TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG THÉP KHÔNG GỈ
Tổng quan chung về thép không gỉ
Thép không gỉ nổi bật với khả năng chống ăn mòn, tính dẻo dai, độ bền cao và chịu nhiệt tốt, khiến nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các lĩnh vực y tế, thực phẩm và công nghiệp hàng không Tuy nhiên, độ bền cao của thép không gỉ cũng gây ra những thách thức trong gia công, như lực cắt lớn, nhiệt cắt cao và khả năng biến cứng cao, dẫn đến hiện tượng phoi bám và lẹo dao Những vấn đề này làm giảm năng suất gia công, tăng mức độ mòn của dụng cụ cắt và ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng bề mặt sản phẩm.
1.1.1 Vai trò của các nguyên tố hợp kim trong thép không gỉ
Việc bổ sung các nguyên tố hợp kim ảnh hưởng đến tính chất cơ, lý của thép không gỉ, cụ thể như sau [35], [114]:
Cacbon trong thép không gỉ ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn của chi tiết và thường có hàm lượng tương đối thấp, ngoại trừ thép không gỉ
Mactensit là một loại thép có hàm lượng cacbon cao, giúp tăng độ cứng thông qua quy trình xử lý nhiệt bao gồm gia nhiệt, làm nguội và ủ Khi cacbon kết hợp với Crôm từ 10,5% trở lên, sẽ hình thành cacbua, ảnh hưởng đến việc tạo ra lớp màng bảo vệ Ngược lại, nếu hàm lượng Crôm dưới 10,5%, lớp màng bảo vệ sẽ không hình thành.
Thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn nhờ vào crôm, một nguyên tố có tính phản ứng cao Với ít nhất 10.5% crôm trong thành phần, thép không gỉ hình thành một lớp màng thụ động Cr2O3, ngăn chặn sự khuếch tán oxy vào bề mặt Hàm lượng crôm càng cao, khả năng chống ăn mòn càng lớn, như thể hiện trong hình 1.1.
Hình 1.1 Ảnh hưởng của hàm lượng Cr đến tốc độ ăn mòn [58]
Niken là nguyên tố chính trong hợp kim thép không gỉ loại 300, giúp hình thành cấu trúc Austenit với độ bền, độ dẻo và độ cứng cao ngay cả ở nhiệt độ lạnh Sự hiện diện của Niken cũng tăng cường khả năng chống ăn mòn, đặc biệt là đối với axit sunfuric.
Việc bổ sung Molypden vào ma trận Cr-Fe-Ni giúp tăng khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ, đặc biệt ở các lớp Ferit Hàm lượng
Molypden cao hơn (một số thép không gỉ chứa tới 6% Mo), tốt hơn cho khả năng chống lại nồng độ clorit cao hơn.
Mangan được thêm vào thép không gỉ hỗ trợ quá trình khử oxy trong quá trình nóng chảy.
Silic (Si) và đồng (Cu)
Hàm lượng nhỏ silic và đồng được bổ sung vào thép không gỉ Austenit nhằm nâng cao khả năng chống ăn mòn của axit sunfuric Silic không chỉ cải thiện khả năng chống oxy hóa mà còn đóng vai trò là chất ổn định cho Ferit.
Trong các loại thép không gỉ như Ferit, Austenit và Duplex, hàm lượng Nitơ nhỏ có mặt trong thành phần Mặc dù Nitơ có thể làm tăng nguy cơ tấn công mòn lỗ và ăn mòn giữa các hạt, nhưng khi được bổ sung với tỷ lệ nhỏ trong thép không gỉ Austenit và Duplex, nó lại giúp cải thiện độ bền của các chi tiết.
Niobi được bổ sung vào thép không gỉ Ferit để ngăn ngừa sự ăn mòn giữa các hạt, đặc biệt trong vùng ảnh hưởng nhiệt sau khi hàn Việc này không chỉ cải thiện tính bền mỏi nhiệt mà còn nâng cao độ bền tổng thể của vật liệu.
Titan là thành phần chính trong quá trình ổn định thép không gỉ trước khi thực hiện thổi oxy-argon, nhằm giảm hàm lượng cacbon xuống 0.15% cho mác SUS302 Trong giai đoạn này, hỗn hợp oxy-argon được bổ sung cùng với các nguyên tố hợp kim, giúp Titan phản ứng với cacbon để tạo thành cacbua titan Quá trình này ngăn chặn sự hình thành cacbua crôm, bảo vệ lớp màng thụ động Cr2O3 của thép không gỉ.
Sunfua thường ở mức thấp do có thể hình thành các sunfuaric, Sunfua giúp tăng khả năng gia công tuy nhiên lại giảm khả năng chống ăn mòn.
1.1.2 Phân loại thép không gỉ
Việc điều chỉnh hàm lượng Crôm và bổ sung các nguyên tố như Niken, Molipden, Titan và Niobi có ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính cơ, lý và khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ.
Các họ cơ bản Các họ biến thể
Ferit Mactensit Austenit Song pha
Hình 1.2 Phân loại thép không gỉ [114]
Với việc thay đổi hàm lượng như vậy, thép không gỉ được chia thành
Có năm loại thể hiện được phân loại dựa trên tổ chức luyện kim của vật liệu, bao gồm các pha bền như Austenit, Ferit, Song pha (Duplex) và Biến cứng kết tủa (PH).
Thép không gỉ Austenit, chiếm khoảng 72% tổng lượng thép không gỉ, nổi bật với khả năng chống ăn mòn vượt trội cùng độ dẻo và dai cao Loại thép này thường được sử dụng rộng rãi trong sản xuất đồ gia dụng, cũng như trong ngành công nghiệp chế biến thực phẩm và hóa chất.
Thép không gỉ Ferit có cấu trúc tương tự như sắt nguyên chất ở nhiệt độ phòng, mang lại khả năng chống ăn mòn và độ dẻo, dai ở mức độ vừa phải Loại thép này thường được ứng dụng làm ống xả trong ngành công nghiệp ô tô.
Thép không gỉ Mactensit có hàm lượng cacbon cao, cho phép nó cứng hơn qua xử lý nhiệt để tạo thành Mactensit Mặc dù khả năng chống ăn mòn của loại thép này ở mức trung bình, nhưng nó nổi bật với độ cứng và độ bền cao Chính vì vậy, vật liệu này thường được ứng dụng trong lĩnh vực y tế, bao gồm các sản phẩm như dao, kéo và dụng cụ y tế.
Thép không gỉ song pha (Duplex) có thành phần chính là Crôm từ 18 đến 28% và Niken từ 4,5 đến 8%, cùng với Molypden từ 2,5 đến 4% Loại thép này nổi bật với khả năng chống nứt ăn mòn do mỏi, tăng cường khả năng kháng ion clorua, và có độ bền kéo và chảy cao hơn so với thép Austenit hoặc Ferit Thép song pha thường được ứng dụng trong các ngành công nghiệp hóa chất, thực phẩm, y tế, và làm giấy, cũng như trong các quy trình sử dụng axit hoặc clo và các thiết bị trong ngành công nghiệp dầu khí.
Thép không gỉ Biến cứng kết tủa (PH) nổi bật với độ bền cao và khả năng chống ăn mòn trung bình, được phân loại thành ba loại chính: Austenit, nửa Austenit và Mactensit Với tính năng vượt trội này, vật liệu được ứng dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ và các lĩnh vực công nghệ cao khác.
Thép không gỉ Austenit
Thép không gỉ Austenit chứa tối thiểu 7% Niken và 16% Crôm, với hàm lượng Cacbon tối đa là 0,08% Ngoài ra, nó còn có sự hiện diện của các nguyên tố như Molypden, Titan, Niobi và Tantali Tỷ lệ cân bằng giữa Crôm và Niken + Mangan được điều chỉnh để đảm bảo cấu trúc tế vi đạt từ 90-100% Austenit.
1.2.2 Các loại thép không gỉ Austenit
Thép không gỉ Austenit được chia thành 2 nhóm:
Nhóm tiêu chuẩn 300, trong đó Niken đóng vai trò là chất ổn định Austenit, bao gồm một lượng hợp lý Crôm và Niken Ngoài ra, việc sử dụng Nitơ có thể gia tăng độ bền cho nhóm chuẩn Crôm-Niken.
- Nhóm Mangan (Loại 200), trong đó thêm một lượng đáng kể Mangan thường với mức cao hơn Nitơ.
Hợp kim Austenit có giá thành cao, vì vậy thường không được sử dụng khi thép Ferit hoặc Mactensit có thể đáp ứng yêu cầu Cụ thể, hợp kim Austenit loại 300 có giá gấp đôi thép Ferit do chứa các nguyên tố hợp kim đắt tiền như Niken và Crôm Để giảm chi phí, loại 200 sử dụng Mangan và Nitơ thay thế Niken, nhưng chất lượng sản phẩm sẽ kém hơn.
Thép không gỉ 304 là loại thép được ưa chuộng nhất nhờ vào đặc tính tạo hình và khả năng hàn tuyệt vời Với những ưu điểm này, thép 304 trở thành tiêu chuẩn cho nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, kiến trúc và vận tải.
Thép 316 là loại thép không gỉ Austenit phổ biến thứ hai, nổi bật với khả năng tạo hình xuất sắc Việc bổ sung Molybdenum (Mo) vào thành phần của thép 316 giúp nâng cao đáng kể khả năng chống ăn mòn, làm cho nó trở thành lựa chọn ưu việt trong các ứng dụng yêu cầu độ bền cao và khả năng chống oxy hóa.
Thép Austenit không có tính từ, có hệ số giãn nở nhiệt cao và khả năng dẫn nhiệt thấp hơn so với các loại thép khác Đây là loại thép không chuyển hóa, do đó không có khả năng tôi cứng và có xu hướng tăng cường biến cứng nguội.
Thép Austenit nổi bật với đặc tính kéo cao hơn so với thép cacbon thấp, nhôm và đồng thau Hình 1.3 minh họa sự so sánh giữa giới hạn bền kéo và giới hạn chảy của thép không gỉ Austenit với các loại vật liệu khác Một đặc điểm cơ học quan trọng khác của thép không gỉ Austenit là độ dẻo, được đo bằng phần trăm độ giãn dài trong thử kéo, cho thấy khả năng biến dạng của kim loại trước khi bị đứt hoặc gẫy Thép không gỉ Austenit có độ giãn dài rất cao, thường đạt khoảng 60-70%.
Hình 1.3 So sánh gi ớ i hạ n b ền kéo và chảy củ a các lo ại vậ t li ệu [19] sản phẩm ủ như trong hình 1.4.
Hình 1.4 So sánh độ giãn dài tương đối của các loại vật liệu [19]
Thép không gỉ Austenit có giới hạn chảy tương đối thấp, nhưng độ bền của nó có thể được cải thiện bằng cách bổ sung các nguyên tố như Cacbon, Nitơ và Molypden Việc điều chỉnh hàm lượng các nguyên tố này sẽ giúp nâng cao tính chất cơ học của thép Austenit.
Cacbon sẽ làm giảm khả năng chống ăn mòn của thép Austenit.
Hình 1.5 Đường cong ứng suất-biến dạng của thép không gỉ [65]
Khi giảm biên độ tải trọng tác động, số chu kỳ trước khi xảy ra phá hủy mỏi sẽ tăng, dẫn đến độ bền mỏi cao hơn Dưới một mức ứng suất nhất định, hiện tượng phá hủy không xảy ra trong thời gian thử nghiệm, thường là 10 chu kỳ Mức ứng suất này được gọi là giới hạn mỏi.
Môi trường ảnh hưởng đến quá trình mỏi thông qua cơ chế mỏi do ăn mòn, trong đó hình thành các lỗ ăn mòn, hay còn gọi là dạng ăn mòn lỗ Những lỗ này là nơi tập trung ứng suất và các yếu tố hỗ trợ ăn mòn, dẫn đến quá trình phá hủy vật liệu.
Khi thiết bị, bao gồm chi tiết và vật liệu, tiếp xúc với tác nhân ăn mòn, tuổi thọ của nó sẽ bị ảnh hưởng bởi cả độ bền mỏi và các yếu tố ăn mòn Hình 1.6 minh họa tác động của môi trường xâm thực đến độ bền mỏi của một số loại thép không gỉ, cho thấy rằng ở độ pH thấp hơn, tức là trong điều kiện xâm thực mạnh hơn, độ bền mỏi sẽ giảm So sánh giữa hai loại thép Austenit cho thấy thép hợp kim cao 316LN có khả năng chống ăn mòn tốt hơn và độ bền mỏi do ăn mòn cũng cao hơn.
Hình 1.6 Ảnh hưởng của môi trường đến độ bền mỏi của thép không gỉ [54]
Một số yếu tố đặc trưng khi gia công của thép không gỉ
1.3.1 Đặc tính gia công của thép không gỉ
Khả năng gia công của vật liệu được xác định qua các tiêu chí như chất lượng bề mặt, mức tiêu hao năng lượng, sự hình thành phoi, độ mòn và tuổi thọ của dụng cụ cắt, cùng với độ chính xác kích thước của chi tiết gia công Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng gia công này.
- Quá trình chuẩn bị phôi;
- Hình dáng và vật liệu dụng cụ cắt;
Loại vật liệu Độ bền kéo
(MPa) Độ giãn dài (%) Độ dẫn nhiệt (W/mK)
- Các điều kiện gia công;
- Chế độ cắt khi gia công;
So với thép cacbon thông thường, thép không gỉ Austenit có độ bền kéo và mức độ biến cứng cao hơn, đồng thời có độ dẫn nhiệt thấp, khiến nó trở thành vật liệu khó gia công hơn Khi gia công tiện, thường xảy ra hiện tượng biến cứng trên bề mặt và độ cứng của phoi cao, dẫn đến mài mòn rãnh và ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng bề mặt chi tiết.
Bảng 1.1 Tính chất vật lý của các loại vật liệu [19]
Khả năng gia công của các mác thép không gỉ phổ biến được so sánh với mác SUS416, với SUS416 được coi là tiêu chuẩn 100% Thông tin này được minh họa trong hình 1.7.
Thép Austenit có độ dẻo cao, dẫn đến việc hình thành phoi dạng dây, dai và khó vỡ trong quá trình gia công, gây ra hiện tượng tích tụ kim loại ở lưỡi cắt và hình thành lẹo dao, ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình cắt Hơn nữa, tính dẫn nhiệt của thép Austenit thấp hơn các loại thép khác, khiến nhiệt dễ dàng tích tụ ở bề mặt dụng cụ cắt, làm cho chất lượng bề mặt khó kiểm soát và bị ảnh hưởng bởi mức độ giản nở nhiệt cao Hiệu quả gia công được đánh giá qua cơ chế mòn, tuổi bền của dụng cụ cắt và chất lượng bề mặt sản phẩm.
Hình 1.7 So sánh khả năng gia công của thép không gỉ [114]
1.3.2 Cơ chế mòn và tuổi bền dụng cụ cắt
Mòn dụng cụ là một yếu tố quan trọng trong gia công, ảnh hưởng đến giá thành, độ chính xác, dung sai kích thước và chất lượng bề mặt của sản phẩm.
Hình 1.8 Các dạng mòn phổ biến khi tiện [86]
Mức độ mòn của dụng cụ cắt chịu ảnh hưởng bởi loại vật liệu chế tạo, thông số hình học của dụng cụ, vật liệu phôi gia công, các thông số công nghệ, chất làm mát và đặc tính của máy công cụ Hình 1.8 minh họa các dạng mòn phổ biến trong quá trình tiện Đáng chú ý, độ mòn của dụng cụ cắt gia tăng khi vận tốc cắt tăng, trong khi đó, mức độ mòn lại giảm khi lượng tiến dao được tăng lên.
Trong quá trình gia công thép không gỉ Austenit, thường gặp phải các vấn đề như mài mòn không đều của dụng cụ cắt và hiện tượng BUE xuất hiện trên mặt sau của dụng cụ Hiện tượng BUE không chỉ làm tăng tốc độ mài mòn của dụng cụ cắt mà còn giảm chất lượng bề mặt của chi tiết gia công.
Hình 1.9 Hiện tượng lẹo dao: (a) giản đồ, (b) hình ảnh trên dụng cụ cắt
Khả năng gia công của thép Austenit bị hạn chế do nhiều yếu tố như độ dẫn nhiệt thấp, độ dẻo và độ bền kéo cao, cùng với độ dai đứt gãy và mức độ biến cứng cao Hiện tượng biến cứng bề mặt sau gia công xảy ra khi dụng cụ cắt bị mòn, làm tăng mức độ mài mòn và hư hỏng trong quá trình gia công Do đó, việc sử dụng chất làm mát là rất quan trọng để cải thiện hiệu quả gia công, kéo dài tuổi thọ dụng cụ cắt và nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết sau khi gia công.
Chất lượng bề mặt được xác định bởi các đặc điểm cơ, lý, hóa và cấu trúc liên kết, bao gồm sự thay đổi độ nhám, độ cứng vi mô, cấu trúc vi mô và ứng suất dư.
Chất lượng Độ nhám bề mặt Ứng suất dư Độ bền mỏi bề mặt
Cấu trúc tế vi Độ cứng tế vi
Hình 1.10 Sơ đồ minh họa về ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến độ bền mỏi [57]
Theo nghiên cứu của Field và Kahles, chất lượng bề mặt được xác định bởi mối quan hệ giữa các giá trị hình học như độ nhám và các tính chất vật lý như ứng suất dư, độ cứng và cấu trúc lớp bề mặt Các yếu tố này có ảnh hưởng lớn đến độ bền mỏi của chi tiết, như được minh họa trong hình 1.10 Đặc biệt, độ nhám bề mặt và ứng suất dư bề mặt được coi là hai chỉ tiêu quan trọng nhất trong việc đánh giá chất lượng bề mặt sau gia công.
Chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc vào những yếu tố sau đây:
- Tính chất của vật liệu gia công;
- Độ cứng vững của hệ thống công nghệ;
- Thông số hình học của dụng cụ cắt;
Ba thông số gia công quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt và độ chính xác kích thước là vận tốc cắt (V), lượng tiến dao (f) và chiều sâu cắt (t) Những thông số này dễ xác định hơn so với các yếu tố khác trong quá trình tiện.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về gia công thép không gỉ19 1 Các nghiên cứu ngoài nước
1.4.1.1 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 thông số công nghệ, đặc biệt là lượng tiến dao và vận tốc cắt, có ảnh hưởng lớn đến chất lượng bề mặt và độ nhám bề mặt Nghiên cứu cho thấy rằng cắt với vận tốc thấp (dưới 150m/phút) thường dẫn đến hiện tượng phoi bám nhiều, gây lẹo dao (BUL) và làm giảm khả năng cắt của dao, từ đó ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng bề mặt và năng suất Ngoài ra, độ nhấp nhô tế vi của lớp bề mặt sau gia công tăng khi lượng tiến dao tăng nhưng lại giảm khi vận tốc cắt tăng; chiều sâu cắt hầu như không ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt.
Nghiên cứu của Xinxin Zhang và các đồng nghiệp về chất lượng bề mặt khi phay cao tốc thép không gỉ cho thấy rằng lượng tiến dao là yếu tố công nghệ quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt.
Lakhdar Bouzid và nhóm nghiên cứu đã sử dụng hàm kỳ vọng để ước lượng và tối ưu hóa độ mòn cũng như tuổi thọ của dụng cụ trong quá trình tiện tinh thép SUS304 Nghiên cứu này đã xác định được các thông số công nghệ tối ưu nhằm giảm thiểu độ mòn dụng cụ, đạt được nhám bề mặt thấp nhất và kéo dài tuổi thọ dụng cụ Phương pháp tối ưu đa mục tiêu được thực hiện thông qua thuật toán hàm kỳ vọng.
Franko Puh và các đồng nghiệp đã tiến hành nghiên cứu nhằm tối ưu hóa chế độ cắt trong quá trình tiện, sử dụng phương pháp phân tích quan hệ xám (Gray) để đánh giá các đặc tính tổ hợp chất lượng Nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất cắt mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.
Nghiên cứu áp dụng phương pháp Gray kết hợp với phương pháp Taguchi nhằm tối ưu hóa các đặc tính hiệu suất trong quá trình tiện Mục tiêu là đạt được sự kết hợp tối ưu giữa chế độ cắt để giảm thiểu độ nhám bề mặt (Ra) và tối đa hóa lượng vật liệu bị bóc tách.
Ứng suất dư là một chỉ tiêu quan trọng trong chất lượng bề mặt, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất mỏi của chi tiết Nghiên cứu gần đây đã chú trọng đến các phương pháp đo ứng suất dư và tác động của quá trình gia công đến ứng suất dư ở nhiều loại vật liệu khác nhau.
Nghiên cứu của D.W Wu chỉ ra rằng độ cứng của vật liệu ảnh hưởng trực tiếp và đáng kể đến giá trị ứng suất dư do gia công Phương pháp gia công thép cứng khác biệt so với thép dẻo, trong đó bề mặt gia công của thép dẻo không trải qua bất kỳ giai đoạn chuyển pha nào.
Nghiên cứu của Arunachalam và các đồng nghiệp cho thấy rằng ứng suất dư và độ nhám bề mặt do dụng cụ cắt Nitrit Bo lập phương (CBN) tạo ra bị ảnh hưởng nhiều hơn bởi vận tốc cắt so với chiều sâu cắt Việc sử dụng chất làm mát trong quá trình gia công giúp tạo ra ứng suất dư nén hoặc giảm thiểu ứng suất dư kéo, trong khi gia công không có tưới nguội thường dẫn đến ứng suất dư kéo.
Nghiên cứu của tác giả R M’Saoubiet và các đồng nghiệp chỉ ra rằng độ dày của lớp chịu kéo giảm khi vận tốc cắt tăng, trong khi đó, độ dày này lại tăng khi lượng tiến dao cao khi tiện thép SUS316L Hơn nữa, lượng tiến dao có tác động mạnh mẽ đến hình dạng của biên dạng ứng suất dư, bao gồm độ sâu của điểm nén và vùng bị ảnh hưởng cắt.
1.4.1.2 Các nghiên cứu về tối ưu hóa khi gia công thép không gỉ
Lựa chọn thông số công nghệ trong gia công là yếu tố quyết định chất lượng sản phẩm và năng suất Trước đây, việc này thường dựa vào khuyến nghị của nhà sản xuất và kinh nghiệm của người vận hành Gần đây, các nhà nghiên cứu đã phát triển thuật toán mới nhằm tối ưu hóa quy trình gia công với nhiều mục tiêu khác nhau Những thuật toán này đã được áp dụng và đánh giá độ tin cậy, cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc giải quyết bài toán tối ưu hóa.
Tác giả Poornima và Sukumar đã nghiên cứu tối ưu hóa các thông số gia công trong quá trình tiện CNC thép SUS40 bằng phương pháp bề mặt chỉ tiêu (RSM) kết hợp với thuật toán di truyền (GA) Nghiên cứu này xác định ba thông số công nghệ tối ưu, trong đó độ nhẵn bề mặt đạt được với độ nhám tối ưu là 0.74àm thông qua việc áp dụng GA.
Nghiên cứu của Nooraziah Ahmad và các tác giả đã so sánh tối ưu độ nhám bề mặt khi gia công thép SUS1045 bằng phương pháp Taguchi, thuật toán di truyền (GA) và thuật toán bầy đàn (PSO) Hai đề xuất chính của nghiên cứu bao gồm mô hình độ nhám bề mặt sử dụng phương pháp bề mặt chỉ tiêu (RSM) và so sánh các phương pháp tối ưu để xác định độ nhám bề mặt tối ưu với sự kết hợp của các thông số công nghệ trong quá trình tiện Kết quả cho thấy giá trị dự đoán theo RSM đạt 99.3% so với giá trị thực nghiệm Đặc biệt, PSO đã đạt được độ nhám bề mặt thấp nhất và tối ưu nhanh hơn so với GA và Taguchi.
1.4.2 Các nghiên cứu trong nước
Tại Việt Nam, nghiên cứu về gia công thép không gỉ và ảnh hưởng của quá trình gia công đến chất lượng bề mặt đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu trong những năm gần đây Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc đánh giá tác động của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt, mòn dụng cụ và lực cắt.
Nghiên cứu của tác giả Nguyễn Tiến Dũng và đồng nghiệp đã chỉ ra rằng khi tiện thép SUS304, các thông số công nghệ như vận tốc (V), bước tiến (f) và thời gian (t) có ảnh hưởng đáng kể đến độ nhám bề mặt (R a hoặc R z) Phương pháp trực giao được áp dụng để đánh giá mối quan hệ này, từ đó xây dựng mô hình toán học liên kết giữa độ nhám bề mặt và các thông số công nghệ Kết quả nghiên cứu cho thấy lượng tiến dao là yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến độ nhám bề mặt.
Trong luận văn thạc sỹ của Lê Thị Hoài Thu, nghiên cứu về độ chính xác gia công vật liệu có độ dẻo cao đã chỉ ra rằng các thông số công nghệ có ảnh hưởng đáng kể đến hai chỉ tiêu quan trọng.
NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT
Độ nhấp nhô tế vi bề mặt
2.1.1 Các thông số của độ nhấp nhô tế vi bề mặt
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng ma sát và độ mòn của chi tiết máy chịu ảnh hưởng bởi chiều cao (R a hoặc R z) và hình dạng của độ nhấp nhô tế vi trên bề mặt, cũng như phương của vết gia công Khi độ nhám bề mặt thay đổi, các yếu tố này sẽ tác động trực tiếp đến hiệu suất và tuổi thọ của chi tiết máy.
Tăng độ nhám bề mặt (R a) có thể làm giảm tính chất và độ bền của mối ghép Khi lắp chặt, lực ép làm cho độ nhám bề mặt bị chèn xuống, dẫn đến giảm độ dôi thực tế Ngược lại, khi lắp lỏng, chiều cao nhấp nhô bị mòn nhanh chóng, làm tăng độ hở của mối ghép Độ nhám bề mặt giảm (độ nhẵn bóng bề mặt tăng) sẽ cải thiện độ bền mỏi của chi tiết Hơn nữa, độ nhám bề mặt cũng ảnh hưởng lớn đến khả năng chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt chi tiết.
Bề mặt chi tiết gia công thường không phẳng lý tưởng mà có những nhấp nhô do quá trình biến dạng dẻo lớp bề mặt, ảnh hưởng của chuyển động cắt và vết cắt để lại Tính chất hình học của bề mặt được đánh giá qua độ nhám và độ sóng, trong đó độ nhám là chỉ số phản ánh sự ổn định của quá trình gia công Nhiều yếu tố như sự biến dạng vật liệu, lực cắt, rung động và mài mòn dụng cụ cắt đều tác động đến độ nhám bề mặt Các thông số công nghệ và điều kiện cắt cũng có ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhám của chi tiết sau gia công.
Bề mặt gia công thường không đồng nhất và có nhiều đặc điểm như vết nứt siêu nhỏ, tạp chất, vết lõm và biến đổi cấu trúc Độ nhám bề mặt là phương pháp phổ biến để đánh giá tình trạng của bề mặt này.
Độ nhám bề mặt gia công là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ chính xác và tuổi thọ của các chi tiết máy Trong ngành công nghiệp, độ nhám bề mặt được ký hiệu theo nhiều cách khác nhau, bao gồm sai lệch tổng cộng của profin (Ra), sai lệch quân phương của profin (Rq), và chiều cao lớn nhất của profin.
Độ nhám bề mặt (R a) được xác định là diện tích giữa biên dạng nhám và đường trung bình của nó, tương ứng với tích phân của giá trị tuyệt đối của chiều cao biên dạng nhám trên chiều dài chuẩn Giá trị này được tính theo phương trình (2.1).
Trong đó: R a là độ lệnh trung bình so với đường trung bình, L là chiều dài chuẩn để đánh giá ( L = 0,01 đến 25 mm), y( x) là biên dạng nhám [39].
Hình 2.1 Profile độ nhám bề mặt trung bình [39]
2.1.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt
Độ nhám bề mặt chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố, bao gồm thông số cắt, các hiện tượng trong quá trình cắt, thông số hình học của dụng cụ cắt và đặc tính của phôi, như được thể hiện trong hình 2.2.
Các hiện Đặc trưng dụng cụ cắt Vật liệu dụng cụ Độ đảo Hình dạng của dụng cụ dao
Dung dịch quá trình cắt Chiều sâu cắt Lượng dịch dao Bước tiến
Góc dao NHÁM BỀ Đường kính phôi
Chiều dài phôi Đặc trưng phôi Độ cứng phôi
Hình thành phoi Ma sát
Rung động lực cắt tượng cắt gọt
Hình 2.2 Các thông số ảnh hưởng đến nhám bề mặt [115]
Trong đó ảnh hưởng của các thông số công nghệ bao gồm: Vận tốc cắt ( V ), lượng tiến dao ( f ), chiều sâu cắt ( t ) được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất.
- Ảnh hưởng của vận tốc cắt ( V )
Vận tốc cắt đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chất lượng bề mặt, đặc biệt là độ nhấp nhô tế vi (R a) Khi vận tốc cắt thấp, chiều cao nhấp nhô tế vi tăng lên, trong khi khi tăng vận tốc cắt, chiều cao này giảm Nghiên cứu cho thấy, với vận tốc cắt từ 80m/phút trở lên khi gia công thép 45, chiều cao nhấp nhô ít thay đổi do ít hình thành BUE Đối với thép SUS304, khi vận tốc cắt dưới 50m/phút, hiện tượng trượt dao xảy ra do phoi bám dính ở mũi dao, dẫn đến lực đẩy làm dao tách rời khỏi bề mặt gia công Từ 50m/phút đến 100m/phút, phoi bám vẫn diễn ra nhiều, làm giảm khả năng cắt và chất lượng bề mặt kém Ở vận tốc cắt từ 100m/phút đến 150m/phút, hiện tượng này giảm bớt nhưng vẫn tồn tại Điều này cho thấy vận tốc cắt ảnh hưởng lớn đến chất lượng bề mặt và năng suất trong quá trình tiện.
- Ảnh hưởng của lượng tiến dao ( f )
Lượng tiến dao ảnh hưởng đáng kể đến độ nhám bề mặt, với việc gia tăng lượng tiến dao dẫn đến chiều cao nhấp nhô tế vi lớn hơn Hình học cho phép xác định tác động của lượng tiến dao đến chiều cao Rz một cách rõ ràng.
Với và 1 là góc nghiêng chính và nghiêng phụ của dao; f là lượng tiến dao tính theo mm/vòng
Khi thay đổi lượng tiến dao trong quá trình gia công, lực cắt và rung động cũng sẽ biến đổi, dẫn đến chiều cao nhấp nhô của bề mặt không ổn định Nghiên cứu cho thấy, khi cắt với lượng tiến dao quá nhỏ (f < 0,05mm/vòng), chiều cao Rz có thể tăng lên do hiện tượng trượt dao Đặc biệt, lượng tiến dao được xác định là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt khi gia công các loại vật liệu, bao gồm cả thép không gỉ Do đó, việc lựa chọn thông số thích hợp khi tiện và áp dụng cho các phương pháp gia công khác như phay, bào, khoan là rất cần thiết.
- Ảnh hưởng của chiều sâu cắt t
Chiều sâu cắt ảnh hưởng đến quá trình cắt và chất lượng bề mặt, với việc tăng chiều sâu cắt dẫn đến tăng lực cắt và nhiệt cắt Tuy nhiên, ảnh hưởng của nó đến chất lượng bề mặt không đáng kể, vì khi chiều sâu cắt tăng, chiều dài tiếp xúc giữa dụng cụ cắt và phôi cũng tăng, khiến lực cắt đơn vị gần như không thay đổi Để mô hình hóa độ nhám bề mặt khi tiện cứng, tác giả Whitehouse đã đề xuất một mô hình thực nghiệm nhằm ước tính sự thay đổi độ nhám bề mặt dựa trên các thông số gia công khác nhau.
Độ nhám bề mặt của chi tiết gia công chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố, bao gồm mòn dụng cụ và hiện tượng BUE Ba thông số gia công quan trọng nhất tác động đến chất lượng bề mặt và độ chính xác kích thước là vận tốc cắt, lượng tiến dao và chiều sâu cắt Những thông số này có thể điều chỉnh được và phụ thuộc vào các yếu tố khác như đặc tính vật liệu, loại dụng cụ cắt và dung dịch trơn nguội.
Độ cứng tế vi
Độ cứng tế vi là yếu tố quan trọng trong việc đánh giá chất lượng bề mặt và ảnh hưởng đến khả năng hoạt động cũng như tuổi thọ của chi tiết Nghiên cứu cho thấy, bề mặt biến cứng có thể tăng độ bền mỏi của chi tiết lên khoảng 20% và cải thiện độ chống mòn từ 2 đến 3 lần, giúp hạn chế nguy cơ nứt vỡ Tuy nhiên, nếu bề mặt quá cứng, nó có thể làm giảm độ bền mỏi của chi tiết.
2.2.1 Đo độ cứng tế vi
Các phép đo độ cứng tế vi đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá khả năng chống ăn mòn, chống mài mòn và sự hình thành vết nứt do mỏi Hợp kim titan có độ cứng tế vi cao và khả năng gia công thấp, dẫn đến tình trạng mài mòn dụng cụ cắt diễn ra nhanh chóng trong quá trình gia công không tưới nguội Việc đo độ cứng tế vi giúp xác định sự thay đổi tổ chức trong các lớp và lớp trắng dưới bề mặt gia công Độ bền mỏi của chi tiết sau gia công chịu ảnh hưởng lớn từ ứng suất dư, sự thay đổi tổ chức vật liệu, cấu trúc tế vi, độ cứng tế vi và sự xuất hiện của các bất thường trên bề mặt.
Nguyên tắc của phương pháp kiểm tra độ cứng dựa trên việc tác động lực vào mũi đâm trên bề mặt mẫu vật liệu, sau đó đo các kích thước của vết lõm, bao gồm độ sâu và diện tích bề mặt thực tế của vết lõm.
Độ cứng được phân loại thành các cấp độ khác nhau, bao gồm độ cứng vĩ mô, độ cứng vi mô và độ cứng nano, dựa trên giá trị lực tác dụng và kích thước của vết lõm.
Các phương pháp kiểm tra độ cứng vĩ mô như Rockwell, Brinell và Vickers là những kỹ thuật phổ biến để đo độ cứng một cách nhanh chóng Lực tác dụng trong các phương pháp này dao động từ 50N đến 30.000N.
Các phương pháp đo độ cứng vi mô như micro-Vickers và Knoop thường được áp dụng để xác định độ cứng bề mặt, độ cứng của lớp phủ vật liệu, hoặc độ cứng của các pha khác nhau trong vật liệu đa pha Đầu chóp kim cương tập trung lực tác dụng, với lực thường dao động từ 10 đến 1000 gf.
Các phương pháp kiểm tra độ cứng cấp Nano sử dụng lực tác dụng nhỏ khoảng 1nN và đo độ sâu vết lõm một cách chính xác Trong đó, phương pháp đo độ cứng Vickers sử dụng mũi đâm hình tháp 136o với đáy hình vuông, tạo ra vết tác động rõ ràng hơn so với phương pháp Brinell.
D phương pháp Vickers có tính chính xác cao hơn Lực tác dụng từ 1kgf tới 120kgf, thời gian tác dụng thường trong 30s.
Giá trị chỉ số độ cứng HV được xác định thao công thức: với:
D : chiều dài đường chéo của vết lõm.
Chiều dài đường chéo của vết lõm được xác định thông qua kính hiển vi, thường tích hợp với máy đo độ cứng Sơ đồ 2.3 minh họa quy trình đo độ cứng Vickers.
Hình 2.3 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
2.2.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ cứng tế vi
Trong gia công tiện, các thông số công nghệ như vận tốc cắt, lượng tiến dao và chiều sâu cắt có ảnh hưởng đáng kể đến độ cứng tế vi bề mặt Nghiên cứu gần đây đã chỉ ra sự khác biệt trong tác động của những yếu tố này đến kết quả gia công cụ thể.
Nghiên cứu của Schwach và đồng nghiệp [92] chỉ ra rằng tính toàn vẹn bề mặt khi tiện thép SUS5210 chịu lực có liên quan đến ứng suất dư và độ cứng tế vi, với lớp trắng có độ cứng cao hơn vật liệu nền Pawade và cộng sự [79] đã tối ưu hóa các thông số gia công khi tiện Inconel 718, cho thấy rằng tốc độ cắt cao, lượng tiến dao thấp và chiều sâu cắt vừa phải với lưỡi cắt được mài mang lại tính toàn vẹn bề mặt tốt G H Senussi và đồng nghiệp [93] đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số gia công đến độ cứng tế vi của phoi trong tiện thép SUS304, phát hiện rằng độ cứng tế vi tăng lên ở tốc độ cắt thấp hơn Tương tự, Thakur và các tác giả [36] đã phân tích độ cứng tế vi của phoi khi tiện Inconel 718, cho thấy phân tích phoi hữu ích trong việc nghiên cứu khả năng gia công Cuối cùng, Ebrahimi và cộng sự [43] đã gia công hợp kim titan bằng dụng cụ phủ cacbua, với kết quả cho thấy độ biến cứng tăng khi tốc độ cắt tăng từ 55 m/phút lên 95 m/phút.
Nghiên cứu cho thấy lượng tiến dao có ảnh hưởng không đáng kể đến độ cứng tế vi trong quá trình gia công tiện các loại thép như SUS316 và SUS4340.
Nhiều tác giả cho rằng việc tăng lượng tiến dao trong quá trình tiện thép SUS304 và hợp kim Ti-64 sẽ làm tăng độ cứng bề mặt của vật liệu.
[28], nghiên cứu trong tài liệu số [25] cho biết độ cứng tăng khi lượng tiến dao thấp khi tiện thép Austenit 12-Mn.
Chiều sâu cắt ảnh hưởng nhiều đến độ cứng, chiều sâu cắt tăng dẫn đến độ cứng tăng khi tiện thép SUS316 [78], SUS304 [93].
Vận tốc cắt là thông số quan trọng ảnh hưởng đến độ cứng khi tiện thép hợp kim Ti-64 [28].
Cần tiến hành nghiên cứu chi tiết để đánh giá tác động của các thông số công nghệ đến độ cứng tế vi bề mặt khi gia công thép SUS304 Đồng thời, xây dựng mô hình toán học nhằm dự đoán giá trị độ cứng tế vi, từ đó tối ưu hóa quy trình gia công hiệu quả hơn.
Ứng suất dư
2.3.1 Cơ chế hình thành ứng suất dư Ứng suất dư nén trên lớp bề mặt có khả năng làm tăng độ bền mỏi của chi tiết Ví dụ, đối với chi tiết độ bền mỏi có khả năng tăng lên 50% khi trên lớp bề mặt có ứng suất dư nén và độ bền mỏi giảm 30% khi trên lớp bề mặt có ứng suất dư kéo [13]. Ứng suất dư trong quá trình cắt gọt kim loại thường được sinh ra do ba nguồn bao gồm: nhiệt phát sinh trong quá trình cắt, biến dạng cơ học và sự thay đổi tổ chức [39].
Biến dạng cơ học xảy ra khi dụng cụ cắt tiếp xúc và nén với phôi, dẫn đến biến dạng dẻo trên phôi gia công Quá trình này tạo ra ứng suất dư nén, trong khi nhiệt cắt phát sinh trong quá trình gia công lại gây ra ứng suất dư kéo.
Hình 2.4 Sự hình thành ứng suất dư [62]
Ứng suất dư hình thành từ nhiệt và biến dạng cơ học có vai trò quan trọng trong hoạt động của chi tiết máy khi chịu tải trọng động Để giảm thiểu sự hình thành và phát triển vết nứt, quá trình gia công tinh sản phẩm cần tạo ra ứng suất dư nén ở vùng sát bề mặt.
Sự gia tăng nhiệt độ gần vùng gia công dẫn đến hiện tượng chuyển pha trên bề mặt và dưới bề mặt phôi, gây ra ứng suất dư kéo hoặc nén do thay đổi thể tích cục bộ Ứng suất dư trong gia công chịu ảnh hưởng lớn từ sự thay đổi các điều kiện gia công, vì vậy việc xác định mối quan hệ giữa chất lượng bề mặt và các điều kiện gia công dưới dạng hàm toán học là cần thiết.
