Nghiên cứu quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 (Luận án tiến sĩ)
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Đức Toàn, ngƣời thầy tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ, bảo động viên thực luận án Tôi vô biết ơn đến GS.TSKH Bành Tiến Long định hƣớng đề tài, góp ý tận tình giúp đỡ động viên tơi hồn thành luận án Tơi xin cảm ơn Ban giám hiệu Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo sau Đại học, Viện Cơ khí - Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện tốt giúp đỡ, động viên suốt thời gian học tập nghiên cứu Tôi xin gửi lời cám ơn tới Thầy, Cô môn Gia Công Vật Liệu Và Dụng Cụ Công Nghiệp - Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đóng góp ý kiến, hỗ trợ giúp đỡ Tôi xin cám ơn khoa Cơ khí – Phòng thí nghiệm Đo lƣờng khoa Cơ khí, Trung Tâm Hồng Hải Foxcon– Trƣờng Đại học Công Nghiệp Hà Nội giúp đỡ, hỗ trợ hồn thành thực nghiệm luận án Tơi gửi lời cám ơn đến Ban lãnh đạo Trƣờng, khoa Cơ Khí, Bộ môn Kỹ thuật sở Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Hƣng Yên tạo điều kiện giúp đỡ thời gian tạo điều kiện giúp tơi hồn thành luận án Cuối tơi xin gửi lời cám ơn chân thành đến tất đồng nghiệp, bạn bè, gia đình ngƣời thân ln bên động viên khích lệ mong muốn tơi hồn thành luận án Hà Nội, ngày … tháng 08 năm 2017 Tác giả Phạm Thị Hoa i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án cơng trình nghiên cứu riêng tơi dƣới hƣớng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Đức Toàn Kết nêu luận án trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình nghiên cứu khác Hà Nội, ngày … tháng 08 năm 2017 HƢỚNG DẪN KHOA HỌC Tác giả PGS.TS Nguyễn Đức Toàn Phạm Thị Hoa ii MỤC LỤC MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ x MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Mục đích, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 2.2 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 3 Phƣơng pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn đề tài Những đóng góp đề tài Cấu trúc nội dung luận án CHƢƠNG 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 phay cao tốc 1.1.3 Một số ứng dụng phay cao tốc 1.2 Cơ sở vật lý trình phay cao tốc 10 1.3 Hệ số co rút phoi biến dạng xảy trình phay cao tốc 14 1.3.1 Hệ số co rút phoi 14 1.3.2 Quan hệ hệ số co rút phoi biến dạng trình tạo phoi 18 1.3.3 Tốc độ biến dạng trình tạo phoi 19 1.4 Đặc điểm biến dạng xảy trình tạo phoi phay cao tốc 20 1.5 Tổng quan nghiên cứu nƣớc trình tạo phoi phay cao tốc 23 1.5.1 Nghiên cứu nƣớc trình phay cao tốc 23 1.5.2 Nghiên cứu ngồi nƣớc q trình tạo phoi phay cao tốc 24 CHƢƠNG ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH PHAY CAO TỐC 31 2.1 Động lực học trình tạo phoi phay cao tốc 31 2.1.1 Mơ hình lực q trình tạo phoi 32 2.1.2 Phân tích mối quan hệ lực cắt ứng suất – biến dạng Oxley 35 2.2 Lực cắt trình phay cao tốc 36 2.2.1 Thành phần lực cắt phay cao tốc 36 2.2.2 Mơ hình lực cắt phay mặt phẳng 38 2.2.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến lực cắt phay cao tốc 40 2.3 Ổn định rung động trình phay cao tốc 42 2.3.1 Sự ổn định trình phay cao tốc 42 2.3.2 Nguyên nhân gây ổn định 43 iii 2.3.4 Mơ hình rung động hai thành phần phay mặt phẳng 43 2.3.5 Miền ổn định rung động 46 2.4 Hiện tƣợng mài mòn dụng cụ cắt trình phay cao tốc 48 2.4.1 Các dạng mài mòn dụng cụ cắt 49 2.4.2 Cơ chế mài mòn dụng cụ cắt 50 2.5 Độ nhám bề mặt chi tiết gia công phay cao tốc 52 2.6 Kết luận chƣơng 54 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH TẠO PHOI KHI PHAY CAO TỐC HỢP KIM NHÔM A6061 55 3.1 Vật liệu, thiết bị phƣơng pháp nghiên cứu trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 55 3.1.1 Máy, phôi, dụng cụ cắt nghiên cứu phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 55 3.1.2 Các thiết bị đo dùng cho thực nghiệm trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 57 3.1.3 Thiết kế thực nghiệm phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 60 3.2 Nghiên cứu thực nghiệm hình thái hình học phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 62 3.2.1 Mục đích nghiên cứu hình thái hình học phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 62 3.2.3 Cơ chế hình thành phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 63 3.2.4 Đặc điểm hình thái hình học phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 64 3.2.5 Ảnh hƣởng thông số cơng nghệ đến hình thái hình học phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 66 3.3 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng thông số công nghệ đến hệ số co rút phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 70 3.4 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng thông số công nghệ đến lực cắt phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 74 3.5 Nghiên cứu thực nghiệm thông số công nghệ ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 77 3.6 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng thông số công nghệ đến vết tiếp xúc dao–phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 80 3.7 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng thông số công nghệ đến biên độ rung động phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 83 3.8 Quan hệ tƣơng quan hệ số co rút phoi với yếu tố đầu phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 86 3.9 Kết luận chƣơng 88 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG Q TRÌNH TẠO PHOI KHI PHAY CAO TỐC HỢP KIM NHÔM A6061 90 4.1 Đặc điểm mô theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn 90 iv 4.2.1 Một số nghiên cứu sử dụng mô theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn q trình gia cơng cắt gọt 90 4.2.2 Phá hủy dẻo phát triển lỗ trống vật liệu trình gia cơng 91 4.3 Mơ hình phá hủy vật liệu cách xác định tham số mô hình 93 4.3.1 Mơ hình phá hủy Johnson-Cook (J-C) 94 4.3.2 Mơ hình phá hủy Bao-Wierzbicki (B-W) 99 4.3.3 Mơ hình phá hủy B-W theo mơ hình sửa đổi Mohr-Coulomb (Modified MorhCoulomb MM-C) 104 4.3.4 Mơ hình ma sát 106 4.4 Phân tích so sánh lựa chọn mơ hình mơ theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn trình hình thành phoi 107 4.5 So sánh mơ thực nghiệm q trình hình thành phoi phay hợp kim nhôm A6061 vùng tốc độ cao 114 4.5.1 Ảnh hƣởng tốc độ biến dạng gia công vùng tốc độ cao 114 4.5.2 So sánh hình thái hình học phoi mơ thực nghiệm tốc độ cắt cao phay hợp kim nhôm A6061 118 4.6 Sự phân bố ứng suất vùng tiếp xúc dao - phoi mô 3D trình tạo phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 119 4.6.1 Thiết kế mơ hình mơ 3D trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 119 4.6.2 Phân tích phân bố ứng suất - biến dạng mơ 3D q trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 120 4.6.3 Lực cắt mơ 3D q trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 121 4.7 Ảnh hƣởng thông công nghệ đến hệ số co rút phoi lực cắt mơ vùng tốc độ cao có xét đến ảnh hƣởng tốc độ biến dạng 123 4.7.1 Ảnh hƣởng thông số cắt đến hệ số co rút phoi (KS) 123 4.7.2 Ảnh hƣởng thông số công nghệ đến lực cắt FS 124 4.8 Xác định thông số chung cho hệ số co rút phoi lực cắt mơ q trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 126 4.8.1 Bộ thông số sử dụng để mô cho hệ số co rút phoi lực cắt 126 4.8.2 Phân tích ANOVA ảnh hƣởng thông số cắt đến K F 127 4.8.3 Phân tích mối tƣơng quan Grey ảnh hƣởng đồng thời thông số cắt (V, t, α, ) đến hệ số co rút phoi K lực cắt F 129 4.9 Kết luận chƣơng4 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO 135 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 143 PHỤ LỤC v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Đơn vị Ký hiệu HSM Diễn giải (High Speed Machining )-Gia công cao tốc CNC CAM FEM (Computer Numerical Control )- Điều khiển số có hỗ trợ máy tính (Computer Aided Manufacture)- Sản xuất thông qua trợ giúp máy tính Mơ phƣơng pháp phần tử hữu hạn J-C B-W MM-C GRA K VB Ra Mơ hình Jonson-Cook Mơ hình Bao- Wierzbicki Mơ hình sửa đổi Bai- Wierzbicki Phân tích quan hệ Grey Hệ số co rút phoi Mòn mặt trƣớc Nhám bề mặt chi tiết Axy Lf L t1 t2 Rung động theo phƣơng x phƣơng y Chiều dài lớp phoi Chiều dài quãng đƣờng dao Chiều dày phoi chƣa biến dạng Chiều dày phoi biến dạng Biến dạng cắt mm mm mm mm k Lực tác dụng lên mặt trƣớc Lực tác dụng lên mặt sau Lực cắt ứng suất miền tạo phoi N N N MPa Fc Ft Lực cắt Lực tiếp tuyến Ai() Diện tích phoi chƣa cắt thứ I góc N N mm2 D Ff Fn KT KR KA Đƣờng kính dụng cụ cắt Lực ma sát tác dụng dọc theo dòng chảy phoi Lực pháp tuyến thẳng góc tới góc cắt dao Áp suât cắt riêng Hằng số không thứ nguyên liên quan đến lực hƣớng tâm lực tiếp tuyến Hằng số không thứ nguyên liên quan đến lực dọc trục lực tiếp tuyến Góc biến dạng mm N Góc cắt pháp tuyến tức thời o m Góc quay lƣỡi cắt o Cm f Chiều dày phoi trung bình Biến dạng tƣơng đƣơng thời điểm phá hủy Chỉ số trạng thái ứng suất A,B,C,n,m Tr, Tm Các hệ số mơ hình thuộc tính Johnson-Cook Nhiệt độ phòng nhiệt độ nóng chảy vật liệu F1 F2 R1 n mm m vi o o C , Mức độ biến dạng tƣơng đƣơng, ứng suất tƣơng đƣơng , 0 Tốc độ biến dạng tốc độ biến dạng tƣơng đƣơng 1/s 1,2, 3 Các thành phần ứng suất pháp MPa Hệ số ma sát F Lực cắt K Hệ số co rút phoi Ra Nhám bề mặt chi tiết gia công m Hs Axy V t f SSE Vết tiếp xúc dao-phoi Biên độ rung động Vận tốc cắt Chiều sâu cắt Lƣợng chạy dao (Error Sum of Squares) Tổng bình phƣơng sai số mm dB m/phút mm mm/phút SSR (Regression sum of Squares) Tổng bình phƣơng hồi quy SSTO (Total sum of Squares) Tổng bình phƣơng ANOVA R R2 R Square Df SS MS D1-D5 α Phân tích phƣơng sai Hệ số tƣơng quan bội Hệ số xác định Hệ số điều chỉnh Số bậc tự Tổng bình phƣơng mức động sai lệch bình phƣơng chúng Phƣơng sai hay số bình quân tổng bình phƣơng sai lệch kể Tham số phá hủy vật liệu Góc sau Góc trƣớc Góc biến dạng N o o o vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Thành phần hóa học hợp kim nhơm A6061 (%) 56 Bảng 3.2 Đặc tính vật lý hợp kim nhơm A6061 56 Bảng 3.3 Giá trị biến thiên miền thực nghiệm 61 Bảng 3.4 Các thông số đầu vào phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 61 Bảng 3.5 Lograrit biến (V, f, t) kết qủa đo K phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 71 Bảng 3.6 Các thơng số phân tích phương sai (ANOVA) 72 Bảng 3.7 Phân tích phương sai ảnh hưởng thông số công nghệ (V, f, t) đến K 72 Bảng 3.8 Logarit biến đầu vào kết đo lực cắt F phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 75 Bảng 3.9 Phân tích hồi quy phương sai ANOVA thông số công nghệ (V, f, t) ảnh hưởng đến F 76 Bảng 3.10 Kết logarit hóa thông số công nghệ (V, f, t) ảnh hưởng đến Ra 78 Bảng 3.11 Phân tích hồi quy phương sai ANOVA thông số công nghệ (V, f, t) ảnh hưởng đến F 79 Bảng 3.12 Kết đo logarit thông số công nghệ ảnh hưởng đến vết tiếp xúc dao-phoi 81 Bảng 3.13 Phân tích hồi quy phương sai (ANOVA) thông số công nghệ ảnh hưởng đến Hs 82 Bảng 3.14 Thông số đầu vào kết đo biên độ rung động phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 84 Bảng 3.15 Phân tích hồi quy phương sai (ANOVA) thông số công nghệ (V, f, t) ảnh hưởng đến Axy 85 Bảng 4.1 Tham số vật liệu tham số phá hủy theo mơ hình J-C hợp kim nhơm A6061 98 Bảng 4.2 Thông số phá hủy vật liệu nhôm A6061 105 Bảng 4.3 Chiều dày phoi tạo thành q trình mơ phay cao tốc