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

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu khoa học riêng tơi Những nội dung, số liệu sử dụng phân tích luận án có nguồn gốc rõ ràng, cơng bố theo quy định Các kết nghiên cứu luận án tơi tự tìm hiểu, phân tích cách trung thực, khách quan Các kết chưa có tác giả công bố nghiên cứu khác Người hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh I LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập nghiên cứu nhận nhiều giúp đỡ, góp ý chia sẻ người Lời xin chân thành cảm ơn đến Ban Giám hiệu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Viện Cơ khí Đặc biệt, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tập thể thầy hướng dẫn PGS.TS Trương Hoành Sơn, PGS.TS Hoàng Văn Gợt, thầy hướng dẫn, bảo tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận án Tôi xin chân thành biết ơn sâu sắc tới quý thầy cô Bộ môn Công nghệ Chế tạo máy, đặc biệt TS Nguyễn Kiên Trung bảo cho tơi ý kiến bổ ích, tạo điều kiện thuận lợi cho học tập nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Cơ khí, Đại học Cơng nghiệp Hà Nội, đặc biệt PGS.TS Hồng Tiến Dũng giúp đỡ tơi q trình thực nghiệm Tơi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Điện lực, ban lãnh đạo Khoa Cơ khí & Động lực tạo điều kiện chế độ, thời gian công việc giúp hoàn thành nhiệm vụ Cuối cùng, xin cảm ơn đến gia đình, người thân bạn bè chia sẻ, động viên giúp đỡ tơi suốt q trình học tập nghiên cứu Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Tác giả luận án Phí Trọng Hùng II MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT VIII DANH MỤC CÁC BẢNG X DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ XI MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ MÀI PHẲNG HỢP KIM TITAN BẰNG ĐÁ MÀI cBN 1.1 Hợp kim Titan đá mài cBN 1.1.1 Hợp kim Titan 1.1.1.1 Đặc tính ứng dụng 1.1.1.2 Cấu trúc tinh thể 1.1.1.3 Tính gia cơng cắt gọt hợp kim Titan 1.1.2 Hạt mài đá mài cBN 1.1.2.1 Hạt mài cBN 1.1.2.2 Đá mài cBN 10 1.2 Mài phẳng hợp kim Titan đá mài cBN 14 1.2.1 Mài phẳng 14 1.2.1.1 Khái niệm 14 1.2.1.2 Các phương pháp mài phẳng 14 1.2.1.3 Các thơng số đặc trưng cho q trình mài phẳng 15 1.2.2 Mài hợp kim Titan 16 1.2.2.1 Tính mài hợp kim Titan 16 1.2.2.2 Đặc điểm mài hợp kim Titan 16 1.2.3 Mài hợp kim Titan đá mài cBN 24 1.3 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 24 1.3.1 Tình hình nghiên cứu nước 24 1.3.2 Tình hình nghiên cứu nước 27 1.3.3 Nhận xét 28 1.4 Giới hạn nhiệm vụ nghiên cứu luận án 28 KẾT LUẬN CHƯƠNG 28 III Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÀI PHẲNG HỢP KIM TITAN BẰNG ĐÁ MÀI cBN 29 2.1 Hình học động học trình mài phẳng 29 2.1.1 Chiều dài tiếp xúc hình học chiều dài tiếp xúc thực 29 2.1.2 Đường cắt 29 2.1.3 Chiều dày phoi chưa biến dạng 31 2.2 Cơ chế mài 32 2.2.1 Phoi mài 32 2.2.2 Lực mài, công suất mài lượng mài riêng 33 2.2.3 Năng lượng riêng hiệu ứng kích thước 34 2.2.4 Lực cắt hạt mài bị mòn phẳng 35 2.2.5 Năng lượng trượt, lượng cày xước lượng tạo phoi 38 2.3 Đặc điểm trình mài hợp kim Titan đá mài cBN 40 2.4 Ảnh hưởng dung dịch bơi trơn làm mát đến q trình mài 41 2.4.1 Yêu cầu dung dịch bôi trơn làm mát 41 2.4.2 Cơ chế bôi trơn làm mát ảnh hưởng đến trình mài 41 2.4.3 Bơi trơn làm mát có bổ sung chất bơi trơn thể rắn 42 2.4.3.1 Giới thiệu chung 42 2.4.3.2 Tấm nano graphite tách lớp (xGnP) 42 2.4.3.3 Bo Nitrit lục giác (hBN) 42 2.4.3.4 Đặc tính hạt