Trong bài báo này đã tiến hành đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số vật liệu và chế độ cắt đến độ nhám bề mặt chi tiết máy khi mài tròn ngoài thép hợp kim; qua đó, xây dựng được mô
Trang 1NGHIÊN C ỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ VẬT LIỆU VÀ CHẾ ĐỘ
ANALYZE THE EFFECTS OF MATERIAL PARAMETERS AND CUTTING MODE
TO SURFACE ROUGHNESS IN ALLOYED STEEL EXTERNAL CYLINDRICAL
GRINDING IS EVALUATED
TS Nguy ễn Tuấn Linh1,a, GS.TS Tr ần Văn Địch2,b, PGS.TS Vũ Quý Đạc1,c
1Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
a tuanlinhck@gmail.com; b tranvandich-fme@mail.hut.edu.vn; c dacvq@haui.edu.vn
TÓM T ẮT
Độ nhám bề mặt là một thông số quan trọng trong các thông số chất lượng bề mặt của chi tiết máy Mài là một phương pháp gia công tinh có thể đạt được độ nhám bề mặt thấp Độ nhám bề mặt chi tiết máy khi mài phụ thuộc vào rất nhiều thông số như: vật liệu gia công, đá mài, chế độ cắt, rung động của hệ thống công nghệ, chế độ tưới nguội Với nhiều các thông
số ảnh hưởng như vậy, ta không thể điều khiển tất cả các thông số mà chỉ có thể điều khiển các thông số ảnh hưởng chính đến hàm mục tiêu Trong bài báo này đã tiến hành đánh giá
mức độ ảnh hưởng của các thông số vật liệu và chế độ cắt đến độ nhám bề mặt chi tiết máy khi mài tròn ngoài thép hợp kim; qua đó, xây dựng được mô hình toán học của độ nhám bề
mặt, làm cơ sở cho việc giải quyết bài toán tối ưu hóa quá trình mài
Từ khóa: độ nhám bề mặt, vật liệu gia công, chế độ cắt, mài tròn ngoài, thép hợp kim
ABSTRACT
Surface roughness is one essential parameter of surface quality parameters of machine parts Grinding is a fine finish machining method that can obtain low surface roughness Surface roughness in grinding depends on a number of parameters such as: material, grinding stone, cutting mode, system vibration, cooling mode,… It is impossible for us to control all of these parameters, but we can only control parameters mainly affecting the objective function
In this paper, the influential extend of material and cutting mode parameters on surface roughness in alloyed steel external cylindrical grinding is evaluated Thereby, mathematical mode of surface roughness is established, forming the foundation of solving the grinding optimization problem
Keyword: surface roughness, material, cutting mode, external cylindrical grinding,
alloyed steel
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Độ nhám bề mặt là tập hợp tất cả những lồi, lõm với bước cực nhỏ và được quan sát trên một khoảng ngắn tiêu chuẩn Độ nhám bề mặt là một trong các yếu tố đặc trưng cho chất lượng bề mặt của chi tiết máy
Chiều dài mẫu đo độ nhám trong bề mặt mài là 0.8mm Độ nhám được đo bằng độ nhấp nhô trung bình Ra và độ nhấp nhô lớn nhất từ đáy tới đỉnh Rt Độ nhám bề mặt chi tiết mài thay đổi từ khoảng 0.15µm đến 2.3µm [5]
Mài là một phương pháp gia công tinh, do đó độ nhám bề mặt là một chỉ tiêu quan trọng quyết định đến chất lượng của sản phẩm, chính vì vậy việc tìm ra được bộ thông số chế độ cắt
Trang 2để kiểm soát được độ nhám bề mặt khi mài với một số loại thép hợp kim có một ý nghĩa lớn Trong công trình nghiên cứu này sẽ phân tích và đánh giá mức độ ảnh hưởng của một số thông số chế độ cắt và vật liệu gia công đến độ nhám bề mặt, qua đó tìm ra được các thông số ảnh hưởng chính và xây dựng mô hình toán học của độ nhám bề mặt bằng các phương pháp thực nghiệm
Hình 1.1 Mô hình hóa độ nhám bề mặt chi tiết máy khi mài tròn ngoài
2 TRANG THI ẾT BỊ THỰC NGHIỆM
- Máy mài tròn: MEG – 1120 MAGNUM CUT Tốc độ quay trục đá: 2000v/p, tốc độ quay chi tiết: 0 - 650v/p, tốc độ dịch chuyển của bàn máy: vô cấp từ 0,1- 5m/p, công suất động cơ: 4kW
- Đá mài: đá mài Hải Dương, kích thước đá 400x50x203
- D ụng cụ sửa đá: Đầu sửa đá kim cương loại ba hạt có kích thước: 8,5x40
- Chi ti ết gia công: Đường kính 30mm, vật liệu gia công thép 40X, 65Γ, 9XC và thép
gió P18 nhiệt luyện đạt các độ cứng 40, 50 và 60HRC
- Phương pháp mài: mài có tâm chạy dao dọc
- Máy đo độ nhám: Mitutoyo Surflest SJ-400
3 ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ VẬT LIỆU VÀ CHẾ
ĐỘ CẮT ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHI MÀI TRÒN NGOÀI THÉP HỢP KIM
Với rất nhiều thông số ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt, ta không thể điều khiển quá trình mài qua tất cả các thông số mà chỉ điều khiển được qua các thông số có ảnh hưởng chính Để biết được những thông số nào ảnh hưởng chính đến hàm mục tiêu, cần tiến hành đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số
Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số, có thể dùng phân tích phương sai (ANOVA) hoặc phân tích Taguchi [4] Khác với phân tích ANOVA, phân tích Taguchi sử
dụng hệ số tín hiệu SN để đánh giá kết quả, giúp lựa chọn thông số tối ưu với độ phân tán
nhỏ Phân tích này xét đến nhiều yếu tố kể cả các yếu tố nhiễu
Trang 3Giả thiết độ nhám bề mặt (Ra) khi mài tròn ngoài phụ thuộc vào các thông số: chế độ cắt (lượng chạy dao dọc Sd, tốc độ quay của chi tiết nw, chiều sâu cắt t), chi tiết gia công (đường kính dw, độ cứng vật liệu gia công HRC) Các thông số khác không xét đến được coi
là các thông số nhiễu Có thể xây dựng được hàm quan hệ như sau:
Do các hàm này phụ thuộc vào nhiều biến nên để dễ điều khiển quá trình cắt ta tiến hành đánh giá mức độ ảnh hưởng của các biến đến hàm mục tiêu Có nghĩa là chỉ điều khiển những biến có ảnh hưởng chính đến hàm mục tiêu
a) Đánh giá mức độ ảnh hưởng của độ cứng vật liệu và đường kính chi tiết gia công đến độ nhám bề mặt
Các thông số của vật liệu gia công được đưa ra nghiên cứu là độ cứng HRC và đường kính của chi tiết gia công dw
Thí nghiệm được tiến hành với thép hợp kim 9XC và kiểm nghiệm lại với các loại thép hợp kim: 40X, 65Γ và P18 nhiệt luyện đạt độ cứng 40, 50, 60HRC Đường kính của chi tiết thí nghiệm với 3 mức là 20, 30, 40mm Cố định chế độ cắt ở mức Sd = 0.5m/p; nw = 150v/p; t
= 0.01mm [1] Chọn bảng trực giao Taguchi L9:
Bảng 3.1: Bảng trực giao Taguchi L9 với các thông số thí nghiệm
Thí nghiệm Độ cứng HRC Đường kính d w
(mm)
Lần đo
R a1 (µm)
Lần đo
R a2 (µm)
Lần đo
R a3 (µm)
1
=
= − ∑N i
u i
y SN
N , ta có:
B ảng 3.2: Hệ số SN i tính toán cho độ nhám R a
Hệ số SN i
Trang 4Hệ số SN được tính toán cho mỗi chỉ số và cấp độ như sau:
1,1
3
P
=
1,2
3
P
=
1,3
3
P
2,1
3
P
2,2
3
P
2,3
3
P
B ảng 3.3: Hệ số SN tính toán cho mỗi chỉ số và cấp độ của độ cứng và đường kính
Hệ số SN của độ cứng Hệ số SN của đường kính d w
Như vậy, có thể thấy rằng độ cứng có ảnh hưởng nhiều hơn đường kính chi tiết gia công Do đó, thông số độ cứng vật liệu gia công sẽ là thông số điều khiển Với mức độ ảnh hưởng khá ít, thông số đường kính chi tiết gia công sẽ được coi là thông số không điều khiển
b) Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến độ nhám bề mặt
Các thông số chế độ cắt được đưa ra nghiên cứu là lượng chạy dao dọc Sd, tốc độ quay của chi tiết nwvà chiều sâu cắt t
Thí nghiệm được tiến hành với thép 9XC nhiệt luyện đạt độ cứng 50HRC, kiểm nghiệm lại với các loại thép hợp kim khác là 40X, 65Γ, P18
Thay đổi lượng chạy dao dọc theo 3 mức: 0.3; 0.4; 0.5m/p Thay đổi tốc độ quay của chi tiết theo 3 mức: 100; 150; 200v/p Thay đổi chiều sâu cắt theo 3 mức: 0.005; 0.01; 0.02mm
Bảng 3.4: Bảng trực giao Taguchi L9 với các thông số thí nghiệm
Thí nghiệm S d
(m/p) n w (v/p)
T (mm)
Lần đo
R a1 (N)
Lần đo
R a2 (N)
Lần đo
R a3 (N)
1 0.3 100 0.005 0.27 0.29 0.26
2 0.3 150 0.01 0.33 0.40 0.38
3 0.3 200 0.02 0.56 0.61 0.59
4 0.4 100 0.01 0.38 0.39 0.40
5 0.4 150 0.02 0.49 0.46 0.51
6 0.4 200 0.005 0.44 0.45 0.42
7 0.5 100 0.02 0.53 0.55 0.58
8 0.5 150 0.005 0.36 0.33 0.32
9 0.5 200 0.01 0.55 0.51 0.56
Tương tự như trên, ta có:
Trang 5B ảng 3.5: Hệ số SN tính toán cho mỗi chỉ số và cấp độ của chế độ cắt
Hệ số SN của S d Hệ số SN của n w Hệ số SN của t
Với dải R như bảng 3.5 có thể thấy rằng mức độ ảnh hưởng của lượng chạy dao dọc Sd,
tốc độ quay của chi tiết nw và chiều sâu cắt t đến độ nhám bề mặt Ra là gần tương đương nhau Do đó các biến Sd, nw, t sẽ là các biến điều khiển chính
Như vậy cần xây dựng mô hình toán học như sau:
R a = f(S d , n w , t, HRC) (3.2)
Mô hình toán học cần được xây dựng có dạng như sau:
Ra = f(Sd, nw, t, HRC)
a) Thí nghiệm với thép 9XC
Bảng 4.1: Điều kiện thí nghiệm
Yếu tố
Các mức
Khoảng biến thiên
Mức trên +1
Mức cơ sở
0
Mức dưới -1 Lượng chạy dao dọc S d , m/p 0.5 0.4 0.3 0.1 Tốc độ quay của chi tiết n w , v/p 200 150 100 50 Chiều sâu cắt t, mm 0.025 0.015 0.005 0.01
Độ cứng vật liệu gia công, HRC 60 50 40 10
Chọn phương án mô hình hóa bậc 1 rút gọn, 4 nhân tố, mỗi nhân tố thay đổi theo 2 mức Như vậy số thí nghiệm cần thực hiện là N = 24= 16 thí nghiệm [2, 3]
Mô hình toán học bậc 1 rút gọn có dạng:
y = b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b4x4 (4.1) Trong đó: x1 - là logarit cơ số e của lượng chạy dao dọc, Sd
x2 - là logarit cơ số e của tốc độ quay chi tiết, nw
x3 - là logarit cơ số e của chiều sâu cắt, t
x4 - là logarit cơ số e của độ cứng vật liệu gia công, HRC
y - là logarit cơ số e của hàm độ nhám Ra
Hoặc có thể viết dưới dạng ma trận như sau:
Đặt [M] = [XT].[X], suy ra nghiệm của hệ là: [B]=[M-1] [XT].[Y] (4.4)
Trang 6Trong đó:
1 1.203 4.605 5.298 3.688
1 0.693 4.605 5.298 3.688
1 1.203 5.298 5.298 3.688
1 0.693 5.298 5.298 3.688
1 1.203 4.605 3.912 3.688
1 0.693 4.605 3.912 3.688
1 1.203 5.298 3.912 3.688
1 0.693 5.298 3.912 3.688 X
1 1.203 4.605 5
=
− − 298 4.094
1 0.693 4.605 5.298 4.094
1 1.203 5.298 5.298 4.094
1 0.693 5.298 5.298 4.094
1 1.203 4.605 3.912 4.094
1 0.693 4.605 3.912 4.094
1 1.203 5.298 3.912 4.094
1 0.693 5.298 3.912 4.094
− −
− −
− −
− −
− −
;
1.273 1.171 1.050 0.968 0.635 0.528 0.462 0.400 1.386 1.238 1.139 1.050 0.673 0.598 0.545 0.462
−
−
−
−
−
−
−
−
= −
−
−
−
−
−
−
−
Y
X là ma trận logarit cơ số e của Sd, nw, t và HRC
Y là ma trận ln(Ra) theo bảng thực nghiệm 4.2, Ra là giá trị trung bình của độ nhám sau
3 lần đo
Bảng 4.2: Bảng quy hoạch các thông số thực nghiệm với thép 9XC
STT
Thông số đầu vào
R a
(µm) Ln(S d ) Ln(n w ) Ln(t) Ln(HRC) Ln(R a )
X 0 X 1 X 2 X 3 X 4
S d
(m/p)
n w
(v/p)
t (mm) HRC
1 +1 -1 -1 -1 -1 0.3 100 0.005 40 0.28 -1.203 4.605 -5.298 3.688 -1.273
2 +1 +1 -1 -1 -1 0.5 100 0.005 40 0.31 -0.693 4.605 -5.298 3.688 -1.171
3 +1 -1 +1 -1 -1 0.3 200 0.005 40 0.35 -1.203 5.298 -5.298 3.688 -1.050
4 +1 +1 +1 -1 -1 0.5 200 0.005 40 0.38 -0.693 5.298 -5.298 3.688 -0.968
5 +1 -1 -1 +1 -1 0.3 100 0.025 40 0.53 -1.203 4.605 -3.912 3.688 -0.635
6 +1 +1 -1 +1 -1 0.5 100 0.025 40 0.59 -0.693 4.605 -3.912 3.688 -0.528
7 +1 -1 +1 +1 -1 0.3 200 0.025 40 0.63 -1.203 5.298 -3.912 3.688 -0.462
8 +1 +1 +1 +1 -1 0.5 200 0.025 40 0.67 -0.693 5.298 -3.912 3.688 -0.400
9 +1 -1 -1 -1 +1 0.3 100 0.005 60 0.25 -1.203 4.605 -5.298 4.094 -1.386
10 +1 +1 -1 -1 +1 0.5 100 0.005 60 0.29 -0.693 4.605 -5.298 4.094 -1.238
11 +1 -1 +1 -1 +1 0.3 200 0.005 60 0.32 -1.203 5.298 -5.298 4.094 -1.139
12 +1 +1 +1 -1 +1 0.5 200 0.005 60 0.35 -0.693 5.298 -5.298 4.094 -1.050
13 +1 -1 -1 +1 +1 0.3 100 0.025 60 0.51 -1.203 4.605 -3.912 4.094 -0.673
14 +1 +1 -1 +1 +1 0.5 100 0.025 60 0.55 -0.693 4.605 -3.912 4.094 -0.598
15 +1 -1 +1 +1 +1 0.3 200 0.025 60 0.58 -1.203 5.298 -3.912 4.094 -0.545
16 +1 +1 +1 +1 +1 0.5 200 0.025 60 0.63 -0.693 5.298 -3.912 4.094 -0.462
Sử dụng phần mềm MATLAB lập trình và tính toán các kết quả như sau:
y = 0.8041 + 0.1833x1 + 0.2572x2 + 0.4484x3 - 0.1860x4 (4.5) Hoặc có thể viết dưới dạng hàm số mũ như sau:
Ra = 2.2347Sd0.1833nw0.2572t0.4484 HRC-0.1860 (4.6)
Trang 7Đánh giá tính phù hợp của phương trình hồi quy
Đánh giá tính phù hợp của phương trình hồi quy là đánh giá mô hình thu được mô tả thí nghiệm đúng hay chưa
Sử dụng chuẩn Fisher để so sánh:
Ftính < Fbảng (P, k1, k2) (4.7) Trong đó: k1 = N - n - 1; k2 = N(m - 1)
N: số thí nghiệm (N = 16) n: số nhân tố ảnh hưởng lên kết quả thí nghiệm (n = 4) m: số lần lặp lại của thí nghiệm (m = 3)
Do đó: k1 = 11; k2 = 32
Ftính =
2 tt 2 th
S
i 1
m
ˆ
i 1 i 1 j 1
−
Trong đó: ˆyi: kết quả thực nghiệm thứ i tính theo phương trình hồi quy
i
y : giá trị trung bình của m lần thí nghiệm trong thí nghiệm thứ i
yij:giá trị của thí nghiệm thứ i trong lần lặp lại thứ j
i ˆi
y −y : sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm ở thí nghiệm thứ i
Với các kết quả theo bảng thực nghiệm (4.2) và phương trình hồi quy (4.7) ta có:
2 tt
S = 0.0042; S2th = 0.0104 Tra bảng theo chuẩn Fisher [4]: Ftính = 0.4014 < Fbảng (11, 32, 0.95) ≈ 2.1
Như vậy, hàm hồi quy phù hợp với thực tế
b) Thí nghi ệm với một số thép hợp kim khác
Thí nghiệm tương tự với các loại thép hợp kim 40X, 65Γ, P18 cho kết quả như sau:
Với thép 40X: R a = 2.5098 S d0.2017n w0.2347t 0.4355 HRC -0.1844 (4.11) Với thép 65Γ: R a = 1.8515 S d0.1453n w0.2545t 0.4337 HRC -0.1518 (4.12) Với thép P18: R a = 2.2463S d0.1559n w0.2204t 0.4277 HRC -0.1605 (4.13)
5 K ẾT LUẬN
Đã sử dụng phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi để đánh giá mức độ ảnh hưởng
của các thông số chế độ cắt và vật liệu gia công đến độ nhám bề mặt khi mài tròn ngoài thép
hợp kim
Đã xây dựng được các mô hình toán học của độ nhám bề mặt phụ thuộc vào các thông
số ảnh hưởng chính khi mài một số loại thép hợp kim Các kết quả cho thấy độ nhám bề mặt
tỷ lệ thuận với các thông số chế độ cắt và tỷ lệ nghịch với độ cứng của vật liệu gia công, quy
luật phụ thuộc đối với các loại thép hợp kim tương tự như nhau Các mô hình toán học xây
Trang 8dựng được sẽ cho phép điều khiển độ nhám bề mặt theo các thông số Sd, nw, t với các loại thép hợp kim trên và ở mỗi độ cứng khác nhau Khi độ cứng càng cao thì khả sâm nhập của
đá mài càng giảm dẫn tới lực cắt tăng, đây chính là nguyên nhân gây ra hiện tượng cắt không
hết chiều sâu cắt Như vậy độ cứng vật liệu cao phù hợp trong trường hợp mài tinh với chiều sâu cắt nhỏ Khi mài thô thì cần có độ cứng nhỏ để tăng chiều sâu cắt nhằm thỏa mãn về năng
suất gia công Đây chính là mục tiêu cần đạt được cho mỗi công đoạn của quá trình gia công Các kết quả này sẽ là cơ sở để xây dựng bài toán tối ưu hóa quá trình mài tròn ngoài các
loại thép hợp kim nhằm đạt độ nhám bề mặt và nâng cao năng suất gia công, cho phép lựa
chọn một chế độ cắt tối ưu khi gia công các loại thép hợp kim trên máy mài tròn ngoài
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Đắc Lộc, Lê Văn Tiến, Ninh Đức Tốn, Trần Xuân Việt (2010) Sổ tay công nghệ chế tạo máy NXB Khoa học & kỹ thuật
[2] Nguyễn Doãn Ý (2009) Xử lý số liệu thực nghiệm trong kỹ thuật NXB Khoa học & kỹ
thuật
[3] Trần Văn Địch (2003) Nghiên cứu độ chính xác gia công bằng thực nghiệm NXB Khoa
học & kỹ thuật
[4] Roy, Ranjit K, John Wiley & Sons Design of Experiments Using the Taguchi Approach,
16 Steps to Product and Process Improvement, Inc (US)
[5] W.Brian Rowe (2009) Principles of Modern Grinding Technology William Andrew
Publishing
