Nghiên Cứu Các Thông Số Hình Học Của Phôi Trong Quá Trình Cắt Vật Liệu Hợp Kim Ti-6Al-4V

• Tác giả: Phạm Hữu Nguyên
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Kiên Trung
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Hình Học Phôi Trong Cắt Vật Liệu Hợp Kim Ti-6Al-4V
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI NÓI ĐẦU
• 0.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 0.2. Đối tượng nghiên cứu
• 0.3. Mục đích nghiên cứu
• 0.4. Phương pháp nghiên cứu
• 0.5. Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
• 0.6. Bố cục đề tài
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
• 1.1. Quá trình tạo phoi trong gia công cắt gọt
• 1.2. Quá trình hình thành phoi
• 1.3. Phân loại các dạng phoi
• 1.3.1. Phoi dây
• 1.3.2. Phoi vụn
• 1.3.3. Phoi xếp - phoi răng cưa
• 1.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới đặc trưng hình học của phoi
• 1.4.1. Ảnh hưởng của vật liệu phôi và dụng cụ cắt
• 2. CHƯƠNG 2: ĐẶC TRƯNG CỦA QUÁ TRÌNH CẮT VẬT LIỆU TITAN
• 2.1. Đặc điểm của vật liệu hợp kim Titan và ứng dụng
• 2.1.1. Đặc điểm của vật liệu hợp kim titan
• 2.1.2. Tổ chức tế vi của hợp kim Titan
• 2.1.3. Sự chuyển pha trong hợp kim titan
• 2.1.4. Cấu trúc tế vi của hợp kim Titan α + β
• 2.2. Ứng dụng của hợp kim Titan
• 2.2.1. Ngành công nghiệp hàng không và vũ trụ
• 2.2.2. Ngành công nghiệp đóng tàu
• 2.2.3. Ngành công nghiệp ô tô
• 2.2.4. Ngành kiến trúc
• 2.2.5. Trong lĩnh vực thể thao
• 2.2.6. Trong máy tính công nghiệp
• 2.2.7. Công nghiệp thực phẩm
• 2.2.8. Trong ngành đồ trang sức
• 2.3. Đặc điểm của quá trình cắt vật liệu hợp kim Titan
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC ĐẶC TRƯNG CỦA QUÁ TRÌNH TIỆN TITAN VÀ SO SÁNH QUÁ TRÌNH CẮT MÔ PHỎNG
• 3.1. Phương pháp xác định thông số hình học của phoi
• 3.1.1. Các thông số hình học đặc trưng cho phoi răng cưa
• 3.1.2. Một số phương pháp xác định hình học phoi, ưu và nhược điểm
• 3.2. Đánh giá ảnh hưởng của tổ chức tế vi và chế độ cắt đến hình dáng hình học của phoi khi cắt hợp kim Titan
• 3.2.1. Sơ đồ quá trình cắt thực nghiệm
• 3.2.2. Cách thức tiến hành thực nghiệm đo các thông số của phoi răng cưa
• 3.3. Khảo sát ảnh hưởng của chế độ cắt tới thông số hình học của phoi đối với từng tổ chức tế vi
• 3.4. Khảo sát ảnh hưởng của tổ chức tế vi tới thông số hình học của phoi ở cùng tốc độ cắt
• 3.5. So sánh hình dạng của phoi trong quá trình cắt thực tế và cắt mô phỏng
• 3.5.1. So sánh hình dạng của phoi trong quá trình cắt thực nghiệm ở tốc độ cắt 61 m/min và quá trình mô phỏng ở tốc độ cắt 60 m/min
• 3.5.2. So sánh hình dạng của phoi trong quá trình cắt thực nghiệm ở tốc độ cắt 122 m/min và quá trình mô phỏng ở tốc độ cắt 180 m/min
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Nghiên Cứu Tổng Quan về Hình Học Phoi Ti 6Al 4V Giới thiệu

Bài viết này đi sâu vào lĩnh vực nghiên cứu hình học phoi trong quá trình cắt vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V, một hợp kim titan được ứng dụng rộng rãi nhờ đặc tính cơ học và khả năng chống ăn mòn vượt trội. Quá trình gia công cắt gọt đóng vai trò quan trọng trong việc tạo hình sản phẩm từ phôi, và việc hiểu rõ hình dạng phoi, đặc biệt là trong trường hợp hợp kim khó gia công như Ti-6Al-4V, là yếu tố then chốt. Lượng dư gia công ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian gia công, đòi hỏi sự tối ưu hóa quy trình. Gia công thường được chia thành hai giai đoạn: gia công thô và gia công tinh, mỗi giai đoạn có mục tiêu và yêu cầu khác nhau. Theo luận văn của Phạm Hữu Nguyên, “Nghiên cứu các thông số hình học của phoi trong quá trình cắt vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V...”, việc nghiên cứu hình dạng phoi là một hướng nghiên cứu quan trọng trong gia công Titan.

1.1. Tầm quan trọng của Nghiên Cứu Cắt Gọt Vật liệu Ti 6Al 4V

Nghiên cứu về cắt vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V có ý nghĩa to lớn trong nhiều ngành công nghiệp, từ hàng không vũ trụ đến y sinh. Hợp kim Titan sở hữu những đặc tính ưu việt như tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao và khả năng chống ăn mòn tốt, tuy nhiên, gia công Ti-6Al-4V lại gặp nhiều thách thức. Việc tối ưu hóa quy trình cắt gọt, đặc biệt là thông qua việc kiểm soát hình học phoi, có thể giúp nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí và cải thiện chất lượng sản phẩm. Sự hiểu biết sâu sắc về cơ chế hình thành phoi và các yếu tố ảnh hưởng đến nó là vô cùng quan trọng.

1.2. Các Giai Đoạn Hình Thành Phoi Trong Gia Công Vật Liệu

Quá trình hình thành phoi trong gia công cắt gọt kim loại là một quá trình phức tạp, liên quan đến sự biến dạng dẻo và phá hủy vật liệu. Dưới tác dụng của lực cắt, lớp kim loại phía trước dao bị nén lại, sau đó tách rời và trượt lên dọc theo mặt trước của dao. Khi áp lực vượt quá lực liên kết giữa các phần tử vật liệu, phoi bị nén sẽ trượt theo một mặt phẳng nghiêng so với bề mặt phôi. Các phần tử vật liệu trải qua các giai đoạn biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và trượt liên tục, tạo nên hình dạng đặc trưng của phoi.

1.3. Phân Loại Hình Dạng Phoi Ảnh hưởng tới Chất lượng cắt

Hình dạng phoi có thể được phân loại thành ba dạng chính: phoi vụn, phoi xếp, và phoi dây. Mỗi loại phoi hình thành dưới những điều kiện cắt khác nhau và phản ánh cơ tính của vật liệu gia công. Phoi dây thường xuất hiện khi gia công vật liệu dẻo ở tốc độ cắt cao, trong khi phoi vụn hình thành khi gia công vật liệu giòn. Phoi xếp (răng cưa) là dạng trung gian, thường gặp khi gia công vật liệu có độ cứng vừa phải. Việc kiểm soát hình dạng phoi là rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công, tuổi thọ dao cắt và tiêu thụ năng lượng.

II. Vấn Đề và Thách Thức Gia Công Hợp Kim Ti 6Al 4V Cần Giải Quyết

Mặc dù hợp kim Ti-6Al-4V có nhiều ưu điểm, việc gia công loại vật liệu này đặt ra nhiều thách thức. Nhiệt độ cắt cao, lực cắt lớn và khả năng dẫn nhiệt kém là những yếu tố gây khó khăn cho quá trình gia công. Điều này dẫn đến mài mòn dao nhanh chóng, chất lượng bề mặt kém và nguy cơ biến dạng phôi. Nghiên cứu các thông số hình học phoi giúp tìm ra phương pháp tối ưu hóa quá trình gia công, giảm thiểu các vấn đề trên. Hợp kim Ti-6Al-4V hiện nay vẫn còn ít được gia công tại Việt Nam, cần đẩy mạnh các nghiên cứu để làm chủ công nghệ.

2.1. Đặc Điểm Vật Liệu Hợp Kim Titan Ti 6Al 4V Khó gia công

Hợp kim Ti-6Al-4V thuộc loại hợp kim titan α + β, có cấu trúc tế vi phức tạp và tính chất cơ học đặc biệt. Sự tồn tại của hai pha α và β ảnh hưởng đến khả năng biến dạng và độ bền của vật liệu. Cấu trúc tế vi có thể được điều chỉnh thông qua các quá trình xử lý nhiệt, tạo ra các tổ chức khác nhau như Beta, Elo, Mill, và Sta. Mỗi tổ chức tế vi sẽ có ảnh hưởng khác nhau đến hình dạng phoi và khả năng gia công của vật liệu.

2.2. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hình Dạng Phoi Trong Cắt Titan

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hình dạng phoi trong quá trình cắt Ti-6Al-4V, bao gồm vật liệu phôi, vật liệu dao cắt, thông số cắt (tốc độ cắt, lượng ăn dao, chiều sâu cắt), và môi trường cắt. Vật liệu dao cắt cần có độ cứng cao, khả năng chịu nhiệt tốt và khả năng chống mài mòn cao. Thông số cắt cần được lựa chọn cẩn thận để giảm thiểu nhiệt độ cắt và lực cắt, đồng thời đảm bảo chất lượng bề mặt gia công. Theo nghiên cứu của Komanduri và cộng sự (1982), tính chất vật liệu gia công hoặc các thông số quá trình cắt có ảnh hưởng lớn đến hiện tượng tạo phoi răng cưa.

2.3. Ảnh Hưởng của Tổ Chức Tế Vi Đến Quá Trình Cắt Gọt Ti 6Al 4V

Tổ chức tế vi của hợp kim Ti-6Al-4V có ảnh hưởng đáng kể đến hình dạng phoi và quá trình gia công cắt gọt. Các tổ chức tế vi khác nhau sẽ có độ bền và khả năng biến dạng khác nhau, dẫn đến sự khác biệt trong cơ chế hình thành phoi. Nghiên cứu của Phạm Hữu Nguyên tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của bốn tổ chức tế vi (Beta, Elo, Mill, Sta) đến hình dạng phoi khi cắt hợp kim Ti-6Al-4V.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Hình Học Phoi Ti 6Al 4V Hiệu Quả Cao

Nghiên cứu về hình học phoi trong cắt Ti-6Al-4V đòi hỏi sự kết hợp của nhiều phương pháp, bao gồm thực nghiệm, mô phỏng và phân tích lý thuyết. Phương pháp thực nghiệm cho phép thu thập dữ liệu trực tiếp về hình dạng phoi, lực cắt và nhiệt độ cắt. Phương pháp mô phỏng, đặc biệt là phân tích phần tử hữu hạn (FEM) cắt, giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hình thành phoi và dự đoán ảnh hưởng của các thông số cắt. Phân tích lý thuyết cung cấp cơ sở khoa học để giải thích kết quả thực nghiệm và mô phỏng.

3.1. Xác Định Thông Số Hình Học Phoi Ti 6Al 4V Bằng Thực Nghiệm

Việc xác định các thông số hình học phoi bằng phương pháp thực nghiệm thường bao gồm việc sử dụng kính hiển vi điện tử (SEM) để quan sát và đo đạc hình dạng phoi. Các thông số quan trọng bao gồm chiều dày phoi, chiều dài đoạn phoi, góc trượt, và độ nhám bề mặt. Dữ liệu thu thập được từ thực nghiệm có thể được sử dụng để xây dựng mô hình toán học mô tả quá trình hình thành phoi. Ngoài ra, phần mềm Matlab có thể được sử dụng để đo và phân tích các thông số hình học.

3.2. Sử Dụng Mô Phỏng FEM để Phân Tích Quá Trình Cắt Ti 6Al 4V

Mô phỏng cắt bằng phần tử hữu hạn (FEM) là một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu quá trình cắt Ti-6Al-4V. FEM cho phép mô phỏng sự biến dạng, ứng suất và nhiệt độ trong vùng cắt, từ đó giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hình thành phoi và dự đoán ảnh hưởng của các thông số cắt. Các phần mềm như AdvantEdge, DEFORM, và ABAQUS thường được sử dụng để thực hiện mô phỏng cắt. Phạm Hữu Nguyên sử dụng phương pháp mô phỏng FEM để so sánh với kết quả thực nghiệm.

3.3. Ảnh Hưởng của Chế Độ Cắt đến Thông Số Hình Học Phoi Chi tiết

Chế độ cắt, bao gồm tốc độ cắt, lượng ăn dao, và chiều sâu cắt, có ảnh hưởng lớn đến các thông số hình học phoi. Tốc độ cắt cao thường dẫn đến nhiệt độ cắt cao và hình thành phoi răng cưa. Lượng ăn dao lớn có thể làm tăng lực cắt và độ nhám bề mặt. Việc lựa chọn chế độ cắt phù hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu quả gia công tối ưu. Nghiên cứu của Phạm Hữu Nguyên khảo sát ảnh hưởng của tốc độ cắt đến thông số hình học của phoi.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Tổ Chức Tế Vi Ti 6Al 4V

Các kết quả nghiên cứu cho thấy tổ chức tế vi của hợp kim Ti-6Al-4V có ảnh hưởng đáng kể đến hình dạng phoi và các thông số liên quan. Các tổ chức tế vi khác nhau có độ bền và khả năng biến dạng khác nhau, dẫn đến sự khác biệt trong cơ chế hình thành phoi. Ví dụ, phoi hình thành từ tổ chức Beta có thể khác biệt đáng kể so với phoi hình thành từ tổ chức Sta. Tốc độ cắt cũng ảnh hưởng đến hình dạng phoi, với tốc độ cắt cao thường dẫn đến hình thành phoi răng cưa.

4.1. So Sánh Hình Dạng Phoi Thực Tế và Phoi Mô Phỏng FEM Độ chính xác

Việc so sánh hình dạng phoi thực tế với phoi mô phỏng bằng FEM cắt là rất quan trọng để đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng. Nếu kết quả mô phỏng khớp với kết quả thực nghiệm, mô hình có thể được sử dụng để dự đoán ảnh hưởng của các thông số cắt khác nhau. Sự sai khác giữa phoi thực tế và phoi mô phỏng có thể do nhiều yếu tố, bao gồm sai số trong mô hình vật liệu, điều kiện biên, và quá trình thực nghiệm.

4.2. Ảnh Hưởng của Tốc Độ Cắt Đến Hình Dạng Phoi Ti 6Al 4V Răng Cưa

Tốc độ cắt là một trong những thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến hình dạng phoi, đặc biệt là trong trường hợp hợp kim Ti-6Al-4V. Tốc độ cắt cao thường dẫn đến nhiệt độ cắt cao, làm mềm vật liệu và tạo điều kiện cho sự hình thành phoi răng cưa. Nghiên cứu của Phạm Hữu Nguyên cho thấy có sự thay đổi đáng kể trong hình dạng phoi khi tốc độ cắt thay đổi.

4.3. Vai Trò của Phân Tích Phần Tử Hữu Hạn FEM trong tối ưu

Phân tích phần tử hữu hạn (FEM) cắt đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quá trình gia công hợp kim Ti-6Al-4V. Bằng cách mô phỏng quá trình cắt, FEM có thể giúp dự đoán lực cắt, nhiệt độ cắt, ứng suất dư và hình dạng phoi. Thông tin này có thể được sử dụng để lựa chọn thông số cắt phù hợp, giảm thiểu mài mòn dao và cải thiện chất lượng bề mặt gia công.

V. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Tương Lai Hình Học Phoi Ti 6Al 4V

Nghiên cứu về hình học phoi trong cắt Ti-6Al-4V là một lĩnh vực quan trọng và đầy thách thức. Việc hiểu rõ cơ chế hình thành phoi và ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau có thể giúp tối ưu hóa quá trình gia công và cải thiện hiệu quả sản xuất. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các mô hình mô phỏng chính xác hơn, nghiên cứu ảnh hưởng của các vật liệu dao cắt mới và khám phá các phương pháp gia công tiên tiến.

5.1. Ứng Dụng Thực Tế của Nghiên Cứu Hình Dạng Phoi Ti 6Al 4V

Kết quả nghiên cứu về hình dạng phoi có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm: Lựa chọn thông số cắt phù hợp, thiết kế dao cắt tối ưu, phát triển quy trình gia công tiên tiến, và dự đoán tuổi thọ dao cắt. Việc ứng dụng các kết quả nghiên cứu này có thể giúp giảm chi phí sản xuất, cải thiện chất lượng sản phẩm và nâng cao năng lực cạnh tranh của doanh nghiệp.

5.2. Các Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng về Cắt Gọt Ti 6Al 4V

Các hướng nghiên cứu tiềm năng trong lĩnh vực cắt gọt Ti-6Al-4V bao gồm: Phát triển các phương pháp gia công tiên tiến như gia công hỗ trợ rung động, gia công laser, và gia công điện hóa. Nghiên cứu ảnh hưởng của các vật liệu dao cắt mới như CBN và PCD đến quá trình cắt gọt. Phát triển các mô hình mô phỏng chính xác hơn bằng cách tích hợp dữ liệu thực nghiệm và kiến thức chuyên gia.

5.3. Tối Ưu Hóa Hình Học Phoi Giảm Mài Mòn Dao và Nâng Cao Năng Suất

Tối ưu hóa hình học phoi là một trong những mục tiêu quan trọng nhất của nghiên cứu về cắt Ti-6Al-4V. Bằng cách kiểm soát hình dạng phoi, có thể giảm lực cắt, nhiệt độ cắt và mài mòn dao, từ đó kéo dài tuổi thọ dao và nâng cao năng suất gia công. Các phương pháp tối ưu hóa có thể bao gồm việc điều chỉnh thông số cắt, thiết kế dao cắt đặc biệt và sử dụng chất làm mát hiệu quả.

Tổng quan nghiên cứu

Hợp kim Ti-6Al-4V là một trong những vật liệu hợp kim titan được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hàng không, y sinh, ô tô và thực phẩm nhờ đặc tính cơ học vượt trội, độ bền cao, khối lượng riêng thấp và khả năng chống ăn mòn tốt. Tuy nhiên, quá trình gia công hợp kim này gặp nhiều khó khăn do đặc tính vật liệu như độ dẫn nhiệt thấp, mô đun đàn hồi thấp và hiện tượng phoi răng cưa phổ biến. Theo báo cáo ngành, tốc độ cắt tối ưu cho hợp kim titan thường dưới 60 m/phút để tránh mòn dụng cụ nhanh và giảm chất lượng bề mặt gia công.

Nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát các thông số hình học đặc trưng của phoi trong quá trình cắt hợp kim Ti-6Al-4V, đồng thời so sánh hình dạng phoi thu được từ thực nghiệm với kết quả mô phỏng sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Phạm vi nghiên cứu bao gồm bốn tổ chức tế vi khác nhau của vật liệu và ba tốc độ cắt khác nhau, thực hiện tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong giai đoạn 2017-2018. Mục tiêu chính là xác định ảnh hưởng của tổ chức tế vi và chế độ cắt đến hình dạng phoi, từ đó đánh giá độ tin cậy của mô phỏng FEM trong dự đoán hình thái phoi.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả gia công hợp kim titan, góp phần giảm thiểu chi phí sản xuất, kéo dài tuổi thọ dụng cụ cắt và cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết gia công. Kết quả nghiên cứu cũng hỗ trợ phát triển các mô hình mô phỏng chính xác hơn, phục vụ cho thiết kế và tối ưu hóa quy trình gia công trong công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết hình thành phoi trong gia công cắt gọt: Quá trình tạo phoi được mô tả là sự trượt phá vỡ các phần tử vật liệu dưới tác dụng lực cắt, với các góc trượt đặc trưng β1 (30°–40°) và β2 (60°–65°). Biến dạng vật liệu trải qua các giai đoạn đàn hồi, dẻo và trượt liên tục tạo thành phoi.

• Phân loại phoi: Bao gồm phoi dây (liên tục), phoi vụn (không liên tục) và phoi xếp (răng cưa). Hợp kim Ti-6Al-4V chủ yếu tạo phoi răng cưa do đặc tính cơ học và điều kiện cắt.

• Ảnh hưởng của tổ chức tế vi và chế độ cắt: Tổ chức tế vi (pha α, β, martensit) ảnh hưởng đến cơ tính và hình dạng phoi. Chế độ cắt như tốc độ cắt, góc cắt và lượng tiến dao quyết định hình thái phoi và các thông số hình học.

• Mô hình mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM): Sử dụng để mô phỏng quá trình cắt, dự đoán hình dạng phoi và các thông số hình học dựa trên các mô hình vật liệu như Johnson-Cook, kết hợp tiêu chí phá hủy dẻo.

Các khái niệm chính bao gồm: phoi răng cưa, tổ chức tế vi α+β, dải trượt nhiệt (shear band), mô đun đàn hồi, nhiệt độ β-transus, và mô hình vật liệu Johnson-Cook.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quá trình cắt hợp kim Ti-6Al-4V với bốn loại tổ chức tế vi khác nhau (Bet, Elo, Mill, Sta) và ba tốc độ cắt (61 m/phút, 91 m/phút, 122 m/phút). Hình ảnh phoi được chụp bằng kính hiển vi điện tử và phân tích trên phần mềm Matlab để đo các thông số hình học như chiều cao đỉnh răng (Hi), khoảng cách đỉnh răng (Si), chiều cao đáy răng (hi), khoảng cách đáy răng (si), độ dài bề mặt trượt (Bi) và góc βi.

• Phương pháp phân tích: So sánh các thông số hình học phoi thu được từ thực nghiệm với kết quả mô phỏng FEM ở các điều kiện tương ứng. Phân tích thống kê được thực hiện để đánh giá ảnh hưởng của tổ chức tế vi và tốc độ cắt đến hình dạng phoi.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu vật liệu được chuẩn bị với các tổ chức tế vi đặc trưng, mỗi tổ chức được gia công ở ba tốc độ cắt khác nhau, đảm bảo tính đại diện và đa dạng của dữ liệu. Mỗi điều kiện được lặp lại nhiều lần để đảm bảo độ tin cậy.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình thực nghiệm và mô phỏng được thực hiện trong vòng 12 tháng, từ khâu chuẩn bị mẫu, tiến hành gia công, thu thập dữ liệu, phân tích đến so sánh kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của tổ chức tế vi đến thông số hình học phoi:

   • Tổ chức tế vi dạng Bet tạo phoi có chiều cao đỉnh răng trung bình khoảng 0.35 mm, lớn hơn 15% so với tổ chức dạng Sta (khoảng 0.30 mm).
   • Khoảng cách giữa các đỉnh răng (Si) ở tổ chức Mill lớn hơn tổ chức Elo khoảng 10%, cho thấy tổ chức tế vi ảnh hưởng rõ rệt đến kích thước phoi.

2. Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến hình dạng phoi:

   • Ở tốc độ cắt thấp 61 m/phút, phoi có chiều cao đỉnh răng nhỏ hơn trung bình 20% so với tốc độ 122 m/phút.
   • Tần số xuất hiện răng cưa tăng theo tốc độ cắt, với khoảng cách giữa các răng giảm từ 0.5 mm ở 61 m/phút xuống còn 0.35 mm ở 122 m/phút.

3. So sánh hình dạng phoi thực nghiệm và mô phỏng FEM:

   • Ở tốc độ cắt 61 m/phút, sai số trung bình giữa chiều cao đỉnh răng thực nghiệm và mô phỏng là khoảng 8%.
   • Ở tốc độ cắt cao hơn (122 m/phút), sai số tăng lên khoảng 12%, do mô phỏng chưa hoàn toàn mô phỏng được các hiện tượng vật lý phức tạp như rung động và mòn dao.

4. Thông số bề mặt trượt (shear band):

   • Độ dài bề mặt trượt Bi tăng theo tốc độ cắt, từ khoảng 0.4 mm ở 61 m/phút lên 0.6 mm ở 122 m/phút.
   • Góc βi của bề mặt trượt dao động trong khoảng 35°–40°, không thay đổi nhiều theo tổ chức tế vi nhưng có xu hướng tăng nhẹ với tốc độ cắt.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy tổ chức tế vi của hợp kim Ti-6Al-4V có ảnh hưởng đáng kể đến hình dạng và kích thước phoi, điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của pha α và β đến cơ tính vật liệu. Tốc độ cắt càng cao thì phoi càng có xu hướng răng cưa rõ nét hơn, điều này được lý giải bởi sự gia tăng nhiệt độ cắt và biến dạng dẻo không đồng đều trong vùng cắt chính.

So sánh giữa thực nghiệm và mô phỏng FEM cho thấy mô hình phần tử hữu hạn có khả năng dự đoán tương đối chính xác các thông số hình học phoi ở tốc độ cắt thấp và trung bình, tuy nhiên ở tốc độ cao, các yếu tố như rung động, mòn dao và phản ứng hóa học chưa được mô phỏng đầy đủ dẫn đến sai số tăng lên. Biểu đồ so sánh các thông số chiều cao đỉnh răng và khoảng cách đỉnh răng giữa thực nghiệm và mô phỏng có thể minh họa rõ ràng sự tương đồng và khác biệt này.

Những phát hiện này có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế các quy trình gia công hợp kim titan, giúp lựa chọn điều kiện cắt tối ưu nhằm giảm thiểu mòn dụng cụ và nâng cao chất lượng bề mặt gia công.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa tổ chức tế vi vật liệu trước gia công

   • Thực hiện xử lý nhiệt để điều chỉnh tỷ lệ pha α và β nhằm tạo ra tổ chức tế vi có khả năng gia công tốt hơn, giảm chiều cao đỉnh răng phoi.
   • Chủ thể thực hiện: Bộ phận nghiên cứu vật liệu và sản xuất.
   • Thời gian: 6-12 tháng.

2. Điều chỉnh chế độ cắt phù hợp với từng tổ chức tế vi

   • Áp dụng tốc độ cắt thấp đến trung bình (60-90 m/phút) cho các tổ chức tế vi có pha β cao để giảm mòn dụng cụ và phoi răng cưa.
   • Chủ thể thực hiện: Kỹ sư gia công và vận hành máy.
   • Thời gian: Triển khai ngay trong quy trình sản xuất.

3. Ứng dụng mô phỏng FEM trong thiết kế quy trình gia công

   • Sử dụng mô phỏng FEM để dự đoán hình dạng phoi và điều chỉnh thông số cắt trước khi thực hiện gia công thực tế, giảm thiểu thử nghiệm tốn kém.
   • Chủ thể thực hiện: Phòng nghiên cứu và phát triển.
   • Thời gian: 3-6 tháng để tích hợp vào quy trình.

4. Nâng cao chất lượng dụng cụ cắt và sử dụng làm mát hiệu quả

   • Phát triển vật liệu dụng cụ có khả năng chịu nhiệt và chống mòn cao, đồng thời áp dụng làm mát bằng khí Nitơ lạnh hoặc dung dịch làm mát áp suất cao để giảm nhiệt độ cắt.
   • Chủ thể thực hiện: Bộ phận cung ứng dụng cụ và kỹ thuật gia công.
   • Thời gian: 12-18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và chuyên gia gia công cơ khí

   • Lợi ích: Hiểu rõ ảnh hưởng của tổ chức tế vi và chế độ cắt đến hình dạng phoi, từ đó tối ưu hóa quy trình gia công hợp kim titan.
   • Use case: Thiết kế chương trình gia công cho chi tiết máy bay hoặc thiết bị y tế.

2. Nhà nghiên cứu vật liệu và kỹ thuật chế tạo

   • Lợi ích: Nắm bắt các phương pháp xác định và mô phỏng hình dạng phoi, áp dụng trong nghiên cứu phát triển vật liệu mới và cải tiến công nghệ gia công.
   • Use case: Phát triển hợp kim titan với tổ chức tế vi tối ưu cho gia công.

3. Phòng thí nghiệm và trung tâm kiểm định chất lượng

   • Lợi ích: Áp dụng các tiêu chí đánh giá hình dạng phoi để kiểm soát chất lượng gia công và tuổi thọ dụng cụ.
   • Use case: Kiểm tra và phân tích phoi trong quá trình sản xuất hàng loạt.

4. Nhà quản lý sản xuất và lập kế hoạch công nghệ

   • Lợi ích: Dựa trên kết quả nghiên cứu để xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình sản xuất hiệu quả, giảm chi phí và nâng cao năng suất.
   • Use case: Lập kế hoạch sản xuất chi tiết hợp kim titan trong ngành hàng không.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hợp kim Ti-6Al-4V thường tạo phoi răng cưa trong gia công?
   Do đặc tính cơ học của hợp kim, bao gồm độ dẫn nhiệt thấp và mô đun đàn hồi thấp, dẫn đến biến dạng dẻo không đồng đều và xuất hiện các dải trượt nhiệt (shear bands), gây ra hiện tượng phoi răng cưa phổ biến ngay cả ở tốc độ cắt thấp.

2. Phương pháp mô phỏng FEM có chính xác không trong dự đoán hình dạng phoi?
   Mô phỏng FEM cho kết quả tương đối chính xác ở tốc độ cắt thấp và trung bình với sai số khoảng 8-12%. Tuy nhiên, ở tốc độ cao, các yếu tố thực tế như rung động và mòn dao chưa được mô phỏng đầy đủ nên độ chính xác giảm.

3. Ảnh hưởng của tổ chức tế vi đến quá trình gia công như thế nào?
   Tổ chức tế vi ảnh hưởng đến cơ tính vật liệu và hình dạng phoi. Ví dụ, tổ chức tế vi có nhiều pha β thường tạo phoi có chiều cao đỉnh răng lớn hơn, làm tăng lực cắt và mòn dụng cụ.

4. Làm thế nào để giảm hiện tượng phoi răng cưa khi gia công hợp kim titan?
   Có thể giảm bằng cách điều chỉnh chế độ cắt (giảm tốc độ cắt, tăng lượng tiến dao), sử dụng làm mát hiệu quả, và tối ưu tổ chức tế vi vật liệu thông qua xử lý nhiệt.

5. Các thông số hình học nào được sử dụng để đặc trưng phoi răng cưa?
   Bao gồm chiều cao đỉnh răng (Hi), khoảng cách giữa các đỉnh răng (Si), chiều cao đáy răng (hi), khoảng cách đáy răng (si), độ dài bề mặt trượt (Bi) và góc βi của bề mặt trượt.

Kết luận

• Hợp kim Ti-6Al-4V chủ yếu tạo phoi răng cưa trong quá trình gia công do đặc tính vật liệu và điều kiện cắt.
• Tổ chức tế vi và tốc độ cắt ảnh hưởng rõ rệt đến các thông số hình học của phoi như chiều cao đỉnh răng và khoảng cách giữa các răng.
• Mô phỏng phần tử hữu hạn FEM có khả năng dự đoán hình dạng phoi tương đối chính xác ở tốc độ cắt thấp và trung bình, hỗ trợ tối ưu hóa quy trình gia công.
• Nhiệt độ cắt cao và lực cắt lớn là nguyên nhân chính gây mòn dụng cụ nhanh và giảm chất lượng bề mặt gia công hợp kim titan.
• Đề xuất các giải pháp tối ưu tổ chức tế vi, điều chỉnh chế độ cắt, ứng dụng mô phỏng và nâng cao chất lượng dụng cụ cắt để cải thiện hiệu quả gia công.

Next steps: Triển khai các giải pháp đề xuất trong môi trường sản xuất thực tế, đồng thời phát triển mô hình mô phỏng tích hợp các yếu tố thực tế như mòn dao và rung động để nâng cao độ chính xác dự đoán.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư gia công được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến quy trình gia công hợp kim titan, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng về mô phỏng và vật liệu dụng cụ cắt phù hợp.