15 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI -o0o - HOÀNG XUÂN THỊNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT RĂNG VÀ LƯỢNG MÒN DAO KHI CẮT TINH BÁNH RĂNG CƠN CUNG TRỊN BẰNG ĐẦU DAO HỢP KIM CỨNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - Năm 2021 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI -o0o - HOÀNG XUÂN THỊNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT RĂNG VÀ LƯỢNG MÒN DAO KHI CẮT TINH BÁNH RĂNG CƠN CUNG TRỊN BẰNG ĐẦU DAO HỢP KIM CỨNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9.52.01.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHẠM VĂN ĐÔNG PGS.TS TRẦN VỆ QUỐC Hà Nội - Năm 2021 i LỜI CẢM ƠN Tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn khoa học PGS.TS Phạm Văn Đông PGS.TS Trần Vệ Quốc hướng dẫn hỗ trợ tận tình cho tơi suốt thời gian học tập, nghiên cứu Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Trung tâm đào tạo sau đại học, phịng Tổ chức Hành tạo điều kiện tốt giúp đỡ suốt thời gian học tập nghiên cứu Tôi xin gửi lời cảm ơn nhà khoa học, tập thể giảng viên Khoa Cơ khí, Trung tâm Cơ khí, Trung tâm Việt Nhật Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội tư vấn, hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình làm luận án Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Trung tâm đào tạo kỹ thuật HaUIFoxconn, công ty TNHH YAMAHA Việt Nam, công ty TNHH KEYENCE Việt Nam, Viện khoa học vật liệu, Viện vũ khí, Cơng ty TNHH SANDVIK Việt Nam tư vấn, hỗ trợ q trình thực nghiệm luận án Cuối tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bố, mẹ, vợ, con, anh, chị, em ln động viên, giúp đỡ vật chất tinh thần thời gian nghiên cứu hoàn thành luận án Hà Nội, ngày 08 tháng 06 năm 2021 Tác giả luận án Hoàng Xuân Thịnh ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án công trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn PGS.TS Phạm Văn Đông PGS.TS Trần Vệ Quốc Kết nghiên cứu trình bày luận án trung thực chưa công bố cơng trình nghiên cứu khác Hà Nội, ngày 08 tháng 06 năm 2021 Tác giả luận án Hoàng Xuân Thịnh iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ ix DANH MỤC BẢNG xiii PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIA CƠNG BÁNH RĂNG CƠN CUNG TRỊN 1.1 Đặc điểm, phân loại phạm vi sử dụng bánh cung trịn 1.1.1 Đặc điểm 1.1.2 Phân loại 1.1.3 Phạm vi sử dụng 1.2 Thông số bánh cung trịn Nguyên lý tạo hình bề mặt cung trịn 12 Các phương pháp cắt bánh cung trịn .14 1.5 Thiết bị dụng cụ sử dụng để gia cơng bánh cung trịn 15 1.5.1 Máy gia cơng bánh cung trịn 15 1.5.2 Đầu dao phay bánh cung trịn 18 1.5.3 Vật liệu làm dụng cụ cắt bánh cung trịn 22 1.6 Một số tiêu đánh giá chất lượng truyền bánh cung trịn 28 1.6.1 Độ xác vết tiếp xúc 28 1.6.2 Độ xác truyền động 28 1.6.3 Độ ổn định làm việc 29 1.6.4 Độ xác khe hở cạnh 29 1.6.5 Nhám bề mặt 29 1.7 Tình hình nghiên cứu nước 30 iv 1.7.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 30 1.7.2 Tình hình nghiên cứu nước 31 KẾT LUẬN CHƯƠNG 33 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT RĂNG VÀ LƯỢNG MÒN DAO 34 2.1 Chất lượng bề mặt bánh cung trịn 34 2.1.1 Đặt vấn đề 34 2.1.2 Tính chất hình học bề mặt gia cơng 34 2.1.3 Sự hình thành nhám bề mặt sườn 36 2.1.4 Tính chất lý lớp bề mặt 39 2.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến nhám bề mặt 41 2.2 Mòn dụng cụ cắt 51 2.2.1 Đặt vấn đề 51 2.2.2 Đặc điểm q trình mịn dao gia cơng cắt gọt kim loại 51 2.2.3 Các dạng mài mòn phần cắt dụng cụ cắt 52 2.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến mòn dụng cụ cắt 57 KẾT LUẬN CHƯƠNG 70 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM 71 3.1 Mơ hình thực nghiệm 71 3.1.1 Sơ đồ thực nghiệm 71 3.1.2 Chỉ tiêu đánh giá 72 3.1.3 Chọn thông số đầu vào 72 3.1.4 Các yếu tố điều khiển 74 3.1.5 Nhiễu phay bánh cung trịn 75 3.2 Hệ thống thí nghiệm .75 3.2.1 Yêu cầu chung hệ thống thí nghiệm 75 3.2.2 Thiết bị gia công bánh cung trịn chun dùng 76 3.2.3 Vật liệu mẫu thí nghiệm 77 v 3.2.4 Dụng cụ cắt thí nghiệm .80 3.2.5 Thiết bị đo 82 3.2.6 Dung dịch trơn nguội 88 3.3 Xây dựng quy hoạch thực nghiệm 88 3.3.1 Cơ sở lựa chọn dạng quy hoạch thực nghiệm 88 3.3.2 Quy hoạch thực nghiệm dạng Box - Behnken 89 3.3.3 Thiết kế thí nghiệm 90 3.3.4 Mơ hình hồi quy thực nghiệm 92 3.3.5 Tiến trình thí nghiệm 99 3.3.6 Thu thập số liệu thực nghiệm 102 KẾT LUẬN CHƯƠNG 105 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN ĐÁNH GIÁ 106 4.1 Kết thí nghiệm xác định ảnh hưởng chế độ cắt đến nhám bề mặt lượng mòn dao .106 4.1.1 Kết thí nghiệm hàm mục tiêu Ra 107 4.1.2 Kết thí nghiệm hàm mục tiêu U 114 4.1.3 Tối ưu thông số công nghệ 120 4.2 Thực nghiệm xác định tuổi bền dụng cụ cắt…………………… 130 4.2.1 Thông số thực nghiệm 129 4.2.2 Kết thực nghiệm 130 KẾT LUẬN CHUNG 133 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 136 TÀI LIỆU THAM KHẢO 138 PHỤ LỤC 152 PHỤ LỤC 156 PHỤ LỤC 161 vi DANH MỤC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT TT Ký Ý nghĩa hiệu Đơn vị V Vận tốc cắt S Lượng chạy dao t Chiều sâu cắt mm Ra Sai lệch profin trung bình bề mặt chi tiết m Rz Chiều cao nhấp nhơ trung bình bề mặt chi tiết m 𝜔𝑒 Góc nâng vành ngồi bánh độ Góc nâng vành trung bình bánh độ 𝜔𝑠 Góc nâng vành bánh độ 𝜔𝑖 βe Góc xoắn vành ngồi bánh độ 10 βs Góc xoắn vành trung bình bánh độ 11 βi Góc xoắn vành bánh độ 12 𝛼𝑐𝑒 Góc áp lực tiết diện mặt đầu vành trịn độ chia vành ngồi bánh 13 𝛼𝑐𝑠 chia vành trung bình bánh 14 𝛼𝑐𝑖 chia vành bánh 15 Góc áp lực tiết diện mặt đầu vành trịn Góc áp lực tiết diện mặt đầu vành tròn m/phút giây/răng độ độ 𝑚𝑐𝑒 Mơ đun mặt đầu vành ngồi bánh mm Mơ đun mặt đầu vành trung bình bánh mm 𝑚𝑐𝑖 Mô đun mặt đầu vành bánh mm 17 𝑚𝑐𝑠 18 dr1, dr2 Đường kính vịng chia bánh mm 19 𝛿𝑟1 , 𝛿𝑟2 Góc chia bánh độ Chiều dài côn chia mm 16 20 𝑅𝑑𝑒 vii Chiều rộng vành mm 22 𝑏 h Chiều cao mm 23 Chiều cao làm việc mm 24 hh1, hh2 Chiều cao đầu mm 25 hp1, hp2 Chiều cao chân mm 26 fce, fcs 21 Hệ số chiều cao mặt đầu độ 28 𝜈ℎ1 , 𝜈ℎ2 Góc đỉnh bánh 29 δh1, δh2 độ 27 𝜈𝑝1 , 𝜈ℎ2 Góc chân bánh Góc côn đỉnh độ Chiều dày bánh nhỏ cung côn chia 30 31 𝑆𝑟1𝜋 𝑆𝑟1𝑠 tiết diện pháp tuyến khoảng cách đường sinh côn chia Chiều dày cung côn chia tiết diện pháp tuyến trung bình Mơ đun pháp tuyến trung bình 33 𝑚𝑛𝑠 ξ Hệ số dịch chỉnh chiều cao 34 ξφ Hệ số dịch chỉnh tiếp tuyến 32 mm mm mm 35 hh1k, hh2k Chiều cao đầu (đối với bánh điều chỉnh) mm 36 hp1k, hp2k Chiều cao chân (đối với bánh điều chỉnh) mm Đơn vị đo độ cứng theo phương pháp Brinell 37 HB 38 HRC 39 K Hệ số mài mòn tương đối dụng cụ cắt 40 hf Lượng mòn mặt trước dụng cụ cắt m 41 U Lượng mòn mặt sau dụng cụ cắt m 42 T Tuổi bền dụng cụ cắt theo thời gian phút 43 MQL Đơn vị đo độ cứng theo phương pháp Rockwell C Lưu lượng dung dịch tưới nguội mức tối thiểu HB HRC viii Central Composite Design - Dạng kế hoạch hỗn hợp 44 CCD 45 GA Genetic Algorithm – Thuật toán di truyền 46 NM Thuật toán Nelder – Mead 47 GRG 48  Góc sắc lưỡi dao độ 49  Góc trước lưỡi dao độ 50  Góc nâng lưỡi độ 51 az Lượng dư gia công mm tâm xoay Generalized Reduced Gradient – Thuật toán giảm gradient tổng quát 148 [94] P Palanisamy, I Rajendran, S Shanmugasundaram (2007), Prediction of tool wear using regression and ANN models in end-milling operation, Int J Adv Manuf Technol, Vol 37, pp 29–41, DOI: 10.1007/s00170007-0948-5 [95] Maohua Xiao, Xiaojie Shen, You Ma, Fei Yang, Nong Gao, Weihua Wei and Dan Wu (2018), Prediction of Surface Roughness and Optimization of Cutting Parameters of Stainless Steel Turning Based on RSM Mathematical Problems in Engineering Volume 2018, Article ID 9051084, 15 pages https://doi.org/10.1155/2018/9051084 [96] G Mahesh & S Muthu & S R Devadasan (2014), Prediction of surface roughness of end milling operation using genetic algorithm, Int J Adv Manuf Technol DOI 10.1007/s00170-014-6425-z, Received: December 2012 /Accepted: 22 September 2014 # Springer-Verlag London 2014 [97] Qin Li, Jiao Li, Chen Hao, Qian Yu-Bo (2010), Study on Prediction the Cutting Force of the Face Milling, international Conerence on inormation, Networking and Automation (iCiNA), Vol 2, pp 403-407 [98] Raymond H.Myers, Douglas C.Montgomery, and Christine M.AndersonCook (2009), Response Surface Methodology: Process and Product Optimization Using Designed Experiments, John Wiley & Sons, Inc, 3rd Edition [99] Rui Wang, Bingxu Wang, Gary C Barber, Jie Gu, J.David Schall (2019), Models for Prediction of Surface Roughness in a Face Milling Process Using Triangular Inserts, Lubricants, Vol 7, No 9; doi:10.3390/lubricants7010009 149 [100] Samad Nadimi Bavil Oliaei, Yiğit Karpat (2015), Influence of tool wear on machining forces and tool deflections during micro milling, Int J Adv Manuf Technol, http://dx.doi.10.1007/s00170-015-7744-4 [101] Saravanan R and Sachithanandam M (2001), Genetic Algorithm (GA) for Multivariable Surface Grinding Process Optimisation Using a Multi – objective function model, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, pp 330-338 [102] Stadtfeld (2014), Gleason Bevel Gear Technology, The Science of Gear Engineering and Modern Manufacturing Methods for Angular Transmissions, Chap 2, and 10, The Gleason Works, Rochester, NY ISBN: 978-0-615-96492-8 [103] Su Yu, He Ning (2010), Effect of refrigerated air cutting on tool wear in high-speed cutting of difficult-to-cut materials, Tribology [104] Tien Dung Hoang, Nhu-Tung Nguyen, Đuc Quy Tran, Van Thien Nguyen (2019), Cutting Forces and Surface Roughness in Face-Milling of SKD61 Hard Steel, Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 65, Vol 6, pp 375-385 [105] Tran Van Dich, Nguyen Trong Binh, Nguyen The Dat, Nguyen Viet Tiep, Tran Xuan Viet (2003), Manufacturing technology, Science and technics publishing House [106] Tran Van Dich (2001), Milling techonoly, Science and technics publishing House [107] Turkkan N (2001), Floating Point Genetic Algorithm - Genetik V2.02, http://www.umoncton.ca/turk/logic.htm [108] U Karaguzel, U Olgun, E Uysal, E Budak, M Bakkal (2014), Increasing tool life in machining of difficult-to-cut materials using nonconventional turning processes, Int J Adv Manuf Technol, DOI 10.1007/s00170-014-6588-7 150 [109] Vilmos Simon (2008), Head-cutter for optimal tooth modifications in spiral bevel gears, Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Machine Design, Department of Machine Elements, Muegyetem Rkp 3, H-1111 Budapest, Hungary [110] T J Drozda and C Wick (1988), Tool and Manufacturing Engineers Handbook, Vol 1: Machining, SME, Dearborn, MI [111] W.P Dong, B Griffiths, X Jiang, N Luo, E iVlainsah, RE Scott, P.J Sullivan (2000); Three-Dimensional Surface Topography; K.J Stout and L BluntSchool of Engineering, University of Huddersfield, An imprint of Kogan Page, London [112] Fritz Klocke and Alexander Klein (2006), Through Cutting Parameter Setting and Tool Design in Dry High-Speed Bevel Gear Tooth Cutting - Tool Life and Productivity Improvement, GEAR TECHNOLOGY, pp 41 – 48 [113] Wen-Hsiang Lai (2000), Modeling of Cutting Forces in End Milling Operations, Tamkang Journal of Science and Engineering, Vol 3, No 1, pp 15-22 [114] WU Baohai, YAN Xue, LUO Ming, GAO Ge (2013), Cutting Force Prediction for Circular End Milling Process, Chinese Journal of Aeronautics, No 26, doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.cja.2013.04.003 [115] I.I Xementsenko, V.M Matyusin, G.N Xakharov (1975), người dịch Hoàng Ái, Bù Song Cầu, Hà Nghiệp, Trịnh Văn Tự, Thiết kế dụng cụ cắt kim loại, NXB Khoa học kỹ thuật Hà nội [116] Yahya Hisman Celik, Ahmet Karabiyik (2016), Effect of cutting parameters on machining surface and cutting tool in milling of Ti-6Al4V alloy, Indian journal of engineering & materials sciences, vol 23, pp.349-356 [117] Yung-Chou Kao, Nhu-Tung Nguyen, Mau-Sheng Chen & Shin-Tzong 151 Su (2015), A prediction method of cutting force coefficients with helix angle of flat-end cutter and its application in a virtual threeaxis milling simulation system, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol 77, pp 1793–1809 [118] Zhaoju Zhu, Jie Sun, Laixiao Lu (2016), Research on the Influence of Tool Wear on Cutting Performance in High-Speed Milling of Difficultto-Cut Materials, Key Engineering Materials, Vol 693, pp 1129-1134 [119] Zhenyu ZHAO, Yongshan XIAO, Yongqi ZHU, Bai LIU (2010), Influence of Cutting Speed on Cutting Force in High-speed Milling, Advanced Materials Research, Vol 139-141, pp 835-838 [120] Zhongtao Fua, Wenyu Yanga, Xuelin Wanga, Jürgen Leopold (2015), Analytical Modelling of Milling Forces for Helical End Milling Based on a Predictive Machining Theory, 15th CIRP Conference on Modelling of Machining Operations, Procedia CIRP, Vol 31, pp 258 – 263 [121] ЗАВОД ТЯЖЕЛЫХ ЗУБОРЕЗНЫ Х СТАНКОВ, СТАНОК ДЛЯ НАРЕЗАНИЯ СПИРАЛЬНОЗУБЫХ КОНИЧЕСКИХ КОЛЕС, Модель 525, РУКОВОДСТВО К СТАНКУ, ЦЕНТРАЛЬНОЕ БЮРО ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ СОВНАРХОЗА САРАТОВ [122].https://www.sandvik.coromant.com/engb/products/Pages/productdetails aspx? c=VBMT%2016%2004%2008-PM%20%20%20%204225 [123] https://www.keyence.com.vn [124] https://en.wikipedia.org/wiki/Nelder%E2%80%93Mead_method 152 PHỤ LỤC Hình P1.1 Phơi chuẩn bị thí nghiệm Hình P1.2 Gia cơng mẫu thí nghiệm máy tiện cnc Hình P1.3 Mẫu thí nghiệm 153 Hình P1.4 Máy phay 525 thực trình phay Hình P1.5 Sơ đồ động máy phay 525 154 P 1.6 Cơng thức tính tốn xác định tỷ số truyền cho xích truyền động điều chỉnh máy - Điều chỉnh xích truyền dẫn chuyển động chính: chuyển động quay dao dẫn động từ động (N = 4,5 kw; n = 2900 vịng/phút) theo phương trình điều chỉnh động học: 16 34 𝑎 𝑐 35 17 2900 = 𝑛𝑑 64 34 𝑏 𝑑 28 85 Công thức tính tốn bánh thay để điều chỉnh xích tốc độ trục chính: 𝑎 𝑐 𝑛𝑑 𝑖𝑣 = = 𝑏 𝑑 180 - Điều chỉnh xích chạy dao: điều chỉnh xích chạy dao cơng tác theo thời gian bao hình (tct), thời gian trục cam thực góc quay 𝛼 = 1600 = 4/9 (vịng) để điều khiển trình bao hình Phương trình điều chỉnh động học 2900 𝑡𝑡𝑐 16 𝑎1 𝑐1 34 42 48 55 = 64 𝑏1 𝑑1 68 56 55 64 72 60 Cơng thức tính tốn bánh thay để điều chỉnh xích chạy dao: 𝑖𝑠 = 𝑎1 𝑐1 4.7 = 𝑏1 𝑑1 𝑡𝑐𝑡 - Điều chỉnh xích phân độ: điều chỉnh xích phân độ theo phương pháp bao hình gia cơng tinh bánh theo công thức sau: 𝑖𝑦 = 𝑍𝑖 𝑎2 𝑐2 = 𝑍𝑓 𝑏2 𝑑2 Trong đó: Zi - số cách quảng sau lần phân độ Zf - số bánh gia công - Điều chỉnh xích bao hình: tính tốn điều chỉnh xích bao hình để xác định tương quan tỷ lệ chuyển động quay giá dao với bàn máy ta có cơng thức điều chỉnh theo phương pháp bao sau: 29 26 1 135 28 𝑑3 𝑏3 20 24 32 23 75 26 26 26 𝑖𝑦 = 29 26 120 𝑍𝑓 𝑍𝑑 30 𝑐3 𝑎3 52 14 16 23 60 26 26 26 Cơng thức tính tốn bánh thay để điều chỉnh xích bao hình: 𝑖𝑥 = 𝑎3 𝑐3 𝑍𝑖 = 3,5 𝑏3 𝑑3 𝑍𝑑 Trong đó: Zi - số cách quảng sau lần phân độ Zf - số bánh gia công Zd - số bánh dẹt đỉnh 155 Hình P1.7 Kính hiển kỹ thuật số VHX600 sử dụng để đo Ra U Hình P1.8 Thực trình đo Ra U với trợ giúp số nhà khoa học cán kỹ thuật 156 PHỤ LỤC Bảng P 2.1 Kết đo nhám máy VHX-6000 157 Bảng P 2.2 Kết đo mòn dao máy VHX-6000 158 Bảng P 2.3 Kết xác định tuổi bền dụng cụ cắt 159 Hình P 2.1 Một số kết đo nhám máy VHX-6000 160 Hình P 2.2 Một số kết đo mịn máy VHX-6000 161 PHỤ LỤC Hình P 3.1 Kết phân tích thành phần vật liệu mảnh cắt 162 Hình P 3.2 Kết đo độ cứng tế vi mảnh cắt