Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:161

Thêm vào BST

Báo xấu

71
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu là phân tích quá trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 thông qua việc mô phỏng và thực nghiệm quá trình hình thành phoi. Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 như: hình thái hình học phoi, hệ số co rút phoi, lực cắt, rung động, vết tiếp xúc giữa dao-phoi, chất lượng bề mặt chi tiết sau gia công.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061

LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Đức Toàn, 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, Viện Đào tạo sau Đại học, 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 cám 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 cám ơn đến Ban lãnh đạo Trường, khoa Cơ Khí, Bộ môn Kỹ thuật cơ sở - Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi về thời gian tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành luận án. Cuối cùng tôi xin gửi lời cám 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 …. tháng 08 năm 2017 Tác giả Phạm Thị Hoa i
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Đức Toàn. 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 …. tháng 08 năm 2017 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Tác giả PGS.TS Nguyễn Đức Toàn Phạm Thị Hoa ii
MỤC LỤC MỤC LỤC .............................................................................................................................iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................................ vi DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................................viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ............................................................................. x MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu ................................................................................... 1 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 3 2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................................... 3 3. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................................... 3 4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài ............................................................... 4 5. Những đóng góp mới của đề tài .......................................................................................... 4 6. Cấu trúc của nội dung luận án ............................................................................................ 5 CHƯƠNG 1. CƠ SỞ VẬT LÝ QUÁ TRÌNH TẠO PHOI KHI PHAY CAO TỐC .............. 6 1.1 Tổng quan chung về gia công cao tốc............................................................................... 6 1.1.1 Lịch sử phát triển của gia công cao tốc ...................................................................... 6 1.1.2 Đặc điểm chung của phay cao tốc .............................................................................. 9 1.1.3 Một số ứng dụng của phay cao tốc ............................................................................. 9 1.2 Cơ sở vật lý quá trình phay cao tốc ................................................................................ 10 1.3 Hệ số co rút phoi và biến dạng xảy ra trong quá trình phay cao tốc............................... 14 1.3.1 Hệ số co rút phoi ...................................................................................................... 14 1.3.2 Quan hệ giữa hệ số co rút phoi và biến dạng trong quá trình tạo phoi . .................. 18 1.3.3 Tốc độ biến dạng trong quá trình tạo phoi. .............................................................. 19 1.4 Đặc điểm biến dạng xảy ra trong quá trình tạo phoi khi phay cao tốc . ........................ 20 1.5 Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước về quá trình tạo phoi khi phay cao tốc 23 1.5.1 Nghiên cứu trong nước về quá trình phay cao tốc ................................................... 23 1.5.2 Nghiên cứu ngoài nước về quá trình tạo phoi khi phay cao tốc ............................... 24 CHƯƠNG 2. ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH PHAY CAO TỐC ..................................... 31 2.1 Động lực học quá trình tạo phoi khi phay cao tốc .......................................................... 31 2.1.1 Mô hình lực trong quá trình tạo phoi ....................................................................... 32 2.1.2 Phân tích mối quan hệ giữa lực cắt và ứng suất – biến dạng của Oxley . ................ 35 2.2 Lực cắt trong quá trình phay cao tốc .............................................................................. 36 2.2.1 Thành phần lực cắt khi phay cao tốc . ...................................................................... 36 2.2.2 Mô hình lực cắt khi phay mặt phẳng ........................................................................ 38 2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi phay cao tốc ................................................. 40 2.3 Ổn định và rung động trong quá trình phay cao tốc ....................................................... 42 2.3.1 Sự ổn định trong quá trình phay cao tốc . ................................................................ 42 2.3.2 Nguyên nhân gây mất ổn định ................................................................................. 43 iii
2.3.4 Mô hình rung động hai thành phần khi phay mặt phẳng . ........................................ 43 2.3.5 Miền ổn định của rung động . .................................................................................. 46 2.4 Hiện tượng mài mòn dụng cụ cắt trong quá trình phay cao tốc . .................................... 48 2.4.1 Các dạng mài mòn dụng cụ cắt . .............................................................................. 49 2.4.2 Cơ chế mài mòn của dụng cụ cắt . ........................................................................... 50 2.5 Độ nhám bề mặt chi tiết gia công khi phay cao tốc ........................................................ 52 2.6 Kết luận chương 2 ........................................................................................................... 54 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH TẠO PHOI KHI PHAY CAO TỐC HỢP KIM NHÔM A6061 ...................................................................................... 55 3.1 Vật liệu, thiết bị và phương pháp nghiên cứu quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 .................................................................................................................. 55 3.1.1 Máy, phôi, dụng cụ cắt khi nghiên cứu phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 .......... 