Năng Lượng Tiêu Hao Khi Tiện Kim Loại Màu Trên Máy CNC Bằng Dụng Cụ Cắt Phủ Kim Cương

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu công nghệ chế tạo máy xác định năng lượng riêng tiêu hao khi tiện kim loại màu trên máy cnc bằng, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Đinh Quang Huy
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Doãn Sơn
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí chế tạo máy
• Đề tài: Xác định năng lượng riêng tiêu hao khi tiện kim loại màu trên máy CNC bằng dụng cụ cắt phủ kim cương
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về năng lượng tiêu hao khi tiện kim loại màu

Trong quá trình gia công kim loại màu, việc xác định năng lượng tiêu hao là một yếu tố quan trọng để tối ưu hóa quy trình sản xuất. Tiện kim loại màu trên máy CNC với dụng cụ cắt kim cương không chỉ yêu cầu sự chính xác mà còn cần phải kiểm soát được năng lượng tiêu hao trong từng giai đoạn. Năng lượng tiêu hao được định nghĩa là năng lượng cần thiết để thực hiện một đơn vị công việc trong quá trình gia công. Việc nghiên cứu và phân tích năng lượng tiêu hao có thể giúp cải thiện hiệu suất cắt và giảm thiểu chi phí sản xuất. Theo một số nghiên cứu, năng lượng tiêu hao có thể liên quan đến các yếu tố như tốc độ cắt, chiều sâu cắt và bước tiến. Từ đó, việc xác định các thông số này giúp tối ưu hóa quy trình gia công và nâng cao hiệu quả sử dụng máy móc.

1.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng tiêu hao

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến năng lượng tiêu hao bao gồm: tốc độ quay của trục chính, bước tiến và chiều sâu cắt. Máy CNC cho phép điều chỉnh linh hoạt các thông số này, từ đó có thể tối ưu hóa quy trình tiện. Nghiên cứu cho thấy rằng, tăng tốc độ cắt có thể dẫn đến giảm năng lượng tiêu hao nhưng cũng cần phải cân nhắc đến chất lượng bề mặt sản phẩm. Việc lựa chọn dụng cụ cắt kim cương cũng ảnh hưởng đáng kể đến năng lượng tiêu hao, do khả năng cắt sắc bén và độ bền cao của nó. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng, việc lựa chọn đúng thông số cắt không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao tuổi thọ của dụng cụ cắt.

II. Phương pháp xác định năng lượng tiêu hao

Để xác định năng lượng tiêu hao khi tiện kim loại màu, cần thực hiện một loạt các thí nghiệm thực nghiệm nhằm thu thập dữ liệu về lực cắt và các thông số quá trình. Phương pháp thực nghiệm bao gồm việc sử dụng máy CNC để thực hiện các phép thử với nhiều thông số khác nhau như tốc độ, bước tiến và chiều sâu cắt. Qua đó, có thể tính toán được năng lượng tiêu hao dựa trên lực cắt đo được. Hơn nữa, việc xây dựng phương trình hồi quy giữa lực cắt và các thông số cắt sẽ giúp dự đoán chính xác hơn về năng lượng tiêu hao trong các điều kiện khác nhau. Kết quả thu được từ các thí nghiệm này sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về mối quan hệ giữa năng lượng tiêu hao và các thông số cắt, từ đó đưa ra những khuyến nghị cho quy trình gia công hiệu quả hơn.

2.1. Thiết bị và dụng cụ thực nghiệm

Trong quá trình thí nghiệm, máy CNC được trang bị với các dụng cụ cắt kim cương chất lượng cao. Việc lựa chọn thiết bị phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác trong việc đo đạc lực cắt. Các thiết bị đo lực cắt như lực kế và cảm biến lực được sử dụng để thu thập dữ liệu cần thiết. Ngoài ra, các phần mềm phân tích cũng được sử dụng để xử lý và phân tích dữ liệu thu thập được, giúp xác định mối quan hệ giữa năng lượng tiêu hao và các thông số cắt một cách chính xác. Thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện kiểm soát chặt chẽ nhằm đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả.

III. Kết quả nghiên cứu và phân tích

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, năng lượng tiêu hao có sự biến đổi rõ rệt theo từng thông số cắt. Cụ thể, khi tăng tốc độ cắt, năng lượng tiêu hao thường giảm, tuy nhiên, điều này cần được cân nhắc với chất lượng bề mặt sản phẩm. Phân tích dữ liệu cho thấy mối quan hệ giữa lực cắt và các thông số như tốc độ, chiều sâu cắt và bước tiến là rất quan trọng. Thực nghiệm đã chỉ ra rằng, sử dụng dụng cụ cắt kim cương giúp giảm đáng kể năng lượng tiêu hao so với các loại dụng cụ cắt khác. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao hiệu quả sản xuất. Kết quả này có thể được áp dụng trong thực tiễn để tối ưu hóa quy trình gia công kim loại màu trên máy CNC.

3.1. Phân tích mối quan hệ giữa lực cắt và năng lượng tiêu hao

Phân tích cho thấy rằng lực cắt Pz có mối quan hệ tỷ lệ thuận với năng lượng tiêu hao. Khi lực cắt tăng, năng lượng tiêu hao cũng tăng theo, điều này cho thấy sự cần thiết phải kiểm soát lực cắt trong quá trình gia công. Các mô hình hồi quy được xây dựng dựa trên dữ liệu thu thập được cho phép dự đoán chính xác năng lượng tiêu hao trong các điều kiện cắt khác nhau. Việc tối ưu hóa lực cắt không chỉ giúp giảm năng lượng tiêu hao mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế trong sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I - DỤNG CỤ CẮT CÓ LỚP PHỦ 1. Xu hướng phát triển của vật liệu dụng cụ cắt hiện nay Hình 1. Thực trạng vật liệu dụng cụ cắt được sử dụng chủ yếu ở Mỹ và trên thế giới (1998) Hình 1. Thực trạng vật liệu dụng cụ cắt được sử dụng chủ yếu ở Mỹ và trên thế giới (2005) Công nghệ lắng đọng hơi vật lý (PVD) đạt sự tăng trưởng lớn nhất, trong khi HVTH: Đinh Quang Huy (MSHV: 09040364) Lớp CKM09 LUẬN VĂN THẠC SĨ 18 GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn đó công nghệ lắng đọng hơi hóa học (CVD) vẫn chiếm một tỷ lệ phần trăm lớn so với những công nghệ khác.

Ngoài ra những công nghệ khác vẫn có xu hướng phát triển như những lớp phủ siêu cứng (kim cương và CBN) và lớp phủ có tính bôi trơn cao (MoS2). Cấu tạo dụng cụ cắt có lớp phủ Dụng cụ cắt có lớp phủ cấu tạo gồm 2 phần: Vật liệu nền và vật liệu phủ. Vật liệu nền Vật liệu nền có thể không bao giờ thực sự tiếp xúc với chi tiết gia công nhưng nó đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong hiệu suất tổng của mảnh hợp kim. Tungsten carbide vẫn là vật liệu nền chính.

Tùy theo ứng dụng mà chọn vật liệu nền thích hợp. Khi gia công thô, cắt gián đoạn, cũng như tiện cứng thì chất nền được sử dụng là carbide. Tùy theo vật liệu chi tiết gia công mà chọn dao với chất nền thích hợp. Khi gia công thép thì yêu cầu mảnh hợp kim có khả năng chống biến dạng cao cũng như khả năng chống mòn và chống tạo lỗ trống vì khi gia công thép tạo ra phoi dây và sự truyền nhiệt ở khu vực cắt gọt.

Chất nền bằng tungsten carbide được hợp kim hóa bởi một số carbide khối (TiC, TaC, NbC và VC) có lẽ cần thiết cho gia công thép. Khi gia công vật liệu có tính dính như thép không rỉ thì mảnh hợp kim có yêu cầu độ dai cao hơn yêu cầu về tính chống mòn và chống tạo lỗ trống (do lẹo dao và tróc) nên vật liệu nền có độ dai cao hơn với lượng coban cao tại lưỡi cắt và độ hạt nhỏ là lựa chọn thích hợp. Một số vật liệu nền khác là: polymer, kẽm – thiết, bạc – đồng thau, hợp kim cứng, thép gió, titan, inconel … 1. Vật liệu phủ HVTH: Đinh Quang Huy (MSHV: 09040364) Lớp CKM09 LUẬN VĂN THẠC SĨ 19 GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn Vật liệu phủ chính là carbide titanium (TiC), titanium nitride (TiN), oxyt nhôm (Al2O3), titanium cacbide nitride (TiCN).

Đây là các vật liệu rất cứng, có độ chống ăn mòn và độ trơ hoá học cao, tạo một rào cản rất tốt giữa dụng cụ và phoi. + Titan Nitride (TiN): tăng độ cứng và nhiệt độ oxy hóa cao. Đây là loại vật liệu thường dùng nhất, quen thuộc với lớp phủ màu vàng, nó thường được phủ lên thép gió và carbide dụng cụ. TiN có độ cứng cao, hệ số ma sát nhỏ, giảm mài mòn và dính trong quá trình gia công.

Đặc biệt với lớp phủ này có màu vàng nên rất dể nhận biết lưỡi cắt bị mài mòn. + Titanium – Carbon – Nitride (TiCN): thêm carbon để tăng độ cứng và bôi trơn bề mặt của lớp phủ. Lớp phủ có màu xanh xám, cứng hơn TiN. Nó cải thiện sự mài mòn của bề mặt khi cắt thép cacbon, gang, thép hợp kim dụng cụ.

+ Titanium – Alumium – Nitride (TiAlN): Độ bền bề mặt cao hơn, nâng cao tuổi thọ của dao, cải thiện độ bền nóng và chống lại sự oxit hoá khi phản ứng với TiN. Loại lớp phủ này có màu tía xám, tính dẫn nhiệt kém nhưng rất cứng. + Oxit nhôm (Al2O3): Dụng cụ cắt với lớp phủ Al2O3 đang trở thành dụng cụ cắt có lớp phủ đang được sử dụng rất rộng rãi. Vật liệu này có độ cứng cao, bảo vệ được bề mặt, an toàn khi cắt với tốc độ cao khi gia công vật liệu cứng, gang và một số sản phẩm khác.

Loại lớp phủ này có màu đen. + CBN: Loại lớp phủ CBN đang được nghiên cứu trong những năm gần đây. Chiều dày lớp phủ này tương đối dày nên khả năng tập trung ứng suất bề mặt rất cao, khả năng dính kết kém. Tuy nhiên khi phủ CBN thì khả năng chịu mài mòn của dao rất tốt, nó thích hợp gia cho gia công vật liệu có chứa sắt hoặc không sắt hay cả vật liệu phi kim loại.

+ Phủ Chromium Nitride (CrN): có tính chất chống dính, chống lại hiện tượng lẹo dao. + Kim cương: cho hiệu suất gia công tốt nhất khi gia công vật liệu không chứa sắt. HVTH: Đinh Quang Huy (MSHV: 09040364) Lớp CKM09 LUẬN VĂN THẠC SĨ 20 GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn + Lớp phủ siêu cứng: Vật liệu phủ này là graphit, ceramic, vật liệu tổng hợp. Có thể có một hoặc nhiều lớp phủ trên bề mặt mảnh hợp kim.

Loại một lớp phủ được chế tạo dơn giản và rẻ tiền tuy nhiên tuổi thọ của dao thấp do dao chóng mòn hơn và vết nứt (nếu có) dễ lan đến vật liệu nền hơn so với loại nhiều lớp phủ. Loại nhiều lớp phủ thì mỗi lớp phủ có những tính chất và công dụng nhất định. Có thể có 2, 3 hoặc nhiều lớp phủ hơn. Loại này tạo cho dao độ tin cậy cao hơn và khả năng gia công liên tục dài hơn.

Một loạt các lớp phủ mỏng bảo vệ vật liệu nền một cách mạnh mẽ hiệu quả, kéo dài tuổi bền của dao. Ứng dụng vật liệu phủ Hình 1. Ba cách giữ và cố định lưỡi cắt trên dụng cụ một lưỡi cắt: (a) dụng cụ cắt nguyên khối, điển hình là thép gió (HSS); (b) mảnh hợp kim được hàn vào cán dao; (c) Sử dụng những ngàm kẹp cơ khí Hiện nay việc sử dụng những mảnh hợp đã rất phổ biến vì chúng có tính kinh tế và đáp ứng được nhiều quá trình gia công khác nhau: tiện, doa, cắt ren, phay, khoan, thậm chí ngay cả nguyên công khoan. Trong thực tế có rất nhiều hình dạng các mảnh hợp kim, tùy thuộc vào hình dạng chi tiết và mục đích gia công mà ta chọn hình dạng các mảnh hợp kim cho phù hợp.

Thông thường những mảnh hợp kim có góc đỉnh lớn thường được ưu tiên sử dụng vì độ bền và tính kinh tế. Trong đó mảnh hợp kim tròn có góc đỉnh (point angle) lớn ( và bán kính mũi dao lớn) do hình dạng của chúng. Với HVTH: Đinh Quang Huy (MSHV: 09040364) Lớp CKM09 LUẬN VĂN THẠC SĨ 21 GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn những mảnh hợp kim có góc đỉnh lớn sẽ bền hơn và ít bị vỡ hơn so với những mảnh hợp kim có góc đỉnh nhỏ hơn trong quá trình gia công. Tuy nhiên những mảnh hợp kim có góc đỉnh lớn cũng đòi hỏi năng lượng tiêu thụ nhiều hơn và độ cững vững của hệ thống cũng phải cao hơn.

Ưu điểm của mảnh hợp kim tròn là có thể xoay mảnh hợp kim để tăng số lần sử dụng. Trong khi đó, những mảnh hợp kim hình vuông có 4 cạnh cắt, hình tam giác có 3 cạnh, và hình thoi chỉ có 2 cạnh. Số cạnh càng ít là một bất lợi về chi phí. Vật liệu và hình dạng của mảnh hợp kim ảnh hưởng đến lực cắt, nhiệt độ cắt và năng lượng tiêu thụ.

Hình dạng một số mảnh hợp kim được sử dụng trong thực tế Dựa vào hình minh họa trên có thể thấy độ cứng vững, năng lượng yêu cầu và độ rung động sẽ tăng dần từ phải sang trái. Trong khi khả năng gia công sẽ giảm dần từ phải sang trái. Việc chọn lựa hình dạng của các mảnh hợp kim phụ thuộc chủ yếu vào: - Hình dạng chi tiết gia công; - Mục đích gia công. HVTH: Đinh Quang Huy (MSHV: 09040364) Lớp CKM09 LUẬN VĂN THẠC SĨ 22 GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn 1.

Chọn lựa theo hình dạng chi tiết gia công ™ Biên dạng ngoài ●● ● ● ● ● ● ● ●● ● ● ● ● HVTH: Đinh Quang Huy (MSHV: 09040364) Lớp CKM09 LUẬN VĂN THẠC SĨ 23 GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn ● ● ● ●● ● ● ● ●● ● Hình 1. Một số cách lựa chọn mảnh hợp kim theo biên dạng ngoài chi tiết gia công ™ Biên dạng trong:. ● ● ● ● ●● ● ●● ● ● HVTH: Đinh Quang Huy (MSHV: 09040364) Lớp CKM09 LUẬN VĂN THẠC SĨ 24 GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn ●● ● ● ● ● Hình 1. Một số cách lựa chọn mảnh hợp kim theo biên dạng trong chi tiết gia công ●● : hình dạng mảnh hợp kim được ưu tiên sử dụng (recommand insert shape) ● : các mảnh hợp kim có thể thay thế (alternative insert shape) 1.

Chọn lựa theo mục đích gia công Mục đích gia công Gia công thô ● ● ● ○ ○ Gia công bán tinh ○ ● ● ● ● Gia công tinh ○ ○ ● ● ● Tính đa năng ○ ● ○ ○ ● ○ Công suất hạn chế ○ ○ ● ● ● Hạn chế rung động ○ ● ● ● Vật liệu cứng ● ● Quá trình gia công gián ● ● ○ ○ ○ đoạn Góc nghiêng nhỏ ● ● ● ● ● Góc nghiêng lớn ● ● ● : phù hợp nhất ○ : phù hợp Hình 1. Chọn lựa các mảnh hợp kim theo mục đích gia công 1. Các insert dùng gia công kim loại màu và hợp kim màu Hiện này trên thị trường có khá nhiều insert dùng để gia công kim loại màu HVTH: Đinh Quang Huy (MSHV: 09040364) Lớp CKM09 LUẬN VĂN THẠC SĨ 25 GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn và hợp kim màu, mà điển hình là các insert của hãng Sandvik 1. CD10 CD10 là insert có lớp phủ, là loại kim cương đa tinh thể bao gồm các hạt tinh thể mịn với đường kính trung bình 7μm.

Nó được dùng để gia công tinh và bán tinh kim loại màu và vật liệu không kim loại. H10 H10 kết hợp tốt tính chịu mài mòn và các cạnh cắt sắc nhọn. Dùng cho tiện thô và tiện tinh hợp kim nhôm. CD1810 CD1810 là một mảnh dao phủ kim cương theo dạng CVD, chất nền là carbide.

Độ chịu mòn của lớp phủ là từ 6-8μm là kim cương nguyên chất dùng cho gia công kim loại màu và hợp kim màu. Insert CD1810 HVTH: Đinh Quang Huy (MSHV: 09040364) Lớp CKM09 LUẬN VĂN THẠC SĨ 26 GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn Bảng 1. Chế độ cắt của insert dùng gia công kim loại màu và hợp kim màu Tốc độ chạy dao (mm/vòng) CD10 H10 CD1810 Vật liệu 0.8 Vận tốc cắt (m/phút) Alumium alloys 250 - 2500 250 - 2500 250 - 2500 Copper and copper alloys 65 - 630 65 - 630 65 - 630 1. Quy trình chế tạo mảnh hợp kim phủ So với vật liệu dụng cụ khác thì carbide thiêu kết cứng hơn nhiều, sức chịu nén cao, nhưng độ bền kém.