Bề mặt cánh dẫn được làm nhẵn tương đương Rz20 trên máy phay CNC theo chương trình, và việc định tâm trục cánh được thực hiện theo dung sai và kích thước ghi trên bản vẽ biên dạng cánh
Các bề mặt X, Y cần được lấy dấu trước khi gia công sao cho bảo đảm khoảng cách khi lắp như sau:
⁃ Tại vị trí +6°, khoảng cách giữa mặt X so với bầu bánh công tác là 0.3 ⁃ Tại vị trí -9°, khoảng cách giữa mặt Y so với bầu bánh công tác là 0.3 Sai lệch về trọng lượng tương đối giữa ba cánh dẫn sau khi gia công ≤ 10g. Vạch dấu chia độ trên chuôi (Theo B) theo thiết kế prôphin cánh.
2.5.2 Điều kiện làm việc và vật liệu chế tạo máy bơm hướng trục:
Máy bơm hướng trục là một loại máy cánh được sử dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế như bơm cấp nước, tưới tiêu trong ngành nông nghiệp như tưới tiêu thủy lợi, thủy sản, tiêu úng cho các vùng dân cư đô thị cũng như cấp nước v.v…. nó được sử dụng trong các môi trường nước sạch, nước lợ, nước mặn và cả trong các điều kiện nước có tính ăn mòn cao, vì vậy cánh máy bơm có thể được chế tạo phù hợp theo các môi trường cụ thể tùy theo điều kiện của khu vực và có thể sử dụng các vật liệu sau:
⁃ Vật liệu bằng gang;
⁃ Vật liệu bằng hợp kim thép ⁃ Vật liệu bằng hợp kim nhôm; ⁃ Vật liệu bằng thép chống rỉ.
⁃ Một số có thể chế tạo bằng nhựa chuyên dụng.
2.6 Kết luận chương 2:
Từ các kết quả phân tích và đánh giá tổng quan đã trình bày trong chương này, tác giả đã đi đến một số kết luận chính như sau:
⁃ Đánh giá được tổng quan về bơm hướng trục, các phương pháp tính toán thiết kế cánh máy bơm và lựa chọn phương pháp tính toán thiết kế cánh máy bơm hợp lý đảm bảo yêu cầu về thủy động học;
66
⁃ Là cơ sở của hướng nghiên cứu, thiết kế và mô hình hóa cánh máy bơm hướng trục bằng phầm mềm SOLIDWORKS.
⁃ Sản phẩm cánh máy bơm được thiết kế và mô hình hóa trên mô hình 3D từ các số liệu được cung cấp của Viện Bơm và Thiết bị Thủy lợi làm cơ sở cho thực nghiệm, xử lý số liệu thực nghiệm và chế tạo cánh máy bơm sau khi lựa chọn được các thông số tối ưu ở phần nghiên cứu thực nghiệm và xử lý số liệu thực nghiệm.
67
CHƯƠNG 3.PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THỰC NGHIỆM TAGUCHI
Trong quá trình gia công mặt tự do trên máy phay CNC 3 trục có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác tạo hình bề mặt như: Cusp [28], scallop height, [24], [25], [26], [27], [29] - [32]; Hình học dụng cụ, bước tiến ngang (Step Over distance), hướng gia công [33]; Tốc độ trục chính, chiều sâu cắt [33]; Tốc độ cắt, Feed rate [34]...
Trong nội dung chương 1 tác giả đã phân tích và phân loại các yếu tố gây ảnh hưởng tới độ chính xác tạo hình mặt tự do trên máy phay CNC 3 trục thành hai nhóm: Nhóm thứ nhất gồm các yếu tố liên quan đến kiểu, loại thiết bị hoặc đường dụng cụ; Nhóm thứ hai gồm các thông số cụ thể đối với thiết bị hoặc đường dụng cụ tương ứng.
Nội dung chương 3 tác giả sẽ thiết kế thực nghiệm theo phương pháp Taguchi trên cơ sở áp dụng kết quả của nội dung chương 1 và chương 2 đối với các tham số điều chỉnh cụ thể là: Kiểu đường dụng cụ (T), bước tiến ngang (S0) và đường kính dụng cụ (D) nhằm mục đích xây dựng cơ sở dữ liệu để áp dụng cho nội dung thực nghiệm và đánh giá kết quả thực nghiệm trong chương 4.
3.1 Giới thiệu phương pháp Taguchi:
Phương pháp Taguchi là phương pháp liên quan đến việc giảm sự thay đổi trong một quá trình thông qua các thiết kế mạnh mẽ của các thí nghiệm. Mục đích của phương pháp này là tạo ra sản phẩm chất lượng cao với chi phí thấp cho các nhà sản xuất. Phương pháp này được xây dựng bởi tiến sĩ Genichi Taguchi (Nhật Bản), là người đã tạo ra sự thay đổi đó. Vì rằng, chất lượng thấp trong một quá trình ảnh hưởng đến không chỉ các nhà sản xuất mà còn đến cả xã hội.
Tiến sĩ G.Taguchi đã phát triển một phương pháp thiết kế các thực nghiệm, để nghiên cứu biện pháp xác định các thông số khác nhau ảnh hưởng đến giá trị trung bình và phương sai (average value and variance) của đặc tính hiệu suất quá trình, xác định xem quá trình này hoạt động tốt như thế
68
nào. Thiết kế thực nghiệm Taguchi đề xuất liên quan đến việc sử dụng các ma trận trực giao để tổ chức các thông số ảnh hưởng đến quá trình và các mức, mà tại đó chúng sẽ được thay đổi. Nó cho phép việc thu thập các dữ liệu cần thiết để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hầu hết chất lượng sản phẩm với một số lượng tối thiểu của thí nghiệm, do đó tiết kiệm thời gian và nguồn lực. Phân tích phương sai dựa trên các dữ liệu thu thập được từ các thiết kế thực nghiệm Taguchi, có thể được sử dụng để chọn cá giá trị thông số mới nhằm tối ưu hóa các đặc tính hiệu suất.
Phương pháp Taguchi có các đặc điểm như sau:
1. Phương pháp Taguchi bổ sung cho 2 phương pháp quy hoạch thực nghiệm toàn phần (TNT) và riêng phần (TRT).
2. Phương pháp Taguchi dựa trên ma trận thực nghiệm trực giao xây dựng trước và phương pháp để phân tích đánh giá kết quả.
3. Các nhân tố có thể có 2, 3, 4, 5,…8 mức giá trị.
4. Phương pháp Taguchi sử dụng tốt nhất với số nhân tố khảo sát từ 3 đến 50, số tương tác ít và khi chỉ có một số ít nhân tố có ý nghĩa.
Phương pháp Taguchi sử dụng tỷ số tín hiệu/nhiễu (signal-to-noise) S/N được chuyển đổi từ hàm số mất mát L = k (y - m)2 , trong đó L là mất mát do sai lệch giá trị đáp ứng y nhận được so với giá trị đáp ứng m mong muốn, k là hằng số. Tỷ số S/N được xây dựng và chuyển đổi để tính toán cho 3 trường hợp chính:
- Nếu giá trị đáp ứng yi cần đạt “Lớn hơn tốt hơn” thì:
S N= -10log10 1 n 1 yi2 n i=1 (3.1)
- Nếu giá trị đáp ứng yi cần đạt “Nhỏ hơn tốt hơn” thì:
S
N= -10log10 1
n (3.2)
69
= 10 (3.3)
Trong đó:
= 1 ; = 1
− 1 ( − ) (3.4)
với n, s, ȳ lần lượt là số thí nghiệm lặp, độ lệch chuẩn và giá trị trung bình. Trong mọi trường hợp, tỷ số S/N càng lớn thì đặc tính nhận được càng tốt. Do không sử dụng toàn bộ các tổ hợp thí nghiệm nên phương pháp Taguchi không đưa ra được một con số chính xác về ảnh hưởng của một thông số đầu vào (nhân tố) nào đó đến kết quả đầu ra mà chỉ mang tính chất định hướng. Mặc dù vậy, bằng việc đánh giá qua tỷ số S/N giúp những nhà công nghệ biết xu hướng và mức độ ảnh hưởng của từng thông số công nghệ đến kết quả đầu ra. Từ các nhận biết này sẽ giúp các nhà nghiên cứu nhanh chóng tìm ra các thông số công nghệ và phạm vi cần tác động để nhận được hiệu quả đầu ra tốt nhất. Trên cơ sở đánh giá ảnh hưởng riêng lẻ các thông số có thể tìm ra được tổ hợp các thông số công nghệ tối ưu cho kết quả đặc tính đầu ra mong muốn. Nhiều nghiên cứu và ứng dụng từ những năm 1970 đã chỉ ra rằng phương pháp Taguchi có thể sử dụng cho nghiên cứu hàn lâm, cũng như cho những ứng dụng trong sản xuất và đặc biệt phù hợp cho những người có hiểu biết hạn chế về thống kê.
3.2 Xây dựng mô hình Taguchi: 3.2.1 Mục đích: 3.2.1 Mục đích:
Xây dựng mô hình thực nghiệm Taguchi được thiết kế trên ma trận trực giao Taguchi, có mục đích khảo sát ảnh hưởng cáu các yếu tố công nghệ chính khi số lượng các yếu tố và chi phí thí nghiệm lớn. Trong thiết kế thí nghiệm Taguchi, các yếu tố có thể nhận không chỉ hai mức mà còn có thể nhiều hơn. Thêm nữa, các yếu tố trong một kế hoạch thí nghiệm có thể nhận mức giá trị khác nhau. Trong phạm phi luận văn tác giả xây dựng mô hình
70
thực nghiệm Taguchi nhằm mục đích xác định các thông số công nghệ chính cụ thể là đường chạy dao (T), bước tiến ngang (S0) và đường kính dụng cụ (D) đến độ chính xác tạo hình bề mặt tự do áp dụng với bề mặt cánh máy bơm hướng trục đồng thời xác định mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ chính xác tạo hình bề mặt của chúng. Từ đó lựa chọn được bộ thông số công nghệ tối ưu áp dụng trong công nghệ gia công cánh máy bơm hướng trục trên máy phay CNC 3 trục.
3.2.2 Xây dựng ma trận thực nghiệm:
3.2.2.1. 1. Chọn các nhân tố độc lập:
Biến điều khiển (Control Variable) và biến đáp ứng (Response - thông số đầu ra), hàm mục tiêu (Objective Function)
Như đã phân tích sự ảnh hưởng của đường dụng cụ, bước tiến ngang và đường kính dụng cụ ở chương 1 đến độ chính xác tạo hình bề mặt tự do. Phần này tác giả lựa chọn các biến điều khiển cụ thể như sau:
- Kiểu đường dụng cụ T - Bước tiến ngang S0 (mm) - Đường kính dụng cụ D (mm).
Ngoài ba yếu tố công nghệ chính, chất lượng độ chính xác tạo hình bề chi tiết gia công còn chịu ảnh hưởng của các yếu tố khác như: Vật liệu dao, vật liệu gia công, kết cấu hình học dao, loại máy, độ cứng vững của hệ thống công nghệ, rung động trong quá trình cắt gọt.
Biến đáp ứng trong luận văn được chọn là độ chính xác tạo hình bề mặt tự do của cánh máy bơm có dạng mặt elip lồi, lõm để thiết kế và xây dựng mô hình thực nghiệm Taguchi.
3.2.2.2. Xác định miền giá trị các nhân tố ảnh hưởng đến mục tiêu:
Các mối các quan hệ có thể có giữa các nhân tố (bậc tự do - Degree of Freedom) và phân bố toàn bộ miền giá trị của các nhân tố thành các mức (Level), ở phạm vi luận văn các mức được thể hiện tại Bảng 3.1. Các tác
71
nhân chính ảnh hưởng tới chỉ tiêu chất lượng về độ chính xác tạo hình bề mặt chi tiết sau quá trình gia công: Đường chạy dao (T), bước tiến ngang (S0) và đường kính dụng cụ (D), (Bảng 3.1). Ngoài ba yếu tố công nghệ chính, chất lượng độ chính xác tạo hình bề chi tiết gia công còn chịu ảnh hưởng của các yếu tố khác như: Vật liệu dao, vật liệu gia công, kết cấu hình học dao, loại máy, độ cứng vững của hệ thống công nghệ, rung động trong quá trình cắt gọt.
Bảng 3.1 Giá trị các nhân tố trong thực nghiệm
TT Thông số thiết kế Ký hiệu nhân tố Mức độ thông số công nghệ Khoảng Thay đôi Tự nhiên Mã
hóa Thấp Cơ sở Cao
1 Đường dụng cụ T 1 Zingzag Oneway Spiral -
2 Bước tiến ngang S0 2 0.10 0.45 0.80 0.70
3 Đường kính
dụng cụ D 3 4 6 8 4
3.2.2.3. 3. Lựa chọn dạng ma trận quy hoạch thực nghiệm:
Trong nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ như: Đường dụng cụ (T), bước tiến ngang (S0), đường kính dụng cụ đến độ chính xác tạo hình bề mặt tự do mặt sau khi gia công chi tiết trên máy phay CNC. Nếu quy hoạch thực nghiệm toàn phần ta cần N = 33 = 27 thí nghiệm. Đối với quy hoạch Taguchi ta chọn ma trận quy hoạch trực giao L9 với N = 33-1
= 9 thí nghiệm. Việc đánh giá tỷ lệ S/N giúp các nhà công nghệ biết xu hướng và mức độ ảnh hưởng của từng thông số đến độ chính xác hình học của chi tiết gia công. Từ các nhận biết đó giúp các nhà nghiên cứu nhanh chóng tìm ra các thông số chế độ cắt và phạm vi cần tác động để tìm thông số công nghệ gia công là tốt nhất. Đồng thời từ đó cũng đánh giá riêng lẻ các ảnh hưởng của các thông số công nghệ.
Tùy vào số nhân tố và số mức giá trị, trong luận văn này tác giả sử dụng lựa chọn bẳng trự giao với ma trận quy hoạch L9 như Bảng 3.2: cột là các
72
nhân tố, hàng là các thí nghiệm (n) trên Mục 3.2, phụ thuộc số mức giá trị và số nhân tố. Bảng 3.2 Ma trận quy hoạch L9 n Các nhân tố Giá trị đáp ứng yi Tỉ số S/N x1 x2 x3 1 1 1 1 y1 ……… 2 1 2 2 y2 ……… 3 1 3 3 y3 ……… 4 2 1 2 y4 ……… 5 2 2 3 y5 ……… 6 2 3 1 y6 ……… 7 3 1 3 y7 ……… 8 3 2 1 y8 ……… 9 3 3 2 y9 ……… 3.2.2.4. Tiến hành thực nghiệm:
Để thu thập số liệu các giá trị đáp ứng (thông số đầu ra). Trong một số trường hợp trong mỗi thực nghiệm ta lặp n lần. Phân tích thống kê dữ liệu thực nghiệm.
3.2.2.5. Phân tích số liệu theo tỉ số S/N:
Tỷ số S/N phụ thuộc vào mục tiêu “lớn hơn tốt hơn - Higher-the-better”, “Nhỏ hơn tốt hơn - Lower-the-better” hoặc “Đánh giá ảnh hưởng của các nhân tố” ta sử dụng Công thức (3.1) đến (3.3). Sau đó xác định giá trị thí nghiệm tối ưu của các nhân tố.
3.2.2.6. Phân tích giá trị trung bình (ANalysis of Mean - ANOM) và phân tích phương sai (ANalysis of Variance - ANOVA)
Để xác định ảnh hưởng của các nhân tố đến kết quả đầu ra ta sử dụng phân tích giá trị trung bình (ANalysis of Mean - ANOM) và phân tích phương sai (ANalysis of Variance - ANOVA), xác định mức độ ảnh hưởng của các nhân tố đến kết quả đầu ra. Kết quả bước này được trình bày tương ứng trong Bảng 3.3.
73
Bảng 3.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến thông số đầu ra
TT Nhân tố
Tỷ lệ S/N trung bình cho giá trị đáp ứng với
các mức giá trị Trung bình Lớn (nhỏ) nhất max (min) Hiệu số Max - m (m – min) Hiệu số Max - m (m – min) 1 2 3 1 T x 2 S0 (mm) x 3 D (mm) x 4 (mm) x
Giá trị trung bình m của các tỉ số S/N cho mỗi mức giá trị của mỗi nhân tố được xác định theo công thức:
mj = = 1 (3.5)
trong đó p là số phần tử cùng mức giá trị của nhân tố j.
Sai lệch có thể được đánh giá bằng các đại lượng khác nhau, cụ thể có thể thực hiện theo 3 cách cho nhân tố thứ j:
⁃ Tổng sai lệch trung bình của các mức giá trị:
Sj = h −h (3.6)
⁃ Tổng bình phương sai lệch trung bình của các mức giá trị:
Sj = h −h (3.7)
⁃ Tổng bình phương sai lệch trung bình giữa các mức giá trị:
74
Mức độ ảnh hưởng của mỗi nhân tố được đánh giá bằng tỷ lệ % giữa sai lệch Sj của nhân tố đó so với tổng sai lệch của tất cả các nhân tố (với k số nhân tố):
3.2.2.7. Tính toán lại hàm mục tiêu theo bộ giá trị nhân tố tối ưu và kiểm chứng bằng thực nghiệm.
Đây là bước bổ sung, vì ở phần 3.2.2.5 đã tính đến ảnh hưởng của các nhân tố theo tỷ số S/N.
Phương pháp Taguchi đơn giản, số thí nghiệm ít, có thể định lượng hoặc định tính. Tuy nhiên phương pháp có nhược điểm:
- Do số liệu rời rạc nên phương án nhận được chỉ gần tối ưu. - Không đưa được các điều kiện ràng buộc.
- Giải được bài toán đơn mục tiêu.
3.2.3 Điều kiện thực nghiệm:
3.2.3.8. Sơ đồ thực nghiệm:
Hình 3.1 Sơ đồ thực nghiệm
3.2.3.9. Lựa chọn phôi:
Mẫu phôi dùng trong thực nghiệm có dạng khối hộp: L x W x H = 190x 100 x 90 (mm) (hình 3.2). Vật liệu phôi được sử dụng là hợp kim nhôm AL6061 có thành phần hóa học (Bảng 3.4).
CÁC YẾU TỐ ĐẦU VÀO - Kiểu đường dụng cụ T; - Bước tiến ngang Sn (mm) - Đường kính dựng cụ D (mm) - Mẫu thí nghiệm 9 mẫu - Mẫu thiết kế thí nghiệm - Các yếu tố nhiễu
- Các yếu tố về thống số chế độ cắt cho trước không thay đổi trong suốt quá trình thực nghiệm
CÁC YẾU TỐ ĐẦU RA - Cánh máy bơm đã gia công một mặt
- Mức độ sai số trung bình so với mẫu thiết kế;