Xây dựng công cụ hỗ trợ dự đoán chất lượng bề mặt đạt được khi gia công trên máy phay vạn năng (tt)

Các loại máy đặc trưng: Máy khoan nhiều trục chính thời Ai Cập cổ, mài dụng cụ kiểu Philistines, máy công cụ của Da Vinci, Đồng hồ thời Trung cổ… * Cuộc cách mạng công nghiệp ở cuối thế

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

NGUYỄN ĐỨC LONG

XÂY DỰNG CÔNG CỤ HỖ TRỢ DỰ ĐOÁN

CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT ĐẠT ĐƯỢC KHI GIA CÔNG

TRÊN MÁY PHAY VẠN NĂNG

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí

Mã số: 8520103

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2022

Công trình được hoàn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Phạm Thế Nhân

Phản biện 1:

TS Hoàng Văn Thạnh Phản biện 2:

TS Nguyễn Thanh Hải

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

kỹ Thuật cơ Khí họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 26 tháng 06

năm 2022

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

− Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

− Thư viện Khoa Cơ khi, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

MỞ ĐẦU

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CẮT GỌT KIM

LOẠI 1.1 Lịch sử phát triển

Điều đầu tiên và là bước ngoặc của thời đại, là con người đã khám phá ra cách để chiết xuất kim loại như: đồng, sắt và thiếc và là tiền đề lịch sử của ngành công nghệ vật liệu và sản xuất Vào khoảng thời gian những năm 700 trước Công nguyên, hầu hết các công cụ chỉ được làm bằng vật liệu sắt Các loại máy đặc trưng: Máy khoan nhiều trục chính thời Ai Cập cổ, mài dụng cụ kiểu Philistines, máy công cụ của Da Vinci, Đồng hồ thời Trung cổ…

* Cuộc cách mạng công nghiệp ở cuối thế kỷ 18

Các loại công cụ, máy móc luôn luôn được nâng cấp cải tạo có

độ cứng vũng cao hơn, mạnh hơn, năng suất cao hơn… theo thời gian và đặc biệt trong giai đoạn cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất vào cuối thế kỷ 18, mà chủ yếu là các nước Châu Âu mà nổi bật nhất là ở Vương quốc Anh và nước Pháp Các nghiên cứu và cải tiến của các nhà khoa học, kỹ sư ở đây đã làm thay đổi quan trọng và mạnh mẽ trong thiết kế động cơ hơi nước và việc phát minh ra máy móc thiết bị tự động cho sản xuất dệt

* Công nghiệp sản xuất (theo số lượng) thế kỷ 19

Phương pháp sản xuất theo số lượng bắt đầu ở đầu thế kỷ 19 đến cuối thế kỷ 19, phương pháp này lúc đầu nhằm mục đích phục vụ cho nhu cầu để sản xuất trong ngành công nghiệp vũ khí nhỏ và theo thời gian được áp dụng cho các ngành phục vụ cuộc sống của con người như: xe đạp, máy may, đồng hồ máy và đánh chữ…

* Sản xuất hàng loạt ở thế kỷ 20

Trong giai đoạn đầu thế kỷ 20, những máy công cụ được thiết

kế có độ cứng vững cao hơn, chính xác hơn, bánh răng được cải tiến

và luyện kim tốt hơn, có dầu bôi trơn và làm mát Cho nên những máy móc này có độ chính xác, có tốc độ và có công suất cao hơn Và

để đáp ứng những yêu cầu này, thì những nhà chế tạo máy công cụ

đã dùng công nghệ từ các ngành công nghiệp điện, hóa học

* Điều khiển số

Sau năm 1945, là sự lên ngôi của phương thức sản xuất mới đó

là áp dụng phương pháp điều khiển số NC, nó đánh dấu cho kỷ nguyển sử dụng công nghệ tin học trong sản xuất tự động hóa (bằng chương trình máy tính) Việc áp dụng điều khiển số NC trong sản xuất dẫn đến các máy công cụ vạn năng đã được cải tiến tốt nhất tiên tiến hơn để phục các ngành công nghiệp như: máy bay, xe hơi và đóng tàu thủy… và đặc biệt là là ngành công nghiệp máy bay do có nhiều chi tiết đòi hỏi phải độ chính xác cao và chi tiết phức tạp

1.2 Các đặc trưng cơ bản của gia công cơ

1.2.1 Các khái niệm

1.2.1.1 Gia công cơ

Gia công cơ hay còn gọi là gia công kim loại bằng cắt gọt là một phương pháp gia công phổ biến trong ngành cơ khí chế tạo máy

Đó là phương pháp gia công kim loại từ phôi, để đạt được chi tiết theo đúng yêu cầu kỹ thuật cho trước (hình dáng, kích thước, vị trí tương quang giữa các bề mặt và chất lượng bề mặt) bằng cách hớt bỏ dần những lớp kim loại thừa khỏi chi tiết nhờ các lưỡi cắt của dụng

cụ cắt

1.2.1.2 Hệ thống công nghệ

Muốn hoàn thành nhiệm vụ cắt gọt, con người phải sử dụng một

hệ thống thiết bị nhằm tách lớp kim loại thừa ra khỏi phôi, nhưng

đồng thời phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đã cho trên bản vẽ Hệ thống thiết bị dùng để hoàn thành nhiệm vụ cắt gọt được gọi là hệ thống công nghệ, bao gồm: máy, dao, đồ, gá và chi tiết gia công Máy: có nhiệm vụ cung cấp năng lượng và các chuyển động cần thiết cho quá trình cắt gọt

- Dao: có nhiệm vụ trực tiếp cắt bỏ lớp lượng dư ra khỏi chi tiết nhờ năng lượng máy cung cấp thông qua các chuyển động tương đối

- Đồ gá: có nhiệm vụ xác định và giữ vị trí tương quan chính xác giữa dao và chi tiết gia công trong suốt quá trình gia công

- Chi tiết gia công: là đối tượng của quá trình cắt gọt, mọi kết quả của quá trình gia công đều được phản ánh lên chi tiết

1.2.1.3 Cơ chế cắt gọt kim loại

Sự hình thành phoi là quá trình cắt gọt kim loại do sự tác động của năng lượng thông qua dụng cụ cắt gọt, vật liệu phôi bị biến dạng, phoi tạo ra và hình thành bề mặt kim loại mới được tạo ra

1.2.2 Bề mặt gia công

Bề mặt gia công chi tiết trong cơ khí rất đa dạng Tuy nhiên, phần lớn chúng đều hình thành bằng quét các đường sinh theo đường chuẩn, với đường sinh và đường chuẩn là đường thẳng, đường tròn hoặc đường cong nào đó

1.2.2.1 Dạng các bề mặt có đường chuẩn là đường tròn

Bề mặt có đường chuẩn là đường tròn là các bề mặt được tạo thành khi cho đường sinh chuyển động tương đối xung quanh đường chuẩn tròn với đặc trưng cơ bản là có trục chuẩn đối xứng hoặc tầm đối xứng Nếu đường sinh là đường thẳng, ta sẽ được bề mặt dạng trụ, nếu đường sinh song song với đường tâm hoặc được bề mặt hình côn nếu đường sinh giao với đường tâm

1.2.2.2 Dạng các bề mặt có đường chuẩn là đường thẳng

Đây là những bề mặt được quy ước tạo thành bởi đường sinh là đường thẳng, đường cong hoặc đường gấp khúc trượt trên đường chuẩn là đường thẳng

1.2.2.3 Dạng các bề mặt đặc biệt

Các dạng bề mặt đặc biệt là các bề mặt không gian phức tạp có đường kính chuẩn và đường sinh là đường tròn, đường thẳng hoặc đường cong nào đó (thân khai…)

1.2.3 Các phương pháp gia công cơ

1.2.3.1 Xuất phát từ nguyên lý tạo hình bề mặt

Người ta phân thành các phương pháp gia công chép hình, theo vết và bao hình

1.2.3.2 Xuất phát từ yêu cầu kỹ thuật của chi tiết gia công

Người ta có thể phân thành gia công thô, gia công bán tinh và gia công bóng

1.2.3.3 Phân loại theo máy gia công

Theo cách phân loại này ta có: gia công trên máy tiện gia công trên máy phay, gia công trên máy bào, gia công trên máy khoan, gia công trên máy mài…

1.2.4 Các chuyển động của quá trình gia công cơ

1.2.4.1 Chuyển động chính

Chuyển động chính hay còn gọi là chuyển động cắt chính, là chuyển động tạo ra phoi và tiêu hao năng lượng cắt lớn nhất Nó có thể là chuyển động quay, tịnh tiến hoặc kết hợp cả hai Đại lượng đặc

1.2.4.2 Chuyển động chạy dao

Chuyển động chạy dao là chuyển động dao hay phôi, kết hợp với chuyển động chính tạo nên quá trình cắt gọt, tức là cắt hết lượng

dư Chuyển động này có thể liên tục hay gián đoạn, quay hoặc tịnh tiến Đại lượng đặc trưng của lượng tiến dao là f và vận tốc tiến dao

là Vf

1.2.4.3 Chuyển động phụ

Chuyển động phụ là chuyển động không trực tiếp tạo ra phoi như chuyển động lùi dao về, tiến dao nhanh, chuyển động phân độ…

1.2.4.4 Chuyển động theo phương chiều sâu cắt a p

Chuyển động theo phương chạy dao là chiều sâu của lớp kim loại bị hớt đi sau một lần cắt Đại lượng đặc trưng của chiều sâu cắt

1.3.2 Các yếu tố của chế độ cắt khi phay

Chuyển động chính là do dao phay quay tạo nên và chuyển động chạy dao là chuyển động chạy dao tịnh tiến vuông góc theo ba

đường (do bằng mét) mà một điểm trên lưỡi cắt chính ở cách trục quay xa nhất đi được trong một phút Nếu tốc độ cắt biểu thị bằng m/ph, thì công thức tính tốc độ cắt có dạng sau:

1.000

Lượng chay dao phút:

1.3.3 Phay thuận và phay nghịch

Phay nghịch là quá trình phay khi chiều chuyển động của dao phay và chi tiết ngược nhau, phay thuận là quá trình phay khi chiều chuyển động của dao phay và chi tiết trùng nhau

1.3.4 Đồ gá để định vị và kẹp chặt chi tiết

Các đồ gá vạn năng như vấu kẹp, khối V, mỏ kẹp… dùng để kẹp chặt nhiều chi tiết khác nhau và chủ yếu được dùng trong sản xuất đơn chiếc và hàng loạt nhỏ

1.3.5 Dung dịch trơn nguôi khi phay

1.4 Chất lượng của bề mặt chi tiết gia công

1.4.1 Các yếu tố đặc trưng

1.4.1.1 Tính chất hình học của bề mặt gia công

Độ nhám bề mặt: Trong quá trình cắt gọt, lưỡi cắt của dao và sự hình thành phoi tạo ra những vết xướt cục bộ trên bề mặt gia công và làm cho bề mặt có độ nhám Độ nhám bề mặt gia công được đo bằng

bề mặt Để đánh giá độ nhám bề mặt ta dùng các chỉ tiêu sau

1.4.1.2 Tính chất cơ lí của bề mặt gia công

Tính chất cơ lí của bề mặt chi tiết máy được biểu thị bằng độ cứng bề mặt, sự biến đổi cấu trúc về mạng tinh thể của lớp bề mặt,

độ lớn và dấu của ứng suất dư trong lớp bề mặt, chiều sâu lớp biến cứng bề mặt

1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt

1.5.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công

1.5.1.1 Ảnh hưởng do in dập hình học của dao cắt và chế độ cắt đến

Với tốc độ cắt người ta thấy khi cắt thép carbon ở tốc độ cắt thấp nhiệt cắt không cao, phoi dễ dàng bị tách ra, biến dạng dẻo không nhiều làm độ nhám không lớn, như nếu ta tăng tốc độ cắt lên nữa thì độ nhẵn bóng cũng thay đổi

1.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất dư bề mặt

Nếu thay đổi chế độ cắt mà làm tăng lực cắt và mức độ biến dạng dẻo thì mức độ biến cứng cũng tăng Nếu kéo dài tác dụng của lực cắt trên bề mặt kim loại sẽ làm tăng chiều sâu lớp biến cứng bề mặt

1.5.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất dư bề mặt

Sự hình thành ứng suất dư ở bề mặt gia công phụ thuộc vào biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, biến dạng nhiệt và hiện tượng chuyển pha trong cấu trúc kim loại

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG NHỎ NHẤT 2.1 Thiết kế thực nghiệm

2.1.1 Khái niệm và lịch sử phát triển của thiết kế thực nghiệm

Các phương pháp thiết kế thực nghiệm được R.Fisher đề xuất vào những năm 1930 trong tài liệu Design of Experiment Ở nước ta, thường được gọi bằng tên “Quy hoạch thực nghiệm” được giải thích như là một tập hợp có hệ thống các bước để tiến hành thí nghiệm

2.1.2 Các nguyên tắc thiết kế thí nghiệm

2.1.2.1 Nguyên tắc ngẫu nhiên

Ngẫu nhiên là nên tảng của việc sử dụng các phương pháp thống

kê trong thiết kế thí nghiệm, bằng cách ngẫu nhiên hóa, thứ tự thay đổi giá trị các thông số thí nghiệm, cách bố trí thí nghiệm, thứ tự tiến

2.1.2.2 Nguyên tắc lặp lại

Điều đó có nghĩa là lặp lại một lần độc lập của mỗi yêu tố kết hợp, sự lặp lại có hai đặc tính quan trọng thứ nhất là cho nhiễu thí nghiệm và cho lấy giá trị trung bình mẫu

2.1.2.3 Nguyên tắc tạo khối

Nguyên tắc tạo khối thì thường được ứng dụng khi số lượng thí nghiệm nhiều, cho nên lúc đó ta phải cần chia thành nhiều khối thí nghiệm để tiến hành thí nghiệm

2.1.3 Các loại quy hoạch thực nghiệm

2.1.3.1 Quy hoạch thực nghiệm yếu tố

Trong quy hoạch thực nghiệm có loại: Quy hoạch thực nghiệm yếu tố hai mức toàn phân và quy hoạch thực nghiệm yếu tố ba mức toàn phân và riêng phần

2.1.3.2 Quy hoạch bề mặt đáp ứng

Quy hoạch bề mặt chỉ tiêu, ta có thể chọn một trong hai dạng: Quy hoạch hỗn hợp có tâm, quy hoạch Box – Behnken

2.1.3.3 Quy hoạch thực nghiệm chọn lọc

Quy hoạch thực nghiệm chọn lọc, ta có thể dùng các kiểu sau: Quy hoạch theo phương án lấy ý kiến chuyên gia, quy hoạch theo phương án bão hòa Plackett – Burman, quy hoạch theo phương án siêu bão hòa

2.1.3.4 Quy hoạch thực nghiệm tối ưu

Quy hoạch thực nghiệm tìm giá trị tối ưu, có thể dùng hai cách: Nếu mô hình hồi quy lập được là thích hợp thì sử dụng phương trình hồi quy để giải tối ưu, nếu không có mô hình hồi quy thì ta phải tìm điều kiện tối ưu trực tiếp bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm

Ta có phương trình hàm y=Aeax lầy logarit nêpe hai vế thì ta

Vậy giải phượng trình thì ta nhận được các giá trị A và a

2.2.4 Phương trình là hàm lượng giác

2.3 Một số nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bền mặt

Xuefeng Wu và Xuefeng Yin đã phân tích độ nhám bề mặt và tối ưu hóa thông số phay cao tốc thép làm khuôn Nghiên cứu này chỉ

ra mối quan hệ giữa các thông số của chế độ cắt khi phay với chất lượng bề mặt chi tiết máy

- Đỗ Anh Tuấn và cộng sự đã trình bày phương pháp quy hoạch thực nghiệm toàn phần nhằm xác định ảnh hưởng của tốc độ cắt V, lượng chạy dao S, chiều sâu cắt t đến độ nhám bề mặt Rz trong quá trình phay thép C45 bằng dao mặt đầu Nhám bề mặt Rz được đo bởi máy Mitutoyo Surftest SJ400 và sau đó phân tích để xác định mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào lên đáp ứng đầu ra

Từ mối quan hệ giữa chất lượng bề mặt với các thông số công nghệ thì người làm công nghệ có thể chọn chế độ cắt tối đa của máy và dao mà vẫn đảm bảo chất lượng, từ đó có thể tăng năng suất, giảm giá thành sản phẩm

Chương 3 THỰC NGHIỆM GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY

6P11 3.1 Lựa chọn thiết bị gia công thực nghiệm

3.2 Chế độ cắt dùng trong thực nghiệm

Thông thường chiều sâu cắt khi phay thô không quá 4-5 mm, khi phay tinh chiều sâu cắt không quá 1-2 mm Thông thường lượng chạy dao răng, đối với phay thô (phụ thuộc độ cứng vững và độ chống rung của dao), cho nên lượng chạy dao răng khi phay thô bằng dao phay trụ gồm các mảnh chấp với răng lớn được chọn trong khoảng 0.1 - 0.4 mm/răng, còn khi gia công gang tới 0.5 mm/răng Còn khi phay tinh (cần độ bóng bề mặt, độ chính xác kích thước, trạng thái bề mặt…) thì khi phay tinh thép và gang, lượng chạy dao răng là 0.05 - 0.12 mm/răng

Bảng 3.1.Thông số chế độ cắt thí nghiệm

3.3 Kết quả đo thực nghiệm độ nhám bề mặt

Bảng 3.2 Kết quả đo với dao thép gió (HSS) Ф= 22(mm)

Bảng 3.3 Kết quả đo với dao thép hợp kim Ф= 31.5 (mm)

Bảng 3.4 Kết quả đo với dao phay mặt đầu gắn mảnh Ф= 80 (mm)

Chương 4 XỬ LÝ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH DỰ ĐOÁN CHẾ ĐỘ CẮT

4.1 Lựa chọn mô hình hồi qui

Dựa vào bảng (3.2; 3.3; 3.4) ta thấy các giá trị đầu vào (f, n, ap)

xét riêng lẻ của từng yếu tố ảnh hưởng thì cũng có hiện tượng của cấp số cộng Vì vậy, ta thấy có mối quan hệ giữa chế độ cắt và độ nhám bề mặt có dạng lũy thừa Cho nên quan hệ được biểu thì như sau:

3

.b b b p

Ta đặt: lnRz Y= ;lnC b+ 0;lnf=X1;lnn=X2;lna p=X3

4.2 Xử lý kết quả thực nghiệm

4.2.1 Kết quả thực nghiệm khi cắt thép C45 bằng dao thép gió (HSS) Ф= 22 (mm)

4.2.1.1 Xác định phương trình hồi quy

0.1792 0.1085 2.5000

4.2.1.2 Kiểm nghiệm mô hình thực nghiệm



có giá trị nhỏ nhất trong các hệ số, nên ta kiểm tra hệ số có tồn tại hay không như sau:

bậc tự do 21= (25-3-1) và độ tin cậy α=0.05, nên suy ra t(21;0.975) =

j ij du

Với mức ý nghĩa p=0.99 thì có giá trị bằng Gb=0.2279, nên

nghiệm có tính đồng nhất hay các nghiệm không có tính bất ổn định

Và ta tiếp tục kiểm tra sự tương hợp của phương trình hàm hồi quy thực nghiệm với công thức:

4.2.2.2 Kiểm nghiệm mô hình thực nghiệm



có giá trị nhỏ nhất trong các hệ số, nên ta kiểm tra hệ số có tồn tại hay không như sau:

1,1 2

j ij du

bậc tự do 21= (25-3-1) và độ tin cậy α=0.05, nên suy ra t(21;0.975) =