Nghiên cứu tối ưu hóa một số thông số công nghệ và bôi trơn tối thiểu khi phay mặt phẳng hợp kim ti 6al 4v

Nghiên cứu tối ưu hóa một số thông số công nghệ và bôi trơn tối thiểu khi phay mặt phẳng hợp kim ti 6al 4v Nghiên cứu tối ưu hóa một số thông số công nghệ và bôi trơn tối thiểu khi phay mặt phẳng hợp kim ti 6al 4v Nghiên cứu tối ưu hóa một số thông số công nghệ và bôi trơn tối thiểu khi phay mặt phẳng hợp kim ti 6al 4v Nghiên cứu tối ưu hóa một số thông số công nghệ và bôi trơn tối thiểu khi phay mặt phẳng hợp kim ti 6al 4v Nghiên cứu tối ưu hóa một số thông số công nghệ và bôi trơn tối thiểu khi phay mặt phẳng hợp kim ti 6al 4v Nghiên cứu tối ưu hóa một số thông số công nghệ và bôi trơn tối thiểu khi phay mặt phẳng hợp kim ti 6al 4v

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

1 PGS.TS HOÀNG TIẾN DŨNG

2 GS.TS PHẠM VĂN HÙNG

Hà Nội – Năm 2024

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới

sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Hoàng Tiến Dũng và GS.TS Phạm Văn Hùng Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất cứ công trình nghiên cứu nào khác

Hà Nội, ngày 11 tháng 03 năm 2024

Tác giả luận án

Nguyễn Văn Cảnh

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và lòng trân trọng nhất tới tập thể hướng dẫn khoa học của tôi, PGS.TS Hoàng Tiến Dũng và GS.TS Phạm Văn Hùng, những người thầy không chỉ là nguồn cảm hứng mà còn là kim chỉ nam cho bước đường nghiên cứu của tôi Sự hướng dẫn tận tâm, kiên nhẫn và

hỗ trợ không ngừng nghỉ của các Thầy trong suốt quá trình thực hiện luận án này

là điều không thể diễn tả hết bằng lời

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Ban giám hiệu Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về mặt điều kiện làm việc và trang thiết bị nghiên cứu, giúp tôi có thể tập trung vào luận án một cách tốt nhất

Sự ủng hộ và hỗ trợ này thật sự là nguồn động viên lớn lao đối với tôi trong suốt quá trình nghiên cứu

Bên cạnh đó, tôi không thể không nhắc đến sự giúp đỡ của các Thầy, Cô, đồng nghiệp tại Trường Cơ khí, Ô tô, Trung tâm Cơ khí và Trung tâm Việt Nhật

đã đóng góp ý kiến chuyên môn, hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện nghiên cứu Tôi xin cảm ơn sự hỗ trợ về tài chính, thời gian và tạo điều kiện giúp đỡ của Ban giám hiệu, phòng Tổ chức-hành chính, Trường Đại học công nghiệp Hà Nội Tôi cũng muốn bày tỏ lòng biết ơn vô hạn tới bố mẹ của tôi, những người

đã luôn bên cạnh, động viên và hỗ trợ tôi không chỉ trong quá trình này mà còn trong cuộc sống Sự hy sinh và tình yêu thương của bố mẹ là nguồn động lực vô giá giúp tôi vượt qua mọi khó khăn

Cuối cùng, lời cảm ơn sâu sắc nhất của tôi dành tới người vợ thương yêu của tôi, người bạn đồng hành, người luôn ủng hộ, chia sẻ mọi điều trong cuộc sống và công việc trong gần 20 năm qua Sự ủng hộ, chia sẻ và sư yêu thương từ

vợ và các con là nguồn động viên lớn lao giúp tôi luôn tiến về phía trước

Hà Nội, ngày 13 tháng 03 năm 2024

Tác giả luận án

Nguyễn Văn Cảnh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xi

DANH MỤC CÁC TỪ, CỤM TỪ VIẾT TẮT xii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU xv

MỞ ĐẦU xvi

1 Lý do lựa chọn đề tài xvi

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án xviii

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu xviii

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài xix

5 Phương pháp nghiên cứu xx

6 Nội dung nghiên cứu xx

7 Những đóng góp mới của đề tài xxi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG PHAY HỢP KIM TI-6AL-4V TRONG ĐIỀU KIỆN BÔI TRƠN TỐI THIỂU 1

1.1 HỢP KIM TITAN TI-6AL-4V 1

1.1.1 Titan 1

1.1.2 Hợp kim titan 1

1.2 ỨNG DỤNG CỦA HỢP KIM TI-6AL-4V 4

1.3 GIA CÔNG HỢP KIM TI-6AL-4V 9

1.3.1 Khả năng gia công của hợp kim Ti-6Al-4V 10 1.3.2 Bôi trơn – làm mát khi gia công cắt gọt hợp kim Ti-6Al-4V 14

1.4 BÔI TRƠN TỐI THIỂU VÀ ỨNG DỤNG TRONG GIA CÔNG

CẮT GỌT 16

1.4.1 Tổng quan về công nghệ bôi trơn tối thiểu MQL 17

1.4.2 Phân loại hệ thống MQL và ứng dụng 21

1.4.3 Dầu bôi trơn sử dụng trong MQL 22

1.5 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 23

1.5.1 Tổng quan nghiên cứu ngoài nước 23

1.5.2 Tổng quan nghiên cứu trong nước 27

1.6 KẾT LUẬN 29

CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA QUÁ TRÌNH PHAY MẶT PHẲNG HỢP KIM TI-6AL-4V 30

2.1 KHÁI QUÁT VỀ QUÁ TRÌNH PHAY 30

2.2 ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH PHAY MẶT PHẲNG 31

2.2.1 Lực cắt trong quá trình phay mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V 31 2.2.2 Rung động trong quá trình phay hợp kim Ti-6Al-4V 36

2.3 NHIỆT CẮT KHI PHAY TRONG ĐIỀU KIỆN BÔI TRƠN TỐI THIỂU 38

2.3.1 Sự sinh nhiệt trong quá trình phay 38

2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt cắt 39

2.4 MÒN DỤNG CỤ CẮT KHI GIA CÔNG 41

2.4.1 Cơ chế mài mòn dụng cụ cắt 42

2.4.2 Các dạng mòn dụng cụ cắt 43

2.5 ĐẶC TRƯNG/TÍNH CHẤT BỀ MẶT SAU KHI PHAY 45

2.5.1 Độ nhám bề mặt sau khi phay 47

2.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám 48

2.6 GIA CÔNG PHAY HỢP KIM TI-6AL-4V TRONG ĐIỀU KIỆN BÔI TRƠN TỐI THIỂU 49

2.6.1 Đặc điểm của quá trình gia công phay hợp kim Ti-6Al-4V 50

2.6.2 Ứng dụng bôi trơn tối thiểu khi gia công hợp kim Ti-6Al-4V 53

2.6.3 Đặc điểm dụng cụ cắt khi gia công hợp kim Ti-6Al-4V 54

2.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 55

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT 57

3.1 MỤC TIÊU VÀ YÊU CẦU 57

3.1.1 Mục tiêu 57

3.1.2 Yêu cầu 57

3.2 HỆ THỐNG THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG THỰC NGHIỆM 57

3.2.1 Đối tượng thực nghiệm 57

3.2.2 Thiết bị thực nghiệm 58

3.3 ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC MÔI TRƯỜNG BÔI TRƠN KHÁC NHAU TỚI ĐỘ NHÁM, LỰC CẮT MÒN DỤNG CỤ CẮT 63

3.3.1 Ma trận thực nghiệm 63

3.3.2 Tiến hành thí nghiệm 64

3.3.3 Kết quả và bình luận 65

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 72

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM, TỐI ƯU HÓA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ VÀ BÔI TRƠN TỐI THIỂU KHI PHAY MẶT PHẲNG HỢP KIM TI-6AL-4V 74

4.1 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 74

4.1.1 Mục tiêu 74

4.1.2 Nội dung nghiên cứu 74

4.2 XÂY DỰNG MA TRẬN VÀ TỔ CHỨC THỰC NGHIỆM 76

4.2.1 Xác định các thông số thực nghiệm 76

4.2.2 Xây dựng ma trận thực nghiệm 77

4.2.3 Tổ chức thực nghiệm 79

4.3 PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ ĐẦU VÀO TỚI CÁC CHỈ TIÊU ĐẦU RA 82

4.3.1 Ảnh hưởng của thông số đầu vào tới Ra 82

4.3.2 Ảnh hưởng của thông số đầu vào đến lực cắt Fc 85

4.3.3 Ảnh hưởng của thông số đầu vào đến tốc độ loại bỏ vật liệu MRR 88

4.4 PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA 88

4.4.1 Xây dựng mô hình hồi quy với vec tơ hỗ trợ SVR 88

4.4.2 Phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu 91

4.5 TỐI ƯU HÓA QUÁ MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ VÀ BÔI TRƠN TỐI THIỂU KHI PHAY MẶT PHẲNG HỢP KIM TI-6AL-4V 99

4.5.1 Xác định hàm mục tiêu 99

4.5.2 Tối ưu hóa đa mục tiêu quá trình phay hợp kim Ti-6Al-4V 100

4.6 Kết luận chương 4 109

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 111

KẾT LUẬN 111

HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 112

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115

PHỤC LỤC 125

Phụ lục 1: Kết quả đo mòn dụng cụ cắt 125

PHỤC LỤC 2: Code tối ưu hóa đa mục tiêu sử dụng kết hợp SVR-NSGA 2 - TOPSIS 1

phụ lục 3: kết quả đo lực cắt 6

phụ lục 4: kết quả đo độ nhám 1

PHỤ LỤC 5: mỘT SỐ HÌNH ẢNH QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM 1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1- 1 Nguyên tố titan 1

Hình 1- 2 Phân loại hợp kim titan [14] 3

Hình 1- 3 Ứng dụng vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V trong một số lĩnh vực[98] 4

Hình 1- 4 Ứng dụng trong lĩnh vực y tế của hợp kim Ti-6Al-4V [16] 5

Hình 1- 5 Implant nha khoa sử dụng vật liệu hợp kim Titan [17] 5

Hình 1- 6 Khớp và xương sườn, xương ngực được chế tạo từ hợp kim titan 5

Hình 1- 7 Tàu biển được chế tạo từ hợp kim titan 6

Hình 1- 8 Một số linh kiện ô tô được chế tạo từ hợp kim titan 6

Hình 1- 9 Tỉ trọng vật liệu hợp kim titan trong máy bay Boing 787 [23] 7

Hình 1- 10 Vật liệu titan trong chế tạo một số bộ phận chính của động cơ máy bay 8

Hình 1- 11 Chi tiết máy bay được gia công bằng hợp kim titan 8

Hình 1- 12 Một số bộ phận khung máy bay được chế tạo từ hợp kim titan 9

Hình 1- 13 Phay mặt ứng dụng trong chế tạo một số chi tiết, bộ phận của máy bay sử dụng dụng cụ cắt của hãng Sandvik [27] 10

Hình 1- 14 Phân bố nhiệt khi gia công hợp kim tian [32] 12

Hình 1- 15 Sự phân bố tải nhiệt khi gia công hợp kim titan và một số kim loại [26] 14 Hình 1- 16 Định mức chi phí trong quá trình gia công cắt gọt [43] 15

Hình 1- 17 Ý tưởng về “dầu trên nước” trong bôi trơn tối thiểu [119] 17

Hình 1- 18 Vòi phun trong hệ thống bôi trơn tối thiểu [49] 18

Hình 1- 19 Cơ chế làm mát và bôi trơn trong MQL 18

Hình 1- 20 Các bộ phận của một hệ thống MQL [44] 19

Hình 1- 21 Phương pháp MQL bên ngoài (a) và bôi trơn bên trong (b) 21

Hình 1- 22 Màng dầu bôi trơn hình thành trên bề mặt phôi [120] 22

Hình 1- 23 Mô hình khảo sát tuổi bền dụng cụ khi gia công Ti-6Al-4V trong điều kiện bôi trơn tối thiểu [95] 24

Hình 1- 24 So sánh lượng mòn dụng cụ cắt và độ nhám bề mặt khi gia công trong

điều kiện bôi trơn tối thiểu với gia công khô [54] 24

Hình 1- 25 So sánh lực cắt và độ nhám bề mặt khi gia công trong điều kiện tưới tràn, bôi trơn tối thiểu với gia công khô [55] 25

Hình 1- 26 Đặc tính bề mặt của sản phẩm được gia công trong các điều kiện gia công khác nhau: a) Dry – Gia công khô; b) Flood – Tưới tràn; c) MQL – bôi trơn tối thiểu 26

Hình 2- 1 Cơ chế của quá trình cắt - quá trình tạo phoi 30

Hình 2- 2 Các thành phần lực cắt khi phay 31

Hình 2- 3 Các thành phần lực cắt khi phay với dao phay mặt đầu [64] 32

Hình 2- 4 Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới lực cắt khi phay hợp kim Ti-6Al-4V ở các điều kiện bôi trơn khác nhau [71] 35

Hình 2- 5 Cơ chế mòn và các dạng mài mòn dụng cụ cắt 41

Hình 2- 6 Sự sinh nhiệt trong kim loại cắt [121] 41

Hình 2- 7 Các loại mòn dụng cụ cắt 43

Hình 2- 8 Sự thay đổi ứng suất dư theo chiều sâu lớp bề mặt kim loại 45

Hình 2- 9 Độ cứng nguội K và chiều sâu lớp cứng nguội [69] 46

Hình 2- 10 Profile độ nhám bề mặt [71] 47

Hình 2- 11 Biểu đồ xương cá các thông số công nghệ và chỉ tiêu chất lượng khi nghiên cứu về quá trình cắt gọt ứng dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu 49

