Hợp kim nhôm A6061 là hợp kim nhôm hóa bền với thành phần chủ yếu là nhôm, magie và hợp kim silicon. Hợp kim nhôm A6061 có tính chất cơ học tốt, có khả năng chống ăn mòn, có hình hàn tốt và có khả năng định hình tốt. Do đó hợp kim nhôm A6061 được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như sản xuất linh kiện tự động hóa, khuôn gia công thực phẩm, khuôn chế tạo và các chi tiết cơ khí.
Thành phần hóa học của hợp kim nhôm A6061 được thể hiện trong bảng 2.1 và đặc điểm cơ tính của nhôm A6061 được thể hiện trong bảng 2.2.
Bảng 2.1 Thành phần hóa học của hợp kim nhôm A6061
Tên nguyên tố Tỷ lệ phần trăm về khối lượng (%) Nhôm (Al) 95.85–98.56 Silicon 0.4-0.8 Đồng (Cu) 0.15-0.4 Sắt (Fe) 0-0.7 Magan (Mn) 0-0.15 Magie (Mg) 0.8-1.2 Crom (Cr) 0.04-0.35 Kẽm (Zn) 0-0.25 Titan (Ti) 0-0.15 Các nguyên tố khác 0.05-0.15
Tính chất Giá trị
Độ cứng 95HB
Độ bền kéo 260MPa
Độ giãn dài tới hạn 12%
Modul đàn hồi 68.9 GPa
Hệ số poisson 0.33
Độ bền mỏi 96.5MPa
Độ dai va chạm 29Mpa-m1/2
Khả năng gia công so với hợp kim nhôm khác
50%
Modul đàn hồi trượt 26Mpa
Độ bền cắt 207MPa
Nhiệt độ nóng chảy 5850C
Nhiệt dung riêng 897 J/(kg.K)
2.2 Phay chi tiết thành mỏng làm bằng hợp kim nhôm A6061 2.2.1 Tính gia công của hợp kim nhôm A6061
Hợp kim nhôm A6061 là một trong những vật liệu có tính gia công tốt vì lực cắt thấp, có khả năng dẫn nhiệt tốt và có tốc độ mòn dụng cụ cũng thấp. Tuy nhiên, vấn đề thường gặp và được quan tâm nhiều khi gia công hợp kim nhôm là tuổi bền dụng cụ cắt, chất lượng bề mặt và quá trình hình thành phoi do hiện tượng thoát phoi khó và dễ hình thành lẹo dao khi gia công. Với đặc tính dễ gia công nên hợp kim nhôm A6061 có thể được gia công bằng nhiều dụng cụ cắt khác nhau như dụng cụ cắt bằng thép gió, dao phủ PCD, hoặc dao carbide. Do tính hòa tan silic vào nhôm cao nên các dụng cụ cắt gốm có nền silic thường ít được sử dụng khi gia công nhôm.
Khi gia công nhôm, có thể tăng vận tốc cắt lên cao mà vẫn đảm bảo tuổi bền dao hợp lý. Thành phần của nhôm cũng ảnh hưởng lớn tới khả năng
gia công của hợp kim nhôm. Thành phần đồng trong hợp kim nhôm giảm sẽ làm tăng tốc độ mòn dao và giảm tính gia công của hợp kim nhôm. Thành phần tạp chất trong hợp kim nhôm cũng làm hạn chế tốc độ cắt và giảm tuổi bền dụng cụ cắt khi gia công. Các hạt silic tự do trong nhôm cứng hơn nhiều so với nền hợp kim, làm tăng ứng suất và nhiệt độ cục bộ làm cho quá trình mòn dao diễn ra nhanh hơn với vật liệu PCD. Tốc độ cắt giới hạn khi tiện dao carbide không phủ là 100m/ph nhưng có thể tăng tới 1000m/ph khi phủ PCD [13], [19]. Sắt là một loại tạp chất có trong tất cả các hợp kim nhôm, sắt cũng tạo ra các hợp chất cứng gây ra mòn dao và giảm tính gia công của hợp kim nhôm.
Hợp kim nhôm A6061có thành phần hợp kim chính là Mg, Cu và silicon. Đây là loại hợp kim mềm có tính gia công cao (50%), mặc dù quá trình thoát phoi khó khăn thường làm giảm tuổi bền dụng cụ cắt và chất lượng bề mặt gia công.
2.2.2 Phay chi tiết thành mỏng
Các chi tiết thành mỏng làm bằng hợp kim nhôm được sử dụng phổ biến trong ngành hàng không, như hình 2.1 và bảng 2.3 thể hiện hình dáng và thông số của một chi tiết thành mỏng điển hình được sản xuât bởi Fokker Aerost. Do tính chất chiểu dày của thành nhỏ, chỉ từ 1-5mm, nên ảnh hưởng rất lớn tới việc lập kế hoạch cũng như chu trình gia công chúng. Nguyên nhân chủ yếu là do chi tiết thành mỏng thường có độ cứng thấp và giảm liên tục theo quy trình gia công chúng.
Hình 2. 1 Chi tiết thành mỏng được gia công bởi bởi Fokker Aerost Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật đặc trưng của chi tiết thành mỏng bằng
hợp kim nhôm
Kích thước Dải kích thước (mm)
Chiều dài 1000 – 1700
Chiều cao 400 - 900
Chiều sâu 100 - 150
Chiều dày thành 1-5 (thường 1.1mm)
Dung sai 0.1
Dung sai lỗ 0.03
Quá trình phay chi tiết thành mỏng được thực hiện trên trung tâm phay đứng. Do phôi gia công có độ cứng thấp nên khó gia công do nó bị biến dạng hoặc rung động xảy ra dưới ảnh hưởng của lực cắt. Khi phay các chi tiết thành mỏng thường sử dụng kiểu chạy dạo song song, độ cứng chi tiết giảm dần khi phoi được bóc tách đi. Khi chiều dày phôi còn vài milimet có thể gây ra các
biến dạng đáng kế của chi tiết. Để giải quyết các vấn đề này, các nhà nghiên cứu thường tập trung nghiên cứu các nội dụng sau:
- Tối ưu hoa điều kiện cắt hoặc hình dạng dụng cụ cắt để giảm biến dạng và rung động của chi tiết thành mỏng.
- Tối ưu hóa đường chạy dao
- Thiết kế vị trí kẹp và lực kẹp hợp lý
- Phay đồng thời hai mặt của chi tiết thành mỏng bằng máy có hai trục chính.
2.3 Nhám bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng tới nhám bề mặt khi phay chi tiết thành mỏng làm bằng hợp kim nhôm tiết thành mỏng làm bằng hợp kim nhôm
2.2.1 Ảnh hưởng của chế độ cắt
2.2.1.1 Ảnh hưởng của vận tốc cắt
Vận tốc cắt có ảnh hưởng lớn tới nhám bề mặt khi gia công, do vận tốc cắt thay đổi làm thay đổi quá trình tạo phoi, ảnh hưởng đến độ lớn và mức độ biến dạng của quá trình tạo phoi, từ đó ảnh hưởng tới nhiệt cắt, quá trình hình thành lẹo dao khi gia công.
Quá trình gia công bằng cắt là quá trình nén kim loại. Kim loại bị biến dạng trong miền tạo phoi AOE cũng trải qua ba giai đoạn: biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và biến dạng phá hủy. Trong quá trình cắt, miền tạo phoi AOE di chuyển cùng với dao và khi tốc độ cắt lớn, miền tạo phoi co hẹp lại, chiều rộng miền tạo phoi chỉ còn khoảng vài phần trăm milimet. Trong trường hợp này, sự biến dạng của vật liệu gia công có thể xem như lân cận mặt OF. Để đơn giản có thể xem như quá trình biến dạng xảy ra ngay trên mặt phẳng đi qua lưỡi cắt và hợp với phương chạy dao góc F– góc trượt quy ước. Góc trượt đặc trưng cho hướng và trị số của biến dạng dẻo trong miền tạo phoi. F càng nhỏ biến dạng càng lớn [5].
Hình 2. 2 Miền tạo phoi khi gia công kim loại
Mức độ biến dạng của phoi chịu ảnh hưởng chủ yếu của vận tốc cắt, từ đó làm thay đổi nhám bề mặt gia công. Hình 2.3 mô tả ảnh hưởng của vận tốc cắt tới hệ số co rút phoi khi gia công thép cacbon.
Hình 2. 3 Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới hệ số co rút phoi khi gia công thép cacbon.
- Khi Vc tăng từ V1-V2 thì hệ số co rút phoi K giảm.
Trong vùng vận tốc cắt này khi Vc tăng m tăng thì lực ma sát tăng, biến dạng của phoi tăng. Mặt khác khi đó lẹo dao xuất hiện và tăng dần làm tăng góc trước, giảm góc cắt làm quá trình cắt dễ dàng hơn, phoi thoát ra dễ dàng hơn biến dạng của phoi giảm và đạt giá trị cực tiểu tại B ứng với Vc =V2 (tại đây chiều cao lẹo dao lớn nhất). Hai ảnh hưởng này bù trừ lẫn nhau nhưng ảnh hưởng của lẹo dao lớn hơn. Do đó khi gia công trong vùng vận tốc này thì chất lượng bề mặt gia công kém và có thể cho giá trị nhám bề mặt lớn nhất.
- Khi Vc tăng từ V2 - V3 thì hệ số co rút phoi K tăng.
Trong vùng vận tốc cắt này, khi Vc tăng chiều cao lẹo dao giảm dần, dẫn đến góc trước giảm, góc cắt tăng, biến dạng của phoi tăng. Nguyên nhân
là do khi Vc tăng, hệ số ma sát giảm, lực ma sát giảm, biến dạng của phoi giảm. Kết hợp hai ảnh hưởng này, ảnh hưởng của lẹo dao lớn hơn nên khi Vc tăng, biến dạng của phoi tăng và đạt giá trị cực đại khi Vc = V3 (tại đây lẹo dao mất hẳn), làm nhám bề mặt giảm.
- Khi Vc > V3: lẹo dao không còn, mặt khác nhiệt độ ở vùng cắt rất cao làm cho lớp kim loại của phoi sát mặt trước bị chảy nhão, hệ số ma sát giữa phoi và mặt trước giảm, K giảm và nâng cao được độ nhẵn bóng bề mặt gia công.
2.2.1.2 Ảnh hưởng của lượng chạy dao
Qua thực nghiệm đối với phương pháp tiện người ta đã xác định được mối quan hệ đến các thông số độ nhám (chiều cao nhấp nhô tế vi) Rz, lượng tiến dao S, bán kính mũi dao r và chiều dày phoi nhỏ nhất hmin Mô tả sự hình thành độ nhám bề mặt khi gia công bằng các loại dao tiện khác nhau.
Ở đây khi tiện, sau một vòng quay của chi tiết gia công dao thực hiện một lượng ăn dao S1(mm/vòng) và dịch chuyển từ vị trí 1 sang vị trí 2 (hình 2.4a). Trong trường hợp này trên bề mặt gia công còn lại phần kim loại chưa được hớt đi (phần m). Phần m này chính là độ nhám bề mặt sau khi gia công. Ta thấy, hình dáng và giá trị của độ nhám bề mặt phụ thuộc vào lượng chạy dao S1 và hình dáng lưỡi cắt. Ví dụ, khi giảm lượng chạy dao từ S1 xuống S2, chiều cao nhấp nhô tế vi (chiều cao độ nhám) Rz giảm xuống Rz’(hình 2.4b).Nếu thay đổi góc nghiêng chính ϕ và góc nghiêng phụ ϕ1 thì chiều cao và hình dáng của độ nhám sẽ thay đổi (hình 2.4c). Khi gia công bằng dao có bán kính mũi dao lớn thì hình dáng của độ nhám cũng có dạng được vẽ tròn (hình 2.4d). Nếu tăng bán kính mũi dao tới r2 thì chiều cao của độ nhám Rz giảm xuống (hình 2.4e). Trong quá trình hình thành độ nhám khi tiện bằng dao có bán kính mũi dao không lớn và lượng chạy dao lớn thì độ nhám bề mặt không chỉ chịu ảnh hưởng của bán kính mũi dao mà còn chịu ảnh hưởng của lưỡi cắt chính và lưõi cắt phụ (hình 2.4g) có nghĩa là ảnh hưởng của các góc
ϕ và ϕ1. Từ những lập luận trên đây mà giáo sư người Nga Trebưsep đã đưa ra công thức biểu thị mối quan hệ đến Rz với s, r và hmin như sau:
Khi S > 0,15 mm/vòng thì:
Khi S < 0,1 mm/vòng thì:
Ở đây, chiều dày phoi kim loại hmin phụ thuộc vào bán kính mũi dao r. Nếu mài lưỡi dao cắt bằng đá kim cương mịn ở mặt trước và mặt sau lưỡi cắt, khi r = 10µm thì hmin= 4µm. Mài dao hợp kim cứng bằng đá thường nếu r = 40µm thì hmin≥ 20µm.
Nếu lượng chạy dao S quá nhỏ (S < 0,3 mm/vòng) thì trị số Rz lại tăng, nghĩa là thực hiện bước tiện tinh hoặc phay tinh với lượng chạy dao S quá nhỏ sẽ không có ý nghĩa đối với việc cải thiện chất lượng bề mặt.
Lượng chạy dao S ngoài ảnh hưởng mang tính chất hình học như đã nói ở trên, còn có ảnh hưởng lớn đến mức độ biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi ở bề mặt gia công, làm cho độ nhám thay đổi. Hình 2.9 là đồ thị quan hệ đến lượng chạy dao S và chiều cao nhấp nhô tế vi (độ nhám bề mặt) Rz khi gia công thép cacbon.
Hình 2. 5 Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt Rz
Khi gia công với lượng chạy dao S = 0,02÷0,15 mm/vòng thì bề mặt gia công có độ nhấp nhô tế vi giảm. Nếu gia công với S < 0,02 mm/vòng thì độ nhấp nhô tế vi sẽ tăng lên (độ nhẵn bóng giảm xuống) vì ảnh hưởng của biến dạng dẻo lớn hơn ảnh hưởng của các yếu tố hình học. Nếu lượng chạy dao S > 0,15 mm/vòng thì biến dạng đàn hồi sẽ ảnh hưởng đến sự hình thành các nhấp nhô tế vi, kết hợp với ảnh hưởng của các yếu tố hình học, làm cho độ nhám bề mặt tăng lên (đoạn BC trên hình 2.5). Như vậy, để đảm bảo độ nhẵn bóng bề mặt và năng suất gia công nên chọn giá trị lượng chạy dao S trong khoảng từ 0,05÷0,12 mm/vòng đối với thép cacbon.
2.2.1.3 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt
Chiều sâu cắt nhìn chung không có ảnh hưởng đáng kể đến độ nhám bề mặt. Tuy nhiên nếu chiều sâu cắt quá lớn thì rung động trong quá trình cắt tăng, do đó độ nhám có thể tăng. Ngược lại, chiều sâu cắt quá nhỏ sẽ làm cho dao bị trượt trên bề mặt gia công và xảy ra hiện tượng cắt không liên tục, do đó độ nhám bề mặt lại tăng. Hiện tượng gây trượt dao thường ứng với giá trị của chiều sâu cắt trong khoảng 0,02÷0,03 mm
2.2.2 Ảnh hưởng của vật liệu dụng cụ cắt và vật liệu gia công
Ảnh hưởng của vật liệu dụng cụ cắt đến quá trình tạo phoi và chất lượng bề mặt khi gia công được xét qua quan hệ giữa cơ lý tính của vật liệu gia công và tính cắt của vật liệu làm dao. Tính cắt của vật liệu làm dao phải đảm bảo các yêu cầu: độ cứng, độ bền cơ học, tính chịu nhiệt, tính chịu mòn và tính công nghệ [7]. Do có tính dẻo, nên khi gia công hợp kim nhôm thường bị dính trong khi cắt, có xu hướng hình thành phoi dài, dạng dây.
Vật liệu gia công ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt (độ nhấp nhô tế vi) chủ yếu là do khả năng biến dạng dẻo. Vật liệu dẻo và dai (thép ít cacbon) dễ biến dạng dẻo sẽ làm cho độ nhám bề mặt tăng hơn so với vật liệu cứng và giòn. Để đạt độ nhám bề mặt thấp (độ nhẵn bóng bề mặt cao) người ta thường tiến hành thường hoá thép cacbon ở nhiệt độ 850÷8600C trước khi cắt gọt.
Độ cứng của vật liệu gia công tăng thì chiều cao nhấp nhô tế vi giảm và hạn chế ảnh hưởng của tốc độ cắt tới chiều cao nhấp nhô tế vi. Khi độ cứng của vật liệu gia công đật tới giá trị HB = 5000 N/mm2 thì ảnh hưởng của tốc độ cắt tới chiều cao nhấp nhô tế vi (Rz) hầu như không còn. Mặt khác, giảm tính dẻo của vật liệu gia công bằng biến cứng bề mặt cũng làm giảm chiều cao n hấp nhô tế vi.
2.2.3 Ảnh hưởng của chiến lược chạy dao khi phay các chi tiết thành mỏng
Gia công các chi tiết có độ cứng vững thấp như các chi tiết thành mỏng thường gặp nhiều khí khăn bởi vì chi tiết thường bị biến dạng hoặc rung động
do tác dụng cuả lực cắt. Khi gia công chi tiết thành mỏng bằng cách phay cạnh với đường chạy dao song song, độ cứng vững của chi tiết thường giảm cùng với lượng kim loại được bóc tách đi. Khi chiều dày chiều dày giảm xuống đến vài milimet, biến dạng của chi tiết có thể tăng rất lớn. Vì vậy có rất nghiều nghiên cứu đã tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của chiến lược chạy dao tới độ biến dạng của chi tiết trong quá trình gia công các chi tiết thành mỏng. Dự đoán biến dạng của chi tiết bằng phần tử hữu hạn thông qua mô hình lực cắt đã được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng [1]. Bằng cách tiếp cận đó, nếu chiến lược chạy dao không được thiết kế phù hợp, chiều sâu cắt và lượng chạy dao thường giảm dẫn tới hiệu quả của quá trình gia công. Quy luật 8:1 cũng được sử dụng phổ biến trong gia công các chi tiết của máy bay [3]. Theo đó, để gia công tinh một chi tiết thành mỏng có chiều rộng 1mm bằng phay cạnh thì chiều sâu cắt phải nhỏ hơn hoặc bằng 8mm. Smith etal [3] đã đề xuất một thiết kế đường chạy dao để gia công chi tiết thành mỏng của cấu trúc máy bay. Trong thiết kế này, đường chạy dao luôn luôn được rời sang một phần khác ở phía đối diện để gia công.
Đối với kế hoạch gia công, phần mềm gia công tự động lập trình hoạc phần mềm CAM được sử dụng rộng rãi. Phần mềm gia công lập trình tự động