5.1 Tổ chức thực nghiệm
5.1.1 Đồ gá thay đổi góc dao
Để thay đổi các góc dao, chúng tôi sử dụng bộ đồ gá được thiết kế cho từng thí nghiệm. Bộ gá này cần được chế tạo chính xác để đảm bảo độ tin cậy của góc dao. Do đó các chi tiết được gia công kỹ lưỡng, sử dụng các máy gia công có độ tin cậy cao.
Các chi tiết của đồ gá sử dụng vật liệu thép làm khuôn SKD11 với các ưu điểm dễ gia công, độ cứng sau tôi tốt và có độ chịu mài mòn cao. Vật liệu sẽ qua công tác tạo hình trước khi được gia công trên máy CNC với độ chính xác rất cao. Sau đó các chi tiết sẽ được kiểm tra các kích thước bằng hệ thống đo ba tọa độ, có thể kiểm tra sai số về góc các chi tiết gá dao. Sau đó các chi tiết sẽ được đem xử lý nhiệt.
49
Hình 5.1.2 Bộ đồ gá dao có gắn cảm biến đo lực
5.1.2 Trang thiết bị đo
Trong các thí nghiệm, người thí nghiệm sử dụng các thiết bị đo có độ chính xác, tin cậy cao được chứng nhận.
Cảm biến đo lực Multicomponent Dynamometer Kistler Type 9257B
Đây là cảm biến đo lực ba thành phần để đo ba thành phần trực giao của lực. Cảm biến đo lực có độ cứng lớn và do đó tần số tự nhiên cao. Độ phân giải cao của nó cho phép ghi nhận những thay đổi động nhỏ nhất khi đo lực.
50
Hình 5.1.3 Cảm biến đo lực Multicomponent Dynamometer Kistler Type 9257B [39]
Bảng 5.1.1 Thông số của Cảm biến đo lực Multicomponent Dynamometer Kistler Type 9257B [39] Thuộc tính Đơn vị Thông số Phạm vi - Range Fx, Fy, Fz kN –5 ... 5
Fz for Fx and Fy≤0,5 Fz Fz kN –5 ... 10
Quá tải - Overload Fx, Fy,
Fz
kN –7,5/7,5
Fz for Fx and Fy≤0,5 Fz Fz kN –7,5/15
Ngưỡng - Threshold N <0,01
Độ nhạy - Sensitivity Fx, Fy pC/N ≈–7,5
Fz pC/N ≈–3,7
Độ tuyến tính - Linearity, all ranges %FS O
≤± 1
Độ cứng - Rigidity cx, cy kN/μ
m
51
cz kN/μ
m
>2 Tần số tự nhiên -Natural frequency fn(x, y,
z) kHz ≈3,5 Tần số tự nhiên (có gán đồ gá ) -Natural frequency fn(x, y) kHz ≈2,3 (mounted on flanges) fn(z) kHz ≈3,5
Nhiệt độ hoạt động - Operating temperature range (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
°C 0 ... 70
Điện dung - Capacitance Fx, Fy, Fz pF ≈220 Trở cách ly - Insulation resistance (20 °C) Ω >1013 Trở cách lý đất - Ground insulation Ω >108
Chuẩn bảo vệ - Protection class EN60529 - IP67
Khối lượng - Weight kg 7,3
Diện tích kẹp - Clamping area mm 100x170
Kết nối - Connection - - Fischer flange,9
52
Hình 5.1.4 Kích thước lắp ráp cảm biến đo lực trong quá trình tiện [39]
Hình 5.1.5 Hệ thống đo kết hợp với Laboratory charge amplifierType 5167A41xK
53
Bảng 5.1.2 Chuỗi thiết bị thường được sử dụng khi đo [39]
Cảm biến Cáp nối Amplifier kết hợp
integrated DAQ
Máy tính với
phần mềm
DynoWare Type 9257B Type 16xx Type 5167A…
Hệ thống đo độ nhám bề mặt MITUTOYO SJ-210/SJ-310 178-390
Đây là một dụng cụ đo cầm tay cho phép bạn đo độ nhám bề mặt dễ dàng và chính xác. Nó thực hiện các phân tích độ nhám tuân theo các tiêu chuẩn quốc tế khác nhau (EN ISO, VDA, ANSI, JIS) và các cài đặt tùy chỉnh. Kết quả thu được sau khi đo gồm: kết quả tính toán, hồ sơ đánh giá, đường cong biên độ. [40]
Hình 5.1.6 Hệ thống đo độ nhám bề mặt MITUTOYO SJ-210 178-390 [40]
Bảng 5.1.3 Thuộc tính Hệ thống đo độ nhám bề mặt MITUTOYO SJ-210 178-390 [40]
54
Thuộc tính Thông số
Lực đầu dò - Detector measuring force:
0,75 mN Góc đầu kim - Stylus tip
angle:
60°
Bán kính đầu kim - Stylus tip radius:
2 µm Khối lượng - Mass: 500 g
Traverse: 17.5 mm, 5.6 mm [S-type]
Phạm vi đo - Measuring range: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
16 mm, 4.8 mm [S-type] Chiều dài cáp - Cable length: 1 m
Phạm vi - Range: 360 µm
Kim - Stylus: Diamond Tip
Bán kính trượt - Skid radius: 40 mm Lực đo - Measuring force: 0.75 mN
Nguồn - Power supply: Via AC adapter (DC 7,5 V 1,5 W) built-in or rechargeable battery
Bán kính - Radius: 2 µm
Tự động ngủ - Auto-sleep: Automatic after 30 seconds Hệ đơn vị - Inch-Metric: Metric
Kính hiển vi Oxion Inverso materials science
Kính hiển vi Oxion Inverso cho khoa học vật liệu được sử dụng để quan sát các mảnh vật liệu lớn làm từ kim loại, gỗ, nhựa…
Oxion Inverso có sẵn với đèn chiếu sáng tương phản halogen 50 W mạnh mẽ. Bộ lọc phân cực và màu sắc làm cho thiết bị này phù hợp với nhiều ứng dụng. [41]
55
Hình 5.1.7 Kính hiển vi Oxion Inverso materials science [41]
5.1.3 Các công cụ phần mềm Phần mềm minitab
Minitab là phần mềm thống kê ứng dụng được phát triển ở Đại học Pennsylvania bởi Barbara F. Ryan, Thomas A. Ryan, Jr. và Brian L. Joiner năm 1972. Minitab là phiên bản thu gọn của phần mềm OMNITAB, phần mềm phân tích thống kê của NIST.
Từ thành công của phần mềm này, những người phát triển phần mềm đã sáng lập ra công ty Minitab Inc. vào năm 1983. Công ty này đặt trụ sở chính tại đại học Pennsylvania, có chi nhánh tại Coventry, Anh (Minitab Ltd.), Paris, Pháp (Minitab SARL) và Sydney, Úc (Minitab Pty.), đồng thời duy trì mạng lưới bán lẻ và văn phòng đại diện tại các nước khác.
Ngày nay, Minitab được ứng dụng trong phân tích 6 sigma và các phương pháp cải tiến quá trình khác sử dụng các công cụ thống kê. Theo số liệu của công ty,
56
Minitab được sử dụng tại hơn 4.000 trường đại học và cao đẳng trên thế giới và là phần mềm hàng đầu ứng dụng trong việc giảng dạy. [42]
5.1.4 Các bước tiến hành thực nghiệm
Quá trình thực nghiệm được người thí nghiệm thực hiện theo kế hoạch đã định trước. Trong mỗi thí nghiệm, vật mẫu thực nghiệm sẽ được cắt 3 lần, với tổng chiều dài trụ là 424 mm tương dương 7 phút 21,6 giây thời gian cắt.
Bảng 5.1.4 Quy trình thực hiện thí nghiệm
Bước Công việc Trang thiết bị cần sử dụng
1 Chuẩn bị đồ dùng ban đầu
2 Gá phôi - Máy tiện
- Bộ force sensor - Bộ gá dao
-Thân dao + mảnh dao -Máy tính+phần mềm 3 Gá dao
4 Gia công phôi lấy thông số lực cắt 5 - Dừng máy
- Lưu dữ liệu 6 Tháo phôi lưu trữ
Thay phôi Thay cạnh dao
Bảo quản trong phôi các bao nhựa (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bao bì-bút lông
7 GHI CHÚ CẠNH DAO- bảo quản trong các bao nhựa
8 Đo độ nhám - Máy đo độ nhám
57
9 Đo mòn - Kính hiển vi
- Máy tính
Hình 5.1.8 Hệ thống đo lực
Để đo độ lớn lực cắt trong quá trình gia công và lưu kết quả không những cần cảm biến mà còn cần các thiết bị chuyên dụng là bộ amplifier, USB DAQ, phần mềm được viết trên Labview để đọc và lưu giá trị tín hiệu. Trong thí nghiệm này tác giả chọn tần suất lấy mẫu là 1KHz.
Phương án gá đặt phôi trong thí nghiệm là kết hợp mân cặp và mũi chống tâm, giới hạn 5 bậc tự do.
58
Hình 5.1.10 Tổng quan máy tiện trước khi gia công
59
Hình 5.1.12 Qúa trình thu dữ liệu lực cắt
Thiết bị đo độ nhám được ca-líp kỹ lưỡng trước khi đo và trong khi đo.
60
Hình 5.1.14 Ca-líp máy đo độ nhám
Hình 5.1.15 Đo mòn dao
5.2 Phân tích kết quả bằng phương pháp đáp ứng bề mặt 5.2.1 Xử lý kết quả đo
Kết quả của phép đo là sản phẩm nhận thức của trình độ nhận thức của chúng ta. Nó phụ thuộc không những vào bản thân đại lượng đo, mà còn phụ thuộc vào
61
phương pháp đo, người đo, điều kiện môi trường trong đó phép đo được thực hiện.v.v..
Bất kỳ phép đo nào cũng có sai số, do đó kết quả đo luôn cần được xử lý để loại bỏ tối đa sai số.
Lực cắt
Kết quả lực cắt thu được được lưu dưới dạng ma trận độ lớn hiệu điện thế tín hiệu với thời gian. Kết quả này có gồm các sai số, nhiễu và bị trôi điểm 0 nên cần được xử lý trước khi sử dụng.
Trong thí nghiệm này, kết quả lực cắt được xử lý qua các bước sau:
Lọc nhiễu với bộ lọc thông thấp Butterworth với tần số cắt lớn hơn tốc độ quay trục chính, chọn 15Hz.
Hình 5.2.1 So sánh phổ của giá trị lực Fx của thí nghiệm thứ 4 trước và sau xử lý 6th-order lowpass Butterworth filter với tần số cắt là 15Hz
Lọc nhiễu trắng với bộ lọc moving mean với hệ số là 80 (lấy trung bình 1 vòng quay).
62
Loạt bỏ độ trôi điểm 0 tại điểm sắp cắt phôi (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Lấy kết quả trung bình khi lực cắt ở trạng thái ổn định của lần cắt thứ 2 của các thí nghiệm(từ giây thứ 60 đến thứ 100 khi cắt).
Hình 5.2.2 Biểu đồ thể hiện giá trị trung bình của các lực cắt thành phần của thí nghiệm thứ 4
Độ mòn
Giá trị độ mòn của mảnh dao được lấy trung bình ở khu vực B của mòn mặt sau. Qúa trình đo được làm trong môi trường có điều kiện nhiệt độ được đảm bảo ở nhiệt độ phòng 25 0C.
63
Hình 5.2.3 Các loại mòn mặt sau theo ISO Standard 3685-1993 (E) Tool Life Testing [38]
Hình 5.2.4 Hình chụp từ kính hiển vi Oxion Inverso materials science với độ phóng đại 200
64
Độ nhám của bề mặt sau gia công mẫu thí nghiệm được lấy trung bình ở 3 vị trí trên mặt trụ cách nhau 1200, mỗi vị trí được đo 2 lần. Qúa trình đo được làm trong môi trường có điều kiện nhiệt độ được đảm bảo ở nhiệt độ phòng 25 0C. Kết quả của các lần đo được xử lý sai số bằng cách loại bỏ các sai số thô thủ công.
Hình 5.2.5 Kết quả độ nhám hiển thị trên thiết bị khi đo với tiêu chuẩn ISO 1997
5.2.2 Kết quả và phân tích ANOVA
Các bước phân tích, tinh toán được hỗ trợ bởi phần MiniTab 18.
Sau quá trình thực hiện các thí nghiệm, chúng tôi đã thu được kết quả là các thông số về lực cắt, độ mòn và độ nhám được trình bày trong bảng dưới đây:
Bảng 5.2.1 Kết quả thí nghiệm Thí nghiệm Yếu tố Lực cắt (N) Mòn (Aver.Vb) Độ (μm) Độ Nhám (Ra) (μm) Φ (o) γO (o) λ(o) Fx Fy Fz F v 1 84 -3,6 -3,6 29,42 95,46 57,91 115,46 46,7 0,474 2 66 -3,6 -3,6 24,83 75,61 53,44 95,86 49,6 0,938 3 84 -8,4 -3,6 30,65 77,37 53,07 98,7 32,5 0,772 4 66 -8,4 -3,6 30,04 71,71 52,17 93,63 32,1 1,114 5 84 -3,6 -8,4 29,23 76,61 53,95 98,16 28,9 0,849
65 6 66 -3,6 -8,4 27,48 73,42 53,12 94,7 36,6 1,098 7 84 -8,4 -8,4 27,65 74,75 53,72 96,11 34,8 1,173 8 66 -8,4 -8,4 28,74 75,92 53,78 97,38 30,2 1,073 9 90 -6 -6 26,88 71,08 51,09 91,57 34,8 1,102 10 60 -6 -6 28,8 74,49 51,9 95,25 32,3 1,161 11 75 -2 -6 24,09 83,03 56,03 103,03 43,9 0,997 12 75 -10 -6 27,3 70,95 51,99 92,1 27,1 1,222 13 75 -6 -2 36,96 94,29 60,47 117,96 52,1 0,424 14 75 -6 -10 33,78 81,28 56,35 104,51 21,3 1,098 15 75 -6 -6 30,43 74,81 54,13 97,23 35,4 1,059 16 75 -6 -6 37,31 73,22 55,15 98,96 33,4 1,025 17 75 -6 -6 34,8 75,69 56,13 100,46 35,1 1,023 18 75 -6 -6 32,9 72,96 56,72 98,09 36,7 1,131 19 75 -6 -6 31,09 73,22 53,34 95,77 35,7 1,157 20 75 -6 -6 35,03 74,99 54,74 99,23 33,4 1,079
Bảng 5.2.2 Phân tích ANOVA cho Fx
DF Seq SS Phân phối Adj SS Adj MS F-Value P-Value Mô hình 8 219,995 82,59% 219,995 27,499 6,52 0,003 Tuyến Tính 3 14,019 5,26% 14,019 4,673 1,11 0,387 Φ 1 0,525 0,20% 0,525 0,525 0,12 0,731 γO 1 9,712 3,65% 9,712 9,712 2,30 0,157 λ 1 3,781 1,42% 3,781 3,781 0,90 0,364 Bậc hai 3 194,474 73,01% 194,474 64,825 15,37 0,000 Φ*Φ 1 58,900 22,11% 70,808 70,808 16,79 0,002 γO*γO 1 132,579 49,77% 127,896 127,896 30,33 0,000 λ*λ 1 2,996 1,12% 2,996 2,996 0,71 0,417 Tương tác 2 11,502 4,32% 11,502 5,751 1,36 0,296 Φ*γO 1 5,809 2,18% 5,809 5,809 1,38 0,265 γO*λ 1 5,693 2,14% 5,693 5,693 1,35 0,270
66
Lỗi 11 46,383 17,41% 46,383 4,217
Lack-of-Fit 6 12,265 4,60% 12,265 2,044 0,30 0,913 Pure Error 5 34,118 12,81% 34,118 6,824
Tổng 19 266,378 100,00%
Theo bảng 5.2.2, Fx bị chi phối phần lớn bởi hệ số bậc hai các đầu vào. Điển hình, giá trị góc Φ ở bậc hai có sự ảnh hưởng khá lớn tới Fx với 22,11 %; giá trị góc γO ở bậc hai chiếm gần ½ sự ảnh hưởng 49,77%. Còn các bậc một, tương tác và bậc hai của λ có sự ảnh hưởng không đáng kể tới Fx. Phần dư chiếm 17,41%, hàm hồi quy của Fx có khả năng dự đoán cũng khá chính xác.
Dưới đây là các biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của các góc hình học dao tới Fx:
Hình 5.2.6 Ma trận thể hiện sự ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào tới Fx
Bảng 5.2.3 Phân tích ANOVA cho Fy
DF Seq SS Phân phối Adj SS Adj MS F-Value P-Value
90 75 60 37,5 35,0 32,5 30,0 27,5 25,0 -3 -6 -9 -9 -6 -3 Φ Me an o