.13 Bảng kết quả thực nghiệm

Chỉ tiêu

Bộ thông số tốt nhất khi khoan thường

S1F1A1

Bộ thơng số tối ưu Dự đốn S2F1A3 Thực nghiệm S2F1A3 TCUT (N.cm) 12,09 0,8073 6,5 TMAX (N.cm) 106,99 36,319 FCUT (N) 116,37 70,267 FMAX (N) 172,98 129,23 GRG 0,496 0,911 Mức độ cải thiện GRG 0,104

Bảng 4.13 cho thấy, độ xám trung bình là 0.911 ở kết quả thực nghiệm đã cải thiện hơn 10% so với kết quả dự đoán là 0.8073. Từ các kết quả trên có thể kết luận, phương pháp Taguchi dựa trên phân tích quan hệ xám là cơng cụ rất hữu ích để dự đốn chế độ gia cơng hợp lí trong khoan có trợ giúp của rung động siêu âm.

Kết luận chương 4

Chương này đã trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm nhằm so sánh, đánh giá khả năng gia cơng giữa khoan có trợ giúp của rung động siêu âm (UAD) và khoan truyền thống (CD).

Nhiều ưu điểm của UAD so với CD được tái khẳng định trên vật liệu Al-6061 như: giảm mô men cắt, giảm lực dọc trục, giảm nhiệt cắt và tăng năng suất gia cơng. Hơn nữa, đóng góp mới của nghiên cứu này so với các nghiên cứu trước đây là, đã chỉ ra và chứng minh được ưu điểm có ý nghĩa quan trọng của UAD so với CD đó là: giảm giá trị mơ men thốt phoi và giảm tốc độ tăng của thành phần này khi độ sâu lỗ khoan tăng. Đã áp dụng thành cơng phương pháp Taguchi dựa trên phân tích quan hệ xám để tìm ra chế độ khoan xảy ra hiện tượng kẹt phoi ít nhất. Kết quả phân tích cũng chỉ ra, biên độ rung có ảnh hưởng lớn nhất đến lực dọc trục và mô men trong UAD.

Nhận định về mơ hình mơ tả mơ men khi khoan lỗ sâu đã được sử dụng trong các nghiên cứu trước, các kết quả của nghiên cứu này cho thấy: 1) chỉ thành phần mô men thốt phoi mới có giá trị tăng theo qui luật hàm số mũ với độ sâu lỗ khoan; 2) khó so sánh giá trị mơ men thốt phoi bằng mơ hình giữa hai quá trình khoan. Vì vậy cần phát

thành phần mơ men thốt phoi giữa hai quá trình khoan Các kết quả thu được trong chương này sẽ dùng làm cơ sở cho việc phát triển hồn thiện mơ hình mơ tả mơ men khi khoan lỗ sâu ở chương 5.

Chương 5

PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH MƠ TẢ MƠ MEN KHI KHOAN LỖ SÂU 5.1 Giới thiệu

Như đã trình bày trong chương 4, các kết quả nghiên cứu cho thấy, khoan có trợ giúp của rung động siêu âm mang lại nhiều ưu việt so với khoan thường như năng suất cắt cao hơn, độ sâu đạt được lớn hơn, mô men và lực dọc trục khi khoan nhỏ hơn, nhiệt sinh ra thấp hơn. Trong đó, mơ men khoan ở độ sâu lớn là thông số quan trọng và đặc trưng nhất của khoan lỗ sâu. Để khái qt hóa và dự đốn được khả năng cải thiện khả năng khoan lỗ sâu khi bổ sung rung động trợ giúp so với khoan thường, mô men sinh ra khi khoan ở cả hai chế độ gia công này cần được mơ hình hóa. Nội dung chương này sẽ trình bày cách thức và kết quả phát triển mơ hình mơ tả quan hệ của mô men sinh ra khi khoan như một hàm của tỷ số độ sâu lỗ khoan trên đường kính và các thơng số gia cơng gồm tốc độ cắt và lượng tiến dao.

Trước hết, một số mơ hình mơ men khi khoan lỗ sâu đã phát triển của các nghiên cứu trước sẽ được tóm tắt, trên cơ sở đó, mơ hình mới sẽ được đề xuất và xác định tham số. Một số giải pháp hồn thiện mơ hình cũng được đề xuất, tạo cơ sở cho các nghiên cứu tiếp sau.

5.2 Một số mơ hình đã có

Như đã trình bày trong chương 2, mơ hình mơ tả lực, mơ men thốt phoi, dự đốn hiện tượng kẹt phoi và độ sâu tối đa khi khoan của Jeffrey C. Mellinger và cộng sự (2002) [88] được coi là một trong số ít các nghiên cứu cơ sở, phân tích chi tiết về mơ men thốt phoi. Các thơng tin mơ tả mơ hình dưới đây được trích dẫn từ tài liệu này.

Theo các tác giả, mô men tổng khi khoan lỗ sâu gồm hai thành phần sau (xem minh họa trên hình 5.1):

MtotalMcut n Mf (5.1)

Trong đó: mơ men tổng Mtotal là tổng của mơ men cắt Mcut và tích số của số rãnh thốt phoi nf nhân với mơ men thốt phoi M trên mỗi rãnh. Mô men cắt là thành phần không

đổi, phụ thuộc tốc độ cắt và chiều dày phoi thơng qua các tham số phản ánh đặc tính tương tác vật liệu gia cơng-dụng cụ.

Hình 5.1 Các thành phần mơ men khi khoan lỗ sâu Mellinger và cộng sự [88]

Mơ men thốt phoi M trên mỗi rãnh được xác định theo công thức sau:

  R w w cS F (0) kBD/A0 z M e 1 B          (5.2)

Trong đó: R và D lần lượt là bán kính và đường kính của mũi khoan, µw là hệ số ma sát giữa phoi và thành lỗ khoan, SW là chiều dài dây cung tiếp xúc giữa phoi và thành lỗ, Fc(0) là giá trị lực đẩy ban đầu lên phoi tại độ sâu lỗ z=0; B và A0 là các tham số phụ thuộc vật liệu gia cơng, kích thước tiết diện ngang của phoi và rãnh xoắn (xem minh họa trên hình 5.2).

(a) (b)

Hình 5.2 Sơ đồ xác định các tham số tính tốn (a) và các yếu tố lực và kích thước của một phân tố phoi (b), Mellinger và cộng sự [88]

Mơ hình được phát triển từ việc phân tích trạng thái các phân tố phoi được tạo ra và di chuyển trong rãnh xoắn, xét đến biến dạng của khối phoi, áp suất của phân tố phoi lên rãnh xoắn và từ đó, các thành phần lực tác dụng lên phoi khi di chuyển để thốt ra ngồi. Các tham số của mơ hình được xác định bằng cách hồi quy dữ liệu thực nghiệm. Các thí nghiệm được tiến hành trên hợp kim nhơm đúc 356-T6, mũi khoan có đường kính 3,175 mm, rãnh xoắn 0, độ sâu lỗ có tỉ số L/D>10. Để xác định các tham số mơ hình (5.2), cần đo 6 kích thước hình học tiết diện ngang của rãnh xoắn, lựa chọn hệ số biến dạng tương đối Poisson cho phoi rồi tiến hành hồi quy thực nghiệm xác định hệ số ma sát w.

Mô hình sau đó được tiếp tục phát triển cho các mũi khoan tiêu chuẩn và mũi khoan có rãnh pa-ra-bơn, góc nghiêng rãnh xoắn 25, các tham số được hồi quy theo dạng hàm lô-ga của tốc độ quay và tốc độ tiến dao [89] dưới dạng:

w 0 1 2 3

ln( )a a ln(f ) a ln(N) a ln(f ) ln(N)  (5.3)

Trong đó: w là hệ số ma sát của phoi với thành lỗ, ai (i=0÷3) là các hệ số hồi quy, f và N lần lượt là tốc độ tiến dao và tốc độ quay của mũi khoan.

Mơ hình do Mellinger và cộng sự phát triển cho hợp kim nhơm đúc sau đó được ứng dụng cho khoan sâu trên xương động vật trong nghiên cứu của MacAvelia và cộng sự (2012) [122]. Giá trị các tham số mơ hình được xác định bằng hồi quy thực nghiệm khoan lỗ sâu L/D=3,5 mm; mũi khoan xoắn đường kính 2,7 mm.

(a) (b)

Hình 5.3 Mơ men khi khoan xương: mô men thực (a) và mô men được xử lý làm trơn (b) (MacAvelia và cộng sự [122])

Kết quả cho thấy từ độ sâu L/D=1,5, mô men khoan đã tăng nhanh. Sự biến động bất quy luật của mô men thực (mô tả trên hình 5.3a) được làm trơn (hình 5.3b) bằng cách sử dụng bộ lọc tần số thấp nhằm nhận được cường độ tăng liên tục của mô men tổng. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy mơ hình mơ men khoan hai thành phần của Mellinger cũng có thể áp dụng hiệu quả cho khoan xương động vật.

Mặc dù cho phép mơ tả mơ men khoan và dự đốn độ sâu giới hạn theo tiêu chí mơ men tổng, nhưng mơ hình của Mellinger và cộng sự cũng có nhược điểm là cần đo và xác định nhiều thông số để hồi quy xác định tham số mơ hình từ thực nghiệm. Do vậy, Han và cộng sự (2018) [127] đã đề xuất mơ hình cải tiến để xác định mơ men thốt phoi với chỉ hai thông số theo dạng sau:

 Kch z D

Tch(z) Ktch e 1 2



  (5.4)

Trong đó: Tch là mơ men thốt phoi (chip evacuation torque), Ktch và Kth lần lượt là các hệ số tính tốn, được xác định bằng thực nghiệm, D là đường kính mũi khoan. Các thí nghiệm được thực hiện bằng cách khoan lỗ sâu 100 mm trên hợp kim nhơm Al-6061 bằng mũi khoan xoắn đường kính 4 mm, được khoan dẫn hướng sâu 2mm, sử dụng bơi trơn tưới tràn. Hai biến thí nghiệm ba mức là tốc độ quay 1000; 2000 và 3000 v/ph; tốc độ tiến dao 0,1; 0,2 và 0,3 mm/v được thực hiện. Phần biến động của mô men được loại bỏ bằng cách lấy mẫu (một giá trị đo) sau mỗi 1 mm độ sâu khoan được. Thực chất, mơ hình của Han và cộng sự là cách đơn giản hóa mơ hình của Mellinger và cộng sự. Mơ hình vẫn có hai tham số cần xác định từ thực nghiệm, nhưng khơng cần đo 6 thơng số kích thước tiết diện rãnh thốt phoi và lựa chọn hệ số Poisson. Các thay đổi về thơng số rãnh thốt phoi và vật liệu gia công sẽ được phản ánh trực tiếp qua các hệ số Ktch và Kch. Có thể thấy, mơ hình của Mellinger được phát triển từ việc phân tích cơ chế thốt phoi, sau đó được Han đơn giản hóa cho phù hợp với việc xác định nhanh mơ hình để dự đốn mơ men khoan lỗ sâu. Cũng theo hướng tiếp cận của Han và cộng sự, nghiên cứu này phát hiện ra rằng, mơ hình quan hệ của mơ men thốt phoi và độ sâu lỗ khoan cịn có thể được mơ tả đơn giản hơn với số lượng thí nghiệm tương đương, thuận tiện hơn cho việc so sánh và nêu bật ưu việt của khoan lỗ sâu xét theo tiêu chí mơ men khi khoan. Chi tiết cách tiếp cận và kết quả phát triển mơ hình được trình bày trong phần tiếp sau.

5.3 Mơ hình đề xuất

Như đã trình bày trong Chương 4, nghiên cứu này xét lượng mơ men tăng thêm ngồi mô men cắt như một tổng của hai thành phần: mơ men thốt phoi và mơ men dính- trượt. Thành phần biến động bất quy luật của mô men sinh ra khi khoan lỗ sâu được tách riêng và phân tích như một đại lượng ngẫu nhiên. Trong các nghiên cứu trước đây, thành phần biến động này đã bị bỏ qua bằng cách làm trơn tín hiệu thu được, hoặc bằng kỹ thuật trung bình hóa, hoặc bằng bộ lọc tần số thấp, hoặc lấy mẫu với tần số rất thấp. Thực nghiệm cho thấy thành phần biến động này có biên độ đáng kể nên có ảnh hưởng đến tình trạng nguy hiểm xoắn của mũi khoan nên khơng thể bỏ qua.

Mơ hình xác định mơ men tổng sinh ra khi khoan gồm ba thành phần sau:

TT1T2T3 (5.5)

Trong đó: T1 là mơmen cắt, T2 là mơ men thốt phoi, T3 là mơ men dính-trượt.

Thí nghiệm để xác định các hệ số hồi quy là các thí nghiệm 2 biến, ba mức như mô tả trong bảng 5.1.