Nghiên cứu xác định chế độ công nghệ hợp lý khi phay các chi tiết hợp kim nhôm thành mỏng

TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH PHAY CHI TIẾT HỢP KIM NHÔM DẠNG THÀNH MỎNG

Tổng quan về quá trình phay và quá trình hình thành phoi

1.2.1 Giới thiệu về quá trình phay

Phay là phương pháp gia công cắt lớp kim loại trên bề mặt phôi, tạo thành phoi để đạt được hình dáng, kích thước và độ chính xác theo yêu cầu kỹ thuật Quá trình này diễn ra trên máy phay và có độ chính xác từ cấp 3-4 cùng độ bóng tối đa cấp 6 Phay là một trong những phương pháp gia công kim loại có năng suất cao, cho phép gia công các bề mặt phẳng, hình dáng phức tạp, rãnh then, mặt tròn xoay, trục then hoa, cắt ren và bánh răng.

Phay là phương pháp gia công tinh và gia công lần cuối, giúp đạt độ bóng và độ chính xác cao Nó dễ dàng được cơ khí hoá và tự động hoá, mang lại năng suất cao cho cả sản xuất đơn chiếc, hàng loạt và hàng khối Trong gia công cơ khí, nguyên công phay chiếm tỷ lệ lớn, với số lượng nguyên công cắt gọt đạt từ 60% đến 70% Máy phay có số lượng nhiều và giữ vị trí quan trọng trong các nhà máy và phân xưởng cơ khí.

Dao phay là dụng cụ cắt đa lưỡi, trong quá trình cắt, nó không chỉ có những đặc điểm tương tự như khi tiện mà còn sở hữu những đặc điểm riêng biệt khác.

- 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

Luận văn thạc sĩ Kĩ thuật Nghiên cứu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

1.2.2 Quá trình cắt khi phay

Quá trình cắt kim loại là việc sử dụng dụng cụ hình chêm để loại bỏ một lớp kim loại từ phôi Lực tác dụng được sinh ra từ sự tương tác giữa dụng cụ cắt và phôi, trong phương pháp phay, lực này đến từ chuyển động quay của dao phay và sự cản trở từ phôi Để cắt hiệu quả, lực tác dụng cần đủ lớn để tạo ra ứng suất vượt qua sức bền của vật liệu, đồng thời phải khắc phục lực cản do ma sát trong quá trình gia công.

- 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 nghiên cứu bởi nhiều tác giả như Trent, Wright, Zorev N.N và các đồng nghiệp, cũng như Doyle E.D, với nhiều cách tiếp cận khác nhau Tất cả các nghiên cứu đều thống nhất rằng khi kim loại chịu tác dụng của lực, nó trải qua ba giai đoạn: biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và cuối cùng là biến dạng phá hủy.

Hình 1 2 Quá trình hình thành phoi [5]

Trong quá trình cắt, các tinh thể kim loại bị nén lại và khi lực tác dụng vượt quá giới hạn bền của vật liệu, chúng sẽ trượt lên nhau và tách ra khỏi vật gia công, tạo thành phoi Hiện tượng biến dạng này diễn ra trong một khu vực được gọi là vùng tạo phoi.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN, trong vùng hạn bởi đường cong OA, OE, có các mặt trượt OA, OB, OC, OD, OE Vật liệu gia công trượt theo những mặt này, dẫn đến việc các tinh thể kim loại bị xếp chồng lên nhau Tùy thuộc vào cấu trúc của vật liệu gia công và chế độ cắt, có thể hình thành phoi vụn, phoi xếp hoặc phoi dây.

Kết quả của biến dạng kim loại là tách ra một phần vật liệu khỏi phôi, trong khi phần còn lại trở thành chi tiết gia công Do vùng biến dạng xảy ra ở cả phần vật liệu giữ lại, bề mặt chi tiết sau gia công có tính chất khác biệt và thường có độ cứng cao hơn, hiện tượng này được gọi là biến cứng lớp bề mặt Trong vùng cắt, nhiều hiện tượng vật lý khác cũng diễn ra, mà sẽ được nghiên cứu cụ thể trong các phần sau Quá trình cắt kim loại khi phay không khác biệt nhiều so với quá trình cắt khi tiện, và sẽ tập trung vào một số hiện tượng xảy ra trong quá trình cắt Lớp kim loại được cắt được gọi là phoi, có thể có nhiều dạng khác nhau tùy 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)

Khi cắt tạo thành phoi vụn, có một số đặc điểm đáng chú ý như chiều cao bề mặt không đồng đều, tính chất lớp bề mặt ít thay đổi, lực cắt không ổn định và ít gây mất an toàn.

Phôi xếp là loại phôi có dạng đoạn ngắn, với mặt dưới nhẵn và mặt trên xù xì như răng cưa Loại phôi này thường xuất hiện khi gia công vật liệu dẻo như thép có hàm lượng carbon thấp, được gia công với chiều dày cắt lớn và vận tốc cắt không cao.

Khi cắt tạo thành phoi xếp, bề mặt có chiều cao nhấp nhô không đáng kể và chi tiết gia công thường bị biến dạng dẻo, dẫn đến các tính chất cơ lý khác biệt so với vật liệu gia công ban đầu Phoi xếp thu được sau khi gia công thép có độ cứng cao gấp 2 đến 3 lần so với vật liệu gia công, cho thấy vật liệu đã được hoá bền ở mức độ cao.

Phôi dây là loại phôi có dạng dây dài với bề dày không lớn, thường xuất hiện khi gia công các vật liệu dẻo ở tốc độ cắt cao Hình dạng của phôi dây có thể thay đổi thành dạng xoắn lò xo tùy thuộc vào vật liệu gia công, hình dáng của đầu dao và chế độ công nghệ sử dụng.

Khi cắt hình thành phoi dây, bề mặt gia công thường có chiều cao nhấp nhô cao, lực cắt đơn vị nhỏ và ít thay đổi Tuy nhiên, cần chú ý đến việc tìm biện pháp bẻ phoi, vì phoi dây, đặc biệt là dây dài, rất dễ gây mất an toàn.

Khi gia công vật liệu dẻo như thép và nhôm, trên mặt trước của dao gần mũi dao thường xuất hiện lớp kim loại có cấu trúc khác biệt so với phoi và vật liệu gia công Lớp kim loại này bám chắc vào dao và hoạt động như một mũi dao do độ cứng cao, hiện tượng này được gọi là lẹo dao (built up edge) Hiện tượng lẹo dao được phân tích từ nhiều góc độ, nhưng nguyên lý hình thành chung là do nhiệt phát sinh trong quá trình cắt, khiến lớp kim loại mỏng giữa mặt trước của dao và mặt dưới phoi bị nóng chảy, và lớp kim loại này chủ yếu di chuyển theo.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Trong quá trình gia công, bề mặt dao không hoàn toàn nhẵn làm cho lực ma sát gây cản trở chuyển động của phoi, dẫn đến việc phoi di chuyển chậm lại Khi lực cản vượt quá lực liên kết giữa lớp kim loại và phoi, lớp kim loại sẽ bám chặt vào mũi dao, gây ra hiện tượng lẹo dao Chiều cao của lớp kim loại bám tăng dần, nhưng sau một thời gian, nó sẽ bị cuốn theo phoi ra ngoài, tiếp tục tạo ra lớp kim loại bám mới.

