Chương 1. Tổng quan về gia công phay hợp kim Ti-6Al-4V trong điều kiện bôi trơn tối thiểu. “Nghiên cứu tổng quan và khả năng gia công hợp kim Ti-6Al-4V trong điều kiện bôi trơn tối thiểu. Phân tích đánh giá và tổng hợp các công trình nghiên cứu trong nước và ngoài nước liên quan đến nội dung đề tài.
Trên cơ sở đó, xác định nội dung, vấn đề luận án cần tập trung nghiên cứu và giải quyết. Các đặc trưng của quá trình phay mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V. xxi “Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết quá trình phay bao gồm động lực học quá trình phay, nhiệt cắt trong quá trình phay, mòn dụng cụ cắt khi phay và các đặc trưng, tính chất bề mặt khi phay và gia công phay hợp kim Ti-6Al-4V trong điều kiện bôi trơn tối thiểu.” Chương 3: Xây dựng mô hình thực nghiệm và thực nghiệm khảo sát. Xây dựng, tích hợp hệ thống thực nghiệm phay hợp kim Ti-6Al-4V sử dụng hệ thống bôi trơn tối thiểu; “Nghiên cứu định tính về ảnh hưởng của chế độ công nghệ gồm vận tốc cắt Vc, lượng chạy dao răng fz và chiều sâu cắt ap tới các tiêu chí giá trị độ nhám Ra, lực cắt Fc và lượng mòn dụng cụ cắt Vb trong điều kiện gia công khô, gia công ướt và bôi trơn tối thiểu.
Từ đó, đánh giá được ưu, nhược điểm của bôi trơn tối thiểu so với các phương pháp khác khi phay mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V.” Chương 4: Thực nghiệm, tối ưu hóa một số thông số công nghệ và bôi trơn tối thiểu khi phay mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V. “Ứng dụng máy học kết hợp phương pháp hồi quy véc tơ hỗ trợ, giải thuật trí tuệ nhân tạo NSGA II và phương pháp ra quyết định đa tiêu chí TOPSIS trong tối ưu hóa một số thông số công nghệ và bôi trơn tối thiểu quá trình phay mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V. Từ đó, xác định bộ thông số công nghệ và bôi trơn phù hợp để đạt được đồng thời các mục tiêu tối thiểu hóa giá trị độ nhám Ra và lực cắt Fc và tối đa tốc độ loại bỏ vật liệu.” “So sánh hiệu quả và độ tin cậy của các phương pháp tối ưu đã được thực hiện và đánh giá khả năng ứng dụng trong nghiên cứu, thực tiễn sản xuất. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA ĐỀ TÀI Xây dựng và tích hợp hệ thống bôi trơn tối thiểu MQL phục vụ nghiên cứu phay tinh hợp kim Ti-6Al-4V; xxii “Nghiên cứu, xây dựng mô hình hồi quy về mối liên hệ giữa các thông số công nghệ quá trình phay gồm vận tốc cắt Vc, lượng chạy dao răng fz, chiều sâu cắt ap và thông số công nghệ hệ thống bôi trơn tối thiểu gồm áp suất nguồn khí P, lưu lượng dầu bôi trơn Q tới các tiêu chí kỹ thuật của quá trình phay như: độ nhám bề mặt Ra, lực cắt Fc, và tốc độ loại bỏ vật liệu MRR.” “Tối ưu hóa được quá trình phay hợp kim Ti-6Al-4V trong điều kiện bôi trơn tối thiểu MQL sử dụng dầu thực vật;” “Xây dựng được mô hình toán học và bài toán tối ưu các thông số công nghệ cho quá trình phay hợp kim Ti-6Al-4V trong điều kiện bôi trơn tối thiểu.
TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG PHAY HỢP KIM TI-6AL- 4V TRONG ĐIỀU KIỆN BÔI TRƠN TỐI THIỂU 1. HỢP KIM TITAN TI-6AL-4V 1. Titan Vật liệu titan là kim loại có màu trắng bạc có ký hiệu hóa học là Ti, số nguyên tử là 22, hình 1- 1. Kim loại titan được phát hiện bởi nhà hóa học và khoáng vật học người Anh tên là William Gregor vào năm 1791 [12].
Kim loại này được sản xuất thương mại lần đầu Hình 1- 1. Nguyên tố titan tiên vào 1950 bởi công ty TMCA (Titanium Metals Company of America). Từ đó, tốc độ sản xuất của titan và các hợp kim titan tăng trưởng trung bình khoảng 8%/năm, và đóng góp vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp quốc phòng, hàng không - vũ trụ; công nghiệp ô tô; y tế…[13]. “Titan là kim loại nhẹ, cứng, bề mặt bóng láng và có khả năng chống ăn mòn tốt.
Kim loại titan tồn tại ở dạng alpha (α) tương ứng với tinh thể lập phương tâm khối (BCC) ở nhiệt độ trên 882°C và ở dạng beta (β) tương ứng với tinh thể lục giác xếp chặt (HCP) tương ứng với nhiệt độ dưới 882°C [13]. Tuy nhiên, việc thêm một số nguyên tố có thể làm thay đổi nhiệt độ chuyển đổi pha, hình 1- 2 [14]. Sự kết hợp giữa các nguyên tốt khác với kim loại titan hình thành hợp kim titan [14]. Hợp kim titan Trong thực tế sử dụng, titan được sử dụng chủ yếu dưới dạng hợp kim.
Hợp kim titan được tạo thành bằng cách kết hợp titan với các nguyên tố vi lượng khác 2 như nhôm (Al), vanadi (V), molypden (Mo), crom (Cr), niken (Ni) và một số nguyên tố khác nhằm đạt được các đặc tính cơ, lý, hóa mong muốn, phục vụ cho các ứng dụng khác nhau [15]. Tỉ lệ và phành phần của các nguyên tố vi lượng này có thể thay đổi để tạo ra các loại hợp kim titan với tính chất khác nhau. Các nguyên tố vi lượng thường được chia thành 3 nhóm theo mức độ ảnh hưởng của chúng với nhiệt độ chuyển pha được thể hiện trên hình 1-2. Nhóm 1: Nhóm nguyên tố ổn định alpha “Bao gồm nhôm (Al), các bon (C) và ni tơ (N), là các nguyên tố giúp ổn định pha alpha và tăng nhiệt độ biến đổi pha của hợp kim titan.
Trong đó, nhôm là nguyên tố hợp kim chính, có tác dụng giảm trọng lượng riêng và tăng mô đun đàn hồi của hợp kim.” Nhóm 2: Nhóm nguyên tố ổn định beta Bao gồm các nguyên tố giúp ổn định pha beta như molymden (Mo), niobi (Nb), vanadi (V), crom (Cr), mangan (Mn), đồng (Cu), sắt (Fe) và silicon (Si). Trong đó, các nguyên tố vi lượng crom hay mangan giúp hợp kim titan cải thiện được khả năng chống ăn mòn; silicon giúp cải thiện độ dẻo của hợp kim. Trong khi đó, việc them nguyên tố vi lượng molymden giúp cải thiện độ cứng của hợp kim; niobi hoặc vanadi giúp cải thiện độ bền nhiệt và ổn định kích thước của hợp kim, giúp nâng cao khả năng làm việc, đặc biệt là trong điều kiện nhiệt độ cao. Nhóm 3: Nhóm nguyên tố trung tính Bao gồm zirconi (Zr) và thiếc (Sn), là các nguyên tố có tính trung tính có tác dụng cải thiện khả năng chịu ăn mòn, cải thiện độ bền của hợp kim titan.
Việc thêm các chất ổn định thuộc các nhóm khác nhau hình thành các hợp kim titan khác nhau. Có nhiều cách phân loại hợp kim titan, trong đó phổ biến 3 nhât là phân loại thành phần của các chất ổn định và vật liệu nền titan. Theo đó, hợp kim titan được phân thành các nhóm: Hình 1- 2. Phân loại hợp kim titan [14] Hợp kim alpha (α) “Hợp kim alpha (α) có thành phần chính là kim loại titan kết hợp với chất ổn định hoặc một số nguyên tố hợp kim trung tính khác.
Các hợp kim titan này duy trì độ bền kéo lên đến 300oC và tính chống rão. Khi nhiệt độ tăng trên 300oC, các hợp kim này mất độ bền kéo [14]. Do vậy, các hợp kim alpha (α) phù hợp với các ứng dụng yêu cầu khả năng chống ăn mòn cao.” Hợp kim beta (β) “Hợp kim beta (β) có thành phần chính là kim loại titan kết hợp với các nguyên tố vi lượng chất ổn định beta β, với tỉ trọng có thể lên tới 30%. Hàm lượng chất ổn định beta (β) cao giúp cải tiện độ cứng, độ chống rão của hợp kim [14].
Vì vậy, hợp kim beta (β) phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu khả năng chống cháy và chống ăn mòn cao.” 4 Hợp kim alpha-beta (α + β) “Hợp kim alpha-beta (α + β) được tạo ra bằng cách thêm một lượng nhất định chất ổn định beta (khoảng 4-6%) vào kim loại nền là kim loại titan. Thay đổi lượng chất ổn định beta sẽ tạo ra các cấu trúc vi mô khác nhau, dẫn đến các đặc tính cơ học khác nhau. Có nhiều hợp kim nhóm alpha-beta (α + β) khác nhau, trong đó phổ biến nhất là hợp kim Ti-6Al-4V (còn gọi là hợp kim TC4, hợp kim titan grade 5), chiếm khoảng 60% tổng số lượng hợp kim titan đang được sử dụng trên toàn thế giới [43].” Hợp kim Ti-6Al-4V có ưu điểm vượt trội là khối lượng riêng thấp nhưng lại có độ bền cao, Hình 1- 3. Ứng dụng vật liệu hợp kim Ti-6Al- được sử dụng từ những năm 1950 4V trong một số lĩnh vực[105] tại Hoa Kỳ, Anh, Nhật, Nga (Liên Xô cũ)… [5].
ỨNG DỤNG CỦA HỢP KIM TI-6AL-4V “Hợp kim Ti-6Al-4V có ưu điểm vượt trội là trọng lượng nhẹ nhưng lại có khả năng tương tính sinh học cao, tính kháng mòn cao, độ bền cao và có độ cứng co, do vậy vật liệu này thường được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp quốc phòng, hàng không – vũ trụ, công nghiệp tàu biển, công nghiệp hóa chất, y sinh và cả ngành công nghiệp ô tô, hàng tiêu dung (hình 1-3).” Ứng dụng trong lĩnh vực y tế “Nhờ khả năng tương thích sinh học tốt, hợp kim Ti-6Al-4V được sử dụng để chế tạo các bộ phận trong lĩnh vực y sinh [16], như:” 5 “Implant nha khoa: Nhờ khả năng tương thích sinh học tốt, vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V được sử dụng rộng rãi trong implant nha khoa, cho phép implant (hình 1-5) liên kết với xương xung quanh.” “Thay thế khớp hoặc chế tạo các bộ phận trong thiết bị tim Hình 1- 4. Ứng dụng của hợp kim Ti-6Al-4V trong y tế [16] mạch: Vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V được sử dụng trong thay thế khớp, như thay thế khớp hông và đầu gối (hình 1- 6); hoặc các thiết bị tim mạch như stent, vỏ máy nhịp tim….do khả năng tương thích sinh học tốt, đồng thời có độ bền và khả năng chống ăn mòn cao, giúp chi tiết hoạt động an toàn và ổn định trong cơ thể bệnh nhân [17].” “Ứng dụng khác: Ngoài ra, vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V còn được dùng phổ biến trong chế tạo các implant chỉnh hình, như các tấm, vít và thanh, để gắn xương và kết hợp. Implant nha khoa sử dụng vật liệu hợp kim Titan [17] Hình 1- 6. Khớp và xương sườn, xương ngực làm từ hợp kim titan 6 Ứng dụng trong công nghiệp đóng tàu Hợp kim Ti-6Al-4V được sử dụng trên các tàu và thiết bị hải dương học, tàu ngầm hạt nhân, tàu ngầm sâu, tàu phá băng, năng lượng nguyên tử, tàu phản lực, tàu chống mìn và cánh quạt, đường ống nước biển, bình ngưng, các bộ phận trao đổi nhiệt [18].
Từ những năm 1960, Nga (Liên Xô Hình 1- 7.