1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ MẠNH ĐỨC

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ HỢP LÝ KHI
PHAY CÁC CHI TIẾT HỢP KIM NHÔM THÀNH MỎNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã ngành: 8520103

TRƯỞNG KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. Hoàng Vị

Thái Nguyên, tháng 4 năm 2019

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




2

LỜI CAM ĐOAN
Họ và tên: Lê Mạnh Đức
Học viên lớp cao học khóa K20 - Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.

ra sau khi lắp ráp xong. Nhiều trường hợp được báo cáo từ các ngành công
nghiệp về các ví dụ tương tự, các chi tiết thành mỏng bị loại bỏ vì xảy ra biến
dạng tiếp theo. Như vậy, việc hiểu về dạng của ứng suất dư trong gia công là
rất cần thiết.
Theo các tài liệu đã công bố về quá trình phay chi tiết thành mỏng làm
bằng hợp kim nhôm thì nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của thông số công
nghệ tới độ nhám bề mặt và biến dạng chi tiết, từ đó xác định chế độ công
nghệ hợp lý chưa được quan tâm. Chính vì vậy tác giả đã chọn đề tài “Nghiên
cứu xác định chế độ công nghệ hợp lý khi phay các chi tiết hợp kim nhôm
thành mỏng ”, góp phần hoàn thiện bổ sung kiến thức lý thuyết cũng như cải
thiện và nâng cao hiệu quả sản xuất khi phay chi tiết thành mỏng làm bằng
hợp kim nhôm.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là Tập trung giải quyết vấn đề ảnh hưởng của các yếu
tố công nghệ tới lực cắt, độ nhám và độ chính xác kích thước khi phay các chi
tiết hợp kim nhôm thành mỏng, từ đó xác định được chế độ công nghệ tối ưu.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




3. Dự kiến kết quả đạt được
- Xây dựng được mô hình nghiên cứu.
- Xác định được ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ (như vận tốc cắt,
lượng chạy dao, chiều sâu cắt và chiến lược chạy dao) tới độ nhám bề mặt và
sai lệch kích thước chiều dày thành khi phay chi tiết làm bằng hợp kim nhôm.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Xác định được quy luật ảnh hưởng của các yếu tố điều khiển kiểm soát
quá trình gia công thành mỏng

học và công nghệ. Luận văn này được hoàn thành là nhờ có rất nhiều sự giúp
đỡ và hướng dẫn tận tình của cá nhân và tập thể. Lời cảm ơn sâu sắc nhất Tôi
xin gửi đến giáo viên hướng dẫn khoa học, thầy giáo PGS.TS. Hoàng Vị đã
tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành công
trình nghiên cứu này.
Tôi xin cám ơn Ban giám hiệu, phòng Đào tạo sau đại học, các thầy cô
giáo trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình chỉ bảo và
giúp đỡ tôi trong quá trình học tập.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tạo điều kiện của Ban Giám đốc
Trung tâm phát triển khoa học và công nghệ - Sở Khoa học và Công nghệ
Thái Nguyên cùng sự động viên khích lệ của gia đình, bạn bè, đồng nghiệp
trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận văn.
Thái Nguyên, tháng 4 năm 2019
Người thực hiện

Lê Mạnh Đức


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................1
LỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................3
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................6
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH PHAY CHI TIẾT HỢP KIM
NHÔM DẠNG THÀNH MỎNG ...........................................................................12
1.1. Tổng quan hợp kim nhôm và các chi tiết hợp kim nhôm thành mỏng......... 12
1.1.1 Giới thiệu về hợp kim nhôm ............................................................................12
1.1.2. Đặc điểm hình học của các chi tiết thành mỏng .............................................14
1.2. Tổng quan về quá trình phay và quá trình hình thành phoi ...............................16
1.2.1. Giới thiệu về quá trình phay............................................................................16
1.2.2 Quá trình cắt khi phay ......................................................................................17

NHÁM BỀ MẶT VÀ BIẾN DẠNG CHI TIẾT KHI PHAY CHI TIẾT HỢP
KIM

NHÔM

THÀNH

MỎNG

...............................................................................58
3.1 Đặt vấn đề ...........................................................................................................58
3.2 Thiết kế hệ thống thí nghiệm ..............................................................................58
3.2.1 Yêu cầu của hệ thống thí nghiệm.....................................................................58
3.2.2 Hệ thống thí nghiệm.........................................................................................58
3.2.2.3 Chế độ công nghệ..........................................................................................60
3.2.2.4 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi.............................................61
3.3 Kết quả và thảo luận............................................................................................69
3.4Ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát tới biến dạng chi tiết khi phay chi tiết thành
mỏng..........................................................................................................................70
3.4.1 Ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát tới độ nhám bề mặt gia công...................81
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO.....................91
1. Kết luận chung ......................................................................................................91
2.
Hướng
nghiên
cứu
..................................................................................91

tiếp


Hình 1. 12 Đo nhám bằng phương pháp cơ học .......................................................38
Hình 1. 13 Đo nhám trên các bề mặt khác nhau .......................................................38
Hình 1. 14 Biến dạng của chi tiết trong quá trình gia công ......................................40
Hình 2. 1 Chi tiết thành mỏng được gia công bởi bởi Fokker Aerost ......................48
Hình 2. 2 Miền tạo phoi khi gia công kim loại .........................................................50
Hình 2. 3 Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới hệ số co rút phoi khi gia công thép
cacbon. ......................................................................................................... 50
Hình 2. 4 Ảnh hưởng của các thông số hình học tới nhám bề mặt khi tiện..............51
Hình 2. 5 Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt Rz...........................53
Hình 3. 1 Trung tâm phay đứng Mazak 530C ..........................................................59
Hình 3. 2 Dao phay ngón của hãng YG ....................................................................60
Hình 3. 3 Chế độ cắt khuyến cáo của nhà sản xuất khi phay cạnh ...........................61
Hình 3. 4 Đồng hồ so 1/1000 mm .............................................................................65
Hình 3. 5 Đo độ nhám sản phẩm...............................................................................65
Hình 3. 6 Thiết lập các thông số trong mô hình thí nghiệm TAGUCHI ..................68
Hình 3. 7 Đo biến dạng chi tiết .................................................................................69
Hình 3. 8 Đo nhám bề mặt ........................................................................................69
Hình 3. 9 Giá trị trung bình của biến dạng chi tiết và mức độ ảnh hưởng của các
thông số .....................................................................................................................71
Hình 3. 10 Ảnh hưởng tới giá trị trung bình của lượng biến dạng chi tiết ...............71


Hình 3. 11 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và lượng chạy dao tới lượng biến
dạng của chi tiết ........................................................................................................73
Hình 3. 13 Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và chiều rộng cắt tới lượng biến
dạng của chi tiết ........................................................................................................74
Hình 3. 14 Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao và chiều sâu cắt tới lượng
biến dạng của chi tiết.................................................................................................74
Hình 3. 15 Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao và chiều rộng cắt tới lượng
biến dạng của chi tiết.................................................................................................75

Hình 3. 30 Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao và chiều sâu cắt tới giá trị độ
nhám trung bình ........................................................................................................84
Hình 3. 31 Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao và chiều rộng cắt tới giá trị
độ nhám trung bình ...................................................................................................84
Hình 3. 32 Ảnh hưởng tương tác giữa chiều sâu cắt và chiều rộng cắt tới giá trị độ
nhám trung bình ........................................................................................................85
Hình 3. 33 Tỷ số S/N của độ nhám trung bình và mức độ ảnh hưởng của các thông
số ...............................................................................................................................85
Hình 3. 34 Ảnh hưởng của các thông số tới tỷ số S/N của độ nhám trung bình.....86
Hình 3. 35 Ảnh hưởng tương tác vận tốc cắt và lượng chạy dao tới tỷ số S/N của độ
nhám trung bình ........................................................................................................87
Hình 3. 36 Ảnh hưởng tương tác vận tốc cắt và chiều sâu cắt tới tỷ số S/N của độ
nhám trung bình ........................................................................................................87
Hình 3. 37 Ảnh hưởng tương tác vận tốc cắt và chiều rộng cắt tới tỷ số S/N của độ
nhám trung bình ........................................................................................................88
Hình 3. 38 Ảnh hưởng tương tác lượng chạy dao và chiều rộng cắt tới tỷ số S/N của
độ nhám trung bình ...................................................................................................88
Hình 3. 39 Ảnh hưởng tương tác lượng chạy dao và chiều sâu cắt tới tỷ số S/N của
độ nhám trung bình ...................................................................................................89
Hình 3. 40 Ảnh hưởng tương tác chiều sâu cắt và chiều rộng cắt tới tỷ số S/N của
độ nhám trung bình ...................................................................................................89


