Nghiên cứu tính gia công vật liệu thép SKD11 trong môi trường giá nhiệt bằng cảm ứng điện từ và định hướng ứng dụng trong công nghiệp272

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Mạc Thị Bích NGHIÊN CỨU TÍNH GIA CÔNG VẬT LIỆU THÉP SKD11 TRONG MÔI TRƯỜNG GIA NHIỆT BẰNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG CƠNG NGHIỆP Ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 9520103 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2019 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Đức Toàn GS.TSKH Bành Tiến Long Phản biện 1: GS TSKH Phạm Văn Lang Phản biện 2: GS TS Nguyễn Đăng Bình Phản biện 3: PGS TS Trần Đức Tăng Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi 14 giờ, ngày tháng năm 2019 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam M U Tính c p thi t c a tài nghiên c u Trong ngành kỹ thuật khí, gia công vật liệu khác nhau, đặc biệt vật liệu có độ cứng cao, khó gia cơng, thơng số hình học dụng cụ cắt thông số chế độ cắt (tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt) yếu tố chủ yếu tác động đến tượng xảy q trình gia cơng (lực cắt, nhiệt cắt, mài mịn dụng cụ cắt, rung động trình cắt, độ nhám bề mặt hình thái hình học phoi) Để tăng suất gia công, tăng chất lượng bề mặt chi tiết giảm giá thành sản phẩm, yêu cầu nhà nghiên cứu phải tìm giải pháp cơng nghệ hỗ trợ cho q trình gia cơng như: sử dung dung dịch trơn nguội, sử dụng vật liệu làm dụng cụ cắt, cắt có hỗ trợ rung, gia cơng có hỗ trợ nhiệt Gia cơng có hỗ trợ nhiệt (Thermal – assisted machining – TAM) hay cịn gọi gia cơng gia nhiệt phương pháp gia công thực máy cơng cụ thơng thường, máy CNC, phơi làm nóng trước gia cơng [1] Phương pháp gia công gia nhiệt nghiên cứu lần vào năm 1945 nhanh chóng ứng dụng vào thực tiễn sản xuất ngày [2] So với phương pháp gia công thông thường, gia cơng gia nhiệt có số tác dụng vượt trội: tăng tuổi bền dụng cụ cắt, giảm lực cắt, giảm tiêu thụ điện năng, giảm mài mòn dụng cụ cắt, tăng tốc độ bóc tách vật liệu dẫn đến tăng suất gia công, tăng chất lượng bề mặt gia công [3]–[5] Gia công gia nhiệt dùng cho trường hợp gia cơng có phoi (tiện, phay, khoan v v.) gia công không phoi (rèn, dập, vuốt v v) Quá trình gia nhiệt thực phương pháp gia nhiệt khác nhau: gia nhiệt dòng điện, gia nhiệt chùm tia laser (LAM), gia nhiệt plasma (PEM), gia nhiệt lò nhiệt (FAM), gia nhiệt cảm ứng điện từ (IAM) Mỗi phương pháp gia nhiệt có ưu nhược điểm riêng phù hợp với phương pháp gia công cụ thể Trong gia nhiệt cảm ứng điện từ phương pháp gia nhiệt hiệu công suất gia nhiệt cao, dễ dàng sử dụng, chi phí thấp phù hợp với nguyên công phay đứng [6] Đặc điểm vật liệu khó gia cơng độ cứng cao, khả chống mài mịn tốt, tính thay đổi làm việc nhiệt độ cao Chính từ ưu điểm mà vật liệu cứng, cụ thể thép hợp kim, ứng dụng vào hầu hết ngành cơng nghiệp như: khí, tơ, vũ tr ụ, hàng khơng, quốc phịng, y tế, điện - điện tử - tự động hóa v.v Qua khảo sát cho thấy, 30% tổng số nguyên công phay, tiện, khoan thực vật liệu khó cắt gọt [2] Thép dụng cụ - SKD11, loại vật liệu khó gia cơng, sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp khuôn mẫu công nghiệp ô tô [7] với độ bền, độ dẻo độ cứng trì điều kiện làm việc có nhiệt độ cao Thơng thường, SKD11 gia công phương pháp tiên tiến mài hạt mài kim cương gia cơng phóng điện Tuy nhiên phương pháp hạn chế tốc độ loại bỏ vật liệu thấp, dụng cụ đắt tiền, độ mịn nhanh Do đó, gia cơng gia nhiệt giải pháp công nghệ gia công thép SKD11 Khi gia cơng mơi tr ường gia nhiệt, lượng mịn dao lực cắt giảm 40%, độ nhám cải thiện 50% so với phương pháp gia công thông thường [7] Tăng suất chất lượng sản phẩm mục tiêu hàng đầu nhà sản xuất Chính vậy, thiết kế tối ưu hóa q trình cắt gọt sử dụng rộng rãi nhằm xác định điều kiện cắt tối ưu [8], [9] Có nhiều tham số ảnh hưởng đến q trình cắt gọt như: thơng số chế độ cắt, thơng số hình học dụng cụ cắt, vật liệu dụng cụ cắt, vật liệu phôi gia công, môi trường gia công v.v Thông thường thông số công nghệ hợp lý xây dựng dựa vào kinh nghiệm người thợ sổ tay công nghệ Tuy nhiên, liệu khơng phải lúc tối ưu, thỏa mãn đầu yêu cầu số trường hợp gia công vật liệu phôi mới, vật liệu làm dụng cụ, phương pháp gia công hay gia cơng chi tiết có cấu trúc đặc biệt Trên giới, phương pháp gia công gia nhiệt nhiều tác giả nghiên cứu ứng dụng vào thực tiễn sản xuất Tuy nhiên Việt Nam nhiệm vụ nghiên cứu này, gia công hỗ trợ nhiệt cảm ứng điện từ chưa đề cập, đặc biệt phay thép SKD11, loại vật liệu khó gia cơng, lại sử dụng rộng rãi công nghiệp Nhận thấy nghiên cứu q trình gia cơng gia nhiệt nhiệm vụ quan trọng cấp bách, có tính thời cao Để nghiên cứu định hướng ứng dụng phương pháp gia công gia nhiệt công nghiệp, lựa chọn loại vật liệu mang lại hiệu phù hợp nhiệm vụ quan trọng Có nhiều loại vật liệu cứng: 9XC, XB , SKD11, Ti6Al4V, v.v Trong ngành công nghiệp khn mẫu, thép SKD11 vật liệu có độ cứng cao sử dụng r ộng rãi để gia cơng lịng lõi khn Ngồi ra, việc nghiên cứu lý thuyết để lựa chọn khoảng nhiệt độ cao cải thiện điều kiện cắt mà không thay đổi tổ chức tế vi, cấu trúc pha vật liệu nguyên công nghiệp cần thiết Hơn nữa, cần có nghiên cứu kiểm chứng độ xác hình dáng hình học, độ xác kích thước nhiệt độ cao nguyên nhân gây tượng giãn nở nhiệt vật liệu Trên sở ứng dụng kết nghiên cứu đạt vào thực tiễn, nâng cao suất gia cơng chất lượng sản phẩm ngành khí Vì vậy, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài luận án: M c ích, i t ng, ph m vi nghiên c u 2.1 Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu ưu điểm phương pháp gia công gia nhiệt so sánh với phương pháp gia công thông thường thông qua đánh giá ảnh hưởng trình gia nhiệt đến tính gia cơng vật liệu thép SKD11; Nghiên cứu mối quan hệ thông số đầu vào (tốc độ cắt, tốc độ chạy dao, chiều sâu cắt) thông số đầu (lực cắt, hệ số co rút phoi, độ nhám bề mặt, rung động q trình cắt) gia cơng thơng thường gia công gia nhiệt thép SKD11 2.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: q trình phay thép SKD11 mơi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ - Phạm vi nghiên cứu: • Nghiên cứu tổng quan gia công gia nhiệt, gia nhiệt cảm ứng điện từ; • Nghiên cứu sở vật lý động lực học trình gia cơng gia nhiệt; • Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng q trình gia nhiệt đến tính gia cơng vật liệu phay thép SKD11 Nêu bật ý nghĩa trình gia nhiệt đến tiêu đầu ra; • Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng thơng số cơng nghệ đến hình thái hình học phoi, hệ số co rút phoi, lực cắt, rung động trình cắt, độ nhám bề mặt phay thép SKD11 môi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi phân tích phương sai ANOVA Ph ng pháp nghiên c u Phương pháp nghiên cứu luận án nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm đánh giá kết nghiên cứu Ý ngh a khoa h c ý ngh a th c ti n c a tài Ý nghĩa khoa học: - Đưa giải pháp nâng cao độ xác để xác định hệ số co rút phoi phương pháp quét 3D kết hợp phần mềm xử lý liệu chuyên nghiệp xác định chiều dài phoi - Đã phân tích làm rõ hiệu phương pháp gia công môi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ gia công loại vật