Báo cáo: Tối ưu hóa tham số công nghệ nâng cao chất lượng bề mặt khi phay cao tốc hợp kim nhôm 6061

Nội dung có thể áp dụng để viết báo, làm báo cáo khoa học cho các học viên cao học trong lĩnh vực kỹ thuật về lĩnh vực nghiên cứu phay cao tốc đây là phương pháp gia công tiên tiến so với nước ta. Chất lượng bề mặt của sản phẩm có ảnh hưởng lớn bởi các tham số công nghệ. Báo cáo này được nghiên cứu và thực nghiệm cụ thể trên máy Spinner. Các bạn mua tài liệu pm vào đây:https://www.facebook.com/phamvan.hiep.56 để mình gửi toàn bộ tài liệu và tư vấn thắc mắc. Vì dung lượng nặng lên mình không upload lên đây được.

TỐI ƯU HÓA THAM SỐ CÔNG NGHỆ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI PHAY CAO TỐC HỢP KIM NHÔM 6061 Đoàn Tất Khoa1,a , Nguyễn Văn Toàn1, Phạm Văn Hiệp1, Nguyễn Thị Thu Thủy2 Bộ môn Chế tạo máy, khoa Cơ khí, HVKTQS Ban TCĐLCL, Phòng Kỹ thuật, HVKTQS a doankhoactm@gmail.com Tóm tắt Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng số tham số công nghệ gia công hợp kim nhôm 6061 phương pháp phay cao tốc Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, giải toán tối ưu hóa tìm tham số công nghệ tối ưu để nâng cao chất lượng bề mặt sản phẩm Sử dụng tham số tối ưu gia công chi tiết cánh tuabin thủy lực hợp kim nhôm 6061 nâng cao độ nhám bề mặt sản phẩm Từ khóa: Gia công cao tốc, hợp kim nhôm, tham số công nghệ tối ưu ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, hợp kim nhôm sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, công nghiệp, thiết bị y tế, quốc phòng Phương pháp gia công hợp kim nhôm giới đa dạng áp dụng rộng rãi [15] Tuy nhiên, đặc tính độ dẻo cao nên gặp nhiều khó khăn gia công cắt gọt, chất lượng bề mặt kém, độ nhám bề mặt thấp Để nâng cao lượng bề mặt gia công hợp kim nhôm có nhiều nghiên cứu quan trọng ứng dụng công nghệ gia công tốc độ cao, gia công khô, ảnh hưởng yếu tố công nghệ đến độ nhám bề mặt chi tiết Các nghiên cứu tập trung giải toán làm nâng cao chất lượng bề mặt cho loại hợp kim nhôm cụ thể đạt kết quan trọng [6-10] Đối với hợp kim nhôm 6061, loại hợp kim nhôm sử dụng phổ biến nay, để nâng cao chất lượng bề mặt phay yêu cầu quan trọng cần thiết Đề tài sử dụng giải pháp công nghệ gia công tốc độ cao máy phay CNC trục, sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để giải toán tối ưu tìm tham số công nghệ tối ưu nâng cao chất lượng bề mặt sản phẩm Ứng dụng gia công chi tiết tuabin thủy lực hợp kim nhôm 6061, chi tiết quan trọng ngành chế tạo máy THÍ NGHIỆM 2.1 Thiết bị vật liệu thí nghiệm 2.1.1 Thiết bị thí nghiệm Thí nghiệm thực máy phay CNC Spinner U5- 620 hình thể Thông số máy bảng thể Hình Máy phay CNC Spinner U5- 620 Hình Dụng cụ cắt Bảng Thông số kỹ thuật máy phay CNC Spinner U5- 620 Hành trình trục X-Y-Z (mm) Tốc độ trục (vòng/phút) Công suất động trục (kW) Số dao đài dao (chiếc) 620x520x46 12.000 11 32 Dụng cụ cắt: Thí nghiệm sử dụng dao phay cầu, ba me hình thể hiện, thông số dụng cụ cắt bảng Bảng 2.Thông số dụng cụ cắt Thông số Số lưỡi cắt Giá trị Chiều dài lưỡi cắt (mm) 12 Chiều dài dao (mm) Độ cứng (HRC) 90 60 ÷ 65 Thiết bị đo: Sử dụng máy đo độ nhám TR200 − Vị trí đo: đầu dò đặt vị trí gia công bề mặt mẫu, dịch chuyển theo phương đường dao gia công; − Mỗi vị trí đo lần, lấy giá trị trung bình ba lần đo; − Cách thiết lập thông số đo cho máy đo độ nhám TR200 sau: − − − − − − − Tham số độ nhám: Ra; Độ phân giải hiển thị: 0,001 (µm); Cutoff: 0,8 mm LTH: 0,8x5 mm STD: ISO RAN: ± 40 µm FIL: RC Hình Máy đo độ nhám TR200 2.1.2 Vật liệu thí nghiệm Thí nghiệm sử dụng hợp kim nhôm 6061 có thành phần bảng thể hiện, đặc tính tính thể bảng Bảng Thành phần nguyên tố hóa học hợp kim nhôm 6061 Nguyên tố % khối lượng Al Si Fe 95,85- 0,1- ≤0,3 98,56 0,8 Cu Mn Mg Cr 0,10,4 ≤0,1 0,6- 0,041,2 0,35 Zn Ti ≤0,1 ≤0,05 Nguyên tố khác 0,050,1 Bảng Đặc tính tính hợp kim nhôm Khối lượng riêng (g/cm3) 2,7 Độ cứng (HB) 95 Modun đàn hồi (GPa) 68,9 Ứng suất trượt (Mpa) 207 Độ dẫn nhiệt (W/mK) 167 Nhiệt độ nóng chảy (°C) 582-652 2.2 Phương pháp thí nghiệm Tiến hành thí nghiệm tham số công nghệ Dựa vào thí nghiệm sở, ta xác định miền giá trị tham số công nghệ bảng Mô hình ban đầu thể Bảng Miền giá trị tham số công nghệ Tham số Giá trị Số vòng quay trục chính/ n (vòng/phút) 10000- 11500 Tốc độ chạy dao/ vf (mm/phút) Chiều sâu cắt/ ap (mm) 2000- 3000 0,2- 0,5 Theo phương pháp qui hoạch thực nghiệm ta có số thí nghiệm cần thực là: N= nk; đó: N: số thí nghiệm cần thực n: Số lượng mức yếu tố k: số yếu tố ảnh hưởng Ở thí nghiệm ta có n= 2; k=3 Vậy số thí nghiệm cần thực là: N= 23= thí nghiệm Thực qui hoạch trực giao cấp I, ta thực thêm thí nghiệm tâm thông số Tiến hành đo giá trị độ nhám bề mặt Ra từ mẫu sản phẩm thí nghiệm Lập phương trình hồi qui để tìm phụ thuộc R a vào tham số Xác định hệ số phương trình hồi qui phương án thực nghiệm tâm cách ta tiến hành thêm thí nghiệm tâm bảng thể Bảng Các thí nghiệm tâm TT Số vòng quay trục chính/ n (vòng/phút) 10750 10750 10750 Tốc độ chạy dao/ vf (mm/phút) Chiều sâu cắt/ ap (mm) 2500 2500 2500 0,35 0,5 0,2 Kiểm tra tương thích phương trình hồi qui với thực nghiệm thông qua chuẩn Fisher (E) Từ giá trị Ra cụ thể ta xác định giá trị cho tham số KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH Đặt: y= Ra; x1= n; x2= vf; x3= ap Bài toán cần giải tìm mối liên hệ Ra với tham số trên, hay cách khác ta xác định: y= f(x1, x2, x3) Giá trị tâm phương án n= 10750 vòng/phút; v f= 2500 mm/phút; ap= 0,35 mm xác định thực nghiệm thu Ra = 0,267µm Trong hệ mã hóa không thứ nguyên ta có: − Mức trên: kí hiệu +1 − Mức sơ sở: kí hiệu − Mức dưới: kí hiệu -1 Công thức chuyển hệ từ hệ đơn vị thực qua đơn vị mã hóa không thứ nguyên: (1) (2) Ta thu ma trận thực nghiệm với biến mã kết đo R a bảng thể Bảng Ma trận thực nghiệm kết TT z0 z1 z2 z3 y (µm) 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 0,4 0,314 0,326 0,32 0,328 0,282 0,288 0,264 Thiết lập phương trình hồi qui dạng: y= a0 + a1x1 + a2x2 + a3x3 Từ kết thực nghiệm, ta tính hệ số theo công thức: (3) (4) (5) Từ số liệu bảng áp dụng công thức ta thu kết bảng thể Bảng Giá trị hệ số phương trình hồi qui a0 a1 a2 a3 0,31525 0,02475 0,01575 0,02025 Để tính phương sai tái ta làm thêm thí nghiệm tâm Thông số thí nghiệm tâm cho bảng ta thu kết bảng thể Bảng Kết thí nghiệm tâm N0 0,267 0,29 0,262 0,273 -0,006 0,017 -0,011 3,6x10-5 2,89x10-4 1,21x10-4 4,46x10-4 Phương sai tái tính theo công thức: (6) Trong đó: m số thí nghiệm tâm Ở đây, m= nên ta có: Kiểm định có nghĩa hệ số phương trình hồi qui tiêu chuẩn Student: (7) ai: hệ số thứ i phương trình hồi qui : độ lệch quân phương hệ số thứ i (8) Khi hệ số ti thu bảng Bảng 10 Giá trị ti t0 t1 t2 t3 59,71 4,688 2,9831 3,8355 Tra bảng phân phối phân vị Student với mức ý nghĩa p= 0,05; f= N 0-1= ta có t0,05(2)= 2,91999 Vậy hệ số ti lớn t0,075(2) nên hệ số phương trình hồi qui có nghĩa Vậy phương trình hồi qui có dạng: yL= 0,31525.10-3+ 0,02475.10-3x1+ 0,01575.10-3x2+ 0,02025.10-3x3 (10) (vì tham số tính theo mm y tính theo µm nên hệ số cần qui đổi đơn vị với y) Kiểm tra tương thích phương trình hồi qui với thực nghiệm: thay giá trị tham số vào phương trình sau so sánh với kết thí nghiệm ta có: Bảng 11 Tính toán theo phương trình STT yL 0,3322 0,332194 0,31645 0,316444 0,295075 0,295069 0,279325 0,279319 yi 0,4 0,314 0,326 0,32 0,328 0,282 0,288 0,264 yi- yL 0,0678 -0,01819 0,00955 0,003556 0,032925 -0,01307 0,008675 -0,01532 (yi- yL)2 0,004597 0,000331 9,12.10-5 1,26.10-5 0,001084 0,000171 7,52.10-5 0,000235 Phương sai dư tính theo công thức: (N số thí nghiệm, L hệ số có nghĩa) Thay số vào ta có: (11) (12) Tiêu chuẩn Fisher: (13) Tra bảng phân vị phân bố Fisher với: p= 0,05; f1= N- L= 4; f2= N0- 1= 2, ta có: Vậy F< F0,095(4;2) nên phương trình hồi qui tương thích với thực nghiệm với mức ý nghĩa 95% Từ mức sở yếu tố phương trình hồi qui tuyến tính hàm mục tiêu ta tính bước chuyển động δj (j=1, 2, 3) Kết trình bày bảng 12 Bảng 12 Kết tính bước chuyển động δj yếu tố Các yếu tố ảnh hưởng n (vòng/phút) vf (mm/phút) 10750 2500 750 500 0,02475 0,01575 18,5625 7,7875 375 157,323 375 157 Các mức Mức sở Khoảng biến thiên (Δj) Hệ số bj bjΔj Bước chuyển động (δj) Làm tròn ap (mm) 0,35 0,15 0,02025 0,003038 0,0622 0,06 Theo số liệu ta có b1Δ1max= 18,5625 ta chọn: δ1= 0,5.750= 375 Từ ta xác định được: (14) (15) Từ kết bước chuyển động δj, ta tổ chức thí nghiệm leo dốc điểm xuất phát tâm thực nghiệm Bảng 13 Kết thí nghiệm leo dốc Yếu tố TN Số vòng quay trục chính/ n (vòng/phút) Tốc độ chạy dao/ vf (mm/phút) Chiều sâu cắt/ ap (mm) Độ nhám bề mặt/ Ra (µm) (TN tâm) 10750 11125 11500 2500 2657 2814 0,35 0,41 0,47 0,267 0,25 0,308 11875 2971 0,53 0,403 Nhìn vào bảng kết quả, ta thấy kết thí nghiệm thí nghiệm cho Ra nhỏ Từ ta xác định giá trị tối ưu cho tham số công nghệ phay tinh cao tốc hợp kim nhôm 6061 là: n= 11125 vòng/phút; vf= 2657 mm/phút; ap= 0,41 mm GIA CÔNG TUABIN THỦY LỰC Dùng giá trị cho tham số công nghệ để phay tuabin thủy lực máy phay CNC trục Spinner U5 - 620 Tuabin gồm 12 cánh (6 cánh lớn cánh nhỏ) với đường kính lớn chân cánh 180 mm Các thông số cánh xây dựng thông qua mẫu sẵn phương pháp quét điểm ảnh Kết hình thể Cánh tuabin thủy lực đạt độ nhám bề mặt R a (0,32 – 0,45) µm Hình Sản phẩm cánh tuabin thủy lực hợp kim nhôm 6061 KẾT LUẬN Đề tài sử dụng giải pháp phay cao tốc để nâng cao chất lượng bề mặt gia công hợp kim nhôm 6061, sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, giải toán tối ưu tìm tham số công nghệ tối ưu n = 11125 vòng/phút; vf = 2657 mm/phút; ap = 0,41 mm để đạt độ nhám bề mặt R a = 0,25 µm Ứng dụng gia công tuabin thủy lực đạt độ nhám bề mặt Ra (0,32 – 0,45) µm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chi-Hsiang Chen, Yung-Cheng Wang, Bean-Yin Lee, “The Effect of Surface Roughness of End-Mills on Optimal Cutting Performance for High-Speed Machining”, Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 59(2013)2, 124-134 [2] D.Bhanu prakash , G.Rama Balaji , A.Gopi chand, V.Ajay kumar,D.V.N.Prabhaker, “Optimization Of Machining Parameters For Aluminium Alloy 6082 In Cnc End Milling”, International Journal of Engineering Research and Applications (IJERA) ISSN: 2248-9622 Vol 3, Issue 1, January -February 2013, pp.505-510 [3] V Songmene, R Khettabi, I Zaghbani, J Kouam, and A Djebara, “Machining and Machinability of Aluminum Alloys”, École de technologie supérieure (ÉTS), Department of Mechanical Engineering,1100 Notre-Dame Street West, Montreal Quebec H3C 1K3, Canada [4] Julia Hricova, Martin Kovac, Peter Sugar, “Experimental investigation of high speed milling of aluminum alloy”, ISSN 1330-3651 (Print), ISSN 1848-6339 (Online), UDC/UDK 620.179.118:621.914.02-408.8 [5] Pasko, R -Przybylski, L & Slodki, “High Speed Machining (HSM) –The effective way of modern cutting”, International Workshop CA Systems And Technologies [6] Tatsuya Sugihara, On-machine tool resharpening process for dry machining of aluminum alloys employing LME phenomenon, Precision Engineering, 40 ( 2015), 241–248 [7] Timothy W Spence, The effect of machining-induced residual stresses on the creep characteristics of aluminum alloys, Materials Science and Engineering: A, 630 (2015), 125–130 [8] B.C Chen, C.Y Ho, Ultrashort-laser-pulse machining characteristics of aluminum nitride and aluminum oxide, Ceramics International, Available online 30 March 2015 [9] Tatsuya Sugihara, On-machine Tool Resharpening for Dry Machining of Aluminum Alloys, Procedia CIRP, 24 (2014), 68–73 Tomohiro Yokota, Frictional properties of diamond-like carbon coated tool in dry intermittent machining of aluminum alloy 5052, Precision Engineering, 38 (2014), 365–370 [10]