Luận án nghiên cứu xác định một số thông số của quá trình gia công khi mài vô tấm thép 20x thấm các bon nhằm cải thiện độ không tròn và độ nhám bề mặt

-1- PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong gia cơng khí, mài vơ tâm phương pháp sử dụng phổ biến, phương pháp có suất cao nhiều lần so với mài có tâm nhờ thời gian gá đặt tháo dỡ chi tiết ít; độ cứng vững máy mài vơ tâm cao so với máy mài có tâm [17], [18], [79] Khi mài vô tâm bề mặt trụ ngồi, chi tiết định vị bề mặt gia cơng nên giảm bớt lượng dư gia cơng; nâng cao chế độ mài (tốc độ chi tiết) gia cơng chi tiết có đường kính nhỏ với tỷ lệ chiều dài/đường kính (l / d ) lớn so với phương pháp mài có tâm chi tiết gá tỳ đá dẫn có độ cứng vững cao; sử dụng đá có chiều dày lớn giảm đáng kể số lần chạy dao dọc Đối với phương pháp mài vơ tâm chạy dao hướng kính, gia cơng bề mặt ngồi: gia cơng chi tiết dạng bậc, chi tiết dạng côn nhiều chi tiết đồng thời [18] Ngồi ra, phương pháp cịn sử dụng để gia cơng chi tiết có hình dáng, kích thước định mà phương pháp khác (tiện, mài trịn ngồi,…) khó thực đội xupap, piston, bi côn,… Cũng phương pháp gia công cắt gọt khác, chất lượng gia công tinh bề mặt trụ phương pháp mài đánh giá qua nhiều thơng số Trong đó, độ khơng trịn độ nhám bề mặt chi tiết hai số thông số kỹ thuật quan trọng có ảnh hưởng lớn đến khả làm việc chi tiết [3], [18], [28], [29], [30], [84], [121] Cơ chế hình thành độ khơng trịn, độ nhám bề mặt chi tiết mài vô tâm thường phức tạp phụ thuộc nhiều vào yếu tố (chế độ cắt, chế độ sửa đá, công nghệ trơn nguội) yếu tố hệ thống công nghệ (thông số hình học, độ cứng vững, đặc tính tiếp xúc, ) [18], [28], [29], [84], [121] Hiện nay, nhiều sở sản xuất điều khiển trình mài vơ tâm chọn thơng số q trình gia công (thông số công nghệ, thông số sửa đá,…) theo kinh nghiệm người thợ, theo phương pháp đo dị cắt thử hay sử dụng thơng số q trình gia cơng chọn bảng tra (phương -2- pháp thống kê kinh nghiệm) Bên cạnh đó, việc điều chỉnh - lựa chọn giá trị thơng số để gia cơng chi tiết có độ khơng tròn, độ nhám đạt giá trị nhỏ thường gặp nhiều khó khăn tốn nhiều thời gian thợ có tay nghề cao [100] Những lý thường làm hạn chế việc cải thiện độ không tròn, độ nhám bề mặt chi tiết; hạn chế việc nâng cao hiệu q trình mài vơ tâm Nếu xác định giá trị thông số q trình gia cơng để đảm bảo chi tiết có độ khơng trịn, độ nhám nhỏ giúp giảm thời gian điều chỉnh máy – thời gian gia công thử, góp phần nâng cao hiệu q trình mài Ở Việt Nam, mài vô tâm sử dụng nhiều lĩnh vực gia công tinh sản phẩm động cơ, tơ, vịng bi, cơng nghệ dệt,… Kết khảo sát đơn vị sản xuất địa bàn tỉnh Thái Nguyên thời điểm tháng 6/2013 bao gồm: Công ty TNHH MTV Diesel Sông Công Thái Ngun, Cơng ty CP Cơ khí Phổ n Cơng ty Cổ phần Phụ tùng máy số I cho thấy: mặt hàng gia công phương pháp mài vô tâm đa dạng; tính riêng chi phí cho lương công nhân đứng máy lên tới hàng tỷ đồng năm (phụ lục 1) Thép 20X thuộc loại thép hợp kim thấp sử dụng rộng rãi ngành chế tạo máy Loại thép dùng phổ biến (ở trạng thái thấm bon tôi) để chế tạo số loại chi tiết động cơ, đồ định vị,… với phương pháp mài vô tâm chọn để gia công tinh bề mặt trụ yêu cầu độ xác cao Chỉ tính riêng sản phẩm đội xupap động chế tạo từ loại thép 20X thấm bon: tháng cần tới 1500  2000 loại động cơ, sản phẩm xuất nhiều nước Indonesia, Srilanka, Hàn Quốc, Nhật Bản [19] Còn đội xupap loại động Diesel RV125 phục vụ nhu cầu nước: năm, tính riêng Cơng ty TNHH MTV Diesel Sông Công Thái Nguyên sản xuất khoảng 96.000 từ loại thép 20X thấm bon phương pháp mài vơ tâm chạy dao hướng kính (phụ lục 1) Mặc dù nghiên cứu nhiều Nhà khoa học, đến cho thấy nhiều vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu mài vô tâm Theo số liệu thống kê số nghiên cứu mài vô tâm công bố từ năm 1964 đến 2015 (phụ lục 2) tạp chí uy tín như: International Journal of Machine Tools & Manufacture, -3- Journal of Manufacturing Science and Engineering, CIRP Annals - Manufacturing Technology, cho thấy: - Số lượng nghiên cứu mài vô tâm công bố giai đoạn tăng dần theo thời gian tăng nhanh năm gần Cụ thể: số lượng nghiên cứu công bố tăng dần theo giai đoạn 1964  1975; 1975  1985; 1985  1995; 1995  2005; 2005  2015 Riêng giai đoạn 2005  2015 số nghiên cứu mài vô tâm công bố chiếm tới 57% số nghiên cứu từ 1964 đến 2015 - Các công bố mài vô tâm thường thực thông qua nghiên cứu mơ hình hóa - mơ phỏng, nghiên cứu thực nghiệm nghiên cứu tối ưu để tìm giá trị hợp lý (tối ưu) cho thông số trình gia cơng nhằm giảm thời gian điều chỉnh máy - thời gian gia cơng thử, giảm độ khơng trịn độ nhám bề mặt chi tiết Ở Việt Nam, thơng qua việc tìm kiếm internet cho thấy: tạp chí khoa học cơng nghệ năm gần đây, ngồi số cơng bố tác giả cộng chưa thấy có nghiên cứu mài vô tâm công bố Những đặc điểm nêu định hướng cho việc chọn đề tài: “Nghiên cứu xác định số thông số q trình gia cơng mài vơ tâm thép 20X thấm bon nhằm cải thiện độ khơng trịn độ nhám bề mặt” Đối tượng nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu công nghệ mài vô tâm chạy dao hướng kính với đối tượng thực nghiệm loại thép 20X thấm bon Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu tìm phương pháp lựa chọn, điều chỉnh số thông số q trình mài vơ tâm chạy dao hướng kính nhằm: - Giảm thời gian điều chỉnh máy thời gian gia cơng thử - Giảm (cải thiện) độ khơng trịn bề mặt chi tiết gia công - Giảm (cải thiện) độ nhám bề mặt chi tiết gia công Nội dung nghiên cứu Để đạt mục đích kể trên, nội dung nghiên cứu gồm: -4- Nghiên cứu tổng quan mài vô tâm Nghiên cứu mơ q trình mài vơ tâm để biểu diễn quan hệ thơng số q trình mài với hình dạng hình học sản phẩm Nghiên cứu thực nghiệm q trình mài vơ tâm chạy dao hướng kính Xây dựng mối quan hệ số thơng số q trình mài với độ khơng trịn, độ nhám bề mặt Nghiên cứu thuật toán để xác định giá trị tối ưu số thơng số q trình mài vơ tâm Nghiên cứu thực nghiệm để so sánh kết thuật toán tối ưu sử dụng Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu sở lý thuyết q trình mài vơ tâm kết nghiên cứu mài vô tâm công bố để xác định hướng nghiên cứu phương pháp mài vô tâm nhà khoa học quan tâm Phân tích vấn đề cịn phải tiếp tục nghiên cứu, từ xác định đối tượng, mục tiêu phạm vi nghiên cứu luận án - Nghiên cứu mô phỏng: Nghiên cứu mơ hình hóa - mơ q trình mài số phương pháp mơ q trình mài vơ tâm chạy dao hướng kính cơng bố tạp chí Quốc tế có uy tín cao, nhiều nhà khoa học tham khảo Phân tích phương pháp mơ để xác định vấn đề cịn phải tiếp tục nghiên cứu Từ tiến hành nghiên cứu xây dựng thuật tốn viết chương trình mơ để dự đốn độ khơng trịn bề mặt chi tiết mài vô tâm chạy dao hướng kính; đánh giá độ xác thuật tốn thơng qua việc so sánh với thuật toán cơng bố tạp chí Quốc tế có uy tín thuộc nhóm ISI, IF = 3.35 (International Journal of Mechine Tools & Manufacture – ELSEVIER) so sánh với kết thí nghiệm tác giả Sau sử dụng chương trình mơ để định hướng cho nghiên cứu thực nghiệm nghiên cứu tối ưu trình mài -5- - Nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu sở khoa học tiến trình trình thực nghiệm; xây dựng sử dụng hệ thống thí nghiệm thiết bị đại kiểm tra định kỳ tổ chức uy tín (phụ lục 3), gắn liền với thực tế sản xuất; phương pháp quy hoạch thực nghiệm khoa học (theo số tài liệu, có tài liệu nhiều nhà khoa học tham khảo nghiên cứu thực nghiệm [4], [13]); kết hợp với phần mềm xử lý số liệu chuyên dùng (Minitab) để phân tích số liệu xây dựng phương trình hồi qui làm sở cho việc điều khiển tối ưu trình mài - Nghiên cứu tối ưu: Nghiên cứu sử dụng thuật toán truyền thống (thuật toán giảm gradient tổng quát), thuật toán đại (thuật giải di truyền) nhiều nhà khoa học sử dụng; kết hợp với phần mềm hãng Microsoft chương trình tiến hóa viết GS Noyan Turkkan (2001) [112] (Đại học Dé Moncton - Canada) để giải toán tối ưu; so sánh kết thuật tốn tối ưu sử dụng thơng qua thực nghiệm Ý nghĩa đề tài 6.1 Ý nghĩa khoa học Đóng góp số kết vào hướng nghiên cứu mài vô tâm nhà khoa học quan tâm Mơ hình hóa - Mơ phỏng, Tối ưu hóa Điều khiển q trình mài: Xây dựng thuật tốn chương trình máy tính mơ q trình mài vơ tâm chạy dao hướng kính Xây dựng phương pháp xác định thuận lợi thông số hợp lý trình mài cho phép giảm thời gian điều chỉnh máy - thời gian gia công thử; giảm độ không trịn bề mặt chi tiết mài vơ tâm chạy dao hướng kính Xây dựng mơ hình độ khơng trịn, độ nhám bề mặt chi tiết với số thơng số q trình gia cơng làm sở cho việc điều khiển hay tối ưu trình mài Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu mô phỏng, nghiên cứu thực nghiệm nghiên cứu tối ưu trình mài trình bày -6- luận án tạo sở khoa học cho việc nghiên cứu trình mài ứng với điều kiện khác 6.2 Ý nghĩa thực tiễn Sử dụng thuật tốn chương trình mơ cho phép đảm bảo cải thiện độ khơng trịn, độ nhám bề mặt chi tiết gia công; giảm thời gian điều chỉnh máy - thời gian gia công thử Tính gia cơng vật liệu phụ thuộc nhiều vào thành phần hóa học vật liệu gia cơng Do đó, kết nghiên cứu mài tinh thép 20X thấm bon, việc áp dụng để mài tinh thép 20X thấm bon cịn dùng để tham khảo mài vô tâm loại vật liệu có thành phần hóa học lớp bề mặt gần giống thành phần hóa học vật liệu lớp bề mặt thép 20X thấm bon Việc áp dụng kết nghiên cứu vào thực tế sản xuất góp phần nâng cao hiệu kinh tế - kỹ thuật q trình mài vơ tâm -7- Chương TỔNG QUAN VỀ MÀI VÔ TÂM 1.1 Ưu - nhược điểm, phạm vi ứng dụng phương pháp mài vô tâm 1.1.1 Ưu - nhược điểm Trong gia cơng khí nói chung gia cơng phương pháp mài nói riêng, kéo dài thời gian phụ, thời gian gá đặt - tháo dỡ chi tiết làm tăng chi phí q trình gia công Đối với phương pháp mài vô tâm bề mặt trụ ngồi, có ưu điểm khơng cần gia cơng lỗ tâm số phương pháp gia công khác (tiện, mài có tâm, ), mà chi tiết định vị bề mặt gia cơng Điều làm giảm thời gian phụ, thời gian gá đặt - tháo dỡ chi tiết, đồng thời tránh sai số gia công sai số lỗ tâm gây Ngồi mài vơ tâm cịn có ưu điểm: gia cơng chi tiết có đường kính nhỏ so với phương pháp mài có tâm; khơng cần cấu kẹp chặt chi tiết gia công, tiết kiệm thời gian phụ, dễ tự động hóa q trình gia cơng Tuy nhiên, mài vơ tâm cịn số nhược điểm sau [6], [17]: - Điều chỉnh máy phức tạp - Khó có khả đảm bảo độ đồng tâm bậc trục - Khó mài bề mặt gián đoạn 1.1.2 Phạm vi ứng dụng Hình 1.1 Một số dạng chi tiết gia công phương pháp mài vô tâm [67] -8- Các sản phẩm thường ứng dụng cơng nghệ mài vơ tâm có hình dáng, kích thước đa dạng như: chi tiết ngành cơng nghệ tơ, vịng bi, số chi tiết động cơ, đồ định vị, số chi tiết ngành cơng nghệ dệt, (hình 1.1) 1.2 Sơ đồ mài vơ tâm chạy dao hướng kính Khi gia cơng bề mặt trụ ngồi phương pháp mài vơ tâm chạy dao hướng kính: vị trí chi tiết gia công nằm đá mài, tỳ, đá dẫn cữ chặn, thành phần định tốc độ quay chi tiết gia công Đối với đa số máy mài vô tâm thực mài chạy dao hướng kính: đá dẫn, chi tiết, tỳ cữ chặn tiến phía tâm đá mài trình mài Đồng thời để định vị chi tiết chắn theo hướng dọc trục cần phải tạo lực kẹp cách xoay đá dẫn mặt phẳng thẳng đứng góc  khoảng 0, 50 [16], [18], [79] Sơ đồ mài vô tâm chạy dao hướng kính bề mặt trụ ngồi trình bày hình 1.2 Hình 1.2 Sơ đồ mài vơ tâm chạy dao hướng kính -9- 1.3 Một số thơng số q trình mài vơ tâm chạy dao hướng kính 1.3.1 Góc cao tâm chi tiết Góc cao tâm  góc hợp hai tiếp tuyến bề mặt chi tiết điểm tiểm xúc bề mặt chi tiết với bề mặt đá mài bề mặt đá dẫn Sử dụng  để mô tả vị trí chi tiết gia cơng hệ thống cơng nghệ (hình 1.3) Hình 1.3 Sơ đồ biểu thị góc cao tâm  Mối quan hệ  với số thơng số hình học hệ thống công nghệ thể biểu thức sau [3]:  h  rdm  rct   arcsin    h    arcsin     rdd  rct   A  rct  H  arcsin   rdm  rct   A  rct  H    arcsin     rdd  rct  (1.1) Trong đó:  - Góc cao tâm chi tiết h - Chiều cao tâm chi tiết, khoảng cách từ tâm chi tiết đến đường thẳng nối tâm đá mài tâm đá dẫn rdm - Bán kính đá mài - 10 - rdd - Bán kính đá dẫn rct - Bán kính chi tiết gia cơng A - Khoảng cách từ đáy tỳ đến đường sinh cao chi tiết H - Khoảng cách từ đáy tỳ đến đường thẳng nối tâm đá mài tâm đá dẫn (giá trị H ghi rõ catalog loại máy) Theo Trần Văn Địch cộng (2003) [6]: hầu hết trình mài vô tâm thực trường hợp tâm chi tiết cao đường thẳng nối tâm đá mài tâm đá dẫn (   0) Giá trị  có ảnh hưởng lớn đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công: - Nếu  lớn làm cho chi tiết bị rung động q trình mài, chi tiết có xu hướng bị nhấc lên theo phương thẳng đứng, giảm điều kiện tiếp xúc bề mặt chi tiết với bề mặt đá mài, bề mặt đá dẫn tỳ, đồng thời chi tiết có xu hướng bị bật khỏi vùng gia công - Tuy nhiên,  nhỏ làm tăng áp suất tiếp xúc bề mặt chi tiết với bề mặt đá mài, bề mặt đá dẫn bề mặt tỳ, ảnh hưởng đến chuyển động quay chi tiết, gây sai số gia công gây biến dạng vật mài [18] 1.3.2 Lượng chạy dao hướng kính Khi tăng lượng chạy dao hướng kính ( Sk ) làm tăng tốc độ bóc vật liệu Tuy nhiên, tăng tốc độ bóc vật liệu làm tăng chiều dày lớp phoi bóc đi, tăng lực tác động lên hạt mài, tăng lực cắt làm tăng tượng tự mài sắc Kết độ nhám bề mặt tăng đá nhanh mòn [79] 1.3.3 Vận tốc đá mài Khi tăng vận tốc đá mài (vdm ) cho phép tăng Sk Nếu tăng vdm mà không tăng Sk , làm giảm chiều dày lớp phoi bóc Trong trường hợp làm giảm độ nhám bề mặt giảm lực cắt, đồng thời giảm tượng tự mài sắc Mục đích việc tăng vdm cho phép tăng Sk , nâng cao suất mà đảm bảo chất lượng bề mặt gia công [79] - 144 - jmax = For j = To m If r(j) > rmax Then rmax = r(j) jmax = j End If If r(j) < rmin Then rmin = r(j) End If Next j For j = jmax To m rp(j - jmax) = r(j) Next j For j = To jmax rp(m + j - jmax) = r(j) Next j For j = To m Cells(j + 2, 5) = 360 * j / m Cells(j + 2, 6) = rp(j) Next j Worksheets("DO ON DINH").Activate Cells(3, 1) = af(0) = For j = To m - af(0) = af(0) + r(j) Next j af(0) = af(0) / m Cells(3, 2) = af(0) For i = To 72 Cells(i + 3, 1) = i af(i) = bf(i) = For j = To m - - 145 - af(i) = af(i) + r(j) * Cos(2 * i * j * Pi / m) bf(i) = bf(i) + r(j) * Sin(2 * i * j * Pi / m) Next j af(i) = * af(i) / m bf(i) = * bf(i) / m Cells(i + 3, 2) = Sqr(af(i) ^ + bf(i) ^ 2) Cells(i + 3, 3) = Atn(af(i) / bf(i)) * 180 / Pi Cells(i + 3, 4) = + (Sin(alfa) * Cos(i * beta) - Sin(beta) * Cos(i * alfa)) / Sin(beta - alfa) Next i Worksheets("HINH DANG CHI TIET").Activate Range("A2:E3602").ClearContents For j = To m Cells(j + 2, 1) = (0.25 * (r(j) - af(0)) / (rmax - af(0)) + 1) * af(0) Cells(j + 2, 2) = rct Next j Cells(1, 5) = (rmax - rmin) * 1000 line100: End Sub 'Tiep tuc Function a(a0, ta, t) As Double If t < ta Then a = a0 * t / ta Else a = a0 End If End Function 'Tiep tuc Function da(a0, ta) As Double If t < ta Then da = a0 / ta Else da = - 146 - End If End Function 'Tiep tuc Sub r_fi(i, r, dr, rct, rdm, gms0, m, x, nct, a0, ta) Dim d, t0, rmax, rp, xp As Double Dim j, jp, jn, jm, k As Integer Pi = * Atn(1) t0 = 60 / nct k = Int(i / m) rmax = r(0) d = rdm + rct - x(i) - a(a0, ta, t0 * i / m) * Cos(gms0) For j = To m If r(j) > rmax Then rmax = r(j) End If Next j xp = (d ^ - rdm ^ + rmax ^ 2) / (2 * d * rmax) If xp >= Then jm = Else jm = Int(Atn(Sqr(1 - xp ^ 2) / xp) * m / (2 * Pi)) + End If For j = To jm rp = d * Cos(j * * Pi / m) - Sqr(rdm ^ - d ^ * Sin(j * * Pi / m) ^ 2) jp = k * m + m - i + j If jp > m Then jp = jp - m End If jn = k * m + m - i - j If jn rp Then - 147 - r(jp) = rp End If If r(jn) > rp Then r(jn) = rp End If Next j r(0) = r(m) For j = To jm jp = k * m + m - i + j If jp > m Then jp = jp - m End If jn = k * m + m - i - j If jn