Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công khi mài phẳng chi tiết hợp kim ti 6al 4v bằng đá mài cbn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Phí Trọng Hùng

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ
CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT VÀ
NĂNG SUẤT GIA CÔNG KHI MÀI PHẲNG CHI TIẾT
HỢP KIM Ti-6AL-4V BẰNG ĐÁ MÀI cBN
Ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 9520103

TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Ghi chú :
Hà Nội – 2022


Cơng trình được hồn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS Trương Hoành Sơn
PGS.TS Hoàng Văn Gợt

Phản biện 1: PGS.TS Phạm Quốc Hoàng
Phản biện 2: PGS.TS Đào Duy Trung
Phản biện 3: TS Nguyễn Hữu Quang
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ
cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi 08 giờ 30, ngày 22 tháng 02 năm 2022

(Nộp hồ sơ bảo vệ cấp cơ sở và cấp trường NCS vẫn đề nội
dung trang bìa 2 tóm tắt luận án theo mẫu trên
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. Những nội
dung, các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố
theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân
tích một cách trung thực, khách quan. Các kết quả này chưa có tác giả nào cơng bố
trong bất kỳ nghiên cứu nào khác.
Người hướng dẫn khoa học

Nghiên cứu sinh

PGS.TS Trương Hồnh Sơn

Phí Trọng Hùng

PGS.TS Hồng Văn Gợt

I


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và nghiên cứu tơi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, góp ý
và chia sẻ của mọi người. Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn đến Ban Giám hiệu

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phịng Đào tạo, Viện Cơ khí.
Đặc biệt, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc nhất tới tập thể thầy hướng dẫn PGS.TS
Trương Hoành Sơn, PGS.TS Hoàng Văn Gợt, các thầy đã hướng dẫn, chỉ bảo và tạo
mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi hồn thành được luận án.
Tơi cũng xin chân thành biết ơn sâu sắc tới quý thầy cô Bộ môn Công nghệ Chế
tạo máy, đặc biệt là TS Nguyễn Kiên Trung đã chỉ bảo và cho tơi những ý kiến bổ
ích, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được học tập nghiên cứu.
Tơi xin chân thành cảm ơn Khoa Cơ khí, Đại học Cơng nghiệp Hà Nội, đặc biệt là
PGS.TS Hồng Tiến Dũng đã giúp đỡ tơi trong q trình thực nghiệm.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Điện lực, ban lãnh đạo
Khoa Cơ khí & Động lực đã tạo điều kiện về chế độ, thời gian và cơng việc giúp tơi
hồn thành nhiệm vụ.
Cuối cùng, xin cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã chia sẻ, động viên
giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Hà Nội, ngày tháng 03 năm 2022
Tác giả luận án

Phí Trọng Hùng

II


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... II
MỤC LỤC ............................................................................................................... III
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .........................................VIII
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................X
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ............................................................ XI
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MÀI PHẲNG HỢP KIM TITAN BẰNG ĐÁ
MÀI cBN .................................................................................................................... 4
1.1. Hợp kim titan và đá mài cBN ....................................................................... 4
1.1.1. Hợp kim titan ........................................................................................... 4
1.1.1.1 Đặc tính và ứng dụng ........................................................................... 4
1.1.1.2 Cấu trúc tinh thể ................................................................................... 4
1.1.1.3 Tính gia cơng cắt gọt của hợp kim titan............................................... 6
1.1.2. Hạt mài và đá mài cBN............................................................................ 9
1.1.2.1 Hạt mài cBN ......................................................................................... 9
1.1.2.2 Đá mài cBN ........................................................................................ 10
1.2. Mài phẳng hợp kim titan bằng đá mài cBN.............................................. 14
1.2.1. Mài phẳng .............................................................................................. 14
1.2.1.1 Khái niệm ........................................................................................... 14
1.2.1.2 Các phương pháp mài phẳng ............................................................. 14
1.2.1.3 Các thơng số đặc trưng cho q trình mài phẳng.............................. 15
1.2.2. Mài hợp kim titan .................................................................................. 16
1.2.2.1 Tính mài của hợp kim titan................................................................. 16
1.2.2.2 Đặc điểm khi mài hợp kim titan ......................................................... 16
1.2.3. Mài hợp kim titan bằng đá mài cBN ..................................................... 24
1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ............................................... 24
1.3.1. Tình hình nghiên cứu ngồi nước .......................................................... 24
1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước .......................................................... 27
1.3.3. Nhận xét ................................................................................................. 28
1.4. Giới hạn nhiệm vụ nghiên cứu của luận án .............................................. 28
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ....................................................................................... 28

III


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÀI PHẲNG HỢP KIM TITAN BẰNG

ĐÁ MÀI cBN ........................................................................................................... 29
2.1. Hình học và động học của quá trình mài phẳng....................................... 29
2.1.1. Chiều dài tiếp xúc hình học và chiều dài tiếp xúc thực ......................... 29
2.1.2. Đường cắt .............................................................................................. 29
2.1.3. Chiều dày phoi chưa biến dạng ............................................................. 31
2.2. Cơ chế mài .................................................................................................... 32
2.2.1. Phoi mài ................................................................................................. 32
2.2.2. Lực mài, công suất mài và năng lượng mài riêng ................................. 33
2.2.3. Năng lượng riêng và hiệu ứng kích thước ............................................. 34
2.2.4. Lực cắt khi hạt mài bị mòn phẳng ......................................................... 35
2.2.5. Năng lượng trượt, năng lượng cày xước và năng lượng tạo phoi ......... 38
2.3. Đặc điểm của quá trình mài hợp kim titan bằng đá mài cBN ................ 40
2.4. Bôi trơn làm mát khi mài............................................................................ 41
2.4.1. Yêu cầu của dung dịch bôi trơn làm mát ............................................... 41
2.4.2. Cơ chế bôi trơn làm mát ........................................................................ 41
2.4.3. Ảnh hưởng của bơi trơn làm mát đến q trình mài.............................. 41
2.4.4. Bơi trơn làm mát có bổ sung chất bôi trơn thể rắn ................................ 42
2.4.4.1 Giới thiệu chung ................................................................................. 42
2.4.4.2 Tấm nano graphite tách lớp (xGnP) .................................................. 42
2.4.4.3 Bo Nitrit lục giác (hBN) ..................................................................... 42
2.4.4.4 Đặc tính của hạt nano xGnP-M25 và hBN-K05 ................................ 43
2.5. Ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công
khi mài .......................................................................................................... 44
2.5.1. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến nhám bề mặt ....................... 44
2.5.2. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến biến cứng bề mặt ................ 47
2.5.3. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến năng suất gia công .............. 48
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ....................................................................................... 48
Chương 3. MƠ HÌNH, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...... 49
3.1. Mơ hình thực nghiệm .................................................................................. 49
3.1.1. Máy gia công ......................................................................................... 49

3.1.2. Hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội............................................... 51
3.1.3. Đá mài cBN ........................................................................................... 51
3.1.4. Chi tiết mài ............................................................................................ 52
3.1.4.1 Phôi thực nghiệm................................................................................ 52
3.1.4.2 Cấu trúc tinh thể của hợp kim Ti64 ủ và Ti64 tôi .............................. 52
3.1.5. Các loại dung dịch bôi trơn làm mát ..................................................... 53
IV


3.1.5.1 Dầu nhũ tương PV Cutting Oil........................................................... 54
3.1.5.2 Dầu cắt gọt tổng hợp CIMTECH 3150-VLZ ...................................... 54
3.1.5.3 Bột bôi trơn thể rắn ............................................................................ 54
3.1.6. Dụng cụ sửa đá ...................................................................................... 55
3.2. Thiết bị đo lường ......................................................................................... 55
3.2.1. Panme đo ngoài...................................................................................... 55
3.2.2. Kính hiển vi điện tử quét ....................................................................... 56
3.2.3. Đồng hồ so ............................................................................................. 57
3.2.4. Thiết bị đo lực cắt .................................................................................. 57
3.2.5. Máy đo nhám bề mặt ............................................................................. 57
3.2.6. Máy đo độ cứng tế vi bề mặt ................................................................. 58
3.3. Lựa chọn các thông số thực nghiệm và xác định phương pháp thực
nghiệm .......................................................................................................... 59
3.3.1. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm ................................................... 59
3.3.2. Thông số thực nghiệm ........................................................................... 59
3.3.3. Phương pháp thực nghiệm ..................................................................... 59
3.3.3.1 Thực nghiệm 01 – Xác định mối quan hệ giữa chế độ cắt với chất
lượng bề mặt ................................................................................................... 59
3.3.3.2 Thực nghiệm 02 – Xác định mối quan hệ giữa chế độ bôi trơn làm mát
với chất lượng bề mặt ..................................................................................... 60
3.3.3.3 Thực nghiệm 03 – Xác định dải lượng tiến dao đạt được nhám bề mặt

nhỏ nhất .. ....................................................................................................... 60
3.4. Mơ hình hóa q trình mài bằng phương pháp phần tử hữu hạn ......... 61
3.4.1 Mơ hình phần tử hữu hạn....................................................................... 61
3.4.1.1 Mơ hình vật liệu.................................................................................. 62
3.4.1.2 Tiêu chuẩn phá hủy vật liệu ............................................................... 63
3.4.1.3 Điều kiện biên và định luật tiếp xúc ................................................... 63
3.4.1.4 Kiểm nghiệm lại mơ hình phần tử hữu hạn ........................................ 64
3.4.2 Kết quả mơ phỏng .................................................................................. 64
3.4.2.1 Q trình tạo phoi .............................................................................. 64
3.4.2.2 Lực cắt ................................................................................................ 65
3.4.2.3 Nhiệt độ bề mặt phôi .......................................................................... 66
3.4.3 Nhận xét và đánh giá ............................................................................. 68
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ....................................................................................... 68
Chương 4. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ.................................. 69

V


4.1. Thực nghiệm 01 - Xác định mối quan hệ giữa chế độ cắt với chất lượng
bề mặt ........................................................................................................... 69
4.1.1. Nhám bề mặt .......................................................................................... 69
4.1.1.1 Ảnh hưởng của lượng tiến dao ........................................................... 69
4.1.1.2 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt ............................................................. 70
4.1.2. Cấu trúc tế vi bề mặt .............................................................................. 70
4.1.2.1 Ảnh hưởng của lượng tiến dao ........................................................... 70
4.1.2.2 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt ............................................................. 72
4.1.3. Độ cứng tế vi bề mặt .............................................................................. 72
4.1.4. Xây dựng phương trình hồi quy thực nghiệm thể hiện mối quan hệ giữa
chế độ công nghệ và nhám bề mặt ......................................................... 72
4.1.4.1 Mài khô ............................................................................................... 72

4.1.4.2 Mài ướt (dầu tổng hợp 2%) ................................................................ 74
4.1.5. Nhận xét và Đánh giá ............................................................................ 76
4.2. Thực nghiệm 02 – Xác định mối quan hệ giữa chế bộ bôi trơn làm mát
với chất lượng bề mặt .................................................................................. 76
4.2.1. Nhám bề mặt .......................................................................................... 76
4.2.1.1 Ảnh hưởng của lượng tiến dao ........................................................... 76
4.2.1.2 Ảnh hưởng của chế độ bôi trơn làm mát ............................................ 77
4.2.2. Cấu trúc tế vi bề mặt .............................................................................. 80
4.2.2.1 Hợp kim Ti-6Al-4V ủ .......................................................................... 80
4.2.2.2 Hợp kim Ti-6Al-4V tôi ........................................................................ 82
4.2.3. Ảnh hưởng của cấu trúc tinh thể hợp kim Ti-6Al-4V đến chất lượng bề
mặt ......................................................................................................... 83
4.2.3.1 Ảnh hưởng của cấu trúc tinh thể hợp kim Ti-6Al-4V đến nhám bề mặt
…………… ...................................................................................................... 83
4.2.3.2 Ảnh hưởng của cấu trúc tinh thể hợp kim Ti-6Al-4V đến độ cứng tế vi
bề mặt ….. ....................................................................................................... 83
4.2.4. Nhận xét và đánh giá ............................................................................. 84
4.2.4.1 Hợp kim Ti-6Al-4V ủ .......................................................................... 84
4.2.4.2 Hợp kim Ti-6Al-4V tôi ........................................................................ 84
4.2.4.3 Ảnh hưởng của cấu trúc tinh thể hợp kim Ti-6Al-4V đến chất lượng bề
mặt ……… ...................................................................................................... 84
4.3. Thực nghiệm 03 - Xác định dải lượng tiến dao đạt được nhám bề mặt
nhỏ nhất ........................................................................................................ 84
4.3.1. Thực nghiệm và kết quả ........................................................................ 84
4.3.2. Nhận xét và đánh giá ............................................................................. 86
VI


4.4. Tối ưu hóa các thơng số cơng nghệ ............................................................ 86
4.4.1. Xây dựng bài toán tối ưu ....................................................................... 86

4.4.1.1 Xác định hàm mục tiêu ....................................................................... 86
4.4.1.2 Xác định điều kiện biên ...................................................................... 87
4.4.1.3 Thành lập bài toán tối ưu ................................................................... 87
4.4.2. Giải bài toán tối ưu ................................................................................ 88
4.4.2.1 Cơ sở lựa chọn phương pháp giải bài toán tối ưu ............................. 88
4.4.2.2 Ứng dụng giải thuật tối ưu bầy đàn để xác định chế độ công nghệ hợp
lý ………… ...................................................................................................... 89
4.4.3. Nhận xét và Đánh giá ............................................................................ 91
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ....................................................................................... 93
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .................................... 94
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 94
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ............................................................ 95
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............... 96
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 97
PHẦN PHỤ LỤC

VII


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
agmax
ag '
A
b
BPNN
βw
cBN
ds
Ft

Fn
Ft,c
Fn,c
Ft,sl
Fn,sl
ft
fn
FEM
G
hBN
HV
K
l
lc
lk
µ
P
p
PSO
Ti64
Q
Qw
Rw

Diễn giải nội dung
Chiều dày phoi khơng biến dạng
Chiều sâu cắt tới hạn
Diện tích mịn phẳng trên bề mặt đá mài
Chiều rộng cắt
Bình phương nhỏ nhất

Transient thermal property (Đặc tính nhiệt chuyển
tiếp)
Cubic Boron Nitride (Nitrit Bo dạng khối)
Đường kính đá mài
Lực cắt tiếp tuyến
Lực cắt pháp tuyến
Lực cắt tiếp tuyến
Lực cắt pháp tuyến
Lực trượt pháp tuyến
Lực trượt tiếp tuyến
Lực cắt tiếp tuyến của một hạt mài
Lực cắt pháp tuyến của một hạt mài
Finite Element Method (Phương pháp phần tử hữu
hạn)
Hệ số mài
Hexagonal Boron Nitride (Bo Nitrit lục giác)
Độ cứng Vicker
Hệ số khuyếch tán nhiệt
Khoảng cách giữa hai hạt mài trên bề mặt đá mài
Độ dài cung tiếp xúc giữa phôi và đá mài
Độ dài đường cắt
Hệ số ma sát
Công suất cắt
Ứng suất tiếp xúc trung bình khơng đổi giữa các diện
tích mịn phẳng và phơi
Particle Swarm Optimization (Thuật tốn tối ưu hóa
bầy đàn)
Ti-6Al-4V
Năng suất gia cơng
Tỉ lệ cắt thể tích

Tỉ lệ nhiệt truyền vào phôi

Đơn vị
mm
mm
mm2
mm
W/K/m2

mm
N
N
N
N
N
N
N
N

m2/s
mm
mm
mm
W
N/mm2

mm3/ph
mm3/s
VIII

Rs
Rc
Ra
Rz
S
Sn
SEM
SDC
t

θ max
θ

u
uc
uch
upl
usl
v
xGnP
σ

Tỉ lệ nhiệt truyền vào đá mài
Tỉ lệ nhiệt truyền vào phoi
Độ nhám trung bình số học
Độ nhám trung bình của 10 điểm
Lượng tiến dao
Lượng tiến dao ngang
Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử

quét)
Đá mài kim cương liên kết nhựa
Chiều sâu cắt
Nhiệt độ lớn nhất trên bề mặt phơi
Nhiệt độ trung bình bề mặt phơi
Năng lượng mài riêng
Năng lượng cắt riêng
Năng lượng tạo phoi riêng
Năng lượng cày xước riêng
Năng lượng trượt riêng
Vận tốc cắt
Tấm nano graphite tách lớp
Ứng suất dư

µm
µm
mm/ph
mm/htk

mm
°C
°C
J/mm3
J/mm3
J/mm3
J/mm3
J/mm3
m/s
MPa

IX


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Đặc tính của các loại hạt mài khác nhau ở nhiệt độ thường [14].............. 12
Bảng 2.1 Đặc tính của hạt nano xGnP-M25 và hBN-K05 ([64], [65]) .................... 43
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của máy HS Super MC500 ......................................... 50
Bảng 3.2 Tính chất cơ nhiệt của hợp kim Ti64-Elo và Ti64-La [70] ...................... 53
Bảng 3.3 Thơng số kỹ thuật của kính hiển vi điện tử quét JEOL JSM 6510LV [74]
.................................................................................................................................. 56
Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật của cảm biến đo lực Kistler 9139AA [75] .................. 57
Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật của máy đo độ cứng tế vi IndentaMet 1106 [76] ........ 58
Bảng 3.6 Các thông số thực nghiệm ......................................................................... 59
Bảng 3.7 Các thông số cơng nghệ của q trình mài (Thực nghiệm 01) ................. 60
Bảng 3.8 Các thơng số cơng nghệ của q trình mài (Thực nghiệm 02) ................. 60
Bảng 3.9 Các thông số cơng nghệ của q trình mài (Thực nghiệm 03) ................. 61
Bảng 3.10 Đặc tính cơ nhiệt của hợp kim Ti-6Al-4V và hạt mài cBN [80] ............ 63
Bảng 3.11 Thông số mơ hình vật liệu Johnson-Cook của hợp kim Ti-6Al-4V [82] 63
Bảng 3.12 Tham số phá hủy cắt J-C của hợp kim Ti-6Al-4V [83] .......................... 63
Bảng 4.1 Quang phổ năng lượng EDX của bề mặt phôi khi S = 3000 mm/ph ........ 79
Bảng 4.2 Kết quả chạy chương trình xác định chế độ công nghệ tối ưu bằng PSO 91
Bảng 4.3 So sánh nhám bề mặt phôi Ra và năng suất mài Q giữa phương pháp PSO
và thực nghiệm khi sử dụng chế độ mài tối ưu ........................................................ 91

X


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Các dạng tinh thể của titan tinh khiết [7] .................................................... 5
Hình 1.2 Cấu trúc tế vi của hợp kim Ti-6Al-4V (α - pha tối, β - pha sáng) [6] ......... 6

Hình 1.3 Sơ đồ vùng cắt và tạo phoi [3] ..................................................................... 7
Hình 1.4 Lượng nhiệt phân tán vào dao và phoi khi gia cơng Ti-6Al-4V và thép CK45
[6]................................................................................................................................ 8
Hình 1.5 Các hình thái phát triển của tinh thể cBN [9] .............................................. 9
Hình 1.6 Một số hạt mài cBN thương mại [9].......................................................... 10
Hình 1.7 Hình SEM của đá mài cBN: (a) đá mài cBN mạ đồng và (b) đá mài cBN mạ
điện [12] .................................................................................................................... 11
Hình 1.8 Đá mài cBN liên kết (a) Nhựa; (b) Thủy tinh; (c) Kim loại [15] .............. 12
Hình 1.9 Đá mài cBN mạ điện [15] .......................................................................... 12
Hình 1.10 Sơ đồ quá trình mài phẳng [1] ................................................................. 14
Hình 1.11 Bốn dạng mài phẳng: (a) Trục ngang và bàn máy tịnh tiến, (b) Trục ngang
và bàn máy quay, (c) Trục đứng và bàn máy tịnh tiến, (d) Trục đứng và bàn máy quay
[1].............................................................................................................................. 15
Hình 1.12 So sánh tính mài của một số vật liệu [8] ................................................ 16
Hình 1.13 Mơ hình lực cắt khi mài phẳng [14] ........................................................ 17
Hình 1.14 Ba hoạt động của quá trình mài [12] ....................................................... 17
Hình 1.15 Hình SEM phoi mài khi mài hợp kim Ti-6Al-4V [27] ........................... 22
Hình 2.1 Mơ phỏng q trình mài tiến dao hướng kính [8] ..................................... 29
Hình 2.2 Hình dáng hình học của phoi không bị biến dạng khi mài phẳng [13] ..... 30
Hình 2.3 Phoi chưa biến dạng tiết diện chữ nhật, tiết diện tam giác và tiết diện trịn
[12]............................................................................................................................ 31
Hình 2.4 Hình SEM phoi mài khi mài thép AISI 52100 [12] .................................. 32
Hình 2.5 Các thành phần lực cắt khi mài phẳng [14] ............................................... 33
Hình 2.6 Hạt mài trên đá mài cBN đơn tinh thể mạ đồng bị mòn phẳng sau khi mài
hợp kim Ti-6Al-4V [55] ........................................................................................... 35
Hình 2.7 Quan hệ giữa lực mài và diện tích mịn trên hạt mài khi mài thép và kim loại
màu [12] .................................................................................................................... 36
Hình 2.8 Quan hệ giữa lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến khi mài hợp kim (a) Ti2AlNb;
(b) Ti-6Al-4V và (c) Inconel 718 [58] ..................................................................... 37
Hình 2.9 Quan hệ giữa năng lượng cắt riêng và vận tốc bóc phoi thể tích trên chiều

rộng đơn vị (S.t) khi mài phẳng [12] ........................................................................ 38
XI


Hình 2.10 (a) Cơ chế cày xước và tạo phoi khi hạt mài cắt qua vùng mài; (b) Bề mặt
của chi tiết mài [13] .................................................................................................. 39
Hình 2.11 (a) So sánh cấu trúc tinh thể lục giác của C và hBN [37]; (b) Hình SEM
của tấm nano xGnP [63]; (c) Hình SEM của tấm nano hBN [62]............................ 43
Hình 2.12 Ảnh hưởng của kích thước hạt mài đến nhám bề mặt Ra [12] ................ 44
Hình 2.13 Ảnh hưởng của loại vật liệu chất kết dính (đường 1) và vật liệu hạt mài
(đường 2, 3) đến nhám bề mặt Ra [52] ..................................................................... 45
Hình 2.14 Ảnh hưởng của chế độ sửa đá và hệ số bóc gọt thể tích lũy tiến riêng VW’
đến nhám bề mặt (mài trịn trong, đá mài 32A80M6VBE, phơi thép AISI 52100) [13]
.................................................................................................................................. 45
Hình 2.15 Ảnh hưởng của thời gian mài tới nhám bề mặt [19] ............................... 46
Hình 2.16 Ảnh hưởng của các yếu tố di truyền trước khi mài đến nhám bề mặt [52]
.................................................................................................................................. 47
Hình 2.17 Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến biến cứng bề mặt khi mài
hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài SiC [67] ............................................................... 47
Hình 3.1 (a) Trung tâm gia cơng CNC trục đứng cao tốc HS Super MC500; (b) Giao
diện phần mềm điều khiển FANUC series 31i(Oi) - A. ........................................... 49
Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống thực nghiệm trên trung tâm gia cơng CNC HS Super MC500.
.................................................................................................................................. 49
Hình 3.3 Hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội .................................................. 51
Hình 3.4 Đá mài cBN120 D100 T8 H20 X5 U6 ...................................................... 51
Hình 3.5 Mẫu thực nghiệm (a) Ti64 ủ và (b) Ti64 tôi ............................................. 52
Hình 3.6 Q trình ủ hợp kim Ti64-Elo và tơi hợp kim Ti64-La............................. 52
Hình 3.7 Cấu trúc tế vi của (a) Ti64-Elo và (b) Ti64-La (α - pha tối, β - pha sáng)
[68]............................................................................................................................ 53
Hình 3.8 Quá trình pha trộn dầu tổng hợp với (a) Bột xGnP-M25; (b) Bột hBN-K05

.................................................................................................................................. 54
Hình 3.9 (a) Mũi sửa đá kim cương đa hạt; (b) Thanh đá dầu SiC [15] .................. 55
Hình 3.10 (a) Đo độ đảo của đá mài bằng đồng hồ so; (b) Sửa đúng bằng mũi sửa đá
kim cương đa hạt; (b) Làm sắc bằng thanh đá dầu SiC ............................................ 55
Hình 3.11 Panme đo ngoài điện tử Mitutoyo 293 - 240 -30 .................................... 56
Hình 3.12 Kính hiển vi điện tử qt JEOL JSM 6510LV ........................................ 56
Hình 3.13 Máy đo nhám Surftest SV2100 Mitutoyo ............................................... 57
Hình 3.14 Máy đo độ cứng tế vi IndentaMet-1100 .................................................. 58
Hình 3.15 Mơ hình phần tử hữu hạn hai chiều khi mài phẳng bằng một hạt mài .... 62
XII


Hình 3.16 Sơ đồ mài bằng một hạt mài [80] ............................................................ 62
Hình 3.17 Mơ phỏng ba giai đoạn chính khi mài hợp kim Ti-6Al-4V (trường ứng suất
Von Mises) ............................................................................................................... 65
Hình 3.18 Đồ thị điểm mô tả quan hệ giữa lực cắt với thời gian khi mài bằng một hạt
mài ............................................................................................................................ 65
Hình 3.19 So sánh giữa lực cắt mơ phỏng và thực nghiệm khi mài bằng một hạt mài
trong môi trường (a) Mài khơ và (b) Mài ướt .......................................................... 66
Hình 3.20 Phân bố nhiệt độ trên phơi khi mài.......................................................... 66
Hình 3.21 Đường cong nhiệt độ tại 8 điểm trên phôi (a) Theo phương thẳng đứng và
(b) Theo phương nằm ngang .................................................................................... 67
Hình 3.22 Ảnh hưởng của (a) Chiều sâu cắt và (b) Lượng tiến dao đến nhiệt độ bề
mặt phôi .................................................................................................................... 67
Hình 4.1 Ảnh hưởng của lượng tiến dao đến trị số nhám bề mặt (a) Ra và (b) Rz khi
mài khơ và ướt hợp kim Ti-64 ủ. .............................................................................. 69
Hình 4.2 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến trị số nhám bề mặt (a) Ra và (b) Rz khi mài
khô và ướt hợp kim Ti-64 ủ. ..................................................................................... 70
Hình 4.3 Ảnh SEM bề mặt phôi Ti64 ủ ( t = 0,01 mm; S = 3000 mm/ph; mài khơ, Ra
= 0,763 µm; Rz = 4,622 µm)..................................................................................... 71

Hình 4.4 Cấu trúc tế vi bề mặt phôi Ti64 ủ khi v = 30 m/s; t = 0,01 mm ................ 71
Hình 4.5 Cấu trúc tế vi bề mặt phôi Ti64 ủ khi v = 30 m/s, S = 3000 mm/ph ......... 72
Hình 4.6 Độ cứng tế vi bề mặt hợp kim Ti64 ủ với t = 0,01 mm; S = 3000 mm/ph khi
mài khô (mẫu A) và mài ướt (mẫu B) ...................................................................... 72
Hình 4.7 Ảnh hưởng của bước tiến dao đến trị số nhám bề mặt (a) Ra và (b) Rz khi
mài Ti64 ủ ................................................................................................................. 77
Hình 4.8 Ảnh hưởng của bước tiến dao đến trị số nhám bề mặt (a) Ra và (b) Rz khi
mài Ti64 tơi .............................................................................................................. 77
Hình 4.9 Ảnh hưởng của chế độ bơi trơn làm mát đến trị số nhám bề mặt (a) Ra và (b)
Rz khi mài Ti64 ủ ...................................................................................................... 78
Hình 4.10 Đặc tính làm giảm ma sát của hạt nano [85] ........................................... 79
Hình 4.11 Quan hệ giữa nhám bề mặt và hoạt động tự làm sạch [85] ..................... 79
Hình 4.12 Ảnh hưởng của chế độ bôi trơn làm mát đến trị số nhám bề mặt (a) Ra và
(b) Rz khi mài Ti64 tơi .............................................................................................. 80
Hình 4.13 Tỉ lệ % khối lượng của các nguyên tố Bo và Ni-tơ trên bề mặt phôi Ti-64
tôi .............................................................................................................................. 80
XIII


Hình 4.14 Cấu trúc tế vi bề mặt phơi Ti64 ủ khi lượng tiến dao S = 3000 mm/ph trong
các chế độ bơi trơn làm mát khác nhau .................................................................... 81
Hình 4.15 Cấu trúc tế vi bề mặt phôi Ti64 tôi khi lượng tiến dao S = 3000 mm/ph
trong các chế độ bơi trơn làm mát khác nhau ........................................................... 82
Hình 4.16 Độ cứng tế vi HV của bề mặt phôi Ti64-Elo và Ti64-La: (a) Sơ đồ vị trí
điểm đo; (b) Vị trí vết đâm; và (c) Đồ thị độ cứng tế vi HV .................................... 83
Hình 4.17 Ảnh hưởng của bước tiến dao đến trị số nhám bề mặt Ra (a) và Rz (b) khi
mài phẳng hợp kim Ti64 ủ dưới các chiều sâu cắt khác nhau .................................. 85
Hình 4.18 Ảnh hưởng của bước tiến dao đến trị số nhám bề mặt Ra (a) và Rz (b) khi
mài phẳng hợp kim Ti64 tơi dưới các chiều sâu cắt khác nhau ............................... 85
Hình 4.19 Sơ đồ khối giải bài toán tối ưu chế độ công nghệ ứng dụng giải thuật PSO

.................................................................................................................................. 92

XIV


MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài luận án
Mài là một phương pháp gia cơng tinh chiếm vị trí quan trọng trong gia cơng cơ
khí. Ưu điểm nổi bật của nó là có khả năng đạt được độ chính xác cao và nhám bề
mặt thấp (độ chính xác cấp 6, nhám bề mặt Ra ≤ 1,6). Trong đó, mài phẳng là phương
pháp mài có năng suất cao do gá đặt chi tiết dễ dàng, tốn ít thời gian [1].
Cho đến nay đã có nhiều cơng trình nghiên cứu về mài phẳng được thực hiện trong
nước cũng như trên thế giới. Khi nghiên cứu về mài, các nhà khoa học tập trung giải
quyết các vấn đề liên quan đến đến máy mài, đá mài, chi tiết mài cũng như chế độ
cắt, nhiệt cắt và dung dịch trơn nguội. Tuy nhiên, các nghiên cứu về mài phẳng ở Việt
Nam trước đây chủ yếu thực hiện trên vật liệu gia công là các loại thép và dụng cụ
cắt là đá mài cacbit silic, ơ-xít nhơm, kim cương, chưa có nhiều nghiên cứu chuyên
sâu về mài hợp kim titan bằng đá mài cBN.
Hợp kim titan là loại vật liệu được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác
nhau như hàng không, ô tơ, động cơ, tuabin khí, hạt nhân, y sinh (làm khung và động
cơ máy bay, cánh tuabin hơi nước, tên lửa, tàu biển, thiết bị hóa học và y sinh học).
Chúng có các các tính chất cơ lý vượt trội như tỉ số độ bền trên trọng lượng lớn, giới
hạn đàn hồi cao, tính chống ăn mịn rất tốt, độ dai lớn và tính tương thích sinh học
tốt. Ngồi ra, titan còn bền và cứng khi nhiệt độ lên tới 550°C. Tuy nhiên, nó cũng
có những nhược điểm như dễ phản ứng hóa học với dụng cụ cắt, tính dẫn nhiệt kém,
nhiệt dung riêng lớn và ứng suất hóa cứng cao làm năng suất gia công thấp và tuổi
bền của dao ngắn. Tính dẫn nhiệt kém của titan khiến nhiệt độ tại vùng cắt và ứng
suất nhiệt trên lưỡi cắt tăng. Do hợp kim titan bền ở nhiệt độ cao nên nhiệt độ tăng
khơng có lợi vì dao sẽ bị mềm nhiệt. Titan phản ứng hóa học với hầu hết vật liệu dụng
cụ cắt. Phản ứng này tăng lên khi nhiệt độ tăng làm dao bị mịn và bám dính, lưỡi cắt

bị bong tróc, xây xát và hình thành lẹo dao. Mặc dù lực cắt khi gia công titan xấp xỉ
với thép, nhưng ứng suất trên lưỡi cắt lớn hơn nhiều. Ứng suất cơ học này và ứng
suất nhiệt do ma sát giữa phoi và dao khiến mặt trước dao bị mịn lõm. Phoi khi gia
cơng titan có dạng răng cưa làm tăng rung động khiến lưỡi cắt bị sứt mẻ [2].
Ứng suất, nhiệt độ và rung động là những nguyên nhân chính gây ra hư hỏng và
làm giảm tuổi bền dụng cụ. Những yếu tố này xuất hiện nhiều hơn khi gia cơng những
vật liệu khó cắt gọt. Do đó, vật liệu dao nào có thể chịu được ứng suất, nhiệt độ và
rung động lớn thì sẽ phù hợp để gia công hợp kim titan [3]. cBN là vật liệu cứng thứ
hai chỉ sau kim cương, nóng chảy ở nhiệt độ 2730°C nên có độ bền nhiệt cao. Vật
liệu cBN ổn định hóa học, khơng bị ơ-xi hóa ở 1300°C, trong khi kim cương bị graphit
hóa ở 900°C. Với các đặc tính ưu việt này, dụng cụ cắt cBN thường được sử dụng để
gia cơng các vật liệu khó cắt gọt. Chúng có thể gia cơng hợp kim titan ở tốc độ cắt
cao hơn nhiều dụng cụ gốm hoặc hợp kim cứng.
Các nghiên cứu về mài phẳng hợp kim titan bằng đá mài cBN trước đây thường
tập trung vào các hướng: (1) Đánh giá ảnh hưởng của chế độ bôi trơn làm mát đến
chất lượng gia công; (2) So sánh khả năng gia công của các loại đá mài cBN khác
nhau; (3) Cơ chế mòn và nứt vỡ của hạt mài cBN; (4) Cải tiến quá trình mài hợp kim
Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN; mà chưa có cơng trình khoa học nào nghiên cứu sâu về
1


ảnh hưởng của chế độ công nghệ (vận tốc cắt, lượng tiến dao, chiều sâu cắt) tới chất
lượng bề mặt và năng suất gia cơng, từ đó xác định chế độ công nghệ tối ưu để đạt
năng suất gia công tối đa đồng thời đảm bảo nhám bề mặt yêu cầu của chi tiết mài.
Đây cũng chính là lý do lựa chọn đề tài luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số
thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công khi mài phẳng chi
tiết hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN”.

2. Mục đích, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu
2.1 Mục đích nghiên cứu

Xác định được ảnh hưởng của một số yếu tố đến chất lượng bề mặt chi tiết bao
gồm nhám bề mặt, cấu trúc tế vi bề mặt, độ cứng tế vi bề mặt và năng suất gia công
khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa phenol. Từ đó xác
định chế độ cơng nghệ tối ưu để nâng cao năng suất gia công và đảm bảo nhám bề
mặt yêu cầu dưới chế độ mài ướt.
2.2 Đối tượng nghiên cứu
Quá trình mài phẳng vật liệu hợp kim titan Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN liên kết
nhựa phenol.
2.3 Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết để xác
định mức độ ảnh hưởng của một số yếu tố như lượng tiến dao dọc, chiều sâu cắt và
chế độ bôi trơn làm mát đến chất lượng bề mặt bao gồm nhám bề mặt, độ cứng tế vi
bề mặt, cấu trúc tế vi bề mặt và năng suất gia công. Thực nghiệm nhằm kiểm chứng
mức độ ảnh hưởng của các yếu tố nói trên đến chất lượng bề mặt và năng suất gia
công.
2.4 Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố là lượng tiến dao dọc, chiều sâu cắt, chế
độ bôi trơn làm mát đến chất lượng bề mặt bao gồm nhám bề mặt, độ cứng tế vi bề
mặt, cấu trúc tế vi bề mặt và năng suất gia công khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V
bằng đá mài cBN liên kết nhựa phenol trên trung tâm gia công CNC cao tốc.

3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.1 Ý nghĩa khoa học
- Xác định mối quan hệ giữa một số yếu tố là lượng tiến dao dọc, chiều sâu cắt, chế
độ bôi trơn làm mát với chất lượng bề mặt bao gồm nhám bề mặt, độ cứng tế vi bề
mặt, cấu trúc tế vi bề mặt và năng suất gia công khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V
bằng đá mài cBN liên kết nhựa phenol.
- Tối ưu hóa để xác định lượng tiến dao và chiều sâu cắt phù hợp nhằm nâng cao năng
suất gia công.

2


3.2 Ý nghĩa thực tiễn
- Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng vào sản xuất thực tế nhằm nâng cao hiệu quả
kinh tế kỹ thuật của quá trình mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN liên
kết nhựa phenol.
- Kết quả của luận án có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho giảng dạy, nghiên cứu
khoa học khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa phenol.

4. Những đóng góp mới
- Đã xác định được mối quan hệ giữa các yếu tố là lượng tiến dao dọc, chiều sâu
cắt, chế độ bôi trơn làm mát với chất lượng bề mặt bao gồm nhám bề mặt, độ cứng tế
vi bề mặt, cấu trúc tế vi bề mặt và năng suất gia công khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa phenol.
- Ứng dụng giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (PSO) để tìm ra bộ chế độ cơng nghệ
(vận tốc cắt, lượng tiến dao, chiều sâu cắt) phù hợp để đạt được năng suất gia công Q
lớn nhất cho chế độ mài ướt.

5. Cấu trúc của luận án
Luận án bao gồm bốn chương cụ thể như sau:
- Chương 1: Tổng quan về mài phẳng hợp kim titan bằng đá mài cBN.
Nghiên cứu đặc điểm chung của hợp kim titan và đá mài cBN, đặc điểm của quá
trình mài phẳng hợp kim titan bằng đá mài cBN, phân tích đánh giá những cơng trình
nghiên cứu trước đây của các tác giả trong và ngoài nước liên quan đến mài phẳng
hợp kim titan bằng đá mài cBN. Trên cơ sở đó xác định được những vấn đề mà luận
án cần tập trung nghiên cứu giải quyết.
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết về mài phẳng hợp kim titan bằng đá mài cBN.
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá
mài cBN; cơ sở lý thuyết về bôi trơn làm mát; ảnh hưởng của một số yếu tố đến chất
lượng bề mặt và năng suất gia công. Kết quả nghiên cứu của chương làm cơ sở cho

nghiên cứu ở các chương sau.
- Chương 3: Mô hình, vật liệu và phương pháp nghiên cứu.
Xây dựng mơ hình thực nghiệm, phân tích lựa chọn các thiết bị đo lường. Lựa chọn
các thông số thực nghiệm. Xác định phương pháp thực nghiệm và phương pháp quy
hoạch thực nghiệm. Mơ hình hóa q trình mài phẳng bằng phương pháp phần tử hữu
hạn. Đây là tiền đề quan trọng để thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố
đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công.
- Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá kết quả.
Xác định mối quan hệ giữa các yếu tố như lượng tiến dao dọc, chiều sâu cắt, chế
độ bôi trơn làm mát với nhám bề mặt, độ cứng tế vi bề mặt, cấu trúc tế vi bề mặt và
năng suất gia công. Ứng dụng giải thuật tối ưu hóa bầy đàn để tìm ra chế độ cơng
nghệ tối ưu.

3


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MÀI PHẲNG HỢP KIM
TITAN BẰNG ĐÁ MÀI cBN
1.1. Hợp kim titan và đá mài cBN
1.1.1. Hợp kim titan
1.1.1.1 Đặc tính và ứng dụng
Titan và các hợp kim của nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành cơng
nghiệp do có các đặc tính ưu việt, một trong số đó là tỉ số độ bền trên trọng lượng
cao. Độ bền của titan vượt trội hầu hết các kim loại khác trong khi khối lượng riêng
chỉ bằng hơn một nửa so với thép. Đặc tính này vẫn được duy trì ở nhiệt độ cao nên
titan cịn được sử dụng trong động cơ máy bay. Người ta có thể thay thế thép hoặc
niken bằng hợp kim titan với độ bền tương đương, trong khi khối lượng giảm tới
40%. Việc dùng hợp kim titan trong động cơ tuabin khí đã phát triển đến mức chúng
chiếm khoảng 25% khối lượng của các động cơ tuabin khí mới nhất.
Hợp kim titan có tính dẫn nhiệt và giãn nở nhiệt thấp hơn so với thép và niken.

Tính giãn nở nhiệt thấp làm giảm ứng suất nhiệt bên trong các chi tiết có chênh lệch
nhiệt độ giữa các phần khác nhau lớn [3].
Hợp kim titan có tính chống ăn mịn tốt và tồn tại lâu dài được trong nước biển,
trong khi các vật liệu xây dựng bằng kim loại khác thường có tuổi thọ ngắn. Mơi
trường ăn mịn như vậy cũng rất phổ biến trong ngành cơng nghiệp dầu khí. Ngồi
ra, titan cịn có độ đàn hồi lớn, phù hợp để chế tạo các chi tiết cần độ dẻo dai cao và
hạn chế vết nứt. Đặc tính phi từ tính khiến titan được sử dụng làm chất nền ổ cứng
trong công nghiệp máy tính nhằm tăng khả năng lưu trữ dữ liệu. Do có tính trơ hóa
học hay tính tương thích sinh học tốt nên titan là vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng
y tế như cấy ghép [4].
Hợp kim titan được sử dụng phổ biến nhất là Ti-6Al-4V, chiếm đến 50% thị trường
titan. Đây là một hợp kim titan dạng alpha-beta chứa 6% nhơm và 4% Vanadi theo
khối lượng. Nó có độ bền, độ dai và tính chống ăn mịn rất tốt. Hợp kim titan này
thường được sử dụng trong công nghiệp hàng khơng (làm cánh máy nén khí và tuabin
khí, khung máy bay), nồi áp suất và cấy ghép phẫu thuật [5].
1.1.1.2 Cấu trúc tinh thể
Titan có hai dạng cấu trúc tinh thể là pha alpha (hcp) và pha beta (bcc). Ở nhiệt độ
bình thường, titan có cấu trúc tinh thể pha alpha dạng lục giác bó chặt (hcp). Nó trải
qua biến đổi thù hình ở nhiệt độ 882°C để chuyển sang pha beta dạng khối thể tâm
(bcc). Pha này ổn định cho đến khi titan nóng chảy ở nhiệt độ 1668°C. Hình 1.1 mơ
tả hai dạng thù hình của titan. Nhiệt độ chuyển pha (β- nhiệt độ chuyển pha) sẽ thay
đổi nếu trong hợp kim có thêm các nguyên tố khác [6].
Bổ sung nhôm (Al), Galium (Ga), ô-xy (O), Ni-tơ (N) và cacbon (C) vào titan sẽ
làm tăng nhiệt độ chuyển pha của nó. Các nguyên tố này được gọi là chất ổn định pha
alpha. Ngược lại, thêm các nguyên tố như Vanadi (V), Molipden (Mo), Niobium
(Nb), sắt (Fe), Crôm (Cr), Niken (Ni), Mangan (Mn) và Coban (Co) làm giảm nhiệt
4


độ chuyển pha. Do đó, chúng được gọi là chất ổn định pha beta. Các nguyên tố ít ảnh

hưởng đến nhiệt độ chuyển pha như thiếc (Sn) và Ziconi (Zr) gọi là ngun tố trung
tính.

