Tối ưu hóa một số thông số công nghệ khi mài phẳng

Chất lượng bề mặt của chi tiết được hình thành trong quá trình thực hiện các nguyên công có tính đến yếu tố di truyền công nghệ tính in dập.. Chất lượng của bề mặt gia công của chi tiết

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ XUÂN VIÊN

TỐI ƯU HÓA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ KHI MÀI PHẲNG

Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí

Mã số : 60.52.01.03

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Đà Nẵng – Năm 2017

vào ngày … … tháng … năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa

 Thư viện Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

Hiện nay ngành Chế tạo máy nước ta đang phát triển rất mạnh

mẽ không những tăng về số lượng mà cả về chất lượng, trong đó chất lượng sản phẩm là tiêu chí rất quan trọng cho việc phát triển bền vững là cơ sở quyết định đến giá thành sản phẩm Thiết bị, máy móc đảm bảo chất lượng, đảm bảo độ bền trong quá trình hoạt động thì yêu cầu từng chi tiết của thiết bị, máy móc đó phải đảm bảo chất lượng theo đúng yêu cầu của người thiết kế đặt ra Tuy nhiên để đánh giá chất lượng chi tiết máy gồm nhiều tiêu chí như độ chính xác về kích thước, hình dáng hình học, tính chất cơ lý, chất lượng bề mặt,

… Trong đó chất lượng bề mặt chi tiết máy là một chỉ tiêu rất quan trọngđể nâng cao độ bền chi tiết máy

Chất lượng bề mặt của chi tiết được hình thành trong quá trình thực hiện các nguyên công có tính đến yếu tố di truyền công nghệ (tính

in dập) Tuy nhiên, quan trọng nhất là các nguyên công gia công tinh, bởi vì ở các nguyên công này các đặc tính chất lượng của lớp bề mặt được hình thành rõ nét Điều này nói lên tầm quan trọng của các phương pháp gia công tinh trong quy trình công nghệ và sự cần thiết phải xác định phương pháp gia công hợp lý với chế độ cắt tối ưu Trong sản xuất

và đang ứng dụng nhiều phương pháp gia công tinh khác nhau và thường tập trung lại thành bốn nhóm chính là: gia công bằng dụng cụ cắt

có lưỡi; gia công bằng các hạt mài kết dính; gia công bằng các hạt mài

tự do và gia công bằng biến dạng dẻo bề mặt

Chất lượng của bề mặt gia công của chi tiết không chỉ phụ thuộc vào tính chất cơ lý của vật liệu mà còn phụ thuộc vào trạng thái của lớp bề mặt, các chi tiết được chế tạo từ một loại vật liệu như nhau nhưng theo các phương pháp công nghệ và chế độ cắt khác

nhau sẽ có tính chất của lớp bề mặt khác nhau Tuy nhiên nói đến chất lượng bề mặt chi tiết khi gia công là ta nói đến độ nhám bề mặt chi tiết và đó là một trong các tiêu chí để đánh giá chất lượng bề mặt đặc trưng cho tính chất hình học của bề mặt gia công Hiện nay có rất nhiều công trình nghiên cứu đến ảnh hưởng của chế độ cắt trên các máy công cụ như máy tiện, máy phay, máy doa, máy tiện CNC, máy phay CNC, Tuy nhiên thực tế có rất nhiều chi tiết máy đòi hỏi có

độ bóng bề mặt cao và thường được gia công trên máy mài phẳng, nhưng vẫn còn rất ít công trình nghiên cứu và chưa được phổ biến rộng rãi Vì vậy một trong những yêu cầu quan trọng khi gia công chi tiết trên máy mài phẳng là phải chọn chế độ cắt hợp lý, cần phải tính toán và lựa chọn một cách hợp lý khi gia công để đảm bảo tăng năng suất, nâng cao chất lượng bề mặt, độ chính xác của chi tiết,

Từ những yêu cầu trên tôi nhận thấy việc thực hiện đề tài “Tối

ưu hóa một số thông số công nghệ khi mài phẳng” mang tính cấp

thiết, không chỉ phục vụ cho việc giảng dạy ở nhà trường mà còn đáp ứng cho quá trình gia công chế tạo hiện nay tại các doanh nghiệp

ßx

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MÀI

1.1 Đặc trưng cắt gọt của phương pháp mài

1.1.1 Quá trình cắt gọt khi mài

a Những đặc điểm khác nhau giữa mài và tiện, phay, bào

- Quá trình mài kim loại là quá trình cắt gọt chi tiết bằng dụng

cụ cắt là đá mài, tạo ra rất nhiều phoi vụn do sự ma sát cắt và cà miết của các hạt mài vào bề mặt chi tiết gia công

- Mài có những đặc điểm khác với các phương pháp gia công cắt gọt khác như tiện, phay bào như sau: Đá mài là dụng cụ cắt có nhiều lưỡi cắt với góc cắt khác nhau Hình dáng hình học của mỗi hạt mài khác nhau, bán kính góc lượn ở đỉnh của hạt mài, hướng của góc cắt sắp xếp hỗn loạn, không thuận lợi cho việc thoát phoi Tốc độ cắt khi mài rất cao, cùng một lúc trong một thời gian ngắn có rất nhiều hạt mài tham gia cắt gọt và tạo nhiều phoi vụn Độ cứng của hạt mài rất cao do đó có thể cắt gọt được những vật liệu cứng mà các loại dụng cụ cắt khác không cắt được như thép đã tôi, hợp kim cứng, Hạt mài có

độ giòn cao nên dễ thay đổi hình dạng, lưỡi cắt dễ bị vỡ vụn tạo thành những hạt mới hoặc bật ra khỏi chất dính kết Do có nhiều hạt cùng tham gia cắt gọt và hướng góc cắt của các hạt không phù hợp nhau tạo

ra ma sát làm cho chi tiết gia công bị nung nóng rất nhanh và nhiệt độ vùng cắt rất lớn Hạt mài có nhiều cạnh cắt và có bán kính tròn p ở đỉnh như hình 1.1

Hình 1.1 Cấu tạo hạt mài

Quá trình tách phoi của hạt mài có thể chia làm 3 giai đoạn như hình 1.2

P y > P z > P x

Lực cắt khi mài được phân tích trên sơ đồ hình 2.4, lực mài P được phân tích ra các lực thành phần Px là lực hướng trục, Py là lực hướng kính, Pz là lực tiếp tuyến vuông góc với mặt phẳng cắt, được tính theo công thức sau:

Pz = Cp Vct S t 10 (N) Trong đó:

Vct- Là vận tốc của chi tiết mài

S - Lượng chạy dao (mm/vòng)

T - Chiều sâu mài (mm/hành trình kép)

Cp- Hệ số phụ thuộc vào vật liệu

d Công suất mài

Công suất của động cơ để truyền động trục đá mài được tính theo công thức sau:

Nđá =



102

Pz

(kw) Trong đó:

Nđá- Công suất của động cơ trục đá mài (kw)

Vđá- Tốc độ quay của đá mài (m/s)

 - Hệ số truyền dẫn của máy,  = 0,75  0,8

Pz - Lực cắt gọt khi mài

1.1.2 Các phương pháp mài

a Mài tròn ngoài

Hình 1.5 Các sơ đồ mài tròn ngoài

a tiến dao dọc; b Tiến dao hướng kính; c Tiến dao tiếp xúc; d, e tiến dao xiên; g mài bằng mặt đầu của đá mài; h mài vô

tâm ăn dao dọc; i mài vô tâm ăn dao ngang

b Mài lỗ

Hình 1.6 Các sơ đồ mài

a tiến dao dọc; b tiến dao ngang (hướng kính); c tiến dao dọc và chi tiết cố định; tiến dao ngang và chi tiết cố định; e mài vô tâm; 1 chi tiết gia công; 2 Bánh dẫn; 3 con lăn đỡ phía dưới; 4

con lăn ép phía trên

c Mài mặt phẳng

Hình 1.7 Các sơ đồ mài mặt phẳng

a đá mài tròn, tiến dao dọc; b Đá mài tròn, tiến dao dọc và ngang; c Đá mài tròn,chạy dao vòng; d Đá mài mặt đầu, chạy dao vòng; e đá mài mặt đầu, tiến dao dọc; g Đá mài mặt đầu, tiến dao

dọc và ngang

d mài định hình

d Các kiểu chạy dao khi mài

Rz

Hình 1.8 Độ nhấp nhô của bề mặt mài

Độ nhám bề mặt gia công được đo bằng chiều cao nhấp nhô

Rz và sai lệch profin trung bình cộng (trung bình số học) Ra của lớp

a Sai lệch profin trung bình cộng Ra

Ra =

n

y y

y n

b Chiều cao nhấp nhô Rz

5

10 8 6 4 2 9 7 5 3

1.3.3 Ảnh hưởng của tốc độ quay của chi tiết

1.3.4 Ảnh hưởng của chiều sâu mài t

1.3.5 Ảnh hưởng của tốc độ đá mài

1.3.6 Độ hạt của đá mài

1.3.7 Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội

1.4 Đá mài

1.4.1 Vật liệu chế tạo đá mài

Vật liệu dùng làm đá mài được chế tạo từ các loại quặng nhưôxit nhôm (Al2O3), kim cương tự nhiên và kim cương nhân tạo hoặc bằng những các hợp chất hoá học kết hợp giữa silic và cácbon tạo thành dạng cácbua, bo cacbit, những loại vật liệu này phần lớn được thiêu kết trong lò ở nhiệt độ cao, rồi nghiền nát thành hạt mài, bột mài có kích thước hạt khác nhau

a Ôxit nhôm

b Silic cacbua (SiC)

c Bo cacbit: (Carbide boron)

d Boron Nitride thể lập phương (CBN)

f Kim cương nhân tạo

64

d Ký hiệu, hình dạng của đá mài và tên gọi

e Chọn và kiểm tra chất lượng đá mài

Chọn đá mài rất quan trọng, nó ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng mài, độ chính xác, độ nhẵn bề mặt, lượng hao phí đá mài

và an toàn lao động

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM

2.1 Khái niệm về quy hoạch thực nghiệm

2.1.1 Khái niệm về thiết kế thực nghiệm

Hình 2.1 Mô hình hóa các quá trình, đối tượng nghiên cứu

2.1.2 Các nguyên tắc thiết kế thực nghiệm

a Nguyên tắc ngẫu nhiên (Principle of Randomization)

b Nguyên tắc lặp lại (Principle of Replication)

c Nguyên tắc tạo khối (Principle of Blocking)

2.1.3 Các dạng thiết kế thực nghiệm

a Thực nghiệm chọn lọc

b Thực nghiệm yếu tố

c Thực nghiệm Taguchi

d Thực nghiệm bề mặt chỉ tiêu (Response Surface Designs)

2.1.4 Trình tự thực hiện thiết kế thực nghiệm

Một cách tổng quát, quy hoạch thực nghiệm được thực hiện theo trình tự:

Quá trình, Hệ thống, Đối tượng

Các tham số Điều khiển được

Các tham số không điều khiển được

(EXPERI

PHÂN TÍCH

(ANAL

1 Chọn các nhân tố thay đổi, các nhân tố ổn định và các thông

số đầu ra cho thực nghiệm

2 Chọn dạng quy hoạch thực nghiệm

3 Chọn mô hình phương trình hồi quy (mô hình toán)

4 Xác định miền giá trị, các mức của các nhân tố

5 Tiến hành thí nghiệm, thu được các kết quả

6 Loại bỏ sai số thô Tính toán các hệ số trong phương trình

hồi quy

7 Kiểm tra tính thích hợp của phương trình hồi quy Nếu

không thích hợp thì lặp lại bước 4 cho đến khi tính thích hợp được

thỏa mãn

8 Phân tích kết quả

2.2 Thiết lập mô hình thí nghiệm

2.2.1 Khái niệm về chọn mô hình toán thực nghiệm

2.2.2 Xác định các tham số trong mô hình toán

a Phương trình hồi quy bậc 1 (tuyến tính) một biến

Phương trình hồi quy tuyến tính một biến có dạng sau:

y = b0 + b1.x

b Phương trình hồi quy bậc 2 (parabol)

Phương trình hồi quy bậc 2 có dạng sau:





- Hàm phi tuyến nhiều biến:

Phương trình hồi quy thực nghiệm có dạng:

Bảng ma trận quy hoạch quay đều bậc 2 với 2 yếu tố

CHƯƠNG 3 TỐI ƯU HÓA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ KHI GIA

CÔNG TRÊN MÁY MÀI PHẲNG HGS-65A

3.1 Sơ lược máy mài phẳng HGS-65A

Máy mài phẳng HGS-65A được sản xuất tại Hàn Quốc, là máy mài chuyên dùng để mài phẳng các bề mặt chi tiết máy yêu cầu đạt

độ bóng cao, gia công được các loại vật liệu kim loại khác nhau như gang, thép, đồng, nhôm Máy có hệ thống di chuyển các trục bằng

hệ thống thủy lực tự động, trục chính chuyển động quay tròn và được đặt cố định

Hình 3.1 Máy mài phẳng HGS-65A (Hàn Quốc)

3.2 Tối ƣu hóa độ nhám bề mặt chi tiết khi gia công bằng đá mài FLANGE - WA46KMV trên máy mài phẳng HGS-65A

3.2.1 Điều kiện thực nghiệm

a Phạm vi thí nghiệm

Độ nhám bề mặt là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng chi tiết gia công Luận văn lựa chọn 2 thông số công nghệ có ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt chi tiết khi mài là chiều sâu cắt t và tốc độ chạy dao Sd

Các thí nghiệm được thực hiện trong các điều kiện sau:

- Máy mài phẳng HGS-65A (Hàn Quốc): tốc độ quay trục chính (trục mang đá): 1800 vòng/phút; kích thước mâm từ (dài x rộng x cao): 600 x 500 x 110; công suất động cơ trục chính (trục mang đá): 3,7kw

- Đá mài Hàn Quốc, ký hiệu Flange - WA46KMV, đường kính

đá mài (đường kính ngoài x chiều dày x đường kính trong)

305x38x127

- Vận tốc bàn máy theo phương ngang: Sng = 1 mm/htk

- Dung dịch trơn nguội: GR-W940

- Chi tiết: vật liệu C45, hình hộp chữ nhật có kích thước 75 x

45 x 25 mm

- Độ nhám được đo bằng máy: Mitutoyo SJ301

Các thông số công nghệ điều chỉnh để nghiên cứu nằm trong phạm vi:

- Chiều sâu cắt: t = 0,1  0,4 mm

- Tốc độ chạy dao dọc: Sd = 5  15 m/phút

b Trình tự thí nghiệm

Sử dụng quy hoạch bậc 2 hỗn hợp quay đều Box – Hunter với

số yếu tố ảnh hưởng k =2 Như vậy, tổng cộng cần tiến hành thực hiện 13 thí nghiệm (N = 13) với:

- Số thí nghiệm ở nhân phương án: 2k = 4

- Số thí nghiệm ở các điểm ( * ): 2.k = 4

- Số thí nghiệm ở tâm phương án: n0 = 5

Khi đó, phương trình hồi quy thực nghiệm biểu diễn mối quan

hệ giữa độ nhám Ra và chiều sâu cắt t cùng tốc độ chạy dao dọc Sd

Hình 3.2 Mẫu thí nghiệm đo độ nhám Ra

b Kết quả đo thí nghiệm

- Thực hiện thí nghiệm đo độ nhám Ra bằng máy đo Mitutoyo

- Kết quả đo thí nghiệm Ra

1 0.44211

0.4 42

1

0.51212 0.512

0 512

0.51212

0.51212

0.5 12

0.5

1212

0.582

0 583

0.58

0.5 82

0 583

0.652

0 655

0.722

0 7 2 6

0.722

0.72216

0.7 2216

0.7 22

0.792

0.7 9217

0.7 92

0.8 62

0.86 219

1.0

022

1.0022

1.0722

1.0722

1.1422

1.1422 1.2

1231.2

8231.3

5231.4223

Bang gia tri Ra

t(mm) 0.2

Do thi do nham be mat

0.1 5

s(m/ph) 10 15

Từ phương trình hồi quy, ta nhận thấy cả hai thông số chiều sâu cắt t

và tốc độ chạy dao dọc Sd đều ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt chi tiết gia công nhưng ở các mức độ khác nhau Khi chiều sâu cắt (mài) tăng sẽ sinh ra các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng dẻo lớp vật liệu

bề mặt, rung động máy, nhiệt cắt, lực cắt tăng lên đây chính là các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhám bề mặt chi tiết khi gia công Mặt khác, khi giảm chiều sâu cắt quá nhỏ sẽ làm các hạt mài không cắt gọt được, tại vùng cắt sẽ xảy ra hiện tượng trượt và làm độ nhám

bề mặt chi tiết tăng lên

Khi tăng tốc độ chạy dao dọc Sd sẽ làm giảm các vết xước và làm giảm độ nhám bề mặt chi tiết gia công vì làm tăng vận tốc cắt Nếu ta giảm tốc độ chạy dao Sd quá nhỏ sẽ dẫn đến bề mặt chi tiết bị biến cứng dẫn đến các hạt mài nhanh mòn và sẽ làm tăng độ nhám của bề mặt gia công

3.2.4 Tối ưu hóa độ nhám bề mặt

Từ phương trình hồi quy, sử dụng phần mềm Matlab để tìm giá trị tối ưu của chiều sâu cắt t và lượng chạy dao Sd để độ nhám Ra nhỏ nhất

Kết quả, giá trị độ nhám nhỏ nhất Ramin = 0.3019 tương ứng với topt = 0.2708 (mm) và Sdopt = 8.5713(m/ph)

Tuy nhiên, thực tế sản xuất thấy rằng, không phải lúc nào cũng có thể gia công với các giá trị t và Sd tối ưu như trên Tùy thuộc vào từng bước công nghệ mà khi thì ta ưu tiên chọn chiều sâu cắt hoặc lượng chạy dao; hoặc là định trước (dự đoán) giá trị độ nhám mong muốn đạt được, từ đó rút ra các giá trị chiều sâu cắt và lượng chạy dao tương ứng

Ví dụ, trường hợp chiều sâu cắt t biết trước, chẳng hạn, chiều sâu cắt cho gia công tinh thường được chọn là t = 0.1(mm) Khi đó,

từ phương trình hồi quy chúng ta cũng dễ dàng xác định giá trị tối ưu của độ nhóm bề mặt Ramin = 0.5222 tương ứng với S = 11.3306

(m/ph) Đồ thị mối quan hệ giữa Ra và Sd với t = 0.1(mm) được thể hiện ở Hình 3.4

Hình 3.4 Quan hệ Ra với Sd tương ứng t = 0.1(mm)

3.3 Thiết kế giao diện tính toán chọn các thông số công nghệ tối ƣu S d , t và độ nhám Ra

Từ phương trình hồi quy, ứng dụng phần mềm Matlab để thiết kế giao diện tìm giá trị độ nhám Ra tối ưu nhất đối với mối

s(m/ph)

2 4 6 8 10 12 14 16 18

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1

quan hệ giữa các thông số công nghệ (t, Sd), trong đó ta có thể chọn chiều sâu cắt t và Sd để tìm được Ra tối ưu nhất, hoặc ta có thể chọn

Ra và chiều sâu cắt t trước để tìm Sd tối ưu nhất, hoặc ta có thể chọn

Ra và Sd trước để tìm chiều sâu cắt tối ưu nhất Với ứng dụng trên ta

sẽ áp dụng để chọn chế độ cắt tối ưu nhằm đảm bảo độ nhám bề mặt chi tiết theo yêu cầu trong quá trình gia công mài phẳng bề mặt chi tiết trên máy mài phẳng HGS-65A Trình tự nhập dữ liệu như sau:

Tại giao diện cửa sổ trên ta chọn nút Start >> để vào hộp thoại chọn các thông số tối ưu Sd, t và độ nhám Ra, để thoát khỏi màn hình giao diện ta chọn nút Exit Khi chọn nút Start >> lúc này

sẽ xuất hiện cửa sổ sau: