Chương 1: Tổng quan về gia công gia nhiệt. - Chương 2: Cơ sở vật lý và động lực học quá trình gia công gia nhiệt thép SKD11 - Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt đến tính gia công vật liệu SKD11 - Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm xác định mối quan hệ giữa các tham số đầu vào và các thông số đầu ra. TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG GIA NHIỆT 1.
Lịch sử phát triển của gia công gia nhiệt Sự ra đời và sử dụng rộng rãi các vật liệu chịu lực, chịu nhiệt cao, vật liệu khó cắt gọt đã làm gia tăng những khó khăn trong sản xuất. Một giải pháp được đề xuất để khắc phục những khó khăn đó là gia công có sự hỗ trợ của nhiệt độ cao hay còn gọi là gia công gia nhiệt hoặc gia công nóng. Ý tưởng đầu tiên về phương pháp gia công này được xây dựng bởi Tiến sĩ H. Các kết quả nghiên cứu ban đầu chỉ ra rằng nhiệt độ cao đã cải thiện tính năng cắt gọt của vật liệu.
Nghiên cứu được tài trợ bởi công ty Warner và Swasey tại Viện Battelle Memorial từ tháng 3 năm 1945 đến tháng 11 năm 1946 với nội dung “Gia công kim loại tại nhiệt độ cao” [2]. Ngày nay, gia công gia nhiệt càng được biết đến và sử dụng rộng rãi như là một phương pháp gia công thay thế cho phương pháp gia công truyền thống đối với vật liệu độ cứng cao. Các nghiên cứu đã đưa ra nhận xét: dưới tác dụng của nhiệt độ cao, độ bền cơ học của vật liệu giảm mạnh, vật liệu có xu hướng dễ biến dạng hơn, do đó nâng cao được tính năng cắt gọt của chúng. 1 Mối quan hệ giữa độ bền cơ học phụ thuộc nhiệt độ một số loại vật liệu khác nhau [10] Một số tác dụng vượt trội của gia công gia nhiệt: • Tăng tuổi bền dụng cụ cắt; • Giảm lực cắt; • Giảm tiêu thụ điện năng; • Giảm sự mài mòn dụng cụ cắt; 5 • Tăng tốc độ cắt dẫn đến tăng năng suất gia công; • Giảm độ cứng kéo và ứng suất dòng chảy của phôi; • Tăng chất lượng bề mặt chi tiết gia công so với phương pháp gia công thông thường; • Đối với gia công vật liệu gốm sứ giòn thì gia công nóng là phương pháp dễ dàng và hiệu quả nhất.
Tuy nhiên, gia công gia nhiệt có nhược điểm là việc thiết kế hệ thống gia nhiệt đối với mỗi phương pháp gia nhiệt, mỗi nhiệm vụ gia công khác nhau là khác nhau. Ngoài ra, quá trình gia nhiệt có ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước gia công do hiện tượng giãn nở vì nhiệt. Một số phương pháp gia nhiệt Ngành công nghiệp sản xuất đã được phát triển với những công nghệ gia nhiệt khác nhau như làm nóng bằng dòng điện, hồ quang, cảm ứng điện từ cao tần, chùm laser, chùm electron và tia plasma v. Tuy nhiên, tất cả các công nghệ này chỉ phù hợp cho một số phương pháp gia công chứ không phải là tất cả.
Việc lựa chọn phương pháp gia nhiệt thích hợp rất quan trọng nếu không quá trình gia nhiệt có thể làm hỏng phôi và không đạt được các kết quả mong muốn [11].1 Gia nhiệt bằng dòng điện (Electricity – Assisted Machining - EAM) Gia công gia nhiệt bằng dòng điện là một kỹ thuật gia công nóng, trong đó phôi được làm nóng bằng dòng điện chạy qua vị trí cắt. Gia nhiệt bằng điện trở kháng của dòng điện có nhiều lợi thế, đó là khu vực được làm nóng bằng dòng điện trùng với vùng biến dạng của quá trình cắt. Gia nhiệt bằng dòng điện có thể áp dụng với các phương pháp gia công khác nhau như tiện, khoan v. mà không có sự gia tăng nhiệt đáng kể của bề mặt gia công.
Kunio và đồng nghiệp [12] đã tìm thấy hiệu suất cắt tốt nhất của dụng cụ cắt phủ các bít đặc biệt là lượng mòn dụng cụ giảm mạnh. Nghiên cứu đã chứng minh được nguyên nhân của hiện tượng này là do điện trở thấp của kim loại cơ sở của dụng cụ cắt và khả năng chống mài mòn cao của lớp các bít phủ.2 Gia nhiệt bằng laser (Laser - Assisted Machining – LAM) Đây là phương pháp gia nhiệt rất phù hợp cho quá trình cắt gọt và được ứng dụng rộng rãi trong gia công. Gia nhiệt bằng laser phù hợp cho cả gia công kim loại, phi kim và vật liệu gốm. Chùm laser có thể tùy chỉnh khi tiện và phay, bao gồm cả gia công chính xác bởi vì tính linh hoạt cao của chùm tia tập trung.
Nhưng khi ứng dụng cho phay phá như phay mặt đầu với dao phay đường kính lớn khi gia công thô, chùm laser cần được đặt cách xa chi tiết gia công để có một diện tích chiếu rộng hơn và cần có nguồn laser năng lượng cao gia nhiệt cho các lớp kim loại của vật liệu. Hơn nữa, hiệu quả gia nhiệt bằng laser và hệ số phản xạ của nguồn laser là một số vấn đề cần được xem xét trong gia công gia nhiệt bằng laser. Do đó, nguồn sáng laser năng lượng cao có giá khá cao (Một nguồn laser 1,5 kW CO2 có giá hơn 150.000$) và sự tiêu thụ năng lượng lớn làm chậm lại quá trình gia nhiệt bằng laser. Điều chỉnh vị trí tương đối giữa chùm laze, phôi và dụng cụ cắt (a); Các thành phần lực cắt thay đổi theo thời gian trong suốt quá trình gia công (b) [13] Hình 1.a là sơ đồ điều chỉnh vị trí tương đối giữa chùm laser, phôi và dụng cụ cắt.b mô tả ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt bằng laser đến lực cắt khi gia công.
Nguồn laser được bật từ giây thứ 9 sau khi quá trình gia công bắt đầu và tắt ở giây thứ 14. Lực cắt theo phương Z (FZ) khi tiện là thành phần lực cắt chính (hay còn gọi là lực vòng) vì nó lớn gấp 3 lần so với hai thành phần còn lại. Lực cắt giảm đáng kể khi có sự trợ giúp của quá trình gia nhiệt bằng laser.3 Gia nhiệt bằng Plasma (Plasma - Enhanced Machining - PEM) Phương pháp gia nhiệt này đã phát triển như một phương án kinh tế thay thế cho LAM và đã nhận được sự chú ý đáng kể ở Đức. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trong những năm qua với việc sử dụng nhiệt độ cao làm mềm vật liệu ngay trước khi gia công để cải thiện tính gia công vật liệu khó cắt gọt.
PEM là một trong những công nghệ được phát triển bởi nó cung cấp cường độ nhiệt cần thiết làm mềm phôi, đặc biệt đối với tiện. Nguồn nhiệt trong PEM được cung cấp bởi dòng điện một chiều (DC). Các dòng Plasma chuyển động sinh nhiệt. Máy tạo Plasma bao gồm một catot Vonfram mạ Thoria và một vòi phun làm mát.
Thông qua vòi phun này là dòng chảy khí Plasma. Vòi phun được coi như là anot khi gia nhiệt phôi không dẫn điện. Đối với vật liệu dẫn điện, phôi hoạt động như một cực dương (Hình 1. Dòng Plasma có khả năng tạo ra một nhiệt lượng vô cùng lớn tới 16.
7 Điện cực (Catot) Vòi phun Bộ cấp Khí bảo vệ nguồn Khí Plasma Phôi (Anot) Hình 1. Sơ đồ máy gia nhiệt Plasma [14] Mặc dù PEM được sử dụng để cải thiện năng suất gia công, nhưng khó có khả năng kiểm soát nguồn nhiệt và hệ thống đo lường nhiệt độ. Hơn nữa, độ mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt cũng rất khó được xác định khi gia công bằng phương pháp này.4 Gia nhiệt bằng lò nhiệt (Furnace heating – Assisted Machining – FAM) Các nghiên cứu đã sử dụng phương pháp gia nhiệt bằng lò nhiệt để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới các tiêu chuẩn khác nhau của vật liệu gia công. Vào đầu năm 1980, Amin cùng đồng nghiệp [15] đã nghiên cứu ảnh hưởng quá trình gia nhiệt bằng lò nhiệt tới tính năng cắt gọt thép cacbon, thép không gỉ và hợp kim titan.
Họ thấy rằng tốc độ mài mòn và rung động giảm đáng kể khi gia nhiệt. Tuy nhiên, các nghiên cứu chỉ sử dụng phương pháp gia nhiệt bằng lò nhiệt để chứng minh ảnh hưởng của sự nung nóng vật liệu gia công đến tính năng cắt gọt của vật liệu chứ không được khuyên cáo cho các ứng dụng trong sản xuất.5 Gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ (Induction heating - Assisted Machining - IAM) Gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ là một phương pháp gia nhiệt rất hiệu quả, chi phí thấp và là sự lựa chọn tốt trong trường hợp phay đứng đối với những kim loại và hợp kim khó cắt gọt. Amin và Abdelgadir [16] đã chỉ ra rằng gia công gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ có thể giảm rung động đến 98% và tăng tuổi thọ dụng cụ lên gấp nhiều lần khi gia công thép. Không chỉ ứng dụng trong cắt gọt, nguồn nhiệt cảm ứng điện từ tần số cao còn được ứng dụng trong quá trình tôi.
Thời gian gia nhiệt ngắn thực tế dẫn đến hiện tượng không gỉ vật liệu và vì thế sản phẩm không cần mài. Tuy nhiên phương pháp gia nhiệt này không thích hợp cho gia công tiện bởi thiết kế cho quá trình gia nhiệt không phù hợp để thực hiện tất cả các chuyển động khi gia công.6 Thuận lợi và khó khăn của các phương pháp gia nhiệt Mỗi phương pháp gia nhiệt đều có những ưu nhược điểm riêng và phù hợp với một số phương pháp gia công chứ không phải là tất cả (theo Bảng 1. Thuận lợi và khó khăn của các phương pháp gia nhiệt [6] Phương pháp Thuận lợi Khó khăn gia nhiệt Gia nhiệt bằng - Thiết bị đơn giản - Khó kiểm soát và điều chỉnh dòng điện - Nhiệt độ đồng đều nhiệt độ (EAM) Gia nhiệt bằng - Mức độ tập trung nhiệt độ của - Chi phí cao laser (LAM) nguồn nhiệt cao - Tỷ lệ hấp thụ nhiệt trên những - Dễ dàng điều chỉnh nguồn laser vật liệu khác nhau là khác nhau Gia nhiệt bằng - Mức độ tập trung nhiệt độ của - Khó kiểm soát và điều chỉnh Plasma (PEM) nguồn nhiệt cao nhiệt độ Gia nhiệt bằng lò - Thiết bị đơn giản - Khó kiểm soát và điều chỉnh nhiệt (FAM) nhiệt độ - Chỉ áp dụng làm thí nghiệm, không đưa vào sản xuất Gia nhiệt bằng - Dễ dàng sử dụng - Mức độ tập trung của nguồn cảm ứng điện từ - Công suất gia nhiệt cao nhiệt không cao (IAM) - Sự di chuyển của dụng cụ bị hạn chế Gia công gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ có ưu điểm vượt trội ở hiệu quả gia nhiệt khi phay đứng, chi phí gia nhiệt thấp, ứng dụng rộng rãi cho những kim loại và hợp kim có độ cứng cao khó cắt gọt.