Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt và mòn dụng cụ khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt và mòn dụng cụ khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện" được nghiên cứu với mục tiêu: Nghiên cứu xác định mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến các đặc trưng của quá trình gia công phay cao tốc, phay mặt phẳng thép SKD61 đã nhiệt luyện trong điều kiện phay khô và phay ướt. Trên cơ sở kết quả thực nghiệm để xây dựng bài toán tối ưu cho quá trình gia công bằng phương pháp sử dụng thuật toán FGRA - PSO cho tối ưu đa mục tiêu khi phay cao tốc.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt và mòn dụng cụ khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ------------------------ LÊ THẾ HƯNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT VÀ MÒN DỤNG CỤ KHI PHAY CAO TỐC THÉP SKD61 ĐÃ NHIỆT LUYỆN Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Khí Mã số: 9.52.01.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2023
Công trình được hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI - BỘ CÔNG THƯƠNG Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Phạm Văn Bổng 2. PGS.TS. Hoàng Tiến Dũng Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường và họp tại Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội vào hồi… giờ, ngày … tháng … năm … Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội - Thư viện Quốc gia Việt Nam
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong ngành chế tạo máy có rất nhiều chi tiết đòi hỏi có độ cứng cao. Thông thường để thuận lợi cho quá trình gia công cắt gọt, thường chọn vật liệu có độ cứng thấp, sau khi gia công, tùy theo yêu cầu mà chọn phương pháp nhiệt luyện hợp lý để tăng độ cứng, đáp ứng yêu cầu làm việc của chi tiết. Tuy nhiên sau nhiệt luyện có một số hiện tượng thường xảy ra như hiện tượng nứt và cong vênh, ảnh hưởng rất lớn đến độ bền và tuổi thọ của chi tiết. Để hạn chế bớt ảnh hưởng đó trong thực tế có một số giải pháp trong đó có giải pháp sử dụng phôi có độ cứng cao theo yêu cầu trước khi gia công cắt gọt. Đáp ứng vấn đề đó là sự ra đời của một loạt các loại vật liệu có độ cứng cao. Các loại vật liệu này có chung một đặc điểm công nghệ là: - Độ bền cơ học của vật liệu cứng được duy trì trong quá trình gia công (QTGC) nhờ tính chất bền nhiệt. - Hiện tượng biến cứng xảy ra rất nhanh trong QTGC, điều này làm mài mòn dụng cụ nhanh. - Phản ứng hóa học giữa vật liệu dụng cụ cắt và vật liệu phôi xảy ra ở nhiệt độ cắt cao, gây ra sự mòn khuếch tán trên dụng cụ. - Phoi cứng được tạo thành liên tục và cọ sát với bề mặt chi tiết đã gia công làm cho độ nhẵn bóng bề mặt thấp. - Nhiệt sinh ra trong QTGC vật liệu cứng được thoát qua phoi nhỏ nên nhiệt độ vùng cắt cao, nhiệt độ tại mũi dao lớn, là nguyên nhân dẫn đến dao bị mài mòn nhanh. Có rất nhiều phương pháp khác nhau trong gia công các vật liệu có độ cứng cao như: Tiện, phay, chuốt, khoét, doa, … Một trong những phương pháp có tỷ lệ sử dụng lớn và có khả năng ứng dụng tốt đó là phương pháp phay, đặc biệt là phay trên các máy, trung tâm gia công CNC. Các máy này có độ cứng vững cao nên sẽ cho năng suất và chất lượng tốt khi ứng dụng để gia công các loại vật liệu có độ cứng cao. Chính vì vậy, gia công cao tốc đang là lựa chọn phù hợp nhất để gia công các loại vật liệu cứng. Hiện này, gia công tốc độ cao (High Speed Machining- HSM) được xem là một trong những lĩnh vực chính của ngành chế tạo máy. So với gia công thông thường, gia công cao tốc có thể nâng cao năng suất, độ chính xác và chất lượng chi tiết gia công, đồng thời cũng giảm chi phí và thời gian gia công. Chính vì vậy, phương pháp này rất thích hợp với công nghệ gia công khuôn. Thép SKD61 sau khi xử lý nhiệt có độ cứng rất cao, loại thép này được coi là một loại vật liệu cứng được ứng dụng rất phổ biến trong ngành công nghiệp chế tạo đặc biệt trong việc chế tạo khuôn mẫu. Tuy nhiên các nghiên cứu áp dụng phương pháp phay cao tốc trong gia công thép SKD61 sau khi xử lý nhiệt còn khá hạn chế và chưa có tính hệ thống.
2 Để có những nghiên cứu sâu hơn, hệ thống hơn về phương pháp phay cao tốc trong gia công vật liệu có độ cứng cao (SKD61), đồng thời đánh giá đầy đủ, chi tiết về ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến các đặc trưng của quá trình phay cao tốc như chất lượng gia công (nhám bề mặt), chi phí năng lượng (lực cắt, rung động), chi phí dụng cụ cắt (mòn, tuổi bền dụng cụ cắt), từ đó làm căn cứ để xác định các thông số tối ưu của chế độ cắt nhằm đáp ứng đồng thời các mục tiêu về chất lượng và hiệu quả của QTGC. Xuất phát từ những lý do trên, tác giả đã đề xuất và thực hiện đề tài luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt và mòn dụng cụ khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện”. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu xác định mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến các đặc trưng của quá trình gia công phay cao tốc, phay mặt phẳng thép SKD61 đã nhiệt luyện trong điều kiện phay khô và phay ướt. Trên cơ sở kết quả thực nghiệm để xây dựng bài toán tối ưu cho quá trình gia công bằng phương pháp sử dụng thuật toán FGRA - PSO cho tối ưu đa mục tiêu khi phay cao tốc. - Xây dựng được mô hình thực nghiệm, xác định được các chỉ tiêu đầu ra và phân tích, đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ (V, S, t) đến độ nhám bề mặt, lượng mòn mặt sau dụng cụ khi phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao. - Xây dựng được hàm hồi quy biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số công nghệ (V, S, t) với độ nhám bề mặt, lượng mòn mặt sau dụng cụ, rung động và lực cắt khi phay cao tốc thép SKD61 sau nhiệt luyện trong điều kiện gia công khô và ướt. - Xác định được tập hợp bộ thông số công nghệ tối ưu (V, S, t) theo các chỉ tiêu là độ nhám bề mặt, lực cắt, rung động và lượng mòn mặt sau dụng cụ khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện. - Xây dựng được mô hình dự đoán mòn dụng cụ cắt dựa trên phân tích rung động, lực cắt và âm thanh cắt khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện. 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Đề tài tập trung vào các đối tượng nghiên cứu cụ thể như sau: - Về vật liệu gia công: Nghiên cứu tập trung vào một loại thép được sử dụng rộng rãi trong công nghệ chế tạo khuôn mẫu đó là thép SKD61 đã được sử lý nhiệt đạt độ cứng 52.7 ÷ 53.1 HRC. - Về phương pháp gia công: lựa chọn phương pháp gia công phay cao tốc. - Về dụng cụ gia công:Nghiên cứu sử dụng loại dụng cụ là dao phay ngón có gắn mảnh cắt là hợp kim cứng. - Về máy gia công: Máy phay CNC cao tốc HS Super MC500, tốc độ trục chính: 100 ÷ 30000 (vòng/phút), công suất trục chính 15KW, tốc độ dịch chuyển của bàn máy cắt gọt: 1 ÷ 30000 (mm/phút), tốc độ chạy không lớn nhất
3 48000 (mm/phút), hành trình dịch chuyển của bàn máy: X x Y x Z= 500 x 400 x 300 (mm). 3.2. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung vào những nội dung sau: - Các thông số đầu vào (biến số) của quá trình gia công: Vận tốc cắt, chiều sâu cắt, lượng tiến dao. - Các thông số đầu ra (hàm mục tiêu): Độ nhám bề mặt gia công, lực cắt, rung động và lượng mòn dao trong quá trình gia công. 4. Nội dung nghiên cứu Để thực hiện được mục tiêu nghiên cứu đề ra, Nghiên cứu sinh tập trung thực hiện các nội dung chính sau đây: - Nghiên cứu tổng quan về vật liệu có độ cứng cao, phương pháp và dụng cụ để thực hiện gia công vật liệu có độ cứng cao. - Nghiên cứu tổng quan và một số đặc trưng của quá trình phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao làm cơ sở cho việc nghiên cứu thực nghiệm. - Nghiên cứu thực nghiệm để xác định ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết, đến lực cắt, rung động và lượng mòn mặt sau của dụng cụ cắt khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện. - Xây dựng, giải bài toán tối ưu đa mục tiêu và dự đoán mòn dụng cụ để xác định giá trị tối ưu của chế độ công nghệ khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện. 5. Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện được các nội dung nghiên cứu, luận án sử dụng ba phương pháp nghiên cứu chính là: Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và phương pháp tối ưu đa mục tiêu. - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phương pháp này được ứng dụng để thực hiện hai nội dung là nội dung 1 và nội dung 2. Để thực hiện được các nội dung này, tác giả đã nghiên cứu, tìm hiểu, tổng hợp, phân tích các kiến thức liên quan đến việc gia công các loại vật liệu có độ cứng cao, phương pháp phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao, về các phương pháp tối ứu hoá từ các công trình khoa học trong và ngoài nước đã được công bố. Đây là cơ sở cho việc xác định cụ thể hơn về vật liệu, phương pháp gia công, các thông số đầu vào, đầu ra của nghiên cứu thực nghiệm, về phương pháp tối ưu dự kiến được áp dụng. - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Việc phân tích cơ sở lý thuyết được thực hiện ở nội dung 1 và 2 là căn cứ quan trọng để thiết kế các thông số đầu vào cho nghiên cứu thực nghiệm. Với hệ thống thí nghiệm tương đối đầy đủ tại Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, các thông số đầu ra đã được phân tích và lựa chọn rất đa dạng và phù hợp với mục tiêu nghiên cứu đã đặt ra. Từ đó, nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện để xác định ảnh hưởng của thông số công nghệ khi phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao đến chất lượng bề mặt và lượng mòn dụng cụ cắt.
4 - Phương pháp tối ưu đa mục tiêu: Từ các kết quả thực nghiệm thu được, bài toán tối ưu đa mục tiêu sẽ được thiết lập và xử lý. Kết quả giải bài toán tối ưu đa mục tiêu sẽ xác định được bộ thông số công nghệ tối ưu áp dụng trong thực tế quá trình gia công nhằm cải thiện năng suất và chất lượng quá trình gia công. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 6.1. Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ cung cấp và bổ sung đầy đủ hơn cơ sở lý thuyết về các loại vật liệu có độ cứng cao, phương pháp và dụng cụ gia công các loại vật liệu có độ cứng cao. Đặc biệt là bổ sung đầy đủ hơn cơ sở lý thuyết về phương pháp phay cao tốc ứng dụng trong gia công vật liệu có độ cứng cao. Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở khoa học để thiết lập các hướng dẫn về công nghệ khi phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao, đặc biệt là trong việc giải quyết vấn đề tối ưu hóa quá trình này. Kết quả nghiên cứu cũng là cơ sở khoa học để ứng dụng công nghệ phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao trong việc chế tạo các sản phẩm khuôn mẫu, góp phần tăng tính ổn định và nâng cao hiệu quả của phương pháp gia công tinh vật liệu có độ cứng cao. 6.2. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu sẽ xác định mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi thực hiện quá trình phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao trong cả hai điều kiện gia công ướt và gia công khô. Từ đó, làm căn cứ để thực hiện việc điều khiển các thông số công nghệ trong quá trình gia công nhằm đảm bảo các mục tiêu gia công. Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể ứng dụng vào thực tế sản xuất của các nhà máy sản xuất cơ khí, đặc biệt là chế tạo các sản phẩm khuôn mẫu chất lượng cao. Góp phần nâng cao năng suất, hạ giá thành sản phẩm và phù hợp với điều kiện sản xuất ở Việt Nam. 7. Những đóng góp mới của đề tài Đề tài luận án thực hiện thành công sẽ mang lại một số đóng góp mới sau đây: (1) Luận án đã đánh giá chi tiết ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến đặc trưng về độ nhám bề mặt gia công, mòn, lực cắt, rung động trong quá trình phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao là thép SKD61 sau xử lý nhiệt trong cả 2 điều kiện phay ướt và phay khô. (2) Luận án đã ứng dụng thành công phương pháp tối ưu hoá đa mục tiêu và dự đoán mòn dụng cụ để tìm ra phương án đáp ứng tốt nhất đồng thời các mục tiêu trong quá trình phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao là thép SKD61 đã nhiệt luyện. 8. Cấu trúc của luận án.
5 Luận án được cấu trúc ngoài các phần: Mở đầu, kết luận, hướng nghiên cứu tiếp theo thì nội dung nghiên cứu được trình bày trong 4 chương: Chương 1. Tổng quan về quá trình gia công vật liệu có độ cứng cao. Chương 2. Cơ sở lý thuyết quá trình phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao. Chương 3. Thiết lập thực nghiệm thép SKD61 bởi quy trình phay cao tốc. Chương 4. Tối ưu hóa đa mục tiêu và dự đoán mòn dụng cụ khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QTGC VẬT LIỆU CÓ ĐỘ CỨNG CAO Trong chương này tập trung nghiên cứu tổng quan về quá trình gia công vật liệu có độ cứng cao, nghiên cứu các công bố về gia công vật liệu có độ cứng cao liên quan đến nội dung chính như sau: - Khái niệm và phân loại về vật liệu có độ cứng cao. - Đặc điểm của vật liệu có độ cứng cao. - Ứng dụng của các loại vật liệu có độ cứng cao. - Đặc điểm quá trình gia công vật liệu có độ cứng cao. - Một số phương pháp gia công vật liệu có độ cứng cao. - Dụng cụ gia công vật liệu có độ cứng cao. - Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Sau đó rút ra một số kết luận như sau: 1. Vật liệu có độ cứng cao là những vật liệu có độ cứng từ 45 HRC trở lên. Do đó, thép SKD61 đã được sử lý nhiệt đạt độ cứng 52.7 ÷ 53.1 HRC là một trong những loại vật liệu có độ cứng cao. 2. Các loại vật liệu có độ cứng cao có thể được gia công bằng các phương pháp khác nhau, trong đó, phương pháp phay là một trong những phương pháp được dùng phổ biến hiện nay. 3. Dụng cắt để gia công các loại vật liệu có độ cứng cao được chế tạo từ các loại vật liệu khác nhau, một trong những vật liệu được dùng phổ biến đó là hợp kim cứng. CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH PHAY CAO TỐC VẬT LIỆU CÓ ĐỘ CỨNG CAO 1. Độ nhám bề mặt Trong gia công cắt gọt độ nhám bề mặt là một đặc trưng rất quan trọng để đánh giá chất lượng của chi tiết gia công. Đây là đặc trưng có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng làm việc của chi tiết (như độ bền, tuổi thọ, tiếng ồn trong quá trình làm việc...) [40,41]. Chất lượng bề mặt chi tiết gia công được đánh giá bằng nhiều yếu tố đặc trưng như: hình dáng lớp bề mặt (độ sóng, độ nhám, ...), trạng thái và tính chất cơ lý lớp bề mặt (độ cứng, chiều sâu lớp biến cứng, ứng suất dư, ...). Phản ứng của lớp bề mặt đối với môi trường làm việc (tính chống mòn, khả năng chống xâm thực hoá học, độ bền mỏi....) [41-42].
6 Độ nhám bề mặt là thông số đặc trưng được sử dụng phổ biến trong gia công cắt gọt và được định nghĩa trong thuật ngữ đo lường bề mặt như: cấu trúc bề mặt, bề mặt thực, độ nhấp nhô, độ rộng nhấp nhô, độ rộng nhấp nhô trên mặt cắt, độ sóng, chiều cao sóng, độ rộng của sóng, vết nứt và chiều dài lấy mẫu. * Nhận xét: Có nhiều yếu tố như vật liệu gia công, dụng cụ cắt, chế độ cắt vv. ảnh hưởng đến nhám bề mặt. Trong đó, ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến nhám bề mặt khi phay đã được thực hiện bởi nhiều nghiên cứu. Tuy nhiên, cũng thông qua các nghiên cứu đó cho thấy sự ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khá phức tạp, mức độ và qui luật ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt trong từng điều kiện gia công là không giống nhau. Từ đó cho thấy, để xác định được mức độ ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt làm cơ sở cho việc lựa chọn chế độ cắt tối ưu thì cần thiết phải tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trong từng trường hợp cụ thể. Đặc biệt là trong các trường hợp gia công cao tốc vật liệu có độ cứng cao. 2. Lực cắt và năng lượng bóc tách vật liệu * Lực cắt trong quá trình gia công cắt gọt bao gồm: - Lực cắt trong quá trình cắt đơn giản - Lực cắt trong quá trình cắt xiên - Lực cắt trong quá trình phay Quá trình phay là một quá trình cắt phức tạp, trong quá trình phay lực cắt thay đổi tùy thuộc vào vị trí góc quay của dụng cụ cắt [48]. Có rất nhiều phương pháp phay khác nhau, vì vậy, lực cắt trong từng phương pháp phay cũng khác nhau. * Năng lượng bóc tách vật liệu trong quá trình gia công Về bản chất, năng lượng bóc tách vật liệu trong quá trình bóc tách vật liệu chính là công sinh ra để bóc tách các lớp vật liệu trong quá trình gia công. Đây chính là công sinh ra bởi lực cắt để thực hiện việc bóc tách phôi với vận tốc cắt là Vc. Do đó, công suất cắt có thể xác định bằng công thức (2.26). Công suất cắt là năng lượng bóc tách vật liệu trên một đơn vị thời gian. Khi đó, năng lượng bóc tách vật liệu Qc được trong một khoảng thời gian gia công được xác định theo công thức (2.27). Trong đó: Fc là lực cắt, Vc là vận tốc cắt, t là thời gian gia công. * Nhận xét: Từ những phân tích trên có thể thấy rằng việc nghiên cứu để dự đoán lực cắt và năng lượng bóc tách vật liệu trong QTGC phay là rất quan trọng. Đây sẽ là các dữ liệu cơ sở để dự đoán các thông số khác trong quá trình phay như: Chất lượng bề mặt, công suất cắt, mô men xoắn của trục chính, … Việc nghiên cứu để mô hình hóa lực cắt và dao động theo phương pháp lý
7 thuyết là rất phức tạp, đòi hỏi nhiều về công sức cũng như các máy móc thiết bị. Các nghiên cứu dự đoán lực cắt, dao động hoặc độ nhám bề mặt hay lực cắt theo phương pháp mô hình hóa thực nghiệm cũng đã được ứng dụng cho những điều kiện cụ thể khác nhau như phay thô hoặc phay tinh. 3. Rung động Trong quá trình phay, các rung động của máy công cụ được tạo ra do tác động của lực cắt biến đổi tuần hoàn theo chu kỳ. Rung động của hệ thống máy công cụ theo phương x và y làm cho chiều dày phoi thay đổi, khi độ dày phoi thay đổi sẽ làm lực cắt thay đổi. Quá trình trương tác động lực học này là một quá trình lặp lại như một vòng lặp kín. Ứng dụng mô hình phân tích quá trình động lực học này, lực cắt, rung động của hệ thống máy công cụ theo hướng tiếp tuyến, hướng tâm và hướng trục được xác định. * Nhận xét: Rung động là một yếu tố rất quan trọng trong QTGC cắt gọt. Các nghiên cứu rung động bằng phương pháp mô hình hóa lý thuyết dựa hiện tượng vật lý, cơ học, hình học rất phức tạp. Chính vì vậy, việc nghiên cứu dự đoán rung động trong QTGC, đặc biệt là gia công cao tốc vật liệu cứng bằng phương pháp mô hình hóa thực nghiệm là cần thiết và phù hợp với từng điều kiện gia công cụ thể. 4. Mòn dụng cụ cắt trong quá trình gia công * Sự mài mòn dụng cụ cắt trong quá trình gia công: Mòn, hỏng dụng cụ phụ thuộc nhiều yếu tố trong QTGC như: Đặc tính dụng cụ cắt (thông số hình học, vật liệu dụng cụ, chịu nhiệt và tính chống mòn), thông số gia công (dung dịch tưới nguội, chế độ cắt), phôi gia công (thành phần hóa học của vật liệu phôi, độ dẻo dai của vật liệu, độ cứng thay đổi), các hiện tượng cắt gọt khác trong QTGC (ma sát vùng cắt, lực cắt thay đổi trong QTGC, rung động, nhiệt độ thay đổi ...). Trong các dạng mòn thì mòn theo mặt sau (VB) là quan trọng nhất vì khi gia công mặt sau luôn tiếp xúc với bề mặt gia công do đó mòn mặt sau sẽ làm ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác và chất lượng bề mặt của chi tiết, mặt khác mòn mặt sau cũng dễ xác định vì có thể dùng các loại dụng cụ đo quang học để kiểm tra. Vì vậy, chiều cao mòn mặt sau VB được dùng làm tiêu chuẩn để đánh giá độ mòn. Độ mòn cho phép [VB] được xác định phụ thuộc vào yêu cầu độ bóng và độ chính xác của chi tiết gia công. * Tiêu chuẩn mòn dụng cụ cắt trong quá trình gia công Trong các dạng mòn trên thì mòn theo mặt sau (VB) là quan trọng nhất vì khi gia công mặt sau luôn tiếp xúc với bề mặt gia công do đó mòn mặt sau sẽ làm ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác và chất lượng bề mặt của chi tiết, mặt khác mòn mặt sau cũng dễ xác định vì có thể dùng các loại dụng cụ đo quang
8 học để kiểm tra. Vì vậy, chiều cao mòn mặt sau VB được dùng làm tiêu chuẩn để đánh giá độ mòn. Độ mòn cho phép [VB] được xác định phụ thuộc vào yêu cầu độ bóng và độ chính xác của chi tiết gia công. * Nhận xét: Có nhiều nhân tố ảnh hưởng đến lượng mòn dao, như vật liệu làm dụng cụ cắt, vật liệu gia công, chế độ tưới nguội, chế độ cắt,... Trong đó, khảo sát ảnh hưởng của các thông số về chế độ cắt đến mòn dao đã được thực hiện bởi nhiều nghiên cứu. Tuy nhiên, cũng thông qua những nghiên cứu đó cho thấy, ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến tốc độ mòn dao trong từng điều kiện gia công cụ thể là không giống nhau. Chính vì vậy, để xác định được mức độ ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến tốc độ mòn dao cũng như xác định được chế độ cắt để cải thiện tốc độ mòn dao (giảm lượng mòn dao) thì cần phải có những nghiên cứu thực nghiệm trong từng điều kiện gia công cụ thể. Do đó, việc nghiên cứu dự đoán lượng mòn dao trong điều kiện gia công cao tốc vật liệu cứng là rất cần thiết. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 Từ các kết quả phân tích về cơ sở lý thuyết của quá trình phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao, có thể rút ra một số kết luận sau đây: 1. Phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao là phương pháp gia công có được hiệu quả cả về năng suất, chất lượng khi gia công các chi tiết từ thô đến tinh. Do đó, phương pháp này rất thích hợp với công nghệ gia công cơ khí hiện đại đặc biệt là gia công khuôn mẫu. 2. Một số đặc trưng thường được sử dụng để đánh giá chất lượng của quá trình phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao gồm có: chất lượng bề mặt gia công, mòn dụng cụ, lực cắt, rung động, ... Trong quá trình gia công, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt, đến lực cắt, rung động, mòn dao như các thông số về vật liệu gia công, dụng cụ cắt, chế độ cắt, vv. Các thông số về chế độ cắt có ảnh hưởng đến QTGC khá phức tạp, mức độ và qui luật ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến QTGC trong từng điều kiện gia công là không giống nhau. Từ đó, cho thấy, để xác định được mức độ ảnh hưởng của chế độ cắt đến QTGC thì cần thiết phải tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trong từng trường hợp cụ thể. 3. Các nghiên cứu về gia công cao tốc đã được thực hiện để gia công một số kim loại thông thường có độ cứng thấp hoặc trung bình. Ngoài ra, với các loại vật liệu có độ cứng cao, quá trình phay mới chỉ được khảo sát ở vận tốc cắt thấp hoặc trung bình. Chưa có các nghiên cứu thực hiện quá trình phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao là thép SKD61 đã nhiệt luyện, đặc biệt là cả trong điều kiện phay ướt và phay khô. CHƯƠNG 3 THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM THÉP SKD61 BỞI QT PHAY CAO TỐC Trong chương này thực hiện các nội dung chính sau:
9 1. Mục tiêu và nội dung của nghiên cứu thực nghiệm Mục tiêu của nghiên cứu thực nghiệm là đánh giá được mức độ ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến độ nhám bề mặt gia công, lực cắt, rung động và lượng mòn dao trong quá trình phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao. Nghiên cứu nhằm khảo sát lượng mòn dao theo thời gian gia công. Trong nghiên cứu này, chất lượng bề mặt gia công (Ra), biên độ lực cắt, biên độ rung động theo ba phương X, Y, Z (Fx, Fy, Fz, Ax, Ay, Az), lượng mòn mặt sau của dao (VB) là các thông số đầu ra của nghiên cứu thực nghiệm. 2. Thiết lập hệ thống thực nghiệm cho phay cao tốc vật liệu có độ cứng cao Hình 3.1. Hình ảnh thiết bị thí nghiệm gia công cao tốc thép SKD61 Các thông số chế độ cắt được thiết lập theo hướng dẫn của nhà sản xuất dụng cụ cắt với thông số cụ thể như sau: Vận tốc cắt Vc = 300m/phút đến 600m/phút; Lượng chạy dao fz = 0,05 đến 0,15mm/răng; Chiều sâu cắt t = 0,1 đến 0,5mm Được xây dựng theo các mức như ở bảng 3.1 Bảng 3.1. Thí nghiệm gia công thép SKD61 đã nhiệt luyện Chế độ cắt Cấp độ Tốc độ cắt (V) Chiều sâu cắt (t) Lượng chạy dao (fz) (m/phút) (mm) (mm/răng) 1 300 0,1 0,05 2 450 0,3 0,10 3 600 0,5 0,15
10 Trong công trình này, thiết kế thí nghiệm được thiết lập theo phương pháp Taguchi L9 (33), như được trình bày trong Bảng 3.2. Bảng.3.2. Thiết kế thực nghiệm theo phương pháp Taguchi L9 (33) Các yếu tố chế độ cắt TT Mức vận tốc cắt Mức chiều sâu cắt Mức lượng chạy (V) (t) dao (fz) 1 1 1 1 2 1 2 2 3 1 3 3 4 2 1 2 5 2 2 3 6 2 3 1 7 3 1 3 8 3 2 1 9 3 3 2 Hình 3.9 Thiết bị thí nghiệm dự đoán mòn dụng cụ theo phương pháp Taguchi L9 3. Phương pháp xử lý dữ liệu thực nghiệm 3.1 Phân tích phương sai (ANOVA) Phương pháp Taguchi chọn giải pháp tối ưu dựa trên phân tích phương sai (ANOVA) và tỷ số tín tạp S/N. Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến chỉ
11 tiêu đầu ra được đánh giá thông qua tỷ số S/N. Chỉ số này được xác định bởi y 2 công thức (3.1).  S / N i  10log  i2  (3.1)  si    2 1 Ni   Ni  yi,u  yi 1 Trong đó: yi  N y u 1 i ,u là tín hiệu, s  2 i 1  N u 1 là nhiễu, i là số thứ tự thí nghiệm, u là số thứ tự và Ni là số phép đo. Giá trị của tỷ lệ S/N lớn (tín hiệu lớn, nhiễu nhỏ) khi tham số đầu ra này gần với giá trị tối ưu. Trong bài toán tối thiểu (càng nhỏ càng tốt), công thức (3.1)  Ni yi 2  được biểu diễn như sau:  S / N i  10log   (3.2)  u 1 Ni  Trong bài toán tối đa (càng lớn càng tốt), Công thức (3.1) được viết như 1 Ni 1 sau:  S / N i  10log   2  (3.3) N y  i u 1 u  3.2. Phân tích thực nghiệm với FGRA) Một phương pháp thống kê hiệu quả với cấp quan hệ xám được sử dụng trong đo mức độ gần đúng được thiết lập thông qua quan hệ xám (GRA). GRA được giới thiệu bởi Deng [90] và ngày càng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Phân tích mối quan hệ xám giúp quá trình ra quyết định được dễ dàng hơn trong các tình huống khó khăn [94-95]. Phương pháp này đã được cải tiến và phát triển thành phân tích mối quan hệ mờ xám (FGRA). Đây là một phương pháp tiếp cận dựa trên một hệ thống mờ được phát triển dựa trên các hệ số và mức quan hệ xám. Mô hình này xem xét tất cả các tiêu chí khác nhau, bao gồm cả sự không chắc chắn về trọng số và tầm quan trọng của các tiêu chí. Trong công việc này, phân tích mối quan hệ mờ xám được sử dụng để đánh giá tác động của các yếu tố khác nhau lên chất lượng bề mặt gia công, rung động, mòn và tuổi bền dụng cụ cắt. Các bước thực hiện như sau: Bước 1: Xác định ma trận tham chiếu và ma trận so sánh. Với ma trận tham chiếu được xác định như sau: Y  Y 1 Y  2   Y n   (3.4) Nếu số phần tử cần khảo sát là m và các yếu tố cần khảo sát trong các điều kiện khác nhau là n, thì ma trận so sánh được hiển thị như sau:
12  X 1   X 1 1 X 1  2  X1  n   X  X 1 X 2     2  X 2  n   (3.5) X  2 2         X m   X m 1 X m  2   X m n   Bước 2: Hiển thị chuỗi với kích thước gốc khi không có tham số. Nếu các nhân tố đang được nghiên cứu và các biến tham chiếu có các tham số khác nhau hoặc không được xác định bởi cùng một phương trình như mô tả sau: X i (k )  Min  X i (k ) X i  k   (3.6) Max  X i (k )  Min  X i (k ) Bước 3: Tập mờ bằng phương pháp cosine góc được xác định trong đó không bị ảnh hưởng bởi mối quan hệ tỷ lệ tuyến tính của dữ liệu. Điều này được thực hiện thông qua công thức: n Y k  X k  (3.7) R1  k 1 n n Y k   X k  2 2 k 1 k 1 l. max   min Bước 4. Mức quan hệ xám được xác định : i  k   (3.8) l. max    k  Hệ số này phải thỏa mãn điều kiện làm việc và chống nhiễu vì các hệ số phân tán lớn hay nhỏ có thể không phản ánh chính xác mối quan hệ giữa các yếu tố được khảo sát. Phương pháp xác định hệ số phân tán được trình thể hiện 1 m n như sau:   Yt  k   X tj  k  n.m j 1 k 1 (3.9) Trong đó  là giá trị trung bình của sai số tuyệt đối. Khi đó , hệ số phân giải được xác định như sau:  1 C ;1,5  C  ; C  3  L  (3.10) (1,5  C ; 2C ] ; C  1   3 Nếu , khi đó L = 1,25C; nếu , khi đó L = 1,75C. Bước 5. Áp dụng khoảng cách Euclide để chỉ ra sự khác biệt giữa ma trận tham chiếu và so sánh để cải thiện độ chính xác của các quá trình ước
13 lượng. Do đó, vectơ trọng số của các yếu tố khác nhau trong ma trận tham chiếu được xác định như sau: W = (W1, W2, … , Wj) với j = 1, 2, …, n (3.11) Sau đó, các mức Euclidean R2 màu xám được tính bằng công thức sau: n   W 1    k  2 R2  1  2   i (3.12) k 1 Bước 6: Tính các điểm xám mờ. Theo hệ số liên kết mờ, mức quan hệ xám và quan hệ xám với hệ số tương quan mờ của các nhân tố nghiên cứu được xác R12  R22 định theo phương trình sau: R (3.13) 2 Bước 7: Xếp hạng mức độ ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát trên cơ sở mức độ quan hệ xám. 4. Kết quả phân tích ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện Các nhân tố ảnh hưởng tới nhám bề mặt khi phay khô và ướt được đánh giá và phân tích một cách toàn diện. Nhám bề mặt từ các yếu tố (vận tốc cắt V, chiều sâu cắt t, bước tiến dao fz) đưa đưa ra bởi các điểm liên quan mờ xám với giá trị tương ứng 0,6308; 0,7533; 0,8025 và 0,6005; 0,8134; 0,7544. Kết quả phân tích tổng hợp cho thấy yếu tố tác động nhiều nhất tới nhám bề mặt khi phay ướt thép SKD61 đã qua nhiệt luyện là bước tiến dao trong khi với phay khô là chiều sâu cắt. Cùng với đó vận tốc cắt cho ảnh hưởng ít nhất tới nhám bề mặt. a) Kết quả phân tích FGRA tới nhám bề mặt khi phay ướt
14 b) Kết quả phân tích FGRA tới nhám bề mặt khi phay khô Hình 3.15. Kết quả phân tích FGRA khi phay khô và ướt tới nhám bề mặt 5. Kết quả phân tích ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến lực cắt khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện Các yếu tố phay cao tốc như mô tả trên hình 3.19 và công thức (3.13) cho thấy điểm quan hệ mờ xám. Các nhân tố ảnh hưởng tới lực cắt khi phay khô và ướt được đánh giá và phân tích một cách toàn diện. Các điểm liên quan xám mờ đối với lực cắt khi phay ướt và phay khô của ba yếu tố (vận tốc cắt V, chiều sâu cắt t, bước tiến dao fz) được xác định bởi 0,6828; 0,8941; 0,6271 và 0,5785; 0,8739; 0,7232. Phân tích với phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện khi phay ướt và phay khô đều cho thấy chiều sâu cắt có tác động nhiều nhất tới lực cắt. a) Phân tích mờ xám với lực cắt khi phay ướt
15 b) Phân tích mờ xám với lực cắt khi phay khô Hình 3.19. Kết quả phân tích mối quan hệ màu xám mờ tới lực cắt 6. Kết quả phân tích ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến rung động khi phay cao tốc SKD61 đã nhiệt luyện Điểm quan hệ mờ xám của các yếu tố phay cao tốc được đưa ra bởi Công thức (3.13), như trong Hình 3.23. Phân tích cung cấp một cách toàn diện để đánh giá tác động của các yếu tố khảo sát đến biên độ rung động khi phay ướt và phay khô. Do đó, các điểm liên quan đến mờ xám đối với biên độ rung động khi phay ướt và phay khô của ba yếu tố vận tốc cắt (V) chiều sâu cắt (t), bước tiến dao (fz), tương ứng là 0,8278; 0,7444; 0,6445 và 0,6593; 0,9056; 0,6564. Kết quả phân tích tổng hợp cho thấy yếu tố tác động nhiều nhất tới biên độ rung động khi phay ướt thép SKD61 đã qua nhiệt luyện là bước tiến dao trong khi với phay khô là vận tốc cắt, trong khi phay khô cho thấy chiều sâu cắt có tác động nhiều nhất tới biên độ rung động. a) Phân tích mờ xám tới biên độ rung động khi phay ướt
16 b) Phân tích mờ xám tới biên độ rung động khi phay khô Hình 3.23. Kết quả phân tích mối quan hệ xám mờ tới rung động 7. Kết quả phân tích ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến mòn dụng cụ khi phay cao tốc SKD61 đã nhiệt luyện Các yếu tố phay cao tốc như mô tả trên Hình 3.28, 3.29 và công thức (3.13) cho thấy điểm quan hệ mờ xám. Các nhân tố ảnh hưởng tới nhám bề mặt khi phay khô và ướt được đánh giá và phân tích một cách toàn diện. Nhám bề mặt từ các yếu tố (vận tốc cắt V chiều sâu cắt t, bước tiến dao fz) tương ứng với 0,6614; 0,6636; 0,5234 và 0,6539; 0,6593; 0,5174. Kết quả phân tích tổng hợp cho thấy thép SKD61 đã nhiệt luyện khi phay ướt và phay khô chiều sâu cắt có ảnh hưởng nhiều nhất tới mòn dụng cụ cắt, tuy nhiên khác biệt với vận tốc cắt không đáng kể và cuối cùng bước tiến dao. Hình 3.28. KQ Phân tích mối quan hệ xám mờ tới mòn dụng cụ khi phay ướt
17 Hình 3.29. KQ Phân tích mối quan hệ xám mờ tới mòn dụng cụ khi phay khô KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 1. Từ kết quả thực nghiệm cho thấy mối quan hệ giữa chế độ cắt với một số yếu tố được biểu diễn bằng hàm số: * Khi phay khô * Khi phay ướt 2. Từ các kết quả phân tích phương sai (ANOVA) và phân tích mối quan hệ mờ xám (FGRA), đã có các kết luận đánh giá về ảnh hưởng của các thông số đầu vào (V, t, fz) đến các thông số đầu ra (chất lượng bề mặt, lực cắt, rung động, mòn dụng cụ) khi phay cao tốc thép SKD61 đã nhiệt luyện. CHƯƠNG 4 TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU VÀ DỰ ĐOÁN MÒN DỤNG CỤ KHI PHAY CAO TỐC THÉP SKD61 ĐÃ NHIỆT LUYỆN 1. Xác định hàm mục tiêu trong gia công cao tốc
18 Trong thực tế QTGC phay cũng như khi phay cao tốc, các nhà sản xuất luôn hướng đến tăng năng suất, chất lượng gia công, đồng thời giảm chi phí sản xuất. Trong gia công cắt gọt, các thông số công nghệ là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng, năng suất và giá thành sản xuất. Đây chính là các thông số điều khiển cơ bản nhằm đạt được giá trị tối ưu cho QTGC. Vì vậy, để có được hiệu suất gia công lý tưởng khi phay cao tốc, cần tìm ra các thông số chế độ cắt tối ưu thông qua mối quan hệ giữa các hàm mục tiêu về chất lượng bề mặt, năng suất gia công, rung động và lực cắt. Từ kết quả nghiên cứu trong chương 3, đã xác định được mối quan hệ giữa chế độ cắt với một số yếu tố đầu ra được biểu diễn bởi các hàm số: * Khi phay khô min min min min * Khi phay ướt min min min min Đây chính là các hàm mục tiêu của bài toán tối ưu đa mục tiêu. 2. Xây dụng thuật toán FGRA-PSO cho tối ưu đa mục tiêu Hình 4.2. Mô hình thuật toán FGRA-PSO