55 3.1.2 Các thiết bị đo dùng cho thực nghiệm quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ...................................................................................................................... 57 3.1.3 Thiết kế thực nghiệm khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ................................ 60 3.2 Nghiên cứu thực nghiệm hình thái hình học của phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061.................................................................................................................................... 62 3.2.1 Mục đích nghiên cứu hình thái hình học phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ................................................................................................................................ 62 3.2.3 Cơ chế hình thành phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ............................. 63 3.2.4 Đặc điểm hình thái hình học của phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ..... 64 3.2.5 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến hình thái hình học của phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ........................................................................................... 66 3.3 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến hệ số co rút phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ................................................................................ 70 3.4 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến lực cắt khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ............................................................................................... 74 3.5 Nghiên cứu thực nghiệm các thông số công nghệ ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ...................................................................................... 77 3.6 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến vết tiếp xúc của dao–phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ................................................................. 80 3.7 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến biên độ rung động khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ................................................................................ 83 3.8 Quan hệ tương quan giữa hệ số co rút phoi với các yếu tố đầu ra khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. ................................................................................................................. 86 3.9 Kết luận chương 3 ........................................................................................................... 88 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG QUÁ TRÌNH TẠO PHOI KHI PHAY CAO TỐC HỢP KIM NHÔM A6061 .................................................................... 90 4.1 Đặc điểm của mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn ...................................... 90 iv
4.2.1 Một số nghiên cứu sử dụng mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn trong quá trình gia công cắt gọt ............................................................................................................ 90 4.2.2 Phá hủy dẻo và sự phát triển các lỗ trống của vật liệu trong quá trình gia công...... 91 4.3 Mô hình phá hủy vật liệu và cách xác định các tham số trong mô hình ......................... 93 4.3.1 Mô hình phá hủy Johnson-Cook (J-C) ..................................................................... 94 4.3.2 Mô hình phá hủy Bao-Wierzbicki (B-W) ............................................................... 99 4.3.3 Mô hình phá hủy B-W theo mô hình sửa đổi của Mohr-Coulomb (Modified Morh- Coulomb MM-C)............................................................................................................. 104 4.3.4 Mô hình ma sát ....................................................................................................... 106 4.4 Phân tích so sánh lựa chọn mô hình mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn quá trình hình thành phoi ........................................................................................................... 107 4.5 So sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm quá trình hình thành phoi khi phay hợp kim nhôm A6061 ở vùng tốc độ cao .......................................................................................... 114 4.5.1 Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng khi gia công ở vùng tốc độ cao ......................... 114 4.5.2 So sánh hình thái hình học của phoi giữa mô phỏng và thực nghiệm ở tốc độ cắt cao khi phay hợp kim nhôm A6061 ....................................................................................... 118 4.6 Sự phân bố ứng suất trong vùng tiếp xúc giữa dao - phoi khi mô phỏng 3D quá trình tạo khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 .............................................................................. 119 4.6.1 Thiết kế mô hình mô phỏng 3D quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 .............................................................................................................................. 119 4.6.2 Phân tích sự phân bố ứng suất - biến dạng khi mô phỏng 3D quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ................................................................................ 120 4.6.3 Lực cắt trong mô phỏng 3D quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 .............................................................................................................................. 121 4.7 Ảnh hưởng của các thông công nghệ đến hệ số co rút phoi và lực cắt khi mô phỏng ở vùng tốc độ cao có xét đến ảnh hưởng của tốc độ biến dạng ............................................. 123 4.7.1 Ảnh hưởng của thông số cắt đến hệ số co rút phoi (KS) ............................................ 123 4.7.2 Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến lực cắt FS ............................................... 124 4.8 Xác định bộ thông số chung cho hệ số co rút phoi và lực cắt khi mô phỏng quá trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 .................................................................................... 126 4.8.1 Bộ thông số sử dụng để mô phỏng cho hệ số co rút phoi và lực cắt ...................... 126 4.8.2 Phân tích ANOVA ảnh hưởng của các thông số cắt đến K và F ........................... 127 4.8.3 Phân tích mối tương quan Grey ảnh hưởng đồng thời của các thông số cắt (V, t, α, ) đến hệ số co rút phoi K và lực cắt F ............................................................................ 129 4.9 Kết luận chương4 .......................................................................................................... 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 135 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .............................. 143 PHỤ LỤC ............................................................................................................................... 1 v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải Đơn vị HSM (High Speed Machining )-Gia công cao tốc CNC (Computer Numerical Control )- Điều khiển số có sự hỗ trợ của máy tính CAM (Computer Aided Manufacture)- Sản xuất thông qua sự trợ giúp của máy tính FEM Mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn J-C Mô hình Jonson-Cook B-W Mô hình Bao- Wierzbicki MM-C Mô hình sửa đổi Bai- Wierzbicki GRA Phân tích quan hệ Grey K Hệ số co rút phoi VB Mòn mặt trước mm Ra Nhám bề mặt chi tiết m Axy Rung động theo phương x và phương y Lf Chiều dài của lớp phoi mm L Chiều dài quãng đường dao đi mm t1 Chiều dày phoi chưa biến dạng mm t2 Chiều dày phoi đã biến dạng mm  Biến dạng cắt F1 Lực tác dụng lên mặt trước N F2 Lực tác dụng lên mặt sau N R1 Lực cắt N k ứng suất trong miền tạo phoi MPa Fc Lực cắt chính N Ft Lực tiếp tuyến 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 KT Áp suât cắt riêng 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  o Góc biến dạng n Góc cắt pháp tuyến tức thời o m Góc quay của lưỡi cắt o Cm Chiều dày phoi trung bình f Biến dạng tương đương tại thời điểm phá hủy  Chỉ số trạng thái ứng suất A,B,C,n,m Các hệ số của mô hình thuộc tính Johnson-Cook Tr, Tm Nhiệt độ phòng và nhiệt độ nóng chảy vật liệu o C vi
 , Mức độ biến dạng tương đương, ứng suất tương đương  ,0 Tốc độ biến dạng và tốc độ biến dạng tương đương 1/s 1,2, 3 Các thành phần ứng suất pháp chính MPa  Hệ số ma sát F Lực cắt N K Hệ số co rút phoi Ra Nhám bề mặt chi tiết gia công m Hs Vết tiếp xúc giữa dao-phoi mm Axy Biên độ rung động dB V Vận tốc cắt m/phút t Chiều sâu cắt mm f Lượng chạy dao mm/phút SSE (Error Sum of Squares) Tổng bình phương sai số SSR (Regression sum of Squares) Tổng bình phương hồi quy SSTO (Total sum of Squares) Tổng bình phương 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 SS Tổng bình phương mức động và sai lệch bình phương của chúng MS Phương sai hay số bình quân của tổng bình phương sai lệch kể trên D1-D5 Tham số phá hủy của vật liệu α Góc sau o  Góc trước o  o Góc biến dạng vii
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Thành phần hóa học của hợp kim nhôm A6061 (%) . ............................................... 56 Bảng 3.2 Đặc tính vật lý của hợp kim nhôm A6061 ................................................................. 56 Bảng 3.3 Giá trị biến thiên trong miền thực nghiệm................................................................... 61 Bảng 3.4 Các thông số đầu vào khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. ................................ 61 Bảng 3.5 Lograrit các biến (V, f, t) và kết qủa đo K khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 .. 71 Bảng 3.6 Các thông số phân tích phương sai (ANOVA) .......................................................... 72 Bảng 3.7 Phân tích phương sai ảnh hưởng của các thông số công nghệ (V, f, t) đến K .......... 72 Bảng 3.8 Logarit các biến đầu vào và kết quả đo lực cắt F khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. ....................................................................................................................................... 75 Bảng 3.9 Phân tích hồi quy và phương sai ANOVA các thông số công nghệ (V, f, t) ảnh hưởng đến F. ........................................................................................................................................ 76 Bảng 3.10 Kết quả và logarit hóa các thông số công nghệ (V, f, t) ảnh hưởng đến Ra............ 78 Bảng 3.11 Phân tích hồi quy và phương sai ANOVA các thông số công nghệ (V, f, t) ảnh hưởng đến F.............................................................................................................................. 79 Bảng 3.12 Kết quả đo và logarit các thông số công nghệ ảnh hưởng đến vết tiếp xúc dao-phoi. .................................................................................................................................................. 81 Bảng 3.13 Phân tích hồi quy và phương sai (ANOVA) các thông số công nghệ ảnh hưởng đến Hs .............................................................................................................................................. 82 Bảng 3.14 Thông số đầu vào và kết quả đo biên độ rung động khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. ....................................................................................................................................... 84 Bảng 3.15 Phân tích hồi quy và phương sai (ANOVA) các thông số công nghệ (V, f, t) ảnh hưởng đến Axy ....................................................................................................................................... 85 Bảng 4.1 Tham số vật liệu và tham số phá hủy theo mô hình J-C của hợp kim nhôm A6061 . 98 Bảng 4.2 Thông số phá hủy vật liệu của nhôm A6061 . ......................................................... 105 Bảng 4.3 Chiều dày phoi tạo thành trong quá trình mô phỏng phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ...................................................................................................................................... 109 Bảng 4.4 Mô phỏng kết quả đo K ứng với các chế độ khác nhau của V và t. ........................ 113 Bảng 4.5 Kết quả lực cắt F ứng với các chế độ cắt và chiều sâu cắt khác nhau ................... 114 Bảng 4.6. Ảnh hưởng tốc độ biến dạng đến hệ số co rút phoi................................................ 117 Bảng 4.7 Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng đến lực cắt với vận tốc cắt khác nhau................ 118 Bảng 4.8 Thông số công nghệ và kết quả của lực cắt khi mô phỏng phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ............................................................................................................................ 123 Bảng 4.9 Phân tích hồi quy và phương sai (ANOVA )thông số công nghệ (V, t) ảnh hưởng đến KS ............................................................................................................................................ 123 Bảng 4.10 Bộ thông số công nghệ và kết quả của lực cắt khi mô phỏng ............................... 125 Bảng 4.11 Phân tích hồi quy và phương sai ANOVA các thông số công nghệ (V, t) ảnh hưởng đến FS...................................................................................................................................... 125 Bảng 4.12 Thông số cắt dùng trong mô phỏng khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ........ 126 viii
Bảng 4.13 Mảng trực giao L9 và kết quả tính toán. ............................................................... 127 Bảng 4.14 Tổng hợp phân tích ảnh hưởng của các thông số cắt đến K ................................. 128 Bảng 4.15 Tổng hợp phân tích mức độ ảnh hưởng của các thông số cắt đến F .................... 128 Bảng 4.16 Phân hạng mối quan hệ Grey................................................................................ 130 Bảng 4.17 Bảng đặc trưng phân hạng mối quan hệ Grey ...................................................... 131 ix
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Nhiệt phụ thuộc vào tốc độ cắt . .................................................................................. 6 Hình 1.2 Sơ đồ của Merchant (1959) về sự thay đổi của vật liệu làm dụng cụ cắt và tốc độ cắt tăng lên gấp đôi sau mỗi 10 năm (1959) . ............................................................................ 7 Hình 1.3 Đặc điểm lịch sử gia công tốc độ cao . ....................................................................... 7 Hình 1.4 Tốc độ cắt và vật liệu gia công của HSM với gia công truyền thống . ....................... 8 Hình 1.5 Thuộc tính chung của gia công cao tốc . ..................................................................... 8 Hình 1.6 Một số sản phẩm sau khi phay cao tốc của hợp kim nhôm A6061. ........................... 10 Hình 1.7 Sự biến dạng trong vùng cắt . .................................................................................... 11 Hình 1.8 Các dạng phoi hình thành trong quá trình cắt ........................................................... 12 Hình 1.9 Vùng hình thành phoi (Góc biến dạng : góc sauα; Góc trước ) ........................... 12 Hình 1.10 Cơ chế hình thành phoi phân đoạn . ........................................................................ 13 Hình 1.11 Sơ đồ cắt kim loại . .................................................................................................. 14 Hình 1.12 Mô hình biến dạng cắt . ........................................................................................... 16 Hình 1.13 Sự thay đổi cấp độ phân đoạn của phoi ở các tốc độ cắt khác nhau . .................... 16 Hình 1.14 Biến dạng trên mặt phẳng cắt với biến dạng của phoi  và góc biến dạng cho ba giá trị góc trước  . .................................................................................................................. 17 Hình 1.15 Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến mức độ phân lớp của phoi (ap=2mm, ae=5mm) ... 17 Hình 1.16 Biến dạng quá trình hình thành phoi (Hướng hạt kéo dài lớn nhất) . ..................... 18 Hình 1.17 Sơ đồ tốc độ biến dạng và độ bền cắt. ..................................................................... 20 Hình 1.18 Vùng cắt chính và vùng cắt cấp 2 được đơn giản . ................................................. 22 Hình 1.19 Sơ đồ biến đổi biến dạng chính với sự gia tăng tốc độ cắt và tốc độ biến dạng cấp 2 . .. 22 Hình 1.20 Hình thái của phoi thu được ở vùng tốc độ thường và vùng tốc độ cao . ............... 24 Hình 1.21 Phoi được hình thành ở tốc độ cao ......................................................................... 25 Hình 1.22 Góc cắt của quá trình hình thành phoi khi phay cao tốc ...................................... 25 Hình 1.23 Hình dạng phoi phụ thuộc vào tốc độ cắt khi gia công thép 45HRC ..................... 25 Hình 1.24 Hình ảnh các trạng thái khác nhau của phoi ........................................................ 26 Hình 1.25 Hình ảnh mặt cắt ngang của phoi .......................................................................... 26 Hình 1.26 Hình thái của phoi giữa mô phỏng và thực nghiệm ở tốc độ cao của nhôm Ti6Al4V .. 27 Hình 1.27 So sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm ................................................................ 27 Hình 1.28 Hình thái của phoi khi hình thành ở các tốc độ khác nhau khi mô phỏng và thực nghiệm ...................................................................................................................................... 28 Hình 1.29 Ảnh hưởng tốc độ cắt đến lực (a) và lượng mòn dụng cụ cắt (b) .......................... 28 Hình 2.1 Ảnh hưởng động lực học máy và động lực học gia công đến quá trình phay cao tốc. .................................................................................................................................................. 31 Hình 2.2 Sơ đồ hợp của hai thành phần lực tạo phoi............................................................... 32 Hình 2.3 Sơ đồ ứng suất trên mặt trước của ............................................................................ 32 Hình 2.4 Vòng tròn lực Merchant’s ........................................................................................ 33 Hình 2.5 Miêu tả hướng của ứng suất cắt lớn nhất và tốc độ biến dạng cắt lớn nhất . .......... 35 Hình 2.6 Thành phần lực cắt khi phay mặt phẳng ................................................................. 37 x
Hình 2.7 Thành phần lực tác dụng lên lưỡi cắt khi phay mặt phẳng. ...................................... 39 Hình 2.8 Thành phần lực tác dụng lên lưỡi cắt 1 và 2 khi quay một góc m .......................... 39 Hình 2.9 Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến lực cắt ............................................................ 41 Hình 2.10 Hình dạng cơ bản của một biểu đồ ổn định của quát trình phay .......................... 42 Hình 2.11 Mô hình động học phay mặt phẳng với hai bậc tự do ........................................... 44 Hình 2.12 Sự hình thành phoi ở trạng ổn định và không ổn định …. ................................ 48 Hình 2.13 Cơ chế mài mòn và các dạng mài mòn dụng cụ cắt ............................................... 49 Hình 2.14 Thông số hình học của dao. ..................................................................................... 50 Hình 2.15 Cơ chế tiếp xúc giữa phoi và dao ........................................................................... 51 Hình 2.16 Mô hình ứng suất dọc theo bề mặt tiếp xúc và vận tốc phoi ................................. 51 Hình 2.17 Độ nhám phụ thuộc vào tốc độ cắt ........................................................................ 53 Hình 3.1 Các thông số đầu vào và đầu ra khi thực nghiệm phay caotốc hợp kim nhôm A6061. .................................................................................................................................................. 55 Hình 3.2 Máy phay cao tốc CNC SuperMC500. ...................................................................... 55 Hình 3.3 Thông số hình học của dụng cụ cắt. .......................................................................... 56 Hình 3.4 Đường cong ứng suất biến dạng của hợp kim nhôm A6061. .................................... 57 Hình 3.5 Mẫu phôi hợp kim nhôm A6061 dùng cho thực nghiệm. ........................................... 57 Hình 3.6 Thiết bị đo SEM Hitachi S-4800. ............................................................................... 58 Hình 3.7 Cân tiểu ly xác định trọng lượng phoi. ...................................................................... 58 Hình 3.8 Hệ thống đo lực cắt Kisler (a) và đồ gá đo lực (b). .................................................. 59 Hình 3.9 Thiết bị đo vết tiếp xúc dao-phoi VHX của hãng KEYENCE. ................................... 59 Hình 3.10 Thiết bị đo độ nhám SV-2100. ................................................................................. 60 Hình 3.11 Thiết bị đo rung động trong quá trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. ........... 60 Hình 3.12 Sơ đồ phay đối xứng khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. ................................. 62 Hình 3.13 Sơ đồ phân tích sự tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061....................... 63 Hình 3.14 Phoi bám trên bề mặt lưỡi dao khi phay cao tốc nhôm A6061. .............................. 63 Hình 3.15 Cơ chế hình thành phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. ............................ 64 Hình 3.16 Các bề mặt phoi tạo thành khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. ....................... 64 Hình 3.17 Cấu trúc lớp bề mặt tự do của phoi hình thành khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 . 65 Hình 3.18 SEM hình ảnh mặt phoi tiếp xúc với dao khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. ....... 65 Hình 3.19 Phoi hình thành khi phay hợp kim nhôm A6061 ở các tốc độ cắt khác nhau. ........ 66 Hình 3.20 Chiều rộng của phoi hợp kim nhôm A6061 khi phay cao tốc. ................................. 66 Hình 3.21 Ảnh SEM hình thái của phoi A6061 khi phay cao tốc ứng với các vận tốc cắt khác nhau. ......................................................................................................................................... 67 Hình 3.22 Hình dạng của phoi A6061 khi phay cao tốc với lượng chạy dao khác nhau (V = 1256 m/phút; t = 1,5 mm). ........................................................................................................ 67 Hình 3.23 Chiều rộng phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 với lượng chạy dao khác nhau. ......................................................................................................................................... 68 Hình 3.24 Cấu trúc bề mặt lớp phoi hợp kim nhôm A6061 (V = 1256m/phút, t = 0,5 mm) .... 68 Hình 3.25 Ảnh SEM bề mặt phoi tiếp xúc với dao khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ..... 69 xi
Hình 3.26 Hình thái của phoi hợp kim nhôm A6061 tạo thành khi phay cao tốc với t khác nhau. ......................................................................................................................................... 69 Hình 3.27 Ảnh SEM chiều rộng phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 với t khác nhau. .................................................................................................................................................. 69 Hình 3.28 Ảnh SEM phóng đại bề mặt tự do của phoi hợp kim nhôm A6061 khi phay cao tốc. .................................................................................................................................................. 70 Hình 3.29 Mối quan hệ giữa K với V, f và t ............................................................................. 73 Hình 3.30 Thí nghiệm đo lực cắt a) sơ đồ b) ảnh thiết bị đo và kết quả đầu ra. ..................... 74 Hình 3.31 Mối quan hệ giữa F với các thông số công nghệ V, f và t. ...................................... 76 Hình 3.32 Sơ đồ đo và kết quả thí nghiệm đo độ nhám bề mặt chi tiết sau ............................. 77 Hình 3.33 Mối quan hệ Ra với các thông số công nghệ V, f và t. ............................................. 79 Hình 3.34 Vết tiếp xúc giữa dao-phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. ....................... 81 Hình 3.35 Sự phụ thuộc của các thông số công nghệ V, f và t đến vết tiếp xúc giữa dao –phoi. .................................................................................................................................................. 82 Hình 3.36 Thiết bị đo biên độ rung động khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 và kết quả đo. .................................................................................................................................................. 84 Hình 3.37 Sự phụ thuộc của các thông số công nghệ V, f và t đến biên độ rung động Axy ...... 85 Hình 3.38 Mối quan hệ giữa K và F. ........................................................................................ 86 Hình 3.39 Mối quan hệ giữa K và Ra. ...................................................................................... 87 Hình 3.40 Mối quan hệ giữa K và Hs. ...................................................................................... 87 Hình 3.41 Mối quan hệ giữa Axy và K. ..................................................................................... 88 Hình 4.1 Đường cong ứng suất biến dạng của vật liệu giòn và vật liệu dẻo ......................... 92 Hình 4.2 Sự hình thành mầm, phát triển và hợp nhất lỗ trống trong vật liệu dẻ . ................... 92 Hình 4.3 Quy trình xác định tham số vật liệu và tham số phá hủy của mô hình J-C. .............. 95 Hình 4.4 Mẫu thí nghiệm kéo. .................................................................................................. 95 Hình 4.5 Đường cong ứng suất – biến dạng với các cấp độ phá hủy của vật liệu . ................ 97 Hình 4.6 Đường cong phá hủy của hợp kim nhôm A6061 sử dụng mô hình J-C. .................... 98 Hình 4.7 Sự phụ thuộc của  f và chỉ số trạng thái ứng suất ................................................. 99 Hình 4.8 Kiểm tra kéo nén tại vùng thắt của thanh tròn . ..................................................... 100 Hình 4.9 Các mẫu sử dụng cho thí nghiệm nén .................................................................... 101 Hình 4.10 Mẫu thí nghiệm nén cho thanh tròn thắt . ............................................................ 101 Hình 4.11 Các mẫu xác đinh trị số trạng thái ứng suất từ 0 đến 0,4 ................................... 102 Hình 4.12 Mẫu thí nghiệm phá hủy kéo, xác định chỉ số trạng thái ứng suất ...................... 102 Hình 4.13 Đường cong phá hủy của hợp kim nhôm A6061 theo mô hình B-W. .................... 103 Hình 4.14. Ba trục tọa độ trong không gian ứng suất chính ................................................ 104 Hình 4.15 Đường cong phá hủy của hợp kim nhôm A6061 dựa trên công thức (4.16). ........ 105 Hình 4.16 Ứng suất thường và ứng suất do ma sát phân bố trên mặt nghiêng của dao ...... 106 Hình 4.17 Mô hình phần tử hữu hạn của quá trình cắt. ......................................................... 107 Hình 4.18 Xác định chiều dày phoi và góc biến dạng khi mô phỏng. .................................... 108 Hình 4.19 Chiều dày phoi khi mô phỏng với các tốc độ khác nhau. ...................................... 109 xii
Hình 4.20 Sự thay đổi hệ số co rút phoi theo với các vận tốc cắt khác nhau......................... 110 Hình 4.21 Mô hình mô phỏng quá trình tạo phoi. .................................................................. 111 Hình 4.22 Mô phỏng đường cong phá hủy của mô hình B-W và mô hình J-C....................... 111 Hình 4.23 Phoi hình thành khi phay hợp kim nhôm A6061 ở tốc độ 565 m/phút. ................. 111 Hình 4.24 So sánh hệ số co rút phoi K của hai mô hình J-C, mô hình B-W và hệ số co rút phoi đo được khi thực nghiệm. ....................................................................................................... 112 Hình 4.25 Mối quan hệ giữa K với V và t............................................................................... 113 Hình 4.26 Đường cong của F phụ thuộc V và t. ..................................................................... 114 Hình 4.27 Mối quan hệ giữa ứng suất và tốc độ biến dạng cho hợp kim nhôm A6061 ....... 115 Hình 4.28 Ứng suất và biến dạng sinh ra trong quá trình tạo phoi khi mô phỏng quá trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ( V = 1256 m/phút, t = 0,5mm). ..................................... 116 Hình 4.29 Lực cắt khi mô phỏng phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 (V = 1256 m/phút, t = 1,5 mm). ........................................................................................................................................ 116 Hình 4.30 Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng đến số co rút phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. ..................................................................................................................................... 117 Hình 4.31 Ảnh hưởng của lực cắt giữa mô phỏng và thực nghiệm khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 với tốc độ cắt khác nhau. .................................................................................. 118 Hình 4.32 Hình thái hình học của phoi tạo thành khi phay hợp kim nhôm A6061 giữa mô phỏng và thực nghiệm............................................................................................................. 119 Hình 4.33 Điều kiện biên và phần tử lưới của dao và phôi a) điều kiện biên b) phần tử lưới. ................................................................................................................................................ 119 Hình 4.34 Mô hình 3D phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. .................................................. 120 Hình 4.35 Trạng thái khi dao bắt đầu chạm vào phôi............................................................ 120 Hình 4.36 Trạng thái phoi bắt đầu hình thành. ...................................................................... 121 Hình 4.37 Trạng thái phoi hình thành ổn định. ...................................................................... 121 Hình 4.38 Trị số trạng thái ứng suất và phá hủy tương đương của mô hình J-C và mô hình B-W ................................................................................................................................................ 122 Hình 4.39 Mô phỏng lực cắt mô hình J-C và mô hình B-W. ................................................... 122 Hình 4.40 Ảnh hưởng của Ks đến V và t. ................................................................................ 124 Hình 4.41 Ảnh hưởng của Fs đến V và t. ................................................................................ 126 Hình 4.42 Tỷ lệ S/N của hệ số co rút phoi K. ......................................................................... 128 Hình 4.43 Tỷ lệ S/N của lực cắt F. ......................................................................................... 129 Hình 4.44 Mối quan hệ tương quan Grey............................................................................... 130 Hình 4.45 Sự phụ thuộc của các thông số cắt khi phân tích mối quan hệ tương quan Grey . 131 xiii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Gia công cao tốc (High Speed Machining - HSM) đã được nghiên cứu từ những năm đầu của thế kỷ IXX, tuy nhiên cách đây hơn 3 thập niên gia công cao tốc đã bắt đầu được thực hiện và được xem là một trong những phương pháp gia công chính của ngành chế tạo máy. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của ngành cơ khí cũng như trang thiết bị phụ trợ hiện đại như: máy công cụ điều khiển số, bộ điều khiển CNC (Computer Numerical Control) của các hãng tiên tiến trên thế giới, hệ thống phần mềm hỗ trợ gia công CAM (Computer Aided Manufacture), gia công cao tốc ngày càng được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo sản phẩm chất lượng cao tại các cơ sở sản xuất, các nhà máy xí nghiệp trong và ngoài nước. So với gia công truyền thống thì gia công cao tốc có ưu điểm làm giảm thời gian gia công đến 90% và giảm chi phí gia công đến 50%. Tốc độ bóc tách kim loại nhanh, lực cắt thấp, chất lượng bề mặt gia công tốt [34], gia công được vật liệu có độ cứng cao, chi tiết thành mỏng và không cần tưới nguội [58]. Trong quá trình gia công cao tốc thì phoi di chuyển ra khỏi vùng cắt nhanh hơn làm giảm đáng kể nhiệt cắt vì trong cắt nhiệt sẽ truyền chủ yếu vào phoi [64]. Ngày nay gia công cao tốc được ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp khuôn mẫu, công nghiệp ô tô, công nghiệp hàng không, công nghiệp nhẹ ... Sự khác biệt của gia công cao tốc so với gia công truyền thống là gia công cao tốc có: vận tốc cắt cao, lượng chạy dao cao và năng suất gia công lớn [115]. Một số nghiên cứu về gia công cao tốc như: phay cao tốc thép cứng [112], thép AISI H13 [34, 35], Inconel 718 [88], hợp kim nhôm 7475 [27], Ti6Al4V [123] các nghiên cứu đã đánh giá chất lượng bề mặt gia công và lực cắt cũng như tuổi bền dụng cụ cắt, về cơ chế mài mòn dụng cụ cắt khi phay cao tốc …. Như vậy các nghiên cứu trên cũng cho thấy các lợi ích vượt trội của gia công cao tốc nói chung và phay cao tốc nói riêng về năng suất, chất lượng chi tiết sau khi gia công. Để phân tích, dự đoán các hiện tượng xảy ra trong quá trình gia công cao tốc thì mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn (Finite element method-FEM) được sử dụng như một biện pháp thay thế cho quá trình thực nghiệm. Lợi ích của việc sử dụng mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn cho khả năng quan sát và dự báo một cách trực quan tại vùng cắt về các đặc trưng như: ứng suất, biến dạng và các trạng thái tiếp xúc khác nhau của dao– phoi, dao - chi tiết gia công. Những đặc trưng này chính là cơ sở để có thể dự báo chính xác một số các hiện tượng xảy ra như lực cắt, nhiệt cắt trong quá trình gia công cao tốc. Ngày nay với sự phát triển của công nghệ phần mềm dùng cho mô phỏng và sự ra đời của các siêu máy tính có cấu hình cao, dung lượng lớn là tiền đề cho các sản phẩm thương mại trong việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn vào mô phỏng. Một số phần mềm thương mại như ABAQUS, DEFORM, DYNAFORM … được ứng dụng phổ biến rộng rãi trong nhiều trường đại học, các viện nghiên cứu và cơ sở sản xuất kinh doanh. Rất nhiều nhà nghiên cứu đã tìm hiểu về cơ chế sự hình thành phoi và đặc điểm của phoi liên quan đến điều kiện gia công cắt 1
gọt khi sử dụng phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn, một số lượng lớn các nghiên cứu sử dụng mô hình Johson-Cook (J-C) [36]. Mô hình J-C cùng với sự kết hợp các tiêu chí vùng ứng suất Von-Mises, biến dạng dẻo tương đương, tốc độ biến dạng và nhiệt độ [101]. Một số tác giả đã sử dụng các mô hình phá hủy khác nhau để mô phỏng quá trình gia công vật liệu chẳng hạn như các mô hình biến dạng phá hủy [18, 95]. Mô hình của Wilkins [116], mô hình sửa đổi của Cockcroft-Latham [28, 72, 73], hoặc các mô hình nguồn, tất cả các mô hình có thể dự đoán về lực cắt, chiều dày phoi, ứng suất, biến dạng và nhiệt độ …. Mô hình Bao- Wierzbicki (B-W) thường xuyên được sử dụng với mục đích để kiểm tra đặc tính của vật liệu [47, 48, 98, 103]. Gần đây nghiên cứu của Li cùng các đồng nghiệp [30, 66] đã khảo sát lực cắt, chiều dày phoi trong suốt quá trình phay nhôm Ti6Al4V, vật liệu Inconel 718 với việc sử dụng mô hình J-C để xác định ứng suất chảy sinh ra trong quá trình gia công. Điều đó cho thấy sử dụng mô hình mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn giúp cho việc mô tả quá trình cắt ngày càng chính xác. Sự đa dạng về kết quả đầu ra trong quá trình gia công kim loại như lực cắt, ứng suất, nhiệt, hình dáng phoi … có thể dự đoán bằng mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn mà không cần đến những thực nghiệm tương ứng [13, 14, 20, 33, 38, 39, 118]. Ở Việt Nam việc sử dụng phương pháp phần tửu hữu hạn vào mô phỏng quá trình gia công vẫn còn rất hạn chế và chưa có nghiên cứu nào sử dụng mô phỏng theo phương pháp này vào việc mô tả và dự đoán các hiện tượng xảy ra trong quá trình phay cao tốc. Hợp kim nhôm A6061 là loại vật liệu được các nhà nghiên cứu, kỹ sư công nghệ và thiết kế quan tâm đặc biệt. Bởi vì hợp kim nhôm A6061 hứa hẹn đem lại nhiều lợi ích về kinh tế, kỹ thuật cho công nghiệp ô tô, tàu thủy, hàng không … do có độ bền tương đối tốt, khả năng tạo hình dễ dàng, khả năng chống ăn mòn và chi phí thấp hơn so với các hợp kim cùng loại. Hợp kim nhôm A6061 hiện được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp ô tô cụ thể là chế tạo phụ tùng như: bánh xe và một số các cơ cấu khác trong xe. Các sản phẩm của hợp kim nhôm A6061 tạo thành khi phay cao tốc cũng đang sử dụng rất rộng rãi trong ngành gia công khuôn mẫu, trong ngành công nghiệp nhẹ, y tế, điện tử … với chất lượng bề mặt gia công tốt và năng suất cao. Do đó nhu cầu xã hội về các sản phẩm khi phay cao tốc nhôm là rất lớn. Việc nghiên cứu quá trình phay cao tốc hợp kim nhôm là cần thiết và cấp bách vì các hiện tượng xảy ra trong quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 sẽ quyết định đến sự ổn định quá trình gia công, năng suất, chất lượng chi tiết gia công. Tuy nhiên quá trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 chưa có nghiên cứu nào gần đây đề cập đến. Quá trình tạo phoi khi phay cao tốc chịu ảnh hưởng bởi thông số cơ bản như: vận tốc cắt, chiều sâu cắt, lượng chạy dao .… Các thông số chế độ cắt này được coi là ảnh hưởng tích cực và liên quan mật thiết đến các yếu tố đầu ra như: hệ số co rút phoi, lực cắt, vết tiếp xúc giữa dao - phoi, rung động, chất lượng bề mặt gia công. Từ giá trị của các yếu tố đầu ra cho phép điều chỉnh quá trình phay hợp lý để đạt được các chỉ tiêu về năng suất và chất lượng chi tiết sau gia công. Từ những vấn đề cấp thiết trên luận án đã lựa chọn đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061”. 2
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục đích - Phân tích quá trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 thông qua việc mô phỏng và thực nghiệm quá trình hình thành phoi. - Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 như: hình thái hình học phoi, hệ số co rút phoi, lực cắt, rung động, vết tiếp xúc giữa dao-phoi, chất lượng bề mặt chi tiết sau gia công. - Phân tích và dự đoán các hiện tượng xảy ra trong quá trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 sử dụng bằng mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn. 2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu + Đối tượng nghiên cứu: - Quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. +Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu cơ sở vật lý và động lực học quá trình phay cao tốc. - Nghiên cứu một số mô hình phá hủy vật liệu sử dụng trong mô phỏng quá trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 theo phương pháp phần tử hữu hạn. - Thực nghiệm quá trình tạo phoi, đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến hình thái hình học của phoi, hệ số co rút phoi, lực cắt, rung động, vết tiếp xúc giữa dao - phoi và độ nhám bề mặt chi tiết gia công khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. - Mô phỏng quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061, so sánh và kiểm chứng với thực nghiệm. 3. Phương pháp nghiên cứu Thực hiện phương pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, mô phỏng quan sát, so sánh đánh giá giữa mô phỏng và thực nghiệm. + Lý thuyết: Nghiên cứu cơ sở vật lý quá trình tạo phoi, hệ số co rút phoi, nghiên cứu động lực học quá trình phay cao tốc. Nghiên cứu các mô hình phá hủy dùng cho mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn quá trình phay cao tốc. + Thực nghiệm: Phân tích các thông số công nghệ ảnh hưởng đến các yếu tố đầu ra như: hình thái hình học của phoi, hệ số co rút phoi, rung động, vết tiếp xúc giữa dao - phoi, chất lượng bề mặt chi tiết gia công, xây dựng các phương trình hồi quy thực nghiệm. + Mô phỏng: Mô phỏng quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061, xác định ứng suất biến dạng, hệ số co rút phoi, lực cắt sinh ra trong quá trình hình thành phoi. + So sánh đánh giá: Đánh giá phần trăm sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm. Trên cơ sở đó, lựa chọn mô hình phù hợp cải thiện khả năng dự đoán khi mô phỏng. 3
4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài + Ý nghĩa khoa học - Đánh giá được mức độ biến dạng của phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 thông qua việc xác định sự biến đổi hệ số co rút phoi. - Xây dựng các biểu đồ thể hiện mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến yếu tố đầu ra như: Hệ số co rút phoi, lực cắt, rung động, vết tiếp xúc giữa dao - phoi và độ nhám bề mặt chi tiết sau gia công khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. - Mô phỏng quá trình hình thành phoi, phân tích ứng suất - biến dạng sinh ra trong vùng tiếp xúc giữa dao - phoi từ đó có thể dự đoán chính xác quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. + Ý nghĩa thực tiễn - Có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các nhà máy xí nghiệp, các cơ sở sản xuất và phòng nghiên cứu tham khảo về mức độ ảnh hưởng của thông số công nghệ đến các yếu tố đầu ra như: hệ số co rút phoi, lực cắt, rung động, vết tiếp xúc giữa dao - phoi và độ nhám bề mặt chi tiết sau gia công khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. - Dùng làm tài liệu tham khảo cho các cơ sở đào tạo về cách thức mô tả quá trình phay cao tốc khi sử dụng mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn. 5. Những đóng góp mới của đề tài - Cơ chế hình thành phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 đã được làm rõ dựa trên việc phân tích hình thái học của phoi thông qua việc quét ảnh bằng kính hiển vi điện tử. - Ảnh hưởng của chế độ cắt gồm: vận tốc cắt (V), bước tiến dao (f) và chiều sâu cắt (t) đến quá trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 đã được nghiên cứu một cách có hệ thống. Các phương trình thực nghiệm hồi quy biểu diễn mối liên hệ giữa chế độ cắt với lực cắt, hệ số co rút phoi, rung động của đồ gá phôi, chiều dài tiếp xúc giữa dao – phoi và độ nhám bề mặt chi tiết gia công đã được đề xuất. - Luận án cũng đưa ra được các phương trình thực nghiệm phản ánh mối liên hệ giữa hệ số co rút phoi với lực cắt, rung động, chiều dài tiếp xúc giữa dao - phoi và độ nhám bề mặt chi tiết sau gia công. - Luận án đề xuất một mô hình phần tử hữu hạn có độ chính xác cao để áp dụng cho quá trình phay hợp kim nhôm A6061 trong điều kiện gia công ở vùng tốc độ cao. Mô hình này đã được kiểm nghiệm dựa trên các kết quả thực nghiệm. Để đạt được mục tiêu đó, các mô hình phá hủy vật liệu khác nhau đã được nghiên cứu, phân tích, đánh giá, chọn lựa và áp dụng cho quá trình mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn; từ đó tìm ra mô hình phù hợp nhất. Trong đó, ảnh hưởng của tốc độ biến dạng đến kết quả dự đoán sau khi mô phỏng đã được kiểm tra so sánh và xác nhận bằng thực nghiệm. - Cuối cùng, bộ thông số chung đã được tìm ra hướng tới các hàm mục tiêu giảm tối đa yếu tố bao gồm: lực cắt, hệ số co rút phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. 4
6. Cấu trúc của nội dung luận án Luận án gồm 4 chương và các phụ lục sau: Chương 1. Cơ sở vật lý quá trình tạo phoi khi phay cao tốc. Chương 2. Động lực học quá trình phay cao tốc. Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. Chương 4. Nghiên cứu mô phỏng và kiểm chứng quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. Phụ lục 5
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ VẬT LÝ QUÁ TRÌNH TẠO PHOI KHI PHAY CAO TỐC 1.1 Tổng quan chung về gia công cao tốc 1.1.1 Lịch sử phát triển của gia công cao tốc Gia công cao tốc (HSM) được nghiên cứu từ những năm 1920 và đến đầu năm 1931 tiến sĩ Carl J.Salomon [85, 92] là người đầu tiên đưa ra định nghĩa về gia công cao tốc: “Gia công cao tốc là gia công với tốc cắt nhanh hơn vận tốc cắt khi gia công truyền thống từ 5 đến 10 lần”. Bằng các thí nghiệm và nghiên cứu của mình Carl J.Salomon cho rằng tốc độ cắt càng tăng thì nhiệt cắt càng giảm. Qua các thực nghiệm gia công tốc độ cao cho nhôm, đồng, thép Carl J.Salomon đã chỉ ra được mối quan hệ giữa tốc độ cắt và nhiệt độ sinh ra trong quá trình cắt như trên Hình 1.1 [55]. Nghiên cứu cho thấy ở tốc độ cắt cao thì quá trình bóc tách vật liệu nhanh hơn tuy nhiên chỉ nên tăng đến một một giới hạn nhất định của tốc độ cắt, vì việc tăng tốc độ cắt cũng tương ứng với việc dụng cụ cắt phải làm việc trong môi trường khốc liệt dẫn đến mài mòn dụng cụ cắt nhanh và tuổi bền giảm. Năm 1959 M.E Merchant cùng với nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng tốc độ được cắt gia tăng là do sự phát triển vượt bậc của công nghệ vật liệu làm dụng cụ cắt và thống kê cho thấy từ năm 1900 cứ sau 10 năm thì tốc độ cắt tăng lên gấp 2 lần (Hình 1.2). Hình 1.1 Nhiệt phụ thuộc vào tốc độ cắt [79]. Xu hướng tăng tốc độ cắt lại được xác nhận lần nữa vào năm 1960 và dự kiến sẽ tiếp tục tăng nữa trong tương lai. Năm 1970 gia công cao tốc một lần nữa được Lockheed công nhận với những lợi ích tiềm năng của nó [55]. Sau đó nghiên cứu về gia công cao tốc của Icks và Schulz cho rằng cắt gọt ở tốc độ cao còn phụ thuộc vào từng loại vật liệu gia công. Các nghiên cứu tiếp theo về gia công cao tốc đã xét tới các vấn đề liên quan đến thiết bị và điều kiện cụ thể cho từng loại vật liệu như sơ đồ cho trên Hình 1.3. Ngoài định nghĩa của Carl J.Salomon thì gia công cao tốc cũng có thể được xác định là gia công với tốc độ quay trục chính cao, bước tiến lớn, gia công cho năng suất cao. Tuy 6
nhiên cách hiểu này cũng mang tính chất tương đối do tốc độ trục chính và tốc độ dịch chuyển của bàn máy được coi là nhanh hoặc chậm là ứng với tùy loại vật liệu khác nhau. Hiện nay gia công cao tốc tạm thời được cho là phương pháp cắt gọt sử dụng tốc độ trục chính cao và bước tiến lớn với lượng chạy dao ngang nhỏ và chiều sâu cắt nhỏ. Hình 1.2 Sơ đồ của Merchant (1959) về sự thay đổi của vật liệu làm dụng cụ cắt và tốc độ cắt tăng lên gấp đôi sau mỗi 10 năm (1959) [55]. Hình 1.3 Đặc điểm lịch sử gia công tốc độ cao [106]. Tuy nhiên các định nghĩa trên chưa thể hiện hết bản chất của quá trình gia công cao tốc. Gia công cao tốc vẫn là tổng hòa của nhiều yếu tố công nghệ như máy móc, thiết bị, phần mềm lập trình và chế độ cắt để đạt hiệu quả gia công là cao nhất. Gia công cao tốc được so sánh với gia công truyền thống bằng các vùng tốc độ cắt tương ứng với loại vật liệu khác nhau thể hiện trên Hình 1.4. So với gia công truyền thống thì gia công cao tốc có một số các ưu điểm sau: Tốc độ bóc tách kim loại nhanh, lực cắt thấp, chất lượng bề mặt gia công tốt, gia công được vật liệu có độ cứng cao, gia công được chi tiết 7