Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công khi mài phẳng chi tiết hợp kim ti 6al 4v bằng đá mài cBN trang 2 3,5 8,17 180

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phí Trọng Hùng NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT VÀ NĂNG SUẤT GIA CÔNG KHI MÀI PHẲNG CHI TIẾT HỢP KIM TI-6AL-4V BẰNG ĐÁ MÀI cBN Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trương Hoành Sơn PGS.TS Hoàng Văn Gợt Hà Nội - 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học riêng Những nội dung, số liệu sử dụng phân tích luận án có nguồn gốc rõ ràng, công bố theo quy định Các kết nghiên cứu luận án tơi tự tìm hiểu, phân tích cách trung thực, khách quan Các kết chưa có tác giả cơng bố nghiên cứu khác Người hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh I MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT VIII DANH MỤC CÁC BẢNG X DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ XI MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ MÀI PHẲNG HỢP KIM TITAN BẰNG ĐÁ MÀI cBN 1.1 Hợp kim Titan đá mài cBN 1.1.1 Hợp kim Titan 1.1.1.1 Đặc tính ứng dụng 1.1.1.2 Cấu trúc tinh thể 1.1.1.3 Tính gia công cắt gọt hợp kim Titan 1.1.2 Hạt mài đá mài cBN 1.1.2.1 Hạt mài cBN 1.1.2.2 Đá mài cBN 10 1.2 Mài phẳng hợp kim Titan đá mài cBN 14 1.2.1 Mài phẳng 14 1.2.1.1 Khái niệm 14 1.2.1.2 Các phương pháp mài phẳng 14 1.2.1.3 Các thơng số đặc trưng cho q trình mài phẳng 15 1.2.2 Mài hợp kim Titan 16 1.2.2.1 Tính mài hợp kim Titan 16 1.2.2.2 Đặc điểm mài hợp kim Titan 16 1.2.3 Mài hợp kim Titan đá mài cBN 24 1.3 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 24 1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 24 1.3.2 Tình hình nghiên cứu nước 27 1.3.3 Nhận xét 28 1.4 Giới hạn nhiệm vụ nghiên cứu luận án 28 KẾT LUẬN CHƯƠNG 28 III Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÀI PHẲNG HỢP KIM TITAN BẰNG ĐÁ MÀI cBN 29 2.1 Hình học động học trình mài phẳng 29 2.1.1 Chiều dài tiếp xúc hình học chiều dài tiếp xúc thực 29 2.1.2 Đường cắt 29 2.1.3 Chiều dày phoi chưa biến dạng 31 2.2 Cơ chế mài 32 2.2.1 Phoi mài 32 2.2.2 Lực mài, công suất mài lượng mài riêng 33 2.2.3 Năng lượng riêng hiệu ứng kích thước 34 2.2.4 Lực cắt hạt mài bị mòn phẳng 35 2.2.5 Năng lượng trượt, lượng cày xước lượng tạo phoi 38 2.3 Đặc điểm trình mài hợp kim Titan đá mài cBN 40 2.4 Ảnh hưởng dung dịch bôi trơn làm mát đến trình mài 41 2.4.1 Yêu cầu dung dịch bôi trơn làm mát 41 2.4.2 Cơ chế bôi trơn làm mát ảnh hưởng đến trình mài 41 2.4.3 Bơi trơn làm mát có bổ sung chất bôi trơn thể rắn 42 2.4.3.1 Giới thiệu chung 42 2.4.3.2 Tấm nano graphite tách lớp (xGnP) 42 2.4.3.3 Bo Nitrit lục giác (hBN) 42 2.4.3.4 Đặc tính hạt nano xGnP-M25 hBN-K05 43 2.5 Ảnh hưởng yếu tố đến chất lượng bề mặt suất gia công mài 44 2.5.1 Ảnh hưởng yếu tố công nghệ đến nhám bề mặt 44 2.5.2 Ảnh hưởng yếu tố công nghệ đến biến cứng bề mặt 47 2.5.3 Ảnh hưởng yếu tố công nghệ đến suất gia công 48 KẾT LUẬN CHƯƠNG 48 Chương MƠ HÌNH, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 49 3.1 Mơ hình thực nghiệm 49 3.1.1 Máy gia công 49 3.1.2 Hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội 51 3.1.3 Đá mài cBN 51 3.1.4 Chi tiết mài 52 3.1.4.1 Phôi thực nghiệm 52 3.1.4.2 Cấu trúc tinh thể hợp kim Ti64 ủ Ti64 52 3.1.5 Các loại dung dịch bôi trơn làm mát 53 3.1.5.1 Dầu nhũ tương PV Cutting Oil 54 IV 3.1.5.2 Dầu cắt gọt tổng hợp CIMTECH 3150-VLZ 54 3.1.5.3 Bột bôi trơn thể rắn 54 3.1.6 Dụng cụ sửa đá 55 3.2 Thiết bị đo lường 55 3.2.1 Panme đo 55 3.2.2 Kính hiển vi điện tử quét 56 3.2.3 Đồng hồ so 57 3.2.4 Thiết bị đo lực cắt 57 3.2.5 Máy đo nhám bề mặt 57 3.2.6 Máy đo độ cứng tế vi bề mặt 58 3.3 Lựa chọn thông số thực nghiệm xác định phương pháp thực nghiệm 59 3.3.1 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 59 3.3.2 Thông số thực nghiệm 59 3.3.3 Phương pháp thực nghiệm 59 3.3.3.1 Thực nghiệm 01 – Xác định mối quan hệ chế độ cắt với chất lượng bề mặt 59 3.3.3.2 Thực nghiệm 02 – Xác định mối quan hệ chế độ bôi trơn làm mát với chất lượng bề mặt 60 3.3.3.3 Thực nghiệm 03 – Xác định dải lượng tiến dao đạt nhám bề mặt nhỏ nhất… 60 3.4 Mơ hình hóa q trình mài phương pháp phần tử hữu hạn 61 3.4.1 Mơ hình phần tử hữu hạn 61 3.4.1.1 Mơ hình vật liệu 62 3.4.1.2 Tiêu chuẩn phá hủy vật liệu 63 3.4.1.3 Điều kiện biên định luật tiếp xúc 63 3.4.1.4 Kiểm nghiệm lại mơ hình phần tử hữu hạn 64 3.4.2 Kết mô 64 3.4.2.1 Quá trình tạo phoi 64 3.4.2.2 Lực cắt 65 3.4.2.3 Nhiệt độ bề mặt phôi 66 3.4.3 Nhận xét đánh giá 68 KẾT LUẬN CHƯƠNG 68 Chương THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 69 4.1 Thực nghiệm 01 - Xác định mối quan hệ chế độ cắt với chất lượng bề mặt 69 V 4.1.1 Nhám bề mặt 69 4.1.1.1 Ảnh hưởng lượng tiến dao 69 4.1.1.2 Ảnh hưởng chiều sâu cắt 70 4.1.2 Cấu trúc tế vi bề mặt 70 4.1.2.1 Ảnh hưởng lượng tiến dao 70 4.1.2.2 Ảnh hưởng chiều sâu cắt 72 4.1.3 Độ cứng tế vi bề mặt 72 4.1.4 Xây dựng phương trình hồi quy thực nghiệm thể mối quan hệ chế độ công nghệ nhám bề mặt 72 4.1.4.1 Mài khô 72 4.1.4.2 Mài ướt (dầu tổng hợp 2%) 74 4.1.5 Nhận xét Đánh giá 76 4.2 Thực nghiệm 02 – Xác định mối quan hệ chế bôi trơn làm mát với chất lượng bề mặt 76 4.2.1 Nhám bề mặt 76 4.2.1.1 Ảnh hưởng lượng tiến dao 76 4.2.1.2 Ảnh hưởng chế độ bôi trơn làm mát 77 4.2.2 Cấu trúc tế vi bề mặt 80 4.2.2.1 Hợp kim Ti-6Al-4V ủ 80 4.2.2.2 Hợp kim Ti-6Al-4V 82 4.2.3 Ảnh hưởng cấu trúc tinh thể hợp kim Ti-6Al-4V đến chất lượng bề mặt 83 4.2.3.1 Ảnh hưởng cấu trúc tinh thể hợp kim Ti-6Al-4V đến nhám bề mặt……… 83 4.2.3.2 Ảnh hưởng cấu trúc tinh thể hợp kim Ti-6Al-4V đến độ cứng tế vi bề mặt…… 83 4.2.4 Nhận xét đánh giá 84 4.2.4.1 Hợp kim Ti-6Al-4V ủ 84 4.2.4.2 Hợp kim Ti-6Al-4V 84 4.2.4.3 Ảnh hưởng cấu trúc tinh thể hợp kim Ti-6Al-4V đến chất lượng bề mặt……… 84 4.3 Thực nghiệm 03 - Xác định dải lượng tiến dao đạt nhám bề mặt nhỏ 84 4.3.1 Thực nghiệm kết 84 4.3.2 Nhận xét đánh giá 86 4.4 Tối ưu hóa thơng số cơng nghệ 86 VI MỞ ĐẦU Lý lựa chọn đề tài luận án Mài phương pháp gia cơng tinh chiếm vị trí quan trọng gia cơng khí Ưu điểm bật có khả đạt độ xác cao nhám bề mặt thấp (độ xác cấp 6, nhám bề mặt Ra ≤ 1,6) Trong đó, mài phẳng phương pháp mài có suất cao gá đặt chi tiết dễ dàng, tốn thời gian [1] Cho đến có nhiều cơng trình nghiên cứu mài phẳng thực nước giới Khi nghiên cứu mài, nhà khoa học tập trung giải vấn đề liên quan đến đến máy mài, đá mài, chi tiết mài chế độ cắt, nhiệt cắt dung dịch trơn nguội Tuy nhiên, nghiên cứu mài phẳng Việt Nam trước chủ yếu thực vật liệu gia công loại thép dụng cụ cắt đá mài cacbit silic, ơ-xít nhơm, kim cương, chưa có nhiều nghiên cứu chuyên sâu mài hợp kim titan đá mài cBN Hợp kim titan loại vật liệu ứng dụng nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác hàng không, ô tơ, động cơ, tuabin khí, hạt nhân, y sinh (làm khung động máy bay, cánh tuabin nước, tên lửa, tàu biển, thiết bị hóa học y sinh học) Chúng có các tính chất lý vượt trội tỉ số độ bền trọng lượng lớn, giới hạn đàn hồi cao, tính chống ăn mịn tốt, độ dai lớn tính tương thích sinh học tốt Ngồi ra, titan cịn bền cứng nhiệt độ lên tới 550°C Tuy nhiên, có nhược điểm dễ phản ứng hóa học với dụng cụ cắt, tính dẫn nhiệt kém, nhiệt dung riêng lớn ứng suất hóa cứng cao làm suất gia cơng thấp tuổi bền dao ngắn Tính dẫn nhiệt titan khiến nhiệt độ vùng cắt ứng suất nhiệt lưỡi cắt tăng Do hợp kim titan bền nhiệt độ cao nên nhiệt độ tăng khơng có lợi dao bị mềm nhiệt Titan phản ứng hóa học với hầu hết vật liệu dụng cụ cắt Phản ứng tăng lên nhiệt độ tăng làm dao bị mịn bám dính, lưỡi cắt bị bong tróc, xây xát hình thành lẹo dao Mặc dù lực cắt gia công titan xấp xỉ với thép, ứng suất lưỡi cắt lớn nhiều Ứng suất học ứng suất nhiệt ma sát phoi dao khiến mặt trước dao bị mịn lõm Phoi gia cơng titan có dạng cưa làm tăng rung động khiến lưỡi cắt bị sứt mẻ [2] Ứng suất, nhiệt độ rung động nguyên nhân gây hư hỏng làm giảm tuổi bền dụng cụ Những yếu tố xuất nhiều gia công vật liệu khó cắt gọt Do đó, vật liệu dao chịu ứng suất, nhiệt độ rung động lớn phù hợp để gia công hợp kim titan [3] cBN vật liệu cứng thứ hai sau kim cương, nóng chảy nhiệt độ 2730°C nên có độ bền nhiệt cao Vật liệu cBN ổn định hóa học, khơng bị ơ-xi hóa 1300°C, kim cương bị graphit hóa 900°C Với đặc tính ưu việt này, dụng cụ cắt cBN thường sử dụng để gia công vật liệu khó cắt gọt Chúng gia cơng hợp kim titan tốc độ cắt cao nhiều dụng cụ gốm hợp kim cứng Các nghiên cứu mài phẳng hợp kim titan đá mài cBN trước thường tập trung vào hướng: (1) Đánh giá ảnh hưởng chế độ bôi trơn làm mát đến chất lượng gia công; (2) So sánh khả gia công loại đá mài cBN khác nhau; (3) Cơ chế mòn nứt vỡ hạt mài cBN; (4) Cải tiến trình mài hợp kim Ti-6Al-4V đá mài cBN; mà chưa có cơng trình khoa học nghiên cứu sâu ảnh hưởng chế độ công nghệ tới chất lượng bề mặt suất gia cơng, từ xác định chế độ cơng nghệ tối ưu để đạt suất gia công tối đa đồng thời đảm bảo nhám bề mặt yêu cầu chi tiết mài Đây lý lựa chọn đề tài luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng số thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt suất gia công mài phẳng chi tiết hợp kim Ti-6Al-4V đá mài cBN” Mục đích, đối tượng, phương pháp phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục đích nghiên cứu Xác định ảnh hưởng số yếu tố đến chất lượng bề mặt chi tiết suất gia công mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V đá mài cBN liên kết nhựa phenol Từ xác định chế độ cơng nghệ tối ưu để nâng cao suất gia công đảm bảo nhám bề mặt yêu cầu 2.2 Đối tượng nghiên cứu Mài phẳng vật liệu hợp kim Titan Ti-6Al-4V đá mài cBN liên kết nhựa phenol 2.3 Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm Nghiên cứu lý thuyết để xác định mức độ ảnh hưởng số yếu tố lượng tiến dao dọc, chiều sâu cắt chế độ bôi trơn làm mát đến chất lượng bề mặt bao gồm nhám bề mặt, biến cứng bề mặt, cấu trúc tế vi bề mặt suất gia công Thực nghiệm nhằm kiểm chứng mức độ ảnh hưởng yếu tố nói đến chất lượng bề mặt suất gia công 2.4 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng số yếu tố lượng tiến dao dọc, chiều sâu cắt, chế độ bôi trơn làm mát đến chất lượng bề mặt bao gồm nhám bề mặt, độ cứng tế vi bề mặt, cấu trúc tế vi bề mặt suất gia công mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V đá mài cBN liên kết nhựa phenol trung tâm gia công CNC cao tốc Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 3.1 Ý nghĩa khoa học - Xác định mối quan hệ số yếu tố với chất lượng bề mặt suất gia công mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V đá mài cBN liên kết nhựa phenol - Tối ưu hóa để xác định lượng tiến dao chiều sâu cắt phù hợp nhằm nâng cao suất gia công đảm bảo nhám bề mặt 3.2 Ý nghĩa thực tiễn - Kết nghiên cứu ứng dụng vào thực tiễn nhằm góp phần nâng cao hiệu kinh tế kỹ thuật trình mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V đá mài cBN liên kết nhựa phenol - Kết luận án dùng làm tài liệu tham khảo cho giảng dạy, nghiên cứu khoa học sản xuất thực tế mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V đá mài cBN liên kết nhựa phenol Những đóng góp Đã xác định mối quan hệ yếu tố lượng tiến dao dọc, chiều sâu cắt, chế độ bôi trơn làm mát với chất lượng bề mặt bao gồm nhám bề mặt, độ cứng tế vi bề mặt, cấu trúc tế vi bề mặt suất gia công mài phẳng hợp kim Ti-6Al4V đá mài cBN liên kết nhựa phenol Cấu trúc luận án Luận án bao gồm bốn chương cụ thể sau: - Chương 1: Tổng quan mài phẳng hợp kim Titan đá mài cBN Nghiên cứu đặc điểm chung hợp kim Titan đá mài cBN, đặc điểm trình mài phẳng hợp kim Titan đá mài cBN, phân tích đánh giá cơng trình nghiên cứu trước tác giả nước liên quan đến mài phẳng hợp kim Titan đá mài cBN Trên sở xác định vấn đề mà luận án cần tập trung nghiên cứu giải - Chương 2: Cơ sở lý thuyết mài phẳng hợp kim Titan đá mài cBN Nghiên cứu sở lý thuyết trình mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V đá mài cBN; sở lý thuyết bôi trơn làm mát; ảnh hưởng số yếu tố đến chất lượng bề mặt suất gia công Kết nghiên cứu chương làm sở cho nghiên cứu chương sau - Chương 3: Mơ hình, vật liệu phương pháp nghiên cứu Xây dựng mơ hình thực nghiệm, phân tích lựa chọn trang thiết bị đo lường Lựa chọn thông số thực nghiệm Xác định phương pháp thực nghiệm phương pháp quy hoạch thực nghiệm Mơ hình hóa q trình mài phẳng phương pháp phần tử hữu hạn Đây tiền đề quan trọng để thực nghiên cứu ảnh hưởng số yếu tố đến chất lượng bề mặt suất gia công - Chương 4: Thực nghiệm đánh giá kết Xác định mối quan hệ yếu tố lượng tiến dao dọc, chiều sâu cắt, chế độ bôi trơn làm mát với nhám bề mặt, độ cứng tế vi bề mặt, cấu trúc tế vi bề mặt suất gia công Ứng dụng giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (PSO) để tìm chế độ công nghệ tối ưu Chương TỔNG QUAN VỀ MÀI PHẲNG HỢP KIM TITAN BẰNG ĐÁ MÀI cBN 1.1 Hợp kim Titan đá mài cBN 1.1.1 Hợp kim Titan 1.1.1.1 Đặc tính ứng dụng Titan hợp kim ứng dụng rộng rãi nhiều ngành cơng nghiệp có đặc tính ưu việt, số tỉ số độ bền trọng lượng cao Độ bền titan vượt trội hầu hết kim loại khác khối lượng riêng nửa so với thép Đặc tính trì nhiệt độ cao nên titan sử dụng động máy bay Người ta thay thép niken hợp kim titan với độ bền tương đương, trọng lượng giảm tới 40% Việc dùng hợp kim titan động tuabin khí phát triển đến mức chúng chiếm khoảng 25% trọng lượng động tuabin khí Hợp kim titan có tính dẫn nhiệt giãn nở nhiệt thấp so với thép niken Tính giãn nở nhiệt thấp làm giảm ứng suất nhiệt bên chi tiết có chênh lệch nhiệt độ phần khác lớn [3] Hợp kim titan có tính chống ăn mịn tốt tồn lâu dài nước biển, vật liệu xây dựng kim loại khác thường có tuổi thọ ngắn Mơi trường ăn mịn phổ biến ngành công nghiệp dầu khí Ngồi ra, titan cịn có độ đàn hồi lớn, phù hợp để chế tạo chi tiết cần độ dẻo dai cao hạn chế vết nứt Đặc tính phi từ tính khiến titan sử dụng làm chất ổ cứng cơng nghiệp máy tính nhằm tăng khả lưu trữ liệu Do có tính trơ hóa học hay tính tương thích sinh học tốt nên titan vật liệu lý tưởng cho ứng dụng y tế cấy ghép [4] Hợp kim titan sử dụng phổ biến Ti-6Al-4V, chiếm đến 50% thị trường titan Đây hợp kim titan dạng alpha-beta chứa 6% nhôm 4% Vanadi theo khối lượng Nó có độ bền, độ dai tính chống ăn mòn tốt Hợp kim titan thường sử dụng công nghiệp hàng không (làm cánh máy nén khí tuabin khí, khung máy bay), nồi áp suất cấy ghép phẫu thuật [5] 1.1.1.2 Cấu trúc tinh thể Titan có hai dạng cấu trúc tinh thể pha alpha (hcp) pha beta (bcc) Ở nhiệt độ bình thường, titan có cấu trúc tinh thể pha alpha dạng lục giác bó chặt (hcp) Nó trải qua biến đổi thù hình nhiệt độ 882°C để chuyển sang pha beta dạng khối thể tâm (bcc) Pha ổn định titan nóng chảy nhiệt độ 1668°C Hình 1.1 mơ tả hai dạng thù hình titan Nhiệt độ chuyển pha (β- nhiệt độ chuyển pha) thay đổi hợp kim có thêm nguyên tố khác [6] Bổ sung nhôm (Al), Galium (Ga), ô-xy (O), Ni-tơ (N) cacbon (C) vào titan làm tăng nhiệt độ chuyển pha Các nguyên tố gọi chất ổn định pha alpha Ngược lại, thêm nguyên tố Vanadi (V), Molipden (Mo), Niobium (Nb), sắt (Fe), Crôm (Cr), Niken (Ni), Mangan (Mn) Coban (Co) làm giảm nhiệt 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 ... nhám bề mặt yêu cầu chi ti? ??t mài Đây lý lựa chọn đề tài luận án ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng số thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt suất gia công mài phẳng chi ti? ??t hợp kim Ti- 6Al- 4V đá mài cBN? ??... 80 4 .2. 2.1 Hợp kim Ti- 6Al- 4V ủ 80 4 .2. 2 .2 Hợp kim Ti- 6Al- 4V 82 4 .2. 3 Ảnh hưởng cấu trúc tinh thể hợp kim Ti- 6Al- 4V đến chất lượng bề mặt 83 4 .2. 3.1 Ảnh hưởng. .. 1 .2. 2 Mài hợp kim Titan 16 1 .2. 2.1 Tính mài hợp kim Titan 16 1 .2. 2 .2 Đặc điểm mài hợp kim Titan 16 1 .2. 3 Mài hợp kim Titan đá mài cBN 24 1.3 Tình hình nghiên cứu