Tài liệu Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu ca biển pháp công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả quá trình khoan lỗ sâu trên vật liệu nhôm a7075

-0ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP --------------------------------- BÙI HỮU NAM NGHIÊN CỨU CA BIỂN PHÁP CÔNG NGHỆ NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ QUÁ TRÌNH KHOAN LỖ SÂU TRÊN VẬT LIỆU NHÔM A7075 Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN 2013 -1ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN MINH ĐỨC Phản biện 1: PGS. TS VŨ NGỌC PI Đại học Kỹ thật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên Phản biện 2: PGS. TS NGUYỄN VĂN DỰ Đại học Kỹ thật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn tại: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐHTN Ngày 27 tháng 7 năm 2013 1. Tính cấp thiết của đề tài -2Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung và ngành công nghiệp khuôn mẫu nói riêng. Đã có nhiều sản phẩm khuôn mẫu ra đời phục vụ nhu cầu thị trường như trong các ngành dược phẩm, thực phẩm, hóa mỹ phẩm, ngành nhựa…... Đặc biệt trong ngành dược phẩm các khuôn làm bằng hợp kim nhôm thường chiếm một tỷ lệ rất lớn bởi vì tính không gây độc hại, có khối lượng nhẹ, dễ vệ sinh, dễ sử dụng . Tuy nhiên việc gia công vật liệu hợp kim nhôm gặp rất nhiều khó khăn bởi tính dẻo và khả năng biến dạng của chúng , một trong những nguyên công khó gia công nhất đó là nguyên công khoan lỗ sâu trên khuôn. Mũi khoan xoắn từ lâu đã được ứng dụng trong gia công lỗ sâu, tuy nhiên hiệu quả mà nó mang lại chưa cao đặc biệt là với vật liệu khó gia công như hợp kim nhôm. Chính vì vậy phần lớn những lỗ sâu thường được gia công bằng phương pháp khoan nòng súng hay các phương pháp gia công tiên tiến. Ở Việt Nam hiện nay công nghệ gia công khuôn mẫu phát triển rất mạnh mẽ, tuy nhiên các trang thiết bị, máy móc phục vụ (máy gia công nòng súng, laser, EDM, JSM) để gia công lỗ sâu nỗ nhỏ là khá đắt tiền, chính vì vậy nếu ta áp dụng được các trang thiết bị sẵn có (máy phay CNC, mũi khoan xoắn ) với giải pháp công nghệ hợp lý để nâng cao hiệu quả trong quá trình gia công lỗ nhỏ và sâu trên khuôn là một bài toán có ý nghĩa lớn về mặt khoa học cũng như kinh tế chính vì vậy tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu các biện pháp công nghệ để nâng cao hiệu quả quá trình khoan lỗ sâu trên vật liệu nhôm A7075”. 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài * Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần bổ xung lý thuyết cơ bản gia công lỗ sâu. -3* Ý nghĩa thực tiễn: Đưa ra được các biện pháp công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình gia công lỗ sâu trên vật liệu A7075 từ đó áp dụng vào thực tế các cơ sở sản xuất khuôn mẫu trong nước. 3. Mục đích của nghiên cứu Đưa ra được các giải pháp công nghệ hợp lý trong điều kiện trang thiết bị sẵn có với chi phí đầu tư là nhỏ nhất. 4. Đối tƣợng nghiên cứu Nghiên cứu ứng dụng trong nguyên công khoan lỗ sâu trên vật liệu hợp kim nhôm A7075 sử dụng mũi khoan xoắn với kích thước đường kính lỗ khoan ø6 và chiều sâu lỗ l = 140 mm 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu thực nghiệm từ đó rút ra các mô hình lý thuyết; - Tổng hợp và phân tích số liệu thực tế; - Xử lý các số liệu thực nghiệm có sự trợ giúp của máy tính; - Rút ra những quy luật từ kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm nếu có thể. 6. Nội dung của luận văn Ngoài lời nói đầu, tài liệu tham khảo, phụ lục, nội dung chính gồm 3 chương và phần kết luận chung. Chƣơng 1. Nghiên cứu bản chất của quá trình tạo phoi và những khác biệt khi gia công vật liệu có tính dẻo như A7075 cũng như khi khoan lỗ sâu - Nghiên cứu lý thuyết về những hiện tượng vật lý xảy ra khi khoan sâu như : Lực cắt, nhiệt cắt và mòn dao - Chỉ ra các nghiên cứu trong và ngoài nước về lĩnh vực gia công lỗ sâu - Đưa ra hướng nghiên cứu của đề tài -4Chƣơng 2. Nghiên cứu những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công lỗ sâu trên vật liệu dẻo; - Nêu ra mục đích và yêu cầu đối với biện pháp kỹ thuật áp dụng; - Đưa ra các biện pháp công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình gia công lỗ sâu trên vật liệu A7075 dựa trên các mục đích và yêu cầu kể trên và phương pháp nghiên cứu chúng. Chƣơng 3. Nghiên cứu thực nghiệm xác định hiệu quả của các biện pháp công nghệ áp dụng và ảnh hưởng của nó đến quá trình gia công lỗ sâu trên vật liệu hợp kim nhôm A7075 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH GIA CÔNG LỖ SÂU SỬ DỤNG MŨI KHOAN XOẮN 1.1. Quá trình tạo phoi trong cắt kim loại -5Quá trình cắt kim loại thực chất là dùng dụng cụ hình chêm để hớt đi một lớp kim hoại từ phôi. Tác dụng lực của dụng cụ cắt tạo thành từ phôi hai bề mặt mới là bề mặt gia công và phoi. Ứng suất trên vùng lưỡi cắt của dụng cụ thường rất lớn. Giá trị của ứng suất pháp tuyến trên mặt trước có thể đạt đến 1600 Mpa, ứng suất tiếp tuyến thường lớn hơn khoảng hai lần ứng suất giới hạn bền của vật liệu. Toàn bộ thể tích của phoi cắt ra bị biến dạng dẻo trong vùng tạo phoi (vùng biến dạng thứ nhất) và phụ thêm trên mặt trước (vùng biến dạng thứ hai). Phần lớn năng lượng tiêu thụ cho các quá trình này đều biến thành nhiệt và nhiệt độ sinh ra trên bề mặt dụng cụ có thể đến 13000C [1]. Theo Doyle và đồng nghiệp [3], [4], điều kiện biến dạng trong cắt kim loại là tương đối đặc biệt bởi quá trình biến dạng dẻo của VLGC liên quan đến mức độ biến dạng lớn và tốc độ biến dạng rất cao trong một thể tích rất nhỏ. Điều kiện ma sát trên mặt trước là độc đáo bởi tại lưỡi cắt phoi sạch tuyệt đối có ái lực hóa học mạnh được liên tục tạo ra và chuyển động trên mặt trước. Theo Trent [1], [2] thì hiệu quả của quá trình cắt kim loại bị chi phối rất lớn bởi tương tác giữa VLGC và VLDC ở vùng gần lưỡi cắt. 1.2 Đặc điểm quá trình tạo phoi khi gia công vật liệu A7075 Khi gia gia công những vật liệu có tính dẻo cao như hợp kim nhôm A7075 quá trình tạo phoi có những khác biệt ở cả 3 vùng trượt. Miền tạo phoi khi gia công vật liệu có tính dẻo cao lớn hơn, vùng trượt cơ sở và và vùng trượt thứ hai rộng dẫn tới chiều dày lớp cắt tăng lên làm phoi khó bị đứt, khi cắt với vận tốc cắt nhỏ và chiều dày phoi lớn làm phoi bị biến dạng rất lớn sinh ra phoi xếp, còn khi cắt với vận tốc lớn và chiều dày cắt nhỏ sẽ tạo ra phoi dây [5]. Phần tiếp xúc ban đầu giữa vật liệu nguyên bản -6của phoi và bề mặt của dụng cụ cắt, ma sát lớn dẫn đến phoi bị bám chặt vào bề mặt của dụng cụ, do vậy vùng dính (sticking zone) cũng rộng hơn. Vùng trượt thứ 3 (teriary zone) trong gia công vật liệu dẻo sẽ rộng hơn do mức độ biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi khi cắt lớn hơn, vì vậy sau khi cắt chất lượng bề mặt thường không cao. Để giải quyết các vấn đề kể trên khi gia công vật liệu dẻo thông thường người ta cắt với vận tốc cắt cao để ảnh hưởng của biến dạng dẻo đến quá trình gia công là thấp nhất. 1.3 Đặc điểm quá trình tạo phoi khi gia công lỗ sâu 1.3.1 Hình dạng phoi khi khoan 1.3.2 Sự thay đổi hình dạng phoi khi khoan lỗ sâu 1.3.3 Lực di chuyển phoi cho phoi xoắn ốc 1.3.4 Lực di chuyển phoi cho phoi dải 1.3.5 Ảnh hưởng của thông số hình học mũi khoan đến sự tạo thành phoi xoắn ốc 1.3.6 Ảnh hưởng của thông số mũi khoan đến sự hình thành phoi dạng dải 1.4 Lực cắt khi khoan 1.5 Nhiệt cắt khi khoan 1.6 Mòn dụng cụ cắt 1.6.1 Khái niệm 1.6.2 Mòn dụng cụ và cách xác định 1.6.3 Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt 1.6.3.1 Mòn do dính 1.6.3.2 Mòn do hạt mài -71.6.3.3 Mòn do khuyếch tán 1.6.4 Sự mài mòn của mũi khoan 1.7 Tổng quan về tình hình nghiên cứu gia công lỗ sâu ở Việt Nam và trên thế giới cũng nhƣ hƣớng nghiên cứu 1.7.1 Khái quát về tình hình nghiên cứu trên thế giới Quá trình gia công lỗ sâu ngày càng đươc phát triển với nhiều phương pháp khác nhau như gia công lazer, điện hóa học, biến dạng dẻo…Tuy nhiên phương pháp gia công sử dụng dụng cụ cắt vẫn chiếm tỷ lệ rất lớn hơn 90% [20]. Mặc dù có nhiều hạn chế tuy nhiên với công nghệ phát triển hiện nay xu hướng sử dụng mũi khoan xoắn trong gia công lỗ sâu ngày càng tăng. Do đặc điểm của quá trình cắt gọt những hiện tượng vật lý xảy ra vẫn chưa được hiểu rõ [20] chính vì vậy ngày càng có nhiều các công trình nghiên cứu trên thế giới về khoan sâu sử dụng mũi khoan xoắn. Stepheson và đồng nghiệp là những người đã có rất nhiều những đóng góp trong lĩnh vực khoan lỗ sâu sử dụng mũi khoan xoắn. Như nghiên cứu nhiệt cắt [10], [11], hình thái của phoi [6], [7], [8]. Hầu hết các nghiên cứu đều tiến hành bằng phương pháp thực nghiện và cho thấy sự phức tạp trong quá trình biến đổi hình thái của phoi, lực cắt, nhiệt cắt và tuổi bền của dao. Bên cạnh đó các nghiên cứu của JOSEPH MAZOFF, V.V. de Oliveira và D. Biermann [21], [22] lại tập trung vào việc nâng cao hiệu quả của quá trình gia công thông qua thông số hình học của dụng cụ. Các nghiên cứu [21], [22], [23] chứng minh rằng việc áp dụng chu trình gia công trong khoan lỗ sâu là hết sức có ý nghĩa trong việc nâng cao tuổi bền cũng như năng suất gia công. Ngoài ra còn có những nghiên cứu -8về quá trình bôi trơn làm nguội khi gia công lỗ sâu [24], [25], [6] đều cho thấy tầm ảnh hường rất lớn đến hiệu quả của quá trình. 1.7.2 Khái quát tình hình nghiên cứu tại Việt Nam Ở Việt Nam do tình hình trang thiết bị còn thiếu và việc áp dụng quá trình gia công lỗ sâu trong gia công vẫn chưa nhiều, chính vì vậy các công trình nghiên cứu về gia công lỗ sâu vẫn còn rất khiêm tốn. 1.7.3 Dự kiến vấn đề nghiên cứu Xuất phát từ vấn đề thực tiễn trong việc chế tạo khuôn mẫu khi gia công các hệ lỗ sâu và những khó khăn khi gia công chúng trong điều kiện trang thiết bị còn hạn chế. Và để đánh giá được mức độ ảnh hưởng của những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công lỗ sâu sử dụng mũi khoan xoắn tác giả đã lựa chọn đề tài : “Những biện pháp công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình khoan lỗ sâu sử dụng mũi khoan xoắn trên vật liệu A7075” 1.8 Kết luận chƣơng 1 Chương 1 tác giả đã nghiên cứu các vấn đề sau : - Nghiên cứu bản chất của quá trình tạo phoi và những khác biệt khi gia công vật liệu có tính dẻo như A7075 cũng như khi khoan lỗ sâu - Nghiên cứu lý thuyết về những hiện tượng vật lý xảy ra khi khoan sâu như : Lực cắt, nhiệt cắt và mòn dao - Chỉ ra các nghiên cứu trong và ngoài nước về lĩnh vực gia công lỗ sâu - Đưa ra hướng nghiên cứu của đề tài -9- CHƢƠNG 2: NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH GIA CÔNG LỖ SÂU VÀ BIỆN PHÁP CÔNG NGHỆ NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ QUÁ TRÌNH GIA CÔNG TRÊN VẬT LIỆU A7075 2.1 Những khó khăn khi gia công lỗ sâu trên vật liệu A7075 2.2 Những yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình gia công lỗ sâu 2.2.1 Dụng cụ cắt 2.2.1.1 Thông số hình học 2.2.1.2 Vật liệu chế tạo mũi khoan 2.2.1.3 Chu trình gia công 2.2.1.4 Chế độ cắt 2.2.1.5 Dung dịch trơn nguội 2.2 Biện pháp công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả quá trình gia công lỗ sâu trên hợp kim nhôm A7075 2.2.1 Mục đích và yêu cầu của những biện pháp công nghệ đƣa ra + Mục đích + Yêu cầu 2.3 Biện pháp công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình khoan sâu trên vật liệu A7075 + Sử dụng chu trình gia công bẻ phoi trong gia công lỗ sâu + Thay đổi góc 2 của mũi khoan gia công + Lựa chọn chế độ công nghệ hợp lý -102.4 Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu thực nghiệm; - Tổng hợp và phân tích số liệu thực tế; - Xử lý các số liệu thực nghiệm có sự trợ giúp của máy tính; - Rút ra những quy luật từ kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm nếu có thể. 2.5 Kết luận chƣơng 2 Chương 2 tác giả đã nghiên cứu những vấn đề như sau : - Nghiên cứu những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công lỗ sâu trên vật liệu dẻo; - Nêu ra mục đích và yêu cầu đối với biện pháp kỹ thuật áp dụng; - Đưa ra các biện pháp công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình gia công lỗ sâu trên vật liệu A7075 dựa trên các mục đích và yêu cầu kể trên và phương pháp nghiên cứu chúng. CHƢƠNG 3: -11NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT KÊT QUẢ CỦA CÁC BIỆN PHÁP CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH GIA CÔNG LỖ SÂU TRÊN VẬT LIỆU A7075 3.1 Đặt vấn đề 3.2 Xây dựng hệ thống thí nghiệm 3.2.1 Các giả thiết thí nghiệm 3.2.2 Yêu cầu của hệ thống thí nghiệm 3.2.3 Các thông số đánh giá 3.2.4 Mô hình thí nghiệm 3.2.5 Trang thiết bị thí nghiệm 3.2.5.1 Máy công cụ Thí nghiệm khoan lỗ sâu được thưc hiện trên trung tâm gia công phay VMC – 85S được trang bị tại phòng thí nghiệm của trường Đại học KTCN với những thông số cơ bản như sau: 3.2.5.2 Dụng cụ cắt -12Trong phạm vi thí nghiệm tác giả sử dụng 4 nhóm dao khoan có đường kính Φ6 của Anh với các thông số góc 2 và góc  được thay đổi để khảo sát ảnh hưởng của thông số hình học đến quá trình gia công. 3.2.5.3 Phôi gia công Phôi gia công (Hình 23) bao gồm: Ba tấm phôi nhôm A7075 có kích thước 460x80x160 được phay bề mặt để đảm bảo độ chính xác trong quá trình gia công và đo lường. 3.2.5.4 Máy cắt dây CW322S Phôi sau quá trình gia công được cắt dọc theo chiều sâu của lỗ trên máy cắt dây. Mục đích để tiến hành kiểm tra độ sai lệch đường kính D, độ không trụ trên máy CMM và độ nhám trên máy SJ201. -13- 3.2.5.5 Máy đo tọa độ CMM C544 -Mitutoyo-Nhật Bản 3.2.5.6 Kính hiển vi điện tử quyét VGA SBU Easy Probe Kính hiển vi điện tử quét VGA SBU Easy Probe là thiết bị hiện đại được trang bị tại phòng thí nghiệm của trường ĐHKTCN, máy có khả -14năng phóng đại tới 1.000.000 lần, ngoài ra máy còn có khả năng xác định thành phần vật liệu thông qua chức năng EDX. Trong thí nghiệm này tác giả dùng kính hiển vi quét điện tử để khảo sát quá trình mòn lưỡi cắt từ đó xác định được độ mòn của dao trong các chế độ công nghệ khác nhau. 3.2.5.7 Máy đo độ nhám SJ201 Để xác định chất lượng bề mặt của lỗ khoan sau gia công, ta tiến hành cắt dây theo chiều dọc lỗ và đo nhám trên máy đo độ nhám SJ201 của hãng Mitutoyo. Sử dụng thang đo Rz với chiều dài chuẩn l = 2,5 . -15- 3.3 Thí nghiệm đánh giá hiệu quả chu trình khoan bẻ phoi 3.3.1 Chuẩn bị thí nghiệm 3.3.2 Trình tự thí nghiệm 3.3.3 Kết quả và thảo luận Kết quả quan sát mòn dao trên kính hiển vi điện tử quét TESCAN cho thấy khi sử dụng chu trình gia công Single Stroke dao bị mòn khốc liệt và bị phá hủy sau 50 lỗ khoan. Mũi khoan sử dụng trong chu trình gia công Peck Drilling với 8 lần nhấc dao bị mòn ít hơn so với quá trình gia công 5 lần nhấc dao. -16- a, gia công trực tiếp b, chu trình 4 lần nhấc dao c, Chu trình 8 lần nhấc dao Ảnh chụp SEM lần lượt theo thứ tự các mũi khoan sử dụng chu trình gia công trực tiếp, bẻ phoi 4 lần và 8 lần nhấc dao sau 50 lỗ khoan a, gia công trực tiếp b, chu trình 4 lần nhấc dao c, Chu trình 8 lần nhấc dao Bề mặt phóng đại của các mũi khoan và giá trị độ mòn đo được trong các chu trình gia công khác nhau + Độ chính xác và chất lượng bề mặt của lỗ đo được sau gia công của lỗ số 1 Chu trình gia Sai lệch d Độ không trụ công Nhám bề mặt (Rz) Single stroke 0,023 0,0168 10,56 Peck Driling 4 0,056 0,045 17,5 Peck Driling 8 0,061 0,051 18,6 + Độ chính xác và chất lượng bề mặt của lỗ đo được sau gia công của lỗ số 25 -17Chu trình gia công Sai lệch d Độ không Nhám bề mặt trụ (Rz) Single stroke 0,038 0,046 16,5 Peck Driling 4 0,062 0,064 19.9 Peck Driling 8 0,065 0,071 21.3 + Độ chính xác và chất lượng bề mặt của lỗ đo được sau gia công của lỗ số 50 Chu trình gia công Sai lệch d Độ không trụ Nhám bề mặt (Rz) Single stroke 0,105 0,113 46.1 Peck Driling 4 0,079 0,068 28,3 Peck Driling 8 0,071 0,073 27.1 Ta có biểu đồ thống kê như sau : Biểu đồ so sánh giá trị sai lệch đường kính trụ của 3 chu trình -18- Biểu đồ so sánh giá trị sai lệch độ không trụ của 3 chu trình Biểu đồ so sánh giá trị nhám bề mặt của 3 chu trình -19Nhận xét: - Từ ảnh chụp SEM nhận thấy sau 50 lỗ khoan : Lưỡi cắt của mũi khoan sử dụng chu trình gia công trực tiếp (Single Stroke ) bị phá hủy và mất khả năng cắt gọt. Mũi khoan sử dụng chu trình gia công bẻ phoi (Peck drilling) với 4 lần và 8 lần nhấc dao đều xảy ra mòn mặt sau với lượng mòn rất khác nhau. Quá trình mòn của mũi khoan khi gia công lỗ sâu trên A7075 xảy ra theo các cơ chế: Mòn dính, mòn do oxy hóa, mòn do mỏi. Ứng với mỗi chu trình gia công sẽ cho độ chính xác cũng như chất lượng bề mặt lỗ khoan khác nhau. 3.3.3.1 Với chu trình gia công trực tiếp 3.3.3.2 Với chu trình gia công bẻ phoi 3.4 Nghiên cứu ảnh hƣởng của thông số hình học của dao và chế độ cắt đến mòn dao, độ chính xác và chất lƣợng bề mặt của lỗ 3.4.1 Thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu 3.4.2 Chuẩn bị thí nghiệm Khai báo 3 nhân tố đầu vào tương ứng với các biến x1,x2,x3