Chương 3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM VÀ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ SỬA ĐÁ HỢP LÝ
3.2. ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN QUÁ TRÌNH SỬA ĐÁ
Mài là một trong những phương pháp gia công lần cuối có vai trò rất quan trọng trong việc nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết cần gia công. Mài là quá
trình rất phức tạp, quá trình này phụ thuộc vào nhiều thông số như các thông số của chế độ sửa đá, các thông số của đá mài và các thông số của chế độ cắt khi mài. Trong nguyên công mài sử dụng đá mài CBN đặc biệt cần thiết phải sửa đá trước khi mài và sửa đá trong quá trình mài chi tiết. Trước khi mài, sửa đá để tạo biên dạng chuẩn cho đá mài. Trong quá trình mài, bề mặt của đá bị mòn dần do số lượng lưỡi cắt có khả năng cắt giảm do đó sẽ làm giảm độ chính xác gia công. Để đạt được độ chính xác gia công cần thiết, đá mài phải đảm bảo
Hình 3.14. Mài công tua bề mặt trụ vuông
biên dạng và độ sắc trong suốt quá trình mài, chính vì vậy đá mài sau một khoảng thời gian làm việc nhất định cần phải được sửa bằng dụng cụ sửa đá.
3.2.1. Lựa chọn thông số và điều kiện thí nghiệm
Với thí nghiệm sửa đá, có ba thông số công nghệ đầu vào ảnh hưởng chính đến chất lượng của quá trình sửa đá, trong đó mỗi thông số công nghệ thay đổi 3 mức. Do đó, điều cần thiết là phải chọn ma trận thực nghiệm trực giao L9 (3^3). Nói cách khác, 09 bộ thông số thí nghiệm đã được thực hiện đó là các
thông số công nghệ đầu vào của chế độ sửa đá bao gồm chiều sâu cắt, tốc độ quay của đá và bước tiến đá khi sửa đá. Các mức và trị số của những thông số này được cho trong Bảng 3.1.
Bảng 3.1. Các thông số công nghệ thí nghiệm sửa đá
Thông số Đơn vị
Các mức thí nghiệm
Mức thấp (1)
Mức trung bình (2)
Mức cao (3)
Chiều sâu sửa đá aed mm 0.01 0.02 0.03
Tốc độ quay của đá Rpm rpm 500 1000 1500
Bước tiến Fe mm/phút 200 400 600
Phương pháp Taguchi được ứng dụng để xây dựng ma trận thí nghiệm.
Bên cạnh đó, phần mềm Minitab 19 được dùng để phân tích và lập kế hoạch thí nghiệm như Hình 3.15. Các mức khảo sát của thông số công nghệ đầu vào được dựa trên việc tham khảo kinh nghiệm mài trên thực tế tại Doanh nghiệp Tư
nhân Cơ khí Chính xác Thái Hà (đóng tại Phường Phú Xá, T/p Thái Nguyên), cũng như những gợi ý về chế độ cắt của nhà sản xuất theo catalog của máy.
Kết quả ma trận thí nghiệm (L9) với các thông số tương ứng như Bảng 3.2.
Quá trình thí nghiệm được tiến hành như sau: Sau mỗi lần sửa đá sẽ tiến hành mài 3 chi tiết khác nhau với cùng một chế độ mài. Chế độ mài cụ thể như sau: tốc độ quay của đá 4500 vòng/phút; chiều sâu mài 0.025 mm và lượng chạy dao 2500 mm/ph. Sau khi mài xong, các chi tiết sẽ được đo nhám bề mặt
với chú ý rằng mỗi chi tiết được đo nhám bề mặt 3 lần và tính toán giá trị trung bình của chúng. Kết quả đo nhám 3 lần mài và giá trị trung bình của chúng được cho trong Bảng 3.3.
Hình 3.15. Thiết lập ma trận thí nghiệm Bảng 3.2. Ma trận thí nghiệm L9
TT aed Rpm Fe
1 0.01 500 200 2 0.01 1000 400 3 0.01 1500 600 4 0.02 500 400 5 0.02 1000 600 6 0.02 1500 200 7 0.03 500 600 8 0.03 1000 200 9 0.03 1500 400
Mục tiêu của thí nghiệm này là đánh giá kết quả đầu ra nhám bề mặt Ra với mong muốn Ra “nhỏ hơn thì tốt hơn” nên tỷ số S/N được tính theo công thức (2.3).
Trong thí nghiệm sửa đá này, trị số của tỉ số S/N của đặc trưng nhám bề mặt là: Nhỏ hơn thì tốt hơn.
Bảng 3.3. Kết quả thí nghiệm và tính toán nhám bề mặt Ra
STT
Thụng số Ra, àm
aed
mm
Rpm
vòng/phút
Fe
mm/phút
Ra1 Ra2 Ra3 𝐑̅̅̅̅𝐚 S/N
1 0.01 500 200 0.187 0.182 0.196 0.188 14.5 2 0.01 1000 400 0.224 0.236 0.245 0.235 12.57 3 0.01 1500 600 0.327 0.331 0.315 0.324 9.778 4 0.02 500 400 0.195 0.186 0.224 0.202 13.88 5 0.02 1000 600 0.187 0.193 0.227 0.202 13.85 6 0.02 1500 200 0.172 0.215 0.207 0.198 14.03 7 0.03 500 600 0.375 0.353 0.344 0.357 8.933 8 0.03 1000 200 0.198 0.239 0.24 0.226 12.9 9 0.03 1500 400 0.285 0.278 0.286 0.283 10.96
3.2.2. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ sửa đá đến nhám bề mặt
Nhám bề mặt mặt mong muốn “nhỏ hơn thì tốt hơn” nên tỉ số S/N được xác định theo công thức (2.3). Kết quả tính toán tỉ số S/N ứng với kết quả của mỗi thí nghiệm được thể hiện như trong Bảng 3.4.
Bảng 3.4. Kết quả phân tích ANOVA giá trị 𝑅̅̅̅̅ 𝑎
Thông số DF Seq SS Adj SS Adj MS F C%
aed 2 0.011658 0.011658 0.005829 4.95 24.44
Rpm 2 0.003415 0.003415 0.001707 1.45 29.84
Fe 2 0.012509 0.012509 0.006255 5.31 38.35
Lỗi 2 0.002354 0.002354 0.001177 7.36
Tổng 8 0.029936 100.00
Bảng 3.5. Mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến 𝑅̅̅̅̅𝑎
Mức
Thông số
aed Rpm Fe
1 0.2492 0.2491 0.2040
2 0.2007 0.2210 0.2399
3 0.2887 0.2684 0.2947
Delta 0.0880 0.0474 0.0907
Thứ tự ảnh hưởng 2 3 1
Nhám trung bình R̅̅̅ = 0.246μm a
Hình 3.16. Đồ thị ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến 𝑅̅̅̅̅𝑎
ANOVA trị số của nhám bề mặt trung bình (𝑅𝑎̅̅̅̅) được thể hiện như Bảng
3.4. Kết quả phân tích cho thấy mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ lên nhám bề mặt trung bình (Bảng 3.4) như sau: mức độ ảnh hưởng của bước tiến đá (Fe) trên nhám bề mặt của chi tiết gia công là 38.35%; mức độ ảnh hưởng của tốc độ quay của đá (Rpm) đến nhám bề mặt chi tiết gia công là 29.84%; mức độ ảnh hưởng của chiều sâu cắt (aed) đến nhám bề mặt của chi tiết gia công là
24.44%. Kết quả cho thấy, theo phần trăm đóng góp ảnh hưởng, bước tiến đá ảnh hưởng lớn nhất đến nhám bề mặt còn chiều sâu cắt ảnh hưởng nhỏ nhất đến nhám bề mặt chi tiết gia công (Bảng 3.5).
Theo Hình 3.15, khi chiều sâu cắt (aed) tăng lên, nhám bề mặt của chi tiết gia công giảm sau đó tăng lên và đạt giá trị nhỏ nhất ở mức 2 (aed = 0.02 mm).
Điều này được giải thích như sau:
+ Khi chiều sâu của vết mài nhỏ aed = 0.01 mm, độ nhám bề mặt nhỏ, phoi mài nhanh chóng lấp vào làm cho quá trình mài khó khăn hơn. Khi tăng chiều sâu cắt lên 0,02 mm thì chiều cao nhám bề mặt tăng, phoi thoát ra dễ dàng, đá mài dễ giảm nhám bề mặt. Tuy nhiên, khi chiều sâu cắt tăng lên 0.03 mm, nhám bề mặt tăng lên. Điều này là do khi chiều sâu cắt tiếp tục tăng, nhám bề mặt của đá mài theo chiều cao ban đầu tiếp tục tăng, số lượng lưỡi cắt động giảm dẫn đến nhám bề mặt giảm.
+ Khi tăng tốc độ quay đá mài (Rpm) thì độ nhám bề mặt giảm sau đó tăng lên và đạt giá trị nhỏ nhất ở mức 2 (1000 vòng/phút). Điều này được giải thích như sau: Khi nhám bề mặt của các chi tiết nền (Ra) tăng lên thì số lượng lưỡi cắt động tăng lên và nhám bề mặt giảm. Tuy nhiên, tiếp tục tăng tốc độ của đá mài, bề mặt đá mài nhẵn làm cho quá trình cắt và thoát phoi khó khăn hơn, nhám của bề mặt tăng lên.
+ Khi tốc độ tiến dao (Fe) tăng, nhám bề mặt tăng và đạt giá trị nhỏ nhất ở mức 1 (200 mm/phút). Nguyên nhân là do khi tốc độ tiến dao tăng, số lưỡi cắt động của đá mài giảm, nhám bề mặt tăng.
3.2.3. Xác định bộ thông số sửa đá hợp lý
Tỷ lệ S/N được tính theo công thức (2.3) có đặc trưng của Ra là "Càng nhỏ càng tốt". Kết quả ANOVA trị số S/N của Ra được thể hiện trong Bảng 3.6, Bảng 3.7 và Hình 3.16.
Bảng 3.6. Kết quả phân tích ANOVA tỉ số S/N của 𝑅̅̅̅̅𝑎
Thông số DF Seq SS Adj SS Adj MS F P
aed 2 13.417 13.417 6.709 5.29 0.159 Rpm 2 3.461 3.461 1.731 1.36 0.423
Fe 2 13.144 13.144 6.572 5.18 0.162 Lỗi 2 2.539 2.539 1.269
Tổng 8 32.561
Bảng 3.7. Mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến tỉ số S/N của Ra
Mức độ aed Rpm Fe
1 12.28 12.44 13.81
2 13.92 13.11 12.47
3 10.93 11.59 10.85
Delta 2.99 1.52 2.96
Thứ tự ảnh hưởng 1 3 2
S/N: Nhỏ hơn thì tốt hơn
Giá trị của tỷ số S/N
Hình 3.17. Đồ thị ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến tỷ số S/N của Ra
Bảng 3.7 và Hình 3.17 cho thấy: aed = 0.02 mm (aed2), Rpm =1000 vg/ph
(Rpm2), Fe = 200 mm/ph (Fe1) là những mức cho tỉ số S/N lớn nhất (các điểm khoanh tròn đỏ). Ở các mức này sẽ làm cho kết quả hợp lý bị ảnh hưởng bởi nhiễu và trị số tối ưu bị thay đổi ít nhất. Đây là mức hợp lý của các thông số.
3.2.4. Tính toán dự đoán
Giá trị trung bình (Ra̅̅̅̅OP) mong đợi trong điều kiện hợp lý được xác định theo mô hình tính toán dưới đây và được xác định theo công thức:
Ra̅̅̅̅OP = a̅ed2+ R̅PM2+ F̅e1-2*T̅g
(3.1)
Theo Bảng 3.5:
a
̅ed2 là nhám bề mặt trung bình ứng với aed ở mức 2: a̅ed2 = 0.2007 μm R̅PM1 là nhám bề mặt trung bình ứng với RPM ở mức 2: R̅PM2 = 0.221 μm F̅e1 là nhám bề mặt trung bình ứng với Fe ở mức 1: F̅e1 = 0.204 μm T̅g là nhám bề mặt trung bình của toàn thí nghiệm.
T̅g =∑9i=1RaI+∑9i=1RaII+∑9i=1RaIII
27 = 0.246 μm
Thay số và công thức 3.1 có:
Ra̅̅̅̅OP = 0.2007+ 0.221+ 0.204-2*0.246 = 0.1337 μm Khoảng tin cậy CI được tính theo công thức 3.2 như sau:
CI =√Fα(1,fe).Ve.( 1
Ne+1
R) (3.2)
Trong đó, fe = 2, Ve = 0,001177, F∝(1.2) = 8.5263 với mức ý nghĩa 90%.
Ne = Tổng số thí nghiệm
1+tổng bậc tự do của tất cả các thông số tính trung bình= 27
1+2+2+2= 3.857 Thay số vào công thức 3.2 ta có:
CI =√8.5263*0.001177*( 1
3.857+1
3)=0.077
Theo đó, với mức ý nghĩa = 90% thì nhám bề mặt được dự đoán với mức tối ưu của các thông số đầu vào aed ở mức 2, RPM ở mức 2, Fe ở mức 1 như sau:
(0.1337-0.077) ≤ Ra̅̅̅̅
op ≤ (0.1337+0.077) àm
Để đánh giá các giá trị thông số sửa đá hợp lý tìm được, thí nghiệm kiểm chứng đã được tiến hành. Thí nghiệm được tiến hành như sau: sửa đá với cùng chế độ sửa đá hợp lý vừa tìm được (chiều sâu cắt aed = 0.02 mm, tốc độ quay của đá Rpm = 1000 vòng/ph, bước tiến Fe = 200 mm/ph). Sau đó tiến hành mài chi tiết định hình với đá được sửa. Thực nghiệm 3 lần rồi lấy kết quả trung bình được giá trị Ra̅̅̅̅ = 0.147 μm, kết quả này sai khác 9,95% so với dự đoán. Kết quả đủ nhỏ này cho thấy giá trị các thông số chế độ sửa đá tối ưu tìm được là phù hợp với thực tế.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
Trong chương 3 của Luận án, tác giả đã:
1. Lựa chọn được hệ thống thí nghiệm phục vụ cho nghiên cứu sửa đá và mài; đã lựa chọn được đá mài CBN liên kết nhựa tổng hợp có kích thước hạt trung bình với ba đường kính khác nhau (d = 100 mm; 125 mm; 150 mm).
2. Ứng dụng phương pháp Taguchi để đánh giá ảnh hưởng của chế độ sửa đá đến nhám bề mặt, từ đó lựa chọn được bộ thông số sửa đá hợp lý khi mài thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay CNC. Với mục tiêu để nhám bề mặt nhỏ nhất thì các giá trị hợp lý của các thông số công nghệ của quá trình sửa đá là chiều sâu cắt aed = 0.02 mm, tốc độ quay của đá Rpm = 1000 vg/ph, bước tiến đá Fe = 200 mm/phút.
Bộ thông số này được dùng để sửa đá trong trình quá mài tiếp theo ở chương 4 với mục tiêu tìm chế độ mài hợp lý.