tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật ẢNH HƯỞNG của CHẾ độ cắt đến độ NHÁM bề mặt KHI PHAY CỨNG vật LIỆU SKD61

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ****** BÁO CÁO TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỀ TÀI ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHI PHAY CỨNG VẬT LIỆU SKD61 Học Viên: PHAN THỊ HƯƠNG Lớp: K11 CTM Chuyên ngành: CÔNG NGHỆCHẾ TẠO M ÁY HDKH: TS NGUYỄN VĂN DỰ THÁI NGUYÊN – 2010 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP ****** BÁO CÁO TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỀ TÀI ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHI PHAY CỨNG VẬT LIỆU SKD61 Học Viên: PHAN THỊ HƯƠNG Lớp: K11 CTM Chuyên ngành: CHẾ TẠO M ÁY HDKH: TS NGUYỄN VĂN DỰ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN TS Nguyễn Văn Dự Phan Thị Hương THÁI NGUYÊN – 2010 Tính cấp thiết đề tài: Ngày nay, công nghiệp gia công phát triển ngày lớn mạnh Song song với phát triển công nghiệp gia công cơ, nghiên cứu khoa học kỹ thuật lĩnh vực gia cơng khí không ngừng phát triển Để chế tạo sản phẩm khí, kết nghiên cứu khoa học khơng vạch phương pháp gia cơng xác mà cịn xây dựng phương án cơng nghệ có hiệu nhất, đáp ứng độ xác gia công đảm bảo giá thành hạ Phương pháp gia công cắt gọt sau nhiệt luyện vấn đề nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Đặc biệt chế tạo khuôn mẫu với loại vật liệu có độ cứng độ bền cao việc gia cơng tinh sau nhiệt luyện chiếm ưu định, thay thể cho mài có ưu điểm vượt trội [1], chẳng hạn như: - Giảm thời gian chu kỳ gia công sản phẩm - Giảm chi phí đầu tư thiết bị - Tăng độ xác gia cơng - Nâng cao độ bóng bề mặt suất gia cơng - Cho phép thực nhiều bước gia công lần gá - Gia công bề mặt 3D phức tạp Gia công tinh lần cuối phương pháp mài có nhược điểm bề mặt chịu ảnh hưởng lớn nhiệt sinh q trình cắt Do ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia cơng Bên cạnh đó, gia cơng tinh sau nhiệt luyện phay cứng có khả tạo lớp bề mặt có ứng suất dư nén Ứng suất dư có tác dụng tăng sức bền mỏi chi tiết gia cơng Vì vậy, việc áp dụng phay cứng bề mặt khuôn mẫu thay cho mài trở nên phổ biến SKD61 loại vật liệu chất lượng cao thường dùng để chế tạo loại khn dập nóng [2] Vấn đề tối ưu hố chế độ cắt phay vật liệu SKD 61 chưa nhiệt luyện khảo sát cụ thể [3] Chất lượng bề mặt thông số quan trọng gia cơng tinh Câu hỏi đặt liệu có thơng số chế độ cắt có ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt gia công sau phay cứng SKD61? Và có, xác định quan hệ ảnh hưởng thu độ nhám bề mặt mong muốn khơng? Qua tìm hiểu tác giả, chưa có cơng bố khảo sát chi tiết vấn đề Vì vậy, đề tài thực với mục đích tìm lời giải cho vấn đề nêu Đề tài nghiên cứu hồn thành góp phần hồn thiện nâng cao khả nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm cho tác giả trình thực luận văn Đồng thời tác giả hy vọng đóng góp phần nhỏ vào hệ thống kiến thức nghiên cứu phương pháp phay cứng loại vật liệu chất lượng cao Tổng quan: Vật liệu SKD 61 thép hợp kim gia cơng nóng 2344 [2], có thành phần hóa học: C 0,40%, Si 1,0%, Cr 5,3%, Mo 1,4%, V 1,0 % Đặc điểm vật liệu thuộc nhóm thép hợp kim Crơm Molybden Vanadium gia cơng nóng, độ chống mài mịn nóng cao, độ dai nóng cao, truyền nhiệt tốt, khơng bị nứt nhiệt cao, kích thước ổn định sau nhiệt luyện, độ cứng sau nhiệt luyện đạt 54 HRC Vật liệu SKD61 sử dụng phổ biến cho gia cơng nóng, khn đúc áp lực, khn rèn dập, dao cắt nóng, v.v… Cho đến có nhiều nghiên cứu q trình gia cơng khí cắt gọt kim loại, nghiên cứu xây dựng tiêu chất lượng bề mặt [3], nghiên cứu mòn chế mòn dụng cụ cắt nhằm tối ưu hoá tiêu kinh tế kỹ thuật trình cắt [6] Một dạng toán tối ưu hoá chế độ gia công phay mềm dao phủ PVD-TiAlN nghiên cứu [1] Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu cụ thể ảnh hưởng chế độ cắt đến chất lượng bề mặt sau phay cứng SKD61 công bố Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn đề tài: Ý nghĩa khoa học: Kết nghiên cứu đề tài góp phần hồn thiện bổ sung thơng tin cho toán tối ưu kinh tế chất lượng gia công vật liệu SKD 61 Ý nghĩa thực tiễn: Kết nghiên cứu đề tài sở để nâng cao chất lượng hiệu q trình gia cơng vật liệu SKD 61 chế tạo khuôn mẫu Mục tiêu nghiên cứu: Trong đề tài này, mục tiêu chủ yếu nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt đến độ nhám bề mặt phay cứng vật liệu SKD 61 Các mục tiêu cụ thể bao gồm:  Xác định thơng số chế độ cắt có ảnh hưởng mức độ ảnh hưởng chúng đến độ nhám bề mặt sau gia công phay cứng  Xây dựng mơ hình nghiên cứu thực nghiệm cho tốn tối ưu hóa chế độ cắt phay cứng  Thiết lập chương trình quy hoạch thực nghiệm để giải tốn tối ưu hóa Tìm miền cực trị tối ưu hàm mục tiêu độ nhám bề mặt gia công  Kiểm định để kiểm nghiệm kết hàm mục tiêu đề Phương pháp nghiên cứu:  Xác định vị trí, vai trị vật liệu SKD 61 ngành cơng nghiệp, đặc biệt sản xuất khuôn mẫu  Phân tích phương pháp gia cơng vật liệu SKD 61 sau nhiệt luyện  Thiết kế thí nghiệm cho tốn ảnh hưởng thơng số chế độ cắt đến độ nhám bề mặt  Thí nghiệm sử lý liệu để xác định tập thông số cho độ nhám bề mặt tốt vùng khảo sát Nội dung nghiên cứu: - Thí nghiệm sơ để xác định thông số chế độ cắt có ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt sau phay cứng SKD61 - Thiết kế thí nghiệm theo theo phương pháp bề mặt phản hồi (Response Surface Methodology) nhằm tìm cực trị cho hàm mục tiêu độ nhám bề mặt sau gia công - Thu thập liệu thí nghiệm chế độ gia cơng vật liệu SKD61 khảo sát thực tế để tìm khoảng thực nghiệm đạt mục tiêu đề tài - Lập chương trình quy hoạch thực nghiệm, tối ưu hố hàm mục tiêu, tìm điểm cực trị miền tối ưu hoá - Kiểm nghiệm kết Tiến hành nghiên cứu thảo luận kết quả: 7.1 Vật liệu phương pháp thí nghiệm 7.1.1 Dụng cụ thí nghiệm: Các thí nghiệm tiến hành phay mặt phẳng có bề rộng mm, chiều sâu cắt 0.1mm, mẫu làm vật liệu SKD 61, ram đạt độ cứng 45-48 HRC Quá trình gia công thực máy phay CNC Ctek KM80/100D trường Cao đẳng công nghiệp Việt Đức - Thái Nguyên Máy thuộc Model KM - 80D Đài Loan sản xuất năm 2005, có dải tốc độ trục từ đến 6.000 vòng/ phút; phạm vi tốc độ chạy dao từ 10 đến 8000 mm/phút Thành phần hóa học vật liệu kiểm định máy ARL 4360 trình bày bảng Bảng Thành phần vật liệu SKD 61 Nguyên tố Hàm lượng (%) SKD 61 chuẩn Hàm lượng (%) C Si Mn Cr Mo V 0.32 ÷ 0.42 0.80 ÷ 1.2 < 0.50 4.5 ÷ 5.5 ÷ 1.5 0.8 ÷ 1.2 0.39 0.97 0.41 5.44 1.25 0.83 mẫu thí nghiệm Dụng cụ gia cơng dao phay ngón SPSED4A, phủ PVD – TiAlN, đường kính 10 mm hãng Okazaki - Nhật Bản Nhám bề mặt sau gia công đo máy Mitutoyo - SJ 201P Nhật Bản sản xuất 