Luận án Nghiên cưu đăc tinh căt cua manh dao thay thê nhiêu cạnh hơp kim cưng chê tạo tại viêt nam khi gia công thep không gi SUS304 trên máy tiên CNC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN CHÍ CÔNG NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CẮT CỦA MẢNH DAO THAY THẾ NHIỀU CẠNH HỢP KIM CỨNG CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM KHI GIA CÔNG THÉP KHÔNG GỈ SUS304 TRÊN MÁY TIỆN CNC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN CHÍ CÔNG NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CẮT CỦA MẢNH DAO THAY THẾ NHIỀU CẠNH HỢP KIM CỨNG CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM KHI GIA CÔNG THÉP KHÔNG GỈ SUS304 TRÊN MÁY TIỆN CNC Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 62520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS Bùi Ngọc Tuyên Hà Nội - 2017 PGS. TS Trần Thế Lục i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng 11 năm 2017 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS Bùi Ngọc Tuyên Nghiên cứu sinh Nguyễn Chí Công ii LỜI CẢM ƠN Qua thời gian tìm tòi, nghiên cứu dưới sự hướng dẫn tận tình của các thầy PGS. TS Bùi Ngọc Tuyên và cố PGS.TS Trần Thế Lục tôi đã hoàn thành luận án của mình. Ngoài sự hướng dẫn, định hướng về mặt khoa học các thầy còn quan tâm, động viên nghiên cứu sinh trong suốt quá trình nghiên cứu. Đây là động lực tinh thần rất lớn để tôi tự tin và say mê trong nghiên cứu khoa học. Qua đây tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy giáo hướng dẫn. Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể các thầy cô giáo trong Bộ môn Gia công vật liệu và Dụng cụ công nghiệp - Viện Cơ khí đã đóng góp nhiều ý kiến xác đáng cho tác giả; Viện Công nghệ, Công ty TNHH MTV Hóa chất 21, Công ty TNHH MTV Cơ khí hóa chất 13, Viện Công nghệ - Tổng cục CNQP - Bộ Quốc phòng đã tạo điều kiện tốt nhất về cơ sở thiết bị thí nghiệm để tác giả hoàn thành công trình nghiên cứu. Cuối cùng, tác giả gửi lời cảm ơn đến bạn bè, đồng nghiệp ở Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và gia đình đã luôn ở bên động viên giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài. Nghiên cứu sinh Nguyễn Chí Công iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................ viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ................................................................... x PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1 Chương 1: ĐẶC ĐIỂM GIA CÔNG THÉP KHÔNG GỈ TRÊN MÁY TIỆN CNC BẰNG MẢNH DAO HỢP KIM CỨNG ........................................................................ 6 1.1 Đặc điểm tiện CNC ................................................................................................... 6 1.1.1 Prôphin chi tiết trong gia công tiện................................................................................ 6 1.1.2 Đường dụng cụ trong tiện prôphin ................................................................................ 6 1.1.3 Sự thay đổi các góc động khi tiện prôphin .................................................................... 7 1.1.4 Ảnh hưởng của đường dụng cụ trong tiện prôphin đến chất lượng gia công ............ 8 1.2 Đặc điểm dao tiện gắn mảnh HKC .........................................................................10 1.2.1 Cấu tạo cơ bản ............................................................................................................... 10 1.2.2 Vật liệu chế tạo phần cắt dụng cụ ................................................................................ 11 1.2.3 Vật liệu dụng cụ cắt để gia công thép không gỉ SUS304 ............................................ 12 1.2.4 Lớp phủ bề mặt mảnh dao ............................................................................................ 14 1.2.5 Ký hiệu và phương pháp lựa chọn mảnh dao ............................................................. 15 1.2.5.1 Ký hiệu mảnh dao ........................................................................................ 15 1.2.5.2 Phương pháp lựa chọn phù hợp mảnh dao, thân dao ................................... 16 1.3 Độ chính xác hình học chi tiết gia công tiện...........................................................17 1.3.1 Độ nhám bề mặt khi tiện prôphin ................................................................................ 18 1.3.2 Độ chính xác kích thước ................................................................................................ 19 1.4 Cơ sở lý thuyết về động lực học và mòn dụng cụ khi tiện CNC ...........................20 1.4.1 Lực cắt ............................................................................................................................ 20 1.4.1.1 Động lực học quá trình tiện ........................................................................ 20 1.4.1.2 Mô hình lực cắt khi cắt nghiêng ................................................................. 22 1.4.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt .............................................................. 23 1.4.2 Mòn dụng cụ .................................................................................................................. 25 1.4.2.1 Các dạng mòn .............................................................................................. 25 1.4.2.2 Các dạng mòn đặc trưng của mảnh dao HKC (TT10K8) khi tiện prôphin cong lồi thép không gỉ SUS304 .............................................................................. 28 iv 1.4.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến mòn dụng cụ .................................................... 30 1.5 Đặc điểm gia công thép không gỉ SUS304 ..............................................................30 1.5.1 Đặc điểm thép không gỉ SUS304 .................................................................................. 30 1.5.2 Tính gia công của thép không gỉ SUS304 .................................................................... 32 1.6 Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước ...................................................33 Kết luận chương 1 .........................................................................................................39 Chương 2: TƯƠNG QUAN GIỮA PRÔPHIN GIA CÔNG VÀ THIẾT KẾ MẢNH DAO HỢP KIM CỨNG TT10K8 DÙNG CHO TIỆN PRÔPHIN THÉP KHÔNG GỈ SUS304 ...........................................................................................................................41 2.1 Nghiên cứu tương quan giữa prôphin gia công với thông số hình học dụng cụ và chất lượng gia công khi tiện CNC ................................................................................41 2.1.1 Sự biến thiên góc nghiêng chính, góc nghiêng phụ khi tiện prôphin và điều kiện không cắt lẹm .................................................................................................................................. 41 2.1.2 Sự biến thiên góc sau động khi tiện prôphin ............................................................... 43 2.1.3 Sự biến thiên góc trước động khi tiện prôphin .......................................................... 46 2.2 Sự phụ thuộc của độ nhám và bước tiến dao vào bề mặt gia công khi tiện bằng mũi dao nhỏ ...................................................................................................................46 2.2.1 Sự phụ thuộc của độ nhám vào bề mặt gia công khi tiện bằng mũi dao nhỏ ........... 46 2.2.2 Sự phụ thuộc của bước tiến dao vào bề mặt gia công ................................................ 47 2.3 Nghiên cứu thực nghiệm thiết kế mảnh dao HKC để gia công thép không gỉ .....48 2.3.1 Phương pháp thực nghiệm Taguchi ............................................................................. 48 2.3.2 Nghiên cứu thiết kế hợp lý phôi mảnh dao HKC ....................................................... 52 2.3.2.1 Chi tiết gia công và yêu cầu kỹ thuật ......................................................... 52 2.3.2.2 Lựa chọn phôi mảnh dao HKC ................................................................... 54 2.3.3 Nghiên cứu thiết kế hợp lý các thông số hình học của mảnh dao HKC ................... 57 2.3.3.1 Thiết kế các thông số hình học của mảnh dao HKC .................................... 57 2.3.3.2 Thực nghiệm lựa chọn tối ưu các thông số hình học mảnh dao HKC ......... 58 2.4 Thực nghiệm chế tạo mảnh dao HKC TT10K8 .....................................................64 2.4.1 Thực nghiệm chế tạo phôi mảnh dao ........................................................................... 64 2.4.2 Kết quả kiểm tra chất lượng HKC TT10K8 chế tạo tại Việt Nam ........................... 68 2.4.3 Thực nghiệm chế tạo mảnh dao hoàn chỉnh ............................................................... 69 2.4.4 Kết quả kiểm tra các thông số hình học mảnh dao HKC .......................................... 71 Kết luận chương 2 .........................................................................................................73 v Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐẶC TÍNH CẮT CỦA MẢNH DAO HỢP KIM CỨNG TT10K8 CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM ...........................................74 3.1 Các phương pháp xác định mối quan hệ thực nghiệm ..........................................74 3.1.1 Mô hình hồi quy bậc nhất ............................................................................................. 74 3.1.2 Phương pháp bề mặt chỉ tiêu ........................................................................................ 75 3.2 Xây dựng mô hình thí nghiệm ................................................................................77 3.2.1 Sơ đồ thí nghiệm ............................................................................................................ 77 3.2.2 Các điều kiện đầu vào ................................................................................................... 78 3.2.3 Các đại lượng đầu ra ..................................................................................................... 79 3.2.4 Các đại lượng cố định .................................................................................................... 79 3.2.5 Các đại lượng không điều khiển được (nhiễu) ............................................................ 79 3.3 Điều kiện thực nghiệm ............................................................................................80 3.3.1 Máy tiện CNC ................................................................................................................ 80 3.3.2 Mẫu thí nghiệm .............................................................................................................. 81 3.3.3 Dụng cụ cắt ..................................................................................................................... 81 3.3.4 Các thiết bị đo ................................................................................................................ 82 3.4 Thực nghiệm xác định một số đặc tính cắt của mảnh dao HKC TT10K8 ...................84 3.4.1 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến lực cắt ................................................... 84 3.4.1.1 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến lực cắt khi tiện trụ thẳng ....... 84 3.4.1.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến lực cắt khi tiện prôphin ......... 86 3.4.2 Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến độ nhám chi tiết có biên dạng côn ............ 88 3.5 Mô hình thực nghiệm ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt gia công, mòn dao và các thành phần lực cắt khi tiện thép SUS304 trên máy tiện CNC .........93 3.5.1 Xây dựng mô hình hồi quy mô tả quan hệ giữa chế độ cắt và nhám bề mặt ........... 95 3.5.2 Xây dựng mô hình hồi quy mô tả quan hệ chế độ cắt và độ sai lệch kích thước ..... 98 3.5.3 Xây dựng mô hình hồi quy mô tả quan hệ giữa chế độ cắt và mòn theo mặt sau dụng cụ .......................................................................................................................................... 100 3.5.4 Xây dựng mô hình hồi quy mô tả quan hệ giữa chế độ cắt và các thành phần lực cắt ........................................................................................................................................................ 101 3.5.4.1 Xây dựng mô hình hồi quy mô tả quan hệ giữa chế độ cắt và các thành phần lực cắt xP ........................................................................................................................... 101 3.5.4.2 Xây dựng mô hình hồi quy mô tả quan hệ giữa chế độ cắt và các thành phần lực cắt yP ........................................................................................................................... 103 vi 3.5.4.3 Xây dựng mô hình hồi quy mô tả quan hệ giữa chế độ cắt và các thành phần lực cắt zP ........................................................................................................................... 104 Kết luận chương 3 ....................................................................................................... 106 Chương 4: TỐI ƯU HOÁ CHẾ ĐỘ CẮT KHI TIỆN CNC THÉP KHÔNG GỈ SUS304 BẰNG MẢNH DAO THAY THẾ NHIỀU CẠNH HKC TT10K8 CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM........................................................................................................... 107 4.1 Chỉ tiêu tối ưu và hàm mục tiêu ........................................................................... 107 4.1.1 Đặt vấn đề ..................................................................................................................... 107 4.1.2 Hàm mục tiêu ............................................................................................................... 107 4.1.3 Các hàm ràng buộc ...................................................................................................... 108 4.2 Phương pháp giải bài toán tối ưu ......................................................................... 113 Kết luận chương 4 ....................................................................................................... 120 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ........................................... 121 Kết luận ........................................................................................................................ 121 Hướng nghiên cứu tiếp theo ........................................................................................ 122 Tài liệu tham khảo ....................................................................................................... 124 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ....................... 133 PHỤ LỤC 1 .................................................................................................................. 134 PHỤ LỤC 2 .................................................................................................................. 139 PHỤ LỤC 3 .................................................................................................................. 142 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải Đơn vị бb Giới hạn bền MPa бc Giới hạn chảy MPa δ Độ dãn dài % ψ Độ thắt tỷ đối % HV Độ cứng Vicken HV HRC Độ cứng Rocwel HRC ie Hệ số tính gia công của vật liệu Ra Sai lệch số học trung bình của prôphin μm Rz Chiều cao nhấp nhô prôfin theo 10 điểm μm px Thành phần lực cắt dọc trục N Py Thành phần lực cắt hướng kính N Pz Lực cắt chính N hs Chiều cao mòn theo mặt sau dụng cụ mm ΔD Độ sai lệch kích thước theo đường kính mm S/N Độ sạch của tín hiệu ANOVA Phân tích phương sai TS Tổng bình phương độ lệch  Góc sau độ  Góc trước độ  Góc nâng độ ε Góc mũi dao độ μ Lượng biến đổi góc trước, góc sau do ảnh hưởng của chuyển động chạy dao độ r Bán kính mũi dao mm sd Bước tiến dao dọc mm/vòng sn Bước tiến dao ngang mm/vòng δ Chiều dày mảnh dao mm TiC Các bít Titan TaC Các bít Tantan WC Các bít Vonfram Co Cô ban HKC Hợp kim cứng TT10K8 Một mác hợp kim cứng nhóm 3 các bít theo tiêu chuẩn của Nga SUS304 Thép không gỉ viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Ký hiệu và ứng dụng của vật liệu hợp kim cứng ................................................. 13 Bảng 1.2 Thành phần hoá học, cơ tính của hợp kim cứng TT10K8 ................................... 14 Bảng 1.3 Dung sai theo hình dạng mảnh dao ..................................................................... 15 Bảng 1.4 Kích thước mảnh dao ........................................................................................... 16 Bảng 1.5 Ký hiệu và kích thước chiều dày tiêu chuẩn của mảnh dao ................................ 16 Bảng 1.6 Ký hiệu và kích thước bán kính mũi dao ............................................................. 16 Bảng 1.7 Thành phần hóa học SUS304 (tiêu chuẩn Nhật JIS G4303-91) .......................... 31 Bảng 1.8 Cơ tính của thép SUS304 (theo tiêu chuẩn Nhật JIS G4303-91) ........................ 31 Bảng 1.9 Hệ số tính gia công ic của các nguyên tố hợp kim ............................................... 32 Bảng 1.10 Ảnh hưởng của góc trước đến lực cắt ............................................................... 37 Bảng 2.1 Bảng quy hoạch thực nghiệm Taguchi ................................................................ 50 Bảng 2.2 Đặc tính cắt của các mảnh dao thay thế nhiều cạnh ........................................... 55 Bảng 2.3 Mức thực nghiệm của thông số hình học ............................................................ 59 Bảng 2.4 Kết quả đo độ nhám, kích thước và tỷ số S/N ...................................................... 60 Bảng 2.5 Giá trị Ra trung bình ở các mức của γ, α, r, λ ...................................................... 61 Bảng 2.6 Giá trị ΔD trung bình ở các mức của γ, α, r, λ ................................................... 61 Bảng 2.7 Giá trị S/N trung bình ở các mức của γ, α, r, λ ảnh hưởng đến Ra ...................... 61 Bảng 2.8 Giá trị S/N trung bình ở các mức của γ, α, r, λ ảnh hưởng đến ΔD ....................... 61 Bảng 2.9 Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến độ nhám Ra và sai lệch kích thước ΔD .. 62 Bảng 2.10 Thông số hình học tối ưu của mảnh dao............................................................ 63 Bảng 2.11 Mẫu kiểm tra độ bền uốn ................................................................................... 68 Bảng 2.12 Kết quả kiểm tra cơ tính HKC TT10K8 ............................................................. 68 Bảng 2.13 Thông số hình học mảnh dao HKC TT10K8 .....................................