Nghiên cứu mô phỏng ảnh hưởng của các tham số chế độ cắt đến hệ số co rút phoi khi gia công hợp kim nhôm

Bài viết này nghiên cứu mối quan hệ giữa hệ số co rút phoi và các thông số của quá trình cắt như tốc độ cắt, chiều sâu cắt áp dụng khi gia công hợp kim nhôm A6061. Hệ số so rút phoi được xác định thông qua mô phỏng quá trình cắt nhờ phần mềm ABAQUS/ Explicit , dựa trên mô hình phá hủy vật liệu BaoWierzbicki (B-W), sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn.

ISSN 2354-0575 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN HỆ SỐ CO RÚT PHOI KHI GIA CÔNG HỢP KIM NHÔM Phạm Thị Hoa1, Mạc Thị Bích1, Ngơ Quang Việt2, Bành Tiến Long1, Nguyễn Đức Toàn1 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận: 18/2/2016 Ngày xét duyệt: 04/3/2016 Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu mối quan hệ hệ số co rút phoi thơng số q trình cắt tốc độ cắt, chiều sâu cắt áp dụng gia công hợp kim nhôm A6061 Hệ số so rút phoi xác định thơng qua mơ q trình cắt nhờ phần mềm ABAQUS/ Explicit , dựa mơ hình phá hủy vật liệu BaoWierzbicki (B-W), sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Sau đó, phương pháp bình phương tối thiểu sử dụng để xác định mối quan hệ hệ số co rút phoi thông số gồm tốc độ cắt chiều sâu cắt Các kết nghiên cứu này, kết hợp với kết thực nghiệm sở khoa học để giải thích nhiều tượng chất vật lý q trình gia cơng cao tốc Từ khóa: Hệ số co rút phoi, mơ hình Bao-Wierzbicki, hợp kim nhơm A6061, mơ q trình cắt Giới thiệu Ngày gia cơng cao tốc giữ vai trị quan trọng ngành cơng nghiệp khí đại Với ưu điểm vượt trội suất chất lượng sản phẩm, gia công tốc độ cao ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp hỗ trợ gia công chi tiết ô tô, máy bay, tàu thủy ngành cơng nghiệp nhẹ… Trong q trình gia cơng cao tốc, hình thành phoi có ảnh hưởng mật thiết đến loạt thông số trình cắt liên quan đến suất, chất lượng hiệu gia công như: lực cắt, nhiệt cắt, độ ổn định trình cắt, sai số đại quan tế vi chi tiết gia công; đến tượng vùng biến dạng mài mòn dụng cắt[1,2] Để hình thành phoi cần tác dụng lực để phoi tách khỏi vật liệu gia công khi, qua phát sinh biến dạng đàn hồi vật liệu gia công vùng tiếp xúc với dụng cụ cắt Biến dạng đàn hổi nhanh chóng chuyển thành biến dạng dẻo lớp phoi hình thành từ lớp kim loại [2] Như vị trí dao tiếp xúc với vật liệu gia cơng có lớp vật liệu bị phá hủy Để nghiên cứu trạng thái ứng suất lớp vật liệu này, mô hình phá hủy vật liệu nhiều tác giả cơng bố tạp chí quốc tế Tác giả McClintock quan sát và phân tích sự lớn lên của các lỗ trống hình trụ sinh ứng suất kéo Từ tác giả kết ḷn các lỗ trớng này phát triển nhanh và là nguyên nhân gây nên phá hủy vật liệu [3] Tác giả Rice và Tracey [4] phát triển mơ hình của McClintock, từ kết luận lỗ trống hình trụ và hình cầu đều phát triển hướng kính, chúng thay đổi cả về kích thước và hình dạng vật liệu chịu tải Sự thay đổi ấy phụ thuộc rất lớn vào số trạng thái ứng suất Tác giả Hancock và MacKenzie [5] thông qua nghiên Khoa học & Công nghệ - Số 9/Tháng - 2016 cứu thực nghiệm sự phát triển của lỗ trống không theo một hướng mà nhiều hướng khác Đồng thời tốc độ phát triển chúng phụ thuộc chủ yếu vào số trạng thái ứng suất Từ nghiên cứu trên, giới hạn phá hủy phụ thuộc chủ yếu vào số trạng thái ứng suất Tỉ số cường độ của hai thành phần này đặc trưng cho trạng thái ứng suất gọi là số trạng thái v ứng suất được biểu diễn công thức: v* = vH r v H ứng suất tĩnh vr ứng suất tương đương Cùng với đợ biến dạng, trạng thái ứng śt đóng vai trị sự hình thành và phát triển vết nứt vật liệu kim loại Đồng thời trạng thái này quyết định dạng phá hủy cũng mức độ phá hủy vật liệu Biến dạng phá hủy tương đương chịu ảnh hưởng rất lớn từ số trạng thái ứng suất Tác giả Wierzbicki [6] tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của trạng thái ứng suất mô số kết hợp với thực nghiệm Kết cho thấy giới hạn phá hủy phụ thuộc chủ yếu vào số trạng thái ứng suất Như mức đợ biến dạng, trạng thái ứng śt có vai trò chủ yếu sự hình thành và phát triển vết nứt vật liệu kim loại Đồng thời trạng thái này quyết định dạng phá hủy cũng mức độ phá hủy vật liệu Trong nghiên cứu này, phương pháp phần tử hữu hạn dựa mơ hình phá hủy Bao-Wierzbicki (B-W) sử dụng để mô hình thành phoi hệ số co rút phoi thay đổi tốc độ cắt chiều sâu cắt Sau đó, mối quan hệ tốn học hệ số co rút phoi với tham số tìm Vật liệu mơ hình phá hủy B-W 2.1 Đặc tính vật liệu Bài tốn mơ thực nghiệm Journal of Science and Technology 13 ISSN 2354-0575 áp dụng cho hợp kim nhôm A6061 với đặc tính thể Bảng Hợp kim nhơm A6061 có đặc điểm bật hợp kim có tính linh hoạt cao khả chống ăn mịn tốt Ngồi hợp kim đa dụng, có độ bền cao, sử dụng rộng rãi công nghiệp Bảng Đặc tính vật lý hợp kim nhơm A6061 Vật liệu Đặc tính Mơ đun đàn hồi E (GPa) Giá trị 2.7 Khối lượng riêng, t (kg/m3) 7000 Mô đun đàn hồi trượt, G (Gpa) Hệ số Poison o 69 0.33 hủy, nghĩa là vật liệu có khả biến dạng lớn Có thể thấy rõ ràng biến dạng tương đương tới phá hủy mẫu khác lớn số trạng thái ứng suất khác Trong phạm vi lớn số trạng thái ứng suất, biến dạng tương đương tới phá hủy giảm ứng suất Biến dạng tương đương nhỏ 0.2 v số trạng thái ứng suất H = tương ứng với v thí nghiệm cắt túy 2.2 Mơ hình phá hủy B-W Mơ hình phá hủy B-W diễn tả phá hủy xảy điểm vật liệu biến dạng dẻo đạt đến giá trị giới hạn Hình Đồ thị đường cong cho phương trình (2-4) Hình Sự phụ tḥc của f f vào số trạng thái ứng suất [6, 7] Hằng số vật liệu tính cơng thức sau [7]: ff v v (1) D = # H df = a H k f f v v ao vH Trong a v kao số trạng thái ứng suất, f f biến dạng tương đương tại thời điểm vật liệu bị phá hủy Sau thu biến dạng tương đương tới phá hủy số ứng suất cho trường hợp v f , H , quỹ tích phá hủy khơng gian v xây dựng Hình Hình biểu diễn sự phụ thuộc của biến dạng và số trạng thái ứng suất Ở giá trị trạng thái ứng suất nhỏ, phá hủy biến dạng trượt xảy ra, giá trị số ứng suất lớn phá hủy xảy sự hình thành và phát triển lỗ trống Nếu số trạng thái ứng suất nhỏ -1/3, vật liệu không bị phá 14 Sau đó, tăng phạm vi số trạng thái ứng suất nhỏ với số trạng thái ứng suất đạt đến đỉnh điểm 0.45 số trạng thái ứng suất trung bình vH = tương ứng với thí nghiệm kiểm tra v độ bền kéo tròn trơn Cuối số trạng thái ứng suất giảm phạm vi số trạng thái ứng suất cao [8] Đường cong phá hủy phù hợp với biến dạng tương đương cho phá hủy tác giả đưa công thức sau [5, 7]: v H =- ' v H + -0 46 cho f f = 1225 c (2) 3m v v v vH f f = c m 18 a H k + 21 v v vH = ' cho 0.4 v -1 vH cho v H = 0.4 ' 95 f f = 15 c m v v (3) (4) Đồ thị đường cong phương trình (2-4) thể Hình Trên Hình cho thấy giới hạn phá hủy vật liệu cho phương trình thỏa mãn giới hạn mơ q trình cắt, phần tử lưới bắt đầu trình tách khỏi vật liệu hình thành phoi cắt Khoa học & Công nghệ - Số 9/Tháng - 2016 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Mơ q trình tạo phoi Phần mềm Abaqus/Explicit 6.13.1 sử dụng để mơ q trình tạo phoi đo hệ số co rút phoi cho hợp kim nhơm A6061 Mơ hình phần tử hữu hạn sử dụng để mô thể Hình 1.0 1.54 1.54 1.55 1.54 1.5 1.43 1.52 1.49 1.49 2.0 1.41 1.48 1.40 1.39 Hình Phoi hình thành mơ Hình Mơ hình phần tử hữu hạn q trình cắt Trong phần tử cứng tuyệt đối sử dụng cho mơ hình dụng cụ cắt Phơi gia cơng lại chia thành vùng gồm có vùng tạo phoi, vùng phá hủy vùng phơi cắt Trong vùng phá hủy mơ hình hóa thành phần tử với tổng chiều dày lớn bán kính mũi dao Phoi tạo thành quan trọng vùng tạo phoi phần tử vùng phá hủy mà chưa bị phá hủy Các phần tử khác vùng phá hủy bị phá hủy hoàn toàn tự di chuyển Hệ số co rút phoi xác định công (5) thức: K = t0 chiều dày phoi, t0 chiều sâu cắt 3.2 Sự phụ thuộc hệ số co rút phoi K với V t Bảng Thông số sử dụng để mô quan hệ K với V t Các cấp độ V(m/phút) 419 471 565 659 t(mm) 0.5 1.0 1.5 2.0 Bảng Kết mô hệ số co rút phoi K với giá trị V t khác t(mm) 0.5 V (m/min) 419 1.74 471 1.74 565 1.67 659 1.76 Khoa học & Công nghệ - Số 9/Tháng - 2016 Để nghiên cứu ảnh hưởng vận tốc cắt (V) chiều sâu cắt (t) đến hệ số co rút phoi (K) sử dụng phần tử hữu hạn FEM mô với tham số cho Bảng Phoi hình thành thể Hình Kết mơ hệ số co rút phoi K phụ thuộc vào V t cho Bảng Từ kết mô Bảng công thức K phụ thuộc vào V t phương pháp xây dựng đường cong phù hợp Sự phụ thuộc K vào V t cho công thức: K = a Vb tc (6) Trong a,b,c số phải xác định Sử dụng công cụ Minitab17 số a, b, c xác định tương ứng 1.64227, 0.00812381 -0.138524 Khi cơng thức (6) viết lại là: K = 1.64227 V -0.00812381 t -0.138524 (7) Từ công thức (7) mối quan hệ K với V t thể Hình Như từ Hình cho thấy tăng V K thay đổi nhỏ nhiên K bị ảnh hưởng đáng kể thay đổi chiều sâu cắt t Với t tăng từ 0.5 đến 2.0mm K giảm tương ứng từ 1.9 đến 1.4 Cho thấy cắt chiều sâu cắt mỏng hệ số co rút phoi lớn cắt chiều sâu cắt dày Khi gia công với chiều sâu cắt dày mức độ biến dạng lớp vật liệu khó khăn diện tích lớp cắt lúc lớn, chế độ cắt cắt với chiều sâu cắt nhỏ, lực cắt, nhiệt cắt làm cho lớp kim loại biến dạng nhiều làm hệ số co rút phoi tăng theo Journal of Science and Technology 15 ISSN 2354-0575 Kết luận Mô FEM áp dụng để mô hệ số co rút phoi cho hợp kim A6061 sử dụng mơ hình phá hủy B-W cho thấy xét ảnh hưởng đồng thời vận tốc cắt, chiều sâu cắt đến hệ số co rút phoi Với chiều sâu cắt khoảng từ 0.5 đến 2mm thấy chiều sâu cắt mỏng, hệ số co rút phoi lớn ngược lại Trong dải tốc độ cắt tử 419 đến 659m/phút hệ số co rút phoi không bị ảnh hưởng nhiều Trong dải tốc độ hệ số co rút phoi phụ thuộc vào V t thơng qua phương trình sau: K = 1.64227 V -0.00812381 t -0.138524 Hình Đồ thị biều diễn phụ thuộc hệ số co rút phoi K vào V t Tài liệu tham khảo [1] Bành Tiến Long, Trần Thế Lục, Trần Sỹ Tuý (2013), Nguyên lý gia công vật liệu, NXB KHKT, Hà Nội [2] P T Hoa, “RCMME 2014 FEM Study on the Chip Shrinkage Coefficient at High-Speed Machining of Aluminum Alloy A6061,” no October, 2014 [3] R Sowerby and N Chandrasekaran, “The Prediction of Damage Accumulation when Upsetting AISI 1045 Steel Specimens, Based on McClintock’s Model,” Mater Sci Eng., vol 79, no 1, pp 27–35, 1986 [4] T Pardoen, P Delatte, J Morhet, I Doghri, R Knockaert, F Delannay, U C De Louvain, U C De Louvain, and D De Mdcanique, “Application of Local Damage and Fracture Models to Notched Round Copper Bars,” vol 1996 [5] T S Cao, C Bobadilla, P Montmitonnet, and P O Bouchard, “A Comparative Study of Three Ductile Damage Approaches for Fracture Prediction in Cold Forming Processes,” J Mater Process Technol., vol 216, pp 385–404, 2015 [6] J Liu and B S China, “Experimental Study and Modeling of Mechanical Micro-Machining of Particle Reinforced Heterogeneous Materials,” 2011 [7] Y Bao and T Wierzbicki, “On Fracture Locus in the Equivalent Strain and Stress Triaxiality Space,” Int J Mech Sci., vol 46, no 1, pp 81–98, 2004 [8] Y Bao and T Wierzbicki, “A Comparative Study on Various Ductile Crack Formation Criteria,” J Eng Mater Technol., vol 126, no 3, p 314, 2004 SIMULATION STUDY TO VERIFY THE EFFECT OF CUTTING PARAMETERS ON CHIP SHINKEGE COEFICIENT DURING MACHINING PROCESS OF ALUMINUM ALLOY Abstract: This paper predicted the relationship between chip shrinkage coefficient and cutting parameters such as cutting speed, uncut chip thickness in a cutting process of A6061 aluminum alloy The chip shrinkage coefficient was determined through simulation using finite element method The commercial software Abaqus/Explicit is employed for simulation of the cutting process of A6061 alumium alloy based on the Bao-Wierzbicki fracture model Then, the least square method was used to derive the relationship between chip shrinkage coefficient and cutting force The above-mentioned relationship is believed to be useful in determination of optimal cutting conditions in high-speed machining Keywords: Chip shrinkage coefficient, the Bao-Wierzbicki fracture model, A6061 aluminum alloy, simulation of the cutting process 16 Khoa học & Công nghệ - Số 9/Tháng - 2016 Journal of Science and Technology ... 2mm thấy chiều sâu cắt mỏng, hệ số co rút phoi lớn ngược lại Trong dải tốc độ cắt tử 419 đến 659m/phút hệ số co rút phoi không bị ảnh hưởng nhiều Trong dải tốc độ hệ số co rút phoi phụ thuộc vào... dụng để mô hệ số co rút phoi cho hợp kim A6061 sử dụng mơ hình phá hủy B-W cho thấy xét ảnh hưởng đồng thời vận tốc cắt, chiều sâu cắt đến hệ số co rút phoi Với chiều sâu cắt khoảng từ 0.5 đến 2mm... 1.9 đến 1.4 Cho thấy cắt chiều sâu cắt mỏng hệ số co rút phoi lớn cắt chiều sâu cắt dày Khi gia công với chiều sâu cắt dày mức độ biến dạng lớp vật liệu khó khăn diện tích lớp cắt lúc lớn, chế độ