Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến chi phí năng lượng riêng và chất lượng sản phẩm khi gia công lỗ bậc trên máy phay CNC DMG 635

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Đơc lập — Tự — Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan, cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình nghiên cứu khác Nếu nội dung nghiên cứu trùng lặp với cơng trình nghiên cứu cơng bố, tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm tuân thủ kết luận đánh giá luận văn Hội đồng khoa học Hà Nội, ngày tháng năm Người cam đoan (Tác giả kỷ ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN Qua q trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn, em xin kính gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến: Thầy PGS TS Đặng Thiện Ngôn - Thầy hƣớng dẫn thực luận văn tận tình dạy, tạo điều kiện động viên em suốt q trình thực Q thầy tham gia công tác giảng dạy hƣớng dẫn em nhƣ lớp cao học kỹ thuật khí K22 Q thầy, giảng dạy khoa Cơ khí Chế tạo máy, phòng Đào tạo – phận sau đại học – Trƣờng Đại học Lâm Nghiệp giúp đỡ ngƣời thực thời gian học tập nghiên cứu trƣờng Kính gửi lời cảm tạ tới BGH trƣờng Đại học Lâm Nghiệp tạo điều kiện thuận lợi cho cho học viên trƣờng đƣợc học tập nghiên cứu Kính chúc Q thầy, dồi sức khỏe Học Viên Thực Hiện Nguyễn Văn Hiếu BỘ NƠNG NGHIỆP VÀ PTNT CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐAI HOC LÂM NGHIỆP Đôc Ỉâp - Tự - Hạnh phúc BẢN NHẬN XÉT Của ngƣời hƣớng dẫn luận văn thạc sĩ Họ tên ngƣời hƣớng dẫn: Họ tên học viên: Chuyên ngành: Khóa học: Nội dung nhận xét: Tinh thần, thái độ làm việc, ý thức tổ chức kỷ luật: Về lực trình độ chun mơn: Về trình thực đề tài kết luận văn: Đồng ý cho học viên bảo vệ luận văn trƣớc Hội đồng: □ Có □ Không Hà Nội, ngày tháng năm Người nhận xét (Người hướng dẫn ký ghi rõ họ tên) MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƢỢC CHƢƠNG : TỔNG QUAN 1.1 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU SKD61: 1.2 VAI TRÒ THÉP SKD 61 1.3 PHAY CỨNG VẬT LIỆU SKD61 VÀ NHỮNG LƢU Ý VỀ CHẾ ĐỘ CẮT .6 1.4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CẮT GỌT KIM LOẠI .7 1.5 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ PHAY 1.6 ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT MÁY 15 1.7 CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU NGỒI NƢỚC ĐÃ CƠNG BỐ 25 1.8 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG VÀ NGHIÊN CỨU MÁY PHAY KIM LOẠI Ở TRONG NƢỚC .31 CHƢƠNG 37 CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 37 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT LỰC TÁC DỤNG CỦA PHẦN TỬ CẮT LÊN PHÔI .37 2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH PHAY .39 2.2.1 Các yếu tố chế độ cắt 39 2.2.1.2 Lượng chạy dao S 39 2.2.2 Thơng số hình học lớp cắt phay 40 2.2.2.1 Chiều sâu phay t0 40 2.2.2.2 Chiều rộng phay B (mm) 41 2.2.2.3 Góc tiếp xúc  41 2.2.2.4 Số đồng thời tham cắt n .42 2.2.2.5 Chiều dày cắt a (mm) 42 2.2.2.6 Chiều rộng cắt b (mm) 46 2.2.2.7 Diện tích cắt phay 46 2.2.3 Lực cắt phay 46 2.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN LỰC CẮT 49 2.3.1 Ảnh hưởng bề rộng chiều sâu cắt đến lực cắt PZ 49 2.3.2 Ảnh hưởng chiều sâu cắt lượng chạy dao đến lực cắt 50 2.3.3 Ảnh hưởng vật liệu gia công đến lực cắt 51 2.3.4 Ảnh hưởng vật liệu dao tới lực cắt 53 2.3.5 Ảnh hưởng tốc độ cắt đến lực cắt .53 2.3.6 Ảnh hưởng thông số hình học dao đến lực cắt 55 2.4 XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ PHAY 59 2.4.1.Xác định chiều sâu cắt t (mm) 59 2.4.2 Xác định lượng chạy dao fz (mm/răng) 59 2.4.3 Xác định tốc độ cắt phay 60 CHƢƠNG 62 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM 62 3.1 PHƢƠNG PHÁP QUI HOẠCH THỰC NGHIỆM 62 3.2 PHƢƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁM TỐI ƢU ĐA MỤC TIÊU .65 CHƢƠNG 69 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHI GIA CÔNG LỖ BẬC TRÊN MÁY PHAY CNC DMG 635 69 4.1 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 69 4.1.1 Chọn phương pháp nghiên cứu .69 4.1.2 Chọn hàm mục tiêu nghiên cứu .69 4.1.3 Chọn tham số ảnh hưởng đến hàm mục tiêu 72 4.2 PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HÀM MỤC TIÊU 73 4.2.1 Phương pháp xác định chi phí điện riêng 73 4.2.2 Phương pháp xác định độ nhám bề mặt gia công 74 4.3 THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ DỤNG CỤ ĐO .74 4.3.1 Thiết bị thí nghiệm 74 4.3.2 Dụng cụ đo 77 4.4 PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM .78 4.4.1 Kiểm tra số liệu thí nghiệm xác định số lần lặp lại tối thiểu .78 4.4.2 Xác định mơ hình tốn học 79 4.4.3 Kiểm tra tính đồng phương sai 79 4.4.4 Kiểm tra giá trị có nghĩa hệ số hồi qui 80 4.4.5 Kiểm tra tính tương thích phương trình hồi qui .80 4.4.6 Kiểm tra khả làm việc mơ hình hồi qui 81 4.4.7 Chuyển phương trình hồi qui dạng thực 81 4.5 TỔ CHỨC THÍ NGHIỆM .82 4.6 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐƠN YẾU TỐ 83 4.6.1 Kết thí nghiệm ảnh hưởng vận tốc cắt đến độ nhám chi phí điện riêng 83 4.6.1.1 Ảnh hưởng vận tốc cắt đến chi phí điện riêng 84 4.6.1.2 Ảnh hưởng vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt 85 4.6.2 Kết thí nghiệm ảnh hưởng lượng chạy dao đến độ nhám chi phí điện riêng 86 4.6.2.1 Ảnh hưởng lượng chạy dao (fz) đến chi phí điện riêng 86 4.6.2.2 Ảnh hưởng lượng chạy dao (fz) đến độ nhám bề mặt .87 4.6.3 Kết thí nghiệm ảnh hưởng chiều sâu cắt đến độ nhám chi phí điện riêng 88 4.6.3.1 Ảnh hưởng chiều sâu cắt (t) đến chi phí điện riêng .89 4.6.3.2 Ảnh hưởng chiều sâu cắt( t) đến độ nhám bề mặt 89 4.7 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐA YẾU TỐ 90 4.7.1 Chọn vùng nghiên cứu giá trị biến thiên thông số đầu vào 91 4.7.2 Xây dựng ma trận thực nghiệm .91 4.7.3 Tổ chức thí nghiệm đa yếu tố 92 4.7.3.1 Tiến hành thí nghiệm thăm dò 92 4.7.3.2 Kết thí nghiệm .93 4.7.4 Kết xác định hàm tương quan với thông số ảnh hưởng 94 4.8 XÁC ĐỊNH GIÁ TRỊ TỐI ƢU CỦA THAM SỐ ẢNH HƢỞNG 96 4.8.1 Lựa chọn phương pháp giải toán tối ưu 96 4.8.2 Xác định giá trị thông số sử dụng hợp lý máy phay CNC DGM 635 .99 4.8.3 Thực nghiệm phay theo chế độ tối ưu .99 KẾT LUẬN VÀ TRIỂN VỌNG CỦA ĐỀ TÀI 101 KẾT LUẬN 101 KHUYẾN NGHỊ 101 TÀI LIÊU THAM KHẢO 102 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên Đơn vị Nr Chi phí lƣợng riêng kWh/m3 Nđ Cơng suất chi phí động kW T Thời gian làm việc để thực đƣợc khối lƣợng công việc M giây M Khối lƣợng công việc thực thời gian T m3 Nc Công suất máy kW m Hiệu suất máy Kt Hệ số tải cho phép Pz Lực tiếp tuyến N Py Lực hƣớng kính N Px Lực chạy dao N Vz Tốc độ cắt vòng/ph Vx Tốc độ chạy dao m/p Cp Hệ số phụ thuộc tính chất vật liệu gia cơng Cv Hệ số phụ thuộc vào vật liệu gia công Ra Sai lệch trung bình số học profin (độ nhám bề mặt gia công) Rz Chiều cao nhấp nhô trung bình profin Vc Vận tốc cắt m/phút fz Lƣợng ăn dao mm/răng t Chiều sâu cắt mm hz Mức độ mòn mặt sau dao cắt  Góc nghiêng Độ 1 Góc nghiêng phụ Độ  Góc mũi dao Độ  Góc trƣớc Độ  Góc sau Độ m  Góc cắt Độ  Góc sắc Độ c Số lƣợng nhóm K Khoảng chia nhóm a Số tổ đƣợc chia n Số lần thí nghiệm xmax, Trị số thu nhập lớn nhất, bé đại lƣợng nghiên cứu St Sai tiêu chuẩn S% Hệ số biến động R Phạm vi biến động Sk Độ lệch Ex Độ nhọn L Số tổ hợp M Số lần lặp % Sai số tƣơng đối Ῡ Giá trị trung bình đại lƣợng nghiện cứu Gtt Tính đồng theo tiêu chuẩn Kohren S2max Phƣơng sai lớn N thí nghiệm F Giá trị tính tốn theo tiêu chuẩn Fisher N Tổng số thí nghiệm e Khoảng biến thiên R Hệ số đơn định T Giá trị chuẩn Student I DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng Tên bảng biểu Trang 1.1 Các thông số thành phần vật liệu SKD61 1.2 Nhiệt luyện độ cứng 1.3 Các giá trị thông số độ nhám bề mặt (TCVN 2511 - 78) 20 1.4 Các giá trị tiêu chuẩn Ravà Rz 20 1.5 Chọn trị số nhám bề mặt theo cấp xác kích thƣớc 25 2.1 Xác định hệ số cv 38 Kết độ nhám chi phí điện riêng làm thí 4.1 65 nghiệm thay đổi vận tốc cắt Kết độ nhám chi phí điện riêng làm thí 4.2 67 nghiệm thay đổi lƣợng chạy dao Kết độ nhám chi phí điện riêng làm thí 4.3 69 nghiệm thay đổi chiều sâu cắt 4.4 Mức thí nghiệm thơng số đầu vào 72 4.5 Bảng ma trận thí nghiệm Boks - Benken thông số dầu vào 73 4.6 Kết đa yếu tố độ nhám chi phí điện riêng 74 4.7 Kết thí nghiệm phay lỗ bậc theo chế độ tối ƣu 87 95 tb) đƣợc tra bảng tài liệu 19, với mức độ tin cậy thí nghiệm 0,95, số bậc tự Kb =30 ta tìm đƣợc tb =1,68 So với giá trị tính tốn ta thấy hệ số b2.0; b2.1; b3.0; b3.1, không thoả mãn tiêu chuẩn Student (4.20) nhƣng theo 19, khơng bỏ hệ số để nhằm mục đích tìm giá trị tối ƣu phần sau - Kiểm tra tính tƣơng thích mơ hình: Giá trị tiêu chuẩn Fisher tính theo cơng thức (4.11): Ftt = 2,41, giá trị tiêu chuẩn Fisher tra bảng tài liệu [19], với bậc tƣ 1 = 15; 2 = 30;  =0,05 tìm đựơc Fb = 3,74, so sánh với giá trị tính tốn Ftt < Fb, mơ hình (4.19) coi tƣơng thích - Kiểm tra khả làm việc mơ hình: hệ số đơn định (R2) đƣợc xác định theo cơng thức (4.12), sau tính tốn đƣợc R2 = 0,822, mơ hình coi hữu ích sử dụng - Mơ hình hồi qui hàm độ nhám bề mặt sản phẩm dạng thực : Ra = 0.477 + 0,011X1 – 17,121X2 - 0,111X1X2 + 246,644X22 + 0.371 X3 – 0.015X1.X3 – 4.461X2.X3 + 1.347X32 (4.21) - Kiểm tra tính đồng phƣơng sai: Giá trị chuẩn Kokhren tính theo cơng thức (4.8) Gtt = 0.2319, với m = 15; n-1= 2; =0,05, tra bảng VIII 19, ta đƣợc tiêu chuẩn Kokhren : Gb = 0,405 So sánh với giá trị tính tốn ta đƣợc G tt < Gb , phƣơng sai thí nghiệm đồng - Kiểm tra mức ý nghĩa hệ số mơ hình tốn: Theo tiêu chuẩn Student, hệ số mơ hình (4.21) có ảnh hƣởng đáng kể đến đại lƣợng nghiên cứu thoả mãn điều kiện (4.20): t00 = 8.79; t10 = 7.31; t11 = -8.27; t20 = -16.08; t21 = 4.81; t22 = 16.72; t30=0.99; t31 = -4.56; t32 = -1.71; t33 = 4.34; Giá trị tiêu chuẩn Student tra bảng ( tb) đƣợc tra bảng tài liệu 19, với mức độ tin cậy thí nghiệm 0,95, số bậc tự Kb =30 ta tìm đƣợc tb =1,68 So với giá trị tính tốn ta thấy hệ số b2.1; b3.0; b3.1, b3.2, không thoả mãn tiêu chuẩn Student (4.20) nhƣng theo 19, không bỏ hệ số để nhằm mục đích tìm giá trị tối ƣu phần sau - Kiểm tra tính tƣơng thích mơ hình: 96 Giá trị tiêu chuẩn Fisher tính theo cơng thức (4.13): Ftt = 3,62, giá trị tiêu chuẩn Fisher tra bảng tài liệu [19], với bậc tƣ 1 = 15; 2 = 30;  =0,05 tìm đựơc Fb = 3,74, so sánh với giá trị tính tốn Ftt < Fb, mơ hình (4.21) coi tƣơng thích - Kiểm tra khả làm việc mơ hình: hệ số đơn định (R2) đƣợc xác định theo công thức (4.12), sau tính tốn đƣợc R2 = 0,831, mơ hình coi hữu ích sử dụng - Chuyển phƣơng trình dạng thực thay giá trị X1; X2; X3; biến Vc; fz ; t, ta đƣợc nhƣ sau : Nr = -0.341 + 0.014Vc + 4.49fz - 0,027 Vc fz + 53.498 fz +3.167t -0,01 Vc.t 39.769 fz.t+ 0.847t2 (4.23) Ra = 0.477 + 0,011 Vc – 17,121 fz - 0,111 Vc fz + 246,644 fz + 0,371.t – 0.015 Vc.t – 4.461 fz.t + 1.347t2 (4.24) 4.8 Xác định giá trị tối ƣu tham số ảnh hƣởng 4.8.1 Lựa chọn phương pháp giải toán tối ưu Việc xác định giá trị vận tốc cắt Vc, lƣợng chạy dao fz chiều sâu cắt t để hàm mục tiêu (4.23) (4.24) đạt cực tiểu, sử dụng phƣơng pháp lập giải toán tối ƣu đa mục tiêu [2] Sau xác định đƣợc hàm mục tiêu, hàm mục tiêu có thứ nguyên khác nhau, tính chất cực trị giống hàm chi phí điện riêng độ nhám bề mặt gia cơng nhỏ tốt Để giải tốn chúng tơi sử dụng phƣơng pháp tìm lời giải tối ƣu tổng quát có mặt nhiều hàm mục tiêu [2], nội dung phƣơng pháp đƣợc trình bầy nhƣ sau: Từ mục tiêu đề tài đặt ta có tốn tối ƣu đa mục tiêu nhƣ sau: Ra = f1(v;fz;t) Nr = f2(v;fz;t) (4.25) vmin  v  vmax ; fmin  f  fmax ; tmin  t  tmax (4.26) Với: V; fz; t – vận tốc cắt, lƣợng ăn dao chiều sâu cắt máy phay, thông số tối ƣu cần tìm 97 Ra; Nr - Độ nhám bề mặt sản phẩm chi phí điện riêng, dây hàm mục tiêu cần đạt đƣợc Ta có tốn tối ƣu với mục tiêu: Phƣơng pháp giải toán tối ƣu đa mục tiêu đƣợc tổng kết tài liệu thông tin khoa học kỹ thuật Lâm nghiệp số năm 1997 Ta cần phân tích nội dung cách giải theo phƣơng pháp nêu để chọn phƣơng pháp thích hợp cho toán đặt Bài toán tối ƣu đa mục tiêu đƣợc chuyển toán mục tiêu đó, với ràng buộc điều qua phiếm hàm mục tiêu F(xi) kiện biên (4.26) Có phƣơng pháp chuyển nhƣ sau: a) Phương pháp thứ tự ưu tiên Đây phƣơng pháp (theo lịch sử toán) Nội dung số mục tiêu dạng (4.25) chọn lấy tiêu quan trọng nhất, chủ yếu (theo quan điểm đó), ví dụ chọn tiêu độ nhám bề mặt, tiêu khác đƣợc coi nhƣ điều kiện giới hạn Bài toán dẫn đến việc tìm cực trị tiêu độ nhám bề mặt đảm bảo giá trị giới hạn tiêu lại (bài tốn tối ƣu có điều kiện) b) Phương pháp hàm trọng lượng Nếu tiêu chuẩn tối ƣu có số đo, thành lập tiêu chuẩn tối ƣu kiểu tổng nhƣ sau: m Y  Y  j j (4.27) Ở j - Trọng lƣợng ƣu tiên (độ nặng) đánh giá mức độ quan trọng tƣơng đối tiêu chuẩn thứ j chúng phải có điều kiện: 0