Ứng dụng công nghệ gia công tia nước gia công hợp kim titan (Ti6Al4V)

lượng và các tính chất cơ học. Tuy nhiên, do có độ cứng vật liệu rất cao nên việc gia công, chế tạo bằng các phương pháp cắt gọt truyền thống là rất khó khăn và mất rất nhiều chi phí. Công nghệ gia công bằng tia nước chứa hạt mài được xem là một giải pháp hiệu quả do có lực cắt không đáng kể, không sinh nhiệt, không gây biến dạng chi tiết trong quá trình gia công. Nghiên cứu này giới thiệu mô hình dự đoán độ sâu khi phay bằng công nghệ gia công bằng tia nước. Mô hình được đề xuất cho phép kiểm soát một cách hiệu quả chiều sâu lớp vật liệu bị gỡ bỏ khi phay các hốc mở trên hợp kim Ti6Al4V. Kết quả thực nghiệm cho thấy sai số thấp (nhỏ hơn 7%) giữa chiều sâu trên mô hình dự đoán và thực nghiệm. Abstract. Titanium alloys are widely getting used in the aerospace engineering domain owing to a good balance between the mass and mechanical properties. However, such hard materials are difficult to machine using conventional methods and result in high machining costs. Abrasive water jet machining emerges as a novel solution to produce titanium parts due to low cutting force without affected–zone heat, and no deformation in the part. This study introduces a model to predict the machined depth using abrasive water jet machining. This model allows us to control the milled depth effectively when mill open pocket in Ti6Al4V. Experimental result has shown a good accuracy with max error 7% in the depth of all milled pockets. Từ khóa: gia công tia nước, tia nước chứa hạt mài, gia công hợp kim Titanium, vết cắt cơ sở, hốc, chiều sâu phay. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong lĩnh vực hàng không, hợp kim titan chiếm một tỷ trọng lớn trong tổng khối lượng vật liệu chế tạo máy bay (14%) do có ưu điểm nổi bật: nhẹ, bền và có khả năng chống ăn mòn tốt. Các chi tiết sử dụng hợp kim titan thuộc các bộ phận trong kết cấu khung, sườn, vỏ máy bay. Đặc điểm của các chi tiết cơ khí này thường yêu cầu chịu tải trọng rất lớn với yêu cầu khối lượng chi tiết nhẹ và chúng thường được dùng ở dạng thanh, tấm. Gia công các chi tiết này là rất khó khăn khi áp dụng phương pháp gia công truyền thống như: phay, tiệnDo phôi rất dễ biến dạng dưới tác dụng của lực cắt lớn. Ý tưởng ứng dụng các phương pháp gia công phi truyền thống đã được áp dụng, ví dụ như phương pháp ăn mòn hóa học, xung điện.... Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm lớn do sử dụng axit – tác nhân gây nguy hiểm cho môi trường sau quá trình gia công và chi phí cao. Trong bối cảnh đó, phương pháp gia công bằng tia nước -117- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải (Abrasive water jet machining – AWJM) được giới thiệu đầu tiên năm 1958 như một phương pháp gia công tiềm năng thay thế cho phương pháp gia công ăn mòn hóa học khi gia công các chi tiết nêu trên. Sử dụng tia nước cho quá trình phay nhằm kiểm soát chiều sâu gia công xuất hiện vào những năm 1990s với mục đích gia công các hốc có chiều sâu giới hạn (pocket). Cenac nghiên cứu quá trình phay có kiểm soát chiều sâu trên vật liệu composite [1], Flower và các cộng sự nghiên cứu quá trình này trên hợp kim titan [2]. Các nghiên cứu thường phải sử dụng các tấm bảo vệ các khu vực không gia công trên chi tiết để tránh các khuyết tật trên bề mặt gia công. Tuy nhiên các tấm bảo vệ yêu cầu có độ chính xác cao và được làm từ cùng loại vật liệu với vật liệu gia công hoặc có độ cứng cao hơn. Do đó phát sinh chi phí về: vật liệu, chi phí gia công... Trong bối cảnh đó, bài báo giới thiệu phương pháp áp dụng mô hình dự đoán chiều sâu gia công. Phương pháp này cho phép kiểm soát một cách hiệu quả chiều sâu lớp vật liệu bị gỡ bỏ khi phay các hốc mở trên hợp kim titan Ti6Al4V bằng tia nước chứa hạt mài. 1.1. Giới thiệu công nghệ gia công tia nước chứa hạt mài AWJM thuộc nhóm các phương pháp gia công phi truyền thống dựa trên nguyên lý xói mòn vật liệu. Công nghệ này được sử dụng chủ yếu cho mục đích cắt các loại vật liệu. Khi máy cắt tia nước hoạt động, các hạt mài mòn (Garnet, Silica, Alumina với kích thước trung bình nằm trong khoảng 120 ÷ 180 ) bị cuốn vào tia nước đã được tăng tốc đến vận tốc cao bằng cách sử dụng áp suất trên 130 MPa. Chùm tia nước-hạt mài này tác động lên bề mặt của phôi gia công và vật liệu được loại bỏ bằng quá trình phân tách và xói mòn. Công nghệ này cho phép cắt bất kỳ loại vật liệu nào, bao gồm các loại vật liệu giòn và vật liệu dẻo. Phương pháp này được xem là giải pháp gia công hiệu quả và tiềm năng bởi vì trong quá trình gia công không sinh nhiệt, áp lực cắt nhỏ không gây ra biến dạng bề mặt chi tiết gia công [3, 4]. 1.2. Nguyên lý gia công bằng tia nước chứa hạt mài Hình 12 mô tả sơ đồ mặt cắt ngang của đầu cắt trên máy gia công bằng tia nước chứa hạt mài. Khi làm việc, các hạt mài từ phễu nạp đi vào buồng trộn do trọng lượng bản thân và ảnh hưởng hiệu ứng Venturi do sự di chuyển của tia nước trong đầu cắt. Cửa nạp nước với kích đường kính lỗ rất nhỏ từ 0,1 – 0,4 mm được làm từ vật liệu sapphire hoặc kim cương, do đó năng lượng của nước áp lực cao được chuyển hóa thành động năng sau đó năng lượng này được truyền sang các hạt mài. Kết quả là chùm tia nước chứa hạt mài, không khí được gia tốc và hướng vào ống phun – chi tiết cho phép tập trung nước vào vị trí cần cắt trên bề mặt gia công. Khi tia nước tác động lên vật liệu, vật liệu bị gỡ bỏ hình thành các vết cắt nhờ quá trình xói mòn. Hình dạng của các vết cắt này, một mặt phụ thuộc vào tính chất vật liệu phôi (vật liệu dẻo hay giòn), mặt khác nó phụ thuộc các thông số đầu vào của quá trình gia công. -118- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Nước áp lực cao Phễu nạp hạt mài Cửa nạp nước vào buồng trộn Cửa nạp hạt mài Buồng trộn Hạt mài mòn Ống phun Tia nước chứa hạt mài Khoảng cách phun Phôi gia công Hình 12. Nguyên lý công nghệ gia công bằng tia nước Với mục đích sử dụng chùm tia nước này cho quá trình phay các hốc mà độ sâu phay được kiểm soát, thì yêu cầu cần thiết đặt ra là nghiên cứu sự hình thành và đặc tính của các vết cắt trên vật liệu phôi khi tia nước di chuyển theo đường thẳng. Sau đây các vết cắt này được gọi là các “vết cắt cơ sở” trong quá trình gia công các hốc. 2. ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ GIA CÔNG TIA NƯỚC ĐỂ PHAY HỐC 2.8. Sự hình thành của vết cắt cơ sở Trong các nghiên cứu [1, 5, 6] đã chỉ ra rằng ngay sau khi đi ra từ miệng ống phun, biên dạng vận tốc của chùm tia nước chứa hạt mài tuân theo biên dạng Gauss (có hình dạng chuông). Đặc biệt, các nghiên cứu của A. Alberdi và cộng sự sử dụng phương trình Gauss để mô tả biên dạng của vết cắt cơ sở khi tia nước dịch chuyển trên bề mặt phôi theo đường thẳng [6, 7]. Hướng gia công Ống phun Chùm tia nước hạt mài Biên dạng vết cắt cơ sở Vết cắt cơ sở Phôi gia công Hình 13. Sự hình thành của vết cắt cơ sở -119- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Trên cơ sở nghiên cứu này, T. Sultan [8] đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm sự hình thành các vết cắt cơ sở trên vật liệu hợp kim titan. Nghiên cứu đã so sánh các mô hình khác nhau trong việc mô hình hóa các vết cắt cơ sở và đưa ra mô hình phân rã Gauss. Trong nghiên cứu đã chứng tỏ được sự hiệu quả của phương trình phân rã Gauss trong mô hình hóa các vết cắt cơ sở. Tuy nhiên phương trình phân rã Gauss đòi hỏi số lượng thí nghiệm rất lớn để có được các hệ số trong phương trình. Hạn chế này gây khó khăn khi thay đổi vật liệu gia công. Ngoài ra, khi xét đến ảnh hưởng của các thông số trong quá trình gia công tới kích thước vết cắt cơ sở. Các nghiên cứu trên cũng chỉ ra rằng áp suất phun (P) và vận tốc (Vf) di chuyển của chùm tia nước trên bề mặt gia công có ảnh hưởng nhiều nhất đến chiều sâu của vết cắt cơ sở. Trong khi đó, khoảng cách phun (SOD) và kích thước hạt mài (Gr) có ảnh hưởng chủ yếu đến chiều rộng của vết cắt cơ sở. Trong nghiên cứu này, cho mục đích dự đoán chiều sâu của các hốc phay, việc kiểm soát độ chính xác của chiều sâu gia công được ưu tiên hơn là chiều rộng của hốc. Thêm vào đó, với mục đích ban đầu của công nghệ gia công bằng tia nước phục vụ cho việc cắt vật liệu, nên trong khi gia công việc thay đổi các thông số đầu vào (áp suất, khoảng phun, hạt mài) trên các máy cắt tia nước hiện nay là một trở ngại lớn cho điều khiển quá trình cắt gọt. Trên cơ sở đó, vận tốc dịch chuyển của đầu cắt (Vf) được chọn làm tham số điều khiển, các thông số khác sẽ được giữ cố định là các hằng số không đổi trong suốt quá trình gia công. Từ phân tích trên, kết hợp nghiên cứu thực nghiệm, phương trình Gauss cơ bản được chọn sử dụng trong nghiên cứu này và được viết lại theo phương trình (1) [9]: (1) Trong đó, và là các tham số biểu diễn sự phụ thuộc chiều sâu và chiều rộng của vết cắt cơ sở vào vận tốc dịch chuyển Vf của tia nước. Các tham số này được xác định theo phương trình: (2) (3) Các hệ số được xác định bằng thực nghiệm và sử dụng phương pháp bình phương bé nhất. Để xác định hai phương trình (2) và (3), chúng ta chỉ cần làm thí nghiệm ở 3 vận tốc khác nhau. Khi đó phương trình (1) là hoàn toàn xác định. Điều này cho phép dự đoán biên dạng vết cắt cơ sở phụ thuộc vào vận tốc Vf một cách chính xác và nhanh chóng. 2.9. Nguyên lý hình thành hốc từ các vết cắt cơ sở Khi tia nước ở trạng thái ổn định (vận tốc, áp lực, lưu lượng hạt mài mòn trong dòng chảy), các hốc có thể được hình thành bằng cách điều khiển tia nước theo một trong các chiến lược gia công cơ bản như trong điều khiển quá trình gia công phay -120- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải CNC. Tuy nhiên, trạng thái bề mặt của hốc phụ thuộc rất nhiều vào khoảng cách dịch chuyển ngang (p) (Hình 14) trong quá trình điều khiển [9]. Tia nước Khoảng cách dịch chuyển ngang (p) Chiều sâu phay Y X Vật liệu gia công Z Mặt cắt ngang hốc phay Hình 14. Sự hình thành của hốc khi phay bằng tia nước Do đó biên dạng của hốc phay có thể được xác định bằng sự tổng hợp từ các vết cắt cơ sở (Hình 15). Hình 15. Nguyên lý hình thành biên dạng hốc phay từ các vết cắt cơ sở Như vậy, khi một vết cắt cơ sở (1) được xác định thì biên dạng của hốc phay hoàn toàn xác định và được mô tả sử dụng phương trình (4): (4) Trong đó: i – Số lần đường gia công của tia nước trên bề mặt vật liệu p – Bước dịch chuyển ngang giữa hai lần chạy của tia nước -121- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải và – hệ số chiều sâu lớn nhất và chiều rộng cuả vết cắt cơ sở tương ứng với vận tốc Vf (xác định qua thực nghiệm). Tuy nhiên trong quá trình phay, từ các vết cắt cơ sở thứ hai trở đi, các hạt mài sau khi tác động lần đầu lên bề mặt phôi, sau đó, chúng sẽ tiếp tục có tác động thứ cấp lên các vết cắt cơ sở trước đó hoặc theo dòng hỗn hợp: nước, hạt kim loại vật liệu phôi, các tạp chất...thoát ra ngoài. Hiện tượng này dẫn đến sự sai lệch giữa mô hình và thực nghiệm. Do đó, trong nghiên cứu [9], phương trình (4) được viết dưới dạng phương trình sau (5) (5) Trong đó: – hệ số xói mòn khi xét đến ảnh hưởng của quá trình gỡ bỏ vật liệu thứ cấp của tia nước chứa hạt mài. = 1.1, được xác định bằng thực nghiệm. Bên cạnh đó, chiều sâu lớn nhất của hốc ứng với vận tốc Vf xác định bởi phương trình (6): (6) Từ các phương trình (5), (6), chiều sâu phay của các hốc trong quá trình phay bằng tia nước là hoàn toàn kiểm soát được khi lựa chọn được các giá trị Vf và p phù hợp. 3. THỬ NGHIỆM QUÁ TRÌNH PHAY BẰNG TIA NƯỚC 3.5. Thiết bị thí nghiệm và đo Trong nghiên cứu này, các thí nghiệm được thực hiện tại Viện nghiên cứu hàng không vũ trụ Clement Ader, Toulouse, CH Pháp. Máy cắt tia nước chứa hạt mài – FLOW MACH4C 5 trục được sử dụng cho quá trình phay (Hình 16). Bảng 1. Các thông số đầu vào. Áp suất bơm 350 Đường kính lỗ ống phun 1.016 (MPa) (mm) Đường kính cửa nạp hạt 6 Kích thước hạt mài (mesh) 120 mài (mm) Đường kính cửa nạp 0.3302 Khoảng cách phun (mm) 100 nước (mm) Các thí nghiệm sử dụng loại hạt mài có kích thước 120 mesh ( ) được cung cấp bởi công ty Opta Minerals (Ấn Độ), và vật liệu hợp kim titan có ký hiệu Ti6Al4V. Các mẫu hợp kim titan thí nghiệm này có kích thước dài, rộng, cao: 200 x 20 x 6 mm. Để kiểm tra kích thước sau gia công, sử dụng thiết bị đo biên dạng quang học ALICONA IF 3D (Hình 17) cho phép thu được các bề mặt của các hốc phay với độ phân giải cao (10-5 mm theo trục Z). Như đã đề cập trên, khi tia nước tác dụng lên vật liệu ở trạng thái ổn định, hốc gia -122- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải công phụ thuộc vào vận tốc dịch chuyển (Vf) và bước dịch chuyển ngang (p). Để chứng minh khả năng ứng dụng của phương trình (6) cho việc dự đoán chiều sâu các hốc phay. Các thông số đầu vào của quá trình gia công được lựa chọn như sau (Bảng 1): Water orifice 0.33 (mm) Wxxater orifice) Cửa nạp hạt mài Cửa nạp nước Ống phun Hình 16. Mắy cắt tia nước chứa hạt mài FLOW MACH4C 2 mm V Các vết cắt cơ sở f 2 Hốc phay mm Vf Vf Hình 17. Dụng cụ đo quang học ALICONA IF 3D -123- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 3.6. Phương pháp và kết quả thực nghiệm Với các thông số được cho trong Bảng 1 thành lập nên một cấu hình gia công xác định. Để dự đoán chiều sâu phay của quá trình gia công tia nước, phương trình (1) được thành lập thông qua việc xác định các hệ số H(Vf) và B(Vf). Cụ thể, 3 vết cắt cơ sở được gia công tương ứng với ba giá trị vận tốc:Vf1, Vf2, Vf3 nằm trong khoảng giá trị từ 300 mm/phút đến 3500 mm/phút. Từ kết quả đo trên thiết bị ALICONA IF 3D áp dụng phương pháp bình phương bé nhất các hệ số được xác định lần lượt là: . Với mục đích gia công 06 hốc có chiều sâu ở 3 mức khác nhau: H1 = 0.6 mm; H2 =0.3 mm; H3 =0.15 mm. Cho mỗi độ sâu trên, có hai hốc được gia công với 02 giá trị của p được chọn một cách ngẫu nhiên nằm trong khoảng giá trị [0.6B(Vf) – 0.9B(Vf)] [9]. Với các giá trị p được chọn, các vận tốc di chuyển (Vf) tương ứng của tia nước được xác định theo công thức (6). Các giá trị của p và Vf được liệt kê như trong Bảng 2. Bảng 2. Các giá trị p và Vf dùng trong thí nghiệm. p (mm) Vf (mm/phút) H1 = 0.6 (mm) H2 = 0.35 (mm) H2 = 0.15 (mm) Áp dụng các giá trị p và Vf, các hốc được tạo ra từ 10 vết cắt cơ sở liên tiếp trên hợp kim Ti6Al4V. Kết quả so sánh giữa biên dạng dự đoán – phương trình (5) và kết quả đo trên thiết bị ALICONA được thể hiện như sau (Hình 18): -124- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Mô hình (phương trình 5) Thực nghiệm Hình 18. Kết quả so sánh mô hình và thực nghiệm của các hốc Từ kết quả so sánh, có thể thấy chiều sâu khi phay có thể kiểm soát được thông qua kiểm soát hai thông số là Vf và p. Giá trị sai số lớn nhất giữa chiều sâu được dự đoán (theo phương trình 6) với kết quả thí nghiệm là 7% trong trường chiều sâu H2 =0.3 mm. Có hai nguyên nhân chính dẫn của sai số này: kích thước hạt mài không đồng nhất, tần số động cơ điện 3 pha dẫn đến áp suất nước không ổn định trong suốt quá trình. Các nguyên nhân này dẫn đến hệ số He thay đổi. 5. KẾT LUẬN Nghiên cứu trình bày khả năng áp dụng công công nghệ gia công bằng tia nước để phay các hốc có chiều sâu được kiểm soát trên hợp kim Ti6Al4V. Trong đó các thông số đầu vào của quá trình được lựa chọn trước, chiều sâu của các hốc phay có thể điều kiển bởi hai thông số là vận tốc di chuyển của tia nước- Vf và khoảng các giữa các bước dịch chuyển - p. Kết quả thực nghiệm đã cho thấy sai lệch chiều sâu của các hốc giữa mô hình và thí nghiệm là 7% khi xét đến ảnh hưởng của hệ xói mòn - He xảy ra trong quá trình gia công. Để nâng cao khả năng áp dụng công nghệ này vào thực tế sản xuất công nghiệp, các nghiên cứu khác cần được thực hiện như: thay đổi vật liệu thí nghiệm, mô phỏng quá trình phay bằng tia nước, thực hiện phay các bề mặt có biên dạng phức tạp. -125- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn Viện nghiên cứu hàng không vũ trụ Clement Ader, Toulouse, CH Pháp đã hỗ trợ cho nghiên cứu này trong khuôn khổ Đề án 911 của Bộ giáo dục và đào tạo Việt Nam. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Cenac F (2011) Etude de l’usinage non débouchant par jet d’eau abrasif des composites, Ph.D thesis. 188 2. Fowler G, Shipway PH, Pashby IR (2005) Abrasive water-jet controlled depth milling of Ti6Al4V alloy - An investigation of the role of jet-workpiece traverse speed and abrasive grit size on the characteristics of the milled material. J Mater Process Technol 161:407–414. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2004.07.069 3. Sultan T, Gilles P, Cohen G, et al (2016) Modeling incision profile in AWJM of Titanium alloys Ti6Al4V. Mech Ind 17:403. https://doi.org/10.1051/meca/2015102 4. Hejjaji A, Zitoune R, Toubal L, et al (2019) Influence of controlled depth abrasive water jet milling on the fatigue behavior of carbon/epoxy composites. Compos Part A Appl Sci Manuf. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2019.03.045 5. Srinivasu DS, Axinte DA, Shipway PH, Folkes J (2009) Influence of kinematic operating parameters on kerf geometry in abrasive waterjet machining of silicon carbide ceramics. Int J Mach Tools Manuf 49:1077–1088. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2009.07.007 6. Alberdi A, Rivero A, López de Lacalle LN, et al (2010) Effect of process parameter on the kerf geometry in abrasive water jet milling. Int J Adv Manuf Technol 51:467–480. https://doi.org/10.1007/s00170-010-2662-y 7. Alberdi A, Rivero A, López de Lacalle LN (2011) Experimental Study of the Slot Overlapping and Tool Path Variation Effect in Abrasive Waterjet Milling. J Manuf Sci Eng 133:034502. https://doi.org/10.1115/1.4004320 8. Sultan T (2015) Usinage de metaux durs par Jet d’Eau Abrasif. 174 9. Bui VH, Gilles P, Sultan T, et al (2017) A new cutting depth model with rapid calibration in abrasive water jet machining of titanium alloy. Int J Adv Manuf Technol 93:1499–1512. https://doi.org/10.1007/s00170-017-0581-x -126-