- Từ đặc điểm cơ bản và khả năng công nghệ của phương pháp mài có thể thấy mài có một vị trí quan trọng trong ngành cơ khí chính xác do khả năng gia công những vật liệu có độ cứng, độ bền cao, cho độ chính xác và độ bóng bề mặt cao.
- Sơ đồ 1.14 cho thấy rằng để tăng năng suất và giảm giá thành mài cần phải xác định được các thông số đầu vào tối ưu. Đối với các máy mài vạn năng, khi đường kính đá giảm dần theo thời gian thì thì tốc độ cắt cũng sẽ giảm và dẫn đến năng suất hay hiệu quá quá trình mài giảm. Hay nói cách khác, đường kính đá mài khi thay (hay tuổi thọ của đá) cũng là nhân tố ảnh hưởng đến năng suất và giá thành của nguyên công mài. Do vậy, có thể nâng cao hiệu quả của quá trình mài (tăng năng suất, giảm giá thành quá trình mài) bằng cách xác định và sử dụng đường kính tối ưu của đá khi thay (hay tuổi thọ tối ưu của đá). Hướng nghiên cứu của đề tài này là tìm hiểu ảnh hưởng của đường kính đá khi thay đến giá thành mài khi mài lỗ thép 9XC qua tôi bằng thực nghiệm.
- Dựa vào đặc điểm của mài tròn trong, dựa vào điều kiện thực tế, tác giả chọn phương pháp mài lỗ có tâm (trên máy MACHT -70l ) chạy dao dọc để thực hiện thí nghiệm.
- Khi mài, chất lượng bề mặt chi tiết gia công chịu tác động của nhiều yếu tố (chế độ cắt, chế độ sửa đá, độ hạt, lực cắt, nhiệt, nhiệt cắt, rung động….). Tuổi bền của đá sẽ được xác định thông qua chỉ số Ra khi gia công các chi tiết trong thí nghiệm.
CHƯƠNG 2:
TỔNG QUAN VỀ TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH MÀI LỖ 2.1. Tổng quan về tối ưu hóa sửa đá khi mài lỗ.
Mòn là quá trình làm thay đổi kích thước, hình dạng và khả năng cắt của đá. Quá trình mòn đá mài là một quá trình cơ, lý, hóa rất phức tạp. Như đã phân tích trên, khi đá mòn sẽ ảnh hưởng rất lớn đến quá trình mài nó phản ánh trực tiếp lên chất lượng bề mặt và độ chính xác của chi tiết gia công. Nghiên cứu về mòn là nghiên cứu ảnh hưởng của tuổi bền đá đến chất lượng bề mặt chi tiết.
Trong 21 nghiên cứu ảnh hưởng của sửa đá đến mài lỗ với hai loại đá thí nghiệm Corundum và tinh thể CBN đã chỉ ra rằng biểu đồ SCHMITT chính xác đối với đá mài đường kính nhỏ. Biểu đồ SCHMITT cũng chính xác khi tiến hành cả hai dạng sửa đá lên và xuống.
Hình 2.1. Biểu đồ SCHMITT mô tả ảnh hưởng của tốc độ bóc tách và lượng tiến dao khi mài lỗ đến nhám bề mặt 2
Ngoài ra trong nghiên cứu 2,việc đo topography của đá mài CBN chỉ ra rằng đá mài sau sửa đá bị đóng các lỗ trống hình 2.2.
Hình 2.2. Ảnh bề mặt của đá mài CBN trước (phải) và sau (trái) sửa đá 2
N hám b ề m ặt sa u g ia c ông Ra (µ m )
Do đó cần phải cắt đi một lượng vật liệu nhất định để mở các lỗ trống đó, điều này dẫn đến lực mài cao ngay sau khi sửa đá. Tuy nhiên lực mài sẽ giảm sau 1 lượng bóc tách nhất định.
Hình 2.3. Mối quan hệ giữa lực cắt khi mài lỗ với thời gian gia công 2
Kết quả của nghiên cứu trong 2 đưa ra lời chỉ dẫn khi sử dụng đá mài tinh thể, chọn đá sắc hoặc sử dụng lượng chạy dao tương đối thấp sau khi sửa đá ở lúc bắt đầu quá trình được khuyên dùng, điều này làm mở các lỗ trống trên đá mài hoặc làm mới lại vật liệu kết dính.
Hay như nghiên cứu trong nước gần đây nhất, Phạm Tuấn Hiệp sử dụng sơ đồ thí nghiệm thiết kế theo phương pháp Taguchi để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ sửa đá (Chiều sâu sửa đá thô, số lần sửa đá thô, chiều sâu sửa đá tinh, số lần sửa đá tinh, số lần chạy không, lượng chạy dao dọc sửa đá) đến độ nhám bề mặt chi tiết lỗ 25 vật liệu 9XC qua tôi 12.
Tỉ lệ bước tiến dao
Nhám b ề m ặt R a (µm) L ực c ắt khi mài (N)
Hình 2.4. Ảnh hưởng của các thông số đến độ nhám trung bình 12 Kết quả trong 12 cho thấy:
- Số lần chạy không ảnh hưởng mạnh nhất đến nhám bề mặt.
- Chiều sâu sửa thô đá là 0.025 mm cho nhám bề mặt nhỏ nhất so với chiều sâu sửa thô đá là 0.02 mm và 0.03 mm.
- Số lần sửa thô càng tăng thì nhám bề mặt tăng theo. - Số lần sửa tinh càng tăng thì nhám bề mặt càng nhỏ.
2.2. Tổng quan về tối ưu hóa chế độ cắt khi mài lỗ.
Chế độ cắt ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác và năng suất khi mài, độ mòn và tuổi bền của đá mài. Do đó hiện nay chế độ cắt là đối tượng của rất nhiều các nghiên cứu trong và ngoài nước.
Pereverzev P.P và các cộng sự 1 đã tiến hành nghiên cứu tối ưu hóa các thông số của chu trình tự động mài lỗ. Nghiên cứu đề xuất một phương pháp tính toán tối ưu hóa chu trình mài lỗ: sử dụng phương pháp lập trình tự động dựa vào toán chính xác để thiết kế chu trình mài lỗ tối ưu. Phương pháp này có ưu điểm:
+ Không nhạy cảm với các mô hình toán học (tuyến tính khác biệt) của quá trình và các rằng buộc của hàm mục tiêu.
+ Cung cấp các tham số tối ưu của chương trình điều khiển máy mài lỗ CNC. Kết quả của tối ưu hóa là: các giá trị tối ưu của lượng ăn dao hướng kính Srad và ăn dao dọc trục Vsoc ở tất cả các giai đoạn của chu trình, tối ưu hóa lượng dư trên các bước của chu trình, làm cho thời gian chu trình gia công nhỏ nhất.
+ Cho phép ta mở rộng số lượng các thông số tối ưu và thực hiện tối ưu nhiều biến trong không gian đa chiều
Trong nghiên cứu của I. Inasaki 5 đã sử dụng các cảm biến công suất và cảm biến AE để thiết lập hệ thống giám sát nhằm tối ưu hóa quá trình mài lỗ:
+ Nhờ hệ thống giám sát công suất sẽ tính toán thời gian liên tục cũng như thời gian dừng của quá trình mài từ đó xác định tuổi bền của đá mài. Thêm vào đó, nghiên cứu cho thấy quá trình theo dõi sự tăng đột ngột của công suất mài sẽ phát hiện được hiện tượng cháy khi mài (hình 2.7) 5.
Hình 2.5. Hiện tượng cháy khi mài phát hiện nhờ cảm biến công suất 5
+ Cảm biến AE cùng với thiết bị ghép chất bôi trơn khi mài được sử dụng trong nghiên cứu này có thể phát hiện được sự rung nhiễu
Hình 2.6. Phổ tín hiệu công suất của cảm biến AE 5
Trong [20], Alief Regyan Wisnuadi và các đồng nghiệp đã kết hợp hai phương pháp Taguchi và PCR-TOPSIS để tối ưu hóa cho quá trình mài lỗ của vòng ngoài ổ bi. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng:
+ Điều kiện tối ưu đạt được kết hợp có mức trung bình cao nhất. Yếu tố A ở cấp 1(tỷ lệ tốc độ 36), hệ số B ở mức 2 (vị trí tốt 18 μm / s), và hệ số C ở mức 1 (phát ra 0,5 s) có lớn nhất giá trị trung bình so với các mức khác. Sử dụng phương pháp Taguchi và PCR-TOPSIS tạo ra thành phần chi tiết của vòng ngoài với độ nhám, độ trụ và thời gian chu trình đồng thời có thể đạt ở mức kết hợp A1 – B1- C1 đó là tỉ lệ tốc độ 36, vị trí tốt 18µm và thời gian phát ra là 5s. Tham số A B C Cấp độ 1 0.629 0.577 0.724 Cấp độ 2 0.621 0.632 0.602 Cấp độ 3 0.419 0.533 0.416 Khác nhau 0.138 0.100 0.308 Xếp hạng 2 3 1 Cấp độ tối ưu A1 B2 C3
Bảng 2.1. Điều kiện tối ưu 20
Tấn số tín hiệu (kHz) Đ ộ lớ n ngu ồn tí n hi ệu ( m V )
+ Trong 3 yếu tố, chuỗi các yếu tố có ảnh hưởng của thời gian đang phát ra là lớn nhất, sau đó tỉ lệ tốc độ và vị trí tốt. Các kết quả tối ưu thu được cho độ nhám là 0.398µm, độ trụ là 1.78µm và thời gian trụ chính là 8.1s.
Các kết quả này tốt hơn các kết quả trước và đáp ứng yêu cầu tiêu chuẩn do công ty đặt ra độ nhám 0.523µ giảm xuống còn 0.398µm và thời gian trung bình chu trình giảm từ 8.5s xuống còn 8.1s.
Tham số
Kết thí nghiệm công bố ngày 03-
2017
Tiêu chuẩn hiện hành công ty SKF
Indonesia
Kết quả tối ưu Thu được
Nhám bề mặt (µm) 0,319 0,523 0,398
Độ trụ(µm) 1,48 2,57 1,78
Thời gian trung
bình chu trình (s) 8,8 8,5 8,1
Bảng 2.2. So sánh kết quả thử nghiệm với các tiêu chuẩn hiện tại của công ty SKF Indonesia 20
Gần đây, Vũ Ngọc Pi và các cộng sự [10] đã tiến hành nghiên cứu về tối ưu hóa chi phí khi mài tròn trong. Trong nghiên cứu này, các phân tích đánh giá về chi phí mài đã được thực Bên cạnh đó, các tác động của đường kính đá khi thay tới các chi phí thành phần mài và các thông số quá trình mài đã được nghiên cứu. Bằng việc xác định đường kính đá mài tối ưu với mục tiêu chi phí mài tối thiểu nhất, một chương trình máy tính được xây dựng, dựa trên kết quả của chương trình, công thức tính đường kính tối ưu được đề xuất.
2.3. Tổng quan về tối ưu hóa chế độ tưới nguội.
Sự cần thiết của dung dịch trơn nguội trong gia công mài đã được khẳng định. Tưới nguội sẽ tải nhiệt ra khỏi vùng cắt dẫn đến giảm nhiệt độ trên dụng cụ cắt và trên chi tiết gia công; Đảm bảo nhiệt độ của môi trường thấp và ổn định; Giảm khả năng biến dạng nhiệt của chi tiết trong quá trình gia công; Giảm mức độ biến dạng nhiệt của dụng cụ cắt do đó tăng độ chính xác gia công và nâng cao tuổi bền của dao.
Cho đến nay đã có nhiều tác giả trong và ngoài nước đã tiến hành nghiên cứu về bôi trơn làm mát khi mài.
*) Sau đây là các nghiên cứu ngoài nước:
- Ảnh hưởng của lưu lượng dung dich trơn nguội tới ứng suất dư lớp bề mặt được Stephenson nghiên cứu 21, thí nghiệm tiến hành bằng đá mài CBN và đá Al2O3 trên thép GCr15 trong hai trường hợp mài khô và mài ướt.
Hình 2.7. Ảnh hưởng của lưu lượng dung dịch tưới nguội tới ứng suất dư bề mặt khi mài bằng đá mài CBN và đá Al2O321
Kết quả từ hình 2.9 đã chỉ ra như sau:
+ Ứng suất dư lớp bề mặt khi mài bằng đá CBN luôn luôn là ứng suất dư nén, điều đó là do đá mài CBN có khả năng duy trì các cạnh sắc trong suốt quá trình gia công mà không đòi hỏi phải sửa đá liên tục
+ Ứng suất dư theo hướng mài luôn luôn có trị số lớn hơn ứng suất dư theo phương vuông góc với hướng mài.
- Nghiên cứu tiếp theo về ảnh hưởng của nồng độ dung dịch từ tính đến lớp biến cứng bề mặt khi mài 22 do Koji Kato, Norisugu Umehara và Minoru Suzuki thực hiện. Kết quả thu được (hình 2.10)
+ Khi sử dụng dich trơn nguội là nước thì mức độ biến cứng lớp bề mặt lớn nhất. + Khi sử dụng dung dịch trơn nguội gồm 50% nước và 50% chất lỏng từ tính thì mức độ biến cứng bề mặt giảm rất mạnh.
+ Khi sử dụng dung dịch trơn nguội là 100% chất lỏng từ tính thì mức độ biến cứng cũng giảm nhưng với mức độ ít hơn.
Hình 2.8. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đến lớp biến cứng bề mặt mài 22 - H.Z. Choi cùng các đồng nghiệp 23 nghiên cứu quá trình mài với bôi trơn tối thiểu nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của dung dịch chất thải bôi trơn đến môi trường sinh thái. Kết quả nghiên cứu cho thấy với dạng bôi trơn này, độ nhám bề mặt và chi phí gia công giảm khi sử dụng dung dịch bôi trơn ở dạng sương mù. Các loại dung dịch bôi trơn sử dụng trong thí nghiệm là: nước làm mát, khí nén lạnh và nước làm mát ở dạng sương mù nhằm thực hiện so sánh chất lượng bề mặt khi sử dụng bôi trơn bằng các dung dịch trên. Kết quả chỉ ra: chất lượng bề mặt và khả năng làm mát dạng sương mù tốt như nước làm mát, đồng thời tiết kiệm dung dịch trơn nguội do đó giảm chi phí gia công.
Hình 2.9. .Độ nhám bề mặt gia công khi sử dụng các dung dịch bôi trơn làm nguội khác nhau 23.
- Monici và các cộng sự [24] đã nghiên cứu thực nghiệm với 2 loại đá Oxit nhôm và đá CBN, 2 loại đầu phun và 2 loại dung dịch trơn nguội là nhũ tương 5% và dầu nguyên chất. Kết quả đo độ nhám được thể hiện trên hình 2.9.
Hình 2.10. Ảnh hưởng của loại dung dịch tưới nguội và áp suất tưới nguội đến độ nhám bề mặt mài [24]
Qua đó nhận thấy rằng chất lượng bề mặt khi gia công bằng đá CBN tốt hơn khi gia công bằng đá mài Ôxit nhôm. Khi mài bằng đá mài Al2O3 sử dụng dầu nguyên chất cho nhám bề mặt thấp hơn do khả năng bôi trơn tốt hơn so với nhũ
Chiều sâu của vết cắt cắt (µm/s)
Nhá m b ề m ặt Ra (µm)
tương tổng hợp. Còn khi mài bằng đá mài CBN với 2 loại dung dịch tưới nguội thì nhận được độ nhám bề mặt gần như nhau. Với đá mài ôxit nhôm, đường kính đầu vòi phun càng nhỏ (áp suất dung dịch tưới nguội càng lớn) thì chất lượng bề mặt càng tốt. Còn khi sử dụng đá mài CBN thì chất lượng bề mặt thay đổi không đáng kể.
*) Các nghiên cứu trong nước:
-Tạ Việt Cường [26] đã nghiên cứu ảnh hưởng của loại dung dịch trơn nguội đến chất lượng bề mặt gia công khi mài lỗ nhỏ vật liệu 9XC.
2.4. Kết luận chương 2.
Cho đến nay đã có khá nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước về tối ưu hóa các thông số của quá trình mài. Các nghiên cứu tập trung về tối ưu hóa chế độ tưới nguội, tối ưu hóa chế độ công nghệ sửa đá cũng như tối ưu hóa chế độ cắt khi mài. Tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào về xác định đường kính đá mài lỗ khi thay tối ưu bằng phương pháp thực nghiệm. Vì vậy, nghiên cứu xác định đường kính đá mài khi thay tối ưu khi mài lỗ bằng thực nghiệm là cần thiết. Nghiên cứu này sẽ góp phần nâng cao hiệu quả (tăng năng suất, giảm giá thành) của quá trình mài lỗ.
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH GIÁ THÀNH MÀI LỖ
3.1. Phân tích giá thành trong mài lỗ.
Giá thành mài lỗ (hay chi phí mài lỗ) cho một chi tiết có thể xác theo công thức sau [10]:
𝐶𝑠𝑖𝑛 = 𝑡𝑠. 𝐶𝑚𝑡,ℎ+ 𝐶𝑔𝑤,𝑝 (1)
Trong đó:
∗) 𝐶𝑚𝑡,ℎ - chi phí máy mài lỗ tính theo giờ bao gồm cả chi phí tiền lương, chi phí máy, chi phí bảo dưỡng,… (đồng/giờ). 𝐶𝑚𝑡,ℎ được tính theo công thức sau:
𝐶𝑚𝑡,ℎ = 𝐶𝑚,ℎ + 𝐶𝑐𝑛,ℎ (2)
𝐶𝑚,ℎ − Giá thành một ca máy mài tròn trong (đồng/giờ).
𝐶𝑐𝑛,ℎ - chi chí lương công nhân theo giờ (đồng/giờ). 𝐶𝑐𝑛,ℎ được tính toán theo công thức sau:
𝐶𝑐𝑛,ℎ = 𝐶𝑐𝑛
𝑇𝑐 (3)
𝐶𝑐𝑛 là chi phí lương công nhân mài một ca (đồng/giờ) Tc là số giờ làm việc của 1 ca
∗)𝐶𝑔𝑤,𝑝 - chi phí đá mài tính cho 1 chi tiết (đồng/chiếc); chi phí này được tính theo công thức sau: 𝐶𝑔𝑤,𝑝 = 𝐶𝑔𝑤
𝑛𝑝𝑤 (4)
Trong công thức (4) trên:
𝐶𝑔𝑤 là giá thành một viên đá mài (đồng/viên)
𝑛𝑝,𝑤 là tổng số chi tiết được mài bởi một viên đá (chiếc); 𝑛𝑝𝑤 sẽ được xác
theo công thức sau: 𝑛𝑝,𝑤 = (𝐷𝑠,0−𝐷𝑠,𝑒).𝑛𝑝,𝑑
2.(𝛿𝑟𝑠+𝑎𝑠𝑒𝑑,𝑔𝑒𝑠) (5)
Trong công thức (5) trên:
𝐷𝑠,0 là đường kính ban đầu của đá (mm)
𝛿𝑟𝑠− là lượng mòn trung bình của đá mài sau mỗi lần sửa đá (mm/lần sửa)
𝑎𝑠𝑒𝑑,𝑔𝑒𝑠− là tổng chiều sâu sửa đá (mm)
𝑛𝑝,𝑑 − là số chi tiết mài được sau mỗi lần sửa đá (chiếc). Và được xác định theo
côngs thức:
𝑛𝑝,𝑑 =𝑡𝑤
𝑡𝑐 (6)
Trong công thức (6):
𝑡𝑤 − 𝑙à tuổi bền của đá (giờ).
𝑡𝑐- là thời gian mài cơ bản (giờ).( trình bày cụ thể trong phần 3.2)
3.2. Thời gian cơ bản khi mài.
Trong gia công mài lỗ, thời gian mài bao gồm cả các thời gian phụ (giờ). Được xác định theo công thức sau: