Tiến Sĩ Nghiên cứu quá trình tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NĂM 2012

MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan . i
Lời cảm ơn . ii
Các chữ viết tắt vi
Danh mục các thuật ngữ và ký hiệu vi
Danh mục các bảng biểu . x
Danh mục các hình vẽ và đồ thị xi
Phần mở đầu 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TIỆN CỨNG . 5
1.1. Khái niệm chung 5
1.2. Vật liệu dụng cụ cắt PCBN 6
1.3. Quá trình tạo phoi khi tiện cứng 9
1.3.1. Các hình thái phoi khi cắt kim loại . 9
1.3.2 Cơ chế hình thành phoi khi tiện cứng 10
1.4. Lực và ứng suất trong cắt kim loại . 12
1.4.1. Mô hình tính toán lực cắt 12
1.4.2. Mô hình tính lực khi cắt nghiêng 14
1.4.3. Ứng suất trong dụng cụ cắt . 15
1.4.4. Sự phân bố ứng suất trong vùng biến dạng . 16
1.4.5. Lực cắt khi tiện cứng . 17
1.5. Nhiệt cắt trong quá trình tiện cứng 19
1.5.1. Các nguồn nhiệt trong cắt kim loại . 19
1.5.2. Các phương pháp đo đạc nhiệt độ trong cắt kim loại . 19
1.5.3. Nhiệt cắt khi tiện cứng bằng dụng cụ PCBN 20
1.6. Mòn và tuổi thọ dụng cụ CBN . 21
1.6.1. Các dạng mòn và cơ chế mòn dụng cụ PCBN 21
1.6.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến mòn dụng cụ PCBN . 23
1.7. Kết luận chương 1 24

Chương 2. NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CỦA QUÁ TRÌNH TẠO PHOI KHI TIỆN THÉP HỢP KIM QUA TÔI BẰNG DAO PCBN . 26
2.1. Phương pháp nghiên cứu sự hình thành phoi . 26 iv
2.2. Ảnh hưởng của độ cứng phôi đến hình thái phoi khi tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN . 26
2.3. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến hình thái phoi . 29
2.4. Cơ chế hình thành phoi khi tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN 32
2.5. Kết luận chương 2 36
Chương 3. NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG VỀ LỰC CẮT KHI TIỆN THÉP HỢP KIM QUA TÔI BẰNG DAO PCBN 37
3.1. Biến thiên lực cắt theo chiều dài cắt khi tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN 37
3.2. Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến các thành phần lực cắt khi tiện cứng trực giao thép 9XC bằng dao PCBN 40
3.3. Phân tích ảnh hưởng của điều kiện cắt đến các thành phần lực cắt khi tiện cứng trực giao thép 9XC bằng dụng cụ PCBN 41
3.4. Kết luận chương 3 43

Chương 4. XÁC ĐỊNH TRƯỜNG PHÂN BỐ NHIỆT TRONG DỤNG CỤ PCBN KHI TIỆN THÉP HỢP KIM QUA TÔI . 45
4.1. Xác định trường phân bố nhiệt trong dụng cụ PCBN khi tiện cứng trực giao bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 45
4.1.1. Mô hình tính nhiệt . 45
4.1.2. Các thông số xác định từ thực nghiệm 48
4.1.3. Tính toán tốc độ sinh nhiệt riêng 50
4.1.4. Trường phân bố nhiệt trong dụng cụ PCBN khi tiện cứng trực giao thép 9XC bằng dao PCBN xác định bằng phương pháp phần tử hữu hạn 55
4.2. Trường phân bố nhiệt trong dụng cụ PCBN khi tiện cứng trực giao thép 9CX xác định bằng phương pháp thực nghiệm . 58
4.2.1. Thiết bị và chế độ thí nghiệm 58
4.2.2. Trường phân bố nhiệt trong dụng cụ PCBN . 59
4.3. Kết luận chương 4 61

Chương 5. MÕN DỤNG CỤ PCBN VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI TIỆN THÉP HỢP KIM QUA TÔI . 63
5.1. Mòn và cơ chế mòn dụng cụ PCBN khi tiện thép hợp kim qua tôi . 63 v
5.1.1. Ảnh hưởng của độ cứng vật liệu gia công đến mòn và cơ chế mòn dụng cụ PCBN 63
5.1.2. Ảnh hưởng của chế độ cắt đến mòn và cơ chế mòn dụng cụ PCBN 68
5.1.3. Biến thiên chiều cao mòn dụng cụ PCBN theo chiều dài cắt khi tiện thép hợp kim qua tôi . 71
5.2. Chất lượng bề mặt gia công khi tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN . 73
5.2.1. Nhám bề mặt gia công . 73
5.2.2. Luồng vật liệu biến dạng dẻo và lớp biến cứng bề mặt gia công 74
5.3. Kết luận chương 5 78

Chương 6. TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU CHẾ ĐỘ CẮT KHI TIỆN THÉP HỢP KIM QUA TÔI BẰNG DAO PCBN 80
6.1. Xây dựng mô hình toán 80
6.1.1. Thiết bị và chế độ thực nghiệm . 81
6.1.2. Xây dựng mô hình hồi qui mô tả nhám bề mặt . 82
6.1.3. Xây dựng mô hình hồi qui mô tả mòn dụng cụ 85
6.2. Tối ưu hóa đa mục tiêu chế độ cắt khi tiện thép 9XC qua tôi bằng giải thuật di truyền (GAs) 88
6.2.1. Xác định bài toán 88
6.2.2. Kết quả thực hiện giải thuật di truyền cho bài toán tối ưu đơn mục tiêu 90
6.2.3. Kết quả thực hiện giải thuật di truyền cho bài toán tối ưu đa mục tiêu 90
6.3. Kết luận chương 6 93

KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO . 94
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 96
TÀI LIỆU THAM KHẢO .


MỞ ĐẦU
1. 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 ưu thế: thời gian quay vòng ngắn, quá trình gia công linh hoạt, tuổi thọ làm việc cao, chi phí đầu tư thấp và ít tác động đến môi trường. Trong quá trình tiện cứng, nhờ dụng cụ có lưỡi 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 dư gây bởi tiện cứng đã làm cải thiện độ bền mỏi của chi tiết gia công.
Tiện cứng bắt đầu được 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 (Nitrit Bo lập phương 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 ưu điểm nổi bật như một biện pháp gia công linh hoạt, thân thiện với môi trường, 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 lượng cục bộ và độ tin cậy khi gia công. Nhược điểm nữa do độ cứng của chi tiết lớn nên dụng cụ bị mòn nhanh làm tăng chi phí gia công. Thêm vào đó, độ giòn cao và độ dai va đập thấp của vật liệu dụng cụ cắt PCBN cũng đòi hỏi hệ thống công nghệ có độ cứng vững và độ chính xác cao.
Mặc dù việc nghiên cứu các đặc trưng hóa lý để nhận biết và điều khiển các nhân tố ảnh hưởng tới hiệu quả quá trình tiện cứng đã và đang được tiến hành tại nhiều nơi trên thế giới, các kết quả công bố cho thấy việc nghiên cứu vẫn chưa đủ sâu sắc và triệt để. Chính vì độ ổn định thấp liên quan đến chất lượng cục bộ và độ tin cậy khi gia công nên tiện cứng chính xác còn chưa thỏa mãn được 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 hưởng của các yếu tố công nghệ cũng như tác động tương quan của các quá trình hóa lý xảy ra khi tiện cứng.

Ở Việt nam, công nghệ tiện cứng đã bắt đầu được ứng dụng ở một vài cơ sở sản xuất. Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có công trình nghiên cứu nào về lĩnh vực công nghệ này được 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 được sự quan tâm đặc biệt. Vì vậy, việc nghiên cứu bản chất quá trình, xác định các nhân tố ảnh hưởng tới chất lượng 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 là cần thiết và cấp bách.

2. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Mục đích nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của luận án là nghiên cứu các đặc trưng vật lý của quá trình tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN như: cơ chế hình thành phoi, lực và nhiệt cắt, mòn dụng cụ. Trên cơ sở các nghiên cứu được tiến hành trong điều kiện gia công rất gần với thực tiễn sản xuất, có thể nhận biết một số nhân tố ảnh hưởng tới hiệu quả quá trình tiện cứng là tuổi thọ dụng cụ và chất lượng bề mặt, đề xuất được những biện pháp nâng cao hiệu quả của quá trình tiện cứng.
Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng tập trung vào việc tìm kiếm tập hợp các thông số cắt tối ưu thỏa mãn nhiều mục tiêu làm cơ sở cho việc điều khiển quá trình tiện cứng sau này.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của quá trình tiện thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN là hai loại thép hợp kim 9XC và thép X12M, được sử dụng khá phổ biến trong ngành cơ khí chế tạo ở nước ta.
Đề tài giới hạn phạm vi nghiên cứu ở các vấn đề sau:
+ Nghiên cứu tổng quan về công nghệ tiện cứng và vật liệu dụng cụ PCBN.
+ Nghiên cứu các đặc trưng vật lý khi tiện cứng hai loại thép hợp kim 9XC và X12M bằng dao PCBN bao gồm quá trình tạo phoi, lực cắt và nhiệt cắt.
+ Nghiên cứu các chỉ tiêu mòn dụng cụ PCBN và chất lượng bề mặt gia công khi tiện thép cứng thép hợp kim 9XC và X12M. 3
+ Xác định tập hợp các thông số cắt tối ưu 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.

3. PHƯƠNG 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, đưa 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 được tiến hành với hệ thống thiết bị thực nghiệm được 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 đối chiếu, kiểm chứng với các kết quả nghiên cứu đã có.

4. 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 quá trình tiện cứng, đặc biệt trong việc điều khiển, tối ưu 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 hỏi bề mặt làm việc có chất lượng cao, góp phần tăng tính ổn định và độ tin cậy của một phương 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 tại các nhà máy, phân xưởng sản xuất cơ khí khi gia công các sản phẩm, chi tiết được 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 ô tô, xe máy, tàu thủy, máy công cụ, động cơ, thiết bị và các dây chuyền cán thép ở trong nước.
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 cứng nói riêng, góp phần tạo ra những sản phẩm có chất lượng tốt, giá thành hạ và nâng cao khả năng ứng dụng vào thực tiễn một phương pháp gia công tinh linh hoạt, thân thiện với môi trường, chi phí đầu tư thấp, phù hợp với điều kiện sản xuất ở Việt Nam.

5. NỘI DUNG CÁC VẤN ĐỀ SẼ ĐI SÂU NGHIÊN CỨU
Nội dung nghiên cứu sẽ đi sâu vào các vấn đề sau:
- Nghiên cứu tổng quan về công nghệ tiện cứng: Vật liệu dụng cụ cắt PCBN, quá trình tạo phoi, lực cắt, nhiệt cắt và mòn dụng cụ khi tiện cứng.
- Làm rõ mối liên hệ của hình thái phoi với 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 được mối liên hệ giữa cơ chế hình thành phoi với lực cắt.
- Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn giải bài toán truyền nhiệt và xác định trường phân bố nhiệt cho quá trình tiện cứng trực giao thép 9XC với sự hỗ trợ của phần mềm ABAQUS. Bằng cách phủ các kim loại nguyên chất có điểm nóng chảy xác định để lấy thông tin về nhiệt độ, kiểm chứng kết quả mô phỏng lý thuyết bằng thực nghiệm.
- 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 hưởng của vật liệu phôi, vận tốc cắt và chiều dài gia công tới mòn dụng cụ và chất lượng bề mặt gia công. Giải thích mối liên hệ giữa nhiệt cắt và mòn dụng cụ.
- Ứng dụng giải thuật di truyền trong quá trình tối ưu hóa đa mục tiêu chế độ cắt để xác định tập hợp các thông số tối ưu khi tiện cứng thép 9XC bằng dao PCBN. Sử dụng phương pháp phân tích hồi quy để xây dựng các mô hình lực cắt, nhám bề mặt gia công và tuổi thọ dụng cụ.
Phần kết luận chung và phương hướng nghiên cứu tiếp theo.