Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt (S, t) đến độ nhám bề mặt (Ra) khi phay mặt Archimedes trên trung tâm CNC Super MC

Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của bước tiến (S) và chiều sâu cắt (t) đến độ nhám bề mặt khi phay mặt Archimedes trên máy CNC Super MC. Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho các nhà công nghệ lựa chọn chế độ cắt hợp lý khi phay mặt Archimedes trên trung tâm CNC Super MC.

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt (S, t) đến độ nhám bề mặt (Ra) phay mặt Archimedes trung tâm CNC Super MC Studying the effects of cutting mode (S, t) on surface roughness (Ra) when milling Archimedes on CNC Center Super MC Nguyễn Huy Kiên*, Hoàng Xuân Thịnh, Phạm Văn Đông, Cao Thế Anh Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email: nguyenhuykien1981@gmail.com Mobile: 0983369091 Tóm tắt Từ khóa: Chế độ cắt, độ nhám, bề mặt Archimedes, trung tâm CNC Super MC Ngày nay, gia công bề mặt định bề mặt Archimedes trở nên đơn giản so với việc sử dụng máy chuyên dùng truyền thống sử dụng thiết bị gia công điều khiển số Việc ứng dụng máy, thiết bị điều khiển số vào gia công bề mặt định mặt Archimedes khơng cho suất cao, hạn chế sử dụng đồ gá, giảm chi phí mà đảm bảo độ xác chất lượng bề mặt gia công Tuy nhiên, sở liệu để lựa chọn thông số chế độ cắt hợp lý cịn hạn chế Bài báo trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng bước tiến (S) chiều sâu cắt (t) đến độ nhám bề mặt phay mặt Archimedes máy CNC Super MC Kết nghiên cứu sở cho nhà công nghệ lựa chọn chế độ cắt hợp lý phay mặt Archimedes trung tâm CNC Super MC Abstract Keywords: Cutting parameters, roughness, Archimedes face, CNC Super MC milling machine Nowadays, the machining of shaped surfaces such as the Archimedes becomes more simple than using traditional machines when numerically controlled mechanical equipments/machines are employed The use of numerically controlled machines in machining surfaces such as Archimedes not only brings high productivity but also reduces the use of fixtures and costs while still ensuring accuracy and surface quality However, the database for selecting appropriate cutting mode parameters is very limited The paper presents the effect of step (S) and cutting depth (t) on surface roughness when milling Archimedes on CNC Super MC machine The research result is the basis for the technologists to choose the suitable cutting mode when milling Archimedes face on CNC Center Super MC Ngày nhận bài: 18/8/2018 Ngày nhận sửa: 04/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 ĐẶT VẤN ĐỀ Bề mặt hớt lưng có vai trị quan trọng chế tạo dụng cụ cắt, đặc biệt mặt sau Archimedes dao gia công bánh cong (hình1) Giao tuyến mặt sau với mặt HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 trước tạo thành lưỡi cắt Chất lượng lưỡi cắt ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhám sườn bánh Bởi vậy, độ nhám mặt sau dao yếu tố ảnh hưởng lớn đến độ nhám sườn bánh sau gia công, việc giảm giá trị độ nhám gia công mặt sau quan trọng, góp phần đảm bảo chất lượng bề mặt sườn bánh Do đó, việc nâng cao chất lượng độ nhám mặt sau dao yếu tố quan trọng góp phần đảm bảo chất lượng bề mặt sườn bánh Hình Răng dao cắt bánh côn cong hệ Gleason Chất lượng bề mặt chi tiết sau gia công máy phay CNC phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như: vật liệu, phương pháp gia công, dụng cụ cắt, hệ thống công nghệ chế độ cắt Khi điều kiện thiết bị gia công không đổi, muốn nâng cao chất lượng bề mặt độ xác chi tiết gia cơng việc lựa chọn chế độ cắt hợp lý giải pháp hữu hiệu Theo [4], tác giả đánh giá ảnh hưởng V S đến độ nhám bề mặt phay mặt cong Archimedes trung tâm CNC Super MC Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng S t (bước tiến chiều sâu cắt) đến độ nhám bề mặt phay mặt cong Archimedes trung tâm CNC Super MC Theo [1], mối quan hệ độ nhám bề mặt (Ra) với chế độ cắt (V, S, t) thể công thức: Ra = Cp Va Sb tc (1) Trong đó: + Cp số; + a, b, c số mũ Để xác định số Cp số mũ a, b, c nhóm tác giả sử dụng phương pháp thực nghiệm Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả nghiên cứu ảnh hưởng bước tiến (S) chiều sâu cắt (t) đến độ nhám bề mặt (Ra) với vận tốc cắt không đổi V = 50 m/phút Xây dựng mối quan hệ thông số chế độ cắt độ nhám bề mặt giúp nhà cơng nghệ tính toán, lựa chọn chế độ cắt hợp lý theo yêu cầu THỰC NGHIỆM 2.1 Thiết bị thực nghiệm vật liệu gia công 2.1.1 Máy gia công dụng cụ cắt - Máy gia công: Sử dụng trung tâm CNC Super MC Đài Loan sản xuất (hình2) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 (a) (b) Hình Trung tâm CNC Super MC Hình Dụng cụ cắt dùng thực nghiệm a) Dao phay thô, b) Dao phay cầu dùng để cắt tinh - Dụng cụ cắt: + Phay thơ dao phay ngón D = 17mm, gắn 02 mảnh hợp kim cứng nhóm bít, phủ bề mặt; ký hiệu: APMT 1135 PDER M2, hãng Mitsubishi - Japan + Phay tinh dao phay cầu, bán kính r = 4mm, lưỡi cắt liền, ký hiệu: J01055318, hãng NACHI - Japan 2.1.2 Mẫu thí nghiệm dung dịch trơn nguội - Hình ảnh mẫu dùng để thực nghiệm thể hình hình - Vật liệu gia cơng thép gió P18, thành phần hóa học, tính chất lý độ cứng theo tiêu chuẩn nhà sản xuất Hình Hình ảnh mẫu dùng thực nghiệm Hình Kích thước mẫu dùng thực nghiệm Hình Máy độ nhám SJ-400 - Dung dịch tưới nguội: Emunxy 4%, tưới trực tiếp, lưu lượng 20 lít/phút 2.1.3 Thiết bị đo độ nhám - Máy đo độ nhám Mitutoyo SJ - 400 (hình 6) Hình ảnh gá mẫu máy đo độ nhám thể hình HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 - Đánh giá độ nhám theo tiêu Ra, tiêu chuẩn ISO; chiều dài đo: mm, chia làm khoảng; đầu đo kim cương, đo tiếp xúc; áp lực đo 0,75N; tốc độ 0,05mm/s a) b) Hình Hình ảnh gá mẫu máy đo độ nhám a) Vị trí đệm bàn máy b) Hình ảnh đo độ nhám 2.2 Phương pháp thực nghiệm Nghiên cứu thực 05 thí nghiệm, với 15 mẫu thực nghiệm Mỗi thí nghiệm thực 03 mẫu Sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế chi tiết gia công, phần mềm MasterCAM Mill X5 để lập trình gia cơng phay thơ, phay bán tinh phay tinh, chế độ cắt phay tinh 250 (mm/ph)  S  300 (mm/ph); 0,2 mm  t  0,5 mm; V = 50 m/ph Sau phay, chi tiết đo, kiểm tra, đánh giá độ nhám, mẫu đo vị trí, thực nghiệm đo 03 mẫu lấy giá trị trung bình Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm trực giao, phương pháp bình phương nhỏ phần mềm Matlap để xây dựng cơng thức tốn học biểu thị mối quan hệ bước tiến (S) chiều sâu cắt (t) với độ nhám (Ra) 2.3 Số liệu thực nghiệm 2.3.1 Xác định dạng phương trình hồi quy số lượng thí nghiệm Khi nghiên cứu mối quan hệ chế độ cắt độ nhám bề mặt chi tiết gia công với sử dụng quy hoạch thực nghiệm trực giao ta có phương trình hồi qui sau [2]: y = a0 + a1 x1 + a2 x2+… + ak xk * Số lượng thí nghiệm - Mối quan hệ thông số mô tả theo sơ đồ hình  X1(S) X2 (t) y (Ra) V = constant Hình Sơ đồ mối quan hệ thông số đầu vào đầu (2) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 + Thơng số đầu vào xi: X1: Bước tiến dao S (mm/ph) X2: Chiều sâu cắt t (mm) + Thông số đầu bị điều khiển: y: Độ nhám bề mặt Ra (µm) + Thơng số khơng điều khiển được:  biến ngẫu nhiên - Số thí nghiệm xác định [2] theo công thức: N = 2k Với biến đầu vào k = ta có số thí nghiệm N = 22= Để nâng cao độ xác thực cần có thêm thí nghiệm tâm Tổng số thí nghiệm N = + = 2.3.2 Chuẩn bị thực nghiệm * Thông số thực nghiệm Căn vào thông số kỹ thuật máy, phạm vi cho phép sử dụng chế độ cắt dụng cụ cắt, vật liệu gia công thông số chế độ cắt chọn sau: + Bước tiến (S): 250  300 mm/ph + Chiều sâu cắt (t): 0,2  0,5 mm + Vận tốc cắt (V): 50 m/ph Thông số chế độ cắt dùng cho thực nghiệm thể bảng Bảng Thông số chế độ cắt dùng cho thực nghiệm Thông số Giá trị Giá trị max Vận tốc cắt V (m/ph) Bước tiến dao S (mm/ph) Chiều sâu cắt t (mm) 250 0,2 300 0,5 50 Mối quan hệ độ nhám chế độ cắt thể qua công thức [1]: Ra = Cp.Va.Sb.tc Với giá trị V = constant mối quan hệ biểu thị cơng thức: Ra= Cp.Sa.tb (3) Logarit số e phương trình (3) ta được: ln(Ra) = ln(Cp) + a.ln(S) + b.ln(t) (4) Đặt y = ln(Ra); a0 = ln(Cp); a1 = a; a2 = b; X1 = ln(S); X2 = ln(t); Ta được: y = a0 + a1X1 + a2X2 (t) Mức xi ta có: Xi(t) = lnXi max; Mức xi(d): Xi(d) = lnXi min; Mức sở xi(0): x i0   (ln x i max  ln x i ) ; Giá trị thông số thực nghiệm thể bảng Bảng Giá trị mã hóa thơng số thí nghiệm Các yếu tố Mức Mức Mức sở X1 5,52146 5,70378 5,61313 X2 -1,6094379 -1,6094379 -1,1394343 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 * Chạy mô Sau thiết kế dao phay bánh côn cong loại 9” hệ Gleason, ta sử dụng phần mềm MasterCAM Mill X5 để lập trình chạy mơ Hình ảnh mơ q trình phay thể hình a) Mơ chương trình phay thơ b) Mơ chương trình phay tinh Hình Hình ảnh mơ chương trình phay mặt Archimedes 2.4 Kết thực nghiệm Chuyển biến từ tự nhiên sang biến mã hóa khơng thứ ngun Với thực nghiệm biến đầu vào thay đổi (S, t) tiến hành làm thí nghiệm đỉnh đơn hình thí nghiệm tâm; sau gia công, tiến hành đo độ nhám máy Mitutoyo SJ - 400 Kết đo độ nhám thể bảng Bảng Kết đo độ nhám Biến mã hóa TN X1 X2 Biến thực S (mm/ph) t (mm) -1 -1 250 0,2 +1 -1 300 0,2 -1 +1 250 0,5 +1 +1 300 0,5 0 274 0,32 Mẫu số Ra (µm) 10 11 12 13 14 15 1,90 1,44 1,39 3,89 3,93 4,13 2,98 2,74 2,74 4,43 4,45 3,78 2,97 2,96 3,01 Giá trị trung bình Ratb (µm) 1,58 3,98 2,82 4,22 2,99 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 2.4.1 Quy hoạch thực nghiệm Theo phương pháp bình phương nhỏ ta có hàm hồi quy thực nghiệm tổng quát: y = a0 + a1 x1 + a2 x2+…+ ak xk Xác định a0, a1, a2… ak cho S đạt giá trị nhỏ nhất: ik S =  y i (5)  y 'i  i 1 Các giá trị a0, a1, a2,… ak hệ số tương ứng ma trận [A]:  a0  [A] =  a  Với : [X] [A] = [Y]  1 (6)  a  - Ma trận thông số đầu vào [X] logarit số e giá trị S, t sử dụng thí nghiệm - Ma trận thơng số đầu [Y] có hệ số logarit số e giá trị độ nhám đo mẫu thí nghiệm Nhân hai vế (6) với ma trận chuyển vị XT ma trận X: [X]T.[X].[A] = [X]T [Y] Đặt [M] = [X]T [X] ta có: [M] [A] = [X]T.[Y] Giả sử det(M) ≠ [M] ma trận khả nghịch, ta có: [A] = [M]-1.[X]T.[Y] Logarit số e giá trị S, t Ra ta kết thể bảng (7) Bảng Kết tính logarit thơng số thí nghiệm Biến mã hóa TTN X1 X2 -1 +1 -1 +1 -1 -1 +1 +1 Biến thực t S (mm/ph) (mm) 250 0,2 300 0,2 250 0,5 300 0,5 274 0,32 Ra (µm) 1,58 3,98 2,82 4,22 2,99 Ln(S) Ln(t) Ln(Ra) X1 X2 Y 5,52146 5,70378 5,52146 5,70378 5,61313 -1,60944 -1,60944 -0,69314 -0,69314 -1,13943 0,45531 1,38212 1,03674 1,43984 1,09527 Từ bảng phương trình hồi quy thực nghiệm (2) ta có: 1  X     1 x11 x12 x1k     xn1 xn2 xnk 1 1    X   1  1 1 5, 21 5, 70 5, 21 5, 70 5, 31  1, 60 44   1, 60 44    0, 14    0, 14   1,1 94  Sử dụng phần mềm Excel để tính toán ta ma trận [A]:  18,98860 A     3,64730   0,34889   0, 45531 1, 38212    Y   1, 03674    1, 43984  1, 09527  HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Từ ta có hệ số phương trình hồi quy thực nghiệm: a0 = -18,98860  Cp = e -18,98860 = 5,667.10-9 a1 = 3,64730; a2 = 0,34889; Phương trình hồi quy thực nghiệm là: y = -18,9886 + 3,64730X1 + 0,34889X2 (8) Phương trình quan hệ độ nhám (Ra) vớ bước tiến (S) chiều sâu cắt (t) sau: Ra = 5,667.10-9 S3,64730 t0,34889 (9) 2.4.2 Đánh giá độ tin cậy hàm hồi quy thực nghiệm * Đánh giá độ tin cậy  y2   ' 2y Độ tin cậy đánh giá theo công thức [2]: r   y2 Trong :  y2   '2y  (10) n  ( y i  y itb ) N 1 n  ( y i  y 'i ) N 1 Với: yi - logarit số e giá trị độ nhám Ra đo thực nghiệm thứ i; yitb - giá trị trung bình yi; yi’ - logarit độ nhám Ra theo hàm hồi quy thực nghiệm; N - số lượng thí nghiệm, Sử dụng phần mềm Excel tính độ tin cậy: n 1   ( yi  yitb )2   0,61219  0,15305 N 1 1 n 1  '2y    ( yi  y 'i )2   0,05078  0,01336 N 1 1  y2   y2  '2y 0,15305  0,01336   0,913  91,3% Vậy độ tin cậy r là: r   y2 0,15305 * Kiểm định hệ số S ( A) N  k 1 N - số lượng thí nghiệm; k - số lượng thơng số cần xác định trừ a0; - Xác định phương sai dư : Trong đó: Sdu  S ( A) = ([Y]-[X].[A])T ([Y]-[X].[A]) Dùng phần mềm Excel giải toán ma trận, tính được: S ( A) = 0,06866 0,06866 S ( A)  0,03433  Sdư = 0,18528 Do : S  = N  k 1  1 du (11) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 - Xác định tồn hệ số : Các hệ số tồn [3] xác định theo công thức: i ttính  S du mii  tbang ( N  k  1, r ) (12) Trong đó: mii số hạng thứ ii ma trận M-1 với: [M] = [X]T [X]; 1 M  949,4848 168,85064 1,36922   168,85064 30,08352 0,00017  1,36922 0,00017 1,19090  Từ ta tính giá trị : ttính ; ttính ; ttính - Tra bảng phân bố Student [4] với t bang (N-k-1; r); N-k-1 = 5-2-1 = 2, độ tin cậy r = 91,3% i Nhận thấy: t tính  S du m ii  t bang ( N  k  1, r ) với i = 0÷2 Do hệ số thực tồn tại, phương trình hồi quy thực nghiệm (8) tồn tại, nên tồn mối quan hệ độ nhám bề mặt Ra với bước tiến dao S chiều sâu cắt (t): Ra = 5,667.10-9 S3,64730 t0,34889 2.4.3 Đồ thị quan hệ độ nhám chế độ cắt * Sử dụng phần mềm Matlab vẽ đồ thị biễu diễn mối quan hệ độ nhám Ra với bước tiến dao S chiều sâu cắt (t) (hình 10) Hình 10 Đồ thị quan hệ Ra với bước tiến dao (S) chiều sâu cắt (t) V =50 m/ph Nhận xét: Nhìn lên đồ thị hình 10 cơng thức (9) cho thấy bước tiến S chiều sâu cắt (t) tỉ lệ thuận với giá trị độ nhám; bước tiến dao (S) ảnh hưởng nhiều đến độ nhám bề mặt Ra so với chiều sâu cắt (t) Kết nghiên cứu phù hợp với kết nghiên cứu cơng trình khoa học cơng bố HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 KẾT LUẬN - Bằng nghiên cứu thực nghiệm xác định mối quan hệ tốn học thơng số chế độ cắt (S, t) với độ nhám bề mặt Archimedes sau phay, thể qua công thức: Ra = 5,667.10-9 S3,64730 t0,34889 Đánh giá tồn hệ số phương trình hồi quy thực nghiệm với độ tin cậy r = 91,3% - Kết nghiên cứu cho thấy: phay bề mặt Archimedes trung tâm gia cơng CNC Super MC bước tiến (S) chiều sâu cắt (t) tỉ lệ thuận với giá trị độ nhám, bước tiến (S) ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt (Ra) chi tiết sau gia công nhiều chiều sâu cắt (t) - Kết nghiên cứu làm sở giúp cho người cán kỹ thuật tính tốn, lựa chọn chế độ bước tiến chiều sâu cắt hợp lý để nâng cao suất, chất lượng bề mặt độ xác gia công phay bề mặt Archimedes trung tâm gia công CNC Super MC - Kết qủa nghiên cứu sở để tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời thông số chế độ cắt (V, S, t) đến độ nhám bề mặt phay mặt Archimedes trung tâm gia công CNC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Trọng Bình, Nguyễn Thế Đạt, Trần Văn Địch, 2002 Công nghệ chế tạo máy NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [2] Nguyễn Doãn Ý, 2003 Quy hoạch thực nghiệm NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [3] Nguyễn Huy Kiên, Phạm Văn Đông, Phạm Văn Bổng, Trần Văn Địch, 2014 Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt đến độ nhám bề mặt gia cơng máy phay CNC Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ, trường ĐHCNHN số 22 [4] Hồng Xn Thịnh, Phạm Văn Đông, Phạm Văn Bổng, Nguyễn Huy Kiên, Dương Đình Nơng, 2017 Ảnh hưởng chế độ(V, S) cắt đến độ nhám bề mặt phay hớt lưng trung tâm CNC Super MC Tạp chí Khoa học Công nghệ, trường ĐHCNHN số 40 [5] Trần Văn Địch, 2010 Các phương pháp xác định độ xác gia công NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [6] Trần Sỹ Túy, Nguyễn Duy, Trịnh Văn Tự, 1997 Nguyên lý cắt gọt kim loại NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [7] Trần Thế Lục, Trịnh Minh Tứ, Bành Tiến Long, 1987 Thiết kế dụng cụ gia công bánh NXB Khoa học & Kỹ thuật, Hà Nội [8] Mike S Lou, Joseph C Chen, Caleb M Li, 1999 Surface Roughness prediction technique for CNC End Milling Journal of industrial technology [9] S.-H Suh, D.-H Jung, E.-S Lee, S.-W Lee, 2003 Modelling, Implementation, and Manufacturing of Spiral Bevel Gears with Crown The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Spinger – Verlag London Limited [10] M Alauddin, M A El Baradie v M S J Hashmi, 2005 Optimization of surface finish in end milling Inconel Journal of Materials Processing Technology [11] Faydor L Litvin and Alfonso Fuentes, 2004 Gear Geometry and Applied Theory Cambridge University Press [12] J P Holman, 2001 Experimental Methods for Engineers Mc Graw-Hill  ... Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng S t (bước tiến chiều sâu c? ?t) đến độ nhám bề mặt phay mặt cong Archimedes trung tâm CNC Super MC Theo [1], mối quan hệ độ nhám bề mặt (Ra) với chế độ cắt (V, S, t) thể... lượng bề mặt độ xác gia công phay bề mặt Archimedes trung tâm gia công CNC Super MC - Kết qủa nghiên cứu sở để tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời thông số chế độ cắt (V, S, t) đến độ nhám bề. .. nghiên cứu này, nhóm tác giả nghiên cứu ảnh hưởng bước tiến (S) chiều sâu cắt (t) đến độ nhám bề mặt (Ra) với vận tốc cắt không đổi V = 50 m/phút Xây dựng mối quan hệ thông số chế độ cắt độ nhám