Vn 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 phay tinh mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V sử dụng phương pháp MQL sẽ tạo điều kiện để phát triển MQL trong gia công các tại Việt Nam…Do đó, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài nghi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Công trình được hoàn thành tại:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI - BỘ CÔNG THƯƠNG

Người hướng dẫn khoa học:

Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp

Trường và họp tại Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội vào hồi… giờ, ngày … tháng … năm …

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hợp kim titan là vật liệu quan trọng được sử dụng phổ biến trong công nghiệp nói chung, hàng không – vũ trụ và chế tạo động cơ nói riêng, với tỉ trọng khoảng 84% Trong đó, hợp kim Ti-6Al-4V chiếm hơn 50% lượng hợp kim titan được tiêu thụ trên toàn cầu [1] 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”

Thực hiện chủ trương “Phát triển kinh tế đi đôi với bảo vệ môi trường” [9] một số nghiên cứu áp MQL trong gia công thép dụng cụ SKD 11 [10] hay thép 9XC (9CrSi) qua tôi [11] đã được nghiên cứu và công bố Nghiên cứu phay tinh mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V sử dụng phương pháp MQL sẽ tạo điều kiện để phát triển 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

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chung:

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

Mục tiêu cụ thể:

- Xây dựng, tích hợp hệ thống MQL cho phay mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V

- Đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ (Vc,fz, ap) tới (Ra,Vb,Fc) trong điều kiện gia công khô, bôi trơn tối thiểu và tưới tràn

- Tối ưu hóa các thông số công nghệ và bôi trơn tối thiểu sử dụng kết hợp

SVR-NSGA II -TOPSIS quá trình phay mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

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

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu chất lượng bề mặt và năng suất gia công của quá trình phay tinh hợp kim Ti-6Al-4V khi bôi trơn tối thiểu, bao gồm thông số công nghệ:Vc=60÷240m/ph; ap=0.1÷0.9mm; fz =0.02÷0.10mm/r và thông số bôi trơn

tối thiếu: Q = 50÷150ml/h; P =1-5 bar

4 Nội dung nghiên cứu

(1) Nghiên cứu tổng quan về gia công phay hợp kim titan Ti-6Al-4V trong điều kiện bôi trơn tối thiểu; (2) Nghiên cứu các thông số đặc trưng khi phay mặt phẳng trong điều kiện bôi trơn tối thiểu; (3) Nghiên cứu Phương pháp, hệ thống thiết bị thực nghiệm và thực nghiệm so sánh và (4) Kết quả thực nghiệm và tối ưu hóa quá trình phay hợp kim titan Ti-6Al-4V

5 Phương pháp nghiên cứu

- 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, từ đó, đưa ra mô hình thực nghiệm với hợp kim 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 Ti-6Al-4V

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

6.1 Ý nghĩa khoa học

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

sở áp dụng kết hợp SVR-NSGA II – TOPSIS

- Kết quả của nghiên cứu có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo hữu ích cho các nghiên cứu có liên quan về lĩnh vực bôi trơn tối thiểu, gia công vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V và tối ưu hóa đa mục tiêu quá trình gia công

6.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả của nghiên cứu giúp các nhà kỹ thuật lựa chọn được các thông số công nghệ và bôi trơn tối thiểu 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

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 mặt phẳng 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 (Vc, fz, ap) và thông số công nghệ hệ thống bôi trơn tối thiểu (P,Q) tới các tiêu chí (Ra,Fc, MRR);

- 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

8 Cấu trúc của luận án

Luận án được cấu trúc ngoài các phần: Mở đầu, kết luận, hướng nghiên cứu tiếp theo thì nội dung nghiên cứu 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

Chương 2 Các thông số đặc trưng khi phay mặt phẳng trong điều kiện bôi trơn tối thiểu

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

Chương 4 Tối ưu hóa một số thông số công nghệ khi phay mặt phẳng 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

Nội dung chương 1 tập trung vào các nghiên cứu liên quan tới:

