Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến một số thông số đặc trưng khi gia công cao tốc bề mặt khuôn

Ll BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THANH BÌNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG KHI GIA CÔNG CAO TỐC BỀ MẶT KHUÔN N SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2016 Ll BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THANH BÌNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG KHI GIA CÔNG CAO TỐC BỀ MẶT KHUÔN Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 62520103 : PGS.TS Nguyễn Huy Ninh PGS.TS Tăng Huy Hà Nội - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các số liệu kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác! Hà Nội, 15 tháng năm 2016 Nghiên cứu sinh HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Huy Ninh Nguyễn Thanh Bình HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Tăng Huy -i- LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học, Viện Cơ khí Bộ mơn Cơng nghệ Chế tạo máy cho phép thực luận án Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học Viện Cơ khí hỗ trợ giúp đỡ suốt q trình tơi làm luận án Tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Huy Ninh PGS.TS Tăng Huy hƣớng dẫn tơi tận tình chu đáo mặt chun mơn để tơi thực hồn thành luận án Tơi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn Công nghệ Chế tạo Máy Trung tâm EMCO - BKCNC - Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội giúp đỡ dành cho điều kiện thuận lợi để hồn thành luận án Tơi xin cảm ơn Ban Giám hiệu Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Vinh, Ban chủ nhiệm Khoa Cơ khí Động lực thầy cô Khoa hậu thuẫn động viên tơi suốt q trình nghiên cứu học tập Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy phản biện, thầy Hội đồng chấm luận án đồng ý đọc duyệt góp ý kiến q báu để tơi hoàn chỉnh luận án định hƣớng nghiên cứu trƣơng lai Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình bạn bè, ngƣời động viên khuyến khích tơi suốt thời gian tham gia nghiên cứu thực công trình Nghiên cứu sinh Nguyễn Thanh Bình -ii- MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU I Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu II Phương pháp nghiên cứu III Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài IV Những đóng góp V Cấu trúc luận án CHƢƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CAO TỐC 1.1 Định nghĩa gia công cao tốc 1.2 Đặc điểm phay cao tốc 1.3 So sánh phay cao tốc với phay truyền thống 1.4 Ứng dụng gia công cao tốc 1.5 Các cơng trình nghiên cứu nước 12 1.6 Giới hạn vấn đề nghiên cứu 14 Kết luận chương 14 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH PHAY CAO TỐC 15 2.1 Dụng cụ thiết bị dùng phay cao tốc 15 2.1.1.Dụng cụ dùng phay cao tốc 15 2.1.2.Thiết bị phay cao tốc 17 2.2 Sự hình thành phoi 22 2.3 Lực cắt phay cao tốc 27 2.3.1 Lực cắt phay mặt đầu 27 2.3.2 Lực cắt phay ngón 30 2.4 Mòn dụng cụ 34 2.4.1 Khái niệm mòn dụng cụ 34 2.4.2 Cơ chế mài mòn dụng cụ 34 2.4.3 Các dạng mòn phần cắt dụng cụ 37 2.4.4 Chỉ tiêu đánh giá mòn dụng cụ 38 2.4.5 Các thông số chế độ cắt ảnh hƣởng tới lƣợng mòn dao phay 39 2.5 Nhám bề mặt 40 2.5.1 Khái quát chất lƣợng bề mặt 40 2.5.2 Các thông số đặc trƣng cho độ nhám bề mặt 41 2.6 Ảnh hưởng yếu tố đến nhám bề mặt 49 2.6.1 Ảnh hƣởng chế độ công nghệ đến độ nhám bề mặt 49 2.6.2 Ảnh hƣởng lực, nhiệt cắt rung động đến nhám bề mặt phay cao tốc 51 2.6.3 Ảnh hƣởng chế độ tƣới nguội đến nhám bề mặt 53 2.7 Nhiệt cắt phay cao tốc 54 2.7.1 Nhiệt q trình gia cơng 54 2.7.2 Đo nhiệt cắt q trình gia cơng 56 2.7.3 Nhiệt q trình gia cơng cao tốc 58 -iii- 2.8 Rung động phay cao tốc 59 Kết luận chương 60 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM 61 3.1 Mô hình thực nghiệm 61 3.1.1 Sơ đồ thực nghiệm 61 3.1.2 Mơ hình thực nghiệm 61 3.1.3 Các đại lƣợng đầu vào 63 3.1.4 Các đại lƣợng đầu 64 3.1.5 Các đại lƣợng cố định 64 3.1.6 Các đại lƣợng nhiễu 64 3.2 Điều kiện thực nghiệm 64 3.2.1 Máy phay CNC 64 3.2.2 Phôi thực nghiệm 65 3.2.3 Dụng cụ cắt 66 3.2.4 Đồ gá 66 3.2.5 Các thông số cố định khác 66 3.3 Các thiết bị đo 67 3.3.1 Thiết bị đo lực cắt 67 3.3.2 Thiết bị đo chiều cao nhấp nhô bề mặt 67 3.3.3 Thiết bị đo mòn dao 68 3.4 Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm 69 3.4.1 Vai trò quy hoạch thực nghiệm nghiên cứu thực nghiệm 69 3.4.2 Đối tƣợng quy hoạch thực nghiệm ngành công nghiệp 70 3.4.3 Các phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm 71 3.5 Phần mềm quy hoạch thực nghiệm DX6 79 3.5.1 Giới thiệu phần mềm DX6 79 3.5.2 Các bƣớc thực phần mềm DX6 80 3.5.3 Phân tích kết 81 3.5.4 Giải toán tối ƣu hoá phần mềm DX6 82 3.6 Xây dựng mối quan hệ chế độ cắt đến độ nhám bề mặt, lực cắt mòn dao………………………… 83 3.6.1 Quy trình xây dựng mối quan hệ chế độ cắt đến độ nhám bề mặt, lực cắt mòn dao 83 3.6.2 Các bƣớc thực toán quy hoạch trực giao cấp I 83 Kết luận chương 85 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN LỰC CẮT, MÒN DAO VÀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHUÔN KHI PHAY TRÊN MÁY UCP600 86 4.1 Mục đính thực nghiệm 86 4.2 Xác định miền thực nghiệm 86 4.3 Nội dung thực nghiệm 88 4.4 Kết đo thực nghiệm xử lý kết 89 4.4.1 Thực nghiệm đo lực cắt xây dựng mơ hình tốn học lực cắt phụ thuộc vào chế độ cắt phay cao tốc 89 4.4.2 Thực nghiệm đo độ mòn dụng cụ xây dựng mơ hình tốn học độ mòn dụng cụ phụ thuộc vào chế độ cắt phay cao tốc 98 4.4.3 Thực nghiệm đo độ nhám bề mặt xây dựng mơ hình tốn học nhám bề mặt phụ thuộc vào chế độ cắt phay cao tốc 104 PHỤ LỤC 118 -iv- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu HSC HSM HSM CNC EDM HRC HB HV Dtr D N n v s fz ae t(ap) Rz Ra Fx Fy Fz Fxc Fyc Fzc Fr Ft Fa h CBN TiCN TiN TiCN TiAlN DX6 QHTN Diễn giải High Speed Cutting (Cắt