TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Tổng quan về một số dụng cụ cắt
1.1.1 Đặc tính cơ bản chung của vật liệu dụng cụ cắt Đặc tính phần dụng cụ cắt có ảnh hưởng lớn đến năng suất gia công và chất lượng bề mặt chi tiết Khả năng giữ được tính cắt của dụng cụ góp phần quyết định năng suất gia công của dụng cụ Dụng cụ làm việc trong điều kiện cắt khó khăn vì ngoài áp lực, nhiệt độ cao, dụng cụ cắt còn bị mài mòn và rung động trong quá trình cắt.
Trong gia công, phần cắt của dụng cụ đóng vai trò quan trọng trong việc tạo phoi Để nâng cao năng suất và chất lượng bề mặt gia công, hình dáng hình học của phần cắt cần hợp lý và vật liệu chế tạo phải phù hợp Do đó, vật liệu dụng cụ cắt cần đáp ứng những yêu cầu cơ bản để đảm bảo hiệu quả gia công tối ưu.
Trong quá trình cắt, lưỡi cắt phải chịu ứng suất tiếp xúc lớn từ 4000 đến 5000 N/mm², với áp lực riêng gấp 100 đến 200 lần so với áp lực cho phép của chi tiết máy Nhiệt độ tại vùng cắt có thể lên tới 600 đến 900 °C Để cắt hiệu quả trong điều kiện khắc nghiệt này, dụng cụ cắt cần duy trì tính cắt trong thời gian dài, yêu cầu vật liệu dụng cụ phải có đầy đủ các tính chất cơ lý như độ cứng, độ bền nhiệt, độ chịu mòn, độ bền cơ học và độ dẫn nhiệt.
Độ cứng là chỉ tiêu quan trọng của vật liệu dụng cụ cắt, yêu cầu vật liệu phần cắt phải có độ cứng lớn hơn khoảng HRC25 so với vật liệu gia công Thông thường, độ cứng của phần cắt dao đạt từ HRC60 đến HRC65 Việc nâng cao độ cứng này không chỉ tăng khả năng chịu mòn mà còn cải thiện tốc độ cắt.
Trong quá trình cắt, độ cứng nhiệt của lưỡi cắt là yếu tố quan trọng cần được chú ý, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng cắt của dao khi lưỡi cắt bị nung nóng.
Độ bền cơ học của dụng cụ cắt là yếu tố quan trọng trong quá trình cắt, khi dụng cụ phải chịu lực và xung lực lớn Ngoài ra, rung động từ hệ thống máy, dao, đồ gá và chi tiết có độ cứng không đủ hoặc điều kiện tải trọng động cao cũng ảnh hưởng đến tuổi thọ của lưỡi cắt Những yếu tố này có thể dẫn đến tình trạng lưỡi cắt bị hư hỏng sớm do mẻ, vỡ, tróc hoặc mòn Do đó, để cải thiện tính năng cắt và kéo dài tuổi bền của dao, vật liệu dụng cụ cắt cần phải có độ bền cơ học cao.
Nâng cao độ bền cơ học của vật liệu dụng cụ cắt, đặc biệt là hợp kim cứng và vật liệu sứ, là một trong những định hướng quan trọng trong thiết kế và chế tạo dụng cụ cắt.
Độ bền nhiệt là khả năng duy trì độ cứng và tính năng cắt của vật liệu dụng cụ cắt ở nhiệt độ cao trong thời gian dài, với giới hạn không giảm quá mức quy định (khoảng HRC60) sau khi nung liên tục trong khoảng 3 giờ Tính năng này quyết định khả năng cắt của dao trong điều kiện nhiệt độ và áp lực lớn Độ bền nhiệt chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng các nguyên tố hợp kim như vonfram, crôm, vanađi, môlipđen và côban, trong đó vonfram là thành phần chính Việc tăng hàm lượng vanađi và vonfram sẽ nâng cao độ bền nhiệt, ví dụ, độ bền nhiệt của thép gió P18 có thể đạt 600°C khi tăng hàm lượng vanađi đến 5% và vonfram đến 10%.
630 o C Nguyên tố côban cũng ảnh hưởng lớn đến độ bền nhiệt Khi thép gió có 18% vonfram và 10% côban thì độ bền nhiệt lên tới 650 o C.
Ngoài ra, chế độ nhiệt luyện cũng ảnh hưởng nhiều đến độ bền nhiệt của vật liệu dụng cụ cắt.
Độ dẫn nhiệt của vật liệu dụng cụ cắt ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất cắt; vật liệu có độ dẫn nhiệt cao giúp truyền nhiệt nhanh ra khỏi lưỡi cắt, giảm sự tập trung nhiệt và tăng độ bền mòn cho dụng cụ Điều này cho phép nâng cao tốc độ cắt, và kim cương, với độ dẫn nhiệt vượt trội, cho phép dao kim cương hoạt động ở tốc độ rất cao.
Tính chịu mòn của vật liệu dụng cụ cắt được đánh giá qua khả năng duy trì hình dáng và thông số hình học của phần cắt trong quá trình gia công.
Trong quá trình cắt, dụng cụ phải chịu áp lực lớn khi mặt trước tiếp xúc với phoi và mặt sau tiếp xúc với chi tiết gia công, do đó, vật liệu dụng cụ cần có tính chịu mòn cao Phần cắt của dụng cụ thường gặp hỏng hóc do mài mòn khi đủ sức bền cơ học Nghiên cứu cho thấy, độ cứng của vật liệu tỷ lệ thuận với khả năng chịu mòn, nghĩa là vật liệu có độ cứng cao sẽ có tính chịu mòn tốt hơn.
Một trong những nguyên nhân chính gây ra mòn dao là hiện tượng dính chảy của vật liệu làm dao, được đặc trưng bởi nhiệt độ chảy dính giữa các vật liệu tiếp xúc Vật liệu làm dao tốt cần có nhiệt độ chảy dính cao, và nghiên cứu thực nghiệm cho thấy nhiệt độ chảy dính của các hợp kim cứng như cacbit vonfram (WC) và cacbit titan (TiC) với thép (1000 o C) cao hơn so với hợp kim coban với thép (675 o C).
Dụng cụ cắt thường có hình dáng phức tạp, yêu cầu kỹ thuật cao về độ chính xác kích thước và độ nhẵn bề mặt.
Vì vậy, vật liệu dụng cụ cắt cần phải có tính công nghệ tốt.
Tính công nghệ tốt của vật liệu là khả năng cho phép gia công hiệu quả và dễ dàng thông qua nhiều phương pháp khác nhau như hàn, gia công áp lực, cắt, nhiệt luyện và hóa nhiệt.
Công nghệ của vật liệu được xác định bởi nhiều yếu tố quan trọng, bao gồm thành phần hóa học, cấu trúc vi mô, kích thước hạt, độ cứng, độ bền cơ học và khả năng dẫn nhiệt.
Các nghiên cứu về thực nghiệm
Nghiên cứu về chế độ phay kim loại đã chỉ ra mối liên hệ giữa chất lượng gia công, năng suất và chi phí năng lượng tiêu hao Nhiều công trình thực nghiệm đã phân tích ảnh hưởng của các thông số như tốc độ vòng quay và lượng chạy dao đến các hàm mục tiêu, bao gồm độ nhám bề mặt, chi phí điện năng và năng suất sản phẩm Mặc dù các hàm mục tiêu này có tính chất khác nhau, nhưng chúng đều phản ánh một ý nghĩa kinh tế chung.
Quá trình phay gia công sản phẩm dẫn đến mòn của dao phay, chịu ảnh hưởng từ các chế độ phay và tính chất vật liệu của dao Hai thông số quan trọng là tốc độ vòng quay lưỡi dao và lượng chạy dao, có tác động trực tiếp đến độ mòn Để đạt năng suất cao, việc tăng tốc độ vòng quay lưỡi dao và lượng chạy dao sẽ làm tăng mức độ bào mòn Theo khảo sát, chi phí cho lưỡi dao phay chiếm 15% so với chi phí cho công nhân, cho thấy đây là yếu tố quan trọng cần xem xét về mặt lợi ích kinh tế.
Để tăng năng suất sản phẩm và lợi nhuận, cần tăng tốc độ vòng quay lưỡi dao và lượng chạy dao Tuy nhiên, điều này dẫn đến sự gia tăng độ mòn của dao, làm tăng chi phí sản xuất và giảm lợi nhuận Mối quan hệ này không tuyến tính, do đó có những giá trị tối ưu cho tốc độ vòng quay (V) và lượng chạy dao (S) nhằm tối đa hóa lợi nhuận Ngoài ra, lợi nhuận còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như giá nguyên vật liệu, chi phí điện năng và khấu hao máy móc Đề tài này chỉ tập trung vào ảnh hưởng của hai tham số: tốc độ vòng quay dao và lượng chạy dao đến độ mòn của lưỡi dao phay.
“Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đến lượng mòn dao khi phay thép C45 bằng dao phay ngón sản xuất tại Việt Nam”
MỤC TIÊU - NỘI DUNG - ĐỐI TƯỢNG – PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài cần đạt được :
1 Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đến lượng mòn của dao phay ngón, trên cơ sở đó xác định được chế độ cắt hợp lý nâng cao độ chịu mài mòn của dụng cụ và chất lượng của sản phẩm.
2.Xácđịnhđượcchếđộcắthợplýnângcao độ bền mòn củadụngcụvàchấtlượng củasảnphẩm.
3 Làm tài liệu tham khảo về chế độ cắt khi sử dụng dao phay ngón sản xuất tại Việt Nam.
Các bước thực hiện của nghiên cứu
Để giải quyết các mục tiêu của bài toán trên, đề tài cần phải thực hiện được các bước sau:
Bước 2-Xâydựngmôhìnhnghiêncứuvà mô hình quy hoạch thựcnghiệm.
Bước 3- Tiến hành thực nghiệm đơn yếu tố, xử lí thô để xác định được vùng giá trị các thông số V và S thay đổi.
Bước 4- Tiến hành thực nghiệm đa yếu tố với hai thông số V và S nằm trong vùng đã được xác định ở bước 3 Thu thập số liệu.
Bước 5: Phân tích số liệu bằng cách áp dụng quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 1 và cấp 2, nhằm xác định mối quan hệ giữa mòn và tuổi bền của dao phay ngón tại Việt Nam Kết quả phân tích sẽ giúp đưa ra các giá trị tối ưu cho hai thông số V và S.
Đối tượng - Phạm vi nghiên cứu – Phương pháp nghiên cứu - Khả năng ứng dụng
Nghiên cứu sự ảnh hưởng đến lượng mòn dao phay ngón khi thay đổi giá trị hai thông số : tốc độ vòng quay V và lượng chạy dao S.
Nghiên cứu mối liên hệ giữa độ mòn của dao và tốc độ vòng quay V, cũng như lượng chạy dao S, nhằm xác định giá trị tối ưu của V và S khi độ mòn đạt mức thấp nhất.
Thựcnghiệmđượctiếnhànhtrênmáyphay đứng vạn năng NIIGATA của Công ty TNHH MTV Cơ khí và thương mại Phú Cường- Ninh Bình:
Hình 2.1- Máy phay đứng NIIGATA
Hình 2.2- Bảng thông số vòng quay trục chính
Bảng 2.1 - Thông số vòng quay và lượng chạy dao của máy phay NIIGATA
Số lượng vòng quay (số cấp tốc độ) của máy- Đơn vị (vòng/phút)
Số lượng chạy dao dọc- ngang- Đơn vị (mm/phút)
Dựa trên tài liệu Sổ tay công nghệ chế tạo máy và kinh nghiệm thực tế khi gia công trên máy phay NIIGATA, dao phay ngón thể hiện khả năng làm việc ổn định trong khoảng chế độ cắt từ 230 đến 610 vòng/phút và lượng chạy dao từ 20 đến 50 mm/phút Với độ mòn nhỏ và khả năng làm việc lâu dài, khoảng thông số này được chọn để nghiên cứu và tính toán thực nghiệm.
Với các thông số kỹ thuật chính trong quá trình thực nghiệm:
+ n4 = 230 (vòng/phút) → V4 Trong đó D là đường kính dao phay ngón: D dao = 10 mm.
* Lượng chạy dao dọc của bàn máy mang phôi:
Mối quan hệ giữa các lượng chạy dao:
Sd = Sv.n = Sz.Z.n (mm/phút)
→ Sv Trong đó: - Sv là lượng chạy dao vòng (mm/vòng);
- Sz là lượng chạy dao răng (mm/răng);
- Z là số răng dao phay ( Z = 5 )
2.3.2.2 Dao phay ngón thép gió
Hình 2.4- Dao phay ngón Việt Nam
Dao phay ngón thép gió P18 - ∅10, có 5 răng cắt, với thành phần:
Tỷ lệ % các nguyên tố
-Nơisảnxuất: CôngtycổphầnDụngcụ số1NguyễnTrãi–HàNội(Toolsjoint
- Chiều dài phần cắt: 22 mm
- Chiều dài phần làm việc: 25 mm
- Đường kính chuôi dao: 10 mm
- Góc độ: Góc trước γ = 20 0 ; góc sau α = 12 0
Thínghiệmthựchiệntrên thépC45 cóthànhphầnhoáhọcphântích quangphổtạinhàmáy CơkhíGangThépTháiNguyênnhưbảng3.2
Thực nghiệm phay rãnh then hở trên trục có hình dạng và kích thướcnhưhình2.5 và hình 2.6
Hình 2.5- Phôi thép C45 phay rãnh then
Hình 2.6- Bản vẽ chi tiết trục
2.3.2.4 Dụng cụ đo, kiểm tra
Sửdụngthướccặp điện tử phạm vi đo 0-150mm, khoảng chia
Hình 2.7- Thước cặp điện tử
Dùng phương pháp tưới trực tiếp bằng nhũ tương với tỷ lệ dầu và nước
Đánh giá được ảnh hưởng của các thông số công nghệ (V c , S d ,t) đến lượng mòn dao khi phay trên máy phay vạn năng với vật liệu thép C45.
Nghiên cứu về chế độ cắt tối ưu khi gia công trên máy phay vạn năng mang lại ý nghĩa quan trọng trong cả lĩnh vực nghiên cứu khoa học và sản xuất thực tiễn.
Nghiên cứu các khía cạnh của quá trình cắt là cần thiết để nâng cao hiệu quả kinh tế và kỹ thuật trong sản xuất Kết quả nghiên cứu sẽ được áp dụng cho nhóm sản phẩm chế tạo bằng thép C45, giúp tăng năng suất và giảm giá thành sản phẩm, từ đó góp phần vào sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước.
Luận văn áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm dựa trên lý thuyết quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 1 và cấp 2, với các biến điều khiển được xác định.
2.3.4.1 Quy hoạch thực nghiệm với xử lý số bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất (BPNN)
Trong luận văn, chúng tôi sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để giải quyết các mục tiêu nghiên cứu của đề tài.
Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm dựa trên phương pháp bình phương bé nhất, trong đó đại lượng Y phụ thuộc vào các biến x1, x2, , xk Mỗi điểm Mi(x1, x2, , xk) thuộc Rk tương ứng với giá trị thực nghiệm yi = Y(Mi) Các đại lượng x1, x2, , xk có thể là những biến có thể điều khiển hoặc không điều khiển được.
Tại mỗi điểm Mi(x1, x2, , xk) thuộc Rk, chúng ta có giá trị thực nghiệm yi = Y(Mi) Đại lượng Y có thể được biểu diễn dưới dạng Y = F(x1, x2, , xk), với điều kiện các điểm M(x1, x2, , xk) nằm trong miền D ⊂ Rk Miền D là một miền đóng và bị chặn trong không gian Rk, do đó mô hình thống kê ở đây là mô hình thống kê địa phương, tập trung vào việc phân tích giá trị các biến x1, x2, , xk trong một khu vực cụ thể.
Do là mô hình địa phương nên ta có thể khai triển Taylor đối với hàm Y
Để xác định các hệ số ai trong hàm fi(x1, x2, , xk), chúng ta dựa vào số liệu thu thập được từ n lần thực nghiệm tại các điểm Mj(x1, x2, , xk) thuộc miền D Tại mỗi điểm thực nghiệm này, giá trị thực nghiệm của biến Y là yj Mục tiêu là tìm ra n giá trị của ai sao cho tổng bình phương sai số giữa giá trị thực nghiệm và giá trị dự đoán F(Mj) đạt giá trị tối thiểu, tức là tối ưu hóa hàm Φ(a1, a2, , am) = ∑(yj - F(Mj))^2.
Các giá trị a 1 , a 2 , , a m sẽ là nghiệm của hệ phương trình đại số :
Hệ m phương trình đại số tuyến tính cho phép giải để tìm các giá trị a i aˆ i, từ đó xây dựng phương trình hồi quy thực nghiệm tương ứng với bộ n thí nghiệm đã được cung cấp.
