Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NHIỆT ĐỘ TẠI VÙNG CẮT KHI
TIỆN CAO TỐC HỢP KIM TITAN BT6 BẰNG PHẦN MỀM DEFORM-3D
RESEARCH ON TEMPERATURE DISTRIBUTION PROCESSES DURING HIGH
SPEED TURNING TITAN ALLOYS BT6 ON DEFORM-3D
TS. Phạm Quốc Hoàng1a, TS. Nguyễn Trường An1b, NCS Đặng Xuân Hiệp1c
1
Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội, Việt Nam
a
b
, ,
TÓM TẮT
Bài báo nghiên cứu quá trình biến đổi nhiệt xảy ra trên dụng cụ cắt khi tiện cao tốc hợp
kim Titan BT6. Quá trình tiện được mô phỏng trên phần mềm DeForm-3D với các thông số
công nghệ là vận tốc cắt, chiều sâu cắt, lượng chạy dao. Đưa ra được biểu đồ quá trình nhiệt trên
dụng cụ cắt khi gia công. Khuyến nghị vùng tốc độ cắt hợp lý khi gia công hợp kim Titan BT6.
Từ khóa: Titan, hợp kim Titan BT6, tiện cao tốc, gia công cao tốc, nhiệt độ cắt, sơ đồ
Solomon
ABSTRACT
This article presents the temperature distribution occurring on cutting tool during high
speed turning Titan alloys BT6. Turning process is simulated on DeForm-3D with machining
parameters: cutting speed, depth of cutting, feed rate. Present the diagram of temperature
processing on cutting tool. Recommend the right cutting speed region when machining Titan
alloy BT6.
Keywords: Titan, Titan alloy BT6, high speed turning, high speed machining, cutting
temperature, diagram Solomon
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Titan và hợp kim của nó được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp đòi hỏi yêu
cầu bền nhiệt và bền mòn cao. Do tỷ trọng thấp, độ bền cao, Titan được ứng dụng ngày càng
nhiều trong công nghiệp quốc phòng, đặc biệt là trong ngành kỹ thuật hàng không, chế tạo vũ

khí. Trong số các hợp kim của Titan, BT5 và BT6 được dùng rất phổ biến, chúngcó thể làm
việc ổn định ở nhiệt độ 400oC, trong thời gian ngắn ở 750oC [1].
Tuy nhiên khi gia công cơ hợp kim Titan gặp một số khó khăn như: hiện tượng “trào”
phoi ở nhiệt độ cao gây ra bám dính trên dao, làm giảm tuổi thọ dao; lớp biến cứng bề mặt
làm giảm tuổi thọ dao cắt và giảm năng suất; bụi phoi dễ dẫn đến hiện tượng tự cháy,… Để
khắc phục các khó khăn này, một số giải pháp hiện đại được nghiên cứu áp dụng: gia công
cao tốc, sử dụng dung dịch trơn nguội đặc biệt, gia công siêu hàn [2]. Trong đó, phương pháp
gia công cao tốc thường được áp dụng do có một số ưu điểm vượt trội so với phương pháp gia
công truyền thống, hạn chế phần nào các khó khăn trên: tăng năng suất gia công, tăng tuổi thọ
của dao cắt, giảm ứng suất trên bề mặt chi tiết.
Hiện nay với máy móc hiện đại, có thể gia công đạt vận tốc cắt cực lớn (6000m/phút).
Các nghiên cứu cho thấy, với vận tốc cắt đủ lớn nhiệt độ cắt sẽ giảm, tạo điều kiện tăng tuổi bền
dụng cụ [4]. Với mỗi loại vật liệu sẽ có dải vận tốc tới hạn khác nhau, nhiệt độ cắt khác nhau.
Rất nhiều chi tiết chế tạo từ Titan được sử dụng trong công nghiệp và quốc phòng có
dạng tròn xoay: ổ trục, cánh quạt, van động cơ, nòng súng, các chi tiết trong tên lửa…. Do đó
việc nghiên cứu gia công cao tốc hợp kim Titan là bài toán thiết thực.
31


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Gia công cao tốc hợp kim Titan
Gia công cao tốc được định nghĩa là gia công khi tốc độ cắt đạt 5-10 lần tốc độ cắt
truyền thống. Tùy theo loại vật liệu mà dải (vùng) tốc độ gia công cao tốc khác nhau (hình 1).
Đối với Titan, vùng gia công cao tốc được đưa ra là trong khoảng: 110-1000 m/phút.

Hình 1. Tốc độ cắt trong gia công cao tốc
Một trong những ưu thế rõ ràng khi áp dụng gia công cao tốc là tăng năng suất gia công.
Mục đích nghiên cứu của bài báo là tìm ra được vùng tốc độ cắt mà ở đó nhiệt độ vùng cắt
thấp, đảm bảo tiêu chí tăng tuổi thọ dụng cụ cắt.

