Xác định thông số tối ưu của quá trình gia công vật liệu tấm sus 304 đến thời gian gia công bằng công nghệ spif

Tạp chí Khoa học Công nghệ và Thực phẩm 22 (1) (2022) 133 141 133 XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA QUÁ TRÌNH GIA CÔNG VẬT LIỆU TẤM SUS 304 ĐẾN THỜI GIAN GIA CÔNG BẰNG CÔNG NGHỆ SPIF Võ Văn Lương1, Võ Tuyể[.]

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Thực phẩm 22 (1) (2022) 133-141 XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA Q TRÌNH GIA CƠNG VẬT LIỆU TẤM SUS 304 ĐẾN THỜI GIAN GIA CÔNG BẰNG CÔNG NGHỆ SPIF Võ Văn Lương1, Võ Tuyển2*, Đinh Lê Cao Kỳ2 Công ty TNHH Thương mại & Kỹ thuật Lương Võ, TP.HCM Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM *Email: tuyenvo@hufi.edu.vn Ngày nhận bài: 24/8/2021; Ngày chấp nhận đăng: 26/11/2021 TÓM TẮT Với mục đích xác định giá trị tối ưu cho thông số công nghệ từ kết thực nghiệm đánh giá khả tạo hình thơng qua thời gian gia cơng q trình gia cơng vật liệu SUS 304 công nghệ SPIF Bài báo tiến hành thực nghiệm thu thập thông số quy hoạch thực nghiệm thiết lập mơ hình tốn; đồng thời, xác định giá trị tối ưu cho thơng số q trình gia cơng đường kính dụng cụ, bước tiến dụng cụ tốc độ chạy dụng cụ ảnh hưởng trực tiếp tới thời gian gia cơng Các thơng số cơng nghệ tối ưu có khả ứng dụng thực tiễn để nâng cao hiệu suất q trình gia cơng vật liệu kim loại SUS 304 nói riêng vật liệu kim loại khác nói chung Từ khóa: Thực nghiệm, tối ưu, thời gian gia cơng, thơng số tạo hình, cơng nghệ SPIF GIỚI THIỆU Trong sản xuất, đặc biệt máy tự động, thời gian gia công (thời gian máy) nhiệm vụ quan trọng để xác định suất gia công lập quy trình cơng nghệ Với u cầu thời gian gia công cực tiểu, nội dung báo xác định thơng số gia cơng tạo hình tối ưu đến thời gian gia công Ở thời điểm tại, nghiên cứu cơng nghệ tạo hình cục liên tục đơn điểm (Single Point Incremental Forming - SPIF) chủ yếu tập trung vào khía cạnh q trình gia cơng máy, thiết bị, dụng cụ tạo hình, thơng số ảnh hưởng đến q trình gia cơng (đường kính dao, chiều dày tấm, vận tốc quay trục chính, điều kiện tiếp xúc, loại vật liệu v.v.) Các nghiên cứu hầu hết áp dụng vật liệu có độ cứng, độ bền thơng thường thép, nhơm, nhựa nhiệt dẻo v.v., cịn với vật liệu có độ cứng, độ bền cao thép không gỉ, titan, v.v bắt đầu nghiên cứu, vật liệu khó biến dạng tạo hình khả đàn hồi cao Do đó, xác định thơng số cơng nghệ phù hợp cho vật liệu ứng dụng cơng nghệ SPIF để gia cơng chúng Do đó, báo “Xác định thơng số tối ưu q trình gia cơng vật liệu SUS 304 đến thời gian gia công công nghệ SPIF” đặt để giải toán Trong công nghệ SPIF, lực tác dụng bên mặt gia cơng cịn mặt để biến dạng tự (giống công nghệ miết không cần khn) khơng xoay trịn mà dụng cụ tạo hình có chuyển động tạo hình Phương pháp khơng cần dùng khn có hình dạng sản phẩm mà cần có tựa có hình dạng đơn giản thường có dạng chu vi sản phẩm kẹp để cố định phôi cần tạo hình (Hình 1) Tồn đồ gá đơn giản, cố định thành khối Dụng cụ tạo hình đơn giản có dạng hình trụ có đầu hình 133 Võ Văn Lương, Võ Tuyển, Đinh Lê Cao Kỳ bán cầu thực chuyển động phức tạp nhờ máy điều khiển số CNC Hình Sơ đồ tạo hình cơng nghệ SPIF [1, 2] Thép khơng gỉ SUS 304 loại thép không cứng, dễ biến dạng sử dụng phổ biến công nghiệp: chậu rửa, chảo, nồi, quạt ly tâm, chắn carter, khung thang máy, v.v SUS 304 có khả tạo hình tốt, dát mỏng mà không cần gia nhiệt Điều làm cho loại thép dùng phổ biến lĩnh vực sản xuất chi tiết thép không gỉ THIẾT KẾ THỰC NGHIỆM 2.1 Máy gia cơng Máy tạo hình chun dụng SPIF sử dụng hệ điều khiển JSK (hình 2) đặt phịng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia Điều khiển số Kỹ thuật hệ thống, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM Máy có độ cứng vững tốt nên dùng để tạo hình sản phẩm dầy, vật liệu cứng thép, thép khơng gỉ Hình Máy chun dùng SPIF trụ dùng thực nghiệm 2.2 Dụng cụ tạo hình Dụng cụ tạo hình có cấu tạo dao phay ngón, đầu hình bán cầu, khơng từ có lưỡi cắt, dụng cụ làm vật liệu thép gió với kích thước có đường kính Ø5 - Ø10, dụng cụ gia công cách mài đầu côn đầu hình cầu đồ gá tự chế nhằm bảo đảm độ xác hình học kích thước dụng cụ 134 Xác định thông số tối ưu q trình gia cơng vật liệu SUS 304 đến thời gian… 2.3 Thiết kế mẫu thử Mẫu thử kim loại hay nhựa thiết kế với loại hình dạng loa miệng to phía Mẫu cong có biên dạng tiết diện hình chiếu đứng cung trịn thiết kế để dễ dàng tính góc tạo hình lớn α đạt bị rách Đường kính lớn mẫu chọn Ø200, cho phép chọn phơi có kích thước 250  250 mm (Hình 3) Hình Mơ hình cong thơng số mẫu thử [3, 4] Do góc tạo hình chưa thể vượt qua mức giới hạn α0 = 900 nên biên dạng mẫu chọn có hình loa, bán kính cong R = 60 mm thể Hình 2.4 Lựa chọn thông số thực nghiệm Với kết hợp kinh nghiệm thực tế, tính thép khơng gỉ SUS 304 hệ thống cơng nghệ máy tạo hình SPIF chun dụng, lựa chọn thơng số tạo hình giới hạn phù hợp với vật liệu SUS 304 sau: - Đường kính dụng cụ (X1): ảnh hưởng đến suất gia công Bước tiến dụng cụ (X2): ảnh hưởng đến suất gia công chất lượng bề mặt gia công Tốc độ chạy dụng cụ (X3): ảnh hưởng đến suất gia công chất lượng bề mặt gia công Bảng giới thiệu thông số tạo hình lựa chọn cho thép khơng gỉ SUS 304 Bảng Lựa chọn thơng số tạo hình thích hợp cho thép khơng gỉ SUS 304 Đường kính dụng cụ D [mm] Mức thấp: 5, Mức cao: Bước tiến dụng cụ Sz [mm] Mức thấp: 0,2; mức cao: 0,6 Vận tốc tiến dụng cụ, vxy [mm/ph] Mức thấp: 800; Mức cao: 3000 Tốc độ vòng quay trục chính, n [vg/ph] 800 Chiều dày vật liệu [mm] 0,4 Các thông số đầu cần chọn cho phù hợp với yêu cầu chất lượng độ xác tạo hình SUS 304 SPIF, đồng thời đo lường xác kết thực nghiệm kiểm tra kết với phương pháp khác nên thông số đầu với yêu cầu tối ưu hóa chọn sau: - Khả tạo hình mà đại diện góc biến dạng lớn α với yêu cầu cực đại - Độ xác hình học thơng qua lượng hồi phục (springback) theo phương hướng kính D với yêu cầu cực tiểu - Năng suất tạo hình thông qua thời gian chạy máy t với yêu cầu cực tiểu Sau đây, nội dung báo giới hạn việc xác định thông số gia công tạo hình tối ưu đến thời gian gia cơng với yếu cầu nhỏ 135 Võ Văn Lương, Võ Tuyển, Đinh Lê Cao Kỳ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 3.1 Kế hoạch thực nghiệm bậc hai Phương án thực nghiệm bậc hai chọn có dạng phương án bậc hai quay Tính chất quay phương án cấu trúc có tâm đạt chọn cánh tay đòn (*) theo công thức [5]:  = 2k/4 (1) = 23/4 = 1,682 với: k – số yếu tố nghiên cứu, k = Khoảng biến thiên giá trị thơng số đầu vào cụ thể hóa Bảng Bảng Mức khoảng biến thiên yếu tố đầu vào Thông số Mức X1 X2 X3 –1,682 2,66 0,13 3,64 Mức –1 0,4 Mức sở 3,5 0,8 Mức +1 1,2 1,682 4,34 1,47 10,64 0,5 0,4 Điểm (*) Điểm (*) Khoảng biến thiên 3.2 Lập ma trận thực nghiệm Ma trận thực nghiệm bậc hai theo phương án quay, số lượng thực nghiệm xác định theo công thức [5]: N = 2k + 2k + n0 (2) = 23 +  + = 20 đó: k – số yếu tố nghiên cứu, k = 2k – số lượng thực nghiệm mức mức 2k – số lượng thực nghiệm mức điểm (*) n0 – số lượng thực nghiệm lặp mức sở, n0 = Với kế hoạch thực nghiệm bậc hai, đa thực bậc hai có dạng mã hóa sau: y = b0 + k  bi xi + i =1 k  bij xi x j + i =1 j 1 k b x ii i (3) i =1 đó: xi, xj – giá trị mã hóa thơng số Xi, Xj b0 – hệ số tự bi – hệ số tuyến tính bij (i  j) – hệ số tương tác cặp bii – hệ số bậc hai k – số yếu tố nghiên cứu Giá trị mã hóa xi thơng số tính theo cơng thức [5]: xi = X i − X i0 X i đó: Xi – giá trị thực thơng số vào thứ i 136 (4) Xác định thông số tối ưu q trình gia cơng vật liệu SUS 304 đến thời gian… X i0 – giá trị thực mức sở thông số vào thứ i X i+ − X i− Ma trận thực nghiệm lập ngẫu nhiên hóa trật tự chương trình Statgraphic Vers 15.0 (Bảng 3) bi – bước thay đổi thông số vào thứ i, X i = Bảng Ma trận thực nghiệm kết thực nghiệm bậc hai theo thời gian gia công TT X1 X2 X3 Y 0 1,68 126,96 0 78,2 1 113,85 −, 100,97 −1 − 126,96 0 −, 110,63 0 74,75 −1 1 126,96 1,68 0 94,3 10 −1,68 0 136,62 11 0 74,75 12 − − 100,97 13 −1 − 117,07 14 1,68 120,52 15 0 78,2 16 −1 − − 123,74 17 0 81,42 18 1 − 94,3 19 0 74,75 20 − 104,19 3.3 Kết thảo luận Dựa vào kết thực nghiệm, tiến hành phân tích phương sai lần với mơ hình dạng đa thức bậc hai đầy đủ (Bảng 4) 137 Võ Văn Lương, Võ Tuyển, Đinh Lê Cao Kỳ Bảng Kết phân tích phương sai hàm Y thời gian gia cơng Nguồn Tổng bình phương Bậc tự Trung bình bình phương Tỷ số F Giá trị P A:Yếu tố X1 1704,8 1704,8 89,04 0,0000 B:Yếu tố X2 175,562 175,562 9,17 0,0127 C:Yếu tố X3 138,899 138,899 7,25 0,0226 AA 2353,56 2353,56 122,92 0,0000 AB 12,8018 12,8018 0,67 0,4326 AC 108,339 108,339 5,66 0,0387 BB 1779,31 1779,31 92,93 0,0000 BC 66,125 66,125 3,45 0,0928 CC 2808,16 2808,16 146,66 0,0000 Sai số tổng 191,474 10 19,1474 Tổng cộng 8214,55 19 Kết phân tích phương sai cho thấy hệ số hồi quy không đảm bảo độ tin cậy bị loại gồm AB (hệ số X1X2) Sau loại bỏ hệ số hồi quy không đảm bảo độ tin cậy (AB) khỏi mơ hình tiến hành phân tích phương sai lần thứ hai cho mơ hình Kết xử lý số liệu xác định hệ số hồi quy có ý nghĩa (P-value < 0,05) trình bày Bảng Bảng Kết phân tích phương sai hàm Y sau loại bỏ hệ số hồi quy khơng phù hợp (AB) Nguồn Tổng bình phương Bậc tự Trung bình bình phương Tỷ số F Giá trị P A:Yếu tố X1 1704,8 1704,8 91,80 0,0000 B:Yếu tố X2 175,562 175,562 9,45 0,0106 C:Yếu tố X3 138,899 138,899 7,48 0,0194 AA 2353,56 2353,56 126,74 0,0000 AB 108,339 108,339 5,83 0,0343 AC 1779,31 1779,31 95,81 0,0000 BB 66,125 66,125 3,56 0,0858 BC 2808,16 2808,16 151,22 0,0000 CC 204,276 11 18,5706 Sai số tổng 8214,55 19 138 Xác định thông số tối ưu q trình gia cơng vật liệu SUS 304 đến thời gian… Bảng Hệ số hồi quy hàm Y thời gian gia công Hệ số số A:Yếu tố X1 B:Yếu tố X2 C:Yếu tố X3 AA AC BB BC CC Ước lượng 77,1415 −11,1777 3,58701 3,19055 12,7998 3,68 11,1292 2,875 13,9814 Các hệ số hồi quy dạng mã hóa trình bày Bảng viết lại sau: b0 = 77,1415 b3 = 3,19055 b11 = 12,7998 b1 = –11,1777 b13 = 3,68 b22 = 11,1292 b2 = 3,58701 b23 = 2,875 b33 = 13,9814 Như vậy, dạng mã hóa hàm Y phụ thuộc vào X1, X2 X3 biểu diễn phương trình tốn sau: Y = 77,1415 – 11,1777X1 + 3,58701X2 + 3,19055X3 + 12,7998X12 + 3,68X1X3 + 11,1292X22 + 2,875X2X3 + 13,9814 X 32 (5) Dựa vào hàm Y dạng mã hóa, tiến hành phân tích mức độ ảnh hưởng yếu tố nghiên cứu đến thời gian gia cơng, có nhận xét: Dấu trừ (−) đứng trước X1 chứng tỏ đường kính dụng cụ thời gian gia cơng có mối quan hệ tỷ lệ nghịch - Dấu cộng (+) đứng trước X2 X3 chứng tỏ bước tiến dụng cụ tốc độ chạy dụng cụ có mối quan hệ tỷ lệ nghịch với thời gian gia công Qua hàm Y vẽ đồ thị theo cặp yếu tố ảnh hưởng tới góc tạo hình (Hình 4-6), đồ thị vẽ giá trị yếu tố lại giữ mức sở Các đồ thị cho thấy: - - Bề mặt đáp ứng hàm Y có dạng parabole elliptic (dạng đồi) nằm miền thí nghiệm Điểm dừng bề mặt đáp ứng (điểm bề mặt đáp ứng có độ dốc 0) nằm sâu miền thí nghiệm đạt giá trị cực đại bề mặt đáp ứng Vùng cho giá trị dự báo cao góc tạo hình vùng ellipse nhỏ Từ cho phép sơ xác định giá trị mã hóa yếu tố ảnh hưởng X1, X2 X3 Hình Quan hệ thời gian gia công t cặp thông số ảnh hưởng D-z: a) Đồ thị dạng lưới; b) Đồ thị dạng mức 139 Võ Văn Lương, Võ Tuyển, Đinh Lê Cao Kỳ Hình Quan hệ thời gian gia công t cặp thông số ảnh hưởng D-vxy: a) Đồ thị dạng lưới; b) Đồ thị dạng mức Hình Quan hệ thời gian gia cơng t cặp thông số ảnh hưởng vxy-z: a) Đồ thị dạng lưới; b) Đồ thị dạng mức Từ đồ thị Hình 4-6 cho thấy, thời gian gia cơng t đạt giá trị nhỏ X1 = 0,4597, X2 = −0,1405 X3 = −0,1602, Ymin = 74,0651 tương ứng giá trị thực đường kính dụng cụ D = 8,65 mm, bước tiến dụng cụ z = 0,54 mm tốc độ chạy dụng cụ vxy = 1723 mm/ph KẾT LUẬN Như vậy, báo trình bày việc tiến hành thực nghiệm thu thập thông số, quy hoạch thực nghiệm thiết lập mô hình tốn xác định giá trị tối ưu cho thơng số q trình gia cơng vật liệu SUS 304 ảnh hưởng đến thời gian gia công cơng nghệ SPIF Từ kết trình bày trên, xác định thông số tối ưu q trình gia cơng cơng nghệ tạo hình biến dạng cục liên tục đơn điểm (Single Point Incremental Forming) vật liệu SUS 304 ảnh hưởng tới thời gian gia công sau: - Đường kính dụng cụ D = 8,65 mm; - Bước tiến dụng cụ z = 0,54 mm; - Tốc độ chạy dụng cụ vxy = 1723 mm/ph Về ý nghĩa khoa học thực tiễn, xác định mối quan hệ thông số công nghệ thời gian gia cơng tạo hình vật liệu SUS 304 Qua đó, cho thấy phương pháp gia cơng cơng nghệ SPIF chi tiết dạng với chi phí phù hợp, thời gian ngắn thích hợp sản xuất đơn chế tạo sản phẩm thử nghiệm Hướng nghiên cứu tiếp 140 Xác định thông số tối ưu q trình gia cơng vật liệu SUS 304 đến thời gian… theo báo tập trung vào việc nghiên cứu lý thuyết đặc biệt thực nghiệm vật liệu khác đồng, nhôm, polyme v.v để đánh giá hội tụ thông số công nghệ tối ưu TÀI LIỆU THAM KHẢO Tuyen Vo, Thanh Nam Nguyen, Tan Hung Nguyen and Antonov Svetlin - A Research of Optimization of the Forming Parameters to the Minimum Radial Dimension Error when Forming Sheet by HOTSPIF Technology, Key Engineering Materials 863 (2020) 13-17 Võ Tuyển, Nguyễn Tấn Hùng, Lê Khánh Điền, Nguyễn Thanh Nam - Nghiên cứu mô lượng phục hồi theo phương hướng kính vật liệu Titan gia cơng cơng nghệ HOT SPIF, Tạp chí Cơ khí Việt Nam (2018) 131-136 Tuyen Vo, Thanh Nam Nguyen, Phan Anh Nguyen, Khanh Dien Le, Tan Ken Nguyen and Trung Le Tran - A Measure of Optimization of Technological Parameters to Improve the Formability of Stainless Steel Sheet SUS 304 by SPIF Technology 863 (2020) 59-66 Nguyen Tan Hung, Le Khanh Dien, Nguyen Thanh Nam, Vo Tuyen, Svetlin Antonov - Research on the Formability of Titanium Sheet Materials by Hot Single Point Incremental Forming Technology, XXIII Scientific Conference with International Participation, FPEPM 9/2018 Nguyễn Cảnh - Quy hoạch thực nghiệm, Nhà xuất Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh (2004) ABSTRACT DETERMINE THE OPTIMAL PARAMETERS OF THE PROCESSING OF SUS 304 SHEET MATERIAL TO THE PROCESSING TIME BY SPIF TECHNOLOGY Vo Van Luong1, Vo Tuyen2*, Dinh Le Cao Ky2 Luong Vo Technical & Trading Co., Ltd Ho Chi Minh City University of Food Industry *Email: tuyenvo@hufi.edu.vn For the purpose of determining the optimal value for the technological parameters from the experimental results when evaluating the forming ability through the processing time during the processing of SUS 304 sheet material by SPIF technology The article has conducted experiments to collect parameters and experimental planning to establish a mathematical model; at the same time, determine the optimal value for the parameters of the machining process such as tool diameter, tool feed and tool running speed which directly affect the machining time The optimal technological parameters have practical applicability to improve the efficiency and productivity of the processing process for SUS 304 sheet metal in particular and other sheet metal materials in general Keywords: Experiment, optimization, processing time, forming parameters, SPIF technology 141 ... 204,276 11 18,5706 Sai số tổng 8214,55 19 138 Xác định thông số tối ưu q trình gia cơng vật liệu SUS 304 đến thời gian? ?? Bảng Hệ số hồi quy hàm Y thời gian gia công Hệ số số A:Yếu tố X1 B:Yếu tố... i0 X i đó: Xi – giá trị thực thông số vào thứ i 136 (4) Xác định thông số tối ưu q trình gia cơng vật liệu SUS 304 đến thời gian? ?? X i0 – giá trị thực mức sở thông số vào thứ i X i+ − X i− Ma trận... trình bày việc tiến hành thực nghiệm thu thập thông số, quy hoạch thực nghiệm thiết lập mơ hình tốn xác định giá trị tối ưu cho thông số q trình gia cơng vật liệu SUS 304 ảnh hưởng đến thời gian