Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công khi mài phẳng chi tiết hợp kim TI-6AL-4V bằng đái mài cBN

Nội dung text: Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công khi mài phẳng chi tiết hợp kim TI-6AL-4V bằng đái mài cBN

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phí Trọng Hùng NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT VÀ NĂNG SUẤT GIA CÔNG KHI MÀI PHẲNG CHI TIẾT HỢP KIM TI-6AL-4V BẰNG ĐÁ MÀI cBN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2021
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phí Trọng Hùng NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT VÀ NĂNG SUẤT GIA CÔNG KHI MÀI PHẲNG CHI TIẾT HỢP KIM TI-6AL-4V BẰNG ĐÁ MÀI cBN Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS Trương Hoành Sơn 2. PGS.TS Hoàng Văn Gợt Hà Nội - 2021
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. Những nội dung, các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan. Các kết quả này chưa có tác giả nào công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác. Người hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh I
4. LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và nghiên cứu tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, góp ý và chia sẻ của mọi người. Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn đến Ban Giám hiệu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Viện Cơ khí. Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới tập thể thầy hướng dẫn PGS.TS Trương Hoành Sơn, PGS.TS Hoàng Văn Gợt, các thầy đã hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành được luận án. Tôi cũng xin chân thành biết ơn sâu sắc tới quý thầy cô Bộ môn Công nghệ Chế tạo máy, đặc biệt là TS Nguyễn Kiên Trung đã chỉ bảo và cho tôi những ý kiến bổ ích, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được học tập nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Cơ khí, Đại học Công nghiệp Hà Nội, đặc biệt là PGS.TS Hoàng Tiến Dũng đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực nghiệm. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Điện lực, ban lãnh đạo Khoa Cơ khí & Động lực đã tạo điều kiện về chế độ, thời gian và công việc giúp tôi hoàn thành nhiệm vụ. Cuối cùng, xin cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã chia sẻ, động viên giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Tác giả luận án Phí Trọng Hùng II
5. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT VIII DANH MỤC CÁC BẢNG X DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ XI MỞ ĐẦU 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MÀI PHẲNG HỢP KIM TITAN BẰNG ĐÁ MÀI cBN 4 1.1. Hợp kim Titan và đá mài cBN 4 1.1.1. Hợp kim Titan 4 1.1.1.1 Đặc tính và ứng dụng 4 1.1.1.2 Cấu trúc tinh thể 4 1.1.1.3 Tính gia công cắt gọt của hợp kim Titan 6 1.1.2. Hạt mài và đá mài cBN 9 1.1.2.1 Hạt mài cBN 9 1.1.2.2 Đá mài cBN 10 1.2. Mài phẳng hợp kim Titan bằng đá mài cBN 14 1.2.1. Mài phẳng 14 1.2.1.1 Khái niệm 14 1.2.1.2 Các phương pháp mài phẳng 14 1.2.1.3 Các thông số đặc trưng cho quá trình mài phẳng 15 1.2.2. Mài hợp kim Titan 16 1.2.2.1 Tính mài của hợp kim Titan 16 1.2.2.2 Đặc điểm khi mài hợp kim Titan 16 1.2.3. Mài hợp kim Titan bằng đá mài cBN 24 1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 24 1.3.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước 24 1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước 27 1.3.3. Nhận xét 28 1.4. Giới hạn nhiệm vụ nghiên cứu của luận án 28 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 28 III
6. Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÀI PHẲNG HỢP KIM TITAN BẰNG ĐÁ MÀI cBN 29 2.1. Hình học và động học của quá trình mài phẳng 29 2.1.1. Chiều dài tiếp xúc hình học và chiều dài tiếp xúc thực 29 2.1.2. Đường cắt 29 2.1.3. Chiều dày phoi chưa biến dạng 31 2.2. Cơ chế mài 32 2.2.1. Phoi mài 32 2.2.2. Lực mài, công suất mài và năng lượng mài riêng 33 2.2.3. Năng lượng riêng và hiệu ứng kích thước 34 2.2.4. Lực cắt khi hạt mài bị mòn phẳng 35 2.2.5. Năng lượng trượt, năng lượng cày xước và năng lượng tạo phoi 38 2.3. Đặc điểm của quá trình mài hợp kim Titan bằng đá mài cBN 40 2.4. Ảnh hưởng của dung dịch bôi trơn làm mát đến quá trình mài 41 2.4.1. Yêu cầu của dung dịch bôi trơn làm mát 41 2.4.2. Cơ chế bôi trơn làm mát và ảnh hưởng đến quá trình mài 41 2.4.3. Bôi trơn làm mát có bổ sung chất bôi trơn thể rắn 42 2.4.3.1 Giới thiệu chung 42 2.4.3.2 Tấm nano graphite tách lớp (xGnP) 42 2.4.3.3 Bo Nitrit lục giác (hBN) 42 2.4.3.4 Đặc tính của hạt nano xGnP-M25 và hBN-K05 43 2.5. Ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công khi mài 44 2.5.1. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến nhám bề mặt 44 2.5.2. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến biến cứng bề mặt 47 2.5.3. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến năng suất gia công 48 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 48 Chương 3. MÔ HÌNH, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 49 3.1. Mô hình thực nghiệm 49 3.1.1. Máy gia công 49 3.1.2. Hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội 51 3.1.3. Đá mài cBN 51 3.1.4. Chi tiết mài 52 3.1.4.1 Phôi thực nghiệm 52 3.1.4.2 Cấu trúc tinh thể của hợp kim Ti64 ủ và Ti64 tôi 52 3.1.5. Các loại dung dịch bôi trơn làm mát 53 3.1.5.1 Dầu nhũ tương PV Cutting Oil 54 IV
7. 3.1.5.2 Dầu cắt gọt tổng hợp CIMTECH 3150-VLZ 54 3.1.5.3 Bột bôi trơn thể rắn 54 3.1.6. Dụng cụ sửa đá 55 3.2. Thiết bị đo lường 55 3.2.1. Panme đo ngoài 55 3.2.2. Kính hiển vi điện tử quét 56 3.2.3. Đồng hồ so 57 3.2.4. Thiết bị đo lực cắt 57 3.2.5. Máy đo nhám bề mặt 57 3.2.6. Máy đo độ cứng tế vi bề mặt 58 3.3. Lựa chọn các thông số thực nghiệm và xác định phương pháp thực nghiệm 59 3.3.1. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 59 3.3.2. Thông số thực nghiệm 59 3.3.3. Phương pháp thực nghiệm 59 3.3.3.1 Thực nghiệm 01 – Xác định mối quan hệ giữa chế độ cắt với chất lượng bề mặt 59 3.3.3.2 Thực nghiệm 02 – Xác định mối quan hệ giữa chế độ bôi trơn làm mát với chất lượng bề mặt 60 3.3.3.3 Thực nghiệm 03 – Xác định dải lượng tiến dao đạt được nhám bề mặt nhỏ nhất 60 3.4. Mô hình hóa quá trình mài bằng phương pháp phần tử hữu hạn 61 3.4.1 Mô hình phần tử hữu hạn 61 3.4.1.1 Mô hình vật liệu 62 3.4.1.2 Tiêu chuẩn phá hủy vật liệu 63 3.4.1.3 Điều kiện biên và định luật tiếp xúc 63 3.4.1.4 Kiểm nghiệm lại mô hình phần tử hữu hạn 64 3.4.2 Kết quả mô phỏng 64 3.4.2.1 Quá trình tạo phoi 64 3.4.2.2 Lực cắt 65 3.4.2.3 Nhiệt độ bề mặt phôi 66 3.4.3 Nhận xét và đánh giá 68 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 68 Chương 4. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 69 4.1. Thực nghiệm 01 - Xác định mối quan hệ giữa chế độ cắt với chất lượng bề mặt 69 V
8. 4.1.1. Nhám bề mặt 69 4.1.1.1 Ảnh hưởng của lượng tiến dao 69 4.1.1.2 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt 70 4.1.2. Cấu trúc tế vi bề mặt 70 4.1.2.1 Ảnh hưởng của lượng tiến dao 70 4.1.2.2 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt 72 4.1.3. Độ cứng tế vi bề mặt 72 4.1.4. Xây dựng phương trình hồi quy thực nghiệm thể hiện mối quan hệ giữa chế độ công nghệ và nhám bề mặt 72 4.1.4.1 Mài khô 72 4.1.4.2 Mài ướt (dầu tổng hợp 2%) 74 4.1.5. Nhận xét và Đánh giá 76 4.2. Thực nghiệm 02 – Xác định mối quan hệ giữa chế bộ bôi trơn làm mát với chất lượng bề mặt 76 4.2.1. Nhám bề mặt 76 4.2.1.1 Ảnh hưởng của lượng tiến dao 76 4.2.1.2 Ảnh hưởng của chế độ bôi trơn làm mát 77 4.2.2. Cấu trúc tế vi bề mặt 80 4.2.2.1 Hợp kim Ti-6Al-4V ủ 80 4.2.2.2 Hợp kim Ti-6Al-4V tôi 82 4.2.3. Ảnh hưởng của cấu trúc tinh thể hợp kim Ti-6Al-4V đến chất lượng bề mặt 83 4.2.3.1 Ảnh hưởng của cấu trúc tinh thể hợp kim Ti-6Al-4V đến nhám bề mặt . 83 4.2.3.2 Ảnh hưởng của cấu trúc tinh thể hợp kim Ti-6Al-4V đến độ cứng tế vi bề mặt . 83 4.2.4. Nhận xét và đánh giá 84 4.2.4.1 Hợp kim Ti-6Al-4V ủ 84 4.2.4.2 Hợp kim Ti-6Al-4V tôi 84 4.2.4.3 Ảnh hưởng của cấu trúc tinh thể hợp kim Ti-6Al-4V đến chất lượng bề mặt . 84 4.3. Thực nghiệm 03 - Xác định dải lượng tiến dao đạt được nhám bề mặt nhỏ nhất 84 4.3.1. Thực nghiệm và kết quả 84 4.3.2. Nhận xét và đánh giá 86 4.4. Tối ưu hóa các thông số công nghệ 86 VI
9. 4.4.1. Xây dựng bài toán tối ưu 86 4.4.1.1 Xác định hàm mục tiêu 86 4.4.1.2 Xác định điều kiện biên 87 4.4.1.3 Thành lập bài toán tối ưu 87 4.4.2. Giải bài toán tối ưu 88 4.4.2.1 Cơ sở lựa chọn phương pháp giải bài toán tối ưu 88 4.4.2.2 Ứng dụng giải thuật tối ưu bầy đàn để xác định chế độ công nghệ hợp lý 89 4.4.3. Nhận xét và Đánh giá 92 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 93 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 93 KẾT LUẬN 93 KIẾN NGHỊ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 94 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 PHẦN PHỤ LỤC VII
10. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải nội dung Đơn vị agmax Chiều dày phoi không biến dạng mm ag' Chiều sâu cắt tới hạn mm A Diện tích mòn phẳng trên bề mặt đá mài mm2 b Chiều rộng cắt mm BPNN Bình phương nhỏ nhất 2 βw Transient thermal property (Đặc tính nhiệt chuyển W/K/m tiếp) cBN Cubic Boron Nitride (Nitrit Bo dạng khối) ds Đường kính đá mài mm Ft Lực cắt tiếp tuyến N Fn Lực cắt pháp tuyến N Ft,c Lực cắt tiếp tuyến N Fn,c Lực cắt pháp tuyến N Ft,sl Lực trượt pháp tuyến N Fn,sl Lực trượt tiếp tuyến N ft Lực cắt tiếp tuyến của một hạt mài N fn Lực cắt pháp tuyến của một hạt mài N FEM Finite Element Method (Phương pháp phần tử hữu hạn) G Hệ số mài hBN Bo Nitrit lục giác HV Độ cứng Vicker K Hệ số khuyếch tán nhiệt m2/s l Khoảng cách giữa hai hạt mài trên bề mặt đá mài mm lc Độ dài cung tiếp xúc giữa phôi và đá mài mm lk Độ dài đường cắt mm µ Hệ số ma sát P Công suất cắt W p Ứng suất tiếp xúc trung bình không đổi giữa các diện N/mm2 tích mòn phẳng và phôi PSO Particle Swarm Optimization (Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn) Ti64 Ti-6Al-4V Q Năng suất gia công mm3/ph 3 Qw Tỉ lệ cắt thể tích mm /s Rw Tỉ lệ nhiệt truyền vào phôi VIII
11. Rs Tỉ lệ nhiệt truyền vào đá mài Rc Tỉ lệ nhiệt truyền vào phoi Ra Độ nhám trung bình số học µm Rz Độ nhám trung bình của 10 điểm µm S Lượng tiến dao mm/ph Sn Lượng tiến dao ngang mm/htk SEM Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét) SDC Đá mài kim cương liên kết nhựa t Chiều sâu cắt mm Nhiệt độ lớn nhất trên bề mặt phôi °C θm a x θ Nhiệt độ trung bình bề mặt phôi °C u Năng lượng mài riêng J/mm3 3 uc Năng lượng cắt riêng J/mm 3 uch Năng lượng tạo phoi riêng J/mm 3 upl Năng lượng cày xước riêng J/mm 3 usl Năng lượng trượt riêng J/mm v Vận tốc cắt m/s xGnP Tấm nano graphite tách lớp σ Ứng suất dư MPa IX
12. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Đặc tính của các loại hạt mài khác nhau ở nhiệt độ thường [14] 12 Bảng 2.1 Đặc tính của hạt nano xGnP-M25 và hBN-K05 ([61], [62]) 43 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của máy HS Super MC500 50 Bảng 3.2 Tính chất cơ nhiệt của hợp kim Ti64-Elo và Ti64-La [68] 53 Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của kính hiển vi điện tử quét JEOL JSM 6510LV [71] 56 Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật của cảm biến đo lực Kistler 9139AA [72] 57 Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật của máy đo độ cứng tế vi IndentaMet 1106 [73] 58 Bảng 3.6 Các thông số thực nghiệm 59 Bảng 3.7 Các thông số công nghệ của quá trình mài (Thực nghiệm 01) 60 Bảng 3.8 Các thông số công nghệ của quá trình mài (Thực nghiệm 02) 60 Bảng 3.9 Các thông số công nghệ của quá trình mài (Thực nghiệm 03) 61 Bảng 3.10 Đặc tính cơ nhiệt của hợp kim Ti-6Al-4V và hạt mài cBN [77] 63 Bảng 3.11 Thông số mô hình vật liệu Johnson-Cook của hợp kim Ti-6Al-4V [79] 63 Bảng 3.12 Tham số phá hủy cắt J-C của hợp kim Ti-6Al-4V [80] 63 Bảng 4.1 Quang phổ năng lượng EDX của bề mặt phôi khi S = 3000 mm/ph 79 Bảng 4.2 Kết quả chạy chương trình xác định chế độ công nghệ tối ưu bằng PSO 91 Bảng 4.3 So sánh nhám bề mặt phôi Ra và năng suất mài Q giữa phương pháp PSO và thực nghiệm khi sử dụng chế độ mài tối ưu 91 X
13. DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các dạng tinh thể của titan tinh khiết [7] 5 Hình 1.2 Cấu trúc tế vi của hợp kim Ti-6Al-4V ( - pha tối,  - pha sáng) [6] 6 Hình 1.3 Sơ đồ vùng cắt và tạo phoi [3] 7 Hình 1.4 Lượng nhiệt phân tán vào dao và phoi khi gia công Ti-6Al-4V và thép CK45 [6] 8 Hình 1.5 Các hình thái phát triển của tinh thể cBN [9] 9 Hình 1.6 Một số hạt mài cBN thương mại [9] 10 Hình 1.7 Hình SEM của đá mài cBN: (a) đá mài cBN mạ đồng và (b) đá mài cBN mạ điện [12] 11 Hình 1.8 Đá mài cBN liên kết (a) Nhựa; (b) Thủy tinh; (c) Kim loại [15] 12 Hình 1.9 Đá mài cBN mạ điện [15] 12 Hình 1.10 Sơ đồ quá trình mài phẳng [1] 14 Hình 1.11 Bốn dạng mài phẳng: (a) Trục ngang và bàn máy tịnh tiến, (b) Trục ngang và bàn máy quay, (c) Trục đứng và bàn máy tịnh tiến, (d) Trục đứng và bàn máy quay [1] 15 Hình 1.12 So sánh tính mài của một số vật liệu [8] 16 Hình 1.13 Mô hình lực cắt khi mài phẳng [14] 17 Hình 1.14 Ba hoạt động của quá trình mài [12] 17 Hình 1.15 Hình SEM phoi mài khi mài hợp kim Ti-6Al-4V [27] 22 Hình 2.1 Mô phỏng quá trình mài tiến dao hướng kính [8] 29 Hình 2.2 Hình dáng hình học của phoi không bị biến dạng khi mài phẳng [13] 30 Hình 2.3 Phoi chưa biến dạng tiết diện chữ nhật, tiết diện tam giác và tiết diện tròn [12] 31 Hình 2.4 Hình SEM phoi mài khi mài thép AISI 52100 [12] 32 Hình 2.5 Các thành phần lực cắt khi mài phẳng [14] 33 Hình 2.6 Hạt mài trên đá mài cBN đơn tinh thể mạ đồng bị mòn phẳng sau khi mài hợp kim Ti-6Al-4V [55] 35 Hình 2.7 Quan hệ giữa lực mài và diện tích mòn trên hạt mài khi mài thép và kim loại màu [12] 36 Hình 2.8 Quan hệ giữa lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến khi mài hợp kim (a) Ti2AlNb; (b) Ti-6Al-4V và (c) Inconel718 [56] 37 Hình 2.9 Quan hệ giữa năng lượng cắt riêng và vận tốc bóc phoi thể tích trên chiều rộng đơn vị (S.t) khi mài phẳng [12] 38 XI
14. Hình 2.10 (a) Cơ chế cày xước và tạo phoi khi hạt mài cắt qua vùng mài; (b) Bề mặt của chi tiết mài [13] 39 Hình 2.11 (a) So sánh cấu trúc tinh thể lục giác của C và hBN [37]; (b) Hình SEM của tấm nano xGnP [60]; (c) Hình SEM của tấm nano hBN [59] 43 Hình 2.12 Ảnh hưởng của kích thước hạt mài đến nhám bề mặt Ra [12] 44 Hình 2.13 Ảnh hưởng của loại vật liệu chất kết dính (đường 1) và vật liệu hạt mài (đường 2, 3) đến nhám bề mặt Ra [52] 45 ’ Hình 2.14 Ảnh hưởng của chế độ sửa đá và hệ số bóc gọt thể tích lũy tiến riêng VW đến nhám bề mặt (mài tròn trong, đá mài 32A80M6VBE, phôi thép AISI 52100) [13] 45 Hình 2.15 Ảnh hưởng của thời gian mài tới nhám bề mặt [19] 46 Hình 2.16 Ảnh hưởng của các yếu tố di truyền trước khi mài đến nhám bề mặt [52] 46 Hình 2.17 Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến độ biến cứng bề mặt khi mài hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài SiC [64] 47 Hình 3.1 (a) Trung tâm gia công CNC trục đứng cao tốc HS Super MC500; (b) Giao diện phần mềm điều khiển FANUC series 31i(Oi) - A. 49 Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống thực nghiệm trên trung tâm gia công CNC HS Super MC500. 49 Hình 3.3 Hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội 51 Hình 3.4 Đá mài cBN120 D100 T8 H20 X5 U6 51 Hình 3.5 Mẫu thực nghiệm (a) Ti64 ủ và (b) Ti64 tôi 52 Hình 3.6 Quá trình ủ hợp kim Ti64-Elo và tôi hợp kim Ti64-La 52 Hình 3.7 Cấu trúc tế vi của (a) Ti64-Elo và (b) Ti64-La ( - pha tối,  - pha sáng) [67] 53 Hình 3.8 Quá trình pha trộn dầu tổng hợp với (a) Bột xGnP-M25; (b) Bột hBN- K05 54 Hình 3.9 (a) Mũi sửa đá kim cương đa hạt; (b) Thanh đá dầu SiC [15] 55 Hình 3.10 (a) Đo độ đảo của đá mài bằng đồng hồ so; (b) Sửa đúng bằng mũi sửa đá kim cương đa hạt; (b) Làm sắc bằng thanh đá dầu SiC 55 Hình 3.11 Panme đo ngoài điện tử Mitutoyo 293 - 240 -30 56 Hình 3.12 Kính hiển vi điện tử quét JEOL JSM 6510LV 56 Hình 3.13 Máy đo nhám Surftest SV2100 Mitutoyo 57 Hình 3.14 Máy đo độ cứng tế vi IndentaMet-1100 58 Hình 3.15 Mô hình phần tử hữu hạn hai chiều khi mài phẳng bằng một hạt mài 62 XII
15. Hình 3.16 Sơ đồ mài bằng một hạt mài [78] 62 Hình 3.17 Mô phỏng ba giai đoạn chính khi mài hợp kim Ti-6Al-4V (trường ứng suất Von Mises) 65 Hình 3.18 Đường gấp khúc mô tả tín hiệu lực cắt khi mài bằng một hạt mài 65 Hình 3.19 So sánh giữa lực cắt mô phỏng và thực nghiệm khi mài bằng một hạt mài trong môi trường (a) Mài khô và (b) Mài ướt. 66 Hình 3.20 Phân bố nhiệt độ trên phôi khi mài. 66 Hình 3.21 Đường cong nhiệt độ tại 8 điểm trên phôi (a) Theo phương thẳng đứng và (b) Theo phương nằm ngang. 67 Hình 3.22 Ảnh hưởng của (a) Chiều sâu cắt và (b) Lượng tiến dao đến nhiệt độ bề mặt phôi. 67 Hình 4.1 Ảnh hưởng của lượng tiến dao đến trị số nhám bề mặt (a) Ra và (b) Rz 69 Hình 4.2 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến trị số nhám bề mặt (a) Ra và (b) Rz 70 Hình 4.3 Ảnh SEM bề mặt Ti64 ( t = 0,01 mm; S = 3000 mm/ph; mài khô, Ra = 0,763 µm; Rz = 4,622 µm) 71 Hình 4.4 Cấu trúc tế vi bề mặt khi v = 30 m/s; t = 0,01 mm 71 Hình 4.5 Cấu trúc tế vi bề mặt Ti64 khi v = 30 m/s, S = 3000 mm/ph 72 Hình 4.6 Độ cứng tế vi bề mặt hợp kim Ti64 với t = 0,01 mm; S = 3000 mm/ph khi mài khô (mẫu A) và mài ướt (mẫu B) 72 Hình 4.11 Ảnh hưởng của bước tiến dao đến trị số nhám bề mặt (a) Ra và (b) Rz khi mài Ti64 ủ 77 Hình 4.12 Ảnh hưởng của bước tiến dao đến trị số nhám bề mặt (a) Ra và (b) Rz khi mài Ti64 tôi 77 Hình 4.13 Ảnh hưởng của chế độ bôi trơn làm mát đến trị số nhám bề mặt (a) Ra và (b) Rz khi mài Ti64 ủ 78 Hình 4.14 Đặc tính làm giảm ma sát của hạt nano [83] 79 Hình 4.15 Quan hệ giữa nhám bề mặt và hoạt động tự làm sạch [83] 79 Hình 4.16 Ảnh hưởng của chế độ bôi trơn làm mát đến trị số nhám bề mặt (a) Ra và (b) Rz khi mài Ti64 tôi 80 Hình 4.17 Tỉ lệ % khối lượng của các nguyên tố Bo và Ni-tơ trên bề mặt phôi Ti-64 tôi 80 Hình 4.18 Cấu trúc tế vi bề mặt phôi Ti64 ủ khi lượng tiến dao S = 3000 mm/ph trong các chế độ bôi trơn làm mát khác nhau 81 Hình 4.19 Cấu trúc tế vi của bề mặt phôi Ti64 tôi khi lượng tiến dao S = 3000 mm/ph trong các chế độ bôi trơn làm mát khác nhau 82 XIII
16. Hình 4.30 Độ cứng tế vi HV của bề mặt phôi Ti64-Elo và Ti64-La: (a) Sơ đồ vị trí điểm đo; (b) Vị trí vết đâm; và (c) Đồ thị độ cứng tế vi HV 83 Hình 4.31 Ảnh hưởng của bước tiến dao đến trị số nhám bề mặt Ra (a) và Rz (b) khi mài phẳng hợp kim Ti64 ủ dưới các chiều sâu cắt khác nhau 85 Hình 4.32 Ảnh hưởng của bước tiến dao đến trị số nhám bề mặt Ra (a) và Rz (b) khi mài phẳng hợp kim Ti64 tôi dưới các chiều sâu cắt khác nhau 85 Hình 4.33 Sơ đồ khối giải bài toán tối ưu chế độ công nghệ ứng dụng giải thuật PSO 92 XIV
17. MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài luận án Mài là một phương pháp gia công tinh chiếm vị trí quan trọng trong gia công cơ khí. Ưu điểm nổi bật của nó là có khả năng đạt được độ chính xác cao và nhám bề mặt thấp (độ chính xác cấp 6, nhám bề mặt Ra ≤ 1,6). Trong đó, mài phẳng là phương pháp mài có năng suất cao do gá đặt chi tiết dễ dàng, tốn ít thời gian [1]. Cho đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu về mài phẳng được thực hiện trong nước cũng như trên thế giới. Khi nghiên cứu về mài, các nhà khoa học tập trung giải quyết các vấn đề liên quan đến đến máy mài, đá mài, chi tiết mài cũng như chế độ cắt, nhiệt cắt và dung dịch trơn nguội. Tuy nhiên, các nghiên cứu về mài phẳng ở Việt Nam trước đây chủ yếu thực hiện trên vật liệu gia công là các loại thép và dụng cụ cắt là đá mài cacbit silic, ô-xít nhôm, kim cương, chưa có nhiều nghiên cứu chuyên sâu về mài hợp kim titan bằng đá mài cBN. Hợp kim titan là loại vật liệu được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác nhau như hàng không, ô tô, động cơ, tuabin khí, hạt nhân, y sinh (làm khung và động cơ máy bay, cánh tuabin hơi nước, tên lửa, tàu biển, thiết bị hóa học và y sinh học). Chúng có các các tính chất cơ lý vượt trội như tỉ số độ bền trên trọng lượng lớn, giới hạn đàn hồi cao, tính chống ăn mòn rất tốt, độ dai lớn và tính tương thích sinh học tốt. Ngoài ra, titan còn bền và cứng khi nhiệt độ lên tới 550°C. Tuy nhiên, nó cũng có những nhược điểm như dễ phản ứng hóa học với dụng cụ cắt, tính dẫn nhiệt kém, nhiệt dung riêng lớn và ứng suất hóa cứng cao làm năng suất gia công thấp và tuổi bền của dao ngắn. Tính dẫn nhiệt kém của titan khiến nhiệt độ tại vùng cắt và ứng suất nhiệt trên lưỡi cắt tăng. Do hợp kim titan bền ở nhiệt độ cao nên nhiệt độ tăng không có lợi vì dao sẽ bị mềm nhiệt. Titan phản ứng hóa học với hầu hết vật liệu dụng cụ cắt. Phản ứng này tăng lên khi nhiệt độ tăng làm dao bị mòn và bám dính, lưỡi cắt bị bong tróc, xây xát và hình thành lẹo dao. Mặc dù lực cắt khi gia công titan xấp xỉ với thép, nhưng ứng suất trên lưỡi cắt lớn hơn nhiều. Ứng suất cơ học này và ứng suất nhiệt do ma sát giữa phoi và dao khiến mặt trước dao bị mòn lõm. Phoi khi gia công titan có dạng răng cưa làm tăng rung động khiến lưỡi cắt bị sứt mẻ [2]. Ứng suất, nhiệt độ và rung động là những nguyên nhân chính gây ra hư hỏng và làm giảm tuổi bền dụng cụ. Những yếu tố này xuất hiện nhiều hơn khi gia công những vật liệu khó cắt gọt. Do đó, vật liệu dao nào có thể chịu được ứng suất, nhiệt độ và rung động lớn thì sẽ phù hợp để gia công hợp kim titan [3]. cBN là vật liệu cứng thứ hai chỉ sau kim cương, nóng chảy ở nhiệt độ 2730°C nên có độ bền nhiệt cao. Vật liệu cBN ổn định hóa học, không bị ô-xi hóa ở 1300°C, trong khi kim cương bị graphit hóa ở 900°C. Với các đặc tính ưu việt này, dụng cụ cắt cBN thường được sử dụng để gia công các vật liệu khó cắt gọt. Chúng có thể gia công hợp kim titan ở tốc độ cắt cao hơn nhiều dụng cụ gốm hoặc hợp kim cứng. Các nghiên cứu về mài phẳng hợp kim titan bằng đá mài cBN trước đây thường tập trung vào các hướng: (1) Đánh giá ảnh hưởng của chế độ bôi trơn làm mát đến chất lượng gia công; (2) So sánh khả năng gia công của các loại đá mài cBN khác nhau; (3) Cơ chế mòn và nứt vỡ của hạt mài cBN; (4) Cải tiến quá trình mài hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN; mà chưa có công trình khoa học nào nghiên cứu sâu về 1
18. ảnh hưởng của chế độ công nghệ tới chất lượng bề mặt và năng suất gia công, từ đó xác định chế độ công nghệ tối ưu để đạt năng suất gia công tối đa đồng thời đảm bảo nhám bề mặt yêu cầu của chi tiết mài. Đây cũng chính là lý do lựa chọn đề tài luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công khi mài phẳng chi tiết hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN”. 2. Mục đích, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục đích nghiên cứu Xác định được ảnh hưởng của một số yếu tố đến chất lượng bề mặt chi tiết và năng suất gia công khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa phenol. Từ đó xác định chế độ công nghệ tối ưu để nâng cao năng suất gia công và đảm bảo nhám bề mặt yêu cầu. 2.2 Đối tượng nghiên cứu Mài phẳng vật liệu hợp kim Titan Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa phenol. 2.3 Phương pháp nghiên cứu Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết để xác định mức độ ảnh hưởng của một số yếu tố như lượng tiến dao dọc, chiều sâu cắt và chế độ bôi trơn làm mát đến chất lượng bề mặt bao gồm nhám bề mặt, biến cứng bề mặt, cấu trúc tế vi bề mặt và năng suất gia công. Thực nghiệm nhằm kiểm chứng mức độ ảnh hưởng của các yếu tố nói trên đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công. 2.4 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố là lượng tiến dao dọc, chiều sâu cắt, chế độ bôi trơn làm mát đến chất lượng bề mặt bao gồm nhám bề mặt, độ cứng tế vi bề mặt, cấu trúc tế vi bề mặt và năng suất gia công khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa phenol trên trung tâm gia công CNC cao tốc. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3.1 Ý nghĩa khoa học - Xác định mối quan hệ giữa một số yếu tố với chất lượng bề mặt và năng suất gia công khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa phenol. - Tối ưu hóa để xác định lượng tiến dao và chiều sâu cắt phù hợp nhằm nâng cao năng suất gia công và đảm bảo nhám bề mặt. 3.2 Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng vào thực tiễn nhằm góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế kỹ thuật của quá trình mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa phenol. - Kết quả của luận án có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho giảng dạy, nghiên cứu khoa học và sản xuất thực tế khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa phenol. 2
19. 4. Những đóng góp mới Đã xác định được mối quan hệ giữa các yếu tố là lượng tiến dao dọc, chiều sâu cắt, chế độ bôi trơn làm mát với chất lượng bề mặt bao gồm nhám bề mặt, độ cứng tế vi bề mặt, cấu trúc tế vi bề mặt và năng suất gia công khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al- 4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa phenol. 5. Cấu trúc của luận án Luận án bao gồm bốn chương cụ thể như sau: - Chương 1: Tổng quan về mài phẳng hợp kim Titan bằng đá mài cBN. Nghiên cứu đặc điểm chung của hợp kim Titan và đá mài cBN, đặc điểm của quá trình mài phẳng hợp kim Titan bằng đá mài cBN, phân tích đánh giá những công trình nghiên cứu trước đây của các tác giả trong và ngoài nước liên quan đến mài phẳng hợp kim Titan bằng đá mài cBN. Trên cơ sở đó xác định được những vấn đề mà luận án cần tập trung nghiên cứu giải quyết. - Chương 2: Cơ sở lý thuyết về mài phẳng hợp kim Titan bằng đá mài cBN. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN; cơ sở lý thuyết về bôi trơn làm mát; ảnh hưởng của một số yếu tố đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công. Kết quả nghiên cứu của chương làm cơ sở cho nghiên cứu ở các chương sau. - Chương 3: Mô hình, vật liệu và phương pháp nghiên cứu. Xây dựng mô hình thực nghiệm, phân tích lựa chọn các trang thiết bị đo lường. Lựa chọn các thông số thực nghiệm. Xác định phương pháp thực nghiệm và phương pháp quy hoạch thực nghiệm. Mô hình hóa quá trình mài phẳng bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Đây là tiền đề quan trọng để thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công. - Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá kết quả. Xác định mối quan hệ giữa các yếu tố như lượng tiến dao dọc, chiều sâu cắt, chế độ bôi trơn làm mát với nhám bề mặt, độ cứng tế vi bề mặt, cấu trúc tế vi bề mặt và năng suất gia công. Ứng dụng giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (PSO) để tìm ra chế độ công nghệ tối ưu. 3
20. Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MÀI PHẲNG HỢP KIM TITAN BẰNG ĐÁ MÀI cBN 1.1. Hợp kim Titan và đá mài cBN 1.1.1. Hợp kim Titan 1.1.1.1 Đặc tính và ứng dụng Titan và các hợp kim của nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp do có các đặc tính ưu việt, một trong số đó là tỉ số độ bền trên trọng lượng cao. Độ bền của titan vượt trội hầu hết các kim loại khác trong khi khối lượng riêng chỉ bằng hơn một nửa so với thép. Đặc tính này vẫn được duy trì ở nhiệt độ cao nên titan còn được sử dụng trong động cơ máy bay. Người ta có thể thay thế thép hoặc niken bằng hợp kim titan với độ bền tương đương, trong khi trọng lượng giảm tới 40%. Việc dùng hợp kim titan trong động cơ tuabin khí đã phát triển đến mức chúng chiếm khoảng 25% trọng lượng của các động cơ tuabin khí mới nhất. Hợp kim titan có tính dẫn nhiệt và giãn nở nhiệt thấp hơn so với thép và niken. Tính giãn nở nhiệt thấp làm giảm ứng suất nhiệt bên trong các chi tiết có chênh lệch nhiệt độ giữa các phần khác nhau lớn [3]. Hợp kim titan có tính chống ăn mòn tốt và tồn tại lâu dài được trong nước biển, trong khi các vật liệu xây dựng bằng kim loại khác thường có tuổi thọ ngắn. Môi trường ăn mòn như vậy cũng rất phổ biến trong ngành công nghiệp dầu khí. Ngoài ra, titan còn có độ đàn hồi lớn, phù hợp để chế tạo các chi tiết cần độ dẻo dai cao và hạn chế vết nứt. Đặc tính phi từ tính khiến titan được sử dụng làm chất nền ổ cứng trong công nghiệp máy tính nhằm tăng khả năng lưu trữ dữ liệu. Do có tính trơ hóa học hay tính tương thích sinh học tốt nên titan là vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng y tế như cấy ghép [4]. Hợp kim titan được sử dụng phổ biến nhất là Ti-6Al-4V, chiếm đến 50% thị trường titan. Đây là một hợp kim titan dạng alpha-beta chứa 6% nhôm và 4% Vanadi theo khối lượng. Nó có độ bền, độ dai và tính chống ăn mòn rất tốt. Hợp kim titan này thường được sử dụng trong công nghiệp hàng không (làm cánh máy nén khí và tuabin khí, khung máy bay), nồi áp suất và cấy ghép phẫu thuật [5]. 1.1.1.2 Cấu trúc tinh thể Titan có hai dạng cấu trúc tinh thể là pha alpha (hcp) và pha beta (bcc). Ở nhiệt độ bình thường, titan có cấu trúc tinh thể pha alpha dạng lục giác bó chặt (hcp). Nó trải qua biến đổi thù hình ở nhiệt độ 882°C để chuyển sang pha beta dạng khối thể tâm (bcc). Pha này ổn định cho đến khi titan nóng chảy ở nhiệt độ 1668°C. Hình 1.1 mô tả hai dạng thù hình của titan. Nhiệt độ chuyển pha (β- nhiệt độ chuyển pha) sẽ thay đổi nếu trong hợp kim có thêm các nguyên tố khác [6]. Bổ sung nhôm (Al), Galium (Ga), ô-xy (O), Ni-tơ (N) và cacbon (C) vào titan sẽ làm tăng nhiệt độ chuyển pha của nó. Các nguyên tố này được gọi là chất ổn định pha alpha. Ngược lại, thêm các nguyên tố như Vanadi (V), Molipden (Mo), Niobium (Nb), sắt (Fe), Crôm (Cr), Niken (Ni), Mangan (Mn) và Coban (Co) làm giảm nhiệt 4
21. độ chuyển pha. Do đó, chúng được gọi là chất ổn định pha beta. Các nguyên tố ít ảnh hưởng đến nhiệt độ chuyển pha như thiếc (Sn) và Ziconi (Zr) gọi là nguyên tố trung tính. Hình 1.1 Các dạng tinh thể của titan tinh khiết [7] Do được kết hợp với nhiều nguyên tố khác nhau nên hợp kim Titan có thể chia thành các loại chính như sau ([3], [5]): Hợp kim alpha là hợp kim titan đơn pha bao gồm một chất ổn định pha alpha và một số nguyên tố hợp kim trung tính khác. Nhôm thường được dùng làm chất ổn định pha alpha (ví dụ như hợp kim Ti-5Al-2.5Sn). Hợp kim alpha có tính chống rão và độ bền kéo ở nhiệt độ cao tốt hơn hợp kim alpha-beta và beta. Hợp kim alpha không thể nhiệt luyện được do cấu trúc tế vi của chúng không thay đổi sau khi nhiệt luyện. Do độ bền kéo giảm đi khi nhiệt độ lớn hơn 300ºC, chúng chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng làm lạnh sâu hoặc những nơi cần tính chống ăn mòn tốt. Hợp kim alpha thường được sử dụng là Ti-5Al-2.5Sn. Hợp kim gần alpha là hợp kim alpha có chứa một lượng nhỏ chất ổn định pha beta, do người ta đã chứng minh được rằng khả năng làm việc và độ bền của hợp kim titan có thể được cải thiện sau khi thêm một lượng nhỏ (1–2%) chất ổn định beta. Hợp kim này chứa chủ yếu pha alpha với một ít pha beta và có đặc tính giống hợp kim alpha bình thường hơn hợp kim alpha-beta. Do tương đồng cao với hợp kim alpha, hợp kim gần alpha có khả năng làm việc ở nhiệt độ từ 400 đến 520ºC. Vì vậy, chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, đặc biệt là làm các chi tiết phải chịu nhiệt độ cao của động cơ phản lực. Ti 8-1-1 (Ti-8Al-1Mo-1V) và IMI 685 (Ti- 6Al-5Zr-0,5Mo-0,25Si) là một số thành viên thuộc về họ hợp kim titan này. Hợp kim alpha-beta: Nếu thêm vào titan lượng chất ổn định beta lớn hơn (4–6%) so với hợp kim gần alpha (1–2%) thì sẽ tạo ra một loại hợp kim titan mới là hợp kim alpha-beta. Ở nhiệt độ bình thường, hợp kim này là hỗn hợp của các pha alpha và beta, có thêm chất ổn định pha alpha và beta. Sau khi nhiệt luyện, hợp kim này chứa nhiều pha beta hơn hợp kim gần alpha. Lượng pha beta phụ thuộc vào lượng chất ổn định pha beta và quá trình nhiệt luyện. Nhiệt luyện giúp cải thiện độ bền khiến cho hợp kim titan này trở thành lựa chọn chủ yếu trong các ứng dụng ở nhiệt độ cao (350– 5