(1) Giới thiệu về titan và các hợp kim titan phổ biến; (2) Ứng dụng của hợp kim Ti-6Al-4V trong một số lĩnh vực; (3) Khả năng gia công của hợp kim Ti-6Al-4V; (4) Đặc điểm quá trình gia công vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V; (5) Bôi

trơn tối thiểu và ứng dụng trong trong gia công hợp kim titan; (6) Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Từ đó rút ra kết luận như sau:

Gia công phay mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V trong điều kiện bôi trơn tối thiểu bằng dao phay trụ gắn mảnh hợp kim có tính thời sự, tính khoa học và thực tiễn cao

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

Một số nội dung được nghiên cứu và trình bày trong chương 2:

2.1 Khái quát về quá trình phay

2.2 Động lực học quá trình phay

2.2.1 Lực cắt trong quá trình phay hợp kim Ti-6Al-4V

2.2.1.1 Mô hình lực cắt trong quá trình phay

2.2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi phay

2.2.2 Rung động trong quá trình phay hợp kim Ti-6Al-4V

2.2.2.1 Rung động trong quá trình phay

2.2.2.2 Nguyên nhân gây ra rung động

2.2.2.3 Một số đặc trưng về rung động khi gia công phay Ti-6Al-4V

2.3 Nhiệt cắt trong quá trình phay trong điều kiện bôi trơn tối thiểu

2.3.1 Sự sinh nhiệt trong quá trình phay

Nhiệt độ cao sinh ra trong quá trình gia công cắt gọt có thể ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt của sản phẩm, độ bền của công cụ cắt và tuổi thọ của chúng, cũng như gây ra biến dạng sản phẩm

2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt cắt

Trong gia công kim loại, kim loại được loại bỏ bằng lưỡi cắt của dụng cụ, lưỡi cắt này sẽ cắt phoi ra khỏi chi tiết gia công Năng lượng được sử dụng trong quá trình biến dạng kim loại được giải phóng, chủ yếu ở dạng nhiệt, trong vùng cắt sơ cấp và thứ cấp

2.4 Mòn dụng cụ cắt khi gia công

Trong quá trình cắt, phoi trượt lên mặt trước dao, chi tiết (bề mặt đang gia công) trượt lên mặt sau của dao với tốc độ lớn gâv ra hiện tượng mài mòn phần mặt trước, mặt sau của dụng cụ cắt

2.5 Đặc trưng, tính chất bề mặt sau khi phay

Chất lượng bề mặt không chỉ ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước của các chi tiết gia công mà còn ảnh hưởng đến tính chất và hiệu suất của chúng trong quá trình sử dụng [15]

2.5.1 Độ nhám bề mặt sau khi phay

Độ nhám là thông số phản ánh sự ổn định của bề mặt chi tiết sau khi gia công Sự biến dạng của vật liệu gia công, lực cắt, rung động và mài mòn dụng

cụ cắt đều ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt chi tiết sau gia công Chế độ cắt và điều kiện cắt ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhám bề mặt chi tiết gia công [16]

2.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám

- Ảnh hưởng của tốc độ cắt Vc

- Ảnh hưởng của lượng chạy dao Vf

- Ảnh hưởng của vật liệu gia công;

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

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

2.7 Kết luận chương 2

Nội dung nghiên cứu đã trình bày tóm tắt cơ sở lý thuyết về các đặc trưng của quá trình phay bao gồm:

Cơ sở lý thuyết vật lý quá trình cắt gọt, cơ sở lý thuyết về lực cắt, rung động

và hiện tượng nhiệt cắt, mòn dụng cụ cắt trong quá trình phay và các yếu tố ảnh hưởng tới các thông số đặc trưng này

Nghiên cứu đặc trưng của lực cắt, rung động, quá trình tạo phoi, chất lượng

bề mặt và mài mòn dụng cụ cắt khi phay hợp kim Ti-6Al-4V

Hình 2- 13 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

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ THỰC

NGHIỆM KHẢO SÁT

Trong chương này thực hiện các nội dung chính sau:

3.1 Mục đích và yêu cầu của nghiên cứu thực nghiệm

Mục đích: Xây dựng phương pháp, hệ thống thiết bị thực nghiệm và thực

nghiệm đánh giá hiệu quả của MQL so với điều kiện gia công khô và tưới tràn thông qua các tiêu chí về Ra, Fc, Vb

