Nghiên cứu các thông số hình học của phôi trong quá trình cắt vật liệu hợp kim ti 6AL 4v và so sánh với hình dạng trong quá trình cắt mô phỏng sử dụng phần tử hữu hạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM HỮU NGUYÊN NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC CỦA PHOI TRONG QUÁ TRÌNH CẮT VẬT LIỆU HỢP KIM Ti-6AL-4V VÀ SO SÁNH VỚI HÌNH DẠNG TRONG Q TRÌNH CẮT MƠ PHỎNG SỬ DỤNG PHẦN TỬ HỮU HẠN CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nguyễn Kiên Trung Hà Nội - 2018 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy Mục lục DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ iv DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU vii LỜI CAM ĐOAN viii LỜI NÓI ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Đối tƣợng nghiên cứu 1.3 Mục đích nghiên cứu 1.3.1 Phƣơng pháp nghiên cứu 1.3.2 Cơ sở khoa học ý nghĩa thực tiễn đề tài 1.4 Bố cục đề tài 1.5 Lời cảm ơn CHƢƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.1.1 Quá trình tạo phoi gia công cắt gọt 1.1.2 Quá trình hình thành phoi 1.2 Phân loại dạng phoi 1.2.1 Phoi dây 1.2.2 Phoi vụn 1.2.3 Phoi xếp - phoi cƣa 1.3 Các yếu tố ảnh hƣởng tới đặc trƣng hình học phoi 1.3.1 Ảnh hƣởng vật liệu phôi dụng cụ cắt 1.3.2 Ảnh hƣởng chế độ cắt thơng số hình học dao 1.4 Kết luận chƣơng 12 CHƢƠNG ĐẶC TRƢNG CỦA QUÁ TRÌNH CẮT VẬT LIỆU TITAN 13 2.1 Đặc điểm vật liệu hợp kim Titan ứng dụng 13 2.1.1 Đặc điểm vật liệu hợp kim tian 13 2.1.2 Tổ chức tế vi hợp kim Titan 15 Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page i Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy 2.1.3 Sự chuyển pha hợp kim titan 19 2.1.4 Cấu trúc tế vi hợp kim Titan α + β 20 2.2 Ứng dụng hợp kim Titan 22 2.2.1 Ngành công nghiệp hàng không vũ trụ 22 2.2.2 Ngành cơng nghiệp đóng tàu 23 2.2.3 Ngành công nghiệp ô tô 24 2.2.4 Ngành kiến trúc 25 2.2.5 Trong lĩnh vực thể thao 26 2.2.6 Trong y học 27 2.2.7 Trong máy tính cơng nghiệp 27 2.2.8 Công nghiệp thực phẩm 28 2.2.9 Trong ngành đồ trang sức 28 2.3 Đặc điểm trình cắt vật liệu hợp kim Titan 29 2.4 Kết luận chƣơng hai 36 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU CÁC THƠNG SỐ HÌNH HỌC ĐẶC TRƢNG CỦA QUÁ TRÌNH TIỆN TITAN VÀ SO SÁNH QUÁ TRÌNH CẮT MƠ PHỎNG 38 3.1 Phƣơng pháp xác định thơng số hình học phoi 38 3.1.1 Các thơng số hình học đặc trƣng cho phoi cƣa 38 3.1.2 Một số phƣơng pháp xác định hình học phoi, ƣu nhƣợc điểm 39 3.2 Đánh giá ảnh hƣởng tổ chức tế vi chế độ cắt đến hình dáng hình học phoi cắt hợp kim Titan 42 3.2.1 Sơ đồ trình cắt thực nghiệm 42 3.2.2 cƣa Cách thức tiến hành thực nghiệm đo thông số phoi 44 3.2.3 Khảo sát ảnh hƣởng chế độ cắt tới thông số hình học phoi tổ chức tế vi 48 3.2.4 Khảo sát ảnh hƣởng tổ chức tế vi tới thơng số hình học phoi tốc độ cắt 61 3.3 So sánh hình dạng phoi trình cắt thực tế cắt mô 70 Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page ii Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy 3.3.1 So sánh hình dạng phoi trình cắt thực nghiệm tốc độ cắt 61 m/min trình mô tốc độ cắt 60 m/min 71 3.3.2 So sánh hình dạng phoi trình cắt thực nghiệm tốc độ cắt 122 m/min q trình mơ tốc độ cắt 180 m/min 73 3.4 Kết luận chƣơng ba 75 CHƢƠNG KẾT LUẬN 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page iii Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Q trình hình thành phoi q trình gia cơng cắt gọt Hình 1.2 Các dạng phoi điển hình Hình 1.3 Dạng phoi phổ biến cho loại vật liệu (P- thép, M- thép không gỉ, K- gang, N- Kim loại màu, S- Vật liệu dẫn nhiệt kém, H-thép nhiệt luyện) Hình 1.4 Các vùng cắt tốc độ thấp (convetional range) tốc độ cao (HSC) cho số vật liệu gia công phổ biến Hình 1.5 a) Phoi cƣa vận tốc cắt 400 m/phút, b) phoi chuyển tiếp vận tốc cắt 700 m/min nghiên cứu Arrazola (2007) Hình 1.6 Ảnh hƣởng điều kiện cắt đến hình thái phoi nghiên cứu Bermingham (2011) 10 Hình 1.7 Thơng số hình học phoi nghiên cứu Bermingham 11 Hình 2.1 Các pha   hợp kim Ti-6Al-4V 15 Hình 2.2 Sơ đồ pha Titan theo nhiệt độ áp suất [Velsavjevic 2012] 16 Hình 2.3 Ảnh hƣởng nguyên tố hợp kim đến giản đồ pha trình chuyển pha Titan (Sơ đồ pha tiêu biểu) [Frees 2011] 16 Hình 2.4 Cấu trúc mạng BCC, HCP 17 Hình 2.5 Ứng suất trƣợt (CRSS) hàm nhiệt độ pha α [Lütjering, 2003] 18 Hình 2.6 a) Mô đun đàn hồi (E) b) độ cứng pha  hàm góc γ trục c phƣơng lực [Lütjering, 2003; Britton, 2009] 18 Hình 2.7 Mơđun đàn hồi (E) mô đun trƣợt (G) pha alpha hàm nhiệt độ [Lütjering, 2003] 19 Hình 2.8 Sơ đồ pha đƣờng chuyển pha (β - transus) Titanium 20 Hình 2.9 Các loại tổ chức tế vi phổ biến hợp kim Ti64 [Attanasio, 2013; Maciej Motyka, 2012; Meyer, 2008] 21 Hình 2.10 Sơ đồ xử lý nhiệt cho hợp kim α + β Ti [Lütjering, 2003] 22 Hình 2.11 Các hợp kim Titan sử dụng động máy bay 23 Hình 2.12 Cánh quạt tàu sử dụng vật liệu hợp kim Titan 24 Hình 2.13 Động ô tô sử dụng vật liệu hợp kim Titan 25 Hình 2.14 Khung xe đạp thể thao hợp kim Titan 26 Hình 2.15 Ứng dụng hợp kim Titan y học 27 Hình 2.16 Ứng dụng hợp kim Titan máy mính 28 Hình 2.17 Ứng dụng hợp kim Titan thiết bị thực phẩm 28 Hình 2.18 Ứng dụng hợp kim Titan ngành trang sức 29 Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page iv Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy Hình 2.19 Sơ đồ pha hợp kim titan (E Gautier B Appolaire, Ecole de Mines de Nancy, Pháp) 32 Hình 2.20 Sự khởi đầu vết nứt gãy (crack initation) dải trƣợt nhiệt (adiabatic shear bands) 34 Hình 2.21 Sự phân bố nhiệt cắt dao phôi gia công (Konig [1979]) 35 Hình 3.1 Các thơng số đặc trƣng cho đỉnh (peak) phoi cƣa 38 Hình 3.2 Các thơng số đặc trƣng đáy (Valley) phoi cƣa 39 Hình 3.3 Các thông số đặc trƣng bề mặt trƣợt (Shear band) phoi cƣa 39 Hình 3.4 Xác định hình dạng thơng số hình học phoi phƣơng pháp mô phần tử hữu hạn FEM 41 Hình 3.5 Bốn cấu trúc tế vi hợp kim Ti-6Al-4V sử dụng thí nghiệm cắt (màu đen đậm: pha  ; màu sáng pha  ) 43 Hình 3.6 Mơ hình thí nghiệm tiện hợp kim Ti-6Al-4V 44 Hình 3.7 a) Hình ảnh mẫu gá đặt phoi, b) ảnh chụp phoi kính hiển vi điện tử 45 Hình 3.8 Chƣơng trình Matlab để đo thông số 46 Hình 3.9 Đo thơng số phoi đƣợc đo phần mềm Matlab 46 Hình 3.10 Bảng liệu thông số phoi thu đƣợc từ phần mềm Matlab 47 Hình 3.11 Dữ liệu thông số đƣợc nhập vào phần mềm Sigma Plot 48 Hình 3.12 Hai dạng biểu đồ đƣợc sử dụng để biểu diễn thông số đặc trƣng cho phoi 48 Hình 3.13 Hình ảnh thông số cho đỉnh cƣa phoi với tổ chức tế vi dạng Bet 49 Hình 3.14 Hình ảnh thơng số cho đỉnh cƣa phoi với tổ chức tế vi dạng Elo 50 Hình 3.15 Hình ảnh thông số cho đỉnh cƣa phoi với tổ chức tế vi dạng Mill 51 Hình 3.16 Hình ảnh thơng số cho đỉnh cƣa phoi với tổ chức tế vi dạng Sta 52 Hình 3.17 Hình ảnh thông số cho đáy cƣa phoi với tổ chức tế vi dạng Bet 53 Hình 3.18 Hình ảnh thơng số cho đáy cƣa phoi với tổ chức tế vi dạng Elo 54 Hình 3.19 Hình ảnh thơng số cho đáy cƣa phoi với tổ chức tế vi dạng Mill 55 Hình 3.20 Hình ảnh thông số cho đáy cƣa phoi với tổ chức tế vi dạng Sta 56 Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page v Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy Hình 3.21 Hình ảnh thông số bề mặt trƣợt phoi cƣa phoi với tổ chức tế vi dạng Bet 57 Hình 3.22 Hình ảnh thơng số bề mặt trƣợt phoi cƣa phoi với tổ chức tế vi dạng Elo 58 Hình 3.23 Hình ảnh thông số bề mặt trƣợt phoi cƣa phoi với tổ chức tế vi dạng Mill 59 Hình 3.24 Hình ảnh thơng số bề mặt trƣợt phoi cƣa phoi với tổ chức tế vi dạng Sta 60 Hình 3.25 Hình ảnh thơng số đỉnh phoi cƣa phoi tốc độ cắt thấp 61 m/min 61 Hình 3.26 Hình ảnh thơng số đỉnh phoi cƣa phoi tốc độ cắt trung bình 91 m/min 62 Hình 3.27 Hình ảnh thông số đỉnh phoi cƣa phoi tốc độ cắt cao 122 m/min 63 Hình 3.28 Hình ảnh thơng số đáy phoi cƣa phoi tốc độ cắt thấp 61 m/min 64 Hình 3.29 Hình ảnh thông số đáy phoi cƣa phoi tốc độ cắt trung bình 91 m/min 65 Hình 3.30 Hình ảnh thơng số đáy phoi cƣa phoi tốc độ cắt cao 122 m/min 66 Hình 3.31 Hình ảnh thông số bề mặt trƣợt phoi cƣa phoi tốc độ cắt thấp 61 m/min 67 Hình 3.32 Hình ảnh thơng số bề mặt trƣợt phoi cƣa phoi tốc độ cắt trung bình 91 m/min 68 Hình 3.33 Hình ảnh thơng số bề mặt trƣợt phoi cƣa phoi tốc độ cắt cao 122 m/min 69 Hình 3.34 Hình ảnh phoi mô phƣơng pháp phần tử hữu hạn FEM từ số nghiên cứu 71 Hình 3.35 So sánh thơng số hình học phoi q trình cắt thực nghiệm tốc độ cắt 61 m/min trình mơ tốc độ cắt 60 m/min 73 Hình 3.36 Hình ảnh biểu đồ so sánh thơng số hình học phoi q trình cắt thực nghiệm tốc độ cắt 180 m/min q trình mơ tốc độ cắt 122 m/min 74 Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page vi Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các thông số đặc trƣng cho ba loại vật liệu phổ biến máy bay 23 Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page vii Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là: Phạm Hữu Nguyên học viên cao học lớp 16BCTM.KT khóa 2016B Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy Đề tài: Nghiên cứu thơng số hình học phoi q trình cắt vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V so sánh với hình dạng q trình cắt mơ sử dụng phần tử hữu hạn Giáo viên hƣớng dẫn: TS Nguyễn Kiên Trung Tôi xin cam đoan nghiên cứu luận văn tác giả thực Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page viii Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy LỜI NĨI ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết đề tài Hiện nay, hợp kim Titan nhận đƣợc nhiều quan tâm nhà nghiên cứu công ty ứng dụng vào sản xuất Với đặc tính học khả chống ăn mòn cao mà hợp kim Titan đƣợc ứng dụng nhiều ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, ngành công nghiệp ô tô, công nghiệp thực phẩm, đặc biệt y sinh Trong loại hợp kim Titan thì, hợp kim Ti-6Al-4V loại hợp kim đƣợc sử dụng rộng rãi công nghiệp nhƣ sử dụng nghiên cứu thực nghiệm mô Mặc dù có đặc tính học, độ bền, với khối lƣợng riêng thấp khả chống ăn mịn tuyệt vời nhƣng gia cơng hợp kim Ti-6Al-4V khơng giống với q trình gia cơng vật liệu thơng thƣờng Q trình cơng hợp kim Ti-6Al-4V nƣớc ta hầu nhƣ khơng có Do nghiên cứu q trình gia cơng Titan cần thiết Nghiên cứu hình dạng phoi hƣớng nghiên cứu nghiên cứu Xuất phát từ tầm quan trọng trên, tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu thơng số hình học phoi trình cắt vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V so sánh với hình dạng trình cắt mơ sử dụng phần tử hữu hạn” Đối tƣợng đƣợc sử dụng để nghiên cứu hình ảnh phoi thu đƣợc cắt hợp kim Ti-6Al-4V 1.2 Đối tƣợng nghiên cứu Nghiên cứu thông số hình học phoi trình cắt vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V bốn tổ chức tế vi khác ba tốc độ cắt khác nhau; so sánh hình dạng phoi thu đƣợc thực nghiệm q trình cắt mơ sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Ở tốc độ cắt 122m/min: Giá trị trung bình chiều cao đáy phoi cƣa giảm dần theo thứ tự tổ chức tế vi Elo, Bet, Sta, Mil độ rộng mật độ phân bố chiều cao lại theo thứ tự tổ chức tế vi Bet, Sta, Mill, Elo Trong xét tới khoảng cách hai đáy liên tiếp phoi cƣa giá trị trung bình theo