Nghiên cứu tính gia công vật liệu thép SKD11 trong môi trường giá nhiệt bằng cảm ứng điện từ và định hướng ứng dụng trong công nghiệp

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nghiên cứu luận án trung thực chưa tác giả công bố Hà Nội, ngày tháng năm 2019 TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Đức Toàn GS.TSKH Bành Tiến Long i NGƯỜI CAM ĐOAN Mạc Thị Bích LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới GS.TSKH.NGND Bành Tiến Long PGS.TS Nguyễn Đức Toàn, người Thầy tận tình hướng dẫn, động viên tơi, giúp đỡ tơi vượt qua khó khăn để hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo (Trước Viện Sau đại học), Viện Cơ khí, Bộ mơn Gia công vật liệu Dụng cụ công nghiệp tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Khoa Cơ khí, Trung tâm Hồng Hải – Foxconn, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi hồn thành thực nghiệm luận án Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Ban lãnh đạo Trường, Khoa Cơ khí, Bộ mơn Tự động hóa thiết kế cơng nghệ Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên tạo điều kiện giúp đỡ tơi hồn thành luận án Tôi xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp động viên, giúp đỡ Tôi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới gia đình bên cạnh, động viên, giúp đỡ tôi, chia sẻ khó khăn, chăm sóc gái nhỏ để tơi hoàn thành luận án Tác giả luận án Mạc Thị Bích ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xii MỞ 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 1.2.1 Gia nhiệt dòng điện (Electricity – Assisted Machining - EAM) 1.2.2 Gia nhiệt laser (Laser - Assisted Machining – LAM) 1.2.3 Gia nhiệt Plasma (Plasma - Enhanced Machining - PEM) 1.2.4 Gia nhiệt lò nhiệt (Furnace heating – Assisted Machining – FAM) 1.2.5 Gia nhiệt cảm ứng điện từ (Induction heating - Assisted Machining - IAM) ……………………………………………………………………………… 1.2.6 Thuận lợi khó khăn phương pháp gia nhiệt 1.3 Gia nhiệt cảm ứng điện từ 1.3.1 Nguyên tắc 1.3.2 Nguyên lý gia nhiệt 10 1.3.3 Thiết kế cuộn dây cảm ứng 13 1.3.4 Mơ hình tốn học trường điện từ 16 1.3.5 Mơ hình tốn học q trình gia nhiệt cảm ứng điện từ 18 1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước gia công gia nhiệt 20 1.4.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước 20 1.4.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước 21 1.5 Kết luận 36 CHƯƠNG CƠ SỞ VẬT LÝ QUÁ TRÌNH GIA CÔNG GIA NHIỆT 37 2.1 Cấu tạo biến dạng mạng tinh thể kim loại 37 2.1.1 Cấu tạo mạng tinh thể kim loại 37 2.1.2 Sự biến đổi hình dáng hạt tinh thể trình biến dạng 40 2.2 Sự hình thành phoi gia cơng gia nhiệt 40 2.2.1 Quá trình hình thành phoi 40 iii 2.2.2 Các dạng phoi 43 2.2.3 Sự biến dạng trình tạo phoi 45 2.2.4 Hệ số co rút phoi 48 2.3 Động lực học q trình phay mơi trường gia nhiệt 48 2.3.1 Mơ hình lực q trình tạo phoi phay mơi trường gia nhiệt 48 2.3.2 Mơ hình lực cắt gia cơng gia nhiệt 54 2.4 Kết luận chương 60 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT ĐẾN TÍNH GIA CƠNG VẬT LIỆU 61 THÉP SKD11 61 3.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm 61 3.2 Thiết lập thực nghiệm 62 3.2.1 Vật liệu thí nghiệm 62 3.2.2 Phơi thí nghiệm 65 3.2.3 Máy phay đứng 65 3.2.4 Dụng cụ cắt 66 3.2.5 Thiết bị gia nhiệt cảm ứng điện từ 66 3.2.6 Nhiệt kế 66 3.3 Ảnh hưởng trình gia nhiệt đến tổ chức tế vi độ cứng vật liệu sau gia nhiệt 67 3.3.1 Ảnh hưởng trình gia nhiệt đến tổ chức tế vi vật liệu 68 3.3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ cao đến độ cứng vật liệu sau gia nhiệt 70 3.4 Ảnh hưởng trình gia nhiệt đến hình thái hình học phoi gia cơng gia nhiệt thép SKD11 70 3.4.1 Sự hình thành phoi gia cơng gia nhiệt thép SKD11 71 3.4.2 Ảnh hưởng trình gia nhiệt đến hình thái hình học phoi gia công gia nhiệt thép SKD11 72 3.5 Nghiên cứu ảnh hưởng trình gia nhiệt đến lực cắt gia cơng gia nhiệt thép SKD11 74 3.5.1 Thiết bị đo lực cắt 74 3.5.2 Ảnh hưởng trình gia nhiệt đến lực cắt gia công gia nhiệt thép SKD11 74 3.6 Nghiên cứu ảnh hưởng trình gia nhiệt đến hệ số co rút phoi gia công gia nhiệt thép SKD11 76 iv 3.6.1 Phương pháp xác định hệ số co rút phoi gia công gia nhiệt thép SKD11 77 3.6.2 Nghiên cứu ảnh hưởng trình gia nhiệt đến hệ số co rút phoi gia công gia nhiệt thép SKD11 79 3.7 Nghiên cứu ảnh hưởng trình gia nhiệt đến độ nhám bề mặt gia công gia nhiệt thép SKD11 80 3.7.1 Thiết bị đo độ nhám bề mặt 80 3.7.2 Nghiên cứu ảnh hưởng trình gia nhiệt đến độ nhám bề mặt gia công gia nhiệt thép SKD11 81 3.8 Nghiên cứu ảnh hưởng trình gia nhiệt đến rung động gia công gia nhiệt thép SKD11 83 3.8.1 Thiết bị đo rung động trình cắt 83 3.8.2 Nghiên cứu ảnh hưởng trình gia nhiệt đến rung động gia công thép SKD11 83 3.9 Kết luận chương 87 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC THAM SỐ ĐẦU VÀO VÀ CÁC THÔNG SỐ ĐẦU RA 89 4.1 Thiết kế thực nghiệm 90 4.1.1 Phương pháp Taguchi 90 4.1.2 Lựa chọn thông số đầu vào 91 4.1.3 Một số khái niệm 92 4.1.4 Thiết kế thực nghiệm 94 4.2 Điều kiện thí nghiệm 96 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 96 4.3.1 Nghiên cứu mối quan hệ thông số công nghệ đến lực cắt gia công thông thường thép SKD11 96 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 98 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 106 4.4.1 Nghiên cứu mối quan hệ thông số công nghệ đến hệ số co rút phoi gia công thông thường thép SKD11 106 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 108 v 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 112 4.5.1 Nghiên cứu mối quan hệ thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt gia công thông thường thép SKD11 112 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 114 4.6 Nghiên cứu mối quan hệ thơng số cơng nghệ đến rung động q trình cắt gia công thông thường gia công gia nhiệt thép SKD11 118 4.6.1 Nghiên cứu mối quan hệ thông số công nghệ đến rung động q trình cắt gia cơng thông thường thép SKD11 118 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 121 4.7 Kết luận chương 124 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO 127 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 133 PHỤ LỤC 134 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải TAM LAM PEM EAM Thermal – Assisted Machining – Gia công hỗ trợ nhiệt Laser – Assisted Machining – Gia công gia nhiệt tia laser Plasma Enhanced Machining – Gia công gia nhiệt plasma Electricity – Assisted Machining – Gia cơng gia nhiệt dịng điện Induction heating - Assisted Machining – Gia công gia nhiệt cảm ứng từ Furnace heating – Assisted Machining – FAM – Gia cơng gia nhiệt lị nhiệt Finite Element Method – Phương pháp phần tử hữu hạn Computer Numerical Control – Điều khiển số có trợ giúp máy tính Vận tốc cắt Lượng chạy dao phút Lượng chạy dao Chiều sâu cắt Lực cắt thành phần theo phương X, Y, Z Hệ số co rút phoi Biên độ rung động trình cắt Độ nhám bề mặt Biến dạng cắt Ứng suất tiếp miền tạo phoi Ứng suất pháp Ứng suất cắt Chiều sâu thâm nhập trường điện từ Điện trở suất dịng điện Độ thẩm từ mơi trường phụ thuộc chất kim loại Tần số dòng điện Cường độ điện trường Độ điện tích (điện cảm) Cường độ từ trường Véc tơ cảm ứng từ Mật độ dòng điện Độ điện thẩm môi trường Hằng số từ môi môi trường Độ dẫn điện vật liệu Độ điện thẩm chân không Độ từ thẩm chân không Tỷ trọng kim loại Nhiệt dung riêng IAM FAM FEM CNC V, Vc f ft t FX, FY, FZ K AXY Ra ξ τk σ τc δ ρ μ fe E De H B J ε µr σm εo µo γm c vii Đơn vị m/phút mm/phút mm/răng mm N dB μm MPa MPa MPa mm Ωm H/m Hz V/m C/m2 A/m Tesla A/m2 F/m S/m F/m H/m J/(kg·K) k Q ∂T ∂n λ CS QS n Ai(ϕ) C(θ,(ϕ)) Ac ae D ϕ’ Fa (i,ϕ’) FA(i,ϕ’) Fr (i,ϕ’) FR(i,ϕ’) Ft (i,ϕ’) FT(i,ϕ’) FX(ϕ’) FY(ϕ’) FZ(ϕ’) ANOVA SSE SST SSA S/N MSD α γ φ, ϕ α1 θ FR FT KR Độ dẫn nhiệt Nguồn nhiệt cảm ứng tạo dịng điện xốy đơn vị thời gian đơn vị thể tích Gradien nhiệt độ theo hướng pháp tuyến với bề mặt điểm xét Hệ số truyền nhiệt Hệ số tổn thất nhiệt xạ Tổn thất nhiệt bề mặt Ký hiệu bề mặt biên Diện tích lớp phoi chưa cắt lưỡi cắt thứ i góc ϕ Độ dày phoi tức thời lưỡi cắt thứ i góc cắt ϕ Diện tích mặt cắt ngang phoi chưa biến dạng Chiều rộng phơi Đường kính dao phay Góc quay lưỡi cắt Lực dọc trục tác dụng lên lưỡi cắt thứ i góc ϕ’ hệ trục tọa độ a-b-c Lực dọc trục tác dụng lên lưỡi cắt thứ i góc ϕ’ hệ trục tọa độ X-Y-Z Lực hướng tâm tác dụng lên lưỡi cắt thứ i góc ϕ’ hệ trục tọa độ a-b-c Lực hướng tâm tác dụng lên lưỡi cắt thứ i góc ϕ’ hệ trục tọa độ X-Y-Z Lực tiếp tuyến tác dụng lên lưỡi cắt thứ i góc ϕ’ hệ trục tọa độ a-b-c Lực tiếp tuyến tác dụng lên lưỡi cắt thứ i góc ϕ’ hệ trục tọa độ X-Y-Z Lực cắt tức thời theo phương X lưỡi cắt góc ϕ’ Lực cắt tức thời theo phương Y lưỡi cắt góc ϕ’ Lực cắt tức thời theo phương Z lưỡi cắt góc ϕ’ Analysis of Variance – Phân tích phương sai Error Sum of Squares – Tổng bình phương sai số Total Sum of Squares – Tổng bình phương Tổng bình phương tham số điều khiển A Signal – to – Noise ratio – Tỷ số tín hiệu nhiễu Bình phương độ lệch Góc sau Góc trước Góc trượt Hệ số khuếch tán nhiệt Nhiệt độ điểm khảo sát M(x,y,z) Lực cắt trung bình gia cơng thơng thường Lực cắt trung bình gia cơng gia nhiệt cảm ứng từ Hệ số co rút phoi gia công thông thường viii J K-1 J mm2 mm mm2 mm mm o N N N N N N N N N o o o o N N KT Ra-R Ra-T AXY-R AXY-T Hệ số co rút phoi gia công gia nhiệt cảm ứng từ Độ nhám bề mặt gia công thông thường Độ nhám bề mặt gia công gia nhiệt cảm ứng từ Biên độ rung động gia công thông thường Biên độ rung động gia công gia nhiệt ix μm μm dB dB DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1 Thuận lợi khó khăn phương pháp gia nhiệt [62] Bảng Điện trở suất kim loại khác [38] 13 Bảng 1.3 Hiệu phương pháp thiết kế cuộn dây cảm ứng [86] 15 Bảng Tóm tắt số nghiên cứu gia cơng gia nhiệt 33 Bảng Thành phần hóa học thép hợp kim SKD11, % khối lượng [79] 62 Bảng Đặc tính vật lý hệ số mơ hình Johnson-Cook [81] 62 Bảng 3 Ứng suất đàn hồi, ứng suất biến dạng lớn thép SKD11 với khoảng nhiệt độ từ 20oC đến 800oC, tốc độ biến dạng từ 0,01s-1 đến 1x104s-1 64 Bảng Thông số mảnh hợp kim cứng APKT 1604PDR – GM 66 Bảng Kết đo độ cứng mẫu thí nghiệm 70 Bảng Lực cắt trung bình gia cơng thơng thường gia công gia nhiệt 75 Bảng Giá trị độ giảm lực cắt điều kiện gia công khác 76 Bảng Giá trị độ tăng hệ số co rút phoi điều kiện gia nhiệt khác 80 Bảng Giá trị độ giảm độ nhám bề mặt phay điều kiện nhiệt độ khác 82 Bảng 10 Giá trị độ giảm biên độ rung động phay điều kiện nhiệt độ khác 87 Bảng Kiểu đặc tính chất lượng tiêu đánh giá 93 Bảng Tham số điều khiển mức độ 94 Bảng Mảng trực giao L9 gia công thông thường nhiệt độ phòng 94 Bảng 4 Ma trận thí nghiệm gia cơng thơng thường nhiệt độ phòng 95 Bảng Mảng trực giao L9 gia công gia nhiệt 95 Bảng Ma trận thí nghiệm gia cơng gia nhiệt 95 Bảng Kết thí nghiệm lực cắt gia cơng thơng thường thép SKD11 96 Bảng Tỷ số S/N cho mức độ gia công thông thường 96 Bảng Hệ số số mũ mơ hình lực cắt gia công thông thường 97 Bảng 10 Sai số lực cắt xác định từ mơ hình so sánh với liệu thực nghiệm gia công thông thường 98 Bảng 11 Mảng trực giao L9 giá trị lực cắt gia công gia nhiệt 99 Bảng 12 Kết ANOVA cho lực cắt FT 99 Bảng 13 Tỷ lệ trung bình độ giảm lực cắt 100 Bảng 14 Phân tích sai số lực cắt xác định theo phương pháp tỷ lệ trung bình 101 Bảng 15 Hệ số số mũ mơ hình lực cắt gia cơng gia nhiệt 101 Bảng 16 Phân tích sai số lực cắt xác định theo phương pháp Gauss - Newton 102 Bảng 17 Tỷ lệ S/N lực cắt xác định theo phương pháp khác 103 Bảng 18 Tỷ lệ S/N trung bình cho mức nhiệt độ 103 Bảng 19 Phân tích phương sai kết lực cắt xác định từ mô hình 104 x ... gia công chất lượng sản phẩm ngành khí Vì 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. .. cắt) gia cơng thơng 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 trình gia cơng gia nhiệt; • Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng q trình gia nhiệt đến tính