Yêu cầu: (1) Hệ thống bôi trơn MQL thuận lợi trong việc chế tạo, lắp đặt và

vận hành trong quá trình thực nghiệm; (2) Hệ thống có thiết bị bôi trơn đảm bảo thay đổi được áp suất, lưu lượng của chất bôi trơn (3) Hệ thống bôi trơn tối thiều cần sự ổn định áp suất trong quá trình thực nghiệm

3.2 Xây dựng, tích hợp hệ thống thiết bị thực nghiệm

3.2.1 Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm

Thực nghiệm phay hợp kim Ti-6Al-4V trong điều kiện bôi trơn tối thiểu sử dụng dầu lạc

- Phương pháp gia công phay: Phay mặt phẳng

- Các thông số công nghệ quá trình phay được sử dụng trong nghiên cứu là vận tốc cắt (Vc ); lượng chạy dao răng (fz); chiều sâu cắt (ap)

- Các thông số công nghệ hệ thống bôi trơn tối thiểu được sử là áp suất

nguồn khí (P) và lưu lượng dầu bôi trơn (Q)

- Các tiêu chí chất lượng được khảo sát là: Độ nhám bề mặt (Ra); Lực cắt (F); lượng mòn mặt sau dụng cụ (V)

3.2.2 Thiết bị thực nghiệm

3.2.2.1 Thiết bị bôi trơn tối thiểu

Thông số kỹ thuật của thiết bị MQL được trình bày như bảng 3-1

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

1 Thể tích thùng dầu 3 lít

2 Áp suất nguồn khí tối đa 8 bar

3 Phạm vi điều chỉnh lưu lượng 0-1000 ml/giờ

Hình 3- 5 Surftest JS-210; Hình 3- 6 Kistler 9139AA; Hình 3- 7 Kính hiển vi VHX-7000

3.3 Đánh giá ảnh hưởng của các môi trường bôi trơn khác nhau tới độ nhám, lực cắt mòn dụng cụ cắt

Để đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ (Vc, fz, ap) tới độ nhám

bề mặt Ra, lực cắt Fc và lượng mòn mặt sau dụng cụ cắt Vb, ma trận Taguchi

L27 được lựa chọn cho nghiên cứu thực nghiệm

3.3.1 Ma trận thực nghiệm

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

Kết quả thực nghiệm được tổng hợp trong bảng 3-6

3.3.2 Tiến hành thực nghiệm

Các thực nghiệm được tiến hành theo trình tự mô tả như hình 3-8

Hình 3- 8 Trình tự thực nghiệm Bảng 3- 7 Ma trận thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng chế độ công nghệ tới lực cắt riêng, độ nhám bề mặt và mòn dụng cụ cắt trong các điều kiện gia công khác nhau

Hình 3-10 So sánh giá trị độ nhám R a với các điều kiện bôi trơn khác nhau

Ảnh chụp bề mặt chi tiết sau gia công cho thấy sự khác biệt về mức nhấp nhô giữa các điều kiện gia công, như hình 3-11 Màu sắc từ ảnh chụp phôi sau gia công trong điều kiện bôi trơn tối thiểu (hình 3-11b) cho thấy sự đồng đều về màu sắc, thể hiện chiều cao nhấp nhô trên bề mặt đồng đều hơn so với gia công trong điều kiện tưới tràn

Điều này được giải thích là do dung dịch tưới nguội tồn tại dưới dạng sương

mù, có khả năng xâm nhập tốt hơn vào vùng cắt Ngược lại, ảnh chụp bề mặt chi tiết gia công khô (hình 3-11a) cho thấy sự chênh lệch lớn giữa các đỉnh nhấp nhô Đây là hiện tượng phổ biến gặp trong quá trình gia công khô, khi nhiệt cắt cao do không được làm mát trong quá trình cắt gọt

Hình 3-11 Hình chụp bề mặt chi tiết sau gia công với các điều kiện gia công khác nhau a) Gia công khô; b) Bôi trơn tối thiểu; c) Tưới tràn

Biểu đồ hình 3-12 cho thấy giá trị Ra giảm khi chuyển từ gia công khô sang điều kiện bôi trơn tối thiểu và tăng trở lại khi đổi sang chế độ tưới tràn

Giá trị độ nhám khi gia công khô (CL=1, hình 3-11) giảm mạnh khi tăng Vc

60 m/ph lên 150 m/ph và tiếp tục tăng nhẹ Vc tăng lên 240 m/ph Trong khi đó, giá trị độ nhám khi gia công trong điều kiện bôi trơn tối thiểu và tưới tràn có xu thế ổn định, ứng với vận tốc cắt ở mức 150 m/ph

Hình 3- 12 Ảnh hưởng chéo giữa các thông số đầu vào với giá trị nhám R a

Bảng 3-8 Bảng phản ứng cho độ lệch chuẩn của độ nhám bề mặt R a

Hình 3- 14 Biểu đồ tương tác cho giá trị lực cắt Fc

Xu thế thay đổi của Fc (Hình 3-14) khi gia công trong các điều kiện gia công khô, bôi trơn tối thiểu và tưới tràn khá giống nhau, trong đó giá trị lực cắt giảm khi Vc tăng từ mức 1 lên mức 2; và Fc tăng trở lại khi Vc tăng lên mức 3

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

3.3.3.3 Ảnh hưởng tới lượng mòn mặt sau Vb

Kết quả phân tích cho thấy lượng mòn mặt sau Vb khi gia công trong điều kiện bôi trơn tối thiểu nhỏ nhất trong hầu hết các thực nghiệm Ngược lại, giá trị lượng mòn mặt sau Vb khi gia công trong điều kiện gia công khô cao hơn trong hầu hết các thực nghiệm (hình 3-15)

Hình 3-15 So sánh lượng mòn dụng cụ cắt (V ) với các điều kiện gia công khác nhau

Kết quả phân tích thể hiện như bảng 3-10 và hình 3-16 cho thấy điều kiện bôi trơn CL có ảnh hưởng lớn nhất tới Vb, tiếp theo là fz và ap Xu thế thay đổi giá trị của Vb khi gia công trong điều kiện bôi trơn tối thiểu và tưới tràn là tương đồng (hình 3-16), trong đó (Vb) có xu thế tăng khi tăng vận tốc căt (Vc)

từ 60 lên 150 m/ph, và có xu thế giảm khi tiếp tục tăng vận tốc cắt lên 240 m/ph

Bảng 3-10 Bảng phản ứng cho độ lệch chuẩn của lượng mòn mặt sau V b

Hình 3-16 Biểu đồ tương tác cho giá trị lượng mòn mặt sau V b

Vb tăng khi tăng Vc từ 60 lên 150 m/ph, và tiếp tục tăng khi Vc tăng lên 150 m/ph Điều này là do nhiệt cắt tập trung lớn trong vùng gia công khi gia công khô, dẫn tới xu hướng gia tăng liên tục lượng mòn dụng cụ khi tăng vận tốc cắt

3.5 Kết luận chương 3

Từ kết quả thực nghiệm cho thấy gia công hợp kim Ti-6Al-4V cho thấy: (1) Gia công trong điều kiện MQL cho phép đạt được các giá trị Ra, Fc, Vbnhỏ hơn so với gia công khô và gia công tưới tràn Trong khi đó, các giá trị độ nhám (Ra), lực cắt (Fc) và lượng mòn mặt sau (Vb) là lớn nhất khi gia công trong điều kiện gia công khô

- Giá trị độ nhám (Ra) khi phay trong điều kiện bôi trơn tối thiểu nhỏ hơn 27%

so với tưới tràn và nhỏ hơn 31.5% so với khi gia công khô

- Giá trị lực cắt (Fc) khi phay trong điều kiện bôi trơn tối thiểu nhỏ hơn 12.8%

so với tưới tràn và nhỏ hơn 16.6% so với khi gia công khô

- Giá trị lượng mòn dụng cụ (Vb) khi phay trong điều kiện bôi trơn tối thiểu

nhỏ hơn 42.9% so với tưới tràn và nhỏ hơn 51% so với khi gia công khô