(Luận án tiến sĩ) 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

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các
số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong
bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác.

TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS Nguyễn Đức Toàn

GS.TSKH Bành Tiến Long

i

NGHIÊN CỨU SINH

Mạc Thị Bích


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới GS.TSKH.NGND Bành Tiến Long và
PGS.TS Nguyễn Đức Toàn, những người Thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên tôi, giúp
đỡ tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào
tạo (Trước là Viện Sau đại học), Viện Cơ khí, Bộ môn Gia công vật liệu và Dụng cụ công
nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Cơ khí, Trung tâm Hồng Hải – Foxconn, Trường Đại học
Công nghiệp Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi hoàn thành thực nghiệm
luận án này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Ban lãnh đạo Trường, Khoa Cơ khí, Bộ môn Tự động hóa thiết
kế công nghệ Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên đã tạo mọi điều kiện và
giúp đỡ tôi hoàn thành luận án.

Tôi xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ tôi.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình đã luôn bên cạnh, động viên, giúp đỡ tôi,
chia sẻ những khó khăn, chăm sóc con gái nhỏ để tôi hoàn thành luận án.

Hà Nội, ngày…. tháng… năm 2019
Nghiên cứu sinh

Mạc Thị Bích

ii


MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.......................................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................... x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................................ xii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG GIA NHIỆT ................................................. 5
1.1.

Lịch sử phát triển của gia công gia nhiệt ................................................................ 5

1.2.

Một số phương pháp gia nhiệt ................................................................................ 6

1.2.1

Gia nhiệt bằng dòng điện (Electricity – Assisted Machining - EAM) ............ 6

1.2.2

Gia nhiệt bằng laser (Laser - Assisted Machining – LAM) ............................ 6

1.2.3

Gia nhiệt bằng Plasma (Plasma - Enhanced Machining - PEM) ..................... 7

1.2.4

Gia nhiệt bằng lò nhiệt (Furnace heating – Assisted Machining – FAM)....... 8

1.2.5

Gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ (Induction heating - Assisted Machining -

IAM)

………………………………………………………………………………..8

1.2.6

Thuận lợi và khó khăn của các phương pháp gia nhiệt ................................... 8

1.3

Gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ .............................................................................. 9

1.3.1

Nguyên tắc ....................................................................................................... 9

1.3.2

Nguyên lý gia nhiệt ....................................................................................... 10

1.3.3

Thiết kế cuộn dây cảm ứng............................................................................ 13

1.3.4

Mô hình toán học trường điện từ ................................................................... 16

1.3.5

Mô hình toán học quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ ......................... 18

1.4

Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về gia công gia nhiệt........ 20

1.4.1

Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước ................................................. 20

1.4.2

Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước ................................................. 21

1.5

Kết luận ................................................................................................................. 36

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ VẬT LÝ QUÁ TRÌNH GIA CÔNG GIA NHIỆT ........................... 37
2.1

Cấu tạo và biến dạng mạng tinh thể kim loại........................................................ 37

2.1.1

Cấu tạo mạng tinh thể kim loại...................................................................... 37

2.1.2

Sự biến đổi hình dáng hạt tinh thể trong quá trình biến dạng ....................... 40

2.2

Sự hình thành phoi khi gia công gia nhiệt ............................................................ 40

2.2.1 Quá trình hình thành phoi.................................................................................... 40
iii


2.2.2 Các dạng phoi ...................................................................................................... 43
2.2.3 Sự biến dạng trong quá trình tạo phoi ................................................................. 45
2.2.4 Hệ số co rút phoi ................................................................................................. 48
2.3 Động lực học quá trình phay trong môi trường gia nhiệt .......................................... 48

2.3.1 Mô hình lực trong quá trình tạo phoi khi phay trong môi trường gia nhiệt ........ 48
2.3.2 Mô hình lực cắt khi gia công gia nhiệt ................................................................ 54
2.4 Kết luận chương 2 ...................................................................................................... 60
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH GIA
NHIỆT ĐẾN TÍNH GIA CÔNG VẬT LIỆU...................................................................... 61
THÉP SKD11 ...................................................................................................................... 61
3.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm ......................................................................................... 61
3.2 Thiết lập thực nghiệm ................................................................................................ 62
3.2.1 Vật liệu thí nghiệm .............................................................................................. 62
3.2.2 Phôi thí nghiệm ................................................................................................... 65
3.2.3 Máy phay đứng.................................................................................................... 65
3.2.4 Dụng cụ cắt.......................................................................................................... 66
3.2.5 Thiết bị gia nhiệt cảm ứng điện từ ...................................................................... 66
3.2.6 Nhiệt kế ............................................................................................................... 66
3.3 Ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến tổ chức tế vi và độ cứng vật liệu sau gia nhiệt
......................................................................................................................................... 67
3.3.1 Ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến tổ chức tế vi vật liệu ............................. 68
3.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến độ cứng vật liệu sau gia nhiệt ......................... 70
3.4 Ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến hình thái hình học phoi khi gia công gia nhiệt
thép SKD11...................................................................................................................... 70
3.4.1 Sự hình thành phoi khi gia công gia nhiệt thép SKD11 ...................................... 71
3.4.2 Ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến hình thái hình học phoi khi gia công gia
nhiệt thép SKD11 ......................................................................................................... 72
3.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến lực cắt khi gia công gia nhiệt thép
SKD11 ............................................................................................................................. 74
3.5.1 Thiết bị đo lực cắt................................................................................................ 74
3.5.2 Ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến lực cắt khi gia công gia nhiệt thép SKD11
...................................................................................................................................... 74
3.6 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến hệ số co rút phoi khi gia công gia
nhiệt thép SKD11............................................................................................................. 76

iv


3.6.1 Phương pháp xác định hệ số co rút phoi khi gia công gia nhiệt thép SKD11 ..... 77
3.6.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến hệ số co rút phoi khi gia công
gia nhiệt thép SKD11 ................................................................................................... 79
3.7 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến độ nhám bề mặt khi gia công gia
nhiệt thép SKD11............................................................................................................. 80
3.7.1 Thiết bị đo độ nhám bề mặt ................................................................................. 80
3.7.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến độ nhám bề mặt khi gia công
gia nhiệt thép SKD11 ................................................................................................... 81
3.8 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến rung động khi gia công gia nhiệt
thép SKD11...................................................................................................................... 83
3.8.1 Thiết bị đo rung động quá trình cắt ..................................................................... 83
3.8.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến rung động khi gia công thép
SKD11 .......................................................................................................................... 83
3.9 Kết luận chương 3 ...................................................................................................... 87
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC
THAM SỐ ĐẦU VÀO VÀ CÁC THÔNG SỐ ĐẦU RA.................................................. 89
4.1 Thiết kế thực nghiệm ................................................................................................. 90
4.1.1 Phương pháp Taguchi ......................................................................................... 90
4.1.2 Lựa chọn các thông số đầu vào ........................................................................... 91
4.1.3 Một số khái niệm ................................................................................................. 92
4.1.4 Thiết kế thực nghiệm........................................................................................... 94
4.2 Điều kiện thí nghiệm .................................................................................................. 96
4.3 Kết quả nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến lực cắt khi gia
công thông thường và khi gia công gia nhiệt thép SKD11 .............................................. 96
4.3.1 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến lực cắt khi gia công
thông thường thép SKD11 ........................................................................................... 96
4.3.2 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến lực cắt khi gia công

thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng từ ........................................... 98
4.4 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến hệ số co rút phoi khi gia
công thông thường và khi gia công gia nhiệt thép SKD11 ............................................ 106
4.4.1 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến hệ số co rút phoi khi
gia công thông thường thép SKD11 ........................................................................... 106
4.4.2 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến hệ số co rút phoi khi
gia công thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng từ .......................... 108
v


4.5 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt khi gia
công thông thường và khi gia công gia nhiệt thép SKD11 ............................................ 112
4.5.1 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt khi
gia công thông thường thép SKD11 ........................................................................... 112
4.5.2 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt khi
gia công thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ .................. 114
4.6 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến rung động quá trình cắt
khi gia công thông thường và khi gia công gia nhiệt thép SKD11 ................................ 118
4.6.1 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến rung động quá trình
cắt khi gia công thông thường thép SKD11 ............................................................... 118
4.6.2 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến biên độ rung động khi
gia công thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ .................. 121
4.7 Kết luận chương 4 .................................................................................................... 124
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 126
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 127
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 133
PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 134

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Diễn giải

TAM
LAM
PEM
EAM

Thermal – Assisted Machining – Gia công hỗ trợ bằng nhiệt
Laser – Assisted Machining – Gia công gia nhiệt bằng tia laser
Plasma Enhanced Machining – Gia công gia nhiệt bằng plasma
Electricity – Assisted Machining – Gia công gia nhiệt bằng
dòng điện
Induction heating - Assisted Machining – Gia công gia nhiệt
bằng cảm ứng từ
Furnace heating – Assisted Machining – FAM – Gia công gia
nhiệt bằng lò nhiệt
Finite Element Method – Phương pháp phần tử hữu hạn
Computer Numerical Control – Điều khiển số có sự trợ giúp
của máy tính
Vận tốc cắt
Lượng chạy dao phút
Lượng chạy dao răng
Chiều sâu cắt
Lực cắt thành phần theo các phương X, Y, Z
Hệ số co rút phoi
Biên độ rung động quá trình cắt

Độ nhám bề mặt
Biến dạng cắt
Ứng suất tiếp trong miền tạo phoi
Ứng suất pháp
Ứng suất cắt
Chiều sâu thâm nhập của trường điện từ
Điện trở suất của dòng điện
Độ thẩm từ của môi trường phụ thuộc bản chất kim loại
Tần số dòng điện
Cường độ điện trường
Độ điện tích (điện cảm)
Cường độ từ trường
Véc tơ cảm ứng từ
Mật độ dòng điện
Độ điện thẩm của môi trường
Hằng số từ môi của môi trường
Độ dẫn điện của vật liệu
Độ điện thẩm của chân không
Độ từ thẩm của chân không
Tỷ trọng của kim loại
Nhiệt dung riêng

IAM
FAM
FEM
CNC
V, Vc
f
ft
t

FX, FY, FZ
K
AXY
Ra
ξ
τk
σ
τc
δ
ρ
μ
fe
E
De
H
B
J
ε
µr
σm
εo
µo
γm
c

vii

Đơn vị

m/phút

mm/phút
mm/răng
mm
N
dB
μm
MPa
MPa
MPa
mm
Ωm
H/m
Hz
V/m
C/m2
A/m
Tesla
A/m2
F/m
S/m
F/m
H/m
J/(kg·K)


k
Q

T n
λ

CS
QS
n
Ai(ϕ)
C(θ,(ϕ))
Ac
ae
D
ϕ’
Fa (i,ϕ’)
FA(i,ϕ’)
Fr (i,ϕ’)
FR(i,ϕ’)
Ft (i,ϕ’)
FT(i,ϕ’)
FX(ϕ’)
FY(ϕ’)
FZ(ϕ’)
ANOVA
SSE
SST
SSA
S/N
MSD
α
γ
φ, ϕ
α1
θ
FR

FT
KR

Độ dẫn nhiệt
Nguồn nhiệt cảm ứng được tạo ra bởi dòng điện xoáy trên một
đơn vị thời gian trong một đơn vị thể tích
Gradien nhiệt độ theo hướng pháp tuyến với bề mặt tại điểm xét
Hệ số truyền nhiệt
Hệ số tổn thất nhiệt bức xạ
Tổn thất nhiệt bề mặt
Ký hiệu bề mặt biên
Diện tích lớp phoi chưa cắt của lưỡi cắt thứ i tại góc ϕ
Độ dày phoi tức thời của lưỡi cắt thứ i tại góc cắt ϕ
Diện tích mặt cắt ngang phoi chưa biến dạng
Chiều rộng phôi
Đường kính dao phay
Góc quay của lưỡi cắt
Lực dọc trục tác dụng lên lưỡi cắt thứ i tại góc ϕ’ trong hệ trục
tọa độ a-b-c
Lực dọc trục tác dụng lên lưỡi cắt thứ i tại góc ϕ’ trong hệ trục
tọa độ X-Y-Z
Lực hướng tâm tác dụng lên lưỡi cắt thứ i tại góc ϕ’ trong hệ
trục tọa độ a-b-c
Lực hướng tâm tác dụng lên lưỡi cắt thứ i tại góc ϕ’ trong hệ
trục tọa độ X-Y-Z
Lực tiếp tuyến tác dụng lên lưỡi cắt thứ i tại góc ϕ’ trong hệ
trục tọa độ a-b-c
Lực tiếp tuyến tác dụng lên lưỡi cắt thứ i tại góc ϕ’ trong hệ
trục tọa độ X-Y-Z
Lực cắt tức thời theo phương X của lưỡi cắt tại góc ϕ’