hợp kim nhơm A6061 109 Bảng 4.4 Mô kết đo K ứng với chế độ khác V t 113 Bảng 4.5 Kết lực cắt F ứng với chế độ cắt chiều sâu cắt khác 114 Bảng 4.6 Ảnh hưởng tốc độ biến dạng đến hệ số co rút phoi 117 Bảng 4.7 Ảnh hưởng tốc độ biến dạng đến lực cắt với vận tốc cắt khác 118 Bảng 4.8 Thông số công nghệ kết lực cắt mô phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 123 Bảng 4.9 Phân tích hồi quy phương sai (ANOVA )thông số công nghệ (V, t) ảnh hưởng đến KS 123 Bảng 4.10 Bộ thông số công nghệ kết lực cắt mô 125 Bảng 4.11 Phân tích hồi quy phương sai ANOVA thông số công nghệ (V, t) ảnh hưởng đến FS 125 Bảng 4.12 Thông số cắt dùng mô phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 126 viii Bảng 4.13 Mảng trực giao L9 kết tính tốn 127 Bảng 4.14 Tổng hợp phân tích ảnh hưởng thông số cắt đến K 128 Bảng 4.15 Tổng hợp phân tích mức độ ảnh hưởng thông số cắt đến F 128 Bảng 4.16 Phân hạng mối quan hệ Grey 130 Bảng 4.17 Bảng đặc trưng phân hạng mối quan hệ Grey 131 ix DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Nhiệt phụ thuộc vào tốc độ cắt Hình 1.2 Sơ đồ Merchant (1959) thay đổi vật liệu làm dụng cụ cắt tốc độ cắt tăng lên gấp đôi sau 10 năm (1959) Hình 1.3 Đặc điểm lịch sử gia công tốc độ cao Hình 1.4 Tốc độ cắt vật liệu gia công HSM với gia công truyền thống Hình 1.5 Thuộc tính chung gia cơng cao tốc Hình 1.6 Một số sản phẩm sau phay cao tốc hợp kim nhơm A6061 10 Hình 1.7 Sự biến dạng vùng cắt 11 Hình 1.8 Các dạng phoi hình thành trình cắt 12 Hình 1.9 Vùng hình thành phoi (Góc biến dạng : góc sauα; Góc trước ) 12 Hình 1.10 Cơ chế hình thành phoi phân đoạn 13 Hình 1.11 Sơ đồ cắt kim loại 14 Hình 1.12 Mơ hình biến dạng cắt 16 Hình 1.13 Sự thay đổi cấp độ phân đoạn phoi tốc độ cắt khác 16 Hình 1.14 Biến dạng mặt phẳng cắt với biến dạng phoi góc biến dạng cho ba giá trị góc trước 17 Hình 1.15 Ảnh hưởng tốc độ cắt đến mức độ phân lớp phoi (ap=2mm, ae=5mm) 17 Hình 1.16 Biến dạng trình hình thành phoi (Hướng hạt kéo dài lớn nhất) 18 Hình 1.17 Sơ đồ tốc độ biến dạng độ bền cắt 20 Hình 1.18 Vùng cắt vùng cắt cấp đơn giản 22 Hình 1.19 Sơ đồ biến đổi biến dạng với gia tăng tốc độ cắt tốc độ biến dạng cấp 22 Hình 1.20 Hình thái phoi thu vùng tốc độ thường vùng tốc độ cao 24 Hình 1.21 Phoi hình thành tốc độ cao 25 Hình 1.22 Góc cắt trình hình thành phoi phay cao tốc 25 Hình 1.23 Hình dạng phoi phụ thuộc vào tốc độ cắt gia công thép 45HRC 25 Hình 1.24 Hình ảnh trạng thái khác phoi 26 Hình 1.25 Hình ảnh mặt cắt ngang phoi 26 Hình 1.26 Hình thái phoi mô thực nghiệm tốc độ cao nhơm Ti6Al4V 27 Hình 1.27 So sánh mơ thực nghiệm 27 Hình 1.28 Hình thái phoi hình thành tốc độ khác mơ thực nghiệm 28 Hình 1.29 Ảnh hưởng tốc độ cắt đến lực (a) lượng mòn dụng cụ cắt (b) 28 Hình 2.1 Ảnh hưởng động lực học máy động lực học gia cơng đến q trình phay cao tốc 31 Hình 2.2 Sơ đồ hợp hai thành phần lực tạo phoi 32 Hình 2.3 Sơ đồ ứng suất mặt trước 32 Hình 2.4 Vòng tròn lực Merchant’s 33 Hình 2.5 Miêu tả hướng ứng suất cắt lớn tốc độ biến dạng cắt lớn 35 Hình 2.6 Thành phần lực cắt phay mặt phẳng 37 x ... CHƢƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH TẠO PHOI KHI PHAY CAO TỐC HỢP KIM NHÔM A6061 55 3.1 Vật liệu, thiết bị phƣơng pháp nghiên cứu trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. .. quan nghiên cứu ngồi nƣớc q trình tạo phoi phay cao tốc 23 1.5.1 Nghiên cứu nƣớc trình phay cao tốc 23 1.5.2 Nghiên cứu ngồi nƣớc q trình tạo phoi phay cao tốc 24 CHƢƠNG ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ... thành phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 64 Hình 3.16 Các bề mặt phoi tạo thành phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 64 Hình 3.17 Cấu trúc lớp bề mặt tự phoi hình thành phay cao tốc hợp kim