Xây dựng mô hình dự đoán nhám bề mặt và mòn dụng cụ khi tiện cứng thép x12m bằng dụng cụ cắt CBN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ XN PHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH DỰ ĐỐN NHÁM BỀ MẶT VÀ MÒN DỤNG CỤ KHI TIỆN CỨNG THÉP X12M BẰNG DỤNG CỤ CẮT CBN LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Thái Nguyên, năm 2018 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ XUÂN PHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH DỰ ĐỐN NHÁM BỀ MẶT VÀ MÒN DỤNG CỤ KHI TIỆN CỨNG THÉP X12M BẰNG DỤNG CỤ CẮT CBN Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 8520103 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KHOA CHUN MƠN CB HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS HỒNG VỊ TS NGUYỄN THỊ QUỐC DUNG PHÒNG ĐÀO TẠO Thái Nguyên, năm 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Trừ phần tham khảo nêu rõ Luận văn Tác giả LÊ XUÂN PHƯƠNG ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Thị Quốc Dung hướng dẫn, giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài, thiết kế, thực đánh giá kết thực nghiệm đến trình viết hoàn chỉnh luận văn Tác giả chân thành cảm ơn tồn thể q thầy khoa Cơ Khí Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, quý thầy cô Trung tâm thí nghiệm Trường Đại học Sư phạm – ĐH Thái Ngun, q Cơng ty TNHH Cơ khí Vĩnh Thái tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả q trình thực thí nghiệm Tác giả xin chân thành cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp hỗ trợ cho tác giả nhiều suốt trình học tập, nghiên cứu thực đề tài luận văn thạc sĩ Do lực thân hạn chế nên luận văn khơng tránh khỏi sai sót, tác giả mong nhận đóng góp ý kiến Thầy, Cơ giáo, nhà khoa học bạn đồng nghiệp Tác giả LÊ XUÂN PHƯƠNG iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vii PHẦN MỞ ĐẦU 1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2.1 Mục đích 2.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 4.1 Ý nghĩa khoa học 4.2 Ý nghĩa thực tiễn NỘI DUNG CÁC VẤN ĐỀ SẼ ĐI SÂU NGHIÊN CỨU .3 CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TIỆN CỨNG TRÊN TRUNG TÂM TIỆN CNC 1.1.Khái niệm chung tiện cứng 1.2 Các yếu tố công nghệ chế độ cắt tiện 1.3 Thiết bị dụng cụ cắt dùng tiện cứng Kết luận chương I 11 CHƯƠNG II 12 CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT VÀ MÒN DỤNG CỤ KHI TIỆN CỨNG 12 2.1 Chất lượng bề mặt tiện cứng 12 2.1.1 Khái niệm chung lớp bề mặt 12 2.1.2 Các tiêu đánh giá chất lượng lớp bề mặt sau gia công 12 2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt 19 2.2 Mòn dụng cụ cắt CBN tiện cứng 23 2.2.1 Các dạng mòn chế mòn dụng cụ CBN 23 2.2.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến mòn dụng cụ CBN 25 iv Kết luận chương II 30 CHƯƠNG III 31 XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM 31 KHI TIỆN CỨNG THÉP X12M ĐÃ QUA TÔI 31 3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng thông số chế độ cắt đến chất lượng bề mặt mòn dụng cụ tiện cứng thép X12M dụng cụ CBN 31 3.1.1 Mơ hình hố q trình nghiên cứu 31 3.1.2 Những định hướng nghiên cứu tối ưu hoá chế độ cắt tiện cứng vật liệu thép hợp kim qua (cụ thể thép X12M ) dụng cụ cắt CBN trung tâm tiện CNC 32 3.1.3 Mơ hình hố tốn học q trình nghiên cứu 33 3.2 Xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm 34 3.2.1 Mơ hình thí nghiệm 34 3.2.2 Thiết bị thí nghiệm 34 Kết luận chương III 38 CHƯƠNG IV 39 THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT .39 ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT VÀ MÒN DỤNG CỤ TRONG TIỆN CỨNG 39 THÉP X12M ĐÃ QUA TÔI BẰNG DỤNG CỤ CBN 39 4.1.Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 39 4.1.1 Lý thuyết thực nghiệm 39 4.1.2 Cơ sở lý thuyết 40 4.1.3 Các giới hạn thí nghiệm 43 4.1.4 Các thông số đầu vào thí nghiệm 43 4.1.5 Các hàm mục tiêu 44 4.2 Lập ma trận thí nghiệm, chọn phương án quy hoạch thực nghiệm 44 4.2.1 Xử lý kết – Xác định mơ hình tốn phương án bậc 47 4.2.2 Xác định mơ hình toán bậc 49 4.3 Xây dựng kế hoạch thí nghiệm bậc 52 4.4 Tiến hành thí nghiệm 58 4.5 Kết q trình thí nghiệm 59 4.5.1 Kết thí nghiệm với hàm mục tiêu độ nhám bề mặt Ra 60 v 4.5.2 Kết thí nghiệm mịn dụng cụ CBN 63 4.5.2.1 Phân tích kết thí nghiệm với hàm mục tiêu diện tích gia cơng Sc 63 4.5.2.2 Xây dựng mơ hình hồi quy mơ tả mịn dụng cụ 69 4.5.2.3 Tối ưu hóa đa mục tiêu 72 hs = 120,3952 μm 74 Kết luận chương IV 75 PHẦN KẾT LUẬN CHUNG 76 VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CỦA ĐỀ TÀI 76 Kết luận chung 76 Hướng nghiên cứu tương lai 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 PHỤ LỤC 82 vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2-1 Các giá trị Ra Rz theo chiều dài chuẩn l ứng với cấp độ nhám bề mặt 15 Bảng 2.2 Mức độ chiều sâu lớp biến cứng phương pháp gia công 16 Bảng 3.1: Thành phần hố học phơi thép X12M (%) 36 Bảng 4.1 Giá trị tính tốn giá trị thơng số chế độ cắt v,s,t cho thực nghiệm .43 Bảng 4.2 Kế hoạch toàn phần n =3 45 Bảng 4.3 Khai báo biến thí nghiệm: 53 Bảng 4.4 Kết thí nghiệm 60 Bảng 4.5 Giá trị trung bình nhám bề mặt điểm thí nghiệm theo qui hoạch 60 Bảng 4.6: Nhập thông số thực nghiệm vào Minitab 61 Bảng 4.7 Kết đo chiều cao vùng mòn mặt sau (hs) 70 Bảng 4.8 Nhập kết đo chiều cao mòn mặt sau (hs)vào phần mềm Minitab 70 Bảng 4.9 Nhập kết đo chiều cao mòn mặt sau (hs) độ nhám bề mặt 73 Ra vào phần mềm Minitab 73 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Chiều sâu cắt tiện Hình 1.2 Lượng chạy dao - s Hình vẽ 1.3 Máy Emco Turn 332 Mcplus Q trình cắt khơ tiện cứng Hình vẽ 1.4 Ký hiệu số mảnh CBN dùng tiện cứng Hình 2.1 Ðộ nhám bề mặt 12 Hình 2.2 Quan hệ bán kính mũi dao chiều sâu lớp biến cứng với lượng chạy dao khác ( dao chưa bị mòn )[17] 17 Hình 2.3: Quan hệ vận tốc cắt với chiều sâu lớp biến cứng ứng với lượng mòn mặt sau khác dao tiện [34] 18 Hình 2.4 Ảnh hưởng hình dạng lưỡi cắt lượng chạy dao 19 đến nhám bề mặt ( 54,7 HRC, chiều dài 101,6 mm ) 19 Hình 2.5 Ảnh hưởng hình dạng lưỡi cắt lượng chạy dao .20 đến nhám bề mặt.( 51,3 HRC, chiều dài 101,6 mm ) 20 Hình 2.6 Ảnh hưởng tốc độ cắt đến nhám bề mặt gia công thép 20 Hình 2.7 Ảnh hưởng lượng chạy dao đến 21 Hình 2.8 Ảnh hưởng độ cứng phơi hình dạng lưỡi cắtđến nhám bề mặt .23 gia công thép( lượng chạy dao = 0.2 mm/vòng, chiều dài = 203.2 mm ) 23 Hình 2.9: Hình ảnh mặt trước mảnh dao CBN cắt với 26 vận tốc cắt 180 m/p chụp kính hiển vi điệntử 26 Hình 2.10: Hình ảnh phóng to vùng vật liệu gia cơng dínhtrên mặt trước 27 dụng cụ cắt với vận tốc cắt 180m/p 27 Hình 2.11: Hình ảnh mặt trước mảnh dao CBN 28 chụp kính hiển vi điệntử 28 Hình 3.1 Mơ hình tối ưu hố q trình cắt tiện 31 Hình 3.2 Mơ hình thí nghiệm 34 Hình 3.3 Thiết bị sơ đồ thí nghiệm khảo sát mòn 35 chất lượng bề mặt dụng cụ CBN 35 Hình 3.4: Mảnh dao CBN sử dụng nghiên cứu 36 Hình 3.5: Thân dao gắn mảnh CBN sử dụng nghiên cứu 36 Hình 3.6 Thiết bị đo kích thước 37 viii Hình 4.1 Mặt hồi qui đồ thị đường mức độ nhám Ra theo thông số chế độ cắt: vận tốc cắt lượng chạy dao 62 Hình 4.2 Đồ thị tối ưu với hàm mục tiêu Ra 62 Như chọn thông số tối ưu cho Ra = 0,5063μm ứng với: 63 Hình 4.3: Hình ảnh mịn mặt trước mảnh dao thí nghiệm 64 Hình 4.4: Hình ảnh mịn mặt trước dụng cụ thí nghiệm 65 Hình 4.5: Hình ảnh mịn mặt sau mảnh dao thí nghiệm 66 Hình 4.6: Hình ảnh mịn mặt sau dụng cụ thí nghiệm tiện đạt diện tích gia cơng Sc = 580464,17 mm2 67 Hình 4.7: Chiều cao mịn dụng cụ thí nghiệm số 69 Hình 4.8 Mặt hồi qui đồ thị đường mức diện tích gia công Sc theo thông số chế độ cắt: vận tốc chiều sâu cắt (a); vận tốc cắt lượng chạy dao (b), chiều sâu cắt lượng chạy dao (c) 71 Hình 4.9 Đồ thị tối ưu cho chiều cao mòn mặt sau hs 72 Hình 4.10 Đồ thị tối ưu với hàm mục tiêu (hs) Ra 73 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Nguyễn Bốn (2001), Phương pháp tính truyền nhiệt, Nxb Đà Nẵng [2] Đào Cán (1959), Nguyên lý cắt kim loại, Nxb Giáo dục, Hà Nội [3] Nguyễn Cảnh (2004), Quy hoạch thực nghiệm, Nxb Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh [4] Nguyễn Duy, Trần Sỹ Túy, Trịnh Văn Tự (1977), Nguyên lý cắt kim loại Nxb Đại học Trung học chuyên nghiệp, Hà Nội [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] Nguyễn Thị Quốc Dung – Luận án tiến sĩ kĩ thật nghiên cứu q trình tiện thép hợp kim qua tơi dao PCBN [7] Cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm ứng dụng kỹ thuật nông nghiệp- Phạm Văn Lang, Bạch Quốc Khang; [8] Bùi Minh Trí (2005), Xác xuất thống kê Quy hoạch thực nghiệm, Nxb Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [9] Nguyễn Minh Tuyển (2005), Quy hoạch thực nghiệm, Nxb Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội TIẾNG ANH [10] König W., Klinger M., Link R (1990), “Machining Hard Materials with Geometrically Defined Cutting Edges-Field of Applications and Limitations”, Annals of the CIRP, 39, pp 61-64 [11] Liu X L., Wen D H., Li Z J., Xiao L., Yan F G (2002), “Experimental study on hardturning hardened GCr15 steel with PCBN tool”, Journal of Materials Processing Technology, 129, pp 217-221 [12] Rech J., Moisan A (2003), “Surface integrity in finish hard turning of case- hardened steels”, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 43, 78 ap 543-550 [58] Liu X L., Wen D H., Li Z J., Xiao L., Yan F G (2002), “Experimental study on hardturning hardened GCr15 steel with PCBN tool”, Journal of Materials Processing Technology, 129, pp 217-221 [13] Schwach D W., Guo Y B (2005), “Feasibility of producing optimal surface integrity by process design in hard turning”, Materials Science and Engineering A, 395, pp 116-123 [14] Viktoria Bana (2006), Manufacturing of high preciseion bores, Doctoral thesis 2006, Delft University of Technology, Holand [15] König W., Berktold A., Koch K F (1993), “ Turning versus Grinding - A Comparison of Surface Integrity Aspects and Attainable Accuracies”, Annals of the CIRP, 42(1), pp 39-43 [16] Bossom P K (1990), “Finish machining of hard ferrous workpieces”, Industrial Diamond Review, pp 228-232 [17] Bruni C., Forcellese A., Gabrielli F., Simoncini M (2008), “Hard turning of an alloy steel on a machine tool with a polymer concrete bed”, Journal of Materials Processing Technology, 202(1-3), pp 493-499 [18] Poulachon G., Bandyopadhyay B P., Jawahir I S., Pheulpin S., Seguin E (2004), “Wear behaviour of CBN tools while turning various hardened steels”, Wear, 256, pp 302-310 [19] Diniz A E., Ferreira J R., Filho F T (2003), “Influence of Refrigeration/ Lubrication Condition on SAE 52100 Hardened Steel Turning at Several Cutting Speeds”, International Journal of Machine Tools and Manufacturing, 43, pp 317-326 [20] Gavrichev K S., Solozhenkn V L., Gorbunov V E., Golushina L N., Totrova G A (1993), "Low-temperature heat capacity and thermodynamic properties of four boron nitride modification", Thermochimica Acta, 217, pp 77-89 [21] Laurence Vel., Gerard Demazeau, Jean Etourneau (1991), “Cubic boron nitride: synthesis, physicochemical properties and applications”, Materials Science and Engineering B, 10(2), pp 149-164 79 [22] Brown R H (1976), “A Double shear-pin quick-stop device for very rapid disengagement of a cutting tool”, International Journal of Machine Tool Design and Research, 16(2), pp 115-121 [24] Chou Y K., Huang Y., Liang S Y (2006), "CBN tool wear in hard turning: a survey on research progresses”, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 35(5-6), pp 443-453 [25] Chen W (2000), “Cutting forces and surface finish when machining medium hardness steel using CBN tools”, International Journal of Machine Tools & Ma [26] Chou Y K., Evans C J., Barash M M (2002), “Experimental investigation on CBN turning of hardened AISI 52100 steel”, Journal of Materials Processing Technology ,124(3), pp 274-283.nufacture, 40, pp 455-466 [27] Eda H., Kishi K., Hashimoto H (1980), “Wear resistance and cutting ability of a newly developed cutting tool”, Procedings of an international conference on cutting tool materials, Kentucky, USA: American Society for Metals, Ft Mitchell, pp 265-280 [28] Ellis J., Kirk R., Barrow G (1969), “The development of a quick-stop device for metal cutting research”, International Journal of Machine Tool Design and Research, 9(3), pp 321-339 [29] Farhat Z N (2003), “Wear mechaniam of CBN cutting tool during high- speed machining of mold steel”, Materials Science and Engineering A,361(1) , pp 100-110 [30] Lo Casto S., Lo Valvo E., Micari F (1989), “Measurement of temperature distribution within tool in metal cutting Experimental tests and numerical analysis”, Journal of Mechanical Working Technology, 20, pp 35-46 [31] Luo S Y., Liao Y S., Tsai Y Y (1999), “Wear characteristics in turning high hardness alloy steel by ceramic and CBN tools”, Journal of Material Processing Technology, 88, pp 114-121 [32] Majumdar P., Jayaramachandran R., Ganesan S (2005), “Finite element analysis of temperature rise in metal cutting processes”, Applied Thermal 80 Engineering, 25, pp 2152-2168 [33] Maria João Alves, Marla Almeida (2007), “A multiobjective Tchebycheff based genetic algorithm for the multidimensional knapsack problem”, Computers & Operations Research, 34, pp 3458 - 3470 [34] Matsumoto Y., Hashimoto F., Lahoti G (1999), “Surface Integrity Generated by Precision Hard Turning”, Annals of the CIRP, 48(1), pp 59-62 [35] Mitsuo Gen, Cheng Runwei (2000), Genetic Algorithms and Engineering Optimization, John & Sons Inc Publisher, USA [66] Nakayama K., Arai M., Kanda T (1988), “Machining characteristics of hard materials”, Annals of the CIRP, 37, pp 89-92 [37] Narutaki N., Yamane Y (1979), “Tool wear and cutting temperature of CBN tools in machining of hardened steels”, Annals of the CIRP, 28, pp 23-28 [38] Özel T (2003), “Modeling of hard part machining: Effect of insert edge preparation in CBN cutting tools”, Journal of Materials Processing Technology ,141, pp 284-293 [39] Özel T., Yiğit Karpat (2005), “Predictive modeling of surface roughness and tool wear in hard turning using regression and neural networks”, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 45, pp 467-479 [40] Özel T., Yiğit Karpat (2007), “Multi-objective optimization for turning processes using neural network modeling and dynamic-neighborhood particle swarm optimization”, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, DOI, 35, pp 234-247 [41] Özel T., Yiğit Karpat (2007), “3-D FEA of hard turning: investigation of PCBN cutting tool micro-geometry effects”, Transactions of NAMRI/SME, 35, pp 9-16 [42] Phillip (1971), “Study of the performance characteristics of an explosive quick-stop device for freezing cutting action”, International Journal of Machine Tool Design and Research, 11(2), pp 133-144 [43] Poulachon G., Moisan A., Jawahir I S (2001), “Tool-wear mechanisms in hard turning with polycrystalline cubic boron nitride tools”, Wear, 250, 81 pp 576-586 [44] Ramón Quiza Sardiňas, Pedro Reis, J Paulo Davim (2006), “Multi-objective optimization of cutting parameters for drilling laminate composite materials by using genetic algorithms”, Composites Science and Technology, 66, pp 3083-3088 [45] Dereli D., Filiz I H., Bayakosoglu A (2001), “Optimizing cutting parameters in process planning of prismatic parts by using genetic algorithms”, International Journal of Production Research, 39(15), pp 3303-3328 [46] Trent E.M.,Paul K.Wright(2000), Metalcutting, Butter Worth-Heinemann, New Delhi, India [47] Shaw MC.,Vyas A.(1998),”The mechanisms of Chip formation with Hard turning Steel”,Annals of the CIRP,47(1),pp.77-82 82 PHỤ LỤC Kết đo độ nhám Ra cho 17 thí nghiệm Mảnh Vận tốc cắt Chiều sâu cắt (m/ph) t (mm) 120 0.06 120 0.06 120 0.06 120 0.06 120 0.06 120 0.06 120 0.06 120 0.06 120 0.06 120 0.06 120 0.06 120 0.06 180 0.06 180 0.06 180 0.06 180 0.06 180 0.06 180 0.06 180 0.06 180 0.06 180 0.06 180 0.06 dao 180 0.06 180 0.06 120 0.12 120 0.12 120 0.12 120 0.12 120 0.12 120 0.12 120 0.12 120 0.12 120 0.12 120 0.12 120 0.12 83 120 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 120 120 120 120 120 120 120 120 120 120 120 120 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 120 120 120 84 120 120 120 120 120 120 120 120 120 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 113 113 113 113 113 113 113 113 113 113 113 113 186 186 186 186 10 186 186 186 186 85 11 12 13 186 0.09 186 0.09 186 0.09 186 0.09 150 0.053 150 0.053 150 0.053 150 0.053 150 0.053 150 0.053 150 0.053 150 0.053 150 0.053 150 0.053 150 0.053 150 0.053 150 0.126 150 0.126 150 0.126 150 0.126 150 0.126 150 0.126 150 0.126 150 0.126 150 0.126 150 0.126 150 0.126 150 0.126 150 0.09 150 0.09 150 0.09 150 0.09 150 0.09 150 0.09 150 0.09 150 0.09 150 0.09 150 0.09 150 0.09 150 0.09 86 150 150 150 150 150 150 14 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 15 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 16 150 150 150 150 150 150 150 150 17 150 150 150 87 150 150 150 150 150 150 150 88 Một số hình ảnh thí nghiệm ... tiện cứng dụng cụ CBN ứng dụng vào thực tiễn chế tạo máy Việt nam Vì ? ?Xây dựng mơ hình dự đốn nhám bề mặt mòn dụng cụ tiện cứng thép X12M dụng cụ cắt CBN ” cần thiết MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM... PHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH DỰ ĐỐN NHÁM BỀ MẶT VÀ MÒN DỤNG CỤ KHI TIỆN CỨNG THÉP X12M BẰNG DỤNG CỤ CẮT CBN Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 8520103 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN CB HƯỚNG... độ cứng vật liệu phơi tăng nhám bề mặt giảm, ngồi độ cứng phơi cịn ảnh hưởng đến mòn tuổi bền dao 2.2 Mòn dụng cụ cắt CBN tiện cứng 2.2.1 Các dạng mòn chế mòn dụng cụ CBN Mòn tuổi thọ dụng cụ