Luận án tiến sĩ nghiên cứu quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm a6061 (tt)

MỞ ĐẦU Gia công cao tốc (High Speed Machining - HSM) nghiên cứu từ năm đầu kỷ IXX, nhiên cách thập niên gia công cao tốc bắt đầu thực xem phương pháp gia công ngành chế tạo máy Cùng với phát triển nhanh chóng ngành khí trang thiết bị phụ trợ đại như: máy công cụ điều khiển số, điều khiển CNC (Computer Numerical Control) hãng tiên tiến giới, hệ thống phần mềm hỗ trợ gia công CAM (Computer Aided Manufacture), gia công cao tốc ngày sử dụng rộng rãi việc chế tạo sản phẩm chất lượng cao sở sản xuất, nhà máy xí nghiệp nước So với gia công truyền thống gia công cao tốc có ưu điểm làm giảm thời gian gia công đến 90% giảm chi phí gia công đến 50% Tốc độ bóc tách kim loại nhanh, lực cắt thấp, chất lượng bề mặt gia công tốt [34], gia công vật liệu có độ cứng cao, chi tiết thành mỏng không cần tưới nguội [58] Trong trình gia công cao tốc phoi di chuyển khỏi vùng cắt nhanh làm giảm đáng kể nhiệt cắt cắt nhiệt truyền chủ yếu vào phoi [64] Ngày gia công cao tốc ứng dụng chủ yếu công nghiệp khuôn mẫu, công nghiệp ô tô, công nghiệp hàng không, công nghiệp nhẹ Sự khác biệt gia công cao tốc so với gia công truyền thống gia công cao tốc có: vận tốc cắt cao, lượng chạy dao cao suất gia công lớn [115] Một số nghiên cứu gia công cao tốc như: phay cao tốc thép cứng [112], thép AISI H13 [34, 35], Inconel 718 [88], hợp kim nhôm 7475 [27], Ti6Al4V [123] nghiên cứu đánh giá chất lượng bề mặt gia công lực cắt tuổi bền dụng cụ cắt, chế mài mòn dụng cụ cắt phay cao tốc …Như nghiên cứu cho thấy lợi ích vượt trội gia công cao tốc nói chung phay cao tốc nói riêng suất, chất lượng chi tiết sau gia công Để phân tích, dự đoán tượng xảy trình gia công cao tốc mô theo phương pháp phần tử hữu hạn (Finite element method-FEM) sử dụng biện pháp thay cho trình thực nghiệm Lợi ích việc sử dụng mô theo phương pháp phần tử hữu hạn cho khả quan sát dự báo cách trực quan vùng cắt đặc trưng như: ứng suất, biến dạng trạng thái tiếp xúc khác dao– phoi, dao - chi tiết gia công Những đặc trưng sở để dự báo xác số tượng xảy lực cắt, nhiệt cắt trình gia công cao tốc Ngày với phát triển công nghệ phần mềm dùng cho mô đời siêu máy tính có cấu hình cao, dung lượng lớn tiền đề cho sản phẩm thương mại việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn vào mô Một số phần mềm thương mại ABAQUS, DEFORM, DYNAFORM…được ứng dụng phổ biến rộng rãi nhiều trường đại học, viện nghiên cứu sở sản xuất kinh doanh Rất nhiều nhà nghiên cứu tìm hiểu chế hình thành phoi đặc điểm phoi liên quan đến điều kiện gia công cắt gọt sử dụng phương pháp mô phần tử hữu hạn, số lượng lớn nghiên cứu sử dụng mô hình Johson-Cook (J-C) [36] Mô hình J-C với kết hợp tiêu chí vùng ứng suất Von-Mises, biến dạng dẻo tương đương, tốc độ biến dạng nhiệt độ [101] Một số tác giả sử dụng mô hình phá hủy khác để mô trình gia công vật liệu chẳng hạn mô hình biến dạng phá hủy [18, 95] Mô hình Wilkins [116], mô hình sửa đổi CockcroftLatham [28, 72, 73], mô hình nguồn, tất mô hình dự đoán lực cắt, chiều dày phoi, ứng suất, biến dạng nhiệt độ ….Mô hình Bao-Wierzbicki (B-W) thường xuyên sử dụng với mục đích để kiểm tra đặc tính vật liệu [47, 48, 98, 103] Gần nghiên cứu Li đồng nghiệp [30, 66] khảo sát lực cắt, chiều dày phoi suốt trình phay nhôm Ti6Al4V, vật liệu Inconel 718 với việc sử dụng mô hình J-C để xác định ứng suất chảy sinh trình gia công Điều cho thấy sử dụng mô hình mô theo phương pháp phần tử hữu hạn giúp cho việc mô tả trình cắt ngày xác Sự đa dạng kết đầu trình gia công kim loại lực cắt, ứng suất, nhiệt, hình dáng phoi…có thể dự đoán mô theo phương pháp phần tử hữu hạn mà không cần đến thực nghiệm tương ứng [13, 14, 20, 33, 38, 39, 118] Ở Việt Nam việc sử dụng phương pháp phần tửu hữu hạn vào mô trình gia công hạn chế chưa có nghiên cứu sử dụng mô theo phương pháp vào việc mô tả dự đoán tượng xảy trình phay cao tốc Hợp kim nhôm A6061 loại vật liệu nhà nghiên cứu, kỹ sư công nghệ thiết kế quan tâm đặc biệt Bởi hợp kim nhôm A6061 hứa hẹn đem lại nhiều lợi ích kinh tế, kỹ thuật cho công nghiệp ô tô, tàu thủy, hàng không… có độ bền tương đối tốt, khả tạo hình dễ dàng, khả chống ăn mòn chi phí thấp so với hợp kim loại Hợp kim nhôm A6061 ứng dụng rộng rãi công nghiệp ô tô