(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt chi tiết bằng vật liệu NAK80 khi gia công trên máy mài phẳng

HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÔ THỊ HOÀI NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT BẰNG VẬT LIỆU NAK80 KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY MÀI PHẲNG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ-6

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT

ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT BẰNG VẬT LIỆU NAK80

KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY MÀI PHẲNG

S K C 0 0 6 6 8 4

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÔ THỊ HOÀI

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 601401

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÔ THỊ HOÀI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT BẰNG VẬT LIỆU NAK80 KHI

GIA CÔNG TRÊN MÁY MÀI PHẲNG

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ-601401

Hướng dẫn khoa học:

PGS.TS PHẠM HUY TUÂN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 05/2020

i

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: Ngô Thị Hoài Giới tính: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 03/06/1985 Nơi sinh: Ninh Bình

Quê quán: Ninh Bình Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Đường Bình Giã – P 8 – TP Vũng Tàu Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0975.048.029 Fax: E-mail: hoaint@bctech.edu.vn

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2003 đến 11/ 2007

Nơi học (trường, thành phố): Nam Định

Ngành học: Cơ khí chế tạo máy

2 Đại học:

Hệ đào tạo: VL-VH Thời gian đào tạo từ 11/2010 đến 11/2012

Nơi học (trường, thành phố): Trường ĐHSPKT-TP.HCM

Ngành học: Cơ khí chế tạo máy

Tên đồ án, luận văn hoặc môn thi tốt nghiệp:

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận văn hoặc thi tốt nghiệp:

Người hướng dẫn:

3 Thạc sĩ:

Nơi học (trường, thành phố): Đại học SPKT Tp Hồ Chí Minh

Ngành học: Kỹ thuật cơ khí

Tên luận văn: Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt chi tiết bằng vật liệu thép NAK80 khi gia công trên máy mài phẳng

Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 30/05/2020 tại Trường Cao đẳng nghề Công nghệ cao Đồng Nai

Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Huy Tuân

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

nhiệm

03/2010

Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Công Nghệ Bà Rịa – Vũng Tàu

Chuyên viên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 6 năm 2020

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Ngô Thị Hoài

CẢM TẠ

Lời đầu tiên em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến các thầy cô giáo trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, đặc biệt là PGS.TS Phạm Huy Tuân đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn cũng như đã đóng góp các ý kiến quý báu trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp để giúp em hoàn thành luận văn “nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi mài phẳng vật liệu thép NAK80”

Em cũng xin lời cảm ơn chân thành đến ban chủ nhiệm, Hội đồng khoa học, các thầy cô giáo trong bộ môn công nghệ chế tạo máy Khoa Cơ khí Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật, TP Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để em nghiên cứu, tìm hiểu các kiến thức thực nghiệm mang tính thực tế rất cao áp dụng vào luận văn tốt nghiệp

Qua đây em cũng gửi lời tri ân sâu sắc tới toàn thể các thầy cô giáo và các cộng sự

ở trường Cao đẳng kỹ thuật công nghệ đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành các thực nghiệm, trong suốt quá trình làm luận văn

Tp Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 05 năm 2020

Học viên

Ngô Thị Hoài

TÓM TẮT

Luận văn nghiên cứu tối ưu hóa chế độ cắt khi mài phẳng thép NAK80 bằng đá mài USA- RPM MAX x 3800 theo chỉ tiêu nhám bề mặt (Ra) Sử dụng ma trận thực nghiệm dạng Taguchi để xác định giá trị tối ưu của các thông số lượng chạy dao ngang (Sng), chiều sâu cắt (t) và lượng chạy dao dọc (Sd) Kết quả xác định được giá trị tối ưu của các thông số Sng, t, Sd có giá trị tương ứng: 8(mm/s), 0,001(mm), 32(HT/ph), Ứng với giá trị này của bộ thống số chế độ cắt, nhám bề mặt đạt giá trị Ra = 0,142541 (µm) Kết quả thực nghiệm của đề tài luận văn có thể sử dụng làm cơ sở khoa học cho việc lập trình điều khiển quá trình mài trên thiết bị sử dụng đối với vật liệu khảo sát, cũng như vật liệu tương tự khác

ABSTRACT

This thesis studied the optimization of cutting parameters for NAK80 steel on cylindrical grinder using USA- RPM MAX x 3800 grinding wheel The objective function

is the minimization of surface roughness Taguchi method was used to design the

experiments with three variables, namely, transverse velocity (Sng), depth of cut (t) and feed rate (Sd) The results showed that the optimization value of Sng, t and Sd are

8(mm/s), 0.001(mm) and 32(HT/ph), respectively for a surface roughness of

Ra=0.142541µm

The experimental results of this thesis are not only used as a reference for

machining NAK80 steel using cylindrical grinder but other similar materials as well

MỤC LỤC

LÝ LỊCH KHOA HỌC vii

LỜI CAM ĐOAN ix

CẢM TẠ x

TÓM TẮT xi

MỤC LỤC xii

Danh sách các chữ viết tắt xv

Danh sách các hình xvi

Danh sách các bảng xvii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 4

TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH MÀI PHẲNG 4

1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 4

1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 4

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 4

2 Đặc điểm cơ bản của quá trình mài 5

3 Khái quát về phương pháp mài phẳng 7

4 Kết luận Chương 1 8

CHƯƠNG 2 10

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VẬT LIỆU KHUÔN MẪU NAK80 - XÁC ĐỊNH MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 10

2.1 Lý thuyết tổng quan về vật liệu khuôn mẫu NAK80 10

2.1.1 Thành phần hóa học của thép NAK80 10

2.1.2 Đặc tính thép NAK80 10

2.1.3 Vai trò của vật liệu NAK80 trong ngành công nghiệp sản xuất khuôn mẫu 11

2.2 Đề xuất mô hình thực nghiệm xác định ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi mài phẳng 11

2.2.1 Các điều kiện giới hạn của mô hình 11

2.2.2 Thiết lập mô hình xác định nhám bề mặt 12

2.2.3 Thiết kế thực nghiệm 12

2.3 Tình hình về thiết kế thực nghiệm trong chế tạo máy ở trên thế giới và trong nước

12

2.4 Thiết kế thực nghiệm theo phương pháp Taguchi, ANOVA 13

a Khái niệm Taguchi 13

b Đóng góp của Taguchi 14

c Thiết kế thí nghiệm Taguchi 14

 Khái niệm thiết kế thí nghiệm DOE 15

 Trình tự thực nghiệm DOE với Taguchi 15

2.5 Kết luận Chương 2 19

CHƯƠNG 3 21

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN NHÁM BỀ MẶT KHI MÀI PHẲNG VẬT LIỆU NAK80 21

a Sơ đồ mô hình thí nghiệm 21

b Trang thiết bị, vật liệu thí nghiệm, thiết bị đo độ nhám 21

3.2.1 Máy mài phẳng 21

3.2.2 Đá mài 23

3.2.3 Chi tiết gia công 24

3.2.4 Thiết bị đo độ nhám 25

3.2.5 Lựa chọn chế độ công nghệ 25

3.2.6 Thiết kế ma trận thực nghiệm Taguchi 26

3.3 Kết quả thực nghiệm 27

3.4 Kết luận chương 3 33

CHƯƠNG 4 34

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34

4.1 Kết quả phân tích Taguchi 34

4.2 Phân tích phương trình hồi quy 35

4.3 Biểu đồ tác dụng chính của các yếu tố (Main Effects Plot for Means) 39

4.4 Biểu đồ phần dư chuẩn hóa Normal P-P Plot (Main Effects Plot for Means) 41

4.5 Biểu đồ phân bố tần suất Histogram 43

4.6 Đánh giá ảnh hưởng tương tác giữa các biến thí nghiệm 44

4.7 Đồ thị đáp ứng bề mặt đường và mức 45

4.8 Tối ưu hóa bằng phương pháp RSM- đáp ứng bề mặt 47

4.9 So sánh kết quả đạt được từ phương pháp Taguchi và RSM 49

4.10 Kết luận chương 4 50

CHƯƠNG 5 51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51

 b: Ứng suất của vật liệu

lc: Chiều dài tiếp xúc (mm)

lk:: Chiều dài đường cắt (mm)

l: Chiều dài cung tiếp xúc của đá mài với chi tiết (mm) m: Tỉ lệ mài

Ne: Công suất (kW)

nđ: Tốc độ quay của đá (vòng/phút)

Px: Lực cắt pháp tuyến tế vi (kG)

Py: Lực cắt pháp tuyến (kG)

Pz: Lực cắt tiếp tuyến (kG)

Sn: Lượng tiến dao ngang(mm/s)

Ra: Độ nhám bề mặt gia công (m)

Sd: Lượng tiến dao dọc (ht/ph)

Danh sách các hình

Hình 1.1 Sơ đồ mài phẳng Trang 5

Hình 1.2 Mài phẳng bằng đầu mặt đá Trang 8

Hình 2.1 Sơ đồ thiết kế thực nghiệm theo phương pháp Taguchi Trang 14 Hình 2.2 Thiết kế ma trân trực giao trên Minitab16 Trang 18

Hình 3.1 Sơ đồ mô hình thí nghiệm Trang 21

Hình 3.2 Máy mài phẳng Okamoto Trang 22

Hình 3.3 Đá mài Trang 23

Hình 3.4 Bản vẽ Chi tiết gia công Trang 24 Hình 3.5 Ảnh chi tiết gia công Trang 25

Hình 3.6 Máy đo độ nhám Trang 25

Hinh 3.7 Mài mẫu thí nghiệm bằng vật liệu thép NAK80 Trang 28 Hình 3.8 Thí nghiệm đo độ nhám mẫu vật liệu thép NAK80 Trang 28

Hình 3.9 In các thông số trên máy sau khi mài Trang 29

Hình 4.2a,b Đồ thị ảnh hưởng chuẩn hóa các biến Trang 41,42

Hình 4.3 Biểu đồ phân bố tần suất Trang 43

Hình 4.4 Đồ thị giữa Ra với Sn và Sd Trang 44

Hình 4.5a Đồ thị giữa Ra với t và Sd Trang 45

Hình 4.5c Đồ thị giữa Ra với Sn và t Trang 46

Hình 4.6a,b Đồ thị, số liệu tối ưu hóa Trang 48

Danh sách các bảng

Bảng 2.1 Thành phần hóa học thép NAK80 Trang 10

Bảng 2.3 Ma trận L9 Trang 18 Bảng 3.1 Thông số đá mài Trang 24 Bảng 3.2 Giá trị thông số hệ thống công nghệ Trang 26

Bảng 3.3 Ma trận thực nghiệm theo Taguchi Trang 27

Bảng 3.7 Thông số đầu ra Ra cần xử lý Trang 32

Bảng 4.1 Hệ số S/N tính toán cho đô nhám Ra Trang 35

Bảng 4.2 Các hệ số phương trình hồi quy Trang 37

Bảng 4.3 Hệ số hồi quy Ra cho các biến chuẩn hóa Trang 37

Bảng 4.4 Phân tích phương sai cho độ nhám bề mặt Ra Trang 38

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Mài là nguyên công rất cần thiết trong quy trình chế tạo cơ khí, cho phép gia công nhiều loại bề mặt khác nhau, đạt độ chính xác cao và nó đã tồn tại từ rất lâu trong lịch

sử Ngay từ thời tiền sử người nguyên thuỷ đã làm sắc công cụ bằng cách chà sát mạnh chúng vào đá Ngày nay, mài giữ một vai trò hết sức quan trọng và chiếm khoảng 20

÷ 25 % tổng chi phí cho gia công, đặc biệt là mài sắc dụng cụ như: dao tiện, dao phay, mũi khoan,…

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công mài, thông thường người ta đánh giá thông qua tiêu chí độ nhám bề mặt

Khi mài ngoài vấn đề gá đặt chi tiết, việc chọn đá mài, thì chế độ mài đóng vai trò quyết định đối với chất lượng của sản phẩm Các thông số công nghệ bao gồm: vận tốc của đá mài, vận tốc của chi tiết mài, lượng chạy dao ngang, chiều sâu cắt, lực cắt, topography của đá mài… Trong đó, các thông số công nghệ: vận tốc của đá mài, vận tốc của chi tiết mài, lượng chạy dao ngang, chiều sâu cắt, được gọi là chế độ mài

Ở Việt Nam, gia công tinh hiện nay đang có chiều hướng phát triển, nhiều quốc gia trên thế giới đã đầu tư xây dựng các nhà máy sản xuất cơ khí chính xác mà nguyên công chính là mài Nhưng việc nghiên cứu về lý thuyết mài vẫn còn ít chưa đáp ứng được nhu cầu của xã hội

Trên cơ sở đó, tác giả lựa chọn và nghiên cứu sâu một vấn đề của Mài:

Học viên chọn đề tài luận văn cao học về vấn đề: “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhám bề mặt khi mài phẳng bằng vật liệu NAK80” là cần thiết có ý

nghĩa khoa học và thực tiễn hiện nay ở Việt Nam

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Thép NAK80 được sử dụng để sản xuất và học tập tại trường Cao đẳng Kỹ Thuật Công Nghệ Bà Rịa- Vũng Tàu,

Máy mài phẳng OKAMOTO,

Đá mài hình trụ, mài bằng chu vi đá,

Mài là một nguyên công trong quy trình công nghệ chế tạo cơ khí phức tạp, có nhiều yếu tố gây ảnh hưởng đến chất lượng gia công, trong đó có độ nhám bề mặt và chưa được nghiên cứu đầy đủ, ví dụ như:

 Hình thái ban đầu trên bề mặt của chi tiết mài, …

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài Luận văn Cao học này chỉ giới hạn tập trung vào khảo sát ảnh hưởng của 3 yếu tố công nghệ chính là:

 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt (t) đến nhám bề mặt;

 Ảnh hưởng của lượng chạy dao dọc (Sd) đến nhám bề mặt;

 Ảnh hưởng của lượng chạy dao ngang (Sng) đến độ nhám bề mặt chi tiết gia công ở dạng phẳng, với điều kiện biên khi coi ảnh hưởng của các yếu tố khác là hằng số

Như ta đã biết, để có một kết quả chính xác cao trong nghiên cứu thực nghiệm, cần thiết phải tiến hành ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố và mất nhiều thời gian, cần rất nhiều trang thiết bị Với thời gian hạn chế và khuôn khổ của một luận văn Thạc sĩ hạn hẹp nên có thể còn nhiều khiếm khuyết, học viên xin được các thầy góp ý kiến để hoàn thiện kết quả nghiên cứu của mình Đồng thời có được định hướng nghiên cứu phát triển luận văn ở mức cao hơn trong tương lai

Chế độ mài (bao gồm: vận tốc của đá mài, vận tốc của chi tiết mài (lượng chạy dao dọc, lượng chạy dao ngang, chiều sâu cắt…)

3 Phương pháp nghiên cứu

Để nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhám bề mặt chi tiết khi mài phẳng Phương pháp nghiên cứu là lý thuyết kết hợp với thực nghiệm nhằm thích ứng được

tính khoa học và thực tiễn của đề tài Trên cơ sở các mô hình lý thuyết đưa ra của một

số tác giả trên thế giới và trong nước, tiến hành thực nghiệm và kiểm chứng Từ các kết quả thực nghiệm đưa ra kết luận, đánh giá cho điều kiện mài cụ thể, từ đó có thể

độ bóng bề mặt chi tiết gia công

Dần làm sáng tỏ quá trình mài và tiến tới tối ưu hóa quá trình mài

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

 Làm phong phú thêm lý thuyết trong qui hoạch thực nghiệm và xử lý dữ liệu thực nghiệm, quá trình tối ưu hóa các thông số công nghệ trong điều kiện tại Việt Nam

 Ứng dụng trí tuệ nhân tạo vào kỹ thuật điều khiển thông số trong lĩnh vực công nghệ cơ khí

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH MÀI PHẲNG

1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Ngày nay với sự phát triển về công nghệ thông tin và tự động hóa đã mang đến những hướng nghiên cứu mới Tác giả Dasthagiri và Goud [1] nghiên cứu tối ưu hóa các thông số mài bề mặt bằng phương pháp đáp ứng bề mặt RSM Hasan và các công

sự [2] đã đề cập đến việc áp dụng kỹ thuật tối ưu hóa Taguchi để giảm vấn đề cong vênh liên quan đến biến thể co ngót

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam thì việc ứng dụng các phương pháp mới như trí tuệ nhân tạo vào công nghệ mài còn hạn chế Trong những năm gần đây, có một số công trình nghiên cứu về mài:

Năm 2014 tác giả Đỗ Đức Trung và đồng tác giả [3] nghiên cứu ảnh hưởng của lượng chạy dao đến chất lượng bề mặt gia công thép 20X thấm cacbon khi mài vô tâm chạy dao hướng kính Đã nghiên cứu thực nghiệm hai thông số đặc trưng của chất lượng bề mặt gia công được khảo sát gồm độ nhám bề mặt Ra và độ không tròn Từ

đó đưa ra được mức độ ảnh hưởng của lượng chạy dao đến độ nhám và độ không tròn Đồng thời nghiên cứu này cũng chỉ ra khoảng chạy dao hợp lý khi gia công tinh mác thép 20X thấm các bon bằng phương pháp mài vô tâm chạy dao hướng kính

Năm 2018 nhóm tác giả Trần Quốc Hùng [4] nghiên cứu về tối ưu hóa chế độ cắt khi mài tròn ngoài thép hợp kim SKD61 theo chỉ tiêu nhám bề mặt, trong bài báo này tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để xác định giá trị tối ưu hóa của các thông số của chế độ cắt Vct, t, Sd nhằm đảm bảo nhám bề mặt có giá trị nhỏ nhất

Có thể thấy trong các nghiên cứu trên dừng lại ở việc tìm ra được hàm quan hệ toán học dựa trên một chỉ tiêu nào đó mà chưa có một công trình nghiên cứu nào đề cập đến vấn đề tối ưu hóa đa mục tiêu khi mài các loại thép hợp kim Việc xây dựng

và giải quyết bài toán tối ưu đa mục tiêu 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 đồng thời chất lượng sản phẩm và năng suất gia công

2 Đặc điểm cơ bản của quá trình mài

[5] Mài là phương pháp gia công kim loại bằng cắt gọt, sử dụng dụng cụ cắt là đá mài Quá trình mài thực chất là quá trình được thực hiện bởi vô số hạt mài rất cứng và chống mòn tốt, chúng được gắn cưỡng bức với nhau bởi chất kết dính cắt đi lớp lượng

dư rất nhỏ trên bề mặt vật gia công Mỗi hạt mài (gồm nhiều lưỡi cắt có góc độ khác nhau) lấy đi lượng kim loại rất nhỏ khoảng vài micron Để tạo thành bề mặt gia công, mỗi quá trình mài có hàng nghìn hạt mài tham gia cắt gọt đồng thời và hàng triệu dao liên tiếp

Để thực hiện quá trình (hình 1.1) đá mài và chi tiết phải có các chuyển động cần thiết Khi mài phẳng, đá chuyển động quay tròn theo chiều mũi tên 2, chi tiết chuyển động tịnh tiến theo chiều mũi tên 4, các hạt mài 7 được gắn cưỡng bức lên bề mặt đá bởi chất kết dính 6 Giữa chất kết dính và các hạt mài là các khe hở 5 (gọi là các khoảng trống)

Hình 1.1 : Sơ đồ mài phẳng: [5] 1)mặt đầu đá ; 2)chiều quay đá; 3)mặt trụ đá;

4)hướng dịch chuyển; 5) khoảng trống; 6) chất kết dính; 7)hạt mài

Mài là phương pháp gia công tinh phổ biến ở nguyên công cuối cùng của một quá trình công nghệ gia công bằng phương pháp mài có ưu điểm là có thể cắt được chiều

sâu cắt rất nhỏ, với vận tốc cắt khá cao, điều chỉnh, gá đặt chi tiết đơn giản, không tốn nhiều thời gian và thay đổi chế độ cắt ngay trong quá trình gia công Thường chiều sâu cắt từ 0,005÷0,09 mm độ bóng và độ chính xác rất cao (từ cấp 7÷9, nhám bề mặt

từ 0,2÷3,2μm)

Rõ ràng là không có phương pháp gia công nào có thể so sánh được với mài về độ bóng và độ chính xác gia công Ví dụ, khi gia công các lát silíc trong công nghệ vi điện tử, khi đó người ta dùng các đĩa mài hoặc cưa cực mỏng (chỉ dầy khoảng 20μm) Ngoài ra mài còn được sử dụng để gia công thô, bạt mấu phôi trong các phân xưởng tạo phôi, cắt đứt, làm sạch các thỏi thép trong các xưởng đúc và trong các nhà máy thép với tốc độ khoảng 1600 cm3/ph, … nhờ có tốc độ cắt rất cao và có thể cắt đi lớp

vỏ cứng của bề mặt phôi Tốc độ cao cũng là một trong những đặc điểm nổi bật của mài, tốc độ mài thường từ 30÷50 m/s (từ 1800÷3000 v/p), với mài cao tốc vận tốc cắt khoảng 100 m/s hoặc cao hơn Vận tốc này lớn hơn từ 10÷60 lần so với vận tốc cắt khi tiện, thời gian mài diễn ra rất nhanh (khoảng 10-4 ÷ 10-5 s) Nhờ có tốc độ cắt cao

mà động năng của các hạt mài đủ lớn để không bị tách ra khỏi bề mặt đá mài trong quá trình tách phoi Tuy nhiên tốc độ cắt cao công với các góc mài không hợp lý (các hạt mài có hình dáng bất kỳ và có góc cắt không hợp lý: góc cắt lớn và góc trước âm) nên nhiệt cắt sinh ra trong quá trình mài rât lớn (1000 ÷ 15000c), làm biến dạng cấu trúc mạng tinh thể và biến đổi các tính chất cơ lý lớp vật liệu bề mặt Khi mài thường gây ra các khuyết tật như: Cháy mài, thoát các bon, nứt tế vi, ứng suất dư (ứng suất dư khi mài là ứng suất dư kéo) Giá thành mài cao điều đó cũng là các trở ngại làm hạn chế khả năng công nghệ của mài

Khi gia công các loại vật liệu có độ cứng cao và giòn, không thể hoặc rất khó gia công bằng các phương pháp khác Mài có thể dùng để gia công thép tôi hoặc thép đã hoá cứng như dụng cụ cắt, ổ bi, …

Mặc dù đóng vai trò rất quan trọng trong công nghiệp nhưng mài vẫn có nhiều hạn chế Mài tinh thường đắt hơn so với các phương pháp gia công khác tính theo thể tích vật liệu bị cắt đi, do đó chỉ được dùng trong các trường hợp cần thiết Dĩ nhiên chiều dầy gia công càng ngày càng giảm do sự phát triển của các phương pháp đúc và tạo phôi khác, mài trở nên càng kinh tế với tư cách là phương pháp gia công trực tiếp đạt

kích thước danh nghĩa mà không cần qua các phương pháp gia công khác như tiện, phay

Tóm lại, mài là một quá trình phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố, các yếu tố lại

có sự tác động tương hỗ lẫn nhau, điều đó được mô tả trong (hình 1.1)

Trong các đại lượng của quá trình mài rất phức tạp, các yếu tố có thể ảnh hưởng tác động lẫn nhau hoặc tác động song song Trong tất cả các phương pháp gia công phổ biến, mài là phương pháp còn nhiều vấn đề phải nghiên cứu Do khi mài vô số các

vị trí cùng được gia công, hình dạng hình học không giống nhau tốc độ cắt cao và chiều sâu cắt nhỏ, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt phức tạp, khó xác định

và không ổn định theo thời gian, trong khi đó quy luật thay đổi và tác động qua lại của chúng phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện gia công và tình trạng cụ thể của máy

3 Khái quát về phương pháp mài phẳng

[5] Mài phẳng được thực hiện theo hai phương pháp: 1) Bằng mặt đầu đá , sơ đồ nguyên lý cho trên (hình 1.2) (năng suất bóc phoi lớn, vì số lượng hạt mài tham gia cắt đồng thời lớn, nhiệt cắt lớn, dễ gây ra các vết cháy, nứt tế vi và biến dạng nhiệt trên vật mài); 2) Bằng đá mài hình trụ (diện tích tiếp xúc giữa đá và phôi nhỏ, số lượng hạt mài tham gia cắt gọt đồng thời trong quá trình cắt gọt nhỏ, nhiệt trên bề mặt tiếp xúc giữa đá và phôi nhỏ, do đó độ chính xác gia công cao hơn phương pháp mài bằng mặt đầu của đá)

Trong trường hợp thứ 2: vận tốc đá mài thường từ 20 ÷ 40 m/s trên các máy mài thông thường và có thể lên tới 200m/s trên các máy mài cao tốc Chi tiết gia công được

gá trên bàn gá hoặc bàn từ và chuyển động tịnh tiến khứ hồi trong quá trình mài để gia công hết chiều dài chi tiết gia công Vận tốc chuyển động của chi tiết khoảng từ 3 ÷

45 m/ph

Trong quá trình gia công, vận tốc dịch chuyển ụ đá có thể thay đổi vô cấp từ 2 ÷

40 mm/HTK tuỳ theo loại máy, cần sử dụng dung dịch tưới nguội cấp liên tục vào vùng cắt để làm nguội chi tiết, đẩy phoi và các phế thải ra ngoài, tạo điều kiện cho quá trình mài được dễ dàng, giảm ứng suất dư kéo, biến dạng nhiệt, các vết nứt tế vi cũng như các vết xước do các phế thải chà sát vào bề mặt gia công

Phương pháp ăn dao nhiều lần (áp dụng với các chi tiết mài có chiều sâu cắt nhỏ): chiều sâu cắt cho mỗi lần chạy dao nhỏ nhưng lượng chạy dao ngang lớn, nó cho phép giảm tối đa các ảnh hưởng của nhiệt cắt, do đó thường sử dụng cho gia công tinh cũng như các chi tiết mỏng

Sơ đồ nguyên lý mài phẳng bằng đá mài hình trụ có thể tiến hành theo hai cách:

Hình 1.2 Mài phẳng bằng mặt đầu đá[5]

4 Kết luận Chương 1

Để nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhám bề mặt chi tiết khi mài phẳng Phương pháp nghiên cứu là lý thuyết kết hợp với thực nghiệm nhằm thích ứng được tính khoa học và thực tiễn của đề tài Từ các kết quả thực nghiệm đưa ra kết luận, đánh giá cho điều kiện mài cụ thể, từ đó có thể áp dụng vào thực tiễn

Thành công bước đầu của đề tài sẽ được áp dụng rất có hiệu quả để định hình chọn chế độ cắt khi mài Nó giúp nhà công nghệ chọn chế độ cắt tối ưu, giảm sai số và tăng

độ bóng bề mặt chi tiết gia công

Dần làm sáng tỏ quá trình mài và tiến tới tối ưu hóa quá trình mài

Mài là một yếu tố phức tạp và chưa được nghiên cứu đầy đủ Độ nhám bề mặt cũng chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố trong quá trình gia công như:

 Nhám và sóng ban đầu trên bề mặt của chi tiết mài, …

Để có một kết quả chính xác cao phải tiến hành thí nghiệm ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố và mất nhiều thời gian, cần rất nhiều trang thiết bị Với thời gian thực hiện ngắn nên đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của yếu tố quyết định đến nhám

bề mặt mài là chế độ cắt (t, S ng , S d) khi coi ảnh hưởng của các yếu tố khác là hằng số

Vì vậy đề tài sẽ khó có một kết quả đầy đủ, ý nghĩa thực tiễn sẽ bị hạn chế Nhưng trong tương lai được tiến hành phát triển khi tiến hành nghiên cứu đầy đủ các yếu tố

sẽ có được các kết quả tốt và được ứng dụng rất rộng rãi, nâng cao hiệu quả phương pháp mài phẳng Nội dung đề tài sẽ là cơ sở để tiến tới tối ưu hóa quá trình mài

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VẬT LIỆU KHUÔN MẪU NAK80 -

XÁC ĐỊNH MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM

2.1 Lý thuyết tổng quan về vật liệu khuôn mẫu NAK80

Thép NAK80 là mác thép do hãng DaiDo của Nhật Bản sản xuất, tên thép được đặt dựa theo tên các thành phần hóa học: N (Nickel), A (Aluminum), K (Kupfer – tên của nguyên tố Cu trong tiếng Đức) Mác thép NAK80 được tạo ra vào năm 1980, và

số “80’’ trong tên gọi chính là năm xuất hiện loại thép này

Với thời điểm đó, thép NAK80 được xem là mác thép bán chạy nhất của DaiDo Ứng dụng của thép NAK80 là làm khuôn nhựa chế tạo vỏ điện thoại, máy fax, máy quay phim, vỏ tivi LCD, máy tính xách tay, vỏ táp lô của xe ô tô, chai lọ mỹ phẩm,……

2.1.1 Thành phần hóa học của thép NAK80

 Dễ hàn, dễ chỉnh sửa;

 Giữ độ chính xác cao trong quá trình sử dụng;

 Có khả năng đánh bóng cao sau khi gia công bằng xung điện (EDM)

Thép NAK80 chuyên sử dụng làm khuôn ép nhựa, với độ cứng sẵn có ở mức 37HRC – 42 HRC có thể sử dụng ngay mà không cần trải qua quá trình nhiệt luyện đối với 1 số nhu cầu không cần độ cứng cao

2.1.3 Vai trò của vật liệu NAK80 trong ngành công nghiệp sản xuất khuôn mẫu

Ứng dụng của thép NAK80 là làm khuôn nhựa chế tạo vỏ điện thoại, máy fax, máy quay phim, vỏ tivi LCD, máy tính xách tay, vỏ táp lô của xe ô tô, chai lọ mỹ phẩm,……

2.2 Đề xuất mô hình thực nghiệm xác định ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi mài phẳng

Để khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến nhám bề mặt khi mài phẳng chọn một mô hình phù hợp với nội dung đề tài khảo sát và kiểm nghiệm

2.2.1 Các điều kiện giới hạn của mô hình

Việc khảo sát đầy đủ ảnh hưởng của tất cả các yếu tố là rất cần thiết, xong do giới hạn về thời gian, trang thiết bị việc thực nghiệm để khảo sát ảnh hưởng của tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến nhám bề mặt là không thể Vì vậy mô hình thực nghiệm của đề tài giới hạn khảo sát ảnh hưởng của chế độ cắt gồm: Vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt khi coi các yếu tố ảnh hưởng còn lại đối với mô hình thực nghiệm của đề tài là hằng số Các yếu tố hạn chế gồm:

 Đá mài: mô hình tiến hành thực nghiệm với một loại đá mài xác định là Grade, Dđá = 355 mm, d = 127 mm, B = 38 mm, độ hạt 46 Với các điều kiện như trên ảnh hưởng của đá và các đặc tính của nó được coi là hằng số;

 Máy mài: máy dùng cho thí nghiệm là máy mài phẳng OKAMOTO Nhật Bản, các yếu tố như độ cứng vững, dao động…cũng chưa được xét đến trong đề tài;

 Loại vật liệu gia công: do thời gian có hạn, số lượng thí nghiệm thực hiện tương đối nhiều vì vậy đề tài tiến hành thực nghiệm với một loại vật liệu là Thép NAK80;

 Dung dịch tưới nguội: dung dịch tưới được chọn là dioxy với áp lực và lưu lượng không thay đổi;

 Tốc độ quay của đá mài: do thí nghiệm tiến hành với một loại đá, vì vậy vận tốc cắt của đá mài cũng được giới hạn ở V = 26,9 m/s

2.2.2 Thiết lập mô hình xác định nhám bề mặt

Việc xây dựng mô hình xác định nhám bề mặt theo thời gian có một ý nghĩa

vô cùng quan trọng để tiến tới tự động hoá và nâng cao năng suất quá trình mài Với mỗi một điều kiện gia công cụ thể ta sẽ có một quan hệ đặc trưng, vì vậy việc xây dựng mô hình xác định nhám bề mặt khi mài phẳng cho các điều kiện mài khác là rất cần thiết Tuy nhiên để khảo sát tất cả các yếu tố cần nhiều thời gian và máy móc thiết bị, để lập ra được một mô hình tổng quát xét đến ảnh hưởng của tất cả các yếu tố sẽ rất phức tạp vì vậy dựa trên cơ sở lý thuyết và các mô hình

cơ bản của các nhà nghiên cứu trên thế giới ta có thể chọn một mô hình phù hợp với các điều kiện thí nghiệm nhất, nhằm tăng độ chính xác và giảm thời gian thiết lập mô hình

v, s, t – Các yếu tố lựa chọn tương ứng với một trong các chế độ cắt khi mài phẳng

Do thời gian có hạn đề tài chỉ tiến hành thí nghiệm và xây dựng ảnh hưởng của chế độ cắt tới nhám bề mặt, với các ảnh hưởng như: dung dịch tưới nguội, vật liệu gia công, hạt mài, coi là hằng số

nhiều phần tử Những bài toán này thường giải quyết ở các mức độ nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hệ, lập mô hình biểu diễn mối phụ thuộc giữa các yếu

tố khảo sát, điều khiển các thông số công nghệ theo mục đích cho trước, hoặc đưa

về trạng thái tối ưu theo những chỉ tiêu đánh giá đã chọn

Một thiết kế thực nghiệm tốt là thiết kế chỉ ra được các thông số chính ảnh hưởng đến các kết quả đầu ra với số lượng các thí nghiệm hợp lý, các mức của mỗi thông số được thiết lập cụ thể Trong khi các thí nghiệm truyền thống thường yêu cầu các mức của một thông số có số bước giống nhau để dễ dàng trong việc lựa chọn bảng quy hoạch thực nghiệm Các kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp Taguchi đã được ứng dụng hiệu quả để tối ưu hóa trong quá trình mài, số lượng các thông số đầu vào với các mức được khảo sát lớn, thông số đầu vào có thể không cần định lượng và trị số các mức được chọn tùy ý Bên cạnh đó, những kết quả nhận được từ phương pháp này có độ chính xác cao do đã loại bỏ được ảnh hưởng của các thông số nhiễu Trên cơ sở đó tác giả lựa chọn phương pháp Taguchi để thiết kế thực nghiệm

2.4 Thiết kế thực nghiệm theo phương pháp Taguchi, ANOVA

a Khái niệm Taguchi

Phương pháp Taguchi (TS Genichi Taguchi - Nhật Bản) liên quan đến việc

giảm sự thay đổi trong một quá trình thông qua các thiết kế mạnh mẽ của các thí nghiệm Mục đích của phương pháp này là tạo ra sản phẩm chất lượng cao với chi phí thấp cho các nhà sản xuất TS.G.Taguchi đã phát triển một phương pháp thiết

kế các thực nghiệm, để nghiên cứu biện pháp xác định các thông số khác nhau ảnh

hưởng đến giá trị trung bình và phương sai (average value and variances) của đặc tính hiệu suất quá trình, xác định xem quá trình này hoạt động tốt như thế nào Thiết kế thực nghiệm bởi Taguchi đề xuất liên quan đến việc sử dụng các ma trận

trực giao để tổ chức các thông số ảnh hưởng đến quá trình và các mức, mà tại đó

chúng sẽ được thay đổi, nó cho phép để thu thập các dữ liệu cần thiết để xác định

các yếu tố ảnh hưởng đến hầu hết chất lượng sản phẩm với một số lượng tối thiểu của thí nghiệm, do đó tiết kiệm thời gian và nguồn lực Phân tích phương sai trên

các dữ liệu thu thập được từ các thiết kế thực nghiệm Taguchi, có thể được sử dụng để chọn các giá trị thông số mới nhằm tối ưu hóa các đặc tính hiệu suất

c Thiết kế thí nghiệm Taguchi

Hình 2.1: Sơ đồ thiết kế thực nghiệm theo phương pháp Taguchi

Xác định các yếu tố

Xác định điều kiện thử nghiệm

Dự đoán hiệu suất

Xác định và kiểm soát yếu tố ngây nhiễu

Thiết kế các ma trận thực nghiệm (AOs)

Xác định mức tối

ưu

ANOVA

và phân tích S/N

Hiệu suất trong điều kiện lựa chọn

Giai đoạn

1

Giai đoạn 2

Giai đoạn 3

 Khái niệm thiết kế thí nghiệm DOE

Thiết kế thí nghiệm (DOE) là một công cụ mà có thể được sử dụng mạnh mẽ trong một loạt các tình huống thí nghiệm DOE cho phép kiểm soát nhiều yếu tố đầu vào để xác định ảnh hưởng đến yếu tố đầu ra mong muốn DOE có thể giúp xác định những tương tác quan trọng giữa các yếu tố cái mà có thể bị thiếu sót khi thử nghiệm với một yếu tố tại một thời điểm Việc sử dụng thiết kế thí nghiệm (DOE) khi ta muốn khảo sát nhiều hơn một yếu tố đầu vào bị nghi là ảnh hưởng đến một hay nhiều yếu tố đầu ra

 Trình tự thực nghiệm DOE với Taguchi

Bước 1: Xác định các định tính chất lượng của sản phẩm và các thông số thiết kế

quan trọng cho sản phẩm hay quy trình

 Trước khi tiến hành thí nghiệm, kiến thức về sản phẩm/quy trình được điều tra có tầm quan trọng hàng đầu để xác định các yếu tố có khả năng ảnh hưởng đến kết quả Để mà tổng hợp danh sách các yếu tố, đầu vào cho thí nghiệm thường được lấy từ tất cả những người tham gia dự án

Bước 2: Xác định hàm mục tiêu để tối ưu

 Để xác định ảnh hưởng của từng biến ở đầu ra, tỷ lệ tín hiệu nhiễu (the noise ratio), hoặc giá trị SN, cần tính toán cho mỗi thử nghiệm được thực hiện Việc tính toán giá trị SN đối với các thử nghiệm đầu tiên trong ma trận trên được hiển thị dưới đây cho trường hợp với giá trị mục tiêu cụ thể của đặc tính hiệu suất

signal-to- Đối với trường hợp giảm thiểu các đặc tính chất lượng mà nhà sản xuất quan tâm, định nghĩa về các tỷ lệ S/N nên được tính toán:

 Đối với trường hợp cực tiểu hóa trong quá trình mài, cần phải tính toán tỉ lệ nhiễu S/N như sau:

SNi= -10log⌊∑

𝑦2𝑢 Ni Ni

𝑢=1

⌋

 Đối với trường hợp Cực đại hóa trong quá trình mài, cần phải tính toán tỷ lệ tín

hiệu nhiễu S/N như sau:

u : số lần thử

Ni :số lần thử so với thí nghiệm thứ i

𝑦i : dữ liệu quan sát được

S : là tổng phương sai của giá trị thử nghiệm

Bước 3: Lựa chọn thông số cho từng cấp độ

Khi các biến độc lập được quyết định, số cấp độ cho mỗi biến được quyết định

Việc lựa chọn số cấp độ tùy thuộc vào các tham số hiệu suất bị ảnh hưởng do cấp độ khác nhau Nếu tham số hiệu suất là một hàm tuyến tính của biến độc lập, thì

số lượng mức độ sẽ là 2 Tuy nhiên, nếu biến độc lập không liên quan tuyến tính, thì người ta có thể đi đến 3, 4 hoặc cao hơn tùy thuộc vào mối quan hệ là bậc hai, bậc ba hoặc bậc cao hơn

Mỗi thông số không cần phải có cùng cấp độ với nhau Việc lựa chọn bao nhiêu cấp độ cho mỗi thông số là phụ thuộc vào người nghiên cứu Càng nhiều cấp độ cho từng thông số thì độ tin cậy của thí nghiệm càng cao

Bước 4: Lựa chọn thí nghiệm mảng trực giao Orthogonal Arrays

Việc lựa chọn các mảng trực giao được dựa trên số lượng các thông số và cấp

độ của mỗi thông số Để lựa chọn mảng trực giao (Orthogonal Arrays) ta dựa vào bảng

Bảng 2.3 Ma trận L9 STT Thí

Ví dụ, có ba thông số và bốn cấp độ, chúng ta có thể lựa chọn mảng trực giao 9

Hình 2.2 Thiết kế ma trận trực giao trên minitab16

Bước 5: Tiến hành thí nghiệm

Khi mảng trực giao được chọn, các thí nghiệm được tiến hành theo sự kết hợp các cấp độ Các kết quả được ghi lại cho mỗi thí nghiệm để tiến hành các phân tích mức độ ảnh hưởng của các thông số tới chất lượng mong muốn

Bước 6: Phân tích dữ liệu và dự đoán mức tối ưu hiệu suất

Dựa vào hàm mục tiêu tính tỉ lệ Signal-to-Noise (S/N), sau đó tách ra thành các nhân tố ở các mức độ khác nhau và tổng hợp trong bảng kết quả tỉ lệ S/N ratio

Bước 7: Phân tích phương sai ANOVA

Thực hiện phân tích phương sai ANOVA Phân tích phương sai là một số phương pháp phân tích thống kê mà trọng điểm là phương sai (thay vì số trung bình) Các giá trị trong phân tích phương sai:

 SS (Sum of Square): Tổng bình phương phương sai;

 Df: (Degree of freedom): Bậc tự do của các yếu tố;

 MS (Mean of Square): Bình phương trung bình;

Trong phần này đã trình bày khái quát về những nội dung chính sau đây:

 Cơ sở lý thuyết và kinh nghiệm nghiên cứu các thông số đặc trưng cho quá trình mài nói chung và mài phẳng nói riêng trong gia công cơ khí; động học hình thành

độ nhám bề mặt chi tiết gia công; ảnh hưởng của đặc tính đá mài và các yếu tố

di truyền trước khi mài tới chất lượng bề mặt gia công; ảnh hưởng của chế độ cắt tới chất lượng bề mặt chi tiết sau gia công mài;

 Nghiên cứu các mô hình cơ bản trong nghiên cứu xác định độ nhám;

 Bề mặt chi tiết gia công mài, từ đó lựa chọn mô hình thí nghiệm phù hợp với

điều kiện thực tế ở Việt Nam hiện nay;

 Xác định được các điều kiện giới hạn nội dung nghiên cứu ảnh hưởng của 3 thông số chính đến hàm mục tiêu thông qua tiêu chí độ nhám bề mặt chi tiết gia công mài phẳng (điều kiện biên của mô hình thí nghiệm) phục vụ thí nghiệm;

 Sử dụng phương pháp Taguchi để đánh giá chỉ tiêu về độ nhám