- Nghiên cứu thực nghiệm;
- Tổng hợp và phân tích số liệu thực tế;
- Xử lý các số liệu thực nghiệm có sự trợ giúp của máy tính;
- Rút ra những quy luật từ kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm
KẾT LUẬN CHƯƠNG II:
- Chương này trình bày khái quát về hợp kim nhôm và chi tiết thành mỏng làm bằng hợp kim nhôm A6061
- Phân tích quá trình phay chi tiết thành mỏng làm bằng hợp kim nhôm cho thấy chi tiết thường bị biến dạng khi gia công do có độ cứng vững thấp.
- Tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo phoi và nhám bề mặt khi phay chi tiết thành mỏng. Kết quả cho thấy, khi phay chi tiết thành mỏng làm bằng hợp kim nhôm, nhám bề mặt gia công bị ảnh hưởng bởi nhiều thông số công nghệ như vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt và chiều rộng cắt.
- Giới hạn vấn đề nghiên cứu là nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ (vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt và chiều rộng cắt) tới nhám bề mặt và biến dạng chi tiết gia công. Từ đó xây dựng được mô hình nghiên cứu.
- Đưa ra phương pháp nghiên cứu là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với
thực nghiệm: Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt tới độ nhám bề mặt
và biến dạng chi tiết khi phay chi tiết thành mỏng làm bằng hợp kim nhôm.
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT TỚI ĐỘ NHÁM BỀ MẶT VÀ BIẾN DẠNG CHI TIẾT KHI PHAY CHI
TIẾT HỢP KIM NHÔM THÀNH MỎNG 3.1 Đặt vấn đề
Mục tiêu nghiên cứu được tác giả đặt ra là nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ khi phay chi tiết thành mỏng làm bằng hợp kim nhôm A6061. Thông số công nghệ được khảo sát bao gồm vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt và chiều rộng cắt.
Đánh giá kết quả nghiên cứu thông qua một số chỉ tiêu là nhám bề mặt và độ biến dạng chi tiết.
3.2 Thiết kế hệ thống thí nghiệm
3.2.1 Yêu cầu của hệ thống thí nghiệm
Xây dựng hệ thống thí nghiệm phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Đáp ứng được yêu cầu lý thuyết cần nghiên cứu.
- Đảm bảo độ chính xác, độ tin cậy và độ ổn định.
- Đảm bảo việc thu thập, lưu trữ và xử lý số liệu thuận lợi. - Đảm bảo tính khả thi.
- Đảm bảo tính kinh tế.
3.2.2 Hệ thống thí nghiệm 3.2.2.1 Máy gia công 3.2.2.1 Máy gia công
Quá trình thí nghiệm được thực hiện trên trung tâm gia công Mazak 530 C do nhật bản sản xuất. Thông số kỹ thuật của trung tâm phay Mazak 530C được thể hiện trong bảng 3.1.
Hình 3. 1 Trung tâm phay đứng Mazak 530C
Thông số kỹ thuật Giá trị
Kích thước bàn máy 1300x660mm
Côn trục chính BT40
Tốc độ lớn nhất của trục chính 12000 vòng/phút
Công suất 19Kw
Số dụng cụ 30
Hành trình chạy dao X-Y-Z 1060-630-610 mm
3.2.2.2 Dụng cụ cắt
Sử dụng dao phay ngón làm bằng vật liệu các bít không phủ có 3 răng cắt, góc xoắn 450 của hãng YG Hàn Quốc với mã 36588, có thông số kỹ thuật như bảng 3.1. Đây là dụng cụ cắt chuyên dụng gia công hợp kim nhôm và hợp kim màu, sử dụng khi gia công tinh với chất lượng bề mặt cao.
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của dao phay ngón sử dụng cho thí nghiệm Đường kính dao (in) Đường kính chuôi (in) Chiều dài phần cắt (in) Chiều dài tổng (in) Vật liệu dao Vật liệu phủ Số răng cắt Loại dao Góc xoắn (0) Vật liệu gia công
7/16 7/16 2 4 Carbide Không 3 Square 45 Nhôm
Hình 3. 2 Dao phay ngón của hãng YG
3.2.2.3 Chế độ công nghệ
Dao phay ngón bằng các bit của hãng YG được sử dụng để gia công với vận tốc cắt lớn, cho năng suất gia công lớn. Tuy nhiên, hãng chỉ đưa ra chế độ cắt khuyến cáo cho tất cả các trường hợp với cùng đường kính, như hình 3.3. Căn cứ vào khả năng công nghệ của hệ thống thí nghiệm và khuyến cáo từ nhà sản xuât, tác giả lựa chọn dải vận tốc cắt và lượng chạy dao như bảng 3.2. Ngoài ra, với mục đích nghiên cứu lựa chọn bộ thông số công nghệ cho quá trình gia công tinh chi tiết thành mỏng và căn cứ khuyến cáo khi gia
công nhôm A6061 [35], tác giả lựa chọn chiều sâu cắt và chiều rộng cắt như bảng 3.2.
Hình 3. 3 Chế độ cắt khuyến cáo của nhà sản xuất khi phay cạnh Bảng 3.2 Chế độ cắt khảo sát
Thông số Dải tốc độ khảo sát
Vận tốc cắt (m/ph) 250 350
Lượng chạy dao răng (mm/răng) 0.02 0.06
Chiều sâu cắt (mm) 0.3 1.2
Chiều rộng cắt (mm) 8 16
3.2.2.4 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi
a, Thiết kế thí nghiệm
Phương pháp thiết kế thí nghiệm Taguchi sử dụng ma trận thí nghiệm đơn giản, đã được ứng dụng có hiệu quả trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau. 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
Các bảng Taguchi có thể được tạo ra bằng tay (với các bảng nhỏ) hoặc bằng các thuật toán thông qua các phần mềm. Việc lựa chọn các bảng được dựa theo số lượng các thông số khảo sát và các mức giá trị thay đổi của chúng. Phân tích phương sai (ANOVA) dựa vào dữ liệu từ các ma trận thí nghiệm của Taguchi có thể được sử dụng để lựa chọn các thông số mới để tối ưu hóa các kết quả đầu ra. Dữ liệu từ các bảng có thể được phân tích bằng biểu đồ, hình ảnh, ANOVA và hệ số kiểm tra fisher (F). Do đó phương pháp này cho phép sử dụng tối thiểu các thí nghiệm cần thiết để để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số lên một đặc tính được lựa chọn nào đó của một quá trình/sản phẩm từ đó nhanh chóng điều chỉnh các thông số tiến đến tối ưu nhanh nhất. Như vậy, có thể sử dụng phương pháp Taguchi để tìm tổ hợp các thông số công nghệ ảnh hưởng tới các yếu tố cơ bản của quá trình cắt trong mô hình thí nghiệm đơn lưỡi cắt.
b, Xây dựng ma trận thí nghiệm
Thông số đầu vào và các mức của các thông số
Với mục đích khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới biến dạng chi tiết và nhám bề mặt khi phay chi tiết thành mỏng bằng hợp kim nhôm sử dụng dao phay carbide không phủ, thí nghiệm lựa chọn các thông số khảo sát bao gồm: Vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt và chiều rộng cắt với các mức giá trị khảo sát như trong bảng 3.3.
Bảng 3.3 Các thông số khảo sát và mức giá trị tương ứng
TT Yếu tố khảo sát Ký hiệu Mức giá trị
1 2 3
1 Vận tốc cắt (m/phút) A 250 300 350 2 Lượng chạy dao
(mm/phút)
B 0.02 0.04 0.06
3 Chiều sâu cắt C 0.3 0.6 1.2
Sự tương tác giữa các yếu tố
Việc lựa chọn sự tương tác giữa các thông số trong nghiên cứu phụ thuộc vào sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các các thông số đến kết quả nghiên cứu. Trong phạm vi nghiên cứu, tương tác giữa các yếu tố được xem xét nghiên cứu.
Bậc tự do của ma trận thí nghiệm
Bậc tự do của ma trận thí nghiệm được xác định bằng tổng bậc tự do của các thông số với bậc tự do các sự tương tác, bảng 3.4:
Bậc tự do của một thông số: dof=K-1; với K là số mức giá trị của thông số. Bậc tự do của mỗi tương tác giữa các thông số: dof(AxB)=(KA-1).(KB-1) với KA, KB là số mức giá trị của thông số A, B.
Bảng 3.4 Bậc tự do của ma trận thí nghiệm
Thông số A B C D Tổng
dof 2 2 2 2 8
Như vậy ma trận thí nghiệm này có bậc tự do là 8 và bảng ma trận thí nghiệm của Taguchi được lựa chọn phải lớn hơn hoặc bằng 8.
Ma trận thí nghiệm
Như vậy, Với các thông số khảo sát với vận tốc cắt (A), lượng chạy dao (B), chiều sâu cắt (C) và chiều rộng cắt (D) có 3 mức giá trị, thiết kế thí nhiệm L9 (như bảng 3.5) được lựa chọn để phân tích ảnh hưởng của các thông số A, B, C và D tới các yếu tố đầu ra. Từ đó thành lập được ma trận thí nghiệm như bảng 3.6. Bảng 3.5 Thiết kế thí nghiệm L9 STT A B C D 1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 3 1 3 3 3 4 2 1 2 3 5 2 2 3 1 6 2 3 1 2 7 3 1 3 2 8 3 2 1 3 9 3 3 2 1
Bảng 3.6 Ma trận thí nghiệm
STT
Vận tốc cắt (m/ph)
Lượng chạy dao (mm/răng) Chiều sâu cắt (mm) Chiều rộng cắt (mm) 1 250 0.02 0.3 8 2 250 0.04 0.6 12 3 250 0.06 1.2 16 4 300 0.02 0.6 16 5 300 0.04 1.2 8 6 300 0.06 0.3 12 7 350 0.02 1.2 12 8 350 0.04 0.3 16 9 350 0.06 0.6 8 c, Chỉ tiêu đánh giá
Mô hình thí nghiệm được thiết lập với mục đích đánh ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới biến dạng chi tiết và độ nhám bề mặt khi. Vì vậy biến dạng chi tiết và nhám bề mặt là hai chỉ tiêu chính được lựa chọn trong mô hình thí nghiệm.
a, Biến dạng chi tiết
- Dụng cụ đo: dùng đồng hồ so có giá trị thang chia 0,001 mm - Phương pháp:
Để đảm bảo biến dạng chi tiết không bị ảnh hưởng bởi độ chính xác của phôi ban đầu, thì biến dạng chi tiết được đo ngay sau khi gia công trên máy phay CNC như hình 3.4.
Hình 3. 4 Đồng hồ so 1/1000 mm
b, Độ nhám bề mặt
Độ nhám bề mặt là một thông số đánh giá chất lượng lớp bề mặt, độ nhám thay đổi đáng kể khi dao bị mòn. Vì vậy lựa chọn độ nhám bề mặt sau gia công là một chỉ tiêu dùng để khảo sát trong thí nghiệm. Độ nhám bề mặt gia công được đo trên máy đo độ nhám SJ210 của bộ môn chế tạo máy như hình 3.5.
d, Phân tích kết quả Phân tích phương sai
Phân tích sự thay đổi:
- Tổng các bình phương (SS): đo độ lệch của dữ liệu thí nghiệm từ trị số trung bình của dữ liệu. Xét một hệ số A được khảo sát ta có:
(3.1) Trong đó:
N – Số lượng giá trị được kiểm tra
– Giá trị trung bình của các kết quả kiểm tra yi của đối tượng thứ i. - Tổng bình phương của hệ số A (SSA):
(3.2) Trong đó:
Ai – Giá trị tại mức i của thí nghiệm. NK – Số lượng kiểm tra tại trạng thái i. T – Tổng giá trị kiểm tra.
– Giá trị trung bình của các kết quả khảo sát. nAi – Số kết quả khảo sát ở điều kiện Ai.
- Tổng bình phương các lỗi (SSe): Phân bố bình phương của các giá trị khảo sát từ giá trị trung bình của trạng thái A.
(3.3) - Tổng bình phương của các tương tác (SSAxB):
(3.4) - Tổng bình phương cho các hệ số ở trạng thái lặp: giả sử có A1 và trạng thái thể hiện việc lặp lại là ta có:
(3.5)
(3.6) (3.7)
(3.8)
- Phần trăm phân bố sự thay đổi của thông số A:
(3.9)
Hệ số Fisher (F): Hệ số F được dùng để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số khảo sát tới biến đầu ra. Thông số khảo sát có giá trị F lớn hơn sẽ có ảnh hưởng mạnh hơn đến kết quả đầu ra và F được xác định như sau [34]:
(3.10) Trong đó:
MSĐK – Giá trị trung bình bình phương cho điều kiện MSLĐK – Giá trị trung bình bình phương cho lỗi điều kiện
Hệ số S/N
Phương pháp Taguchi sử dụng tỷ số tín hiệu nhiễu S/N để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số ảnh hưởng tới giá trị đầu ra của sản phẩm. Quá trình đánh giá thông qua hệ số S/N cho kết quả tối ưu và ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu nhất. Hệ số S/N của các kết quả đầu ra được xác định theo các chỉ tiêu như sau Error! Reference source not found.:
-Giá trị lớn hơn là tốt hơn:
(S/N)HB=-10.log(MSDHB) (3.11) Trong đó:
r – Số lần kiểm tra trong một thí nghiệm yi – Các giá trị của thí nghiệm.
-Giá trị tiêu chuẩn là tốt nhất
(S/N)NB=-10.log(MSDNB) (3.12) Trong đó:
MSDNB – Sai lệch bình phương trung bình Y0 – Giá trị tiêu chuẩn hay giá trị mục tiêu
-Giá trị thấp hơn là tốt hơn:
(S/N)LB=-10.log(MSDLB) (3.13) Trong đó:
MSDLB – Sai lệch bình phương trung bình yi – Các giá trị của thí nghiệm.
Nghiên cứu này khảo sát hai kết quả đầu ra là biến dạng chi tiết và độ nhám Ra được xác định theo đặc trưng thấp hơn là tốt hơn, như hình 3.6.
3.3 Kết quả và thảo luận
Sau khi gia công tiến hành đo nhám và đo biến dạng chi tiết như hình 3.7 và 3.8. Kết quả thu được thể hiện trong bảng 3.7.
Hình 3. 7 Đo biến dạng chi tiết
Bộ thí nghiệm được tổng hợp và xử lý bằng phần mềm minitab 16, thu được kết quả tỷ số tín hiệu nhiễu S/N như trong bảng 3.7
Bảng 3.7 Giá trị biến dạng chi tiết, độ nhám và tỷ số S/N tương ứng
STT V (m/ph) fz (mm/răng) a (mm) b (mm) x (μm) S/Nx Ra S/NRa 1 250 0.02 0.3 8 60 -44.8110 0.217 13.2575 2 250 0.04 0.6 12 48 -39.7354 0.112 19.0415 3 250 0.06 1.2 16 174 -29.5424 0.267 11.4806 4 300 0.02 0.6 16 97 -35.9868 0.203 13.8644 5 300 0.04 1.2 8 30 -32.4650 0.176 15.0733 6 300 0.06 0.3 12 63 -30.1030 0.144 16.8328 7 350 0.02 1.2 12 42 -23.5218 0.250 12.0296 8 350 0.04 0.3 16 32 -44.8110 0.133 17.5012 9 350 0.06 0.6 8 5 -39.7354 0.229 12.8033
3.4Ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát tới biến dạng chi tiết khi phay chi tiết thành mỏng
Sử dụng phần mềm Minitab, phân tích phương sai cho giá trị lượng biến dạng chi tiết. Kết quả phân tích cho thấy giá trị trung bình của biến dạng chi tiết ứng với các mức khác nhau với từng thông số khảo sát và thứ tự ảnh hưởng của các thông số tới giá trị lượng mòn mặt sau được thể hiện trong hình 3.9. Kết quả phân tích cho thấy trong số các thông số khảo sát thì chiều rộng cắt là thông số có ảnh hưởng mạnh nhất tới giá trị trung bình của biến dạng chi tiết, vận tốc cắt có ảnh hưởng thứ 2 và tiếp theo là lượng chạy dao và chiều sâu cắt.
Hình 3. 9 Giá trị trung bình của biến dạng chi tiết và mức độ ảnh hưởng của các thông số
Ảnh hưởng của các thông số công nghệ và tương tác của chúng tới biến dạng chi tiết được thể hiện trên các hình 3.10-3.14. Qua đồ thị ảnh hưởng của các thông số tới giá trị lượng biến dạng của chi tiết được phân tích và đánh giá chi tiết.
350 300 250 100 80 60 40 20 0.06 0.04 0.02 1.2 0.6 0.3 100 80 60 40 20 16 12 8 Cutting speed M e a n o f M e a n s
Feed per tooth
Radial depth of cut Axial depth of cut
Main Effects Plot for Means
Data Means
Khi tăng vận tốc cắt từ 250 m/phút lên đến 350 m/phút thì giá trị trung bình của lượng biến dạng chi tiết giảm từ 94 μm đến 64,33 μm. Như vậy, khi phay nhôm với chiều sâu cắt nhỏ thì tăng vận tốc cắt làm lực cắt giảm và giảm lượng biến dạng của chi tiết.
Quan sát đồ thị nhận thấy, khi tăng kích thước lớp cắt (chiều sâu cắt và chiều rộng cắt) thì làm tăng lượng biến dạng chi tiết. Tuy nhiên, lượng biến dạng chi tiết tăng mạnh hơn khi tăng chiều rộng cắt. Nguyên nhân có thể là do khi tăng chiều sâu và chiều rộng cắt thì làm cho lực cắt tăng lên, đồng thời độ