Luận án tiến sĩ nghiên cứu quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm a6061

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Đức Toàn, ngƣời thầy đã tận
tình hƣớng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo và động viên tôi thực hiện luận án.
Tôi vô cùng biết ơn đến GS.TSKH Bành Tiến Long đã định hƣớng đề tài, góp ý và tận
tình giúp đỡ và động viên tôi hoàn thành luận án.
Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo sau
Đại học, Viện Cơ khí - Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện tốt nhất và giúp
đỡ, động viên tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu.
Tôi xin gửi lời cám ơn tới Thầy, Cô bộ môn Gia Công Vật Liệu Và Dụng Cụ Công
Nghiệp - Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã đóng góp ý kiến, hỗ trợ và giúp đỡ tôi.
Tôi xin cám ơn khoa Cơ khí – Phòng thí nghiệm Đo lƣờng khoa Cơ khí, Trung Tâm
Hồng Hải Foxcon– Trƣờng Đại học Công Nghiệp Hà Nội đã giúp đỡ, hỗ trợ tôi hoàn thành
thực nghiệm của luận án.
Tôi gửi lời cám ơn đến Ban lãnh đạo Trƣờng, khoa Cơ Khí, Bộ môn Kỹ thuật cơ sở Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Hƣng Yên đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi về thời gian tạo
điều kiện giúp tôi hoàn thành luận án.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến tất cả đồng nghiệp, bạn bè, gia đình
và ngƣời thân đã luôn ở bên động viên khích lệ và mong muốn tôi hoàn thành luận án này.
Hà Nội, ngày …. tháng 08 năm 2017
Tác giả

Phạm Thị Hoa

i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự
hƣớng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Đức Toàn. Kết quả nêu trong luận án là trung thực
và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác.
Hà Nội, ngày …. tháng 08 năm 2017
HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

Tác giả

PGS.TS Nguyễn Đức Toàn

Phạm Thị Hoa

ii


MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................................ vi
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................................viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ............................................................................. x
MỞ ĐẦU
1
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu ................................................................................... 1
2. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 3
2.2 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .................................................................................... 3
3. Phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................................................... 3
4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài ............................................................... 4
5. Những đóng góp mới của đề tài .......................................................................................... 4
6. Cấu trúc của nội dung luận án ............................................................................................ 5
CHƢƠNG 1. CƠ SỞ VẬT LÝ QUÁ TRÌNH TẠO PHOI KHI PHAY CAO TỐC .............. 6
1.1 Tổng quan chung về gia công cao tốc............................................................................... 6
1.1.1 Lịch sử phát triển của gia công cao tốc ...................................................................... 6
1.1.2 Đặc điểm chung của phay cao tốc .............................................................................. 9
1.1.3 Một số ứng dụng của phay cao tốc ............................................................................. 9
1.2 Cơ sở vật lý quá trình phay cao tốc ................................................................................ 10

1.3 Hệ số co rút phoi và biến dạng xảy ra trong quá trình phay cao tốc............................... 14
1.3.1 Hệ số co rút phoi ...................................................................................................... 14
1.3.2 Quan hệ giữa hệ số co rút phoi và biến dạng trong quá trình tạo phoi . .................. 18
1.3.3 Tốc độ biến dạng trong quá trình tạo phoi. .............................................................. 19
1.4 Đặc điểm biến dạng xảy ra trong quá trình tạo phoi khi phay cao tốc . ........................ 20
1.5 Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về quá trình tạo phoi khi phay cao tốc 23
1.5.1 Nghiên cứu trong nƣớc về quá trình phay cao tốc ................................................... 23
1.5.2 Nghiên cứu ngoài nƣớc về quá trình tạo phoi khi phay cao tốc ............................... 24
CHƢƠNG 2. ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH PHAY CAO TỐC ..................................... 31
2.1 Động lực học quá trình tạo phoi khi phay cao tốc .......................................................... 31
2.1.1 Mô hình lực trong quá trình tạo phoi ....................................................................... 32
2.1.2 Phân tích mối quan hệ giữa lực cắt và ứng suất – biến dạng của Oxley . ................ 35
2.2 Lực cắt trong quá trình phay cao tốc .............................................................................. 36
2.2.1 Thành phần lực cắt khi phay cao tốc . ...................................................................... 36
2.2.2 Mô hình lực cắt khi phay mặt phẳng ........................................................................ 38
2.2.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến lực cắt khi phay cao tốc ................................................. 40
2.3 Ổn định và rung động trong quá trình phay cao tốc ....................................................... 42
2.3.1 Sự ổn định trong quá trình phay cao tốc . ................................................................ 42
2.3.2 Nguyên nhân gây mất ổn định ................................................................................. 43
iii


2.3.4 Mô hình rung động hai thành phần khi phay mặt phẳng . ........................................ 43
2.3.5 Miền ổn định của rung động . .................................................................................. 46
2.4 Hiện tƣợng mài mòn dụng cụ cắt trong quá trình phay cao tốc . .................................... 48
2.4.1 Các dạng mài mòn dụng cụ cắt . .............................................................................. 49
2.4.2 Cơ chế mài mòn của dụng cụ cắt . ........................................................................... 50
2.5 Độ nhám bề mặt chi tiết gia công khi phay cao tốc ........................................................ 52
2.6 Kết luận chƣơng 2 ........................................................................................................... 54
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH TẠO PHOI KHI PHAY

CAO TỐC HỢP KIM NHÔM A6061 ...................................................................................... 55
3.1 Vật liệu, thiết bị và phƣơng pháp nghiên cứu quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp
kim nhôm A6061 .................................................................................................................. 55
3.1.1 Máy, phôi, dụng cụ cắt khi nghiên cứu phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 .......... 55
3.1.2 Các thiết bị đo dùng cho thực nghiệm quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim
nhôm A6061 ...................................................................................................................... 57
3.1.3 Thiết kế thực nghiệm khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ................................ 60
3.2 Nghiên cứu thực nghiệm hình thái hình học của phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm
A6061.................................................................................................................................... 62
3.2.1 Mục đích nghiên cứu hình thái hình học phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm
A6061 ................................................................................................................................ 62
3.2.3 Cơ chế hình thành phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ............................. 63
3.2.4 Đặc điểm hình thái hình học của phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ..... 64
3.2.5 Ảnh hƣởng của các thông số công nghệ đến hình thái hình học của phoi khi phay
cao tốc hợp kim nhôm A6061 ........................................................................................... 66
3.3 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng của các thông số công nghệ đến hệ số co rút phoi
khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ................................................................................ 70
3.4 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng của các thông số công nghệ đến lực cắt khi phay
cao tốc hợp kim nhôm A6061 ............................................................................................... 74
3.5 Nghiên cứu thực nghiệm các thông số công nghệ ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt khi
phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ...................................................................................... 77
3.6 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng của các thông số công nghệ đến vết tiếp xúc của
dao–phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ................................................................. 80
3.7 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng của các thông số công nghệ đến biên độ rung động
khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ................................................................................ 83
3.8 Quan hệ tƣơng quan giữa hệ số co rút phoi với các yếu tố đầu ra khi phay cao tốc hợp
kim nhôm A6061. ................................................................................................................. 86
3.9 Kết luận chƣơng 3 ........................................................................................................... 88
CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG QUÁ TRÌNH TẠO PHOI
KHI PHAY CAO TỐC HỢP KIM NHÔM A6061 .................................................................... 90

4.1 Đặc điểm của mô phỏng theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn ...................................... 90
iv


4.2.1 Một số nghiên cứu sử dụng mô phỏng theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn trong quá
trình gia công cắt gọt ............................................................................................................ 90
4.2.2 Phá hủy dẻo và sự phát triển các lỗ trống của vật liệu trong quá trình gia công...... 91
4.3 Mô hình phá hủy vật liệu và cách xác định các tham số trong mô hình ......................... 93
4.3.1 Mô hình phá hủy Johnson-Cook (J-C) ..................................................................... 94
4.3.2 Mô hình phá hủy Bao-Wierzbicki (B-W) ............................................................... 99
4.3.3 Mô hình phá hủy B-W theo mô hình sửa đổi của Mohr-Coulomb (Modified MorhCoulomb MM-C)............................................................................................................. 104
4.3.4 Mô hình ma sát ....................................................................................................... 106
4.4 Phân tích so sánh lựa chọn mô hình mô phỏng theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn quá
trình hình thành phoi ........................................................................................................... 107
4.5 So sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm quá trình hình thành phoi khi phay hợp kim
nhôm A6061 ở vùng tốc độ cao .......................................................................................... 114
4.5.1 Ảnh hƣởng của tốc độ biến dạng khi gia công ở vùng tốc độ cao ......................... 114
4.5.2 So sánh hình thái hình học của phoi giữa mô phỏng và thực nghiệm ở tốc độ cắt cao
khi phay hợp kim nhôm A6061 ....................................................................................... 118
4.6 Sự phân bố ứng suất trong vùng tiếp xúc giữa dao - phoi khi mô phỏng 3D quá trình tạo
khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 .............................................................................. 119
4.6.1 Thiết kế mô hình mô phỏng 3D quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm
A6061 .............................................................................................................................. 119
4.6.2 Phân tích sự phân bố ứng suất - biến dạng khi mô phỏng 3D quá trình tạo phoi khi
phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ................................................................................ 120
4.6.3 Lực cắt trong mô phỏng 3D quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm
A6061 .............................................................................................................................. 121
4.7 Ảnh hƣởng của các thông công nghệ đến hệ số co rút phoi và lực cắt khi mô phỏng ở
vùng tốc độ cao có xét đến ảnh hƣởng của tốc độ biến dạng ............................................. 123
4.7.1 Ảnh hƣởng của thông số cắt đến hệ số co rút phoi (KS) ............................................ 123

4.7.2 Ảnh hƣởng của thông số công nghệ đến lực cắt FS ............................................... 124
4.8 Xác định bộ thông số chung cho hệ số co rút phoi và lực cắt khi mô phỏng quá trình
phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 .................................................................................... 126
4.8.1 Bộ thông số sử dụng để mô phỏng cho hệ số co rút phoi và lực cắt ...................... 126
4.8.2 Phân tích ANOVA ảnh hƣởng của các thông số cắt đến K và F ........................... 127
4.8.3 Phân tích mối tƣơng quan Grey ảnh hƣởng đồng thời của các thông số cắt (V, t, α,

) đến hệ số co rút phoi K và lực cắt F ............................................................................ 129
4.9 Kết luận chƣơng4 .......................................................................................................... 131
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 135
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .............................. 143
PHỤ LỤC ............................................................................................................................... 1
v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Đơn vị

Ký hiệu
HSM

Diễn giải
(High Speed Machining )-Gia công cao tốc

CNC
CAM
FEM

(Computer Numerical Control )- Điều khiển số có sự hỗ trợ của máy tính
(Computer Aided Manufacture)- Sản xuất thông qua sự trợ giúp của máy

tính
Mô phỏng bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn

J-C
B-W
MM-C
GRA
K
VB
Ra

Mô hình Jonson-Cook
Mô hình Bao- Wierzbicki
Mô hình sửa đổi Bai- Wierzbicki
Phân tích quan hệ Grey
Hệ số co rút phoi
Mòn mặt trƣớc
Nhám bề mặt chi tiết

Axy
Lf
L
t1
t2

Rung động theo phƣơng x và phƣơng y
Chiều dài của lớp phoi
Chiều dài quãng đƣờng dao đi
Chiều dày phoi chƣa biến dạng
Chiều dày phoi đã biến dạng

Biến dạng cắt

mm
mm
mm
mm

k

Lực tác dụng lên mặt trƣớc
Lực tác dụng lên mặt sau
Lực cắt
ứng suất trong miền tạo phoi

N
N
N
MPa

Fc
Ft

Lực cắt chính
Lực tiếp tuyến

Ai()

Diện tích phoi chƣa cắt của răng thứ I tại góc 

N

N
mm2

D
Ff
Fn
KT
KR
KA

Đƣờng kính dụng cụ cắt
Lực ma sát tác dụng dọc theo dòng chảy của phoi
Lực pháp tuyến thẳng góc tới góc cắt của dao
Áp suât cắt riêng
Hằng số không thứ nguyên liên quan đến lực hƣớng tâm và lực tiếp tuyến
Hằng số không thứ nguyên liên quan đến lực dọc trục và lực tiếp tuyến
Góc biến dạng

mm
N

Góc cắt pháp tuyến tức thời

o

m

Góc quay của lƣỡi cắt

o

Cm

f

Chiều dày phoi trung bình
Biến dạng tƣơng đƣơng tại thời điểm phá hủy



Chỉ số trạng thái ứng suất

A,B,C,n,m
Tr, Tm

Các hệ số của mô hình thuộc tính Johnson-Cook
Nhiệt độ phòng và nhiệt độ nóng chảy vật liệu


F1
F2
R1


n

mm

m

vi

o

o

C


 ,

Mức độ biến dạng tƣơng đƣơng, ứng suất tƣơng đƣơng

, 0

Tốc độ biến dạng và tốc độ biến dạng tƣơng đƣơng

1/s

1,2, 3

Các thành phần ứng suất pháp chính

MPa



Hệ số ma sát

F

Lực cắt

K

Hệ số co rút phoi

Ra

Nhám bề mặt chi tiết gia công

m

Hs
Axy
V
t
f
SSE

Vết tiếp xúc giữa dao-phoi
Biên độ rung động
Vận tốc cắt
Chiều sâu cắt
Lƣợng chạy dao
(Error Sum of Squares) Tổng bình phƣơng sai số

mm
dB
m/phút

mm
mm/phút

SSR

(Regression sum of Squares) Tổng bình phƣơng hồi quy

SSTO

(Total sum of Squares) Tổng bình phƣơng

ANOVA
R
R2
R Square
Df
SS
MS
D1-D5
α



Phân tích phƣơng sai
Hệ số tƣơng quan bội
Hệ số xác định
Hệ số điều chỉnh
Số bậc tự do
Tổng bình phƣơng mức động và sai lệch bình phƣơng của chúng
Phƣơng sai hay số bình quân của tổng bình phƣơng sai lệch kể trên

Tham số phá hủy của vật liệu
Góc sau
Góc trƣớc



Góc biến dạng

N

o
o
o

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Thành phần hóa học của hợp kim nhôm A6061 (%) . ............................................... 56
Bảng 3.2 Đặc tính vật lý của hợp kim nhôm A6061 ................................................................. 56
Bảng 3.3 Giá trị biến thiên trong miền thực nghiệm................................................................... 61
Bảng 3.4 Các thông số đầu vào khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. ................................ 61
Bảng 3.5 Lograrit các biến (V, f, t) và kết qủa đo K khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 .. 71
Bảng 3.6 Các thông số phân tích phương sai (ANOVA) .......................................................... 72
Bảng 3.7 Phân tích phương sai ảnh hưởng của các thông số công nghệ (V, f, t) đến K .......... 72
Bảng 3.8 Logarit các biến đầu vào và kết quả đo lực cắt F khi phay cao tốc hợp kim nhôm
A6061. ....................................................................................................................................... 75
Bảng 3.9 Phân tích hồi quy và phương sai ANOVA các thông số công nghệ (V, f, t) ảnh hưởng
đến F. ........................................................................................................................................ 76
Bảng 3.10 Kết quả và logarit hóa các thông số công nghệ (V, f, t) ảnh hưởng đến Ra............ 78

Bảng 3.11 Phân tích hồi quy và phương sai ANOVA các thông số công nghệ (V, f, t) ảnh
hưởng đến F.............................................................................................................................. 79
Bảng 3.12 Kết quả đo và logarit các thông số công nghệ ảnh hưởng đến vết tiếp xúc dao-phoi.
.................................................................................................................................................. 81
Bảng 3.13 Phân tích hồi quy và phương sai (ANOVA) các thông số công nghệ ảnh hưởng đến
Hs .............................................................................................................................................. 82
Bảng 3.14 Thông số đầu vào và kết quả đo biên độ rung động khi phay cao tốc hợp kim nhôm
A6061. ....................................................................................................................................... 84
Bảng 3.15 Phân tích hồi quy và phương sai (ANOVA) các thông số công nghệ (V, f, t) ảnh hưởng
đến Axy ....................................................................................................................................... 85
Bảng 4.1 Tham số vật liệu và tham số phá hủy theo mô hình J-C của hợp kim nhôm A6061 . 98
Bảng 4.2 Thông số phá hủy vật liệu của nhôm A6061 . ......................................................... 105
Bảng 4.3 Chiều dày phoi tạo thành trong quá trình mô phỏng phay cao tốc hợp kim nhôm
A6061 ...................................................................................................................................... 109
Bảng 4.4 Mô phỏng kết quả đo K ứng với các chế độ khác nhau của V và t. ........................ 113
Bảng 4.5 Kết quả lực cắt F ứng với các chế độ cắt và chiều sâu cắt khác nhau ................... 114
Bảng 4.6. Ảnh hưởng tốc độ biến dạng đến hệ số co rút phoi................................................ 117
Bảng 4.7 Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng đến lực cắt với vận tốc cắt khác nhau................ 118
Bảng 4.8 Thông số công nghệ và kết quả của lực cắt khi mô phỏng phay cao tốc hợp kim
nhôm A6061 ............................................................................................................................ 123
Bảng 4.9 Phân tích hồi quy và phương sai (ANOVA )thông số công nghệ (V, t) ảnh hưởng đến
KS ............................................................................................................................................ 123
Bảng 4.10 Bộ thông số công nghệ và kết quả của lực cắt khi mô phỏng ............................... 125
Bảng 4.11 Phân tích hồi quy và phương sai ANOVA các thông số công nghệ (V, t) ảnh hưởng
đến FS...................................................................................................................................... 125
Bảng 4.12 Thông số cắt dùng trong mô phỏng khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ........ 126
viii


Bảng 4.13 Mảng trực giao L9 và kết quả tính toán. ............................................................... 127

Bảng 4.14 Tổng hợp phân tích ảnh hưởng của các thông số cắt đến K ................................. 128
Bảng 4.15 Tổng hợp phân tích mức độ ảnh hưởng của các thông số cắt đến F .................... 128
Bảng 4.16 Phân hạng mối quan hệ Grey................................................................................ 130
Bảng 4.17 Bảng đặc trưng phân hạng mối quan hệ Grey ...................................................... 131

ix


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Nhiệt phụ thuộc vào tốc độ cắt . .................................................................................. 6
Hình 1.2 Sơ đồ của Merchant (1959) về sự thay đổi của vật liệu làm dụng cụ cắt và tốc độ
cắt tăng lên gấp đôi sau mỗi 10 năm (1959) . ............................................................................ 7
Hình 1.3 Đặc điểm lịch sử gia công tốc độ cao . ....................................................................... 7
Hình 1.4 Tốc độ cắt và vật liệu gia công của HSM với gia công truyền thống . ....................... 8
Hình 1.5 Thuộc tính chung của gia công cao tốc . ..................................................................... 8
Hình 1.6 Một số sản phẩm sau khi phay cao tốc của hợp kim nhôm A6061. ........................... 10
Hình 1.7 Sự biến dạng trong vùng cắt . .................................................................................... 11
Hình 1.8 Các dạng phoi hình thành trong quá trình cắt ........................................................... 12
Hình 1.9 Vùng hình thành phoi (Góc biến dạng : góc sauα; Góc trước ) ........................... 12
Hình 1.10 Cơ chế hình thành phoi phân đoạn . ........................................................................ 13
Hình 1.11 Sơ đồ cắt kim loại . .................................................................................................. 14
Hình 1.12 Mô hình biến dạng cắt . ........................................................................................... 16
Hình 1.13 Sự thay đổi cấp độ phân đoạn của phoi ở các tốc độ cắt khác nhau . .................... 16
Hình 1.14 Biến dạng trên mặt phẳng cắt với biến dạng của phoi  và góc biến dạng cho ba
giá trị góc trước  . .................................................................................................................. 17
Hình 1.15 Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến mức độ phân lớp của phoi (ap=2mm, ae=5mm) ... 17
Hình 1.16 Biến dạng quá trình hình thành phoi (Hướng hạt kéo dài lớn nhất) . ..................... 18
Hình 1.17 Sơ đồ tốc độ biến dạng và độ bền cắt. ..................................................................... 20
Hình 1.18 Vùng cắt chính và vùng cắt cấp 2 được đơn giản . ................................................. 22
Hình 1.19 Sơ đồ biến đổi biến dạng chính với sự gia tăng tốc độ cắt và tốc độ biến dạng cấp 2 . .. 22

Hình 1.20 Hình thái của phoi thu được ở vùng tốc độ thường và vùng tốc độ cao . ............... 24
Hình 1.21 Phoi được hình thành ở tốc độ cao ......................................................................... 25
Hình 1.22 Góc cắt của quá trình hình thành phoi khi phay cao tốc ...................................... 25
Hình 1.23 Hình dạng phoi phụ thuộc vào tốc độ cắt khi gia công thép 45HRC ..................... 25
Hình 1.24 Hình ảnh các trạng thái khác nhau của phoi ........................................................ 26
Hình 1.25 Hình ảnh mặt cắt ngang của phoi .......................................................................... 26
Hình 1.26 Hình thái của phoi giữa mô phỏng và thực nghiệm ở tốc độ cao của nhôm Ti6Al4V .. 27
Hình 1.27 So sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm ................................................................ 27
Hình 1.28 Hình thái của phoi khi hình thành ở các tốc độ khác nhau khi mô phỏng và thực
nghiệm ...................................................................................................................................... 28
Hình 1.29 Ảnh hưởng tốc độ cắt đến lực (a) và lượng mòn dụng cụ cắt (b) .......................... 28
Hình 2.1 Ảnh hưởng động lực học máy và động lực học gia công đến quá trình phay cao tốc.
.................................................................................................................................................. 31
Hình 2.2 Sơ đồ hợp của hai thành phần lực tạo phoi............................................................... 32
Hình 2.3 Sơ đồ ứng suất trên mặt trước của ............................................................................ 32
Hình 2.4 Vòng tròn lực Merchant’s ........................................................................................ 33
Hình 2.5 Miêu tả hướng của ứng suất cắt lớn nhất và tốc độ biến dạng cắt lớn nhất . .......... 35
Hình 2.6 Thành phần lực cắt khi phay mặt phẳng ................................................................. 37
x


Hình 2.7 Thành phần lực tác dụng lên lưỡi cắt khi phay mặt phẳng. ...................................... 39
Hình 2.8 Thành phần lực tác dụng lên lưỡi cắt 1 và 2 khi quay một góc m .......................... 39
Hình 2.9 Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến lực cắt ............................................................ 41
Hình 2.10 Hình dạng cơ bản của một biểu đồ ổn định của quát trình phay .......................... 42
Hình 2.11 Mô hình động học phay mặt phẳng với hai bậc tự do ........................................... 44
Hình 2.12 Sự hình thành phoi ở trạng ổn định và không ổn định
…. ................................ 48
Hình 2.13 Cơ chế mài mòn và các dạng mài mòn dụng cụ cắt ............................................... 49
Hình 2.14 Thông số hình học của dao. ..................................................................................... 50

Hình 2.15 Cơ chế tiếp xúc giữa phoi và dao ........................................................................... 51
Hình 2.16 Mô hình ứng suất dọc theo bề mặt tiếp xúc và vận tốc phoi ................................. 51
Hình 2.17 Độ nhám phụ thuộc vào tốc độ cắt ........................................................................ 53
Hình 3.1 Các thông số đầu vào và đầu ra khi thực nghiệm phay caotốc hợp kim nhôm A6061.
.................................................................................................................................................. 55
Hình 3.2 Máy phay cao tốc CNC SuperMC500. ...................................................................... 55
Hình 3.3 Thông số hình học của dụng cụ cắt. .......................................................................... 56
Hình 3.4 Đường cong ứng suất biến dạng của hợp kim nhôm A6061. .................................... 57
Hình 3.5 Mẫu phôi hợp kim nhôm A6061 dùng cho thực nghiệm. ........................................... 57
Hình 3.6 Thiết bị đo SEM Hitachi S-4800. ............................................................................... 58
Hình 3.7 Cân tiểu ly xác định trọng lượng phoi. ...................................................................... 58
Hình 3.8 Hệ thống đo lực cắt Kisler (a) và đồ gá đo lực (b). .................................................. 59
Hình 3.9 Thiết bị đo vết tiếp xúc dao-phoi VHX của hãng KEYENCE. ................................... 59
Hình 3.10 Thiết bị đo độ nhám SV-2100. ................................................................................. 60
Hình 3.11 Thiết bị đo rung động trong quá trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. ........... 60
Hình 3.12 Sơ đồ phay đối xứng khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. ................................. 62
Hình 3.13 Sơ đồ phân tích sự tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061....................... 63
Hình 3.14 Phoi bám trên bề mặt lưỡi dao khi phay cao tốc nhôm A6061. .............................. 63
Hình 3.15 Cơ chế hình thành phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. ............................ 64
Hình 3.16 Các bề mặt phoi tạo thành khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. ....................... 64
Hình 3.17 Cấu trúc lớp bề mặt tự do của phoi hình thành khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 . 65
Hình 3.18 SEM hình ảnh mặt phoi tiếp xúc với dao khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. ....... 65
Hình 3.19 Phoi hình thành khi phay hợp kim nhôm A6061 ở các tốc độ cắt khác nhau. ........ 66
Hình 3.20 Chiều rộng của phoi hợp kim nhôm A6061 khi phay cao tốc. ................................. 66
Hình 3.21 Ảnh SEM hình thái của phoi A6061 khi phay cao tốc ứng với các vận tốc cắt khác
nhau. ......................................................................................................................................... 67
Hình 3.22 Hình dạng của phoi A6061 khi phay cao tốc với lượng chạy dao khác nhau (V =
1256 m/phút; t = 1,5 mm). ........................................................................................................ 67
Hình 3.23 Chiều rộng phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 với lượng chạy dao khác
nhau. ......................................................................................................................................... 68

Hình 3.24 Cấu trúc bề mặt lớp phoi hợp kim nhôm A6061 (V = 1256m/phút, t = 0,5 mm) .... 68
Hình 3.25 Ảnh SEM bề mặt phoi tiếp xúc với dao khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ..... 69
xi


Hình 3.26 Hình thái của phoi hợp kim nhôm A6061 tạo thành khi phay cao tốc với t khác
nhau. ......................................................................................................................................... 69
Hình 3.27 Ảnh SEM chiều rộng phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 với t khác nhau.
.................................................................................................................................................. 69
Hình 3.28 Ảnh SEM phóng đại bề mặt tự do của phoi hợp kim nhôm A6061 khi phay cao tốc.
.................................................................................................................................................. 70
Hình 3.29 Mối quan hệ giữa K với V, f và t ............................................................................. 73
Hình 3.30 Thí nghiệm đo lực cắt a) sơ đồ b) ảnh thiết bị đo và kết quả đầu ra. ..................... 74
Hình 3.31 Mối quan hệ giữa F với các thông số công nghệ V, f và t. ...................................... 76
Hình 3.32 Sơ đồ đo và kết quả thí nghiệm đo độ nhám bề mặt chi tiết sau ............................. 77
Hình 3.33 Mối quan hệ Ra với các thông số công nghệ V, f và t. ............................................. 79
Hình 3.34 Vết tiếp xúc giữa dao-phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. ....................... 81
Hình 3.35 Sự phụ thuộc của các thông số công nghệ V, f và t đến vết tiếp xúc giữa dao –phoi.
.................................................................................................................................................. 82
Hình 3.36 Thiết bị đo biên độ rung động khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 và kết quả đo.
.................................................................................................................................................. 84
Hình 3.37 Sự phụ thuộc của các thông số công nghệ V, f và t đến biên độ rung động Axy ...... 85
Hình 3.38 Mối quan hệ giữa K và F. ........................................................................................ 86
Hình 3.39 Mối quan hệ giữa K và Ra. ...................................................................................... 87
Hình 3.40 Mối quan hệ giữa K và Hs. ...................................................................................... 87
Hình 3.41 Mối quan hệ giữa Axy và K. ..................................................................................... 88
Hình 4.1 Đường cong ứng suất biến dạng của vật liệu giòn và vật liệu dẻo ......................... 92
Hình 4.2 Sự hình thành mầm, phát triển và hợp nhất lỗ trống trong vật liệu dẻ . ................... 92
Hình 4.3 Quy trình xác định tham số vật liệu và tham số phá hủy của mô hình J-C. .............. 95
Hình 4.4 Mẫu thí nghiệm kéo. .................................................................................................. 95

Hình 4.5 Đường cong ứng suất – biến dạng với các cấp độ phá hủy của vật liệu . ................ 97
Hình 4.6 Đường cong phá hủy của hợp kim nhôm A6061 sử dụng mô hình J-C. .................... 98
Hình 4.7 Sự phụ thuộc của  f và chỉ số trạng thái ứng suất ................................................. 99
Hình 4.8 Kiểm tra kéo nén tại vùng thắt của thanh tròn . ..................................................... 100
Hình 4.9 Các mẫu sử dụng cho thí nghiệm nén .................................................................... 101
Hình 4.10 Mẫu thí nghiệm nén cho thanh tròn thắt . ............................................................ 101
Hình 4.11 Các mẫu xác đinh trị số trạng thái ứng suất từ 0 đến 0,4 ................................... 102
Hình 4.12 Mẫu thí nghiệm phá hủy kéo, xác định chỉ số trạng thái ứng suất ...................... 102
Hình 4.13 Đường cong phá hủy của hợp kim nhôm A6061 theo mô hình B-W. .................... 103
Hình 4.14. Ba trục tọa độ trong không gian ứng suất chính ................................................ 104
Hình 4.15 Đường cong phá hủy của hợp kim nhôm A6061 dựa trên công thức (4.16). ........ 105
Hình 4.16 Ứng suất thường và ứng suất do ma sát phân bố trên mặt nghiêng của dao ...... 106
Hình 4.17 Mô hình phần tử hữu hạn của quá trình cắt. ......................................................... 107
Hình 4.18 Xác định chiều dày phoi và góc biến dạng khi mô phỏng. .................................... 108
Hình 4.19 Chiều dày phoi khi mô phỏng với các tốc độ khác nhau. ...................................... 109
xii


Hình 4.20 Sự thay đổi hệ số co rút phoi theo với các vận tốc cắt khác nhau......................... 110
Hình 4.21 Mô hình mô phỏng quá trình tạo phoi. .................................................................. 111
Hình 4.22 Mô phỏng đường cong phá hủy của mô hình B-W và mô hình J-C....................... 111
Hình 4.23 Phoi hình thành khi phay hợp kim nhôm A6061 ở tốc độ 565 m/phút. ................. 111
Hình 4.24 So sánh hệ số co rút phoi K của hai mô hình J-C, mô hình B-W và hệ số co rút phoi
đo được khi thực nghiệm. ....................................................................................................... 112
Hình 4.25 Mối quan hệ giữa K với V và t............................................................................... 113
Hình 4.26 Đường cong của F phụ thuộc V và t. ..................................................................... 114
Hình 4.27 Mối quan hệ giữa ứng suất và tốc độ biến dạng cho hợp kim nhôm A6061 ....... 115
Hình 4.28 Ứng suất và biến dạng sinh ra trong quá trình tạo phoi khi mô phỏng quá trình
phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 ( V = 1256 m/phút, t = 0,5mm). ..................................... 116
Hình 4.29 Lực cắt khi mô phỏng phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 (V = 1256 m/phút, t = 1,5

mm). ........................................................................................................................................ 116
Hình 4.30 Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng đến số co rút phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm
A6061. ..................................................................................................................................... 117
Hình 4.31 Ảnh hưởng của lực cắt giữa mô phỏng và thực nghiệm khi phay cao tốc hợp kim
nhôm A6061 với tốc độ cắt khác nhau. .................................................................................. 118
Hình 4.32 Hình thái hình học của phoi tạo thành khi phay hợp kim nhôm A6061 giữa mô
phỏng và thực nghiệm............................................................................................................. 119
Hình 4.33 Điều kiện biên và phần tử lưới của dao và phôi a) điều kiện biên b) phần tử lưới.
................................................................................................................................................ 119
Hình 4.34 Mô hình 3D phay cao tốc hợp kim nhôm A6061. .................................................. 120
Hình 4.35 Trạng thái khi dao bắt đầu chạm vào phôi............................................................ 120
Hình 4.36 Trạng thái phoi bắt đầu hình thành. ...................................................................... 121
Hình 4.37 Trạng thái phoi hình thành ổn định. ...................................................................... 121
Hình 4.38 Trị số trạng thái ứng suất và phá hủy tương đương của mô hình J-C và mô hình B-W
................................................................................................................................................ 122
Hình 4.39 Mô phỏng lực cắt mô hình J-C và mô hình B-W. ................................................... 122
Hình 4.40 Ảnh hưởng của Ks đến V và t. ................................................................................ 124
Hình 4.41 Ảnh hưởng của Fs đến V và t. ................................................................................ 126
Hình 4.42 Tỷ lệ S/N của hệ số co rút phoi K. ......................................................................... 128
Hình 4.43 Tỷ lệ S/N của lực cắt F. ......................................................................................... 129
Hình 4.44 Mối quan hệ tương quan Grey............................................................................... 130
Hình 4.45 Sự phụ thuộc của các thông số cắt khi phân tích mối quan hệ tương quan Grey . 131

xiii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Gia công cao tốc (High Speed Machining - HSM) đã đƣợc nghiên cứu từ những năm
đầu của thế kỷ IXX, tuy nhiên cách đây hơn 3 thập niên gia công cao tốc đã bắt đầu đƣợc thực

hiện và đƣợc xem là một trong những phƣơng pháp gia công chính của ngành chế tạo máy.
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của ngành cơ khí cũng nhƣ trang thiết bị phụ trợ hiện đại
nhƣ: máy công cụ điều khiển số, bộ điều khiển CNC (Computer Numerical Control) của các
hãng tiên tiến trên thế giới, hệ thống phần mềm hỗ trợ gia công CAM (Computer Aided
Manufacture), gia công cao tốc ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo sản phẩm
chất lƣợng cao tại các cơ sở sản xuất, các nhà máy xí nghiệp trong và ngoài nƣớc.
So với gia công truyền thống thì gia công cao tốc có ƣu điểm làm giảm thời gian gia
công đến 90% và giảm chi phí gia công đến 50%. Tốc độ bóc tách kim loại nhanh, lực cắt
thấp, chất lƣợng bề mặt gia công tốt [34], gia công đƣợc vật liệu có độ cứng cao, chi tiết thành
mỏng và không cần tƣới nguội [58]. Trong quá trình gia công cao tốc thì phoi di chuyển ra
khỏi vùng cắt nhanh hơn làm giảm đáng kể nhiệt cắt vì trong cắt nhiệt sẽ truyền chủ yếu vào
phoi [64]. Ngày nay gia công cao tốc đƣợc ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp khuôn mẫu,
công nghiệp ô tô, công nghiệp hàng không, công nghiệp nhẹ ... Sự khác biệt của gia công cao
tốc so với gia công truyền thống là gia công cao tốc có: vận tốc cắt cao, lƣợng chạy dao cao
và năng suất gia công lớn [115]. Một số nghiên cứu về gia công cao tốc nhƣ: phay cao tốc
thép cứng [112], thép AISI H13 [34, 35], Inconel 718 [88], hợp kim nhôm 7475 [27],
Ti6Al4V [123] các nghiên cứu đã đánh giá chất lƣợng bề mặt gia công và lực cắt cũng nhƣ
tuổi bền dụng cụ cắt, về cơ chế mài mòn dụng cụ cắt khi phay cao tốc …. Nhƣ vậy các nghiên
cứu trên cũng cho thấy các lợi ích vƣợt trội của gia công cao tốc nói chung và phay cao tốc nói
riêng về năng suất, chất lƣợng chi tiết sau khi gia công.
Để phân tích, dự đoán các hiện tƣợng xảy ra trong quá trình gia công cao tốc thì mô
phỏng theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn (Finite element method-FEM) đƣợc sử dụng nhƣ
một biện pháp thay thế cho quá trình thực nghiệm. Lợi ích của việc sử dụng mô phỏng theo
phƣơng pháp phần tử hữu hạn cho khả năng quan sát và dự báo một cách trực quan tại vùng
cắt về các đặc trƣng nhƣ: ứng suất, biến dạng và các trạng thái tiếp xúc khác nhau của dao–
phoi, dao - chi tiết gia công. Những đặc trƣng này chính là cơ sở để có thể dự báo chính xác
một số các hiện tƣợng xảy ra nhƣ lực cắt, nhiệt cắt trong quá trình gia công cao tốc. Ngày nay
với sự phát triển của công nghệ phần mềm dùng cho mô phỏng và sự ra đời của các siêu máy
tính có cấu hình cao, dung lƣợng lớn là tiền đề cho các sản phẩm thƣơng mại trong việc sử
dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn vào mô phỏng. Một số phần mềm thƣơng mại nhƣ

ABAQUS, DEFORM, DYNAFORM … đƣợc ứng dụng phổ biến rộng rãi trong nhiều trƣờng
đại học, các viện nghiên cứu và cơ sở sản xuất kinh doanh. Rất nhiều nhà nghiên cứu đã tìm
hiểu về cơ chế sự hình thành phoi và đặc điểm của phoi liên quan đến điều kiện gia công cắt
1


gọt khi sử dụng phƣơng pháp mô phỏng phần tử hữu hạn, một số lƣợng lớn các nghiên cứu sử
dụng mô hình Johson-Cook (J-C) [36]. Mô hình J-C cùng với sự kết hợp các tiêu chí vùng
ứng suất Von-Mises, biến dạng dẻo tƣơng đƣơng, tốc độ biến dạng và nhiệt độ [101]. Một số
tác giả đã sử dụng các mô hình phá hủy khác nhau để mô phỏng quá trình gia công vật liệu
chẳng hạn nhƣ các mô hình biến dạng phá hủy [18, 95]. Mô hình của Wilkins [116], mô hình
sửa đổi của Cockcroft-Latham [28, 72, 73], hoặc các mô hình nguồn, tất cả các mô hình có thể
dự đoán về lực cắt, chiều dày phoi, ứng suất, biến dạng và nhiệt độ …. Mô hình BaoWierzbicki (B-W) thƣờng xuyên đƣợc sử dụng với mục đích để kiểm tra đặc tính của vật liệu
[47, 48, 98, 103]. Gần đây nghiên cứu của Li cùng các đồng nghiệp [30, 66] đã khảo sát lực
cắt, chiều dày phoi trong suốt quá trình phay nhôm Ti6Al4V, vật liệu Inconel 718 với việc sử
dụng mô hình J-C để xác định ứng suất chảy sinh ra trong quá trình gia công. Điều đó cho
thấy sử dụng mô hình mô phỏng theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn giúp cho việc mô tả quá
trình cắt ngày càng chính xác. Sự đa dạng về kết quả đầu ra trong quá trình gia công kim loại
nhƣ lực cắt, ứng suất, nhiệt, hình dáng phoi … có thể dự đoán bằng mô phỏng theo phƣơng
pháp phần tử hữu hạn mà không cần đến những thực nghiệm tƣơng ứng [13, 14, 20, 33, 38,
39, 118]. Ở Việt Nam việc sử dụng phƣơng pháp phần tửu hữu hạn vào mô phỏng quá trình
gia công vẫn còn rất hạn chế và chƣa có nghiên cứu nào sử dụng mô phỏng theo phƣơng
pháp này vào việc mô tả và dự đoán các hiện tƣợng xảy ra trong quá trình phay cao tốc.
Hợp kim nhôm A6061 là loại vật liệu đƣợc các nhà nghiên cứu, kỹ sƣ công nghệ và
thiết kế quan tâm đặc biệt. Bởi vì hợp kim nhôm A6061 hứa hẹn đem lại nhiều lợi ích về kinh
tế, kỹ thuật cho công nghiệp ô tô, tàu thủy, hàng không … do có độ bền tƣơng đối tốt, khả
năng tạo hình dễ dàng, khả năng chống ăn mòn và chi phí thấp hơn so với các hợp kim cùng
loại. Hợp kim nhôm A6061 hiện đƣợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp ô tô cụ thể là chế
tạo phụ tùng nhƣ: bánh xe và một số các cơ cấu khác trong xe. Các sản phẩm của hợp kim
nhôm A6061 tạo thành khi phay cao tốc cũng đang sử dụng rất rộng rãi trong ngành gia công

khuôn mẫu, trong ngành công nghiệp nhẹ, y tế, điện tử … với chất lƣợng bề mặt gia công tốt
và năng suất cao. Do đó nhu cầu xã hội về các sản phẩm khi phay cao tốc nhôm là rất lớn.
Việc nghiên cứu quá trình phay cao tốc hợp kim nhôm là cần thiết và cấp bách vì các hiện
tƣợng xảy ra trong quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 sẽ quyết định
đến sự ổn định quá trình gia công, năng suất, chất lƣợng chi tiết gia công. Tuy nhiên quá trình
phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 chƣa có nghiên cứu nào gần đây đề cập đến.
Quá trình tạo phoi khi phay cao tốc chịu ảnh hƣởng bởi thông số cơ bản nhƣ: vận tốc
cắt, chiều sâu cắt, lƣợng chạy dao .… Các thông số chế độ cắt này đƣợc coi là ảnh hƣởng tích
cực và liên quan mật thiết đến các yếu tố đầu ra nhƣ: hệ số co rút phoi, lực cắt, vết tiếp xúc
giữa dao - phoi, rung động, chất lƣợng bề mặt gia công. Từ giá trị của các yếu tố đầu ra cho
phép điều chỉnh quá trình phay hợp lý để đạt đƣợc các chỉ tiêu về năng suất và chất lƣợng chi
tiết sau gia công. Từ những vấn đề cấp thiết trên luận án đã lựa chọn đề tài nghiên cứu:
“Nghiên cứu quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061”.
2


2. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
2.1 Mục đích
- Phân tích quá trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 thông qua việc mô phỏng và
thực nghiệm quá trình hình thành phoi.
- Khảo sát ảnh hƣởng của các thông số công nghệ đến quá trình phay cao tốc hợp kim
nhôm A6061 nhƣ: hình thái hình học phoi, hệ số co rút phoi, lực cắt, rung động, vết tiếp xúc
giữa dao-phoi, chất lƣợng bề mặt chi tiết sau gia công.
- Phân tích và dự đoán các hiện tƣợng xảy ra trong quá trình phay cao tốc hợp kim
nhôm A6061 sử dụng bằng mô phỏng theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn.

2.2 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
+ Đối tƣợng nghiên cứu:
- Quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061.
+Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu cơ sở vật lý và động lực học quá trình phay cao tốc.
- Nghiên cứu một số mô hình phá hủy vật liệu sử dụng trong mô phỏng quá trình phay
cao tốc hợp kim nhôm A6061 theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn.
- Thực nghiệm quá trình tạo phoi, đánh giá ảnh hƣởng của các thông số công nghệ đến
hình thái hình học của phoi, hệ số co rút phoi, lực cắt, rung động, vết tiếp xúc giữa dao - phoi
và độ nhám bề mặt chi tiết gia công khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061.
- Mô phỏng quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061, so sánh và
kiểm chứng với thực nghiệm.

3. Phƣơng pháp nghiên cứu
Thực hiện phƣơng pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, mô phỏng quan sát, so
sánh đánh giá giữa mô phỏng và thực nghiệm.
+ Lý thuyết: Nghiên cứu cơ sở vật lý quá trình tạo phoi, hệ số co rút phoi, nghiên cứu
động lực học quá trình phay cao tốc. Nghiên cứu các mô hình phá hủy dùng cho mô phỏng theo
phƣơng pháp phần tử hữu hạn quá trình phay cao tốc.
+ Thực nghiệm: Phân tích các thông số công nghệ ảnh hƣởng đến các yếu tố đầu ra
nhƣ: hình thái hình học của phoi, hệ số co rút phoi, rung động, vết tiếp xúc giữa dao - phoi,
chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công, xây dựng các phƣơng trình hồi quy thực nghiệm.
+ Mô phỏng: Mô phỏng quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061, xác
định ứng suất biến dạng, hệ số co rút phoi, lực cắt sinh ra trong quá trình hình thành phoi.
+ So sánh đánh giá: Đánh giá phần trăm sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm. Trên cơ
sở đó, lựa chọn mô hình phù hợp cải thiện khả năng dự đoán khi mô phỏng.
3


4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
+ Ý nghĩa khoa học
- Đánh giá đƣợc mức độ biến dạng của phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061
thông qua việc xác định sự biến đổi hệ số co rút phoi.
- Xây dựng các biểu đồ thể hiện mức độ ảnh hƣởng của các thông số công nghệ đến

yếu tố đầu ra nhƣ: Hệ số co rút phoi, lực cắt, rung động, vết tiếp xúc giữa dao - phoi và độ
nhám bề mặt chi tiết sau gia công khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061.
- Mô phỏng quá trình hình thành phoi, phân tích ứng suất - biến dạng sinh ra trong
vùng tiếp xúc giữa dao - phoi từ đó có thể dự đoán chính xác quá trình tạo phoi khi phay cao
tốc hợp kim nhôm A6061.
+ Ý nghĩa thực tiễn
- Có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các nhà máy xí nghiệp, các cơ sở sản xuất và
phòng nghiên cứu tham khảo về mức độ ảnh hƣởng của thông số công nghệ đến các yếu tố
đầu ra nhƣ: hệ số co rút phoi, lực cắt, rung động, vết tiếp xúc giữa dao - phoi và độ nhám bề
mặt chi tiết sau gia công khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061.
- Dùng làm tài liệu tham khảo cho các cơ sở đào tạo về cách thức mô tả quá trình phay
cao tốc khi sử dụng mô phỏng theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn.

5. Những đóng góp mới của đề tài
- Cơ chế hình thành phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 đã đƣợc làm rõ dựa
trên việc phân tích hình thái học của phoi thông qua việc quét ảnh bằng kính hiển vi điện tử.
- Ảnh hƣởng của chế độ cắt gồm: vận tốc cắt (V), bƣớc tiến dao (f) và chiều sâu cắt (t)
đến quá trình phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 đã đƣợc nghiên cứu một cách có hệ thống.
Các phƣơng trình thực nghiệm hồi quy biểu diễn mối liên hệ giữa chế độ cắt với lực cắt, hệ số
co rút phoi, rung động của đồ gá phôi, chiều dài tiếp xúc giữa dao – phoi và độ nhám bề mặt chi
tiết gia công đã đƣợc đề xuất.
- Luận án cũng đƣa ra đƣợc các phƣơng trình thực nghiệm phản ánh mối liên hệ giữa hệ
số co rút phoi với lực cắt, rung động, chiều dài tiếp xúc giữa dao - phoi và độ nhám bề mặt chi
tiết sau gia công.
- Luận án đề xuất một mô hình phần tử hữu hạn có độ chính xác cao để áp dụng cho
quá trình phay hợp kim nhôm A6061 trong điều kiện gia công ở vùng tốc độ cao. Mô hình
này đã đƣợc kiểm nghiệm dựa trên các kết quả thực nghiệm. Để đạt đƣợc mục tiêu đó, các mô
hình phá hủy vật liệu khác nhau đã đƣợc nghiên cứu, phân tích, đánh giá, chọn lựa và áp dụng
cho quá trình mô phỏng bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn; từ đó tìm ra mô hình phù hợp
nhất. Trong đó, ảnh hƣởng của tốc độ biến dạng đến kết quả dự đoán sau khi mô phỏng đã

đƣợc kiểm tra so sánh và xác nhận bằng thực nghiệm.
- Cuối cùng, bộ thông số chung đã đƣợc tìm ra hƣớng tới các hàm mục tiêu giảm tối đa
yếu tố bao gồm: lực cắt, hệ số co rút phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061.
4


6. Cấu trúc của nội dung luận án
Luận án gồm 4 chƣơng và các phụ lục sau:
Chƣơng 1. Cơ sở vật lý quá trình tạo phoi khi phay cao tốc.
Chƣơng 2. Động lực học quá trình phay cao tốc.
Chƣơng 3. Nghiên cứu thực nghiệm quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061.
Chƣơng 4. Nghiên cứu mô phỏng và kiểm chứng quá trình tạo phoi khi phay cao tốc
hợp kim nhôm A6061.
Phụ lục

5


CHƢƠNG 1. CƠ SỞ VẬT LÝ QUÁ TRÌNH TẠO PHOI KHI

PHAY CAO TỐC
1.1 Tổng quan chung về gia công cao tốc
1.1.1 Lịch sử phát triển của gia công cao tốc
Gia công cao tốc (HSM) đƣợc nghiên cứu từ những năm 1920 và đến đầu năm 1931
tiến sĩ Carl J.Salomon [85, 92] là ngƣời đầu tiên đƣa ra định nghĩa về gia công cao tốc: “Gia
công cao tốc là gia công với tốc cắt nhanh hơn vận tốc cắt khi gia công truyền thống từ 5 đến
10 lần”. Bằng các thí nghiệm và nghiên cứu của mình Carl J.Salomon cho rằng tốc độ cắt
càng tăng thì nhiệt cắt càng giảm. Qua các thực nghiệm gia công tốc độ cao cho nhôm, đồng,
thép Carl J.Salomon đã chỉ ra đƣợc mối quan hệ giữa tốc độ cắt và nhiệt độ sinh ra trong quá
trình cắt nhƣ trên Hình 1.1 [55]. Nghiên cứu cho thấy ở tốc độ cắt cao thì quá trình bóc tách

vật liệu nhanh hơn tuy nhiên chỉ nên tăng đến một một giới hạn nhất định của tốc độ cắt, vì
việc tăng tốc độ cắt cũng tƣơng ứng với việc dụng cụ cắt phải làm việc trong môi trƣờng khốc
liệt dẫn đến mài mòn dụng cụ cắt nhanh và tuổi bền giảm. Năm 1959 M.E Merchant cùng với
nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng tốc độ đƣợc cắt gia tăng là do sự phát triển vƣợt bậc của
công nghệ vật liệu làm dụng cụ cắt và thống kê cho thấy từ năm 1900 cứ sau 10 năm thì tốc
độ cắt tăng lên gấp 2 lần (Hình 1.2).

Hình 1.1 Nhiệt phụ thuộc vào tốc độ cắt [79].

Xu hƣớng tăng tốc độ cắt lại đƣợc xác nhận lần nữa vào năm 1960 và dự kiến sẽ tiếp
tục tăng nữa trong tƣơng lai. Năm 1970 gia công cao tốc một lần nữa đƣợc Lockheed công
nhận với những lợi ích tiềm năng của nó [55]. Sau đó nghiên cứu về gia công cao tốc của Icks
và Schulz cho rằng cắt gọt ở tốc độ cao còn phụ thuộc vào từng loại vật liệu gia công. Các
nghiên cứu tiếp theo về gia công cao tốc đã xét tới các vấn đề liên quan đến thiết bị và
điều kiện cụ thể cho từng loại vật liệu nhƣ sơ đồ cho trên Hình 1.3.
Ngoài định nghĩa của Carl J.Salomon thì gia công cao tốc cũng có thể đƣợc xác định
là gia công với tốc độ quay trục chính cao, bƣớc tiến lớn, gia công cho năng suất cao. Tuy
6


nhiên cách hiểu này cũng mang tính chất tƣơng đối do tốc độ trục chính và tốc độ dịch chuyển
của bàn máy đƣợc coi là nhanh hoặc chậm là ứng với tùy loại vật liệu khác nhau. Hiện nay gia
công cao tốc tạm thời đƣợc cho là phƣơng pháp cắt gọt sử dụng tốc độ trục chính cao và bƣớc
tiến lớn với lƣợng chạy dao ngang nhỏ và chiều sâu cắt nhỏ.

Hình 1.2 Sơ đồ của Merchant (1959) về sự thay đổi của vật liệu làm dụng cụ cắt và tốc độ cắt tăng
lên gấp đôi sau mỗi 10 năm (1959) [55].

Hình 1.3 Đặc điểm lịch sử gia công tốc độ cao [106].

Tuy nhiên các định nghĩa trên chƣa thể hiện hết bản chất của quá trình gia công cao
tốc. Gia công cao tốc vẫn là tổng hòa của nhiều yếu tố công nghệ nhƣ máy móc, thiết bị, phần
mềm lập trình và chế độ cắt để đạt hiệu quả gia công là cao nhất.
Gia công cao tốc đƣợc so sánh với gia công truyền thống bằng các vùng tốc độ cắt
tƣơng ứng với loại vật liệu khác nhau thể hiện trên Hình 1.4. So với gia công truyền thống thì
gia công cao tốc có một số các ƣu điểm sau: Tốc độ bóc tách kim loại nhanh, lực cắt thấp,
chất lƣợng bề mặt gia công tốt, gia công đƣợc vật liệu có độ cứng cao, gia công đƣợc chi tiết
7


thành mỏng và không cần tƣới nguội, độ chính xác hình dạng cao, kết hợp đƣợc gia công thô
và gia công tinh, không gây hƣ hại bề mặt và giảm thiểu bavia, năng suất gia công tăng. Xu
thế ảnh hƣởng của gia công cao tốc đến các yếu tố đầu ra bao gồm lực cắt, năng suất cắt, chất
lƣợng bề mặt, tuổi bền dụng cụ cắt đƣợc thể hiện trên hình Hình 1.5. Tốc độ cắt cao làm tăng
năng suất và chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công, làm cho lực cắt, tuổi bền dụng cụ cắt giảm.
Bên cạnh đó khi tốc độ cắt tăng, phoi sẽ di chuyển khỏi vùng cắt nhanh làm giảm đáng kể
nhiệt sinh ra trong quá trình cắt vì lƣợng lớn nhiệt là đƣợc truyền vào phoi. Gia công cao tốc
cũng làm giảm thời gian và chi phí gia công.

a) Phương pháp gia công

b) Vật liệu gia công

Hình 1.4 Tốc độ cắt và vật liệu gia công của HSM với gia công truyền thống [115].

Kauppinen V [58], đã tiến hành thực nghiệm quá trình phay cao tốc cho các vật liệu
khác nhau nhƣ thép, nhôm, chì, polymer-matrix … kết quả chỉ ra rằng hầu hết các vật liệu đều
có thể cắt với tốc độ cao tuy nhiên cần lựa chọn thận trọng chế độ cắt, dụng cụ cắt và trục
chính của máy phải đƣợc đảm bảo độ cân bằng động. Bên cạnh những ƣu điểm gia công cao
tốc cũng có những nhƣợc điểm nhƣ: Chi phí ban đầu về thiết bị cao, chi phí cho mài mòn bảo

dƣỡng máy lớn các lập trình viên phải có trình độ cao, cần phải kiểm tra định kỳ thƣờng
xuyên để đảm bảo độ an toàn, gia công phải có quy trình gia công hợp lý, độ chính xác của
phôi phải cao.

Hình 1.5 Thuộc tính chung của gia công cao tốc [92].

8


1.1.2 Đặc điểm chung của phay cao tốc
Khi nói đến phay cao tốc thì máy phay CNC là thiết bị đƣợc nhắc đến đầu tiên,
hiện nay có một số máy CNC lắp thêm đầu phay cao tốc nhƣng vẫn không đƣợc gọi là
máy phay cao tốc, nhƣ vậy để có thể gia công cao tốc máy CNC cần có một số các yêu cầu
cơ bản sau: Trục chính có công suất và tốc độ vòng lớn, tốc độ bàn máy cao, gia tốc
chuyển động lớn. Tốc độ xử lý, tốc độ truyền tải dữ liệu nhanh. Dung lƣợng dự trữ, độ
cứng vững, độ đồng tâm lớn, có khả năng nội suy đƣờng NURBS, có chức năng điều
khiển vƣợt trƣớc (look-ahead). Độ cứng vững, độ đồng tâm và khả năng ổn định nhiệt của
trục chính cao, có khả năng đọc trƣớc chƣơng trình gia công. Bên cạnh đó cần có khả
năng làm mát thƣờng xuyên qua trục chính, cấu trúc máy có độ cứng vững cao, thiết bị
kẹp chặt dao đạt độ đồng tâm cao và cân bằng tốt ….
Trong máy CNC dụng cụ cắt, máy gia công và các thành phần khác đều đƣợc tối
ƣu hóa xung quanh việc sử dụng tốc độ trục chính. Trục chính của máy gia công cao tốc
chỉ có thể cắt đƣợc với vận tốc cắt cao khi độ cứng vững của trục chính cần phải đảm bảo.
Tuy nhiên với độ quay trục chính trên 8000 vòng/phút sẽ làm rung động và ảnh
hƣởng xấu đến chất lƣợng bề mặt gia công, gây hại cho trục chính. Chính vì vậy trong gia
công cao tốc việc lựa chọn dụng cụ cắt cần có những yêu cầu nhất định. Thứ nhất là về
thông số hình học dụng cụ cắt đƣợc thiết kế để đảm bảo gia công với chiều sâu cắt nhỏ.
Hình dạng và số lƣợng lƣỡi cắt có thể tùy chọn theo điều kiện gia công, bên cạnh đó kích
thƣớc lƣỡi cắt cần phải chính xác để đảm bảo đƣợc tính cân bằng và hạn chế rung động,
hoặc thiết kế lỗ thông để thổi khí hoặc làm dung dịch làm nguội. Thứ hai là về vật liệu làm

dụng cụ cắt phải có yêu cầu về độ cứng và độ bền ở nhiệt độ cao [85]. Hiện nay để đảm bảo
độ bền dụng cụ cắt khi gia công cao tốc thì dụng cụ cắt ngoài làm bằng vật liệu siêu cứng
nhƣ CBN (cacbic boron nitride), PCD (polycrystanlline diamond) còn sử dụng công nghệ
lớp phủ trên vật liệu nền để đảm bảo tối đa yêu cầu cắt gọt. Các hợp chất thƣờng làm lớp
phủ là TiC (chống mài mòn), TiN (chống dính lƣỡi cắt) TiA1N (cách nhiệt và chịu nhiệt…).
1.1.3 Một số ứng dụng của phay cao tốc
Gia công cao tốc đƣợc ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực nhƣ: Tiện, phay, khoan, doa,
mài…) và có thể gia công các vật liệu khác nhau (hợp kim titan, thép, hợp kim nhôm). Từ
những lợi ích của gia công cao tốc, trong ngành gia công cơ khí thì phay cao tốc đƣợc ứng
dụng ngày càng phổ biến trong hầu hết các lĩnh vực:
- Trong ngành hàng không thƣờng ứng dụng phay cao tốc dùng để chế tạo các tuabin
máy bay, bộ khung máy bay từ những tảng nhôm lớn. Phay cao tốc các chi tiết bộ phận hạ
cánh máy bay với một dụng cụ cắt.
- Gia công các linh kiện cho nhiều ngành công nghiệp nhƣ: máy tính và thiết bị y tế.
Nhóm ngành này yêu cầu việc tâp trung nguyên công tức các dụng cụ đƣợc thay đổi thƣờng
xuyên cùng với tốc độ cắt.
9


- Gia công cao tốc cho ngành công nghiệp khuôn, chế tạo các chi tiết có độ chính xác
cao. Trong ngành này phay cao tốc cần đáp ứng đƣợc việc bóc tách kim loại nhanh và gia
công tinh với độ chính xác, độ bóng bề mặt cao.
Trong ngành chế tạo ô tô phay cao tốc dùng chế tạo các khuôn các phụ tùng gia công
động cơ ô tô và thân phân phối nhiên liệu. Một số sản phẩm ứng dụng của hợp kim nhôm bao
gồm các sản phẩm gắn linh kiện điện tử (a), sản phẩm vỏ điện thoại (b), đồ gá (c), nhƣ trên
Hình 1.6.

a) Linh kiện điện tử

b) Vỏ điện thoại

c) Đồ gá
Hình 1.6 Một số sản phẩm sau khi phay cao tốc của hợp kim nhôm A6061.

1.2 Cơ sở vật lý quá trình phay cao tốc
Trong quá trình phay cao tốc thì sự biến dạng của vật liệu gia công khi tạo phoi, lực
cắt, ứng suất – biến dạng, rung động, mài mòn, độ nhám bề mặt gia công là các đối tƣợng
đƣợc nghiên cứu khảo sát. Thông qua các đối tƣợng khảo sát đó xác định đƣợc các quy luật
ảnh hƣởng của các thông số công nghệ đến các đặc tính cơ học của quá trình cắt. Sự biến
dạng dẻo của vật liệu gia công là yếu tố quan trọng liên quan mật thiết đến các yếu tố khác
xảy ra trong quá trình phay cao tốc. Biến dạng dẻo xảy ra miền tạo phoi khi gia công bị ảnh
hƣởng bởi vùng tiếp xúc của phoi với mặt trƣớc của dao và vùng tiếp xúc của bề mặt gia công
với mặt sau của dao. Ứng suất-biến dạng sinh ra tại các vùng tiếp xúc trên đều có mối quan hệ
tƣơng hỗ với nhau, từ đó có thể xác định đƣợc quy luật phức tạp của quá trình phay cao tốc.
Để đánh giá sự biến dạng của phoi hình thành khi phay cao tốc thì việc nghiên cứu lý
thuyết và thực nghiệm đƣợc thực hiện làm cơ sở phân tích cho các hiện tƣợng xảy ra trong
quá trình phay cao tốc hợp kim nhôm. Nghiên cứu tìm hiểu một số nội dung về cơ sở vật lý
trong quá trình hình thành phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061.
10


a. Quá trình hình thành phoi
Để tạo phoi khi gia công cần một lực tác dụng vào dao phải đủ lớn để tạo ra trong lớp
kim loại một ứng suất lớn hơn sức bền của vật liệu bị gia công. Ban đầu do tác dụng của lực P
dao bắt đầu nén vật liệu gia công theo mặt trƣớc của dụng cụ cắt. Lực P này yêu cầu phải đủ
lớn để tạo ra trong vật liệu gia công một ứng suất lớn hơn sức bền của nó - tức là lớn hơn khả
năng liên kết của các tinh thể kim loại, đồng thời phải thắng đƣợc lực cản do ma sát trong quá
trình gia công (ma sát giữa các tinh thể trƣợt lên nhau, ma sát giữa phoi và dao, ma sát giữa
dao và vật liệu gia công). Khi dao tiếp tục chuyển động tƣơng đối trong vật liệu gia công phát
sinh biến dạng đàn hồi, biến dạng này nhanh chóng chuyển sang biến dạng dẻo và một lớp

phoi có chiều dày tp đƣợc hình thành từ lớp kim loại bị cắt có chiều dày t, di chuyển dọc theo
mặt trƣớc của dao (Hình 1.7).
Để hình thành đƣợc phoi trƣớc đó lớp kim loại bị
cắt đã trải qua một quá trình biến dạng nhất định,
nghĩa là giữa lớp kim loại bị cắt và phoi luôn có
một khu vực biến dạng. Khu vực này có thể gọi là
miền tạo phoi. Miền tạo phoi đƣợc giới hạn bởi
miền AOE trong đó: đƣờng OA là đƣờng phát sinh
những biến dạng dẻo đầu tiên, đƣờng OE là đƣờng
kết thúc những biến dạng dẻo, đƣờng AE nối liền
Hình 1.7 Sự biến dạng trong vùng cắt [1].
khu vực chƣa biến dạng của kim loại và phoi.
Miền tạo phoi AOE sẽ di chuyển cùng dao trong quá trình cắt. Miền này đƣợc sơ đồ hóa
nhƣ Hình 1.7. Trên miền này có những mặt trƣợt OA, OB, OC, OD, OE khi hình thành phoi vật
liệu gia công trƣợt trên những mặt đó. Trong quá trình gia công lớp kim loại bị cắt sau khi chịu
biến dạng trong miền tạo phoi và khi chuyển thành phoi còn chịu thêm biến dạng phụ do ma sát
của dao với mặt trƣớc của dao. Trong đó những kim loại ở mặt dƣới của dao chịu biến dạng nhiều
hơn những kim loại ở phía trên. Phoi cắt ra chịu biến dạng không đều nhau. Mức độ biến dạng
của phoi Kf đƣợc tính là:
(1.1)
K = K +K
f

bd

ms

Với: Kbd là mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi; Kms là mức độ biến dạng của phoi
do ma sát với mặt trƣớc của dao.
Chiều rộng của miền tạo phoi phụ thuộc vào tính chất của vật liệu gia công và các điều

kiện cắt nhƣ thông số hình học của dao, chế độ cắt … Trong đó tốc độ cắt ảnh hƣởng nhiều
nhất đến chiều rộng miền tạo phoi [1].
b. Các dạng phoi đƣợc hình thành trong quá trình gia công cao tốc
Mức độ biến dạng dẻo của kim loại và hợp kim phụ thuộc vào thành phần hóa học,
cấu trúc tinh thể, điều kiện biến dạng (nhiệt độ, tốc độ biến dạng, trạng thái ứng suất), điều
kiện gia công, phoi biến dạng có các hình dáng kích thƣớc khác nhau. Phoi đƣợc hình thành
trong quá trình gia công cao tốc bao gồm các dạng cơ bản sau [106]:
11


Hình 1.8 Các dạng phoi hình thành trong quá trình cắt [106].

Phoi dây (Hình 1.8a) Phoi dây đƣợc hình thành khi gia công các vật liệu dẻo, phoi
kéo dài liên tục, mặt kề với mặt trƣớc của dao rất bóng còn mặt đối diện hơi bị gợn. Phoi hình
thành do ma sát trên mặt trƣớc thấp, quá trình hình thành phoi dây thƣờng sinh ra hiện tƣợng
lẹo dao. Đối với vật liệu làm phôi có độ cứng cao ít có khả năng tạo thành phoi dây.

Hình 1.9 Vùng hình thành phoi (Góc biến dạng : góc sauα; Góc trước ;
chiều sâu biến dạng tv) [106].

Quá trình hình thành phoi dây đƣợc mô tả bằng sơ đồ Hình 1.9 gồm 5 vùng biến dạng
cơ bản: Vùng biến dạng chính là vùng biến dạng cấp 1. Vùng biến dạng cấp 2 là vùng mà phoi
tiếp giáp với mặt trƣớc của dao, biến dạng của vùng này chịu ma sát tiếp xúc giữa dao và phoi.
Vùng ứ đọng phía trƣớc (vùng có áp suất cao từ tất cả các mặt bên) phát triển ở phía trƣớc của
lƣỡi dao, vùng này cũng có hiện tƣợng tách vật liệu từ phôi ra. Hơn nữa vùng biến dạng nhỏ xảy
ra trong vùng biến dạng cấp 1 vùng này ảnh hƣởng nhiều đến chiều sâu biến dạng.
12