Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định chế độ công nghệ hợp lý khi phay các chi tiết hợp kim nhôm thành mỏng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:96

Thêm vào BST

Báo xấu

25
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là tập trung giải quyết vấn đề ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ tới lực cắt, độ nhám và độ chính xác kích thước khi phay các chi tiết hợp kim nhôm thành mỏng, từ đó xác định được chế độ công nghệ tối ưu. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định chế độ công nghệ hợp lý khi phay các chi tiết hợp kim nhôm thành mỏng

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ MẠNH ĐỨC NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ HỢP LÝ KHI PHAY CÁC CHI TIẾT HỢP KIM NHÔM THÀNH MỎNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã ngành: 8520103 TRƯỞNG KHOA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Hoàng Vị Thái Nguyên, tháng 4 năm 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
2 LỜI CAM ĐOAN Họ và tên: Lê Mạnh Đức Học viên lớp cao học khóa K20 - Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại : Trung tâm phát triển khoa học và công nghệ - Sở Khoa học công nghệ Thái Nguyên. Tôi xin cam đoan những kết quả có được trong luận văn là do bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS. Hoàng Vị. Ngoài thông tin trích dẫn từ các tài liệu tham khảo đã được liệt kê, các kết quả và số liệu thực nghiệm là do tôi thực hiện và chưa được công bố trong bất cứ công trình nào khác. Thái Nguyên, tháng 04 năm 2019 Người thực hiện Lê Mạnh Đức Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
3 LỜI NÓI ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Các chi tiết dạng thành mỏng thường được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp bao gồm các lĩnh vực ô tô hàng không và máy chính xác. Vì các chi tiết dạng thành mỏng thường dễ bị biến dạng vì có độ cứng thấp, rất khó có thể kiểm soát độ chính xác gia công, thường dẫn đến làm tăng chi phí của quá trình sản xuất. Để đảm bảo độ chính xác gia công, sự biến dạng cần được kiểm soát trong quá trình làm việc. Nếu không các chi tiết sẽ bị hỏng. các biến dạng của chi tiết có thể tách làm hai dạng là biến dạng do gia công và biến dạng sau gia công. Biến dạng do gia công được sinh ra ngay trong quá trình cắt phần vật liệu chứa ứng suất dư ban đầu, trong khi biến dạng sau gia công (biến dạng tiếp theo) (thường xảy ra do tồn tại ứng xuất dư do gia công) xảy ra sau khi lắp ráp xong. Nhiều trường hợp được báo cáo từ các ngành công nghiệp về các ví dụ tương tự, các chi tiết thành mỏng bị loại bỏ vì xảy ra biến dạng tiếp theo. Như vậy, việc hiểu về dạng của ứng suất dư trong gia công là rất cần thiết. Theo các tài liệu đã công bố về quá trình phay chi tiết thành mỏng làm bằng hợp kim nhôm thì nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của thông số công nghệ tới độ nhám bề mặt và biến dạng chi tiết, từ đó xác định chế độ công nghệ hợp lý chưa được quan tâm. Chính vì vậy tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu xác định chế độ công nghệ hợp lý khi phay các chi tiết hợp kim nhôm thành mỏng ”, góp phần hoàn thiện bổ sung kiến thức lý thuyết cũng như cải thiện và nâng cao hiệu quả sản xuất khi phay chi tiết thành mỏng làm bằng hợp kim nhôm. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Mục tiêu của đề tài là Tập trung giải quyết vấn đề ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ tới lực cắt, độ nhám và độ chính xác kích thước khi phay các chi tiết hợp kim nhôm thành mỏng, từ đó xác định được chế độ công nghệ tối ưu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
4 3. Dự kiến kết quả đạt được - Xây dựng được mô hình nghiên cứu. - Xác định được ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ (như vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt và chiến lược chạy dao) tới độ nhám bề mặt và sai lệch kích thước chiều dày thành khi phay chi tiết làm bằng hợp kim nhôm. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Xác định được quy luật ảnh hưởng của các yếu tố điều khiển kiểm soát quá trình gia công thành mỏng 5. Phương pháp nghiên cứu Với mục đích nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới biến dạng chi tiết và nhám bề mặt, tác giả chọn phương pháp nghiên cứu là kết hợp nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm trong đó nghiên cứu thực nghiệm là cơ bản. Nghiên cứu lý thuyết tổng quan các vấn đề liên quan đến gia công trong phay chi tiết thành mỏng từ đó định hướng cho nghiên cứu về biến dạng chi tiết khi gia công. Nghiên cứu thực nghiệm để xác định được ảnh hưởng các thông số công nghệ tới biến dạng chi tiết và nhám bề mặt, từ đó đưa ra bộ thông số công nghệ hợp lý. 6. Các công cụ cần thiết cho nghiên cứu - Phôi bằng hợp kim nhôm, dao phay. - Trung tâm phay Mazak VC530 - Máy đo nhám. - Dụng cụ đo vạn năng. 7. Nội dung nghiên cứu của luận văn Ngoài lời nói đầu, tài liệu tham khảo, phụ lục, nội dung chính gồm 3 chương và phần kết luận chung Chương 1: Tổng quan về quá trình cắt – mòn dao thép gió khi phay Chương 2: Ảnh hưởng của dung dịch bôi trơn làm nguội tới các thông số cơ bản của quá trình phay Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
5 Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của dầu Emusil có trộn bột Al2O3 vào dầu Emusil khi phay rãnh sử dụng dao phay thép gió Phần Kết luận chung Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
6 LỜI CẢM ƠN Luận văn này đối với Tôi là một cơ hội lớn để rèn luyện khả năng thực hiện một đề tài phục vụ thực tiễn sản xuất dựa trên cơ sở các lý thuyết khoa học và công nghệ. Luận văn này được hoàn thành là nhờ có rất nhiều sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của cá nhân và tập thể. Lời cảm ơn sâu sắc nhất Tôi xin gửi đến giáo viên hướng dẫn khoa học, thầy giáo PGS.TS. Hoàng Vị đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này. Tôi xin cám ơn Ban giám hiệu, phòng Đào tạo sau đại học, các thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tạo điều kiện của Ban Giám đốc Trung tâm phát triển khoa học và công nghệ - Sở Khoa học và Công nghệ Thái Nguyên cùng sự động viên khích lệ của gia đình, bạn bè, đồng nghiệp trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận văn. Thái Nguyên, tháng 4 năm 2019 Người thực hiện Lê Mạnh Đức Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
7 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................1 LỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................3 LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH PHAY CHI TIẾT HỢP KIM NHÔM DẠNG THÀNH MỎNG ...........................................................................12 1.1. Tổng quan hợp kim nhôm và các chi tiết hợp kim nhôm thành mỏng ......... 12 1.1.1 Giới thiệu về hợp kim nhôm ............................................................................12 1.1.2. Đặc điểm hình học của các chi tiết thành mỏng .............................................14 1.2. Tổng quan về quá trình phay và quá trình hình thành phoi ...............................16 1.2.1. Giới thiệu về quá trình phay............................................................................16 1.2.2 Quá trình cắt khi phay ......................................................................................17 1.2.3 Các chuyển động cơ bản khi phay ...................................................................21 1.2.4 Các thành phần của lớp bề mặt bị cắt khi phay................................................21 1.3.Các chỉ tiêu đánh giá tính gia công của vật liệu..................................................27 1.3.1.Tính chất cơ học của vật liệu ...........................................................................27 1.3.2. Quá trình biến dạng và hình thành phoi ..........................................................27 1.3.3. Lực cắt .............................................................................................................28 1.3.4.Nhiệt cắt ...........................................................................................................28 1.3.5.Mòn dụng cụ cắt ...............................................................................................29 1.3.6. Chất lượng bề mặt gia công ............................................................................33 1.3.7. Độ chính xác gia công .....................................................................................39 1.3.8. Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế về quá trình gia công chi tiết hợp kim nhôm thành mỏng ..................................................................40 CHƯƠNG 2: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI BIẾN DẠNG VÀ HÁM BỀ MẶT KHI PHAY CÁC CHI TIẾT HỢP KIM NHÔM A6061 .......................... 48 2.1 Giới thiệu về hợp kim nhôm A6061 ...................................................................45 2.1.1 Hợp kim nhôm A6061......................................................................................45 2.2 Phay chi tiết hợp kim nhôm thành mỏng A6061 ................................................46 2.2.1 Tính gia công của hợp kim nhôm A6061.........................................................46 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
