với hàm thích nghi đa mục tiêu (độ nhám bề mặt chi tiết và lượng mòn dao) nhỏ nhất. - Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả của luận án là phương pháp luận để các nhà sản xuất chọn chế độ cắt tối ưu khi phay khô và phay ướt hợp kim nhôm A7075 bằng dao phủ TiN. 3
- Luận án cũng dùng làm tài học tập nghiên cứu của các cơ sở đào tạo về quá trình phay khô và phay ướt hợp kim nhôm. 2.5. Những đóng góp mới của đề tài - Nghiên cứu một cách có hệ thống ảnh hưởng của chế độ cắt gồm: vận tốc cắt (V), bước tiến dao (S) và chiều sâu cắt (t) đến quá trình phay hợp kim nhôm A7075. - Các phương trình thực nghiệm hồi quy biểu diễn mối liên hệ giữa chế độ cắt với lực cắt, độ nhám bề mặt chi tiết gia công khi phay hợp kim nhôm A7075 đã được đề xuất. - Luận án cũng làm rõ được sự khác biệt của các yếu tố công nghệ đến quá trình phay khô và phay ướt ở các khoảng thời gian gia công khác nhau khi gia công hợp kim nhôm A7075. - Đưa phương pháp tính toán chế độ cắt tối ưu khi phay khô và phay ướt vật liệu A7075 sử dụng dụng cụ cắt HSSCo8 có phủ TiN. 2.6. Cấu trúc nội dung của luận án Luận án được chia làm 4 chương và phần kết luận chung: Chương 1 Tổng quan về các yếu tố khi gia công hợp kim nhôm A7075. Chương 2 Động lực học và các hiện tượng xảy ra khi phay hợp kim nhôm A7075. Chương 3 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng các tố công nghệ đến lực cắt, độ nhám và mòn dụng cụ cắt khi phay hợp kim nhôm A7075 bằng dao phay phủ Nitride Titan. Chương 4 Nghiên cứu tối ưu các thông số khi phay hợp kim nhôm A7075 bằng dao phay phủ Nitric Titan. Kết luận chung và kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo. Tài liệu tham khảo phụ lục I 4