1.3.1 Đặc tính gia cơng của thép khơng gỉ
Khả năng gia công của vật liệu được đánh giá thông qua một số tiêu chí như: chất lượng bề mặt, mức độ tiêu hao năng lượng, sự hình thành phoi, độ mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt và độ chính xác về kích thước của chi tiết được gia công. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng gia công của vật liệu bao gồm [114]:
- Q trình chuẩn bị phơi;
- Hình dáng và vật liệu dụng cụ cắt; - Phương pháp gia công;
15
- Các điều kiện gia công; - Chế độ cắt khi gia công; - Chất làm mát.
So với thép cacbon thường, thép khơng gỉ Austenit có độ bền kéo cao, mức độ biến cứng cao và độ dẫn nhiệt thấp như bảng 1.1 nên được đánh giá là vật liệu khó gia cơng hơn thép cacbon thường. Do vậy khi gia cơng tiện thường có xu hướng xuất hiện biến cứng trên bề mặt và độ cứng phoi cao dẫn đến mài mòn rãnh và ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết [19].
Bảng 1.1. Tính chất vật lý của các loại vật liệu [19]
Loại vật liệu Độ bền kéo (MPa) Độ giãn dài (%) Độ dẫn nhiệt (W/mK) Thép SUS304 515 40 16
Thép song pha SUS2205 655 25 13
Thép 45 450 21 58
Khả năng gia công của một số mác thép không gỉ thông dụng được so sánh với mác SUS416 khi coi khả năng gia công của mác SUS416 là 100% được mơ tả như hình 1.7.
Thép Austenit có độ dẻo cao nên khi gia cơng tiện phoi hình thành có dạng dây, dai, liên tục và khó vỡ, đồng thời có thể xảy ra hiện tượng tích tụ kim loại ở lưỡi cắt và hình thành lẹo dao, ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình cắt. Ngồi ra, tính dẫn nhiệt của thép Austenit thấp hơn so với các loại thép khác, do đó nhiệt có thể dễ dàng tích tụ ở bề mặt dụng cụ cắt. Do vậy, chất lượng bề mặt khó kiểm sốt trong q trình gia cơng và bị ảnh hưởng bởi mức độ giản nở nhiệt cao của thép Austenit. Hiệu quả q trình gia cơng được đánh giá thơng qua cơ chế mịn và tuổi bền dụng cụ cắt và chất lượng bề mặt sản phẩm.
16
1.3.2. Cơ chế mòn và tuổi bền dụng cụ cắt
Trong quá trình gia cơng, mịn dụng cụ là tiêu chí quan trọng vì có ảnh hưởng lớn giá thành và độ chính xác, dung sai kích thước của sản phẩm và chất lượng chi tiết do giảm chất lượng bề mặt [114].
Hình 1.7. So sánh khả năng gia công của thép không gỉ [114]
17
Mức độ mòn dụng cụ cắt phụ thuộc vào loại vật liệu chế tạo, thơng số hình học của dụng cụ cắt và vật liệu phôi gia công, các thông số cơng nghệ, chất làm mát và các đặc tính của máy cơng cụ [1], [14]. Hình 1.8 cho thấy các dạng mòn phổ biến khi tiện. Sự gia tăng độ mòn của dụng cụ cắt được nhận thấy khi tăng vận tốc cắt, trong khi đồng thời, mức độ mòn của dụng cụ cắt cũng giảm khi tăng lượng tiến dao.
Trong q trình gia cơng thép khơng gỉ Austenit thường xuất hiện một số vấn đề như mài mòn dụng cụ cắt không đều, hiện tượng BUE trên mặt sau dụng cụ cắt như hình 1.9. Hiện tượng BUE sẽ làm tăng tốc độ mài mòn của dụng cụ cắt và làm giảm chất lượng bề mặt của chi tiết.
Khả năng gia cơng thấp của thép Austenit có một số lý do như độ dẫn nhiệt rất thấp, độ dẻo cao, độ bền kéo cao, độ dai đứt gãy cao và mức độ biến cứng cao (dễ). Hiện tượng biến cứng bề mặt sau khi gia công xảy ra do dụng cụ cắt bị mịn trong ngun cơng trước, hiện tượng biến cứng đồng thời cũng làm tăng mức độ mài mòn và hư hỏng của dụng cụ cắt trong quá trình gia công. Việc sử dụng chất làm mát khi gia công rất quan trọng để cải thiện hiệu quả gia công giúp tăng tuổi bền dụng cụ cắt và nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết sau khi gia công [26], [111].
18
1.3.3 Chất lượng bề mặt
Chất lượng bề mặt được xác định thông qua các đặc trưng về cơ, lý, hóa tính và cấu trúc liên kết của đặc tính bề mặt như: sự thay đổi về độ nhám bề mặt, độ cứng tế vi, cấu trúc tế vi và ứng suất dư,…[1], [47].
Tác giả Field và Kahles trong công bố [57] mô tả chất lượng bề mặt là mối quan hệ giữa các giá trị hình học bề mặt như độ nhám bề mặt và các tính chất vật lý như ứng suất dư, độ cứng và cấu trúc của lớp bề mặt, các yếu tố của chất lượng bề mặt ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết được thể hiện như sơ đồ trong hình 1.10. Trong đó, độ nhám bề mặt và ứng suất dư bề mặt được xem như là hai chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lượng bề mặt của chi tiết sau khi gia công [88], [104].
Chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc vào những yếu tố sau đây: - Tính chất của vật liệu gia cơng;
- Phương pháp gia công; - Chế độ cắt; Độ nhám bề mặt Ứng suất dư Độ cứng tế vi Cấu trúc tế vi Độ bền mỏi Q trình gia cơng Chất lượng bề mặt
Hình 1.10. Sơ đồ minh họa về ảnh hưởng của chất lượng bề
19
- Độ cứng vững của hệ thống cơng nghệ; - Thơng số hình học của dụng cụ cắt; - Dung dịch trơn nguội, ….
Ba thơng số gia cơng phổ biến nhất có ảnh hưởng nhiều đến chất lượng bề mặt và độ chính xác về kích thước gia công đã được nghiên cứu nhiều trước kia là vận tốc cắt ( )V , lượng tiến dao ( )f , và chiều sâu cắt ( )t . Các thông số công nghệ này dễ xác định nhất so với các yếu tố khác khi tiện.
1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước về gia cơng thép không gỉ
1.4.1. Các nghiên cứu ngoài nước
1.4.1.1. Các nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt khi gia công thép không gỉ
Các thông số công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt, đặc biệt là độ nhám bề mặt được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Các nghiên cứu đã được thực hiện với mục tiêu tối ưu hóa các điều kiện gia cơng để đạt được chất lượng bề mặt tốt hơn. Kết quả cho thấy rằng, lượng tiến dao và vận tốc cắt là hai thông số quan trọng nhất có ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt như trong các công bố [34], [37], [75], đặc biệt khi cắt với vận tốc cắt thấp (dưới 150m/phút) thường xảy ra hiện tượng phoi bám nhiều dẫn đến lẹo dao (BUL) làm giảm khả năng cắt của dao do góc cắt bị thay đổi nên chất lượng bề mặt kém và năng suất thấp. Đồng thời các nghiên cứu đều cho thấy rằng độ nhấp nhô tế vi lớp bề mặt sau gia công tăng khi lượng tiến dao tăng nhưng giảm khi tăng vận tốc cắt, còn chiều sâu cắt ảnh hưởng rất ít đến độ nhám bề mặt.
Xinxin Zhang và đồng nghiệp thí nghiệm nghiên cứu chất lượng bề mặt khi phay cao tốc thép không gỉ. Nghiên cứu chỉ ra lượng tiến dao là thông số công nghệ quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt [118].
20
Lakhdar Bouzid và nhóm nghiên cứu ước lượng và tối ưu hóa độ mịn và tuổi thọ dụng cụ khi tiện tinh thép SUS304 sử dụng hàm kỳ vọng. Nghiên cứu đã tìm ra giá trị tối ưu của các thơng số cơng nghệ nhằm giảm mịn dụng cụ, nhám bề mặt thấp nhất và tuổi thọ dụng cụ cao nhất. Giải bài toán tối ưu đa mục tiêu bằng thuật toán hàm kỳ vọng [21].
Franko Puh và đồng nghiệp nghiên cứu tối ưu hóa chế độ cắt khi tiện với các đặc tính tổ hợp chất lượng sử dụng phân tích quan hệ xám Gray. Nghiên cứu sử dụng quan hệ xám Gray trên cơ sở phương pháp Taguchi cho các đặc tính tổ hợp hiệu suất của tiện. Tối ưu hóa đa mục tiêu đã thu được tổ hợp chế độ cắt để nhỏ nhất độ nhám bề mặt(Ra)và lớn nhất lượng vật liệu bị bóc tách [84].
Trong các chỉ tiêu của chất lượng bề mặt, ứng suất dư đóng vai trị rất quan trọng quyết định hiệu suất mỏi của chi tiết và cũng đã nhận được sự quan tâm của một số nhà nghiên cứu trong thời gian vừa qua. Các nghiên cứu trước đây tập trung vào vấn đề các phương pháp đo ứng suất dư, ảnh hưởng của quá trình gia cơng đến ứng suất dư đối với nhiều loại vật liệu khác nhau.
Các kết quả được tác giả D.W. Wu báo cáo trong nghiên cứu số [110] cho thấy rằng độ cứng của vật liệu có ảnh hưởng trực tiếp và đáng kể đến giá trị của ứng suất dư do gia công tạo ra. Báo cáo nhận định phương pháp gia công thép cứng khác với phương pháp gia công thép dẻo, bề mặt gia công của thép dẻo khơng có bất kỳ giai đoạn chuyển pha nào.
Nghiên cứu của Arunachalam và đồng nghiệp nhận thấy rằng ứng suất dư và độ nhám bề mặt được tạo ra bởi các dụng cụ cắt Nitrit Bo lập phương (CBN) ảnh hưởng bởi vận tốc cắt nhiều hơn so với chiều sâu cắt. Việc sử dụng chất làm mát khi gia công dẫn đến ứng suất dư nén hoặc giảm độ lớn của ứng suất dư kéo, trong khi gia công không tưới nguội luôn dẫn đến ứng suất dư khi kéo theo tài liệu số [18].
21
Thông qua nghiên cứu Tác giả R. M’Saoubiet và đồng nghiệp cho biết độ dày của lớp chịu kéo giảm khi tăng vận tốc cắt, nhưng tăng khi lượng tiến dao cao khi tiện thép SUS316L. Ngoài ra, lượng tiến dao có ảnh hưởng mạnh đến hình dạng của biên dạng ứng suất dư (độ sâu của điểm nén; vùng bị ảnh hưởng cắt) [66].
1.4.1.2. Các nghiên cứu về tối ưu hóa khi gia cơng thép khơng gỉ
Lựa chọn các thơng số cơng nghệ cho q trình gia cơng là một trong những khâu quyết định chất lượng sản phẩm và năng suất gia công. Công việc này trước kia chủ yếu phụ thuộc vào khuyến nghị của nhà sản xuất máy công cụ, dụng cụ cắt và kinh nghiệm của người vận hành. Trong xu thế gần đây, các nhà nghiên cứu tập trung phát triển các thuật toán mới để giải quyết bài toán tối ưu hóa q trình gia công đảm bảo nhiều mục tiêu khác nhau. Các thuật toán đã được chứng minh, áp dụng theo các cách khác nhau và được đánh giá độ tin cậy để sử dụng. Nhiều công bố đã cho thấy được hiệu quả của việc áp dụng các thuật tốn mới để giải bài tốn tối ưu hóa như sau:
Tác giả Poornima và Sukumar nghiên cứu tối ưu thông số gia công khi tiện CNC thép SUS40 sử dụng phương pháp bề mặt chỉ tiêu (RSM) và thuật toán di truyền (GA). Nghiên cứu đã xác định được 3 thông số công nghệ tối ưu khi gia công tiện đáp ứng chỉ tiêu là độ nhẵn bề mặt, kết quả độ nhám tối ưu bằng GA là 0.74µm [55].
Nooraziah Ahmad cùng các tác giả trong công bố [15] nghiên cứu so sánh tối ưu độ nhám bề mặt khi gia công thép SUS1045 sử dụng phương pháp Taguchi, thuật toán di truyền (GA) và thuật toán bầy đàn (PSO). Hai đề xuất của nghiên cứu là mơ hình độ nhám bề mặt sử dụng phương pháp bề mặt chỉ tiêu (RSM) và để so sánh các loại khác nhau của nghiên cứu tối ưu nhằm nhận biết độ nhám bề mặt tối ưu với sự tổ hợp đặc biệt của các các thông số công nghệ khi tiện. Kết quả thu được từ nghiên cứu chỉ ra các giá trị từ dự
22
đoán theo phương pháp RSM là 99.3% giống như giá trị thực nghiệm. Trong khi đó, PSO thu được độ nhám bề mặt thấp nhất khi được so sánh với phương pháp Taguchi và GA và nó có thể tối ưu nhanh hơn GA.
1.4.2. Các nghiên cứu trong nước
Tại Việt Nam các nghiên cứu về gia công thép không gỉ, ảnh hưởng của q trình gia cơng đến chất lượng bề mặt đã nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong nhiều năm vừa qua. Tuy nhiên các nghiên cứu chủ yếu đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt, mòn dụng cụ, lực cắt.
Nghiên cứu của tác giả Nguyễn Tiến Dũng và đồng nghiệp trong công bố số [9] khi tiện thép SUS304, nghiên cứu đã đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ ( , , )V f t đến độ nhám bề mặt Ra hoặc Rz sử dụng phương pháp trực giao và xây dựng được mơ hình tốn học quan hệ giữa độ nhám bề mặt (Ra) với các thông số công nghệ ( , , )V f t . Kết quả cho biết lượng tiến dao là thông số ảnh hưởng lớn nhất đến độ nhám bề mặt.
Tương tự như vậy, trong luận văn thạc sỹ của tác giả Lê Thị Hoài Thu, khi nghiên cứu độ chính xác gia công khi gia cơng vật liệu có độ dẻo cao cũng đã đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến hai chỉ tiêu là
a
R và Rz [4].
Trong luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Chí Cơng đã đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt, mòn dụng cụ và lực cắt khi tiện thép SUS304, ứng dụng phương pháp giải tích để giải bài tốn tối ưu và tìm ra bộ thơng số công nghệ tối ưu khi tiện bề mặt cong là
42
V m/phút, f 0,08mm/vòng, t0,6mm [5].
Một số tác giả đã nghiên cứu về tối ưu hóa q trình gia cơng sử dụng các thuật tốn phi truyền thống để nâng cao hiệu quả của sản xuất như trong
23
tài liệu [2], [3], [8], [10] đã sử dụng các giải thuật di truyền (GA), bầy đàn (PSO) làm cơng cụ để giải bài tốn tối ưu hóa.
Qua phân tích và đánh giá các vấn đề thường gặp phải khi gia công thép khơng gỉ đồng thời với các cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nước có liên quan đến luận án, tác giả nhận thấy rằng chủ yếu các cơng trình nghiên cứu về gia công thép không gỉ chủ yếu tập trung về khía cạnh độ chính xác gia cơng (độ nhám bề mặt), đánh giá mòn dụng cụ cắt, lực cắt, rung động trong quá trình cắt gọt, một số nghiên cứu phân tích sự thay đổi tổ chức tế vi sau khi gia công. Tại Việt Nam, đã có nhiều nghiên cứu về chất lượng bề mặt sau khi gia công, tuy nhiên chỉ tiêu ứng suất dư là tiêu chí rất quan trọng để đánh giá chất lượng bề mặt nhưng mới chỉ được các nhà nghiên cứu nêu ra mà chưa có các cơng trình nghiên cứu chun sâu về vấn đề này do hạn chế về thiết bị đo, tính tốn phức tạp. Việc đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến các chỉ tiêu của chất lượng bề mặt khi gia công thép SUS304 bao gồm: độ nhám bề mặt, độ cứng tế vi, ứng suất dư và ứng dụng các giải thuật tiên tiến để giải bài toán tối ưu đa mục tiêu nhằm nâng cao chất lượng bề mặt, đảm bảo năng suất gia cơng chưa được đề cập đến.
Từ những phân tích trên, đề tài: “Nghiên cứu xác định chế độ cắt tối
ưu theo hàm mục tiêu chất lượng bề mặt, đảm bảo năng suất cắt khi gia công thép SUS304 trên máy tiện CNC” giải quyết các vấn đề đánh giá ảnh
hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt bao gồm: độ nhám bề mặt, độ cứng tế vi và ứng suất dư. Từ đó xác định các thơng số cơng nghệ tối ưu nhằm nâng cao chất lượng bề mặt, đảm bảo năng suất gia công. Kết quả của luận án đề xuất và khuyến nghị cho các kỹ sư công nghệ lựa chọn các thông số công nghệ phù hợp cho việc tối ưu hóa q trình gia cơng theo yêu cầu của thực tế sản xuất.
24
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Để nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết và hiệu quả q trình gia cơng đặc biệt khi gia cơng loại vật liệu có độ dẻo và độ bền cao như thép SUS304