Nghiên cứu đánh giá công vật liệu thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện tử và định hướng ứng dụng trong công nghiệp (tt)

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

Mạc Thị Bích

NGHIÊN CỨU TÍNH GIA CÔNG VẬT LIỆU
THÉP SKD11 TRONG MÔI TRƯỜNG GIA NHIỆT
BẰNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ VÀ ĐỊNH HƯỚNG
ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP

Ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 9520103

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2019


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS Nguyễn Đức Toàn
2. GS.TSKH Bành Tiến Long

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp
Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Trong ngành kỹ thuật cơ khí, khi gia công các vật liệu khác
nhau, đặc biệt là các vật liệu có độ cứng cao, khó gia công, các thông
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 quá trình gia công (lực cắt, nhiệt cắt, mài
mòn dụng cụ cắt, rung động quá 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 công nghệ mới hỗ trợ cho quá trình gia
công như: sử dung dung dịch trơn nguội, sử dụng vật liệu mới làm
dụng cụ cắt, khi cắt có sự hỗ trợ rung, gia công có hỗ trợ nhiệt.
Gia công 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 phôi 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 công 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 công 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
1


công 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 công là độ cứng cao, khả
năng chống mài mòn 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 công nghiệp như: cơ
khí, ô tô, vũ trụ, hàng không, quốc phòng, 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 công, 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. Thông thường, SKD11 được gia công
bằng các phương pháp tiên tiến như mài bằng hạt mài kim cương
hoặc gia công 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 công gia nhiệt là một giải pháp công nghệ khi gia công thép
SKD11. Khi gia công trong môi trường gia nhiệt, lượng mòn dao và
lực cắt giảm 40%, độ nhám cải thiện 50% so với phương pháp gia
công thông thường [7].
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 quá 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 quá trình cắt gọt như: thông số chế
độ cắt, thông 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 công nghệ. Tuy nhiên, dữ liệu đó không phải lúc nào
cũng tối ưu, cũng thỏa mãn đầu ra yêu cầu trong một số trường hợp

2


như gia công vật liệu phôi mới, vật liệu mới làm dụng cụ, phương
pháp gia công mới hay gia công 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 công, nhưng lại được sử dụng
rộng rãi trong công nghiệp. Nhận thấy nghiên cứu về quá trình gia
công gia nhiệt là một nhiệm vụ quan trọng và cấp bách, có tính thời
sự cao. Vấn đề đặt ra là phải nghiên cứu tính gia công vật liệu khi
phay thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt để đánh giá hiệu quả
của phương pháp khi so sánh với phương pháp gia công thông
thường. Ngoài ra, cần nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số chế

độ cắt và nhiệt độ hỗ trợ quá trình cắt đến các thông số đầu ra (sự
hình thành phoi, hệ số co rút phoi, lực cắt, rung động quá trình cắt,
độ nhám bề mặt). Đồng thời, việc xây dựng bộ thông số công nghệ
tối ưu khi gia công gia nhiệt cũng là nhiệm vụ có ý nghĩa thực tiễn
cao. Một trở ngại lớn cần quan tâm khi gia công trong môi trường gia
nhiệt bằng cảm ứng điện từ là việc ứng dụng gia nhiệt cho các chi
tiết lớn có kích thước khác nhau hoặc hình dạng chi tiết phức tạp. Vì
vậy, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài luận án:
“Nghiên cứu tính gia công 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 công 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
3


(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: quá trình phay thép SKD11 trong môi
trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ.
- Phạm vi nghiên cứu:
• Nghiên cứu tổng quan về gia công gia nhiệt, gia nhiệt bằng

cảm ứng điện từ;
• Nghiên cứu cơ sở vật lý và động lực học quá trình gia công
gia nhiệt;
• Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt
đến tính gia công vật liệu khi phay thép SKD11. Nêu bật ý
nghĩa của quá trình gia nhiệt đến các chỉ tiêu đầu ra;
• Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số công
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 công các
loại vật liệu khó cắt gọt thông qua nghiên cứu ảnh hưởng của
quá trình gia nhiệt đến tính gia công vật liệu thép SKD11.
4


-

-

-

-

-

Đã xây dựng các mô hình toán 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 gia công thông thường và gia công gia nhiệt thép
SKD11.
Đã đề xuất một phương pháp mới xác định mô hình lực cắt
khi gia công gia nhiệt thép SKD11 thông qua mô hình lực
cắt khi gia công thông thường và nhiệt độ cao hỗ trợ quá
trình gia công.
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 công
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 công 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.

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
5


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 công thông 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 mô hình toán học lực
cắt khi gia công gia nhiệt thép SKD11 thông qua mô hình
lực cắt khi gia công thông thường và nhiệt độ cao hỗ trợ quá
trình gia công đạt độ chính xác cao khi so sánh với dữ liệu
thực nghiệm.
− Đã xây dựng được mô hình toán 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 quá trình gia công gia
nhiệt thép SKD11
- Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của quá trình
gia nhiệt đến tính gia công 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.
6


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG GIA NHIỆT
1.1. Lịch sử phát triển của gia công gia nhiệt
1.2. Một số phương pháp gia nhiệt
Bảng 1. 1. Thuận lợi và khó khăn của các phương pháp gia nhiệt [6]
Phương pháp
Thuận lợi
Khó khăn
gia nhiệt
Gia nhiệt
- Thiết bị đơn giản
- Khó kiểm soát và điều
bằng dòng
- Nhiệt độ đồng đều
chỉnh nhiệt độ

điện (EAM)
Gia nhiệt
- Mức độ tập trung nhiệt - Chi phí cao
bằng laser
độ của nguồn nhiệt cao
- Tỷ lệ hấp thụ nhiệt
(LAM)
- Dễ dàng điều chỉnh trên những vật liệu
nguồn laser
khác nhau là khác nhau
Gia nhiệt
- Mức độ tập trung nhiệt - Khó kiểm soát và điều
bằng Plasma
độ của nguồn nhiệt cao
chỉnh nhiệt độ
(PEM)
Gia nhiệt
- Thiết bị đơn giản
- Khó kiểm soát và điều
bằng lò nhiệt
chỉnh nhiệt độ
(FAM)
- Chỉ áp dụng làm thí
nghiệm, không đưa vào
sản xuất
Gia nhiệt
- Dễ dàng sử dụng
- Mức độ tập trung của
bằng cảm ứng - Công suất gia nhiệt cao nguồn nhiệt không cao
điện từ (IAM)

- Sự di chuyển của
dụng cụ bị hạn chế
1.3 Gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ
1.3.1 Nguyên tắc
1.3.2 Nguyên lý gia nhiệt
1.3.3 Thiết kế cuộn dây cảm ứng
1.3.4 Mô hình toán học trường điện từ
1.3.5 Mô hình toán học quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng điện
từ
7


1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về gia
công gia nhiệt
1.4.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước
Nghiên cứu về gia công không phoi và gia công cắt gọt có gia
nhiệt là một hướng nghiên cứu mới tại Việt Nam. Cho đến nay, chỉ
có nghiên cứu của TS. Nguyễn Thành Huân [21] về quá trình tiện
thép hợp kim 9XC sau tôi có gia nhiệt bằng laser. Ngoài ra, có một
số nghiên cứu về ứng dụng nung nhiệt trong công nghệ nhiệt luyện
như Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ công thương của tác giả Võ
Thị Ry và đồng nghiệp [22] với nội dung "Nghiên cứu công nghệ
nhiệt luyện bề mặt bằng laser CO2. nghiên cứu về công nghệ nhiệt
luyện trong lò cảm ứng cũng được thực hiện bởi các tác giả Phạm
Thị Minh Phương và Tạ Văn Thất [23].
1.4.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước
Các nghiên cứu ở ngoài nước đã tập trung đi sâu vào nghiên
cứu những vấn đề sau đây:
- Nghiên cứu về hình thái hình học phoi khi gia công gia nhiệt
- Nghiên cứu về mô phỏng quá trình gia công thông thường và

gia công gia nhiệt
- Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến lực cắt,
rung động quá trình cắt, độ nhám bề mặt, tuổi bền dụng cụ
cắt, lượng mòn dao khi gia công
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến lực
cắt, rung động quá trình cắt, độ nhám bề mặt, lượng mòn dao
khi gia công gia nhiệt
Như vậy có rất nhiều các nghiên cứu ở nước ngoài về phương
pháp gia công gia nhiệt, đối với các phương pháp gia nhiệt khác nhau
và các vật liệu khác nhau. Đây là phương pháp gia công được ứng
dụng hiệu quả trong nền sản xuất hiện đại với sự phát triển của các
loại vật liệu mới. Các nghiên cứu tập trung đi sâu vào ảnh hưởng của
quá trình gia nhiệt tới hình thái hình học phoi, tính gia công vật liệu.
Tuy nhiên việc nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số công nghệ
8


đến các thông số đầu ra như lực cắt, hệ số co rút phoi, độ nhám bề
mặt, rung động quá trình cắt, mài mòn dụng cụ cắt, tuổi thọ dụng cụ
khi gia công gia nhiệt bằng cảm ứng từ vẫn còn rất hạn chế. Đặc biệt
là việc tối ưu hóa các tham số công nghệ cho các chỉ tiêu đánh giá
khác nhau khi gia công gia nhiệt cần được nghiên cứu để xây dựng
các bộ tham số tối ưu đưa vào sản xuất thực tiễn vật liệu làm khuôn
SKD11. Đây là nhiệm vụ quan trọng và cần thiết.
1.5 Kết luận
Chương I đã trình bày về lịch sử phát triển phương pháp gia
công gia nhiệt trên thế giới cũng như những lợi ích và khả năng ứng
dụng trong nên sản xuất công nghiệp.
Ưu điểm, nhược điểm và phạm vi ứng dụng của các phương
pháp gia nhiệt đã được phân tích. Việc lựa chọn phương pháp gia

nhiệt cảm ứng điện từ với tiêu chí công suất gia nhiệt lớn, dễ dàng sử
dụng và phù hợp với điều kiện thí nghiệm hiện có của nghiên cứu.
Nguyên tắc gia công gia nhiệt, nguyên lý gia nhiệt và phương
pháp thiết kế cuộn dây cảm ứng cũng được phân tích làm cơ sở để
xây dựng hệ thống thực nghiệm một cách đúng đắn và hiệu quả.
Trên thế giới, việc gia công trong môi trường gia nhiệt đã
được nhiều tác giả nghiên cứu, ứng dụng trong gia công áp lực,
trong cắt gọt kim loại. Việc hỗ trợ nhiệt được thực hiện bằng các
nguồn nhiệt khác nhau: năng lượng điện, chùm lazer, cảm ứng từ...
Tuy nhiên ở Việt Nam nhiệm vụ nghiên cứu này chưa được đề cập,
đặc biệt là khi phay thép SKD11, một loại vật liệu khó gia công,
nhưng lại được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Đây là một
nhiệm vụ quan trọng và có tính thời sự cao. Để góp phần vào việc
phát triển khoa học và triển khai công nghệ, ứng dụng trong sản xuất
cơ khí, nghiên cứu tập trung đi sâu phân tích ảnh hưởng của quá trình
gia nhiệt cảm ứng từ đến tính gia công vật liệu thép SKD11; phân
tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến các chỉ tiêu đánh giá
chất lượng đầu ra như lực cắt, rung động quá trình cắt, hệ số co rút
phoi, chất lượng bề mặt gia công; đặc biệt là xây dựng mô hình các
9


chỉ tiêu đánh giá phụ thuộc bộ thông số công nghệ khi gia công gia
nhiệt và xây dựng các bộ tham số điều khiển tối ưu giải quyết bài
toán tối ưu hóa.
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ VẬT LÝ QUÁ TRÌNH GIA CÔNG GIA
NHIỆT
2.1 Cấu tạo và biến dạng mạng tinh thể kim loại
2.1.1 Cấu tạo mạng tinh thể kim loại
2.1.2 Sự biến đổi hình dáng hạt tinh thể trong quá trình biến

dạng
2.2 Sự hình thành phoi khi gia công gia nhiệt
2.2.1 Quá trình hình thành phoi
2.2.2 Các dạng phoi
2.2.3 Sự biến dạng trong quá trình tạo phoi
2.2.4 Hệ số co rút phoi
Sự biến dạng dẻo của kim loại sau khi gia công được đánh giá
thông qua hệ số co rút phoi. Nếu cho rằng thể tích khối kim loại
trước và sau khi biến dạng không đổi, chiều rộng phoi khi góc λ bé
(λ<30o) thay đổi không đáng kể so với chiều rộng cắt thì K được xác
định theo công thức (2. 1) như sau [20]:
(2. 1)
L
K=
Lf
Công thức tính hệ số co rút phoi như công thức dưới đây:
1000Q
K=
Lf f r t

(2. 2)

2.3 Động lực học quá trình phay trong môi trường gia nhiệt
2.3.1 Mô hình lực trong quá trình tạo phoi khi phay trong môi
trường gia nhiệt
2.3.2 Mô hình lực cắt khi gia công gia nhiệt
2.4 Kết luận chương 2
Cơ sở vật lý quá trình gia công gia nhiệt đã được trình bày
trong chương này. Nghiên cứu phân tích cấu tạo và biến dạng các
tinh thể kim loại, ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến đặc tính một số

10


loại thép khác nhau, quá trình hình thành phoi, hệ số co rút phoi là cơ
sở để giải thích các vấn đề xảy ra khi gia công gia nhiệt.
Việc phân tích động lực học quá trình gia công, cụ thể là
nghiên cứu về mô hình lực trong quá trình tạo phoi và mô hình lực
cắt khi gia công có ý nghĩa cả về lý thuyết lẫn thực tiễn. Lý thuyết về
lực cắt là cơ sở để chính xác hóa lý thuyết quá trình cắt. Lực cắt luôn
ở trạng thái cân bằng là do sự cân bằng năng lượng quá trình cắt. Về
mặt thực tiễn, lực cắt có vai trò quan trọng trong việc thiết kế đồ gá,
lựa chọn thiết bị đo lực cắt và xây dựng hệ thống thí nghiệm. Động
lực học quá trình gia công thông thường được áp dụng tương tự cho
động lực học quá trình gia công gia nhiệt để tiếp tục nghiên cứu thực
nghiệm ở Chương 3 và Chương 4.
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG
CỦA QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT ĐẾN TÍNH GIA CÔNG VẬT
LIỆU THÉP SKD11
3.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm
X
Y

Z

Hình 3. 1 Hình ảnh thí nghiệm
11


3.2 Thiết lập thực nghiệm
3.2.1 Vật liệu thí nghiệm

3.2.2 Phôi thí nghiệm
3.2.3 Máy phay đứng
3.2.4 Dụng cụ cắt
3.2.5 Thiết bị gia nhiệt cảm ứng điện từ
3.2.6 Nhiệt kế
3.3 Ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến tổ chức tế vi và độ
cứng vật liệu sau gia nhiệt
3.3.1 Ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến tổ chức tế vi vật liệu

Hình 3. 2 Hình ảnh chụp cấu trúc tế vi vật liệu thép SKD11 với độ
phóng đại 1000 lần
(a) – mẫu ban đầu, (b), (c), (d) theo thứ tự là mẫu sau nung
nhiệt tại 200oC, 300oC, 400oC.
3.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến độ cứng vật liệu sau gia
nhiệt

12


Thực hiện đo độ cứng tại 3 vị trí trên mỗi mẫu và lấy giá trị
trung bình được kết quả bảng độ cứng các mẫu thử như Bảng 3. 1.
Bảng 3. 1 Kết quả đo độ cứng trên các mẫu thí nghiệm
Nhiệt độ
25oC
200oC
300oC
400oC
Độ cứng (HB)
250
248

247
253
Như vây, gia nhiệt cho phôi thép SKD11 tại nhiệt độ lên tới
400oC ngay trước khi gia công không làm thay đổi tổ chức tế vi cũng
như độ cứng của vật liệu. Đây là điều kiện tiên quyết để tiếp tục thực
hiện các nghiên cứu tiếp theo.
3.4 Ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến hình thái hình học
phoi khi gia công gia nhiệt thép SKD11
3.4.1 Sự hình thành phoi khi gia công gia nhiệt thép SKD11
3.4.2 Ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến hình thái hình học
phoi khi gia công gia nhiệt thép SKD11
Phoi dây được hình thành do đặc tính dẻo của vật liệu phôi.
Tuy nhiên, quan sát kết quả cho thấy màu sắc phoi hoàn toàn khác
nhau. Trong gia công thông thường, phoi có màu tím đen. Điều đó có
nghĩa là việc sinh nhiệt và sự truyền nhiệt từ nguồn nhiệt sang phoi
là rất cao. Ngược lại, khi gia công gia nhiệt 200oC, 300oC phoi có
màu trắng sáng. Phoi có màu vàng khi gia công gia nhiệt 400oC.
Hiện tượng này có thể giải thích là do nhiệt cắt được truyền vào phoi
thấp hơn vì điều kiện truyền nhiệt giữa dụng cụ cắt, phôi và phoi
đồng đều hơn khi gia công gia nhiệt. Ngoài ra, dưới tác dụng của
nhiệt độ cao thì độ bền kéo, độ bền cơ học và ứng suất chảy của vật
liệu giảm trong khi độ biến dạng vật liệu tăng. Giảm ma sát giữa
phoi và mặt trước của dao, giữa mặt sau của dao và bề mặt đã gia
công. Bên cạnh đó, lực liên kết giữa các phân tử kim loại giảm dưới
tác dụng của nhiệt độ cao là nguyên nhân dẫn đến việc các lỗ trống
phát triển và hợp nhất dễ dàng hơn. Quá trình thoát phoi dễ dàng hơn
và nhiệt cắt giảm mạnh chính là nguyên nhân phoi có màu sáng khi
gia công gia nhiệt.

13

300
250
200
150

T = 400o C

350

T = 300o C

400

T = 200oC

F (N)

T = 25o C

3.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến lực cắt khi
gia công gia nhiệt thép SKD11
3.5.1 Thiết bị đo lực cắt
3.5.2 Ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến lực cắt khi gia công
gia nhiệt thép SKD11

100
50
0

1

2

3

4
Thí nghiệm số

Hình 3. 3 Đồ thị lực cắt tại các nhiệt độ khác nhau
3.6 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến hệ số co
rút phoi khi gia công gia nhiệt thép SKD11
3.6.1 Phương pháp xác định hệ số co rút phoi khi gia công gia
nhiệt thép SKD11
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
Hình 3. 4 trình bày kết quả thí nghiệm hệ số co rút phoi phụ
thuộc nhiệt độ hỗ trợ cho quá trình gia công với tham số công nghệ
V = 235 m/phút, f = 305 mm/phút, t = 1,5, tại các điều kiện gia nhiệt
khác nhau.

14


T = 25o C

1.5

T = 400o C

T = 300o C

T = 200o C

K
1.8

1.2
0.9
0.6
0.3
0
1

2

3

4
Thí nghiệm số

Hình 3. 4 Hệ số co rút phoi tại các thí nghiệm gia nhiệt khác nhau
3.7 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến độ nhám
bề mặt khi gia công gia nhiệt thép SKD11
3.7.1 Thiết bị đo độ nhám bề mặt
3.7.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến độ nhám
bề mặt khi gia công gia nhiệt thép SKD11
Ra (µm)
0.2

T = 25oC

0.16

T = 200oC
T = 300oC

0.12

T = 400oC

0.08
0.04
0
1

2

3

15

4
Thí nghiệm số


Hình 3. 5 Độ nhám bề mặt khi phay tại các điều kiện nhiệt độ khác nhau

3.8 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến rung động

khi gia công gia nhiệt thép SKD11
3.8.1 Thiết bị đo rung động quá trình cắt
3.8.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến rung
động khi gia công thép SKD11
AXY (dB)

200

T = 25o C
T = 200o C

T = 300oC

2

3

160

T = 400o C

120
80

40
0
1

4
Thí nghiệm số

Hình 3. 6 Biên độ rung động khi gia công tại các điều kiện nhiệt độ
khác nhau
Hình 3.33 cho thấy biên độ rung động khi gia công gia nhiệt
có giảm so với khi gia công thông thường. Tuy nhiên lượng giảm
không đáng kể cho thấy sự ổn định của quá trình gia công.
3.9 Kết luận chương 3
Xây dựng sơ đồ thí nghiệm, sự chuẩn bị về thiết bị thí nghiệm,
vật liệu thí nghiệm, dụng cụ cắt đã được trình bày.
Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt
đến tính gia công vật liệu thép SKD11 đã đưa ra một số kết quả như
sau:
- Tổ chức tế vi vật liệu không thay đổi dưới tác dụng của quá
trình gia nhiệt với khoảng nhiệt độ thuộc phạm vi nghiên cứu
từ 200oC – 400oC;
16


Mẫu phôi sau gia nhiệt được làm nguội tự nhiên trong không
khí có độ cứng không thay đổi so với mẫu ban đầu;
- Hình thái hình học phoi thay đổi so với gia công thông thường
khi có sự hỗ trợ của quá trình gia nhiệt. Phoi thu được khi gia
công thông thường tại nhiệt độ phòng có màu tím đen. Phoi có
màu sáng trắng khi gia công gia nhiệt 200oC, 300oC và có màu
vàng khi gia công gia nhiệt 400oC. Đường kính xoắn phoi lớn
hơn khi gia công gia nhiệt;
- Lực cắt khi gia công gia nhiệt giảm mạnh so với gia công
thông thường. Lực cắt giảm tới 65,1% khi gia công gia nhiệt
400oC với chế độ cắt V = 235 m/phút, f = 305 mm/phút, t =
1,5 mm;

- Hệ số co rút phoi tăng 31,7% khi gia công gia nhiệt 400oC với
chế độ cắt V = 235 m/phút, f = 305 mm/phút, t = 1,5 mm;
- Độ nhám giảm đáng kể so với gia công thông thường. Độ
nhám giảm 47,1% khi gia công gia nhiệt 400oC với chế độ cắt
V = 190 m/phút, f = 230 mm/phút, t = 0,5 mm;
- Biên độ rung động giảm khi so sánh với phương pháp gia công
thông thường cho thấy sự ổn định hơn của quá trình gia công.
Tuy nhiên sự thay đổi biên độ rung động khi thay đổi nhiệt độ
cao hỗ trợ quá trình gia công là không đáng kể.
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MỐI
QUAN HỆ GIỮA CÁC THAM SỐ ĐẦU VÀO VÀ CÁC
THÔNG SỐ ĐẦU RA
4.1 Thiết kế thực nghiệm
4.1.1 Phương pháp Taguchi
4.1.2 Lựa chọn các thông số đầu vào
4.1.3 Một số khái niệm
4.1.4 Thiết kế thực nghiệm
-

17


Bảng 4. 1 Tham số điều khiển và các mức độ
Ký hiệu

Tham số điều khiển

Đơn vị

A

B
C
D

Tốc độ cắt (V)
Tốc độ chạy dao (f)
Chiều sâu cắt (t)
Nhiệt độ (T)

m/phút
mm/phút
mm
oC

1
190
230
0.5
200

Mức độ
2
3
235
280
305
380
1.0
1.5
300

400

4.2 Điều kiện thí nghiệm
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
4.3.1 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến
lực cắt khi gia công thông thường thép SKD11
Bộ tham số công nghệ phù hợp cho lực cắt nhỏ nhất là:
A3B1C1 tương ứng V = 280 m/phút, f = 230 mm/phút, t = 0,5 mm.
Mô hình lực cắt khi gia công thông thường tại nhiệt độ phòng
phụ thuộc bộ tham số công nghệ (V, f, t) có dạng:
(4. 1)
FR = a1 ∙ V b1 ∙ f c1 ∙ t d1
Để xây dựng mô hình lực cắt khi gia công thông thường,
nghiên cứu sử dụng phương pháp tìm hàm hồi quy phi tuyến Gauss –
Newton. Hàm hồi quy phi tuyến lực cắt tìm được như sau:
(4. 2)
FR = 842.365 ∙ V −0.70513 ∙ f 0.458888 ∙ t 0.824242
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
4.3.2.1 Kết quả thí nghiệm
4.3.2.2 Mức độ ảnh hưởng của các tham số điều khiển đến lực cắt và
xây dựng bộ tham số tối ưu
Bộ tham số tối ưu là: A3B1C1D3 tương ứng V = 280 m/phút,
f = 230 mm/phút, t = 0,5 mm, T = 400oC.
4.3.2.3 Xây dựng mô hình lực cắt khi gia công thép SKD11 trong môi
trường gia nhiệt bằng cảm ứng từ
a) Phương pháp tỷ lệ

18


Phương trình toán học của lực cắt được biểu diễn theo phương
trình dưới đây:
FR
FT =
(4. 3)
f(T)
Mô hình lực cắt khi gia công gia nhiệt phụ thuộc vào tham số
công nghệ V, f, t và nhiệt độ hỗ trợ quá trình cắt T như sau:
842,365 ∙ Vc −0,70513 ∙ f 0,458888 ∙ t 0,824242
(4. 4)
FT =
0,004T + 1
b) Phương pháp Gauss – Newton
Mô hình lực cắt khi gia công gia nhiệt phụ thuộc tham số điều
khiển V, f, t, T như phương trình dưới đây:
(4.5)
FT = a2 ∙ V b2 ∙ f c2 ∙ t d2 ∙ T e2
Kết quả mô hình lực cắt như sau:
FT = 36235.7 ∙ Vc −0.737867 ∙ f 0.453832 ∙ t 0.964106
(4.6)
∙ T −0.770712
c) Đề xuất phương pháp mới xác định mô hình lực cắt khi gia công
thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng từ
Mô hình lực cắt khi gia công gia nhiệt phụ thuộc mô hình lực
cắt khi gia công thông thường với cùng chế độ cắt và nhiệt độ cao
như phương trình sau:
(4.7)

FT = a3 ∙ T b3 ∙ FR c3
Các hệ số và số mũ a3, b3, c3 được tìm thấy lần lượt bằng
5,8027, -0,5823, 1,1336. Phương trình (4.7) được viết lại như dưới
đây:
(4.8)
FT = 5,8027 ∙ T −0,5823 ∙ Fr1,1336
−0,67299
0,41355
0,803237
−0,58229
(4.9)
FT = 12017,97 ∙ Vc
∙f
∙t
∙T
Bảng 4. 2 Phân tích phương sai kết quả lực cắt xác định từ các mô hình

Phương
pháp
a
b
c

200oC
2,7356
21,1444
1,7667

T(oC)
300oC

58,8154
7,1885
12,9019
19

400oC
86,9196
52,9903
24,2171

SS
148,4706
81,3232
38,8857


Bảng 4. 2 cho thấy phương pháp mới xây dựng mô hình lực
cắt khi gia công thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm
ứng từ dựa trên mô hình lực cắt khi gia công thông thường có
phương sai nhỏ nhất. Điều đó có nghĩa là phương pháp mới có độ
chính xác cao nhất.
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
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
Bộ tham số công nghệ tối ưu cho lực cắt nhỏ nhất là:
A3B3C1 tương ứng V = 280 m/phút, f = 380 mm/phút, t = 0,5 mm.
Mô hình hệ số co rút phoi khi gia công thông thường tại nhiệt
độ phòng (KR) phụ thuộc bộ tham số công nghệ (V, f, t) có dạng:

(4. 10)
K R = a4 ∙ V b4 ∙ f c4 ∙ t d4
Để xây dựng mô hình hệ số co rút phoi khi gia công thông
thường, nghiên cứu sử dụng phương pháp tìm hàm hồi quy phi tuyến
Gauss – Newton.
(4. 11)
K R = 10,8589 ∙ V −0,157436 ∙ f −0,242483 ∙ t 0,033583
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
Bộ tham số tối ưu là: A2B3C1D1 tương ứng V = 235 m/phút,
f = 380 mm/phút, t = 0.5 mm, T = 200oC.
Mô hình hệ số co rút phoi khi gia công thép SKD11 trong môi
trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ có dạng:
(4.12)
K T = a5 ∙ V b5 ∙ f c5 ∙ t d5 ∙ T e5
Để xây dựng mô hình hệ số co rút phoi khi gia công tại nhiệt
độ cao khác nhau, phương pháp tìm hàm hồi quy phi tuyến Gauss –
Newton được sử dụng. Hàm hồi quy phi tuyến hệ số co rút phoi khi
phay thép SKD11 có gia nhiệt được xác định như sau:
20


K T = 16,9238 ∙ V −0,071819 ∙ f −0,489535 ∙ t 0,011429
(4.13)
∙ T 0,135969
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
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
Bộ tham số công nghệ tối ưu cho độ nhám bề mặt nhỏ nhất là:
A3B1C1 tương ứng V = 280 m/phút, f = 230 mm/phút, t = 0,5 mm.
Mô hình độ nhám bề mặt khi gia công thông thường tại nhiệt
độ phòng phụ thuộc bộ tham số công nghệ (V, f, t) có dạng:
(4. 14)
RaR = a6 ∙ V b6 ∙ f c6 ∙ t d6
Phương pháp tìm hàm hồi quy phi tuyến Gauss – Newton
được sử dụng để tìm phương trình độ nhám bề mặt.
(4. 15)
RaR = 4,9758 ∙ Vc −0,806915 ∙ f 0,181702 ∙ t 0.15646
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
Bộ tham số tối ưu là: A3B1C1D3 tương ứng V = 280 m/phút,
f = 230 mm/phút, t = 0.5 mm, T = 400oC
Mô hình độ nhám bề mặt khi gia công thép SKD11 trong môi
trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ có dạng:
(4.16)
RaT = a7 ∙ V b7 ∙ f c7 ∙ t d7 ∙ T e7
Hàm hồi quy phi tuyến hệ số co rút phoi khi phay thép SKD11
có gia nhiệt được xác định như phương trình dưới đây:
RaT = 1,10015 ∙ Vc −0,512293 ∙ f 0,610263 ∙ t 0,229099
(4.17)
∙ T −0,498074

21


4.6 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến

rung động quá trình cắt khi gia công thông thường và khi gia
công gia nhiệt thép SKD11
4.6.1 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến
rung động quá trình cắt khi gia công thông thường thép SKD11
Bộ tham số công nghệ tối ưu cho biên độ rung động nhỏ nhất
là:
A3B1C1 tương ứng V = 280 m/phút, f = 230 mm/phút, t = 0,5 mm.
Mô hình biên độ rung động quá trình cắt khi gia công thông
thường tại nhiệt độ phòng phụ thuộc bộ tham số công nghệ (V, f, t)
có dạng:
(4. 18)
AXY−R = a8 ∙ V b8 ∙ f c8 ∙ t d8
Hàm hồi quy phi tuyến độ nhám bề mặt tìm được như
phương trình:
(4. 19)
AXY−R = 212,165 ∙ Vc −0,178 ∙ f 0,126 ∙ t 0,066
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
Bộ tham số điều khiển tối ưu là: A2B1C1D3 tương ứng V =
235 m/phút, f = 230 mm/phút, t = 0.5 mm, T = 400oC.
Mô hình biên độ rung động khi gia công thép SKD11 trong
môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ có dạng:
(4.20)
AXY−T = a9 ∙ V b9 ∙ f c9 ∙ t d9 ∙ T e9
Hàm hồi quy phi tuyến biên độ rung động khi phay thép
SKD11 có gia nhiệt được xác định như phương trình dưới đây:
(4.21)
AXY−T = 196,335 ∙ V −0,032 ∙ f 0,019 ∙ t 0,064 ∙ T −0,041
4.7 Kết luận chương 4

Chương 4 đã trình bày nghiên cứu về mối quan hệ giữa các
tham số đầu vào: tốc độ cắt, tốc độ chạy dao, chiều sâu cắt và nhiệt
độ cao hỗ trợ quá trình cắt và các thông số đầu ra: lực cắt, hệ số co
rút phoi, độ nhám bề mặt, biên độ rung động quá trình cắt khi gia
công tại các điều kiện khác nhau.
22


Bài toán tối ưu hóa đơn thông số đã được giải quyết cho từng
thông số đầu ra
Thứ tự và mức độ ảnh hưởng của các tham số đầu vào đến các
thông số đầu ra cũng đã được xác định cho thấy nhiệt độ cao hỗ trợ
quá trình gia công có vai trò quan trọng và mức độ ảnh hưởng lớn
đến các thông số đầu ra.
Các phương trình toán học thể hiện mối quan hệ giữa các tham
số đầu vào và các thông số đầu ra khi gia công thông thường và gia
công gia nhiệt đã được xây dựng và có độ chính xác cao khi so sánh
với dữ liệu thực nghiệm.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
KẾT LUẬN
Từ các kết quả nghiên cứu đã trình bày, luận án đưa ra những
kết luận sau đây:
1. Đã xây dựng được mô hình hệ thống thí nghiệm gồm máy
phay CNC, thiết bị gia nhiệt cảm ứng điện từ, các thiết bị đo
lực cắt, đo rung động quá trình cắt, …
2. Phương pháp gia công gia nhiệt là một phương pháp mang lại
hiệu quả cao khi gia công thép SKD11 là một loại vật liệu
khó cắt gọt.
3. Ứng dụng công nghệ tiên tiến, hiện đại vào việc đo chiều dài
phoi để nâng cao độ chính xác kết quả xác định hệ số co rút

phoi.
4. Sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến lực cắt, hệ số
co rút phoi, độ nhám bề mặt và rung động quá trình cắt khi
gia công thông thường và gia công gia nhiệt thép SKD11
cũng được phân tích. Đồng thời, các bộ tham số công nghệ tối
ưu được xây dựng cho các chỉ tiêu đầu ra khác nhau.
5. Mô hình toán học miêu tả ảnh hưởng của các thông số công
nghệ đến lực cắt, hệ số co rút phoi, độ nhám bề mặt và rung
động quá trình cắt khi gia công thông thường và gia công gia
nhiệt thép SKD11 bằng cảm ứng điện từ. Một phương pháp
23