8 2.2.2 Phay chi tiết thành mỏng ..................................................................................47 2.3 Nhám bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng tới nhám bề mặt khi phay chi tiết thành mỏng ..........................................................................................................................49 2.2.1 Ảnh hưởng của chế độ cắt ................................................................................49 2.2.2 Ảnh hưởng của vật liệu dụng cụ cắt và vật liệu gia công ................................54 2.2.3 Ảnh hưởng của chiến lược chạy dao khi phay các chi tiết thành mỏng ...............54 2.3 Giới hạn vấn đề nghiên cứu ................................................................................56 2.4 Phương pháp nghiên cứu .....................................................................................56 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT TỚI ĐỘ NHÁM BỀ MẶT VÀ BIẾN DẠNG CHI TIẾT KHI PHAY CHI TIẾT HỢP KIM NHÔM THÀNH MỎNG ...............................................................................58 3.1 Đặt vấn đề ...........................................................................................................58 3.2 Thiết kế hệ thống thí nghiệm ..............................................................................58 3.2.1 Yêu cầu của hệ thống thí nghiệm .....................................................................58 3.2.2 Hệ thống thí nghiệm .........................................................................................58 3.2.2.3 Chế độ công nghệ ..........................................................................................60 3.2.2.4 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi .............................................61 3.3 Kết quả và thảo luận ............................................................................................69 3.4Ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát tới biến dạng chi tiết khi phay chi tiết thành mỏng ..........................................................................................................................70 3.4.1 Ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát tới độ nhám bề mặt gia công ...................81 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .....................91 1. Kết luận chung ......................................................................................................91 2. Hướng nghiên cứu tiếp theo ..................................................................................91 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
9 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Các cấp độ nhám bề mặt theo TCVN 2511-1995.....................................37 Bảng 2.1 Thành phần hóa học của hợp kim nhôm A6061 ........................................45 Bảng 2.2 Đặc điểm cơ học của hợp kim nhôm A6061 .............................................45 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của dao phay ngón sử dụng cho thí nghiệm ................60 Bảng 3.2 Chế độ cắt khảo sát .......................................................................... 61 Bảng 3.3 Các thông số khảo sát và mức giá trị tương ứng .......................................62 Bảng 3.4 Bậc tự do của ma trận thí nghiệm ..............................................................63 Bảng 3.5 Thiết kế thí nghiệm L9 ..............................................................................63 Bảng 3.6 Ma trận thí nghiệm.....................................................................................64 Bảng 3.7 Giá trị biến dạng chi tiết, độ nhám và tỷ số S/N tương ứng ......................70 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