Hình 1.1 Các dạng tinh thể của titan tinh khiết [7]

Do được kết hợp với nhiều nguyên tố khác nhau nên hợp kim Titan có thể chia
thành các loại chính như sau ([3], [5]):
Hợp kim alpha là hợp kim titan đơn pha bao gồm một chất ổn định pha alpha và
một số nguyên tố hợp kim trung tính khác. Nhơm thường được dùng làm chất ổn định
pha alpha (ví dụ như hợp kim Ti-5Al-2.5Sn). Hợp kim alpha có tính chống rão và độ
bền kéo ở nhiệt độ cao tốt hơn hợp kim alpha-beta và beta. Hợp kim alpha không thể
nhiệt luyện được do cấu trúc tế vi của chúng không thay đổi sau khi nhiệt luyện. Do
độ bền kéo giảm đi khi nhiệt độ lớn hơn 300ºC, chúng chủ yếu được sử dụng trong
các ứng dụng làm lạnh sâu hoặc những nơi cần tính chống ăn mòn tốt. Hợp kim alpha
thường được sử dụng là Ti-5Al-2.5Sn.
Hợp kim gần alpha là hợp kim alpha có chứa một lượng nhỏ chất ổn định pha beta,
do người ta đã chứng minh được rằng khả năng làm việc và độ bền của hợp kim titan
có thể được cải thiện sau khi thêm một lượng nhỏ (1–2%) chất ổn định beta. Hợp kim
này chứa chủ yếu pha alpha với một ít pha beta và có đặc tính giống hợp kim alpha
bình thường hơn hợp kim alpha-beta. Do tương đồng cao với hợp kim alpha, hợp kim
gần alpha có khả năng làm việc ở nhiệt độ từ 400 đến 520ºC. Vì vậy, chúng thường
được sử dụng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, đặc biệt là làm các chi tiết phải
chịu nhiệt độ cao của động cơ phản lực. Ti 8-1-1 (Ti-8Al-1Mo-1V) và IMI 685 (Ti6Al-5Zr-0,5Mo-0,25Si) là một số thành viên thuộc về họ hợp kim titan này.
Hợp kim alpha-beta: Nếu thêm vào titan lượng chất ổn định beta lớn hơn (4–6%)
so với hợp kim gần alpha (1–2%) thì sẽ tạo ra một loại hợp kim titan mới là hợp kim
alpha-beta. Ở nhiệt độ bình thường, hợp kim này là hỗn hợp của các pha alpha và
beta, có thêm chất ổn định pha alpha và beta. Sau khi nhiệt luyện, hợp kim này chứa
nhiều pha beta hơn hợp kim gần alpha. Lượng pha beta phụ thuộc vào lượng chất ổn
định pha beta và quá trình nhiệt luyện. Nhiệt luyện giúp cải thiện độ bền khiến cho
hợp kim titan này trở thành lựa chọn chủ yếu trong các ứng dụng ở nhiệt độ cao (350–

5


400ºC). IMI 550 (Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.5Si) và đặc biệt là Ti 6-4 (Ti-6Al-4V) là các
hợp kim titan thuộc nhóm này được sử dụng phổ biến nhất trong cơng nghiệp (Hình
1.2).
Hợp kim beta nửa bền: Sau khi tăng thêm lượng chất ổn định pha beta (10–15%),
pha beta được giữ lại trong trạng thái nửa bền ở nhiệt độ phòng. Các hợp kim beta
nửa bền có chứa một lượng nhỏ chất ổn định alpha để tăng độ bền. Chúng có độ dẻo
lớn, độ bền cao, độ cứng tốt và có thể rèn được trong một khoảng nhiệt độ rộng. Họ
hợp kim titan này là ứng cử viên tiềm năng cho các kết cấu trong ngành hàng khơng
vũ trụ.
Hợp kim beta: Hợp kim beta có nhiều chất ổn định pha beta (30%) và ít chất ổn
định pha alpha. Hợp kim beta có độ bền cao, chứa chủ yếu là cấu trúc dạng khối thể
tâm, có thể tăng cứng bằng cách kết tủa pha alpha mịn. Ưu điểm quan trọng của hợp
kim beta là độ thấm tơi cao, tính rèn cao và tính tạo hình nguội tốt. Do có khối lượng
riêng lớn và độ dẻo thấp nên họ hợp kim titan này thường được dùng trong một số
ứng dụng đặc biệt yêu cầu khả năng chống cháy và chống ăn mịn tốt.

Hình 1.2 Cấu trúc tế vi của hợp kim Ti-6Al-4V (α - pha tối, β - pha sáng) [6]

Nếu phân loại theo ứng dụng thì hợp kim Titan có thể chia thành hai nhóm chính.
Nhóm thứ nhất là hợp kim chống ăn mịn và nhóm thứ hai là hợp kim kết cấu (có độ
bền cao). Hợp kim chống ăn mịn gồm có hợp kim alpha. Hợp kim kết cấu bao gồm
hợp kim gần alpha, alpha-beta, beta nửa bền và beta.
1.1.1.3 Tính gia cơng cắt gọt của hợp kim titan
Tính gia cơng được định nghĩa là tính dễ hay khó cắt gọt của một loại vật liệu. Gia
công là loại bỏ một lớp vật liệu phôi, thường là kim loại, bằng dụng cụ cắt. Tính gia
cơng cắt gọt khơng phải là đại lượng có thể đo trực tiếp với đơn vị là cấp độ hay số
mà phải được định lượng dựa trên các thông số khác có thể đo lường được. Các thơng

số này bao gồm công suất cắt, chất lượng bề mặt sau khi gia cơng, tuổi bền dụng cụ
và tạo phoi ([3], [8]).
Nói chung, mặc dù vật liệu cứng thường khó cắt, nhưng các vật liệu khó cắt khơng
nhất thiết phải cứng. Thơng thường, các loại vật liệu có tính gia cơng tốt có thể cắt
gọt tương đối dễ dàng với công suất nhỏ. Chất lượng bề mặt sau khi gia công cao,
dụng cụ cắt mòn chậm, đồng nghĩa với tuổi bền dài hơn. Ngược lại, vật liệu có tính
cắt gọt kém sẽ có cơng suất cắt lớn, dụng cụ mịn nhanh và chất lượng bề mặt thấp.
Người ta cũng nhận thấy phần lớn các dụng cụ có hiệu suất tốt khi gia cơng các vật
6


liệu khác đã cho thấy hiệu suất từ trung bình đến kém khi cắt gọt hợp kim titan. Tính
khó gia công của titan là kết hợp của các đặc điểm sau [6].
-

Tính dẫn nhiệt kém:

Titan có hệ số giãn nở nhiệt rất thấp và độ dẫn nhiệt rất kém so với các kim loại
kết cấu khác như sắt, niken và nhơm. Tính dẫn nhiệt của titan α (cao nhất trong số
các hợp kim titan) chỉ bằng một phần tư của sắt và một phần mười của nhôm [3].
Khi gia công cắt gọt, nhiệt sinh ra rất nhiều trong vùng cắt. Hầu hết nhiệt này được
tạo thành khi phôi bị biến dạng dẻo dưới tác dụng của lưỡi cắt (vùng cắt thứ nhất)
như trong Hình 1.3. Biến dạng dẻo sinh ra năng lượng và chuyển hóa thành nhiệt
năng. Nhiệt cũng sinh ra do ma sát giữa phoi và dụng cụ (vùng cắt thứ hai). Nhiệt
lượng còn lại xuất hiện khi bề mặt sau gia cơng cọ xát với vùng mịn (vùng cắt thứ
ba) là vùng nằm dọc theo mặt sau của dao. Nhiệt sinh ra khi gia cơng có lợi vì nó làm
mềm cục bộ phơi khiến việc cắt gọt trở nên dễ dàng hơn. Tuy nhiên, nhiệt lượng quá
lớn nếu không được phân tán hợp lý sẽ làm hư hỏng dụng cụ cắt và giảm chất lượng
bề mặt phơi.

Hình 1.3 Sơ đồ vùng cắt và tạo phoi [3]

Khi gia công cắt gọt, nhiệt sinh ra được phân tán theo bốn cách. Phần lớn nhiệt
được truyền vào dụng cụ, phoi và chi tiết, phần nhỏ hơn (thường là không đáng kể)
truyền vào mơi trường xung quanh. Tính dẫn nhiệt kém của titan làm chậm q trình
phân tán nhiệt ra ngồi mơi trường nên nhiệt tập trung nhiều trong vùng cắt. Nhiều
nghiên cứu chỉ ra rằng, trong một nguyên công cắt gọt thông thường, dụng cụ cắt hấp
thu 50% nhiệt lượng. Tuy nhiên, giá trị này tăng vọt lên đến 80% khi gia cơng hợp
kim titan. Có nghĩa là một lượng lớn nhiệt cắt đã truyền vào dụng cụ làm giảm tuổi
bền dụng cụ. Hình 1.4 mơ tả q trình phân tán nhiệt vào dao và phoi khi gia công
Ti–6Al–4V và thép CK45.
Nhiệt độ tập trung tại vùng cắt khi gia công hợp kim titan đôi khi lên đến 1100ºC.
Nhiệt độ cao gần vùng cắt nơi dao tiếp xúc với phơi có thể nhanh chóng làm cùn lưỡi
cắt. Việc tiếp tục gia công bằng dụng cụ cùn khiến nhiệt sinh ra nhiều hơn và làm
giảm tuổi bền của dao. Dụng cụ cắt nhanh hỏng không chỉ làm giảm năng suất
7


(thường xuyên phải thay dao) mà còn ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng bề mặt chi
tiết. Ngoài ra, nhiệt độ cao cũng làm tăng mòn dao và tăng khuếch tán vật liệu phơi
vào lưỡi cắt.

Hình 1.4 Lượng nhiệt phân tán vào dao và phoi khi gia công Ti-6Al-4V và thép CK45 [6]

-

Phản ứng hóa học:

Tính trơ ở nhiệt độ thường khiến titan trở thành một trong những lựa chọn tốt nhất
cho cấy ghép y tế. Tuy nhiên, nó lại có ái lực hóa học mạnh khi nhiệt độ vượt quá

500ºC (thường gặp khi gia công). Ở nhiệt độ này, phản ứng hóa học xảy ra giữa titan
và dao đã nhanh chóng làm hỏng dụng cụ cắt. Hiện tượng này xuất hiện nhiều hơn
khi tốc độ cắt lớn do nhiệt lượng sinh ra nhiều. Do đó, phần lớn các dụng cụ cắt hiện
nay, ngay cả những loại cứng nhất, đều không phù hợp để gia công hợp kim titan.
-

Mô đun đàn hồi nhỏ:

Titan có tính đàn hồi cao nên nó là đối tượng lý tưởng cho những ứng dụng cần
vật liệu có tính dẻo cao và khơng bị nứt gãy. Tuy nhiên, đặc điểm này của titan lại
gây ra một số khó khăn cho q trình gia cơng. So với các kim loại khác, mô đun đàn
hồi của titan tương đối nhỏ khiến phôi bị biến dạng nhiều hơn khi tác dụng cùng một
lực có độ lớn xác định. Trong q trình gia cơng, khi dụng cụ tác dụng lực cắt vào
phôi, phôi thường bị bật ra khiến lưỡi cắt cọ xát với bề mặt phơi thay vì cắt gọt, nhất
là khi gia công phôi mỏng. Phôi bị uốn cong theo chu kỳ khi cắt gọt sinh ra rung động
khiến chất lượng bề mặt giảm.
-

Hiệu ứng hóa cứng:

Khi cắt gọt, nhiệt độ vùng cắt tăng đột biến khiến cho hiện tượng khuếch tán vào
vật liệu phôi tăng nhanh. Vùng cắt được bao quanh bởi khơng khí chứa các phân tử
Ni-tơ và Ơ-xi. Các phân tử này có thể khuếch tán vào phôi khi nhiệt độ là 600 – 700°C
trở lên, làm hóa cứng lớp bề mặt phơi khiến việc gia cơng khó khăn hơn. Hiện tượng
khuếch tán cũng xảy ra ở chỗ tiếp xúc giữa dao và phoi khi phoi trượt trên mặt trước
của dao [3].
Ngoài ra, ở nhiệt độ cao như vậy, hầu hết các kim loại đều bị mềm nhiệt và giảm
độ bền. Do đó, mềm nhiệt có thể coi là một hiện tượng tích cực khi nó làm giảm lực
cắt và công suất cắt. Tuy nhiên, titan vẫn duy trì độ bền vượt trội ở nhiệt độ cao. Ưu
8

điểm này khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng nhưng lại gây ra
một số khó khăn cho q trình gia cơng. Để làm biến dạng dẻo titan và tạo phoi cần
phải có cơng suất cắt gọt cao hơn. Công suất cắt gọt cao và biến dạng dẻo lớn sẽ làm
tăng cứng đáng kể bề mặt phơi. Hiện tượng đó được gọi là sự cứng nguội.
1.1.2. Hạt mài và đá mài cBN
1.1.2.1 Hạt mài cBN
a) Cấu trúc tinh thể của hạt mài cBN
Nitride Bo dạng khối (cBN) là loại hạt mài mới nhất do Bob Wentorf thuộc Đội
Siêu áp tại công ty GE phát minh ra. Ở trạng thái bình thường, Bo Nitride là một chất
bột trơn màu trắng với tên gọi h-BN (hoặc α-BN), có cấu trúc nguyên tử phân lớp
hình lục giác, giống với graphit, nhưng các nguyên tử Nitơ và Bo xếp xen kẽ nhau
thay vì Cacbon. Wentorf nhận thấy vật liệu này có những đặc điểm về cấu trúc và
liên kết tương đồng với than chì, nên đã sử dụng một loại dung mơi với nhiệt độ thích
hợp để phát triển một cấu trúc tinh thể dạng khối với tên gọi cBN (hoặc β-BN). Hạt
cBN khơng có trong tự nhiên mà được tổng hợp nhân tạo dưới áp suất và nhiệt độ
cao giống như kim cương. Tuy nhiên, tính chất hóa học của nó lại hồn tồn khác
kim cương. cBN khơng có ái lực với các kim loại chuyển tiếp mặc dù dung mơi tạo
nên nó là các oxide, boride và nitride kim loại, phổ biến nhất là Li3N. cBN được
thương mại hóa bởi cơng ty GE vào năm 1969 dưới tên gọi Borazon [8].
Giống như kim cương, có thể kiểm sốt được hình dạng hạt cBN trong quá trình
tổng hợp bằng cách khống chế tốc độ phát triển trên mặt phẳng bát diện (111) và mặt
phẳng lập phương (100) bằng nhiệt độ và áp suất. Nói chung, tinh thể thường có hình
dạng cuối cùng là một tứ diện vát mép (Hình 1.5). Ngồi ra, nó cịn có hình bát diện
hoặc bát diện lập phương. Bo Nitride dạng khối không màu nhưng hạt mài cBN
thương mại có màu hổ phách với nhiều sắc thái, từ nâu đến đen, phụ thuộc vào mức
độ và loại tạp chất lẫn trong đó. Đặc biệt, màu đen là do dư thừa nguyên tố Bo (Hình
1.6).
Bát diện

Tứ diện

Bát diện lập phương

Hình 1.5 Các hình thái phát triển của tinh thể cBN [9]

9