liệu khó cắt gọt thơng qua nghiên cứu ảnh hưởng q trình gia nhiệt đến tính gia công vật liệu thép SKD11 - Đã xây dựng mơ hình tốn học miêu tả ảnh hưởng thông số công nghệ đến tiêu đánh giá đầu ra: lực cắt, hệ số co rút phoi, rung động trình cắt, độ nhám bề mặt gia công thông thường gia công gia nhiệt thép SKD11 - Đã đề xuất phương pháp xác định mơ hình lực cắt gia cơng gia nhiệt thép SKD11 thơng qua mơ hình lực cắt gia công thông thường nhiệt độ cao hỗ trợ trình gia cơng - Các nội dung nghiên cứu luận án góp phần làm phong phú sâu sắc thêm kiến thức chuyên ngành lĩnh vực gia công cắt gọt Ý nghĩa thực tiễn: - Luận án đề xuất giải pháp công nghệ khả thi gia cơng loại vật liệu khó cắt gọt hỗ trợ nung nhiệt cảm ứng điện từ Kết nghiên cứu phân tích hiệu phương pháp gia công gia nhiệt việc giảm lực cắt, giảm nhiệt cắt, giảm rung động trình cắt, nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công Kết nghiên cứu luận án mang ý nghĩa thực tiễn, có khả ứng dụng vào sản xuất cơng nghiệp Việt Nam - Các thông số công nghệ tối ưu cho tiêu đánh giá lực cắt, hệ số co rút phoi, rung động trình cắt, độ nhám bề mặt phay thép SKD11 dùng làm tài liệu tham khảo cho nhà máy, xí nghiệp, sở sản xuất, phòng nghiên cứu giảng dạy tham khảo Nh ng óng góp m i c a lu n án Những kết đóng góp luận án sau: Đã nâng cao độ xác xác định hệ số co rút phoi thông qua xây dựng phương pháp xác định chiều dài phoi từ phương pháp đo tiếp xúc thủ công đến phương pháp quét 3D xử lý liệu phần mềm chuyên dụng Đã phân tích, làm rõ hiệu khả ứng dụng vào thực tiễn sản xuất phương pháp gia công gia nhiệt việc giảm nhiệt cắt, giảm lực cắt, giảm rung động trình cắt, giảm độ nhám bề mặt phay thép SKD11 so sánh với phương pháp gia công thông thường Đã phân tích ảnh hưởng thơng số cơng nghệ đến lực cắt, hệ số co rút phoi, rung động q trình cắt, độ nhám bề mặt gia cơng thông thường gia công gia nhiệt thép SKD11 Đồng thời xây dựng tham số công nghệ tối ưu cho tiêu đánh giá khác Đã đề xuất phương pháp xây dựng mơ hình tốn học lực cắt gia cơng gia nhiệt thép SKD11 thơng qua mơ hình lực cắt gia cơng thơng thường nhiệt độ cao hỗ trợ q trình gia cơng đạt độ xác cao so sánh với liệu thực nghiệm Đã xây dựng mô hình tốn học yếu tố đầu ra: lực cắt, hệ số co rút phoi, rung động trình cắt, độ nhám bề mặt gia công phụ thuộc thông số công nghệ gia công thông thường gia công gia nhiệt thép SKD11 C u trúc n i dung lu n án Các nội dung nghiên cứu luận án trình bày chương sau: - Chương 1: Tổng quan gia công gia nhiệt - Chương 2: Cơ sở vật lý động lực học q trình gia cơng gia nhiệt thép SKD11 - Chương Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng q trình gia nhiệt đến tính gia cơng vật liệu SKD11 - Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm xác định mối quan hệ tham số đầu vào thông số đầu CH NG T NG QUAN V GIA CÔNG GIA NHI T 1.1 L ch s phát tri n c a gia công gia nhi t 1.2 M t s ph ng pháp gia nhi t [6] Ph ng pháp gia nhi t Gia nhiệt dòng điện (EAM) Gia nhiệt laser (LAM) Gia nhiệt Plasma (PEM) Gia nhiệt lò nhiệt (FAM) Gia nhiệt cảm ứng điện từ (IAM) Thu n l i Khó kh n - Thiết bị đơn giản - Nhiệt độ đồng - Khó kiểm soát điều chỉnh nhiệt độ - Mức độ tập trung nhiệt độ nguồn nhiệt cao - Dễ dàng điều chỉnh nguồn laser - Mức độ tập trung nhiệt độ nguồn nhiệt cao - Chi phí cao - Tỷ lệ hấp thụ nhiệt vật liệu khác khác - Khó kiểm sốt điều chỉnh nhiệt độ - Thiết bị đơn giản - Khó kiểm soát điều chỉnh nhiệt độ - Chỉ áp dụng làm thí nghiệm, khơng đưa vào sản xuất - Mức độ tập trung nguồn nhiệt không cao - Sự di chuyển dụng cụ bị hạn chế - Dễ dàng sử dụng - Công suất gia nhiệt cao 1.3 Gia nhi t b ng c m ng i n t 1.3.1 Nguyên tắc 1.3.2 Nguyên lý gia nhiệt 1.3.3 Thiết kế cuộn dây cảm ứng 1.3.4 Mơ hình tốn học trường điện từ 1.3.5 Mơ hình tốn học trình gia nhiệt cảm ứng điện từ 1.4 T ng quan tình hình nghiên c u ngồi n c v gia cơng gia nhi t 1.4.1 T quan tình hình nghiên cứu nước Nghiên cứu gia công không phoi gia công cắt gọt có gia nhiệt hướng nghiên cứu Việt Nam Cho đến nay, có nghiên cứu TS Nguyễn Thành Huân [21] trình tiện thép hợp kim 9XC sau tơi có gia nhiệt laser Ngồi ra, có số nghiên cứu ứng dụng nung nhiệt công nghệ nhiệt luyện Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ công thương tác giả Võ Thị Ry đồng nghiệp [22] với nội dung "Nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện bề mặt laser CO2 nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện lò cảm ứng thực tác giả Phạm Thị Minh Phương Tạ Văn Thất [23] 1.4.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước Các nghiên cứu nước tập trung sâu vào nghiên cứu vấn đề sau đây: - Nghiên cứu hình thái hình học phoi gia công gia nhiệt - Nghiên cứu mô q trình gia cơng thơng thường gia cơng gia nhiệt - Nghiên cứu ảnh hưởng trình gia nhiệt đến lực cắt, rung động trình cắt, độ nhám bề mặt, tuổi bền dụng cụ cắt, lượng mòn dao gia công - Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ đến lực cắt, rung động q trình cắt, độ nhám bề mặt, lượng mịn dao gia cơng gia nhiệt Như có nhiều nghiên cứu nước phương pháp gia công gia nhiệt, phương pháp gia nhiệt khác vật liệu khác Đây phương pháp gia công ứng dụng hiệu sản xuất đại với phát triển loại vật liệu Các nghiên cứu tập trung sâu vào ảnh hưởng trình gia nhiệt tới hình thái hình học phoi, tính gia cơng vật liệu Tuy nhiên việc nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ đến thông số đầu lực cắt, hệ số co rút phoi, độ nhám bề mặt, rung động q trình cắt, mài mịn dụng cụ cắt, tuổi thọ dụng cụ gia công gia nhiệt cảm ứng từ hạn chế Đặc biệt cắt gia cơng có ý nghĩa lý thuyết lẫn thực tiễn Lý thuyết lực cắt sở để xác hóa lý thuyết q trình cắt Lực cắt ln trạng thái cân cân lượng q trình cắt Về mặt thực tiễn, lực cắt có vai trò quan trọng việc thiết kế đồ gá, lựa chọn thiết bị đo lực cắt xây dựng hệ thống thí nghiệm Động lực học q trình gia công thông thường áp dụng tương tự cho động lực học q trình gia cơng gia nhiệt để tiếp tục nghiên cứu thực nghiệm Chương Chương CH NG NGHIÊN C U TH C NGHI M NH H NG C A QUÁ TRÌNH GIA NHI T N TÍNH GIA CƠNG V T LI U THÉP SKD11 3.1 S h th ng thí nghi m 11 3.2 Thi t l p th c nghi m 3.2.1 Vật liệu thí nghiệm 3.2.2 Phơi thí nghiệm 3.2.3 Máy phay đứng 3.2.4 Dụng cụ cắt 3.2.5 Thiết bị gia nhiệt cảm ứng điện từ 3.2.6 Nhiệt kế 3.3 nh h ng c a trình gia nhi t n t ch c t vi c ng v t li u sau gia nhi t 3.3.1 Ảnh hưởng trình gia nhiệt đến tổ chức tế vi vật liệu 3.3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ cao đến độ cứng vật liệu sau gia nhiệt Thực đo độ cứng vị trí mẫu lấy giá tr ị trung bình kết bảng độ cứng mẫu thử Bảng 12 Nhiệt độ 25oC 200o C 300o C 400oC Độ cứng (HB) 250 248 247 253 Như vây, gia nhiệt cho phôi thép SKD11 nhiệt độ lên tới o 400 C trước gia công không làm thay đổi tổ chức tế vi độ cứng vật liệu Đây điều kiện tiên để tiếp tục thực nghiên cứu 3.4 nh h ng c a trình gia nhi t n hình thái hình h c phoi gia cơng gia nhi t thép SKD11 3.4.1 Sự hình thành phoi gia cơng gia nhiệt thép SKD11 3.4.2 Ảnh hưởng trình gia nhiệt đến hình thái hình học phoi gia cơng gia nhiệt thép SKD11 Phoi dây hình thành đặc tính dẻo vật liệu phơi Tuy nhiên, quan sát kết cho thấy màu sắc phoi hoàn tồn khác Trong gia cơng thơng thường, phoi có màu tím đen Điều có nghĩa việc sinh nhiệt truyền nhiệt từ nguồn nhiệt sang phoi cao Ngược lại, gia công gia nhiệt 200o C, 300oC phoi có màu trắng sáng Phoi có màu vàng gia công gia nhiệt 400oC Hiện tượng giải thích nhiệt cắt truyền vào phoi thấp điều kiện truyền nhiệt dụng cụ cắt, phôi phoi đồng gia cơng gia nhiệt Ngồi ra, tác dụng nhiệt độ cao độ bền kéo, độ bền học ứng suất chảy vật liệu giảm độ biến dạng vật liệu tăng Giảm ma sát phoi mặt trước dao, mặt sau dao bề mặt gia công Bên cạnh đó, lực liên kết phân tử kim loại giảm tác dụng nhiệt độ cao nguyên nhân dẫn đến việc lỗ trống phát triển hợp dễ dàng Q trình phoi dễ dàng nhiệt cắt giảm mạnh ngun nhân phoi có màu sáng gia cơng gia nhiệt 13 300 250 200 150 T = 400oC 350 T = 300o C 400 T = 200oC F (N) T = 25 oC 3.5 Nghiên c u nh h ng c a trình gia nhi t n l c c t gia công gia nhi t thép SKD11 3.5.1 Thiết bị đo lực cắt 3.5.2 Ảnh hưởng trình gia nhiệt đến lực cắt gia công gia nhiệt thép SKD11 100 50 Thí nghi m s 3.6 Nghiên c u nh h ng c a trình gia nhi t n h s co rút phoi gia công gia nhi t thép SKD11 3.6.1 Phương pháp xác định hệ số co rút phoi gia công gia nhiệt thép SKD11 3.6.2 Nghiên cứu ảnh hưởng trình gia nhiệt đến hệ số co rút phoi gia công gia nhiệt thép SKD11 Hình trình bày kết thí nghiệm hệ số co rút phoi phụ thuộc nhiệt độ hỗ trợ cho q trình gia cơng với tham số công nghệ V = 235 m/phút, f = 305 mm/phút, t = 1,5, điều kiện gia nhiệt khác 14 1.5 1.2 T = 400 oC T = 300o C T = 200 oC 1.8 T = 25o C K 0.9 0.6 0.3 Thí nghi m s 3.7 Nghiên c u nh h ng c a trình gia nhi t n nhám b m t gia công gia nhi t thép SKD11 3.7.1 Thiết bị đo độ nhám bề mặt 3.7.2 Nghiên cứu ảnh hưởng trình gia nhiệt đến độ nhám bề mặt gia công gia nhiệt thép SKD11 Ra (µm) 0.2 T = 25 oC 0.16 T = 200o C T = 300o C 0.12 T = 400o C 0.08 0.04 15 Thí nghi m s 3.8 Nghiên c u nh h ng c a trình gia nhi t n rung ng gia công gia nhi t thép SKD11 3.8.1 Thiết bị đo rung động trình cắt 3.8.2 Nghiên cứu ảnh hưởng trình gia nhiệt đến rung động gia công thép SKD11 A XY (dB) 200 T = 25 o C 160 T = 200o C T = 300oC T = 400 o C Thí nghi m s 120 80 40 Hình 3.33 cho thấy biên độ rung động gia cơng gia nhiệt có giảm so với gia công thông thường Tuy nhiên lượng giảm không đáng kể cho thấy ổn định trình gia công 3.9 K t lu n ch ng Xây dựng sơ đồ thí nghiệm, chuẩn bị thiết bị thí nghiệm, vật liệu thí nghiệm, dụng cụ cắt trình bày Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng q trình gia nhiệt đến tính gia cơng vật liệu thép SKD11 đưa số kết sau: - Tổ chức tế vi vật liệu không thay đổi tác dụng trình gia nhiệt với khoảng nhiệt độ nghiên cứu từ 200oC – 400o C; - Mẫu phôi sau gia nhiệt làm nguội tự nhiên khơng khí có độ cứng khơng thay đổi so với mẫu ban đầu; 16 - Hình thái hình học phoi thay đổi so với gia cơng thơng thường có hỗ trợ q trình gia nhiệt Phoi thu gia công thông thường nhiệt độ phịng có màu tím đen Phoi có màu sáng trắng gia công gia nhiệt 200o C, 300oC có màu vàng gia cơng gia nhiệt 400oC Đường kính xoắn phoi lớn gia cơng gia nhiệt; - Lực cắt gia công gia nhiệt giảm mạnh so với gia công thông thường Lực cắt giảm tới 65,1% gia công gia nhiệt 400oC với chế độ cắt V = 235 m/phút, f = 305 mm/phút, t = 1,5 mm; - Hệ số co rút phoi tăng 31,7% gia công gia nhiệt 400o C với chế độ cắt V = 235 m/phút, f = 305 mm/phút, t = 1,5 mm; - Độ nhám giảm đáng kể so với gia công thông thường Độ nhám giảm 47,1% gia công gia nhiệt 400oC với chế độ cắt V = 190 m/phút, f = 230 mm/phút, t = 0,5 mm; - Biên độ rung động giảm so sánh với phương pháp gia công thông thường cho thấy ổn định q trình gia cơng Tuy nhiên thay đổi biên độ rung động thay đổi nhiệt độ cao hỗ trợ trình gia công không đáng kể CH NG NGHIÊN C U TH C NGHI M XÁC NH M I QUAN H GI A CÁC THAM S U VÀO VÀ CÁC THÔNG S U RA 4.1 Thi t k th c nghi m 4.1.1 Phương pháp Taguchi 4.1.2 Lựa chọn thông số đầu vào 4.1.3 Một số khái niệm 4.1.4 Thiết kế thực nghiệm Ký hi u A B C D Tham s i u n T c c t (V) T c ch y dao (f) Chi u sâu c t (t) Nhi t (T) nv m/phút mm/phút mm o C 17 M c 190 230 0.5 200 235 305 1.0 300 280 380 1.5 400 4.2 i u ki n thí nghi m 4.3 K t qu nghiên c u m i quan h gi a thông s công ngh n l c c t gia công thông th ng gia công gia nhi t thép SKD11 4.3.1 Nghiên cứu mối quan hệ thông số công nghệ đến lực cắt gia công thông thường thép SKD11 Bộ tham số công nghệ phù hợp cho lực cắt nhỏ là: A3B1C1 tương ứng V = 280 m/phút, f = 230 mm/phút, t = 0,5 mm Mơ hình lực cắt gia cơng thơng thường nhiệt độ phịng phụ thuộc tham số công nghệ (V, f, t) có dạng: (4 1) Để xây dựng mơ hình lực cắt gia công thông thường, nghiên cứu sử dụng phương pháp tìm hàm hồi quy phi tuyến Gauss – Newton Hàm hồi quy phi tuyến lực cắt tìm sau: (4 2) 4.3.2 Nghiên cứu mối quan hệ thông số công nghệ đến lực cắt gia công thép SKD11 môi trường gia nhiệt cảm ứng từ Bộ tham số tối ưu là: A3B1C1D3 tương ứng V = 280 m/phút, f = 230 mm/phút, t = 0,5 mm, T = 400 o C a) Phương pháp tỷ lệ Phương trình tốn học lực cắt biểu diễn theo phương trình đây: (4 3) Mơ hình lực cắt gia cơng gia nhiệt phụ thuộc vào tham số công nghệ V, f, t nhiệt độ hỗ trợ trình cắt T sau: 18 (4 4) b) Phương pháp Gauss – Newton Mơ hình lực cắt gia cơng gia nhiệt phụ thuộc tham số điều khiển V, f, t, T phương trình đây: (4.5) Kết mơ hình lực cắt sau: (4.6) c) Đề xuất phương pháp xác định mơ hình lực cắt gia cơng thép SKD11 môi trường gia nhiệt cảm ứng từ Mơ hình lực cắt gia cơng gia nhiệt phụ thuộc mơ hình lực cắt gia cơng thơng thường với chế độ cắt nhiệt độ cao phương trình sau: (4.7) Các hệ số số mũ a3 , b3, c3 tìm thấy 5,8027, -0,5823, 1,1336 Phương trình (4.7) viết lại đây: (4.8) (4.9) Phương T(o C) SS pháp 200 oC 300o C 400oC a 2,7356 58,8154 86,9196 148,4706 b 21,1444 7,1885 52,9903 81,3232 c 1,7667 12,9019 24,2171 38,8857 Bảng cho thấy phương pháp xây dựng mô hình lực cắt gia cơng thép SKD11 mơi trường gia nhiệt cảm ứng từ dựa mô hình lực cắt gia cơng thơng thường có phương sai nhỏ Điều có nghĩa phương pháp có độ xác cao 19 4.4 Nghiên c u m i quan h gi a thông s công ngh nh s co rút phoi gia công thông th ng gia công gia nhi t thép SKD11 4.4.1 Nghiên cứu mối quan hệ thông số công nghệ đến hệ số co rút phoi gia công thông thường thép SKD11 Bộ tham số công nghệ tối ưu cho lực cắt nhỏ là: A3B3C1 tương ứng V = 280 m/phút, f = 380 mm/phút, t = 0,5 mm Mơ hình hệ số co rút phoi gia công thông thường nhiệt độ phịng (KR) phụ thuộc tham số cơng nghệ (V, f, t) có dạng: (4 10) Để xây dựng mơ hình hệ số co rút phoi gia cơng thơng thường, nghiên cứu sử dụng phương pháp tìm hàm hồi quy phi tuyến Gauss – Newton (4 11) 4.4.2 Nghiên cứu mối quan hệ thông số công nghệ đến hệ số co rút phoi gia công thép SKD11 môi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ Bộ tham số tối ưu là: A2B3C1D1 tương ứng V = 235 m/phút, f = 380 mm/phút, t = 0.5 mm, T = 200 o C Mơ hình hệ số co rút phoi gia công thép SKD11 môi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ có dạng: (4.12) Để xây dựng mơ hình hệ số co rút phoi gia công nhiệt độ cao khác nhau, phương pháp tìm hàm hồi quy phi tuyến Gauss – Newton sử dụng Hàm hồi quy phi tuyến hệ số co rút phoi phay thép SKD11 có gia nhiệt xác định sau: (4.13) 20 4.5 Nghiên c u m i quan h gi a thông s công ngh n nhám b m t gia công thông th ng gia công gia nhi t thép SKD11 4.5.1 Nghiên cứu mối quan hệ thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt gia công thông thường thép SKD11 Bộ tham số công nghệ tối ưu cho độ nhám bề mặt nhỏ là: A3B1C1 tương ứng V = 280 m/phút, f = 230 mm/phút, t = 0,5 mm Mô hình độ nhám bề mặt gia cơng thơng thường nhiệt độ phịng phụ thuộc tham số cơng nghệ (V, f, t) có dạng: (4 14) Phương pháp tìm hàm hồi quy phi tuyến Gauss – Newton sử dụng để tìm phương trình độ nhám bề mặt (4 15) 4.5.2 Nghiên cứu mối quan hệ thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt gia công thép SKD11 môi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ Bộ tham số tối ưu là: A3B1C1D3 tương ứng V = 280 m/phút, f = 230 mm/phút, t = 0.5 mm, T = 400 o C Mơ hình độ nhám bề mặt gia cơng thép SKD11 môi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ có dạng: (4.16) Hàm hồi quy phi tuyến hệ số co rút phoi phay thép SKD11 có gia nhiệt xác định phương trình đây: (4.17) 4.6 Nghiên c u m i quan h gi a thơng s cơng ngh n rung ng q trình c t gia công thông th ng gia công gia nhi t thép SKD11 4.6.1 Nghiên cứu mối quan hệ thông số công nghệ đến rung động q trình cắt gia cơng thơng thường thép SKD11 Bộ tham số công nghệ tối ưu cho biên độ rung động nhỏ là: A3B1C1 tương ứng V = 280 m/phút, f = 230 mm/phút, t = 0,5 mm 21 Mơ hình biên độ rung động q trình cắt gia cơng thơng thường nhiệt độ phịng phụ thuộc tham số cơng nghệ (V, f, t) có dạng: (4 18) Hàm hồi quy phi tuyến độ nhám bề mặt tìm phương trình: (4 19) 4.6.2 Nghiên cứu mối quan hệ thông số công nghệ đến biên độ rung động gia công thép SKD11 môi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ Bộ tham số điều khiển tối ưu là: A2B1C1D3 tương ứng V = 235 m/phút, f = 230 mm/phút, t = 0.5 mm, T = 400 oC Mơ hình biên độ rung động gia cơng thép SKD11 môi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ có dạng: (4.20) Hàm hồi quy phi tuyến biên độ rung động phay thép SKD11 có gia nhiệt xác định phương trình đây: (4.21) 4.7 K t lu n ch ng Chương trình bày nghiên cứu mối quan hệ tham số đầu vào: tốc độ cắt, tốc độ chạy dao, chiều sâu cắt nhiệt độ cao hỗ trợ q trình cắt thơng số đầu ra: lực cắt, hệ số co rút phoi, độ nhám bề mặt, biên độ rung động q trình cắt gia cơng điều kiện khác Bài toán tối ưu hóa đơn thơng số giải cho thông số đầu Thứ tự mức độ ảnh hưởng tham số đầu vào đến thông số đầu xác định cho thấy nhiệt độ cao hỗ trợ q trình gia cơng có vai trò quan trọng mức độ ảnh hưởng lớn đến thơng số đầu Các phương trình tốn học thể mối quan hệ tham số đầu vào thông số đầu gia công thông thường gia công gia nhiệt xây dựng có độ xác cao so sánh với liệu thực nghiệm 22 K T LU N VÀ KI N NGH K T LU N Từ kết nghiên cứu trình bày, luận án đưa kết luận sau đây: Đã xây dựng mơ hình hệ thống thí nghiệm gồm máy phay CNC, thiết bị gia nhiệt cảm ứng điện từ, thiết bị đo lực cắt, đo rung động trình cắt, … Phương pháp gia cơng gia nhiệt phương pháp mang lại hiệu cao gia cơng thép SKD11 loại vật liệu khó cắt gọt Ứng dụng công nghệ tiên tiến, đại vào việc đo chiều dài phoi để nâng cao độ xác kết xác định hệ số co rút phoi Sự ảnh hưởng thông số công nghệ đến lực cắt, hệ số co rút phoi, độ nhám bề mặt rung động trình cắt gia công thông thường gia công gia nhiệt thép SKD11 phân tích Đồng thời, tham số công nghệ tối ưu xây dựng cho tiêu đầu khác Mơ hình tốn học miêu tả ảnh hưởng thơng số công nghệ đến lực cắt, hệ số co rút phoi, độ nhám bề mặt rung động trình cắt gia công thông thường gia công gia nhiệt thép SKD11 cảm ứng điện từ Một phương pháp xây dựng mơ hình lực cắt đạt độ xác cao gia công gia nhiệt thép SKD11 đề xuất cho kết tốt so sánh với thực nghiệm Trong lĩnh vực gia công khuôn mẫu, q trình phay thép SKD11 mơi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ mang lại hiệu cao, đạt số thông số công nghệ theo mục tiêu đặt như: giảm lực cắt, giảm biên độ rung động trình cắt, giảm độ nhám bề mặt với khoảng nhiệt độ cao hợp lý, lựa chọn từ 200 oC 400oC Một số quy luật khoa học sở vật lý trình cắt minh 23 chứng lý giải rõ ràng, đóng góp vào kho tàng gia cơng vật liệu Trên sở ứng dụng kết nghiên cứu đạt vào thực tiễn, nâng cao suất gia công chất lượng sản phẩm ngành khí KI N NGH VÀ H NG NGHIÊN C U TI P THEO - Trong gia công gia nhiệt việc kiểm sốt nhiệt độ hỗ trợ cho q trình gia cơng vấn đề quan trọng, đặc biệt chi tiết lớn có kích thước khác hình dạng phức tạp Do cần phải làm thêm thử nghiệm với mẫu thí nghiệm khác q trình gia nhiệt - Cần nghiên cứu sâu vấn đề: lượng mòn dao, tuổi thọ dụng cụ cắt, tốc độ bóc tách vật liệu, gia công thép SKD11 môi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ so sánh với phương pháp gia công thông thường nhiệt độ phịng - Cần có nghiên cứu tối ưu hóa tham số đa mục tiêu sở phân tích tương quan Grey - Cần có nghiên cứu để đánh giá độ xác kích thước gia cơng gia cơng gia nhiệt Vì nhiệt độ cao ngun nhân gây tượng giãn nở nhiệt vật liệu gia công Cần nghiên cứu mô để dự đoán thêm tượng xảy q trình gia cơng gia nhiệt 24 DANH M C CÁC CƠNG TRÌNH Ã CƠNG B C A LU N ÁN M c Th Bích, Ph m Th Hoa, Nguy n c Tồn, Bành Ti n Long (2016), K y u H i ngh Khoa h c Cơng ngh tồn qu c v C khí – ng l c 2016, trang 36-41 M c Th Bích, Ph m Th Hoa, Bành Ti n Long, Nguy n c Tồn (2016), , T p chí Khoa h c Công ngh Tr ng i h c K thu t, s 115, trang 69-73 M c Th Bích, Ph m Th Hoa, Bành Ti n Long, Nguy n c Tồn (2016), , T p chí Khoa h c Công ngh - Tr ng ih cS ph m K thu t H ng Yên, s 12, trang 22-28 M c Th Bích, Ph m Th Hoa, Bành Ti n Long, Nguy n c Toàn (2017), , T p chí Khoa h c Cơng ngh - Tr ng i h c S ph m K thu t H ng Yên, s 16, trang 812 Thi-Bich Mac, Van-Cuong Do and Duc-Toan Nguyen (2018), Journal of Advances in Mechanical Engineering, vol 10(4), pp.1-9 (SCIE) Doi: 10.1177/1687814018768148 M c Th Bích, Ph m Th Hoa, Bành Ti n Long, Nguy n c Tồn (2018), , T p chí Khoa h c Công ngh Tr ng i h c K thu t, s 165, trang 32 – 37 Thi-Bich Mac, Van-Chien Dinh, Tien-Long Banh, Duc-Toan Nguyen (2018), Journal of Metals, vol 9, pp.1-18 (SCIE) Doi:10.3390/met8120992 Mac Thi – Bich, Pham Thi – Hoa, Banh Tien – Long, Nguyen Duc – Toan (2019), , Journal of Applied Machanics and Materials, vol 899, pp.190-196 Doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.899.190 ... cắt) gia công thông thường gia công gia nhiệt thép SKD11 2.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: trình phay thép SKD11 môi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ - Phạm vi nghiên cứu: ... • Nghiên cứu tổng quan gia công gia nhiệt, gia nhiệt cảm ứng điện từ; • Nghiên cứu sở vật lý động lực học q trình gia cơng gia nhiệt; • Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng trình gia nhiệt đến tính. .. gia nhiệt cảm ứng điện từ (IAM) Mỗi phương pháp gia nhiệt có ưu nhược điểm riêng phù hợp với phương pháp gia cơng cụ thể Trong gia nhiệt cảm ứng điện từ phương pháp gia nhiệt hiệu công suất gia