cụ thể chế tạo phụ tùng như: bánh xe số cấu khác xe Các sản phẩm hợp kim nhôm A6061 tạo thành phay cao tốc sử dụng rộng rãi ngành gia công khuôn mẫu, ngành công nghiệp nhẹ, y tế, điện tử… với chất lượng bề mặt gia công tốt suất cao Do nhu cầu xã hội sản phẩm phay cao tốc nhôm lớn Việc nghiên cứu trình phay cao tốc hợp kim nhôm cần thiết cấp bách tượng xảy trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 định đến ổn định trình gia công, suất, chất lượng chi tiết gia công Tuy nhiên trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 chưa có nghiên cứu gần đề cập đến Quá trình tạo phoi phay cao tốc chịu ảnh hưởng thông số như: vận tốc cắt, chiều sâu cắt, lượng chạy dao… Các thông số chế độ cắt coi ảnh hưởng tích cực liên quan mật thiết đến yếu tố đầu như: hệ số co rút phoi, lực cắt, vết tiếp xúc dao - phoi, rung động, chất lượng bề mặt gia công Từ giá trị yếu tố đầu cho phép điều chỉnh trình phay hợp lý để đạt tiêu suất chất lượng chi tiết sau gia công Từ vấn đề cấp thiết luận án lựa chọn đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061” +Mục đích luận án - Phân tích trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 thông qua việc mô thực nghiệm trình hình thành phoi - Khảo sát ảnh hưởng thông số công nghệ đến trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 như: hình thái hình học phoi, hệ số co rút phoi, lực cắt, rung động, vết tiếp xúc daophoi, chất lượng bề mặt chi tiết sau gia công - Phân tích dự đoán tượng xảy trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 sử dụng mô theo phương pháp phần tử hữu hạn + Đối tượng nghiên cứu: - Quá trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 - Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu sở vật lý động lực học trình phay cao tốc - Nghiên cứu số mô hình phá hủy vật liệu sử dụng mô trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 theo phương pháp phần tử hữu hạn - Thực nghiệm trình tạo phoi, đánh giá ảnh hưởng thông số công nghệ đến hình thái hình học phoi, hệ số co rút phoi, lực cắt, rung động, vết tiếp xúc dao - phoi độ nhám bề mặt chi tiết gia công phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 - Mô trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061, so sánh kiểm chứng với thực nghiệm - Ý nghĩa khoa học luận án: - Đánh giá mức độ biến dạng phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 thông qua việc xác định biến đổi hệ số co rút phoi - Xây dựng biểu đồ thể mức độ ảnh hưởng thông số công nghệ đến yếu tố đầu như: Hệ số co rút phoi, lực cắt, rung động, vết tiếp xúc dao - phoi độ nhám bề mặt chi tiết sau gia công phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 - Mô trình hình thành phoi, phân tích ứng suất biến dạng sinh vùng tiếp xúc dao - phoi từ dự đoán xác trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 +Ý nghĩa thực tiễn luận án: - Có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho nhà máy xí nghiệp, sở sản xuất phòng nghiên cứu tham khảo mức độ ảnh hưởng thông số công nghệ đến yếu tố đầu như: hệ số co rút phoi, lực cắt, rung động, vết tiếp xúc dao - phoi độ nhám bề mặt chi tiết sau gia công phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 - Dùng làm tài liệu tham khảo cho sở đào tạo cách thức mô tả trình phay cao tốc sử dụng mô theo phương pháp phần tử hữu hạn +Những đóng góp luận án: - Cơ chế hình thành phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 làm rõ dựa việc phân tích hình thái học phoi thông qua việc quét ảnh kính hiển vi điện tử - Ảnh hưởng chế độ cắt gồm: vận tốc cắt (V), bước tiến dao (f) chiều sâu cắt (t) đến trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 nghiên cứu cách có hệ thống Các phương trình thực nghiệm hồi quy biểu diễn mối liên hệ chế độ cắt với lực cắt, hệ số co rút phoi, rung động đồ gá phôi, chiều dài tiếp xúc dao – phoi độ nhám bề mặt chi tiết gia công đề xuất - Luận án đưa phương trình thực nghiệm phản ánh mối liên hệ hệ số co rút phoi với lực cắt, rung động, chiều dài tiếp xúc dao - phoi độ nhám bề mặt chi tiết sau gia công - Luận án đề xuất mô hình phần tử hữu hạn có độ xác cao để áp dụng cho trình phay hợp kim nhôm A6061 điều kiện gia công vùng tốc độ cao Mô hình kiểm nghiệm dựa kết thực nghiệm Để đạt mục tiêu đó, mô hình phá hủy vật liệu khác nghiên cứu, phân tích, đánh giá, chọn lựa áp dụng cho trình mô phương pháp phần tử hữu hạn; từ tìm mô hình phù hợp Trong đó, ảnh hưởng tốc độ biến dạng đến kết dự đoán sau mô kiểm tra so sánh xác nhận thực nghiệm - Cuối cùng, thông số chung tìm hướng tới hàm mục tiêu giảm tối đa yếu tố bao gồm: lực cắt, hệ số co rút phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 +Cấu trúc luận án: Luận án gồm chương phụ lục sau: Chương 1: Cơ sở vật lý trình tạo phoi phay cao tốc Chương 2: Động lực học trình phay cao tốc Chương Nghiên cứu thực nghiệm trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 Chương Nghiên cứu mô kiểm chứng trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 CHƯƠNG CƠ SỞ VẬT LÝ QUÁ TRÌNH TẠO PHOI KHI PHAY CAO TỐC 1.1 Tổng quan chung gia công cao tốc 1.1.1 Lịch sử phát triển gia công cao tốc 1.1.2 Đặc điểm chung gia công cao tốc 1.1.3 Một số ứng dụng gia công cao tốc 1.2 Cơ sở vật lý trình phay cao tốc 1.3 Hệ số co rút phoi biến dạng xảy trình phay cao tốc 1.3.1 Hệ số co rút phoi Hệ số co rút phoi đánh giá mức độ biến đổi kích thước lớp kim loại bị cắt biến dạng dẻo viết công thức sau: t L K  (1.6) Lf t1 Trong gia công kim loại hệ số co rút phoi phụ thuộc vào tất yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng phoi như: Tính chất vật liệu gia công, hình dáng hình học dao, chế đ ộ cắt điều kiện khác Hì nh 1.11 Sơ đồ cắt kim loại [70] 1.3.2 Quan hệ hệ số co rút phoi biến dạng trình tạo phoi 1.3.3 Tốc độ biến dạng phoi 1.4 Đặc điểm biến dạng xảy trình tạo phoi phay cao tốc 1.5 Tổng quan nghiên cứu nước trình tạo phoi phay cao tốc 1.6 Kế luận chương Chương cho thấy gia công cao tốc sử dụng phổ biến rộng rãi nhà máy xí nghiệp, khu công nghiệp đại với ưu điểm tốc độ bóc tách kim loại nhanh, lực cắt thấp, chất lượng bề mặt gia công tốt, gia công vật liệu có độ cứng cao không cần tưới nguội Phân tích sở vật lý trình phay cao tốc, phân tích đặc điểm biến dạng phoi hình thành trình gia công cắt gọt đặc điểm dạng phoi hình thành vùng tốc độ khác chứng minh vùng tốc độ cao, tốc độ biến dạng liên quan mật thiết đến trình tạo phoi Các nghiên cứu trong nước cho thấy phay cao tốc phoi hình thành có dạng phân lớp (phân đoạn), phân đoạn phụ thuộc vào vật liệu gia công thông số chế độ cắt Trong vùng tốc độ cao thay đổi theo hướng tích cắt chất lượng bề mặt với hao mòn nhanh chóng dụng cụ cắt Tuy nhiên chưa có công trình nghiên cứu biến dạng trình hình thành phoi, hệ số co rút phoi, mối quan hệ hệ số co rút phoi với thông số đầu như: lực cắt, rung động, vết tiếp xúc phoi-dao, chất lượng bề mặt chi tiết gia công Mặt khác việc mô dự đoán tượng xảy so sánh với thực nghiệm trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 chưa có công trình công bố Như đề tài “Nghiên cứu trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061” vấn đề cấp thiết cho trình gia công hợp kim nhôm A6061 CHƯƠNG ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH PHAY CAO TỐC 2.1 Động lực học qúa trình tạo phoi phay cao tốc 2.1.1 Mô hình lực cắt trình tạo phoi 2.1.2 Phân tích mối quan hệ lực cắt ứng suất- biến dạng Oxley 2.2 Lực cắt trình phay cao tốc 2.2.1 Thành phần lực cắt phay cao tốc Lực cắt chia thành thành phần theo hướng x y Fx Fy Ngoài việc sử dụng lực kế để đo tính toán lực thông số hình học cụ thể sau:  (2.32) Fx  C.b.S z sin  sin   cos  Fy  C.b.( S z sin )  (sin   cos ) (2.33) Trong trình phay phản lực cắt F phân tích thành hệ thống Fz , Fx, Fy theo hướng tiếp tuyến với đường tròn dao phay, hướng pháp tuyến theo chiều trục dao mối quan hệ thành phần lực công thức sau: F  Fx  Fy  Fz  Fr  Ft  F0 (2.34) 2.2.2 Mô hình lực cắt phay mặt phẳng 2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt phay cao tốc 2.3 Ổn định rung động trình phay cao tốc 2.3.1 Sự ổn định trình phay cao tốc 2.3.2 Nguyên nhân gây ổn định 2.3.4 Mô hình rung động hai thành phần phay mặt phẳng 2.3.5 Miền ổn định rung động 2.4 Hiện tượng mài mòn dụng cụ cắt trình phay cao tốc 2.4.1 Các dạng mài mòn dụng cụ cắt 2.4.2 Cơ chế mài mòn dụng cụ cắt 2.5 Độ nhám bề mặt chi tiết gia công phay cao tốc 2.6 Kết luận chương Từ việc phân tích nghiên cứu mô hình toán học lực cắt, rung động, mài mòn độ nhám bề mặt trình phay cao tốc cho thấy thông số công nghệ ảnh hưởng lớn đến yếu tố đầu như: hệ số co rút phoi, lực cắt, độ nhám bề mặt chi tiết gia công, rung động, mài mòn dụng cụ cắt thực nghiệm Việc phân tích động lực học trình phay sở cho việc xây dựng phương án quy trình thực nghiệm, xây dựng mô hình toán học thông số công nghệ đến hệ số co rút phoi, lực cắt, rung động, mài mòn độ nhám bề mặt bề mặt chi tiết gia công Chương sở cho nghiên cứu thực nghiệm mô trình bày chương CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH TẠO PHOI KHI PHAY CAO TỐC HỢP KIM NHÔM A6061 3.1 Vật liệu, thiết bị phương pháp nghiên cứu trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 3.1.1 Máy, phôi, dụng cụ cắt nghiên cứu phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 3.1.2 Các thiết bị đo dùng nghiên cứu trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 3.1.3 Thiết kế thực nghiệm phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 Bảng 3.3 Giá trị biến thiên miền thực nghiệm Yếu tố Mức (+1) Mức (-1) Mức sở (0) Khoảng biến thiên X1 1000 1256 1128 128 X2 800 1800 1300 500 X3 0,5 1,5 1,0 0,5 Chuyển từ biến tự thiên sang biến mã hóa không thứ nguyên lựa chọn bảng quy hoạch thực nghiệm thông số đầu vào phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 Bảng 3.4 3.2 Nghiên cứu thực nghiệm hình thái hình học phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 3.2.1 Mục đích nghiên cứu hình thái hình học phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 Hì nh 3.13 Sơ đồ phân tích tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 3.2.3 Cơ chế hình thành phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 Khi phay với tốc độ cao ảnh hưởng tốc độ biến dạng nhiệt độ, biến dạng cắt xảy vùng biến dạng cấp Hình 3.15, vùng bắt đầu xuất biến dạng dẻo mặt trượt phoi, vùng biến dạng cấp vùng phoi tiếp xúc với dụng cụ cắt, phoi hình thành có dạng mảnh chiều rộng hẹp Hì nh 0.1 Cơ chế hình thành phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 3.2.4 Đặc điểm hình thái hình học phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 Các bề mặt phoi bao gồm: mặt phoi gọi mặt tự do; mặt phía tiếp xúc với dao gọi mặt trong, hai mặt phoi cấu tạo hai cạnh phía phoi cạnh phía phoi Sự biến dạng phoi quan sát rõ ràng bề mặt tự do, cạnh phoi phía phía phoi Bề mặt tự bề mặt tiếp xúc dao-phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 thể Hình 3.16b +Phân tích cấu trúc bề mặt tự phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 Hình 3.17 Cấu trúc lớp bề mặt tự phoi hình thành phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 (V = 1000 m/phút, f = 1800 mm/phút, t = 1,5 mm) Trên Hình 3.17 ảnh chụp SEM bề mặt tự phoi hợp kim nhôm A6061với tốc độ cắt 1000 m/phút Quan sát cho thấy bề mặt phoi có xếp chồng kim loại với tạo thành lớp liên tiếp (các đoạn) 3.2.5 Ảnh hưởng thông số công nghệ đến hình thái hình học phoi + Ảnh hưởng vận tốc cắt Tốc độ cắt ảnh hưởng đến chiều rộng phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061, lượng chạy dao 1800 mm/phút chiều sâu cắt 1,5 mm, chiều rộng phoi tốc độ cắt 1256 m/phút 1,84 mm tốc độ cắt 1000 m/phút chiều rộng phoi 2,0 mm Hì nh 3.20 Chiều rộng phoi hợp kim nhôm A6061 phay cao tốc Chiều cao lớp phoi giảm 12,5%, khoảng cách hai đỉnh lớp phoi giảm 9,6% tốc độ cắt giảm từ 1256 m/phút đến 1000 m/phút Hình 3.10 + Ảnh hưởng lượng chạy dao Khi tăng lượng chạy dao có dồn nén vật liệu nhiều lượng chạy dao mỏng bề mặt tự phoi Hình 3.21 10 Hì nh 3.21 Ảnh SEM hình thái phoi A6061 phay cao tốc ứng với vận tốc cắt khác + Ảnh hưởng chiều sâu cắt Chiều sâu cắt thay đổi ảnh hưởng đến chiều rộng mức độ phân lớp phoi quan sát Hình 3.23 điều kiện cắt (V =1256 m/phút, f = 1800 mm/phút) với chiều sâu cắt 0,5 mm nhỏ nhiều so với chiều sâu cắt 1,5 mm Hì nh 3.23 Ảnh SEM chiều rộng phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 với t khác 3.3 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng thông số công nghệ đến hệ số co rút phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 3.3.1 Mục đích thí nghiệm hệ số co rút phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 3.3.2 Phương pháp xác định hệ số co rút phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061[1] Hệ số co rút phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 tính theo công thức (3.3): K 1000.Q .l f v t (3.3) 3.3.3 Xây dựng hàm toán học K phụ thuộc vào thông số công nghệ (V, f, t) 11 Hàm toán học K phụ thuộc vào thông số công nghệ (V,f,t) phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 mô tả phương trình phi tuyến sau: (3.4) K  a1.V a f a3 t a3 Phương trình (3.2) viết sau: (3.8 K  V 0, 009071 f 0, 03395 t 0,14026 Bảng 3.5 Lograrit biến (V, f, t) kết qủa đo K phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 Th ứ tự t (mm ) 0,5 0,5 K lnV lnf lnt lnK 1000 1256 f (mm/p h) 800 800 1,294 1,304 6,908 7,136 6,685 6,685 -0,693 -0,693 0,258 0,266 1000 1800 0,5 1,232 6,908 7,496 -0,693 0,279 1256 1800 0,5 1,401 7,136 7,496 -0,693 0,323 1000 800 1,5 1,264 6,908 6,685 0,4055 0,134 1256 800 1,5 1,106 7,136 6,685 0,4055 0,097 10 1000 1256 1128 1128 1800 1800 1350 1350 1,5 1,5 1,0 1,0 1,110 1,173 1,213 1,236 6,908 7,136 7,028 7,028 7,496 7,496 7,208 7,208 0,4055 0,4055 0 0,128 0,125 0,212 0,212 11 1128 1350 1,0 1,236 7,028 7,208 0,212 V (m/ph)) a) Cố định V b) Cố định f c) Cố định t Hì nh 3.29 Mối quan hệ K với V, f t 3.4 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng thông số công nghệ đến lực cắt phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 3.4.1 Mục đích thí nghiệm lực cắt phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 3.4.2 Xây dựng hàm toán học lực cắt đến phụ thuộc vào thông số công nghệ phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 12 Mô hình toán học lực cắt phụ thuộc vào thông số công nghệ (V, f, t) phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 miêu tả phương trình sau: (3.10) F  b1.V b2 f b3 t b3 Khi phương trình(3.10) viết lại sau: F  1264,01.V 0,369 f 0,0475 t 0,0983 (N) (3.14) Bảng 3.6 Logarit biến đầu vào k ết đo lực cắt F phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 Thứ tự V (m/ph) f (mm/p h) t (mm ) F lnV lnf lnt lnF 1000 1256 1000 800 800 1800 0,5 0,5 0,5 125,69 119,55 131,99 6,908 7,136 6,908 6,685 6,685 7,496 -0,69 -0,69 -0,69 4,911 4,844 4,795 1256 1800 0,5 122,44 7,136 7,496 -0,69 4,716 10 11 1000 1256 1000 1256 1128 1128 1128 800 800 1800 1800 1350 1350 1350 1,5 1,5 1,5 1,5 1,0 1,0 1,0 142,83 128,42 149,19 134,70 130,86 131,82 131,72 6,908 7,136 6,908 7,136 7,028 7,028 7,028 6,685 6,685 7,496 7,496 7,208 7,208 7,208 0,405 0,405 0,405 0,405 0 4,986 4,855 4,94 4,765 4,832 4,827 4,842 a) Cố định V b) Cố định f c)Cố định t Hì nh 3.31 Mối quan hệ F với thông số công nghệ V,f t 3.5 Nghiên cứu thực nghiệm thông số công nghệ ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 3.5.1 Mục đích thí nghiệm đo độ nhám bề mặt phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 Mô hình toán học đo độ nhám bề mặt phụ thuộc vào thông số công nghệ (V, f, t) phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 miêu tả phương trình phi tuyến sau: R a  c1 V c2 f c3 t c4 (3.15) 13 Phương trình phụ thuộc Ra tới thông số công nghệ V,f t lúc là: (3.19) Ra  5820,7812.V 1,3788427 f 0,0497873.t 0,1013876 Bảng 3.10 Kết logarit hóa thông số công nghệ (V,f,t) ảnh hưởng đến Ra Thứ tự V (m/phút) f (mm/ph) t (mm) Ra lnV lnf lnt ln(Ra) 1000 800 0,5 0,64 6,908 6,685 -0,693 -0,54 1256 800 0,5 0,39 7,136 6,685 -0,693 -0,94 1000 1800 0,5 0,60 6,908 7,496 -0,693 -0,51 1256 1800 0,5 0,31 7,136 7,496 -0,693 -0,89 1000 800 1,5 0,53 6,908 6,685 0,406 -0,53 1256 1000 1256 1128 800 1800 1800 1350 1,5 1,5 1,5 1,0 0,48 0,55 0,35 0,44 7,136 6,908 7,136 7,028 6,685 7,496 7,496 7,208 0,406 0,406 0,4055 -0,73 -0,45 -0,71 -0,69 10 1128 1350 1,0 0,44 7,028 7,208 -0,69 11 1128 1350 1,0 0,44 7,028 7,208 -0,69 Phương trình (3.19) cho ta đồ thị mối quan hệ Ra với thông số công nghệ V,f,t Hình 3.33 a) Cố định V b) Cố định f c)Cố định t Hì nh 3.33 Mối quan hệ Ra với thông số công nghệ V,f t 3.6 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng thông số công nghệ đến vết tiếp xúc dao – phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 3.6.1 Mục đích thí nghiệm đo vết tiếp xúc dao-phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 3.6.2 Hàm toán học vết tiếp xúc dao-phoi phụ thông vào thông số công nghệ H S  d1 V d2 f d3 t d4 14 (3.20) Phương trình phụ thuộc Hs tới V,f t lúc là: H S  0,0000397.V 1,316 f 0,1734.t 0, 2925 (mm) (3.23) Bảng 3.12 Kết đo độ mòn mặt trước logarit tham số ảnh hưởng đến mài mòn dụng cụ cắt Th ứ tự V (m/phú t 1000 1256 f (mm/p hút) 800 800 1000 t (mm) Hs lnV lnf lnt ln(Hs) 0,5 0,5 0,32 0,27 6,908 7,136 6,685 6,685 -0,693 -0,693 -1,139 -1,309 1800 0,5 0,41 6,908 7,496 -0,693 -0,892 1256 1800 0,5 0,29 7,136 7,496 -0,693 -1,238 1000 800 1,5 0,46 6,908 6,685 0,406 -0,777 1256 800 1,5 0,37 7,136 6,685 0,406 -0,994 1000 1256 1128 1800 1800 1350 1,5 1,5 0,56 0,41 0,37 6,908 7,136 7,028 7,496 7,496 7,208 0,406 0,406 -0,579 -0,892 -0,994 10 1128 1350 0,37 7,028 7,208 -0,994 11 1128 1350 0,37 7,028 7,208 -0,994 a) Cố định V b) Cố định f c)Cố định t Hì nh 3.35 Sự phụ thuộc Hs đến thông số công nghệ V, f t 3.7 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng thông số công nghệ đến biên độ rung động phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 3.7.1 Mục đích thí nghiệm đo biên rung động phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 3.7.2 Hàm toán học biên độ rung động phụ thuộc vào thông số công nghệ phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 Hàm toán học biên độ rung động gia công phay cao tốc giới hạn tham số cắt có dạng sau: A xy  k1 V k2 f k3 t k4 (3.24) Phương trình phụ thuộc Axy tới V,f t lúc là: Axy  409758,6126.V 1, 426 f 0,11552 t 0,3254 15 (dB) (3.28) Bảng 3.12 Thông số đầu vào k ết đo rung động phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 Thứ tự V (m/phú t f (mm/p hút) t (mm ) 1000 800 0,5 1256 800 1000 1800 1256 Axy lnV lnf lnt ln(Axy) 34,569 6,908 6,685 -0,693 3,543 0,5 28,895 7,136 6,685 -0,693 3,364 0,5 42,006 6,908 7,496 -0,693 3,738 1800 0,5 28,972 7,136 7,496 -0,693 3,366 1000 800 1,5 55,687 6,908 6,685 0,406 4,020 1256 800 1,5 37,027 7,136 6,685 0,406 3,612 1000 1800 1,5 58,990 6,908 7,496 0,406 4,077 1256 1800 1,5 41,981 7,136 7,496 0,406 3,737 KHz 1128 1350 1,0 41,591 7,028 7,208 3,728 10 1128 1350 1,0 41,120 7,028 7,208 3,716 11 1128 1350 1,0 41,267 7,028 7,208 3,720 a) Cố định V b) Cố định f c) Cố định t Hì nh 3.37 Sự phụ thuộc Axy đến thông số công nghệ V, f t 3.8 Quan hệ tương quan hệ số co rút phoi với yếu tố đầu phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 3.8.1 Mối quan hệ hệ số co rút phoi lực cắt phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 Hình 3.38 Mối quan hệ K F 3.8.2 Mối quan hệ hệ số co rút phoi độ nhám bề mặt phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 16 Hình 3.39 Mối quan hệ K Ra 3.8.3 Mối quan hệ hệ số co rút phoi vết tiếp xúc dao-phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 Hình 3.40 Mối quan hệ K Hs 3.8.4 Mối quan hệ hệ số co rút phoi biên độ rung động phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 Hình 3.41 Mối quan hệ Axy K 3.9 Kết luận chương Phân tích chế hình thành phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061, đánh giá mức độ ảnh hưởng chế độ cắt đến biến dạng phoi Phân tích cấu trúc bề mặt phoi bề mặt tự do, bề mặt tiếp xúc với dao ảnh hưởng chế độ cắt đến bề mặt Nghiên cứu xây dựng hàm toán học yếu tố đầu phụ thuộc vào thông số công nghệ phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 sau: Hàm toán học ảnh hưởng thông số công nghệ đến hệ số co rút phoi: K  0,8899V ,009071 f ,03395 t 0 ,14026 F  1264,01.V 0,369 f 0,0475 t 0,0983 (N) 17 R a  5820,7812.V 1,3788427 f 0,04978427 t 0,1013876 (m) H s  0,0000937.V 1,1316 f 0,1734 t 0, 2925 (mm) Axy  409758,6126.V 1, 426 f 0,11552 t 0,3254 (dB) CHƯƠNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG QUÁ TRÌNH TẠO PHOI KHI PHAY CAO TỐC HỢP KIM NHÔM A6061 4.1 Đặc điểm mô theo phương pháp phần tử hữu hạn 4.2.1 Một số nghiên cứu sử dụng mô theo phương pháp phần tử hữu hạn trình gia công cắt gọt 4.2.2 Phá hủy dẻo phát triển lỗ trống vật liệu trình gia công 4.3 Mô hình phá hủy vật liệu cách xác định tham số 4.3.1 Mô hình phá hủy Johnson-Cook (J-C) 4.3.2 Mô hình phá hủy Bao-Wierzbicki (B-W) 4.3.3 Mô hình phá hủy B-W theo mô hình sửa đổi MohrCoulomb (Modified Morh- Coulomb MM-C) 4.3.4 Mô hình ma sát 4.4 Phân tích so sánh lựa chọn mô hình mô theo phương pháp phần tử hữu hạn trình hình thành phoi a Thiết kết mô Hì nh 4.17 Mô hình phần tử hữu hạn trình cắt b Sự hình thành biến dạng phoi Xét ảnh hưởng tốc độ cắt đến hệ số co rút phoi thể Hình 4.20, điều kiện cắt hệ số co rút phoi tốc độ 419 m/phút so với hệ số co rút phoi tốc độ cắt 1256 m/phút giảm 24,4% với chiều sâu cắt 0,5 mm, giảm 16,2% cắt với chiều sâu cắt mm, giảm 17,4% chiều sâu cắt 1,5 mm 18 Bảng 4.5 Chiều dày phoi trình mô V (m/phút) 419 565 1000 1256 t (mm) tp-m(mm)  (o ) K tp-t(mm) % t 0,5 0,870 32 1,74 0,841 0,034 1,0 1,540 33 1,54 1,62 0,049 1,5 2,145 34,5 1,43 2,23 0,038 0,5 0,835 33 1,67 0,812 0,028 1,0 1,550 34 1,55 1,56 0,006 1,5 2,115 35,5 1,41 2,223 0,049 0,5 0,693 36,5 1,385 0,716 0,033 1,0 1,381 39 1,381 1,317 0,049 1,5 2,034 39,5 1,356 1,943 0,047 0,5 0,658 40 1,316 0,637 0,033 1,0 1,414 37,5 1,354 1,233 0,021 1,5 2,052 38,5 1,345 1,79 0,021 4.4.2 So sánh mô thực nghiệm vùng tốc độ không bị ảnh hưởng tốc độ biến dạng a So sánh ứng suất biến dạng mô hình J-C mô hình B-W b So sánh hệ số co rút phoi mô thực nghiệm Qua việc xác định phần trăm sai lệch nhỏ sử dụng mô hình B-W mô hình J-C tương ứng 3,92% 6,463%, sai lệch lớn hai mô hình tương ứng 8,46% 10,95% Như cho thấy phần trăm sai lệch mô hình B-W so với kết thực nghiệm sai có phần trăm sai lệch nhỏ mô hình J-C c Sự phụ thuộc hệ số co rút phoi với thông số cắt d Sự phụ thuộc lực cắt đến thông số cắt 4.5 So sánh mô thực nghiệm trình hình thành phoi phay hợp kim nhôm A6061 vùng tốc độ cao 4.5.1 Ảnh hưởng tốc độ biến dạng đến vùng tốc độ cao a Ảnh hưởng tốc độ biến dạng đến ứng suất – biến dạng sinh trình hình thành phoi b.Ảnh hưởng tốc độ biến dạng đến hệ số co rút phoi Nhìn chung kết cho thấy sai lệch Ks so với KTN nhiều 5,3% sai lệch nhiều KN so với KTN 16,3% Trường hợp có xét đến ảnh hưởng tốc độ biến dạng nhiều so với trường hợp không xét đến ảnh hưởng tốc độ 19 biến dạng Như tốc độ biến dạng ảnh hưởng đến hệ số co rút phoi lớn Bảng 4.8 Ảnh hưởng hệ số co rút phoi đến tốc độ biến dạng TT t (mm) KTN (N) KS (N) KN (N) Sai lệch (%) KS Sai lệch % KN 0,5 1,350 1,316 1,364 0,025 -0,011 1,0 1,225 1,29 1,354 -0,053 -0,106 1,5 1,157 1,18 1,345 -0,020 -0,163 c Ảnh hưởng tốc độ biến dạng đến lực cắt Hình 4.31 ảnh hưởng lực cắt mô thực nghiệm vận tốc cắt khác Kết cho thấy sai lệch nhiều lực cắt thực nghiệm (FTN) lực mô xét đến ảnh hưởng tốc độ biến dạng (FS) 10,39% lực mô không xét đến ảnh hưởng tốc độ biến dạng (FN) 43,85% vận tốc cắt 1256 m/phút Sai lệch nhỏ FTN với FS 8,31% tốc độ cắt 1512 m/phút FN sai lệch nhỏ 41,17% tốc độ cắt 1000 m/phút 4.5.2 So sánh hình thái hình học phoi mô thực nghiệm tốc độ cắt cao hợp kim nhôm A6061 a) b) Hình 0.2 Hình thái hình học phoi tạo thành phay hợp kim nhôm A6061 mô thực nghiệm 4.6 Sự phân bố ứng suất vùng tiếp xúc dao phoi mô 3D trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 20 Tương tự mô 2D, phoi chia thành ba phần bao gồm: phần tạo phoi, phần bị phá hủy phần lại phôi Hì nh 4.33 Mô hình 3D phay cao tốc 4.6.2 Phân tích phân bố ứng suất -biến dạng mô 3D trình hình thành phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 4.6.3 Lực cắt sinh mô 3D trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 4.7 Ảnh hưởng thông số cắt đến số co rút phoi lực cắt mô vùng tốc độ cao có xét đến ảnh hưởng tốc độ biến dạng 4.7.1 Ảnh hưởng thông số cắt đến hệ số co rút phoi (KS) Phương trình phụ thuộc KS tới thông số V t lúc là: (4.54) K s  1,845.V 0,096.t 0,273 4.7.2 Ảnh hưởng thông số cắt đến lực cắt (FS) Phương trình phụ thuộc FS tới tham số V t lúc là: (4.59) Fs  335.75.V 0,1959.t 0,6702 4.8 Xác định thông số chung cho hệ số co rút phoi lực cắt mô trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 4.8.1 Bộ thông số sử dụng để mô cho hệ số co rút phoi lực cắt 4.8.2 Phân tích ANOVA ảnh hưởng thông số cắt đến K F Hì nh 4.42 Tỷ lệ S/N hệ số co rút phoi K 21 Hì nh 4.43 Tỷ lệ S/N lực cắt F 4.8.3 Phân tích mối tương quan Grey ảnh hưởng đồng thời thông số cắt (V, t, α,  ) đến hệ số co rút phoi K lực cắt F Hì nh 4.45 Sự phụ thuộc thông số cắt phân tích mối quan hệ tương quan Grey Theo phân tích thông số tối ưu cho K F tương ứng với tốc độ cắt 1000 m/phút, chiều sâu cắt 1mm, góc sau dao 15o , góc trước 4o Hình 4.45 Mô kiểm chứng thông số chung cho thấy giá trị hệ số co rút phoi K là: 1,24 lực cắt F là: 77,08 (N) Như thông số đảm bảo điều kiện hệ số co rút phoi lực cắt nhỏ 4.9 Kết luận chương Chương tiến hành so sánh thực nghiệm mô trình hình thành phoi theo phương pháp phần tử hữu hạn: Mô với tốc độ cắt thấp (vùng tốc độ không xét đến ảnh hưởng tốc độ biến dạng) so sánh hệ số co rút hai mô hình mô J-C, B-W với thực nghiệm Kết cho thấy mô hình B-W có hệ số co rút phoi gần với thực nghiệm sử dụng để mô trình tạo phoi, dự đoán lực cắt cho trình phay, tìm phương trình phụ thuộc hệ số co rút phoi lực cắt đến thông số: vận tốc cắt, chiều sâu cắt Phân tích đánh giá mô có xét đến ảnh hưởng tốc độ biến dạng không xét đến ảnh hưởng tốc độ biến dạng vùng tốc độ cao, số so sánh bao gồm: ứng suất- biến dạng, hệ số 22 co rút phoi Kết thấy mô có xét đến ảnh hưởng tốc độ biến dạng phù hợp thực nghiệm vùng tốc độ cắt cao Hàm toán học hệ số co rút phoi lực cắt vào V t vùng tốc độ cắt cao có xét đến ảnh hưởng tốc độ biến dạng mô theo phương pháp phần tử hữu hạn xây dựng có phương trình là: K s  1,845.V 0,096.t 0,273 Fs  335.75.V 0,1959.t 0,6702 (N) Phân tích mối tương quan thông số cắt: vận tốc cắt, chiều sâu cắt, góc sau góc trước ảnh hưởng đồng thời đến hệ số co rút phoi lực cắt, phân tích hệ số tương quan Grey tìm thông số phù hợp tương ứng 1000 m/phút, mm, 15o 4o KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO KẾT LUẬN Luận án nghiên cứu trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 đạt số kết nghiên cứu sau: Nghiên cứu, phân tích biến dạng phoi hình thành trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061, xác định chế hình thành phoi thông qua hình thái hình học phoi hình thành cách chụp ảnh SEM bề mặt phoi Nghiên cứu cho thấy hình thái hình học phoi thay đổi phụ thuộc vào tham số cắt: vận tốc cắt, chiều sâu cắt, lượng chạy dao Từ điều kiện, trang thiết bị nước nghiên cứu xây dựng sơ đồ thực nghiệm hệ thống thực nghiệm khoa học Xây dựng công thức hồi quy thực nghiệm biểu diễn mối quan hệ tham số công nghệ đến: hệ số co rút phoi, lực cắt, nhám bề mặt chi tiết gia công, vết tiếp xúc dao - phoi, rung động phay cao tốc hợp kim nhôm A6061: K  0,8899.V 0,009071 f 0,03395.t 0,14026 F  1264,01.V 0,369 f 0,0475.t 0,0983 (N) Ra  5820,7812.V 1,3788427 f 0,0497873.t 0,1013876 (m) H S  0,0000937.V 1,1316 f 0,1734 t 0, 2925 (mm) Axy  409758,6126.V 1, 426 f 0,11552.t 0,3254 (dB) Nghiên cứu phân tích mô hình phá hủy J-C mô hình B-W dùng để mô theo phương pháp phần tử hữu hạn trình phay 23 cao tốc hợp kim nhôm A6061 Từ kết so sánh, phân tích kết mô thực nghiệm hệ số co rút phoi, lựa chọn mô hình B-W để mô trình cắt đánh giá thông số về: vận tốc cắt, chiều sâu cắt đến hệ số co rút phoi, lực cắt Phân tích đánh giá mô có xét đến ảnh hưởng tốc độ biến dạng không xét đến ảnh hưởng tốc độ biến dạng vùng tốc độ cao (vận tốc khảo sát 1000 đến 1512 m/phút) thông qua tiêu ứng suất- biến dạng, hệ số co rút phoi, lực cắt Kết cho với vùng tốc độ cao mô hình có xét đến ảnh hưởng tốc độ biến dạng phù hợp với thực tế Đưa hàm số phụ thuộc vào vận tốc cắt chiều sâu cắt hệ số co rút phoi lực cắt vùng tốc độ cắt cao có xét đến ảnh hưởng tốc độ biến dạng mô phương pháp phần tử hữu hạn là: K S  1,845.V 0,096 t 0, 273 FS  335,75.V 0,1959 t 0,6702 (N) Phân tích mối tương quan thông số cắt vận tốc cắt, chiều sâu cắt, góc sau góc trước ảnh hưởng đồng thời đến hệ số co rút phoi lực cắt, phân tích hệ số tương quan Grey tìm thông số chung ứng với tiêu nhỏ tốt tương ứng V = 1000 m/phút, t = mm , α = 15o  = 4o HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Nghiên cứu thực nghiệm hệ số co rút phoi vật liệu chế độ cắt khác Hoàn thiện sở lý thuyết hình thành phoi xác định gốc phoi thời điểm Nghiên cứu xác định tham số phá hủy vật liệu khác ứng với vật liệu khác Nghiên cứu xác định mối quan hệ hệ số co rút phoi với yếu tố xảy trình cắt (nhiệt, lực, mài mòn, rung động, nhám bề mặt…) với vật liệu khác Nghiên cứu hoàn thiện sở lý thuyết mô với phương pháp phần tử hữu hạn mô hình phá hủy, mô hình vật liệu mô hình nhiệt cho vật liệu khác 24 ... cứu thực nghiệm trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 Chương Nghiên cứu mô kiểm chứng trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 CHƯƠNG CƠ SỞ VẬT LÝ QUÁ TRÌNH TẠO PHOI KHI PHAY CAO. .. NGHIỆM QUÁ TRÌNH TẠO PHOI KHI PHAY CAO TỐC HỢP KIM NHÔM A6061 3.1 Vật liệu, thiết bị phương pháp nghiên cứu trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 3.1.1 Máy, phôi, dụng cụ cắt nghiên cứu phay. .. NGHIÊN CỨU TIẾP THEO KẾT LUẬN Luận án nghiên cứu trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 đạt số kết nghiên cứu sau: Nghiên cứu, phân tích biến dạng phoi hình thành trình phay cao tốc hợp