Tóm tắt 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:27

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 4
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: Tóm tắt 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9.52.01.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2022
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. GS.TS. Trần Văn Địch 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. 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. Sau quá trình gia công (QTGC), chất lượng bề mặt là tiêu chí quan trọng để đánh giá chất lượng chi tiết, khả năng chống ăn mòn và độ bền mỏi của chi tiết. Ứng suất dư và độ nhám bề mặt được đánh giá là hai tiêu chí quan trọng. Ứng suất dư sinh ra trong QTGC do nhiệt phát sinh, biến dạng cơ học và sự thay đổi tổ chức vật liệu. 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, ngược lại ứng suất dư kéo sẽ tác động xấu đến vấn đề trên. Trong thực tế, việc đo, xử lý kết quả đo và mô hình hóa ứng suất dư rất phức tạp. Trong sản xuất, hiệu quả của QTGC được đánh giá thông qua việc nâng cao chất lượng, giảm chi phí và tăng năng suất, do vậy tối ưu hóa QTGC là mục tiêu và cũng là thách thức của sản xuất. Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các 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. Nghiên cứu về đặc tính, khả năng gia công của thép không gỉ nhằm nâng cao chất lượng bề mặt 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. Chưa có các nghiên cứu và công bố đầy đủ về phân tích ảnh hưởng của QTGC đến ứng suất dư, tối ưu hóa đa mục tiêu các chỉ tiêu quan trọng của chất lượng bề mặt như độ
2 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 - Nghiên cứu các đặc tính công nghệ của thép không gỉ, cơ sở lý thuyết ảnh hưởng của các thông số công nghệ 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 xác định mối quan hệ giữa vận tốc cắt (V), lượng tiến dao (f), chiều sâu cắt (t) đến nhám bề mặt, độ cứng tế vi, 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 của một số chỉ tiêu. Ứng dụng phần mềm để tính toán, xử lý, đánh giá sự ảnh hưởng của chế độ cắt, xác định các hàm hồi quy và giải quyết bài toán tối ưu hóa. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3 - Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu là cơ sở để thiết lập các thông số công nghệ trong QTGC tiện thép không gỉ trên máy CNC và là cơ sở cho việc tối ưu để nâng cao chất lượng bề mặt, đảm bảo năng suất cắt. - Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong sản xuất với các 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 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. CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG THÉP KHÔNG GỈ 1.1. Tổng quan chung về thép không gỉ Việc bổ sung các thành phần hợp kim trong thép không gỉ ảnh hưởng đến cơ, lý tính của nó. Khi thay đổi hàm lượng Crôm và bổ sung một số các nguyên tố khác như Niken, Molipden, … dẫn đến sự thay đổi đặc tính về cơ, lý và chống ăn mòn của thép không gỉ. Sự thay đổi dẫn đến hình thành 05 nhóm thép không gỉ bao gồm: Austenit, Ferit, Song pha (Duplex), Biến cứng kết tủa (PH).
4 1.2 Thép không gỉ Austenit Thép không gỉ Austenit có hàm lượng Niken và Crôm tối thiểu lần lượt là 7% và 16%, hàm lượng Cacbon ≤ 0,08% và một vài nguyên tố khác. Thép Austenit được chia thành 2 nhóm: Nhóm tiêu chuẩn (Loại 300) trong đó Niken là chất ổn định Austenit với một lượng vừa đủ Crôm và Niken, Nitơ cũng có thể được sử dụng để tăng độ bền, trong đó thép 304 là loại thép không gỉ phổ biến nhất do có tính tạo hình và tính hàn rất tốt, không có từ tính, có hệ số giãn nở nhiệt lớn hơn nhiều và khả năng dẫn nhiệt thấp hơn so với các loại khác. Nhóm Mangan (Loại 200), trong đó thêm một lượng đáng kể Mangan thường với mức cao hơn Nitơ. 1.3. Khả năng gia công của thép không gỉ Austenit Khả năng gia công của vật liệu được đánh giá thông qua một số tiêu chí như: kích thước, chất lượng hoàn thiện bề mặt, mức độ tiêu hao năng lượng, sự hình thành phoi, độ mòn và tuổi bền của dụng cụ. Thép Austenit có độ bền kéo cao, độ dẫn nhiệt thấp (Bảng 1.1). Đây là loại thép không chuyển hóa do vậy không có khả năng tôi cứng nhưng có xu hướng tăng cường biến cứng nguội nên được đánh giá là vật liệu khó gia công hơn thép Cacbon thường. Bảng 1.1. Tính chất vật lý của các loại vật liệu Độ bền kéo Độ giãn dài Độ dẫn nhiệt Loại vật liệu ( MPa) (%) (W/mK) Thép SUS304 515 40 16 Thép 45 450 21 58 1.4. Tình hình nghiên cứu về gia công thép không gỉ 1.4.1. Các nghiên cứu ngoài nước Các thông số công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Các nghiên cứu đã thực hiện và công bố cho thấy lượng tiến dao và vận tốc cắt có ảnh hưởng nhất đến độ nhám bề mặt như trong các công bố: M. Batista nghiên cứu trên cơ sở SOM để đánh giá co rút phoi khi tiện khô Titan. Kết quả cho thấy do tính dẫn nhiệt thấp, nên hệ số co rút phoi lớn hơn khi tiện các loại thép các bon kết cấu. Xinxin Zhang và đồng nghiệp nghiên cứu phay cao tốc thép không gỉ chỉ ra bước tiến là nhân tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ nhám Ra. Lakhdar Bouzid nghiên cứu tối ưu hóa độ
5 mòn dụng cụ khi tiện tinh SUS304 sử dụng hàm kỳ vọng DFA. Franko Puh nghiên cứu tối ưu hóa chế độ cắt khi tiện với các đặc tính tổ hợp chất lượng sử dụng phân tích quan hệ xám GRA. Ứng suất dư trong quá trình phay cao tốc hợp kim nhôm 6061- T651 với phân tích phần tử hữu hạn của tác giả Y.B. Guo và cộng sự. Kết quả cho thấy ứng suất dư theo phương của tiến dao là kéo ở gần bề mặt và nhanh chóng trở nên nén ở độ sâu 20-25µm. D.W. Wu trong nghiên cứu cho thấy độ cứng của vật liệu ảnh hưởng trực tiếp và đáng kể đến giá trị của ứng suất dư do gia công tạo ra và nhận định phương pháp gia công thép cứng khác gia công thép dẻo, bề mặt gia công của thép dẻo không có bất kỳ giai đoạn chuyển pha nào. Lựa chọn chế độ cắt cho QTGC là một trong những khâu quyết định chất lượng sản phẩm và năng suất gia công. Trong xu thế gần đây, các nhà nghiên cứu tập trung phát triển các thuật toán mới để giải quyết bài toán tối ưu QTGC đảm bảo nhiều mục tiêu khác nhau. Nhiều công bố đã cho thấy hiệu quả của việc áp dụng các thuật toán mới để giải bài toán tối ưu hóa như: Tác giả Poornima và Sukumar nghiên cứu tối ưu chế độ cắt khi tiện thép SUS40 sử dụng phương pháp bề mặt chỉ tiêu (RSM) và thuật toán di truyền GA. N. Ahmad nghiên cứu so sánh tối ưu độ nhám bề mặt khi gia công thép SUS1045 sử dụng thuật toán di truyền GA và thuật toán bầy đàn PSO. Kết quả thu được từ nghiên cứu chỉ ra các giá trị dự đoán theo phương pháp RSM là 99.3%. Trong khi đó, PSO thu được độ nhám bề mặt thấp nhất khi so sánh với phương pháp Taguchi và GA. 1.4.2. Các nghiên cứu trong nước Tại Việt Nam các nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt đã nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Tuy nhiên các nghiên cứu chủ yếu đánh giá ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhám bề mặt, mòn dụng cụ, lực cắt như: Nghiên cứu của Nguyễn Tiến Dũng khi tiện thép SUS304, đã đánh giá ảnh hưởng của (V, f, t) đến độ nhám bề mặt (Ra). Kết quả cho biết lượng tiến dao là thông số ảnh hưởng lớn nhất. Tác giả Lê Thị Hoài Thu, nghiên cứu độ chính xác gia công khi tiện vật liệu có độ dẻo cao để đánh giá ảnh hưởng của chế độ cắt đến chỉ tiêu là Ra. Trong luận án tiến sĩ của Nguyễn Chí Công đã đánh giá mức độ ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám
6 Ra, mòn đụng cụ và lực cắt khi tiện thép SUS304, ứng dụng phương pháp giải tích để giải bài toán và tìm ra bộ thông số công nghệ tối ưu khi tiện là V = 42m/phút, f=0,08mm/vòng, t=0,6mm. Một số tác giả đã nghiên cứu về tối ưu hóa QTGC sử dụng thuật toán giải thuật di truyền GA, bầy đàn PSO làm công cụ để tối ưu hóa. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1: Để nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết và hiệu quả quá trình gia công đặc biệt khi gia công loại vật liệu có độ dẻo và độ bền cao như thép SUS304 cần thiết phải xét đến các vấn đề gặp phải khi gia công, thông qua nghiên cứu tổng quan có thể thấy rằng: - Thép không gỉ Austenit trong đó mác thép SUS304 là một trong những vật liệu khó gia công. Khả năng gia công (tính công nghệ khi gia công) và hiệu quả của quá trình gia công được đánh giá thông qua chất lượng bề mặt chi tiết sau khi gia công, cơ chế mòn và tuổi bền dụng cụ cắt. - Các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến ảnh hưởng của quá trình gia công đến chất lượng bề mặt khi gia công thép không gỉ, các kỹ thuật, công cụ được ứng dụng để tối ưu hóa quá trình gia công rất đa dạng. Tuy nhiên nghiên cứu về ảnh hưởng của thông số công nghệ đến ứng suất dư lớp bề mặt chưa được quan tâm nhiều. Xuất phát từ các nghiên cứu trên cho thấy việc xác định chỉ tiêu chất lượng bề mặt bao gồm: độ nhám bề mặt (tiêu chí xác định chất lượng sản phẩm), độ cứng tế vi (tiêu chí đặc trưng cho khả năng chống ăn mòn của chi tiết) đặc biệt là ứng suất dư (tiêu chí chính ảnh hưởng đến độ bền mỏi và vết nứt bề mặt chi tiết) khi gia công thép SUS304 trên máy tiện CNC là hướng nghiên cứu quan trọng và cần thiết đóng góp cho quá trình sản xuất. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT 2.1 Độ nhấp nhô tế vi lớp bề mặt 2.1.1 Các thông số của độ nhấp nhô tế vi lớp bề mặt: Giá trị độ nhám bề mặt ( Ra ) được xác định bằng phương trình 2.1 như sau:
7 L 1 L Ra  y( x ) d ( x ) (2.1) o Trong đó: Ra là độ lệnh trung bình so với đường trung bình, L là chiều dài chuẩn để đánh giá , y ( x ) là biên dạng nhám . 2.1.2. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt Độ nhám bề mặt ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như: Chế độ cắt, các hiện tượng xảy ra trong QTGC, thông số hình học dao, đặc tính phôi. Trong đó ảnh hưởng của vận tốc cắt ( V ), lượng tiến dao ( f ), chiều sâu cắt ( t ) được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất. 2.2. Độ cứng tế vi: Độ cứng tế vi là một trong những thông số quan trọng của chất lượng bề mặt và được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng đến khả năng làm việc và tuổi thọ của chi tiết. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng bề mặt biến cứng sẽ tăng độ bền mỏi của chi tiết lên khoảng 20%, tăng độ chống mòn lên từ 2 đến 3 lần. Tuy nhiên bề mặt quá cứng làm giảm độ bền mỏi của chi tiết. 2.3. Ứng suất dư: Ứng suất dư nén trên bề mặt có khả năng làm tăng độ bền mỏi của chi tiết lên 50% và giảm 30% khi bề mặt có ứng suất dư kéo. Ứng suất dư trong QTCG được sinh ra do ba nguồn bao gồm: nhiệt phát sinh khi cắt, biến dạng cơ học và sự thay đổi tổ chức. Các kỹ thuật chính để đo ứng suất dư bao gồm: không phá hủy, bán phá hủy, phá hủy tùy thuộc vào điều kiện thí nghiệm và mẫu cần đo. Trong đó nhiễu xạ tia X là một trong những phương pháp tốt nhất để xác định ứng suất dư. Phương pháp phân tích dữ liệu XRD để xác định biến dạng trong vật liệu như Scherrer, Williamson-Hall, biểu đồ kích thước biến dạng (SSP), phương pháp Warren-Averbach. Trong đó Williamson-Hall được đánh giá là phương pháp phân tích đơn giản, rõ ràng dựa trên độ rộng nửa đỉnh nhiễu xạ FWHM. Từ giản đồ nhiễu xạ tia X, độ rộng của các đỉnh nhiễu xạ βhkl được xác định bằng độ rộng do sự thay đổi kích thước tinh thể βL và độ rộng do biến dạng tế vi βε theo công thức : βhkl = βL + βε (2.7)
8 Với βhkl là tổng độ rộng nhiễu xạ, βL là độ rộng do kích thước tinh thể và βε là độ rộng do biến dạng. Độ rộng đỉnh do sự thay đổi kích k thước tinh thể được tính từ công thức  L  (2.8) L cos  Trong đó: - Bước sóng (0.15405 nm) ;L - Kích thước tinh thể (nm);  : góc nhiễu xạ (° hoặc rad); k : 0.94 Tương tự, độ rộng đỉnh XRD do biến dạng được xác định theo công thức: βε = 4εtanθ. Với  là biến dạng. k 4 sin  Thay vào công thức (2.7) ta được:  hkl   (2.10) L cos  cos  Nhân hai vế với cos  , ta k 4 sin  được: cos  hkl  cos   cos  L cos  cos  Vẽ (  hkl cos ) theo (4sin  ) được một đường thẳng trong đó độ k biến dạng ( ) là độ dốc và giao điểm với trục tung là ( ) . Từ đó ta L có thể tính được kích thước tinh thể L. Sự dịch chuyển vị trí của đỉnh, góc ( ) , cho phép xác định được biến dạng mạng trung bình dọc theo một phương xác định [hkl] được d  do xác định bởi công thức:  hkl  (2.12) do Với d và do là khoảng cách mạng của hạt tinh thể theo phương [hkl] của mẫu có ứng suất và không có ứng suất. Ứng suất dư ( ) có quan hệ với biến dạng ( ) theo định luật Hooke như sau: E 1 4       (2.13)    hkl d  (2.14) 1  2  Với ( E ) là mô đun đàn hồi, ( ) là hệ số Poisson của vật liệu KẾT LUẬN CHƯƠNG 2: Trong quá trình gia công, chất lượng bề mặt ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố đầu vào như: vật liệu phôi, hình dáng và vật liệu dụng cụ cắt, độ cứng vững máy, chất làm mát, đặc biệt là các thông số công nghệ.
9 Đồng thời nghiên cứu sơ bộ cũng cho thấy thông số công nghệ tác động đến việc tạo thành hình dạng phoi. Qua việc nghiên cứu về chất lượng bề mặt bao gồm: độ nhám bề mặt, độ cứng tế vi và ứng suất dư cho thấy các thông số công nghệ có ảnh hưởng mạnh đến từng chỉ tiêu. Tuy nhiên mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với các yếu tố đầu ra của quá trình gia công về chất lượng bề mặt đó như thế nào cần phải xây dựng mô hình toán học mô tả mối quan hệ và xác định hàm quan hệ từ nghiên cứu bằng thực nghiệm. Đồng thời qua phân tích các phương pháp đo, tính toán để lựa chọn: - Đo nhám bề mặt ( Ra ) bằng thiết bị đo điện tử quét bề mặt. - Đo độ cứng tế vi ( HV ) bằng thiết bị đo độ cứng Vickers. - Xác định ứng suất dư thông qua phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) và tính toán giá trị theo phương pháp Williamson-Hall. 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 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 3.1.1. Phương pháp bề mặt chỉ tiêu (RSM) Trong nghiên cứu sử dụng phương pháp bề mặt chỉ tiêu để mô hình hóa mối quan hệ giữa các biến đầu vào với chỉ tiêu đầu ra. Phương pháp thiết kế thực nghiệm Box-Behnken được đánh giá phù hợp và hiệu quả với phương trình đa thức bậc 2. (Ra,,HV)= C + a.V+b.f+c.t+d.V2+e.f2+g.t2+h.V.f+ i.V.t+ j.f.t (3.3) 3.1.2. Phương pháp phân tích phương sai (ANOVA) Phân tích ANOVA được áp dụng để đánh giá ảnh hưởng của tham số đầu vào từ một loạt các kết quả thực nghiệm bằng phương pháp thiết kế thí nghiệm trong QTGC và giải thích dữ liệu đầu ra. 3.2. Xây dựng mô hình thực nghiệm 3.2.1. Sơ đồ thí nghiệm Nghiên cứu tiến hành theo các bước: Thiết kế các thông số đầu vào, thực nghiệm và đo các yếu tố đầu ra, phân tích phương sai đánh
10 giá ảnh hưởng của chế độ cắt đến yếu tố đầu ra, xây dựng hàm hồi quy, tối ưu hóa các tham số ảnh hưởng; kiểm chứng kết quả tối ưu. 3.2.2. Xác định miền thông số công nghệ thực nghiệm khi gia công thép SUS304 Bảng 3.1. Các thông số công nghệ Mức Yếu tố Đơn vị 1 2 3 Vận tốc cắt (V ) (m/phút) 230 260 290 Lượng tiến dao ( f ) mm/vòng) 0,08 0,14 0,2 Chiều sâu cắt (t ) (mm) 0,1 0,25 0,5 Căn cứ vào phân tích trong chương 2, cùng với độ cứng vững của hệ thống công nghệ, đặc tính của vật liệu gia công, theo khuyến nghị của nhà sản xuất mảnh cắt để lựa chọn miền chế độ cắt như bảng 3.1. Các chỉ tiêu đầu ra trong nghiên cứu: 1/ Độ nhám bề mặt: Ra ;2/ Độ cứng tế vi: HV 3/ Ứng suất dư:  3.3. Điều kiện thực nghiệm ảnh hưởng của thông số công nghệ đến các chỉ tiêu đầu ra khi tiện CNC thép SUS304 3.3.1. Thiết bị thực nghiệm Thực nghiệm trên máy tiện CNC Mori Seiki SL-253 3.3.2. Phôi thực nghiệm Hình 3.3. Máy tiện CNC Phôi có kích thước đường kính   50 mm được cắt rãnh trên dọc Mori Seiki SL-253 chiều dài để tạo thành 15 mẫu (hình 3.4) Hình 3.4. Bản vẽ phôi thực nghiệm 3.3.3. Dụng cụ cắt Nghiên cứu Sử dụng mảnh chip chuyên dùng gia công thép không gỉ hãng Sandvik, ký hiệu DCMT 11 T3 04 - MF 2220 phủ CVD Ti (C, N) + Al2O3 + TiN
11 3.3.4. Thiết bị đo và phương pháp đo * Máy đo độ nhám: Hình 3.7. Máy đo độ nhám Mitutoyo * Máy đo độ cứng Vickers * Máy chụp Hình 3.8. Đo độ cứng tế vi XRD: Hình 3.9. Thiết bị chụp XRD 3.4. Thực nghiệm xác định một số đặc tính của chất lượng bề khi tiện CNC thép SUS304 3.4.1. Phân tích ảnh hưởng và xây dựng hàm hồi quy mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến nhám bề mặt Bảng 3.5. Thiết kế thí nghiệm và kết quả đo độ nhám bề mặt V f t Ra Mẫu (m/phút) (mm/vòng) (mm) (µm) 1 290 0,2 0,25 1,58 2 260 0,14 0,25 0,73 3 260 0,14 0,25 0,73 4 230 0,2 0,5 1,72 5 230 0,14 0,1 0,93 6 260 0,08 0,5 0,45
12 V f t Ra Mẫu (m/phút) (mm/vòng) (mm) (µm) 7 260 0,2 0,1 1,55 8 260 0,14 0,25 0,73 9 260 0,08 0,1 0,44 10 230 0,2 0,25 1,66 11 290 0,14 0,1 0,87 12 290 0,08 0,25 0,48 13 230 0,14 0,5 0,85 14 230 0,08 0,25 0,64 15 290 0,14 0,5 1,02 Áp dụng phân tích phương sai (ANOVA) để xác định mức ý nghĩa của các tham số đầu vào và đóng góp của chúng vào kết quả đầu ra. Mô hình được coi là có ý nghĩa nếu giá trị P < 0,05. Sử dụng phần mềm Minitab 18 ta được kết quả phân tích ANOVA trong bảng 3.6. Bảng 3.6. Phân tích ANOVA cho độ nhám bề mặt Ra Mức SS MS SS Giá trị Giá Nguồn DF đóng hiệu hiệu dãy số F trị P góp chỉnh chỉnh Mô hình 9 2,83234 99,49% 2,83234 0,31470 109,05 0,000 V 1 0,08893 3,12% 0,00109 0,00109 0,38 0,566 f 1 2,45459 86,22% 2,01253 2,01253 697,39 0,000 t 1 0,00763 0,27% 0,00356 0,00356 1,23 0,317 V2 1 0,08038 2,82% 0,05363 0,05363 18,58 0,008 f2 1 0,17579 6,18% 0,19252 0,19252 66,71 0,000 t2 1 0,00770 0,27% 0,01057 0,01057 3,66 0,114 V*f 1 0,00114 0,04% 0,00086 0,00086 0,30 0,609 V*t 1 0,01384 0,49% 0,01590 0,01590 5,51 0,066 f *t 1 0,00235 0,08% 0,00235 0,00235 0,81 0,408 Sai số 5 0,01443 0,51% 0,01443 0,00289 Mức độ phù hợp 3 0,01443 0,51% 0,01443 0,00481 Sai số thuần túy 2 0,00000 0,00% 0,00000 0,00000 Tổng 14 2,84677 100,0% Đối với tác động riêng lẻ: lượng tiến dao có mức độ ảnh hưởng lớn nhất (86,22%) so với mức đóng góp ảnh hưởng của vận tốc cắt là (3,12%) và chiều sâu cắt ảnh hưởng không đáng kể (0,27%). Tác động chéo đều tương đối nhỏ. Tác động bậc hai: f2 lớn nhất với mức đóng góp (6,18%), tiếp đến V2(2,82%) và t2(0,27%). Ngoài ra, giá trị
13 P của vận tốc cắt (0,566) và của chiều sâu cắt (0,317) cho thấy V, t không thể hiện mức ý nghĩa về mặt thống kê nào đến Ra. Quan sát biểu đồ phân tích Pareto giá trị F trên hình 3.10 ta thấy được nguyên nhân chính gây ra độ nhám bề mặt là do lượng tiến dao (20% nguyên nhân). Các thông số còn lại ảnh hưởng ít hơn hoặc không đáng kể đến độ nhám bề mặt. Hình 3.10. Biểu đồ phân tích Pareto Ảnh hưởng riêng biệt ảnh hưởng của V, f, t đến nhám bề mặt của từng thông số đến độ nhám bề mặt (hình 3.11), có thể thấy rằng: Khi V ở mức thấp (230m/phút), lúc này do ở vùng tốc độ có khả năng hình thành lẹo dao dẫn đến giá trị độ nhám lớn, khi V ở mức trung bình là 260 m/phút Hình 3.11.PlẢnha vs f. V Surface ot of R hưởng của từng ethông vs V. t Surfac Plot of Ra số không còn ảnh hưởng của đến nhám bề mặt Hold Values t 0,3 Hold V f 0, lẹo dao làm sẽ cho Ra nhỏ nhất. Khi tốc độ cắt 1,0 1,5 lên 290 m/phút, do ảnh Ra (µm) 1,0 Ra (µm) 0,9 0,8 hưởng của nhiệt độ, của 0,5 Surface P0,7 t of Ra vs f. t lo biến dạng phoi nên độ Hold 0,10 Values 0,20 2 40 2 40 255 0,25 V 260 255 0,15 270 V (m/ph) 0,40 t (mm) 270 285 nhám Ra lại có xu hướng V (m/ph) 285 0,10 f (mm/vg ) 0,55 tăng nhưng không nhiều. a b 1,5 Chiều sâu cắt ảnh hưởng ) Ra (µm) 1,0 ) ít đến Ra 0,5 0,55 0,20 Hình 3.12 biểu diễn f (mm/vg ) 0,15 0,10 0,10 0 0,25 0,40 t (mm) mối quan hệ đồng thời Hình 3.12. Đồ thị quan hệ giữa Ra với V,f,t c của từng cặp thông số )
14 công nghệ đến độ nhám bề mặt. Từ dữ liệu thực nghiệm, sử dụng phần mềm Minitab 18, tính toán các hệ số của mô hình, kết quả hàm hồi quy biểu diễn mối quan hệ giữa chế độ cắt với độ nhám bề mặt (Ra) là: Ra  12,11  0,0818V 11,57 f  3,69 t  0,000149V 2  64,68 f 2 1,460 t 2  0,0079Vf  0,01002Vt  2,27 ft (3.10) R  99,49% 2 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 Bảng 3.7. Thiết kế thí nghiệm và kết quả đo độ cứng tế vi V f t Mẫu HV0,025 (m/phút) (mm/vòng) (mm) 1 290 0,2 0,25 348 2 260 0,14 0,25 329,5 3 260 0,14 0,25 329,5 4 230 0,2 0,5 441 5 230 0,14 0,1 332,5 6 260 0,08 0,5 336 7 260 0,2 0,1 402 8 260 0,14 0,25 329,5 9 260 0,08 0,1 309 10 230 0,2 0,25 438 11 290 0,14 0,1 316 12 290 0,08 0,25 312,5 13 230 0,14 0,5 392,5 14 230 0,08 0,25 335 15 290 0,14 0,5 324,5 Bảng 3.8 là kết quả phân tích ANOVA với độ cứng tế vi cho biết trong 3 thông thì lượng tiến dao f có ảnh hưởng lớn nhất đến độ cứng tế vi sau khi gia công với mức độ đóng góp là 42,92% sau đó đến vận tốc cắt V với 33,51% và chiều sâu cắt t với 5,82%. Bảng 3.8. Phân tích ANOVA cho độ cứng tế vi SS MS SS Mức đóng Giá trị Giá trị Nguồn DF hiệu hiệu dãy số góp F P chỉnh chỉnh Mô hình 9 26701 97,53% 26701 2966,78 21,93 0,002
15 SS MS SS Mức đóng Giá trị Giá trị Nguồn DF hiệu hiệu dãy số góp F P chỉnh chỉnh V 1 9175,5 33,51% 5074,6 5074,56 37,51 0,002 f 1 11750,8 42,92% 7501,3 7501,29 55,45 0,001 t 1 1592,4 5,82% 713,9 713,85 5,28 0,07 V2 1 34,8 0,13% 51,8 51,84 0,38 0,563 f2 1 2498,5 9,13% 1849,7 1849,69 13,67 0,014 t2 1 132,3 0,48% 38,8 38,8 0,29 0,615 V*f 1 916,9 3,35% 980,7 980,66 7,25 0,043 V*t 1 277,9 1,01% 428,5 428,46 3,17 0,135 f*t 1 322,1 1,18% 322,1 322,12 2,38 0,183 Sai số 5 676,4 2,47% 676,4 135,27 Mức độ phù hợp 3 676,4 2,47% 676,4 225,45 Sai số thuần túy 2 0 0,00% 0 0 Tổng 14 27377,4 100,00% Phân tích giá trị F trên hình 3.16 cho thấy thứ tự xếp hạng các ảnh hưởng đến HV như sau: f ảnh hưởng lớn nhất, tiếp đến là V và f2. Trên hình 3.17 có thể thấy rằng khi vận tốc cắt thay đổi từ 230m/phút đến 260m/phút, độ cứng tế vi bề Hình 3.16. Biểu đồ phân tích Pareto ảnh hưởng của các thông số đến HV mặt giảm rất mạnh. Do khi vận tốc cắt tăng lên, một lớp kim loại trong vùng cắt bị nóng chảy nên lực liên kết giữa các phần tử kim loại giảm, ma sát giữa dao và phoi giảm, lực cắt giảm do đó tốc độ biến cứng giảm. Tương tự như vậy khi lượng tiến dao tăng ở mức cao từ Hình 3.17. Ảnh hưởng của từng thông số đến HV
Surface Plot of HV vs f. V Surface Plot of HV vs t. V 16 Hold Values Hold Valu t 0,3 f 0,14 0,14mm/vòng đến 450 380 400 0,2mm/vòng, độ cứng tế vi HV 360 350 HV 340 Surface Plot of HV vs f. t tăng rất nhanh và đạt giá trị 300 2 40 0,20 320 2 40 Hold Values 0,55 0,40 V 260 cao nhất khi lượng tiến dao 255 0,15 255 270 270 V (m/ph) 285 0,10 f (mm/vg ) V (m/ph) 0,25 t (mm) 285 0,10 lớn nhất. a b Hình 3.18 thể hiện ảnh HV ) 375 350 ) hưởng của từng cặp thông số 325 300 công nghệ đến độ cứng tế vi. 0,55 0,20 0,40 0,15 0 0,25 t (mm) f (mm/vg ) 0,10 0,10 Sử dụng phần mềm tính c toán tìm hàm hồi quy và độ Hình 3.18. Đồ thị quan hệ giữa tin cậy ta được kết quả: HV với )(V , f , t ) HV  428 1,56V  1248 f  543t  0,00462V 2  6340 f 2  88 t 2  8,47Vf 1, 645Vt  842 ft (3.11) R 2  97,53% 3.4.3. Phân tích ảnh hưởng và xây dựng hàm hồi quy mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến ứng suất dư Ứng suất dư không xác định được giá trị trực tiếp từ các thiết bị đo mà phải thông qua xử lý, tính toán trung gian theo quy trình: Bước 1: Sử dụng phần mềm MDI Jade 6.5 đọc dữ liệu nhiễu xạ tia X (định dạng *.raw), các đỉnh nhiễu xạ được chuẩn hóa bằng hàm Pseudo-Voigt với các giá trị mặc định để đọc được kết quả độ rộng nửa đỉnh  hkl (FWHM) tại các đỉnh nhiễu xạ. Bước 2: Tính độ rộng đỉnh nhiễu xạ Bước 3: Tính  từ hàm nội suy bậc nhất đi qua 3 điểm của phương trình 2.14, kết quả được trình bày trong bảng 3.9. Bước 4: Tính ứng suất dư từ công thức 2.13 là hàm của  với các hằng số mô đun đàn hồi E=200 GPa và hệ số Poisson   0,293 . Bảng 3.9. Xác định các số liệu tính toán ứng suất dư Góc 2θ Mặt tinh FWHM βcosθ ε Mẫu 4sinθ (độ) thể [hkl] (độ) (rad) % 43,531 111 0,380 0,00594 1,483 1 50,766 200 0,756 0,01182 1,715 0,533 74,490 220 0,884 0,0122 2,421 43,796 111 0,401 0,00629 1,492 2 0,327 51,007 200 0,803 0,01255 1,722
17 74,773 220 0,796 0,01095 2,429 43,796 111 0,401 0,00629 1,492 3 51,007 200 0,803 0,01255 1,722 0,327 74,773 220 0,796 0,01095 2,429 43,823 111 0,409 0,00642 1,493 4 51,022 200 0,769 0,01201 1,723 0,625 74,743 220 0,976 0,01347 2,428 43,763 111 0,405 0,00636 1,491 5 50,975 200 0,842 0,01317 1,721 0,354 74,747 220 0,829 0,01141 2,428 43,866 111 0,406 0,00637 1,494 6 51,067 200 0,770 0,01202 1,724 0,372 74,814 220 0,817 0,01124 2,430 43,685 111 0,426 0,00671 1,488 7 50,894 200 0,830 0,01299 1,719 0,607 74,564 220 0,998 0,01379 2,423 43,796 111 0,401 0,00629 1,492 8 51,007 200 0,803 0,01255 1,722 0,327 74,773 220 0,796 0,01095 2,429 43,767 111 0,398 0,00624 1,491 9 50,981 200 0,796 0,01244 1,721 0,343 74,759 220 0,801 0,01102 2,428 38,033 111 0,404 0,00646 1,303 10 44,266 200 0,479 0,00757 1,507 0,534 74,767 220 0,904 0,01246 2,429 43,797 111 0,443 0,00699 1,492 11 51,010 200 0,994 0,01558 1,722 0,450 74,632 220 0,968 0,01336 2,425 43,792 111 0,445 0,00702 1,492 12 51,012 200 0,703 0,01096 1,722 0,433 74,749 220 0,866 0,01193 2,428 43,802 111 0,385 0,00602 1,492 13 50,997 200 0,804 0,01257 1,722 0,589 74,733 220 0,945 0,01303 2,428 43,840 111 0,410 0,00644 1,493 14 51,023 200 0,873 0,01366 1,723 0,372 74,741 220 0,854 0,01176 2,428 43,939 111 0,384 0,006 1,496 15 51,138 200 0,732 0,01142 1,726 0,386 74,859 220 0,794 0,01092 2,431
18 Kết quả tính toán xác định ứng suất dư của các mẫu nghiên cứu sử dụng phương pháp Williamson-Hall đã được cho trong bảng 3.10. Bảng 3.10. Thiết kế thí nghiệm và kết quả tính toán ứng suất dư V f t  Mẫu (m/phút) (mm/vòng) (mm) MPa 1 290 0,2 0,25 201,6 2 260 0,14 0,25 125,9 3 260 0,14 0,25 125,9 4 230 0,2 0,5 240,8 5 230 0,14 0,1 136,3 6 260 0,08 0,5 143,1 7 260 0,2 0,1 233,3 8 260 0,14 0,25 125,9 9 260 0,08 0,1 131,7 10 230 0,2 0,25 204,5 11 290 0,14 0,1 172,5 12 290 0,08 0,25 166,7 13 230 0,14 0,5 226,5 14 230 0,08 0,25 143,2 15 290 0,14 0,5 148,3 Phân tích ANOVA về ảnh hưởng của chế độ cắt đến ứng suất dư lớp bề mặt tại bảng 3.11, cho thấy tỷ lệ ảnh hưởng của vận tốc cắt, lượng tiến dao và chiều sâu cắt lần lượt là 3,98%, 41,64% và 4,90%. Bảng 3.11. Phân tích ANOVA cho ứng suất dư Mức SS Giá Giá SS MS Nguồn DF đóng hiệu trị trị dãy số hiệu chỉnh góp chỉnh F P Mô hình 9 22657 91,62% 22657 2517,45 6,07 0,031 V 1 984,6 3,98% 196,5 196,47 0,47 0,522 f 1 10297,3 41,64% 4976,1 4976,09 12 0,018 t 1 1211 4,90% 70,1 70,05 0,17 0,698 V2 1 1620 6,55% 1638,4 1638,43 3,95 0,104 f2 1 3376,4 13,65% 2598,1 2598,06 6,27 0,054 t2 1 1709,7 6,91% 1162,7 1162,71 2,8 0,155 V*f 1 97 0,39% 78,7 78,69 0,19 0,681 V*t 1 2731,4 11,04% 3241,7 3241,69 7,82 0,038 f*t 1 629,4 2,55% 629,4 629,45 1,52 0,273 Sai số 5 2072,7 8,38% 2072,7 414,53 Mức độ phù hợp 3 2072,7 8,38% 2072,7 690,89 Sai số thuần túy 2 0 0,00% 0 0 Tổng 14 24729,7 100,0%