Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt và mòn dụng cụ khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện

I hiê BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI LÊ THẾ HƯNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT VÀ MÒN DỤNG CỤ KHI PHAY CAO TỐC THÉP SKD61 ĐÃ NHIỆT LUYỆN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2023 II BỘ CÔNƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI LÊ THẾ HƯNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT VÀ TUỔI BỀN DỤNG CỤ KHI PHAY CAO TỐC VẬT LIỆU CÓ ĐỘ CỨNG CAO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI LÊ THẾ HƯNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT VÀ MÒN DỤNG CỤ KHI PHAY CAO TỐC THÉP SKD61 ĐÃ NHIỆT LUYỆN CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 9.52.01.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. PHẠM VĂN BỔNG 2. PGS.TS. HOÀNG TIẾN DŨNG Hà Nội - 2023 III LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn khoa học PGS.TS Phạm Văn Bổng và PGS.TS Hoàng Tiến Dũng đã luôn theo sát và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Đảng ủy, Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa Cơ khí, Trung tâm đào tạo sau đại học - Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận án. Xin cám ơn tập thể các nhà khoa học trong lĩnh vực Cơ khí chế tạo máy tại trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, trường Đại học sư phạm kỹ thuật Hưng yên, trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái nguyên, trường Đại học Giao thông vận tải, Học viện kỹ thuật Quân sự... đã giúp đỡ và có nhiều ý kiến đóng góp cho tôi hoàn thành luận án này. Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn đến Viện khoa học vật liệu, Viện vũ khí, Công ty TNHH KEYENCE Việt Nam, Công ty TNHH HITACHI Việt Nam đã hỗ trợ tôi trong quá trình thực nghiệm. Cuối cùng xin được gửi lời cảm ơn đến gia đình, bố, mẹ, vợ, con, anh, chị, em là nguồn động viên và truyền nhiệt huyết để tôi hoàn thành luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2023 NGHIÊN CỨU SINH Lê Thế Hưng IV LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Phạm Văn Bổng và PGS.TS Hoàng Tiến Dũng. Kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Hà Nội, ngày .. tháng năm 2023 TÁC GIẢ LÊ THẾ HƯNG V MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ III LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. IV DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................... VIII DANH MỤC CÁC HÌNH ....................................................................................... X DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ...................................................................... XIV MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................. 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 3 4. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................ 4 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ........................................................... 5 6.1. Ý nghĩa khoa học ........................................................................................... 5 6.2. Ý nghĩa thực tiễn ........................................................................................... 5 7. Những đóng góp mới của đề tài .......................................................................... 6 8. Cấu trúc của luận án. ........................................................................................... 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH GIA CÔNG VẬT LIỆU CÓ ĐỘ CỨNG CAO ............................................................................................................ 7 1.1. Tổng quan về vật liệu có độ cứng cao ............................................................. 7 1.1.1. Khái niệm và phân loại về vật liệu có độ cứng cao ................................. 7 1.1.2. Đặc điểm của vật liệu có độ cứng cao ....................................................... 8 1.1.3. Ứng dụng của các loại vật liệu có độ cứng cao ...................................... 10 1.2. Tổng quan về quá trình gia công vật liệu có độ cứng cao ........................... 11 1.2.1. Đặc điểm quá trình gia công vật liệu có độ cứng cao ........................... 11 1.2.2. Một số phương pháp gia công vật liệu có độ cứng cao ......................... 12 1.2.3. Dụng cụ gia công vật liệu có độ cứng cao .............................................. 16 1.3. Tình hình nghiên cứu về gia công vật liệu có độ cứng cao .......................... 23 1.3.1. Tình hình nghiên cứu trong nước ........................................................... 23 1.3.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ........................................................... 24 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH PHAY CAO TỐC VẬT LIỆU CÓ ĐỘ CỨNG CAO ........................................................................................ 26 VI 2.1. Khái quát về quá trình phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao ..................... 26 2.1.1. Khái quát về quá trình gia công và phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao ............................................................................................................................. 26 2.1.2. Quá trình tạo phoi khi phay cao tốc ....................................................... 28 2.2. Phương pháp phay và yêu cầu của dụng cụ cắt khi phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao ................................................................................................................... 32 2.2.1. Các phương pháp phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao ....................... 32 2.2.2. Yêu cầu của dụng cụ cắt khi phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao ..... 33 2.3. Đặc điểm và ứng dụng của phay cao tốc ....................................................... 34 2.3.1. Một số đặc điểm khác của phay cao tốc so với phay thông thường .... 34 2.3.2. Ứng dụng của phương pháp phay cao tốc ............................................. 34 2.4. Thông số đặc trưng cho hiệu quả và chất lượng trong quá trình phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao .......................................................................................... 35 2.4.1. Độ nhám bề mặt gia công trong quá trình phay công tốc .................... 35 2.4.2. Nghiên cứu về lực cắt và năng lượng bóc tách vật liệu trong quá trình phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao ...................................................................... 39 2.4.3. Nghiên cứu về rung động trong quá trình gia công .............................. 46 2.4.4. Nghiên cứu về mòn dụng cụ cắt trong quá trình gia công ................... 49 2.5. Nghiên cứu về gia công cao tốc vật liệu có độ cứng cao .............................. 55 2.5.1. Nghiên cứu của các tác giả trong nước .................................................. 55 2.5.2. Nghiên cứu của các tác giả nước ngoài .................................................. 57 CHƯƠNG 3. THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM THÉP SKD61 BỞI QUY TRÌNH PHAY CAO TỐC ........................................................................................................ 60 3.1. Mục tiêu và nội dung của nghiên cứu thực nghiệm ..................................... 60 3.2.1. Thiết lập hệ thống thực nghiệm .............................................................. 60 3.2.2. Thiết lập ma trận thực nghiệm và chế độ cắt ........................................ 64 3.2.3. Phương pháp xử lý dữ liệu thực nghiệm................................................ 67 3.3. Kết quả và phân tích dữ liệu thực nghiệm ................................................... 69 3.3.1. Kết quả phân tích ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện ................................ 69 VII 3.3.3. Kết quả phân tích ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến rung động khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện ............................................... 80 3.3.4. Kết quả phân tích ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến mòn dụng cụ khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện ......................................... 85 CHƯƠNG 4. TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU VÀ DỰ ĐOÁN MÒN DỤNG CỤ KHI PHAY CAO TỐC THÉP SKD61 ĐÃ NHIỆT LUYỆN .................................. 92 4.1. Xác định mục tiêu trong gia công cao tốc ..................................................... 92 4.3. Xây dụng thuật toán FGRA-PSO cho tối ưu đa mục tiêu khi phay cao tốc ....................................................................................................................................... 95 4.4. Xác định các điều kiện ràng buộc khi phay cao tốc ..................................... 98 4.5. Phương pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu khi phay cao tốc thép cứng ..................................................................................................................................... 100 4.6. Kết quả tối ưu đa mục tiêu ........................................................................... 103 4.7 Phân tích tín hiệu sóng con và chỉ số Gini trong dự đoán mòn dụng cụ .. 110 4.7.1. Phân tích tín hiệu lực cắt, rung động và âm thanh ............................. 110 4.7.2. Lượng mòn dụng cụ theo tỉ lệ chỉ số Gini phân tích sóng con các thành phần tín hiệu ............................................................................................... 117 4.7.3. Mô hình dự đoán lượng mòn dụng cụ và độ chính xác dự đoán ....... 121 KẾT LUẬN CHUNG ........................................................................................... 127 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .............................................................. 130 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ....................... 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 132 PHỤ LỤC 1 ........................................................................................................... 138 PHỤ LỤC 2 ........................................................................................................... 140 VIII DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị 1 Ra Sai lệch Profin trung bình của bề mặt µm 2 Rz Chiều cao nhấp nhô trung bình của bề mặt µm 3 PCBN Polycrystalline Carbon Boron Nitride 4 CBN Carbon Boron Nitride 5 PCD Polycrystalline Diamond 6 HSM High Speed Machining 7 Vc Tốc độ cắt m/phút 8 T Tuổi bền của dụng cụ theo thời gian phút 9 Fc Lực cắt tổng hợp N 10 Pc Công suất KW 11 Qc Năng lượng bóc tách vật liệu J 12 Fx Lực cắt theo phương x N 13 Fy Lực cắt theo phương y N 14 Fz Lực cắt theo phương z N 15 AFx Biên độ lực cắt theo phương x N 16 AFy Biên độ lực cắt theo phương y N 17 AFz Biên độ lực cắt theo phương z N 18 Ax Biên độ rung động theo phương x µm 19 Ay Biên độ rung động theo phương y µm 20 Az Biên độ rung động theo phương z µm 21 VB Mòn mặt sau dụng cụ cắt µm 22 CNC Máy điều khiển số với sự hỗ trợ của máy tính 23 QTGC Quá trình gia công 24 DAQ Hệ thống thu thập dữ liệu 25 DSS Hệ thống hỗ trợ ra quyết định 26 S/N Tỷ số tín tạp 27 ANOVA Phân tích phương sai 28 GRA Phân tích quan hệ xám IX 29 FGRA Phân tích mối quan hệ mờ xám 30 MOP Tối ưu hóa đa mục tiêu 31 PSO Tối ưu hóa bầy đàn 32 FGRA- PSO Phân tích mối quan hệ mờ xám - Tối ưu hóa bầy đàn 33 GRG Mức quan hệ xám mờ 34 GCC Gia công cứng 35 FFT Biến đổi Fourier nhanh 36 GI Chỉ số Gini 37 GCCT Gia công cao tốc X DANH MỤC CÁC HÌNH TT Hình Tên hình Trang 1 Hình 1.1 Khả năng biến cứng của thép 9 2 Hình 1.2 Quá trình tiện vật liệu 12 3 Hình 1.3 Tính kinh tế kỹ thuật trong tiện cứng 12 4 Hình 1.4 So sánh tiện cứng và mài 13 5 Hình 1.5 So sánh về năng lượng và lượng bóc tách vật liệu khi tiện cứng và mài 13 6 Hình 1.6 So sánh về chất lượng bề mặt khi tiện cứng và mài 14 7 Hình 1.7 Tuổi bền dụng cụ khi khoan phụ thuộc vào thông số chế độ cắt 14 8 Hình 1.8 Rút ngắn các bước công nghệ khi khoan cứng 15 9 Hình 1.9 Các quá trình phay vật liệu cứng 15 10 Hình 1.10 Mòn mặt sau dụng cụ cắt khi phay vật liệu cứng 16 11 Hình 1.11 Độ bền uốn theo độ cứng của vật liệu dụng cụ thép tốc độ cao 17 12 Hình 1.12 Dao phay sử dụng hợp kim cứng 18 13 Hình 1.13 Một số loại mảnh cắt vật liệu gốm 20 14 Hình 1.14 Một số loại vật liệu tinh thể Carbon Boron Nitride 20 15 Hình 1.15 Các đặc trưng và thông số đầu vào của quá trình gia công 22 16 Hình 2.1 Nhiệt độ khi phay cao tốc theo dự đoán của Salomon 26 17 Hình 2.2 Vùng tốc độ cắt cho các dạng gia công 28 18 Hình 2.3 Các dạng phoi trong phay cao tốc 29 19 Hình 2.4 Mô hình lý thuyết và kết quả thực nghiệm quá trình hình thành phoi trong phay cao tốc 29 20 Hình 2.5 Phoi sinh ra từ những vận tốc cắt khác nhau 30 21 Hình 2.6 Hình thái của phoi trong vùng gia công thông thường và gia công cao tốc 31 22 Hình 2.7 Mặt cắt của quá trình hình thành phoi trong gia công 31 23 Hình 2.8 Các phương pháp phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao 32 24 Hình 2.9 Một số sản phẩm của gia công cao tốc 35 25 Hình 2.10 Sơ đồ xác định độ nhấp nhô tế vi của bề mặt chi tiết máy 36 26 Hình 2.11 Mô hình lực cắt hình học của quá trình cắt đơn giản 40 27 Hình 2.12 Mô hình lực cắt hình học của quá trình cắt xiên 40 28 Hình 2.13 Mô hình quá trình phay mặt phẳng với góc xoắn bằng không 42 XI 29 Hình 2.14 Mối quan hệ giữa chiều dày phoi và góc của dao 42 30 Hình 2.15 Chiều sâu cắt trong trường hợp phay với góc xoắn bằng không 42 31 Hình 2.16 Mô hình quá trình phay với góc xoắn của răng cắt 43 32 Hình 2.17 Mô hình động lực học quá trình cắt đơn giản 46 33 Hình 2.18 Mô hình động lực học quá trình phay 47 34 Hình 2.19 Sơ đồ khối của quy trình dự đoán tích hợp của lực cắt động 48 35 Hình 2.20 Mòn của dao phay ngón, từ ISO 8688 49 36 Hình 2.21 Sứt mẻ (a) CH1, và (b) CH2 50 37 Hình 2.22 Sứt mẻ dao khi gia công thép có độ cứng 55 HRC 51 38 Hình 2.23 Độ mòn mặt sau liên quan đến thời gian và tốc độ cắt khác nhau 51 39 Hình 2.24 Vùng mài lại của dụng cụ cắt 52 40 Hình 2.25 Sơ đồ xác định lượng mòn tối ưu δ0 52 41 Hình 2.26 Mòn hướng kình ảnh hưởng đến kích thước của chi tiết gia công 53 42 Hình 3.1 Hình ảnh thiết bị thực nghiệm gia công tốc độ cao thép SKD61 60 43 Hình 3.2 Bản vẽ chi tiết mẫu thực nghiệm 61 44 Hình 3.3 Cán dao tiêu chuẩn 61 45 Hình 3.4 Thông số của mảnh cắt TH308 ZCFG200SW-R1.0 62 46 Hình 3.5 Máy đo nhám Mitutoyo SURFTEST SJ-210 62 47 Hình 3.6 Thiết bị đo lực cắt Kistler Type 9139AA 63 48 Hình 3.7 Đo rung động, âm thanh Bruel&Kjaer Đan Mạch 63 49 Hình 3.8 Kính hiển vi kỹ thuật số Keyence VHX-7000 64 50 Hình 3.9 Thiết bị thí nghiệm dự đoán mòn dụng cụ theo phương pháp Taguchi L9 65 51 Hình 3.10 Quy trình phân tích và thực nghiệm trong xác định lượng mòn dụng cụ cắt khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện 66 52 Hình 3.11 Biểu đồ so sánh nhám bề mặt theo Ra sau khi phay ướt và phay khô 70 53 Hình 3.12 Biểu đồ so sánh nhám bề mặt theo Rq khi phay ướt và phay khô 71 54 Hình 3.13 Kết quả phân tích ANOVA chất lượng bề mặt khi phay ướt 71 55 Hình 3.14 Phân tích phay khô theo ANOVA nhám bề mặt 72 XII 56 Hình 3.15 Kết quả phân tích FGRA khi phay khô và ướt tới nhám bề mặt 74 57 Hình 3.16 Biểu đồ so sánh lực cắt khi phay ướt và phay khô 76 58 Hình 3.17 Kết quả phân tích ANOVA lực cắt khi phay ướt 76 59 Hình 3.18 Kết quả phân tích ANOVA lực cắt khi phay khô 77 60 Hình 3.19 Kết quả phân tích mối quan hệ xám mờ tới lực cắt 79 61 Hình 3.20 Biểu đồ so sánh biên độ rung động khi phay ướt và phay khô 82 62 Hình 3.21 Kết quả ANOVA biên độ rung động khi phay ướt 82 63 Hình 3.22 Kết quả ANOVA biên độ rung động khi phay khô 82 64 Hình 3.23 Phân tích mối quan hệ xám mờ tới rung động 84 65 Hình 3.24 Biểu đồ so sánh mòn mặt sau khi phay ướt và phay khô 86 66 Hình 3.25 Biểu đồ so sánh mòn mặt trước khi phay ướt và phay khô 86 67 Hình 3.26 Kết quả phân tích ANOVA mòn khi phay ướt 87 68 Hình 3.27 Kết quả phân tích ANOVA mòn khi phay khô 87 69 Hình 3.28 Kết quả phân tích mối quan hệ xám mờ tới mòn dụng cụ khi phay ướt 89 70 Hình 3.29 Kết quả phân tích mối quan hệ xám mờ tới mòn dụng cụ khi phay khô 89 71 Hình 4.1 Mặt trước Pareto và điểm tối ưu Pareto cho bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu 94 72 Hình 4.2 Mô hình thuật toán FGRA-PSO 98 73 Hình 4.3 Tín hiệu lực cắt theo miền thời gian ứng với các thực nghiệm khác nhau 110 74 Hình 4.4 Phân tích sóng con các tín hiệu lực cắt theo các điều kiện thí nghiệm khác nhau 111 75 Hình 4.5 Tín hiệu rung động theo miền thời gian ứng với các thực nghiệm khác nhau 111 76 Hình 4.6 Phân tích sóng con các tín hiệu rung động theo các điều kiện thí nghiệm khác nhau 112 77 Hình 4.7 Tín hiệu âm thanh theo miền thời gian ứng với các thực nghiệm khác nhau 112 78 Hình 4.8 Phân tích sóng con các tín hiệu rung động theo các điều kiện thí nghiệm khác nhau 113 79 Hình 4.9 Phân tích dạng sóng tín hiệu lực cắt theo thời gian khi lọc nhiễu theo các điều kiện cắt khác nhau 114 XIII 80 Hình 4.10 Phân tích dạng sóng tín hiệu rung động theo thời gian khi lọc nhiễu theo các điều kiện cắt khác nhau 114 81 Hình 4.11 Phân tích dạng sóng tín hiệu âm thanh theo thời gian khi lọc nhiễu theo các điều kiện cắt khác nhau 115 82 Hình 4.12 Miền tần số của tín hiệu lực cắt 115 83 Hình 4.13 Miền tần số của tín hiệu rung động 116 84 Hình 4.14 Miền tần số của tín hiệu âm thanh 116 85 Hình 4.15 Lượng mòn và chỉ số Gini lực cắt theo các điều kiện gia công khác nhau 118 86 Hình 4.16 Lượng mòn và tỉ lệ tín hiệu Gini rung động theo các điều kiện gia công khác nhau 119 87 Hình 4.17 Lượng mòn và tỉ lệ tín hiệu Gini âm thanh theo các điều kiện gia công khác nhau 119 88 Hình 4.18 Lượng mòn và tỉ lệ tín hiệu Gini lực cắt và rung động theo các điều kiện gia công khác nhau 120 89 Hình 4.19 Lượng mòn và chỉ số tín hiệu Gini lực cắt và rung động theo các điều kiện gia công khác nhau 121 90 Hình 4.20 Dự đoán mòn dụng cụ theo chỉ số tín hiệu Gini lực cắt và rung động theo các điều kiện gia công khác nhau 122 91 Hình 4.21 Sai số dự đoán mòn dụng cụ theo chỉ số tín hiệu Gini lực cắt và rung động theo các điều kiện gia công khác nhau 122 92 Hình 4.22 Dự đoán mòn dụng cụ theo chỉ số tín hiệu Gini lực cắt và âm thanh theo các điều kiện gia công khác nhau 123 93 Hình 4.23 Sai số dự đoán mòn dụng cụ theo chỉ số tín hiệu Gini lực cắt và âm thanh theo các điều kiện gia công khác nhau 123 XIV DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TT Bảng Tên bảng Trang 1 Bảng 1.1 Một số loại vât liệu hợp kim cứng 18 2 Bảng 1.2 Một số loại vật liệu kim cương đa tinh thể 21 3 Bảng 2.1 So sánh vận tốc cắt sử dụng trong gia công thông thường và gia công cao tốc 27 4 Bảng 3.1 Thí nghiệm gia công thép SKD61 đã nhiệt luyện 64 5 Bảng 3.2 Thiết kế thực nghiệm theo phương pháp Taguchi L9 65 6 Bảng 3.3 Nhám bề mặt thực nghiệm theo phương pháp Taguchi L9 70 7 Bảng 3.4 Kết quả lực cắt khi phay ướt 75 8 Bảng 3.5 Kết quả lực cắt khi phay khô 75 9 Bảng 3.6 Kết quả biên độ