Các chỉ tiêu đánh giá tính gia công của vật liệu

1.3.1.Tính chất cơ học của vật liệu

Vật liệu có độ bền và độ cứng cao thường gây ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình gia công Do đó, tính gia công của vật liệu sẽ tỷ lệ nghịch với các tính chất cơ lý của nó.

Trong gia công, độ cứng của vật liệu được sử dụng như một chỉ số để đánh giá khả năng gia công, với nguyên tắc rằng vật liệu càng cứng thì khả năng gia công càng kém Tuy nhiên, thép cacbon thấp và hợp kim màu thường có tính dẻo cao, dẫn đến hiện tượng hình thành lẹo dao, làm giảm khả năng gia công Cơ lý tính của vật liệu có ảnh hưởng lớn đến khả năng gia công, đôi khi quyết định tính gia công của vật liệu chế tạo máy.

1.3.2 Quá trình biến dạng và hình thành phoi

Khi cắt, lực từ dao phải đủ lớn để tạo ra ứng suất vượt qua sức bền của vật liệu, dẫn đến việc hình thành phoi Hình dạng, độ cứng và cấu trúc của phoi cho thấy lớp kim loại đã chịu ứng suất cao Nghiên cứu quá trình tạo phoi rất quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến công suất cắt, độ mòn của dao và chất lượng bề mặt gia công.

7] Đánh giá biến dạng phoi dùng hệ số co giãn phoi:

- Hệ số co giãn phoi theo chiều dọc:

Trong đó: L0 là chiều dài lớp kim loại bị cắt đo trên phôi

Lf là chiều dài thực tế đo của phoi

KL là hệ số co giãn phoi theo chiều dọc

- Hệ số co giãn phoi theo chiều dày:

Trong đó: a là chiều dày lớp kim loại bị cắt đo trên phôi af là chiều dày thực tế đo của phoi

Ka là hệ số co giãn phoi theo chiều dày

- Hệ số co giãn phoi theo chiều rộng:

Trong đó: b là chiều rộng lớp kim loại bị cắt đo trên phôi bf là chiều dài thực tế đo của phoi

Kb là hệ số co giãn phoi theo chiều dọc

Hệ số co giãn phoi phản ánh mức độ biến dạng trung bình của phoi trong quá trình cắt Dựa vào hệ số này, ta có thể xác định các mối quan hệ ảnh hưởng giữa các yếu tố trong quá trình cắt và sự biến dạng xảy ra.

Trong quá trình cắt kim loại, dụng cụ cắt gây ra biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo cho vật liệu Khi lớp cắt bị biến dạng, dao sẽ chịu tác dụng của các lực tương ứng trên mặt trước và mặt sau Đây là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá hiệu quả của quá trình gia công dựa trên lực cắt.

Lực cắt chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố như tốc độ cắt, vật liệu gia công, vật liệu làm dao

Tính gia công phụ thuộc chủ yếu vào lực cắt; khi lực cắt lớn, tính gia công sẽ giảm và ngược lại Đánh giá theo lực cắt, vật liệu cắt với lực cắt nhỏ thường cho kết quả gia công tốt hơn trong cùng điều kiện như phương pháp gia công, dao, chế độ cắt và điều kiện cắt.

Nguồn nhiệt phát sinh trong quá trình cắt chủ yếu do công tiêu hao, bao gồm biến dạng đàn hồi và dẻo của lớp bị cắt cũng như ma sát giữa dao và phôi Đánh giá tính gia công dựa trên nhiệt cắt cho thấy, nhiệt cắt càng nhỏ thì tính gia công của vật liệu càng tốt, vì nhiệt cắt là hệ quả của lực cắt Việc khảo sát ảnh hưởng của nhiệt cắt và lực cắt đến tính gia công vật liệu là rất quan trọng.

1.3.5.1 Cơ bản về mòn dụng cụ cắt a, Khái niệm

Mòn là hiện tượng phá huỷ bề mặt và tách vật liệu giữa hai bề mặt trong chuyển động trượt, lăn hoặc va chạm Theo Eyre và Davis, mòn liên quan đến sự thay đổi khối lượng hoặc thể tích, dẫn đến biến đổi hình dạng hoặc topography vượt quá giới hạn cho phép Quá trình mòn xảy ra do tương tác giữa các nhấp nhô bề mặt, trong đó vật liệu trên bề mặt tiếp xúc có thể bị biến dạng do ứng suất, nhưng chỉ một phần nhỏ hoặc không có vật liệu nào tách ra Cuối cùng, vật liệu có thể tách ra từ bề mặt này sang bề mặt khác hoặc thành những hạt mài rời.

Trong quá trình sử dụng, dao bị mài mòn do áp lực, nhiệt độ và tốc độ cắt, ảnh hưởng đến các bề mặt tiếp xúc Tất cả các loại dụng cụ đều trải qua quá trình mài mòn, có thể xảy ra ở mặt sau (dạng mài mòn thứ nhất) hoặc cả mặt sau và mặt trước (dạng mòn thứ hai) Hai loại mòn này đều xuất hiện trong mọi chế độ cắt được áp dụng trong sản xuất, liên quan đến các cơ chế mòn của hai bề mặt trượt tương đối.

Khi hai bề mặt tiếp xúc, đỉnh nhấp nhô sẽ bị biến dạng dẻo do ứng suất pháp Khi hai bề mặt chuyển động tương đối, lớp màng ôxy hóa và hấp thụ bị phá vỡ, dẫn đến việc vật liệu tại đỉnh nhấp nhô tiếp xúc trực tiếp và gây ra hiện tượng dính.

Nếu sức bền dính đủ lớn để ngăn cản chuyển động trượt, một vùng của vật liệu sẽ bị biến dạng do ứng suất nén Sau đó, sự trượt sẽ diễn ra mạnh mẽ dọc theo các mặt phẳng trượt, dẫn đến việc hình thành các mảnh mòn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn cho thấy rằng khi có biến dạng xảy ra rộng rãi ở vùng tiếp xúc, mảnh mòn có thể hình thành dưới dạng như hình nêm và bám dính vào bề mặt đối tiếp.

Loladze và Rabinowicz cho rằng khi hai bề mặt làm từ vật liệu khác nhau trượt tương đối, các mảnh mòn của vật liệu cứng hơn sẽ bị tách ra khỏi bề mặt Nguyên nhân là do sự dính ngẫu nhiên giữa vùng bề mặt có sức bền giảm cục bộ và vùng bề mặt có sức bền cao cục bộ của vật liệu mềm Archard đã phát triển một mô hình tính toán mòn dính dựa trên công thức cụ thể.

Q là lượng mòn trên một đơn vị chiều dài quãng đường trượt, được tính bằng khối lượng trên chiều dài K là xác suất xảy ra một tiếp xúc dẫn đến việc hình thành hạt mòn σ đại diện cho giới hạn bền của vật liệu mềm hơn.

Mòn do mỏi xảy ra gần bề mặt vật liệu khi chịu ứng suất biến đổi theo chu kỳ, dẫn đến sự hình thành và phát triển của các vết nứt từ bề mặt, tạo ra các hạt mòn Hiện tượng này chủ yếu xảy ra khi hai bề mặt lăn và va chạm với nhau Halling cho rằng các đỉnh nhấp nhô không bị dính hoặc mòn do hạt mài sẽ bị biến dạng dẻo, và sau nhiều lần tiếp xúc, chúng có thể bị phá hủy do mỏi, tạo ra hạt mòn Lý thuyết mòn do dính không giải thích được sự hình thành các hạt mòn rời, đặc biệt từ bề mặt cứng hơn, nhưng điều này có thể được lý giải bằng quá trình mòn do mỏi Do đó, Armarego cho rằng cả hai cơ chế mòn do mỏi và dính đều là phần của một quá trình mòn tổng thể.

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI BIẾN DẠNG VÀ HÁM BỀ MẶT KHI PHAY CÁC CHI TIẾT HỢP KIM NHÔM A6061

Giới thiệu về hợp kim nhôm A6061

Hợp kim nhôm A6061 là loại hợp kim nhôm bền, chủ yếu bao gồm nhôm, magie và silicon Với tính chất cơ học tốt, khả năng chống ăn mòn và hình hàn ưu việt, A6061 dễ dàng được định hình theo yêu cầu Nhờ những đặc điểm này, hợp kim nhôm A6061 được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, bao gồm sản xuất linh kiện tự động hóa, khuôn gia công thực phẩm, khuôn chế tạo và các chi tiết cơ khí.

Thành phần hóa học của hợp kim nhôm A6061 được thể hiện trong bảng 2.1 và đặc điểm cơ tính của nhôm A6061 được thể hiện trong bảng 2.2

Bảng 2.1 Thành phần hóa học của hợp kim nhôm A6061

Tên nguyên tố Tỷ lệ phần trăm về khối lượng (%)

Bảng 2.2 Đặc điểm cơ học của hợp kim nhôm A6061

Phay chi tiết hợp kim nhôm thành mỏng A6061

Tính chất Giá trị Độ cứng 95HB Độ bền kéo 260MPa Độ giãn dài tới hạn 12%

Hệ số poisson 0.33 Độ bền mỏi 96.5MPa Độ dai va chạm 29Mpa-m 1/2

Khả năng gia công so với hợp kim nhôm khác

Modul đàn hồi trượt 26Mpa Độ bền cắt 207MPa

2.2 Phay chi tiết thành mỏng làm bằng hợp kim nhôm A6061

2.2.1 Tính gia công của hợp kim nhôm A6061

Hợp kim nhôm A6061 nổi bật với tính gia công tốt nhờ lực cắt thấp, khả năng dẫn nhiệt hiệu quả và tốc độ mòn dụng cụ thấp Tuy nhiên, trong quá trình gia công, các vấn đề như tuổi bền dụng cụ cắt, chất lượng bề mặt và hiện tượng thoát phoi khó khăn thường được chú trọng Hợp kim này có thể được gia công bằng nhiều loại dụng cụ cắt khác nhau, bao gồm dụng cụ cắt bằng thép gió, dao phủ PCD và dao carbide Do hàm lượng silic hòa tan cao trong nhôm, các dụng cụ cắt gốm có nền silic thường ít được sử dụng khi gia công hợp kim nhôm.

Khi gia công nhôm, việc tăng tốc độ cắt có thể thực hiện mà vẫn đảm bảo tuổi bền của dao hợp lý Hơn nữa, thành phần của nhôm đóng vai trò quan trọng trong khả năng gia công của vật liệu này.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn, việc gia công hợp kim nhôm bị ảnh hưởng bởi thành phần đồng và tạp chất Cụ thể, giảm lượng đồng trong hợp kim sẽ làm tăng tốc độ mòn dao và giảm khả năng gia công Tạp chất trong hợp kim cũng hạn chế tốc độ cắt và giảm tuổi bền của dụng cụ cắt Hạt silic tự do trong nhôm cứng hơn nền hợp kim, dẫn đến ứng suất và nhiệt độ cục bộ cao hơn, làm tăng tốc độ mòn dao, đặc biệt với vật liệu PCD Tốc độ cắt tối đa khi sử dụng dao carbide không phủ là 100m/ph, nhưng có thể tăng lên 1000m/ph khi sử dụng dao phủ PCD Ngoài ra, sắt, một tạp chất có mặt trong tất cả các hợp kim nhôm, tạo ra các hợp chất cứng, gây mòn dao và giảm khả năng gia công của hợp kim nhôm.

Hợp kim nhôm A6061, với thành phần chính là Mg, Cu và silicon, được biết đến là một loại hợp kim mềm với khả năng gia công cao (50%) Tuy nhiên, quá trình thoát phoi khó khăn có thể làm giảm tuổi thọ của dụng cụ cắt và ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công.

2.2.2 Phay chi tiết thành mỏng

Các chi tiết thành mỏng bằng hợp kim nhôm được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không, như minh họa trong hình 2.1 và bảng 2.3, thể hiện hình dáng và thông số của chi tiết điển hình sản xuất bởi Fokker Aerost Tính chất chiều dày của thành mỏng, chỉ từ 1-5mm, ảnh hưởng lớn đến việc lập kế hoạch và chu trình gia công Nguyên nhân chủ yếu là do độ cứng của chi tiết thành mỏng thấp và giảm liên tục trong quá trình gia công.

Hình 2 1 Chi tiết thành mỏng được gia công bởi bởi Fokker Aerost

Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật đặc trưng của chi tiết thành mỏng bằng hợp kim nhôm

Kích thước Dải kích thước (mm)

Chiều dày thành 1-5 (thường 1.1mm)

Quá trình phay chi tiết thành mỏng được thực hiện trên trung tâm phay đứng, tuy nhiên, phôi gia công có độ cứng thấp dễ bị biến dạng và rung động dưới lực cắt Khi phay các chi tiết mỏng, thường áp dụng kiểu chạy dạo song song, dẫn đến độ cứng của chi tiết giảm dần khi phoi được bóc tách Khi chiều dày phôi còn vài milimet, tình trạng này có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn đã chỉ ra sự biến dạng đáng kể của chi tiết Để khắc phục những vấn đề này, các nhà nghiên cứu thường chú trọng vào việc nghiên cứu các nội dung liên quan.

- Tối ưu hoa điều kiện cắt hoặc hình dạng dụng cụ cắt để giảm biến dạng và rung động của chi tiết thành mỏng

- Tối ưu hóa đường chạy dao

- Thiết kế vị trí kẹp và lực kẹp hợp lý

- Phay đồng thời hai mặt của chi tiết thành mỏng bằng máy có hai trục chính.

Nhám bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng tới nhám bề mặt khi phay chi tiết thành mỏng

2.2.1 Ảnh hưởng của chế độ cắt

2.2.1.1 Ảnh hưởng của vận tốc cắt

Vận tốc cắt đóng vai trò quan trọng trong việc xác định nhám bề mặt khi gia công Sự thay đổi của vận tốc cắt ảnh hưởng đến quá trình tạo phoi, làm thay đổi kích thước và mức độ biến dạng của phoi Điều này dẫn đến sự thay đổi nhiệt cắt và quá trình hình thành lẹo dao trong gia công.

Quá trình gia công bằng cắt là quá trình nén kim loại, trong đó kim loại trải qua ba giai đoạn: biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và biến dạng phá hủy Khi cắt, miền tạo phoi AOE di chuyển cùng với dao; nếu tốc độ cắt lớn, miền tạo phoi sẽ co hẹp lại chỉ còn vài phần trăm milimet Trong trường hợp này, biến dạng của vật liệu gia công có thể được xem như xảy ra gần mặt OF Để đơn giản, quá trình biến dạng có thể coi là diễn ra trên mặt phẳng đi qua lưỡi cắt và hợp với phương chạy dao góc F, được gọi là góc trượt Góc trượt F càng nhỏ thì biến dạng dẻo trong miền tạo phoi càng lớn.