cao tốc) High Speed Machining (Gia công cao tốc) High Speed Milling (Phay cao tốc) Computer Numerical Control (Điều khiển số trợ giúp máy tính) Electrical Discharge Machining (Gia công tia lửa điện) Đơn vị đo độ cứng theo phƣơng pháp Rockwell C Đơn vị đo độ cứng theo phƣơng pháp Brinell Đơn vị đo độ cứng theo phƣơng pháp Vickers Đƣờng kính vòng ổ Đƣờng kính dụng cụ cắt Số lƣỡi cắt dụng cụ cắt Tốc độ vòng quay trục Tốc độ cắt Tốc độ lƣợng chạy dao Lƣợng chạy dao Chiều sâu cắt theo phƣơng hƣớng kính Chiều sâu cắt theo phƣơng dọc trục Chiều cao nhấp nhô trung bình bề mặt chi tiết Sai lệch profin trung bình bề mặt chi tiết Thành phần lực cắt theo phƣơng X phay dao mặt đầu Thành phần lực cắt theo phƣơng Y phay dao mặt đầu Thành phần lực cắt theo phƣơng Z phay dao mặt đầu Thành phần lực cắt theo phƣơng X phay dao cầu Thành phần lực cắt theo phƣơng Y phay dao cầu Thành phần lực cắt theo phƣơng Z phay dao cầu Thành phần lực cắt theo phƣơng pháp tuyến Thành phần lực cắt theo phƣơng tiếp tuyến Thành phần lực cắt theo phƣơng dọc trục Độ dày phoi Cubic boron nitride - Nitrit bo lập phƣơng Titanium carbonitride Titan Nitride Titanium Carbide Nitride Titanium Alumium Nitride Phần mềm quy hoạch thực nghiệm Quy hoạch thực nghiệm -v- Đơn vị HRC HB HV mm Vòng/phút m/phút mm/phút mm/răng mm mm m m N N N N N N N N N mm DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 So sánh vận tốc cắt sử dụng gia công thông thƣờng gia công cao tốc Bảng 2.1 So sánh tốc độ máy gia công cao tốc máy gia công thƣờng 21 Bảng 2.2 Một số máy gia công cao tốc trục thẳng đứng số hãng tiếng 22 Bảng 3.1 Đặc tính kỹ thuật máy phay MIKRON UCP 600 64 Bảng 3.2 Thành phần hóa học thép SKD11 65 Bảng 3.3 Cơ tính thép SKD11 sau nhiệt luyện 65 Bảng 3.4 Các thông số dao phay mặt đầu 66 Bảng 3.5 Các thông số dao phay ngón đầu cầu [14] 66 Bảng 4.1 Giá trị yếu tố đầu vào thực nghiệm phay mặt đầu 86 Bảng 4.2 Giá trị yếu tố đầu vào thực nghiệm phay dao phay ngón đầu cầu 86 Bảng 4.3 Quy hoạch thực nghiệm thông số đầu vào phay dao phay mặt đầu 87 Bảng 4.4 Quy hoạch thực nghiệm thông số đầu vào phay dao phay ngón đầu cầu 87 Bảng 4.5 Kết đo lực cắt thành phần Fx 89 Bảng 4.6 Kết đo lực cắt thành phần Fy 90 Bảng 4.6 Kết đo lực cắt thành phần Fz 90 Bảng 4.8 Các giá trị bj theo biến mã hóa 91 Bảng 4.9 Các giá trị bj theo biến mã hóa 92 Bảng 4.10 Các giá trị bj theo biến mã hóa 93 Bảng 4.11 So sánh lực cắt phay thƣờng phay cao tốc 93 Bảng 4.12 Kết đo lực cắt thành phần Fxc 94 Bảng 4.13 Kết đo lực cắt thành phần Fyc 94 Bảng 4.14 Kết đo lực cắt thành phần Fzc 95 Bảng 4.15 Các giá trị bj theo biến mã hóa 96 Bảng 4.16 Các giá trị bj theo biến mã hóa 96 Bảng 4.17 Các giá trị bj theo biến mã hóa 97 Bảng 4.18 So sánh lực cắt phay thƣờng phay cao tốc 98 Bảng 4.19 Kết đo độ mòn mặt sau thời điểm 15 phút 98 Bảng 4.20 Các giá trị bj theo biến mã hóa 99 Bảng 4.21 Kết đo độ mòn mặt trƣớc thời điểm 15 phút 100 Bảng 4.22 Các giá trị bj theo biến mã hóa 101 Bảng 4.23 Kết thực nghiệm đo độ mòn mặt sau gia cơng với góc nghiêng θ khác 101 Bảng 4.24 Kết thực nghiệm đo mòn mặt trƣớc gia cơng với góc nghiêng θ khác 103 Bảng 4.25 Kết đo độ nhám bề mặt phay mặt đầu 104 Bảng 4.26 Các giá trị bj theo biến mã hóa 105 Bảng 4.27 So sánh độ nhám phay thƣờng phay cao tốc 106 Bảng 4.28 Chế độ cơng nghệ gia cơng với góc nghiêng dao khác 107 Bảng 4.29 Kết thực nghiệm gia cơng với góc nghiêng dao khác 108 Bảng 4.30 Kết đo độ nhám bề mặt 109 Bảng 4.31 Các giá trị bj theo biến mã hóa 110 Bảng 4.32 So sánh độ nhám phay thƣờng phay cao tốc 110 Bảng PL1.1 Giá trị yếu tố đầu vào thực nghiệm phay mặt đầu 118 Bảng PL1.2 Giá trị yếu tố đầu vào thực nghiệm phay dao phay ngón đầu cầu 118 -vi- Bảng PL1.3 Quy hoạch thực nghiệm thông số đầu vào phay dao phay mặt đầu 118 Bảng PL1.4 Quy hoạch thực nghiệm thông số đầu vào phay dao phay ngón đầu cầu 119 Bảng PL2 Tiêu chuẩn Student 120 ( n1 , n2 ) Bảng PL3.1 Tiêu chuẩn Fisher f 121 f( n1 ,n2 ) Bảng PL3.3 Tiêu chuẩn Fisher ( n1 , n2 )  f Bảng PL3.4 Tiêu chuẩn Fisher ( n1 , n2 )  f Bảng PL3.5 Tiêu chuẩn Fisher Bảng PL3.6 Tiêu chuẩn Fisher ( n1 , n2 )  f (tiếp) 123 (tiếp) 124 (tiếp) 125 (tiếp) 126 ( n1 , n2 )  f Bảng PL3.7 Tiêu7chuẩn Fisher (tiếp) 127 Bảng PL 4: Các giá trị Ra, Rz chiều dài chuẩn L ứng với cấp độ nhám bề mặt 128 -vii- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Nhiệt độ phay cao tốc theo dự đoán Salomon [32] Hình 1.2 Vùng tốc độ cắt cho dạng gia công [30] Hình 1.3 Ảnh hƣởng vận tốc cắt đến lực cắt Hình 1.4 Các vùng nhiệt cắt khác trình cắt vng góc Hình 1.5 Đƣờng cong nhiệt Salomon Mc Gee Hình 1.6 Nhiệt cắt chi tiết dao v =600 m/phút, Sz=0,25mm/răng Hình 1.7 Ảnh hƣởng vận tốc cắt đến nhiệt cắt Hình 1.8 So sánh khả bóc tách vật liệu phay truyền thống phay cao tốc [41] Hình 1.9 Nhám bề mặt cắt dao phay ngón đầu cầu 10 Hình 1.10 Khn đúc pha đèn trƣớc 10 Hình 1.11 Điện cực đồng để gia công EDM 11 Hình 1.12 Khn dập 11 Hình 1.13 Các kiểu khn để gia cơng cao tốc 11 Hình 1.14 Điện cực EDM có thành mỏng 11 Hình 1.15 Bộ phân phối nhiên liệu 12 Hình 1.16 Chi tiết phận hạ cánh máy bay vận tải Boeing Cargo C-17 12 Hình 1.17 So sánh thành phần lực cắt với độ sâu dọc trục khác thuận phay nghịch tốc độ cắt 314 m / phút chiều sâu cắt theo phƣơng bán kính ae= 0,5 mm 13 Hình 2.1 Mảnh hợp kim có CBN mũi mảnh CBN nguyên khối 16 Hình 2.2 Dụng cụ có lớp phủ TiCN 16 Hình 2.3 Kết cấu máy phay cao tốc 18 Hình 2.4 Trục máy gia cơng tốc độ cao (Fischer170-40-40:40 krpm/40kW,SK63F) 18 Hình 2.5 Ổ với bi làm ceramic 19 Hình 2.6 Vít me đai ốc bi 19 Hình 2.7 Bàn xoay máy CNC 20 Hình 2.8 Trung tâm phay cao tốc Mikron UCP600 22 Hình 2.9 Sơ đồ trình hình thành phoi 22 Hình 2.10 Sự biến dạng kim loại vùng cắt [9] 23 Hình 2.11 Các dạng phoi cắt [9] 24 Hình 2.12 Phoi sinh từ vận tốc