2.2 Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến quá trình gia công
Để nâng cao năng suất gia công cần tăng tốc độ cắt, lý thuyết cắt thông thường chỉ ra
rằng, khi tốc độ cắt tăng, nhiệt sinh ra tại vùng cắt tăng. Nhiệt độ này làm dao cắt không giữ
được độ cứng và giảm tuổi bền rõ rệt. Tuy nhiên, khi vận tốc cắt đạt đến một ngưỡng nhất định
ứng với gia công cao tốc, nhiệt độ ở vùng cắt không tiếp tục tăng mà có xu hướng giảm xuống,
lúc này nhiệt sinh ra truyền vào dao giảm, phần lớn lượng nhiệt truyền vào phoi (90%) [5].
Đường cong Solomon cũng chỉ ra rằng tại vùng gia công cao tốc, với tốc độ cắt đủ lớn,
lực cắt cũng giảm [3]. Những đặc tính này, cho phép nâng cao năng suất và tăng chất lượng
bề mặt gia công.

Hình 2. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt độ cắt
Hợp kim Titan nói chung và BT6 nói riêng khá đắt tiền và chưa chế tạo được trong
nước, nên điều kiện để làm thực nghiệm gặp khó khăn. Bài báo sử dụng phần mềm Deform3D, tiến hành mô phỏng số các thực nghiệm, phương pháp này giảm được thời gian nghiên
cứu và xác định được gần chính xác vùng thực nghiệm hợp lý.
3. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TIỆN CAO TỐC TRÊN PHẦN MỀM DEFORM-3D
Hợp kim Titan BT6 có thành phần hóa học và cơ tính như trong bảng 1.
BT6

Bảng 1. Thành phần và cơ tính hợp kim Titan BT6
a k =0.3N.m/cm2
Ti-6Al-4V
σ = 950-1100N/mm2 δ= 10-13% ψ =25-60%
32


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Dao cắt: Mảnh dao hợp kim cứng, ký hiệu TNMA332:với góc nghiêng chính φ=450,
góc trước γ= 150, góc sau α= 50
Mô hình phần tử hữu hạn được xây dựng như hình 4 với phần gia công được rút gọn
tượng trưng: đường kính phôi: D=30mm; nhiệt độ môi trường: 200C. Lưới phần tử hữu hạn

được chia tập trung về phần đầu mũi dao và phần phôi được gia công; lưới được chia với kích
thước lớn nhất 0,25*s = 0,75mm.

Hình 4. Mô hình phần tử hữu hạn dao và phôi
Từ mục đích và yêu cầu đặt ra, sử dụng lý thuyết quy hoạch thực nghiệm để tính toán số
lượng thí nghiệm và số mẫu cần thiết cho các chế độ cắt. Theo các nghiên cứu về gia công cao
tốc hợp kim Titan [1,3], lựa chọn dải thực nghiệm như sau:vận tốc cắt V c = 100-500m/min;
chiều sâu cắt t = 0,3–1,5mm; lượng chạy dao s=0,1–0,3mm/vòng.
Lấy nhiệt độ tại đầu mũi dao làm hàm mục tiêu xác định chế độ gia công. Theo lý
thuyết quy hoạch trực giao cấp hai, ta có dạng phương trình hồi quy là:
3

y=
b0 + ∑ bi xi +

3

∑

3

bik xi xk + ∑ bii xi2

i=
1
i ,k =
1;i ≠ k

(1)


i=
1

Các tham số đặc trưng của quy hoạch trực giao cấp hai cho trường hợp ba biến, ta sẽ có
8 thí nghiệm cơ bản, một thí nghiệm ở tâm và 6 thí nghiệm mở rộng. Xây dựng khoảng biến
thiên của các biến trong không gian mở rộng như bảng 2.
TT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

x1
+
+
+
+
0
+ω 1

-ω 1
0
0
0
0

Bảng 2. Ma trận thực nghiệm
x2
x3
v
500
+
500
+
500
+
+
500
+
100
+
+
100
100
+
100
0
0
300
0

0
542
0
0
58
+ω 2
0
300
-ω 2
0
300
0
+ω 3
300
0
-ω 3
300
33

t
0.3
1.5
0.3
1.5
0.3
1.5
0.3
1.5
0.9
0.9

0.9
1.63
0.17
0.9
0.9

s
0.1
0.1
0.3
0.3
0.3
0.3
0.1
0.1
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.32
0.08


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Tiến hành mô phỏng bằng phần mềm Deform-3D theo vùng biến thiên trong bảng 1, ta
thu được kết quả nhiệt độ tại đầu mũi dao như trong hình 5. Hình 5a cho thấy quá trình nhiệt
trên mô hình lưới dao – phôi; hình 5b đưa ra kết quả quá trình nhiệt tại đầu dao, nhiệt độ đỉnh
dao đo được là 2210C.


a) dao và phôi

b) dao
Hình 5. Nhiệt độ vùng cắt V c =300m/min:

Mỗi bộ tham số công nghệ (v,t,s) trong bảng 1 tiến hành mô phỏng với cùng điều kiện
(nhiệt độ, chia lưới phần tử hữu hạn, vật liệu,…) sẽ thu được kết quả nhiệt tại mũi dao như
trong bảng 2.
Bảng 2. Nhiệt độ tại đầu mũi dao
2
3
4
5
6

№

1

T(0C)

352

345

361

348

138


№

9

10

11

12

T(0C)

372

154

321

328

7

8

129

187

207


13

14

15

330

341

324

Từ kết quả mô phỏng, thu được các hệ số của phương trình (1):
b0

b1

b2

b3

b 12

b 13

b 23

b 11


b 22

b 33

306.6

9.2

-1.6

-11.7

-3.8

17.4

-4.4

-57.9

-16.4

-0.9

Thay các hệ số vào biểu thức (1) ta có phương trình hồi quy như sau:
y = 306.6 + 9.2 x1 − 1.6 x2 − 11.7 x3 − 3.8 x1 x2 + 17.4 x1 x3 − 4.4 x2 x3 − 57.9 x12 − 16.4 x22 − 0.9 x32 (2)

Khảo sát phương trình (2) ta thấy giá trị nhiệt độ cắt trên dao y ít phụ thuộc vào x 2 –
chiều sâu cắt và x 3 – lượng chạy dao mà phụ thuộc chủ yếu vào x 1 – vận tốc cắt. Điều này
phù hợp với các nghiên cứu lý thuyết về gia công cao tốc trước đây. Hình 6 miêu tả sự thay

đổi của nhiệt độ trên dao phụ thuộc vào vận tốc cắt, với chiều sâu cắt t = 0,3mm và ứng với s 1
= 0,1mm/vòng, s 2 = 0,2mm/vòng, s 3 = 0,3mm/vòng.

34


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 6. Nhiệt độ trên mũi dao theo vận tốc cắt Vc
Biểu đồ nhiệt độ trên mũi dao cho thấy, trong vùng gia công cao tốc, khi vận tốc cắt
nằm trong khoảng 100m/phút -300m/phút nhiệt độ tại đầu dao nhỏ hơn 2500C, ở nhiệt độ này
dao cắt có gắn mảnh hợp kim cứng TNMA332 giữ được độ cứng và đạt được tuổi bền.
4. KẾT LUẬN
Gia công cao tốc, trong đó có tiện cao tốc, là một trong các phương pháp hiện đại để
nâng cao năng suất và chất lượng gia công hợp kim Titan. Việc mô phỏng quá trình gia công
trên phần mềm Deform-3D đã rút ngắn quá trình nghiên cứu hợp kim Titan BT6. Khuyến
nghị vùng gia công hợp kim Titan BT6 bằng mũi dao TNMA332 trong khoảng 100300m/phút, đảm bảo năng suất gia công, chất lượng sản phẩm và tuổi bền dụng cụ cắt.
TÀILIỆUTHAMKHẢO
[1]. КривоуховВ.А.,
ЧубаровА.Д.
Обработкарезаниемтитановыхсплавов
«Машиностроение», 1970г., стр. 23-84.

–

[2]. Фам Куок Хоанг, Данг Суан Хиеп.Современные методы механической обработки
титановых сплавов.
[3]. Handbook of High-speed Machining Technology. Robert I. King – Chapman and Hall,
New York, 1985. PP. 3-47.
[4]. Kitagawa T., Kubo A., Maekawa K. Temperature and wear of cutting tools in high-speed

machining of Inconel 718 and Ti-6Al-6V-2Sn – Elsevier Science, 1997, pp. 142-148.
[5]. Sutter G., List G. Very high speed cutting of Ti-6Al-4V titanium alloy – change in
morphology and mechanism of chip formation, International Journal of Machine Tools
and Manufacture, 2013, Vol. 66, p. 37-43.
THÔNG TIN TÁC GIẢ
1.

TS. Phạm Quốc Hoàng. Học viện Kỹ thuật quân sự.
Email: , 0984775668

2.

TS. Nguyễn Trường An. Học viện Kỹ thuật quân sự.
Email: , 0975280976

3.

NCS. Đặng Xuân Hiệp. Học viện Kỹ thuật quân sự
Email: , 01688565223
35