Bài viết này trình bày việc tối ưu hóa đa mục tiêu trong EDM bằng Taguchi - PSI (Preference selection index). Các thông số cường độ dòng điện (I), điện áp (V), thời gian phát xung (Ton) và thời gian ngừng phát xung (Tof) được sử dụng để khảo sát.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Ứng dụng kết hợp Taguchi PSI để tối ưu hóa đa mục tiêu thơng số cơng nghệ xung định hình thép SKD11 Application of Taguchi - PSI combined to multi-response optimization of process parameters in die- sinking electrical discharge machining for SKD11 steel Nguyễn Văn Đức, Phạm Văn Bổng, Nguyễn Hữu Phấn* Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: phanktcn@gmail.com Mobile 0983.783.844 Tóm tắt Từ khóa: EDM; Ra; MRR; PSI; Taguchi Gia công tia lửa điện (EDM) phương pháp sử dụng phổ biến ngành khuôn mẫu dụng cụ Tối ưu hóa đa mục tiêu thơng số cơng nghệ việc lựa chọn trọng số cho tiêu chất lượng EDM vấn đề phức tạp Nó tạo quan tâm lớn chuyên gia kỹ thuật lĩnh vực Bài báo trình bày việc tối ưu hóa đa mục tiêu EDM Taguchi - PSI (Preference selection index) Các thơng số cường độ dịng điện (I), điện áp (V), thời gian phát xung (Ton) thời gian ngừng phát xung (Tof) sử dụng để khảo sát Các tiêu suất bóc tách vật liệu (MRR) nhám bề mặt (Ra) lựa chọn tiêu tối ưu Ma trận trực giao L25 phương pháp Taguchi sử dụng để thiết kế thực kỹ thuật PSI sử dụng để giải toán tối ưu đa mục tiêu Kết rằng, thơng số tối ưu tốn đa mục tiêu EDM gia công thép SKD11 U = 70V, Ton = 50µs, I = 5A, Tof = 18µs Và kết hợp PSI-Taguchi làm giảm đáng kể thời gian chi phí thực nghiệm Abstract Keywords: EDM; Ra; MRR; PSI; Taguchi Electrical discharge machining (EDM) is a widely used method in the industry of molds and tools The multi-objective optimization of technology parameters and the selection of weight for each quality indicator in the EDM is a very complex issue It has been attracting great interest from technical specialists in this field This paper presents multi-objective optimization in EDM using Taguchi - PSI (Preference selection index) Parameters of current (I), voltage (V), pulse on time (Ton) and pulse off time (Tof) are used for the survey The quality indicators such as material removal rate (MRR) and surface roughness (Ra) were chosen as optimal indicators The orthogonal Matrix L25 in the Taguchi method was used for actual design, and PSI techniques were used to solve multi-objective optimization problems The results indicated that, the optimal parameters of the multi-objective of EDM for SKD11 steel are U = 70V, Ton = 50μs, I = 5A, Tof = 18μs And the combination of PSI-Taguchi greatly reduced the time and cost of experimentation Ngày nhận bài: 10/07/2018 Ngày nhận sửa: 06/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 ĐẶT VẤN ĐỀ Gia công tia lửa điện (EDM) phương pháp gia công không truyền thống, sử dụng phổ biến ngành chế tạo khuôn mẫu dụng cụ Phương pháp gia cơng bề mặt định hình phức tạp vật liệu thuộc nhóm vật liệu khó gia cơng Hạn chế phương pháp suất gia công chất lượng bề mặt gia công thấp Số lượng thông số công nghệ lớn trị số chúng rộng, điều dẫn đến trình tối ưu hóa thơng số cơng nghệ EDM khó khăn Vì vây, Tối ưu hóa đồng thời nâng cao suất gia công chất lượng bề mặt gia công EDM thu hút quan tâm nhiều cơng trình nghiên cứu Một số kết nghiên cứu gần cho thấy kết hợp Taguchi với số phương pháp (GRA (Grey Relational Analysis), Topsis, PSO (Particle Swarm Optimization),…) tối ưu hóa địng thời nhiều mục tiêu EDM Taguchi - GRA sử dụng để tối ưu hóa đồng thời chi tiêu MRR, TWR lượng cắt µ-EDM [1-3] Tuy nhiên, Nghiên cứu tối ưu hóa đồng thời tiêu MRR Ra EDM Taguchi - Topsis cho hiệu cao so với Taguchi - GRA [4] Một số tiêu đặc trưng chất lượng EDM Taguchi - Topsis [5] Các tiêu chất lượng tối ưu gồm: MRR, Ra, độ xác kích thước Kết cho thấy thông số công nghệ khảo sát (I, V, Ton) V ảnh hưởng mạnh (42,42%) ton ảnh hưởng (11,13%) Trong tối ưu hóa nhiều mục tiêu, Topsis phương pháp đơn giản, dễ hiều mạnh [6] Đồng thời phương pháp cho phép xét đến yếu tố dịnh lượng định tính Nên giải pháp cho phép tiếp cận giải toán tối ưu đa mục tiêu khách quan tiêu chất lượng EDM tối ưu hóa đồng thời Topsis Mức ảnh hưởng thông số công nghệ [7] Kết tối ưu tiêu suất, chất lượng bề mặt độ xác gia cơng AISI - 304 µ-EDM xác định Topsis method [8] Và kết tối ưu phương pháp tốt so với số phương pháp khác Taguchi, GRA,… Các kết nghiên cứu cho thấy, giải pháp đưa toán tối ưu đa mục tiêu EDM đạt kết định Tuy nhiên, giá trị trọng số trị tiêu xác định khó khăn Gần đây, phương pháp PSI (Performance Selection Index) giới thiệu để tối ưu hóa đa mục tiêu phương pháp gia công Đây phương pháp không yêu cầu xác định trọng số tiêu, toán tối ưu giải đơn giản nhiều Bài báo này, nghiên cứu sử dụng tiêu chất lượng gồm MRR Ra EDM Các thông số công nghệ gồm U, I, Ton, Tof tối ưu hóa Phương pháp Taguchi - PSI sử dụng để thiết kế thí nghiệm tối ưu hóa đa mục tiêu chất lượng EDM để gia công thép SKD11 THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM Máy xung định hình CM323C CHMER EDM (Đài Loan) sử dụng để thực thí nghiệm Thép làm khn SKD11 với kích thước mẫu 25x25x20mm lựa chọn để nghiên cứu, Hình Cu loại vật liệu điện cực sử dụng phổ biến quan tâm nhiều nghiên cứu Điện cực có dạng trụ trịn có kích thước đường kính 20mm với chiều dài 35mm, Hình Dung dịch điện mơi thí nghiệm dầu xung điện HD-1 Đây loại dầu sử dụng phổ biến lĩnh vực gia công xung Việt Nam Đo khối lượng phôi trước sau gia công cân điện tử AJ 203 (Hãng Shinko Denshi Co LTD - Japan), khối lượng lớn mà cân cân 200g, độ xác HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 0,001g Nhám bề mặt gia công (Ra) xác định máy SJ-210 (Hãng Mitutoyo - Japan) Thực lần đo mẫu thí nghiệm kết giá trị trung bình lần đo Hình Điện cực phôi thực nghiệm PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM VÀ TỐI ƯU Xây dựng ma trận thực nghiệm nghiên cứu thực nghiệm có mối quan hệ trực tiếp đến kinh phí vật tư thực nghiệm, thời gian thực nghiệm độ xác kết nghiên cứu Số lượng thí nghiệm nhất, số lượng tham số khảo sát lớn giải đồng thời nhiều tiêu chất lượng với độ xác cao mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm Ngồi ra, phân tích định đa mục tiêu phần quan trọng nghiên cứu tồn diện tốn tối ưu đa mục tiêu Nó q trình thiết kế cơng thức tốn học tính tốn để hỗ trợ người thực đưa định thích hợp với mức độ quan trọng tiêu lựa chọn nghiên cứu Sự phân tích định đa mục tiêu xem xét việc lựa chọn sàng lọc, xếp mức độ ưu tiên, xếp thứ tự ưu tiên để từ lựa chọn giải pháp phù hợp với đối tượng nghiên cứu.Việc lựa chọn mức ưu tiên mức thông số khảo sát quan trọng việc đưa định Đã có nhiều phương pháp giới thiệu để giải vấn đề này, nhiên kỹ thuật khác lại cho kết khác vấn đề nghiên cứu Vì vậy, Việc tạo cân tiêu xung đột để từ đưa định vấn đề phức tạp Trong bào này, nhóm tác giả giới thiệu quy trình bao gồm bước như: Bước 1: Xây dựng ma trận thí nghiệm phương pháp Taguchi Bước 2: Xác định tiêu chất lượng nghiên cứu Bước 3: Tiến hành phương pháp PSI để đạt kết xếp hạng cuối Cụ thể phần giới thiệu sau: 3.1 Xây dựng ma trân thí nghiệm Taguchi Phương pháp Taguchi phương pháp thiết kế thí nghiệm mạnh Phương pháp có ưu điểm số lượng thông số công nghệ mức chúng đưa vào ma trân thiết kế thực nghiệm lớn số lượng thí nghiệm nhỏ Điều dẫn đến chi phí vật tư thí nghiệm thời gian thực nghiệm giảm Ngồi ra, thơng số đưa vào ma trận thiết kế thực nghiệmcó thể yếu tố định lượng yếu tố định tính, mức thơng số lựa chọn tùy ý Điều thực số thiết kế thí nghiệm truyền thống Mặt khác, ma trận thiết kế thực nghiệm thiết kế sẵn nên thuận lợi cho việc ứng dụng Những ưu điểm phương pháp dẫn đến ứng dụng phương pháp thực tiễn rộng rãi HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Việc lựa chọn ma trận thiết kế thí nghiệm Taguchi phụ thuộc vào số lượng thơng số cơng nghệ mức khảo sát Trong nghiên cứu này, thông số công nghệ (U, I, Ton Tof) mức thông số công nghệ lựa chọn để nghiên cứu, Bảng Các thông số công nghệ mức khảo sát nghiên cứu lựa chọn theo kin nghiệm để phù hợp với điều kiện gia công tinh Và bậc tự ma trận thí nghiệm 16 (bảng) Như vậy, bảng thiết kế thí nghiệm Taguchi phù hợp với nghiên cứu lad L25 Với ma trận thực nghiệm bảng Bảng Thông số công nghệ thực nghiệm TT Thông số công nghệ Đơn vị Cường độ dòng điện Điện áp Thời gian phát xung Thời gian ngừng phát xung A V s s Kí hiệu 1 30 18 I U Ton Tof Tổng Mức thông số 4 40 50 60 25 37 50 12 18 25 5 70 75 37 Bậc tự 4 4 16 Bảng Kết thực nghiệm Exp 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 I 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 U 30 40 50 60 70 30 40 50 60 70 30 40 50 60 70 30 40 50 60 70 30 40 50 60 70 Ton 18 25 37 50 75 25 37 50 75 18 37 50 75 18 25 50 75 18 25 37 75 18 25 37 50 Tof 12 18 25 37 18 25 37 12 37 12 18 25 12 18 25 37 25 37 12 18 MRR (mg/phút) 1,45 0,98 1,02 0,72 0,74 9,08 6,42 5,37 3,50 6,75 12,23 4,38 3,80 14,48 12,73 9,13 9,50 34,74 31,25 16,30 17,60 51,70 25,90 25,30 26,30 Ra (µm) 0,71 0,59 0,67 0,64 0,80 1,32 1,24 1,24 1,07 1,26 1,54 0,98 1,08 1,48 1,57 1,08 1,36 2,27 2,70 1,66 1,55 2,70 1,81 1,70 1,86 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 3.2 Phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu PSI Các bước phương pháp PSI để giải vấn đề MCDM bao gồm vài bước: Bước1: Xác định mục tiêu tốn lựa chọn tiêu chí đánh giá để đảm bảo mục tiêu, lựa chọn ma trân thực nghiệm liên quan đến vấn đề định xem xét Bước 2: Xây dựng ma trận định ban đầu từ tiêu lựa chọn ban đầu Nếu số lượng thí nghiệm m số tiêu n, ma trận định m x n biểu diễn theo công thức (1): x11 x 21 X= x i1 x m1 x12 x 22 x1j x 2j x i2 x ij x m2 x mj x1n x 2n x in x mn (1) Bước 3: Trong giải tốn đa mục tiêu, u cầu để làm cho giá trị tiêu phải không thứ nguyên Để đảm bảo mục đích này, giá trị tiêu chuyển thành 1, trình chuyển đổi gọi chuẩn hóa Nếu tiêu loại lớn tốt hơn, chuẩn hóa theo công thức (2a): xij' xij xijmax , i 1, , m (2a) Nếu tiêu loại nhỏ tốt hơn, chuẩn hóa theo công thức (2b): ' ij x xijmin xij , i 1, , m (2b) Trong xij giá trị tiêu hàng thứ i cột thứ j (i = 1, 2, 3,… , m j = 1, 2…., n) Ma trận định chuẩn hóa phương trình (1) (3) tùy thuộc vào mục tiêu toán Bước 4: Trong bước này, giá trị trung bình tiêu chuẩn hóa tính cơng thức (3): N m ' xij n i 1 (3) Bước 5: Giá trị biến thể tùy chọn giá trị tiêu tính cách sử dụng công thức (4): m j ( xij' N)2 (4) i 1 Bước 6: Xác định độ lệch giá trị mức độ ưu tiên liên quan đến tiêu chí sử dụng cơng thức (5): HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 j = - j (5) Bước 7: Trong bước phương pháp PSI, giá trị ưu tiên tổng thể xác định cho tiêu chí sử dụng công thức (6): j Wj (6) n j j 1 Ngoài ra, tổng giá trị ưu tiên tổng thể tất tiêu chí phải thỏa mãn công thức (7): n w j 1 (7) j 1 Bước 8: Chỉ số lựa chọn ưu tiên tính cho thí nghiệm sử dụng cơng thức (8): n j xij' w j (8) j 1 Bước 9: Căn vào giá trị số ưu tiên để xếp hạng Việc xếp hạng phải thực theo giá trị giảm dần θj Thí nghiệm có giá trị lớn θj tốt lớn nhất, giải pháp tốt (giải pháp tối ưu) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Bước 1: Với mục tiêu đồng thời nâng cao suất chất lượng bề mặt, hai tiêu MRR Ra lựa chọn để nghiên cứu (MRR tăng; Ra bị giảm) Kết thực nghiệm tiêu khảo sát theo ma trận L25 Taguchi (Bảng 2) Bước 2: Xây dựng ma trận tiêu nghiên cứu, theo công thức (1) ta có: MRR MRR X= MRR 27 SR1 SR SR 27 (9) Bước 3: Chuẩn hóa tiêu: MRR chuẩn hóa theo cơng thức (2a) Ra chuẩn hóa theo cơng thức (2b), kết cho bảng Bảng Kết chuẩn hóa TNo I 1 1 2 U 30 40 50 60 70 30 40 Ton 18 25 37 50 75 25 37 Tof 12 18 25 37 18 25 x’ij(MRR) 0,03 0,02 0,02 0,01 0,01 0,18 0,12 x’ij(Ra) 0,83 1,00 0,88 0,92 0,73 0,45 0,47 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 2 3 3 4 4 5 5 50 60 70 30 40 50 60 70 30 40 50 60 70 30 40 50 60 70 50 75 18 37 50 75 18 25 50 75 18 25 37 75 18 25 37 50 37 12 37 12 18 25 12 18 25 37 25 37 12 18 0,10 0,07 0,13 0,24 0,08 0,07 0,28 0,25 0,18 0,18 0,67 0,60 0,32 0,34 1,00 0,50 0,49 0,51 0,47 0,55 0,47 0,38 0,60 0,54 0,40 0,37 0,54 0,43 0,26 0,22 0,35 0,38 0,22 0,33 0,35 0,32 Bước đến bước 8: Các kết tính tốn tính theo cơng thức (3-8) Giá trị kết tính tốn thể bảng Bảng Các giá trị tham số chuyển đổi số ưu tiên TNo 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 N 0,287 0,340 0,300 0,310 0,249 0,207 0,199 0,192 0,206 0,199 0,206 0,228 0,206 0,226 0,207 0,240 0,205 0,310 0,274 0,223 0,240 0,406 0,276 0,279 0,275 MRR -0,259 -0,321 -0,280 -0,296 -0,235 -0,032 -0,075 -0,088 -0,138 -0,068 0,030 -0,143 -0,132 0,054 0,039 -0,064 -0,021 0,362 0,330 0,092 0,100 0,594 0,225 0,211 0,233 Ra 0,547 0,660 0,580 0,607 0,485 0,239 0,275 0,281 0,344 0,267 0,176 0,371 0,338 0,172 0,168 0,304 0,226 -0,051 -0,056 0,131 0,140 -0,188 0,050 0,068 0,042 j 0,366 0,539 0,415 0,456 0,290 0,058 0,081 0,087 0,138 0,076 0,032 0,158 0,132 0,032 0,030 0,096 0,052 0,133 0,112 0,026 0,030 0,388 0,053 0,049 0,056 j 0,634 0,461 0,585 0,544 0,710 0,942 0,919 0,913 0,862 0,924 0,968 0,842 0,868 0,968 0,970 0,904 0,948 0,867 0,888 0,974 0,970 0,612 0,947 0,951 0,944 Wj 0,030 0,022 0,028 0,026 0,034 0,045 0,044 0,043 0,041 0,044 0,046 0,040 0,041 0,046 0,046 0,043 0,045 0,041 0,042 0,046 0,046 0,029 0,045 0,045 0,045 j 0,0259 0,0223 0,0249 0,0240 0,0252 0,0278 0,0260 0,0250 0,0252 0,0261 0,0284 0,0272 0,0254 0,0310 0,0285 0,0308 0,0276 0,0382 0,0346 0,0309 0,0331 0,0353 0,0371 0,0377 0,0369 Xếp hạng 18 25 23 24 21 13 17 22 20 16 12 15 19 11 10 14 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Bước 9: Căn vào kết tính tốn số PSI cho thấy, thí nghiệm số 18 cho giá trị số lớn nhất, Hình Đây thí nghiệm cho kết hợp lý với thông số công nghệ tối ưu: U = 50V, Ton = 18µs, I = 4A, Tof = 25µs Hình Xếp hạng số PSI KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, thơng số cơng nghệ q trình xung định hình thép SKD11 tối ưu hóa đa mục tiêu Bộ thông số công nghệ tối ưu U = 50V, Ton = 18µs, I = 4A, Tof = 25µs Trị số tối ưu tiêu MRR= 34,74mm3/phút Ra = 2,27µm Sự kết hợp Taguchi - PSI để giải toán đa mục tiêu giúp trình giải ngắn gọn, dễ dàng đồng thời tiết kiệm thời gian chi phí thực Kết chứng tỏ PSI giải pháp hữu hiệu để giải tốn tối ưu đa mục tiêu lĩnh vực EDM nói riêng cơng nghệ gia cơng khác nói chung LỜI CẢM ƠN: Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia (Nafosted) Việt Nam theo số tài trợ "107.01-2017.303" TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vijay, K.M., Man, S.A., 2017 Micro-EDM multiple parameter optimization for Cp titanium Int J Adv Manuf Technol, 89, 897–904 [2] Durairaj, M., Sudharsun, D., Swamynathan, N., 2013 Analysis of Process Parameters in Wire EDM with Stainless Steel using Single Objective Taguchi Method and Multi Objective Grey Relational Grade Procedia Engineering, 64, 868 – 877 [3] Pragadish, N., Pradeep, K.M., 2016 Optimization of Dry EDM Process Parameters Using Grey Relational Analysis Arabian Journal for Science and Engineering [4] .Dastagiri, M., Srinivasa, R.P., Valli, P.M., 2016 TOPSIS, GRA Methods for Parametric Optimization on Wire Electrical Discharge Machining (WEDM) Process Design and Research Conference (AIMTDR–2016) College of Engineering HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 [5] Prabhu, S., Vinayagam, B.K., 2016 Multiresponse optimization of EDM process with nanofluids using TOPSIS method and Genetic Algorithm Archive of Mechanical Engineering, 63 (1), 45–71 [6] Gadakh, V S., 2012 Parametric Optimization of Wire Electrical Discharge Machining Using Topsis Method Advances in Production Engineering & Management, (3), 157-164 [10] Manivannan, R., Pradeep, K.M., 2017 Multi-attribute decision-making of cryogenically cooled micro-EDM drilling process parameters using TOPSIS method Journal Materials and Manufacturing Processes, 32(2), 209-215 [7] Manivannan, R., Pradeep, K.M., 2017 Multi-attribute decision making of cryogenically cooled Micro-EDM drilling process parameters using TOPSIS method Materials and Manufacturing Processes, 32(2) [8] Manivannan, R., Pradeep, K.M., 2016 Multi-response optimization of Micro-EDM process parameters on AISI 304 steel using TOPSIS Journal of Mechanical Science and Technology, 30, 137-144 [9] Dušan, P., Miloš, M., Miroslav, R., Valentina, G., (2017) Application of the performance selection index method for solving machining mcdm problems Mechanical Engineering, 15, 97-106 ... công nghệ tối ưu: U = 50V, Ton = 18µs, I = 4A, Tof = 25µs Hình Xếp hạng số PSI KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, thông số công nghệ trình xung định hình thép SKD11 tối ưu hóa đa mục tiêu Bộ thơng số. .. Taguchi phụ thuộc vào số lượng thông số công nghệ mức khảo sát Trong nghiên cứu này, thông số công nghệ (U, I, Ton Tof) mức thông số công nghệ lựa chọn để nghiên cứu, Bảng Các thông số công nghệ. .. sử dụng tiêu chất lượng gồm MRR Ra EDM Các thông số công nghệ gồm U, I, Ton, Tof tối ưu hóa Phương pháp Taguchi - PSI sử dụng để thiết kế thí nghiệm tối ưu hóa đa mục tiêu chất lượng EDM để gia