Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu theo hàm mục tiêu chất lượng bề mặt, đảm bảo năng suất cắt khi gia công thép SUS304 trên máy tiện CNC

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:145

Thêm vào BST

Báo xấu

62
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu các đặc tính công nghệ của thép không gỉ, cơ sở lý thuyết ảnh hưởng của các thông số công nghệ (chế độ cắt) đến các đặc trưng của quá trình cắt bao gồm một số chỉ tiêu của chất lượng bề mặt; Xây dựng mô hình thực nghiệm, đo, tính toán, xử lý dữ liệu, phân tích đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến một số chỉ tiêu của chất lượng bề mặt.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu theo hàm mục tiêu chất lượng bề mặt, đảm bảo năng suất cắt khi gia công thép SUS304 trên máy tiện CNC

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI TRẦN VIẾT HỒI NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CẮT TỐI ƯU THEO HÀM MỤC TIÊU CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT, ĐẢM BẢO NĂNG SUẤT CẮT KHI GIA CÔNG THÉP SUS304 TRÊN MÁY TIỆN CNC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - Năm 2022
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI TRẦN VIẾT HỒI NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CẮT TỐI ƯU THEO HÀM MỤC TIÊU CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT, ĐẢM BẢO NĂNG SUẤT CẮT KHI GIA CÔNG THÉP SUS304 TRÊN MÁY TIỆN CNC CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ : 9.52.01.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. PHẠM VĂN BỔNG 2. GS.TS. TRẦN VĂN ĐỊCH Hà Nội - Năm 2022
i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành tới hai thầy hướng dẫn khoa học là PGS.TS. Phạm Văn Bổng và GS.TS. Trần Văn Địch đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong thời gian thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Đảng ủy, Ban Giám hiệu, Khoa Cơ khí, Trung tâm Việt – Nhật, Trung tâm Đào tạo Sau đại học, Trung tâm Hợp tác doanh nghiệp, các thầy cô giáo và đồng nghiệp tại trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Đồng thời, tôi xin chân thành cảm ơn Viện Công nghệ Vật liệu Nano, trường Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang (POSTECH) - Hàn Quốc đã giúp tôi chụp XRD và xử lý số liệu về ứng suất dư lớp bề mặt. Cảm ơn gia đình đã luôn bên cạnh và động viên tinh thần giúp tôi có động lực lớn lao để vượt qua khó khăn và hoàn thành luận án. Hà Nội, ngày 14 tháng 02 năm 2022 NGHIÊN CỨU SINH Trần Viết Hồi
ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi dưới sự hướng dẫn hai thầy hướng dẫn khoa học. Các số liệu, kết quả được phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, trung thực, chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Hà Nội, ngày 14 tháng 02 năm 2022 NGHIÊN CỨU SINH Trần Viết Hồi
iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... i LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. ii MỤC LỤC ........................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................... ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................... x PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG THÉP KHÔNG GỈ................. 6 1.1. Tổng quan chung về thép không gỉ ........................................................ 6 1.1.1. Vai trò của các nguyên tố hợp kim trong thép không gỉ................. 6 1.1.2. Phân loại thép không gỉ ................................................................... 9 1.2 Thép không gỉ Austenit ......................................................................... 10 1.2.1. Thành phần hóa học ...................................................................... 10 1.2.2. Các loại thép không gỉ Austenit .................................................... 10 1.2.3. Tính chất vật lý.............................................................................. 11 1.2.4. Tính chất cơ học ............................................................................ 11 1.2.5. Tính chất mỏi ................................................................................ 13 1.3. Một số yếu tố đặc trưng khi gia công của thép không gỉ ..................... 14 1.3.1 Đặc tính gia công của thép không gỉ .............................................. 14 1.3.2. Cơ chế mòn và tuổi bền dụng cụ cắt ............................................. 16 1.3.3 Chất lượng bề mặt .......................................................................... 18 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về gia công thép không gỉ 19 1.4.1. Các nghiên cứu ngoài nước........................................................... 19
iv 1.4.1.1. Các nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt khi gia công thép không gỉ ............................. 19 1.4.1.2. Các nghiên cứu về tối ưu hóa khi gia công thép không gỉ..... 21 1.4.2. Các nghiên cứu trong nước ........................................................... 22 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1................................................................................ 24 CHƯƠNG 2 - NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT........................ 25 2.1. Độ nhấp nhô tế vi bề mặt ..................................................................... 25 2.1.1. Các thông số của độ nhấp nhô tế vi bề mặt................................... 25 2.1.2. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt...... 26 2.2. Độ cứng tế vi ........................................................................................ 29 2.2.1. Đo độ cứng tế vi ............................................................................ 29 2.2.2. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ cứng tế vi .......... 31 2.3. Ứng suất dư .......................................................................................... 33 2.3.1. Cơ chế hình thành ứng suất dư...................................................... 33 2.3.2. Các phương pháp đo và tính toán ứng suất dư.............................. 34 2.3.2.1. Phương pháp đo kiểu không phá hủy dựa trên nhiễu xạ........ 35 2.3.2.2. Phương pháp đo kiểu bán phá hủy ......................................... 39 2.3.2.3. Phương pháp đo kiểu phá hủy................................................ 40 2.3.2.4. Tính toán giá trị ứng suất dư .................................................. 42 2.3.3. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến ứng suất dư............. 45 2.3.4. Ảnh hưởng của ứng suất dư đến độ bền mỏi của chi tiết.............. 46 2.4. Sự hình thành phoi khi gia công thép không gỉ ................................... 48
v 2.4.1 Quá trình hình thành phoi .............................................................. 48 2.4.2 Ảnh hưởng của dạng phoi và độ nhám bề mặt .............................. 50 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2................................................................................ 54 CHƯƠNG 3 - NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI TIỆN CNC THÉP SUS304 ............................................................................. 55 3.1. Phương pháp xây dựng mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với một số yếu tố đầu ra của quá trình cắt............ 55 3.1.1. Phương pháp bề mặt chỉ tiêu (RSM)............................................. 55 3.1.2. Phương pháp phân tích phương sai (ANOVA) ............................. 58 3.2. Xây dựng mô hình thực nghiệm........................................................... 59 3.2.1. Sơ đồ thí nghiệm ........................................................................... 59 3.2.2. Xác định miền của các thông số công nghệ thực nghiệm khi tiện CNC thép SUS304 .................................................................................. 62 3.3. Điều kiện thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến các chỉ tiêu đầu ra khi tiện CNC thép SUS304 ................................................. 64 3.3.1. Thiết bị thực nghiệm ..................................................................... 64 3.3.2. Phôi thực nghiệm .......................................................................... 64 3.3.3. Dụng cụ cắt ................................................................................... 66 3.3.4. Thiết bị đo và phương pháp đo ..................................................... 66 3.4. Thực nghiệm xác định một số yếu tố đặc trưng của chất lượng bề mặt khi tiện CNC thép SUS304 ......................................................................... 69 3.4.1. Phân tích ảnh hưởng và xây dựng hàm hồi quy mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt.......................................... 69
vi 3.4.2. Phân tích ảnh hưởng và xây dựng hàm hồi quy mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến độ cứng tế vi .............................................. 77 3.4.3. Phân tích ảnh hưởng và xây dựng hàm hồi quy giữa các thông số công nghệ đến ứng suất dư...................................................................... 83 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3................................................................................ 92 CHƯƠNG 4 - TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT, ĐẢM BẢO NĂNG SUẤT CẮT KHI TIỆN CNC THÉP SUS304 ....................................................................................... 93 4.1. Xây dựng mô hình tối ưu hóa .............................................................. 93 4.1.1. Tổng quan về tối ưu hóa quá trình gia công ................................. 93 4.1.2. Giải thuật Dơi ................................................................................ 95 4.1.3. Giải pháp tối ưu đa mục tiêu Pareto .............................................. 97 4.1.3.1. Khái niệm về giải pháp tối ưu Pareto..................................... 98 4.1.3.2. Giải bài toán tối ưu đa mục tiêu ............................................. 99 4.2. Ứng dụng giải thuật Dơi để tối ưu hóa đơn mục tiêu ........................ 100 4.3. Tối ưu hóa đa mục tiêu để nâng cao chất lượng bề mặt, đảm bảo năng suất cắt khi gia công .................................................................................. 105 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4.............................................................................. 112 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ............................................................... 113 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............... 116 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................... 117 PHỤ LỤC ...................................................................................................... 130
vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa (tiếng Anh) Ý nghĩa (tiếng Việt) AISI American Iron and Steel Institute Tiêu chuẩn sắt, thép Hoa Kỳ ANOVA Analysis of Variance Phân tích phương sai BA Bat Algorithm Giải thuật Dơi BBD Box-Behnken Design Thiết kế Box-Behnken BUE Build-Up Edge Hiện tượng lẹo dao BUL Build-Up Layer Hiện tượng phoi bám CNC Computer Numerical Control Điều khiển số bằng máy tính CVD Chemical Vapor Deposition Phủ bay hơi hóa học DF Degree of Freedom Bậc tự do F Variance Ratio (Fisher) Tỷ lệ phương sai FWHM Full Width at Half Maximum Độ rộng nửa đỉnh nhiễu xạ GA Genetic Algorithm Giải thuật Di truyền HV Vickers Hardness Độ cứng Vickers Tối ưu hóa đa mục tiêu sử dụng MOBA Multi-Objective Bat Algorithm giải thuật Dơi MRR Material Removal Rate Năng suất bóc tách vật liệu MS Mean of Square Trung bình bình phương P Probability of Significance Xác suất có ý nghĩa
viii Ký hiệu Ý nghĩa (tiếng Anh) Ý nghĩa (tiếng Việt) PSO Particle Swarm Optimization Giải thuật Bầy đàn R2 Determination Coefficient Độ tin cậy mô hình RSM Response Surface Methodology Phương pháp bề mặt chỉ tiêu SEM Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử quét SI Surface Integrity Chất lượng bề mặt SS Sum of Square Tổng bình phương Ký hiệu thép không gỉ theo tiêu SUS Steel Use Stainless chuẩn Nhật Bản XRD X-Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X
ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Tính chất vật lý của các loại vật liệu [18] ...................................... 15 Bảng 2.1. Bảng so sánh các kỹ thuật đo ứng suất dư [16], [115] ................... 41 Bảng 3.1. Các thông số của chế độ cắt ........................................................... 62 Bảng 3.2. Quy hoạch thực nghiệm ................................................................. 63 Bảng 3.3. Thành phần hóa học của thép SUS304 .......................................... 65 Bảng 3.4. Đặc tính cơ, lý của thép SUS304 ................................................... 65 Bảng 3.5. Thiết kế thí nghiệm và kết quả đo độ nhám bề mặt ....................... 70 Bảng 3.6. Phân tích ANOVA cho độ nhám bề mặt ........................................ 71 Bảng 3.7. Thiết kế thí nghiệm và kết quả đo độ cứng tế vi ............................ 77 Bảng 3.8. Phân tích ANOVA cho độ cứng tế vi............................................. 78 Bảng 3.9. Xác định các số liệu tính toán ứng suất dư .................................... 84 Bảng 3.10. Thiết kế thí nghiệm và kết quả tính toán ứng suất dư .................. 86 Bảng 3.11. Phân tích ANOVA cho ứng suất dư............................................. 87 Bảng 4.1. Các tham số giải thuật Dơi ........................................................... 101 Bảng 4.2. Thực nghiệm kiểm chứng tối ưu Ra ............................................. 104 Bảng 4.3. Các tham số MOBA ..................................................................... 106 Bảng 4.4. Giải pháp tối ưu đạt được bằng MOBA ....................................... 110 Bảng 4.5. Kết quả thực nghiệm kiểm chứng ................................................ 110 Bảng 4.6. Năng suất cắt ứng với chất lượng bề mặt tối ưu .......................... 111
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Ảnh hưởng của hàm lượng Cr đến tốc độ ăn mòn [58].................... 7 Hình 1.2. Phân loại thép không gỉ [114] .......................................................... 9 Hình 1.3. So sánh giới hạn bền kéo và chảy của các loại vật liệu [19] .......... 12 Hình 1.4. So sánh độ giãn dài tương đối của các loại vật liệu [19] ............... 12 Hình 1.5. Đường cong ứng suất-biến dạng của thép không gỉ [65] ............... 13 Hình 1.6. Ảnh hưởng của môi trường đến độ bền mỏi của thép không gỉ [54] ......................................................................................................................... 14 Hình 1.7. So sánh khả năng gia công của thép không gỉ [114] ...................... 16 Hình 1.8. Các dạng mòn phổ biến khi tiện [86] ............................................. 16 Hình 1.9. Hiện tượng lẹo dao: (a) giản đồ, (b) hình ảnh trên dụng cụ cắt ..... 17 Hình 1.10. Sơ đồ minh họa về ảnh hưởng của chất lượng bề mặt đến độ bền mỏi [57] ........................................................................................................... 18 Hình 2.1. Profile độ nhám bề mặt trung bình [39] ......................................... 26 Hình 2.2. Các thông số ảnh hưởng đến nhám bề mặt [115] ........................... 27 Hình 2.3. Nguyên lý đo độ cứng Vickers: (a) Giản đồ lực phép thử độ cứng Vickers, (b) Mũi đâm đo độ cứng Vickers và độ cứng tế vi Vickers ............. 31 Hình 2.4. Sự hình thành ứng suất dư [62] ...................................................... 34 Hình 2.5. Phân loại các kỹ thuật đo ứng suất dư [42] .................................... 35 Hình 2.6. Nhiễu xạ trong cấu trúc mạng tinh thể [7], [91] ............................. 36 Hình 2.7. Sơ đồ phân tích nhiễu Barkhausen ................................................. 38 Hình 2.8. Sơ đồ mặt cắt xung quanh lỗ được khoan ứng suất dư kéo ........... 40 Hình 2.9. Kết quả xác định giá trị nội suy từ đồ thị Williamson-Hall ........... 44 Hình 2.10. Quan hệ giữa giới hạn mỏi với ứng suất dư ................................. 47 Hình 2.11. Các bề mặt phoi tạo thành khi tiện SUS304 ................................ 48 Hình 2.12. Cấu trúc lớp bề mặt tự do của phoi .............................................. 49 Hình 2.13. Lớp phoi hình thành trên bề mặt tự do ......................................... 50
xi Hình 2.14. Độ nhám bề mặt và sự hình thành phoi khi V  230 m/phút, f  0,2 mm/vòng và t  0,5 mm ..................................................................... 51 Hình 2.15. Bề rộng phoi khi V  230 m/phút, f  0,2 mm/vòng .................. 51 Hình 2.16. Độ nhám và sự hình thành phoi khi V  260 m/phút, f  0,08 mm/vòng và t  0,1mm .................................................................... 52 Hình 2.17. Chiều rộng phoi khi V  260 m/phút, f  0,08 mm/vòng và t  0,1mm ........................................................................................................ 52 Hình 3.1. Minh họa bố trí thí nghiệm theo phương pháp Box-Behnken ....... 57 Hình 3.2. Sơ đồ thực nghiệm.......................................................................... 61 Hình 3.3. Máy tiện CNC Mori Seiki SL-253 ................................................. 64 Hình 3.4. Bản vẽ phôi dùng trong thực nghiệm ............................................. 65 Hình 3.5. Thứ tự thực nghiệm ........................................................................ 66 Hình 3.6. Hình ảnh dụng cụ cắt thực nghiệm................................................. 66 Hình 3.7. Máy đo độ nhám Mitutoyo SV-2100 ............................................. 67 Hình 3.8. Thiết bị đo độ cứng tế vi................................................................. 68 Hình 3.9. Thiết bị chụp XRD ......................................................................... 69 Hình 3.10. Biểu đồ phân tích Pareto ảnh hưởng của các thông số đến Ra .... 72 Hình 3.11. Ảnh hưởng của từng thông số đến Ra .......................................... 73 Hình 3.12. Đồ thị quan hệ giữa Ra với (V , f , t ) ............................................ 74 Hình 3.13. Các bước xây dựng hàm hồi quy .................................................. 75 Hình 3.14. Đồ thị xác suất phân phối chuẩn của Ra ....................................... 76 Hình 3.15. So sánh giá trị thực nghiệm và dự đoán của Ra ........................... 76 Hình 3.16. Biểu đồ phân tích Pareto ảnh hưởng của các thông số đến HV ... 79 Hình 3.17. Ảnh hưởng của từng thông số đến HV ......................................... 80 Hình 3.18. Đồ thị quan hệ giữa HV với (V , f , t ) ........................................... 81 Hình 3.19. Đồ thị xác suất phân phối chuẩn của HV ..................................... 82 Hình 3.20. So sánh giá trị trị thực nghiệm và dự đoán của HV ..................... 83
xii Hình 3.21. Phân tách dữ liệu XRD bằng hàm chuẩn hoá Pseudo-Voigt ....... 83 Hình 3.22. Biểu đồ phân tích Pareto ảnh hưởng của các thông số đến  ..... 88 Hình 3.23. Ảnh hưởng của từng thông số đến  ........................................... 89 Hình 3.24. Đồ thị ảnh hưởng của  đến (V , f , t ) .......................................... 90 Hình 3.25. Đồ thị xác suất phân phối chuẩn của  ....................................... 91 Hình 3.26. So sánh giá trị thực nghiệm và dự đoán của  ............................ 91 Hình 4.1. Các kỹ thuật và công cụ tối ưu hóa [72] ........................................ 93 Hình 4.2. Mã giả của giải thuật Dơi [113] ..................................................... 97 Hình 4.3. Lưu đồ giải thuật Dơi ................................................................... 102 Hình 4.4. Tốc độ hội tụ hàm mục tiêu độ nhám bề mặt ............................... 104 Hình 4.5. Lưu đồ Pareto ............................................................................... 107 Hình 4.6. Các điểm biên tối ưu Pareto ......................................................... 108
1 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Thép Austenit SUS304 có cơ tính và lý tính tốt, độ cứng cao, khả năng chống ăn mòn và chịu nhiệt tốt nên được ứng dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực như y tế, thực phẩm, công nghiệp hàng không, ... Tuy nhiên, thép không gỉ Austenit nói chung và thép SUS304 nói riêng được đánh giá là loại vật liệu khó gia công do độ bền kéo cao, khả năng dẫn nhiệt thấp, lực cắt lớn dẫn đến mức độ biến cứng cao, tốc độ mài mòn dụng cụ cắt nhanh, chất lượng bề mặt kém và năng suất gia công thấp. Chất lượng bề mặt được xác định thông qua các đặc trưng về cơ, lý, hóa tính và cấu trúc liên kết vật liệu như: sự thay đổi về độ nhám bề mặt, độ cứng tế vi bề mặt, cấu trúc tế vi và ứng suất dư, ... [1], [43]. Sau quá trình gia công, chất lượng bề mặt là tiêu chí quan trọng để đánh giá khả năng chống ăn mòn và độ bền mỏi của chi tiết. Khi gia công bằng phương pháp tiện, ứng suất dư và độ nhám bề mặt được đánh giá là hai tiêu chí quan trọng nhất của chất lượng bề mặt [88], [104]. Đối với gia công tinh, độ nhám bề mặt đóng vai trò quan trọng và là tiêu chí kiểm soát chất lượng sản phẩm. Ứng suất dư sinh ra trong quá trình gia công cắt gọt do nhiệt phát sinh, biến dạng cơ học và sự thay đổi tổ chức vật liệu [39]. Bề mặt sau khi gia công tồn tại ứng suất dư nén sẽ có có lợi cho việc hạn chế sự lan truyền vết nứt, tăng độ bền mỏi của chi tiết, ngược lại khi tồn tại ứng suất dư kéo sẽ tác động xấu đến các vấn đề kể trên [51]. Chính vì vậy ứng suất dư được coi là tiêu chí quan trọng đối với độ bền và tuổi thọ của chi tiết. Trong thực tế, vấn đề đo, xử lý kết quả đo và mô hình hóa ứng suất dư rất phức tạp, kết quả của các nghiên cứu trước đây về vấn đề này có nhiều khác biệt đối với từng loại vật liệu phôi gia công, điều kiện gia công và thông số hình học của dụng cụ cắt [88].
2 Trong sản xuất, hiệu quả của quá trình gia công được đánh giá thông qua việc nâng cao chất lượng, giảm chi phí, thời gian gia công và tăng năng suất, do vậy tối ưu hóa quá trình gia công là mục tiêu và cũng là thách thức của sản xuất [117]. Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhiều phương pháp tiếp cận mới đã được triển khai để giải quyết các bài toán tối ưu cho độ chính xác và tốc độ xử lý nhanh trong việc tìm ra kết quả tối ưu. Trong đó các giải thuật tối ưu hóa tiên tiến như giải thuật trí tuệ bầy đàn đã được chứng minh tính hiệu quả và áp dụng trong nhiều lĩnh vực với việc mô phỏng giải các dạng bài toán phổ biến và phức tạp nhất. Nghiên cứu về đặc tính, khả năng gia công của thép không gỉ đặc biệt là nâng cao chất lượng bề mặt, đảm bảo năng suất gia công là chủ đề đã nhận được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trước đây, tuy nhiên các nghiên cứu và công bố chủ yếu đánh giá chất lượng hoặc độ chính xác gia công thông qua đánh giá chỉ tiêu độ nhám bề mặt, độ cứng tế vi trong khi đối với chi tiết sau khi gia công, chỉ tiêu về ứng suất dư đóng vai trò rất quan trọng do đây là tiêu chí xác định độ bền mỏi và các vết nứt hình thành trên bề mặt chi tiết có tác động rất lớn đến tuổi thọ của chi tiết. Cho đến nay, chưa có các nghiên cứu và công bố đầy đủ về phân tích ảnh hưởng của quá trình gia công đến ứng suất dư, giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu các chỉ tiêu quan trọng của chất lượng bề mặt như độ nhám bề mặt, ứng suất dư khi tiện thép SUS304 trên cơ sở ứng dụng các giải thuật tiên tiến. Các vấn đề trên là định hướng cho tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu theo hàm mục tiêu chất lượng bề mặt, đảm bảo năng suất cắt khi gia công thép SUS304 trên máy tiện CNC”. 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2.1. Mục đích nghiên cứu Luận án tập trung giải quyết một số nội dung chính như sau:
3 - Nghiên cứu các đặc tính công nghệ của thép không gỉ, cơ sở lý thuyết ảnh hưởng của các thông số công nghệ (chế độ cắt) đến các đặc trưng của quá trình cắt bao gồm một số chỉ tiêu của chất lượng bề mặt. - Xây dựng mô hình thực nghiệm, đo, tính toán, xử lý dữ liệu, phân tích đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến một số chỉ tiêu của chất lượng bề mặt. - Xác định mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với một số yếu tố đầu ra đặc trưng của quá trình gia công. - Ứng dụng giải thuật trí tuệ bầy đàn giải bài toán đơn và đa mục tiêu nhằm nâng cao chất lượng bề mặt, đảm bảo năng suất gia công. 2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: luận án tập trung nghiên cứu các đặc trưng của quá trình gia công thép SUS304 trên máy tiện CNC, sử dụng mảnh chip chuyên dùng gia công thép không gỉ của hãng Sandvik. - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng và xác định mối quan hệ giữa vận tốc cắt (V ) , lượng tiến dao ( f ) , chiều sâu cắt ( t ) đến các chỉ tiêu của chất lượng bề mặt bao gồm: độ nhám bề mặt ( Ra ) , độ cứng tế vi ( HV ) , ứng suất dư ( ) . Ứng dụng giải thuật Dơi và giải pháp tối ưu Pareto để giải bài toán tối ưu đa mục tiêu gồm hai chỉ tiêu là độ nhám bề mặt và ứng suất dư. 3. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết về quá trình cắt làm cơ sở để đánh giá sơ bộ và định hướng cho nghiên cứu thực nghiệm. - Nghiên cứu thực nghiệm để lấy số liệu thực tiễn kết quả của một số chỉ tiêu đầu ra của quá trình cắt. - Ứng dụng các phần mềm để tính toán, xử lý, đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ, xác định các hàm hồi quy và giải quyết bài toán
4 tối ưu hóa. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học: kết quả nghiên cứ là cơ sở để thiết lập các thông số công nghệ trong quá trình gia công thép SUS304 trên máy tiện CNC và là cơ sở cho việc tối ưu nhằm nâng cao chất lượng bề mặt, đảm bảo năng suất gia công sử dụng các giải thuật tiên tiến. - Ý nghĩa thực tiễn: kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong thực tế sản xuất với các chi tiết, sản phẩm được chế tạo từ thép không gỉ đồng thời làm tài liệu phục vụ cho công tác đào tạo và nghiên cứu. 5. Bố cục của luận án Luận án được trình bày trong 04 chương: - Chương 1: Tổng quan về gia công thép không gỉ. - Chương 2: Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt. - Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt khi tiện CNC thép SUS304. - Chương 4: Tối ưu hóa các thông số công nghệ để nâng cao chất lượng bề mặt, đảm bảo năng suất cắt khi tiện CNC thép SUS304. 6. Những đóng góp mới của luận án - Xây dựng được mô hình thực nghiệm, đo, tính toán các chỉ tiêu đầu ra và phân tích, đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt, độ cứng tế vi và ứng suất dư bề mặt. - Áp dụng phương pháp bề mặt chỉ tiêu (RSM) và thiết kế thực nghiệm Box-Behnken (BBD) để xây dựng mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ
5 giữa các thông số công nghệ với độ nhám bề mặt, độ cứng tế vi và ứng suất dư bề mặt. - Ứng dụng giải pháp tối ưu Pareto dựa trên giải thuật Dơi (BA) để giải bài toán tối ưu đa mục tiêu xác định được tập hợp các bộ thông số công nghệ tối ưu nhằm nâng cao chất lượng bề mặt, đảm bảo năng suất gia công từ đó đưa ra khuyến nghị cho các kỹ sư công nghệ ứng dụng kết quả tối ưu tìm được vào thực tế sản xuất.
6 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG THÉP KHÔNG GỈ 1.1. Tổng quan chung về thép không gỉ Thép không gỉ được đặc trưng bởi khả năng chống ăn mòn, tính dẻo dai, độ bền cao, chịu nhiệt tốt nên được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực y tế, thực phẩm, công nghiệp hàng không. Tuy nhiên, vì có độ bền cao nên khi gia công thép không gỉ thường tạo lực cắt lớn, nhiệt cắt cao, khả năng biến cứng cao, dễ dẫn đến phoi bám (BUL) và lẹo dao (BUE), … đó là nguyên nhân dẫn đến năng suất gia công thấp, tăng mòn dụng cụ cắt và chất lượng bề mặt kém. 1.1.1. Vai trò của các nguyên tố hợp kim trong thép không gỉ Việc bổ sung các nguyên tố hợp kim ảnh hưởng đến tính chất cơ, lý của thép không gỉ, cụ thể như sau [35], [114]:  Cacbon (C) Cacbon trong thép không gỉ ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn của chi tiết và thường có hàm lượng tương đối thấp, ngoại trừ thép không gỉ Mactensit. Trong các mác thép Mactensit, hàm lượng cacbon có thể gia tăng để tăng độ cứng của thép thông qua xử lý nhiệt bằng cách gia nhiệt đến nhiệt độ cao, làm nguội và sau đó ủ tạo ra cấu trúc Mactensit. Khi cacbon kết hợp với Crôm có hàm lượng từ 10,5% trở lên sẽ tạo thành cacbua có thể ảnh hưởng đến sự tạo thành lớp màng bảo vệ. Khi Crôm nhỏ hơn 10.5% sẽ không hình thành lớp màng bảo vệ.  Crôm (Cr) Bản chất “trơ” của thép không gỉ giải thích được là nhờ Crôm là nguyên tố phản ứng cao. Crôm giúp cho thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn. Như đã đề cập, thép không gỉ có chứa ít nhất 10.5% Cr, một lớp màng thụ động Cr2O3 được hình thành giúp ngăn ngừa sự khuếch tán oxy vào bề