Trang 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- PHẠM HỮU NGUYÊNNGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC CỦA PHOI TRONG QUÁ TRÌNH CẮT VẬT LIỆU HỢP KIM Ti-6AL-4V VÀ SO SÁNH VỚI HÌNH DẠNG TRONG Q TRÌNH
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM HỮU NGUYÊN NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC CỦA PHOI TRONG QUÁ TRÌNH CẮT VẬT LIỆU HỢP KIM Ti-6AL-4V VÀ SO SÁNH VỚI HÌNH DẠNG TRONG Q TRÌNH CẮT MƠ PHỎNG SỬ DỤNG PHẦN TỬ HỮU HẠN CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nguyễn Kiên Trung Hà Nội - 2018 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205065311000000 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy Mục lục DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ iv DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU vii LỜI CAM ĐOAN viii LỜI NÓI ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Đối tƣợng nghiên cứu 1.3 Mục đích nghiên cứu 1.3.1 Phƣơng pháp nghiên cứu 1.3.2 Cơ sở khoa học ý nghĩa thực tiễn đề tài 1.4 Bố cục đề tài 1.5 Lời cảm ơn CHƢƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.1.1 Quá trình tạo phoi gia công cắt gọt 1.1.2 Quá trình hình thành phoi 1.2 Phân loại dạng phoi 1.2.1 Phoi dây 1.2.2 Phoi vụn 1.2.3 Phoi xếp - phoi cƣa 1.3 Các yếu tố ảnh hƣởng tới đặc trƣng hình học phoi 1.3.1 Ảnh hƣởng vật liệu phôi dụng cụ cắt 1.3.2 Ảnh hƣởng chế độ cắt thơng số hình học dao 1.4 Kết luận chƣơng 12 CHƢƠNG ĐẶC TRƢNG CỦA QUÁ TRÌNH CẮT VẬT LIỆU TITAN 13 2.1 Đặc điểm vật liệu hợp kim Titan ứng dụng 13 2.1.1 Đặc điểm vật liệu hợp kim tian 13 2.1.2 Tổ chức tế vi hợp kim Titan 15 Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page i Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy 2.1.3 Sự chuyển pha hợp kim titan 19 2.1.4 Cấu trúc tế vi hợp kim Titan α + β 20 2.2 Ứng dụng hợp kim Titan 22 2.2.1 Ngành công nghiệp hàng không vũ trụ 22 2.2.2 Ngành cơng nghiệp đóng tàu 23 2.2.3 Ngành công nghiệp ô tô 24 2.2.4 Ngành kiến trúc 25 2.2.5 Trong lĩnh vực thể thao 26 2.2.6 Trong y học 27 2.2.7 Trong máy tính cơng nghiệp 27 2.2.8 Công nghiệp thực phẩm 28 2.2.9 Trong ngành đồ trang sức 28 2.3 Đặc điểm trình cắt vật liệu hợp kim Titan 29 2.4 Kết luận chƣơng hai 36 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU CÁC THƠNG SỐ HÌNH HỌC ĐẶC TRƢNG CỦA QUÁ TRÌNH TIỆN TITAN VÀ SO SÁNH QUÁ TRÌNH CẮT MƠ PHỎNG 38 3.1 Phƣơng pháp xác định thơng số hình học phoi 38 3.1.1 Các thơng số hình học đặc trƣng cho phoi cƣa 38 3.1.2 Một số phƣơng pháp xác định hình học phoi, ƣu nhƣợc điểm 39 3.2 Đánh giá ảnh hƣởng tổ chức tế vi chế độ cắt đến hình dáng hình học phoi cắt hợp kim Titan 42 3.2.1 Sơ đồ trình cắt thực nghiệm 42 3.2.2 cƣa Cách thức tiến hành thực nghiệm đo thông số phoi 44 3.2.3 Khảo sát ảnh hƣởng chế độ cắt tới thông số hình học phoi tổ chức tế vi 48 3.2.4 Khảo sát ảnh hƣởng tổ chức tế vi tới thơng số hình học phoi tốc độ cắt 61 3.3 So sánh hình dạng phoi trình cắt thực tế cắt mô 70 Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page ii Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy 3.3.1 So sánh hình dạng phoi trình cắt thực nghiệm tốc độ cắt 61 m/min trình mô tốc độ cắt 60 m/min 71 3.3.2 So sánh hình dạng phoi trình cắt thực nghiệm tốc độ cắt 122 m/min q trình mơ tốc độ cắt 180 m/min 73 3.4 Kết luận chƣơng ba 75 CHƢƠNG KẾT LUẬN 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page iii Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Q trình hình thành phoi q trình gia cơng cắt gọt Hình 1.2 Các dạng phoi điển hình Hình 1.3 Dạng phoi phổ biến cho loại vật liệu (P- thép, M- thép không gỉ, K- gang, N- Kim loại màu, S- Vật liệu dẫn nhiệt kém, H-thép nhiệt luyện) Hình 1.4 Các vùng cắt tốc độ thấp (convetional range) tốc độ cao (HSC) cho số vật liệu gia công phổ biến Hình 1.5 a) Phoi cƣa vận tốc cắt 400 m/phút, b) phoi chuyển tiếp vận tốc cắt 700 m/min nghiên cứu Arrazola (2007) Hình 1.6 Ảnh hƣởng điều kiện cắt đến hình thái phoi nghiên cứu Bermingham (2011) 10 Hình 1.7 Thơng số hình học phoi nghiên cứu Bermingham 11 Hình 2.1 Các pha hợp kim Ti-6Al-4V 15 Hình 2.2 Sơ đồ pha Titan theo nhiệt độ áp suất [Velsavjevic 2012] 16 Hình 2.3 Ảnh hƣởng nguyên tố hợp kim đến giản đồ pha trình chuyển pha Titan (Sơ đồ pha tiêu biểu) [Frees 2011] 16 Hình 2.4 Cấu trúc mạng BCC, HCP 17 Hình 2.5 Ứng suất trƣợt (CRSS) hàm nhiệt độ pha α [Lütjering, 2003] 18 Hình 2.6 a) Mô đun đàn hồi (E) b) độ cứng pha hàm góc γ trục c phƣơng lực [Lütjering, 2003; Britton, 2009] 18 Hình 2.7 Mơđun đàn hồi (E) mô đun trƣợt (G) pha alpha hàm nhiệt độ [Lütjering, 2003] 19 Hình 2.8 Sơ đồ pha đƣờng chuyển pha (β - transus) Titanium 20 Hình 2.9 Các loại tổ chức tế vi phổ biến hợp kim Ti64 [Attanasio, 2013; Maciej Motyka, 2012; Meyer, 2008] 21 Hình 2.10 Sơ đồ xử lý nhiệt cho hợp kim α + β Ti [Lütjering, 2003] 22 Hình 2.11 Các hợp kim Titan sử dụng động máy bay 23 Hình 2.12 Cánh quạt tàu sử dụng vật liệu hợp kim Titan 24 Hình 2.13 Động ô tô sử dụng vật liệu hợp kim Titan 25 Hình 2.14 Khung xe đạp thể thao hợp kim Titan 26 Hình 2.15 Ứng dụng hợp kim Titan y học 27 Hình 2.16 Ứng dụng hợp kim Titan máy mính 28 Hình 2.17 Ứng dụng hợp kim Titan thiết bị thực phẩm 28 Hình 2.18 Ứng dụng hợp kim Titan ngành trang sức 29 Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page iv Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy Hình 2.19 Sơ đồ pha hợp kim titan (E Gautier B Appolaire, Ecole de Mines de Nancy, Pháp) 32 Hình 2.20 Sự khởi đầu vết nứt gãy (crack initation) dải trƣợt nhiệt (adiabatic shear bands) 34 Hình 2.21 Sự phân bố nhiệt cắt dao phôi gia công (Konig [1979]) 35 Hình 3.1 Các thơng số đặc trƣng cho đỉnh (peak) phoi cƣa 38 Hình 3.2 Các thông số đặc trƣng đáy (Valley) phoi cƣa 39 Hình 3.3 Các thơng số đặc trƣng bề mặt trƣợt (Shear band) phoi cƣa 39 Hình 3.4 Xác định hình dạng thơng số hình học phoi phƣơng pháp mô phần tử hữu hạn FEM 41 Hình 3.5 Bốn cấu trúc tế vi hợp kim Ti-6Al-4V sử dụng thí nghiệm cắt (màu đen đậm: pha ; màu sáng pha ) 43 Hình 3.6 Mơ hình thí nghiệm tiện hợp kim Ti-6Al-4V 44 Hình 3.7 a) Hình ảnh mẫu gá đặt phoi, b) ảnh chụp phoi kính hiển vi điện tử 45 Hình 3.8 Chƣơng trình Matlab để đo thơng số 46 Hình 3.9 Đo thông số phoi đƣợc đo phần mềm Matlab 46 Hình 3.10 Bảng liệu thông số phoi thu đƣợc từ phần mềm Matlab 47 Hình 3.11 Dữ liệu thơng số đƣợc nhập vào phần mềm Sigma Plot 48 Hình 3.12 Hai dạng biểu đồ đƣợc sử dụng để biểu diễn thông số đặc trƣng cho phoi 48 Hình 3.13 Hình ảnh thơng số cho đỉnh cƣa phoi với tổ chức tế vi dạng Bet 49 Hình 3.14 Hình ảnh thơng số cho đỉnh cƣa phoi với tổ chức tế vi dạng Elo 50 Hình 3.15 Hình ảnh thơng số cho đỉnh cƣa phoi với tổ chức tế vi dạng Mill 51 Hình 3.16 Hình ảnh thơng số cho đỉnh cƣa phoi với tổ chức tế vi dạng Sta 52 Hình 3.17 Hình ảnh thông số cho đáy cƣa phoi với tổ chức tế vi dạng Bet 53 Hình 3.18 Hình ảnh thơng số cho đáy cƣa phoi với tổ chức tế vi dạng Elo 54 Hình 3.19 Hình ảnh thông số cho đáy cƣa phoi với tổ chức tế vi dạng Mill 55 Hình 3.20 Hình ảnh thơng số cho đáy cƣa phoi với tổ chức tế vi dạng Sta 56 Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page v Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy Hình 3.21 Hình ảnh thông số bề mặt trƣợt phoi cƣa phoi với tổ chức tế vi dạng Bet 57 Hình 3.22 Hình ảnh thơng số bề mặt trƣợt phoi cƣa phoi với tổ chức tế vi dạng Elo 58 Hình 3.23 Hình ảnh thông số bề mặt trƣợt phoi cƣa phoi với tổ chức tế vi dạng Mill 59 Hình 3.24 Hình ảnh thơng số bề mặt trƣợt phoi cƣa phoi với tổ chức tế vi dạng Sta 60 Hình 3.25 Hình ảnh thông số đỉnh phoi cƣa phoi tốc độ cắt thấp 61 m/min 61 Hình 3.26 Hình ảnh thơng số đỉnh phoi cƣa phoi tốc độ cắt trung bình 91 m/min 62 Hình 3.27 Hình ảnh thông số đỉnh phoi cƣa phoi tốc độ cắt cao 122 m/min 63 Hình 3.28 Hình ảnh thơng số đáy phoi cƣa phoi tốc độ cắt thấp 61 m/min 64 Hình 3.29 Hình ảnh thông số đáy phoi cƣa phoi tốc độ cắt trung bình 91 m/min 65 Hình 3.30 Hình ảnh thơng số đáy phoi cƣa phoi tốc độ cắt cao 122 m/min 66 Hình 3.31 Hình ảnh thông số bề mặt trƣợt phoi cƣa phoi tốc độ cắt thấp 61 m/min 67 Hình 3.32 Hình ảnh thơng số bề mặt trƣợt phoi cƣa phoi tốc độ cắt trung bình 91 m/min 68 Hình 3.33 Hình ảnh thông số bề mặt trƣợt phoi cƣa phoi tốc độ cắt cao 122 m/min 69 Hình 3.34 Hình ảnh phoi mơ phƣơng pháp phần tử hữu hạn FEM từ số nghiên cứu 71 Hình 3.35 So sánh thơng số hình học phoi trình cắt thực nghiệm tốc độ cắt 61 m/min q trình mơ tốc độ cắt 60 m/min 73 Hình 3.36 Hình ảnh biểu đồ so sánh thơng số hình học phoi trình cắt thực nghiệm tốc độ cắt 180 m/min q trình mơ tốc độ cắt 122 m/min 74 Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page vi Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các thông số đặc trƣng cho ba loại vật liệu phổ biến máy bay 23 Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page vii Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là: Phạm Hữu Nguyên học viên cao học lớp 16BCTM.KT khóa 2016B Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy Đề tài: Nghiên cứu thơng số hình học phoi trình cắt vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V so sánh với hình dạng trình cắt mơ sử dụng phần tử hữu hạn Giáo viên hƣớng dẫn: TS Nguyễn Kiên Trung Tôi xin cam đoan nghiên cứu luận văn tác giả thực Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page viii Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy LỜI NĨI ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết đề tài Hiện nay, hợp kim Titan nhận đƣợc nhiều quan tâm nhà nghiên cứu công ty ứng dụng vào sản xuất Với đặc tính học khả chống ăn mịn cao mà hợp kim Titan đƣợc ứng dụng nhiều ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, ngành công nghiệp ô tô, công nghiệp thực phẩm, đặc biệt y sinh Trong loại hợp kim Titan thì, hợp kim Ti-6Al-4V loại hợp kim đƣợc sử dụng rộng rãi công nghiệp nhƣ sử dụng nghiên cứu thực nghiệm mô Mặc dù có đặc tính học, độ bền, với khối lƣợng riêng thấp khả chống ăn mòn tuyệt vời nhƣng gia công hợp kim Ti-6Al-4V không giống với q trình gia cơng vật liệu thơng thƣờng Q trình cơng hợp kim Ti-6Al-4V nƣớc ta hầu nhƣ khơng có Do nghiên cứu q trình gia cơng Titan cần thiết Nghiên cứu hình dạng phoi hƣớng nghiên cứu nghiên cứu Xuất phát từ tầm quan trọng trên, tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu thơng số hình học phoi trình cắt vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V so sánh với hình dạng q trình cắt mơ sử dụng phần tử hữu hạn” Đối tƣợng đƣợc sử dụng để nghiên cứu hình ảnh phoi thu đƣợc cắt hợp kim Ti-6Al-4V 1.2 Đối tƣợng nghiên cứu Nghiên cứu thơng số hình học phoi trình cắt vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V bốn tổ chức tế vi khác ba tốc độ cắt khác nhau; so sánh hình dạng phoi thu đƣợc thực nghiệm trình cắt mô sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung