Trong bài viết này các tác giả nghiên cứu tối ưu hóa các yếu tố quan trọng trong quá trình gia công mặt tự do đó là đường dẫn dụng cụ, lượng tiến dao và lượng dịch dao ngang dựa trên phương pháp quy hoạch Taguchi.
TỐI ƯU HĨA CÁC THƠNG SỐ CẮT VÀ ĐƯỜNG DẪN DỤNG CỤ KHI GIA CÔNG MẶT TỰ DO TRÊN MÁY PHAY CNC TRỤC Nguyễn Tiến Tiệp, Nguyễn Minh Sơn Khoa Điện Cơ Email: tiepnt@dhhp.edu.vn Ngày nhận bài: 12/6/2020 Ngày PB đánh giá: 22/6/2020 Ngày duyệt đăng: 29/6/2020 TÓM TẮT Mặt tự ngày sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp như: Công nghiệp ô tô, tàu thủy, máy bay… Gia công chi tiết máy có chứa bề mặt tự q trình phức tạp, tốn nhiều thời gian Trong báo tác giả nghiên cứu tối ưu hóa yếu tố quan trọng q trình gia cơng mặt tự đường dẫn dụng cụ, lượng tiến dao lượng dịch dao ngang dựa phương pháp quy hoạch Taguchi Chi tiết sử dụng để xây dựng thực nghiệm nghiên cứu chi tiết có chứa bề mặt tự có cấu trúc n ngựa, bề mặt cong theo hai phương, kiểu bề mặt khó gia cơng, với lý thuyết gia công truyền thống để đạt độ xác tốn nhiều thời gian Kết đạt nghiên cứu mang tầm quan trọng khơng gia cơng chi tiết có chứa mặt tự do, mà thông qua phương pháp nghiên cứu mở rộng để thực phương án gia cơng khác Từ khóa: Mặt tự do, gia cơng mặt tự do, đường dẫn dụng cụ, lượng tiến dao, lượng dịch dao ngang OPTIMIZING CUTTING PARAMETERS AND TOOLPATHS WHEN MACHINING FREEFORM SURFACE ON 3-AXIS CNC MILLING MACHINES ABSTRACT The freeform surfaces are increasingly widely used in industries such as automotive industry, ships, aircraft Processing machine details containing freeform surfaces is a complex, time-consuming process In this paper, the authors studied optimizing important factors such as tool paths, feed rate and cross feed rate in the process of machining freeform surfaces, basing on Taguchi planning method The detail used to build the experiment in this study is the detail containing the freeform surface with a saddle structure, since this is a curved surface in two ways, this type of surface is difficult to process, so it will take a lot of time to achieve accuracy with traditional theories of processing The results of this study are important not only in processing of freeform surfaces, but also in implementing other work options through applying the research method Keywords: Freeform surface, freeform surface process, toolpath, feed rate, cross feed rate 118 | TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG ĐẶT VẤN ĐỀ Gia cơng q trình quan trọng quy trình chế tạo sản phẩm cơng nghiệp Q trình gia cơng hiểu q trình loại bỏ vật liệu từ phôi để tạo bề mặt sản phẩm Tuy nhiên, thời gian chất lượng sản phẩm tạo với quy trình khác không giống [1][4] Mong muốn kỹ thuật gia công đạt suất cao (thời gian gia công ngắn) mà đảm bảo độ xác u cầu Ngồi ra, điểm quan trọng ảnh hưởng không nhỏ tới giá thành sản phẩm chi phí đầu tư dụng cụ cắt Điều có nghĩa là, thời gian gia cơng rút ngắn với tuổi thọ dụng cụ cắt gia cơng nhiều sản phẩm Như vậy, để đạt hai yếu tố chất lượng sản phẩm đảm bảo thời gian gia công rút ngắn đòi hỏi nhà kỹ thuật phải nghiên cứu đưa phương án gia công tối ưu tương ứng với sản phẩm Trong báo sử dụng quy hoạch Taguchi [5] phân tích phương sai (ANOVA) [6]–[9] sử dụng để nghiên cứu tối ưu hóa tham số gia cơng đường dẫn dụng cụ Mục tiêu nghiên cứu đảm bảo độ xác hình học bề mặt tự sau gia cơng Các tham số nghiên cứu gồm có: Tốc độ cắt, lượng tiến dao ngang, kiểu đường dẫn dụng cụ Để thực nghiên cứu này, sử dụng mảng trực giao Taguchi L9 (3^3) ba tham số gia công sử dụng đặt theo chữ sau: Tốc độ cắt (F), lượng tiến dao ngang (S), kiểu đường dẫn dụng cụ (T) Trong yếu tố có ba mức độ tác động XÂY DỰNG THỰC NGHIỆM 2.1 Phương pháp Quy hoạch Taguchi Phương pháp Taguchi [9] có nhiều thuận lợi cần xây dựng thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng thơng số thí nghiệm tới chất lượng chi tiết Taguchi nhấn mạnh việc quan tâm đến chất lượng sản phẩm sau sản xuất khơng có giá trị việc quan tâm đến chất lượng sản phẩm trước sản xuất [5] Nội dung phương pháp Taguchi nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất nhằm giảm thiểu q trình gia cơng mà khơng làm giảm chất lượng sản phẩm Tín hiệu/nhiễu: S/N (, dB): Được định nghĩa tỉ lệ tín hiệu mong muốn với nhiễu ngẫu nhiên khơng mong muốn, đại diện cho đặc tính chất lượng liệu quan sát Tối đa hóa S/N mong muốn trình thiết kế tham số Trong thiết kế thường có nhiều thơng số tương tác Vì vậy, việc khảo sát tác động tham số trình thiết kế việc làm cần thiết Tuy nhiên, khơng thực tế số lượng tham số nhiều (điều xảy phương pháp thống kê thông dụng với liệu lớn xác) Tổng số thí nghiệm sử dụng phương pháp Taguchi np, p tham số thiết kế cần TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 42, tháng năm 2020| 119 1 ) y y2 yn ) MSD n đánh giá n số lượng giá trị sử dụng cho tham số Tức là, tham số cần đánh giá mức độ ảnh hưởng tới chất lượng có số giá trị định ( Trong y1, y2,…yn kết thí nghiệm: chiều dài, trọng lượng, chất lượng bề mặt gia công tinh… Công thức (1) để xác định tỉ số S/N lựa chọn thực nghiên cứu, mục tiêu cải thiện chất lượng tạo hình bề mặt S/N = -10log10 (MSD) m giá trị mục tiêu n số lần lặp lại giá trị yi Trong nghiên cứu tính đến độ xác tạo hình tối ưu hóa, nên ưu tiên độ lệch bình phương trung bình nhỏ tốt, tính tốn sử dụng công thức (2) (1) MSD = main square: Độ lệch bình phương trung bình so với giá trị mong muốn 2.2 Thiết kế thí nghiệm Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật giá trị S/N xác định lớn, MSD phải nhỏ Tức là, MSD phải xác định khác cho đặc tính gồm danh nghĩa, nhỏ lớn Để đánh giá ảnh hưởng yếu tố kiểu đường dụng cụ (Toolpath, ký hiệu T), bước tiến dọc (Feed rate, ký hiệu F), bước tiến ngang (Stepover, ký hiệu S) tới độ xác tạo hình mặt tự máy phay CNC trục nghiên cứu lựa chọn ba yếu tố gồm T, F S với yếu tố có ba mức độ tác động để thiết lập lên ma trận trực giao Taguchi L9 để đánh giá yếu tố đầu độ xác tạo hình bề mặt Nhỏ tốt hơn: MSD y12 y22 y32 yn2 ) n (2) Danh nghĩa tốt hơn: MSD ((y1 m)2 (y m)2 (y n m)2 ) ) n (3) Lớn tốt hơn: b) a) c) Hình Kiểu đường dụng cụ a) Back and forth; b) One direction; c) Spiral 120 | TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG (4) Kiểu đường dụng cụ: Trong trình gia cơng mặt tự cấu trúc n ngựa, ba kiểu đường dụng cụ sử dụng chứng tỏ tính hiệu gồm: Back and forth; One direction; Spiral (Hình 1) Lượng tiến dao (F) lượng dịch dao ngang (S): Lượng tiến dao (F) xác định dụng cụ cắt di chuyển dọc theo phương gia công Lượng dịch dao ngang (S) khoảng dịch dụng cụ theo phương ngang (Hình 2) Mỗi tham số F S đánh giá mức độ Các thông số tùy thuộc vào dụng cụ cắt, vật liệu phơi mà có giá trị tối ưu khác Giá trị tối ưu tra catalog dụng cụ hãng sản xuất [10] Tuy nhiên, thí nghiệm Hình Tham số gia cơng điều ảnh hưởng ít, lựa chọn khoảng giá trị cho kết mức ảnh hưởng tương đối xác với phương pháp Taguchi Các thơng số F, S T thống kê (Bảng 1) Bảng Bảng thông số mức độ tác động Yếu tố ảnh hưởng F (mm/min) S (mm) T Mức độ ảnh hưởng 400 600 1.5 Back and forth One direction 800 Spiral 2.3 Thiết bị thí nghiệm Máy phay (Hình 3): Máy CNC trục Manford MCB-850 Không gian làm việc X x Y x Z = 1000 x 500 x 400mm Tốc độ trục lớn nhất: 8000 vịng/ phút Ổ tích dao: 16 Hình Máy phay CNC trục Độ xác: 0,001 mm Dụng cụ cắt (Hình 4): Dụng cụ sử dụng thí nghiệm gồm loại dao phay đầu phẳng (sử dụng gia công thô) dao phay đầu chỏm cầu (sử dụng gia công tinh) Kiểu dụng cụ theo tiêu chuẩn ISO PCT 600, sản xuất Đài Loan Các thơng số dụng cụ cho a) b) Hình Dụng cụ cắt a) Dao đầu phẳng; b) Dao đầu cầu TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 42, tháng năm 2020| 121 Bảng Bảng thông số dụng cụ cắt STT Thông số dụng cụ Ký hiệu Dao đầu phẳng Dao đầu cầu (mm) (mm) Đường kính D 12 10 Bán kính góc Rc x Chiều dài tổng L 75 75 Chiều dài phần cắt Lc 30 28 Chiều dài l 34 32 Đường kính thân db 12 10 Máy đo tọa độ: Máy đo sử dụng thực nghiệm máy đo tọa độ tự động hãng Accretech, Model SVA NEX9106 (Hình 5) Các thơng số cụ thể máy đo cho Bảng Bảng thông số máy đo tọa độ SVA NEX9016 Bảng Bảng thông số máy đo tọa độ SVA NEX9016 Nội dung Thông số x-axis (mm) Phạm vi đo y-axis (mm) z-axis (mm) Kiểu Tuyến tính Giá trị hiển thị 0.01 tối thiểu (m) Kích thước trục (X) (mm) Bàn máy Kích thước trục (Y) (mm) Chiều cao từ bàn máy (mm) Chiều cao lớn (mm) Mẫu đo lớn Khối lượng lớn (kg) 2.4 Mẫu thực nghiệm lưới vị trí điểm sử dụng để kiểm tra bề mặt Mẫu thực nghiệm có vật liệu nhơm serie 6000, thiết kế có mặt tự yên ngựa, kích thước theo hai 122 | TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHỊNG 850 1000 600 1000 1810 725 770 1000 Hình Máy đo tọa độ SVA NEX9016 chiều trục X Y 75x65mm Mặt yên ngựa thiết kế ma trận điểm 5x4 với điểm lưới đánh số theo thứ tự Hình có tọa độ (x, y, z) cho bảng z 20 15 10 19 14 18 13 17 12 16 11 x x y y Hình Mẫu thực nghiệm lưới vị trí điểm bề mặt Bảng Bảng lưới điểm bề mặt (5, 15, 26.620) (5, 30, 24.863) (5, 45, 25.243) (5, 60, 26.760) (20, 15, 27.226) (20, 30, 26.476) (20, 45, 26.243) (20, 60, 28.358) (35, 15, 27.762) (35, 30, 27.013) (35, 45, 27.389) (35, 60, 28.890) (50, 15, 27.226) (50, 30, 26.476) (50, 45, 26.853) (50, 60, 28.358) (65, 15, 25.620) (65, 30, 24.863) (65, 30, 25.243) (65, 60, 26.760) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Sau xây dựng mảng trực giao L9 (3^3) với ba thông số T, F, S Trong thơng số có ba mức tác động (Bảng 1) Các mẫu gia công máy phay CNC trục thu kết mẫu (Hình 7) Hình Sản phẩm gia cơng theo mảng Taguchi L9 Mảng trực giao Taguchi L9 sau tính tốn tham số Delta (sai số); MSD (sai lệch bình phương trung bình), S/N (tỉ lệ tín hiệu nhiễu) Trong Bảng Mảng trực giao Taguchi L9 cột F, S T thông số 1, tương ứng với mức tác động cho Bảng TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 42, tháng năm 2020| 123 Bảng Mảng trực giao Taguchi L9 Thí Tham số gia cơng nghiệm (F) (S) số 1 2 3 2 3 Tiến hành đo máy đo Model SVA NEX9106 (Hình 5) với quy luật đo cho Hình Kết đo máy đo ba tọa độ NEX9106 Delta (T) 3 MSD S/N ratios 0.0506 0.2230 13.0339 0.1152 0.1646 15.6714 0.0806 0.1597 15.9339 0.3155 0.3137 10.0697 - 0.0893 0.1135 18.9001 - 0.1560 0.2158 13.3190 - 0.1799 0.1817 14.8129 - 0.1673 0.1981 14.0623 - 0.2044 0.3137 10.0697 liệt kê Bảng từ cột đến cột tương ứng với mẫu thực nghiệm, cột thông số trục z mẫu thiết kế: Bảng Bảng kết đo bề mặt máy đo ba tọa độ ST T 26.620 26.731 26.224 26.214 26.178 26.174 26.066 26.276 26.655 26.377 27.226 27.975 27.822 27.922 28.009 27.223 26.389 26.839 26.806 26.019 27.762 27.806 28.324 28.463 28.517 27.732 27.105 27.789 27.336 27.474 27.226 27.074 27.938 27.988 28.170 27.417 26.570 27.001 26.678 26.912 25.620 26.895 26.477 26.288 26.629 25.697 25.251 25.569 25.308 25.456 24.863 25.802 24.882 25.013 25.161 24.137 24.668 23.995 24.566 24.373 26.476 26.374 26.539 26.456 26.966 26.738 26.186 26.173 26.957 26.900 27.013 26.830 27.046 27.048 27.285 26.677 26.779 26.791 26.329 26.414 26.476 26.197 26.755 26.678 26.868 26.326 26.308 25.770 25.659 25.916 10 24.863 24.943 25.284 24.887 25.295 24.629 25.971 24.398 25.191 25.142 11 25.243 25.142 25.806 25.210 25.546 25.516 25.319 25.951 25.487 26.761 12 26.243 26.884 26.423 26.715 27.211 26.499 26.728 26.637 26.919 26.048 13 27.389 27.012 26.961 27.405 27.574 27.184 27.411 27.110 27.194 27.479 14 26.853 26.248 26.691 26.094 26.124 26.848 27.007 26.340 26.564 26.599 124 | TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG 15 25.243 25.007 25.269 25.212 25.725 25.895 25.597 25.690 25.303 25.039 16 26.760 26.888 26.358 26.589 26.968 26.913 26.490 26.536 26.434 26.020 17 28.358 28.086 28.126 28.253 28.540 27.858 28.106 27.992 27.865 28.263 18 28.890 28.681 28.590 28.650 28.961 28.554 28.664 28.445 28.133 28.509 19 28.358 28.062 28.098 28.215 28.593 28.111 28.290 28.692 28.547 28.046 20 26.760 26.617 26.933 26.554 26.232 26.328 26.217 26.651 26.965 26.408 Phân tích tỉ số tín hiệu/ nhiễu phương sai Phân tích tỉ số tín hiệu/ nhiễu (S/N): Biểu đồ đánh giá mức độ ảnh hưởng thông số thực nghiệm tới chất lượng tạo hình bề mặt chi tiết Trên ta thấy ảnh hưởng đường dụng cụ đến chất lượng tạo hình bề mặt theo trình tự: One Direction > Back and ford > Spiral Tuy nhiên điều mang tính định tính chưa có tính định lượng Việc phân tích phương sai (ANOVA) cho ta nhìn xác Phân tích phương sai: Mức độ ảnh hưởng thông số Mức độ ảnh hưởng theo tỉ số S/N Tỷ số S/ N M ức độ Signal-to-noise: Nhỏ tốt Biểu đồ Mức độ tác động yếu tố T, F, S Thông số A: F B: S C: T Error Tổng Bảng Phân tích phương sai (ANOVA) Bậc tự Tổng bình Bình phương trung Tỷ lệ F phương sai lệch bình sai lệch 0.003676 0.001838 1.64 0.011654 0.005827 5.20 0.018980 0.009490 8.46 0.002243 0.001121 0.036553 - Trên bảng phân tích tỉ lệ ảnh hưởng thông số ta thấy ảnh hưởng đường dụng cụ tới chất lượng tạo hình bề mặt chiếm 51,925% Điều cho thấy q trình gia cơng mặt tự Mức độ ảnh hưởng (%) 10.057% 31.883% 51.925% 6.135% 100 dụng cụ bước tiến ngang kiểu đường dụng cụ ảnh hưởng nhiều tới độ xác tạo hình bề mặt gia cơng tạo hình mặt tự máy CNC Cũng thực nghiệm ta có kết TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 42, tháng năm 2020| 125 luận gia công chi tiết có chứa mặt tự dạng n ngựa kiểu đường dụng cụ One direction cho độ xác tạo hình cao KẾT LUẬN Thực nghiệm thiết kế theo phương pháp Taguchi kết hợp phân tích phương sai thu kết sau: Độ xác hình học bề mặt tự cấu trúc lõm phay máy phay CNC trục phụ thuộc vào tham số F, S, T với mức độ ảnh hưởng khác Trong tham số nghiên cứu tham số ảnh hưởng nhiều tới độ xác tạo hình bề mặt T, tiếp đến S cuối F Bộ tham số tối ưu thực nghiệm gia công mặt tự máy phay CNC là: Kiểu đường dẫn dụng cụ T “one direction”; lượng tiến dao ngang S = 1mm; lượng tiến dao F = 800mm/phút Khi gia công tinh bề mặt tự máy phay CNC trục với phạm vi tham số nghiên cứu cho ta kết luận rằng, đường dẫn dụng cụ nên chọn kiểu “one direction”, lượng tiến dao ngang S nhỏ tốt, lượng tiến dao F ngược lại, lớn tốt TÀI LIỆU THAM KHẢO P J Nyirenda, M Mulbagal, and W F Bronsvoort, “Definition of Freeform Surface Feature Classes,” Comput Aided Des Appl., vol 3, no 5, pp 665–674, 2006, doi: 10.1080/16864360.2006.10738420 B K Choi and Robert B Jerard, Sculptured Machining 1998 126 | TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG B A Khidhir and B Mohamed, “Analyzing the effect of cutting parameters on surface roughness and tool wear when machining nickel based hastelloy - 276,” IOP Conf Ser Mater Sci Eng., vol 17, no 1, 2011, doi: 10.1088/1757899X/17/1/012043 W Grzesik, “Influence of tool wear on surface roughness in hard turning using differently shaped ceramic tools,” Wear, vol 265, no 3–4, pp 327–335, 2008, doi: 10.1016/j.wear.2007.11.001 R Ranjit, A Primer on the Taguchi Method Van Nostrand Reinhold, 1990 M Yasir, T L Ginta, B Ariwahjoedi, A U Alkali, and M Danish, “Effect of cutting speed and feed rate on surface roughness of AISI 316l SS using endmilling,” ARPN J Eng Appl Sci., vol 11, no 4, pp 2496–2500, 2016 A Rashid and B I N Muhammad, “Effects of Tool Path Strategies on Surface Roughness in,” no June, 2012 A Gök, K Gök, M B Bilgin, and M A Alkan, “Effects of cutting parameters and tool-path strategies on tool acceleration in ball-end milling,” Mater Tehnol., vol 51, no 6, pp 957–965, 2017, doi: 10.17222/mit.2017.039 C Gologlu and N Sakarya, “The effects of cutter path strategies on surface roughness of pocket milling of 1.2738 steel based on Taguchi method,” J Mater Process Technol., vol 206, no 1–3, pp 7– 15, 2008, doi: 10.1016/j.jmatprotec.2007.11.300 10 P Spanoudakis, N Tsourveloudis, and I Nikolos, “Optimal Selection of Tools for Rough Machining of Sculptured Surfaces,” Proc Int MultiConference Eng Comput Sci 2008 Vol II IMECS 2008, 19-21 March, 2008, Hong Kong, vol II, no March, pp 19–21, 2008 ... tham số tối ưu thực nghiệm gia công mặt tự máy phay CNC là: Kiểu đường dẫn dụng cụ T “one direction”; lượng tiến dao ngang S = 1mm; lượng tiến dao F = 800mm/phút Khi gia công tinh bề mặt tự máy phay. .. Đài Loan Các thơng số dụng cụ cho a) b) Hình Dụng cụ cắt a) Dao đầu phẳng; b) Dao đầu cầu TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 42, tháng năm 2020| 121 Bảng Bảng thông số dụng cụ cắt STT Thông số dụng cụ Ký hiệu... học bề mặt tự sau gia công Các tham số nghiên cứu gồm có: Tốc độ cắt, lượng tiến dao ngang, kiểu đường dẫn dụng cụ Để thực nghiên cứu này, sử dụng mảng trực giao Taguchi L9 (3^ 3) ba tham số gia