Nghiên cứu đánh giá công vật liệu thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện tử và định hướng ứng dụng trong công nghiệp (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Mạc Thị Bích NGHIÊN CỨU TÍNH GIA CÔNG VẬT LIỆU THÉP SKD11 TRONG MÔI TRƯỜNG GIA NHIỆT BẰNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG CƠNG NGHIỆP Ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 9520103 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2019 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Đức Toàn GS.TSKH Bành Tiến Long Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Trong ngành kỹ thuật khí, gia cơng vật liệu khác nhau, đặc biệt vật liệu có độ cứng cao, khó gia cơng, thơng số hình học dụng cụ cắt thông số chế độ cắt (tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt) yếu tố chủ yếu tác động đến tượng xảy q trình gia cơng (lực cắt, nhiệt cắt, mài mòn dụng cụ cắt, rung động q trình cắt, độ nhám bề mặt hình thái hình học phoi) Để tăng suất gia công, tăng chất lượng bề mặt chi tiết giảm giá thành sản phẩm, yêu cầu nhà nghiên cứu phải tìm giải pháp cơng nghệ hỗ trợ cho q trình gia công như: sử dung dung dịch trơn nguội, sử dụng vật liệu làm dụng cụ cắt, cắt có hỗ trợ rung, gia cơng có hỗ trợ nhiệt Gia cơng có hỗ trợ nhiệt (Thermal – assisted machining – TAM) hay gọi gia cơng gia nhiệt phương pháp gia công thực máy công cụ thông thường, máy CNC, phơi làm nóng trước gia cơng [1] Phương pháp gia công gia nhiệt nghiên cứu lần vào năm 1945 nhanh chóng ứng dụng vào thực tiễn sản xuất ngày [2] So với phương pháp gia công thông thường, gia cơng gia nhiệt có số tác dụng vượt trội: tăng tuổi bền dụng cụ cắt, giảm lực cắt, giảm tiêu thụ điện năng, giảm mài mòn dụng cụ cắt, tăng tốc độ bóc tách vật liệu dẫn đến tăng suất gia công, tăng chất lượng bề mặt gia công [3]–[5] Gia công gia nhiệt dùng cho trường hợp gia cơng có phoi (tiện, phay, khoan v v.) gia công không phoi (rèn, dập, vuốt v v) Quá trình gia nhiệt thực phương pháp gia nhiệt khác nhau: gia nhiệt dòng điện, gia nhiệt chùm tia laser (LAM), gia nhiệt plasma (PEM), gia nhiệt lò nhiệt (FAM), gia nhiệt cảm ứng điện từ (IAM) Mỗi phương pháp gia nhiệt có ưu nhược điểm riêng phù hợp với phương pháp gia công cụ thể Trong gia nhiệt cảm ứng điện từ phương pháp gia nhiệt hiệu công suất gia nhiệt cao, dễ dàng sử dụng, chi phí thấp phù hợp với nguyên công phay đứng [6] Đặc điểm vật liệu khó gia cơng độ cứng cao, khả chống mài mòn tốt, tính thay đổi làm việc nhiệt độ cao Chính từ ưu điểm mà vật liệu cứng, cụ thể thép hợp kim, ứng dụng vào hầu hết ngành cơng nghiệp như: khí, ô tô, vũ trụ, hàng không, quốc phòng, y tế, điện - điện tử - tự động hóa v.v Qua khảo sát cho thấy, 30% tổng số nguyên công phay, tiện, khoan thực vật liệu khó cắt gọt [2] Thép dụng cụ - SKD11, loại vật liệu khó gia cơng, sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp khuôn mẫu công nghiệp ô tô [7] với độ bền, độ dẻo độ cứng trì điều kiện làm việc có nhiệt độ cao Thơng thường, SKD11 gia công phương pháp tiên tiến mài hạt mài kim cương gia cơng phóng điện Tuy nhiên phương pháp hạn chế tốc độ loại bỏ vật liệu thấp, dụng cụ đắt tiền, độ mòn nhanh Do đó, gia cơng gia nhiệt giải pháp công nghệ gia công thép SKD11 Khi gia cơng mơi trường gia nhiệt, lượng mòn dao lực cắt giảm 40%, độ nhám cải thiện 50% so với phương pháp gia công thông thường [7] Tăng suất chất lượng sản phẩm mục tiêu hàng đầu nhà sản xuất Chính vậy, thiết kế tối ưu hóa q trình cắt gọt sử dụng rộng rãi nhằm xác định điều kiện cắt tối ưu [8], [9] Có nhiều tham số ảnh hưởng đến q trình cắt gọt như: thơng số chế độ cắt, thơng số hình học dụng cụ cắt, vật liệu dụng cụ cắt, vật liệu phôi gia công, môi trường gia công v.v Thông thường thông số công nghệ hợp lý xây dựng dựa vào kinh nghiệm người thợ sổ tay công nghệ Tuy nhiên, liệu khơng phải lúc tối ưu, thỏa mãn đầu yêu cầu số trường hợp gia công vật liệu phôi mới, vật liệu làm dụng cụ, phương pháp gia công hay gia cơng chi tiết có cấu trúc đặc biệt Trên giới, phương pháp gia công gia nhiệt nhiều tác giả nghiên cứu ứng dụng vào thực tiễn sản xuất Tuy nhiên Việt Nam nhiệm vụ nghiên cứu này, gia công hỗ trợ nhiệt cảm ứng điện từ chưa đề cập, đặc biệt phay thép SKD11, loại vật liệu khó gia cơng, lại sử dụng rộng rãi công nghiệp Nhận thấy nghiên cứu q trình gia cơng gia nhiệt nhiệm vụ quan trọng cấp bách, có tính thời cao Vấn đề đặt phải nghiên cứu tính gia công vật liệu phay thép SKD11 môi trường gia nhiệt để đánh giá hiệu phương pháp so sánh với phương pháp gia công thông thường Ngoài ra, cần nghiên cứu ảnh hưởng thông số chế độ cắt nhiệt độ hỗ trợ q trình cắt đến thơng số đầu (sự hình thành phoi, hệ số co rút phoi, lực cắt, rung động trình cắt, độ nhám bề mặt) Đồng thời, việc xây dựng thông số công nghệ tối ưu gia công gia nhiệt nhiệm vụ có ý nghĩa thực tiễn cao Một trở ngại lớn cần quan tâm gia công môi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ việc ứng dụng gia nhiệt cho chi tiết lớn có kích thước khác hình dạng chi tiết phức tạp Vì vậy, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu tính gia cơng vật liệu thép SKD11 môi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ định hướng ứng dụng công nghiệp” Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục đích nghiên cứu − Nghiên cứu ưu điểm phương pháp gia công gia nhiệt so sánh với phương pháp gia công thông thường thông qua đánh giá ảnh hưởng q trình gia nhiệt đến tính gia công vật liệu thép SKD11; − Nghiên cứu mối quan hệ thông số đầu vào (tốc độ cắt, tốc độ chạy dao, chiều sâu cắt) thông số đầu (lực cắt, hệ số co rút phoi, độ nhám bề mặt, rung động trình cắt) gia công thông thường gia công gia nhiệt thép SKD11 2.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: trình phay thép SKD11 môi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ - Phạm vi nghiên cứu: • Nghiên cứu tổng quan gia công gia nhiệt, gia nhiệt cảm ứng điện từ; • Nghiên cứu sở vật lý động lực học q trình gia cơng gia nhiệt; • Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng trình gia nhiệt đến tính gia cơng vật liệu phay thép SKD11 Nêu bật ý nghĩa trình gia nhiệt đến tiêu đầu ra; • Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng thông số công nghệ đến hình thái hình học phoi, hệ số co rút phoi, lực cắt, rung động trình cắt, độ nhám bề mặt phay thép SKD11 môi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi phân tích phương sai ANOVA Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu luận án nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm đánh giá kết nghiên cứu Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn đề tài Ý nghĩa khoa học: - Đưa giải pháp nâng cao độ xác để xác định hệ số co rút phoi phương pháp quét 3D kết hợp phần mềm xử lý liệu chuyên nghiệp xác định chiều dài phoi - Đã phân tích làm rõ hiệu phương pháp gia công môi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ gia công loại vật liệu khó cắt gọt thơng qua nghiên cứu ảnh hưởng q trình gia nhiệt đến tính gia cơng vật liệu thép SKD11 - - - - - Đã xây dựng mơ hình tốn học miêu tả ảnh hưởng thông số công nghệ đến tiêu đánh giá đầu ra: lực cắt, hệ số co rút phoi, rung động trình cắt, độ nhám bề mặt gia công thông thường gia công gia nhiệt thép SKD11 Đã đề xuất phương pháp xác định mơ hình lực cắt gia cơng gia nhiệt thép SKD11 thơng qua mơ hình lực cắt gia công thông thường nhiệt độ cao hỗ trợ q trình gia cơng Các nội dung nghiên cứu luận án góp phần làm phong phú sâu sắc thêm kiến thức chuyên ngành lĩnh vực gia công cắt gọt Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đề xuất giải pháp công nghệ khả thi gia cơng loại vật liệu khó cắt gọt hỗ trợ nung nhiệt cảm ứng điện từ Kết nghiên cứu phân tích hiệu phương pháp gia công gia nhiệt việc giảm lực cắt, giảm nhiệt cắt, giảm rung động trình cắt, nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công Kết nghiên cứu luận án mang ý nghĩa thực tiễn, có khả ứng dụng vào sản xuất công nghiệp Việt Nam Các thông số công nghệ tối ưu cho tiêu đánh giá lực cắt, hệ số co rút phoi, rung động trình cắt, độ nhám bề mặt phay thép SKD11 dùng làm tài liệu tham khảo cho nhà máy, xí nghiệp, sở sản xuất, phòng nghiên cứu giảng dạy tham khảo Những đóng góp luận án Những kết đóng góp luận án sau: − Đã nâng cao độ xác xác định hệ số co rút phoi thông qua xây dựng phương pháp xác định chiều dài phoi từ phương pháp đo tiếp xúc thủ công đến phương pháp quét 3D xử lý liệu phần mềm chuyên dụng − Đã phân tích, làm rõ hiệu khả ứng dụng vào thực tiễn sản xuất phương pháp gia công gia nhiệt việc giảm nhiệt cắt, giảm lực cắt, giảm rung động trình cắt, giảm độ nhám bề mặt phay thép SKD11 so sánh với phương pháp gia cơng thơng thường − Đã phân tích ảnh hưởng thông số công nghệ đến lực cắt, hệ số co rút phoi, rung động trình cắt, độ nhám bề mặt gia công thông thường gia công gia nhiệt thép SKD11 Đồng thời xây dựng tham số công nghệ tối ưu cho tiêu đánh giá khác − Đã đề xuất phương pháp xây dựng mơ hình tốn học lực cắt gia công gia nhiệt thép SKD11 thông qua mơ hình lực cắt gia cơng thơng thường nhiệt độ cao hỗ trợ q trình gia cơng đạt độ xác cao so sánh với liệu thực nghiệm − Đã xây dựng mơ hình toán học yếu tố đầu ra: lực cắt, hệ số co rút phoi, rung động trình cắt, độ nhám bề mặt gia công phụ thuộc thông số công nghệ gia công thông thường gia công gia nhiệt thép SKD11 Cấu trúc nội dung luận án Các nội dung nghiên cứu luận án trình bày chương sau: - Chương 1: Tổng quan gia công gia nhiệt - Chương 2: Cơ sở vật lý động lực học trình gia cơng gia nhiệt thép SKD11 - Chương Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng trình gia nhiệt đến tính gia cơng vật liệu SKD11 - Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm xác định mối quan hệ tham số đầu vào thông số đầu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG GIA NHIỆT 1.1 Lịch sử phát triển gia công gia nhiệt 1.2 Một số phương pháp gia nhiệt Bảng 1 Thuận lợi khó khăn phương pháp gia nhiệt [6] Phương pháp Thuận lợi Khó khăn gia nhiệt Gia nhiệt - Thiết bị đơn giản - Khó kiểm sốt điều dòng - Nhiệt độ đồng chỉnh nhiệt độ điện (EAM) Gia nhiệt - Mức độ tập trung nhiệt - Chi phí cao laser độ nguồn nhiệt cao - Tỷ lệ hấp thụ nhiệt (LAM) - Dễ dàng điều chỉnh vật liệu nguồn laser khác khác Gia nhiệt - Mức độ tập trung nhiệt - Khó kiểm soát điều Plasma độ nguồn nhiệt cao chỉnh nhiệt độ (PEM) Gia nhiệt - Thiết bị đơn giản - Khó kiểm sốt điều lò nhiệt chỉnh nhiệt độ (FAM) - Chỉ áp dụng làm thí nghiệm, không đưa vào sản xuất Gia nhiệt - Dễ dàng sử dụng - Mức độ tập trung cảm ứng - Công suất gia nhiệt cao nguồn nhiệt không cao điện từ (IAM) - Sự di chuyển dụng cụ bị hạn chế 1.3 Gia nhiệt cảm ứng điện từ 1.3.1 Nguyên tắc 1.3.2 Nguyên lý gia nhiệt 1.3.3 Thiết kế cuộn dây cảm ứng 1.3.4 Mô hình tốn học trường điện từ 1.3.5 Mơ hình tốn học trình gia nhiệt cảm ứng điện từ 1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước gia cơng gia nhiệt 1.4.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước Nghiên cứu gia cơng khơng phoi gia cơng cắt gọt có gia nhiệt hướng nghiên cứu Việt Nam Cho đến nay, có nghiên cứu TS Nguyễn Thành Huân [21] trình tiện thép hợp kim 9XC sau tơi có gia nhiệt laser Ngồi ra, có số nghiên cứu ứng dụng nung nhiệt công nghệ nhiệt luyện Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ công thương tác giả Võ Thị Ry đồng nghiệp [22] với nội dung "Nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện bề mặt laser CO2 nghiên cứu cơng nghệ nhiệt luyện lò cảm ứng thực tác giả Phạm Thị Minh Phương Tạ Văn Thất [23] 1.4.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước Các nghiên cứu nước tập trung sâu vào nghiên cứu vấn đề sau đây: - Nghiên cứu hình thái hình học phoi gia cơng gia nhiệt - Nghiên cứu mơ q trình gia cơng thông thường gia công gia nhiệt - Nghiên cứu ảnh hưởng trình gia nhiệt đến lực cắt, rung động trình cắt, độ nhám bề mặt, tuổi bền dụng cụ cắt, lượng mòn dao gia cơng - Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ đến lực cắt, rung động trình cắt, độ nhám bề mặt, lượng mòn dao gia cơng gia nhiệt Như có nhiều nghiên cứu nước ngồi phương pháp gia cơng gia nhiệt, phương pháp gia nhiệt khác vật liệu khác Đây phương pháp gia công ứng dụng hiệu sản xuất đại với phát triển loại vật liệu Các nghiên cứu tập trung sâu vào ảnh hưởng trình gia nhiệt tới hình thái hình học phoi, tính gia cơng vật liệu Tuy nhiên việc nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ loại thép khác nhau, trình hình thành phoi, hệ số co rút phoi sở để giải thích vấn đề xảy gia cơng gia nhiệt Việc phân tích động lực học q trình gia cơng, cụ thể nghiên cứu mơ hình lực q trình tạo phoi mơ hình lực cắt gia cơng có ý nghĩa lý thuyết lẫn thực tiễn Lý thuyết lực cắt sở để xác hóa lý thuyết q trình cắt Lực cắt trạng thái cân cân lượng trình cắt Về mặt thực tiễn, lực cắt có vai trò quan trọng việc thiết kế đồ gá, lựa chọn thiết bị đo lực cắt xây dựng hệ thống thí nghiệm Động lực học q trình gia cơng thơng thường áp dụng tương tự cho động lực học trình gia công gia nhiệt để tiếp tục nghiên cứu thực nghiệm Chương Chương CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT ĐẾN TÍNH GIA CƠNG VẬT LIỆU THÉP SKD11 3.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm X Y Z Hình Hình ảnh thí nghiệm 11 3.2 Thiết lập thực nghiệm 3.2.1 Vật liệu thí nghiệm 3.2.2 Phơi thí nghiệm 3.2.3 Máy phay đứng 3.2.4 Dụng cụ cắt 3.2.5 Thiết bị gia nhiệt cảm ứng điện từ 3.2.6 Nhiệt kế 3.3 Ảnh hưởng trình gia nhiệt đến tổ chức tế vi độ cứng vật liệu sau gia nhiệt 3.3.1 Ảnh hưởng trình gia nhiệt đến tổ chức tế vi vật liệu Hình Hình ảnh chụp cấu trúc tế vi vật liệu thép SKD11 với độ phóng đại 1000 lần (a) – mẫu ban đầu, (b), (c), (d) theo thứ tự mẫu sau nung nhiệt 200oC, 300oC, 400oC 3.3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ cao đến độ cứng vật liệu sau gia nhiệt 12 Thực đo độ cứng vị trí mẫu lấy giá trị trung bình kết bảng độ cứng mẫu thử Bảng Bảng Kết đo độ cứng mẫu thí nghiệm Nhiệt độ 25oC 200oC 300oC 400oC Độ cứng (HB) 250 248 247 253 Như vây, gia nhiệt cho phôi thép SKD11 nhiệt độ lên tới 400oC trước gia công không làm thay đổi tổ chức tế vi độ cứng vật liệu Đây điều kiện tiên để tiếp tục thực nghiên cứu 3.4 Ảnh hưởng trình gia nhiệt đến hình thái hình học phoi gia cơng gia nhiệt thép SKD11 3.4.1 Sự hình thành phoi gia cơng gia nhiệt thép SKD11 3.4.2 Ảnh hưởng trình gia nhiệt đến hình thái hình học phoi gia cơng gia nhiệt thép SKD11 Phoi dây hình thành đặc tính dẻo vật liệu phơi Tuy nhiên, quan sát kết cho thấy màu sắc phoi hoàn toàn khác Trong gia cơng thơng thường, phoi có màu tím đen Điều có nghĩa việc sinh nhiệt truyền nhiệt từ nguồn nhiệt sang phoi cao Ngược lại, gia công gia nhiệt 200oC, 300oC phoi có màu trắng sáng Phoi có màu vàng gia cơng gia nhiệt 400oC Hiện tượng giải thích nhiệt cắt truyền vào phoi thấp điều kiện truyền nhiệt dụng cụ cắt, phôi phoi đồng gia công gia nhiệt Ngoài ra, tác dụng nhiệt độ cao độ bền kéo, độ bền học ứng suất chảy vật liệu giảm độ biến dạng vật liệu tăng Giảm ma sát phoi mặt trước dao, mặt sau dao bề mặt gia cơng Bên cạnh đó, lực liên kết phân tử kim loại giảm tác dụng nhiệt độ cao nguyên nhân dẫn đến việc lỗ trống phát triển hợp dễ dàng Q trình phoi dễ dàng nhiệt cắt giảm mạnh nguyên nhân phoi có màu sáng gia cơng gia nhiệt 13 300 250 200 150 T = 400o C 350 T = 300o C 400 T = 200oC F (N) T = 25o C 3.5 Nghiên cứu ảnh hưởng trình gia nhiệt đến lực cắt gia công gia nhiệt thép SKD11 3.5.1 Thiết bị đo lực cắt 3.5.2 Ảnh hưởng trình gia nhiệt đến lực cắt gia công gia nhiệt thép SKD11 100 50 Thí nghiệm số Hình 3 Đồ thị lực cắt nhiệt độ khác 3.6 Nghiên cứu ảnh hưởng trình gia nhiệt đến hệ số co rút phoi gia công gia nhiệt thép SKD11 3.6.1 Phương pháp xác định hệ số co rút phoi gia công gia nhiệt thép SKD11 3.6.2 Nghiên cứu ảnh hưởng trình gia nhiệt đến hệ số co rút phoi gia công gia nhiệt thép SKD11 Hình trình bày kết thí nghiệm hệ số co rút phoi phụ thuộc nhiệt độ hỗ trợ cho q trình gia cơng với tham số công nghệ V = 235 m/phút, f = 305 mm/phút, t = 1,5, điều kiện gia nhiệt khác 14 T = 25o C 1.5 T = 400o C T = 300o C T = 200o C K 1.8 1.2 0.9 0.6 0.3 Thí nghiệm số Hình Hệ số co rút phoi thí nghiệm gia nhiệt khác 3.7 Nghiên cứu ảnh hưởng trình gia nhiệt đến độ nhám bề mặt gia công gia nhiệt thép SKD11 3.7.1 Thiết bị đo độ nhám bề mặt 3.7.2 Nghiên cứu ảnh hưởng trình gia nhiệt đến độ nhám bề mặt gia công gia nhiệt thép SKD11 Ra (µm) 0.2 T = 25oC 0.16 T = 200oC T = 300oC 0.12 T = 400oC 0.08 0.04 15 Thí nghiệm số Hình Độ nhám bề mặt phay điều kiện nhiệt độ khác 3.8 Nghiên cứu ảnh hưởng trình gia nhiệt đến rung động gia công gia nhiệt thép SKD11 3.8.1 Thiết bị đo rung động trình cắt 3.8.2 Nghiên cứu ảnh hưởng trình gia nhiệt đến rung động gia công thép SKD11 AXY (dB) 200 T = 25o C T = 200o C T = 300oC 160 T = 400o C 120 80 40 Thí nghiệm số Hình Biên độ rung động gia công điều kiện nhiệt độ khác Hình 3.33 cho thấy biên độ rung động gia cơng gia nhiệt có giảm so với gia công thông thường Tuy nhiên lượng giảm không đáng kể cho thấy ổn định q trình gia cơng 3.9 Kết luận chương Xây dựng sơ đồ thí nghiệm, chuẩn bị thiết bị thí nghiệm, vật liệu thí nghiệm, dụng cụ cắt trình bày Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng trình gia nhiệt đến tính gia cơng vật liệu thép SKD11 đưa số kết sau: - Tổ chức tế vi vật liệu không thay đổi tác dụng trình gia nhiệt với khoảng nhiệt độ thuộc phạm vi nghiên cứu từ 200oC – 400oC; 16 Mẫu phôi sau gia nhiệt làm nguội tự nhiên khơng khí có độ cứng khơng thay đổi so với mẫu ban đầu; - Hình thái hình học phoi thay đổi so với gia cơng thơng thường có hỗ trợ trình gia nhiệt Phoi thu gia cơng thơng thường nhiệt độ phòng có màu tím đen Phoi có màu sáng trắng gia cơng gia nhiệt 200oC, 300oC có màu vàng gia cơng gia nhiệt 400oC Đường kính xoắn phoi lớn gia công gia nhiệt; - Lực cắt gia công gia nhiệt giảm mạnh so với gia công thông thường Lực cắt giảm tới 65,1% gia công gia nhiệt 400oC với chế độ cắt V = 235 m/phút, f = 305 mm/phút, t = 1,5 mm; - Hệ số co rút phoi tăng 31,7% gia công gia nhiệt 400oC với chế độ cắt V = 235 m/phút, f = 305 mm/phút, t = 1,5 mm; - Độ nhám giảm đáng kể so với gia công thông thường Độ nhám giảm 47,1% gia công gia nhiệt 400oC với chế độ cắt V = 190 m/phút, f = 230 mm/phút, t = 0,5 mm; - Biên độ rung động giảm so sánh với phương pháp gia công thông thường cho thấy ổn định q trình gia cơng Tuy nhiên thay đổi biên độ rung động thay đổi nhiệt độ cao hỗ trợ q trình gia cơng khơng đáng kể CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC THAM SỐ ĐẦU VÀO VÀ CÁC THÔNG SỐ ĐẦU RA 4.1 Thiết kế thực nghiệm 4.1.1 Phương pháp Taguchi 4.1.2 Lựa chọn thông số đầu vào 4.1.3 Một số khái niệm 4.1.4 Thiết kế thực nghiệm - 17 Bảng Tham số điều khiển mức độ Ký hiệu Tham số điều khiển Đơn vị A B C D Tốc độ cắt (V) Tốc độ chạy dao (f) Chiều sâu cắt (t) Nhiệt độ (T) m/phút mm/phút mm oC 190 230 0.5 200 Mức độ 235 280 305 380 1.0 1.5 300 400 4.2 Điều kiện thí nghiệm 4.3 Kết nghiên cứu mối quan hệ thông số công nghệ đến lực cắt gia công thông thường gia công gia nhiệt thép SKD11 4.3.1 Nghiên cứu mối quan hệ thông số công nghệ đến lực cắt gia công thông thường thép SKD11 Bộ tham số công nghệ phù hợp cho lực cắt nhỏ là: A3B1C1 tương ứng V = 280 m/phút, f = 230 mm/phút, t = 0,5 mm Mơ hình lực cắt gia cơng thơng thường nhiệt độ phòng phụ thuộc tham số công nghệ (V, f, t) có dạng: (4 1) FR = a1 ∙ V b1 ∙ f c1 ∙ t d1 Để xây dựng mô hình lực cắt gia cơng thơng thường, nghiên cứu sử dụng phương pháp tìm hàm hồi quy phi tuyến Gauss – Newton Hàm hồi quy phi tuyến lực cắt tìm sau: (4 2) FR = 842.365 ∙ V −0.70513 ∙ f 0.458888 ∙ t 0.824242 4.3.2 Nghiên cứu mối quan hệ thông số công nghệ đến lực cắt gia công thép SKD11 môi trường gia nhiệt cảm ứng từ 4.3.2.1 Kết thí nghiệm 4.3.2.2 Mức độ ảnh hưởng tham số điều khiển đến lực cắt xây dựng tham số tối ưu Bộ tham số tối ưu là: A3B1C1D3 tương ứng V = 280 m/phút, f = 230 mm/phút, t = 0,5 mm, T = 400oC 4.3.2.3 Xây dựng mơ hình lực cắt gia cơng thép SKD11 môi trường gia nhiệt cảm ứng từ a) Phương pháp tỷ lệ 18 Phương trình tốn học lực cắt biểu diễn theo phương trình đây: FR FT = (4 3) f(T) Mơ hình lực cắt gia công gia nhiệt phụ thuộc vào tham số công nghệ V, f, t nhiệt độ hỗ trợ trình cắt T sau: 842,365 ∙ Vc −0,70513 ∙ f 0,458888 ∙ t 0,824242 (4 4) FT = 0,004T + b) Phương pháp Gauss – Newton Mô hình lực cắt gia cơng gia nhiệt phụ thuộc tham số điều khiển V, f, t, T phương trình đây: (4.5) FT = a2 ∙ V b2 ∙ f c2 ∙ t d2 ∙ T e2 Kết mơ hình lực cắt sau: FT = 36235.7 ∙ Vc −0.737867 ∙ f 0.453832 ∙ t 0.964106 (4.6) ∙ T −0.770712 c) Đề xuất phương pháp xác định mơ hình lực cắt gia cơng thép SKD11 môi trường gia nhiệt cảm ứng từ Mô hình lực cắt gia cơng gia nhiệt phụ thuộc mơ hình lực cắt gia cơng thơng thường với chế độ cắt nhiệt độ cao phương trình sau: (4.7) FT = a3 ∙ T b3 ∙ FR c3 Các hệ số số mũ a3, b3, c3 tìm thấy 5,8027, -0,5823, 1,1336 Phương trình (4.7) viết lại đây: (4.8) FT = 5,8027 ∙ T −0,5823 ∙ Fr1,1336 −0,67299 0,41355 0,803237 −0,58229 (4.9) FT = 12017,97 ∙ Vc ∙f ∙t ∙T Bảng Phân tích phương sai kết lực cắt xác định từ mơ hình Phương pháp a b c 200oC 2,7356 21,1444 1,7667 T(oC) 300oC 58,8154 7,1885 12,9019 19 400oC 86,9196 52,9903 24,2171 SS 148,4706 81,3232 38,8857 Bảng cho thấy phương pháp xây dựng mơ hình lực cắt gia cơng thép SKD11 môi trường gia nhiệt cảm ứng từ dựa mơ hình lực cắt gia cơng thơng thường có phương sai nhỏ Điều có nghĩa phương pháp có độ xác cao 4.4 Nghiên cứu mối quan hệ thông số công nghệ đến hệ số co rút phoi gia công thông thường gia công gia nhiệt thép SKD11 4.4.1 Nghiên cứu mối quan hệ thông số công nghệ đến hệ số co rút phoi gia công thông thường thép SKD11 Bộ tham số công nghệ tối ưu cho lực cắt nhỏ là: A3B3C1 tương ứng V = 280 m/phút, f = 380 mm/phút, t = 0,5 mm Mơ hình hệ số co rút phoi gia cơng thơng thường nhiệt độ phòng (KR) phụ thuộc tham số công nghệ (V, f, t) có dạng: (4 10) K R = a4 ∙ V b4 ∙ f c4 ∙ t d4 Để xây dựng mơ hình hệ số co rút phoi gia cơng thơng thường, nghiên cứu sử dụng phương pháp tìm hàm hồi quy phi tuyến Gauss – Newton (4 11) K R = 10,8589 ∙ V −0,157436 ∙ f −0,242483 ∙ t 0,033583 4.4.2 Nghiên cứu mối quan hệ thông số công nghệ đến hệ số co rút phoi gia công thép SKD11 môi trường gia nhiệt cảm ứng từ Bộ tham số tối ưu là: A2B3C1D1 tương ứng V = 235 m/phút, f = 380 mm/phút, t = 0.5 mm, T = 200oC Mơ hình hệ số co rút phoi gia công thép SKD11 môi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ có dạng: (4.12) K T = a5 ∙ V b5 ∙ f c5 ∙ t d5 ∙ T e5 Để xây dựng mơ hình hệ số co rút phoi gia công nhiệt độ cao khác nhau, phương pháp tìm hàm hồi quy phi tuyến Gauss – Newton sử dụng Hàm hồi quy phi tuyến hệ số co rút phoi phay thép SKD11 có gia nhiệt xác định sau: 20 K T = 16,9238 ∙ V −0,071819 ∙ f −0,489535 ∙ t 0,011429 (4.13) ∙ T 0,135969 4.5 Nghiên cứu mối quan hệ thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt gia công thông thường gia công gia nhiệt thép SKD11 4.5.1 Nghiên cứu mối quan hệ thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt gia công thông thường thép SKD11 Bộ tham số công nghệ tối ưu cho độ nhám bề mặt nhỏ là: A3B1C1 tương ứng V = 280 m/phút, f = 230 mm/phút, t = 0,5 mm Mơ hình độ nhám bề mặt gia công thông thường nhiệt độ phòng phụ thuộc tham số cơng nghệ (V, f, t) có dạng: (4 14) RaR = a6 ∙ V b6 ∙ f c6 ∙ t d6 Phương pháp tìm hàm hồi quy phi tuyến Gauss – Newton sử dụng để tìm phương trình độ nhám bề mặt (4 15) RaR = 4,9758 ∙ Vc −0,806915 ∙ f 0,181702 ∙ t 0.15646 4.5.2 Nghiên cứu mối quan hệ thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt gia công thép SKD11 môi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ Bộ tham số tối ưu là: A3B1C1D3 tương ứng V = 280 m/phút, f = 230 mm/phút, t = 0.5 mm, T = 400oC Mô hình độ nhám bề mặt gia cơng thép SKD11 môi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ có dạng: (4.16) RaT = a7 ∙ V b7 ∙ f c7 ∙ t d7 ∙ T e7 Hàm hồi quy phi tuyến hệ số co rút phoi phay thép SKD11 có gia nhiệt xác định phương trình đây: RaT = 1,10015 ∙ Vc −0,512293 ∙ f 0,610263 ∙ t 0,229099 (4.17) ∙ T −0,498074 21 4.6 Nghiên cứu mối quan hệ thông số cơng nghệ đến rung động q trình cắt gia công thông thường gia công gia nhiệt thép SKD11 4.6.1 Nghiên cứu mối quan hệ thông số cơng nghệ đến rung động q trình cắt gia công thông thường thép SKD11 Bộ tham số công nghệ tối ưu cho biên độ rung động nhỏ là: A3B1C1 tương ứng V = 280 m/phút, f = 230 mm/phút, t = 0,5 mm Mơ hình biên độ rung động q trình cắt gia cơng thơng thường nhiệt độ phòng phụ thuộc tham số cơng nghệ (V, f, t) có dạng: (4 18) AXY−R = a8 ∙ V b8 ∙ f c8 ∙ t d8 Hàm hồi quy phi tuyến độ nhám bề mặt tìm phương trình: (4 19) AXY−R = 212,165 ∙ Vc −0,178 ∙ f 0,126 ∙ t 0,066 4.6.2 Nghiên cứu mối quan hệ thông số công nghệ đến biên độ rung động gia công thép SKD11 môi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ Bộ tham số điều khiển tối ưu là: A2B1C1D3 tương ứng V = 235 m/phút, f = 230 mm/phút, t = 0.5 mm, T = 400oC Mơ hình biên độ rung động gia công thép SKD11 môi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ có dạng: (4.20) AXY−T = a9 ∙ V b9 ∙ f c9 ∙ t d9 ∙ T e9 Hàm hồi quy phi tuyến biên độ rung động phay thép SKD11 có gia nhiệt xác định phương trình đây: (4.21) AXY−T = 196,335 ∙ V −0,032 ∙ f 0,019 ∙ t 0,064 ∙ T −0,041 4.7 Kết luận chương Chương trình bày nghiên cứu mối quan hệ tham số đầu vào: tốc độ cắt, tốc độ chạy dao, chiều sâu cắt nhiệt độ cao hỗ trợ q trình cắt thơng số đầu ra: lực cắt, hệ số co rút phoi, độ nhám bề mặt, biên độ rung động trình cắt gia công điều kiện khác 22 Bài tốn tối ưu hóa đơn thơng số giải cho thông số đầu Thứ tự mức độ ảnh hưởng tham số đầu vào đến thông số đầu xác định cho thấy nhiệt độ cao hỗ trợ trình gia cơng có vai trò quan trọng mức độ ảnh hưởng lớn đến thông số đầu Các phương trình tốn học thể mối quan hệ tham số đầu vào thông số đầu gia công thông thường gia công gia nhiệt xây dựng có độ xác cao so sánh với liệu thực nghiệm KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu trình bày, luận án đưa kết luận sau đây: Đã xây dựng mơ hình hệ thống thí nghiệm gồm máy phay CNC, thiết bị gia nhiệt cảm ứng điện từ, thiết bị đo lực cắt, đo rung động trình cắt, … Phương pháp gia công gia nhiệt phương pháp mang lại hiệu cao gia công thép SKD11 loại vật liệu khó cắt gọt Ứng dụng công nghệ tiên tiến, đại vào việc đo chiều dài phoi để nâng cao độ xác kết xác định hệ số co rút phoi Sự ảnh hưởng thông số công nghệ đến lực cắt, hệ số co rút phoi, độ nhám bề mặt rung động trình cắt gia công thông thường gia công gia nhiệt thép SKD11 phân tích Đồng thời, tham số công nghệ tối ưu xây dựng cho tiêu đầu khác Mơ hình tốn học miêu tả ảnh hưởng thông số công nghệ đến lực cắt, hệ số co rút phoi, độ nhám bề mặt rung động trình cắt gia công thông thường gia công gia nhiệt thép SKD11 cảm ứng điện từ Một phương pháp 23 xây dựng mơ hình lực cắt đạt độ xác cao gia công gia nhiệt thép SKD11 đề xuất cho kết tốt so sánh với thực nghiệm Phương pháp gia công gia nhiệt cảm ứng điện từ áp dụng để gia công chi tiết khác làm từ vật liệu có từ tính có độ cứng cao Tuy nhiên, chi tiết có kích thước lớn hình dạng chi tiết phức tạp việc thiết kế nguồn nhiệt cuộn dây cảm ứng cần xem xét kỹ lưỡng KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO - Trong gia cơng gia nhiệt việc kiểm sốt nhiệt độ hỗ trợ cho q trình gia công vấn đề quan trọng, đặc biệt chi tiết lớn có kích thước khác hình dạng phức tạp Do cần phải làm thêm thử nghiệm với mẫu thí nghiệm khác trình gia nhiệt - Cần nghiên cứu sâu vấn đề: lượng mòn dao, tuổi thọ dụng cụ cắt, tốc độ bóc tách vật liệu, gia công thép SKD11 môi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ so sánh với phương pháp gia cơng thơng thường nhiệt độ phòng - Cần có nghiên cứu tối ưu hóa tham số đa mục tiêu sở phân tích tương quan Grey - Cần có nghiên cứu để đánh giá độ xác kích thước gia cơng gia cơng gia nhiệt Vì nhiệt độ cao nguyên nhân gây tượng giãn nở nhiệt vật liệu gia công - Cần nghiên cứu mô để dự đốn thêm tượng xảy q trình gia cơng gia nhiệt 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Mạc Thị Bích, Phạm Thị Hoa, Nguyễn Đức Toàn, Bành Tiến Long (2016), Xây dựng đường cong giới hạn tạo hình thép DP350 kiểm chứng thực nghiệm, Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Cơng nghệ tồn quốc Cơ khí – Động lực 2016, trang 36-41 Mạc Thị Bích, Phạm Thị Hoa, Bành Tiến Long, Nguyễn Đức Toàn (2016), Nghiên cứu kết hợp mơ thực nghiệm để dự đốn đường cong giới hạn tạo hình thép độ cứng cao DP350, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Trường Đại học Kỹ thuật, số 115, trang 69-73 Mạc Thị Bích, Phạm Thị Hoa, Bành Tiến Long, Nguyễn Đức Tồn (2016), Một số vấn đề nghiên cứu tính gia cơng vật liệu cắt gọt có gia nhiệt, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, số 12, trang 22-28 Mạc Thị Bích, Phạm Thị Hoa, Bành Tiến Long, Nguyễn Đức Tồn (2017), Nghiên cứu ảnh hưởng q trình gia nhiệt đến lực cắt độ nhám bề mặt phay thép SKD11, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, số 16, trang 812 Thi-Bich Mac, Van-Cuong Do and Duc-Toan Nguyen (2018), A study of combined finite element method simulation/experiment to predict forming limit curves of steel DP350 sheets, Journal of Advances in Mechanical Engineering, vol 10(4), pp.1-9 (SCIE) Doi: 10.1177/1687814018768148 Mạc Thị Bích, Phạm Thị Hoa, Bành Tiến Long, Nguyễn Đức Toàn (2018), Nghiên cứu thực nghiệm lực cắt phay thép SKD11 hỗ trợ nhiệt cảm ứng từ, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Trường Đại học Kỹ thuật, số 129, trang 32 – 37 Thi-Bich Mac, Van-Chien Dinh, Tien-Long Banh, Duc-Toan Nguyen (2018), Cutting Force Model for Thermal-Assisted Machining of Tool Steel Based on the Taguchi Method, Journal of Metals, vol 9, pp.1-18 (SCIE) Doi:10.3390/met8120992 Mac Thi – Bich, Pham Thi – Hoa, Banh Tien – Long, Nguyen Duc – Toan (2019), Experimental researching of thermal – assisted milling with induction on surface roughness of SKD11 steel, Journal of Applied Machanics and Materials, vol 899, pp.190-196 Doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.899.190 ... vậy, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài luận án: Nghiên cứu tính gia công vật liệu thép SKD11 môi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ định hướng ứng dụng cơng nghiệp Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên. .. thường gia công gia nhiệt thép SKD11 2.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: q trình phay thép SKD11 mơi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ - Phạm vi nghiên cứu: • Nghiên cứu tổng... quan gia công gia nhiệt, gia nhiệt cảm ứng điện từ; • Nghiên cứu sở vật lý động lực học trình gia cơng gia nhiệt; • Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng q trình gia nhiệt đến tính gia cơng vật liệu