Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt và mòn dụng cụ khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:159

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt và mòn dụng cụ khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về quá trình gia công vật liệu có độ cứng cao; Cơ sở lý thuyết quá trình phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao; Thiết lập thực nghiệm thép SKD61 bởi quy trình phay cao tốc; Tối ưu hóa đa mục tiêu và dự đoán mòn dụng cụ khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt và mòn dụng cụ khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện

I hiê BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI LÊ THẾ HƯNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT VÀ MÒN DỤNG CỤ KHI PHAY CAO TỐC THÉP SKD61 ĐÃ NHIỆT LUYỆN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2023
II BỘ CÔNG THƯƠNG BỘ CÔNƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI LÊ THẾ HƯNG LÊ THẾ HƯNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT VÀ MÒN DỤNG CỤ KHI PHAY CAO CỦA MỘT SKD61 ĐÃ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TỐC THÉPSỐ THÔNG NHIỆT LUYỆN SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT VÀ TUỔI BỀN DỤNG CỤ KHI PHAY CAO TỐC VẬT LIỆU CHUYÊN ĐỘ CỨNG CAO CÓ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 9.52.01.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. PHẠM VĂN BỔNG 2. PGS.TS. HOÀNG TIẾN DŨNG Hà Nội - 2023
III LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn khoa học PGS.TS Phạm Văn Bổng và PGS.TS Hoàng Tiến Dũng đã luôn theo sát và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Đảng ủy, Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa Cơ khí, Trung tâm đào tạo sau đại học - Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận án. Xin cám ơn tập thể các nhà khoa học trong lĩnh vực Cơ khí chế tạo máy tại trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, trường Đại học sư phạm kỹ thuật Hưng yên, trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái nguyên, trường Đại học Giao thông vận tải, Học viện kỹ thuật Quân sự... đã giúp đỡ và có nhiều ý kiến đóng góp cho tôi hoàn thành luận án này. Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn đến Viện khoa học vật liệu, Viện vũ khí, Công ty TNHH KEYENCE Việt Nam, Công ty TNHH HITACHI Việt Nam đã hỗ trợ tôi trong quá trình thực nghiệm. Cuối cùng xin được gửi lời cảm ơn đến gia đình, bố, mẹ, vợ, con, anh, chị, em là nguồn động viên và truyền nhiệt huyết để tôi hoàn thành luận án. Hà Nội, ngày … tháng … năm 2023 NGHIÊN CỨU SINH Lê Thế Hưng
IV LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Phạm Văn Bổng và PGS.TS Hoàng Tiến Dũng. Kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Hà Nội, ngày ….. tháng … năm 2023 TÁC GIẢ LÊ THẾ HƯNG
V MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ III LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. IV DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................... VIII DANH MỤC CÁC HÌNH ....................................................................................... X DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ...................................................................... XIV MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................3 4. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................4 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ...........................................................5 6.1. Ý nghĩa khoa học ...........................................................................................5 6.2. Ý nghĩa thực tiễn ...........................................................................................5 7. Những đóng góp mới của đề tài ..........................................................................6 8. Cấu trúc của luận án............................................................................................6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH GIA CÔNG VẬT LIỆU CÓ ĐỘ CỨNG CAO ............................................................................................................ 7 1.1. Tổng quan về vật liệu có độ cứng cao .............................................................7 1.1.1. Khái niệm và phân loại về vật liệu có độ cứng cao .................................7 1.1.2. Đặc điểm của vật liệu có độ cứng cao .......................................................8 1.1.3. Ứng dụng của các loại vật liệu có độ cứng cao ......................................10 1.2. Tổng quan về quá trình gia công vật liệu có độ cứng cao ...........................11 1.2.1. Đặc điểm quá trình gia công vật liệu có độ cứng cao ...........................11 1.2.2. Một số phương pháp gia công vật liệu có độ cứng cao .........................12 1.2.3. Dụng cụ gia công vật liệu có độ cứng cao ..............................................16 1.3. Tình hình nghiên cứu về gia công vật liệu có độ cứng cao ..........................23 1.3.1. Tình hình nghiên cứu trong nước...........................................................23 1.3.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước...........................................................24 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH PHAY CAO TỐC VẬT LIỆU CÓ ĐỘ CỨNG CAO ........................................................................................ 26
VI 2.1. Khái quát về quá trình phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao .....................26 2.1.1. Khái quát về quá trình gia công và phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao .............................................................................................................................26 2.1.2. Quá trình tạo phoi khi phay cao tốc .......................................................28 2.2. Phương pháp phay và yêu cầu của dụng cụ cắt khi phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao ...................................................................................................................32 2.2.1. Các phương pháp phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao .......................32 2.2.2. Yêu cầu của dụng cụ cắt khi phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao .....33 2.3. Đặc điểm và ứng dụng của phay cao tốc .......................................................34 2.3.1. Một số đặc điểm khác của phay cao tốc so với phay thông thường ....34 2.3.2. Ứng dụng của phương pháp phay cao tốc .............................................34 2.4. Thông số đặc trưng cho hiệu quả và chất lượng trong quá trình phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao ..........................................................................................35 2.4.1. Độ nhám bề mặt gia công trong quá trình phay công tốc ....................35 2.4.2. Nghiên cứu về lực cắt và năng lượng bóc tách vật liệu trong quá trình phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao ......................................................................39 2.4.3. Nghiên cứu về rung động trong quá trình gia công ..............................46 2.4.4. Nghiên cứu về mòn dụng cụ cắt trong quá trình gia công ...................49 2.5. Nghiên cứu về gia công cao tốc vật liệu có độ cứng cao ..............................55 2.5.1. Nghiên cứu của các tác giả trong nước ..................................................55 2.5.2. Nghiên cứu của các tác giả nước ngoài ..................................................57 CHƯƠNG 3. THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM THÉP SKD61 BỞI QUY TRÌNH PHAY CAO TỐC ........................................................................................................ 60 3.1. Mục tiêu và nội dung của nghiên cứu thực nghiệm .....................................60 3.2.1. Thiết lập hệ thống thực nghiệm ..............................................................60 3.2.2. Thiết lập ma trận thực nghiệm và chế độ cắt ........................................64 3.2.3. Phương pháp xử lý dữ liệu thực nghiệm................................................67 3.3. Kết quả và phân tích dữ liệu thực nghiệm ...................................................69 3.3.1. Kết quả phân tích ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện ................................69
VII 3.3.3. Kết quả phân tích ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến rung động khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện ...............................................80 3.3.4. Kết quả phân tích ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến mòn dụng cụ khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện .........................................85 CHƯƠNG 4. TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU VÀ DỰ ĐOÁN MÒN DỤNG CỤ KHI PHAY CAO TỐC THÉP SKD61 ĐÃ NHIỆT LUYỆN .................................. 92 4.1. Xác định mục tiêu trong gia công cao tốc .....................................................92 4.3. Xây dụng thuật toán FGRA-PSO cho tối ưu đa mục tiêu khi phay cao tốc .......................................................................................................................................95 4.4. Xác định các điều kiện ràng buộc khi phay cao tốc .....................................98 4.5. Phương pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu khi phay cao tốc thép cứng .....................................................................................................................................100 4.6. Kết quả tối ưu đa mục tiêu ...........................................................................103 4.7 Phân tích tín hiệu sóng con và chỉ số Gini trong dự đoán mòn dụng cụ ..110 4.7.1. Phân tích tín hiệu lực cắt, rung động và âm thanh .............................110 4.7.2. Lượng mòn dụng cụ theo tỉ lệ chỉ số Gini phân tích sóng con các thành phần tín hiệu ...............................................................................................117 4.7.3. Mô hình dự đoán lượng mòn dụng cụ và độ chính xác dự đoán .......121 KẾT LUẬN CHUNG ........................................................................................... 127 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .............................................................. 130 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ....................... 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 132 PHỤ LỤC 1 ........................................................................................................... 138 PHỤ LỤC 2 ........................................................................................................... 140
VIII DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị 1 Ra Sai lệch Profin trung bình của bề mặt µm 2 Rz Chiều cao nhấp nhô trung bình của bề mặt µm 3 PCBN Polycrystalline Carbon Boron Nitride 4 CBN Carbon Boron Nitride 5 PCD Polycrystalline Diamond 6 HSM High Speed Machining 7 Vc Tốc độ cắt m/phút 8 T Tuổi bền của dụng cụ theo thời gian phút 9 Fc Lực cắt tổng hợp N 10 Pc Công suất KW 11 Qc Năng lượng bóc tách vật liệu J 12 Fx Lực cắt theo phương x N 13 Fy Lực cắt theo phương y N 14 Fz Lực cắt theo phương z N 15 AFx Biên độ lực cắt theo phương x N 16 AFy Biên độ lực cắt theo phương y N 17 AFz Biên độ lực cắt theo phương z N 18 Ax Biên độ rung động theo phương x µm 19 Ay Biên độ rung động theo phương y µm 20 Az Biên độ rung động theo phương z µm 21 VB Mòn mặt sau dụng cụ cắt µm 22 CNC Máy điều khiển số với sự hỗ trợ của máy tính 23 QTGC Quá trình gia công 24 DAQ Hệ thống thu thập dữ liệu 25 DSS Hệ thống hỗ trợ ra quyết định 26 S/N Tỷ số tín tạp 27 ANOVA Phân tích phương sai 28 GRA Phân tích quan hệ xám
IX 29 FGRA Phân tích mối quan hệ mờ xám 30 MOP Tối ưu hóa đa mục tiêu 31 PSO Tối ưu hóa bầy đàn FGRA- 32 Phân tích mối quan hệ mờ xám - Tối ưu hóa bầy đàn PSO 33 GRG Mức quan hệ xám mờ 34 GCC Gia công cứng 35 FFT Biến đổi Fourier nhanh 36 GI Chỉ số Gini 37 GCCT Gia công cao tốc
X DANH MỤC CÁC HÌNH TT Hình Tên hình Trang 1 Hình 1.1 Khả năng biến cứng của thép 9 2 Hình 1.2 Quá trình tiện vật liệu 12 3 Hình 1.3 Tính kinh tế kỹ thuật trong tiện cứng 12 4 Hình 1.4 So sánh tiện cứng và mài 13 So sánh về năng lượng và lượng bóc tách vật liệu khi tiện 5 Hình 1.5 13 cứng và mài 6 Hình 1.6 So sánh về chất lượng bề mặt khi tiện cứng và mài 14 7 Hình 1.7 Tuổi bền dụng cụ khi khoan phụ thuộc vào thông số chế độ cắt 14 8 Hình 1.8 Rút ngắn các bước công nghệ khi khoan cứng 15 9 Hình 1.9 Các quá trình phay vật liệu cứng 15 10 Hình 1.10 Mòn mặt sau dụng cụ cắt khi phay vật liệu cứng 16 11 Hình 1.11 Độ bền uốn theo độ cứng của vật liệu dụng cụ thép tốc độ cao 17 12 Hình 1.12 Dao phay sử dụng hợp kim cứng 18 13 Hình 1.13 Một số loại mảnh cắt vật liệu gốm 20 14 Hình 1.14 Một số loại vật liệu tinh thể Carbon Boron Nitride 20 15 Hình 1.15 Các đặc trưng và thông số đầu vào của quá trình gia công 22 16 Hình 2.1 Nhiệt độ khi phay cao tốc theo dự đoán của Salomon 26 17 Hình 2.2 Vùng tốc độ cắt cho các dạng gia công 28 18 Hình 2.3 Các dạng phoi trong phay cao tốc 29 Hình 2.4 Mô hình lý thuyết và kết quả thực nghiệm quá trình hình 19 29 thành phoi trong phay cao tốc 20 Hình 2.5 Phoi sinh ra từ những vận tốc cắt khác nhau 30 Hình thái của phoi trong vùng gia công thông thường và 21 Hình 2.6 31 gia công cao tốc 22 Hình 2.7 Mặt cắt của quá trình hình thành phoi trong gia công 31 23 Hình 2.8 Các phương pháp phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao 32 24 Hình 2.9 Một số sản phẩm của gia công cao tốc 35 25 Hình 2.10 Sơ đồ xác định độ nhấp nhô tế vi của bề mặt chi tiết máy 36 26 Hình 2.11 Mô hình lực cắt hình học của quá trình cắt đơn giản 40 27 Hình 2.12 Mô hình lực cắt hình học của quá trình cắt xiên 40 28 Hình 2.13 Mô hình quá trình phay mặt phẳng với góc xoắn bằng không 42
XI 29 Hình 2.14 Mối quan hệ giữa chiều dày phoi và góc của dao 42 30 Hình 2.15 Chiều sâu cắt trong trường hợp phay với góc xoắn bằng không 42 31 Hình 2.16 Mô hình quá trình phay với góc xoắn của răng cắt 43 32 Hình 2.17 Mô hình động lực học quá trình cắt đơn giản 46 33 Hình 2.18 Mô hình động lực học quá trình phay 47 34 Hình 2.19 Sơ đồ khối của quy trình dự đoán tích hợp của lực cắt động 48 35 Hình 2.20 Mòn của dao phay ngón, từ ISO 8688 49 36 Hình 2.21 Sứt mẻ (a) CH1, và (b) CH2 50 37 Hình 2.22 Sứt mẻ dao khi gia công thép có độ cứng 55 HRC 51 Độ mòn mặt sau liên quan đến thời gian và tốc độ cắt khác 38 Hình 2.23 51 nhau 39 Hình 2.24 Vùng mài lại của dụng cụ cắt 52 40 Hình 2.25 Sơ đồ xác định lượng mòn tối ưu δ0 52 Mòn hướng kình ảnh hưởng đến kích thước của chi tiết 41 Hình 2.26 53 gia công Hình ảnh thiết bị thực nghiệm gia công tốc độ cao thép 42 Hình 3.1 60 SKD61 43 Hình 3.2 Bản vẽ chi tiết mẫu thực nghiệm 61 44 Hình 3.3 Cán dao tiêu chuẩn 61 45 Hình 3.4 Thông số của mảnh cắt TH308 ZCFG200SW-R1.0 62 46 Hình 3.5 Máy đo nhám Mitutoyo SURFTEST SJ-210 62 47 Hình 3.6 Thiết bị đo lực cắt Kistler Type 9139AA 63 48 Hình 3.7 Đo rung động, âm thanh Bruel&Kjaer Đan Mạch 63 49 Hình 3.8 Kính hiển vi kỹ thuật số Keyence VHX-7000 64 Thiết bị thí nghiệm dự đoán mòn dụng cụ theo phương 50 Hình 3.9 65 pháp Taguchi L9 Quy trình phân tích và thực nghiệm trong xác định lượng 51 Hình 3.10 mòn dụng cụ cắt khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt 66 luyện Biểu đồ so sánh nhám bề mặt theo Ra sau khi phay ướt và 52 Hình 3.11 70 phay khô Biểu đồ so sánh nhám bề mặt theo Rq khi phay ướt và 53 Hình 3.12 71 phay khô 54 Hình 3.13 Kết quả phân tích ANOVA chất lượng bề mặt khi phay ướt 71 55 Hình 3.14 Phân tích phay khô theo ANOVA nhám bề mặt 72
XII Kết quả phân tích FGRA khi phay khô và ướt tới nhám bề 56 Hình 3.15 74 mặt 57 Hình 3.16 Biểu đồ so sánh lực cắt khi phay ướt và phay khô 76 58 Hình 3.17 Kết quả phân tích ANOVA lực cắt khi phay ướt 76 59 Hình 3.18 Kết quả phân tích ANOVA lực cắt khi phay khô 77 60 Hình 3.19 Kết quả phân tích mối quan hệ xám mờ tới lực cắt 79 61 Hình 3.20 Biểu đồ so sánh biên độ rung động khi phay ướt và phay khô 82 62 Hình 3.21 Kết quả ANOVA biên độ rung động khi phay ướt 82 63 Hình 3.22 Kết quả ANOVA biên độ rung động khi phay khô 82 64 Hình 3.23 Phân tích mối quan hệ xám mờ tới rung động 84 65 Hình 3.24 Biểu đồ so sánh mòn mặt sau khi phay ướt và phay khô 86 66 Hình 3.25 Biểu đồ so sánh mòn mặt trước khi phay ướt và phay khô 86 67 Hình 3.26 Kết quả phân tích ANOVA mòn khi phay ướt 87 68 Hình 3.27 Kết quả phân tích ANOVA mòn khi phay khô 87 Kết quả phân tích mối quan hệ xám mờ tới mòn dụng cụ 69 Hình 3.28 89 khi phay ướt Kết quả phân tích mối quan hệ xám mờ tới mòn dụng cụ 70 Hình 3.29 89 khi phay khô Mặt trước Pareto và điểm tối ưu Pareto cho bài toán tối ưu 71 Hình 4.1 94 hóa đa mục tiêu 72 Hình 4.2 Mô hình thuật toán FGRA-PSO 98 Tín hiệu lực cắt theo miền thời gian ứng với các thực 73 Hình 4.3 110 nghiệm khác nhau Phân tích sóng con các tín hiệu lực cắt theo các điều kiện thí 74 Hình 4.4 111 nghiệm khác nhau Tín hiệu rung động theo miền thời gian ứng với các thực nghiệm 75 Hình 4.5 111 khác nhau Phân tích sóng con các tín hiệu rung động theo các điều 76 Hình 4.6 112 kiện thí nghiệm khác nhau Tín hiệu âm thanh theo miền thời gian ứng với các thực nghiệm 77 Hình 4.7 112 khác nhau Phân tích sóng con các tín hiệu rung động theo các điều 78 Hình 4.8 113 kiện thí nghiệm khác nhau Phân tích dạng sóng tín hiệu lực cắt theo thời gian khi lọc 79 Hình 4.9 114 nhiễu theo các điều kiện cắt khác nhau
XIII 80 Phân tích dạng sóng tín hiệu rung động theo thời gian khi Hình 4.10 114 lọc nhiễu theo các điều kiện cắt khác nhau 81 Phân tích dạng sóng tín hiệu âm thanh theo thời gian khi Hình 4.11 115 lọc nhiễu theo các điều kiện cắt khác nhau 82 Hình 4.12 Miền tần số của tín hiệu lực cắt 115 83 Hình 4.13 Miền tần số của tín hiệu rung động 116 84 Hình 4.14 Miền tần số của tín hiệu âm thanh 116 85 Hình 4.15 Lượng mòn và chỉ số Gini lực cắt theo các điều kiện gia 118 công khác nhau 86 Hình 4.16 Lượng mòn và tỉ lệ tín hiệu Gini rung động theo các điều 119 kiện gia công khác nhau 87 Hình 4.17 Lượng mòn và tỉ lệ tín hiệu Gini âm thanh theo các điều 119 kiện gia công khác nhau 88 Hình 4.18 Lượng mòn và tỉ lệ tín hiệu Gini lực cắt và rung động theo 120 các điều kiện gia công khác nhau 89 Hình 4.19 Lượng mòn và chỉ số tín hiệu Gini lực cắt và rung động 121 theo các điều kiện gia công khác nhau 90 Hình 4.20 Dự đoán mòn dụng cụ theo chỉ số tín hiệu Gini lực cắt và 122 rung động theo các điều kiện gia công khác nhau 91 Hình 4.21 Sai số dự đoán mòn dụng cụ theo chỉ số tín hiệu Gini lực 122 cắt và rung động theo các điều kiện gia công khác nhau 92 Hình 4.22 Dự đoán mòn dụng cụ theo chỉ số tín hiệu Gini lực cắt và 123 âm thanh theo các điều kiện gia công khác nhau 93 Hình 4.23 Sai số dự đoán mòn dụng cụ theo chỉ số tín hiệu Gini lực 123 cắt và âm thanh theo các điều kiện gia công khác nhau
XIV DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TT Bảng Tên bảng Trang 1 Bảng 1.1 Một số loại vât liệu hợp kim cứng 18 2 Bảng 1.2 Một số loại vật liệu kim cương đa tinh thể 21 So sánh vận tốc cắt sử dụng trong gia công thông 3 Bảng 2.1 27 thường và gia công cao tốc 4 Bảng 3.1 Thí nghiệm gia công thép SKD61 đã nhiệt luyện 64 5 Bảng 3.2 Thiết kế thực nghiệm theo phương pháp Taguchi L9 65 Nhám bề mặt thực nghiệm theo phương pháp Taguchi 6 Bảng 3.3 L9 70 7 Bảng 3.4 Kết quả lực cắt khi phay ướt 75 8 Bảng 3.5 Kết quả lực cắt khi phay khô 75 Kết quả biên độ rung động theo các điều kiện công 9 Bảng 3.6 80 nghệ khác nhau khi phay ướt Kết quả biên độ rung động theo các điều kiện công 10 Bảng 3.7 nghệ khác nhau khi phay khô 81 11 Bảng 3.8 Kết quả đo mòn khi phay ướt và phay khô 85 Kết quả thực nghiệm lực cắt, rung động, mòn dụng cụ 12 Bảng 4.1 và chất lượng bề mặt khi phay khô 103 Kết quả thực nghiệm lực cắt, rung động, mòn dụng cụ 13 Bảng 4.2 và chất lượng bề mặt khi phay ướt 104 Các giá trị chuẩn hóa và độ lệch cho lực gia công, rung 14 Bảng 4.3 động, mòn và độ nhám bề mặt khi phay khô 105 Các giá trị chuẩn hóa và độ lệch cho lực gia công, rung 15 Bảng 4.4 động, mòn và độ nhám bề mặt khi phay ướt 105 Hệ số quan hệ xám mờ, cấp quan hệ xám mờ của Lực, 16 Bảng 4.5 rung động, mòn và nhám bề mặt khi phay khô 106 Hệ số quan hệ xám mờ, cấp quan hệ xám mờ của lực, 17 Bảng 4.6 rung động, mòn và nhám bề mặt khi phay ướt 106 Bảng phản hồi cho các cấp độ của cấp quan hệ xám khi 18 Bảng 4.7 phay khô 107 Bảng phản hồi cho các cấp độ của cấp quan hệ xám khi 19 Bảng 4.8 phay ướt 107
XV Kết quả thực nghiệm các tham số cắt được ưu tiên và 20 Bảng 4.9 tối ưu hóa khi phay khô 108 Kết quả thực nghiệm các tham số cắt được ưu tiên và 21 Bảng 4.10 tối ưu hóa khi phay ướt 109 22 Bảng 4.11 Kết quả của tối ưu hóa đa mục tiêu 109
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong ngành chế tạo máy có rất nhiều chi tiết đòi hỏi có độ cứng cao. Thông thường để thuận lợi cho quá trình gia công cắt gọt, thường chọn vật liệu có độ cứng thấp, sau khi gia công, tùy theo yêu cầu mà chọn phương pháp nhiệt luyện hợp lý để tăng độ cứng, đáp ứng yêu cầu làm việc của chi tiết. Tuy nhiên sau nhiệt luyện có một số hiện tượng thường xảy ra như hiện tượng nứt và cong vênh, ảnh hưởng rất lớn đến độ bền và tuổi thọ của chi tiết. Nhằm hạn chế bớt những ảnh hưởng đó trong thực tế có một số giải pháp trong đó có giải pháp sử dụng phôi có độ cứng cao theo yêu cầu trước khi gia công cắt gọt. Đáp ứng vấn đề này là sự ra đời của một loạt các loại vật liệu có độ cứng cao. Các loại vật liệu này có chung một đặc điểm công nghệ là: - Độ bền cơ học của vật liệu cứng được duy trì trong quá trình gia công (QTGC) nhờ tính chất bền nhiệt. - Hiện tượng biến cứng xảy ra rất nhanh trong QTGC, điều này làm mài mòn dụng cụ nhanh. - Phản ứng hóa học giữa vật liệu dụng cụ cắt và vật liệu phôi xảy ra ở nhiệt độ cắt cao, gây ra sự mòn khuếch tán trên dụng cụ. - Phoi cứng được tạo thành liên tục và cọ sát với bề mặt chi tiết đã gia công làm cho độ nhẵn bóng bề mặt thấp. - Nhiệt sinh ra trong QTGC vật liệu cứng được thoát qua phoi nhỏ nên nhiệt độ vùng cắt cao, nhiệt độ tại mũi dao lớn, đây là nguyên nhân dẫn đến dao bị mài mòn nhanh. Có rất nhiều phương pháp khác nhau trong quá trình gia công các vật liệu có độ cứng cao như: Phay, tiện, chuốt, khoét, doa, … Một trong những phương pháp có tỷ lệ sử dụng lớn và có khả năng ứng dụng tốt đó là phương pháp gia công phay, đặc biệt là phay trên các máy, trung tâm gia công CNC. Các máy này có độ cứng vững cao nên sẽ cho năng suất và chất lượng tốt khi ứng dụng để gia công các loại vật liệu có độ cứng cao. Chính vì những lý do trên, gia công cao tốc đang là lựa chọn phù hợp nhất để gia công các loại vật liệu cứng. Ngày này, phương pháp gia công tốc độ cao (High Speed
