(Đồ án hcmute) nghiên cứu thực nghiệm xác định chế độ gia công hợp lý cho biên dạng tiện phay cnc phức tạp dựa trên sử dụng phương pháp taguchi

GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI

Lý do chọn đề tài

Hiện nay, gia công trên các máy CNC ngày càng phát triển và được ứng dụng rộng rãi nghiên cứu và phát triển khả năng gia công trên các máy CNC là vấn đề rất cần thiết nhằm đạt hiệu quả sản xuất và lợi ích kinh tế cao.

Việc nghiên cứu và áp dụng kỹ thuật, công nghệ gia công trên các máy CNC đang có sự phát triển đáng kể tại Việt Nam và trên thế giới Công nghệ gia công và chế tạo thiết đạt được những bước phát triển vượt bậc, mang đến khả năng gia công đạt độ chính xác cao đáp ứng yêu cầu của các thiết bị đòi hỏi độ chính xác cao và hạ được giá thành sản phẩm Mặc dù khả năng gia công chính xác ngoài trên máy CNC là một yếu tố quan trọng, nhưng chế độ cắt cũng ảnh hưởng đến chất lượng gia công Do đó, việc tối ưu chế độ cắt hay sử dụng chế độ cắt phù hợp là yêu cầu cần được giải quyết cho quá trình gia công.

Trong thực tế gia công với mỗi vật liệu phôi khác nhau yêu cầu các chế độ cắt tùy chỉnh khác để đáp ứng cơ tính của từng vật liệu nhưng không phải lúc nào cũng chính xác tuyệt đối như mong muốn Trong quá trình gia công, các yếu tố nhiễu không xác định có thể ảnh hưởng đến kết quả, do đó các giá trị cài đặt có thể chỉ đạt được một mức độ tin cậy nhất định so với giá trị thực tế Để đảm bảo sự chính xác khi gia công việc nghiên cứu xác định chế độ cắt hợp lý càng cần thiết Có nhiều phương pháp nhằm tối ưu chế độ cắt về lý thuyết và cả thực nghiệm nhưng có nhiều sự bất cập như các phương pháp lý thuyết có độ tin cậy thấp còn các phương pháp thực nghiệm cho độ tin cậy cao nhưng cần nhiều thí nghiệm Và phương pháp Taguchi là một trong những phương pháp hữu hiệu và khắc phục các vấn đề kể trên.

Phương pháp Taguchi là một kỹ thuật tối ưu hóa thí nghiệm được sử dụng để thiết kế các quá trình ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố nhiễu Phương pháp này sử dụng các mảng trực giao trong thiết kế thí nghiệm, giúp giảm thiểu số lượng thí nghiệm cần thiết và điều chỉnh nhanh chóng các thông số để đạt đến mức tối ưu.

Vì vậy để góp phần hoàn thiện, bổ sung và nâng cao hiệu quả cũng như chất lượng gia công đề tài “ Nghiên cứu thực nghiệm xác định chế độ gia công hợp lý cho biên dạng tiện - phay

CNC phức tạp dựa trên sử dụng phương pháp Taguchi ” đã được chọn.

Mục đích nghiên cứu

Mục đích chính của nghiên cứu là xây dựng một quy trình gia công ổn định và tin cậy.Nghiên cứu này tập trung xác định chế độ gia công hợp lý cho biên dạng tiện - phay CNC phức tạp để nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm thiểu thời gian chế tạo và tiết kiệm tài nguyên.

Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về công nghệ gia công phay - tiện CNC.

- Nghiên cứu tổng quan về phương pháp phân tích thực nghiệm Taguchi cho quá trình ảnh hưởng của thông số chế độ cắt đến chất lượng gia công trên máy CNC.

- Xây dựng mô hình thực nghiệm gia công chi tiết trên máy CNC, thu thập và xử lý dữ liệu.

- Phân tích dữ liệu dựa trên phương pháp Taguchi để xác định chế độ gia công hợp lý.

Phương pháp nghiên cứu

Với mục đích nghiên cứu xác định chế độ gia công hợp lý dựa trên phương pháp Taguchi với chi tiết có biên dạng phức tạp, chọn phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết cùng với nghiên cứu thực nghiệm Qua nghiên cứu thực nghiệm, ta sẽ hiểu rõ hơn ảnh hưởng các thông số công nghệ tới biến dạng chi tiết và độ nhám bề mặt Cùng với đó nghiên cứu lý thuyết sử dụng phương pháp Taguchi để phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm nhằm tối ưu thông số và xác định chế độ gia công hợp lý.

Các công cụ dùng để nghiên cứu

- Phôi dùng cho phay CNC là thép SKD11, cho tiện CNC là Inox 316L.

- Gia công trên máy phay CNC Mazak, máy tiện CNC là NR20.

- Máy đo CMM, máy đo độ nhám.

Dự kiến kết quả đạt được

- Xây dựng mô hình nghiên cứu.

- Xác định được ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ tới độ nhám bề mặt và sai lệch kích thước khi gia công

1.7 Kết cấu của ĐATN ĐATN bao gồm 6 chương, trong đó :

- Chương 1: Giới thiệu về đề tài.

- Chương 2: Tổng quan về tiện CNC, quá trình hình thành phoi.

- Chương 3: Nghiên cứu phương pháp phân tích thực nghiệm Taguchi.

- Chương 4: Xây dựng mô hình thực nghiệm.

- Chương 5: Tổng quan về máy phay CNC, quá trình phay CNC.

- Chương 6: Xây dựng mô hình thực nghiệm.

TỔNG QUAN VỀ TIỆN CNC, QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH PHOI

Giới thiệu về quá trình tiện

Một trong những phương pháp gia công phổ biến nhất là gia công tiện được thực hiện bằng sự chuyển động của dao tiện và phôi Cụ thể, phôi sẽ chuyển động xoay tròn trong khi đó dao tiện sẽ chuyển động tịnh tiến, song song với trục để cắt phôi, nhằm được hình dáng và kích thước mong muốn Tiện có thể được thực hiện ở mặt ngoài hoặc mặt trong (khoan) trên phôi và có thể được tối ưu bằng những thông số cắt khác nhau như tốc độ cắt (v), tốc độ trục chính (S), chiều sâu cắt (t) và lượng chạy dao (F).

Gia công tiện là quá trình cắt gọt kim loại bằng dao tiện trên máy tiện Tuy nhiên, tiện cũng có thể thực hiện trên các loại máy khác như máy phay để gia công lỗ, hoặc máy khoan, máy doa ngang, đứng Trong gia công kim loại bằng cắt, tiện chiếm tỷ lệ đáng kể, dao động từ 25% đến 50% Ngoài tiện, máy tiện còn có thể thực hiện các công đoạn khác như khoan, khoét, doa, taro.

Khả năng công nghệ của tiện rất cao, phương pháp tiện có thể :

- Gia công mặt trụ ngoài và trong;

- Gia công các loại ren vít trong hoặc ngoài;

- Gia công mặt định hình;

- Gia công rãnh ngoài, cắt đứt;

- Gia công rãnh trong lỗ;

- Gia công mặt côn ngoài và trong;

Gia công tiện chủ yếu được sử dụng để chế tạo các chi tiết có hình dạng xoay quanh trục như trục trơn, côn, lỗ, puli, bánh răng, bằng các loại dao tiện, mũi khoét, mũi doa, taro,

Bảng 2.1: Chất lượng chi tiết sau khi tiện

Chiều cao nhấp nhô ( ) Độ chính Dạng bề mặt và phương xác kích pháp tiện thước

Hình 2.1: Phân loại chi tiết tiện Đối xứng:

- Trục: có dạng thành tròn và có tỷ lệ chiều dài l với đường kính d (l/d) > 3, bao gồm trục trên, trục bậc, trục có then hoặc rãnh then, trục có côn hoặc có phần định hình.

- Bạc: đặc điểm của chi tiết này là có lỗ Tỷ lệ l/d >= 3 bao gồm bạc lót, ống lót, bạc có thành mỏng.

- Các chi tiết dạng hình đĩa: tỷ lệ ld ≤ 0,5, gồm đĩa vòng đệm, mặt bích, vô lăng, đĩa xích, bánh răng v.v

Không đối xứng: Những chi tiết có kết cấu không đối xứng gồm những chi tiết lệch tâm và những chi tiết đặc biệt như thanh giằng, ống nối, khớp nối, chữ thập,v.v Dựa trên đặc điểm kết cấu này quá trình gia công có thể bị ảnh hưởng, người ta thường phân loại những chi tiết này thành từng dạng khác nhau Do đó với những chi tiết có hình dạng gần giống nhau, tiện dụng quy trình gia công chung có thể là một lựa chọn hiệu quả Việc phân loại và xác định quy trình gia công cho từng dạng chi tiết không đối xứng là rất quan trọng trong quá trình sản xuất Các chi tiết không đối xứng thường đòi hỏi các phương pháp gia công đặc biệt và đòi hỏi sự chính xác cao trong quá trình gia công Điều này đảm bảo rằng các chi tiết được gia công chính xác và đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật và chất lượng Với sự phát triển của công nghệ và máy móc gia công, việc gia công các chi tiết không đối xứng đã trở nên hiệu quả và tiết kiệm thời gian hơn Các kỹ sư và nhà sản xuất có thể áp dụng các phương pháp gia công tiên tiến và chính xác để tạo ra các chi tiết không đối xứng với chất lượng cao và đáp ứng được yêu cầu của khách hàng.

Trong quá trình tiện, có hai chuyển động chính là chuyển động xoay tròn của phôi và chuyển động tịnh tiến của dao.

- Chuyển động xoay tròn của phôi là chuyển động quay tròn của phôi quanh một trục cố định Chuyển động này tiêu thụ phần lớn công suất của máy khi vật quay tròn, nếu đưa dao vào cắt gọt sẽ tạo thành một vòng trên bề mặt chi tiết gia công.

- Cùng với chuyển động xoay tròn của phôi, chuyển động tịnh tiến của dao cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình gia công Chuyển động tịnh tiến này cho phép dao di chuyển theo hướng tương đối đến vật phôi, tạo ra sự cắt gọt và hình thành chi tiết gia công Kết hợp hai chuyển động này, ta có thể tiến hành quá trình tiện để chế tạo các chi tiết với hình dạng và kích thước mong muốn.

Hình 2.2: Các chuyển động cơ bản của máy và các bề mặt trên chi tiết gia công a) Tiện ngoài; b) Tiện mặt đầu và tiện cắt đứt: 1 Mặt chưa gia công; 2 Mặt cắt gọt; 3.

Mặt đã gia công; I Chuyển động chính; II Chuyển động tiến dao.

Các bề mặt hình thành trên chi tiết khi gia công:

- Mặt chưa gia công: là bề mặt chi tiết trước khi bị cắt đi một lớp kim loại.

- Mặt đang gia công: là bề mặt được tạo thành trực từ tiếp lưỡi dao trong quá trình cắt gọt.

- Mặt đã gia công: là bề mặt chi tiết sau khi được cắt đi một lớp kim loại.

Hình 2.3: Các loại phoi tiện a/ Phoi xếp b/ Phoi bậc c/ Phoi xoắn d/ Phoi dây hình e/ Phoi vụn

- Phoi xếp: thường được hình thành khi gia công các vật liệu dẻo như thép, đồng thau mềm, v.v ở tốc độ cắt thấp với chiều dày cắt lớn và góc cắt có giá trị tương đối lớn.

- Phoi bậc: thường xuất hiện trong quá trình gia công thép có độ cứng trung bình, nhôm và các hợp kim của nó với tốc độ cắt trung bình.

- Phoi xoắn: tạo thành trong quá trình gia công các vật liệu dẻo như thép, đồng thau mềm và các vật liệu tương tự.

- Phoi dây: tạo thành khi gia công thép mềm, đồng, chì, thiếc và một số chất dẻo khác với tốc độ cắt lớn.

- Phoi vụn: hình thành trong quá trình gia công các vật liệu giòn như gang, đồng đỏ,v.v

Hình 2.4: Các bộ phận cơ bản của dao tiện

Các bộ phận cơ bản của dao bao gồm: thân (cán) dùng để giữ dao trên ổ gá dao và đầu dao (phần cắt gọt) gồm có các yếu tố cơ bản sau:

- Mặt trước: trong quá trình cắt gọt phoi thoát ra theo mặt này.

- Mặt sau: gồm có mặt sau chính và mặt sau phụ đối diện với mặt gia công.

- Lưỡi cắt gọn gồm có: o Lưỡi cắt chính: là giao tuyến của mặt trước và mặt sau chính của dao. o Lưỡi cắt phụ: là giao tuyến của mặt trước và mặt sau phụ của dao.

- Mũi dao là giao điểm của lưỡi cắt chính và lưỡi cắt phụ Mũi dao có thể nhọn hoặc bo tròn với bán kính r.

Muốn đảm bảo độ chính xác về kích thước, hình dáng cũng như độ nhám bề mặt của chi tiết cần chọn hình dáng hình học, các góc và dạng mặt trước của dao cho phù hợp.

Hình 2.5: Các góc cơ bản của dao trên hình chiếu bằng

- Góc trên hình chiếu bằng và 1 : là góc tạo bởi hình chiếu của lưỡi cắt chính (phụ) trên mặt đáy với phương chạy dao

Hình 2.6: Các góc cơ bản của dao tiện: góc sát (góc sau chính); : góc nêm (góc sắc); : góc thoát (góc trước); : góc cắt gọt

Các loại dao tiện

Trong quá trình tiện, người ta sử dụng nhiều loại dao khác nhau tùy thuộc vào hình dạng, kích thước và độ chính xác của chi tiết:

- Theo hướng tiện của dao trong quá trình tiện, ta có dao trái và dao phải.

- Theo hình dáng và vị trí của đầu dao so với thân dao có dao thẳng, dao đầu cong vào dao cắt đứt.

- Theo công dụng: dao tiện ngoài đầu thẳng, dao tiện đầu cong, dao tiện mặt đầu, dao cắt rãnh và dao cắt đứt, dao tiện định hình, dao tiện ren và dao tiện lỗ.

- Theo kết cấu, dao có thể là dao liền (được làm bằng một loại vật liệu và dao chắp) cán dao được làm bằng thép kết cấu, còn phần làm việc làm bằng vật liệu dụng cụ cắt.

Hình 2.7: Phân loại dao theo công dụng a Dao phá thẳng b Dao phá đầu cong c Dao vai d Dao xén mặt đầu e Dao cắt đứt f Dao cắt rãnh g Dao định hình h Dao tiện ren i Dao tiện lỗ suốt j Dao tiện lỗ kín.

Vật liệu làm dao

Dao tiện có thể được tạo từ nhiều vật liệu khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng, điều kiện cắt và loại vật liệu gia công Các vật liệu phổ biến trong sản xuất dao tiện bao gồm:

- Thép tốc độ cao (HSS): HSS là một loại thép công cụ thường được sử dụng cho các công cụ tiện Nó được biết đến với độ bền cao, chống mài mòn và khả năng duy trì độ cứng ở nhiệt độ cao.

- Cacbua: được làm từ sự kết hợp của cacbua vonfram và coban Cacbua được biết đến với độ cứng cao, chống mài mòn và khả năng duy trì các cạnh cắt sắc nét ở nhiệt độ cao.

- Gốm sứ: Gốm sứ thường được sử dụng cho các ứng dụng tiện tốc độ cao Chúng được biết đến với độ cứng cực cao, khả năng chống mài mòn và khả năng duy trì lưỡi cắt ở nhiệt độ cao.

- Boron Nitride khối (CBN): CBN là một vật liệu siêu cứng thường được sử dụng để gia công thép cứng và các vật liệu khó gia công khác Ưu điểm của vật liệu này là độ ổn định nhiệt cao, chống mài mòn và khả năng duy trì các cạnh cắt sắc nét.

PCD (Kim cương đa tinh thể) là vật liệu kim cương tổng hợp được ứng dụng rộng rãi trong gia công kim loại màu và nhựa Đặc tính nổi trội của PCD là độ cứng vượt trội, chống mài mòn cao và khả năng duy trì lưỡi cắt sắc bén ngay cả ở nhiệt độ cao Nhờ những đặc tính này, PCD được sử dụng hiệu quả trong gia công các vật liệu khó như vật liệu hỗn hợp, gốm sứ và vật liệu chịu nhiệt.

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám, kích thước, dung sai của chi tiết tiện Inox 316L

Thép không gỉ lần đầu tiên được phát hiện và phát triển vào đầu thế kỷ 20 bởi các nhà luyện kim Harry Brearley ở Anh và Leon Guillet ở Pháp Họ đang nghiên cứu cải thiện khả năng chống ăn mòn của thép bằng cách thêm crom vào hợp kim Năm 1913, Brearley sản xuất thành công loại thép không gỉ đầu tiên chứa khoảng 12% crôm.

Trải qua nhiều năm, quy trình sản xuất thép không gỉ và các thành phần hợp kim đã có những bước tiến vượt bậc Năm 1950, Viện Sắt thép Hoa Kỳ (AISI) đã đưa ra hệ thống đánh số tiêu chuẩn để phân loại các loại thép không gỉ khác nhau AISI 316L là một phần của dòng AISI 300, nổi tiếng với khả năng chống ăn mòn tuyệt vời và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.

Thép không gỉ AISI 316L (hay còn gọi là Inox 316L) được phát triển dưới dạng biến thể carbon thấp của thép không gỉ AISI 316 Chữ "L" trong 316L là viết tắt của "Low carbon" (thấp carbon), cho biết nó có hàm lượng carbon giảm so với thép không gỉ AISI 316 tiêu chuẩn. Hàm lượng carbon thấp này giúp giảm thiểu nguy cơ nhạy cảm và ăn mòn giữa các hạt có thể xảy ra khi thép không gỉ tiếp xúc với các điều kiện nhất định, chẳng hạn như môi trường hàn hoặc nhiệt độ cao.

Inox là một thuật ngữ bắt nguồn từ tiếng Pháp "Inoxydable", có nghĩa là "không gỉ" Nó thường được dùng để chỉ vật liệu thép không gỉ Do đó, Inox 316L biểu thị cụ thể loại thép không gỉ Inox 316L, nhấn mạnh đặc tính chống ăn mòn của nó.

Ngày nay, Inox 316L được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm chế biến hóa chất, dược phẩm, thực phẩm và đồ uống, ứng dụng hàng hải, thiết bị y tế và ứng dụng kiến trúc, v.v Nó được đánh giá cao về khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, khả năng chịu nhiệt độ cao, tính chất cơ học tốt và khả năng tương thích sinh học, làm cho nó phù hợp với nhiều môi trường và ứng dụng đòi hỏi khắt khe.

Thép không gỉ 316 còn được gọi là Inox 316 hay SUS316, bao gồm các nguyên tố chính là cacbon, 17% crom, 12,5% niken và 2,5% molypden Nhờ sự bổ sung niken và molypden, Inox 316 có khả năng chống ăn mòn vượt trội trong nhiều môi trường khắc nghiệt, khả năng chống nhiễm từ và chống oxy hóa tốt.

Bảng 2.2: Thành phần hoá học của Inox 316L

C Mn Si P S Cr Mo Ni N

Bảng 2.3:Tính chất của vật liệu

Tính chất Giá trị Độ cứng 217 HB Độ bền kéo 515 Mpa Độ giãn dài giới hạn 60%

Hệ số Poisson 0,3 Độ bền mỏi 205 MPa Độ bền va đập (Izod impact) 150 J

Module đàn hồi trượt 77 Gpa Độ bền cắt 550 Mpa

- Tính gia công của Inox 316L

Thép không gỉ Inox 316L thường có khả năng gia công tốt Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là thép không gỉ, kể cả Inox 316L, có thể khó gia công hơn so với các vật liệu khác như thép cacbon.

1 Thép không gỉ Inox 316L có xu hướng hóa cứng trong quá trình gia công, điều đó có nghĩa là nó trở nên cứng hơn và khó cắt hơn khi quá trình gia công diễn ra Để giảm thiểu quá trình làm cứng công việc, nên sử dụng tốc độ cắt, bước tiến và kỹ thuật dụng cụ thích hợp.

2 Dụng cụ cắt: Việc lựa chọn dụng cụ cắt phù hợp là rất quan trọng để gia công Inox 316L. Các công cụ làm từ thép gió (HSS) hoặc cacbua rắn thường được sử dụng Hạt dao cacbua có các cạnh cắt sắc bén và hình dạng dụng cụ phù hợp có thể mang lại kết quả tốt hơn.

3 Tốc độ cắt và bước tiến: Tối ưu hóa tốc độ cắt và bước tiến là điều cần thiết để đạt được hiệu quả gia công Inox 316L Tốc độ cắt cao với bước tiến thấp có thể giúp giảm quá trình hóa cứng và đảm bảo kiểm soát phoi tốt hơn.

4 Bôi trơn và làm mát: Việc bôi trơn và làm mát đầy đủ rất quan trọng trong quá trình gia công để giảm ma sát, tích tụ nhiệt và mài mòn dụng cụ Có thể sử dụng chất làm mát, chẳng hạn như chất lỏng cắt gọt gốc dầu hoặc hòa tan trong nước để cải thiện hiệu suất gia công.

5 Độ cứng và ổn định: Duy trì độ cứng và ổn định trong thiết lập gia công là rất quan trọng để đạt được kết quả chính xác và nhất quán Rung động và tiếng kêu nên được giảm thiểu để tránh làm lệch dụng cụ và bề mặt kém hoàn thiện.

6 Cân nhắc sau khi gia công: Sau khi gia công Inox 316L, thường xuất hiện một lớp mỏng, cứng lại trên bề mặt gia công Lớp này có thể được loại bỏ thông qua các quy trình như tẩy, thụ động hóa hoặc đánh bóng điện.

Nhìn chung, khi gia công thép không gỉ Inox 316L đòi hỏi phải chú ý cẩn thận đến các thông số cắt, lựa chọn công cụ và kỹ thuật gia công Nên tham khảo các hướng dẫn gia công dành riêng cho dụng cụ và thiết bị đang được sử dụng, cũng như xem xét các yêu cầu và dung sai cụ thể của hoạt động gia công.

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt

2.5.1 Ảnh hưởng của tốc độ trục chính (Spindle speed):

Tốc độ trục chính trong nguyên công tiện đóng một vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt Đây là cách tốc độ trục chính ảnh hưởng đến bề mặt hoàn thiện:

- Tốc độ gia công bề mặt: Tốc độ trục chính cao hơn dẫn đến tốc độ gia công bề mặt cao hơn, dẫn đến độ hoàn thiện bề mặt được cải thiện Tốc độ bề mặt tăng giúp giảm thời gian tiếp xúc giữa dụng cụ và phôi gia công, giảm thiểu khả năng tạo vết dụng cụ và mang lại bề mặt mịn hơn.

Tốc độ trục chính đóng vai trò quan trọng trong độ mòn của dụng cụ, từ đó ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt Tốc độ trục chính cao sinh ra nhiều nhiệt do lực cắt và ma sát tăng lên, dẫn đến mòn dụng cụ nhanh hơn Độ mòn quá mức làm giảm chất lượng lưỡi cắt, gây bất thường trên bề mặt phôi Do đó, lựa chọn tốc độ trục chính phù hợp cân bằng được độ hoàn thiện bề mặt và tuổi thọ dụng cụ.

- Rung và kêu: Trong các nguyên công tiện, tốc độ trục chính quá cao có thể dẫn đến rung và kêu, có thể làm giảm độ hoàn thiện bề mặt Rung động có thể gây ra tiếng kêu của dụng cụ và sự bất thường trên bề mặt phôi, dẫn đến độ nhám bề mặt kém Tốc độ trục chính tối ưu phải được chọn để tránh rung và kêu, đảm bảo quá trình cắt trơn tru và bề mặt hoàn thiện tốt hơn.

Tốc độ trục chính đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành và thoát phoi trong gia công cắt gọt Tốc độ cao có thể giúp bẻ phoi thành các kích thước nhỏ hơn, dễ quản lý, tạo điều kiện thuận lợi cho việc loại bỏ phoi khỏi khu vực cắt Việc thoát phoi hiệu quả sẽ ngăn ngừa cắt lại phoi và cải thiện độ hoàn thiện bề mặt của sản phẩm gia công.

- Vật liệu phôi: Các vật liệu khác nhau có phạm vi tốc độ trục chính được khuyến nghị khác nhau để đạt được độ hoàn thiện bề mặt mong muốn Các vật liệu mềm hơn, như nhôm, thường yêu cầu tốc độ trục chính cao hơn để đạt được bề mặt mịn hơn Các vật liệu cứng hơn, chẳng hạn như thép tôi, có thể yêu cầu tốc độ trục chính thấp hơn để giảm thiểu mài mòn dụng cụ và đạt được độ hoàn thiện bề mặt tốt hơn. Điều quan trọng cần lưu ý là tốc độ trục chính tối ưu để đạt được độ nhám bề mặt mong muốn bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố, bao gồm vật liệu được gia công, hình học dụng cụ và các thông số cắt khác Do đó, thường cần phải tiến hành các thử nghiệm và xem xét các yêu cầu cụ thể của hoạt động gia công để xác định tốc độ trục chính phù hợp nhất để đạt được độ hoàn thiện bề mặt mong muốn.

2.5.2 Ảnh hưởng của lượng chạy dao (Feed rate)

Lượng chạy dao đại diện cho tốc độ mà dụng cụ cắt tiến dọc theo phôi gia công, có ảnh hưởng đáng kể đến độ nhám bề mặt trong các nguyên công tiện

- Độ dày phoi: Lượng chạy dao ảnh hưởng trực tiếp đến độ dày phoi, là lượng vật liệu được loại bỏ trên mỗi vòng quay của phôi Lượng chạy dao cao hơn dẫn đến độ dày phoi lớn hơn, có thể dẫn đến bề mặt hoàn thiện thô hơn Các phoi lớn hơn có nhiều khả năng gây ra vết dao và các vết không đều trên bề mặt phôi, dẫn đến độ nhám bề mặt tăng lên.

- Vết và khuyết tật của dụng cụ: Lượng chạy dao quá cao có thể gây ra các vết và khuyết tật của dụng cụ trên bề mặt phôi Nếu lượng chạy dao quá cao, dụng cụ cắt có thể để lại các vết hoặc vết xước có thể nhìn thấy do quá trình hình thành và kiểm soát phoi không đầy đủ Những dấu công cụ này có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ nhám bề mặt và làm giảm độ hoàn thiện mong muốn.

- Lực cắt và độ rung: Lượng chạy dao cao hơn làm tăng lực cắt tác động lên dụng cụ, phôi và máy Lực cắt quá mức có thể dẫn đến rung động, lệch dụng cụ, tất cả những điều này có thể tác động tiêu cực đến lớp hoàn thiện bề mặt Rung động và tiếng kêu có thể gây ra những bất thường trên bề mặt phôi, dẫn đến độ nhám tăng lên.

- Sinh nhiệt: Lượng chạy dao cao có thể dẫn đến tăng sinh nhiệt trong quá trình cắt Nhiệt quá cao có thể ảnh hưởng đến dụng cụ và vật liệu phôi, dẫn đến hư hỏng do nhiệt và bề mặt kém hoàn thiện Việc lựa chọn lượng chạy dao hợp lý là điều cần thiết để quản lý quá trình sinh nhiệt và giảm thiểu tác động bất lợi của nó đối với độ nhám bề mặt.

- Độ mài mòn của dụng cụ: Lượng chạy dao ảnh hưởng đến độ mòn của dụng cụ, có thể gián tiếp ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt Lượng chạy dao quá cao có thể làm tăng tốc độ mài mòn của dụng cụ và dẫn đến các lưỡi cắt bị xuống cấp Các công cụ bị mòn có nhiều khả năng tạo ra các bề mặt gồ ghề do hiệu suất cắt giảm và khả năng kiểm soát phoi không phù hợp.

- Vật liệu phôi: Các vật liệu khác nhau có phạm vi lượng chạy dao tối ưu khác nhau để đạt được độ hoàn thiện bề mặt mong muốn Các vật liệu mềm hơn, như nhôm, thường có thể chịu được lượng chạy dao cao hơn mà không làm giảm chất lượng bề mặt Các vật liệu cứng hơn, chẳng hạn như thép không gỉ, có thể yêu cầu lượng chạy dao thấp hơn để đảm bảo kiểm soát phoi và hoàn thiện bề mặt tốt hơn.

2.5.3 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt (cutting depth)

Độ sâu cắt có ảnh hưởng đáng kể đến độ nhám bề mặt trong quá trình tiện Khi chiều sâu cắt tăng, độ nhám bề mặt cũng tăng tương ứng Nói cách khác, lớp cắt càng dày thì bề mặt hoàn thiện càng thô Hiện tượng này xảy ra do khi tăng độ sâu cắt, lượng vật liệu bị loại bỏ trên mỗi răng dao tăng, dẫn đến tải trọng tác dụng lên dao tăng, đồng thời làm tăng độ rung và độ lệch của dao, gây ra các vết xước trên bề mặt gia công.

- Chiều sâu cắt ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ tiếp xúc của dụng cụ với phôi Chiều sâu cắt cao hơn có thể dẫn đến các dấu vết dụng cụ nổi bật hơn và các điểm không đều trên bề mặt phôi Nếu chiều sâu cắt quá lớn, dụng cụ cắt có thể để lại vết hằn rõ ràng, gây ra hiện tượng gồ ghề trên bề mặt.

Các yếu tố ảnh hưởng đến dung sai kích thước

2.6.1 Ảnh hưởng của tốc độ quay trục chính

Tốc độ trục chính trong các quy trình gia công có thể có ảnh hưởng đáng kể đến dung sai, nghĩa là độ lệch cho phép so với kích thước hoặc phép đo được chỉ định Dưới đây là một số ảnh hưởng chính của tốc độ trục chính đến dung sai:

- Độ chính xác về kích thước: Tốc độ trục chính đóng một vai trò quan trọng trong việc đạt được độ chính xác về kích thước mong muốn của các bộ phận được gia công Tốc độ trục chính cao hơn có thể tạo ra các vết cắt mượt mà và chính xác hơn, giảm khả năng mắc lỗi kích thước và cải thiện dung sai.

- Bề mặt hoàn thiện: Tốc độ trục chính ảnh hưởng đến bề mặt hoàn thiện của bộ phận được gia công Tốc độ cao hơn có thể tạo ra bề mặt hoàn thiện mịn hơn, giảm độ nhám và cải thiện chất lượng tổng thể của bề mặt Điều này có thể đặc biệt quan trọng khi cần có dung sai chặt chẽ để có sự ăn khớp trơn tru và chính xác.

- Độ mòn của dụng cụ: Việc lựa chọn tốc độ trục chính thích hợp có thể giúp giảm thiểu độ mòn của dụng cụ trong quá trình gia công Chạy trục chính ở tốc độ tối ưu cho vật liệu và dụng cụ cụ thể có thể ngăn ngừa mài mòn dụng cụ quá mức, dẫn đến kích thước và dung sai ổn định hơn theo thời gian.

Tốc độ trục chính đóng vai trò quan trọng trong việc sinh nhiệt trong quá trình gia công Tốc độ trục chính càng cao thì lực ma sát giữa dụng cụ và phôi gia tăng, từ đó tạo ra nhiều nhiệt hơn Nhiệt độ gia công quá cao có thể dẫn đến giãn nở vì nhiệt, ảnh hưởng đến độ ổn định kích thước và thậm chí cả độ bền của phôi.

- Rung và kêu: Tốc độ trục chính không phù hợp có thể gây ra rung và kêu trong quá trình gia công Những rung động này có thể tác động tiêu cực đến độ chính xác của kích thước và độ hoàn thiện bề mặt, dẫn đến sai lệch so với dung sai mong muốn Chọn tốc độ trục chính thích hợp có thể giúp giảm thiểu rung động và đảm bảo kết quả gia công tốt hơn.

- Cân nhắc về vật liệu: Các vật liệu khác nhau có các yêu cầu cụ thể về tốc độ trục chính để đạt được kết quả gia công tối ưu Vì vậy, ảnh hưởng của tốc độ trục chính đến dung sai có thể khác nhau tùy thuộc vào vật liệu được gia công Điều quan trọng là phải xem xét các đặc tính vật liệu và các thông số cắt được khuyến nghị khi xác định tốc độ trục chính phù hợp.

Tóm lại, tốc độ trục chính có ảnh hưởng đáng kể đến dung sai trong quá trình gia công Bằng cách chọn tốc độ thích hợp cho vật liệu và hoạt động, bạn có thể đạt được độ chính xác về kích thước, độ hoàn thiện bề mặt tốt hơn và giảm thiểu mài mòn dụng cụ, rung động và hiệu ứng nhiệt, cuối cùng là cải thiện dung sai tổng thể của các bộ phận được gia công.

2.6.2 Ảnh hưởng của lượng chạy dao:

- Độ chính xác về kích thước: Lượng chạy dao ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ loại bỏ vật liệu trong quá trình cắt Lượng chạy dao cao hơn có thể dẫn đến việc loại bỏ vật liệu nhanh hơn, nhưng chúng cũng có thể làm tăng khả năng xảy ra lỗi kích thước và giảm độ chính xác, đặc biệt nếu máy hoặc dụng cụ không được hiệu chỉnh đúng cách hoặc vật liệu dễ bị biến dạng.

- Bề mặt hoàn thiện: Lượng chạy dao có tác động trực tiếp đến bề mặt hoàn thiện của chi tiết được gia công Lượng chạy dao cao hơn có thể dẫn đến kết thúc bề mặt thô ráp hơn, trong khi lượng chạy dao thấp hơn thường tạo ra bề mặt mịn hơn Để đạt được dung sai chặt chẽ có thể yêu cầu xem xét cẩn thận lượng chạy dao liệu để đảm bảo đạt được độ hoàn thiện bề mặt mong muốn.

- Độ mòn của dụng cụ: Lượng chạy dao ảnh hưởng đến độ mòn của dụng cụ trong quá trình gia công Lượng chạy dao cao hơn có thể làm tăng độ mài mòn của dụng cụ do tiếp xúc thường xuyên hơn với phôi Dụng cụ bị mài mòn quá mức có thể dẫn đến lỗi kích thước và giảm dung sai Việc lựa chọn lượng chạy dao phù hợp, có tính đến vật liệu được gia công và dụng cụ được sử dụng, là điều quan trọng để duy trì độ chính xác về kích thước.

- Sự hình thành phoi: Lượng chạy dao ảnh hưởng đến kích thước và hình dạng của phoi được tạo ra trong quá trình cắt Lượng chạy dao cao hơn có thể dẫn đến các phoi lớn hơn, liên tục hơn, trong khi lượng chạy dao thấp hơn tạo ra các phoi nhỏ hơn, không liên tục Kiểm soát phoi là rất quan trọng để đạt được kích thước và dung sai chính xác, đồng thời việc chọn lượng chạy dao thích hợp có thể giúp tối ưu hóa quá trình hình thành phoi.

- Sinh nhiệt: Lượng chạy dao ảnh hưởng đến lượng nhiệt sinh ra trong quá trình cắt Lượng chạy dao cao hơn có thể tạo ra nhiều nhiệt hơn do ma sát giữa dụng cụ và phôi gia công tăng lên Nhiệt độ quá cao có thể gây giãn nở nhiệt, dẫn đến thay đổi kích thước và có khả năng ảnh hưởng đến khả năng chịu đựng.

- Cân nhắc về vật liệu: Các vật liệu khác nhau có các yêu cầu cụ thể về lượng chạy dao để đạt được kết quả gia công tối ưu Vật liệu cứng hơn có thể yêu cầu lượng chạy dao thấp hơn để tránh mài mòn dụng cụ quá mức, trong khi vật liệu mềm hơn có thể cho phép lượng chạy dao cao hơn Hiểu các đặc tính của vật liệu và các thông số cắt khuyến nghị là cần thiết để chọn lượng chạy dao thích hợp.

Nhìn chung, lượng chạy dao trong các quá trình gia công có thể ảnh hưởng đến dung sai của chi tiết gia công thông qua độ chính xác về kích thước, độ hoàn thiện bề mặt, độ mòn của dụng cụ, sự hình thành phoi, sinh nhiệt và các cân nhắc về vật liệu Do đó, việc lựa chọn lượng chạy dao phù hợp, cân nhắc hoạt động gia công cụ thể và vật liệu phôi là rất quan trọng để đạt được dung sai mong muốn.

2.6.3 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt

Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế về gia công tiện

Inox 316L là một loại thép không gỉ có độ cứng cao và tính chất chống ăn mòn tốt, điều này cần đến các công cụ cắt phù hợp để gia công Thiếu điều kiện cắt thích hợp có thể dẫn đến làm mòn công cụ cắt, tăng chi phí và giảm hiệu suất sản xuất.

Bên cạnh đó, Inox 316L dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ trong quá trình gia công Nhiệt độ quá cao có thể làm thay đổi cấu trúc của vật liệu và làm giảm tính chất cơ học Kiểm soát nhiệt độ là yếu tố quan trọng để tránh biến dạng không mong muốn và đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Chính vì vậy, gia công Inox 316L đòi hỏi sự cân nhắc tỉ mỉ trong việc chọn dụng cụ cắt và tốc độ cắt phù hợp Quá nhanh có thể làm mòn công cụ và làm suy yếu chất lượng sản phẩm, trong khi quá chậm có thể tạo ra bề mặt không đều và gia tăng thời gian gia công.

Hiện nay có rất nhiều nghiên cứu tập trung tìm hiểu về những khía cạnh khác nhau về cách sử dụng loại dao, chiến lược chạy dao, vật liệu làm dao, để đạt được thông số phù hợp Điển hình là các nghiên cứu sau:

- Ts Trần Văn Khiêm (2017) [6] cũng đã tập trung nghiên cứu làm sao để đạt được bộ thông số cắt phù hợp bằng phương pháp Taguchi để đáp ứng được hai yếu tố: tuổi thọ dụng cụ cắt lớn nhất và độ nhám bề mặt nhỏ nhất Bài báo đã kết luận: vận tốc cắt ảnh hưởng lớn nhất đối với việc kéo dài tuổi thọ dao Trong khi đó, lượng chạy dao ảnh hưởng đáng kể đến độ nhám (59,64%)

- C L Lin (2004) [15] đã khảo sát ba yếu tố: vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt trong qua trình gia công thép S45C bằng dao tiện P20 tungsten carbide để đánh giá “cùng một lúc” ba yếu tố: tuổi thọ dao, lực cắt và độ nhám bề mặt Bằng việc sử dụng phương pháp Tagu chi (bảng trực giao L9) kết quả đã cho thấy: để đạt được thông số phù hợp cho ba yếu tố đầu ra thì lượng chạy dao có vai trò quan trọng nhất trong việc cải thiện chất lượng chi tiết (65.76%)

- K Ramesha và cộng sự (2020) [26] đã có những nghiên cứu trên vật liệu gang dẻo (đã qua nhiệt luyện) và được gia công bằng chip tiện tungsten Trong quá trình nghiên cứu, tác giả đã lựa chọn phương pháp Taguchi với mục tiêu đạt được tỷ lệ loại bỏ vật liệu (MRR) tốt hơn và độ nhám bề mặt nhỏ hơn Bằng việc sử dụng phân tích phương sai (ANOVA), bài báo đã chỉ ra rằng: để đạt được tỷ lệ loại bỏ vật liệu cao hơn, đã chỉ ra lượng chạy dao có ảnh hưởng rất đáng kể (70.32%) Mặt khác, vận tốc cắt lại có ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt với 56.45%.

Để tối ưu độ nhám bề mặt và lực cắt khi gia công hợp kim nhôm 6061, Akgün và cộng sự (2021) đã thực hiện nghiên cứu sử dụng dao không phủ và dao phủ TiB2 Áp dụng phương pháp Taguchi với bảng trực giao L18, kết quả cho thấy lượng chạy dao có ảnh hưởng lớn nhất đến cả độ nhám bề mặt (64,28%) và lực cắt (54,9%).

- W H Yang và cộng sự (1998) [38] đã tiến hành nghiên cứu thông số cắt phù hợp cho gia công tiện với vật liệu thép S45C được gia công bằng dao tungsten carbide Trong quá trình thực hiện đề tài, ngoài yêu cầu về độ nhám bề mặt, tuổi thọ dao cũng được xem xét để nâng cao hiệu suất sản xuất Bằng phương pháp Taguchi, kết quả thực nghiệm cho thấy: Đối với độ nhám bề mặt, lượng chạy dao có ảnh hưởng đạt tới 81.93% Trong khi đó, đối với tuổi thọ dao, yếu tố ảnh hưởng lớn nhất lại là vận tốc cắt.

- Tran Thanh Hoang và cộng sự (2023) [24] đã nghiên cứu tỷ lệ loại bỏ vật liệu trong qua quá trình gia công mài bề mặt ngoài của vật liệu 90CrSi.

Nhằm nâng cao chất lượng gia công, tối ưu độ nhám khi tiện đã nhận được sự quan tâm đáng kể trong các công trình nghiên cứu Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hạn chế trong nghiên cứu về sai lệch hình dạng như độ côn, độ trụ, độ đồng tâm khi gia công tiện Do đó, nghiên cứu này tập trung vào tìm kiếm các thông số tiện phù hợp để đáp ứng yêu cầu về độ trụ và độ nhám khi gia công vật liệu thép không gỉ Inox 316L.

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM

Phương pháp Taguchi

Phương pháp Taguchi (Design of Experinces - DOE), là một phương pháp thống kê được phát triển nhà kỹ sư và nhà thống kê người Nhật, là tiến sĩ Genichi Taguchi, để tối ưu hóa chất lượng sản phẩm và quy trình sản xuất Nhằm mục đích làm giảm sự biến đổi và cải thiện hiệu suất thông qua xác định sự kết hợp tối ưu của các yếu tố đầu vào nhằm giảm thiểu độ nhạy của hệ thống đối với các nguồn biến thể.

Phương pháp Taguchi được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp như kỹ thuật, sản xuất và phát triển sản phẩm Phương pháp Taguchi cung cấp một cách tiếp cận có cấu trúc để cải thiện chất lượng, giảm chi phí và nâng cao sự hài lòng của khách hàng bằng cách tối ưu hóa thiết kế sản phẩm và quy trình trong khi xem xét tác động của các biến thể.

Ngoài ra, phương pháp Taguchi sử dụng các kỹ thuật thống kê, chẳng hạn như phân tích phương sai (ANOVA), để phân tích dữ liệu thực nghiệm và xác định cài đặt tham số tối ưu Nó nhấn mạnh tầm quan trọng của việc giải quyết chất lượng trong giai đoạn thiết kế thay vì chỉ dựa vào kiểm tra kết quả hoặc điều chỉnh sau sản xuất.

Ưu điểm của phương pháp Taguchi

- Thiết kế chất lượng: thiết kế chất lượng vào quá trình sản xuất được chú trọng trong phương pháp Taguchi không chỉ dừng ở việc kiểm soát chất lượng cuối cùng Điều này giúp giảm thiểu sai số và lỗi sản xuất, đồng thời hiệu suất và độ tin cậy của sản phẩm được cải thiện.

- Tiết kiệm chi phí: Bằng cách nhận ra các yếu tố quan trọng tác động đến chất lượng sản phẩm và tối ưu hóa các điều kiện sản xuất Do đó,giúp giảm thiểu chi phí và làm giảm lãng phí.

- Giảm biến động: Phương pháp Taguchi tập trung vào giảm biến động trong quá trình sản xuất Điều này giúp tăng độ đáng tin cậy và tính ổn định của quá trình sản xuất, giảm tỷ lệ lỗi trên sản phẩm và giúp duy trì chất lượng cao trong suốt quá trình sản xuất hàng loạt.

- Hiệu quả trong việc thử nghiệm: Phương pháp Taguchi sử dụng một số lượng thử nghiệm tối thiểu để xác định các yếu tố quan trọng và tối ưu hóa quá trình sản xuất Điều này giúp giảm thiểu thời gian và tiết kiệm chi phí thử nghiệm.

- Dễ dàng triển khai và áp dụng: Phương pháp Taguchi không đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về thống kê Phương pháp này có thể áp dụng trong các môi trường sản xuất và kỹ thuật khác nhau một cách dễ dàng.

Phương pháp Taguchi ứng phó linh hoạt với biến số môi trường, cho phép xử lý các yếu tố biến đổi trong quá trình sản xuất mà không làm giảm chất lượng.

Phương pháp phân tích hệ số tương quan không xem xét sự ảnh hưởng của các yếu tố không điều khiển (yếu tố nhiễu), tức là các yếu tố ngẫu nhiên không được kiểm soát trong quá trình đo đạc như rung động ngẫu nhiên từ bên ngoài, nhiệt độ môi trường, Điều này gây ra sai lệch trong việc đánh giá ảnh hưởng thực sự của các yếu tố lên nhau.

Thiết kế thực nghiệm bằng phương pháp Taguchi

Phương pháp Taguchi sử dụng mảng trực giao (tương tự như mô hình đa yếu tố), để sắp xếp các yếu tố thử nghiệm và mức độ của chúng một cách có hệ thống cho phép khám phá hiệu quả không gian tham số trong phương pháp Taguchi Do đó giúp giảm thiểu số lượng thí nghiệm cần thiết mà vẫn cung cấp đầy đủ thông tin để phân tích tác động của các yếu tố đến đặc tính chất lượng. Để tối ưu hóa thông số cắt bằng phương pháp Taguchi có 7 bước cơ bản sau:

1 Xác định các yếu tố: Xác định các yếu tố muốn nghiên cứu trong thí nghiệm Các yếu tố này có thể là các biến số hoặc tham số có khả năng tác động đến các đặc tính chất lượng của sản phẩm hoặc quy trình.

2 Xác định các cấp độ: Xác định các cấp độ có thể có cho từng yếu tố Các mức đại diện cho các cài đặt hoặc giá trị khác nhau trong quá trình thử nghiệm mà một yếu tố có thể thực hiện Ví dụ: nếu bạn đang điều tra ảnh hưởng của nhiệt độ, bạn có thể có hai mức: thấp và cao.

3 Chọn mảng trực giao: Tra cứu mảng trực giao thích hợp từ các bảng hoặc công cụ phần mềm Việc lựa chọn phụ thuộc vào số lượng các yếu tố và cấp độ mà bạn đã chọn Mảng trực giao được thiết kế sẵn và có đặc tính là mỗi sự kết hợp của các mức yếu tố xuất hiện với số lần bằng nhau Một vài dạng quy hoạch thực nghiệm 2, 3, 4 và 5 mức giá trị trực giao (còn gọi là quy hoạch trực giao Taguchi “L”) Trong trường hợp 2 mức giá trị là 1 và 2, còn 3 mức giá trị sẽ là 1, 2 và 3.

4 Tiến hành thí nghiệm để thu thập số liệu.

5 Phân tích số liệu theo SNR và xác định giá trị tối ưu của các tham số.

6 Phân tích mảng: Dựa vào các kỹ thuật thống kê, tiến hành phân tích dữ liệu thực nghiệm để xác định tầm quan trọng của các yếu tố và tương tác giữa chúng đối với đặc tính chất lượng.

7 Tính toán lại hàm mục tiêu sử dụng bộ tham số tối ưu và kiểm chứng lại thông qua thực nghiệm.

Bảng 3.1: Chọn dãy trực giao Taguchi theo bậc tự do

Dãy trực Số thí Số nhân Số nhân tố lớn nhất theo số mức tố lớn giao nghiệm 2 mức 3 mức 4 mức 5 mức nhất

Trong phương pháp Taguchi, tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (độ nhiễu: SNR hay S/N) là một thước đo thống kê được sử dụng để đánh giá hiệu suất chất lượng của sản phẩm hoặc quy trình.

Nó định lượng tỷ lệ của tín hiệu mong muốn, đại diện cho phản ứng trung bình hoặc mục tiêu, với nhiễu không mong muốn, đại diện cho sự thay đổi hoặc sai lệch so với mục tiêu.

SNR được sử dụng để đánh giá độ bền và các đặc tính chất lượng của một thiết kế hoặc quy trình bằng cách xem xét cả giá trị trung bình và biến thể Mục tiêu là tối đa hóa SNR, cho biết tín hiệu (phản hồi mong muốn) lớn hơn so với nhiễu (biến thể không mong muốn) Có ba loại SNR thường được sử dụng trong phương pháp Taguchi:

Càng nhỏ càng tốt là loại Tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) được sử dụng khi muốn giá trị biến phản hồi thu được thấp hơn Trong trường hợp này, SNR được tính theo công thức sau:

- Càng lớn càng tốt: Loại SNR này được sử dụng khi muốn có giá trị cao hơn của biến phản hồi Trong trường hợp này, SNR được tính như sau:

Mục tiêu là tối đa hóa SNR, chỉ ra rằng giá trị bình phương trung bình càng gần với giá trị bình phương mục tiêu càng tốt.

- Đánh giá ảnh hưởng của các nhân tố: Loại SNR này được sử dụng khi biến phản hồi phải gần với giá trị đích Trong trường hợp này, SNR được tính như sau:

Mục tiêu là tối đa hóa SNR, có nghĩa là giảm thiểu độ lệch bình phương trung bình so với mục tiêu.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM

Mục đích của thực nghiệm

Mục đích của thí nghiệm là đánh giá tác động của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt, dung sai kích thước, dung sai độ tròn và độ đồng tâm trong quá trình gia công; xác định hàm quan hệ giữa thông số đầu ra với các yếu tố tác động chính là chế độ cắt.

Mô hình thực nghiệm

Hình 4.1: Mô hình hóa quá trình gia công tiện

Trên cơ sở sơ đồ nghiên cứu quá trình phay, nhóm đã xây dựng mô hình thí nghiệm để thực nghiệm phay trên máy CNC như hình 4.3 với các thông số xác định được đo và đánh giá đồng thời trên mô hình thực nghiệm.

Hình 4.2: Mô hình thực nghiệm

Qua các thí nghiệm trước đây, các thông số cắt có ảnh hưởng lớn đến chất lượng gia công. Chính vì vậy, tùy thuộc vào vật liệu làm dao và hình dáng của dao, sẽ có những chế độ cắt thích hợp nhất Trên cơ sở đó, để lựa chọn dải thông số chế độ cắt là xuất phát từ tài liệu catalogue của hãng Mitsubishi với chip tiện VNMG160408 khi gia công phôi là Inox.

Trong đề tài nghiên cứu, để nâng cao sự tối ưu của chế độ cắt, nhóm đã chọn thêm những yếu tố đầu ra để siết chặt điều kiện đạt chuẩn của sản phầm Do đó ngoài ràng buộc về độ nhám (Ra), còn có dung sai kích thước độ trụ.

- Các đại lượng cố định

- Các đại lượng gây nhiễu.

Ngoài các yếu tố cố định hoặc có thể can thiệp vào để đạt được thông số như mong muốn, còn có các yếu tố xuất hiện một cách không có quy luật gây ảnh hưởng nhất định đến quá trình gia công Chẳng hạn như: Vật liệu gia công thường có sự không đồng nhất về thành phần hóa học và độ cứng, tính đàn hồi của hệ thống công nghệ, rung động xuất hiện trong quá trình cắt cũng như tác động từ bên ngoài cũng cần được xem xét.v.v…

Điều kiện thí nghiệm

Quá trình gia công được thực hiện tại máy gia công CNC tại xưởng cơ khí Nguyễn Hữu Học địa chỉ 1234 đường Kha Vạn Cân, Khu phố 2, Linh Trung, Thủ Đức.

Bảng 4.1: Đặc tính kỹ thuật của máy tiện

STT Đặc tính kỹ thuật Giá trị

6 Tốc độ trục chính 3000 rpm

7 Hành trình làm việc trục X 250 mm

8 Hành trình làm việc trục Z 416 mm

9 Hệ điều khiển SEICOS LX3

Dụng cụ cắt là chip tiện của hãng Mitsubishi, Nhật Bản Các thông số được thể hiện trong bảng 4.2

Bảng 4.2: Thông số dao tiện

Góc sau của lưỡi cắt 0 0

Dung sai Chiều cao góc (kí hiệu: m) ±0.08 ~±0.18 kích thước Thickness (s) ±0.13 của dao

Hình 4.4: Thông số hình học của dao

Hình 4.5: Hình ảnh chi tiết tiện

4.3.3 Thiết bị đo và chỉ tiêu đánh giá

- Độ nhám: nhờ sự hỗ trợ tận tình của nhà trường, nhóm đã có cơ hội tiếp xúc và làm việc với thiết bị đo độ nhám cầm tay HANDYSURF+, được phát triển và sản xuất bởi ACCRETECH. Được thiết kế dễ sử dụng để đáp ứng nhu cầu của các nhà sản xuất trên toàn thế giới Với những ưu điểm sau: o Màn hình hiển thị của thiết bị có kích thước 2.4 inch, sử dụng công nghệ màn hình LCD. o Độ phân giải cao: 0.0007 o Chiều dài hành trình 16 mm o Tốc độ đo lên đến 1 mm/s o Khoảng đo chiều cao: -210 đến 160 o

Có cổng kết nối USB o Hệ điều hành đơn giản và phần mềm có giao diện thân thiện với người sử dụng o Có kết nối điều khiển từ xa chuyên sâu o Có tích hợp 20 ngôn ngữ

Hình 4.6: Thiết bị đo độ nhám bề mặt HANDYSURF+

Hình 4.7: Đo độ nhám cho chi tiết tiện (1)

Hình 4.8: Đo độ nhám cho chi tiết tiện (2)

- Dụng cụ đo: được sự hỗ trợ của Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, nhóm quyết định chọn máy đo ba chiều Belta - 564 - CNC+ làm dụng cụ để đo dung sai độ trụ.

- Thông số của máy thể hiện trong hình 4.9.

Hình 4.9: Thông số máy đo ba chiều Belta - 564 - CNC+

Hình 4.10: Đo độ trụ cho chi tiết (1)

Hình 4.11: Đo độ trụ cho chi tiết (2)

Xây dựng quy hoạch thực nghiệm

4.4.1 Thông số đầu vào và các mức khảo sát

Để đánh giá tác động của các yếu tố công nghệ đến dung sai kích thước, dung sai độ trụ và độ nhám trong quá trình tiện Inox 316L, thí nghiệm đã lựa chọn các thông số khảo sát bao gồm: tốc độ trục chính, lượng chạy dao và chiều sâu cắt với các mức giá trị được chỉ định trong bảng.

Bảng 4.3: Thông số chế độ cắt

Ký hiệu Mức giá trị sát 1 2 3 4

Dựa vào chế độ cắt được khuyến cáo trong catalogue từ hãng Mitsubushi đưa ra, cùng với kinh nghiệm thực tế khi gia công trên trung tâm CNC của nhóm Vì vậy, mỗi yếu tố điều khiển (factor) được chia thành 4 mức (level) đại diện cho các trạng thái của yếu tố cần xét Các thông số tốc độ trục chính S, lượng chạy dao F và chiều sâu cắt t đều được chia 4 mức, từ mức 1 đến mức 4.

Vì vậy, để thực hiện qui hoạch thí nghiệm với 3 yếu tố, mỗi yếu tố có 4 mức giá trị, cần chọn bảng ma trận thí nghiệm trực giao Taguchi OA 16 (4 3 ) Tổng số thí nghiệm cần thực hiện là 16 thí nghiệm và các thí nghiệm được thực hiện dựa trên bảng ma trận như sau:

Bảng 4.4: Bảng trực giao OA 16 (4 3 )

Từ hai bảng 4.3 và bảng 4.4 ta có được ma trận thí nghiệm bảng 4.5:

Bảng 4.5: Ma trận thí nghiệm

4.4.2 Tiến hành thí nghiệm và thu thập dữ liệu

Bảng 4.6: Bảng dữ liệu độ nhám và độ trụ

Trong quá trình tiến hành thực nghiệm cần thỏa những yêu cầu sau:

- Các chi tiết được gia công trong cùng một máy, cùng một chiến lược gia công.

- Chỉ sử dụng duy nhất một dao tiện tinh cho mỗi chi tiết Sau khi hoàn thành, đổi mặt dao để gia công chi tiết tiếp theo để đảm bảo sai số gia công là nhỏ nhất.

Hình 4.12: 16 chi tiết đã được tiện.

Bảng 4.7: Bảng kết quả thực nghiệm và xử lý kết quả theo Taguchi Các nhân tố chế độ cắt Nhân tố mã hóa

Yêu cầu đặt ra là sản phẩm sau khi đã qua quá trình gia công có độ nhám càng thấp càng tốt do vậy công thức được chọn là:

Kết quả tính toán trên Minitab

4.5.1 Ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám (Ra):

Bảng 4.8: Phản hồi cho tỉ lệ S/N của độ nhám

Bảng 4.9: Tỉ lệ cho độ nhám trung bình

Hình 4.13: Ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám trung bình Ra

Dựa vào đồ thị có thể thấy, yếu tố lượng chạy dao (F) có tác động lớn nhất đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công Một cách cụ thể, khi lượng chạy dao tăng nhẹ từ 0.06 đến 0.08 thì độ nhám trung bình lại tăng một cách “đột biến” từ 0.57375 đến 1.488 – là đại lượng hàm mục tiêu có độ dốc cao nhất so với hai hàm còn lại Điều này có thể được lý giải là do khi tăng lượng chạy dao, lượng phoi cũng tăng và được tạo ra liên tục Khiến cho bề mặt không được

Tốc độ chạy dao là yếu tố quan trọng quyết định chất lượng bề mặt gia công Chạy dao chậm sẽ dẫn đến mịn Ngược lại, chạy dao nhanh sẽ làm giảm tuổi thọ của dao, gây ra hiện tượng mòn dao, ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công.

Tiếp theo, hai yếu tố có ảnh hưởng tương đối lớn đối với độ nhám bề mặt đó chính là tốc độ trục chính và chiều sâu cắt Đối với đại lượng S, khi tăng từ 600 đến 800 mm/vòng, thì độ nhám được cải thiện khá đáng kể từ 1.4 xuống còn 0.99425 Bởi vì khi tốc độ trục chính cao sẽ hỗ trợ tạo phoi nhỏ hơn giúp cải thiện độ nhám Ngoài ra, khi tốc độ trục chính nhanh sẽ giảm thời gian tiếp xúc giữa dao và phôi, giúp hạn chế việc tạo vết dao trên phôi.

Hình 4.14: Ảnh hưởng của chế độ cắt đến tỷ số S/N

Trên hình 4.14 ta có thể thấy ba đồ thị riêng biệt ảnh hưởng đến tỉ số S/N Cụ thể, đại lượng

F có ảnh hưởng lớn nhất đến sự thay đổi của tỷ số S/N (khi F thay đổi từ 0.06 đến 0.08, tỷ số S/

N thay đổi từ 4.8566 xuống -2.648 Tương tự khi F thay đổi tăng từ 0.08 đến 0.1 thì tỷ số S/N tăng từ -2.648 lên -0.9 – có độ dốc lớn nhất so với hai đại lượng còn lại.

Tiếp đến là đại lượng t (chiều sâu cắt) có ảnh hưởng lớn thứ hai sau S với độ dốc tương đối lớn khi t thay đổi từ 0,42 dến 0.6.

Giá trị trung bình tại các mức giá trị nhân tố trong bảng 4.8 được xác định theo công thức:

Tương tự, ta tính cho các giá trị trung bình còn lại theo Bảng 4.8 và Bảng 4.10

Bảng 4.10: Bảng phân tích kết quả thực nghiệm và xử ký kết quả của các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám

Công thức tính Nhân tố tố S F t

Hình 4.15: Đồ thị tương quan giữa các đại lượng tới độ nhám Ra: a Ảnh hưởng giữa tốc độ quay trục chính với lượng chạy dao đến độ nhám b Ảnh hưởng giữa tốc độ quay trục chính với chiều sâu cắt đến độ nhám c Ảnh hưởng giữa lượng chạy dao và chiều sâu cắt tới độ nhám

Bên cạnh đó, để đánh giá rõ hơn ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám, ta có thể xem xét đến đồ thị tương quan giữa các đại lượng tới độ nhám Ở đồ thị này cho cái nhìn rõ hơn về mỗi quan hệ giữa các đại lượng Hay nói cách khác, cho ta thấy được các đại lượng tác động lẫn nhau như thế nào và có thể dẫn đến chất lượng bề mặt nhám ra sao Ví dụ ở biểu đồ 4.15a Ảnh hưởng giữa tốc độ quay trục chính với lượng chạy dao đến độ nhám, bốn chế độ cắt riêng biệt sẽ tượng trưng cho bốn đường với bốn màu riêng biệt (từ 600 đến 1200 rpm) Ngoài ra, đồ thị còn biểu diễn trục tung là độ nhám Ra, trục hoành là lượng chạy dao F Từ đó, ta có thể dễ dàng nhận thấy: khi S = 600 rpm với F = 0.06 mm/phút thì cho ta độ nhám thấp nhất Cũng ở chế độ S = 600 rpm, nhưng khi tăng F lên thành 0.08 mm/phút, thì ta nhận thấy một sự thay đổi đáng kể của độ nhám Chính vì thế, ta đánh gia được đại lượng F có sự ảnh hưởng lớn đến kết quả nghiên cứu Các đồ thị còn lại, ta cũng phân tích tương tự.

Bảng 4.11: Bảng biến đổi Box-Cox

- Box-Cox Transformation được sử dụng để biến đổi dữ liệu không chuẩn thành dữ liệu gần với phân phối chuẩn Trong quá trình này, một tham số lambda (λ) được sử dụng để điều chỉnh mức độ biến đổi Tuy nhiên, giá trị lambda không được biết trước mà cần được ước lượng từ dữ liệu.

Tùy chọn Optimal được sử dụng để chọn phép biến đổi phù hợp nhất với dữ liệu đầu vào, thường có giá trị trong khoảng -2 đến 2 Theo mặc định, Minitab sẽ làm tròn giá trị thành 0,5 hoặc số nguyên gần nhất Việc làm tròn này có thể làm giảm độ chính xác nhưng cũng giúp đơn giản hóa phép biến đổi và tạo ra kết quả dễ hiểu và dễ áp dụng.

Bảng 4.12: Bảng hệ số mã hóa của hàm phản hồi

Term Coef SE Coef T-Value P-Value VIF

Hệ số (Coef) chỉ ra quy mô và hướng mối quan hệ giữa một yếu tố trong mô hình và biến phản hồi Các hệ số được thể hiện thông qua mã hóa đơn vị để giảm đa tuyến tính Nói cách khác, các biến độc lập được chuyển thành dạng mã hóa có tỷ lệ tương đối so với biến ban đầu Quá trình mã hóa này giúp tách biệt ảnh hưởng của từng biến độc lập và giảm tương quan giữa chúng.

- Để xác định xem một hệ số có ý nghĩa hay không, so sánh giá trị P (P - value) của thuật ngữ với mức ý nghĩa (significance level) Thường thì mức ý nghĩa (được ký hiệu là α hoặc alpha) là 0.05 làm việc tốt. o P-value ≤ α: Mối quan hệ có ý nghĩa thống kê Nếu giá trị P nhỏ hơn hoặc bằng mức ý nghĩa, có thể kết luận rằng có một mối quan hệ có ý nghĩa thống kê giữa biến phản hồi và số hạng. o P-value > α: Mối quan hệ không có ý nghĩa thống kê Nếu giá trị P lớn hơn mức ý nghĩa, không thể kết luận rằng có một mối quan hệ có ý nghĩa thống kê giữa biến phản hồi và thuật ngữ.

- Hệ số VIF (Variance Inflation Factor – hệ số phóng đại phương sai) để mô tả mức độ đa tuyến (tương quan giữa các biến độc lập) tồn tại trong một mô hình Chỉ số đa cộng tuyến càng cao càng ảnh hưởng xấu đến độ tin cậy của bộ dữ liệu o VIF = 1: Không có đa tuyến hóa Các biến không có tương quan với nhau. o VIF < 5: Đa tuyến hóa nhẹ Mức độ tương quan giữa các biến độc lập không quá cao và không cần quan tâm quá nhiều. o VIF >= 5 và < 10: Đa tuyến hóa trung bình Mức độ tương quan giữa các biến độc lập đáng lưu ý và cần xem xét cẩn thận. o VIF >= 10: Đa tuyến hóa nghiêm trọng Mức độ tương quan giữa các biến độc lập rất cao và có thể ảnh hưởng mạnh đến xác định ý nghĩa thống kê của các hệ số.

- Nếu giá trị VIF cao, đa tuyến hóa cần được giảm bằng cách loại bỏ các biến có tương quan cao hoặc sử dụng phương pháp khác để xử lý đa tuyến hóa trong mô hình.

Bảng 4.13: Thông số đánh giá mô hình hồi quy

Trong kết quả này, R-sq (R bình phương) đạt giá trị khá cao cho thấy mô hình hồi quy tuyến tính thu được tương thích với dữ liệu ở mức 84,8%

Bảng 4.14: Phân tích phương sai cho độ nhám

Source DF Seq SS Contribution Adj SS Adj MS F- P-

Tương tự bảng hệ số mã hóa của hàm hồi quy sau khi chuyển đổi, giá trị P – value của các đại lượng t, F, F*F, đều nhỏ hơn α= 0.05 Chứng tỏ các lại lượng trên đều có ý nghĩa thống kê và ảnh hưởng đáng kể đến độ nhám.

Phương trình hồi quy đã mã hóa

Biểu đồ Pareto cho ta thấy, biến tuyến tính C (lượng chạy dao) và phi tuyến tính (C*C) vượt đường kẻ màu đỏ (giá trị ngưỡng – threshold) có giá trị bằng 2.447 cho ta thấy các đại lượng này đều dáng kể ở mức độ tin cậy α=0.05.

Hình 4.17: Biểu đồ bề mặt của độ nhám a Ảnh hưởng giữa tốc độ quay trục chính với lượng chạy dao đến độ nhám. b Ảnh hưởng giữa tốc độ quay trục chính với chiều sâu cắt đến độ nhám. c Ảnh hưởng giữa lượng chạy dao và chiều sâu cắt tới độ nhám.

Thông số cắt tối ưu

4.6.1 Thông số cắt tối ưu của độ nhám

Bảng 4.18: Bảng thông số tối ưu của độ nhám

Hình 4.22: Biểu đồ tối ưu hóa chế độ cắt

Phương pháp COMPOSITE DESIRABILITY được sử dụng rộng rãi trong tối ưu hóa đa mục tiêu, cho phép tổng hợp nhiều mục tiêu thành một chỉ số duy nhất để đánh giá và so sánh các giải pháp khả thi.

Khi thực hiện một quá trình tối ưu hóa đa mục tiêu, có thể tồn tại nhiều tiêu chí đánh giá khác nhau Mỗi tiêu chí này có thể có đơn vị đo lường và phạm vi khác nhau, gây khó khăn trong việc so sánh trực tiếp các phương án Composite desirability giải quyết vấn đề này bằng cách chuyển

56 đổi các tiêu chí thành một chỉ số đồng nhất, có phạm vi từ 0 đến 1, giúp đánh giá và so sánh dễ dàng hơn.

4.6.2 Thông số cắt tối ưu của độ trụ

Bảng 4.19: Bảng thông số tối ưu của độ trụ

Hình 4.23: Biểu đồ tối ưu hoá độ trụ

Gia công thông số cắt tối ưu

Thực hiện gia công tiện thực nghiệm với các thông số chế độ cắt đã được tối ưu:

Hình 4.24: Chi tiết gia công tối ưu

Bảng 4.20: Bảng đo độ nhám và độ trụ chi tiết tiện gia công tối ưu

Thực tế Dự đoán Độ nhỏm 0.02 àm 0.501654 Độ trụ 0.0018 mm 0.0011538 Độ nhám gia công thực tế nhỏ hơn nhiều so với độ nhám dự đoán trên minitab Đề tài hướng tới việc giảm độ nhám chi tiết gia công phức tạp việc độ nhám giảm nhỏ hơn so với dự đoán là do nhiều yếu tố như độ rung động của máy gia công, chất lượng dao gia công, độ chính xác của máy gia công,…

Kết luận

Qua 4 chương đề tài đã giải quyết được những vấn đề sau:

- Nghiên cứu được đặc điểm cơ bản của quá trình tiện cũng như các yếu tố ảnh hưởng.

- Nghiên cứu được các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám và độ trụ khi tiện vật liệu Inox 316L.

- Xây dựng ma trận thí nghiệm bằng việc áp dụng phương pháp Taguchi và phép phân tích phương sai (ANOVA) cho việc nghiên cứu thông số phù hợp cho chi tiết tiện được làm bằng vật liệu Inox 316L với ba yếu tố đầu vào là: Tốc độ trục chính, lượng chạy dao và chiều sâu cắt Kết quả cho thấy:

- Đối với độ nhám yếu tố ảnh hưởng lớn nhất là lượng chạy dao (63.46%), chiều sâu cắt (26.08%) và tốc độ trục chính (10.45%) Bên cạnh đó, đề xuất bộ thông số để đạt được độ nhám nhỏ nhất: S = 600 rpm, t = 0.6 mm, F = 0.06 mm/phút

- Đối với độ trụ, yếu tố ảnh hưởng lớn nhất là tốc độ trục chính (41.71%), lượng chạy dao (29.29%) và chiều sâu cắt (28.99%) Tương tự, bộ thông số để đạt được độ trụ nhỏ nhất là: S 600 rpm, t = 0.6 mm, F = 0.12 mm/phút.

TỔNG QUAN VỀ MÁY PHAY CNC, QUÁ TRÌNH PHAY CNC

Khả năng công nghệ gia công phay CNC

Các tính năng cơ bản của máy phay CNC:

- Có khả năng tự động hoá và linh hoạt cao.

- Có khả năng thực hiện nhiều nguyên công trong một lần gá.

- Năng suất gia công cao.

Hệ thống công nghệ gia công phay CNC bao gồm máy phay CNC, dao phay, đồ gá và chi tiết gia công.

Máy phay CNC có thể cắt gọt kim loại đa dạng nhờ được lập trình và điều khiển bởi hệ thống máy tính Điều này cho phép dao cắt di chuyển theo đường thẳng, đường tròn, ngang dọc – lên xuống hay di chuyển trong không gian 3D.

Máy phay CNC có khả năng gia công mặt phẳng, định hình phức tạp, khoan, taro, doa,khoét, xọc… với độ chính xác cao Điểm khác đối với máy phay cơ là máy phay CNC có khả năng thay đổi dao tự động, giúp quá trình gia công diễn ra liên tục và giúp giảm thời gian gia công với độ chính xác cao.

Dao phay

Đặc điểm của dao phay bao gồm:

- Có nhiều lưỡi cắt cùng tham gia cắt, làm năng suất cắt cao hơn so với bào.

- Lưỡi cắt không làm việc liên tục, nhưng với khối lượng thân dao lớn, giúp truyền nhiệt tốt.

- Diện tích cắt khi phay thay đổi, dẫn đến thay đổi lực cắt và gây rung động trong quá trình cắt.

- Do lưỡi cắt làm việc gián đoạn, gây va đập và rung động, giảm khả năng lẹo dao.

Trong quá trình phay, người ta sử dụng nhiều loại dao khác nhau Dựa vào các đặc điểm cơ bản có thể phân loại dao phay như sau:

- Theo vật liệu có dao phay bằng thép gió, dao phay hợp kim,…

- Theo hình dạng có dao phay ngón, dao phay đĩa, dao phay cầu, dao phay góc, dao phay mặt đầu, dao phay rãnh, dao phay định hình,…

- Theo tính năng công nghệ:

+ Dao phay rãnh và bậc.

+ Dao phay bề mặt định hình.

+ Dao phay bánh răng và ren.

Bảng 5.1: Độ chính xác và độ nhám đạt được sau khi phay

Các dạng phay Độ chính xác Độ nhám

Hình 5.1: Hình ảnh một số loại dao phay 5.4 Quá trình cắt khi phay

Trong quá trình phay, quá trình cắt thực chất là quá trình gọt đi phần kim loại thừa từ phôi. Lực cắt được sinh ra bởi sự tương tác của dao và phôi.

Các bề mặt hình thành trong quá trình gia công trên chi tiết:

- Mặt chưa gia công: là bề mặt chi tiết trước khi bị cắt đi một lớp kim loại.

- Mặt đang gia công: là bề mặt được tạo thành trực tiếp lưỡi dao trong quá trình cắt gọt.

- Mặt đã gia công: là bề mặt chi tiết sau khi được cắt đi một lớp kim loại.

Trong quá trình gia công, lớp kim loại bị cắt đi được gọi là phoi Hình dạng của phoi phụ thuộc vào phương pháp gia công cụ thể.

Hình 5.2: Các loại phôi phay. a/ phoi vụn b/ phoi xếp c/ phoi xoắn

Khi gia công các vật liệu có tính dẻo cao như thép và nhôm, trên mặt trước của dao (ngay gần mũi dao) thường xuất hiện những lớp kim loại có cấu trúc khác hẳn so với cấu trúc của phoi và vật liệu gia công Lớp kim loại này bám rất chắc vào dao và tham gia cắt gọt như một mũi dao vì nó có độ cứng rất cao Hiện tượng này còn được gọi là hiện tượng lẹo dao (built up edge).

Nguyên nhân chính gây ra lẹo dao bao gồm:

1 Lực cắt quá lớn: Khi lực cắt tác động lên dao phay vượt quá khả năng chịu đựng của nó, dao phay có thể uốn cong hoặc chuyển động ra khỏi quỹ đạo cắt dự kiến.

2 Đường kính dao phay không đủ lớn: Đường kính của dao phay không đủ lớn so với công việc cần gia công hoặc vật liệu, điều này làm cho dao phay dễ uốn cong khi tác động lực cắt.

3 Gia tốc không đều đặn: Gia tốc không đều trong quá trình gia công có thể tạo ra lực pháp tuyến dẫn đến lẹo dao.

4 Thiết kế dao phay không tối ưu: Thiết kế không tối ưu của dao phay có thể làm tăng khả năng lẹo dao trong quá trình gia công.

5 Điều kiện gia công không chính xác: Áp suất cắt không đủ hoặc dao phay không được cố định chặt trong cụm cắt cũng có thể dẫn đến lẹo dao.

Cách để giảm thiểu hiện tượng lẹo dao bao gồm:

1 Sử dụng dao phay có đường kính và thiết kế phù hợp với công việc cần gia công.

2 Điều chỉnh điều kiện cắt, bao gồm áp suất cắt, tốc độ cắt và độ sâu cắt, sao cho phù hợp với vật liệu và công việc.

3 Đảm bảo dao phay được cố định chặt và chính xác trong cụm cắt.

4 Thực hiện gia công đồng đều và tránh gia tốc không đều đặn trong quá trình cắt.

5 Sử dụng kỹ thuật cắt thích hợp và chọn dao phay phù hợp với vật liệu cần gia công.

Như vậy, việc hiểu và kiểm soát hiện tượng lẹo dao là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng và hiệu suất trong quá trình gia công Để khử lẹo dao, cần phải mài bóng mặt trước của dao thật cẩn thận hoặc thay đổi tốc độ cắt (thường tăng tới 30 m/phút hoặc cao hơn), đồng thời cũng có thể sử dụng dung dịch nguội trong từng điều kiện gia công cụ thể.

Sự co rút phôi khi phay (workpiece contraction during milling) là hiện tượng mà kích thước của phôi (vật liệu cần gia công) bị thay đổi sau quá trình phay Hiện tượng này thường xảy ra khi phôi bị gia nhiệt hoặc nhiệt độ môi trường thay đổi trong quá trình gia công Co rút phôi có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác và chất lượng của sản phẩm gia công Các nguyên nhân chính dẫn đến sự co rút phôi khi phay bao gồm:

1 Gia nhiệt phôi: Nếu phôi được gia nhiệt trước khi gia công, quá trình gia nhiệt có thể làm thay đổi cấu trúc và kích thước của vật liệu Sau khi gia công xong, khi phôi mát đi, nhiệt độ thay đổi có thể dẫn đến co rút.

2 Thay đổi nhiệt độ môi trường: Nhiệt độ môi trường xung quanh có thể thay đổi trong quá trình gia công, và điều này cũng có thể gây ra co rút phôi.

3 Điều kiện gia công không chính xác: Áp suất cắt, tốc độ cắt và điều kiện gia công khác không được điều chỉnh tốt, có thể làm gia tăng khả năng co rút phôi.

Những biến đổi kích thước do co rút phôi có thể là không mong muốn, đặc biệt đối với các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao Để giảm thiểu hiện tượng co rút phôi khi phay, có thể áp dụng một số biện pháp sau:

1 Điều khiển nhiệt độ môi trường: Giữ nhiệt độ môi trường ổn định trong quá trình gia công để tránh thay đổi nhiệt độ làm ảnh hưởng đến phôi.

2 Điều khiển gia nhiệt phôi: Nếu phôi được gia nhiệt trước khi gia công, cần tuân thủ quy trình gia nhiệt và kiểm soát kỹ thuật để đảm bảo không có biến dạng nhiệt học quá lớn.

3 Tối ưu hóa điều kiện gia công: Điều chỉnh các thông số cắt phù hợp và tối ưu hóa điều kiện gia công để giảm thiểu sự co rút phôi.

4 Tăng cường kiểm soát chất lượng: Theo dõi và kiểm tra kích thước của phôi trước và sau khi gia công để phát hiện sự co rút và đưa ra các biện pháp điều chỉnh.

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám chi tiết phay

5.5.1 Giới thiệu về thép SKD11. a Tổng quan về thép

Một trong những vật liệu cơ khí phổ biến và quan trọng nhất trên thế giới là thép Nó được sử dụng ở mọi khía cạnh trong cuộc sống chúng ta; trong ngành ô tô cho đến ngành xây dựng, đồ gia dụng như tủ lạnh và máy giặt, tàu chở hàng và dụng cụ y tế…Và thép có thể được tái chế nhiều lần mà không mất đi đặc tính của nó.

Thép là một hợp kim của sắt và carbon chứa ít hơn 2% carbon và 1% mangan và một lượng nhỏ silicon, phốt pho, lưu huỳnh và oxy có độ bền và khả năng chống gãy mòn được cải thiện so với các dạng khác của sắt Thép không gỉ chống ăn mòn - và chống oxy hoá thường cần thêm 11% crom Do độ bền kéo cao và chi phí thấp, thép được sử dụng trong các tòa nhà, cơ sở hạ tầng, công cụ, tàu, xe lửa, ô tô, xe đạp, máy móc, thiết bị điện và vũ khí.

- Thép là hợp kim có tính dẫn điện và dẫn nhiệt mạnh.

- Ở nhiệt độ từ 500 đến 600 độ C thép có tính dẻo, cường độ giảm, làm chúng dễ uốn.

- Nếu ở nhiệt độ -10 độ C thép có tính dẻo giảm và nếu duy trì ở nhiệt độ -45 độ thép sẽ bị giòn và dễ nứt.

Thép là vật liệu đặc biệt phổ biến nhờ tính định hình cao, cho phép tạo ra các hình dạng phức tạp Ngoài ra, thép còn sở hữu cơ tính tổng hợp vượt trội, đồng thời đa dạng về chủng loại Nhờ những ưu điểm này, thép thích ứng tốt với nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp như đóng tàu, xây dựng, sản xuất thiết bị máy móc và phụ kiện.

Ký hiệu mác thép được quy định theo tiêu chuẩn quốc gia Tại mỗi quốc gia sẽ có tiêu chuẩn ký hiệu riêng như: TCVN (Mác thép Việt Nam), AISI / SAE (Mác thép Mỹ), JIS (Tiêu chuẩn Công nghiệp Nhật Bản) và NK (Mác thép Nhật Bản), DIN (Mác thép Đức) b Thép SKD11 là gì

- Thép SKD11 là mác thép được gọi theo tiêu chuẩn JIS của Nhật Bản, là mác thép được ứng dụng nhiều trong chi tiết máy, khuôn mẫu,khuôn dập nguội,…

- Thép SKD11 được gọi theo tiêu chuẩn Nhật Bản vì vậy ở các quốc gia khác sẽ có những tiêu chuẩn để đánh giá thép SKD11 và tên gọi riêng của chúng Nhưng dù được gọi bằng tên khác nhau thì thành phần hoá học của chúng đều tương đương nhau Bảng dưới là một số tên gọi theo tiêu chuẩn khác của thép SKD11.

Bảng 5.2: Tên gọi và tiêu chuẩn khác của thép SKD11.

D2 Theo tiêu chuẩn AISI của Hoa Kỳ

SLD Theo tiêu chuẩn HITACHI của Nhật Bản

DC11 Theo tiêu chuẩn DAIDO của Nhật Bản

2379 Theo tiêu chuẩn DIN của Đức

2310 Theo tiêu chuẩn SS của Thuỵ Điển

Bảng 5.3: Thành phần hoá học của thép SKD11.

Ký hiệu C Si Mn P S Cr Mo V

Đặc tính cơ lý của thép SKD11:* Độ bền kéo: ?* Độ bền chảy: ?* Độ giãn dài: ?* Tỷ lệ giảm tiết diện: ?* Giá trị va đập: ?* Độ cứng: ?

Bảng 5.5: Độ cứng sau xử lý nhiệt của thép SKD11

Phương pháp xử lý nhiệt Ủ Tôi

Môi trường làm mát làm mát bằng không khí làm mát bằng không khí Độ cứng (HRC) ≤255 ≥58

5.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt trong quá trình phay.

- Tốc độ trục chính Tốc độ trục chính ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt theo hai cách chính: o Độ nhám do dao phay gây ra: Tốc độ trục chính ảnh hưởng trực tiếp đến cách dao phay cắt và tác động lên bề mặt sản phẩm Khi tốc độ cắt quá chậm, dao phay có thể tì, kéo rãnh gây mài mòn quá mức, gây ra xước và các dấu vết trên bề mặt sản phẩm Ngược lại nếu tốc độ cắt quá nhanh, dao phay có thể không cắt sạch và tạo ra những vết cắt không đều Do đó, tốc độ cắt phù hợp cần được chọn để đạt được độ nhám bề mặt mong muốn. o Độ nhám do rung động của máy phay: Khi tốc độ trục chính quá cao, có thể tạo ra rung động không mong muốn trong quá trình phay Rung động này có thể làm tăng độ nhám bề mặt và làm giảm chất lượng gia công Để giảm rung động, cần điều chỉnh tốc độ trục chính và thiết lập các tham số gia công phù hợp.

- Lượng chạy dao Các yếu tố có thể ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt dựa trên lượng chạy dao: o Độ dày phoi: lượng chay dao ảnh hưởng trực tiếp đến độ dày phoi Khi lượng chạy dao cao thường dẫn đến độ dày phoi lớn hơn Nếu độ dày phoi trở nên quá lớn, nó có thể gây ra rung động, tiếng kêu, dẫn đến độ nhám bề mặt cao.

68 o Độ mài mòn của dao: lượng chạy dao lớn có thể làm tăng độ mòn dao Khi dao bị mòn, bề mặt hoàn thiện sẽ trở nên gồ ghề hơn Do đó, việc tối ưu hoá lượng chạy dao là rất quan trọng để duy trì độ sắt bén của dụng cụ cũng như tránh mài mòn quá mức. o Lực cắt: lượng chạy dao cao hơn thường dẫn đến lực cắt cao hơn Các lực này có thể làm lệch hoặc uốn cong dụng cụ cắt, dẫn đến rung và bề mặt kém hoàn thiện Điều quan trọng là phải chọn lượng chạy dao thích hợp để cân bằng giữa lực cắt và độ nhám bề mặt. o Độ cứng vững của máy: Độ cứng của máy phay đóng vai trò quyết định lượng chạy dao phù hợp Một máy có độ cứng vững tốt hơn có thể chịu được lượng chạy dao cao hơn mà không bị rung hoặc lệch đáng kể, dẫn đến bề mặt hoàn thiện tốt hơn. o Tính chất vật liệu: Các vật liệu khác nhau có độ tương thích khác nhau với tốc độ trục chính và lượng chạy dao Một số vật liệu, chẳng hạn như kim loại hoặc nhựa mềm hơn, có thể yêu cầu lượng chạy dao thấp hơn để đạt được bề mặt mịn hơn, trong khi vật liệu cứng hơn có thể chịu được lượng chạy dao cao hơn.

- Chiều sâu cắt o Trong quá trình phay CNC, chiều sâu cắt có ảnh hưởng đáng kể đến độ nhám bề mặt. Thông thường, khi chiều sâu cắt càng lớn, độ nhám bề mặt càng cao Điều này xảy ra do khi chiều sâu cắt tăng, lực cắt cũng tăng gây ra rung động lớn, làm dao mài mòn nhanh hơn và tạo ra một bề mặt gia công có những vết xước và hình dạng không đều làm độ nhám bề mặt gia tăng. o Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp không phải lúc nào việc giảm chiều sâu cắt cũng làm giảm độ nhám bề mặt mà nó còn tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố như góc cắt của dao cũng như kiểu dao cắt, …

Để đạt độ nhám bề mặt như mong muốn trong quá trình phay, cần cân nhắc các yếu tố ảnh hưởng và tối ưu hóa thông số cắt phù hợp Thử nghiệm và điều chỉnh tốc độ trục chính, lượng chạy dao và các thông số phay khác giúp đạt được độ hoàn thiện bề mặt mong muốn Sử dụng dụng cụ cắt, lớp phủ dụng cụ và bôi trơn thích hợp cũng góp phần cải thiện độ nhám bề mặt trong quá trình phay.

Bên cạnh đó, cần xem xét mối liên hệ giữa bán kính dao phay cầu và độ nhám:

- Bán kính dao phay cầu nhỏ: Khi bán kính dao phay cầu nhỏ, áp suất tại cạnh cắt sẽ cao hơn, dẫn đến cắt sâu và gồ ghề hơn trên bề mặt gia công Điều này có thể gây ra rãnh cắt và các đường nét gồ ghề trên bề mặt bị gia công.

- Bán kính dao phay cầu lớn: Nếu bán kính dao phay cầu lớn, áp suất tại cạnh cắt sẽ nhỏ hơn, và quá trình cắt sẽ mềm hơn Điều này giúp giảm thiểu các đường nét gồ ghề và làm mịn bề mặt sau khi gia công.

Để đạt độ nhám tốt trong gia công, bán kính dao phay cầu nên phù hợp: bán kính lớn cho bề mặt mịn (lưỡi dao sắc); bán kính nhỏ cho gia công nhanh (ảnh hưởng độ nhám).

Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế về quá trình phay

Đối với gia công thép SKD11, tốc độ cắt phải được điều chỉnh sao cho phù hợp Nếu tốc độ cắt quá cao, có thể dẫn đến gia công kém chất lượng và gây hỏng dao phay Ngược lại, tốc độ cắt quá thấp sẽ làm gia tăng thời gian gia công.

Lựa chọn chất làm mát: Khi gia công thép SKD11, cần sử dụng chất làm mát phù hợp để làm giảm nhiệt độ cắt và kéo dài tuổi thọ của công cụ phay Điều này cũng giúp giảm ma sát và đảm bảo bề mặt gia công trơn tru. Độ ổn định của máy gia công: Máy phay phải hoạt động ổn định và đảm bảo độ chính xác trong quá trình gia công Nếu máy không ổn định, có thể dẫn đến sai số và lỗi trong sản phẩm gia công.

Ngày nay, gia công phay là một trong những quy trình phổ biến trong gia công cơ khí chính xác Vì thế, đã có rất nhiều bài báo, nghiên cứu trong và ngoài nước về vấn đề tối ưu hóa thông số cắt khi phay:

- Đặng Đức Bình (2018) [1] trong bài báo, tác giả đã sử dụng thép SKD11 để làm đối tượng nghiên cứu và được gia công bằng dao phay cầu R5 của hãng YG Bên cạnh đó, tác giả đã chọn bảng trực giao L25(53) Với 25 chế độ cắt khác nhau, mỗi chế độ cắt thực hiện 3 lần, mỗi lần đo độ nhám tại 3 vị trí khác nhau Cuối cùng lấy trung bình giá trị RZ của 3 lần đo Kết quả thực nghiệm cho thấy: lượng chạy dao là lớn nhất với 80.89%, thứ hai là vận tốc cắt với 12.61% và cuối cùng là chiều sâu cắt với 6.4%.

- Lê Mạnh Đức (2019) [4] đã giải quyết vấn đề phay hợp kim nhôm A6061 thành mỏng khi gia công bằng dao phay ngón Carbide Với các thông số đầu vào là vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt và chiều rộng cắt Mục tiêu của nghiên cứu là làm giảm độ biến dạng cũng như độ nhám bề mặt của chi tiét Kết quả phân tích cho thấy, trong các thông số khảo sát thì chiều rộng cắt có ảnh hưởng mạnh nhất tới giá trị trung bình của biến dạng chi tiết, vận tốc cắt có ảnh hưởng thứ 2 và tiếp theo là lượng chạy dao và chiều sâu cắt Ngược lại đối với độ nhám bề mặt, lượng chạy dao là yếu tố chính gây ảnh hưởng độ nhám Trong khi đó, chiều rộng cắt không ảnh hưởng nhiều đến độ nhám bề mặt.

Nghiên cứu của Hoàng Tiến Dũng và cộng sự (2020) [2] cho thấy tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt và góc xoắn của dao phay ngón ảnh hưởng đến lực cắt khi phay nhôm Al6061 Đối với phương X, góc xoắn có ảnh hưởng lớn nhất (52,47%), tiếp theo là tốc độ cắt (29,588%), lượng chạy dao (4,273%) và chiều sâu cắt (3,041%) Đối với phương Y, góc xoắn vẫn có ảnh hưởng lớn nhất (75,263%), nhưng tốc độ cắt (6,844%), lượng chạy dao (5,591%) và chiều sâu cắt (3,418%) có ảnh hưởng thấp hơn Đối với phương Z, góc xoắn (41,64%) và tốc độ cắt (30,26%) có tác động mạnh hơn, trong khi lượng chạy dao (18,19%) và chiều sâu cắt (2,148%) có tác động nhỏ hơn.

- He Le Hoang Anh và cộng sự (2021) [13] đã tiến hành nghiên cứu thép 060A4 khi phay bằng dao phay mặt đầu HSS Mục tiêu của đề tài là tối ưu độ nhám bề mặt và tối đa tỷ lệ loại bỏ vật liệu (MRR) với 3 thông số đầu vào là: tốc độ trục chính, lượng chạy dao và chiều sâu cắt Kết quả nghiên cứu cho thấy: Lượng chạy dao có ảnh hưởng lớn nhất đến độ nhám bề mặt Phương pháp PSI lần đầu tiên được áp dụng vào để nghiên cứu vấn đề này để giải quyết bài toán tối ưu đa mục tiêu.

- Eyup Bagci và cộng sựsự (2006) [21] đã nghiên cứu trên vật liệu hợp kim chứa cobalt (stellite 6) bằng dao phay mặt đầu với ba thông số đầu vào: vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt Bằng việc sử dụng phương pháp Taguchi (bảng trực giao L27) để xây dựng mô hình thực nghiệm Kết quả thực nghiệm thu được đã chỉ ra vận tốc cắt có ảnh hưởng lớn nhất là 38.27%.

- Chi Thien Tran và cộng sự (2019) [32] nghiên cứu biên dạng phay phức tạp khi gia công vật liệu SIMOLD 2083 bằng dao phay cầu R3 với mục tiêu là tối ưu độ nhám và thời gian gia công Kết quả cho thấy: tốc độ trục chính có ảnh hưởng lớn nhất đối với độ nhám bề mặt (42.42%) và lượng chạy dao có ảnh hưởng lớn nhất đối với thời gian gia công (92.6%).

Bằng những nghiên cứu đã được công bố trước đây ở nhiều khía cạnh khác nhau của gia công phay, nhóm nhận thấy: hầu hết các đề tài lựa chọn chi tiết gia công có biên dạng chưa phức tạp (hầu hết là gia công theo mặt phẳng) Chính vì thế nhóm chọn tối ưu chi tiết có biên dạng phức tạp với hai loại dao phay cầu R3 và R4, đóng góp thêm cơ sở lý thuyết để tìm được thông số phù hợp đáp ứng những yêu cầu khác nhau cho từng chi tiết.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM

Mô hình thực nghiệm

Quá trình gia công được biểu diễn bằng sơ đồ như hình 6.1

Các đại lượng ngẫu nhiên

Các đại lượng đầu vào Quá trình phay trên máy phay CNC Đại lượng đầu ra Rz

Các đại lượng cố định

Hình 6.1: Sơ đồ nghiên cứu quá trình phay

Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, việc xem xét ảnh hưởng của càng nhiều yếu tố đầu vào và đầu ra sẽ giúp bài toán trở nên toàn diện hơn Tuy nhiên, điều này lại gây ra khó khăn trong quá trình nghiên cứu, cũng như khó có thể áp dụng vào thực tế sản xuất Do đó, để lựa chọn được sơ đồ nghiên cứu phù hợp, cần dựa vào kinh nghiệm trong quá trình sản xuất.

• Các đại lượng đầu vào: - Tốc độ trục chính: S

• Các đại lượng cố định: - Thiết bị gia công

• Các đại lượng đầu ra:

Mô hình thí nghiệm được với mục đích đánh ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới độ nhám bề mặt khi phay Vì vậy nhám bề mặt là chỉ tiêu chính được lựa chọn trong mô hình thí nghiệm.

Ngoài các yếu tố cố định có thể can thiệp vào để đạt được thông số mong muốn, còn có các yếu tố xuất hiện một cách không có quy luật gây ảnh hưởng nhất định đến quá trình gia công.Chẳng hạn như: sự không đồng nhất vè thành phần hoá học và độ cứng của vật liệu gia công,biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ, rung động xuất hiện trong quá trình cắt hay rung động từ bên ngoài tác động đến, …

Điều kiện thí nghiệm

Quá trình phay được thực hiện trên máy phay CNC MAZAK FJV-20 tại xưởng cơ khí Nguyễn Hữu Học địa chỉ 1234 đường Kha Vạn Cân, Khu phố 2, Linh Trung, Thủ Đức.

Bảng 6.1: Bảng đặc tính kỹ thuật của máy phay CNC MAZAK FJV-20

TT Đặc tính kĩ thuật Giá trị

3 Động cơ trục chính 19kW

4 Hành trình làm việc trục X 560 mm

5 Hành trình làm việc trục Y 410 mm

6 Hành trình làm việc trục Z 410 mm

7 Hệ điều khiển MAZTROL M PLUS

8 Tốc độ trục chính tối đa 12000 rpm

Hình 6.2: Hình ảnh máy MAZAK FJV-20

Vật liệu gia công được chọn là thép SKD11 vì nó được sử dụng nhiều trong chi tiết máy, khuôn mẫu, khuôn dập nguội nơi cần những yếu tố về độ chính xác, độ nhám cao Những thành phần hoá học cũng như cơ tính và ứng dụng của thép SKD11 đã được đề cập ở phần 5.5.1 Giới thiệu về thép skd11.

Dụng cụ cắt được sử dụng là dao phay cầu của hãng YIDA, Đài Loan Các thông số của dao được thể hiện ở bảng dưới.

Bảng 6.2: Các thông số của 2 dao phay đầu cầu sử dụng trong thí nghiệm

Tên gọi Dao phay đầu cầu liền khối

Dao 1 Dao 2 Đường kính dao ∅4 mm ∅3 mm

Chiều dài cắt 16 mm 12 mm

Chiều dài tổng thể 60 mm 50 mm

Hình 6.3: Hình ảnh các dao phay cầu sử dụng trong thí nghiệm

Sử dụng đồ gá là ê tô cơ (thường dùng trong gia công CNC).

6.3.5 Các thông số cố định khác

- Kích thước phôi không thay đổi.

- Nhiệt độ không thay đổi (nhiệt độ phòng thí nghiệm).

Hình 6.4: Hình ảnh chi tiết phay

Thiết bị đo

Quá trình đo kiểm mẫu thí nghiệm được thực hiện tại trường đại học sư phạm kĩ thuật thành phố Hồ Chí Minh Thiết bị đo sử dụng:

- Máy đo độ nhám bề mặt.

- Máy đo toạ độ 3D CMM BELTA-564.

Xây dựng quy hoạch thực nghiệm

6.5.1 Thông số đầu vào và các mức khảo sát.

Để nghiên cứu tác động của các yếu tố công nghệ đến độ nhám bề mặt khi gia công chi tiết SKD11 bằng phương pháp phay, thí nghiệm đã lựa chọn các thông số chính gồm: Tốc độ trục chính, chiều sâu cắt và lượng chạy dao Các mức giá trị cụ thể của từng thông số được thể hiện rõ trong bảng bên dưới.

Bảng 6.3: Bảng thông số chế độ cắt

Yếu tố khảo sát Ký hiệu Mức giá trị

Dựa vào chế độ cắt được khuyến cáo trong catalogue từ hãng cũng với kinh nghiệm thực tế khi gia công trên máy CNC Bảng ma trận thí nghiệm trực giao Taguchi OA 9 (3 3 ) để nghiên cứu được sử dụng Điều này có nghĩa sẽ có 3 yếu tố điều khiển (factor), mỗi yếu tố có 3 mức giá trị (level).

Do đó, tổng số thí nghiệm cần thực hiện là 9 với 3 thông số tốc độ trục chính S, chiều sâu cắt t, lượng chạy dao F sẽ được đánh giá ở mỗi mức từ mức 1 đến mức 3 Bằng cách sử dụng ma trận thí nghiệm trực giao trong bảng 6.4, ta có thể tiến hành các thí nghiệm cần thiết để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố và tìm ra mức tối ưu cho từng yếu tố trong quá trình gia công.

Bảng 6.4: Bảng trực giao OA 9 (3 3 )

Từ hai bảng 6.3 và bảng 6.4 ta có được bảng 6.5: Ma trận thí nghiệm

Bảng 6.5: Ma trận thí nghiệm

Thí nghiệm trên được thực hiện 2 lần với dao có bán kính R3 và R4.

6.5.2 Tiến hành thực nghiệm và thu thập dữ liệu

Bảng 6.6: Bảng dữ liệu độ nhám với dao có bán kính R3 và R4

Trong quá trình tiến hành thực nghiệm cần thoả mãn những yêu cầu sau:

- Các chi tiết được gia công trong cùng một máy, cùng một chiến lược gia công.

- Chỉ được sử dụng duy nhất một dao phay tinh cho mỗi chi tiết, Sau khi hoàn thành đổi dao để gia công chi tiết tiếp theo để đảm bảo sai số gia công là nhỏ nhất.

Hình 6.5: 18 chi tiết gia công phay

Tiến hành thí nghiệm 2 lần với dao có bán kính là R3, R4 nên cũng sẽ phân tích thực nghiệm

Yêu cầu đặt ra là sau quá trình gia công thì sản phẩm có độ nhám càng thấp càng tốt do vậy công thức được chọn là:

Bảng 6.7: Bảng phân tích thực nghiệm và xử lý kết quả theo Taguchi với dao có bán kính R3

STT Các nhân tố chế độ cắt Nhân tố mã hoá Độ nhám Tỷ số S/N

Bảng 6.8: Bảng phân tích thực nghiệm và xử lý kết quả theo Taguchi với dao có bán kính R4

Các nhân tố chế độ cắt Nhân tố mã hoá

Kết quả tính toán trên Minitab

Bảng 6.9: Phản hồi cho tỉ lệ S/N của độ nhám (R3)

Bảng 6.10: Tỉ lệ cho độ nhám trung bình (R3)

Hình 6.6: Ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám trung bình Ra

Tốc độ trục chính (S) có tác động đáng kể đến chất lượng bề mặt gia công Tốc độ trục chính tăng từ 800 đến 1900 rpm dẫn đến độ nhám trung bình tăng từ 1,387 đến 2,098 Tốc độ trục chính tăng tiếp từ 1900 đến 3000 rpm, độ nhám tiếp tục tăng từ 2,098 đến 2,618 Nguyên nhân là do tốc độ cắt tăng theo tốc độ trục chính, dẫn đến lực cắt lớn hơn gây rung động và làm tăng độ nhám bề mặt.

Tiếp theo, hai yếu tố có ảnh hưởng đáng kể đối với độ nhám bề mặt đó là chiều sâu cắt và lượng chạy dao Đối với đại lượng chiều sâu cắt (t) là đại lượng hàm mục tiểu có độ dốc cao nhất so với hai hàm còn lại, khi chiều sâu cắt tăng từ 0.05 đến 0.325, độ nhám bề mặt tăng từ 1.29 đến

2.486 Vì vậy khi chiều sâu cắt tăng quá lớn, rung động trong quá trình cắt cũng tăng, dẫn đến việc độ nhám cũng có thể tăng lên.

Hình 6.7: Ảnh hưởng của chế độ cắt đến tỷ số S/N

Trên hình 6.7 ta có thể thấy ba đồ thị riêng biệt ảnh hưởng đến tỷ số S/N Cụ thể, đại lượng chiều sâu cắt (t) có ảnh hưởng lớn nhất đến sự thay đổi của tỷ số S/N (khi t thay đổi từ 0.05 đến

0.325 tỷ số S/N thay đổi từ -0.6965 đến -7.4838.

Tiếp đến là đại lượng tốc độ trục chính (S) có ảnh hưởng lớn thứ hai sau t với độ dốc tương đối lớn khi S thay đổi từ 800 đến 1900 tỷ số S/N thay đổi từ -1.6783 đến -5.4621.

Giá trị trung bình tại các mức giá trị nhân tố trong bảng 6.8 được xác định theo công thức:

Tính toán tương tự cho những giá trị còn lại.

Bảng 6.11: Bảng phân tích kết quả thực nghiệm và xử lý kết quả của các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám của R3

Mức giá trị Nhân tố

STT Công thức tính nhân tố

Hình 6.8 thể hiện mối tương quan giữa các đại lượng với độ nhám Ra, gồm:- Ảnh hưởng giữa tốc độ trục chính và chiều sâu cắt: Tốc độ trục chính càng cao thì độ nhám càng giảm Chiều sâu cắt càng tăng thì độ nhám càng tăng.- Ảnh hưởng giữa tốc độ trục chính và lượng chạy dao: Tốc độ trục chính càng cao thì độ nhám càng giảm Lượng chạy dao càng lớn thì độ nhám càng tăng.- Ảnh hưởng giữa lượng chạy dao và chiều sâu cắt: Lượng chạy dao càng lớn thì độ nhám càng tăng Chiều sâu cắt càng tăng thì độ nhám càng tăng.

Bên cạnh đó, để đánh giá rõ hơn ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám, ta có thể xem xét đến đồ thị tương quan giữa các đại lượng tới độ nhám Ở đồ thị này cho cái nhìn rõ hơn về mối quan hệ giữa các đại lượng Hay nói cách khác, nó cho ta thấy được các đại lượng tác động lẫn nhau như thế nào và có thể dẫn đến chất lượng bề mặt nhám ra sao Ví dụ ở biểu đồ 6.8a Ảnh hưởng giữa tốc độ trục chính với chiều sâu cắt đến độ nhám , ba chế độ cắt riêng biệt sẽ tượng trưng cho ba đường với ba màu riêng biệt (từ 800 đến 3000 rpm) Ngoài ra, đồ thị còn biểu diễn trục tung là độ nhám Ra, trục hoành chiều sâu cắt t Từ đó, ta có thể nhận thấy: khi S = 800 rpm với t = 0.05 mm thì cho ta độ nhám thấp nhất Cũng ở chế độ S = 800 rpm với t = 0.325 mm thì ta nhận thấy một sự thay đổi đáng kể của độ nhám Chính vì thế, ta đánh giá được đại lượng t có sự ảnh hưởng lớn đến kết quả nghiên cứu Các đồ thị còn lại, ta cũng phân tích tương tự.

(c) Hình 6.9: Biểu đồ bề mặt độ nhám của dao R3 a Ảnh hưởng giữa tốc độ quay trục chính với lượng chạy dao đến độ nhám. b Ảnh hưởng giữa tốc độ quay trục chính với chiều sâu cắt đến độ nhám. c Ảnh hưởng giữa chiều sâu cắt và lượng chạy dao tới độ nhám.

Bằng việc phân tích tỷ số S/N trên Minitab, được thể hiện trong 3 biểu đồ bề mặt thể hiện sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám của dao R3 Yếu tố có ảnh hưởng từ lớn nhất đến thấp nhất lần lưọt là: chiều sâu cắt, tốc độ trục chính và lượng chạy dao Theo kết quả thực nghiệm chiều sâu cắt càng lớn, độ nhám bề mặt càng cao Tuy nhiên, việc giảm chiều sâu cắt không phải lúc nào cũng làm giảm độ nhám mà còn tùy thuộc vào bán kính dao, góc cắt và chiến lược chạy dao Đối với yếu tố tốc độ trục chính, nếu tốc độ quá chậm có thể gây xước và các vết cắt trên sản phẩm.

Bảng 6.12: Phản hồi cho tỉ lệ S/N của độ nhám (R4)

Bảng 6.13: Tỉ lệ cho độ nhám trung bình (R4)

Hình 6.10: Ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám trung bình Ra

Quan sát đồ thị ta có thể thấy, yếu tố tốc độ trục chính (S) có tác động lớn nhất đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công Một cách cụ thể, khi lượng chạy dao tăng nhẹ từ 800 đến 1900 thì độ nhám tăng từ 0.9363 đến 1.411 là đại lượng có hàm mục tiêu có độ dốc cao nhất so với hai hàm còn lại Điều này có thể được lý giải là do khi tăng tốc độ trục chính, tốc độ cắt của công cụ cũng tăng Điều này có thể gây ra lực cắt lớn hơn Lực cắt mạnh có thể gây ra rung động và nhám bề mặt phay Nhưng khi tăng tốc độ trục chính từ 1900 đến 3000 thì độ nhám được cải thiện đáng kể từ 1.411 đến 0.6455 Bởi vì khi tốc độ trục chính cao sẽ hỗ trợ tạo phoi nhỏ hơn giúp cải thiện độ nhám Ngoài ra, khi tốc độ trục chính nhanh sẽ giảm thời gian tiếp xúc giữa dao và phôi, giúp hạn chế việc tạo vết dao trên phôi.

Hình 6.11: Ảnh hưởng của chế độ cắt đến tỷ số S/N

Trên hình 6.11 ta có thể thấy ba đồ thị riêng biệt ảnh hưởng đến tỷ số S/N Cụ thể, yếu tố tốc độ trục chính (S) có ảnh hưởng lớn nhất đến sự thay đổi của tỷ số S/N (khi t thay đổi từ 1900 đến 3000) tỷ số S/N thay đổi từ -2.5572 đến 4.1912.

Tiếp theo, chiều sâu cắt (t) tác động lớn thứ hai, chỉ sau S, thể hiện qua độ dốc lớn khi t biến thiên từ 0,325 đến 0,6, tỷ số S/N giảm từ 1,0615 đến -1,2218.

Giá trị trung bình tại các mức giá trị nhân tố trong bảng 6.12 được xác định theo công thức:

Tính toán tương tự cho những giá trị còn lại.

Bảng 6.14: Bảng phân tích kết quả thực nghiệm và xử ký kết quả của các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám của R4

Mức giá trị Nhân tố

STT Công thức tính nhân tố

Hình 6.12: Đồ thị tương quan giữa các đại lượng tới độ nhám Ra: a Ảnh hưởng giữa tốc độ trục chính với chiều sâu cắt đến độ nhám. b Ảnh hưởng giữa tốc độ trục chính với lượng chạy dao đến độ nhám. c Ảnh hưởng giữa lượng chạy dao với chiều sâu cắt đến độ nhám.

Bên cạnh đó, để có cái nhìn rõ hơn ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám, ta có thể xem xét đến đồ thị tương quan giữa các đại lượng tới độ nhám Ở đồ thị này cho đánh giá rõ hơn về mỗi quan hệ giữa các đại lượng Hay nói cách khác, cho ta thấy được các đại lượng tác động lẫn nhau như thế nào và có thể dẫn đến chất lượng bề mặt nhám ra sao Ví dụ ở biểu đồ 6.12a Ảnh hưởng giữa tốc độ trục chính với chiều sâu cắt đến độ nhám , ba chế độ cắt riêng biệt sẽ tượng trưng cho ba đường với ba màu riêng biệt (từ 800 đến 3000 rpm) Ngoài ra, đồ thị còn biểu diễn trục tung là độ nhám Ra, trục hoành chiều sâu cắt t Từ đó, ta có thể nhận thấy: khi S = 1900 rpm với t = 0.325 mm thì cho ta độ nhám thấp nhất Cũng ở chế độ S = 3000 rpm với t = 0.6 mm thì ta nhận thấy một sự thay đổi đáng kể của độ nhám Do đó, ta đánh giá được đại lượng t có sự tác động lớn đến kết quả nghiên cứu Các đồ thị còn lại, ta cũng phân tích tương tự.

(c) Hình 6.13: Biểu đồ bề mặt độ nhám của dao R4 a Ảnh hưởng giữa tốc độ quay trục chính với lượng chạy dao đến độ nhám. b Ảnh hưởng giữa tốc độ quay trục chính với chiều sâu cắt đến độ nhám. c Ảnh hưởng giữa chiều sâu cắt và lượng chạy dao tới độ nhám.

Bằng việc sử dụng tỷ lệ S/N để phân tích độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ trụ của dao phay cầu R4, kết quả thực nghiệm cho thấy: tốc độ trục chính là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất, tiếp đến là chiều sâu cắt và lượng chạy dao Do bán kính dao lớn, áp suất tại cạnh cắt sẽ nhỏ hơn, giúp giảm thiểu các đường gồ ghề.

Thông số cắt tối ưu

6.7.1 Thông số cắt tối ưu độ nhám của dao R3

Bảng 6.15: Bảng thông số tối ưu của dao R3

6.7.2 Thông số cắt tối ưu độ nhám của dao R4

Bảng 6.16: Bảng thông số tối ưu của dao R4

Gia công thông số cắt tối ưu

Tiến hành gia công phay thực nghiệm với các thông số chế độ cắt đã tối ưu:

Hình 6.14: Chi tiết gia công tối ưu

Bảng 6.17: Bảng đo độ nhám chi tiết phay gia công tối ưu

Bán kính dao Độ nhám (Ra) thực tế Độ nhám dự đoán

R4 0.2 àm 0.24333 Độ nhám gia công thực tế nhỏ hơn nhiều so với độ nhám dự đoán trên minitab Đề tài hướng tới việc giảm độ nhám chi tiết gia công phức tạp việc độ nhám giảm nhỏ hơn so với dự đoán là do nhiều yếu tố như độ rung động của máy gia công, chất lượng dao gia công, độ chính xác của máy gia công,…

Kết luận

Qua 2 chương 5 và 6 đã giải quyết những vấn đề sau:

- Nghiên cứu được những đặc điểm cơ bản của quá trình phay cũng như các yếu tố ảnh hưởng.

- Nghiên cứu được các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám khi gia công phay CNC vật liệu thép SKD11.

Áp dụng phương pháp Taguchi để xây dựng ma trận thí nghiệm, nghiên cứu chỉ ra rằng ba yếu tố đầu vào quan trọng nhất trong quá trình phay thép SKD11 là tốc độ trục chính, chiều sâu cắt và lượng chạy dao.

- Đối với dao phay cầu R3, thông số có ảnh hưởng lớn nhất là chiều sâu cắt (47.65%), tốc độ trục chính (37.16%) và lượng chạy dao (15.19%) Bên cạnh đó tìm được bộ thông số cắt phù hợp để đạt được độ nhám nhỏ nhất: S = 800 rpm, t = 0.05 mm, F = 0.05 mm/phút.

Tốc độ trục chính, chiều sâu cắt và lượng chạy dao là các thông số có ảnh hưởng đáng kể đến dao phay cầu R4 Trong đó, tốc độ trục chính có tác động lớn nhất đạt 47,8525%, tiếp theo là chiều sâu cắt 28,167% và lượng chạy dao 23,98% Để đạt được độ nhám nhỏ nhất, bộ thông số tối ưu là tốc độ trục chính 3000 vòng/phút, chiều sâu cắt 0,6 mm và lượng chạy dao 0,05 mm/phút.

KẾT LUẬN Đồ án nghiên cứu việc xác định chế độ gia công hợp lý cho tiện – phay CNC phức tạp dựa trên phương pháp Taguchi Các thực nghiệm, nghiên cứu, tính toán đã được trình bày ở trên và đồ án đã được kết quả như sau:

1 Nghiên cứu được các đặc điểm cơ bản của quá trình tiện – phay cũng như các yếu tố ảnh hưởng

2 Ứng dụng phương pháp Taguchi xác định mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào: tốc độ trục chính, chiều sâu cắt, lượng chạy dao đến chất lượng bề mặt cũng như độ chính xác khi gia công tiện - phay CNC.

3 Xây dựng các đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến chất lượng bề mặt theo phương pháp Taguchi.

4 Xây dựng được mối quan hệ toán học bằng thực nghiệm giữa chế độ cắt với chất lượng bề mặt Từ đó xác lập được mối quan hệ giữa các thông số chế độ cắt với độ nhám bề mặt để người làm công nghệ điều khiển máy gia công có thể sử dụng và chọn các thông số chế độ cắt theo độ nhám yêu cầu.

1 Tiếp tục ứng dụng phương pháp Taguchi để đánh giá mức độ ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám khi gia công tiện – phay bằng các phương pháp khác và vật liệu khác nhau để bổ sung phong phú về các tài liệu gia công.

2 Ứng dụng kết quả và phương pháp nghiên cứu của đồ án vào gia công sản xuất thực tiễn.