Xây dựng công cụ hỗ trợ dự đoán chất lượng bề mặt đạt được khi gia công trên máy phay vạn năng (tt)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ NGUYỄN ĐỨC LONG XÂY DỰNG CÔNG CỤ HỖ TRỢ DỰ ĐỐN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT ĐẠT ĐƯỢC KHI GIA CƠNG TRÊN MÁY PHAY VẠN NĂNG Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số: 8520103 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2022 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Phạm Thế Nhân Phản biện 1: TS Hoàng Văn Thạnh Phản biện 2: TS Nguyễn Thanh Hải Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ Thuật Khí họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày 26 tháng 06 năm 2022 Có thể tìm hiểu luận văn tại: − Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa − Thư viện Khoa Cơ khi, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CẮT GỌT KIM LOẠI 1.1 Lịch sử phát triển Điều bước ngoặc thời đại, người khám phá cách để chiết xuất kim loại như: đồng, sắt thiếc tiền đề lịch sử ngành công nghệ vật liệu sản xuất Vào khoảng thời gian năm 700 trước Công nguyên, hầu hết công cụ làm vật liệu sắt Các loại máy đặc trưng: Máy khoan nhiều trục thời Ai Cập cổ, mài dụng cụ kiểu Philistines, máy công cụ Da Vinci, Đồng hồ thời Trung cổ… * Cuộc cách mạng công nghiệp cuối kỷ 18 Các loại công cụ, máy móc ln ln nâng cấp cải tạo có độ cứng vũng cao hơn, mạnh hơn, suất cao hơn… theo thời gian đặc biệt giai đoạn cách mạng công nghiệp lần thứ vào cuối kỷ 18, mà chủ yếu nước Châu Âu mà bật Vương quốc Anh nước Pháp Các nghiên cứu cải tiến nhà khoa học, kỹ sư làm thay đổi quan trọng mạnh mẽ thiết kế động nước việc phát minh máy móc thiết bị tự động cho sản xuất dệt * Công nghiệp sản xuất (theo số lượng) kỷ 19 Phương pháp sản xuất theo số lượng bắt đầu đầu kỷ 19 đến cuối kỷ 19, phương pháp lúc đầu nhằm mục đích phục vụ cho nhu cầu để sản xuất ngành công nghiệp vũ khí nhỏ theo thời gian áp dụng cho ngành phục vụ sống người như: xe đạp, máy may, đồng hồ máy đánh chữ… * Sản xuất hàng loạt kỷ 20 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Trong giai đoạn đầu kỷ 20, máy công cụ thiết kế có độ cứng vững cao hơn, xác hơn, bánh cải tiến luyện kim tốt hơn, có dầu bơi trơn làm mát Cho nên máy móc có độ xác, có tốc độ có cơng suất cao Và để đáp ứng yêu cầu này, nhà chế tạo máy công cụ dùng công nghệ từ ngành công nghiệp điện, hóa học * Điều khiển số Sau năm 1945, lên phương thức sản xuất áp dụng phương pháp điều khiển số NC, đánh dấu cho kỷ nguyển sử dụng cơng nghệ tin học sản xuất tự động hóa (bằng chương trình máy tính) Việc áp dụng điều khiển số NC sản xuất dẫn đến máy công cụ vạn cải tiến tốt tiên tiến để phục ngành công nghiệp như: máy bay, xe đóng tàu thủy… đặc biệt là ngành cơng nghiệp máy bay có nhiều chi tiết địi hỏi phải độ xác cao chi tiết phức tạp 1.2 Các đặc trưng gia công 1.2.1 Các khái niệm 1.2.1.1 Gia cơng Gia cơng hay cịn gọi gia công kim loại cắt gọt phương pháp gia cơng phổ biến ngành khí chế tạo máy Đó phương pháp gia cơng kim loại từ phôi, để đạt chi tiết theo yêu cầu kỹ thuật cho trước (hình dáng, kích thước, vị trí tương quang bề mặt chất lượng bề mặt) cách hớt bỏ dần lớp kim loại thừa khỏi chi tiết nhờ lưỡi cắt dụng cụ cắt 1.2.1.2 Hệ thống cơng nghệ Muốn hồn thành nhiệm vụ cắt gọt, người phải sử dụng hệ thống thiết bị nhằm tách lớp kim loại thừa khỏi phôi, THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội đồng thời phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cho vẽ Hệ thống thiết bị dùng để hoàn thành nhiệm vụ cắt gọt gọi hệ thống công nghệ, bao gồm: máy, dao, đồ, gá chi tiết gia cơng Máy: có nhiệm vụ cung cấp lượng chuyển động cần thiết cho q trình cắt gọt - Dao: có nhiệm vụ trực tiếp cắt bỏ lớp lượng dư khỏi chi tiết nhờ lượng máy cung cấp thông qua chuyển động tương đối - Đồ gá: có nhiệm vụ xác định giữ vị trí tương quan xác dao chi tiết gia cơng suốt q trình gia công - Chi tiết gia công: đối tượng trình cắt gọt, kết trình gia cơng phản ánh lên chi tiết 1.2.1.3 Cơ chế cắt gọt kim loại Sự hình thành phoi trình cắt gọt kim loại tác động lượng thông qua dụng cụ cắt gọt, vật liệu phôi bị biến dạng, phoi tạo hình thành bề mặt kim loại tạo 1.2.2 Bề mặt gia công Bề mặt gia công chi tiết khí đa dạng Tuy nhiên, phần lớn chúng hình thành quét đường sinh theo đường chuẩn, với đường sinh đường chuẩn đường thẳng, đường trịn đường cong 1.2.2.1 Dạng bề mặt có đường chuẩn đường trịn Bề mặt có đường chuẩn đường trịn bề mặt tạo thành cho đường sinh chuyển động tương đối xung quanh đường chuẩn tròn với đặc trưng có trục chuẩn đối xứng tầm đối xứng Nếu đường sinh đường thẳng, ta bề mặt dạng trụ, đường sinh song song với đường tâm bề mặt hình côn đường sinh giao với đường tâm THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 1.2.2.2 Dạng bề mặt có đường chuẩn đường thẳng Đây bề mặt quy ước tạo thành đường sinh đường thẳng, đường cong đường gấp khúc trượt đường chuẩn đường thẳng 1.2.2.3 Dạng bề mặt đặc biệt Các dạng bề mặt đặc biệt bề mặt khơng gian phức tạp có đường kính chuẩn đường sinh đường tròn, đường thẳng đường cong (thân khai…) 1.2.3 Các phương pháp gia cơng 1.2.3.1 Xuất phát từ ngun lý tạo hình bề mặt Người ta phân thành phương pháp gia cơng chép hình, theo vết bao hình 1.2.3.2 Xuất phát từ yêu cầu kỹ thuật chi tiết gia cơng Người ta phân thành gia cơng thơ, gia cơng bán tinh gia cơng bóng 1.2.3.3 Phân loại theo máy gia công Theo cách phân loại ta có: gia cơng máy tiện gia cơng máy phay, gia công máy bào, gia công máy khoan, gia công máy mài… 1.2.4 Các chuyển động q trình gia cơng 1.2.4.1 Chuyển động Chuyển động hay cịn gọi chuyển động cắt chính, chuyển động tạo phoi tiêu hao lượng cắt lớn Nó chuyển động quay, tịnh tiến kết hợp hai Đại lượng đặc trưng tốc độ quay n vận tốc cắt Vc 1.2.4.2 Chuyển động chạy dao Chuyển động chạy dao chuyển động dao hay phơi, kết hợp với chuyển động tạo nên q trình cắt gọt, tức cắt hết lượng THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội dư Chuyển động liên tục hay gián đoạn, quay tịnh tiến Đại lượng đặc trưng lượng tiến dao f vận tốc tiến dao Vf 1.2.4.3 Chuyển động phụ Chuyển động phụ chuyển động không trực tiếp tạo phoi chuyển động lùi dao về, tiến dao nhanh, chuyển động phân độ… 1.2.4.4 Chuyển động theo phương chiều sâu cắt ap Chuyển động theo phương chạy dao chiều sâu lớp kim loại bị hớt sau lần cắt Đại lượng đặc trưng chiều sâu cắt ap 1.3 Phương pháp phay 1.3.1 Khái niệm Phay phương pháp gia công đạt suất cao phay không cho độ xác, độ bóng cao lắm, cụ thể độ xác khơng cao cấp - Ra = 3.2 – 0.2 1.3.2 Các yếu tố chế độ cắt phay Chuyển động dao phay quay tạo nên chuyển động chạy dao chuyển động chạy dao tịnh tiến vng góc theo ba phương bàn máy mang phôi thực tốc độ cắt Vc quảng đường (do mét) mà điểm lưỡi cắt cách trục quay xa phút Nếu tốc độ cắt biểu thị m/ph, cơng thức tính tốc độ cắt có dạng sau: V=  D.n 1.000 (1.1) Lượng chạy dao (fz, mm/răng), lượng dịch bàn máy với chi tiết dao dao qua Lương chạy dao vòng f = f z Z THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG (1.2) Lưu hành nội Lượng chay dao phút: Vf = f n = f z Z.n (1.3) 1.3.3 Phay thuận phay nghịch Phay nghịch trình phay chiều chuyển động dao phay chi tiết ngược nhau, phay thuận trình phay chiều chuyển động dao phay chi tiết trùng 1.3.4 Đồ gá để định vị kẹp chặt chi tiết Các đồ gá vạn vấu kẹp, khối V, mỏ kẹp… dùng để kẹp chặt nhiều chi tiết khác chủ yếu dùng sản xuất đơn hàng loạt nhỏ 1.3.5 Dung dịch trơn nguôi phay 1.4 Chất lượng bề mặt chi tiết gia công 1.4.1 Các yếu tố đặc trưng 1.4.1.1 Tính chất hình học bề mặt gia công Độ nhám bề mặt: Trong trình cắt gọt, lưỡi cắt dao hình thành phoi tạo vết xướt cục bề mặt gia công làm cho bề mặt có độ nhám Độ nhám bề mặt gia cơng đo chiều cao nhấp nhô RZ sai lệch Profin trung bình cộng Ra lớp bề mặt Để đánh giá độ nhám bề mặt ta dùng tiêu sau 1.4.1.2 Tính chất lí bề mặt gia cơng Tính chất lí bề mặt chi tiết máy biểu thị độ cứng bề mặt, biến đổi cấu trúc mạng tinh thể lớp bề mặt, độ lớn dấu ứng suất dư lớp bề mặt, chiều sâu lớp biến cứng bề mặt THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt 1.5.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia cơng 1.5.1.1 Ảnh hưởng in dập hình học dao cắt chế độ cắt đến độ nhám bề mặt Qua thực nghiệm theo phương pháp tiện người ta xác định mối quan hệ dao, lượng tiến dao, bán kính mũi dao, chiều dày phơi Hình 1.21 Quan hệ chiều cao nhấp nhô tế vi Rz lượng tiến dao 1.5.1.2 Các yếu tố mang tính biến dạng dẻo ảnh hưởng đến độ nhám Với tốc độ cắt người ta thấy cắt thép carbon tốc độ cắt thấp nhiệt cắt không cao, phoi dễ dàng bị tách ra, biến dạng dẻo không nhiều làm độ nhám không lớn, ta tăng tốc độ cắt lên độ nhẵn bóng thay đổi 1.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất dư bề mặt Nếu thay đổi chế độ cắt mà làm tăng lực cắt mức độ biến dạng dẻo mức độ biến cứng tăng Nếu kéo dài tác dụng lực cắt bề mặt kim loại làm tăng chiều sâu lớp biến cứng bề mặt THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 1.5.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất dư bề mặt Sự hình thành ứng suất dư bề mặt gia cơng phụ thuộc vào biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, biến dạng nhiệt tượng chuyển pha cấu trúc kim loại Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG NHỎ NHẤT 2.1 Thiết kế thực nghiệm 2.1.1 Khái niệm lịch sử phát triển thiết kế thực nghiệm Các phương pháp thiết kế thực nghiệm R.Fisher đề xuất vào năm 1930 tài liệu Design of Experiment Ở nước ta, thường gọi tên “Quy hoạch thực nghiệm” giải thích tập hợp có hệ thống bước để tiến hành thí nghiệm 2.1.2 Các nguyên tắc thiết kế thí nghiệm 2.1.2.1 Nguyên tắc ngẫu nhiên Ngẫu nhiên nên tảng việc sử dụng phương pháp thống kê thiết kế thí nghiệm, cách ngẫu nhiên hóa, thứ tự thay đổi giá trị thơng số thí nghiệm, cách bố trí thí nghiệm, thứ tự tiến hành thí nghiệm phải theo thứ tự ngẫu nhiên 2.1.2.2 Nguyên tắc lặp lại Điều có nghĩa lặp lại lần độc lập yêu tố kết hợp, lặp lại có hai đặc tính quan trọng thứ cho nhiễu thí nghiệm cho lấy giá trị trung bình mẫu 2.1.2.3 Nguyên tắc tạo khối Nguyên tắc tạo khối thường ứng dụng số lượng thí nghiệm nhiều, lúc ta phải cần chia thành nhiều khối thí nghiệm để tiến hành thí nghiệm THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 10 m m  m n  n −1 bn  xi + bn −1  xi + + mb0 =  yi  i =1 i =1  i =1  m m m  m n +1  n  bn  xi + bn −1  xi + + b0  xi =  xi yi  i =1 i =1 i =1  i =1  m m m  m n+2  n +1 2 b x + b x + + b x = x y  n i  n −1  i 0 i i i i = i = i = i =   m m m  m n +3  n+2 3 bn  xi + bn −1  xi + + b0  xi =  xi yi  i =1 i =1 i =1  i =1  m m m  m 2n  n −1 n n bn  xi + bn −1  xi + + b0  xi =  xi yi  i =1 i =1 i =1  i =1  (2.3) Vậy để nhận giá trị b ta giải hệ phương trình tuyến tính 2.2.2 Phương trình hàm dạng Aeax Ta có phương trình hàm y=Aeax lầy logarit nêpe hai vế ta được: lny = ln A + ax ln e , mà theo điều kiện đạo hàm băng khơng ta nhận hệ phương trình sau: m m   a  xi + m ln A =  ln yi  i =1 i =1  m m m a x + ln A x = x ln y    i i i i  i =1 i =1 i =1 (2.4) Vậy để nhận giá trị A a ta phải giải hệ phương trình 2.2.3 Phương trình hàm có dạng Ax k Ta có phương trình hàm y=Axk lầy logarit nêpe hai vế ta được: lny = ln A + k ln x , mà theo điều kiện đạo hàm băng khơng ta nhận hệ phương trình sau:  a m x + m ln A = m ln y  i  i  i =1 i =1  m m m  a  xi2 + ln A xi =  xi ln yi i =1 i =1  i=1 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG (2.5) Lưu hành nội 11 Vậy giải phượng trình ta nhận giá trị A a 2.2.4 Phương trình hàm lượng giác 2.3 Một số nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt đến chất lượng bền mặt Xuefeng Wu Xuefeng Yin phân tích độ nhám bề mặt tối ưu hóa thơng số phay cao tốc thép làm khn Nghiên cứu mối quan hệ thông số chế độ cắt phay với chất lượng bề mặt chi tiết máy - Đỗ Anh Tuấn cộng trình bày phương pháp quy hoạch thực nghiệm toàn phần nhằm xác định ảnh hưởng tốc độ cắt V, lượng chạy dao S, chiều sâu cắt t đến độ nhám bề mặt Rz trình phay thép C45 dao mặt đầu Nhám bề mặt Rz đo máy Mitutoyo Surftest SJ400 sau phân tích để xác định mức độ ảnh hưởng thông số đầu vào lên đáp ứng đầu Từ mối quan hệ chất lượng bề mặt với thơng số cơng nghệ người làm cơng nghệ chọn chế độ cắt tối đa máy dao mà đảm bảo chất lượng, từ tăng suất, giảm giá thành sản phẩm Chương THỰC NGHIỆM GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY 6P11 3.1 Lựa chọn thiết bị gia công thực nghiệm Máy phay đứng 6P11 Máy đo độ nhám Mitutoyo SJ-210 Phơi thép C45: 42x38x65 Dao phay thép gió HSS Ф= 22 (mm), dao phay hợp kim Ф= 31.5 (mm)- T15K10, dao phay mặt đầu gắn mảnh Ф= 80 (mm) THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 12 3.2 Chế độ cắt dùng thực nghiệm Thông thường chiều sâu cắt phay thô không 4-5 mm, phay tinh chiều sâu cắt không 1-2 mm Thông thường lượng chạy dao răng, phay thô (phụ thuộc độ cứng vững độ chống rung dao), lượng chạy dao phay thô dao phay trụ gồm mảnh chấp với lớn chọn khoảng 0.1 - 0.4 mm/răng, cịn gia cơng gang tới 0.5 mm/răng Cịn phay tinh (cần độ bóng bề mặt, độ xác kích thước, trạng thái bề mặt…) phay tinh thép gang, lượng chạy dao 0.05 - 0.12 mm/răng Bảng 3.1.Thông số chế độ cắt thí nghiệm 3.3 Kết đo thực nghiệm độ nhám bề mặt Bảng 3.2 Kết đo với dao thép gió (HSS) Ф= 22(mm) THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 13 Bảng 3.3 Kết đo với dao thép hợp kim Ф= 31.5 (mm) Bảng 3.4 Kết đo với dao phay mặt đầu gắn mảnh Ф= 80 (mm) THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 14 Chương XỬ LÝ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH DỰ ĐỐN CHẾ ĐỢ CẮT 4.1 Lựa chọn mơ hình hồi qui Dựa vào bảng (3.2; 3.3; 3.4) ta thấy giá trị đầu vào (f, n, ap) cho theo cấp số cộng, số liệu đo đầu (Rz) xét riêng lẻ yếu tố ảnh hưởng có tượng cấp số cộng Vì vậy, ta thấy có mối quan hệ chế độ cắt độ nhám bề mặt có dạng lũy thừa Cho nên quan hệ biểu sau: Rz = C f b1 nb2 apb3 (4.1) Ta lấy logarit- nêpe hai vế phương trình hàm hồi quy (4.1) được: ln Rz = ln C + b1 ln f + b2 ln n + b3 ln a p THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG (4.2) Lưu hành nội 15 Ta đặt: ln Rz = Y ;ln C + b0 ;ln f = X1;ln n = X ;ln a p = X Ma trận chế độ cắt f, n, ap (ma trận thông số đầu vào) ma trận lagarit nêpe chế độ cắt lnfnap: 4.2 Xử lý kết thực nghiệm 4.2.1 Kết thực nghiệm cắt thép C45 dao thép gió (HSS) Ф= 22 (mm) 4.2.1.1 Xác định phương trình hồi quy Rz = 7.3892 f 0.1792 n−0.1085 a p −2.5000 4.2.1.2 Kiểm nghiệm mơ hình thực nghiệm (4.3)  Và dựa vào kết tìm thấy giá trị hệ số, ta thấy b2 có giá trị nhỏ hệ số, nên ta kiểm tra hệ số có tồn hay khơng sau:  bj Sdu    t  n − m − 1,1 −  2  m (4.4) ij Nên ta có Sdu = 0.02480 Từ suy ta có: −15.2596 , ta tra bảng phân phối Student có bậc tự 21= (25-3-1) độ tin cậy α=0.05, nên suy t(21;0.975) = 2.080 Vậy với kết −15.2596  2.080 bất đẳng thức (4.3)   ln ln tồn b2 khác 0, khoảng sai lệch b2 có độ tin  cậy (1-  )= 0.975 Do ta giá trị b2 khoảng: -0.1233   b2  -0.0937 Ta tiếp tục kiểm tra tính đồng phương sai thí nghiệm theo phân vi cochran THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 16 Với mức ý nghĩa p=0.99 có giá trị Gb=0.2279, nên cochran Gb=0.2279>Gtt=0.13945 Vậy nên ta xác định thực nghiệm có tính đồng hay nghiệm khơng có tính bất ổn định Và ta tiếp tục kiểm tra tương hợp phương trình hàm hồi quy thực nghiệm với công thức: Và Ftt=0.0006594 Gtt=0.2157 Vậy nên ta xác định thực nghiệm có tính đồng hay nghiệm khơng có tính bất ổn định Và ta tiếp tục kiểm tra tương hợp phương trình hàm hồi quy thực nghiệm với công thức: Và Ftt=0.013545 Gtt=0.154229 Vậy nên ta xác định thực nghiệm có tính đồng hay nghiệm khơng có tính bất ổn định Và ta tiếp tục kiểm tra tương hợp phương trình hàm hồi quy thực nghiệm với công thức: Và Ftt=0.06203