Để chế tạo ra những sản phẩm cơ khí, các kết quả nghiên cứu khoa học không chỉ vạch ra những phương pháp gia công chính xác mà còn xây dựng những phương án công nghệ có hiệu quả nhất, đá
Trang 1ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
******
BÁO CÁO TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐỀ TÀI
ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT
KHI PHAY CỨNG VẬT LIỆU SKD61
Học Viên: PHAN THỊ HƯƠNG
Chuyên ngành: CÔNG NGHỆCHẾ TẠO M ÁY
HDKH: TS NGUYỄN VĂN DỰ
THÁI NGUYÊN – 2010
Trang 2ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
******
BÁO CÁO TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐỀ TÀI
ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT
KHI PHAY CỨNG VẬT LIỆU SKD61
Học Viên: PHAN THỊ HƯƠNG
Chuyên ngành: CHẾ TẠO M ÁY HDKH: TS NGUYỄN VĂN DỰ
TS Nguyễn Văn Dự Phan Thị Hương
THÁI NGUYÊN – 2010
Trang 31 Tính cấp thiết của đề tài:
Ngày nay, nền công nghiệp gia công cơ đang phát triển và ngày càng lớn mạnh Song song với sự phát triển của nền công nghiệp gia công cơ, các nghiên cứu
về khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực gia công cơ khí cũng không ngừng phát triển Để chế tạo ra những sản phẩm cơ khí, các kết quả nghiên cứu khoa học không chỉ vạch ra những phương pháp gia công chính xác mà còn xây dựng những phương án công nghệ có hiệu quả nhất, đáp ứng cả về độ chính xác gia công và đảm bảo được giá thành hạ nhất
Phương pháp gia công cắt gọt sau nhiệt luyện đang là vấn đề được nhiều nhà nghiên cứu rất quan tâm Đặc biệt trong chế tạo khuôn mẫu với những loại vật liệu có
độ cứng và độ bền cao thì việc gia công tinh sau nhiệt luyện chiếm ưu thế nhất định,
nó có thể thay thể cho mài và có những ưu điểm vượt trội [1], chẳng hạn như:
- Giảm thời gian chu kỳ gia công một sản phẩm
- Giảm chi phí đầu tư thiết bị
- Tăng độ chính xác gia công
- Nâng cao độ bóng bề mặt và năng suất gia công
- Cho phép thực hiện nhiều bước gia công trong cùng một lần gá
- Gia công được các bề mặt 3D phức tạp
Gia công tinh lần cuối bằng phương pháp mài có nhược điểm là bề mặt chịu ảnh hưởng rất lớn của nhiệt sinh ra trong quá trình cắt Do đó ảnh hưởng đến chất lượng
bề mặt gia công Bên cạnh đó, 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 sức bền mỏi của chi tiết gia công Vì vậy, việc áp dụng phay cứng bề mặt khuôn mẫu thay cho mài đang trở nên khá phổ biến
SKD61 là loại vật liệu chất lượng cao thường dùng để chế tạo các loại khuôn dập nóng [2] Vấn đề tối ưu hoá chế độ cắt khi phay vật liệu SKD 61 chưa nhiệt luyện
đã được khảo sát khá cụ thể [3]
Chất lượng bề mặt là một thông số quan trọng khi gia công tinh Câu hỏi đặt ra
là liệu có các thông số chế độ cắt nào có ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt gia công sau khi phay cứng SKD61? Và nếu có, có thể xác định được quan hệ ảnh hưởng đó thu được độ nhám bề mặt như mong muốn không? Qua tìm hiểu của tác giả, chưa có
Trang 4công bố nào khảo sát chi tiết các vấn đề này Vì vậy, đề tài này được thực hiện với mục đích tìm lời giải cho các vấn đề đã nêu
Đề tài được nghiên cứu và hoàn thành sẽ góp phần hoàn thiện và nâng cao khả năng nghiên cứu cả về lý thuyết và thực nghiệm cho tác giả trong quá trình thực hiện luận văn Đồng thời tác giả hy vọng sẽ đóng góp phần nhỏ vào hệ thống các kiến thức
về nghiên cứu phương pháp phay cứng các loại vật liệu chất lượng cao
2 Tổng quan:
Vật liệu SKD 61 là thép hợp kim gia công nóng 2344 [2], có thành phần hóa học: C 0,40%, Si 1,0%, Cr 5,3%, Mo 1,4%, V 1,0 % Đặc điểm của vật liệu này là thuộc nhóm thép hợp kim Crôm Molybden Vanadium gia công nóng, độ chống mài mòn nóng cao, độ dai nóng cao, truyền nhiệt tốt, không bị nứt khi nhiệt cao, kích thước ổn định sau khi nhiệt luyện, độ cứng sau khi nhiệt luyện đạt 54 HRC Vật liệu SKD61 được sử dụng phổ biến cho gia công nóng, khuôn đúc áp lực, khuôn rèn dập, dao cắt nóng, v.v…
Cho đến nay đã có khá nhiều nghiên cứu về quá trình gia công cơ khí bằng cắt gọt kim loại, các nghiên cứu đã xây dựng được các chỉ tiêu về chất lượng bề mặt [3], nghiên cứu về mòn và cơ chế mòn của dụng cụ cắt nhằm tối ưu hoá các chỉ tiêu về kinh tế và kỹ thuật của quá trình cắt [6] Một dạng bài toán về tối ưu hoá chế độ gia công khi phay mềm bằng dao phủ PVD-TiAlN đã được nghiên cứu [1] Tuy nhiên, cho đến nay chưa có nghiên cứu cụ thể nào về ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất
lượng bề mặt sau khi phay cứng SKD61 được công bố
3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài:
Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần hoàn thiện và bổ sung thông tin cho bài toán tối ưu về kinh tế và chất lượng khi gia công vật liệu SKD 61
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở để nâng cao chất lượng và hiệu quả của quá trình gia công vật liệu SKD 61 trong chế tạo khuôn mẫu
4 Mục tiêu nghiên cứu:
Trang 5Trong đề tài này, mục tiêu chủ yếu là nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi phay cứng vật liệu SKD 61 Các mục tiêu cụ thể bao gồm:
Xác định được các thông số chế độ cắt có ảnh hưởng và mức độ ảnh hưởng của chúng đến độ nhám bề mặt sau gia công bằng phay cứng
Xây dựng được mô hình nghiên cứu thực nghiệm cho bài toán tối ưu hóa chế
độ cắt khi phay cứng
Thiết lập được chương trình quy hoạch thực nghiệm để giải bài toán tối ưu hóa Tìm được miền cực trị tối ưu của hàm mục tiêu về độ nhám bề mặt gia công
Kiểm định để kiểm nghiệm kết quả đối với hàm mục tiêu đã đề ra
5 Phương pháp nghiên cứu:
Xác định vị trí, vai trò của vật liệu SKD 61 trong ngành công nghiệp, đặc biệt
là trong sản xuất khuôn mẫu
Phân tích về phương pháp gia công vật liệu SKD 61 sau nhiệt luyện
Thiết kế thí nghiệm cho bài toán ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến
độ nhám bề mặt
Thí nghiệm và sử lý dữ liệu để xác định tập thông số cho độ nhám bề mặt tốt nhất trong vùng khảo sát
6 Nội dung nghiên cứu:
- Thí nghiệm sơ bộ để xác định các thông số chế độ cắt có ảnh hưởng lớn đến
độ nhám bề mặt sau khi phay cứng SKD61
- Thiết kế thí nghiệm theo theo phương pháp bề mặt phản hồi (Response Surface Methodology) nhằm tìm cực trị cho hàm mục tiêu là độ nhám bề mặt sau gia công
- Thu thập các dữ liệu thí nghiệm về chế độ gia công vật liệu SKD61 và khảo sát thực tế để tìm ra khoảng thực nghiệm đạt mục tiêu của đề tài
- Lập chương trình quy hoạch thực nghiệm, tối ưu hoá hàm mục tiêu, tìm các điểm cực trị và miền tối ưu hoá
- Kiểm nghiệm kết quả
7 Tiến hành nghiên cứu và thảo luận kết quả:
Trang 67.1 Vật liệu và phương pháp thí nghiệm
7.1.1 Dụng cụ thí nghiệm:
Các thí nghiệm được tiến hành khi phay mặt phẳng có bề rộng 6 mm, chiều sâu cắt 0.1mm, trên các mẫu làm bằng vật liệu SKD 61, tôi và ram đạt độ cứng 45-48 HRC Quá trình gia công được thực hiện trên máy phay CNC Ctek KM80/100D tại trường Cao đẳng công nghiệp Việt Đức - Thái Nguyên Máy thuộc Model KM - 80D
do Đài Loan sản xuất năm 2005, có dải tốc độ trục chính từ 0 đến 6.000 vòng/ phút; phạm vi tốc độ chạy dao từ 10 đến 8000 mm/phút Thành phần hóa học của vật liệu được kiểm định bằng máy ARL 4360 và được trình bày trong bảng 1
Bảng 1 Thành phần cơ bản vật liệu SKD 61
Hàm lượng (%) trong
SKD 61 chuẩn 0.32 ÷ 0.42 0.80 ÷ 1.2 < 0.50 4.5 ÷ 5.5 1 ÷ 1.5 0.8 ÷ 1.2 Hàm lượng (%) trong
Dụng cụ gia công là dao phay ngón SPSED4A, phủ PVD – TiAlN, đường kính 10
mm của hãng Okazaki - Nhật Bản Nhám bề mặt sau gia công được đo bằng máy Mitutoyo - SJ 201P do Nhật Bản sản xuất
7.1.2 Thiết kế thí nghiệm
Tiến trình thí nghiệm được thiết kế theo phương pháp bề mặt chỉ tiêu [12], bao gồm 3 bước sau:
Bước 1 Tiến hành các thí nghiệm toàn phần, 2 yếu tố là lượng chạy dao S (mm/ph) và tốc độ trục chính n (v/ph) Mục đích là xác định mô hình quan hệ đơn giản giữa nhám bề mặt và 2 yếu tố đầu vào Phương trình hồi quy bậc nhất có được từ kết quả thí nghiệm sẽ được dùng làm cơ sở cho bước 2
Bước 2 Dựa vào phương trình hồi quy bậc nhất, xác định bước và hướng leo dốc theo phương pháp Box-Wilson Mục đích là tiến nhanh đến vùng có nhám bề mặt nhỏ nhất, khảo sát các điểm trong phạm vi tốc độ và lượng chạy dao của máy
Bước 3 Thiết kế và triển khai thí nghiệm dạng quy hoạch hợp CCD (Central Composit Design) để xây dựng mô hình quan hệ giữa các hàm chỉ tiêu là nhám bề mặt và năng suất cắt với các thông số chế độ cắt Kỹ thuật tối ưu hóa bằng phương
Trang 7pháp xếp chồng đường mức (Overlaid contours) được sử dụng để xác định vùng chế
độ cắt tối ưu đa mục tiêu
7.1.3 Kết quả và thảo luận
Bước 1 Trước hết, các thí nghiệm sơ bộ dạng 2k đã được tiến hành với các thông
số được thiết lập như trong bảng 2 Để loại bỏ các sai số ngẫu nhiên, mỗi cặp giá trị đầu vào được thí nghiệm 2 lần
Bảng 2 Các thiết lập thí nghiệm sơ bộ
Thông số Mức thấp Mức cao Biến thí nghiệm
Các mẫu sau khi gia công được đo độ nhám, mỗi bề mặt được đo 3 lần và lấy trung bình để giảm sai số đo Các kết quả thí nghiệm được trình bày trong bảng 3
Bảng 3 Kết quả thí nghiệm sơ bộ
STT n (v/ph) S (mm/ph) Ra (m)
Kết quả này được sử dụng để xác định phương trình hồi quy dạng đa thức bậc nhất cho quan hệ giữa nhám bề mặt (Ra) với các thông số đầu vào là tốc độ trục chính (n) và lượng chạy dao (S) Hình 1 trình bày kết quả phân tích mô hình hồi quy dưới dạng mã hóa
Trang 8Hình 1 Kết quả phân tích mô hình hồi quy bậc 1
Trang 9Phân tích kết quả trên hình 1, có thể thấy các hệ số của phương trình hồi quy đều có giá trị p-value rất nhỏ hơn mức ý nghĩa xác xuất (-level) thông dụng (thông thường =0,05) Do vậy, có thể kết luận rằng, các giá trị của các hệ số phương trình hồi quy là chấp nhận được
Theo kết quả này, phương trình hồi quy bậc nhất biểu diễn quan hệ của nhám
bề mặt được viết dưới dạng:
Ra = 0.3875 – 0,03125 n + 0,03875 S (1)
Bước 2 Với mục tiêu tiến nhanh đến vùng các thông số cho ra giá trị Ra nhỏ nhất, sử dụng kỹ thuật leo dốc Box-Wilson
Hướng tiến và độ dài mỗi bước gia số thí nghiệm được xác định như dưới đây Trước hết, vì mục tiêu là giảm Ra, các gia số tốc độ quay trục chính n và gia
số lượng tiến dao S sẽ được lấy ngược dấu với các hệ số trong phương trình hồi
quy (1) Tức là, các thí nghiệm xuống dốc với xu thế tăng tốc độ quay n và giảm lượng chạy dao S sẽ được triển khai Thứ hai, giá trị độ dài các bước tiến được xác định theo phương pháp gradient [9], tức là cần theo tỷ lệ:
24 1 03125 0
03875 0
n
S
(2) Nghĩa là, cứ tăng n lên 1 đơn vị mã hóa thì cần giảm S đi 1.24 đơn vị mã hoá
Tốc độ vòng quay n thay đổi từ 2900 đến 3500 (v/p); như vậy khi mã hóa từ -1
đến +1, mỗi đơn vị bước sẽ có độ lớn thực là:
) / ( 300 2
2900 3500
p v
Lượng chạy dao S thay đổi từ 200 đến 450 (mm/ph) nên khi mã hoá, mỗi đơn vị
bước tiến dao sẽ có giá trị thực là:
) / ( 5 62 2
200 450
p mm
Để khảo sát chi tiết trong phạm vi dải tốc độ trục chính của máy, chọn gia
số bước thay đổi tốc độ cắt bằng 1/3 đơn vị, tức là bằng 100 vòng/phút Khi này, gia số bước thay đổi lượng chạy dao sẽ được tính:
) / ( 26 8 , 25 3
24 , 1 5 , 62
ph mm
Trang 10Tiến hành các thí nghiệm với tốc độ cắt và lượng chạy dao được thay đổi theo các xác lập nêu trên Kết quả được trình bày trong bảng 4 dưới đây
Bảng 4 Kết quả thí nghiệm leo dốc
Bước n (v/p) S (mm/p) Ra (m)
Qua bảng 4, có thể nhận thấy, giá trị độ nhám giảm khi tăng tốc độ trục chính n và giảm lượng chạy dao S Tuy nhiên, giảm lượng chạy dao S đồng nghĩa với giảm năng suất, tức là tăng thời gian gia công, một chỉ tiêu quan trọng khi phay tinh Để đáp ứng đồng thời các yêu cầu giữa độ nhám đạt được và năng suất cắt, quy hoạch thí nghiệm hợp CCD kết hợp với tối ưu hóa đa mục tiêu đã được tiến hành
Bước 3 Quy hoạch hợp và tối ưu hóa đa mục tiêu Quy hoạch thí nghiệm 2 nhân tố
có các điểm dọc trục α = ± 1.4142 được tiến hành tại lân cận điểm có Ra0,2 (điểm số 6 của bảng 4) Giá trị tốc độ quay 4000 vòng/phút và lượng chạy dao 70 mm/ph là các giá trị nằm trong phạm vi thông dụng của các máy CNC Các mức giá trị thí nghiệm được trình bày trong bảng 5
Mô hình hồi quy: Một số tác giả sử dụng mô hình biểu diễn quan hệ giữa nhám bề mặt với các thông số cắt dưới dạng loga [5], một số khác lại biểu diễn quan hệ này dưới dạng hàm đa thức bậc 1 hoặc bậc 2 [7,9-11] Mô hình đa thức được sử dụng trong nghiên cứu này do tính tiện dụng trong tính toán, nhưng vẫn phản ánh đúng quan hệ trong phạm vi khảo sát
Bảng 5 Các mức của thông số thí nghiệm CCD
Thông số Giới hạn dưới Mức thấp Mức trung bình Mức
cao Giới hạn trên
Trang 11(-α) (-1) (0) (+1) (+α)
Thiết kế các thí nghiệm dạng CCD và tiến hành gia công, đo nhám bề mặt
và tính năng suất cắt, thu được kết quả như bảng 6 dưới đây
Bảng 6 Kết quả thực hiện các thí nghiệm CCD
n (v/p) S(mm/p) Ra(m) Rz(m) Q(g/ph)
Phân tích mô hình hồi quy (xem hình 2) cho thấy, các giá trị p (p-value) của hệ số bậc cao n2; S2; n*S lần lượt là 0.527; 0.116; 0.764, lớn hơn nhiều so với mức α thông thường (0,05)
Trang 12Hình 2 Phân tích mô hình hồi quy bậc 2
Do vậy, sự có mặt của các thành phần này trong phương trình hồi quy là không có ý nghĩa
Loại dần các hệ số có p-value lớn hơn 0,05, cuối cùng thu được mô hình được phân tích phương sai như trên hình 3
Hình 3 Phân tích phương sai cho mô hình hồi quy cuối cùng
Trang 13Phân tích kết quả: Nhìn vào hình 3 (các vùng được đóng khung), nhận thấy 1) các hệ số của phương trình hồi quy đều có giá trị value nhỏ hơn 0,05 và 2) p-value của “mức độ không khớp của mô hình” (Lack-of-fit) là lớn hơn 0,05 Từ đó, tương ứng có thể kết luận, 1) các hệ số của phương trình hồi quy là có nghĩa và 2)
mô hình hồi quy tìm được là phù hợp
Giả sử nhà sản xuất muốn lựa chọn chế độ cắt thỏa mãn đồng thời hai chỉ tiêu về nhám bề mặt Ra và năng suất cắt Q Giải pháp cho vấn đề này được thực hiện bằng cách, tính toán thêm các giá trị năng suất cắt tương ứng với các chế độ cắt đã thí nghiệm, sau đó sử dụng công cụ xếp chồng đường mức và tối ưu hóa của các phần mềm thiết kế thí nghiệm để xác định vùng các thông số đầu vào Hình 4 trình bày một kết quả xác định chế độ cắt bằng phần mềm thiết kế thí nghiệm Minitab® cho các giá trị Ra nằm trong khoảng [0,11-0,2], còn Q nằm trong khoảng [0,21-0,45], tức là:
) 3 ( 45
, 0 21
,
0
) 3 ( 2
, 0 11
,
0
b Q
a
R a
(3) Trên hình 4, tập hợp các giá trị lượng chạy dao S và tốc độ quay trục chính
n ở vùng số 1 là vùng thỏa mãn hệ (3), vùng số 2 chỉ thỏa mãn phương trình (3b), vùng số 3 không thỏa mãn cả hai phương trình (3), còn vùng số (4) chỉ thỏa mãn phương trình (3a)
Các giá trị giới hạn của các hàm mục tiêu nói trên có thể thiết đặt dễ dàng trong phần mềm Do vậy, nhà tư vấn có thể nhanh chóng chỉ ra các vùng chế độ cắt thỏa mãn các mức mục tiêu khác, đáp ứng yêu cầu của sản xuất
Hình 4 Xếp chồng các đường mức nhám bề mặt và năng suất cắt
Trang 147.1.4 Kết luận:
Vấn đề xác định chế độ cắt đáp ứng đồng thời hai chỉ tiêu thường được quan tâm nhất khi gia công tinh bằng phay cứng khuôn mẫu SKD 61 đã được giải quyết Phương pháp thiết kế thí nghiệm bằng kỹ thuật bề mặt chỉ tiêu cho ra kết quả nhanh và đơn giản Kỹ thuật này có thể áp dụng cho các quá trình gia công khác, với các hàm mục tiêu khác nhau
Trang 15Tài liệu tham khảo
[1] Iqbala A., Ning H., Khana I., Liang L., Naeem Ullah Dara N.U., Modeling the
effects of cutting parameters in MQL-employed finish hard-milling process using D-optimal method, Journal of materials processing technology 199
(2008), pp 379–390;
[2] Iqbal A., Ning H., Dar N.U., Liang L., Comparison of fuzzy expert system based strategies of offline and online estimation of flank wear in hard milling process, Expert Systems with Applications 33 (2007) 61–66;
[3] Chandrasekaran H., Saoubi R M., Improved machinability in hard milling and strategies for steel development, CIRP Annals - Manufacturing Technology,
Volume 55/1, 2006, pp 93-96;
[4] Coldwell H., Woods R., Paul M., Koshy P., Dewes R.; Rapid machining of hardened AISI H13 and D2 moulds, dies and press tools; Materials Processing,
135 (2003), pp 301–311;
[5] Vivancos J., Optimal machining parameters selection in high speed milling of hardened steels for injection moulds, Journal of Materials Processing
Technology 155–156 (2004) pp 1505–1512;
[6] Reddy N.S.K., Rao P.V., A Genetic Algorithmic approach for optimization of surface roughness prediction model in dry milling, Machining Science and
Technology 9 (1) (2005), pp 63-84
[7] Sahin Y., Motorcu A.R., Surface roughness model for machining mild steel with coated carbide tool, Material & Design 26 (4) (2005), pp 321-326.
[8] Mansour A., Abdalla H., Surface roughness model for end milling: a semi-free cutting carbon casehardening steel (EN32) in dry condition, Journal of
Materials Processing Technology, 124 (2002), 183-191