12
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH PHAY CHI TIẾT HỢP
KIM NHÔM THÀNH MỎNG
1.1. Tổng quan hợp kim nhôm và các chi tiết dạng thành mỏng
1.1.1 Giới thiệu về hợp kim nhôm
Ngày nay nhôm là kim loại rất quan trọng trong đời sống của con
người, nhưng về mặt lịch sử nhôm thuộc loại nguyên tố “trẻ”. Nhôm được tìm

làm giảm khối lượng kết cấu, chi tiết, được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực
hàng không, vận tải…..
- Có tính chống mòn nhất định trong khí quyển do luôn có lớp màng
ôxít (Al2O3) phủ trên lớp bề mặt có tính bảo vệ cao.
- Có tính dẫn điện cao: tính dẫn điện kém hơn vàng, bạc, đồng
Phân loại và kí hiệu của hợp kim nhôm
Ký hiệu: Để ký hiệu các hợp kim nhôm người ta thường dùng hệ thống
đánh số theo AA (Aluminum Association) của Hoa kỳ bằng xxxx cho loại
biến dạng và xxx.x cho loại đúc, trong đó:
- Số đầu tiên có các ý nghĩa sau.
Loại biến dạng:
1xxx - nhôm sạch (≥ 99,0%)
2xxx - Al - Cu, Al - Cu – Mg
3xxx - Al – Mn
4xxx - Al – Si
5xxx - Al – Mg
6xxx - Al - Mg – Si
7xxx - Al - Zn – Mg, Al - Zn - Mg – Cu
8xxx - Al - các nguyên tố khác
Loại đúc:
1xx.x - nhôm thỏi sạch thương phẩm,
2xx.x - Al – Cu
3xx.x - Al - Si - Mg, Al - Si – Cu


14

4xx.x - Al – Si
5xx.x - Al – Mg
6xx.x - không có

- Khối lượng của chi tiết dạng thành mỏng giảm đáng kể so với chi tết
đặc mà vẫn đảm bảo các yêu cầu về độ chính xác cũng như đảm bảo khả năng
chịu lực [1]. Sử dụng các chi tiết thành mỏng có thể loại bỏ tới 95% trọng
lượng của khối chi tiết lắp ráp ban đầu [2].
- Sử dụng chi tiết dạng thành mỏng có thể giảm giá thành sản xuất nhờ
việc giảm khối lượng lắp ráp, giảm vật liệu, giảm chi phí quản lý, giảm chi
phí lưu kho...[1,3].
- Sử dụng chi tiết thành mỏng có thể tăng được độ chính xác tổng hợp
của sản phẩm [1].

Hình 1. 1 Chi tiết có dạng thành mỏng


16

1.2. Tổng quan về quá trình phay và quá trình hình thành phoi
1.2.1. Giới thiệu về quá trình phay
Phay là một phương pháp gia công cắt đi một lớp kim loại (hay còn gọi
là lượng dư gia công để tạo thành phoi) trên bề mặt của phôi để được chi tiết
có hình dáng, kích thước, độ chính xác, độ bóng theo yêu cầu kỹ thuật trên
bản vẽ. Quá trình đó được thực hiện trên các máy phay. Phay là phương pháp
gia công kim loại, có độ chính xác không cao hơn cấp 3-4 và độ bóng không
hơn cấp 6, là một trong những phương pháp gia công đạt năng suất cao nhất.
Bằng phương pháp phay người ta có thể gia công mặt phẳng, định hình phức
tạp, rãnh then, cắt đứt, gia công mặt tròn xoay, trục then hoa, cắt ren, bánh
răng…
Phay có thể dùng để gia công tinh, gia công lần cuối để đạt được độ
bóng, độ chính xác cao, dễ cơ khí hoá, tự động hoá, cho năng suất cao, dùng
trong sản xuất đơn chiếc, sản xuất hàng loạt và hàng khối. Số lượng nguyên
công gia công cắt gọt đạt tới 60% - 70% công việc gia công cơ khí thì nguyên

chịu tác dụng của lực, kim loại bị biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo rồi biến
dạng phá huỷ.

Hình 1. 2 Quá trình hình thành phoi [5]
Khi quá trình cắt xảy ra, trước tiên là các tinh thể kim loại bị dồn ép
(nén), khi lực tác dụng vượt quá giới hạn bền của vật liệu thì các tinh thể kim
loại bị trượt lên nhau và tách ra khỏi vật gia công tạo thành phoi. Quá trình
biến dạng đó xảy ra trong một vùng mà ta có thể gọi là vùng tạo phoi (giới


18

hạn bởi đường cong OA, OE, hình 1.2) [5]. Trong vùng này có những mặt
trượt OA, OB, OC, OD, OE. Vật liệu gia công trượt theo những mặt đó, các
tinh thể kim loại bị xếp chồng lên nhau. Tuỳ theo cấu trúc của vật liệu gia
công, chế độ cắt mà có thể tạo ra phoi vụn, phoi xếp hay phoi dây.
Như vậy, kết quả của biến dạng kim loại là tách ra khỏi phôi một phần
vật liệu, phần còn lại chính là chi tiết gia công. Tuy nhiên, do vùng biến dạng
của kim loại xảy ra ở cả phần vật liệu giữ lại (phía dưới điểm O) nên bề mặt
chi tiết sau khi gia công có tính chất khác hẳn trước khi gia công và thường có
độ cứng cao hơn. Hiện tượng đó chính là hiện tượng biến cứng lớp bề mặt.
Ngoài ra trong vùng cắt còn có rất nhiều hiện tượng vật lý khác xảy ra mà ta
sẽ nghiên cứu cụ thể ở các phần sau. Quá trình cắt kim loại khi phay về
nguyên tắc không khác quá trình cắt khi tiện. Ở đây tập trung nghiên cứu một
số hiện tượng xảy ra trong quá trình cắt. Lớp kim loại được cắt gọi là phoi, có
thể có nhiều dạng khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện gia công.
Theo giáo sư I.A.Time thì phoi có các dạng sau đây: Phoi dây, phoi xếp
và phoi vụn.
- Phoi vụn: Là phoi tồn tại ở dạng hạt, thường nhận được khi gia công vật liệu
có tính dẻo thấp như gang, đồng thau, hình 1.3a.

bám rất chắc vào dao và tham gia cắt gọt như một mũi dao vì nó có độ cứng
rất cao. Hiện tượng này còn được gọi là hiện tượng lẹo dao (built up edge).
Hiện tượng lẹo dao được phân tích xem xét dưới nhiều góc độ khác nhau
nhưng đều có điểm thống nhất chung về nguyên lý hình thành. Khi cắt, do
nhiệt phát sinh nên một lớp mỏng kim loại nằm giữa mặt trước của dao và
mặt dưới của phoi bị nóng chảy; lớp kim loại này hầu hết chuyển động theo


20

phoi ra ngoài. Tuy nhiên, do bề mặt dao không tuyệt đối nhẵn nên có lực ma
sát cản trở chuyển động đó làm cho nó di chuyển chậm lại và trong một điều
kiện nhất định, khi lực cản lớn hơn lực liên kết giữa lớp kim loại đó với phoi
thì nó bị giữ lại bám rất chắc vào mũi dao gây ra hiện tượng lẹo dao [5].
Chiều cao của lớp kim loại bám trên bề mặt càng ngày càng lớn nhưng nó
không tồn tại mãi mà đến một lúc nào đó nó lại bị cuốn theo phoi ra ngoài,
tiếp tục hình thành lớp kim loại bám tiếp theo.
Hiện tượng lẹo dao hình thành trong quá trình cắt có ưu điểm bảo vệ
đầu mũi dao và làm tăng khả năng thoát phoi (do góc trước của dao được tăng
lên). Tuy nhiên, sự xuất hiện lẹo dao lúc gia công có ảnh hưởng rất lớn đến
quá trình gia công và chất lượng bề mặt chi tiết. Lẹo dao làm thay đổi các
thông số hình học của dụng cụ cắt (góc cắt) do đó làm tăng lực cắt. Lực cắt
thay đổi, kéo theo các ảnh hưởng khác như tăng nhiệt cắt và rung độngDo đó,
mọi biện pháp để hạn chế sự xuất hiện của lẹo dao khi gia công tinh sẽ là yếu
tố rất quan trọng nhằm nâng cao chất lượng chi tiết gia công.
Để khử lẹo dao, cần phải mài bóng mặt trước của dao thật cẩn thận
hoặc thay đổi tốc độ cắt (thường thường tăng tới 30m/phút hoặc cao hơn),
đồng thời cũng có thể sử dụng dung dịch trơn nguội trong từng điều kiện gia
công cụ thể.
- Sự co rút phoi: Trong quá trình cắt phoi bị biến dạng và ngắn hơn so

tiếp tục và cắt hết chiều dài chi tiết. Đó là chuyển động dọc, ngang hoặc thẳng
đứng của bàn máy phay có gá phôi. Chúng thường vuông góc với trục dao.
1.2.4 Các thành phần của lớp bề mặt bị cắt khi phay
Các thông số của yếu tố cắt và chế độ cắt khi phay bao gồm chiều sâu
lớp cắt to, lượng chạy dao S, vận tốc cắt V, chiều sâu phay t, chiều rộng phay
B, chiều dày cắt a. Khi phay các yếu tố này ảnh hưởng đến tuổi bền của dao,
chất lượng bề mặt gia công, công suất cắt và năng suất cắt.
- Chiều sâu cắt t: Chiều sâu cắt là kích thước lớp kim loại được cắt đi
ứng với một lần chuyển dao, đo theo phương vuông góc với bề mặt gia công
(mm).
- Lượng chạy dao S: Được phân làm 3 loại:


22

+ Lượng chạy dao răng Sz: là lượng dịch chuyển của bàn máy (mang
chi tiết gia công) sau khi dao quay được một góc răng (mm/răng).
+ Lượng chạy dao vòng Sv: là lượng dịch chuyển của bàn máy khi dao
quay được một vòng (mm/vòng). Sv= Sz.Z (1-1)
+ Lượng chạy dao phút Sph: là lượng dịch chuyển của bàn máy sau
thời gian 1 phút (mm/phút). Sph= Sz.Zn (1-2)
Tốc độ cắt: Tốc độ cắt khi phay được biểu diễn:

(1-3)

(1-4)
Dấu (+) ứng với trường hợp phay nghịch, dấu (-) ứng với trường hợp
phay thuận.
Trong đó: Vn= π.D.n/1000 (m/phút) (1-5)
Vs= SzZn(mm/phút) (1-6)


(1-10)


24

Hình 1. 5 Phay không đối xứng bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón
- Chiều dày cắt a khi phay
Chiều dày cắt khi phay là một trong những yếu tố quan trọng của quá
trình phay. Chiều dày cắt khi phay là khoảng cách giữa hai vị trí kế tiếp của
quỹ đạo chuyển động của một điểm trên lưỡi cắt ứng với lượng chạy dao răng
Sz. Coi gần đúng quỹ đạo chuyển động tương đối của lưỡi cắt là đường tròn,
do đó chiều dày cắt a được đo theo phương đường kính của dao. Trong qúa
trình phay, chiều dày cắt a biến đổi từ trị số amin đến amax hoặc từ amax đến
amin tuỳ theo phương pháp phay.

Hình 1. 6 Chiều dày cắt khi phay bằng dao phay ngón, dao phay mặt đầu
Chiều dày cắt tại điểm C: ac = AC