Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NHIỆT ĐỘ TẠI VÙNG CẮT KHI TIỆN CAO TỐC HỢP KIM TITAN BT6 BẰNG PHẦN MỀM DEFORM-3D RESEARCH ON TEMPERATURE DISTRIBUTION PROCESSES DURING HIGH SPEED TURNING TITAN ALLOYS BT6 ON DEFORM-3D TS Phạm Quốc Hoàng1a, TS Nguyễn Trường An1b, NCS Đặng Xuân Hiệp1c Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội, Việt Nam a b phqhoang@gmail.com, truonganomd@gmail.com, cdxhiep@gmail.com TÓM TẮT Bài báo nghiên cứu trình biến đổi nhiệt xảy dụng cụ cắt tiện cao tốc hợp kim Titan BT6 Quá trình tiện mô phần mềm DeForm-3D với thông số công nghệ vận tốc cắt, chiều sâu cắt, lượng chạy dao Đưa biểu đồ trình nhiệt dụng cụ cắt gia công Khuyến nghị vùng tốc độ cắt hợp lý gia công hợp kim Titan BT6 Từ khóa: Titan, hợp kim Titan BT6, tiện cao tốc, gia công cao tốc, nhiệt độ cắt, sơ đồ Solomon ABSTRACT This article presents the temperature distribution occurring on cutting tool during high speed turning Titan alloys BT6 Turning process is simulated on DeForm-3D with machining parameters: cutting speed, depth of cutting, feed rate Present the diagram of temperature processing on cutting tool Recommend the right cutting speed region when machining Titan alloy BT6 Keywords: Titan, Titan alloy BT6, high speed turning, high speed machining, cutting temperature, diagram Solomon ĐẶT VẤN ĐỀ Titan hợp kim ứng dụng nhiều ngành công nghiệp đòi hỏi yêu cầu bền nhiệt bền mòn cao Do tỷ trọng thấp, độ bền cao, Titan ứng dụng ngày nhiều công nghiệp quốc phòng, đặc biệt ngành kỹ thuật hàng không, chế tạo vũ khí Trong số hợp kim Titan, BT5 BT6 dùng phổ biến, chúngcó thể làm việc ổn định nhiệt độ 400oC, thời gian ngắn 750oC [1] Tuy nhiên gia công hợp kim Titan gặp số khó khăn như: tượng “trào” phoi nhiệt độ cao gây bám dính dao, làm giảm tuổi thọ dao; lớp biến cứng bề mặt làm giảm tuổi thọ dao cắt giảm suất; bụi phoi dễ dẫn đến tượng tự cháy,… Để khắc phục khó khăn này, số giải pháp đại nghiên cứu áp dụng: gia công cao tốc, sử dụng dung dịch trơn nguội đặc biệt, gia công siêu hàn [2] Trong đó, phương pháp gia công cao tốc thường áp dụng có số ưu điểm vượt trội so với phương pháp gia công truyền thống, hạn chế phần khó khăn trên: tăng suất gia công, tăng tuổi thọ dao cắt, giảm ứng suất bề mặt chi tiết Hiện với máy móc đại, gia công đạt vận tốc cắt cực lớn (6000m/phút) Các nghiên cứu cho thấy, với vận tốc cắt đủ lớn nhiệt độ cắt giảm, tạo điều kiện tăng tuổi bền dụng cụ [4] Với loại vật liệu có dải vận tốc tới hạn khác nhau, nhiệt độ cắt khác Rất nhiều chi tiết chế tạo từ Titan sử dụng công nghiệp quốc phòng có dạng tròn xoay: ổ trục, cánh quạt, van động cơ, nòng súng, chi tiết tên lửa… Do việc nghiên cứu gia công cao tốc hợp kim Titan toán thiết thực 31 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Gia công cao tốc hợp kim Titan Gia công cao tốc định nghĩa gia công tốc độ cắt đạt 5-10 lần tốc độ cắt truyền thống Tùy theo loại vật liệu mà dải (vùng) tốc độ gia công cao tốc khác (hình 1) Đối với Titan, vùng gia công cao tốc đưa khoảng: 110-1000 m/phút Hình Tốc độ cắt gia công cao tốc Một ưu rõ ràng áp dụng gia công cao tốc tăng suất gia công Mục đích nghiên cứu báo tìm vùng tốc độ cắt mà nhiệt độ vùng cắt thấp, đảm bảo tiêu chí tăng tuổi thọ dụng cụ cắt 2.2 Ảnh hưởng nhiệt cắt đến trình gia công Để nâng cao suất gia công cần tăng tốc độ cắt, lý thuyết cắt thông thường rằng, tốc độ cắt tăng, nhiệt sinh vùng cắt tăng Nhiệt độ làm dao cắt không giữ độ cứng giảm tuổi bền rõ rệt Tuy nhiên, vận tốc cắt đạt đến ngưỡng định ứng với gia công cao tốc, nhiệt độ vùng cắt không tiếp tục tăng mà có xu hướng giảm xuống, lúc nhiệt sinh truyền vào dao giảm, phần lớn lượng nhiệt truyền vào phoi (90%) [5] Đường cong Solomon vùng gia công cao tốc, với tốc độ cắt đủ lớn, lực cắt giảm [3] Những đặc tính này, cho phép nâng cao suất tăng chất lượng bề mặt gia công Hình Ảnh hưởng vận tốc cắt đến nhiệt độ cắt Hợp kim Titan nói chung BT6 nói riêng đắt tiền chưa chế tạo nước, nên điều kiện để làm thực nghiệm gặp khó khăn Bài báo sử dụng phần mềm Deform3D, tiến hành mô số thực nghiệm, phương pháp giảm thời gian nghiên cứu xác định gần xác vùng thực nghiệm hợp lý MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TIỆN CAO TỐC TRÊN PHẦN MỀM DEFORM-3D Hợp kim Titan BT6 có thành phần hóa học tính bảng BT6 Bảng Thành phần tính hợp kim Titan BT6 a k =0.3N.m/cm2 Ti-6Al-4V σ = 950-1100N/mm2 δ= 10-13% ψ =25-60% 32 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Dao cắt: Mảnh dao hợp kim cứng, ký hiệu TNMA332:với góc nghiêng φ=450, góc trước γ= 150, góc sau α= 50 Mô hình phần tử hữu hạn xây dựng hình với phần gia công rút gọn tượng trưng: đường kính phôi: D=30mm; nhiệt độ môi trường: 200C Lưới phần tử hữu hạn chia tập trung phần đầu mũi dao phần phôi gia công; lưới chia với kích thước lớn 0,25*s = 0,75mm Hình Mô hình phần tử hữu hạn dao phôi Từ mục đích yêu cầu đặt ra, sử dụng lý thuyết quy hoạch thực nghiệm để tính toán số lượng thí nghiệm số mẫu cần thiết cho chế độ cắt Theo nghiên cứu gia công cao tốc hợp kim Titan [1,3], lựa chọn dải thực nghiệm sau:vận tốc cắt V c = 100-500m/min; chiều sâu cắt t = 0,3–1,5mm; lượng chạy dao s=0,1–0,3mm/vòng Lấy nhiệt độ đầu mũi dao làm hàm mục tiêu xác định chế độ gia công Theo lý thuyết quy hoạch trực giao cấp hai, ta có dạng phương trình hồi quy là: y= b0 + ∑ bi xi + ∑ bik xi xk + ∑ bii xi2 i= i ,k = 1;i ≠ k (1) i= Các tham số đặc trưng quy hoạch trực giao cấp hai cho trường hợp ba biến, ta có thí nghiệm bản, thí nghiệm tâm thí nghiệm mở rộng Xây dựng khoảng biến thiên biến không gian mở rộng bảng TT 10 11 12 13 14 15 x1 + + + + +ω -ω 0 0 Bảng Ma trận thực nghiệm x2 x3 v 500 + 500 + 500 + + 500 + 100 + + 100 100 + 100 0 300 0 542 0 58 +ω 300 -ω 300 +ω 300 -ω 300 33 t 0.3 1.5 0.3 1.5 0.3 1.5 0.3 1.5 0.9 0.9 0.9 1.63 0.17 0.9 0.9 s 0.1 0.1 0.3 0.3 0.3 0.3 0.1 0.1 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.32 0.08 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Tiến hành mô phần mềm Deform-3D theo vùng biến thiên bảng 1, ta thu kết nhiệt độ đầu mũi dao hình Hình 5a cho thấy trình nhiệt mô hình lưới dao – phôi; hình 5b đưa kết trình nhiệt đầu dao, nhiệt độ đỉnh dao đo 2210C a) dao phôi b) dao Hình Nhiệt độ vùng cắt V c =300m/min: Mỗi tham số công nghệ (v,t,s) bảng tiến hành mô với điều kiện (nhiệt độ, chia lưới phần tử hữu hạn, vật liệu,…) thu kết nhiệt mũi dao bảng Bảng Nhiệt độ đầu mũi dao № T(0C) 352 345 361 348 138 № 10 11 12 T(0C) 372 154 321 328 129 187 207 13 14 15 330 341 324 Từ kết mô phỏng, thu hệ số phương trình (1): b0 b1 b2 b3 b 12 b 13 b 23 b 11 b 22 b 33 306.6 9.2 -1.6 -11.7 -3.8 17.4 -4.4 -57.9 -16.4 -0.9 Thay hệ số vào biểu thức (1) ta có phương trình hồi quy sau: y = 306.6 + 9.2 x1 − 1.6 x2 − 11.7 x3 − 3.8 x1 x2 + 17.4 x1 x3 − 4.4 x2 x3 − 57.9 x12 − 16.4 x22 − 0.9 x32 (2) Khảo sát phương trình (2) ta thấy giá trị nhiệt độ cắt dao y phụ thuộc vào x – chiều sâu cắt x – lượng chạy dao mà phụ thuộc chủ yếu vào x – vận tốc cắt Điều phù hợp với nghiên cứu lý thuyết gia công cao tốc trước Hình miêu tả thay đổi nhiệt độ dao phụ thuộc vào vận tốc cắt, với chiều sâu cắt t = 0,3mm ứng với s = 0,1mm/vòng, s = 0,2mm/vòng, s = 0,3mm/vòng 34 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Nhiệt độ mũi dao theo vận tốc cắt Vc Biểu đồ nhiệt độ mũi dao cho thấy, vùng gia công cao tốc, vận tốc cắt nằm khoảng 100m/phút -300m/phút nhiệt độ đầu dao nhỏ 2500C, nhiệt độ dao cắt có gắn mảnh hợp kim cứng TNMA332 giữ độ cứng đạt tuổi bền KẾT LUẬN Gia công cao tốc, có tiện cao tốc, phương pháp nâng cao suất chất lượng gia công hợp kim Titan Việc mô trình gia công phần mềm Deform-3D rút ngắn trình nghiên cứu hợp kim Titan BT6 Khuyến nghị vùng gia công hợp kim Titan BT6 mũi dao TNMA332 khoảng 100300m/phút, đảm bảo suất gia công, chất lượng sản phẩm tuổi bền dụng cụ cắt TÀILIỆUTHAMKHẢO [1] КривоуховВ.А., ЧубаровА.Д Обработкарезаниемтитановыхсплавов «Машиностроение», 1970г., стр 23-84 – [2] Фам Куок Хоанг, Данг Суан Хиеп.Современные методы механической обработки титановых сплавов [3] Handbook of High-speed Machining Technology Robert I King – Chapman and Hall, New York, 1985 PP 3-47 [4] Kitagawa T., Kubo A., Maekawa K Temperature and wear of cutting tools in high-speed machining of Inconel 718 and Ti-6Al-6V-2Sn – Elsevier Science, 1997, pp 142-148 [5] Sutter G., List G Very high speed cutting of Ti-6Al-4V titanium alloy – change in morphology and mechanism of chip formation, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2013, Vol 66, p 37-43 THÔNG TIN TÁC GIẢ TS Phạm Quốc Hoàng Học viện Kỹ thuật quân Email: phqhoang@gmail.com, 0984775668 TS Nguyễn Trường An Học viện Kỹ thuật quân Email: truonganomd@gmail.com, 0975280976 NCS Đặng Xuân Hiệp Học viện Kỹ thuật quân Email: dxhiep@gmail.com, 01688565223 35 ... cao tốc hợp kim Titan Gia công cao tốc định nghĩa gia công tốc độ cắt đạt 5-10 lần tốc độ cắt truyền thống Tùy theo loại vật liệu mà dải (vùng) tốc độ gia công cao tốc khác (hình 1) Đối với Titan, ... dụng phần mềm Deform3 D, tiến hành mô số thực nghiệm, phương pháp giảm thời gian nghiên cứu xác định gần xác vùng thực nghiệm hợp lý MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TIỆN CAO TỐC TRÊN PHẦN MỀM DEFORM- 3D Hợp kim. .. Titan, vùng gia công cao tốc đưa khoảng: 110-1000 m/phút Hình Tốc độ cắt gia công cao tốc Một ưu rõ ràng áp dụng gia công cao tốc tăng suất gia công Mục đích nghiên cứu báo tìm vùng tốc độ cắt mà nhiệt