59
3.3. Lựa chọn các thông số thực nghiệm và xác định phương pháp thực nghiệm thực nghiệm
3.3.1. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm
Trong nghiên cứu sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm bình phương nhỏ
nhất (BPNN) để xác định hàm hồi quy thực nghiệm thể hiện mối quan hệ giữa nhám
bề mặt với chế độ công nghệ. Đây là một phương pháp rất cơ bản và hiệu lực để xử lý các số liệu thực nghiệm và xây dựng mơ hình thống kê, cho phép một lớp khá rộng các đối tượng nghiên cứu, thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau. Sau khi thu được hàm hồi
quy, cần kiểm tra sự đồng nhất của các phương sai theo tiêu chuẩn Cochran, kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số trong phương trình theo tiêu chuẩn Student và kiểm tra sự tương thích của phương trình với thực nghiệm theo tiêu chuẩn Fisher [76].
3.3.2. Thông số thực nghiệm
Các thông số đầu vào và đầu ra của nghiên cứu được trình bày trong Bảng 3.6.
Bảng 3.6 Các thông số thực nghiệm
Các thông số công nghệ đầu vào
Chế độ cắt Chế độ bôi trơn làm mát
Vận tốc cắt v = 30 m/s Chiều sâu cắt t = 0,005; 0,01; 0,015 mm
Lượng tiến dao S = 1000, 3000, 6000, 10000 mm/ph
Mài khô
Dung dịch dầu nhũ tương Dung dịch dầu tổng hợp Dung dịch dầu tổng hợp + xGnP-M25 Dung dịch dầu tổng hợp + hBN-K05 Các thông số đánh giá Nhám bề mặt Độ cứng tế vi bề mặt Cấu trúc tế vi bề mặt Năng suất gia công
Cơ sở để lựa chọn dải thông số công nghệ trên xuất phát từ tham khảo các bài báo khoa học đăng trên các tạp chí quốc tế uy tín kết hợp với tra Sổ tay cơng nghệ chế tạo
máy [77].
3.3.3. Phương pháp thực nghiệm
3.3.3.1 Thực nghiệm 01 – Xác định mối quan hệ giữa chế độ cắt với chất
lượng bề mặt
Trong phần này sẽ thực hiện thực nghiệm nhằm làm rõ ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ là lượng tiến dao và chiều sâu cắt tới nhám bề mặt (Ra và Rz), cấu trúc tế
vi bề mặt và độ cứng tế vi bề mặt HV. Phôi thực nghiệm là hợp kim Ti-64 ủ. Dải thông số công nghệ khi thực nghiệm được trình bày ở Bảng 3.7 với vận tốc cắt là 30
m/s, lượng tiến dao là 1000, 3000, 6000, 10000 mm/ph và chiều sâu cắt là 0,005; 0,01; 0,015 mm. Thực nghiệm 01 là thực nghiệm ban đầu, sau đó Thực nghiệm 02 sẽ
60
Bảng 3.7 Các thơng số cơng nghệ của q trình mài (Thực nghiệm 01)
Phương pháp mài Mài bằng chu vi đá, mài nghịch
Vật liệu phơi Ti-6Al-4V ủ (16mm × 10mm × 9mm)
Đá mài Đá mài cBN liên kết nhựa: cBN120 D100 T8 H20 X5 U6
Máy mài Trung tâm gia công cao tốc trục đứng (HS Super MC500)
Vận tốc cắt (v) 30 m/s
Lượng tiến dao (S) 1000, 3000, 6000 và 10000 mm/ph
Chiều sâu cắt (t) 0,005; 0,01; 0,015 mm
Chiều rộng cắt (b) 4,5 mm
Chế độ bôi trơn làm mát
Mài khô và mài ướt (Dầu tổng hợp 2%)
3.3.3.2 Thực nghiệm 02–Xác định mối quan hệ giữa chế độ bôi trơn làm mát
với chất lượng bề mặt
Bảng 3.8 Các thơng số cơng nghệ của q trình mài (Thực nghiệm 02)
Phương pháp mài Mài bằng chu vi đá, mài nghịch
Vật liệu phôi Ti-6Al-4V ủ, Ti-6Al-4V tơi (16mm × 10mm × 9mm)
Đá mài Đá mài cBN liên kết nhựa: cBN120 D100 T8 H20 X5 U6
Máy mài Trung tâm gia công trục đứng cao tốc (HS Super MC500)
Vận tốc cắt (v) 30 m/s
Lượng tiến dao (S) 1000, 3000, 6000 và 10000 mm/ph
Chiều sâu cắt (t) 0,01 mm
Chiều rộng cắt (b) 4,5 mm
Chế độ làm mát Khô, dầu nhũ tương 10%, dầu tổng hợp 10%, dầu tổng hợp 10% + xGnP 0,025%, dầu tổng hợp 10% + hBN
0,1%
Đây là thực nghiệm nhằm làm rõ ảnh hưởng của các yếu tố là chế độ bôi trơn làm
mát, lượng tiến dao và cấu trúc tinh thể vật liệu gia công tới nhám bề mặt (Ra và Rz),
độ cứng tế vi bề mặt HV vàcấu trúc tế vi bề mặt. Vận tốc cắt được cố định là 30 m/s. Bước tiến dao S có các giá trị là 1000, 3000, 6000 và 10000 mm/ph. Chiều sâu cắt t
không đổi là 0,01 mm. Các chế độ bôi trơn làm mát là mài khô, dung dịch dầu nhũ tương 10%, dung dịch dầu tổng hợp 10%, dung dịch dầu tổng hợp 10%+ xGnP-M25
0,025%, dung dịch dầu tổng hợp 10% + hBN-K05 0,1%. Phôi thực nghiệm là hợp
kim Ti-64 ủ và Ti-64 tôi. Bảng 3.8 mơ tả cụ thể các thơng số của q trình mài nói trên.
3.3.3.3 Thực nghiệm 03–Xác định dải lượng tiến dao đạt được nhám bề mặt
nhỏ nhất
Trong phần này sẽ thực hiện các thí nghiệm để xác định dải lượng tiến dao đạt được nhám bề mặt nhỏ nhất của các chi tiết Ti64 ủ và Ti64 tôi. Vận tốc cắt được cố định là 30 m/s; bước tiến dao được lấy trong khoảng từ 2000 đến 4000 mm/ph và
khoảng này được chia thành các đoạn nhỏ hơn giới hạn bởi 2000, 2500, 3000, 3500
và 4000 mm/ph (Bảng 3.9). Các chiều sâu cắt dùng trong thí nghiệm là 0,005; 0,01 và 0,015 mm.
61
Bảng 3.9 Các thông số công nghệ của quá trình mài (Thực nghiệm 03)
Phương pháp mài Mài bằng chu vi đá, mài nghịch
Phôi Ti-6Al-4V ủ và tơi (16mm × 10mm × 9mm)
Đá mài Đá mài cBN liên kếtnhựa: cBN120 D100 T8 H20 X5 U6
Máy mài Trung tâm gia công trục đứng cao tốc (HS Super MC500)
Tốc độ cắt (v) 30 m/s
Lượng tiến dao (S) 2000, 2500, 3000, 3500 và 4000 mm/ph
Chiều sâu cắt (t) 0,005; 0,01; 0,015 mm
Chiều rộng cắt (b) 4,5 mm
Chế độ làm mát Mài khô
3.4. Mơ hình hóa q trình mài bằng phương pháp phần tử hữu hạn
Lực mài quyết định đến sự biến dạng của hệ thống công nghệ. Lực mài cũng ảnh hưởng đến nhiệt mài từ đó ảnh hưởng đến biến dạng nhiệt của chi tiết gia công. Lực mài càng lớn thì nhiệt mài sinh ra càng nhiều. Nhiệt độ vùng mài cao nếu khơng được kiểm sốt sẽ gây ra nhiều khuyết tật nhiệt như vết cháy, vết nứt, bám dính, biến đổi tính chất lý hóa, ứng suất dư kéo và giảm độ bền mỏi vật liệu. Nhiệt cắt còn khiến tải trên đá mài và mòn đá tăng. Hạt mài bị mòn và chịu tải lớn sẽ làm tăng lực mài và gây ra nhiều khuyết tật nhiệt hơn [13]. Do đó, việc mơ phỏng lực mài và nhiệt độ mài
được thực hiện trong phần này để góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và lựa
chọn được chếđộ công nghệ phù hợp khi gia công.
Trong nghiên cứu thực hiện mô phỏng quá trình tạo phoi, lực mài và nhiệt độ của quá trình mài bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) khi thay đổi ba thông số công nghệ là lượng tiến dao, chiều sâu cắt và chế độ bôi trơn làm mát trên cơ sở ứng dụng phần mềm ABAQUS/Explicit. Vận tốc cắt được cố định là 30 m/s; lượng tiến dao là 1000, 3000, 6000, 10000 mm/ph; chiều sâu cắt là 0,005; 0,01; 0,015 mm; Chế độ bôi trơn làm mát là mài khô và mài ướt bằng dầu tổng hợp nồng độ 2%. Kết quả
mô phỏng lực cắt được so sánh với kết quả của Thực nghiệm 01. Kết quả mơ phỏng q trình tạo phoi và nhiệt độ bề mặt phôi được so sánh với kết quả thực nghiệm trong
điều kiện gia công tương tự của các tác giả khác trên thế giới.
3.4.1 Mơ hình phần tử hữu hạn
Để dự đoán được lực cắt và nhiệt độ bề mặt phôi, nghiên cứu đã đưa ra một mơ
hình phần tử hữu hạn hai chiều như trong Hình 3.15. Phơi trong mơ hình có chiều dài
310 μm (theo phương X) và chiều cao 100 μm (theo phương Y). Phôi được chia thành
13869 phần tử tứ giác phân tích kết hợp cơ nhiệt (CPE4RT). Q trình mơ phỏng
được thực hiện bằng phần mềm ABAQUS/Explicit dựa trên thuật toán Lagrange.
Nhiệt lượng mất đi của đá mài và phôi được định nghĩa là do hiện tượng đối lưu, với hệ số truyền nhiệt đối lưu khi mài khô và mài ướt lần lượt là 81,148 [78] and 82000 W/m2.K [79]. Nhiệt lượng phân tán do hiện tượng bức xạ nhiệt không đáng kể nên có thể bỏ qua. Vật liệu hạt mài là cBN. Trong Hình 3.15, hạt mài cBN được mơ hình hóa dưới dạng một hình lục giác đều hai chiều. Để đơn giản, ở đây chỉ vẽ một nửa
của hình lục giác với góc cắt trước bằng -30°. Mặt đáy của phôi được ràng buộc cố định và hạt mài cBN được coi là tuyệt đối cứng, chuyển động tịnh tiến với vận tốc
62
bằng vận tốc cắt. Chiều sâu cắt trong mơ hình được lấy bằng một nửa chiều dày phoi khơng biến dạng agmax như Hình 3.16.