Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt răng và lượng mòn dao khi cắt tinh bánh răng côn cung tròn bằng đầu dao hợp kim cứng

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

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án nghiên cứu ảnh hưởng một số yếu tố công nghệ đến nhám bề mặt răng và lượng mòn dụng cụ cắt, tìm ra bộ thông số công nghệ tối ưu nhằm nâng cao nhám bề mặt răng và tuổi bền dụng cụ cắt khi gia công tinh bánh răng côn cung tròn bằng đầu dao hợp kim cứng. Mời các bạn cùng tham khảo!

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 chế độ cắt đến độ nhám bề mặt răng và lượng mòn dao khi cắt tinh bánh răng côn cung tròn bằng đầu dao hợp kim cứng

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ------------------------ HOÀNG XUÂN THỊNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT RĂNG VÀ LƯỢNG MÒN DAO KHI CẮT TINH BÁNH RĂNG CÔN CUNG TRÒN BẰNG ĐẦU DAO HỢP KIM CỨNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Khí Mã số: 9.52.01.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2021
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 Đông 2. PGS.TS. Trần Vệ Quốc Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Quốc Tuấn Phản biện 2: PGS.TS. Đào Duy Trung Phản biện 3: TS. Hoàng Việt Hồng 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. Tính cấp thiết của đề tài Bộ truyền bánh răng côn cung tròn được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp ô tô, máy kéo, tàu thủy, hàng không... Dùng để truyền chuyển động giữa hai trục giao nhau hoặc không giao nhau trong không gian với nhiều ưu điểm vượt trội như: làm việc với hiệu suất cao, khả năng chịu tải lớn, truyền động êm, ít va đập và thực hiện tỷ số truyền lớn. Việc nghiên cứu, chế tạo bộ truyền bánh răng côn cung tròn đã được thực hiện bởi một số nước trên thế giới, với phương pháp gia công khác nhau sẽ tạo ra biên dạng răng khác nhau (gọi là hệ bánh răng), chẳng hạn như hệ Gleason (răng cung tròn), hệ Klingelnberg (răng dạng đường thân khai kéo dài), hệ Oerlicon (Răng dạng cong Epicycloit kéo dài) [23]. Độ chính xác bộ truyền bánh răng côn cung tròn được đánh giá qua nhiều chỉ tiêu, như: Chất lượng bề mặt, độ chính xác biên dạng, độ chính xác ăn khớp, năng suất gia công, mòn dụng cụ cắt…Trong đó, nhám bề mặt răng và mòn dụng cụ cắt là hai thông số thường được chọn chỉ tiêu đánh giá hiệu quả của quá trình gia công [4], [6]. Ở Việt Nam, bộ truyền bánh răng côn cung tròn cũng đã được sử dụng nhiều trong những năm gần đây. Việc nghiên cứu các giải pháp công nghệ đã được thực hiện bởi một số nhà khoa học và một số doanh nghiệp… Tuy nhiên, chất lượng của bộ truyền sản xuất trong nước chưa được cải thiện nhiều như nhám bề mặt răng, sai số lớn… và giá thành tương đối lớn. Nguyên nhân là do: nguyên lý tạo hình bề mặt răng rất phức tạp, độ chính xác gia công phụ thuộc vào nhiều thông số (thông số về hệ thống công nghệ, thông số về chế độ công nghệ) làm cho các nhà công nghệ chưa giải quyết trọn vẹn việc gia công bánh răng côn cung tròn đảm bảo đồng thời cả hai chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật [4]. Mặt khác, dụng cụ cắt hầu hết được nhập khẩu, với vật liệu làm dụng cụ cắt thường là thép gió, qua đó ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công cũng như hiệu quả kinh tế của quá trình sản xuất. Phương pháp và trang thiết bị kiểm tra các thông số của bộ truyền bánh răng còn hạn chế. Khi gia công bộ truyền bánh răng côn nói chung và bộ truyền bánh răng côn cung tròn nói riêng, nhám bề mặt, biên dạng răng và mòn dụng cụ cắt phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như chế độ cắt, vật liệu chế tạo bánh răng, vật liệu làm dụng cụ cắt… Trong đó, theo các nghiên cứu [6], [22] các thông số về chế độ cắt có ảnh hưởng rất lớn đến nhám bề mặt răng và mòn của dụng cụ cắt. Việc xác định mức độ ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến nhám bề mặt răng và lượng mòn dụng cụ cắt sẽ là cơ sở cho việc lựa chọn và điều khiển các thông số công nghệ để gia công được bộ truyền bánh răng côn cung tròn có giá trị nhám nhỏ, dụng cụ cắt có tuổi bền cao.
