Tài liệu Tối ưu hóa đa mục tiêu quá trình mài thép hợp kim trên máy mài tròn ngoài

1 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và hoàn thành luận án tốt nghiệp, tác giả luôn nhận được sự giúp đỡ, động viên của gia đình, người thân và sự dạy bảo của các thầy cô giáo Trường Đại học Bách khoa Hà nội. Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Viện cơ khí, Viện đào tạo sau đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình dạy bảo trong suốt khoá học. Đặc biệt, tác giả xin chân thành cảm ơn GS.TS. Trần Văn Địch đã hướng dẫn và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án. Cuối cùng, tác giả xin cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, hỗ trợ và giúp đỡ tác giả trong suốt khoá học. 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS Trần Văn Địch TÁC GIẢ Nguyễn Tuấn Linh 3 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 1 LỜI CAM ĐOAN 2 MỤC LỤC 3 MỞ ĐẦU 12 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP MÀI TRÒN NGOÀI VÀ TỐI ƯU HÓA KHI MÀI TRÒN NGOÀI THÉP HỢP KIM 1.1 Giới thiệu về phương pháp mài tròn ngoài 1.1.1 Mài tròn ngoài có tâm 1.1.2 Mài tròn ngoài vô tâm 1.2 Quá trình cắt gọt khi mài 1.3 Hình học, động học quá trình mài tròn ngoài 1.4 Động lực học quá trình mài tròn ngoài 1.4.1 Công suất mài 1.4.2 Năng lượng mài riêng 1.4.3 Lực mài 1.5 Đá mài 1.5.1 Vật liệu hạt mài 1.5.2 Chất kết dính 1.5.3 Mòn đá mài và Topography của bề mặt đá mài 1.6 Tối ưu hóa khi mài tròn ngoài thép hợp kim 1.6.1 Đặc điểm của thép hợp kim: 1.6.2 Mục đích của bài toán tối ưu hóa 1.6.3 Vấn đề tối ưu hóa khi mài tròn ngoài thép hợp kim 1.7 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.7.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 1.7.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 1.8 Kết luận chương 1 CHƯƠNG 2 15 15 16 19 20 23 26 26 26 27 27 27 30 30 30 30 32 32 33 33 35 35 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MỐI QUAN HỆ CỦA MỘT SỐ ĐẠI LƯỢNG TRONG QUÁ TRÌNH MÀI TRÒN NGOÀI 37 2.1 Tổng quan về mối quan hệ giữa các đại lượng trong quá trình mài 37 2.2 Độ nhám bề mặt chi tiết máy khi mài 38 2.2.1 Độ nhám bề mặt lý tưởng 39 2.2.2. Xác định độ nhám bằng thực nghiệm 40 2.2.3 Phân tích ảnh hưởng của một số yếu tố đến độ nhám bề mặt chi tiết khi mài tròn ngoài 41 2.3 Lực cắt khi mài tròn ngoài 43 2.3.1 Phương trình cơ bản để xác định lực cắt 44 2.3.2 Xác định lực cắt bằng thực nghiệm 45 2.3.3 Phân tích ảnh hưởng của một số yếu tố đến lực cắt khi mài tròn ngoài 45 4 2.4 Rung động khi mài tròn ngoài 2.4.1 Rung động khi mài tròn ngoài 2.4.2 Phân tích ảnh hưởng của rung động đến độ nhám bề mặt chi tiết khi mài tròn ngoài 2.5 Kết luận chương 2 CHƯƠNG 3 48 49 TRANG THIẾT BỊ, VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1 Sơ đồ mô hình thí nghiệm 3.2 Trang thiết bị, vật liệu thí nghiệm 3.2.1 Máy mài tròn 3.2.2 Đá mài 3.2.3 Chi tiết gia công 3.2.4 Thiết bị đo độ cứng 3.2.5 Thiết bị đo lực 3.2.6 Thiết bị đo rung 3.2.7 Thiết bị đo độ nhám 3.3 Phương pháp thực nghiệm Taguchi đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số 3.3.1 Thiết kế thực nghiệm đo lực cắt 3.3.2 Thiết kế thực nghiệm đo rung động 3.3.3 Thiết kế thực nghiệm đo độ nhám bề mặt 3.4 Kết luận chương 3 CHƯƠNG 4 47 47 50 50 50 50 54 55 56 57 58 59 61 62 71 77 81 XÂY DỰNG MỘT SỐ MÔ HÌNH TOÁN HỌC KHI MÀI TRÒN NGOÀI THÉP HỢP KIM 4.1 Xây dựng mô hình toán học độ nhám bề mặt 4.1.1 Thí nghiệm với thép 9XC 4.1.2 Thí nghiệm với thép 40X, 65 và P18 4.1.3 Nhận xét 4.2 Xây dựng mô hình toán học lực cắt 4.2.1 Thí nghiệm với thép 9XC 4.2.2 Thí nghiệm với thép 40X, 65 và P18 4.2.3 Nhận xét 4.3 Xây dựng mô hình toán học rung động 4.3.1 Thí nghiệm với thép 9XC 4.3.2 Thí nghiệm với thép 40X, 65 và P18 4.3.3 Nhận xét 4.4 Kết luận chương 4 82 82 82 86 89 89 89 93 96 96 96 99 101 102 CHƯƠNG 5 TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU QUÁ TRÌNH MÀI TRÒN NGOÀI MỘT SỐ LOẠI THÉP HỢP KIM 5.1 Cơ sở lựa chọn phương pháp giải bài toán tối ưu 5.2 Giới thiệu giải thuật di truyền GA (Genetic Algorithm) giải bài toán tối ưu 5.2.1 Quá trình lai ghép (phép lai) 5.2.2 Quá trình đột biến (phép đột biến) 103 103 104 105 105 5 5.2.3 Quá trình sinh sản và chọn lọc (phép tái sinh và phép chọn) 105 5.2.4 Cấu trúc giải thuật di truyền tổng quát 106 5.2.5 Các tham số của GA 107 5.2.6 Mã hoá NST 107 5.2.7 Khởi tạo quần thể ban đầu 108 5.3 Ứng dụng giải thuật di truyền kết hợp phương pháp trọng số giải bài toán tối ưu đa mục tiêu khi mài tròn ngoài thép hợp kim 110 5.3.1 Khái niệm tối ưu hóa đa mục tiêu 110 5.3.2 Hàm đa mục tiêu và các ràng buộc 111 5.3.3 Giải thuật di truyền trong MATLAB 115 5.3.4 Chương trình và kết quả 116 5.4 Kết luận chương 5 123 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO 126 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 129 PHỤ LỤC 130 6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Đơn vị Ký hiệu Diễn giải nội dung vs Tốc độ của đá mài mm/s vw Tốc độ của chi tiết mm/s vc Tốc độ cắt mm/s ns Tốc độ quay của đá mài v/p nw Tốc độ quay của chi tiết v/p ds Đường kính đá mài Mm dw Đường kính chi tiết Mm Sd Lượng chạy dao dọc m/p T Chiều sâu cắt Mm  Bán kính đỉnh hạt mài Mm x Góc cắt Ls Khoảng cách lưỡi cắt tĩnh Mm Ls,kin Khoảng cách lưỡi cắt động học Mm Si Lưỡi cắt thứ i lc Độ dài cung tiếp xúc Mm lk Độ dài đường cắt Mm Ft (Pz) Lực cắt tiếp tuyến N Fn(Py) Lực cắt pháp tuyến N Fa(Px) Lực cắt dọc trục N Ra Sai lệch profil trung bình cộng µm Rz Chiều cao nhấp nhô µm A Biên độ gia tốc Q' Chỉ tiêu bóc tách vật liệu SEM Scanning Electron Microscope HRC Hard Rockwell ANOVA Analysis of Variance SN Signal to Noise Ratio GA Genetic Algorithm  m/s2 mm2/s 7 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Thành phần hóa học của một số mác thép hợp kim 43 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật đá mài 55 Bảng 3.2 Chế độ nhiệt luyện 56 Bảng 3.3 Thông số của máy đo độ cứng Rockwell JHR-45C 57 Bảng 3.4 Thông số của máy đo độ nhám Mitutoyo Surflest SJ-400 60 Bảng 3.5 Bảng trực giao Taguchi L9 với các thông số thí nghiệm 66 Bảng 3.6 Hệ số SNi tính toán cho lực Py và Pz 64 Bảng 3.7 Hệ số SN tính toán cho mỗi chỉ số và cấp độ của độ cứng và đường kính 65 Bảng 3.8 Bảng trực giao Taguchi L9 với các thông số thí nghiệm 66 Bảng 3.9 Hệ số SNi tính toán cho lực Py và Pz 68 Bảng 3.10 Hệ số SN tính toán cho mỗi chỉ số và cấp độ của chế độ cắt 69 Bảng 3.11 Bảng trực giao Taguchi L9 với các thông số thí nghiệm 75 Bảng 3.12 Hệ số SNi tính toán cho biên độ A 75 Bảng 3.13 Hệ số SN tính toán cho mỗi chỉ số và cấp độ của chế độ cắt và độ cứng 76 Bảng 3.14 Bảng trực giao Taguchi L9 với các thông số thí nghiệm 77 Bảng 3.15 Hệ số SNi tính toán cho độ nhám Ra 77 Bảng 3.16 Hệ số SN tính toán cho mỗi chỉ số và cấp độ của độ cứng và đường kính 78 Bảng 3.17 Bảng trực giao Taguchi L9 với các thông số thí nghiệm 79 Bảng 3.18 Hệ số SNi tính toán cho Ra 79 Bảng 3.19 Hệ số SN tính toán cho mỗi chỉ số và cấp độ của chế độ cắt 80 Bảng 4.1 Điều kiện thí nghiệm 82 Bảng 4.2 Bảng quy hoạch các thông số thực nghiệm với thép 9XC 84 Bảng 4.3 Bảng quy hoạch các thông số thực nghiệm với thép 40X 86 Bảng 4.4 Bảng quy hoạch các thông số thực nghiệm với thép 65 87 Bảng 4.5 Bảng quy hoạch các thông số thực nghiệm với thép P18 88 Bảng 4.6 Điều kiện thí nghiệm 89 Bảng 4.7 Bảng quy hoạch các thông số thực nghiệm với thép 9XC 90 Bảng 4.8 Bảng quy hoạch các thông số thực nghiệm với thép 40X 93 8 Bảng 4.9 Bảng quy hoạch các thông số thực nghiệm với thép 65 94 Bảng 4.10 Bảng quy hoạch các thông số thực nghiệm với thép P18 95 Bảng 4.11 Điều kiện thí nghiệm 96 Bảng 4.12 Bảng quy hoạch các thông số thực nghiệm với thép 9XC 97 Bảng 4.13 Bảng quy hoạch các thông số thực nghiệm với thép 40X 100 Bảng 4.14 Bảng quy hoạch các thông số thực nghiệm với thép 65 100 Bảng 4.15 Bảng quy hoạch các thông số thực nghiệm với thép P18 101 Bảng 5.1 Kết quả chạy chương trình với thép 9XC 117 Bảng 5.2 Kết quả chạy chương trình với thép 40X 119 Bảng 5.3 Kết quả chạy chương trình với thép 65 119 Bảng 5.4 Kết quả chạy chương trình với thép P18 120 Bảng 5.5 Giá trị Ra, Py, Pz, A và Q' với thép 9XC 120 Bảng 5.6 Giá trị Ra, Py, Pz, A và Q' với thép 40X 120 Bảng 5.7 Giá trị Ra, Py, Pz, A và Q' với thép 65 121 Bảng 5.8 Giá trị Ra, Py, Pz, A và Q' với thép P18 121 Bảng 5.9 Kết quả các giá trị Ra, Py, Pz và A thực nghiệm với các thông số tối ưu 121 9 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ mài tròn ngoài tiến dao dọc 16 Hình 1.2 Sơ đồ mài tròn ngoài tiến dao ngang 16 Hình 1.3 Mài tròn ngoài vô tâm 19 Hình 1.4 Sự phụ thuộc giữa các góc cắt thực tế và chiều dày lớp kim loại được cắt vào bán kính đỉnh hạt trên cạnh cắt của hạt mài 21 Hình 1.5 Hình dạng đường cắt của đá mài 22 Hình 1.6 Mô tả biên dạng trung bình của một cạnh cắt 23 Hình 1.7 Vùng biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo khi mài 23 Hình 1.8 Các thông số hình học quá trình mài tròn ngoài 24 Hình 1.9 Động học quá trình mài tròn ngoài 24 Hình 1.10 Động lực học quá trình mài tròn ngoài 26 Hình 1.11 Hình dạng của một số vật liệu hạt mài 28 Hình 2.1 Sơ đồ mối quan hệ phụ thuộc giữa các đại lượng trong quá trình mài 37 Hình 2.2 Mô hình hóa độ nhám bề mặt chi tiết máy khi mài tròn ngoài 38 Hình 2.3 Mô hình bề mặt đá mài 39 Hình 2.4 Mô hình độ nhám bề mặt chi tiết 39 Hình 2.5 Sơ đồ lực cắt khi mài tròn ngoài 44 Hình 2.6 Mô tả quá trình mài hai chi tiết có đường kính khác nhau với cùng chiều sâu cắt 46 Hình 3.1 Sơ đồ mô hình thí nghiệm 50 Hình 3.2 Máy mài tròn ngoài MEG – 1120 51 Hình 3.3 Sơ đồ chuyển vị của hai mũi tâm 53 Hình 3.4 Hình dạng và kích thước của mẫu thí nghiệm đường kính 40mm 56 Hình 3.5 Thiết bị đo lực trên máy mài tròn ngoài 57 Hình 3.6 Mũi tâm gắn cảm biến (phần tử biến dạng) 57 Hình 3.7 Vị trí dán tem trên phần tử biến dạng 57 Hình 3.8 Sơ đồ đo lực bằng cảm biến tem biến dạng 58 Hình 3.9 Thiết bị đo rung động 59 10 Hình 3.10 Máy đo độ nhám Mitutoyo Surflest SJ-400 60 Hình 3.11 Mô hình đo lực cắt khi mài tròn ngoài 62 Hình 3.12 Đồ thị lực cắt Py và Pz khi mài thép 9XC 66 Hình 3.13 Đồ thị lực cắt Py và Pz khi mài thép 9XC 67 Hình 3.14 Đồ thị lực cắt Py và Pz khi mài thép 9XC 67 Hình 3.15 Đồ thị lực cắt Py và Pz khi mài thép 9XC 68 Hình 3.16 Đồ thị lực cắt Py và Pz khi mài thép 40X 70 Hình 3.17 Đồ thị lực cắt Py và Pz khi mài thép 65 và P18 70 Hình 3.18 Mô hình hóa rung động của hệ đá mài – chi tiết 71 Hình 3.19 Đồ thị rung động dạng phổ trong trường hợp chạy không 74 Hình 3.20 Đồ thị rung động dạng phổ khi mài thép 9XC với độ cứng 30HRC và chế độ cắt Sd = 0.3m/p; nw = 100v/p; t = 0.005mm 74 Hình 4.1 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa lực cắt Py, Pz với Sd và t khi mài thép 9XC được nhiệt luyện đạt độ cứng 40HRC 92 Hình 4.2 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa lực cắt Py, Pz với Sd và t khi mài thép 9XC được nhiệt luyện đạt độ cứng 50HRC 92 Hình 4.3 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa lực cắt Py, Pz với Sd và t khi mài thép 9XC được nhiệt luyện đạt độ cứng 60HRC 93 Hình 4.4 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa biên độ gia tốc A với Sd và t khi mài thép 9XC với tốc độ quay của chi tiết nw = 100v/p 99 Hình 4.5 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa biên độ gia tốc A với Sd và t khi mài thép 9XC với tốc độ quay của chi tiết nw = 150v/p 99 Hình 4.6 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa biên độ gia tốc A với Sd và t khi mài thép 9XC với tốc độ quay của chi tiết nw = 200v/p Hình 5.1 Sơ đồ khối giải bài toán tối ưu quá trình mài tròn ngoài 99 111 Hình 5.2 Giải thuật di truyền trong MATLAB giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu 116 Hình 5.3 Đồ thị cho lần chạy 1 (thép 9XC) 117 Hình 5.4 Đồ thị cho lần chạy 2 (thép 9XC) 117 Hình 5.5 Đồ thị cho lần chạy 3(thép 9XC) 118 Hình 5.6 Đồ thị cho lần chạy 4 (thép 9XC) 118 Hình 5.7 Đồ thị cho lần chạy 5 (thép 9XC) 118 Hình 5.8 Đồ thị so sánh sai số độ nhám giữa kết quả tối ưu và kết quả thực nghiệm 122 11 Hình 5.9 Đồ thị so sánh sai số lực cắt giữa kết quả tối ưu và kết quả thực nghiệm 122 Hình 5.10 Đồ thị so sánh sai số biên độ rung động giữa kết quả tối ưu và kết quả thực nghiệm 122 12 MỞ ĐẦU Lý do lựa chọn đề tài Mài là một phương pháp gia công tinh có thể đạt độ chính xác cấp 6 đến 7 và cấp độ nhám bề mặt 8 (Ra = 0.63m) đến 10 (Ra = 0.16m). Do đặc điểm như vậy nên mài thường được chọn làm phương pháp gia công tinh lần cuối cho các chi tiết sau nhiệt luyện và nó quyết định đến chất lượng bề mặt của sản phẩm. Mài tròn ngoài là phương pháp để gia công tinh các mặt trụ, mặt côn hoặc các mặt định hình. Có hai phương pháp mài tròn ngoài là mài tròn ngoài có tâm và mài tròn ngoài vô tâm, phương pháp tiến dao có thể là tiến dao dọc và tiến dao hướng kính. Mài là phương pháp gia công truyền thống xuất hiện từ khá sớm nhưng những nghiên cứu về mài thì chưa bao giờ dừng lại bởi đặc thù của phương pháp này là quá trình cắt gọt vật liệu phức tạp với sự tham gia của vô số những lưỡi cắt không có hình dạng xác định. Quá trình mài bao gồm các công đoạn cắt, cào xước và cọ sát bằng hạt mài với tốc độ rất cao, phụ thuộc vào mức độ tương tác giữa các hạt mài và phôi dưới điều kiện mài cụ thể. Các hạt mài được phân phối ngẫu nhiên trong đó phần lớn các hạt mài chưa biết hình dạng và hình dạng của nó thay đổi theo thời gian trong quá trình mài. Số lượng hạt mài đi qua khu vực mài trong một đơn vị thời gian là cực kỳ lớn, do đó mài là một quá trình rất phức tạp [42]. Trong những năm gần đây, mài được đánh giá là một quá trình chiến lược và là chìa khóa để đạt được chất lượng bề mặt cho các sản phẩm công nghệ cao. Trong các sản phẩm công nghệ cao đó có sự góp mặt của rất nhiều các chi tiết thép hợp kim được gia công bằng phương pháp mài tròn ngoài. Với yêu cầu cạnh tranh ngày càng cao về chất lượng sản phẩm và giá thành thì việc ứng dụng các thành tựu trong các lĩnh vực công nghệ thông tin, điều khiển, nhất là trí tuệ nhân tạo để xây dựng mô hình đa mục tiêu với mục đích lựa chọn chế độ cắt tối ưu nhằm thỏa mãn đồng thời về chất lượng sản phẩm và năng suất gia công có một ý nghĩa rất lớn. Ngoài ra việc xây dựng và giải được bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu sẽ đóng góp một phần vào việc điều khiển thích nghi quá trình mài tròn ngoài các loại thép hợp kim, giúp người điều khiển máy có thể linh hoạt trong việc điều chỉnh các thông số chế độ cắt sao cho phù hợp với mỗi giai đoạn của quá trình gia công. Với những lý do như vậy, tác giả đã lựa chọn 13 đề tài “Tối ưu hóa đa mục tiêu quá trình mài thép hợp kim trên máy mài tròn ngoài” làm đề tài Luận án tiến sỹ. Mục đích nghiên cứu Xây dựng bài toán tối ưu đa mục tiêu cho quá trình mài tròn ngoài thép hợp kim với mục đích tìm ra được chế độ cắt tối ưu nhằm đảm bảo cả về năng suất và độ nhám, tiến đến điều khiển thích nghi quá trình mài tròn ngoài. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là quá trình mài tròn ngoài thép hợp kim được nhiệt luyện với những độ cứng khác nhau. Phạm vi nghiên cứu: Có rất nhiều thông số ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm cuối cùng khi mài. Trong luận án, tác giả chỉ tập trung nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ cắt và vật liệu gia công đến một số đại lượng trung gian của quá trình mài như lực cắt, rung động và phân tích sự ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt của chi tiết. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu là kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm. Những đóng góp mới - Ứng dụng phương pháp Taguchi vào việc xác định mức độ ảnh hưởng của các thông số đến hàm mục tiêu của quá trình mài tròn ngoài. - Xây dựng được các mô hình toán học của lực cắt, rung động và độ nhám bề mặt khi mài tròn ngoài. - Tối ưu hóa đa mục tiêu cho quá trình mài thép hợp kim trên máy mài tròn ngoài ứng dụng giải thuật di truyền. Cấu trúc của luận án Phần mở đầu. 14 Chương 1: Tổng quan về phương pháp mài tròn ngoài và tối ưu hóa khi mài tròn ngoài thép hợp kim Chương 2: Cơ sở lý thuyết về mối quan hệ của một số đại lượng trong quá trình mài tròn ngoài Chương 3: Trang thiết bị, vật liệu thí nghiệm và nghiên cứu thực nghiệm Chương 4: Xây dựng một số mô hình toán học khi mài tròn ngoài thép hợp kim Chương 5: Tối ưu hóa đa mục tiêu quá trình mài tròn ngoài một số loại thép hợp kim. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Đã xây dựng được một số mô hình toán học khi mài thép hợp kim trên máy mài tròn ngoài. Xây dựng và giải thành công bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu cho quá trình mài thép hợp kim trên máy mài tròn ngoài. Ý nghĩa thực tiễn: Việc hoàn thành luận án sẽ là cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu áp dụng vào thực tế sản xuất để điều khiển quá trình mài tròn ngoài nhằm mục đích đạt được chất lượng sản phẩm tốt với mức chi phí sản xuất nhỏ khi mài một số loại thép hợp kim. 15 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP MÀI TRÒN NGOÀI VÀ TỐI ƯU HÓA KHI MÀI TRÒN NGOÀI THÉP HỢP KIM 1.1 Giới thiệu về phương pháp mài tròn ngoài Mài là một phương pháp gia công tinh các bề mặt chi tiết máy với hình dạng lưỡi cắt không xác định. Nó là một phương pháp gia công rất quan trọng trong quá trình sản xuất, chiếm khoảng 20% trong chi phí gia công. Mài có thể gia công được các bề mặt đòi hỏi độ nhám bề mặt và độ chính xác cao (có thể đạt độ chính xác cấp 6 ÷ 7, cấp độ nhám 8 ÷ 10), mặc dù nó cũng được dùng để loại bỏ một lượng dư lớn. Ngoài ra, mài có thể gia công các vật liệu cứng và giòn mà không thể thực hiện được bằng các phương pháp gia công khác. Mài đã xuất hiện cách đây từ rất lâu, sử dụng để mài dao, công cụ và vũ khí. Mài cũng được sử dụng để cắt và đánh bóng đá quý. Trong thế kỷ 19, mài đóng một vai trò rất quan trọng trong sự phát triển các công cụ và trong việc sản xuất động cơ hơi nước, động cơ đốt trong, động cơ phản lực, dụng cụ thiên văn và các thiết bị vi điện tử. Trong nửa cuối thế kỷ 20, mài được công nhận là một quá trình chiến lược cho các ứng dụng công nghệ cao. Điển hình đó là trong công nghiệp hàng không vũ trụ, mài được coi là chìa khóa để đạt được chất lượng cần thiết. Do đó công nghệ mài được đầu tư và có bước phát triển nhanh chóng trong nửa cuối thế kỷ 20. Ngày nay, công nghệ mài còn là chìa khóa để đạt chất lượng bề mặt cho các thiết bị quang học, truyền thông và cơ điện tử. Mài có thể gia công được các mặt phẳng, mặt trụ, các mặt tròn xoay hay các mặt định hình. Tùy vào hình dạng các mặt gia công ta có các phương pháp mài phẳng, mài tròn, mài định hình. Tùy thuộc vào tốc độ mài ta có mài bình thường (tốc độ mài khoảng 25 ÷ 30m/s) và mài cao tốc (tốc độ mài có thể lên đến 100 ÷ 300m/s). Trong nghiên cứu này tác giả sẽ tập trung nghiên cứu sâu về phương pháp mài tròn ngoài. Mài tròn ngoài dùng để gia công những mặt tròn xoay. Bao gồm các phương pháp sau: - Mài tròn ngoài có tâm + Chạy dao ngang theo chu vi của đá + Chạy dao dọc theo chu vi của đá 16 - Mài tròn ngoài vô tâm + Chạy dao ngang theo chu vi của đá + Chạy dao dọc theo chu vi của đá. 1.1.1 Mài tròn ngoài có tâm Mài tròn ngoài có tâm có hai dạng: mài tròn ngoài có tâm chạy dao theo hướng kính (còn gọi là mài tròn ngoài có tâm chạy dao ngang) và mài tròn ngoài có tâm chạy dao theo hướng trục (còn gọi là mài tròn ngoài có tâm chạy dao dọc). Ở cả hai phương pháp mài này về nguyên tắc là chạy ngược khi gia công. Khi mài ngược thì hướng tốc độ của đá mài vs và hướng tốc độ của chi tiết vw ở khu vực tiếp xúc khi mài là ngược chiều. Ưu điểm của mài ngược là trong quá trình gia công sẽ tạo nên các khe hở trên bề mặt chi tiết ở khu vực tiếp xúc với đá mài. Do đó việc dẫn nước bôi trơn làm lạnh đến khu vực cắt sẽ thuận lợi và sẽ làm giảm tác hại do nhiệt gây ra đối với bề mặt chi tiết gia công [6]. S nw ns S Hình 1.1 Sơ đồ mài tròn ngoài tiến dao dọc S S Hình 1.2 Sơ đồ mài tròn ngoài tiến dao ngang 17 Mài tròn ngoài có tâm chạy dao ngang thường dùng để gia công các cổ trục để lắp các ổ đỡ, các trục bậc, các rãnh v.v. Một dạng mài tròn ngoài có tâm chạy dao ngang nữa là mài tròn ngoài có tâm chạy dao nghiêng, nó có thể đồng thời gia công các mặt tròn xoay, mặt nghiêng và gờ trục. Với phương pháp này sẽ có lợi thế về mặt thời gian so với phương pháp mài tròn ngoài có tâm chạy dao ngang. Đặc biệt nó thu hẹp chiều dài tiếp xúc khi mài các gờ trục của chi tiết và do đó làm giảm đáng kể ảnh hưởng của nhiệt cắt đến tổ chức kim loại của bề mặt chi tiết gia công. Phương pháp mài tròn ngoài có tâm chạy dao nghiêng thường dùng để gia công các trục bậc có độ chênh lệch đường kính lớn. Tuy nhiên ở đây cần chú ý đến sự thay đổi của tốc độ ở những vị trí nghiêng của đá mài để lựa chọn một giá trị tốc độ phù hợp. Thể tích cắt Vcắt cho trường hợp mài tròn ngoài có tâm chạy dao ngang được tính như sau: Vcắt = Trong đó:  (dw0 – dw)2.bD 2 (1.1) dw0, dw – đường kính chi tiết trước và sau khi cắt, mm bD – chiều rộng profil hiệu dụng của đá mài, mm. Trường hợp với lượng dư z nhỏ, chẳng hạn giá trị của z chỉ bằng vài phần mười của mm thì khi đó độ chênh lệch về đường kính của chi tiết rất nhỏ và công thức (1.1) có thể viết dưới dạng: Vcắt = π.dw. z . bD 2 (1.2) Nếu chia thể tích cắt Vcắt cho chiều rộng profil hiệu dụng của đá mài và đưa vào yếu tố thời gian mài tc thì sẽ tính được thể tích cắt riêng trong một đơn vị thời gian khi mài: Q'  Trong đó: vfr = .d w z .  .d w .vfr  .d w .t.n w  t.v w tc 2 z - tốc độ tiến dao hướng kính, m/s 2t c t – chiều sâu cắt, mm vw – tốc độ của chi tiết, m/s. (1.3) 18 Tương tự cũng có thể xác định được thể tích cắt riêng trong một đơn vị thời gian cho trường hợp mài tròn ngoài có tâm chạy dao nghiêng, nhưng khi tính toán phải chú ý đến sự chênh lệch lớn về đường kính của chu vi chi tiết. Mài có tâm chạy dao dọc theo chu vi của đá được dùng để gia công các chi tiết có mặt trụ và mặt côn tròn xoay trong trường hợp chiều rộng cần mài lớn hơn nhiều so với chiều rộng của đá mài. Chẳng hạn như dùng để gia công các loại trục cán trong công nghiệp cán thép hay công nghiệp sản xuất giấy. Thể tích cắt riêng trong một đơn vị thời gian được xác định tương tự như trường hợp mài ngang dựa trên cơ sở tính toán tùy thuộc vào hành trình riêng. Chẳng hạn như khi mài phẳng dọc theo chu vi của đá cần chú ý đến chiều rộng của profil làm việc của đá mài vì độ mòn thay đổi và tạo nên profil mòn của đá mài có dạng cong như mái nhà [6]. Với đá mài mới chưa bị mòn, khi đó chiều rộng ăn dao ap = bD thì thể tích cắt riêng trong một đơn vị thời gian được xác định như sau: Q'  .d w .t.vfa bD (1.4) Trong đó: vfa – tốc độ chạy dao theo hướng trục, m/s. Khi gá đặt, phương pháp mài tròn ngoài chạy dao dọc gặp một số khó khăn: nếu chi tiết gá trên hai mũi tâm sẽ làm chuyển động quay tròn không thuận lợi, hay khi gá đặt mà trọng lượng phân bố không đều gây ra mất cân bằng và hậu quả là sinh ra rung động khi chi tiết máy quay tròn với tốc độ cao. Vấn đề xuất hiện khi mài các chi tiết dài, mỏng là khi mài thô với lực cắt lớn sẽ làm chi tiết bị cong, ngay cả khi gia công tinh và mài qua (t = 0) vẫn còn tồn tại sai số hình dạng. Đặc biệt đối với các chi tiết kém cứng vững sẽ gây ra độ đàn hồi động học và có thể xuất hiện vết gằn trên bề mặt chi tiết gia công. Khi mài tròn ngoài có tâm việc lựa chọn cơ cấu truyền mômen cắt cho chi tiết mài có ảnh hưởng quyết định đến sai số hình dạng của chi tiết đồng thời đến sự ổn định của quá trình mài. Khi lựa chọn cơ cấu truyền mômen cắt cho chi tiết mài không được tạo ra lực ngang đối với chi tiết, vì khi đó do chi tiết quay và tạo nên lực võng làm dịch chuyển vị trí của chi tiết dẫn đến sự thay đổi các điều kiện cắt ở khu vực tiếp xúc khi mài. Hiện tượng này có thể tạo ra sai số hình dạng của chi tiết và làm thay đổi tác động của đá mài. 19 1.1.2 Mài tròn ngoài vô tâm Ở phương pháp mài tròn ngoài vô tâm chi tiết được đỡ trên thanh đỡ có mặt nghiêng và bánh dẫn, chuyển động của chi tiết là nhờ bánh dẫn, và việc điều chỉnh hợp lý bánh dẫn sẽ có hiệu quả tốt về mặt kinh tế và kỹ thuật của quá trình mài. Vấn đề hiện nay chưa được quan tâm tới trong quá trình mài tròn ngoài vô tâm là vị trí tác động của đá mài và chi tiết, về mặt cơ bản nó cũng giống như các phương pháp mài tròn ngoài khác. Các phương pháp mài tròn ngoài vô tâm được chia ra phương pháp mài tròn ngoài chạy dao hướng kính và phương pháp mài tròn ngoài chạy dao hướng trục. Hình 1.3 Mài tròn ngoài vô tâm (nguồn: [6, 22, 40]) Ngoài ra còn một số phương pháp mài tròn ngoài vô tâm khác như mài vô tâm phối hợp chạy dao dọc và chạy dao ngang, mài mặt đầu và mài vô tâm lỗ. Ưu điểm của phương pháp mài tròn ngoài vô tâm là: - Biến dạng của chi tiết giảm tối thiểu. - Chi tiết không cần nhiều thời gian cho gá đặt. - Lấy chi tiết ra dễ dàng và do đó dễ thực hiện quá trình tự động. - Có thể mài các chi tiết dài. Mài vô tâm chủ yếu được dùng trong sản xuất loạt lớn, như khi gia công các chi tiết chốt, trục, bi đũa, trục khuỷu, van, kim phun v.v. Có hai trường hợp mài vô tâm là mài vô tâm chạy dao hướng kính và mài vô tâm chạy dao hướng trục. Chi tiết được gá trên thanh đỡ vát nghiêng và bánh dẫn. Tâm của chi tiết cao hơn tâm của đá mài và tâm của bánh dẫn một lượng. Tốc độ của chi tiết nằm trong phạm vi với các 20 giá trị tương tự như khi mài tròn ngoài có tâm, ở đây khi mài tròn ngoài vô tâm, đá và chi tiết quay cùng chiều. Khi mài tròn ngoài vô tâm chi tiết quay tròn dựa vào bánh dẫn và có trượt một ít. Tốc độ của chi tiết thực tế bằng tốc độ của bánh dẫn. Lực ma sát giữa chi tiết và thanh đỡ vát nghiêng là Fta và với bánh dẫn là Ftr phù hợp với lực mài tiếp tuyến Ft. Để tạo ra ma sát cần thiết người ta chọn bánh dẫn có độ hạt mịn với chất dính kết bằng cao su. Thanh đỡ có vát nghiêng phải chịu được ma sát khi tiếp xúc với chi tiết, nên thanh đỡ thường được làm bằng thép cứng, chẳng hạn trong sản xuất hàng loạt nhỏ người ta dùng thép dụng cụ hay gang, đôi khi trong trường hợp đặc biệt người ta dùng đồng thau. Do khe hở giữa đá mài và bánh dẫn nhỏ, nên kích thước của thanh đỡ vát nghiêng cũng nhỏ, kém cứng vững. Bề mặt tựa cần chọn một góc ma sát phù hợp với chi tiết, để làm cho lực thẳng góc nhỏ nhất và khả năng chịu uốn tốt nhất. Qua đó hạn chế sai sót về kích thước và sự mất ổn định động học. 1.2 Quá trình cắt gọt khi mài Mài là quá trình cắt gọt vật liệu bao gồm các công đoạn cắt, cào xước và cọ sát bằng hạt mài với tốc độ rất cao, phụ thuộc vào mức độ tương tác giữa các hạt mài và phôi dưới điều kiện mài cụ thể. Các hạt mài được phân phối ngẫu nhiên trong đó phần lớn các hạt mài chưa biết hình dạng và hình dạng của nó thay đổi theo thời gian trong quá trình mài. Số lượng hạt mài đi qua khu vực mài trong một đơn vị thời gian là cực kỳ lớn, do đó mài là một quá trình rất phức tạp [42]. Mài có đặc điểm khác biệt so với các phương pháp gia công cắt gọt khác: - Mài không có lưỡi cắt liên tục trên vành cắt gọt. - Lớp kim loại được cắt bởi một hạt đá mài có sự phụ thuộc về quan hệ chiều rộng và bề dày. - Hình dáng hình học của hạt đá không xác định, ở đỉnh cắt của hạt mài có cung lượn bán kính , góc cắt âm. - Hạt mài nằm không quy luật trên mặt vành trục. - Tốc độ cắt rất cao và quá trình cắt có một số lượng lớn hạt mài tham gia cắt, như vậy trong một khoảng thời gian rất ngắn có một lượng phoi lớn được hình thành.