TỐI ƯU HOÁ CHẾ ĐỘ CẮT KHI PHAY VẬT LIỆU SKD61 BẰNG MẢNH DAO PHỦ PVD - TIALN ppt

TỐI ƯU HOÁ CHẾ ĐỘ CẮT KHI PHAY VẬT LIỆU SKD61 BẰNG MẢNH DAO PHỦ PVD - TIALN KS. DƯƠNG XUÂN TRƯỜNG TS. NGUYỄN VĂN HÙNG Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Đại học Thái Nguyên Tóm tắt: Hiện nay, mặc dù trên thế giới đã có nhiều đề tài và công trình nghiên cứu về chế độ gia công cắt gọt và tối ưu hoá chế độ cắt trên các máy CNC. Tuy nhiên, đa số các công trình nghiên cứu liên quan đến vấn đề này, thường được thực hiện trên một hệ thống công nghệ cụ thể với các vật liệu và dụng cụ cắt xác định. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu tối ưu hoá chế độ cắt khi phay vật liệu SKD61 bằng mảnh dao phủ PVD - TIALN, giải bài toán tối ưu hoá bằng phương pháp thực nghiệm theo mục tiêu tối ưu hoá về năng suất gia công, mòn dụng cụ cắt và nhám bề mặt, kết hợp với nghiên cứu cơ chế mòn của dụng cụ cắt để phân tích và đánh giá khách quan kết quả nghiên cứu. Summary: Nowadays, although there have been many researchs on the cutting mechanism and optimization of the cutting on CNC machines. However, most of these studies are often carried out in a specific technological system with defined materials and cutting tools. This paper presents research results on optimizing of cutting parameters in end milling SKD61 steel using PVD - TIALN coated carbide insert, resolving the optimization problems with the experimental method in the direction of optimizing the efficiency of processing, cutting tool wear and surface roughness in combination with studies on investigation of wear mechanisms of cutting tool in detail using scanning electron microscope (SEM) for objective analysis and evaluation of such results. CT 2 I. GIỚI THIỆU Tối ưu hoá quá trình gia công cắt gọt là phương pháp xác định chế độ cắt tối ưu thông qua việc xây dựng mối quan hệ toán học giữa hàm mục tiêu về kinh tế hoặc kỹ thuật của quá trình gia công với các thông số của chế độ cắt tương ứng trên một hệ thống công nghệ xác định [1], nhằm đạt được các mục tiêu về kinh tế hoặc kỹ thuật của quá trình gia công. Như vậy, thực chất của việc xác định chế độ cắt tối ưu là giải bài toán tối ưu hoá bằng phương pháp thực nghiệm [2] để tìm cực trị và miền tối ưu hoá theo các chỉ tiêu đã đề ra. II. MÔ HÌNH HOÁ QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU Để nghiên cứu tối ưu hoá chế độ cắt một cách có hệ thống và logic, dựa vào kết quả nghiên cứu [1, 3, 6, 7, 9] ta xây dựng mô hình hoá quá trình cắt khi phay như hình 1. Từ mô hình này ta thấy, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phay như: độ cứng vững của hệ thống công nghệ, độ chính xác của máy, vật liệu và chất lượng của phôi gia công, chất lượng và thông số hình học của dụng cụ cắt, chế độ gia công s, v, t , chúng có ảnh hưởng lớn đến các thông số đầu ra là các chỉ tiêu về kinh tế và kỹ thuật như: năng suất, chất lượng và độ chính xác của bề mặt, mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt Hình 1. Mô hình hoá quá trình cắt khi phay Theo kết quả của một số nghiên cứu mới đây về chế độ gia công cắt gọt thì lực cắt trong quá trình gia công và mòn dụng cụ cắt là các đại lượng có ảnh hưởng rất lớn tới quá trình gia công, khi cắt ở vận tốc cao thì ảnh hưởng của lực cắt có xu hướng giảm dần [9] và ảnh hưởng của mòn dụng cụ cắt lại tăng nhanh và tăng nhám bề mặt gia công [6]. Trên cơ sở đó, định hướng nghiên cứu tối ưu hoá trên mô hình phay vật liệu SKD61 cụ thể với các hàm mục tiêu tối ưu như sau: CT 2 - Năng suất cắt : Q = f(s,v,t) → Q Max - Mòn dụng cụ cắt : h s = f(s,v,t) → h s Min - Độ nhám bề mặt : R z = f(s,v,t) → R z Min III. MÔ TẢ THÍ NGHIỆM 3.1. Thiết bị thí nghiệm - Máy: Thí nghiệm được tiến hành trên Trung tâm gia công VMC - 85S/CNC. - Dao: Mảnh dao hợp kim phủ PVD - TIALN có thông số hình học như hình 2. Hình 2. Thông số hình học mảnh cắt TIALN - Vật liệu: Vật liệu SKD 61 theo tiêu chuẩn JGS của Nhật Bản có thành phần hoá học phân tích quang phổ như bảng 1 và thí nghiệm gia công ở độ cứng 32 - 40 HRC. Bảng 1. Thành phần hoá học của SKD61 N.Tố C Mn Si P S Cr Ni % 0.371 0.339 0.93 0.021 0.0083 5.22 0.103 N.Tố Mo V Cu Nb Al Co Ti % 1.169 0.835 0.106 0.0079 0.019 0.025 0.008 N.Tố W Pb Sn Mg B Fe % 0.044 0.013 0.0085 0.01 0.0023 90.75 3.2. Thiết bị đo 1. Máy đo toạ độ 3 chiều CMM - C544 hãng Mistutoyo, Nhật Bản, có độ phân giải 0.0001 mm. 2. Máy đo độ nhám bề mặt: SJ – 201 của hãng Mitutoyo có độ phân giải 0.03µm/300µm, 0.08µm/75µm, 0.04µm/9.4µm. 3. Kính hiển vi điện tử: Máy TM - 1000 của hãng Hitachi, có độ phóng đại 10.000 lần. 4. Đồng hồ so: Sử dụng đồng hồ so của hãng Mistutoyo, có độ phân giải 0.01 mm. 3.3. Ma trận thí nghiệm CT 2 Khoảng chế độ cắt nghiên cứu được xác định thông qua các thí nghiệm sơ bộ và tham khảo [4], [5], đồng thời xây dựng mô hình quy hoạch thực nghiệm theo [2, 3] ta được ma trận thí nghiệm như bảng 2. Bảng 2. Bảng ma trận thí nghiệm Thông số G.hạn dưới (- α) Mức dưới (-1) Mức TB (0) Mức trên (+1) G.hạn trên (+α) Các biến a e 0.246 0,3 0,55 0,8 0.854 x 1 t(mm) a p 4 4 4 4 4 S(mm/vg) 0.178 0.2 0.3 0.4 0.421 x 2 V (m/ph) 261.4 270 310 350 358.6 x 3 3.4. Quá trình thí nghiệm Từ miền giới hạn chế độ cắt, ma trận thí nghiệm được thiết lập theo quy hoạch hợp Box - Willson [2], mỗi thí nghiệm được thực hiện bằng 2 mảnh cắt TiAlN. Sử dụng máy đo 3 chiều CMM, đồng hồ so để xác định giá trị mòn mặt sau của dụng cụ cắt và đo nhám bề mặt Ra, Rz. Đồng thời, phân tích cơ chế mòn của dụng cụ cắt TiAlN trên ảnh SEM. Sau khi thí nghiệm, kết quả được thống kê như bảng 3. Bảng 3. Kết quả thí nghiệm gia công SKD61 t S V hs Rz Q TT mm mm/vg m/ph mm μm g/ph 1 0.3 0.2 270 0.0025 2.283 17.9 2 0.8 0.2 270 0.0037 3.14 44.6 3 0.3 0.4 270 0.0039 2.065 38.3 4 0.8 0.4 270 0.018 3.533 91.8 5 0.8 0.2 350 0.016 2.013 23 6 0.8 0.2 350 0.0315 2.033 60 7 0.3 0.4 350 0.015 2.553 51.4 8 0.8 0.4 350 0.0547 2.97 129.4 9 0.854 0.3 310 0.039 2.25 76.0 10 0.246 0.3 310 0.0029 2.675 20.8 11 0.55 0,421 310 0.015 3.033 71.8 12 0.55 0,178 310 0.0091 2.215 26.6 13 0.55 0.3 358.6 0.0357 2.545 110.3 14 0.55 0.3 261.4 0.0014 3.26 41.3 15 0.55 0.3 310 0.0102 2.845 90.6 IV. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 4.1. Xác định hàm hồi quy tối ưu hoá Sử dụng phần mềm Matlab để quy hoạch thực nghiệm và giải bài toán tối ưu hoá, ta được các hàm hồi quy về năng suất gia công, mòn dụng cụ cắt và nhám bề mặt như sau: CT 2 - LnQ = (157.057599 - 2.650311.lnt - 4.934117.lnS - 56.147729.lnV - 0.046275.lnt.lnS + 0.448740.lnt.lnV + 0.512351.lnS.lnV - 0.672684.lnt 2 - 1.211865.lnS 2 + 5.130406.lnV 2 ). - ln(h s ) = (-170.914172 - 0.142169.lnt + 29.140555.lnS + 57.368954.lnV + 1.410713.lnt.lnS + 0.796190.lnt.lnV - 3.766014.lnS.lnV + 0.936300.lnt 2 + 2.272186.lnS 2 - 4.733311.lnV 2 ). - ln(R z ) = (28.977480 + 8.491366.lnt - 9.752964.lnS - 10.234771.lnV + 0.217090.lnt.lnS - 1.449336.lnt.lnV + 1.647837.lnS.lnV - 0.160584.lnt 2 - 0.284649.lnS 2 + 0.936091.lnV 2 ). Dựa vào các hàm hồi quy này để khảo sát quá trình gia công vật liệu SKD61, ta được giá trị các hàm mục tiêu như sau: - Năng suất Q max = 153.224292 (g/ph) tại: t = 0.854(mm), S = 0.4210(mm/vg), V = 358.6 (m/ph) - Lượng mòn h smin = 0.004788 (mm) tại: t = 0.246(mm), S = 0.2944(mm/vg), V = 309.996 (m/ph) - Nhám bề mặt R zmin = 1.966820 (µm) tại: t = 0.246(mm), S = 0.1780(mm/vg), V = 358.6(m/ph) 4.2. Phân tích kết quả nghiên cứu Để mở rộng phạm vi lựa chọn hợp lý chế độ cắt, ta sử dụng phương pháp khảo sát đồ thị tại các giá trị tối ưu như hình 3, 5, 7, 9, 10, 11 và đánh giá đầy đủ hơn nữa kết quả nghiên cứu tối ưu hoá tại các điểm cực trị và miền tối ưu khi phay vật liệu SKD61, ta khảo sát mòn và cơ chế mòn của mảnh dao TiAlN. Từ đó, đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến năng suất và chất lượng bề mặt gia công. 4.2.1. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến mòn dụng cụ cắt - Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao được mô tả như hình 3. Trên đồ thị ta thấy, vận tốc cắt càng cao thì mòn dụng cụ càng lớn. Khi gia công ở vận tốc V = 260 – 310 (m/ph) thì ảnh hưởng của lượng chạy dao tới mòn dụng cụ cắt là không đáng kể và lượng mòn xuất hiện đều trên lưỡi cắt chính (hình 4a). Tuy nhiên, khi tăng vận tốc cắt từ 320 – 350 (m/ph) thì lượng mòn tăng với lượng chạy dao nhỏ như hình 3 và mòn phát triển về phía mũi dao (hình 4b) do đó đã làm tăng nhám bề mặt gia công. CT 2 Hình 3. Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đến mòn dụng cụ Hình 4. Ảnh SEM mòn trên lưỡi cắt chính V = 350m/ph, S = 0.4 (mm/vg) Vì vậy để gia công vật liệu SKD61 có lượng mòn nhỏ nhất ta nên chọn vận tốc cắt và lượng chạy dao theo đường mức tối ưu h s = 0.0053716 như đồ thị hình 4.1 với vận tốc cắt V nhỏ hơn 320(m/ph) và chiều sâu cắt tối ưu t = 0.2460(mm). - Ảnh hưởng của vận tốc cắt và chiều sâu cắt như đồ thị hình 5 ta thấy, cả vận tốc và chiều sâu cắt đều có ảnh hưởng đến mòn dụng cụ cắt, khi chiều sâu cắt nhỏ thì ảnh hưởng của vận tốc cắt đến mòn vẫn chưa rõ. Hình 5. Ảnh hưởng của vận tốc và chiều sâu cắt đến mòn dụng cụ CT 2 Hình 6. Hiện tượng nứt tách và phá huỷ lưỡi dao (V = 350m/ph, t = 0.8mm) Tuy nhiên khi tăng chiều sâu cắt t = 0.4 - 0.8 (mm) thì mòn tăng rất nhanh theo vận tốc (hình 5). Nguyên nhân là do khi tăng vận tốc và chiều sâu cắt, dưới tác dụng của lực cắt đã làm nứt tách và rạn vỡ lưỡi dao như hình 6. Đây là hiện tượng nứt tách rồi vỡ ra từng mảng của lưỡi cắt dưới tác dụng của lực cắt lớn khi gia công ở tốc độ cao. Như vậy, kết quả miền tối ưu hoá trên đường mức về mòn h s = 0.010954 hoàn toàn phù hợp với nghiên cứu này, với lượng chạy dao tối ưu S = 0.2944(mm/vg), ta nên lựa chọn vận tốc cắt V và chiều sâu cắt t theo đồ thị hình 5 để đạt chỉ tiêu về lượng mòn dụng cụ nhỏ nhất. - Ảnh hưởng của chiều sâu cắt và lượng chạy dao được mô tả như hình 7. Theo quan hệ này thì khi chiều sâu cắt nhỏ 0.1 - 0.43(mm) thì lượng chạy dao không có ảnh hưởng nhiều đến mòn dụng cụ cắt. Tuy nhiên, khi tăng chiều sâu cắt từ 0.5 - 0.8(mm) thì lượng mòn tăng nhanh theo lượng chạy dao và chiều sâu cắt và ảnh hưởng của lượng chạy dao khi đó tăng nhanh hơn. Hình 7. Ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt đến mòn dụng cụ Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do khi gia công ở tốc độ cao với lượng chạy dao và chiều sâu cắt lớn, lực cắt và nhiệt cắt xuất hiện ngày càng tăng. Do đó, hiện tượng nứt tách, rạn vỡ lưỡi cắt và dính bám vật liệu gia công do nhiệt cắt kết hợp với ôxi hoá lớp bề mặt đã làm một phần vật liệu bị khuếch tán lẫn nhau, gây mòn nhiều và tiến tới phá huỷ lưỡi dao (hình 6 và 8). Tác động này đã làm giảm tuổi bền của dụng cụ cắt và tăng nhám bề mặt gia công. CT 2 Hình 8. Hiện tượng khuếch tán vật liệu Trên đường mức hs = 0.012877 hình 4.5 ta nên chọn chiều sâu cắt (t = 0.5 - 0.7)mm ứng với vận tốc cắt tối ưu V = 309.996(m/ph). 4.2.2. Cơ chế mòn của dụng cụ cắt TiAlN Phân tích tại một số điểm cực trị và nghiên cứu cơ chế mòn của dụng cụ cắt TiAlN khi phay vật liệu SKD61 cho thấy, các mảnh dao đều bị mòn cả mặt trước và mặt sau. Khi gia công ở tốc độ cắt cao, quá trình mòn dụng cụ cắt được phát triển đều trên lưỡi chính (hình 4a). Nguyên nhân là do các hạt cứng của vật liệu gia công cào xước vào bề mặt tiếp xúc của dụng cụ. Khi tăng vận tốc cắt V lớn hơn (V = 320 - 350m/ph) ta thấy bắt đầu có hiện tượng dính bám, nứt tách vật liệu gia công và gây mòn nhiều ở mặt sau rồi phát triển mạnh về phía mũi dao (hình 4b). Hiện tượng nứt tách, rạn vỡ lưỡi cắt và dính bám vật liệu gia công do nhiệt cắt kết hợp với ôxi hoá lớp bề mặt đã làm một phần vật liệu bị khuếch tán lẫn nhau (hình 8), gây mòn nhiều và tiến tới phá huỷ lưỡi dao. Do đó, tác động này đã làm giảm tuổi bền của dụng cụ cắt và tăng nhám bề mặt gia công. 4.2.3. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến nhám bề mặt gia công - Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đến nhám bền mặt như đồ thị hình 9 ta thấy, vận tốc cắt và lượng chạy dao có ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhám bề mặt gia công, lượng chạy dao nhỏ dẫn đến chiều cao nhấp nhô tế vi bề mặt thấp. CT 2 Hình 9. Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đến nhám bề mặt Tuy nhiên nếu gia công ở vận tốc V < 290 (m/ph) thì ảnh hưởng đến mức độ biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi ở bề mặt gia công cao hơn nên nhám bề mặt tăng. Tiếp tục tăng vận tốc cắt thì chiều cao nhấp nhô bề mặt lại giảm ở lượng chạy dao thấp và tăng đều theo lượng chạy dao như hình 9. Trên đường mức tối ưu hoá R z = 2.0573 khi gia công ở vận tốc cao V > 290 (m/ph) ta nên chọn S = < 0.2(mm/vg), và khi gia công ở vận tốc V = < 280(m/ph) ta nên chọn S = 0.35 - 0.42(mm/vg) ứng với chiều sâu cắt tối ưu là t = 0.2460(mm). - Ảnh hưởng của vận tốc và chiều sâu cắt đến nhám bền mặt thể hiện như hình 10. Khi gia công ở chiều sâu cắt nhỏ, do lưỡi cắt của dụng cụ trượt và cào xước lên bề mặt gia công và làm tăng độ nhám bề mặt. Tuy nhiên, khi tăng chiều sâu cắt thì nhám bề mặt lại giảm với trường hợp gia công ở tốc độ cao. Hình 10. Ảnh hưởng của vận tốc cắt và chiều sâu cắt đến nhám bề mặt Do đó đề đạt được độ nhám bề mặt tối ưu theo đường mức R z = 1.8872 như hình 10 ứng với lượng chạy dao tối ưu S = 0.1780(mm/vg) ta nên chọn chiều sâu cắt trong khoảng t = 0.45 - 0.85(mm), vận tốc V > 320(m/ph). Nghiên cứu này cũng phù hợp với kết quả khi phay vật liệu (Ti-6Al4V) [5]. - Ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt đến nhám bền mặt thể hiện như hình 11. CT 2 Hình 11. Ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt đến nhám bề mặt Kết quả trên đồ thị cho thấy, ảnh hưởng của lượng chạy dao tới nhám bề mặt là rất rõ và phù hợp với cơ chế mòn của nghiên cứu này. Khi tăng lượng chạy dao S thì nhám bề mặt tăng nhanh và ít bị ảnh hưởng của chiều sâu cắt. Tuy nhiên, trên đường mức tối ưu về nhám bề mặt Rz = 1.8384 thì cần chọn chiều sâu cắt t lớn hơn 0.55(mm) và lượng chạy dao nhỏ hơn 0.22(mm/vg) với vận tốc cắt tối ưu V = 358.6(m/ph) thì quá trình gia công sẽ đạt chỉ tiêu về độ nhám nhỏ nhất. 4.3. Các sản phẩm ứng dụng Ứng dụng kết quả nghiên cứu gia công bề mặt khuôn đúc áp lực như hình 12. Hình 12. Gia công khuôn đực và khuôn cái Kết quả ứng dụng gia công khuôn mẫu cho thấy, chế độ gia công này cho năng suất và chất lượng cao hơn so với các chế độ cắt trước đây, cụ thể là: Vận tốc cắt từ 120 - 160(m/ph) theo [3, 10] đã tăng lên từ 260 - 358(m/ph), năng suất gia công đã tăng 3 lần và nhám bề mặt giảm 1.8 lần theo kết quả nghiên cứu này. CT 2 Hình 13. Sản phẩm ứng dụng V. KẾT LUẬN Giải bài toán tối ưu hoá bằng phương pháp thực nghiệm và nghiên cứu cơ chế mòn của dụng cụ cắt đã phản ánh được