2.3.2 Các phương pháp đo và tính toán ứng suất dư
Trong bối cảnh phát triển của khoa học kỹ thuật, các phương pháp đo ứng suất dư được phân loại thành ba nhóm chính: không phá hủy, bán phá hủy và phá hủy Tất cả các phương pháp này đều có điểm chung là đo gián tiếp, vì không có phương pháp nào có thể đo trực tiếp ứng suất Thay vào đó, các giá trị ứng suất phải được tính toán hoặc suy ra từ các đại lượng đo được như biến dạng đàn hồi hoặc sự thay đổi tinh thể Hình 2.5 minh họa phân loại các kỹ thuật chính để đo ứng suất dư, bao gồm các kiểu không phá hủy, bán phá hủy và phá hủy.
Việc lựa chọn phương pháp đo phù hợp căn cứ theo điều kiện thí nghiệm và mẫu cần đo [91].
KỸ THUẬT ĐO ỨNG SUẤT DƯ
Phương pháp nhiễu xạ X-ray
Phương pháp nhiễu xạ Neutron
Hình 2.5 Phân loại các kỹ thuật đo ứng suất dư [42]
2.3.2.1 Phương pháp đo kiểu không phá hủy dựa trên nhiễu xạ
Phương pháp nhiễu xạ sử dụng bức xạ điện từ để xác định khoảng cách giữa các mặt phẳng nguyên tử trong vật liệu tinh thể, phản ánh biến dạng cơ hoặc nhiệt bên ngoài Biến dạng này là tuyến tính trong khoảng đàn hồi, và phương pháp nhiễu xạ hiệu quả trong việc đo kích thước liên mặt phẳng của tinh thể, liên quan đến trạng thái ứng suất trong vật liệu Khi bức xạ, thường là tia X, tương tác với các nguyên tử trong tinh thể sắp xếp theo trật tự, nó sẽ bị tán xạ với tần số tương ứng, tạo ra các hướng nhiễu xạ mạnh và yếu Các góc nhiễu xạ mạnh nhất được mô tả bởi định luật Bragg: nλ = 2d sin θ, trong đó n là số nguyên, λ là bước sóng của bức xạ, d là khoảng cách giữa các mặt phẳng nhiễu xạ, và θ là góc Bragg.
Hình 2.6 Nhiễu xạ trong cấu trúc mạng tinh thể [7], [91]
Nhiễu xạ tia X (XRD) là một phương pháp hiệu quả và đáng tin cậy để nghiên cứu mức ứng suất dư trên bề mặt của vật liệu tinh thể.
Nhiễu xạ tia X là phương pháp hiệu quả và tiết kiệm chi phí để đo ứng suất dư, được sử dụng phổ biến với các máy đo di động và tự động, phù hợp cho cả thí nghiệm tại chỗ và trong phòng thí nghiệm Độ sâu đo không phá hủy đối với thép và nhôm có thể lên tới hàng chục micromet dưới bề mặt mẫu, khoảng 20 micromet Để mô tả đầy đủ đặc điểm biên dạng chiều sâu ứng suất dư, phương pháp ăn mòn điện hóa thường được áp dụng để tiếp cận bề mặt cần đo Sử dụng ăn mòn điện hóa cho phép thực hiện các phép đo liên tiếp với độ sâu phân tích đạt tới 1mm, và khi kết hợp với mài, đánh bóng, và ăn mòn điện hóa, độ sâu phân tích có thể lên đến 5mm.
Nhiễu xạ neutron cung cấp đầy đủ tensor ứng suất dư, bao gồm các thành phần 11, 22 và 33, cho phép phân tích trên các chi tiết có độ dày khác nhau Tương tự như phương pháp XRD, nhiễu xạ neutron cũng đo biến dạng đàn hồi thông qua định luật Bragg và tính toán ứng suất dựa vào định luật Hooke, kết hợp với mô đun đàn hồi (E) và tỷ lệ Poisson () Tuy nhiên, phương pháp này ít được sử dụng do chi phí cao của các thiết bị đo nhiễu xạ.
Phương pháp nhiễu xạ neutron là một kỹ thuật không phá hủy, có khả năng đo độ sâu khoảng 40mm cho thép và 50mm cho nhôm Trong ngành công nghiệp chế tạo máy bay, phương pháp này được áp dụng để khảo sát sự phân bố ứng suất dư, mặc dù độ phân giải không gian của nó không cao.
Nhiễu xạ Synchrotron là một công nghệ tiên tiến hơn so với nhiễu xạ tia X, cho phép thu thập đầy đủ tensor ứng suất dư, bao gồm các thành phần 11, 22 và 33 Phương pháp này cung cấp độ phân giải cao hơn cả nhiễu xạ neutron, đặc biệt hữu ích cho việc phân tích các mẫu có hình dạng phức tạp, mặc dù kích thước của các chi tiết cần đo lại có giới hạn.
Phương pháp này ít được sử dụng và thời gian xử lý để đạt được kết quả thường chậm Độ sâu đo không phá hủy có thể đạt khoảng 25mm đối với thép.
100mm đối với nhôm Tuy nhiên, độ phân giải không gian không tốt bằng phương pháp XRD.
Phân tích nhiễu Barkhausen (BNA) xảy ra khi một từ trường tác động lên nam châm, và hai đặc điểm vật liệu chính sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ tín hiệu nhiễu này.
Sự hiện diện và phân bố của ứng suất đàn hồi có ảnh hưởng lớn đến việc lựa chọn và khóa vào hướng từ hóa dễ dàng của các miền Tương tác giữa đặc tính đàn hồi và cấu trúc miền cùng với tính chất từ của vật liệu được gọi là tương tác đàn hồi từ Trong các vật liệu có từ tính dị hướng dương như sắt, thép và coban, ứng suất nén làm giảm cường độ nhiễu Barkhausen, trong khi ứng suất kéo lại làm tăng cường độ này Thực tế này có thể được khai thác để đo lường cường độ nhiễu.
Hình 2.7 Sơ đồ phân tích nhiễu Barkhausen
Lượng ứng suất dư có thể được xác định thông qua phép đo Barkhausen, đồng thời xác định hướng của ứng suất chính Các quy trình như cán nguội và gia công bắn tạo ra phân bố ứng suất dư nén phức tạp ở lớp bề mặt, được đặc trưng bởi nhiễu Barkhausen Độ sâu thâm nhập tín hiệu hiệu quả dao động từ 0.01mm đến 1mm, như thể hiện trong hình 2.7 về phép đo BNA.
Sự hình thành phoi khi gia công thép không gỉ
2.4.1 Quá trình hình thành phoi
Hình thái của phoi trong gia công phụ thuộc vào vật liệu và các thông số công nghệ, với nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng hình thái phoi có liên quan đến chất lượng bề mặt Tuy nhiên, mối liên hệ cụ thể giữa chúng, đặc biệt là đối với thép không gỉ, vẫn chưa được làm rõ Để tìm hiểu về cơ chế hình thành phoi khi gia công thép SUS304, nghiên cứu sinh đã tiến hành thí nghiệm tiện và sử dụng thiết bị chụp SEM để quan sát bề mặt phoi Kết quả cho thấy phoi có dạng dây, được phân chia thành hai bề mặt: mặt tự do bên ngoài và mặt trong tiếp xúc với dao Bề mặt tiếp xúc với dao trở nên nhẵn bóng do tác động của ma sát và nhiệt độ.
Hình 2.11 Các bề mặt phoi tạo thành khi tiện
Bề mặt tự do của phoi có cấu trúc khác biệt so với bề mặt tiếp xúc với dao, bao gồm hai mặt cơ bản và hai cạnh bên ngoài, bên trong của phoi Sự biến dạng trên các cạnh này tạo ra sự khác biệt đáng kể trên bề mặt tự do, như được thể hiện trong hình 2.12.
Trên bề mặt tự do của phoi, có hai vùng chính: vùng phoi phía trong và vùng phoi phía ngoài Vùng phoi phía trong bị nén nhiều hơn, dẫn đến sự hình thành các lớp phoi nhỏ và xếp chồng dày đặc Ngược lại, vùng phoi phía ngoài chịu nén ít hơn, do đó các lớp phoi ở đây lớn hơn và phân chia thành từng lớp rõ rệt.
Trong quá trình gia công vật liệu SUS304, sự hình thành phoi dẫn đến sự khác biệt về cấu trúc bề mặt giữa hai vùng Quan sát hình ảnh chụp SEM cho thấy, vùng phoi phía ngoài bề mặt tự do không tiếp xúc với phôi - dao, do đó bị biến dạng nhiều hơn, tạo thành các lớp có hình dạng giống như bậc thang (răng cưa).
Hình 2.12 Cấu trúc lớp bề mặt tự do của phoi
Hình 2.13 Lớp phoi hình thành trên bề mặt tự do
Vùng phía trong của phoi bị ảnh hưởng bởi sự tiếp xúc giữa dao và phôi, dẫn đến các phần tử kim loại ở đây bị nén, tạo ra cấu trúc khác biệt so với vùng phoi phía ngoài Các lớp phoi ở vùng trong nghiêng theo cạnh bên trong của dao, có kích thước nhỏ và phân bố đồng đều Ngược lại, vùng phoi phía ngoài có các lớp hình thành rõ ràng, với sự phân đoạn trên cạnh ngoài phụ thuộc vào đặc tính vật liệu và các thông số công nghệ khi tiện SUS304.
2.4.2 Ảnh hưởng của dạng phoi và độ nhám bề mặt
Sự hình thành và cấu tạo của phoi có ảnh hưởng đáng kể đến độ nhám bề mặt của chi tiết sau gia công Qua nghiên cứu thực nghiệm, độ nhám bề mặt chi tiết sau khi tiện SUS304 được đo với vận tốc cắt 230 m/phút, lượng tiến dao 0,2 mm/vòng và chiều sâu cắt 0,5 mm, cho kết quả R a = 1,72 µm Hình ảnh SEM của bề mặt sau gia công được thể hiện trong hình 2.14a, cùng với dạng phoi hình thành trong thí nghiệm được mô tả ở hình 2.14b.
Hình 2.14 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 hỡnh thành lớn cú bề rộng là 659àm và khoảng cỏch cỏch võn hỡnh thành trờn bề mặt tự do trung bỡnh khoảng 34àm như hỡnh 2.15.
Hình 2.15 Bề rộng phoi khi V 230 m/phút, f 0,2 mm/vòng và t 0,5 mm
Với thông số công nghệ V = 260 m/phút, f = 0,08 mm/vòng và t = 0,1 mm, độ nhám bề mặt đo được là Ra = 0,44 µm, như thể hiện trong hình 2.16a Trong thí nghiệm này, phoi hình thành là phoi dây với kích thước chiều rộng phoi nhỏ và độ xoắn của phoi được minh họa trong hình 2.16b.
Hình 2.16 Độ nhám và sự hình thành phoi khi V 260 m/phút, f 0,08 mm/vòng và t 0,1 mm
Chiều rộng phoi khi vận tốc cắt đạt 260 m/phút, với thông số f là 0,08 mm/vòng và t là 0,1 mm, được đo bằng ảnh chụp SEM là 362 µm, cho thấy vân hình thành rõ rệt trên bề mặt tự do Điều này chứng tỏ rằng, trong điều kiện vận tốc cắt cao, chiều sâu cắt nhỏ và lượng tiến dao thấp, phoi hình thành dạng phoi dây, tạo ra bề mặt chi tiết nhẵn bóng Ảnh SEM cũng chỉ ra rằng các lớp phoi trên bề mặt tự do của thí nghiệm này khá rõ nét và tương đồng giữa vùng phía trong và vùng phía ngoài của phoi.
Khi tăng tốc độ cắt và chiều sâu cắt, đồng thời giảm lượng tiến dao, phoi sẽ hình thành dạng phoi dây và sự biến dạng của phoi sẽ rõ ràng hơn trên lớp bề mặt tự do Trong điều kiện này, độ nhám bề mặt của chi tiết gia công đạt giá trị nhỏ nhất trong khu vực thực nghiệm.
Chất lượng bề mặt trong gia công phụ thuộc vào nhiều yếu tố đầu vào, bao gồm vật liệu phôi, hình dáng và vật liệu dụng cụ cắt, độ cứng vững của máy, chất làm mát, và đặc biệt là các thông số công nghệ Nghiên cứu sơ bộ cũng chỉ ra rằng thông số công nghệ có ảnh hưởng lớn đến quá trình hình thành phoi.
Nghiên cứu về chất lượng bề mặt, bao gồm độ nhám, độ cứng tế vi và ứng suất dư, cho thấy rằng các thông số công nghệ có ảnh hưởng mạnh đến từng chỉ tiêu Để hiểu rõ mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và các yếu tố đầu ra của quá trình gia công, cần xây dựng mô hình toán học mô tả mối quan hệ này và xác định hàm quan hệ thông qua nghiên cứu thực nghiệm Đồng thời, việc phân tích các phương pháp đo và tính toán là cần thiết để lựa chọn phương pháp phù hợp nhất.
- Đo nhám bề mặt ( R a ) bằng thiết bị đo điện tử quét bề mặt.
- Đo độ cứng tế vi ( HV ) bằng thiết bị đo độ cứng Vickers.
- Xác định ứng suất dư thông qua phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) và tính toán giá trị theo phương pháp Williamson-Hall.