ISBN 2354-0575 MỘT SỐ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VỀ TÍNH CHẤT GIA CƠNG VẬT LIỆU KHI CẮT GỌT CĨ GIA NHIỆT Mạc Thị Bích1,2, Phạm Thị Hoa1,2, Bành Tiến Long1,2, Nguyễn Đức Toàn1,2 Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Ngày nhận: 01/10/2016 Ngày sửa chữa: 31/10/2016 Ngày xét duyệt: 15/11/2016 Tóm tắt Gia cơng vật liệu có gia nhiệt giải pháp gia công hiệu nâng cao suất chất lượng sản phẩm làm từ loại vật liệu khó cắt gọt, khả tạo hình khó khăn Phương pháp ứng dụng rộng rãi gia cơng có phoi (tiện, phay, chuốt v.v.) gia công không phoi (rèn, dập, vuốt v.v.) Giải pháp gia cơng có gia nhiệt khắc phục nhiều nhược điểm phương pháp gia công truyền thống, đặc biệt vật liệu có độ cứng cao, độ dẫn nhiệt thấp, khả chống mài mịn tốt tính thay đổi tác động nhiệt độ cao Nghiên cứu mô tả khái qt hóa số vấn đề tính gia cơng vật liệu có hỗ trợ gia nhiệt ảnh hưởng đến độ xác gia công giới vấn đề nghiên cứu cần đặt Việt Nam Từ khóa: Gia cơng gia nhiệt, vật liệu độ cứng cao, tính gia cơng vật liệu Đặt vấn đề Gia công hỗ trợ nguồn nhiệt ngày biết đến sử dụng rộng rãi phương pháp gia cơng mới, cải thiện tính gia công kim loại hợp kim có độ cứng cao Cơng nghệ gia cơng nghiên cứu phát triển từ đầu kỷ 20 Các nghiên cứu đưa nhận xét: kim loại có xu hướng dễ biến dạng gia nhiệt, nâng cao tính cắt gọt chúng Hiện nay, gia công hỗ trợ nhiệt độ cao ứng dụng rộng rãi công nghiệp sản xuất sản phẩm kỹ thuật thuộc lĩnh vực: vũ trụ, hàng khơng, tơ, quốc phịng, y tế, điện - điện tử - điện tự động hóa Có phương pháp gia nhiệt: gia nhiệt cảm ứng từ, dòng điện, chùm laze, chùm plasma Mỗi phương pháp có ưu, nhược điểm định khuyến cáo ứng dụng trường hợp gia cơng cụ thể Trong năm gần đây, có nhiều nghiên cứu lĩnh vực gia công hỗ trợ nhiệt cơng bố tạp chí uy tín giới Tuy nhiên, số lượng nghiên cứu phương pháp gia công 22 môi trường hỗ trợ nhiệt cảm ứng từ hạn chế Để đạt hiệu q trình gia cơng hỗ trợ nhiệt độ cao, nghiên cứu sở vật lý q trình cắt gia cơng có gia nhiệt (hệ số co rút phoi, miền biến dạng, lực cắt, nhiệt cắt, mài mòn dụng cụ, rung động trình cắt ) tác động chế độ cắt đến chất lượng sản phẩm khí gia cơng cắt gọt có hỗ trợ gia nhiệt (độ xác kích thước, chất lượng bề mặt) cần thiết có tính ứng dụng cao Việt Nam Một số phương pháp gia nhiệt sử dụng lĩnh vực gia công khí - Gia nhiệt dịng điện: phương pháp gia công áp dụng thành công để cắt lớp kim loại dày với tổn thất kim loại tối thiểu chất lượng bề mặt gia công tốt Thiết bị gia nhiệt đơn giản khó kiểm soát nhiệt độ - Gia nhiệt laze (LAM): phù hợp cho trình cắt gọt ứng dụng rộng rãi gia công Gia nhiệt laze phù hợp cho gia công kim loại phi kim, vật liệu gốm Khoa học & Công Nghệ - Số 12/Tháng 12 – 2016 Journal of Science and Technology ISBN 2354-0575 Chùm laze tùy chỉnh tiện phay, bao gồm gia cơng xác tính linh hoạt cao chùm tia tập trung Nhưng ứng dụng cho phay phá phay mặt đầu với dao phay đường kính lớn gia công thô, chùm laze cần đặt cách xa chi tiết gia cơng để có diện tích chiếu rộng cần có nguồn laze lượng cao gia nhiệt cho lớp kim loại vật liệu Hơn nữa, hiệu gia nhiệt laze hệ số phản xạ nguồn laze số vấn đề cần xem xét gia công gia nhiệt nguồn laze Do đó, Nguồn sáng laze lượng cao có giá cao (ví dụ, nguồn laze 1,5 kWCO2 có giá 150.000$) tiêu thụ lượng lớn làm chậm lại trình gia nhiệt laze độ thấp nhiệt độ cao dẫn đến tan chảy vật liệu gia công (kim loại chảy dẻo); - Gia nhiệt lò nhiệt: Các nghiên cứu chí sử dụng phương pháp gia nhiệt lò nhiệt để nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ tới tiêu chuẩn khác vật liệu gia công Các nghiên cứu cho thấy thấy tốc độ mài mòn rung động giảm đáng kể gia nhiệt Tuy nhiên, nghiên cứu sử dụng phương pháp gia nhiệt lò để chứng minh ảnh hưởng nung nóng vật liệu gia cơng đến tính cắt gọt vật liệu khơng khuyên cáo cho ứng dụng sản xuất - Gia nhiệt cảm ứng từ: phương pháp gia nhiệt hiệu quả, sạch, chi phí thấp lựa chọn tốt trường hợp phay đứng kim loại hợp kim khó cắt gọt Không ứng dụng cắt gọt, nguồn nhiệt cảm ứng từ ứng dụng trình tơi Thời gian gia nhiệt ngắn thực tế dẫn đến tượng khơng gỉ vật liệu sản phẩm không cần mài Tuy nhiên phương pháp gia nhiệt khơng thích hợp cho gia cơng tiện thiết kế cho q trình gia nhiệt khơng phù hợp để thực tất chuyển động gia cơng Hình Sơ đồ gia cơng hỗ trợ laze [15] - Gia công hỗ trợ nhiệt Plasma (PEM): phát triển phương án kinh tế thay cho LAM nhận ý đáng kể Đức Các thí nghiệm gia cơng thực dụng cụ có phủ Nitrit Bo lập phương PCBN tiện gốm mòn dụng cụ giảm 40% PEM sử dụng tiện vật liệu siêu cứng có thành phần cacbit vonfram (WC) Mặc dù PEM tìm thấy để cải thiện hiệu suất gia cơng, khơng có khả kiểm soát nguồn nhiệt hệ thống đo lường nhiệt độ Hơn nữa, mòn tuổi bền dụng cụ khó xác định gia cơng phương pháp PEM có số hạn chế: Khơng thích hợp cho gia công phay tốc Khoa học & Công Nghệ - Số 12/Tháng 12 – 2016 Hình Gia nhiệt cho chi tiết gia công với cuộn dây cảm ứng hình bán nguyệt [11] Ngun lý gia cơng hỗ trợ gia nhiệt độ cao Một cách để cải thiện tính cắt gọt vật liệu độ cứng cao thông qua ứng dụng gia nhiệt phôi trước gia cơng q trình gia Journal of Science and Technology 23 ISBN 2354-0575 công Cường độ công suất đầu vào lượng nhiệt cao nguồn nhiệt thích hợp Độ cứng vật liệu giảm mạnh gia nhiệt giá trị nhiệt độ cụ thể, phụ thuộc vào đặc tính vật liệu gia cơng Kim loại mềm hóa dễ dàng cắt gọt q trình cắt thơng thường tiện phay Để áp dụng thành công gia nhiệt gia cơng địi hỏi nguồn nhiệt tập trung kiểm sốt khu vực gia cơng tiếp xúc phía trước dụng cụ cắt (Hình 3) Hình Thiết lập thí nghiệm gia cơng hỗ trợ gia nhiệt cảm ứng điện từ Trong mơ hình thí nghiệm này, nguồn nhiệt cảm ứng tạo biến đổi dịng điện cảm ứng bên phơi Sự biến đổi bắt đầu cuộn dây làm việc quấn quanh phía phơi Dịng điện xoay chiều AC đưa vào cuộn dây tạo dịng điện cảm ứng bên phơi Dịng điện cảm ứng phôi sinh nhiệt làm nhiệt độ phôi tăng lên Giá trị dòng điện sử dụng xác định từ thông (từ trường tạo dòng điện cuộn dây) phụ thuộc vào độ thẩm từ (tính dẫn điện đường lực từ) điện trở suất (điện trở riêng dịng điện) phơi Các thơng số rung động q trình cắt, lực cắt đo lường cảm biến thông qua thiết bị thu nhận liệu hiển thị máy tính Từ nguồn nhiệt hỗ trợ cảm ứng từ q trình gia cơng, để xác định phân bố nhiệt chi tiết gia công, phoi, dụng cụ ta giải phương trình truyền nhiệt (3.1): C 24 (3.1) t x x y y z z Trong đó: θ – nhiệt độ điểm khảo sát M(x,y,z) t – thời gian λ – hệ số truyền nhiệt (trong trường hợp chung phụ thuộc vào θ) Cγ – nhiệt dung thể tích vật thể Phương trình (3.1) viết dạng phương trình Fourier: x y z t (3.2) Nghiệm phương trình cho dạng: 8 t x x y y z z ' q 3/2 e ' ' (3.3) 4T Trong đó: q – cường độ tỏa nhiệt điểm nguồn tức thời x’, y’, z’ thời điểm T = (Lượng nhiệt tổng thể phát sinh x’, y’, z’ qρc) ρc – khối lượng nhiệt riêng α – hệ số khuếch tán nhiệt λ – tính dẫn nhiệt Đối với phương pháp gia công cắt gọt thông thường, nhiêt sinh từ nguồn: Khoa học & Công Nghệ - Số 12/Tháng 12 – 2016 Journal of Science and Technology ISBN 2354-0575 miền tạo phoi Qd1 (do công ma sát phần tử vật liệu gia công trình biến dạng), bề mặt tiếp xúc phoi mặt trước dao Qc, bề mặt sau tiếp xúc với mặt cắt Qt2, nhiệt sinh công đứt phoi Qd4 Phương pháp gia công cắt gọt có hỗ trợ gia nhiệt bổ sung nguồn nhiệt cao từ bên Qn Nguồn nhiệt truyền vào phoi Qtr, dụng cụ Qn, chi tiết gia công Qob môi trường Qpr Vậy điều kiện cân nhiệt trường hợp là: Qn Qd1 Qc Q t Qd4 Q tr Qn Qob Qpr (3.4) Các tốn truyền nhiệt vào phoi, chi tiết gi cơng, dụng cụ cắt, môi trường đề cịn nhiều khoảng trắng Đây tốn truyền nhiệt phức tạp việc giải toán nội dung nghiên cứu cơng trình Khảo sát nghiên cứu ảnh hưởng gia công gia nhiệt độ cao đến tính gia cơng vật liệu cắt gọt Do lợi ích mà pháp gia cơng gia nhiệt mang lại nên chúng đề cập sớm từ năm vào cuối kỷ 19 Nhưng đến đầu kỷ 20, với phát triển khoa học công nghệ, nghiên cứu phát triển với công trình tác giả đến từ quốc gia giới Mục đích nghiên cứu cơng nghệ gia cơng nóng tìm ảnh hưởng q trình gia nhiệt đến thơng số lý trình cắt, đến chất lượng chi tiết gia cơng Bảng Tóm tắt số cơng trình nghiên cứu phương pháp gia cơng hỗ trợ gia nhiệt STT Phương pháp gia công Tiện [2] Phương pháp gia nhiệt Laze 2006 Tiện [3] Tiện [4] Plasma Inconel 718/ Carbide Laze 2008 Inconel 718/ Carbide 2003 Vật liệu phôi/dụng cụ cắt Inconel 718/ Carbide Kết nghiên cứu Với việc tăng nhiệt độ chi tiết lên đến 620oC giảm 25% lượng cắt tuổi thọ dụng cụ tăng từ 200% - 300% cải thiện độ nhám bề mặt Cải thiện độ nhám bề mặt 250%, giảm lực cắt từ 30% - 50% tăng tuổi thọ dụng cụ cắt lên 170% so với gia công thông thường So sánh với phương pháp gia công thông thường, giá trị lực cắt gia công gia nhiệt Laze giảm 24% - 46% Vì độ dầy phoi tăng 40% điều kiện nhiệt độ 800°C 2014 Ngon lửa ga Oxyacetylene Thép không gỉ/Carbide Với gia nhiệt nhiệt độ 400°C tốc độ bóc tách vật liệu nhanh Mặt khác, tốc độ cắt 31m/p tốc độ cắt tối ưu để đạt nhám bề mặt tối thiểu Tiện [6] Dòng điện Hợp kim Ti15333/Carbide Nghiên cứu rằng, lực cắt giảm khoảng từ 80% - 85% gia nhiệt khoảng 300oC Tiện [5] 2014 Khoa học & Công Nghệ - Số 12/Tháng 12 – 2016 Journal of Science and Technology 25 ISBN 2354-0575 Tiện [7] Laze Thép 42CrMo4/ Carbide Ứng suất vật liệu giảm gia nhiệt tới 700oC Lực cắt giảm tới 40% Cảm ứng từ AISI D2/ cubic boron nitrate PCBN Bằng cách gia nhiệt cho chi tiết gia công khoảng từ 50°C– 150°C, nhám bề mặt giảm so sánh với gia cơng nhiệt độ phịng Laze Inconel 718 / Gốm SiAION phủ carbide Cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết sản phẩm 25% tốc độ bóc tách vật liệu tăng khoảng 800% Laze SKD11 Cải thiện nhám bề mặt 50% 2011 Phay [8] 2008 Tiện [9] 2010 Tiện [10] 2014 10 Tiện [11] Gia công gia nhiệt phương pháp hiệu Cảm ứng từ Ti – 5553 2011 Phạm vi nhiệt độ chi tiết gia công khoảng từ 300 – 640oC Giá trị lực cắt tỷ lệ nghịch với gia tăng nhiệt độ Lực cắt giảm 13% gia nhiệt 500oC so với nhiệt độ phòng Một số vấn đề nghiên cứu khác Miroslav Neslušan đồng nghiệp [11] nghiên cứu biến dạng sau gia nhiệt ảnh hưởng đến q trình cắt Các trạng thái nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc, độ cứng ứng suất dư vật liệu Kết xử lý nhiệt khác dẫn đến biến dạng khác làm thay đổi kích thước chi tiết gia cơng Nghiên cứu với trình cắt liên trục mài tiện cứng, kết nghiên cứu rằng: Kích thước trung bình cao tăng cấu trúc bainite martensite chưa tôi; Sự biến dạng chi tiết gia cơng suốt q trình gia nhiệt có ảnh hưởng đến ổn định q trình cắt tính đồng bề mặt; Quá trình ram giúp hồi phục ứng suất bề mặt chi tiết gia công Yang, Jihong đồng nghiệp [12] kết hợp phương pháp thực nghiệm phương pháp phần tử hữu hạn 3D để dự đốn vùng ảnh hưởng nhiệt gia cơng gia nhiệt laze hợp kim Ti6Al4V J Luo, H Ding, A J Shih [13] tiến hành thí nghiệm hệ thống gia nhiệt cho dụng cụ cắt phay rãnh Thí nghiệm khác so sánh với thiết lập tùy chỉnh để gia nhiệt cho 26 dụng cụ cắt Công nghệ tập trung vào gia công vật liệu không dẫn điện chất đàn hồi, cao su nhựa Vật liệu không dẫn điện biết đến với điểm nóng chảy thấp nên áp dụng gia công gia nhiệt trực tiếp vào chi tiết Kết từ nghiên cứu cho thấy, gia nhiệt vào dụng cụ cắt làm cho vật liệu mềm nâng cao độ xác gia cơng nhiều so với gia cơng thông thường Kết luận đề xuất hướng nghiên cứu Như giới có nhiều nghiên cứu phương pháp gia cơng có hỗ trợ gia nhiệt Các nghiên cứu đưa kết luận hướng nghiên cứu ứng dụng hiệu công nghiệp sản xuất đại với phát triển không ngừng vật liệu có độ cứng cao, có vật liệu làm khuôn SKD Nhưng nghiên cứu tập trung chủ yếu cơng gia nhiệt laze Nhóm tác giả đề xuất hướng nghiên cứu q trình cắt gọt có hỗ trợ gia nhiệt cảm ứng từ để nghiên cứu đặc điểm công nghệ gia công cắt gọt đánh giá chất lượng sản phẩm chi tiết gia cơng từ đưa so sánh với phương pháp công nghệ cát gọt khác có gia nhiệt Khoa học & Cơng Nghệ - Số 12/Tháng 12 – 2016 Journal of Science and Technology ISBN 2354-0575 Nhà sản xuất đặt nhiều mục tiêu: nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thời gian chu kỳ sản xuất, giảm giá thành sản phẩm… chất lượng sản phẩm đặt hàng đầu Để đạt mục tiêu trên, kim loại, hợp kim có độ cứng cao, khó cắt gọt, nhiệm vụ nghiên cứu tập trung vào số nội dung sau: - Nghiên cứu sở vật lý cắt gọt nhờ trợ giúp nhiệt độ (công nghệ nung nhiệt cảm ứng từ): hệ số co rút phoi, lực cắt, nhiệt cắt; mài mịn dụng cụ cắt, ổn định q trình cắt; - Nghiên cứu tính chất vật liệu gia nhiệt: độ cứng, độ bền, cấu trúc mạng tinh thể kim loại, chuyển biến pha vật liệu Từ xác định khoảng nhiệt độ an toàn vừa đạt mục tiêu gia cơng vừa khơng làm thay đổi tính chất lý vật liệu; Những vấn đề sở tối ưu hóa thơng số cơng nghệ để q trình gia cơng vật liệu cứng có gia nhiệt đạt yêu cầu kỹ thuật với chất lượng bề mặt tốt, suất cao, giảm chi phí sản xuất áp dụng rộng rãi Việt Nam - Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ công nghệ cắt đến chất lượng bề mặt chi tiết gia cơng cắt gọt có gia nhiệt Tài liệu tham khảo Bành Tiến Long (Chủ biên), Nguyên lý gia công vật liệu, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2013 M Anderson, R Patwa and Y C Shin, Laser-assisted machining of Inconel 718 with an economic analysis International Journal of Machine Tools & Manufacture, vol 46, p 1879–1891, 2006 Z Y Wang, K P Rajurkar, J Fan, S Lei, Y C Shin G Petrescu, Hybrid machining of Inconel 718, International Journal of Machine Tools & Manufacture, vol 43, p 1391–1396, 2003 B Shi, H Attia, R Vargas S Tavakoli, Numerical and experimental investigation of laserassisted machining of Inconel 718, Machining Science and Technology, vol 12, p 498–513, 2008 V Gant, D Chakradhar, Multi objective optimization of hot machining of 15-5PH stainless steel using grey relation analysis, Procedia Materials Science, vol 5, p 1810–1818, 2014 R Muhammad, A Maurotto, M Demiral, A Roy, V V Silberschmidt, Themelly enhanced ultrasonically assisted machining of Ti alloy, CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, vol 7, p 159–167, 2014 G Germain, P D Santo and J L Lebrun, Comprehension of chip formation in laser assisted machining, International Journal of Machine Tools & Manufacture, vol 51, p 230–238, 2011 A K M N Amin, S B Dolah, M B Mahmud, M Lajis, Effects of workpiece pre‐ heating on surface roughness, chatter and tool performance during end milling of hardened steel D2, Journal of Materials Processing Technology, vol 201, p 466–470, 2008 H Attia, S Tavakoli, R Vargas and V Thomson, Laser-assisted high-speed finish turning of superalloy Inconel 718 under dry condition, CIRP-Annal-Manufacturing Technology, vol 59, p 83–88, 2010 10 Xavierarockiaraj.S, Kuppan P, Investigation of cutting forces, surface roughness and tool wear during Laser assisted machining of SKD11 Tool steel, 12th Global Congress On Manufacturing And Management, GCMM 2014 11 Baili Maher, Wagner Vincent, Dessein Gilles, Sallaberry Julien, Lallement Daniel, An Experimental Investigation of Hot Machining with Induction to Improve Ti-5553 Machinability, Applied Mechanics and Materials, vol 62 pp 67-76 ISSN 1660-9336, 2011 Khoa học & Công Nghệ - Số 12/Tháng 12 – 2016 Journal of Science and Technology 27 ISBN 2354-0575 12 Neslušan Miroslav, Mrkvica Ivan, Čep Robert, Kozak Dražan, Konderla Ryszard, Deformations After Heat Treatment and Their Influence on Cutting Process, Journal of Tehnički vjesnik, vol 18, p 601-608, 2012 13 Yang Jihong, Sun Shoujin, Brandt Milan, Yan Wenyi, Experimental investigation and 3D finite element prediction of the heat affected zone during laser assisted machining of Ti6Al4V alloy, Journal of Materials Processing Technology, vol 210, p 2215-2222, 2010 14 J Luo, H Ding and A J Shih, Induction-heated Tool Machining of Elastomers-Part 2: Chip Morphology, Cutting Forces and Machined Surface, Machining Science and Tech‐ nology: An International Journal, vol 9, p 567-588, 2005 15 WU Xuefeng*, FENG Gaocheng, and LIU Xianli, Design and Implementation of A System for Laser Assisted Milling of Advanced Materials, Chinese journal of mechanical engineering, vol.29, 2016 RESEARCH ON MACHINABILITY OF MACHINING ASSISTED BY HEATING Abstract Thermal – Assisted machining (TAM) is useful machining solution to improve capacity, quality and formability of products made from high strength materials which are extremely difficult in machining by traditional processes This method is widely used in cutting manufacture with chip formation such as turning, milling, drawing and so on; also in sheet metal forming processes Machining assisted by heating over come conventional machining’s disadvantages with high strength materials, low thermal conductivity, good abrasion resistance, little change of mechanical properties at elevated temperatures This paper reviews the researches in the world based on the influences of high temperatures on machinability and formability of machining assisted by heating and proposes the problems and solutions should be concentrated to study in Viet Nam Keywords: Thermal – Assisted machining, high hardness material, machinability 28 Khoa học & Công Nghệ - Số 12/Tháng 12 – 2016 Journal of Science and Technology ... có độ cứng cao, có vật liệu làm khn SKD Nhưng nghiên cứu tập trung chủ yếu cơng gia nhiệt laze Nhóm tác giả đề xuất hướng nghiên cứu q trình cắt gọt có hỗ trợ gia nhiệt cảm ứng từ để nghiên cứu. .. Việt Nam - Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ công nghệ cắt đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công cắt gọt có gia nhiệt Tài liệu tham khảo Bành Tiến Long (Chủ biên), Nguyên lý gia công vật liệu, NXB... chảy dẻo); - Gia nhiệt lò nhiệt: Các nghiên cứu chí sử dụng phương pháp gia nhiệt lò nhiệt để nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ tới tiêu chuẩn khác vật liệu gia công Các nghiên cứu cho thấy thấy