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

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2022


BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

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
CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ
MÃ SỐ : 9.52.01.03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. PHẠM VĂN BỔNG
2. GS.TS. TRẦN VĂN ĐỊCH

Hà Nội - Năm 2022


i

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc và chân thành tới hai
thầy hướng dẫn khoa học là PGS.TS. Phạm Văn Bổng và GS.TS. Trần Văn
Địch đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong thời gian thực hiện luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Đảng ủy, Ban Giám hiệu, Khoa Cơ khí,
Trung tâm Việt – Nhật, Trung tâm Đào tạo Sau đại học, Trung tâm Hợp tác
doanh nghiệp, các thầy cô giáo và đồng nghiệp tại trường Đại học Công
nghiệp Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi trong suốt q trình
học tập và nghiên cứu.
Đồng thời, tôi xin chân thành cảm ơn Viện Công nghệ Vật liệu Nano,
trường Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang (POSTECH) - Hàn Quốc đã
giúp tôi chụp XRD và xử lý số liệu về ứng suất dư lớp bề mặt.
Cảm ơn gia đình đã ln bên cạnh và động viên tinh thần giúp tơi có
động lực lớn lao để vượt qua khó khăn và hồn thành luận án.
Hà Nội, ngày 14 tháng 02 năm 2022
NGHIÊN CỨU SINH


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi
dưới sự hướng dẫn hai thầy hướng dẫn khoa học. Các số liệu, kết quả được
phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, trung thực, chưa từng được
công bố trong bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào khác.
Hà Nội, ngày 14 tháng 02 năm 2022
NGHIÊN CỨU SINH

iii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. ii
MỤC LỤC........................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................... ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................... x
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG THÉP KHÔNG GỈ................. 6
1.1. Tổng quan chung về thép khơng gỉ ........................................................ 6
1.1.1. Vai trị của các ngun tố hợp kim trong thép không gỉ................. 6
1.1.2. Phân loại thép không gỉ................................................................... 9
1.2 Thép không gỉ Austenit ......................................................................... 10
1.2.1. Thành phần hóa học ...................................................................... 10
1.2.2. Các loại thép khơng gỉ Austenit .................................................... 10
1.2.3. Tính chất vật lý.............................................................................. 11
1.2.4. Tính chất cơ học ............................................................................ 11
1.2.5. Tính chất mỏi ................................................................................ 13
1.3. Một số yếu tố đặc trưng khi gia công của thép khơng gỉ ..................... 14
1.3.1 Đặc tính gia cơng của thép khơng gỉ.............................................. 14
1.3.2. Cơ chế mịn và tuổi bền dụng cụ cắt ............................................. 16
1.3.3 Chất lượng bề mặt .......................................................................... 18
1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước về gia cơng thép khơng gỉ19
1.4.1. Các nghiên cứu ngồi nước........................................................... 19


iv

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 ............................. 19
1.4.1.2. Các nghiên cứu về tối ưu hóa khi gia cơng thép khơng gỉ..... 21
1.4.2. Các nghiên cứu trong nước ........................................................... 22
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1................................................................................ 24
CHƯƠNG 2 - NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC
THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT........................ 25
2.1. Độ nhấp nhô tế vi bề mặt ..................................................................... 25
2.1.1. Các thông số của độ nhấp nhô tế vi bề mặt................................... 25
2.1.2. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt...... 26
2.2. Độ cứng tế vi ........................................................................................ 29
2.2.1. Đo độ cứng tế vi ............................................................................ 29
2.2.2. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ cứng tế vi .......... 31
2.3. Ứng suất dư .......................................................................................... 33
2.3.1. Cơ chế hình thành ứng suất dư...................................................... 33
2.3.2. Các phương pháp đo và tính tốn ứng suất dư.............................. 34
2.3.2.1. Phương pháp đo kiểu không phá hủy dựa trên nhiễu xạ........ 35
2.3.2.2. Phương pháp đo kiểu bán phá hủy......................................... 39
2.3.2.3. Phương pháp đo kiểu phá hủy................................................ 40
2.3.2.4. Tính tốn giá trị ứng suất dư .................................................. 42
2.3.3. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến ứng suất dư............. 45
2.3.4. Ảnh hưởng của ứng suất dư đến độ bền mỏi của chi tiết.............. 46
2.4. Sự hình thành phoi khi gia cơng thép khơng gỉ ................................... 48


v

2.4.1 Quá trình hình thành phoi .............................................................. 48
2.4.2 Ảnh hưởng của dạng phoi và độ nhám bề mặt .............................. 50
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2................................................................................ 54
CHƯƠNG 3 - NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG

CỦA CÁC THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI
TIỆN CNC THÉP SUS304 ............................................................................. 55
3.1. Phương pháp xây dựng mơ hình tốn học biểu diễn mối quan hệ giữa
các thông số công nghệ với một số yếu tố đầu ra của quá trình cắt............ 55
3.1.1. Phương pháp bề mặt chỉ tiêu (RSM)............................................. 55
3.1.2. Phương pháp phân tích phương sai (ANOVA)............................. 58
3.2. Xây dựng mơ hình thực nghiệm........................................................... 59
3.2.1. Sơ đồ thí nghiệm ........................................................................... 59
3.2.2. Xác định miền của các thông số công nghệ thực nghiệm khi tiện
CNC thép SUS304 .................................................................................. 62
3.3. Điều kiện thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến các
chỉ tiêu đầu ra khi tiện CNC thép SUS304 ................................................. 64
3.3.1. Thiết bị thực nghiệm ..................................................................... 64
3.3.2. Phôi thực nghiệm .......................................................................... 64
3.3.3. Dụng cụ cắt ................................................................................... 66
3.3.4. Thiết bị đo và phương pháp đo ..................................................... 66
3.4. Thực nghiệm xác định một số yếu tố đặc trưng của chất lượng bề mặt
khi tiện CNC thép SUS304 ......................................................................... 69
3.4.1. Phân tích ảnh hưởng và xây dựng hàm hồi quy mối quan hệ giữa
các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt.......................................... 69


vi

3.4.2. Phân tích ảnh hưởng và xây dựng hàm hồi quy mối quan hệ giữa
các thông số công nghệ đến độ cứng tế vi .............................................. 77
3.4.3. Phân tích ảnh hưởng và xây dựng hàm hồi quy giữa các thông số
công nghệ đến ứng suất dư...................................................................... 83
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3................................................................................ 92
CHƯƠNG 4 - TỐI ƯU HĨA CÁC THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ ĐỂ NÂNG

CAO CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT, ĐẢM BẢO NĂNG SUẤT CẮT KHI TIỆN
CNC THÉP SUS304 ....................................................................................... 93
4.1. Xây dựng mô hình tối ưu hóa .............................................................. 93
4.1.1. Tổng quan về tối ưu hóa q trình gia cơng ................................. 93
4.1.2. Giải thuật Dơi................................................................................ 95
4.1.3. Giải pháp tối ưu đa mục tiêu Pareto.............................................. 97
4.1.3.1. Khái niệm về giải pháp tối ưu Pareto..................................... 98
4.1.3.2. Giải bài toán tối ưu đa mục tiêu ............................................. 99
4.2. Ứng dụng giải thuật Dơi để tối ưu hóa đơn mục tiêu ........................ 100
4.3. Tối ưu hóa đa mục tiêu để nâng cao chất lượng bề mặt, đảm bảo năng
suất cắt khi gia công .................................................................................. 105
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4.............................................................................. 112
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ............................................................... 113
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN............... 116
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................... 117
PHỤ LỤC ...................................................................................................... 130


vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu
AISI

Ý nghĩa (tiếng Anh)
American Iron and Steel Institute

ANOVA Analysis of Variance
BA

Ý nghĩa (tiếng Việt)
Tiêu chuẩn sắt, thép Hoa Kỳ
Phân tích phương sai

Bat Algorithm

Giải thuật Dơi

BBD

Box-Behnken Design

Thiết kế Box-Behnken

BUE

Build-Up Edge

Hiện tượng lẹo dao

BUL

Build-Up Layer

Hiện tượng phoi bám

CNC

Computer Numerical Control

Điều khiển số bằng máy tính

CVD

Chemical Vapor Deposition

Phủ bay hơi hóa học

Degree of Freedom

Bậc tự do

Variance Ratio (Fisher)

Tỷ lệ phương sai

Full Width at Half Maximum

Độ rộng nửa đỉnh nhiễu xạ

GA

Genetic Algorithm

Giải thuật Di truyền

HV

Vickers Hardness

Độ cứng Vickers

Multi-Objective Bat Algorithm

Tối ưu hóa đa mục tiêu sử dụng
giải thuật Dơi

Material Removal Rate

Năng suất bóc tách vật liệu

Mean of Square

Trung bình bình phương

Probability of Significance

Xác suất có ý nghĩa

DF
F
FWHM

MOBA
MRR
MS
P


viii

Ký hiệu
PSO

Ý nghĩa (tiếng Anh)

Ý nghĩa (tiếng Việt)

Particle Swarm Optimization

Giải thuật Bầy đàn

Determination Coefficient

Độ tin cậy mơ hình

RSM

Response Surface Methodology

Phương pháp bề mặt chỉ tiêu

SEM

Scanning Electron Microscopy

Kính hiển vi điện tử quét

SI

Surface Integrity

Chất lượng bề mặt

SS

Sum of Square

Tổng bình phương

SUS

Steel Use Stainless

Ký hiệu thép không gỉ theo tiêu
chuẩn Nhật Bản

XRD

X-Ray Diffraction

Nhiễu xạ tia X

R

2


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Tính chất vật lý của các loại vật liệu [18] ...................................... 15
Bảng 2.1. Bảng so sánh các kỹ thuật đo ứng suất dư [16], [115]................... 41
Bảng 3.1. Các thông số của chế độ cắt ........................................................... 62
Bảng 3.2. Quy hoạch thực nghiệm ................................................................. 63
Bảng 3.3. Thành phần hóa học của thép SUS304 .......................................... 65
Bảng 3.4. Đặc tính cơ, lý của thép SUS304 ................................................... 65
Bảng 3.5. Thiết kế thí nghiệm và kết quả đo độ nhám bề mặt ....................... 70
Bảng 3.6. Phân tích ANOVA cho độ nhám bề mặt ........................................ 71
Bảng 3.7. Thiết kế thí nghiệm và kết quả đo độ cứng tế vi............................ 77
Bảng 3.8. Phân tích ANOVA cho độ cứng tế vi............................................. 78
Bảng 3.9. Xác định các số liệu tính tốn ứng suất dư .................................... 84
Bảng 3.10. Thiết kế thí nghiệm và kết quả tính tốn ứng suất dư.................. 86
Bảng 3.11. Phân tích ANOVA cho ứng suất dư............................................. 87
Bảng 4.1. Các tham số giải thuật Dơi ........................................................... 101
Bảng 4.2. Thực nghiệm kiểm chứng tối ưu Ra ............................................. 104
Bảng 4.3. Các tham số MOBA ..................................................................... 106
Bảng 4.4. Giải pháp tối ưu đạt được bằng MOBA ....................................... 110
Bảng 4.5. Kết quả thực nghiệm kiểm chứng ................................................ 110
Bảng 4.6. Năng suất cắt ứng với chất lượng bề mặt tối ưu .......................... 111


x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Ảnh hưởng của hàm lượng Cr đến tốc độ ăn mịn [58].................... 7
Hình 1.2. Phân loại thép khơng gỉ [114] .......................................................... 9
Hình 1.3. So sánh giới hạn bền kéo và chảy của các loại vật liệu [19].......... 12
Hình 1.4. So sánh độ giãn dài tương đối của các loại vật liệu [19] ............... 12
Hình 1.5. Đường cong ứng suất-biến dạng của thép không gỉ [65] ............... 13

Hình 1.6. Ảnh hưởng của mơi trường đến độ bền mỏi của thép khơng gỉ [54]
......................................................................................................................... 14
Hình 1.7. So sánh khả năng gia công của thép không gỉ [114]...................... 16
Hình 1.8. Các dạng mịn phổ biến khi tiện [86] ............................................. 16
Hình 1.9. Hiện tượng lẹo dao: (a) giản đồ, (b) hình ảnh trên dụng cụ cắt ..... 17
Hình 1.10. Sơ đồ minh họa về ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến độ bền
mỏi [57] ........................................................................................................... 18
Hình 2.1. Profile độ nhám bề mặt trung bình [39] ......................................... 26
Hình 2.2. Các thông số ảnh hưởng đến nhám bề mặt [115]........................... 27
Hình 2.3. Nguyên lý đo độ cứng Vickers: (a) Giản đồ lực phép thử độ cứng
Vickers, (b) Mũi đâm đo độ cứng Vickers và độ cứng tế vi Vickers ............. 31
Hình 2.4. Sự hình thành ứng suất dư [62] ...................................................... 34
Hình 2.5. Phân loại các kỹ thuật đo ứng suất dư [42] .................................... 35
Hình 2.6. Nhiễu xạ trong cấu trúc mạng tinh thể [7], [91]............................. 36
Hình 2.7. Sơ đồ phân tích nhiễu Barkhausen ................................................. 38
Hình 2.8. Sơ đồ mặt cắt xung quanh lỗ được khoan ứng suất dư kéo ........... 40
Hình 2.9. Kết quả xác định giá trị nội suy từ đồ thị Williamson-Hall ........... 44
Hình 2.10. Quan hệ giữa giới hạn mỏi với ứng suất dư ................................. 47
Hình 2.11. Các bề mặt phoi tạo thành khi tiện SUS304 ................................ 48
Hình 2.12. Cấu trúc lớp bề mặt tự do của phoi .............................................. 49
Hình 2.13. Lớp phoi hình thành trên bề mặt tự do ......................................... 50


xi

Hình 2.14. Độ nhám bề mặt và sự hình thành phoi khi V = 230 m/phút,
f = 0,2 mm/vòng và t = 0,5 mm ..................................................................... 51
Hình 2.15. Bề rộng phoi khi V = 230 m/phút, f = 0,2 mm/vòng .................. 51
Hình 2.16. Độ nhám và sự hình thành phoi khi V = 260 m/phút,
f = 0,08 mm/vòng và t = 0,1mm .................................................................... 52

Hình 2.17. Chiều rộng phoi khi V = 260 m/phút, f = 0,08 mm/vòng và
t = 0,1mm ........................................................................................................ 52

Hình 3.1. Minh họa bố trí thí nghiệm theo phương pháp Box-Behnken ....... 57
Hình 3.2. Sơ đồ thực nghiệm.......................................................................... 61
Hình 3.3. Máy tiện CNC Mori Seiki SL-253 ................................................. 64
Hình 3.4. Bản vẽ phơi dùng trong thực nghiệm ............................................. 65
Hình 3.5. Thứ tự thực nghiệm ........................................................................ 66
Hình 3.6. Hình ảnh dụng cụ cắt thực nghiệm................................................. 66
Hình 3.7. Máy đo độ nhám Mitutoyo SV-2100 ............................................. 67
Hình 3.8. Thiết bị đo độ cứng tế vi................................................................. 68
Hình 3.9. Thiết bị chụp XRD ......................................................................... 69
Hình 3.10. Biểu đồ phân tích Pareto ảnh hưởng của các thơng số đến Ra .... 72
Hình 3.11. Ảnh hưởng của từng thơng số đến Ra .......................................... 73
Hình 3.12. Đồ thị quan hệ giữa Ra với (V , f , t ) ............................................ 74
Hình 3.13. Các bước xây dựng hàm hồi quy.................................................. 75
Hình 3.14. Đồ thị xác suất phân phối chuẩn của Ra ....................................... 76
Hình 3.15. So sánh giá trị thực nghiệm và dự đốn của Ra ........................... 76
Hình 3.16. Biểu đồ phân tích Pareto ảnh hưởng của các thơng số đến HV ... 79
Hình 3.17. Ảnh hưởng của từng thơng số đến HV......................................... 80
Hình 3.18. Đồ thị quan hệ giữa HV với (V , f , t ) ........................................... 81
Hình 3.19. Đồ thị xác suất phân phối chuẩn của HV ..................................... 82
Hình 3.20. So sánh giá trị trị thực nghiệm và dự đoán của HV ..................... 83


xii

Hình 3.21. Phân tách dữ liệu XRD bằng hàm chuẩn hố Pseudo-Voigt ....... 83
Hình 3.22. Biểu đồ phân tích Pareto ảnh hưởng của các thơng số đến σ ..... 88
Hình 3.23. Ảnh hưởng của từng thông số đến σ ........................................... 89

Hình 3.24. Đồ thị ảnh hưởng của σ đến (V , f , t ) .......................................... 90
Hình 3.25. Đồ thị xác suất phân phối chuẩn của σ ....................................... 91
Hình 3.26. So sánh giá trị thực nghiệm và dự đoán của σ ............................ 91
Hình 4.1. Các kỹ thuật và cơng cụ tối ưu hóa [72] ........................................ 93
Hình 4.2. Mã giả của giải thuật Dơi [113] ..................................................... 97
Hình 4.3. Lưu đồ giải thuật Dơi ................................................................... 102
Hình 4.4. Tốc độ hội tụ hàm mục tiêu độ nhám bề mặt ............................... 104
Hình 4.5. Lưu đồ Pareto ............................................................................... 107
Hình 4.6. Các điểm biên tối ưu Pareto ......................................................... 108


1

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Thép Austenit SUS304 có cơ tính và lý tính tốt, độ cứng cao, khả năng
chống ăn mòn và chịu nhiệt tốt nên được ứng dụng rất rộng rãi trong các lĩnh
vực như y tế, thực phẩm, công nghiệp hàng không, ... Tuy nhiên, thép khơng
gỉ Austenit nói chung và thép SUS304 nói riêng được đánh giá là loại vật liệu
khó gia cơng do độ bền kéo cao, khả năng dẫn nhiệt thấp, lực cắt lớn dẫn đến
mức độ biến cứng cao, tốc độ mài mòn dụng cụ cắt nhanh, chất lượng bề mặt
kém và năng suất gia công thấp.
Chất lượng bề mặt được xác định thông qua các đặc trưng về cơ, lý,
hóa tính và cấu trúc liên kết vật liệu như: sự thay đổi về độ nhám bề mặt, độ
cứng tế vi bề mặt, cấu trúc tế vi và ứng suất dư, ... [1], [43]. Sau q trình gia
cơng, chất lượng bề mặt là tiêu chí quan trọng để đánh giá khả năng chống ăn
mòn và độ bền mỏi của chi tiết. Khi gia công bằng phương pháp tiện, ứng
suất dư và độ nhám bề mặt được đánh giá là hai tiêu chí quan trọng nhất của
chất lượng bề mặt [88], [104]. Đối với gia công tinh, độ nhám bề mặt đóng
vai trị quan trọng và là tiêu chí kiểm sốt chất lượng sản phẩm. Ứng suất dư

