Hình 4.6 thể hiện đường biên tối ưu Pareto bao gồm các giải pháp pháp tối ưu. Giá trị bộ tham số tối ưu ( , , )V f t và các điểm tối ưu của Ravà
tương ứng được lựa chọn thể hiện trong bảng 4.4 với 10 điểm đại diện được chọn cho các phân vùng cụ thể: vùng độ nhám bề mặt nhỏ nhất, vùng ứng suất dư nhỏ nhất và vùng hài hòa, thỏa hiệp đồng thời cả hai mục tiêu.
Các điểm biên tối ưu Pareto cho biết mối quan hệ giữa các điểm trong vùng ra quyết định (bộ thông số công nghệ) với các điểm trong vùng tối ưu tương ứng.
Mô tả rõ hơn kết quả tối ưu Pareto như sau: với một bộ tham số
( , , )V f t trong vùng ra quyết định sẽ khơng thể tìm ra bộ tham số ( , , )V f t nào
0.42 0.44 0.46 0.48 0.5 0.52 0.54 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 Ra (µm) ( M P a)
109
khác để độ nhám bề mặt đạt giá trị kỳ vọng (nhỏ nhất) đồng thời để giá trị ứng suất dư thấp hơn giá trị trên đường biên tối ưu Pareto và ngược lại, ứng suất dư đạt giá trị kỳ vọng mà độ nhám bề mặt thấp hơn giá trị hiện tại. Chẳng hạn cụ thể trong bảng 4.4, nếu bộ tham số đầu vào bao gồm: Vận tốc cắt
257,665
V m/phút, lượng tiến dao f 0,090mm/vòng, chiều sâu cắt
0,229
t mm, trên đường biên tối ưu Pareto, giá trị độ nhám bề mặt đạt được là Ra 0,461μm, ứng suất dư là 119,616MPa. Điều này có nghĩa là nếu giá trị độ nhám bề mặt (Ra) được kỳ vọng là 0,461μm, thì khơng thể tìm được bất kỳ bộ tham số ( , , )V f t nào khác để ứng suất dư ( ) thấp hơn 119,616MPa.
Do vậy, dựa trên yêu cầu cụ thể để lựa chọn các tham số gia công đầu vào. Chẳng hạn khi yêu cầu đạt được độ nhám bề mặt thấp hơn (thấp nhất trong 10 điểm được lựa chọn đưa ra) là Ra 0,427m thì bộ tham số cơng
nghệ đầu vào tương ứng là: Vận tốc cắt V 262,242m/phút, lượng tiến dao f 0,080mm/vòng, chiều sâu cắt t 0,302mm được lựa chọn. Khi đó giá trị ứng suất dư sẽ là 126,941MPa. Còn khi yêu cầu giá trị ứng suất dư thấp hơn (nhỏ nhất trong 10 điểm được lựa chọn) là 117,987MPa thì chọn bộ tham số gia công là: Vận tốc cắt V 252,779m/phút, lượng tiến dao
0,100
f mm/vòng, chiều sâu cắt t0,201mm, thì giá trị độ nhám bề mặt khi đó là Ra 0,516μm.
Để xác thực kết quả tối ưu, một bộ thông số đã được lựa chọn để gia công thử nghiệm lại với các điều kiện về máy, dụng cụ cắt, dung dịch tưới nguội như khi tiến hành thí nghiệm ban đầu, kết quả thu được tại bảng 4.5. Có thể thấy rằng sai số giữa thực nghiệm xác nhận với tính tốn rất nhỏ chỉ xấp xỉ khoảng 2% cho thấy sự phù hợp tốt giữa kết quả dự đoán với thực nghiệm.
110
Bảng 4.4. Giải pháp tối ưu đạt được bằng MOBA
Bảng 4.5. Kết quả thực nghiệm kiểm chứng
Kết quả thực nghiệm Giá trị dự đoán Giá trị thực nghiệm Sai lệch
a
R (µm) 0,461 0,472 2,40%
(MPa) 119,616 121,658 1,70%
Với 10 điểm đại diện được chọn cho các phân vùng, sử dụng công thức (4.8) ta được kết quả năng suất cắt ( )Q trong từng trường hợp cụ thể được cho trong bảng 4.6 dưới đây:
TT V (m/phút) f (mm/vịng) t (mm) a R (µm) (MPa) 1 252,779 0,1 0,201 0,516 117,987 2 261,006 0,08 0,258 0,43 124,112 3 258,689 0,088 0,235 0,453 120,366 4 257,074 0,092 0,226 0,468 119,189 5 254,277 0,098 0,21 0,5 118,099 6 259,661 0,085 0,243 0,443 121,630 7 256,727 0,093 0,223 0,472 118,929 8 257,665 0,09 0,229 0,461 119,616 9 255,833 0,095 0,219 0,481 118,571 10 262,242 0,08 0,302 0,427 126,941
111
Bảng 4.6. Năng suất cắt ứng với chất lượng bề mặt tối ưu
Có thể thấy, giá trị năng suất cắt lớn nhất đạt được ứng với giá kết quả tối ưu chất lượng bề mặt là Q6.335,8mm3/phút với bộ tham số ( , , )V f t lần lượt là (262,242m/phút; 0,08mm/vịng; 0,302mm) và giá trị độ nhám tại đó là
0,427
a
R μm và ứng suất dư là 126,941MPa.
TT V (m/phút) f (mm/vịng) t (mm) a R (µm) (MPa) Q (mm3/phút) 1 252,779 0,1 0,201 0,516 117,987 5.080,9 2 261,006 0,08 0,258 0,43 124,112 5.387,2 3 258,689 0,088 0,235 0,453 120,366 5.349,7 4 257,074 0,092 0,226 0,468 119,189 5.345,1 5 254,277 0,098 0,21 0,5 118,099 5.233,0 6 259,661 0,085 0,243 0,443 121,630 5.363,3 7 256,727 0,093 0,223 0,472 118,929 5.324,3 8 257,665 0,09 0,229 0,461 119,616 5.310,5 9 255,833 0,095 0,219 0,481 118,571 5.322,6 10 262,242 0,08 0,302 0,427 126,941 6.335,8
112
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
Từ kết quả nghiên cứu xác định hàm toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với một số yếu tố đầu ra của q trình gia cơng. Trên cơ sở nghiên cứu lựa chọn, ứng dụng giải thuật Dơi (BA) để giải quyết bài toán tối ưu với các ưu điểm của thuật tốn như: có cấu trúc tốn đơn giản, tốc độ hội tụ nhanh, khả năng thoát khỏi cực trị địa phương, kết quả cụ thể như sau:
Giải bài tốn tối ưu hóa đơn mục tiêu độ nhám bề mặt tìm được bộ
thơng số công nghệ tối ưu ứng với giá trị các thông số công nghệ lần lượt là V 262, 242m/phút, f 0,08mm/vòng,t 0,302mm và giá trị độ nhám bề mặt nhỏ nhất đạt được là Ra 0, 427μm.
Giải bài toán tối ưu đa mục tiêu độ nhám bề mặt và ứng suất dư ứng
dụng giải pháp tối ưu Pareto để xác định tập hợp nghiệm tối ưu trong miền Pareto. Kết quả đã tìm được một tập hợp gồm 10 bộ thơng số cơng nghệ tối ưu. Trong đó các giá trị hàm nhỏ nhất của hàm mục tiêu đạt được là: Độ nhám bề mặt nhỏ nhất Ra 0,427μm; Ứng suất dư nhỏ nhất 117,987MPa. Năng suất cắt lớn nhất ứng với chất lượng bề mặt tối ưu Q 6.335,8mm3/phút
Từ tập hợp kết quả đó, các kỹ sư cơng nghệ có thể lựa chọn bộ thơng số tối ưu tùy thuộc vào yêu cầu của sản xuất thực tế.
113
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 1. Kết luận
Mục tiêu chính của luận án là xác định ảnh hưởng và xây dựng hàm hồi quy mối quan hệ của các thông số công nghệ (chế độ cắt) đến các chỉ tiêu của chất lượng bề mặt bao gồm: độ nhám bề mặt, độ cứng tế vi và ứng suất dư từ đó ứng dụng các giải thuật tiên tiến để giải bài toán tối ưu nhằm nâng cao chất lượng bề mặt, đảm bảo năng suất cắt khi gia công thép SUS304 trên máy tiện CNC. Xuất phát từ mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, luận án đã thực hiện:
Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm để làm rõ sự
ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến một số chỉ tiêu của chất lượng bề mặt.
Xác định miền thông số công nghệ khi thực nghiệm với vận tốc cắt
230
V m/phút đến 290m/phút; lượng tiến dao f 0,08mm/vòng đến 0,2mm/vòng; chiều sâu cắt t 0,1mm đến 0,5mm để thực nghiệm.
Tiến hành đo độ nhám bề mặt trên máy thiết bị điện tử quét bề mặt, đo
độ cứng tế vi bằng thiết bị đo độ cứng tế vi Vickers, chụp XRD và sử dụng phương pháp Williamson-Hall để tính tốn ứng suất dư.
Phân tích phương sai (ANOVA) để đánh giá ảnh hưởng của các thông
số công nghệ đến từng chỉ tiêu của chất lượng bề mặt.
Thông qua kết quả nghiên cứu thực nghiệm có thể kết luận như sau:
Các thơng số chế độ cắt có ảnh hưởng rõ đến chất lượng bề mặt trong
đó lượng tiến dao ảnh hưởng lớn nhất đến độ nhám bề mặt, độ cứng tế vi và ứng suất dư.
Xây dựng được hàm hồi quy biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số
công nghệ với độ nhám bề mặt, độ cứng tế vi, ứng suất dư là: + Mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với độ nhám bề mặt:
114 2 2 2 2 12,11 0,0818 1 1,57 3,69 0,000149 64,68 1 ,460 0,0079 . 0,01002 . 2,27 . 99,49% a R V f t V f t V f V t f t R
+ Mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với độ cứng tế vi:
2 2 2 2 428 1 ,56 1248 543 0,00462 6340 88 8,47 . 1 , 645 . 842 . 97,53% HV V f t V f t V f V t f t R
+ Mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với ứng suất dư:
2 2 2 2 1559 1 1,99 665 1 066 0,0260 7514 484 2,40 . 4,52 . 1 177 . 91,62% V f t V f t V f V t f t R
Ứng dụng giải thuật Dơi (BA) để giải bài toán tối ưu đa mục tiêu với
hai chỉ tiêu là độ nhám bề mặt và ứng suất dư tìm được miền biên tối ưu đa mục tiêu Pareto. Kết quả đã tìm được một tập hợp 10 điểm tối ưu tương ứng với các bộ thông số công nghệ ( , , )V f t tối ưu cho các giá trị độ nhám bề mặt và ứng suất dư tối ưu. Giá trị hàm mục tiêu đạt được là: độ nhám bề mặt: Ra 0,427μm; Ứng suất dư bề mặt:
117,987
MPa. Năng suất cắt lớn nhất ứng với giá trị tối ưu chất lượng bề mặt: Q6.335,8mm3/phút
2. Khuyến nghị
Thép khơng gỉ là loại thép có độ bền và độ dẻo dai cao, việc gia cơng ln gặp khó khăn do nhiệt phát sinh lớn. Việc nghiên cứu để tối ưu quá trình sản xuất liên quan đến nhiều vấn đề, nhiều lĩnh vực từ gia công tạo phôi, thiết kế chế tạo dụng cụ cắt chuyên dùng, lựa chọn thiết bị gia công và các thông số cơng nghệ phù hợp. Do đó cần phải có sự hợp tác của các nhà khoa học để nghiên cứu sâu hơn về lĩnh vực này.
115
3. Hướng nghiên cứu tiếp theo
Để phát triển và hoàn thiện nghiên cứu về lý thuyết đối với các loại vật liệu có độ dẻo cao ở Việt Nam, hướng nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào một số nội dung như: Nghiên cứu ảnh hưởng của thơng số hình học dụng cụ cắt, chế độ bơi trơn/làm mát đến khả năng gia cơng, độ mịn và tuổi bền dụng cụ cắt, chất lượng bề mặt khi gia công thép khơng gỉ Austenit.
116
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
1. Trần Viết Hồi, Phạm Văn Bổng, Trần Văn Địch: “Ứng dụng thuật toán
dơi (BA) để xác định độ nhám bề mặt tối ưu khi gia công thép không gỉ SUS304 trên máy tiện CNC”. Kỷ yếu Hội nghị Khoa học và Cơng nghệ tồn quốc về cơ khí lần thứ V - VCME 2018, 2018.
2. Viet-Hoi Tran, Van-Bong Pham, Van-Dich Tran: “Study of the
Mechanisms of Chip Formation in Turning of 304 Austenitic Stainless Steel”. Proceedings of the 2nd Annual International Conference on Material, Machines and Methods for Sustainable Development (MMMS2020), Part of the Lecture Notes in Mechanical Engineering book series (LNME), pp 138-146, 2021. (Scopus)
https://doi.org/10.1007/978-3-030-69610-8_18
3. Viet-Hoi Tran, Van-Bong Pham, Van-Dich Tran: “Modeling of the Effect of Cutting Parameters on Surface Residual Stress When Turning of 304 Austenitic Stainless Steel”. Proceedings of the 2nd Annual International Conference on Material, Machines and Methods for Sustainable Development (MMMS2020), Part of the Lecture Notes in Mechanical Engineering book series (LNME), pp 177-183, 2021. (Scopus)
https://doi.org/10.1007/978-3-030-69610-8_23
4. Bong Pham Van, Hoi Tran Viet: “Application of Bat algorithm for
Improvement of Surface Integrity in Turning of SUS304 Austenitic Stainless Steel”. Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 38, No. 4, pp.237-244, 2021. (Scopus, Q4)
https://doi.org/10.7736/JKSPE.021.003
5. Phạm Văn Bổng, Trần Viết Hồi, Trần Văn Địch: “Mơ hình ảnh hưởng của một số thơng số công nghệ đến độ cứng tế vi bề mặt khi tiện thép SUS304”. Tạp chí KHCN trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, tập 57 – số 3 (6/2021), tr.75-79, 2021.
117
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
[1] Bành Tiến Long – chủ biên, Trần Thế Lục, Trần Sỹ Túy (2013) Nguyên lý
gia công vật liệu, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
[2] Bùi Long Vịnh (2017) Nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng trục dao và chế độ cắt đến năng suất và nhám bề mặt khi gia công mặt cầu lồi trên trung tâm CNC 5 trục Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội.
[3] Hoàng Tiến Dũng (2015) Nghiên cứu tối ưu hóa một số thơng số cơng nghệ khi
phay cao tốc, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
[4] Lê Thị Hoài Thu (2011) Nghiên cứu độ chính xác gia công trên máy tiện
CNC khi gia công vật liệu có độ dẻo, Luận văn Thạc sỹ, Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội.
[5] Nguyễn Chí Cơng (2017) Nghiên cứu đặc tính cắt của mảnh dao thay thế
nhiều cạnh hợp kim cứng chế tạo tại Việt Nam khi gia công thép không gỉ SUS304 trên máy tiện CNC, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội.
[6] Nguyễn Doãn Ý – chủ biên (2010) Quy hoạch và xử lý số liệu thực nghiệm, NXB Xây dựng, Hà Nội.
[7] Nguyễn Hùng Huy (2021) Nhiễu xạ tia X đơn tinh thể, NXB ĐHQGHN [8] Nguyễn Ngọc Kiên (2013) Ứng dụng phương pháp trí tuệ nhân tạo và
phân tích Taguchi để xác định chế độ cắt tối ưu khi gia công trên máy phay CNC, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
[9] Nguyễn Tiến Dũng (2017) Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số công nghệ
đến độ nhám bề mặt khi gia công thép SUS304 bằng máy tiện CNC, Tạp
118
[10] Nguyễn Thị Quốc Dung (2012) Nghiên cứu quá trình tiện thép hợp kim qua
tôi bằng dao PCBN, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Thái Nguyên.
[11] Phạm Văn Bổng, Nguyễn Văn Thiện, Hồng Tiến Dũng (2016) Giáo trình Công nghệ chế tạo máy 2, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
[12] Phạm Văn Bổng – chủ biên, Hoàng Tiến Dũng (2019) Tối ưu hóa quá trình cắt gọt, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
[13] Trần Văn Ðịch – chủ biên (2003) Công nghệ chế tạo máy, NXB Khoa
học và Kỹ thuật.
[14] Trần Văn Ðịch (2009) Nguyên lý cắt kim loại, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
Tiếng Anh
[15] Ahmad N, Janahiraman T V. (2015) A comparison on optimization of surface roughness in machining AISI 1045 steel using Taguchi method, genetic algorithm and particle swarm optimization. 2015 IEEE Conf
Syst Process Control, 129–133.
[16] Ahmed YS, Fox-Rabinovich G, Paiva JM, Wagg T, Veldhuis SC (2017)
Effect of built-up edge formation during stable state of wear in AISI 304 stainless steel on machining performance and surface integrity of the machined part. Materials (Basel), 10, 1–15.
[17] Anderoglu O (2004) Residual Stress Measurement Using X-Ray Diffraction. Texas A&M Univ, 1–64.
[18] Arunachalam RM, Mannan MA, Spowage AC (2004) Residual stress and surface roughness when facing age hardened Inconel 718 with CBN and ceramic cutting tools. Int J Mach Tools Manuf, 44, 879–887.
[19] Atlas Steels (2010) The Atlas Steels Technical Handbook of Stainless Steels. [20] Bezerra MA, Santelli RE, Oliveira EP, Villar LS, Escaleira LA (2008)
119
analytical chemistry. Talanta, 76, 965–977.
[21] Bouzid L, Berkani S, Yallese MA, Girardin F, Mabrouki T (2018)
Estimation and optimization of flank wear and tool lifespan in finish turning of AISI 304 stainless steel using desirability function approach.
Int J Ind Eng Comput, 9, 349–368.
[22] Bouzid L, Boutabba S, Yallese MA, Belhadi S, Girardin F (2014)
Simultaneous optimization of surface roughness and material removal rate for turning of X20Cr13 stainless steel. Int J Adv Manuf Technol,
74, 879–891.
[23] Bouzid L, Yallese MA, Chaoui K, Mabrouki T, Boulanouar L (2015)
Mathematical modeling for turning on AISI 420 stainless steel using surface response methodology. Proc Inst Mech Eng Part B J Eng Manuf,
229, 45–61.
[24] Capello E (2005) Residual stresses in turning: Part I: Influence of process parameters. J Mater Process Technol, 160, 221–228.
[25] Cebron M, Kosel M, Kopac J (2012) Effect of cutting on surface hardness and residual stresses for 12Mn austenitic steel. J Achiev
Mater Manuf Eng, 55, 80–89.
[26] Cetin MH, Ozcelik B, Kuram E, Demirbas E (2011) Evaluation of vegetable based cutting fluids with extreme pressure and cutting parameters in turning of AISI 304L by Taguchi method. J Clean Prod,
19, 2049–2056.
[27] Chandrasekaran M, Muralidhar M, Krishna CM, Dixit US (2010)
Application of soft computing techniques in machining performance prediction and optimization: A literature review. Int J Adv Manuf
Technol, 46, 445–464.
120
integrity of titanium alloy Ti-6% Al-4% v. J Mater Process Technol,
166, 188–192.
[29] Chenari HM, Moafi HF, Rezaee O (2016) A study on the microstructural parameters of Zn (1-x)LaxZrxO nanopowders by X-ray line broadening analysis. Mater Res, 19, 548–554.
[30] Ciftci I (2006) Machining of austenitic stainless steels using CVD multi-
layer coated cemented carbide tools. Tribol Int, 39, 565–569.
[31] Coello CAC, Lamont GB, Veldhuizen DA Van, Goldberg DE, Koza JR (2007) Evolutionary Algorithms for Solving Multi-Objective Problems.
Evol Algorithms Solving Multi-Objective Probl. doi: 10.1007/978-0- 387-36797-2
[32] Cohen ICNJB (1987) Residual Stress Measurement by Diffraction and Interpretation. Springer-Verlag New York Berlin Heidelberg London
Paris Tokyo
[33] Cortez P (2014) Multi-Objective Optimization. 99–117.
[34] Coto B, Navas VG, Gonzalo O, Aranzabe A, Sanz C (2011) Influences of turning parameters in surface residual stresses in AISI 4340 steel. Int
J Adv Manuf Technol, 53, 911–919.
[35] Cunat P (2004) Alloying elements in stainless steel and other chromium-
containing alloys. Int Chromium Dev Assoc, 1–24.
[36] D’Addona DM, Raykar SJ, Narke MM (2017) High Speed Machining of
Inconel 718: Tool Wear and Surface Roughness Analysis. Procedia
CIRP, 62, 269–274.
[37] Dahlman P, Gunnberg F, Jacobson M (2004) The influence of rake angle, cutting feed and cutting depth on residual stresses in hard turning. J Mater Process Technol, 147, 181–184.
121
[38] David J. Whitehouse (1994) Handbook of Surface Metrology. Institute
of Physics Publishing
[39] Davim JP (2013) Machining Fundamentals and Recent Advances. Mach