ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi phay cứng vật liệu skd61

TĨM TẮT Luận văn này trình bày một nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của chế độ cắt đến năng suất gia cơng và độ nhám bề mặt khi phay cứng vật liệu SKD61.. ðể nghiên cứu và xác ñịnh ñư

ðẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ðẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ðỘ CẮT ðẾN ðỘ NHÁM BỀ MẶT KHI PHAY CỨNG

VẬT LIỆU SKD61

PHAN THỊ HƯƠNG

THÁI NGUYÊN – 2010

ðẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ðẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ðỘ CẮT ðẾN ðỘ NHÁM BỀ MẶT KHI PHAY CỨNG

NGƯỜI HD KHOA HỌC HỌC VIÊN THỰC HIỆN

TS Nguyễn Văn Dự Phan Thị Hương

BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ðẠI HỌC

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan các kết quả ñược trình bày trong luận văn này là hoàn toàn

do bản thân thực hiện Những kết quả này, theo hiểu biết của cá nhân tôi, chưa từng ñược công bố trên tài liệu khoa học nào, ngoài những thông tin tham khảo ñược trích dẫn

Thái nguyên, tháng 08 năm 2010

Phan Thị Hương

LỜI CÁM ƠN

ðể có ñược kết quả của ñề tài trong trình bày trong luận văn này, trước hết

tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến Tiến sỹ Nguyễn Văn Dự, giáo viên hướng

dẫn khoa học của tôi, người ñã tận tình chỉ bảo, ñộng viên và giúp ñỡ cho tôi rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp

Tôi xin trân trọng cám ơn Ban giám hiệu trường Cao ðẳng công nghiệp Việt ðức ñã tạo ñiều kiện ñể tôi ñược tham gia và hoàn thành khóa học này Cám ơn Ban giám ñốc và các cán bộ nhân viên công ty TNHH Vạn Xuân ñã giúp ñỡ tôi trong việc chuẩn bị mẫu thí nghiệm

Xin ñược cám ơn tập thể giáo viên khoa Cơ khí Cắt gọt, trường Cao ñẳng công nghiệp Việt ðức ñã giúp ñỡ tôi trong việc gia công các mẫu thí nghiệm Tôi cũng xin cám ơn anh Vũ Xuân Thoàn và tập thể cán bộ nhân viên phòng quản lý chất lượng công ty TNHH NN MTV DIEZEN Sông công ñã tạo ñiều kiện giúp tôi

ño kiểm các mẫu sau mỗi bước thí nghiệm

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng cám ơn các thầy cô giáo, các bạn bè, ñồng nghiệp trường ðại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên ñã cùng thảo luận và hỗ trợ tôi trong suốt thời gian học tập

TĨM TẮT

Luận văn này trình bày một nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của chế

độ cắt đến năng suất gia cơng và độ nhám bề mặt khi phay cứng vật liệu SKD61

ðề tài tập trung đánh giá và giải quyết một vấn đề thực tế sản xuất đang đặt

ra tại nhiều sơ sở sản xuất khuơn mẫu Tuy phay cứng đang được sử dụng rộng rãi

để gia cơng khuơn mẫu, nhưng thường địi hỏi thêm nguyên cơng đánh bĩng bề mặt khá tốn kém mới đạt yêu cầu Sau khi phay và đánh bĩng khuơn mẫu SKD61 cĩ độ cứng 45 ÷ 48HRC, độ nhám Ra thường đạt được trong khoảng 0,63 đến 0,36 micromet (khảo sát tại Cơng ty DISOCO và cơng ty TNHH Vạn Xuân, Sơng cơng) Kết quả của nghiên cứu của tác giả đã cho thấy cĩ thể gia cơng cho độ nhám Ra thấp hơn 0,2 đến 0,3 micromet nhưng vẫn đạt năng suất cắt cao hơn so với thực tế ở

cơ sở sản xuất Khi chọn chế độ cắt phù hợp, phay cứng thậm chí cĩ thể đạt độ nhám Ra cỡ 0,11 µm ðiều này cho phép việc ứng dụng phương pháp phay cứng thay cho mài và đánh bĩng trong sản xuất khuơn mẫu trở nên khả quan hơn

Nghiên cứu được thực hiện bằng thực nghiệm Thiết kế thí nghiệm tồn phần trên cơ sở ứng dụng phần mềm Minitab đã được triển khai để xây dựng các mơ hình quan hệ giữa độ nhám bề mặt và năng suất cắt với các biến gia cơng bao gồm tốc độ cắt và lượng chạy dao Hai biến này, qua phân tích thí nghiệm cho thấy, cĩ ảnh hưởng mạnh nhất đến nhám bề mặt khi phay cứng Các thí nghiệm leo dốc được thiết kế và triển khai nhằm khảo sát quan hệ vào-ra trong một dải chế độ cắt thơng dụng Phương pháp bề mặt chỉ tiêu (RSM) được ứng dụng để xây dựng mơ hình xác định chế độ cắt tối ưu trong một phạm vi giá trị độ nhám nhất định Mức độ phù hợp của mơ hình dự đốn được phân tích bằng phương pháp phương sai (ANOVA)

Các thí nghiệm ñược thực hiện trên máy CNC cho phép gia công với tốc ñộ cắt cao và ñộ cứng vững tốt, sử dụng dao phay ngón bốn lưỡi phủ PVD – TiAlN trong ñiều kiện tưới tràn Kết quả cho thấy, quá trình gia công ổn ñịnh, cho thấy khả năng triển khai ứng dụng trên các hệ thống gia công tương tự Phương pháp thực nghiệm tối ưu hoá ña mục tiêu ñã xác ñịnh ñược dải chế ñộ cắt ñồng thời thoả mãn

cả hai yêu cầu về nhám bề mặt và thời gian gia công Cách tiếp cận này có thể áp dụng cho các dạng gia công tương tự

MỤC LỤC

Lời cam ñoan ……… 1

Lời cảm ơn ……… 2

Tóm tắt ……… 3

Mục lục ……… 5

Danh mục các hình vẽ ………… ……… 8

Danh mục các bảng biểu ……… 10

Các ký hiệu viết tắt ……… 11

Chương I: GIỚI THIỆU ……… 12

1.1 Tính cấp thiết của ñề tài……… ……….………… 12

1.2 Mục tiêu và nội dung chính của ñề tài ……….… 14

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu ………… ……… 14

1.2.2 Nội dung nghiên cứu ……… 14

1.3 Phương pháp nghiên cứu ……… 15

1.3.1 Nghiên cứu thực nghiệm ……… 15

1.3.2 Thiết kế thí nghiệm và xử lý kết quả ……… 16

1.4 ðối tượng và phạm vi nghiên cứu ……… 17

1.4.1 ðối tượng nghiên cứu ……… 17

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu ……… 18

1.5 Các kết quả chính ñã ñạt ñược ……… 18

1.6 Bố cục luận văn ……… 19

Chương II: TỔNG QUAN ……… 20

2.1 Lý thuyết tổng quan về vật liệu khuôn mẫu SKD61 ……… 20

2.2 Vai trò của vật liệu SKD61 trong ngành công nghiệp sản xuất

khuôn mẫu ………

21 2.3 Phay cứng vật liệu SKD61 và những lưu ý về chế ñộ cắt ……… 22

2.4 Các nghiên cứu gần ñây về gia công cứng và nhám bề mặt khi phay cứng ……… 23

2.5 Mô hình quy hoạch thực nghiệm ……… 25

2.5.1 Chọn các thông số ñầu vào ……… 27

2.5.2 Chọn chỉ tiêu ñánh giá ……… 28

2.5.3 Qui hoạch trực giao toàn phần dạng 2k ……… 28

2.5.4 Quy hoạch thí nghiệm trực giao bậc hai CCD (Quy hoạch Box - Wilson) ……… 30

2.5.5 Bài toán tối ưu không có ñiều kiện ràng buộc ……… 32

2.6 Kết luận chương ……… 32

Chương III: THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM ……… 33

3.1 Vật liệu, máy, dao ………… ……… 33

3.1.1 Vật liệu thí nghiệm ……… 33

3.1.2 Máy gia công CNC ……… 35

3.1.3 Dụng cụ cắt ……… 37

3.2 Thiết bị ño ……… 37

3.3 Thiết kế thí nghiệm ……….……… 39

3.3.1 Thiết kế thí nghiệm sơ bộ (2k) ……… ……… 39

3.3.2 Thiết kế thí nghiệm “leo dốc” …… ……… 47

3.3.3 Thiết kế thí nghiệm RSM dạng CCD … ……… 48

3.4 Mẫu thí nghiệm và cách thu thập, nhập dữ liệu ñể xử lý …… … 53

3.4.1 Mẫu thí nghiệm ……… 53

3.4.2 Cách ño và lưu kết quả ……… 54

3.5 Kết luận chương ……….……… 54

Chương IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ……… 56

4.1 Mô tả mô hình quan hệ toán học ……… 56

4.2 Thí nghiệm sơ bộ ……….……… 58

4.2.1 Bảng thí nghiệm ……… ……… 58

4.2.2 Phân tích hồi quy kết quả thí nghiệm sơ bộ ……… 58

4.3 Thiết kế thí nghiệm xuống dốc ……… ……… 60

4.4 Thiết kế thí nghiệm CCD ……… 64

4.3.1 Bảng ma trận thí nghiệm CCD ……… 64

4.3.2 Phân tích hồi quy kết quả thí nghiệm CCD ……… …… 65

4.5.Tối ưu hoá hàm ña mục tiêu ……… 71

4.6 Thảo luận kết quả, so sánh với thực tế ……… 76

4.7 Kết luận chương ……….……… 77

Chương V KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ……… 78

5.1 Các quả chính ñã ñạt ñược ……… ……… 78

5.2 Những khuyến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo ……… 78

Tài liệu tham khảo ……… 80

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Sơ ñồ nghiên cứu thực nghiệm ……… 26

Hình 2.2 So sánh thiết kế CCD và thiết kế Box-Behnken……… 32

Hình 3.1 Máy phay CNC C-Tek KM80/D100……… 35

Hình 3.2 Thông số của dao phay SPSED4A……… 37

Hình 3.3 Máy phân tích quang phổ ARL 4360……… 38

Hình 3.4 Máy ño ñộ cứng Akashi AR 20 và máy ño ñộ nhám SJ201P 38 Hình 3.5 Cửa sổ tạo một thí nghiệm mới trong Minitab……… 41

Hình 3.6 Cửa sổ menu và sub menu của Minitab ……… 41

Hình 3.7 Hộp thoại chính lựa chọn các cức năng cần thiết của thí nghiệm khảo sát sơ bộ……… 41

Hình 3.8 Hộp thoại lựa chọn số thí nghiệm cần thiết ……… 42

Hình 3.9 Hộp thoại lựa chọn loại thí nghiệm và số lần lặp lại của mỗi thí nghiệm ……… 43

Hình 3.10 Hộp thoại lựa chọn ngẫu nhiên hoá thí nghiệm ……… 44

Hình 3.11 Gia công trên máy CNC ……… 47

Hình 3.12 Hộp thoại chính thiết kế thí nghiệm CCD ……… 49

Hình 3.13 Hộp thoại lựa chọn khối sơ ñồ khối thí nghiệm CCD …… 50

Hình 3.14 Mô hình thiết kế thí nghiệm CCD ……… 51

Hình 3.15 Hộp thoại lựa chọn kiểu nhập biến thí nghiệm ……… 51

Hình 3.16 Hộp thoại chính tạo thiết kế bề mặt phản hồi ……… 51

Hình 3.17 Ngẫu nhiên hoá thí nghiệm CCD ……… 52

Hình 3.18 Mẫu thí nghiệm ……… 53

Hình 3.19 ðo ñộ nhám bề mặt bằng máy ño SJ 201 P……… 54

Hình 4.1 Phân tích hồi quy bậc 1 và ANOVA ……… 59

Hình 4.2 Biểu ựồ Pareto các thông số thắ nghiệm ẦẦẦ 60

Hình 4.3 Biểu ựồ Contuor khảo sát ảnh hưởng của n và S ựến ựộ nhám bề mặt ẦẦẦ 60

Hình 4.4 đồ thị của bước xuống dốc ẦẦẦ 63

Hình 4.5 Phân tắch hồi quy bậc 2 và ANOVA ẦẦẦ 65

Hình 4.6 đồ thị Contuor bậc 2 ẦẦẦ 66

Hình 4.7 Bề mặt chỉ tiêu của mô hình CCD bậc 2 ẦẦẦ 66

Hình 4.8 Loại bỏ các tương tác ắt ảnh hưởng trong thắ nghiệm CCD 67

Hình 4.9 Phân tắch hồi quy và ANOVA ựã loại bỏ tương tác n*S ắt ảnh hưởng ẦẦẦ 68

Hình 4.10 Phân tắch hồi quy và ANOVA ựã loại bỏ tương tác n*S và n*n ắt ảnh hưởngẦẦẦ 69

Hình 4.11 Phân tắch hồi quy và ANOVA ựã loại bỏ tương tác n*S, n*n, S*S ắt ảnh hưởng ẦẦẦẦ.ẦẦẦ 69

Hình 4.12 Bề mặt phản hồi của mô hình CCD ựã loại bỏ tương tác ắt ảnh hưởng ẦẦẦ 70

Hình 4.13 Hộp thoại chắnh xác ựịnh các thông số ựầu vào thoả mãn hàm ựa chỉ tiêu ẦẦẦ.ẦẦẦ 71

Hình 4.14 đồ thị Contour thoả mãn ựồng thời hai chỉ tiêu ẦẦẦẦ 72

Hình 4.15 Tối ưu hoá ựồng thời thoả mãn hai chỉ tiêu về nhám bề mặt và năng suất cắt ẦẦẦ 72

Hình 4.16 Một số vắ dụ về lựa chọn thông số ựầu vào thoả mãn ựồng thời 2 chỉ tiêu ựầu raẦẦẦ 73

Hình 4.17 Phân tắch tối ưu hoá hàm ựa chỉ tiêu ẦẦẦ 74

Hình 4.18 Tối ưu hoá ựộ nhám bề mặt và năng suất cắt ẦẦẦ 74

Hình 4.19 Chọn chế ựộ cắt phù hợp 2 chỉ tiêu bằng cách Click và kéo chuột ẦẦẦ 74

Hình 4.20 đánh bóng sau khi phay tại cơ sở sản xuất ẦẦẦ 77

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

tiêu chuẩn JIS – G4404 - Nhật bản ……… 20

Bảng 2.2 ðiều kiện quy hoạch thực nghiệm hai yếu tố (22) ………… 29

Bảng 2.3 ðiều kiện quy hoạch thực nghiệm ba yếu tố (23) ………… 30

Bảng 2.4 Giá trị α và ñiểm tâm cho thiết kế CCD thông thường …… 31

Bảng 3.1 Thành phần các nguyên tố hoá học của mẫu thí nghiệm 35

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của máy phay C-tek KM 80 D/100D… 36

Bảng 3.3 So sánh ñiều kiện thực hiện thí nghiệm ……… 36

Bảng 3.4 Các thông số thí nghiệm ……… 40

Bảng 3.5 Xác lập biến thí nghiệm ……… 44

Bảng 3.6 Thông số thí nghiệm khảo sát sơ bộ ……… 45

Bảng 3.7 Ma trận thí nghiệm khảo sát sơ bộ ……… 46

Bảng 3.8 Thông số thí nghiệm CCD ……… 49

Bảng 3.9 Ma trận thí nghiệm CCD ……… 52

Bảng 4.1 Kết quả của thí nghiệm khảo sát sơ bộ ……… 58

Bảng 4.2 Kết quả của thí nghiệm xuống dốc ……… 62

Bảng 4.3 Kết quả của thí nghiệm CCD ……… 64

Bảng 4.4 Thông số cắt thực tế tại Công ty TNHH Vạn Xuân ……… 76

Bảng 4.5 Kết quả của một số thông số cắt thí nghiệm ……… 76

CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

mặt chỉ tiêu

P-value Probability value - Giá trị xác suất xác ñịnh ý nghĩa của hệ

số ước lượng

α-level Mức ý nghĩa anpha

Pareto Chart Biểu ñồ Pareto

Chương 1 GIỚI THIỆU

Nội dung của chương này giới thiệu các cơ sơ lý luận chung và tóm tắt các kết quả ñã ñạt ñược của ñề tài mà tác giả nghiên cứu Khái quát chung về tính cấp thiết của ñề tài ñược trình bày trong phần 1.1 Phần 1.2 nói lên mục tiêu và nội dung chính của ñề tài Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, ứng dụng phần mềm cho thiết kế và kiểm chứng thực nghiệm ñược giới thiệu trong phần 1.3 Tiếp theo phần 1.4 sẽ trình bày về phạm vi nghiên cứu và ñối tượng nghiên cứu của ñề tài Trong phần 1.5 tác giả giới thiệu về những kết quả chính ñã ñạt ñược Cấu trúc của luận văn ñược mô tả trong phần cuối của chương, phần 1.6

1.1 Tính cấp thiết của ñề tài:

Gia công cắt gọt sau nhiệt luyện ñang thu hút ñược sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu [1, 2, 3]. ðặc biệt, trong chế tạo khuôn mẫu với những loại vật liệu

có ñộ cứng và ñộ bền cao thì việc gia công tinh sau nhiệt luyện chiếm ưu thế nhất ñịnh, nó có thể thay thể cho mài và có những ưu ñiểm vượt trội [1 - 6], chẳng hạn như:

Giảm thời gian chu kỳ gia công một sản phẩm

Giảm chi phí ñầu tư thiết bị

Tăng ñộ chính xác gia công

Nâng cao ñộ bóng bề mặt và năng suất gia công

Cho phép thực hiện nhiều bước gia công trong cùng một lần gá

Gia công ñược các bề mặt 3D phức tạp

Gia công tinh lần cuối bằng phương pháp mài có nhược ñiểm là bề mặt chịu ảnh hưởng rất lớn của nhiệt sinh ra trong quá trình cắt Do ñó ảnh hưởng ñến chất lượng bề mặt gia công Trái lại, gia công tinh sau nhiệt luyện bằng phay cứng có khả năng tạo ra lớp bề mặt có ứng suất dư nén Ứng suất dư này có tác dụng tăng ñộ

bền mỏi của chi tiết gia công Vì vậy, việc áp dụng gia công cứng bề mặt khuôn mẫu thay cho mài ñang trở nên khá phổ biến

Gia công cứng (Hard machining) là quá trình gia công các chi tiết có ñộ cứng

từ 40-70 HRC [1] Nhám bề mặt và ñộ chính xác kích thước là các vấn ñề quan trọng mà các quá trình này cần quan tâm [1-7] Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu này [1-6] chủ yếu ñánh giá các tham số khi gia công cao tốc (tốc ñộ quay trục chính

từ 10.000 ñến 100.000 v/ph [1]) Dải tốc ñộ trục chính trung bình (vài ngàn vòng/phút), giá trị mà hầu hết các máy gia công ở Việt Nam ñang vận hành, lại chưa có nghiên cứu nào ñề cập ñến Với vật liệu làm khuôn SKD 61, có nghiên cứu quan tâm ñến nhám bề mặt và tuổi bền dao khi khoan cứng [1] mà chưa ñánh giá quá trình phay Mô hình hóa các tham số tối ưu cũng ñã ñã ñược phát triển [2,7] nhưng hoặc là cho vật liệu khác [2], hoặc cho quá trình phay mềm [7] Trong khi

ñó, tại nhiều cơ sở sản xuất, quá trình phay cứng SKD 61 ñang ñược vận hành chủ yếu theo kinh nghiệm công nhân chứ chưa có nghiên cứu khoa học nào ñể chỉ ra cách thức gia công ñể ñạt ñược cấp ñộ nhám theo yêu cầu

Trong ngành công nghiệp sản xuất khuôn mẫu, chất lượng bề mặt là một chỉ tiêu ñặc biệt quan trọng trong ñánh giá, nghiệm thu sản phẩm ðể ñạt ñược chất lượng bề mặt theo yêu cầu, sau gia công cứng thường có công ñoạn mài, ñánh bóng Việc làm này tốn khá nhiều thời gian và công sức Nâng cao chất lượng bề mặt sau gia công cứng có thể dẫn ñến giảm thời gian, thậm chí loại bỏ ñược công ñoạn này Việc xác ñịnh chế ñộ cắt khi phay cứng vật liệu SKD61 phụ thuộc vào ñộ cứng vững của hệ thống công nghệ, công suất của máy, phạm vi làm việc của dụng

cụ cắt và ñộ bóng yêu cầu của chi tiết gia công ðể nghiên cứu và xác ñịnh ñược chế ñộ cắt hợp lý phải thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm bao gồm một loạt các thí nghiệm ñược lặp lại nhiều lần trong những ñiều kiện không ñổi ñể có khả năng ghi nhận kết quả ðiều kiện thí nghiệm ñược xác ñịnh bằng những yếu tố (hoặc những biến số) không phụ thuộc Trong ñề tài nghiên cứu của luận văn, tác giả ñề cập ñến các yếu tố nghiên cứu ảnh hưởng của tốc ñộ cắt, lượng chạy dao ảnh

hưởng tới ñối tượng nghiên cứu là thời gian cắt và ñộ nhám bề mặt sau khi gia công Với kết quả của các thí nghiệm cho phép ta xây dựng ñược hàm y = f(x)

Nghiên cứu trong luận văn này ñược thực hiện nhằm ñánh giá “ảnh hưởng

của chế ñộ cắt ñến ñộ nhám bề mặt sau khi phay cứng vật liệu SKD61” Qua ñó,

xác ñịnh chế ñộ cắt tối ưu cho chỉ tiêu nhám bề mặt và thời gian gia công Kết quả nghiên cứu giải quyết ñược vấn ñề thực tế ñang ñặt ra là nâng cao chất lượng bề mặt trong gia công tinh khuôn mẫu sau nhiệt luyện

1.2 Mục tiêu và nội dung chính của ñề tài:

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu:

Trong ñề tài này, mục tiêu chủ yếu là nghiên cứu về ảnh hưởng của chế ñộ cắt ñến ñộ nhám bề mặt khi phay cứng vật liệu SKD 61 Các mục tiêu cụ thể gồm:

1 Xác ñịnh ñược các thông số chế ñộ cắt có ảnh hưởng và mức ñộ ảnh hưởng của chúng ñến ñộ nhám bề mặt sau gia công bằng phay cứng

2 Xây dựng ñược mô hình nghiên cứu thực nghiệm cho bài toán tối ưu hóa chế ñộ cắt khi phay cứng

3 Thiết lập ñược chương trình quy hoạch thực nghiệm ñể giải bài toán tối

ưu hóa Tìm ñược miền cực trị tối ưu của hàm mục tiêu về ñộ nhám bề mặt gia công

4 Kiểm ñịnh ñể kiểm nghiệm kết quả ñối với hàm mục tiêu ñã ñề ra

1.2.2 Nội dung nghiên cứu:

Thí nghiệm sơ bộ ñể xác ñịnh các thông số chế ñộ cắt có ảnh hưởng lớn ñến ñộ nhám bề mặt sau khi phay cứng SKD61

Thiết kế thí nghiệm theo theo phương pháp bề mặt chỉ tiêu (Response Surface Methodology) nhằm tìm cực trị cho hàm mục tiêu là ñộ nhám bề mặt sau gia công [9]

Thu thập các dữ liệu thí nghiệm về chế ñộ gia công vật liệu SKD61 và khảo sát thực tế ñể tìm ra khoảng thực nghiệm ñạt mục tiêu của ñề tài

Lập chương trình quy hoạch thực nghiệm, tối ưu hoá hàm mục tiêu, tìm các ựiểm cực trị và miền tối ưu hoá

Kiểm nghiệm kết quả

1.3 Phương pháp nghiên cứu:

1.3.1 Nghiên cứu thực nghiệm:

*- Mẫu thắ nghiệm:

để thực hiện cho việc nghiên cứu mà không làm mất tắnh tổng quát của kết quả, quá trình thực hiện ựược tiến hành trên mẫu có dạng hình hộp chữ nhật, vật liệu SKD61, tôi cứng 45 ọ 48HRC

*- Máy gia công

Quá trình thực nghiệm ựược tiến hành trên máy phay CNC Ctek

KM80/100D tại trường Cao ựẳng công nghiệp Việt đức - Thái nguyên Máy thuộc Model KM - 80D do đài loan sản xuất năm 2005 Thông số kỹ thuật của máy ựược trình bày cụ thể trong chương 3, phần 3.1.2

*- Máy phân tắch thành phần hoá học của vật liệu:

Trong quá trình chuẩn bị phôi, dùng máy ARL 4360 ựể phân tắch các thành phần hoá học của vật liệu nhằm khẳng ựịnh chắnh xác mác vật liệu gia công

*- Máy ựo ựộ cứng:

Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện ựề tài, sử dụng máy Akashi AR - 20

ựể ựo ựộ cứng HRC của vật liệu gia công Máy Akashi AR - 20 có thể ựo ựộ cứng

từ 0 ọ 100 HRC, hoặc 0 ọ 100 HB

*- Máy ựo ựộ nhám bề mặt: Dùng máy SJ Ờ 201 của hãng Mitutoyo có ựộ

phân giải 0.03ộm/300ộm, 0.08ộm/75ộm, 0.04ộm/9.4ộm ựể ựo sự thay ựổi của ựộ nhám bề mặt sau khi gia công

*- Dụng cụ kiểm tra kích thước:

- Thước cặp 1/50 L200 Mitutoyo, ñộ phân giải 0,02mm

- Pan me 0 - 25 Mitutoyo, ñộ phân giải 0,01mm

*- Dụng cụ cắt:

Sử dụng dao phay SPSED4A của hãng Okazaki - Nhật bản sản xuất Các thông số kỹ thuật của dao ñược giới thiệu cụ thể trong phần 3.1.3 của chương 3

1.3.2 Thiết kế thí nghiệm và xử lý kết quả

Các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của tốc ñộ cắt và lượng chạy dao ñến năng suất cắt và ñộ nhám bề mặt ñược thiết kế qua 3 giai ñoạn như sau:

 Giai ñoạn 1 Thiết kế thí nghiệm sơ bộ (Screening Design) là ñể khảo sát

mức ñộ ảnh hưởng của các yếu tố ñầu vào Trong thiết kế thí nghiệm sơ bộ mỗi yếu tố ñầu vào có 2 mức giá trị ñược mã hoá +1 (mức trên) và -1 (mức dưới)

 Giai ñoạn 2 Thiết kế thí nghiệm leo dốc khảo sát ảnh hưởng của các thông

số ñầu vào Trong phạm vi khảo sát, xác ñịnh quan hệ bậc nhất của của các yếu tố ảnh hưởng ñến hàm mục tiêu

 Giai ñoạn 3 Thiết kế thí nghiệm RSM (Response Surface Metrodology)

dạng CCD (Central Composite Design) xác ñịnh quan hệ bậc cao của các yếu

tố ảnh hưởng ñến hàm mục tiêu [9]

Ở mỗi giai ñoạn, sau khi lập ñược kế hoạch thực nghiệm thích hợp và xác ñịnh ñược miền quy hoạch cùng các mức biến ñổi của các yếu tố ảnh hưởng, tiến hành thực nghiệm ñế lấy số liệu

Số lượng thí nghiệm ở mỗi giai ñoan ñược xác ñịnh tuân theo các nguyên tắc: lặp lại và ngẫu nhiên hoá của lý thuyết thiết kế thí nghiệm

Cho ñến nay, trên thế giới có nhiều phần mềm thương mại phục vụ cho thiết

kế và xử lý số liệu thí nghiệm [10 - 13] Ở Việt nam, phần mềm Matlab® thường

ñược sử dụng ñể xử lý số liệu thí nghiệm ðiều này ñòi hỏi nhà nghiên cứu phải biết

kỹ thuật lập trình ñể xử lý các mã lệnh cần thiết

MiniTab là một công cụ thiết kế thí nghiệm và phân tích dữ liệu hữu hiệu và phổ biến trên thế giới [14] Giao diện của MiniTab cho phép hoặc gõ các câu lệnh trong cửa sổ thao tác (Session Window) hoặc thực thi chương trình bằng cách chọn lệnh từ thanh Menu lệnh và ñiền ñầy ñủ yêu cầu vào các hộp thoại Chính vì vậy, nó không ñòi hỏi người dùng phải có kiến thức sâu về máy tính và kỹ thuật lập trình

Trong luận văn này, tác giả ứng dụng tính năng phân tích và sử lý dữ liệu của phần mềm Minitab ñể xác ñịnh ảnh hưởng của chế ñộ cắt ñến năng suất và ñộ nhám

bề mặt khi phay cứng vật liệu SKD61 Từ ñó tìm ra ñược một chế ñộ cắt phù hợp với thiết bị, dụng cụ cắt và yêu cầu thực tế ñảm bảo các hàm mục tiêu theo yêu cầu

Trình tự các bước thí nghiệm cũng như các thông số của từng bước ñược xác lập bằng cách sử dụng phần mềm Minitab Nội dung của các bước ñược trình bày chi tiết trong phần 3.3 của chương 3

1.4 ðối tượng và phạm vi nghiên cứu:

1.4.1 ðối tượng nghiên cứu:

ðề tài khảo sát trên mẫu thí nghiệm làm bằng vật liệu SKD 61 nhiệt luyện ñạt ñộ cứng 45 ÷ 48HRC ðây là dải ñộ cứng thường ñược áp dụng khi sản xuất khuôn mẫu [15] Vật liệu này thuộc nhóm thép hợp kim Crôm Molybden Vanadium gia công nóng

Quá trình phay ựược thực hiện trên máy phay CNC C-Tek KM80D/100D - đài loan sản xuất năm 2005, Model KM - 80D Máy phay này có dải tốc ựộ từ 0 ọ

6000 v/ph, lượng chạy dao 0 ọ 8000 mm/p

Dụng cụ cắt là dao phay ngón SPSED4A phủ PVD - TiAlN của hãng Okazaki - Nhật bản sản xuất

lượng chạy dao từ 33 ọ 450 (mm/p) Cắt gọt bằng dao phủ PVD Ờ TiAlN

Giới hạn trên ựược thiết lập dựa trên khả năng thực tế của máy dùng cho thắ nghiệm Vùng khảo sát này là phổ dụng cho các loại máy, dao và ựiều kiện gia công

ở hầu hết các cơ sở sản xuất khuôn mẫu

1.5 Các kết quả chắnh ựã ựạt ựược

đề tài này ựã giải quyết ựược vấn ựề ựặt ra là xác ựịnh ựược ảnh hưởng của chế ựộ cắt ựến năng suất cắt và ựộ nhám bề mặt sau khi gia công

Các kết quả chắnh ựã ựạt ựược bao gồm:

Phân tắch và khảo sát ựược mức ựộ ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao ựến năng suất cắt và ựộ nhám bề mặt sau khi gia công

Xác ựịnh ựược vùng thông số cắt hợp lý thoả mãn ựồng thời hai chỉ tiêu về năng suất cắt và nhám bề mặt

Chỉ ra ựược nguyên tắc xác ựịnh vùng chế ựộ cắt hợp lý cho hai chỉ tiêu nói trên

Công bố ựược 01 bài báo trên tạp chắ Cơ khắ Việt nam, số 09 tháng 9 năm

2010

Các nghiên cứu cụ thể sẽ ựược trình bày chi tiết ở các chương của luận văn

1.6 Bố cục luận văn

Bố cục của luận văn ñược trình bày trong 5 chương với những nội dung chính trong từng chương như sau:

Chương 1 trình bày cơ sở, tính cấp thiết của ñề tài, các nội dung mà ñề tài

nghiên cứu, những kết quả ñã ñạt ñược và cấu trúc của luận văn

Một số nét cơ bản về vật liệu khuôn mẫu SKD 61, cách xây dựng mô hình nghiên cứu quy hoạch thực nghiệm ñể giải quyết hàm mục tiêu ñề ra trong luận văn

ñược trình bày chi tiết ở chương 2

Trong chương 3 giới thiệu về phương pháp thiết kế thí nghiệm, cách thu

nhập dữ liệu và cách xử lý kết quả

Việc ñánh giá, xử lý kết quả, phân tích và xác ñịnh các thông số tối ưu ñược

trình bày trong chương 4 Chương cuối cùng, chương 5 trình bày về các kết luận,

ñề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Chương 2 TỔNG QUAN

Trong toàn bộ chương 2 tác giả trình bày một cách tổng quan về một số vấn

ñề sau:

Giới thiệu tổng quan về vật liệu SKD61 trong phần 2.1 Phần 2.2 trình bày về vai trò của vật liệu SKD61 trong ngành sản xuất khuôn mẫu Một số lưu ý về chế ñộ cắt khi phay cứng vật liệu SKD61 ñược nêu lên trong phần 2.3 Khái quát những nghiên cứu gần ñây về phay cứng và ñộ nhám bề mặt khi phay cứng trong phần 2.4 Tiếp theo, phần 2.5 trình bày về một số phương pháp và các mô hình quy hoạch thực nghiệm Phần cuối của chương nêu lên những kết luận tổng kết chương

2.1 Lý thuyết tổng quan về vật liệu SKD61:

Vật liệu SKD 61 là thép hợp kim gia công nóng 2344 [16], theo tiêu chuẩn JIS - G4404 [17] của Nhật bản Vật liệu này, theo tiêu chuẩn của Mỹ có ký hiệu là AISI H13 Các thông số thành phần cơ bản của vật liệu này ñược trình bày trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Thành phần các nguyên tố hoá học của thép SKD 61

dụng phổ biến cho gia công nóng, khuôn ñúc áp lực, khuôn rèn dập, dao cắt nóng, v.v…

Việc xác ñịnh chế ñộ cắt khi phay cứng vật liệu SKD61 phụ thuộc vào ñộ cứng vững của hệ thống công nghệ, công suất của máy, phạm vi làm việc của dụng

cụ cắt và ñộ bóng yêu cầu của chi tiết gia công ðể nghiên cứu và xác ñịnh ñược chế ñộ cắt hợp lý phải thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm bao gồm một loạt các thí nghiệm ñược lặp lại nhiều lần trong những ñiều kiện không ñổi ñể có khả năng ghi nhận kết quả ðiều kiện thí nghiệm ñược xác ñịnh bằng những yếu tố (hoặc những biến số) không phụ thuộc Trong ñề tài nghiên cứu của luận văn, tác giả ñề cập ñến các yếu tố nghiên cứu ảnh hưởng của tốc ñộ cắt, lượng chạy dao ảnh hưởng tới ñối tượng nghiên cứu là thời gian cắt và ñộ nhám bề mặt sau khi gia công.Với kết quả của các thí nghiệm cho phép ta xây dựng ñược quan hệ ảnh hưởng này dưới dạng hàm y = f(x1, x2 )

2.2 Vai trò của vật liệu SKD61 trong ngành sản xuất khuôn mẫu:

Ngày nay, phát triển khoa học kỹ thuật ñã thúc ñẩy công nghệ thiết kế và sản xuất tự ñộng trong mọi lĩnh vực phát triển theo Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, hiện nay nhiều phần mềm thiết kế và lập kế hoạch sản xuất ñã ra ñời với những tính năng nổi trội có thể giúp con người khắc phục nhiều khó khăn trong quá trình hoạt ñộng sản xuất [11, 14, 16] Bên cạnh ñó, việc áp dụng công nghệ thông tin phục vụ cho hoạt ñộng sản xuất sẽ làm giảm ñáng kể giá thành sản phẩm,

ña dạng hoá sản phẩm, nâng cao ñộ tin cậy, ñảm bảo sức khoẻ và ñiều kiện làm việc cho con người Ứng dụng công nghệ thông tin vào sản xuất sẽ nhanh chóng chuyển ñổi các quá trình sản xuất theo kiểu truyền thống sang sản xuất công nghệ cao (CNC), nhờ ñó, các giai ñoạn thiết kế và chế tạo khuôn mẫu từng bước ñược tự ñộng hoá (CAD/CAM) Trong ñó CAD là thiết kế với sự trợ giúp của máy tính ñiện

tử, CAM là sản xuất với sự trợ giúp của máy tính ñiện tử, còn ñược gọi là gia công ñiều khiển số

Song song với việc áp dụng tiến bộ của công nghệ thông tin vào sản xuất thì việc chọn ra những loại vật liệu phù hợp với sản phẩm là ñiều cũng hết sức quan trọng Tuỳ thuộc vào tính chất và ñiều kiện làm việc của khuôn mẫu mà chọn vật liệu làm khuôn sao cho ñáp ứng ñược những yêu cầu về giá thành và yêu cầu kỹ thuật của khuôn mẫu

Trong ngành sản xuất khuôn mẫu, vật liệu SKD 61 có vai trò rất quan trong trong việc chế tạo khuôn die cast, khuôn ñùn, khuôn dập nóng [17,18], với ưu ñiểm của vật liệu SKD 61 là có tính tôi cao, ñộ biến dạng sau xử lý nhiệt thấp, tính thử nóng (heat checking) tốt, ñộ kháng mềm cao tính chịu mài mòn tốt Chính vì vậy, SKD 61 là loại vật liệu ñược dùng trong ngành sản xuất khuôn mẫu, ñặc biệt là trong sản xuất khuôn dập nóng

Khi sử dụng thép SKD 61 làm khuôn dập nóng, thông thường lõi khuôn có

ñộ cứng 45 ÷ 53HRC ðộ cứng bề mặt khuôn ñược nâng cao bằng phương pháp thấm Nitơ [15] Bề mặt khuôn ñược thấm Nitơ có thể cho ñộ cứng 62 ÷ 65HRC Chiều dầy lớp thấm tốt nhất trong khoảng 100 ÷ 200 micromet

2.3 Phay cứng vật liệu SKD61 và những lưu ý về chế ñộ cắt

Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan về vật liệu làm khuôn và những ưu ñiểm của phương pháp gia công sau nhiệt luyện, cụ thể là phương pháp phay cứng vật liệu làm khuôn SKD61 (chương I) Dựa vào ñiều kiện thực tiễn của nền sản xuất trong nước khi gia công các loại vật liệu khó gia công và ñiều kiện trang thiết bị hiện có tại Việt nam ðề tài xây dựng những ñiều kiện và nhiệm vụ nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về ảnh hưởng của chế ñộ cắt tới năng suất cắt và ñộ nhẵn bóng bề mặt sau khi phay thép làm khuôn SKD61 có ñộ cứng 45 ÷ 48 HRC ðối tượng, thiết bị và ñiều kiện thí nghiệm ñược xác ñịnh với những yêu cầu cụ thể sau:

 Vật liệu gia công là thép SKD61 có thành phần hoá học sau khi phân tích quang phổ phải ñáp ứng ñược các thông số theo tiêu chuẩn JIS - G4404 [17] của Nhật bản ðây là loại thép ñại diện cho nhóm thép phổ biến trong lĩnh vực làm khuôn, ñặc biệt là khuôn ñùn ép, khuôn dập nóng

 Máy phay CNC ñảm bảo ñộ chính xác và chế ñộ cắt ñược ñiều khiển vô cấp

ñể ñáp ứng ñược việc ñiểu chỉnh các thông số theo tính toán

 Dụng cụ cắt tiêu chuẩn của hãng OKAZAKI - Nhật bản ñảm bảo tính năng cắt gọt ổn ñịnh Làm việc trong ñiều kiện có dung dịch trơn nguội thực hiện tưới tràn

 Các thông số ñược quan tâm nghiên cứu là: Tốc ñộ cắt n (v/p), lượng chạy dao S (mm/p) Các thông số này ñã ñược những nghiên cứu trước khằng ñịnh

là có ảnh hưởng ñến nhám bề mặt ðiều này cần ñược kiểm chứng qua thí nghiệm của nghiên cứu

 Các hàm mục tiêu của quá trình phay ñược xác ñịnh dựa trên mục tiêu của quá trình phay tinh

 ðảm bảo ñộ chính xác của các kết quả khảo sát Các số liệu ño ñạc thu ñược khi nghiên cứu thực nghiệm ñược phân tích, xử lý, lưu giữ, hiển thị… bằng máy tính với các phần mềm hiện ñại, tiên tiến

 Tối ưu hoá chế ñộ cắt khi phay ñược thực hiện bằng cách khảo sát cực trị các hàm mục tiêu Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm ñể tìm cực trị, giá trị ñiểm tối ưu, vùng tối ưu Từ ñó rút ra ñược kết luận và hướng dẫn cụ thể cho quá trình phay tinh phẳng thép làm khuôn SKD61

 Khi chọn chế ñộ cắt tối ưu cần phải vận dụng linh hoạt với các chế ñộ cắt thấp, trung bình và cao tốc tuỳ thuộc vào ñiều kiện thực tế: Lắp dao càng ngắn càng tốt (chiều dài dao L <4D) Khi lắp dao dài (L>4D) thì phải giảm tốc ñộ vòng quay và bước tiến Khi sử dụng dao dài (L>4D) thì phải giảm cả chiều sâu cắt, lượng chạy dao và bước tiến xuống 50%

2.4 Các nghiên cứu gần ñây về gia công cứng và nhám bề mặt khi phay cứng

Trước ñây, hầu hết những chi tiết máy ñòi hỏi ñộ cứng, ñộ chính xác cao như vòng ổ lăn, vòi phun, và những chi tiết của hệ thống thủy lực sau khi nhiệt luyện phải qua công ñoạn mài, mài khôn Những công ñoạn này thiếu tính linh hoạt và tốn nhiều thời gian Một hạn chế nữa là chi phí cho dung dịch trơn nguội của các công

ñoạn mài khá cao Những lý do trên làm tăng chi phí cho các công ñoạn gia công chính xác Mặc khác chất thải ra khi mài ngày càng gây ô nhiễm môi trường, thúc ñẩy các nhà sản xuất loại dần khâu mài trong quy trình công nghệ gia công chi tiết.

Ngày nay, với sự phát triển và thành công của những công trình nghiên cứu khoa học, ñã cho ra ñược những phương pháp gia công tiên tiến có thể khắc phục ñược những hạn chế của phương pháp mài, mài khôn mà vẫn cho ra ñược những sản phẩm có ñộ chính xác và ñộ cứng cao

Tiện vật liệu ñã qua gia công cứng (ñộ cứng > 45 HRC) là phương pháp tiện thường sử dụng dụng cụ cắt bằng vật liệu siêu cứng CBN (Cubic Boron Nitride), CBN, các loại dao phủ PCD, PVD hoặc ceramic tổng hợp [1] Phương pháp này có thể gia công khô và hoàn thành chi tiết trong cùng một lần gá Cấp chính xác khi tiện cứng ñạt IT6 và ñộ bóng bề mặt (Rz = 2 ÷ 4 micromet), có thể so sánh với chất lượng khi mài

Phay cứng, là gia công chi tiết sau khi ñã nhiệt luyện ñộ cứng ≥ 45HRC ðây

là phương pháp gia công mà hiện nay thường ñược sử dụng trong công nghệ chế tạo khuôn mẫu [6] Ưu ñiểm vượt trội của phương pháp này là có thể dễ dàng tạo hình ñược các bề mặt chi tiết khuôn mẫu với ñộ chính xác và ñộ bóng cao trên các máy phay CNC

Nhám bề mặt là một chỉ tiêu rất quan trọng ðộ nhám bề mặt ảnh hưởng ñến một số thuộc tính của chi tiết máy như: hệ số ma sát, ñộ bền mỏi, sự truyền nhiệt…

Thực tế ñã có nhiều nghiên cứu ñược thực hiện ñể khảo sát ảnh hưởng của các tham số gia công chính ñến giá trị ñộ nhám bề mặt [4, 5, 6, 8] Tuy nhiên những nghiên cứu trên chưa ñược khảo sát trên vật liệu SKD 61 gia công phay cứng Kết quả nghiên cứu của luận văn này, sẽ ñưa ra những chỉ số cụ thể về ảnh hưởng của các thông số cắt ñến ñộ nhám bề mặt gia công khi phay vật liệu SKD61 ở ñộ cứng

từ 45 ÷ 48HRC

2.5 Mô hình qui hoạch thực nghiệm:

Phương pháp thực nghiệm ựóng một vai trò rất quan trọng trong nghiên cứu khoa học, nó là cơ sở nghiên cứu thực nghiệm hiện ựại [20] Chỉ có thực nghiệm mới cho ta kết quả chắnh xác ựể khẳng ựịnh chân lý khoa học Thực nghiệm ựược coi như một hệ thống có tác ựộng nhằm thu nhận những thông tin chắnh xác về ựối tượng nghiên cứu

Phương pháp qui hoạch thực nghiệm là một phương pháp nghiên cứu mới, trong ựó công cụ toán học giữ vai trò tắch cực Nền tảng của lý thuyết qui hoạch thực nghiệm là toán học thống kê với hai lĩnh vực quan trọng là phân tắch phương sai và phân tắch hồi quy Phương pháp qui hoạch thực nghiệm cho phép nghiên cứu ảnh hưởng ựồng thời của nhiều yếu tố công nghệ tới một chỉ tiêu nào ựó

Qui hoạch thực nghiệm là cơ sơ phương pháp luận của nghiên cứu thực nghiệm hiện ựại đó là phương pháp nghiên cứu mới, trong ựó công cụ toán học giữ vai trò tắch cực Cơ sở toán học nền tảng của lý thuyết qui hoạch thực nghiệm là toán học thống kê với hai lĩnh vực quan trọng là phân tắch phương sai và phân tắch hồi qui

Qui hoạch thực nghiệm: Theo nghĩa rộng, là tập hợp các tác ựộng nhằm ựưa

ra chiến thuật làm thực nghiệm từ giai ựoạn ựầu ựến giai ựoạn kết thúc của quá trình nghiên cứu ựối tượng (từ nhận thông tin mô phỏng ựến việc tạo ra mô hình toán, xác ựịnh các ựiều kiện tối ưu), trong ựiều kiện ựã hoặc chưa hiểu biết ựầy ựủ về cơ chế của ựối tượng

đối tượng nghiên cứu của qui hoạch thực nghiệm trong các ngành kỹ thuật

thường là một quá trình, một cơ cấu hoặc hiện tượng nào ựó có những tắnh chất, ựặc ựiểm chưa biết cần nghiên cứu Người nghiên cứu có thể chưa hiểu biết ựầy ựủ về ựối tượng nhưng ựã có một số thông tin tiên nghiệm dù chỉ là sự liệt kê khái lược những thông số biến ựổi ảnh hưởng ựến tắnh chất ựối tượng

Phay là một quá trình phức tạp ựồng thời rất nhạy cảm với các ựiều kiện công nghệ cụ thể vì vậy không thể có các mô hình tổng quát chung cho quá trình phay Muốn áp dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tế sản suất cần phải tiến hành

nghiên cứu bằng thực nghiệm dựa trên các ñiều kiện công nghệ cụ thể Sơ dồ nghiên cứu thực nghiệm ñược thể hiện ở hình 3.1

Hình 2.1 Sơ ñồ nghiên cứu thực nghiệm

Trong ñó:

X = [x1; x2; ; xn] - thông số vào (các biến ñộc lập, kiểm tra ñược và ñiều khiển ñược)

E = [e1; e2; ; en] - nhiễu (các tham số không ñiều khiển ñược)

Y = [y1; y2; ; yn] - thông số ra, ñể ñánh giá ñối tượng nghiên cứu

Mục ñích của quá trình nghiên cứu bằng thực nghiệm là xây dựng mối quan hệ giữa các hàm mục tiêu với các thông số ñầu vào dưới dạng các mô hình toán học Các mô hình ñó là cơ sở ñể giải bài toán xác ñịnh chế ñộ công nghệ tối ưu cho nguyên công phay tương ứng với các ñiều kiện công nghệ cụ thể Ngoài ra, dựa vào các mô hình ñó ta còn có thể lựa chọn các tín hiệu hợp lý ñể tiến hành tự ñộng hóa nguyên công nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế trên cơ sở ñảm bảo chất lượng yêu cầu của nguyên công

Yêu cầu cơ bản của thực nghiệm là tổ chức thực nghiệm và xử lý kết quả sao cho vừa nhận ñược thông tin chính xác, ñầy ñủ về ñối tượng nghiên cứu vừa ñảm bảo

QUÁ TRÌNH PHAY

Các thông số ñầu vào

Các tham số ñiều khiển ñược

Kết quả (ñầu ra)

Các tham số không ñiều khiển ñược

2.5.1 Chọn các thông số ñầu vào

1 Các yêu cầu khi chọn thông số vào: Các thông số vào cần ñảm bảo các yêu cầu sau:

o Là các biến ñộc lập, ñiều chỉnh ñược, ñiều này cho phép nhận ñược các ước lượng riêng biệt của các hệ số hồi qui

o Là các thông số ñịnh lượng

o Có hiệu ứng ảnh hưởng rõ nét trên trường nhiễu E

2 Các cơ sở ñể chọn các thông số ñầu vào: Việc lựa chọn thông số ñầu vào dựa trên các cơ sở sau ñây:

• Thông tin tiên nghiệm lấy từ quan sát thực tế hoặc tài liệu tham khảo (các mô hình nghiên cứu bằng lý thuyết hoặc thực nghiệm ñã công bố)

• Ý kiến chuyên gia: Thường thông tin từ các tài liệu rất ít và không toàn diện

• Kết quả nghiên cứu lý thuyết: Căn cứ từ những kiến thức lý thuyết khoa học

cơ sở ñể sơ bộ xác ñịnh miền tối ưu lý thuyết và mức cơ sở các thông số cần ñưa vào nghiên cứu thực nghiệm

• Tiến hành thực nghiệm thăm dò, thực nghiệm loại bỏ (thực nghiệm sàng lọc)

ñể kiểm tra những yếu tố ảnh hưởng nghi ngờ

Từ các cơ sở trên cần phải tập hợp các thông số ảnh hưởng thành từng nhóm

mà các thông số trong cùng nhóm ảnh hưởng một cách ñặc trưng nhất ñến tính chất nào ñó của ñối tượng nghiên cứu Như vậy ta sẽ tách thành nhiều kế hoạch song song

3 Chọn thông số vào

Các thông số ảnh hưởng ñến chỉ tiêu ñánh giá ñộ nhám bề mặt sau khi phay gồm:

 Chế ñộ cắt: Tốc ñộ của dụng cụ cắt (n), chiều sâu cắt (t), tốc ñộ chạy dao S

 Phương pháp sử dụng dung dịch trơn nguội: Phương pháp tưới, thành phần dung dịch trơn nguội, áp suất, lưu lượng tưới

 Vật liệu gia công: Thành phần hoá học; tính chất cơ, lý của vật liệu (ñộ cứng,

 Sự mài mòn dụng cụ cắt trong quá trình gia công

Rõ ràng với tập hợp lớn các thông số ảnh hưởng với ñặc tính khác nhau như trên ta không thể ñưa vào cùng một kế hoạch thực nghiệm mà phải phân thành từng nhóm

Các thông số của chế ñộ cắt ñều có ñặc tính là có khả năng ñiều chỉnh liên tục và sự ñiều chỉnh mỗi thông số không kéo theo sự thay ñổi các thông số khác Trong nghiên cứu thực nghiệm nếu thông số vào có khoảng thay ñổi hẹp, dẫn ñến bước biến thiên quá nhỏ, ảnh hưởng của sự thay ñổi ñó bị lẫn trong nhiễu, nhiều hệ số hồi quy sẽ vô nghĩa

Như vậy, việc nhóm các thông số n, t, S trong một kế hoạch thực nghiệm ñã

ñáp ứng ñược các yêu cầu cơ bản của lý thuyết quy hoạch thực nghiệm

2.5.2 Chọn chỉ tiêu ñánh giá: Chỉ tiêu ñánh giá bao gồm:

o Chỉ tiêu trực tiếp là các ñại lượng nhận ñược ở mỗi ñiểm thí nghiệm bằng cách cân, ño trực tiếp trong quá trình thí nghiệm

o Chỉ tiêu gián tiếp (chỉ tiêu tổng hợp) là các ñại lương không lấy trực tiếp mà phải xác ñịnh thông qua các liên hệ toán học giữa chúng với các chỉ tiêu trực tiếp

Trong quá trình nghiên cứu tác giả ñã chọnchỉ tiêu ñánh giá là: Thời gian cắt

và ñộ nhám bề mặt khi phay vật liệu SKD61 sau nhiệt luyện ñạt ñộ cứng 45 ÷ 48 HRC

2.5.3 Qui hoạch thực nghiệm trực giao toàn phần dạng 2 k[10]

Quy hoạch thực nghiệm trực giao cho phép xây dựng mô hình toán học biểu thị quan hệ phụ thuộc giữa thông số ñầu ra và các thông số ñầu vào Mô hình toán học này có thể ñược viết dưới dạng:

y = b 0 + b 1 X 1 + b 2 X 2 + … + b n X n + b 12 X 1 X 2 +…+ b (n-1)n X n-1 X n (2.1)

Phương trình (2.1) ñược gọi là phương trình hồi quy ðể thuận lợi cho việc

tính toán các hệ số b i trong phương trình trên, tất cả các yếu tố (các thông số ñầu

vào) trong quá trình thí nghiệm ñược thay ñổi ở hai mức dưới và mức trên ( -1 và +1)

Quy hoạch thí nghiệm trực giao toàn phần dạng 2k là một lớp các phương án thí nghiệm sao cho ma trận thí nghiệm gồm số ñiểm thí nghiệm khác nhau và mỗi

nhân tố lấy giá trị bằng một trong hai mức xác ñịnh của nó N = 2 k (2.2)

Ở ñây, k là số yếu tố ảnh hưởng (số thông số ñầu vào)

Như vậy, nếu k = 2 thì số ñiểm thí nghiệm cần thực hiện là N = 2 2 = 4, còn

Bảng 2.3 ðiều kiện quy hoạch thực nghiệm ba yếu tố (N = 2 3 =8)

Yếu tố thứ nhất (X1) thay ñổi từ -1 sang +1

Các yếu tố tiếp theo (X2, X3) thay ñổi với tần số hai lần nhỏ hơp yếu tố trước (-1, -1, +1, +1…)

Trong phương trình hồi quy có thể tồn tại một số hệ số không có nghĩa (có giá trị - ảnh hưởng quá nhỏ) Vì vậy, ñể xác ñịnh xem hệ số có nghĩa hay không ta cần kiểm tra mức phù hợp bằng phân tích ANOVA

2.5.4 Quy hoạch thí nghiệm trực giao bậc hai CCD (Quy hoạch Box – Wilson)

ðể có thể biểu diễn một hàm bậc hai phù hợp với mô hình thí nghiệm khi ñã xác ñịnh ñược khu vực tối ưu thì ít nhất mỗi biến thí nghiệm phải có 3 mức thí nghiệm khi ñó thiết kế thí nghiệm toàn phần hai mức 2k sẽ không còn phù hợp ñể nghiên cứu Năm 1960 G.E.P Box và D.W Behnken ñã giới thiệu một kiểu thiết kế

thí nghiệm toàn phần 3 mức cho mỗi yếu tố và ñã ñược sử dụng rộng rãi trong các phương pháp thiết kế bề mặt chỉ tiêu ñể phù hợp với một mô hình bề mặt cong bậc hai Thí nghiệm này vì thế có tên là thiết kế thí nghiệm Box-Behnken ðây là kiểu thiết kế ñược phát triển dựa trên sự kết hợp của một thiết kế thí nghiệm toàn phần 2 mức và một thiết kế thí nghiệm khối không ñầy ñủ

Một kiểu thiết kế bề mặt chỉ tiêu khác phổ biến hơn thiết kế Box-Behnken là thiết kế trung tâm phức hợp (Central composite design - CCD) ñược Box và Wilson ñưa ra vào năm 1951 ðây là một kiểu thiết kế thí nghiệm kết hợp giữa một thiết kế toàn phần hai mức và hai loại ñiểm, ñiểm tâm và ñiểm trục hay “ñiểm sao”:

 ðiểm tâm: là ñiểm mà giá trị của tất cả các yếu tố ñược thiệt lập ở mức không (trung bình cộng của mức cao và mức thấp)

 ðiểm trục: là những ñiểm cách ñiểm tâm thiết kế một khoảng α xác ñịnh, trong ñó mỗi phương trên mỗi trục ñược xác ñịnh bởi các mức mã hoá của các yếu tố Việc lựa chọn α phụ thuộc vào ñặc tính yêu cầu của mỗi thiết kế Cách lựa chọn α tính theo công thức sau:

1 4

nf: số lượng thí nghiệm trong thiết kế toàn phần

n0f: số ñiểm tâm trong thiết kế toàn phần

ne: số thí nghiệm trong thiết kế “sao”

n : số ñiểm tâm trong thiết kế “sao”

ðặc tính của thiết kế CCD là có tính trực giao và có ñộ chính xác ước lượng theo mọi phương là như nhau

Lấy 1 mô hình ví dụ về thiết kế thí nghiệm RSM cho 3 yếu tố ñể so sánh 2 thiết kế CCD và Box-Behnken như sau:

Một ñiểm khác biệt giữa 2 thiết kế này là thiết kế Box-Behnken không có các ñiểm ở các ñỉnh của khối lập phương như thiết kế CCD So sánh trong thiết kế CCD, tổng cộng mỗi yếu tố có 5 mức: ± 1, ± α và 0 còn trong thiết kế Box-Behnken mỗi yếu tố chỉ có 3 mức nên thiết kế CCD ñánh giá mô hình có ñộ chính xác cao hơn thiết kế Box-Behnken

Các phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao (quy hoạch thực nghiệm toàn phần, quy hoạch Box – Wilson) ñược thực hiện trên cơ sở viết bằng phần mềm Minitab

Thiết kế Central Composite

Thiết kế Box - Behnken

ðiểm tâm

ðiểm trục

ðiểm thí nghiệm toàn phần

Hình 2.2: So sánh thiết kế CCD và thiết kế Box-Behnken

2.5.5 Bài toán tối ưu không có ñiều kiện ràng buộc

Trong thực tế, ñể lựa chọn phương án tối ưu ta phải xây dựng mô hình bài toán tối ưu Bài toán tối ưu có nhiều dạng khác nhau Bài toán phi tuyến bậc hai, có giới hạn, không có ñiều kiện ràng buộc ñược phát biểu như sau:

Cho hàm mục tiêu:

min

.

i

j i ij k

j j j

j b b x b x x b x x

f

Giới hạn của các biến số:

xjmin ≤ xj ≤ xjmax j = 1 ÷ k Trong ñó: k – là biến số

Nhiệm vụ của bài toán là phải tìm các phương án tối ưu xj trong ñiều kiện giới hạn ñể hàm mục tiêu Y = f(xj) → min

Chương 3 THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM

Quá trình thiết kế thí nghiệm và thực hiện thí nghiệm có vai trò quyết ñịnh ñến kết quả của quá trình nghiên cứu Việc thiết kế phải dựa trên những cơ sở thực

tế và ñiều kiện thực hiện thí nghiệm

Trong chương này giới thiệu một số vấn ñề sau:

Những ñiều kiện ñể thực hiện thí nghiệm như vật liệu thí nghiệm, máy gia công, dụng cụ cắt gọt ñược trình bày trong phần 3.1

Phần 3.2 giới thiệu một số thiết bị ño ñược sử dụng trong ñề tài

Trình tự thiết kế thí nghiệm ñược trình bày cụ thể trong phần 3.3 Mẫu phôi thí nghiệm, cách thu thập, nhập dữ liệu ñể xử lý ñược ñề cập trong phần 3.4

Phần cuối cùng, phần 3.5 trình bày về một số kết luận chính của chương

3.1 Vật liệu thí nghiệm, máy, dao

3.1.1 Vật liệu thí nghiệm:

Quá trình thiết kết thí nghiệm ñược thực hiện trên mẫu phôi hình hộp chữ nhật Trước khi thực hiện, mẫu phôi ñược phân tích quang phổ có kết quả về các thành phần nguyên tố hoá học như bảng 3.1b So sánh với các thành phần các nguyên tố hoá học của vật liệu SKD 61 theo tiêu chuẩn JIS – G4404 [17] Nhật bản - bảng 3.1a, thấy rằng mẫu thí nghiệm ñủ ñiều kiện ñánh giá là thép SKD 61 Sau khi mẫu thí nghiệm ñược nhiệt luyện ñạt ñộ cứng từ 45 ÷ 47HRC, mài phẳng ñể ñảm bảo kích thước thống nhất cho các lần thí nghiệm

Bảng 3.1a Thành phần các nguyên tố hoá học của thép SKD 61 theo JIS – G4404

Mác

Bảng 3.1b Thành phần các nguyên tố hoá học của mẫu thí nghiệm

3.1.2 Máy gia công CNC:

ðể ñảm bảo quá trình thực hiện thí nghiệm cho ra kết quả chính xác và ñồng nhất ở các lần thí nghiệm, máy gia công phải ñáp ứng ñược một số yêu cầu sau:

 ðảm bảo ñộ chính xác, các băng trượt của bàn máy không ñược rơ lỏng, các ñường truyền của máy không bị lỗi

 Chế ñộ cắt ñược ñiều khiển vô cấp, ñáp ứng việc ñiều chỉnh chính xác các thông số cắt ñã ñược tính toán

Trong luận ñề tài của văn này, quá trình thực nghiệm ñược thực hiện trên máy phay CNC Ctek KM80D/100D – Hình 3.1 Máy CNC có các thông số kỹ thuật như bảng 3.2

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của máy phay C-Tek KM80D/100D

Thông số kỹ thuật của máy phay C-Tek ðơn vị Kích thước

Theo kết quả tính toán dải chế ñộ cắt ñược thực hiện trong thí nghiệm có các thông số như sau:

Bảng 3.3 So sánh ñiều kiện thực hiện thí nghiệm

Thông số thí nghiệm Thông số của máy

n = 2900 ÷ 4142 (v/p)

S = 33 ÷ 450 (mm/p)

n = 0 ÷ 6000 (v/p)

S = 10 ÷ 8000 (mm/p)

ðối chiếu với thông số kỹ thuật, máy phay C-Tek KM80D/100D tại trường Cao ñẳng Công nghiệp Việt ñức, ñủ ñiều kiện ñáp ứng ñể thực hiện thí nghiệm

3.1.3 Dụng cụ cắt:

Sử dụng dao phay ngón SPSED4A của hãng Okazaki - Nhật bản sản xuất có thông số hình học như hình 3.2

3.2 Thiết bị ño:

Trong quá trình thực nghiệm ñề tài, các thiết bị ño ñược sử dụng bao gồm:

1 Máy phân tích quang phổ ARL 4360 (hình 3.3)

2 Máy ño ñộ cứng Akashi AR 20 (hình 3.4)

Hình 3.4 Máy ño ñộ cứng Akashi AR20 và máy ño ñộ nhám bề mặt SJ 201 P Hình 3.3 Máy phân tích quang phổ

ARL 4360