Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng trục dao và chế độ cắt đến năng suất và nhám bề mặt khi gia công mặt cầu lồi trên trung tâm CNC 5 trục - Bùi Long Vịnh

LỜI CAM ĐOAN .

LỜI CẢM ƠN.

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. I

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU. II

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ.III

MỤC LỤC . VI

MỞ ĐẦU. 1

1. Tính cấp thiết của đề tài . 1

2. Mục đích và nội dung nghiên cứu của đề tài . 1

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu . 1

4.Phƣơng pháp nghiên cứu . 2

5.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. 2

6. Đóng góp mới của đề tài nghiên cứu. 2

7. Cấu trúc của luận án . 3

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHAY BỀ MẶT 3D TRÊN TRUNG TÂM GIA CÔNG CNC

5 TRỤC. 4

1.1 Đặc điểm tạo hình trên trung tâm gia công CNC 5 trục. 4

1.1.1 Cấu hình của trung tâm gia công CNC 5 trục. 4

1.1.2 Định hƣớng dụng cụ trên trung tâm gia công. 6

1.2 Dụng cụ gia công bề mặt 3D trên trung tâm gia công CNC 5 trục.10

1.2.1 Khả năng cắt gọt của dao phay cầu.10

1.2.2 Thông số hình học của dao phay cầu .12

1.2.3 Phƣơng trình lƣỡi cắt của dao phay cầu.14

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc.15

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc .15

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc.17

KẾT LUẬN CHƢƠNG 1.21

CHƢƠNG 2: MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CỦA QUÁ TRÌNH PHAY BỀ MẶT 3D .22

2.1 Lực cắt khi phay.22

2.1.1 Lực cắt trong hệ thống động lực học quá trình cắt.22

2.1.2 Lực tác dụng lên mặt trƣớc và mặt sau của dụng cụ cắt.22

2.1.3 Ảnh hƣởng của chế độ cắt đến lực cắt .23VII

2.2 Mòn dao khi phay.25

2.2.1 Mài mòn dụng cụ cắt.25

2.2.2 Các dạng mài mòn phần cắt dụng cụ.25

2.2.3 Chỉ tiêu đánh giá mài mòn dụng cụ cắt .27

2.2.4 Cơ chế mài mòn dụng cụ cắt .28

2.2.5 Các yếu tố ảnh hƣởng đến mòn dụng cụ cắt .29

2.2.5.1 Ảnh hưởng của tốc độ cắt V tới T .29

2.2.5.2 Ảnh của hưởng t và S đến tuổi bền T .31

2.3 Chất lƣợng bề mặt khi phay .33

2.3.1 Tính chất hình học bề mặt gia công .33

2.3.2 Ảnh hƣởng của chế độ cắt tới bề mặt chi tiết gia công .34

2.3.2.1 Ảnh hƣởng của một số yếu tố trong quá trình cắt đến chiều cao nhấp nhô

bề mặt .34

2.3.2.2 Trạng thái cơ lí của lớp bề mặt chi tiết gia công .35

2.3.3 Ảnh hƣởng của góc nghiêng trục dao đến chất lƣợng bề mặt gia công .37

2.4 Năng suất khi phay.38

KẾT LUẬN CHƢƠNG 2.40

CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC BẰNG THỰC NGHIỆM GIỮA GÓC

NGHIÊNG TRỤC DAO VÀ CHẾ ĐỘ CẮT VỚI CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẦU RA

.41

3.1 Xây dựng mô hình thực ngiệm .41

3.1.1 Sơ đồ thực nghiệm .41

3.1.2 Các đại lƣợng đầu vào.41

3.1.3 Các đại lƣợng đầu ra .42

3.1.4 Các đại lƣợng cố định.42

3.1.5 Các đại lƣợng nhiễu .42

3.2 Điều kiện thực nghiệm.42

3.2.1 Máy phay CNC .42

3.2.2 Phôi thực nghiệm.43

3.2.3 Dụng cụ cắt.45

3.3 Các thiết bị đo .45

3.4 Thiết kế ma trận thực nghiêm Taguchi .47

3.5 Chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng mô hình toán học xác định mối quan hệ thực nghiệm .

.49

3.6 Xác định mối quan hệ thực nghiệm .51

3.6.1 Xác định mối quan hệ thực nghiệm giữa chế độ cắt và lực cắt F khi gia công

thép SKD11.51VIII

3.6.2 Xác định mối quan hệ thực nghiệm giữa chế độ cắt và chiều cao mòn dao hs

khi gia công thép SKD11.58

3.6.3 Xác định mối quan hệ thực nghiệm giữa chế độ cắt và nhám bề mặt Rz khi gia

công thép SKD11 .66

3.6.4 Xác định mối quan hệ thực nghiệm giữa chế độ cắt và năng suất gia công Q

khi gia công thép SKD11.74

KẾT LUẬN CHƢƠNG 3.83

CHƢƠNG 4: ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO ĐỂ XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ CÔNG

NGHỆ TỐI ƢU KHI PHAY BỀ MẶT 3D TRÊN TRUNG TÂM GIA CÔNG BẰNG DAO

PHAY CẦU.84

4.1 Xây dựng bài toán tối ƣu khi phay trên trung tâm gia công .84

4.1.1 Xác định hàm mục tiêu .85

4.1.2 Xác định hàm biên .86

4.1.3 Thành lập bài toán tối ƣu đa mục tiêu khi phay trên trung tâm gia công.88

4.2 Giải bài toán tối ƣu đa mục tiêu khi phay trên trung tâm gia công .88

4.2.1 Một số phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu đa mục tiêu .89

4.2.2 Ứng dụng giải thuật PSO để xác định miền tối ƣu Pareto khi gia công trên

trung tâm gia công CNC 5 trục .96

4.3 Xác định góc nghiêng trục dao và chế độ cắt tối ƣu khi phay trên trung tâm gia công

.100

4.3.1 Sử dụng phần mềm viết trên Matlab xác định góc nghiêng trục dao và chế độ

cắt tối ƣu.100

4.3.2 Kiểm nghiệm kết quả .101

KẾT LUẬN CHƢƠNG 4.103

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .104

TÀI LIỆU THAM KHẢO .106

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .109

PHỤ LỤC.110

pdf127 trang | Chia sẻ: trungkhoi17 | Lượt xem: 389 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng trục dao và chế độ cắt đến năng suất và nhám bề mặt khi gia công mặt cầu lồi trên trung tâm CNC 5 trục - Bùi Long Vịnh, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ường Ďáy của profin là chiều cao nhấp nhô cực Ďại maxR 1 0 1 a iR y dl l   (2. 11) H 2 R2 5 3 2 5 3 2 5 1 y i H l H m a x h n Si m inh m a x m a x m a x m a x m a x S 1 1 h H m in m m a x b h m in H 1 m 5 h H m in p h m in y mi m in S n b Đƣờng trung bình Đƣờng đáy Đƣờng đỉnh 34 Hoặc aR Ďược xác Ďịnh theo công thức gần Ďúng: 1 1 n a i i R y n    (2. 12) Ở Ďây: iy là sai số profin, là khoảng cách giữa một Ďiểm profin bất kỳ nào Ďó và Ďường trung bình m. Chiều cao nhấp nhô zR là tổng trung bình của năm giá trị lớn nhất maxH và năm giá trị nhỏ nhất minH trong phạm vi chiều dài chuẩn l : 5 5 max min 1 1 1 5 z i i i R H H           (2. 13) Nếu chọn Ďường chuẩn Ďo không trùng với Ďường trung bình ( ví dụ, nằm ở phía dưới và ở ngoài profin như trên hình 2.13) thì Rz Ďược xác Ďịnh theo công thức sau: 5 5 max min 1 1 1 5 z i i i R h h           (2. 14) Ở Ďây: maxh và minh là tung Ďộ của năm Ďỉnh cao nhất và năm Ďỉnh thấp nhất (trong phạm vi chiều dài chuẩn l ) và Ďược xác Ďịnh từ khoảng cách Ďều của Ďường trung bình và không cắt profin bề mặt ( nằm ngoài profin bề mặt). Các thông số ,a zR R Ďặc trưng cho chiều cao nhấp nhô profin. 2.3.2 Ảnh hƣởng của chế độ cắt tới bề mặt chi tiết gia công 2.3.2.1 Ảnh hưởng của một số yếu tố trong quá trình cắt đến chiều cao nhấp nhô bề mặt Theo pro.P.E.Diatrenco thì chiều cao nhấp nhô sau khi cắt gọt chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố sau [1]: a. Độ cứng vững của hệ thống và dao Ďộng cưỡng bức , dao Ďộng tự dung trong quá trình cắt. b. Chế Ďộ cắt, chủ yếu là V, S. c. Biến dạng dẻo và Ďàn hồi của vật liệu gia công. d. Hình dạng hình học và vĩ mô của lưỡi cắt . Bằng thực nghiệm, người ta xây Ďược các mối quan hệ ảnh hưởng Ďó, mô tả trên hình 2.14 35 Hình 2. 14 Ảnh hưởng của một số yếu tố của quá trình cắt đến độ nhấp nhô của bề mặt gia công [1] 2.3.2.2 Trạng thái cơ lí của lớp bề mặt chi tiết gia công Tính chất cơ lí của lớp vật liệu nằm dưới bề mặt gia công có ảnh hưởng lớn Ďến khả năng làm việc của chi tiết. Ứng suất dư và tình trạng cứng nguội (còn gọi là biến cứng) là hai hiện tượng thường gặp trên lớp bề mặt sau khi gia công cắt gọt kim loại. Sở dĩ có hai hiện tượng này là do: Lực biến dạng, nhiệt cắt, sự thay Ďổi cấu trúc kim loại của chi tiết gia công. a.ứng suất dư Khi cắt gọt, ứng suất dư chủ yếu là do lực cắt. Ứng suất dư do nhiệt chỉ là thứ yếu. Khi gia công vật liệu dẻo thường ứng suất dư là kéo . Khi gia công vật liệu giòn thường ứng suất dư là nén. Khi mài, nhiệt cắt cao ứng suất dư lớp bề mặt luôn luôn là ứng suất kéo. Hình 2. 15 Sự thay đổi của ứng suất dư theo chiều sâu chi tiết trong kim loại [1] Rz (m) Rz (m) Rz (m) ) ) ) S (mm/ph) Rz (m) Rz (m) V (m/ph) (N/mm2) (mm)    36 Hình 2. 16 Biểu đồ về độ cứng nguội H và chiều sâu lớp cứng nguội [1] Hình 2.15 là biểu Ďồ sự khác nhau về sự thay Ďổi theo chiếu sâu ∆ từ bề mặt chi tiết trong “ thịt” kim loại khi gia công Ďa số vật liệu dẻo, ở lớp rất mỏng khoảng từ 1 4 μm (vùng I) là ứng suất dư nén. Sang vùng II, tùy thuộc vào góc trước và S, V, t, ứng suất dư là kéo. Độ sâu của vùng II thường 10 lần vùng I cho nên nó quyết Ďịnh Ďặc trưng ứng suất dư của bề mặt. Vùng III lại là vùng có ứng suất dư nén. Ứng suất dư trên bề mặt là kéo làm giảm sức bền mỏi của chi tiết, nếu như ứng suất dư kéo vượt quá giới hạn bền của vật liệu chi tiết thì có thể làm nứt bề mặt. Độ lớn và chiều sâu của lớp có ứng suất dư phụ thuộc vào góc trước lượng chạy dao S ( a = S. sin ), tốc Ďộ cắt V, Ďộ cùn của lưỡi cắt. Hình 2.17 mô tả ảnh hưởng của các yếu tố cắt (S,V) và góc trước ảnh hưởng tới ứng suất dư  và Ďộ lan sâu vào bên trong của vật liệu – chiều sâu ứng suất dư . Độ mòn của dao càng lớn thì ứng suất dư kéo và càng tăng. Hình 2. 17 Ảnh hưởng của V,S , Ďến ứng suất tiếp T và [1] b. Độ cứng nguội: hình 2.16 mô tả sơ Ďồ biểu diễn Ďộ cứng nguội . Khi cắt do ngoại lực làm các pha ferit bị biến dạng và hóa bền gây ra hiện tượng cứng nguội. Nghĩa là Ďộ cứng của bề mặt gia công lớn hơn Ďộ cứng của vật liệu chi tiết Gọi là chiều sâu của vật liệu kim loại, H là chiều dày lớp cứng nguội, HMH là Ďộ cứng tế vi max của lớp biến cứng, HMC là Ďộ cứng tế vi của lớp kim loại thường. Thì mức Ďộ cứng nguội của lớp biến cứng HM Ďược biển diễn theo công thức sau : 100%MH MCM MC H H H H     (2. 15) Tăng lượng tiến dao S và giảm thì HM và H tăng lên. HM (Kg/mm2)  HMH HMC (mm) (mm) T T  V2 (N/mm²) T V1 a) S2>S1 S2 S1 c)   b) V2>V1  (N/mm²) (N/mm²) (mm) (mm) 37 Tùy theo vật liệu gia công, giá trị góc trước, chế Ďộ cắt ( S, V) mà H có thể dày khoảng 0,1 0,25 mm 2.3.3 Ảnh hƣởng của góc nghiêng trục dao đến chất lƣợng bề mặt gia công Góc nghiêng trục dao là góc hợp bởi vector trục dao (hướng từ Ďỉnh dao Ďến chuôi dao) và vector pháp tuyến của mặt phẳng tiếp tuyến với bề mặt chi tiết gia công tại Ďiểm cắt. Khi gia công tinh bề mặt 3D nên dùng dao phay ngón Ďầu cầu sẽ cho hiệu quả chất lượng bề mặt tốt hơn vì lượng dư Ďể lại ít. Đặc Ďiểm khi gia công bằng dao cầu là lưỡi cắt Ďược bố trí trên mặt cầu nên cơ chế cắt gọt ở các vị trí trên lưỡi cắt là khác nhau. Nghiêng trục dao làm thay Ďổi vị trí tiếp xúc giữa dao và phôi dẫn Ďến cơ chế cắt gọt thay Ďổi. + Vận tốc cắt: Hình 2. 18 Nghiêng trục dao khi gia công mặt phẳng . . 1000 D n V   (m/ph) (2.16) Trong Ďó: n là số vòng quay của trục chính (v/ph) D là Ďường kính cắt thực của dao (mm) Nghiêng trục dao làm thay Ďổi vị trí tiếp xúc giữa dao và phôi nên Ďường kính cắt thực thay Ďổi, dẫn Ďến vận tốc cắt thay Ďổi. Tại vị trí Ďỉnh dao Ďường kính cắt thực của dao bằng không nên tốc Ďộ cắt bằng không. Do Ďó trong quá trình cắt tại vị trí tiếp xúc giữa Ďỉnh dao và phôi không diễn ra hiện tượng cắt mà chỉ có mài mòn, ma sát và nhiệt sinh ra rất lớn dẫn Ďến mòn dao khốc liệt làm giảm tuổi thọ của dao cũng như chất lượng bề mặt gia công. Vì vậy khi sử dụng dao phay cầu gia công phải hạn chế tối Ďa sự tham gia vào quá trình cắt tại vị trí này. + Lực cắt: theo Marius Coma [29] nghiêng trục dao làm thay Ďổi diện tích cắt dẫn Ďến lực cắt thay Ďổi và do Ďó ảnh hưởng Ďến chất lượng bề mặt gia công. ZN N X R t D n θ θ 38 Hình 2. 19 Cơ chế tạo phoi ứng với các góc nghiêng Do Ďó làm ảnh hưởng Ďến chất lượng bề mặt chi tiết gia công.Việc Ďiều khiển Ďược vị trí tiếp xúc giữa dao và phôi hay góc nghiêng trục dao sẽ góp phần nâng cao chất lượng bề mặt gia công. 2.4 Năng suất khi phay Các Ďại lượng Ďặc trưng cho quá trình cắt bao gồm [7]: a. Thể tích phoi phQ tạo thành trong 1 đơn vị thời gian: là tích số của diện tích tiết diện ngang của phoi với vecto tốc Ďộ cắt. Thể tích phoi phQ khi phay được xác định như sau: . .ph sQ B t V (2.17) Trong Ďó: B : là chiều rộng phay. t : là chiều sâu phay (khi phay bằng dao phay trụ t = to) Vs: là tốc Ďộ tiến dao. Hình 2. 20 Các đại lượng để xác định năng suất cắt khi phay [7] Thể tích phoi 'phQ tạo thành trong 1 Ďơn vị thời gian tính trên 1mm chiều dài của lưỡi cắt xác Ďịnh bằng biểu thức: X X Z X Z chi tiet X Z Z X Z phoi t45° 15°30° 60° Y Y D Y Y Y 39 ' .ph sQ t V (2.18) b. Thời gian cơ bản 0 Thời gian gia công cơ bản 0 là thời gian dùng Ďể thay Ďổi hình dạng, kích thước của phôi Ďể thu Ďược chi tiết có hình dạng, kích thước yêu cầu. 0 tỷ lệ nghịch với ' phQ . 0 ' ph l Q   (2.19) Thời gian cơ bản 0 là tỷ số giữa Ďoan Ďường dao phải di chuyển với tốc Ďộ di chuyển của dụng cụ trên Ďoạn Ďường ấy: 0 d l V   (2.20) Trong Ďó: l : là chiều dài Ďoạn Ďường dao cần phải di chuyển. dV : là tốc Ďộ di chuyển của bàn máy khi phay. 40 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 1. Nghiên cứu một số Ďặc trưng công nghệ khi phay trên trung tâm gia công CNC 5 trục bao gồm Ďặc tính về Ďộng học và Ďộng lực học. 2. Phân tích các Ďặc trưng chất lượng bề mặt khi phay trên trung tâm gia công. 3. Phân tích ảnh hưởng của chế Ďộ cắt Ďến lực cắt, chất lượng bề mặt, lượng mòn dụng cụ cắt, năng suất gia công. 4. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng Ďến chất lượng bề mặt khi gia công từ Ďó xác Ďịnh rõ các thông số cần Ďiều khiển cho quá trình cắt là góc nghiêng trục dao, vận tốc cắt, lượng tiến dao, chiều sâu cắt Ďể Ďảm bảo chất lượng, và năng suất gia công. 41 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC BẰNG THỰC NGHIỆM GIỮA GÓC NGHIÊNG TRỤC DAO VÀ CHẾ ĐỘ CẮT VỚI CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẦU RA Quá trình phay thực tế diễn ra rất phức tạp và Ďể mô hình hóa Ďược thì cần phải biểu diễn Ďược các mối quan hệ bằng hàm toán học. Phương pháp phổ biến Ďược sử dụng cho Ďến ngày nay vẫn là bằng thực nghiệm. Xây dựng Ďược các mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số Ďầu vào và các thông số Ďầu ra giúp ta lựa chọn Ďược chế Ďộ công nghệ hợp lý Ďể áp dụng vào sản xuất và là tiền Ďề Ďể tối ưu hóa chế Ďộ công nghệ. 3.1 Xây dựng mô hình thực ngiệm 3.1.1 Sơ đồ thực nghiệm Hình 3. 1 Sơ đồ thực nghiệm 3.1.2 Các đại lƣợng đầu vào Các thông số công nghệ Ďiều khiển Ďược là các thông số có ảnh hưởng mạnh nhất Ďến quá trình gia công phay, chính vì vậy chọn các thông số Ďó làm các Ďại lượng Ďầu vào. Cơ sở chọn dải thông số chế Ďộ cắt là xuất phát từ khảo sát thực tế tại các công ty gia công sản xuất khuôn mẫu, sổ tay công nghệcác thông số bao gồm: - Vận tốc cắt V: nằm trong khoảng 150 (m/phút) ≤ V ≤ 190 (m/phút). Thông thường vận tốc cắt tăng thì Ďộ nhấp nhô tế vi bề mặt giảm và năng suất gia công tăng nhưng sẽ làm tăng lượng mòn dao và gây rung Ďộng tạo Ďộ sóng bề mặt. - Lượng chạy dao S: nằm trong khoảng 200 (mm/phút) ≤ S ≤ 600 (mm/phút). Khi tăng lượng chạy dao sẽ làm tăng năng suất gia công. Các đại lượng nhiễu: - Rung Ďộng từ bên ngoài - Nhiệt Ďộ môi trường Các đại lượng đầu vào: - Vận tốc cắt: V - Lượng tiến dao: S - Chiều sâu cắt: t - Góc nghiêng trục dao: 𝜃 QUÁ TRÌNH PHAY Các đại lượng cố định: - Thiết bị gia công - Vật liệu dao - Vật liệu phôi Các đại lương đầu ra: - Lực cắt: F - Chiều cao mòn dao: hs - Nhám bề mặt: Rz - Năng suất gia công: Q 42 - Chiều sâu cắt t: nằm trong khoảng 0.1 (mm) ≤ t ≤ 0.3 (mm). Dải chiều sâu cắt này thường Ďược sử dụng trong gia công tinh. Tuy nhiên tùy thuộc vào gia công vật liệu cứng hay mềm mà chiều sâu cắt có thể chọn phù hợp nhưng nhìn chung dao Ďộng trong dải trên. - Góc nghiêng trục dao θ: nằm trong khoảng 14(0) ≤ θ ≤ 68(0). 3.1.3 Các đại lƣợng đầu ra Đầu ra của quá trình nghiên cứu khi phay CNC bao gồm các Ďại lượng sau: - Lực cắt: F(N) - Chiều cao mòn dao: hs (µm) - Chất lượng bề mặt gia công: Rz (µm) - Năng suất gia công: Q (g/phút) 3.1.4 Các đại lƣợng cố định Các Ďại lượng cố Ďịnh liên quan Ďến Ďiều kiện công nghệ khi phay bao gồm: - Thiết bị gia công - Vật liệu gia công - Vật liệu làm dụng cụ cắt - Dung dịch trơn lạnh - Chương trình gia công 3.1.5 Các đại lƣợng nhiễu Các Ďại lượng nhiễu là các Ďại lượng không mong muốn xuất hiện một cách ngẫu nhiên. Chúng diễn ra không theo một quy luật nào cả và làm ảnh hưởng Ďến quá trình gia công mà không Ďiều khiển Ďược. Tuy nhiên có thể Ďịnh lượng Ďược sự ảnh hưởng của các yếu tố này bằng phương pháp Taguchi. Trên cơ sở Ďó Ďánh giá Ďược Ďộ sạch của bộ dữ liệu thu Ďược. Nếu phần trăm ảnh hưởng của yếu tố nhiễu lớn nghĩa là Ďiều kiện thí nghiệm không Ďảm bảo và tùy vào mức Ďộ tin cậy Ďể quyết Ďịnh tổ chức thí nghiệm lại hay tiếp tục xử lý. 3.2 Điều kiện thực nghiệm 3.2.1 Máy phay CNC Thực nghiệm Ďược thực hiện trên trung tâm gia công Mikron UCP600 tại trung tâm hỗ trợ Ďào tạo nghiên cứu và Ďổi mới công nghệ Cơ Khí, Viện Cơ Khí trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Đây là loại máy phay 5 trục kiểu bàn xoay dạng AC với các Ďặc tính kỹ thuật như trong bảng 3.1 43 Hình 3. 2 Máy phay Mikron UCP600 Bảng 3. 1 Đặc tính kỹ thuật của máy Mikron UCP600 TT Đặc tính kỹ thuật Giá trị 1 Kích thước máy (Dài x Rộng x Cao mm) 1600x2500x2650 2 Trọng lượng máy (kg) 6100 3 Công suất (KVA) 46 4 Hành trình làm việc theo trục X (mm) 530 5 Hành trình làm việc theo trục Y (mm) 450 6 Hành trình làm việc theo trục Z (mm) 450 7 Hệ Ďiều khiển Heidenhain iTNC530 8 Tốc Ďộ Ďiều khiển (vòng/phút) Vô cấp Ďến 19600 9 Lượng tiến dao lớn nhất không tải (m/phút) 22 10 Lượng tiến dao lớn nhất khi làm việc (m/phút) 15 11 Lực tác dụng lớn nhất lên các trục X, Y, Z (N) 5000 12 ổ chứa dao Tối Ďa 30 dao 13 Trọng lượng Ďầu dao lớn nhất cho phép (kg) 6 14 Đường kính dao lớn nhất cho phép (mm) 90 15 Đường kính lớn nhất của bàn máy (mm) 400 16 Bàn máy quay quanh trục X (Ďộ) +122/-100 17 Bàn máy quay quanh trục Z (Ďộ) +360/-360 18 Xuất xứ Thụy sĩ 3.2.2 Phôi thực nghiệm Vật liệu thí nghiệm là thép hợp kim hay sử dụng trong gia công khuôn mẫu có kí hiệu SKD11 tiêu chuẩn Nhật Bản [JIS-G4404]. SKD11 sau khi nhiệt luyện cho Ďộ cứng cao, Ďộ bền nén cao, Ďộ dai va Ďập và chống biến dạng tốt. Bên cạnh Ďó chúng có khả năng giữ Ďược Ďộ cứng ở nhiệt Ďộ cao trong thời gian dài. Chính vì vậy thép SKD11 thường Ďược dùng trong sản xuất khuôn Ďùn, khuôn ép nhựa, khuôn Ďúc áp lực v.vhay những chi tiết khác có yêu cầu tính chất sử dụng cao. 44 Bảng 3. 2 Thành phần vật liệu của thép SKD11 Ký hiệu %C %Si %Mn %P %S %Cr %Mo %V SKD11 1.4-1.6 ≤0.4 ≤0.6 ≤0.03 ≤0.03 1.1-1.3 0.8-1.2 0.2-0.5 Ủ Tôi Ram Nhiệt Ďộ ( 0C) Môi trường Độ cứng (HB) Nhiệt Ďộ ( 0C) Môi trường Nhiệt Ďộ ( 0C) Môi trường Độ cứng (HRC) 830-880 Làm nguội 255 100-1050 980-1030 Làm nguội bằng khí Làm nguội bằng dầu 150-200 550-580 Làm nguội bằng khí ≥58 Phôi Ďược thiết kế là một hình khối hộp chữ nhật với kích thước: Dài x Rộng x Cao =70x70x120 (mm). Phôi này sử dụng Ďể gia công Ďo các thông số chất lượng bề mặt: Rz, năng suất gia công Q, lực cắt F, chiều cao mòn dao hs. Bề mặt chi tiết thí nghiệm: bề mặt chi tiết thí nghiệm là mặt cầu lồi như hình: Hình 3. 3 Thông số hình học của chi tiết thí nghiệm 45 3.2.3 Dụng cụ cắt Dao Ďược chế tạo dưới dạng liền khối, lưỡi cắt phủ TiAlN theo công nghệ nano của hãng YG Ďược kí hiệu EMC56 Hình 3. 4 Dao phay cầu EMC56 Bảng 3. 3 Đặc tính kỹ thuật của dao phay cầu EMC56 Đặc tính kỹ thuật Giá trị Dao phay cầu phủ TiAlN của hãng YG Kí hiệu EMC56 Đường kính Ďầu dao d1=10mm Đường kính chuôi dao d2=10mm Chiều dài phần me cắt l2=20mm Chiều dài dao l1=75mm Số lưỡi cắt 2 3.3 Các thiết bị đo Quá trình Ďo kiểm Ďược thực hiện tại Trung tâm hỗ trợ Ďào tạo nghiên cứu và Ďổi mới công nghệ cơ khí, phòng thí nghiệm Công nghệ quang-cơ Ďiện tử bộ môn cơ khí chính xác và quang học Viện Cơ Khí trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Thiết bị đo lực cắt: Lực kế do Tập Ďoàn EMCO cung cấp, có khả năng Ďo 3 thành phần lực cắt trong quá trình phay, giá trị các lực Ďo Ďược hiển thị lên màn hình hoặc trên phần mềm cài Ďặt trong máy vi tính. Kết nối máy tính thông qua cổng giao tiếp RS232 với phần mềm Ďo lực kèm theo. Với những ưu Ďiểm Ďó thì ê tô Ďo lực này rất phù hợp với mục Ďích nghiên cứu cũng như Ďược sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp. Ê tô gồm có 3 thành phần Ďo lực theo 3 phương, Ďươc kẹp chặt nhờ hệ thống ren vít và thủy lực. Hình 3. 5 Lực kế khi phay 46 Kích thước của ê tô: dài 300mm, rộng 160mm, cao 100mm, trọng lượng 18kg. Các lực cắt trong quá trình phay Ďược Ďo trên mặt của phôi tiếp xúc với dao phay. Phôi Ďược kẹp chặt trong ê tô lực và ê tô cũng Ďược cố Ďịnh trên bàn máy. Ê tô có thể Ďược sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu cũng như trong sản xuất công nghiệp và cũng Ďược sử dụng trong quá trình gia công khác nhau như phay, mài, khoan... Giới hạn của lực Ďo: Fx, Fy, Fz = ± 3000N. Thiết bị đo nhám bề mặt: Máy Surtronic Duo của cộng hòa liên bang Đức. Hình 3. 6 Máy đo nhám Surtronic Duo Bảng 3. 4 Đặc tính kỹ thuật của máy đo nhám Surtronic Duo Đặc tính kỹ thuật Giá trị Khoảng Ďo 200 µm Kiểu cảm biến áp Ďiện Chiều dài Ďầu Ďo di chuyển 5mm Tốc Ďộ Ďầu Ďo Ďi chuyển 2mm/giây Giá trị hiển thị µm Thời lượng hoạt Ďộng 500 lần Ďo Các thông số có thể Ďo Ďược Ra, Rz, Rv, Rp, Rt Thiết bị đo chiều cao mòn dao: Máy VHX Z-450 của Nhật Bản Hình 3. 7 Kính hiển vi kỹ thuật số VHX Z-450 47 Bảng 3. 5 Đặc tính kỹ thuật của máy VHX Đặc tính kỹ thuật Giá trị Độ phân dải 16-bít qua dữ liệu RGB Độ nét thường 1600(H)x1200(V) Độ nét cao 1600(H)x2400(V) Màn hình LCD kích thước 23 inch Số lượng Ďiểm ảnh 1920(H)x1080(V) (FHD) Màu sắc hiển thị 16.770.000 màu Độ sáng 300cd/m2 Độ tương phản 1000:1 Thiết bị đo khối lượng: Cân Ďiện tử JWP của Đài Loan Hình 3. 8 Cân Ďiện tử JWP Bảng 3. 6 Đặc tính kỹ thuật cân điện tử JWP Đặc tính kỹ thuật Giá trị Kích thước bàn cân 215-175 (mm) Kích thước cân 230-260-150 (mm) Nhiệt Ďộ -10_400C Bước nhảy 0.05-0.1(g) Màn hình 6-digital LED (14mm high) Nguồn Ďiện 100-240 (V) 3.4 Thiết kế ma trận thực nghiêm Taguchi Quy hoạch thực nghiệm với mục tiêu số lượng thí nghiệm phải tiến hành ít nhất và cho nhiều thông tin nhất Xây dựng bảng thực nghiệm Taguchi [4] Hiện nay trên thế giới khi thiết kế thực nghiệm thường sử dụng phương pháp Taguchi Ďể phân tích mức Ďộ ảnh hưởng của các thông số Ďầu vào Ďến các thông số Ďầu ra. Theo Taguchi tổ chức dữ liệu Ďược sắp xếp vào một bảng dưới dạng ma trận trực giao gọi là bảng trực giao OA (Orthogonal array). Các yếu tố thí nghiệm có n bậc tự do thì phải chọn 48 bảng OA có n cột. Nếu chọn ít hơn thì sẽ không thể thực hiện Ďược. Nếu chọn nhiều hơn thì số lượng thí nghiệm lớn và chi phí tăng. Bảng trực giao của S mức Ďược ký hiệu OAN(S m ) là một ma trận cỡ N x m, trong Ďó các cột của ma trận này có Ďặc Ďiểm là cặp trạng thái của các yếu tố Ďiều khiển trong hai cột bất kỳ có xác suất xuất hiện như nhau. Bảng trực giao Ďược xem như việc lập kế hoạch Ďể thực hiện thí nghiệm mà ở Ďó mỗi cột của bảng là một yếu tố ảnh hưởng Ďến thí nghiệm. Các trạng thái trong mỗi cột tương ứng với các mức của các yếu tố tác Ďộng. Số hàng trong bảng trực giao chính là số lần thực hiện thí nghiệm. Với 4 thông số công nghệ: Vận tốc cắt V (m/phút), lượng tiến dao S (mm/phút), chiều sâu cắt t (mm), góc nghiêng trục dao θ (0) là 4 yếu tố Ďầu vào. Mỗi yếu tố Ďược chia thành 5 mức (1, 2, 3, 4, 5). Do vậy ma trận trực giao Taguchi Ďược thành lập: OA25(5 4). Nghĩa là bảng thí nghiệm với 4 yếu tố, mỗi yếu tố chia làm 5 mức, tổng số thí nghiệm là 25 Bảng 3. 7 Bảng trực giao OA25(5 4 ) STT S V t  1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 3 1 3 3 3 4 1 4 4 4 5 1 5 5 5 6 2 1 2 3 7 2 2 3 4 8 2 3 4 5 9 2 4 5 1 10 2 5 1 2 11 3 1 3 5 12 3 2 4 1 13 3 3 5 2 14 3 4 1 3 15 3 5 2 4 16 4 1 3 2 17 4 2 5 3 18 4 3 1 4 19 4 4 2 5 20 4 5 3 1 21 5 1 5 4 22 5 2 1 5 23 5 3 2 1 24 5 4 3 2 25 5 5 4 3 49 Từ thông tin của nhà sản xuất dao, nhà máy sản xuất và kinh nghiệm của bản thân các giá trị Ďược Ďưa vào như trong bảng sau: Bảng 3. 8 Giá trị cho phép của thông số công nghệ khi gia công thép SKD11 Mức Thông số 1 2 3 4 5 V (m/ph) 150 160 170 180 190 S (mm/ph) 200 300 400 500 600 t (mm) 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 θ (0) 14 27.5 41 54.5 68 Tiến hành thí nghiệm Thí nghiệm Ďược tiến hành với 25 bộ thông số công nghệ cho mỗi lần cắt. Mỗi bộ thông số công nghệ Ďược cắt 3 lần. Các Ďiều kiện cắt như nhau, trong môi trường giống nhau. Thu thập dữ liệu Đo các thông số Rz trên bề mặt chi tiết. Phương chuyển Ďộng tịnh tiến của Ďầu Ďo vuông góc với phương chạy dao trên chi tiết. Trên mỗi một bề mặt chi tiết sau khi gia công xong tiến hành Ďo nhám bề mặt tại 3 vị trí khác nhau. Đo khối lượng kim loại Ďược cắt Ďi tại mỗi chế Ďộ cắt: cân khối lượng phôi trước và sau khi gia công. Lấy hiệu của hai lần cân Ďược khối lượng kim loại Ďã cắt. Đo lực cắt thông qua các cảm biến lực trên thiết bị Ďo. Lực cắt tại mỗi một chế Ďộ Ďược Ďo 1 lần và lặp lại 3 lần Trong nghiên cứu này chỉ xét mòn dao theo mòn mặt sau và Ďo chiều cao mòn mặt sau hs. Lấy giá trị lớn nhất của hs làm giá trị Ďại diện. Thực hiện cắt tại mỗi chế Ďộ trong một khoảng thời gian xác Ďịnh, sau Ďó Ďưa lên kính hiển vi Ďo chiều cao mòn mặt sau. Đối với lượng mòn dao thì chiều sâu cắt Ďược chọn ở mức cao nhất (t=0.3mm) Ďể dao cắt ở mức nặng nhất do vậy khi cắt với chiều sâu cắt bé hơn thì dao sẽ có lợi hơn so với Ďiều kiện thí nghiệm. Thí nghiệm với vận tốc cắt, lượng tiến dao và góc nghiêng trục vẫn ở 5 mức theo bảng 3.8 và thêm thời gian duy trì chế Ďộ cắt T (phút), khoảng thời gian khảo sát từ 10-50 phút và chia thành 5 khoảng: 10, 20, 30, 40, 50 phút. Năng suất gia công Ďược tính bằng khối lượng kim loại bóc tách Ďi trong một Ďơn vị thời gian. Do Ďó lấy hiệu số của lần cân khối lượng phôi trước gia công với lần cân khối lượng phôi sau gia công sẽ tính Ďược khối lượng phôi Ďã gia công. Thời gian gia công chính là thời gian dao Ďi hết quãng Ďường cắt phôi. Lấy khối lượng kim loại Ďã gia công chia cho thời gian gia công thu Ďược năng suất gia công (gam/phút). Tại mỗi chế Ďộ cắt lặp lại 3 lần Ďể tính năng suất gia công. Dữ liệu sau khi thu Ďược lấy trung bình cộng của các lần lặp. 3.5 Chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng mô hình toán học xác định mối quan hệ thực nghiệm [4] Trong phương pháp hồi quy thực nghiệm các tính toán Ďều dựa vào một mô hình toán học giả Ďịnh trước và sử dụng bộ kết quả thí nghiệm Ďể xác Ďịnh các hệ số của phương trình. 50 Hình 3. 9 Đường quan hệ thực nghiệm và dự đoán Tiêu chuẩn Ďể xác Ďịnh một hàm toán học quan hệ thực nghiệm là tổng Ďộ lệch bình phương khoảng cách giữa Ďiểm thực nghiệm và Ďiểm dự Ďoán E là nhỏ nhất.    n i iEE 1 2 (3.1) Trong Ďó Ei là khoảng cách giữa Ďiểm thực Ďo AiĎo và Ďiểm tính toán dự Ďoán bởi phương pháp Aitt. Gọi Ďộ sai lệch tương Ďối giữa Ďiểm thực Ďo AiĎo và Ďiểm dự Ďoán bởi phương pháp Aitt là i: %100. ido ittido i y yy   (3.2) Trong Ďó yido và yitt là các giá trị tương ứng của Ďiểm Ai ứng với giá trị thực Ďo và giá trị tính toán bởi phương pháp. Gọi giá trị trung bình sai số dự Ďoán bởi phương pháp là tb và Ďộ phân tán sai số dự Ďoán là :    n i itb n 1 1  (3.3)   1 1 2      n n i tbi   (3.4) Một hàm quan hệ thực nghiệm có chất lượng dự Ďoán chính xác cao nghĩa là sai lệch tại từng Ďiểm dự Ďoán  càng nhỏ càng tốt hay nói cách khác là sai số trung bình của toàn bộ sai số dự Ďoán tb và Ďộ phân tán của các sai số  càng nhỏ càng tốt. Nhược Ďiểm Ďối với phương pháp sử dụng tiêu chuẩn Ďộ lệch E càng nhỏ cảng tốt sẽ dẫn Ďến sai lệch tương Ďối tại các Ďiểm có thể rất lớn và Ďộ phân tán lớn trong khi vẫn Ďảm bảo tiêu chuẩn lệch E. Cách tiếp cận theo tiêu chuẩn Ďộ lệch E chưa thể Ďảm bảo tìm Ďược một mối quan hệ tốt nhất cho tập dữ liệu thực nghiệm. Vì vậy cách tiếp cận Ďể nâng cao khả năng dự Ďoán chính xác mối quan hệ thực nghiệm là thay vì sử dụng tiêu chuẩn Ďộ lệch E thì sử dụng tiêu chuẩn sai lệch trung bình tại các Ďiểm tb và Ďộ phân tán các sai số . Một hàm quan hệ thực nghiệm dự Ďoán chính xác cao phải Ďảm bảo tb và  càng nhỏ càng tốt. y A1do x Aido Ando A1tt Antt Aitt yitt yido xi E1 Ei En Đường quan hệ thực Ďo Đường quan hệ dự Ďoán 51 3.6 Xác định mối quan hệ thực nghiệm 3.6.1 Xác định mối quan hệ thực nghiệm giữa chế độ cắt và lực cắt F khi gia công thép SKD11 Kết quả thí nghiệm: Sử dụng phần mềm minitab hồi quy thực nghiệm quan hệ giữa (S, V, t,  ) và lực cắt F. Đưa một số dạng hàm quan hệ toán học (hàm mũ và hàm tác Ďộng lẫn) thấy rằng với tập dữ liệu trên thì hàm tác Ďộng lẫn cho Ďộ chính xác toán học cao hơn nên chọn hàm tác Ďộng lẫn Ďể Ďặc trưng cho mối quan hệ toán học thực nghiệm. Phương trình hồi quy có dạng như sau: F = 28,49 – 0,0368669 . V – 0,0047209 . S + 315,382 . t – 1,19425 . + 0,000246017 . V . S – 1,54882 . V . t + 0,00572035 . V . – 0,135744 . S.t – 0,000184129 . S . + 0,79007 . t . (3.5) Bảng 3. 9 Kết quả thí nghiệm đo lực cắt STT v S t θ F(N) S/N(dB) Lần 1 Lần 2 Lần 3 1 1 1 1 1 30.6149 28.7104 30.4227 -29.5216 2 1 2 2 2 34.6109 34.4967 34.8796 -30.7973 3 1 3 3 3 26.897 25.4888 26.9084 -28.4452 4 1 4 4 4 32.6753 32.6603 32.6243 -30.2785 5 1 5 5 5 27.9432 29.932 29.2706 -29.2660 6 2 1 2 3 26.991 26.998 27.992 -28.7331 7 2 2 3 4 33.6798 33.5799 33.497 -30.5231 8 2 3 4 5 27.6506 26.762 26.774 -28.6483 9 2 4 5 1 35.9852 36.4884 36.0622 -31.1692 10 2 5 1 2 35.859 35.61 35.771 -31.0647 11 3 1 3 5 26.0101 26.009 25.9407 -28.2950 12 3 2 4 1 37.0505 37.0403 37.0312 -31.3736 13 3 3 5 2 33.1203 33.0998 32.5039 -30.3464 14 3 4 1 3 25.2123 24.9019 25.1987 -27.9951 15 3 5 2 4 26.4324 28.737 28.803 -28.9470 16 4 1 4 2 31.8096 31

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_an_nghien_cuu_anh_huong_cua_goc_nghieng_truc_dao_va_che.pdf
Tài liệu liên quan