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; - % mức độ ảnh hưởng của các tham số: Đường dụng cụ, bước tiến ngang và đường kính dụng cụ QUÁ TRÌNH CẮT TRÊN MÁY PHAY CNC 3 TRỤC + TAGUCHI
75
Bảng 3.4 Thành phần hóa học chính của hợp kim nhôm 6061
Mác nhôm
Thành phần hóa học %
Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Al
6061 0,4-0,8 0,7 0,15-0,4 0,15 0,8-1,2 0,04-0,35 0,25 0,15 Còn lại
Hình 3.2 Phôi hợp kim nhôm 6061sử dụng cho thực nghiệm
3.2.3.10.Thiết kế mẫu thực nghiệm:
Mẫu thực nghiệm có vật liệu là nhôm AL6061, được thiết kế có mặt tự do có những điểm cụ bộ dạng cánh máy bơm với elip lồi và lỗm, kích thước theo hai chiều trục X và Y là 200x100mm (Hình 3.3).
76
3.2.3.11.Máy dùng trong thực nghiệm:
Thực nghiệm chế tạo được thực hiện trên máy phay CNC 3 trục ký hiệu MORISEIKI NVX5060 dùng hệ diều hành Mitsubishi M730BM xuất xứ Nhật bản (Hình 3.4), các thông số kỹ thuật máy ở (bảng 3.5).
Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật máy phay CNC 3 trục MORISEIKI NVX5060
TT Tên đặc tính Giá trị 1 Tốc độ trục chính lớn nhất 12.000 rpm 2 K/c dịch chuyển theo X 600 mm 3 K/c dịch chuyển theo Y 530 mm 4 K/c dịch chuyển theo Z 510 mm 5 Số trục 3 6 Hệ điều hành Mitsubishi M730BM
7 Chiều dài bàn máy 900 mm
8 Chiều rộng bàn máy 600 mm
9 Phôi nặng tối đa 800 kg
10 Số pockets 30
77
3.2.3.12.Dụng cụ cắt:
Dụng cụ cắt sử dụng dao phay đầu cầu có ký hiệu: 2F*R2*4*8*50; 2F*R3*6*12*50; R4*16*60-2F; ALU, sản xuất tại Đức (Hình 3.5). Các thông số dụng cụ cắt được thể hiện ở (bảng 3.6). Bảng 3.6 Thông số của dụng cụ cắt No Tính chất Ký hiệu Giá trị (mm) 1 2 3 1 Đường kính dao Dd 4 6 8
2 Đường kính danh nghĩa D 4 6 8
3 Bán kính góc Rc 2 3 4
4 Tổng chều dài L 50 50 60
5 Độ dài phần cắt Lc 8 12 16
Hình 3.5 Dụng cụ cắt sử dụng trong thực nghiệm
3.3 Phương pháp kiểm tra đánh giá độ chính xác tạo hình: 3.3.1 Phương pháp kiểm tra bằng RE: 3.3.1 Phương pháp kiểm tra bằng RE:
3.3.1.1. Giới thiệu về công nghệ thiết kế ngược
Trên phạm vi rộng công nghệ thiết kế ngược được định nghĩa là hoạt động bao gồm các bước phân tích để lấy thông tin về sản phẩm đã có sẵn
78
(bao gồm thông tin về chức năng các bộ phận, đặc điểm về kết cấu hình học, vật liệu, tính công nghệ) sau đó tiến hành khôi phục lại mô hình CAD cho chi tiết hoặc phát triển thành sản phẩm mới, sử dụng CAD/RP/CNC để chế tạo sản phẩm. Công nghệ thiết kế ngược đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như hóa học, điện tử, xây dựng, cơ khí, y học, nghệ thuật. Ví dụ trong xây dựng, chúng ta luôn học hỏi kỹ thuật thiết kế cũng như thi công của những công trình hoàn thiện của thế giới để giảm thiểu những sai sót. Giảm thời gian thiết kế và tăng thêm những ưu việt cho những công trình của mình.
Trong lĩnh vực cơ khí chế tạo, công nghệ thiết kế ngược được định nghĩa là hoạt động tạo ra sản phẩm từ các mẫu sản phẩm cho trước mà không có bản vẽ thiết kế hoặc đã bị mất hay không rõ dàng. Sản phẩm mới được tạo ra trên cơ sở khôi phục nguyên vẹn hoặc phát triển lên từ thực thể ban đầu .
Từ khi ra đời vào những năm 90 của thế kỷ trước, công nghệ thiết kế ngược đã được nghiên cứu, áp dụng trong nhiều lĩnh vực phát triển nhanh sản phẩm, đặc biệt là trong lĩnh vực thiết kế mô hình 3D từ mô hình đã có sẵn nhờ sự trợ giúp của máy tính. Kỹ thuật thiết kế ngược ngày càng phát triển theo sự phát tiển của các phần mềm CAD/CAM. Nó luôn được quan tâm và cũng liên tục được cải tiến để đáp ứng để đáp ứng nhu cầu của xã hội trên nhiều lĩnh vực sản xuất. RE trở thành 1 bộ phận quan trọng của sản xuất hiện tại. Đã có nhiều công ty của nhiều quốc gia ứng dụng hiệu quả và rất thành công công nghệ này.. Nhiều sản phẩm như xe máy, ô tô, máy móc hàng loạt đồ gia dụng, đồ chơi đã được sản xuất dựa trên sự sao chép các mẫu có sẵn trên thị trường của các hãng nổi tiếng của Nhật, Hàn Quốc như Honda, Misubishi, Toyota…
Ở Việt Nam, trong những năm trở lại đây công nghệ thiết kế ngược cũng đã được áp dụng nhiều vào sản xuất dần mang tính chuyên nghiệp. Việc ứng dụng các thiết bị số hóa công nghệ cao chuyên dụng, các phần mềm thiết kế ngược đã được sử dụng nhiều. Có 1 số công ty có thế mạnh về lĩnh vực này như, Trung tâm số hóa công nghệ CAD/CAM hay các viện các trường đại học
79
như trường Đại Học GTVT, Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã có máy quét 3D để làm dịch vụ và nghiên cứu.
3.3.1.2. Ưu nhược điểm của công nghệ thiết kế ngược
Ưu điểm.
+ Kiểm tra chất lượng sản phẩm bằng cách so sánh mô hình CAD với sản phẩm, từ đó điều chỉnh mô hình hoặc các thông số công nghệ để tạo ra sản phẩm đạt yêu cầu.
+ Mô hình CAD đựơc sử dụng như là mô hình trung gian trong quá
trình thiết kế bằng cách tạo sản phẩm bằng tay trên đất sét, thạch cao, sáp…rồi quét hình để tạo mô hình CAD. Từ mô hình CAD này người ta sẽ chỉnh sửa theo ý muốn.
+ Giảm bớt thời gian chế tạo dẫn tới năng suất cao. + Chế tạo được nguyên mẫu mà không cần bản thiết kế.
Nhược điểm.
+ Cần có công nghệ hiện đại là các loại máy quét hình. + Giá thành cao.
3.3.1.3. Quy trình công nghệ thiết kế ngược:
Trong quy trình thiết kế thuận, xuất phát từ ý tưởng thiết kế (của người thiết kế hoặc của khách hàng mô tả sản phẩm), người thiết kế phác thảo sơ bộ sản phẩm (bản vẽ CAD). Bản vẽ phác thảo này sẽ được tính toán, phân tích, kiểm tra các thông số kỹ thuật, tính công nghệ (Dữ liệu được chuyển từ CAD sang CAE). Sau đó mô hình sẽ được tối ưu hóa đưa ra bản vẽ thiết kế (bản vẽ CAD) hoàn chỉnh. Tiếp theo qua các bước chuẩn bị công nghệ (CAPP), lập trình gia công (CAM), mô phỏng và chế tạo thử mẫu sản phẩm bằng phương pháp tạo mẫu nhanh (RP) hoặc trên các máy công cụ, máy CNC. Mẫu sản phẩm chế thử này sẽ được đem đi kiểm tra thực tế xem có thỏa mãn các yêu cầu đặt ra hay không. Nếu không đạt thì sẽ quay về chỉnh sửa lại từ bản vẽ phác thảo. Tiếp tục quá trình trên cho tới khi mẫu sản phẩm đạt yêu cầu thì mới đưa vào sản xuất thực sự.
80
Còn trong quy trình thiết kế ngược chúng ta làm ngược lại. Xuất phát điểm là 1 mẫu sản phẩm thực tế. Mẫu sản phẩm thực này được số hóa và xử lý bằng các thiết bị và phần mềm chuyên dụng để đưa ra mô hình CAD cụ thể. Sau đó được mô hình CAD cho sản phẩm rồi thì các công đoạn tiếp theo cũng giống như chu trình sản xuất thuận trải qua các bước tính toán, phân tích , tối ưu hóa trên các phần mềm CAE/CAM, chuẩn bị công nghệ (CAPP) gia công tạo mẫu nhanh hoặc lập trình gia công trên máy CNC hay các máy công cụ khác, kiểm tra thực tế cuối cùng mới đưa vào sản cùng mới đưa vào sản xuất đại trà.
Sản phẩm thực
Hình 3.6 Quy trình thiết kế ngược
Kiểm tra thực tiễn Chế thử, mô phỏng (CNC/CAM) Số hóa sản Xử lý dữ liệuSố hóa CAD/CAM/CAE/CAPP Sản xuất đại trà No
81
3.3.2 Phầm mềm Geomagic: