Luận án Nghiên cứu mô phỏng và kiểm chứng quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061

MỤC LỤC .iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.vi

DANH MỤC CÁC BẢNG .viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ .x

MỞ ĐẦU 1

1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu .1

2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu .3

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .3

3. Phương pháp nghiên cứu .3

4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài .4

5. Những đóng góp mới của đề tài.4

6. Cấu trúc của nội dung luận án .5

CHƯƠNG 1. CƠ SỞ VẬT LÝ QUÁ TRÌNH TẠO PHOI KHI PHAY CAO TỐC .6

1.1 Tổng quan chung về gia công cao tốc.6

1.1.1 Lịch sử phát triển của gia công cao tốc.6

1.1.2 Đặc điểm chung của phay cao tốc.9

1.1.3 Một số ứng dụng của phay cao tốc.9

1.2 Cơ sở vật lý quá trình phay cao tốc .10

1.3 Hệ số co rút phoi và biến dạng xảy ra trong quá trình phay cao tốc.14

1.3.1 Hệ số co rút phoi .14

1.3.2 Quan hệ giữa hệ số co rút phoi và biến dạng trong quá trình tạo phoi . .18

1.3.3 Tốc độ biến dạng trong quá trình tạo phoi. .19

1.4 Đặc điểm biến dạng xảy ra trong quá trình tạo phoi khi phay cao tốc . .20

1.5 Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước về quá trình tạo phoi khi phay cao tốc23

1.5.1 Nghiên cứu trong nước về quá trình phay cao tốc .23

1.5.2 Nghiên cứu ngoài nước về quá trình tạo phoi khi phay cao tốc.24

CHƯƠNG 2. ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH PHAY CAO TỐC .31

2.1 Động lực học quá trình tạo phoi khi phay cao tốc .31

2.1.1 Mô hình lực trong quá trình tạo phoi .32

2.1.2 Phân tích mối quan hệ giữa lực cắt và ứng suất – biến dạng của Oxley .35

2.2 Lực cắt trong quá trình phay cao tốc .36

2.2.1 Thành phần lực cắt khi phay cao tốc .36

2.2.2 Mô hình lực cắt khi phay mặt phẳng.38

2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi phay cao tốc.40

2.3 Ổn định và rung động trong quá trình phay cao tốc .42

2.3.1 Sự ổn định trong quá trình phay cao tốc . .42

2.3.2 Nguyên nhân gây mất ổn định .43iv

2.3.4 Mô hình rung động hai thành phần khi phay mặt phẳng .43

2.3.5 Miền ổn định của rung động . .46

2.4 Hiện tượng mài mòn dụng cụ cắt trong quá trình phay cao tốc .48

2.4.1 Các dạng mài mòn dụng cụ cắt . .49

2.4.2 Cơ chế mài mòn của dụng cụ cắt . .50

2.5 Độ nhám bề mặt chi tiết gia công khi phay cao tốc.52

2.6 Kết luận chương 2.54

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH TẠO PHOI KHI PHAY

CAO TỐC HỢP KIM NHÔM A6061.55

3.1 Vật liệu, thiết bị và phương pháp nghiên cứu quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp

kim nhôm A6061 .55

3.1.1 Máy, phôi, dụng cụ cắt khi nghiên cứu phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 .55

3.1.2 Các thiết bị đo dùng cho thực nghiệm quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim

nhôm A6061.57

3.1.3 Thiết kế thực nghiệm khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061.60

3.2 Nghiên cứu thực nghiệm hình thái hình học của phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm

A6061.62

3.2.1 Mục đích nghiên cứu hình thái hình học phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm

A6061.62

3.2.3 Cơ chế hình thành phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061.63

3.2.4 Đặc điểm hình thái hình học của phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 .64

3.2.5 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến hình thái hình học của phoi khi phay

cao tốc hợp kim nhôm A6061 .66

3.3 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến hệ số co rút phoi

khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061.70

3.4 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến lực cắt khi phay

cao tốc hợp kim nhôm A6061.74

3.5 Nghiên cứu thực nghiệm các thông số công nghệ ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi

phay cao tốc hợp kim nhôm A6061.77

3.6 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến vết tiếp xúc của

dao–phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 .80

3.7 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến biên độ rung động

khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061.83

3.8 Quan hệ tương quan giữa hệ số co rút phoi với các yếu tố đầu ra khi phay cao tốc hợp

kim nhôm A6061. .86

3.9 Kết luận chương 3.88

CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG QUÁ TRÌNH TẠO PHOI

KHI PHAY CAO TỐC HỢP KIM NHÔM A6061 .90

4.1 Đặc điểm của mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn .90v

4.2.1 Một số nghiên cứu sử dụng mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn trong quá

trình gia công cắt gọt .90

4.2.2 Phá hủy dẻo và sự phát triển các lỗ trống của vật liệu trong quá trình gia công.91

4.3 Mô hình phá hủy vật liệu và cách xác định các tham số trong mô hình.93

4.3.1 Mô hình phá hủy Johnson-Cook (J-C) .94

4.3.2 Mô hình phá hủy Bao-Wierzbicki (B-W) .99

4.3.3 Mô hình phá hủy B-W theo mô hình sửa đổi của Mohr-Coulomb (Modified MorhCoulomb MM-C).104

4.3.4 Mô hình ma sát.106

4.4 Phân tích so sánh lựa chọn mô hình mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn quá

trình hình thành phoi.107

4.5 So sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm quá trình hình thành phoi khi phay hợp kim

nhôm A6061 ở vùng tốc độ cao.114

4.5.1 Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng khi gia công ở vùng tốc độ cao .114

4.5.2 So sánh hình thái hình học của phoi giữa mô phỏng và thực nghiệm ở tốc độ cắt cao

khi phay hợp kim nhôm A6061.118

4.6 Sự phân bố ứng suất trong vùng tiếp xúc giữa dao - phoi khi mô phỏng 3D quá trình tạo

khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061.119

4.6.1 Thiết kế mô hình mô phỏng 3D quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm

A6061.119

4.6.2 Phân tích sự phân bố ứng suất - biến dạng khi mô phỏng 3D quá trình tạo phoi khi

phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 .120

4.6.3 Lực cắt trong mô phỏng 3D quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm

A6061.121

4.7 Ảnh hưởng của các thông công nghệ đến hệ số co rút phoi và lực cắt khi mô phỏng ở

vùng tốc độ cao có xét đến ảnh hưởng của tốc độ biến dạng .123

4.7.1 Ảnh hưởng của thông số cắt đến hệ số co rút phoi (KS) .123

4.7.2 Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến lực cắt FS .124

4.8 Xác định bộ thông số chung cho hệ số co rút phoi và lực cắt khi mô phỏng quá trình

phay cao tốc hợp kim nhôm A6061.126

4.8.1 Bộ thông số sử dụng để mô phỏng cho hệ số co rút phoi và lực cắt.126

4.8.2 Phân tích ANOVA ảnh hưởng của các thông số cắt đến K và F .127

4.8.3 Phân tích mối tương quan Grey ảnh hưởng đồng thời của các thông số cắt (V, t, α,

) đến hệ số co rút phoi K và lực cắt F.129

4.9 Kết luận chương4.131

TÀI LIỆU THAM KHẢO .135

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .143

PHỤ LỤC .

