Nghiên cứu tính gia công vật liệu thép skd11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ và định hướng ứng dụng điện tử và định hướng ứng dụng trong công nghiệp
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (39.84 MB, 165 trang )
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung luận án là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các số
liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được tác giả nào công bố.
Hà Nội, ngày 8 tháng 8 năm 2019
TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS Nguyễn Đức Toàn
GS.TSKH Bành Tiến Long
i
NGƯỜI CAM ĐOAN
Mạc Thị Bích
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới GS.TSKH.NGND Bành Tiến Long và
PGS.TS Nguyễn Đức Tồn, những người Thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên tơi, giúp
đỡ tơi vượt qua những khó khăn để hồn thành luận án này.
Tơi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào
tạo (Trước là Viện Sau đại học), Viện Cơ khí, Bộ mơn Gia cơng vật liệu và Dụng cụ công
nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tơi hồn thành luận án này.
Tơi xin chân thành cảm ơn Khoa Cơ khí, Trung tâm Hồng Hải – Foxconn, Trường Đại học
Công nghiệp Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi hồn thành thực nghiệm
luận án này.
Tơi xin gửi lời cảm ơn tới Ban lãnh đạo Trường, Khoa Cơ khí, Bộ mơn Tự động hóa thiết
kế cơng nghệ Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên đã tạo mọi điều kiện và
giúp đỡ tơi hồn thành luận án.
Tơi xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ tơi.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới gia đình đã ln bên cạnh, động viên, giúp đỡ tơi,
chia sẻ những khó khăn, chăm sóc con gái nhỏ để tơi hồn thành luận án.
Tác giả luận án
Mạc Thị Bích
ii
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.......................................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................... x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................................ xii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG GIA NHIỆT ................................................. 5
1.1.
Lịch sử phát triển của gia công gia nhiệt ................................................................ 5
1.2.
Một số phương pháp gia nhiệt ................................................................................ 6
1.2.1
Gia nhiệt bằng dòng điện (Electricity – Assisted Machining - EAM) ............ 6
1.2.2
Gia nhiệt bằng laser (Laser - Assisted Machining – LAM) ............................ 6
1.2.3
Gia nhiệt bằng Plasma (Plasma - Enhanced Machining - PEM) ..................... 7
1.2.4
Gia nhiệt bằng lò nhiệt (Furnace heating – Assisted Machining – FAM)....... 8
1.2.5
Gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ (Induction heating - Assisted Machining -
IAM)
………………………………………………………………………………..8
1.2.6
Thuận lợi và khó khăn của các phương pháp gia nhiệt ................................... 8
1.3
Gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ .............................................................................. 9
1.3.1
Nguyên tắc ....................................................................................................... 9
1.3.2
Nguyên lý gia nhiệt ....................................................................................... 10
1.3.3
1.3.4
1.3.5
1.4
Thiết kế cuộn dây cảm ứng............................................................................ 13
Mơ hình tốn học trường điện từ ................................................................... 16
Mơ hình tốn học q trình gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ ......................... 18
Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước về gia cơng gia nhiệt........ 20
1.4.1
Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước ................................................. 20
1.4.2
Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước ................................................. 21
1.5
Kết luận ................................................................................................................. 36
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ VẬT LÝ Q TRÌNH GIA CƠNG GIA NHIỆT ........................... 37
2.1
Cấu tạo và biến dạng mạng tinh thể kim loại........................................................ 37
2.1.1
2.1.2
2.2
Cấu tạo mạng tinh thể kim loại...................................................................... 37
Sự biến đổi hình dáng hạt tinh thể trong quá trình biến dạng ....................... 40
Sự hình thành phoi khi gia công gia nhiệt ............................................................ 40
2.2.1 Quá trình hình thành phoi.................................................................................... 40
iii
2.2.2 Các dạng phoi ...................................................................................................... 43
2.2.3 Sự biến dạng trong quá trình tạo phoi ................................................................. 45
2.2.4 Hệ số co rút phoi ................................................................................................. 48
2.3 Động lực học quá trình phay trong mơi trường gia nhiệt .......................................... 48
2.3.1 Mơ hình lực trong q trình tạo phoi khi phay trong mơi trường gia nhiệt ........ 48
2.3.2 Mơ hình lực cắt khi gia cơng gia nhiệt ................................................................ 54
2.4 Kết luận chương 2 ...................................................................................................... 60
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH GIA
NHIỆT ĐẾN TÍNH GIA CƠNG VẬT LIỆU...................................................................... 61
THÉP SKD11 ...................................................................................................................... 61
3.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm ......................................................................................... 61
3.2 Thiết lập thực nghiệm ................................................................................................ 62
3.2.1 Vật liệu thí nghiệm .............................................................................................. 62
3.2.2 Phơi thí nghiệm ................................................................................................... 65
3.2.3 Máy phay đứng.................................................................................................... 65
3.2.4 Dụng cụ cắt.......................................................................................................... 66
3.2.5 Thiết bị gia nhiệt cảm ứng điện từ ...................................................................... 66
3.2.6 Nhiệt kế ............................................................................................................... 66
3.3 Ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến tổ chức tế vi và độ cứng vật liệu sau gia nhiệt
......................................................................................................................................... 67
3.3.1 Ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến tổ chức tế vi vật liệu ............................. 68
3.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến độ cứng vật liệu sau gia nhiệt ......................... 70
3.4 Ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến hình thái hình học phoi khi gia cơng gia nhiệt
thép SKD11...................................................................................................................... 70
3.4.1 Sự hình thành phoi khi gia cơng gia nhiệt thép SKD11 ...................................... 71
3.4.2 Ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến hình thái hình học phoi khi gia cơng gia
nhiệt thép SKD11 ......................................................................................................... 72
3.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của q trình gia nhiệt đến lực cắt khi gia cơng gia nhiệt thép
SKD11 ............................................................................................................................. 74
3.5.1 Thiết bị đo lực cắt................................................................................................ 74
3.5.2 Ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến lực cắt khi gia công gia nhiệt thép SKD11
...................................................................................................................................... 74
3.6 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến hệ số co rút phoi khi gia công gia
nhiệt thép SKD11............................................................................................................. 76
iv
3.6.1 Phương pháp xác định hệ số co rút phoi khi gia công gia nhiệt thép SKD11 ..... 77
3.6.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến hệ số co rút phoi khi gia công
gia nhiệt thép SKD11 ................................................................................................... 79
3.7 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến độ nhám bề mặt khi gia công gia
nhiệt thép SKD11............................................................................................................. 80
3.7.1 Thiết bị đo độ nhám bề mặt ................................................................................. 80
3.7.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến độ nhám bề mặt khi gia công
gia nhiệt thép SKD11 ................................................................................................... 81
3.8 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến rung động khi gia cơng gia nhiệt
thép SKD11...................................................................................................................... 83
3.8.1 Thiết bị đo rung động quá trình cắt ..................................................................... 83
3.8.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến rung động khi gia công thép
SKD11 .......................................................................................................................... 83
3.9 Kết luận chương 3 ...................................................................................................... 87
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC
THAM SỐ ĐẦU VÀO VÀ CÁC THÔNG SỐ ĐẦU RA.................................................. 89
4.1 Thiết kế thực nghiệm ................................................................................................. 90
4.1.1 Phương pháp Taguchi ......................................................................................... 90
4.1.2 Lựa chọn các thông số đầu vào ........................................................................... 91
4.1.3 Một số khái niệm ................................................................................................. 92
4.1.4 Thiết kế thực nghiệm........................................................................................... 94
4.2 Điều kiện thí nghiệm .................................................................................................. 96
4.3 Kết quả nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến lực cắt khi gia
công thông thường và khi gia công gia nhiệt thép SKD11 .............................................. 96
4.3.1 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến lực cắt khi gia công
thông thường thép SKD11 ........................................................................................... 96
4.3.2 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến lực cắt khi gia công
thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng từ ........................................... 98
4.4 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến hệ số co rút phoi khi gia
công thông thường và khi gia công gia nhiệt thép SKD11 ............................................ 106
4.4.1 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến hệ số co rút phoi khi
gia công thông thường thép SKD11 ........................................................................... 106
4.4.2 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến hệ số co rút phoi khi
gia công thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng từ .......................... 108
v
4.5 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt khi gia
công thông thường và khi gia công gia nhiệt thép SKD11 ............................................ 112
4.5.1 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt khi
gia công thông thường thép SKD11 ........................................................................... 112
4.5.2 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt khi
gia công thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ .................. 114
4.6 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến rung động q trình cắt
khi gia cơng thơng thường và khi gia công gia nhiệt thép SKD11 ................................ 118
4.6.1 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến rung động q trình
cắt khi gia cơng thơng thường thép SKD11 ............................................................... 118
4.6.2 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến biên độ rung động khi
gia công thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ .................. 121
4.7 Kết luận chương 4 .................................................................................................... 124
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 126
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 127
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 133
PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 134
vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
Diễn giải
TAM
LAM
PEM
EAM
Thermal – Assisted Machining – Gia công hỗ trợ bằng nhiệt
Laser – Assisted Machining – Gia công gia nhiệt bằng tia laser
Plasma Enhanced Machining – Gia công gia nhiệt bằng plasma
Electricity – Assisted Machining – Gia cơng gia nhiệt bằng
dịng điện
Induction heating - Assisted Machining – Gia công gia nhiệt
bằng cảm ứng từ
Furnace heating – Assisted Machining – FAM – Gia cơng gia
nhiệt bằng lị nhiệt
Finite Element Method – Phương pháp phần tử hữu hạn
Computer Numerical Control – Điều khiển số có sự trợ giúp
của máy tính
Vận tốc cắt
Lượng chạy dao phút
Lượng chạy dao răng
Chiều sâu cắt
Lực cắt thành phần theo các phương X, Y, Z
Hệ số co rút phoi
Biên độ rung động quá trình cắt
Độ nhám bề mặt
Biến dạng cắt
Ứng suất tiếp trong miền tạo phoi
Ứng suất pháp
Ứng suất cắt
Chiều sâu thâm nhập của trường điện từ
Điện trở suất của dịng điện
Độ thẩm từ của mơi trường phụ thuộc bản chất kim loại
Tần số dòng điện
Cường độ điện trường
Độ điện tích (điện cảm)
Cường độ từ trường
Véc tơ cảm ứng từ
Mật độ dịng điện
Độ điện thẩm của mơi trường
Hằng số từ môi của môi trường
Độ dẫn điện của vật liệu
Độ điện thẩm của chân không
Độ từ thẩm của chân không
Tỷ trọng của kim loại
Nhiệt dung riêng
IAM
FAM
FEM
CNC
V, Vc
f
ft
t
FX, FY, FZ
K
AXY
Ra
ξ
τk
σ
τc
δ
ρ
µ
fe
E
De
H
B
J
ε
µr
σm
εo
µo
γm
c
vii
Đơn vị
m/phút
mm/phút
mm/răng
mm
N
dB
µm
MPa
MPa
MPa
mm
Ωm
H/m
Hz
V/m
C/m2
A/m
Tesla
A/m2
F/m
S/m
F/m
H/m
J/(kg·K)
k
Q
∂T ∂n
λ
CS
QS
n
Ai(ϕ)
C(θ,(ϕ))
Ac
ae
D
ϕ’
Fa (i,ϕ’)
FA(i,ϕ’)
Fr (i,ϕ’)
FR(i,ϕ’)
Ft (i,ϕ’)
FT(i,ϕ’)
FX(ϕ’)
FY(ϕ’)
FZ(ϕ’)
ANOVA
SSE
SST
SSA
S/N
MSD
α
γ
φ, ϕ
α1
θ
FR
FT
KR
Độ dẫn nhiệt
Nguồn nhiệt cảm ứng được tạo ra bởi dịng điện xốy trên một
đơn vị thời gian trong một đơn vị thể tích
Gradien nhiệt độ theo hướng pháp tuyến với bề mặt tại điểm xét
Hệ số truyền nhiệt
Hệ số tổn thất nhiệt bức xạ
Tổn thất nhiệt bề mặt
Ký hiệu bề mặt biên
Diện tích lớp phoi chưa cắt của lưỡi cắt thứ i tại góc ϕ
Độ dày phoi tức thời của lưỡi cắt thứ i tại góc cắt ϕ
Diện tích mặt cắt ngang phoi chưa biến dạng
Chiều rộng phơi
Đường kính dao phay
Góc quay của lưỡi cắt
Lực dọc trục tác dụng lên lưỡi cắt thứ i tại góc ϕ’ trong hệ trục
tọa độ a-b-c
Lực dọc trục tác dụng lên lưỡi cắt thứ i tại góc ϕ’ trong hệ trục
tọa độ X-Y-Z
Lực hướng tâm tác dụng lên lưỡi cắt thứ i tại góc ϕ’ trong hệ
trục tọa độ a-b-c
Lực hướng tâm tác dụng lên lưỡi cắt thứ i tại góc ϕ’ trong hệ
trục tọa độ X-Y-Z
Lực tiếp tuyến tác dụng lên lưỡi cắt thứ i tại góc ϕ’ trong hệ
trục tọa độ a-b-c
Lực tiếp tuyến tác dụng lên lưỡi cắt thứ i tại góc ϕ’ trong hệ
trục tọa độ X-Y-Z
Lực cắt tức thời theo phương X của lưỡi cắt tại góc ϕ’
Lực cắt tức thời theo phương Y của lưỡi cắt tại góc ϕ’
Lực cắt tức thời theo phương Z của lưỡi cắt tại góc ϕ’
Analysis of Variance – Phân tích phương sai
Error Sum of Squares – Tổng bình phương sai số
Total Sum of Squares – Tổng bình phương
Tổng bình phương của tham số điều khiển A
Signal – to – Noise ratio – Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
Bình phương độ lệch
Góc sau
Góc trước
Góc trượt
