Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật khảo sát chất lượng bề mặt của thép làm khuôn đã qua tôi khi phay cứng

1 PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Phay cứng hiểu phay chi tiết có độ cứng cao (45 ÷ 70 HRC), tiến hành với điều kiện cắt khô (dry – không sử dụng dung dịch trơn nguội) gần giống cắt khô phổ biến sử dụng dao gắn mảnh Nitrit Bo lập phương đa tinh thể (PCBN – Polycrystalline Cubic Boron Nitride, hay thường gọi CBN – Cubic Boron Nitride) Người ta cho rằng, đời phát triển vật liệu dụng cụ cắt CBN giải pháp tối ưu cho phay cứng Bởi vật liệu CBN có độ cứng cao thấp so với kim cương, không giống kim cương CBN có tính ổn định bền nhiệt cao (hơn 1000 0C) Mặt khác, CBN tạo hình với hình dạng kích thước khác nhau… Công nghệ phay cứng phát triển đầy tiềm với ưu điểm so sánh (trong nhiều trường hợp thay cho mài) với công nghệ mài – phương pháp gia cơng tinh lần cuối mang tính truyền thống đối thép có độ cứng cao Việc áp dụng cơng nghệ phay cứng để gia công lần cuối chi tiết so với cơng nghệ mài có ưu điểm bật sau: - Giảm thời gian chu kỳ gia công sản phẩm - Giảm chi phí đầu tư thiết bị -Tăng độ xác - Đạt độ bóng bề mặt cao - Cho phép nâng cao tốc độ bóc vật liệu (từ - lần), nâng cao suất gia công - Gia công contour phức tạp - Cho phép thực nhiều bước gia công lần gá - Phay cứng có khả tạo lớp bề mặt có ứng suất dư nén (lớp bề mặt có tác dụng nâng cao sức bền mỏi chi tiết máy) Hơn nữa, thông thường trước chi tiết vòng ổ lăn, vòi phun, bánh răng, cam chi tiết hệ thống thủy lực v.v… sau nhiệt luyện phải qua công đoạn mài, mài khôn Những công đoạn thiếu tính linh hoạt tốn nhiều thời gian Một hạn chế chi phí cho dung dịch trơn nguội công đoạn mài cao Những lý làm tăng chi phí cho cơng đoạn gia cơng xác Mặt khác chất thải mài gây ô nhiễm môi trường, thúc đẩy nhà sản xuất loại dần khâu mài quy trình cơng nghệ gia cơng chi tiết Vì lý gia công lần cuối so với mài phay cứng ngày nhà sản xuất u thích Tuy nhiên phay cứng có nhược điểm cần lưu ý như: chủ yếu cắt khơ nên nhiệt q trình cao, chi phí dụng cụ cắt cao (mảnh CBN đắt so với mảnh cacbide khoảng 4-5 lần), gia công chi tiết có chiều dài lớn dung sai chế tạo nằm ngồi vùng cho phép, chiều sâu cắt nhỏ chiều sâu cắt tới hạn (tmin) q trình cắt khơng thể thực Việc áp dụng phay cứng thay cho mài trở nên phổ biến giới ưu điểm bật nó, vấn đề mơi trường quan tâm đặc biệt toàn giới Ở nước ta, phay cứng áp dụng phát triển mạnh, chi tiết lăn dây truyền cán thép, chày cối dập thuốc, vòng ổ v.v… gia công lần cuối tiện cứng thay cho mài Việc nghiên cứu ảnh hưởng nhân tố đến q trình phay cứng, phân tích q trình vật lý phay cứng quan tâm, tiến hành nhiều trung tâm, viện nghiên cứu trường đại học giới Chất lượng bề mặt gia công yêu cầu quan trọng chi tiết máy ảnh hưởng trực tiếp đến khả làm việc, độ bền, độ bền mòn tuổi thọ chi tiết máy Q trình tạo lớp bề mặt gia cơng có chất lượng phương pháp gia cơng chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố công nghệ Việc nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố công nghệ phay cứng đến chất lượng bề mặt gia công cần thiết ngành khí Chế độ cắt có ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt phay thép làm khuôn qua ( SKD11 SKD61) Việc tìm chế độ cắt tối ưu để đạt chất lượng bề mặt tốt cho trình yêu cầu cần thiết nhà sản xuất Từ lý nêu trên, tác giả chọn đề tài nghiên cứu “Khảo sát chất lượng bề mặt thép làm khuôn qua tơi phay cứng” Mục đích, đối tượng phương pháp nghiên cứu 2.1 Mục đích đề tài - Xác định độ ảnh hưởng yếu tố chế độ cắt (t, s, v) đến độ nhám bề mặt thép làm khuôn qua phay cứng - Xác định chế độ cắt đáp ứng theo tiêu độ nhám bề mặt gia công 2.2 Đối tượng nghiên cứu Ảnh hưởng chế độ cắt đến độ nhám lớp bề mặt thép làm khuôn SKD11 qua phay cứng dao phay gắn mảnh CBN 2.3 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiện cứu: + Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Khảo sát ảnh hưởng chế độ cắt ( v, s, t ) đến độ nhám bề mặt thép làm khuôn qua phay cứng có thay đổi sau lần thay đổi thơng số cắt Từ so sánh thông số để lựa chọn thông số phù hợp Nghiên cứu thực nghiệm: Gia công chi tiết máy phay CNC, với phôi thép hợp kim SKD11 qua tạo hình dáng tơi đạt độ cứng 45 ÷ 50HRC, dụng cụ cắt dao phay CBN hai lưỡi cắt ký hiệu VP15TF (dao phay mặt đầu) hãng Mitsubishi – Nhật Bản Ý nghĩa đề tài 3.1 Ý nghĩa khoa học - Bằng cách nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, đề tài làm sở cho việc nghiên cứu khía cạnh khác q trình gia cơng thép hợp kim qua - Các phương pháp nâng cao độ nhám bề mặt chi tiết gia công nhà khoa học nước quan tâm nghiên cứu Đề tài đóng góp số kết vào hướng nghiên cứu 3.2 Ý nghĩa thực tiễn Nghiên cứu ảnh hưởng thông số chế độ cắt đến độ nhám bề mặt thép làm khuôn SKD11 qua phay dao phay gắn mảnh CBN để lựa chọn thông số tối ưu gia cơng Vì nghiên cứu ứng dụng phay tinh thép làm khuôn máy công cụ CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ PHAY VÀ PHAY CỨNG 1.1 Khái niệm trình phay Phay phương pháp gia cơng kim loại, có độ xác khơng cao cấp - độ bóng khơng cấp 6; phương pháp gia công đạt suất cao Bằng phương pháp phay, người ta gia cơng mặt phẳng, mặt định hình phức tạp, rãnh then, cắt đứt, gia cơng mặt xoay trịn, trục then hoa, cắt ren, bánh Dụng cụ để cắt kim loại phay goi dao phay Dao phay loại dụng cụ cắt có nhiều lưỡi nên q trình cắt ngồi đặc điểm giống q trình cắt tiện cịn có đặc điểm sau: - Do có số lưỡi tham gia cắt nên suất phay cao - Lưỡi cắt dao phay làm việc không liên tục, với khối lượng thân dao thường lớn nên điều kiện truyền nhiệt tốt - Diện tích cắt phay thay đổi, lực cắt thay đổi gây rung động trình cắt - Do lưỡi cắt làm việc gián đoạn, gây va đập rung động nên khả tồn lẹo dao Hình Dao phay trụ xoắn ( Mặt trước 1; mặt sau 2; cạnh viền 3; lưng rang 4; lưỡi cắt xoắn ) Hình Dao phay mặt đầu Hình Dao phay nhọn dao phay hớt lưng 1.2 Các yếu tố cắt dao phay Hình Các yếu tố cắt phay 1.2.1 Chiều sâu cắt ap Là khoảng cách bề mặt gia công với bề mặt chưa gia công đo theo phương vng góc với bề mặt gia cơng sau lát cắt 1.2.2 Lượng chạy dao S Lượng chạy dao Sz (mm/răng): Là lượng chạy dao xác định dao quay góc Lượng chạy dao vịng Sv (mm/vòng): Là lượng chạy dao xác định sau dao quay vòng Lượng chạy dao phút Sph (mm/phút): Là lượng chạy dao xác định phút Giữa chúng có quan hệ sau: Sv= Z Sz (1 – 1) Sph = n Sv = n Z Sz (1 – 2) 1.2.3 Vận tốc cắt phay Trong trình phay phối hợp hai chuyển động tạo hình, chuyển động quay dao chuyển động tịnh tiến chi tiết gia công y n dao Vn Vc D Chi tiÕt Vs s Hình 1.5: Tốc độ cắt phay Tốc độ cắt phay biểu diễn: Vc = Vn + Vs Vc = Vn (1-3) + Vs ± Vn Vn Cos (VnVs ) Dấu (+) ứng với trường hợp phay nghịch Dấu (-) ứng với trường hợp phay thuận πDn ( m / ph) 1000 (1 – 4) Vs = S z Z n (m / ph) Trong đó: (1 – 5) Vn = Thực tế giá trị Vs nhỏ so với Vn tính tốn chế độ cắt người ta thường bỏ qua lượng Vs cơng thức (1-3) có dạng: Vc = Vn = πDn ( m / ph) 1000 (1 – 6) 1.2.4 Chiều sâu phay t Là kích thước lớp kim loại cắt đi, đo theo phương vng góc với lực dao phay ứng với góc tiếp xúc ψ Khi phay dao phay hình trụ thẳng xoắn, dao phay đĩa, dao phay định hình, dao phay góc chiều sâu phay trùng với chiều sâu cắt t0 Khi phay rãnh dao phay ngón chiều sâu phay đường kính dao, phay bề mặt vng góc chiều sâu phay chiều sâu cắt t0 Khi phay không đối xứng dao phay mặt đầu chiều sâu phay t đo ứng với góc tiếp xúc ψ , phay đối xứng chiều sâu phay chiều rộng chi tiết 1.2.5 Chiều rộng phay B Là kích thước lớp kim loại cắt đo theo phương chiều trục dao phay Khi cắt dao phay hình trụ chiều rộng phay chiều rộng chi tiết, phay rãnh dao phay đĩa chiều rộng phay chiều dày dao phay (hay chiều rộng rãnh); Khi phay rãnh dao phay ngón chiều rộng phay chiều sâu rãnh, phay mặt phẳng dao phay mặt đầu chiều rộng phay chiều sâu cắt t0 (B = t0) 1.2.6 Góc tiếp xúc ψ Là góc tâm dao chắn cung tiếp xúc l dao chi tiết D2 t ψ D2 O ψ/ O t t ψ t n s n s l a) b) Hình 1.6: Góc tiếp xúc phay: (a) Bằng dao phay trụ; (b) Bằng dao phay mặt đầu Khi phay dao phay trụ, dao phay ngón, dao phay đĩa dao phay định hình góc tiếp xúc tính theo cơng thức sau: Cosψ = 1− 2t D hay sinψ = − cosψ = t D (1-7) Khi phay đối xứng dao phay mặt đầu thì: π +ξ 2t 2t Sinξ = − ξ = arcSin( − 1) D D π 2t ψ = + arcSin( − 1) D ψ= (1-8) 1.2.7 Chiều dày cắt a phay Chiều dày cắt a phay yếu tố quan trình phay Chiều day cắt phay khoảng cách vị trí quỹ đạo chuyển động điểm trêm lưỡi cắt ứng với lượng chạy dao Sz Ở ta coi gần quỹ đạo chuyển động tương đối lưỡi cắt đường trịn, chiều dày cắt a đo theo phương đường kính dao Trong q trình phay, chiều dày cắt a biến đổi từ trị số a đến amax từ amax đến amin tùy theo phương pháp phay 1.3 Các thành phần lực cắt phay - Lực cắt tổng R tác dụng lên dao phay lực cắt tiện phân tích lực thành phần theo phương xác định - Khi phay dao phay trụ thẳng ta có: R = Pr + Pz R = Pd + Pn Pz -Lực vòng hay gọi lực tiếp tuyến Nó lực cắt để tạo phoi, thiết kế hay kiểm tra người ta tính tốn động lực học máy theo Pz Pr -Lực hướng kính tác dụng vng góc với phương trục máy phay Nó có xu hướng làm võng trục gá dao, đồng thời tạo áp lực ổ trục chính, gây momen ma sát phụ ổ Khi tính tốn sức bền trục gá dao tính tốn ổ trục phải dùng lực Pd -Thành phần lực thẳng đứng, tùy theo phay thuận hay phay nghịch mà có tác dụng đè chi tiết xuống hay nâng chi tiết lên Qua P d người ta tính kết cấu đồ gá kẹp chi tiết tính áp lực bề mặt sống trượt bàn máy phay Từ hình 1.7, ta có quan hệ sau: Pd = Pz sin θ i ± Pr cos θ i Dấu (+) phay thuận, dấu (-) phay nghịch (1-9) Pn -Thành phần lực nằm ngang lực chạy dao có phương trùng với phương chạy dao Tùy theo phay thuận hay phay nghịch mà có tác dụng tăng hay khử độ giơ cấu truyền động vít me đai ốc Tính toán cấu chạy dao đồ gá kẹp chi tiết tiến hành theo lực ta có: Pn = Pz cos θ i ± Pr sin θ i (1-10) Dấu (+) phay nghịch, dấu (-) phay thuận Mối quan hệ lực điều kiện tiêu chuẩn có giá trị gần dao phay trụ thẳng xoắn Khi phay thuận: Pr = (0,6 − 0,8) Pz ; Pn = (0,8 − 0,9) Pz ; Pd = (0,7 − 0,9) Pz Khi phay nghịch: Pr = (0,6 − 0,8) Pz ; Pn = (1,0 − 1,2) Pz ; Pd = (0,2 − 0,3) Pz Ps P0 Pr ω Ps P0 R Q PN Pz R (a) (b) Hình 1.7: Lực tác dụng lên dao phay trụ xoắn Nếu ta ký hiệu Q lực tổng tác dụng lên xoắn biểu diễn sau: Q = R + P0 hay Q = PN + Pz (1-11) R -Thành phần lực tác dụng mặt phẳng vng góc với trục dao theo hình 1- 9a, giống dao thẳng ta có: R = Pr + Pz PN -Thành phần lực tác dụng vng góc với lưỡi cắt Ps - Thành phần lực dọc trục theo lưỡi cắt tạo ma sát phơi mặt trước dao theo phương xoắn vít, gây co rút phoi theo chiều rộng lớp cắt P0 -Lực chiều trục Các thành phần lực phụ thuộc góc xoắn ω phương răng, P0, Pz Ps có quan hệ sau: P0 = 0,28Pztg ω (1-12) Ps = 0,28Pzsin ω (1-13) Chiều lực P0 Ps phụ thuộc phương rãnh xoắn Độ lớn chúng phụ thuộc vào Pz cịn phụ thuộc vào góc ω 1.4 Q trình phay cứng Phay cứng tên gọi phương pháp gia công phay chi tiết qua (thường thép hợp kim) có độ cứng cao khoảng 40 ÷ 70 HRC [1] Phương pháp sử để thay số phương pháp gia công khác mài, gia cơng xung điện…Khi chi tiết có hình dạng tương đối phức tạp Phay cứng cho suất cao với vốn đầu tư ban đầu thấp nhiều, vật liệu làm dao phay cứng vật liệu phun phủ như: TiN, TiAlN, CBN (Cubic Boron Nitride )… với vật liệu thép gió thép hợp kim cứng để làm tăng khả cắt gọt chúng Phương pháp gia cơng khơ hoàn thành chi tiết lần gá Cấp xác phay cứng đạt IT6 độ bóng bề mặt (Rz = - μm), so sánh với chất lượng mài Khi gia công thép tôi, người ta thường gia công khô hồn tồn Để thực phay cứng máy phay phải cứng vững, dụng cụ cắt vật liệu siêu cứng, tốc độ quay trục cơng suất phù hợp Máy phay CNC lựa chọn để thực cơng việc phay cứng Hình: Máy phay CNC Các mảnh hợp kim thường sử dụng cho phay cứng là: CBN, CNGA, DNGA, VNGA Vật liệu phun phủ như: TiAl, TiN… Hình: Hình dạng – kích thước chế tạo thân dao kí hiệu TRM4 mảnh ghép hãng Mitssubishi- Nhật Bản [2] 10 Hình: Dao phay rãnh có gắn mảnh ghép hãng Sandvik Việc áp dụng công nghệ phay cứng để gia công tinh chi tiết mang lại lợi ích sau: - Giảm chi phí đầu tư thiết bị - Giảm chu kì gia cơng sản phẩm - Tăng độ xác - Đạt độ bóng bề mặt cao Phay tinh thép hợp kim qua (phay cứng) phương pháp gia cơng đạt chất lượng bề mặt cao sử dụng tương đối phổ biến để thay cho mài trường hợp: - Nguyên công mài khó thực đặc điểm bề mặt gia cơng (bề mặt phức tạp, kích thước dọc trục bề mặt gia công nhỏ ) - Nhược điểm phương pháp mài ảnh hưởng nhiệt cắt tới chất lượng lớp bề mặt lớn tạo lớp bề mặt ứng suất dư kéo làm giảm độ bền mỏi chi tiết máy Do với chi tiết có yêu cầu cao độ bền mỏi tiện cứng có nhiều ưu điểm 1.5 Kết luận chương Phay truyền thống máy vạn gia công thông thường phương pháp cho suất cao chất lượng bề mặt không cao Do phương pháp thường dùng cho gia công thô bán tinh Ngày nay, việc mở rộng khả công nghệ phương pháp gia công phay hướng nghiên cứu gia công vật liệu phát triển công nghệ vật liệu tạo nhiều loại vật liệu dụng cụ với biện pháp công nghệ bề mặt tiên tiến Chế độ cắt gia cơng có ảnh hưởng nhiều đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công suất giá thành sản phẩm Do vậy, đề tài tập trung nghiên 22 đồng thời giúp trình tạo phoi đồng thời Cùng với hướng nghiên cứu thực nghiệm, Xiaobin Cui với cộng nghiên cứu: “Độ bóng bề mặt hình thành phoi phay bề mặt tốc độ cao thép AISI H13” đăng tạp chí quốc tế cơng nghệ sản xuất tháng 10 năm 2011 [16] đề cập Nhiều nghiên cứu trước gia công tốc độ cao tiến hành để đạt hiệu độ xác gia cơng cao Trong nghiên cứu này, thu đặc tính lực cắt, độ nhám bề mặt, phoi phay cao tốc bề mặt thép AISI H13 (46-47HRC) Bằng nghiên cứu thực nghiệm điều tra quan sát dạng phoi màu sắc phoi Nghiên cứu cho thấy, cắt cao tốc 1400 m/phút coi giá trị ngưỡng Ở tải trọng tương đối thấp, bề mặt gia công lần cuối tốt, hiệu gia công cắt gọt tăng đồng thời Khi tốc độ cắt 1400 m/phút, thứ tự thông số cắt ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt Ra chiều sâu cắt, tốc độ cắt, tốc độ ăn dao Nghiên cứu cho thấy: tốc độ ăn dao thấp, chiều sâu cắt thấp, tốc độ cắt thấp 1400 m/phút, độ nhám bề mặt Ra bề mặt gia công 0,3 μm, ta nên tránh tốc độ cắt 1400 m/phút tốc độ cắt chiều sâu cắt thấp Năm 2009, hướng nghiên cứu với C.K Toh, Vũ Như Nguyệt, Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên với nghiên cứu: “Nghiên cứu nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công tối ưu hóa số yếu tố kỹ thuật trình phay tinh máy cơng cụ CNC” [17] 3.4.2 Nghiên cứu dựa mơ hình mơ Ngồi phương pháp nghiên cứu dựa mơ hình lý thuyết Ngày nay, với phát triển vũ bão tin học ứng dụng công nghệ máy tính vào tính tốn thiết kế cơng nghiệp Đặc biệt, công nghệ đồ họa 2D, 3D việc thiết kế nghiên cứu chi tiết máy, máy, mô q trình gia cơng phần mềm đồ họa ( MASTERCAM, INVENTER, CATIA…) ngày phát triển phổ biến Các mơ hình mơ máy tính có ưu điểm sau: * Thiết kế, chỉnh sửa dễ dàng * Trực quan hơn, cho phép quan sát nhiều góc nhìn 3D * Tăng độ xác * Lưu trữ thành sở liệu để dễ quản lý Trao đổi thông tin cách nhanh chóng dễ dàng * Phân tích, mơ kiểm tra mơ hình 3D dễ dàng Khi phay bề mặt phức tạp việc gia cơng xác khó khăn, hạn chế Bởi vì, lực cắt phay gây sai lệch độ tin cậy gia công phay không đạt yêu 23 cầu Nhằm nâng cao, cải thiện chất lượng bề mặt trì độ tin cậy cao trình phay Với nghiên cứu tìm hiểu cơng nghệ ứng dụng máy tính vào thiết kế sản xuất [18], [19] K Weinert với cộng ông A Enselmann J Friedhoff đưa nghiên cứu cách ứng dụng dựa máy tính: “Mơ gia cơng phay để tối ưu q trình lĩnh vực sản xuất Khn kéo sợi khn mẫu” đăng tạp chí CIRP Annals – Công nghệ sản xuất (1997) [18] Nghiên cứu đưa phương pháp phát triển sử dụng hiệu mơ hình khối để mơ q trình cắt Đồng thời tính tốn lượng chạy dao tối ưu khía cạnh cơng nghệ phay trục tính tốn, lựa chọn lượng chạy dao tương ứng Việc lựa chọn lượng chạy dao hợp lý nhằm mục đích để tránh dụng cụ chịu tải gia công bề mặt Việc ứng dụng CAD (Computer Aided Design) vào mô gia công phay cần thiết, nhằm cải thiện nâng cao chất lượng bề mặt phương pháp hiệu chứng minh ví dụ thực tế Cùng với hướng ứng dụng CAD-CAM vào thiết kế sản xuất nghiên cứu [18], Nikolaos Tapoglou Aristomenis Antoniadis công bố báo viết phương pháp ứng dụng đồ họa máy tính CAD-CAM để mơ dự đốn kết độ nhám bề mặt gia công phay: Mô chiều chuyển động phay bề mặt, đăng tạp chí Measurement, 2012 [19] Hình: Mơ tả lưỡi cắt Phay bề mặt phương pháp sản xuất hiệu nhất, gia công thô hoàn thiện phần lớn bề mặt phận kim loại Nghiên cứu trình bày mơ hình mơ phát triển ứng dụng vào môi trường CAD Và với ứng dụng mơ xác sản phẩm phần mềm CAD liệu phay, chẳng hạn độ nhám bề mặt, kích thước phoi khơng sai lệch, cắt giảm thành phần lực cắt xử lý lực cắt động…là cần thiết Mơ hình mơ với chuyển 24 động dụng cụ cắt cách sử dụng xác thơng số hình học dụng cụ cắt Từ đó, dự báo xác kết độ nhám bề mặt Hình: Thí nghiệm kết mô Nikolaos Tapoglou cộng ông xác minh cách kỹ lưỡng độ xác mơ hình mơ với ứng dụng CAD Bằng cách thực loạt thí nghiệm phay Đồng thời mơ hình đề xuất minh phù hợp để xác định điều kiện tối ưu cho gia công phay bề mặt Phần mềm tích hợp dễ dàng vào hệ thống CAD-CAM Thêm hướng nghiên cứu mô phỏng, C.K Toh nghiên cứu đề tài: Phân tích địa hình bề mặt phay cao tốc lần cuối thép cứng gá nghiêng, đăng tạp chí Precision Engineering, tháng 10 năm 2004 [21] Trong nghiên cứu kết cấu bề mặt bề mặt phay q trình vốn quan trọng gia cơng phay lần cuối Đây tiêu chuẩn sử dụng phổ biến để xác định khả công nghệ phôi C.K Toh đánh giá hướng đường cắt dao phay phôi nghiêng góc 75º để mơ phay kết thúc khn mẫu tự khuôn kéo dây 3.5 Kết luận chương Qua phần nghiên cứu tổng quan tài liệu, thấy độ nhám bề mặt phay cứng đề tài thời quan tâm Với phát triển không ngừng mặt cơng nghệ địi hỏi độ xác cao thơng số kích thước, độ bóng bề mặt, giảm bớt yếu tố ảnh hưởng nâng cao chất lượng bề mặt Các nhà nghiên cứu đưa nhiều nghiên cứu độ bóng bề mặt phay cứng Tuy nhiên, quan tâm số nghiên cứu sau: 25 Theo hướng nghiên cứu thực nghiệm, nhà nghiên cứu đo độ nhám cách sử dụng liệu hạt nhân máy công cụ CNC để đánh giá gián tiếp độ nhám bề mặt máy phay đứng Việc sử dụng liệu hạt nhân hữu ích, đơn giản có nhiều ưu điểm việc sử dụng liệu gia tốc Cịn việc hỗ trợ q trình gia công phay cứng nghiên cứu sử dụng hỗ trợ rung động hai chiều, hỗ trợ laser Sự hỗ trợ rung động gia công phay khác biệt gia công phay đại so với truyền thống Đó phương pháp mới, hiệu việc cải thiện khả cắt gọt, nâng cao chất lượng bề mặt để gia công thép dụng cụ cứng Laser phát minh ảnh hưởng lớn kỉ 20 Laser ứng dụng nhiều lĩnh vực khác Ở đây, nghiên cứu đưa laser vào việc hỗ trợ phay cứng đem lại kết tốt Hỗ trợ tia laser cải thiện tính xác độ sâu rãnh chi tiết Ngồi ra, nghiên cứu sử dụng vật liệu CBN loại vật liệu cứng (chỉ sau kim cương), độ dẫn nhiệt cao, tính chống mài mịn cực tốt, có tính trơ hóa học tốt dùng để phủ dụng cụ cắt Khi sử dụng CBN để phủ dụng cụ cắt đem lại nhiều ưu điểm: gia công chi tiết có độ cứng lớn 48 HRC, gia cơng dễ dàng chi tiết có độ cứng cao, ổn định nhiệt độ cao, chịu hóa chất, gia cơng đạt độ bóng bề mặt tốt…Đồng thời, nghiên cứu đánh giá thông số ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt như: góc nghiêng gá phơi, tốc độ cắt…qua nghiên cứu nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công cách tối ưu hóa số u tố kỹ thuật: ví dụ tốc độ cắt tối ưu 1400 m/phút thép AISI H13, góc nghiêng gá phơi tối ưu 75º phay tinh khuôn mẫu tự khn kéo dây Qua phân tích kết hướng nghiên cứu trên, nghiên cứu nghiên cứu theo nhiều hướng khác độ bóng bề mặt phay cứng Cùng với phương pháp nghiên cứu đại ứng dụng, đem lại nhiều kết tốt độ nhám bề mặt phay cứng Tuy nhiên, nghiên cứu độ bóng bề mặt vấn đề tồn sau: * Chưa thể khác định xác độ nhám bề mặt trường hợp * Sử dụng thiết bị giá thành cao, thường sử dụng loại máy công cụ đại * Khi tối ưu hóa thơng số q trình gia cơng phay cứng đạt độ bóng bề thường kéo theo suất giảm tính kinh tế cao * Nghiên cứu chưa ứng dụng nhiều gia công phay cứng * Mới nghiên cứu số vật liệu hợp kim cụ thể nhiều vật liệu hợp kim sử dụng phổ biến mà chưa nghiên cứu 26 * Cần làm rõ vấn đề gia công tốc độ cao thép AISI H13, tránh gia công tốc độ cắt 1400 m/phút mà lại nên sử dụng vận tốc cắt tối ưu 1400 m/phút * Tại sử dụng laser hỗ trợ phay micro lại làm tăng tính xác độ sâu rãnh làm tăng độ nhám bề mặt CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 4.1.1 Lý thuyết thực nghiệm 4.1.1.1 Các nguyên tắc thiết kế thí nghiệm a Nguyên tắc ngẫu nhiên Nguyên tắc ngẫu nhiên (Principle of Randomization) áp dụng nhằm hạn chế ảnh hưởng yếu tố gây nhiễu Theo nguyên tắc thứ tự thay đổi giá trị thơng số thí nghiệm, cách bố trí thí nghiệm, thứ tự tiến hành thí nghiệm phải tiến hành theo thứ tự ngẫu nhiên b Nguyên tắc lặp lại Nguyên tắc lặp lại (Principle of Replication), thí nghiệm cần thực nhiều lần Lưu ý phân biệt hành động lặp lại (Replicate) với việc đo lại (Repaeat measurement) vài thơng số nhiều lần Đo lại nhiều lần làm giảm sai số đo không làm ảnh hưởng thơng số nhiễu đến kết thí nghiệm c Nguyên tắc tạo khối Nguyên tắc tạo khối (Principle of Blocking) thường sử dụng số lượng thí nghiệm nhiều Khi đó, ta cần chia thành nhiều khối thí nghiệm Khối tập hợp thí nghiệm có chung hay vài đặc tính Trong khối, thí nghiệm thiết kế tuân thủ theo nguyên tắc lặp nguyên tắc ngẫu nhiên Nói cách khác, thứ tự thí nghiệm khối xáo trộn ngẫu nhiên; đồng thời, thí nghiệm khối lặp lại xử lý thống kê kế hoạch riêng 4.1.1.2 Các loại thí nghiệm Có ba loại thí nghiệm là: Thí nghiệm sàng lọc, Thí nghiệm so sánh thí nghiệm cải thiện q trình (thí nghiệm tối ưu hóa) a Thí nghiệm sàng lọc Thí nghiệm sàng lọc (screening Experiment) thí nghiệm tiến hành nhằm mục đích sau: - Xác định đâu yếu tố ảnh hưởng đến đối tượng hay q trình cần khảo sát 27 - Đánh giá mức độ ảnh hưởng yếu tố - Đánh giá mức độ ảnh hưởng tương tác yếu tố Thí nghiệm sàng lọc thường khai thác dạng thiết kế thí nghiệm tồn phần mức số yếu tố thí nghiệm khơng lớn; thiết kế thí nghiệm riêng phần hay thiết kế thí nghiệm P-B b Thí nghiệm so sánh Thí nghiệm so sánh (Comparative Expriment) thường thực hiên để so sánh đánh giá sai khác hai nhóm đối tượng mẫu hay hai trình trả lời câu hỏi: Có hay khơng sai khác nhóm đối tượng hay trình? Câu hỏi thường đặt kiểm chứng sản phẩm hay trình c Thí nghiệm tối ưu hóa Thí nghiệm tối ưu hóa nhằm tìm kiếm tập xác lập yếu tố đầu vào cho đạt giá trị tối ưu đầu Thí nghiệm tối ưu hóa thường sử dụng dạng thiết kế thí nghiệm “bề mặt tiêu” Trong trường hợp hàm mục tiêu hàm cực trị phạm vi khảo sát, thí nghiệm cho phép ta tạo xác lập để đạt giá trị xác định hàm mục tiêu 4.1.1.3 Lựa chọn thiết kế thí nghiệm Từ mục đích đề tài qua phân tích loại thí nghiệm tác giả lựa chọn thí nghiệm tối ưu hóa để tiến hành quy hoạch thực nghiệm 4.1.2 Cơ sở lý thuyết 4.1.2.1 Thực nghiệm tối ưu hoá Một mục đích nghiên cứu thực nghiệm kỹ thuật tìm giá trị cựu trị hay tìm vùng tối ưu cho trình hay điều kiện tối ưu để vận hành hệ thống Lớp toán nghiên cứu thực nghiệm vấn đề tối ưu thường biết đến với tên gọi “phương pháp bề mặt tiêu” (Response Surface Methods - RSM) Phương pháp bề mặt tiêu hữu ích việc phát triển, nâng cao hiệu tối ưu hố q trình sản xuất Nó có ứng dụng quan trọng việc thiết kế phát triển sản phẩm cải thiện sản phẩm có Nội dung RSM sử dụng chuỗi thí nghiệm thiết kế với mục đích sau: - Chỉ tập giá trị biến đầu vào (điều kiện vận hành, thực thi) cho tạo ứng xử đối tượng nghiên cứu “tốt nhất”; - Tìm kiếm giá trị biến đầu vào nhằm đạt yêu cầu cụ thể ứng xử đối tượng nghiên cứu; 28 - Xác định điều kiện vận hành đảm bảo cải thiện chất lượng hoạt động đối tượng so với tình trạng cũ; - Mơ hình hoá quan hệ biến đầu vào với ứng xử đối tượng nghiên cứu, dùng làm sở để dự đốn hay điều khiển q trình hay hệ thống Để đạt mục tiêu trên, phương pháp RSM thực việc xây dựng hàm mô tả bề mặt tiêu (Response Surface) phụ thuộc thông số đầu vào 4.1.2.2 Tiến trình tối ưu hố Tiến trình tối ưu hoá RSM thường gồm giai đoạn sau: - Giai đoạn 1: Thí nghiệm khởi đầu Sau tiến hành thí nghiệm sàng lọc (Screening Design) nhằm lựa chọn biến thí nghiệm tiếp tục khảo sát, ta phân tích mơ hình rút gọn (đã loại bỏ yếu tố không ảnh hưởng đáng kể), nhằm xây dựng mơ hình hồi quy bậc mơ tả hàm mục tiêu Việc đánh giá mưc độ phù hợp mơ hình bậc cho phép ta kiểm tra xem vùng khảo sát có vùng lân cận cực trị hay khơng Nếu mơ hình bậc khơng phù hợp, có nghĩa hàm mục tiêu vùng lân cận cực trị, chuyển sang giai đoạn 3, trái lại, chuyển sang giai đoạn - Giai đoạn 2: Leo dốc tìm vùng cực trị Nếu vùng thí nghiệm cịn xa vùng cực trị, tiến hành thí nghiệm nhằm tìm nhanh đến vừng chứa cực trị Phương pháp thực leo dốc/xuống dốc tìm vùng cực trị Nhiệm vụ xác định giai số cho biến thí nghiệm Sau tiến hành thí nghiệm với giá trị biến hàm mục tiêu đổi chiều thay đổi giá trị Thí nghiệm xác định mức độ khơng phù hợp mơ hình bậc tiến hành để khẳng định khả vùng chứa cực trị - Giai đoạn 3: Thí nghiệm bề mặt tiêu Khi vùng lân cận cực trị, tiến hành thí nghiệm để mơ tả quan hệ vào - dạng hàm bậc cao (Hồi quy bậc cao) Các thí nghiệm thiết kế theo kế hoạch thí nghiệm bề mặt tiêu (Response Surface Design) Cuối cùng, tiến hành phân tích đánh giá đưa kết luận 4.1.2.3 Mức độ phù hợp mơ hình Trong trình tìm vùng chứa cực trị hàm mục tiêu, ta cần kiểm tra xem mơ hình hồi quy mô tả hàm mục tiêu bậc hay bậc cao Sau xây dựng hàm mục tiêu, ta tiến hành kiểm định giả thuyết thống kê để đánh giá xem mơ hình khớp với liệu đến mức Việc đánh gọi “kiểm định mức độ phù hợp mơ hình”(Lack of fit test) 4.1.2.4 Kế hoạch thí nghiệm bề mặt tiêu Khi vùng chứa cực trị, để mô tả xác quan hệ giũa hàm mực tiêu với biến thí nghiệm, ta cần khảo sát nhiều mức giá trị cho biến Có hai cách xây 29 dựng kế hoạch thí nghiệm thiết kế thí nghiệm hỗn hợp tâm xoay (Central Composite Design - CCD) thiết kế Box-Behnken Sau cân nhắc ưu nhược điểm hai cách tác giả lựa chọn xây dựng kế hoạch thực nghiệm bề mặt tiêu theo dạng hỗn hợp tâm xoay - CCD (a) (b) (c) Hình: (a) Sơ đồ thí nghiệm 22; (b) thí nghiệm dọc trục thí nghiệm trung tâm; (c) Thí nghiệm CCD 4.1.2.5 Phương pháp đo tổng hợp kết đo Các kết thu giá trị trung bình từ phép đo mẫu khác điểm thí nghiệm từ phép đo vị trí khác mẫu Để đánh giá kết đo xác cần xác định đặc trưng thống kê quan trọng nhất: giá trị trung bình xtb, độ lệch quân phương, hệ số biến sai C v, sai lệch tuyệt đối Stđ, độ không H khoảng đáng tin cậy x [11] xtb = n ∑ xi n i =1 Cv = σ= σ 100 xtb Stđ = [%] n ∑ ( xi − xtb ) n i =1 ( xi − xtb ) ∑ (n − 1) i =1 n ∆ x = hst H= σ n Stđ 100 xtb ≤ n ≤ 20 [%] Trong đó: xi - kết đo lần thứ i n - số lượng phép đo hst - hệ số phân bố Student, phụ thuộc vào xác xuất đáng tin P đt, số lượng phép đo n xác định theo bảng (khi n ≥ 20 tra bảng hệ số phân bố chuẩn h ch Như vậy, kết đo xth (giá trị thực) nằm khoảng: xtb − ∆x < xth < xtb + ∆x Q trình tính toán kết đo thực máy hiển vi điện tử TM1000 kết nối với máy tính 30 4.1.3 Các giới hạn thí nghiệm Tham khảo từ chuyên gia lĩnh vực phay cứng dao phay gắn mảnh lưu ý nhà sản xuất mảnh dao ta xác định giới hạn thí nghiệm sau: - Nghiên cứu ảnh hưởng vận tốc cắt lượng chạy dao đến tuổi bền dao phay mặt đầu (mảnh dao phủ CBN) gia công thép SKD11 - Vận tốc cắt v = 50 - 80 (m/phút) - Lượng chạy dao s = 40 - 100 (mm/phút) - Chiều sâu cắt không đổi t = 0,2 (mm) - Tổng hợp nhiễu ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công ổn định - Độ cứng phôi suốt q trình gia cơng khoảng 45 ÷ 50 HRC 4.1.4 Các thơng số đầu vào thí nghiệm Gọi x1, x2, x3 biến tương đương với thông số: Vận tốc dài v, lượng chạy dao s chiều sâu cắt t Trên sở điều kiện biên, kết thí nghiệm sơ trước tham khảo giá trị chế độ cắt tối ưu hãng MITSUBISHI cung cấp gia công thép hợp kim SKD11 có độ cứng 45 ÷ 50 HRC dao phay mặt đầu gắn mảnh CBN Vmax = 80 (m/phút) Smax = 100 (mm/phút) Vmin = 50 (m/phút) Smin = 40 (mm/phút) Các yếu tố xi thực nghiệm là: Mức lớn nhất: xi(t) = ximax Mức nhỏ nhất: xi(t) = ximin Mức trung bình: xi(t) = ½(ximax+ ximin) Bảng 4.1: Giá trị tính tốn giá trị thơng số chế độ cắt V, S cho thực nghiệm: Các yếu tố (+α ) Mức lớn Mức lớn (+1) Mức trung bình (0) Mức nhỏ (-1) (−α ) Mức nhỏ x1 (m/phút) 80 75 65 55 50 x2 (mm/phút) 100 85 70 65 40 4.1.5 Các hàm mục tiêu Từ định hướng nghiên cứu tối ưu phay thép SKD11 dao phay mặt đầu gắn mảnh dao CBN, nghiên cứu thực nghiệm xác định hàm mục tiêu sau: - Độ nhám bề mặt: Ra = Ra(t, V, S) 31 Để thực khảo sát hàm mục tiêu cần xác định dạng hàm hồi quy cho đại lượng 4.1.6 Chọn dạng hàm hồi quy Quá trình gia cơng dao phay q trình phức tạp, có nhiều nhân tố ảnh hưởng đến trình cắt Việc chọn dạng hàm hồi quy bậc bậc hai không đầy đủ không phù hợp với trình nghiên cứu thực nghiệm Do vậy, ta sử dụng dạng hàm khảo sát hàm hồi quy dạng mơ hình thống kê bậc hai dạng đầy đủ k nhân tố, đảm bảo phản ánh trung thực quy luật, độ xác tin cậy kết thực nghiệm Hàm k k hồi quy bậc hai có dạng: Y = f ( x j ) = b0 + ∑ b j x j + ∑ b ji xi x j +∑ bij x j j =1 i< j Ứng với trường hợp số nhân tố k = ta phương trình hồi quy có dạng: Y = bo + b1x + b2x2 + b12x1x2 + b11x1 + b2 1x22 + b2 2x22 (4.1) Ứng dụng phần mềm Design Experts thực xây dựng kế hoạch thực nghiệm nhám bề mặt theo v s xác định hệ số phương trình hồi quy 4.1.7 Xây dựng ma trận thí nghiệm Dùng phần mềm Design Experts thực xây dựng kế hoạch thực nghiệm mịn, tuổi bền với thực nghiệm có hai biến đầu vào (chiều sâu cắt chọn cố định ( t = 0,2mm), số thí nghiệm tâm ta có ma trận thí nghiệm sau: Bảng 4.2 Ma trận thí nghiệm STT Biến thực nghiệm V(m/phút) S(mm/phút) 55 65 65 70 55 85 65 40 50 70 75 85 75 65 80 70 65 100 Biến mã hóa X1 X2 -1 -1 0 -1 (-α) (-α) 1 -1 (+α) 0 (+α) Kết 4.1.8 Trang thiết bị thí nghiệm 4.1.8.1 Máy thí nghiệm Thực nghiệm tiến hành trung tâm gia công VMC - 85S hãng Maximart sản xuất năm 2003 với hệ điều khiển Fanuc OMD, máy có khả tích hợp CAD/CAM qua cổng RS 232 Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên 32 4.1.8.2 Dụng cụ cắt thí nghiệm Dao phay mặt đầu gắn mảnh CBN - Thông số cán dao Ký hiệu APX3000202SA20S A - Thông số mảnh dao D1 20 Ký hiệu APX3000AOMT123604PEER-H D4 20 L1 12 L2 6.6 L1 100 S1 3.6 4.1.8.3 Phôi Thép hợp kim SKD11 qua tạo hình dáng tơi Độ cứng: 45 ÷ 50 HRC Kích thước: 250x180x25 - Thành phần hoá học thép SKD 11 L2 30 F1 1.6 Re 0.4 33 Bảng 4.4: Thành phần nguyên tố hoá học thép SKD11 Mác thép C Si Mn Thành phần hoá học (%) Ni Cr Mo W V Cu P S SKD11 1.556 0.226 0.396 0.308 11.18 0.861 0.01 0.221 0.143 0.02 0.0058 4.1.8.4 Dụng cụ đo kiểm - Máy đo nhám bề mặt SJ 201 Mitutoyo Hình: Hình ảnh máy đo nhám bề mặt SJ 201 4.2 Tiến hành thí nghiệm Thí nghiệm thực trung tâm gia cơng VMC-85S Sau sử dụng máy đo độ nhám máy đo nhám SJ-201 Bảng 4.5: Kết thực nghiệm xác định Ra theo vận tốc cắt (v) lượng chạy dao (s) N0 X1 -1 -1 −α 1 +α X2 -1 −α -1 +α Ra ( µm ) 2.662 2.441 3.277 2.765 3.192 2.837 2.375 2.392 3.258 4.3 Xử lý kết thí nghiệm 4.3.1 Phân tích số liệu thực nghiệm với hàm mục tiêu nhám bề mặt Nhập kết thí nghiệm Sử dụng phần mềm Design Expert 8.0.5 ta nhập số theo trình tự sau: Nhập số liệu vận tốc, lượng chạy dao nhám bề mặt Tiến hành xử lý số liệu ta có kết sau: 34 Từ kết xử lý số liệu ta có hệ số phương trình hồi quy sau: b0 = 0,61 b1 = −0,051 b12 = b11 = b2 = −0,12 b22 = Thay vào phương trình 4.1 ta có phương trình hồi quy: Y = 0,61 − 0,051x1 + 0,12 x2 Ta quan sát cột có giá trị F so sánh tự động P ta thấy giá trị lớn mức ý nghĩa 0,05 => hệ số b0 ; b;1 b2 có ý nghĩa mơ hình hồi quy phù hợp Vậy hàm quan hệ lượng mòn (Ra) với vận tốc (V) lượng chạy dao (S) sau: Ra = 0,85646 − 2,36124 S − 6.14248V 35 4.3.2 Biểu đồ quan hệ vận tốc, lượng chạy dao nhám bề mặt Hình : Bề mặt tiêu quan hệ vận tốc, lượng chạy dao nhám bề mặt Hình : Biểu đồ đường mức quan hệ vận tốc, lượng chạy dao nhám bề mặt 4.3.3 Phân tích biểu đồ lời khuyên công nghệ Trên biểu đồ ta thấy vận tốc cắt cao nhám bề mặt thấp (độ nhẵn bóng cao) lượng chạy dao lớn nhám bề mặt tăng theo (giảm độ nhẵn bóng) Theo bảng 3.5 ta thấy Ra thí nghiệm bề mặt gia công tốt nhất, đồng thời phù hợp với cấp độ nhám bề mặt cho phép (Ra = 2.0 ÷ 4.0) Khi cắt với vận tốc cao, lượng chạy dao nhỏ lát cắt sau xóa vết lát cắt trước làm tăng độ nhẵn bóng bề mặt gia cơng Do muốn dùng dao phay gắn mảnh CBN gia công tinh vật liệu SKD11 đạt bề mặt chất lượng tốt ta chọn cắt vận tốc 68 ≤ V ≤ 80 (m/phút) với lượng chạy dao 40 ≤ S ≤ 70 (mm/phút) 36 4.4 Kết luận chương Quá trình nghiên cứu ảnh hưởng thông số chế độ cắt đến bề mặt phay vật liệu SKD11 sau dao phay gắn mảnh CBN xây dựng mối quan hệ ảnh hưởng thông số (V,S) với nhám bề mặt Từ kết thực nghiệm vấn đề ta nên chọn vận tốc cắt 68 ≤ V ≤ 80 (m/phút) với lượng chạy dao 40 ≤ S ≤ 70 (mm/phút) Khi phay cứng thép SKD11 qua dao phay gắn mảnh CBN chế độ hợp lý để gia công tinh đảm bảo độ nhám bề mặt Đây sở khoa học để đưa kết luận định hướng nghiên cứu đề tài triển khai ứng dụng vào thực tế sản xuất KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Trong giới hạn nghiên cứu đề tài: “Khảo sát chất lượng bề mặt thép làm khuôn qua tơi phay cứng” điều kiện thiết bị thí nghiệm Việt Nam Quá trình nghiên cứu bề mặt gia công vật liệu thép làm khuôn SKD11 sau đạt độ cứng 45 - 50HRC dao phay mặt đầu gắn mảnh CBN hoàn thành đạt kết sau: 1.Đã xây dựng mơ hình ma trận quy hoạch thí nghiệm phù hợp với nội dung mục tiêu nghiên cứu luận văn 2.Đánh giá ảnh hưởng thông số chế độ cắt (S, v) đến độ nhám sở cho người kĩ sư công nghệ lựa chọn miền thông số phù hợp 68 ≤ V ≤ 80 (m/phút) với lượng chạy dao 40 ≤ S ≤ 70 (mm/phút) với mục tiêu 3.Dựa sở nội dung nghiên cứu làm cở sở gia cơng loại vật liệu khác phương pháp phay vật liệu sau Hướng nghiên cứu tiếp theo: Để đảm bảo áp dụng dao phay gắn mảnh gia công tinh, gia cơng lần cuối loại khn cần có phải nghiên cứu đánh giá chi tiết tượng vật lý trình cắt để nâng cao độ xác, chất lượng bề mặt Vậy, tác giả mong nhận bảo, đóng góp ý kiến thầy giáo bạn đồng nghiệp, để đề tài hoàn thiện có triển vọng phát triển tương lai Xin trân trọng cảm ơn!