Nghiên cứu này giới thiệu mô hình dự đoán độ sâu khi phay bằng công nghệ gia công bằng tia nước. Mô hình được đề xuất cho phép kiểm soát một cách hiệu quả chiều sâu lớp vật liệu bị gỡ bỏ khi phay các hốc mở trên hợp kim Ti6Al4V. Kết quả thực nghiệm cho thấy sai số thấp (nhỏ hơn 7%) giữa chiều sâu trên mô hình dự đoán và thực nghiệm.
Trang 1ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIA CÔNG TIA NƯỚC GIA CÔNG HỢP
KIM TITAN (Ti6Al4V)
Bùi Văn Hưng 1* , Vũ Duy Đức 1 , Nguyễn Đình Ngọc 2
1 Trường Đại học Giao thông Vận tải, Số 3 Cầu Giấy, Hà Nội
2 Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên,
* Tác giả liên hệ: Email: hungtkm@utc.edu.vn
Tóm tắt Hợp kim Ti6Al4V được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực cơ khí hàng
không nhờ có sự cân bằng tốt giữa khối lượng và các tính chất cơ học Tuy nhiên, do
có độ cứng vật liệu rất cao nên việc gia công, chế tạo bằng các phương pháp cắt gọt truyền thống là rất khó khăn và mất rất nhiều chi phí Công nghệ gia công bằng tia nước chứa hạt mài được xem là một giải pháp hiệu quả do có lực cắt không đáng kể, không sinh nhiệt, không gây biến dạng chi tiết trong quá trình gia công Nghiên cứu này giới thiệu mô hình dự đoán độ sâu khi phay bằng công nghệ gia công bằng tia nước Mô hình được đề xuất cho phép kiểm soát một cách hiệu quả chiều sâu lớp vật liệu bị gỡ bỏ khi phay các hốc mở trên hợp kim Ti6Al4V Kết quả thực nghiệm cho thấy sai số thấp (nhỏ hơn 7%) giữa chiều sâu trên mô hình dự đoán và thực nghiệm
Abstract Titanium alloys are widely getting used in the aerospace engineering
domain owing to a good balance between the mass and mechanical properties However, such hard materials are difficult to machine using conventional methods and result in high machining costs Abrasive water jet machining emerges as a novel solution to produce titanium parts due to low cutting force without affected–zone heat, and no deformation in the part This study introduces a model to predict the machined depth using abrasive water jet machining This model allows us to control the milled depth effectively when mill open pocket in Ti6Al4V Experimental result has shown a good accuracy with max error 7% in the depth of all milled pockets
Từ khóa: gia công tia nước, tia nước chứa hạt mài, gia công hợp kim Titanium, vết cắt
cơ sở, hốc, chiều sâu phay
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong lĩnh vực hàng không, hợp kim titan chiếm một tỷ trọng lớn trong tổng khối lượng vật liệu chế tạo máy bay (14%) do có ưu điểm nổi bật: nhẹ, bền và có khả năng chống ăn mòn tốt Các chi tiết sử dụng hợp kim titan thuộc các bộ phận trong kết cấu khung, sườn, vỏ máy bay Đặc điểm của các chi tiết cơ khí này thường yêu cầu chịu tải trọng rất lớn với yêu cầu khối lượng chi tiết nhẹ và chúng thường được dùng ở dạng thanh, tấm Gia công các chi tiết này là rất khó khăn khi áp dụng phương pháp gia công truyền thống như: phay, tiện…Do phôi rất dễ biến dạng dưới tác dụng của lực cắt lớn Ý tưởng ứng dụng các phương pháp gia công phi truyền thống đã được áp dụng,
ví dụ như phương pháp ăn mòn hóa học, xung điện Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm lớn do sử dụng axit – tác nhân gây nguy hiểm cho môi trường sau quá trình gia công và chi phí cao Trong bối cảnh đó, phương pháp gia công bằng tia nước
Trang 2(Abrasive water jet machining – AWJM) được giới thiệu đầu tiên năm 1958 như một phương pháp gia công tiềm năng thay thế cho phương pháp gia công ăn mòn hóa học khi gia công các chi tiết nêu trên
Sử dụng tia nước cho quá trình phay nhằm kiểm soát chiều sâu gia công xuất hiện vào những năm 1990s với mục đích gia công các hốc có chiều sâu giới hạn (pocket) Cenac nghiên cứu quá trình phay có kiểm soát chiều sâu trên vật liệu composite [1], Flower và các cộng sự nghiên cứu quá trình này trên hợp kim titan [2] Các nghiên cứu thường phải sử dụng các tấm bảo vệ các khu vực không gia công trên chi tiết để tránh các khuyết tật trên bề mặt gia công Tuy nhiên các tấm bảo vệ yêu cầu
có độ chính xác cao và được làm từ cùng loại vật liệu với vật liệu gia công hoặc có độ cứng cao hơn Do đó phát sinh chi phí về: vật liệu, chi phí gia công Trong bối cảnh
đó, bài báo giới thiệu phương pháp áp dụng mô hình dự đoán chiều sâu gia công Phương pháp này cho phép kiểm soát một cách hiệu quả chiều sâu lớp vật liệu bị gỡ
bỏ khi phay các hốc mở trên hợp kim titan Ti6Al4V bằng tia nước chứa hạt mài
1.1 Giới thiệu công nghệ gia công tia nước chứa hạt mài
AWJM thuộc nhóm các phương pháp gia công phi truyền thống dựa trên nguyên
lý xói mòn vật liệu Công nghệ này được sử dụng chủ yếu cho mục đích cắt các loại vật liệu Khi máy cắt tia nước hoạt động, các hạt mài mòn (Garnet, Silica, Alumina với kích thước trung bình nằm trong khoảng 120 ÷ 180 ) bị cuốn vào tia nước đã được tăng tốc đến vận tốc cao bằng cách sử dụng áp suất trên 130 MPa Chùm tia nước-hạt mài này tác động lên bề mặt của phôi gia công và vật liệu được loại bỏ bằng quá trình phân tách và xói mòn Công nghệ này cho phép cắt bất kỳ loại vật liệu nào, bao gồm các loại vật liệu giòn và vật liệu dẻo Phương pháp này được xem là giải pháp gia công hiệu quả và tiềm năng bởi vì trong quá trình gia công không sinh nhiệt, áp lực cắt nhỏ không gây ra biến dạng bề mặt chi tiết gia công [3, 4]
1.2 Nguyên lý gia công bằng tia nước chứa hạt mài
Hình 12 mô tả sơ đồ mặt cắt ngang của đầu cắt trên máy gia công bằng tia nước
chứa hạt mài Khi làm việc, các hạt mài từ phễu nạp đi vào buồng trộn do trọng lượng bản thân và ảnh hưởng hiệu ứng Venturi do sự di chuyển của tia nước trong đầu cắt Cửa nạp nước với kích đường kính lỗ rất nhỏ từ 0,1 – 0,4 mm được làm từ vật liệu sapphire hoặc kim cương, do đó năng lượng của nước áp lực cao được chuyển hóa thành động năng sau đó năng lượng này được truyền sang các hạt mài Kết quả là chùm tia nước chứa hạt mài, không khí được gia tốc và hướng vào ống phun – chi tiết cho phép tập trung nước vào vị trí cần cắt trên bề mặt gia công Khi tia nước tác động lên vật liệu, vật liệu bị gỡ bỏ hình thành các vết cắt nhờ quá trình xói mòn Hình dạng của các vết cắt này, một mặt phụ thuộc vào tính chất vật liệu phôi (vật liệu dẻo hay giòn), mặt khác nó phụ thuộc các thông số đầu vào của quá trình gia công
Trang 3Hình 12 Nguyên lý công nghệ gia công bằng tia nước Với mục đích sử dụng chùm tia nước này cho quá trình phay các hốc mà độ sâu phay được kiểm soát, thì yêu cầu cần thiết đặt ra là nghiên cứu sự hình thành và đặc tính của các vết cắt trên vật liệu phôi khi tia nước di chuyển theo đường thẳng Sau đây các vết cắt này được gọi là các “vết cắt cơ sở” trong quá trình gia công các hốc
2 ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ GIA CÔNG TIA NƯỚC ĐỂ PHAY HỐC
2.8 Sự hình thành của vết cắt cơ sở
Trong các nghiên cứu [1, 5, 6] đã chỉ ra rằng ngay sau khi đi ra từ miệng ống phun, biên dạng vận tốc của chùm tia nước chứa hạt mài tuân theo biên dạng Gauss (có hình dạng chuông) Đặc biệt, các nghiên cứu của A Alberdi và cộng sự sử dụng phương trình Gauss để mô tả biên dạng của vết cắt cơ sở khi tia nước dịch chuyển trên
bề mặt phôi theo đường thẳng [6, 7]
Hình 13 Sự hình thành của vết cắt cơ sở
Phôi gia công
Vết cắt cơ sở
Biên dạng vết cắt cơ sở
Chùm tia nước hạt mài
Ống phun Hướng gia công
Phễu nạp hạt mài
Cửa nạp hạt mài
Hạt mài mòn
Tia nước chứa hạt mài
Nước áp lực cao Cửa nạp nước vào buồng trộn Buồng trộn
Ống phun
Phôi gia công
Khoảng cách phun
Trang 4Trên cơ sở nghiên cứu này, T Sultan [8] đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm sự hình thành các vết cắt cơ sở trên vật liệu hợp kim titan Nghiên cứu đã so sánh các mô hình khác nhau trong việc mô hình hóa các vết cắt cơ sở và đưa ra mô hình phân rã Gauss Trong nghiên cứu đã chứng tỏ được sự hiệu quả của phương trình phân rã Gauss trong mô hình hóa các vết cắt cơ sở Tuy nhiên phương trình phân rã Gauss đòi hỏi số lượng thí nghiệm rất lớn để có được các hệ số trong phương trình Hạn chế này gây khó khăn khi thay đổi vật liệu gia công
Ngoài ra, khi xét đến ảnh hưởng của các thông số trong quá trình gia công tới
kích thước vết cắt cơ sở Các nghiên cứu trên cũng chỉ ra rằng áp suất phun (P) và vận tốc (Vf) di chuyển của chùm tia nước trên bề mặt gia công có ảnh hưởng nhiều nhất đến chiều sâu của vết cắt cơ sở Trong khi đó, khoảng cách phun (SOD) và kích thước hạt mài (Gr) có ảnh hưởng chủ yếu đến chiều rộng của vết cắt cơ sở
Trong nghiên cứu này, cho mục đích dự đoán chiều sâu của các hốc phay, việc kiểm soát độ chính xác của chiều sâu gia công được ưu tiên hơn là chiều rộng của hốc Thêm vào đó, với mục đích ban đầu của công nghệ gia công bằng tia nước phục vụ cho việc cắt vật liệu, nên trong khi gia công việc thay đổi các thông số đầu vào (áp suất, khoảng phun, hạt mài…) trên các máy cắt tia nước hiện nay là một trở ngại lớn
cho điều khiển quá trình cắt gọt Trên cơ sở đó, vận tốc dịch chuyển của đầu cắt (Vf)
được chọn làm tham số điều khiển, các thông số khác sẽ được giữ cố định là các hằng
số không đổi trong suốt quá trình gia công
Từ phân tích trên, kết hợp nghiên cứu thực nghiệm, phương trình Gauss cơ bản được chọn sử dụng trong nghiên cứu này và được viết lại theo phương trình (1) [9]:
(1)
chiều rộng của vết cắt cơ sở vào vận tốc dịch chuyển Vf của tia nước Các tham số này
được xác định theo phương trình:
(2) (3)
bình phương bé nhất
Để xác định hai phương trình (2) và (3), chúng ta chỉ cần làm thí nghiệm ở 3 vận tốc khác nhau Khi đó phương trình (1) là hoàn toàn xác định Điều này cho phép dự
đoán biên dạng vết cắt cơ sở phụ thuộc vào vận tốc Vf một cách chính xác và nhanh
chóng
2.9 Nguyên lý hình thành hốc từ các vết cắt cơ sở
Khi tia nước ở trạng thái ổn định (vận tốc, áp lực, lưu lượng hạt mài mòn trong dòng chảy), các hốc có thể được hình thành bằng cách điều khiển tia nước theo một trong các chiến lược gia công cơ bản như trong điều khiển quá trình gia công phay
Trang 5CNC Tuy nhiên, trạng thái bề mặt của hốc phụ thuộc rất nhiều vào khoảng cách dịch
chuyển ngang (p) (Hình 14) trong quá trình điều khiển [9]
Hình 14 Sự hình thành của hốc khi phay bằng tia nước
Do đó biên dạng của hốc phay có thể được xác định bằng sự tổng hợp từ các vết cắt cơ sở (Hình 15)
Hình 15 Nguyên lý hình thành biên dạng hốc phay từ các vết cắt cơ sở
Như vậy, khi một vết cắt cơ sở (1) được xác định thì biên dạng của hốc phay hoàn toàn xác định và được mô tả sử dụng phương trình (4):
(4)
Trong đó:
i – Số lần đường gia công của tia nước trên bề mặt vật liệu
p – Bước dịch chuyển ngang giữa hai lần chạy của tia nước
Vật liệu gia công Z
X
Y
Khoảng cách dịch chuyển ngang (p)
Tia nước
Mặt cắt ngang hốc phay Chiều sâu phay
Trang 6và – hệ số chiều sâu lớn nhất và chiều rộng cuả vết cắt cơ sở
tương ứng với vận tốc Vf (xác định qua thực nghiệm)
Tuy nhiên trong quá trình phay, từ các vết cắt cơ sở thứ hai trở đi, các hạt mài sau khi tác động lần đầu lên bề mặt phôi, sau đó, chúng sẽ tiếp tục có tác động thứ cấp lên các vết cắt cơ sở trước đó hoặc theo dòng hỗn hợp: nước, hạt kim loại vật liệu phôi, các tạp chất thoát ra ngoài Hiện tượng này dẫn đến sự sai lệch giữa mô hình và thực nghiệm Do đó, trong nghiên cứu [9], phương trình (4) được viết dưới dạng phương trình sau (5)
(5)
Trong đó: – hệ số xói mòn khi xét đến ảnh hưởng của quá trình gỡ bỏ vật liệu thứ cấp của tia nước chứa hạt mài = 1.1, được xác định bằng thực nghiệm Bên
cạnh đó, chiều sâu lớn nhất của hốc ứng với vận tốc Vf xác định bởi phương trình (6):
(6)
Từ các phương trình (5), (6), chiều sâu phay của các hốc trong quá trình phay
bằng tia nước là hoàn toàn kiểm soát được khi lựa chọn được các giá trị Vf và p phù
hợp
3 THỬ NGHIỆM QUÁ TRÌNH PHAY BẰNG TIA NƯỚC
3.5 Thiết bị thí nghiệm và đo
Trong nghiên cứu này, các thí nghiệm được thực hiện tại Viện nghiên cứu hàng không vũ trụ Clement Ader, Toulouse, CH Pháp Máy cắt tia nước chứa hạt mài – FLOW MACH4C 5 trục được sử dụng cho quá trình phay (Hình 16)
Bảng 1 Các thông số đầu vào
Áp suất bơm
(MPa)
350 Đường kính lỗ ống phun
(mm)
1.016 Đường kính cửa nạp hạt
mài (mm)
6 Kích thước hạt mài (mesh) 120 Đường kính cửa nạp
nước (mm) 0.3302 Khoảng cách phun (mm) 100
Các thí nghiệm sử dụng loại hạt mài có kích thước 120 mesh ( ) được cung cấp bởi công ty Opta Minerals (Ấn Độ), và vật liệu hợp kim titan có ký hiệu Ti6Al4V Các mẫu hợp kim titan thí nghiệm này có kích thước dài, rộng, cao:
200 x 20 x 6 mm Để kiểm tra kích thước sau gia công, sử dụng thiết bị đo biên dạng quang học ALICONA IF 3D (Hình 17) cho phép thu được các bề mặt của các hốc phay với độ phân giải cao (10-5 mm theo trục Z)
Trang 7công phụ thuộc vào vận tốc dịch chuyển (Vf) và bước dịch chuyển ngang (p) Để
chứng minh khả năng ứng dụng của phương trình (6) cho việc dự đoán chiều sâu các hốc phay Các thông số đầu vào của quá trình gia công được lựa chọn như sau (Bảng 1):
Hình 16 Mắy cắt tia nước chứa hạt mài FLOW MACH4C
Hình 17 Dụng cụ đo quang học ALICONA IF 3D
Cửa nạp hạt mài
Water orifice 0.33 (mm)
Cửa nạp nước
Ống phun
Wxxater orifice)
Hốc phay
f
2
mm
Vf
2
mm
Vf
Trang 83.6 Phương pháp và kết quả thực nghiệm
Với các thông số được cho trong Bảng 1 thành lập nên một cấu hình gia công xác định Để dự đoán chiều sâu phay của quá trình gia công tia nước, phương trình (1)
được thành lập thông qua việc xác định các hệ số H(Vf) và B(Vf) Cụ thể, 3 vết cắt cơ
sở được gia côngtương ứng với ba giá trị vận tốc:Vf 1 , Vf 2 , Vf 3 nằm trong khoảng giá trị
từ 300 mm/phút đến 3500 mm/phút Từ kết quả đo trên thiết bị ALICONA IF 3D áp
Với mục đích gia công 06 hốc có chiều sâu ở 3 mức khác nhau: H 1 = 0.6 mm; H 2
=0.3 mm; H 3 =0.15 mm Cho mỗi độ sâu trên, có hai hốc được gia công với 02 giá trị
của p được chọn một cách ngẫu nhiên nằm trong khoảng giá trị [0.6B(Vf) – 0.9B(Vf)] [9] Với các giá trị p được chọn, các vận tốc di chuyển (Vf) tương ứng của tia nước
được xác định theo công thức (6) Các giá trị của p và Vf được liệt kê như trong Bảng
2
Bảng 2 Các giá trị p và Vf dùng trong thí nghiệm
Áp dụng các giá trị p và Vf, các hốc được tạo ra từ 10 vết cắt cơ sở liên tiếp trên
hợp kim Ti6Al4V Kết quả so sánh giữa biên dạng dự đoán – phương trình (5) và kết quả đo trên thiết bị ALICONA được thể hiện như sau (Hình 18):
Trang 9Hình 18 Kết quả so sánh mô hình và thực nghiệm của các hốc
Từ kết quả so sánh, có thể thấy chiều sâu khi phay có thể kiểm soát được thông
qua kiểm soát hai thông số là Vf và p Giá trị sai số lớn nhất giữa chiều sâu được dự đoán (theo phương trình 6) với kết quả thí nghiệm là 7% trong trường chiều sâu H 2
=0.3 mm Có hai nguyên nhân chính dẫn của sai số này: kích thước hạt mài không đồng nhất, tần số động cơ điện 3 pha dẫn đến áp suất nước không ổn định trong suốt
quá trình Các nguyên nhân này dẫn đến hệ số H e thay đổi
5 KẾT LUẬN
Nghiên cứu trình bày khả năng áp dụng công công nghệ gia công bằng tia nước để phay các hốc có chiều sâu được kiểm soát trên hợp kim Ti6Al4V Trong đó các thông
số đầu vào của quá trình được lựa chọn trước, chiều sâu của các hốc phay có thể điều
kiển bởi hai thông số là vận tốc di chuyển của tia nước- Vf và khoảng các giữa các bước dịch chuyển - p Kết quả thực nghiệm đã cho thấy sai lệch chiều sâu của các hốc giữa mô hình và thí nghiệm là 7% khi xét đến ảnh hưởng của hệ xói mòn - H e xảy ra trong quá trình gia công Để nâng cao khả năng áp dụng công nghệ này vào thực tế sản xuất công nghiệp, các nghiên cứu khác cần được thực hiện như: thay đổi vật liệu thí nghiệm, mô phỏng quá trình phay bằng tia nước, thực hiện phay các bề mặt có biên dạng phức tạp
Mô hình (phương trình 5) Thực nghiệm
Trang 10LỜI CẢM ƠN
Xin chân thành cảm ơn Viện nghiên cứu hàng không vũ trụ Clement Ader, Toulouse,
CH Pháp đã hỗ trợ cho nghiên cứu này trong khuôn khổ Đề án 911 của Bộ giáo dục và đào tạo Việt Nam
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Cenac F (2011) Etude de l’usinage non débouchant par jet d’eau abrasif des
composites, Ph.D thesis 188
2 Fowler G, Shipway PH, Pashby IR (2005) Abrasive water-jet controlled depth milling
of Ti6Al4V alloy - An investigation of the role of jet-workpiece traverse speed and abrasive grit size on the characteristics of the milled material J Mater Process Technol 161:407–414 https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2004.07.069
3 Sultan T, Gilles P, Cohen G, et al (2016) Modeling incision profile in AWJM of
Titanium alloys Ti6Al4V Mech Ind 17:403 https://doi.org/10.1051/meca/2015102
4 Hejjaji A, Zitoune R, Toubal L, et al (2019) Influence of controlled depth abrasive water jet milling on the fatigue behavior of carbon/epoxy composites Compos Part A Appl Sci Manuf https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2019.03.045
5 Srinivasu DS, Axinte DA, Shipway PH, Folkes J (2009) Influence of kinematic
operating parameters on kerf geometry in abrasive waterjet machining of silicon
carbide ceramics Int J Mach Tools Manuf 49:1077–1088
https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2009.07.007
6 Alberdi A, Rivero A, López de Lacalle LN, et al (2010) Effect of process parameter on the kerf geometry in abrasive water jet milling Int J Adv Manuf Technol 51:467–480 https://doi.org/10.1007/s00170-010-2662-y
7 Alberdi A, Rivero A, López de Lacalle LN (2011) Experimental Study of the Slot Overlapping and Tool Path Variation Effect in Abrasive Waterjet Milling J Manuf Sci Eng 133:034502 https://doi.org/10.1115/1.4004320
8 Sultan T (2015) Usinage de metaux durs par Jet d’Eau Abrasif 174
9 Bui VH, Gilles P, Sultan T, et al (2017) A new cutting depth model with rapid
calibration in abrasive water jet machining of titanium alloy Int J Adv Manuf Technol 93:1499–1512 https://doi.org/10.1007/s00170-017-0581-x