10 DANH MỤC HÌNH Hình 1. 1 Chi tiết có dạng thành mỏng .....................................................................15 Hình 1. 2 Quá trình hình thành phoi [5] ....................................................................17 Hình 1. 3 Các dạng phoi khi gia công cắt gọt kim loại [5] .......................................18 Hình 1. 4 Góc tiếp xúc khi phay bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón................23 Hình 1. 5 Phay không đối xứng bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón .................24 Hình 1. 6 Chiều dày cắt khi phay bằng dao phay ngón, dao phay mặt đầu ..............24 Hình 1. 7 Các phương pháp phay ..............................................................................26 Hình 1. 8 Sơ đồ thể hiện các khả năng tương tác của hạt mài với bề mặt của vật liệu, vết mòn và mặt cắt ngang của nó. .............................................................................31 Hình 1. 9 Cấu trúc tế vi lớp bề mặt gia công ............................................................34 Hình 1. 10 Nhám bề mặt, sóng bề mặt và các vết nứt vết gia công trên bề mặt .......35 Hình 1. 11 Xác định nhám bề mặt Rz .......................................................................37 Hình 1. 12 Đo nhám bằng phương pháp cơ học .......................................................38 Hình 1. 13 Đo nhám trên các bề mặt khác nhau .......................................................38 Hình 1. 14 Biến dạng của chi tiết trong quá trình gia công ......................................40 Hình 2. 1 Chi tiết thành mỏng được gia công bởi bởi Fokker Aerost ......................48 Hình 2. 2 Miền tạo phoi khi gia công kim loại .........................................................50 Hình 2. 3 Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới hệ số co rút phoi khi gia công thép cacbon. ......................................................................................................... 50 Hình 2. 4 Ảnh hưởng của các thông số hình học tới nhám bề mặt khi tiện ..............51 Hình 2. 5 Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt Rz ...........................53 Hình 3. 1 Trung tâm phay đứng Mazak 530C ..........................................................59 Hình 3. 2 Dao phay ngón của hãng YG ....................................................................60 Hình 3. 3 Chế độ cắt khuyến cáo của nhà sản xuất khi phay cạnh ...........................61 Hình 3. 4 Đồng hồ so 1/1000 mm .............................................................................65 Hình 3. 5 Đo độ nhám sản phẩm ...............................................................................65 Hình 3. 6 Thiết lập các thông số trong mô hình thí nghiệm TAGUCHI ..................68 Hình 3. 7 Đo biến dạng chi tiết .................................................................................69 Hình 3. 8 Đo nhám bề mặt ........................................................................................69 Hình 3. 9 Giá trị trung bình của biến dạng chi tiết và mức độ ảnh hưởng của các thông số .....................................................................................................................71 Hình 3. 10 Ảnh hưởng tới giá trị trung bình của lượng biến dạng chi tiết ...............71 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
11 Hình 3. 11 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và lượng chạy dao tới lượng biến dạng của chi tiết ........................................................................................................73 Hình 3. 13 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và chiều rộng cắt tới lượng biến dạng của chi tiết ........................................................................................................74 Hình 3. 14 Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao và chiều sâu cắt tới lượng biến dạng của chi tiết.................................................................................................74 Hình 3. 15 Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao và chiều rộng cắt tới lượng biến dạng của chi tiết.................................................................................................75 Hình 3. 16 Ảnh hưởng tương tác giữa chiều sâu cắt và chiều rộng cắt tới lượng biến dạng của chi tiết ........................................................................................................75 Hình 3. 17 Tỷ số S/N trung bình của lượng biến dạng chi tiết và mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ ...........................................................................76 Hình 3. 18 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới tỷ số S/N của lượng biến dạng chi tiết ...............................................................................................................77 Hình 3. 19 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và lượng chạy dao răng tới tỷ số S/N của lượng biến dạng chi tiết ...............................................................................78 Hình 3. 20 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và chiều sâu cắt tới tỷ số S/N của lượng biến dạng chi tiết .............................................................................................78 Hình 3. 21 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và chiều rộng cắt tới tỷ số S/N của lượng biến dạng chi tiết ......................................................................................79 Hình 3. 22 Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao răng và chiều sâu cắt tới tỷ số S/N của lượng biến dạng chi tiết ..........................................................................79 Hình 3. 23 Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao răng và chiều rộng cắt tới tỷ số S/N của lượng biến dạng chi tiết ..........................................................................80 Hình 3. 24 Ảnh hưởng tương tác giữa chiều sâu cắt và chiều rộng cắt tới tỷ số S/N của lượng biến dạng chi tiết ......................................................................................80 Hình 3. 25 Giá trị độ nhám trung bình và mức độ ảnh hưởng của các thông số ......81 Hình 3. 26 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới giá trị độ nhám trung bình ........82 Hình 3. 27 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và lượng chạy dao tới giá trị độ nhám trung bình ........................................................................................................82 Hình 3. 28 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và chiều rộng cắt tới giá trị độ nhám trung bình ........................................................................................................83 Hình 3. 29 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và chiều sâu cắt tới giá trị độ nhám trung bình ........................................................................................................83 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
12 Hình 3. 30 Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao và chiều sâu cắt tới giá trị độ nhám trung bình ........................................................................................................84 Hình 3. 31 Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao và chiều rộng cắt tới giá trị độ nhám trung bình ...................................................................................................84 Hình 3. 32 Ảnh hưởng tương tác giữa chiều sâu cắt và chiều rộng cắt tới giá trị độ nhám trung bình ........................................................................................................85 Hình 3. 33 Tỷ số S/N của độ nhám trung bình và mức độ ảnh hưởng của các thông số ...............................................................................................................................85 Hình 3. 34 Ảnh hưởng của các thông số tới tỷ số S/N của độ nhám trung bình .....86 Hình 3. 35 Ảnh hưởng tương tác vận tốc cắt và lượng chạy dao tới tỷ số S/N của độ nhám trung bình ........................................................................................................87 Hình 3. 36 Ảnh hưởng tương tác vận tốc cắt và chiều sâu cắt tới tỷ số S/N của độ nhám trung bình ........................................................................................................87 Hình 3. 37 Ảnh hưởng tương tác vận tốc cắt và chiều rộng cắt tới tỷ số S/N của độ nhám trung bình ........................................................................................................88 Hình 3. 38 Ảnh hưởng tương tác lượng chạy dao và chiều rộng cắt tới tỷ số S/N của độ nhám trung bình ...................................................................................................88 Hình 3. 39 Ảnh hưởng tương tác lượng chạy dao và chiều sâu cắt tới tỷ số S/N của độ nhám trung bình ...................................................................................................89 Hình 3. 40 Ảnh hưởng tương tác chiều sâu cắt và chiều rộng cắt tới tỷ số S/N của độ nhám trung bình ...................................................................................................89 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
12 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH PHAY CHI TIẾT HỢP KIM NHÔM THÀNH MỎNG 1.1. Tổng quan hợp kim nhôm và các chi tiết dạng thành mỏng 1.1.1 Giới thiệu về hợp kim nhôm Ngày nay nhôm là kim loại rất quan trọng trong đời sống của con người, nhưng về mặt lịch sử nhôm thuộc loại nguyên tố “trẻ”. Nhôm được tìm ra năm 1808, công lao ấy thuộc về Dauy. Nhờ các phản ứng hóa học ông đã tách được nguyên tố kim loại nhẹ có màu sáng gọi là Alumin. Bắt đầu từ những năm 30 của thế kỷ 19 người ta đã sản xuất nhôm trên quy mô công nghiệp bằng phương pháp khoa học, tuy nhiên sản lượng hàng năm rất nhỏ. Từ năm 1854 đến 1890 toàn thế giới sản xuất được khoảng 200 tấn nhôm, vào năm 1890 nhôm được sản xuất bằng phương pháp điện phân dung dịch ôxít nhôm (Al2O3) nóng chảy trong Criolit (Na3AlF6). Chỉ trong vòng chín năm từ năm 1890 đến 1899 thế giới sản xuất được 2800 tấn nhôm. Riêng năm 1930 sản lượng đạt tới 270.000 tấn, năm 1968 sản lượng nhôm là 8.386.200 tấn, từ năm 1960 hàng năm sản lượng tăng 15%, những năm gần đây chỉ tăng 5%/năm. Ngày nay khi nhịp độ sản xuất tăng lên mạnh hơn, vị trí của vật liệu kim loại này được đưa lên hàng thứ hai sau thép. Hợp kim nhôm đầu tiên ra đời vào năm 1906, đó là hợp kim do Alfred Weinmer tìm ra, hiện nay được phát triển thành các Đura (hợp kim nhôm biến dạng điển hình được dùng trong kỹ thuật hàng không) trên cơ sở Al-CuMg (có 95% Al, 4% Cu và 1% Mg) đang được sử dụng rộng rãi. Sản lượng và nhu cầu ứng dụng nhôm so với các kim loại kết cấu khác tăng lên không ngừng. Những ưu điểm chính của nhôm là trọng lượng riêng nhỏ, độ dẫn điện dẫn nhiệt cao, khả năng chống ăn mòn trong nhiều môi trường khá tốt. Độ bền riêng của hợp kim nhôm khoảng 16,5 trong khi đó của thép là 15,4. Vì vậy khi ứng dụng hợp kim nhôm làm vật liệu kết cấu và khuôn mẫu nó tỏ ra có Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
13 những ưu điểm lớn, về mặt trữ lượng nhôm nhiều hơn sắt, theo tính toán nhôm chiếm khoảng 8,8% còn sắt chỉ chiếm 5,1% trọng lượng vỏ trái đất. Nhôm là nguyên tố có dạng mạng tinh thể lập phương tâm mặt, có màu sáng bạc, và có những đặc điểm sau : - Khối lượng riêng nhỏ (2,8 g/cm3 ) chỉ khoảng 1/3 so với thép. Do vậy làm giảm khối lượng kết cấu, chi tiết, được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng không, vận tải….. - Có tính chống mòn nhất định trong khí quyển do luôn có lớp màng ôxít (Al2O3) phủ trên lớp bề mặt có tính bảo vệ cao. - Có tính dẫn điện cao: tính dẫn điện kém hơn vàng, bạc, đồng Phân loại và kí hiệu của hợp kim nhôm Ký hiệu: Để ký hiệu các hợp kim nhôm người ta thường dùng hệ thống đánh số theo AA (Aluminum Association) của Hoa kỳ bằng xxxx cho loại biến dạng và xxx.x cho loại đúc, trong đó: - Số đầu tiên có các ý nghĩa sau. Loại biến dạng: 1xxx - nhôm sạch (≥ 99,0%) 2xxx - Al - Cu, Al - Cu – Mg 3xxx - Al – Mn 4xxx - Al – Si 5xxx - Al – Mg 6xxx - Al - Mg – Si 7xxx - Al - Zn – Mg, Al - Zn - Mg – Cu 8xxx - Al - các nguyên tố khác Loại đúc: 1xx.x - nhôm thỏi sạch thương phẩm, 2xx.x - Al – Cu 3xx.x - Al - Si - Mg, Al - Si – Cu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
14 4xx.x - Al – Si 5xx.x - Al – Mg 6xx.x - không có 7xx.x - Al – Zn 8xx.x - Al - Sn. Ba số tiếp theo được tra theo bảng trong các tiêu chuẩn cụ thể. Để ký hiệu trạng thái gia công và hóa bền, các nước phương Tây thường dùng các ký hiệu sau. F: trạng thái phôi thô, O: ủ và kết tinh lại, H: hóa bền bằng biến dạng nguội, trong đó H1x (x từ 1 đến 9): thuần túy biến dạng nguội với mức độ khác nhau, H2x (x từ 2 đến 9): biến dạng nguội rồi ủ hồi phục, H3x (x từ 2 đến 9): biến dạng nguội rồi ổn định hóa, T: hóa bền bằng tôi + hóa già, trong đó T1: biến dạng nóng, tôi, hóa già tự nhiên, T3: tôi, biến dạng nguội, hóa già tự nhiên, T4: tôi, hóa già tự nhiên (giống đoạn đầu và cuối của T3), T5: biến dạng nóng, tôi, hóa già nhân tạo (hai đoạn đầu giống T1), T6: tôi, hóa già nhân tạo (đoạn đầu giống T4), T7: tôi, quá hóa già, T8: tôi, biến dạng nguội, hóa già nhân tạo (hai đoạn đầu giống T3), T9: tôi, hóa già nhân tạo, biến dạng nguội (hai đoạn đầu giống T6). (ngoài ra còn Txx, Txxx, Txxxx). TCVN 1659-75 có quy định cách ký hiệu hợp kim nhôm được bắt đầu bằng Al và tiếp theo lần lượt từng ký hiệu hóa học của nguyên tố hợp kim cùng chỉ số % của nó, nếu là hợp kim đúc sau cùng có chữ Đ. Ví dụ AlCu4Mg là hợp kim nhôm chứa ~4%Cu, ~1%Mg. Với nhôm sạch bằng Al và số chỉ phần trăm của nó, ví dụ Al99, Al99,5. 1.1.2. Đặc điểm hình học của các chi tiết thành mỏng Các chi tiết dạng thành mỏng thường được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp bao gồm các lĩnh vực oto hàng không và máy chính xác. Nói chung, các chi tiết có độ dày trong khoảng từ 1 đến 5 mm được coi là chi tiết dạng thành mỏng (như hình 1.1). Đặc biệt các chi tiết thành mỏng bằng hợp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
15 kim nhôm được sử dụng phổ biến trong ngành hàng không vì nó có nhiều ưu điểm, như: - Khối lượng của chi tiết dạng thành mỏng giảm đáng kể so với chi tết đặc mà vẫn đảm bảo các yêu cầu về độ chính xác cũng như đảm bảo khả năng chịu lực [1]. Sử dụng các chi tiết thành mỏng có thể loại bỏ tới 95% trọng lượng của khối chi tiết lắp ráp ban đầu [2]. - Sử dụng chi tiết dạng thành mỏng có thể giảm giá thành sản xuất nhờ việc giảm khối lượng lắp ráp, giảm vật liệu, giảm chi phí quản lý, giảm chi phí lưu kho...[1,3]. - Sử dụng chi tiết thành mỏng có thể tăng được độ chính xác tổng hợp của sản phẩm [1]. Hình 1. 1 Chi tiết có dạng thành mỏng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
16 1.2. Tổng quan về quá trình phay và quá trình hình thành phoi 1.2.1. Giới thiệu về quá trình phay Phay là một phương pháp gia công cắt đi một lớp kim loại (hay còn gọi là lượng dư gia công để tạo thành phoi) trên bề mặt của phôi để được chi tiết có hình dáng, kích thước, độ chính xác, độ bóng theo yêu cầu kỹ thuật trên bản vẽ. Quá trình đó được thực hiện trên các máy phay. Phay là phương pháp gia công kim loại, có độ chính xác không cao hơn cấp 3-4 và độ bóng không hơn cấp 6, là một trong những phương pháp gia công đạt năng suất cao nhất. Bằng phương pháp phay người ta có thể gia công mặt phẳng, định hình phức tạp, rãnh then, cắt đứt, gia công mặt tròn xoay, trục then hoa, cắt ren, bánh răng… Phay có thể dùng để gia công tinh, gia công lần cuối để đạt được độ bóng, độ chính xác cao, dễ cơ khí hoá, tự động hoá, cho năng suất cao, dùng trong sản xuất đơn chiếc, sản xuất hàng loạt và hàng khối. Số lượng nguyên công gia công cắt gọt đạt tới 60% - 70% công việc gia công cơ khí thì nguyên công phay cũng chiếm một tỷ lệ lớn. Máy phay có số lượng nhiều, chiếm tỷ lệ lớn và giữ một vị trí quan trọng trong các Nhà máy, Phân xưởng cơ khí. Dao phay là loại dụng cụ cắt có nhiều lưỡi, trong quá trình cắt ngoài những đặc điểm giống quá trình cắt khi tiện, còn có những đặc điểm sau: - Dao phay có một số lưỡi cắt cùng tham gia cắt, nên năng suất cắt khi phay cao hơn khi bào. - Lưỡi cắt của dao phay làm việc không liên tục, cùng với khối lượng thân dao phay thường lớn nên điều kiện truyền nhiệt tốt. - Diện tích cắt khi phay thay đổi, do đó lực cắt thay đổi gây rung động trong quá trình cắt. - Do lưỡi cắt làm việc gián đoạn, gây va đập và rung động, nên khả năng tồn tại lẹo dao ít. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
17 1.2.2 Quá trình cắt khi phay Quá trình cắt kim loại thực chất là sử dụng dụng cụ hình chêm để hớt đi một lớp kim loại từ phôi. Lực tác dụng sinh ra do sự tương tác giữa dụng cụ cắt và phôi, đối với phương pháp phay thì sự tương tác đó là chuyển động quay của dao phay và sự cản trở lại chuyển động quay của phôi. Như vậy, lực tác dụng phải đủ lớn để tạo ra trong kim loại bị cắt một ứng suất lớn hơn sức bền của vật liệu gia công (khả năng liên kết giữa các tinh thể kim loại), đồng thời phải thắng được lực cản do ma sát trong quá trình gia công bao gồm: - Ma sát giữa các tinh thể kim loại khi trượt lên nhau; - Ma sát giữa phoi và mặt trước của dao trong quá trình tạo phoi; - Ma sát giữa bề mặt đã gia công với mặt sau của dao. Quá trình hình thành phoi đã được nhiều tác giả như: Trent, Wright [4], Zorev N.N và các đồng nghiệp [5], Doyle E.D [6], nghiên cứu với nhiều cách tiếp cận khác nhau. Tất cả các nghiên cứu đó đều kết luận rằng khi chịu tác dụng của lực, kim loại bị biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo rồi biến dạng phá huỷ. Hình 1. 