bản chất Lý - Hoá xảy ra trong quá trình phay vật liệu khuôn mẫu SKD61 bằng mảnh dao TiAlN, và mối quan hệ ảnh hưởng giữa chúng đến năng suất và chất lượng của sản phẩm. Kết quả nghiên cứu này đã tìm được cực trị và miền tối ưu hoá theo các chỉ tiêu về năng suất, mòn dụng cụ cắt và nhám bề mặt gia công. Đây là cơ sở khoa học quan trọng để tiến hành các nghiên cứu tiếp theo về chế độ gia công vật liệu SKD61 và làm cơ sở để nghiên cứu tối ưu hoá chế độ gia công cắt gọt các loại vật liệu và dụng cụ cắt khác. Đồng thời triển khai ứng dụng kết quả nghiên cứu này vào thực tế sản xuất đã cho năng suất và chất lượng cao hơn. Đây là những đóng góp chính về khoa học và thực tiễn của nghiên cứu này. [...]...Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Trọng Bình; Tối ưu hoá quá trình gia công cắt gọt; NXB Giáo dục 2003 [2] Nguyễn Doãn Ý; Quy hoạch và xử lý số liệu thực nghiệm; Nhà xuất bản Xây dựng 2000 [3] Nguyễn Văn Hùng; Nghiên cứu tối ưu hoá các thông số công nghệ của quá trình mài điện hoá; Luận án tiến sỹ - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – 2003 [4] Mitsubishi materials carbide; General catalogues 2007 - 2008... A.G Jaharah, C.H.Che-Hassan, M.Z.Omar and M.J Ghazali; Wear mechanism and failure mode of P10 TiN coated carbide tools; Department of Mechanical and Material Engineering, Faculty of Engineering; National University of Malaysia, 43600 Bangi, Selangor, Malaysia [9] Ivett Viktória BANA; Manufacturing of high precision bores; okleveles gépészmérnök, Universiteit Miskolc, Hongarije - geboren te Miskolc,... Seco tool; General catalogues and Secocut software [6] S Sharifa, M.Y Noordin(1), A.S Mohruni (2), V.C Venkatesh(3); Optimization of surface roughness prediction model in end milling titanium alloy (Ti-6Al4V); (1) Department of Manufacturing and Industrial Engineering, University Technology Malaysia, 81310 Johor, Malaysia; (2) Department of Mechanical Engineering, Sriwijaya University, Inrdralaya, 30662,... cutting tools when machining die and mould material; Department of Mechanical Engineering, University Teenage National, 43009, Kajang, Malaysia [11] W.Y.H Liew (1), W.L Teh and X Ding (2); Wear of nano-coated carbide tools in end milling of stainless steel; (1) Centre of Materials and Minerals, School of Engineering and Information Technology, University Malaysia Sabah, Locked Bag 2073, Kota Kinabalu, . với các vật liệu và dụng cụ cắt xác định. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu tối ưu hoá chế độ cắt khi phay vật liệu SKD61 bằng mảnh dao phủ PVD - TIALN, giải bài toán tối ưu hoá bằng phương. TỐI ƯU HOÁ CHẾ ĐỘ CẮT KHI PHAY VẬT LIỆU SKD61 BẰNG MẢNH DAO PHỦ PVD - TIALN KS. DƯƠNG XUÂN TRƯỜNG TS. NGUYỄN VĂN HÙNG Trường. toán tối ưu hoá bằng phương pháp thực nghiệm và nghiên cứu cơ chế mòn của dụng cụ cắt đã phản ánh được bản chất Lý - Hoá xảy ra trong quá trình phay vật liệu khuôn mẫu SKD61 bằng mảnh dao TiAlN,