Trị số nhám bề mặt trung bình của hợp kim Ti64 ủ (Ti64-Elo) thấp hơn một chút so với hợp kim Ti64 tôi (Ti64-La) (Ratương ứng là 0,987 µm và 1,011 µm - Hình 4.7 và Hình 4.8). Nguyên nhân do Ti64-La (376 HV) có độ cứng lớn hơn Ti64-Elo (349
HV). Do đó, cơ chế cắt gọt chiếm ưu thế khi gia công Ti64-La, làm hình thành các
đỉnh sắc nhọn trên bề mặt phôi khiếnnhám tăng. Trong khi đó, biến dạng dẻo là hiện tượng xuất hiện nhiều hơn khi mài Ti64-Elo. Độ cứng của hai loại vật liệu này không khác nhau nhiều nên giá trị nhám bề mặt sau khi gia công của chúng cũng tương đối gần nhau.
4.2.3.2 Ảnh hưởng của cấu trúc tinh thể hợp kim Ti-6Al-4V đến độ cứng tế vi bề mặt
c) Mài khô
v = 30 m/s S = 3000 mm/ph t = 0,01 mm
Chiều sâu dưới bề mặt (mm)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Đ ộ c ứ n g t ế v i H V 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 Ti64-Elo Ti64-La
Hình 4.16 Độ cứng tế vi HV của bề mặt phôi Ti64-Elo và Ti64-La: (a) Sơ đồ vị trí điểm đo;
(b) Vị trí vết đâm; và (c) Đồ thị độ cứng tế vi HV
Hiệu ứng hóa cứng có nguyên nhân do tốc độ biến dạng dẻo cao và nhiệt cắt lớn. Trong thí nghiệm này, độ cứng tế vi được đo dọc theo mặt cắt ngang của phôi Ti64- Elo và Ti64-La trong cùng một chế độ cắt. Độ cứng tế vi Vickers HV0,1 được đo tại các điểm nằm cách nhau 20 µm như sơ đồ trong Hình 4.16a và b, còn đồ thị kết quả đo được trình bày trong Hình 4.16c. Độ cứng tế vi trên bề mặt phôi có giá trị lớn nhất và giảm dần khi chiều sâu tăng lên, chứng tỏ hiện tượng mềm nhiệt không xảy ra, do nhiệt độ trong vùng gia công thấp hơn nhiệt độ chuyển pha . Nhiệt độ thấp một phần là do đá mài cBN có tính dẫn nhiệt tốt, khiến khuyết tật nhiệt trên bề mặt phôi giảm đi. Độ cứng tế vi của bề mặt hợp kim Ti64-Elo (390 HV0,1) tăng 11,8% so với vật
Bề mặt mài
Vị trí đo
84
liệu lõi (349 HV0,1), còn Ti64-La (440 HV0,1) tăng 17% (376 HV0,1). Độ cứng bề mặt của vật liệu Ti64-Elo nhỏ hơn Ti64-La do phôi Ti64-La có độ cứng ban đầu lớn hơn. Vật liệu lõi của Ti64-La cứng hơn Ti64-Elo do chúng có các phương pháp nhiệt luyện khác nhau (ủ và tôi). Chiều sâu lớp hóa cứng nhỏ hơn 130 µm đối với cả hai
loại vật liệu, đồng thời độ cứng của Ti64-La xuất hiện biến động nhỏ ở độ sâu 200
μm. Điều đó chứng tỏ rằng quá trình mài chỉ làm thay đổi độ cứng tế vi trong một khoảng nhỏ tính từ bề mặt.
4.2.4. Nhận xét và đánh giá
4.2.4.1 Hợp kim Ti-6Al-4V ủ
- Nói chung, nhám bề mặt tăng khi bước tiến dao tăng. Nhám nhỏ nhất khi mài khô.
Nhám khi dùng dầu tổng hợp thấp hơn khi dùng dầu nhũ tương. Dầu tổng hợp + hBN cho nhám nhỏ hơn chỉ dùng dầu tổng hợp và ngang bằng với dầu tổng hợp
+ xGnP.
- Bề mặt phôi khi mài ướt có ít khuyết tật hơn mài khô.
4.2.4.2 Hợp kim Ti-6Al-4V tôi
- Nói chung, nhám bề mặt tăng khi tăng bước tiến dao. Nhám khi dùng dầu tổng hợp + xGnP có giá trị thấpnhất. Dầu tổng hợp có nhám nhỏ hơn dầu nhũ tương.
Dầu tổng hợp + hBN có nhám xấp xỉ mài khô, còn mài khô cho thấy nhám nhỏ
hơn dầu tổng hợp.
- Bề mặt khi mài ướt có ít khuyết tật hơn mài khô. Bề mặt khi mài ướt bằng dầu tổng hợp + xGnP và hBN có các vết cắt mịn và nhỏ hơn so với chỉ dùng dầu cắt gọt.
4.2.4.3 Ảnh hưởng của cấu trúc tinh thể hợp kim Ti-6Al-4V đến chất lượng bề mặt bề mặt
- Ti64-La có trị số nhám bề mặt cao hơn Ti64-Elo.
- Dưới cùng mộtchế độ cắt, bề mặt phôi Ti64-La sau khi gia công có độ cứng tế vi lớnhơn Ti64-Elo.
Nói chung, các kết quả của Thực nghiệm 02 tương đối phù hợp với cơ sở lý thuyết đã trình bày ở Chương 1 và Chương 2.
4.3. Thực nghiệm 03 - Xác định dải lượng tiến dao đạt được nhám bề
mặt nhỏ nhất
4.3.1. Thực nghiệm và kết quả
Từ Hình 4.1 thấy rằng giá trị nhám nhỏ nhất đạt được tại lượng tiến dao 3000
mm/ph với mọi chiều sâu cắt khi mài khô. Cụ thể là, nhám bề mặt giảm dần khi lượng tiến daotăng từ 1000 đến 3000 mm/ph. Còn khi lượng tiến daolớn hơn 3000 mm/ph thì nhám tăng khi lượng tiến daotăng. Do đó, cần làm một số thí nghiệm với lượng tiến daocó giá trị xung quanh 3000 mm/ph (mài khô) do Thực nghiệm 01 đã chỉ ra rằng khi mài ướt đặc điểm này là không rõ rệt.
85
Mài khô Ti64 ủ v = 30 m/s
Lượng tiến dao, S (mm/ph)
1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Đ ộ nh ám b ề m ặt , R a (m m) 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 t = 0,005 mm t = 0,01 mm t = 0,015 mm Mài khô Ti64 ủ v = 30 m/s
Lượng tiến dao, S (mm/ph)
1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Đ ộ n h á m b ề m ặt , Rz (m m) 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 t = 0,005 mm t = 0,01 mm t = 0,015 mm (a) (b)
Hình 4.17 Ảnh hưởng của bước tiến dao đếntrị sốnhám bề mặt Ra (a) và Rz (b) khi mài
phẳng hợp kim Ti64 ủ dưới các chiều sâu cắt khác nhau
Mài khô Ti64 tôi v = 30 m/s
Lượng tiến dao, S (mm/ph)
1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Đ ộ n h á m b ề m ặt , Ra (m m) 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 t = 0,005 mm t = 0,01 mm t = 0,015 mm Mài khô Ti64 tôi v = 30 m/s
Lượng tiến dao, S (mm/ph)
1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Đ ộ n h á m b ề m ặt p h ô i, Rz ( m m) 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 t = 0,005 mm t = 0,01 mm t = 0,015 mm (a) (b)
Hình 4.18 Ảnh hưởng của bước tiến dao đến trị số nhám bề mặt Ra (a) và Rz (b) khi mài
phẳng hợp kim Ti64 tôi dướicác chiều sâu cắt khác nhau
Hình 4.17a và b mô tảđồ thị nhám bề mặt Ra và Rzcủa các mẫu Ti64 ủ. Với chiều sâu cắt 0,005 mm, khi bước tiến dao từ 2000 đến 3000 mm/ph thì nhám Ragiảm từ
0,718 µm xuống 0,655 µm và Rztừ 4,605 µm xuống 3,717 µm. Còn khi bước tiến dao từ 3000 đến 4000 mm/ph thì Ra tăng từ 0,655 µm đến 0,825 µm và Rztừ 3,717
µm đến 4,602 µm. Làm thí nghiệm tương tự với các chiều sâu cắt 0,01 và 0,015 mm
đều thu đượcgiá trị nhám nhỏ nhất khi lượng tiến dao bằng khoảng 3000 mm/ph. Nói cách khác, lượng tiến dao 3000 mm/ph có thể coi là lượng tiến dao đạt được trị số
nhám bề mặt nhỏ nhất khi gia công hợp kim Ti64 ủtrong tất cả các chế độ cắt được khảo sát.
Hình 4.18a và b thể hiện đồ thị nhám bề mặt Ra và Rzcủa các mẫu Ti64 tôi. Khi
lượng tiến dao từ 2000 đến 3000 mm/ph và chiều sâu cắt 0,01 mm thì nhám đạt giá trị nhỏ nhất tại S = 2500 mm/ph với Ra = 0,876 µm và Rz = 5,37 µm. Khi bước tiến dao từ 3000 đến 4000 mm/ph thì nhám Ra và Rznhỏ nhất tương ứng là 0,902 µm và 5,096 µm đạt được tại S = 3500 mm/ph. Làm thí nghiệm với các chiều sâu cắt 0,005 và 0,015 mm đều thu được các kết quả tương tự. Nói cách khác, có thể coi 2500 mm/ph là giá trị lượng tiến dao đạt đượcnhám nhỏ nhất trong khoảng 2000 đến 3000 mm/ph, và 3500 mm/ph là giá trị lượng tiến dao đạt đượcnhám nhỏ nhất trong khoảng
86
3000 đến 4000 mm/ph khi gia công hợp kim Ti64 tôi dưới các chế độ cắt được khảo
sát.
4.3.2. Nhận xét và đánh giá
- Đã xác định được giá trị lượng tiến dao đạt được nhám bề mặt nhỏ nhất khi gia
công hợp kim Ti64 ủ là khoảng 3000 mm/ph.
- Đã xác định được giá trị lượng tiến dao đạt được nhám bề mặt nhỏ nhất khi gia
công hợp kim Ti64 tôi là 2500 mm/ph trong khoảng 2000 đến 3000 mm/ph và
3500 mm/ph trong khoảng 3000 đến 4000 mm/ph.
4.4. Tối ưu hóa các thông số công nghệ
4.4.1. Xây dựng bài toán tối ưu
4.4.1.1 Xác định hàm mục tiêu
Nghiên cứu lựa chọn hàm mục tiêu là năng suất gia công Q với mục tiêu năng suất gia công Q là lớn nhất. Năng suất gia công khi mài (Q) được xác định bằng thể tích kim loại bóc tách được trong một đơn vị thời gian. Tiến hành đo thể tích của sản phẩm trước và sau khi mài bằng panme đo ngoài, đo thời gian mài, từ đó tính được năng suất gia công Q theo công thức sau [19]:
tr s c c Q -Q ΔQ Q = 60 = 60 = f (S, t) T T (mm 3/ph) (4. 5)
trong đó Qtr là thể tích của phôi trước khi mài (mm3); Qs là thể tích của phôi sau khi
mài (mm3); Q là thể tích kim loại bóc tách được trong quá trình gia công (mm3); Tc
là thời gian mài xong một chi tiết (s).
Nhận thấy trong quá trình mài phẳng hợp kim Ti64 bằng đá mài cBN thì năng suất gia công sẽ phụ thuộc vào hai yếu tốcông nghệ là lượng tiến dao dọc S và chiều sâu
mài t. Do đó, về mặt lý thuyết thì năng suất cắt khi mài phẳng hợp kim Ti64 được xác định như sau [19]:
m p q
Q=C .S .t
Sau khi tiến hành thực nghiệm, thu được các kết quả như trong bảng ở Phụ lục 3.
Từ kết quả thực nghiệm trên, áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm BPNN
xác định được hàm hồi quy thực nghiệm năng suất Q khi mài phẳng hợp kim Ti64 bằng đá mài cBN như sau:
Q = 1,6844.S0,8650.t1,0886 (4. 6) Thực hiện kiểm định thống kê với hàm hồi quy trên có:
Các phương sai trong thí nghiệm là đồng nhất vì:
Ga (1; 12; 0,05) = 0,541 (tra Bảng 8 [76]) Gtn = 0,205
87 Các hệ số trong Phương trình hồi quy (4. 6) đều có nghĩa vì:
ta (0,05; 9) = 1,83 (tra Bảng 6 [76]) ta0 = 2,98; ta1 = 60,1; ta2 = 39,77 ta0, ta1, ta2 > ta
Phương trình hồi quy (4. 6) là tương thích với thực nghiệm vì: Fb (0,05; 9; 12) = 4,39 (tra Bảng 4 [76])
Ftn = 2,1 Ftn < Fb
4.4.1.2 Xác định điều kiện biên
Đối với bài toán tối ưu khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN, các
ràng buộc ở đây bao gồm ràng buộc hàm và ràng buộc biến. Các ràng buộc biến xét
trong bài toán này là một số yếu tố công nghệ bao gồmlượng tiến dao dọc S và chiều sâu cắt t. Trên cơ sở Thực nghiệm 01 (mài ướt) thì điều kiện ràng buộc biến của bài toán tối ưu ở đây như sau:
1000 S 10000 (mm/ph) 0,005 t 0,015 (mm)
Sở dĩ chế độ mài ướt được chọn do gia công bằng phương pháp mài thường sử dụng dung dịch trơn nguội tưới tràn trề để giảm khuyết tật bề mặtvà kéo dài tuổi bền của đá mài(mặc dù nhám bề mặt khi mài ướt cao hơn mài khônhư trong Thực nghiệm
01 và 02 đã chỉ ra).
Trong khi đó, ràng buộc hàm xét ở bài toán này là ràng buộc hàm về nhám bề mặt
Ra. Phương trình hồi quy của Ra đã được xác định ở Thực nghiệm 01. Do đó, điều kiện ràng buộc hàm của bài toán tối ưu ở đây như sau:
Ra = S0,1045.t0,1184 1,35 (µm)
4.4.1.3 Thành lập bài toán tối ưu
Trong nghiên cứu này, hàm mục tiêu là năng suất gia công Q với mong muốn là năng suất gia công cao nhất nhưng vẫn đảm bảo được các ràng buộc đề ra. Bài toán được phát biểu dưới dạng tìm bộ thông số công nghệ (S, t) để hàm số:
Q = 1,6844.S0,8650.t1,0886 → Qmax (với Q nằm trong dải: 2,0727 ≤ Q ≤ 50,2271)
với các điều kiện biên:
g1: Ra = S0,1045.t0,1184≤ 1,35; (với Ranằm trong dải: 1,0991 ≤ Ra≤ 1,5924)
g2: 1000 ≤ S; g3: S ≤ 10000;
g4: 0,005 ≤ t;
88
Vậy bài toán tối ưu năng suất gia công phải đáp ứng các điều kiện giới hạn bao gồm mộthàm mục tiêu về năng suất gia công và nămhàm giới hạn biên.
4.4.2. Giải bài toán tối ưu
4.4.2.1 Cơ sở lựa chọn phương pháp giải bài toán tối ưu
Bài toán tối ưu có thể được xem như bài toán tìm kiếm giải pháp tốt nhất trong không gian vô cùng lớn các giải pháp. Khi không gian tìm kiếm nhỏ thì các phương án tối ưu hóa truyền thống có thể thích hợp để giải (như phương pháp tính trực tiếp, phương pháp đồ thị, phương pháp Lagrange …). Tuy nhiên, các phương pháp tối ưu truyền thống thì không phù hợp với miền phổ rộng, không hiệu quả khi khoảng khảo sát quá rộng. Các thuật toán xây dựng trên cơ sở các phương pháp này không đủ mạnh với số ràng buộc và số tham số cần tối ưu quá lớn. Đã có nhiều phương án tiếp cận khác nhau nhằm giải quyết các loại bài toán này, song gần đây việc ứng dụng giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization - PSO) đã bắt đầu cho thấy được ưu điểm nổi bật [19].
Phương pháp tối ưu bầy đàn là một dạng của các thuật toán tiến hóa quần thể đã được biết đến trước đây nhưthuật giải di truyền (Genetic algorithm - GA), thuật toán đàn kiến (Ant colony algorithm - ACA). Tuy vậy, PSO khác với GA ở chỗ nó thiên về sử dụng sự tương tác giữa các cá thể trong một quần thể để khám phá không gian tìm kiếm. PSO là kết quả của việc mô hình hóa đàn chim bay đi tìm kiếm thức ăn nên nó thường được xếp vào loại thuật toán có sử dụng trí tuệ bầy đàn. Thuật toán này được giới thiệu bởi James Kennedy và Russell C. Eberhart [85] vào năm 1995 tại một hội nghị của IEEE. Thuật toán có nhiều ứng dụng quan trọng trong tất cả các lĩnh vực ở đó đòi hỏi phải giải quyết các bài toán tối ưu hóa. Để hiểu thuật toán PSO, hãy xét một ví dụ đơn giản về quá trình tìm kiếm thức ăn của một đàn chim. Không gian tìm kiếm thức ăn lúc này là toàn bộ không gian ba chiều mà chúng đang sinh sống. Tại thời điểm bắt đầu tìm kiếm, cả đàn bay theo một hướng nào đó, có thể rất ngẫu nhiên. Sau một thời gian tìm kiếm, một số cá thể trong đàn bắt đầu tìm ra nơi có thức ăn. Tùy theo số lượng thức ăn vừa tìm được mà cá thể này gửi tín hiệu đến các các cá thể khác ở vùng lân cận. Tín hiệu này được lan truyền trên toàn bộ quần thể. Dựa vào thông tin nhận được, mỗi cá thể sẽ điều chỉnh hướng bay và vận tốc hướng về nơi có nhiều thức ăn nhất. Cơ chế truyền tin như vậy thường được xem như là một kiểu hình của trí tuệ bầy đàn. Cơ chế này giúp cả đàn chim tìm ra nơi có nhiều thức ăn nhất trên không gian tìm kiếm vô cùng rộng lớn [85].
Như vậy, đàn chim đã dùng trí tuệ, kiến thức và kinh nghiệm của cả đàn để nhanh chóng tìm ra nơi chứa thức ăn. Việc mô hình hóa này thường được gọi là quá
trình phỏng sinh học. Thuật toán xây dựng dựa trên việc mô hình hóa các quá trình trong sinh học đượcgọi là thuật toán phỏng sinh học.
Xét bài toán tối ưu của hàm số Q trong không gian hai chiều (S, t). Mỗi vị trí trong không gian là một điểmcó tọa độ hai chiều (S, t). Hàm Q là hàm mục tiêu xác định
trong không gian hai chiều và nhận giá trị thực. Mục đích là tìm rađiểm cực đại của
hàm Q trong miền xác định nào đó của (S, t). Giả sử số lượng thức ăn tại một vị trí tỉ lệ thuận với giá trị của hàm Q tại vị trí đó. Có nghĩa là ở một vị trí, giá trị hàm Q càng
89
lớn thì số lượng thức ăn càng lớn. Việc tìm vùng chứa thức ăn nhiều nhất tương tự với việc tìm vùng chứa điểm cực đại của hàm Q trong không gian tìm kiếm.
PSO được khởi tạo bằng một nhóm cá thể (nghiệm) ngẫu nhiên và sau đó tìm