Đang tải... (xem toàn văn)
Mô hình dự đoán nhám bề mặt chi tiết gia công và mòn dụng cụ trong tiện cứng chính xác thép 9XC bằng dụng cụ PCBN được xây dựng bằng phương pháp phân tích hồi qui dựa [r]
(1)Nguyễn Thị Quốc Dung cs Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 63(1): 40 - 45
40
MƠ HÌNH DỰ ĐỐN NHÁM BỀ MẶT VÀ MÒN DỤNG CỤ TRONG TIỆN CỨNG CHÍNH XÁC BẰNG DỤNG CỤ CẮT PCBN
Nguyễn Thị Quốc Dung, Phan Quang Thế
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên TĨM TẮT
Bài báo trình bày mơ hình dự đốn nhám bề mặt mịn dụng cụ tiện cứng xác dụng cụ cắt PCBN (Nitrit Bo lập phương đa tinh thể) Mơ hình xây dụng phương pháp phân tích hồi qui sử dụng liệu đo đạc từ thí nghiệm tiện cứng xác thép 9XC tơi cứng dụng cụ cắt PCBN Kết cho thấy giảm vận tốc cắt lượng chạy dao cho chất lượng bề mặt tốt làm giảm mòn dụng cụ Việc tăng chiều sâu cắt làm tăng mòn dao song không làm nhám bề mặt thay đổi
Từ khóa: Tiện cứng, mịn dụng cụ, nitrit bo lập phương đa tinh thể, phân tích hồi qui
*ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong gia công, chất lượng bề mặt chi tiết tiêu quan trọng Thông số đặc trưng chất lượng bề mặt chi tiết gia công nhám bề mặt Tiện cứng xác dụng cụ cắt PCBN cho phép nhà sản xuất đơn giản hóa q trình gia công mà đạt yêu cầu độ nhám Tuy nhiên, có nhiều thơng số q trình gia công ảnh hưởng đến nhám bề mặt song chưa đánh giá cách thích đáng Để giúp nhà sản xuất thu lợi ích tối đa ứng dụng công nghệ tiện cứng dụng cụ cắt PCBN, cần phải xây dựng mơ hình dự đốn xác nhám bề mặt chi tiết mịn dụng cụ[12] Các mơ hình q trình cắt xây dựng phương pháp phân tích, phương pháp số phương pháp thực nghiệm Trong phương pháp phân tích, mơ hình xây dựng dựa định luật vật lý mơ hình lực cắt Merchant, mơ hình tính góc mặt phẳng trượt Oxley… Phương pháp thực nghiệm xây dựng mô hình dựa đo đạc thực nghiệm, điển hình mơ hình xác định tuổi thọ dụng cụ Taylor Phương pháp phân tích số xây dựng mơ hình dựa toán học ứng dụng kết hợp với máy tính thơng qua thuật tốn chương trình phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp saiphân hữu hạn, phương pháp mơ hình trí tuệ nhân tạo như: mạng nơ ron nhân tạo, lý thuyết
*
Tel: 0915308818, Email: quocdung@yahoo.com.vn
lo gic mờ [14] Các mơ hình thực nghiệm xây dựng dựa liệu thí nghiệm thu điều kiện cụ thể Mặc dù không điều kiện tương tự khác chúng cho phép nghiên cứu dải rộng vấn đề phức tạp cách nhanh chóng hữu dụng cho phép sử dụng kết dễ dàng thuận tiện dạng bảng tra Có thể coi kết nhận từ mơ hình thực nghiệm điểm khởi phát trình điều khiển để người sử dụng chắn khơng có sai hỏng nghiêm trọng xảy sở vững để chứng minh cải tiến mơ hình phân tích lý thuyết [9] Mức độ xác mơ hình cịn phụ thuộc vào nhiều yếu tố lựa chọn thông số đầu vào cho mơ cách xử lý liệu Ngay việc xây dựng mơ hình phân tích có xét đến đầy đủ nhân tố ảnh hưởng phức tạp, tính ứng dụng thấp thường điều khơng thể làm Vì vậy, cần phải sàng lọc lựa chọn nhân tố định để xây dựng mơ hình đủ độ xác cần thiết [7] Mơ hình dự đốn nhám bề mặt chi tiết gia cơng mịn dụng cụ tiện cứng xác thép 9XC dụng cụ PCBN xây dựng phương pháp phân tích hồi qui dựa qui tắc thống kê tối ưu hóa thống kê
(2)Nguyễn Thị Quốc Dung cs Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 63(1): 40 - 45 cụ, chất lượng bề mặt gia cơng, chi phí
lượng…hoặc trung gian lực cắt, nhiệt cắt, mòn dụng cụ, rung động…Các tiêu bị chi phối nhiều yếu tố độc lập thông số chế độ cắt, dụng cụ cắt, vật liệu phôi… Sự phụ thuộc tiêu vào điều kiện cắt biểu diễn khái quát hàm[1]: F(a,b,v,g,f,r,M,N,Fd,O) Trong đó: a,b bề rộng bề dày cắt; v- vận tốc cắt; g,f,r - góc trước, góc nghiêng bán kính mũi dao; M,N-vật liệu phôi dao; Fd- diện tích mặt cán dao; O-dung dịch trơn nguội;
Việc nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng tất thông số điều nên cần phải sàng lọc tổ hợp yếu tố nhằm xác định yếu tố ảnh hưởng để nghiên cứu Nếu số yếu tố ảnh hưởng cần nghiên cứu lớn, cần tổ hợp thành nhóm để thực kế hoạch thực nghiệm song song Trong nghiên cứu này, yếu tố đầu vào xác định dựa thơng tin tiên nghiệm, có nhờ kết quan sát trực tiếp từ trình tiện cứng tài liệu tham khảo mơ hình nghiên cứu tương tự Vì tiện cứng trình gia công tinh nên tiêu quan trọng chất lượng bề mặt gia công tuổi thọ dụng cụ Các nhân tố ảnh hưởng tới chất lượng bề mặt gia công tuổi thọ dao đa dạng song tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện cắt thay đổi chọn lựa chúng q trình gia cơng Mặc dù tất nhà chế tạo dụng cụ cắt có khuyến cáo chế độ gia cơng loại vật liệu dụng cụ song thường hướng dẫn chung, nhiều khơng thích hợp với trường hợp gia công cụ thể Nghiên cứu cho thấy yếu tố điều kiện gia công có ảnh hưởng lớn tới chất lượng bề mặt tuổi thọ dụng cụ thông số chế độ cắt bao gồm vận tốc cắt v, chiều sâu cắt t lượng chạy dao s Quan hệ phụ thuộc tiêu chất lượng bề mặt tuổi thọ dụng cụ vào thông số quan hệ hàm số mũ [3,6,11]:
F= Cvrtpsq (1) C,r,p,q giá trị khơng đổi
Việc xây dựng mơ hình dự đốn chất lượng bề mặt gia công tuổi thọ dụng cụ phụ thuộc vào yếu tố nêu trình xác định giá trị hệ số không đổi công thức (1)
Để tuyến tính hóa, logarit hai vế (1): lnF=lnC+rlnv+plnt+qlns (2)
Dựa theo thông tin tiên nghiệm, thí nghiệm sàng lọc tài liệu liên quan, mơ hình dự đốn xây dựng phụ thuộc vào ba nhân tố chế độ cắt biến đổi miền giá trị sau:
1) Vận tốc cắt: v=100-170m/ph 2) Chiều sâu cắt: t= 0,09-0,15 mm
3) Lượng chạy dao: s= 0,07-0,15mm/vòng THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM
+) Máy: Tiến hành máy tiện kỹ thuật số HTC 2050 (TQ) xưởng khí thực nghiệm số 2, trường ĐH KTCN Thái Nguyên +) Dao: Mảnh dao PCBN hình tam giác hãng EHWA (Hàn quốc) ký hiệu TPGN 160308 T2001, EB28X, hàm lượng CBN 50%; chất dính kết TiC; cỡ hạt: 2m[10] +) Thân dao: Ký hiệu MTENN 2020K-16W (ISCAR) với kết cấu tạo thành góc trước âm: =-8; góc sau: =11
+) Thiết bị đo
- Thiết bị đo độ nhám bề mặt: Máy đo nhám Mitutoyo SJ – 201, Nhật Bản
- Kính hiển vi ĐT TM-1000 Hitachi, Nhật Bản +) Phôi: Nghiên cứu thực phôi thép 9XC loại thép hợp kim dụng cụ sử dụng rộng rãi để chế tạo chi tiết có yêu cầu độ bền cao, khả chống mịn tốt Kích thước phơi: chiều dài L=300mm, đường kính 62, tơi thể tích đạt độ cứng 56-58 HRC +) Sơ đồ thí nghiệm (hình 1)
t
s n
L
D
1
3
4
Lcắt
(3)Nguyễn Thị Quốc Dung cs Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 63(1): 40 - 45
42
QUI HOẠCH THỰC NGHIỆM Xây dựng mơ hình hồi qui
Phương pháp qui hoạch thực nghiệm cho phép tối thiểu hóa số thực nghiệm cần thiết đảm bảo chất lượng mơ hình tốn học hệ theo chuẩn tối ưu [7] Theo nguyên tắc phức tạp dần mơ hình tốn học đồng thời thơng tin tiên nghiệm chưa đầy đủ để khẳng định hệ vùng phi tuyến, chọn phương pháp kế hoạch hóa thực nghiệm phương pháp kế hoạch bậc hai mức tối ưu toàn phần (2k) với ưu điểm: kế hoạch trực giao, kế hoạch tối ưu D kế hoạch có tính tâm xoay Ngồi ra, mô hồi qui sử dụng kế hoạch bậc hai mức tối ưu không tương hợp với thực nghiệm dùng ln làm nhân kế hoạch bậc hai [7] Mơ hình hồi qui biểu diễn phụ thuộc độ nhám bề mặt gia công Ra mịn dụng cụ qua biến mã hóa với giả thiết có tương tác kép biến sau:
0 1 2 3 12 13 23 123
y b b x b x b x b x x b x x
b x x b x x x
$
Trong đó:$ylnYˆ với Yˆ hàm mục tiêu: nhám bề mặt chi tiết gia cơng mịn dụng cụ; x1, x2, x3 biến mã hóa tương ứng thơng số z1, z2, z3 giá trị logarit tự nhiên vận tốc cắt, chiều sâu cắt lượng chạy dao: z1=lnv; z2=lnt; z3=lns; x0 biến ảo tương ứng với hệ số hồi qui b0: x0=+1; bj hệ số hồi qui
Xây dựng kế hoạch thực nghiệm tiến hành thực nghiệm
Ma trận kế hoạch thực nghiệm dạng 2k lập bảng 1, ngồi thí nghiệm cịn có thí nghiệm thực song song tâm kế hoạch Tiến hành thí nghiệm theo kế hoạch Tại điểm thí nghiệm, đo đạc ghi lại kết đầu hàm mục tiêu độ nhám Ra (μm) tuổi thọ dao xác định diện tích gia cơng Sc (cm2) đạt tiêu độ nhám cần thiết
Xây dựng mơ hình hồi qui mơ tả nhám bề mặt Kết đo nhám bề mặt sau chiều dài cắt xác định Lc=750mm điểm thí nghiệm theo kế hoạch bảng
Bảng 2. Kết đo nhám bề mặt chi tiết gia công Số
TT
1
Ra (μm)
0,45 0.39 0,39 0.46 0,51 0.50 lnRa
-0,798 -0,941
-0,941
-0,776
-0,673
-0,693 Số
TT
7 10 11
Ra
(μm) 0,39 0.60 0,38 0.42 0,39 lnRa
-0,941 -0,510
-0,967
-0,867
-0,942
Dựa số liệu đo từ thí nghiệm theo kế hoạch, tiến hành theo bước[6,8]:
- Tính hệ số mơ hình hồi qui bj, bju - Tính phương sai lặp
2 11
S
- Tính sai lệch trung bình phân bố Sb Bảng 1. Ma trận kế hoạch thực nghiệm
S TT Biến thực Biến mã Hàm
mục tiêu Loga hàm mục tiêu
Z1 Z2 Z3 x0 x1 x2 x3 x1x2 x1x3 x2x3 x1x2x3 y lny
1 100 0,09 0,07 + - - - + + + - y1 lny1
2 170 0,09 0,07 + + - - - - + + y2 lny2
3 100 0,15 0,07 + - + - - + - + y3 lny3
4 170 0,15 0,07 + + + - + - - - y4 lny4
5 100 0,09 0,15 + - - + + - - + y5 lny5
6 170 0,09 0,15 + + - + - + - - y6 lny6
7 100 0,15 0,15 + - + + - - + - y7 lny7
8 170 0,15 0,15 + + + + + + + + y8 lny8
9 135 0,12 0,11 + 0 0 0 0
1
y lny10
10 135 0,12 0,11 + 0 0 0 0
2
y lny20
11 135 0,12 0,11 + 0 0 0 0
3
(4)Nguyễn Thị Quốc Dung cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 63(1): 40 - 45 - Kiểm tra tính có nghĩa hệ số hồi qui
- Xác định mơ hình tốn học - Tính phương sai dư Sd
- Kiểm tra tương hợp mơ hình với hệ thống
Phương trình hồi qui có dạng:
3
0, 784 0, 080 0, 095
y x x x
$
lnRa 2,967 3, 021ln v6,837 lnt0, 238lns1, 404 ln lnv t
Chuyển phương trình hồi qui với biến mã hóa xj phương trình với biến thực lnzj:
3,021 0,238 1,404ln 6,837
0, 0514 v
a
v s t
R
t
(4)
Đồ thị quan hệ độ nhám với thông số chế độ cắt vẽ Matlab hình
Xây dựng mơ hình hồi qui mơ mịn dụng cụ Tiêu chuẩn để đánh giá tuổi thọ dụng cụ cắt đa dạng Dụng cụ cần phải mài lại thay bị hỏng khơng cịn khả cắt gọt, nhiệt cắt tăng cao tạo thành hoa lửa, trình cắt gây ồn lớn rung động mạnh, kích thước hay độ hồn thiện bề mặt gia cơng thay đổi hình dạng dụng cụ thay đổi lượng định[9] Thông thường, khảo sát tuổi thọ dụng cụ thơng qua thời gian gia công ứng với chế độ cắt xác định Tuy nhiên, chế độ cắt thay đổi, đánh giá tiêu thời gian gia công trở nên thiếu xác khơng phản ánh thực chất hiệu làm việc dao Trong trường hợp này, tuổi thọ dụng cụ cần đánh giá qua tiêu khác khối lượng vật liệu cắt độ mòn dụng cụ tương ứng với yêu cầu đảm bảo chất lượng bề mặt gia công Với q trình
gia cơng tinh tiện cứng xác dụng cụ PCBN, thường thực với lượng dư nhỏ nên khối lượng vật liệu cắt khơng ý nghĩa diện tích bề mặt gia cơng Vì tuổi thọ dụng cụ khảo sát thơng qua tiêu diện tích bề mặt gia cơng đảm bảo đạt nhám bề mặt theo yêu cầu
Kết đo diện tích bề mặt gia công Sc (cm2) đến nhám bề mặt chi tiết đạt Ra=60μm tương ứng với chế độ cắt điểm thí nghiệm theo kế hoạch bảng Bảng 3 Kết đo diện tích bề mặt gia công Sc
Số
TT
SC (cm2)
8792 6044,5 7143,5 2747,5 13188 2198 lnSc 9.08 8,71 8,87 7,92 9,48 7,69
Số TT 10 11
SC (cm2)
5495 1648,5 3297 2747,5 3077,2 lnSc 8,61 7,41 8,10 7,92 8,03
Dựa số liệu đo từ thí nghiệm theo kế hoạch, thực bước tương tự trên, nhận phương trình hồi qui có dạng:
1
8, 471 0,539 0, 269 0,174 0, 209
y x x x x x
$
Chuyển phương trình hồi qui với biến mã hóa xj phương trình với biến thực lnzj:
10,896 7,27 1,04 2,344ln
1854720782
c v
s S
v t s
(5)
Đồ thị quan hệ mịn dụng cụ thơng qua diện tích gia công Sc với thông số chế độ cắt vẽ Matlab hình
PHÂN TÍCH KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Từ phương trình hồi qui đồ thị cho thấy: - Vận tốc cắt v có ảnh hưởng lớn tới độ nhám bề mặt chi tiết tuổi thọ dụng cụ Điều phù hợp với kết nghiên cứu số mơ hình dự đốn nghiên cứu Hình 3 Mặt hồi qui mô tả tuổi thọ dụng cụ thông qua diện tích gia cơng Sc theo vận tốc cắt
lượng chạy dao (a) đồ thị đường mức (b)
a) b
)
Hình 2 Mặt hồi qui độ nhám Ra theo vận tốc cắt chiều sâu cắt (a) đồ thị đường mức mặt hồi qui (b)
a )
(5)Nguyễn Thị Quốc Dung cs Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 63(1): 40 - 45
44
về tiện cứng xác thép AISI 52110 [12,13]
- Độ nhám bề mặt tăng tăng vận tốc cắt lượng chạy dao - Việc tăng chiều sâu cắt t khơng có ảnh hưởng tới nhám bề mặt Do vùng khảo sát chọn chiều sâu cắt lớn mà đảm bảo độ nhám cần thiết
lnSc21,341 7, 27 ln v1, 04 lnt10,896 lns2,34 ln lnv s
- Tuổi thọ dụng cụ giảm tăng vận tốc cắt v, chiều sâu cắt t lượng chạy dao s Tuy nhiên việc tăng lượng chạy dao ảnh hưởng tới tuổi thọ dụng cụ Thậm chí ứng với chiều sâu cắt t không thay đổi (t=0,12), việc tăng lượng chạy dao làm tăng tuổi thọ dụng cụ Vì phạm vi lượng chạy dao s=0,07-0,15, chọn lượng chạy dao lớn để tăng hiệu q trình gia cơng
KẾT LUẬN
- Việc xây dựng mơ hình q trình tiện cứng giúp dự đoán đánh giá thay đổi quan hệ phụ thuộc thông số q trình gia cơng nhằm nâng cao hiệu q trình
- Mơ hình dự đốn nhám bề mặt mòn dụng cụ đảm bảo độ tin cậy dải số liệu khảo sát, kết dự đoán phù hợp với thông số thực nghiệm
- Mơ hình cho thấy phạm vi khảo sát, vận tốc cắt có ảnh hưởng định đến nhám bề mặt chi tiết mòn dụng cụ Chiều sâu cắt lượng chạy dao có ảnh hưởng khơng đáng kể nên tăng suất hiệu trình cách chọn chiều sâu cắt lượng chạy dao lớn Tuy nhiên để đánh giá hiệu trình gia cơng cách tồn diện cần phải tiếp tục nghiên cứu xem xét đồng thời nhân tố để vừa đạt độ nhám cần thiết, vừa đảm bảo tuổi thọ dụng cụ lớn suất gia công cao
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Đào Cán (1959), Nguyên lý cắt kim loại Nxb Giáo dục, Hà Nội
[2] Nguyễn Cảnh (2004), Qui hoạch thực nghiệm Nxb Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh
[3] Nguyễn Duy, Trần Sỹ Túy, Trịnh Văn Tự (1997), Nguyên lý cắt kim loại Nxb Đại học Trung học chuyên nghiệp, Hà Nội
[4] Trần Tuấn Điệp, Lý Hoàng Tú (1999), Lý thuyết xác xuất thống kê toán học Nxb Giáo dục [5] Bành Tiến Long, Trần Thế Lục, Trần Sỹ Túy (2001), Nguyên lý gia công vật liệu Nxb Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội
[6] Bùi Minh Trí (2005), Xác xuất thống kê Qui hoạch thực nghiệm Nxb KH&KT, Hà Nội [7] Nguyễn Minh Tuyển (2005) Qui hoạch thực nghiệm Nxb Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [8] Nguyễn Doãn Ý (2006), Qui hoạch xử lý số liệu thực nghiệm Nxb Xây dựng, Hà Nội
[9] E.M Trend, P.K Wright Metal cutting Published by Elsevier, India Private Limited, New Delhi (2000), India
[10] EHWA Diamond industrial Co.,LTD, Korea Innovator in technology PCB/PCBN cutting tools [11] M V Kowstubhan and P K, PhiIip On the tool-life equation tools of TiN-coated high speed steel Wear, 143 (1991) 267-275
[12] Tugrul Ozel, Yigit Karpat Predictive modeling of surface roughness and tool wear in hard turning using regression and neural networks International Journal of Machine Tools & Manufacture 45 (2005) 467–479
[13] Tugru Ozel, Yigit Karpat, Luıs Figueira, J Paulo Davim Modelling of surface finish and tool flank wear in turning Journal of Materials Processing Technology, Volume 189, Issues 1-3, July 2007, Pages 192-198
[14] Yahya Dogu, Ersan Aslan, Necip Camuscu A numerical model to determine temperature distribution in orthogonal metal cutting Journal of Materials Processing Technology
(6)Nguyễn Thị Quốc Dung cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 63(1): 40 - 45
45
SUMMARY
PREDICTIVE MODELING OF SURFACE ROUGHNESS AND TOOL WEAR IN HARD TURING USING PCBN CUTTING TOOL
Nguyen Thi Quoc Dung2, Phan Quang The
College of Technology - Thai Nguyen University
This paper presents the models to predict surface roughness and tool wear in finish hard turning with PCBN (Polycrystal Cubic Boron Nitride) using regression analysis A set of data obtained from performed experiments in fininsh turning of hardened 9XC steel has been utilized The models show that decrease cutting speed and feed rate resulted in better surface roughness and lower tool wear Increase the depth of cut resulted in faster tool wear but unremarkable effect on surface roughness
Keyword: Hard turnig, tool wear, polycrystal cubic boron nitride, regression analysis
2