90
Hình 4. 2 Vật tư phục vụ thí nghi m ệ
4.1 Thiết kế thực nghiệm
Với mục tiêu thi t kế ếthực nghiệm và tối ưu hóa các tham số điều khiển một cách đơn giản, hi u qu , tiệ ả ết kiệm số thí nghiệm, nhiều nghiên cứu đã lựa chọn phương pháp thiết kế thực nghi m Taguchiệ [82], [83]. Phương pháp này cho phép mỗi tham số có th ể được đánh giá độc lập và các thí nghiệm ngẫu nhiên do m ng tr c giao (Orthogonal array ả ự – OA). Với khả năng thu ẹh p ph m vi nghiên cạ ứu cụ thể, hoặc xác định các vấn đề trong sản xuất v i dớ ữ liệu hiện có, bằng cách đánh giá cao giá trị đặc trưng cho hiệu su t trung bình ấ gần với giá trị mục tiêu hơn là giá tr ằm trong giới hạn đặị n c tính kỹ thuật nhất định, đã làm cho phương pháp Taguchi trởthành một lựa chọn phổ biến nhằm cải tiến chất lượng s n phả ẩm [84].
4.1.1 Phương pháp Taguchi
Thiết kế thực nghi m (DOE = Design of Experiment) theo ti p c n cệ ế ậ ủa Taguchi được chuẩn hóa từ k thuỹ ật thiết kếthực nghiệm (được gọi là DOE cổ điển) được giới thiệu bởi R.A.Fisher người Anh từ đầu những năm 1920. Tiến sĩ Taguchi tên đầy đủ là Genichi Taguchi là một nhà nghiên c u t i phòng thí nghiứ ạ ệm Electronic Control ở Nhậ Năm 1940, t. ông đã ập trung nghiên c u c t ứ ải thiện chất lượng s n phả ẩm trên cơ s đơn giản hóa và ở chuẩn hóa ng d ng kứ ụ ỹ thuật DOE. Thành công của TS. Taguchi được áp dụng trọng lĩnh vực kỹ thuật của các công ty trên toàn thế giới, đặc bi t giệ ới thiệu đến Mỹ và các nước phương Tây chỉ vào đầu những năm 1980 [85].
91 Một số ưu điểm nổi b t cậ ủa phương pháp Taguchi: - Thực nghiệm hiệu qu ả
- Ứng d ng và phân tích dụ ữ u mliệ ột cách dễdàng - Xác suất thành công cao
- Cải thiện các kết qu d ả ự đoán - Hiệu qu kinh t ả ếcao
- Nâng cao s hài lòng c a khách hàng ự ủ
Các bước thiết kế th c nghiự ệm theo phương pháp Taguchi: - Thiết lập mối quan h giệ ữa các đ i tưố ợng nghiên c u ứ - Lựa chọn các thông s c n thiố ầ ết để khảo sát
- Xác định các thông s ố
- Lựa ch n các mọ ức cho các thông s ố
- Tính s bố ậc tự do c n thiầ ết cho thiết kế thí nghi m ệ - Lựa chọn bảng tiêu chuẩn (bảng OA)
- Gán các thông s và mố ức của nó vào các c t ộ - Tiến hành thí nghi m ệ
- Phân tích k t qu ế ả
- Kiểm chứng k t qu thí nghi m ế ả ệ
4.1.2 L a chự ọn các thông số đầ u vào
Để nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông s công ngh khi gia công thép SKD11 ố ệ trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng t , nghiên c u lừ ứ ựa chọn các thông số đầu vào gồm có: tốc độ cắt V, tốc độchạy dao f, chi u sâu c t t, nhiề ắ ệ ột đ h ỗtrợquá trình gia công T. Đầu tiên các thí nghiệm tại nhiệ ột đ phòng được thực hiện để nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông sốcông nghệ khi gia công thông thường thép SKD11 t i nhiạ ệt độ phòng. Sau đó các thí nghiệm tại nhiệ ột đ cao được thực hiện đểđánh giá ảnh hưởng c a quá trình ủ gia nhiệt, đồng th i phân tích m i quan hờ ố ệ ữa các thông số gi công nghệ đế n các thông số đầu ra: lực cắt, độ nhám bề mặt, rung động quá trình cắt, h s co rút phoi. ệ ố
Sơ đồ thí nghiệm theo phương pháp Taguchi được trình bày như Hình 4.3.
Hình 4. 3 Sơ đồ thiết kế thực nghiệm theo phương pháp mảng tr c giao Taguchi ự Trong đó:
- Z là thông s u vào: cố đầ ác biến độc lập, điều khi n và kiể ểm tra được - X là nhiễu: các biến không điều khiển được
Gia công gia nhi ệt thép SKD11
X
Z
92
- Y là chỉ tiêu đánh giá: ực cắt, độl nhám bề ặt, hệ ố co rút phoi, rung độ m s ng quá trình c t ắ Căn cứ vào các kết quả nghiên cứu ở Chương 2 đồng thời căn cứ vào chế độ ắt c khuyến nghị t ừnhà sản xuất đối với dụng cụ cắt ký hiệu APKT 1604PDR – GM, nghiên cứu đã xác định giới hạn chế độ công nghệ như dưới đây. Đối v i tham s nhiớ ố ệ ột đ h ỗtrợ quá trình cắt, Chương 3 đã phân tích khoảng nhiệ ột đ phù hợp không làm thay đổi tính chất cơ lý của nhiệt độ phải thấp hơn nhiệt độ chuyển pha vật li u. Ngoài ra căn cứ ệ vào điều kiện th c nghiự ệm hiện có, nghiên cứu đã lựa chọn các thông s u vào c ố đầ ụthể như sau:
- Tốc độ ắt V: từ 190 m/phút đế c n 280 m/phút
- Tốc độchạy dao f: t ừ 230 mm/phút đến 380 mm/phút - Chiều sâu cắt t: từ 0,5 mm đến 1,5 mm
- Nhiệt độ ỗ h trợ quá trình cắ (sau đây gọi là nhit ệ ột đ ) T: từ 200oC đến 400oC.
Khi thiết kế thực nghiệm trong điều kiện gia công thông thường, thông số đầu vào chỉ g m ba thông sồ ố: tốc độ ắt V, tốc độ c chạy dao f và chiều sâu cắt t.
4.1.3 Một sốkhái niệm
4.1.3.1 T s S/N ỷ ố
S ự thay đổ ặi đ c tính chất lượng của sản ph m nghiên cẩ ứu, để đáp ứng m t thông sộ ố được giới thiệu trong thiết k th c nghiế ự ệm là “signal - tín hi u” cệ ủa kết quả mong muốn. Tuy nhiên, khi ti n hành thí nghi m, có nh ng thông sế ệ ữ ố ngoại lai tuy không được thiết kế trong th c nghiự ệm nhưng lại có ảnh hưởng đến kết quả đầu ra. Những thông số đó được gọi là những thông số nhiễu và ảnh hưởng c a chúng tủ ới kết quả đầu ra của tham số chất lượng trong thí nghiệm được gọi là “the noise – nhiễu”. Tỷ ố s tín hi u trên nhi u (tệ ễ ỷ ố s S/N) đo độ nh y ạ và kiểm soát đặc tính chất lượng được điều tra với những y u tế ố bên ngoài không được ki m soát. Kể hái niệm về S / N có nguồn gốc trong lĩnh vực kỹ thu t ậ điện. Taguchi đã áp dụng hi u qu khái niệ ả ệm này để thiết lập điều kiện tối ưu từ các thí nghiệm.
Mục tiêu của thực nghi m luôn lệ à xác định tỉ ố s S/N cao nhất có thể cho chỉ tiêu đánh giá. Một giá trị S/N cao có nghĩa là tín hiệu cao hơn rất nhi u so về ới tác động ngẫu nhiên của các yế ố nhiễu t u. Thiết kế sản phẩm hoặc quá trình hoạ ột đ ng phù h p vợ ới S / N cao nhất luôn mang lại chấ lượt ng tối ưu với phương sai tối thiểu.
T ừ quan điểm vềchất lượng, có ba lo i ạ đặc tính chất lượng như sau [86]: - Thấp hơn tốt hơn
- Giá trị tiêu chu n là tẩ ốt nhất - Cao hơn tốt hơn
Việc chuyển đổi một tập hợp các quan sát thành mộ ố t s đơn lẻ, tỷ ố S/N được thực s hiện theo hai bước. Đầu tiên bình phương độ lệch (MSD)được tính toán. Sau đó tỷ ố s S/N được xác định t MSD theo công thừ ức:
S N = 10log MSD ( ) (4. 1)
- N u ế đặc tính chất lượng cao hơn tốt hơn, MSD được định nghĩa:
MSD = 1 r
1
y (4. 2)
93 MSD =1
r y (4. 3)
- N u ế đặc tính chất lượng giá trị tiêu chu n là tẩ ốt nhất, MSD được định nghĩa: MSD =1
r ( y y ) (4. 4)
Trong đó: yilà tất cảcác giá trị ểm tra củ ki a các thí nghi m ệ r là số ầ l n ki m tra trong mể ỗi thí nghiệm
yolà giá trị tiêu chuẩn hoặc giá trị ục tiêu m
Trong nghiên c u này, kiứ ểu đặc tính chất lượng của các chỉ tiêu đánh giá được xác định như Bảng 4.1.
B ng 4. 1 ả Kiểu đặc tính chất lượng các chỉ tiêu đánh giá
STT Chỉ tiêu đánh giá Kiểu đặc tính chất lượng Đơn vị
1 Lực cắt Thấ hơn tốt hơnp N
2 H s ệ ốco rút phoi Thấ hơn tốt hơnp - 3 Độ nhám b m t ề ặ Thấp hơn tốt hơn µm 4 Rung động quá trình c t ắ Thấp hơn tốt hơn dB
4.1.3.2 H s ệ ố Fisher (F)
Tham số có giá tr ịF lớn hơn nghĩa là nó có mức độ ảnh hưởng lớn hơn đến ch ỉtiêu đánh giá. H s ệ ố Fisher được xác định theo công thức:
F = MS
MS (4. 5)
Trong đó: MSđkcho điều kiện và MSlđk cho lỗi điều ki n. ệ 4.1.3.3 Phân tích phương sai
- Tổng bình phương (SS Sum of Square): đo độ ệch của dữ– l liệu thí nghiệm từ s trị ố trung bình của dữ u. liệ
SS = (y T) (4. 6)
Trong đó: N là số ợ lư ng giá trị được kiểm tra
Tlà giá trị trung bình các k t qu ế ảkiểm tra yi của đối tượng th ứi. - Tổng bình phương của hệ ố s S (SSA)
SS = A
n
T
N (4. 7)
Trong đó: Ai là giá trị ại mức i củ t a thí nghi m ệ T là tổng các giá trị ểm tra ki
94
- Tổng bình phương các lỗi (SSe): là phân bố bình phương của các giá trị khảo sát từgiá trị trung bình của trạng thái A
SS = y A (4. 8)
- Phần trăm phân bố ự ảnh hưở s ng c a thông s A ủ ố
P(%) = SS
SS × 100% (4. 9)
4.1.4 Thiết kếthực nghiệm
Bảng 4. trình bày các tham số điều khiể2 n và các mức độ tương ứng. Khi thiết kế thực nghiệm gia công thông thường t i nhiệ ộạ t đ phòng, tham số điều khi n gể ồm 3 tham số là V, f, t. M ng tr c giao L9 thiả ự ết kế theo phương pháp Taguchi được trình bày như ảB ng 4. 3 Ma trận thí nghiệm được trình bày như ả B ng 4. 4.
Khi thiết kế thực nghi m gia công ệ trong môi trường gia nhiệt bằng cảm ứng t , tham ừ số điều khi n gể ồm 4 tham sốlà V, f, t, T. M ng tr c giao L9 thiả ự ết kế theo phương pháp Taguchi được trình bày như ảB ng 4. 5 và ma trận thí nghiệm như ảB ng 4. 6.
B ng 4. 2 Tham s ả ố điều khi n và các mể ức độ
Ký hiệu Tham số điều khiển Đơn vị Mức độ
1 2 3
A Tốc độ cắt (V) m/phút 190 235 280 B Tốc độ chạy dao (f) mm/phút 230 305 380 C Chiều sâu cắt (t) mm 0.5 1.0 1.5 D Nhiệt độ (T) oC 200 300 400 B ng 4. 3 M ng trả ả ực giao L9 khi gia công thông thường tại nhiệt độ phòng Thí nghiệm số V (m/phút) f (mm/phút) t (mm) 1 1 1 1 2 1 2 2 3 1 3 3 4 2 1 2 5 2 2 3 6 2 3 1 7 3 1 3 8 3 2 1 9 3 3 2
95
B ng 4. 4 ả Ma trận thí nghiệm khi gia công thông thường tại nhiệt độ phòng Thí nghiệm số V (m/phút) f (mm/phút) t (mm) 1 190 230 0,5 2 190 305 1 3 190 380 1,5 4 235 230 1 5 235 305 1,5 6 235 380 0,5 7 280 230 1,5 8 280 305 0,5 9 280 380 1
B ng 4. 5 M ng tr c giao L9 khi gia công gia nhi t ả ả ự ệ
Thí nghiệm số V (m/phút) f (mm/phút) t (mm) T (oC) 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
B ng 4. 6 ả Ma trận thí nghiệm khi gia công gia nhi t ệ
Thí nghiệm số V (m/phút) f (mm/phút) t (mm) T (oC) 1 190 230 0,5 200 2 190 305 1 300 3 190 380 1,5 400 4 235 230 1 400 5 235 305 1,5 200 6 235 380 0,5 300 7 280 230 1,5 300 8 280 305 0,5 400 9 280 380 1 200
Quan sát Bảng 4. 3 và Bảng 4. 5 cho thấy mảng tr c giao L9 khi thí nghi m gia công ự ệ thông thường và gia công gia nhiệt với các thí nghiệm theo thứ t ựchỉ khác nhau về tham số điều khiển T. Nghĩa là thí nghiệm tại cùng sốthứ ự ủa hai phương pháp gia công có t c cùng tham s công nghố ệ (V, f, t). Điều này cho phép dễ dàng đánh giá ảnh hưởng của tham số nhiệt độ đế n k t qu ế ảcác chỉ tiêu đánh giá.
96
4.2 Điều kiện thí nghiệm
Điều ki n thí nghiệ ệm gồm: máy phay CNC MC500, mảnh h p kim cợ ứng APKT 1604PDR – GM, phôi thí nghiệm vật liệu SKD11 70 mm x 31 mm x 81 mm, thiết bị gia nhiệt cảm ứng từ, các thiết bị đo và kiểm tra đã được trình bày c ụthể như ở Chương 3.
4.3 Kết quả nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông s công nghố ệ đến lực
cắt khi gia công thông thường và khi gia công gia nhi t thép SKD11ệ
4.3.1 Nghiên cứu m i quan hố ệ giữa các thông s công nghố ệ đến lực cắt khi gia công
thông thường thép SKD11
Lực cắt trung bình F đượ ổng hợ ừc t p t 3 lực cắt thành phần FX, FY, FZ theo công thức (3. 1). M i thí nghiỗ ệm được thực hi n ba l n cho k t quệ ầ ế ả ực cắt trung bình khi gia công l thông thường (FR) và tỷ s ốS/N mỗi thí nghiệm được trình bày như Bảng 4. 7. Trong đó tỷ s ốS/N vớ đặc tính chi ất lượng lực cắt thấp hơn tốt hơn được xác định theo công thức (4. 1) và (4. 3).
B ng 4. 7 K t qu ả ế ả thí nghiệm lực cắt khi gia công thông thường thép SKD11 TN s ố V (m/phút) f (mm/phút) t (mm) FR(N) S/N 1 190 230 0,5 135,980 -42,6695 2 190 305 1 298,685 -49,5043 3 190 380 1,5 434,063 -52,7510 4 235 230 1 213,651 -46,5941 5 235 305 1,5 360,168 -51,1301 6 235 380 0,5 160,462 -44,1074 7 280 230 1,5 262,667 -48,3881 8 280 305 0,5 118,768 -41,4940 9 280 380 1 239,342 -47,5804
T s ỷ ốS/N của từng tham số điều khiển với 3 mức đ như ảng 4. 8 ộ B và phân tích ảnh hưởng c a chúng tủ ới lực cắt khi gia công thông thường được trình bày như Hình 4. 4. Kết quả cho thấy, bộtham số công ngh phù h p cho lệ ợ ực cắt nh nhỏ ất là:
A3B1C1tương ứng với V = 280 m/phút, f = 230 mm/phút, t = 0,5 mm.
B ng 4. 8 T s S/N cho mả ỷ ố ỗi mức độ khi gia công thông thường Tham số T s S/N cho mỷ ố ỗi mức độ Tham số T s S/N cho mỷ ố ỗi mức độ
1 2 3
A -48.308 -47.277 -45.821* B -45.884* -47.376 -48.146 C -42.757* -47.893 -50.756 *) Mức độ ối ưu t
97 -52 -51 -50 -49 -48 -47 -46 -45 -44 -43 -42 -41 -40 Vc (m/min) f (mm/min) t (mm) average A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 S/ N (m/phút) (mm/phút) Trung bình (mm)
Hình 4. 4 Ảnh hưởng c a các tham s ủ ố điều khiển đến t s S/N cho ch ỷ ố ỉ tiêu ực cắt khi gia l công thông thường
Mô hình lực cắt khi gia công thông thường tại nhiệ ột đ phòng phụ thuộc b tham số ộ công ngh (V, f, t) có d ng: ệ ạ
F = a V f t (4. 10)
Trong đó: a1 và b1, c1, d1 theo th t ứ ựlà hệ ố s và các số mũ được xác định từthực nghiệm. Để xây d ng mô hình lự ực cắt khi gia công thông thường, nghiên c u sứ ử dụng phương pháp tìm hàm h i quy phi tuyồ ến Gauss – Newton. Phương pháp này được tích hợp trong công cụ Nonlinear Regression của phần m m Minitab 17. M ng tr c giao L9 và kề ả ự ết quả lực cắt được trình bày như ảB ng 4. 7 được sử ụng là dữ d liệu đầu vào của phương pháp.Với dữ liệu 9 điểm thí nghiệm khi gia công thông thường, giá trị ệ ố h s và các số mũ của phương trình (4. 10) được xác định như Bảng 4. 9. Hàm hồi quy phi tuy n lế ực cắt tìm được như phương trình ((4. 11)
B ng 4. 9 H s và s ả ệ ố ố mũ của mô hình lực cắt khi gia công thông thường H sệ ố/số mũ a1 b1 c1 d1