Phương pháp Taguchi là phương pháp tối ưu hóa các quá trình giao đoạn. Phương pháp được ứng dụng rộng rãi tại các nước phát triển trên thế giới đặc biệt tại Nhật Bản. Tuy nhiên, nó lại chưa được áp dụng nhiều tại Việt Nam. Việc nghiên cứu phương pháp Taguchi giúp tiết kiệm chi phí, thời gian thiết kế thí nghiệm, tăng độ chính xác cho các kết quả nghiên cứu thực nghiệm khi muốn đánh giá một quá trình cụ thể trong thực tế.
Thiết kế thực nghiệm trên cơ sở các thông số chế độ cắt như đã được phân tích, đánh giá ở chương 1 và các thông số về kích thước cũng như yêu cầu kỹ thuật của cánh máy bơm như kết quả của chương 2 đã thực hiện.
Ứng dụng phầm mềm thiết kế ngược và phần mềm Geomagic Design X để xử lý các số liệu nhằm cung cấp cho quá trình thực nghiệm và xử lý số liệu thực nghiệm trong chương 4.
84
CHƯƠNG 4.THỰC NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM 4.1 Thực nghiệm gia công 9 mẫu trên máy phay CNC 3 trục:
Chương 3 tác giả đã đi nghiên cứu thực nghiệm và thiết kế thực nghiệm với các tham số điều chỉnh cụ thể là: Kiểu đường dụng cụ (T), bước tiến ngang (S0) và đường kính dụng cụ (D)
Ở chương 4 này tác giả tiến hành thực nghiệm và đánh giá và xử lý số liệu thực nghiệm trên cơ sở phân tích và lựa chọn phương án thực nghiệm ở chương 3 để đánh giá mức độ chính xác và mức độ ảnh hưởng của các thông số điều khiển đến tạo hình bề mặt của bề mặt tự do nói chung và bề mặt cánh máy bơm hướng trục nói riêng. Từ đó lựa chọn bộ thông số gia công tối ưu và thực hành gia công mẫu cánh máy bơm trên máy phay CNC 3 trục.
4.1.1 Kế hoạch thực nghiệm:
⁃ Gia công thô 9 mẫu để lại lương dư gia công là 0,1 mm.
⁃ Gia công tinh tạo hình bề mặt với 9 thí nghiệm được thiết kế theo bảng trực giao TAGUCHI L9 với ba biến đầu vào là kiểu đường dụng cụ (T), bước tiến ngang (S0), đường kính dụng cụ (D) và chỉ tiêu đầu ra là sai số hình học trung bình bề mặt mẫu. Mỗi biến có 3 mức được chọn như trong (bảng 3.12). Các thông số công nghệ khác được giữ không đổi cho tất cả các thí nghiệm trong suốt quá trình gia công cụ thể như sau:
Tốc độ cắt v = 138 mm/min;
Chiều sâu cắt t = 0,1 mm
Tốc độ tiến dao f = 549 mm/min;
dung dịch trơn nguội emunxi, v.v...
4.1.2.1.Gia công thô:
Mẫu được chế tạo trên máy phay CNC 3 trục có thứ tự được đánh số từ 1 ÷ 9 với các thống số chế độ cắt ở các cấp độ như ở bẳng 3.12 và được bố trí theo bảng thiết kế thực nghiệm Taguchi ở (bảng 3.2).
Các thông số thử nghiệm của các thông số chế độ cắt như đường dụng cụ, bước tiến ngang và dường kính dụng cụ cắt được sử dụng theo bảng 3.10
85
và các thông số được lựa chọn đối với các mẫu thí nghiệm tuân theo thứ tự theo bẳng thiết kế thực nghiệm Taguchi ở (bảng 3.2).
Hình 4.1 Thực nghiệm gia công trên máy phay CNC 3 trục
Đối với phôi có biên dạng kích thước X,Y là 80, 100 mm. Ta lựa chọn dao phá thô Flat End Mill có đường kính ngoài Ø12 mm. Sử dụng loại dao phá thô chuyên dụng để phay nhôm.
Dao phay thô nhôm có thiết kế lưỡi cắt không phải kiểu mịn mà có bậc rãnh cắt giúp tăng độ cứng vững và độ chịu lực khi gia công. Các thông số của lưỡi dao cắt được tổng hợp dưới bảng sau đây:
Bảng 4.1 Thông số cắt dao phay phá thô nhôm Ø12 mm
Loại dao Đường kính (mm) Số me cắt Tốc trục chính - S (rpm) Bước tiến - F (mm/min)
Flat End Mill 12 4 3500 1800
Làm mát % Đường
kính ăn dao
Chiều sâu cắt - t
Chiều dài cắt tối đa
Khí nén 40 2 50
86
Bảng khai báo thông số dao được thiết lập trong phần mềm Mastercam, phần thông số hình học của dao được khai báo ở mục “Endmill Flat”, còn thông số cắt được khai báo ở mục “Parameters”. Hình ảnh dưới đây là các thông số của dao phay ngón Flat End Mill Ø12 mm:
Hình 4.3 Bảng mô phỏng khai báo kích thước và thông số cắt dao phá thô Ø12 mm
4.1.2.2.Gia công tinh:
Để gọt bỏ lượng dư của dao phá thô để lại, để gia công các vùng dao phá thô không đi vào được. Chúng ta lựa chọn dao gia công tinh có đường kính bé hơn, sử dụng dao gia công tinh nhôm chuyên dụng với 3 cấp độ đường kính dụng cụ theo thứ tự Ø4, Ø6 và Ø8 (mm).
Dao phay tinh nhôm có thiết kế lưỡi cắt kiểu mịn có bậc rãnh cắt giúp tăng độ cứng vững và độ chịu lực khi gia công. Các thông số của lưỡi dao cắt được tổng hợp dưới bảng sau đây:
Bảng 4.2 Thông số cắt dao phay gia công tinh chi tiết Ø8 mm
Loại dao Đường kính
(mm) Số me cắt
Tốc trục chính - S
(rpm)
Bước tiến - F
(mm/min)
Flat End Mill 8 2 6000 800
Làm mát % Đường
kính ăn dao
Chiều sâu cắt - t
Chiều dài cắt tối đa
Khí nén 50 1 40
87
Bảng khai báo thông số dao được thiết lập trong phần mềm Mastercam, phần thông số hình học của dao được khai báo ở mục “Endmill Flat”, còn thông số cắt được khai báo ở mục “Parameters”. Hình ảnh dưới đây là các thông số của dao phay cầu End Mill Ø8 mm::
Hình 4.5 Bảng mô phỏng khai báo kích thước và thông số dao phay Ø8 mm Bảng 4.3 Thông số cắt dao phay gia công tinh chi tiết Ø6 mm
Loại dao Đường kính
(mm) Số me cắt
Tốc trục chính - S (rpm)
Bước tiến - F
(mm/min)
Ball End Mill 6 2 6000 800
Làm mát % Đường
kính ăn dao
Chiều sâu
cắt - t Chiều dài cắt tối đa
Khí nén 50 1 35
Hình 4.6 Hình ảnh dao phay cầu Ø6 mm
Bảng khai báo thông số dao được thiết lập trong phần mềm Mastercam, phần thông số hình học của dao được khai báo ở mục “Endmill2 Sphere”,
88
còn thông số cắt được khai báo ở mục “Parameters”. Hình ảnh dưới đây là các thông số của dao phay cầu Ball End Mill Ø6 mm:
Hình 4.7 Bảng mô phỏng khai báo kích thước và thông số dao phay Ø6 mm Bảng 4.4 Thông số cắt dao phay gia công tinh chi tiết Ø4 mm
Loại dao Đường kính
(mm) Số me cắt
Tốc trục chính - S (rpm)
Bước tiến - F
(mm/min)
Ball End Mill 4 2 6000 800
Làm mát % Đường
kính ăn dao
Chiều sâu
cắt – t Chiều dài cắt tối đa
Khí nén 50 0.1 35
Hình 4.8 Hình ảnh dao phay cầu Ø4 mm
Bảng khai báo thông số dao được thiết lập trong phần mềm Mastercam, phần thông số hình học của dao được khai báo ở mục “Endmill2 Sphere”,
89
còn thông số cắt được khai báo ở mục “Parameters”. Hình ảnh dưới đây là các thông số của dao phay cầu Ball End Mill Ø4 mm:
Hình 4.9 Bảng mô phỏng khai báo kích thước và thông số dao phay Ø4 mm
4.1.2 Kết quả gia công:
Kết quả gia công 9 mẫu thực nghiệm dựa trên các thông số ảnh hưởng được thiết kế theo các cấp độ và giá trị các nhân tố trong thực nghiệm tại bảng 3.1 thu được 09 mẫu sau khi gia công bề mặt trên máy phay CNC 3 trục (Hình 4.10)
90
4.2 Kiểm tra đánh giá độ chính xác tạo hình: 4.2.1 Quét mẫu: 4.2.1 Quét mẫu:
Sử dụng máy ký hiệu HSCAN331 Handheld 3D Scanner (Hình 3.4). Độ chính xác lên đến 0.03 mm. Tốc độ đạt 265,000 measures/s. Có thể scan được những mẫu đen, bóng, mỏng Thiết bị hoạt động linh hoạt với phương pháp định vị tọa độ điểm nên cả máy và mẫu đều có thể di chuyển khi scan. Sau khi quét xong, xuất định dạng đám mây điểm (stl). Các đám mây điểm này được đăng nhập với bề mặt mẫu thiết kế để đánh giá sai số hình học bề mặt.
Hình 4.11 Quét mẫu thực nghiệm trên máy HSCAN331 Handheld 3D
Sử dụng máy quét HSCAN331 Handheld 3D Scanner thu được 9 file đám mây điểm bề mặt (hình 4.11). Các đám mây điểm này được đăng nhập với bề mặt mẫu thiết kế để đánh giá sai số hình học bề mặt, thông qua phần mềm Geomagic Quality 2003. Ví dụ trên (hình 4.12) Là kết quả kiểm tra của mẫu số 1 đến 9.
91
Hình 4.12 Kết quả xử lý mẫu gia công bằng máy HSCAN331 Handheld 3D
Số liệu xử lý mẫu về sai số hình học khi tạo hình bề mặt sản phẩm cánh máy bơm Max và min theo cấp độ các bộ thống số chế độ cắt được thống kê ở (bảng 4.5). Chỉ tiêu đánh giá độ chính xác tạo hình ở đây được chọn là sai số trung bình được xác định như sau: Average D = (upper D - lower D)/2. Kết quả sai số TB của 9 mẫu được trình bày trong (bảng 4.6).
92
Bảng 4.5 Số liệu thực nghiệm sai số cục bộ max, min các mẫu thí nghiệm
TT mẫu
Thông số gia công phay cuối
Max (µm) Min (µm) Kiểu đường dụng cụ Bước tiến ngang (mm) Đường kính dụng cụ (mm) (1) (2) (3) (4) (5) (6) 1 Zigzac 0,10 4 30.280 -22.700 2 Zigzac 0,45 6 33.420 -43.140 3 Zigzac 0,80 8 46.500 -40.800 4 Oneway 0,10 6 37.500 -23.500 5 Oneway 0,45 8 33.740 -30.360 6 Oneway 0,80 4 32.590 -31.370 7 Spiral 0,10 8 36.970 -35.930 8 Spiral 0,45 4 42.750 -39.770 9 Spiral 0,80 6 52.500 -49.140
4.2.2 Xử lý số liệu thực nghiệm trên Geomagic:
Nhằm mục đích đánh giá mức độ ảnh hưởng của 3 yếu tố kiểu đường dụng cụ, bước tiến dao ngang, đường kính dụng cụ đến độ chính xác tạo hình bề mặt tự do có dạng cánh bơm khi gia công trên máy phay CNC 3 trục và mức độ ảnh hưởng của các thông số đó. Từ đó tìm ra bộ thông số tối ưu để áp dụng gia công cánh bơm.
4.2.2.1. Phân tích tỷ lệ tín hiệu nhiễu:
Sử dụng phương pháp Taguchi với mẳng trực giao L9 (3^3) để xử lý số liệu thống kê trong thực nghiệm
Bảng 4.6 Bố cục thí nghiệm sử dụng mảng trực giao Taguchi L9 (3^3)
TT
Thông số gia công phay cuối Sai số trung bình (µm) MSD S/N ratios Kiểu đường dụng cụ Bước tiến ngang (mm) Đường kính dụng cụ (mm) 1 Zigzag 0.10 4 30.450 927.20 -29.67 2 Zigzag 0.45 6 38.280 1465.36 -31.66
93 3 Zigzag 0.80 8 43.650 1905.32 -32.80 4 Oneway 0.10 6 30.500 930.25 -29.69 5 Oneway 0.45 8 33.050 1092.30 -30.38 6 Oneway 0.80 4 31.980 1022.72 -30.10 7 Spiral 0.10 8 36.450 1328.60 -31.23 8 Spiral 0.45 4 41.260 1702.39 -32.31 9 Spiral 0.80 6 50.820 2582.67 -34.12
Tỷ lệ S/N trung bình cho từng thông số cắt ở các mức 1, 2 và 3 có thể được tính bằng cách lấy trung bình các tỷ lệ S/N cho các thí nghiệm tương ứng. Tỷ lệ S/N trung bình cho từng cấp độ của các tham số cắt có thể được tính toán và nó thường được định nghĩa là bảng đáp ứng tỷ lệ S/N trung bình cho MSD của hình dạng bề mặt. Trong (Hình 4.13) được hiển thị biểu đồ đáp ứng tỷ lệ S/N cho hình dạng bề mặt. Người ta có tỷ lệ S/N cao cho phương sai bề mặt nhỏ hơn xung quanh giá trị mong muốn. Tuy nhiên, tầm quan trọng tương đối giữa các tham số phay đối với hình dạng bề mặt vẫn cần phải được xác định, do đó, sự kết hợp tối ưu của các mức tham số gia công có thể được xác định chính xác hơn bằng cách sử dụng phân tích phương sai (ANOVA).
spiral oneway zigzac 0.050 0.045 0.040 0.035 0.030 0.80 0.45 0.10 4 6 8 Toolpath M ea n o f M ea ns
Side step Tool diam
Main Effects Plot for Means
94
Hình 4.13 Hiệu ứng chính tỷ lệ S/N cho độ chính xác hình học của bề mặt gia công
4.2.2.2. Phân tích phương sai:
Mục tiêu của phân tích phương sai là xác định tham số thiết kế nào có ý nghĩa ảnh hưởng đến độ chính xác hình học của bề mặt gia công. Mục tiêu này đạt được bằng cách phân chia độ biến thiên của tỷ lệ S/N được đo bằng tổng độ lệch bình phương so với tổng tỷ lệ S/N trung bình, trong sự đóng góp của từng thông số cắt và sai số.
Tỷ số F là công cụ thống kê để xác minh tham số thiết kế nào ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính chất lượng. Tỷ lệ này được định nghĩa là tỷ lệ độ lệch bình phương trung bình của yếu tố và độ lệch bình phương trung bình của sai số. Nói chung, khi giá trị của Tỷ lệ F lớn hơn bốn, điều đó có nghĩa là sự biến đổi của tham số thiết kế có ảnh hưởng quan trọng đến đặc tính chất lượng.
Phân tích các giá trị F-Ratio cho thấy đường dụng cụ và bước tiến ngang là các tham số cắt quan trọng nhất. Đường dụng cụ đóng góp gần 49,65% có ảnh hưởng đáng kể nhất đến độ chính xác hình học của bề mặt gia công. Tiếp theo đó là bước tiến ngang và sau đó là đường kính dụng cụ cắt với mức đóng góp lần lượt là 36,78% và 10,60%, Các thông số cắt tối ưu cho độ chính xác hình học tốt nhất của bề mặt gia công là dụng cụ kiểu Oneway, bước ngang với S0 = 0,1 mm và đường kính dao D = 4mm kết quả cụ thể thể hiện ở bảng 4.7. spiral oneway zigzac 31 30 29 28 27 26 0.80 0.45 0.10 4 6 8 Toolpath M ea n o f S N r at io s
Side step Tool diam
Main Effects Plot for SN ratios
Data Means
95
Bảng 4.7 Kết quả ANOVA cho hình dạng bề mặt chi tiết tổ hợp mẫu
Thông số Bậc tự do Tổng bình phương sai lệch Bình phương trung bình sai lệch Tỷ lệ F Mức độ ảnh hưởng (%) A:T 2 9,380 4,690 16,72 49,65% B:S 2 6,955 3,475 12,39 36,78% C:D 2 2,003 1,002 3,57 10,60% Error 2 0,561 0,280 2,97% Tổng 8 18,895 100%
Trên cơ sở kết quả tổng hợp so sánh các bộ thông số gia công với các mức giá trị khác nhau dựa trên tỷ số S/N (Bảng 4.8). Với giá trị S/N càng lớn càng tốt ta chọn được các yếu tố cho tổ hợp bộ thông số tối ưu như sau:
- Kiểu đường dụng cụ: Ứng với mức 2 là kiểu Oneway;
- Bước tiến ngang: Ứng với mức 1 có bước tiến ngang S0 = 0,1mm; - Đường kính dụng cụ: Ứng với mức 1 có đường kính dụng cụ D = 4mm.
Tổ hợp thông số gia công tối ưu như sau: T2S1D1
Bảng 4.8 Kết quả tổng hợp so các mức giá trị ứng với các tỷ số S/N
S/N Kiểu đường dụng cụ (T)
Bước tiến ngang (S0) Đường kính dụng cụ (D) Mức 1 -31.38 -30.20 -30.69 2 -30.06 -31.45 -31.82 3 -32.56 -32.34 -31.47
4.3 Chế tạo cánh máy bơm hướng trục trên máy phay CNC 3 trục: 4.3.1 Mẫu gia công và sản phẩm thiết kế gia công 4.3.1 Mẫu gia công và sản phẩm thiết kế gia công
⁃ Sản phẩm gia công: Thiết kế bằng SOLIDWORKS có mặt gia công được lấy từ bề mặt trên của cánh bơm (hình 4.16).
⁃ Phôi dạng khối hộp: L x W x H = 190 x 100 x 90 (mm) (hình 4.14 và 4.15).
96
Hình 4.14 Phôi hợp kim nhôm 6061
Hình 4.15 Thiết kế kích thước phôi
Bản vẽ thiết kế cánh máy bơm hướng trục được sử dụng trong sản phẩm chế tạo là sản phẩm của chương 2 về thiết kế và mô hình hóa cánh máy bơm hướng trục trên phầm mềm SOLIDWORKS (hình 2.10).
4.3.2 Thiết bị và dụng cụ cắt sử dụng trong gia công:
4.3.2.1.Thiết bị:
Thiết bị sử dụng trong gia công chế tạo cánh máy bơm hướng trục là máy phay CNC 3 trục ký hiệu MORISEIKI NVX5060 dùng hệ diều hành Mitsubishi M730BM xuất xứ Nhật bản (Hình 3.4) với các thông số thể hiện ở (3.5).
4.3.2.2.Dụng cụ cắt:
Dụng cụ cắt sử dụng dao phay đầu cầu có ký hiệu: 2F*R2*4*8*50; (Hình 4.16). Các thông số cụ thể như sau: