Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến khả năng làm sạch bavia bằng dòng hạt mài (AFM)

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA CÔNG BẰNG DÒNG HẠT MÀI AFM Giới thiệu phương pháp gia công tinh bằng dòng hạt mài Abrasive flow machining - AFM Phương pháp AFM phương pháp gia công bằn

TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA CÔNG BẰNG DÒNG HẠT MÀI (AFM)

Giới thiệu phương pháp gia công tinh bằng dòng hạt mài (Abrasive flow machining - AFM)

Phương pháp AFM (phương pháp gia công bằng dòng hạt mài) là một quá trình gia công phi truyền thống được sử dụng năng lượng hạt mài để loại bỏ ba-via (hình 1.1) , cải thiện bề mặt, loai bỏ nhiệt của các lớp cắt, đánh bóng hoàn thiện các biên dạng phức tạp bên trong, ví dụ như cải thiện các đường dẫn khí bên trong các van, đường ống, các tấm phân phối lưu lượng, đầu phun,…bằng dung dich hạt mài

Mục tiêu của phương pháp gia công này là gia công ở cấp độ nano các chi tiết nhưng nó cần thời gian dài Extrude Hone Tổng công ty của Mỹ vào năm 1960 phát triển khái niệm về AFM để gia công tinh các chi tiết trong lĩnh vực không gian vũ trụ với độ chính xác yêu cầu Ngày nay gia công dòng hạt mài được coi là một trong những phương pháp tốt nhất cho việc gia công tinh các biên dạng hình học phức tạp mà không thể đạt được bằng các công cụ của các phương pháp gia công truyền thống như hình 1.2

Hình 1.1 Nguyên lý gia công bằng dòng hạt mài

2 Hình 1.2 Các bước gia công của phương pháp bằng dòng hạt mài

Các dạng máy gia công tinh bằng dòng hạt mài

Các thành phần chính của máy làm sạch bavia bằng dòng hạt mài bao gồm máy chính, dụng cụ và môi trường mài mòn Cơ chế loại bỏ vật liệu bao gồm ba dạng biến dạng : biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo hoặc sự bào mòn và cắt nhỏ vật liệu Các chế độ biến dạng này phụ thuộc nhiều vào cường độ cắt của các lực tác động lên từng hạt mài mòn và độ sâu mép của việc làm mòn phôi Hình 1.3 cho thấy cơ chế loại bỏ vật liệu của quá trình AFM [1]

Hình 1.3 Cơ chế bóc vật liệu của gia công bằng dòng hạt mài

Dựa trên chuyển động của môi trường mài mòn, các máy gia công bằng dòng hạt mài mòn được phân thành ba loại:

3 1 One – way AFM: AFM một chiều: Vật liệu mài mòn được đẩy theo một hướng như thể hiện trong hình 1.4 (a)

2 Two – way AFM:AFM hai chiều: môi trường mài mòn có thể thay đổi chiều tới hoặc lùi như thể hiện trong hình 1.4 (b)

3 Orbital AFM: Rung động quỹ đạo nhỏ được áp dụng cho phôi như thể hiện trong hình 1.4 (c) a) AFM một chiều b) AFM hai chiều c) AFM rung động

Hình 1.4 Các loại máy gia công bằng dòng hạt mài

Các phương pháp gia công mở rộng có ứng dụng phương pháp gia công bằng dòng hạt mài

Các nhà nghiên cứu tại viện nghiên cứu kỹ thuật Madras của Ấn Độ đã báo cáo AFM là một quá trình chậm vì tổng thời gian để đạt được độ tinh của bề mặt gia công là dài và tỷ lệ loại bóc vật liệu thấp (MRR) Để nâng cao hiệu suất của quá trình AFM, nhiều nhà nghiên cứu đã phát triển các quy trình gia công hỗn hợp, trong đó các quy trình gia công khác nhau được kết hợp với quy trình gia công AFM để đạt được MRR cao hơn và yêu cầu bề mặt hoàn thiện trong thời gian ngắn hơn Một số sự phát triển gần đây trong quá trình lai AFM được trình bày trong phần này [1]

Các nhà nghiên cứu đã phát triển phương pháp gia công dòng hạt mài có từ tính (MAFM) để cải thiện tỷ lệ loại bỏ vật liệu và giảm độ nhám bề mặt bằng cách áp dụng một từ trường xung quanh phôi Kỹ thuật ANOVA đã được sử dụng để xác định các thông số quan trọng nhất - mật độ chuyển biến của từ, tốc độ dòng chảy, số chu kỳ, lượng dòng chảy trung bình, kích thước hạt mài mòn, nồng độ hạt mài và tỷ lệ giảm Cải thiện độ bóng bề mặt và MRR được quan sát thấy trong MAFM so với AFM Sơ đồ mạch của MAFM được thể hiện trong hình 1.5(a)

4 Theo như nghiên cứu của tác giả Singh và Shan đã khám phá tính lưu biến của quá trình gia công tinh bằng dòng hạt mài có từ tính (MRAFF) để gia công tinh các hình dạng bên trong các chi tiết phức tạp như thể hiện trong hình 1.5(b) Trong quá trình này, chất làm bóng nhờ do từ tính bao gồm bột cacbonyl sắt và chất mài mòn silicon carbide được trộn với dung dịch mỡ bazơ có tính nhớt và dầu khoáng dùng để gia công tinh các chi tiết bằng thép không rỉ Không cải thiện khi gia công bề mặt tại điều kiện từ trường bằng không và đã cải thiện 30% khi gia công tinh bề mặt tại cường độ từ trường cao

Hai nhà nghiên cứu Jha và Jain đã cố gắng để cải thiện hiệu suất của quá trình AFM bằng cách áp dụng lực ly tâm trên môi trường hạt mài bằng cách đưa lực quay ly tâm quay tạo thành hình trụ khi di chuyển qua đoạn phôi.Quá trình này được gọi là gia công dòng hạt mài có hỗ trợ lực ly tâm (CFAAFM) như thể hiện trong hình 1.5(c)

(a) Sơ đồ của MAFM (b) Sơ đồ của MRAFF (c) Sơ đồ của CFAAFM

Hình 1.5 Các phương pháp gia công dòng hạt mài mở rộng

Nhóm nghiên cứu gồm Dabrowski và các cộng sự đã phát triển quá trình gia công điện hóa (Electro-Chemical) hỗ trợ cho gia công bằng dòng hạt mài (ECAFM) bằng cách sử dụng các chất điện phân polyme để làm phẳng các bề mặt phẳng như thể hiện trong hình 1.6 (a) Độ dẫn ion của chất điện phân trong quá trình này thấp hơn độ dẫn của các chất điện phân được sử dụng trong quá trình gia công điện hóa thông thường ECM) Việc bổ sung các chất vô cơ lên các chất điện phân ở dạng mài mòn làm giảm độ dẫn điện nhiều hơn Những cân nhắc này giải thích tại sao khoảng cách giữa các điện cực qua chất điện phân polyme bị ép phải nhỏ Điều này dẫn đến kết quả là điện trở dòng chảy lớn hơn của chất điện phân polyme, có dạng chất lỏng bán lỏng Các chất điện phân

5 polymer như các chất đặt polyme và nước dựa trên acryloamide được sử dụng cho các cuộc thực nghiệm Để tăng cường hiệu suất của phương pháp gia công bằng dòng hạt mài Shankar và các cộng sự đã giới thiệu một khái niệm về môi trường quay dọc theo trục của nó để đạt được tốc độ gia công tinh và loại bỏ vật liệu cao hơn và quá trình này được gọi là Drill-Bit Guided-Abrasive Flow Finishing (DBG-AFF) process như thể hiện trong hình 1.6(b) Các thí nghiệm được tiến hành trên vật liệu phôi AISI 1040 và AISI 4340 Tốc độ gia công tinh và tỷ lệ loại bỏ vật liệu cao hơn được quan sát thấy trong Quá trình DBG- AFF so với quá trình gia công bằng dòng hạt mài (AFM)

Shankar và các cộng sự đã phát triển quy trình gia công bằng dòng hạt mài quay Rotational-Abrasive Flow Finishing (R-AFF).Trong quá trình này một phôi được xoay ở tốc độ nhất định để tăng cường hiệu suất của quá trình gia công tinh Các thí nghiệm đã được thực hiện bằng cách sử dụng (central composite rotatable design ) thiết kế thực nghiệm và các phản ứng được vẽ bằng kỹ thuật mô phỏng bề mặt đáp ứng (RSM) Sơ đồ mạch của quá trình R-AFF như thể hiện trong hình 1.6(c)

(a) Sơ đồ của ECAFM (b) Sơ đồ của DBG-AFF (c) Sơ đồ của R-AFF

Hình 1.6 Các phương pháp gia công dòng hạt mài mở rộng

Tiếp tục, Sharma và các cộng sự đã đưa ra quá trình gia công bằng dòng hạt mài có ứng dụng sóng siêu âm (UAAFM), trong đó phôi phải chịu sự rung động siêu âm vuông góc với hướng phương tiện Hình 1.7(a) minh hoạ sơ đồ quy trình của UAAFM

6 Sau đó, Sharma và các cộng sự đã đề xuất quá trình gia công tinh bằng dòng hạt mài (RMRAFF) để nâng cao hiệu quả gia công tinh của phương pháp MRAFF Trong quá trình này, một chuyển động xoay và chuyển động qua lại được cung cấp cho môi trường mài bằng từ trường quay và bộ phận thủy lực như thể hiện trong hình 1.7(b) Mặt phẳng mịn và tính đối xứng giống như được quan sát trong cả hai mặt bằng thép không rỉ và bằng đồng

(a) Sơ đồ của UAAFM (b) Sơ đồ của R-MRAFF

Hình 1.7 Các phương pháp gia công dòng hạt mài mở rộng

Các nghiên cứu về phương pháp gia công bằng dòng hạt mài (AFM)

 Đầu tiên là thí nghiệm về sự lựa chọn tối ưu các điều kiện gia công bằng dòng hạt mài sử dụng mạng trí tuệ nhân tạo do hai nhà nghiên cứu Rajendra Kumar Jain, Vijay Kumar Jain thực hiện năm 2000 [2]

Bài báo này trình bày việc sử dụng mạng trí tuệ nhân tạo cho mô hình hóa và lựa chọn tối ưu các thông số đầu vào của quá trình AFM Thứ nhất, một mạng trí tuệ nhân tạo lan truyền tổng quát với bốn đầu vào, hai đầu ra và một lớp ẩn đã được sử dụng để thiết lập mô hình quy trình Một mạng thứ hai, xác định các thông số gia công tối ưu tương ứng bằng cách giảm thiểu một chỉ số hiệu năng phụ thuộc vào các ràng buộc hoạt động thích hợp Kết quả mô phỏng xác nhận tính khả thi của cách tiếp cận này và thể hiện sự đồng thuận tốt với các kết quả thí nghiệm đối với nhiều điều kiện gia công Để xác nhận kết quả tối ưu hóa của phương pháp tiếp cận mạng thần kinh, quá trình tối ưu hóa quá trình AFM cũng đã được thực hiện bằng thuật toán di truyền

7 Mô hình hóa và tối ưu hóa quá trình là những vấn đề rất quan trọng trong kỹ thuật sản xuất Quá trình gia công thường quá phức tạp đối với sự đảm bảo mô hình phân tích thích hợp và hầu hết thời gian dài, các mô hình phân tích được phát triển dựa trên nhiều giả định mâu thuẫn với thực tế Quan trọng hơn, đôi khi rất khó để điều chỉnh các thông số của mô hình theo tình hình thực tế của quy trình gia công Do sự phức tạp của quá trình gia công, tối ưu hóa cũng như kiểm soát tối ưu là rất khó để thực hiện Do đó, mạng trí tuệ nhân tạo có thể lập bản đồ các mối quan hệ đầu vào / đầu ra và có khả năng tính toán song song lớn, đã thu hút nhiều sự chú ý trong nghiên cứu về quá trình gia công

MỤC TIÊU, NỘI DUNG, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Mục tiêu nghiên cứu

Xác định ảnh hưởng của các thông số đầu vào của phương pháp gia công tinh bằng dòng hạt mài, trên cơ sở đó xác định được chế độ sử dụng hợp lý của máy

Các thông số đầu vào của phương pháp gia công bằng dòng hạt mài :

 Tỉ lệ thể tích giữa dung dịch polymer và thể tích của hạt mài

 Kích thước hạt và sự phân bố kích thước hạt

 Bề mặt hoá học của hạt

 Độ nhớt của dung dịch mang hạt mài

 Nhiệt độ Đề tài này sẽ nghiên cứu và làm thí nghiệm để khảo sát 3 thông số đầu vào có ảnh hưởng đến chất lượng của chi tiết sau khi gia công bằng dòng hạt mài:

 Tỉ lệ thể tích giữa dung dịch polymer và thể tích của hạt mài

Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu thực nghiệm để xác định quy luật ảnh hưởng của 3 thông số đầu vào đến chất lượng của sản phẩm Ở đây ta nghiên cứu thực nghiệm với các sản phẩm có các lỗ khoan giao nhau, sau khi khoan ta khảo sát độ nhám và bavia của các lỗ khoan đó

Ta thay đổi 1 trong 3 thông số ở trên rồi xem xét kết quả thực nghiệm của sản phẩm, sau đó đánh giá độ nhám và khả năng làm sạch bavia tương ứng với 3 thông số đã chọn Tiếp tục làm thực nghiệm với sự thay đổi các thông số còn lại để thấy được kết quả khác nhau của sản phẩm sau khi thí nghiệm Để thấy rõ hơn sự ảnh hưởng của các thông số gia công đến chất lượng của sản phẩm ta dùng kính hiển vy để quan sát và chụp ảnh lại tại các vị trí giao nhau giữa các lỗ

27 Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm giải bài toán tối ưu để xác định chế độ sử dụng hợp lý cho các thông số đầu vào khi gia công trên máy.

Đối tượng nghiên cứu 1 Kích thước và hình dạng mẫu thí nghiệm 1 Kích thước và hình dạng mẫu thí nghiệm

Hình 2.1 Chi tiết làm thí nghiệm

Mẫu thớ nghiệm là một chi tiết hỡnh trụ trũn đường kớnh ỉ50 dài 60, được khoan 2 lỗ ỉ5 và ỉ20 như hỡnh 2.1

2.3.2 Vật liệu mẫu thí nghiệm

 Vật liệu : hợp kim Al-Zn Thành phần nguyên tố của mẫu vật liệu :

Nguyên tố Si Fe Cu Mn Mg Zn Pb Al

 Hạt mài : kích thước hạt mài 0.3mm Sàng

 Dung dịch polymer Thành phần Poli sacarite H20 Parafine Nano bạc PVA

 Dung dịch hạt mài Dung dịch hạt mài là dung dịch của polymer và hạt mài trộn lại với nhau Ở đây dung dich hạt mài được trộn với tỉ lệ thể tích 1/3 và 2/3

Hình 2.2 Dung dịch polymer và hạt mài được trộn lại với nhau

Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong đề tài

Nội dung chủ yếu chọn phương pháp quy hoạch thực nghiệm là trả lời cho câu hỏi: ở các mức giá trị nào và sự kết hợp như thế nào giữa các nhân tố trong thực nghiệm

Thực nghiệm khi số mức thay đổi của tất cả các nhân tố như nhau và tất cả sự tổ hợp này đều được sử dụng để nghiên cứu, gọi là thực nghiệm nhân tố toàn phần

Nếu số mức thay đổi nhân tố là 2, và số nhân tố là k thì số thực nghiệm phải thực hiện là N=2 k Theo kết quả TNT 2 k ta có thể nhận được phương trình hồi quy tuyến tính

Phương trình này có thể bổ sung thêm các thành phần là tích các nhân tố TNT được sử dụng rộng rãi trong giai đoạn đầu tiên nghiên cứu thực nghiệm đối tượng : xác định xem nhân tố nào ảnh hưởng nhiều nhất đến đối tượng nghiên cứu

2.4.1 Quy hoạch thực nghiệm toàn phần

Trong lý thuyết quy hoạch thực nghiệm thì thực nghiệm nhân tố toàn phần (TNT) có rất nhiều ưu điểm so với các dạng quy hoạch khác :

 Ước lượng độc lập các hệ số phương trình hồi quy

 Phương sai chính là nhỏ nhất

 Đơn giản xử lý kết quả thực nghiệm Các ưu điểm này là do một số tính chất đặc biệt của ma trận thực nghiệm

Ma trận thực nghiệm TNT 2 k với các nhân tố được mã hoá có các đặc tính sau:

 Tính đối xứng với tâm quy hoạch Tổng đại số các phần tử cột của bất kỳ nhân tố nào cũng đều bằng 0 ij 1

Trong đó : xij – giá trị nhân tố i trong thực nghiệm thứ j ; i=1,2,….k ; j=1,2,……N

N – số thực nghiệm trong quy hoạch

 Tính chuẩn hoá Tổng bình phương các phần tử cột của một nhân tố bất kỳ bằng số thực nghiệm N

 Tính trực giao Tổng của tích 2 cột bất kỳ trong ma trận quy hoạch bằng

0 Ví dụ trong trường hợp thực nghiệm nhân tố toàn phần ij uj 1

 là số các nhân tố (2.4)

Xây dựng TNT 2 k đơn giản nhất cho trường hợp 2 nhân tố X1 và X2 với miền thay đổi nhân tố này là

30 Bảng 2.1 : TNT với 2 nhân tố

N 0 Giá trị nhân tố tự nhiên Giá trị đại lượng đầu ra

Khi miền thay đổi giá trị thực Xi

Với Xi max gọi là giới hạn trên nhân tố, Xi min gọi là giới hạn dưới nhân tố Mức giữa nhân tố gọi là Xi (0) hoặc gọi là mức cơ sở

Hiệu   1 X imax X i (0)  X i (0) X i min gọi là khoảng thay đổi nhân tố Xi

Giá trị nhân tố mã hoá được xác định theo công thức :

Với Xi – giá trị thật xi – giá trị mã hoá Xi, khi đó xi có các giá trị +1,0,-1 Bảng 2.2 : TNT với 2 nhân tố dạng mã hoá

N 0 Giá trị nhân tố mã hoá Giá trị đại lượng đầu

31 Hình 2.3 Miền giá trị các nhân tố a) Dạng tự nhiên ; b) Mã hoá Tập hợp các điểm nằm trong hình chữ nhật 1234 gọi là miền thay đổi các nhân tố

( hình 2.3a) Khi chuyển sang nhân tố được mã hoá, chúng thay đổi trong miền sau :

-1  xi  +1 với i=1,2 Khi đó miền thay đổi các nhân tố nằm trong hình vuông 1234(hình 2.3b)

Các điểm trên các đỉnh hình 2.3a tương ứng với ma trận thực nghiệm (bảng 2.1),các điểm trên các đỉnh hình vuông 2.3b tương ứng với ma trận thực nghiệm (bảng 2.2)

2.4.2 Tính toán hệ số hồi quy Để xác định các hệ số phương trình hồi quy của TNT ta sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất Sử dụng phương pháp này ta giải hệ phương trình với p ẩn số (p là số hệ số phương trình hồi quy)

32 Tính chất từ 1-3 (công thức 2.2, 2.3, 2.4) của TNT giúp cho việc xác định các hệ số phương trình hồi quy trở thành dễ dàng hơn Đầu tiên ta tìm các hệ số phương trình hồi quy được viết dưới dạng mã hoá

Công thức xác định các hệ số tuyến tính phương trình hồi quy b1, b2……bk có dạng :

2.4.3 Tính tương tác các nhân tố theo kết quả TNT 2 k

Trong nhiều trường hợp mức độ ảnh hưởng một nhân tố phụ thuộc vào mức giá trị nhân tố khác

TNT 2 k cho phép ngoài các hệ số tuyến tính hồi quy ta cần ước lượng tất cả tương tác giữa các nhân tố Đầu tiên ta khảo sát trường hợp với 2 nhân tố : chỉ có 1 cặp tác dụng lẫn nhau duy nhất giữa 2 nhân tố x1, x2 Hệ số b12 khi đó có thể đánh giá theo kết quả TNT Như thế phương trình hồi quy có dạng :

Như thế trong mô hình trên số hệ số p=4 và nó bằng với số thí nghiệm N=4 Do đó phương trình (*) gọi là phương án bão hoà (đầy đủ) Đánh giá tương tác các nhân tố bằng tính chất của ma trận hàm cơ sở TNT Ta lập ma trận thực nghiệm với TNT 2 2 trong các ký hiệu được mã hoá (Bảng 2.3)

33 Bảng 2.3 : Ma trận thực nghiệm

N 0 Nhân tố và tương tác đôi y x0 x1 x2 x1 x2

+1 -1 -1 +1 y1 y2 y3 y4 Ước lượng hệ số tương tác b12 Để tính chúng ta sử dụng cột x1 x2 trong bảng 5.1

(2.8) Đối với quy hoạch trong bảng 5.1 thì b12 xác định theo công thức :

Trong trường hợp tổng quát (quy hoạch 2 k , hệ số biu xét đến tương tác nhân tố xi , xu)

(2.9) Đối với thực nghiệm 3 nhân tố, ngoài 3 hệ số tương tác kép x1x2 , x1x3 , x2x3 ta còn tương tác 3 nhân tố x1x2x3, gọi là tương tác bậc 2 Mô hình khi đó có dạng :

0 1 1 2 2 3 3 12 1 2 13 1 3 23 2 3 123 1 2 3 yb b x b x b x b x x b x x b x x b x x x (2.10) Vì p=N, nên mô hình trên bão hoà Để tìm giá trị hệ số b123 ta sử dụng cột x x x 1 2 3 trên ma trận quy hoạch (bảng 2.4)

34 Bảng 2.4: Ma trận thực nghiệm với tương tác bậc 2

N x 0 Nhân tố Tương tác bậc 1 Tương tác bậc 2

Trong trường hợp tổng quát có k nhân tố, số tương tác đôi (bậc 1) được xác định theo công thức

