Nghiên cứu quá trình tạo phôi khi phay cao tốc hợp kim nhôm a6061

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM THỊ HOA NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TẠO PHOI KHI PHAY CAO TỐC HỢP KIM NHÔM A6061 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM THỊ HOA NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TẠO PHOI KHI PHAY CAO TỐC HỢP KIM NHƠM A6061 Chun ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 62520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Đức Toàn Hà Nội - 2017 LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Đức Toàn, người thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, bảo động viên thực luận án Tôi vô biết ơn đến GS.TSKH Bành Tiến Long định hướng đề tài, góp ý tận tình giúp đỡ động viên tơi hồn thành luận án Tơi xin cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo sau Đại học, Viện Cơ khí - Trường 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 - Trường 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 lường khoa Cơ khí, Trung Tâm Hồng Hải Foxcon– Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội giúp đỡ, hỗ trợ tơi hồn thành thực nghiệm luận án Tơi gửi lời cám ơn đến Ban lãnh đạo Trường, khoa Cơ Khí, Bộ mơn Kỹ thuật sở Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng 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 người thân ln bên động viên khích lệ mong muốn tơi hồn thành luận án Hà Nội, ngày … tháng 10 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 hướng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Đức Toàn Kết nêu luận án trung thực chưa tác giả công bố Hà Nội, ngày … tháng 10 năm 2017 HƯỚNG 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 tượng phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục đích 2.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3 Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn đề tài Những đóng góp đề tài Cấu trúc nội dung luận án 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 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 nước trình tạo phoi phay cao tốc 23 1.5.1 Nghiên cứu nước trình phay cao tốc 23 1.5.2 Nghiên cứu ngồi nước q trình tạo phoi phay cao tốc 24 CHƯƠNG 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 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 hưởng đến lực cắt phay cao tốc 40 2.3 Ổn định rung động trình phay cao tốc 42 iii 2.3.1 Sự ổn định trình phay cao tốc 42 2.3.2 Nguyên nhân gây ổn định 43 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 tượng mài mòn dụng cụ cắt trình phay cao tốc 49 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 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH TẠO PHOI KHI PHAY CAO TỐC HỢP KIM NHÔM A6061 55 3.1 Vật liệu, thiết bị phương 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 hưởng thông số công nghệ đến hình thái hình học phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 66 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 71 3.4 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng 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 hưởng đến độ nhám bề mặt phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 77 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 80 3.7 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng thông số công nghệ đến biên độ rung động phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 83 3.8 Quan hệ tương quan hệ số co rút phoi với yếu tố đầu phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 87 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG QUÁ TRÌNH TẠO PHOI KHI PHAY CAO TỐC HỢP KIM NHÔM A6061 90 4.1 Đặc điểm mô theo phương pháp phần tử hữu hạn 90 4.1.1 Một số nghiên cứu sử dụng mô theo phương pháp phần tử hữu hạn q trình gia cơng cắt gọt 90 iv 4.1.2 Phá hủy dẻo phát triển lỗ trống vật liệu trình gia cơng 91 4.2 Mơ hình phá hủy vật liệu cách xác định tham số mơ hình 93 4.2.1 Mơ hình phá hủy Johnson-Cook (J-C) 94 4.2.2 Mơ hình phá hủy Bao-Wierzbicki (B-W) 99 4.2.3 Mơ hình phá hủy B-W theo mơ hình sửa đổi Mohr-Coulomb (Modified MorhCoulomb MM-C) 104 4.2.4 Mô hình ma sát 106 4.3 Phân tích so sánh lựa chọn mơ hình mơ theo phương pháp phần tử hữu hạn trình hình thành phoi 107 4.3.1 Mơ q trình hình thành phoi 107 4.3.2 So sánh mô thực nghiệm vùng tốc độ cắt không bị ảnh hưởng tốc độ biến dạng 110 4.4 So sánh mô thực nghiệm trình hình thành phoi phay hợp kim nhơm A6061 vùng tốc độ cao 114 4.4.1 Ảnh hưởng tốc độ biến dạng gia công vùng tốc độ cao 114 4.4.2 So sánh hình thái hình học phoi mơ thực nghiệm phay hợp kim nhôm A6061 118 4.5 Sự phân bố ứng suất vùng tiếp xúc dao - phoi mô 3D trình tạo phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 119 4.5.1 Thiết kế mơ hình mơ 3D trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 119 4.5.2 Phân tích phân bố ứng suất - biến dạng mơ 3D q trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 120 4.5.3 Lực cắt mơ 3D q trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 122 4.6 Hàm toán học hệ số co rút phoi lực cắt mô vùng tốc độ cao có xét đến ảnh hưởng tốc độ biến dạng 123 4.6.1 Hàm toán học hệ số co rút phoi (KS) có xét đến ảnh hưởng tốc độ biến dạng 123 4.6.2 Hàm toán học lực cắt FS vùng tốc độ cắt cao có xét đến ảnh hưởng tốc độ biến dạng 125 4.7 Xác định thông số chung cho hệ số co rút phoi lực cắt mơ q trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 126 4.7.1 Bộ thông số sử dụng để mô cho hệ số co rút phoi lực cắt 126 4.7.2 Phân tích ANOVA ảnh hưởng thơng số cắt đến K F 127 4.7.3 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 129 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 Ký hiệu HSM CNC CAM FEM J-C B-W MM-C GRA K VB Ra Đơn vị Diễn giải (High Speed Machining )-Gia công cao tốc (Computer Numerical Control )- Điều khiển số có hỗ trợ máy tính (Computer Aided Manufacturing)- Sản xuất thông qua trợ giúp máy tính Mơ phương pháp phần tử hữu hạn 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 trước Nhám bề mặt chi tiết mm m Biên độ rung động theo phương X phương Y Chiều dài lớp phoi Chiều dài quãng đường dao Chiều dày phoi chưa biến dạng Chiều dày phoi biến dạng Biến dạng cắt mm mm mm mm k Lực tác dụng lên mặt trước Lực tác dụng lên mặt sau Ứng suất miền tạo phoi N N MPa Fc Ft Lực cắt Lực tiếp tuyến Ai() Diện tích phoi chưa cắt thứ I góc  N N mm2 D Ff Fn KT KR KA Đường 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 hướng 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 lưỡi cắt o Cm f Chiều dày phoi trung bình Biến dạng tương đương 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 Mức độ biến dạng tương đương, ứng suất tương đương Axy Lf L t1 t2  F1 F2  n  , vi o o C , 0 Tốc độ biến dạng tốc độ biến dạng tương đương 1/s 1,2, 3 Các thành phần ứng suất pháp MPa  Hệ số ma sát F Ra Lực cắt Nhám bề mặt chi tiết gia công N Hs Axy V t f SSE Vết tiếp xúc dao-phoi Biên độ rung động Vận tốc cắt Chiều sâu cắt Lượng chạy dao (Error Sum of Squares) Tổng bình phương sai số mm dB m/phút mm mm/phút SSR (Regression sum of Squares) Tổng bình phương hồi quy SSTO (Total sum of Squares) Tổng bình phương ANOVA R R2 R Square Df SS MS D1-D5 α Phân tích phương sai Hệ số tương quan bội Hệ số xác định Hệ số điều chỉnh Số bậc tự Tổng bình phương mức động sai lệch bình phương chúng Phương sai hay số bình quân tổng bình phương sai lệch kể Tham số phá hủy vật liệu Góc sau Góc trước  m vii o o DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Thành phần hóa học hợp kim nhôm A6061 (%) 56 Bảng 3.2 Đặc tính vật lý hợp kim nhôm 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 thông 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 73 Bảng 3.8 Logarit biến đầu vào kết đo lực cắt F phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 76 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 thơng số cơng 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 Ra 79 Bảng 3.12 Kết đo logarit thông số công nghệ ảnh hưởng đến vết tiếp xúc dao-phoi 82 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 85 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 nhôm 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 vận tốc 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 vận tốc cắt khác 118 Bảng 4.8 Thông số công nghệ kết KS mô phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 123 Bảng 4.9 Phân tích hồi quy phương sai (ANOVA ) thơng số công nghệ (V, t) ảnh hưởng đến KS 124 Bảng 4.10 Bộ thông số công nghệ kết lực cắt (FS) mô 125 Bảng 4.11 Phân tích hồi quy phương sai ANOVA thơng 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 ... Nghiên cứu thực nghiệm trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 Chương Nghiên cứu mơ kiểm chứng q trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 Phụ lục CHƯƠNG CƠ SỞ VẬT LÝ QUÁ TRÌNH TẠO PHOI... CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH TẠO PHOI KHI PHAY CAO TỐC HỢP KIM NHÔM A6061 55 3.1 Vật liệu, thiết bị phương pháp nghiên cứu trình tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhơm A6061 ... độ rung động phay cao tốc hợp kim nhơm A6061 60 Hình 3.12 Sơ đồ phay đối xứng phay cao tốc hợp kim nhơm A6061 62 Hình 3.13 Sơ đồ phân tích tạo phoi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 63