3. Ý nghĩa của đề tài
3.4. Các phƣơng pháp nghiên cứu về độ nhám bề mặt
Nhƣ chúng ta đã biết, độ nhám bề mặt ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
ta mong muốn là đạt năng suất, giảm thời gian gia công mà vẫn đảm bảo chất lƣợng bề mặt của chi tiết gia công, độ chính xác và tƣơng quan vị trí hình học. Với các ƣu điểm nổi bật của phay cứng đạt độ bóng cao vì vậy đã có rất nhiều kỹ sƣ, các nhà nghiên cứu cùng với nhiều nghiên cứu về độ bóng bề mặt trong phay cứng. Nhìn chung, các nghiên cứu theo hai hƣớng sau:
Nghiên cứu thực nghiệm: Dựa trên việc xây dựng, quan sát thực tế và
nghiên cứu thí nghiệm độ bóng bề mặt trong phay cứng.
Nghiên cứu mô phỏng: Dựa trên việc xây dựng, nghiên cứu các mô hình
mô phỏng quá trình gia công và dự đoán độ nhám bề mặt trong phay cứng
3.4.1. Nghiên cứu độ nhám bề mặt dựa trên thực nghiệm
Theo hƣớng nghiên cứu này, Guillem Quintana và các cộng sự của ông
đã nghiên cứu: Sử dụng dữ liệu hạt nhân trong máy công cụ cho việc đánh giá
gián tiếp của độ nhám bề mặt trong máy phay đứng, nghiên cứu này đƣợc đang trên tạp chí khoa học Robotics và Tích hợp máy tính vào sản xuất năm 2011 [12]. Qua nghiên cứu này chúng ta có đƣợc một phƣơng pháp khác để xác định độ nhám bề mặt trong gia công phay. Trong nghiên cứu các thí nghiệm đã đƣợc tiến hành thu thập dữ liệu nhằm phát triển các mô hình thuật toán, các mô hình này sẽ đƣợc sử dụng để dự đoán độ nhám bề mặt. Bảy mƣơi hai mẫu đƣợc sử dụng để phát triển hai mạng neutral, một dựa trên đầu vào của gia tốc và các yếu tố đầu vào của hạt nhân, và để so sánh hiệu suất
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.3. Thử nghiệm thiết lập, thu thập dữ liệu và điều chỉnh
Công trình này tập trung dựa trên các thông tin chứa trong các hạt nhân điều khiển số (NC) cho độ nhám bề mặt ở giám sát của một phần trong quá trình. Một giao diện ngƣời máy (HMI) đã đƣợc phát triển để tạo điều kiện thuận lợi cho sự tƣơng tác giữa các nhà điều hành và hạt nhân NC với một giao diện đồ họa ngƣời dùng làm việc trong các máy tính điều khiển số (CNC) màn hình. Thí nghiệm đƣợc thực hiện để có đƣợc các dữ liệu đƣợc mô phỏng với các mạng thần kinh nhân tạo cho độ nhám bề mặt trung bình tham số (Ra) dự đoán. Cuối cùng, một giải pháp nhỏ gọn đã đƣợc thực hiện thông qua các dữ liệu ngƣời dùng toàn cầu (gud). Dữ liệu từ HMI và từ hạt nhân đƣợc thu thập trong gud và phân tích với các mạng thần kinh nhân tạo. Ứng dụng cung cấp các tham số độ nhám bề mặt trung bình của một phần trong quá trình và cung cấp cho các thông số tối ƣu để điều hành. Kiểm tra xác minh đã đƣợc thực hiện, hiển thị kết quả chính xác. Việc sử dụng các ứng dụng phát triển trong nghiên cứu này đảm bảo độ nhám bề mặt Ra yêu cầu, cải thiện cắt giảm các thông số, làm giảm hoạt động hƣớng dẫn sử dụng hoàn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
thành và các bộ phận không thể chấp nhận đƣợc vào cuối của quá trình sản xuất, và cung cấp một giải pháp thực hiện trong màn hình máy công cụ CNC mà không cần bất kỳ bộ cảm biến bên ngoài khác.
Hình 3.4. Cảm biến vị trí của sensor điều khiển tích hợp cho trục chính
Nhƣ vậy, nghiên cứu có các điểm nổi bật mà Guillem Quintana và các cộng sự của ông đã nghiên cứu để đánh giá độ nhám bề mặt đó là:
* Hiệu suất của các dữ liệu hạt nhân để đánh giá gián tiếp độ nhám bề mặt * Dữ liệu đƣợc cung cấp bởi NC hạt nhân là hữu ích để xác định độ nhám bề mặt
* Sử dụng các dữ liệu hạt nhân NC là chi tiết quan trọng hơn so với dữ liệu đƣợc cung cấp bởi gia tốc
* Công trình này là một bƣớc tiến trong quá trình điều chỉnh và giám sát trong gia công phay
Khác với công nghệ gia công phay truyền thống . Ở gia công phay truyền thống thì cho rằng rung động có ảnh hƣởng xấu đến độ nhám bề mặt của chi tiết gia công, tìm các biện pháp làm giảm rung động của hệ thống
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
công nghệ thì ở nghiên cứu này H. Ding cùng các cộng sự đã nghiên cứu: Nghiên cứu thực nghiệm về cải thiện khả năng gia công của thép cứng công cụ bằng cách sử dụng hai chiều rung động trong phay siêu tinh, đƣợc đăng trên tạp chí quốc tế máy công cụ và sản xuất, tháng 12 năm 2010 [13] H. Ding cùng các cộng sự đã có hƣớng nghiên cứu mới mẻ bằng cách sử dụng thêm sự trợ giúp của rung động hai chiều vào trong gia công siêu phay tinh 2-D VAMEM (two dimensional vibration-assited micro-end-milling).
Hình 3.5. Mô hình và quá trình thí nghiệm 2-D VAMEM
Các thí nghiệm đƣợc thực hiện trên thép đã đƣợc tôi cứng, độ cứng của thép (55 – 58 HRC). Từ đó, nhằm nghiên cứu ảnh hƣởng của các thông số rung động đến nhám bề mặt và mòn dụng cụ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.6. Mòn dụng cụ cắt: (a) không có rung động , (b) có các rung động
Với thí nghiệm nhƣ trên, nghiên cứu đã cho thấy rung động theo 2 phƣơng có thể cải thiện nhám bề mặt và giảm mòn dụng cụ so với phay tinh truyền thống. Biên độ rung động lớn và tần số cao giúp cải thiện nhám bề mặt và giảm mòn dụng cụ.
Hình 3.7. Độ nhám bề mặt với biên độ và tần số rung động khác nhau [13]
Nhƣ vậy có thể kết luận rằng với sự trợ giúp của rung động trong gia công phay cứng theo 2 phƣơng là một phƣơng pháp mới, hiệu quả để phay thép dụng cụ đã tôi cứng. Đồng thời, rung động còn có thể đƣợc áp dụng để gia công khuôn dập nhằm cải thiện khả năng cắt gọt, làm tăng chất lƣợng bề mặt chi tiết và tuổi bền dụng cụ.
Cùng với hƣớng nhằm trợ giúp trong gia công phay cứng. Ở nghiên cứu trên H. Ding cùng các cộng sự đã nghiên cứu sử dụng hỗ trợ của rung
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
động vào trong gia công phay cứng [14], còn với S. Melkote cùng các cộng sự của ông là M. Kumar, F. Hashimoto theo cách khác đã nghiên cứu đề tài: “Laser hỗ trợ phay micro (micro milling) để phay các vật liệu cứng, đƣợc đăng trên tạp chí CIRP Annals - Manufacturing Technology, năm 2009 [14]. Trong sự phát triển của những năm gần đây trong sản xuất ở dạng kích thƣớc vi mô thì gia công phay micro có thể gia công những vật liệu đạt đƣợc dung sai rất cao, đạt đƣợc độ nhẵn bóng bề mặt theo yêu cầu. Bằng cách sử dụng dụng cụ cắt nhỏ hơn, cứng hơn hoạt động ở tốc độ cao. Ở nghiên cứu này Melkote cùng các cộng sự của ông đã thử nghiệm sử dụng laser ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) có nghĩa là “khuếch đại ánh sang bằng phát xạ kích” hỗ trợ gia công phay micro.
Thí nghiệm nghiên cứu trên trên thép dụng cụ qua tôi cứng 62 HRC. Thí nghiệm đƣa thêm laser vào trong gia công phay thép tôi cứng trên nhằm đánh giá ảnh hƣởng của nhiệt laser và tốc độ cắt trên độ chính xác chiều dài.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.8. Kết thúc phay (a) dụng cụ mới; (b) và (c) sau khi cắt 1 đoạn 150 mm; (b) bằng tia laser và ( c) không có laser ( tốc độ cắt: 32m/phút, chiều sâu trục cắt: 25 μm,
chiều sâu cắt 1 μm/flute, công suất: 7,5 W),
Nghiên cứu cho thấy, với sự hỗ trợ của tia laser làm nóng, ảnh hƣởng của tốc độ cắt sẽ làm tăng độ nhám bề mặt trong trong đó nó cải thiện tính chính xác độ sâu rãnh
Có thể thấy rằng không chỉ trên thế giới mà ngay ở Việt Nam trong chƣơng trình cấp Nhà nƣớc “Nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ Chế tạo máy” giai đoạn 5 năm 2001-2005 sẽ ứng dụng triển khai việc sử dụng laser để hỗ trợ phay mirco để tối ƣu hóa năng lƣợng laser và tăng tỷ lệ loại bỏ vật liệu khi phay mico vật liệu cứng khác nhƣ gốm sứ thiêu kết. Cũng nhằm hỗ trợ gia công phay cứng nhƣ nghiên cứu [13] và [14] thì ở nghiên cứu này,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
T. Thepsonthi cùng các cộng sự đã hỗ trợ gia công phay cứng nhƣng bằng cách khác là: Các thí nghiệm và mô phỏng phần tử hữu hạn về phay micro hợp kimTi-6Al-4V với việc không phủ và phủ CBN vào dụng cụ cắt, đƣợc đăng trên tạp chí CIRP Annals - Manufacturing Technology, volume 60, Issue 1, ( 85-88), 2011, [15] thì. T. Thepsonthi cùng các cộng sự đã kết hợp điều tra thí nghiệm và mô phỏng phần tử hữu hạn khi gia công phay micro thép hợp kim Ti-6A-4V. Thí nghiệm đã làm thí nghiệm với hai trƣờng hợp khi dụng cụ cắt không đƣợc phủ CBN và trƣờng hợp dụng cụ cắt đƣợc phủ CBN.
Hình 3.9. Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới độ nhám bề mặt và chiều rộng phoi
Nghiên cứu nhằm đánh giá ảnh hƣởng của các thông số gia công đến độ nhám bề mặt, hình thành phoi và việc phủ dụng cụ cắt bằng CBN. Qua thí nghiệm, nghiên cứu đã so sánh kết quả đạt đƣợc tƣơng ứng với hai trƣờng hợp thí nghiệm ở trên và cho rằng. Việc sử dụng CBN để phủ dụng cụ cắt là một lợi thế hơn rất nhiều so với khi không phủ CBN khi gia công phay cứng, dụng cụ cắt đƣợc phủ CBN giúp làm tăng độ bóng bề mặt đồng thời giúp quá trình tạo phoi đồng thời. Cùng với hƣớng nghiên cứu bằng thực nghiệm, Xiaobin Cui cùng với các cộng sự đã nghiên cứu: “Độ bóng bề mặt và sự hình thành phoi trong phay bề mặt tốc độ cao thép AISI H13” đăng trên tạp chí quốc tế công nghệ sản xuất tháng 10 năm 2011 [16] đã đề cập. Nhiều nghiên cứu trƣớc đây về gia công tốc độ cao đã đƣợc tiến hành để đạt đƣợc hiệu quả và độ chính xác gia công cao.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Trong nghiên cứu này, đã thu đƣợc các đặc tính của lực cắt, độ nhám bề mặt, phoi trong phay cao tốc bề mặt của thép AISI H13 (46-47HRC). Bằng nghiên cứu thực nghiệm điều tra quan sát các dạng phoi và màu sắc của phoi.
Nghiên cứu đã cho thấy, khi cắt cao tốc ở 1400 m/phút có thể coi là giá trị ngƣỡng. Ở tải trọng tƣơng đối thấp, bề mặt gia công lần cuối tốt, và hiệu quả của gia công cắt gọt sẽ tăng đồng thời. Khi tốc độ cắt dƣới 1400 m/phút,
các thứ tự thông số cắt ảnh hƣởng tới độ nhámbề mặt Ra là chiều sâu cắt, tốc
độ cắt, và tốc độ ăn dao.
Nghiên cứu đã cho thấy: tốc độ ăn dao thấp, chiều sâu cắt thấp, và tốc độ cắt thấp dƣới 1400 m/phút, độ nhám bề mặt Ra của bề mặt gia công dƣới 0,3 μm, ta nên tránh tốc độ cắt trên 1400 m/phút nếu tốc độ cắt và chiều sâu cắt thấp.
Năm 2009, cũng cùng hƣớng nghiên cứu với C.K. Toh, Vũ Nhƣ Nguyệt, Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên với nghiên cứu: “Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công bằng tối ƣu hóa một số yếu tố kỹ thuật của quá trình phay tinh trên máy công cụ CNC” [17].
3.4.2. Nghiên cứu dựa trên các mô hình mô phỏng
Ngoài các phƣơng pháp nghiên cứu dựa trên mô hình lý thuyết trên. Ngày nay, với sự phát triển nhƣ vũ bão của tin học và ứng dụng công nghệ của máy tính vào trong tính toán thiết kế công nghiệp. Đặc biệt, công nghệ đồ họa 2D, 3D việc thiết kế và nghiên cứu các chi tiết máy, máy, mô phỏng các quá trình gia công bằng các phần mềm đồ họa ( MASTERCAM, INVENTER, CATIA…) đang ngày càng phát triển và phổ biến
Các mô hình mô phỏng trên máy tính có những ƣu điểm sau: * Thiết kế, chỉnh sửa dễ dàng
* Trực quan hơn, cho phép quan sát đƣợc ở nhiều góc nhìn 3D * Tăng độ chính xác
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
* Lƣu trữ thành cơ sở dữ liệu giữa để dễ quản lý hơn. Trao đổi thông tin một cách nhanh chóng dễ dàng
* Phân tích, mô phỏng và kiểm tra mô hình 3D dễ dàng hơn
Khi phay các bề mặt phức tạp thì việc gia công chính xác là rất khó khăn, hạn chế. Bởi vì, do lực cắt khi phay gây ra sai lệch và độ tin cậy của gia công phay không đạt yêu cầu. Nhằm nâng cao, cải thiện chất lƣợng bề mặt trong khi vẫn duy trì độ tin cậy cao của quá trình phay. Với sự nghiên cứu tìm hiểu công nghệ mới ứng dụng máy tính vào trong thiết kế sản xuất [18], [19]. K. Weinert cùng với cộng sự của ông là A. Enselmann và J. Friedhoff đã đƣa ra nghiên cứu bằng cách ứng dụng dựa trên máy tính: “Mô phỏng gia công phay để tối ƣu quá trình trong lĩnh vực sản xuất Khuôn kéo sợi và khuôn mẫu” đƣợc đăng trên tạp chí CIRP Annals – Công nghệ sản xuất (1997) [18]. Nghiên cứu đã đƣa ra phƣơng pháp phát triển sử dụng hiệu quả mô hình khối để mô phỏng quá trình cắt. Đồng thời tính toán lƣợng chạy dao tối ƣu các khía cạnh chính trong công nghệ phay 3 trục trong tính toán, lựa chọn lƣợng chạy dao tƣơng ứng. Việc lựa chọn lƣợng chạy dao hợp lý nhằm mục đích để tránh dụng cụ chịu quá tải trong khi đang gia công các bề mặt. Việc ứng dụng CAD (Computer Aided Design) vào trong mô phỏng gia công phay là rất cần thiết, nhằm cải thiện nâng cao chất lƣợng bề mặt là phƣơng pháp rất hiệu quả và đƣợc chứng minh bằng một ví dụ thực tế Cùng với hƣớng ứng dụng CAD- CAM vào trong thiết kế và sản xuất nhƣ nghiên cứu trên [18], Nikolaos Tapoglou và Aristomenis Antoniadis đã công bố một bài báo viết về phƣơng pháp ứng dụng đồ họa máy tính CAD-CAM để mô phỏng dự đoán kết quả độ nhám bề mặt trong gia công phay: Mô phỏng chiều chuyển động của phay bề mặt, đƣợc đăng trên tạp chí Measurement, 2012 [19].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.10. Mô tả lưỡi cắt
Phay bề mặt là phƣơng pháp sản xuất hiệu quả nhất, gia công thô và hoàn thiện phần lớn bề mặt của các bộ phận kim loại. Nghiên cứu đã trình bày một mô hình mô phỏng mới đã đƣợc phát triển và ứng dụng vào môi trƣờng CAD Và với ứng dụng này có thể mô phỏng chính xác sản phẩm bằng phần mềm CAD nếu các dữ liệu phay, chẳng hạn nhƣ độ nhám bề mặt, kích thƣớc phoi không sai lệch, cắt giảm các thành phần của lực cắt và xử lý lực cắt động…là rất cần thiết. Mô hình mô phỏng đúng với chuyển động của dụng cụ cắt bằng cách sử dụng chính xác thông số hình học của dụng cụ cắt. Từ đó, dự báo chính xác kết quả độ nhám bề mặt.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.12. Thí nghiệm và kết quả mô phỏng
Nikolaos Tapoglou cùng các cộng sự của ông đã xác minh một cách kỹ lƣỡng độ chính xác của mô hình mô phỏng với ứng dụng của CAD. Bằng cách thực hiện một loạt các thí nghiệm phay. Đồng thời mô hình trên đã đề xuất đƣợc chính minh là phù hợp để xác định các điều kiện tối ƣu cho gia công phay bề mặt. Phần mềm có thể tích hợp dễ dàng vào các hệ thống CAD- CAM Thêm một hƣớng nghiên cứu mô phỏng, C.K. Toh đã nghiên cứu đề tài: Phân tích địa hình bề mặt trong phay cao tốc lần cuối thép cứng gá nghiêng,