Phương trình hồi quy thực nghiệm phụ thuộc vào bộ n thí nghiệm và phương pháp nhận dạng mô hình thống kê, yêu cầu phải có chiến lược tác động vào các yếu tố x j Việc xây dựng bộ n thí nghiệm cần đảm bảo mô hình đạt độ tin cậy cao, cung cấp đủ thông tin cần thiết, thuận tiện cho việc xử lý dữ liệu, tìm cực trị và dễ dàng trong việc tính toán.
Nếu ta gọi véc tơ :
Trong quá trình xác định các hệ số \( a_i \) từ tập hợp \( (y_1, y_2, \ldots, y_n) \), chúng ta sẽ giải hệ phương trình đại số tuyến tính \( B \cdot \hat{a} = C \) Ma trận \( B \) được định nghĩa với các phần tử \( b_{ij} \) là tích vô hướng của hai véc tơ.
Ma trận B được ký hiệu như trên là ma trận đối xứng và không bằng 0, do đó B khả đảo Hệ phương trình B.aˆ = C là hệ Cramer và sẽ có duy nhất nghiệm (aˆ1, aˆ2, , aˆm).
Nếu ta gọi ma trận của véc tơ
F f m f m khi đó F T là ma trận chuyển vị của F thì ta có được :
B = F T F và C = F T Y với Chú ý rằng họ véc tơ tuyến tính, nếu là một họ trực giao, tức là :
i khi đó ma trận B sẽ là một ma trận chéo, dẫn đến: aˆ i
Tính chất này cho phép chúng ta chủ động điều khiển giá trị của quy hoạch trực giao, giúp các biến xj tạo ra hệ véc tơ { , , , } trở thành một họ véc tơ trực giao.
2.3.4.2 Đánh giá kết quả nhận được bằng BPNN
2.3.4.2.1 Kiểm định các hệ số aˆ i và khoảng xác định sai lệch của chúng
Khi hệ số aˆ i quá nhỏ, có thể nghi ngờ rằng hàm f i không tồn tại trong biểu thức hồi quy, điều này cho thấy hệ số aˆ i khác không có thể chỉ là do sai số ngẫu nhiên Do đó, cần thực hiện kiểm định để xác định xem hệ số aˆ i có bằng 0 hay không.
Hàm hồi quy có dạng F(x₁, x₂, , xₖ) = a₀ + ∑ aᵢ fᵢ(x₁, x₂, , xₖ) với n số thí nghiệm, trong đó m là các thông số âᵢ cần xác định (không tính â₀) Tổng bình phương dư, hay tổng bình phương độ lệch, được ký hiệu là S(â).
S( aˆ ) = ∑ y j − ∑ aˆ i f i và S 2 dư Gọi b ii là số hạng
Với mức ý nghĩa ở hàng i cột i trong ma trận B -1 ( nghịch đảo của B).
2.3.4.2.2 Kiểm sự bằng nhau của phương sai
Các ước lượng σ 2 thường dùng chưa dựa vào một giả thiết nào về dạng mối quan hệ giữa Y và các biến
(i = 1÷ n ) được thí nghiệm lặp lại
, y i2 , , y ir Phương sai của y được gọi là phương sai tái sinh, ký hiệu S ts
: S 2 ts = σ 2 = D(yi ) ta tính Si 2 =
Phương sai tái sinh của biến ra n
Phương sai S ts có n.(r - 1) bậc tự do được coi là một ước lượng của σ 2 = D(yi ) nếu phương sai của y tại mọi điểm thí nghiệm
Kiểm định giả thiết theo tiêu chuẩn Cochran : max S 2 tính C t = n i
Mi được coi là như nhau
2.3.4.2.3 Kiểm sự phù hợp của hàm hồi quy
Kiểm tra sự phù hợp của mô hình hàm hồi quy được thực hiện theo các bước sau :
• Nếu hàm hồi quy với mức ý nghĩa
• Nếu hàm hồi quy với mức ý nghĩa
2.3.4.3 Tìm khoảng sai lệch của y i
Ta có yˆi có S 2 = D(yˆ y i trong ma trận U = F B -1 F T
Student với (n – m – 1 ) bậc tự do.
Do vậy khoảng sai lệch của yˆ i − S du