Nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi tốc độ cắt đến tuổi thọ dụng cụ khi tiện hợp kim Ti-6Al-4V - Nguyễn Văn Toàn

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 40, 12 - 2015 151 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ THAY ĐỔI TỐC ĐỘ CẮT ĐẾN TUỔI THỌ DỤNG CỤ KHI TIỆN HỢP KIM Ti-6Al-4V Nguyễn Văn Toàn1*, Nguyễn Bùi Hiền2 Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu sự ảnh hưởng của tham số công nghệ vận tốc cắt (Vc) đến tuổi thọ dụng cụ khi tiện hợp kim Ti-6Al-4V bằng phương pháp thực nghiệm. Dựa trên chỉ tiêu độ nhám bề mặt chi tiết gia công(Ra) để đánh giá ảnh hưởng của sự thay đổi vận tốc cắt (Vc) đến tuổi thọ dụng cu cacbit phủ TiN. Kết quả thực nghiệm cho thấy khi tăng tốc độ cắt tại một lượng tiến dao (f) và chiều sâu cắt (t) không đổi thì tuổi thọ dụng cụ giảm rất nhanh. Từ khóa: Hợp kim Ti-6Al-4V, Tham số công nghệ, Tuổi thọ dụng cụ. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Dụng cụ cắt chịu ứng suất cục bộ cao, nhiệt độ sinh ra trong quá trình gia công lớn, phoi thoát ra trượt trên bề mặt dụng cụ gây ra sự mài mòn. Do đó, làm giảm tuổi thọ dụng cụ và chất lượng bề mặt gia công. Việc nghiên cứu một số tiêu chí đánh giá tuổi thọ dụng cụ để có thể quyết định thời điểm thay thế trong quá trình gia công là rất cần thiết. Có một số cách tiếp cận khác nhau để đánh giá tuổi thọ dụng cụ: một là bằng cách đo độ nhám bề mặt chi tiết gia công; hai là bằng cách đo độ mòn dụng cụ. Trong các phương pháp trên, tuổi thọ dụng cụ được xác đinh khi mức độ đo độ nhám bề mặt của chi tiết gia công hoặc mức độ mài mòn dụng cụ vượt quá ngưỡng giới hạn. Tốc độ cắt (Vc) được xem như một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tuổi thọ dụng cụ. Tuổi thọ dụng cụ thay đổi đáng kể theo sự thay đổi của tốc độ cắt. Do đó, bài báo đã tập trung nghiên cứu sự ảnh hưởng của tốc độ cắt đến tuổi thọ của dụng cụ carbide phủ TiN để có thể giúp cho việc đưa ra quyết định thời điểm thay thế dụng cụ trong quá trình gia công phù hợp. Hợp kim Titan được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp ôtô, hàng không, y tế, quân sự, do chúng có các tính chất vượt trội như độ bền riêng cao, đặc tính chống nứt và khả năng chống ăn mòn đặc biệt [1]. Khả năng gia công của hợp kim titan bị hạn chế vì một số tính chất khác thường vốn có của chúng; như có thể duy trì độ bền ở nhiệt độ rất cao, dễ dàng xảy ra phản ứng hóa học với hầu hết các loại vật liệu dụng cụ ở nhiệt độ cao, độ dẫn nhiệt thấp và mô đun đàn hồi thấp[2, 3]. Vấn đề về tuổi thọ dụng cụ khi gia công hợp kim Ti-6Al-4V đã có nhiều nghiên cứu quan trọng như; nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số công nghệ dưới điều kiên khô đến tuổi thọ dụng cụ; gia công cao tốc; gia công sử dụng dung dịch làm mát như 2co và nitrogen lỏngCác nghiên cứu này đều tập trung giải quyết bài toán về tuổi thọ dụng cụ và chất lượng bề mặt khi gia công hợp kim titan [4-7]. Tuy nhiên, việc đánh giá tuổi thọ của dụng cụ trong các nghiên cứu trên chủ yếu dựa vào phương pháp đo lượng mòn dụng cụ. Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng phương pháp đánh giá tuổi thọ dụng cụ thông qua đo độ nhám bề mặt chi tiết. 2. THÍ NGHIỆM 2.1. Thiết bị và vật liệu thí nghiệm 2.1.1. Thiết bị thí nghiệm Thí nghiệm được thực hiện trên máy tiện T616 tại phòng thí nghiệm Chế tạo máy- Bộ môn Chế tạo máy – Khoa Cơ khí – HVKTQS như hình 1 thể hiện. Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực N.V. Toàn, N.Bùi. Hiền, “Nghiên cứu ảnh hưởng khi tiện hợp kim Ti-6Al-4V.” 152 Hình 1.Tiện hợp kim Ti-6Al-4V trên máy tiệnT616. Dụng cụ cắt: Thí nghiệm sử dụng mảnh dụng cụ được chọn theo tiêu chuẩn ISO, như hình 2 thể hiện. Dụng cụ cắt gồm 2 phần: thân dao và đầu dao. Thân dao làm từ thép cacbon dụng cụ CD70, đầu dao là mảnh hợp kim cứng 1 carbide phủ TiN. (a) (b) Hình 2. Dụng cụ cắt; (a) Thân dao; (b) Mảnh hợp kim. Thiết bị đo: Sử dụng máy đo độ nhám TR200.  Vị trí đo: đầu dò đặt tại vị trí gia công trên bề mặt mẫu, dịch chuyển đầu dò dọc theo đường sinh song song trục tâm chi tiết gia công;  Mỗi vị trí đo 3 lần, lấy giá trị trung bình của ba lần đo;  Các vị trí đo khác nhau bằng cách xoay chi tiết đi một góc. 2.1.2 Vật liệu thí nghiệm Vật liệu thí nghiệm sử dụng hợp kimTi–6Al–4V dạng thanh, có chiều dài 150mm, đường kính 30mm, thành phần vật liệu như thể hiện trong bảng 1, các đặc điểm về cơ tính như thể hiện trong bảng 2. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 40, 12 - 2015 153 Bảng 1. Thành phần các nguyên tố hóa học trong hợp kim Ti–6Al–4V. Nguyên tố C Fe N Al V H Ti % khối lượng 0,05 0,09 0,01 6,15 4,4 0,005 Cân bằng Bảng 2. Đặc điểm về cơ tính của hợp kim Ti–6Al–4V. Tỷ trọng (g/cm3) Độ cứng (HB) Modun đàn hồi (GPa) Độ bền (Mpa) Độ dẫn nhiệt (W/mK) 4,43 340 114 950 7,56 2.2. Phương pháp thí nghiệm Mẫu hợp kimTi-6Al-4V được gia công trên máy tiện T616 với sự thay đổi tốc độ cắt (Vc). tốc độ tiến dao (f = 0,1mm/răng) và chiều sâu cắt (t = 0,5mm) được giữ cố định. Các tốc độ cắt trong nghiên cứu này được lựa chọn thông qua các thí nghiệm cơ sở và tham khảo [8, 9]. Chọn tham số đầu vào như bảng 3. Bảng 3. Các tham số đầu vào. Tham số công nghệ Giá trị Tốc độ cắt Vc (mm/phút) 50, 80, 100, 125, 150, 180 Tốc độ tiến dao f (mm/răng) 0,1 Chiều sâu cắt t (mm) 0,5 Ở đây, tác giả đã chọn độ nhám bề mặt (Ra) làm tiêu chuẩn đánh giá tuổi thọ dụng cụ. Tuổi thọ dụng cụ chính là thời gian gia công mà chi tiết vẫn duy trì được độ nhám bề mặt trung bình Ra ≤ 1,5µm. Giá trị độ nhám này được coi là chấp nhận được cho các chi tiết sử dụng trong công nghiệp [8]. Vượt qua ngưỡng này thì dụng cụ cắt đã bị mòn khá lớn và ảnh hưởng xấu đến độ nhám bề mặt chi tiết gia công nên cần phải thay thế. Các bước nghiên cứu đã được minh họa trong hình 3. Hình 3. Sơ đồ phương pháp nghiên cứu. Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực N.V. Toàn, N.Bùi. Hiền, “Nghiên cứu ảnh hưởng khi tiện hợp kim Ti-6Al-4V.” 154 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Kết quả đo độ nhám bề mặt đạt được tại các thời điểm khác nhau khi tiện hợp kim Ti- 6Al-4V ở các tốc độ cắt khác nhau với lượng chạy dao và chiều sâu cắt không đổi được thể hiện trong bảng 4. Bảng 4. Kết quả độ nhám bề mặt chi tiết gia công đo được ở các tốc độ cắt khác nhau cuả dụng cụ cacbit phủ TiN tại các thời điểm khác nhau. Thời gian (phút) v = 50 (m/phút) v = 80 (m/phút) v = 100 (m/phút) v = 125 (m/phút) v = 150 (m/phút) v = 180 (m/phút) Ra (µm) Ra (µm) Ra (µm) Ra (µm) Ra (µm) Ra (µm) 1 1,12 0,93 0,89 0,74 0,68 0,52 5 1,16 0,98 0,96 0,86 0,75 0,69 10 1,08 0,88 0,89 1,05 0,65 0,53 15 0,98 0,91 1,16 1,18 0,89 0,77 20 1,14 1,12 1,23 1,24 1,32 1,42 25 1,19 1,23 1,31 1,34 1,67 2,36 30 1,28 2,03 1,83 2,39 2,85 3,34 35 2,21 2,64 2,52 2,61 3,59 3,74 60 2,79 2,94 3,45 3,51 3,81 4,16 Hình 4. Đồ thị độ nhám (Ra) theo thời gian với sự thay đổi tốc độ cắt. Đồ thị thể hiện mối quan hệ thông số độ nhám Ra của bề mặt chi tiết gia công theo thời gian (thời gian tham gia cắt của dụng cụ) với sự thay đổi của tốc độ cắt, có thể thấy đồ thị thể hiện quá trình mòn của dụng cụ cắt theo ba giai đoạn: mòn rà, mòn ổn định và mòn phá hủy. Khi thông số độ nhám Ra thay đổi đột biến là ứng với giai đoạn mòn phá hủy của lưỡi cắt, từ đó ta có cơ sở để xác định tuổi bền của dụng cụ cắt dựa vào chỉ tiêu độ nhám bề mặt gia công theo thời gian. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 40, 12 - 2015 155 Kết quả thí nghiệm cho thấy cùng với sự tăng lên của tốc độ cắt thì giá trị độ nhám bề mặt giảm nhẹ ở giai đoạn đầu, nhưng khi tốc độ vượt quá 125m/phút thì có ảnh hưởng bất lợi, cho thấy sự tăng đột ngột của độ nhám bề mặt sau gần 30 phút gia công. Khi gia công ở tốc độ cắt thấp, dụng cụ carbide phủ TiN có tuổi thọ dài hơn khi gia công ở tốc độ cắt cao. Tại tốc độ cắt 50m/phút tuổi thọ dụng cụ đạt được khá cao (xấp xỉ 50 phút) so với tại tốc độ cắt 180m/phút tuổi thọ giảm mạnh (xấp xỉ 25 phút). Khi tăng tốc độ cắt chất lượng bề mặt được cải thiện đáng kể. Tuy nhiên, tăng tốc độ cắt làm cho nhiệt độ tại vùng cắt tăng đáng kể, tuổi thọ dụng cụ giảm rất nhanh do đó dụng cụ carbide được khuyến cáo là không thích hợp cho sử dụng ở tốc độ cắt cao. (a) v = 50 (m/phút), T=35 phút (b) v = 100 (m/phút), T=35 phút (c) v = 50 (m/phút), T=65 phút (d) v = 180 (m/phút), T=65 phút Hình 5. Hình ảnh mòn vi mô lên dụng cụ carbide phủ TiN. Hình 5 thể hiện hình ảnh mòn vi mô lên dụng cụ cắt carbide phủ TiN, hình ảnh cho thấy tại cùng một thời điểm (t=30 phút và t=65 phút) thì ở tốc độ cắt cao hơn dụng cụ cắt bị mòn nhiều hơn, điều này phù hợp với đồ thị trên hình 4. Ở tốc độ cắt thấp, mảnh dụng cụ có xu hướng tự làm sắc,đã làm cho chất lượng bề mặt tốt hơn sau khi gia công một thời gian. Ban đầu hố mài mòn đã được nhìn thấy trên mũi dụng cụ và sau một khoảng thời gian cố định, mài mòn đã xuất hiện trên bề mặt. Khi mũi dụng cụ bi mòn hoàn toàn làm bề mặt bắt đầu bị xấu đi nhanh chóng. 4. KẾT LUẬN Kết quả nghiên cứu sự ảnh hưởng của tốc độ cắt đến tuổi thọ dụng cụ carbide phủ TiN khi tiện hợp kim Ti-6Al-4V như sau:  Tốc độ cắt là một nhân tố có ảnh hưởng đáng kể đến tuổi thọ dụng cụ. Khi tốc độ cắt tăng, tuổi thọ dụng cụ giảm rất nhanh;  Mảnhdụng cụ carbide phủ TiN có xu hướng tự làm sắc ở tốc độ cắt thấp;  Tăng tốc độ cắt, giá tri độ nhám bề mặt Ra giảm dần dần. Do vậy, để nâng cao chất lượng bề mặt nên tăng tốc độ cắt cao hơn nhưng tuổi thọ dụng cụ sẽ ngắn; Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực N.V. Toàn, N.Bùi. Hiền, “Nghiên cứu ảnh hưởng khi tiện hợp kim Ti-6Al-4V.” 156  Tuổi thọ dụng cụ carbide phủ TiN có thể sử dụng cho tốc độ cắt lên đến xấp xỉ 125m/phút khi tiện hợp kim Ti-6Al-4V, do vậy không khuyến khích việc sử dụng dụng cụ carbide ở tốc độ cao hơn giá trị đó. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. M. Ribeiro, M. Moreira and J. Ferreira, Journal of Materials Processing Technology 143 (2003) 458. [2]. A. Amin, A.F. Ismail and M. Nor Khairusshima, Journal of Materials Processing Technology 192 (2007) 147. [3]. Modgil, “Effects of high speed machining on surface topography of titanium alloyTI6AL4V”, Thesis M.S. University of Florida, (2003). [4]. C.H. Che-Haron, “Tool life and surface integrity in turning Titanium alloy”, Journal of Materials Processing Technology, 118 (2001), 231-237. [5]. T.L. Ginta, A.K.M.N. Amin, H.C.D.M. Radzi, M.A. Lajis, “Tool life prediction by response surface methodology in end milling titanium alloy Ti-6Al-4V using uncoated WC-Co inserts”, European Journal of Scientific Research 28/4 (2009) 533-541. [6]. I.A. Choudhury, M.A. El-Baradie, “Tool-life prediction model by design of experiments for turning high strength steel (290 BHN)”, Journal of Materials Processing Technology 77 (1998) 319-326. [7]. M. Dhananchezian, M.P. Kumar, “Cryogenic turning of the Ti-6Al-4V alloy with modified cutting tool inserts”, Cryogenics 51 (2011) 34-40. [8]. Nguyễn Đắc Lộc, “Sổ tay Công nghệ chế tạo máy”, tập 2. NXB Khoa học và kỹ thuật, 2012. [9]. Trần Thế Lục, “Nguyên lý và dụng cụ cắt”. NXB giáo dục Việt Nam, 2009. ABSTRACT STUDYING THE EFFECT OF VARIOUS CUTTING SPEEDS ON TOOL LIFE IN THE TURNING TI-6AL-4V ALLOY. This paper studied the effect of Cutting speed Parameters (Vc) on the tool life in turning process Ti-6Al-4V alloy by experimental methods. Based on the target surface roughness of the machined samples(Ra) to review the effects of varying cutting speeds (Vc) on the Coated TiN Carbide tool life. Experimental results show that, when the cutting speed increases at a constant feed rate (f) and depth of cut (t), the tool life decrease rapidly. Keywords: Ti-6Al-4V alloys, Cutting Parameters, Tools life Nhận bài ngày 26 tháng 06 năm 2015 Hoàn thiện ngày 26 tháng 10 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 12 năm 2015 Địa chỉ: 1 Học viện Kỹ thuật quân sự; 2 Phòng Công binh, Bộ Tham mưu, Quân khu IV. * Email: bkqs2020@gmail.com