Vn nghiên cứu tối ưu hóa một số thông số công nghệ và bôi trơn tối thiểu khi phay mặt phẳng hợp kim ti 6al 4v

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI NGUYỄN VĂN CẢNH NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ VÀ BÔI TRƠN TỐI THIỂU KHI PHAY MẶT PHẲNG HỢP KIM Ti-6Al-4V Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Khí Mã số: 9.52.01.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2024 Công trình được hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI - BỘ CÔNG THƯƠNG Người hướng dẫn khoa học: 1 PGS.TS Hoàng Tiến Dũng 2 GS.TS Phạm Văn Hùng Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường và họp tại Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội vào hồi… giờ, ngày … tháng … năm … Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội - Thư viện Quốc gia Việt Nam 1 MỞ ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài Hợp kim titan là vật liệu quan trọng được sử dụng phổ biến trong công nghiệp nói chung, hàng không – vũ trụ và chế tạo động cơ nói riêng, với tỉ trọng khoảng 84% Trong đó, hợp kim Ti-6Al-4V chiếm hơn 50% lượng hợp kim titan được tiêu thụ trên toàn cầu [1] Trong quá trình gia công cắt gọt hợp kim Ti-6Al-4V, nhiệt sinh ra do ma sát giữa dụng cụ cắt và vật liệu gia công tại vùng tiếp xúc cắt gọt là rất lớn, gây ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác, chất lượng bề mặt gia công, và độ bền của dụng cụ cắt Để tăng tốc độ gia công và giảm nhiệt và lực cắt, dung dịch trơn nguội thường được sử dụng Phương pháp bôi trơn và làm mát bằng dung dịch trơn nguội phổ biến nhất là “tưới tràn” với việc hướng vòi phun dung dịch trơn nguội tưới tràn vào vùng cắt gọt Tuy nhiên, phương pháp tưới tràn có một số hạn chế nhất định về hiệu quả kinh tế, môi trường, và sức khỏe người sử dụng Trong đó, chi phí mua và xử lý dung dịch trơn nguội sau khi sử dụng rất tốn kém [2] và do dung dịch trơn nguội có độc tính không phân hủy sinh học [3] Hiện nay, để khắc phục những hạn chế của phương pháp tưới tràn, bôi trơn tối thiểu (MQL) đã được nghiên cứu triển khai Phương pháp này cho cho phép giảm thiểu lượng chất lỏng bôi trơn làm mát và sử dụng những chất lỏng không gây hại cho môi trường đồng thời không ảnh hưởng đến sức khỏe của người vận hành [4] Do đó MQL được đánh giá là phương pháp bôi trơn làm mát cho phù hợp cho quá trình gia công cơ khí theo định hướng “gia công bền vững – sustainable machining” và “sản xuất xanh – green manufacturing” Thực hiện chủ trương “Phát triển kinh tế đi đôi với bảo vệ môi trường” [9] một số nghiên cứu áp MQL trong gia công thép dụng cụ SKD 11 [10] hay thép 9XC (9CrSi) qua tôi [11] đã được nghiên cứu và công bố Nghiên cứu phay tinh mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V sử dụng phương pháp MQL sẽ tạo điều kiện để phát triển MQL trong gia công các tại Việt Nam…Do đó, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài nghiên cứu” Nghiên cứu tối ưu hóa một số thông số công nghệ và bôi trơn tối thiểu khi phay mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V” hướng tới sản xuất xanh và bền vững 2 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chung: Nghiên cứu tối ưu hóa một số thông số công nghệ và bôi trơn tối thiểu khi phay mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V 2 Mục tiêu cụ thể: - Xây dựng, tích hợp hệ thống MQL cho phay mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V - Đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ (Vc,fz, ap) tới (Ra,Vb,Fc) trong điều kiện gia công khô, bôi trơn tối thiểu và tưới tràn - Tối ưu hóa các thông số công nghệ và bôi trơn tối thiểu sử dụng kết hợp SVR- NSGA II -TOPSIS quá trình phay mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V 3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Quá trình phay mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V trong điều kiện bôi trơn tối thiểu 3.2 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu chất lượng bề mặt và năng suất gia công của quá trình phay tinh hợp kim Ti-6Al-4V khi bôi trơn tối thiểu, bao gồm thông số công nghệ:Vc=60÷240m/ph; ap=0.1÷0.9mm; fz =0.02÷0.10mm/r và thông số bôi trơn tối thiếu: Q = 50÷150ml/h; P =1-5 bar 4 Nội dung nghiên cứu (1) Nghiên cứu tổng quan về gia công phay hợp kim titan Ti-6Al-4V trong điều kiện bôi trơn tối thiểu; (2) Nghiên cứu các thông số đặc trưng khi phay mặt phẳng trong điều kiện bôi trơn tối thiểu; (3) Nghiên cứu Phương pháp, hệ thống thiết bị thực nghiệm và thực nghiệm so sánh và (4) Kết quả thực nghiệm và tối ưu hóa quá trình phay hợp kim titan Ti-6Al-4V 5 Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích, dự đoán được ảnh hưởng của các thông số công nghệ quá trình gia công phay tới các đặc trưng của quá trình phay, từ đó, đưa ra mô hình thực nghiệm với hợp kim Ti-6Al-4V - Nghiên cứu thực nghiệm: Xây dựng được mô hình thực nghiệm và tổ chức thực nghiệm Sử dụng các phương pháp xử lý số liệu tiên tiến để đưa ra phương trình hồi quy và tối ưu hóa quá trình phay hợp kim Ti-6Al-4V 6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 6.1 Ý nghĩa khoa học - Giải thuật tối ưu hóa đa mục tiêu quá trình phay hợp kim Ti-6Al-4V trên cơ sở áp dụng kết hợp SVR-NSGA II – TOPSIS 3 - Kết quả của nghiên cứu có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo hữu ích cho các nghiên cứu có liên quan về lĩnh vực bôi trơn tối thiểu, gia công vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V và tối ưu hóa đa mục tiêu quá trình gia công 6.2 Ý nghĩa thực tiễn Kết quả của nghiên cứu giúp các nhà kỹ thuật lựa chọn được các thông số công nghệ và bôi trơn tối thiểu phù hợp với mục tiêu chất lượng trong quá trình phay hợp kim Ti-6Al-4V trên cơ sở thuật toán tối ưu hóa đa mục tiêu 7 Những đóng góp mới của đề tài - Xây dựng và tích hợp hệ thống bôi trơn tối thiểu MQL phục vụ nghiên cứu phay mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V - Nghiên cứu, xây dựng mô hình hồi quy về mối liên hệ giữa các thông số công nghệ quá trình phay gồm (Vc, fz, ap) và thông số công nghệ hệ thống bôi trơn tối thiểu (P,Q) tới các tiêu chí (Ra,Fc, MRR); - Xây dựng được mô hình toán học và bài toán tối ưu các thông số công nghệ cho quá trình phay hợp kim Ti-6Al-4V trong điều kiện bôi trơn tối thiểu 8 Cấu trúc của luận án Luận án được cấu trúc ngoài các phần: Mở đầu, kết luận, hướng nghiên cứu tiếp theo thì nội dung nghiên cứu được trình bày trong 4 chương: Chương 1 Tổng quan về gia công phay hợp kim Ti-6Al-4V trong điều kiện bôi trơn tối thiểu Chương 2 Các thông số đặc trưng khi phay mặt phẳng trong điều kiện bôi trơn tối thiểu Chương 3: Xây dựng mô hình thực nghiệm và thực nghiệm khảo sát Chương 4 Tối ưu hóa một số thông số công nghệ khi phay mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V trong điều kiện bôi trơn tối thiểu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG PHAY HỢP KIM TI-6AL-4V TRONG ĐIỀU KIỆN BÔI TRƠN TỐI THIỂU Nội dung chương 1 tập trung vào các nghiên cứu liên quan tới: (1) Giới thiệu về titan và các hợp kim titan phổ biến; (2) Ứng dụng của hợp kim Ti-6Al-4V trong một số lĩnh vực; (3) Khả năng gia công của hợp kim Ti- 6Al-4V; (4) Đặc điểm quá trình gia công vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V; (5) Bôi 4 trơn tối thiểu và ứng dụng trong trong gia công hợp kim titan; (6) Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Từ đó rút ra kết luận như sau: Gia công phay mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V trong điều kiện bôi trơn tối thiểu bằng dao phay trụ gắn mảnh hợp kim có tính thời sự, tính khoa học và thực tiễn cao CHƯƠNG 2: CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA QUÁ TRÌNH PHAY MẶT PHẲNG HỢP KIM TI-6AL-4V Một số nội dung được nghiên cứu và trình bày trong chương 2: 2.1 Khái quát về quá trình phay 2.2 Động lực học quá trình phay 2.2.1 Lực cắt trong quá trình phay hợp kim Ti-6Al-4V 2.2.1.1 Mô hình lực cắt trong quá trình phay 2.2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi phay 2.2.2 Rung động trong quá trình phay hợp kim Ti-6Al-4V 2.2.2.1 Rung động trong quá trình phay 2.2.2.2 Nguyên nhân gây ra rung động 2.2.2.3 Một số đặc trưng về rung động khi gia công phay Ti-6Al-4V 2.3 Nhiệt cắt trong quá trình phay trong điều kiện bôi trơn tối thiểu 2.3.1 Sự sinh nhiệt trong quá trình phay Nhiệt độ cao sinh ra trong quá trình gia công cắt gọt có thể ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt của sản phẩm, độ bền của công cụ cắt và tuổi thọ của chúng, cũng như gây ra biến dạng sản phẩm 2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt cắt Trong gia công kim loại, kim loại được loại bỏ bằng lưỡi cắt của dụng cụ, lưỡi cắt này sẽ cắt phoi ra khỏi chi tiết gia công Năng lượng được sử dụng trong quá trình biến dạng kim loại được giải phóng, chủ yếu ở dạng nhiệt, trong vùng cắt sơ cấp và thứ cấp 2.4 Mòn dụng cụ cắt khi gia công Trong quá trình cắt, phoi trượt lên mặt trước dao, chi tiết (bề mặt đang gia công) trượt lên mặt sau của dao với tốc độ lớn gâv ra hiện tượng mài mòn phần mặt trước, mặt sau của dụng cụ cắt 5 2.5 Đặc trưng, tính chất bề mặt sau khi phay Chất lượng bề mặt không chỉ ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước của các chi tiết gia công mà còn ảnh hưởng đến tính chất và hiệu suất của chúng trong quá trình sử dụng [15] 2.5.1 Độ nhám bề mặt sau khi phay Độ nhám là thông số phản ánh sự ổn định của bề mặt chi tiết sau khi gia công Sự biến dạng của vật liệu gia công, lực cắt, rung động và mài mòn dụng cụ cắt đều ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt chi tiết sau gia công Chế độ cắt và điều kiện cắt ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhám bề mặt chi tiết gia công [16] 2.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám - Ảnh hưởng của tốc độ cắt Vc - Ảnh hưởng của lượng chạy dao Vf - Ảnh hưởng của vật liệu gia công; - Vật liệu dụng cụ cắt; - Hệ thống bôi và làm mát 2.6 Gia công phay hợp kim Ti-6Al-4V trong điều kiện bôi trơn tối thiểu 2.6.1 Đặc điểm của quá trình gia công phay hợp kim Ti-6Al-4V Trong gia công kim loại phổ biến, khoảng 90% nhiệt sinh ra từ biến dạng dẻo [21], [22] Tuy nhiên, sự khác biệt chính của hợp kim titan so với các hợp kim kim loại khác là độ dẫn nhiệt thấp 2.6.2 Ứng dụng bôi trơn tối thiểu khi gia công hợp kim Ti-6Al-4V 2.6.3 Đặc điểm dụng cụ cắt khi gia công hợp kim Ti-6Al-4V 2.7 Kết luận chương 2 Nội dung nghiên cứu đã trình bày tóm tắt cơ sở lý thuyết về các đặc trưng của quá trình phay bao gồm: Cơ sở lý thuyết vật lý quá trình cắt gọt, cơ sở lý thuyết về lực cắt, rung động và hiện tượng nhiệt cắt, mòn dụng cụ cắt trong quá trình phay và các yếu tố ảnh hưởng tới các thông số đặc trưng này Nghiên cứu đặc trưng của lực cắt, rung động, quá trình tạo phoi, chất lượng bề mặt và mài mòn dụng cụ cắt khi phay hợp kim Ti-6Al-4V 6 Hình 2- 13 Các thông số công nghệ và chỉ tiêu chất lượng khi nghiên cứu về quá trình cắt gọt ứng dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT Trong chương này thực hiện các nội dung chính sau: 3.1 Mục đích và yêu cầu của nghiên cứu thực nghiệm Mục đích: Xây dựng phương pháp, hệ thống thiết bị thực nghiệm và thực nghiệm đánh giá hiệu quả của MQL so với điều kiện gia công khô và tưới tràn thông qua các tiêu chí về Ra, Fc, Vb Yêu cầu: (1) Hệ thống bôi trơn MQL thuận lợi trong việc chế tạo, lắp đặt và vận hành trong quá trình thực nghiệm; (2) Hệ thống có thiết bị bôi trơn đảm bảo thay đổi được áp suất, lưu lượng của chất bôi trơn (3) Hệ thống bôi trơn tối thiều cần sự ổn định áp suất trong quá trình thực nghiệm 3.2 Xây dựng, tích hợp hệ thống thiết bị thực nghiệm 3.2.1 Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm Thực nghiệm phay hợp kim Ti-6Al-4V trong điều kiện bôi trơn tối thiểu sử dụng dầu lạc - Phương pháp gia công phay: Phay mặt phẳng - Các thông số công nghệ quá trình phay được sử dụng trong nghiên cứu là vận tốc cắt (Vc ); lượng chạy dao răng (fz); chiều sâu cắt (ap) - Các thông số công nghệ hệ thống bôi trơn tối thiểu được sử là áp suất nguồn khí (P) và lưu lượng dầu bôi trơn (Q) - Các tiêu chí chất lượng được khảo sát là: Độ nhám bề mặt (Ra); Lực cắt (Fc); lượng mòn mặt sau dụng cụ (Vb) 7 3.2.2 Thiết bị thực nghiệm 3.2.2.1 Thiết bị bôi trơn tối thiểu Thông số kỹ thuật của thiết bị MQL được trình bày như bảng 3-1 Bảng 3- 1 Thông số kỹ thuật hệ thống bôi trơn tối thiểu STT Thông số Giá trị 1 Thể tích thùng dầu 3 lít 2 Áp suất nguồn khí tối đa 8 bar 3 Phạm vi điều chỉnh lưu lượng 0-1000 ml/giờ 3.2.2.2 Máy và dụng cụ cắt - Máy: Trung tâm gia công 5 trục DMG Mori Seiki DMU50 - Dụng cụ cắt Sandvik có lớp phủ TICN+AL2O3+TIN 3.2.2.3 Thiết bị và dụng cụ đo - Đo nhám: Mitutoyo Surftest JS-210; Đo lực Kistler 9139AA; Đo mòn: kính hiển vi quang học Keyence VHX-7000 Hình 3- 5 Surftest JS-210; Hình 3- 6 Kistler 9139AA; Hình 3- 7 Kính hiển vi VHX-7000 3.3 Đánh giá ảnh hưởng của các môi trường bôi trơn khác nhau tới độ nhám, lực cắt mòn dụng cụ cắt Để đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ (Vc, fz, ap) tới độ nhám bề mặt Ra, lực cắt Fc và lượng mòn mặt sau dụng cụ cắt Vb, ma trận Taguchi L27 được lựa chọn cho nghiên cứu thực nghiệm 3.3.1 Ma trận thực nghiệm Bảng 3- 5 Các biến khảo sát mòn dụng cụ với các mức giá trị tương ứng Biến Đơn vị Mô tả Mức 1 Mức 2 Mức 3 CL ap - Chế độ bôi trơn Dry MQL Flood Vc fz mm Chiều sâu cắt 0.1 0.5 0.9 m/ph Vận tốc cắt 60 150 240 mm/r Lượng chạy dao răng 0.02 0.06 0.10 Kết quả thực nghiệm được tổng hợp trong bảng 3-6 8 3.3.2 Tiến hành thực nghiệm Các thực nghiệm được tiến hành theo trình tự mô tả như hình 3-8 Hình 3- 8 Trình tự thực nghiệm Bảng 3- 7 Ma trận thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng chế độ công nghệ tới lực cắt riêng, độ nhám bề mặt và mòn dụng cụ cắt trong các điều kiện gia công khác nhau Biến khảo sát Chỉ tiêu đánh giá STT CĐBT Thông số công nghệ CL Vc fz ap Fc Ra Vb - (m/min) (mm/r) (mm) N µm µm 1 Dry 60 0.02 0.1 314.54 1.17 136.65 2 Dry 60 0.06 0.5 198.03 0.87 167.35 3 Dry 60 0.10 0.9 228.77 0.70 127.03 4 Dry 150 0.06 0.1 184.35 0.29 210.67 5 Dry 150 0.10 0.5 226.44 0.48 136.26 6 Dry 150 0.02 0.9 123.26 0.75 152.77 7 Dry 240 0.10 0.1 279.30 0.44 292.54 8 Dry 240 0.02 0.5 159.16 0.67 130.49 9 Dry 240 0.06 0.9 329.89 0.75 182.45 10 MQL 60 0.02 0.1 156.44 0.25 39.98 11 MQL 60 0.06 0.5 209.97 0.41 106.15 12 MQL 60 0.10 0.9 274.45 0.69 79.20 13 MQL 150 0.06 0.1 161.30 0.48 119.70 14 MQL 150 0.10 0.5 208.06 0.62 155.21 15 MQL 150 0.02 0.9 136.00 0.51 108.35 16 MQL 240 0.10 0.1 203.56 0.35 64.73 11 Hình 3- 12 Ảnh hưởng chéo giữa các thông số đầu vào với giá trị nhám Ra Bảng 3-8 Bảng phản ứng cho độ lệch chuẩn của độ nhám bề mặt Ra Mức CL Vc fz ap 1 0.2100 0.2540 0.1999 0.2232 2 0.1761 0.1450 0.2706 0.2547 3 0.2630 0.2502 0.1786 0.1712 Hệ số Delta 0.0869 0.1090 0.0920 0.0835 Xếp hạng 3 1 2 4 3.3.3.2 Ảnh hưởng tới lực cắt Fc Kết quả phân tích hình 3-12 cho thấy Fc khi gia công trong điều kiện bôi trơn tối thiểu thấp nhất và gia công khô là cao nhất trong hầu hết thực nghiệm Hình 3- 13 So sánh giá trị lực cắt Fc với các điều kiện bôi trơn khác nhau Ảnh hưởng của Vc tới Fc là cao nhất, tiếp theo là CL và fz Ảnh hưởng của ap tới Fc là không đáng kể 12 Hình 3- 14 Biểu đồ tương tác cho giá trị lực cắt Fc Xu thế thay đổi của Fc (Hình 3-14) khi gia công trong các điều kiện gia công khô, bôi trơn tối thiểu và tưới tràn khá giống nhau, trong đó giá trị lực cắt giảm khi Vc tăng từ mức 1 lên mức 2; và Fc tăng trở lại khi Vc tăng lên mức 3 Bảng 3-8 Bảng phản ứng cho độ lệch chuẩn của lực cắt Fc Mức CL Vc fz ap 145.41 1 180.29 77.75 149.10 165.35 181.40 2 134.35 118.48 157.75 35.99 3 177.53 295.94 185.32 4 Hệ số Delta 45.93 218.19 36.22 Xếp hạng 2 1 3 3.3.3.3 Ảnh hưởng tới lượng mòn mặt sau Vb Kết quả phân tích cho thấy lượng mòn mặt sau Vb khi gia công trong điều kiện bôi trơn tối thiểu nhỏ nhất trong hầu hết các thực nghiệm Ngược lại, giá trị lượng mòn mặt sau Vb khi gia công trong điều kiện gia công khô cao hơn trong hầu hết các thực nghiệm (hình 3-15) Hình 3-15 So sánh lượng mòn dụng cụ cắt (Vb) với các điều kiện gia công khác nhau 13 Kết quả phân tích thể hiện như bảng 3-10 và hình 3-16 cho thấy điều kiện bôi trơn CL có ảnh hưởng lớn nhất tới Vb, tiếp theo là fz và ap Xu thế thay đổi giá trị của Vb khi gia công trong điều kiện bôi trơn tối thiểu và tưới tràn là tương đồng (hình 3-16), trong đó (Vb) có xu thế tăng khi tăng vận tốc căt (Vc) từ 60 lên 150 m/ph, và có xu thế giảm khi tiếp tục tăng vận tốc cắt lên 240 m/ph Bảng 3-10 Bảng phản ứng cho độ lệch chuẩn của lượng mòn mặt sau Vb Mức CL Vc fz ap 20.34 1 47.63 27.55 20.13 29.83 44.42 2 26.60 26.92 29.29 24.08 3 20.36 40.12 45.17 3 Hệ số Delta 27.26 13.20 25.04 Xếp hạng 1 4 2 Hình 3-16 Biểu đồ tương tác cho giá trị lượng mòn mặt sau Vb Vb tăng khi tăng Vc từ 60 lên 150 m/ph, và tiếp tục tăng khi Vc tăng lên 150 m/ph Điều này là do nhiệt cắt tập trung lớn trong vùng gia công khi gia công khô, dẫn tới xu hướng gia tăng liên tục lượng mòn dụng cụ khi tăng vận tốc cắt 3.5 Kết luận chương 3 Từ kết quả thực nghiệm cho thấy gia công hợp kim Ti-6Al-4V cho thấy: (1) Gia công trong điều kiện MQL cho phép đạt được các giá trị Ra, Fc, Vb nhỏ hơn so với gia công khô và gia công tưới tràn Trong khi đó, các giá trị độ nhám (Ra), lực cắt (Fc) và lượng mòn mặt sau (Vb) là lớn nhất khi gia công trong điều kiện gia công khô - Giá trị độ nhám (Ra) khi phay trong điều kiện bôi trơn tối thiểu nhỏ hơn 27% so với tưới tràn và nhỏ hơn 31.5% so với khi gia công khô - Giá trị lực cắt (Fc) khi phay trong điều kiện bôi trơn tối thiểu nhỏ hơn 12.8% so với tưới tràn và nhỏ hơn 16.6% so với khi gia công khô - Giá trị lượng mòn dụng cụ (Vb) khi phay trong điều kiện bôi trơn tối thiểu nhỏ hơn 42.9% so với tưới tràn và nhỏ hơn 51% so với khi gia công khô 14 CHƯƠNG 4: TỐI ƯU HÓA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ KHI PHAY MẶT PHẲNG HỢP KIM TI-6AL-4V TRONG ĐIỀU KIỆN BÔI TRƠN TỐI THIỂU 4.1 Mục đích, nội dung nghiên cứu 4.1.1 Mục đích: Nghiên cứu trong chương này nhằm đạt được hai mục tiêu đích: (1) phân tích định lượng ảnh hưởng của một số thông số công nghệ và bôi trơn tối thiểu khi phay mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V và (2) tối ưu hóa bộ thông số công nghệ {Vc, fz, ap} và thông số bôi trơn tối thiểu {P; Q} bằng cách sử dụng kết hợp SVR-NSGA II-TOPSIS 4.1.2 Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu ảnh hưởng của của thông số công nghệ bao gồm vận tốc cắt Vc, lượng chạy dao răng (fz), chiều sâu cắt (ap) và thông số bôi trơn tối thiểu gồm lưu lượng dầu bôi trơn (Q), áp suất nguồn khí (P) tới một số chỉ tiêu công nghệ quá trình phay mặt phẳng gồm độ nhám bề mặt (Ra), lực cắt (Fc) và tốc độ loại bỏ vật liệu (MRR) Tối ưu hóa đa mục tiêu quá trình phay mặt phẳng hợp kim Ti-6Al-4V Trong nội dung nghiên cứu này, giá trị mòn dụng cụ cắt không được khảo sát và tối ưu hóa do giá trị mòn dụng cụ là chỉ tiêu khó định lựơng chính xác 4.2 Xây dựng ma trận thực nghiệm và tổ chức thực nghiệm 4.2.1 Xác định các thông số thực nghiệm Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của các thông số công nghệ {Vc, fz, ap} và bôi trơn tối thiểu {P; Q} tới các tiêu chí (Ra, Fc, MRR) sẽ được nghiên cứu Thông số công nghệ quá trình phay Bảng 4- 1 Bảng tổng hợp các biến khảo sát và giá trị các mức tương ứng Biến Đơn vị Mô tả Mức 1 Mức 2 Mức 3 P Bar Áp suất khí 1 3 5 Q ml/giờ Lưu lượng dung dịch tưới nguội 50 100 150 ap mm Chiều sâu cắt 0.1 0.5 0.9 Vc m/ph Vận tốc cắt 60 150 240 fz mm/r Lượng chạy dao răng 0.02 0.06 0.10 4.2.2 Xây dựng ma trận thực nghiệm Trong nghiên cứu này, phương pháp Taguchi được lựa chọn nhằm giảm thiểu số thực nghiệm nhưng vẫn đảm bảo được độ tin cậy của nghiên cứu Với 5 biến số 3 mức được khảo sát, ma trận thực nghiệm L27 được xây dựng thể hiện như bảng 4-2 15 4.2.3 Tổ chức thực nghiệm Các thực nghiệm được thực hiện tuần tự theo ma trận thực nghiệm, trong đó mỗi thực nghiệm được cắt 2 lớp: (1) cắt thô – với chế độ cắt và chiều sâu cắt giống nhau cho tất cả các thực nghiệm, nhằm đảm bảo độ phẳng của phôi trong lần cắt tinh (2) cắt tinh, là lớp cắt được thực hiện với chế độ cắt tương ứng với số thứ tự trong ma trận thực nghiệm 4.2.4 Kết quả thực nghiệm Bảng 4- 3 Ma trận thực nghiệm Taguchi L27 (3^13) STT P Q Vc fz ap Ra Fc MRR Bar ml/giờ m/phút mm/r mm3/ph mm µm N 1 1 50 60 0.02 0.1 0.157 85.863 54.60 2 1 50 60 0.02 0.5 0.170 156.055 272.98 3 1 50 60 0.02 0.9 0.164 265.870 491.36 4 1 100 150 0.06 0.1 0.234 142.638 409.46 5 1 100 150 0.06 0.5 0.207 264.657 2047.32 6 1 100 150 0.06 0.9 0.239 453.540 3685.17 7 1 150 240 0.1 0.1 0.481 116.257 1091.90 8 1 150 240 0.1 0.5 0.545 317.218 5459.51 9 1 150 240 0.1 0.9 0.653 628.896 9827.12 10 3 50 150 0.1 0.1 0.350 118.840 682.44 11 3 50 150 0.1 0.5 0.416 141.163 3412.19 12 3 50 150 0.1 0.9 0.476 211.536 6141.95 13 3 100 240 0.02 0.1 0.184 149.629 218.38 14 3 100 240 0.02 0.5 0.197 237.397 1091.90 15 3 100 240 0.02 0.9 0.276 391.824 1965.42 16 3 150 60 0.06 0.1 0.212 126.610 163.79 17 3 150 60 0.06 0.5 0.220 243.248 818.93 18 3 150 60 0.06 0.9 0.204 379.741 1474.07 19 5 50 240 0.06 0.1 0.247 92.917 655.14 20 5 50 240 0.06 0.5 0.388 100.872 3275.71 21 5 50 240 0.06 0.9 0.763 136.224 5896.27 22 5 100 60 0.1 0.1 0.650 159.149 272.98 23 5 100 60 0.1 0.5 0.695 267.386 1364.88 24 5 100 60 0.1 0.9 0.663 454.039 2456.78 25 5 150 150 0.02 0.1 0.168 101.847 136.49 26 5 150 150 0.02 0.5 0.173 173.709 682.44 27 5 150 150 0.02 0.9 0.179 266.895 1228.39 16 4.3 Ảnh hưởng của thông số công nghệ và bôi trơn tới giá trị nhám bề mặt, lực cắt và tốc độ loại bỏ vật liệu 4.3.1 Ảnh hưởng của thông số công nghệ và bôi trơn tối thiểu đến giá trị nhám bề mặt (Ra) Dữ liệu thực nghiệm về ảnh hưởng của chế độ cắt và chế độ bôi trơn tối thiểu tới độ nhám bề mặt được phân tích bởi phần mềm MiniTab 19 Kết quả phân tích ANOVA của giá trị độ nhám (Ra) với các thông số công nghệ quá trình cắt gọt và quá trình bôi trơn được trình bày trong bảng 4-4 Bảng 4- 4 Phân tích ANOVA độ nhám bề mặt Ra Source DF Seq SS Contribution Adj SS Adj MS F- P- Value Value Regression 14 0.97425 96.02% 0.974251 0.069589 20.66 0.000 P 12.08 0.005 Q 1 0.06464 6.37% 0.040683 0.040683 3.91 0.071 Vc 25.07 0.000 fz 1 0.00480 0.47% 0.013180 0.013180 0.21 0.653 ap 1.04 0.328 P*P 1 0.01991 58.20% 0.084440 0.084440 16.04 0.002 Q*Q 2.88 0.115 Vc*Vc 1 0.59057 1.96% 0.000716 0.000716 21.69 0.001 fz*fz 7.51 0.018 ap*ap 1 0.04864 4.79% 0.003498 0.003498 0.42 0.528 P*ap 3.15 0.101 Q*ap 1 0.05402 5.32% 0.054017 0.054017 5.55 0.036 Vc*ap 14.69 0.002 fz*ap 1 0.00971 0.96% 0.009707 0.009707 1.01 0.335 S 1 0.07304 7.20% 0.073041 0.073041 AICc BIC 0.0580364 -12.59 -46.26 1 0.02531 2.49% 0.025307 0.025307 1 0.00142 0.14% 0.001421 0.001421 1 0.01060 1.04% 0.010603 0.010603 1 0.01870 1.84% 0.018696 0.018696 1 0.04949 4.88% 0.049494 0.049494 1 0.00340 0.34% 0.003400 0.003400 Model Summary R-sq R-sq(adj) PRESS R-sq(pred) 96.02% 91.37% 0.271227 73.27% Kết quả phân tích ANOVA cho thấy Vc ảnh hưởng lớn nhất đến Ra với trọng số khoảng 58,2% Tiếp theo là ảnh hưởng P và ap với trọng số lần lượt là 6,37% và 4,79% Cùng với đó là các ảnh hưởng tác động chéo giữa các thông số, nổi bật là tác động chéo giũa Vc à ap, chiếm 4,88% Ảnh hưởng của các thông số khác là không đáng kể Ảnh hưởng của vận tốc cắt (Vc): Ngoài yếu tố hình học, Vc có ảnh hưởng lớn nhất tới lượng mòn dụng cụ cắt khi gia công phay hợp kim Ti-6Al-4V còn có thể được giải thích bởi những sự gia tăng nhiệt độ rất lớn tại vùng cắt khi tăng vận tốc cắt, dẫn tới lượng mòn dụng cụ cắt tăng, làm gia tăng giá trị độ nhám bề mặt 17 Hình 4- 5 Biểu đồ khoảng tin cậy 95% của độ nhám Ra với vận tốc cắt Vc Biểu đồ hình 4-5 cho thấy Ra giảm khi tăng Vc từ 60m/ph lên 150m/ph và tiếp tục tăng khi Vc tăng lên 240m/ph Sự thay đổi này là do sự hao mòn dụng cụ cắt lớn và do biến dạng cơ, nhiệt ở nhiệt độ cao Ngoài ra, việc gia tăng Vc có thể dẫn tới các hạt dầu bôi trơn được truyền vào không đồng đều, làm giảm hiệu quả bôi trơn, làm tăng ma sát và nhiệt cắt, từ đó dẫn tới tăng giá trị Ra Ảnh hưởng của áp suất nguồn khí (P): P có vai trò quan trọng trong việc hình thành các hạt dầu bôi trơn và ảnh hưởng lớn tới khả năng đưa các hạt dầu vào vùng bôi trơn, từ đó nâng cao hiệu quả bôi trơn, làm giảm ma sát, giả nhiệt cắt trong quá trình gia công nói chung Hình 4- 6 Biểu đồ khoảng tin cậy 95% của Ra với P Biểu đồ 4-6 cho thấy xu thế giảm Ra khi tăng P từ 1 lên 3 bar và tăng trở lại khi tiếp tục tăng P lên 5 bar Điều này cho thấy, áp suất phù hợp, đủ để phân tán dầu bôi trơn lên bề mặt có ảnh hưởng quan trọng tới giá trị độ nhám bề mặt Áp suất khí quá nhỏ có thể dẫn tới dầu bôi trơn không được phân tán đủ rộng trong vùng gia công hoặc áp suất khí không đủ lớn để đưa các hạt dầu bôi trơn vào vùng cắt 18 Như vậy, việc lựa chọn bộ thông số công nghệ và bôi trơn phù hợp, đặc biệt là vận tốc cắt (Vc), áp suất nguồn khí nén (P) có vai trò rất quan trọng tới chất lượng bề mặt gia công 4.3.2 Ảnh hưởng của thông số công nghệ và bôi trơn tối thiểu đến lực cắt Fc Kết quả phân tích ANOVA trong bảng 4-5 cho thấy ap ảnh hưởng lớn nhất tới Fc, với mức đóng góp là 51.39%; tiếp theo là ảnh hưởng của lưu lượng Q và P và fz, tương ứng với các tỉ lệ góp ảnh hưởng lần lượt là 12.79%, 5.38% và 4.01% Trong khi đó, ảnh hưởng của Vc là không đáng kể Ảnh hưởng của chiều sâu cắt (ap) tới lực cắt (Fc) được thể hiện trong biểu đồ hình 4-7 Có thể nhận thấy xu hướng tăng của lực cắt khi giá trị chiều sâu cắt tăng Điều này phù hợp với lý thuyết gia công cắt gọt, trong đó chiều sâu cắt lớn hơn sẽ tạo da diện tích cắt lớn hơn, dẫn đến việc gia tăng công biến dạng dẻo để loại bỏ lớp vật liệu lớn hơn, tức là yêu cầu lực cắt lớn hơn Bảng 4- 5 Phân tích ANOVA lực cắt Fc Source DF Seq SS Contribution Adj SS Adj MS F- P- Value Value Regression 14 458244 96.60% 458244 32731.7 24.35 0.000 P 0.12 0.739 Q 1 25535 5.38% 156 156.2 23.47 0.000 Vc 4.34 0.059 fz 1 60678 12.79% 31544 31544.5 1.62 0.228 ap 0.55 0.471 P*P 1 61 0.01% 5839 5838.9 0.47 0.507 Q*Q 26.11 0.000 Vc*Vc 1 19038 4.01% 2173 2173.2 4.31 0.060 fz*fz 1.81 0.203 ap*ap 1 243792 51.39% 744 743.8 3.16 0.101 P*ap 15.52 0.002 Q*ap 1 627 0.13% 627 627.3 23.43 0.000 Vc*ap 0.30 0.591 fz*ap 1 35101 7.40% 35101 35101.2 6.07 0.030 S 1 5798 1.22% 5798 5798.1 AICc BIC 36.6625 1 2436 0.51% 2436 2435.9 335.62 301.96 1 4247 0.90% 4247 4247.2 1 20859 4.40% 20859 20858.6 1 31499 6.64% 31499 31499.1 1 410 0.09% 410 409.7 1 8163 1.72% 8163 8162.7 Model Summary R-sq R-sq(adj) PRESS R- sq(pred) 96.60% 92.63% 116189 75.51% Ngoài ra, do đặc trưng độ bền nhiệt và độ cứng cao, trong quá trình gia công hợp kim Ti-6Al-4V, độ cứng của vật liệu duy trì ngay cả khi vận tốc cắt tăng, nhiệt độ vùng cắt tăng, đòi hỏi lực cắt lớn hơn để bóc tách vật liệu Đây là điểm khác biệt khi gia công vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V khi so sánh với gia công thép các bon thông thường