7.1.2 Thiết kế thí nghiệm Tiến trình thí nghiệm thiết kế theo phương pháp bề mặt tiêu [12], bao gồm bước sau: Bước Tiến hành thí nghiệm tồn phần, yếu tố lượng chạy dao S (mm/ph) tốc độ trục n (v/ph) Mục đích xác định mơ hình quan hệ đơn giản nhám bề mặt yếu tố đầu vào Phương trình hồi quy bậc có từ kết thí nghiệm dùng làm sở cho bước Bước Dựa vào phương trình hồi quy bậc nhất, xác định bước hướng leo dốc theo phương pháp Box-Wilson Mục đích tiến nhanh đến vùng có nhám bề mặt nhỏ nhất, khảo sát điểm phạm vi tốc độ lượng chạy dao máy Bước Thiết kế triển khai thí nghiệm dạng quy hoạch hợp CCD (Central Composit Design) để xây dựng mơ hình quan hệ hàm tiêu nhám bề mặt suất cắt với thông số chế độ cắt Kỹ thuật tối ưu hóa phương pháp xếp chồng đường mức (Overlaid contours) sử dụng để xác định vùng chế độ cắt tối ưu đa mục tiêu 7.1.3 Kết thảo luận Bước Trước hết, thí nghiệm sơ dạng 2k tiến hành với thông số thiết lập bảng Để loại bỏ sai số ngẫu nhiên, cặp giá trị đầu vào thí nghiệm lần Bảng Các thiết lập thí nghiệm sơ Thơng số Mức thấp Mức cao Biến thí nghiệm Giá trị mã hóa -1 +1 N/A Tốc độ cắt n (v/p) Lượng chạy dao S 2900 3500 x1 200 450 x2 (mm/p) Các mẫu sau gia công đo độ nhám, bề mặt đo lần lấy trung bình để giảm sai số đo Các kết thí nghiệm trình bày bảng Bảng Kết thí nghiệm sơ STT n (v/ph) S (mm/ph) Ra (µm) 3500 200 0,27 2900 450 0,40 3500 450 0,38 2900 450 0,42 2900 200 0,37 3500 450 0,39 3500 200 0,27 2900 200 0,37 Kết sử dụng để xác định phương trình hồi quy dạng đa thức bậc cho quan hệ nhám bề mặt (Ra) với thông số đầu vào tốc độ trục (n) lượng chạy dao (S) Hình trình bày kết phân tích mơ hình hồi quy dạng mã hóa Hình Kết phân tích mơ hình hồi quy bậc Phân tích kết hình 1, thấy hệ số phương trình hồi quy có giá trị p-value nhỏ mức ý nghĩa xác xuất (α-level) thông dụng (thơng thường α=0,05) Do vậy, kết luận rằng, giá trị hệ số phương trình hồi quy chấp nhận Theo kết này, phương trình hồi quy bậc biểu diễn quan hệ nhám bề mặt viết dạng: Ra = 0.3875 – 0,03125 n + 0,03875 S (1) Bước Với mục tiêu tiến nhanh đến vùng thông số cho giá trị Ra nhỏ nhất, sử dụng kỹ thuật leo dốc Box-Wilson Hướng tiến độ dài bước gia số thí nghiệm xác định Trước hết, mục tiêu giảm Ra, gia số tốc độ quay trục ∆n gia số lượng tiến dao ∆S lấy ngược dấu với hệ số phương trình hồi quy (1) Tức là, thí nghiệm xuống dốc với xu tăng tốc độ quay n giảm lượng chạy dao S triển khai Thứ hai, giá trị độ dài bước tiến xác định theo phương pháp gradient [9], tức cần theo tỷ lệ: ∆S 0.03875 = = 1.24 ∆n 0.03125 (2) Nghĩa là, tăng n lên đơn vị mã hóa cần giảm S 1.24 đơn vị mã hố Tốc độ vịng quay n thay đổi từ 2900 đến 3500 (v/p); mã hóa từ -1 đến +1, đơn vị bước có độ lớn thực là: 3500 − 2900 = 300 (v / p ) Lượng chạy dao S thay đổi từ 200 đến 450 (mm/ph) nên mã hoá, đơn vị bước tiến dao có giá trị thực là: 450 − 200 = 62.5 (mm / p ) Để khảo sát chi tiết phạm vi dải tốc độ trục máy, chọn gia số bước thay đổi tốc độ cắt 1/3 đơn vị, tức 100 vòng/phút Khi này, gia số bước thay đổi lượng chạy dao tính: ∆S = 62,5.1,24 = 25,8 ≈ 26 (mm / ph) Tiến hành thí nghiệm với tốc độ cắt lượng chạy dao thay đổi theo xác lập nêu Kết trình bày bảng Bảng Kết thí nghiệm leo dốc Bước Qua bảng 4, n (v/p) S (mm/p) Ra (µm) 3500 200 0.31 3600 174 0.28 3700 148 0.32 3800 122 0.27 3900 96 0.23 4000 70 0.19 4100 44 0.14 4200 18 0.12 nhận thấy, giá trị độ nhám giảm tăng tốc độ trục n giảm lượng chạy dao S Tuy nhiên, giảm lượng chạy dao S đồng nghĩa với giảm suất, tức tăng thời gian gia công, tiêu quan trọng phay tinh Để đáp ứng đồng thời yêu cầu độ nhám đạt suất cắt, quy hoạch thí nghiệm hợp CCD kết hợp với tối ưu hóa đa mục tiêu tiến hành Bước Quy hoạch hợp tối ưu hóa đa mục tiêu Quy hoạch thí nghiệm nhân tố có điểm dọc trục α = ± 1.4142 tiến hành lân cận điểm có Ra≈0,2 (điểm số bảng 4) Giá trị tốc độ quay 4000 vòng/phút lượng chạy dao 70 mm/ph giá trị nằm phạm vi thông dụng máy CNC Các mức giá trị thí nghiệm trình bày bảng Mơ hình hồi quy: Một số tác giả sử dụng mơ hình biểu diễn quan hệ nhám bề mặt với thông số cắt dạng loga [5], số khác lại biểu diễn quan hệ dạng hàm đa thức bậc bậc [7,9-11] Mơ hình đa thức sử dụng nghiên cứu tính tiện dụng tính tốn, phản ánh quan hệ phạm vi khảo sát Bảng Các mức thơng số thí nghiệm CCD Thông số Giới hạn Mức thấp Mức trung bình n (v/p) S (mm/p) (-α) 3858 33 (-1) 3900 44 (0) 4000 70 Mức cao (+1) 4100 96 Giới hạn (+α) 4142 107 Thiết kế thí nghiệm dạng CCD tiến hành gia công, đo nhám bề mặt tính suất cắt, thu kết bảng Bảng Kết thực thí nghiệm CCD n (v/p) S(mm/p) Ra(µm) Rz(µm) Q(g/ph) 4000 70 0.21 1.2 0.33 3900 96 0.23 1.5 0.45 4100 44 0.11 1.02 0.21 3900 44 0.17 1.42 0.21 4000 70 0.22 1.25 0.33 4000 70 0.22 1.2 0.33 4142 70 0.19 1.4 0.33 3858 70 0.3 1.6 0.33 4000 33 0.13 0.96 0.16 4100 96 0.15 1.4 0.45 4000 107 0.24 1.49 0.5 4000 70 0.17 1.22 0.33 4000 70 0.2 1.32 0.33 Phân tích mơ hình hồi quy (xem hình 2) cho thấy, giá trị p (p-value) hệ số bậc cao n2; S2; n*S 0.527; 0.116; 0.764, lớn nhiều so với mức α thơng thường (0,05) Hình Phân tích mơ hình hồi quy bậc Do vậy, có mặt thành phần phương trình hồi quy khơng có ý nghĩa Loại dần hệ số có p-value lớn 0,05, cuối thu mơ hình phân tích phương sai hình Hình Phân tích phương sai cho mơ hình hồi quy cuối Phân tích kết quả: Nhìn vào hình (các vùng đóng khung), nhận thấy 1) hệ số phương trình hồi quy có giá trị p-value nhỏ 0,05 2) pvalue “mức độ khơng khớp mơ hình” (Lack-of-fit) lớn 0,05 Từ đó, tương ứng kết luận, 1) hệ số phương trình hồi quy có nghĩa 2) mơ hình hồi quy tìm phù hợp Giả sử nhà sản xuất muốn lựa chọn chế độ cắt thỏa mãn đồng thời hai tiêu nhám bề mặt Ra suất cắt Q Giải pháp cho vấn đề thực cách, tính tốn thêm giá trị suất cắt tương ứng với chế độ cắt thí nghiệm, sau sử dụng cơng cụ xếp chồng đường mức tối ưu hóa phần mềm thiết kế thí nghiệm để xác định vùng thơng số đầu vào Hình trình bày kết xác định chế độ cắt phần mềm thiết kế thí nghiệm Minitab® cho giá trị Ra nằm khoảng [0,11-0,2], Q nằm khoảng [0,21-0,45], tức là: 0,11 ≤ Ra ≤ 0,2  0,21 ≤ Q ≤ 0,45 (3a ) (3b) (3) Trên hình 4, tập hợp giá trị lượng chạy dao S tốc độ quay trục n vùng số vùng thỏa mãn hệ (3), vùng số thỏa mãn phương trình (3b), vùng số khơng thỏa mãn hai phương trình (3), cịn vùng số (4) thỏa mãn phương trình (3a) Các giá trị giới hạn hàm mục tiêu nói thiết đặt dễ dàng phần mềm Do vậy, nhà tư vấn nhanh chóng vùng chế độ cắt thỏa mãn mức mục tiêu khác, đáp ứng yêu cầu sản xuất Hình Xếp chồng đường mức nhám bề mặt suất cắt 7.1.4 Kết luận: Vấn đề xác định chế độ cắt đáp ứng đồng thời hai tiêu thường quan tâm gia công tinh phay cứng khuôn mẫu SKD 61 giải Phương pháp thiết kế thí nghiệm kỹ thuật bề mặt tiêu cho kết nhanh đơn giản Kỹ thuật áp dụng cho q trình gia cơng khác, với hàm mục tiêu khác Tài liệu tham khảo [1] Iqbala A., Ning H., Khana I., Liang L., Naeem Ullah Dara N.U., Modeling the effects of cutting parameters in MQL-employed finish hard-milling process using D-optimal method, Journal of materials processing technology 199 (2008), pp 379–390; [2] Iqbal A., Ning H., Dar N.U., Liang L., Comparison of fuzzy expert system based strategies of offline and online estimation of flank wear in hard milling process, Expert Systems with Applications 33 (2007) 61–66; [3] Chandrasekaran H., Saoubi R M., Improved machinability in hard milling and strategies for steel development, CIRP Annals - Manufacturing Technology, Volume 55/1, 2006, pp 93-96; [4] Coldwell H., Woods R., Paul M., Koshy P., Dewes R.; Rapid machining of hardened AISI H13 and D2 moulds, dies and press tools; Materials Processing, 135 (2003), pp 301–311; [5] Vivancos J., Optimal machining parameters selection in high speed milling of hardened steels for injection moulds, Journal of Materials Processing Technology 155–156 (2004) pp 1505–1512; [6] Reddy N.S.K., Rao P.V., A Genetic Algorithmic approach for optimization of surface roughness prediction model in dry milling, Machining Science and Technology (1) (2005), pp 63-84 [7] Sahin Y., Motorcu A.R., Surface roughness model for machining mild steel with coated carbide tool, Material & Design 26 (4) (2005), pp 321-326 [8] Mansour A., Abdalla H., Surface roughness model for end milling: a semi-free cutting carbon casehardening steel (EN32) in dry condition, Journal of Materials Processing Technology, 124 (2002), 183-191 [9] Ktema H O., Erzurumlu T., Kurtaran H., Application of response surface methodology in the optimization of cutting conditions for surface roughness, Journal of Materials Processing Technology 170 (2005), pp 11–16; [10] Lopez L.N, Lamikiza A., Sancheza J.A., Arana J.L., Improving the surface finish in high speed milling of stamping dies, Journal of Materials Processing Technology 123 (2002) 292–302; [11] Zhang J Z., Chenb J.C., Kirby D.E., Surface roughness optimization in an end-milling operation using the Taguchi design method; Journal of Materials Processing Technology 184 (2007) 233–239 [12] Myers R H., Montgomery D.C and Anderson-Cook C.M., Response Surface Methodology: Process and Product Optimization Using Designed Experiments, Third Edition, 2009 John Wiley & Sons, Inc  ... nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt đến độ nhám bề mặt phay cứng vật liệu SKD 61 Các mục tiêu cụ thể bao gồm:  Xác định thông số chế độ cắt có ảnh hưởng mức độ ảnh hưởng chúng đến độ nhám bề mặt sau... HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ****** BÁO CÁO TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỀ TÀI ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHI PHAY CỨNG VẬT LIỆU SKD61 Học Viên: PHAN THỊ HƯƠNG... chế độ cắt phay vật liệu SKD 61 chưa nhiệt luyện khảo sát cụ thể [3] Chất lượng bề mặt thông số quan trọng gia công tinh Câu hỏi đặt liệu có thơng số chế độ cắt có ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề