Luận án tiến sĩ: Tối ưu chế độ cắt thép SUS304 trên máy tiện CNC nâng cao chất lượng bề mặt

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI TRẦN VIẾT HỒI NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CẮT TỐI ƯU THEO HÀM MỤC TIÊU CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT, ĐẢM BẢO NĂNG SUẤT CẮT KHI GIA CÔNG THÉP SUS304 TRÊN MÁY TIỆN CNC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - Năm 2022 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI TRẦN VIẾT HỒI NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CẮT TỐI ƯU THEO HÀM MỤC TIÊU CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT, ĐẢM BẢO NĂNG SUẤT CẮT KHI GIA CÔNG THÉP SUS304 TRÊN MÁY TIỆN CNC CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ : 9.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TRẦN VĂN ĐỊCH Hà Nội - Năm 2022 i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành tới hai thầy hướng dẫn khoa học là PGS. Phạm Văn Bổng và GS. Trần Văn Địch đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong thời gian thực hiện luận án.

Tôi xin trân trọng cảm ơn Đảng ủy, Ban Giám hiệu, Khoa Cơ khí, Trung tâm Việt – Nhật, Trung tâm Đào tạo Sau đại học, Trung tâm Hợp tác doanh nghiệp, các thầy cô giáo và đồng nghiệp tại trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Đồng thời, tôi xin chân thành cảm ơn Viện Công nghệ Vật liệu Nano, trường Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang (POSTECH) - Hàn Quốc đã giúp tôi chụp XRD và xử lý số liệu về ứng suất dư lớp bề mặt. Cảm ơn gia đình đã luôn bên cạnh và động viên tinh thần giúp tôi có động lực lớn lao để vượt qua khó khăn và hoàn thành luận án. Hà Nội, ngày 14 tháng 02 năm 2022 NGHIÊN CỨU SINH Trần Viết Hồi ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi dưới sự hướng dẫn hai thầy hướng dẫn khoa học.

Các số liệu, kết quả được phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, trung thực, chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Hà Nội, ngày 14 tháng 02 năm 2022 NGHIÊN CỨU SINH Trần Viết Hồi iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN. i LỜI CAM ĐOAN. ii MỤC LỤC.

iii DANH MỤC CÁC BẢNG. ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. x PHẦN MỞ ĐẦU. 1 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG THÉP KHÔNG GỈ.

Tổng quan chung về thép không gỉ. Vai trò của các nguyên tố hợp kim trong thép không gỉ. Phân loại thép không gỉ .2 Thép không gỉ Austenit. Thành phần hóa học.

Các loại thép không gỉ Austenit. Tính chất vật lý. Tính chất cơ học. Tính chất mỏi.

Một số yếu tố đặc trưng khi gia công của thép không gỉ .1 Đặc tính gia công của thép không gỉ. Cơ chế mòn và tuổi bền dụng cụ cắt .3 Chất lượng bề mặt. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về gia công thép không gỉ 19 1. Các nghiên cứu ngoài nước.

Các nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt khi gia công thép không gỉ. Các nghiên cứu về tối ưu hóa khi gia công thép không gỉ. Các nghiên cứu trong nước. 22 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1.

24 CHƯƠNG 2 - NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT. Độ nhấp nhô tế vi bề mặt. Các thông số của độ nhấp nhô tế vi bề mặt. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt.

Độ cứng tế vi. Đo độ cứng tế vi. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ cứng tế vi. Cơ chế hình thành ứng suất dư.

Các phương pháp đo và tính toán ứng suất dư. Phương pháp đo kiểu không phá hủy dựa trên nhiễu xạ. Phương pháp đo kiểu bán phá hủy. Phương pháp đo kiểu phá hủy.

Tính toán giá trị ứng suất dư. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến ứng suất dư. Ảnh hưởng của ứng suất dư đến độ bền mỏi của chi tiết. Sự hình thành phoi khi gia công thép không gỉ .1 Quá trình hình thành phoi .2 Ảnh hưởng của dạng phoi và độ nhám bề mặt.

50 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2. 54 CHƯƠNG 3 - NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI TIỆN CNC THÉP SUS304. Phương pháp xây dựng mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với một số yếu tố đầu ra của quá trình cắt. Phương pháp bề mặt chỉ tiêu (RSM).

Phương pháp phân tích phương sai (ANOVA). Xây dựng mô hình thực nghiệm. Xác định miền của các thông số công nghệ thực nghiệm khi tiện CNC thép SUS304. Điều kiện thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến các chỉ tiêu đầu ra khi tiện CNC thép SUS304.

Thiết bị thực nghiệm. Phôi thực nghiệm. Dụng cụ cắt. Thiết bị đo và phương pháp đo.

Thực nghiệm xác định một số yếu tố đặc trưng của chất lượng bề mặt khi tiện CNC thép SUS304. Phân tích ảnh hưởng và xây dựng hàm hồi quy mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt. Phân tích ảnh hưởng và xây dựng hàm hồi quy mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến độ cứng tế vi. Phân tích ảnh hưởng và xây dựng hàm hồi quy giữa các thông số công nghệ đến ứng suất dư.

83 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3. 92 CHƯƠNG 4 - TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT, ĐẢM BẢO NĂNG SUẤT CẮT KHI TIỆN CNC THÉP SUS304. Xây dựng mô hình tối ưu hóa. Tổng quan về tối ưu hóa quá trình gia công.

Giải pháp tối ưu đa mục tiêu Pareto. Khái niệm về giải pháp tối ưu Pareto. Giải bài toán tối ưu đa mục tiêu. Ứng dụng giải thuật Dơi để tối ưu hóa đơn mục tiêu.

Tối ưu hóa đa mục tiêu để nâng cao chất lượng bề mặt, đảm bảo năng suất cắt khi gia công. 105 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4. 112 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ. 113 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN.

116 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO. 130 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa (tiếng Anh) Ý nghĩa (tiếng Việt) AISI American Iron and Steel Institute Tiêu chuẩn sắt, thép Hoa Kỳ ANOVA Analysis of Variance Phân tích phương sai BA Bat Algorithm Giải thuật Dơi BBD Box-Behnken Design Thiết kế Box-Behnken BUE Build-Up Edge Hiện tượng lẹo dao BUL Build-Up Layer Hiện tượng phoi bám CNC Computer Numerical Control Điều khiển số bằng máy tính CVD Chemical Vapor Deposition Phủ bay hơi hóa học DF Degree of Freedom Bậc tự do F Variance Ratio (Fisher) Tỷ lệ phương sai FWHM Full Width at Half Maximum Độ rộng nửa đỉnh nhiễu xạ GA Genetic Algorithm Giải thuật Di truyền HV Vickers Hardness Độ cứng Vickers Tối ưu hóa đa mục tiêu sử dụng MOBA Multi-Objective Bat Algorithm giải thuật Dơi MRR Material Removal Rate Năng suất bóc tách vật liệu MS Mean of Square Trung bình bình phương P Probability of Significance Xác suất có ý nghĩa viii Ký hiệu Ý nghĩa (tiếng Anh) Ý nghĩa (tiếng Việt) PSO Particle Swarm Optimization Giải thuật Bầy đàn R2 Determination Coefficient Độ tin cậy mô hình RSM Response Surface Methodology Phương pháp bề mặt chỉ tiêu SEM Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử quét SI Surface Integrity Chất lượng bề mặt SS Sum of Square Tổng bình phương Ký hiệu thép không gỉ theo tiêu SUS Steel Use Stainless chuẩn Nhật Bản XRD X-Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Tính chất vật lý của các loại vật liệu [18]. Bảng so sánh các kỹ thuật đo ứng suất dư [16], [115].

Các thông số của chế độ cắt. Quy hoạch thực nghiệm. Thành phần hóa học của thép SUS304. Đặc tính cơ, lý của thép SUS304.

Thiết kế thí nghiệm và kết quả đo độ nhám bề mặt. Phân tích ANOVA cho độ nhám bề mặt. Thiết kế thí nghiệm và kết quả đo độ cứng tế vi. Phân tích ANOVA cho độ cứng tế vi.

Xác định các số liệu tính toán ứng suất dư. Thiết kế thí nghiệm và kết quả tính toán ứng suất dư. Phân tích ANOVA cho ứng suất dư. Các tham số giải thuật Dơi.

Thực nghiệm kiểm chứng tối ưu Ra. Các tham số MOBA. Giải pháp tối ưu đạt được bằng MOBA. Kết quả thực nghiệm kiểm chứng.

Năng suất cắt ứng với chất lượng bề mặt tối ưu. 111 x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. Ảnh hưởng của hàm lượng Cr đến tốc độ ăn mòn [58]. Phân loại thép không gỉ [114].

So sánh giới hạn bền kéo và chảy của các loại vật liệu [19]. So sánh độ giãn dài tương đối của các loại vật liệu [19]. Đường cong ứng suất-biến dạng của thép không gỉ [65]. Ảnh hưởng của môi trường đến độ bền mỏi của thép không gỉ [54].

So sánh khả năng gia công của thép không gỉ [114]. Các dạng mòn phổ biến khi tiện [86]. Hiện tượng lẹo dao: (a) giản đồ, (b) hình ảnh trên dụng cụ cắt. Sơ đồ minh họa về ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến độ bền mỏi [57].

Profile độ nhám bề mặt trung bình [39]. Các thông số ảnh hưởng đến nhám bề mặt [115]. Nguyên lý đo độ cứng Vickers: (a) Giản đồ lực phép thử độ cứng Vickers, (b) Mũi đâm đo độ cứng Vickers và độ cứng tế vi Vickers. Sự hình thành ứng suất dư [62].

Phân loại các kỹ thuật đo ứng suất dư [42]. Nhiễu xạ trong cấu trúc mạng tinh thể [7], [91]. Sơ đồ phân tích nhiễu Barkhausen. Sơ đồ mặt cắt xung quanh lỗ được khoan ứng suất dư kéo.

Kết quả xác định giá trị nội suy từ đồ thị Williamson-Hall. Quan hệ giữa giới hạn mỏi với ứng suất dư. Các bề mặt phoi tạo thành khi tiện SUS304. Cấu trúc lớp bề mặt tự do của phoi.

Lớp phoi hình thành trên bề mặt tự do. Độ nhám bề mặt và sự hình thành phoi khi V  230 m/phút, f  0,2 mm/vòng và t  0,5 mm. Bề rộng phoi khi V  230 m/phút, f  0,2 mm/vòng. Độ nhám và sự hình thành phoi khi V  260 m/phút, f  0,08 mm/vòng và t  0,1mm.

Chiều rộng phoi khi V  260 m/phút, f  0,08 mm/vòng và t  0,1mm. Minh họa bố trí thí nghiệm theo phương pháp Box-Behnken .