nano xGnP-M25 hBN-K05 43 2.5 Ảnh hưởng yếu tố đến chất lượng bề mặt suất gia công mài 44 2.5.1 Ảnh hưởng yếu tố công nghệ đến nhám bề mặt 44 2.5.2 Ảnh hưởng yếu tố công nghệ đến biến cứng bề mặt 47 2.5.3 Ảnh hưởng yếu tố công nghệ đến suất gia công 48 KẾT LUẬN CHƯƠNG 48 Chương MƠ HÌNH, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 49 3.1 Mơ hình thực nghiệm 49 3.1.1 Máy gia công 49 3.1.2 Hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội 51 3.1.3 Đá mài cBN 51 3.1.4 Chi tiết mài 52 3.1.4.1 Phôi thực nghiệm 52 3.1.4.2 Cấu trúc tinh thể hợp kim Ti64 ủ Ti64 52 3.1.5 Các loại dung dịch bôi trơn làm mát 53 3.1.5.1 Dầu nhũ tương PV Cutting Oil 54 IV 3.1.5.2 Dầu cắt gọt tổng hợp CIMTECH 3150-VLZ 54 3.1.5.3 Bột bôi trơn thể rắn 54 3.1.6 Dụng cụ sửa đá 55 3.2 Thiết bị đo lường 55 3.2.1 Panme đo 55 3.2.2 Kính hiển vi điện tử quét 56 3.2.3 Đồng hồ so 57 3.2.4 Thiết bị đo lực cắt 57 3.2.5 Máy đo nhám bề mặt 57 3.2.6 Máy đo độ cứng tế vi bề mặt 58 3.3 Lựa chọn thông số thực nghiệm xác định phương pháp thực nghiệm 59 3.3.1 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 59 3.3.2 Thông số thực nghiệm 59 3.3.3 Phương pháp thực nghiệm 59 3.3.3.1 Thực nghiệm 01 – Xác định mối quan hệ chế độ cắt với chất lượng bề mặt 59 3.3.3.2 Thực nghiệm 02 – Xác định mối quan hệ chế độ bôi trơn làm mát với chất lượng bề mặt 60 3.3.3.3 Thực nghiệm 03 – Xác định dải lượng tiến dao đạt nhám bề mặt nhỏ nhất… 60 3.4 Mơ hình hóa trình mài phương pháp phần tử hữu hạn 61 3.4.1 Mơ hình phần tử hữu hạn 61 3.4.1.1 Mơ hình vật liệu 62 3.4.1.2 Tiêu chuẩn phá hủy vật liệu 63 3.4.1.3 Điều kiện biên định luật tiếp xúc 63 3.4.1.4 Kiểm nghiệm lại mơ hình phần tử hữu hạn 64 3.4.2 Kết mô 64 3.4.2.1 Quá trình tạo phoi 64 3.4.2.2 Lực cắt 65 3.4.2.3 Nhiệt độ bề mặt phôi 66 3.4.3 Nhận xét đánh giá 68 KẾT LUẬN CHƯƠNG 68 Chương THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 69 4.1 Thực nghiệm 01 - Xác định mối quan hệ chế độ cắt với chất lượng bề mặt 69 V 4.1.1 Nhám bề mặt 69 4.1.1.1 Ảnh hưởng lượng tiến dao 69 4.1.1.2 Ảnh hưởng chiều sâu cắt 70 4.1.2 Cấu trúc tế vi bề mặt 70 4.1.2.1 Ảnh hưởng lượng tiến dao 70 4.1.2.2 Ảnh hưởng chiều sâu cắt 72 4.1.3 Độ cứng tế vi bề mặt 72 4.1.4 Xây dựng phương trình hồi quy thực nghiệm thể mối quan hệ chế độ công nghệ nhám bề mặt 72 4.1.4.1 Mài khô 72 4.1.4.2 Mài ướt (dầu tổng hợp 2%) 74 4.1.5 Nhận xét Đánh giá 76 4.2 Thực nghiệm 02 – Xác định mối quan hệ chế bôi trơn làm mát với chất lượng bề mặt 76 4.2.1 Nhám bề mặt 76 4.2.1.1 Ảnh hưởng lượng tiến dao 76 4.2.1.2 Ảnh hưởng chế độ bôi trơn làm mát 77 4.2.2 Cấu trúc tế vi bề mặt 80 4.2.2.1 Hợp kim Ti-6Al-4V ủ 80 4.2.2.2 Hợp kim Ti-6Al-4V 82 4.2.3 Ảnh hưởng cấu trúc tinh thể hợp kim Ti-6Al-4V đến chất lượng bề mặt 83 4.2.3.1 Ảnh hưởng cấu trúc tinh thể hợp kim Ti-6Al-4V đến nhám bề mặt……… 83 4.2.3.2 Ảnh hưởng cấu trúc tinh thể hợp kim Ti-6Al-4V đến độ cứng tế vi bề mặt…… 83 4.2.4 Nhận xét đánh giá 84 4.2.4.1 Hợp kim Ti-6Al-4V ủ 84 4.2.4.2 Hợp kim Ti-6Al-4V 84 4.2.4.3 Ảnh hưởng cấu trúc tinh thể hợp kim Ti-6Al-4V đến chất lượng bề mặt……… 84 4.3 Thực nghiệm 03 - Xác định dải lượng tiến dao đạt nhám bề mặt nhỏ 84 4.3.1 Thực nghiệm kết 84 4.3.2 Nhận xét đánh giá 86 4.4 Tối ưu hóa thơng số cơng nghệ 86 VI 4.4.1 Xây dựng toán tối ưu 86 4.4.1.1 Xác định hàm mục tiêu 86 4.4.1.2 Xác định điều kiện biên 87 4.4.1.3 Thành lập toán tối ưu 87 4.4.2 Giải toán tối ưu 88 4.4.2.1 Cơ sở lựa chọn phương pháp giải toán tối ưu 88 4.4.2.2 Ứng dụng giải thuật tối ưu bầy đàn để xác định chế độ công nghệ hợp lý………… 89 4.4.3 Nhận xét Đánh giá 92 KẾT LUẬN CHƯƠNG 93 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 93 KẾT LUẬN 93 KIẾN NGHỊ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 94 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 PHẦN PHỤ LỤC VII DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu agmax ag' A b BPNN βw cBN ds Ft Fn Ft,c Fn,c Ft,sl Fn,sl ft fn FEM G hBN HV K l lc lk µ P p PSO Ti64 Q Qw Rw Diễn giải nội dung Chiều dày phoi không biến dạng Chiều sâu cắt tới hạn Diện tích mịn phẳng bề mặt đá mài Chiều rộng cắt Bình phương nhỏ Transient thermal property (Đặc tính nhiệt chuyển tiếp) Cubic Boron Nitride (Nitrit Bo dạng khối) Đường kính đá mài Lực cắt tiếp tuyến Lực cắt pháp tuyến Lực cắt tiếp tuyến Lực cắt pháp tuyến Lực trượt pháp tuyến Lực trượt tiếp tuyến Lực cắt tiếp tuyến hạt mài Lực cắt pháp tuyến hạt mài Finite Element Method (Phương pháp phần tử hữu hạn) Hệ số mài Bo Nitrit lục giác Độ cứng Vicker Hệ số khuyếch tán nhiệt Khoảng cách hai hạt mài bề mặt đá mài Độ dài cung tiếp xúc phôi đá mài Độ dài đường cắt Hệ số ma sát Công suất cắt Ứng suất tiếp xúc trung bình khơng đổi diện tích mịn phẳng phơi Particle Swarm Optimization (Thuật tốn tối ưu hóa bầy đàn) Ti-6Al-4V Năng suất gia cơng Tỉ lệ cắt thể tích Tỉ lệ nhiệt truyền vào phôi Đơn vị mm mm mm2 mm W/K/m2 mm N N N N N N N N m2/s mm mm mm W N/mm2 mm3/ph mm3/s VIII Rs Rc Ra Rz S Sn SEM SDC t θmax θ u uc uch upl usl v xGnP σ Tỉ lệ nhiệt truyền vào đá mài Tỉ lệ nhiệt truyền vào phoi Độ nhám trung bình số học Độ nhám trung bình 10 điểm Lượng tiến dao Lượng tiến dao ngang Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét) Đá mài kim cương liên kết nhựa Chiều sâu cắt Nhiệt độ lớn bề mặt phôi Nhiệt độ trung bình bề mặt phơi Năng lượng mài riêng Năng lượng cắt riêng Năng lượng tạo phoi riêng Năng lượng cày xước riêng Năng lượng trượt riêng Vận tốc cắt Tấm nano graphite tách lớp Ứng suất dư µm µm mm/ph mm/htk mm °C °C J/mm3 J/mm3 J/mm3 J/mm3 J/mm3 m/s MPa IX DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Đặc tính loại hạt mài khác nhiệt độ thường [14] 12 Bảng 2.1 Đặc tính hạt nano xGnP-M25 hBN-K05 ([61], [62]) 43 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật máy HS Super MC500 50 Bảng 3.2 Tính chất nhiệt hợp kim Ti64-Elo Ti64-La [68] 53 Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật kính hiển vi điện tử quét JEOL JSM 6510LV [71] 56 Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật cảm biến đo lực Kistler 9139AA [72] 57 Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật máy đo độ cứng tế vi IndentaMet 1106 [73] 58 Bảng 3.6 Các thông số thực nghiệm 59 Bảng 3.7 Các thơng số cơng nghệ q trình mài (Thực nghiệm 01) 60 Bảng 3.8 Các thơng số cơng nghệ q trình mài (Thực nghiệm 02) 60 Bảng 3.9 Các thông số cơng nghệ q trình mài (Thực nghiệm 03) 61 Bảng 3.10 Đặc tính nhiệt hợp kim Ti-6Al-4V hạt mài cBN [77] 63 Bảng 3.11 Thơng số mơ hình vật liệu Johnson-Cook hợp kim Ti-6Al-4V [79] 63 Bảng 3.12 Tham số phá hủy cắt J-C hợp kim Ti-6Al-4V [80] 63 Bảng 4.1 Quang phổ lượng EDX bề mặt phôi S = 3000 mm/ph 79 Bảng 4.2 Kết chạy chương trình xác định chế độ công nghệ tối ưu PSO 91 Bảng 4.3 So sánh nhám bề mặt phôi Ra suất mài Q phương pháp PSO thực nghiệm sử dụng chế độ mài tối ưu 91 X 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62