Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu composite, đặc biệt là composite Carbon/Epoxy (CFRP), ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hàng không, đóng tàu và cơ khí nhờ tính năng nhẹ, bền và khả năng chịu tải cao. Tuy nhiên, gia công vật liệu composite gặp nhiều khó khăn do tính không đồng nhất và hệ số dẫn nhiệt thấp, dẫn đến các khuyết tật bề mặt như bong tách lớp, ba-via, khuyết tật nhiệt và phủ lớp vật liệu nền. Những khuyết tật này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và độ bền của sản phẩm cuối cùng. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của chế độ cắt, bao gồm tốc độ cắt và lượng chạy dao, đến chất lượng bề mặt gia công khi phay khô tấm composite CFRP.

Mục tiêu chính của luận văn là xác định các thông số chế độ cắt tối ưu nhằm giảm thiểu khuyết tật và nâng cao chất lượng bề mặt gia công. Nghiên cứu được thực hiện trên tấm composite CFRP kích thước 300 mm x 150 mm x 5 mm, với tỷ lệ thể tích sợi gia cường khoảng 59%, được chế tạo từ bán thành phẩm P2352 prepreg. Thời gian nghiên cứu tập trung vào các thí nghiệm phay khô với các chế độ cắt khác nhau, sử dụng máy CNC Mazak và dao phay hợp kim carbide.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc cung cấp dữ liệu thực nghiệm cụ thể về ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt, mà còn giúp cải thiện quy trình gia công vật liệu composite trong thực tế, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và độ bền của các chi tiết kỹ thuật sử dụng vật liệu CFRP.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về cơ học vật liệu composite và cơ chế gia công cắt gọt vật liệu không đồng nhất. Hai mô hình chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết cấu trúc composite đa pha: Mô tả sự kết hợp giữa thành phần nền (nhựa epoxy) và thành phần cốt (sợi carbon) trong vật liệu CFRP, với các đặc tính cơ học như mô đun cắt, mô đun kéo, độ bền nén và kéo được xác định cụ thể. Tỷ lệ thể tích sợi gia cường khoảng 59% ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ lý của vật liệu.

  2. Mô hình ảnh hưởng chế độ cắt đến chất lượng bề mặt: Phân tích tác động của các thông số chế độ cắt như tốc độ cắt (N), lượng chạy dao (Vf), và chiều dài gia công (LC) đến sự hình thành khuyết tật bề mặt và độ nhám (Rz). Lý thuyết này dựa trên cơ chế mòn dụng cụ, tích tụ nhiệt và sự tương tác giữa dao cắt và phôi composite.

Các khái niệm chính bao gồm: khuyết tật bề mặt (delamination, fiber pullout, burr), độ nhám bề mặt (Rz), mòn dụng cụ cắt, và ảnh hưởng của chiều dài gia công đến chất lượng bề mặt.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện theo phương pháp thực nghiệm với các bước chính:

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng tấm composite CFRP kích thước 300 mm x 150 mm x 5 mm, chế tạo từ bán thành phẩm P2352 prepreg với trật tự xếp lớp đặc trưng. Các đặc tính cơ học của vật liệu được xác định trước khi thí nghiệm.

  • Thiết lập thí nghiệm: Gia công phay khô trên máy CNC Mazak vertical center smart 530C, sử dụng dao phay ngón hợp kim carbide đường kính 6 mm, hai lưỡi cắt xoắn. Chế độ cắt gồm hai tốc độ trục chính 8000 và 10000 vòng/phút, ba mức lượng chạy dao 500, 1000 và 1500 mm/phút, chiều sâu cắt 2 mm.

  • Phương pháp chọn mẫu: Mỗi chế độ cắt sử dụng một dao phay mới để loại trừ ảnh hưởng của mòn dụng cụ lên kết quả. Mỗi thí nghiệm thực hiện 20 lần chạy dao, tổng chiều dài gia công 3 m.

  • Phân tích dữ liệu: Độ nhám bề mặt (Rz) được đo bằng thiết bị Mitutoyo SJ-210, lấy trung bình từ 20 điểm đo trên mỗi mẫu. Cấu trúc tế vi bề mặt được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét SEM tại các chiều dài gia công 15 cm, 150 cm và 300 cm để đánh giá mức độ khuyết tật và mòn dụng cụ.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình thí nghiệm và phân tích kéo dài trong khoảng thời gian phù hợp với tiến độ học tập thạc sĩ, đảm bảo thu thập đủ dữ liệu cho các chế độ cắt khác nhau.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của chiều dài gia công đến khuyết tật bề mặt: Ở chế độ cắt N=8000 vòng/phút, Vf=500 mm/phút, bề mặt gia công tại chiều dài cắt 15 cm và 150 cm có chất lượng tốt, không xuất hiện khuyết tật rõ ràng. Tuy nhiên, tại chiều dài 300 cm, xuất hiện các hố fiber pullout với các đoạn phôi méo mó, cho thấy mòn dụng cụ tăng lên làm giảm chất lượng bề mặt.

  2. Tác động của lượng chạy dao đến độ nhám bề mặt (Rz): Khi lượng chạy dao tăng từ 500 mm/phút lên 1000 mm/phút, độ nhám bề mặt giảm đáng kể, ví dụ ở N=8000 vòng/phút, Rz giảm từ 8.56 µm xuống khoảng 7.24 µm, tương đương giảm khoảng 15%. Tuy nhiên, khi lượng chạy dao tiếp tục tăng lên 1500 mm/phút, độ nhám lại tăng lên, cho thấy sự ảnh hưởng phức tạp của lượng chạy dao đến chất lượng bề mặt.

  3. Ảnh hưởng của tốc độ trục chính: Tăng tốc độ trục chính từ 8000 lên 10000 vòng/phút có xu hướng giảm độ nhám bề mặt khi lượng chạy dao lớn (1500 mm/phút), với mức giảm khoảng 21%. Tuy nhiên, ở lượng chạy dao thấp hơn, sự ảnh hưởng của tốc độ trục chính không rõ rệt.

  4. Mòn dụng cụ cắt và chất lượng bề mặt: Ở lượng chạy dao thấp (500 mm/phút), số lần tiếp xúc giữa dao và phôi tăng, dẫn đến ma sát và nhiệt cắt cao, làm mòn dao nhanh hơn và tăng độ nhám bề mặt. Ở lượng chạy dao cao hơn, mòn dụng cụ chậm hơn, nhưng độ dày phoi lớn hơn làm tăng độ nhám.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy sự tương tác phức tạp giữa các thông số chế độ cắt và mòn dụng cụ ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công CFRP. Khi chiều dài gia công tăng, mòn dụng cụ trở thành yếu tố chủ đạo làm giảm chất lượng bề mặt, điều này được minh họa rõ qua hình ảnh SEM với sự xuất hiện của các khuyết tật fiber pullout tại chiều dài cắt lớn.

So sánh với các nghiên cứu trước, kết quả phù hợp với báo cáo của Sheikh-Ahmad và cộng sự về việc vận tốc cắt lớn kết hợp lượng chạy dao nhỏ tạo ra bề mặt gia công tốt hơn. Tuy nhiên, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng vận tốc cắt cao và lượng chạy dao nhỏ không an toàn khi chiều dài gia công tăng do mòn dụng cụ nhanh.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ biến thiên độ nhám Rz theo lượng chạy dao và tốc độ trục chính, cùng bảng phân tích phương sai thể hiện tỷ lệ ảnh hưởng của từng yếu tố và tương tác lên chất lượng bề mặt. Điều này giúp minh bạch hóa mức độ ảnh hưởng và hỗ trợ đề xuất chế độ cắt tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa lượng chạy dao và tốc độ trục chính: Khuyến nghị sử dụng lượng chạy dao khoảng 1000 mm/phút kết hợp tốc độ trục chính 8000-10000 vòng/phút để đạt chất lượng bề mặt tốt nhất, giảm thiểu khuyết tật và độ nhám. Thời gian áp dụng: ngay trong các quy trình gia công hiện tại.

  2. Giám sát và kiểm soát chiều dài gia công: Đề xuất giới hạn chiều dài gia công trong khoảng dưới 150 cm để hạn chế mòn dụng cụ quá mức, từ đó duy trì chất lượng bề mặt ổn định. Chủ thể thực hiện: kỹ sư sản xuất và quản lý quy trình.

  3. Sử dụng dao phay hợp kim carbide chất lượng cao hoặc dao phủ kim cương: Để giảm mòn dụng cụ và kéo dài tuổi thọ dao, góp phần nâng cao chất lượng gia công. Thời gian thực hiện: đầu tư dài hạn cho thiết bị và dụng cụ.

  4. Áp dụng công nghệ đo kiểm định kỳ độ nhám bề mặt và quan sát cấu trúc tế vi: Giúp phát hiện sớm các dấu hiệu mòn dụng cụ và khuyết tật bề mặt, từ đó điều chỉnh chế độ cắt kịp thời. Chủ thể thực hiện: bộ phận kiểm soát chất lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia gia công cơ khí: Nắm bắt các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng gia công vật liệu composite, áp dụng các chế độ cắt tối ưu trong sản xuất thực tế.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, vật liệu composite: Tham khảo phương pháp thực nghiệm, kết quả phân tích và cơ sở lý thuyết để phát triển nghiên cứu sâu hơn về gia công vật liệu composite.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và chế tạo linh kiện composite: Áp dụng các khuyến nghị để nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí do hao mòn dụng cụ và lỗi sản phẩm.

  4. Bộ phận quản lý chất lượng và quy trình sản xuất: Sử dụng dữ liệu và đề xuất để xây dựng tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng bề mặt gia công, đảm bảo sản phẩm đạt yêu cầu kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn phay khô thay vì sử dụng dung dịch làm mát khi gia công CFRP?
    Phay khô giúp tránh hiện tượng ngấm nước vào vật liệu composite, giảm nguy cơ hư hỏng do nhiệt và hóa chất trong dung dịch làm mát. Ngoài ra, dung dịch làm mát có thể không được phép sử dụng trong một số ứng dụng do ảnh hưởng đến tính chất vật liệu.

  2. Làm thế nào để giảm mòn dụng cụ khi gia công vật liệu composite?
    Sử dụng dao cắt chất lượng cao như dao phủ kim cương, điều chỉnh chế độ cắt phù hợp (tốc độ và lượng chạy dao), và giới hạn chiều dài gia công để tránh mòn dao quá nhanh.

  3. Độ nhám bề mặt Rz có ưu điểm gì so với Ra trong đánh giá chất lượng gia công?
    Rz phản ánh rõ hơn các khuyết tật bề mặt như hố, rãnh sâu, phù hợp với vật liệu composite có cấu trúc không đồng nhất, trong khi Ra chỉ là giá trị trung bình số học, có thể làm mờ các khuyết tật lớn.

  4. Ảnh hưởng của chiều dài gia công đến chất lượng bề mặt như thế nào?
    Chiều dài gia công tăng làm tăng mòn dụng cụ, dẫn đến sự xuất hiện nhiều khuyết tật bề mặt và tăng độ nhám, giảm chất lượng gia công.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các loại composite khác không?
    Kết quả chủ yếu áp dụng cho composite CFRP với cấu trúc và thành phần tương tự. Các loại composite khác có thể có đặc tính khác, cần nghiên cứu bổ sung để điều chỉnh chế độ cắt phù hợp.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định rõ ảnh hưởng của chế độ cắt (tốc độ trục chính, lượng chạy dao) và chiều dài gia công đến chất lượng bề mặt gia công tấm composite CFRP khi phay khô.
  • Lượng chạy dao khoảng 1000 mm/phút và tốc độ trục chính 8000-10000 vòng/phút là chế độ cắt tối ưu cho chất lượng bề mặt tốt nhất.
  • Mòn dụng cụ cắt tăng theo chiều dài gia công, làm giảm chất lượng bề mặt và xuất hiện các khuyết tật như fiber pullout.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn để cải tiến quy trình gia công vật liệu composite trong công nghiệp.
  • Đề xuất tiếp theo là áp dụng các giải pháp kiểm soát mòn dụng cụ và giám sát chất lượng bề mặt trong sản xuất thực tế nhằm nâng cao hiệu quả và độ bền sản phẩm.

Hãy áp dụng các khuyến nghị từ nghiên cứu này để tối ưu hóa quy trình gia công composite, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí sản xuất.