2.4.4 Phân tích thống kê mô hình hồi quy thu được theo TNT

Tính chất 2.1 – 2.3 (công thức 2.2 – 2.4) ma trận TNT làm đơn giản không chỉ tính toán hệ số phương trình hồi quy, mà còn phân tích thống kê mô hình hồi quy

Ma trận (X T X) -1 là ma trận đường chéo Theo kết quả thì tất cả covarian giữa các hệ số hồi quy bằng 0 (tính trực giao) Do đó, các hệ số phương trình hồi quy độc lập và không cần tính lại các hệ số phương trình hồi quy khi loại bỏ các hệ số không ý nghĩa

Ngoài ra, phương sai của tất cả hệ số phương trình hồi quy bằng nhau và xác định theocông thức : a) Khi số thí nghiệm lặp n bằng nhau

Trong đó : s 2 {y} - ước lượng phương sai tái hiện

N – số thực nghiệm chính b) Khi không có số nghiệm lặp:

Khi số thí nghiệm lặp n bằng nhau vẫn giữ các tính chất (5.2) – (5.4) của ma trận quy hoạch và có tất cả ưu điểm của TNT Công thức tính các hệ số vẫn đúng trong trường hợp giá trị đáp ứng thu được lấy theo giá trị trung bình các thí nghiệm lặp y

Khi số thí nghiệm lặp không bằng nhau sẽ vi phạm tính trực giao quy hoạch Khi đó ta không thể sử dụng các công thức cho TNT để tính các hệ số Để tính các hệ số cần sử dụng phương trình tổng quát Để ước lượng ý nghĩa của hệ số phương trình hồi quy ta sử dụng tiêu chuẩn Student

Khi loại bỏ các hệ số không ý nghĩa ta không cần tính lại các hệ số phương trình hồi quy

Kiểm tra tính thích hợp phương trình hồi quy cũng tương tự trường hợp tổng quát

CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 3.1 Tính áp lực cắt và lực tác dụng

Tìm hiểu tính áp lực cắt do hạt mài tạo ra trong AFM

Ta tiến hành phân tích và tính lực của một hạt mài theo mô hình lý thuyết mài mòn của Shaw [19] với giả sử:

- Hạt mài được xem xấp xỉ là hình cầu

- Lực tác dụng lên bề mặt chi tiết (W) cho một hạt hình cầu để nó thâm nhập vào bề mặt phôi

- Sự di chuyển của một phân tử hạt mài trong một pham vi đang xét là đường thẳng

Khi đó lực W được xác định theo công thức: W  b H 2 w (3.1)[19]

- t : là độ sâu của hạt mài xâm nhập vào bề mặt phôi (Hình 3.1) (xác đinh theo công thức (3.3)

- dg là đường kính của hạt mài - W là lực tác dụng lên bề mặt phôi - b là bề rộng dây cung của phần tiếp xúc của hạt mài và bề mặt phôi tính theo công thức (3.2) - Hw là độ cứng của chi tiết gia công

37 Hình 3.1 Sơ đồ độ sâu vết cắt của hạt mài hình cầu

Theo tài liệu [19], để tính chiều sâu cắt giới hạn (ds) để không bị biến dạng bởi hạt mài mà không có dòng vật liệu và không hình thành các lớp bóc vật liệu tại vị trí gia công được xác định theo công thức: sin '

Với góc θ như hình 3.2, dg là đường kính hạt mài

Hình 3.2 Phân tich góc cắt của hạt mài

Quá trình AFM gia công nhờ cọ xát và bóc vật liệu ở mức độ nhỏ mà không tạo lớp cắt Do đó, để bề mặt gia công không bị trầy sướt, ta giả định góc θ = 80 0

Giá trị tối thiểu của ds thu được phương trình (3.4) sau đây: ds = 0,0076dg (mm) (3.4)

38 với cỡ hạt mài là: 80 Mesh , suy ra : 28 1,1 0, 2258 g 80 d   mm, thay vào công thức

(3.4) ta được kích thước độ sâu tối thiểu mà hạt mài cắt vào bề mặt chi tiết:

Nếu giá trị chiều sâu rãnh cắt thực tế nhỏ hơn giá trị ds thì lớp cắt không hình thành Khi đó, tải lực tới hạn được xác định theo công thức (3.5)

Trong đó: P’ (N) : là tải lực tới hạn để mang hạt mài

HW :độ cứng chi tiết gia công, tùy theo loại vật liệu và hình thức gia công của chi tiết có độ cứng khác nhau:, đối với thép gió là 125 Mpa, théo không gỉ là 125 Mpa, nhôm là 35 MPa , thay vào công thức (3.5)

Tải lực lớn nhất cần tác dụng đối vơi thép gió:

Tải lực lớn nhất cần tác dụng đối với nhôm:

P H         N Đây là tải lực cho phép để hạt mài không làm trầy xướt: Ứng suất tạo ra tại vị trí tiếp xúc giữa hạt mài hình cầu có bán kính R và bề mặt phẳng của chi tiết liên hệ qua công thức (3.6)

- Fng (N) là lực pháp tuyến tác dụng lên hạt mài - Em : (kN/mm 2 ) là modul đàn hồi của vật liệu chi tiết gia công

Hình 3.3 Độ sâu rãnh cắt do lực hướng tâm gây ra Khi đó, độ sâu rãnh cắt d ’ (như hình vẽ 3.3 ) do tải gây ra theo công thức (3,7) là:

Từ công thức (3,6) và (3,7), với dg =0,2258 mm, chiều lớp cắt tùy thuộc vào vật liệu chế tạo được tính theo công thức 3.8 [20], với chi tiết thép cácbon có độ cứng trung bình khoản 125 Mpa, E m = 207GPa

Tìm hiểu tính toán lực tác dụng của hạt mài

Khi có lực đẩy của dung dich hạt mài nhờ pit- tông đẩy, hai thành phần lực hình thành là lực dọc trục (F) và lực hướng kính (Fng) Lực hướng kính (pháp tuyến) Fng có tác dụng ép hạt mài tiếp xúc vào bề mặt phôi, lực dọc trục F khi di chuyển có tác dụng bóc vật liệu (xét cho một hạt mài) xem Hình 3.4

40 Hình 3.4 Phân tích lực của hạt mài

(a) Vết lõm bề mặt chi tiết do hạt mài (b) Hướng lực và hướng di chuyển của hạt mài

Lực hướng tâm thực hiện trong quá trình AFM tính theo công thức (3.9):

Lực dọc trục tác dụng lên một hạt mài, gồm hai thành phần lực:

- Thành phần thứ nhất là : P’ có tác dụng di chuyển vật liệu tính theo (3.10)

- Thành phần thứ hai: là lực ma sát hình thành giữa bề mặt phôi và hạt mài trong quá trình trượt, được xác định bởi : F R  F ng , trong đó μ ( = 0,3 ÷0,5 ) là hệ số ma sát giữa thành phôi và hạt mài

Khi đó: tổng lực dọc trục tác dụng trong quá trình AFM được tính theo công thức (3.11)

Thay các giá trị : b2 2Rd'd' 2 và μ =0,4 vào công thức (3.11)

Mà d’ tb.s(ai) = 0.83512

Ta không cần tính lại các hệ số phương trình hồi quy y = 9.3954 + 1.8184.x1 – 2.38x2 – 2.35x3

Xác định khoảng tin cậy các hệ số phương trình hồi quy a t s a i  b ( ) i    i a t s a i b ( ) i (4.7)

Kiểm tra tính thích hợp phương trình hồi quy

Phương sai thích hợp sth 2 được xác định theo công thức

Trong đó : p – số hệ số phương trình hồi quy y j - giá trị đáp ứng của thí nghiệm thứ j

Giá trị tính toán theo tiêu chuẩn Fisher Ft được xác định theo công thức:

Từ bảng phân phối Fisher (phụ lục 2) [ 13 ] với q=0.01 và bậc tự do fth = N-p = 8-p = 8-4=4 và fy = N(n-1) = 8(3-1) = 16 ta tìm được Fb = 4.77 tra bảng

Vì Ft = 1.99 ˂ Fb = 4.77 Cho nên điều kiện tính thích hợp phương trình hồi quy được thoả Phương trình hồi quy dạng mã hoá y = 9.3954 + 1.8184.x1 – 2.38x2 – 2.35x3

Phương trình hồi quy dạng tự nhiên

Kết quả thí nghiệm về kích thước vát mép 1 Mẫu vật ban đầu

Mẫu thí nghiệm chưa được đem gia công trên máy gia công dòng hạt mài Mẫu được phay đi phân nữa để quan sát và chụp ảnh tại lỗ như hình 4.21

Hình 4.21 Ảnh chi tiết mẫu với 2 vị trí chụp ảnh

Khi chưa gia công trên máy gia công tinh bằng dòng hạt mài thì các điểm giao nhau giữa 2 lỗ khoan vẫn còn sắc nhọn và có bavia như hình 4.25

Hình 4.22 Điểm giao nhau của 2 lỗ khoan Vịtrí chụp ảnh thứ nhất

Vị trí chụp ảnh thứ hai

69 Sau khi gia công trên máy gia công tinh bằng dòng hạt mài thì tại các điểm giao nhau giữa 2 lỗ khoan đã được vát mép như hình 4.26

Hình 4.23 Điểm giao nhau giữa 2 lỗ khoan đã được gia công

4.7.2 Mẫu vật sau khi gia công trên máy gia công bằng dòng hạt mài

Hình ảnh chi tiết sau khi được gia công với áp suất 100 Kg/cm 2 , chu kỳ là 10, tỉ lệ dung dịch hạt mài là 1/3

Hình ảnh chi tiết sau khi được gia công với áp suất 100 Kg/cm 2 , chu kỳ là 10, tỉ lệ dung dịch hạt mài là 2/3 Độ dài cạnh vát mép

70 Hai cạnh ngay tại đỉnh được hạt mài gia công tạo ra cạnh vát mép của chi tiết với kích thước là 0.402mm và 0.430mm

Hai cạnh ngay tại đỉnh được hạt mài gia công tạo ra cạnh vát mép của chi tiết với kích thước là 0.344mm và 0.52mm

Bán kính tại vị trí chụp ảnh là 0.5mm Bán kính tại vị trí chụp ảnh là 0.44mm Hình 4.24 Hình ảnh chi tiết sau khi được gia công xem dưới kính hiển vi Tuy bán kính ở chế độ gia công 1 lớn hơn bán kính ở chế độ gia công 2 nhưng độ nhám ở chế độ gia công 1 lớn hơn độ nhám ở chế độ gia công 2

4.7.3 Kết quả thực nghiệm về kích thước vát mép

Bảng 4.13: Kết quả thực nghiệm trên máy gia công dòng hạt mài về độ dài cạnh vát mép

Bảng 4.13 được thành lập dựa trên bảng 4.2 và kết hợp với số liệu 3 lần đo chiều dài cạnh vát mép Áp suất : P Chu kỳ : L Tỷ lệ hạt mài : t Độ dài cạnh vát mép N 0 Kg/cm 2 Vhạt mài : Vdung dịch Lần 1 Lần 2 Lần 3

Bảng 4.14 : Bảng ma trận mã hoá

Bảng 4.14 là ma trận mã hoá được biến đổi từ các nhân tố tự nhiên sang nhân tố mã hoá Áp suất Chu kỳ Tỉ lệ hạt mài Độ dài cạnh vát mép

0.379 0.474 0.422 Bảng 4.15 : Ma trận thực nghiệm với nhân tố mã hoá Độ dài cạnh vát mép trung bình t _ có được từ việc lấy trung bình của 3 lần đo ở bảng 4.14

N Áp suất Chu kỳ Tỉ lệ hạt mài Độ dài cạnh vát mép x0 x1 x2 x3 _ t

Phân tích bằng phần mềm minitab, có được các biểu đồ như sau

73 Hình 4.25 Biểu đồ ảnh hưởng của các thông số đến độ dài cạnh vát mép

X1 : áp suất X2: Chu kỳ X3 : tỉ lệ thể tích của dung dịch hạt mài Khi biến X1 tăng tức tăng áp suất thì độ dài cạnh vát mép tăng

Khi biến X2 tăng tức số chu kỳ gia công tăng thì độ dài cạnh vát mép tăng

Khi biến X3 tăng tức tỉ lệ hạt mài trong dung dịch polymer tăng thì độ dài cạnh vát mép tăng

Hình 4.26 Tương tác của 2 nhân tố ảnh hưởng đến độ dài cạnh vát mép

X1 : áp suất X2: Chu kỳ X3 : tỉ lệ thể tích của dung dịch hạt mài Độ dài cạnh vát mép tăng trong các trường hợp tương tác giữa 2 nhân tố như hình (a) áp suất và chu kỳ, (b)áp suất và tỉ lệ thể tích dung dịch hạt mài, (c)chu kỳ và tỉ lệ thể tích của dung dịch hạt mài

75 Hình 4.27 Tương tác của 2 nhân tố ảnh hưởng đến độ dài cạnh vát mép được hiển thị dưới dạng không gian

X1 : áp suất X2: Chu kỳ X3 : tỉ lệ thể tích của dung dịch hạt mài Độ dài cạnh vát mép tăng trong các trường hợp tương tác giữa 2 nhân tố như hình (a) áp suất và chu kỳ, (b)áp suất và tỉ lệ thể tích dung dịch hạt mài, (c)chu kỳ và tỉ lệ thể tích của dung dịch hạt mài