Hệ số khuếch tán nhiệt
Nhiệt độ tại điểm khảo sát M(x,y,z)
Lực cắt trung bình khi gia cơng thơng thường
Lực cắt trung bình khi gia công gia nhiệt bằng cảm ứng từ
Hệ số co rút phoi khi gia công thông thường
viii
J
K-1
J
mm2
mm
mm2
mm
mm
o
N
N
N
N
N
N
N
N
N
o
o
o
o
N
N
KT
Ra-R
Ra-T
AXY-R
AXY-T
Hệ số co rút phoi khi gia công gia nhiệt bằng cảm ứng từ
Độ nhám bề mặt khi gia công thông thường
Độ nhám bề mặt khi gia công gia nhiệt bằng cảm ứng từ
Biên độ rung động khi gia công thơng thường
Biên độ rung động khi gia cơng gia nhiệt
ix
µm
µm
dB
dB
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. 1. Thuận lợi và khó khăn của các phương pháp gia nhiệt [62] ................................ 9
Bảng 1. 2 Điện trở suất của các kim loại khác nhau [38] .................................................... 13
Bảng 1.3. Hiệu quả của các phương pháp thiết kế cuộn dây cảm ứng [86] ........................ 15
Bảng 1. 4 Tóm tắt một số nghiên cứu về gia cơng gia nhiệt ............................................... 33
Bảng 3. 1 Thành phần hóa học của thép hợp kim SKD11, % khối lượng [79] .................. 62
Bảng 3. 2 Đặc tính vật lý và các hệ số mơ hình Johnson-Cook [81]................................... 62
Bảng 3. 3 Ứng suất đàn hồi, ứng suất và biến dạng lớn nhất thép SKD11 với khoảng nhiệt
độ từ 20oC đến 800oC, tốc độ biến dạng từ 0,01s-1 đến 1x104s-1 ........................................ 64
Bảng 3. 4 Thông số mảnh hợp kim cứng APKT 1604PDR – GM ...................................... 66
Bảng 3. 5 Kết quả đo độ cứng trên các mẫu thí nghiệm...................................................... 70
Bảng 3. 6 Lực cắt trung bình khi gia cơng thơng thường và gia cơng gia nhiệt.................. 75
Bảng 3. 7 Giá trị và độ giảm lực cắt tại các điều kiện gia công khác nhau ......................... 76
Bảng 3. 8 Giá trị và độ tăng hệ số co rút phoi tại các điều kiện gia nhiệt khác nhau .......... 80
Bảng 3. 9 Giá trị và độ giảm độ nhám bề mặt khi phay tại các điều kiện nhiệt độ khác nhau
............................................................................................................................................. 82
Bảng 3. 10 Giá trị và độ giảm biên độ rung động khi phay tại các điều kiện nhiệt độ khác
nhau ..................................................................................................................................... 87
Bảng 4. 1 Kiểu đặc tính chất lượng các chỉ tiêu đánh giá ................................................... 93
Bảng 4. 2 Tham số điều khiển và các mức độ ..................................................................... 94
Bảng 4. 3 Mảng trực giao L9 khi gia cơng thơng thường tại nhiệt độ phịng ..................... 94
Bảng 4. 4 Ma trận thí nghiệm khi gia cơng thơng thường tại nhiệt độ phịng ..................... 95
Bảng 4. 5 Mảng trực giao L9 khi gia công gia nhiệt ........................................................... 95
Bảng 4. 6 Ma trận thí nghiệm khi gia cơng gia nhiệt .......................................................... 95
Bảng 4. 7 Kết quả thí nghiệm lực cắt khi gia công thông thường thép SKD11 .................. 96
Bảng 4. 8 Tỷ số S/N cho mỗi mức độ khi gia công thông thường ...................................... 96
Bảng 4. 9 Hệ số và số mũ của mơ hình lực cắt khi gia công thông thường ........................ 97
Bảng 4. 10 Sai số lực cắt xác định từ mơ hình khi so sánh với dữ liệu thực nghiệm gia công
thông thường ........................................................................................................................ 98
Bảng 4. 11 Mảng trực giao L9 và giá trị lực cắt khi gia công gia nhiệt .............................. 99
Bảng 4. 12 Kết quả ANOVA cho lực cắt FT ....................................................................... 99
Bảng 4. 13 Tỷ lệ trung bình độ giảm lực cắt ..................................................................... 100
Bảng 4. 14 Phân tích sai số lực cắt xác định theo phương pháp tỷ lệ trung bình .............. 101
Bảng 4. 15 Hệ số và số mũ của mơ hình lực cắt khi gia công gia nhiệt ............................ 101
Bảng 4. 16 Phân tích sai số lực cắt xác định theo phương pháp Gauss - Newton............. 102
Bảng 4. 17 Tỷ lệ S/N lực cắt xác định theo các phương pháp khác nhau ........................ 103
Bảng 4. 18 Tỷ lệ S/N trung bình cho mỗi mức nhiệt độ.................................................... 103
Bảng 4. 19 Phân tích phương sai kết quả lực cắt xác định từ các mơ hình ....................... 104
x
Bảng 4. 20 Độ giảm lực cắt thực nghiệm tại các thí nghiệm khác nhau ........................... 105
Bảng 4. 21 Mảng trực giao L9 và kết quả hệ số co rút phoi khi gia công thông thường .. 106
Bảng 4. 22 Tỷ số S/N mỗi mức độ cho chỉ tiêu hệ số co rút phoi khi gia công thông thường
........................................................................................................................................... 106
Bảng 4. 23 Hệ số và số mũ của mơ hình hệ số co rút phoi khi gia công thông thường .... 107
Bảng 4. 24 Sai số mơ hình hệ số co rút phoi khi gia công thông thường .......................... 108
Bảng 4. 25 Mảng trực giao L9 và kết quả hệ số co rút phoi khi gia công gia nhiệt .......... 109
Bảng 4. 26 Kết quả ANOVA cho hệ số co rút phoi KT ..................................................... 109
Bảng 4. 27 Hệ số và số mũ của mơ hình hệ số co rút phoi khi gia công gia nhiệt ............ 110
Bảng 4. 28 Sai số mơ hình hệ số co rút phoi khi so sánh với dữ liệu thực nghiệm ........... 110
Bảng 4. 29 Độ tăng hệ số co rút phoi tại các thí nghiệm khác nhau ................................. 111
Bảng 4. 30 Mảng trực giao L9 và kết quả độ nhám bề mặt khi gia công thông thường ... 112
Bảng 4. 31 Tỷ số S/N mỗi mức độ cho chỉ tiêu độ nhám bề mặt khi gia công thông thường
........................................................................................................................................... 112
Bảng 4. 32 Hệ số và số mũ của mơ hình độ nhám bề mặt khi gia công thông thường ..... 113
Bảng 4. 33 Sai số mơ hình độ nhám bề mặt khi gia cơng thông thường ........................... 113
Bảng 4. 34 Mảng trực giao L9 và kết quả độ nhám bề mặt khi gia công gia nhiệt ........... 115
Bảng 4. 35 Kết quả ANOVA cho độ nhám bề mặt RaT .................................................... 115
Bảng 4. 36 Hệ số và số mũ của mơ hình hệ số co rút phoi khi gia công gia nhiệt ............ 116
Bảng 4. 37 Sai số mơ hình độ nhám bề mặt khi so sánh với dữ liệu thực nghiệm ............ 116
Bảng 4. 38 Độ tăng hệ số co rút phoi tại các thí nghiệm khác nhau ................................. 117
Bảng 4. 39 Mảng trực giao L9 và kết quả biên độ rung động khi gia công thông thường118
Bảng 4. 40 Tỷ số S/N mỗi mức độ cho chỉ tiêu độ nhám bề mặt khi gia công thông thường
........................................................................................................................................... 119
Bảng 4. 41 Hệ số và số mũ của mơ hình biên độ rung động khi gia công thông thường .. 120
Bảng 4. 42 Sai số mơ hình biên độ rung động khi gia cơng thơng thường ....................... 120
Bảng 4. 43 Mảng trực giao L9 và kết quả biên độ rung động khi gia công gia nhiệt ....... 121
Bảng 4. 44 Kết quả ANOVA cho biên độ rung động quá trình cắt AXY-T ........................ 122
Bảng 4. 45 Hệ số và số mũ của mơ hình biên độ rung động khi gia công gia nhiệt ......... 122
Bảng 4. 46 Sai số mơ hình độ nhám bề mặt khi so sánh với dữ liệu thực nghiệm ............ 123
xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1. 1 Mối quan hệ giữa độ bền cơ học phụ thuộc nhiệt độ một số loại vật liệu khác
nhau [78] ................................................................................................................................ 5
Hình 1.2. Điều chỉnh vị trí tương đối giữa chùm laze, phôi và dụng cụ cắt (a); Các thành
phần lực cắt thay đổi theo thời gian trong suốt quá trình gia cơng (b) [70] .......................... 7
Hình 1.3. Sơ đồ máy gia nhiệt Plasma [49] ........................................................................... 8
Hình 1. 4. Thiết lập thí nghiệm gia cơng gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ .......................... 10
Hình 1.5. Một số cách bố trí cuộn dây cảm ứng [38] .......................................................... 11
Hình 1. 6 Sự thay đổi lượng hấp thụ nhiệt của phôi khi nhiệt độ thay đổi [38] .................. 12
Hình 1. 7. Nhiệt độ Curie các loại thép phụ thuộc phần trăm khối lượng Cacbon vật liệu
[38] ...................................................................................................................................... 12
Hình 1.8. Thiết kế cuộn dây cảm ứng ảnh hưởng đến độ tự cảm [86] ................................ 14
Hình 1.9. Các kiểu thiết kế cuộn dây để nung các chi tiết có hình dáng khác nhau [86] .... 15
Hình 1.10. Các kiểu cấu hình cuộn dây cảm ứng ................................................................ 16
Hình 1. 11 Hình thái hình học phoi khi a) Gia công thông thường b) LAM tại tốc độ cắt
thấp c) LAM tại tốc độ cắt cao [72] .................................................................................... 21
Hình 1. 12 Đặc điểm hình học phoi phân đoạn [72]............................................................ 22
Hình 1. 13 Mặt cắt ngang phoi được tạo thành khi a) c) và e) là gia công thông thường; b)
d) f) là gia công gia nhiệt bằng laser với P = 1380 W tại các tốc độ cắt khác nhau [72] .... 22
Hình 1. 14 Hình thái hình học phoi trong cùng điều kiện cắt khi phay với mảnh cắt quay
không phủ WC – C tại các nhiệt độ khác nhau (a) – nhiệt độ phòng, (b) 315oC, (c) 450oC,
(d) 650oC [59] ...................................................................................................................... 23
Hình 1. 15 Hình thái hình học phoi khi gia công tại 250oC và 750oC [17] ......................... 24
Hình 1. 16 Các mẫu kiểm chứng 5, 6, 7 và đường dẫn biến dạng khi mô phỏng ............... 25
Hình 1. 17 Phoi phân đoạn tại tốc độ cắt thấp V = 1,2 m/phút ........................................... 26
Hình 1. 18 Phoi phân đoạn tại tốc độ cắt trung bình V = 120m/phút .................................. 26
Hình 1. 19 Phoi phân đoạn tại tốc độ cắt cao V = 600 m/phút ............................................ 26
Hình 1. 20 Mơ hình đường cong biến dạng phá hủy của mơ hình J - C và mơ hình B – W 27
Hình 1. 21 Ảnh hưởng của lực cắt giữa mô phỏng và thực nghiệm khi phay cao tốc hợp
kim nhôm A6061 tại các tốc độ cắt khác nhau [4] .............................................................. 27
Hình 1. 22 Hình thái hình học của phoi tạo thành khi phay hợp kim nhôm A6061 giữa mô
phỏng và thực nghiệm [4] .................................................................................................... 28
Hình 1. 23 Trường nhiệt độ a) Khơng gia nhiệt b) Gia nhiệt .............................................. 29
Hình 1. 24 Kết quả sự phân bố nhiệt trong vùng cắt sơ cấp ................................................ 30
Hình 1. 25 Trường ứng suất trong vùng cắt thứ cấp a) Không gia nhiệt b) Có gia nhiệt .... 30
Hình 1. 26 Phạm vi ứng xử vật liệu hợp kim Ti - 5553 ...................................................... 31
Hình 1. 27 Mòn mặt trước (a) và mòn mặt sau (b) .............................................................. 32
Hình 2.1. Các kiểu mạng tinh thể ........................................................................................ 37
xii
Hình 2. 2 Cấu trúc BCC và FCC: o = γ-Fe, • là ngun tử Cacbon .................................... 38
Hình 2. 3. Biểu đồ nung nóng và làm nguội sắt nguyên chất .............................................. 39
Hình 2. 4. Giản đồ pha Fe – C (nung nóng và làm nguội chậm) [58] ................................. 39
Hình 2. 5 Sự kéo dài các hạt từ dạng tròn sang dạng elip theo mặt trượt [20] .................... 40
Hình 2. 6 Sơ đồ hóa miền tạo phoi [20] .............................................................................. 41
Hình 2. 7 Sự hình thành phoi khi gia cơng cắt gọt kim loại [59] ........................................ 41
Hình 2. 8 Đường cong ứng suất - biến dạng vật liệu dụng cụ và vật liệu phơi [59]............ 42
Hình 2. 9 Các dạng phoi hình thành trong quá trình cắt [60] .............................................. 43
Hình 2. 10 Mơ hình vùng biến dạng .................................................................................... 44
Hình 2. 11 Mơ hình mặt phẳng trượt và vận tốc trượt [60] ................................................. 45
Hình 2. 12 Sự biến dạng nén, kéo và trượt [60] .................................................................. 46
Hình 2. 13 Hình học biến dạng trong quá trình cắt trực giao [60] ...................................... 47
Hình 2. 14 Sự thay đổi hình dạng tổng thể trong quá trình cắt [60] .................................... 47
Hình 2. 15 Mơ hình mặt cắt ................................................................................................. 49
Hình 2. 16. Sơ đồ lực gốc (a) và đã hiệu chỉnh (b).............................................................. 50
Hình 2. 17 Cách xác định hệ số co rút phoi [66] ................................................................. 52
Hình 2. 18 Các thuật ngữ sử dụng trong gia công cắt gọt a) Q trình tiện b) Thơng số hình
học lưỡi cắt dụng cụ ............................................................................................................ 53
Hình 2. 19 Thành phần lực cắt khi phay phẳng [68] ........................................................... 55
Hình 2. 20 Thành phần lực tác dụng lên 1 răng cắt ............................................................. 57
Hình 2. 21 Lực cắt thành phần tác dụng lên lưỡi cắt thứ 1 và thứ 2 với góc quay ϕm ........ 59
Hình 3. 1 Sơ đồ thí nghiệm.................................................................................................. 61
Hình 3. 2 Hình ảnh thí nghiệm ............................................................................................ 61
Hình 3. 3 Đường cong ứng suất - biến dạng thép SKD11 tại các nhiệt độ khác nhau
a) 20oC b) 300oC c) 600oC d) 800oC [22]............................................................................ 63
Hình 3. 4 Sự biến đổi của (a) ứng suất và (b) độ nhạy nhiệt độ khi nhiệt độ là hàm của tốc
độ biến dạng với biến dạng bằng 0,05 s-1 và 0,1 s-1 [22] ..................................................... 65
Hình 3. 5 Mẫu phơi thí nghiệm ........................................................................................... 65
Hình 3. 6 Máy phay MC500 ................................................................................................ 65
Hình 3. 7 Mảnh hợp kim cứng APKT 1604PDR – GM ...................................................... 66
Hình 3. 8 Thiết bị gia nhiệt cảm ứng từ............................................................................... 66
Hình 3. 9 Mối quan hệ giữa nhiệt độ phôi và thời gian gia nhiệt trong mơi trường cảm ứng
từ cho thép SKD11 .............................................................................................................. 67
Hình 3. 10 Mẫu thí nghiệm sau nung tại các nhiệt độ khác nhau ........................................ 68
Hình 3. 11 Kính hiển vi quang học Axiovert 25 CA và máy tính phân tích kết quả .......... 68
Hình 3. 12 Hình ảnh chụp cấu trúc tế vi vật liệu thép SKD11 với độ phóng đại 1000 lần . 69
Hình 3. 13 Máy đo độ cứng Brinell ..................................................................................... 70
Hình 3. 14 Lỗ trống hình thành, phát triển và hợp nhất [16]............................................... 71
Hình 3. 15 Sự hình thành phoi dựa trên cơ chế vết nứt tế vi [16] ....................................... 72
xiii
Hình 3. 16 Hình ảnh phoi khi gia cơng tại (a) nhiệt độ phòng, (b) tại 200oC, (c) tại 300oC,
(d) tại 400oC ........................................................................................................................ 73
Hình 3. 17 Hệ thống đo lực ................................................................................................. 74
Hình 3. 18 Đồ thị lực cắt tại nhiệt độ phịng và nhiệt độ cao .............................................. 75
Hình 3. 19 Đồ thị lực cắt tại các nhiệt độ khác nhau ........................................................... 76
Hình 3. 20 Hệ thống ATOS Scanport .................................................................................. 77
Hình 3. 21 Kết quả đo chiều dài phoi .................................................................................. 78
Hình 3. 22 Cân tiểu ly AND HR - 200 ................................................................................ 79
Hình 3. 23 Hệ số co rút phoi tại các thí nghiệm gia nhiệt khác nhau .................................. 80
Hình 3. 24 Thiết bị đo nhám và vị trí đo ............................................................................. 81
Hình 3. 25 Hình ảnh nhám khi gia cơng thơng thường và gia cơng gia nhiệt tại 200oC ..... 82
Hình 3. 26 Độ nhám bề mặt khi phay tại các điều kiện nhiệt độ khác nhau ....................... 82
Hình 3. 27 Thiết bị đo rung động quá trình cắt ................................................................... 83
Hình 3. 28 Giao diện phân tích Modal testing [2] ............................................................... 84
Hình 3. 29 Kết quả phân tích Modal testing [2] .................................................................. 85
Hình 3. 30 Kết quả phân tích rung động máy ở trạng thái khơng tải .................................. 85
Hình 3. 31 Kết quả đo rung động khi gia công tại nhiệt độ phịng...................................... 86
Hình 3. 32 Kết quả đo rung động khi gia cơng gia nhiệt..................................................... 86
Hình 3. 33 Biên độ rung động trung bình khi gia cơng tại các điều kiện nhiệt độ khác nhau
............................................................................................................................................. 87
Hình 4. 1 Thơng số đầu vào và đầu ra q trình gia cơng gia nhiệt thép SKD11 ............... 89
Hình 4. 2 Vật tư phục vụ thí nghiệm ................................................................................... 90
Hình 4. 3 Sơ đồ thiết kế thực nghiệm theo phương pháp mảng trực giao Taguchi ............. 91
Hình 4. 4 Ảnh hưởng của các tham số điều khiển đến tỷ số S/N cho chỉ tiêu lực cắt khi gia
cơng thơng thường ............................................................................................................... 97
Hình 4. 5 Mối quan hệ giữa FR và thông số công nghệ khi gia cơng thơng thường ........... 98
Hình 4. 6 Ảnh hưởng của các tham số điều khiển đến tỷ số S/N cho chỉ tiêu lực cắt khi gia
cơng gia nhiệt ...................................................................................................................... 99
Hình 4. 7 Phương trình và đồ thị f(T) ................................................................................ 100
Hình 4. 8 Lực cắt dự đốn từ mơ hình và so sánh với thực nghiệm .................................. 104
Hình 4. 9 Mối quan hệ giữa FT với V, f, t khi gia cơng tại các nhiệt độ cao khác nhau.... 105
Hình 4. 10 Lực cắt khi gia công thông thường và gia cơng gia nhiệt tại các thí nghiệm khác
nhau ................................................................................................................................... 105
Hình 4. 11 Ảnh hưởng của các tham số công nghệ đến tỷ số S/N cho chỉ tiêu hệ số co rút
phoi khi gia cơng thơng thường ......................................................................................... 107
Hình 4. 12 Mối quan hệ giữa KR và thông số chế độ cắt khi gia cơng thơng thường ....... 108
Hình 4. 13 Ảnh hưởng của tỷ số S/N các tham số điều khiển đến chỉ tiêu đánh giá KT ... 109
Hình 4. 14 Đồ thị hệ số co rút phoi phụ thuộc thông số công nghệ khi gia công gia nhiệt
........................................................................................................................................... 111
xiv
Hình 4. 15 Hệ số co rút phoi khi gia công thông thường và gia công gia nhiệt tại các nhiệt
độ khác nhau ...................................................................................................................... 111
Hình 4. 16 Đồ thị đánh giá độ chính xác của mơ hình độ nhám bề mặt RaR .................... 114
Hình 4. 17 Mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và các thông số công nghệ khi gia cơng
thơng thường ...................................................................................................................... 114
Hình 4. 18 Ảnh hưởng của tỷ số S/N các tham số điều khiển đến chỉ tiêu đánh giá RaT . 115
Hình 4. 19 Đồ thị đánh giá độ chính xác mơ hình RaT ...................................................... 116
Hình 4. 20 Đồ thị độ nhám bề mặt phụ thuộc thông số công nghệ khi gia công gia nhiệt 117
Hình 4. 21 Độ nhám bề mặt khi gia cơng thơng thường và gia cơng gia nhiệt ................. 118
Hình 4. 22 Ảnh hưởng của tỷ số S/N các thông số cơng nghệ đến biên độ rung động q
trình cắt khi gia cơng thơng thường ................................................................................... 119
Hình 4. 23 Mối quan hệ giữa biên độ rung động quá trình cắt và các thông số công nghệ
khi gia công thông thường ................................................................................................. 121
Hình 4. 24 Ảnh hưởng tỷ số S/N của các tham số điều khiển đến chỉ tiêu đánh giá AXY-T
........................................................................................................................................... 122
Hình 4. 25 Đồ thị biên độ rung động phục thuộc thông số công nghệ khi gia công gia nhiệt
........................................................................................................................................... 123
Hình 4. 26 Đồ thị biên độ rung động khi gia công thông thường và gia công gia nhiệt ... 124
xv
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Trong ngành kỹ thuật cơ khí, khi gia cơng các vật liệu khác nhau, đặc biệt là các vật
liệu có độ cứng cao, khó gia cơng, các thơng số hình học của dụng cụ cắt và thông số của
chế độ cắt (tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt) là các yếu tố chủ yếu tác động đến
các hiện tượng xảy ra trong q trình gia cơng (lực cắt, nhiệt cắt, mài mịn dụng cụ cắt,
rung động q trình cắt, độ nhám bề mặt và hình thái hình học phoi). Để tăng năng suất gia
công, tăng chất lượng bề mặt chi tiết và giảm giá thành sản phẩm, yêu cầu các nhà nghiên
cứu phải tìm ra những giải pháp cơng nghệ mới hỗ trợ cho q trình gia cơng như: sử dung
dung dịch trơn nguội, sử dụng vật liệu mới làm dụng cụ cắt, khi cắt có sự hỗ trợ rung, gia
cơng có hỗ trợ nhiệt.
Gia cơng có hỗ trợ nhiệt (Thermal – assisted machining – TAM) hay còn gọi là gia
công gia nhiệt là một phương pháp gia công mới được thực hiện trên các máy công cụ
thông thường, máy CNC, trong đó phơi được làm nóng ngay trước khi gia công [1].
Phương pháp gia công gia nhiệt được nghiên cứu lần đầu tiên vào những năm 1945 và
nhanh chóng được ứng dụng vào thực tiễn sản xuất cho đến ngày nay [2].
So với phương pháp gia công thông thường, gia cơng gia nhiệt có một số tác dụng
vượt trội: tăng tuổi bền dụng cụ cắt, giảm lực cắt, giảm tiêu thụ điện năng, giảm sự mài
mòn dụng cụ cắt, tăng tốc độ bóc tách vật liệu dẫn đến tăng năng suất gia công, tăng chất
lượng bề mặt gia công [3]–[5]. Gia công gia nhiệt được dùng cho cả trường hợp gia cơng
có phoi (tiện, phay, khoan v. v.) và gia công không phoi (rèn, dập, vuốt v. v).
Quá trình gia nhiệt được thực hiện bằng các phương pháp gia nhiệt khác nhau: gia
nhiệt bằng dòng điện, gia nhiệt bằng chùm tia laser (LAM), gia nhiệt bằng plasma (PEM),
gia nhiệt bằng lò nhiệt (FAM), gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ (IAM). Mỗi phương pháp
gia nhiệt đều có ưu nhược điểm riêng và phù hợp với phương pháp gia cơng cụ thể. Trong
đó gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ là phương pháp gia nhiệt hiệu quả bởi công suất gia
nhiệt cao, dễ dàng sử dụng, chi phí thấp và phù hợp với nguyên công phay đứng [6].
Đặc điểm của các vật liệu khó gia cơng là độ cứng cao, khả năng chống mài mịn tốt,
cơ tính ít thay đổi khi làm việc ở nhiệt độ cao. Chính từ những ưu điểm này mà vật liệu
cứng, cụ thể là thép hợp kim, được ứng dụng vào hầu hết các ngành cơng nghiệp như: cơ
khí, ơ tơ, vũ trụ, hàng khơng, quốc phịng, y tế, điện - điện tử - tự động hóa v.v. Qua khảo
sát cho thấy, hơn 30% tổng số các nguyên công phay, tiện, khoan được thực hiện đối với
các vật liệu khó cắt gọt [2].
Thép dụng cụ - SKD11, một loại vật liệu khó gia cơng, nhưng được sử dụng rộng rãi
trong ngành công nghiệp khuôn mẫu và công nghiệp ô tô [7] với độ bền, độ dẻo và độ
cứng được duy trì tại điều kiện làm việc có nhiệt độ cao. Thơng thường, SKD11 được gia
công bằng các phương pháp tiên tiến như mài bằng hạt mài kim cương hoặc gia cơng
phóng điện. Tuy nhiên các phương pháp này hạn chế do tốc độ loại bỏ vật liệu thấp, dụng
cụ đắt tiền, độ mòn nhanh. Do đó, gia cơng gia nhiệt là một giải pháp công nghệ khi gia
công thép SKD11. Khi gia công trong mơi trường gia nhiệt, lượng mịn dao và lực cắt giảm
40%, độ nhám cải thiện 50% so với phương pháp gia công thông thường [7].
1
Tăng năng suất và chất lượng sản phẩm luôn là mục tiêu hàng đầu của nhà sản xuất.
Chính vì vậy, thiết kế tối ưu hóa q trình cắt gọt được sử dụng rộng rãi nhằm xác định
điều kiện cắt tối ưu [8], [9]. Có nhiều tham số ảnh hưởng đến q trình cắt gọt như: thơng
số chế độ cắt, thơng số hình học dụng cụ cắt, vật liệu dụng cụ cắt, vật liệu phôi gia công,
môi trường gia công v.v. Thông thường bộ thông số công nghệ hợp lý được xây dựng dựa
vào kinh nghiệm người thợ hoặc sổ tay cơng nghệ. Tuy nhiên, dữ liệu đó khơng phải lúc
nào cũng tối ưu, cũng thỏa mãn đầu ra yêu cầu trong một số trường hợp như gia công vật
liệu phôi mới, vật liệu mới làm dụng cụ, phương pháp gia cơng mới hay gia cơng những
chi tiết có cấu trúc đặc biệt.
Trên thế giới, phương pháp gia công gia nhiệt đã được nhiều tác giả nghiên cứu và
được ứng dụng vào thực tiễn sản xuất. Tuy nhiên ở Việt Nam nhiệm vụ nghiên cứu này,
nhất là gia công hỗ trợ nhiệt bằng cảm ứng điện từ chưa được đề cập, đặc biệt là khi phay
thép SKD11, một loại vật liệu khó gia cơng, nhưng lại được sử dụng rộng rãi trong cơng
nghiệp. Nhận thấy nghiên cứu về q trình gia công gia nhiệt là một nhiệm vụ quan trọng
và cấp bách, có tính thời sự cao.
Để nghiên cứu định hướng ứng dụng phương pháp gia công gia nhiệt trong công
nghiệp, lựa chọn loại vật liệu mang lại hiệu quả và phù hợp là nhiệm vụ quan trọng. Có rất
nhiều loại vật liệu cứng: 9XC, XBΓ, SKD11, Ti6Al4V, v.v. Trong ngành cơng nghiệp
khn mẫu, thép SKD11 là vật liệu có độ cứng cao được sử dụng rộng rãi để gia công lịng
và lõi khn. Ngồi ra, việc nghiên cứu lý thuyết để lựa chọn khoảng nhiệt độ cao cải thiện
điều kiện cắt mà không thay đổi tổ chức tế vi, cấu trúc pha của vật liệu nguyên bản trong
công nghiệp là rất cần thiết. Hơn nữa, cần có những nghiên cứu kiểm chứng về độ chính
xác hình dáng hình học, độ chính xác kích thước vì nhiệt độ cao là ngun nhân gây ra
hiện tượng giãn nở vì nhiệt của vật liệu. Trên cơ sở này có thể ứng dụng các kết quả nghiên
cứu đạt được vào thực tiễn, nâng cao năng suất gia công và chất lượng sản phẩm trong
ngành cơ khí. Vì vậy, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài luận án:
“Nghiên cứu tính gia cơng vật liệu thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng
cảm ứng điện từ và định hướng ứng dụng trong công nghiệp”.
2. Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
2.1 Mục đích nghiên cứu
− Nghiên cứu những ưu điểm của phương pháp gia công gia nhiệt và so sánh với
phương pháp gia công thông thường thông qua đánh giá ảnh hưởng của quá trình
gia nhiệt đến tính gia cơng vật liệu thép SKD11;
− Nghiên cứu mối quan hệ của các thông số đầu vào (tốc độ cắt, tốc độ chạy dao,
chiều sâu cắt) và các thông số đầu ra (lực cắt, hệ số co rút phoi, độ nhám bề mặt,
rung động quá trình cắt) khi gia công thông thường và gia công gia nhiệt thép
SKD11.
2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
-
Đối tượng nghiên cứu: q trình phay thép SKD11 trong mơi trường gia nhiệt bằng
cảm ứng điện từ.
2
-
Phạm vi nghiên cứu:
• Nghiên cứu tổng quan về gia cơng gia nhiệt, gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ;
• Nghiên cứu cơ sở vật lý và động lực học q trình gia cơng gia nhiệt;
• Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của q trình gia nhiệt đến tính gia công
vật liệu khi phay thép SKD11. Nêu bật ý nghĩa của q trình gia nhiệt đến các
chỉ tiêu đầu ra;
• Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số cơng nghệ đến hình thái
hình học phoi, hệ số co rút phoi, lực cắt, rung động quá trình cắt, độ nhám bề
mặt khi phay thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ bằng
phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi và phân tích phương sai ANOVA.
3. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận án là nghiên cứu lý thuyết và kết hợp thực nghiệm
đánh giá kết quả nghiên cứu.
4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học:
-
-
-
-
-
Đưa ra giải pháp nâng cao độ chính xác để xác định hệ số co rút phoi bằng phương
pháp quét 3D kết hợp phần mềm xử lý dữ liệu chuyên nghiệp xác định chiều dài
phoi.
Đã phân tích và làm rõ hiệu quả của phương pháp gia công trong môi trường gia
nhiệt cảm ứng điện từ khi gia cơng các loại vật liệu khó cắt gọt thơng qua nghiên
cứu ảnh hưởng của q trình gia nhiệt đến tính gia cơng vật liệu thép SKD11.
Đã xây dựng các mơ hình tốn học miêu tả ảnh hưởng của các thông số công nghệ
đến các chỉ tiêu đánh giá đầu ra: lực cắt, hệ số co rút phoi, rung động quá trình cắt,
độ nhám bề mặt khi phay thơng thường và khi phay có gia nhiệt thép SKD11.
Đã đề xuất một phương pháp mới xác định mô hình lực cắt khi phay có gia nhiệt
thép SKD11 thơng qua mơ hình lực cắt khi phay thơng thường và nhiệt độ cao hỗ
trợ q trình gia cơng.
Các nội dung nghiên cứu của luận án góp phần làm phong phú và sâu sắc thêm các
kiến thức chuyên ngành trong lĩnh vực gia công cắt gọt.
Ý nghĩa thực tiễn:
-
-
Luận án đã đề xuất giải pháp công nghệ khả thi khi gia cơng các loại vật liệu khó
cắt gọt bằng hỗ trợ nung nhiệt cảm ứng điện từ. Kết quả nghiên cứu đã phân tích
hiệu quả của phương pháp gia cơng gia nhiệt trong việc giảm lực cắt, giảm nhiệt
cắt, giảm rung động quá trình cắt, nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công. Kết
quả nghiên cứu của luận án mang ý nghĩa thực tiễn, có khả năng ứng dụng vào nền
sản xuất công nghiệp tại Việt Nam.
Các bộ thông số công nghệ tối ưu cho chỉ tiêu đánh giá lực cắt, hệ số co rút phoi,
rung động quá trình cắt, độ nhám bề mặt khi phay thép SKD11 có thể dùng làm tài
liệu tham khảo cho nhà máy, xí nghiệp, cơ sở sản xuất, phòng nghiên cứu và giảng
dạy tham khảo.
3
5. Những đóng góp mới của luận án
Những kết quả chính và cũng là những đóng góp mới của luận án như sau:
− Đã nâng cao được độ chính xác khi xác định hệ số co rút phoi thông qua xây dựng
phương pháp xác định chiều dài phoi từ phương pháp đo tiếp xúc thủ công đến
phương pháp quét 3D và xử lý dữ liệu bằng phần mềm chuyên dụng.
− Đã phân tích, làm rõ hiệu quả và khả năng ứng dụng vào thực tiễn sản xuất của
phương pháp gia công gia nhiệt trong việc giảm nhiệt cắt, giảm lực cắt, giảm rung
động quá trình cắt, giảm độ nhám bề mặt khi phay thép SKD11 và so sánh với
phương pháp gia cơng thơng thường.
− Đã phân tích được ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến lực cắt, hệ số co rút
phoi, rung động quá trình cắt, độ nhám bề mặt khi gia công thông thường và gia
công gia nhiệt thép SKD11. Đồng thời xây dựng được các bộ tham số công nghệ tối
ưu cho các chỉ tiêu đánh giá khác nhau.
− Đã đề xuất một phương pháp xây dựng mơ hình tốn học lực cắt khi gia cơng gia
nhiệt thép SKD11 thơng qua mơ hình lực cắt khi gia công thông thường và nhiệt độ
cao hỗ trợ quá trình gia cơng đạt độ chính xác cao khi so sánh với dữ liệu thực
nghiệm.
− Đã xây dựng được mô hình tốn học của các yếu tố đầu ra: lực cắt, hệ số co rút
phoi, rung động quá trình cắt, độ nhám bề mặt gia công phụ thuộc các thông số
công nghệ khi gia công thông thường và gia công gia nhiệt thép SKD11.
6. Cấu trúc nội dung luận án
Các nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 4 chương như sau:
-
Chương 1: Tổng quan về gia công gia nhiệt.
Chương 2: Cơ sở vật lý và động lực học q trình gia cơng gia nhiệt thép SKD11
Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến tính gia
cơng vật liệu SKD11
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm xác định mối quan hệ giữa các tham số đầu vào
và các thông số đầu ra.
4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG GIA NHIỆT
1.1. Lịch sử phát triển của gia công gia nhiệt
Sự ra đời và sử dụng rộng rãi các vật liệu chịu lực, chịu nhiệt cao, vật liệu khó cắt
gọt đã làm gia tăng những khó khăn trong sản xuất. Một giải pháp được đề xuất để khắc
phục những khó khăn đó là gia cơng có sự hỗ trợ của nhiệt độ cao hay cịn gọi là gia cơng
gia nhiệt hoặc gia cơng nóng.
Ý tưởng đầu tiên về phương pháp gia cơng này được xây dựng bởi Tiến sĩ
H.W.Gillett vào năm 1944. Các kết quả nghiên cứu ban đầu chỉ ra rằng nhiệt độ cao đã cải
thiện tính năng cắt gọt của vật liệu. Nghiên cứu được tài trợ bởi công ty Warner và Swasey
tại Viện Battelle Memorial từ tháng 3 năm 1945 đến tháng 11 năm 1946 với nội dung “Gia
công kim loại tại nhiệt độ cao” [2].
Ngày nay, gia công gia nhiệt càng được biết đến và sử dụng rộng rãi như là một
phương pháp gia công thay thế cho phương pháp gia công truyền thống đối với vật liệu độ
cứng cao. Các nghiên cứu đã đưa ra nhận xét: dưới tác dụng của nhiệt độ cao, độ bền cơ
học của vật liệu giảm mạnh, vật liệu có xu hướng dễ biến dạng hơn, do đó nâng cao được
tính năng cắt gọt của chúng.
Hình 1. 1 Mối quan hệ giữa độ bền cơ học phụ thuộc nhiệt độ một số loại vật liệu khác
nhau [10]
•
•
•
•
Một số tác dụng vượt trội của gia công gia nhiệt:
Tăng tuổi bền dụng cụ cắt;
Giảm lực cắt;
Giảm tiêu thụ điện năng;
Giảm sự mài mòn dụng cụ cắt;
5
• Tăng tốc độ cắt dẫn đến tăng năng suất gia cơng;
• Giảm độ cứng kéo và ứng suất dịng chảy của phơi;
• Tăng chất lượng bề mặt chi tiết gia cơng so với phương pháp gia cơng thơng
thường;
• Đối với gia cơng vật liệu gốm sứ giịn thì gia cơng nóng là phương pháp dễ dàng và
hiệu quả nhất.
Tuy nhiên, gia cơng gia nhiệt có nhược điểm là việc thiết kế hệ thống gia nhiệt đối
với mỗi phương pháp gia nhiệt, mỗi nhiệm vụ gia công khác nhau là khác nhau. Ngồi ra,
q trình gia nhiệt có ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước gia cơng do hiện tượng giãn
nở vì nhiệt.
1.2. Một số phương pháp gia nhiệt
Ngành công nghiệp sản xuất đã được phát triển với những cơng nghệ gia nhiệt khác
nhau như làm nóng bằng dịng điện, hồ quang, cảm ứng điện từ cao tần, chùm laser, chùm
electron và tia plasma v.v. Tuy nhiên, tất cả các công nghệ này chỉ phù hợp cho một số
phương pháp gia công chứ không phải là tất cả. Việc lựa chọn phương pháp gia nhiệt thích
hợp rất quan trọng nếu khơng q trình gia nhiệt có thể làm hỏng phôi và không đạt được
các kết quả mong muốn [11].
1.2.1 Gia nhiệt bằng dòng điện (Electricity – Assisted Machining - EAM)
Gia cơng gia nhiệt bằng dịng điện là một kỹ thuật gia cơng nóng, trong đó phơi được
làm nóng bằng dịng điện chạy qua vị trí cắt. Gia nhiệt bằng điện trở kháng của dịng điện
có nhiều lợi thế, đó là khu vực được làm nóng bằng dịng điện trùng với vùng biến dạng
của quá trình cắt. Gia nhiệt bằng dịng điện có thể áp dụng với các phương pháp gia cơng
khác nhau như tiện, khoan v.v. mà khơng có sự gia tăng nhiệt đáng kể của bề mặt gia cơng.
Kunio và đồng nghiệp [12] đã tìm thấy hiệu suất cắt tốt nhất của dụng cụ cắt phủ các bít
đặc biệt là lượng mòn dụng cụ giảm mạnh. Nghiên cứu đã chứng minh được nguyên nhân
của hiện tượng này là do điện trở thấp của kim loại cơ sở của dụng cụ cắt và khả năng
chống mài mòn cao của lớp các bít phủ.
1.2.2 Gia nhiệt bằng laser (Laser - Assisted Machining – LAM)
Đây là phương pháp gia nhiệt rất phù hợp cho quá trình cắt gọt và được ứng dụng
rộng rãi trong gia công. Gia nhiệt bằng laser phù hợp cho cả gia công kim loại, phi kim và
vật liệu gốm. Chùm laser có thể tùy chỉnh khi tiện và phay, bao gồm cả gia cơng chính xác
bởi vì tính linh hoạt cao của chùm tia tập trung. Nhưng khi ứng dụng cho phay phá như
phay mặt đầu với dao phay đường kính lớn khi gia cơng thơ, chùm laser cần được đặt cách
xa chi tiết gia công để có một diện tích chiếu rộng hơn và cần có nguồn laser năng lượng
cao gia nhiệt cho các lớp kim loại của vật liệu. Hơn nữa, hiệu quả gia nhiệt bằng laser và
hệ số phản xạ của nguồn laser là một số vấn đề cần được xem xét trong gia cơng gia nhiệt
bằng laser. Do đó, nguồn sáng laser năng lượng cao có giá khá cao (Một nguồn laser 1,5
kW CO2 có giá hơn 150.000$) và sự tiêu thụ năng lượng lớn làm chậm lại quá trình gia
nhiệt bằng laser.
6
Hình 1.2. Điều chỉnh vị trí tương đối giữa chùm laser, phôi và dụng cụ cắt (a); Các thành
phần lực cắt thay đổi theo thời gian trong suốt quá trình gia cơng (b) [13]
Hình 1.2.a là sơ đồ điều chỉnh vị trí tương đối giữa chùm laser, phơi và dụng cụ cắt.
Hình 1.2.b mơ tả ảnh hưởng của q trình gia nhiệt bằng laser đến lực cắt khi gia công.
Nguồn laser được bật từ giây thứ 9 sau khi quá trình gia cơng bắt đầu và tắt ở giây thứ 14.
Lực cắt theo phương Z (FZ) khi tiện là thành phần lực cắt chính (hay cịn gọi là lực vịng)
vì nó lớn gấp 3 lần so với hai thành phần cịn lại. Lực cắt giảm đáng kể khi có sự trợ giúp
của quá trình gia nhiệt bằng laser.
1.2.3 Gia nhiệt bằng Plasma (Plasma - Enhanced Machining - PEM)
Phương pháp gia nhiệt này đã phát triển như một phương án kinh tế thay thế cho
LAM và đã nhận được sự chú ý đáng kể ở Đức. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trong
những năm qua với việc sử dụng nhiệt độ cao làm mềm vật liệu ngay trước khi gia cơng để
cải thiện tính gia cơng vật liệu khó cắt gọt. PEM là một trong những công nghệ được phát
triển bởi nó cung cấp cường độ nhiệt cần thiết làm mềm phôi, đặc biệt đối với tiện.
Nguồn nhiệt trong PEM được cung cấp bởi dòng điện một chiều (DC). Các dòng
Plasma chuyển động sinh nhiệt. Máy tạo Plasma bao gồm một catot Vonfram mạ Thoria và
một vòi phun làm mát. Thơng qua vịi phun này là dịng chảy khí Plasma. Vịi phun được
coi như là anot khi gia nhiệt phơi không dẫn điện. Đối với vật liệu dẫn điện, phôi hoạt động
như một cực dương (Hình 1.3). Dịng Plasma có khả năng tạo ra một nhiệt lượng vô cùng
lớn tới 16.000oK.
7
Hình 1.3. Sơ đồ máy gia nhiệt Plasma [14]
Mặc dù PEM được sử dụng để cải thiện năng suất gia cơng, nhưng khó có khả năng
kiểm sốt nguồn nhiệt và hệ thống đo lường nhiệt độ. Hơn nữa, độ mòn và tuổi bền của
dụng cụ cắt cũng rất khó được xác định khi gia công bằng phương pháp này.
1.2.4 Gia nhiệt bằng lò nhiệt (Furnace heating – Assisted Machining – FAM)
Các nghiên cứu đã sử dụng phương pháp gia nhiệt bằng lò nhiệt để nghiên cứu ảnh
hưởng của nhiệt độ tới các tiêu chuẩn khác nhau của vật liệu gia công. Vào đầu năm 1980,
Amin cùng đồng nghiệp [15] đã nghiên cứu ảnh hưởng q trình gia nhiệt bằng lị nhiệt tới
tính năng cắt gọt thép cacbon, thép khơng gỉ và hợp kim titan. Họ thấy rằng tốc độ mài
mòn và rung động giảm đáng kể khi gia nhiệt. Tuy nhiên, các nghiên cứu chỉ sử dụng
phương pháp gia nhiệt bằng lò nhiệt để chứng minh ảnh hưởng của sự nung nóng vật liệu
gia cơng đến tính năng cắt gọt của vật liệu chứ không được khuyên cáo cho các ứng dụng
trong sản xuất.
1.2.5 Gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ (Induction heating - Assisted Machining - IAM)
Gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ là một phương pháp gia nhiệt rất hiệu quả, chi phí
thấp và là sự lựa chọn tốt trong trường hợp phay đứng đối với những kim loại và hợp kim
khó cắt gọt. Amin và Abdelgadir [16] đã chỉ ra rằng gia công gia nhiệt bằng cảm ứng điện
từ có thể giảm rung động đến 98% và tăng tuổi thọ dụng cụ lên gấp nhiều lần khi gia công
thép. Không chỉ ứng dụng trong cắt gọt, nguồn nhiệt cảm ứng điện từ tần số cao còn được
ứng dụng trong q trình tơi. Thời gian gia nhiệt ngắn thực tế dẫn đến hiện tượng không gỉ
vật liệu và vì thế sản phẩm khơng cần mài. Tuy nhiên phương pháp gia nhiệt này khơng
thích hợp cho gia cơng tiện bởi thiết kế cho q trình gia nhiệt khơng phù hợp để thực hiện
tất cả các chuyển động khi gia cơng.
1.2.6 Thuận lợi và khó khăn của các phương pháp gia nhiệt
Mỗi phương pháp gia nhiệt đều có những ưu nhược điểm riêng và phù hợp với một
số phương pháp gia công chứ không phải là tất cả (theo Bảng 1. 1).
8
Bảng 1. 1. Thuận lợi và khó khăn của các phương pháp gia nhiệt [6]
Phương pháp
gia nhiệt
Gia nhiệt bằng
dòng điện
(EAM)
Gia nhiệt bằng
laser (LAM)
Gia nhiệt bằng
Plasma (PEM)
Gia nhiệt bằng lò
nhiệt (FAM)
Gia nhiệt bằng
cảm ứng điện từ
(IAM)
Thuận lợi
Khó khăn
- Thiết bị đơn giản
- Nhiệt độ đồng đều
- Khó kiểm sốt và điều chỉnh
nhiệt độ
- Mức độ tập trung nhiệt độ của
nguồn nhiệt cao
- Dễ dàng điều chỉnh nguồn laser
- Mức độ tập trung nhiệt độ của
nguồn nhiệt cao
- Thiết bị đơn giản
- Dễ dàng sử dụng
- Công suất gia nhiệt cao
- Chi phí cao
- Tỷ lệ hấp thụ nhiệt trên những
vật liệu khác nhau là khác nhau
- Khó kiểm sốt và điều chỉnh
nhiệt độ
- Khó kiểm sốt và điều chỉnh
nhiệt độ
- Chỉ áp dụng làm thí nghiệm,
khơng đưa vào sản xuất
- Mức độ tập trung của nguồn
nhiệt không cao
- Sự di chuyển của dụng cụ bị
hạn chế
Gia công gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ có ưu điểm vượt trội ở hiệu quả gia nhiệt
khi phay đứng, chi phí gia nhiệt thấp, ứng dụng rộng rãi cho những kim loại và hợp kim có
độ cứng cao khó cắt gọt.
Một trở ngại đáng kể cần quan tâm của IAM là việc ứng dụng vào thực tiễn khi gia
nhiệt cho các chi tiết lớn có kích thước khác nhau hoặc hình dạng chi tiết phức tạp. Trong
luận án này sẽ ứng dụng gia công gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ cho nên công nghệ này
được nghiên cứu chi tiết và kỹ lưỡng hơn.
1.3 Gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ
1.3.1
Nguyên tắc
Một phương pháp để cải thiện tính năng cắt gọt của vật liệu độ cứng cao là thông qua
ứng dụng gia nhiệt phôi ngay trước khi gia cơng hoặc trong q trình gia công. Công suất
đầu vào của năng lượng nhiệt rất cao do nguồn nhiệt thích hợp. Độ cứng vật liệu giảm
mạnh khi được gia nhiệt ở giá trị nhiệt độ cụ thể, phụ thuộc vào đặc tính vật liệu gia cơng.
Kim loại được mềm hóa và dễ dàng cắt gọt bởi q trình cắt thơng thường như tiện và
phay. Để áp dụng thành cơng q trình gia nhiệt khi gia cơng địi hỏi nguồn nhiệt tập trung
và được kiểm sốt trong khu vực gia cơng tiếp xúc phía trước dụng cụ cắt (Hình 1. 4).
9
a)
Trục
chính
Cuộn cảm ứng
Phơi
b)
Hình 1. 4. Thiết lập thí nghiệm gia công gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ
a) Sơ đồ gia công b) Thực nghiệm
1.3.2
Nguyên lý gia nhiệt
Nguồn nhiệt cảm ứng được tạo ra bởi sự biến đổi của dòng điện cảm ứng bên trong
phôi. Sự biến đổi được bắt đầu ở cuộn dây làm việc quấn quanh hoặc ở một phía của phơi.
Dịng điện xoay chiều AC được đưa vào cuộn dây và tạo ra dòng điện cảm ứng bên trong
phơi. Dịng điện cảm ứng trong phơi sinh nhiệt làm nhiệt độ phơi tăng lên. Giá trị dịng
điện sử dụng được xác định bởi từ thông (từ trường được tạo ra bởi dòng điện trong cuộn
dây) phụ thuộc vào độ thẩm từ (tính dẫn điện của đường lực từ) và điện trở suất (điện trở
riêng của dòng điện) của phôi. Cả độ dẫn từ, điện trở suất là các hàm số của thành phần vật
liệu và nhiệt độ. Độ sâu thâm nhập của quá trình gia nhiệt cảm ứng từ được xác định bởi
công thức:
10
