Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Cơ khí: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công khi mài phẳng chi tiết hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công khi mài phẳng chi tiết hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN" nhằm xác định được ảnh hưởng của một số yếu tố đến chất lượng bề mặt chi tiết và năng suất gia công khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa phenol. Từ đó xác định chế độ công nghệ tối ưu để nâng cao năng suất gia công và đảm bảo nhám bề mặt.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Cơ khí: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công khi mài phẳng chi tiết hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phí Trọng Hùng NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT VÀ NĂNG SUẤT GIA CÔNG KHI MÀI PHẲNG CHI TIẾT HỢP KIM TI-6AL-4V BẰNG ĐÁ MÀI cBN Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9520103 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Ghi chú : Hà Nội – 2021
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trương Hoành Sơn PGS.TS Hoàng Văn Gợt Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… (Nộp hồ sơ bảo vệ cấp cơ sở và cấp trường NCS vẫn đề nội dung trang bìa 2 tóm tắt luận án theo mẫu trên Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài luận án Mài là một trong những phương pháp gia công tinh chiếm một vị trí quan trọng trong gia công cơ khí. Tuy nhiên, các nghiên cứu về mài trước đây ở Việt Nam chủ yếu thực hiện với vật liệu gia công là các loại thép và dụng cụ cắt là đá mài cacbit silic, ô-xít nhôm, kim cương, mà chưa có nhiều những nghiên cứu chuyên sâu khi vật liệu gia công là hợp kim Titan và dụng cụ cắt là đá mài cBN. Các nghiên cứu về mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN trên thế giới thường tập trung vào các hướng: (1) Đánh giá ảnh hưởng của chế độ bôi trơn làm mát đến chất lượng gia công; (2) So sánh khả năng gia công của các loại đá mài cBN khác nhau, (3) Cơ chế mòn và nứt vỡ của hạt mài cBN; (4) Cải tiến quá trình mài hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN. Tính đến thời điểm này không có công trình khoa học nào nghiên cứu sâu về ảnh hưởng của chế độ công nghệ tới tổng thể các tham số của quá trình mài hợp kim Titan như chất lượng bề mặt và năng suất gia công, từ đó xác định được chế độ công nghệ tối ưu. Đây cũng chính là lý do tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công khi mài phẳng chi tiết hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN”. 2. Mục đích, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu - Mục đích nghiên cứu:Xác định được ảnh hưởng của một số yếu tố đến chất lượng bề mặt chi tiết và năng suất gia công khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa phenol. Từ đó xác định chế độ công nghệ tối ưu để nâng cao năng suất gia công và đảm bảo nhám bề mặt. - Đối tượng nghiên cứu: Mài phẳng hợp kim Titan Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa phenol. - Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết để xác định mức độ ảnh hưởng của một số yếu tố như lượng tiến dao dọc, chiều sâu cắt và chế độ bôi trơn làm mát đến chất lượng bề mặt bao gồm nhám bề mặt, biến cứng bề mặt, cấu trúc tế vi bề mặt và năng suất gia công. Thực nghiệm nhằm kiểm chứng mức độ ảnh hưởng của các yếu tố nói trên đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công. 1
- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố là lượng tiến dao dọc, chiều sâu cắt, chế độ bôi trơn làm mát đến chất lượng bề mặt bao gồm nhám bề mặt, độ cứng tế vi bề mặt, cấu trúc tế vi bề mặt và và năng suất gia công khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al- 4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa phenol trên trung tâm gia công CNC cao tốc. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học: Xác định mối quan hệ giữa một số yếu tố với chất lượng bề mặt và năng suất gia công khi mài phẳng hợp kim Ti- 6Al-4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa phenol. Từ đó tối ưu hóa để xác định lượng tiến dao và chiều sâu cắt phù hợp nhằm nâng cao năng suất gia công và đảm bảo nhám bề mặt. - Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng vào thực tiễn nhằm góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế kỹ thuật của quá trình mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa phenol. Kết quả của luận án có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho giảng dạy, nghiên cứu khoa học và sản xuất thực tế khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa phenol. 4. Những đóng góp mới - Đã xác định được mối quan hệ giữa các yếu tố là lượng tiến dao dọc, chiều sâu cắt, chế độ bôi trơn làm mát với chất lượng bề mặt bao gồm nhám bề mặt, độ cứng tế vi bề mặt, cấu trúc tế vi bề mặt và năng suất gia công khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa phenol. 5. Cấu trúc của luận án Luận án gồm 4 chương, cụ thể như sau: Chương 1: Tổng quan về mài phẳng hợp kim Titan bằng đá mài cBN; Chương 2: Cơ sở lý thuyết về mài phẳng hợp kim Titan bằng đá mài cBN; Chương 3: Mô hình, vật liệu và phương pháp nghiên cứu; Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá kết quả. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÀI PHẲNG HỢP KIM TITAN BẰNG ĐÁ MÀI cBN 1.1. Hợp kim Titan và đá mài cBN 1.1.1. Hợp kim Titan Hợp kim titan là loại hợp kim có độ bền, độ dai và tính chống ăn mòn rất tốt và thường được sử dụng trong công nghiệp hàng không, tuabin hơi nước và cấy ghép phẫu thuật. Titan có hai dạng cấu trúc 2
tinh thể là pha alpha (hcp) và pha beta (bcc). Titan trải qua biến đổi thù hình ở nhiệt độ 885°C để chuyển từ pha alpha (hcp) sang pha beta (bcc). Hợp kim titan có thể chia thành bốn loại chính là hợp kim alpha và gần alpha, hợp kim alpha-beta, hợp kim beta nửa bền và hợp kim beta. Hợp kim titan có tính gia công kém do tính dẫn nhiệt kém, dễ phản ứng hóa học với dụng cụ cắt, mô-đun đàn hồi nhỏ và hiện tượng hóa cứng khi gia công. 1.1.2. Đặc điểm của hạt mài và đá mài cBN Cubic Boron Nitride (cBN- Nitrit bo dạng khối) được tổng hợp dưới dạng tinh thể từ Nitrit Bo sáu cạnh với chất xúc tác kim loại, nhiệt độ khoảng 1500°C và áp suất khoảng 100000 kgf/cm2, tạo ra cấu trúc tinh thể bền, cứng, có dạng khối với các góc sắc bén. Hạt mài cBN thường được sử dụng để mài các vật liệu cứng và dai, các chi tiết có yêu cầu cao về độ chính xác kích thước và hình dạng, các chi tiết cần đạt được chất lượng bề mặt cao, chẳng hạn như hạn chế vết cháy. Có hai loại hạt mài cBN là Borazon cBN loại 1 (hạt mài không có lớp phủ) được sử dụng để chế tạo đá mài liên kết kim loại và Borazon cBN loại 2 (hạt cBN có phủ Nickel) được sử dụng để chế tạo đá mài liên kết nhựa. Đá mài cBN có độ cứng rất cao, độ dẫn nhiệt cao, tính chống mài mòn tốt và tính trơ hóa học tốt. Đá cBN thường được sản xuất ở dạng đơn lớp hoặc đa lớp. Đá mài cBN đa lớp chủ yếu được chế tạo bằng phương pháp thiêu kết với chất dính kết là thủy tinh và kim loại, ngoài ra có thể chế tạo bằng phương pháp lưu hóa với chất liên kết nhựa. Đá mài cBN đơn lớp được chế tạo bằng các phương pháp hàn cứng, mạ hóa học và mạ điện. 1.2. Mài phẳng hợp kim Titan bằng đá mài cBN 1.2.1. Mài phẳng Khi đá mài quay, còn chi tiết chuyển động, các hạt mài nằm trên bề mặt làm việc của đá mài sẽ bóc đi một lớp kim loại mỏng, tạo ra bề mặt gia công yêu cầu. Có hai phương pháp mài phẳng chính là mài phẳng bằng đá mài trụ và mài phẳng bằng đá mài mặt đầu. Các thông số đặc trưng cho quá trình mài phẳng là tốc độ cắt của đá, chiều sâu cắt, tốc độ tịnh tiến của phôi, lượng chạy dao ngang, hệ số mài. 1.2.2. Mài hợp kim Titan Hợp kim titan có tính gia công kém thể hiện qua tính dẫn nhiệt kém, dễ phản ứng hóa học với vật liệu dụng cụ cắt, mô đun đàn hồi 3
nhỏ và hiệu ứng hóa cứng bề mặt. Ngoài ra, góc trước âm lớn của hạt mài và quá trình cọ xát, cào xước của hạt mài trên bề mặt phôi khiến chất lượng bề mặt gia công thấp và dụng cụ nhanh mòn. Lực cắt và năng lượng mài riêng khi mài titan lớn do vật liệu này có độ bền cao, ứng suất hóa cứng cao và tải trên đá mài lớn. Nhiệt độ trên bề mặt phôi titan thường cao và có nhiều khuyết tật do nhiệt. Nghiên cứu cấu trúc tế vi lớp bề mặt của hợp kim titan cho thấy mài bằng các loại hạt mài khác nhau sẽ tạo ra lượng pha β không giống nhau ở lớp bề mặt, chứng tỏ nhiệt cắt lớn khác nhau đã tạo ra các quá trình chuyển pha khác nhau. Vết cháy thường xuất hiện khi mài titan do nó có tính dẫn nhiệt kém. Ngoài ra, sau khi hạt mài bị mòn cơ học, nhiệt độ mài tăng làm phản ứng hóa học giữa hạt mài với titan xảy ra mạnh hơn, titan sẽ hàn lên bề mặt đá mài do tải bám dính. Khi bước tiến dao và chiều sâu cắt tăng thì nhám bề mặt titan tăng, nhưng khi tốc độ cắt tăng thì nhám bề mặt giảm. Phần lớn phoi mài titan có dạng xoắn lượn, giống với phoi tiện hay phay mặc dù hình dáng và kích cỡ khác biệt do khác nhau về hình dạng lưỡi cắt và chiều sâu cắt. Thông thường, mài hợp kim titan sẽ tạo ra một lớp trắng quá nhiệt cứng hoặc mềm hơn vật liệu gốc trên bề mặt tùy theo nhiệt độ cắt cao hay thấp. Tất cả các chế độ mài đều tạo ra ứng suất dư nén trên bề mặt phôi. Ứng suất dư nén tăng khi tăng lượng tiến dao và chiều sâu cắt. Gia công khô (làm mát bằng khí nén), làm mát cao áp (MPC), bôi trơn lượng tối thiểu (MQL), làm lạnh sâu và làm mát có bổ sung chất phụ gia nano là các chủ đề rất được quan tâm hiện nay, với mục tiêu cải thiện tính mài của hợp kim titan. Đá mài kim cương có khả năng mài hợp kim titan tốt nhất, tiếp đó là đá mài cBN. 1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Elanchezhian và cộng sự đã thực hiện thí nghiệm mài hợp kim Ti- 6Al-4V trong hai môi trường mài ướt và làm lạnh sâu bằng đá mài cBN mạ điện. Marojua và cộng sự khảo sát ứng suất dư bề mặt khi mài vật liệu Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN có hỗ trợ rung. Zheng và cộng sự đã thực hiện thí nghiệm mài cao tốc hợp chất nền Ti–6Al– 4V tăng cường hạt TiC (PTMCs) để so sánh kết quả mài giữa đá mài cBN mạ điện và cBN liên kết đồng một lớp. Các thí nghiệm mài hợp kim titan Ti-6Al-4V cũng được thực hiện bởi Wang và cộng sự để nghiên cứu cơ chế phá vỡ hạt mài cBN đa tinh thể (PcBN), trong đó có sử dụng hạt mài cBN đơn tinh thể (McBN) để so sánh đối chiếu. 4
Singh và cộng sự đã bổ sung chất phụ gia graphene vào dầu hạt cải để so sánh khả năng bôi trơn làm mát của nó với các chất phụ gia khác như graphite và MoS2 khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN dưới chế độ làm mát tối thiểu (MQL). Tuy nhiên, cho đến thời điểm này, chưa có công trình khoa học nào nghiên cứu sâu về ảnh hưởng của các yếu tố như bước tiến dao dọc, chiều sâu cắt, chế độ bôi trơn làm mát tới chất lượng bề mặt bao gồm nhám bề mặt, độ cứng tế vi bề mặt, cấu trúc tế vi bề mặt và năng suất gia công khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa, kích cỡ hạt 120 µm, kiểu 14A1 (đá mài trụ, mài bằng chu vi đá), đường kính ngoài 100 mm. 1.4. Giới hạn nhiệm vụ nghiên cứu của luận án - Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như bước tiến dao dọc, chiều sâu cắt, chế độ bôi trơn làm mát đến chất lượng bề mặt bao gồm nhám bề mặt, độ cứng tế vi bề mặt, cấu trúc tế vi bề mặt và năng suất gia công khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa, kích thước hạt 120 µm, kiểu 14A1 (đá mài trụ, mài bằng chu vi đá), đường kính ngoài 100 mm. - Xây dựng được bài toán tối ưu hóa chế độ công nghệ nhằm đảm bảo năng suất gia công và nhám bề mặt yêu cầu của chi tiết mài. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1  Hợp kim titan có tính gia công kém. Ngoài ra, góc trước âm lớn của hạt mài và quá trình cọ xát, cào xước của hạt mài lên bề mặt phôi khiến nhiệt độ và lực ma sát tăng cao. Các nguyên nhân trên khiến cho chất lượng bề mặt khi mài titan thấp và đá mài nhanh mòn.  Hạt mài cBN được sử dụng trong nghiên cứu này do nó có những đặc điểm vượt trội so với các hạt mài thông thường như tính chống mài mòn cao, độ bền nhiệt và tính dẫn nhiệt tốt, hạt mài sắc hơn và góc trước nhỏ hơn.  Đã xác định được nội dung cần nghiên cứu là đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như lượng tiến dao, chiều sâu cắt, chế độ bôi trơn làm mát tới chất lượng bề mặt bao gồm nhám bề mặt, độ cứng tế vi bề mặt, cấu trúc tế vi bề mặt và năng suất gia công khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa phenol, kiểu 14A1 (đá mài trụ, mài bằng chu vi đá), kích thước hạt 120 µm, đường kính ngoài 100 mm. 5
 Cần xây dựng được một bộ thông số công nghệ phù hợp khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa phenol nhằm đảm bảo năng suất gia công và nhám bề mặt yêu cầu của chi tiết mài. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÀI PHẲNG HỢP KIM TITAN BẰNG ĐÁ MÀI cBN 2.1. Hình học và động học của quá trình mài phẳng Chiều dài hình học cung tiếp xúc giữa đá và chi tiết: 1 lc   t.d s  2 (2.1) Chiều dài đường cắt: 1 lk  lc   t.ds  2 (2.5) Chiều sâu cắt tối đa: 1   1 2  4  S  t 2   (2.9)  C.r  v   d s   a g max        Hình 2.2 Sơ đồ quá trình mài phẳng trong đó t là chiều sâu mài, ds là đường kính đá mài, v là vận tốc cắt, S là vận tốc tiến chi tiết, C là số hạt mài trên một đơn vị diện tích, r là hệ số tỉ lệ giữa chiều rộng và chiều dày trung bình của phoi chưa biến dạng. 2.2. Cơ chế mài Phần lớn các phoi mài có dạng xoắn lượn, rất giống với phoi tiện hay phay mặc dù hình dáng và kích cỡ khác biệt do sự khác nhau về 6
hình dạng lưỡi cắt và chiều sâu cắt. Công suất mài có thể tính theo công thức: P  Ft .v (2.12) (trong đó Ft là lực tiếp tuyến). Năng lượng mài riêng là năng lượng trên một đơn vị thể tích bóc kim loại, được tính theo công thức sau: u  P / Q w (2.13) với Q w  S.t.b (2.14) (trong đó Qw là tỉ lệ cắt thể tích, b là chiều rộng cắt). Năng lượng riêng khi mài lớn hơn rất nhiều so với các nguyên công cắt gọt kim loại khác do “hiệu ứng kích thước”. Lực mài bao gồm các thành phần là Lực cắt và Lực trượt: Ft  Ft,c  Ft,sl (2.15); Fn  Fn,c  Fn,sl (2.16) (trong đó Ft,c và Fn,c là các lực cắt tiếp tuyến và pháp tuyến, Ft,sl và Fn,sl là các lực trượt pháp tuyến và tiếp tuyến). Tổng năng lượng mài riêng bao gồm các thành phần là năng lượng tạo phoi, năng lượng cày xước và năng lượng trượt: u = uch + upl + usl (2.24) Hình 2.5 Các thành phần lực cắt khi mài phẳng 2.3. Đặc điểm của quá trình mài hợp kim titan bằng đá mài cBN Phoi khi mài hợp kim Ti-6Al-4V thường mỏng và có dạng răng cưa, giống với phoi tiện hay phay mặc dù có hình dáng và kích cỡ khác biệt. Nhiệt độ khi mài bằng đá mài cBN thấp do nó có tính dẫn nhiệt tốt. Đá mài cBN có lực cắt nhỏ hơn các đá mài thông thường do độ cứng cao hơn, lưỡi cắt sắc hơn và góc trước nhỏ hơn. Tuy nhiên, hạt mài cBN cũng bị mòn phẳng do nó có xu hướng phản ứng hóa học với hợp kim Ti-6Al-4V. Mài bằng cBN có ứng suất dư kéo thấp do nhiệt độ vùng mài thấp. 7
2.4. Ảnh hưởng của dung dịch bôi trơn làm mát đến quá trình mài Yêu cầu của dung dịch trơn nguội là phải có tác dụng bôi trơn và giảm ma sát tốt, có tác dụng làm nguội tốt, không bị phân huỷ dưới tác động của nhiệt độ cao, là tác nhân có lợi cho máy, không gây độc hại cho công nhân, đảm bảo tính kinh tế, chịu được áp lực và nhiệt độ cao. Chất bôi trơn làm nguội sẽ vào vùng tiếp xúc chung giữa hai bề mặt để tạo ra các màng chất lỏng làm giảm ma sát. Quá trình trao đổi nhiệt của dung dịch trơn nguội trong cắt gọt sẽ đảm bảo cho nhiệt độ vùng cắt luôn nằm trong giới hạn làm việc tốt của vật liệu dụng cụ. Ngoài ra, quá trình bôi trơn làm nguội còn có tác dụng tải phoi ra khỏi vùng gia công. Hạt nano được dùng làm chất phụ gia trong dầu cắt gọt để tạo thành dung dịch nano có khả năng bôi trơn và làm mát cao hơn. Chất bôi trơn thể rắn xGnP-M25 và hBN-K05 có hệ số dẫn nhiệt cao cộng với đặc tính trượt giữa các lớp dễ dàng (do lực liên kết van der Walls yếu) nên đã làm giảm nhiệt độ và ma sát khi mài. 2.5. Ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công khi mài Các yếu tố chính ảnh hưởng đến nhám bề mặt là lượng tiến dao, vận tốc cắt, vật liệu gia công, rung động của hệ thống công nghệ, độ hạt, độ cứng của hạt mài và chất kết dính, chế độ sửa đá, thời gian làm việc của đá mài, dung dịch trơn nguội, thời gian mài hết hoa lửa và các yếu tố di truyền (tình trạng mòn và sai lệch tương quan của đá mài) trước khi mài. Các yếu tố ảnh hưởng đến biến cứng bề mặt gồm có lực cắt, lượng tiến dao, góc trước của hạt mài, vận tốc cắt, mòn đá và dung dịch trơn nguội. Cuối cùng, năng suất gia công chịu tác động bởi chiều sâu cắt và tốc độ tiến dao. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2  Phoi khi mài hợp kim titan thường mỏng và có dạng răng cưa. Mài bằng đá mài cBN có nhiệt độ, lực cắt và ứng suất dư kéo thấp. Tuy nhiên, hạt mài cBN cũng bị mòn phẳng khi mài hợp kim titan.  Trong nghiên cứu sử dụng chế độ mài ướt tưới tràn có sử dụng chất phụ gia nano để làm tăng chất lượng gia công. 8
 Khi tăng lượng tiến dao hoặc chiều sâu cắt thì nhám bề mặt tăng. Tuy nhiên, tăng lượng tiến dao và chiều sâu cắt sẽ làm tăng năng suất gia công. Do đó, cần lựa chọn được chế độ cắt phù hợp để vừa đảm bảo nhám bề mặt, vừa đạt được năng suất gia công tối đa. CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1. Mô hình thực nghiệm Máy gia công, hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội, đá mài cBN, phôi Ti-6Al-4V (Ti64), các loại dung dịch bôi trơn làm mát, dụng cụ sửa đá. Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống thực nghiệm Thí nghiệm được thực hiện trên trung tâm gia công CNC cao tốc trục đứng do khi sử dụng đá mài cBN đường kính 100 mm thì không thể đạt được vận tốc cắt thường dùng cho mài (30 m/s) trên máy mài thông thường. Trong khi đó, nếu chọn đá mài cBN có đường kính lớn hơn thì giá thành sẽ rất cao, không kinh tế đối với việc thực hiện nghiên cứu. 3.2. Thiết bị đo lường Panme đo ngoài, kính hiển vi điện tử quét, đồng hồ so, thiết bị đo lực cắt, máy đo nhám bề mặt và máy đo độ cứng tế vi bề mặt. 3.3. Lựa chọn các thông số thực nghiệm và xác định phương pháp thực nghiệm 3.3.1. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Trong nghiên cứu sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất (BPNN) để xác định hàm hồi quy thực nghiệm thể hiện mối quan hệ giữa nhám bề mặt với chế độ công nghệ. 9
3.3.2. Thông số thực nghiệm Các thông số công nghệ đầu vào là Chế độ cắt (vận tốc cắt là 30 m/s, chiều sâu cắt là 0,005; 0,01; 0,015 mm, lượng tiến dao là 1000, 3000, 6000, 10000 mm/ph); Chế độ bôi trơn làm mát (mài khô, dung dịch dầu nhũ tương, dung dịch dầu tổng hợp, dung dịch dầu tổng hợp + xGnP-M25, dung dịch dầu tổng hợp + hBN-K05). Các thông số đầu ra là nhám bề mặt, độ cứng tế vi bề mặt, cấu trúc tế vi bề mặt và năng suất gia công. 3.3.3. Phương pháp thực nghiệm Thực nghiệm 01- Xác định mối quan hệ giữa chế độ cắt với chất lượng bề mặt: Trong phần này sẽ thực hiện thực nghiệm nhằm làm rõ ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ là lượng tiến dao và chiều sâu cắt tới nhám bề mặt (Ra và Rz), cấu trúc tế vi bề mặt và độ cứng tế vi bề mặt HV. Phôi thực nghiệm là hợp kim Ti-64 ủ. Vận tốc cắt là 30 m/s, lượng tiến dao là 1000, 3000, 6000, 10000 mm/ph và chiều sâu cắt là 0,005; 0,01; 0,015 mm. Thực nghiệm 02 - Xác định mối quan hệ giữa chế độ bôi trơn làm mát với chất lượng bề mặt: Đây là thực nghiệm nhằm làm rõ ảnh hưởng của các yếu tố là chế độ bôi trơn làm mát, lượng tiến dao và cấu trúc tinh thể vật liệu gia công tới nhám bề mặt (Ra và Rz), độ cứng tế vi bề mặt HV và cấu trúc tế vi bề mặt. Vận tốc cắt được cố định là 30 m/s. Bước tiến dao S có các giá trị là 1000, 3000, 6000 và 10000 mm/ph. Chiều sâu cắt t không đổi là 0,01 mm. Các chế độ bôi trơn làm mát là mài khô, dung dịch dầu nhũ tương 10%, dung dịch dầu tổng hợp 10%, dung dịch dầu tổng hợp 10%+ xGnP-M25 0,025%, dung dịch dầu tổng hợp 10% + hBN-K05 0,1%. Phôi thực nghiệm là hợp kim Ti-64 ủ và Ti-64 tôi. Thực nghiệm 03 – Xác định dải lượng tiến dao đạt được nhám bề mặt nhỏ nhất: Trong phần này sẽ thực hiện các thí nghiệm để xác định dải lượng tiến dao đạt được nhám bề mặt nhỏ nhất của các mẫu Ti64 ủ và Ti64 tôi. Vận tốc cắt được cố định là 30 m/s; bước tiến dao được lấy trong khoảng từ 2000 đến 4000 mm/ph và khoảng này được chia thành các đoạn nhỏ hơn giới hạn bởi 2000, 2500, 3000, 3500 và 4000 mm/ph. Các chiều sâu cắt dùng trong thí nghiệm là 0,005; 0,01 và 0,015 mm. 10
3.4. Mô hình hóa quá trình mài bằng phương pháp phần tử hữu hạn 3.4.1. Mô hình phần tử hữu hạn Trong một phần của nghiên cứu này sẽ thực hiện mô phỏng quá trình tạo phoi, lực cắt và nhiệt độ cắt của quá trình mài bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trên cơ sở ứng dụng phần mềm ABAQUS/Explicit. Phôi được chia thành 13869 phần tử tứ giác CPE4RT. Nhiệt lượng mất đi của đá mài và phôi chủ yếu do hiện tượng đối lưu với không khí và chất làm mát xung quanh. Hạt mài cBN được mô hình hóa dưới dạng một nửa một hình lục giác đều hai chiều. Mặt đáy của phôi được ràng buộc cố định và hạt mài cBN được coi là tuyệt đối cứng, chuyển động tịnh tiến với vận tốc bằng vận tốc cắt. Chiều sâu cắt trong mô hình được lấy bằng một nửa chiều dày phoi không biến dạng (agmax). Hình 3.15 Mô hình phần tử hữu hạn khi mài phẳng bằng một hạt mài 3.4.2. Quá trình tạo phoi (a) Cọ xát (b) Cày xước (c) Hình thành phoi Hình 3.17 Mô phỏng ba giai đoạn chính khi mài hợp kim Ti-64 Theo Hình 3.17, giai đoạn cọ xát xuất hiện khi chiều sâu cắt nhỏ cùng với hiện tượng biến dạng đàn hồi trên bề mặt (Hình 3.17a). Khi chiều sâu cắt tăng lên thì giai đoạn cày xước xảy ra với vật liệu bị 11
biến dạng dẻo và bề mặt phôi bị phồng lên (Hình 3.17b). Khi chiều sâu cắt đạt tới chiều sâu hình thành phoi tới hạn thì phoi được tạo ra và tách khỏi bề mặt phôi (Hình 3.17c). 3.4.3. Lực cắt Từ Hình 3.19 có thể thấy kết quả mô phỏng lực cắt khá phù hợp với thực nghiệm. Nói chung, sai số giữa lực cắt mô phỏng và lực cắt thực nghiệm khi mài hợp kim Ti-6Al-4V bằng một hạt mài là nhỏ hơn 10%. 0.5 1.0 v = 30 m/s Thực nghiệm, fn t = 0,01 mm Thực nghiệm, ft v = 30 m/s Lực cắt của một hạt mài f n, ft (N) Lực cắt của một hạt mài fn, ft (N) 0.4 Mài khô 0.8 Mô phỏng, fn t = 0,01 mm Mô phỏng, ft Mài khô Thực nghiệm, fn 0.3 Thực nghiệm, ft 0.6 Mô phỏng, fn Mô phỏng, ft 0.2 0.4 0.1 0.2 0.0 0.0 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Chiều sâu cắt, t (mm) Lượng tiến dao, S (mm/ph) (a) Mài khô 0.7 1.0 v = 30 m/s Lực cắt của một hạt mài f n, ft (N) t = 0,01 mm v = 30 m/s Lực cắt của một hạt mài f n, ft (N) 0.6 Mài ướt 0.8 t = 0,01 mm Mài ướt 0.5 Thực nghiệm, fn 0.6 0.4 Thực nghiệm, ft Mô phỏng, fn Thực nghiệm, fn 0.3 Mô phỏng, ft Thực nghiệm, ft 0.4 Mô phỏng, fn 0.2 Mô phỏng, ft 0.2 0.1 0.0 0.0 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Chiều sâu cắt, t (mm) Lượng tiến dao, S (mm/ph) (b) Mài ướt Hình 3.19 So sánh giữa lực cắt mô phỏng và thực nghiệm khi mài bằng một hạt mài trong môi trường (a) Mài khô và (b) Mài ướt 3.4.4. Nhiệt độ bề mặt phôi Hình 3.1 thể hiện đồ thị phân bố nhiệt độ tại 8 điểm khác nhau trên phôi, trong đó 5 điểm nằm dọc theo phương thẳng đứng tính từ bề mặt mài trở xuống và 3 điểm nằm trên bề mặt mài theo phương ngang. Đường cong nhiệt độ của điểm 1 có thể chia thành 2 giai đoạn là S1 và S2. Trong giai đoạn S1, khi hạt mài cBN tiến tới gần điểm 1 thì nhiệt độ tại đó tăng lên và đạt tới giá trị cực đại khi hạt mài ở ngay phía trên nó. Trong giai đoạn S2, khi hạt mài cBN đi ra xa khỏi 12
điểm 1 thì nhiệt độ tại đó giảm xuống do nhiệt lượng truyền sang các vùng lân cận có nhiệt độ thấp hơn. Theo phương ngang, thấy rằng nhiệt độ tại các điểm khác nhau (điểm 6 đến 8) trên bề mặt phôi là xấp xỉ nhau. Tuy nhiên, thời điểm để các điểm đó đạt tới nhiệt độ cao nhất là không giống nhau. (a) (b) Hình 3.1 Đường cong nhiệt độ tại 8 điểm trên phôi (a) Theo phương thẳng đứng và (b) Theo phương nằm ngang (a) (b) Hình 3.22 Ảnh hưởng của (a) t và (b) S đến nhiệt độ bề mặt phôi. Hình 3.22 cho thấy nhiệt độ cắt tăng lên khi chiều sâu cắt tăng. Tăng bước tiến dao làm nhiệt độ cắt giảm xuống. Kết quả mô phỏng nhiệt độ bề mặt phôi khá phù hợp với kết quả thực nghiệm trong các nghiên cứu trước đây (sai số nhỏ hơn 10%). KẾT LUẬN CHƯƠNG 3  Đã lựa chọn được mô hình thực nghiệm và các thiết bị đo lường.  Đã lựa chọn được bộ thông số công nghệ bao gồm vận tốc cắt, chiều sâu cắt và lượng tiến dao để tiến hành thực nghiệm. 13
 Đã lựa chọn phương pháp quy hoạch thực nghiệm BPNN để xác định hàm hồi quy thể hiện mối quan hệ giữa nhám bề mặt với chế độ công nghệ.  Đã mô phỏng được quá trình tạo phoi, lực cắt và nhiệt độ cắt của quá trình mài bằng phương pháp phần tử hữu hạn FEM trên cơ sở ứng dụng phần mềm ABAQUS/Explicit. Kết quả mô phỏng lực cắt và nhiệt độ cắt tương đối phù hợp với thực nghiệm với sai số nhỏ hơn 10%. CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1. Thực nghiệm 01 - Xác định mối quan hệ giữa chế độ cắt với chất lượng bề mặt 4.1.1. Nhám bề mặt 1.8 12 1.6 10 Độ nhám bề mặt, R z (mm) Độ nhám bề mặt, R a (mm) 1.4 1.2 8 1.0 6 0.8 0.6 4 0.4 t = 0,005 mm, khô t = 0,005 mm, Ướt 2 t = 0,005 mm, Khô t = 0,005 mm, Ướt 0.2 t = 0,01 mm, Khô t = 0,01 mm, Ướt t = 0,01 mm, Khô t = 0,01 mm, Ướt t = 0,015 mm, Khô t = 0,015 mm, Ướt t = 0,015 mm, Khô t = 0,015 mm, Ướt 0.0 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Lượng tiến dao, S (mm/ph) Lượng tiến dao, S (mm/ph) (a) (b) Hình 4.1 Ảnh hưởng của lượng tiến dao đến (a) R a và (b) Rz 1.8 12 1.6 10 Độ nhám bề mặt, R a (mm) Độ nhám bề mặt, R z (mm) 1.4 1.2 8 1.0 6 0.8 0.6 4 0.4 S = 1000 mm/ph, Khô S = 1000 mm/ph, Ướt S = 1000 mm/ph, Khô S = 1000 mm/ph, Ướt S = 3000 mm/ph, Khô S = 3000 mm/ph, Ướt 2 S = 3000 mm/ph, Khô S = 3000 mm/ph, Ướt 0.2 S = 6000 mm/ph, Khô S = 6000 mm/ph, Ướt S = 6000 mm/ph, Khô S = 6000 mm/ph, Ướt S = 10000 mm/ph, Khô S = 10000 mm/ph, Ướt S = 10000 mm/ph, Khô S = 10000 mm/ph, Ướt 0.0 0 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 Chiều sâu cắt, t (mm) Chiều sâu cắt, t (mm) (a) (b) Hình 4.2 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến (a) R a và (b) Rz Từ Hình 4.1 có thể thấy khi tăng lượng tiến dao từ 1000 đến 10000 mm/ph thì nhám Ra và Rz đều tăng, dù trong chế độ làm mát 14
nào. Nhám khi mài ướt đều lớn hơn mài khô với tất cả các lượng tiến dao. Qua Hình 4.2, thấy rằng khi chiều sâu cắt tăng thì nhám Ra và Rz cũng tăng. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến nhám lớn hơn lượng tiến dao. 4.1.2. Cấu trúc tế vi bề mặt Từ Hình 4.4 và Hình 4.5 thấy rằng khi bước tiến dao hoặc chiều sâu cắt tăng thì chất lượng bề mặt giảm. Ngoài ra, bề mặt khi mài ướt có ít khuyết tật hơn mài khô. Hình 4.4 Cấu trúc tế vi bề mặt Ti64 khi t = 0,01 mm Hình 4.5 Cấu trúc tế vi bề mặt Ti64 khi S = 3000 mm/ph 4.1.3. Độ cứng tế vi bề mặt Độ cứng tế vi trên bề mặt mẫu lớn hơn vật liệu ở lõi do tác động của quá trình mài. Bề mặt mẫu B (mài ướt) có độ cứng tế vi cao hơn mẫu A (mài khô). Khu vực lõi của cả hai mẫu có độ cứng tế vi xấp xỉ nhau. 15
420 c) Mẫu A Mẫu B 400 Độ cứng (HV) 380 360 340 0 50 100 150 200 Chiều sâu dưới bề mặt (mm) Hình 4.6 Độ cứng tế vi bề mặt hợp kim Ti64 với t = 0,01 mm; S = 3000 mm/ph khi mài khô (mẫu A) và mài ướt (mẫu B) 4.1.4. Xây dựng phương trình hồi quy thực nghiệm thể hiện mối quan hệ giữa chế độ công nghệ và nhám bề mặt Mài khô: Ra = 5,7916.t0,4094 (4.2) Mài ướt: Ra = S0,1045.t0,1184 (4.4) 4.2. Thực nghiệm 02 - Xác định mối quan hệ giữa chế bộ bôi trơn làm mát với chất lượng bề mặt 4.2.1. Nhám bề mặt a) Ảnh hưởng của lượng tiến dao 1.6 10 Mài khô Dầu nhũ tương Mài khô Dầu nhũ tương Dầu tổng hợp Dầu tổng hợp + xGnP Dầu tổng hợp Dầu tổng hợp + xGnP 1.4 Dầu tổng hợp + hBN Dầu tổng hợp + hBN Ti64 ủ 8 Độ nhám bề mặt, R z (mm) Độ nhám bề mặt, R a (mm) 1.2 Ti64 ủ v = 30 m/s v = 30 m/s t = 0,01 mm 1.0 t = 0,01 mm 6 0.8 4 0.6 0.4 2 0.2 0.0 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Lượng tiến dao, S (mm/ph) Lượng chạy dao, S (mm/ph) (a) (b) Hình 4.7 Ảnh hưởng của S đến (a) R a và (b) Rz khi mài Ti64 ủ Từ Hình 4.7 và Hình 4.8, có thể thấy khi tăng lượng tiến dao từ 1000 đến 10000 mm/ph thì nhám Ra và Rz của Ti64 ủ và Ti64 tôi đều tăng, dù trong chế độ làm mát nào. 16
1.4 9 v = 30 m/s v = 30 m/s t = 0,01 mm t = 0,01 mm 8 Độ nhám bề mặt, R a (mm) Ti-6Al-4V tôi Ti-6Al-4V tôi Độ nhám bề mặt, R z (mm) 1.2 7 1.0 6 0.8 5 Mài khô Dầu nhũ tương Mài khô Dầu nhũ tương Dầu tổng hợp Dầu tổng hợp + xGnP 4 Dầu tổng hợp Dầu tổng hợp + xGnP Dầu tổng hợp + hBN Dầu tổng hợp + hBN 0.6 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Lượng tiến dao, S (mm/ph) Lượng tiến dao, S (mm/ph) (a) (b) Hình 4.8 Ảnh hưởng của S đến (a) Ra và (b) Rz khi mài Ti64 tôi b) Ảnh hưởng của chế độ bôi trơn làm mát Từ Hình 4.9 (mài Ti64 ủ), nhám có giá trị thấp nhất khi mài khô. Bôi trơn bằng dầu cắt gọt tổng hợp cho chất lượng bề mặt tốt hơn dầu nhũ tương. Nhám bề mặt khi bôi trơn bằng dầu tổng hợp + hBN thấp hơn dầu tổng hợp, trong khi đó dầu tổng hợp + xGnP có nhám xấp xỉ bằng dầu tổng hợp + hBN. 1.8 10 S = 1000 mm/ph A: Mài khô S = 1000 mm/ph A: Mài khô v = 30 m/s B: Dầu nhũ tương v = 30 m/s 1.6 S = 3000 mm/ph B: Dầu nhũ tương S = 3000 mm/ph t = 0,01 mm Độ nhám bề mặt phôi, R a (mm) Độ nhám bề mặt phôi, R z (mm) S = 6000 mm/ph C: Dầu tổng hợp S = 6000 mm/ph C: Dầu tổng hợp t = 0,01 mm 1.4 S = 10000 mm/ph D: Dầu tổng hợp + xGnP Ti-6Al-4V ủ 8 S = 10000 mm/ph D: Dầu tổng hợp + xGnP Ti-6Al-4V ủ E: Dầu tổng hợp + hBN E: Dầu tổng hợp + hBN 1.2 6 1.0 0.8 4 0.6 0.4 2 0.2 0.0 0 A B C D E A B C D E Chế độ bôi trơn làm mát Chế độ bôi trơn làm mát (a) (b) Hình 4.9 Ảnh hưởng của chế độ bôi trơn làm mát đến (a) R a và (b) Rz khi mài Ti64 ủ Từ Hình 4.12 (mài Ti64 tôi), nhám khi mài khô nhỏ hơn làm mát bằng dầu nhũ tương và dầu tổng hợp. Dầu tổng hợp có nhám bề mặt thấp hơn dầu nhũ tương. Nhám bề mặt khi dùng dầu tổng hợp và hBN xấp xỉ bằng mài khô, trong khi đó dầu tổng hợp + xGnP có nhám thấp nhất trong tất cả các môi trường làm mát. 17
1.8 12 S = 1000 mm/ph A: Mài khô v = 30 m/s S = 1000 mm/ph A: Mài khô v = 30 m/s S = 3000 mm/ph B: Dầu nhũ tương S = 3000 mm/ph B: Dầu nhũ tương 1.6 t = 0,01 mm t = 0,01 mm Độ nhám bề mặt phôi, R a (mm) S = 6000 mm/ph Độ nhám bề mặt phôi, R z (mm) C: Dầu tổng hợp S = 6000 mm/ph C: Dầu tổng hợp S = 10000 mm/ph D: Dầu tổng hợp + xGnP Ti-6Al-4V tôi 10 Ti-6Al-4V tôi 1.4 S = 10000 mm/ph D: Dầu tổng hợp + xGnP E: Dầu tổng hợp + hBN E: Dầu tổng hợp + hBN 1.2 8 1.0 6 0.8 0.6 4 0.4 2 0.2 0.0 0 A B C D E A B C D E Chế độ bôi trơn làm mát Chế độ bôi trơn làm mát (a) (b) Hình 4.12 Ảnh hưởng của chế độ bôi trơn làm mát đến (a) R a và (b) Rz khi mài Ti64 tôi 4.2.2. Cấu trúc tế vi bề mặt Từ Hình 4.14 và Hình 4.15, mài khô thể hiện một chất lượng bề mặt kém với nhiều vết xước, rãnh cắt, rỗ, vết cháy xém và phoi bám dính. Khi mài ướt, các đường cắt hẹp hơn, trên bề mặt phôi có ít lỗ rỗ, vết cháy và phoi bám dính hơn. Bề mặt phôi khi dùng dung dịch nano tốt hơn một chút so với chỉ dùng dầu cắt gọt. Hình 4.14 Cấu trúc tế vi bề mặt phôi Ti64 ủ khi S = 3000 mm/ph 18