2 Machining- HSM) được xem là một trong những phương pháp gia công chính của ngành chế tạo máy. So với phương pháp gia công thông thường, gia công cao tốc có thể nâng cao năng suất, độ chính xác và chất lượng chi tiết gia công, đồng thời cũng giảm chi phí và thời gian gia công. Do vậy, phương pháp này rất thích hợp với công nghệ gia công khuôn. Các loại dụng cụ được sử dụng để gia công vật liệu có độ cứng cao được chế tạo từ các loại vật liệu khác nhau như: Hợp kim cứng, siêu cứng (Cemented Carbides), vật liệu gốm, vật liệu Carbon Boron Nitride, hay vật liệu kim cương đa tinh thể, … Trong các loại vật liệu trên, thép hợp kim cứng và siêu cứng thường được sử dụng rộng rãi nhất vì khả năng gia công và chế tạo tốt, khả năng truyền nhiệt tốt. Đồng thời chi phí sản xuất và sử dụng loại dụng cụ chế tạo bằng dụng cụ này khi gia công vật liệu có độ cứng cao cũng không quá cao so với các loại vật liệu khác. Thép SKD61 sau khi xử lý nhiệt có độ cứng rất cao, loại thép này được coi là một loại vật liệu cứng được ứng dụng rất phổ biến trong ngành công nghiệp chế tạo đặc biệt trong việc chế tạo khuôn mẫu. Tuy nhiên các nghiên cứu áp dụng phương pháp phay cao tốc trong gia công thép SKD61 sau khi xử lý nhiệt còn khá hạn chế và chưa có tính hệ thống. Để có những nghiên cứu sâu hơn, hệ thống hơn về phương pháp phay cao tốc trong gia công vật liệu có độ cứng cao (SKD61), đồng thời đánh giá đầy đủ, chi tiết về ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến các đặc trưng của quá trình phay cao tốc như chất lượng gia công (nhám bề mặt), chi phí năng lượng (lực cắt, rung động), chi phí dụng cụ cắt gọt (mòn, tuổi bền dụng cụ cắt gọt), từ đó làm căn cứ để xác định các thông số tối ưu của chế độ cắt nhằm đáp ứng đồng thời các mục tiêu về chất lượng và hiệu quả của QTGC. Xuất phát từ những lý do trên, tác giả đã đề xuất và thực hiện luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt và mòn dụng cụ khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện”. 2. Mục tiêu nghiên cứu “Nghiên cứu xác định mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến các đặc trưng của quá trình gia công phay cao tốc, phay mặt phẳng thép SKD61 đã nhiệt luyện trong điều kiện phay khô và phay ướt. Từ kết quả thực nghiệm, làm cơ sở để xây
3 dựng bài toán tối ưu cho quá trình gia công bằng phương pháp sử dụng thuật toán FGRA - PSO cho tối ưu đa mục tiêu khi phay cao tốc”. - “Xây dựng được mô hình thực nghiệm, xác định được các chỉ tiêu đầu ra và phân tích, đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ (V, S, t) đến độ nhám bề mặt, lượng mòn mặt sau dụng cụ khi phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao”. - “Xây dựng được hàm hồi quy biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số công nghệ (V, S, t) với độ nhám bề mặt, lượng mòn mặt sau dụng cụ, rung động và lực cắt khi phay cao tốc thép SKD61 sau nhiệt luyện trong điều kiện gia công khô và ướt”. - “Xác định được tập hợp bộ thông số công nghệ tối ưu (V, S, t) theo các chỉ tiêu là độ nhám bề mặt, lực cắt, rung động và lượng mòn mặt sau dụng cụ khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện”. - “Xây dựng được mô hình dự đoán mòn dụng cụ cắt dựa trên phân tích rung động, lực cắt và âm thanh cắt khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện”. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu vào các đối tượng cụ thể như sau: - Về vật liệu gia công: Tập trung nghiên cứu vào loại thép được sử dụng rộng rãi trong công nghệ chế tạo khuôn mẫu đó là thép SKD61 đã được xử lý nhiệt đạt độ cứng 52.7 ÷ 53.1 HRC. - Về phương pháp gia công: lựa chọn phương pháp gia công phay cao tốc. - Về dụng cụ gia công: Nghiên cứu sử dụng loại dụng cụ là dao phay ngón có gắn mảnh cắt là hợp kim cứng. - Về máy gia công: Sử dụng máy phay CNC cao tốc HS Super MC500, tốc độ trục chính: 100 ÷ 30000 (vòng/phút), công suất trục chính 15KW, tốc độ dịch chuyển của bàn máy cắt gọt: 1 ÷ 30000 (mm/phút), tốc độ chạy không lớn nhất 48000 (mm/phút), hành trình dịch chuyển của bàn máy: X x Y x Z= 500 x 400 x 300 (mm). 3.2. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung vào những nội dung sau: - “Các thông số đầu vào (biến số) của quá trình gia công: Vận tốc cắt, chiều sâu cắt, lượng tiến dao”.
4 - “Các thông số đầu ra (hàm mục tiêu): Độ nhám bề mặt gia công, lực cắt, rung động và lượng mòn mặt sau dụng cụ trong quá trình gia công”. 4. Nội dung nghiên cứu Để thực hiện được mục tiêu nghiên cứu đề ra, Nghiên cứu sinh tập trung thực hiện các nội dung chính sau đây: - “Nghiên cứu tổng quan về vật liệu có độ cứng cao, phương pháp và dụng cụ để thực hiện gia công vật liệu có độ cứng cao”. - “Nghiên cứu tổng quan và một số đặc trưng của quá trình phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao làm cơ sở cho việc nghiên cứu thực nghiệm". - “Nghiên cứu thực nghiệm để xác định ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết, đến lực cắt, rung động và lượng mòn mặt sau của dụng cụ cắt khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện”. - “Xây dựng, giải bài toán tối ưu đa mục tiêu và dự đoán mòn dụng cụ để xác định giá trị tối ưu của chế độ công nghệ khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện”. 5. Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện được các nội dung nghiên cứu, luận án sử dụng ba phương pháp nghiên cứu chính là: Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và phương pháp tối ưu đa mục tiêu. - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phương pháp này được ứng dụng để thực hiện hai nội dung là nội dung 1 và nội dung 2. “Để thực hiện được các nội dung này, tác giả đã nghiên cứu, tìm hiểu, tổng hợp, phân tích các kiến thức liên quan đến việc gia công các loại vật liệu có độ cứng cao, phương pháp phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao, về các phương pháp tối ứu hoá từ các công trình khoa học trong và ngoài nước đã được công bố”. Đây là cơ sở cho việc xác định cụ thể hơn về vật liệu, phương pháp gia công, các thông số đầu vào, đầu ra của nghiên cứu thực nghiệm, về phương pháp tối ưu dự kiến sẽ được áp dụng. - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Việc phân tích cơ sở lý thuyết được thực hiện ở nội dung 1 và 2 là căn cứ quan trọng để thiết kế các thông số công nghệ đầu vào cho nghiên cứu. Thực nghiệm với hệ thống trang thiết bị thí nghiệm tương đối đầy
5 đủ, hiện đại tại các phòng thực hành, thí nghiệm của Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, các thông số đầu ra đã được phân tích và lựa chọn rất đa dạng và phù hợp với mục tiêu nghiên cứu đã đặt ra. Từ đó, nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện để xác định ảnh hưởng của thông số công nghệ khi phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao đến chất lượng bề mặt và lượng mòn mặt sau của dụng cụ cắt. - Phương pháp tối ưu đa mục tiêu: Từ các kết quả thực nghiệm thu được, bài toán tối ưu đa mục tiêu sẽ được thiết lập và xử lý. "Kết quả giải bài toán tối ưu đa mục tiêu sẽ xác định được bộ thông số công nghệ tối ưu áp dụng trong thực tế quá trình gia công nhằm cải thiện năng suất và chất lượng quá trình gia công". 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 6.1. Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ cung cấp và bổ sung đầy đủ hơn cơ sở lý thuyết về các loại vật liệu có độ cứng cao, phương pháp và dụng cụ gia công các loại vật liệu có độ cứng cao. Đặc biệt là bổ sung đầy đủ hơn cơ sở lý thuyết về phương pháp phay cao tốc ứng dụng trong gia công vật liệu có độ cứng cao. Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở khoa học để thiết lập các hướng dẫn về công nghệ khi phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao, đặc biệt là trong việc giải quyết vấn đề tối ưu hóa quá trình này. Kết quả nghiên cứu cũng là cơ sở khoa học để ứng dụng công nghệ phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao trong việc chế tạo các sản phẩm khuôn mẫu, góp phần tăng tính ổn định và nâng cao hiệu quả của phương pháp gia công tinh vật liệu có độ cứng cao. 6.2. Ý nghĩa thực tiễn “Kết quả nghiên cứu sẽ xác định mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi thực hiện quá trình phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao trong cả hai điều kiện gia công ướt và gia công khô”. Từ đó, làm căn cứ để thực hiện việc điều khiển các thông số công nghệ trong quá trình gia công nhằm đảm bảo các mục tiêu gia công. Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể ứng dụng vào thực tế sản xuất của các nhà máy sản xuất cơ khí, đặc biệt là chế tạo các sản phẩm khuôn mẫu chất lượng cao. Góp phần nâng cao năng suất, hạ giá thành sản phẩm và phù hợp với điều kiện sản xuất ở Việt Nam.