MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay hợp kim nhôm A7075 cũng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, được dùng nhiều trong sản suất các linh kiện cho nhiều ngành công nghiệp như: máy tính và thiết bị y tế. Hợp kim nhôm A7075 là một trong những vật liệu được ứng dụng phổ biến trong ngành công nghiệp khuôn mẫu, chế tạo các chi tiết có độ chính xác cao. So với gia công truyền thống thì gia công cao tốc có ưu điểm làm giảm thời gian gia công đến 90% và giảm chi phí gia công đến 50%.
Tốc độ bóc tách kim loại nhanh, lực cắt thấp, chất lượng bề mặt gia công tốt, gia công được vật liệu có độ cứng cao, chi tiết thành mỏng và không cần tưới nguội. Trong quá trình gia công cao tốc thì phoi di chuyển ra khỏi vùng cắt nhanh hơn làm giảm đáng kể nhiệt cắt vì trong cắt nhiệt sẽ truyền chủ yếu vào phoi. Ngày nay gia công cao tốc được ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp khuôn mẫu, công nghiệp ô tô, công nghiệp hàng không, công nghiệp nhẹ. Sự khác biệt của gia công cao tốc so với gia công truyền thống là gia công cao tốc có: vận tốc cắt cao, lượng chạy dao cao và năng suất gia công lớn.
Lợi ích của việc sử dụng mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn cho khả năng quan mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn (Finite element method- FEM) được sử dụng như một biện pháp thay thế cho quá trình thực nghiệm và dự báo một cách trực quan tại vùng cắt về các đặc trưng như: ứng suất, biến dạng và các trạng thái tiếp xúc khác nhau của dao– phoi, dao - chi tiết gia công. Những đặc trưng này chính là cơ sở để có thể dự báo chính xác một số các hiện tượng xảy ra như lực cắt, nhiệt cắt trong quá trình gia công cao tốc. Ngày nay với sự phát triển của công nghệ phần mềm dùng cho mô phỏng và sự ra đời của các siêu máy tính có cấu hình cao, dung lượng lớn là tiền đề cho các sản phẩm thương mại trong việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn vào mô phỏng. Từ những cơ sở khoa học trên nghiên cứu lựa chọn đề tài "Nghiên cứu mô phỏng và tối ưu hóa đa mục tiêu ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến quá trình phay cao tốc hợp kim nhôm A7075” 1 2.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu mô phỏng ảnh hưởng của chế độ cắt, góc của dao đến hệ số co rút phoi và lực cắt khi phay cao tốc hợp kim nhôm A7075. - Đánh giá ảnh hưởng của các thông số cắt đến hệ số co rút phoi, lực cắt và ứng suất khi mô phỏng. - Tối ưu hóa đa mục tiêu ảnh hưởng các thông số cắt đến quá trình phay cao tốc hợp kim nhôm A7075. - Thực nghiệm kiểm chứng bộ thông số tối ưu ảnh hưởng đến quá trình phay cao tốc hợp kim nhôm A7075.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn - Hợp kim nhôm A7075 - Gia công cao tốc +Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu cơ sở vật lý và động lực học quá trình phay cao tốc. - Nghiên cứu một số mô hình phá hủy vật liệu sử dụng trong mô phỏng quá trình phay cao tốc hợp kim nhôm A7075 theo phương pháp phần tử hữu hạn. - Mô phỏng quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A7075. - Thực nghiệm khảo sát đánh giá ảnh hưởng của độ nhám bề mặt khi phay cao tốc hợp kim nhôm A7075 4.
Phương pháp nghiên cứu Thực hiện phương pháp lý thuyết kết hợp với mô phỏng + Lý thuyết: Nghiên cứu cơ sở vật lý quá trình tạo phoi, hệ số co rút phoi, nghiên cứu động lực học quá trình phay cao tốc. Nghiên cứu các mô hình phá hủy dùng cho mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn quá trình phay cao tốc. + Thực nghiệm: Đánh giá độ nhám bề mặt khi gia công cao tốc và thấp tốc, lựa chọn được vùng gia công phù hợp khi mô phỏng + Mô phỏng: Mô phỏng quá trình tạo phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A7075 về hệ số co rút phoi, lực cắt sinh ra trong quá trình hình thành phoi. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài + Ý nghĩa khoa học - Đánh giá được mức độ biến dạng của phoi khi phay cao tốc hợp kim nhôm A7075 thông qua việc xác định sự biến đổi hệ số co rút phoi.
- Mô phỏng quá trình hình thành phoi, đánh giá được mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến yếu tố đầu ra như: Hệ số co rút phoi, lực cắt, độ nhám bề mặt chi tiết sau gia công khi phay cao tốc hợp kim nhôm A7075. + Ý nghĩa thực tiễn - Có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các nhà máy xí nghiệp, các cơ sở sản xuất và phòng nghiên cứu tham khảo về mức độ ảnh hưởng của các tham số cắt đến yếu tố đầu ra như: hệ số co rút phoi, lực cắt, độ nhám bề mặt chi tiết sau gia công khi phay cao tốc hợp kim nhôm A7075. - Dùng làm tài liệu tham khảo cho các cơ sở đào tạo về cách thức mô tả quá trình phay cao tốc khi sử dụng mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn. TỔNG QUAN CHUNG VỀ GIA CÔNG CAO TỐC HỢP KIM NHÔM 1.1 SỰ RA ĐỜI VÀ PHÁT TRIỂN CỦA GIA CÔNG CAO TỐC Quá trình gia công cao tốc (HSM) được nghiên cứu từ những năm 1920 và đến đầu năm 1931 tiến sĩ Carl J.Salomon [1], [2] là người đầu tiên đưa ra định nghĩa về gia công cao tốc: “Gia công cao tốc là gia công với tốc cắt nhanh hơn vận tốc cắt khi gia công truyền thống từ 5 đến 10 lần”.
Thông qua các thí nghiệm và nghiên cứu của mình Carl J.Salomon cho rằng tốc độ cắt càng tăng thì nhiệt cắt càng giảm. Từ các thực nghiệm gia công tốc độ cao cho nhôm, đồng, thép Carl J.Salomon đã chỉ ra được mối quan hệ giữa tốc độ cắt và nhiệt độ sinh ra trong quá trình cắt như trên Hình 1. Tác giả cho thấy ở tốc độ cắt cao thì quá trình bóc tách vật liệu nhanh hơn tuy nhiên chỉ nên tăng đến một một giới hạn nhất định của tốc độ cắt, vì việc tăng tốc độ cắt cũng tương ứng với việc dụng cụ cắt phải làm việc trong môi trường khốc liệt dẫn đến mài mòn dụng cụ cắt nhanh và tuổi bền giảm.E Merchant cùng với nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng tốc độ được cắt gia tăng là do sự phát triển vượt bậc của công nghệ vật liệu làm dụng cụ cắt và thống kê cho thấy từ năm 1900 cứ sau 10 năm thì tốc độ cắt tăng lên gấp 2 lần (Hình 1.1 Nhiệt phụ thuộc vào tốc độ cắt [4]. Đồng thời xu hướng tăng tốc độ cắt lại được xác nhận lần nữa vào năm 1960 và dự kiến sẽ tiếp tục tăng nữa trong tương lai.
Năm 1970 gia công cao tốc một lần 4 nữa được Lockheed công nhận với những lợi ích tiềm năng của nó [3]. Sau đó nghiên cứu về gia công cao tốc của Icks và Schulz cho rằng cắt gọt ở tốc độ cao còn phụ thuộc vào từng loại vật liệu gia công. Các nghiên cứu tiếp theo về gia công cao tốc đã xét tới các vấn đề liên quan đến thiết bị và điều kiện cụ thể cho từng loại vật liệu như sơ đồ cho trên Hình 1.3 Bên cạnh nghĩa của Carl J.Salomon thì gia công cao tốc cũng có thể được xác định là gia công với tốc độ quay trục chính cao, bước tiến lớn, gia công cho năng suất cao. Mặt khác cách hiểu này cũng mang tính chất tương đối do tốc độ trục chính và tốc độ dịch chuyển của bàn máy được coi là nhanh hoặc chậm là ứng với tùy loại vật liệu khác nhau.
Ngày nay gia công cao tốc tạm thời được cho là phương pháp cắt gọt sử dụng tốc độ trục chính cao và bước tiến lớn với lượng chạy dao ngang nhỏ và chiều sâu cắt nhỏ.3 Đặc điểm lịch sử gia công tốc độ cao [5]. Các định nghĩa trên chưa thể hiện hết bản chất của quá trình gia công cao tốc. Gia công cao tốc vẫn là tổng hòa của nhiều yếu tố công nghệ như máy móc, thiết bị, phần mềm lập trình và chế độ cắt để đạt hiệu quả gia công là cao nhất. Người ta so sánh gia công cao tốc với gia công truyền thống bằng các vùng tốc độ cắt tương ứng với loại vật liệu khác nhau thể hiện trên Hình 1.
Đối với gia công truyền thống thì gia công cao tốc có một số các ưu điểm sau: Tốc độ bóc tách kim loại nhanh, lực cắt thấp, chất lượng bề mặt gia công tốt, gia công được vật liệu có độ cứng cao, gia công được chi tiết thành mỏng và không cần tưới nguội, độ chính xác hình dạng cao, kết hợp được gia công thô và gia công tinh, không gây hư hại bề mặt và giảm thiểu bavia, năng suất gia công tăng. Tốc độ cắt cao làm tăng năng suất và chất lượng bề mặt chi tiết gia công, làm cho lực cắt, tuổi bền dụng cụ cắt giảm. Mặt khác khi tốc độ cắt tăng, phoi sẽ di chuyển khỏi vùng cắt nhanh làm giảm đáng kể nhiệt sinh ra trong quá trình cắt vì lượng lớn nhiệt là được truyền vào phoi. Gia công cao tốc cũng làm giảm thời gian và chi phí gia công.
6 a) Phương pháp gia công b) Vật liệu gia công Hình 1.4 Tốc độ cắt và vật liệu gia công của HSM với gia công truyền thống [6]. Kauppinen V [7], đã tiến hành thực nghiệm quá trình phay cao tốc cho các vật liệu khác nhau như thép, nhôm, chì, polymer-matrix … kết quả chỉ ra rằng hầu hết các vật liệu đều có thể cắt với tốc độ cao tuy nhiên cần lựa chọn thận trọng chế độ cắt, dụng cụ cắt và trục chính của máy phải được đảm bảo độ cân bằng động. Tuy nhiên gia công cao tốc cũng có những nhược điểm như: Chi phí ban đầu về thiết bị cao, chi phí cho mài mòn bảo dưỡng máy lớn các lập trình viên phải có trình độ cao, cần phải kiểm tra định kỳ thường xuyên để đảm bảo độ an toàn, gia công phải có quy trình gia công hợp lý, độ chính xác của phôi phải cao.