pdf161 trang | Chia sẻ: trungkhoi17 | Lượt xem: 360 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu mô phỏng và kiểm chứng quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
, mài mòn, rung động, độ nhám bề mặt chi tiết gia công Từ việc phân tích nghiên cứu các mô hình toán học về lực cắt, rung động, mài mòn và độ nhám bề mặt chi tiết sau gia công trong quá trình phay cao tốc cho thấy rằng các thông số về công nghệ ảnh hưởng rất lớn đến các yếu tố đầu ra như: hệ số co rút phoi, lực cắt, độ nhám bề mặt chi tiết gia công, rung động, mài mòn dụng cụ cắt khi thực nghiệm. Việc phân tích động lực học quá trình phay là cơ sở cho việc xây dựng các phương án và quy trình thực nghiệm, xây dựng các mô hình toán học của các thông số công nghệ đến hệ số co rút phoi, lực cắt, rung động, mài mòn và độ nhám bề mặt bề mặt chi tiết gia công. Chương 2 cũng là cơ sở cho các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng được trình bày trong chương 3 và 4. 55 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH TẠO PHOI KHI PHAY CAO TỐC HỢP KIM NHÔM A6061 Quá trình tạo phoi là một quá trình phức tạp và là sự tổng hòa của tất cả các yếu tố như: hình thái hình học của phoi, biến dạng phoi, lực cắt, rung động và mài mòn, chất lượng bề mặt chi tiết gia công . Những yếu tố này phản ánh tương đối đầy đủ quá trình hình thành phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. Từ việc phân tích lý thuyết trong chương 1 và 2 đã làm cơ sở để xây dựng điều kiện thực nghiệm quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. Nghiêm cứu đã xây dựng các sơ đồ thực nghiệm, chuẩn bị chu đáo về máy, hệ thống đồ gá, phôi gia công, thiết bị đo, dụng cụ cắt. Các kết quả thực nghiệm xác định được các quy luật ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến các yếu tố đầu ra như: hệ số co rút phoi, lực cắt, rung động, độ nhám bề mặt chi tiết gia công, vết tiếp xúc của dao - phoi. Các thông số đầu vào và đầu ra của thực nghiệm quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 được thể hiện trên sơ đồ Hình 3.1. Hình 3.1 Các thông số đầu vào và đầu ra khi thực nghiệm phay caotốc hợp kim nhôm A6061. 3.1 Vật liệu, thiết bị và phương pháp nghiên cứu quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 3.1.1 Máy, phôi, dụng cụ cắt khi nghiên cứu phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 a. Máy phay cao tốc Nghiên cứu sử dụng máy phay CNC cao tốc HS Super MC500 như trên Hình 3.2 với các thông số chính: 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). Hình 3.2 Máy phay cao tốc CNC SuperMC500. 56 b. Dụng cụ cắt Thực nghiệm dùng dao phay mặt đầu có đường kính 40 mm, sử dụng một mảnh hợp kim cứng của hãng THREADEX USA với mã sản phẩm APMT1604PDTR TC300, vật liệu lưỡi cắt là hợp kim cứng có độ cứng 35 đến 45 HRC (Hình 3.3). Trong quá trình phay cao tốc dụng cụ cắt không sử dụng dung dịch bôi trơn làm mát. Lưỡi cắt có góc trước là 5o và góc sau của dụng cụ cắt là 10o. Hình 3.3 Thông số hình học của dụng cụ cắt. c. Vật liệu gia công [4] Hợp kim nhôm A6061 là dòng hợp kim linh hoạt nhất và cung cấp một dải rộng các tính chất cơ học, khả năng chống ăn mòn. So với sắt hợp kim nhôm có khối lượng nhẹ hơn ba lần. Với đặc điểm này hợp kim nhôm được ứng dụng đối với những chi tiết và hệ thống đòi hỏi khối lượng nhỏ. Ngoài ra nhôm A6061 là một hợp kim đa dụng, có độ bền cao, chống ăn mòn tốt và có tính hàn tốt. Hợp kim này được sử dụng cho tất cả các ứng dụng kết cấu chẳng hạn như hàng không, bán dẫn, đồ gá lắp và cố định. Hợp kim nhôm A6061 dùng cho linh kiện tự động hóa, khuôn gia công thực phẩm, khuôn gia công chế tạo. Hợp kim này cũng được coi là loại hợp kim nhôm tấm hợp kim được sử dụng phổ biến và rộng rãi nhất. Thành phần hóa học của hợp kim nhôm A6061 trong Bảng 3.1. Bảng 3.1 Thành phần hóa học của hợp kim nhôm A6061 (%) [101]. Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Al 0,4-0,8 0,7 0,15-0,4 0,15 0,8-1,2 0,04-0,35 0,25 0,15 Còn lại Đặc tính kỹ thuật của hợp kim nhôm A6061 được thể hiện trên Bảng 3.2. Bảng 3.2 Đặc tính vật lý của hợp kim nhôm A6061 Đặc tính vật lý Giá trị Đặc tính vật lý Giá trị Nhiệt độ nóng chảy (oC) 582-652 Mô đun đàn hồi (Gpa) 68,9 Hệ số dẫn nhiệt (W/m.K) 167 Điện trở (.m) 3,99e-006 Nhiệt dung riêng (J/g-oC) 0,896 Ứng suất uốn (Mpa) 96,5 Tỷ trọng (kg/m3) 2,7 Ứng suất kéo (Mpa) 276 Độ cứng (HB) 95 Hệ số Poisson 0,33 Xác định đường cong ứng suất biến dạng, đường cong xoắn của hợp kim nhôm A6061 bằng các mẫu thí nghiệm kéo, xoắn với những mẫu trụ tròn từ đó xác định được đường cong biến dạng chảy   phụ thuộc vào biến dạng tương đương  P cho trên Hình 3.4 [116]. 57 Hình 3.4 Đường cong ứng suất biến dạng của hợp kim nhôm A6061. Phương trình đường cong kéo và đường cong xoắn được như sau:   1,01251284 P  (3.1) 073,0)10001(224 P  (3.2) Bằng phương pháp fitting đường cong ứng suất biến dạng cho ra các phương trình (3.1) và (3.2) của hợp kim nhôm A6061. Phương trình đường cong ứng suất biến dạng là thông số cơ bản và cần thiết dùng làm các dữ liệu đầu vào cho việc mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn được xét tới trong các nội dung chuơng 4. Phôi hợp kim nhôm A6061 dùng khi thực nghiệm có kích thước chiều dài, chiều rộng, chiều cao tương ứng là 70x30x70 mm, phôi được gia công thô để đảm bảo độ chính xác khi gá đặt (Hình 3.5). Hình 3.5 Mẫu phôi hợp kim nhôm A6061 dùng cho thực nghiệm. 3.1.2 Các thiết bị đo dùng cho thực nghiệm quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 a. Thiết bị chụp SEM Hitachi S-4800 Kính hiển vi điện tử HITACHI S-4800 với độ phân giải cao (Hình 3.6) thuộc viện Khoa học Vật liệu -Viện hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam. Thiết bị này là kính hiển 58 vi điện tử quét sử dụng súng điện tử có độ phân giải cao, dùng để đo các đặc trưng vật liệu, cấu trúc nanô. Thông số kỹ thuật của thiết bị gồm có: Độ phân giải ảnh điện tử thứ cấp (1,0 nm; 1,4 nm; 2,0 nm); Độ phóng đại kiểu thấp LM 20-2000 lần; độ phóng đại kiểu cao HM 100-800000 lần. Đầu dò điện tử cho phép nhận ảnh theo kiểu STEM, hệ EDX, cho phép phân tích nguyên tố trong vùng có kích thước micromet. Hình 3.6 Thiết bị đo SEM Hitachi S-4800. b. Cân trọng lượng Sartorius Volume Comparator (S224-1S) Phoi thu được sau khi phay cao tốc hợp kim nhôm được cân trên cân tiểu ly để xác định trọng lượng của từng phoi. Cân trọng lượng Sartorius Volume Comparator (S224-1S) thiết bị do Đức sản xuất (như trên Hình 3.7) với các thông số kỹ thuật như sau: khả năng cân lớn nhất 220 g, độ chính xác 0,1 mg, đĩa cân làm bằng thép không gỉ, kích thước đĩa cân 90 mm. Thời gian hiển thị 3 s. Để đảm bảo độ chính xác kết quả đo phòng đặt dụng cụ đo cần phải khử ẩm và khử nhiễu do không khí trước khi tiến hành đo. Hình 3.7 Cân tiểu ly xác định trọng lượng phoi. 59 c. Thiết bị đo lực cắt Kisler- Thụy Sỹ Thiết bị đo lực cắt 3 thành phần của hãng Kisler -Thụy Sỹ như trên Hình 3.8a, thiết bị sử dụng cảm biến đo lực 9257B - Kisler với dải đo lực (Fx =1500 N, Fy =1500 N, Fz =5000 N), độ nhạy của cảm biến theo phương X, Y: 7,39 pC/N, phương Z: 3,72 pC/N. Thiết bị chuyển đổi tín hiệu A/D và thu thập vào máy tính sử dụng phần mềm DASYlab 10.0. Đồ gá đo lực đo lực được thiết kế phù hợp với quá trình thực nghiệm như trên Hình 3.8b. a) b) Hình 3.8 Hệ thống đo lực cắt Kisler (a) và đồ gá đo lực (b). d. Thiết bị đo vết tiếp xúc dao-phoi Sử dụng thiết bị đo hiển vi quang học VHX Digital Microscope Mulite Scan của hãng Keyence như Hình 3.9. Với các tính năng đặc biệt sau: VHX có thể tự động nhận ra quỹ tích thông tin khi di chuyển các vùng vào vị trí quan sát và hình ảnh được đưa ra một cách nhanh chóng. Thiết bị cũng có tốc độ xử lý ảnh cao. Độ phân giải 50 khung hình ảnh mỗi giây, tốc độ xử lý đồ họa cao. Các điểm ảnh đều có thể tập trung dữ liệu để cho phép hình ảnh rõ ràng nhất. VHX bao gồm tất cả các hoạt động cơ bản như quan sát, chụp ảnh và đo trong một đơn vị cho phép bạn thực hiện quan sát một cách nhanh chóng và hiệu quả. Hình 3.9 Thiết bị đo vết tiếp xúc dao-phoi VHX của hãng KEYENCE. 60 e.Thiết bị đo độ nhám SV-2100 Thiết bị đo độ nhám bề mặt chuyên dùng SV-2100 Mitutoyo của Nhật Bản tại Trung tâm Việt Nhật -Trường Đại học công nghiệp Hà Nội có cấu tạo như Hình 3.10. Màn hình LCD màu hiển thị, các thông số đo được Ra, Rz, Rt, Rq, Ry theo tiêu chuẩn ISO, JIS, ANSI, DIN. Độ chính xác đo được theo chiều dài là 0,15 µm/100 mm. Tốc độ dịch chuyển đo (0,02-5 mm/s), độ phân giải là (0,01 µm/800 µm, 0,001µm/80 µm, 0,0001µm/8 µm). Hình 3.10 Thiết bị đo độ nhám SV-2100. f. Thiết bị đo rung động Mô đun thu thập dữ liệu LAN-XI có 4 đầu vào và 2 đầu ra tần số tới 51,2 kHz của hãng Bruel&Kjaer Đan mạch. Mô đun phân tích PULSE FFT 7770, 1-3 kênh, PULSE FFT Analysis của hãng Bruel&Kjaer Đan Mạch. Cảm biến gia tốc 3 phương Triaxial DeltaTron Accelerometer with TEDS Type 4525-B-001 của hãng Bruel & Kjaer Đan mạch như trên Hình 3.11. Hình 3.11 Thiết bị đo rung động trong quá trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. 3.1.3 Thiết kế thực nghiệm khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 Từ việc nghiên cứu lý thuyết về quá trình cắt và việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phay cao tốc như: biến dạng phoi, lực cắt, nhiệt cắt.., khả năng làm việc và tuổi thọ của dụng cụ cắt. Đồng thời căn cứ vào một số điều kiện khác như: Công suất cắt của máy, điều kiện bôi trơn, rung độngQua việc tham khảo các điều kiện thực nghiệm từ nghiên cứu 61 trước đó và thông qua việc thí nghiệm thử đồng thời căn cứ giới hạn mà thiết bị có thể gia công tốt nhất, tác giả lựa chọn các thông số đầu vào cho thực nghiệm phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 như sau: Vận tốc cắt (V) được chọn trong khoảng: 1000 ÷1256 m/phút. Chiều sâu cắt (t) từ 0,5 ÷ 1,5 mm. Bước tiến (f) nằm trong khoảng: 800 ÷1800 mm/phút. Miền nghiên cứu thực nghiệm lớn nhất và nhỏ nhất được chọn theo quy hoạch là: Vmax = 1256 m/phút; fmax =1800 mm/phút; tmax = 1,5 mm; Vmin = 1000 m/phút ; fmin= 800 mm/phút; tmin= 0,5 mm. Kết quả tính toán giá trị biến thiên trong thực nghiệm được cho trên Bảng 3.3. Bảng 3.3 Giá trị biến thiên trong miền thực nghiệm Yếu tố X1 X2 X3 Mức trên (+1) 1000 800 0,5 Mức dưới (-1) 1256 1800 1,5 Mức cơ sở (0) 1128 1300 1,0 Khoảng biến thiên 128 500 0,5 Như phân tích trong chương 2 cho thấy các thông số công nghệ ảnh hưởng rất lớn đến hệ số co rút phoi, lực cắt, rung động, vết tiếp xúc dao-phoi và chất lượng bề mặt chi tiết gia công. Nghiên cứu tiến hành thực nghiệm ảnh hưởng đồng thời của vận tốc cắt (V), lượng chạy dao (f) và chiều sâu cắt (t) theo mô hình toán học sau: Hàm hệ số co rút phoi 332 ...1 aaa tfVaK  , hàm lực cắt 332 ...1 bbb tfVbF  , hàm chất lượng bề mặt gia công 432 ...1 ccc a tfVcR  , hàm vết tiếp xúc giữa dao-phoi 432 ...1 ddd S tfVdH  , hàm biên độ rung động 432 ...1 kkk xy tfVkA  . Bảng 3.4 Các thông số đầu vào khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. Thứ tự Biến mã hóa V (m/phút) f (mm/phút) t (mm) X1 X2 X3 1 -1 -1 -1 1000 800 0,5 2 +1 -1 -1 1256 800 0,5 3 -1 +1 -1 1000 1800 0,5 4 +1 +1 -1 1256 1800 0,5 5 -1 -1 +1 1000 800 1,5 6 +1 -1 +1 1256 800 1,5 7 -1 +1 +1 1000 1800 1,5 8 +1 +1 +1 1256 1800 1,5 9 0 0 0 1128 1300 1,0 10 0 0 0 1128 1300 1,0 11 0 0 0 1128 1300 1,0 62 Chuyển từ biến tự thiên sang biến mã hóa không thứ nguyên lựa chọn được bảng quy hoạch thực nghiệm các thông số đầu vào khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 như Bảng 3.4. Bảng này gồm 11 thí nghiệm ứng với 3 biến đầu vào (V, f, t) trong đó 8 thí nghiệm chính và 3 thí nghiệm ở tâm. Các yếu tố đầu ra bao gồm: Hệ số co rút phoi, lực cắt, rung động, vết tiếp xúc giữa dao-phoi, độ nhám bề mặt chi tiết sau gia công và được xác định trên cùng một thí nghiệm. Nghiên cứu sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm và phân tích phương sai ANOVA để đánh giá, xây dựng các hàm hồi quy thực nghiệm. Thực nghiệm quá trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 sử dụng dao phay mặt đầu và phương pháp phay đối xứng, sơ đồ phay được mô hình hóa thể hiện trên Hình 3.12. Hình 3.12 Sơ đồ phay đối xứng khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. 3.2 Nghiên cứu thực nghiệm hình thái hình học của phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 3.2.1 Mục đích nghiên cứu hình thái hình học phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 Hình thái hình học của phoi là một thông số quan trọng để đánh giá khả năng gia công của vật liệu [89]. Sự biến dạng của phoi trong quá trình cắt phụ thuộc rất nhiều các yếu tố như: Đặc tính của vật liệu gia công (thành phần hóa học, các cơ tính vật lý của vật liệu), điều kiện gia công (các thông số công nghệ của chế độ cắt, môi trường gia công), những thay đổi về đặc điểm của vùng cắt, sự thay đổi trong vùng tiếp xúc giữa dao - phôi. Các tương tác giữa vùng cắt cấp 1, vùng cắt cấp 2, động học của hệ thống máy-dao- đồ gá và mối quan hệ của nó với quá trình cắt [44]. Đặc điểm hình thái của phoi cũng cung cấp thông tin hữu ích cho việc thiết kế dụng cụ cắt. Từ hình thái phoi được hình thành các nhà nghiên cứu cũng đưa ra lý thuyết về động lực học quá trình tạo phoi [89] và xây dựng cơ chế hình thành phoi ở các trạng thái khác nhau. Từ hình dạng của phoi thu được có thể giúp xác định được một số đặc tính có lợi và lựa chọn được vùng tốc độ phù hợp cho từng loại vật liệu. Từ dạng phoi hình thành cũng cho thấy cơ chế hình thành phoi khi gia công cao tốc cũng có sự khác biệt với cơ chế hình thành phoi ở tốc độ cắt thông thường [120]. 63 Hình thái của phoi hình thành trong quá trình cắt có ảnh hưởng đến chỉ tiêu bóc tách vật liệu ra khỏi vùng cắt. Tốc độ dịch chuyển của phoi cũng ảnh hưởng đến lực cắt, rung động, nhiệt, cơ tính của vùng tiếp xúc giữa phôi - dao, tuổi bền của dụng cụ cắt [52, 89]. Như vậy phân tích hình thái hình học của phoi có ý nghĩa to lớn trong việc đánh giá tổng thể quá trình hình thành phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. Trên Hình 3.13 là sơ đồ phân tích hình thái của phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. Hình 3.13 Sơ đồ phân tích sự tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. 3.2.3 Cơ chế hình thành phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 Dòng chảy của phoi hình thành khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 diễn ra nhanh và thời gian tiếp xúc giữa dao - phoi rất ngắn. Ma sát trượt chủ yếu xảy ra giữa dao - phôi tại vùng tiếp xúc nơi xảy ra quá trình biến dạng đàn hồi. Khi dụng cụ cắt tiếp tục tác động vào phôi thì biến dạng đàn hồi trở thành biến dạng dẻo. Khi phay với tốc độ cao, lưỡi cắt tiếp xúc với phôi, phoi được tách ra và chảy theo mặt trước của dụng cụ cắt, tuy nhiên phoi không văng ra theo hướng của tốc độ cắt do ảnh hưởng của lực ly tâm và rung động từ máy. Phoi sẽ bị văng theo mọi phía vì trong quá trình phay hầu hết phoi nhanh chóng tách ra và chảy dọc theo mặt trước của dụng cụ cắt. Bên cạnh đó vẫn còn một số mảnh phoi nhỏ bám vào dụng cụ cắt và ngay sau đó bị cuốn đi tức thời dọc theo hướng của dụng cắt tại điểm phía trái phần làm việc của dụng cụ cắt. Phần phoi bám vào bề mặt của lưỡi cắt (Hình 3.14) sẽ hình thành lẹo dao nhưng vì quá trình phay là quá trình cắt không liên tục nên lẹo dao hình thành cũng không ổn định, lẹo dao sẽ bị mất đi ngay sau đó. Hình 3.14 Phoi bám trên bề mặt lưỡi dao khi phay cao tốc nhôm A6061. Khi phay với tốc độ cao dưới ảnh hưởng của tốc độ biến dạng và nhiệt độ, biến dạng cắt xảy ra tại vùng biến dạng cấp 1 (Hình 3.15) vùng này bắt đầu xuất hiện biến dạng dẻo trên 64 mặt trượt của phoi, vùng biến dạng cấp 2 là vùng phoi tiếp xúc với dụng cụ cắt, phoi hình thành có dạng mảnh và chiều rộng hẹp. Trên mặt phoi có sự phân lớp và chia thành 2 phần: phần biến dạng có hình dạng gần giống hình thang và phần biến dạng lớn nằm giữa các lớp cắt. Hình dáng kích thước phân lớp của phoi phụ thuộc vào vận tốc cắt, lượng tiến dao và chiều sâu cắt. Hình 3.15 Cơ chế hình thành phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. 3.2.4 Đặc điểm hình thái hình học của phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 Hình thái hình học của phoi hợp kim nhôm A6061 khi phay cao tốc thể hiện sự biến dạng của phoi ở tốc độ cắt cao. Bề mặt phoi hình thành khi phay cao tốc nhôm A6061 được mô hình hóa như trên Hình 3.16a. Các bề mặt của phoi bao gồm: mặt ngoài của phoi gọi là mặt tự do; mặt phía trong tiếp xúc với dao gọi là mặt trong, ngoài hai mặt cơ bản trên phoi còn cấu tạo bởi hai cạnh phía ngoài phoi và cạnh phía trong phoi. Sự biến dạng của phoi quan sát rõ ràng nhất trên bề mặt tự do, cạnh phoi phía ngoài và phía trong phoi. Bề mặt tự do và bề mặt tiếp xúc của dao-phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 được thể hiện trên Hình 3.16b. a) Cấu tạo phoi b) Các bề mặt phoi Hình 3.16 Các bề mặt phoi tạo thành khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. + Phân tích cấu trúc của bề mặt tự do của phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 Trên Hình 3.17 là hình ảnh chụp SEM bề mặt tự do phoi hợp kim nhôm A6061 với tốc độ cắt 1000 m/phút. Quan sát cho thấy trên bề mặt phoi có sự xếp chồng kim loại với nhau tạo thành các lớp liên tiếp nhau (các đoạn). Như vậy khi phay với tốc độ cao hợp kim nhôm 65 A6061 thì phân tử của phôi chuyển thành phoi có ứng suất tiếp lớn, làm vật liệu trượt từng lớp. Từ hình ảnh chụp SEM phoi hình thành khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 quan sát thấy rằng mức độ phân bố các lớp trên bề mặt tự do của phoi phụ thuộc vào các thông số công nghệ (V, f, t) khi phay. Trên bề mặt tự do của phoi phân thành 2 vùng rõ rệt: Vùng phía ngoài (Hình 3.17) phoi được hình thành từ cạnh của dụng cụ cắt, vùng phoi phía trong hình thành từ phần góc của cạnh dụng cụ cắt. Phoi hợp kim nhôm A6061 hình thành trong quá trình phay cao tốc chịu sự biến dạng khác nhau nên hai vùng trên có sự khác nhau về cấu trúc bề mặt. Cụ thể khi quan sát hình ảnh chụp SEM bề mặt phoi thấy rằng vùng phoi phía ngoài trên bề mặt tự do không chịu sự tiếp xúc của phôi - dao nên biến dạng nhiều, tạo thành các lớp có dạng hình thang (răng cưa). Vùng phía trong của phoi do bị ảnh hưởng của sự tiếp xúc giữa dao và phần phôi còn lại, các phần tử kim loại ở vùng này gần như bị nén. Quan sát trên ảnh SEM cho thấy cấu trúc của phoi vùng này khác biệt vùng phoi phía ngoài. Các lớp ở vùng phoi phía trong có xu hướng nghiêng theo cạnh bên trong của dao, các lớp này có kích thước nhỏ và phân bố đều nhau như trên Hình 3.17. Hình 3.17 Cấu trúc lớp bề mặt tự do của phoi hình thành khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 (V = 1000 m/phút, f = 1800 mm/phút, t = 1,5 mm). Đồng thời các lớp hình thành quan sát rõ ràng phần phía ngoài phoi hình thành từng đoạn rõ rệt. Sự phân đoạn trên cạnh phía ngoài của phoi phụ thuộc vào các đặc điểm của quá trình cắt như: Vận tốc cắt, chiều sâu cắt, lượng chạy dao và vật liệu gia công. + Phân tích cấu trúc bề mặt phoi tiếp xúc với dao (mặt trong) Hình 3.18 SEM hình ảnh mặt phoi tiếp xúc với dao khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. Khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 thì bề mặt phoi tiếp xúc với dao thường rất mịn và sáng bóng, cấu trúc bề mặt hoàn toàn khác với bề mặt tự do, hình ảnh chụp SEM bề mặt phoi tiếp xúc với dao cho trên Hình 3.18. Điều này cho thấy lớp phoi này tiếp xúc trực tiếp với mặt trước của dao bị ảnh hưởng của ma sát trong vùng tiếp xúc giữa dao - phoi, nhiệt độ và ứng suất tại vùng tiếp xúc cao. 66 Mặt khác sự biến dạng của mặt phoi cũng bị hạn chế bởi mặt trước của dụng cụ cắt từ việc chịu sức ép từ các điều kiện như vậy nên bề mặt tiếp xúc với dao có cấu trúc khác hẳn so với bề mặt tự do. 3.2.5 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến hình thái hình học của phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 Các thông số công nghệ ảnh hưởng đến hình thái hình học của phoi bao gồm vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt. Chế độ cắt khác nhau phoi hình thành có hình dáng và cấu trúc lớp bề mặt tự do khác nhau. + Ảnh hưởng của vận tốc cắt a) V = 471 m/phút b) V = 1130 m/phút. Hình 3.19 Phoi hình thành khi phay hợp kim nhôm A6061 ở các tốc độ cắt khác nhau. Nghiên cứu phân tích, so sánh hình dáng của phoi hình thành ở vùng tốc độ cắt thấp (471 m/phút) và hình dáng của phoi hình thành ở vùng tốc độ cắt cao (1130 m/phút) khi phay hợp kim nhôm A6061 cho trên Hình 3.19 (lượng chạy dao và chiều sâu cắt không thay đổi). Vùng tốc độ cắt thấp 471 m/phút (Hình 3.19a) phoi có dạng mảnh, độ xoắn của phoi thưa. Ngược lại hình dạng phoi ở vùng tốc độ cắt cao 1130 m/phút (Hình 3.19b) phoi hình thành có độ xoắn nhiều hơn và vùng phoi phía ngoài có xuất hiện sự phân đoạn trên cạnh phoi. Như vậy độ xoắn của phoi tăng khi gia tăng tốc độ cắt là phoi bị biến dạng nhiều hơn do nhiệt cắt và ứng suất sinh ra lớn cùng với tốc độ dịch chuyển của phoi nhanh đã ảnh hưởng nhất định đến hình thái hình học của phoi. a)V =1000m/phút b) V =1256 m/phút Hình 3.20 Chiều rộng của phoi hợp kim nhôm A6061 khi phay cao tốc. 67 Tốc độ cắt ảnh hưởng đến chiều rộng của phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061, ở cùng lượng chạy dao là 1800 mm/phút và chiều sâu cắt 1,5 mm, chiều rộng của phoi ở tốc độ cắt 1256 m/phút là 1,84 mm trong khi ở tốc độ cắt 1000 m/phút chiều rộng phoi là 2,0 mm. Chiều cao lớp phoi giảm 12,5%, khoảng cách giữa hai đỉnh lớp phoi giảm 9,6% khi tốc độ cắt giảm từ 1256 m/phút đến 1000 m/phút như Hình 3.20. Để thấy rõ ràng hơn biến dạng của phoi bị ảnh hưởng bởi tốc độ cắt, nghiên cứu phân tích hình ảnh chụp SEM bề mặt tự do của phoi ở các tốc độ cắt khác nhau (Hình 3.21). Ở tốc độ cắt thấp 565 m/phút phoi hình thành có lớp nhỏ và đều liên tục nhau do sự biến dạng của phoi không nhiều trong quá trình gia công. Tuy nhiên khi tăng tốc độ cắt cao đến 1000 m/phút thì trên bề mặt tự do của phoi quan sát rõ các lớp hình thành trên bề mặt phoi đã rõ ràng và các lớp cấu trúc cũng đã hình thành riêng biệt nhau như Hình 3.21b. a) V = 565 m/phút b)V= 1000 m/phút Hình 3.21 Ảnh SEM hình thái của phoi A6061 khi phay cao tốc ứng với các vận tốc cắt khác nhau. Như vậy ở vùng tốc độ cắt ảnh hưởng đến sự phân đoạn của phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061, ở vùng tốc độ cắt cao sự phân lớp rõ ràng cho thấy sự biến dạng mãnh mẽ của lớp phoi được hình thành. + Ảnh hưởng của lượng chạy dao Hình dạng của phoi được quan sát khi hình thành ở các lượng chạy dao khác nhau cho trên Hình 3.22 và thấy rằng lượng chạy dao cũng ảnh hưởng nhất định đến hình thái hình học của phoi. Quan sát thấy rõ nhất là sự biến dạng theo chiều rộng của phoi tăng khi tăng lượng chạy dao. Hình 3.22 Hình dạng của phoi A6061 khi phay cao tốc với lượng chạy dao khác nhau (V = 1256 m/phút; t = 1,5 mm). 68 Lượng chạy dao ảnh hưởng đến sự phân lớp và chiều rộng của phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 như Hình 3.23. Cùng vận tốc cắt là 1256 m/phút và chiều sâu cắt là 1,5 mm, với lượng chạy dao là 800 mm/phút thì chiều rộng phoi đo được là 1,98 mm lớn hơn 7,07% so với chiều rộng phoi hình thành ở lượng chạy dao 1800 mm/phút. Mặt khác quan sát sự phân lớp của phoi ứng với lượng chạy dao 800 mm/phút, chiều cao và mức độ phân lớp cũng nhỏ hơn so với phoi hình thành với lượng chạy dao 1800 mm/phút. Khi tăng lượng chạy dao phoi hình thành có sự dồn nén của vật liệu nhiều hơn khi phoi hình thành với lượng chạy dao mỏng trên bề mặt tự do của phoi như trên Hình 3.23. a) f= 1800 mm/phút b) f = 800 mm/phút Hình 3.23 Chiều rộng phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 với lượng chạy dao khác nhau. Sự khác nhau về mức độ biến dạng của phoi cũng thể hiện trên bề mặt tự do, về cấu trúc các lớp được hình thành. Trong cùng một điều kiện cắt: tốc độ cắt 1256 m/phút, chiều sâu cắt là 1,5 mm, cấu trúc tế vi lớp bề mặt (cho trên Hình 3.24a) thấy rằng khi lượng chạy dao bằng 800 mm/phút sự phân lớp cấu trúc trên bề mặt tự do của phoi không dày như các lớp cấu trúc hình thành khi phay với lượng chạy dao 1800 m/phút như trên Hình 3.24b. a) f= 800 (mm/phút) b) f = 1800 (mm/phút) Hình 3.24 Cấu trúc bề mặt lớp phoi hợp kim nhôm A6061 (V = 1256m/phút, t = 0,5 mm) Khác biệt của phoi hình thành khi tăng lượng chạy dao còn thể hiện trên bề tiếp xúc với dao như trên Hình 3.25. Khi lượng chạy dao 800 mm/phút quan sát thấy mặt trong của phoi nhẵn và có các “vân” đều nhau (Hình 3.25a) trong khi lượng chạy dao là 1800 m/phút quan sát rõ thấy các vết trượt nghiêng (Hình 3.25b). 69 a) f = 800 mm/phút b) f = 1800 mm/phút. Hình 3.25 Ảnh SEM bề mặt phoi tiếp xúc với dao khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 (V = 1000 m/phút, t = 1,5 mm). + Ảnh hưởng của chiều sâu cắt Quan sát hình thái hình học của phoi hợp kim nhôm A6061 hình thành khi cố định tốc độ cắt 1000 m/phút, lượng chạy dao 800 m/phút và thay đổi chiều sâu cắt thay đổi từ 0,5 mm đến 1,5 mm thấy rằng chiều sâu cắt là tham số ảnh hưởng lớn đến kích thước của phoi. Sự thay đổi quan sát rõ ràng nhất là kích thước của phoi và hình dáng phoi hình thành cho trên Hình 3.26. Hình 3.26 Hình thái của phoi hợp kim nhô

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_an_nghien_cuu_mo_phong_va_kiem_chung_qua_trinh_tao_phoi.pdf
Tài liệu liên quan