Trong quy hoạch thực nghiệm, ngoài phương pháp Taguchi như đã trình bày ở trên thì việc lựa chọn thông số tối ưu còn dựa vào phương pháp tối ưu hóa. Đặc điểm của phương pháp tối ưu hóa là thiết lập phương trình hồi quy, sau đó dựa vào nó để tìm ra các tthông số tối ưu của quá trình.
Bảng 2.2: Một số đặc điểm khác biệt của hai phương pháp
Phƣơng pháp Taguchi Phƣơng pháp tối ƣu hóa Ƣu
điểm
- Sử dụng đơn giản và hiệu quả, tốn ít thời gian, số thí nghiệm ít. - Ngoài tối ưu hóa các thông số còn xác định thêm mối ảnh hưởng giữa các thông số tới chất lượng sản phẩm.
- Việc điều chỉnh thông số đầu vào để đạt thông số đầu ra không phức tạp
- Được áp dụng rộng rãi đặc biệt trong sản xuất công nghiệp.
- Xây dựng phương trình hồi quy để xác định thông số đầu vào tối ưu khi muốn đạt thông số đầu ra cực trị (lớn nhất hoặc nhỏ nhất).
- Sử dụng hiệu quả khi áp dụng cho việc lựa chọn ít thông số.
Nhƣợc điểm
- Có nhiều hệ thống kỹ thuật là phi tuyến và sự phi tuyến không thể xác định bởi thí nghiệm với nhân tố ở hai mức. Trong một số trường hợp phải sử dụng đến 3 mức của thí nghiệm.
- Kết quả tính toán phụ thuộc sử dụng công thức do đó khó cho việc lựa chọn công thức để tính.
- Không đánh giá được mức độ ảnh hưởng của các nhân tố tới chất lượng bề mặt.
- Phương pháp này thực hiện phức tạp vì phải xây dựng được phương trình hồi qui (cần kiểm tra phương trình hồi quy có nghĩa)
- Sau đó lựa chọn bước biến đổi. Kết quả thông số tối ưu phụ thuộc vào mức biến đổi được chọn, việc lựa chọn sẽ kết thúc khi đạt được thông số tối ưu.
61
- Khi áp dụng tính cho nhiều thông số thì khối lượng kết quả tính toán sẽ lớn vì phải lựa chọn nhiều mức biến đổi cũng như phương trình hồi qui sẽ rất phức tạp.
Kết luận chƣơng 2:
+) Qua sự phân tích một số yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng bề mặt khi phay khuôn thì thông số công nghệ S, V, t0 có ảnh hưởng rõ nhất tới độ nhám bề mặt.
+) Việc tối ưu hóa các thông số công nghệ là rất quan trọng khi áp dụng phay khuôn ép nhựa và phay trên thép hợp kim kết cấu AS 3678-250 trên máy phay giường CNC - Miyakawa tại nhà máy cơ khí chính xác Vinashin.
+) Để tối ưu hóa các thông số trên, dùng quy hoạch thực nghiệm. Có nhiều công cụ để thực hiện, trong đó phương pháp Taguchi đã được lựa chọn vì: thực hiện đơn giản (có sẵn công thức tính), tốn ít thời gian, sử dụng ít thí nghiệm đặc biệt phù hợp khi áp dụng trong sản xuất tại nhà máy.
62
CHƢƠNG 3
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT VÀ HÌNH DẠNG MŨI DAO ĐẾN CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT KHI PHAY KHUÔN 3.1 Mục đích, yêu cầu
- Khuôn là một loại sản phẩm đa dạng về hình dáng, kích thước cũng như vật liệu, ở nội dung của luận văn này thép hợp kim AS 3678 grade 250 được sử dụng. So với các vật liệu làm khuôn khác như SKD, AS 3678 grade 250 có độ cứng cao. Do đó khó cho việc gia công phay.
- Mọi phương pháp gia công không cho phép nhận được chất lượng bề mặt như với lý thuyết tính toán là do nhiều yếu tố như độ mòn của dụng cụ cắt và dao động của hệ thống trong quá trình cắt. Việc lựa chọn các thông số công nghệ có vai trò quan trọng đến chất lượng bề mặt và vấn đề mòn dao. Nếu chọn không hợp lý sẽ dẫn tới không nhận được bề mặt có chất lượng như mong muốn mà còn gây giá thành dụng cụ cao.
- Để quyết định chất lượng bề mặt và độ mòn dụng cụ, phân tích các thí nghiệm được sử dụng đóng vai trò lớn. Trong luận văn này, các thí nghiệm được kiểm soát bởi sự thay đổi các thông số cắt như tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt đồng thời cũng so sánh được mức độ sai lệch giữa kết quả thí nghiệm với lý thuyết đã nghiên cứu ở chương 2.
- Các nhiều phương pháp tối ưu hóa các thông số công nghệ, phương pháp
Taguchi là một công cụ mạnh cho việc tìm ra bộ thông số công nghệ tối ưu và phân tích. Trong chương này, sử dụng phương pháp Taguchi để lựa chon bộ thông số S, V, t0 tối ưu cho quá trình gia công phay khuôn. Trong quá trình phay mong muốn đạt được độ nhám nhỏ nhất và độ mòn dao nhỏ nhất, nên tỷ lệ S/N có đặc tính gia công “Nhỏ nhất tốt nhất” (The smaller the better) được lựa chọn.
Dựa vào tỷ lệ S/N lớn nhất sau khi tính theo công thức 2.16, các thông số công nghệ tối ưu được lựa chọn [19].
63
3.2 Thực hiện công việc thực nghiệm
3.2.1 Phôi chuẩn bị để phay
Vật liệu làm khuôn, mác thép AS 3678 grade 250, quy cách của mẫu là PL10x150x500; tổng hàm lượng các nguyên tố là 2,69%; có có độ cứng cao vì thành phần % C và % Mn tương đối cao; khối lượng tấm mẫu là 6,2 kg.
Hình 3.1 Mẫu thử nghiệm
Thành phần hóa học của thép AS 3678 grade 250 theo bảng 1.2 chương 1.
3.2.2 Máy thực hiện
Máy phay giường CNC: Hiệu Miyakawa Tình trạng máy: Máy hoạt động bình thƣờng Năm sản suất: 1998
Nước sản xuất: Nhật Bản Tốc độ quay trục chính:
Hành trình trục X (hành trình ngang): 2400 mm Hành trình trục Y (hành trình dọc): 12000 mm
Hành trình trục Z (hành trình theo chiều cao) 700 mm Hệ điều khiển: Fanuc
64
Hình 3.2 Máy phay giường CNC-Miyakawa
Đặc điểm của loại máy phay này:
Chi tiết gia công đứng yên, trục chính vừa quay vừa chuyển động tịnh tiến. Hệ chuyển động tịnh tiến sử dụng bộ truyền bánh răng và thanh răng.
3.2.3 Dụng cụ cắt
*) Mảnh dao cắt
Hãng sản xuất: Mitsubishi – Nhật Bản
Các mảnh hợp kim không có phủ bề mặt, mới 100%, chưa qua sử dụng.
Hình 3.3 Các loại mảnh dao cắt hợp kim
a) Mảnh dao cắt hợp kim hình bình hành T15K6 b) Mảnh dao hợp kim hình tròn CAK 74
65
*) Đài gá các mảnh cắt
Hình 3.4 Đài gá mảnh dao cắt
a) Đài gá mảnh dao hình tròn, số lượng mảnh dao 08 mảnh b) Đài gá mảnh dao hình tam giác, số lượng mảnh 05 mảnh c) Đài gá mảnh dao hình bình hành, số lượng mảnh 04 mảnh
Đường kính dao D = 100 mm, chiều dài chuôi dao nhỏ nên không gây hiện tượng lắc hoặc đảo trong quá trình cắt, đảm bảo độ cứng vững của hệ thống.
3.2.4 Thiết bị kiểm tra
a) Thiết bị đo độ nhám độ nhám bề mặt
Mã hiệu: SJ301
Hãng sản xuất: Mitutoyo – Nhật bản
66 Tình trạng thiết bị: Máy hoạt động bình thƣờng
Bảng 3.1: Một số đặc tính kỹ thuật của thiết bị đo độ nhám bề mặt SJ301 [29]
Thông số Miêu tả Hành trình trục Z 350 µm Ống dẫn theo trục X 12,5 mm Các tham số đo Ra, Rz, Rq, Rt, Rp, Sm, S, Pc, Mr, R3z, HSC, mrd, c, Lo, Ppi, Sk, Ku, q, Rx, Rpk, Rvk, Rk, Mr1, A1, A2, V0, R
Dải đo 350 µm (- 200µm tới + 150 µm),
Dải thể hiện Ra, Rq: 0,01÷100 µm Rz: 0,02÷350 µm
Độ phân giải 0,4 µm/350 µm; 0,1 µm/100 µm; 0,05 µm/50 µm; 0,01 µm/10 µm
Cần đo tiêu chuẩn mã hiệu: 178-395, đầu đo kim cương, bán kính đầu đo r = 2µm, bán kính sống trượt: 40mm
Lực tiếp xúc 0,75 mN
Lọc tín hiệu 2CR, PC75
Số lượng chiều dài chuẩn 1, 3, 5 và L (giá trị bất kỳ) Chiều dài sóng giới hạn: (cut-off
wavelengths)
lc: 0,08mm; 0,25mm; 0,8mm; 2,5mm; 5mm ls: 2,5µm; 8µm; 25µm
Các mục dữ liệu tính toán Mean, maximum, minimum, standard
deviation ( một số tham số/biên dạng (profile)) Bộ nhớ ngoài (I/O): RS-232, SPC, bộ nhớ thẻ
67 - Sơ đồ nguyên lý đo:
1. Bề mặt chi tiết 2. Cần đo 3. Cảm biến điện cảm 4. Sống trượt 5. Đai ốc 6. Vít me
7. Cơ cấu đo dịch chuyển 8. Hộp tốc độ
9. Động cơ 10. Xử lý tín hiệu
11. Điều khiển đo, tính toán và hiển thị kết quả
Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý đo của thiết bị đo độ nhám bề mặt
- Máy đo độ nhám này có thể được kết nối với máy tính và sử dụng phần mềm phân tích Surfpak-SJ của hãng Mitutoyo để phân tích độ nhám bề mặt một cách rộng hơn.
- Đầu đo có ảnh hưởng đáng kể tới kết quả cần đo:
Hình 3.7 Cần đo của thiết bị đo độ nhám bề mặt SJ301
Ký hiệu 178-395; bán kính đầu đo r=2µm; áp lực đầu cần 0,75mN
68
b) Thiết bị đo nhiệt độ
- Mã hiệu: IRtec microray Xtreme
- Xuất xứ: Eurotron – nƣớc Tây Ban Nha
- Thiết bị hoạt động bình thường
- Thông số kỹ thuật:
+) Loại thiết bị đo nhiệt IR +) Khoảng đo: -30 0C đến 760 0 C +) Độ chính xác: ± 10 C +) Độ phân giải: 0,10 C
+) Thời gian có kết quả: 500 ms, 95% kết quả đo +) Khoảng cách xa nhất từ thiết bị tới chi tiết đo: 3000 mm
Hình 3.8 Thiết bị đo nhiệt IR Microray Xtreme
- Sơ đồ khối của thiết bị đo nhiệt IR:
Hình 3.9 Sơ đồ cấu tạo thiết bị đo nhiệt IR Microray Xtreme
1. Thấu kính hội tụ; 2. Bộ tách và dò hồng ngoại; 3. Khuyếch đại; 4. Chuyển đổi A/D; 5. Bộ vi sử lý; 6. Chuyển đổi D/A;
7. Mạch điện; 8. Giao diện số
- Nguyên lý đo:
+) Chuyển đổi bức xạ hồng ngoại phát ra từ chi tiết cần đo nhiệt thành tín hiệu điện +) Loại bỏ bức xạ của môi trường xung quanh và dụng cụ đo
69
- Điều kiện đo tốt nhất khi điểm sáng lazer nằm gọn trong vật thể cần đo - Phạm vi mục tiêu cần đo:
Hình 3.10 Phạm vi của mục tiêu cần đo
3.2.4 Chế độ gia công
Ba mức được xác định cho mỗi thông số được cho ở bảng dưới. Các mức thông số được lựa chọn phụ thộc vào chỉ dẫn về loại mảnh cắt [21].
Bảng 3.2: Các mức giá trị thông số công nghệ S, V, t0
Các thông số công nghệ Mức 1 Mức 2 Mức 3
Tốc độ cắt V(m/phút)/(vòng/phút)
Đƣờng kính dao phay D = 100 mm 110/350 150/475 190/610
Lƣợng chạy dao S (mm/vòng) 0,5 0,3 0,07
Chiều sâu cắt t0 (mm) 2,0 1,5 0,5
Số thí nghiệm: 3x3x3 = 27 (LOA = 27: sự sắp xếp trực giao tiêu chuẩn được chọn, do đó 27 hàng, 26 bậc tự do)
3.2.5 Dung dịch trơn nguội
Sử dụng dung dịch trơn nguội dành cho gia công cắt gọt kim loại: Lactucalt 2
3.2.6 Nhiệt độ môi trường xung quanh: t0 = 250C ÷ 320C
3.2.7 Thực hiện gia công
3.2.7.1 Thiết kế chi tiết trên phần mềm: Master Cam X5
Dùng phần mềm MasterCam X5 để hỗ trợ chương trình phay CNC - Vẽ phôi cần phay: Kích thước phôi là 10 mm x 150 mm x 500 mm
70
- Khai báo loại hình gia công: Có 4 loại hình gia công cắt gọt là phay, tiện, cắt dây, bào. Trên hình 3.11 chọn loại hình gia công là phay.
Hình 3.11 Khai báo loại hình gia công: Gia công phay
- Khai báo phôi: Bao gồm khai báo các kích thước X =500; Y=150; Z=10
Hình 3.12 Khai báo phôi
- Khai báo chế độ gia công: Bao gồm chọn tốc độ quay trục chính (tốc độ cắt quy đổi), chiều quay (phay thuận hay phay nghịch), lượng chạy dao S.
71
Hình 3.13 Khai báo chế độ gia công
- Khai báo loại dao và các thông số của dao: Chọn loại dao phay mặt đầu (Face Mill), và các thông số của dao như đường kính dao, bán kính đầu mũi mảnh cắt.
72
- Khai báo chiều sâu cắt: Chọn chiều sâu cắt theo lần lượt t01 = 2mm; t02 = 1,5mm; t03 = 0,5mm
Hình 3.15 Khai báo chiều sâu cắt
- Mô phỏng gia công trên máy: Khi mô phỏng gia công cho thấy một cách trực quan quỹ đạo chuyển động của dao cắt.
73
- Xuất chương trình NC: chuyển sang file NC để nạp vào máy phay CNC- Miyakawa.
Hình 3.17 Xuất file NC
- Sau khi chương trình đã được nạp vào máy
Hình 3.18 Màn hình điều khiển sau khi chương trình đã được nạp
3.2.7.2 Tiến hành gia công
- Gá đặt mẫu lên bàn máy: Việc gá đặt mẫu lên bàn máy phải đảm bảo sự cứng vững khi gia công. Sử dụng đồng hồ so để lấy chuẩn và phẳng khi gia công. - Khi gia công:
74
Hình 3.19 Bề mặt mẫu sau khi gia công trên máy phay CNC-Miyakawa
3.2.7.3 Kết quả thí nghiệm
a) Kết quả đo nhám với các thông số S, V, t0 thay đổi:
Bảng kết quả độ nhám khi gia công thử trên mẫu với các mảnh dao cắt hợp kim hình tam giác ký hiệu G10E.
Điều kiện đo:
- Nhiệt độ tại nơi làm việc t0 = 320C
- Chi tiết đã được tháo khỏi bang máy, bề mặt chi tiết được giữ nguyên trạng khi vừa gia công trên máy, đảm bảm môi trường xung quanh sạch sẽ.
- Kiểm tra thiết bị đo trước khi đo: độ nhám của mẫu chuẩn là Ra= 2,94 µm; Rz= 9,3µm so với kết quả hiển thị trên màn hình thiết bị là Ra=2,95 µm; Rz=9,4 µm. Kết quả nằm trong sai số cho phép 5%. Vậy thiết bị hoạt động bình thường.
- Đo theo chiều vuông góc với vết gia công
- Kết quả tính theo công thức 2.16 khi yi là các giá trị Ra.
Bảng 3.3: Bảng sắp xếp trực giao tiêu chuẩn và kết quả thí nghiệm
STT Chế độ cắt Thông số độ nhám Ra (dB) V S t0 Ra(µm) Rz(µm) Rq(µm) 1 1 1 1 5,92 16,08 6,45 -15,446 2 1 1 2 5,68 15,89 6,2 -15,087 3 1 1 3 7,12 17,28 7,64 -16,976 4 1 2 1 5,87 16,03 6,39 -15,373
75 5 1 2 2 4,79 15,55 5,31 -13,607 6 1 2 3 6,23 16,36 6,75 -15,89 7 1 3 1 4,89 15,05 5,41 -13,786 8 1 3 2 4,58 14,79 5,1 -13,217 9 1 3 3 5,38 15,54 5,9 -14,616 10 2 1 1 4,78 14,94 5,3 -13,589 11 2 1 2 4,56 14,72 5,09 -13,179 12 2 1 3 5,22 15,38 5,74 -14,353 13 2 2 1 2,74 12,92 3,27 -8,755 14 2 2 2 2,62 12,80 3,14 -8,366 15 2 2 3 3,58 13,76 4,1 -11,078 16 2 3 1 2,64 12,86 3,16 -8,4321 17 2 3 2 2,39 12,55 2,92 -7,568 18 2 3 3 3,39 13,57 3,91 -10,604 19 3 1 1 4,20 14,39 4,72 -12,465 20 3 1 2 3,82 13,98 4,34 -11,641 21 3 1 3 4,72 14,88 5,24 -13,479 22 3 2 1 2,54 12,74 3,06 -8,0967 23 3 2 2 2,34 12,52 2,86 -7,3843 24 3 2 3 3,10 13,26 3,62 -9,8272 25 3 3 1 2,37 12,53 2,90 -7,495 26 3 3 2 2,18 12,39 2,92 -6,7691 27 3 3 3 2,46 12,62 2,98 -7,8187
b) Kết quả đo độ nhám bề mặt khi phay mẫu với mảnh dao cắt có hình dáng hình học khác nhau
76
Bảng 3.4: Kết quả đo độ nhám với mỗi loại mảnh dao cắt khác nhau
Loại mảnh dao cắt (theo chiều tăng bán kính mũi dao r )
Kết quả đo độ nhám Ra / Rz (µm) Lần đo 1 Lần đo 2 Lần đo 3
Mảnh cắt hình tam giác - Kích thước 16x16x16 mm, dầy 6 mm - Bán kính r 0,4 mm 2,62/12,78 2,89/13,05 3,12/13,33 Mảnh cắt hình bình hành - Kích thước 22x14 mm - Dầy 8 mm - Bán kính r 1,2 mm 2,34/12,5 2,58/12,74 4,56/14,72 Mảnh cắt hình tròn - Đường kính D = 12mm - Dầy 7mm - Bán kính r = 6 mm