NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TIỆN THÉP HỢP KIM QUA TÔI BẰNG DAO PCBN

A. NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA LUẬN ÁN
1. TÊN ĐỀ TÀI
“Nghiên cứu quá trình tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN”
2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Tiện thép hợp kim qua tôi có độ cứng lớn hơn 45HRC hay tiện cứng, đang là một lựa chọn rất hấp dẫn thay cho nguyên công mài bởi các ƣu thế: thời gian quay vòng ngắn, quá trình gia công linh hoạt, tuổi thọ làm việc cao, chi phí đầu tƣ thấp và ít tác động đến môi trƣờng. Trong quá trình tiện cứng, nhờ dụng cụ có lƣỡi cắt đơn nên có thể điều chỉnh chính xác góc cắt và do đó, dễ dàng gia công các bề mặt phức tạp của sản phẩm. Mặt khác, một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, ứng suất dƣ gây ra bởi tiện cứng đã làm cải thiện độ bền mỏi của chi tiết gia công.
Tiện cứng bắt đầu đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực chế tạo cơ khí từ những năm 1980. Với sự ra đời và phát triển của các loại dụng cụ cắt siêu cứng PCBN (Nitơrit Bo lập phƣơng đa tinh thể), các ứng dụng của công nghệ tiện cứng đã tăng lên rõ rệt trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp chế tạo ô tô, ổ lăn, các thiết bị thủy lực, bánh răng, cam, trục và các chi tiết cơ khí khác.
Mặc dù có những ƣu điểm nổi bật nhƣ một biện pháp gia công linh hoạt, thân thiện với môi trƣờng, trong lĩnh vực gia công chính xác khi yêu cầu độ chính xác hình học tới một vài micromet, việc ứng dụng của tiện cứng còn bị hạn chế bởi tính thiếu ổn định liên quan đến chất lƣợng cục bộ và độ tin cậy khi gia công. Nhƣợc điểm nữa là dụng cụ bị mòn nhanh do độ cứng của chi tiết lớn làm tăng chi phí gia công. Thêm vào đó, độ giòn cao và độ dai va đập thấp của vật liệu PCBN cũng đòi hỏi hệ thống công nghệ phải có độ cứng vững
2
và độ chính xác cao.
Mặc dù việc nghiên cứu các quá trình hóa lý để nhận biết và điều khiển các nhân tố ảnh hƣởng tới hiệu quả quá trình tiện cứng đã và đang đƣợc tiến hành tại nhiều nơi trên thế giới, các kết quả công bố cho thấy việc nghiên cứu vẫn chƣa đủ sâu sắc và triệt để. Chính vì độ ổn định thấp liên quan đến chất lƣợng cục bộ và độ tin cậy khi gia công nên tiện cứng chính xác còn chƣa thỏa mãn đƣợc yêu cầu của hầu hết các ngành công nghiệp. Mặt khác, dù có khả năng thay thế cho mài trong gia công các bề mặt chính xác chịu ứng suất cao, động học khi tiện rất khác so với quá trình mài nên cần có những nghiên cứu sâu và đầy đủ hơn về ảnh hƣởng của các yếu tố công nghệ cũng nhƣ tác động tƣơng quan của các quá trình hóa lý xảy ra khi tiện cứng.
Ở Việt nam, công nghệ tiện cứng đã bắt đầu đƣợc ứng dụng ở một vài cơ sở sản xuất. Tuy nhiên, cho đến nay vẫn hầu nhƣ chƣa có công trình nghiên cứu nào về lĩnh vực công nghệ này đƣợc công bố. Với việc sử dụng ngày càng phổ biến của các loại thép hợp kim có độ bền và độ cứng cao trong ngành cơ khí chế tạo, cùng với sự ra đời và phát triển của các loại dụng cụ cắt siêu cứng và các máy gia công tự động, công nghệ tiện cứng đang thu hút đƣợc sự quan tâm đặc biệt. Vì vậy, việc nghiên cứu bản chất quá trình, xác định các nhân tố ảnh hƣởng tới chất lƣợng và tính ổn định của quá trình gia công nhằm tìm ra các biện pháp nâng cao hiệu quả, mở rộng phạm vi ứng dụng của công nghệ tiện cứng ở Việt Nam đều là cần thiết và cấp bách.
3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Mục tiêu nghiên cứu của luận án là nghiên cứu các đặc trƣng vật lý của quá trình tiện hợp kim qua tôi bằng dao PCBN nhƣ: cơ chế hình thành phoi, lực và nhiệt cắt, mòn dụng cụ. Trên cơ sở các nghiên cứu đƣợc tiến hành trong điều kiện gia công rất gần với thực
3
tiễn sản xuất, có thể nhận biết một số nhân tố ảnh hƣởng tới hiệu quả quá trình tiện cứng nhƣ tuổi thọ dụng cụ và chất lƣợng bề mặt, đề xuất đƣợc những biện pháp nâng cao hiệu quả của quá trình gia công, làm cơ sở cho việc điều khiển quá trình tiện cứng về sau.
Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng tập trung vào việc tìm kiếm tập hợp các thông số cắt tối ƣu thỏa mãn nhiều mục tiêu làm cơ sở cho việc điều khiển quá trình tiện cứng.
4. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU
Đối tƣợng nghiên cứu của quá trình tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN là hai loại thép 9XC và thép X12M, đƣợc sử dụng khá phổ biến trong ngành cơ khí chế tạo ở nƣớc ta.
5. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Luận án tập trung vào giải quyết một số nội dung chính sau:
- Nghiên cứu tổng quan về công nghệ tiện cứng và vật liệu dụng cụ cắt PCBN.
- Nghiên cứu tìm hiểu đặc trƣng của quá trình tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN nhƣ quá trình tạo phoi, lực cắt, nhiệt cắt, mòn dụng cụ và chất lƣợng bề mặt gia công.
- Nghiên cứu tối ƣu hóa đa mục tiêu chế độ cắt khi tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN.
6. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đề tài giới hạn phạm vi nghiên cứu ở các vấn đề sau:
+ Nghiên cứu xác định hình thái phoi, cơ chế hình thành phoi và ảnh hƣởng của một số thông số đến quá trình hình thành phoi khi tiện cứng hai loại thép hợp kim 9XC và X12M bằng dao PCBN.
+ Nghiên cứu quá trình phát triển lực cắt theo chiều dài cắt, nhận biết một số thông số ảnh hƣởng đến lực cắt khi tiện cứng.
4
+ Xác định trƣờng phân bố nhiệt trong dụng cụ PCBN khi tiện trực giao thép 9XC qua tôi bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn và bằng đo đạc thực nghiệm.
+ Nghiên cứu tìm hiểu các dạng mòn và cơ chế mòn dụng cụ PCBN khi tiện cứng. Xác định ảnh hƣởng của một số nhân tố tới mòn và cơ chế mòn dụng cụ PCBN.
+ Nghiên cứu các đặc trƣng về chất lƣợng bề mặt khi tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN nhƣ nhám bề mặt, cấu trúc tế vi, lớp biến cứng…
+ Xác định tập hợp các chế độ cắt tối ƣu thỏa mãn hai mục tiêu đối lập là nhám bề mặt và tuổi thọ dụng cụ khi tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN.
7. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm. Việc nghiên cứu lý thuyết dựa trên sự phân tích và tổng hợp các kết quả đã công bố, đƣa ra các giả thiết và các tính toán biến đổi phù hợp để xây dựng cơ sở lý thuyết và thiết lập các mô hình thực nghiệm.
Nghiên cứu thực nghiệm đƣợc tiến hành với hệ thống thiết bị thực nghiệm đƣợc thiết kế, chế tạo có đủ độ tin cậy, sử dụng các thiết bị đo hiện đại có độ chính xác cao nhằm kiểm chứng các mô hình lý thuyết, tìm ra các mối quan hệ hoặc so sánh với các kết quả nghiên cứu đã có.
8. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Ý nghĩa khoa học
Các kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở khoa học để thiết lập các chỉ dẫn công nghệ trong tiện cứng, đặc biệt trong việc điều khiển, tối ƣu hóa quá trình. Kết quả nghiên cứu cũng là cơ sở khoa học để ứng dụng công nghệ tiện cứng trong chế tạo các sản phẩm đòi
5
hỏi bề mặt làm việc có chất lƣợng cao, góp phần tăng tính ổn định và độ tin cậy của một phƣơng pháp gia công tinh sau nhiệt luyện, nâng cao hiệu quả và mở rộng phạm vi ứng dụng công nghệ tiện cứng.
Ý nghĩa thực tiễn
Những kết quả nghiên cứu của đề tài có thể ứng dụng với những sản phẩm cụ thể đƣợc chế tạo bằng các loại thép hợp kim, chủ yếu là thép crôm, yêu cầu cao về độ bền, độ cứng và độ chịu nhiệt trong các thiết bị và dây chuyền công nghệ của các nhà máy chế tạo ô tô, ổ lăn, động cơ và các dây chuyền cán thép.
Quá trình ứng dụng các kết quả nghiên cứu sẽ cho phép mở rộng phạm vi gia công của ngành chế tạo máy nói chung và của công nghệ tiện nói riêng, góp phần tạo ra những sản phẩm có chất lƣợng tốt, giá thành hạ và nâng cao khả năng ứng dụng vào thực tiễn một phƣơng pháp gia công linh hoạt, thân thiện với môi trƣờng, chi phí đầu tƣ thấp phù hợp với điều kiện sản xuất trong nƣớc.
9. CÁC ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN
- Làm rõ sự phụ thuộc của hình thái phoi vào độ cứng vật liệu và vận tốc gia công khi tiện thép hợp kim 9XC và X12M bằng dao PCBN. Phân tích hình ảnh gốc phoi để rút ra nhận định về cơ chế hình thành phoi phụ thuộc vào hai quá trình biến cứng và mềm hóa vì nhiệt.
- Khảo sát biến thiên lực cắt phụ thuộc vào vật liệu gia công, vận tốc cắt và chiều dài gia công khi tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN. Nhận biết đƣợc mối liên hệ giữa cơ chế hình thành phoi với lực cắt.
- Sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn qua tính toán bằng phần mềm ABAQUS giải bài toán truyền nhiệt và xác định trƣờng phân bố nhiệt cho quá trình tiện cứng trực giao thép 9XC. Bằng cách phủ các
6
kim loại nguyên chất có điểm nóng chảy xác định để lấy thông tin về nhiệt độ, kết quả mô phỏng và thực nghiệm có sự tƣơng hợp cao.
- Phân tích các cơ chế mòn và dạng mòn dụng cụ PCBN khi tiện cứng hai loại thép hợp kim 9XC và X12M. Khảo sát ảnh hƣởng của vật liệu phôi, vận tốc cắt và chiều dài gia công tới mòn dụng cụ và chất lƣợng bề mặt gia công. Giải thích mối liên hệ giữa nhiệt cắt và mòn dụng cụ.
- Góp phần tích cực trong việc ứng dụng giải thuật di truyền trong quá trình tối ƣu hóa đa mục tiêu chế độ cắt để xác định tập hợp bộ thông số tối ƣu khi tiện cứng thép 9XC bằng dao PCBN.
10. CẤU TRÖC VÀ KHỐI LƢỢNG CÔNG TRÌNH
Luận án đƣợc trình bày trên 97 trang đánh máy gồm 6 chƣơng, phần mở đầu, phần kết luận và phƣơng hƣớng nghiên cứu tiếp theo, 11 bảng và 79 hình vẽ. Ngoài ra còn có 54 trang Phụ lục gồm 5 phần và danh mục các tài liệu tham khảo gồm 107 đầu sách và bài báo.
B. NỘI DUNG LUẬN ÁN
Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TIỆN CỨNG
Trong chƣơng này, các nghiên cứu về công nghệ tiện cứng và vật liệu dụng cụ cắt PCBN đã đƣợc tổng hợp và phân tích bao gồm các vấn đề:
- Khái niệm chung về công nghệ tiện cứng.
- Vật liệu dụng cụ cắt PCBN.
- Quá trình tạo phoi khi tiện cứng.
- Lực cắt khi tiện cứng.
- Nhiệt cắt trong quá trình tiện cứng.
- Mòn và tuổi thọ dụng cụ PCBN.
7
Kết luận chƣơng 1
- Tiện cứng là một công nghệ gia công tinh tiên tiến đang rất
đƣợc quan tâm nghiên cứu trên thế giới.
- Các nghiên cứu về tiện cứng còn chƣa đầy đủ, nhiều khi kết quả
công bố rất khác nhau thậm chí là trái ngƣợc cho cùng một hiện tƣợng.
- Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ tiện cứng ở Việt Nam còn
rất hạn chế và mới mẻ. Chƣa có nghiên cứu nào đƣợc tiến hành cho
các điều kiện sản xuất thực tiễn trong nƣớc.
Chƣơng 2
NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƢNG CỦA QUÁ TRÌNH TẠO PHOI
KHI TIỆN THÉP HỢP KIM QUA TÔI BẰNG DAO PCBN
Nghiên cứu đƣợc tiến hành đối với hai loại thép 9XC và X12M ở
các độ cứng và chế độ cắt khác nhau. Hình ảnh các mẫu phoi cho
thấy dạng phoi hình thành khi tiện thép hợp kim qua tôi bằng dụng
549HV

...................

KẾT LUẬN VÀ PHƢƠNG HƢỚNG
NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
KẾT LUẬN
- Các dạng phoi hình thành trong quá trình tiện cứng thép hợp kim qua tôi sử dụng dao PCBN bao gồm dạng phoi rời, phoi dây ổn định không có lẹo dao và phoi răng cƣa, trong đó dạng phoi răng cƣa là dạng phoi chủ yếu hình thành trong một dải rộng điều kiện cắt và vật liệu gia công. Giới hạn chuyển đổi hình thái phoi phụ thuộc vào độ cứng vật liệu và chế độ gia công chủ yếu là vận tốc cắt đối với cả hai loại thép 9XC và X12M. Cơ chế hình thành phoi phụ thuộc vào sự cạnh tranh của hai quá trình mềm hóa vì nhiệt và biến cứng của vật liệu gia công. Cơ chế hình thành phoi răng cƣa là sự trƣợt đoạn nhiệt do hiện tƣợng mất ổn định nhiệt dẻo của vật liệu.
- Lực cắt khi tiện thép hợp kim qua tôi sử dụng dao PCBN không lớn hơn giá trị lực cắt khi tiện thông thƣờng. Lực hƣớng tâm Fy luôn có giá trị lớn nhất trong ba thành phần lực cắt. Độ lớn và tƣơng quan giữa các thành phần lực cắt phụ thuộc mạnh mẽ vào vật liệu gia công và chế độ cắt. Lực cắt có giá trị nhỏ nhất khi vật liệu gia công có độ cứng khoảng 50HRC, tƣơng ứng với sự xuất hiện dạng phoi răng cƣa. Trong phạm vi nghiên cứu, lực cắt giảm khi tăng vận tốc cắt. Giá trị lực cắt khi tiện thép X12M lớn hơn nhiều so với khi tiện thép 9XC ở cùng điều kiện.
- Trung tâm nhiệt độ lớn nhất của dụng cụ nằm ở mặt trƣớc dụng cụ khi dụng cụ sắc và nằm ngay trên lƣỡi cắt khi dụng cụ mòn. Nhiệt độ cao tại lƣỡi cắt là nguyên nhân thúc đẩy các cơ chế mòn và phá hủy lƣỡi cắt dụng cụ. Kết quả xác định trƣờng phân bố nhiệt trong dụng cụ nhận đƣợc từ mô hình lý thuyết sai lệch không quá 7,8% so với mô hình thực nghiệm
23
- Mòn dụng cụ PCBN đƣợc gây ra bởi nhiều cơ chế kết hợp nhƣ dính, mài mòn, khuếch tán, tƣơng tác hóa học và phá hủy vì nhiệt. Vật liệu gia công và chế độ cắt có ảnh hƣởng lớn tới mòn và cơ chế mòn dụng cụ PCBN. Tồn stại pha lỏng trên bề mặt tiếp xúc giữa phoi và mặt trƣớc dụng cụ. Tính chất pha lỏng phụ thuộc vào điều kiện cắt, vật liệu phôi và dụng cụ. Pha lỏng có ảnh hƣởng lớn tới tốc độ mòn dụng cụ.
- Đƣờng cong mòn của vật liệu PCBN cũng tuân theo quy luật mòn thông thƣờng gồm ba giai đoạn. Giai đoạn mòn ổn định giảm khi vận tốc cắt tăng. Chiều cao và tốc độ mòn mặt sau dụng cụ PCBN khi cắt vật liệu X12M lớn gấp hơn 3 lần so với khi cắt thép 9XC ở cùng điều kiện.
- Nhám bề mặt gia công khi tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN có trị số khá nhỏ, tƣơng đƣơng độ nhám cấp 78. Cùng điều kiện cắt nhƣ nhau, nhám bề mặt nhận đƣợc khi gia công thép 9XC nhỏ hơn khi gia công thép X12M. Nhám bề mặt tăng khi độ cứng vật liệu gia công tăng.
- Xuất hiện các luồng vật liệu biến dạng dẻo trên bề mặt gia công do kim loại chảy dẻo dịch chuyển theo phƣơng vuông góc với phƣơng chuyển động thông thƣờng của dòng phoi, tạo thành ba via dọc theo vết lƣợng chạy dao và làm giảm chất lƣợng lớp bề mặt. Lớp bề mặt không có sự thay đổi về cấu trúc tế vi. Tuy nhiên có sự biến đổi về cơ tính khi độ cứng tế vi tăng ở lớp bề mặt và giảm nhẹ ở bên dƣới lớp bề mặt, so với độ cứng vật liệu ban đầu.
- Các kết quả nhận đƣợc từ quá trình tối ƣu hóa đa mục tiêu chế độ cắt khi tiện cứng chính xác thép 9XC bằng dụng cụ PCBN cho thấy vận tốc cắt có ảnh hƣởng quyết định đến trạng thái tối ƣu của các phƣơng án. Giá trị vận tốc cắt tối ƣu tập trung ở gần tốc độ
24
100m/p. Chiều sâu cắt và lƣợng chạy dao trong miền khảo sát không ảnh hƣởng nhiều đến trạng thái tối ƣu của các phƣơng án gia công.
PHƢƠNG HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của thành phần vật liệu dụng cụ PCBN đến tính năng cắt gọt, tuổi thọ dụng cụ và chất lƣợng bề mặt khi tiện cứng chính xác thép hợp kim qua tôi.
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của các thông số hình học dụng cụ cắt đến quá trình hình thành phoi, lực cắt và nhiệt cắt khi tiện cứng.
- Nghiên cứu mở rộng đối với các loại vật liệu gia công khác đƣợc sử dụng phổ biến trong ngành chế tạo ở Việt Nam nhƣ thép 40X, ШX15, các loại thép không gỉ.. v..v.
- Nghiên cứu tối ƣu hóa triệt để hơn, xem xét đồng thời các chỉ tiêu về chi phí gia công, năng lƣợng tiêu thụ, rung động ... để có thể đạt đƣợc một giải pháp tối ƣu tổng thể.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI
[1] Nguyen Thi Quoc Dung, Phan Quang The, Vu Thi Lien (2011), "Multiobjective optimization of machining condition in finish hard turning 9XC steel with CBN cutting tool using genetic algorithms", Proceedings the 5th SEATUC Symposium, pp. 419-425.
[2] Nguyễn Thị Quốc Dung*, Phan Quang Thế, Hoàng Minh Phúc, (2011), "Nghiên cứu ảnh hƣởng của điều kiện cắt đến các thành phần lực cắt trong tiện cứng trực giao thép 9XC bằng dụng cụ CBN", Tạp chí KH&CN các trường đại học Kỹ thuật, 80, tr. 91-96.
[3] Nguyễn Thị Quốc Dung, Phan Quang Thế, Ngô Ngọc Tân (2010), "Ảnh hƣởng của độ cứng và thành phần vật liệu phôi
25
đến mòn dụng cụ và chất lƣợng bề mặt gia công trong tiện cứng chính xác thép X12M bằng dụng cụ CBN", Tuyển tập công trình HNKH toàn quốc Cơ học Vật rắn biến dạng lần thứ X, tr. 123-129.
[4] Nguyễn Thị Quốc Dung, Phan Quang Thế (2010), "Mô hình dự đoán nhám bề mặt và mòn dụng cụ trong tiện cứng chính xác bằng dụng cụ cắt PCBN", Tạp chí KH&CN Đại học Thái nguyên, 63(01), tr. 40-46.
[5] Phan Quang Thế, Nguyễn Thị Quốc Dung*, Vũ Thị Liên (2010), "Tối ƣu hóa đa mục tiêu chế độ cắt trong tiện cứng chính xác thép 9XC sử dụng giải thuật di truyền", Tuyển tập hội nghi khoa học cấp trường về cơ khí 10-2010, tr. 1-7.
[6] Nguyễn Thị Quốc Dung (2009), "Dụng cụ cắt PCBN và xu hƣớng ứng dụng", Tuyển tập HNKH cấp trường về cơ khí, 10-2009, tr. 62-67.
[7] Phan Quang Thế, Nguyễn Thị Quốc Dung, Nguyễn Thị Thanh Vân (2008), "Ảnh hƣởng của vận tốc cắt tới mòn và cơ chế mòn dao gắn mảnh PCBN sử dụng tiện tinh thép 9XC qua tôi", Tạp chí KH&CN các trường đại học Kỹ thuật, 68, tr. 39-43.
[8] Phan Quang Thế, Nguyễn Thị Quốc Dung (2008), "Tƣơng tác ma sát giữa phoi và mặt trƣớc dao gắn mảnh PCBN dùng tiện tinh thép 9XC qua tôi", Tạp chí KH&CN các trường đại học Kỹ Thuật, 66, tr. 16-20.
[9] Nguyễn Thị Quốc Dung, "Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ tiện cứng trong chế tạo con lăn dẫn hƣớng cho các dây chuyền cán thép ở Việt Nam”, đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp Bộ, mã số B2008 - TN02 - 09.