Nghiên cứu xác định chế độ công nghệ hợp lý khi phay các chi tiết hợp kim nhôm thành mỏng (Luận văn thạc sĩ)

1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ MẠNH ĐỨC

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ HỢP LÝ KHI
PHAY CÁC CHI TIẾT HỢP KIM NHÔM THÀNH MỎNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã ngành: 8520103

TRƯỞNG KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. Hoàng Vị

Thái Nguyên, tháng 4 năm 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




2
LỜI CAM ĐOAN
Họ và tên: Lê Mạnh Đức
Học viên lớp cao học khóa K20 - Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại : Trung tâm phát triển khoa học và công nghệ Sở Khoa học công nghệ Thái Nguyên.
Tôi xin cam đoan những kết quả có được trong luận văn là do bản thân

tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS. Hoàng Vị. Ngoài
thông tin trích dẫn từ các tài liệu tham khảo đã được liệt kê, các kết quả và
số liệu thực nghiệm là do tôi thực hiện và chưa được công bố trong bất cứ
công trình nào khác.

Thái Nguyên, tháng 04 năm 2019
Người thực hiện

Lê Mạnh Đức

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




3
LỜI NÓI ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Các chi tiết dạng thành mỏng thường được sử dụng trong nhiều ngành
công nghiệp bao gồm các lĩnh vực ô tô hàng không và máy chính xác. Vì các
chi tiết dạng thành mỏng thường dễ bị biến dạng vì có độ cứng thấp, rất khó
có thể kiểm soát độ chính xác gia công, thường dẫn đến làm tăng chi phí của
quá trình sản xuất. Để đảm bảo độ chính xác gia công, sự biến dạng cần được
kiểm soát trong quá trình làm việc. Nếu không các chi tiết sẽ bị hỏng. các biến
dạng của chi tiết có thể tách làm hai dạng là biến dạng do gia công và biến
dạng sau gia công. Biến dạng do gia công được sinh ra ngay trong quá trình
cắt phần vật liệu chứa ứng suất dư ban đầu, trong khi biến dạng sau gia công
(biến dạng tiếp theo) (thường xảy ra do tồn tại ứng xuất dư do gia công) xảy
ra sau khi lắp ráp xong. Nhiều trường hợp được báo cáo từ các ngành công
nghiệp về các ví dụ tương tự, các chi tiết thành mỏng bị loại bỏ vì xảy ra biến

dạng tiếp theo. Như vậy, việc hiểu về dạng của ứng suất dư trong gia công là
rất cần thiết.
Theo các tài liệu đã công bố về quá trình phay chi tiết thành mỏng làm
bằng hợp kim nhôm thì nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của thông số công
nghệ tới độ nhám bề mặt và biến dạng chi tiết, từ đó xác định chế độ công
nghệ hợp lý chưa được quan tâm. Chính vì vậy tác giả đã chọn đề tài “Nghiên
cứu xác định chế độ công nghệ hợp lý khi phay các chi tiết hợp kim nhôm
thành mỏng ”, góp phần hoàn thiện bổ sung kiến thức lý thuyết cũng như cải
thiện và nâng cao hiệu quả sản xuất khi phay chi tiết thành mỏng làm bằng
hợp kim nhôm.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là Tập trung giải quyết vấn đề ảnh hưởng của các yếu
tố công nghệ tới lực cắt, độ nhám và độ chính xác kích thước khi phay các chi
tiết hợp kim nhôm thành mỏng, từ đó xác định được chế độ công nghệ tối ưu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




4
3. Dự kiến kết quả đạt được
- Xây dựng được mô hình nghiên cứu.
- Xác định được ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ (như vận tốc cắt,
lượng chạy dao, chiều sâu cắt và chiến lược chạy dao) tới độ nhám bề mặt và
sai lệch kích thước chiều dày thành khi phay chi tiết làm bằng hợp kim nhôm.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Xác định được quy luật ảnh hưởng của các yếu tố điều khiển kiểm soát
quá trình gia công thành mỏng
5. Phương pháp nghiên cứu
Với mục đích nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới biến

dạng chi tiết và nhám bề mặt, tác giả chọn phương pháp nghiên cứu là kết hợp
nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm trong đó nghiên cứu thực
nghiệm là cơ bản. Nghiên cứu lý thuyết tổng quan các vấn đề liên quan đến
gia công trong phay chi tiết thành mỏng từ đó định hướng cho nghiên cứu về
biến dạng chi tiết khi gia công. Nghiên cứu thực nghiệm để xác định được ảnh
hưởng các thông số công nghệ tới biến dạng chi tiết và nhám bề mặt, từ đó
đưa ra bộ thông số công nghệ hợp lý.
6. Các công cụ cần thiết cho nghiên cứu
- Phôi bằng hợp kim nhôm, dao phay.
- Trung tâm phay Mazak VC530
- Máy đo nhám.
- Dụng cụ đo vạn năng.
7. Nội dung nghiên cứu của luận văn
Ngoài lời nói đầu, tài liệu tham khảo, phụ lục, nội dung chính gồm 3
chương và phần kết luận chung
Chương 1: Tổng quan về quá trình cắt – mòn dao thép gió khi phay
Chương 2: Ảnh hưởng của dung dịch bôi trơn làm nguội tới các thông
số cơ bản của quá trình phay
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




5
Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của dầu Emusil có trộn bột Al2O3
vào dầu Emusil khi phay rãnh sử dụng dao phay thép gió
Phần Kết luận chung

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

6
LỜI CẢM ƠN
Luận văn này đối với Tôi là một cơ hội lớn để rèn luyện khả năng thực
hiện một đề tài phục vụ thực tiễn sản xuất dựa trên cơ sở các lý thuyết khoa
học và công nghệ. Luận văn này được hoàn thành là nhờ có rất nhiều sự giúp
đỡ và hướng dẫn tận tình của cá nhân và tập thể. Lời cảm ơn sâu sắc nhất Tôi
xin gửi đến giáo viên hướng dẫn khoa học, thầy giáo PGS.TS. Hoàng Vị đã
tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành công
trình nghiên cứu này.
Tôi xin cám ơn Ban giám hiệu, phòng Đào tạo sau đại học, các thầy cô
giáo trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình chỉ bảo và
giúp đỡ tôi trong quá trình học tập.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tạo điều kiện của Ban Giám đốc
Trung tâm phát triển khoa học và công nghệ - Sở Khoa học và Công nghệ
Thái Nguyên cùng sự động viên khích lệ của gia đình, bạn bè, đồng nghiệp
trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận văn.
Thái Nguyên, tháng 4 năm 2019
Người thực hiện

Lê Mạnh Đức

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




7

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................1
LỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................3
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................6
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH PHAY CHI TIẾT HỢP KIM
NHÔM DẠNG THÀNH MỎNG ...........................................................................12
1.1. Tổng quan hợp kim nhôm và các chi tiết hợp kim nhôm thành mỏng ......... 12
1.1.1 Giới thiệu về hợp kim nhôm ............................................................................12
1.1.2. Đặc điểm hình học của các chi tiết thành mỏng .............................................14
1.2. Tổng quan về quá trình phay và quá trình hình thành phoi ...............................16
1.2.1. Giới thiệu về quá trình phay............................................................................16
1.2.2 Quá trình cắt khi phay ......................................................................................17
1.2.3 Các chuyển động cơ bản khi phay ...................................................................21
1.2.4 Các thành phần của lớp bề mặt bị cắt khi phay................................................21
1.3.Các chỉ tiêu đánh giá tính gia công của vật liệu..................................................27
1.3.1.Tính chất cơ học của vật liệu ...........................................................................27
1.3.2. Quá trình biến dạng và hình thành phoi ..........................................................27
1.3.3. Lực cắt .............................................................................................................28
1.3.4.Nhiệt cắt ...........................................................................................................28
1.3.5.Mòn dụng cụ cắt ...............................................................................................29
1.3.6. Chất lượng bề mặt gia công ............................................................................33
1.3.7. Độ chính xác gia công .....................................................................................39
1.3.8. Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế về quá trình gia
công chi tiết hợp kim nhôm thành mỏng ..................................................................40
CHƯƠNG 2: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI BIẾN DẠNG VÀ HÁM BỀ
MẶT KHI PHAY CÁC CHI TIẾT HỢP KIM NHÔM A6061 .......................... 48
2.1 Giới thiệu về hợp kim nhôm A6061 ...................................................................45
2.1.1 Hợp kim nhôm A6061......................................................................................45
2.2 Phay chi tiết hợp kim nhôm thành mỏng A6061 ................................................46
2.2.1 Tính gia công của hợp kim nhôm A6061.........................................................46

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




8
2.2.2 Phay chi tiết thành mỏng ..................................................................................47
2.3 Nhám bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng tới nhám bề mặt khi phay chi tiết thành
mỏng ..........................................................................................................................49
2.2.1 Ảnh hưởng của chế độ cắt ................................................................................49
2.2.2 Ảnh hưởng của vật liệu dụng cụ cắt và vật liệu gia công ................................54
2.2.3 Ảnh hưởng của chiến lược chạy dao khi phay các chi tiết thành mỏng ...............54
2.3 Giới hạn vấn đề nghiên cứu ................................................................................56
2.4 Phương pháp nghiên cứu .....................................................................................56
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT TỚI ĐỘ
NHÁM BỀ MẶT VÀ BIẾN DẠNG CHI TIẾT KHI PHAY CHI TIẾT HỢP
KIM NHÔM THÀNH MỎNG ...............................................................................58
3.1 Đặt vấn đề ...........................................................................................................58
3.2 Thiết kế hệ thống thí nghiệm ..............................................................................58
3.2.1 Yêu cầu của hệ thống thí nghiệm .....................................................................58
3.2.2 Hệ thống thí nghiệm .........................................................................................58
3.2.2.3 Chế độ công nghệ ..........................................................................................60
3.2.2.4 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi .............................................61
3.3 Kết quả và thảo luận ............................................................................................69
3.4Ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát tới biến dạng chi tiết khi phay chi tiết thành
mỏng ..........................................................................................................................70
3.4.1 Ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát tới độ nhám bề mặt gia công ...................81
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .....................91
1. Kết luận chung ......................................................................................................91

2. Hướng nghiên cứu tiếp theo ..................................................................................91

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




9
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Các cấp độ nhám bề mặt theo TCVN 2511-1995.....................................37
Bảng 2.1 Thành phần hóa học của hợp kim nhôm A6061 ........................................45
Bảng 2.2 Đặc điểm cơ học của hợp kim nhôm A6061 .............................................45
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của dao phay ngón sử dụng cho thí nghiệm ................60

Bảng 3.2 Chế độ cắt khảo sát .......................................................................... 61
Bảng 3.3 Các thông số khảo sát và mức giá trị tương ứng .......................................62
Bảng 3.4 Bậc tự do của ma trận thí nghiệm ..............................................................63
Bảng 3.5 Thiết kế thí nghiệm L9 ..............................................................................63
Bảng 3.6 Ma trận thí nghiệm.....................................................................................64
Bảng 3.7 Giá trị biến dạng chi tiết, độ nhám và tỷ số S/N tương ứng ......................70

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




10
DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1 Chi tiết có dạng thành mỏng .....................................................................15
Hình 1. 2 Quá trình hình thành phoi [5] ....................................................................17

Hình 1. 3 Các dạng phoi khi gia công cắt gọt kim loại [5] .......................................18
Hình 1. 4 Góc tiếp xúc khi phay bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón................23
Hình 1. 5 Phay không đối xứng bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón .................24
Hình 1. 6 Chiều dày cắt khi phay bằng dao phay ngón, dao phay mặt đầu ..............24
Hình 1. 7 Các phương pháp phay ..............................................................................26
Hình 1. 8 Sơ đồ thể hiện các khả năng tương tác của hạt mài với bề mặt của vật liệu,
vết mòn và mặt cắt ngang của nó. .............................................................................31
Hình 1. 9 Cấu trúc tế vi lớp bề mặt gia công ............................................................34
Hình 1. 10 Nhám bề mặt, sóng bề mặt và các vết nứt vết gia công trên bề mặt .......35
Hình 1. 11 Xác định nhám bề mặt Rz .......................................................................37
Hình 1. 12 Đo nhám bằng phương pháp cơ học .......................................................38
Hình 1. 13 Đo nhám trên các bề mặt khác nhau .......................................................38
Hình 1. 14 Biến dạng của chi tiết trong quá trình gia công ......................................40
Hình 2. 1 Chi tiết thành mỏng được gia công bởi bởi Fokker Aerost ......................48
Hình 2. 2 Miền tạo phoi khi gia công kim loại .........................................................50
Hình 2. 3 Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới hệ số co rút phoi khi gia công thép
cacbon. ......................................................................................................... 50
Hình 2. 4 Ảnh hưởng của các thông số hình học tới nhám bề mặt khi tiện ..............51
Hình 2. 5 Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt Rz ...........................53
Hình 3. 1 Trung tâm phay đứng Mazak 530C ..........................................................59
Hình 3. 2 Dao phay ngón của hãng YG ....................................................................60
Hình 3. 3 Chế độ cắt khuyến cáo của nhà sản xuất khi phay cạnh ...........................61
Hình 3. 4 Đồng hồ so 1/1000 mm .............................................................................65
Hình 3. 5 Đo độ nhám sản phẩm ...............................................................................65
Hình 3. 6 Thiết lập các thông số trong mô hình thí nghiệm TAGUCHI ..................68
Hình 3. 7 Đo biến dạng chi tiết .................................................................................69
Hình 3. 8 Đo nhám bề mặt ........................................................................................69
Hình 3. 9 Giá trị trung bình của biến dạng chi tiết và mức độ ảnh hưởng của các
thông số .....................................................................................................................71
Hình 3. 10 Ảnh hưởng tới giá trị trung bình của lượng biến dạng chi tiết ...............71

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




11
Hình 3. 11 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và lượng chạy dao tới lượng biến
dạng của chi tiết ........................................................................................................73
Hình 3. 13 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và chiều rộng cắt tới lượng biến
dạng của chi tiết ........................................................................................................74
Hình 3. 14 Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao và chiều sâu cắt tới lượng
biến dạng của chi tiết.................................................................................................74
Hình 3. 15 Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao và chiều rộng cắt tới lượng
biến dạng của chi tiết.................................................................................................75
Hình 3. 16 Ảnh hưởng tương tác giữa chiều sâu cắt và chiều rộng cắt tới lượng biến
dạng của chi tiết ........................................................................................................75
Hình 3. 17 Tỷ số S/N trung bình của lượng biến dạng chi tiết và mức độ ảnh
hưởng của các thông số công nghệ ...........................................................................76
Hình 3. 18 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới tỷ số S/N của lượng biến
dạng chi tiết ...............................................................................................................77
Hình 3. 19 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và lượng chạy dao răng tới tỷ số
S/N của lượng biến dạng chi tiết ...............................................................................78
Hình 3. 20 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và chiều sâu cắt tới tỷ số S/N của
lượng biến dạng chi tiết .............................................................................................78
Hình 3. 21 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và chiều rộng cắt tới tỷ số S/N
của lượng biến dạng chi tiết ......................................................................................79
Hình 3. 22 Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao răng và chiều sâu cắt tới tỷ
số S/N của lượng biến dạng chi tiết ..........................................................................79
Hình 3. 23 Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao răng và chiều rộng cắt tới tỷ

số S/N của lượng biến dạng chi tiết ..........................................................................80
Hình 3. 24 Ảnh hưởng tương tác giữa chiều sâu cắt và chiều rộng cắt tới tỷ số S/N
của lượng biến dạng chi tiết ......................................................................................80
Hình 3. 25 Giá trị độ nhám trung bình và mức độ ảnh hưởng của các thông số ......81
Hình 3. 26 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới giá trị độ nhám trung bình ........82
Hình 3. 27 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và lượng chạy dao tới giá trị độ
nhám trung bình ........................................................................................................82
Hình 3. 28 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và chiều rộng cắt tới giá trị độ
nhám trung bình ........................................................................................................83
Hình 3. 29 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và chiều sâu cắt tới giá trị độ
nhám trung bình ........................................................................................................83

