Vật liệu Thành phần hóa học Cơ tính
Thép C08s C (%) Mn (%) Si (%) P (%) S (%) Rm (MPa) Re (MPa) (%) 0,0276 0,151 0,0163 0,0145 0,0038 297 218 39 Bảng 4. 4. Thành phần hóa học và cơ tính của 08Cr18Ni10
Vật liệu Thành phần hóa học Cơ tính
08Cr18Ni10 C (%) Cr (%) Mn (%) Ni (%) Mo (%) Rm (MPa) Re (MPa) (%) 0,0478 18,11 1,16 8,18 0,042 690 344 59
4.2.4. Xây dựng bài toán thực nghiệm
4.2.4.1. Cơ sở quy hoạch thực nghiệm
Quy hoạch thực nghiệm là một phƣơng pháp toán học đƣợc sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm nhằm chọn một chiến lƣợc tối ƣu trong điều kiện chƣa hiểu quá trình một cách tồn diện, nhờ đó có thể xác định đƣợc một vùng tối ƣu các thông số cơng nghệ, từ đó có thể chọn các bộ số liệu thực nghiệm [13]. Nhờ phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm, có thể giảm thiểu số lƣợng các thực nghiệm, giảm thiểu thời gian và chi phí cho thực nghiệm, nhƣng khơng ảnh hƣởng đến độ chính xác của kết quả thực nghiệm.
Theo lý thuyết của phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm, các điều kiện ban đầu cho thực nghiệm phải tuân thủ điều kiện: các biến số phải hội tụ và bảo đảm điều kiện tối ƣu. Các tham số đƣợc quy nạp vào một hàm mục tiêu, bằng các thuật toán, xây dựng đƣợc phƣơng trình hồi quy theo các biến đổi của các tham số. Từ phƣơng trình hồi quy, có thể xác định hàm tối ƣu quan hệ với các biến số, xây dựng biểu đồ 3D và các biểu đồ đồng mức, từ đó có thể sử dụng làm căn cứ chọn các thơng số tối ƣu cơng nghệ.
Q trình nghiên cứu càng phức tạp, càng phụ thuộc vào nhiều nhân tố ảnh hƣởng thì hiệu quả của phƣơng pháp này càng cao. Quan hệ phụ thuộc giữa các nhân tố ảnh hƣởng (nhân tố đầu vào) đối với đại lƣợng cần tìm (nhân tố đầu ra) đƣợc biểu thị bằng quan hệ hàm, phát biểu theo ngơn ngữ tốn học là các biến (nhân tố đầu vào) và hàm mục tiêu. Hàm mục tiêu có dạng:
= (x1, x2, … xk) (4.1) trong đó là tham số của q trình cần tối ƣu hóa, x1, x2, … xk là biến số độc
lập, có khả năng thay đổi khi tiến hành thực nghiệm, chúng cũng đƣợc gọi là các nhân tố và không gian với tọa độ xj, j {1, 2, 3, …, k} là không gian nhân tố. Ảnh hình học tƣơng ứng với hàm mục tiêu đƣợc gọi là mặt mục tiêu.
Thơng thƣờng, biểu thức tốn học của hàm mục tiêu (4.1) là chƣa biết đƣợc giới hạn biểu diễn bằng một đa thức. Sau khi tiến hành thực nghiệm xác định đƣợc hệ số hồi quy, chúng chỉ là ƣớc lƣợng của các hệ số hồi quy của
biểu thức (4.1) nói trên.
Phương trình hồi quy tìm đƣợc trên cơ sở thí nghiệm đƣợc viết dƣới dạng:
2 j jj r j r j jr j j 0 b x b x x b x b y +… (4.2) trong đó, y là giá trị đƣợc dự đốn bằng phƣơng trình miêu tả bản chất quá trình cần tìm. Ngƣời ta gọi y là ƣớc lƣợng đƣợc chọn của .
Trong thực tế nghiên cứu, phƣơng trình hồi quy (4.2) thƣờng dùng là phƣơng trình bậc 2: 2 j jj r j r j jr j j 0 b x b x x b x b y (4.3)
vì nó cho biết cực trị và q trình xử lý số liệu khơng q khó khăn mà vẫn đáp ứng đƣợc độ chính xác cần thiết.
Có rất nhiều phƣơng pháp lập quy hoạch thực nghiệm, ở đây chủ yếu dùng quy hoạch trực giao cấp 2 để xây dựng mơ hình tốn học miêu tả phƣơng trình hồi quy và quan hệ hàm giữa các nhân tố ảnh hƣởng đối với các đại lƣợng cần đạt đƣợc.
4.2.4.2. Lựa chọn khoảng biến thiên của các thông số
Trong mục 4.1, luận án đã xác định đƣợc các yếu tố đầu vào và đầu ra cho bài toán thực nghiệm nhƣ sau:
+ Các yếu tố đầu vào: Tỷ số áp suất chất lỏng Kq, áp lực chặn qc, chiều
dày tƣơng đối của phôi s*
.
+ Các yếu tố đầu ra: Mức độ biến mỏng chiều dày thành lớn nhất ε và
chiều cao tƣơng đối của sản phẩm h* (hình 4.5).
Hình 4. 5. Các vị trí đo yếu tố đầu ra
Căn cứ các kết quả nghiên cứu mô phỏng trong chƣơng 3 và điều kiện thực tế của trang thiết bị phịng Thí nghiệm Gia cơng áp lực, Học viện Kỹ thuật quân sự, khoảng biến thiên của các yếu tố đầu vào đƣợc chọn nhƣ sau:
- Tỷ số áp suất chất lỏng Kq:
+ Với Cu99.97: Kq = (0,14 ÷ 0,40) + Với thép C08s: Kq = (0,06 ÷ 0,26) + Với 08Cr18Ni10: Kq = (0,10 ÷ 0,26) - Áp lực chặn qc:
+ Với Cu99.97: qc = (3 ÷ 7) MPa + Với thép C08s: qc = (5 ÷ 9) MPa + Với 08Cr18Ni10: qc = (12 ÷ 22) MPa - Chiều dày tƣơng đối của vật liệu : s* = (0,6 ÷ 1,0)%
4.2.4.3. Xây dựng ma trận thực nghiệm
Để xây dựng ma trận thực nghiệm, các thông số công nghệ đƣợc mã hóa thành các biến nhƣ sau:
- Tỷ số áp suất chất lỏng (Kq) đƣợc mã hóa trong ma trận thực nghiệm bởi biến x1.
- Áp lực chặn (qc) đƣợc mã hóa trong ma trận thực nghiệm bởi biến x2. - Chiều dày tƣơng đối của vật liệu (s* = so/D) đƣợc mã hóa trong ma trận thực nghiệm bởi biến x3.
Mức trên (+1), mức dƣới (-), mức cơ sở (0) trong thí nghiệm cơ bản và khoảng biến thiên của các biến số đƣợc trình bày trong bảng 4.5.
Mục tiêu nghiên cứu là mức độ biến mỏng ε của vật liệu đƣợc mã hóa bằng hàm Yi (%) và chiều cao tƣơng đối của sản phẩm h* đƣợc mã hóa bằng hàm Zj (h* = h/d). Ở đây: i, j = 1, 2, 3 (tƣơng ứng với các vật liệu Cu99.97, C08s và 08Cr18Ni10).
Bảng 4. 5. Các mức trong thí nghiệm cơ bản và khoảng biến thiên của biến số
Các mức biến đổi Các biến số mã hóa
x1 x2 x3 Mức trên (+1) Cu99.97 0,40 7 1,0 C08s 0,26 9 1,0 08Cr18Ni10 0,26 22 1,0 Mức cơ sở (0) Cu99.97 0,27 5 0,8 C08s 0,16 7 0,8 08Cr18Ni10 0,18 17 0,8 Mức dƣới (-1) Cu99.97 0,14 3 0,6 C08s 0,06 5 0,6 08Cr18Ni10 0,10 12 0,6
Khoảng biến thiên
Cu99.97 0,13 2 0,2
C08s 0,1 2 0,2
08Cr18Ni10 0,08 5 0,2
Bảng 4. 6. Bảng ma trận thực nghiệm N0 x0 x1 x2 x3 x1x2 x1x3 x2x3 x1x2x3 x1’ x2’ x3’ Yi (%) Zj N0 x0 x1 x2 x3 x1x2 x1x3 x2x3 x1x2x3 x1’ x2’ x3’ Yi (%) Zj 1 + + - - - - + + 0,27 0,27 0,27 2 + + + - + - - - 0,27 0,27 0,27 3 + + - + - + - - 0,27 0,27 0,27 4 + + + + + + + + 0,27 0,27 0,27 5 + - - + + - - + 0,27 0,27 0,27 6 + - + + - - + - 0,27 0,27 0,27 7 + - - - + + + - 0,27 0,27 0,27 8 + - + - - + - + 0,27 0,27 0,27 9 + 0 0 0 0 0 0 0 -0,73 -0,73 -0,73 10 + + 0 0 0 0 0 0 0,75 -0,73 -0,73 11 + - 0 0 0 0 0 0 0,75 -0,73 -0,73 12 + 0 + 0 0 0 0 0 -0,73 0,75 -0,73 13 + 0 - 0 0 0 0 0 -0,73 0,75 -0,73 14 + 0 0 + 0 0 0 0 -0,73 -0,73 0,75 15 + 0 0 - 0 0 0 0 -0,73 -0,73 0,75
4.2.4.4. Chuẩn bị phơi và tiến trình thực nghiệm
Phơi thí nghiệm đƣợc chuẩn bị nhƣ hình 4.6.
Hình 4. 6. Phơi thí nghiệm
Sau khi lắp đặt hoàn chỉnh hệ thống thực nghiệm, tiến hành dập tạo hình theo các bƣớc sau:
- Điều chỉnh hệ thống van thủy lực (van tràn) để đặt giá trị của áp suất chất lỏng tạo hình;
- Đặt phơi vào vị trí định vị của bề mặt vành cối; - Đặt tấm chặn phôi;
- Điều khiển hệ thống chặn xuống đóng kín buồng áp lực với một giá trị áp lực chặn nhất định;
- Điều khiển chày đi xuống cách bề mặt phôi một khoảng nhất định (nếu dập phồng dƣơng) hoặc đi sâu vào lịng cối một khoảng nào đó (nếu dập phồng âm);
- Điều khiển tạo áp lực ban đầu: Điều khiển bơm thủy lực để tăng áp suất chất lỏng trong buồng áp đến giá trị xác định (giá trị hiển thị trên đồng hồ đo áp suất).
- Điều khiển chày tiếp tục đi xuống hết hành trình. Lúc này áp suất chất lỏng trong buồng áp tăng lên đến giá trị áp suất chất lỏng lớn nhất (giá trị đặt của van tràn) và tạo hình sản phẩm.
- Xả áp;
- Điều khiển chày đi lên, hệ thống chặn đi lên, lấy tấm chặn phôi; - Lấy sản phẩm, lƣu dữ liệu.
4.3. Kết quả thực nghiệm
Thực hiện thí nghiệm theo bảng ma trận thực nghiệm đƣợc xây dựng nhƣ bảng 4.6. Thực hiện 03 thí nghiệm ở tâm.
Các kết quả đặt và hiển thị sự thay đổi của áp suất chất lỏng và áp lực chặn trong quá trình dập nhƣ hình 4.7.
qc Kq
Hình 4. 7. Đặt và hiển thị sự thay đổi của các thông số đo Các sản phẩm thu đƣợc nhƣ trong hình 4.8, 4.9, 4.10. Các sản phẩm thu đƣợc nhƣ trong hình 4.8, 4.9, 4.10.
Hình 4. 8. Một số sản phẩm khi dập C08s
Hình 4. 9. Một số sản phẩm khi dập 08Cr18Ni10
Hình 4. 10. Một số sản phẩm khi dập Cu99.97
Thực hiện cắt sản phẩm bằng máy cắt dây và làm sạch tiết diện mặt cắt. Tiến hành scan tiết diện mặt cắt theo tỷ lệ 1:1 và đo chiều dày thành sản phẩm nhờ phần mềm corel12 (hình 4.11)
Hình 4. 11. Sản phẩm sau cắt bổ và đo chiều dày bằng Corel12
Bảng 4. 7. Kết quả thực nghiệm N0 x1 x2 x3 Cu99.97 C08s 08Cr18Ni10 N0 x1 x2 x3 Cu99.97 C08s 08Cr18Ni10 Y1(%) Z1 Y2 (%) Z2 Y3 (%) Z3 1 + - - 27,72 0,75 17,92 0,76 20,37 0,82 2 + + - 29,78 0,65 20,23 0,70 22,62 0,75 3 + - + 28,56 0,89 19,25 0,90 23,97 1,20 4 + + + 30,86 0,80 24,57 0,82 25,86 0,92 5 - - + 30,18 0,85 23,11 0,87 25,21 0,97 6 - + + 31,08 0,70 25,27 0,75 26,90 0,85 7 - - - 28,32 0,64 18,74 0,70 21,38 0,80 8 - + - 30,97 0,60 22,35 0,65 23,46 0,75 9 0 0 0 29,6 0,67 20,48 0,72 20,85 0,84 10 + 0 0 31,45 0,82 21,64 0,86 24,61 0,97 11 - 0 0 32,76 0,76 27,17 0,82 27,84 0,91 12 0 + 0 33,73 0,65 23,55 0,70 22,03 0,82 13 0 - 0 29,52 0,72 19,67 0,76 18,96 0,87 14 0 0 + 31,17 0,87 23,05 0,90 21,45 1,00 15 0 0 - 29,54 0,78 19,76 0,82 19,26 0,95
Từ các kết quả thực nghiệm, tiến hành xây dựng phƣơng trình hồi quy khi dập ba loại vật liệu. Các phƣơng trình hồi quy đều đƣợc kiểm tra đảm bảo tính tƣơng thích. Các phƣơng trình hồi quy có dạng nhƣ sau:
* Với Cu99.97:
Y1 = 31,38 - 0,47x1 + 1,19x2 + 0,53x3 + 0,1x1x2 - 0,19x2x3 + 0,25x1x2x3 - 0,28x22 - 1,14x32 (4.4) Z1 = 0,739 + 0,03x1 – 0,04x2 + 0,065x3 – 0,013x2x3 + 0,013 x1x2x3 + 0,018x12 – 0,052x22 + 0,04x32 (4.5)
Viết dưới dạng biến thực:
ε1 = 23,53 + 0,1Kq + 0,61qc + 14,13s* - 0,38 Kqqc – 0,28qcs* - 3Kqs* +
0,6Kqqcs* - 0,02qc2 – 7,13s*2 (4.4*)
h1* = 0,66 + 0,1Kq + 0,03qc – 0,15s* - 0,024Kqqc – 0,02qcs* - 0,15Kqs* + 0,03Kqqcs* + 0,27 Kq2 – 0,003qc2 + 0,25s*2 (4.5*)
* Với thép C08s:
Y2 = 22,06 – 1,3x1 + 1,65x2 + 1,55x3 + 0,23x1x2 – 0,2x1x3 + 0,19x2x3 + 0,56x1x2x3 + 1,17x12 – 0,71x22 – 0,85x32 (4.6) Z2 = 0,802 + 0,023x1 – 0,034x2 + 0,057x3 – 0,057x22 + 0,03x32 (4.7)
Viết dưới dạng biến thực:
ε2 = 14,8 – 6,06Kq + 1,1qc + 13,89s*
- 1,1Kqqc – 0,16qcs* - 14,8Kqs* + 1,74Kqqcs* + 19,25Kq2 – 0,04qc2 – 5,31s*2 (4.6*) h2* = 0,68 + 0,12Kq + 0,04qc – 0,14s* - 0,004qc2 + 0,19s*2 (4.7*)
* Với thép không gỉ 08Cr18Ni10:
Y3 = 20,64 – 0,73x1 + 1,1x2 + 1,53x3 + 3,59x12 – 0,38x32 (4.8) Z3 = 0,908 + 0,036x1 – 0,053x2 + 0,08x3 – 0,02x1x2 + 0,035x1x3 – 0,035x2x3 – 0,017x1x2x3 – 0,054x22 + 0,034x32 (4.9)
Viết dưới dạng biến thực:
ε3 = 19,21-55,16Kq + 0,11qc + 7,6s*
+ 140,4Kq2 – 2,4s*2 (4.8*) h3* = 0,762 – 0,37Kq + 0,02qc – 0,17s* + 0,01Kqqc – 0,005qcs* + Kqs* - 0,03Kqqcs* - 0,001qc2 + 0,21s*2 (4.9*)
4.4. Phân tích kết quả và bàn luận
4.4.1. Ảnh hưởng của các yếu tố đến mức độ biến mỏng
4.4.1.1. Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến mức độ biến mỏng
Từ các phƣơng trình 4.4, 4.6 và 4.8 ta có: * Với Cu99.97: Y1(x1, 1, 1) = 31,49 – 0,12x1 (4.4a) Y1(1, x2, 1) = 30.3 + 1,35x2 – 0,28x22 (4.4b) Y1(1, 1, x3) = 31,92 + 0,59x3 – 1,14x32 (4.4c) * Với thép C08s: Y2(x1, 1, 1) = 23,89 – 0,71x1 + 1,17x12 (4.6a) Y2(1, x2, 1) = 22,43 + 2,63x2 – 0,71x22 (4.6b) Y2(1, 1, x3) = 23,10 + 2,1x3 – 0,85x32 (4.6c) * Với thép 08Cr18Ni10: Y3(x1 , 1, 1) = 22,89 – 0,73x1 + 3,59x12 (4.8a) Y3(1, x2, 1) = 24,65 + 1,1x2 (4.8b) Y3(1, 1, x3) = 24,60 + 1,53x3 – 0,38x32 (4.8c)
Từ các phƣơng trình 4.4a, 4.4b, 4.4c, 4.6a, 4.6b, 4.6c, 4.8a, 4.8b, 4.8c cho thấy mức độ ảnh hƣởng của các yếu tố đến mức độ biến mỏng khi dập thủy cơ chi tiết dạng côn từ các loại vật liệu khác nhau, trong đó, tỷ số áp suất chất lỏng (x1) mang dấu âm nghĩa là khi tăng giá trị của đại lƣợng này sẽ giảm đƣợc mức độ biến mỏng vật liệu. Mức độ biến mỏng vật liệu sẽ tăng khi tăng chiều dày tƣơng đối của phôi và áp lực chặn, trong đó áp lực chặn có ảnh hƣởng nhiều nhất (hệ số x2 có giá trị lớn nhất).
4.4.1.2. Ảnh hưởng của các yếu tố đến mức độ biến mỏng
Xuất phát từ các phƣơng trình hồi quy về mức độ biến mỏng khi dập thủy cơ chi tiết dạng côn từ ba loại vật liệu khác nhau, ta xây dựng đƣợc các đồ thị 3D và 2D biểu diễn quan hệ của các yếu tố đến mức độ biến mỏng vật liệu nhờ sử dụng phần mềm Modde 5.0.
1. Ảnh hưởng của tỷ số áp suất chất lỏng Kq và áp lực chặn qc đến mức độ biến mỏng
Ảnh hƣởng của tỷ số áp suất chất lỏng Kq và áp lực chặn qc đến mức độ
biến mỏng đƣợc biểu diễn nhƣ trên các đồ thị hình 4.12, 4.13 và 4.14.
Hình 4. 12. Ảnh hƣởng của tỷ số áp suất chất lỏng (x1) và áp lực chặn (x2) đến mức độ biến mỏng khi dập Cu99.97 có chiều dày tƣơng đối khác nhau
Hình 4. 13. Ảnh hƣởng của tỷ số áp suất chất lỏng (x1) và áp lực chặn (x2) đến mức độ biến mỏng khi dập C08s với chiều dày tƣơng đối khác nhau
Hình 4. 14. Ảnh hƣởng của tỷ số áp suất chất lỏng (x1) và áp lực chặn (x2) đến
* Nhận xét: Từ các đồ thị hình 4.12, 4.13 và 4.14 thấy rằng:
- Ở cùng một mức độ biến dạng, mức độ biến mỏng khi dập Cu99.97 là lớn nhất, thép C08s nhỏ nhất.
- Ở cùng một giá trị của tỷ số áp suất chất lỏng, khi áp lực chặn tăng thì mức độ biến mỏng tăng lên. Đồng thời ở cùng một giá trị của áp lực chặn, khi tăng tỷ số áp suất chất lỏng thì mức độ biến mỏng giảm. Tuy nhiên, mức độ giảm biến mỏng thành sản phẩm khi tăng tỷ số áp suất lỏng đối với khi dập thép 08Cr18Ni10 mạnh nhất, sau đó đến vật liệu C08s. Cu99.97 thể hiện mức độ giảm biến mỏng ít nhất.
2. Ảnh hưởng của tỷ số áp suất chất lỏng Kq và chiều dày tương đối s*
đến mức độ biến mỏng
Ảnh hƣởng của tỷ số áp suất chất lỏng Kq và chiều dày tƣơng đối của phôi s* đƣợc thể hiện nhƣ trên đồ thị các hình 4.15, 4.16 và 4.17.
Hình 4. 15. Ảnh hƣởng của tỷ số áp suất chất lỏng (x1) và chiều dày tƣơng đối (x3) đến mức độ biến mỏng khi dập Cu99.97 với áp lực chặn khác nhau
Hình 4. 16. Ảnh hƣởng của tỷ số áp suất chất lỏng (x1) và chiều dày tƣơng đối (x3) đến mức độ biến mỏng khi dập C08s với áp lực chặn khác nhau
Hình 4. 17. Ảnh hƣởng của tỷ số áp suất chất lỏng (x1) và chiều dày tƣơng đối (x3) đến mức độ biến mỏng khi dập 08Cr18Ni10 với áp lực chặn khác nhau
* Nhận xét:
- Vật liệu Cu99.97 thể hiện mức độ biến mỏng nhiều nhất, thép khơng gỉ 08Cr18Ni10 có mức độ biến mỏng trung bình.
- Tại cùng một giá trị xác định của tỷ số áp suất chất lỏng, mức độ biến mỏng thành sản phẩm tăng đồng biến với chiều dày tƣơng đối của phôi.
- Chiều dày tƣơng đối của phơi có ảnh hƣởng mạnh đến mức độ biến mỏng và thể hiện sự tác động khác nhau khi dập các vật liệu khác nhau. Trong trƣờng hợp vật liệu là 08Cr18Ni10, khi tỷ số áp suất chất lỏng (x1) tăng từ -1 đến 0 thì mức độ biến mỏng giảm (xét tại một chiều dày tƣơng đối); khi tiếp tục tăng x1 từ 0 đến +1 thì mức độ biến mỏng lại tăng lên. Đối với Cu99.97 và C08s, sự thay đổi chiều dày thành sản phẩm khi thay đổi tỷ số áp suất chất lỏng tuy cũng có xu hƣớng nhƣ khi dập vật liệu 08Cr18Ni10 nhƣng thể hiện