Đề tài lựa chọn kế hoạch thí nghiệm Box-Behnken dạng tâm xoay-mặt (Face-centered Design) do các ƣu việt của nó, cụ thể là:
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 thí nghiệm cho mỗi lần lặp ít;
Không có điểm thí nghiệm vƣợt ra ngoài khoảng giữa hai mức đã thiết lập cho mỗi biến. Nguyên nhân là do RSM đƣợc thiết kế với mục đích tối ƣu hóa, nhƣng vị trí điểm cực trị lại chƣa biết trƣớc. Thiết kế tâm xoay-mặt đảm bảo cơ hội ngang bằng cho các dự đoán về vị trí điểm cực trị theo mọi phƣơng.
Phần mềm Minitab® đƣợc chọn để xây dựng kế hoạch thí nghiệm và phân tích số liệu.
Cách thức khai báo các biến thí nghiệm cho bƣớc khởi tạo kế hoạch thí nghiệm đƣợc minh họa trên hình
Thiết kế thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu:
Khai báo các mức giá trị của các biến thí nghiệm :
Toàn bộ 15 thí nghiệm có thể thực hiện trong cùng một ca máy, trong điều kiện gia công nhƣ nhau. Ta đã xác lập số khối thí nghiệm bằng 1. Do vậy, cột Blocks trong bảng 3.1 có giá trị các ô nhƣ nhau và bằng 1.
Các cột Vd (m/min), Toff (µs), U (v) có tên là tên biến thí nghiệm đã khai báo. Các giá trị trong cột này đƣợc tính toán theo mức xác lập cho các biến tại từng điểm thí nghiệm.
Bảng kế hoạch 3.1 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 Vd, Toff, U, đƣợc xác lập theo giá trị đã ghi trong ô tƣơng ứng của các cột Vd, Toff, U trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Kế hoạch thí nghiệm theo Vd, Toff, U
3.1.1. Ảnh hưởng của các thông số gia công đến nhám bề mặt
Lần lƣợt tiến hành các thí nghiệm, thu thập kết quả và ghi lại giá trị vào cột bổ sung của bảng thí nghiệm đã có, và thu đƣợc kết quả nhƣ trình bày trong bảng 3.2.
Sử dụng chức năng phân tích kết quả thí nghiệm (Analyze Response Surface Design) của phần mềm thiết kế thí nghiệm Minitab®, thu đƣợc kết quả nhƣ trong bảng 3.3 sau.
Bảng 3.3. Phân tích kết quả thí nghiệm tối ưu nhám bề mặt theo Vd, Toff, U
Quan sát kết quả phân tích phƣơng 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 0,011; nhỏ hơn nhiều so với mức ý nghĩa thông thƣờng 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 0,114) lớn hơn nhiều so với mức thông thƣờng (0,05), do vậy có thể kết luận là dạng mô hình hồi quy là phù hợp.
Để tinh chỉnh mô hình, quan sát bảng liệt kê các hệ số hồi quy (Estimated Regression Coefficients for Ra) trên bảng 3.3, ta thấy, hệ số hồi quy tƣơng ứng với số hạng U*U có giá trị p lớn (0,594); Vd*Vd (p=0,263); Toff*Toff (p=0,551); Toff*U (p=0,255); Vd*Toff (p=0,953); Vd*U (p=0,530) Tiến hành loại bỏ thành phần này ra khỏi mô hình hồi quy, thu đƣợc kết quả mới nhƣ sau :
Chấp nhận kết quả này, nghiên cứu thu đƣợc phƣơng trình hồi quy mô tả quan hệ giữa hàm mục tiêu Ra và các thông số đầu vào Vd, Toff, U nhƣ sau:
Ra = 2.06896 + 0.1896Vd – 0.08625Toff + 0.010825U.
Từ quan hệ giữa Ra với các thông số Vd, Toff, U, ta thấy Vd ảnh hƣởng nhiều nhất đến độ nhám bề mặt. Thời gian ngắt xung Toff có mức độ ảnh hƣởng ít hơn còn hiệu điện thế phóng điện U ảnh hƣởng ít nhất.
Kết quả này đƣợc biểu diễn dƣới dạng “bề mặt chỉ tiêu” (Response surface) nhƣ sau :
Hình 3.1. Đồ thị đường mức nhám bề mặt phụ thuộc Vd và T0ff khi U=45v
3.1.2. Ảnh hưởng của các thông số gia công đến thời gian t
t (phút) là thời gian thực hiện một thí nghiệm, đƣợc hiển thị trên màn hình điều khiển: máy tính tự động bật đồng hồ đếm thời gian khi bắt đầu có sự phóng tia lửa điện giữa điện cực và phôi.
Lần lƣợt tiến hành các thí nghiệm, thu thập kết quả và ghi lại giá trị vào cột bổ sung của bảng thí nghiệm đã có, nghiên cứu thu đƣợc kết quả nhƣ trình bày trong bảng sau.
Bảng 3.4. Kết quả thí nghiệm nghiệm tối ưu hóa thời gian t theo Vd, Toff, U
Sử dụng chức năng phân tích kết quả thí nghiệm (Analyze Response Surface Design) của phần mềm thiết kế thí nghiệm Minitab®, thu đƣợc kết quả nhƣ bảng sau :
Quan sát kết quả phân tích phƣơng 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; nhỏ hơn so với mức ý nghĩa thông thƣờng 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 0,078) lớn hơn so với mức thông thƣờng (0,05), do vậy có thể kết luận là dạng mô hình hồi quy là phù hợp.
Để tinh chỉnh mô hình, quan sát bảng liệt kê các hệ số hồi quy (Estimated Regression Coefficients for t) trên bảng trên, ta thấy, hệ số hồi quy tƣơng ứng với số hạng Toff*Toff (p=0,478); Toff*U (p=0,621); Vd*Toff (p=0,995); Vd*U(p=0,268) Tiến hành loại bỏ thành phần này ra khỏi mô hình hồi quy, thu đƣợc kết quả mới nhƣ bảng sau:
Chấp nhận kết quả này, nghiên cứu thu đƣợc phƣơng trình hồi quy mô tả quan hệ giữa hàm mục tiêu thời gian t và các thông số đầu vào Vd, Toff, U nhƣ sau :
t= -237.009+ 1.76350Toff + 8.74387U + 23.1157Vd – 0.0975U*U - 3.26212Vd*Vd
Từ quan hệ giữa t với các thông số Vd, Toff, U, ta thấy Vd ảnh hƣởng nhiều nhất đến độ nhám bề mặt. Hiệu điện thế phóng điện U có mức độ ảnh hƣởng ít hơn còn thời gian ngắt xung Toff ảnh hƣởng ít nhất.
Hình 3.3. Đồ thị đường mức thời gian t phụ thuộc Ton và T0ff khi U=45v
3.1.3. Ảnh hưởng của các thông số gia công đến kích thước gia công
Lần lƣợt 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 đƣợc kết quả nhƣ trình bày trong bảng 3.6.
Bảng 3.6. Kết quả thí nghiệm nghiệm tối ưu hóa sai số gia công theo Vd, Toff, U
Sử dụng chức năng phân tích kết quả thí nghiệm (Analyze Response Surface Design) của phần mềm thiết kế thí nghiệm Minitab®, thu đƣợc kết quả nhƣ trên bảng sau:
Mô hình hồi quy này có các thành phần đều có giá trị p rất lớn ( lớn hơn 0.05) nghĩa là sự có mặt của từng thành phần này đều không có ý nghĩa trong mô hình hồi quy.
Đồng thời phân tích phƣơng sai cũng cho thấy , mức độ của mô hình là không tốt ( giá trị p= 0.06 nhỏ hơn so với mức ý nghĩa α = 0.05). Đến đây ta không sử dụng mô hình hồi quy này cho bƣớc tối ƣu hoá.
3.1.4. Tối ưu hoá đa mục tiêu
Đồ thị tối ƣu với mục tiêu tối đa hóa nhám bề mặt và thời gian t đƣợc trình bày nhƣ sau :
Hình 3.5. Đồ thị tối ưu hóa theo đồng thời chỉ tiêu nhám bề mặt và thời gian
Đã tối ƣu hóa đa mục tiêu tìm ra trị số các thông số (Vd, Toff, U) khi gia công đạt độ nhám Ra = (1.7÷2.5) m. Thời gian t = (15÷19) phút là :
Vd = 4m/min Toff = 12s U = 50v Với độ tin cậy 79.5%
Bộ thông số tối ƣu nhám và thời gian đƣợc tác giả thí nghiệm tìm ra nhƣ sau: Vd = 4m/min; Toff = 12; U = 50v.
3.1.5. So sánh dây đã qua sử dụng và dây mới
Hình 3.6. Ảnh chụp dây mới và dây đã qua sử dụng
Hình 3.8. Mẫu dây đã qua sử dụng được chụp bằng máy SEM
Hình 3.10. Thiết bị thu hồi lại dây đã qua sử dụng
♦ Đề tài này tiến hành 11 thí nghiệm với dây mới và dây đã qua sử dụng với cùng 1 chế độ cắt tối ƣu ở trên ta có các dữ liệu đầu ra.
Hình 3.12. Sản phẩm cắt thí nghiệm
3.1.5.1. So sánh thời gian
Sử dụng phần mềm Minitab kích menu Stat>Basic Statistics>2- Sample t
Hình 3.13. Kết quả thời gian theo 2-Sample t
Hình 3.14. Đồ thị phân bố thời gian cắt; nét đứt biểu diễn thời gian cắt bằng dây mới, nét liền biểu diễn thời gian cắt dây cũ
Do vậy, có thể kết luận rằng thời gian cắt sản phẩm bằng dây cũ nhanh hơn thời gian dùng dây mới là 0.384 (phút).Thời gian cắt trung bình trên 1 sản phẩm bằng dây mới là 15.16 (phút), bằng dây cũ là 14.78 (phút).
3.1.5.2. So sánh nhám
Hình 3.15. Kết quả nhám theo 2-Sample t
Hình 3.16. Đồ thị phân bố Nhám; nét đứt biểu diễn nhám bề mặt cắt bằng dây mới, nét liền biểu diễn nhám bề mặt cắt dây cũ
Do vậy, có thể kết luận rằng kết quả đo nhám phẩm cắt bằng dây cũ kém hơn sản phẩm đo nhám dùng dây mới là 0.0555 (µm). Nhám trung bình trên 1 sản phẩm bằng dây mới 1.4443 (µm), bằng dây cũ là 1.5 (µm).
3.1.5.3. So sánh kích thước
Hình 3.17. Kết quả kích thước theo 2-Sample t
Hình 3.18. Đồ thị phân bố kích thước; nét liền biểu diễn cắt bằng dây mới, nét đứt biểu diễn cắt dây cũ
Do vậy, có thể kết luận rằng kết quả đo kích thƣớc sản phẩm cắt bằng dây cũ sai số không nhiều so với sản phẩm dùng dây mới. Kích thƣớc trung bình trên 1 sản phẩm bằng dây mới 9.9441 (mm), bằng dây cũ là 9.9476 (mm).
3.1.6. So sánh dây đã qua sử dụng và dây mới để gia công sản phẩm lỗ cối
Sản phẩm chưa cắt Sản phẩm đã cắt
Biên dạng lập trình trên máy CW322S Mã lệnh lập trình để cắt chi tiết
3.1.6.1. So sánh độ trụ
Hình 3.20. Đồ thị phân bố độ trụ trái; nét liền biểu diễn sai số độ trụ trái cắt bằng dây mới, nét đứt biểu diễn sai số độ trụ trái cắt băng dây cũ
Hình 3.21. Kết quả sai số độ trụ phải theo 2-Sample t
Hình 3.22. Đồ thị phân bố độ trụ phải; nét liền biểu diễn sai số độ trụ phải cắt bằng dây mới, nét đứt biểu diễn sai số độ trụ phải cắt băng dây cũ
3.1.6.2. So sánh nhám bề mặt
Hình 3.23. Kết quả nhám bề mặt theo 2-Sample t
Hình 3.24. Đồ thị phân bố nhám bề mặt; nét liền biểu diễn nhám bề mặt cắt bằng dây mới, nét đứt biểu diễn nhám bề mặt cắt băng dây cũ
3.1.6.3. So sánh thời gian cắt
Hình 3.25. Kết quả thời gian cắt theo 2-Sample t
Hình 3.26. Đồ thị phân bố thời gian cắt; nét liền biểu diễn thời gian cắt bằng dây mới, nét đứt biểu diễn thời gian cắt băng dây cũ
3.1.6.4. So sánh độ côn
Hình 3.27. Kết quả sai số độ côn theo 2-Sample t
Hình 3.28. Đồ thị phân bố độ côn; nét liền biểu diễn độ côn cắt bằng dây mới, nét đứt biểu diễn độ côn cắt băng dây cũ
3.2. Kết luận
Trong chƣơng này tác giả đã tập trung vào nghiên cứu ảnh hƣởng hƣởng của các thông số về điện đến độ nhám bề mặt, độ chính xác gia công và thời gian cắt, tiêu hao dây cắt và so sánh dây mới và dây đã qua sử dụng với các chỉ tiêu đầu ra trong gia công dây cắt tia lửa điện. Tất cả các thí nghiệm thực hiện trong điều kiện thực tế tại trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Các kết quả thu đƣợc nhƣ sau:
♦ Đã tìm ra bộ thông có ảnh hƣởng lớn nhất đến sản phẩm chất lƣợng đầu ra;
♦ Đã xây dựng đƣợc mối quan hệ giữa các thông số công nghệ (Vd, Toff, U) đến độ nhám bề mặt và thời gian gia công khi gia công thép 9CrSi sau khi tôi trên máy cắt dây và cụ thể nhƣ sau:
Ra = 2.06896 + 0.1896Vd – 0.08625Toff + 0.010825U (m) .
t = -237.009 + 1.76350Toff + 8.74387U + 23.1157Vd – 0.0975U2- 3.26212Vd2(phút)
♦ Đã tối ƣu hóa đa mục tiêu tìm ra trị số các thông số (Vd, Toff, U) khi gia công đạt độ nhám Ra = (1.7÷2.5) m. Thời gian t = (15÷19) phút là :
Vd = 4m/min Toff = 12s U= 50v.
♦ Với thông số tối ƣu ở trên, tiến hành thí nghiệm cắt bằng dây mới và dây đã qua sử dụng thu đƣợc kết quả sau:
- Thời gian cắt sản phẩm bằng dây cũ nhanh hơn thời gian dùng dây mới là 0.384 (phút).Thời gian cắt trung bình trên 1 sản phẩm bằng dây mới là 15.16 (phút), bằng dây cũ là 14.78 (phút).
- Nhám phẩm cắt bằng dây cũ kém hơn sản phẩm đo nhám dùng dây mới là 0.0555 (µm). Nhám trung bình trên 1 sản phẩm bằng dây mới 1.4443 (µm), bằng dây cũ là 1.5 (µm).
- Kích thƣớc sản phẩm cắt bằng dây cũ sai số không nhiều so với sản phẩm dùng dây mới. Kích thƣớc trung bình trên 1 sản phẩm bằng dây mới 9.9441 (mm), bằng dây cũ là 9.9476 (mm).
Tuy nhiên năng suất dây đã qua sử dụng đạt năng suất hơn dây mới. Điều đó chứng tỏ sử dụng dây đã qua sử dụng giúp tiết kiệm đƣợc vật tƣ dẫn đến giảm giá thành và chủ động trong vật tƣ tiêu hao.
Chƣơng 4
KẾT LUẬN CHUNG VÀ ĐỀ SUẤT
4.1. Kết luận chung
WEDM là phƣơng pháp gia công tạo phoi mới. Nó đáp ứng đƣợc những yêu cầu và đòi hỏi đa dạng của ngành công nghiệp cắt kim loại.
Trong xu hƣớng hiện nay phƣơng pháp gia công cắt dây tia lửa điện ngày càng đƣợc áp dụng rộng rãi, để gia công chi tiết có hình dạng phức tạp, yêu cầu độ cứng, và có sự thay đổi profile, đặc biệt là yêu cầu độ chính xác cao, yêu cầu kích thƣớc với dung sai chặt chẽ.
Tuy nhiên, nhƣợc điểm chính của quá trình gia công WEDM là tốc độ gia công tƣơng đối thấp so với các quá trình gia công khác nhƣ gia công bằng laser, Xung điện, Phay EDM… bởi phần lớn quá trình tách phoi là do sự gia công nhiệt. Vì vậy, các thiết bị gia công ngày càng phức tạp và nó đòi hỏi phải có một chế độ tối ƣu hóa để gia công nhằm mục đích nâng cao hiệu quả và hạ giá thành sản phẩm. Với mục đích đó tác giả đã tập trung đi sâu nghiên cứu bản chất của quá trình gia công tia lửa điện, mô tả và đánh giá ảnh hƣởng của các thông số công nghệ đến năng suất và chất lƣợng trong gia công bằng dây cắt tia lửa điện, Luận văn đã nghiên cứu cứu tìm ra các các trị số của các thông số công nghệ tối ƣu để đảm bảo năng suất và chất lƣợng (độ nhám bề mặt) trên máy cắt dây tia lửa điện, đồng thời đánh giá năng suất và chất lƣợng đối với dây cắt đã qua sử dụng. Kết quả cụ thể là:
♦ Đề tài này đã tiến hành các thí nghiệm sàng lọc để tìm ra bộ thông có ảnh hƣởng lớn nhất đến sản phẩm chất lƣợng đầu ra. Các thông số này bao gồm:
- Điện áp đánh lửa U: là yếu tố ảnh hƣởng lớn đến năng suất và chất lƣợng bề mặt gia công. Điều này hoàn toàn phù hợp với các nghiên cứu về gia công bằng dây cắt tia lửa điện.
- Khoảng cách xung Toff (off time): Đây là tham số có ảnh hƣởng không nhỏ đến năng suất, chất lƣợng bề mặt cũng nhƣ độ chính xác kích thƣớc. Khi khoảng cách xung càng lớn thì lƣợng hớt vật liệu phôi càng nhỏ và ngƣợc 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 nhƣ làm nguội bề mặt gia công
- Tốc độ cuốn dây Vd: Đây là tham số có ảnh hƣởng đến năng suất, chất lƣợng bề mặt cũng nhƣ độ chính xác kích thƣớc. Tốc độ cuốn càng nhanh thì chất lƣợng bề mặt càng tốt, năng suất cao nhƣng dẫn đến tổn hao nhiều dây