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




12
Hình 3. 30 Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao và chiều sâu cắt tới giá trị độ
nhám trung bình ........................................................................................................84
Hình 3. 31 Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao và chiều rộng cắt tới giá trị
độ nhám trung bình ...................................................................................................84
Hình 3. 32 Ảnh hưởng tương tác giữa chiều sâu cắt và chiều rộng cắt tới giá trị độ
nhám trung bình ........................................................................................................85
Hình 3. 33 Tỷ số S/N của độ nhám trung bình và mức độ ảnh hưởng của các thông
số ...............................................................................................................................85
Hình 3. 34 Ảnh hưởng của các thông số tới tỷ số S/N của độ nhám trung bình .....86
Hình 3. 35 Ảnh hưởng tương tác vận tốc cắt và lượng chạy dao tới tỷ số S/N của độ
nhám trung bình ........................................................................................................87
Hình 3. 36 Ảnh hưởng tương tác vận tốc cắt và chiều sâu cắt tới tỷ số S/N của độ

nhám trung bình ........................................................................................................87
Hình 3. 37 Ảnh hưởng tương tác vận tốc cắt và chiều rộng cắt tới tỷ số S/N của độ
nhám trung bình ........................................................................................................88
Hình 3. 38 Ảnh hưởng tương tác lượng chạy dao và chiều rộng cắt tới tỷ số S/N của
độ nhám trung bình ...................................................................................................88
Hình 3. 39 Ảnh hưởng tương tác lượng chạy dao và chiều sâu cắt tới tỷ số S/N của
độ nhám trung bình ...................................................................................................89
Hình 3. 40 Ảnh hưởng tương tác chiều sâu cắt và chiều rộng cắt tới tỷ số S/N của
độ nhám trung bình ...................................................................................................89

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




12
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH PHAY CHI TIẾT HỢP
KIM NHÔM THÀNH MỎNG
1.1. Tổng quan hợp kim nhôm và các chi tiết dạng thành mỏng
1.1.1 Giới thiệu về hợp kim nhôm
Ngày nay nhôm là kim loại rất quan trọng trong đời sống của con
người, nhưng về mặt lịch sử nhôm thuộc loại nguyên tố “trẻ”. Nhôm được tìm
ra năm 1808, công lao ấy thuộc về Dauy. Nhờ các phản ứng hóa học ông đã
tách được nguyên tố kim loại nhẹ có màu sáng gọi là Alumin. Bắt đầu từ
những năm 30 của thế kỷ 19 người ta đã sản xuất nhôm trên quy mô công
nghiệp bằng phương pháp khoa học, tuy nhiên sản lượng hàng năm rất nhỏ.
Từ năm 1854 đến 1890 toàn thế giới sản xuất được khoảng 200 tấn
nhôm, vào năm 1890 nhôm được sản xuất bằng phương pháp điện phân dung
dịch ôxít nhôm (Al2O3) nóng chảy trong Criolit (Na3AlF6). Chỉ trong vòng
chín năm từ năm 1890 đến 1899 thế giới sản xuất được 2800 tấn nhôm. Riêng

năm 1930 sản lượng đạt tới 270.000 tấn, năm 1968 sản lượng nhôm là
8.386.200 tấn, từ năm 1960 hàng năm sản lượng tăng 15%, những năm gần
đây chỉ tăng 5%/năm. Ngày nay khi nhịp độ sản xuất tăng lên mạnh hơn, vị trí
của vật liệu kim loại này được đưa lên hàng thứ hai sau thép.
Hợp kim nhôm đầu tiên ra đời vào năm 1906, đó là hợp kim do Alfred
Weinmer tìm ra, hiện nay được phát triển thành các Đura (hợp kim nhôm biến
dạng điển hình được dùng trong kỹ thuật hàng không) trên cơ sở Al-CuMg
(có 95% Al, 4% Cu và 1% Mg) đang được sử dụng rộng rãi. Sản lượng và
nhu cầu ứng dụng nhôm so với các kim loại kết cấu khác tăng lên không
ngừng. Những ưu điểm chính của nhôm là trọng lượng riêng nhỏ, độ dẫn điện
dẫn nhiệt cao, khả năng chống ăn mòn trong nhiều môi trường khá tốt. Độ bền
riêng của hợp kim nhôm khoảng 16,5 trong khi đó của thép là 15,4. Vì vậy
khi ứng dụng hợp kim nhôm làm vật liệu kết cấu và khuôn mẫu nó tỏ ra có

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




13
những ưu điểm lớn, về mặt trữ lượng nhôm nhiều hơn sắt, theo tính toán
nhôm chiếm khoảng 8,8% còn sắt chỉ chiếm 5,1% trọng lượng vỏ trái đất.
Nhôm là nguyên tố có dạng mạng tinh thể lập phương tâm mặt, có màu sáng
bạc, và có những đặc điểm sau :
- Khối lượng riêng nhỏ (2,8 g/cm3 ) chỉ khoảng 1/3 so với thép. Do vậy
làm giảm khối lượng kết cấu, chi tiết, được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực
hàng không, vận tải…..
- Có tính chống mòn nhất định trong khí quyển do luôn có lớp màng
ôxít (Al2O3) phủ trên lớp bề mặt có tính bảo vệ cao.
- Có tính dẫn điện cao: tính dẫn điện kém hơn vàng, bạc, đồng

Phân loại và kí hiệu của hợp kim nhôm
Ký hiệu: Để ký hiệu các hợp kim nhôm người ta thường dùng hệ thống
đánh số theo AA (Aluminum Association) của Hoa kỳ bằng xxxx cho loại
biến dạng và xxx.x cho loại đúc, trong đó:
- Số đầu tiên có các ý nghĩa sau.
Loại biến dạng:
1xxx - nhôm sạch (≥ 99,0%)
2xxx - Al - Cu, Al - Cu – Mg
3xxx - Al – Mn
4xxx - Al – Si
5xxx - Al – Mg
6xxx - Al - Mg – Si
7xxx - Al - Zn – Mg, Al - Zn - Mg – Cu
8xxx - Al - các nguyên tố khác
Loại đúc:
1xx.x - nhôm thỏi sạch thương phẩm,
2xx.x - Al – Cu
3xx.x - Al - Si - Mg, Al - Si – Cu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




14
4xx.x - Al – Si
5xx.x - Al – Mg
6xx.x - không có
7xx.x - Al – Zn
8xx.x - Al - Sn.
Ba số tiếp theo được tra theo bảng trong các tiêu chuẩn cụ thể. Để ký

hiệu trạng thái gia công và hóa bền, các nước phương Tây thường dùng các
ký hiệu sau. F: trạng thái phôi thô, O: ủ và kết tinh lại, H: hóa bền bằng biến
dạng nguội, trong đó H1x (x từ 1 đến 9): thuần túy biến dạng nguội với mức
độ khác nhau, H2x (x từ 2 đến 9): biến dạng nguội rồi ủ hồi phục, H3x (x từ 2
đến 9): biến dạng nguội rồi ổn định hóa, T: hóa bền bằng tôi + hóa già, trong
đó T1: biến dạng nóng, tôi, hóa già tự nhiên, T3: tôi, biến dạng nguội, hóa già
tự nhiên, T4: tôi, hóa già tự nhiên (giống đoạn đầu và cuối của T3), T5: biến
dạng nóng, tôi, hóa già nhân tạo (hai đoạn đầu giống T1), T6: tôi, hóa già
nhân tạo (đoạn đầu giống T4), T7: tôi, quá hóa già, T8: tôi, biến dạng nguội,
hóa già nhân tạo (hai đoạn đầu giống T3), T9: tôi, hóa già nhân tạo, biến dạng
nguội (hai đoạn đầu giống T6). (ngoài ra còn Txx, Txxx, Txxxx). TCVN
1659-75 có quy định cách ký hiệu hợp kim nhôm được bắt đầu bằng Al và
tiếp theo lần lượt từng ký hiệu hóa học của nguyên tố hợp kim cùng chỉ số %
của nó, nếu là hợp kim đúc sau cùng có chữ Đ. Ví dụ AlCu4Mg là hợp kim
nhôm chứa ~4%Cu, ~1%Mg. Với nhôm sạch bằng Al và số chỉ phần trăm của
nó, ví dụ Al99, Al99,5.
1.1.2. Đặc điểm hình học của các chi tiết thành mỏng
Các chi tiết dạng thành mỏng thường được sử dụng trong nhiều ngành
công nghiệp bao gồm các lĩnh vực oto hàng không và máy chính xác. Nói
chung, các chi tiết có độ dày trong khoảng từ 1 đến 5 mm được coi là chi tiết
dạng thành mỏng (như hình 1.1). Đặc biệt các chi tiết thành mỏng bằng hợp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




15
kim nhôm được sử dụng phổ biến trong ngành hàng không vì nó có nhiều ưu
điểm, như:

- Khối lượng của chi tiết dạng thành mỏng giảm đáng kể so với chi tết
đặc mà vẫn đảm bảo các yêu cầu về độ chính xác cũng như đảm bảo khả năng
chịu lực [1]. Sử dụng các chi tiết thành mỏng có thể loại bỏ tới 95% trọng
lượng của khối chi tiết lắp ráp ban đầu [2].
- Sử dụng chi tiết dạng thành mỏng có thể giảm giá thành sản xuất nhờ
việc giảm khối lượng lắp ráp, giảm vật liệu, giảm chi phí quản lý, giảm chi
phí lưu kho...[1,3].
- Sử dụng chi tiết thành mỏng có thể tăng được độ chính xác tổng hợp
của sản phẩm [1].

Hình 1. 1 Chi tiết có dạng thành mỏng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




16
1.2. Tổng quan về quá trình phay và quá trình hình thành phoi
1.2.1. Giới thiệu về quá trình phay
Phay là một phương pháp gia công cắt đi một lớp kim loại (hay còn gọi
là lượng dư gia công để tạo thành phoi) trên bề mặt của phôi để được chi tiết
có hình dáng, kích thước, độ chính xác, độ bóng theo yêu cầu kỹ thuật trên
bản vẽ. Quá trình đó được thực hiện trên các máy phay. Phay là phương pháp
gia công kim loại, có độ chính xác không cao hơn cấp 3-4 và độ bóng không
hơn cấp 6, là một trong những phương pháp gia công đạt năng suất cao nhất.
Bằng phương pháp phay người ta có thể gia công mặt phẳng, định hình phức
tạp, rãnh then, cắt đứt, gia công mặt tròn xoay, trục then hoa, cắt ren, bánh
răng…
Phay có thể dùng để gia công tinh, gia công lần cuối để đạt được độ

bóng, độ chính xác cao, dễ cơ khí hoá, tự động hoá, cho năng suất cao, dùng
trong sản xuất đơn chiếc, sản xuất hàng loạt và hàng khối. Số lượng nguyên
công gia công cắt gọt đạt tới 60% - 70% công việc gia công cơ khí thì nguyên
công phay cũng chiếm một tỷ lệ lớn. Máy phay có số lượng nhiều, chiếm tỷ lệ
lớn và giữ một vị trí quan trọng trong các Nhà máy, Phân xưởng cơ khí.
Dao phay là loại dụng cụ cắt có nhiều lưỡi, trong quá trình cắt ngoài
những đặc điểm giống quá trình cắt khi tiện, còn có những đặc điểm sau:
- Dao phay có một số lưỡi cắt cùng tham gia cắt, nên năng suất cắt khi
phay cao hơn khi bào.
- Lưỡi cắt của dao phay làm việc không liên tục, cùng với khối lượng
thân dao phay thường lớn nên điều kiện truyền nhiệt tốt.
- Diện tích cắt khi phay thay đổi, do đó lực cắt thay đổi gây rung động
trong quá trình cắt.
- Do lưỡi cắt làm việc gián đoạn, gây va đập và rung động, nên khả
năng tồn tại lẹo dao ít.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




17
1.2.2 Quá trình cắt khi phay
Quá trình cắt kim loại thực chất là sử dụng dụng cụ hình chêm để hớt đi
một lớp kim loại từ phôi. Lực tác dụng sinh ra do sự tương tác giữa dụng cụ
cắt và phôi, đối với phương pháp phay thì sự tương tác đó là chuyển động
quay của dao phay và sự cản trở lại chuyển động quay của phôi. Như vậy, lực
tác dụng phải đủ lớn để tạo ra trong kim loại bị cắt một ứng suất lớn hơn sức
bền của vật liệu gia công (khả năng liên kết giữa các tinh thể kim loại), đồng
thời phải thắng được lực cản do ma sát trong quá trình gia công bao gồm:

- Ma sát giữa các tinh thể kim loại khi trượt lên nhau;
- Ma sát giữa phoi và mặt trước của dao trong quá trình tạo phoi;
- Ma sát giữa bề mặt đã gia công với mặt sau của dao.
Quá trình hình thành phoi đã được nhiều tác giả như: Trent, Wright [4],
Zorev N.N và các đồng nghiệp [5], Doyle E.D [6], nghiên cứu với nhiều
cách tiếp cận khác nhau. Tất cả các nghiên cứu đó đều kết luận rằng khi
chịu tác dụng của lực, kim loại bị biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo rồi biến
dạng phá huỷ.

Hình 1. 2 Quá trình hình thành phoi [5]
Khi quá trình cắt xảy ra, trước tiên là các tinh thể kim loại bị dồn ép
(nén), khi lực tác dụng vượt quá giới hạn bền của vật liệu thì các tinh thể kim
loại bị trượt lên nhau và tách ra khỏi vật gia công tạo thành phoi. Quá trình
biến dạng đó xảy ra trong một vùng mà ta có thể gọi là vùng tạo phoi (giới

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




18
hạn bởi đường cong OA, OE, hình 1.2) [5]. Trong vùng này có những mặt
trượt OA, OB, OC, OD, OE. Vật liệu gia công trượt theo những mặt đó, các
tinh thể kim loại bị xếp chồng lên nhau. Tuỳ theo cấu trúc của vật liệu gia
công, chế độ cắt mà có thể tạo ra phoi vụn, phoi xếp hay phoi dây.
Như vậy, kết quả của biến dạng kim loại là tách ra khỏi phôi một phần
vật liệu, phần còn lại chính là chi tiết gia công. Tuy nhiên, do vùng biến dạng
của kim loại xảy ra ở cả phần vật liệu giữ lại (phía dưới điểm O) nên bề mặt
chi tiết sau khi gia công có tính chất khác hẳn trước khi gia công và thường có
độ cứng cao hơn. Hiện tượng đó chính là hiện tượng biến cứng lớp bề mặt.

Ngoài ra trong vùng cắt còn có rất nhiều hiện tượng vật lý khác xảy ra mà ta
sẽ nghiên cứu cụ thể ở các phần sau. Quá trình cắt kim loại khi phay về
nguyên tắc không khác quá trình cắt khi tiện. Ở đây tập trung nghiên cứu một
số hiện tượng xảy ra trong quá trình cắt. Lớp kim loại được cắt gọi là phoi, có
thể có nhiều dạng khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện gia công.
Theo giáo sư I.A.Time thì phoi có các dạng sau đây: Phoi dây, phoi xếp
và phoi vụn.
- Phoi vụn: Là phoi tồn tại ở dạng hạt, thường nhận được khi gia công vật liệu
có tính dẻo thấp như gang, đồng thau, hình 1.3a.

Hình 1. 3 Các dạng phoi khi gia công cắt gọt kim loại [5]
Quá trình biến dạng của vật liệu trong vùng cắt thường không qua giai
đoạn biến dạng dẻo (vì các vật liệu đó có tính dẻo rất thấp).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




19
Khi cắt tạo thành phoi vụn thì có một số đặc điểm như: Chiều cao nhấp
nhô bề mặt không cao, tính chất lớp bề mặt ít thay đổi, lực cắt không ổn định,
ít gây mất an toàn [5].
- Phoi xếp: Là phoi tồn tại ở dạng đoạn ngắn, mặt dưới của phoi (mặt
tiếp xúc với mặt trước của dao) nhẵn, mặt trên xù xì như răng cưa. Dạng phoi
này thường có khi gia công vật liệu dẻo như thép có lượng các bon thấp, được
gia công với chiều dày cắt lớn, vận tốc cắt không cao, hình 1.3b.
Khi cắt tạo thành phoi xếp có một số đặc điểm: Chiều cao nhấp nhô bề
mặt không cao lắm, bề mặt chi tiết gia công bị biến dạng dẻo nên có tính chất
cơ lý khác một ít so với tính chất của vật liệu gia công. Phoi xếp thu được sau

khi gia công thép, có độ cứng cao hơn độ cứng của vật liệu gia công từ 2÷3
lần. Điều đó chứng tỏ vật liệu đã được hoá bền ở mức độ cao.
- Phoi dây: Là phoi tồn tại ở dạng dây dài, bề dày không lớn. Tuỳ theo
vật liệu gia công, hình dáng hình học đầu dao và chế độ công nghệ mà phoi
tồn tại ở dạng dây dài hay xoắn lò xo. Dạng phoi này thường có khi gia công
vật liệu có tính dẻo với tốc độ cắt cao, hình 1.3c.
Khi cắt hình thành phoi dây có đặc điểm: Chiều cao nhấp nhô bề mặt
gia công cao, lực cắt đơn vị nhỏ và ít thay đổi. Tuy nhiên cần chú ý tìm biện
pháp bẻ phoi vì phoi dây đặc biệt là dây dài rất dễ gây mất an toàn [5].
Khi gia công các vật liệu có tính dẻo cao như thép và nhôm, trên mặt
trước của dao (ngay gần mũi dao) thường xuất hiện những lớp kim loại có cấu
trúc khác hẳn so với cấu trúc của phoi và vật liệu gia công. Lớp kim loại này
bám rất chắc vào dao và tham gia cắt gọt như một mũi dao vì nó có độ cứng
rất cao. Hiện tượng này còn được gọi là hiện tượng lẹo dao (built up edge).
Hiện tượng lẹo dao được phân tích xem xét dưới nhiều góc độ khác nhau
nhưng đều có điểm thống nhất chung về nguyên lý hình thành. Khi cắt, do
nhiệt phát sinh nên một lớp mỏng kim loại nằm giữa mặt trước của dao và
mặt dưới của phoi bị nóng chảy; lớp kim loại này hầu hết chuyển động theo
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




20
phoi ra ngoài. Tuy nhiên, do bề mặt dao không tuyệt đối nhẵn nên có lực ma
sát cản trở chuyển động đó làm cho nó di chuyển chậm lại và trong một điều
kiện nhất định, khi lực cản lớn hơn lực liên kết giữa lớp kim loại đó với phoi
thì nó bị giữ lại bám rất chắc vào mũi dao gây ra hiện tượng lẹo dao [5].
Chiều cao của lớp kim loại bám trên bề mặt càng ngày càng lớn nhưng nó
không tồn tại mãi mà đến một lúc nào đó nó lại bị cuốn theo phoi ra ngoài,

tiếp tục hình thành lớp kim loại bám tiếp theo.
Hiện tượng lẹo dao hình thành trong quá trình cắt có ưu điểm bảo vệ
đầu mũi dao và làm tăng khả năng thoát phoi (do góc trước của dao được tăng
lên). Tuy nhiên, sự xuất hiện lẹo dao lúc gia công có ảnh hưởng rất lớn đến
quá trình gia công và chất lượng bề mặt chi tiết. Lẹo dao làm thay đổi các
thông số hình học của dụng cụ cắt (góc cắt) do đó làm tăng lực cắt. Lực cắt
thay đổi, kéo theo các ảnh hưởng khác như tăng nhiệt cắt và rung độngDo đó,
mọi biện pháp để hạn chế sự xuất hiện của lẹo dao khi gia công tinh sẽ là yếu
tố rất quan trọng nhằm nâng cao chất lượng chi tiết gia công.
Để khử lẹo dao, cần phải mài bóng mặt trước của dao thật cẩn thận
hoặc thay đổi tốc độ cắt (thường thường tăng tới 30m/phút hoặc cao hơn),
đồng thời cũng có thể sử dụng dung dịch trơn nguội trong từng điều kiện gia
công cụ thể.
- Sự co rút phoi: Trong quá trình cắt phoi bị biến dạng và ngắn hơn so
với phần chi tiết được cắt ra. Hiện tượng phoi bị ngắn theo chiều dài được gọi
là sự co rút của phoi theo chiều dài. Thể tích của kim loại khi bị biến dạng
thực tế không thay đổi. Vì vậy, trong khi chiều dài của phoi giảm thì diện tích
tiết diện ngang của phoi tăng. Diện tích tiết diện ngang của phoi tăng được
gọi là sự co rút của phoi theo chiều ngang.
- Hiện tượng nhiệt trong quá trình cắt: Trong quá trình cắt chi tiết gia
công, dụng cụ cắt và phoi bị nung nóng. Khi tăng tốc độ cắt, đặc biệt là khi
cắt các phoi mỏng, nhiệt độ trong vùng cắt sẽ tăng tới 600oC. Nếu tốc độ cắt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




21
tiếp tục tăng, trong nhiều trường hợp phoi cắt sẽ bị nung nóng tới 900oC (màu
đỏ sáng). Nhiệt độ ở vùng cắt tăng là do có hiện tượng cơ năng chuyển thành

nhiệt năng trong quá trình cắt. Nhiệt cắt xuất hiện bằng sự chuyển đổi từ công
cắt, gần như tất cả công cần thiết trong quá trình cắt đều biến thành nhiệt trừ
công biến dạng đàn hồi và công kín (tổng của hai loại công này nhỏ, không
vượt quá 5%), phần còn lại chuyển thành nhiệt trong quá trình cắt. Khoảng 97
- 98% công suất cắt biến thành nhiệt. Khi sử dụng dung dịch trơn nguội thì
thông thường nhiệt độ cắt giảm nhanh vì ngoài tác dụng làm nguội, dung dịch
còn có tác dụng bôi trơn làm giảm ma sát trong quá trình cắt. Hiệu quả làm
nguội càng lớn thì nhiệt cắt càng giảm nhiều.
1.2.3 Các chuyển động cơ bản khi phay
Chuyển động cơ bản là các chuyển động để thực hiện quá trình cắt gọt,
hình thành các bề mặt chi tiết gia công, bao gồm:
- Chuyển động chính (chuyển động cắt): là chuyển động chủ yếu thực
hiện quá trình cắt tạo ra phoi, ký hiệu là V (m/phút) hoặc n (vòng/phút).
Chuyển động chính khi phay là chuyển động quay tròn của dao phay được
truyền dẫn qua trục chính.
- Chuyển động chạy dao S là chuyển động để thực hiện quá trình cắt
tiếp tục và cắt hết chiều dài chi tiết. Đó là chuyển động dọc, ngang hoặc thẳng
đứng của bàn máy phay có gá phôi. Chúng thường vuông góc với trục dao.
1.2.4 Các thành phần của lớp bề mặt bị cắt khi phay
Các thông số của yếu tố cắt và chế độ cắt khi phay bao gồm chiều sâu
lớp cắt to, lượng chạy dao S, vận tốc cắt V, chiều sâu phay t, chiều rộng phay
B, chiều dày cắt a. Khi phay các yếu tố này ảnh hưởng đến tuổi bền của dao,
chất lượng bề mặt gia công, công suất cắt và năng suất cắt.
- Chiều sâu cắt t: Chiều sâu cắt là kích thước lớp kim loại được cắt đi ứng
với một lần chuyển dao, đo theo phương vuông góc với bề mặt gia công (mm).
- Lượng chạy dao S: Được phân làm 3 loại:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

22
+ Lượng chạy dao răng Sz: là lượng dịch chuyển của bàn máy (mang
chi tiết gia công) sau khi dao quay được một góc răng (mm/răng).
+ Lượng chạy dao vòng Sv: là lượng dịch chuyển của bàn máy khi dao
quay được một vòng (mm/vòng). Sv= Sz.Z (1-1)
+ Lượng chạy dao phút Sph: là lượng dịch chuyển của bàn máy sau
thời gian 1 phút (mm/phút). Sph= Sz.Zn (1-2)
Tốc độ cắt: Tốc độ cắt khi phay được biểu diễn:

(1-3)

(1-4)
Dấu (+) ứng với trường hợp phay nghịch, dấu (-) ứng với trường hợp
phay thuận.
Trong đó: Vn= π.D.n/1000 (m/phút) (1-5)
Vs= SzZn(mm/phút) (1-6)
Thực tế giá trị Vs rất nhỏ so với Vn khi tính toán chế độ cắt người ta
thường bỏ qua lượng Vs, khi đó công thức 1-3 có dạng:
Vc= Vn= π.D.n/1000 (m/phút) (1-7)
- Chiều sâu phay t
Chiều sâu phay là kích thước lớp kim loại được cắt đi, đo theo phương
vuông góc với trục của dao phay ứng với góc tiếp xúc ψ
Khi phay rãnh bằng dao phay ngón thì chiều sâu phay bằng đường kính
dao, khi phay bề mặt vuông góc thì chiều sâu phay bằng chiều sâu cắt to.
- Chiều rộng phay B
Chiều rộng phay là kích thước lớp kim loại được cắt theo phương chiều
trục của dao phay.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

23
Khi phay bằng dao phay ngón thì chiều rộng phay bằng chiều sâu rãnh,
khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu thì chiều rộng phay bằng chiều
sâu cắt to (B = to).
- Góc tiếp xúc ψ Là góc ở tâm của dao chắn cung tiếp xúc t giữa dao và
chi tiết.
Khi phay bằng dao phay trụ, dao phay ngón, dao phay đĩa và dao phay
định hình góc tiếp xúc được tính theo công thức sau:

( 1- 8)

Hình 1. 4 Góc tiếp xúc khi phay bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón
Khi phay đối xứng bằng dao phay mặt đầu thì:

(1-9)

Khi phay không đối xứng bằng bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón thì:

(1-10)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




24

Hình 1. 5 Phay không đối xứng bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón
- Chiều dày cắt a khi phay
Chiều dày cắt khi phay là một trong những yếu tố quan trọng của quá
trình phay. Chiều dày cắt khi phay là khoảng cách giữa hai vị trí kế tiếp của
quỹ đạo chuyển động của một điểm trên lưỡi cắt ứng với lượng chạy dao răng
Sz. Coi gần đúng quỹ đạo chuyển động tương đối của lưỡi cắt là đường tròn,
do đó chiều dày cắt a được đo theo phương đường kính của dao. Trong qúa
trình phay, chiều dày cắt a biến đổi từ trị số amin đến amax hoặc từ amax đến
amin tuỳ theo phương pháp phay.

Hình 1. 6 Chiều dày cắt khi phay bằng dao phay ngón, dao phay mặt đầu
Chiều dày cắt tại điểm C: ac = AC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN