Luận văn: So sánh thông số hình học phôi khi cắt hợp kim Ti-6Al-4V và mô phỏng

Luận văn phân tích chi tiết các thông số hình học của phôi khi cắt hợp kim Ti-6Al-4V, so sánh kết quả thực nghiệm với mô phỏng phần tử hữu hạn.

• Tác giả: Phạm Hữu Nguyên
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Kiên Trung
• Trường học: Học viện [Tên học viện không rõ ràng trong tài liệu]
• Chuyên ngành: Chế Tạo Máy
• Đề tài: Phân Tích Phôi Cắt Hợp Kim Ti-6Al-4V: Thực Tế & Mô Phỏng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: [Không xác định trong tài liệu]

Tóm tắt

I. Đặc điểm vật liệu hợp kim Ti 6Al 4V và quá trình cắt

Hợp kim Ti-6Al-4V là một trong những vật liệu tiên tiến được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hàng không vũ trụ, ô tô và các ứng dụng công nghiệp khác. Vật liệu này sở hữu những đặc tính vượt trội như độ bền cao, khả năng chịu nhiệt xuất sắc và tỷ số bền-trọng lượng tối ưu. Tuy nhiên, quá trình cắt vật liệu hợp kim titan gặp phải những thách thức đáng kể do độ dẻo cao và độ dẫn nhiệt thấp của vật liệu. Những đặc điểm này dẫn đến sự hình thành phôi cắt đặc biệt, đặc biệt là phôi răng cưa, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bề mặt gia công và tuổi thọ dụng cụ cắt.

1.1. Cơ cấu tế vi và sự chuyển pha của hợp kim Ti 6Al 4V

Cấu trúc tế vi của Ti-6Al-4V bao gồm hai pha chính: pha alpha (α) và pha beta (β). Pha alpha có cấu trúc lục giác đóng gói, trong khi pha beta có cấu trúc khối tâm. Sự chuyển pha xảy ra tại nhiệt độ khoảng 883°C. Bốn dạng cấu trúc tế vi chính (Bet, Elo, MI, Sta) được sử dụng trong nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng rõ rệt đến đặc trưng hình học phôi khi cắt.

1.2. Các ứng dụng công nghiệp của hợp kim titan

Hợp kim Ti-6Al-4V được ứng dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ cho các bộ phận máy bay, trong công nghiệp đóng tàu, ô tô, thể thao, và sản xuất đồ trang sức. Yêu cầu gia công chính xác và chất lượng cao đòi hỏi hiểu rõ về quá trình hình thành phôi cắt và các yếu tố ảnh hưởng.

II. Quá trình hình thành và phân loại phôi cắt

Phôi cắt là những mảnh vật liệu tách ra khỏi khối nguyên liệu trong quá trình gia công cắt. Sự hình thành phôi phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chế độ cắt, tổ chức tế vi vật liệu và hình dạng dụng cụ cắt. Phôi răng cưa là dạng phôi tiêu biểu khi cắt hợp kim titan, có đặc điểm là hình dạng không đều với các đỉnh (peak) và đáy (valley) rõ rệt. Quá trình hình thành phôi gắn liền với sự phân bố nhiệt trong vùng cắt, đặc biệt là các vị trí trượt trên mặt dao (shear band) nơi tập trung cơ học và nhiệt lượng lớn nhất.

2.1. Phân loại các dạng phôi cắt

Phôi dây (continuous chip) hình thành từ vật liệu dẻo, phôi xếp (built-up edge) và phôi răng cưa (serrated chip) là những dạng phôi chính. Phôi răng cưa đặc trưng cho cắt hợp kim titanium với các thông số hình học như độ sâu răng cưa, khoảng cách giữa các đỉnh và bề dày phôi.

2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng hình học phôi

Vật liệu và dụng cụ cắt ảnh hưởng trực tiếp đến hình dạng phôi. Chế độ cắt (tốc độ cắt, tiến dao, độ sâu cắt) và thông số hình dạng dao (góc sắc, góc hỗ trợ) là những yếu tố quyết định. Nhiệt độ trong vùng cắt và tổ chức tế vi cũng đóng vai trò quan trọng.

III. Phương pháp xác định thông số hình học phôi răng cưa

Phương pháp xác định thông số hình học phôi kết hợp giữa thực nghiệm thực tế và mô phỏng số học (FEM). Trong quá trình cắt thực nghiệm, phôi được thu thập, đo đạc bằng kính hiển vi điện tử để xác định các thông số đặc trưng. Mô phỏng phân tử hữu hạn được sử dụng để dự báo hình dạng phôi dựa trên điều kiện cắt và tính chất vật liệu. Phần mềm Matlab và Sigma Plot được dùng để xử lý dữ liệu và biểu diễn kết quả. So sánh giữa kết quả thực tế và mô phỏng số giúp xác thực các mô hình lý thuyết và cải thiện độ chính xác dự báo.

3.1. Các thông số đặc trưng của phôi răng cưa

Đỉnh (peak) phôi được xác định bởi chiều cao, khoảng cách giữa các đỉnh liên tiếp. Đáy (valley) có độ sâu riêng biệt. Bề mặt trượt (shear band) là nơi biến dạng tập trung. Các thông số này phản ánh chất lượng gia công và hiệu suất quá trình cắt.

3.2. So sánh kết quả thực tế và mô phỏng số

Kết quả cho thấy hình dạng phôi tốc độ cắt 61 m/min trong thực tế tương tự mô phỏng 60 m/min. Ở tốc độ cao 122 m/min, phôi thực tế tương đương với mô phỏng 180 m/min, chứng tỏ ảnh hưởng của tổ chức tế vi đến hành vi cắt vật liệu.

IV. Ảnh hưởng của tổ chức tế vi và chế độ cắt đến hình dạng phôi

Nghiên cứu khảo sát cho thấy tổ chức tế vi và chế độ cắt là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến đặc trưng hình học phôi răng cưa. Mỗi loại cấu trúc tế vi (Bet, Elo, MI, Sta) cho ra những kết quả khác nhau về độ sâu răng cưa và khoảng cách đỉnh-đáy. Tốc độ cắt cao có xu hướng làm giảm kích thước phôi do tác động của nhiệt độ và tốc độ biến dạng. Tiến dao cũng ảnh hưởng đáng kể đến hình dạng phôi. Những phát hiện này cung cấp cơ sở khoa học để tối ưu hóa quá trình cắt, giảm chấn động máy tool và cải thiện chất lượng bề mặt gia công.

4.1. Ảnh hưởng của tổ chức tế vi đến thông số phôi

Bốn cấu trúc tế vi được khảo sát cho thấy tổ chức pha alpha-beta ảnh hưởng mạnh đến độ dẻo và độ cứng của vật liệu. Cấu trúc Bet tạo ra phôi có đỉnh sắc nhọn, trong khi cấu trúc Elo cho hình dạng mềm hơn. Kết quả cho thấy tối ưu hóa cấu trúc tế vi có thể giảm năng lượng cắt và cải thiện độ bền dao.

4.2. Ảnh hưởng của chế độ cắt đến hình dạng phôi

Tốc độ cắt từ 60-180 m/min cho thấy sự biến đổi rõ rệt trong hình dạng phôi. Tiến dao từ 0.1-0.2 mm/rev ảnh hưởng đến kích thước phôi. Độ sâu cắt ổn định hơn. Tối ưu chế độ cắt giúp đạt hiệu suất gia công tối đa với chất lượng bề mặt cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I: Giới thiệu tổng quan Chương 2: Nghiên cứu về đặc trưng của quá trình cắt hợp kim Titan Chương 3: Nghiên cửu các thông số hình học đặc trưng của quá trình tiện hợp kim Titan và so sánh với quá trình cắt mô phỏng 1.5 Lời cảm ơn Em xin chân thành cảm ơn thầy TS. Nguyễn Kiên Trung đã hướng dẫn em hoàn thành đề tài này —— NS Học viên: Phạm Hữu Nguyên SHSV: CB160188 Lớp: 16BCTM Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Kiên Trung Page 2 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy~ CN Chế tạo máy LỜI NÓI ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, hợp kim Titan đang nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và các công ty ứng dụng vào sản xuất. Với các đặc tính cơ học và khả năng chống ăn mòn cao mà hợp kim Titan được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, ngành công nghiệp ô tô, công nghiệp thực phẩm, đặc biệt là trong cơ y sinh.

Trong các loại hợp kim Titan thì, hợp kim Ti-6AL4V là loại hợp kim được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp cũng như sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng. Mặc dù có những đặc tính cơ học, độ bền, cùng với khối lượng riêng thấp và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời nhưng gia công hợp kim Ti-6Al-4V không giống với quá trình gia công của bất kỳ vật liệu thông thường nảo. Quá trình công hợp kim Ti-6AI-4V tại nước ta hiện nay hầu như là không có. Do đó nghiên cứu quá trình gia công Titan hiên nay là cần thiết.

Nghiên cứu hình dạng phoi là một trong những hướng nghiên cứu trong nghiên cứu đó. Xuất phát từ tầm quan trọng trên, tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu các thông số hình học của phoi trong quá trình cắt vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V và so sảnh với hình dang trong quá trình cắt mô phỏng sử dụng phần tử hữu hạn". Đối tượng được sử dụng để nghiên cứu là hình ảnh của phoi thu được khi cắt hợp kim TI-6AI-4V.2 Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu các thông số hình học của phoi trong quá trình cắt vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V ở bốn tổ chức tế vi khác nhau vả ba tốc đô cắt khác nhau; so sánh hình dạng của phoi thu được trong thực nghiệm và trong quá trình cắt mô phỏng sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn. Học viên: Phạm Hữu Nguyên SHSV: CB160188 Lớp: 16BCTM Giáo viên hướng dẫn: TS.

Nguyễn Kiên Trung Page 1 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy ~ CN Chế tạo máy DANH SÁCH CAC BANG BIEU Bảng 2. Các thông số đặc trưng cho ba loại vật liệu phổ biến trong máy bay 23 —— NS Hoc vién: Pham Hitu Nguyén SHSV: CB160188 Lớp: 16BCTM Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Kiên Trung Page vii Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy ~ CN Chế tạo máy Hình 3. Hình ảnh và các thông số bề mặt trượt phoi răng cưa của phoi với tổ chức tế vi dạng Bet.

Hinh anh va cac thông số bề mặt trượtot phoi rãrăng cưa của phoi với tổ chức tế vi đạng Eilo. Hinh anh va cac thong số si bai mặt trượtot phoi rãrăng cưa củalà phối: với tổ chức tế vi dạng MIII. h148788ED sou 59, Hinh 3. Hinh anh va cac thông sốs ba mặt trượtgt phơi: răng cưa củaia phoi với tổ chức tế vi dạng Sa.

Hình ảnh và các thông sốố đỉnh phoi răng cưa của phoi ở tốc độ cắt thấp 61 m/min. ion OL Hinh 3. Hinh anh va cac c thông : số§ dinh An Tăng cưa của phối ở tốcc độ cắt trung bình 91 m/min. Hình ảnh và các thông số đỉnh phoi răng cưa củala phoi ở tốcc độ cắt cao 122 m/min.28, Hình ảnh và cácc thông sốs day = răng cưa của uphold ở tốc độ cắt thấp 6] m/min.

Hinh anh va cac ác thông số ¡đây ‘phoi răng cưa của phot ở tốc c độ cắt trung bình 91 m/min. Hình ảnh và các thông. số đáy phoi răng cưa của phoi ởở tốc độ cắt cao 122 mmin + 66 Hinh 3. Hinh anh va cac thong :số bềi mặt trượt phoi răng cưa của phoi'd ở tốc độ cắt thấp 61 m/min.

Hình ảnh và cácthông ssố bề mặt trượt nil ing cưa của pol ở tốc độ cắt trung bình 9] m/min. Hình ảnh và các thông số bề mặt trượt rr Tăng cưa củañs phơi ởÉ tốc độ cắt cao 122 m/min.34 ely anh phoi trig mé thẳng bing haere phap phan t tử hữu hạn FEM từ một số nghiên cứu. So sánh các thông số hình học phơi: fom qua tình cắtthực nghiệm ởở tốc độ cắt 61 m/min và quá trình mô phỏngở tốc độ cắt 60 m/min. Hình ảnh biểu đồ so sánh các thông số hình học phoi trong quá trình cắt thực nghiệm ở tốc độ cắt 180 m/min và quá trình mô phỏng ở tốc độ cắt 122 Học viên: Phạm Hữu Nguyên SHSV: CB160188 Lớp: 16BCTM Giáo viên hướng dẫn: TS.

Nguyễn Kiên Trung Page vi Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy~ CN Chế tạo máy LỜI NÓI ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, hợp kim Titan đang nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và các công ty ứng dụng vào sản xuất. Với các đặc tính cơ học và khả năng chống ăn mòn cao mà hợp kim Titan được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, ngành công nghiệp ô tô, công nghiệp thực phẩm, đặc biệt là trong cơ y sinh. Trong các loại hợp kim Titan thì, hợp kim Ti-6AL4V là loại hợp kim được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp cũng như sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng. Mặc dù có những đặc tính cơ học, độ bền, cùng với khối lượng riêng thấp và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời nhưng gia công hợp kim Ti-6Al-4V không giống với quá trình gia công của bất kỳ vật liệu thông thường nảo.

Quá trình công hợp kim Ti-6AI-4V tại nước ta hiện nay hầu như là không có. Do đó nghiên cứu quá trình gia công Titan hiên nay là cần thiết. Nghiên cứu hình dạng phoi là một trong những hướng nghiên cứu trong nghiên cứu đó. Xuất phát từ tầm quan trọng trên, tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu các thông số hình học của phoi trong quá trình cắt vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V và so sảnh với hình dang trong quá trình cắt mô phỏng sử dụng phần tử hữu hạn".

Đối tượng được sử dụng để nghiên cứu là hình ảnh của phoi thu được khi cắt hợp kim TI-6AI-4V.2 Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu các thông số hình học của phoi trong quá trình cắt vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V ở bốn tổ chức tế vi khác nhau vả ba tốc đô cắt khác nhau; so sánh hình dạng của phoi thu được trong thực nghiệm và trong quá trình cắt mô phỏng sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn. Học viên: Phạm Hữu Nguyên SHSV: CB160188 Lớp: 16BCTM Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Kiên Trung Page 1 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy ~ CN Chế tạo máy LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là: Phạm Hữu Nguyên học viên cao học lớp 16BCTM. Chuyên ngành: Chế tạo máy ~ CN Chế tạo máy Đề tài: Nghiên cứu các thông số hình học của phoi trong quá trình cắt vật liệu hop kim Ti-6AI-4V va so sánh với hình dạng trong quá trình cắt mô phỏng sử dụng phần tử hữu hạn Giáo viên hướng dẫn: TS.

Nguyễn Kiên Trung. Tôi xin cam đoan các nghiên cứu trong luân văn này là do chính tác giả thực hiện —— NS Hoc vién: Pham Hitu Nguyén SHSV: CB160188 Lớp: 16BCTM Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Kiên Trung Page viii Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy ~ CN Chế tạo máy LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là: Phạm Hữu Nguyên học viên cao học lớp 16BCTM. Chuyên ngành: Chế tạo máy ~ CN Chế tạo máy Đề tài: Nghiên cứu các thông số hình học của phoi trong quá trình cắt vật liệu hop kim Ti-6AI-4V va so sánh với hình dạng trong quá trình cắt mô phỏng sử dụng phần tử hữu hạn Giáo viên hướng dẫn: TS.

Nguyễn Kiên Trung. Tôi xin cam đoan các nghiên cứu trong luân văn này là do chính tác giả thực hiện —— NS Hoc vién: Pham Hitu Nguyén SHSV: CB160188 Lớp: 16BCTM Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Kiên Trung Page viii Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy ~ CN Chế tạo máy Hình 3. Hình ảnh và các thông số bề mặt trượt phoi răng cưa của phoi với tổ chức tế vi dạng Bet.

Hinh anh va cac thông số bề mặt trượtot phoi rãrăng cưa của phoi với tổ chức tế vi đạng Eilo. Hinh anh va cac thong số si bai mặt trượtot phoi rãrăng cưa củalà phối: với tổ chức tế vi dạng MIII. h148788ED sou 59, Hinh 3. Hinh anh va cac thông sốs ba mặt trượtgt phơi: răng cưa củaia phoi với tổ chức tế vi dạng Sa.

Hình ảnh và các thông sốố đỉnh phoi răng cưa của phoi ở tốc độ cắt thấp 61 m/min. ion OL Hinh 3. Hinh anh va cac c thông : số§ dinh An Tăng cưa của phối ở tốcc độ cắt trung bình 91 m/min. Hình ảnh và các thông số đỉnh phoi răng cưa củala phoi ở tốcc độ cắt cao 122 m/min.28, Hình ảnh và cácc thông sốs day = răng cưa của uphold ở tốc độ cắt thấp 6] m/min.

Hinh anh va cac ác thông số ¡đây ‘phoi răng cưa của phot ở tốc c độ cắt trung bình 91 m/min. Hình ảnh và các thông. số đáy phoi răng cưa của phoi ởở tốc độ cắt cao 122 mmin + 66 Hinh 3. Hinh anh va cac thong :số bềi mặt trượt phoi răng cưa của phoi'd ở tốc độ cắt thấp 61 m/min.

Hình ảnh và cácthông ssố bề mặt trượt nil ing cưa của pol ở tốc độ cắt trung bình 9] m/min. Hình ảnh và các thông số bề mặt trượt rr Tăng cưa củañs phơi ởÉ tốc độ cắt cao 122 m/min.34 ely anh phoi trig mé thẳng bing haere phap phan t tử hữu hạn FEM từ một số nghiên cứu. So sánh các thông số hình học phơi: fom qua tình cắtthực nghiệm ởở tốc độ cắt 61 m/min và quá trình mô phỏngở tốc độ cắt 60 m/min. Hình ảnh biểu đồ so sánh các thông số hình học phoi trong quá trình cắt thực nghiệm ở tốc độ cắt 180 m/min và quá trình mô phỏng ở tốc độ cắt 122 Học viên: Phạm Hữu Nguyên SHSV: CB160188 Lớp: 16BCTM Giáo viên hướng dẫn: TS.

Nguyễn Kiên Trung Page vi Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Chế tạo máy ~ CN Chế tạo máy DANH SÁCH CAC BANG BIEU Bảng 2.