thứ tự Mil, Bet, Sta, Elo độ rộng mật độ phân bố theo thứ tự Bet, Mill, Elo, Sta Ti_Bet_122m/min Ti_Elo_122m/min Ti_Mill_122m/min Ti_Sta_122m/min a) Hình ảnh phoi Valley_ Peak 122 Chip morphology analysis_122_Chip_Valley_peak 160 Bet Elo Mill Sta 300 140 300 200 100 Gia tri lon (um) 200 Gia tri lon (um) Gia tri lon (um) 120 100 80 60 100 40 0 10 12 14 16 18 20 22 24 20 26 Bet Elo Mill Sta Number of peak (So dinh) b) Biểu đồ phân bố chiều cao đỉnh hi Valley_ Spacing 122 Chip morphology analysis_122_Chip_Valley_Spacing 180 Bet Elo Mill Sta 300 160 300 200 100 Gia tri lon (um) 200 Gia tri lon (um) Gia tri lon (um) 140 120 100 100 80 60 40 0 10 12 14 16 18 20 22 24 20 26 Bet Elo Mill Sta Number of peak (So dinh) c) Biểu đồ phân bố khoảng cách hai đỉnh liên tiếp si Hình 3.30 Hình ảnh thơng số đáy phoi cưa phoi tốc độ cắt cao 122 m/min Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page 66 Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy Luận văn thạc sỹ kỹ thuật c) Ảnh hƣởng tới bề mặt trƣợt phoi cƣa Ở tốc độ cắt 61m/min: Giá trị trung bình độ bề mặt trƣợt phoi cƣa giảm dần theo thứ tự tổ chức tế vi Mill, Bet, Elo, Sta độ rộng mật độ phân bố độ dài đƣờng chéo lại theo thứ tự tổ chức tế vi Mill, Bet, Sta, Elo Trong xét tới góc trƣợt phoi cƣa giá trị trung bình có chênh lệch khơng nhiều cịn độ rộng mật độ phân bố theo thứ tự Bet, Mill, Elo, Sta Ti_Bet_61m/min Ti_Elo_61m/min Ti_Mill_61m/min Ti_Sta_61m/min a) Hình ảnh phoi Shaer band_ Peak 61 Chip morphology analysis_61_Chip_Shaer band_peak 400 400 220 Bet Elo Mill Sta 200 180 200 200 100 Gia tri lon (um) 300 Gia tri lon (um) Gia tri lon (um) 300 160 140 120 100 100 80 60 40 0 10 12 14 16 18 20 22 24 26 20 Bet Elo Mill Sta Number of peak (So dinh) b) Biểu đồ độ dài bề mặt trƣợt Bi Shaer band_ Angle 61 Chip morphology analysis_61_Chip_Shaer band_Angle 100 100 Bet Elo Mill Sta 80 80 60 40 40 20 20 70 Gia tri goc (deg) 60 Gia tri goc (deg) Gia tri goc (deg) 80 90 60 50 40 30 0 10 12 14 16 18 20 22 24 26 20 Bet Number of peak (So dinh) Elo Mill Sta X Data c) Biểu đồ phân bố số đo góc βi Hình 3.31 Hình ảnh thông số bề mặt trượt phoi cưa phoi tốc độ cắt thấp 61 m/min Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page 67 Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Ở tốc độ cắt 91m/min: Giá trị trung bình độ dài đƣờng chéo bề mặt trƣợt phoi cƣa giảm dần theo thứ tự tổ chức tế vi Bet, Mill, Elo, Sta độ rộng mật độ phân bố độ dài đƣờng chéo lại theo thứ tự tổ chức tế vi Mill, Bet, , Elo, Sta Trong xét tới góc trƣợt phoi cƣa giá trị trung bình giảm dần theo thứ tự tổ chức tế vi Bet, Mill, Sta, Elo độ rộng mật độ phân bố theo thứ tự Mill, Bet, Elo, Sta Ti_Bet_91m/min Ti_Elo_91m/min Ti_Mill_91m/min Ti_Sta_91m/min a) Hình ảnh phoi Shaer band_ Peak 91 Chip morphology analysis_91_Chip_Shaer band_peak 400 400 350 Bet Elo Mill Sta 300 200 200 100 100 Gia tri lon (um) 300 Gia tri lon (um) Gia tri lon (um) 300 250 200 150 100 0 10 12 14 16 18 20 22 24 26 50 Bet Elo Mill Sta Number of peak (So dinh) b) Biểu đồ độ dài bề mặt trƣợt di Shaer band_ Angle 91 Chip morphology analysis_91_Chip_Shaer band_Angle 100 100 Bet Elo Mill Sta 70 60 60 40 40 20 Gia tri goc (deg0 80 Gia tri goc (deg) Gia tri goc (deg) 80 80 60 50 40 20 30 0 10 12 14 16 18 20 22 24 26 20 Bet Elo Mill Sta Number of peak (So dinh) c) Biểu đồ phân bố số đo góc βi Hình 3.32 Hình ảnh thông số bề mặt trượt phoi cưa phoi tốc độ cắt trung bình 91 m/min Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page 68 Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Ở tốc độ cắt 122m/min: Giá trị trung bình độ dài đƣờng chéo bề mặt trƣợt phoi cƣa giảm dần theo thứ tự tổ chức tế vi Bet, Elo, Sta, Mill độ rộng mật độ phân bố độ dài đƣờng chéo lại theo thứ tự tổ chức tế vi Bet, Mill, Elo, Sta Trong xét tới góc trƣợt phoi cƣa giá trị trung bình giảm dần theo thứ tự tổ chức tế vi Elo, Sta, Mill, Bet độ rộng mật độ phân bố theo thứ tự Bet, Sta, Elo, Mill Ti_Bet_122m/min Ti_Elo_122m/min Ti_Mill_122m/min Ti_Sta_122m/min a) Hình ảnh phoi Shaer band_ Peak 122 Chip morphology analysis_122_Chip_Shaer band_peak 400 250 400 300 200 200 100 Gia tri lon (um) 200 300 Gia tri lon (um) Gia tri lon (um) Bet Elo Mill Sta 150 100 100 50 0 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Bet Elo Mill Sta Number of peak (So dinh) Biểu đồ độ dài bề mặt trƣợt di Shaer band_ Angle 122 Chip morphology analysis_122_Chip_Shaer band_Angle 100 100 Bet Elo Mill Sta 80 90 80 80 60 40 40 20 20 Gia tri goc (deg) 60 Gia tri goc (deg) Gia tri goc (deg) 70 60 50 40 30 20 0 10 12 14 16 18 20 22 24 26 10 Bet Elo Mill Sta Number of peak (So dinh) Biểu đồ phân bố số đo góc βi Hình 3.33 Hình ảnh thông số bề mặt trượt phoi cưa phoi tốc độ cắt cao 122 m/min Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page 69 Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy 3.3 So sánh hình dạng phoi q trình cắt thực tế cắt mơ Bên cạnh phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm, phƣơng pháp phần tử hữu hạn việc mơ hình dạng phoi q trình cắt hợp kim Ti-6Al-4V cịn sử dụng để tìm hiểu đƣợc đặc trƣng hình học Một số hình ảnh hình dạng phoi q trình mơ cơng trình nghiên cứu đƣợc thu thập để so sánh với kết thực nghiệm nghiên cứu Nhìn chung, hình dáng hình học phoi q trình cắt mơ trƣơng đối sát với thực nghiệm nhƣ thể Hình 3.34 Ngồi mô mô tả đƣợc xuất dải trƣợt nhiệt phoi, nơi mà nhiệt độ cắt cao so với vùng khác dẫn tới trƣợt mạng tinh thể dải diễn thuận lợi vùng khác tạo thành cƣa (khúc, đoạn) Tuy nhiêu khó để tìm trùng khớp hồn tồn thơng số q trình cắt (dụng cụ, tốc độ cắt, lƣợng tiến dao, v.v.) thực nghiệm đề tài mơ Do việc khảo sát thơng số hình học đặc trƣng phoi thu đƣợc việc mô phƣơng pháp phần tử hữu hạn sau so sánh với hình dạng phoi thu đƣợc q trình cắt thực nghiệm thực với chế độ cắt gần tƣơng đƣơng Từ khảo sát nghiên cứu mô ta thấy đƣợc hình dạng phoi cƣa cắt tốc độ cắt lần lƣợt 60 m/min 180 m/min đem so sánh với kết thực nghiệm nghiên cứu Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page 70 Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy a) Calamaz (2008) b) Chen (2011) c) Calamaz (2011) d) Ali (2014) Hình 3.34 Hình ảnh phoi mô phương pháp phần tử hữu hạn FEM từ số nghiên cứu 3.3.1 So sánh hình dạng phoi trình cắt thực nghiệm tốc độ cắt 61 m/min q trình mơ tốc độ cắt 60 m/min Ta nhận thấy bề mặt cƣa phoi q trình mơ phân bố so với thực nghiệm.Giá trị trung bình tất thơng số hình học đặc trƣng phoi cƣa cắt mô ln nhỏ thực nghiệm dẫn đến hình dạng phoi thu đƣợc thực nghiệm dày có góc trƣợt lớn chút so với mô Độ rộng mật độ phân bố thơng số hình học phoi hai q trình có chênh lệch Nhìn chung hình dạng phoi thu đƣợc tƣơng đối giống Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page 71 Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy Luận văn thạc sỹ kỹ thuật a) Hình ảnh phoi mô thực nghiệm Peak Chip morphology analysis_Peak_FEM &EXP Cutting speed 60m/min 61m/min Feedrate 0.1 mm/rev 0.127 mm/rev FEM EXP 300 200 200 100 100 Cutting speed 60m/min 61m/min Feedrate 0.1 mm/rev 0.127 mm/rev 200 Gia tri lon (um) Gia tri lon (um) FEM EXP Gia tri goc Angle (deg) Peak_FEM Spacing_FEM Peak_EXP Spacing_EXP 300 250 150 100 50 0 0 Peak_FEM Spacing_FEM Peak_EXP Spacing_EXP Number of peak (So dinh) b) Biểu đồ so sánh đỉnh phoi cƣa q trình mơ (FEM) trình thực nghiệm (EXP) Chip morphology analysis_Valley_FEM & EXP Valley 140 FEM EXP Feedrate 0.1 mm/rev 0.127 mm/rev FEM 120 EXP 300 200 200 100 100 Cutting speed 60m/min 61m/min Feedrate 0.1 mm/rev 0.127 mm/rev 100 Gia tri lon (um) Gia tri lon (um) 300 Cutting speed 60m/min 61m/min Gia tri goc Angle (deg) Peak_FEM Spacing_FEM Peak_EXP Spacing_EXP 80 60 40 20 0 Peak_FEM Spacing_FEM Peak_EXP Spacing_EXP Number of peak (So dinh) c) Biểu đồ so sánh đáy phoi cƣa trình mơ (FEM) q trình thực nghiệm (EXP) Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page 72 Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Shaer band Chip morphology analysis_Shaer band_FEM & EXP 160 Cutting speed 60m/min 61m/min Feedrate 0.1 mm/rev 0.127 mm/rev 140 300 200 200 100 100 FEM EXP Cutting speed 60m/min 61m/min Feedrate 0.1 mm/rev 0.127 mm/rev 120 Gia tri lon (um) Gia tri lon (um) FEM EXP Gia tri goc Angle (deg) Peak_FEM Spacing_FEM Peak_EXP Spacing_EXP 300 100 80 60 40 20 0 0 Peak_FEM Angle_FEM Peak_EXP Angle_EXP Number of peak (So dinh) d) Biểu đồ so sánh bề mặt trƣợt phoi cƣa q trình mơ (FEM) q trình thực nghiệm (EXP) Hình 3.35 So sánh thơng số hình học phoi trình cắt thực nghiệm tốc độ cắt 61 m/min q trình mơ tốc độ cắt 60 m/min 3.3.2 So sánh hình dạng phoi trình cắt thực nghiệm tốc độ cắt 122 m/min q trình mơ tốc độ cắt 180 m/min a) Hình ảnh phoi mô thực nghiệm Chip morphology analysis_Peak_FEM &EXP Peak_FEM Spacing_FEM Peak_EXP Spacing_EXP FEM EXP Peak Feedrate 0.1 mm/rev 0.127 mm/rev 250 FEM EXP 300 Cutting speed 180m/min 122m/min Feedrate 0.1 mm/rev 0.127 mm/rev 200 200 100 100 Gia tri lon (um) 200 Gia tri goc Angle (deg) Gia tri lon (um) 300 Cutting speed 180m/min 122m/min 150 100 50 0 10 11 12 Peak_FEM Spacing_FEM Peak_EXP Spacing_EXP Number of peak (So dinh) b) Biểu đồ so sánh đỉnh phoi cƣa q trình mơ (FEM) trình thực nghiệm (EXP) Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page 73 Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chip morphology analysis_Valley_FEM & EXP Valley 120 FEM EXP Feedrate 0.1 mm/rev 0.127 mm/rev 300 200 200 100 100 100 Gia tri lon (um) Gia tri lon (um) 300 Cutting speed 180m/min 122m/min Gia tri goc Angle (deg) Peak_FEM Spacing_FEM Peak_EXP Spacing_EXP FEM EXP Cutting speed 180m/min 122m/min Feedrate 0.1 mm/rev 0.127 mm/rev 80 60 40 20 0 10 11 12 Peak_FEM Spacing_FEM Peak_EXP Spacing_EXP Number of peak (So dinh) c) Biểu đồ so sánh đáy phoi cƣa q trình mơ (FEM) trình thực nghiệm (EXP) Shaer band Chip morphology analysis_Shaer band_FEM & EXP 160 Feedrate 0.1 mm/rev 0.127 mm/rev 200 200 100 FEM 140 EXP 300 100 Cutting speed 180m/min 122m/min Feedrate 0.1 mm/rev 0.127 mm/rev 120 Gia tri lon (um) Gia tri lon (um) Cutting speed 180m/min 122m/min FEM EXP Gia tri goc Angle (deg) Peak_FEM Spacing_FEM Peak_EXP Spacing_EXP 300 100 80 60 40 20 0 10 11 12 Peak_FEM Angle_FEM Peak_EXP Angle_EXP Number of peak (So dinh) d) Biểu đồ so sánh bề mặt trƣợt phoi cƣa trình mơ (FEM) q trình thực nghiệm (EXP) Hình 3.36 Hình ảnh biểu đồ so sánh thơng số hình học phoi trình cắt thực nghiệm tốc độ cắt 180 m/min q trình mơ tốc độ cắt 122 m/min Ở tốc độ cắt cao ta nhận thấy hình dạng phoi thu đƣợc hai trình giống hơn, mật độ cƣa tƣơng đối Độ rộng mật độ phân bố thơng số hình học đặc trƣng phoi cƣa nhỏ tƣơng đối giống hai trình Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page 74 Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy Nhƣ tốc độ cắt cao phoi cƣa thu đƣợc mô thực nghiệm có hình dạng giống 3.4 Kết luận chƣơng ba Thơng q q trình cắt thực nghiệm hợp kim Ti-6Al-4V bốn tổ chức tế vi khác Ti64-Bet, Ti64-Elo, Ti64-Mill, Ti64-Sta ba chế độ cắt: thấp (61 m/min), trung bình (91 m/min) cao (122 m/min) thu đƣợc phoi dạng cƣa Tốc độ cắt có ảnh hƣởng định đến thơng số hình học phoi cƣa nhƣ chiều cao đỉnh răng, khoảng cách hai đỉnh liên tiếp, chiều cao đáy (chân răng), khoảng cách hai đáy liên tiếp, độ dài bề mặt trƣợt phoi, góc trƣợt Các thơng số hình học cƣa ổn định chế độ cắt thấp 61 m/min cao 122 m/min mà nhiệt cắt tốc độ cắt đồng ổn định (cùng thấp, cao) dẫn tới việc hình thành phoi cƣa ổn định Với chế độ cắt trung bình 91 m/min cho thấy dạng phoi biến động lớn kể đỉnh đáy, đặc biệt hai tổ chức hạt nhỏ mảnh Ti64-Bet Ti64-Mill Nhiệt cắt không đồng chế độ cắt nguyên nhân dẫn tới khơng ổn định kích thƣớc phoi cƣa Tổ chức tế vi có ảnh hƣởng tới thông số phoi cƣa, chế độ cắt thấp trung bình Nhìn chung phoi với Ti64-Bet Ti64Mill có thông số đặc trƣng phoi cƣa khác biệt hẳn so với hai dạng lại Ti64-Elo Ti64-Sta Với chế độ cắt cao, nhiệt cắt cao đồng toàn vùng cắt làm cho ảnh hƣởng tổ chức tế vi không rõ rệt nhƣ chế độ cắt thấp trung bình Khi so sánh thực nghiệm trình cắt mơ hợp kim Titan FEM thống dạng phoi cƣa giá trị thông số đặc trƣng cho phoi dạng hầu hết tốc độ cắt Tuy nhiên thông số phoi q trình cắt mơ ổn định so với thực nghiệm mà dải phân bố Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page 75 Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy liệu đo hẹp Các thông số đặc trƣng phoi cƣa thực nghiệm có giá trị cao so với kết mô phỏng, đặc biệt chế độ thấp Ở tốc độ cắt cao phoi cƣa thu đƣợc mơ thực nghiệm có hình dạng giống Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page 76 Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy Luận văn thạc sỹ kỹ thuật CHƢƠNG KẾT LUẬN Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu thơng số hình học phoi trình cắt vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V số tổ chức tế vi khác tốc độ cắt khác nhau; so sánh với kết mô phƣơng pháp thực nghiệm, tác giả hoàn thành luận văn với nội dung gồm chƣơng: Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan Chƣơng 2: Nghiên cứu đặc trƣng trình cắt hợp kim Titan Chƣơng 3: Nghiên cứu thơng số hình học đặc trƣng trình tiện hợp kim Titan so sánh với q trình cắt mơ Kết đạt đƣợc: - Tìm hiểu đƣợc trình hình thành phoi, ảnh hƣởng phoi tới q trình gia cơng ảnh hƣởng thơng số q trình cắt tới đặc trƣng hình học phoi - Nghiên cứu đặc điểm cụ thể cấu trúc tinh hợp kim Titan đặc trƣng trình cắt hợp kim Titan Nắm bắt đƣợc rõ ứng dụng thực tiễn mà hợp kim Titan đƣợc sử dụng - Xây dựng đƣợc chƣơng trình chạy phần mềm Matlap để đo thơng số hình học đặc trƣng phoi, xây dựng biểu đồ thể đƣợc mối quan hệ thông số hình học với chế độ cắt, tổ chức tế vi khác hợp kim Ti-6Al-4V Dựa vào kết thu đƣợc thông số hình học đặc trƣng phoi thấy chế độ cắt cấu trúc tổ chức tế vi hợp kim Ti-6Al-4V có ảnh hƣởng lớn đến việc hình thành chip cƣa q trình gia cơng Kết so sánh q trình mơ trình thực nghiệm tƣơng đối giống Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page 77 Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy khẳng định đƣợc ảnh hƣởng chế độ cắt cấu trúc tế vi hợp kim Ti-6Al-4V tới hình dạng phoi Hƣớng phát triển đề tài : Dựa vào trình nghiên cứu em có đề xuất phát triển đề tài cao theo hƣớng ― Nghiên cứu ảnh hƣởng hình dạng phoi trình cắt hợp kim Ti-6Al-4V đến thơng số đặc trƣng cho q trình cắt, từ đƣa phƣơng án nhằm nâng cao hiệu suất cắt hợp kim Ti-6Al-4V‖ Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page 78 Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy Luận văn thạc sỹ kỹ thuật TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyên lý gia công vật liệu; GS.TSKH Bành Tiến Long, PGS.TS Trần Thế Lục, PGS.TS Trần Sỹ Túy; Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2013 Kỹ thuật tiện; GS.TS Trần Văn Địch; Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2002 Sổ tay công nghệ chế tạo máy; GS.TS Nguyễn Đắc Lộc, PGS.TS Lê Văn Tiến, PGS.TS Ninh Đức Tốn, PGS.TS Trần Xuân Việt; Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2007 Nguyên lý dụng cụ cắt; PGS.TS Trần Thế Lục, PGS.TS Trịnh Minh Tứ; Nhà xuất giáo dục, 2009 Calamaz, M., Coupard, D., & Girot, F (2008) A new material model for 2D numerical simulation of serrated chip formation when machining titanium alloy Ti–6Al–4V International Journal of Machine Tools and Manufacture, 48(3-4), 275–288 Sima, M., & Özel, T (2010) Modified material constitutive models for serrated chip formation simulations and experimental validation in machining of titanium alloy Ti– 6Al–4V International Journal of Machine Tools and Manufacture, 50(11), 943–960 Sun, S., Brandt, M., & Dargusch, M S (2009) Characteristics of cutting forces and chip formation in machining of titanium alloys International Journal of Machine Tools and Manufacture, 49(7-8), 561–568 Komanduri et al., 1982; Molinari et al., 2002; Shi and Liu, 2006 Serrated chip prediction in finite element modelling of the chip formationprocess Machining Science and Technology, 11:367–390 Nguyen, T., Kwon, P., Kang, D., & Bieler, T R (2016) The Origin of Flank Wear in Turning Ti-6Al-4V Journal of Manufacturing Science and Engineering, 138(12), 121013 10 A Vyas, M.C Shaw, Mechanics of saw-tooth chip formation in metal cutting, Journal of Manufacturing Science and Engineering—Transactions of the ASME 211 (1999) 163–172 11 R Komanduri, Some clarifications on the mechanics of chip formation when machining titanium alloys, Wear 76 (1982) 15–34 12 G Poulachon, A.L Moisan, Hard turning: chip formation mechanisms and metallurgical aspects, Journal of Manufacturing Science and EngineeringTransactions of the ASME 122 (2000) 406–412 13 Cotterell, M., & Byrne, G (2008) Dynamics of chip formation during orthogonal cutting of titanium alloy Ti–6Al–4V CIRP Annals, 57(1), 93–96 14 Zhang, Y C., Mabrouki, T., Nelias, D., & Gong, Y D (2011) Chip formation in orthogonal cutting considering interface limiting shear stress and damage evolution Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page 79 Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy based on fracture energy approach Finite Elements in Analysis and Design, 47(7), 850–863 15 Gente, A., Hoffmeister, H.-W., & Evans, C J (2001) Chip Formation in Machining Ti6Al4V at Extremely High Cutting Speeds CIRP Annals, 50(1), 49–52 16 A.E Bayoumi, J.Q Xie (1995) Some metallurgical aspects of chip formation in cutting Ti-6wt.%Al-4wt.%V alloy Materials Science and Engineering A 190 (1995) 173-180 Học viên: Phạm Hữu Nguyên Giáo viên hướng dẫn: SHSV: CB160188 Page 80 Lớp: 16BCTM TS Nguyễn Kiên Trung ... trình cắt mơ sử dụng phần tử hữu hạn? ?? Đối tƣợng đƣợc sử dụng để nghiên cứu hình ảnh phoi thu đƣợc cắt hợp kim Ti-6Al-4V 1.2 Đối tƣợng nghiên cứu Nghiên cứu thơng số hình học phoi q trình cắt vật liệu. .. hình dạng phoi hƣớng nghiên cứu nghiên cứu Xuất phát từ tầm quan trọng trên, tác giả chọn đề tài ? ?Nghiên cứu thông số hình học phoi trình cắt vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V so sánh với hình dạng q trình. .. Đặc điểm trình cắt vật liệu hợp kim Titan 29 2.4 Kết luận chƣơng hai 36 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU CÁC THƠNG SỐ HÌNH HỌC ĐẶC TRƢNG CỦA QUÁ TRÌNH TIỆN TITAN VÀ SO SÁNH Q TRÌNH CẮT MƠ PHỎNG 38