2 Quá trình hình thành phoi [5] Khi quá trình cắt xảy ra, trước tiên là các tinh thể kim loại bị dồn ép (nén), khi lực tác dụng vượt quá giới hạn bền của vật liệu thì các tinh thể kim loại bị trượt lên nhau và tách ra khỏi vật gia công tạo thành phoi. Quá trình biến dạng đó xảy ra trong một vùng mà ta có thể gọi là vùng tạo phoi (giới Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
18 hạn bởi đường cong OA, OE, hình 1.2) [5]. Trong vùng này có những mặt trượt OA, OB, OC, OD, OE. Vật liệu gia công trượt theo những mặt đó, các tinh thể kim loại bị xếp chồng lên nhau. Tuỳ theo cấu trúc của vật liệu gia công, chế độ cắt mà có thể tạo ra phoi vụn, phoi xếp hay phoi dây. Như vậy, kết quả của biến dạng kim loại là tách ra khỏi phôi một phần vật liệu, phần còn lại chính là chi tiết gia công. Tuy nhiên, do vùng biến dạng của kim loại xảy ra ở cả phần vật liệu giữ lại (phía dưới điểm O) nên bề mặt chi tiết sau khi gia công có tính chất khác hẳn trước khi gia công và thường có độ cứng cao hơn. Hiện tượng đó chính là hiện tượng biến cứng lớp bề mặt. Ngoài ra trong vùng cắt còn có rất nhiều hiện tượng vật lý khác xảy ra mà ta sẽ nghiên cứu cụ thể ở các phần sau. Quá trình cắt kim loại khi phay về nguyên tắc không khác quá trình cắt khi tiện. Ở đây tập trung nghiên cứu một số hiện tượng xảy ra trong quá trình cắt. Lớp kim loại được cắt gọi là phoi, có thể có nhiều dạng khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện gia công. Theo giáo sư I.A.Time thì phoi có các dạng sau đây: Phoi dây, phoi xếp và phoi vụn. - Phoi vụn: Là phoi tồn tại ở dạng hạt, thường nhận được khi gia công vật liệu có tính dẻo thấp như gang, đồng thau, hình 1.3a. Hình 1. 3 Các dạng phoi khi gia công cắt gọt kim loại [5] Quá trình biến dạng của vật liệu trong vùng cắt thường không qua giai đoạn biến dạng dẻo (vì các vật liệu đó có tính dẻo rất thấp). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
19 Khi cắt tạo thành phoi vụn thì có một số đặc điểm như: Chiều cao nhấp nhô bề mặt không cao, tính chất lớp bề mặt ít thay đổi, lực cắt không ổn định, ít gây mất an toàn [5]. - Phoi xếp: Là phoi tồn tại ở dạng đoạn ngắn, mặt dưới của phoi (mặt tiếp xúc với mặt trước của dao) nhẵn, mặt trên xù xì như răng cưa. Dạng phoi này thường có khi gia công vật liệu dẻo như thép có lượng các bon thấp, được gia công với chiều dày cắt lớn, vận tốc cắt không cao, hình 1.3b. Khi cắt tạo thành phoi xếp có một số đặc điểm: Chiều cao nhấp nhô bề mặt không cao lắm, bề mặt chi tiết gia công bị biến dạng dẻo nên có tính chất cơ lý khác một ít so với tính chất của vật liệu gia công. Phoi xếp thu được sau khi gia công thép, có độ cứng cao hơn độ cứng của vật liệu gia công từ 2÷3 lần. Điều đó chứng tỏ vật liệu đã được hoá bền ở mức độ cao. - Phoi dây: Là phoi tồn tại ở dạng dây dài, bề dày không lớn. Tuỳ theo vật liệu gia công, hình dáng hình học đầu dao và chế độ công nghệ mà phoi tồn tại ở dạng dây dài hay xoắn lò xo. Dạng phoi này thường có khi gia công vật liệu có tính dẻo với tốc độ cắt cao, hình 1.3c. Khi cắt hình thành phoi dây có đặc điểm: Chiều cao nhấp nhô bề mặt gia công cao, lực cắt đơn vị nhỏ và ít thay đổi. Tuy nhiên cần chú ý tìm biện pháp bẻ phoi vì phoi dây đặc biệt là dây dài rất dễ gây mất an toàn [5]. Khi gia công các vật liệu có tính dẻo cao như thép và nhôm, trên mặt trước của dao (ngay gần mũi dao) thường xuất hiện những lớp kim loại có cấu trúc khác hẳn so với cấu trúc của phoi và vật liệu gia công. Lớp kim loại này bám rất chắc vào dao và tham gia cắt gọt như một mũi dao vì nó có độ cứng rất cao. Hiện tượng này còn được gọi là hiện tượng lẹo dao (built up edge). Hiện tượng lẹo dao được phân tích xem xét dưới nhiều góc độ khác nhau nhưng đều có điểm thống nhất chung về nguyên lý hình thành. Khi cắt, do nhiệt phát sinh nên một lớp mỏng kim loại nằm giữa mặt trước của dao và mặt dưới của phoi bị nóng chảy; lớp kim loại này hầu hết chuyển động theo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn