Nghiên cứu khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh nghiêng trên bề mặt đá mài chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam khi mài phẳng vật liệu SKD11 nhiệt luyện (LA tiến sĩ)

Nghiên cứu khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh nghiêng trên bề mặt đá mài chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam khi mài phẳng vật liệu SKD11 nhiệt luyện (LA tiến sĩ)Nghiên cứu khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh nghiêng trên bề mặt đá mài chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam khi mài phẳng vật liệu SKD11 nhiệt luyện (LA tiến sĩ)Nghiên cứu khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh nghiêng trên bề mặt đá mài chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam khi mài phẳng vật liệu SKD11 nhiệt luyện (LA tiến sĩ)Nghiên cứu khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh nghiêng trên bề mặt đá mài chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam khi mài phẳng vật liệu SKD11 nhiệt luyện (LA tiến sĩ)Nghiên cứu khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh nghiêng trên bề mặt đá mài chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam khi mài phẳng vật liệu SKD11 nhiệt luyện (LA tiến sĩ)Nghiên cứu khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh nghiêng trên bề mặt đá mài chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam khi mài phẳng vật liệu SKD11 nhiệt luyện (LA tiến sĩ)Nghiên cứu khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh nghiêng trên bề mặt đá mài chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam khi mài phẳng vật liệu SKD11 nhiệt luyện (LA tiến sĩ)Nghiên cứu khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh nghiêng trên bề mặt đá mài chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam khi mài phẳng vật liệu SKD11 nhiệt luyện (LA tiến sĩ)Nghiên cứu khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh nghiêng trên bề mặt đá mài chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam khi mài phẳng vật liệu SKD11 nhiệt luyện (LA tiến sĩ)

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.3 Đá mài gián đoạn với các thanh mài (a) hình lăng trụ (b) hình lục giác 9 Hình 1.4 Một số hình dạng cơ bản của đá mài (a) bàn cờ, so le, chéo, và hình V và (b)

so le, chéo, đối xứng và song song;(c) có khoảng cách cắt chân (d) hình côn 9 Hình 1.5 Sự tạo thành áp lực chất làm mát trước vùng tiếp xúc trong quá trình mài cho

Hình 1.6 Hình ảnh đá mài xẻ rãnh trên thế giới nghiên cứu 10

Hình 1.8 Hình ảnh đá mài xẻ rãnh thực do Việt Nam nghiên cứu 12

Hình 1.10 Sơ đồ đối tượng nghiên cứu với nhiễu e có tính cộng 14

Hình 3.7 Hình dạng của đá mài gián đoạn với tỷ lệ gián đoạn khác nhau [58] 40 Hình 3.8 Quan hệ giữa lượng tiến dao dọc với lực pháp tuyến (a) và lực tiếp tuyến (b)

khi gia công bằng đá mài truyền thống và đá mài gián đoạn Đá mài gián đoạn thực

hiện khả năng giảm lực cắt trong quá trình gia công

44

Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý đo nhám theo phương pháp tiếp xúc bằng đầu dò 45

Hình 3.11 Các hệ tọa độ ba chiều được sử dụng trong máy đo tọa độ 47

Hình 3.20 Sơ đồ đo điện áp nhiệt điện (a) và mạch thay thế (b) 52

Hình 4.1 Sơ đồ thiết kế thực nghiệm theo phương pháp Taguchi 57

Hình 4.10a Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi lượng chạy dao đến sai lệch độ

Hình 4.11 Đồ thị 3D ảnh hưởng của các thông số đến sai lệch độ phẳng 68

Hình 4.13a Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi lượng chạy dao đến độ nhám

Hình 4.13b Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi chiều sâu cắt đến độ nhám bề

Hình 4.13c Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi số rãnh đá mài đến độ nhám

Hình 4.14 Đồ thị 3D ảnh hưởng của các thông số đến độ nhám 71

Hình 4.20a Ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi chiều lượng chạy dao đến lực cắt khi mài vật liệu SKD11 nhiệt luyện bằng đá mài xẻ rãnh chế tạo thử nghiệm 74 Hình 4.20b Ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi chiều sâu cắt đến lực cắt

khi mài vật liệu SKD11nhiệt luyện bằng đá mài xẻ rãnh chế tạo thử nghiệm 74 Hình 4.20c Ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi số rãnh đá mài đến lực cắt

khi mài vật liệu SKD11 nhiệt luyện bằng đá mài xẻ rãnh chế tạo thử nghiệm 74 Hình 4.21 Đồ thị 3D ảnh hưởng của các thông số đến lực cắt 75

Hình 4.23Cảm biến cặp nhiệt K nối ra ngoài vỏ bảo vệ thời gian đáp ứng tín hiệu đo 1s

Hình 4.25 Đồ thị 3D ảnh hưởng của các thông số hệ thống công nghệ đến nhiệt cắt 79

Hình 4.28a Ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi lượng chạy dao đến rung động 81 Hình 4.28b Ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi chiều sâu cắt đến rung động 81 Hình 4.28c Ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi số rãnh đá mài đến rung động 82 Hình 4.29 Đồ thị 3D ảnh hưởng của các thông số hệ thống công nghệ đến rung động 82

Hình 4.30 Mẫu SKD11 sau khi mài 83

Hình 4.32 Đồ thị 3D ảnh hưởng của các thông số hệ thống công nghệ đến năng suất 86

Hình 4.39 Đồ thị biểu diễn kết quả phân tích Taguchi xám 95

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang Bảng 1.1 Ký hiệu tương đương của thép SKD11 các nước 8

Bảng 3.1 Các thông số thí nghiệm thực hiện về: vật liệu gia công, vận

tốc cắt, lượng tiến đá, chiều sâu cắt

40

Bảng 4.6 Ma trận thực nghiệm theo phương pháp Taguchi 65 Bảng 4.7 Dữ liệu đo và kết quả tính toán sai lệch độ phẳng 66 Bảng 4.8 Phân tích phương sai ANOVA sai lệch độ phẳng 66 Bảng 4.9 Dữ liệu đo và kết quả tính toán tỷ lệ S/N chỉ tiêu độ nhám 69 Bảng 4.10 Phân tích phương sai ANOVA số liệu độ nhám 69 Bảng 4.11 Dữ liệu đo và kết quả tính toán tỷ lệ S/N chỉ tiêu lực cắt 73 Bảng 4.12 Phân tích phương sai ANOVA cho lực cắt P (N) 73 Bảng 4.13 Dữ liệu đo và kết quả tính toán tỷ lệ S/N chỉ tiêu nhiệt cắt 76

Bảng 4.15 Dữ liệu đo và kết quả tính toán tỷ lệ S/N chỉ tiêu rung động 80

Bảng 4.17 Dữ liệu đo và kết quả tính toán tỷ lệ S/N chỉ tiêu năng suất 83

Bảng 4.19 Tổng hợp bộ thông số tối ưu cục bộ theo chỉ tiêu riêng biệt 86

Bảng 4.21 Kết quả sai lệch kích thước về chiều cao 89

Bảng 4.25 Số liệu thực nghiệm ban đầu cho Tối ưu hóa đa mục tiêu 92

MỞ ĐẦU

Lý do lựa chọn đề tài

Mục tiêu của công nghệ chế tạo sản phẩm cơ khí hiện đại là nâng cao độ chính xác và năng suất gia công, giảm lượng dư gia công, từ đó giảm được giá thành của sản phẩm Với xu hướng này, song song với việc đầu tư nghiên cứu để tối ưu quá trình gia công cắt gọt, nghiên cứu tối ưu thông số hình học dụng cụ cắt là một hướng đi khả thi và có hiệu quả cao Với ý nghĩa này, đá mài xẻ rãnh - một cải tiến của đá mài truyền thống đã được các nhà khoa học nghiên cứu nhằm khắc phục các nhược điểm của đá mài truyền thống như: năng lượng tiêu hao lớn, khả năng thoát phoi kém, lực cắt và nhiệt cắt quá trình gia công lớn gây ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công và năng suất gia công

Đã có rất nhiều các nghiên cứu về mài theo hai hướng hàn lâm và thử nghiệm Đáng chú

ý, thị trường về mài đã tiêu tốn hàng tỷ đồng vào năm 2015 và có tối đa 15.000 các bài báo và tạp chí về vấn đề này [27] Tác giả Eiji nghiên cứu về lý thuyết quá trình gia công vật liệu và gia công bằng hạt mài [20] đã phân tích cho thấy: lực sinh ra khi mài là một thông số quan trọng để đánh giá khả năng cắt gia công của đá Tác giả Xiaorui Fan and Michele H Miller[21] [22]đã nghiên cứu và phân tích về khả năng giảm lực cắt và mòn của đá mài có bề mặt làm việc gián đoạn Tác giả V.G.Guses[36]đã chỉ ra được ảnh hưởng của số gián đoạn trên bề mặt làm việc của đá cũng như các sai số về kích thước dưới tác dụng của sự mất cân bằng đá Tác giả D X Jin and Z Meng[18] nghiên cứu đã cho thấy lực mài của đá mài xẻ rãnh giảm 30% so với đá mài thường trong khi chất lượng bề mặt được gia công không cải thiện nhiều Nghiên cứu này đã giải thích nguyên nhân giảm lực cắt là do chiều dài tiếp xúc giữa đá mài và chi tiết gia công hơn nữa phoi dễ thoát ra ở khu vực cắt tại vị trí xẻ rãnh Tác giả T Nguyen, L C Zhang[30] đã nghiên cứu các hiện tượng hạt mài sắp xếp bề mặt của đá mài mang tính ngẫu nhiên, thậm chí cả mài mòn Tính ngẫu nhiên này do quy trình sản xuất như trộn hạt mài với chất kết dính, ép và thiêu kết Điều này, có thể dẫn đến khó khăn khi giải phóng lượng nhiệt sinh ra trong suốt quá trình mài, vì 60% dung dịch trơn nguội không thể tiếp cận được khu vực cắt [5÷9] Chính các khó khăn này là nguyên nhân dẫn đến hư hỏng bề mặt (hạt mài mất khả năng tự mài sắc và phoi bị kẹt cứng ở lỗ xốp) [8] [9]

Để giảm tính ngẫu nhiên và cải thiện dung dịch trơn nguội vào vùng mài một cách có hiệu quả, đá mài xẻ rãnh đã được nghiên cứu Bằng cách xẻ rãnh, khu vực tiếp xúc giữa đá và chi tiết được làm nguội ổn định có nghĩa là có thể can thiệp để giảm sự ngẫu nhiên của các hạt mài trong quá trình mài

Khả năng cắt của đá mài có thể xác định qua một số chỉ tiêu như: chất lượng chi tiết gia công, lực cắt, nhiệt sinh ra khi mài, rung động, năng suất cắt… Trong các chỉ tiêu trên lực cắt

là chỉ tiêu cơ bản đặc trưng cho bản chất vật lý của quá trình mài, lực cắt ảnh hưởng lớn đến

sự mài mòn của đá, đến biến dạng đàn hồi và tiếp xúc của hệ thống công nghệ, đến rung động Còn nhiệt cắt là chỉ tiêu ảnh hưởng đến sai lệch kích thước do biến dạng nhiệt chi tiết gia công Có thể nói lực cắt và nhiệt cắt trong quá trình mài là chỉ tiêu cơ bản ảnh hưởng đến sai lệch hình dạng kích thước

Nâng cao khả năng cắt của đá mài là một trong những vấn đề rất quan trọng của chuyên ngành công nghệ chế tạo máy nhằm tạo ra các sản phẩm, thiết bị, máy móc đạt độ chính xác

và tuổi thọ cao, đảm bảo hiệu quả kinh tế kỹ thuật

Với những lý do như vậy đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh nghiêng trên bề mặt đá mài chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam khi mài phẳng vật liệu SKD11 nhiệt luyện” làm đề tài Luận án tiến sĩ

Mục đích nghiên cứu

- Đánh giá khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh nghiêng chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam khi mài phẳng vật liệu SKD11 nhiệt luyện theo phương pháp Taguchi để xác định ảnh hưởng của Vận tốc chạy dao dọc (Sd), chiều sâu cắt (t) và số lượng rãnh (Z) xẻ nghiêng trên mặt đá (chế tạo tại Việt Nam) khi mài phẳng chi tiết từ thép SKD11 đã nhiệt luyện tới độ nhám, độ phẳng

bề mặt chi tiết gia công, sai lệch kích thước, độ song song, năng suất gia công và một số yếu

tố khác như nhiệt cắt, lực cắt, rung động

- Xác định bộ thông số chế độ cắt tối ưu cục bộ theo các chỉ tiêu riêng biệt, chỉ tiêu tổng hợp theo kết quả của bài toán tối ưu đa mục tiêu đáp ứng chất lượng chi tiết gia công và năng suất gia công khi mài bằng đá mài xẻ rãnh trong điều kiện sản xuất thử nghiệm ở Việt Nam

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

- Bốn loại đá mài xẻ rãnh chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam và đá mài truyền thống

- Vật liệu mài: SKD11 nhiệt luyện có độ cứng 58HRC

Phạm vi nghiên cứu: Phù hợp với điều kiện nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn, tiến hành

thực nghiệm với bốn loại đá mài xẻ rãnh chế tạo thử nghiệm và đá mài truyền thống khi mài phẳng vật liệu SKD11 nhiệt luyện

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp tiếp cận: Kế thừa và phát triển từ kết quả nghiên cứu của các tác giả nghiên cứu trong nước và trên thế giới

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về bản chất vật lý trong quá trình mài, hệ thống, phương pháp đo các thông số và quy hoạch thực nghiệm

- Nghiên cứu thực nghiệm bao gồm các bước:

+ Thiết kế thực nghiệm;

từ thép SKD11 đã nhiệt luyện tới độ nhám, độ phẳng bề mặt chi tiết gia công, sai lệch kích thước, độ song song, năng suất gia công và một số yếu tố khác như nhiệt cắt, lực cắt, rung

động

- Luận án đưa ra hướng dẫn về việc lựa chọn bộ thông số tối ưu đối với các chỉ tiêu riêng biệt, bộ thông số đánh giá chỉ tiêu tổng hợp và tối ưu đa mục tiêu để nâng cao độ chính xác gia công khi phẳng bằng đá mài xẻ rãnh nghiêng chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam

Cấu trúc của luận án

Luận án gồm các phần: Mở đầu, 4 chương, kết luận chung và phần phụ lục

Chương 1: Tổng quan về mài phẳng và tình hình nghiên cứu nâng cao khả năng cắt của

đá mài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết của quá trình mài phẳng

Chương 3: Các chỉ tiêu và phương pháp đánh giá khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh Chương 4: Thực nghiệm, kết quả, phân tích và đánh giá khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh nghiêng thử nghiệm theo các chỉ tiêu xác định

Kết luận và Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Ý nghĩa khoa học

- Luận án đã nghiên cứu lý thuyết kết hợp nghiên cứu thực nghiệm, sử dụng phương pháp Taguchi để xác định quan hệ giữa bộ thông số: Bước tiến dao dọc (Sd), chiều sâu cắt (t) và số lượng rãnh (Z) với các thông số đầu ra độ nhám, độ phẳng bề mặt chi tiết gia công, sai lệch kích thước, độ song song, năng suất gia công và một số yếu tố khác như nhiệt cắt, lực cắt, rung động khi mài phẳng chi tiết SKD11 nhiệt luyện bằng đá mài xẻ rãnh nghiêng trên mặt

đá

Ý nghĩa thực tiễn

- Kết quả nghiên cứu có thể dùng làm tài liệu tra cứu cho cán bộ công nghệ và cơ sở sản xuất có sử dụng đá mài xẻ rãnh nghiêng chế tạo tại Việt Nam khi mài phẳng vật liệu SKD11

nhiệt luyện nhằm mục đích nâng cao chất lượng chi tiết gia công và năng suất gia công với mức chi phí nhỏ nhất

- Đưa ra phương pháp xác định bộ thông số tối ưu cục bộ theo, chỉ tiêu tổng hợp theo kết quả của bài toán tối ưu đa mục tiêu bằng việc sử dụng thiết kế thực nghiệm Taguchi, phân tích quan hệ Grey và phân tích phương sai (ANOVA) nhăm nâng cao chất lượng chi tiết gia công

và năng suất gia công khi mài bằng đá mài xẻ rãnh trong điều kiện sản xuất thử nghiệm ở Việt nam

- Đã đề xuất, xây dựng thành công nguyên lý, lựa chọn đồ gá, thuật toán, phần mềm và hệ thống đo chiều cao, sai lệch về độ phẳng, sai lệch về độ song song, độ nhám bề mặt, lực cắt, nhiệt sinh ra trong quá trình mài và năng suất mài với yêu cầu cao về độ chính xác gia công của quá trình công nghệ với độ không đảm bảo đo và độ tin cậy cao của thiết bị và hệ thống

đo lường chính xác

Chương 1 Tổng quan về mài phẳng và tình hình nghiên cứu nâng cao

khả năng cắt của đá mài

1.1 Tổng quan về mài phẳng

1.1.1 Giới thiệu về phương pháp mài

Mài là một phương pháp gia công kim loại được biết đến từ lâu Tuy nhiên phải đến thế

kỷ XIX, khi xuất hiện máy mài và các vật liệu tổng hợp thì việc gia công bằng máy mài mới

có những phát triển nhảy vọt

Ngày nay, cùng với sự phát triển của ngành chế tạo máy, những loại vật liệu có tính năng

cơ học cao, khó gia công ngày càng được sử dụng khá rộng rãi Những đòi hỏi về độ chính xác và chất lượng gia công ngày một nâng cao thì phạm vi sử dụng của mài ngày càng được

mở rộng nhanh chóng hơn bất kỳ một dạng gia công nào khác

Tỷ lệ máy mài trong tổng số máy cắt kim loại nói chung chiếm khoảng 30%, nhưng trong một số ngành đặc biệt như chế tạo vòng bi thì máy mài chiếm đến 60%

Hiện nay, mài không những chỉ được dùng trong các nguyên công gia công tinh, mà còn dùng ngày càng nhiều ở các nguyên công gia công thô khi cần có năng suất và hiệu quả kinh

tế cao Người ta đã dùng các phương pháp mài thô để gia công những chi tiết có trong lượng

125 tấn, lượng dư 6mm trên những máy mài cỡ lớn có công suất 205kW Mỗi giờ có thể cắt được (60-80m/s) và tốc độ quay của chi tiết lớn (360 m/ph) Trong những năm gần đây ở một

số nhà máy đã nâng tốc độ mài lên đến 120m/s và người ta đang tìm mọi biện pháp phấn đấu

để đưa tốc độ mài lên cao hơn nữa (khoảng 300m/s)[1]

Trong quá trình mài, quá trình cắt diễn ra liên tục trên bề mặt đá nhưng không phải tất cả các hạt mài đều tham gia vào quá trình mài Các hạt mài có lưỡi cắt không xác định, được phân bố một cách ngẫu nhiên không theo quy luật và “hỗn độn” trên bề mặt làm việc của đá

Do sự tiếp xúc, cào xước liên tục của các hạt mài lên bề mặt chi tiết gia công nên nhiệt cắt sinh ra trong quá trình mài lớn, ảnh hưởng đến khả năng gia công của hạt mài và chất lượng

bề mặt của chi tiết gia công

Mài phẳng được thực hiện theo hai phương pháp:

- Mài phẳng bằng mặt đầu đá

- Mài phẳng bằng đá mài hình trụ

1.1.2 Mài phẳng bằng đá mài mặt đầu

Phương pháp này cho năng suất cao, vì số lượng hạt mài đồng thời tham gia cắt nhiều hơn Tuy nhiên diện tích tiếp xúc giữa đá và bề mặt chi tiết gia công lớn, nhiệt cắt lớn, lực cắt lớn hơn, khả năng thoát nhiệt, thoát phoi và tưới dung dịch trơn nguội khó khăn hơn vì vậy dễ

gây biến dạng nhiệt, tạo ra vết cháy, vết nứt tế vi trên bề mặt vật mài Nói chung độ chính xác

và độ nhẵn bề mặt đạt được thấp hơn khi mài bằng đá mài hình trụ

Hình 1.1 Sơ đồ mài phẳng sử dụng mặt đầu đá [1]

1.1.3 Mài phẳng bằng đá mài hình trụ

Mài phẳng bằng đá mài hình trụ thực hiện trên máy mài phẳng có bàn máy chuyển động tịnh tiến khứ hồi thực hiện tiến dao dọc Sd, đầu mang dao thực hiện chuyển động tịnh tiến dao ngang Sn để mài hết chiều rộng chi tiết và tiến dao dọc Sdọc sau một lượt mài để mài hết lượng

dư gia công (Hình 1.2) hoặc thực hiện trên máy có bàn máy quay tròn quanh tâm của nó còn đầu đá thực hiện chuyển động tiến dao ngang Sng và chuyển động tiến dao dọc Sd sau mỗi lượt mài

Hình 1.2 Sơ đồ mài phẳng bằng đá mài hình trụ [1]

So với phương pháp mài phẳng bằng mặt đầu đá, phương pháp này có diện tích tiếp xúc giữa đá và chi tiết nhỏ, lượng hạt mài đồng thời tham gia vào quá trình cắt nhỏ, lượng nhiệt toả ra trên bề mặt tiếp xúc giữa đá và phôi ít hơn Mặt khác khả năng thoát nhiệt, thoát phoi

và tưới dung dịch trơn nguội vào vùng gia công dễ dàng hơn, có thể gia công được các chi tiết mỏng, kém cứng vững, chi tiết yêu cầu gia công với độ chính xác cao do đó phương pháp này cho độ chính xác, độ nhẵn bề mặt cao hơn phương pháp trên

Tuy nhiên do diện tích tiếp xúc giữa đá và chi tiết nhỏ nên năng suất thấp Để khắc phục nhược điểm này người ta có thể sử dụng đá có bề rộng lớn hơn bề rộng chi tiết Trong trường hợp này đầu đá chỉ thực hiện tiến dao dọc Sd sau mỗi hành trình kép của bàn máy, tuy nhiên

máy phải đảm bảo độ cứng vững và phải sửa đá cẩn thận để tránh đầu đá bị côn hoặc đường sinh đá không thẳng dễ gây ra sai số in dập trên bề mặt chi tiết gia công [1]

1.1.4 Đặc điểm của quá trình mài [1]

-Tốc độ cắt khi mài lớn, tiết diện phoi cắt ra bé

- Đá mài là loại dụng cụ cắt có nhiều lưỡi, gồm các hạt mài liên kết với nhau bằng chất dính kết Khi cắt, một số lớn hạt mài có hình dạng, vị trí hoàn toàn khác nhau cùng đồng thời tham gia cắt Các góc cắt khi mài không hợp lý: góc trước thường là góc âm và góc cắt thường lớn hơn 900

- Do không thể thay đổi được vị trí và hình dạng hình học của hạt mài trong đá mài nên việc điều khiển quá trình mài rất khó khăn

- Trong quá trình mài, đá mài có khả năng tự mài sắc một phần

Bên cạnh các đặc điểm trên, khi gia công mài do tốc độ cắt cao, góc cắt lớn, góc trước

âm nên mài có nhược điểm như: lực cắt và nhiệt cắt khi mài lớn, khả năng thoát phoi kém nên làm biến dạng cấu trúc mạng tinh thể và biến đổi các tính chất cơ lý của lớp vật liệu bề mặt gây ra hiện tượng cháy, nứt tế vi và ứng suất dư bề mặt

Để khắc phục các nhược điểm nêu trên, một trong những hướng nghiên cứu đã được áp dụng trên thế giới và hiện đang được quan tâm nghiên cứu tại Việt Nam là: Nghiên cứu, thiết

kế và tối ưu hóa hình dáng hình học của đá mài truyền thống nhằm giảm lực và nhiệt cắt mà vẫn đảm bảo được năng suất và chất lượng chi tiết gia công trong khi mài mà cụ thể ở đây là

xẻ rãnh trên đá mài truyền thống Việc nghiên cứu, đánh giá khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh chế tạo tại Việt Nam đang là vấn đề rất cấp bách cần sự nghiên cứu của rất nhiều các nhà khoa học để đưa đá mài xẻ rãnh chế tạo tại Việt Nam thành thương phẩm

Vật liệu SKD11là mác thép ký hiệu theo tiêu chuẩn của Nhật JIS Được dùng để chế tạo khuôn dập nguội có tính chống mài mòn cao Sau khi ram ở nhiệt độ 150oC – 2000C thép SKD11 có độ cứng 58-60HRC

Bảng 1.1 Ký hiệu tương đương của thép SKD11 các nước

Môđun đàn hồi N/mm2

Độ dẫn nhiệt W/m.K

1.3.1 Nghiên cứu đá mài gián đoạn hay đá mài xẻ rãnh trên thế giới

Tác giả Hao Nan Li, Dragos Axinte [27] đã tổng hợp được sự phát triển của đá mài gián đoạn của rất nhiều tác giả trên thế giới từ những năm 1925 đến năm 2015 Vào năm 1925 đến năm 1970, một số khái niệm đơn giản về giảm số lượng hạt mài ở vùng tiếp xúc được đề xuất

do các tác giả đã tìm thấy cháy trên bề mặt và vết mòn của đá mài do nhiệt cục bộ gây ra [32] [39] Bằng việc xẻ rãnh trên bề mặt của đá đã làm nhiệt độ khi cắt giảm đáng kể [31] Xuất phát từ việc khắc phục các nhược điểm của đá mài tròn thường là nhiệt cắt và lực cắt trong quá trình mài lớn Các nhà khoa học và các học giả trên thế giới ban đầu đã nghiên cứu việc giảm nhiệt cắt bằng cách gắn các thanh mài lên bề mặt đá mài Những nghiên cứu này, bước đầu đã đặt nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo về đá mài có bề mặt làm việc gián đoạn Trong quá trình gia công, tốc độ đá, tốc độ chi tiết càng lớn thì chiều sâu cắt càng lớn do đó

hiệu quả mài càng cao Cùng với điều này, nhiệt mài càng tăng đặc biệt với các loại vật liệu khó cắt (hệ số dẫn nhiệt thấp) thì càng khó mài Như vậy, ở giai đoạn này đá mài xẻ rãnh chủ yếu cải tiến ở hiện tượng làm mát khu vực mài với mục đích cung cấp dung dịch trơn nguội vào khu vực cắt

Theo các bằng sáng chế của tác giả[37] [38] đã nghiên cứu việc gắn các thanh mài lên đĩa mài Các thanh mài có các hình dạng khác nhau như: hình lăng trụ, lục giác, vòng cung, lập phương, và các hình dạng khác được dính kết hoặc bắt vít lên trên bề mặt đá (Hình 1.4)

Hình 1.3 Đá mài gián đoạn với các thanh mài (a) hình lăng trụ (b) hình lục giác[37][38]

Hình 1.4Một số hình dạng cơ bản của đá mài (a) bàn cờ, so le, chéo, và hình V và (b) so le, chéo,

đối xứng và song song;(c) có khoảng cách cắt chân (d) hình côn[26]

Tác giả J.C Aurich, B Kirsch[23] cũng cho thấy đá mài xẻ rãnh có khả năng giảm nhiệt tốt hơn so với các đá mài thường dưới các điều kiện gia công cụ thể Vấn đề này được tác giả giải thích như sau:

Đối với đá mài thường, quá trình gia công được thực hiện liên tục trên bề mặt đá, số lượng lưỡi cắt tham gia quá trình cắt lớn nên số lượng phoi mài tạo ra trong quá trình cắt cũng lớn Các phoi mài không được đẩy ra ngoài vùng cắt sẽ tích tụ lại nhanh chóng tại các lỗ trống

giữa các hạt mài Sự tiếp cận của chất làm mát khi mài với đá mài thường gần như chỉ thực hiện ở đầu vùng mài, mà hầu như không có sự tác động trực tiếp vào khu vực mài để làm sạch

bề mặt và cuốn phoi mài ra ngoài Điều này càng làm tăng sự tích tụ của phoi, dẫn đến làm tắc nghẽn các lỗ xốp trên bề mặt đá mài Các hạt mài gần như bị bít lại bởi các đám phoi và mất

đi khả năng tự mài sắc Kết quả là dẫn đến hiện tượng cùn, bết đá Đây là nguyên nhân khiến cho các hạt mài mất đi khả năng cắt, giảm hiệu quả bóc tách vật liệu

Do hình dạng đá mài xẻ rãnh có 2 vùng là vùng làm việc và vùng không làm việc Khi gia công tại vùng làm việc, thời gian tiếp xúc giữa đá và chi tiết giảm xuống còn tại vùng không tiếp xúc trở thành bể chứa dung dịch trơn nguội dùng để bôi trơn cho vùng làm việc tiếp theo, ngoài ra tại đây vùng không gian chứa phoi cũng được mở rộng làm cho chất lượng chi tiết bề mặt gia công cũng được cải thiện

Hình 1.5 Sự tạo thành áp lực chất làm mát trước vùng tiếp xúc trong quá trình mài cho các bánh mài

tiêu chuẩn (trái) và có khe (phải)

Hình dạng của đá mài xẻ rãnh được các nhà khoa học và các học giả trên thế giới nghiên cứu là các loại đá có gắn các thanh mài lên trên đĩa mài

Hình 1.6 Hình ảnh đá mài xẻ rãnh trên thế giới nghiên cứu[27]

1.3.2 Đá mài xẻ rãnh do Việt Nam đang nghiên cứu

Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, các nhà khoa học của Việt Nam cũng

đã nghiên cứu để khắc phục các nhược điểm của đá mài truyền thống Có thể nói, đây là bước tiến đáng kể trong việc cải thiện hình dáng của đá mài truyền thống, đã có rất nhiều các công

trình nghiên cứu của các học giả trong nước đã đề cập đến loại đá mài xẻ rãnh và cũng đưa ra được các kết luận về tính ưu việt của loại đá mài này so với đá mài truyền Cụ thể như: tác giả Nguyễn Tiến Đông, Nguyễn Thị Phương Giang đã nghiên cứu về chất lượng bề mặt chi tiết khi mài vật liệu thép C45 nhiệt luyện bằng đá mài xẻ rãnh [8], khả năng giảm lực cắt khi gia công vật liệu ceramic sử dụng đá mài có bề mặt làm việc gián đoạn [9] và khả năng gia công của hạt mài khi gia công bằng đá mài xẻ rãnh đối với vật liệu thép C45 có độ cứng khác nhau [10] Tác giả Nguyễn Công Hồng Phong đã nghiên cứu và thiết lập quan hệ của nhiệt độ khi mài với chất lượng chi tiết gia công khi mài thép SKD61 bằng đá mài xẻ rãnh [5] Tác giả Ngô Thị Hà đã đánh giá được khả năng cắt gọt của hạt mài khi mài phẳng dùng đá mài có bề mặt gián đoạn rãnh thẳng [4] Tác giả Trần Văn Thiện đã đánh giá được ưu điểm về khả năng cắt của đá mài có bề mặt làm việc không liên tục khi gia công vật liệu nhôm so với đá truyền thống [13]

Có thể thấy, các nghiên cứu nêu trên đều dừng ở việc tìm ra được các quan hệ toán học dựa trên một chỉ tiêu nào đó theo phương pháp hồi quy mà chưa có một công trình nghiên cứu nào đề cập đến vấn đề tối ưu hóa các mục tiêu khi mài phẳng vật liệu SKD11 nhiệt luyện theo phương pháp Taguchi và phân tích ANOVA Việc xây dựng và giải quyết bài toán tối ưu cục

bộ có ý nghĩa rất lớn nhằm khắc phục những khó khăn trong việc điều khiển thích nghi quá trình mài phẳng với mục đích kiểm soát được chất lượng sản phẩm và năng suất gia công khi mài bằng đá mài gián đoạn, một loại đá đang được nghiên cứu hiện nay tại Việt Nam

Những viên đá mài xẻ rãnh thử nghiệm đầu tiên đã được sản xuất tại công ty đá mài Hải Dương Thông số của đá mài được mô tả như trong bảng 1.4, cụ thể như sau:

Bảng 1.4 Thông số của đá mài

Hình 1.7 Hình dáng hình học đá mài xẻ rãnh

Hình 1.8 Hình ảnh đá mài xẻ rãnh thực do Việt Nam nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm

1.4 Bài toán tối ưu tổng quát và tối ưu đa mục tiêu

1.4.1 Bài toán tối ưu tổng quát

Tối ưu hóa là một trong những lĩnh vực kinh điển của toán học có ảnh hưởng đến hầu hết các lĩnh vực khoa học – công nghệ và kinh tế – xã hội Trong thực tế, việc tìm giải pháp tối ưu cho một vấn đề nào đó chiếm một vai trò hết sức quan trọng Phương án tối ưu là phương án hợp lý nhất, tốt nhất, tiết kiệm chi phí, tài nguyên, nguồn lực mà lại cho hiệu quả cao [5] Các bài toán tối ưu, cũng còn được gọi là các bài toán quy hoạch toán học, được chia ra thành các lớp sau:

– Bài toán quy hoạch tuyến tính

– Bài toán tối ưu phi tuyến hay còn gọi là bài toán quy hoạch phi tuyến bao gồm cả bài toán quy hoạch lồi và bài toán quy hoạch toàn phương

– Bài toán tối ưu rời rạc, bài toán tối ưu nguyên và hỗn hợp nguyên

– Bài toán quy hoạch động

– Bài toán quy hoạch đa mục tiêu

– Bài toán quy hoạch ngẫu nhiên/mờ

Các phương pháp toán học giải các bài toán tối ưu tổng quát như nêu trên đây được gọi là các phương pháp tối ưu toán học (hay các phương pháp quy hoạch toán học)

1.4.2 Bài toán tối ưu đa mục tiêu

Tối ưu đa mục tiêu một bài toán tối ưu với nhiều mục tiêu, các mục tiêu có ràng buộc chặt chẽ với nhau, đôi khi mâu thuẫn nhau Do đó, trong bài toán tối ưu với nhiều mục tiêu, hầu như không thể đạt được giá trị tốt nhất của tất cả các mục tiêu cùng một lúc Điều này có nghĩa là bài toán sẽ không có lời giải nếu bài toán yêu cầu tìm một phương án để tất cả các mục tiêu đều là tốt nhất Tuy nhiên, trong khi giải bài toán, mục tiêu kém ưu tiên hơn chỉ được xem xét ở mức tốt nhất có thể khi mục tiêu ưu tiên trước nó đã đạt được Tối ưu đa mục tiêu có sự ưu tiên giữa các mục tiêu như vậy được gọi là tối ưu theo kiểu từ điển Đôi khi xảy

ra trường hợp một mục tiêu đạt giá trị quá cao trong khi mục tiêu khác lại nhận được giá trị quá thấp và tối ưu theo thứ tự cực đại sẽ được sử dụng nhằm tránh những trường hợp như thế này [2]

Sự khác biệt giữa tối ưu đơn mục tiêu và đa mục tiêu:

Trong bài toán tối ưu đơn mục tiêu, công việc chỉ là tìm một phương án tốt nhất cho mục tiêu đó Do đó, trong các thuật toán của bài toán tối ưu đơn mục tiêu, một phương án mới sẽ được chấp nhận nếu nó có giá trị mục tiêu tốt hơn phương án cũ

Đối với bài toán tối ưu đa mục tiêu, việc giải bài toán thường hướng đến tìm tập hữu hiệu Tuy nhiên, chúng ta chỉ cần một phương án cuối cùng cho bài toán nên sẽ có sự chọn lựa từ những phương án nằm trong tập hữu hiệu và ở đây có sự thỏa hiệp giữa các mục tiêu

Do đó, quá trình giải bài toán tối ưu đa mục tiêu có sự phối hợp giữa nhà phân tích (một người hoặc một chương trình máy tính chịu trách nhiệm về mặt toán học của bài toán) và người ra quyết định (một người hoặc một nhóm người cung cấp thông tin cho bài toán và lựa chọn phương án sau cùng) Đó là sự khác biệt cơ bản của tối ưu đơn mục tiêu và đa mục tiêu

1.5 Quy hoạch tối ưu đa mục tiêu

1.5.1 Những khái niệm cơ bản của thiết kế thực nghiệm [11]

Thiết kế thực nghiệm là cơ sở phương pháp luận của nghiên cứu thực nghiệm hiện đại

Đó là phương pháp nghiên cứu mới, trong đó công cụ toán học giữ vai trò tích cực Cơ sở toán học nền tảng của lý thuyết qui hoạch thực nghiệm là toán học xác suất thống kê với hai lĩnh vực quan trọng là phân tích phương sai và phân tích hồi qui

* Định nghĩa thiết kế thực nghiệm

Thiết kế thực nghiệm là tập hợp các tác động nhằm đưa ra chiến thuật làm thực nghiệm từ giai đoạn đầu đến giai đoạn kết thúc của quá trình nghiên cứu đối tượng (từ nhận thông tin mô phỏng đến việc tạo ra mô hình toán, xác định các điều kiện tối ưu), trong điều kiện đã hoặc chưa hiểu biết đầy đủ về cơ chế của đối tượng

* Đối tượng của thiết kế thực nghiệm trong các ngành công nghệ

Là một quá trình hoặc hiện tượng nào đó có những tính chất, đặc điểm chưa biết cần nghiên cứu Người nghiên cứu có thể chưa hiểu biết đầu đủ về đối tượng, nhưng đã có một số thông tin tiên nghiệm dù chỉ là sự liệt kê sơ lược những thông tin biến đổi, ảnh hưởng đến tính

chất đối tượng Có thể hình dung chúng như một “hộp đen” trong hệ thống điều khiển gồm

các tín hiệu đầu vào và đầu ra, như ở hình (1.10)

- Các tín hiệu đầu vào được chia thành ba nhóm:

1) Các biến kiểm tra được và điều khiển được, mà người nghiên cứu có thể điều chỉnh theo dự định, biểu diễn bằng vectơ

X = [X1, X2, …., Xk]

Hình 1.9 Sơ đồ đối tượng nghiên cứu Hình 1.10 Sơ đồ đối tượng nghiên cứu với nhiễu e có tính cộng

2) Các biến kiểm tra được nhưng không điều khiển được, biểu diễn bằng vectơ:

Mô hình hồi qui được biểu diễn bằng quan hệ tổng quát:

Y = φ ( Z1, Z2, …,Zk ; T1, T2,…., Th; β1, β2, …,βk ) + e = φ [(Z, T) ; β] + e (1.1)

Trong đó:

β = (β1, β2, , βk) là vectơ tham số của mô hình

Dạng hàm φ được ấn định trước, còn các hệ số β là chưa biết, cần xác định từ thực nghiệm Để xác định các tham số của mô tả thống kê thực nghiệm ta phải làm các thực nghiệm theo kế hoạch thực nghiệm Đối tượng nghiên cứu chính của lý thuyết qui hoạch thực nghiệm là các thực nghiệm tích cực Đó là các thực nghiệm chỉ bao gồm các yếu tố đầu vào thuộc nhóm X, người thực nghiệm chủ động thay đổi chúng theo kế hoạch thực nghiệm đã vạch sẵn

* Các phương pháp thiết kế thực nghiệm:

- Thực nghiệm sàng lọc: là thực nghiệm mà nhiệm vụ của nó là tách những yếu tố ảnh

hưởng đáng kể ra khỏi những yếu tố đầu vào để tiếp tục nghiên cứu chúng trong các thực nghiệm cần thiết

- Thực nghiệm mô phỏng: là thực nghiệm liên quan tới việc mô phỏng hiện tượng cần

nghiên cứu Có nhiều dạng mô phỏng, ở đây chỉ quan tâm đến dạng thực nghiệm được hoàn tất bằng mô hình hồi qui đa thức

- Thực nghiệm cực trị: là thực nghiệm được phát triển từ thực nghiệm mô phỏng Nhiệm

vụ của nó là xây dựng mô hình toán thực nghiệm, theo đó xác định giá trị tối ưu của hàm mục tiêu và các tọa độ tối ưu của hàm Nói cách khác là xác định bộ kết hợp giá trị các yếu tố mà tại đó hàm mục tiêu đạt cực trị

* Kế hoạch thực nghiệm:

Đối với các thực nghiệm tích cực, miền tác động là miền các giá trị có thể có của các yếu tố X trong thực nghiệm Trong miền tác động có miền qui hoạch - miền giá trị của các yếu tố vào X - trong đó chứa vừa đủ các điểm thí nghiệm của thực nghiệm Nói cách khác, đó

là miền tạo bởi phạm vị thay đổi các yếu tố Z theo kế hoạch thực nghiệm xác định Kế hoạch thực nghiệm bao gồm các điểm thí nghiệm gọi là điểm của kế hoạch Đó là một bộ (còn gọi là phương án) kết hợp các giá trị cụ thể của các yếu tố vào Z, ứng với điều kiện tiến hành một thí nghiệm trong tập hợp các thí nghiệm của thực nghiệm Tại điểm thứ i của kế hoạch, bộ kết hợp các giá trị ZJI bao gồm giá trị cụ thể của k yếu tố đầu vào:

Xji = [ X1i , X2i , …, Xkj] (1.2)

Trong đó:

i = 1, 2, , N

i - Số thứ tự điểm thí nghiệm của kế hoạch;

N - Số điểm thí nghiệm của kế hoạch

j = 1, 2, , k

j - Số thứ tự yếu tố;

k - Số yếu tố đầu vào

* Các mức yếu tố :

Các giá trị cụ thể của yếu tố vào X được ấn định tại các điểm kế hoạch gọi là các mức yếu tố Khái niệm mức yếu tố dược sử dụng khi mô tả các điểm đặc trưng trong miền qui hoạch: mức trên, mức dưới, mức cơ sở, mức sao “*”

Mức cơ sở X0j của các yếu tố là điều kiện thí nghiệm được quan tâm đặc biệt Thông

thường vectơ các yếu tố đầu vào tại mức cơ sở 0  0 0 0

X

X X

j j

j

X X



 (1.3)

* Giá trị mã hóa:

Để tiện tính các hệ số thực nghiệm của mô hình hồi qui toán học và tiến hành các bước

xử lý số liệu khác, trong kế hoạch thực nghiệm người ta sử dụng các mức yếu tố theo giá trị

mã hóa Giá trị mã hóa của yếu tố là đại lượng không thứ nguyên, qui đổi chuẩn hóa từ các mức giá trị thực của yếu tố nhờ quan hệ :

xj =

min max

0 0

)(

2

j j

j j

j

j j

X X

X X X

X X

Như vậy, theo tỉ lệ qui chuẩn, mức cơ sở mã hóa của yếu tố đầu vào là: x0j  0

Gốc tọa độ của các xj trùng với tâm thực nghiệm, bước thay đổi của các biến mã xj ứng với các bước x j chính là 1 đơn vị

12

min max

j

X

X X

X (1.5)

* Ma trận kế hoạch thực nghiệm:

Là dạng mô tả chuẩn các điều kiện tiến hành thí nghiệm (các điểm thí nghiệm) theo bảng chữ nhật, mỗi hàng là một thí nghiệm (còn gọi là phương án kết hợp các yếu tố đầu vào), các cột ứng với các yếu tố đầu vào Trong ma trận kế hoạch X có thể có một số hàng mà mọi thông số vào đều giống nhau, ví dụ, có một số hàng mà mọi thông số vào đều ở mức cơ sở, mọi X0j Ma trận kế hoạch thực nghiệm X là ma trận chỉ gồm toàn các biến mã xj Các cột biến mã hoàn toàn khác nhau

1.5.2 Các nguyên tắc cơ bản của thiết kế thực nghiệm[11]

1.5.2.1 Nguyên tắc không lấy toàn bộ trạng thái đầu vào

Để có thông tin toàn diện về tính chất hàm mục tiêu về nguyên tắc cần tiến hành vô số các thực nghiệm trong miền qui hoạch

Ví dụ, trong trường hợp có hai yếu tố, nếu cho mỗi yếu tố biến đổi liên tục từ -1 đến +1 thì miền thực nghiệm sẽ là hình vuông chứa vô số điểm M(x1, x2) đặc trưng cho trạng thái đầu vào

Về lý thuyết nếu không tiến hành tất cả các thực nghiệm đó thì có thể bỏ sót đặc điểm nào đó của hàm mục tiêu, tuy nhiên thực tế không thể thực hiện được điều đó Do vậy người nghiên cứu chỉ có thể lấy những giá trị rời rạc, chọn mức biến đổi nào đó cho các yếu tố Sự lựa chọn này cần có cơ sở khoa học, nó gắn liền với sự lựa chọn dạng hàm, tức là dạng mô phỏng của bề mặt đáp ứng Dạng hàm thông thường là bậc một hoặc bậc 2 và số mức biến đổi thường là hai hoặc ba

1.5.2.2 Nguyên tắc phức tạp dần mô hình toán học

Khi chưa có thông tin ban đầu về các tính chất của hàm mục tiêu, thì không nên xây dựng

mô hình phức tạp của đối tượng để tránh chi phí vô ích về thời gian, phương tiện vật chất nếu không dùng đến mô hình đó Vì thế lý thuyết qui hoạch thực nghiệm hướng dẫn nên bắt đầu

từ những mô hình đơn giản nhất, ứng với những thông tin ban đầu đã có về đối tượng

Logic tiến hành thực nghiệm là nên làm ít thí nghiệm để có mô hình đơn giản (ví dụ, mô hình tuyến tính), kiểm tra tính tương hợp của mô hình:

- Nếu mô hình tương hợp, đạt yêu cầu thì dừng lại, hoặc cải tiến;

- Nếu mô hình không thì tiến hành giai đoạn tiếp theo của thực nghiệm: làm những thí nghiệm mới, bổ sung để rồi nhận được mô hình phức tạp hơn (ví dụ mô hình phi tuyến), kiểm tra mô hình mới cho đến khi đạt được mô hình hữu dụng

1.5.2.3 Nguyên tắc đối chứng với nhiễu

Độ chính xác của mô hình phải tương xứng với cường độ nhiễu ngẫu nhiên mà chúng tác động lên kết quả đo hàm mục tiêu Trong cùng điều kiện như nhau, độ nhiễu càng nhỏ thì mô hình càng phải chính xác, phải phức tạp hơn

Bằng các công cụ tính toán thống kê, người ta đã xây dựng hoàn chỉnh các qui trình chuẩn theo các tiêu chuẩn thống kê để giải quyết các nhiệm vụ xác định tính tương hợp của

mô hình tìm được, hiệu chỉnh dạng mô hình, kiểm tra tính đúng đắn của các giả thiết, các tiên

đề mà dựa vào đó tìm ra các mô hình

1.5.3 Các bước thiết kế thực nghiệm cực trị

1.5.3.1 Chọn thông số nghiên cứu

Phân loại các yếu tố ảnh hưởng lên đối tượng thành các nhóm X, T và E Một mặt đưa ra những biện pháp tích cực để hạn chế tác động của các nhóm yếu tố T và E, mặt khác phải phân tích để chọn từ X các yếu tố ảnh hưởng chính, loại bớt những yếu tố không cần thiết, nhằm đảm bảo tính khả thi và hiệu quả của thực nghiệm

Lựa chọn chỉ tiêu (mục tiêu) đánh giá đối tượng, sao cho các chỉ tiêu này vừa đáp ứng các yêu cầu của phương pháp qui hoạch thực nghiệm, vừa đại diện nhất cho các điều kiện tối ưu của đối tượng nghiên cứu

Căn cứ vào số yếu tố ảnh hưởng chính, chỉ tiêu đánh giá, mục đích, nhiệm vụ thực nghiệm, người nghiên cứu phải biết nhóm các yếu tố vào theo kế hoạch thực nghiệm, vì tính hiệu quả và khả năng làm việc của các mô hình hồi qui phụ thuộc nhiều vào kết quả xác định yếu tố vào của chúng

Trong giai đoạn này, miền qui hoạch và số mức thay đổi của các yếu tố ảnh hưởng phải được xác định sơ bộ

1.5.3.3 Tiến hành thí nghiệm nhận thông tin

Sử dụng các phương pháp riêng cho từng đối tượng Sử dụng một số phương pháp xử lý

số liệu, kiểm tả một số giả thiết thống kê Việc xử lý nhanh các thông tin ngay trong quá trình nhận chúng có tác dụng tích cực, giúp xác minh kịp thời những thí nghiệm cần bổ sung khi điều kiện thí nghiệm còn đang cho phép với các phép kiểm tra đồng nhất phương sai, tính liên thuộc của số liệu bị nghi ngờ, mức độ ảnh hưởng của các yếu tố

1.5.3.4 Xây dựng và kiểm tra mô hình thực nghiệm

Sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất và các nội dung phân tích hồi qui, phân tích phương sai để xác định giá trị của các hệ số trong mô hình hồi qui đa thức, kiểm tra mô hình theo độ tương thích và khả năng làm việc Tùy theo loại thực nghiệm mà mô hình là tuyến

tính hay phi tuyến Mô hình thống kê thực nghiệm chỉ có thể sử dụng sau khi đã thỏa mãn các

tiêu chuẩn thống kê (Student và Fisher)

1.5.4 Khái niệm và nguyên tắc tiếp cận hệ thống công nghệ

Hệ thống là tập hợp của nhiều phần tử có:

+ Cấu trúc bên trong nhất định

+ Tương tác với môi trường bên ngoài

Để tìm được cấu trúc cần phân tích hệ thành những phần tử và nắm được hành vi của hệ phải mô tả tập hợp bản chất của hệ Vậy nguyên tắc tiếp cận hệ thống: phân tích và tổng hợp

→ mô tả bản chất của hệ Để tìm được bản chất của hệ phải nhờ mô hình hoá và tìm ra được điều kiện công nghệ tối ưu nhờ tối ưu hoá các hàm toán mô tả bản chất của hệ (thường đưa đến giải bài toán cực trị, tức là tìm điều kiện tối ưu để thực hiện một quá trình nhằm đạt đến chất lượng làm việc và hiệu quả kinh tế cao nhất)

Kết luận chương 1

1 Nghiên cứu khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam là hướng nghiên cứu cần thiết để đánh giá tính ưu việt của loại đá này so với đá ruyền thống Các kết quả nghiên cứu trên thế giới và trong nước những năm gần đây đã khẳng định được khả năng giảm nhiệt cắt và lực cắt của đá xẻ rãnh so với đá truyền thống khi mài

2 Đã tổng hợp được một số nghiên cứu về ảnh hưởng của thông số công nghệ đến lực cắt, nhiệt cắt khi mài bằng đá mài xẻ rãnh [21] [33] [35] Tuy nhiên, các nghiên cứu trên chỉ nghiên cứu đơn mục tiêu trên đá mài xẻ rãnh có các thanh mài gắn trên đĩa mài và đá mài xẻ rãnh thẳng do Việt Nam sản xuất trong quá trình mài phẳng Chưa có công trình nào nghiên cứu ảnh hưởng của các chỉ tiêu riêng biệt, ảnh hưởng tổng hợp của các chỉ tiêu và giải bài toán tối ưu đa mục tiêu trong quá trình mài phẳng bằng đá mài xẻ rãnh

3 Thép SKD11 là loại thép được dùng phổ biến làm khuôn dập nguội Nghiên cứu về khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh chế tạo thử nghiệm với mác thép này sẽ có ý nghĩa về khoa học

và thực tiễn phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam

Chương 2

Cơ sở lý thuyết của quá trình mài phẳng

2.1 Các thống số công nghệ khi mài phẳng

2.1.1 Máy mài phẳng

Định nghĩa về mài phẳng: Mài phẳng là một phương pháp cơ bản để gia công mặt phẳng

Nó có thể để gia công lần cuối các mặt đã qua tôi sau khi phay hoặc bào Ngoài ra mài phẳng còn có thể thay cho phay, bào trong sản xuất lớn hoặc để gia công các chi tiết khó định vị và kẹp chặt

Hình 2.1 Máy mài phẳng KENT

2.1.2 Các thông số công nghệ khi mài phẳng

Mài là một quá trình rất phức tạp và kết quả của quá trình phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố

sơ đồ dưới đây phân tích sự phụ thuộc lẫn nhau giữa các đại lượng đầu vào, đại lượng trung gian và đại lượng đầu ra Quan hệ giữa các thông số đầu vào và các thông số đầu ra của quá trình mài được mô tả hình 2.2 dưới đây

Hình 2.2 Sơ đồ các đại lượng trong quá trình mài phẳng

Kết quả mài phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: máy, chi tiết gia công, đá mài, chế độ công nghệ, Các thông số đầu vào là nguyên nhân gây ra các hiện tượng xảy ra trong quá trình mài như: lực cắt, nhiệt cắt, rung động, mòn đá Tất cả đều có ảnh hưởng nhất định đến mục tiêu cuối cùng là chất lượng chi tiết gia công và năng suất gia công

2.2 Chất lượng chi tiết gia công

2.2.1 Độ nhám bề mặt chi tiết máy khi mài

Độ nhám bề mặt mài hình thành chủ yếu bởi các vết cào xước chồng lên nhau của các điểm cắt có chiều cao không bằng nhau

Hình 2.3 Sự hình thành độ nhám bề mặt mài [12]

Khi mài bằng đá mài thường thì độ nhám trung bình của bề mặt mài Ra = (0,15÷ 2,5) m Bằng cách chụp ảnh tế vi bề mặt mài, các nghiên cứu cho thấy độ nhám của bề mặt mài tăng lên do các nguyên nhân sau [36]:

- Vật liệu bị nén giãn sang hai bên đường cắt

- Kim loại dính vào các hạt mài rồi lại dính trở lại bề mặt phôi

- Các hạt mài bị vỡ làm cho quá trình cắt dừng đột ngột tạo ra vết lồi lõm trên bề mặt mài đồng thời tạo ra ứng suất tập trung

- Các vết nứt trên bề mặt mài do nhiệt mài

- Biến dạng đàn hồi theo phương hướng kính của đá mài và việc chà sát đỉnh mòn của các hạt mài

- Sử dụng thành phần dung dịch trơn nguội phù hợp

- Có công nghệ tưới nguội hợp lý

Hình 2.4 Ảnh SEM bề mặt mài [36]

a) Độ nhám bề mặt lý tưởng

Cũng như các phương pháp gia công khác, có thể dự đoán một cách lý thuyết độ nhám bề mặt mài bằng cách mô hình hoá sự tương tác giữa các điểm cắt của hạt mài với chi tiết Theo cách này thì các lưỡi cắt cắt bỏ tất cả vật liệu trên đường nó đi qua, để lại đằng sau các rãnh cắt Với các quá trình cắt có thông số dụng cụ cắt xác định như phay hay tiện, quá trình phân tích là không quá khó khăn Độ nhám lý tưởng thường thấp hơn độ nhám thực do các yếu tố như sự chảy vật liệu, rung động Tuy nhiên, với mài thì việc thực hiện mô hình hoá khó hơn nhiều do sự ngẫu nhiên về hình dáng và thông số của các lưỡi cắt trên đá mài Do vậy để mô hình hoá quá trình cắt khi mài, người ta đưa ra các giả thuyết làm đơn giản bớt quá trình

Hình 2.5 Mô hình bề mặt đá[15]

Hình 2.6 Mô hình độ nhám lý tưởng bề mặt chi tiết[17]

Với một đá mài lý tưởng hoá có các lưỡi cắt phân bố đều trên bề mặt đá với một khoảng cách L giữa các hạt nhô ra khỏi bề mặt đá một lượng như nhau như hình 2.6 Khi đó bề mặt mài lý tưởng của chi tiết được thể hiện ở hình 2.6, bao gồm các viền giống nhau kế tiếp với bán kính cong tương ứng với bán kính của đường cắt Khi đó bước tiến cho mỗi điểm cắt được tính theo công thức:

s c = (µm) (2.1) Trong đó: Vct , Vđ – là vận tốc chi tiết và vận tốc đá

Độ cao nhấp nhô Rt được xác định như sau:

Rt = (µm) (2.2) Thay (2.11) vào (2.12) ta có: Rt =

vận tốc chi tiết w

s

V

V và khoảng cách L giữa các hạt mài, ít phụ thuộc vào đường kính đá mài

ds Có thể nhận thấy là chiều sâu cắt t không ảnh hưởng đến nhấp nhô với điều kiện là t > Rt, thể hiện từ các quỹ đạo của đường cắt Với các điều kiện mài thông thường thì các công thức trên cho các giá trị độ nhám thấp phi thực tế Một yếu tố tác động đến sự khác nhau lớn giữa giá trị lý tưởng và thực tế là sự phân bố hướng kính các lưỡi cắt trên bề mặt đá Từ biên dạng dọc lý tưởng của chi tiết mô hình hóa như trên hình 2.7 cho thấy các lưỡi cắt nhô lên với độ cao khác nhau trên bề mặt đá, có thể thấy là chiều cao nhấp nhô từ đỉnh tới đáy tăng lớn hơn

so với đá đồng nhất, ít nhất là bằng với sự khác nhau lớn nhất về chiều cao giữa các lưỡi cắt

so với các đường cong tạo ra biên dạng lý tưởng Do vậy, độ cao nhấp nhô có thể bao gồm cả thành phần động học phụ thuộc vào các thông số mài và các thành phần nhấp nhô của đá, mặc

dù sự ảnh hưởng của hai yếu tố này không thể hoàn toàn độc lập với nhau Một cách khác để thể hiện độ nhám lý tưởng là phải bao gồm cả các yếu tố động học và độ nhám của đá mài

b) Xác định độ nhám bằng thực nghiệm [17]

Các phân tích độ nhám bề mặt lý tưởng cung cấp các cách nhìn vật lý về việc các bề mặt mài được tạo ra như thế nào và điều gì quyết định đến độ nhám bề mặt Tuy nhiên các mối quan hệ đó khi sử dụng vào thực tế sẽ bị hạn chế trong việc dự báo các thông số mài ảnh hưởng như thế nào đến độ nhám thực của bề mặt, và với mục đích này, cần phải nhờ vào các quan hệ thực nghiệm

Ra = f(xi) (2.6)

Trong đó xi là các biến của quá trình mài.

2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt chi tiết mài

a) Ảnh hưởng của chế độ cắt [17]

- Ảnh hưởng của bước tiến dao dọc: Khi tăng Sd thì nhám bề mặt tăng, bởi vì ngoài ảnh hưởng đến nhấp nhô tế vi lượng chạy dao còn ảnh hưởng đến biến dạng dẻo và biến dạng đàn

hồi của ở bề mặt gia công Khi tăng Sd thì biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi sẽ ảnh hưởng lớn hơn do đó nhám bề mặt tăng

- Ảnh hưởng của tốc độ cắt: Tốc độ cắt có ảnh hưởng lớn đến nhám bề mặt Tốc độ cắt

ảnh hưởng trực tiếp đến lực cắt và nhiệt cắt và do đó ảnh hưởng đến nhám bề mặt Tốc độ cắt, đặc biệt là những vùng cắt tốc độ thấp có ảnh hưởng đến lực cắt Khi tăng tốc độ cắt thì nhiệt

cắt lúc đầu tăng nhanh, sau khi đạt đến độ lớn nhất định thì cường độ tăng chậm lại

- Ảnh hưởng của chiều sâu cắt: Chiều sâu cắt ảnh hưởng không nhiều đến nhám bề mặt

khi mài tinh Nhưng nếu tăng chiều sâu cắt quá lớn thì rung động trong quá trình cắt tăng do

đó nhám bề mặt tăng

Vì vậy, khi mài thô nên chọn chiều sâu cắt lớn nhất và được xác định theo kích cỡ của hạt mài, còn khi mài tinh nên chọn chiều sâu cắt nhỏ để giảm nhám bề mặt

b) Ảnh hưởng của độ cứng vật liệu gia công

Độ cứng và độ dai chính là những yếu tố ảnh hưởng đến khả năng biến dạng dẻo của vật liệu gia công và ảnh hưởng đến nhám bề mặt chi tiết Độ cứng của vật liệu tăng thì chiều cao nhấp nhô tế vi giảm và hạn chế ảnh hưởng của tốc độ cắt đến chiều cao nhấp nhô tế vi Khi độ cứng của vật liệu gia thì công tăng thì chiều cao nhấp nhô tế vi giảm và hạn chế ảnh hưởng của tốc độ cắt đến chiều cao nhấp nhô tế vi Khi độ cứng của vật liệu gia công đạt tới giá trị

HB = 5000N/mm2 thì ảnh hưởng của tốc độ cắt tới chiều cao nhấp nhô tế vi lớp bề mặt gần như không còn Mặt khác giảm tính dẻo của vật liệu gia công cũng làm giảm chiều cao nhấp nhô tế vi lớp bề mặt [25]

c) Ảnh hưởng của thành phần thép hợp kim

Mỗi loại thép hợp kim có khả năng dẫn nhiệt khác nhau phụ thuộc vào thành phần các nguyên tố hợp kim, khi khả năng dẫn nhiệt càng giảm thì nguy cơ xảy ra cháy bề mặt mài càng tăng Do đó, cần có một chế độ cắt hợp lý khi mài các loại thép hợp kim khác nhau Do

đó, hàm lượng của mỗi thành phần hợp kim trong thép cũng gây ra ảnh hưởng khác nhau đến

độ nhám bề mặt chi tiết khi mài Một số nguyên tố hợp kim khác như vonfram, molip đen hay titan v.v sẽ tạo ra những tính chất vật lý, hóa học đặc biệt cho thép hợp kim Ví dụ như trong thép gió P18 có tổng lượng hai nguyên tố vonfram và molip đen cao (>10%) và lượng khá lớn crôm (4%) Do đó nó có tính chống mài mòn và tuổi bền cao, độ thấm tôi đặc biệt cao, có thể tôi thấu với tiết diện bất kỳ Trong các loại thép chống mài mòn chứa lượng cacbon cao và hàm lượng mangan lớn (11.4  14.5%) có khả năng chống mài mòn cao trong điều kiện tải trọng va đập mạnh, ma sát lớn và áp lực cao

Do tính chất ảnh hưởng phức tạp của tính chất cơ lý hóa vật liệu đến độ nhám bề mặt khi mài nên hầu hết các nghiên cứu trước đây đều dồn yếu tố này vào một hệ số như trong công thức tổng quát sau:

Ra =

(µm) (2.7)

Ở đây : CRa - Hệ số có tính đến tính chất cơ lý của bề mặt gia công

k1 - Hệ số có tính đến độ hạt của đá mài

k2 - Hệ số có tính thành phần của dung dịch trơn nguội

k3 - Hệ số có tính đến ảnh hưởng của các hành trình chạy hết hoa lửa

p, , ,  - hệ số tính đến ảnh hưởng của vận tốc chi tiết, chiều sâu cắt, lượng chạy dao, vận tốc đá mài, chiều rộng và chiều dài chi tiết

vct, t, s, vđ, d, H - vận tốc chi tiết, chiều sâu cắt, lượng chạy dao, vận tốc đá, chiều rộng và chiều dài chi tiết

2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến sai số kích thước chi tiết gia công

a) Ảnh hưởng của lực cắt

Lực cắt xuất hiện khi mài gây ra rung động, làm biến đổi nhiệt độ trên chi tiết và dụng cụ cắt, ảnh hưởng đến nhám bề mặt và sai số kích thước của chi tiết gia công Lực cắt khi mài được chia làm ba thành phần:

- Lực trùng với phương chạy dao gọi là lực dọc trục, ký hiệu là Px

- Lực ngăn cản sự xâm nhập của các hạt mài vào vật liệu bị cắt và có phương vuông góc với bề mặt cắt của đá, gọi là lực pháp tuyến hay lực hướng kính, ký hiệu là Py

- Lực tác dụng lên đá mài theo phương của chuyển động chính, nghĩa là tiếp tuyến với bề mặt đá, gọi là lực tiếp tuyến, ký hiệu là Pz

Lực cắt khi mài phẳng là một thông số động lực học phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chế độ cắt, vật liệu gia công, đá mài Lực cắt gây ra rung động và ảnh hưởng gián tiếp đến chất lượng bề mặt Do đó, nghiên cứu để kiểm soát lực cắt có một ý nghĩa rất lớn

*Xác định lực cắt bằng thực nghiệm

Phương pháp đo lực phổ biến nhất là đo biến dạng đàn hồi của cơ cấu và của các chi tiết máy chịu lực được truyền từ vùng cắt đến (mài phẳng dùng cảm biến đặc biệt, mài trong dùng ống lót trục của cơ cấu trục, mài tròn ngoài dùng mũi chống tâm) Để đo lực cắt trên máy mài phẳng sử dụng cảm biến đo lực 3 chiều vừa đảm bảo đọ nhậy để nhận được các tín hiệu lực truyền từ vùng cắt đến Do đó, P = f(xi) (2.8) Trong đó, xi là các biến của quá trình mài

b) Ảnh hưởng của nhiệt cắt

Đã có rất nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng nhiệt cắt cao là một trong các nguyên nhân chính gây ra các vấn đề về chất lượng bề mặt chi tiết trong quá trình gia công [24] Các vấn đề này

có thể là về độ chính xác hình học của chi tiết gia công hoặc chất lượng cơ lý tính của lớp bề mặt cụ thể là:

+ Sự thay đổi màu sắc lớp bề mặt: Ở nhiệt độ cao (thường từ 450oC trở lên) kim loại bị oxy hóa Ở các nhiệt độ khác nhau thì lớp kim loại cũng bị thay đổi màu sắc khác nhau Điều này có thể chứng minh rằng ở nhiệt độ cao, thành phần hóa học của lớp bề mặt đã bị thay đổi, điều này có thể gây ra các ảnh hưởng đến chất lượng cơ lý tính lớp bề mặt

+ Biến cứng lớp bề mặt: Nguyên lý gia công cắt gọt đã chứng minh rằng khi nhiệt độ cắt quá cao, việc xảy ra sự biến cứng lớp bề mặt là không thể tránh khỏi Vấn đề này xảy ra là bởi khi kim loại phải chịu nhiệt độ cắt cao, pha hợp kim của nó sẽ thay đổi Kèm theo đó có thể là các quá trình làm nguội bằng dung dịch tưới nguội trong khi gia công Quá trình này có sự tương đồng với quá trình tôi xử lý bề mặt và có thể làm cho độ cứng lớp bề mặt thay đổi (thường là độ cứng sẽ tăng lên) Dù là nguyên công cuối nhưng sự biến cứng bề mặt nếu như không được kiểm soát thì sẽ cho ra chất lượng bề mặt chi tiết không như mong muốn (quá cứng) hoặc gây khó khăn cho quá trình nhiệt luyện xử lý bề mặt về sau

+ Nứt tế vi: Việc bề mặt chi tiết bị làm nóng sẽ gây ra những sự giãn nở về nhiệt khi bị làm nóng Tuy nhiên gần như ngay lập tức với tác dụng của dung dịch tưới nguội làm mát bề mặt chi tiết bị làm lạnh dẫn tới bị co lại một cách đột ngột gây nên các vết nứt tế vi Các vết nứt này cũng chính là nguyên nhân gây ra việc độ bóng bề mặt chi tiết không đạt được như mong muốn Chúng có thể rất nhỏ tuy nhiên nó sẽ gây ảnh hưởng khi chi tiết làm việc trong điều kiện thực tế Tải trọng đặt lên chi tiết sẽ gây lên áp lực cùng với sự xuất hiện của vết nứt

tế vi sẽ làm cho bề mặt chi tiết bị phá hủy một cách nhanh chóng và khiến tuổi thọ của chi tiết giảm Đối với phương pháp mài phẳng thường được sử dụng cho mài mặt phân khuôn thì vấn

đề này lại càng trở nên quan trọng hơn do yêu cầu về tuổi thọ của khuôn

+ Ứng suất dư: Như đã đề cập ở phần trên sự thay đổi nhiệt độ đột ngột trong quá trình gia công ngoài gây ra vấn đề nứt tế vi bề mặt thì còn là một trong các nguyên nhân gây ra vấn

đề về ứng suất dư Khi nhiệt độ tăng lên lớp bề mặt bị giãn nở và có ứng suất sinh ra trong quá trình này Khi nhiệt độ đột ngột bị hạ xuống do tác động của dung dịch tưới nguội bề mặt chi tiết đột ngột co lại, ứng suất dưới lớp bề mặt không được giải phóng gây ra ứng suất dư trên bề mặt gia công

Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt cắt

Ảnh hưởng của dụng cụ cắt và vật liệu chi tiết gia công

Theo các kết luận của [14] thì tính chất cơ học và nhiệt của vật liệu chi tiết gia công là một trong các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến nhiệt cắt của quá trình mài Nhiệt cắt khi gia công hợp kim nhỏ hơn khi gia công thép Khi gia công cắt vật liệu giòn (gang, đồng thau …)