MỞ ĐẦU Hợp kim cứng (HKC) loại vật liệu quan trọng sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp, với nhiều lĩnh vực khác như: Gia cơng khí: chế tạo dụng cụ cắt, dập, chuốt, bi nghiền; Công nghệ chế tạo máy: chế tạo chi tiết có tính đặc biệt u cầu độ cứng, chống mài mòn; chế tạo khn mẫu; Trong công nghiệp khai thác mỏ: chế tạo dao cắt, mũi khoan thăm dò; Trong quân sự: chế tạo loại đầu đạn xuyên thép số chi tiết có tính đặc biệt chịu mài mòn, chịu nhiệt Nguyên nhân việc sử dụng hiệu loại dụng cụ, chi tiết HKC vật liệu có độ cứng cao (>70HRC) giữ độ cứng điều kiện làm việc nhiệt độ cao 800÷1000(oC), mặt khác khả chống mài mòn cao, nên tuổi bền chi tiết, dụng cụ HKC tăng lên rõ rệt Hiện nay, giới mảnh cắt HKC nghiên cứu, ứng dụng phổ biến nhằm nâng cao chất lượng bề mặt gia công, tuổi bền dụng cụ cắt suất cắt gọt Một số hãng sản xuất dụng cụ cắt tiếng giới như: Sandvik, Seco (Thụy Điển), Mitsubishi, Kyocera (Nhật Bản)… Các mảnh cắt HKC đưa thị trường có hình dạng hình học, kích thước, vật liệu chế tạo tiêu chuẩn hóa có khuyến cáo phạm vị sử dụng loại như: Mảnh dao dùng để gia công vật liệu thép trước tôi, sau tôi, thép hàn, thép bền nhiệt, thép không gỉ chống ăn mòn, gia cơng gang, hợp kim màu Ở Việt Nam, vấn đề nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng HKC vào thực tế hạn chế Các đề tài nghiên cứu HKC nước thời gian qua, chủ yếu tập trung vào nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm mác HKC; công nghệ phun phủ bề mặt nhằm nâng cao chất lượng dụng cụ cắt thép HKC; số nghiên cứu nhằm tối ưu hóa chế độ cắt mảnh dao nhập ngoại Do nhiều nguyên nhân khác nhau, kết nghiên cứu chưa thể triển khai ứng dụng rộng rãi thực tế Đặc biệt chưa có đề tài nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mảnh dao thay nhiều cạnh cho dao tiện CNC HKC chế tạo Việt Nam Từ kết phân tích trên, nhận thấy đề tài “Nghiên cứu đặc tính cắt mảnh dao thay nhiều cạnh hợp kim cứng chế tạo Việt Nam gia công thép không gỉ SUS304 máy tiện CNC” - Mục tiêu nghiên cứu luận án: - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mảnh dao thay nhiều cạnh HKC Việt Nam để tiện bề mặt tròn xoay có prơphin cong lồi thép không gỉ SUS304 máy CNC, đảm bảo tiêu kinh tế, kỹ thuât - Xây dựng mô hình thực nghiệm đánh giá đặc tính cắt mảnh dao thay nhiều cạnh HKC chế tạo Việt Nam - Tối ưu hóa chế độ cắt tiện profin thép không gỉ SUS304 máy CNC mảnh dao thay nhiều cạnh HKC chế tạo Việt Nam - Đối tượng nghiên cứu: - Tiện bề mặt trụ, bề mặt bề mặt tròn xoay có profin cong thép không gỉ SUS304 - Mảnh dao thay nhiều cạnh HKC thiết kế, chế tạo Việt Nam - Các tiêu độ nhám bề mặt, độ xác kích thước, mòn dao, lực cắt để đánh giá đặc tính cắt mảnh dao thay nhiều cạnh HKC chế tạo Việt Nam - Phương pháp nghiên cứu: + Lý thuyết: Nghiên cứu tổng quan thép khơng gỉ đặc tính gia công thép không gỉ; Lý thuyết quan hệ thơng số hình học dụng cụ cắt với profin chi tiết; Lý thuyết mảnh dao HKC, phương pháp lựa chọn thơng số hình học mảnh dao, vật liệu chế tạo; Nghiên cứu sở lý thuyết chất lượng bề mặt, lực cắt, mòn dao; Các phương pháp quy hoạch thực nghiệm + Thực nghiệm: Phân tích, đánh giá ảnh hưởng thơng số hình học mảnh dao, thông số chế độ cắt đến chất lượng bề mặt, lực cắt, mòn dao - Ý nghĩa khoa học luận án: - Phát triển lý thuyết mối quan hệ prôphin chi tiết gia công với thông số hình học động lưỡi cắt tiện (Góc trước, góc sau, góc nghiêng chính, nghiêng phụ), prơphin chi tiết gia công với độ nhám bước tiến dao Từ đưa lý thuyết điều kiện khơng cắt lẹm, bước tiến dao cho phép tiện prôphin - Xây dựng mơ hình thực nghiệm để lựa chọn tối ưu thơng số hình học mảnh dao thay nhiều cạnh HKC tiện chi tiết có prơphin cong lồi - Sử dụng mơ hình thực nghiệm để đánh giá đặc tính cắt mảnh dao HKC đến số yếu tố độ nhám bề mặt, độ xác kích thước gia cơng, mòn dao, lực cắt tiện tinh prôphin khác - Xây dựng mơ hình tốn tối ưu để xác định chế độ cắt tối ưu tiện tinh thép khơng gỉ SUS304 dạng bề mặt tròn xoay có prôphin cong lồi mảnh dao thay nhiều cạnh HKC chế tạo Việt Nam với hàm mục tiêu suất lớn điều kiện biên máy, dao, chất lượng gia công - Ý nghĩa thực tiễn luận án: - Đưa phương pháp lựa chọn vật liệu HKC chế tạo mảnh dao có nhiều cạnh cắt thay dùng cho gia công thép không gỉ SUS304 - Xây dựng quy trình thực nghiệm chế tạo hồn chỉnh mảnh dao hợp kim cứng có nhiều cạnh cắt thay số đơn vị nước - Kết nghiên cứu áp dụng sở sản xuất để tham khảo mức độ ảnh hưởng thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt, độ xác kích thước, lực cắt, mài mòn dụng cụ gia cơng chi tiết thép khơng gỉ có prơphin cong lồi - Kết nghiên cứu dùng làm tài liệu tham khảo cho sở đào tạo nghiên cứu - Những đóng góp luận án: - Xây dựng mặt lý thuyết phương trình quan hệ hình học profin chi tiết với thơng số hình học dao cắt Đây sở cho việc tính tốn xác định thơng số hình học mảnh dao phù hợp với ngun công tiện profin máy tiện CNC - Xây dựng phương pháp xác định, lựa chọn vật liệu HKC chế tạo mảnh dao thay nhiều cạnh để gia công vật liệu theo yêu cầu Xây dựng mơ hình thực nghiệm lựa chọn tối ưu hình học mảnh dao thay nhiều cạnh tiện profin thép không gỉ máy tiện CNC Đề xuất phương pháp thiết kế, chế tạo mảnh dao thay HKC dùng cho máy tiện CNC thực nghiệm chế tạo mảnh dao điều kiện Việt Nam - Xây dựng mơ hình thực nghiệm đánh giá đặc tính cắt mảnh dao HKC Từ mơ hình thực nghiệm, xây dựng mối quan hệ thông số công nghệ thông số đầu như: độ nhám bề mặt, độ xác kích thước, lực cắt, mòn dao - Tìm thơng số chế độ cắt tối ưu từ mơ hình tối ưu hố chế độ cắt với hàm mục tiêu suất gia công lớn - Cấu trúc luận án: Luận án trình bày 135 trang, ngồi phần mở đầu, kết luận, kiến nghị, luận án gồm chương Chương 1: Đặc điểm gia công thép không gỉ máy tiện CNC mảnh dao hợp kim cứng Chương 2: Tương quan prôphin gia công thiết kế mảnh dao hợp kim cứng TT10K8 dùng cho tiện prôphin thép không gỉ SUS304 Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm đặc tính cắt mảnh dao hợp kim cứng TT10K8 chế tạo Việt Nam Chương 4: Tối ưu hoá chế độ cắt tiện CNC thép không gỉ mảnh dao HKC chế tạo Việt Nam Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TIỆN CNC THÉP KHÔNG GỈ 1.1 Đặc điểm tiện CNC 1.1.1 Profin chi tiết gia công tiện Các đường profin chi tiết gia công tiện hiểu biên dạng chi tiết mặt cắt qua đường tâm trục chi tiết, gồm tập hợp nhiều đoạn cong, đoạn thẳng nối tiếp, trường hợp đặc biệt profin đường thẳng, cung tròn Hình 1.1 Một số dạng đường prơphin chi tiết 1.1.2 Đường dụng cụ tiện profin Đường dụng cụ (đường chạy dao) quỹ đạo mà điểm dụng cụ dẫn theo trình gia cơng 1.1.3 Sự thay đổi góc động tiện prơphin Khi tiện bề mặt trụ tròn xoay có prơphin đường cong, đường dụng cụ tổng hợp gồm nối tiếp đoạn thẳng, cung cong thơng số hình học trạng thái động dụng cụ thường xuyên thay đổi Điều ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng gia công, suất điều kiện thiết bị, dụng cụ, đồ gá 1.1.4 Ảnh hưởng đường dụng cụ tiện prôphin đến chất lượng gia công Các thông số đường dụng cụ bao gồm: - Hình dạng đường dụng cụ - Hướng tiến dao: Cắt thuận, nghịch hay hỗn hợp - Khoảng cách hai đường chạy dao liên tiếp (bước tiến ngang) 1.2 Đặc điểm dao tiện máy CNC 1.2.1 Cấu tạo 1- Vít kẹp 2- Mảnh dao 3- Bạc gá 4- Tấm đỡ 5- Thân dao Hình 1.7 Cấu tạo dao tiện CNC 1.2.2 Vật liệu chế tạo phần cắt dụng cụ Dụng cụ cắt gắn mảnh dao thay nhiều cạnh HKC thơng thường chế tạo gồm ba phần có chức khác trình cắt, vật liệu chế tạo phận dụng cụ khác Thông thường phần thân phần gá kẹp chế tạo thép chế tạo máy thông thường, phần cắt dụng cụ chế tạo vật liệu thép bon dụng cụ, thép hợp kim dụng cụ, HKC, Vì vậy, nói đến vật liệu chế tạo dụng cụ cắt có nghĩa nói đến vật liệu chế tạo phần cắt gọt dụng cụ 1.2.3 Vật liệu gia công thép không gỉ SUS304 Với vật liệu gia công thép không gỉ SUS304, theo khuyến cáo hãng sản xuất hợp kim cứng giới, ta sử dụng mảnh dao HKC M20 (TT10K8) để gia công tinh bán tinh thép không gỉ SUS304 1.2.4 Lớp phủ bề mặt mảnh dao Dụng cụ cắt sử dụng lớp phủ nhiều lớp phủ Một số lớp phủ sử dụng chủ yếu đơn Nitrit Titan (TiN); đa Nitơrit (Ti, Al)N, Ti(B, N), Ti(C, N) ; 1.2.5 Ký hiệu phương pháp lựa chọn mảnh dao 1.2.5.1 Ký hiệu mảnh dao 1.2.5.2 Phương pháp lựa chọn phù hợp mảnh dao, thân dao 1.3 Độ xác hình học chi tiết gia cơng tiện 1.3.1 Độ nhám bề mặt tiện prơphin Có thể coi prôphin chi tiết nối tiếp vô số đoạn thẳng, chiều cao nhấp nhô tế vi (nhỏm b mt) gia cụng tinh (0,63ữ1,25àm) thng ch vài phần nghìn chiều dài lấy mẫu 1.3.2 Độ xác kích thước Để đánh giá độ xác kích thước prơphin bề mặt người ta thường đánh giá dựa vào dung sai gia công 1.4 Cơ sở lý thuyết động lực học mòn dụng cụ tiện CNC 1.4.1 Lực cắt 1.4.1.1 Động lực học q trình tiện 1.4.1.2 Mơ hình lực cắt cắt nghiêng 1.4.1.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt: Vật liệu gia cơng, chiều dày 1.4.2 Mòn dụng cụ 1.4.2.1 Các dạng mòn 1.4.2.2 Các dạng mòn đặc trưng mảnh dao HKC (TT10K8) tiện prôphin 1.4.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến mòn dụng cụ 1.5 Đặc điểm gia công thép không gỉ SUS304 1.5.1 Đặc điểm thép khơng gỉ SUS304 Hình 1.31 Giản đồ Schaeffler phân loại thép không gỉ theo cấu trúc Thép SUS304 (ký hiệu theo tiêu chuẩn JIS G4303-91) mác thép điển hình thuộc họ thép khơng gỉ pha Austenit, gọi họ thép 18-8 (vì có ≥ 18% Cr, ≥ 8% Ni) 1.5.2 Tính gia cơng thép khơng gỉ SUS304 Thép SUS304 có tính dẻo, dai cao, dễ gia cơng biến dạng cán, dập, gò nguội Tuy nhiên, tính gia cơng cắt gọt kém, thép SUS304 có tính dẻo, dai nên gia cơng cắt gọt có tượng bết phoi, lẹo dao ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công 1.6 Các cơng trình nghiên cứu ngồi nước Kết luận chương Nghiên cứu đặc điểm tiện CNC, đặc điểm tiện prôphin máy CNC Nghiên cứu mảnh dao thay nhiều cạnh HKC tiêu chuẩn để gia công prôphin vật liệu HKC để gia công thép không gỉ SUS304 Nghiên cứu chất lượng bề mặt gia cơng, tập trung vào độ xác kích thước, độ nhám bề mặt tiện prơphin Nghiên cứu động lực học q trình tiện, mòn dụng cụ Cuối chương tổng quan cơng trình nghiên cứu nước lĩnh vực nghiên cứu liên quan đến luận án như: Thơng số hình học dụng cụ HKC, tiện prôphin, ảnh hưởng thông số hình học thơng số chế độ cắt đến chất lượng gia cơng, lực cắt, nhiệt cắt, mòn dao, v.v Từ phân tích kết luận: Với hướng nghiên cứu chế tạo mảnh dao thay nhiều cạnh HKC để tiện prôphin thép không gỉ SUS304 mẻ, vừa bổ sung lý luận khoa học lĩnh vực nghiên cứu mảnh dao HKC, vừa giải toán thực tế đơn vị sản xuất Tác giả đặt mục tiêu cho luận án thiết kế, chế tạo mảnh dao HKC điều kiện Việt Nam, xây dựng mơ hình thực nghiệm để đánh giá đặc tính cắt mảnh dao Đồng thời xây dựng giải toán tối ưu chế độ cắt tiện chi tiết prôphin cong lồi Chương 2: TƯƠNG QUAN GIỮA PRÔPHIN GIA CÔNG VÀ THIẾT KẾ MẢNH DAO HỢP KIM CỨNG TT10K8 DÙNG CHO TIỆN PRÔPHIN THÉP KHÔNG GỈ SUS304 2.1 Nghiên cứu tương quan prơphin gia cơng với thơng số hình học dụng cụ chất lượng gia công tiện CNC 2.1.1 Sự biến thiên góc nghiêng chính, góc nghiêng phụ tiện prôphin điều kiện không cắt lẹm ϕ * = ϕ − arctg  f ' ( x )     (2.1)’  * '   ϕ1 = ϕ1 + arctg  f ( x)  * Điều kiện không cắt lẹm * ϕmin = ϕ − arctg  f ' ( x )max  >  (2.3)  *   ϕ ϕ = + ar ctg f ' x > ( )  1min   2.1.2 Sự biến thiên góc sau động tiện prôphin s.cos τ  ' α x = α x − arctg y π   (2.10) α ' = α − arctg s.sin τ y  y yπ 2.1.3 Sự biến thiên góc trước động tiện prôphin s.cosτ  ' γ x = γ x + y π  (2.16)  γ y' = γ y + s.sin τ  yπ 2.2 Sự phụ thuộc độ nhám bề mặt gia công tiện mũi dao nhỏ bước tiến dao 2.2.1 Sự phụ thuộc độ nhám bề mặt gia công tiện mũi dao nhỏ sCNC (2.18) Ra = h = cot g (ϕ − arctg  f ' ( x )  ) + cot g (ϕ1 − arctg  f ' ( x )  ) 2.2.2 Sự phụ thuộc độ nhám bề mặt gia công vào bước tiến dao  2π y tg (α x − [α x ])  s1 = cos τ   π α y − α y  y tg   s2 = sin τ  ( (2.20) ) 2.3 Nghiên cứu thực nghiệm thiết kế mảnh dao HKC để gia công thép không gỉ 2.3.1 Phương pháp thực nghiệm Taguchi 2.3.2 Nghiên cứu thiết kế hợp lý phôi mảnh dao HKC 2.3.2.1 