Hình 2 2 Miền tạo phoi khi gia công kim loại

Mức độ biến dạng của phoi chủ yếu bị ảnh hưởng bởi vận tốc cắt, dẫn đến sự thay đổi nhám bề mặt gia công Hình 2.3 minh họa tác động của vận tốc cắt đến hệ số co rút của phoi trong quá trình gia công thép cacbon.

Hình 2 3 Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới hệ số co rút phoi khi gia công thép cacbon

- Khi Vc tăng từ V1-V2 thì hệ số co rút phoi K giảm

Trong vùng vận tốc cắt này, khi vận tốc cắt (Vc) tăng, lực ma sát và biến dạng của phoi cũng tăng theo Tuy nhiên, sự xuất hiện và gia tăng của lẹo dao làm tăng góc trước và giảm góc cắt, từ đó giúp quá trình cắt trở nên dễ dàng hơn và phoi thoát ra thuận lợi hơn Biến dạng của phoi giảm và đạt giá trị cực tiểu tại điểm B, tương ứng với Vc = V2, nơi chiều cao lẹo dao đạt mức tối đa Mặc dù hai yếu tố này có ảnh hưởng qua lại, nhưng tác động của lẹo dao mạnh hơn Do đó, khi gia công trong vùng vận tốc này, chất lượng bề mặt gia công thường kém và có thể dẫn đến giá trị nhám bề mặt cao nhất.

- Khi Vc tăng từ V2 - V3 thì hệ số co rút phoi K tăng

Trong vùng vận tốc cắt, khi vận tốc cắt (Vc) tăng, chiều cao lẹo dao sẽ giảm dần, dẫn đến việc góc trước giảm và góc cắt tăng Điều này làm tăng biến dạng của phoi.

Khi tốc độ cắt (Vc) tăng, hệ số ma sát và lực ma sát giảm, dẫn đến biến dạng của phoi cũng giảm Tuy nhiên, ảnh hưởng của lẹo dao lớn hơn, do đó khi Vc tăng, biến dạng của phoi lại tăng và đạt giá trị cực đại tại Vc = V3, lúc này lẹo dao hoàn toàn biến mất, làm giảm độ nhám bề mặt.

Khi vận tốc cắt Vc lớn hơn vận tốc tiến V3, hiện tượng lẹo dao sẽ không còn xảy ra Đồng thời, nhiệt độ tại vùng cắt tăng cao khiến cho lớp kim loại của phoi sát mặt trước bị chảy nhão, dẫn đến việc hệ số ma sát giữa phoi và mặt trước giảm Điều này làm giảm K và nâng cao độ nhẵn bóng của bề mặt gia công.

2.2.1.2 Ảnh hưởng của lượng chạy dao

Qua thực nghiệm, phương pháp tiện đã xác định mối quan hệ giữa các thông số độ nhám bề mặt như Rz (chiều cao nhấp nhô tế vi), lượng tiến dao S, bán kính mũi dao r và chiều dày phoi nhỏ nhất hmin Những yếu tố này ảnh hưởng đến sự hình thành độ nhám bề mặt khi gia công bằng các loại dao tiện khác nhau.

Hình 2 4 Ảnh hưởng của các thông số hình học tới nhám bề mặt khi tiện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Khi thực hiện gia công, dao sẽ quay một vòng và tạo ra một lượng ăn dao S1 (mm/vòng), đồng thời dịch chuyển từ vị trí 1 sang vị trí 2 (hình 2.4a) Kết quả là trên bề mặt gia công vẫn còn lại phần kim loại chưa được hớt đi, gọi là phần m, đây chính là độ nhám bề mặt sau khi gia công.

Hình dáng và giá trị độ nhám bề mặt phụ thuộc vào lượng chạy dao S1 và hình dáng lưỡi cắt Khi giảm lượng chạy dao từ S1 xuống S2, chiều cao nhấp nhô tế vi Rz giảm xuống Rz’ Thay đổi góc nghiêng chính ϕ và góc nghiêng phụ ϕ1 cũng làm thay đổi chiều cao và hình dáng của độ nhám Gia công bằng dao có bán kính mũi dao lớn tạo ra hình dáng độ nhám tròn, và khi tăng bán kính mũi dao tới r2, chiều cao độ nhám Rz giảm xuống Trong quá trình hình thành độ nhám khi tiện bằng dao có bán kính mũi dao nhỏ và lượng chạy dao lớn, độ nhám bề mặt chịu ảnh hưởng của bán kính mũi dao cùng với lưỡi cắt chính và lưỡi cắt phụ, tức là các góc ϕ và ϕ1 Giáo sư Trebưsep đã đưa ra công thức thể hiện mối quan hệ giữa Rz với s, r và hmin.

Khi S < 0,1 mm/vòng, chiều dày phoi kim loại hmin phụ thuộc vào bán kính mũi dao r Cụ thể, nếu mài lưỡi dao cắt bằng đá kim cương mịn ở mặt trước và mặt sau lưỡi cắt với r = 10, thì hmin = 4 Đối với dao hợp kim cứng mài bằng đỏ thường, khi r ≥ 40, hmin sẽ lớn hơn hoặc bằng 20.

Nếu lượng chạy dao S quá nhỏ (S < 0,3 mm/vòng) thì trị số Rz lại tăng, nghĩa là thực hiện bước tiện tinh hoặc phay tinh với lượng chạy dao

S quá nhỏ sẽ không có ý nghĩa đối với việc cải thiện chất lượng bề mặt

Lượng chạy dao S không chỉ ảnh hưởng đến các yếu tố hình học mà còn tác động mạnh mẽ đến mức độ biến dạng dẻo và đàn hồi trên bề mặt gia công, dẫn đến sự thay đổi độ nhám Đồ thị trong Hình 2.9 thể hiện mối quan hệ giữa lượng chạy dao S và chiều cao nhấp nhô tế vi (độ nhám bề mặt) Rz khi gia công thép cacbon.

Hình 2 5 Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt Rz

Khi gia công với lượng chạy dao S từ 0,02 đến 0,15 mm/vòng, bề mặt gia công sẽ có độ nhấp nhô tế vi giảm Nếu S nhỏ hơn 0,02 mm/vòng, độ nhấp nhô tế vi sẽ tăng lên, dẫn đến độ nhẵn bóng giảm do biến dạng dẻo chi phối Ngược lại, khi S lớn hơn 0,15 mm/vòng, biến dạng đàn hồi và các yếu tố hình học sẽ làm tăng độ nhám bề mặt Để đảm bảo độ nhẵn bóng và năng suất gia công tối ưu, nên chọn giá trị S từ 0,05 đến 0,12 mm/vòng cho thép cacbon.

2.2.1.3 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt

Chiều sâu cắt ảnh hưởng không đáng kể đến độ nhám bề mặt, nhưng nếu chiều sâu cắt quá lớn, rung động tăng có thể làm tăng độ nhám Ngược lại, chiều sâu cắt quá nhỏ khiến dao trượt trên bề mặt gia công, gây cắt không liên tục và làm tăng độ nhám Hiện tượng trượt dao thường xảy ra khi chiều sâu cắt nằm trong khoảng 0,02÷0,03 mm.

2.2.2 Ảnh hưởng của vật liệu dụng cụ cắt và vật liệu gia công Ảnh hưởng của vật liệu dụng cụ cắt đến quá trình tạo phoi và chất lượng bề mặt khi gia công được xét qua quan hệ giữa cơ lý tính của vật liệu gia công và tính cắt của vật liệu làm dao Tính cắt của vật liệu làm dao phải đảm bảo các yêu cầu: độ cứng, độ bền cơ học, tính chịu nhiệt, tính chịu mòn và tính công nghệ [7] Do có tính dẻo, nên khi gia công hợp kim nhôm thường bị dính trong khi cắt, có xu hướng hình thành phoi dài, dạng dây

Giới hạn vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh trang thiết bị trong nước và điều kiện thí nghiệm tại trường đại học kỹ thuật công nghiệp, nghiên cứu này nhằm nâng cao độ nhám bề mặt và giảm chi phí gia công cho các chi tiết thành mỏng Tác giả tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến độ nhám bề mặt khi phay cạnh chi tiết thành mỏng được làm từ hợp kim nhôm A6061.

Từ đó tác giả tập trung giải quyết các vấn đề sau:

+ Tìm hiểu lý thuyết về hợp kim nhôm, chi tiết thành mỏng và quá phay hợp kim nhôm

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của một thông số công nghệ tới nhám bề mặt khi gia công chi tiết thành mỏng làm bằng hợp kim nhôm A6061.

Phương pháp nghiên cứu

- Tổng hợp và phân tích số liệu thực tế;

- Xử lý các số liệu thực nghiệm có sự trợ giúp của máy tính;

- Rút ra những quy luật từ kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

- Chương này trình bày khái quát về hợp kim nhôm và chi tiết thành mỏng làm bằng hợp kim nhôm A6061

Quá trình phay chi tiết mỏng từ hợp kim nhôm thường gặp phải tình trạng biến dạng do độ cứng vững của vật liệu thấp Việc này ảnh hưởng đến chất lượng gia công và yêu cầu các biện pháp kiểm soát kỹ thuật để giảm thiểu sự biến dạng trong quá trình sản xuất.

Quá trình tạo phoi và nhám bề mặt khi phay chi tiết thành mỏng chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố quan trọng Nghiên cứu cho thấy, khi phay các chi tiết làm từ hợp kim nhôm, nhám bề mặt gia công bị tác động bởi các thông số công nghệ như vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt và chiều rộng cắt Những yếu tố này cần được tối ưu hóa để đạt được chất lượng bề mặt tốt nhất trong quá trình gia công.

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ, bao gồm vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt và chiều rộng cắt, tới nhám bề mặt và biến dạng của chi tiết gia công Mục tiêu là xây dựng một mô hình nghiên cứu chi tiết dựa trên các yếu tố này.

Nghiên cứu này áp dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm để phân tích ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt và biến dạng của chi tiết khi phay các chi tiết mỏng được chế tạo từ hợp kim nhôm.

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT TỚI ĐỘ NHÁM BỀ MẶT VÀ BIẾN DẠNG CHI TIẾT KHI PHAY CHI TIẾT HỢP

Đặt vấn đề

Mục tiêu nghiên cứu của tác giả là phân tích ảnh hưởng của chế độ công nghệ trong quá trình phay chi tiết mỏng bằng hợp kim nhôm A6061 Các thông số công nghệ được khảo sát bao gồm vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt và chiều rộng cắt Kết quả nghiên cứu được đánh giá thông qua các chỉ tiêu như nhám bề mặt và độ biến dạng của chi tiết.

Thiết kế hệ thống thí nghiệm

3.2.1 Yêu cầu của hệ thống thí nghiệm

Xây dựng hệ thống thí nghiệm phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Đáp ứng được yêu cầu lý thuyết cần nghiên cứu

- Đảm bảo độ chính xác, độ tin cậy và độ ổn định

- Đảm bảo việc thu thập, lưu trữ và xử lý số liệu thuận lợi

- Đảm bảo tính khả thi

- Đảm bảo tính kinh tế

Quá trình thí nghiệm được thực hiện trên trung tâm gia công Mazak

530 C do nhật bản sản xuất Thông số kỹ thuật của trung tâm phay Mazak 530C được thể hiện trong bảng 3.1

Hình 3 1 Trung tâm phay đứng Mazak 530C

Thông số kỹ thuật Giá trị

Kích thước bàn máy 1300x660mm

Tốc độ lớn nhất của trục chính 12000 vòng/phút

Hành trình chạy dao X-Y-Z 1060-630-610 mm

Dao phay ngón 3 răng cắt, góc xoắn 45 độ, mã 36588 của hãng YG Hàn Quốc, được làm từ vật liệu các bít không phủ, là dụng cụ cắt chuyên dụng cho gia công hợp kim nhôm và hợp kim màu Sản phẩm này thích hợp cho gia công tinh, mang lại chất lượng bề mặt cao.

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của dao phay ngón sử dụng cho thí nghiệm Đường kính dao

Chiều dài phần cắt (in)

Hình 3 2 Dao phay ngón của hãng YG

Dao phay ngón YG được thiết kế cho gia công với vận tốc cắt cao, mang lại hiệu suất gia công tối ưu Mặc dù hãng cung cấp chế độ cắt khuyến cáo cho các trường hợp với cùng đường kính, tác giả đã chọn dải vận tốc cắt và lượng chạy dao dựa trên khả năng công nghệ của hệ thống thí nghiệm và khuyến cáo từ nhà sản xuất Nghiên cứu này tập trung vào việc lựa chọn bộ thông số công nghệ phù hợp cho quá trình gia công tinh chi tiết thành mỏng, nhằm đạt được hiệu quả cao nhất trong quá trình gia công.

Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN đã số hóa thông tin về công nhôm A6061, trong đó tác giả đã chọn chiều sâu cắt và chiều rộng cắt theo bảng 3.2.

Hình 3 3 Chế độ cắt khuyến cáo của nhà sản xuất khi phay cạnh

Bảng 3.2 Chế độ cắt khảo sát

Thông số Dải tốc độ khảo sát

Lượng chạy dao răng (mm/răng) 0.02 0.06

3.2.2.4 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi a, Thiết kế thí nghiệm

Phương pháp thiết kế thí nghiệm Taguchi, với ma trận thí nghiệm đơn giản, đã chứng minh hiệu quả trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu từ những năm 1970 Nghiên cứu cho thấy phương pháp này không chỉ áp dụng trong hàn lâm mà còn trong sản xuất, đặc biệt hữu ích cho những người có kiến thức hạn chế về thống kê.

Các bảng Taguchi có thể được tạo ra bằng tay hoặc thông qua phần mềm, tùy thuộc vào số lượng thông số và mức giá trị thay đổi Phân tích phương sai (ANOVA) từ dữ liệu ma trận thí nghiệm của Taguchi giúp lựa chọn các thông số mới để tối ưu hóa kết quả đầu ra Dữ liệu này có thể được phân tích bằng biểu đồ, hình ảnh, ANOVA và hệ số kiểm tra Fisher (F), cho phép giảm thiểu số lượng thí nghiệm cần thiết để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính của quá trình hoặc sản phẩm Phương pháp Taguchi giúp nhanh chóng điều chỉnh các thông số để đạt được tối ưu, đặc biệt trong việc tìm tổ hợp thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình cắt trong mô hình thí nghiệm đơn lưỡi cắt.

Thông số đầu vào và các mức của các thông số

Nghiên cứu này nhằm khảo sát tác động của các thông số công nghệ đến biến dạng chi tiết và độ nhám bề mặt khi phay chi tiết mỏng bằng hợp kim nhôm, sử dụng dao phay carbide không phủ Các thông số được khảo sát bao gồm vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt và chiều rộng cắt, với các mức giá trị được trình bày trong bảng 3.3.

Bảng 3.3 Các thông số khảo sát và mức giá trị tương ứng

TT Yếu tố khảo sát Ký hiệu Mức giá trị

Sự tương tác giữa các yếu tố

Việc lựa chọn sự tương tác giữa các thông số trong nghiên cứu được xác định bởi ảnh hưởng lẫn nhau của chúng đến kết quả cuối cùng Trong khuôn khổ nghiên cứu, các yếu tố tương tác sẽ được xem xét một cách chi tiết.

Bậc tự do của ma trận thí nghiệm

Bậc tự do của ma trận thí nghiệm được xác định bằng tổng bậc tự do của các thông số với bậc tự do các sự tương tác, bảng 3.4:

Bậc tự do của một thông số được tính bằng công thức dof = K - 1, trong đó K là số mức giá trị của thông số đó Đối với mỗi tương tác giữa các thông số, bậc tự do được xác định bởi công thức dof(AxB) = (KA - 1) * (KB - 1), với KA và KB lần lượt là số mức giá trị của thông số A và B.

Bảng 3.4 Bậc tự do của ma trận thí nghiệm

Như vậy ma trận thí nghiệm này có bậc tự do là 8 và bảng ma trận thí nghiệm của Taguchi được lựa chọn phải lớn hơn hoặc bằng 8

Với các thông số khảo sát về vận tốc cắt (A), lượng chạy dao (B), chiều sâu cắt (C) và chiều rộng cắt (D) có ba mức giá trị, thiết kế thí nghiệm L9 (như bảng 3.5) đã được chọn để phân tích ảnh hưởng của các thông số này tới các yếu tố đầu ra Từ đó, ma trận thí nghiệm được hình thành như trình bày trong bảng 3.6.

Bảng 3.5 Thiết kế thí nghiệm L9

Bảng 3.6 Ma trận thí nghiệm

Lượng chạy dao (mm/răng)

Mô hình thí nghiệm được thiết lập nhằm đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến biến dạng chi tiết và độ nhám bề mặt Hai chỉ tiêu chính được lựa chọn trong mô hình thí nghiệm là biến dạng chi tiết và độ nhám bề mặt.

- Dụng cụ đo: dùng đồng hồ so có giá trị thang chia 0,001 mm

Để đảm bảo rằng biến dạng của chi tiết không bị ảnh hưởng bởi độ chính xác của phôi ban đầu, việc đo biến dạng chi tiết được thực hiện ngay sau khi gia công trên máy phay CNC.

Độ nhám bề mặt là chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng lớp bề mặt, và nó có thể thay đổi đáng kể khi dao bị mòn Do đó, việc lựa chọn độ nhám bề mặt sau gia công là yếu tố cần khảo sát trong các thí nghiệm Độ nhám bề mặt được đo bằng máy đo độ nhám SJ210 thuộc bộ môn chế tạo máy.

Hình 3 5 Đo độ nhám sản phẩm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn d, Phân tích kết quả

Phân tích sự thay đổi:

Tổng các bình phương (SS) là chỉ số dùng để đo lường độ lệch của dữ liệu thí nghiệm so với giá trị trung bình của nó Khi nghiên cứu một hệ số A, việc tính toán tổng các bình phương giúp chúng ta hiểu rõ hơn về sự biến thiên của dữ liệu.

N – Số lượng giá trị được kiểm tra

– Giá trị trung bình của các kết quả kiểm tra yi của đối tượng thứ i

- Tổng bình phương của hệ số A (SSA):

Ai – Giá trị tại mức i của thí nghiệm

NK – Số lượng kiểm tra tại trạng thái i

T – Tổng giá trị kiểm tra

– Giá trị trung bình của các kết quả khảo sát nAi – Số kết quả khảo sát ở điều kiện Ai

- Tổng bình phương các lỗi (SSe): Phân bố bình phương của các giá trị khảo sát từ giá trị trung bình của trạng thái A

- Tổng bình phương của các tương tác (SSAxB):

- Tổng bình phương cho các hệ số ở trạng thái lặp: giả sử có A1 và trạng thái thể hiện việc lặp lại là ta có:

- Phần trăm phân bố sự thay đổi của thông số A:

Hệ số Fisher (F) là công cụ đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số khảo sát đến biến đầu ra Các thông số có giá trị F lớn hơn sẽ có ảnh hưởng mạnh mẽ hơn đến kết quả đầu ra, với cách xác định F được trình bày cụ thể trong tài liệu [34].

MSĐK – Giá trị trung bình bình phương cho điều kiện

MSLĐK – Giá trị trung bình bình phương cho lỗi điều kiện

Phương pháp Taguchi sử dụng tỷ số tín hiệu nhiễu S/N để đánh giá ảnh hưởng của các thông số đến giá trị đầu ra của sản phẩm Quá trình này giúp xác định kết quả tối ưu với độ nhạy thấp nhất trước nhiễu Hệ số S/N của các kết quả đầu ra được xác định dựa trên các chỉ tiêu cụ thể.

- Giá trị lớn hơn là tốt hơn:

(S/N)HB=-10.log(MSDHB) (3.11) Trong đó:

MSDHB – Sai lệch bình phương trung bình

Kết quả và thảo luận

Sau khi gia công tiến hành đo nhám và đo biến dạng chi tiết như hình 3.7 và 3.8 Kết quả thu được thể hiện trong bảng 3.7

Hình 3 7 Đo biến dạng chi tiết

Hình 3 8 Đo nhám bề mặt

Bộ thí nghiệm được tổng hợp và xử lý bằng phần mềm minitab 16, thu được kết quả tỷ số tín hiệu nhiễu S/N như trong bảng 3.7

Bảng 3.7 Giá trị biến dạng chi tiết, độ nhám và tỷ số S/N tương ứng

(m/ph) fz (mm/răng) a (mm) b (mm) x

Ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát tới biến dạng chi tiết khi phay chi tiết thành mỏng

Sử dụng phần mềm Minitab để phân tích phương sai cho giá trị lượng biến dạng chi tiết, kết quả cho thấy giá trị trung bình của biến dạng chi tiết thay đổi theo các mức khác nhau của từng thông số khảo sát Theo hình 3.9, chiều rộng cắt là thông số có ảnh hưởng mạnh nhất đến giá trị trung bình của biến dạng chi tiết, tiếp theo là vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt.

Giá trị trung bình của biến dạng chi tiết và mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ được thể hiện rõ qua các hình 3.10-3.14 Đồ thị phân tích ảnh hưởng của các thông số tới giá trị biến dạng của chi tiết, từ đó cung cấp cái nhìn chi tiết về sự tương tác giữa chúng.

Radial depth of cut Axial depth of cut

Main Effects Plot for Means

Hình 3 10 Ảnh hưởng tới giá trị trung bình của lượng biến dạng chi tiết

Khi tăng vận tốc cắt từ 250 m/phút lên 350 m/phút, lượng biến dạng trung bình của chi tiết giảm từ 94 μm xuống 64,33 μm Điều này cho thấy rằng khi phay nhôm với chiều sâu cắt nhỏ, việc tăng vận tốc cắt sẽ giúp giảm lực cắt và giảm lượng biến dạng của chi tiết.

Khi tăng kích thước lớp cắt, bao gồm chiều sâu và chiều rộng cắt, lượng biến dạng của chi tiết sẽ tăng lên Đặc biệt, sự gia tăng chiều rộng cắt có tác động mạnh mẽ hơn đến biến dạng Nguyên nhân là do việc tăng chiều sâu và chiều rộng cắt làm gia tăng lực cắt, đồng thời giảm độ cứng vững của chi tiết, dẫn đến sự gia tăng đáng kể về độ biến dạng.

Kết quả phân tích cho thấy rằng lượng chạy dao có ảnh hưởng đáng kể đến biến dạng của chi tiết trong quá trình phay Cụ thể, khi tăng lượng chạy dao từ 0,02 mm/răng lên 0,04 mm/răng, lượng biến dạng của chi tiết giảm Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng lượng chạy dao lên 0,06 mm/răng, lượng biến dạng lại tăng trở lại.

Dựa vào phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến lượng biến dạng chi tiết, có thể lựa chọn bộ thông số công nghệ như sau: V50 m/ph, fz=0.04 mm/răng, a=0.3 mm và b=8 mm.

Phân tích Taguchi giúp đánh giá ảnh hưởng của các thông số khảo sát đối với giá trị trung bình của biến dạng chi tiết, như thể hiện trong hình 3.11-3.16.

Hình 3 11 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và lượng chạy dao tới lượng biến dạng của chi tiết

Hình 3 12 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và chiều sâu cắt tới lượng biến dạng của chi tiết

Hình 3 13 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và chiều rộng cắt tới lượng biến dạng của chi tiết

Hình 3 14 Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao và chiều sâu cắt tới lượng biến dạng của chi tiết

Hình 3 15 Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao và chiều rộng cắt tới lượng biến dạng của chi tiết

Hình 3 16 Ảnh hưởng tương tác giữa chiều sâu cắt và chiều rộng cắt tới lượng biến dạng của chi tiết

Sử dụng phần mềm Minitab để phân tích tỷ số tín hiệu nhiễu S/N giúp đánh giá ảnh hưởng của các thông số khảo sát đối với biến dạng chi tiết thành mỏng khi phay Kết quả cho thấy tỷ số S/N của biến dạng chi tiết thay đổi theo từng thông số khảo sát, với vận tốc cắt và chiều rộng cắt là hai yếu tố có ảnh hưởng mạnh nhất Thứ tự ảnh hưởng của các thông số tới giá trị tỷ số S/N được thể hiện rõ trong 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 được thể hiện trong hình 3.17 Kết quả khảo sát cho thấy tỷ số S/N tăng nhanh khi vận tốc cắt gia tăng, đạt giá trị lớn nhất tại vận tốc cắt tối ưu.

Tại tốc độ 350m/ph, tỷ số S/N giảm mạnh khi chiều rộng cắt tăng Trong khi đó, lượng chạy dao và chiều sâu cắt không có ảnh hưởng đáng kể đến tỷ số S/N của biến dạng chi tiết Tỷ số S/N đạt giá trị cao nhất với thông số V 50m/ph, fz=0.04mm/răng, a=0.6mm và b=8mm.

Main Effects Plot for SN ratios

Signal-to-noise: Smaller is better

Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến tỷ số S/N của lượng biến dạng chi tiết được phân tích qua các hình 3.19-3.24 Kết quả cho thấy sự tương tác giữa các thông số khảo sát có ảnh hưởng đáng kể đến tỷ số S/N, đặc biệt là ở vận tốc cắt 250m/ph, fz 0.06mm/răng, chiều sâu cắt 1.2mm và chiều rộng cắt 16mm.

Interaction Plot for SN ratios

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

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

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

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

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

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

3.4.1 Ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát tới độ nhám bề mặt gia công

Sử dụng phần mềm Minitab để phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt khi phay chi tiết mỏng bằng hợp kim nhôm cho thấy giá trị trung bình độ nhám tương ứng với từng mức khảo sát Kết quả chỉ ra rằng tỷ lệ bột là yếu tố có ảnh hưởng mạnh nhất đến độ nhám bề mặt gia công, như được thể hiện trong hình 3.25.

Kết quả khảo sát cho thấy giá trị độ nhám trung bình của bề mặt gia công bị ảnh hưởng bởi các thông số cắt Cụ thể, khi vận tốc cắt tăng từ 250 m/phút lên 300 m/phút, độ nhám trung bình giảm, nhưng khi tăng lên 350 m/phút, độ nhám lại tăng Độ nhám đạt giá trị nhỏ nhất ở 300 m/phút Lượng chạy dao cũng có ảnh hưởng đáng kể, với độ nhám nhỏ nhất khi fz=0.04mm Ngược lại, khi chiều sâu cắt tăng, độ nhám bề mặt cũng tăng theo Chiều rộng cắt không ảnh hưởng nhiều đến độ nhám bề mặt Các tương tác giữa các thông số khảo sát cũng được phân tích và thể hiện rõ trong các hình 3.26-3.32.

Nghiên cứu của Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN cho thấy rằng các thông số công nghệ có sự tương tác mạnh mẽ, ảnh hưởng đáng kể đến độ nhám bề mặt chi tiết Đặc biệt, tại vận tốc cắt 250m/ph, kích thước lưỡi cắt fz 0.06mm/răng, chiều sâu cắt 1.2mm và chiều rộng cắt 16mm, độ nhám bề mặt có sự thay đổi rõ rệt.

Main Effects Plot for Means

Hình 3 26 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới giá trị độ nhám trung bình

Hình 3 27 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và lượng chạy dao tới giá trị độ nhám trung bình

Hình 3 28 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và chiều rộng cắt tới giá trị độ nhám trung bình

Hình 3 29 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và chiều sâu cắt tới giá trị độ nhám trung bình

Hình 3 30 Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao và chiều sâu cắt tới giá trị độ nhám trung bình

Hình 3 31 Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao và chiều rộng cắt tới giá trị độ nhám trung bình

Hình 3 32 Ảnh hưởng tương tác giữa chiều sâu cắt và chiều rộng cắt tới giá trị độ nhám trung bình

Sử dụng phần mềm Minitab để phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới tỷ số tín hiệu nhiễu S/N cho độ nhám trung bình, kết quả cho thấy tỷ số S/N thay đổi theo từng mức khác nhau của các thông số khảo sát Đặc biệt, lượng chạy dao răng và chiều sâu cắt được xác định là hai thông số có ảnh hưởng mạnh nhất đến tỷ số S/N của độ nhám trung bình trên bề mặt gia công, như thể hiện trong hình 3.33.

Hình 3 33 Tỷ số S/N của độ nhám trung bình và mức độ ảnh hưởng của các thông số

Kết luận chung

Qua 3 chương đề tài đã giải quyết được các vấn đề sau:

Nghiên cứu được đặc điểm của quá trình phay và các yếu tố cơ bản của quá trình phay

Nghiên cứu được đặc điểm và các yếu tố ảnh hưởng tới biến dạng và nhám bề mặt khi phay chi tiết thành mỏng làm bằng hợp kim nhôm

Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi, chúng tôi xây dựng ma trận thí nghiệm nhằm phân tích tác động của các thông số công nghệ đến biến dạng chi tiết và độ nhám bề mặt gia công.

Nghiên cứu chỉ ra rằng khi gia công chi tiết mỏng, độ cứng vững thấp dẫn đến biến dạng lớn Để giảm thiểu lượng biến dạng, tác giả đã đề xuất bộ thông số công nghệ với V50m/ph, fz=0.04mm/răng, a=0.6mm và b=8mm.

Nghiên cứu xác định bộ thông số công nghệ tối ưu để đảm bảo độ nhám bề mặt chi tiết là V00m/ph, fz=0.04, chiều sâu cắt 0.3mm và chiều rộng cắt 12mm.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới lực cắt và rung động trong quá trình gia công

[1] Agba, E.I., Ishee, D & Berry, J.T., "High speed machining of thin walled structures", in: 3rd international machining and grinding conference (SME), Cincinnati, Ohio, 1999

[2] Sebastien, S., Francisco J., Campa and Norberto L D L., Lionel A and Gilles D., Gorka A., 2008, Toolpath dependent stability lobes for the milling of thin-walled parts

[3] Smith, S & Dvorak, D., "Tool path strategies for high speed milling of aluminium workpieces with thin webs", in: Mechatronics, vol 8, 1998, p 291-300

[4] Trent E M and Wright P.K (2000), Metal Cutting, Butterworth- Heinemann, USA

[5] Zorev N N (1966), Metal Cutting Mechanics, Pergamon Press, Oxford

[6] Doyle E D Home J C and Tabor D (1979), ‘’Frictional Interaction beween Chip Land Rake Face in Continuous Chip Formation’’, Proceeding of Royal Society Lodon, A 336, pp 173-183

[7] TS Nguyễn Văn Hùng; Tính gia công vật liệu chế tạo máy; Trường ại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên; 2009

[8] Khabeery, M.M.El., Fattouh, M., 1988 Residual stress distribution caused by milling.Int J Mach Tools Manuf 29 (3), 391–401

[9] Kuang, H.F., Wu, C.F., 1995 A residual stress model for the milling of aluminum alloy (2014-T6) J Mater Process Technol 51, 87–105

[10] Coto, B., Navas, V.G., Gonzalo, O., Aranzabe, A., Sanz, C.,

2011 Influences of turning parameters in surface residual stresses in AISI 4340 steel Int J Adv Manuf Technol 53, 911–919

[11] Navas, V.G., Gonzalo, O., Bengoetxea, I., 2012 Effect of cutting parameters in the surface residual stresses generated by turning in AISI4340 steel Int J Mach Tools Manuf 61, 48–57

[12] Mohammadpour, M., Razfar, M.R., Jalili Saffar, R., 2010 Numerical investigating the effect of machining parameters on residual stresses in orthogonal cutting Simul Model Pract Theory 18, 378–389

[13] Liang, S.Y., Su, J.C., 2007 Residual stress modeling in orthogonal machining CIRPAnn.: Manuf Technol 56 (1), 65–68

[14] Ulutan, D., Alaca, B.E., Lazoglu, I., 2007 Analytical modeling of residual stresses in machining J Mater Process Technol 183, 77–87

2011 Measurement and prediction of machining induced redistribution of residual stress in the aluminium alloy 7449 Exp Mech 51, 981–993

[16] H Ning, W Zhigang, J Chengyu, Z Bing, Finite Elemet Method Analysis and Control Stratagem for Machining Deformation of Thin Walled Components, Journal of Materials Processing Technology, 139(1−3)(2003)332–336

[17] E Budak Analytical Model for High Performance Milling Part I: Cutting Forces, Structural Deformations and Tolerance Intergrity, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 46 (12−13) (2006) 1489–1499

[18] Z.T.Tang, Z.Q.Liu, Y.Z.Pan, Y.Wan,X.Ai, The Influence Of Tool Flank Wear On Residual Stresses Induced By Milling Aluminium Alloy, Journal of Materials Processing Technology, 209(9) (2009)4502–4508

[19] K.A Shamsuddin, A.R Ab-Kadir, M.Z Osman, A Comparison of Milling Cutting Path Strategies for Thin-Walled Aluminum Alloys Fabrication, The International Journal of Engineering and Science, 2 (3) (2013)1−8

[20] S Seguy, G Dessein, L Arnaud, Surface Roughness Variation of Thin Wall Milling, Related to Model Interactions, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 48(3−4) (2008) 261−274

[21] I Mane, V Gagnol, B.C Bouzgarrou, P Ray, Stability-based Spindle Speed Control During Flexible WorkpieceHigh Speed Milling,

International Journal of Machine Tools and Manufacture,48(2) (2008) 184−194

[22] M.A Davies, B Balachandran, Impact Dynamics in Milling of Thin Walled Structures, Nonlinear Dynamics, 22(4)(2000) 375−392

[23] P.G Benardos, G.C Vosniakos, Predicting Surface Roughness in Machining, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 43(8)

[24] V Thevenot, L Arnoud, G Dessien, G Cazenava-Larroche, Influence of Material Removal on Dynamic Behavior of Thin Walled Structure in Peripheral Milling, Machining Science and Technology, 10(3) ( 2006)275−287

[25] M Wan, J Feng, W.H Zhang, Y Yang, Y.C Ma, Working mechanism of helix angle on peak cutting forces together with its design theory for peripheral milling tools, J Mater Process Technol 249 (2017) 570–580

A study conducted by Jabbaripour, Sadeghi, and Faridvand at the 7th Jordanian International Mechanical Engineering Conference (JIMEC’7) in 2010 examined the impact of cutter path strategies and variations in cutting speed on the milling process of thin-walled components The research highlights the significance of optimizing these factors to enhance machining efficiency and part quality in manufacturing thin-walled parts.

The study by Durakbasa et al (2015) focuses on optimizing end milling parameters to enhance the surface quality of AISI H13 steel By employing precise and rapid measurement techniques, the research identifies the significant effects of edge profile on machining outcomes The findings contribute valuable insights for improving manufacturing processes and achieving superior surface finishes in steel machining.

The milling of airframe components with low rigidity presents unique challenges related to static and dynamic issues Herranz et al (2005) provide a comprehensive approach to address these problems, emphasizing the importance of understanding the mechanical behavior of materials during the manufacturing process Their research, published in the Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, highlights techniques to enhance precision and stability in machining operations, ultimately improving the quality and performance of airframe components.

[29] A Polishetty, M Goldberg, G Littlefair, M Puttaraju, P Patile, A Kalra, A preliminary assessment of machinability of titanium alloy Ti6Al4V during thin wall machining using trochoidal milling, 12th

Tiêu đề	Nghiên Cứu Xác Định Chế Độ Công Nghệ Hợp Lý Khi Phay Các Chi Tiết Hợp Kim Nhôm Thành Mỏng
Tác giả	Lê Mạnh Đức
Người hướng dẫn	PGS.TS. Hoàng Vị
Trường học	Đại học Thái Nguyên
Chuyên ngành	Kỹ thuật Cơ khí
Thể loại	luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Năm xuất bản	2019
Thành phố	Thái Nguyên

Định dạng
Số trang	96
Dung lượng	2,9 MB