Tối ưu hóa một số thông số công nghệ khi mài phẳng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ XUÂN VIÊN TỐI ƯU HĨA MỘT SỐ THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ KHI MÀI PHẲNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ XUÂN VIÊN TỐI ƯU HĨA MỘT SỐ THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ KHI MÀI PHẲNG Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Mã số: 60 52 01 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS LƯU ĐỨC BÌNH Đà Nẵng – Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả Lê Xn Viên TỐI ƢU HĨA MỘT SỐ THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ KHI MÀI PHẲNG Học viên: Lê Xuân Viên Mã số: 60520103 Khóa: 2015 Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Mài mặt phẳng phương pháp gia công tinh lần cuối cho chi tiết máy có bề mặt phẳng, để đánh giá chất lượng chi tiết máy gồm nhiều tiêu chí độ xác kích thước, hình dáng hình học, tính chất lý, chất lượng bề mặt, chất lượng bề mặt chi tiết máy tiêu chí quan trọng để nâng cao độ bền chi tiết máy Tuy nhiên nói đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công ta nói đến độ nhám bề mặt chi tiết tiêu chí để đánh giá chất lượng bề mặt đặc trưng cho tính chất hình học bề mặt gia cơng Trong thực tế có nhiều chi tiết máy yêu cầu độ bóng bề mặt cao thường gia công máy mài phẳng Nội dung luận văn trình nghiên cứu thực nghiệm, xử lý số liệu hai thông số quan trọng chiều sâu cắt tốc độ chạy dao dọc ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt chi tiết thép C45 gia công máy mài phẳng HGS-65A (Hàn Quốc) đá mài Flange – WA46KMV điều kiện có dung dịch làm nguội Trên sở tối ưu hóa thơng số cơng nghệ nhằm ứng dụng công nghệ mài để gia công sản phẩm khí đạt cấp độ bóng theo u cầu, góp phần nâng cao chất lượng bề mặt sản phẩm Mặc khác thiết lập dãy chế độ cắt tối ưu (Sd, t) để phục vụ cho việc lập quy trình gia cơng máy mài phẳng HGS-65A đưa bảng hướng dẫn sử dụng để chọn chế độ cắt nhằm khai thác khả công nghệ máy mài phẳng Từ khóa – máy mài phẳng; đá mài; độ nhám bề mặt; quy hoạch thực nghiệm; BoxHunter; tối ưu hóa OPTIMIZATION SOME TECHNOLOGY PARAMETERS IN SURFACE GRINDING Abstract: Surface grinding is a method of machining used to produce a smooth finish on flat surfaces The quality of the machined surfaces is one of the most important criteria to ensure the durability of the workpiece or machine parts However, when the quality of surfaces is mentioned, it refers to the roughness and that is one of criteria for accessing the quality of machined surfaces characterized to the geometry of the workpiece’ surfaces In fact, many machine parts are required to have high surfaces’ glossiness and they are often machined by surface grinders This thesis presents the process of experimental research and data processing of two important parameters: depth of cut and longitudinal feed speed affecting to the surface roughness of C45 steel when it is machined on the surface grinder HGS-65A (Korea) by the grinding wheel Flange - WA46KMV with coolant Then, optimizing the technology parameters based on this to apply grinding technology to machine mechanical products to meet the levels of glossiness as required, making a contribution to improve the quality of products’ surface Besides, the optimization of cutting parameters (Sd, t) has been set up for machining process on the surface grinder HGS-65A and provides an instruction manual to select the correct cutting mode to turn technical characteristics on the surface grinder into advantage Key words – surface grinders; grinding wheel; surface roughness; plan experiment; Box-Hunter; optimization MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MÀI 1.1 Đặc trƣng cắt gọt phƣơng pháp mài 1.1.1 Quá trình cắt gọt mài 1.1.2 Các phương pháp mài 1.2 Các thông số công nghệ mài 13 1.2.1 Chiều sâu cắt (t): 13 1.2.2 Lượng chạy dao: 13 1.2.3 Tốc độ cắt 13 1.3 Các thông số đánh giá đến chất lƣợng mài 14 1.3.1 Độ nhám bề mặt 14 1.3.2 Ảnh hưởng lượng chạy dao đến chất lượng bề mặt 16 1.3.3 Ảnh hưởng tốc độ quay chi tiết 16 1.3.4 Ảnh hưởng chiều sâu mài t 16 1.3.5 Ảnh hưởng tốc độ đá mài 17 1.3.6 Độ hạt đá mài 17 1.3.7 Ảnh hưởng dung dịch trơn nguội 17 1.4 Đá mài 18 1.4.1 Vật liệu chế tạo đá mài .18 1.4.2 Chất dính kết đá mài 19 1.4.3 Độ hạt, mật độ độ cứng đá mài 19 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM 29 2.1 Khái niệm quy hoạch thực nghiệm 29 2.1.1 Khái niệm thiết kế thực nghiệm 29 2.1.2 Các nguyên tắc thiết kế thực nghiệm 31 2.1.4 Trình tự thực thiết kế thực nghiệm 33 2.2 Thiết lập mơ hình thí nghiệm 34 2.2.1 Khái niệm chọn mơ hình tốn thực nghiệm 34 2.2.2 Xác định tham số mơ hình tốn 35 2.3 Quy hoạch bậc hỗn hợp quay Box – Hunter (Rotatable CCD) .40 CHƢƠNG TỐI ƢU HĨA MỘT SỐ THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY MÀI PHẲNG HGS-65A 45 3.1 Sơ lƣợc máy mài phẳng HGS-65A 45 3.2 Tối ƣu hóa độ nhám bề mặt chi tiết gia công đá mài FLANGE WA46KMV máy mài phẳng HGS-65A 47 3.2.1 Điều kiện thực nghiệm .47 3.2.2 Kết thực nghiệm 49 3.2.3 Xử lý kết thực nghiệm .51 3.2.4 Tối ưu hóa độ nhám bề mặt 53 3.3 Thiết kế giao diện tính tốn chọn thông số công nghệ tối ƣu Sd, t độ nhám Ra 54 KẾT LUẬN VÀ TRIỂN VỌNG CỦA ĐỀ TÀI 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PHỤ LỤC QUY TRÌNH THỰC HIỆN TÍNH TỐN BẰNG EXCEL 60 ĐỂ TÌM PHƢƠNG TRÌNH HỒI QUY .60 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Độ hạt đá mài 20 Bảng 1.2 Mật độ đá mài 21 Bảng 1.3 Quy định phân cấp độ cứng 22 Bảng 1.4 Ký hiệu độ cứng đá mài .22 Bảng 1.5 Ký hiệu hạt mài 23 Bảng 1.6 Ký hiệu chất kết dính 23 Bảng 1.7 Bảng ký hiệu hình dáng đá mài tên gọi 23 Bảng 1.8 Quy định phần làm việc đá mài (mm) 26 Bảng 1.9 Chọn đá mài 27 Bảng 2.1 Giá trị  n0 quy hoạch Box – Hunter 41 Bảng 2.2 Giá trị hệ số a 43 Bảng 2.3 Ma trận quy hoạch quay bậc với yếu tố 44 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật máy mài phẳng HGS-65A .46 Bảng 3.2 Ma trận thí nghiệm .48 Bảng 3.3 Các mức, khoảng biến thiên yếu tố (đã làm tròn) 49 Bảng 3.4 Số lượng thí nghiệm .49 Bảng 3.5 Kết thí nghiệm Ra 50 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Cấu tạo hạt mài Hình 1.2 Quá trình tách phoi hạt mài Hình 1.3 Sơ đồ mài Hình 1.4 Lực cắt mài Hình 1.5 Các sơ đồ mài trịn ngồi Hình 1.6 Các sơ đồ mài 10 Hình 1.7 Các sơ đồ mài mặt phẳng .11 Hình 1.7 Các sơ đồ mài định hình .12 Hình 1.8 Độ nhấp nhô bề mặt mài 14 Hình 1.9 Độ nhám bề mặt đo Ra 15 Hình 1.10 Độ nhám bề mặt đo Rz .15 Hình 1.11 Độ nhẵn bề mặt phụ thuộc vào yếu tố Vct, Sd, t 17 Hình 1.12 Độ nhẵn bề mặt phụ thuộc vào độ hạt đá mài .17 Hình 1.13 Cấu trúc đá mài 21 Hình 2.1 Mơ hình hóa q trình, đối tượng nghiên cứu .30 Hình 2.2.Sơ đồ cấu trúc có tâm quay đều, cấp với k = k = 40 Hình 3.1 Máy mài phẳng HGS-65A (Hàn Quốc) 45 Hình 3.2 Mẫu thí nghiệm đo độ nhám Ra 50 Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Ra t, Sd .52 Hình 3.4 Quan hệ Ra với Sd tương ứng t = 0.1(mm) 53 Hình 3.5 Quan hệ Ra t tương ứng với Sd = 10(m/ph) .54 Hình 3.6 Trang giao diện chọn Sd, t độ nhám Ra 55 Hình 3.7 Trang giao diện thể thơng số tối ưu Sd , t, Ra 55 Hình 3.8 Trang giao diện để tính tốn độ nhám Ra tối ưu 56 Hình 3.9 Trang giao diện để tính tốn tốc độ chạy dao dọc Sd tối ưu .57 Hình 3.10 Trang giao diện để tính tốn chiều sâu cắt t tối ưu 57 MỞ ĐẦU I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Hiện ngành Chế tạo máy nước ta phát triển mạnh mẽ tăng số lượng mà chất lượng, chất lượng sản phẩm tiêu chí quan trọng cho việc phát triển bền vững sở định đến giá thành sản phẩm Thiết bị, máy móc đảm bảo chất lượng, đảm bảo độ bền trình hoạt động yêu cầu chi tiết thiết bị, máy móc phải đảm bảo chất lượng theo yêu cầu người thiết kế đặt Tuy nhiên để đánh giá chất lượng chi tiết máy gồm nhiều tiêu chí độ xác kích thước, hình dáng hình học, tính chất lý, chất lượng bề mặt, … Trong chất lượng bề mặt chi tiết máy tiêu quan trọngđể nâng cao độ bền chi tiết máy Chất lượng bề mặt chi tiết hình thành trình thực nguyên cơng có tính đến yếu tố di truyền cơng nghệ (tính in dập) Tuy nhiên, quan trọng ngun cơng gia cơng tinh, ngun cơng đặc tính chất lượng lớp bề mặt hình thành rõ nét Điều nói lên tầm quan trọng phương pháp gia công tinh quy trình cơng nghệ cần thiết phải xác định phương pháp gia công hợp lý với chế độ cắt tối ưu Trong sản xuất ứng dụng nhiều phương pháp gia công tinh khác thường tập trung lại thành bốn nhóm là: gia cơng dụng cụ cắt có lưỡi; gia cơng hạt mài kết dính; gia cơng hạt mài tự gia công biến dạng dẻo bề mặt Chất lượng bề mặt gia công chi tiết khơng phụ thuộc vào tính chất lý vật liệu mà phụ thuộc vào trạng thái lớp bề mặt, chi tiết chế tạo từ loại vật liệu theo phương pháp công nghệ chế độ cắt khác có tính chất lớp bề mặt khác Tuy nhiên nói đến chất lượng bề mặt chi tiết gia cơng ta nói đến độ nhám bề mặt chi tiết tiêu chí để đánh giá chất lượng bề mặt đặc trưng cho tính chất hình học bề mặt gia cơng Hiện có nhiều cơng trình nghiên cứu đến ảnh hưởng chế độ cắt máy công cụ máy tiện, máy phay, máy doa, máy tiện CNC, máy phay CNC, Tuy nhiên thực tế có nhiều chi tiết máy địi hỏi có độ bóng bề mặt cao thường gia cơng máy mài phẳng, cịn cơng trình nghiên cứu chưa phổ biến rộng rãi Vì yêu cầu quan trọng gia công chi tiết máy mài phẳng phải chọn chế độ cắt hợp lý, cần phải tính tốn lựa chọn cách hợp lý gia công để đảm bảo tăng suất, nâng cao chất lượng bề mặt, độ xác chi tiết, Từ yêu cầu nhận thấy việc thực đề tài “Tối ưu hóa số thơng số cơng nghệ mài phẳng” mang tính cấp thiết, khơng phục vụ cho việc giảng dạy nhà trường mà đáp ứng cho q trình gia cơng chế tạo doanh nghiệp 51 3.3.3 Xử lý kết thực nghiệm a Xác định phương trình hồi quy thực nghiệm Sử dụng Excel để thực xác định hệ số phương trình hồi quy Kết có được: b0 0.2891 b1 0.007136703 b2 b12 0.097169548 0.215375 b11 0.22710625 b22 0.03835625 Với Fts= – = 4; chọn mức  = 0,05; tra bảng Student ta có t = 2,776; bi bị loại |ti|< t; so sánh kết b1, b22 bị loại Vì quy hoạch quay khơng trực giao nên có hệ số b bị loại cần tính lại hệ số có nghĩa theo phương pháp bình phương nhỏ G.B = XT.Y Tức ta thay hệ số b cịn lại vào phương trình (hệ số bị loại xem 0) Khi đó, ta có hệ phương trình: 13.b0 + 0.b2 + 0.b12 + 8.b11 = 5,882 0.b0 + 7,998.b2 + 0.b12 + 0.b11 = 0,777 (3.2) 0.b0 + 0.b2 + 4.b12 + 0.b11 = 0,861 8.b0 + 0.b2 + 0.b12 + 12.b11 = 5,191 Giải hệ phương trình ta được: b0 = 0,2891; b2 = 0,09717; b12 = 0,21538; b11 = 0,22711 Như phương trình hồi quy tạm thời là: y = 0.2891 + 0.09717x2 + 0.21538.x1.x2 + 0.22711x12 (3.3) Tiến hành kiểm tra tính tương thích phương trình hồi quy: Tra bảng Fisher với F(fts, fdu, ) = F(4; 5; 0,05) = 6,2561 Do phương trình hồi quy thích hợp Trả biến thực từ biến ảo theo công thức: ; ; Ta phương trình hồi quy biểu diễn mối quan hệ chiều sâu cắt lượng chạy dao đến độ nhám Ra mài phẳng chi tiết vật liệu thép C45 Ra = 1,443552 – 7,91861.t – 0,052359.Sd + 0,287173.t.Sd + 10,09377.t2 (3.4) Mối quan hệ Ra với chiều sâu cắt t tốc độ chạy dao dọc Sd theo phương trình (3.4) thể Hình 3.4 52 Do thi nham be mat 1.6 1.4 Ra 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 15 0.4 10 0.3 0.2 s(m/ph) 0.1 t(mm) Bang gia tri Ra 0.792 17 0.7221 0.6521 921 0.7 22 21 65 13 82 0.5 16 14 0.58 213 0.51212 21 0.5 0 86 22 21 82 13 44 12 11 51 0.37209 0.3 720 10 12 0.512 821 0.5 5 21 6 221 0.7 s(m/ph) 12 0.5 1 1 .422 1.2352 82 212 142 07 22 21 16 15 79 22 52 0.7 0.6 0.4 42 11 0.44 21 002 2 62 19 0.7 0.7 217 22 0.6 16 52 15 0.5 72 09 0.442 0.51 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 21 44 11 12 12 1 72 14 22 0.3 0.5 21 22 86 93 002 0.37209 0 44 21 51 21 0 .65 72 21 215 821 79 21 21 212 0.3 0.35 0.4 0.45 t(mm) Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Ra t, Sd Từ phương trình hồi quy 3.4, ta nhận thấy hai thông số chiều sâu cắt t tốc độ chạy dao dọc Sd ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt chi tiết gia công mức độ khác Khi chiều sâu cắt (mài) tăng sinh yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng dẻo lớp vật liệu bề mặt, rung động máy, nhiệt cắt, lực cắt tăng lên yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhám bề mặt chi tiết gia công Mặt khác, giảm chiều sâu cắt nhỏ làm hạt mài không cắt gọt được, vùng cắt xảy tượng trượt làm độ nhám bề mặt chi tiết tăng lên 53 Khi tăng tốc độ chạy dao dọc Sd làm giảm vết xước làm giảm độ nhám bề mặt chi tiết gia cơng làm tăng vận tốc cắt Nếu ta giảm tốc độ chạy dao S d nhỏ dẫn đến bề mặt chi tiết bị biến cứng dẫn đến hạt mài nhanh mòn làm tăng độ nhám bề mặt gia cơng 3.3.4 Tối ưu hóa độ nhám bề mặt Từ phương trình hồi quy 3.4, sử dụng phần mềm Matlab để tìm giá trị tối ưu chiều sâu cắt t lượng chạy dao Sd để độ nhám Ra nhỏ Kết quả, giá trị độ nhám nhỏ Ramin = 0.3019 tương ứng với topt = 0.2708 (mm) Sdopt = 8.5713(m/ph) Tuy nhiên, thực tế sản xuất thấy rằng, khơng phải lúc gia công với giá trị t Sd tối ưu Tùy thuộc vào bước công nghệ mà ta ưu tiên chọn chiều sâu cắt lượng chạy dao; định trước (dự đoán) giá trị độ nhám mong muốn đạt được, từ rút giá trị chiều sâu cắt lượng chạy dao tương ứng Ví dụ, trường hợp chiều sâu cắt t biết trước, chẳng hạn, chiều sâu cắt cho gia công tinh thường chọn t = 0.1(mm) Khi đó, từ phương trình hồi quy dễ dàng xác định giá trị tối ưu độ nhóm bề mặt Ramin = 0.5222 tương ứng với Sd = 11.3306 (m/ph) Đồ thị mối quan hệ Ra Sd với t = 0.1(mm) thể Hình 3.5 Do thi nham be mat t=0.1(mm) 1.2 1.1 Ra 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 10 12 14 16 18 s(m/ph) Hình 3.5 Quan hệ Ra với Sd tương ứng t = 0.1(mm) Hoặc, trường hợp tốc độ chạy dao dọc Sd biết trước, đây, chọn Sd =10(m/ph) Chúng ta xác định giá trị tối ưu Ra giá trị chiều sâu cắt t tối ưu tương ứng Với Sd = 10(m/ph), Ramin = 0.3158 tương ứng với t = 0.25(mm) Đồ thị mối quan hệ Ra với t với Sd = 10(m/ph) thể Hình 3.6 54 Do thi nham be mat s=10(m/ph) 0.8 0.75 0.7 0.65 Ra 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 t(mm) Hình 3.6 Quan hệ Ra t tương ứng với Sd = 10(m/ph) 3.4 Thiết kế giao diện tính tốn chọn thông số công nghệ tối ƣu Sd, t độ nhám Ra Từ phân tích trên, xây dựng giao diện, cho phép người sử dụng chọn trước giá trị chiều sâu cắt lượng chạy dao với giá trị độ nhám nhỏ tìm giá trị lượng chạy dao chiều sâu cắt tương ứng; chọn trước giá trị độ nhám hai giá trị chiều sâu cắt lượng chạy dao có giá trị lại Do vậy, luận văn thiết kế giao diện tính chọn thơng số cơng nghệ u cầu Từ phương trình hồi quy 3.4, ứng dụng phần mềm Matlab để thiết kế giao diện tìm giá trị độ nhám Ra tối ưu mối quan hệ thông số cơng nghệ (t, Sd), ta chọn chiều sâu cắt t Sd để tìm Ra tối ưu nhất, ta chọn Ra chiều sâu cắt t trước để tìm Sd tối ưu nhất, ta chọn Ra Sd trước để tìm chiều sâu cắt tối ưu Với ứng dụng ta áp dụng để chọn chế độ cắt tối ưu nhằm đảm bảo độ nhám bề mặt chi tiết theo yêu cầu trình gia công mài phẳng bề mặt chi tiết máy mài phẳng HGS-65A Trình tự nhập liệu sau: 55 Hình 3.7 Trang giao diện chọn Sd, t độ nhám Ra Tại giao diện cửa sổ ta chọn nút Start >> để vào hộp thoại chọn thông số tối ưu Sd, t độ nhám Ra, để khỏi hình giao diện ta chọn nút Exit Khi chọn nút Start >> lúc xuất cửa sổ sau: Hình 3.8 Trang giao diện thể thông số tối ưu Sd , t, Ra Cửa sổ thể tổng hợp thí nghiệm phạm vi khảo sát tìm Ra tối ưu ứng với chiều sâu cắt t tốc độ chạy dao dọc Sd 56 Để chọn giá trị Ra, t, Sd ta nhấp vào nút More >> (nếu muốn thoát ta chọn nút Exit) Ta cần chọn nhập giá trị t Sd sau nhấn vào nút Calculation tự động tìm giá trị Ra tối ưu Các giá trị chiều sâu cắt t tốc độ chạy giao Sd giới hạn phạm vi khảo sát Phần giao diện bên trái thể biểu đồ thể độ nhám bề mặt Ra ta chọn nút Surface, để thể bảng giá trị Ra ta chọn nút Coutour Để trở bước thực trước ta chọn nút