Chi tiết gia cơng u cầu kỹ thuật Hình 2.9 Chi tiết gia công 2.3.2.2 Lựa chọn phôi mảnh dao HKC a Góc mũi dao ε: đề tài nghiên cứu chọn thiết kế mảnh dao nhiều cạnh thay HKC có dạng hình thoi, góc mũi dao ε = 35o, mảnh dao có 04 lưỡi cắt b Góc nghiêng φ: Lựa chọn φ cho lắp lên thân dao, gá vng góc với trục máy, lưỡi cắt trục góc 93o, đó, lưỡi cắt tạo với bề mặt vng góc chi tiết với trục góc 3o, việc phù hợp với ngun cơng xén mặt đầu chi tiết Lúc hình thành góc nghiêng phụ 52o 2.3.4 Nghiên cứu thiết kế hợp lý thơng số hình học mảnh dao HKC 2.3.4.1 Thiết kế thơng số hình học mảnh dao HKC Bảng trực giao thí nghiệm Taguchi trình bày Bảng 2.4 Bảng 2.3 Mức thực nghiệm thông số hình học TT Thơng số Các mức thực nghiệm Góc trước γ, (o) -10 / -5 / o Góc sau α, ( ) 10 / 12 / 14 Bán kính mũi dao r, (mm) 0,2 / 0,4 / 0,6 Góc nâng λ, (o) -6 / / Hình 2.15 Mẫu thép SUS304 sau gia công Bảng 2.4 Kết đo độ nhám, kích thước tỷ số S/N TT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 γ 0 0 0 0 -5 -5 -5 -5 -5 -5 -5 -5 -5 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 Bảng trực giao α r 10 0.2 10 0.2 10 0.2 12 0.4 12 0.4 12 0.4 14 0.6 14 0.6 14 0.6 10 0.4 10 0.4 10 0.4 12 0.6 12 0.6 12 0.6 14 0.2 14 0.2 14 0.2 10 0.6 10 0.6 10 0.6 12 0.2 12 0.2 12 0.2 14 0.4 14 0.4 14 0.4 Tổng λ -6 -6 -6 0 6 6 6 -6 -6 -6 0 0 0 6 -6 -6 -6 RaTB (µm) 1.385 1.367 1.371 1.227 1.203 1.231 1.113 1.112 1.117 1.019 1.013 1.012 0.933 0.862 0.901 1.127 1.122 1.112 1.397 1.391 1.397 1.313 1.282 1.243 1.112 1.113 1.125 S/NRa -2.8290 -2.7154 -2.7407 -1.7769 -1.6053 -1.8052 -0.9299 -0.9221 -0.9611 -0.1635 -0.1122 -0.1036 0.6024 1.2899 0.9055 -1.0385 -0.9999 -0.9221 -2.9039 -2.8665 -2.9039 -2.3653 -2.1578 -1.8894 -0.9221 -0.9299 -1.0231 -34.789 ∆D (mm) 0.0510 0.0505 0.0513 0.0341 0.0327 0.0312 0.0437 0.0432 0.0414 0.0350 0.0311 0.0330 0.0213 0.0242 0.0211 0.0411 0.0392 0.0363 0.0513 0.0524 0.0532 0.0573 0.0533 0.0521 0.0432 0.0423 0.0441 S/N∆D 25.8486 25.9342 25.7977 29.3449 29.7090 30.1169 27.1904 27.2903 27.6600 29.1186 30.1448 29.6297 33.4324 32.3237 33.5144 27.7232 28.1343 28.8019 25.7977 25.6134 25.4818 24.8369 25.4655 25.6632 27.2903 27.4732 27.1112 756.448 Để đồng thời đảm bảo độ nhám bề mặt, độ xác kích thước chi tiết nhỏ nhất, đảm bảo độ bền dụng cụ, ta nên chọn α2 (12o) cho hai trường hợp Do đó, thơng số hình học phần cắt dụng cụ mức γ2(-5o), α2(12o), r2(0,4mm), λ1(-6o) lựa chọn tối ưu nghiên cứu Từ kết thực nghiệm, phân tích ta tìm thơng số hình học tối ưu mảnh dao hợp kim cứng trình bày Bảng 2.12: Bảng 2.9 Thơng số hình học tối ưu mảnh dao Thơng số hình học Giá trị Chiều dày δ, (mm) 5-0,05 Bán kính mũi dao r, (mm) 0,4 Góc nghiêng φ1, (o) 93 Góc mũi dao ε, (o) 35 Góc trước γ, (o) -5 Góc sau α, (o) 12 Góc nâng λ, (o) -6 2.4 Thực nghiệm chế tạo mảnh dao 2.4.1 Thực nghiệm chế tạo phôi mảnh dao Hình 2.20 Sơ đồ cơng nghệ chế tạo phôi mảnh dao HKC 2.4.2 Thực nghiệm chế tạo mảnh dao hồn chỉnh Hình 2.25 Sơ đồ cơng nghệ chế tạo hồn chỉnh mảnh dao 10 Hình 2.30 Mảnh dao sau chế tạo hoàn chỉnh Kết luận chương Nghiên cứu thực nghiệm chế tạo hoàn chỉnh mảnh dao thay nhiều cạnh HKC TT10K8 Kết chế tạo mảnh HKC TT10K8 với độ cứng: 89,3 (HRA), tỷ trọng: 13,7 (g/cm3) đạt yêu cầu tiêu chuẩn hành, nhiên độ bền uốn: 1407(MPa) thấp tiêu chuẩn hành (~97% tiêu chuẩn) nguyên nhân thiết bị nước hạn chế, q trình cơng nghệ chưa tối ưu Kết chế tạo mảnh dao thay nhiều cạnh HKC với thông số: Mảnh dao hình thoi, chiều dày δ: 5-0,05 (mm), bán kính mũi dao r: 0,4 (mm), góc mũi dao ε: 35 (o), góc trước γ: (o), góc sau α: (o), góc nâng λ: -6 (o) Khi lắp lên thân dao tiêu chuẩn tạo thơng số góc nghiêng ϕ : 93 (o), góc trước γ: -5 (o), góc sau α: (o), góc nâng λ: -6 (o) Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐẶC TÍNH CẮT CỦA MẢNH DAO HỢP KIM CỨNG CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM 3.1 Các phương pháp xác định mối quan hệ thực nghiệm 3.1.1 Mơ hình hồi quy bậc 3.1.2 Phương pháp bề mặt tiêu 3.2 Xây dựng mơ hình thí nghiệm 3.2.1 Sơ đồ thí nghiệm Hình 3.3 Sơ đồ nghiên cứu trình tiện CNC thực nghiệm 11 3.2.2 Các điều kiện đầu vào Vận tốc cắt: 40 (m/phút) ≤ v ≤ 50 (m/phút); Bước tiến dao s: 0,04 (mm/vòng) ≤ s ≤ 0,08 (mm/vòng); Chiều sâu cắt t: 0,2mm ≤ t ≤ 0,6 mm 3.2.3 Các đại lượng đầu Độ nhám bề mặt: Ra (µ); Độ sai lệch kích thước: ∆D (mm); Lực cắt: Px , Py , Pz (N); Mòn dao: hs (mm) 3.2.4 Các đại lượng cố định 3.2.5 Các đại lượng không điều khiển (nhiễu) 3.3 Điều kiện thực nghiệm 3.3.1 Máy tiện CNC 3.3.2 Mẫu thí nghiệm 3.3.3 Dụng cụ cắt 3.3.4 Các thiết bị đo 3.4 Thực nghiệm xác định số đặc tính cắt mảnh dao HKC 3.4.1 Ảnh hưởng thông số công nghệ đến lực cắt 3.4.1.1 Ảnh hưởng thông số công nghệ đến lực cắt tiện trụ thẳng Tiến hành thí nghiệm với thép SUS304 dạng trụ thẳng Φ22 - Vận tốc cắt v: 40÷70 (m/phút) - Bước tiến dao s: 0,04÷0,16 (mm/vòng) - Chiều sâu cắt t: 0,2÷1,4 (mm) a Ảnh hưởng bước tiến dao đến lực cắt Hình 3.9 Ảnh hưởng bước tiến dao đến lực cắt b Ảnh hưởng chiều sâu cắt đến lực cắt Hình 3.10 Ảnh hưởng chiều sâu cắt đến lực cắt c Ảnh hưởng vận tốc đến lực cắt 12 Hình 3.11 Ảnh hưởng chiều sâu cắt đến lực cắt 3.4.1.2 Ảnh hưởng thông số công nghệ đến lực cắt tiện prôphin Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng thông số chế độ cắt (vận tốc cắt v, bước tiến dao s chiều sâu cắt t) đến lực cắt thực nghiệm với điều kiện mục 3.2, 3.3 Thông số công nghệ: Giữ cố định thông số công nghệ mức sau: Vận tốc cắt: 45 (m/phút), Bước tiến dao: 0,06 (mm/vòng); Chiều sâu cắt: 0,4 (mm) Trụ thẳng Prơphin cong lồi Prơphin cong lõm Hình 3.14 Sơ đồ ảnh hưởng prôphin chi tiết đến lực cắt 3.4.2 Ảnh hưởng thông số công nghệ đến độ nhám chi tiết có biên dạng Hình 3.15 Mẫu thí nghiệm có biên dạng trụ 13 Bảng 3.5 Bảng thiết kế thí nghiệm kết đo độ nhám Thơng số chế độ cắt TT 10 11 12 13 14 15 s (mm/vòng) t (mm) 0,04 0,4 0,08 0,4 0,06 0,2 0,04 0,6 0,08 0,2 0,04 0,4 0,06 0,4 0,06 0,4 0,08 0,6 0,06 0,6 0,06 0,6 0,06 0,4 0,08 0,4 0,06 0,2 0,04 0,2 Giá trị trung bình Độ nhám (µm) ϕ1 ϕ2 (o) 133 133 113 123 123 113 123 123 123 133 113 123 113 133 123 (o) 73 73 73 63 63 53 63 63 63 53 73 63 53 53 63 Ra1 Ra 1,12 1,82 1,37 1,16 1,65 0,81 1,23 1,22 2,03 1,89 1,43 1,21 1,37 1,69 1,26 1,42 0,66 1,29 1,28 1,15 1,56 1,03 1,16 1,11 1,96 1,79 1,31 1,17 1,71 1,61 1,19 1,33 Qua phân tích, thảo luận kết thấy mức giá trị s=0,04mm/vòng, t=0,4mm khơng tạo độ nhám giống trường hợp lựa chọn để đồng thời đạt độ nhám bề mặt trung bình tối ưu Ra1 Ra Đối với tác động yếu tố hình học bề mặt gia công, nên chọn cách gá dao để tạo góc nghiêng ϕ1 113o (trường hợp tiện côn trái) ϕ 73o (trường hợp tiện phải) 3.5 Mơ hình thực nghiệm ảnh hưởng chế độ cắt đến chất lượng bề mặt gia công, mòn dao thành phần lực cắt tiện thép SUS304 máy tiện CNC 3.5.1 Xây dựng mô hình hồi quy mơ tả quan hệ chế độ cắt nhám bề mặt (3.8) Ra = 1.2955.v −0.07403 s 0,26946 t 0,07444 (µm) Từ phương trình (3.8) ta có nhận xét: Trong phạm vi nghiên cứu, bước tiến dao có số mũ dương lớn có nghĩa mức độ ảnh hưởng bước tiến dao đến độ nhám lớn yếu tố theo chiều thuận, tức bước tiến dao tăng độ nhám tăng ngược lại Vận tốc cắt có số mũ âm trị tuyệt đối nhỏ nên ảnh hưởng đến độ nhám nhỏ theo tỷ lệ nghịch, tức 14 vận tốc cắt tăng độ nhám giảm ngược lại Chiều sâu cắt có số mũ dương nhỏ nên mức độ ảnh hưởng đến độ nhám nhỏ theo chiều thuận Hình 3.20 Đồ thị quan hệ thơng số cơng nghệ đến độ nhám Ra 3.5.2 Xây dựng mơ hình hồi quy mô tả quan hệ chế độ cắt độ sai lệch kích thước ∆ D = 0, 0564.v −0,024 s 0,052 t 0,144 (mm) (3.9) Từ phương trình (3.9) ta có nhận xét: Trong phạm vi nghiên cứu, chiều sâu cắt có số mũ dương lớn có nghĩa mức độ ảnh hưởng chiều sâu cắt đến độ sai lệch kích thước lớn yếu tố theo chiều thuận, tức chiều sâu cắt tăng độ sai lệch kích thước tăng ngược lại Bước tiến dao có mức độ ảnh hưởng đến độ sai lệch kích thước lớn thứ hai theo tỷ lệ thuận Vận tốc cắt có số mũ âm trị tuyệt đối nhỏ hai yếu tố nên ảnh hưởng đến độ sai lệch kích thước nhỏ Hình 3.21 Đồ thị quan hệ thông số công nghệ đến sai lệch kích thước ∆D 3.5.3 Xây dựng mơ hình hồi quy mơ tả quan hệ chế độ cắt mòn theo mặt sau dụng cụ hs = 0,1771.v 0,090 s 0,075 t 0,049 (mm) (3.10) Từ phương trình (3.10) ta có nhận xét: Trong phạm vi nghiên cứu, mức độ ảnh hưởng vận tốc cắt đến mòn mặt sau dụng cụ lớn theo chiều thuận vận tốc cắt có số mũ dương lớn ba yếu tố, vận tốc cắt tăng độ mòn tăng ngược lại Tiếp đến bước tiến dao cuối chiều sâu cắt, ảnh hưởng hai yếu tố theo chiều thuận với độ mòn mặt sau Khi bước tiến dao chiều sâu cắt tăng độ mòn mặt sau dụng cụ tăng ngược lại 15 Hình 3.22 Đồ thị quan hệ thơng số cơng nghệ đến độ mòn mặt sau hs 3.5.4 Xây dựng mơ hình hồi quy mơ tả quan hệ chế độ cắt thành phần lực cắt 3.5.4.1 Xây dựng mơ hình hồi quy mơ tả quan hệ chế độ cắt thành phần lực cắt Px Hình 3.23 Đồ thị quan hệ thông số công nghệ đến lực Px 3.5.4.2 Xây dựng mơ hình hồi quy mơ tả quan hệ chế độ cắt thành phần lực cắt Py Py = 148, 413.v −0,0151.s 0,0541.t 0,0859 (N) (3.12) Hình 3.24 Đồ thị quan hệ thông số công nghệ đến lực Py 3.5.4.3 Xây dựng mơ hình hồi quy mô tả quan hệ chế độ cắt thành phần lực cắt Pz Pz = 340, 658.v −0,00935 s 0,0313 t 0,07278 (N) (3.13) 16 Hình 3.25 Đồ thị quan hệ thông số công nghệ đến lực Pz Chương 4: TỐI ƯU HOÁ CHẾ ĐỘ CẮT KHI TIỆN CNC THÉP KHÔNG GỈ SUS304 BẰNG MẢNH DAO THAY THẾ NHIỀU CẠNH HKC TT10K8 CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM 4.1 Chỉ tiêu tối ưu hàm mục tiêu 4.1.1 Đặt vấn đề Tối ưu hoá thực chất giải tốn tìm giá trị max có điều kiện bất phương trình 4.1.2 Hàm mục tiêu Để hàm mục tiêu thời gian gia cơng ngắn thể tích bóc tách vật liệu theo thời gian phải lớn Thể tích bóc tách vật liệu theo thời gian tính theo cơng thức: π ( D12 − D22 ) π ( D12 − D22 ) (mm3/phút) Q = v.s.t = s ph = s.n Trong đó: v- Tốc độ cắt, (m/phút) s- Bước tiến dao, (mm/vòng) t- Chiều sâu cắt, (mm) s ph - Lượng chạy dao phút, (mm/phút) n- tốc độ trục chính, (vòng/phút) D1 - Đường kính phơi, (mm) D2 - Đường kính chi tiết gia công, (mm) Như hàm mục tiêu cần nghiên cứu là: 4.1.3 Các hàm ràng buộc (1) Công suất cắt cho phép : v.s.t → lớn v 0,99065 s 0,0313.t 0,07278 ≤ B1 (2) Công suất chạy dao dọc lớn cho phép v 0,9859 s1,0532 t 0,0838 ≤ B 17 (3) Công suất chạy dao ngang lớn cho phép v 0,9849 s1,0541.t 0,0859 ≤ B (4) Số vòng quay lớn nhất, nhỏ cho phép v ≤ B ; v ≥ B5 (5) Bước tiến dao lớn nhất, nhỏ cho phép s ≤ smax = B ; s ≥ smin = B (6) Chiều sâu cắt lớn nhất, nhỏ cho phép t ≤ tmax = B8 ; t ≥ tmin = B9 (7) Mòn dao theo mặt sau: v 0,090 s 0,075 t 0,049 ≤ B10 (8) Các giới hạn chất lượng gia công - Độ nhám bề mặt: v −0,07403.s 0,26946 t 0,07444 ≤ B11 - Độ xác kích thước: v −0,024 s 0,052 t 0,144 ≤ B12 (9) Các điều kiện khác trình cắt: Độ cứng vững hệ thống cơng nghệ (máy, dao, đồ gá, phôi), dung dịch bôi trơn làm nguội, giới hạn phôi gia công, giới hạn dụng cụ cắt có ảnh hưởng khơng đáng kể, phạm vi nghiên cứu ta không xét đến 4.2 Phương pháp giải toán tối ưu Như trình bày với tốn tối ưu hóa q trình cắt đây, với hàm mục tiêu f o = f ( v, s, t ) = max , số biến n =3, số ràng buộc m = 12 bất phương trình phi tuyến Giả tốn tối ưu cách Logarit hóa hai vế đổi biến Điều kiện bắt buộc phương pháp giải tích biến ln dương, với giá trị thực s t thường nhỏ nên cần nhân hai vế với 100 để biến mã hóa thoả mãn u cầu tốn Đặt lg(v) = X ; lg(100s) = X ; lg(100t) = X Với [hs]=0,2mm; [ Ra ] =1,25µm; [ ∆D] =0,1mm; N đc =5,5kW; N đc1 = N đc = 0,75kW, η=0,9; Dmax = 21,8mm ; Dmin = 15,5mm ; nmax =100 vòng/phút; nmin = 6000 vòng/phút Ta có hàm mục tiêu bất phương trình ràng buộc sau: f o = ( X + X + X ) = max (4.28) 18  1000,1040.60.1020.Nđc.η 0,99065 X + 0,0313 X + 0,07278 X ≤ lg( ) = 3,157  340,658   1001,137.60.1020.π.D.Nđc1.η ) = 6,670 0,9859X1 +1,0532X2 + 0,0838X3 ≤ lg( 113,4088   1001,14.60.1020.π.D.Nđc2.η ) = 6,559 0,9849X1 +1,0541X2 + 0,0859X3 ≤ lg( 148,413    π.D n   3,14.15,5.100  X1 ≥ lg  min  = lg   = 0,687 1000  1000       π.D n   3,14.21,8.6000  X1 ≤ lg  max max  = lg   = 2,613 1000     1000  X2 ≤ lg(100.0,08) = 0,903  X2 ≥ lg(100.0,02) = 0,301 X ≤ lg 100.0,6 = 1,778 ( )  X3 ≥ lg (100.0, 02) = 0,301   1000,124.[ hs] ) = 0,301 0,090X1+ 0,075X + 0,049X ≤ lg( 0,1771   1000,3439.[ Ra ] (4.29) −0,07403X1+ 0,26946X + 0,07444X ≤ lg( ) = 0,672 1,2955   1000,196.[ ∆D] −0,024X1+ 0,052X + 0,144X ≤ lg( ) = 0,641  0,0564 Với dạng tốn quy hoạch tuyến tính sử dụng nhiều phần mềm để giải như: Lindo, Matlab, v.v Tuy nhiên, với số lượng biến đầu vào số ràng buộc không lớn (3 biến 12 ràng buộc), ta sử dụng công cụ Solver phần mềm Microsoft Excel để giải toán tối ưu Các bước giải toán: Bước 1: Xây dựng hàm mục tiêu Ta có hàm mục tiêu (4.28) Bước 2: Xây dựng ràng buộc Ta có hệ bất phương trình ràng buộc (4.29) Bước 3: Tổ chức liệu bảng tính Excell Các cơng thức (biểu diễn tương ứng theo hàng, cột bảng tính Microsoft excel): 19 Bảng 4.1 Dữ liệu tính tốn hàm mục tiêu Trên bảng 4.1, ban đầu giá trị biến X , X , X giá trị hàm tính tốn giá trị mục tiêu Bước 4: Sử dụng cơng cụ Solve để tìm phương án tối ưu (Bảng 4.2) Bảng 4.2 Giao diện công cụ Solve – Microsoft Excel - Tại ô Set Target Cell: Lựa chọn ô hiển thị giá trị hàm mục tiêu, ta chọn ô E4 - Equal To: Chọn giá trị mục tiêu, ta chọn Max - Giá trị hàm mục tiêu lớn - By Changing Cells: Chọn ô hiển thị giá trị tối ưu biến X , X , X , ta chọn hiển thị ô B4, C4, D4 - Subject to the Constraints: Thiết đặt ràng buộc giá trị hàm tính tốn hàm giới hạn (giữa vế trái ô vế phải Bảng 4.2) Sau kiểm tra kỹ số liệu bảng tính ta nhấn nút để giải tốn Ta có kết tính tốn tối ưu thể Bảng 4.3 20 Bảng 4.3 Dữ liệu tính tốn hàm mục tiêu Kết v = 42,062 (m/phút); s = 0,07998 (mm/vòng); t = 0,5997 (mm) Làm tròn số ta được: v = 42 (m/phút); s = 0,08 (mm/vòng); t = 0,6 (mm) Như vậy, với chi tiết gia cơng có prơphin cong lồi với kích thước yêu cầu kỹ thuật cụ thể vẽ (Hình 2.11) vật liệu thép khơng gỉ SUS304, thực q trình tiện máy tiện CNC PLG-42 mảnh dao HKC chế tạo Việt Nam, chế độ cắt tối ưu để suất gia công lớn mà đảm bảo u cầu chất lượng, độ xác, mòn dao lực cắt là: v = 42 (m/phút); s = 0,08 (mm/vòng); t = 0,6 (mm) Tại chế độ tối ưu tốc độ bóc tách kim loại đạt cực đại Q=2016 (mm3/phút), mòn dao hs = 0,197 (mm), nhám bề mặt Ra = 0,69 (µm), độ sai lệch kích thước ∆D = 0,044 (mm) Có thể nhận thấy cách trực quan phương án tối ưu phương diện suất phương án tương ứng với giá trị giới hạn hầu hết thông số cắt vùng khảo sát, bước tiến dao, chiều sâu cắt (s = 0,08mm/vòng; t = 0,6mm) xấp xỉ giới hạn trên, riêng tốc độ cắt giá trị tối ưu (v = 42 m/phút) gần với giới hạn v = 40m/phút Nguyên nhân vấn đề vận tốc cắt yếu tố ảnh hưởng trực tiếp mạnh mẽ đến mòn dao, vận tốc tăng làm độ mòn mặt sau tăng Đối với chi tiết biên dạng cong lồi phức tạp luận án yêu cầu cao độ xác kích thước, độ nhám bề mặt, vậy, chi cho phép gia cơng dụng cụ có độ mòn mặt sau nằm giới hạn cho phép 21 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Kết luận Trong phạm vi giới hạn nghiên cứu, luận án thực số nội dung sau: 1- Nghiên cứu đặc điểm tiện CNC, tập trung nghiên cứu dụng cụ cắt đặc điểm tiện prôphin máy tiện CNC dạng đường prôphin chi tiết, dạng đường dụng cụ tiện prôphin Nghiên cứu lý thuyết tương quan prôphin chi tiết với thơng số động lưỡi cắt tiện CNC (Góc trước, góc sau, góc nghiêng chính, nghiêng phụ), prơphin chi tiết gia công với độ nhám bước tiến dao Từ đưa lý thuyết điều kiện không cắt lẹm, bước tiến dao cho phép tiện prôphin ứng dụng vào thực tế Kết nghiên cứu mác HKC cần chế tạo HKC TT10K8 để gia công thép không gỉ SUS304 2- Nghiên cứu tương quan prôphin chi tiết đến biến thiên thành phần lực cắt, mòn dao chất lượng bề mặt gia công Kết nghiên cứu prơphin chi tiết có ảnh hưởng lớn chiều độ lớn thành phần lực cắt, ảnh hưởng mạnh đến thành phần lực hướng kính Mòn dao xảy phức tạp so với tiện trụ trơn, gồm mòn mặt trước, mặt sau, sứt vỡ mảnh dao Tuy nhiên, với trường hợp gia công tinh prôphin, tốc độ cắt thấp dạng mòn chủ yếu mòn mặt sau Chất lượng gia