Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết này trình bày phương pháp cực tiểu hóa sai lệch kích thước theo phương pháp Taguchi khi phay trên trung tâm gia công CNC, làm giảm số lượng thực nghiệm, tạo ra sản phẩm chất lượng cao với chi phí thấp cho các nhà sản xuất.
ISSN 2354-0575 CỰC TIỂU HĨA SAI LỆCH KÍCH THƯỚC THEO PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI KHI PHAY TRÊN TRUNG TÂM GIA CÔNG CNC Nguyễn Trọng Hùng1, Hoàng Minh Thuận1, Nguyễn Quang Hưng2, Chu Việt Khánh3 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghiệp Trường Cao đẳng nghề Bắc Giang Ngày nhận: 12/4/2016 Ngày sửa chữa: 06/5/2016 Ngày xét duyệt: 29/5/2016 Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp cực tiểu hóa sai lệch kích thước theo phương pháp Taguchi phay trung tâm gia công CNC, làm giảm số lượng thực nghiệm, tạo sản phẩm chất lượng cao với chi phí thấp cho nhà sản xuất Kết cho quan hệ chế độ cắt gồm tốc độ quay, lượng chạy dao chiều sâu cắt với tương tác cặp, tương tác ba chúng với sai lệch kích thước xác định chế độ cắt tối ưu cục (trong phạm vi khảo sát) có sai lệch kích thước nhỏ phay máy CNC Từ khóa: Cực tiểu hóa; Sai lệch kích thước; Taguchi; Tốc độ quay; Lượng chạy dao; Chiều sâu cắt; Trung tâm gia công CNC Đặt vấn đề Việc nghiên cứu cực tiểu hóa sai lệch kích thước theo phương pháp Taguchi phay trung tâm gia công CNC, làm giảm số lượng thực nghiệm, nâng cao độ xác gia cơng xây dựng mối quan hệ chế độ cắt gồm tốc độ quay, lượng chạy dao chiều sâu cắt với tương tác cặp, tương tác ba chúng với sai lệch kích thước, nâng cao chất lượng làm việc chi tiết máy nâng cao suất gia công Đây vấn đề cần quan tâm nghiên cứu lĩnh vực khí chế tạo máy Cơ sở phương pháp nghiên cứu 2.1 Hàm tổn thất Taguchi [1] Mục tiêu phương pháp Taguchi để giảm chi phí cho nhà sản xuất xã hội từ thay đổi trình sản xuất Tiến sỹ Taguchi (Nhật Bản) xác định khác biệt giá trị mục tiêu đặc tính hiệu suất trình τ giá trị đo y, hàm tổn thất: l ^ yh = kc ^ y - xh (1) C Trong đó: kc = - Hằng số D Nếu hàm mục tiêu để thực cực tiểu hóa giá trị đặc trưng, hàm tổn thất xác định sau: l(y) = kc.y2 (2) Trong đó: x = Nếu hàm mục tiêu để thực cực đại hóa giá trị đặc trưng, hàm tổn thất xác định sau: k (3) l ^ yh = c2 y 2.2 Thiết kế thực nghiệm Taguchi [1] Tiến sỹ G.Taguchi (Nhật Bản) phát triển phương pháp thiết kế thực nghiệm, để nghiên cứu biện pháp xác định thông số khác ảnh hưởng đến giá trị trung bình phương sai (average value and variances) đặc tính hiệu suất q trình, xác định xem trình hoạt động tốt Thiết kế thực nghiệm Taguchi đề xuất liên quan đến việc sử dụng ma trận trực giao để tổ chức thông số ảnh hưởng đến q trình mức, mà chúng thay đổi, cho phép để thu thập liệu cần thiết để xác định yếu tố ảnh hưởng đến hầu hết chất lượng sản phẩm với số lượng tối thiểu thí nghiệm, tiết kiệm thời gian nguồn lực Phân tích phương sai liệu thu thập từ thiết kế thực nghiệm Taguchi, sử dụng để chọn giá trị thông số nhằm tối ưu hóa đặc tính hiệu suất Việc lựa chọn ma trận trực giao thực theo phương pháp Taguchi, lựa chọn phụ thuộc vào số thông số nghiên cứu, mức ảnh hưởng chúng trình bày Bảng Từ hàm tổn thất Taguchi, để cực tiểu hóa hàm mục tiêu xác định ảnh hưởng cho biến đầu ra, giá trị tỷ lệ tín hiệu nhiễu S/N, cần phải tính tốn cho thí nghiệm theo biểu thức (4) u (4) h i = S / Ni = - 10 log c n / y i2 m i=1 Trong đó: n - Số lặp lại thí nghiệm yi - Giá trị hàm mục tiêu thí nghiệm Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng - 2016 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Bảng Thiết kế Taguchi Trong Bảng 1: n - Số thí nghiệm; k - Số thông số ảnh hưởng 2, 3, 4, (mẫu số) - Số mức ảnh hưởng thông số Chú ý rằng, ma trận lựa chọn, số thơng số ảnh hưởng nhỏ k, bỏ bớt cột ma trận Trong thực nghiệm đây, gồm có mức ảnh hưởng đến nhám bề mặt I = 3; yếu tố ảnh hưởng đến nhám J = 3; số lần thử nghiệm K = 3; số lần lặp điểm thiết kế L = L9 Suy ra, sử dụng ma trận trực giao , có thơng số cơng nghệ khảo sát, bỏ cột P4 2.3 Phân tích phương sai [1] Phân tích phương sai (analysis of variance - ANOVA) kỹ thuật thống kê sử dụng muốn so sánh giá trị trung bình từ ba nhóm trở lên, dựa giá trị trung bình mẫu quan sát từ nhóm thơng qua kiểm định giả thuyết để kết luận giá trị trung bình Trong nghiên cứu, phân tích phương sai dùng công cụ để xem xét ảnh hưởng hay số yếu tố nguyên nhân (định tính) đến Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng - 2016 yếu tố kết (định lượng) Kỹ thuật chia phương sai quan sát (observation) thành hai phần: Phương sai nhóm (between groups); Phương sai nội nhóm (within group) Do phương sai độ phân tán tương đối quan sát so với giá trị trung bình, nên việc phân tích phương sai giúp so sánh giá trị trung bình dễ dàng (bên cạnh việc so sánh phương sai) Để phân tích phương sai cần xác định số thơng số dây (công thức kết Bảng 5): Tổng sai lệch bình phương tồn mẫu - SST Tổng sai lệch bình phương nhóm - SSB Tổng sai lệch bình phương nhóm - SSW Sai lệch bình phương trung bình tồn mẫu - MST Sai lệch bình phương trung bình nhóm - MSB Sai lệch bình phương trung bình nhóm - MSW Kiểm định F- test (F - Fisher): MSB (5) F - test = MSW Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Thực nghiệm phân tích kết nghiên cứu 3.1 Bài tốn nghiên cứu Cực tiểu hóa sai lệch kích thước theo phương pháp Taguchi với thông số chế độ cắt gồm tốc độ quay n, lượng chạy dao S chiều sâu cắt t phay trung tâm gia cơng CNC Số liệu thực nghiệm tính tốn theo phân tích phương sai 3.3.2 Lựa chọn phương pháp thiết bị đo Phương pháp đo sai lệch kích thước theo phương pháp so sánh với mẫu; đồng hồ so 0,001 mm (Nhật Bản) đồ gá đo bàn chuẩn, định vị bậc tự 3.2 Điều kiện thực nghiệm Sử dụng trung tâm gia công trục V40Leadwell (Đài Loan), gá dao tiêu chuẩn BT-40 (Hình 1) Các thơng số cơng nghệ gồm có mức thấp, trung bình cao (Bảng 2), lựa chọn phụ thuộc vào thiết bị, dụng cụ cắt, vật liệu gia công tra cứu từ tài liệu [2], [3], [6] [7] Do đó, ta có ma trận trực giao thiết kế theo phương pháp Taguchi (Bảng 2) Bảng Giá trị thông số công nghệ thực nghiệm Các mức Thông số thiết Trung Thấp Cao kế bình Các thơng số chế độ cắt Tốc độ quay (vòng/phút) P1 750 1000 1500 Lượng chạy dao (mm/vòng) P2 10 15 20 Chiều sâu cắt (mm) P3 0,1 0,15 0,2 Hình Trung tâm gia cơng trục V40-Leadwell 3.3 Thực nghiệm theo phương pháp Taguchi 3.3.1 Ma trận trực giao theo phương pháp Taguchi Ma trận trực giao thiết kế theo phương pháp Taguchi (Bảng 3) Bảng Ma trận thực nghiệm theo phương pháp Taguchi Thí nghiệm số 10 P1 P2 (vịng/phút) (mm/phút) P3 (mm) 750 10 0,1 750 15 0,15 750 20 0,2 1000 10 0,15 1000 15 0,2 1000 20 0,1 1500 10 0,2 1500 15 0,1 1500 20 0,15 Hình Mẫu phay 3.3.3 Tính tốn kết thực nghiệm theo phương pháp Taguchi Nhận xét 1: Theo phương pháp Taguchi để cực tiểu hóa sai lệch kích thước phay trung tâm gia công CNC, từ biểu thức (1) tính giá trị tỷ lệ tín hiệu nhiễu h (Bảng 4) Ta thấy rằng, thí nghiệm thứ 4, giá trị hiệu suất h tỷ lệ tín hiệu nhiễu S/N nhỏ nhất, suy tác động thơng số chế độ cắt đến sai lệch kích thước lớn nhất, đồng thời giá trị sai lệch kích thước nhỏ Khoa học & Cơng nghệ - Số 10/Tháng - 2016 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Bảng Giá trị tỷ lệ tín hiệu nhiễu Số thí nghiệm P1 P2 P3 m1 m2 m3 750 750 750 1000 1000 1000 1500 1500 1500 10 15 20 10 15 20 10 15 20 0,1 0,15 0,2 0,15 0,2 0,1 0,2 0,1 0,15 133 123 131 138 172 129 149 177 150 138 123 114 090 135 132 135 131 135 127 125 131 129 169 144 232 355 267 3.4 Phân tích phương sai Từ kết thực nghiệm tính tốn phân hi 3m 132,6 123,6 125,3 119 158,6 135 172 221 184 -42.46 -41.85 -41,73 -41,64 -44.05 -42.61 -44.97 -47.64 -45.72 tích phương sai Bảng 5: Bảng Phân tích phương sai Biến thiên f SS MS F FT P1 J-1 = SSP1 = 220611,96 MS P1 = SS P1 = 110305, 98 J-1 FP1 = MS P1 = 38, 08 MS E F2;54;0,95=3,183 P2 K-1 = SSP2 = 326595,63 MS P2 = SS P2 = 163297, 81 I-1 FP2 = MS P2 = 56, 37 MS E F2;54;0,95=3,183 P3 L-1 = SSP3 = 604486,78 MS P3 = SS P3 = 302243, 39 K-1 FP3 = MS P3 = 1, 04 MS E F2;54;0,95=3,183 Tương tác P1xP2 (J-1)(I-1) =4 SSP1P2 = -185795,81 MS P1P2 = Tương tác P1xP3 (J-1)(K-1) =4 SSP1P3 = -494824,52 MS P1P3 Tương tác P2xP3 (I-1)(K-1) =4 SSP2P3 = 401453,37 MS P2P3 = Tương tác P1xP2xP3 (J-1)(I-1) (K-1) = SSP1P2P3=580794,81 Lỗi N-IJK=54 SSE = 156423 Tổng cộng N-1 = 80 1609745,22 MS P1P2P3 = = FP1P2 = F =2,557 MS P1P2 = 16, 04 4;54;0,95 MS E 123706, 13 FP1P3 = F =2,557 MS P1P3 = 42, 71 4;54;0,95 MS E SS P1P2 = - 46448, 95 (I - 1) (J - 1) SS P1P3 (J - 1) (K - 1) =- SS P2P3 = 100363, 34 (I - 1) (K - 1) SS P1P2P3 ( I - 1) ( J - 1) ( K - 1) MS E = = 72599, 35 FP1P2P3 SS E = 2896, 72 N - IJK - FP2P3 = = F4;54;0,95=2,557 MS P2P3 = 0, 34 MS E MS P1P2P3 MS E = 2, F8;54;0,95=2,13 - - - - Giá trị cột FT tra từ bảng giá trị tới hạn phân phối F, với mức ý nghĩa 0,05 [4] 3.5 Đồ thị thực nghiệm Từ giá trị trung bình thơng số P1, P2 P3; giá trị trung bình sai lệch kích thước m giá trị trung bình hiệu suất h i Bảng 4, sử dụng phần mềm Microsoft Excel xây dựng biểu đồ biểu diễn ảnh hưởng giá trị trung bình tỷ lệ tín hiệu nhiễu S/N thay đổi tốc độ quay, lượng chạy dao chiều sâu cắt phay Trung tâm gia cơng trục V40-Leadwell đến sai lệch kích thước (Hình 3a, b c) Khoa học & Cơng nghệ - Số 10/Tháng - 2016 Hình 3a Ảnh hưởng tỷ lệ S/N thay đổi n đến sai lệch kích thước Journal of Science and Technology 11 ISSN 2354-0575 chạy dao có giá trị FP1P3 = |-42,71| > FP1P2 = |-16,04| > FT = 3,183, nghĩa theo thứ tự ảnh hưởng ngược đến sai lệch kích thước Cịn chiều sâu cắt, tương tác cặp lượng chạy dao chiều sâu cắt, tương tác ba thông số chế độ cắt có giá trị F < FT , nên khơng điều chỉnh để đạt sai lệch kích thước mong muốn Từ nhận xét thấy rằng, nên ưu tiên lấy giá trị lượng chạy dao mức Hình 3b Ảnh hưởng tỷ lệ S/N thay đổi S đến sai lệch kích thước Hình 3c Ảnh hưởng tỷ lệ S/N thay đổi t đến sai lệch kích thước Nhận xét 2: Từ đồ thị Hình 3a, b c suy ra, tác động đến sai lệch kích thước thơng số chế độ cắt lớn mức thay đổi tốc độ quay lượng chạy dao mức thay đổi chiều sâu cắt Tương ứng với mức này, giá trị sai lệch kích thước chi tiết gia công nhỏ Nhận xét 3: Từ Bảng thấy rằng, lượng chạy dao tốc độ quay có giá trị FP2 = 56,37 > FP1 = 38,08 > FT = 3,183, nghĩa theo thứ tự lượng chạy dao tốc độ quay ảnh hưởng đến sai lệch kích thước Các tương tác cặp tốc độ quay chiều sâu cắt; tốc độ quay lượng Kết luận Trong báo trình bày kết nghiên cứu cực tiểu hóa sai lệch kích thước theo phương pháp Taguchi làm giảm đáng kể số lượng thực nghiệm với độ xác độ tin cậy cao (95%) kết sử dụng phân tích phương sai ANOVA với ba thơng số, ba mức ảnh hưởng, ba lần thử nghiệm ba lần lặp điểm thiết kế, cho biết ảnh hưởng định lượng cách khoa học chế độ cắt đến độ xác kích thước phay Trung tâm gia công trục V40-Leadwell (Đài Loan) Các yếu tố có giá trị F > FT theo thứ tự gồm lượng chạy dao tốc độ quay ảnh hưởng đến sai lệch kích thước Các tương tác cặp tốc độ quay chiều sâu cắt; tốc độ quay lượng chạy dao theo thứ tự ảnh hưởng ngược đến sai lệch kích thước Còn chiều sâu cắt, tương tác cặp lượng chạy dao chiều sâu cắt, tương tác ba thơng số chế độ cắt có giá trị F < FT , nên không điều chỉnh để đạt sai lệch kích thước mong muốn Để cực tiểu hóa sai lệch kích thước thơng số chế độ cắt chọn theo thí nghiệm số 1: tốc độ quay n = 1000 (vòng/phút); lượng chạy dao S = 10 (mm/vòng) chiều sâu cắt t = 0,15 (mm) Khi đó, giá trị tỷ lệ tín hiệu nhiễu h = -41,64 lớn nhất, nghĩa tác động thí nghiệm đến sai lệch kích thước nhiều nhất, đồng thời giá trị sai lệch kích thước nhỏ m = 119 µm Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Trọng Hùng, Phùng Xuân Sơn, Giáo trình Thiết kế thực nghiệm chế tạo máy, NXB Xây dựng, Hà Nội 2016 [2] Nguyễn Đắc Lộc tác giả, Công nghệ chế tạo máy, NXB KHKT, Hà Nội 1998 [3] NTU, Tra cứu chế độ cắt, Khoa khí, Trường Đại học Nha Trang [4] Nguyễn Thu Hương (Chủ biên), Bài giảng Lý thuyết xác suất Thống kê toán, NXB Lao động - Xã hội, Hà Nội 2011 [5] Nguyễn Quang Hưng, Nghiên cứu ảnh hưởng thơng số cơng nghệ đến độ xác kích thước gia công thép cacbon máy phay CNC theo phương pháp Taguchi ANOVA, Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật, Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên Hưng Yên 2015 [6] Saurav Datta, Sanjit Moshat, Asish Bandyopadhyay and Pradip Kumar Pal, Optimization of CNC End Milling Process Parameters using PCA-based Taguchi Method, International Journal of Engineering, Science and Technology Vol 2, No 1, 2010, pp 92-102 2010 MultiCraft Limited 12 Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng - 2016 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 [7] Nitil Agarwal, Surface Roughness Modeling with Machining Parameters (Speed, Feed & Depth of Cut) in CNC Milling, MIT Internationl Journal of Mechanical Engineering, Vol 2, No 1, Jan 2012, pp (55-61) [8] E Daniel Kirby, A Parameter Design Study in A Turning Operation using the Taguchi Method, The Technology Interface/Fall 2006 Iowa State University MINIMIZATION DEVIATION OF DIMENSIONS USING TAGUCHI’S METHOD IN THE MILLING OPERATION ON THE MACHINING CENTER CNC Abstract: This paper presents the method of study minimization deviation of dimentions using Taguchi’s method in milling operation on the machining center CNC, which reduces the number of experiments, produces high quality products with low cost for manufacturers Results for the relations between the cutting regime include rotational speed, flow range and depth of cut with the pair interactions, three interactions between them with the accuracy dimensions and determine the local optimum the cutting regime (within the survey) with minimum deviation dimensions in the milling operation CNC Keywords: Minimization; Deviation of dimentions; Taguchi; Rotational speed; Flow range; Depth of cut; The machining center CNC Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng - 2016 Journal of Science and Technology 13 ... 20 0,15 Hình Mẫu phay 3.3.3 Tính tốn kết thực nghiệm theo phương pháp Taguchi Nhận xét 1: Theo phương pháp Taguchi để cực tiểu hóa sai lệch kích thước phay trung tâm gia cơng CNC, từ biểu thức... 0,15 0,2 Hình Trung tâm gia công trục V40-Leadwell 3.3 Thực nghiệm theo phương pháp Taguchi 3.3.1 Ma trận trực giao theo phương pháp Taguchi Ma trận trực giao thiết kế theo phương pháp Taguchi (Bảng... SST Tổng sai lệch bình phương nhóm - SSB Tổng sai lệch bình phương nhóm - SSW Sai lệch bình phương trung bình tồn mẫu - MST Sai lệch bình phương trung bình nhóm - MSB Sai lệch bình phương trung