Luận văn Nghiên cứu xác định chế độ công nghệ hợp lý khi phay các chi tiết hợp kim nhôm thành mỏng

ra nghiên cứu của Takeyama cho rằng có sự tăng đột ngột của tốc độ mòn tại nhiệt độ 9300C khi cắt bằng dao hợp kim cứng. Điều này liên quan đến một cơ chế mòn khác đó là hiện tượng mòn do khuếch tán, ôxy hoá hoặc sự phân rã hoá học của vật liệu dụng cụ ở các lớp bề mặt. Theo Brierley và Siekman hiện nay mòn do khuếch tán đã được chấp nhận rộng rãi như một dạng mòn quan trọng ở chế độ cắt cao, họ chỉ ra các quan sát của Opitz cho thấy trong cấu trúc tế vi của các lớp dưới của phoi thép cắt bằng dao hợp kim cứng chứa nhiều các bon hơn so với phôi. Điều đó chứng tỏ rằng các bon từ các bít volfram đã hợp kim hoá hoặc khuếch tán vào phoi làm tăng thành phần các bon của các lớp này. Min và Youzhen đã phát hiện hiện tượng khuếch tán khi phay hợp kim titan bằng dao phay gắn mảnh hợp kim cứng ở vận tốc cắt 200m/phút. Họ đã quan sát một lớp giàu các bon dọc theo mặt tiếp xúc giữa bề mặt dụng cụ và vật liệu gia công, dưới bề mặt dụng cụ xuất hiện một lớp thiếu các bon. * Mòn do ôxy hoá Dưới tác dụng của tải trọng nhỏ, các vết mòn kim loại trông nhẵn và sáng. Mòn xảy ra với tốc độ thấp và các hạt mòn ôxits nhỏ được hình thành. Bản chất của cơ chế mòn này là sự bong ra của các lớp ôxy hoá khi đỉnh các nhấp nhô trượt lên nhau. Sau khi lớp ôxy hoá bị bong ra thì lớp khác lại được hình thành theo một quá trình kế tiếp nhau liên tục. Tuy nhiên theo Halling lớp màng ôxits và các sản phẩm của tương tác hoá học với môi trường trên bề mặt tiếp xúc có khả năng ngăn ngừa hiện tượng dính của đỉnh các nhấp nhô. Khi đôi ma sát trượt làm việc trong môi trường chân không thì mòn do dính xảy ra mạnh do lớp màng ôxits không thể hình thành được. 1.3.5.2 Ảnh hưởng của mòn dụng cụ cắt tới tính gia công của vật liệu Trong quá trinh cắt, phoi trượt trên mặt trước và chi tiết chuyển động tiếp xúc với mặt sau của dao gây lên hiện tượng mòn ở phần cắt dụng cụ. Mài 33 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN mòn dụng cụ cắt là hiện tượng phức tạp xảy ra theo các hiện tượng lý hóa ở các bề mặt tiếp xúc phoi và chi tiết với dụng cụ gia công. Khi mài mòn, dạng và thông số hình học của phần cắt dụng cụ cắt thay đổi gây nên các hiện tượng vật lý sinh ra trong quá trình cắt (nhiệ tcắt,lực cắt...) và ảnh hưởng xấu đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công. Trong quá trình cắt, áp lực lên bề mặt tiếp xúc lớn hơn rất nhiều sovới áplực làm việc của chi tiết máy và dụng cụ bị mài mòn theo nhiều dạng khác nhau như mòn theo mặt sau, mòn theo mặt trước...[7] Đánh giá tính gia công của vật liệu theo quan điểm độ mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt có nghĩa là xem xét ảnh hưởng của vật liệu gia công tới mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt.Vật liệu khi cắt cho tuổi bền của dao thấp thì tính gia công thấp và ngược lại.[7] 1.3.6. Chất lượng bề mặt gia công Chất lượng bề mặt (CLBM) gia công như một tiêu chí đánh giá tính gia công của vật liệu. Chất lượng bề mặt càng tốt thì vật liệu càng dễ gia công. Trong thực tế, chất lượng bề mặt của chi tiết máy có ý nghĩa quan trọng để dảm bảo tuổi thọ của chúng. CLBM chi tiết máy ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất ma sát trong vùng làm việc; đến khá năng chống mài mòn cơ học; chống ăn mòn hóa,... CLBM còn ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu tải trọng va đập, đến độ bền mỏi,... của chi tiết máy. Chất lượng bề mặt chi tiết gia công chịu ảnh hưởng rất lớn bởi phương pháp, qúa trình và chế độ công nghệ gia công. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt bao gồm: + Độ nhám bề mặt hay còn gọi là độ nhấp nhô tế vi + Độ sóng bề mặt. + Độ cứng tế vi hay cấu trúc tế vi lớp bề mặt + Ứng suất dư bề mặt 34 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN Đánh giá tính gia công theo chất lượng bề mặt thường được sử dụng khi gia công tinh. [7] Mặt cắt ngang cấu trúc bề mặt chi tiết được tạo thành bởi quá trình gia công cho ở (hình 1.9). Hình 1. 9 Cấu trúc tế vi lớp bề mặt gia công Chất lượng bề mặt được cấu thành bởi tính chất hình học tế vi lớp bề măt (cấu trúc bề mặt -Surface texture), tính chất cơ lý lớp bề mặt gồm lớp hư hỏng bề mặt (Surface integrity) và thay đổi cấu trúc tế vi (Microstructural transformations). Cấu trúc lớp bề mặt và tính chất cơ lý lớp bề mặt phải được đảm bảo và kiểm soát được trong suốt quá trình gia công. Trong quá trình cắt, lưỡi cắt của dụng cụ cắt tác động vào bề mặt gia công tạo thành phoi đồng thời hình thành những vết xước cực nhỏ trên bề mặt gia công gọi là độ nhám bề mặt. Độ nhám bề mặt (độ nhấp nhô tê vi) là tập hợp tất cả những bề mặt lồi, lõm với bước cực nhỏ và được quan sát trên một khoảng ngắn tiêu chuẩn. 1.3.6.1 Cấu trúc bề mặt (Surface texture) Cấu trúc bề mặt liên quan đến những yếu tố về hình học đến bề mặt gia công. Cấu trúc bề mặt gồm Profin bề mặt (nhám bề mặt; sóng bề mặt) và các lỗi hình dáng trên bề mặt như vết gia công (Lay), các vết nứt, vết cào xước,v.v. như hình 1.10. 35 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN a. Profin bề mặt(surface profile) + Nhám bề mặt (Surface roughness): tập hợp các mập mô bề mặt quan sát trong khoảng ngắn tiêu chuẩn (theo TCVN TCVN 5120 : 2007: Profin độ nhám (roughness profile)là Profile thu đƣợc từ profin ban đầu bằng cách loại bỏ thành phần sóng dài thông qua sử dụng bộ lọc profin λc).. + Sóng bề mặt (Waviness): Độ không bằng phẳng của bề mặt quan sát trong khoảng lớn tiêu chuẩn (theo TCVN TCVN 5120 : 2007: Profin độ sóng (waviness profile) là Profin thu được bằng các ứng dụng tiếp sau của bộ lọc profin λf và bộ lọc profin λc đối với profin ban đầu, bằng cách loại bỏ thành phần sóng dài nhờ bộ lọc profin λf và loại bỏ thành phần sóng ngắn nhờ bộ lọc profin (λc). - Các lỗi hình dáng: các vết gia công (Lay); vết nứt, khuyết tật (Flaws); vết chầy xước (cracks),v.v. Hình 1. 10 Nhám bề mặt, sóng bề mặt và các vết nứt vết gia công trên bề mặt 36 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN b. Tiêu chuẩn Quốc gia về nhám bề mặt Tiêu chuẩn Quốc gia đặc tính hình học của sản phẩm – Nhám bề mặt: các thuật ngữ, định nghĩa và các thông số nhám bề mặt được quy định trong TCVN 5120 : 2007 (ISO 4287 : 1999); phương pháp Profin quy định trong TCVN 2511: 2007 (ISO 12085 : 1996); cách ghi nhám bề mặt trên tài liệu kỹ thuật của sản phẩm quy định trong TCVN 5707 : 2007 (ISO 1302 : 22002). Hai thông số thường dùng để đánh giá nhám bề mặt gồm: - Sai lệch trung bình cộng của profin được đánh giá Ra (Hình 1.11). Ra được xác định theo công thức: (1.14) Lm là chiều dài đo nhám, được quy định theo tiêu chuẩn quốc tế. Thực tế nhám là đại lượng không liên tục, phép tính tích phân (2.1) được thay bằng phép cộng số để tính Ra: (1.15) - n là chỉ số nhấp nhô có giá trị đo yi. Đơn vị đo chiều cao nhấp nhô là m hoặc -in do kích thước nhấp nhô thường rất bé. Khi đo nhám theo Ra, quy định đo ngắt đoạn (Cutoff length) trên khoảng 1:5 chiều dài chuẩn để kết quả đo không bị ảnh hưởng bởi các đỉnh lượn sóng trên bề mặt. Theo TCVN 2511-1995 quy định, nhám bề mặt có14 cấp độ (bảng 1.1). Chất lượng bề mặt ở cấp độ “thô” và “siêu tinh”, đánh giá nhám theo chỉ số Rz; ở cấp độ tinh và bán tinh, đánh giá nhám bề mặt theo chỉ số Ra. 37 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN Bảng 1.1. Các cấp độ nhám bề mặt theo TCVN 2511-1995 Hình 1. 11 Xác định nhám bề mặt Rz RZ được xác định theo công thức sau: (1.17) 1.3.6.2 Phương pháp xác định nhám bề mặt Tất cả những nguyên tắc vật lý được nhắc đến trong kỹ thuật đo độ dài cũng có thể áp dụng cho đo bề mặt. Do phương pháp đo cơ học và quang học đã được chứng minh là có hiệu quả nhất trong lĩnh vực này, phần dưới đây chỉ thảo luận về hai phương pháp này: Dụng cụ đo bề mặt hoạt động dựa trên nguyên lý chức năng cơ học thƣờng được gọi là dụng cụ đầu dò (stylus instruments). Phương pháp đo cơ 38 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN học được phân thành phương pháp quét và phương pháp cảm biến. Đối với phương pháp quét (scanning), một đầu dò tiếp xúc được hạ xuống bề mặt kiểm tra với tần số xác định. Hướng bề mặt dưới mũi kim với tốc độ cấp liệu (tốc độ đưa vào) không đổi. Đường tiếp xúc của đầu dò có thể nhận biết được một cách cơ học, quang học, điện hoặc điện tử. Có thể nâng đầu dò tiếp xúc lên một mức cố định (nguyên lý WOXEN) hoặc có thể nâng lên một lượng xác định từ điểm tác động bề mặt tƣơng ứng (quá trình tiếp xúc phân tốc/ vi sai- differential tactile procedure) (Hình 1.12). Hình 1. 12 Đo nhám bằng phương pháp cơ học Hình 1. 13 Đo nhám trên các bề mặt khác nhau Trong quá trình tiếp xúc phân tốc, vi sai, năng lượng tác động của đầu dò tiếp xúc thấp hơn sơ với nguyên lý WOXEN và cho thấy độ phân tán biên. Do đó, độ sâu cắt của kim là không đổi, độ chính xác đo cao hơn so với phƣơng pháp WOXEN. Trong trường hợp thiết bị hoạt động theo 39 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN phương pháp cảm biến, đầu dò được hứng liên tục trên bề mặt. Kim nâng lên và hạ xuống phù hợp với mặt cạnh. Chuyển động nâng chỉ ra tương ứng đối với điểm đối chiếu trong thiết bị hoặc tương ứng với mức đối chiếu. Lúc này, bộ chuyển đối cơ học, điện, quang học và điện tử đƣợc sử dụng. Phương pháp cảm biến cạnh được sử dụng rất nhiều. Độc lập với kiểu dáng thiết kế đầu dò được sử dụng, ba thiết kế hệ thống được phân biệt (Hình 1.13). Mặt phẳng hệ thống đối chiếu/ hệ thống tham chiếu Trong hệ thống này, bộ phận quét được hướng trên mặt phẳng đối chiếu (mặt phẳng/ bào, cọc/ hình trụ) tƣơng ứng với mặt phẳng hình học lý tƣởng của mẫu thử nghiệm và hướng dọc theo mặt phẳng đo. Ngoài các lỗi do hình dạnh thước cặp, hệ thống quét này cho giá trị đáng tin cậy của độ nhám và độ lượn sóng của mẫu thử nghiệm. Tuy nhiên, khi đo bề mặt rất nhỏ hoặc rất rộng, thao tác hệ thống quét này dễ sai số. Một phương pháp thay thế là hệ thống tiếp xúc bề mặt đối chiếu. Tại đây, phôi di chuyển theo chiều ngang trên bàn máy định hướng chính xác dưới hệ thống quét được cố định chắc chắn. Bên cạnh độ nhám, có thể xác định cấu trúc vĩ mô của bề mặt ở những khoảng nhất định. 1.3.7. Độ chính xác gia công Độ chính xác gia công là mức độ đạt được khi gia công các chi tiết thực so với độ chính xác thiết kế đề ra. Trong thực tế, độ chính xác gia công thường được biểu hiện bằng sai lệch về kích thước và sai lệch về hình dáng. Sai lệch gia công càng lớn tức là độ chính xác gia công càng kém Trong quá trình gia công bằng bất kì phương pháp nào đều phải dựa vào hình dáng và kích thước đã thiết kế. Trong thực tế, khó có thể đạt được yêu cầu lý tưởng. Hình dáng kích thước thực so với yêu cầu thiết kế có những sai lệch nhất định, dovậy người ta đánh giá tính gia công trên quan điểm độ chính xác gia công thông qua sai số của quá trình gia công.[7] 40 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 1.3.8. Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế về quá 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 41 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 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. 42 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 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 43 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 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 44 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 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. 45 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 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 Bảng 2.2 Đặc điểm cơ học của hợp kim nhôm A6061 46 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 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 47 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 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. 48 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 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 49 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 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 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 trườn