công chịu ảnh hưởng đáng kể prôphin chi tiết Kết thực nghiệm tiện mặt côn trái, khoảng khảo sát (φ1: 113o ÷133o ) góc nghiêng lớn độ nhám tăng lên đạt giá trị nhỏ Ra1 = 0,83µm φ1=113o; tiện phải khoảng khảo sát (φ2: 53o ÷73o ) góc nghiêng lớn độ nhám giảm đạt giá trị nhỏ Ra1 = 0,67µm φ2=73o 3- Ứng dụng hiệu phương pháp Taguchi xây dựng mô hình thực nghiệm thiết kế, lựa chọn tối ưu thơng số hình dạng, hình học mảnh dao thay nhiều cạnh HKC TT10K8 Thực nghiệm chế tạo mảnh HKC TT10K8 với độ cứng: 89,3 (HRA), tỷ trọng: 13,7 (g/cm3) đạt yêu cầu tiêu chuẩn hành, nhiên độ bền uốn: 1407 (MPa) thấp tiêu chuẩn hành (~97% tiêu chuẩn) nguyên nhân thiết bị nước hạn chế, q trình cơng nghệ chưa tối ưu Kết chế tạo mảnh dao thay nhiều cạnh HKC với thơng số: Mảnh dao hình thoi, chiều dày δ: 5-0,05 (mm), bán kính mũi dao r: 0,4 (mm), góc mũi dao ε: 35 (o), góc trước γ: (o), góc sau α: (o), góc nâng λ: -6(o) Khi lắp lên thân 22 dao tiêu chuẩn tạo thơng số góc nghiêng ϕ : 93 (o), góc trước γ: -5 (o), góc sau α: (o), góc nâng λ: -6 (o) 4- Nghiên cứu xây dựng phương trình quan hệ chế độ cơng nghệ đến thơng số đầu q trình sản xuất lực cắt, độ sai lệch kích thước, độ nhám, độ mòn mặt sau dụng cụ, gia công prôphin thép không gỉ SUS304 máy tiện CNC mảnh dao TT10K8 chế tạo Việt Nam, cụ thể: - Độ nhám bề mặt: Ra = 1.2955.v −0.07403 s 0,26946 t 0,07444 (µm) - Độ sai lệch kích thước: ∆D = 0, 0564.v −0,024 s 0,052 t 0,144 (mm) - Độ mòn mặt sau: - Lực cắt: hs = 0,1771.v 0,090 s 0,075 t 0,049 Px = 113, 4088.v −0,0141 s 0,0532 t 0,0838 Py = 148, 413.v −0,0151.s 0,0541.t 0,0859 (mm) (N) (N) Pz = 340, 658.v −0,00935 s 0,0313 t 0,07278 (N) 5- Xây dựng mô hình tốn tối ưu để xác định chế độ cắt tối ưu tiện tinh thép không gỉ SUS304 dạng bề mặt tròn xoay có prơphin cong lồi mảnh dao thay nhiều cạnh HKC TT10K8 chế tạo Việt Nam, hàm mục tiêu suất lớn điều kiện biên máy, dao, chất lượng gia công Kết nghiên cứu đưa thông số chế độ cắt tối ưu gia công prôphin thép không gỉ SUS304 máy tiện CNC mảnh dao TT10K8 chế tạo Việt Nam, cụ thể: Vận tốc cắt v = 42 (m/phút); bước tiến dao s = 0,08 (mm/vòng); chiều sâu cắt t = 0,6 (mm), thông tin quan trọng cho việc định chọn lựa thông số gia công sản xuất Hướng nghiên cứu Trong sản xuất khí nói chung, gia cơng tiện nói riêng lĩnh vực vơ rộng lớn Nhưng có điểm chung vấn đề nâng cao suất, chất lượng sản phẩm, giảm thời gian gia công Để đạt điều đòi hỏi phải có nhiều nghiên cứu Trong nghiên cứu thực nghiệm khảo sát giới hạn số vấn đề: Vật liệu gia công thép SUS304, HKC mác TT10K8 (M20), số thơng số hình dạng, hình học, tối ưu hóa hàm mục tiêu với số thông số chế độ cắt Vì hướng nghiên cứu luận án tập trung giải vấn đề sau: 1- Nghiên cứu tối ưu hóa đặc tính cắt mảnh dao hợp kim cứng chế tạo Việt Nam gia cơng vật liệu khó gia cơng khác vật liệu dẻo 23 2- Nghiên cứu tối ưu hóa hình dạng mặt trước mảnh dao hợp kim cứng chế tạo Việt Nam, tạo gờ lồi, lõm với mục đích bẻ phoi tạo thuận lợi cho hướng thoát phoi để giảm ma sát, giảm nhiệt độ cắt nâng cao chất lượng bề mặt gia cơng, giảm lực cắt, mòn dao tăng tuổi thọ dụng cụ 3- Nghiên cứu phun phủ bề mặt mảnh dao để tăng tuổi thọ dụng cụ, đặc biệt khả chống mài mòn cho dụng cụ 4- Xây dựng hồn chỉnh cơng nghệ chế tạo mảnh dao hợp kim cứng Việt Nam, bước tiêu chuẩn thương mại hóa sản phẩm để cung cấp thị trường thay cho hàng nhập ngoại 24 ... tính cắt mảnh dao hợp kim cứng TT10K8 chế tạo Việt Nam Chương 4: Tối ưu hoá chế độ cắt tiện CNC thép không gỉ mảnh dao HKC chế tạo Việt Nam Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TIỆN CNC THÉP KHÔNG GỈ 1.1 Đặc. .. học mảnh dao thay nhiều cạnh tiện profin thép không gỉ máy tiện CNC Đề xuất phương pháp thiết kế, chế tạo mảnh dao thay HKC dùng cho máy tiện CNC thực nghiệm chế tạo mảnh dao điều kiện Việt Nam. .. hóa chế độ cắt tiện profin thép không gỉ SUS304 máy CNC mảnh dao thay nhiều cạnh HKC chế tạo Việt Nam - Đối tượng nghiên cứu: - Tiện bề mặt trụ, bề mặt bề mặt tròn xoay có profin cong thép không