Nghiên cứu đặc tính cắt của mảnh dao thay thế nhiều cạnh hợp kim cứng chế tạo tại việt nam khi gia công thép không gỉ SUS304 trên máy tiện CNC (tt)

MỞ ĐẦU Hợp kim cứng HKC là một trong những loại vật liệu quan trọng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, với nhiều lĩnh vực khác nhau như: Gia công cơ khí: chế tạo dụng cụ

MỞ ĐẦU

Hợp kim cứng (HKC) là một trong những loại vật liệu quan trọng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, với nhiều lĩnh vực khác nhau như: Gia công cơ khí: chế tạo dụng cụ cắt, dập, chuốt, bi nghiền; Công nghệ chế tạo máy: chế tạo các chi tiết có tính năng đặc biệt yêu cầu độ cứng, chống mài mòn; chế tạo khuôn mẫu; Trong công nghiệp khai thác mỏ: chế tạo dao cắt, mũi khoan thăm dò; Trong quân sự: chế tạo các loại đầu đạn xuyên thép và một số chi tiết có tính năng đặc biệt chịu mài mòn, chịu nhiệt Nguyên nhân chính của việc sử dụng hiệu quả các loại dụng cụ, chi tiết bằng HKC là do vật liệu này có độ cứng cao (>70HRC) và giữ được độ cứng đó trong điều kiện làm việc ở nhiệt độ cao 800÷1000(oC), mặt khác khả năng chống mài mòn cao, nên tuổi bền chi tiết, dụng cụ HKC tăng lên rõ rệt

Hiện nay, trên thế giới mảnh cắt HKC được nghiên cứu, ứng dụng khá phổ biến nhằm nâng cao chất lượng bề mặt gia công, tuổi bền dụng cụ cắt cũng như năng suất cắt gọt Một số hãng sản xuất dụng cụ cắt nổi tiếng thế giới như: Sandvik, Seco (Thụy Điển), Mitsubishi, Kyocera (Nhật Bản)… Các mảnh cắt HKC khi đưa ra thị trường đều có hình dạng hình học, kích thước, vật liệu chế tạo được tiêu chuẩn hóa và có khuyến cáo phạm vị sử dụng đối với từng loại như: Mảnh dao dùng để gia công vật liệu thép trước tôi, sau tôi, thép hàn, thép bền nhiệt, thép không gỉ và chống ăn mòn, gia công gang, hợp kim màu

Ở Việt Nam, vấn đề nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng HKC vào thực tế còn rất hạn chế Các đề tài nghiên cứu HKC trong nước thời gian qua, chủ yếu tập trung vào nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm các mác HKC; công nghệ phun phủ

bề mặt nhằm nâng cao chất lượng dụng cụ cắt nền thép hoặc nền HKC; một số nghiên cứu nhằm tối ưu hóa chế độ cắt đối với các mảnh dao nhập ngoại Do nhiều nguyên nhân khác nhau, các kết quả nghiên cứu chưa thể triển khai ứng dụng rộng rãi trong thực tế Đặc biệt chưa có đề tài nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mảnh dao thay thế nhiều cạnh cho dao tiện CNC bằng HKC chế tạo tại Việt Nam

Từ những kết quả phân tích trên, nhận thấy đề tài “Nghiên cứu đặc tính

cắt của mảnh dao thay thế nhiều cạnh hợp kim cứng chế tạo tại Việt Nam khi gia công thép không gỉ SUS304 trên máy tiện CNC”

- Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

- Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mảnh dao thay thế nhiều cạnh HKC tại Việt Nam để tiện bề mặt tròn xoay có prôphin cong lồi bằng thép không gỉ SUS304 trên máy CNC, đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuât

- Xây dựng mô hình thực nghiệm đánh giá đặc tính cắt của mảnh dao thay thế nhiều cạnh HKC chế tạo tại Việt Nam

- Tối ưu hóa chế độ cắt khi tiện profin thép không gỉ SUS304 trên máy CNC bằng mảnh dao thay thế nhiều cạnh HKC chế tạo tại Việt Nam

- Đối tượng nghiên cứu:

- Tiện bề mặt trụ, bề mặt côn và bề mặt tròn xoay có profin cong bằng thép không gỉ SUS304

- Mảnh dao thay thế nhiều cạnh HKC được thiết kế, chế tạo mới tại Việt Nam

- Các chỉ tiêu về độ nhám bề mặt, độ chính xác kích thước, mòn dao, lực cắt để đánh giá đặc tính cắt của mảnh dao thay thế nhiều cạnh HKC chế tạo tại Việt Nam

- Phương pháp nghiên cứu:

+ Lý thuyết: Nghiên cứu tổng quan về thép không gỉ và đặc tính gia công thép không gỉ; Lý thuyết về quan hệ giữa thông số hình học dụng cụ cắt với profin chi tiết; Lý thuyết mảnh dao HKC, phương pháp lựa chọn các thông số hình học mảnh dao, vật liệu chế tạo; Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về chất lượng bề mặt, lực cắt, mòn dao; Các phương pháp quy hoạch thực nghiệm

+ Thực nghiệm: Phân tích, đánh giá ảnh hưởng của các thông 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 giữa prôphin chi tiết gia công với các thông số hình học động của lưỡi cắt khi tiện (Góc trước, góc sau, góc nghiêng chính, nghiêng phụ), giữa prôphin chi tiết gia công với độ nhám và bước tiến dao Từ đó đưa ra lý thuyết về điều kiện không cắt lẹm, bước tiến dao cho phép khi tiện prôphin bất kỳ

- Xây dựng được mô hình thực nghiệm để lựa chọn tối ưu thông số hình học của mảnh dao thay thế nhiều cạnh HKC khi tiện chi tiết có prôphin cong lồi

- Sử dụng mô hình thực nghiệm để đánh giá đặc tính cắt của mảnh dao HKC đến một số yếu tố như độ nhám bề mặt, độ chính xác kích thước gia công, mòn dao, lực cắt khi tiện tinh các prôphin khác nhau

- Xây dựng mô hình bài toán tối ưu để xác định chế độ cắt tối ưu khi tiện tinh thép không gỉ SUS304 dạng bề mặt tròn xoay có prôphin cong lồi bằng mảnh dao thay thế nhiều cạnh HKC chế tạo tại Việt Nam với hàm mục tiêu là năng suất lớn nhất và các điều kiện biên về máy, dao, chất lượng gia công

- Ý nghĩa thực tiễn luận án:

- Đưa ra phương pháp lựa chọn vật liệu HKC chế tạo mảnh dao có nhiều cạnh cắt thay thế dùng cho gia công thép không gỉ SUS304

- Xây dựng được quy trình thực nghiệm chế tạo hoàn chỉnh mảnh dao hợp kim cứng có nhiều cạnh cắt thay thế tại một số đơn vị trong nước

chính xác kích thước, lực cắt, mài mòn dụng cụ khi gia công chi tiết thép không

gỉ có prôphin cong lồi

- Kết quả nghiên cứu có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các cơ sở đào tạo và những nghiên cứu tiếp theo

- Những đóng góp mới của luận án:

- Xây dựng được về mặt lý thuyết phương trình quan hệ giữa hình học profin chi tiết với các thông số hình học của dao cắt Đây là cơ sở cho việc tính toán xác định thông số hình học mảnh dao phù hợp với nguyên công tiện profin trên máy tiện CNC

- Xây dựng được phương pháp xác định, lựa chọn vật liệu HKC chế tạo mảnh dao thay thế nhiều cạnh để gia công các vật liệu theo yêu cầu Xây dựng được mô hình thực nghiệm lựa chọn tối ưu hình học mảnh dao thay thế nhiều cạnh khi tiện profin thép không gỉ trên máy tiện CNC Đề xuất phương pháp thiết kế, chế tạo các mảnh dao thay thế HKC dùng cho máy tiện CNC và thực nghiệm chế tạo mảnh dao trong điều kiện Việt Nam

- Xây dựng được mô hình thực nghiệm đánh giá đặc tính cắt của mảnh dao HKC Từ mô hình thực nghiệm, xây dựng được mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và các thông số đầu ra như: độ nhám bề mặt, độ chính xác kích thước, lực cắt, mòn dao

- Tìm được bộ thông số chế độ cắt tối ưu từ mô hình tối ưu hoá chế độ cắt với hàm mục tiêu là năng suất gia công lớn nhất

- Cấu trúc luận án: Luận án được trình bày trong 135 trang, ngoài phần mở

đầu, kết luận, kiến nghị, luận án gồm 4 chương

Chương 1: Đặc điểm gia công thép không gỉ trên máy tiện CNC bằng

mảnh dao hợp kim cứng

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

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm đặc tính cắt của mảnh dao hợp kim

cứng TT10K8 chế tạo tại Việt Nam

Chương 4: Tối ưu hoá chế độ cắt khi tiện CNC thép không gỉ bằng mảnh dao HKC chế tạo tại Việt Nam

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TIỆN CNC THÉP KHÔNG GỈ 1.1 Đặc điểm tiện CNC

1.1.1 Profin chi tiết trong gia công tiện

Các đường profin của chi tiết trong gia công tiện được hiểu là biên dạng chi tiết trên mặt cắt đi qua đường tâm trục chi tiết, gồm tập hợp của rất nhiều các đoạn cong, đoạn thẳng nối tiếp, trường hợp đặc biệt thì profin có thể là đường thẳng, cung tròn

Hình 1.1 Một số dạng đường prôphin chi tiết

1.1.2 Đường dụng cụ trong tiện profin

Đường dụng cụ (đường chạy dao) là quỹ đạo mà một điểm trên dụng cụ được dẫn theo nó trong quá trình gia công

1.1.3 Sự thay đổi các góc động khi tiện prôphin

Khi tiện bề mặt trụ tròn xoay có prôphin là đường cong, đường đi của dụng cụ là tổng hợp gồm nối tiếp của các đoạn thẳng, cung cong các thông số hình học ở trạng thái động của dụng cụ thường xuyên thay đổi Điều đó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng gia công, năng suất và các điều kiện về thiết

- Hướng tiến dao: Cắt thuận, nghịch hay hỗn hợp

- Khoảng cách giữa hai đường chạy dao liên tiếp (bước tiến ngang)

1.2 Đặc điểm dao tiện trên máy CNC

1.2.1 Cấu tạo cơ bản

1- Vít kẹp

2- Mảnh dao 3- Bạc gá

vật liệu chế tạo các bộ phận của dụng cụ là khác nhau Thông thường phần thân và phần gá kẹp được chế tạo bằng thép chế tạo máy thông thường, phần cắt dụng cụ được chế tạo bằng các vật liệu như thép các bon dụng cụ, thép hợp kim dụng cụ, HKC, Vì vậy, khi nói đến vật liệu chế tạo dụng cụ cắt có nghĩa là nói đến vật liệu chế tạo phần cắt gọt của dụng cụ

1.2.3 Vật liệu gia công thép không gỉ SUS304

Với vật liệu gia công của là thép không gỉ SUS304, theo khuyến cáo của các hãng sản xuất hợp kim cứng trên thế giới, ta có thể sử dụng mảnh dao HKC M20 (TT10K8) để gia công tinh và bán tinh thép không gỉ SUS304

1.2.4 Lớp phủ bề mặt mảnh dao

Dụng cụ cắt có thể sử dụng một lớp phủ hoặc nhiều lớp phủ Một số lớp phủ hiện đang sử dụng chủ yếu như đơn Nitrit Titan (TiN); đa Nitơrit (Ti, Al)N, Ti(B, N), Ti(C, N) ;

1.2.5 Ký hiệu và 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 chính xác hình học chi tiết gia công tiện

1.3.1 Độ nhám bề mặt khi tiện prôphin

Có thể coi prôphin của chi tiết là nối tiếp của vô số các đoạn thẳng, chiều cao nhấp nhô tế vi (nhám bề mặt) khi gia công tinh (0,63÷1,25µm) thường chỉ

bằng vài phần nghìn của chiều dài lấy mẫu

1.4.1.2 Mô hình lực cắt khi cắt nghiêng

1.4.1.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt: Vật liệu gia công, chiều dày

1.5 Đặc điểm gia công thép không gỉ SUS304

1.5.1 Đặc điểm thép không 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) là mác thép điển hình thuộc họ thép không gỉ một pha Austenit, còn gọi là họ thép 18-8 (vì có ≥ 18% Cr, ≥ 8% Ni)

1.5.2 Tính gia công của thép không gỉ SUS304

Thép SUS304 có tính dẻo, dai cao, dễ gia công biến dạng như cán, dập,

gò nguội Tuy nhiên, tính gia công cắt gọt kém, do thép SUS304 có tính dẻo, dai nên khi gia công cắt gọt có hiện tượng bết phoi, lẹo dao ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công

1.6 Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước

Kết luận chương 1

Nghiên cứu các đặc điểm của tiện CNC, đặc điểm về tiện prôphin trên máy CNC Nghiên cứu các mảnh dao thay thế nhiều cạnh HKC tiêu chuẩn để gia công prôphin và vật liệu HKC để gia công thép không gỉ SUS304 Nghiên cứu chất lượng bề mặt gia công, trong đó tập trung vào độ chính xác kích thước, độ nhám bề mặt khi tiện prôphin Nghiên cứu động lực học quá trình tiện, mòn dụng cụ Cuối chương là tổng quan các công trình nghiên cứu trong

và ngoài nước về lĩnh vực nghiên cứu liên quan đến luận án như: Thông số hình học dụng cụ HKC, tiện prôphin, ảnh hưởng của thông số hình học và thông số chế độ cắt đến chất lượng gia công, lực cắt, nhiệt cắt, mòn dao, v.v

Từ những phân tích trên có thể kết luận: Với hướng nghiên cứu chế tạo mảnh dao thay thế nhiều cạnh HKC để tiện prôphin thép không gỉ SUS304 là mới

mẻ, vừa bổ sung lý luận khoa học về lĩnh vực nghiên cứu mảnh dao HKC, vừa giải quyết bài toán thực tế tại đơn vị sản xuất Tác giả đặt ra mục tiêu cho luận

án là thiết kế, chế tạo được mảnh dao HKC trong điều kiện Việt Nam, xây dựng mô hình thực nghiệm để đánh giá đặc tính cắt của mảnh dao Đồng thời xây dựng và giải bài toán tối ưu chế độ cắt khi 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 giữa prôphin gia công với thông số hình học dụng cụ và chất lượng gia công khi tiện CNC

2.1.1 Sự biến thiên góc nghiêng chính, góc nghiêng phụ khi tiện prôphin

và điều kiện không cắt lẹm

( )( )

s arctg

y s arctg

y

τ

πτ

s y s y

τ

πτ

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 công và yêu 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 thế HKC có dạng hình thoi, góc mũi dao ε = 35o, trên mảnh dao có 04 lưỡi cắt như nhau

b Góc nghiêng chính φ: Lựa chọn φ sao cho khi lắp lên thân dao, gá vuông góc với trục chính của máy, giữa lưỡi cắt chính và trục chính góc 93o,

do đó, lưỡi cắt chính sẽ tạo với bề mặt vuông góc của chi tiết với trục chính một góc 3o, việc này cùng phù hợp với nguyên công xén mặt đầu chi tiết Lúc này hình thành góc nghiêng phụ 52o

2.3.4 Nghiên cứu thiết kế hợp lý các thông số hình học của mảnh dao HKC

2.3.4.1 Thiết kế các thông số hình học của mảnh dao HKC

Bảng trực giao thí nghiệm Taguchi trình bày trong Bảng 2.4

Bảng 2.3 Mức thực nghiệm của thông số hình học

Hình 2.15 Mẫu thép SUS304 sau khi gia công

Bảng 2.4 Kết quả đo độ nhám, kích thước và tỷ số S/N

Để đồng thời đảm bảo độ nhám bề mặt, độ chính xác kích thước của chi tiết là nhỏ nhất, trong khi vẫn đảm bảo độ bền dụng cụ, ta nên chọn α2 (12o) cho cả hai trường hợp Do đó, các thông số hình học phần cắt dụng cụ ở các mức γ2(-5o), α2(12o), r2(0,4mm), λ1(-6o) là lựa chọn tối ưu của nghiên cứu Từ kết quả thực nghiệm, phân tích ở trên ta tìm được thông số hình học tối ưu của mảnh dao hợp kim cứng trình bày trong Bảng 2.12:

Bảng 2.9 Thông số hình học tối ưu của mảnh dao

2.4 Thực nghiệm chế tạo mảnh dao

2.4.1 Thực nghiệm chế tạo phôi mảnh dao

Hình 2.20 Sơ đồ công nghệ chế tạo phôi mảnh dao HKC

2.4.2 Thực nghiệm chế tạo mảnh dao hoàn chỉnh

Hình 2.25 Sơ đồ công nghệ chế tạo hoàn chỉnh mảnh dao

Hình 2.30 Mảnh dao sau khi chế tạo hoàn chỉnh

Kết luận chương 2

Nghiên cứu thực nghiệm chế tạo hoàn chỉnh mảnh dao thay thế nhiều cạnh HKC TT10K8 Kết quả chế tạo được mảnh HKC TT10K8 với độ

cứng: 89,3 (HRA), tỷ trọng: 13,7 (g/cm 3) đạt yêu cầu tiêu chuẩn hiện hành,

tuy nhiên độ bền uốn: 1407(MPa) thấp hơn tiêu chuẩn hiện hành (~97%

tiêu chuẩn) nguyên nhân do thiết bị trong nước còn hạn chế, quá trình công nghệ chưa tối ưu Kết quả chế tạo được mảnh dao thay thế nhiều cạnh HKC với các 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: 7 ( o ), góc sau α: 0 ( o ), góc nâng λ: -6 ( o ) Khi lắp lên thân dao tiêu chuẩn tạo được

thông số góc nghiêng chính ϕ: 93 ( o ), góc trước γ: -5 ( o ), góc sau α: 0 ( 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 Mô hình hồi quy bậc nhất

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)

3.2.5 Các đại lượng không điều khiển được (nhiễu)

3.3 Điều kiện thực nghiệm

a Ảnh hưởng của bước tiến dao đến lực cắt

Hình 3.9 Ảnh hưởng của bước tiến dao đến lực cắt

b Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến lực cắt

Hình 3.10 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến lực cắt