trình phay chi tiết hợp kim nhôm thành mỏng
Trong quá trình gia công các chi tiết thành mỏng, các vách mỏng thường bị biến dạng đàn hồi dưới tác động của lực cắt, như hình 1.14. Các chi tiết dạng thành mỏng thường dễ bị biến dạng do có độ cứng thấp, rất khó có thể kiểm soát độ chính xác gia công, thường dẫn đến làm tăng chi phí của quá trình sản xuất. Vì vậy vấn đề quan trọng là phải kiểm soát được độ chính xác gia công và sự biến dạng của chi tiết trong quá trình gia công.
Hình 1. 14 Biến dạng của chi tiết trong quá trình gia công
Trong gia công cắt gọt, phay là quá trình phổ biến được sử dụng để gia công các chi tiết thành mỏng. Quá trình phay chi tiết dạng thành mỏng đã được nhiều nhà nghiên cứu tập trung tìm hiểu và nghiên cứu, điển hình là các nghiên cứu sau:
Các nghiên cứu về ứng suất dư gia công thường tập trung vào phân tích và dự đoán dạng ứng suất dư bang cách xem xét các thông số xử lý khác nhau, thông số dụng cụ và các thông số khác. Khabeery và Fattouch (1988) đã
phát hiện ra rằng biên độ của ứng suất dư thường tăng lên khi tăng lượng chạy dao, chiều sâu cắt và độ bền kéo của vật liệu chi tiết [8]. Kuang và Wu (1995) phát hiện ra rằng vận tốc cắt, lượng chạy dao, bán kính mũi dao có tác động đáng kể tới ứng suất dư [9]. Coto et al. (2011) chỉ ra rằng lượn chạy dao tăng sẽ làm tăng ứng suất dư kéo, tuy nhiên bằng cách tăng vận tốc cắt sẽ làm giảm ứng suất dư kéo [10]. Navas et al. (2012) lưu ý rằng bằng cách giảm lượng chạy dao và tăng vận tốc cắt có thể làm giảm ứng suất dư kéo khi gia công thép AISI4340 [11].
Như vậy, rất khó có thể kiểm soát được dạng và độ lớn của ứng suất dư của bề mặt gia công. Và không có quy luật rõ ràng nào được đưa ra khi sử dụng vật liệu gia công khác nhau và với các thông số công nghệ khác nhau. Ví dụ, Mohammadpour et al. (2010) cho thấy giá trị lớn nhất của ứng suất dư lớp bề mặt (MMSRS) là 680MPa, và chiều sâu cắt ứng với ứng suất dư nén tối đa là 200 micomet [12]. Liang và Su (2007) đã đo được MMSRS là 900 MPa, DMCRS dao động từ 25 đến 100 micromet [13]. Tuy nhiên, Ulutan et al. (2007) tìm thấy MMSRS là 1200 MPa vàDMCRS có thể thậm chí nhỏ hơn 10 micomet [14]. Ảnh hưởng của các yếu tố tới các cấu trúc khác nhau trong quá trình giảm nhiệt được nghiên cứu và tính toán. Robinson et al. (2011) đã thảo luận về cơ chế phân phối lại ứng suất dư sau gia côn đối với vật liệu Al7449 sau khi gia nhiệt [15]. Bằng cách loại bỏ vật liệu theo lớp, ảnh hưởng của sự phân phối lại ứng suất dư tới biến dạng được thảo luận. Trong khi không có dấu hiệu nào về giảm ứng suất, và mô hình được giới hạn trong quy tắc dạng khối. Tóm lại, tất cả các nghiên cứu đều dựa trên chiều dày của mỗi lớp (bằng hoặc gần bằng nhau) của chi tiết gia công, do đó khó có thể áp dụng cho quá trình gia công chi tiết thành mỏng, khi mà chiều sâu cắt gia công thay đổi. Do đó cần phân tích sâu hơn sự phân bố lại ứng suất dư của chi tiết dạng thành mỏng với chiều sâu cắt khác nhau trong quá trình gia công, từ đó giảm biến dạng của chi tiết thành mỏng.
Nhiều nhà nghiên cứu đã tập trung nghiên cứu quá trình gia công chi tiết thành mỏng, hiện tượng biến dạng xảy ra trong suốt quá trình phay chi tiết. Một vài nghiên cứu tập trung xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới biến dạng và độ nhám bề mặt. Ning và cộng sự, [16] đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để tính toán các biến dạng cấu trúc thành mỏng trong quá trình gia công. Budak [17] phát triển mô hình phân tích để tránh hiện tượng rung động khi phay hiệu suất cao mà không làm giảm năng suất. Tang và Liu [18] đã mô phỏng và tính toán biến dạng của chi tiết bằng FEM. Shamsuddin et al. [19] đã nghiên cứu chiến lược chạy dao tốt nhất để gia công các chi tiết thành mỏng bằng hợp kim nhôm. Seguy et al. [20] đã xây dựng một mô hình số sử dụng lý thuyết vùng ổn định để nghiên cứu độ nhám bề mặt và rung động khi gia công chi tiết dạng thành mỏng. Tương tác động lực học giữa dụng cụ cắt và trục chính được phân tích bằng cách sử dụng FEM bởi Mane et al. [21]. Davies et al. [22] nghiên cứu các dao động của thành mỏng trong quá trình phay. Benardos và cộng sự [23] đã sử dụng các phương pháp khác nhau để dự đoán sự thay đổi của độ nhám bề mặt. Thevenot et al. [24] nhằm mục đích tối ưu hóa các điều kiện cắt và xác định chính xác các trường hợp phay mà các dao động không rõ ràng trong quá trình gia công chi tiết thành mỏng.
Một số bài báo cũng mô tả các nghiên cứu về ảnh hưởng của các chiến lược lập kế hoạch đường chạy dao và các thông số liên quan đến dụng cụ cắt như lớp phủ, đường kính dao, góc xoắn đến độ nhám bề mặt và độ chính xác chiều dày các chi tiết. Wan et al. [25] đã phát triển một phương pháp lý thuyết mới để nghiên cứu cơ chế làm việc của góc xoắn và thu được góc xoắn tối ưu cho các dao phay khi phay biên dạng ngoài. Tác giả đã chứng minh rằng giá trị lớn nhất của lực cắt giảm khi tăng góc xoắn trong trường hợp cắt một cạnh. Jabbaripour et al. [26] đã cải thiện độ chính xác hình học và tính toàn vẹn bề mặt của các chi tiết thành mỏng trong quá trình phay tinh. Họ đã phân tích
ảnh hưởng của hướng cắt và vận tốc cắt tới biên độ của lực cắt, chất lượng bề mặt gia công. Durakbasa et al. [27] tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của lớp phủ dụng cụ và bán kính dụng cụ lên chất lượng bề mặt trong quá trình phay tinh thép AISI H13. Herranz et al. [28] đề xuất các chiến lược chạy dao bằng cách phân tích các hiện tượng tĩnh và động lực học xảy ra trong quá trình phay cao tốc. Các tác giả đã đưa ra một số lời khuyên hữu ích khi gia công các chi tiết có độ cứng thấp. Polishetty et al. [29] nghiên cứu mòn dụng cụ, độ nhám bề mặt và lực cắt trong gia công hợp kim titan Ti-6Al-4V sử dụng đường chạy dao trochoidal. Izamshah et al. [30] đã nghiên cứu ảnh hưởng của ba chiến lược chạy dao gồm “water line-step”, “overlapping-step” và “tree wise-steps” đến độ chính xác gia công. Kết quả cho thầy chiến lược chạy dao ảnh hưởng đến độ chính xác của chi tiết thành mỏng và kết quả chỉ ra rằng chiến lược chạy dao waterline-step ảnh hưởng nhiều nhất tới độ chính xác gia công. Vakondios et al. [31] cũng nghiên cứu ảnh hưởng của các chiến chạy dao tới độ nhám bề mặt trong quá trình phay tinh hợp kim nhôm. Subramanian et al. [32] đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số hình học dao phay tới rung động trong suốt quá trình phay. Kadirgama et al. [33] đã nghiên cứu tối ưu hóa độ nhám bề mặt khi phay hợp kim nhôm (AA6061-T6) với dụng cụ cắt phủ cacbit. Karkalos et al. [34] sử dụng RSM để phát triển mối quan hệ bậc hai giữa các tham số đầu vào và đầu ra trong quá trình phay ngoại vi của hợp kim titan. Hơn nữa, một mô hình mô phỏng dựa trên mạng nơron nhân tạo (ANN) cũng được phát triển.
Như vậy, theo các tài liệu đã công bố về quá trình phay các chi tiết thành mỏng thì nghiên cứu xác định chế độ công nghệ hợp lý khi gia công các chi tiết thành mỏng bằng hợp kim nhôm chưa được nhiều tác giả quan tâm. Và đặc biệt nghiên cứu công nghệ gia công các chi tiết thành mỏng đang còn khá mới ở Việt Nam.. Chính vì vậy tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu xác định chế độ công nghệ hợp lý khi phay các chi tiết hợp kim nhôm thành
mỏng”, góp phần hoàn thiện bổ sung kiến thức lý thuyết cũng như cải thiện và nâng cao hiệu quả sản xuất.
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ tới lực cắt, độ nhám, ứng suât dư, biến dạng của chi tiết và độ chính xác kích thước khi phay các chi tiết thành mỏng, từ đó xác định được chế độ công nghệ hợp lý.
CHƯƠNG 2:
CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI BIẾN DẠNG VÀ NHÁM BỀ MẶT KHI PHAY CÁC CHI TIẾT HỢP KIM NHÔM THÀNH MỎNG A6061 2.1 Giới thiệu về hợp kim nhôm A6061
2.1.1 Hợp kim nhôm A6061
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