Lực cắt tức thời theo phương Y của lưỡi cắt tại góc ϕ’
Lực cắt tức thời theo phương Z của lưỡi cắt tại góc ϕ’
Analysis of Variance – Phân tích phương sai
Error Sum of Squares – Tổng bình phương sai số
Total Sum of Squares – Tổng bình phương
Tổng bình phương của tham số điều khiển A
Signal – to – Noise ratio – Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
Bình phương độ lệch
Góc sau
Góc trước
Góc trượt
Hệ số khuếch tán nhiệt
Nhiệt độ tại điểm khảo sát M(x,y,z)
Lực cắt trung bình khi gia công thông thường
Lực cắt trung bình khi gia công gia nhiệt bằng cảm ứng từ
Hệ số co rút phoi khi gia công thông thường
viii

J

K-1
J
mm2
mm
mm2
mm
mm
o

N

N
N
N
N
N
N
N
N

o
o
o

o

N
N


KT
Ra-R
Ra-T
AXY-R
AXY-T

Hệ số co rút phoi khi gia công gia nhiệt bằng cảm ứng từ
Độ nhám bề mặt khi gia công thông thường
Độ nhám bề mặt khi gia công gia nhiệt bằng cảm ứng từ
Biên độ rung động khi gia công thông thường
Biên độ rung động khi gia công gia nhiệt

ix

μm
μm
dB
dB


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. 1. Thuận lợi và khó khăn của các phương pháp gia nhiệt [62] ................................ 9
Bảng 1. 2 Điện trở suất của các kim loại khác nhau [38] .................................................... 13
Bảng 1.3. Hiệu quả của các phương pháp thiết kế cuộn dây cảm ứng [86] ........................ 15
Bảng 1. 4 Tóm tắt một số nghiên cứu về gia công gia nhiệt ............................................... 33
Bảng 3. 1 Thành phần hóa học của thép hợp kim SKD11, % khối lượng [79] .................. 62
Bảng 3. 2 Đặc tính vật lý và các hệ số mô hình Johnson-Cook [81]................................... 62
Bảng 3. 3 Ứng suất đàn hồi, ứng suất và biến dạng lớn nhất thép SKD11 với khoảng nhiệt
độ từ 20oC đến 800oC, tốc độ biến dạng từ 0,01s-1 đến 1x104s-1 ........................................ 64
Bảng 3. 4 Thông số mảnh hợp kim cứng APKT 1604PDR – GM ...................................... 66
Bảng 3. 5 Kết quả đo độ cứng trên các mẫu thí nghiệm...................................................... 70
Bảng 3. 6 Lực cắt trung bình khi gia công thông thường và gia công gia nhiệt.................. 75
Bảng 3. 7 Giá trị và độ giảm lực cắt tại các điều kiện gia công khác nhau ......................... 76
Bảng 3. 8 Giá trị và độ tăng hệ số co rút phoi tại các điều kiện gia nhiệt khác nhau .......... 80
Bảng 3. 9 Giá trị và độ giảm độ nhám bề mặt khi phay tại các điều kiện nhiệt độ khác nhau
............................................................................................................................................. 82
Bảng 3. 10 Giá trị và độ giảm biên độ rung động khi phay tại các điều kiện nhiệt độ khác
nhau ..................................................................................................................................... 87
Bảng 4. 1 Kiểu đặc tính chất lượng các chỉ tiêu đánh giá ................................................... 93
Bảng 4. 2 Tham số điều khiển và các mức độ ..................................................................... 94
Bảng 4. 3 Mảng trực giao L9 khi gia công thông thường tại nhiệt độ phòng ..................... 94

Bảng 4. 4 Ma trận thí nghiệm khi gia công thông thường tại nhiệt độ phòng ..................... 95
Bảng 4. 5 Mảng trực giao L9 khi gia công gia nhiệt ........................................................... 95
Bảng 4. 6 Ma trận thí nghiệm khi gia công gia nhiệt .......................................................... 95
Bảng 4. 7 Kết quả thí nghiệm lực cắt khi gia công thông thường thép SKD11 .................. 96
Bảng 4. 8 Tỷ số S/N cho mỗi mức độ khi gia công thông thường ...................................... 96
Bảng 4. 9 Hệ số và số mũ của mô hình lực cắt khi gia công thông thường ........................ 97
Bảng 4. 10 Sai số lực cắt xác định từ mô hình khi so sánh với dữ liệu thực nghiệm gia công
thông thường ........................................................................................................................ 98
Bảng 4. 11 Mảng trực giao L9 và giá trị lực cắt khi gia công gia nhiệt .............................. 99
Bảng 4. 12 Kết quả ANOVA cho lực cắt FT ....................................................................... 99
Bảng 4. 13 Tỷ lệ trung bình độ giảm lực cắt ..................................................................... 100
Bảng 4. 14 Phân tích sai số lực cắt xác định theo phương pháp tỷ lệ trung bình .............. 101
Bảng 4. 15 Hệ số và số mũ của mô hình lực cắt khi gia công gia nhiệt ............................ 101
Bảng 4. 16 Phân tích sai số lực cắt xác định theo phương pháp Gauss - Newton............. 102
Bảng 4. 17 Tỷ lệ S/N lực cắt xác định theo các phương pháp khác nhau ........................ 103
Bảng 4. 18 Tỷ lệ S/N trung bình cho mỗi mức nhiệt độ.................................................... 103
Bảng 4. 19 Phân tích phương sai kết quả lực cắt xác định từ các mô hình ....................... 104
x


Bảng 4. 20 Độ giảm lực cắt thực nghiệm tại các thí nghiệm khác nhau ........................... 105
Bảng 4. 21 Mảng trực giao L9 và kết quả hệ số co rút phoi khi gia công thông thường .. 106
Bảng 4. 22 Tỷ số S/N mỗi mức độ cho chỉ tiêu hệ số co rút phoi khi gia công thông thường
........................................................................................................................................... 106
Bảng 4. 23 Hệ số và số mũ của mô hình hệ số co rút phoi khi gia công thông thường .... 107
Bảng 4. 24 Sai số mô hình hệ số co rút phoi khi gia công thông thường .......................... 108
Bảng 4. 25 Mảng trực giao L9 và kết quả hệ số co rút phoi khi gia công gia nhiệt .......... 109
Bảng 4. 26 Kết quả ANOVA cho hệ số co rút phoi KT ..................................................... 109
Bảng 4. 27 Hệ số và số mũ của mô hình hệ số co rút phoi khi gia công gia nhiệt ............ 110
Bảng 4. 28 Sai số mô hình hệ số co rút phoi khi so sánh với dữ liệu thực nghiệm ........... 110

Bảng 4. 29 Độ tăng hệ số co rút phoi tại các thí nghiệm khác nhau ................................. 111
Bảng 4. 30 Mảng trực giao L9 và kết quả độ nhám bề mặt khi gia công thông thường ... 112
Bảng 4. 31 Tỷ số S/N mỗi mức độ cho chỉ tiêu độ nhám bề mặt khi gia công thông thường
........................................................................................................................................... 112
Bảng 4. 32 Hệ số và số mũ của mô hình độ nhám bề mặt khi gia công thông thường ..... 113
Bảng 4. 33 Sai số mô hình độ nhám bề mặt khi gia công thông thường ........................... 113
Bảng 4. 34 Mảng trực giao L9 và kết quả độ nhám bề mặt khi gia công gia nhiệt ........... 115
Bảng 4. 35 Kết quả ANOVA cho độ nhám bề mặt RaT .................................................... 115
Bảng 4. 36 Hệ số và số mũ của mô hình hệ số co rút phoi khi gia công gia nhiệt ............ 116
Bảng 4. 37 Sai số mô hình độ nhám bề mặt khi so sánh với dữ liệu thực nghiệm ............ 116
Bảng 4. 38 Độ tăng hệ số co rút phoi tại các thí nghiệm khác nhau ................................. 117
Bảng 4. 39 Mảng trực giao L9 và kết quả biên độ rung động khi gia công thông thường118
Bảng 4. 40 Tỷ số S/N mỗi mức độ cho chỉ tiêu độ nhám bề mặt khi gia công thông thường
........................................................................................................................................... 119
Bảng 4. 41 Hệ số và số mũ của mô hình biên độ rung động khi gia công thông thường .. 120
Bảng 4. 42 Sai số mô hình biên độ rung động khi gia công thông thường ....................... 120
Bảng 4. 43 Mảng trực giao L9 và kết quả biên độ rung động khi gia công gia nhiệt ....... 121
Bảng 4. 44 Kết quả ANOVA cho biên độ rung động quá trình cắt AXY-T ........................ 122
Bảng 4. 45 Hệ số và số mũ của mô hình biên độ rung động khi gia công gia nhiệt ......... 122
Bảng 4. 46 Sai số mô hình độ nhám bề mặt khi so sánh với dữ liệu thực nghiệm ............ 123

xi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1. 1 Mối quan hệ giữa độ bền cơ học phụ thuộc nhiệt độ một số loại vật liệu khác
nhau [78] ................................................................................................................................ 5
Hình 1.2. Điều chỉnh vị trí tương đối giữa chùm laze, phôi và dụng cụ cắt (a); Các thành
phần lực cắt thay đổi theo thời gian trong suốt quá trình gia công (b) [70] .......................... 7
Hình 1.3. Sơ đồ máy gia nhiệt Plasma [49] ........................................................................... 8

Hình 1. 4. Thiết lập thí nghiệm gia công gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ .......................... 10
Hình 1.5. Một số cách bố trí cuộn dây cảm ứng [38] .......................................................... 11
Hình 1. 6 Sự thay đổi lượng hấp thụ nhiệt của phôi khi nhiệt độ thay đổi [38] .................. 12
Hình 1. 7. Nhiệt độ Curie các loại thép phụ thuộc phần trăm khối lượng Cacbon vật liệu
[38] ...................................................................................................................................... 12
Hình 1.8. Thiết kế cuộn dây cảm ứng ảnh hưởng đến độ tự cảm [86] ................................ 14
Hình 1.9. Các kiểu thiết kế cuộn dây để nung các chi tiết có hình dáng khác nhau [86] .... 15
Hình 1.10. Các kiểu cấu hình cuộn dây cảm ứng ................................................................ 16
Hình 1. 11 Hình thái hình học phoi khi a) Gia công thông thường b) LAM tại tốc độ cắt
thấp c) LAM tại tốc độ cắt cao [72] .................................................................................... 21
Hình 1. 12 Đặc điểm hình học phoi phân đoạn [72]............................................................ 22
Hình 1. 13 Mặt cắt ngang phoi được tạo thành khi a) c) và e) là gia công thông thường; b)
d) f) là gia công gia nhiệt bằng laser với P = 1380 W tại các tốc độ cắt khác nhau [72] .... 22
Hình 1. 14 Hình thái hình học phoi trong cùng điều kiện cắt khi phay với mảnh cắt quay
không phủ WC – C tại các nhiệt độ khác nhau (a) – nhiệt độ phòng, (b) 315oC, (c) 450oC,
(d) 650oC [59] ...................................................................................................................... 23
Hình 1. 15 Hình thái hình học phoi khi gia công tại 250oC và 750oC [17] ......................... 24
Hình 1. 16 Các mẫu kiểm chứng 5, 6, 7 và đường dẫn biến dạng khi mô phỏng ............... 25
Hình 1. 17 Phoi phân đoạn tại tốc độ cắt thấp V = 1,2 m/phút ........................................... 26
Hình 1. 18 Phoi phân đoạn tại tốc độ cắt trung bình V = 120m/phút .................................. 26
Hình 1. 19 Phoi phân đoạn tại tốc độ cắt cao V = 600 m/phút ............................................ 26
Hình 1. 20 Mô hình đường cong biến dạng phá hủy của mô hình J - C và mô hình B – W 27
Hình 1. 21 Ảnh hưởng của lực cắt giữa mô phỏng và thực nghiệm khi phay cao tốc hợp
kim nhôm A6061 tại các tốc độ cắt khác nhau [4] .............................................................. 27
Hình 1. 22 Hình thái hình học của phoi tạo thành khi phay hợp kim nhôm A6061 giữa mô
phỏng và thực nghiệm [4] .................................................................................................... 28
Hình 1. 23 Trường nhiệt độ a) Không gia nhiệt b) Gia nhiệt .............................................. 29
Hình 1. 24 Kết quả sự phân bố nhiệt trong vùng cắt sơ cấp ................................................ 30
Hình 1. 25 Trường ứng suất trong vùng cắt thứ cấp a) Không gia nhiệt b) Có gia nhiệt .... 30
Hình 1. 26 Phạm vi ứng xử vật liệu hợp kim Ti - 5553 ...................................................... 31

Hình 1. 27 Mòn mặt trước (a) và mòn mặt sau (b) .............................................................. 32
Hình 2.1. Các kiểu mạng tinh thể ........................................................................................ 37
xii


Hình 2. 2 Cấu trúc BCC và FCC: o = γ-Fe, • là nguyên tử Cacbon .................................... 38
Hình 2. 3. Biểu đồ nung nóng và làm nguội sắt nguyên chất .............................................. 39
Hình 2. 4. Giản đồ pha Fe – C (nung nóng và làm nguội chậm) [58] ................................. 39
Hình 2. 5 Sự kéo dài các hạt từ dạng tròn sang dạng elip theo mặt trượt [20] .................... 40
Hình 2. 6 Sơ đồ hóa miền tạo phoi [20] .............................................................................. 41
Hình 2. 7 Sự hình thành phoi khi gia công cắt gọt kim loại [59] ........................................ 41
Hình 2. 8 Đường cong ứng suất - biến dạng vật liệu dụng cụ và vật liệu phôi [59]............ 42
Hình 2. 9 Các dạng phoi hình thành trong quá trình cắt [60] .............................................. 43
Hình 2. 10 Mô hình vùng biến dạng .................................................................................... 44
Hình 2. 11 Mô hình mặt phẳng trượt và vận tốc trượt [60] ................................................. 45
Hình 2. 12 Sự biến dạng nén, kéo và trượt [60] .................................................................. 46
Hình 2. 13 Hình học biến dạng trong quá trình cắt trực giao [60] ...................................... 47
Hình 2. 14 Sự thay đổi hình dạng tổng thể trong quá trình cắt [60] .................................... 47
Hình 2. 15 Mô hình mặt cắt ................................................................................................. 49
Hình 2. 16. Sơ đồ lực gốc (a) và đã hiệu chỉnh (b).............................................................. 50
Hình 2. 17 Cách xác định hệ số co rút phoi [66] ................................................................. 52
Hình 2. 18 Các thuật ngữ sử dụng trong gia công cắt gọt a) Quá trình tiện b) Thông số hình
học lưỡi cắt dụng cụ ............................................................................................................ 53
Hình 2. 19 Thành phần lực cắt khi phay phẳng [68] ........................................................... 55
Hình 2. 20 Thành phần lực tác dụng lên 1 răng cắt ............................................................. 57
Hình 2. 21 Lực cắt thành phần tác dụng lên lưỡi cắt thứ 1 và thứ 2 với góc quay ϕm ........ 59
Hình 3. 1 Sơ đồ thí nghiệm.................................................................................................. 61
Hình 3. 2 Hình ảnh thí nghiệm ............................................................................................ 61
Hình 3. 3 Đường cong ứng suất - biến dạng thép SKD11 tại các nhiệt độ khác nhau
a)

20oC b) 300oC c) 600oC d) 800oC [22] ................................................................................ 63
Hình 3. 4 Sự biến đổi của (a) ứng suất và (b) độ nhạy nhiệt độ khi nhiệt độ là hàm của tốc
độ biến dạng với biến dạng bằng 0,05 s-1 và 0,1 s-1 [22] ..................................................... 65
Hình 3. 5 Mẫu phôi thí nghiệm ........................................................................................... 65
Hình 3. 6 Máy phay MC500 ................................................................................................ 65
Hình 3. 7 Mảnh hợp kim cứng APKT 1604PDR – GM ...................................................... 66
Hình 3. 8 Thiết bị gia nhiệt cảm ứng từ............................................................................... 66
Hình 3. 9 Mối quan hệ giữa nhiệt độ phôi và thời gian gia nhiệt trong môi trường cảm ứng
từ cho thép SKD11 .............................................................................................................. 67
Hình 3. 10 Mẫu thí nghiệm sau nung tại các nhiệt độ khác nhau ........................................ 68
Hình 3. 11 Kính hiển vi quang học Axiovert 25 CA và máy tính phân tích kết quả .......... 68
Hình 3. 12 Hình ảnh chụp cấu trúc tế vi vật liệu thép SKD11 với độ phóng đại 1000 lần . 69
Hình 3. 13 Máy đo độ cứng Brinell ..................................................................................... 70
Hình 3. 14 Lỗ trống hình thành, phát triển và hợp nhất [16]............................................... 71
Hình 3. 15 Sự hình thành phoi dựa trên cơ chế vết nứt tế vi [16] ....................................... 72
xiii


Hình 3. 16 Hình ảnh phoi khi gia công tại (a) nhiệt độ phòng, (b) tại 200oC, (c) tại 300oC,
(d) tại 400oC ........................................................................................................................ 73
Hình 3. 17 Hệ thống đo lực ................................................................................................. 74
Hình 3. 18 Đồ thị lực cắt tại nhiệt độ phòng và nhiệt độ cao .............................................. 75
Hình 3. 19 Đồ thị lực cắt tại các nhiệt độ khác nhau ........................................................... 76
Hình 3. 20 Hệ thống ATOS Scanport .................................................................................. 77
Hình 3. 21 Kết quả đo chiều dài phoi .................................................................................. 78
Hình 3. 22 Cân tiểu ly AND HR - 200 ................................................................................ 79
Hình 3. 23 Hệ số co rút phoi tại các thí nghiệm gia nhiệt khác nhau .................................. 80
Hình 3. 24 Thiết bị đo nhám và vị trí đo ............................................................................. 81
Hình 3. 25 Hình ảnh nhám khi gia công thông thường và gia công gia nhiệt tại 200oC ..... 82
Hình 3. 26 Độ nhám bề mặt khi phay tại các điều kiện nhiệt độ khác nhau ....................... 82

Hình 3. 27 Thiết bị đo rung động quá trình cắt ................................................................... 83
Hình 3. 28 Giao diện phân tích Modal testing [2] ............................................................... 84
Hình 3. 29 Kết quả phân tích Modal testing [2] .................................................................. 85
Hình 3. 30 Kết quả phân tích rung động máy ở trạng thái không tải .................................. 85
Hình 3. 31 Kết quả đo rung động khi gia công tại nhiệt độ phòng...................................... 86
Hình 3. 32 Kết quả đo rung động khi gia công gia nhiệt..................................................... 86
Hình 3. 33 Biên độ rung động khi gia công tại các điều kiện nhiệt độ khác nhau .............. 87
Hình 4. 1 Thông số đầu vào và đầu ra quá trình gia công gia nhiệt thép SKD11 ............... 89
Hình 4. 2 Vật tư phục vụ thí nghiệm ................................................................................... 90
Hình 4. 3 Sơ đồ thiết kế thực nghiệm theo phương pháp mảng trực giao Taguchi ............. 91
Hình 4. 4 Ảnh hưởng của các tham số điều khiển đến tỷ số S/N cho chỉ tiêu lực cắt khi gia
công thông thường ............................................................................................................... 97
Hình 4. 5 Mối quan hệ giữa FR và thông số công nghệ khi gia công thông thường ........... 98
Hình 4. 6 Ảnh hưởng của các tham số điều khiển đến tỷ số S/N cho chỉ tiêu lực cắt khi gia
công gia nhiệt ...................................................................................................................... 99
Hình 4. 7 Phương trình và đồ thị f(T) ................................................................................ 100
Hình 4. 8 Lực cắt dự đoán từ mô hình và so sánh với thực nghiệm .................................. 104
Hình 4. 9 Mối quan hệ giữa FT với V, f, t khi gia công tại các nhiệt độ cao khác nhau.... 105
Hình 4. 10 Lực cắt khi gia công thông thường và gia công gia nhiệt tại các thí nghiệm khác
nhau ................................................................................................................................... 105
Hình 4. 11 Ảnh hưởng của các tham số công nghệ đến tỷ số S/N cho chỉ tiêu hệ số co rút
phoi khi gia công thông thường ......................................................................................... 107
Hình 4. 12 Mối quan hệ giữa KR và thông số chế độ cắt khi gia công thông thường ....... 108
Hình 4. 13 Ảnh hưởng của tỷ số S/N các tham số điều khiển đến chỉ tiêu đánh giá KT ... 109
Hình 4. 14 Đồ thị hệ số co rút phoi phụ thuộc thông số công nghệ khi gia công gia nhiệt
........................................................................................................................................... 111

xiv

Hình 4. 15 Hệ số co rút phoi khi gia công thông thường và gia công gia nhiệt tại các nhiệt
độ khác nhau ...................................................................................................................... 111
Hình 4. 16 Đồ thị đánh giá độ chính xác của mô hình độ nhám bề mặt RaR .................... 114
Hình 4. 17 Mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và các thông số công nghệ khi gia công
thông thường ...................................................................................................................... 114
Hình 4. 18 Ảnh hưởng của tỷ số S/N các tham số điều khiển đến chỉ tiêu đánh giá RaT . 115
Hình 4. 19 Đồ thị đánh giá độ chính xác mô hình RaT ...................................................... 116
Hình 4. 20 Đồ thị độ nhám bề mặt phụ thuộc thông số công nghệ khi gia công gia nhiệt 117
Hình 4. 21 Độ nhám bề mặt khi gia công thông thường và gia công gia nhiệt ................. 118
Hình 4. 22 Ảnh hưởng của tỷ số S/N các thông số công nghệ đến biên độ rung động quá
trình cắt khi gia công thông thường ................................................................................... 119
Hình 4. 23 Mối quan hệ giữa biên độ rung động quá trình cắt và các thông số công nghệ
khi gia công thông thường ................................................................................................. 121
Hình 4. 24 Ảnh hưởng tỷ số S/N của các tham số điều khiển đến chỉ tiêu đánh giá AXY-T
........................................................................................................................................... 122
Hình 4. 25 Đồ thị biên độ rung động phục thuộc thông số công nghệ khi gia công gia nhiệt
........................................................................................................................................... 123
Hình 4. 26 Đồ thị biên độ rung động khi gia công thông thường và gia công gia nhiệt ... 124

xv


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Trong ngành kỹ thuật cơ khí, khi gia 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 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].

1


Tăng năng suất và chất lượng sản phẩm luôn là mục tiêu hàng đầu của nhà sản xuất.
Chính vì vậy, thiết kế tối ưu hóa 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 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 (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;

2


•

•

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.
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 phay thông thường và khi phay có gia nhiệt thép SKD11.
Đã đề xuất một phương pháp mới xác định mô hình lực cắt khi phay có gia nhiệt
thép SKD11 thông qua mô hình lực cắt khi phay 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.

3


5. Những đóng góp mới của luận án
Những kết quả chính và cũng là những đóng góp mới của luận án như sau:
− Đã nâng cao được độ chính xác khi xác định hệ số co rút phoi thông qua xây dựng
phương pháp xác định chiều dài phoi từ phương pháp đo tiếp xúc thủ công đến

phương pháp quét 3D và xử lý dữ liệu bằng phần mềm chuyên dụng.
− Đã phân tích, làm rõ hiệu quả và khả năng ứng dụng vào thực tiễn sản xuất của
phương pháp gia công gia nhiệt trong việc giảm nhiệt cắt, giảm lực cắt, giảm rung
động quá trình cắt, giảm độ nhám bề mặt khi phay thép SKD11 và so sánh với
phương pháp gia 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.

4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG GIA NHIỆT
1.1. Lịch sử phát triển của gia công gia nhiệt
Sự ra đời và sử dụng rộng rãi các vật liệu chịu lực, chịu nhiệt cao, vật liệu khó cắt
gọt đã làm gia tăng những khó khăn trong sản xuất. Một giải pháp được đề xuất để khắc
phục những khó khăn đó là gia công có sự hỗ trợ của nhiệt độ cao hay còn gọi là gia công
gia nhiệt hoặc gia công nóng.
Ý tưởng đầu tiên về phương pháp gia công này được xây dựng bởi Tiến sĩ
H.W.Gillett vào năm 1944. Các kết quả nghiên cứu ban đầu chỉ ra rằng nhiệt độ cao đã cải
thiện tính năng cắt gọt của vật liệu. Nghiên cứu được tài trợ bởi công ty Warner và Swasey
tại Viện Battelle Memorial từ tháng 3 năm 1945 đến tháng 11 năm 1946 với nội dung “Gia
công kim loại tại nhiệt độ cao” [2].
Ngày nay, gia công gia nhiệt càng được biết đến và sử dụng rộng rãi như là một
phương pháp gia công thay thế cho phương pháp gia công truyền thống đối với vật liệu độ
cứng cao. Các nghiên cứu đã đưa ra nhận xét: dưới tác dụng của nhiệt độ cao, độ bền cơ
học của vật liệu giảm mạnh, vật liệu có xu hướng dễ biến dạng hơn, do đó nâng cao được
tính năng cắt gọt của chúng.

Hình 1. 1 Mối quan hệ giữa độ bền cơ học phụ thuộc nhiệt độ một số loại vật liệu khác
nhau [10]
•
•
•
•

Một số tác dụng vượt trội của gia công gia nhiệt:
Tăng tuổi bền dụng cụ cắt;
Giảm lực cắt;
Giảm tiêu thụ điện năng;
Giảm sự mài mòn dụng cụ cắt;

5


• Tăng tốc độ cắt dẫn đến tăng năng suất gia công;
• Giảm độ cứng kéo và ứng suất dòng chảy của phôi;
• Tăng chất lượng bề mặt chi tiết gia công so với phương pháp gia công thông
thường;
• Đối với gia công vật liệu gốm sứ giòn thì gia công nóng là phương pháp dễ dàng và
hiệu quả nhất.
Tuy nhiên, gia công gia nhiệt có nhược điểm là việc thiết kế hệ thống gia nhiệt đối
với mỗi phương pháp gia nhiệt, mỗi nhiệm vụ gia công khác nhau là khác nhau. Ngoài ra,
quá trình gia nhiệt có ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước gia công do hiện tượng giãn
nở vì nhiệt.

1.2. Một số phương pháp gia nhiệt
Ngành công nghiệp sản xuất đã được phát triển với những công nghệ gia nhiệt khác
nhau như làm nóng bằng dòng điện, hồ quang, cảm ứng điện từ cao tần, chùm laser, chùm
electron và tia plasma v.v. Tuy nhiên, tất cả các công nghệ này chỉ phù hợp cho một số
phương pháp gia công chứ không phải là tất cả. Việc lựa chọn phương pháp gia nhiệt thích
hợp rất quan trọng nếu không quá trình gia nhiệt có thể làm hỏng phôi và không đạt được
các kết quả mong muốn [11].
1.2.1 Gia nhiệt bằng dòng điện (Electricity – Assisted Machining - EAM)
Gia công gia nhiệt bằng dòng điện là một kỹ thuật gia công nóng, trong đó phôi được
làm nóng bằng dòng điện chạy qua vị trí cắt. Gia nhiệt bằng điện trở kháng của dòng điện
có nhiều lợi thế, đó là khu vực được làm nóng bằng dòng điện trùng với vùng biến dạng
của quá trình cắt. Gia nhiệt bằng dòng điện có thể áp dụng với các phương pháp gia công
khác nhau như tiện, khoan v.v. mà không có sự gia tăng nhiệt đáng kể của bề mặt gia công.
Kunio và đồng nghiệp [12] đã tìm thấy hiệu suất cắt tốt nhất của dụng cụ cắt phủ các bít
đặc biệt là lượng mòn dụng cụ giảm mạnh. Nghiên cứu đã chứng minh được nguyên nhân
của hiện tượng này là do điện trở thấp của kim loại cơ sở của dụng cụ cắt và khả năng

chống mài mòn cao của lớp các bít phủ.
1.2.2 Gia nhiệt bằng laser (Laser - Assisted Machining – LAM)
Đây là phương pháp gia nhiệt rất phù hợp cho quá trình cắt gọt và được ứng dụng
rộng rãi trong gia công. Gia nhiệt bằng laser phù hợp cho cả gia công kim loại, phi kim và
vật liệu gốm. Chùm laser có thể tùy chỉnh khi tiện và phay, bao gồm cả gia công chính xác
bởi vì tính linh hoạt cao của chùm tia tập trung. Nhưng khi ứng dụng cho phay phá như
phay mặt đầu với dao phay đường kính lớn khi gia công thô, chùm laser cần được đặt cách
xa chi tiết gia công để có một diện tích chiếu rộng hơn và cần có nguồn laser năng lượng
cao gia nhiệt cho các lớp kim loại của vật liệu. Hơn nữa, hiệu quả gia nhiệt bằng laser và
hệ số phản xạ của nguồn laser là một số vấn đề cần được xem xét trong gia công gia nhiệt
bằng laser. Do đó, nguồn sáng laser năng lượng cao có giá khá cao (Một nguồn laser 1,5
kW CO2 có giá hơn 150.000$) và sự tiêu thụ năng lượng lớn làm chậm lại quá trình gia
nhiệt bằng laser.

6


Hình 1.2. Điều chỉnh vị trí tương đối giữa chùm laze, phôi và dụng cụ cắt (a); Các thành
phần lực cắt thay đổi theo thời gian trong suốt quá trình gia công (b) [13]
Hình 1.2.a là sơ đồ điều chỉnh vị trí tương đối giữa chùm laser, phôi và dụng cụ cắt.
Hình 1.2.b mô tả ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt bằng laser đến lực cắt khi gia công.
Nguồn laser được bật từ giây thứ 9 sau khi quá trình gia công bắt đầu và tắt ở giây thứ 14.
Lực cắt theo phương Z (FZ) khi tiện là thành phần lực cắt chính (hay còn gọi là lực vòng)
vì nó lớn gấp 3 lần so với hai thành phần còn lại. Lực cắt giảm đáng kể khi có sự trợ giúp
của quá trình gia nhiệt bằng laser.
1.2.3 Gia nhiệt bằng Plasma (Plasma - Enhanced Machining - PEM)
Phương pháp gia nhiệt này đã phát triển như một phương án kinh tế thay thế cho
LAM và đã nhận được sự chú ý đáng kể ở Đức. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trong
những năm qua với việc sử dụng nhiệt độ cao làm mềm vật liệu ngay trước khi gia công để
cải thiện tính gia công vật liệu khó cắt gọt. PEM là một trong những công nghệ được phát

triển bởi nó cung cấp cường độ nhiệt cần thiết làm mềm phôi, đặc biệt đối với tiện.
Nguồn nhiệt trong PEM được cung cấp bởi dòng điện một chiều (DC). Các dòng
Plasma chuyển động sinh nhiệt. Máy tạo Plasma bao gồm một catot Vonfram mạ Thoria và
một vòi phun làm mát. Thông qua vòi phun này là dòng chảy khí Plasma. Vòi phun được
coi như là anot khi gia nhiệt phôi không dẫn điện. Đối với vật liệu dẫn điện, phôi hoạt động
như một cực dương (Hình 1.3). Dòng Plasma có khả năng tạo ra một nhiệt lượng vô cùng
lớn tới 16.000oK.

7


Điện cực (Catot)
Vòi phun
Bộ cấp
nguồn

Khí bảo vệ
Khí Plasma

Phôi
(Anot)

Hình 1.3. Sơ đồ máy gia nhiệt Plasma [14]
Mặc dù PEM được sử dụng để cải thiện năng suất gia công, nhưng khó có khả năng
kiểm soát nguồn nhiệt và hệ thống đo lường nhiệt độ. Hơn nữa, độ mòn và tuổi bền của
dụng cụ cắt cũng rất khó được xác định khi gia công bằng phương pháp này.
1.2.4 Gia nhiệt bằng lò nhiệt (Furnace heating – Assisted Machining – FAM)
Các nghiên cứu đã sử dụng phương pháp gia nhiệt bằng lò nhiệt để nghiên cứu ảnh
hưởng của nhiệt độ tới các tiêu chuẩn khác nhau của vật liệu gia công. Vào đầu năm 1980,
Amin cùng đồng nghiệp [15] đã nghiên cứu ảnh hưởng quá trình gia nhiệt bằng lò nhiệt tới

tính năng cắt gọt thép cacbon, thép không gỉ và hợp kim titan. Họ thấy rằng tốc độ mài
mòn và rung động giảm đáng kể khi gia nhiệt. Tuy nhiên, các nghiên cứu chỉ sử dụng
phương pháp gia nhiệt bằng lò nhiệt để chứng minh ảnh hưởng của sự nung nóng vật liệu
gia công đến tính năng cắt gọt của vật liệu chứ không được khuyên cáo cho các ứng dụng
trong sản xuất.
1.2.5 Gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ (Induction heating - Assisted Machining - IAM)
Gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ là một phương pháp gia nhiệt rất hiệu quả, chi phí
thấp và là sự lựa chọn tốt trong trường hợp phay đứng đối với những kim loại và hợp kim
khó cắt gọt. Amin và Abdelgadir [16] đã chỉ ra rằng gia công gia nhiệt bằng cảm ứng điện
từ có thể giảm rung động đến 98% và tăng tuổi thọ dụng cụ lên gấp nhiều lần khi gia công
thép. Không chỉ ứng dụng trong cắt gọt, nguồn nhiệt cảm ứng điện từ tần số cao còn được
ứng dụng trong quá trình tôi. Thời gian gia nhiệt ngắn thực tế dẫn đến hiện tượng không gỉ
vật liệu và vì thế sản phẩm không cần mài. Tuy nhiên phương pháp gia nhiệt này không
thích hợp cho gia công tiện bởi thiết kế cho quá trình gia nhiệt không phù hợp để thực hiện
tất cả các chuyển động khi gia công.
1.2.6 Thuận lợi và khó khăn của các phương pháp gia nhiệt
Mỗi phương pháp gia nhiệt đều có những ưu nhược điểm riêng và phù hợp với một
số phương pháp gia công chứ không phải là tất cả (theo Bảng 1. 1).
8


Bảng 1. 1. Thuận lợi và khó khăn của các phương pháp gia nhiệt [6]
Phương pháp
gia nhiệt
Gia nhiệt bằng
dòng điện
(EAM)
Gia nhiệt bằng
laser (LAM)
Gia nhiệt bằng

Plasma (PEM)
Gia nhiệt bằng lò
nhiệt (FAM)

Gia nhiệt bằng
cảm ứng điện từ
(IAM)

Khó khăn

Thuận lợi
- Thiết bị đơn giản
- Nhiệt độ đồng đều

- Khó kiểm soát và điều chỉnh
nhiệt độ

- Mức độ tập trung nhiệt độ của
nguồn nhiệt cao
- Dễ dàng điều chỉnh nguồn laser
- Mức độ tập trung nhiệt độ của
nguồn nhiệt cao
- Thiết bị đơn giản

- Chi phí cao
- Tỷ lệ hấp thụ nhiệt trên những
vật liệu khác nhau là khác nhau
- Khó kiểm soát và điều chỉnh
nhiệt độ
- Khó kiểm soát và điều chỉnh

nhiệt độ
- Chỉ áp dụng làm thí nghiệm,
không đưa vào sản xuất
- Mức độ tập trung của nguồn
nhiệt không cao
- Sự di chuyển của dụng cụ bị
hạn chế

- Dễ dàng sử dụng
- Công suất gia nhiệt cao

Gia công gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ có ưu điểm vượt trội ở hiệu quả gia nhiệt
khi phay đứng, chi phí gia nhiệt thấp, ứng dụng rộng rãi cho những kim loại và hợp kim có
độ cứng cao khó cắt gọt.
Một trở ngại đáng kể cần quan tâm của IAM là việc ứng dụng vào thực tiễn khi gia
nhiệt cho các chi tiết lớn có kích thước khác nhau hoặc hình dạng chi tiết phức tạp. Trong
luận án này sẽ ứng dụng gia công gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ cho nên công nghệ này
được nghiên cứu chi tiết và kỹ lưỡng hơn.

1.3 Gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ
1.3.1 Nguyên tắc
Một phương pháp để cải thiện tính năng cắt gọt của vật liệu độ cứng cao là thông qua
ứng dụng gia nhiệt phôi ngay trước khi gia công hoặc trong quá trình gia công. Công suất
đầu vào của năng lượng nhiệt rất cao do nguồn nhiệt thích hợp. Độ cứng vật liệu giảm
mạnh khi được gia nhiệt ở giá trị nhiệt độ cụ thể, phụ thuộc vào đặc tính vật liệu gia công.
Kim loại được mềm hóa và dễ dàng cắt gọt bởi quá trình cắt thông thường như tiện và
phay. Để áp dụng thành công quá trình gia nhiệt khi gia công đòi hỏi nguồn nhiệt tập trung
và được kiểm soát trong khu vực gia công tiếp xúc phía trước dụng cụ cắt (Hình 1. 4).

9

a)

Trục
chính
Cuộn cảm ứng
Phôi
b)
Hình 1. 4. Thiết lập thí nghiệm gia công gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ
a) Sơ đồ gia công b) Thực nghiệm
1.3.2 Nguyên lý gia nhiệt
Nguồn nhiệt cảm ứng được tạo ra bởi sự biến đổi của dòng điện cảm ứng bên trong
phôi. Sự biến đổi được bắt đầu ở cuộn dây làm việc quấn quanh hoặc ở một phía của phôi.
Dòng điện xoay chiều AC được đưa vào cuộn dây và tạo ra dòng điện cảm ứng bên trong
phôi. Dòng điện cảm ứng trong phôi sinh nhiệt làm nhiệt độ phôi tăng lên. Giá trị dòng
điện sử dụng được xác định bởi từ thông (từ trường được tạo ra bởi dòng điện trong cuộn
dây) phụ thuộc vào độ thẩm từ (tính dẫn điện của đường lực từ) và điện trở suất (điện trở
riêng của dòng điện) của phôi. Cả độ dẫn từ, điện trở suất là các hàm số của thành phần vật
liệu và nhiệt độ. Độ sâu thâm nhập của quá trình gia nhiệt cảm ứng từ được xác định bởi
công thức:
10