Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến quá trình tạo phoi và chất lượng bề mặt khi phay thép sus 304

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CƠNG NGHỆ ĐẾN Q TRÌNH TẠO PHOI VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI PHAY THÉP SUS 304 HÀ ĐỨC THUẬN THÁI NGUYÊN, 2013 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP HÀ ĐỨC THUẬN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CƠNG NGHỆ ĐẾN Q TRÌNH TẠO PHOI VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI PHAY THÉP SUS 304 CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HƯỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN TS Trần Minh Đức Hà Đức Thuận KHOA ĐÀO TẠO SĐH BGH TRƯỜNG ĐHKTCN Thái Nguyên, 2013 LỜI CAM ĐOAN Với danh dự giảng viên đại học xin cam đoan đề tài nghiên cứu Các số liệu kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác, trừ phần tham khảo ghi rõ luận văn Tác giả HÀ ĐỨC THUẬN LỜI CẢM ƠN Lời xin cảm ơn TS Trần Minh Đức, Phó hiệu trưởng Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp, thầy hướng khoa học tơi tình cảm, tận tình dành cho tơi nghiên cứu, đóng góp quý báu Thầy nghiên cứu viết luận văn giúp tơi hồn thành luận văn Tơi muốn bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến giúp đỡ vô tư Thầy Lê Viết Bảo Giám đốc Cty TNHH khí Vĩnh Thái sở vật chất, dụng cụ suốt thời gian làm luận văn Tôi muốn cám ơn Ban Giám Hiệu trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp-Đại học Thái Nguyên, Bộ mơn Chế tạo máy, Trung tâm thí nghiệm dành cho điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành nghiên cứu Học viên HÀ ĐỨC THUẬN MỞ ĐẦU Trang Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu 10 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 10 Nội dung luận văn 10 Chương TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG VẬT LIỆU THÉP KHƠNG GỈ 1.1 Tổng quan thép khơng gỉ tính gia cơng thép khơng gỉ 12 1.1.1 Tổng quan thép không gỉ 12 1.1.2 Tổng quan tính gia cơng thép khơng gỉ 13 1.2 Các tiêu đánh giá tính gia cơng vật liêu 18 1.2.1 Tính chất học vật liệu 18 1.2.2 Biến dạng hình thành phoi 19 1.2.3 Lực cắt 20 1.2.4 Nhiệt cắt 20 1.2.5 Mòn tuổi bền dụng cụ 21 1.2.6 Vận tốc cắt vật liệu 21 1.2.7 Chất lượng bề mặt gia công 22 1.2.8 Độ xác gia cơng 23 1.3 Tổng quan nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố cơng nghệ đến tính gia cơng thép khơng gỉ ngồi nước 1.3.1 Khái qt tình hình nghiên cứu giới 23 23 1.3.2 Khái quát tình hình nghiên cứu Việt Nam 25 1.3.3 Vấn đề nghiên cứu 25 Chương CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TẠO PHOI VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI GIA CÔNG SUS 304 2.1 Bản chất vật lý trình tạo phoi 27 2.2 Các yếu tố cơng nghệ ảnh hưởng đến q trình tạo phoi chất lượng bề mặt gia công 29 2.2.1 Ảnh hưởng vật liệu dụng cụ cắt 29 2.2.2 Ảnh hưởng chế độ cắt 30 2.2.3 Ảnh hưởng dung dịch trơn nguội 33 2.3 Giới hạn nghiên cứu 34 2.4 Phương pháp nghiên cứu 35 Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA V, S ĐẾN QUÁ TRÌNH TẠO PHOI VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI PHAY MẶT PHẲNG VẬT LIỆU SUS 304 3.1 Đặc điểm q trình tạo phoi gia cơng thép SUS 304 36 3.2 Xây dựng hệ thống thí nghiệm 39 