Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt chi tiết bằng vật liệu SKS3 khi gia công trên máy mài tròn

Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt chi tiết bằng vật liệu SKS3 khi gia công trên máy mài tròn Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt chi tiết bằng vật liệu SKS3 khi gia công trên máy mài tròn Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt chi tiết bằng vật liệu SKS3 khi gia công trên máy mài tròn

TÓM TẮT Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt đến độ nhám bề mặt chi tiết vật liệu SKS3 gia cơng máy mài trịn Mài phương pháp gia công tinh hay siêu tinh chúng thiếu nghề Cắt gọt kim loại nghề khuôn mẫu Do đặc điểm nên mài thường chọn làm phương pháp gia công tinh lần cuối Chất lượng bề mặt sản phẩm phụ thuộc vào nhiều yếu tố Nhưng luận văn nghiên cứu số yếu tố là: Chiều sâu cắt (t), lượng chạy dao (Sd), tốc độ quay chi tiết (Vct) Luận văn nghiên cứu tìm số tối ưu để đảm bảo chất lượng bề mặt gia công Thông qua ma trận sang lọc Box-Behnken thiết kế mô hình đáp ứng bề mặt (RSM) theo phương án cấu trúc có tâm (CCD), tính 15 thí nghiệm Sau làm thí nghiệm xong đưa vào máy đo độ nhám Mitutoyo Surflest SJ-400 – Nhật Bản để kiểm tra độ nhám bề mặt lấy số đầu Từ số liệu đầu vào đầu đưa vào phần mềm minitab, kết hệ số phương trình hồi quy Sau dựa vào phần mềm minitab ta giải phương trình hồi quy Và nghiệm phương trình kết ta cần tìm Kết số tối ưu sau giải phương trình hồi quy minitab Ra = 0.1001 µm t = 0.002 (mm), Sd = 3.2 (mm/vòng), Vct = 53.1313 (m/ph) Con số tối ưu cần điều chỉnh mài vật liệu thép SKS3 máy mài tròn áp dụng vật liệu có tính chất độ cứng tương đương với thép SKS3 ABSTRACT Surface roughness optimization for grinding parameters of SKS3 steel on cylindrical grinding machine Grinding is a fine finishing or super finishing method that is indispensable in metal cutting and mold making Due to such characteristics, grinding is xi often chosen as the final finishing method Surface quality of products depends on many factors But in this dissertation only study a number of factors such as Cutting depth (t), tool amount (Sd), part rotation speed (Vct) The thesis will study and find the most optimal number to ensure surface quality when processing Through the matrix of Box-Behnken filtering and the design of the surface response model (RSM) according to the concentric structure plan (CCD), Calculated 15 experiments After the test is completed, it will be put into the roughness meter Mitutoyo Surflest SJ-400 - Japan to check surface roughness and get the output figure From the input and output data to the minitab software, the result is the coefficients of the regression equation Then based on the minitab software we solve that regression equation And the solution to the equation is the result we need to find The result of the optimal number after solving the regression equation in minitab is Ra = 0.1001 µm t = 0.002 (mm), Sd = 3.2 (mm/vòng), Vct = 53.1313 (m/ph) The optimal number to be adjusted when grinding SKS3 steel material on this circular grinder can also be applied to materials with properties and hardness equivalent to SKS3 steel xii MỤC LỤC Quyết định giao đề tài .i Biên chấm luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ii Phiếu nhận xét iii Phiếu nhận xét v Lý lịch khoa học vii Lời cam đoan ix Lời cảm ơn x Tóm tắt xii Mục lục xiii Danh mục chữ viết tắt xvii Danh mục hình vẽ xviii Danh mục bảng biểu xix ĐẶT VẤN ĐỀ 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc luận án Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu phương pháp mài trịn ngồi 1.2 Quá trình cắt gọt mài 1.3 Đá mài 1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt mài thép SKS3 1.5 Tình hình nghiên cứu nước 1.6 Tình hình nghiên cứu ngồi nước xiii 1.7 Kết luận chương 11 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 2.1 Độ nhám bề mặt chi tiết mài 12 2.2 Phân tích yếu tố đến độ nhám bề mặt chi tiết mài trịn ngồi 12 2.3 Lực cắt mài trịn ngồi 12 2.3.1 Phương trình để xác định lực cắt 12 2.3.2 Xác định lực cắt thực nghiệm 13 2.4 Rung động mài trịn ngồi 15 2.5 Kết luận chương 15 Chương 3: XÂY DỰNG MỘT SỐ MƠ HÌNH TỐN KHI MÀI TRỊN NGỒI THÉP SKS3 16 3.1.Trang thiết bị, vật liệu thí nghiệm 16 3.1.1 Máy mài tròn 16 3.1.2 Đá mài 17 3.1.3 Chi tiết gia công 18 3.1.4 Thiết bị đo độ nhám 18 3.2 Phương pháp thực nghiệm 19 3.2.1 Khái niệm phương pháp RSM 19 3.2.2 Các thông số ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt mài 20 3.2.3 Thiết kế thí nghiệm 20 3.3 Kết luận chương 27 Chương PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM…….…………… 28 4.1 Phương trình hồi quy thực nghiệm 33 4.2 Phân tích phương sai 33 4.3 Biểu đồ phân bố tần số Histogram 34 4.4 Biểu đồ phần dư chuẩn hóa Normal P-P Plot 35 4.5 Biểu đồ tác dụng yếu tố 36 4.6 Đánh giá ảnh hưởng tương tác biến 38 4.7 Đồ thị đáp ứng bề mặt đường mức 38 4.8 Tối ưu hóa 41 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43 xiv Kết luận 43 Kiến nghị 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 xv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải nội dung Đơn vị Vct Tốc độ chi tiết m/ph Sd Lượng chạy dao dọc m/ph t Chiều sâu cắt mm WA Kí hiệu đá mài loại mềm GC Kí hiệu đá mài loại cứng RSM Response surface methodology CCD Central Composite Designs nc Số thí nghiệm tâm N QHTN Số biến thiết kế Quy hoạch thực nghiệm Các thí nghiệm phân bố na trục tọa độ nc Thí nghiệm tâm Q f Là tổng số thí nghiệm Là số nhân xvi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Là hình dạng lớp cắt hạt mài Hình 1.2: Cấu tạo đá mài Hình 1.3: Các thơng số hình học lưỡi cắt đá mài Hình 1.4: Độ nhẵn bề mặt phụ thuộc vào yếu tố(Vct, Sd, t) Hình 2.1: Độ nhấp nhơ bề mặt mài 12 Hình 2.2: Lực cắt mài Py>Pz>Px 13 Hình 3.1: Máy mài tròn 16 Hình 3.2: Đá mài 17 Hình 3.3: Sửa đá mài đầu kim cương 18 Hình 3.4: Kích thước chi tiết 18 Hình 3.5: Mài chi tiết 18 Hình 3.6: Máy đo độ nhám Mitutoyo 19 Hình 3.7: Thiết kế hỗn hợp trung tâm (CCD) 21 Hình 3.8: Thiết kế thí nghiệm kiểu Box-Behnken yếu tố 23 Hình 3.9: Cách kiểm tra độ nhám chi tiết sau thí nghiệm 25 Hình 3.10: Các chi tiết sau thí nghiệm 25 Hình 3.11: Biểu đồ đo độ nhám chi tiết sau thí nghiệm 25 Hình 4.1: Đồ thị Histogram ảnh hưởng biến 35 Hình 4.2: Đồ thị ảnh hưởng chuẩn hóa biến 36 Hình 4.3: Đồ thị ảnh hưởng biến t, Sd, Vct 37 Hình 4.4: Đồ thị tương tác ảnh hưởng biến 38 Hình 4.5: Biểu đồ mối quan hệ Ra với t Sd 39 Hình 4.6: Đồ thị mối quan hệ Ra với t Vct 40 Hình 4.7: Đồ thị mối quan hệ Ra với Sd Vct 41 Hình 4.8: Đồ thị tối ưu hó số liệu kết tối ưu hóa 42 xvii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật đá 17 Bảng 3.2: Các mức cho yếu tố đầu vào thí nghiệm 22 Bảng 3.3: Bảng ma trận mã hóa thí nghiệm Box-Behnken yếu tố 23 Bảng 3.4: Thiết kế ma trận thí nghiệm Box-Behnken theo Minitab 24 Bảng 3.5: Thông số đầu vào đầu Ratb, Rztb 26 Bảng 3.6: Thông số đầu vào đầu Ra, cần đưa vào sử lý 27 Bảng 4.1: Hệ số hồi quy Ra cho biến mã hóa tìm từ Minitab 29 Bảng 4.2: Bảng hệ số hồi quy xuất từ minitab 16.0 29 Bảng 4.3: Các hệ số phương trình hồi quy 30 Bảng 4.4: Các hệ số hồi quy Ra sử dụng liệu chưa chuẩn hóa 30 Bảng 4.5: Các hệ số phương trình hồi quy sử dụng liệu chưa mã hóa 31 Bảng 4.6: Phân tích thí nghiệm theo phương sai cho Ra 33 xviii ĐẶT VẤN ĐỀ Lý chọn đề tài Mài phương pháp gia công tinh đạt độ xác cao cấp độ nhám bề mặt 810 Do đặc điểm nên mài thường chọn làm phương pháp gia công tinh lần cuối cho chi tiết trước sau nhiệt luyện định đến chất lượng bề mặt sản phẩm Trong năm gần đây, nghề khuôn mẫu phát triển khơng thể thiếu ngun cơng mài Từ mài phẳng đến mài tròn tùy theo sản phẩm Ví dụ sản phẩm mài trịn mài trụ trịn, mài cơn, mài bạc, mài pin, mài chốt hồi… Mài đánh giá trình chiến lược chìa khóa để đạt chất lượng bề mặt cho sản phẩm công nghệ cao Mài gia cơng loại vật liệu mềm đến cứng nhôm hợp kim Mỗi vật liệu mài tương ứng loại đá mài ví dụ đá mài WA dùng để mài vật liệu mền loại thép thong thường, đá mài GC dùng để mài vật liệu cứng hay vật liệu sau nhệt luyện Hiện công ty gia công khuôn thị trường thiếu nguyên công mài Với yêu cầu cạnh tranh ngày cao chất lượng sản phẩm giá thành việc ứng dụng thành tựu lĩnh vực công nghệ thông tin, điều khiển, trí tuệ nhân tạo để xây dựng mơ hình đa mục tiêu với mục đích lựa chọn chế độ cắt tối ưu nhằm thỏa mãn đồng thời chất lượng sản phẩm suất gia công có ý nghĩa lớn Ngồi việc xây dựng giải tốn tối ưu hóa đa mục tiêu đóng góp phần vào việc điều khiển thích nghi q trình mài loại thép, giúp người điều khiển máy linh hoạt việc điều chế độ cắt cho phù hợp với cơng đoạn q trình gia cơng Do đó, tác giả lựa chọn đề tài nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt đến chất lượng bề mặt màì vật liệu SKS3 vật liệu gia cơng chi tiết khn Mục đích nghiên cứu Tối ưu hóa việc chọn chế độ cắt (tốc độ quay trục chính, lượng chạy dao, chiều sâu cắt) cho q trình mài trịn ngồi thép SKS3, nhằm đảm bảo suất chất lượng độ nhám bề mặt chi tiết gia công Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận văn q trình mài trịn ngồi thép SKS3 trước nhiệt luyện Phạm vi nghiên cứu: Có nhiều thơng số ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cuối mài Trong luận văn nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt (số vịng quay trục chính, lượng chạy dao, chiều sâu cắt) đến chất lượng bề mặt mài vật liệu SKS3 máy mài trịn ngồi Phương pháp nghiên cứu  Ứng dụng phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) thực nghiệm Áp dụng ma trận sang lọc Box-Behnken, phương án cấu trúc có tâm (CCD) Dùng phần mềm minitab matlab để sử lý kết thí nghiệm Cấu trúc luận văn  Phần mở đầu  Chương 1: Tổng quan  Chương 2: Cơ sở lý thuyết  Chương 3: Xây dựng số mơ hình tốn học mài trịn ngồi thép SKS3  Chương 4: Thực nghiệm mài thép SKS3  Chương 5: Kết luận kiến nghị Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu tìm phương pháp lấy chế độ cắt để tối ưu hóa q trình sản xuất, lấy chất lượng bề mặt mài thép SKS3 máy mài trịn ngồi Ý nghĩa thực tiễn: Việc hoàn thành luận văn sở khoa học cho việc nghiên cứu áp dụng vào thực tế sản xuất để điều khiển q trình mài trịn ngồi nhằm mục đích đạt chất lượng sản phẩm tốt với mức chi phí sản xuất nhỏ mài thép SKS3 4.6 Đánh giá ảnh hưởng tương tác biến thí nghiệm Hình 4.4: Đồ thị tương tác ảnh hưởng biến Hình 4.4 cho thấy yếu tố có ảnh hưởng tương tác với biến thí nghiệm thể rõ đường thẳng đồ thị có màu đỏ màu đen giao nhau, cịn yếu tố mà có đường màu đỏ màu đen song song với đồ thị khơng có mối tương tác với 4.7 Đồ thị đáp ứng bề mặt đường mức Ứng dụng phần mềm Matlab xây dựng đồ thị thể ảnh hưởng số yếu tố công nghệ đến độ nhám bề mặt chi tiết (Ra) 38 Hình 4.5: Biểu đồ mối quan hệ Ra với t Sd Đối với hình 4.5 ta tăng chiều sâu cắt (t) lượng chạy dao (Sd) đến giá trị trung bình ta giá trị độ nhám Ra cao tức chất lượng bề mặt Nhưng tăng tiếp chiều sâu cắt (t) lượng chạy dao (Sd) đến giá trị cao giá trị Ra lại giảm xuống đến mức mức trung bình, chất lượng bề mặt đạt mức bình thường 39 Hình 4.6: Biểu đồ mối quan hệ Ra với t Vct Đối với hình 4.6 ta tăng chiều sâu cắt (t) tốc độ quay trục (Vct) giá trị Ra tăng lên, đồ hình 4.4 chiều sâu cắt (t) tăng đến giá trị trung bình giá trị Ra đạt cao Vct tăng đến giá trị trung bình thí Ra tăng mức bình thường tiếp tục tăng Vct lên giá trị Ra tiếp tục tăng đến Vct gia trị cực đại Ra lại cho giá trị nhỏ nhất, nghĩa chất lượng bề mặt tốt Nhưng t sau tăng đến giá trị trung bình ta tiếp tục tăng t Ra lại giảm đến t tăng đến giá trị cao giảm mức 40 Hình 4.7: Biểu đồ mối quan hệ Ra với Sd Vct Đối với hình 4.7 nghĩa ta tăng tốc độ quay trục (Vct) lên Ra tăng lượng chạy dao (Sd) ta tăng lượng chạy dao lên giá trị chất lượng bề mặt Ra hình 4.8 Tối ưu hóa Phương trình hồi quy có hàm mục tiêu Min Ra: Ra = 0,9739 + 0,06663 0,092125 + 0,011775 + 0,000053 - 0,333101 - 0,105322 - 0,051500 Với điều kiện biến 0,002 ≤ ≤ 0,02 3,2 ≤ ≤ 4,8 40 ≤ ≤ 60 - 0,441225 Kết tối ưu phương pháp đáp ứng bề mặt 41 - 0,312875 – (a) (b) Hình 4.8: (a) đồ thị tối ưu hóa (b) số liệu kết tối ưu hóa Kết tối ưu hóa phương pháp đáp ứng bề mặt cho thấy đồ thị hình 4.8(a), giá trị biến thể cột (t, Sd Vct), bao gồm giá trị thấp giá trị cao Gía trị biến hàm mục tiêu ký hiệu Cur (Current) Qua phân tích RSM chế độ mài tối ưu dải thí nghiệm nhằm đạt mục tiêu độ nhẵn bóng bề mặt (target) 0,1µm, thấp 0,05 µm cao 0,5 µm minh họa hình 4.8b Trên hình 4.8 cho ta thấy, lời giải tối ưu tìm thấy cho Ra đạt giá trị 0.1001µm, giá trị xấp xỉ giá trị mong muốn 0,1 đạt mức kỳ vọng 99.96% (composite desirability = 0,999653) giá trị kỳ vọng tốt Vậy kết tối ưu Ra = 0.1001 µm t = 0.002 (mm), Sd = 3.2 (mm/vịng), Vct = 53.1313 (m/ph) Kết phân tích cho thấy chế độ mài tối ưu có thơng số (t, Sd Vct) (t = 0.002, Sd = 3.2, Vct = 53.1313) Các kết tối ưu hóa RSM dùng làm sở để chọn chế độ cắt phù hợp cho việc gia công vật liệu thép SKS3 hay vật liệu có độ cứng tương đương, nhằm nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công nâng cao suất trình sản xuất 42 Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận  Nghiên cứu lý thuyết tốn tối ưu hóa đa mục tiêu trình mài thép SKS3 máy mài trịn ngồi  Đã kết nối hệ thống trang thiết bị máy mài trịn ngồi với thiết bị đo đảm bảo tính khoa học độ xác tin cậy phục vụ cho nghiên cứu thực nghiệm  Đánh giá mức ảnh hưởng thông số đầu vào chiều sâu cắt, lượng chạy dao tốc độ quay trục đến độ nhám bề mặt chi tiết trình mài trịn ngồi phương pháp Đáp ứng bề mặt (RSM) Xác định biến điều khiển chế độ cắt vật liệu gia công để làm sở cho việc xây dựng mơ hình tốn học  Đã xây dựng mơ hình tốn học biểu diễn mối quan hệ thực nghiệm chiều sâu cắt, lượng chạy dao tốc độ quay trục đến độ nhám bề mặt chi tiết gia cơng vật liệu SKS3 mài máy trịn ngồi với độ cứng thép trước nhiệt 190-217HB  Ứng dụng sử dụng phần mềm minitap để sử lý thí nghiệm đưa hệ số phương trình hồi quy bảng phương sai, đồ liên quan thông số đầu vào đến độ nhám bề mặt, hệ số phương trình hồi quy sử dụng liệu chưa mã hóa đồ thị ảnh hưởng chuẩn hóa biến Cũng từ phần mềm minitab tìm số tối ưu cho trình nghiên cứu  Ứng dụng phần mềm matlab để đưa biểu đồ mối liên quan thông số đầu vào thông số đầu  Thiết kế ma trận thí nghiệm kiểu Box-Behnken tìm số thực nghiệm khảo sát kiểu Central Composite Designs (CCD)  Kết cho phép xác định chế độ cắt tối ưu mài trịn ngồi thép SKS3 ứng dụng cho loại thép có độ cứng tương tự ví dụ thép NAK 40 43 Và làm sở để lựa chọn chế độ cắt cho số loại thép có độ cứng khác 5.2 Kiến nghị  Nghiên cứu chế độ cắt hợp lý cho cho vật liệu khác mài máy mài trịn ngồi  Tiếp tục nghiên cứu xây dựng mơ hình nhiệt cắt, mơ hình mịn đá mài nhằm tiến đến hồn thiện mơ hình q trình mài trịn ngồi  Xây dựng phần mềm điều khiển thích nghi thơng số q trình mài trịn loại thép hợp kim  Hợp tác với chuyên gia nhật để phần mài phát triển chế tạo máy đánh bóng bề mặt 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Minh Đạo, Trần Anh Tuấn (2010) giáo trình mài NXB Lao Động [2] M.S HEWIDY (2004), Journal of Materials Processing Technology 169 (2005) 328–336 Department of Production Engineering and Machine Design, Faculty of Engineering, Menoufiya University, Shebin El-Kom, Egypt [3] Myers R.H., Montgomery D.C., and Anderson-Cook C.M C.M., (2016) Response Surface Methodology – Process and Product Optimization using Designed Experiments, Wiley [4] Box G.E and Hunter J.S., “Multifactor experimental designs,” Ann Math Stat (1957) 28–195 [5] Nguyễn Trọng Hùng, Phùng Xuân Sơn (2016) “Giáo trình thiết kế thực nghiệm chế tạo máy” NXB xây dựng [6] Douglas C Montgomery, George C Runger”Applied Statistics and Probability for Engineers” Arizona State University [7] Getting Started with Minitab 18 [8] PGS Hà Văn Vui(2003) Dung Sai Và Lắp Ghép NXB khoa học kỹ thuật Hà Nội [9] M.S Hewidy, T.A El-Taweel ∗, M.F El-Safty, Modelling the machining parameters of wire electrical discharge machining of Inconel 601 using RSM-Journal of Materials Processing Technology 169 (2005) 328–336 [10] Minitab User Manual, Release 13.2., Making Data Analysis Easier,MINITAB Inc.; 2001 [11] K Wegener (3)a,*, H.-W Hoffmeister b, B Karpuschewski (1)c, F Kuster (3)a, W.-C Hahmann b, M Rabiey a, Conditioning and monitoring of grinding wheels, CIRP Annals - Manufacturing Technology 60 (2011) 757–777 [12] DOUGLAS C MONTGOMERY Design and Analysis of Experiments, Arizona State University [13] Ngoc Le Chau1 · Minh‑Quan Nguyen2 · Thanh‑Phong Dao3,4 · 45 [14] Shyh‑Chour Huang5 · Te‑Ching Hsiao5 · Du Dinh‑Cong6,7 · Van Anh Dang1 Optimization and Engineering, Received: 16 March 2018 / Revised: December 2018 / Accepted: December 2018 46 47 48 49 50 51 52 ... khảo sát mức độ ảnh hưởng biến cho đáp ứng chéo Trong luận văn này, để nghiên cứu mức độ ảnh hưởng chế độ cắt khác đến độ nhám bề mặt chi tiết gia cơng máy mài trịn ngồi cho vật liệu SKS3, tác giả... hưởng chế độ cắt đến chất lượng bề mặt màì vật liệu SKS3 vật liệu gia công chi tiết khuôn Mục đích nghiên cứu Tối ưu hóa việc chọn chế độ cắt (tốc độ quay trục chính, lượng chạy dao, chi? ??u sâu cắt) ... xét đến ảnh hưởng thông số chế độ cắt mài đến mòn đá độ nhám bề mặt chi tiết Trong thơng số có ảnh hưởng nhiều đến kết mài Như vậy, cơng trình nghiên cứu giúp xác định mối quan hệ thông số chế độ