cắt khác (f =10µm/vòng, t = 100µm) [47] 25 Hình 2.13 Bề dày phoi thay đổi vận tốc cắt khác (f =10µm/vòng, t = 100µm) [47] 25 Hình 2.14 Hình thái phoi nhận đƣợc vùng gia công thông thƣờng gia công cao tốc [47] 25 Hình 2.15 Mặt cắt việc hình thành phoi gia công cắt [47] 26 Hình 2.16 Tần số phoi xếp diện tích phoi xếp bị biến dạng thay đổi vận tốc cắt [47] 26 Hình 2.17 Dao phay mặt đầu 27 Hình 2.18 Chiều dày cắt phay 28 Hình 2.19 Lực cắt thay đổi hƣớng gia công [9] 28 -viii- PHỤ LỤC PHỤ LỤC 1: Bộ số liệu thực nghiệm điểm sở Bảng PL1.1 Giá trị yếu tố đầu vào thực nghiệm phay mặt đầu Các yếu tố Mức +1 Mức dƣới -1 Mức sở Khoảng biên thiên X1(t) 0,6 0,2 0,4 0,2 X2(s) 0,07 0,03 0,05 0,02 X3(v) 400 200 300 100 Bảng PL1.2 Giá trị yếu tố đầu vào thực nghiệm phay dao phay ngón đầu cầu Các yếu tố Mức +1 Mức dƣới -1 Mức sở Khoảng biên thiên X1(t) 0,6 0,2 0,4 0,2 X2(s) 0,7 0,3 0,5 0,2 X3(v) 400 200 300 100 Bảng PL1.3 Quy hoạch thực nghiệm thông số đầu vào phay dao phay mặt đầu TT 10 11 X1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 0 Biến mã hoá X2 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 0 X3 -1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 +1 0 t(mm) 0,2 0,6 0,2 0,6 0,2 0,6 0,2 0,6 0,4 0,4 0,4 -118- Biến thực nghiệm S(mm/r) V(m/ph) 0,03 200 200 0,03 200 0,07 200 0,07 400 0,03 400 0,03 400 0,07 400 0,07 300 0,05 0,05 300 0,05 300 Bảng PL1.4 Quy hoạch thực nghiệm thông số đầu vào phay dao phay ngón đầu cầu TT 10 11 X1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 0 Biến mã hoá X2 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 0 X3 -1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 +1 0 -119- Biến thực nghiệm t(mm) S(mm/r) V(m/ph) 0,2 0,3 200 200 0,6 0,3 200 0,2 0,7 200 0,6 0,7 400 0,2 0,3 400 0,6 0,3 400 0,2 0,7 400 0,6 0,7 300 0,4 0,5 0,4 0,5 300 0,5 300 0,4 PHỤ LỤC 2: Tiêu chuẩn Student Bảng PL2 Tiêu chuẩn Student Bậc tự Mức độ ý nghĩa p=0.05 Mức độ ý nghĩa p=0.01 12,71 63,66 4,3 9,92 3,18 5,84 2,78 4,6 2,57 4,03 2,45 3,71 2,36 3,5 2,21 3,36 2,26 3,25 10 2,23 3,17 11 2,2 3,11 12 2,18 3,05 13 2,16 3,01 14 2,14 2,98 15 2,13 2,95 16 2,12 2,92 17 2,11 2,9 18 2,1 2,88 19 2,09 2,86 20 2,09 2,85 21 2,08 2,83 22 2,07 2,82 23 2,07 2,81 24 2,06 2,8 25 2,06 2,79 26 2,06 2,78 27 2,05 2,77 28 2,05 2,76 29 2,05 2,76 30 ∞ 2,04 1,96 2,75 2,58 -120- ( n ,n ) PHỤ LỤC 3: Tiêu chuẩn Fisher f ( n1 , n2 ) Bảng PL3.1 Tiêu chuẩn Fisher f -121- Bảng PL3.2 Tiêu chuẩn Fisher f( n1 ,n2 ) (tiếp -122- Bảng PL3.3 Tiêu chuẩn Fisher f( n1 ,n2 ) (tiếp) -123- Bảng PL3.4 Tiêu chuẩn Fisher f( n1 ,n2 ) (tiếp -124- Bảng PL3.5 Tiêu chuẩn Fisher f( n1 ,n2 ) (tiếp -125- Bảng PL3.6 Tiêu chuẩn Fisher f( n1 ,n2 ) (tiếp -126- Bảng PL3.7 Tiêu7chuẩn Fisher f( n1 ,n2 ) (tiếp) -127- Bảng PL Các giá trị Ra, Rz chiều dài chuẩn L ứng với cấp độ nhám bề mặt Cấp độ nhám bề mặt Loại Thông số nhám (μm) Ra Rz Từ 320 đến 160