2 Xuất phát từ những đặc điểm và tình hình nêu trên, tác giả chọn đề tài:“ Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt răng và lượng mòn dao khi cắt tinh bánh răng côn cung tròn bằng đầu dao hợp kim cứng” 2. Mục tiêu của đề tài 2.1. Mục tiêu tổng quát Nghiên cứu ảnh hưởng một số yếu tố công nghệ đến nhám bề mặt răng và lượng mòn dụng cụ cắt, tìm ra bộ thông số công nghệ tối ưu nhằm nâng cao nhám bề mặt răng và tuổi bền dụng cụ cắt khi gia công tinh bánh răng côn cung tròn bằng đầu dao hợp kim cứng 2.2. Mục tiêu cụ thể - Xác định được mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ (V, S, t) đến nhám bề mặt răng và lượng mòn dụng cụ cắt. - Xác định mối quan hệ toán học giữa các thông số công nghệ (V, S, t) với nhám bề mặt răng và lượng mòn dụng cụ cắt. - Xác định bộ thông số công nghệ tối ưu (V, S, t) để đảm bảo giá trị nhám bề mặt răng theo yêu cầu và lượng mòn dao cho phép khi cắt tinh bánh răng côn cung tròn bằng đầu dao hợp kim cứng theo phương pháp bao hình. - Xác định được tuổi bền của dụng cụ cắt khi gia công bánh răng côn cung tròn đảm bảo nhám theo yêu cầu, từ đó chủ động thời gian thay dao góp phần nâng cao năng suất và chất lượng gia công. 3. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu mối quan hệ giữa thông số chế độ cắt (V, S, t) đến độ nhám bề mặt sườn răng của bánh răng được chế tạo bởi thép 20XM và lượng mòn dao khi cắt tinh bánh răng côn cung tròn theo phương pháp bao hình bằng đầu dao hợp kim cứng có lớp phủ CVD Ti(C,N) - Al2O3 -TiN. 4. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số công nghệ (V, S, t) đến độ nhám bề mặt sườn răng và lượng mòn dụng cụ cắt; - Bánh răng côn cung tròn được chế tạo bởi thép 20XM; -Vật liệu làm đầu dao là hợp kim cứng có lớp phủ CVD Ti(C,N)-Al2O3-TiN; - Gia công theo phương pháp bao hình trên máy 525, sử dụng dung dịch tưới nguội là dầu công nghiệp 32 với lưu lượng 15 lít/phút. 5. Nội dung nghiên cứu Để đạt được những mục tiêu kể trên, nội dung nghiên cứu chính của luận án bao gồm: - Nghiên cứu tổng quan về công nghệ gia công bánh răng côn cung tròn. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về chất lượng bề mặt răng và lượng mòn dao - Nghiên cứu xây dựng hệ thống thí nghiệm.
3 - Nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhám bề mặt răng và lượng mòn dao. - Nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu và tuổi bền của dụng cụ cắt. 6. Phương pháp nghiên cứu Đề tài được thực hiện bằng cách kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm. - Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình gia công bánh răng côn cung tròn và các hướng nghiên cứu về công nghệ gia công nhằm nâng cao chất lượng bánh răng côn cung tròn đang được các nhà khoa học quan tâm; Phân tích tìm những vấn đề cần thiết phải tiếp tục nghiên cứu, từ đó xác định hướng nghiên cứu. - Nghiên cứu thực nghiệm: Bằng thực nghiệm, xác định giá trị nhám bề mặt răng của bánh răng côn cung tròn và lượng mòn dao với thông số công nghệ đã chọn. Sử dụng phần mềm Minitab để xác định mức độ ảnh hưởng của thông số công nghệ (V, S, t) đến nhám bề mặt răng và lượng mòn dao. Từ đó, xác định bộ thông số tối ưu để nâng cao chất lượng sản phẩm, xác định tuổi bền của dụng cụ cắt khi gia công đảm bảo độ nhám theo yêu cầu. 7. Ý nghĩa của đề tài 7.1. Ý nghĩa khoa học - Xác định được mô hình thực nghiệm để đánh giá chất lượng nhám bề mặt răng của bánh răng côn cung tròn và lượng mòn dao khi gia công trên máy 525. - Bằng kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định mức độ ảnh hưởng của thông số công nghệ (V, S, t) đến nhám bề mặt răng (Ra) và lượng mòn dao (U). - Xác định được bộ thông số công nghệ tối ưu để nâng cao chất lượng nhám bề mặt răng khi gia công bánh răng côn cung tròn theo phương pháp bao hình trên máy 525. - Xác định thời gian làm việc tới hạn cho phép (độ bền lâu T) của dụng cụ cắt khi gia công bánh răng côn cung tròn đảm bảo nhám bề mặt răng theo yêu cầu; - Ứng dụng thành công thuật toán để giải quyết bài toán tối ưu với hàm mục tiêu Ra và U khi gia công bánh răng côn cung tròn. 7.2. Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng vào thực tế sản xuất để gia công bánh răng côn cung tròn bằng vật liệu 20XM trên máy 525 với vật liệu làm dụng cụ cắt là hợp kim cứng phủ CVD Ti(C,N)-Al2O3-TiN. - Sử dụng bộ thông số công nghệ tối ưu để gia công bánh răng côn cung tròn theo phương pháp bao hình sẽ nâng cao năng suất gia công và đảm bảo nhám bề mặt răng của bánh răng theo yêu cầu.
4 - Chủ động về thời gian thay dụng cụ cắt trên cơ sở tuổi bền dụng cụ, tiết kiệm được thời gian phụ trong quá trình gia công góp phần nâng cao năng suất gia công. - Kết quả nghiên cứu trình bày trong luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo phục vụ đào tạo, nghiên cứu khoa học tại các trường, viện nghiên cứu hay phục vụ sản xuất tại các doanh nghiệp. 8. Những đóng góp mới của đề tài - Xác định được mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ (V, S, t) đến nhám bề mặt sườn răng và lượng mòn dao khi gia công tinh bánh răng côn cung tròn bằng đầu dao hợp kim cứng phủ CVD Ti(C,N)-Al2O3- TiN, vật liệu làm bánh răng là thép 20XM. - Xây dựng được phương trình hồi quy thể hiện mối quan hệ giữa nhám bề mặt răng (Ra) và lượng mòn dao (U) với thông số công nghệ (V, S, t). - Xác định được bộ thông số công nghệ tối ưu (V, S, t) để đảm bảo giá trị nhám bề mặt răng theo yêu cầu và lượng mòn dao cho phép trong phạm vi nghiên cứu. - Xác định được tuổi bền dụng cụ cắt khi gia công tinh bánh răng côn cung tròn bằng đầu dao hợp kim cứng phủ CVD Ti(C,N)-Al2O3-TiN, vật liệu bánh răng là thép 20XM. 9. Bố cục của luận án Bố cục của luận án ngoài phần mở đầu, kết luận, hướng nghiên cứu tiếp theo, luận án gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về công nghệ gia công bánh răng côn cung tròn. Chương 2: Cơ sở lý thuyết về chất lượng bề mặt răng và lượng mòn dao. Chương 3: Xây dựng hệ thống thí nghiệm. Chương 4: Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và thảo luận đánh giá CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG BÁNH RĂNG CÔN CUNG TRÒN Trong chương này tập trung nghiên cứu tổng quan về bánh răng côn cung tròn, nghiên cứu các công bố về gia công bánh răng côn cung tròn liên quan đến nội dung chính như sau : - Đặc điểm, phân loại và phạm vi sử dụng bánh răng côn cung tròn - Các thông số cơ bản của bánh răng côn cung tròn - Nguyên lý tạo hình bề mặt răng côn cung tròn - Các phương pháp cắt bánh răng côn cung tròn - Thiết bị và dụng cụ sử dụng để gia công bánh răng công cung tròn - Một số chỉ tiêu đánh giá chất lượng bộ truyền bánh răng côn cung tròn - Tình hình nghiên cứu trong và ngòa nước
5 Sau đó rút ra một số kết luận như sau: 1. Bộ truyền bánh răng côn cung tròn có nhiều ưu điểm vượt trội so với bộ truyền bánh răng khác và được sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp chế tạo ô tô, máy bay, tàu thủy…; 2. Kết cấu bánh răng côn cung tròn phức tạp, nguyên lý tạo hình bề mặt rất phức tạp, sử dụng các máy chuyên dùng để gia công bánh răng theo nguyên lý bao hình sẽ đảm bảo độ chính xác của bộ truyền bánh răng khi ăn khớp; 3. Chất lượng bộ truyền bánh răng côn cung tròn được đánh giá qua nhiều chỉ tiêu, như: Sai số profin răng, diện tích vết tiếp xúc, khoảng cách khe hở cạnh răng, nhám bề mặt sườn răng… Trong đó, nhám bề mặt sườn răng ảnh hưởng đến độ mòn răng, khe hở cạnh răng và độ chính xác bộ truyền bánh răng khi ăn khớp; 4. Sử dụng vật liệu làm phần cắt của dụng cụ cắt là hợp kim cứng có lớp phủ có nhiều ưu điểm về năng suất gia công, khả năng chịu va đập, tuổi bền dụng cụ cao, chất lượng nhám bề mặt đảm bảo; 5. Qua nghiên cứu cho thấy, đã có một số công trình nghiên cứu về công nghệ gia công bánh răng côn cung tròn, nhưng chưa thấy công bố cụ thể nào về ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhám bề mặt sườn răng và lượng mòn dao. Trong phạm vi của luận án, tác giả tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhám bề mặt sườn răng và lượng mòn dụng cụ cắt khi gia công bánh răng côn cung tròn. CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT RĂNG VÀ LƯỢNG MÒN DAO. 1. Chất lượng bề mặt răng bánh răng côn cung tròn Trong gia công cắt gọt nói chung và gia công bánh răng côn cung tròn nói riêng, nhám bề mặt luôn là một vấn đề hết sức quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của bánh răng (như độ bền, tuổi thọ, tiếng ồn trong quá trình làm việc...). Khả năng làm việc của bánh răg phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng lớp bề mặt, là tập hợp các chỉ tiêu về các yếu tố hình học, tính chất cơ lý, đó là kết quả trong quá trình gia công, sự tương tác giữa dụng cụ cắt với chi tiết gia công. Những hiện tượng xảy ra trong quá trình gia công cũng như sau quá trình gia công sẽ xuất hiện như nhám bề mặt, lực cắt, rung động và mòn dao. Nhám bề mặt là một trong những chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng của chất lượng bề mặt. Trong quá trình gia công các nhà nghiên cứu và các nhà công nghệ luôn mong muốn điều khiển được thông số công nghệ để đạt được nhám bề mặt của chi tiết gia công tốt nhất. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt khi phay nói chung đã được thực hiện bởi nhiều nghiên cứu. Từ một số nghiên cứu về
6 nhám bề mặt trong các tài liệu cho thấy, các nghiên cứu thường tập trung vào việc mô phỏng để dự đoán độ nhám bề mặt răng nhưng chưa xét đến ảnh hưởng của chế độ cắt (V, S, t) đến nhám bề mặt răng. Nên việc nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhám bề mặt răng có ý nghĩa thiết thực trong công nghệ gia công bánh răng côn cung tròn. * Tính chất hình học bề mặt gia công 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...). Thông số điển hình đặc trưng cho chất lượng bề mặt là độ nhám bề mặt. Nhám bề mặt bị ảnh hưởng rất nhiều thông số và điều kiện gia công trong quá trình gia công như: chế độ cắt, dung dịch tưới nguội, rung động, dụng cụ cắt, vật liệu gia công, lực cắt, nhiệt cắt... Trong các thông số ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt, thì ảnh hưởng của chế độ cắt là đặc trưng nhất, dễ kiểm soát và ảnh hưởng tới tất cả thông số khác như: lực cắt, rung động, nhiệt cắt.... Do đó nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt trong quá trình gia công tới nhám bề mặt là cần thiết và quan trọng. Nhám bề mặt được xác định bằng thông số sau: Độ nhấp nhô tế vi được đánh giá bằng chiều cao nhấp nhô Rz hoặc sai lệch profin trung bình cộng Ra * Sự hình thành nhám trên bề mặt sườn răng. Cơ sở của nguyên lý bao hình là tính chất ăn khớp không có khe hở giữa phôi và bánh răng sinh (bánh răng dẹt). Răng của bánh răng dẹt là lưỡi dao đơn của đầu dao nằm trong rãnh của chi tiết gia công [22], [23], [115]. Profin răng là đường bao của các vị trí kế tiếp nhau của lưỡi dao đơn trong quá trình cắt gọt (hình 2.2). Giả thiết ta khảo sát tại 3 vị trí của dao cắt khi thực hiện cắt gọt (hình 2.3). Dao cắt chuyển từ vị trí số 1 đến vị trí số 2 và từ vị trí số 2 đến vị trí số 3 đã để lại trên bề mặt răng phần sót lại a và b với chiều cao h1 và h2, phần sót lại a và b với chiều cao h1 và h2 phụ thuộc vào số lát cắt khi phôi và giá lắc thực hiện quá trình bao hình từ đỉnh đến chân răng và ngược lại. Số lát cắt phụ thuộc vào tốc độ quay của đầu dao, số lưỡi cắt trên đầu dao và thời gian bao hình. Nếu ta chọn tốc độ quay của đầu dao (vận tốc cắt) và số lưỡi cắt trên đầu dao không thay đổi, thì độ nhấp nhô h1 và h2 phụ thuộc vào thời gian bao hình giữa giá lắc và bánh răng gia công. Nếu tăng hoặc giảm thời gian bao hình thì chiều cao nhấp nhô bề mặt sẽ giảm hoặc tăng, chiều cao nhấp nhô đó chính là đặc trưng cho nhám bề mặt sau khi gia công. Ngoài ra, các nhấp nhô bề mặt do ảnh hưởng của vật liệu bánh răng gia công, thông số hình học của dao, độ cứng vững của hệ thống công nghệ, dung dịch tưới nguội…
7 Hình 2.1. Sự hình thành profin răng khi Hình 2.2. Sự hình thành nhám trên gia công bằng nguyên lý bao hình bề mặt răng * Các yếu tố ảnh hưởng đến nhám bề mặt - Ảnh hưởng của vận tốc cắt (V) đến nhám bề mặt - Ảnh hưởng của lượng chạy dao (S) đến nhám bề mặt - Ảnh hưởng của chiều sâu cắt (t) đến độ nhám bề mặt - Ảnh hưởng của vật liệu gia công đến nhám bề mặt - Ảnh hưởng do rung động của hệ thống công nghệ. * Nhận xét: Từ một số nghiên cứu các công trình đã công bố về nhám bề mặt cho thấy: Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt, như các thông số về vật liệu gia công, dụng cụ cắt, chế độ cắt.. Trong đó, khảo sát 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, các thông số về chế độ cắt có ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khá phức tạp, mức độ và qui luật ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến nhám 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 nhám bề mặt cũng như làm cơ sở cho việc lựa chọn chế độ cắt nhằm gia công được bề mặt có độ nhám nhỏ thì cần thiết phải tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trong từng trường hợp cụ thể. 2. Mòn dụng cụ cắt Trong gia công bánh răng côn cung tròn, mòn dụng cụ cắt luôn là một vấn đề hết sức quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi bền, tuổi thọ của dao và ảnh hưởng lớn đến nhám bề mặt răng và độ chính xác gia công. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến lượng mòn dao khi phay đã được thực hiện bởi nhiều nghiên cứu. Riêng về bánh răng côn cung tròn, cũng đã có một số nghiên cứu về lĩnh vực này trong những năm gần đây. Tuy nhiên, các nghiên cứu thường tập trung vào việc mô phỏng để dự đoán lượng mòn dao nhưng chưa xét đến loại vật liệu của bánh răng. Ngoài ra, trong các nghiên cứu đó cũng thường tập trung vào
8 nghiên cứu ảnh hưởng các thông số hình học của dụng cụ cắt đến lượng mòn dao mà chưa xét đến ảnh hưởng của chế độ cắt đến lượng mòn dao. Như vậy, rõ ràng là trong những điều kiện gia công khác nhau về vật liệu gia công, chế độ cắt thì việc áp dụng kết quả trong các nghiên cứu đó còn hạn chế. * Đặc điểm quá trình mòn dao khi gia công cắt gọt kim loại Trong quá trình cắt gọt, phần lưỡi cắt bị mài mòn bởi hiện tượng phoi trượt trên mặt trước và chi tiết chuyển động trượt với mặt sau của dao gây nên. Hiện tượng mòn của dụng cụ cắt là một quá trình phức tạp, nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: thông số dụng cụ cắt, vật liệu làm dụng cụ cắt, chế độ cắt, chế độ tưới nguội, vật liệu của chi tiết gia công và các hiện tượng ma sát vùng cắt, lực cắt, rung động dẫn đến làm ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công. Trong quá trình cắt, áp lực trên các bề mặt tiếp xúc lớn hơn nhiều so với áp lực làm việc trên các chi tiết máy và dụng cụ bị mòn theo nhiều dạng khác nhau [22]. Fritz Klocke và cộng sự [62] đã thực hiện một mô hình dự đoán mòn dụng cụ khi cắt bánh răng côn cung tròn. Lượng mòn của dụng cụ phụ thuộc vào chế độ cắt, chiều dầy lớp cắt, khả năng sinh nhiệt tại vùng cắt. Theo nguyên lý bao hình, tại mỗi vị trí trên lưỡi cắt chính của dao đều tham gia cắt gọt, dẫn đến xuất hiện mòn dao tại khu vực này. Tuy nhiên lượng mòn tại mỗi vị trí trên lưỡi cắt là khác nhau. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng tại vùng giao nhau giữa lưỡi cắt chính và lưỡi cắt mặt đầu có vận tốc cắt lớn nhất, trong quá trình cắt gọt chịu va đập lớn nhất và khả năng tản nhiệt kém nhất, dẫn đến mòn dụng cụ sẽ xuất hiện đầu tiên tại vùng này và là lượng mòn nhiều nhất (hình 2.17). Khi lượng mòn vượt quá giới hạn cho phép, lực cắt sẽ lớn và gây ra rung động ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt, độ chính xác của biên dạng răng. Hình 2.17. Vùng sinh nhiệt trong quá trình cắt [62]
9 Các yếu tố ảnh hưởng đến mòn dụng cụ cắt - Ảnh hưởng của vận tốc cắt (V) đến lượng mòn dụng cụ cắt. - Ảnh hưởng của lượng chạy dao (S) đến lượng mòn dụng cụ cắt. - Ảnh hưởng của chiều sâu cắt (t) đến lượng mòn dụng cụ cắt. - Ảnh hưởng của vật liệu làm dụng cụ cắt. - Ảnh hưởng của vật liệu gia công đến lượng mòn dụng cụ cắt - Ảnh hưởng của phương pháp tưới nguội. Nhận xét: Thông qua việc phân tích một số nghiên cứu ở trên cho thấy, có nhiều yếu 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 lẽ đó cho thấy, 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. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 1. Chế độ cắt (V, S, t) là các yếu tố ảnh hưởng lớn đến nhám bề mặt sườn răng và lượng mòn dụng cụ cắt. Nghiên cứu và xây dựng mô hình xác định mối quan hệ toán học giữa các thông số công nghệ này với nhám bề mặt sườn răng và lượng mòn dụng cụ cắt khi gia công bánh răng côn cung tròn là nghiên cứu có ý nghĩa; 2. Nhám bề mặt sườn răng tại vùng tiếp xúc của cặp bánh răng khi ăn khớp là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của bộ truyền. Đây là cơ sở để đánh giá nhám bề mặt sườn răng khi gia công tinh bánh răng côn cung tròn bằng đầu dao hợp kim cứng; 3. Nhiệt cắt sinh ra nhiều nhất tại vùng giao giữa lưỡi cắt chính và lưỡi cắt mặt đầu khi cắt gọt, dẫn đến lượng mòn dao tại khu vực này là lớn nhất. Mòn mặt sau của dụng cụ cắt ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác kích thước, chất lượng bánh răng. Nghiên cứu xác định mòn mặt sau và tuổi bền dao khi gia công tinh bánh răng côn cung tròn là cần thiết. CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM Trong chương này thực hiện các nội dung chính sau: - Xây dựng mô hình thực nghiệm, phân tích cơ sở chọn chỉ tiêu đánh giá, phân tích cơ sở và yêu cầu đối với thông số đầu vào.
10 - Thông số đầu vào gồm các thông số V, S, t. Dự trên cơ sở làm việc của máy, khuyến cáo hãng chế tạo dụng cụ cắt, vật liệu gia công, bộ thông số thí nghiệm được lựa chọn như sau: + Vận tốc cắt : 93 ≤ V ≤ 142 (m/phút) + Lượng chạy dao : 40 ≤ S ≤ 60 (giây/răng) +Chiều sâu cắt : 0,25 ≤ t ≤ 0,75 (mm) - Lựa chọn và xây dựng quy hoạch thực nghiệm dạng Box – Behnken với 3 thông số đầu vào gồm 15 thí nghiệm (bảng 3.3). Bảng 3.3. Ma trận thí nghiệm dạng Box-Behnken 3 yếu tố. Giá trị mã hóa của các thông số Thứ tự thí nghiệm x1 x2 x3 1 -1 -1 0 2 1 -1 0 3 -1 1 0 4 1 1 0 5 -1 0 -1 6 1 0 -1 7 -1 0 1 8 1 0 1 9 0 -1 -1 10 0 1 -1 11 0 -1 1 12 0 1 1 13 0 0 0 14 0 0 0 15 0 0 0 Giá trị của các biến trong quá trình thí nghiệm được chọn theo điều kiện phay tinh vật liệu thép hợp kim 20XM. Giá trị của các thông số đầu vào ứng với từng giá trị mã hóa được trình bày trong bảng 3.2 Bảng 3.4. Giá trị của các thông số đầu vào tại các mức khi thí nghiệm Ký Mã Các mức thí nghiệm Thông số đầu vào hiệu hóa -1 0 +1 Vận tốc cắt (m/ph) V x1 93 117,5 142 Lượng chạy dao (giây/răng) S x2 40 50 60 Chiều sâu cắt (mm) t x3 0,25 0,50 0,75 - Xây dựng mô hình hồi qui mô tả sự phụ thuộc của hàm chỉ tiêu (Ra và U) vào các thông số ảnh hưởng (V, S, t) dưới dạng phương trình bậc 2:
11 (3.6) - Phân tích những yêu cầu đối với hệ thống thí nghiệm; Xây dựng hệ thống thí nghiệm gồm những thiết bị cơ bản sau: Máy phay răng 525 do Liên Xô sản xuất (hình 3.2), mẫu thí nghiệm là thép 20XM (hình 3.5) được gia công theo bản vẽ chi tiết bánh răng(hình 3.6), dụng cụ cắt là đầu dao phay bánh răng côn cung tròn gắn mảnh hợp kim cứng với lớp phủ CVD Ti(C,N)-Al2O3-TiN (hình 3.7 và hình 3.8), kính hiển vi kỹ thuật số VHX-6000 dùng để đo nhám bề mặt răng và lượng mòn mặt sau của dao(hình 3.16). Hình 3.2. Máy phay răng 525 Hình 3.5. Mẫu thí nghiệm Hình 3.6. Bản vẽ chi tiết bánh răng Hình 3.7. Mảnh hợp kim cứng phủ thí nghiệm CVD Ti(C,N)-Al2O3-TiN Hình 3.9. Đầu dao phay tinh hệ Hình 3.16. Kính hiển vi kỹ thuật Gleason số VHX-6000
12 * Tiến trình thí nghiệm và thu thập dữ liệu -Thực nghiệm 01: Thực nghiệm xác định ảnh hưởng của thông số chế độ cắt V, S, t đến độ nhám bề mặt răng (Ra) và lượng mòn mặt sau của dao (U). - Thực nghiệm 02: Thực nghiệm xác định tuổi bền của dụng cụ cắt (T). KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 1. Phân tích, lựa chọn phương pháp nghiên cứu, dạng quy hoạch thực nghiệm, phương trình hồi quy tổng quát, vật liệu chế tạo mẫu, các thông số và số lượng mẫu bánh răng để thực nghiệm, cụ thể như sau: - Dạng quy hoạch thực nghiệm được sử dụng trong nghiên cứu là Box-Behnken với 3 thông số đầu vào (V, S, t) và 2 thông số đầu ra (Ra, U) với 15 thí nghiệm, vật liệu mẫu bánh răng là thép 20XM. - Phương trình hồi quy được sử dụng là dạng đa thức bậc 2 mô tả sự phụ thuộc của hàm chỉ tiêu (Ra và U) vào các thông số ảnh hưởng (V, S, t) dưới dạng: 2. Lựa chọn phạm vi, giới hạn thông số công nghệ V, S, t để thực nghiệm, phương pháp gia công, máy, thiết bị, dụng cụ cắt, vật liệu chế tạo dụng cụ cắt, phương pháp đo, kiểm tra, đánh giá xác định các thông số đầu ra, cụ thể như sau: - Bộ thông số công nghệ được lựa chọn để thí nghiệm: + Vận tốc cắt : V = 93 ÷ 142(m/phút) + Lượng chạy dao : S = 40 ÷ 60 (giây/răng) + Chiều sâu cắt : t = 0.25 ÷ 0.75 (mm) - Gia công theo nguyên lý bao hình trên máy 525, vật liệu lưỡi cắt là hợp kim cứng với lớp phủ CVD Ti(C,N)-Al2O3-TiN). - Sử dụng phương pháp đo không tiếp xúc trên kính hiển vi kỹ thuật số VHX-6000 để xác định các thông số đầu ra. 3. Xây dựng được hệ thống thực nghiệm hoàn chỉnh, xác định chỉ tiêu đánh giá chất lượng nhám bề mặt sườn răng của bánh răng côn cung tròn, lượng mòn mặt sau và tuổi bền của dụng cụ cắt. CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN ĐÁNH GIÁ 4.1. Kết quả thực nghiệm xác định ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhám bề mặt răng và lượng mòn dao. 4.1.1. Kết quả thí nghiệm đối với hàm mục tiêu Ra Tiến hành thực nghiệm theo thứ tự các điểm thể hiện trong bảng 3.3, mỗi điểm thí nghiệm thực hiện gia công 3 mẫu, tổng cộng 45 mẫu cho 15
13 điểm thí nghiệm, giá trị của các biến đầu vào tại mỗi điểm mã hóa lấy theo bảng 3.4. Sau khi gia công cắt gọt mẫu tại các điểm thí nghiệm, tiến hành xác định giá trị nhám Ra, mẫu được đo trên máy VHX-6000. Giá trị đo được của Ra trong mỗi điểm thí nghiệm là giá trị trung bình kết quả đo của 3 răng. Kết quả đo nhám bề mặt sườn răng được trình bày trong bảng 4.3. Bảng 4.3. Kết quả đo nhám bề mặt răng (Ra) Biến mã hóa Thông số thí nghiệm Ra (m) TT x1 x2 x3 V(m/ph) S(giây/răng t(mm) 1 -1 -1 0 93 40 0,5 2,118 2 1 -1 0 142 40 0,5 1,528 3 -1 1 0 93 60 0,5 2,263 4 1 1 0 142 60 0,5 2,044 5 -1 0 -1 93 50 0,25 2,207 6 1 0 -1 142 50 0,25 1,499 7 -1 0 1 93 50 0,75 1,989 8 1 0 1 142 50 0,75 1,847 9 0 -1 -1 117,5 40 0,25 1,434 10 0 1 -1 117,5 60 0,25 1,923 11 0 -1 1 117,5 40 0,75 1,946 12 0 1 1 117,5 60 0,75 2,109 13 0 0 0 117,5 50 0,5 1,439 14 0 0 0 117,5 50 0,5 1,489 15 0 0 0 117,5 50 0,5 1,489 * Phân tích kết quả đối với hàm mục tiêu Ra Sử dụng phần mềm Minitab để phân tích kết quả trong bảng 4.1 ta được kết quả kết quả phân tích phương sai và các hệ số của phương hồi qui cho chỉ tiêu Ra như trong bảng 4.4 và bảng 4.5. Bảng 4.4. Kết quả phân tích phương sai đối với hàm mục tiêu Ra
14 Hình 4.1. Ảnh hưởng của các thông số đến nhám bề mặt răng (Ra) Từ số liệu trong bảng 4.4, hình 4.1 cho thấy: Vận tốc cắt (V) là thông số có ảnh hưởng lớn nhất đến nhám bề mặt răng, mức độ ảnh hưởng đối với vận tốc cắt đến nhám bề mặt răng là 25,95%. Tuy nhiên quy luật ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhám bề mặt răng khá phức tạp, đầu tiên khi tăng vận tốc cắt từ 93 ÷ 117,5(m/phút) thì nhám bề mặt răng giảm nhanh, nhưng nếu tiếp tục tăng vận tốc cắt từ 117,5 ÷142(m/phút) thì nhám bề mặt răng lại tăng với mức độ chậm. Lượng chạy dao (S) cũng là thông số có ảnh hưởng đến nhám bề mặt răng, mức độ ảnh hưởng đối với lượng chạy dao đến nhám bề mặt răng là 16,25%. Qui luật ảnh hưởng của lượng chạy dao đến nhám bề mặt răng cũng khá phức tạp, khi tăng lượng chạy dao từ 40 ÷ 50(giây/răng) thì nhám bề mặt răng giảm chậm, nhưng nếu tiếp tục tăng lượng chạy dao từ 50 ÷ 60(giây/răng) thì nhám bề mặt răng lại tăng nhanh. Chiều sâu cắt (t) có ảnh hưởng đến nhám bề mặt răng, tuy nhiên mức độ ảnh hưởng không nhiều và chỉ 6,46%. Trong khoảng chiều sâu cắt từ 0,25 ÷ 0,5 (mm) thì nhám bề mặt răng hầu như không thay đổi. Khi chiều sâu cắt tăng từ 0,5 ÷ 0,75(mm) thì nhám bề mặt răng tăng nhưng với mức độ chậm. Bảng 4.5. Các hệ số của phương trình hồi quy đối với hàm mục tiêu Ra
15 Trên cơ sở những phân tích ở trên và từ số liệu trong bảng 4.5, ta xây dựng được mô hình hồi quy bậc hai đầy đủ đối với nhám bề mặt như phương trình (4.1). Phương trình này có hệ số xác định R2 = 0,9682 rất gần với 1, điều này khẳng định phương trình (4.1) rất khớp với số liệu thí nghiệm. (4.1) 4.1.2. Kết quả thí nghiệm đối với hàm mục tiêu U Tiến hành thực nghiệm theo thứ tự các điểm thí nghệm thể hiện trong bảng 3.3, giá trị của các biến đầu vào tại mỗi điểm mã hóa thực hiện theo bảng 3.4. Để đảm bảo thực nghiệm đánh giá lượng mòn dụng cụ cắt trong giai đoạn mòn ổn định (giai đoạn II), tại mỗi điểm thí nghiệm ta tiến hành gia công 3 mẫu, sau đó dừng máy và tiến hành đo để xác định lượng mòn mặt sau (U), mẫu được đo trên máy đo VHX-6000. Giá trị đo lượng mòn mặt sau (U) tại mỗi điểm thí nghiệm là giá trị trung bình của của 16 lưỡi cắt trên đầu dao. Kết quả đo lượng mòn mặt sau của dụng cụ cắt được trình bày trong bảng 4.7. Bảng 4.7. Kết quả đo mòn mặt sau dụng cụ cắt (U) Biến mã hóa Thông số thí nghiệm U(m) TT x1 x2 x3 V(m/ph) S(giây/răng t(mm) 1 -1 -1 0 93 40 0,5 57,22 2 1 -1 0 142 40 0,5 37,42 3 -1 1 0 93 60 0,5 32,95 4 1 1 0 142 60 0,5 82,98 5 -1 0 -1 93 50 0,25 47,73 6 1 0 -1 142 50 0,25 69,42 7 -1 0 1 93 50 0,75 29,69 8 1 0 1 142 50 0,75 66,98 9 0 -1 -1 117,5 40 0,25 37,42 10 0 1 -1 117,5 60 0,25 51,25 11 0 -1 1 117,5 40 0,75 26,85 12 0 1 1 117,5 60 0,75 59,93 13 0 0 0 117,5 50 0,5 30,10 14 0 0 0 117,5 50 0,5 43,39 15 0 0 0 117,5 50 0,5 30,24
16 * Phân tích kết quả đối với hàm mục tiêu U Sử dụng phần mềm Minitab để phân tích kết quả trong bảng 4.7 ta được kết quả kết quả phân tích phương sai và các hệ số của phương hồi qui cho chỉ tiêu U trong bảng 4.8 và bảng 4.9. Bảng 4.8. Kết quả phân tích phương sai đối với hàm mục tiêu U Hình 4.4. Ảnh hưởng của các thông số chính đến U Từ số liệu trong bảng 4.8, hình 4.4 cho thấy: Vận tốc cắt (V) là thông số có ảnh hưởng rất lớn đến lượng mòn dao, mức độ ảnh hưởng của vận tốc cắt là 23,96%. Khi vận tốc cắt tăng từ 93 ÷ 117,5(m/phút) thì lượng mòn dao giảm chậm, nhưng nếu vận tốc cắt tăng từ 117,5 ÷ 142(m/phút) thì lượng mòn dao lại tăng nhanh.
17 Bảng 4.9. Các hệ số của phương trình hồi quy đối với hàm mục tiêu U Lượng chạy dao (S) có ảnh hưởng đến lượng mòn dao, mức độ ảnh hưởng của lượng chạy dao mòn dao là 14%. Khi tăng lượng chạy dao thì lượng mòn dao tăng, điều này hoàn toàn phù hợp với quy luật mòn dao đã được phân tích ở chương 2. Chiều sâu cắt (t) có ảnh hưởng không nhiều đến lượng mòn dao, mức độ ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến lượng mòn dao chỉ chiếm 1,51%. Ban đầu khi tăng chiều sâu cắt từ 0,25 ÷ 0,5(mm) thì lượng mòn dao giảm chậm, tiếp tục tăng chiều sâu cắt từ 0,5 ÷ 0,75(mm) thì lượng mòn dao lại tăng chậm. Trên cơ sở những phân tích ở trên và từ số liệu trong bảng 4.9, ta xây dựng được mô hình hồi quy bậc hai đầy đủ đối với lượng mòn dao như sau: (4.2) 4.1.3. Tối ưu thông số công nghệ Sử dụng thuật toán Nelder-Mead (NM) và chức năng tối ưu hóa (Start/DOE/Responer Surface/Response Optimizer…) của phần mềm Minitab để tiến hành giải bài toán tối ưu đơn mục tiêu và đa mục tiêu cụ thể như sau: 4.1.3.1. Tối ưu hóa đơn mục tiêu thông số công nghệ a) Tối ưu hóa hàm mục tiêu Ra Bài toán tối ưu hóa hàm mục tiêu Ra các thông số đầu vào (V, S, t) được viết dưới dạng: - Mục tiêu đầu ra: (4.5)
18 - Ràng buộc biến đầu vào: (4.6) Kết quả giá trị tối ưu của các thông số V, S, t khi giải bài toán tối ưu hàm mục tiêu Ra và giá trị của Ra ứng với bộ giá trị tối ưu của các thông số chế độ cắt như bảng 4.12. Bảng 4.12. Giá trị tối ưu của thông số V, S, t và giá trị hàm mục tiêu Ra Thông số V(m/ph) S(giây/răng) t(mm) Ra(m) Giá trị tối ưu 135,5657 43,6364 0,2652 1,2971 Từ bảng 4.12 cho thấy: Nếu chỉ lấy giá trị của các thông số V, S, t với hai chữ số thập phân thì giá trị của các thông số này có thể chọn có giá trị tương ứng là: V = 135,60(m/ph), S = 43,64(giây/răng) và t = 0,27(mm), khi đó hàm mục tiêu Ra = 1,297(m). * Thực nghiệm kiểm chứng giá trị tối ưu đối với hàm mục tiêu Ra Tiến hành thí nghiệm để kiểm chứng giá trị tối ưu V, S, t khi giải bài toán tối ưu hàm mục tiêu Ra. Tiến hành thực nghiệm trên 5 mẫu bánh răng, với chế độ công nghệ tối ưu theo hàm mục tiêu Ra, V=135,60(m/ph); S = 43,64(giây/răng); t = 0,27(mm), các thông số khác được chọn giống như khi thực hiện thí nghiệm theo ma trận Box-Behnken. Kết quả đo nhám bề mặt răng khi phay 5 mẫu bánh răng được trình bày trong bảng 4.13. Bảng 4.13. Kết quả thí nghiệm kiểm chứng giá trị tối ưu hàm mục tiêu Ra Thông số tối ưu Nhám bề mặt Ra(m) % Giá trị Sai S Giá trị tính toán V Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu (giây/ t(mm trung Ra(m) lệch (m/ph) 1 2 3 4 5 răng) ) bình 135,6 43,64 0,27 1,267 1,302 1,203 1,288 1,242 1,260 1,297 2,85 Từ bảng 4.13 cho thấy: Trong cả 5 mẫu thí nghiệm để kiểm chứng giá trị tối ưu của các thông số V, S, t thì giá trị của nhám bề mặt Ra khi thí nghiệm đều rất sát so với giá trị khi tính toán, sai lệch giá trị Ra trung bình giữa kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm là 2,85%. Điều đó cho thấy, giá trị tối ưu của các thông số V, S, t cũng như giá trị hàm mục tiêu Ra đạt được khi thực hiện quá trình tối ưu hóa đảm bảo độ chính xác rất cao so với giá trị thực tế.