M Ở ĐẦU
2.2.3 Sự ổn định trong quá trình gia công
Những khái niệm về sựổn định được tác giả David A. Stephenson [64] đã khái quát như sau: Quá trình cắt được cho là mất ổn định khi xuất hiện rung động ngày càng tăng, khi đó dụng cụ cắt rung động với biên độngày càng tăng hoặc dần dần xa vị trí cân bằng cho đến giới hạn xác định. Mặt khác quá trình được coi là ổn định khi dụng cụ cắt bị kích thích sẽ tiến đến một vị trí cân bằng dưới dạng một dao động tắt dần hoặc tiến đến một mức dao động nào đó ít hơn. Hệ thống kim loại được gọi là mất ổn định tĩnh học nếu nguyên nhân gây ra rung động là những lực kích thích phụ thuộc vào vị trí. Một hệ thống gọi là mất ổn định động lực học nếu nguyên nhân gây rung động phụ thuộc vào vận tốc. Biểu đồ hình 2.5 là hình dáng của biểu đồổn định mẫu, trong đó ζ là hệ số giảm chấn tương đối. Biểu đồnày xác định quá trình cắt có ổn định hay không dựa vào tốc độ cắt và chiều sâu cắt.
Nhờ biều đồổn định này mà ta xác định chếđộ cắt cho năng suất lớn nhất mà vẫn đảm bảo tính ổn định của quá trình cắt. Có thể nhận thấy biểu đồ ổn định phụ thuộc vào độ cứng vững và khảnăng giảm chấn của hệ thống máy – dụng cụ - phôi (gồm cảđồ gá). Đối với mỗi máy công cụ cụ thể, khi chọn vận tốc cắt, chiều sâu cắt khác nhau thì sẽ cho các biểu đồổn định khác nhau.
+ Nguyên nhân gây mất ổn định
Rung động là nguyên nhân gây mất ổn định của quá trình cắt. Rung động trong quá trình cắt thường bao gồm rung động cưỡng bức và rung động riêng, rung động tự rung. Các yếu tốảnh hưởng đến rung động cũng như độổn định quá trình cắt:
-Ảnh hưởng của máy: Ảnh hưởng của máy đến ổn định quy vềđộ mềm dẻo của động lực học. Độ mềm dẻo động lực học không phải là một hằng số mà là đại lượng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác. Như các ảnh hưởng của móng máy và điều kiện lắp đặt, các vị trí, chi tiết cấu thành máy, nhiệt độ làm việc của máy, vịtrí tương đối của dụng cụ cắt và phôi. Vị trí tương đối giữa dụng cụ cắt và phôi quyết định hướng của lực cắt nên tùy thuộc vào từng vị trí tương đối cụ thể mà ảnh hưởng của nó đến tự rung và ổn định có thể lớn hay nhỏ.
-Ảnh hưởng của phôi và dụng cụ cắt: Ảnh hưởng độ mềm dẻo của phôi và kẹp chặt phôi. Độ mềm dẻo của phôi có ảnh hưởng lớn đến tự rung và ổn định cắt bởi vì biến dạng của phôi gây chuyển vịtương đối giữa dụng cụvà phôi và đó là một nguyên nhân dẫn đến rung động. Ảnh hưởng của sự mềm dẻo của dụng cụ và kẹp chặt dụng cụ. Độ mềm dẻo của dao có ảnh hưởng lớn đến đặc trưng động lực học quá trình cắt. -Ảnh hưởng của vật liệu gia công: Ảnh hưởng của vật liệu đến tự rung và ổn định chính là do không đồng đều của vật liệu. Tính này là yếu tố ngẫu nhiên nên rất khó xác định. Do tổ chức của kim loại không đồng đều nên tính chất của kim loại cũng không đồng đều. Sựkhông đồng đều vềđộ cứng sẽlàm tăng lực biến động, tạo điều kiện cho tự rung phát triển, dẫn đến mất ổn định cho quá trình gia công.
Như vậy khi gia công hợp kim nhôm A7075, cùng với đặc tính công nghệ của nhôm, độ cứng vững hệ thống công nghệ, máy dao, đồ gá, đồng thời kết vật liệu dao có phun phủ thì ảnh hưởng của sự mất ổng định và rung động là không đáng kể.
2.3 Hiện tượng mài mòn dụng cụ cắt[9] khi phay hợp kim nhôm A7075.
Trong quá trình gia công hợp kim nhôm A7075 nói riêng và gia công kim loại
coi là một quá trình phức tạp, xảy ra theo các hiện tượng lý hóa ở các bề mặt tiếp xúc của phoi và chi tiết với dụng cụ gia công.
Khi bị mài mòn, hình dáng và thông số hình học phần cắt dụng cụthay đổi, xuất hiện các hiện tượng vật lý sinh ra trong quá trình cắt (nhiệt cắt, lực cắt…) ảnh hưởng xấu đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công. Trong quá gia công áp lực trên các bề mặt tiếp xúc lớn hơn rất nhiều so với áp lực làm việc trên các chi tiết máy từ 15 đến 20 lần, dụng cụ bị mài mòn theo nhiều dạng khác nhau. Các dạng mài mòn và cơ chế mài mòn dụng cụ cắt được thể hiện trên Hình 2.6
Hình 2.6. Cơ chế mài mòn và các dạng mài mòn dụng cụ cắt[9], [12] .
Hình 2.7. Các trạng thái mài mòn dụng cụ cắt [9], [49]
Quá trình mài mòn dụng cụ cắt được chia thành 3 giai đoạn như trong Hình 2.7. Giai đoạn đầu mòn nhanh, độ mòn của dụng cụtăng nhanh, các dụng cụthường bị mòn nhanh. Tốc độ mòn xảy ra nhỏhơn trong giai đoạn mòn bình thường. Sau giai đoạn mòn ban đầu, tốc độ mòn của dụng cụ là nhỏcho đến khi kết thúc tuổi thọ của dụng cụ cắt.
2.3.1 Các dạng mài mòn dụng cụ cắt [9] a. Mòn mặt sau a. Mòn mặt sau
Một lớp vật liệu dụng cụ bị tách khỏi mặt sau trong quá trình gia công và được đánh giá bằng chiều cao mòn hs. Trị số mòn hs được đo trong mặt cắt theo phương vuông góc với lưỡi cắt từlưỡi cắt thực tếđến điểm mòn tương ứng. Mòn mặt sau xảy ra khi gia công chiều dày cắt nhỏhơn 0,1 (mm), hoặc đối với vật liệu giòn (gang…).
b. Mài mòn mặt trước
Trong quá trình cắt, do phoi trượt, trên mặt trước hình thành một trung tâm áp lực cách lưỡi liềm một khoảng cách nào đó nên mặt trước bị mòn dạng lưỡi liềm. Vết lõm lưỡi liềm trên trước đo dụng cụ bị bóc cùng phoi trong quá trình chuyển động. Vết lõm lưỡi liềm này xảy ra dọc theo lưỡi cắt và được đánh giá bởi chiều rộng lưỡi liềm, chiều sâu lưỡi liềm và khoảng cách từlưỡi dao đến rãnh đo theo mặt trước. Mài mòn mặt trước xảy ra khi cắt vật liệu dẻo, chiều dày cắt lớn.
Hình 2.8. Mài mòn dụng cụ cắt khi thí nghiệm AISI H13 ở tốc độ V = 389 m/phút[50]
c. Mòn đồng thời cả mặt trước và mặt sau
Dụng cụ bị mòn ở mặt trước và mặt sau tạo thành lưỡi cắt mới, chiều rộng trên mặt trước giảm dần từhai phía và do đó độ bền lưỡi cắt giảm. Trường hợp này thường gặp khi gia công vật liệu dẻo với chiều dày cắt từ 0,1 (mm) đến 0,5 (mm).
d. Mòn tù lưỡi cắt
Ở dạng này dụng cụ bị mòn dọc theo lưỡi cắt, tạo thành cung hình trụ. Bán kính ρ của cung đó được đo trong bề mặt vuông góc với lưỡi cắt. Dạng mòn này thường gặp khi gia công vật liệu có tính dẫn nhiệt kém, đặc biệt khi gia công các chất dẻo. Do nhiệt tập trung nhiều ởmũi dao làm cho mũi dao bị tù nhanh.
2.3.2 Cơ chế mài mòn của dụng cụ cắt khi phay hợp kim nhôm A7075 [44], [45]
Cơ chế mài mòn của dụng cụ cắt, bản chất của quá trình mòn, đã được chú ý nhiều khi nghiên cứu mòn của dụng cụ cắt [51], [52]. Cơ chế mòn bao gồm các dạng sau:
a. Mòn chảy dính
Diện tích tiếp xúc giữa dao và phôi tạo thành các vết lồi lõm, vết lồi lõm này lại được nung nóng dưới nhiệt độ và ứng suất cao. Do sự chuyển động tương đối giữa dụng cụ cắt và phôi, có thể xảy ra một trong hai giao diện tại vị trí tiếp xúc đầu tiên
b. Mòn khuếch tán
Mòn khuếch tán bao gồm các phần tử hóa học phản ứng giữa phôi và dao, quá trình này hình thành bởi nhiệt độ cao chủ yếu xảy ra tại vùng tiếp xúc giữa dao và phôi. Ở tốc độ cắt cao nhiệt độ tại vùng tiếp xúc giữa dao và phôi tăng lên đồng thời xảy ra sựthay đổi nhiệt độ giữa vật liệu phôi - dao [53].
Hình 2.9. Tóm tắt ảnh hưởng của mài mòn đến quá trình cắt [54]
c. Mài mòn hạt mài (cào xước)
Mài dụng cụ cắt là mòn cào xước bản chất là do các hạt cứng của vật liệu gia công và phoi cào xước (mài mòn) vào các bề mặt tiếp xúc của dụng cụ. Quá trình này như tác dụng của hạt nhỏ mài cắt vào bề mặt dụng cụ trong quá trình làm việc. Lượng mòn dụng cụ cắt bằng tổng lượng mòn do cào xước, lượng mòn do dính, lượng mòn do khuếch tán. Tuy nhiên lượng mòn do cào xước được cho là rất nhỏvì độ cứng của vật liệu làm dao lớn hơn độ cứng của vật liệu gia công rất nhiều. Tổng mòn dụng cụ cắt bằng tổng của mòn do dính và mòn do khuếch tán. Ngoài ra lượng mòn tổng này cũng được xác định bằng các thông số mòn của dụng cụ cắt trong suốt quá trình gia công.
2.3.3 Các yếu tốảnh hưởng đến mài mòn dụng cụ cắt[9].
Mài mòn dụng cụ cắt ảnh hưởng nhiều tới quá trình cắt. Quá trình cắt thể hiện chức năng của các thông số hình học của dụng cụ cắt. Ví dụ việc thay đổi góc cắt có thể làm giảm nhiệt độ cắt. Mài mòn dụng cụ cắt được tạo bởi quá trình cắt, do nhiệt độ, do ma sát tại các vùng tiếp xúc dao và phôi. Hình 2.9 thể hiện quy luật ảnh hưởng của mài mòn dụng cụ cắt đến quá trình cắt .
Hình 2.10. Ảnh hưởng của các thông số đến mài mòn khi cố định ae và fz[49]
a) V= 400 m/phút; b) V=800 m/phút c) V= 1200 m/phút; d) V = 1600 m/phút
Nghiên cứu của Cui [49] đã đưa ra ảnh hưởng của chiều sâu cắt và lượng tiến dao đến tốc độ mài mòn của dụng cụ cắt khi gia công thép AISIH13 bằng dụng cụ cắt CBN (cubic boron nitride). Nghiên cứu cho thấy tốc độmòn tăng khi tăng thể tích bóc tách của vật liệu hay nói cách khác tăng chiều sâu cắt và bước tiến dao (Hình 2.10).
Hình 2.11. Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến mài mòn khi phay thuận và nghịch .[55] Tốc độ cắt là yếu tốảnh hưởng đến mài mòn dụng cụ cắt khi gia công Inconel 718 cho phay thuận và phay nghịch (Hình 2.11). Quá trình phay nghịch mòn nhiều hơn phay thuận, lượng mòn cũng thay đổi theo tốc độ cắt, tốc độ cắt thấp mòn tăng nhanh, tăng tốc độ cắt lượng mòn giảm và mòn lại tăng khi tốc độ cắt tiếp tục tăng. Hình 2.12 cho thấy lượng mòn dao thay đổi khác nhau ở các tốc cắt khác nhau và thực nghiệm cũng cho thấy lượng mòn giảm đi khi tăng tốc độ cắt.
Hình 2.12. Lượng mòn (w) thay đổi với thời gian khác nhau [11]
Như vậy mài mòn là yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ của dụng cụ cắt, ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt sau gia công và hơn nữa làm giảm năng suất và thời gian gia công. Do vậy khi gia công hợp kim nhômA7075 cũng cần chú ý lựa chọn dụng cụ cắt phù hợp, chế độ cắt hợp lý, điều kiện cắt hợp lý nhất để có thể giảm thiểu ảnh hưởng của mài mòn dụng cụ cắt.
2.4 Hiện tượng nhiệt sinh ra trong quá trình gia công hợp kim nhôm A7075
[9], [11]
Khi gia công kim loại có hai nguồn sinh nhiệt chính xảy ra trong quá trình cắt đó là nhiệt sinh ra vùng tiếp của mũi dao với phôi (1) và vùng tiếp của dao và phoi (2) như Hình 2.13. Người ta đưa ra các giảđịnh về nguồn nhiệt sinh ra như sau:
- Tất cảcác năng lượng ởvùng (1) và (2) đều chuyển thành nhiệt lượng - Năng lượng tại (1) và (2) tập trung trên một mặt phẳng.
- Năng lượng (1) và (2) được phân bốđồng đều.
Ngay cả với những giảđịnh này việc xác định nhiệt cắt trên mặt phẳng cắt Fs và mặt phẳng dao FTlà rất phức tạp. Điều này là do một phần năng lượng tại (1) sẽ chuyển đổi vào phoi và một phần chuyển vào phôi. Ngoài ra một phần năng lượng tại vùng (2) thường sẽđi đến phoi và một phần của dụng dụ cắt. Do vậy năng lượng phân chia thành 2 phần R1 là nănglượng (1) tới phoi, R2 là năng lượng ở (2) đi đến phoi. Giả thiết thứ tư là không có nhiệt năng nào đi ra môi trường trong quá trình hình thành phoi. Điều đó có nghĩa là năng lượng trên một đơn vị diện tích truyền đến phoi tại mặt cắt (1) và uC1 =R1uS trong khi năng lượng trên một đơn vị diện tích tới phoi tại
vùng (2) là uC2 = R2uF. trong đó uS và uFtương ứng với năng lượng riêng khi trượt và ma sát.
Hình 2.13. Nguồn nhiệt sinh ra trong quá trình cắt [11]
Năng lượng được sử dụng trong mặt phẳng cắt là:
US = FS.VS (2.36)
Trong đó: FS là thành phần của lực dọc theo mặt phẳng cắt và VS là vận tốc độ dịch chuyển của phôi và hướng dọc theo mặt phẳng cắt. Mức độnăng lượng sử dụng trên một diện tích trên mặt phẳng cắt: tbcosφ V F US = S S (2.37)
Trong đó: t là chiều sâu cắt, b là chiều rộng phoi, φ là góc cắt.
J V u Jtb V F q S S S φ φ sin cos 1 = = (2.38)
Trong đó: J là nhiệt lượng tương đương, US là năng lượng cắ trên một đơn vị diện tích kim loại, V là tốc độ cắt.
Nếu R1q1là nhiệt trên một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích thoát ra khỏi vùng cắt với phoi. Sau đó (1-R1)q1 là nhiệt lượng trên một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích truyền vào phôi. Nhiệt độ trung bình kim loại trong phoi, vùng lân cận mặt phẳng cắt là: 0 1 1 1 0 1 1 1 1 ) ( ) cos ( θ ρ θ ρ φ θ = + = + JC u R Vbt C bt q R S S (2.39)
Trong đó: θ0 là nhiệt độ môi trường xung quanh, C1ρ1 là thể tích nhiệt dung riêng ở giá trị trung bình nhiệt độ giữa θ0 và θ0.
Tổng nhiệt tỏa ra từ mặt phẳng phân cách là (1-R1)q1. Vận tốc trượt được coi là VS
chứ không phải V. Nhiệt được tạo ra khi sựtrượt xảy ra theo hướng VSchúng ta coi rằng một điểm trên lưỡi cắt luôn có chuyển động như Hình 2.14 .
Hình 2.15. Ảnh hưởng của nhiệt độ khi cắt với chiều sâu cắt khác nhau [11].
Nhiệt cắt làm giảm độ cứng, độ bền cơ học, tăng độ mòn, ảnh hưởng xấu đến khả năng cắt. Khi có nhiệt làm nóng chi tiết gia công, gây biến dạng nhiệt độ chính xác gia công giảm. Đồng thời nhiệt cắt gây biến đổi cấu trúc kim loại lớp bề mặt, tạo ra ứng suất dư kéo, tác động xấu đến chất lượng lớp vật liệu bề mặt chi tiết. Nhiệt cũng tác động vào hệ thống công nghệ (máy-dao- chi tiết). Nhiệt cắt làm hệ thống công nghệ bị biến dạng, ảnh hưởng xấu đến năng suất và chất lượng khi cắt gọt. Nhiệt lượng phát sinh khi cắt lớn, công cơ học tiêu hao cho quá trình cắt sẽ lớn. Lượng nhiệt
tăng lên ứng với chiều sâu cắt khác nhau cho trên hình 2.15. Hợp kim nhôm A7075 có tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao do vậy nhiệt cắt sinh ra nhanh chóng tản nhanh vào phôi, phoi. Mặt khác dụng cụ cắt lại được trang bị lớp phủ nên hạn chế khảnăng hập thụ nhiệt khi cắt. Do vậy hạn chế tối đa của nhiệt ảnh hưởng đến quá trình phay hợp kim nhôm A7075 cần chọn chếđộ cắt phù hợp.
2.5 Chất lượng bề mặt chi tiết gia công khi gia công hợp kim nhôm A7075
Mục tiêu đảm bảo chất lượng bề mặt gia công lên trên, giúp giảm thời gian và chi phí và duy trì khảnăng cạnh tranh luôn được các nhà máy xí nghiệp quan tâm. Chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc vào các yếu tố trong quá trình cắt như thông số hình học của dụng cụ cắt (bán kính mũi dao, góc cắt, lưỡi cắt…) và các điều kiện cắt (lượng chạy dao, tốc độ cắt, chiều sâu cắt..)
Trong các chi tiết máy hình dáng tế vi của lớp bề mặt gia công ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất làm việc của chi tiết máy. Chất lượng bề mặt chi tiết gia công lại