NGHIÊN C ỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA THAM SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHI PHAY HỢP KIM TI-6AL-4V STUDYS EFFECT OF MACHINING PARAMETERS ON THE SURFACE ROUGHNESS DURING MILLING OF TI-6AL-4V
Trang 1NGHIÊN C ỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA THAM SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN
ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHI PHAY HỢP KIM TI-6AL-4V
STUDYS EFFECT OF MACHINING PARAMETERS ON THE SURFACE
ROUGHNESS DURING MILLING OF TI-6AL-4V ALLOY
Nguy ễn Văn Toàn
Học viện Kỹ thuật quân sự, Hà Nội
bkqs2020@gmail.com
TÓM TẮT
Bài báo nghiên cứu sự ảnh hưởng của tốc độ cắt (Vc) và tốc độ tiến dao (f) đến độ nhám bề mặt trung bình (Ra) khi phay hợp kim Ti-6Al-4V sử dụng dao cacbit trong điều kiện gia công khô Thí nghiệm đã sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Tauguchi, giải bài toán tối ưu hóa tìm ra bộ tham số công nghệ tối ưu để nâng cao chất lượng bề mặt sản
phẩm Kết quả thí nghiệm cho thấy, độ nhám bề mặt có xu hướng tăng khi tăng tốc độ tiến dao và độ nhám bề mặt có xu hướng giảm dần khi tăng tốc độ cắt từ 100m/phút tới 180m/phút Điều kiện gia công tối ưu đạt được tại tốc độ cắt 180m/phút và tốc độ tiến dao 0,1mm/răng với độ nhám trung bình đạt được 0,45 µm
Từ khóa: hợp kim Ti-6Al-4V, tham số công nghệ, độ nhám bề mặt
ABSTRACT
This paper study the effect of cutting speed (Vc) and feed rate (f) on average surface roughness (Ra) during milling of Ti-6Al-4V alloy with carbide tools under dry conditions Experimental setup was determined by using Tauguchi method Solving optimization to find the optimal technology parameters to improve product surface quality According to experimental results, roughness increased with an increase in feed rate, whereas decreased with increase in cutting speed from 100 m/min to 180 m/min Optimum machining conditions was obtained at cutting speed of 180 m/min and feed rate of 0.1 mm/rev with average surface roughness reach 0,45 µm
Key words: Ti-6Al-4V Alloy, machining parameters, surface roughness
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, hợp kim Ti-6Al-4V được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành công
nghiệp hàng không vũ trụ, công nghiệp ôtô, thiết bị y tế, công nghiêp quốc phòng, Phương pháp gia công hợp kim Ti-6Al-4V trên thế giới rất đa dạng, được áp dụng rộng rãi như các phương pháp gia công truyền thống với sự thay đổi các điều kiện gia công khác nhau, gia công tốc độ cao,…[1] Tuy nhiên, do độ dẫn nhiệt thấp, phản ứng hóa học cao với hầu hết các loại vật liệu dụng cụ [2], nên gặp rất nhiều khó khăn trong gia công cắt gọt, chất lượng bề mặt kém, độ nhám bề mặt thấp Để nâng cao chất lượng bề mặt khi gia công hợp kim Ti-6Al-4V, đã có nhiều nghiên cứu quan trọng như ứng dụng công nghệ gia công tốc độ cao, gia công dưới các điều kiện khác nhau, sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến độ nhám bề mặt chi tiết, Các nghiên cứu này đều tập trung giải quyết bài toán nâng cao chất lượng bề mặt cho từng loại hợp kim Titan, và đã đạt được những kết quả quan trọng [3-6] Bài báo sử dụng phương pháp gia công khô (không có dung dịch trơn nguội), mảnh dao cacbua phủ TiN, thực hiện trên máy phay CNC năm trục; sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệmTauguchi để giải bài toán tối ưu tìm ra bộ tham số công nghệ tối ưu nâng cao
chất lượng bề mặt sản phẩm
Trang 22 THÍ NGH IỆM
2.1 Thi ết bị và vật liệu thí nghiệm
2.1.1 Thiết bị thí nghiệm
Thí nghiệm được thực hiện trên máy phay CNC Spinner U5- 620 tại phòng thí nghiệm Chế tạo máy, Bộ môn Chế tạo máy, Khoa Cơ khí, HVKTQS như hình 1 thể hiện Thông số
của máy như thể hiện trong bảng 1
Hình 1 Máy phay CNC Spinner U5- 620
B ảng 1 Thông số kỹ thuật của máy phay CNC Spinner U5- 620
Hành trình tr ục X-Y-Z
(mm)
T ốc độ trục chính (vòng/phút)
Công su ất động cơ trục chính
(kW)
S ố dao trên đài dao (chi ếc)
Dụng cụ cắt: Thí nghiệm sử dụng mảnh dụng cụ được chọn theo tiêu chuẩn ISO, như
hình 2 thể hiện Tốc độ cắt nằm trong khoảng 40÷200m/phút và tốc độ tiến dao là 0,03÷0,3mm/răng
Phạm vi các tham số công nghệ xác định dựa trên những thí nghiệm cơ sở, thể hiện trong bảng 2
B ảng 2 Tham số công nghệ thí nghiệm Tham s ố công nghệ Giá tr ị
Tốc độ cắt Vc (mm/phút) 100 – 140 – 180 Tốc độ tiến dao f (mm/răng) 0,1 – 0,2 – 0,3 Chiều sâu cắt hướng trục ap (mm) 0,6
Chiều sâu cắt xuyên tâm ae (mm) 12
Trang 3Hình 2 D ụng cụ cắt; (a) Thân dao; (b) Mảnh hợp kim
Thi ết bị đo: Sử dụng máy đo độ nhám TR200
− Vị trí đo: đầu dò đặt tại vị trí gia công trên bề mặt mẫu, dịch chuyển theo phương của đường dao gia công;
- Mỗi vị trí đo 3 lần, lấy giá trị trung bình của ba lần đo;
2.1.2 V ật liệu thí nghiệm
Vật liệu thí nghiệm sử dụng hợp kimTi–6Al–4V có thành phần như trong bảng 3 thể
hiện, các đặc tính về cơ tính như thể hiện trong bảng 4 Một khối hình chữ nhật có chiều dài 250mm, chiều rộng 150mm và cao 20mm đã được sử dụng trong thí nghiệm này
B ảng 3 Thành phần các nguyên tố hóa học trong hợp kim Ti–6Al–4V
% khối lượng 0,05 0,09 0,01 6,15 4,4 0,005 Còn lại
B ảng 4 Đặc tính về cơ tính của hợp kim Ti–6Al–4V
T ỷ trọng
(g/cm 3 )
Độ cứng (HB)
Modun đàn hồi (GPa)
Độ bền (MPa)
Độ dẫn nhiệt (W/mK)
2.2 Ph ương pháp thí nghiệm
Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi nghiên cứu sự ảnh hưởng của hai tham số công nghệ đến độ nhám bề mặt gia công, mỗi tham số được chọn ba mức như
trong bảng 5 thể hiện, xây dựng mảng trực giao (với 9 thí nghiệm) như bảng 6 thể hiện
Bảng 5 Các yếu tố và mức độ
Kí hi ệu Thông s ố gia công M ức 1 M ức 2 M ức 3
A T ốc độ cắt(m/ phút) 100 140 180
B T ốc độ tiến dao f (mm/răng) 0,1 0,15 0,2
Trang 43 K ẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Kết quả thí nghiệm như thể hiện trong hình 3 và bảng 6
Hình 3 M ẫu gia công hợp kim Ti-6Al-4V
B ảng 6 Bảng các yếu tố đầu vào và các kết quả đo Thí nghi ệm số A (m/phút) B (mm/r ăng) R a (µm)
Phương pháp Taguchi sử dụng hệ số tín hiệu S/N như một công cụ phân tích định lượng để tối ưu hóa kết quả của một quá trình sản xuất Công thức tính hệ số tín hiệu S/N phụ thuộc vào chất lượng loại đặc tính nghiên cứu Công thức (1) tính toán hệ số tín hiệu S/N
2 1
1
S
y
N = − n ∑ (1)
Trang 5Hệ số tín hiệu S/N của Ra tính toán bằng cách sử dụng kết quả thực nghiệm được đưa ra trong Bảng 6 và công thức (1) Dựa trên tỷ lệ phân tích S/N như trong bảng 8 thể
hiện đã xác định được hiệu suất cắt tối ưu cho Ra như sau: tốc độ cắt 180 m/phút (mức 3), tốc độ tiến dao 0,1 mm/răng (mức 1)
Bảng7 Hệ số tín hiệu S/N của R a (η)
S ố thí nghiệm A (m/phút) B (mm/r ăng) R a (µm) Hệ số tín hiệu S/N (dB)
B ảng 8 Bảng kết quả hệ số tín hiệu S/N có nghĩa cho Ra Các thông s ố T ỷ số S/N có nghĩa, η
Mức 1 Mức 2 Mức 3 Max-min
A 0,00462 3,25156 3,69997 3,77090
B 6,43587 0,64967 -0,07907 6,54072
Hình 4 Đồ thị kết quả hệ số tín hiệu S/N có nghĩa cho Ra
Sự thay đổi độ nhám đo trên bề mặt gia công phụ thuộc vào tốc độ cắt và tốc độ tiến
dao như trong hình 5
Trang 6Hình 5 Ảnh hưởng của tham số công nghệ lên độ nhám bề mặt
Trên hình 5 có thể thấy, giá trị độ nhám bề mặt có xu hướng giảm khi tăng tốc độ cắt
từ 100m/phút tới 180m/phút tại tốc độ tiến dao 0,1mm/răng Độ nhám trung bình giảm 27,5% ở điều kiện cắt tương tự khi tốc độ tiến dao 0,2mm/răng thì Ra giảm 33,6%
Khi tốc độ tiến dao tăng từ 0,1mm/răng tới 0,2mm/răng tại tốc độ cắt 100m/phút, Ra tăng 51,5% Điều đó chứng tỏ khi tăng tốc độ tiến dao thì giá trị độ nhám cũng tăng tỷ lệ thuận
Tại giá trị tốc độ cắt 180m/phút, Ra tăng 47% trong khi tăng tốc độ tiến dao từ 0,1mm/răng đến 0,2mm/răng Giá trị nhỏ nhất của Ra=0,45µm đạt được tại tốc độ cắt 180m/phút và tốc độ tiến dao 0,1mm/răng
4 K ẾT LUẬN
Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi nghiên cứu sự ảnh hưởng
của tham số công nghệ đến độ nhám bề mặt khi phay hợp kim Ti-6Al-4V trong điều kiện cắt khô, kết quả thí nghiệm cho thấy: Độ nhám bề mặt chịu ảnh hưởng đáng kể bởi tốc độ cắt và
tốc độ tiến dao Tham số công nghệ tối ưu đạt được tại tốc độ cắt 180m/phút và tốc độ tiến dao 0,1 mm/răng với độ nhám bề mặt đạt được là 0,45 µm
TÀI LI ỆU THAM KHẢO
[1] Nurul Amin, A.K., Ismail, A.F and Nor, Khairusshima, M.K., Effectiveness of uncoated
WC–Co and PCD inserts in end milling of titanium alloy—Ti–6Al–4V J Mater Process
Technol, 2007, Vol 192–193, pp:147–158
[2] Rahman, M., Wong, Y.S and Zareena, A.R., Machinability of titanium alloys JSME
Series C, 2003, Vol 46 (1), pp: 107-115
[3] Corduan, N., Himbert, T., Poulachon, G.,Wear Mechanisms of new tool materials for
Ti-6AI-4V high performance machining CIRP Annals 52, 2003, Vol 1, pp: 73-76
[4] Budak, E and Kops, L.,Improving productivity and part quality in milling of titanium
based impellers by chatter suppression and force control CIRP Annals-Manufacturing
Technol, Vol 49(1), pp:31-36
[5] Diniz, A.E and Filho, J.C., Influence of the relative positions of tool and workpiece on
tool life, tool wear and surface in the face milling process Wear, Vol 232, pp: 67–75
[6] Ginting, A and Nouari, M.,Experimental and numerical studies on the performance of
alloyed carbide tool in dry milling of aerospace material Int J Mach Tools Manuf,
2006, Vol 46, pp: 758–768