Hình 2- 12 Lựa chọn dụng cụ cắt theo độ cứng và nhiệt độ gia công 54

Hình 3- 1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống bôi trơn tối thiểu tích hợp trên máy phay CNC 58

Hình 3- 2 Bơm dầu micro pump 59

Hình 3- 3 Sơ đồ mô tả hệ thống MQL sử dụng trong nghiên cứu 60

Hình 3- 4 Dao phay mặt đầu Sandvik sử dụng trong thực nghiệm 61

Hình 3- 5 Máy đó nhám Mitutoyo Surftest JS-210 62

Hình 3- 6 Thiết bị đo lực Kistler 9139AA 62

Hình 3- 7 Kính hiển vi VHX-7000, Keyence 62

Hình 3- 8 Trình tự thực hiện các thí nghiệm 65

Hình 3- 9 Sơ đồ phay phẳng hợp kim Ti-6Al-4V trong các thí nghiệm 65

Hình 3- 10 So sánh độ nhám Ra với các chế độ bôi trơn khác nhau 66

Hình 3- 11 Hình chụp bề mặt sau gia công với các chế độ bôi trơn khác nhau 67

Hình 3- 12 Biểu đồ tương tác đối với R a 68

Hình 3- 13 So sánh giá trị lực cắt F c với các chế độ bôi trơn khác nhau 69

Hình 3- 14 Biểu đồ tương tác cho giá trị lực cắt F c 70

Hình 3- 15 So sánh lượng mòn dụng cụ cắt V b với các chế độ bôi trơn khác nhau 71

Hình 3- 16 Biểu đồ tương tác cho giá trị lượng mòn dụng cụ V b 72

Hình 4- 1 Sơ đồ quy trình thực nghiệm 75

Hình 4- 2 Sơ đồ thiết kế thực nghiệm và phân tích theo phương pháp Taguchi [114] 78

Hình 4- 3 Sơ đồ thực nghiệm 80

Hình 4- 4 Kết quả đo lực của thí nghiệm số 18 81

Hình 4- 5 Biểu đồ khoảng tin cậy 95% của độ nhám Ra với vận tốc cắt V c 84

Hình 4- 6 Biểu đồ khoảng tin cậy 95% của độ nhám R a với áp suất nguồn khí P 85

Hình 4- 7 Biểu đồ khoảng tin cậy 95% của lực cắt F c với chiều sâu cắt a p 87

Hình 4- 8 Biểu đồ khoảng tin cậy 95% của lực cắt F c với áp suất nguồn khí P 88

Hình 4- 9 Lưu đồ thuật toán SVR sử dụng trong nghiên cứu 90

Hình 4- 10 Lưu đồ thuật toán NSGA – II 92

Hình 4- 11 Sơ đồ giải thuật tối ưu hóa sử dụng kết hợp SVR-NSGA II – TOPSIS 101 Hình 4- 12 Kết quả so sánh giá trị độ nhám R a dự doán và thực tế 102

Hình 4- 13 Kết quả so sánh giá trị độ nhám F c dự doán và thực tế 102

Hình 4- 14 Kết quả so sánh giá trị tốc độ loại bỏ vật liệu MRR dự doán và thực tế 103

Hình 4- 15 Biểu đồ bề mặt Pareto cho R a , F c và MRR 103

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1- 1 Xếp hạng khả năng gia công cho một số vật liệu phổ biến [29] 11

Bảng 1- 2 Cơ tính của vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V [34] 13

Bảng 2- 1 Khả năng gia công của một số hợp kim titan 52

Bảng 3- 1 Thông số kỹ thuật hệ thống bôi trơn tối thiểu 59

Bảng 3- 2 Thông số kỹ thuật của trung tâm gia công DMU50 60

Bảng 3- 3 Thông số kỹ thuật mảnh cắt 61

Bảng 3- 4 Thành phần hóa học của hợp kim Ti-6Al-4V [102] 61

Bảng 3- 5 Các biến khảo sát mòn dụng cụ với các mức giá trị tương ứng 63

Bảng 3- 6 Ma trận thực nghiệm và các kết quả đo (ghi chú: nt = như trên) 63

Bảng 3- 7 Bảng phản ứng cho trung bình của giá trị độ nhám R a 68

Bảng 3- 8 Bảng phản ứng cho độ lệch chuẩn của lực cắt F c 69

Bảng 3- 9 Bảng phản ứng cho độ lệch chuẩn của lượng mòn mặt sau V b 71

Bảng 4- 1 Bảng tổng hợp các biến khảo sát và giá trị các mức tương ứng 77

Bảng 4- 2 Ma trận thực nghiệm Taguchi L 27 (313) cho tối đa 13 biến 3 mức [117] 79

Bảng 4- 3 Ma trận thực nghiệm Taguchi L 27 (313) 81

Bảng 4- 4 Phân tích ANOVA độ nhám bề mặt R a 83

Bảng 4- 5 Phân tích ANOVA lực cắt F c 86

Bảng 4- 6 Tập hợp các bộ giá trị tối ưu tiềm năng (Pareto Front) theo phương pháp SVR-NSGA 2- TOPSIS 107

Bảng 4- 7 Thực nghiệm kiểm chứng đánh giá độ tin cậy của phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu SVR-NSGA 2 - TOPSIS 108

DANH MỤC CÁC TỪ, CỤM TỪ VIẾT TẮT

(“Mimimum Quantity Lubrication”)

WNR Hệ thống mã số định danh cho vật liệu của CHLB Đức

(“Werkstoffnummer”)

(“Deutsches Institut für Normung”)

HPC Cắt gọt dưới áp lực khí cao

(“High Pressure Cutting”)

(“Society of Automotive Engineers”)

(“Mean Squared Error”)

Adj MS Trung bình cộng của phương sai hiệu chỉnh

(“Adjusted Mean Square”)

Adj SS Tổng số độ lệch bình phương hiệu chỉnh

(“Adjusted Sum Square”)

(“Analysis of Variance”)

(“Degrees of Freedom”)

(“Japanese Industrial Standards”)

SVR Mô hình hồi quy véc tơ hỗ trợ

MCDM Phương pháp ra quyết định đa tiêu chí

(“Multi-Criteria Decision Making”)

NSGA II Giải thuật di truyền sắp xếp không trội II

(“Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II)

PVD Phương pháp bay hơi lắng đọng vật lý

(“Physical Vapor Deposition.”)

(“Chemical Vapor Deposition.”)

(“Machine Learning”)

(“Coefficient of determination”)

Từ viết tắt Ý nghĩa

R2

adj

Hệ số xác định điều chỉnh

(“Coefficient of determination adjusted”)

Flood Chế độ tưới tràn khi gia công cắt gọt

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Vb Lượng mòn măt sau dụng cụ cắt µm

P Áp suất nguồn khí làm mát chọ hệ thống bôi trơn tối thiểu bar

Q Lưu lượng dầu bôi trơn cho hệ thống bôi trơn tối thiểu ml/h

Trong quá trình gia công cắt gọt hợp kim Ti-6Al-4V, nhiệt sinh ra do ma sát giữa dụng cụ cắt và vật liệu gia công tại vùng tiếp xúc cắt gọt là rất lớn, gây ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác, chất lượng bề mặt gia công, và độ bền của dụng cụ cắt Để tăng tốc độ gia công và giảm nhiệt và lực cắt, dung dịch trơn nguội thường được sử dụng

“Phương pháp bôi trơn và làm mát bằng dung dịch trơn nguội phổ biến nhất

là “tưới tràn” với việc hướng vòi phun dung dịch trơn nguội tưới tràn vào vùng cắt gọt Tuy nhiên, phương pháp tưới tràn có một số hạn chế nhất định về hiệu quả kinh tế, môi trường, và sức khỏe người sử dụng Trong đó, chi phí mua và

xử lý dung dịch trơn nguội sau khi sử dụng rất tốn kém [2] và do dung dịch trơn nguội có độc tính không phân hủy sinh học [3] Hiện nay, để khắc phục những hạn chế của phương pháp tưới tràn, bôi trơn tối thiểu (MQL) đã được nghiên cứu triển khai.”Phương pháp này cho cho phép giảm thiểu lượng chất lỏng bôi trơn làm mát và sử dụng những chất lỏng không gây hại cho môi trường đồng thời không ảnh hưởng đến sức khỏe của người vận hành [4] Do đó MQL được đánh giá là phương pháp bôi trơn làm mát cho phù hợp cho quá trình gia công cơ khí

theo định hướng “gia công bền vững – sustainable machining” và “sản xuất xanh

– green manufacturing”

Trong phương pháp MQL một lượng nhỏ hỗn hợp dầu và khí điều áp được phun trực tiếp vào khu vực cắt gọt với lưu lượng dưới 1.000 ml/h Do đó, lưu lượng dầu bôi trơn trong phương pháp MQL ít hơn tới 10.000 lần so với phương pháp tưới tràn [5], [6], [7] và có thể tiết kiệm đến 15% chi phí [8]

Hiện nay, phương pháp MQL chưa được sử dụng phổ biến trong gia công

cắt gọt tại Việt Nam Tuy nhiên, với việc hiện thực hóa chủ trương “Phát triển

kinh tế đi đôi với bảo vệ môi trường” [9] một số nghiên cứu áp dụng phương

pháp MQL trong gia công các vật liệu phổ biến như thép dụng cụ SKD 11 [10] hay thép 9XC (9CrSi) qua tôi [11] đã được nghiên cứu và công bố “Các nghiên cứu này đã so sánh chất lượng bề mặt gia công và tuổi thọ dụng cụ khi sử dụng phương pháp bôi trơn MQL và phương pháp bôi trơn làm mát tưới tràn Nghiên cứu sử dụng các loại dầu bôi trơn truyền thống và dầu bôi trơn gốc thực vật trong MQL bước đầu cho thấy hiệu quả ưu điểm của các loại dầu bôi trơn gốc thực vật trong việc đảm bảo chất lượng bề mặt và tăng tuổi bền dụng cụ cắt.”

Trong quá trình tham gia vào chuỗi cung ứng toàn cầu trong lĩnh vực công nghiệp ô tô, hàng không, quốc phòng… việc nâng cao năng lực gia công hợp kim titan của ngành chế tạo máy Việt Nam đang ngày càng cấp thiết Nghiên cứu phay tinh mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V sử dụng phương pháp bôi trơn MQL sẽ tạo điều kiện để phát triển phương pháp MQL trong gia công các tại Việt Nam…Do đó,

nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu tối ưu hóa một số thông số công nghệ và bôi trơn tối thiểu khi phay mặt phẳng hợp kim Ti-6Al- 4V” hướng tới “sản xuất xanh và bền vững”, đồng thời xây dựng nền tảng cho việc

hội nhập chuỗi cung ứng toàn cầu trong gia công các sản phẩm có giá trị gia tăng

cao.”

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

- Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của một số thông số công nghệ và bôi trơn tối thiểu gồm: vận tốc cắt (Vc); lượng chạy dao răng (fz); chiều sâu cắt (ap); áp suất nguồn khí nén (P), lưu lượng dầu bôi trơn (Q) đến độ nhám

bề mặt nhám bề mặt (Ra), lực cắt (Fc), tốc độ loại bỏ vật liệu (MRR) khi phay tinh mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V

- Nghiên cứu tối ưu hóa các thông số công nghệ và bôi trơn tối thiểu sử dụng kết hợp các mô hình hồi quy véc tơ hỗ trợ, giải thuật trí tuệ nhân tạo NSGA

II và phương pháp ra quyết định đa tiêu chí TOPSIS, từ đó đưa ra các chỉ dẫn công nghệ khi phay mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V trong điều kiện bôi trơn tối thiểu.”

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu

Quá trình phay tinh mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V trong điều kiện bôi trơn tối thiểu

Phạm vi nghiên cứu

“Nghiên cứu chất lượng bề mặt và năng suất gia công của quá trình phay tinh mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V khi bôi trơn tối thiểu sử dụng dầu thực vật với các thông số:

- Thông số công nghệ: Vc = 60÷240m/ph; ap =0.1÷0.9mm; fz =0.02÷0.10mm/r;

- Thông số bôi trơn tối thiếu: Q = 50÷150 ml/h; P =1-5 bar.”

4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Ý nghĩa khoa học

“Mô hình hồi quy toán học về ảnh hưởng của một số thông số công nghệ và thông số bôi trơn tối thiểu tới các thông số đặc trưng của quá trình phay tinh mặt phẳng cho phép đánh giá và dự báo quá trình gia công;”

“Giải thuật tối ưu hóa đa mục tiêu quá trình phay hợp kim Ti-6Al-4V trên

cơ sở áp dụng kết hợp SVR, trí tuệ nhân taọ SNGA-II và phương pháp ra quyết định đa tiêu chí TOPSIS đã xác định được bộ thông số công nghệ tối ưu, làm cơ

sở cho các nghiên cứu chuyên sâu;”

“Kết quả của nghiên cứu có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo hữu ích cho các công trình nghiên cứu có liên quan đến lĩnh vực bôi trơn tối thiểu, gia công hợp kim titan và tối ưu hóa đa mục tiêu quá trình gia công.”

Ý nghĩa thực tiễn

“Kết quả của nghiên cứu bước đầu giúp các nhà kỹ thuật lựa chọn được các thông số công nghệ và thông số MQL phù hợp với mục tiêu chất lượng trong quá trình phay hợp kim Ti-6Al-4V trên cơ sở thuật toán tối ưu hóa đa mục tiêu.”

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

và ứng dụng công nghệ, thuật toán tiên tiến trong xây dựng mô hình hồi quy và giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu

“- Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích, dự đoán được ảnh hưởng của các thông

số công nghệ quá trình gia công phay tới các đặc trưng của quá trình phay như

độ nhám, lực cắt, mòn dụng cụ và tốc độ loại bỏ vật liệu cũng như cơ sở để áp dụng phương pháp bôi trơn tối thiểu MQL Từ đó, đưa ra mô hình thực nghiệm với hợp kim titan Ti-6Al-4V.”

“- Nghiên cứu thực nghiệm: Xây dựng được mô hình thực nghiệm và tổ

chức thực nghiệm Sử dụng các phương pháp xử lý số liệu tiên tiến để đưa ra phương trình hồi quy và tối ưu hóa quá trình phay hợp kim titan Ti-6Al-4V.”

“Ứng dụng kết hợp véc tơ hỗ trợ SVR, giải thuật di truyền NSGA II và phương pháp ra quyết định đa tiêu chí TOPSIS để giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu.”

6 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Luận án được trình bày trong 4 chương:

Chương 1 Tổng quan về gia công phay hợp kim Ti-6Al-4V trong điều kiện bôi

trơn tối thiểu

“Nghiên cứu tổng quan và khả năng gia công hợp kim Ti-6Al-4V trong điều kiện bôi trơn tối thiểu Phân tích đánh giá và tổng hợp các công trình nghiên cứu trong nước và ngoài nước liên quan đến nội dung đề tài Trên cơ sở đó, xác định nội dung, vấn đề luận án cần tập trung nghiên cứu và giải quyết.”

Chương 2 Các đặc trưng của quá trình phay mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V

“Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết quá trình phay bao gồm động lực học quá trình phay, nhiệt cắt trong quá trình phay, mòn dụng cụ cắt khi phay và các đặc trưng, tính chất bề mặt khi phay và gia công phay hợp kim Ti-6Al-4V trong điều kiện bôi trơn tối thiểu.”

Chương 3: Xây dựng mô hình thực nghiệm và thực nghiệm khảo sát

Xây dựng, tích hợp hệ thống thực nghiệm phay hợp kim Ti-6Al-4V sử dụng

hệ thống bôi trơn tối thiểu;

“Nghiên cứu định tính về ảnh hưởng của chế độ công nghệ gồm vận tốc cắt

Vc, lượng chạy dao răng fz và chiều sâu cắt ap tới các tiêu chí giá trị độ nhám Ra, lực cắt Fc và lượng mòn dụng cụ cắt Vb trong điều kiện gia công khô, gia công ướt và bôi trơn tối thiểu Từ đó, đánh giá được ưu, nhược điểm của bôi trơn tối thiểu so với các phương pháp khác khi phay mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V.”

Chương 4: Thực nghiệm, tối ưu hóa một số thông số công nghệ và bôi trơn tối

thiểu khi phay mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V

“Ứng dụng máy học kết hợp phương pháp hồi quy véc tơ hỗ trợ, giải thuật trí tuệ nhân tạo NSGA II và phương pháp ra quyết định đa tiêu chí TOPSIS trong tối ưu hóa một số thông số công nghệ và bôi trơn tối thiểu quá trình phay mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V Từ đó, xác định bộ thông số công nghệ và bôi trơn phù hợp để đạt được đồng thời các mục tiêu tối thiểu hóa giá trị độ nhám Ra và lực cắt Fc và tối đa tốc độ loại bỏ vật liệu.”

“So sánh hiệu quả và độ tin cậy của các phương pháp tối ưu đã được thực hiện và đánh giá khả năng ứng dụng trong nghiên cứu, thực tiễn sản xuất.”

7 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA ĐỀ TÀI

Xây dựng và tích hợp hệ thống bôi trơn tối thiểu MQL phục vụ nghiên cứu phay tinh hợp kim Ti-6Al-4V;

“Nghiên cứu, xây dựng mô hình hồi quy về mối liên hệ giữa các thông số công nghệ quá trình phay gồm vận tốc cắt Vc, lượng chạy dao răng fz, chiều sâu cắt ap và thông số công nghệ hệ thống bôi trơn tối thiểu gồm áp suất nguồn khí

P, lưu lượng dầu bôi trơn Q tới các tiêu chí kỹ thuật của quá trình phay như: độ nhám bề mặt Ra, lực cắt Fc, và tốc độ loại bỏ vật liệu MRR.”

“Tối ưu hóa được quá trình phay hợp kim Ti-6Al-4V trong điều kiện bôi trơn tối thiểu MQL sử dụng dầu thực vật;”

“Xây dựng được mô hình toán học và bài toán tối ưu các thông số công nghệ cho quá trình phay hợp kim Ti-6Al-4V trong điều kiện bôi trơn tối thiểu.”

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG PHAY HỢP KIM

TI-6AL-4V TRONG ĐIỀU KIỆN BÔI TRƠN TỐI THIỂU 1.1 HỢP KIM TITAN TI-6AL-4V

1.1.1 Titan

Vật liệu titan là kim loại có

màu trắng bạc có ký hiệu hóa học

là Ti, số nguyên tử là 22, hình

1-1 Kim loại titan được phát hiện

bởi nhà hóa học và khoáng vật học

người Anh tên là William Gregor

vào năm 1791 [12] Kim loại này

được sản xuất thương mại lần đầu

tiên vào 1950 bởi công ty TMCA (Titanium Metals Company of America) Từ

đó, tốc độ sản xuất của titan và các hợp kim titan tăng trưởng trung bình khoảng 8%/năm, và đóng góp vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp quốc phòng, hàng không - vũ trụ; công nghiệp ô tô; y tế…[13]

“Titan là kim loại nhẹ, cứng, bề mặt bóng láng và có khả năng chống ăn mòn tốt Kim loại titan tồn tại ở dạng alpha (α) tương ứng với tinh thể lập phương tâm khối (BCC) ở nhiệt độ trên 882°C và ở dạng beta (β) tương ứng với tinh thể lục giác xếp chặt (HCP) tương ứng với nhiệt độ dưới 882°C [13] Tuy nhiên, việc thêm một số nguyên tố có thể làm thay đổi nhiệt độ chuyển đổi pha, hình 1-

2 [14] Sự kết hợp giữa các nguyên tốt khác với kim loại titan hình thành hợp kim titan [14].”

1.1.2 Hợp kim titan

Trong thực tế sử dụng, titan được sử dụng chủ yếu dưới dạng hợp kim Hợp kim titan được tạo thành bằng cách kết hợp titan với các nguyên tố vi lượng khác

Hình 1- 1 Nguyên tố titan

như nhôm (Al), vanadi (V), molypden (Mo), crom (Cr), niken (Ni) và một số nguyên tố khác nhằm đạt được các đặc tính cơ, lý, hóa mong muốn, phục vụ cho các ứng dụng khác nhau [15] Tỉ lệ và phành phần của các nguyên tố vi lượng này có thể thay đổi để tạo ra các loại hợp kim titan với tính chất khác nhau Các nguyên tố vi lượng thường được chia thành 3 nhóm theo mức độ ảnh hưởng của chúng với nhiệt độ chuyển pha được thể hiện trên hình 1-2

Nhóm 3: Nhóm nguyên tố trung tính

Bao gồm zirconi (Zr) và thiếc (Sn), là các nguyên tố có tính trung tính có tác dụng cải thiện khả năng chịu ăn mòn, cải thiện độ bền của hợp kim titan Việc thêm các chất ổn định thuộc các nhóm khác nhau hình thành các hợp kim titan khác nhau Có nhiều cách phân loại hợp kim titan, trong đó phổ biến

nhât là phân loại thành phần của các chất ổn định và vật liệu nền titan Theo đó, hợp kim titan được phân thành các nhóm:

Hình 1- 2 Phân loại hợp kim titan [14]

Hợp kim alpha (α)

“Hợp kim alpha (α) có thành phần chính là kim loại titan kết hợp với chất

ổn định hoặc một số nguyên tố hợp kim trung tính khác Các hợp kim titan này duy trì độ bền kéo lên đến 300oC và tính chống rão Khi nhiệt độ tăng trên 300oC, các hợp kim này mất độ bền kéo [14] Do vậy, các hợp kim alpha (α) phù hợp với các ứng dụng yêu cầu khả năng chống ăn mòn cao.”

Hợp kim beta (β)

“Hợp kim beta (β) có thành phần chính là kim loại titan kết hợp với các nguyên tố vi lượng chất ổn định beta β, với tỉ trọng có thể lên tới 30% Hàm lượng chất ổn định beta (β) cao giúp cải tiện độ cứng, độ chống rão của hợp kim [14] Vì vậy, hợp kim beta (β) phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu khả năng chống cháy và chống ăn mòn cao.”

Hợp kim alpha-beta (α + β)

“Hợp kim alpha-beta (α + β) được tạo ra bằng cách thêm một lượng nhất định chất ổn định beta (khoảng 4-6%) vào kim loại nền là kim loại titan Thay đổi lượng chất ổn định beta sẽ tạo ra các cấu trúc vi mô khác nhau, dẫn đến các đặc tính cơ học khác nhau Có nhiều hợp kim nhóm alpha-beta (α + β) khác nhau, trong đó phổ biến nhất là hợp kim Ti-6Al-4V (còn gọi là hợp kim TC4, hợp kim titan grade 5), chiếm khoảng 60%

tổng số lượng hợp kim titan đang

được sử dụng trên toàn thế giới

[43].”

Hợp kim Ti-6Al-4V có ưu

điểm vượt trội là khối lượng riêng

thấp nhưng lại có độ bền cao,

được sử dụng từ những năm 1950

tại Hoa Kỳ, Anh, Nhật, Nga (Liên Xô cũ)… [5]

1.2 ỨNG DỤNG CỦA HỢP KIM TI-6AL-4V

“Hợp kim Ti-6Al-4V có ưu điểm vượt trội là trọng lượng nhẹ nhưng lại có khả năng tương tính sinh học cao, tính kháng mòn cao, độ bền cao và có độ cứng

co, do vậy vật liệu này thường được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp quốc phòng, hàng không – vũ trụ, công nghiệp tàu biển, công nghiệp hóa chất, y sinh và cả ngành công nghiệp ô tô, hàng tiêu dung (hình 1-3).”

Ứng dụng trong lĩnh vực y tế

“Nhờ khả năng tương thích sinh học tốt, hợp kim Ti-6Al-4V được sử dụng

để chế tạo các bộ phận trong lĩnh vực y sinh [16], như:”

Hình 1- 3 Ứng dụng vật liệu hợp kim

Ti-6Al-4V trong một số lĩnh vực[105]

“Implant nha khoa: Nhờ khả

năng tương thích sinh học tốt, vật

liệu hợp kim Ti-6Al-4V được sử

dụng rộng rãi trong implant nha

khoa, cho phép implant (hình 1-5)

liên kết với xương xung quanh.”

“Thay thế khớp hoặc chế tạo

các bộ phận trong thiết bị tim

mạch: Vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V

được sử dụng trong thay thế khớp, như thay thế khớp hông và đầu gối (hình 6); hoặc các thiết bị tim mạch như stent, vỏ máy nhịp tim….do khả năng tương thích sinh học tốt, đồng thời có độ bền và khả năng chống ăn mòn cao, giúp chi tiết hoạt động an toàn và ổn định trong cơ thể bệnh nhân [17].”

1-“Ứng dụng khác: Ngoài ra, vật

liệu hợp kim Ti-6Al-4V còn được

dùng phổ biến trong chế tạo các

implant chỉnh hình, như các tấm, vít

và thanh, để gắn xương và kết hợp.”

Hình 1- 6 Khớp và xương sườn, xương ngực làm từ hợp kim titan

Hình 1- 4 Ứng dụng của hợp kim Ti-6Al-4V

trong y tế [16]

Hình 1- 5 Implant nha khoa sử dụng vật liệu

hợp kim Titan [17]

Ứng dụng trong công nghiệp đóng tàu

Hợp kim Ti-6Al-4V được sử dụng trên

các tàu và thiết bị hải dương học, tàu ngầm

hạt nhân, tàu ngầm sâu, tàu phá băng, năng

lượng nguyên tử, tàu phản lực, tàu chống

mìn và cánh quạt, đường ống nước biển,

bình ngưng, các bộ phận trao đổi nhiệt

[18] Từ những năm 1960, Nga (Liên Xô

cũ) đã sản xuất các tàu ngầm với nhiều chi

tiết quan trọng như vỏ áp lực, cánh quạt (hình 1-7) từ hợp kim titan [19] Cho tới ngày ngay, vật liệu hợp kim titan vẫn đang thể hiện được sự ưu việt và tiếp tục được sử dụng với tỉ trọng ngày càng tăng

Ứng dụng trong công nghiệp ô tô

Hình 1- 8 Một số linh kiện ô tô được chế tạo từ hợp kim titan

“Hợp kim titan có trọng lượng riêng thấp hơn nhưng lại có khả năng chống

ăn mòn hóa học tốt hơn so với thép, nên kim thường được sử dụng để chế tạo các bộ phận của động cơ và hệ thống khác của ô tô, như van, bơm nhiên liệu, bộ

Hình 1- 7 Cánh quạt tàu biển được chế tạo từ hợp kim titan [19]

phận tản nhiệt, bộ phận khởi động hoặc chế tạo khung xe và bánh xe của một số dòng xe ô tô cao cấp [20].”

Ứng dụng trong công nghiệp hàng không – vũ trụ

“Hợp kim titan được sử dụng chủ yếu trong ngành công nghiệp hàng không – vũ trụ với tỉ trọng khoảng 84% [21] và đang tiếp tục tăng trưởng với tốc độ trung bình khoảng 8%/năm Tỉ trọng các chi tiết được chế tạo từ hợp kim tian trên máy bay Boing 777 là 8%, nhưng đã tăng lên 15% trên máy bay Boing 787 Dreamline như trên hình 1-9 Tương tự như vậy, tỉ trọng hợp kim titan trong máy bay Airbus cũng tăng từ 5.5% cho phiên bản Airbus A320 lên khoảng 8% với A340 và khoảng 15% với A350 [22].”

Với mục tiêu giảm khối lựng và nâng cao độ bền, ngày càng nhiều chi tiết,

bộ phận quan trọng của máy bay, tàu vũ trụ được chế tạo từ hợp kim titan, như:

Hình 1- 9 Tỉ trọng vật liệu hợp kim titan trong máy bay Boing 787 [23]

Động cơ máy bay: Hợp kim Ti-6Al-4V là vật liệu quan trọng trong chế tạo

các bộ phận quan trọng của động cơ máy bay, yêu cầu độ bền cao như các lưỡi

cánh quạt, đĩa turbine và nhiều bộ phận dập nóng khác trong động cơ máy bay [24]

Hệ thống chịu lực của máy bay: Các bộ phận chịu lực của máy bay, bao

gồm các bộ phận giảm chấn và tải trọng cũng được chế tạo từ hợp kim titan nhằm giảm khối lượng, tăng độ bền của cánh máy bay

Hình 1- 10 Vật liệu titan trong chế tạo một số bộ phận chính của động cơ máy bay

Hình 1- 11 Chi tiết máy bay được gia công bằng hợp kim titan

“Như vậy, hợp kim Ti-6Al-4V có vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp hàng không-vũ trụ với tỉ trọng và tỉ lệ các bộ phận được chế tạo từ vật liệu này ngày càng cao Việc làm chủ được công nghệ gia công vật liệu hợp kim này, đặc biệt là tối ưu hóa được đồng thời bài toán kinh tế - kỹ thuật sẽ mang lại những cơ hội lớn cho doanh nghiệp gia công khi tham gia chuỗi cung ứng toàn cầu, bởi gia công phụ tùng, linh kiện máy bay được chế tạo từ hợp kim titan là một trong những sản phẩm mang lại giá trị gia tăng lớn nhất.”

1.3 GIA CÔNG HỢP KIM TI-6AL-4V

Hàng năm, chi phí cho gia công cắt gọt trên toàn cầu ước tính đạt trên 100

tỷ đô la Mỹ [25] Trong đó, gia công cắt gọt hợp kim titan mang lại lợi nhuận khoảng 5-10 lần so với gia công các kim loại thông thường Do vậy, hầu hết các hãng dụng cụ cắt lớn trên thế giới đều có sản phẩm, giải pháp riêng được thết kế cho gia công các loại hợp kim này

(1) Cánh – giá đỡ (2) Thân máy bay và chân

Hình 1- 12 Một số chi tiết khung máy bay được làm từ hợp kim titan

Trên hình 1-12 là một số chi tiết, bộ phận của máy bay được gia công bằng phương pháp phay [15] với dụng cụ cắt của hãng Sandvik Trong đó, có thể nhận thấy sự phổ biến của các phương pháp phay mặt phẳng như phay tinh mặt phẳng lắp ráp; phay thô, bán tinh, phay tinh các hốc, thành, vách (hình 1-12) Đặc biệt

với các chi tiết có nhiều khoang, hốc như hình 1-12 (1), (2) và (5), trong đó các nguyên công phay thô và phay tinh chủ yếu được thực hiện bằng các dao phay trụ gắn mảnh hợp kim như minh họa trên hình 1-13 [27]

“Phương pháp gia công phay nói chung và phay mặt nói riêng có vai trò đặc biệt quan trọng trong bước gia công hoàn thiện sản phẩm cơ khí Phương pháp gia công cắt gọt không chỉ giúp đạt được chất lượng bề mặt, đảm bảo độ chính xác mà còn làm tăng cơ tính của sản phẩm Việc áp dụng phương pháp này đòi hỏi kỹ thuật gia công, kiến thức về vật liệu, cơ sở về nguyên lý cắt gọt cũng như khả năng gia công của từng vật liệu cụ thể.”

Hình 1- 13 Phay mặt ứng dụng trong chế tạo một số chi tiết, bộ phận của máy bay

sử dụng dụng cụ cắt của hãng Sandvik [27]

1.3.1 Khả năng gia công của hợp kim Ti-6Al-4V

“Khả năng gia công của một vật liệu nhất định được định nghĩa và đo lường gián tiếp qua một số tiêu chí đánh giá trong quá trình gia công, thể hiện sự khó hay dễ thực hiện quá trình cắt gọt Khả năng gia công thường được đánh giá qua tuổi bền dụng cụ, tốc độ loại bỏ vật liệu, năng lượng cắt riêng, lực cắt, đặc trưng

của phoivà chất lượng bề mặt sau gia công [28] Khả năng gia công của một số vật liệu được tổ chức khoa học vật liệu ASM (Hoa Kỳ) khảo sát và xếp hạng, trình bày vắn tắt như bảng 1-1 [29] Trong đó, khả năng gia công của vật liệu được đánh giá là càng khó khi chỉ số tương ứng càng thấp Trong xếp hạng này, khả năng gia công của hợp kim Ti-6Al-4V là 0.2, thấp hơn nhiều lần so với các vật liệu thép và hợp kim khác.”

Bảng 1- 1 Xếp hạng khả năng gia công cho một số vật liệu phổ biến [29]

Vật liệu gia công Độ cứng Brinell Khả năng gia công

Thép carbon thấp (không hợp kim): 180-220 1.00

“Mô đun đàn hồi thấp và đàn hồi ngược”

“Vật liệu titan có độ đàn hồi lớn so với các kim loại khác [30] Do mô đun đàn hồi thấp, titan có xu hướng nảy mạnh hơn trong quá trình gia công, khiến phôi dễ bật ra khỏi dụng cụ cắt Khi đó, thay vì cắt vào phôi, mảnh cắt bị cọ xát vào bề mặt phôi.”

“Sự cọ xát thay vì cắt làm tăng ma

sát và nhiệt độ tại vùng cắt Đồng thời,

sự cọ xát cũng là nguyên nhân làm hỏng

bề mặt và giảm độ chính xác kích thước

Đặc điểm này có thể được phân tích

thông qua dao động trong quá trình cắt

hợp kim titan so với các hợp kim và vật

liệu khác.”

Phản ứng hóa học

“Hợp kim titan có tính trơ về mặt

hóa học ở nhiệt độ phòng, nhưng lại dễ phản ứng hóa học cao ở nhiệt độ cao (>500 °C) [31], đây là nhiệt độ phổ biến trong quá trình gia công cắt gọt hợp kim này Khi gia công nhiệt độ tăng lên, phản ứng hóa học xảy ra giữa hợp kim titan

và dụng cụ cắt tăng nhanh dẫn tới hỏng dụng cụ cắt.”

Biến cứng do khuếch tán và biến dạng dẻo

“Nhiều nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm cho thấy rằng nhiệt cắt cục bộ khi gia công hợp kim titan có thể lên tới 1.100oC, do tính dẫn nhiệt kém Khi nhiệt độ tại vùng cắt đạt khoảng 600–700oC hoặc vượt quá giới hạn này, các phân tử oxy và nitơ trong không khí sẽ được khuếch tán vào phôi titan

và làm biến cứng lớp bề mặt của sản phẩm như trên hình 1-14 [32].”

Hình 1- 14 Phân bố nhiệt khi gia công

hợp kim tian [32]

“Khi gia công các loại thép các bon thông thường, kim loại thường sẽ bị mềm đi dưới sự gia tăng của nhiệt cắt, làm giảm lực cắt và năng lượng cắt Tuy nhiên, do đặc tính duy trì độ bền cơ học ở nhiệt độ cao (bảng 1-2), nên khi gia công hợp kim titan ở nhiệt độ cao, phải duy trì lực cắt tương đối cao để titan biến dạng dẻo và tạo phoi Do đó làm cứng đáng kể bề mặt gia công [33].”

Bảng 1- 2 Cơ tính của vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V [34]

Cơ tính của vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V Giá trị Đơn vị

1.3.2 Bôi trơn – làm mát khi gia công cắt gọt hợp kim Ti-6Al-4V

“Trong quá trình gia công cắt gọt, phần lớn năng lượng được tiêu thụ để tạo phoi thông qua năng lượng biến dạng dẻo và một phần chuyển hóa thành ma sát giữa phôi với dụng cụ cắt Hầu hết các năng lượng này sau đó được chuyển thành nhiệt và do đó làm tăng nhiệt độ trong vùng cắt Do tính dẫn nhiệt kém (6.7 W/m.oK so với 45 W/m.oK của thép các bon) [35], nhiệt sinh ra trong quá trình gia công hợp kim titan khó phân tán, dẫn tới nhiệt cắt cao hơn nhiều so với khi gia công vật liệu thép thông thường.”

“Các nghiên cứu thực

nghiệm và mô phỏng đã cho

thấy rằng khi gia công các

loại thép và hợp kim thông

thường, nhiệt cắt truyền vào

nhiều so với khi gia công thép Đây chính là nguyên nhân dẫn tới tuổi bền dụng

cụ cắt khi gia công hợp kim titan thấp hơn nhiều so với các hợp kim khó gia công khác Hình 1-15 so sánh sự phân bố nhiệt giữa dụng cụ cắt và phoi khi gia công Ti–6Al–4V và Thép 45.”

“Để giảm nhiệt cắt trong quá trình gia công hợp kim titan nói riêng và trong gia công cắt gọt nói chung, dung dịch tưới nguội thường được sử dụng trong cả

Hình 1- 15 Sự phân bố tải nhiệt khi gia công hợp

kim titan và một số kim loại [26]

trong sản xuất công nghiệp

cũng như trong các nghiên

cứu thực nghiệm Dung dịch

tưới nguội thông thường có

thể là nước, dầu hoặc các

dung môi khác được pha

loãng Mục tiêu chính của

phương pháp bôi tưới tràn

là giải phóng nhiệt nhanh,

giảm ma sát giữa dụng cụ

cắt và phoi [37]; đồng thời dễ dàng đưa phoi ra khỏi vùng cắt, làm sạch bề mặt gia công ”Từ đó, giảm lực cắt, điện năng tiêu thụ, nâng cao chất lượng bề mặt sau gia công và tăng đáng kể tuổi bền dụng cụ cắt Tuy nhiên, việc sử dụng dung dịch trơn nguội trong phương pháp tưới tràn cũng có nhiều nhược điểm như chi phí bảo trì cao, chi phí xử lý các vấn đề sau gia công cao, lên tới 8-16% tổng chi phí gia công

“Dung dịch tưới nguội có thể làm ô nhiễm môi trường nếu không được xử

lý đúng cách, bề mặt sản phẩm bị oxy hóa và ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm Sử dụng quá nhiều dung dịch tưới nguội cũng có thể gây ra lãng phí và tăng chi phí sản xuất Đồng thời, dung dịch tưới nguội có thể làm giảm độ chính xác của sản phẩm nếu không được sử dụng đúng cách [38] Với một số nhược điểm như trên phương pháp tưới tràn đang được dần thay thế bởi các phương pháp bôi trơn làm mát khác.”

“Một trong những giải pháp thay thế đã được đề xuất là gia công khô, tức

là việc gia công cắt gọt trong đó dung dịch cắt gọt được loại bỏ gần như hoàn toàn Tuy nhiên, ứng dụng của nó bị hạn chế do chất lượng bề mặt kém, mòn dụng cụ cắt tăng nhanh và nồng độ cao của các hạt dầu trong không khí trên sàn

Hình 1- 16 Định mức chi phí trong quá trình gia

công cắt gọt [43]

xưởng [39] Khắc phục nhược điểm này, bôi trơn tối thiểu đã được nghiên cứu

và triển khai rộng rãi tại nhiều quốc gia, đặc biệt là Đức, Nhật ở những năm 1996-2000 và ngày càng phổ biến tại nhiều quốc gia đang phát triển khác, trong

đó có thể kể đến như Ấn Độ, Trung Quốc, Việt Nam…”

“Phương pháp bôi trơn tối thiểu MQL là sử dụng một lượng nhỏ chất bôi trơn , khoảng 5-50 ml/h [6] thay vì mức tiêu thụ lên tới 50.000 ml/h trong phương pháp tưới tràn [37] Do sử dụng một lượng chất bôi trơn rất nhỏ và thường sử dụng dầu thực vật có khả năng phân hủy sinh học tốt, nên MQL có ưu điểm giảm nguy cơ đối với môi trường và sức khỏe nghề nghiệp cũng như giảm chi phí bảo dưỡng và xử lý, đảm bảo được chất lượng yêu cầu.”

1.4 BÔI TRƠN TỐI THIỂU VÀ ỨNG DỤNG TRONG GIA CÔNG CẮT GỌT

“Trong quá trình gia công cắt gọt, ma sát giữa mảnh cắt và vật liệu cắt sẽ tạo ra nhiệt độ cao, làm giảm tuổi thọ của mảnh cắt và làm cho vật liệu bị biến dạng gia công, cháy hoặc làm giảm độ chính xác của chi tiết Để giải quyết vấn

đề này, dung dịch tưới nguội được sử dụng trong quá trình cắt gọt để giảm nhiệt

độ của mảnh cắt và vật liệu cũng như tăng tuổi thọ của dụng cụ [31].”

“Những nghiên cứu về gia công hợp kim Ti-6Al-4V cho thấy phương pháp bôi trơn tưới tràn ngoài một số nhược điểm chung, còn đặc biệt có hiện tượng

“siêu nhiệt” khi gia công Trong quá trình gia công hợp kim titan, nhiệt độ tập trung trên dụng cụ có thể đạt đến trên 1,100oC Sự tập trung nhiệt độ lớn này gây

ra một trường nhiệt độ làm bay hơi dung dịch tưới nguội gốc nước trước khi nó

có thể tiếp xúc với bề mặt phôi gia công dẫn tới sự gia tăng nhiệt độ tại vùng cắt thay vì quá trình làm mát Từ những nhược điểm này, phương pháp bôi trơn tối thiểu đã được đề xuất như một giải pháp thay thế lý tưởng và thực tế nghiên cứu cũng như sản xuất đã chứng minh hiệu quả của phương pháp bôi trơn này trong gia công hợp kim titan.”