Chƣơng 1 : TỔNG QUAN VỀ VẤN Ề NGHIÊN CỨU
1.3. Kết luận chƣơng
Lĩnh vực cơ khí chế tạo nói chung và ngành tiện nói riêng có những phát triển đáng kể. Tuy nhiên, từ khi bƣớc sang cơ chế thị trƣờng, ngành cơ khí nƣớc nhà đã bộc lộ nhiều yếu kém, trong đó vấn đề lớn nhất là khả năng cạnh tranh của ngành rất hạn chế ngay cả ở thị trƣờng trong nƣớc. Thị trƣờng tiêu thụ sản phẩm bị thu hẹp, không đủ sức cạnh tranh với hàng ngoại nhập, hoạt động kinh doanh gặp rất nhiều khó khăn...
Nghiên cứu cơ bản về các quá trình cắt gọt vật liệu kim loại đã đƣợc thực hiện khá công phu và đầy đủ ở trên thế giới cũng nhƣ trong nƣớc, riêng vấn đề nghiên cứu xác định các thông số công nghệ tối ƣu khi gia công cắt gọt còn thực hiện chƣa nhiều.
ã có cơng trình nghiên cứu đề cập đến việc xác định các thông số công nghệ khi tiện trên máy CNC, tuy nhiên chỉ giới hạn là gia công mặt trụ ngồi cịn trƣờng hợp gia cơng mặt trụ trong chƣa có cơng trình nào đề cập tới.
Từ những phân tích trên một lần nữa cho thấy vấn đề mà luận văn cần giải quyết có tính thời sự và cần thiết.
Chƣơng 2
MỤC TIÊU ĐỐI TƢỢNG PHẠM VI VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Mục tiêu nghiên cứu
Xác định qui luật ảnh hƣởng của một số thông số chủ yếu thuộc chế độ cắt đến chi phí điện năng riêng và chất lƣợng bề mặt khi tiện mặt trụ trong của chi tiết bạc trên máy tiện CNC YT – 10T, từ đó xác định chế độ cắt hợp lý nhằm nâng cao chất lƣợng và hiệu quả khai thác, sử dụng máy tiện trong đào tạo và sản xuất.
2.2. Đ i tƣợng phạm vi nghiên cứu
2.2.1. Đối tư ng nghiên cứu
2.2.1.1. Thiết bị gia công
Thiết bị nghiên cứu đƣợc sử dụng là máy tiện CNC mã hiệu YT – 10T. ây là loại máy sản xuất tại ài Loan và hiện đang đƣợc sử dụng phổ biến trong các xƣởng gia cơng cơ khí của các cơng ty và các trƣờng đào tạo chuyên ngành kỹ thuật và đào tạo nghề cơ khí ở nƣớc ta.
Máy tiện CNC mã hiệu YT – 10T Model 2014 có cấu tạo chung nhƣ hình 3.1. Máy do hãng ài Loan (Taiwan) sản xuất. Thiết bị này hiện đang đƣợc sử dụng phục vụ thực hành gia cơng cơ khí tại xƣởng CNC, khoa Cơ khí, trƣờng Cao đẳng nghề Cơ giới và Thủy lợi.
Trên máy tiện CNC YT – 10T có thể dùng các loại dao tiện gia công mặt phẳng, mặt trụ ngồi và trong, mặt cơn, mặt định hình và hoa văn, mặt đầu mút và gờ, cắt rãnh, cắt ren và gia cơng lỗ,…Q trình gia cơng đƣợc thực hiện tự động theo chƣơng trình đã lập sẵn.
Hình 3.1. Máy tiện CNC YT – 10T
Bảng 3.1. Các th ng số kỹ thuật của máy tiện CNC YT – 10T
TT Thông s Trị s
1 ƣờng kính xoay lớn nhất 400mm 2 ƣờng kính tiện lớn nhất 220mm
3 Chiều dài tiện lớn nhất 280mm
4 Khoảng cách từ bàn máy tới trục chính 300mm 5 ƣờng chạy trục X 135mm 6 ƣờng chạy trục Z 300mm 7 Tốc độ lớn nhất 5000(Opt :6000)rpm 8 Mũi trục chính A2-5 9 Lỗ thơng qua trục chính 55mm 10 ộng cơ trục chính 7,5HP 11 Trọng lƣợng máy 2800kg
2.2.1.2. Vật liệu, chi tiết gia công và dao cắt
ề tài không nghiên cứu tất cả các vật liệu kim loại, cũng không nghiên cứu ở nhiều loại dao cắt khác nhau mà chỉ tập trung nghiên cứu loại vật liệu phổ biến trong ngành cơ khí là thép C45.Thép C45 là thép các bon, có hàm
lƣợng cacbon là 0,45 . Thép C45 đƣợc xếp vào loại vật liệu có tính cacbon trung bình, thƣờng đƣợc dùng thiết kế trục, bánh răng...
Theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) 8301:2009, thành phần hóa học và cơ tính của thép C45 đƣợc quy định tƣơng ứng trong các ảng 3.2 và ảng 3.3.
Bảng 3.2 - Thành phần hoá học của thép Các on ch t ư ng C45
Bảng 3.3- Cơ tính của thép C45
- Chi tiết gia cơng đƣợc chọn là tiện mặt trụ trong của chi tiết bạc. - Dao tiện đƣợc lựa chọn là một chủng loại, vật liệu làm dao là hợp kim cứng AC 830P.
2.2.2. hạm vi nghiên cứu
+ Các chỉ tiêu đặc trƣng cho kinh tế và kỹ thuật là chi phí điện năng riêng và độ nhám bề mặt .
+ Các tham số của chế độ cắt đƣợc lựa chọn để nghiên cứu sự ảnh hƣởng của chúng tới các hàm mục tiêu đặc trƣng cho kinh tế và kỹ thuật là vận tốc cắt V, lƣợng chạy dao S và chiều sâu cắt t.
+ ề mặt đƣợc gia công của chi tiết bạc rất đa dạng, song luận văn giới hạn về đối tƣợng gia công là mặt trụ trong.
2.3. Nội dung nghiên cứu
ể đạt đƣợc mục tiêu của đề tài chúng tôi tập trung giải quyết những nội dung sau :
- Nghiên cứu tổng quan về vấn đề nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, những yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng gia công và chi phí điện năng riêng trên máy tiện.
- Nghiên cứu bằng thực nghiệm đơn yếu tố. - Nghiên cứu bằng thực nghiệm đa yếu tố.
- Nghiên cứu xác định các thông số công nghệ tối ƣu.
- Thực nghiệm gia công trên máy với thông số công nghệ tối ƣu
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.4.1. Các phương pháp chung
Các phƣơng pháp chủ đạo đƣợc sử dụng để giải quyết các nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm :
- Phƣơng pháp kế thừa: Thu thập, kế thừa các tài liệu trong nƣớc và trên thế giới liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu để hoàn thành nội dung tổng quan của luận văn, bên cạnh đó cịn sử dụng trong phân tích lựa chọn, nhận xét, đánh giá kết quả đạt đƣợc.
- Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết đƣợc sử dụng trong nghiên cứu các cơng trình khoa học, tổng hợp cơ sở lý luận để giải quyết các nội dung thuộc tổng quan về vấn đề nghiên cứu, xây dựng cơ sở lý luận của đề tài cũng nhƣ lập và giải các bài toán tối ƣu đa mục tiêu nhằm xác định các thông số công nghệ hợp lý khi tiện mặt trụ trong chi tiết bạc trên máy tiện CNC.
- Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm: ƣợc sử dụng là phƣơng pháp qui hoạch hóa thực nghiệm đơn và đa yếu tố để để làm cơ sở cho việc lập các
mơ hình tốn học biểu hiện mối quan hệ giữa các thông số công nghệ khi tiện mặt trụ trong chi tiết bạc trên máy tiện CNC với các hàm mục tiêu xác lập. - Phƣơng pháp tối ƣu đa mục tiêu: Luận văn sử dụng để xác định các thông số công nghệ hợp lý khi gia công mặt trụ trong chi tiết bạc trên máy tiện CNC YT – 10T.
2.4.2. Nội dung v phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Theo [2,4,19] nội dung của nghiên cứu thực nghiệm gồm: xác định mục tiêu thực nghiệm; chọn tham số điều khiển và khoảng biến động của chúng; chọn các thiết bị đo; tiến hành cơng tác chuẩn bị; tiến hành thí nghiệm thăm dò; tiến hành thực nghiệm đơn yếu tố và đa yếu tố.
2.4.2.1. Thí nghiệm thăm dị
Tiến hành thí nghiệm thăm dị (ở mức cơ sở với số thí nghiệm n = 6) để xác định qui luật phân bố của đại lƣợng cần nghiên cứu.
ể có thể phát hiện ra qui luật phân bố khách quan trong tổng thể dựa vào những tài liệu thu thập đƣợc ở đại lƣợng nghiên cứu, trƣớc hết ta cần sắp xếp các trị số quan sát đƣợc của đại lƣợng theo một trật tự nhất định, rồi thống kê các phần tử nằm trong những khoảng xác định. ể lập đƣợc phân bố thực nghiệm phải tiến hành chia tổ ghép nhóm các trị số thu thập đƣợc theo cơng thức kinh nghiệm của rooks và Carruther [12]:
a = 5.lgn (2.1) k = m x xmax min (2.2) Trong đó: a- số tổ đƣợc chia; k- cự ly tổ;
xmax, xmin- trị số thu thập lớn nhất, bé nhất của đại lƣợng nghiên cứu. Xác định các đặc trƣng của phân bố thực nghiệm:
* Sai số trung bình mẫu: n 1 i n 2 1 x n 1 x ... x x n 1 x (2.3)
* Sai số tiêu chuẩn: trƣờng hợp mẫu lớn (n >30): S= n tb i x x 1 2 ) ( 1 n 1 (2.4) Ở đây: Qx= n x f x f i i n i i 2 1 2 . . (2.5)
Phƣơng sai mẫu là bình phƣơng sai tiêu chuẩn: S2
* Hệ số biến động: S%= .100
x S
(2.6)
* hạm vi biến động: R = xmax - xmin (2.7)
* Độ lệch: Sk= 3 n 1 3 i n.S ) x (x (2.8) Nếu: Sk=0, thì phân bố là đối xứng;
Sk>0 thì đỉnh đƣờng cong lệch trái so với số trung bình; Sk<0 thì đỉnh đƣờng cong lệch phải so với số trung bình.
* Độ nhọn phân bố: Ex= 3 n.S ) x (x 4 n 1 4 i (2.9) Nếu: Ex = 0 thì đƣờng cong thực nghiệm tiệm cận chuẩn;
Ex > 0 thì đỉnh đƣờng cong nhọn so với phân bố chuẩn Ex < 0 thì đỉnh đƣờng cong bẹt hơn so vơi phân bố chuẩn
* Xác định luật phân bố: χn2=l 1 l 2 l i f ) f (f (2.10)
Trong đó:
l- số tổ hợp sau khi đã gộp những tổ hợp có tần số lý luận fi. Nếu χn2
> χα2(k) thì luật phân bố của đại lƣợng nghiên cứu là phân bố
chuẩn. χα2
(k) đƣợc xác định bằng cách tra bảng phụ lục 5 [12], với k = n-1 là bậc tự do và mức ý nghĩa α = 0,05.
* Xác định số lần lặp cho các thí nghiệm.
Việc xác định số lần lặp cho các thí nghiệm có ý nghĩa rất quan trọng, nó phải đủ lớn để đảm bảo mức độ chính xác của luật phân bố chuẩn, nhƣng lại phải tối thiểu để giảm bớt khối lƣợng thực nghiệm. Số lần lặp cho mỗi thí nghiệm đƣợc tính theo kết quả của thí nghiệm thăm dị và theo cơng thức:
m = Y . Δ% .S τ 2 2 2. (2.11) Trong đó:
m- số lần lặp; τ- tiêu chuẩn Student tra bảng với mức ý nghĩa υ=0,05; ∆ - sai số tƣơng đối, ≤5 ; Y- giá trị trung bình của đại lƣợng nghiên cứu.
2.4.2.2. Thí nghiệm đơn yếu tố
Nhiệm vụ cơ bản của thực nghiệm đơn yếu tố là xác định các thông số ảnh hƣởng để xem thông số nào thực sự ảnh hƣởng đến các hàm mục tiêu, xác định mức độ và quy luật ảnh hƣởng của chúng đến chỉ tiêu quan tâm.
Thực nghiệm đơn yếu tố đƣợc tiến hành qua các bƣớc sau :
- Thực hiện thí nghiệm với từng thơng số thay đổi với số mức không nhỏ hơn 4, khoảng thay đổi lớn hơn 2 lần sai số bình phƣơng trung bình của phép đo giá trị thơng số đó. Số thí nghiệm lặp lại n có thể lấy theo kết quả từ thí
nghiệm thăm dị.
- Sau khi thí nghiệm xong, tiến hành xác định độ tin cậy về ảnh hƣởng của mỗi yếu tố tới độ nhám bề mặt và sai số kích thƣớc. ánh giá tính thuần
nhất của phƣơng sai trong q trình thí nghiệm, để chứng tỏ ảnh hƣởng khác đối với thông số cần xét là khơng có hoặc khơng đáng kể.
2.4.2.3. hương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố
Phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố đƣợc thực hiện theo các bƣớc sau :
+ Chuẩn bị dụng cụ đo, máy móc để thí nghiệm ; + Chọn phƣơng án thích hợp cho thí nghiệm ; + Tổ chức thí nghiệm ;
+ Xử lý số liệu thí nghiệm ;
+ Phân tích và giải thích kết quả nhận đƣợc bằng thuật ngữ của các lĩnh vực khoa học tƣơng ứng.
a. Chọn phương án quy hoạch thực nghiệm và lập ma trận thí nghiệm
Qua tham khảo ý kiến của các chuyên gia và các tài liệu [1,3,7,10,13] , chúng tôi thấy rằng ảnh hƣởng của các yếu tố vận tốc cắt, lƣợng chạy dao, chiều sậu cắt đến hàm mục tiêu là độ nhám bề mặt và điện năng riêng có nhiều khả năng là hàm phi tuyến.
ể có kết luận chính xác, ta cịn phải căn cứ vào kết quả thực nghiệm đơn yếu tố. Nếu kết quả thực nghiệm đơn yếu tố cho ta quy luật tƣơng quan phi tuyến thì có thể bỏ qua việc tiến hành thực nghiệm bậc một mà thực hiện theo phƣơng án quy hoạch bậc hai.
Trong số các phƣơng án quy hoạch bậc hai nhƣ phƣơng án Keeferi J, phƣơng án trực giao, ox Wilson, phƣơng án H.O. Hartley, chúng tôi chọn phƣơng án H.O. Hartley vì đây là phƣơng án đòi hỏi số lƣợng thì nghiệm tƣơng đối ít mà vẫn đạt độ tin cậy bảo đảm cao.
Theo [14] phƣơng án này có tổng cộng số các thí nghiệm cần thực hiện : N = 2k+ Nα + No (2.12)
Trong đó : 2k
– các thí nghiệm ở phần hạt nhân, k – các thông số ảnh hƣởng, k = 3 suy ra 23
= 8;
Nα – các thí nghiệm ở mức sao, Nα = 2.k = 6 ; N0 – các thí nghiệm ở trung tâm, N0 = 3. Thay các giá trị 2k
, Nα và N0 ở trên vào cơng thức (2.12), ta có : Vậy tổng thí nghiệm cần thực là N = 17.
iến thiên của 3 yếu tố trong vùng thí nghiệm gồm các mức cơ sở, mức trên và mức dƣới, các giá trị này đƣợc chọn dựa vào phân tích kết quả đơn yếu tố. Trong các yếu tố khác nhau của yếu tố Xi quan trọng nhất là mức cơ sở Xi0 đƣợc xác định theo công thức :
Xio = (Ximin + Ximax)/2 (2.13)
Khoảng biến thiên ei của các yếu tố X:
ei = Xi max - Xi0 = Xi0 - Xi min (2.14) ể chuyển đổi từ giá trị mã hóa sang giá trị dạng thực của yếu tố thứ i theo biểu thức:
xi = (Xi - Xi 0)/ei (2.15)
Trong đó: xi - giá trị mã; Xi - giá trị dạng thực của yếu tố thứ i.
Ở dạng mã mức dƣới của mỗi yếu tố có giá trị (-1), mức cơ sở có giá trị (0), cịn mức trên có giá trị (+1).
b. hương pháp đo đạc và thu thập số liệu
Tiến hành các thí nghiệm theo ma trận đã lập. Kết quả các số đo trong khi làm thí nghiệm ln đƣợc chú ý để đảm bảo giảm thiểu các sai số thô, sai số hệ thống gây ra do độ nhậy và độ chính xác của dụng cụ và sai số ngẫu nhiên.
Sau khi thực hiện các thí nghiệm theo ma trận với số lần lặp lại của từng thí nghiệm m, chúng tơi sử dụng chƣơng trình xử lý số liệu đa yếu tố OPT của Mỹ đã đƣợc chép bản quyền và lƣu hành tại Viện cơ điện Nơng Nghiệp Việt Nam trên máy vi tính.
c. Xác định mơ hình tốn học
Hàm mục tiêu đƣợc biểu thị bằng các mơ hình tốn là phƣơng trình hồi qui bậc hai với dạng chung là:
2 i K 1 i Þ j i K 1 i K 1 i Þ i K 1 i i 0 bX b XX b X b Y (2.16) K - số các yếu tố ảnh hƣởng. Các hệ số: u K 1 i N 1 u 2 iu N 1 u u 0 a y P X y b u N 1 u iu i e X y b u N 1 u ju iu Þ g X X y b N 1 u u u K 1 i u 1 ju u N 1 u 2 iu ii c X y d X y P y b (2.17) (2.18) (2.19) (2.20) Trong chƣơng trình máy tính các hệ số: a, b, c, d, e, p đã đƣợc tính sẵn nhờ đó xác định đƣợc b0, bi, bii, bij và mơ hình tốn học đƣợc xác định.
d. Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai
Kiểm tra tính đồng nhất của phƣơng sai theo tiêu chuẩn Kohren. Nếu Gtt < Gb thì giả thiết H0 khơng mâu thuẫn với số liệu thí nghiệm. Phƣơng sai ở các thí nghiệm đƣợc coi là đồng nhất. iều này cho phép coi cƣờng độ nhiễu là ổn định khi thay đổi các thơng số trong thí nghiệm.
e. Kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy
Các hệ số hồi quy b0, bi, bii, bij của phƣơng trình sẽ đƣợc kiểm tra mức
ý nghĩa theo tiêu chuẩn Student. Trƣớc hết phải tính phƣơng sai của các hệ số