5. Nội dung của luận văn 3
2.4.2. Giới hạn vấn đề nghiên cứu 24-
Chúng ta biết rằng, trong công nghệ phay cứng có nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình gia công và chất lƣợng sản phẩm nhƣ: các thông số của chế độ cắt, dung dịch trơn nguội, phƣơng pháp gia công, tính chất của cặp vật liệu dao-phôi, lƣu lƣợng tƣới dung dịch trơn nguội, áp suất khí nén phun vào vùng cắt,....
Mục đích của đề tài là nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ cắt đến các thông số công nghệ của quá trình cắt khi phay mặt phẳng thép 60C2 đã qua tôi bằng dao phay mặt đầu HKC phủ PVD trong điều kiện cụ thể của nƣớc ta.
Trong khuôn khổ của đề tài, tác giả tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của thông số lƣợng chay dao S, vận tốc cắt tới chất lƣợng bề mặt gia công trong điều kiện cắt khô hoàn toàn và đƣợc đánh giá qua yếu tố về độ nhám bề mặt chi tiết.
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của thông số lƣợng chay dao S, vận tốc cắt tới quá trình cắt trong điều kiện cắt khô hoàn toàn và đƣợc đánh giá qua yếu tố về lực cắt trong qúa
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
trình gia công.
Trên cơ sở của các vấn đề nghiên cứu trên, tác giả chọn phƣơng pháp nghiên cứu là kết hợp nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm trong đó nghiên cứu thực nghiệm là cơ bản.
Mô hình nghiên cứu thực nghiệm nhƣ sau:
Đầu vào: các thông số chế độ cắt
(cắt khô hoàn toàn)
- Lượng chạy dao S
- Tốc độ cắt V
- Chiều sâu cắt t
Quá trình cắt: Phay cứng
(cắt khô hoàn toàn) Phay phẳng thép 60C2
qua tôi bằng dao phay mặt đầu HKC phủ PVD
Đầu ra: đánh giá thông qua các chỉ tiêu:
- Lực cắt khi phay
- Nhám bề mặt chi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Chƣơng 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1. Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm
Phƣơng pháp thực nghiệm là một phần quan trọng của việc nghiên cứu quy luật ảnh hƣởng của các thông số chế độ cắt đến chất lƣợng bề mặt, rung động và lực khi phay cứng thép 60C2 đã qua tôi bằng dao phay mặt đầu gắn mảnh hợp kin cứng phủ PVD. Cần có phƣơng pháp thực nghiệm tiên tiến và phù hợp để kiểm chứng các giả thuyết khoa học và đƣa ra kết luận, hƣớng dẫn chính xác và có cơ sở khoa học.
Để nghiên cứu thực nghiệm một cách khoa học và chính xác cần dựa trên lý thuyết quy hoạch thực nghiệm hiện đại phù hợp với đề tài.
Dƣới đây là một số vấn đề lý thuyết về quy hoạch thực nghiệm mà khi nghiên cứu cần thực hiện để đạt đƣợc kết quả chính xác.
3.1.1. Các nguyên tắc cơ bản của quy hoạch thực nghiệm a. Nguyên tắc không lấy toàn bộ các trạng thái đầu vào a. Nguyên tắc không lấy toàn bộ các trạng thái đầu vào
Việc lấy toàn bộ trạng thái đầu vào của thông số ảnh hƣởng sẽ làm cho khối lƣợng tăng lên đến mức không thể thực hiện đƣợc. Vì vậy, bắt buộc phải giảm số mức biến đổi của các thông số vào sao cho số điểm thí nghiệm là chấp nhận đƣợc. Trong quy hoạch thực nghiệm thƣờng chọn số mức biến đổi là 3 hoặc 5, sự lựa chọn này gắn liền với sự lựa chọn dạng hàm chỉ tiêu.
b. Nguyên tắc phức tạp dần mô hình toán học
Nguyên tắc này nhằm đảm bảo tính hiệu quả của thực nghiệm với mức độ chính xác phù hợp của mô hình.
Đầu tiên tiến hành với một số ít thí nghiệm để có đƣợc mô hình đơn giản, rồi kiểm tra mô hình (độ tƣơng thích, khả năng làm việc của mô hình), nếu đạt thì dừng lại. Nếu không đạt thì tiến hành những thí nghiệm mới bổ sung để nhận đƣợc mô hình phức tạp hơn. Quá trình đƣợc lặp lại đến khi đạt yêu cầu thì dừng lại. Cơ sở để kiểm tra mô hình là phân tích phƣơng sai và phân tích hồi qui.
c. Nguyên tắc đối chứng với nhiễu
Khi xây dựng mô hình thì độ chính xác của nó cần lấy tƣơng xứng với mức độ các nhiễu ngẫu nhiên sao cho sai số hệ thống có thể tƣơng xứng với giá trị của trƣờng nhiễu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Trong cùng một điều kiện, mức độ nhiễu càng nhỏ thì mô hình càng phải chính xác (thƣờng là càng phải phức tạp hơn). Ngƣợc lại nhiễu càng lớn thì mô hình đơn giản hơn sẽ có khả năng làm việc tốt hơn.
d. Nguyên tắc ngẫu nhiên hoá
Nguyên tắc này quy định trình tự ngẫu nhiên của các thí nghiệm, nhƣ vậy sẽ đảm bảo đƣợc tính đại diện của bộ chọn tức là đảm bảo khả năng nghiên cứu tính chất của cả tập hợp trên cơ sở nghiên cứu bộ chọn.
e. Nguyên tắc tối ƣu của quy hoạch thực nghiệm
Kế hoạch thực nghiệm phải có những tiêu chuẩn tối ƣu nào đó theo quan điểm của một hay một nhóm các tiêu chuẩn tối ƣu đã xác định trƣớc của kế hoạch loại này. Các tiêu chuẩn đều theo xu hƣớng chung là ít thí nghiệm hơn, nhiều thông tin hơn, kết quả thu đƣợc có chất lƣợng hơn.
3.1.2. Quy hoạch thực nghiệm và mô hình hồi quy thực nghiệm
Phƣơng pháp thực nghiệm là một phần quan trọng của việc nghiên cứu tối ƣu hóa thông số công nghệ khi mài. Cần có phƣơng pháp thực nghiệm tiên tiến và phù hợp để kiểm chứng các giải thuyết khoa học và đƣa ra những kết luận, hƣớng dẫn chính xác có cơ sở khoa học.
Để tiến hành thực nghiệm một cách khoa học và chính xác, cần dựa trên các cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm hiện đại và phù hợp với đề tài nghiên cứu.
Những cơ sở để lựa chọn là:
- Mức độ phức tạp của đối tƣợng nghiên cứu.
- Khoảng thay đổi của các thông số ảnh hƣởng và khả năng thực hiện các thay đổi đó. - Thông tin về những nghiên cứu thực nghiệm tƣơng tự về đối tƣợng.
Dƣới đây là một số vấn đề lý thuyết về quy hoạch thực nghiệm mà khi nghiên cứu cần thực hiện để đạt đƣợc kết quả tốt nhất.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Để đánh giá kết quả đo chính xác cần xác định các đặc trƣng thống kê quan trọng nhất: giá trị trung bình xtb, độ lệch quân phƣơng , hệ số biến sai Cv, sai lệch tuyệt đối Stđ , độ không đều H và khoảng đáng tin cậy x. [6]
n i i tb x n x 1 1 (3.1) n i tb i n x x 1 2 ) 1 ( ) ( (3.2) 100 tb x Cv [%] (3.3) n h x st Khi 2 ≤ n ≤ 20 (3.4) n i tb i tđ x x n S 1 1 (3.5) 100 tb tđ x S H [%] (3.6)
Trong đó: xi - kết quả đo trong lần thứ i. n - số lƣợng phép đo.
Hst - hệ số phấn bố Student, phụ thuộc vào xác suất đáng tin Pđt , số lƣợng phép đo n và đƣợc xác định theo bảng (khi n ≥ 20 thì tra bảng hệ số phân bố chuẩn hch). Nhƣ vậy, kết quả đo xth (giá trị thực) nằm trong khoảng:
xtb - x < xth < xtb + x (3.7)
Quá trình tính toán các kết quả đo đƣợc thực hiện trên máy tính, sơ đồ khối đƣợc thể hiện trên (hình 3.1), chƣơng trình đƣợc viết bằng ngôn ngữ Matlab.
b. Hàm hồi quy một biến
Trong thực nghiệm, khi xác định quan hệ giữa hai đại lƣợng X và Y thí nghiệm với n lần. Hàm hồi quy y = f(x) có thể có dạng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ y = a0 + b0x + c0x2 (3.9) y = a0xb0 ; y = a0.b0X ; y = a0 + b0.cX (3.10) y = a0 + b0.lnx (3.11) x b a y 0 0 (3.12) 0 02 0 x c x b a y (3.13) a ax anxn e y 0 1 1 ... (3.14) Giá trị cụ thể của các tham số a0 , b0 , c0... sẽ đƣợc xác định bằng phƣơng pháp bình phƣơng tối thiểu.
Các sai số trung bình bậc nhất S1 và bậc hai S2 đƣợc xác định theo công thức:
1 )) ( ( 1 1 1 1 n x f y S n i (3.15) 1 )) ( ( 1 1 1 2 n x f y S n i (3.16)
Hệ số tƣơng quan Rtq đƣợc xác định theo công thức :
n i n i n i n i n i n i n i n i n i tq y y y n x x x n y x y x n R 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 . . . . . . . . (3.17)
Trong đó : x1, y1 - các giá trị thực nghiệm của đại lƣợng X và Y. F(xi) - giá trị hàm hồi quy tại điểm xi.
Quá trình tính toán các tham số của hàm hồi quy, hệ số tƣơng quan giữa hai đại lƣợng ngẫu nhiên X và Y, sai số bậc một và bậc hai sẽ sử dụng sơ đồ khối và chƣơng trình viết bằng phần mềm Matlab.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
3.2. Giới thiệu hệ thống thực nghiệm 3.2.1. Yêu cầu đối với hệ thống thí nghiệm 3.2.1. Yêu cầu đối với hệ thống thí nghiệm
Việc xây dựng hệ thống thí nghiêm đảm bảo đƣợc các yêu cầu kỹ thuật có vai trò rất lớn trong nghiên cứu khoa học.
Một hệ thống thí nghiệm phải đảm bảo đƣợc các yêu cầu sau:
- Đáp ứng đƣợc yêu cầu của vấn đề lý thuyết cần nghiên cứu
- Đảm bảo độ chính xác, độ tin cậy và độ ổn định
- Đảm bảo việc thu thập và xử lý các số liệu thí nghiệm thuận lợi
- Đảm bảo tính khả thi
- Đảm bảo tính kinh tế
Hệ thống thiết bị thí nghiệm ở đây nhằm phục vụ đề tài:
“ Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến quá trình cắt khi phay thép 60C2 qua
tôi bằng dao phay HKC phủ PVD ”.
3.2.2. Hệ thống thí nghiệm:
Hệ thống thí nghiệm phay cứng thép 60C2 qua tôi bằng dao phay mặt đầu Hợp kim cứng phủ PVD đƣợc tiến hành tại Trung tâm gia công VMC - 85S do hãng Maximart sản xuất năm 2003 với hệ điều khiển Fanuc OMD tại trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên nhƣ sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ (Hình 3.1: Hệ thống thí nghiệm)
3. 3. Thiết bị thí nghiệm
- Máy công cụ: Thí nghiệm đƣợc thực hiện tại Trung tâm gia công VMC - 85S do hãng Maximart sản xuất năm 2003 với hệ điều khiển Fanuc OMD tại trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ (Hình 3.2: Trung tâm gia công VMC - 85S)
- Dao: Sử dụng dao phay mặt đầu Ø 80 gắn 04 mảnh HKC phủ PVD của hãng LAMINA có Ký hiệu: APMT 1604 PDTR (LT 30 - PVD SUBMICRON).
(Hình 3.3: Mảnh dao Hợp kim cứng phủ PVD)
- Đồ gá: Sử dụng tấm gá và các thanh kẹp hiện có tại Trung tâm Thí nghiệm - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên để gá đặt đầu đo lực Kistler 9257 BA
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
- Thép lò xo 60C2 đã qua tạo hình dáng và tôi - Độ cứng: 35 ÷ 38 HRC
- Kích thƣớc: 100 x 80 x 7
(Hình 3.4: Phôi thép lò xo 60C2)
- Dụng cụ đo kiểm:
- Đầuđo lực kế Kistler 9257BA đƣợc kết nối với máy tính
(Hình 3.5:Bộ thiết bị đầu đo lực kế Kistler 9257BA)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
(Hình 3.6: Máy đo nhám SJ-201)
- Thƣớc cặp độ phân giải 0,01 – Mitutoyo – Nhật Bản
3.4. Xử lý số liệu thực nghiệm 3.4.1.Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm 3.4.1.Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm
Sử dụng sơ đồ quy hoạch thực nghiệm, ma trận quy hoạch thực nghiệm thể hiện nhƣ sau:
(Hình 3.7: Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm)
- Bộ thông số thí nghiệm đƣợc xác định thông qua sơ đồ quy hoạch thực nghiệm với ma trận thực nghiệm 6 điểm trong đó có 02 thông số công nghệ thay đổi là vận tốc
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
cắt (n) và lƣợng chạy dao (S), cụ thể nhƣ sau:
Điểm TN S (mm/ph) n (v/ph) P1 (+) 80 (0) 479 P2 (+) 80 (-) 398 P3 (0) 64 (-) 398 P4 (-) 48 (0) 479 P5 (-) 48 (+) 560 P6 (0) 64 (+) 560 (Bảng 3.1: Ma trận thực nghiệm 6 điểm) 3.4.2. Mục đích thí nghiệm
Khảo sát độ nhám bề mặt chi tiết gia công (Ra) và lực cắt (F) thông qua các thông số tốc độ cắt (n) lƣợng chạy dao (S) để từ đó xác định đƣợc các thông số chế độ cắt hợp lý nhất cho quá trình cắt khi thực hiện gia công phay mặt phẳng thép 60C2 đã qua tôi bằng dao phay mặt đầu gắn mảnh Hợp kim cứng phủ PVD.
Các chỉ tiêu đánh giá ảnh hƣởng của chế độ cắt đến các thông số kỹ thuật trong quá trình cắt khi phay cứng thép 60C2 qua tôi bằng dao phay mặt đầu gắn mảnh Hợp kim cứng phủ PVD:
- Lực cắt khi phay
- Độ nhám bề mặt chi tiết
3.4.3. Trình tự tiến hành thí nghiệm: * Chuẩn bị trƣớc khi thí nghiệm: * Chuẩn bị trƣớc khi thí nghiệm:
- Tạo phôi: Xác định mác thép lò xo 60C2, gia công chuẩn bị phôi, tôi để đạt độ cứng 35 ÷ 38 HRC, đo độ cứng trƣớc khi gia công.
- Chuẩn bị đồ gá để gá đặt phôi lên máy đo lực kế Kistler 9257BA, sau đó gá đặt lên máy phay CNC
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
- Chọn máy, lập trình gia công chi tiết trên máy phay CNC theo bộ thông số (S), (n) dùng để khảo sát.
- Xây dựng sơ đồ quy hoạch thực nghiệm, ma trận thực nghiệm với 2 thông số công nghệ thay đổi là vận tốc cắt (n) và lƣợng chạy dao (S).
* Phƣơng pháp tiến hành thực nghiệm: + Lập sơ đồ quy hoạch thực nghiệm:
- Quá trình tiến hành thí nghiệm đƣợc thực hiện theo sơ đồ quy hoạch thực nghiệm 6 điểm từ 1 đến 6 với các thông số công nghệ (n) và (S) theo đúng ma trận tính toán.
+ Tiến hành thí nghiệm:
- Thí nghiệm đƣợc tiến hành theo 6 bƣớc từ 1 - 6 với vận tốc cắt, lƣợng chay dao cụ thể theo bảng kê ở trên và chiều sâu cắt cho toàn bộ quá trình thí nghiệm là t = 0,3mm. Mỗi bƣớc thí nghiệm đƣợc tiến hành gia công trong điều kiện cắt khô hoàn toàn không có dung dịch tƣới nguội trong thời gian là 5 phút sau đó tiến hành đo độ nhám bề mặt chi tiết bằng máy đo độ nhám SJ-201 - Mitutoyo – Nhật Bản, đồng thời chi tiết gia công đƣợc gá đặt trên đầu đo lực Kistler 9257BA sẽ cho ta các số liệu cụ thể về các thành phần lực cắt trong quá trình gia công thí nghiệm. Các bƣớc đƣợc lập lại tƣơng tự cho đến hết 6 thí nghiệm và cho kết quả 6 thí nghiện đạt đƣợc nhƣ trong bảng.
+ Tổng hợp số liệu thí nghiệm: Thứ tự TN n (v/ph) S (mm/ph) Nhám bề mặt Ra(μm) Lực cắt F(N) Fx Fy Fz P1 479 80 0,53 166 191,33 182,6 P2 398 80 0,13 173,33 189,33 220 P3 398 64 0,25 161 178,33 200,67 P4 479 48 0,11 119,67 152,33 160,33 P5 560 48 0,15 104 156,67 212 P6 560 64 0,23 125,67 159 253,33 (Bảng 3.2: Kết quả thực nghiệm)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
3.4.4. Xử lý số liệu:
Thực nghiệm quá trình phay cứng, nghiên cứu chất lƣợng bề mặt gia công dƣới ảnh hƣởng của hai thông số chế độ cắt: n(v/ph); S (m/ph). Chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng bề mặt gia công là: độ nhám Ra.
Kết quả của nhiều công trình nghiên cứu thực nghiệm về phay cứng đã cho thấy quan hệ giữa các chỉ tiêu đánh giá Y (Ra) với chế độ cắt (n, S) có dạng hàm mũ:
Ra C.na1.Sa2 (3.18)
Các số mũ a1, a2 và hệ số C của phƣơng trình (3.18) đƣợc xác định bằng thực nghiệm. Lấy logarit hai vế ta có:
y = ao + a1x1 + a2x2 (3.19)
Trong đó:
y = lnRa; a0 = lnC; x1 = lnt; x2 = lnS
Trong phƣơng trình (3.19) y, x1, x2 đã biết. Cần xác định các hệ số: ao; a1; a2.
Để nhận đƣợc các phƣơng trình dạng (3.18), dùng phần mềm Minitab 16 để giải