Nghiên cứu tính gia công vật liệu thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ và định hướng ứng dụng trong công nghiệp (Luận án tiến sĩ)

Nghiên cứu tính gia công vật liệu thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ và định hướng ứng dụng trong công nghiệpNghiên cứu tính gia công vật liệu thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ và định hướng ứng dụng trong công nghiệpNghiên cứu tính gia công vật liệu thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ và định hướng ứng dụng trong công nghiệpNghiên cứu tính gia công vật liệu thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ và định hướng ứng dụng trong công nghiệpNghiên cứu tính gia công vật liệu thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ và định hướng ứng dụng trong công nghiệpNghiên cứu tính gia công vật liệu thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ và định hướng ứng dụng trong công nghiệpNghiên cứu tính gia công vật liệu thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ và định hướng ứng dụng trong công nghiệpNghiên cứu tính gia công vật liệu thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ và định hướng ứng dụng trong công nghiệpNghiên cứu tính gia công vật liệu thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ và định hướng ứng dụng trong công nghiệpNghiên cứu tính gia công vật liệu thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ và định hướng ứng dụng trong công nghiệpNghiên cứu tính gia công vật liệu thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ và định hướng ứng dụng trong công nghiệp

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi Tất cả các

số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

PGS.TS Nguyễn Đức Toàn GS.TSKH Bành Tiến Long Mạc Thị Bích

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới GS.TSKH.NGND Bành Tiến Long và PGS.TS Nguyễn Đức Toàn, những người Thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên tôi, giúp

đỡ tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo (Trước là Viện Sau đại học), Viện Cơ khí, Bộ môn Gia công vật liệu và Dụng cụ công nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Cơ khí, Trung tâm Hồng Hải – Foxconn, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi hoàn thành thực nghiệm luận án này

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Ban lãnh đạo Trường, Khoa Cơ khí, Bộ môn Tự động hóa thiết

kế công nghệ Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên đã tạo mọi điều kiện và giúp đỡ tôi hoàn thành luận án

Tôi xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ tôi

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình đã luôn bên cạnh, động viên, giúp đỡ tôi, chia sẻ những khó khăn, chăm sóc con gái nhỏ để tôi hoàn thành luận án

Hà Nội, ngày… tháng… năm 2019

Nghiên cứu sinh

Mạc Thị Bích

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG GIA NHIỆT 5

1.1 Lịch sử phát triển của gia công gia nhiệt 5

1.2 Một số phương pháp gia nhiệt 6

1.2.1 Gia nhiệt bằng dòng điện (Electricity – Assisted Machining - EAM) 6

1.2.2 Gia nhiệt bằng laser (Laser - Assisted Machining – LAM) 6

1.2.3 Gia nhiệt bằng Plasma (Plasma - Enhanced Machining - PEM) 7

1.2.4 Gia nhiệt bằng lò nhiệt (Furnace heating – Assisted Machining – FAM) 8

1.2.5 Gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ (Induction heating - Assisted Machining - IAM) ……… 8

1.2.6 Thuận lợi và khó khăn của các phương pháp gia nhiệt 8

1.3 Gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ 9

1.3.1 Nguyên tắc 9

1.3.2 Nguyên lý gia nhiệt 10

1.3.3 Thiết kế cuộn dây cảm ứng 13

1.3.4 Mô hình toán học trường điện từ 16

1.3.5 Mô hình toán học quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ 18

1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về gia công gia nhiệt 20

1.4.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước 20

1.4.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước 21

1.5 Kết luận 36

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ VẬT LÝ QUÁ TRÌNH GIA CÔNG GIA NHIỆT 37

2.1 Cấu tạo và biến dạng mạng tinh thể kim loại 37

2.1.1 Cấu tạo mạng tinh thể kim loại 37

2.1.2 Sự biến đổi hình dáng hạt tinh thể trong quá trình biến dạng 40

2.2 Sự hình thành phoi khi gia công gia nhiệt 40

2.2.1 Quá trình hình thành phoi 40

2.2.2 Các dạng phoi 43

2.2.3 Sự biến dạng trong quá trình tạo phoi 45

2.2.4 Hệ số co rút phoi 48

2.3 Động lực học quá trình phay trong môi trường gia nhiệt 48

2.3.1 Mô hình lực trong quá trình tạo phoi khi phay trong môi trường gia nhiệt 48

2.3.2 Mô hình lực cắt khi gia công gia nhiệt 54

2.4 Kết luận chương 2 60

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT ĐẾN TÍNH GIA CÔNG VẬT LIỆU 61

THÉP SKD11 61

3.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm 61

3.2 Thiết lập thực nghiệm 62

3.2.1 Vật liệu thí nghiệm 62

3.2.2 Phôi thí nghiệm 65

3.2.3 Máy phay đứng 65

3.2.4 Dụng cụ cắt 66

3.2.5 Thiết bị gia nhiệt cảm ứng điện từ 66

3.2.6 Nhiệt kế 66

3.3 Ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến tổ chức tế vi và độ cứng vật liệu sau gia nhiệt 67

3.3.1 Ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến tổ chức tế vi vật liệu 68

3.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến độ cứng vật liệu sau gia nhiệt 70

3.4 Ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến hình thái hình học phoi khi gia công gia nhiệt thép SKD11 70

3.4.1 Sự hình thành phoi khi gia công gia nhiệt thép SKD11 71

3.4.2 Ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến hình thái hình học phoi khi gia công gia nhiệt thép SKD11 72

3.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến lực cắt khi gia công gia nhiệt thép SKD11 74

3.5.1 Thiết bị đo lực cắt 74

3.5.2 Ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến lực cắt khi gia công gia nhiệt thép SKD11 74

3.6 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến hệ số co rút phoi khi gia công gia nhiệt thép SKD11 76

3.6.1 Phương pháp xác định hệ số co rút phoi khi gia công gia nhiệt thép SKD11 77

3.6.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến hệ số co rút phoi khi gia công gia nhiệt thép SKD11 79

3.7 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến độ nhám bề mặt khi gia công gia nhiệt thép SKD11 80

3.7.1 Thiết bị đo độ nhám bề mặt 80

3.7.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến độ nhám bề mặt khi gia công gia nhiệt thép SKD11 81

3.8 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến rung động khi gia công gia nhiệt thép SKD11 83

3.8.1 Thiết bị đo rung động quá trình cắt 83

3.8.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến rung động khi gia công thép SKD11 83

3.9 Kết luận chương 3 87

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC THAM SỐ ĐẦU VÀO VÀ CÁC THÔNG SỐ ĐẦU RA 89

4.1 Thiết kế thực nghiệm 90

4.1.1 Phương pháp Taguchi 90

4.1.2 Lựa chọn các thông số đầu vào 91

4.1.3 Một số khái niệm 92

4.1.4 Thiết kế thực nghiệm 94

4.2 Điều kiện thí nghiệm 96

4.3 Kết quả nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến lực cắt khi gia công thông thường và khi gia công gia nhiệt thép SKD11 96

4.3.1 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến lực cắt khi gia công thông thường thép SKD11 96

4.3.2 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến lực cắt khi gia công thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng từ 98

4.4 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến hệ số co rút phoi khi gia công thông thường và khi gia công gia nhiệt thép SKD11 106

4.4.1 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến hệ số co rút phoi khi gia công thông thường thép SKD11 106

4.4.2 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến hệ số co rút phoi khi gia công thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng từ 108

4.5 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt khi gia

công thông thường và khi gia công gia nhiệt thép SKD11 112

4.5.1 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt khi gia công thông thường thép SKD11 112

4.5.2 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt khi gia công thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ 114

4.6 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến rung động quá trình cắt khi gia công thông thường và khi gia công gia nhiệt thép SKD11 118

4.6.1 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến rung động quá trình cắt khi gia công thông thường thép SKD11 118

4.6.2 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến biên độ rung động khi gia công thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ 121

4.7 Kết luận chương 4 124

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 126

TÀI LIỆU THAM KHẢO 127

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 133

PHỤ LỤC 134

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

TAM Thermal – Assisted Machining – Gia công hỗ trợ bằng nhiệt

LAM Laser – Assisted Machining – Gia công gia nhiệt bằng tia laser

PEM Plasma Enhanced Machining – Gia công gia nhiệt bằng plasma

EAM Electricity – Assisted Machining – Gia công gia nhiệt bằng

FEM Finite Element Method – Phương pháp phần tử hữu hạn

CNC Computer Numerical Control – Điều khiển số có sự trợ giúp

của máy tính

μ Độ thẩm từ của môi trường phụ thuộc bản chất kim loại H/m

µr Hằng số từ môi của môi trường

γm Tỷ trọng của kim loại

k Độ dẫn nhiệt

Q Nguồn nhiệt cảm ứng được tạo ra bởi dòng điện xoáy trên một

đơn vị thời gian trong một đơn vị thể tích

Fa (i,ϕ’) Lực dọc trục tác dụng lên lưỡi cắt thứ i tại góc ϕ’ trong hệ trục

FX(ϕ’) Lực cắt tức thời theo phương X của lưỡi cắt tại góc ϕ’ N

FY(ϕ’) Lực cắt tức thời theo phương Y của lưỡi cắt tại góc ϕ’ N

FZ(ϕ’) Lực cắt tức thời theo phương Z của lưỡi cắt tại góc ϕ’ N ANOVA Analysis of Variance – Phân tích phương sai

SSE Error Sum of Squares – Tổng bình phương sai số

SST Total Sum of Squares – Tổng bình phương

SSA Tổng bình phương của tham số điều khiển A

S/N Signal – to – Noise ratio – Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

FT Lực cắt trung bình khi gia công gia nhiệt bằng cảm ứng từ N

KR Hệ số co rút phoi khi gia công thông thường

KT Hệ số co rút phoi khi gia công gia nhiệt bằng cảm ứng từ

Ra-T Độ nhám bề mặt khi gia công gia nhiệt bằng cảm ứng từ μm

AXY-R Biên độ rung động khi gia công thông thường dB

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 1 Thuận lợi và khó khăn của các phương pháp gia nhiệt [62] 9

Bảng 1 2 Điện trở suất của các kim loại khác nhau [38] 13

Bảng 1.3 Hiệu quả của các phương pháp thiết kế cuộn dây cảm ứng [86] 15

Bảng 1 4 Tóm tắt một số nghiên cứu về gia công gia nhiệt 33

Bảng 3 1 Thành phần hóa học của thép hợp kim SKD11, % khối lượng [79] 62

Bảng 3 2 Đặc tính vật lý và các hệ số mô hình Johnson-Cook [81] 62

Bảng 3 3 Ứng suất đàn hồi, ứng suất và biến dạng lớn nhất thép SKD11 với khoảng nhiệt độ từ 20oC đến 800oC, tốc độ biến dạng từ 0,01s-1 đến 1x104s-1 64

Bảng 3 4 Thông số mảnh hợp kim cứng APKT 1604PDR – GM 66

Bảng 3 5 Kết quả đo độ cứng trên các mẫu thí nghiệm 70

Bảng 3 6 Lực cắt trung bình khi gia công thông thường và gia công gia nhiệt 75

Bảng 3 7 Giá trị và độ giảm lực cắt tại các điều kiện gia công khác nhau 76

Bảng 3 8 Giá trị và độ tăng hệ số co rút phoi tại các điều kiện gia nhiệt khác nhau 80

Bảng 3 9 Giá trị và độ giảm độ nhám bề mặt khi phay tại các điều kiện nhiệt độ khác nhau 82

Bảng 3 10 Giá trị và độ giảm biên độ rung động khi phay tại các điều kiện nhiệt độ khác nhau 87

Bảng 4 1 Kiểu đặc tính chất lượng các chỉ tiêu đánh giá 93

Bảng 4 2 Tham số điều khiển và các mức độ 94

Bảng 4 3 Mảng trực giao L9 khi gia công thông thường tại nhiệt độ phòng 94

Bảng 4 4 Ma trận thí nghiệm khi gia công thông thường tại nhiệt độ phòng 95

Bảng 4 5 Mảng trực giao L9 khi gia công gia nhiệt 95

Bảng 4 6 Ma trận thí nghiệm khi gia công gia nhiệt 95

Bảng 4 7 Kết quả thí nghiệm lực cắt khi gia công thông thường thép SKD11 96

Bảng 4 8 Tỷ số S/N cho mỗi mức độ khi gia công thông thường 96

Bảng 4 9 Hệ số và số mũ của mô hình lực cắt khi gia công thông thường 97

Bảng 4 10 Sai số lực cắt xác định từ mô hình khi so sánh với dữ liệu thực nghiệm gia công thông thường 98

Bảng 4 11 Mảng trực giao L9 và giá trị lực cắt khi gia công gia nhiệt 99

Bảng 4 12 Kết quả ANOVA cho lực cắt FT 99

Bảng 4 13 Tỷ lệ trung bình độ giảm lực cắt 100

Bảng 4 14 Phân tích sai số lực cắt xác định theo phương pháp tỷ lệ trung bình 101

Bảng 4 15 Hệ số và số mũ của mô hình lực cắt khi gia công gia nhiệt 101

Bảng 4 16 Phân tích sai số lực cắt xác định theo phương pháp Gauss - Newton 102

Bảng 4 17 Tỷ lệ S/N lực cắt xác định theo các phương pháp khác nhau 103

Bảng 4 18 Tỷ lệ S/N trung bình cho mỗi mức nhiệt độ 103

Bảng 4 19 Phân tích phương sai kết quả lực cắt xác định từ các mô hình 104

Bảng 4 20 Độ giảm lực cắt thực nghiệm tại các thí nghiệm khác nhau 105

Bảng 4 21 Mảng trực giao L9 và kết quả hệ số co rút phoi khi gia công thông thường 106

Bảng 4 22 Tỷ số S/N mỗi mức độ cho chỉ tiêu hệ số co rút phoi khi gia công thông thường 106

Bảng 4 23 Hệ số và số mũ của mô hình hệ số co rút phoi khi gia công thông thường 107

Bảng 4 24 Sai số mô hình hệ số co rút phoi khi gia công thông thường 108

Bảng 4 25 Mảng trực giao L9 và kết quả hệ số co rút phoi khi gia công gia nhiệt 109

Bảng 4 26 Kết quả ANOVA cho hệ số co rút phoi KT 109

Bảng 4 27 Hệ số và số mũ của mô hình hệ số co rút phoi khi gia công gia nhiệt 110

Bảng 4 28 Sai số mô hình hệ số co rút phoi khi so sánh với dữ liệu thực nghiệm 110

Bảng 4 29 Độ tăng hệ số co rút phoi tại các thí nghiệm khác nhau 111

Bảng 4 30 Mảng trực giao L9 và kết quả độ nhám bề mặt khi gia công thông thường 112

Bảng 4 31 Tỷ số S/N mỗi mức độ cho chỉ tiêu độ nhám bề mặt khi gia công thông thường 112

Bảng 4 32 Hệ số và số mũ của mô hình độ nhám bề mặt khi gia công thông thường 113

Bảng 4 33 Sai số mô hình độ nhám bề mặt khi gia công thông thường 113

Bảng 4 34 Mảng trực giao L9 và kết quả độ nhám bề mặt khi gia công gia nhiệt 115

Bảng 4 35 Kết quả ANOVA cho độ nhám bề mặt RaT 115

Bảng 4 36 Hệ số và số mũ của mô hình hệ số co rút phoi khi gia công gia nhiệt 116

Bảng 4 37 Sai số mô hình độ nhám bề mặt khi so sánh với dữ liệu thực nghiệm 116

Bảng 4 38 Độ tăng hệ số co rút phoi tại các thí nghiệm khác nhau 117

Bảng 4 39 Mảng trực giao L9 và kết quả biên độ rung động khi gia công thông thường118 Bảng 4 40 Tỷ số S/N mỗi mức độ cho chỉ tiêu độ nhám bề mặt khi gia công thông thường 119

Bảng 4 41 Hệ số và số mũ của mô hình biên độ rung động khi gia công thông thường 120

Bảng 4 42 Sai số mô hình biên độ rung động khi gia công thông thường 120

Bảng 4 43 Mảng trực giao L9 và kết quả biên độ rung động khi gia công gia nhiệt 121

Bảng 4 44 Kết quả ANOVA cho biên độ rung động quá trình cắt AXY-T 122

Bảng 4 45 Hệ số và số mũ của mô hình biên độ rung động khi gia công gia nhiệt 122

Bảng 4 46 Sai số mô hình độ nhám bề mặt khi so sánh với dữ liệu thực nghiệm 123

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1 1 Mối quan hệ giữa độ bền cơ học phụ thuộc nhiệt độ một số loại vật liệu khác

nhau [78] 5

Hình 1.2 Điều chỉnh vị trí tương đối giữa chùm laze, phôi và dụng cụ cắt (a); Các thành phần lực cắt thay đổi theo thời gian trong suốt quá trình gia công (b) [70] 7

Hình 1.3 Sơ đồ máy gia nhiệt Plasma [49] 8

Hình 1 4 Thiết lập thí nghiệm gia công gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ 10

Hình 1.5 Một số cách bố trí cuộn dây cảm ứng [38] 11

Hình 1 6 Sự thay đổi lượng hấp thụ nhiệt của phôi khi nhiệt độ thay đổi [38] 12

Hình 1 7 Nhiệt độ Curie các loại thép phụ thuộc phần trăm khối lượng Cacbon vật liệu [38] 12

Hình 1.8 Thiết kế cuộn dây cảm ứng ảnh hưởng đến độ tự cảm [86] 14

Hình 1.9 Các kiểu thiết kế cuộn dây để nung các chi tiết có hình dáng khác nhau [86] 15

Hình 1.10 Các kiểu cấu hình cuộn dây cảm ứng 16

Hình 1 11 Hình thái hình học phoi khi a) Gia công thông thường b) LAM tại tốc độ cắt thấp c) LAM tại tốc độ cắt cao [72] 21

Hình 1 12 Đặc điểm hình học phoi phân đoạn [72] 22

Hình 1 13 Mặt cắt ngang phoi được tạo thành khi a) c) và e) là gia công thông thường; b) d) f) là gia công gia nhiệt bằng laser với P = 1380 W tại các tốc độ cắt khác nhau [72] 22

Hình 1 14 Hình thái hình học phoi trong cùng điều kiện cắt khi phay với mảnh cắt quay không phủ WC – C tại các nhiệt độ khác nhau (a) – nhiệt độ phòng, (b) 315oC, (c) 450oC, (d) 650oC [59] 23

Hình 1 15 Hình thái hình học phoi khi gia công tại 250oC và 750oC [17] 24

Hình 1 16 Các mẫu kiểm chứng 5, 6, 7 và đường dẫn biến dạng khi mô phỏng 25

Hình 1 17 Phoi phân đoạn tại tốc độ cắt thấp V = 1,2 m/phút 26

Hình 1 18 Phoi phân đoạn tại tốc độ cắt trung bình V = 120m/phút 26

Hình 1 19 Phoi phân đoạn tại tốc độ cắt cao V = 600 m/phút 26

Hình 1 20 Mô hình đường cong biến dạng phá hủy của mô hình J - C và mô hình B – W 27 Hình 1 21 Ảnh hưởng của lực cắt giữa mô phỏng và thực nghiệm khi phay cao tốc hợp kim nhôm A6061 tại các tốc độ cắt khác nhau [4] 27

Hình 1 22 Hình thái hình học của phoi tạo thành khi phay hợp kim nhôm A6061 giữa mô phỏng và thực nghiệm [4] 28

Hình 1 23 Trường nhiệt độ a) Không gia nhiệt b) Gia nhiệt 29

Hình 1 24 Kết quả sự phân bố nhiệt trong vùng cắt sơ cấp 30

Hình 1 25 Trường ứng suất trong vùng cắt thứ cấp a) Không gia nhiệt b) Có gia nhiệt 30

Hình 1 26 Phạm vi ứng xử vật liệu hợp kim Ti - 5553 31

Hình 1 27 Mòn mặt trước (a) và mòn mặt sau (b) 32

Hình 2.1 Các kiểu mạng tinh thể 37

Hình 2 2 Cấu trúc BCC và FCC: o = γ-Fe, • là nguyên tử Cacbon 38

Hình 2 3 Biểu đồ nung nóng và làm nguội sắt nguyên chất 39

Hình 2 4 Giản đồ pha Fe – C (nung nóng và làm nguội chậm) [58] 39

Hình 2 5 Sự kéo dài các hạt từ dạng tròn sang dạng elip theo mặt trượt [20] 40

Hình 2 6 Sơ đồ hóa miền tạo phoi [20] 41

Hình 2 7 Sự hình thành phoi khi gia công cắt gọt kim loại [59] 41

Hình 2 8 Đường cong ứng suất - biến dạng vật liệu dụng cụ và vật liệu phôi [59] 42

Hình 2 9 Các dạng phoi hình thành trong quá trình cắt [60] 43

Hình 2 10 Mô hình vùng biến dạng 44

Hình 2 11 Mô hình mặt phẳng trượt và vận tốc trượt [60] 45

Hình 2 12 Sự biến dạng nén, kéo và trượt [60] 46

Hình 2 13 Hình học biến dạng trong quá trình cắt trực giao [60] 47

Hình 2 14 Sự thay đổi hình dạng tổng thể trong quá trình cắt [60] 47

Hình 2 15 Mô hình mặt cắt 49

Hình 2 16 Sơ đồ lực gốc (a) và đã hiệu chỉnh (b) 50

Hình 2 17 Cách xác định hệ số co rút phoi [66] 52

Hình 2 18 Các thuật ngữ sử dụng trong gia công cắt gọt a) Quá trình tiện b) Thông số hình học lưỡi cắt dụng cụ 53

Hình 2 19 Thành phần lực cắt khi phay phẳng [68] 55

Hình 2 20 Thành phần lực tác dụng lên 1 răng cắt 57

Hình 2 21 Lực cắt thành phần tác dụng lên lưỡi cắt thứ 1 và thứ 2 với góc quay ϕm 59

Hình 3 1 Sơ đồ thí nghiệm 61

Hình 3 2 Hình ảnh thí nghiệm 61

Hình 3 3 Đường cong ứng suất - biến dạng thép SKD11 tại các nhiệt độ khác nhau a) 20oC b) 300oC c) 600oC d) 800oC [22] 63

Hình 3 4 Sự biến đổi của (a) ứng suất và (b) độ nhạy nhiệt độ khi nhiệt độ là hàm của tốc độ biến dạng với biến dạng bằng 0,05 s-1 và 0,1 s-1 [22] 65

Hình 3 5 Mẫu phôi thí nghiệm 65

Hình 3 6 Máy phay MC500 65

Hình 3 7 Mảnh hợp kim cứng APKT 1604PDR – GM 66

Hình 3 8 Thiết bị gia nhiệt cảm ứng từ 66

Hình 3 9 Mối quan hệ giữa nhiệt độ phôi và thời gian gia nhiệt trong môi trường cảm ứng từ cho thép SKD11 67

Hình 3 10 Mẫu thí nghiệm sau nung tại các nhiệt độ khác nhau 68

Hình 3 11 Kính hiển vi quang học Axiovert 25 CA và máy tính phân tích kết quả 68

Hình 3 12 Hình ảnh chụp cấu trúc tế vi vật liệu thép SKD11 với độ phóng đại 1000 lần 69 Hình 3 13 Máy đo độ cứng Brinell 70

Hình 3 14 Lỗ trống hình thành, phát triển và hợp nhất [16] 71

Hình 3 15 Sự hình thành phoi dựa trên cơ chế vết nứt tế vi [16] 72

Hình 3 16 Hình ảnh phoi khi gia công tại (a) nhiệt độ phòng, (b) tại 200oC, (c) tại 300oC,

(d) tại 400oC 73

Hình 3 17 Hệ thống đo lực 74

Hình 3 18 Đồ thị lực cắt tại nhiệt độ phòng và nhiệt độ cao 75

Hình 3 19 Đồ thị lực cắt tại các nhiệt độ khác nhau 76

Hình 3 20 Hệ thống ATOS Scanport 77

Hình 3 21 Kết quả đo chiều dài phoi 78

Hình 3 22 Cân tiểu ly AND HR - 200 79

Hình 3 23 Hệ số co rút phoi tại các thí nghiệm gia nhiệt khác nhau 80

Hình 3 24 Thiết bị đo nhám và vị trí đo 81

Hình 3 25 Hình ảnh nhám khi gia công thông thường và gia công gia nhiệt tại 200oC 82

Hình 3 26 Độ nhám bề mặt khi phay tại các điều kiện nhiệt độ khác nhau 82

Hình 3 27 Thiết bị đo rung động quá trình cắt 83

Hình 3 28 Giao diện phân tích Modal testing [2] 84

Hình 3 29 Kết quả phân tích Modal testing [2] 85

Hình 3 30 Kết quả phân tích rung động máy ở trạng thái không tải 85

Hình 3 31 Kết quả đo rung động khi gia công tại nhiệt độ phòng 86

Hình 3 32 Kết quả đo rung động khi gia công gia nhiệt 86

Hình 3 33 Biên độ rung động khi gia công tại các điều kiện nhiệt độ khác nhau 87

Hình 4 1 Thông số đầu vào và đầu ra quá trình gia công gia nhiệt thép SKD11 89

Hình 4 2 Vật tư phục vụ thí nghiệm 90

Hình 4 3 Sơ đồ thiết kế thực nghiệm theo phương pháp mảng trực giao Taguchi 91

Hình 4 4 Ảnh hưởng của các tham số điều khiển đến tỷ số S/N cho chỉ tiêu lực cắt khi gia công thông thường 97

Hình 4 5 Mối quan hệ giữa FR và thông số công nghệ khi gia công thông thường 98

Hình 4 6 Ảnh hưởng của các tham số điều khiển đến tỷ số S/N cho chỉ tiêu lực cắt khi gia công gia nhiệt 99

Hình 4 7 Phương trình và đồ thị f(T) 100

Hình 4 8 Lực cắt dự đoán từ mô hình và so sánh với thực nghiệm 104

Hình 4 9 Mối quan hệ giữa FT với V, f, t khi gia công tại các nhiệt độ cao khác nhau 105

Hình 4 10 Lực cắt khi gia công thông thường và gia công gia nhiệt tại các thí nghiệm khác nhau 105

Hình 4 11 Ảnh hưởng của các tham số công nghệ đến tỷ số S/N cho chỉ tiêu hệ số co rút phoi khi gia công thông thường 107

Hình 4 12 Mối quan hệ giữa KR và thông số chế độ cắt khi gia công thông thường 108

Hình 4 13 Ảnh hưởng của tỷ số S/N các tham số điều khiển đến chỉ tiêu đánh giá KT 109

Hình 4 14 Đồ thị hệ số co rút phoi phụ thuộc thông số công nghệ khi gia công gia nhiệt 111

Hình 4 15 Hệ số co rút phoi khi gia công thông thường và gia công gia nhiệt tại các nhiệt

độ khác nhau 111Hình 4 16 Đồ thị đánh giá độ chính xác của mô hình độ nhám bề mặt RaR 114Hình 4 17 Mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và các thông số công nghệ khi gia công thông thường 114Hình 4 18 Ảnh hưởng của tỷ số S/N các tham số điều khiển đến chỉ tiêu đánh giá RaT 115Hình 4 19 Đồ thị đánh giá độ chính xác mô hình RaT 116Hình 4 20 Đồ thị độ nhám bề mặt phụ thuộc thông số công nghệ khi gia công gia nhiệt 117Hình 4 21 Độ nhám bề mặt khi gia công thông thường và gia công gia nhiệt 118Hình 4 22 Ảnh hưởng của tỷ số S/N các thông số công nghệ đến biên độ rung động quá trình cắt khi gia công thông thường 119Hình 4 23 Mối quan hệ giữa biên độ rung động quá trình cắt và các thông số công nghệ khi gia công thông thường 121Hình 4 24 Ảnh hưởng tỷ số S/N của các tham số điều khiển đến chỉ tiêu đánh giá AXY-T

122Hình 4 25 Đồ thị biên độ rung động phục thuộc thông số công nghệ khi gia công gia nhiệt 123Hình 4 26 Đồ thị biên độ rung động khi gia công thông thường và gia công gia nhiệt 124

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Trong ngành kỹ thuật cơ khí, khi gia công các vật liệu khác nhau, đặc biệt là các vật liệu có độ cứng cao, khó gia công, các thông số hình học của dụng cụ cắt và thông số của chế độ cắt (tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt) là các yếu tố chủ yếu tác động đến các hiện tượng xảy ra trong quá trình gia công (lực cắt, nhiệt cắt, mài mòn dụng cụ cắt, rung động quá trình cắt, độ nhám bề mặt và hình thái hình học phoi) Để tăng năng suất gia công, tăng chất lượng bề mặt chi tiết và giảm giá thành sản phẩm, yêu cầu các nhà nghiên cứu phải tìm ra những giải pháp công nghệ mới hỗ trợ cho quá trình gia công như: sử dung dung dịch trơn nguội, sử dụng vật liệu mới làm dụng cụ cắt, khi cắt có sự hỗ trợ rung, gia công có hỗ trợ nhiệt

Gia công có hỗ trợ nhiệt (Thermal – assisted machining – TAM) hay còn gọi là gia công gia nhiệt là một phương pháp gia công mới được thực hiện trên các máy công cụ thông thường, máy CNC, trong đó phôi được làm nóng ngay trước khi gia công [1] Phương pháp gia công gia nhiệt được nghiên cứu lần đầu tiên vào những năm 1945 và nhanh chóng được ứng dụng vào thực tiễn sản xuất cho đến ngày nay [2]

So với phương pháp gia công thông thường, gia công gia nhiệt có một số tác dụng vượt trội: tăng tuổi bền dụng cụ cắt, giảm lực cắt, giảm tiêu thụ điện năng, giảm sự mài mòn dụng cụ cắt, tăng tốc độ bóc tách vật liệu dẫn đến tăng năng suất gia công, tăng chất lượng bề mặt gia công [3]–[5] Gia công gia nhiệt được dùng cho cả trường hợp gia công

có phoi (tiện, phay, khoan v v.) và gia công không phoi (rèn, dập, vuốt v v)

Quá trình gia nhiệt được thực hiện bằng các phương pháp gia nhiệt khác nhau: gia nhiệt bằng dòng điện, gia nhiệt bằng chùm tia laser (LAM), gia nhiệt bằng plasma (PEM), gia nhiệt bằng lò nhiệt (FAM), gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ (IAM) Mỗi phương pháp gia nhiệt đều có ưu nhược điểm riêng và phù hợp với phương pháp gia công cụ thể Trong

đó gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ là phương pháp gia nhiệt hiệu quả bởi công suất gia nhiệt cao, dễ dàng sử dụng, chi phí thấp và phù hợp với nguyên công phay đứng [6]

Đặc điểm của các vật liệu khó gia công là độ cứng cao, khả năng chống mài mòn tốt,

cơ tính ít thay đổi khi làm việc ở nhiệt độ cao Chính từ những ưu điểm này mà vật liệu cứng, cụ thể là thép hợp kim, được ứng dụng vào hầu hết các ngành công nghiệp như: cơ khí, ô tô, vũ trụ, hàng không, quốc phòng, y tế, điện - điện tử - tự động hóa v.v Qua khảo sát cho thấy, hơn 30% tổng số các nguyên công phay, tiện, khoan được thực hiện đối với các vật liệu khó cắt gọt [2]

Thép dụng cụ - SKD11, một loại vật liệu khó gia công, nhưng được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp khuôn mẫu và công nghiệp ô tô [7] với độ bền, độ dẻo và độ cứng được duy trì tại điều kiện làm việc có nhiệt độ cao Thông thường, SKD11 được gia công bằng các phương pháp tiên tiến như mài bằng hạt mài kim cương hoặc gia công phóng điện Tuy nhiên các phương pháp này hạn chế do tốc độ loại bỏ vật liệu thấp, dụng

cụ đắt tiền, độ mòn nhanh Do đó, gia công gia nhiệt là một giải pháp công nghệ khi gia công thép SKD11 Khi gia công trong môi trường gia nhiệt, lượng mòn dao và lực cắt giảm 40%, độ nhám cải thiện 50% so với phương pháp gia công thông thường [7]

Tăng năng suất và chất lượng sản phẩm luôn là mục tiêu hàng đầu của nhà sản xuất Chính vì vậy, thiết kế tối ưu hóa quá trình cắt gọt được sử dụng rộng rãi nhằm xác định điều kiện cắt tối ưu [8], [9] Có nhiều tham số ảnh hưởng đến quá trình cắt gọt như: thông

số chế độ cắt, thông số hình học dụng cụ cắt, vật liệu dụng cụ cắt, vật liệu phôi gia công, môi trường gia công v.v Thông thường bộ thông số công nghệ hợp lý được xây dựng dựa vào kinh nghiệm người thợ hoặc sổ tay công nghệ Tuy nhiên, dữ liệu đó không phải lúc nào cũng tối ưu, cũng thỏa mãn đầu ra yêu cầu trong một số trường hợp như gia công vật liệu phôi mới, vật liệu mới làm dụng cụ, phương pháp gia công mới hay gia công những chi tiết có cấu trúc đặc biệt

Trên thế giới, phương pháp gia công gia nhiệt đã được nhiều tác giả nghiên cứu và được ứng dụng vào thực tiễn sản xuất Tuy nhiên ở Việt Nam nhiệm vụ nghiên cứu này, nhất là gia công hỗ trợ nhiệt bằng cảm ứng điện từ chưa được đề cập, đặc biệt là khi phay thép SKD11, một loại vật liệu khó gia công, nhưng lại được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Nhận thấy nghiên cứu về quá trình gia công gia nhiệt là một nhiệm vụ quan trọng

và cấp bách, có tính thời sự cao Vấn đề đặt ra là phải nghiên cứu tính gia công vật liệu khi phay thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt để đánh giá hiệu quả của phương pháp khi so sánh với phương pháp gia công thông thường Ngoài ra, cần nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt và nhiệt độ hỗ trợ quá trình cắt đến các thông số đầu ra (sự hình thành phoi, hệ số co rút phoi, lực cắt, rung động quá trình cắt, độ nhám bề mặt) Đồng thời, việc xây dựng bộ thông số công nghệ tối ưu khi gia công gia nhiệt cũng là nhiệm vụ có ý nghĩa thực tiễn cao Một trở ngại lớn cần quan tâm khi gia công trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ là việc ứng dụng gia nhiệt cho các chi tiết lớn có kích thước khác nhau hoặc hình dạng chi tiết phức tạp Vì vậy, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài luận án:

“Nghiên cứu tính gia công vật liệu thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm

ứng điện từ và định hướng ứng dụng trong công nghiệp”

2 Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

2.1 Mục đích nghiên cứu

− Nghiên cứu những ưu điểm của phương pháp gia công gia nhiệt và so sánh với phương pháp gia công thông thường thông qua đánh giá ảnh hưởng của quá trình

gia nhiệt đến tính gia công vật liệu thép SKD11;

− Nghiên cứu mối quan hệ của các thông số đầu vào (tốc độ cắt, tốc độ chạy dao, chiều sâu cắt) và các thông số đầu ra (lực cắt, hệ số co rút phoi, độ nhám bề mặt, rung động quá trình cắt) khi gia công thông thường và gia công gia nhiệt thép

SKD11

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: quá trình phay thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ

- Phạm vi nghiên cứu:

• Nghiên cứu tổng quan về gia công gia nhiệt, gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ;

• Nghiên cứu cơ sở vật lý và động lực học quá trình gia công gia nhiệt;

• Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến tính gia công vật liệu khi phay thép SKD11 Nêu bật ý nghĩa của quá trình gia nhiệt đến các chỉ tiêu đầu ra;

• Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến hình thái hình học phoi, hệ số co rút phoi, lực cắt, rung động quá trình cắt, độ nhám bề mặt khi phay thép SKD11 trong môi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ bằng phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi và phân tích phương sai ANOVA

3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của luận án là nghiên cứu lý thuyết và kết hợp thực nghiệm đánh giá kết quả nghiên cứu

4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học:

- Đưa ra giải pháp nâng cao độ chính xác để xác định hệ số co rút phoi bằng phương pháp quét 3D kết hợp phần mềm xử lý dữ liệu chuyên nghiệp xác định chiều dài phoi

- Đã phân tích và làm rõ hiệu quả của phương pháp gia công trong môi trường gia nhiệt cảm ứng điện từ khi gia công các loại vật liệu khó cắt gọt thông qua nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến tính gia công vật liệu thép SKD11

- Đã xây dựng các mô hình toán học miêu tả ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến các chỉ tiêu đánh giá đầu ra: lực cắt, hệ số co rút phoi, rung động quá trình cắt,

độ nhám bề mặt khi phay thông thường và khi phay có gia nhiệt thép SKD11

- Đã đề xuất một phương pháp mới xác định mô hình lực cắt khi phay có gia nhiệt thép SKD11 thông qua mô hình lực cắt khi phay thông thường và nhiệt độ cao hỗ trợ quá trình gia công

- Các nội dung nghiên cứu của luận án góp phần làm phong phú và sâu sắc thêm các kiến thức chuyên ngành trong lĩnh vực gia công cắt gọt

Ý nghĩa thực tiễn:

- Luận án đã đề xuất giải pháp công nghệ khả thi khi gia công các loại vật liệu khó cắt gọt bằng hỗ trợ nung nhiệt cảm ứng điện từ Kết quả nghiên cứu đã phân tích hiệu quả của phương pháp gia công gia nhiệt trong việc giảm lực cắt, giảm nhiệt cắt, giảm rung động quá trình cắt, nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công Kết quả nghiên cứu của luận án mang ý nghĩa thực tiễn, có khả năng ứng dụng vào nền sản xuất công nghiệp tại Việt Nam

- Các bộ thông số công nghệ tối ưu cho chỉ tiêu đánh giá lực cắt, hệ số co rút phoi, rung động quá trình cắt, độ nhám bề mặt khi phay thép SKD11 có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho nhà máy, xí nghiệp, cơ sở sản xuất, phòng nghiên cứu và giảng dạy tham khảo

5 Những đóng góp mới của luận án

Những kết quả chính và cũng là những đóng góp mới của luận án như sau:

− Đã nâng cao được độ chính xác khi xác định hệ số co rút phoi thông qua xây dựng phương pháp xác định chiều dài phoi từ phương pháp đo tiếp xúc thủ công đến phương pháp quét 3D và xử lý dữ liệu bằng phần mềm chuyên dụng

− Đã phân tích, làm rõ hiệu quả và khả năng ứng dụng vào thực tiễn sản xuất của phương pháp gia công gia nhiệt trong việc giảm nhiệt cắt, giảm lực cắt, giảm rung động quá trình cắt, giảm độ nhám bề mặt khi phay thép SKD11 và so sánh với phương pháp gia công thông thường

− Đã phân tích được ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến lực cắt, hệ số co rút phoi, rung động quá trình cắt, độ nhám bề mặt khi gia công thông thường và gia công gia nhiệt thép SKD11 Đồng thời xây dựng được các bộ tham số công nghệ tối

ưu cho các chỉ tiêu đánh giá khác nhau

− Đã đề xuất một phương pháp xây dựng mô hình toán học lực cắt khi gia công gia nhiệt thép SKD11 thông qua mô hình lực cắt khi gia công thông thường và nhiệt độ cao hỗ trợ quá trình gia công đạt độ chính xác cao khi so sánh với dữ liệu thực nghiệm

− Đã xây dựng được mô hình toán học của các yếu tố đầu ra: lực cắt, hệ số co rút phoi, rung động quá trình cắt, độ nhám bề mặt gia công phụ thuộc các thông số công nghệ khi gia công thông thường và gia công gia nhiệt thép SKD11

6 Cấu trúc nội dung luận án

Các nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 4 chương như sau:

- Chương 1: Tổng quan về gia công gia nhiệt

- Chương 2: Cơ sở vật lý và động lực học quá trình gia công gia nhiệt thép SKD11

- Chương 3 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến tính gia công vật liệu SKD11

- Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm xác định mối quan hệ giữa các tham số đầu vào

và các thông số đầu ra

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG GIA NHIỆT

1.1 Lịch sử phát triển của gia công gia nhiệt

Sự ra đời và sử dụng rộng rãi các vật liệu chịu lực, chịu nhiệt cao, vật liệu khó cắt gọt đã làm gia tăng những khó khăn trong sản xuất Một giải pháp được đề xuất để khắc phục những khó khăn đó là gia công có sự hỗ trợ của nhiệt độ cao hay còn gọi là gia công gia nhiệt hoặc gia công nóng

Ý tưởng đầu tiên về phương pháp gia công này được xây dựng bởi Tiến sĩ H.W.Gillett vào năm 1944 Các kết quả nghiên cứu ban đầu chỉ ra rằng nhiệt độ cao đã cải thiện tính năng cắt gọt của vật liệu Nghiên cứu được tài trợ bởi công ty Warner và Swasey tại Viện Battelle Memorial từ tháng 3 năm 1945 đến tháng 11 năm 1946 với nội dung “Gia công kim loại tại nhiệt độ cao” [2]

Ngày nay, gia công gia nhiệt càng được biết đến và sử dụng rộng rãi như là một phương pháp gia công thay thế cho phương pháp gia công truyền thống đối với vật liệu độ cứng cao Các nghiên cứu đã đưa ra nhận xét: dưới tác dụng của nhiệt độ cao, độ bền cơ học của vật liệu giảm mạnh, vật liệu có xu hướng dễ biến dạng hơn, do đó nâng cao được tính năng cắt gọt của chúng

Hình 1 1 Mối quan hệ giữa độ bền cơ học phụ thuộc nhiệt độ một số loại vật liệu khác

• Tăng tốc độ cắt dẫn đến tăng năng suất gia công;

• Giảm độ cứng kéo và ứng suất dòng chảy của phôi;

• Tăng chất lượng bề mặt chi tiết gia công so với phương pháp gia công thông thường;

• Đối với gia công vật liệu gốm sứ giòn thì gia công nóng là phương pháp dễ dàng và hiệu quả nhất

Tuy nhiên, gia công gia nhiệt có nhược điểm là việc thiết kế hệ thống gia nhiệt đối với mỗi phương pháp gia nhiệt, mỗi nhiệm vụ gia công khác nhau là khác nhau Ngoài ra, quá trình gia nhiệt có ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước gia công do hiện tượng giãn

nở vì nhiệt

1.2 Một số phương pháp gia nhiệt

Ngành công nghiệp sản xuất đã được phát triển với những công nghệ gia nhiệt khác nhau như làm nóng bằng dòng điện, hồ quang, cảm ứng điện từ cao tần, chùm laser, chùm electron và tia plasma v.v Tuy nhiên, tất cả các công nghệ này chỉ phù hợp cho một số phương pháp gia công chứ không phải là tất cả Việc lựa chọn phương pháp gia nhiệt thích hợp rất quan trọng nếu không quá trình gia nhiệt có thể làm hỏng phôi và không đạt được các kết quả mong muốn [11]

1.2.1 Gia nhiệt bằng dòng điện (Electricity – Assisted Machining - EAM)

Gia công gia nhiệt bằng dòng điện là một kỹ thuật gia công nóng, trong đó phôi được làm nóng bằng dòng điện chạy qua vị trí cắt Gia nhiệt bằng điện trở kháng của dòng điện

có nhiều lợi thế, đó là khu vực được làm nóng bằng dòng điện trùng với vùng biến dạng của quá trình cắt Gia nhiệt bằng dòng điện có thể áp dụng với các phương pháp gia công khác nhau như tiện, khoan v.v mà không có sự gia tăng nhiệt đáng kể của bề mặt gia công Kunio và đồng nghiệp [12] đã tìm thấy hiệu suất cắt tốt nhất của dụng cụ cắt phủ các bít đặc biệt là lượng mòn dụng cụ giảm mạnh Nghiên cứu đã chứng minh được nguyên nhân của hiện tượng này là do điện trở thấp của kim loại cơ sở của dụng cụ cắt và khả năng chống mài mòn cao của lớp các bít phủ

1.2.2 Gia nhiệt bằng laser (Laser - Assisted Machining – LAM)

Đây là phương pháp gia nhiệt rất phù hợp cho quá trình cắt gọt và được ứng dụng rộng rãi trong gia công Gia nhiệt bằng laser phù hợp cho cả gia công kim loại, phi kim và vật liệu gốm Chùm laser có thể tùy chỉnh khi tiện và phay, bao gồm cả gia công chính xác bởi vì tính linh hoạt cao của chùm tia tập trung Nhưng khi ứng dụng cho phay phá như phay mặt đầu với dao phay đường kính lớn khi gia công thô, chùm laser cần được đặt cách

xa chi tiết gia công để có một diện tích chiếu rộng hơn và cần có nguồn laser năng lượng cao gia nhiệt cho các lớp kim loại của vật liệu Hơn nữa, hiệu quả gia nhiệt bằng laser và

hệ số phản xạ của nguồn laser là một số vấn đề cần được xem xét trong gia công gia nhiệt bằng laser Do đó, nguồn sáng laser năng lượng cao có giá khá cao (Một nguồn laser 1,5

kW CO2 có giá hơn 150.000$) và sự tiêu thụ năng lượng lớn làm chậm lại quá trình gia nhiệt bằng laser

Hình 1.2 Điều chỉnh vị trí tương đối giữa chùm laze, phôi và dụng cụ cắt (a); Các thành

phần lực cắt thay đổi theo thời gian trong suốt quá trình gia công (b) [13]

Hình 1.2.a là sơ đồ điều chỉnh vị trí tương đối giữa chùm laser, phôi và dụng cụ cắt Hình 1.2.b mô tả ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt bằng laser đến lực cắt khi gia công Nguồn laser được bật từ giây thứ 9 sau khi quá trình gia công bắt đầu và tắt ở giây thứ 14 Lực cắt theo phương Z (FZ) khi tiện là thành phần lực cắt chính (hay còn gọi là lực vòng)

vì nó lớn gấp 3 lần so với hai thành phần còn lại Lực cắt giảm đáng kể khi có sự trợ giúp của quá trình gia nhiệt bằng laser

1.2.3 Gia nhiệt bằng Plasma (Plasma - Enhanced Machining - PEM)

Phương pháp gia nhiệt này đã phát triển như một phương án kinh tế thay thế cho LAM và đã nhận được sự chú ý đáng kể ở Đức Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trong những năm qua với việc sử dụng nhiệt độ cao làm mềm vật liệu ngay trước khi gia công để cải thiện tính gia công vật liệu khó cắt gọt PEM là một trong những công nghệ được phát triển bởi nó cung cấp cường độ nhiệt cần thiết làm mềm phôi, đặc biệt đối với tiện

Nguồn nhiệt trong PEM được cung cấp bởi dòng điện một chiều (DC) Các dòng Plasma chuyển động sinh nhiệt Máy tạo Plasma bao gồm một catot Vonfram mạ Thoria và một vòi phun làm mát Thông qua vòi phun này là dòng chảy khí Plasma Vòi phun được coi như là anot khi gia nhiệt phôi không dẫn điện Đối với vật liệu dẫn điện, phôi hoạt động như một cực dương (Hình 1.3) Dòng Plasma có khả năng tạo ra một nhiệt lượng vô cùng lớn tới 16.000oK

Khí PlasmaKhí bảo vệ Vòi phunĐiện cực (Catot)

Bộ cấp

nguồn

Hình 1.3 Sơ đồ máy gia nhiệt Plasma [14]

Mặc dù PEM được sử dụng để cải thiện năng suất gia công, nhưng khó có khả năng kiểm soát nguồn nhiệt và hệ thống đo lường nhiệt độ Hơn nữa, độ mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt cũng rất khó được xác định khi gia công bằng phương pháp này

1.2.4 Gia nhiệt bằng lò nhiệt (Furnace heating – Assisted Machining – FAM)

Các nghiên cứu đã sử dụng phương pháp gia nhiệt bằng lò nhiệt để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới các tiêu chuẩn khác nhau của vật liệu gia công Vào đầu năm 1980, Amin cùng đồng nghiệp [15] đã nghiên cứu ảnh hưởng quá trình gia nhiệt bằng lò nhiệt tới tính năng cắt gọt thép cacbon, thép không gỉ và hợp kim titan Họ thấy rằng tốc độ mài mòn và rung động giảm đáng kể khi gia nhiệt Tuy nhiên, các nghiên cứu chỉ sử dụng phương pháp gia nhiệt bằng lò nhiệt để chứng minh ảnh hưởng của sự nung nóng vật liệu gia công đến tính năng cắt gọt của vật liệu chứ không được khuyên cáo cho các ứng dụng trong sản xuất

1.2.5 Gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ (Induction heating - Assisted Machining - IAM)

Gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ là một phương pháp gia nhiệt rất hiệu quả, chi phí thấp và là sự lựa chọn tốt trong trường hợp phay đứng đối với những kim loại và hợp kim khó cắt gọt Amin và Abdelgadir [16] đã chỉ ra rằng gia công gia nhiệt bằng cảm ứng điện

từ có thể giảm rung động đến 98% và tăng tuổi thọ dụng cụ lên gấp nhiều lần khi gia công thép Không chỉ ứng dụng trong cắt gọt, nguồn nhiệt cảm ứng điện từ tần số cao còn được ứng dụng trong quá trình tôi Thời gian gia nhiệt ngắn thực tế dẫn đến hiện tượng không gỉ vật liệu và vì thế sản phẩm không cần mài Tuy nhiên phương pháp gia nhiệt này không thích hợp cho gia công tiện bởi thiết kế cho quá trình gia nhiệt không phù hợp để thực hiện tất cả các chuyển động khi gia công

1.2.6 Thuận lợi và khó khăn của các phương pháp gia nhiệt

Mỗi phương pháp gia nhiệt đều có những ưu nhược điểm riêng và phù hợp với một

số phương pháp gia công chứ không phải là tất cả (theo Bảng 1 1)

Bảng 1 1 Thuận lợi và khó khăn của các phương pháp gia nhiệt [6]

Gia nhiệt bằng

cảm ứng điện từ

(IAM)

- Dễ dàng sử dụng

- Công suất gia nhiệt cao

- Mức độ tập trung của nguồn nhiệt không cao

- Sự di chuyển của dụng cụ bị hạn chế

Gia công gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ có ưu điểm vượt trội ở hiệu quả gia nhiệt khi phay đứng, chi phí gia nhiệt thấp, ứng dụng rộng rãi cho những kim loại và hợp kim có

độ cứng cao khó cắt gọt

Một trở ngại đáng kể cần quan tâm của IAM là việc ứng dụng vào thực tiễn khi gia nhiệt cho các chi tiết lớn có kích thước khác nhau hoặc hình dạng chi tiết phức tạp Trong luận án này sẽ ứng dụng gia công gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ cho nên công nghệ này được nghiên cứu chi tiết và kỹ lưỡng hơn

1.3 Gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ

1.3.1 Nguyên tắc

Một phương pháp để cải thiện tính năng cắt gọt của vật liệu độ cứng cao là thông qua ứng dụng gia nhiệt phôi ngay trước khi gia công hoặc trong quá trình gia công Công suất đầu vào của năng lượng nhiệt rất cao do nguồn nhiệt thích hợp Độ cứng vật liệu giảm mạnh khi được gia nhiệt ở giá trị nhiệt độ cụ thể, phụ thuộc vào đặc tính vật liệu gia công Kim loại được mềm hóa và dễ dàng cắt gọt bởi quá trình cắt thông thường như tiện và phay Để áp dụng thành công quá trình gia nhiệt khi gia công đòi hỏi nguồn nhiệt tập trung

và được kiểm soát trong khu vực gia công tiếp xúc phía trước dụng cụ cắt (Hình 1 4)

a)

Hình 1 4 Thiết lập thí nghiệm gia công gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ

a) Sơ đồ gia công b) Thực nghiệm

1.3.2 Nguyên lý gia nhiệt

Nguồn nhiệt cảm ứng được tạo ra bởi sự biến đổi của dòng điện cảm ứng bên trong phôi Sự biến đổi được bắt đầu ở cuộn dây làm việc quấn quanh hoặc ở một phía của phôi Dòng điện xoay chiều AC được đưa vào cuộn dây và tạo ra dòng điện cảm ứng bên trong phôi Dòng điện cảm ứng trong phôi sinh nhiệt làm nhiệt độ phôi tăng lên Giá trị dòng điện sử dụng được xác định bởi từ thông (từ trường được tạo ra bởi dòng điện trong cuộn dây) phụ thuộc vào độ thẩm từ (tính dẫn điện của đường lực từ) và điện trở suất (điện trở riêng của dòng điện) của phôi Cả độ dẫn từ, điện trở suất là các hàm số của thành phần vật liệu và nhiệt độ Độ sâu thâm nhập của quá trình gia nhiệt cảm ứng từ được xác định bởi công thức:

b)

Trục chính

Phôi

Cuộn cảm ứng

Trong đó: δ – chiều sâu thâm nhập của trường điện từ (mm);

ρ – điện trở suất của dòng điện (Ωm);

µ – độ thẩm từ của môi trường phụ thuộc bản chất kim loại (H/m);

fe – tần số dòng điện (Hz)

Hình 1.5 trình bày một số cách bố trí cuộn dây cảm ứng với trường điện từ và dòng điện cảm ứng được tạo ra bởi một số cuộn dây Dòng điện cảm ứng đôi khi được gọi là dòng xoáy với cường độ dòng điện cao nhất tại khu vực trường điện từ mạnh

Hình 1.5 Một số cách bố trí cuộn dây cảm ứng [17]

Cần kiểm soát quá trình gia nhiệt cảm ứng làm nóng phôi từ nhiệt độ phòng đến nhiệt độ cao khi gia công Tốc độ và hiệu quả quá trình gia nhiệt phụ thuộc vào tính chất vật lý của phôi: nhiệt dung riêng, độ thẩm từ, điện trở suất của thành phần kim loại thay đổi theo nhiệt độ Hình 1 6 cho thấy mức độ hấp thụ nhiệt của kim loại theo sự thay đổi nhiệt độ với những kim loại khác nhau [17]

Hình 1 6 Sự thay đổi lượng hấp thụ nhiệt của phôi khi nhiệt độ thay đổi [17]

Hình 1 7 Nhiệt độ Curie các loại thép phụ thuộc phần trăm khối lượng Cacbon vật liệu

[17]

Thép có khả năng hấp thụ nhiệt tốt hơn khi nhiệt độ tăng Điều này có nghĩa là năng lượng cần làm nóng thép khi trời nóng nhiều hơn khi trời lạnh Bảng 1 2 cho thấy sự thay đổi điện trở suất tại nhiệt độ phòng giữa đồng và thép, thép có điện trở suất cao hơn khoảng 10 lần so với điện trở suất của đồng Tại 760oC (1400oF) điện trở suất của thép tăng gấp 10 lần khi ở nhiệt độ phòng Như vậy độ thẩm từ của thép cao tại nhiệt độ phòng Nhưng khi nhiệt độ tăng trên 760oC (1400oF) (nhiệt độ Curie) thì thép trở thành không có

từ tính

Hình 1 7 cho thấy, đường ABCD chỉ ra các nhiệt độ Curie của các loại thép Cacbon khác nhau phụ thuộc vào phần trăm khối lượng Cacbon của vật liệu

Bảng 1 2 Điện trở suất của các kim loại khác nhau [17]

Điện trở suất, μΩ·cm (μΩ·in), tại các nhiệt độ khác nhau, °C (°F) Vật liệu 20 (68) 95 (200) 205 (400) 315 (600) 540 (1000) 760 (1400) 980 (1800) 1205 (2200)

Bạc 1,59

(0,626) … … 99,1 (39,0) … 6,7 (2,65) … … Thép không

gỉ, phi từ

tính

(51,5) … Thép không

gỉ 410 62,2 (24,5) … … … 101,6 (40) … 127 (50) … Thép, hàm

lượng C thấp 12,7 (5,0) 16,5 (6,5) … … 59,7 (23,5) 102 (40)

115,6 (45,5) 121,9 (48) Thép, 1,0%C 18,8 (7,4) 22,9 (9,0) … … 69,9 (27,5) 108 (42,5) 121,9 (48) 127 (50)

1.3.3 Thiết kế cuộn dây cảm ứng

Trong suốt quá trình nung nhiệt bằng cảm ứng điện từ, mối quan hệ giữa thời gian và nhiệt độ cần được kiểm soát một cách chặt chẽ đảm bảo phân bố nhiệt đồng đều trên phôi,

đồng thời kiểm soát sự hình thành các lớp nhiệt dưới bề mặt Việc thiết kế cuộn dây rất quan trọng để điều khiển nhiệt độ một cách chính xác

Một số vấn đề cần lưu ý khi thiết kế cuộn dây cảm ứng [18]:

- Cuộn dây cùng với chi tiết nên được đặt gần nhất có thể để quá trình nung nhiệt hiệu quả, truyền tối đa năng lượng tới chi tiết cần nung Khi đó, số lượng đường sức từ cắt qua phần cần nung của phôi là lớn nhất;

- Lượng đường sức từ tập trung nhiều nhất tại tâm của cuộn dây cảm ứng và giảm dần tại các vị trí xa hơn Các đường sức từ tập trung phía trong cuộn dây sẽ cung cấp tốc

độ gia nhiệt lớn nhất tại đó Hiện tượng này rõ rệt hơn trong trường hợp nung nhiệt cao tần;

- Tại vị trí điểm đầu và điểm nối cuộn dây, trường điện từ yếu hơn; vì vậy, trung tâm của trường điện từ không nhất thiết là ở tâm hình học của cuộn dây Hiện tượng này thường xuất hiện trong loại dây đơn Khi tăng số vòng dây đồng nghĩa với việc thông lượng từ tăng Do thực tế không phải lúc nào chúng ta cũng có thể đặt tâm chi tiết trong cuộn dây làm việc Vì vậy chi tiết nên đặt lệch ra một chút về phía khu vực này Ngoài ra, chi tiết nên quay tròn để sự tiếp xúc được đồng đều;

- Cuộn dây nên thiết kế khử được hiện tượng từ trễ Hình 1.8 trình bày các thiết kế cuộn dây ảnh hưởng đến độ tự cảm Kiểu thiết kế như Hình 1.8a không có độ tự cảm

vì các đoạn dây đặt quá gần nhau.Việc tạo thành vòng dây như Hình 1.8b sẽ cung cấp ít độ tự cảm Kiểu thiết kế như Hình 1.8c có độ tự cảm cao hơn Đây là thiết kế cuộn dây tiêu biểu, hiệu quả hơn nhờ sự gia tăng mạnh mẽ độ tự cảm

Hình 1.8 Thiết kế cuộn dây cảm ứng ảnh hưởng đến độ tự cảm [18]

Với các nguyên tắc trên, các cuộn dây có khả năng truyền năng lượng một cách nhanh nhất tới phôi bởi sự tập trung trường điện từ trong khu vực cần nung Ví dụ, có 3 loại cuộn dây cảm ứng thường được sử dụng hiệu quả:

- Cuộn dây được cuốn theo hình xoắn ốc (Hình 1.9a, b, c, e) Chi tiết hoặc khu vực cần nung nóng được đặt phía trong cuộn dây, đây là khu vực tập trung trường điện

từ lớn nhất;

- Cuộn dây song phẳng (Hình 1.9d), trường điện từ chỉ nằm trong một mặt phẳng song song hoặc cắt qua phôi

- Cuộn dây nội tiếp (Hình 1.9f) sử dụng trong trường hợp nung phần rỗng của chi tiết Khi đó trường điện từ chỉ tồn tại ở phía ngoài cuộn dây sử dụng

Hình 1.9 Các kiểu thiết kế cuộn dây để nung các chi tiết có hình dáng khác nhau [18]

Thông thường, các cuộn dây dạng xoắn ốc đặt quanh phôi mang lại hiệu quả nung nhiệt cao nhất của cuộn dây, cuộn dây nội tiếp mang lại hiệu quả nung nhiệt thấp hơn (Bảng 1.3) Hiệu quả cuộn dây là một phần năng lượng được chuyển từ cuộn dây sang phôi Điều này không nên nhầm lẫn với hiệu quả tổng thể của toàn hệ thống

Bảng 1.3 Hiệu quả của các phương pháp thiết kế cuộn dây cảm ứng [18]

Tần số 10 Hz 450 kHz

Phương pháp

Vật liệu phôi thiết kế cuộn dây

Thép có

từ tính

Vậtliệu khác

Thép có

từ tính

Vật liệu khác Cuộn dây hình xoắn ốc cuốn quanh phôi 0,75 0,50 0,80 0,60

Bên cạnh hiệu quả của cuộn dây thì mô hình hệ thống gia nhiệt, sự chuyển động tương đối giữa phôi và cuộn dây, thể tích phần được gia nhiệt cũng là những thông số rất quan trọng Bởi vì, mô hình hệ thống gia nhiệt phản ánh mô hình hình học cuộn dây và kiểu cuộn dây cảm ứng là thông số quan trong nhất

Các kiểu cuộn dây cảm ứng so le đơn giản thường được ứng dụng trong quá trình nung cảm ứng điện từ tần số trung bình đến cao như là một quá trình truyền nhiệt Bao gồm cả kiểu một vòng dây và nhiều vòng dây Hình 1.10 là ví dụ một số kiểu cuộn dây cảm ứng dựa trên thiết kế các vòng dây so le Hình 1.10a là kiểu thiết kế cuộn dây cảm ứng nhiều vòng dây, một vị trí Nó thường được sử dụng cho nung một chi tiết đơn giản trong

một thời gian Hình 1.10b là kiểu cuộn dây một vòng, một vị trí Hình 1.10c là mô hình dây cảm ứng một vòng, nhiều vị trí Trong thiết kế này, mỗi vòng dây tương tác với phôi tại mỗi vị trí nung Hình 1.10d chỉ ra cuộn dây cảm ứng nhiều vòng dây, nhiều vị trí

Hình 1.10 Các kiểu cấu hình cuộn dây cảm ứng

a – Nhiều vòng dây, một vị trí; b – Một vòng dây, một vị trí

c – Một vòng dây, nhiều vị trí; d – Nhiều vòng dây, nhiều vị trí [18]

Tùy thuộc vào hình dáng, số lượng chi tiết, vị trí cần nung và mục tiêu gia nhiệt mà

ta phải lựa chọn kiểu thiết kế cuộn dây, mô hình nung nhiệt cho phù hợp và đạt hiệu quả nung cao nhất

Đối với bài toán của nghiên cứu sinh, phôi gia công có hình dạng là khối hộp chữ nhật với kích thước 70x31x80 (mm) Căn cứ vào các nguyên tắc đã phân tích ở trên kết hợp mục tiêu nung toàn bộ chi tiết để phay với các chiều sâu cắt khác nhau tác giả đã lựa chọn kiểu thiết kế cuộn dây là kiểu xoắn ốc với các vòng dây so le hình chữ nhật như Hình 1.9b

1.3.4 Mô hình toán học trường điện từ

Việc tính toán trường điện từ phụ thuộc vào khả năng giải các phương trình Maxwell [19] Tại những thời điểm khác nhau, các phương trình Maxwell được viết dưới dạng: Định luật Ampe (với sự bổ sung của Maxwell):

Trong đó: E – cường độ điện trường (V/m);

Việc đưa điện áp xoay chiều vào cuộn dây cảm ứng sẽ dẫn đến sự xuất hiện của một dòng điện xoay chiều trong mạch cuộn dây Theo công thức (1.2), một dòng điện xoay chiều trong cuộn dây sẽ tạo ra xung quanh khu vực dây dẫn đó một điện trường xoay chiều

có cùng tần số với dòng điện nguồn Sức mạnh của từ trường phụ thuộc vào dòng điện chạy trong cuộn dây cảm ứng, hình dáng hình học cuộn dây và khoảng cách giữa các cuộn dây Từ trường thay đổi tạo ra các dòng điện xoáy trong phôi và trong các vật thể khác nằm gần cuộn dây đó Theo công thức (1.3), dòng điện được tạo ra có cùng tần số với dòng điện nguồn Tuy nhiên, nó ngược hướng với hướng của dòng điện chạy trong cuộn dây Điều này được khẳng định bởi dấu trừ trong công thức (1.3) Theo công thức (1.3), các dòng xoáy xen kẽ tạo ra từ trường riêng của chúng, có hướng đối diện với hướng của từ trường chính của cuộn dây Tổng từ trường của cuộn dây cảm ứng là kết quả của từ trường nguồn

và từ trường được tạo ra

Trong các ứng dụng về xử lý nhiệt và xử lý nhiệt cảm ứng, cần đặc biệt chú ý đến các mối quan hệ đơn giản như công thức (1.4) và (1.5) Công thức (1.4) có ý nghĩa quan trọng trong quá trình nung nhiệt cảm ứng và xử lý nhiệt của các chi tiết dẫn điện Khi sự phân kỳ của mật độ thông lượng từ bằng không có nghĩa là các đường véc tơ cảm ứng từ B không có điểm nguồn (điểm bắt đầu hoặc kết thúc) Hay nói cách khác, các đường B luôn tạo thành một vòng liên tục

Các phương trình Maxwell ở trên được mô tả dưới dạng không xác định vì số phương trình nhỏ hơn số ẩn Các phương trình dưới đây bổ sung cho các phương trình Maxwell:

Trong đó: các tham số εm, µr và σm lần lượt là hằng số điện môi của môi trường, hằng

số từ môi của môi trường và độ dẫn điện của vật liệu; εo, µo là các hằng số (εo – độ điện thẩm của chân không, µo – độ từ thẩm của chân không); σm = 1/ρ

Thay công thức (1.5) và công thức (1.8) vào công thức (1.2) Khi đó công thức (1.2) được viết lại như sau:

Trong đó: J = − là mật độ dòng điện nguồn trong cuộn dây cảm ứng S

Khi xét đến các đặc tính vật liệu, bỏ qua sự trễ và bão hòa từ:

1.3.5 Mô hình toán học quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ

Nhìn chung, quá trình truyền nhiệt tức thời (phụ thuộc thời gian) trong phôi kim loại

được miêu tả theo công thức Fourier:

γm – tỷ trọng của kim loại;

c – nhiệt dung riêng (J/(kg.K));

k – độ dẫn nhiệt;

Q – Nguồn nhiệt cảm ứng được tạo ra bởi dòng điện xoáy trên một đơn vị thời gian trong một đơn vị thể thích (J) Nguồn nhiệt này tìm được bằng cách giải quyết các vấn đề về điện từ

Công thức (1.17) với điều kiện ban đầu và điều kiện biên phù hợp, thể hiện sự phân

bố nhiệt độ theo ba phương tại một thời điểm bất kỳ của một điểm trên phôi Điều kiện nhiệt độ ban đầu được xác định tại thời điểm ttg = 0; vì vậy điều kiện này chỉ được đề cập khi giải quyết vấn đề truyền nhiệt tức thời mà trong đó nhiệt độ không chỉ là hàm của tọa

độ không gian mà còn là hàm của thời gian Sự phân bố nhiệt độ ban đầu thường đồng nhất

và tương ứng với nhiệt độ môi trường xung quanh Trong một số trường hợp, sự phân bố nhiệt độ ban đầu không đồng nhất do nhiệt dư từ nguyên công trước để lại

Trong hầu hết các trường hợp gia công gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ, các điều kiện biên bao gồm cả sự mất nhiệt do đối lưu và bức xạ Khi đó, điều kiện biên được biểu diễn như sau:

Trong đó:  T n– gradien nhiệt độ theo hướng pháp tuyến với bề mặt tại điểm xét;

λ – Hệ số truyền nhiệt bề mặt đối lưu (K-1);

Từ nguồn nhiệt hỗ trợ bằng cảm ứng điện từ trong quá trình gia công, để xác định được sự phân bố nhiệt trong chi tiết gia công, trong phoi, dụng cụ cắt thì giải phương trình truyền nhiệt (1.20) [20]

θ – nhiệt độ tại điểm khảo sát M(x,y,z)

ttg – thời gian (giây)

λ – hệ số truyền nhiệt (trong trường hợp chung phụ thuộc vào θ)

Cγ – nhiệt dung thể tích của vật thể J/((kg.K))

Phương trình (1.20) cũng có thể viết dưới dạng phương trình Fourier như sau:

1.4.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước

Nghiên cứu về gia công không phoi và gia công cắt gọt có gia nhiệt là một hướng nghiên cứu mới tại Việt Nam Cho đến nay, chỉ có nghiên cứu của TS Nguyễn Thành Huân [21] về quá trình tiện thép hợp kim 9XC sau tôi có gia nhiệt bằng laser Trong nghiên cứu này, tác giả đã xác định mức độ ảnh hưởng và thiết lập mô hình thực nghiệm giữa các thông số công nghệ đầu vào gồm thông số laser, thông số cắt đến các thông số đầu ra như nhiệt độ bề mặt phôi tại vị trí dự định đặt mũi dao, chiều sâu thấm nhiệt khi sử dụng chùm tia laser chiếu cục bộ vào bề mặt phôi thép hợp kim 9XC sau tôi Ngoài ra, việc xác định được chiều sâu thấm nhiệt khi tiện có gia nhiệt bằng laser nhằm mục đích chọn chiều sâu cắt cho phù hợp với yêu cầu về năng suất, chất lượng của quá trình gia công đặt ra Bên cạnh đó, luận án cũng đã nghiên cứu, xây dựng mô hình thực nghiệm miêu tả mối quan hệ giữa lực cắt, độ nhám bề mặt, chiều cao mòn dao và thông số laser, thông số công nghệ khi tiện thép hợp kim 9XC sau tôi được nung nóng đồng thời cục bộ trước mũi dao bằng chùm tia laser Cuối cùng, nghiên cứu đã xác định được thông số công nghệ tối ưu để tiện thép hợp kim 9XC sau tôi đạt yêu cầu kỹ thuật với chất lượng bề mặt cao

Ngoài ra, có một số nghiên cứu về ứng dụng nung nhiệt trong công nghệ nhiệt luyện như Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ công thương của tác giả Võ Thị Ry và đồng

nghiệp [22] với nội dung "Nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện bề mặt bằng laser CO2 Nghiên cứu đã sử dụng máy laser CO2 công suất 1000W để tôi các vật liệu C45, 60Γ, 9XC Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng việc nung nóng nhanh và làm nguội cục bộ không đủ thời gian để austenit phát triển lớn Thời gian làm nguội nhanh không đủ để diễn ra phản ứng cacbon với oxy, lượng cacbon bị thất thoát ít làm cho chất lượng nhiệt luỵện bằng tia laser cao hơn so với phuơng pháp nhiệt luyện truyền thống Việc nung nóng nhanh bề mặt kim loại đến nhiệt độ của vùng austenit, tiếp theo nhiệt độ hạ rất nhanh khi nguồn nhiệt qua khỏi điểm vật chất làm cho bề mặt hình thành matenxit, có độ cứng rất cao (HRC 35-65), chịu mài mòn rất tốt Phương pháp thể hiện ưu thế nhiệt luyện vùng nhỏ, “cục bộ“ và tốc độ nhiệt luyện nhanh, đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của nhiệt luyện bề mặt Ngoài ra, nghiên cứu về công nghệ nhiệt luyện trong lò cảm ứng cũng được thực hiện bởi các tác giả Phạm Thị Minh Phương và Tạ Văn Thất [23]

1.4.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước

1.4.2.1 Nghiên cứu về hình thái hình học phoi khi gia công gia nhiệt

+ Sun và đồng nghiệp [24] đã nghiên cứu ảnh hưởng của chùm laser đến sự hình thành phoi khi gia công hợp kim Ti6Al4V Đặc tính phoi phân đoạn được hình thành khi gia công trong môi trường gia nhiệt bằng laser với độ sâu răng và bước răng phụ thuộc nhiều vào tốc độ cắt và công suất nguồn laser Quá trình hình thành phoi phân đoạn được quan sát tại tốc độ cắt thấp và tốc độ cắt cao với phoi dây được tạo ra giữa hai loại phoi phân đoạn này Một mô hình vật lý được đề xuất để giải thích phoi phân đoạn trong gia công thông thường và quá trình chuyển đổi sang phoi dây ở tốc độ cắt cao với việc sử dụng chùm tia laser Hình 1 11 trình bày hình thái phoi khi gia công thông thường và gia công LAM tại các tốc độ cắt khác nhau Khi gia công thông thường, phoi có hình xoắn ốc điển hình dài vô hạn tại tất cả các tốc độ cắt nghiên cứu (Hình 1 11a) Nhưng với LAM, phoi

có dạng xoắn khi gia công tại tốc độ cắt thấp (Hình 1 11b) và phoi dạng thẳng khi gia công tại tốc độ cắt cao (Hình 1 11c)

Hình 1 11 Hình thái hình học phoi khi a) Gia công thông thường b) LAM tại tốc độ cắt

thấp c) LAM tại tốc độ cắt cao [24]

Hình 1 12 Đặc điểm hình học phoi phân đoạn [24]

Hình 1 13 Mặt cắt ngang phoi được tạo thành khi a) c) và e) là gia công thông thường; b) d) f) là gia công gia nhiệt bằng laser với P = 1380 W tại các tốc độ cắt khác nhau [24]

Đặc điểm phoi phân đoạn điển hình được trình bày trên Hình 1 12 gồm có độ sâu răng, khoảng cách răng, chiều dài bề mặt không biến dạng (Lundeformed), chiều dài bề mặt

gia công (Lmachined) và góc trượt Một tỷ lệ hình học (r) được định nghĩa là tỷ lệ giữa chiều dài bề mặt không biến dạng trên chiều dài bề mặt gia công trong một răng như sau:

undeformed machined

LrL

Nếu r = 1, phoi dây được hình thành vì bề mặt không biến dạng và bề mặt gia công là hai bề mặt của phoi được loại bỏ

Nếu r < 1, phân đoạn phoi mới được hình thành từ bề mặt tự do xuống phía đầu dụng

cụ cắt, kéo dài theo bề mặt gia công bằng cách trượt

Nếu r > 1, phân đoạn mới được hình thành từ đầu dụng cụ cắt về phía bề mặt tự do

Độ dày trung bình phoi lớn hơn trong trường hợp r > 1

Một so sánh về hình thái phoi được hình thành khi gia công thông thường và LAM tại các tốc độ cắt khác nhau được trình bày trên Hình 1 13 Kết quả cho thấy sự biến dạng trên bề rộng phoi khi gia công thông thường đồng nhất hơn so với LAM Nguyên nhân là

do sự phân bố nhiệt trên chiều rộng phoi của bề mặt tự do không đồng đều trong LAM bởi kích thước điểm laser và sự phân bố công suất laser trong phạm vi bị giới hạn

Hình 1 14 Hình thái hình học phoi trong cùng điều kiện cắt khi phay với mảnh cắt quay không phủ WC – C tại các nhiệt độ khác nhau (a) – nhiệt độ phòng, (b) 315 o C, (c) 450 o C,

(d) 650 o C [25]

+ Một trong những nghiên cứu của Amin và đồng nghiệp [25] về hình thái hình học phoi khi gia công vật liệu Ti6AlV4 có gia nhiệt tại các nhiệt độ khác nhau được thực hiện Việc phân tích hình thái hình học phoi khi gia công tại các nhiệt độ khác nhau có ý nghĩa quan trọng trong việc phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu quả của quá trình gia công Hình 1 14 là kết quả chụp SEM các mẫu phoi thí nghiệm gia công thông thường và IAM với các mẫu phôi được nung bằng cảm ứng điện từ tại các nhiệt độ khác nhau Quan sát thấy, xuất hiện đường răng cưa chạy trên toàn bộ chiều rộng của phoi trong tất cả các trường hợp gia công gia nhiệt Những răng này được gọi là răng cưa sơ cấp Ngoài ra, còn

có nhóm các phần tử răng cưa tại cạnh tự do trên hoặc dưới của phoi Những răng cưa này được gọi là răng cưa thứ cấp Đó chính là ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến quá trình hình thành phoi

+ Baili và đồng nghiệp [5] nghiên cứu về hình thái phoi khi gia công hợp kim Ti –

5553 trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ Thông thường, phoi thu được có dạng phoi dây dài, lượn sóng với tốc độ biến dạng cao, các sóng hình thành rõ rệt hơn Tuy nhiên khi cắt trong môi trường gia nhiệt, mức độ gợn sóng giảm rõ rệt do sự chống lại lực cắt của vật liệu giảm (Hình 1 15)

Hình 1 15 Hình thái hình học phoi khi gia công tại 250 o C và 750 o C [5]

1.4.2.2 Nghiên cứu về mô phỏng quá trình gia công thông thường và gia công gia nhiệt

Phương pháp mô phỏng số đã được chỉ ra như một phương pháp hữu hiệu cho việc tìm hiểu các mô hình vật lý cũng như giảm thiểu chi phí cho việc dự đoán và thanh tra các ảnh hưởng của các tham số gia công, thông số hình học dụng cụ cắt cũng như các điều kiện cắt khác đến quá trình gia công

Phương pháp phần tử hữu hạn để dự đoán, cải thiện khả năng tạo hình và xác định biên dạng ban đầu cho vật liệu tấm có độ cứng cao được thực hiện bởi nhiều nghiên cứu khác nhau [26]–[30] Trong lĩnh vực gia công tạo hình tấm kim loại, việc dự đoán phá hủy dựa trên khả năng tạo hình tấm kim loại là một trong những mục tiêu quan trọng nhất của

mô phỏng số Khả năng tạo hình được đánh giá bởi phân tích biến dạng dựa trên khái niệm

đồ thị giới hạn tạo hình (Forming limit diagram - FLD) FLD là một tập hợp các cặp điểm của các biến dạng giới hạn chính - phụ (ε1 – ε2) đầu tiên được giới thiệu bởi Keeler và Backofen với nghiên cứu về đặc tính cơ – nhiệt của thép dập nóng [31] Tới nay, có nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để xây dựng cấu trúc FLD Hecker [32] đã đề xuất một phương pháp thí nghiệm bằng cách sử dụng chày bán cầu với những mẫu tấm kim loại có

kích thước khác nhau Đường cong giới hạn tạo hình (Forming limit curve - FLC) thu được

từ các vết đánh dấu lưới hình tròn trên bề mặt của các mẫu thử trong quá trình tạo hình biến dạng kim loại tấm từ lúc bắt đầu đến khi xuất hiện các vết rách Ở đây, sử dụng camera chụp ảnh các đường tròn biến dạng gần vết rách để đo lường biến dạng chính – phụ của chúng trên các mẫu thí nghiệm Mặc dù mô hình của Hecker đã đưa ra được phương pháp chi tiết trong việc xây dựng giới hạn tạo hình FLC, nhưng việc áp dụng phương pháp này rất đắt và khó khăn Nguyên nhân là do các bề mặt sau biến dạng là các bề mặt cong nên việc đo lường các biến dạng chính – phụ kém chính xác Gần đây, một số nhà nghiên cứu đã dự đoán FLD bằng cách sử dụng mô hình số Takuda và đồng nghiệp [33], Ozturk

và Lee [34] , Duc-Toan và đồng nghiệp [28], [35] đã sử dụng tiêu chuẩn phá hủy dẻo để dự đoán giới hạn tạo hình Dựa trên những tiêu chuẩn này, hiện tượng phá hủy dẻo được dự đoán thông qua ứng suất và biến dạng vĩ mô xảy ra trong quá trình biến dạng tấm kim loại

Hình 1 16 Các mẫu kiểm chứng 5, 6, 7 và đường dẫn biến dạng khi mô phỏng

Nghiên cứu sinh và đồng nghiệp đã nghiên cứu dự đoán giới hạn tạo hình tấm kim loại cho thép tấm độ cứng cao DP350, phương pháp xây dựng đường cong giới hạn tạo hình bằng việc kết hợp hai công cụ thực nghiệm và mô phỏng phần tử hữu hạn đã được đề xuất Đầu tiên, thí nghiệm với chày dập hình chỏm cầu theo đề xuất của Hecker để xác định chiều cao phá hủy các mẫu thí nghiệm khác nhau Sau đó, mô phỏng phần tử hữu hạn được thực hiện thông qua các dữ liệu: dữ liệu đường cong ứng suất – biến dạng của tấm DP350 xác định được qua thí nghiệm kéo dọc trục, tham số cứng hóa dựa trên quy luật