NGHIÊN cứu sự ẢNH HƯỞNG của THAM số CÔNG NGHỆ đến độ NHÁM bề mặt KHI PHAY hợp KIM TI 6AL 4v

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA THAM SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN
ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHI PHAY HỢP KIM TI-6AL-4V
STUDYS EFFECT OF MACHINING PARAMETERS ON THE SURFACE
ROUGHNESS DURING MILLING OF TI-6AL-4V ALLOY
Nguyễn Văn Toàn
Học viện Kỹ thuật quân sự, Hà Nội

TÓM TẮT
Bài báo nghiên cứu sự ảnh hưởng của tốc độ cắt (Vc) và tốc độ tiến dao (f) đến độ
nhám bề mặt trung bình (Ra) khi phay hợp kim Ti-6Al-4V sử dụng dao cacbit trong điều kiện
gia công khô. Thí nghiệm đã sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Tauguchi, giải
bài toán tối ưu hóa tìm ra bộ tham số công nghệ tối ưu để nâng cao chất lượng bề mặt sản
phẩm. Kết quả thí nghiệm cho thấy, độ nhám bề mặt có xu hướng tăng khi tăng tốc độ tiến
dao và độ nhám bề mặt có xu hướng giảm dần khi tăng tốc độ cắt từ 100m/phút tới
180m/phút. Điều kiện gia công tối ưu đạt được tại tốc độ cắt 180m/phút và tốc độ tiến dao
0,1mm/răng với độ nhám trung bình đạt được 0,45 µm.
Từ khóa: hợp kim Ti-6Al-4V, tham số công nghệ, độ nhám bề mặt.
ABSTRACT
This paper study the effect of cutting speed (V c ) and feed rate (f) on average surface
roughness (R a ) during milling of Ti-6Al-4V alloy with carbide tools under dry conditions.
Experimental setup was determined by using Tauguchi method. Solving optimization to find
the optimal technology parameters to improve product surface quality. According to
experimental results, roughness increased with an increase in feed rate, whereas decreased
with increase in cutting speed from 100 m/min to 180 m/min. Optimum machining conditions
was obtained at cutting speed of 180 m/min and feed rate of 0.1 mm/rev with average surface
roughness reach 0,45 µm.
Key words: Ti-6Al-4V Alloy, machining parameters, surface roughness.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, hợp kim Ti-6Al-4V được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành công

nghiệp hàng không vũ trụ, công nghiệp ôtô, thiết bị y tế, công nghiêp quốc phòng,... Phương
pháp gia công hợp kim Ti-6Al-4V trên thế giới rất đa dạng, được áp dụng rộng rãi như
các phương pháp gia công truyền thống với sự thay đổi các điều kiện gia công khác nhau, gia
công tốc độ cao,…[1]. Tuy nhiên, do độ dẫn nhiệt thấp, phản ứng hóa học cao với hầu hết
các loại vật liệu dụng cụ [2], nên gặp rất nhiều khó khăn trong gia công cắt gọt, chất lượng bề
mặt kém, độ nhám bề mặt thấp. Để nâng cao chất lượng bề mặt khi gia công hợp kim Ti6Al-4V, đã có nhiều nghiên cứu quan trọng như ứng dụng công nghệ gia công tốc độ cao, gia
công dưới các điều kiện khác nhau, sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến độ
nhám bề mặt chi tiết,... Các nghiên cứu này đều tập trung giải quyết bài toán nâng cao chất
lượng bề mặt cho từng loại hợp kim Titan, và đã đạt được những kết quả quan trọng [3-6].
Bài báo sử dụng phương pháp gia công khô (không có dung dịch trơn nguội), mảnh dao
cacbua phủ TiN, thực hiện trên máy phay CNC năm trục; sử dụng phương pháp quy hoạch
thực nghiệmTauguchi để giải bài toán tối ưu tìm ra bộ tham số công nghệ tối ưu nâng cao
chất lượng bề mặt sản phẩm.
476


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2. THÍ NGHIỆM
2.1. Thiết bị và vật liệu thí nghiệm
2.1.1. Thiết bị thí nghiệm
Thí nghiệm được thực hiện trên máy phay CNC Spinner U5- 620 tại phòng thí nghiệm
Chế tạo máy, Bộ môn Chế tạo máy, Khoa Cơ khí, HVKTQS như hình 1 thể hiện. Thông số
của máy như thể hiện trong bảng 1.

Hình 1. Máy phay CNC Spinner U5- 620
Bảng 1. Thông số kỹ thuật của máy phay CNC Spinner U5- 620
Hành trình trục X-Y-Z Tốc độ trục chính Công suất động cơ trục chính Số dao trên
(mm)
(vòng/phút)
(kW)

đài dao
(chiếc)
620×520×460

12000

11

32

Dụng cụ cắt: Thí nghiệm sử dụng mảnh dụng cụ được chọn theo tiêu chuẩn ISO, như
hình 2 thể hiện. Tốc độ cắt nằm trong khoảng 40÷200m/phút và tốc độ tiến dao là
0,03÷0,3mm/răng.
Phạm vi các tham số công nghệ xác định dựa trên những thí nghiệm cơ sở, thể hiện
trong bảng 2.
Bảng 2. Tham số công nghệ thí nghiệm
Tham số công nghệ

Giá trị

Tốc độ cắt Vc (mm/phút)

100 – 140 – 180

Tốc độ tiến dao f (mm/răng)

0,1 – 0,2 – 0,3

Chiều sâu cắt hướng trục ap (mm)

0,6

Chiều sâu cắt xuyên tâm ae (mm)

12

Số răng n (răng)

3
477


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 2. Dụng cụ cắt; (a) Thân dao; (b) Mảnh hợp kim
Thiết bị đo: Sử dụng máy đo độ nhám TR200.
− Vị trí đo: đầu dò đặt tại vị trí gia công trên bề mặt mẫu, dịch chuyển theo phương
của đường dao gia công;
- Mỗi vị trí đo 3 lần, lấy giá trị trung bình của ba lần đo;
2.1.2. Vật liệu thí nghiệm
Vật liệu thí nghiệm sử dụng hợp kimTi–6Al–4V có thành phần như trong bảng 3 thể
hiện, các đặc tính về cơ tính như thể hiện trong bảng 4. Một khối hình chữ nhật có chiều dài
250mm, chiều rộng 150mm và cao 20mm đã được sử dụng trong thí nghiệm này.
Bảng 3. Thành phần các nguyên tố hóa học trong hợp kim Ti–6Al–4V
C
Fe
N
Al
V
H

Nguyên tố
% khối lượng

Tỷ trọng
(g/cm3)
4,43

0,05

0,09

0,01

6,15

4,4

0,005

Ti
Còn lại

Bảng 4. Đặc tính về cơ tính của hợp kim Ti–6Al–4V
Độ cứng
Modun đàn hồi
Độ bền
Độ dẫn nhiệt
(HB)
(GPa)
(MPa)

(W/mK)
340

113

950

7,56

2.2. Phương pháp thí nghiệm
Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi nghiên cứu sự ảnh hưởng của
hai tham số công nghệ đến độ nhám bề mặt gia công, mỗi tham số được chọn ba mức như
trong bảng 5 thể hiện, xây dựng mảng trực giao (với 9 thí nghiệm) như bảng 6 thể hiện.
Kí hiệu

Bảng 5. Các yếu tố và mức độ
Thông số gia công
Mức 1
Mức 2

Mức 3

A

Tốc độ cắt(m/ phút)

100

140

180

B

Tốc độ tiến dao f (mm/răng)

0,1

0,15

0,2

478


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Kết quả thí nghiệm như thể hiện trong hình 3 và bảng 6.

Hình 3. Mẫu gia công hợp kim Ti-6Al-4V
Bảng 6. Bảng các yếu tố đầu vào và các kết quả đo
Thí nghiệm số

A (m/phút)

B (mm/răng)

Ra (µm)

1

100

0,1

0,62

2

100

0,15

1,23

3

100

0,2

1,28

4

140

0,1

0,51

5

140

0,15

0,85

6

140

0,2

0,95

7

180

0,1

0,45

8

180

0,15

0,79

9

180

0,2

0,85

Phương pháp Taguchi sử dụng hệ số tín hiệu S/N như một công cụ phân tích định
lượng để tối ưu hóa kết quả của một quá trình sản xuất. Công thức tính hệ số tín hiệu S/N phụ
thuộc vào chất lượng loại đặc tính nghiên cứu. Công thức (1) tính toán hệ số tín hiệu S/N.
S
1
n
= −10 log (∑1 yi2 )
N
n

479

(1)


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Hệ số tín hiệu S/N của Ra tính toán bằng cách sử dụng kết quả thực nghiệm được
đưa ra trong Bảng 6 và công thức (1). Dựa trên tỷ lệ phân tích S/N như trong bảng 8 thể
hiện đã xác định được hiệu suất cắt tối ưu cho Ra như sau: tốc độ cắt 180 m/phút (mức 3),

tốc độ tiến dao 0,1 mm/răng (mức 1).
Số thí nghiệm

Bảng7. Hệ số tín hiệu S/N của R a (η)
Ra (µm)
Hệ số tín hiệu S/N (dB)
A (m/phút)
B (mm/răng)

1

100

0,1

0,62

3,88040

2

100

0,15

1,23

-1,69862

3

100

0,2

1,28

-2,26887

4

140

0,1

0,51

7,53801

5

140

0,15

0,85

1,59844

6

140

0,2

0,95

0,62934

7

180

0,1

0,45

7,96080

8

180

0,15

0,79

1,94020

9

180

0,2

0,85

1,42962

Bảng 8. Bảng kết quả hệ số tín hiệu S/N có nghĩa cho Ra
Tỷ số S/N có nghĩa, η
Các thông số
Mức 1
Mức 2
Mức 3

Max-min

A

0,00462

3,25156

3,69997

3,77090

B

6,43587

0,64967

-0,07907

6,54072

Hình 4. Đồ thị kết quả hệ số tín hiệu S/N có nghĩa cho Ra
Sự thay đổi độ nhám đo trên bề mặt gia công phụ thuộc vào tốc độ cắt và tốc độ tiến
dao như trong hình 5.

480


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 5. Ảnh hưởng của tham số công nghệ lên độ nhám bề mặt
Trên hình 5 có thể thấy, giá trị độ nhám bề mặt có xu hướng giảm khi tăng tốc độ cắt
từ 100m/phút tới 180m/phút tại tốc độ tiến dao 0,1mm/răng. Độ nhám trung bình giảm
27,5%. ở điều kiện cắt tương tự khi tốc độ tiến dao 0,2mm/răng thì Ra giảm 33,6%.
Khi tốc độ tiến dao tăng từ 0,1mm/răng tới 0,2mm/răng tại tốc độ cắt 100m/phút, Ra tăng
51,5%. Điều đó chứng tỏ khi tăng tốc độ tiến dao thì giá trị độ nhám cũng tăng tỷ lệ thuận.
Tại giá trị tốc độ cắt 180m/phút, Ra tăng 47% trong khi tăng tốc độ tiến dao từ
0,1mm/răng đến 0,2mm/răng. Giá trị nhỏ nhất của Ra=0,45µm đạt được tại tốc độ cắt
180m/phút và tốc độ tiến dao 0,1mm/răng.
4. KẾT LUẬN
Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi nghiên cứu sự ảnh hưởng
của tham số công nghệ đến độ nhám bề mặt khi phay hợp kim Ti-6Al-4V trong điều kiện cắt
khô, kết quả thí nghiệm cho thấy: Độ nhám bề mặt chịu ảnh hưởng đáng kể bởi tốc độ cắt và

tốc độ tiến dao. Tham số công nghệ tối ưu đạt được tại tốc độ cắt 180m/phút và tốc độ tiến
dao 0,1 mm/răng với độ nhám bề mặt đạt được là 0,45 µm.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nurul Amin, A.K., Ismail, A.F. and Nor, Khairusshima, M.K.,. Effectiveness of uncoated
WC–Co and PCD inserts in end milling of titanium alloy—Ti–6Al–4V. J Mater Process
Technol, 2007, Vol. 192–193, pp:147–158.
[2] Rahman, M., Wong, Y.S. and Zareena, A.R., Machinability of titanium alloys. JSME
Series C, 2003, Vol. 46 (1), pp: 107-115.
[3] Corduan, N., Himbert, T., Poulachon, G.,Wear Mechanisms of new tool materials for
Ti-6AI-4V high performance machining. CIRP Annals 52, 2003, Vol. 1, pp: 73-76.
[4] Budak, E. and Kops, L.,Improving productivity and part quality in milling of titanium
based impellers by chatter suppression and force control. CIRP Annals-Manufacturing
Technol, Vol. 49(1), pp:31-36.
[5] Diniz, A.E. and Filho, J.C., Influence of the relative positions of tool and workpiece on
tool life, tool wear and surface in the face milling process. Wear, Vol. 232, pp: 67–75.
[6] Ginting, A. and Nouari, M.,Experimental and numerical studies on the performance of
alloyed carbide tool in dry milling of aerospace material. Int J Mach Tools Manuf,
2006, Vol. 46, pp: 758–768.
481