Ảnh hưởng của cấu trúc tinh thể hợp kim Ti-6Al-4V đến nhám bề

Chương 4 THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

4.2. Thực nghiệm 02 – Xác định mối quan hệ giữa chế bộ bôi trơn làm mát

4.2.3.1 Ảnh hưởng của cấu trúc tinh thể hợp kim Ti-6Al-4V đến nhám bề

Trị số nhám bề mặt trung bình của hợp kim Ti64 ủ (Ti64-Elo) thấp hơn một chút so với hợp kim Ti64 tơi (Ti64-La) (Ra tương ứng là 0,987 µm và 1,011 µm - Hình 4.7

và Hình 4.8). Ngun nhân do Ti64-La (376 HV) có độ cứng lớn hơn Ti64-Elo (349

HV). Do đó, cơ chế cắt gọt chiếm ưu thế khi gia cơng Ti64-La, làm hình thành các đỉnh sắc nhọn trên bề mặt phôi khiến nhám tăng. Trong khi đó, biến dạng dẻo là hiện tượng xuất hiện nhiều hơn khi mài Ti64-Elo. Độ cứng của hai loại vật liệu này không khác nhau nhiều nên giá trị nhám bề mặt sau khi gia công của chúng cũng tương đối gần nhau.

4.2.3.2 Ảnh hưởng của cấu trúc tinh thể hợp kim Ti-6Al-4V đến độ cứng tế vi bề mặt

c) Mài khô

v = 30 m/s S = 3000 mm/ph t = 0,01 mm

Chiều sâu dưới bề mặt (mm)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Độ c ứn g tế v i H V 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 Ti64-Elo Ti64-La

Hình 4.16 Độ cứng tế vi HV của bề mặt phôi Ti64-Elo và Ti64-La: (a) Sơ đồ vị trí điểm đo; (b) Vị trí vết đâm; và (c) Đồ thị độ cứng tế vi HV

Hiệu ứng hóa cứng có nguyên nhân do tốc độ biến dạng dẻo cao và nhiệt cắt lớn. Trong thí nghiệm này, độ cứng tế vi được đo dọc theo mặt cắt ngang của phôi Ti64- Elo và Ti64-La trong cùng một chế độ cắt. Độ cứng tế vi Vickers HV0,1 được đo tại

các điểm nằm cách nhau 20 µm như sơ đồ trong Hình 4.16a và b, cịn đồ thị kết quả đo được trình bày trong Hình 4.16c. Độ cứng tế vi trên bề mặt phơi có giá trị lớn nhất và giảm dần khi chiều sâu tăng lên, chứng tỏ hiện tượng mềm nhiệt không xảy ra, do nhiệt độ trong vùng gia công thấp hơn nhiệt độ chuyển pha . Nhiệt độ thấp một phần là do đá mài cBN có tính dẫn nhiệt tốt, khiến khuyết tật nhiệt trên bề mặt phôi giảm đi. Độ cứng tế vi của bề mặt hợp kim Ti64-Elo (390 HV0,1) tăng 11,8% so với vật

Bề mặt mài

Vị trí đo

84 liệu lõi (349 HV0,1), còn Ti64-La (440 HV0,1) tăng 17% (376 HV0,1). Độ cứng bề mặt của vật liệu Ti64-Elo nhỏ hơn Ti64-La do phơi Ti64-La có độ cứng ban đầu lớn hơn. Vật liệu lõi của Ti64-La cứng hơn Ti64-Elo do chúng có các phương pháp nhiệt luyện khác nhau (ủ và tơi). Chiều sâu lớp hóa cứng nhỏ hơn 130 µm đối với cả hai

loại vật liệu, đồng thời độ cứng của Ti64-La xuất hiện biến động nhỏ ở độ sâu 200 μm. Điều đó chứng tỏ rằng q trình mài chỉ làm thay đổi độ cứng tế vi trong một khoảng nhỏ tính từ bề mặt.

4.2.4. Nhận xét và đánh giá

4.2.4.1 Hợp kim Ti-6Al-4V ủ

- Nói chung, nhám bề mặt tăng khi bước tiến dao tăng. Nhám nhỏ nhất khi mài khô.

Nhám khi dùng dầu tổng hợp thấp hơn khi dùng dầu nhũ tương. Dầu tổng hợp + hBN cho nhám nhỏ hơn chỉ dùng dầu tổng hợp và ngang bằng với dầu tổng hợp

+ xGnP.

- Bề mặt phôi khi mài ướt có ít khuyết tật hơn mài khơ.

4.2.4.2 Hợp kim Ti-6Al-4V tơi

- Nói chung, nhám bề mặt tăng khi tăng bước tiến dao. Nhám khi dùng dầu tổng hợp + xGnP có giá trị thấp nhất. Dầu tổng hợp có nhám nhỏ hơn dầu nhũ tương. Dầu tổng hợp + hBN có nhám xấp xỉ mài khơ, cịn mài khơ cho thấy nhám nhỏ hơn dầu tổng hợp.

- Bề mặt khi mài ướt có ít khuyết tật hơn mài khơ. Bề mặt khi mài ướt bằng dầu tổng hợp + xGnP và hBN có các vết cắt mịn và nhỏ hơn so với chỉ dùng dầu cắt gọt.

4.2.4.3 Ảnh hưởng của cấu trúc tinh thể hợp kim Ti-6Al-4V đến chất lượng bề mặt bề mặt

- Ti64-La có trị số nhám bề mặt cao hơn Ti64-Elo.

- Dưới cùng một chế độ cắt, bề mặt phơi Ti64-La sau khi gia cơng có độ cứng tế vi lớn hơn Ti64-Elo.

Nói chung, các kết quả của Thực nghiệm 02 tương đối phù hợp với cơ sở lý thuyết đã trình bày ở Chương 1 và Chương 2.

4.3. Thực nghiệm 03 - Xác định dải lượng tiến dao đạt được nhám bề mặt nhỏ nhất mặt nhỏ nhất

4.3.1. Thực nghiệm và kết quả

Từ Hình 4.1 thấy rằng giá trị nhám nhỏ nhất đạt được tại lượng tiến dao 3000

mm/ph với mọi chiều sâu cắt khi mài khô. Cụ thể là, nhám bề mặt giảm dần khi lượng tiến daotăng từ 1000 đến 3000 mm/ph. Còn khi lượng tiến daolớn hơn 3000 mm/ph thì nhám tăng khi lượng tiến dao tăng. Do đó, cần làm một số thí nghiệm với lượng tiến dao có giá trị xung quanh 3000 mm/ph (mài khô) do Thực nghiệm 01 đã chỉ ra rằng khi mài ướt đặc điểm này là không rõ rệt.

85

Mài khô Ti64 ủ

v = 30 m/s

Lượng tiến dao, S (mm/ph)

1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Đ ộ nh ám b ề m ặt , R a (m m) 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 t = 0,005 mm t = 0,01 mm t = 0,015 mm Mài khô Ti64 ủ v = 30 m/s

Lượng tiến dao, S (mm/ph)

1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Đ ộ nh ám b ề m ặt , R z (m m) 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 t = 0,005 mm t = 0,01 mm t = 0,015 mm (a) (b)

Hình 4.17 Ảnh hưởng của bước tiến dao đếntrị sốnhám bề mặt Ra (a) và Rz (b) khi mài phẳng hợp kim Ti64 ủ dưới các chiều sâu cắt khác nhau

Mài khô Ti64 tôi

v = 30 m/s

Lượng tiến dao, S (mm/ph)

1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Đ ộ nh ám b ề m ặt , R a (m m) 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 t = 0,005 mm t = 0,01 mm t = 0,015 mm Mài khô Ti64 tôi v = 30 m/s

Lượng tiến dao, S (mm/ph)

1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Đ ộ nh ám b ề m ặt p hô i, Rz ( m m) 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 t = 0,005 mm t = 0,01 mm t = 0,015 mm (a) (b)

Hình 4.18 Ảnh hưởng của bước tiến dao đến trị số nhám bề mặt Ra (a) và Rz (b) khi mài phẳng hợp kim Ti64 tôi dướicác chiều sâu cắt khác nhau

Hình 4.17a và b mơ tảđồ thị nhám bề mặt Ra và Rz của các mẫu Ti64 ủ. Với chiều sâu cắt 0,005 mm, khi bước tiến dao từ 2000 đến 3000 mm/ph thì nhám Ra giảm từ

0,718 µm xuống 0,655 µm và Rz từ 4,605 µm xuống 3,717 µm. Cịn khi bước tiến

dao từ 3000 đến 4000 mm/ph thì Ra tăng từ 0,655 µm đến 0,825 µm và Rz từ 3,717 µm đến 4,602 µm. Làm thí nghiệm tương tự với các chiều sâu cắt 0,01 và 0,015 mm đều thu được giá trị nhám nhỏ nhất khi lượng tiến dao bằng khoảng 3000 mm/ph. Nói cách khác, lượng tiến dao 3000 mm/ph có thể coi là lượng tiến dao đạt được trị số

nhám bề mặt nhỏ nhất khi gia công hợp kim Ti64 ủtrong tất cả các chế độ cắt được khảo sát.

Hình 4.18a và b thể hiện đồ thị nhám bề mặt Ra và Rz của các mẫu Ti64 tôi. Khi

lượng tiến dao từ 2000 đến 3000 mm/ph và chiều sâu cắt 0,01 mm thì nhám đạt giá trị nhỏ nhất tại S = 2500 mm/ph với Ra = 0,876 µm và Rz = 5,37 µm. Khi bước tiến dao từ 3000 đến 4000 mm/ph thì nhám Ra và Rz nhỏ nhất tương ứng là 0,902 µm và 5,096 µm đạt được tại S = 3500 mm/ph. Làm thí nghiệm với các chiều sâu cắt 0,005 và 0,015 mm đều thu được các kết quả tương tự. Nói cách khác, có thể coi 2500 mm/ph là giá trị lượng tiến dao đạt được nhám nhỏ nhất trong khoảng 2000 đến 3000

86 3000 đến 4000 mm/ph khi gia công hợp kim Ti64 tôi dưới các chế độ cắt được khảo

sát.

4.3.2. Nhận xét và đánh giá

- Đã xác định được giá trị lượng tiến dao đạt được nhám bề mặt nhỏ nhất khi gia công hợp kim Ti64 ủ là khoảng 3000 mm/ph.

- Đã xác định được giá trị lượng tiến dao đạt được nhám bề mặt nhỏ nhất khi gia công hợp kim Ti64 tôi là 2500 mm/ph trong khoảng 2000 đến 3000 mm/ph và

3500 mm/ph trong khoảng 3000 đến 4000 mm/ph.

4.4. Tối ưu hóa các thơng số cơng nghệ 4.4.1. Xây dựng bài tốn tối ưu

4.4.1.1 Xác định hàm mục tiêu

Nghiên cứu lựa chọn hàm mục tiêu là năng suất gia công Q với mục tiêu năng suất gia công Q là lớn nhất. Năng suất gia công khi mài (Q) được xác định bằng thể tích kim loại bóc tách được trong một đơn vị thời gian. Tiến hành đo thể tích của sản phẩm trước và sau khi mài bằng panme đo ngoài, đo thời gian mài, từ đó tính được năng suất gia công Q theo công thức sau [19]:

tr s c c Q -Q ΔQ Q = 60 = 60 = f (S, t) T T (mm3/ph) (4. 5)

trong đó Qtr là thể tích của phơi trước khi mài (mm3); Qs là thể tích của phơi sau khi mài (mm3); Q là thể tích kim loại bóc tách được trong q trình gia cơng (mm3); Tc là thời gian mài xong một chi tiết (s).

Nhận thấy trong quá trình mài phẳng hợp kim Ti64 bằng đá mài cBN thì năng suất gia công sẽ phụ thuộc vào hai yếu tố công nghệ là lượng tiến dao dọc S và chiều sâu

mài t. Do đó, về mặt lý thuyết thì năng suất cắt khi mài phẳng hợp kim Ti64 được xác

định như sau [19]:

m p

q

Q=C .S .t

Sau khi tiến hành thực nghiệm, thu được các kết quả như trong bảng ở Phụ lục 3.

Từ kết quả thực nghiệm trên, áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm BPNN xác định được hàm hồi quy thực nghiệm năng suất Q khi mài phẳng hợp kim Ti64 bằng đá mài cBN như sau:

Q = 1,6844.S0,8650.t1,0886 (4. 6)

Thực hiện kiểm định thống kê với hàm hồi quy trên có: Các phương sai trong thí nghiệm là đồng nhất vì:

Ga (1; 12; 0,05) = 0,541 (tra Bảng 8 [76]) Gtn = 0,205

87

Các hệ số trong Phương trình hồi quy (4. 6) đều có nghĩa vì: ta (0,05; 9) = 1,83 (tra Bảng 6 [76])

ta0 = 2,98; ta1 = 60,1; ta2 = 39,77 ta0, ta1, ta2 > ta

Phương trình hồi quy (4. 6) là tương thích với thực nghiệm vì: Fb (0,05; 9; 12) = 4,39 (tra Bảng 4 [76])

Ftn = 2,1 Ftn < Fb

4.4.1.2 Xác định điều kiện biên

Đối với bài toán tối ưu khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN, các

ràng buộc ở đây bao gồm ràng buộc hàm và ràng buộc biến. Các ràng buộc biến xét trong bài toán này là một số yếu tố công nghệ bao gồm lượng tiến dao dọc S và chiều sâu cắt t. Trên cơ sở Thực nghiệm 01 (mài ướt) thì điều kiện ràng buộc biến của bài toán tối ưu ở đây như sau:

1000  S  10000 (mm/ph) 0,005  t  0,015 (mm)

Sở dĩ chế độ mài ướt được chọn do gia công bằng phương pháp mài thường sử dụng dung dịch trơn nguội tưới tràn trề để giảm khuyết tật bề mặt và kéo dài tuổi bền của đá mài (mặc dù nhám bề mặt khi mài ướt cao hơn mài khô như trong Thực nghiệm

01 và 02 đã chỉ ra).

Trong khi đó, ràng buộc hàm xét ở bài toán này là ràng buộc hàm về nhám bề mặt Ra. Phương trình hồi quy của Ra đã được xác định ở Thực nghiệm 01. Do đó, điều

kiện ràng buộc hàm của bài toán tối ưu ở đây như sau:

Ra = S0,1045.t0,1184 1,35 (µm)

4.4.1.3 Thành lập bài toán tối ưu

Trong nghiên cứu này, hàm mục tiêu là năng suất gia công Q với mong muốn là năng suất gia công cao nhất nhưng vẫn đảm bảo được các ràng buộc đề ra. Bài toán được phát biểu dưới dạng tìm bộ thơng số cơng nghệ (S, t) để hàm số:

Q = 1,6844.S0,8650.t1,0886 → Qmax (với Q nằm trong dải: 2,0727 ≤ Q ≤ 50,2271)

với các điều kiện biên:

g1: Ra = S0,1045.t0,1184≤ 1,35; (với Ra nằm trong dải: 1,0991 ≤ Ra ≤ 1,5924)

g2: 1000 ≤ S; g3: S ≤ 10000; g4: 0,005 ≤ t; g5: t ≤ 0,015

88 Vậy bài tốn tối ưu năng suất gia cơng phải đáp ứng các điều kiện giới hạn bao gồm một hàm mục tiêu về năng suất gia công và năm hàm giới hạn biên.

4.4.2. Giải bài toán tối ưu

4.4.2.1 Cơ sở lựa chọn phương pháp giải bài tốn tối ưu

Bài tốn tối ưu có thể được xem như bài tốn tìm kiếm giải pháp tốt nhất trong không gian vô cùng lớn các giải pháp. Khi khơng gian tìm kiếm nhỏ thì các phương án tối ưu hóa truyền thống có thể thích hợp để giải (như phương pháp tính trực tiếp, phương pháp đồ thị, phương pháp Lagrange …). Tuy nhiên, các phương pháp tối ưu truyền thống thì khơng phù hợp với miền phổ rộng, khơng hiệu quả khi khoảng khảo sát quá rộng. Các thuật toán xây dựng trên cơ sở các phương pháp này không đủ mạnh với số ràng buộc và số tham số cần tối ưu quá lớn. Đã có nhiều phương án tiếp cận khác nhau nhằm giải quyết các loại bài toán này, song gần đây việc ứng dụng giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization - PSO) đã bắt đầu cho thấy được ưu điểm nổi bật [19].

Phương pháp tối ưu bầy đàn là một dạng của các thuật tốn tiến hóa quần thể đã được biết đến trước đây như thuật giải di truyền (Genetic algorithm - GA), thuật toán đàn kiến (Ant colony algorithm - ACA). Tuy vậy, PSO khác với GA ở chỗ nó thiên về sử dụng sự tương tác giữa các cá thể trong một quần thể để khám phá khơng gian tìm kiếm. PSO là kết quả của việc mơ hình hóa đàn chim bay đi tìm kiếm thức ăn nên nó thường được xếp vào loại thuật tốn có sử dụng trí tuệ bầy đàn. Thuật toán này được giới thiệu bởi James Kennedy và Russell C. Eberhart [85] vào năm 1995 tại một hội nghị của IEEE. Thuật tốn có nhiều ứng dụng quan trọng trong tất cả các lĩnh vực ở đó địi hỏi phải giải quyết các bài tốn tối ưu hóa. Để hiểu thuật tốn PSO, hãy xét một ví dụ đơn giản về quá trình tìm kiếm thức ăn của một đàn chim. Khơng gian tìm kiếm thức ăn lúc này là tồn bộ khơng gian ba chiều mà chúng đang sinh sống. Tại thời điểm bắt đầu tìm kiếm, cả đàn bay theo một hướng nào đó, có thể rất ngẫu nhiên. Sau một thời gian tìm kiếm, một số cá thể trong đàn bắt đầu tìm ra nơi có thức ăn. Tùy theo số lượng thức ăn vừa tìm được mà cá thể này gửi tín hiệu đến các các cá thể khác ở vùng lân cận. Tín hiệu này được lan truyền trên tồn bộ quần thể. Dựa vào thông tin nhận được, mỗi cá thể sẽ điều chỉnh hướng bay và vận tốc hướng về nơi có nhiều thức ăn nhất. Cơ chế truyền tin như vậy thường được xem như là một kiểu hình của trí tuệ bầy đàn. Cơ chế này giúp cả đàn chim tìm ra nơi có nhiều thức ăn nhất trên khơng gian tìm kiếm vơ cùng rộng lớn [85].

Như vậy, đàn chim đã dùng trí tuệ, kiến thức và kinh nghiệm của cả đàn để nhanh chóng tìm ra nơi chứa thức ăn. Việc mơ hình hóa này thường được gọi là q

trình phỏng sinh học. Thuật tốn xây dựng dựa trên việc mơ hình hóa các q trình trong sinh học được gọi là thuật toán phỏng sinh học.

Xét bài toán tối ưu của hàm số Q trong khơng gian hai chiều (S, t). Mỗi vị trí trong khơng gian là một điểm có tọa độ hai chiều (S, t). Hàm Q là hàm mục tiêu xác định

trong không gian hai chiều và nhận giá trị thực. Mục đích là tìm ra điểm cực đại của hàm Q trong miền xác định nào đó của (S, t). Giả sử số lượng thức ăn tại một vị trí tỉ

89 lớn thì số lượng thức ăn càng lớn. Việc tìm vùng chứa thức ăn nhiều nhất tương tự với việc tìm vùng chứa điểm cực đại của hàm Q trong khơng gian tìm kiếm.

PSO được khởi tạo bằng một nhóm cá thể (nghiệm) ngẫu nhiên và sau đó tìm nghiệm tối ưu bằng cách cập nhật các thế hệ. Trong mỗi thế hệ, mỗi cá thể được cập