- Khoảng cách xung to: là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy phát giữa hai chu kỳ phóng tia lửa điện kế tiếp nhau, t o còn được gọi là độ kéo dà
3.2.2 Các thông số đầu vào của thí nghiệm
Mục tiêu của thí nghiệm là nghiên cứu ảnh hưởng của cả ba thong số Ton, Toff, U trong gia công cắt dây tia lửa điện.
Mỗi mẫu thí nghiệm được gia công trong một chế độ gia công (với các thông số điều khiển) nhất định, các thông số điều khiển này sẽ thay đổi trong khoảng điều chỉnh cho phép của thiết bị thí nghiệm và được tập hợp để tính toán, từ đó đánh giá được ảnh hưởng của các yếu tố đó đến nhám bề mặt và năng suất cắt.
Nhóm thí nghiệm này được thiết kế với 3 thông số có ảnh hưởng lớn tới độ nhám và năng suất gia công đó là: thời gian đóng xung (Ton), thời gian ngắt xung (Toff) và hiệu điện thế phóng điện (U).
- Điện áp đánh tia lửa điện U: Đây là điện áp cần thiết để có thể dẫn đến phóng tia lửa điện, điện áp đánh lửa U càng lớn thì phóng điện càng nhanh và khe hở phóng điện càng lớn. Trong thực nghiệm ta chọn U theo 2 mức đó được mặc định sẵn trên máy với các trị số là: U = 40Vmin, Umax = 50V.
- Độ kéo dài xung Ton (on time): thời gian kéo dài xung cũng ảnh hưởng lớn đến năng suất và chất lượng bề mặt gia công. Lượng hớt vật liệu tăng lên khi độ kéo dài xung tăng, nhưng đến một mức độ nào đó rồi sẽ giảm cho dù độ kéo dài xung vẫn tăng và kéo theo nó nhám bề mặt sẽ tăng lên. Thực tế sản xuất thường dùng 1µs≤ Ton ≤ 2µs
- Khoảng cách xung (off time): Đây là tham số có ảnh hưởng không nhỏ đến năng suất, chất lượng bề mặt cũng như độ chính xác kích thước. Khi khoảng cách xung càng lớn thì lượng hớt vật liệu phôi càng nhỏ và ngược lại. Tuy nhiên, nếu khoảng cách xung phải đủ lớn để dung dịch chất điện môi có đủ thời gian thôi ion hóa và dòng chảy điện môi có đủ thời gian vận chuyển hết phoi ra khỏi vùng gia công cũng như làm nguội bề mặt gia công. Thực tế trên máy chỉ sử dụng 15µs≤Toff≤25µs.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Vật liệu gia công: Vật liệu gia công có ảnh hưởng lớn độ chính xác gia công, năng suất cũng như chất lượng bề mặt gia công. Ở đây tác giả chọn vật liệu thường dùng trong chế tạo khuôn mẫu, dụng cụ… để nghiên cứu đó là thép 9CrSi có kích thước 10x10x100 đã được mài phẳng.
- Điện cực và dòng chảy chất điện môi: Để tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ Ton, Toff, U, đến độ nhám và năng suất cắt. Ở đây tác giả giả thiết các thí nghiệm được thực hiện ở cùng một điện cực gia công. Đó là điện cực đồng, đường kính d = 0,25mm và được ngâm trong dung dịch điện môi. Các điều kiện này phù hợp với điều kiện thực tế tại phòng thí nghiệm. Bảng 3.4 thể hiện phạm vi khảo sát các biến thực nghiệm:
Bảng 3.4 phạm vi khảo sát các biến thực nghiệm:
Mức
Biến Thấp nhất Trung bình Cao nhất
Mã hóa -1 0 +1
Điện áp đánh tia lửa điện U 40 45 50
Độ kéo dài xung Ton (on time): 1 1,5 2
Khoảng cách xung Toff (off time): 15 20 25
3.3 Ảnh hƣởng của các thông số gia công đến nhám bề mặt.
Để khảo sát chi tiết ảnh hưởng của các thông số thí nghiệm đến hàm mục tiêu, một phương pháp thực nghiệm “bề mặt chỉ tiêu” (Response Surface Methodology-RSM) đã được áp dụng. Phương pháp bề mặt chỉ tiêu (RSM) là cách thức khảo sát và tìm vùng cực trị hoặc vùng đáp ứng các giá trị xác định cho hàm mục tiêu bằng cách xây dựng các bề mặt chỉ tiêu. Kế hoạch thực nghiệm Box- Behnken dạng tâm xoay-mặt (Face-centered Design) được lựa chọn do các ưu việt của nó, bao gồm:
- Số điểm thí nghiệm cho mỗi thông số là 5, đủ mịn để xây dựng hàm hồi quy bậc cao cho quan hệ vào-ra;
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
80
- Không có điểm thí nghiệm vượt ra ngoài khoảng giữa hai mức đã thiết lập cho mỗi biến. Nguyên nhân là do RSM được thiết kế với mục đích tối ưu hóa, nhưng vị trí điểm cực trị lại chưa biết trước. Thiết kế tâm xoay-mặt đảm bảo cơ hội ngang bằng cho các dự đoán về vị trí điểm cực trị theo mọi phương.
Phần mềm Minitab® được chọn để xây dựng kế hoạch thí nghiệm và phân tích số liệu.
Cách thức khai báo các biến thí nghiệm cho bước khởi tạo kế hoạch thí nghiệm được minh họa trên hình3.3
Hình 3.3 Khai báo biến thí nghiệm cho thiết kế Box-Behnken
Trên hình 3.3, ta khai báo các giá trị giới hạn cho vùng khảo sát cho mỗi biến thí nghiệm. Thông số Độ kéo dài xung Ton được gán cho biến A (Factor A), có tên (Name) được đặt là Ton, giá trị dưới (Low) là 1; giá trị trên (High) là 2. Tương tự như vậy cho biến B, được gán cho thông số Khoảng cách xung Toff (off time); biến C được gán cho thông số Điện áp đánh tia lửa điện U.
Kết quả ma trận thí nghiệm thu được được trình bày trong bảng 3.5
Trong bảng 3.5, cột thứ nhất, StdOrder hiển thị thứ tự các thí nghiệm theo “tiến trình chuẩn” (Standard Order). Tiến trình chuẩn là thứ tự các thí nghiệm được xác lập theo lý thuyết quy hoạch thực nghiệm. Để đảm bảo nguyên tắc ngẫu nhiên hóa, ta thực hiện các thí nghiệm theo thứ tự được liệt kê trong cột RunOrder. Cột PtType cho biết thông tin về dạng điểm thí nghiệm (Point Type). Giá trị 0 cho biết, điểm thí nghiệm là điểm nằm ở tâm thí nghiệm CCD; các giá trị 2 cho biết các điểm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
thí nghiệm tương ứng là điểm nằm ở góc thiết kế thí nghiệm (các thông số có giá trị giới hạn như đã xác lập). Các điểm thí nghiệm này nằm cách tâm thí nghiệm (điểm 0) một khoảng =1, được xác định nhằm đảm báo tính chất “xoay được” của thiết kế Box-Behnken.
Toàn bộ 15 thí nghiệm có thể thực hiện trong cùng một ca máy, trong điều kiện gia công như nhau. Ta đã xác lập số khối thí nghiệm bằng 1. Do vậy, cột Blocks trong bảng 3.5 có giá trị các ô như nhau và bằng 1.
Các cột Ton (µs), Toff (µs), U (v), có tên là tên biến thí nghiệm đã khai báo. Các giá trị trong cột này được tính toán theo mức xác lập cho các biến tại từng điểm thí nghiệm.
Bảng kế hoạch 3.5 có 15 hàng, tức là ta cần thực hiện ít nhất 15 thí nghiệm theo thứ tự đã liệt kê trong cột RunOrder. Mỗi thí nghiệm có các biến Ton, Toff, U, được xác lập theo giá trị đã ghi trong ô tương ứng của các cột Ton, Toff, U trong bảng 3.5.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
82
Lần lượt tiến hành các thí nghiệm, thu thập kết quả và ghi lại giá trị vào cột bổ sung của bảng thí nghiệm đã có, ta thu được kết quả như trình bày trong bảng 3.6.
Bảng 3.6. Kết quả thí nghiệm nghiệm tối ưu hóa nhám bề mặt theo Ton, Toff, U
Trong bảng 3.6, cột Ra thống kê các giá trị nhám bề mặt Ra đo bằng m; ứng với từng thí nghiệm đã được thực hiện. Để giảm bớt sai số, toàn bộ 15 thí nghiệm đã được lặp lại 3 lần. Sau khi thực hiện hết 15 thí nghiệm và ghi lại kết quả Ra, 15 thí nghiệm khác cũng đã được thực hiện lại hai lần nữa. Để tiết kiệm không gian trình bày, kết quả Ra trong bảng 3.6 là giá trị trung bình của ba lần lặp đã thực hiện.
Sử dụng chức năng phân tích kết quả thí nghiệm (Analyze Response Surface Design) của phần mềm thiết kế thí nghiệm Minitab®, thu được kết quả như trên hình 3.4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Response Surface Regression: Ra versus Ton, Toff, U
The analysis was done using coded units.
Estimated Regression Coefficients for Ra
Term Coef SE Coef T P Constant 3.3033 0.14378 22.975 0.000 Ton 0.5675 0.08805 6.445 0.001 Toff -0.1263 0.08805 -1.434 0.211 U -0.3237 0.08805 -3.677 0.014 Ton*Ton -0.9142 0.12960 -7.054 0.001 Toff*Toff -0.4717 0.12960 -3.639 0.015 U*U -0.1767 0.12960 -1.363 0.231 Ton*Toff -0.1425 0.12452 -1.144 0.304 Ton*U -0.3225 0.12452 -2.590 0.049 Toff*U 0.1950 0.12452 1.566 0.178 S = 0.249035 PRESS = 4.46555 R-Sq = 96.22% R-Sq(pred) = 45.60% R-Sq(adj) = 89.42%
Analysis of Variance for Ra
Source DF Seq SS Adj SS Adj MS F P Regression 9 7.89831 7.89831 0.87759 14.15 0.005 Linear 3 3.54248 3.54248 1.18083 19.04 0.004 Ton 1 2.57645 2.57645 2.57645 41.54 0.001 Toff 1 0.12751 0.12751 0.12751 2.06 0.211 U 1 0.83851 0.83851 0.83851 13.52 0.014 Square 3 3.70648 3.70648 1.23549 19.92 0.003 Ton*Ton 1 2.81186 3.08566 3.08566 49.75 0.001 Toff*Toff 1 0.77939 0.82143 0.82143 13.24 0.015 U*U 1 0.11524 0.11524 0.11524 1.86 0.231 Interaction 3 0.64935 0.64935 0.21645 3.49 0.106 Ton*Toff 1 0.08122 0.08122 0.08122 1.31 0.304 Ton*U 1 0.41602 0.41602 0.41602 6.71 0.049 Toff*U 1 0.15210 0.15210 0.15210 2.45 0.178 Residual Error 5 0.31009 0.31009 0.06202 Lack-of-Fit 3 0.27403 0.27403 0.09134 5.07 0.169 Pure Error 2 0.03607 0.03607 0.01803 Total 14 8.20840
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
84
Quan sát kết quả phân tích phương sai (Analysis of Variance), nhận thấy thành phần bậc nhất (Linear) của mô hình hồi quy có ý nghĩa thống kê (giá trị p bằng 0,004; nhỏ hơn nhiều so với mức ý nghĩa thông thường là 0,05). Quan sát giá trị p của phân tích mức độ không phù hợp của mô hình (Lack-of-Fit), do giá trị p (bằng 0,169) lớn hơn nhiều so với mức thông thường (0,05), do vậy có thể kết luận là dạng mô hình hồi quy kiểu bậc 2 là phù hợp.
Để tinh chỉnh mô hình, quan sát bảng liệt kê các hệ số hồi quy (Estimated Regression Coefficients for Ra) trên hình 3.4, ta thấy, hệ số hồi quy tương ứng với số hạng U*U có giá trị p khá lớn (0,231); Ton*Toff (p=0,304); Toff*U (p=0,178). Tiến hành loại bỏ thành phần này ra khỏi mô hình hồi quy, thu được kết quả mới như trên hình 3.5.
Response Surface Regression: Ra versus Ton, Toff, U
The analysis was done using coded units.
Estimated Regression Coefficients for Ra
Term Coef SE Coef T P Constant 3.1946 0.1660 19.245 0.000 Ton 0.5675 0.1222 4.645 0.001 Toff -0.1263 0.1222 -1.033 0.328 U -0.3237 0.1222 -2.650 0.026 Ton*Ton -0.9006 0.1793 -5.023 0.001 Toff*Toff -0.4581 0.1793 -2.555 0.031 S = 0.345556 PRESS = 3.34625 R-Sq = 86.91% R-Sq(pred) = 59.23% R-Sq(adj) = 79.63%
Analysis of Variance for Ra
Source DF Seq SS Adj SS Adj MS F P Regression 5 7.13372 7.13372 1.42674 11.95 0.001 Linear 3 3.54248 3.54248 1.18083 9.89 0.003 Ton 1 2.57645 2.57645 2.57645 21.58 0.001 Toff 1 0.12751 0.12751 0.12751 1.07 0.328 U 1 0.83851 0.83851 0.83851 7.02 0.026 Square 2 3.59124 3.59124 1.79562 15.04 0.001 Ton*Ton 1 2.81186 3.01243 3.01243 25.23 0.001 Toff*Toff 1 0.77939 0.77939 0.77939 6.53 0.031 Residual Error 9 1.07468 1.07468 0.11941
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Lack-of-Fit 7 1.03862 1.03862 0.14837 8.23 0.113
Pure Error 2 0.03607 0.03607 0.01803 Total 14 8.20840
Hình 3.5 Tinh chỉnh phân tích kết quả thí nghiệm tối ưu Ra theo Ton, Toff, U
Trên hình 3.5 nhận thấy, các hệ số bậc cao của phương trình hồi quy (Ton*Ton) và (Toff*Toff) đều có giá trị p rất nhỏ (lần lượt là 0,001 và 0,031). Điều này chứng tỏ các thành phần này có ý nghĩa thống kê lớn. Các hệ số bậc nhất (Toff) mặc dù có ý nghĩa thống kê thấp (giá trị p lớn), nhưng không thể loại bỏ chúng do các thành phần bậc cao của chúng bắt buộc phải có mặt. Đây là nguyên tắc của hồi quy. Chấp nhận kết quả này, ta thu được phương trình hồi quy mô tả quan hệ giữa hàm mục tiêu Ra và các thông số đầu vào Ton, Toff, U như sau (xem hình 3.6)
Estimated Regression Coefficients for Ra using data in uncoded units
Term Coef Constant -10.5236 Ton 11.9419 Toff 0.707673 U -0.0647500 Ton*Ton -3.60231 Toff*Toff -0.0183231
Hình 3.6. Các hệ số hồi quy dạng thực (không mã hóa)
Ra = -10,5236 + 11,9419Ton + 0,7077Toff - 0,06475U - 3,6023T2on - 0,018323T2off
Từ quan hệ giữa Ra với các thông số Ton, Toff, U , ta thấy thời gian phóng điện Ton ảnh hưởng nhiều nhất đến độ nhám bề mặt cả thành phần bậc 1 và bậc 2. Thời gian ngắt xung Toff có mức độ ảnh hưởng ít hơn còn hiệu điện thế phóng điện U ảnh hưởng ít nhất.
Kết quả này được biểu diễn dưới dạng “bề mặt chỉ tiêu” (Response surface) như trên hình 3.7.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
86
Hình 3.7 Đồ thị quan hệ nhám bề mặt phụ thuộc Ton và Toff khi U=45v
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn