intTypePromotion=1

Tối ưu hóa độ nhám bề mặt và bóc tách vật liệu trong phay thép SKD61 đã tôi bằng phương pháp Taguchi và mặt đáp ứng

Chia sẻ: Minh Nhựa K | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

0
24
lượt xem
0
download

Tối ưu hóa độ nhám bề mặt và bóc tách vật liệu trong phay thép SKD61 đã tôi bằng phương pháp Taguchi và mặt đáp ứng

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết trình bày tối ưu hóa các thông số quá trình lên độ nhám bề mặt (Ra) và tốc độ bóc tách vật liệu (MRR) trong quá trình phay thép SKD61 đã qua tôi cứng bằng phương pháp Taguchi kết hợp với mặt đáp ứng (RSM). Thí nghiệm được thiết kế bằng phương pháp Taguchi, nhám bề mặt Ra được đo bởi máy Mitutoyo Surftest SJ-400 và sau đó phân tích ANOVA để xác định mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào lên đáp ứng đầu ra. Tối ưu hóa đa mục tiêu được thực hiện bằng phương pháp mặt đáp ứng cho độ nhám bề mặt và tốc độ bóc tách vật liệu. Cuối cùng phương pháp gia công dưới điều kiện tối ưu là Ra = 0,293 µm.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Tối ưu hóa độ nhám bề mặt và bóc tách vật liệu trong phay thép SKD61 đã tôi bằng phương pháp Taguchi và mặt đáp ứng

  1. ISSN 2354-0575 TỐI ƯU HÓA ĐỘ NHÁM BỀ MẶT VÀ BÓC TÁCH VẬT LIỆU TRONG PHAY THÉP SKD61 ĐÃ TÔI BẰNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI VÀ MẶT ĐÁP ỨNG Đỗ Anh Tuấn1, Nguyễn Hữu Thật2 1 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 2 Trường Đại học Nha Trang Ngày tòa soạn nhận được bài báo: 10/05/2017 Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 08/08/2017 Ngày bài báo được duyệt đăng: 15/08/2017 Tóm tắt: Bài báo trình bày tối ưu hóa các thông số quá trình lên độ nhám bề mặt (Ra) và tốc độ bóc tách vật liệu (MRR) trong quá trình phay thép SKD61 đã qua tôi cứng bằng phương pháp Taguchi kết hợp với mặt đáp ứng (RSM). Thí nghiệm được thiết kế bằng phương pháp Taguchi, nhám bề mặt Ra được đo bởi máy Mitutoyo Surftest SJ-400 và sau đó phân tích ANOVA để xác định mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào lên đáp ứng đầu ra. Tối ưu hóa đa mục tiêu được thực hiện bằng phương pháp mặt đáp ứng cho độ nhám bề mặt và tốc độ bóc tách vật liệu. Cuối cùng phương pháp gia công dưới điều kiện tối ưu là Ra = 0,293 µm. Kết quả này cho thấy phương pháp phay cứng có thể thay thế cho quá trình mài trong sản xuất khuôn mẫu. Từ khóa: nhám bề mặt; SKD61; Taguchi; RSM; tối ưu hóa. 1. Đặt vấn đề cứng thép qua tôi bằng dụng cụ phủ (Ti, Al) N-TiN. Thông thường, công nghệ chế tạo khuôn mẫu Kết quả cho thấy rằng Ra dưới điều kiện gia công bao gồm gia công thô, xử lý nhiệt và mài tinh. Qui tối ưu là 0.25µm và quá trình phay cứng có thể thay trình này tiêu tốn khá nhiều thời gian, chi phí cao và thế hoàn toàn cho quá trình mài tinh. năng suất thấp. Hơn nữa, chất lượng bề mặt sau khi Bằng sự hiểu biết về gia công cứng, nhiều mài thường bị ảnh hưởng bởi nhiệt [1]. Ngày nay, nhà nghiên cứu đã từng tối ưu các thông số quá trình để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong phay cứng nhằm mục đích nâng cao năng suất, giảm chế tạo khuôn mẫu, quá trình mài tinh thường được chi phí và cải thiện độ nhám bề mặt. Tuy nhiên, mỗi thay thế bởi quá trình phay cứng. Vì vậy, thời gian phương pháp mang lại hiệu quả khác nhau. Không sản xuất có thể được rút ngắn, năng suất và chất có phương pháp nào gần đây cho thấy kết quả chính lượng sản phẩm được cải thiện đáng kể [2]. Mặt xác cho tất cả các quá trình gia công. Hơn nữa, việc khác, vật liệu SKD 61 đã tôi thường được xem như nghiên cứu tối ưu hóa đa mục tiêu cho Ra và MRR là vật liệu khó gia công bởi vì độ bền và độ cứng của vẫn còn ít thảo luận. chúng rất cao. Do đó, trong phay cứng, để đạt được Do đó, nghiên cứu này trình bày tối ưu đa chất lượng bề mặt tốt nhất, năng suất cao và chi phí mục tiêu để giảm Ra và tăng MRR trong quá trình thấp nhất thì thông số quá trình gia công phải được phay thép JIS SKD 61 đã qua xử lý nhiệt với dụng chọn lựa phù hợp. cụ phủ TiAlN bằng sự kết hợp của phương pháp Gần đây, có nhiều nghiên cứu đã từng ứng Taguchi và RSM. dụng phương pháp Taguchi để tối ưu hóa Ra trong quá trình gia công cứng. Chẳng hạn, Zhang, S., & 2. Phương pháp nghiên cứu Guo, Y. B [1] đã báo cáo về tối ưu hóa Ratrong quá 2.1. Phương pháp Taguchi trình phay cứng thép AISI H13 đã qua tôi bằng dụng Taguchi là phương pháp hiệu quả và rất mạnh cụ phủ (Ti, Al) N-TiN. Họ đã chỉ ra rằng Ra theo trong thiết kế thí nghiệm. Phương pháp này giúp hướng ăn dao là nhỏ hơn 0.1µm. Motorcu, A. R [3] cho việc giảm tối đa số thí nghiệm trong hệ thống để đã sử dụng phương pháp Taguchi để tối ưu thông nâng cao hiệu suất của quá trình. Trong nghiên cứu số cắt trong quá trình tiện cứng thép AISI 8660 này, phương pháp Taguchi được sử dụng để thiết kế bằng dụng cụ gốm sứ với công nghệ phủ vật lý chân tất cả các thí nghiệm cho quá trình phay cứng. không (PVD). Kết quả cho thấy rằng thông số ảnh Thông số quá trình phay cứng được chọn lựa hưởng nhất lên Ra là tốc độ ăn dao và kế tiếp là dựa trên kinh nghiệm của nhiều nghiên cứu trước, tốc độ cắt. Ding, T et al [4] đã tối ưu các thông số khả năng công nghệ của máy công cụ và dụng cụ quá trình gia công và xây dựng phương trình thực cắt như được trình bày trong Bảng 1. Với 4 yếu tố nghiệm cho việc dự đoán Ra trong quá trình phay đầu vào ở 3 mức, bảng trực giao L27 của Taguchi 22 Khoa học & Công nghệ - Số 15/Tháng 9 - 2017 Journal of Science and Technology
  2. ISSN 2354-0575 (Bảng 2) được chọn để thiết kế bộ thí nghiệm cho 3. Thí nghiệm gia công phay quá trình phay cứng. Bảng này chỉ ra 27 thí nghiệm 3.1. Vật liệu phôi tương ứng với 13 cột. Mỗi cột tương ứng với một Trong nghiên cứu này, thép hợp kim JIS yếu tố đầu vào trong quá trình gia công. Để tránh SKD61 có kích thước (200 x 100 x 40) mm được việc trùng lặp, số cột được chọn cho 4 yếu tố đầu sử dụng cho thí nghiệm phay. Những mẫu này vào là 1, 3, 5 và 12. được tôi cứng trước khi gia công để đạt độ cứng Bảng 1. Thông số đầu vào quá trình gia công ở 3 cấp độ 40, 45 và 50 HRC. Thành phần hóa học Yếu tố đầu vào Mã hóa các mức của chúng bao gồm (0,32~0,42) %C, (0,8~1,20) %Si, (0,2~0,50) %Mn, (4,75~5,5) %Cr, (1,1~1,75) 1 2 3 %Mo, (0,8~1,2) %V, and (0~0,3) %Ni. [4]. Tốc độ cắt, V (m/phút) 25 35 45 Lượng ăn dao, f (mm/răng) 0.01 0.02 0.03 3.2. Dụng cụ, máy và thiết bị đo Chiều sâu cắt dọc trục, a (mm) 0.2 0.3 0.4 Dụng cụ cắt trong nghiên cứu này là dao phay ngón carbide phủ TiAlN có độ cứng 60 HRC, Độ cứng vật liệu, H (HRC) 40 45 50 đường kính 10 mm, góc xoắn 35o, 4 lưỡi cắt của hãng CMTe’c. 2.2. Phương pháp mặt đáp ứng (RSM - Response Tất cả thí nghiệm phay được thực hiện trên Surface Methodology) máy phay Deckel Maho-DMC70V hidyn 3 trục có RSM là phương pháp thống kê toán học được tốc độ quay lớn nhất 30000 vòng/phút và gia công sử dụng để thiết lập mô hình dự đoán thực nghiệm. trong điều kiện cắt khô. Bề mặt sau khi gia công Phương pháp này có thể biểu diễn mối quan hệ giữa được đo bởi máy đo độ nhám Surftest SJ-400. Tốc độ các biến đầu vào độc lập với các biến đầu ra phụ bóc tách vật liệu được xác định bởi phương trình (3). thuộc [7]. Trong nghiên cứu này, phương pháp phân a # ae # V # f # z # 1000 (3) tích hồi quy được sử dụng để thiết lập mô hình thực MRR = 3.14 # d nghiệm cho việc dự đoán Ra. Mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra có thể Với, V là tốc độ cắt (m/phút), f là lượng ăn dao răng được biểu diễn bởi phương trình sau [8]: (mm/răng), a là chiều sâu cắt dọc trục (mm), ae là y = φ(V,f,a,H) (1) bề rộng cắt (mm), z là số lưỡi cắt và d là đường kính Từ phương trình (1), đặc trưng đáp ứng đầu của dao (mm). Sau khi thí nghiệm, tất cả dữ liệu ra có thể được viết lại dưới dạng phương trình bậc 2 được trình bày trong Bảng 3. cho “k” biến đầu vào như sau: Bảng 3. Kết quả thí nghiệm k k k y = b 0 + / b i xi + / b ii x i2 + / b ij xi x j + f (2) i=1 i=1 i, j Với: xi là những biến mã hóa, βi là các hệ số bậc nhất, βii là các hệ số bậc 2, và βij là các hệ số tương tác của phương trình. Bảng 2. Bảng trực giao L27 4. Kết quả và thảo luận 4.1. Phân tích ANOVA cho nhám bề mặt Trong phần này, sử dụng phần mềm Minitab 16 để phân tích ANOVA cho các thông số quá trình Khoa học & Công nghệ - Số 15/Tháng 9 - 2017 Journal of Science and Technology 23
  3. ISSN 2354-0575 cắt. Kết quả ANOVA cho nhám bề mặt Ra được So sánh kết quả giữa giá trị dự đoán và giá trình bày trong Bảng 4. Bảng này cho thấy giá trị P trị thực nghiệm được chỉ ra trong Hình 1. Từ hình của phương trình hồi quy là rất nhỏ so với 0,05. Giá này, nó cho thấy rằng sự hòa hợp rất tốt giữa giá trị trị R2 phương trình hồi quy là 0,9799. Giá trị này rất dự đoán với giá trị thực nghiệm. cao. Điều này có thể kết luận rằng phương trình hồi quy được đưa ra có ý nghĩa về mặt thống kê. Mặt 4.3. Ảnh hưởng tương tác của các yếu tố đầu vào khác, các thông số như (V), (f), (a), (H), (f2), (V×a) lên độ nhám và (f×H) ảnh hưởng đáng kể đến mô hình khi P nhỏ hơn 0,05. Bảng 4. ANOVA cho Ra với R2 = 0.9799 4.2. Mô hình độ nhám dựa trên RSM Trong nghiên cứu này, phương trình toán học bậc 2 dựa trên dữ liệu thực nghiệm được tạo ra bởi phương pháp RSM. Sau khi phân tích, phương trình hồi quy được xây dựng (Phương trình 4). Phương trình này được sử dụng cho việc dự đoán Ra trong quá trình phay cứng thép SKD 61 với độ tin cậy 95%. Ra = - 0.346667 - 6.2432 # 10 -3 V + 31.3428F - 3.20541a + 0.02916H - 8.368 # 10 -5 V2 + + 606.648 # F2 + 2.24688 # a2 - 4.58 # 10 -6 ×H2 - 0.0149 # V # F + 0.0483 # V # a - 1.11278 # 10 -4 ×V×H + 17.8194 # F # a - 1.05761 # F # H + 0.007.12383 # 10 -3 ×a×H (4) Hình 2. Đồ thị mặt đáp ứng của Ra (các giá trị khác giữ ở mức giữa) Hình 1. Mối quan hệ giữa kết quả dự đoán với thực Những đồ thì này được vẽ dựa trên sự thay nghiệm cho Ra đổi của 2 yếu tố đầu vào trong khi các yếu tố khác 24 Khoa học & Công nghệ - Số 15/Tháng 9 - 2017 Journal of Science and Technology
  4. ISSN 2354-0575 giữ ở mức giữa. Hình 2a miêu tả ảnh hưởng của tốc Sau khi phân tích, kết quả tối ưu được chỉ ra độ cắt và lượng ăn dao lên Ra. Nó cho thấy rằng sự trong Hình 3. Hình này cho thấy kết quả tối ưu như tăng tốc độ cắt và giảm lượng chạy dao dẫn đến sau: Tốc độ cắt là 45 m/phút, lượng ăn dao là 0.0197 giảm đáng kể Ra như đã được báo cáo bởi các nhà mm/răng, chiều sâu cắt là 0.333 mm, và độ cứng nghiên cứu trước [6]. Điều này có thể giải thích vật liệu 40 HRC. Giá trị nhỏ nhất của nhám bề mặt rằng khi gia công ở tốc độ thấp, lẹo dao được hình là 0.285µm và tốc độ bóc tách vật liệu tương ứng thành ảnh hưởng đến Ra. Ngược lại, khi cắt ở tốc là 372.257mm3/phút. Hơn nữa, giá trị kỳ vọng hàm độ cao thì lẹo dao không tồn tại do đó chất lượng mục tiêu là 0.94760. Giá trị này rất gần với 1. Do bề mặt tốt hơn [9]. Hình 2b cho thấy Ra tăng lên đó, quá trình tối ưu đa mục tiêu cho nhám bề mặt và rất nhanh với sự tăng tốc độ ăn dao. Điều này có bóc tách vật liệu hoàn toàn chấp nhận. thể giải thích rằng khi gia công, sự di chuyển xoắn Khi các thông số gia công đã được tối ưu, thí ốc của dụng cụ tạo ra những vết cắt trên bề mặt gia nghiệm kiểm chứng được thực hiện để kiểm tra độ công. Nếu tăng tốc độ ăn dao sẽ gây nên vết xước chính xác của quá trình tối ưu đa mục tiêu. Kết quả trên bề mặt sâu và rộng hơn [5]. Hình 2c chỉ ra rằng kiểm tra đã được chỉ ra trong Bảng 6. Sai số giữa Ra tăng lên khi chiều sâu cắt và độ cứng tăng lên. giá trị đo và dự đoán về nhám bề mặt và bóc tách vật Điều này có thể được hiểu khi tăng chiều sâu cắt tạo liệu lần lượt là 2,7 % và 1,01 %. Với kết quả này, ra tải lớn và tăng lực cắt. Nhiều nghiên cứu trước đã có thể kết luận rằng phương pháp RSM có thể chấp cho thấy rằng chất lượng bề mặt có mối quan hệ với nhận cho việc tối ưu đa mục tiêu trong quá trình lực cắt. Chẳng hạn như Fan, X., & Loftus, M [10] phay cứng thép SKD 61. đã nghiên cứu ảnh hưởng của lực cắt lên Ra và kết quả cho thấy rằng lực cắt lớn sẽ gây ra nhám bề mặt Bảng 6. Giá trị dự đoán và giá trị tối ưu đa mục tiêu lớn hơn so với lực cắt nhỏ. 4.4. Tối ưu hóa đa mục tiêu cho Ra và MRR Để có được năng suất cao và chất lượng bề mặt tốt, quá trình tối ưu đa mục tiêu được thực hiện bằng phần mềm Minitab 16. Thông số đầu vào, ràng buộc và các mục tiêu được trình bày trong Bảng 5. 5. Kết luận Bảng 5. Ràng buộc và mục tiêu cho tối ưu Từ nghiên cứu trên, một số kết luận được chỉ ra như sau: • ANOVA cho nhám bề mặt, kết quả cho thấy rằng tất cả các yếu tố như tốc độ cắt, ăn dao, chiều sâu cắt và độ cứng có ảnh hưởng đáng kể đến Ra với độ tin cậy 95%. Trong số những yếu tố đầu vào đã đưa ra, lượng ăn dao ảnh hưởng nhiều nhất, tiếp theo là chiều sâu cắt, độ cứng và cuối cùng là tốc độ cắt đến Ra. • Theo phân tích ANOVA cho mặt đáp ứng, mô hình dự đoán hòa hợp rất tốt với thí nghiệm gia công thực tế. Do đó, mô hình này có thể sử dụng cho việc dự đoán nhám bề mặt trong phay cứng thép đã qua tôi SKD 61. • Các thông số cắt tối ưu được tìm thấy là tốc độ cắt 45 m/phút, lượng ăn dao 0,0197 mm/ răng, chiều sâu cắt 0,333 mm và độ cứng vật liệu 40 HRC. Phần trăm sai số giữa giá trị dự đoán và thực nghiệm được tìm thấy lần lượt cho nhám bề mặt và bóc tách vật liệu là 2.7%, và 1.01%. Hình 3. Đồ thị tối ưu hóa đa mục tiêu Khoa học & Công nghệ - Số 15/Tháng 9 - 2017 Journal of Science and Technology 25
  5. ISSN 2354-0575 Tài liệu tham khảo [1]. Zhang, S., & Guo, Y. B. (2009). Taguchi Method based Process Space for Optimal Surface topography by Finish Hard Milling. Journal of manufacturing science and engineering, 131(5), 051003. [2]. Davim, J. P. (Ed.). (2011). Machining of Hard Materials. Springer Science & Business Media. [3]. Motorcu, A. R. (2010). The Optimization of Machining Parameters using the Taguchi Method for Surface Roughness of AISI 8660 Hardened Alloy Steel. Strojniški vestnik-Journal of Mechanical Engineering, 56(6), 391-401. [4]. Ding, T., Zhang, S., Wang, Y., & Zhu, X. (2010). Empirical Models and Optimal Cutting Parameters for Cutting Forces and Surface Roughness in Hard Milling of AISI H13 Steel. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 51(1-4), 45-55. [5]. Aouici, H., Bouchelaghem, H., Yallese, M. A., Elbah, M., & Fnides, B. (2014). Machine Ability Investigation in Hard Turning of AISI D3 Cold Work Steel with Ceramic Tool using Response Surface Methodology. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 73(9-12), 1775-1788. [6]. Asiltürk, I., & Neşeli, S. (2012). Multi Response Optimisation of CNC Turning Parameters via Taguchi Method-based Response Surface Analysis. Measurement, 45(4), 785-794. [7]. Myers RH; Montgomery DC (2002): Response Surface Methodology: Process and Product Optimization using Designed Experiments. Wiley, New York. [8]. Aouici, H., Yallese, M. A., Chaoui, K., Mabrouki, T., & Rigal, J. F. (2012). Analysis of Surface Roughness and Cutting Force Components in Hard Turning with CBN Tool: Prediction Model and Cutting Conditions Optimization. Measurement, 45(3), 344-353. [9]. Jeyakumar, S., Marimuthu, K., & Ramachandran, T. (2013). Prediction of Cutting Force, Tool Wear and Surface Roughness of Al6061/SiC Composite for End Milling Operations using RSM. Journal of Mechanical Science and Technology, 27(9), 2813-2822. [10]. Fan, X., & Loftus, M. (2007). The Influence of Cutting Force on Surface Machining Quality. International Journal of Production Research, 45(4), 899-911. OPTIMIZINGON SURFACE ROUGHNESS AND MATERIALS RATE FOR MILLING SKD61 HARDENING STEEL WITH TAGUCHI METHODS AND RESPONSE SURFACE METHODOLOGY Abstract: The paper presents optimization of process parameters on surface roughness (Ra) and material removal rate (MRR) during hardening of SKD61 steel milling using Taguchi method combined with surface response (RSM). The experiment was designed by Taguchi method, the Ra surface was measured by Mitutoyo Surftest SJ-400 machine and then analyzed by ANOVA to determine the influence of the input parameters on the output response. Multi-objective optimization is performed by surface response method for surface roughness (Ra) and material removal rate (MRR). Finally processing methods under optimal conditions is Ra = 0.293 μm. This result shows that the hardening method can replace the grinding process in the molding process. Keywords: Surface roughness; SKD61; Taguchi; RSM; optimization. 26 Khoa học & Công nghệ - Số 15/Tháng 9 - 2017 Journal of Science and Technology
ADSENSE
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2