sinh ra trong quá trình gia cơng cắt gọt do nhiệt phát sinh, biến dạng cơ học
và sự thay đổi tổ chức vật liệu [39]. Bề mặt sau khi gia công tồn tại ứng suất
dư nén sẽ có có lợi cho việc hạn chế sự lan truyền vết nứt, tăng độ bền mỏi
của chi tiết, ngược lại khi tồn tại ứng suất dư kéo sẽ tác động xấu đến các vấn
đề kể trên [51]. Chính vì vậy ứng suất dư được coi là tiêu chí quan trọng đối
với độ bền và tuổi thọ của chi tiết. Trong thực tế, vấn đề đo, xử lý kết quả đo
và mơ hình hóa ứng suất dư rất phức tạp, kết quả của các nghiên cứu trước
đây về vấn đề này có nhiều khác biệt đối với từng loại vật liệu phôi gia công,
điều kiện gia công và thơng số hình học của dụng cụ cắt [88].


2

Trong sản xuất, hiệu quả của q trình gia cơng được đánh giá thông
qua việc nâng cao chất lượng, giảm chi phí, thời gian gia cơng và tăng năng
suất, do vậy tối ưu hóa q trình gia cơng là mục tiêu và cũng là thách thức
của sản xuất [117]. Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhiều phương
pháp tiếp cận mới đã được triển khai để giải quyết các bài tốn tối ưu cho độ
chính xác và tốc độ xử lý nhanh trong việc tìm ra kết quả tối ưu. Trong đó các
giải thuật tối ưu hóa tiên tiến như giải thuật trí tuệ bầy đàn đã được chứng
minh tính hiệu quả và áp dụng trong nhiều lĩnh vực với việc mơ phỏng giải
các dạng bài tốn phổ biến và phức tạp nhất.
Nghiên cứu về đặc tính, khả năng gia công của thép không gỉ đặc biệt
là nâng cao chất lượng bề mặt, đảm bảo năng suất gia công là chủ đề đã nhận
được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trước đây, tuy nhiên các nghiên
cứu và công bố chủ yếu đánh giá chất lượng hoặc độ chính xác gia cơng thơng
qua đánh giá chỉ tiêu độ nhám bề mặt, độ cứng tế vi trong khi đối với chi tiết
sau khi gia công, chỉ tiêu về ứng suất dư đóng vai trị rất quan trọng do đây là
tiêu chí xác định độ bền mỏi và các vết nứt hình thành trên bề mặt chi tiết có
tác động rất lớn đến tuổi thọ của chi tiết. Cho đến nay, chưa có các nghiên

cứu và cơng bố đầy đủ về phân tích ảnh hưởng của q trình gia cơng đến ứng
suất dư, giải bài tốn tối ưu hóa đa mục tiêu các chỉ tiêu quan trọng của chất
lượng bề mặt như độ nhám bề mặt, ứng suất dư khi tiện thép SUS304 trên cơ
sở ứng dụng các giải thuật tiên tiến.
Các vấn đề trên là định hướng cho tác giả chọn 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”.
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2.1. Mục đích nghiên cứu
Luận án tập trung giải quyết một số nội dung chính như sau:


3

- Nghiên cứu các đặc tính cơng nghệ của thép không gỉ, cơ sở lý thuyết
ảnh hưởng của các thông số công nghệ (chế độ cắt) đến các đặc trưng của quá
trình cắt bao gồm một số chỉ tiêu của chất lượng bề mặt.
- Xây dựng mơ hình thực nghiệm, đo, tính tốn, xử lý dữ liệu, phân tích
đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến một số chỉ tiêu của chất
lượng bề mặt.
- Xác định mô hình tốn học biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số
công nghệ với một số yếu tố đầu ra đặc trưng của q trình gia cơng.
- Ứng dụng giải thuật trí tuệ bầy đàn giải bài tốn đơn và đa mục tiêu
nhằm nâng cao chất lượng bề mặt, đảm bảo năng suất gia công.
2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: luận án tập trung nghiên cứu các đặc trưng của
q trình gia cơng thép SUS304 trên máy tiện CNC, sử dụng mảnh chip
chuyên dùng gia công thép không gỉ của hãng Sandvik.
- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng và xác định mối
quan hệ giữa vận tốc cắt (V ) , lượng tiến dao ( f ) , chiều sâu cắt (t ) đến các

chỉ tiêu của chất lượng bề mặt bao gồm: độ nhám bề mặt ( Ra ) , độ cứng tế vi
( HV ) , ứng suất dư (σ ) . Ứng dụng giải thuật Dơi và giải pháp tối ưu Pareto

để giải bài toán tối ưu đa mục tiêu gồm hai chỉ tiêu là độ nhám bề mặt và ứng
suất dư.
3. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết về quá trình cắt làm cơ sở để đánh giá sơ bộ và
định hướng cho nghiên cứu thực nghiệm.
- Nghiên cứu thực nghiệm để lấy số liệu thực tiễn kết quả của một số
chỉ tiêu đầu ra của q trình cắt.
- Ứng dụng các phần mềm để tính tốn, xử lý, đánh giá sự ảnh hưởng
của các thơng số công nghệ, xác định các hàm hồi quy và giải quyết bài toán


4

tối ưu hóa.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học: kết quả nghiên cứ là cơ sở để thiết lập các thông số
công nghệ trong q trình gia cơng thép SUS304 trên máy tiện CNC và là cơ
sở cho việc tối ưu nhằm nâng cao chất lượng bề mặt, đảm bảo năng suất gia
công sử dụng các giải thuật tiên tiến.
- Ý nghĩa thực tiễn: kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong
thực tế sản xuất với các chi tiết, sản phẩm được chế tạo từ thép không gỉ đồng
thời làm tài liệu phục vụ cho công tác đào tạo và nghiên cứu.
5. Bố cục của luận án
Luận án được trình bày trong 04 chương:
- Chương 1: Tổng quan về gia công thép không gỉ.
- Chương 2: Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các thông số công
nghệ đến chất lượng bề mặt.

- Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm phân tích ảnh hưởng của các
thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt khi tiện CNC thép
SUS304.
- Chương 4: Tối ưu hóa các thơng số cơng nghệ để nâng cao chất
lượng bề mặt, đảm bảo năng suất cắt khi tiện CNC thép SUS304.
6. Những đóng góp mới của luận án
- Xây dựng được mơ hình thực nghiệm, đo, tính tốn các chỉ tiêu đầu ra
và phân tích, đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề
mặt, độ cứng tế vi và ứng suất dư bề mặt.
- Áp dụng phương pháp bề mặt chỉ tiêu (RSM) và thiết kế thực nghiệm
Box-Behnken (BBD) để xây dựng mơ hình toán học biểu diễn mối quan hệ


5

giữa các thông số công nghệ với độ nhám bề mặt, độ cứng tế vi và ứng suất
dư bề mặt.
- Ứng dụng giải pháp tối ưu Pareto dựa trên giải thuật Dơi (BA) để giải
bài toán tối ưu đa mục tiêu xác định được tập hợp các bộ thông số công nghệ
tối ưu nhằm nâng cao chất lượng bề mặt, đảm bảo năng suất gia cơng từ đó
đưa ra khuyến nghị cho các kỹ sư công nghệ ứng dụng kết quả tối ưu tìm
được vào thực tế sản xuất.


6

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG THÉP KHÔNG GỈ
1.1. Tổng quan chung về thép không gỉ
Thép không gỉ được đặc trưng bởi khả năng chống ăn mịn, tính dẻo
dai, độ bền cao, chịu nhiệt tốt nên được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực

y tế, thực phẩm, cơng nghiệp hàng khơng. Tuy nhiên, vì có độ bền cao nên
khi gia công thép không gỉ thường tạo lực cắt lớn, nhiệt cắt cao, khả năng
biến cứng cao, dễ dẫn đến phoi bám (BUL) và lẹo dao (BUE), … đó là
ngun nhân dẫn đến năng suất gia cơng thấp, tăng mòn dụng cụ cắt và chất
lượng bề mặt kém.
1.1.1. Vai trò của các nguyên tố hợp kim trong thép không gỉ
Việc bổ sung các nguyên tố hợp kim ảnh hưởng đến tính chất cơ, lý của
thép khơng gỉ, cụ thể như sau [35], [114]:
 Cacbon (C)
Cacbon trong thép không gỉ ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn của
chi tiết và thường có hàm lượng tương đối thấp, ngoại trừ thép không gỉ
Mactensit. Trong các mác thép Mactensit, hàm lượng cacbon có thể gia tăng
để tăng độ cứng của thép thông qua xử lý nhiệt bằng cách gia nhiệt đến nhiệt
độ cao, làm nguội và sau đó ủ tạo ra cấu trúc Mactensit. Khi cacbon kết hợp
với Crơm có hàm lượng từ 10,5% trở lên sẽ tạo thành cacbua có thể ảnh
hưởng đến sự tạo thành lớp màng bảo vệ. Khi Crơm nhỏ hơn 10.5% sẽ khơng
hình thành lớp màng bảo vệ.
 Crôm (Cr)
Bản chất “trơ” của thép không gỉ giải thích được là nhờ Crơm là
ngun tố phản ứng cao. Crơm giúp cho thép khơng gỉ có khả năng chống ăn
mịn. Như đã đề cập, thép khơng gỉ có chứa ít nhất 10.5% Cr, một lớp màng
thụ động Cr2O3 được hình thành giúp ngăn ngừa sự khuếch tán oxy vào bề


7

mặt. Khi hàm lượng Crôm càng cao, sự bảo vệ càng lớn hơn (khả năng chống
ăn mòn cao) như thể hiện trong hình 1.1.

Hình 1.1. Ảnh hưởng của hàm lượng Cr đến tốc độ ăn mòn [58]

 Niken (Ni)
Niken là ngun tố hợp kim chính của mác thép khơng gỉ loại 300. Khi
có Niken sẽ dẫn đến hình thành cấu trúc Austenit có độ bền, độ dẻo và độ
cứng ngay cả ở nhiệt độ lạnh. Sự có mặt của Niken giúp cho thép khơng gỉ có
khả năng chống axit đặc biệt là axit sunfuric.
 Molypden (Mo)
Việc bổ sung Molypden vào ma trận Cr-Fe-Ni giúp tăng khả năng
chống ăn mòn của thép không gỉ, đặc biệt ở các lớp Ferit. Hàm lượng
Molypden cao hơn (một số thép không gỉ chứa tới 6% Mo), tốt hơn cho khả
năng chống lại nồng độ clorit cao hơn.
 Mangan (Mn)
Mangan được thêm vào thép không gỉ hỗ trợ q trình khử oxy trong
q trình nóng chảy.


8

 Silic (Si) và đồng (Cu)
Hàm lượng nhỏ Silic và đồng được thêm vào thép không gỉ Austenit để
tăng khả năng chống ăn mòn của axit sunfuric. Silic cũng tăng khả năng
chống oxy hóa và là chất ổn định của Ferit.
 Nitơ (N)
Trong thành phần của các mác thép không gỉ Ferit, Austenit và song
pha Duplex thường có chứa một hàm lượng nhỏ Nitơ. Khi có Nitơ sẽ tăng sự
tấn cơng của mịn lỗ chỗ cục bộ và sự ăn mịn giữa các hạt nhưng Nitơ có
trong thành phần của thép không gỉ Austenit và Duplex với hàm lượng nhỏ sẽ
giúp tăng độ bền của chi tiết.
 Niobi (Nb)
Niobi được bổ sung giúp ngăn ngừa sự ăn mòn giữa các hạt, đặc biệt
trong vùng ảnh hưởng nhiệt sau khi hàn. Trong thép không gỉ Ferit, việc bổ

sung Niobi giúp tăng khả năng bền mỏi nhiệt.
 Titan (Ti)
Titan là thành phần chính được sử dụng để ổn định thép khơng gỉ trước
khi chuyển đến giai đoạn thổi oxy-argon - đây là giai đoạn làm giảm hàm
lượng cacbon xuống một mức nhất định bằng cách cho hỗn hợp oxy-argon
vào và bổ sung một số nguyên tố hợp kim. Mác phổ biến nhất (SUS302) trước
khi thổi oxy-argon để tối đa mức cacbon 0.15%. Ở mức cao này, Titan phản
ứng với cacbon tạo thành cacbua titan và ngăn ngừa sự hình thành các cacbua
crơm để không ảnh hưởng đến lớp màng thụ động của Cr2O3.
 Sunfua (S)
Sunfua thường ở mức thấp do có thể hình thành các sunfuaric, Sunfua
giúp tăng khả năng gia cơng tuy nhiên lại giảm khả năng chống ăn mòn.


9

1.1.2. Phân loại thép không gỉ
Khi thay đổi hàm lượng Crôm và bổ sung một số các nguyên tố khác
như Niken, Molipden, Titan và Niobi dẫn đến sự thay đổi các đặc tính về cơ,
lý và ăn mịn của thép không gỉ.
Thép không gỉ

Các họ cơ bản

Ferit

Mactensit

Các họ biến thể

Austenit

Song pha
(Duplex)

PH

Ferit/Austenit

Mactensit
SemiAustenit
Austenit

Hình 1.2. Phân loại thép khơng gỉ [114]
Với việc thay đổi hàm lượng như vậy, thép không gỉ được chia thành
05 loại thể hiện như hình 1.2 [114]. Các họ này được đặt tên dựa trên tổ chức
luyện kim của vật liệu bao gồm các pha bền Austenit hoặc Ferit, Song pha
(Duplex), Biến cứng kết tủa (PH).
Thép không gỉ Austenit là loại phổ biến nhất trong số các loại thép
không gỉ (chiếm khoảng 72%) được đặc trưng bởi khả năng chống ăn mòn
tốt, độ dẻo, dai cao [99]. Thép Austenit được ứng dụng nhiều trong sản xuất
đồ gia dụng, công nghiệp chế biến thực phẩm và hóa chất.
Thép khơng gỉ Ferit có cấu trúc tương tự như sắt nguyên chất ở nhiệt
độ phòng (Ferit). Khả năng chống ăn mòn và độ dẻo, dai của loại thép này ở
mức độ vừa phải thường được ứng dụng làm ống xả trong ngành công nghiệp
ô tô.


10

Thép khơng gỉ Mactensit có hàm lượng cacbon tương đối cao và có thể
làm cứng qua xử lý nhiệt (tạo thành Mactensit). Khả năng chống ăn mòn của
chúng ở mức trung bình, nhưng độ cứng và độ bền cao. Vật liệu này thường
được sử dụng trong y tế như: dao, kéo, dụng cụ y tế, …
Thép không gỉ song pha (Duplex) chứa Crôm tương đối cao (từ 18 đến
28%) và lượng Niken vừa phải (từ 4,5 đến 8%) và có thể chứa Molypden với
hàm lượng từ 2,5 - 4%. Thép song pha có khả năng chống nứt ăn mịn do mỏi,
tăng khả năng chống sự xâm nhập ion clorua, độ bền kéo và chảy cao hơn so
với thép Austenit hoặc Ferit. Các ứng dụng điển hình của hợp kim Song pha
trong các ngành cơng nghiệp hóa chất, thực phẩm, y tế và làm giấy và các quy
trình bao gồm axit hoặc clo và các thiết bị liên quan đến công nghiệp dầu khí.
Thép khơng gỉ Biến cứng kết tủa (PH) được đặc trưng bởi độ bền cao
và khả năng chống ăn mịn trung bình, được chia thành ba loại dựa trên cấu
trúc (Austenit, nửa Austenit và Mactensit). Do độ bền cao, vật liệu này được
sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ và các ngành công nghệ cao khác.
1.2 Thép khơng gỉ Austenit
1.2.1. Thành phần hóa học
Thép khơng gỉ Austenit có hàm lượng Niken và Crơm tối thiểu lần lượt
là 7% và 16%, hàm lượng Cacbon tối đa là 0,08% và một vài nguyên tố khác
như Molypden, Titan, Niobi và Tantali. Sự cân bằng giữa Crôm và Niken +
Mangan thường được điều chỉnh để đạt được cấu trúc tế vi 90-100% Austenit.
1.2.2. Các loại thép không gỉ Austenit
Thép không gỉ Austenit được chia thành 2 nhóm:
- Nhóm tiêu chuẩn (Loại 300) trong đó Niken là chất ổn định Austenit
với một lượng vừa đủ Crơm và Niken. Nitơ cũng có thể được sử dụng để tăng


11

độ bền trong nhóm chuẩn Crơm-Niken.

- Nhóm Mangan (Loại 200), trong đó thêm một lượng đáng kể Mangan
thường với mức cao hơn Nitơ.
Do các hợp kim Austenit có giá thành đắt nên không được sử dụng
trong trường hợp thép Ferit hoặc Mactensit đáp ứng được yêu cầu. Loại hợp
kim tiêu chuẩn Austenit loại 300 có giá đắt hơn 2 lần so với thép Ferit do có
các nguyên tố hợp kim đắt tiền (Niken và Crôm). Mangan và Nitơ (loại 200)
được dùng thay thế Niken để giảm chi phí tuy nhiên chất lượng sẽ kém hơn.
Mác thép 304 là loại thép khơng gỉ phổ biến nhất. Các đặc tính tạo hình
và tính hàn rất tốt làm cho nó trở thành thép tiêu chuẩn cho nhiều ứng dụng
trong công nghiệp, kiến trúc và vận tải.
Mác thép 316 là loại thép không gỉ Austenit phổ biến thứ hai, giống
như thép 304, nó có khả năng tạo hình rất tốt, khi thêm Mo vào thép 316 làm
tăng khả năng chống ăn mịn.
1.2.3. Tính chất vật lý
Thép Austenit khơng có từ tính, có hệ số giãn nở nhiệt lớn hơn nhiều và
khả năng dẫn nhiệt thấp hơn so với với các loại thép khác, đây là loại thép
khơng chuyển hóa do vậy khơng có khả năng tơi cứng, có xu hướng tăng
cường biến cứng nguội.
1.2.4. Tính chất cơ học
Thép Austenit có đặc tính kéo cao hơn thép cacbon thấp, nhơm, đồng
thau. Hình 1.3 so sánh giới hạn bền kéo và giới hạn chảy của thép khơng gỉ
Austenit với các loại vật liệu khác.
Đặc tính cơ học khác của thép khơng gỉ Austenit đó là độ dẻo, thường
được đo bằng phần trăm độ giãn dài trong quá trình thử kéo. Điều này cho