3.1.1 Yêu cầu hệ thống thí nghiệm 39 3.1.2 Hệ thống thí nghiệm 39 3.3 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 41 3.4 Các bước tiến hành thí nghiệm 41 3.5 Kết thí nghiệm nhận xét 43 KẾT LUẬN CHUNG 53 PHỤ LỤC 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng Thành phần hóa học vật liệu gia cơng 38 Bảng Cơ tính vật liệu gia cơng 38 Bảng Đặc trưng vật lý vật liệu gia công 38 Bảng Ma trận thí nghiệm 44 Bảng Kết thí nghiệm 45 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Tính gia cơng tương đối loại thép không gỉ thông dụng mác dễ gia cơng tương đương [1] 16 Hình 2.1 Các vùng biến dạng dẻo cắt kim loại [4] 29 Hình 2.2 Sơ đồ hóa miền tạo phoi [6] 32 Hình 2.3 Quan hệ vận tốc cắt hệ số co rút phoi K [6] 33 Hình 2.4 Quan hệ tốc độ cắt chiều cao lẹo dao [6] 34 Hình 3.1 Mặt ngồi mặt tiếp xúc với dao phoi (độ phóng đại 25 lần) 40 Hình 3.2 Hình ảnh phoi phóng đại 100 lần 40 Hình 3.3 Máy phay đứng CNC VMC-85S 42 Hình 3.4 Mảnh dao M1025R08 SANDVIK 42 Hình 3.5 Phơi thép SUS 304 42 Hình 3.6 Thiết bị đo nhám Mitutoyo SJ-201 42 Hình 3.7 Kính hiển vi điện tử quét TESCAN 42 Hình 3.7 Thiết bị đo lực KISLER 9257BA 43 Hình 3.9 Ảnh hưởng yếu tố đến Ra 45 Hình 3.9 Đồ thị ảnh hưởng v,S đến Ra 46 Hình 3.10 Ảnh hưởng yếu tố đến Fx,Fy, FZ 48 Hình 3.11 Đồ thị ảnh hưởng S, V đến Fx 49 Hình 3.12 Đồ thị ảnh hưởng S, V đến Fy 49 Hình 3.13 Đồ thị ảnh hưởng S, v đến Fz 49 Hình 3.14 Mịn mặt trước (v=125 m/ph; S=0.2 mm/răng) 50 Hình 3.15 Mịn mặt sau (v=125 m/ph; S=0.2 mm/răng) 50 Hình 3.16 Đồ thị ảnh hưởng S, V đến lượng mòn h 51 Hình 3.17 Cấu trúc tế vi bề mặt (v = 200 m/ph; S = 0.3 mm/răng) 53 Hình 3.18 Cấu trúc tế vi bề mặt (v = 175 m/ph; S = 0.3 mm/răng) 53 Hình 3.19 Cấu trúc tế vi bề mặt (v = 125 m/ph; S = 0.3 mm/răng) 53 Phụ lục Ảnh SEM cấu trúc tế vi bề mặt chi tiết sau gia công 54 Phụ lục Ảnh SEM mặt trước dao sau gia công 55 Phụ lục Một số hình ảnh thí nghiệm 56 10 Xử lý số liệu phần mềm Exel cho kết sau: Như vậy, với hai thành phần Fx Fy, lượng chạy dao S vận tốc cắt v yếu tố ảnh hưởng chính, yếu Ảnh hưởng V,S đến FX tác S, v không đáng kể Trong đó, ảnh hưởng S chủ yếu Khi tăng giá trị vận tốc Lực cắt FX (N) tố lại ảnh hưởng tương 300.00 0.1 mm/răng 200.00 0.2 mm/răng 100.00 0.3 mm/răng 0.00 125 175 200 Vận tốc cắt (m/ph) cắt, lực cắt Fx Fy có xu hướng giảm chậm 150 Hình 3.11 Đồ thị ảnh hưởng S, V đến Fx Thành phần lực tiếp Ảnh hưởng V,S đến Fy tuyến Fz, hai nhân tố lượng có ảnh hưởng đáng kể Trong đó, ảnh hưởng S chủ 250.00 Lực cắt Fy (N) chạy dao S vận tốc cắt v 200.00 0.1 mm/răng 150.00 0.1 mm/răng 100.00 0.3 mm/răng 50.00 0.00 yếu 125 150 đến 200 m/ph lực cắt có xu Hình 3.12 Đồ thị ảnh hưởng S, V đến Fy hướng giảm Điều Khi tăng lượng chạy dao S, chiều dày lớp cắt Ảnh hưởng V,S đến Fz Lực cắt Fz (N) giải thích sau: 200 Vận tốc cắt (m/ph) Khi tăng giá trị vận tốc cắt v khoảng 125 m/ph 175 500.00 400.00 300.00 0.1 mm/răng 0.2 mm/răng 200.00 100.00 0.00 0.3 mm/răng 125 tăng, diện tích tiết diện cắt 150 175 200 Vận tốc cắt (m/ph) Hình 3.13 Đồ thị ảnh hưởng S, v đến Fz 49 ngang lớp cắt tăng, lực biến dạng lực ma sát tăng, dẫn đến lực cắt tăng Điều giải thích tăng lượng chạy dao thành phần lực cắt tăng Trong khoảng vận tốc cắt từ 125 m/ph đến 200 m/ph tăng vận tốc cắt làm nhiệt cắt tăng lên, tác động nhiệt cắt mạnh Nhiệt cắt làm giảm tính vật liệu gia cơng, thay đổi q trình ma sát phoi mặt trước làm hệ số ma sát giảm Tất nguyên nhân dẫn đến tăng vận tốc cắt thành phần lực có xu hướng giảm 3.3.3 Ảnh hưởng v,S đến mòn dao Kết thí nghiệm cho thấy, gia cơng, tượng mòn chủ yếu xảy mặt trước dụng cắt Điều phù hợp với nghiên cứu trước đây.[1] Hình 3.14 Mịn mặt sau (v=125 Hình 3.15 Mòn mặt trước (v=125 m/ph; S=0.2 mm/răng) m/ph; S=0.2 mm/răng) 50 Mức độ ảnh hưởng nhân tố đến lượng mòn mặt trước đánh sau: Hình 3.15 Ảnh hưởng yếu tố đến lượng mòn mặt trước h Như vậy, vận tốc cắt v yếu tố ảnh hưởng đến lượng mịn dao Các yếu tố lại lượng chạy dao S ảnh hưởng tương tác v,S không đáng kể Quy luật ảnh hưởng v, S đến lượng mòn mặt trước dao sau: Khi tăng vận tốc cắt từ 125 m/ph đến 175 m/ph vận tốc cắt tăng, lượng mòn mặt trước dao Ảnh hưởng V,S đến độ mòn mặt trước Khi tăng vận tốc cắt vượt qua 175 m/ph lượng mịn dao có xu hướng tăng Độ mịn mặt trước giảm 150 0.1 mm/răng 100 0.2 mm/răng 50 0.3 mm/răng 125 lên 150 175 200 Vận tốc cắt (m/phút) Lượng chạy dao Hình 3.16 Đồ thị ảnh hưởng S, V đến lượng mịn h lớn lượng mòn mặt trước dao cao 51 Lượng mòn dao nhỏ đạt giá trị chế độ cắt v = 175 m/ph; S = 0.1 mm/răng 55.4 μm; có giá trị lớn chế độ cắt v = 125 m/ph, S = 0.3 mm/răng 112.3 μm Quy luật ảnh hưởng v,S đến lượng mịn mặt trước dao giải thích sau: Khi gia công SUS 304, vùng tiếp xúc dao-phoi xem bề rộng lưỡi cắt vùng có nhiệt cắt cao vùng khác Vùng có nhiệt độ cao phía cuối lưỡi cắt [14] Lượng mòn dao chịu ảnh hưởng hệ số dẫn nhiệt vật liệu chi tiết gia công Nhiệt cắt sinh chủ yếu truyền vào phoi, lượng nhiệt truyền vào dao khoảng 10% – 40% [6] Khi cắt vận tốc cắt thấp, thời gian tiếp xúc giữ mặt trước dao phoi tăng lên, thời gian dịch chuyển phoi vùng cắt chậm lại Tất nguyên nhân làm nhiệt cắt truyền nhiều vào dao, làm dao giảm độ cứng nóng Kết vận tốc cắt thấp (125 m/ph), lượng mòn mặt trước dao đạt giá trị cực đại 112.3 μm Khi tăng vận tốc cắt lên 200 m/ph, nhiệt cắt tăng lên, nhiệt truyền vào dao lại có xu hướng tăng, kết lượng mòn dụng cụ cắt bắt đầu tăng lên 3.3.4 Cấu trúc tế vi bề mặt Bề mặt chi tiết sau gia công chụp kính hiển vi điện tử qt (SEM) 52 Hình ảnh SEM cấu trúc tế vi bề mặt bề mặt chi tiết sau gia công ứng với điểm cắt khác thể hình Cấu trúc tế vi bề mặt bị thay đổi tác dụng nhiệt cắt, lực cắt lượng hóa học Hình 3.17 Cấu trúc tế Hình 3.18 Cấu trúc tế vi Hình 3.19 Cấu trúc vi bề mặt (v = 200 bề mặt (v = 175 m/ph; S tế vi bề mặt (v = 125 m/ph; S = 0.3 mm/răng) = 0.3 mm/răng) m/ph;S = 0.3 mm/răng) Kết SEM bề mặt thấy giá trị vận tốc cắt thấp 125 m/ph, bề mặt chi tiết gia công xuất nhiều vết nứt vế vi vết gia cơng rõ nét Điều giải thích tác dụng lực cắt khối lẹo dao điểm cắt đạt giá trị cực đại làm mức độ biến dạng dẻo bề mặt gia công lớn Khi tăng vận tốc cắt khoảng 125 m/ph đến 175 m/ph, nhiệt cắt tăng lên, đồng thời khối lẹo dao lực cắt giảm hai yếu tố ảnh hưởng bù trừ cho kết việc lực cắt khối lẹo dao giảm có ảnh hưởng rõ nét Kết bề mặt gia cơng trở lên sẽ, rỗ, biến dạng Cấu trúc tế vi bề mặt “đẹp” điểm cắt v = 175 m/ph, S= 0.2 mm/răng Khi vận tốc cắt 200 m/ph, nhiệt cắt sinh lớn, ảnh hưởng nhiệt cắt chiếm ưu Kết bề mặt xuất nhiều vết nứt, rỗ tế vi 53 Nhận xét: - Việc sử dụng thiết kế thí nghiệm theo phương pháp “hai nhân tố trực giao” cho phép nghiên cứu đồng thời hai nhân tố thí nghiệm kiểm định tất tổ hợp mức khác yếu tố thí nghiệm Ngồi ảnh hưởng yếu tố riêng biệt gọi yếu tố chính, cịn tìm thấy tác động với hai yếu tố gọi tương tác Việc chọn phương pháp thiết kế thí nghiệm hồn toàn phù hợp Kết nghiên cứu thấy rằng: Đối với nhám bề mặt, hai nhân tố S v có ảnh hưởng quan qua việc hình thành khối lẹo dao Khi cắt vận tốc lớn, lượng chạy dao nhỏ nhám bề mặt đạt kết tốt Đối với lực cắt Trong thành phần lực, thành phần lực Fz có giá trị lớn Hai nhân tố S, v có ảnh hưởng quan trọng Khi tăng vận tốc cắt làm nhiệt cắt tăng giúp vật liệu trở lên dễ cắt Kết tăng vận tốc cắt lực cắt giảm Đối với mòn dao, tăng vận tốc cắt làm thời gian tiếp xúc phoi – dao giảm Lượng nhiệt truyền vào dao giảm dẫn đến tăng vận tốc cắt lượng mịn dao có xu hướng giảm Đối với cấu trúc tế vi bề mặt chịu ảnh hưởng đồng thời lực cắt nhiệt cắt Cấu trúc tế vi bề mặt đẹp v = 175 m/ph S = 0.2 mm/răng Chế độ cắt khuyến nghị v = 175 m/ph S = 0.2 mm/răng 54 KẾT LUẬN CHUNG Kết luận chung - Tác giả giới hạn vấn đề nghiên cứu lựa chọn phương pháp nghiên cứu phù hợp với điều kiện cụ thể - Đã tìm hiểu số lý thuyết đặc điểm trình tạo phoi đặc biệt phay vật liệu thép không gỉ - Đã xây dựng hệ thống thí nghiệm đáp ứng yêu cầu nghiên cứu - Qua nghiên cứu tác giả xác định ảnh hưởng hai nhân tố S, v đến trình tạo phoi chất lượng bề mặt phay SUS 304, xác định chế độ cắt hợp lý gia công SUS 304 Định hướng nghiên cứu Nghiên cứu áp dụng phương pháp bôi trơn tiên tiến bôi trơn làm nguội tối thiểu gia công thép khơng gỉ Nghiên cứu ảnh hưởng thơng số hình học dụng cụ cắt đến tính gia cơng thép không gỉ Áp dụng vào thực tiễn sản xuất Kết nghiên cứu tác giả ứng dụng sản xuất khuôn dập thuốc công ty TNHH Trường 55 ĐHKT Công nghiệp S = 0.1 mm/răng S = 0.2 mm/răng S = 0.3 mm/răng V= 125 m/p h V= 150 m/p h V= 175 m/p h V= 200 m/p h Phụ lục Ảnh SEM cấu trúc tế vi bề mặt chi tiết sau gia cơng (độ phóng đại 600 lần) 56 S = 0.1 mm/răng S = 0.2 mm/răng S = 0.3 mm/răng V= 125 m/p h V= 150 m/p h V= 175 m/p h V= 200 m/p h 57 sau gia công (độ phóng đại 1000 lần) Phụ lục Ảnh SEM mặt trước dao Phụ lục 3: Một số hình ảnh thí nghiệm 58 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] SSINA; Thép không gỉ [2] AIMS; Gia công thép không gỉ [3] IAMS; Tính gia cơng thép khơng gỉ [4] Trent E M and Wright P.K (2000), Metal Cutting, Butterworth-Heinemann, USA [5] GS.TS Bành Tiến Long; Nguyên lý gia công vật liệu; Nhà xuất khoa khọc kỹ thuật 2001 [6] Trần Hữu Đà, Nguyễn Văn Hùng; Cơ sở chất lượng trình cắt; Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên; 1998 [7] TS Nguyễn Văn Hùng; Tính gia cơng vật liệu chế tạo máy; Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên; 2009 [8] E Kuram, B Ozcelik, E Demirbas and Esik; Optimization of the Cutting Fluids and Parameters Using Taguchi and ANOVA in Milling; Proceedings of the World Congress on Engineering 2010 Vol II [9] Nikhil Ranjan Dhar, Sumaiya Islam, Mohammad Kamruzzaman; Effect of minimum quantity lubrication (MQL) on tool wear, surface roughness and dimansional deviation in turning AISI 4340 steel; G.U Journal of Science; 16.02.2000 [10] E Kuram, B Ozcelik, E Demirbas and Esik; Effects of the Cutting Fluid Types and Cutting Parameters on Surface Roughness and Thrust Force; Proceedings of the World Congress on Engineering 2010 Vol II [11] Safian Sharif, Mohd Azrul Mat Zin, Samsuri Aman; Evalution of Vegetable Oil Based Lubrication when end milling harded stainless steel using MQL; Faculty of Machanical Engineering Universiti Teknogogi Malaysia; 60 [12] R.A Mahdavinejad, A Saeedy Yan; Investigation of the influential parameter of machining of AISI 304 stainless steel; Indian Academy of Science; Dercember 2011 [13] Ihsan Korkut, Mustafa Kasap, Ibrahim Ciftci, Ulvi Seker; Determination of optimum cutting parameters during machining of AISI 304 uastenit stainless steel; Science direct ; April 2003 [14] Lin.Yan, Wenyu Yang, Hongping.Jin, Zhiguang Wang; Microstrure Changes of Machined Surfaces on austenit 304 Stanless Steel; World Academy of Science, Engineering and Technology 5/7/2011 [15] D.Y.Jang, T.R.Watkins, K.J Kozaczek, C.R Hubbard, O.B Cavin; Surface residual stresses in machined austenic stainless steel; High Temperature Material Laborarory, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge TN 378316064, USA [16] Manubi Tanaka, Ryuichi Kato; Microtructures of Cutting chíp of SUS430 and SUS304 Steels, and NCF 750 and 6061-T6 Alloys; ISIJ International, Vol 51; 2011 [17] K.A Abou – El – Hossein; High speed end milling of AISI 304 stainless steel using new geometrically developed carbide inserts; COMMENT 16th – 19th May 2005; Poland [18] Hà Văn Vui; Dung sai lắp ghép; Nxb Khoa học kỹ thuật 2003 [19] ThS.Phạm Ngọc Duy; Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt đến chất lượng bề mặt mài trịn ngồi thép khơng gỉ; Luận văn thạc sỹ kỹ thuật; Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái nguyên 2012 [20] ThS Ngô Kiên Dương; Nghiên cứu số biện pháp cơng nghệ nâng cao độ xác chất lượng bề mặt chi tiết gia công mài tinh thép không gỉ; 61 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật; Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái nguyên 2011 [21] ThS Hoàng Văn Vinh; Nghiên cứu mối quan hệ chế độ cắt với tuổi bền dụng cụ phủ TiAlN tiện thép không gỉ SUS 201 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật; Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái nguyên 2010 [22] Phạm Văn Lang, Bạch Quốc Khang; Cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm ứng dụng kỹ thuật nông nghiệp; Nxb Nông nghiệp 62 63 ... Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN QUÁ TRÌNH TẠO PHOI VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI PHAY MẶT PHẲNG VẬT LIỆU SUS 304 3.1 Đặc điểm trình tạo phoi gia công SUS 304 Thép không gỉ SUS. .. tố ảnh hưởng đến trình tạo phoi chất lượng bề mặt gia công thép không gỉ 12 Chương tác giả nghiên cứu lý thuyết ảnh hưởng yếu tố cơng nghệ đến q trình tạo phoi chất lượng bề mặt gia công thép. .. giới hạn vấn đề nghiên cứu nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt (v,S) đến trình tạo phoi chất lượng bề mặt phay thép SUS 304 đưa mô hình nghiên cứu - Đã đưa phương pháp nghiên cứu nghiên cứu lý thuyết