M Ở ĐẦU
3.4 Lựa chọn trang bị thí nghiệm
Nghiên cứu thực nghiệm dùng dao phay ngón HSSCo8 có phủ Nitride Titan, kích thước dao 6x6x15x60 mm, có 2 me cắt (Hình 3.2). Độ cứng của dao đạt đến 60 HRC và khi phủ TiN cho độ bền cao, chống mài mòn và có thể làm việc ở nhiệt độ cao.
Hình 3.2. Dụng cụ cắt trong nghiên cứu thực nghiệm
3.4.2 Vật liệu gia công và máy dùng cho thí nghiệm + Vật liệu thí nghiệm + Vật liệu thí nghiệm
Nghiên cứu sử dụng hợp kim nhôm A7075 là dòng hợp kim biến dạng hóa bền và là hợp kim nhôm có độ bề cao nhất. Nó thường được sử dụng chủ yếu trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụvà thổi đúc, cơ khí chính xác..vv. Thành phần hóa học và đặc tính của nhôm A7075 trong Bảng 1.1 và Bảng 1.2.
Phôi mẫu thí nghiệm gồm có 2 loại:
+ Phôi mẫu loại 1: (Phục vụgia công theo khoảng thời gian-Đo mòn dao):
Phôi dùng đểgia công theo thời gian có kích thước dài, rộng, cao là 300 x 150 x 20 mm (Hình 3.3). Quá trình gia công sẽ kéo dài trong các khoảng thời gian 90 phút, 180 phút và 270 phút. Qua các nghiên cứu thăm dò, với các khoảng thời gian gia công này, lượng mòn mặt sau của dao đã hình thành rõ dệt hơn. Khi đó, sự xuất hiện của mòn dao đã ảnh hưởng đến quá trình gia công như lực cắt, độnhám bề mặt. Chính vì vậy, sau các khoảng thời gian gia công kểtrên, dao cắt sẽđược sử dụng để gia công các phôi mẫu loại 2.
Hình 3.3. Mẫu phôi 1
+ Phôi mẫu loại 2 (Phục vụ cho quá trình đo lực và độ nhám bề mặt):
phôi loại 2. Lực cắt và độ nhám bề mặt gia công hợp kim nhôm A7075 được đo khi gia công trên các mẫu phôi này.
Hình 3.4. Mẫu phôi 2
+ Máy thí nghiệm và điều kiện gia công
Hình 3.5. Máy phay CNC HS Super MC500
Nghiên cứu sử dụng máy phay CNC HS Super MC500 như trên Hình 3.5 với các thông sốchính: Tốc độ quay trục chính: 100 ÷ 30000 (vòng/phút); công suất trục chính 15 KW, tốc độ dịch chuyển của bàn máy cắt gọt: 1÷30000 (mm/phút), tốc độ chạy không lớn nhất: 48000 (mm/phút). Hành trình dịch chuyển của bàn máy: XxYxZ=500x400x300 (mm).
Các thí nghiệm được thực hiện trong hai điều kiện gia công khô và gia công sử dụng dung dịch trơn nguội SHL SAMSOL K7E.
3.4.3 Các thiết bịđo dùng khi phay hợp kim nhôm A7075
a. Thiết bịđo lực
Cảm biến đo lực Kistler Type 9139AA của hãng Kisler của Thụy Sỹ được sử dụng để đo lực cắt ba thành phần Fx, Fy, Fz. Khoảng đo lực từ -3KN đến 3KN. Hệ thống thu và xử lý dữ liệu loại 3160-B-042 cùng với máy tính và phần mềm DynoWare được sử dụng để thu thập và phân tích dữ liệu về lực. Hệ thống đo lực cắt được thể hiện trên hình 3.6.
a.Đồ gá, b. dao, c. cảm biến đo lực, d. đọc kết quả đo
Hình 3.6. Thiết lập hệ thống đo lực cắt
b. Thiết bịđộ nhám
Độnhám bề mặt gia công được đo bằng máy đo nhám MITUTOYO-Surftest SJ-210 Portable Surface Roughness Tester (Nhật Bản), sơ đồ gá đặt được thể hiện như trên hình 3.7. Phần mềm SurfTest SJ USB Communication Tool Ver5.007 cho phép hiển thị và lưu trữcác thông số đo được Ra, Rz, Rq theo tiêu chuẩn ISO 1997. Khoảng đo tiêu chuẩn là 4 (mm), độnhám bề mặt gia công được đo song song với bề mặt gia công. Mỗi thí nghiệm được đo 3 lần, giá trịtrung bình của 3 lần đo được sử dụng để phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm.
a. Phôi gia công b. Đầu đo độ nhám c. Hộp xử lý dữ liệu d. Máy tính và phần mềm xử lý a b c d a b c d
c.Thiết bị đo độmòn dao
Lượng mòn mặt sau của dụng cụ cắt được đo bằng hệ thống đo laser màu 3D Microscope Color 3D Laser Microscope VK-X100K/X200 (Mỹ), quá trình đo được mô tảở Hình 3.8. Lượng mòn mặt sau của dụng cụ cắt được đo sau các khoảng thời gian gia công là: Sau 90 phút gia công, sau 180 phút gia công và sau 270 phút gia công. Lượng mòn mặt sau của dụng cụ cắt được đo ba lần với mỗi thực nghiệm, giá trịtrung bình của ba lần đo được lưu trữ đểphân tích đánh giá các kết quảliên quan đến lượng mòn dao cắt.
a. Thiết bị đo b. Phần mềm và thiết lập đo c. Xử lý kết quả đo
Hình 3.8. Thiết lập hệ thống đo mòn mặt sau dụng cụ cắt
3.5 Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến lực cắt khi phay hợp kim nhôm A7075. hợp kim nhôm A7075.
3.5.1 Ảnh hưởng của các yếu tốcông nghệđến lực cắt FU (N) khi phay ướt hợp kim nhôm A705. kim nhôm A705.
Nghiên cứu thực nghiệm lực cắt FU ở các khoảng thời gian sau 90 phút, 180 phút, 270 phút khi gia công hợp kim nhôm A7075 ởđiều kiện phay có sử dụng dung dịch trơn nguội. Các thông sốcông nghệ (t, S, V) ảnh hưởng đến FUđược xây dựng bằng hàm toán học FU = f(t,S,V).Để thiết lập được phương trình này, các thực nghiệm đã được thực hiện và kết quả lực cắt cho trên Bảng 3.3.
a
b c
Bảng 3.3. Kết quảđo lực cắt khi phay ướt hợp kim nhôm A7075 ởcác khoảng thời gian 90 phút, 180 phút, 270 phút STT t (mm) S(mm/phút) V(m/phút) FU (N) –Phay ướt 90 phút 180 phút 270 phút 1 0.5 800 188 113.36 113.92 117.40 2 1.5 800 188 143.83 143.99 152.59 3 0.5 1600 188 174.07 181.72 178.13 4 1.5 1600 188 205.33 205.83 217.12 5 0.5 800 376 100.10 107.99 102.37 6 1.5 800 376 131.73 140.66 135.80 7 0.5 1600 376 163.76 164.35 163.46 8 1.5 1600 376 193.34 196.69 197.37 9 1 1200 282 160.95 164.48 164.87 10 1 1200 282 163.03 163.59 166.90 11 1 1200 282 162.09 166.51 166.16
Mô hình toán học FU phụ thuộc vào thông sốcông nghệ (t,S,V) khi phay ướt hợp kim nhôm A7075 được mô tả bằng phương trình phi tuyến sau:
𝐹𝑈 = 𝑎1𝑡𝑎2𝑆𝑎3𝑉𝑎4 (3.1) Trong đó: FUlà lực cắt khi phay ướt và được tính bằng tổng 3 thành phần lực Fx, Fy,
Fznhư sau: 2 2 2
z y
x F F
F
F (N), tlà chiều sâu cắt (mm), S là lượng chạy dao (mm/phút), Vlà vận tốc cắt (m/phút) và a1, a2, a3, a4là các hệ sốđược xác định trong quá trình thực nghiệm.
Các hệ số mũ của phương trình (3.1) được tìm bằng cách tuyến tính hóa hàm logarit và được viết lại như sau:
V a S a t a a FU ln .ln .ln ln ln 1 2 3 4 (3.2) Đặt lnFU = y; lna1 = q0; a2 = q1; a3 = q2, a4 = q3; lnt = x1; lnS=x2; lnV = x3.
Bảng 3.4. Phân tích phương sai ANOVA ảnh hưởng của (t,S,V) đến RaU ởcác
khoảng thời gian gia công là 90 phút, 180 phút, 270 phút.
Sau thời gian 90 phút
Thống kê hồi quy
R R2 Hệ sốđiều chỉnh R Square Sai số chuẩn Tổng
0,992 0,985 0,978 0,032 11 Phân tích ANOVA df SS MS F Flý thuyết Do hồi quy 3 0.461 0.154 149.539 1.04E-06 Do ngẫu nhiên 7 0.007 0.001 Tổng 10 0.468
Hệ số Sại lệch chuẩn t Stat
P- value Lower 95% Upper 95% Lower 95.0% Upper 95.0% Hệ số tự do 1.454 0.292 4.972 0.002 0.762 2.145 0.762 2.145 Biến X 1 0.196 0.020 9.560 0.000 0.147 0.244 0.147 0.244 Biến X 2 0.603 0.033 18.492 0.000 0.526 0.680 0.526 0.680 Biến X 3 -0.117 0.033 -3.580 0.009 -0.194 -0.040 -0.194 -0.040 Sau thời gian 180 phút
Thống kê hồi quy
R R2 Hệ sốđiều chỉnh R Square Sai số chuẩn Tổng
0,991 0,983 0,975 0,0032 11 Phân tích ANOVA df SS MS F Flý thuyết Do hồi quy 3 0.410 0.137 132.226 1.59E-06 Do ngẫu nhiên 7 0.007 0.001 Tổng 10 0.417
Hệ số Sại lệch chuẩn t Stat P-value
Lower 95% Upper 95% Lower 95.0% Upper 95.0% Hệ số tự do 1.474 0.293 5.029 0.002 0.781 2.167 0.781 2.167 Biến X 1 0.185 0.021 9.029 0.000 0.137 0.234 0.137 0.234 Biến X 2 0.572 0.033 17.515 0.000 0.495 0.649 0.495 0.649 Biến X 3 -0.078 0.033 -2.383 0.049 -0.155 -0.001 -0.155 -0.001 Sau thời gian 270 phút
Thống kế hồi quy
R R2 Hệ sốđiều chỉnh R Square Sai số chuẩn Tổng
0,995 0,989 0,985 0,027 11 Phân tích ANOVA df SS MS F Flý thuyết Do hồi quy 3 0.469 0.156 219.593 2.7633E-07 Do ngẫu nhiên 7 0.005 0.001 Tổng 10 0.474
Hệ số Sại lệch chuẩn t Stat P-value
Lower 95% Upper 95% Lower 95.0% Upper 95.0% Hệ số tự do 1.825 0.243 7.503 0.000 1.250 2.400 1.250 2.400 Biến X 1 0.215 0.017 12.617 0.000 0.174 0.255 0.174 0.255 Biến X 2 0.584 0.027 21.547 0.000 0.520 0.648 0.520 0.648 Biến X 3 -0.154 0.027 -5.684 0.001 -0.218 -0.090 -0.218 -0.090
Tương ứng hàm tuyến tính có dạng như sau: 3 3 2 2 1 1 0 q x q x q x q y (3.3)
Theo Bảng 3.4 tương ứng với các khoảng thời gian gia công khi phay ướt hợp kim nhôm A7075 là 90 phút, 180 phút, 270 phút ta có lần lượt các phương trình sau:
3 2 1 1 1,454 0,196x 0,603x 0,117x y (3.4) 3 2 1 1 1.474 0,185x 0,572x 0,078x y (3.5) 3 2 1 1 1,825 0,215x 0,584x 0,154x y (3.6)
Phương trình hồi quy được xác định bằng 11 thí nghiệm trong đó có 8 thí nghiệm ởlân cận hai bên và 3 thí nghiệm tại tâm, kết quả logarit các biến và đầu ra được cho trên Bảng 3.4
Các biến số của phương trình (3.3) được tìm bằng công cụ Regression trong phần mềm EXCEL phương trình (3.4), (3.5), (3.6) được viết lần lượt như sau:
𝐹𝑈1 = 4,279. 𝑡0,196. 𝑆0,603. 𝑉−0,117 (3.7)
𝐹𝑈2 = 4,368. 𝑡0,185. 𝑆0,572. 𝑉−0,078 (3.8)
𝐹𝑈3 = 6,202. 𝑡0,215. 𝑆0,584. 𝑉−0,154 (3.9) Phân tích hồi quy của FU với các thông số (t,S,V)cho trên Bảng 3.4 và cho ta thấy phương sai R Square lần lượt ởcác khoảng thời gian gia công 90 phút, 180 phút, 270 phút lần lượt là: 0,985; 0,983; 0,989. Kết quảnày cho thấy mức độ tin cậy của thực nghiệm cao. Mặt khác kiểm định theo chuẩn Fisher với ý nghĩa α = 0,05 với 95% của phân bố F có 3 và 7 bậc tự do, giá trị của tính toán cho là 149,54; 132,23; 219,59 (tương ứng với 90 phút, 180 phút, 270 phút) lớn hơn giá trị lý thuyết 4,35 [69] vì vậy cho thấy mức ý nghĩa của thống kê cao.
Từphương trình (3.7); (3.8); (3.9) và căn cứvào đồ thị trên hình 3.9, 3.10 và 3.11 cho thấy mối quan hệ của các thông sốcông nghệ đến lực cắt khi phay ướt hợp kim nhôm A7075 bằng dao phay phủNitride Titan. Khi gia công hợp kim nhôm A7075 bằng dao phay phủNitride Titan, các thông sốcông nghệlà: chiều sâu cắt, lượng tiến dao, vận tốc cắt đều có ảnh hưởng đến biên độ của lực cắt và ởcác thời gian gia công khác nhau. Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng của từng thông số tới biên độ lực cắt là khác nhau. Lực cắt ở ba khoảng thời gian gia công 90 phút, 180 phút, 270 phút đều cho thấy lượng chạy dao có ảnh hưởng lớn nhất đến lực cắt (thể hiện trên hình 3.9 b, hình 3.10 b, hình 3.11b). Ở thời gian gia công là 90 phút cùng vận tốc cắt 188 (m/phút) và chiều sâu cắt 0,5(mm) khi lượng chạy dao là 800 mm/phút, lực cắt là 113,36 (N), lượng chạy dao là 1600 (mm/phút) lực cắt là 174,07 (N) như vậy tăng 34,8% . Ở khoảng thời gian
(mm/phút) lực cắt là 131,73 (N), lượng chạy dao là 1600 (mm/phút) lực cắt là 193,69 (N) tăng là 31,86% ở thời gian gia công 90 phút, tăng 28,48% ở thời gian gia công 180 phút và 31,19% ở thời gian 270 phút. Điều này có thểlý giải dựa vào quá trình hình thành phoi khi phay ướt hợp kim nhôm A7075 bằng dao phay phủ Nitride Titan, khi thay đổi lượng tiến dao, thì chiều dầy lớn nhất của phoi cũng thay đổi. Mặc khác lực cắt, biên độ lực cắt là một hàm số của chiều dầy của phoi, khi chiều dầy lớn nhất của phoi thay đổi sẽ làm thay đổi lực cắt và biên độ lực cắt.
a) t cốđịnh b) S cốđịnh c) V cốđịnh
Hình 3.9. Lực cắt (FU1) ứng với t,S,V ở thời gian 90 phút khi phay ướt hợp kim
nhôm A7075
b) t cốđịnh b) S cốđịnh c) V cốđịnh
Hình 3.10. Lực cắt (FU2) ứng với t,S,V ở thời gian 180 phút khi phay ướt hợp kim
nhôm A7075
c) t cốđịnh b) S cốđịnh c) V cốđịnh
Hình 3.11. Lực cắt (FU2) ứng với t,S,V ở thời gian 270 phút khi phay ướt hợp kim
nhôm A7075
Từ phương trình hàm số mũ và các đồ thị biểu diễn trên các hình 3.9-a, hình 3.10-a, hình 3.11-a cho thấy lực cắt khi phay ướt hợp kim nhôm A7075 cũng tăng khi
tăng chiều sâu cắt, tuy nhiên mức độ tăng của lực cắt không nhiều bằng khi tăng lượng chạy dao. Cụ thểcùng vận tốc cắt 188 m/phút và lượng chạy dao 800 m/phút, khi chiều sâu cắt là 0,5 mm lực cắt là 113,36 (N), chiều sâu cắt 1,5 (mm) lực cắt là 143,83 (N), như vậy chiều sâu cắt tăng thì lực tăng là 21,18% ở thời gian 90 phút, tương tự thời gian 180 phút tăng là 20,88%, thời gian 270 phút tăng là 31,19%. Ở vận tốc cắt 376 m/phút, lượng chạy dao 1600 (mm/phút) thì chiều sâu cắt 0,5(mm) lực cắt 164,35 (N), chiều sâu cắt 1,5 (mm) lực cắt là 196,69 (N) như vậy t tăng lực cắt tăng 15,29% ở thời gian gia công 90 phút, 16,44% ở thời gian gia công 180 phút, 17,18% ở thời gian 270 phút.
Vận tốc cắt ảnh hưởng không nhiều đến lực cắt khi phay ướt hợp kim nhôm A7075. Trong hầu hết các trường hợp vận tốc cắt có ảnh hưởng rất ít, một số hầu như không ảnh hưởng đến biên độ lực cắt. Ởcùng điều kiện cắt S= 1600 (mm/phút), t = 1,5 (mm), lực cắt khi V = 188 (m/phút) là 205,33 (N), lực cắt V = 376 (m/phút) là 196,69 (N), như vậy lực cắt giảm xuống 5,8% ở thời gian gia công 90 phút, 4,4% ở thời gian gia công 180 phút và 270 phút giảm 9,01%. Như vậy sự thay đổi lực cắt không đáng kể khi thay đổi vận tốc cắt (thể hiện trên hình 3.9 c, hình 3.10 c, hình 3.11c). Điều này có thể giải thích rằng, trong quá trình cắt bằng dao phay ngón, vận tốc cắt không phải là thông sốhình thành nên kích thước của phoi. Mà kích thước của phôi hình thành sẽ là nhân tố quyết định đến lực cắt tạo ra trong quá trình cắt, chính vì vậy, vận tốc cắt có ảnh hưởng khá ít đến lực cắt cũng như biên độ lực cắt.
3.5.2. Ảnh hưởng của các thông sốcông nghệđến lực cắt (FK) khi phay khô hợp kim nhôm A7075 kim nhôm A7075
Nghiên cứu thực nghiệm lực cắt FK ở các khoảng thời gian sau 90 phút, 180 phút, 270 phút khi gia công hợp kim nhôm A7075 ởđiều kiện phay khô.
Các thông số công nghệ (t, S, V) ảnh hưởng đến FK được xây dựng bằng hàm toán học FK = f(t,S,V). Để thiết lập được phương trình này, các thực nghiệm đã được thực hiện và kết quả đo lực cho trên Bảng 3.5
Mô hình toán học FK phụ thuộc vào thông sốcông nghệ (t,S,V) khi phay khô hợp kim nhôm A7075 được mô tả bằng phương trình phi tuyến sau:
𝐹𝐾 = 𝑏1𝑡𝑏2𝑆𝑏3𝑉𝑏4 (3.10)
Trong đó: FK là lực cắt khi phay khô và được tính bằng tổng 3 thành phần lực Fx,
Fy, Fznhư sau: F Fx2 Fy2 Fz2 (N), tlà chiều sâu cắt (mm), S là lượng chạy dao (mm/phút), V là vận tốc cắt (m/phút)và b1, b2, b3, b4là các hệ sốđược xác
Bảng 3.5. Kết quảđo lực cắt khi phay khô hợp kim nhôm A7075 ởcác khoảng thời gian 90 phút, 180 phút, 270 phút STT t (mm) S(mm/phút) V(m/phút) FK (N) –Phay khô 90 phút 180 phút 270 phút 1 0.5 800 188 114.95 115.63 118.25 2 1.5 800 188 150.14 150.60 153.53 3 0.5 1600 188 174.46 175.11 177.81 4 1.5 1600 188 216.81 214.10 216.21 5 0.5 800 376 101.20 101.86 102.67 6 1.5 800 376 135.40 132.88 143.01 7 0.5 1600 376 160.33 161.02 163.37 8 1.5 1600 376 189.11 189.68 197.36 9 1 1200 282 162.14 159.62 165.37 10 1 1200 282 163.79 160.60 166.98 11 1 1200 282 162.93 161.28 166.38
Các hệ sốmũ của phương trình (3.10) được tìm bằng cách tuyến tính hóa hàm logarit và được viết lại như sau:
V b S b t b b FK ln .ln .ln ln ln 1 2 3 4 (3.11) Đặt lnFK = y; lnb1 = q0; b2 = q1; b3 = q2, b4 = q3; lnt = x1; lnS=x2; lnV = x3. Tương ứng hàm tuyến tính có dạng như sau:
3 3 2 2 1 1 0 q x q x q x q