Tài liệu Nghiên cứu hiệu ứng từ nhiệt lớn trên một số hợp kim heusler và nguội nhanh [tt]

  • Số trang: 24 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 509 |
  • Lượt tải: 0
dangvantuan

Tham gia: 02/08/2015

Mô tả:

1 MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Mài là một phương pháp gia công tinh có thể đạt độ chính xác cấp 67 và cấp độ nhám bề mặt 810. 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 sản phẩm. 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 bằng 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 các loại thép hợp kim, giúp người điều khiển máy có thể linh hoạt trong việc điều chế độ cắt sao cho phù hợp với mỗi công đoạn của quá trình gia công. Do đó, tác giả đã lựa chọn 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 2 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 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. 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 Kết luận và kiến nghị. 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 thép hợp kim. 3 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 1.2 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 1.5 Đá mài 1.6 Tối ưu hóa khi mài tròn ngoài thép hợp kim Trình tự giải quyết một bài toán tối ưu nói chung như sau: 1. Đặt vấn đề công nghệ: xem xét vấn đề công nghệ cần được giải quyết và chọn ra những yếu tố ảnh hưởng chính. 2. Xây dựng được mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng và hàm mục tiêu. 3. Tìm thuật giải 4. Phân tích và đánh giá kết quả thu được. 1.7 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.7.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Ngày nay với sự phát triển về công nghệ thông tin và tự động hóa đã mang đến những hướng nghiên cứu mới. M. Sedighi, D. Afshari trong công trình nghiên cứu [29] đã sử dụng phương pháp trí tuệ nhân tạo mạng nơron vào việc xác định mối quan hệ thực nghiệm, các tác giả R.Saravanan, P.Asokan, M.Sachidanandam [34] đã sử dụng giải thuật di truyền trong bài toán tối ưu hóa quá trình mài phẳng hay Vishnupad. P, Shin. Y C [39] đã sử dụng mạng logic mờ giải bài toán tối ưu hóa quá trình mài. 1.7.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Tại Việt Nam thì việc ứng dụng các phương pháp mới như trí tuệ nhân tạo vào công nghệ mài còn hạn chế. Trong những năm gần đây, có một số công trình nghiên cứu về mài như công trình [9] của tác giả Nguyễn Huy Ninh nghiên cứu phương pháp đánh giá tính cắt gọt của đá mài. Trong công trình nghiên cứu [15] của tác giả Trần Minh Đức đã xây dựng được các chỉ tiêu để xác định tuổi bền của đá. Tác giả Trần Đức Quý trong công trình nghiên cứu [16] đã xây dựng được 4 hàm toán học mô tả một số mối quan hệ thực nghiệm khi mài tròn ngoài thép 45 giữa độ nhám Ra, tuổi bền của đá mài T và lực cắt P với các thông số chế độ cắt. Khi nghiên cứu về quá trình mài phẳng thép 45, tác giả Hoàng Văn Điện trong công trình [2] đã xây dựng được hàm toán học mô tả các mối quan hệ thực nghiệm giữa độ mòn, lực cắt và độ nhám bề mặt với chế độ cắt. Tác giả Phùng Xuân Sơn trong công trình nghiên cứu [5] đã thiết lập được các mối quan hệ thực nghiệm của rung động với chế độ cắt, độ nhám, lực cắt và thời gian mài trong quá trình mài phẳng thép 45. Có thể thấy trong các nghiên cứu trên dừng lại ở việc tìm ra được hàm quan hệ toán học dựa trên một chỉ tiêu nào đó mà chưa có một công trình nghiên cứu nào đề cập đến vấn đề tối ưu hóa đa mục tiêu khi mài các loại thép hợp kim. Việc xây dựng và giải quyết bài toán tối ưu đa mục tiêu có ý nghĩa rất lớn nhằm khắc phục những khó khăn trong việc điều khiển thích nghi quá trình mài tròn ngoài với mục đích kiểm soát đồng thời chất lượng sản phẩm và năng suất gia công. 1.8 Kết luận chương 1 Tổng quan về quá trình mài, bản chất của thép hợp kim và bài toán tối ưu hóa khi mài tròn ngoài thép hợp kim. Thép hợp kim là vật liệu quan trọng và nó có những tính chất đặc biệt khác với thép cacbon thông thường, thép hợp kim được chế tạo nhiều ở các chi tiết dạng trục và thường được gia công lần cuối bằng phương pháp mài tròn ngoài. Chính vì vậy việc nghiên cứu vấn đề mài tròn ngoài thép hợp kim có ý nghĩa thực tiễn cao. Trong luận án này tác giả sẽ tiến hành xây dựng và giải quyết bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu thỏa mãn đồng thời về năng suất gia công và độ nhám bề mặt chi tiết nhằm mục đích tiến đến điều khiển thích nghi quá trình 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 Sơ đồ dưới đây phân tích sự phụ thuộc lẫn nhau giữa các đại lượng đầu vào, đại lượng trung gian và đại lượng đầu ra [6, 21]. 5 Đại lượng đầu vào Quá trình mài Kết quả Tính công nghệ Hệ thống Đại lượng điều chỉnh Các đại lượng của quá trình Máy: - Loại máy - Tính chất - Chiều sâu cắt Lấy vật liệu với tác động của cơ và nhiệt Chi tiết: - Hình dạng - Vật liệu Đá mài: - Hình dạng - Kết cấu - Lượng chạy dao - Tốc độ chi tiết Độ mòn học dưới động về học, cơ và nhiệt cơ tác hóa học Lực cắt Dụng cụ sửa đá Các điều kiện sửa đá Dung dịch trơn nguội: - Chủng loại - Cách dẫn - Tốc -độÁpcắt lực dẫn Chi tiết: - Độ chính xác hình dạng - Độ chính xác kích thước - Chất lượng bề mặt - Ảnh hưởng ở khu vực bên cạnh Đá mài: - Mòn - Sự biến đổi cấu trúc Dung dịch trơn nguội: - Bẩn Tính kinh tế - Khối lượng Các đại lượng nhiễu: Rung động Nhiệt độ - Hiệu suất gia công - Chi phí sản xuất Hình 2.1 Sơ đồ mối quan hệ phụ thuộc giữa các đại lượng trong quá trình mài 2.1 Độ nhám bề mặt chi tiết máy khi mài 2.1.1 Độ nhám bề mặt lý tưởng 2.1.2 Xác định độ nhám bằng thực nghiệm 2.1.3 Phân tích ảnh hưởng của một số yếu tố đến độ nhám bề mặt chi tiết khi mài tròn ngoài a) Ảnh hưởng của chế độ cắt - Ảnh hưởng của lượng chạy dao dọc Khi tăng Sd thì biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi sẽ ảnh hưởng lớn hơn do đó nhám bề mặt tăng. - Ảnh hưởng của tốc độ cắt Khi tăng tốc độ cắt thì nhiệt cắt lúc đầu tăng nhanh, sau khi đạt độ lớn nhất định thì cường độ tăng chậm lại. Nhiệt cắt tăng làm tăng nhám bề mặt chi tiết [16]. 6 - Ảnh hưởng của chiều sâu cắt Khi tăng chiều sâu cắt thì rung động trong quá trình cắt tăng do đó nhám bề mặt tăng. - Ảnh hưởng của tốc độ quay của chi tiết Khi tăng tốc độ quay của chi tiết sẽ làm tăng dao động và dẫn đến nhám bề mặt tăng. b) Ảnh hưởng của độ cứng vật liệu gia công Độ cứng của vật liệu gia công tăng thì chiều cao nhấp nhô tế vi giảm và hạn chế ảnh hưởng của tốc độ cắt đến chiều cao nhấp nhô tế vi [14]. c) Ảnh hưởng của thành phần thép hợp kim. 2.2 Lực cắt khi mài tròn ngoài 2.2.1 Phương trình cơ bản để xác định lực cắt 2.2.2 Xác định lực cắt bằng thực nghiệm 2.2.3 Phân tích ảnh hưởng của một số yếu tố đến lực cắt khi mài tròn ngoài a) Ảnh hưởng của chế độ cắt Chế độ cắt nói chung có ảnh hưởng lớn đến lực cắt, khi tăng các thông số của chế độ cắt (S, v, t) thì lực cắt tăng lên do năng lượng cần phải bóc tách một khối lượng vật liệu lớn hơn [1]. b) Ảnh hưởng của độ cứng vật liệu chi tiết gia công Khi tăng độ bền và độ cứng của vật liệu gia công sẽ làm giảm hệ số co rút phoi và độ lớn trượt tương Chi tiết 1 ns đối, làm giảm công biến dạng và và công tạo phoi, tức là làm giảm lực cắt. V1 Mặt khác khi tăng độ bền và độ cứng t thì tải trọng lên bề mặt trượt tương ứng V2 nw sẽ tăng làm tăng công biến dạng, công Chi n tiết 2 w Ðá mài 1 tạo phoi và do đó tăng lực cắt [1]. 2 c) Ảnh hưởng của kích thước chi Hình 2.6 Mô tả quá trình mài hai chi tiết có đường kính khác nhau tiết gia công Khi mài thô, kích thước của chi tiết gia công có ảnh hưởng đến lực cắt. Khi đường kính d1 < d2 với cùng một chiều sâu cắt t thì năng 7 lượng để hớt bỏ thể tích vật liệu V2 sẽ lớn hơn, dẫn đến lực cắt khi mài chi tiết 2 lớn hơn so với lực cắt khi mài chi tiết 1. 2.3 Rung động khi mài tròn ngoài 2.3.1 Rung động khi mài tròn ngoài Rung động của một đối tượng là một trạng thái chuyển động qua lại của đối tượng đó quanh một vị trí cân bằng. Rung động bao gồm rung động cưỡng bức và rung động tự kích thích. 2.3.2 Phân tích ảnh hưởng của rung động đến độ nhám bề mặt chi tiết khi mài tròn ngoài Khi hệ thống công nghệ có rung động, độ sóng và độ nhấp nhô tế vi dọc sẽ tăng nếu lực cắt tăng và chế độ cắt tăng [14]. 2.4 Kết luận chương 2 Độ nhám bề mặt khi mài theo lý thuyết và thực nghiệm rất khác nhau và nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Cơ sở lý thuyết về mối quan hệ giữa một số đại lượng sẽ là những định hướng cho các vấn đề nghiên cứu thực nghiệm, là thông tin tiên nghiệm để thiết kế thực nghiệm và xây dựng bài toán tối ưu. CHƯƠNG 3 TRANG THIẾT BỊ, VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1 Sơ đồ mô hình thí nghiệm Máy mài tròn Đo độ cứng Đá mài Đo lực Chi tiết gia công Chế độ cắt Đo rung Đo độ nhám bề mặt Mô hình hóa số liệu thí nghiệm Tối ưu hóa thông số chế độ cắt Hình 3.1 Sơ đồ mô hình thí nghiệm 8 3.2 Trang thiết bị, vật liệu thí nghiệm 3.2.1 Máy mài tròn - Hãng sản xuất: MAGNUM CUT - Model: MEG - 1120. 3.2.2 Đá mài - Loại đá mài: Đá mài Hải Dương. - Dụng cụ sửa đá: Đầu sửa đá kim cương loại 3 hạt. 3.2.3 Chi tiết gia công - Vật liệu gia công: Sử dụng các loại thép hợp kim 40X, 65, 9XC, P18 nhiệt luyện đạt các độ cứng 40HRC, 50HRC và 60HRC. - Kích thước chi tiết: Đường kính Hình 3.3 Hình dạng và kích thước của phần gia công của các chi tiết là mẫu thí nghiệm đường kính 40mm 20mm, 30mm và 40mm. 3.2.4 Thiết bị đo độ cứng Các mẫu thí nghiệm sau khi nhiệt luyện sẽ được kiểm tra trên máy đo độ cứng Rockwell JHR- 45C hãng SINOWON, Hàn Quốc. 3.2.5 Thiết bị đo lực Thiết bị đo lực cắt thuộc đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ Công thương [8]. Trong quá trình mài lực dọc trục Px rất nhỏ nên chỉ xét hai thành phần Py và Pz: 1 4 3 2 Hình 3.4 Thiết bị đo lực trên máy mài tròn ngoài 1- Đá mài ; 2 - Chi tiết gia công ; 3 - Mũi tâm gắn cảm biến ; 4 - Tốc truyền mô men 3.2.6 Thiết bị đo rung Thiết bị đo rung của hãng Bruel&Kjaer, Đan Mạch: - Mô đun thu thập dữ liệu LAN-XI có 4 đầu vào và 2 đầu ra tần số đến 51.2kHz. - Mô đun phân tích PULSE FFT 7770, 1-3 kênh. 9 - Cảm biến gia tốc 3 phương TEDS Type 4525-B-001. Hình 3.8 Thiết bị đo rung động a) Cảm biến gia tốc 3 phương x, y, z; b) Gắn đồng thời cảm biến lực và cảm biến gia tốc trên máy mài; c) Hiển thị kết quả đo trên màn hình máy tính 3.2.7 Thiết bị đo độ nhám Sử dụng máy đo độ nhám Mitutoyo Surflest SJ-400 – Nhật Bản. Máy và các thiết bị đo đặt tại trường Đại học Công nghiệp Hà Nội 3.3 Phương pháp thực nghiệm Taguchi đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số Với rất nhiều thông số ảnh hưởng đến độ nhám, lực cắt và rung động, ta không thể điều khiển quá trình mài qua tất cả các thông số mà chỉ điều khiển được qua các thông số có ảnh hưởng chính. Để biết được những thông số nào ảnh hưởng chính đến hàm mục tiêu cần tiến hành đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số. Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số có thể dùng phân tích phương sai (ANOVA). Khác với phân tích ANOVA, phân tích Taguchi sử dụng sử dụng hệ số tín hiệu SN để đánh giá kết quả, giúp lựa chọn thông số tối ưu với độ phân tán nhỏ, phân tích này xét đến được nhiều yếu tố kể cả các yếu tố nhiễu. Tiến hành đo đồng thời lực cắt và rung động khi mài. Nếu kể đến ảnh hưởng của chế độ cắt và vật liệu gia công, ta có các hàm quan hệ như sau: P = f(Sd, nw, t, HRC, dw) (3.8) A = f(Sd, nw, t, HRC, dw) (3.9) Ra= f(Sd, nw, t, HRC, dw) (3.10) 3.3.1 Thiết kế thực nghiệm đo lực cắt a) Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số độ cứng vật liệu và đường kính chi tiết gia công đến lực cắt Lực cắt được đo trên thiết bị đo lực cắt 2 thành phần bằng phần mềm Dasy Lab 10.0. Tiến hành sửa đá trước mỗi thí nghiệm. 10 Thí nghiệm được tiến hành với thép hợp kim 9XC và kiểm nghiệm lại với các loại thép hợp kim: 40X, 65 và P18 nhiệt luyện đạt độ cứng 40, 50, 60HRC. Đường kính của chi tiết thí nghiệm với 3 mức là 20mm, 30mm, 40mm. Cố định chế độ cắt ở mức Sd = 0.5m/p; nw = 150v/p; t = 0.01mm [8]. Với 2 thông số đầu vào thay đổi với 3 mức thí nghiệm, chọn bảng trực giao Taguchi L9 như sau: Bảng 3.4 Bảng trực giao Taguchi L9 với các thông số thí nghiệm 1 2 3 4 5 6 7 8 Độ cứng HRC 40 40 40 50 50 50 60 60 Đường kính dw (mm) 20 30 40 20 30 40 20 30 9 60 40 TN Lần đo Py3(N) 15.46 16.34 17.15 16.90 17.88 19.12 20.05 20.55 Lần đo Pz1(N) Lần đo Pz2(N) Lần đo Pz3(N) 15.53 16.55 17.21 16.92 17.89 18.99 19.96 20.50 Lần đo Py2(N) 15.45 16.22 17.11 16.89 17.90 19.01 19.99 20.45 4.95 5.23 5.54 5.35 5.90 6.23 6.22 6.89 4.92 5.21 5.55 5.31 5.85 6.22 6.22 6.92 4.96 5.25 5.55 5.34 5.86 6.31 6.25 6.91 21.23 21.22 21.31 7.37 7.41 7.40 Lần đo Py1(N) Để xét ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào, sử dụng hệ số tín hiệu SN (Signal to noise ratio): Ni y2 (3.5) SNi  10log( u ) u 1 N i Bảng 3.5 Hệ số SNi tính toán cho lực Py và Pz Độ cứng Đường kính Py TN (HRC) dw (mm) Hệ số SNi 1 40 20 -23.7954 2 40 30 -24.2813 3 40 40 -24.6887 4 50 20 -24.5594 5 50 30 -25.0522 6 50 40 -25.5934 7 60 20 -26.0206 8 60 30 -26.2351 9 60 40 -26.5486 Pz Hệ số SNi -13.8804 -14.3701 -14.8806 -14.54 -15.3728 -15.9224 -15.8898 -16.7854 -17.3768 Hệ số SN được tính toán cho mỗi chỉ số và cấp độ như sau: SN P1,1  (SN1  SN2  SN3 ) SN  (SN4  SN5  SN6 ) SN P1,3 3 ( SN7  SN8  SN9 )  3 P1,2 3 SN P 2,1  ( SN1  SN 4  SN7 ) 3 11 SN P 2,2  ( SN 2  SN5  SN8 ) 3 SN P 2 , 3  ( SN3  SN 6  SN 9) Bảng 3.6 Hệ số SN tính toán 3 cho mỗi chỉ số và cấp độ của độ cứng và đường kính Py Mức Hệ số SN của Hệ số SN của Hệ số SN của độ độ cứng đường kính độ cứng 1 -24.2551 -24.7918 -14.3771 2 -25.0683 -25.1895 -15.2784 3 -26.2681 -25.6102 -16.684 R 2.013 0.8184 2.3069 Pz Hệ số SN của đường kính -14.7701 -15.5094 -16.06 1.2899 Với R = SNcao - SNthấp Dải R rộng hơn thì ảnh hưởng của các biến trong quá trình gia công cũng rộng hơn. Nguyên nhân là do sự thay đổi giống nhau trong tín hiệu gây ra ảnh hưởng rộng hơn ở đầu ra biến được đo. Như vậy có thể thấy rằng độ cứng vật liệu có ảnh hưởng nhiều hơn đường kính chi tiết gia công. Với Hình 3.15 Đồ thị lực cắt Py và Pz khi mài thép 40X (Sd = 0.5m/p; nw = 200v/p; t = 0.02mm) mức độ ảnh hưởng khá ít, thông số đường kính chi tiết gia công sẽ được coi là thông số không điểu khiển. Như vậy, với chi tiết gia công ta chỉ điều khiển thông số độ cứng của vật liệu. b) Đánh giá mức độ ảnh hưởng của chế độ cắt đến lực cắt Tiến hành đánh giá mức độ ảnh hưởng giống như cách làm trên tìm được các biến điều khiển chính là Sd và t. Như vậy cần xây dựng mô hình toán học: P = f(Sd, t, HRC). 3.3.2 Thiết kế thực nghiệm đo rung động a) Mô hình hóa rung động trên máy mài tròn ngoài Phương trình vi phân dao động: .. . M x  b x  Cx  Fsin(t  ) (3.7) Hình 3.17 Mô hình hóa rung động của hệ đá mài – chi tiết (nguồn [34]) 12 Nghiệm của phương trình vi phân là: xp(t) = Asin(t +  - ) (3.10) Để tránh hiện tượng cộng hưởng cần điều khiển lực cắt để tần số của lực kích động không trùng với tần số dao động riêng. Để xác định tần số dao động riêng của hệ trục chính, ta cho máy mài chạy không tải. Cảm biến gia tốc được gắn cho hai trường hợp trên trục đá mài và trục phôi để đo rung động trong trường hợp chạy không tải. Để xác định được phạm vi của dải tần số dao động riêng này có thể sử dụng một số phương pháp như: Thử bằng búa, thử bằng bộ rung hoặc dùng phân tích Modal. Sử dụng phân tích Modal được tích hợp trong phần mềm PULSE 17.0, dự đoán miền tần số dao động riêng của hệ trục chính nằm trong khoảng từ 0 đến 100Hz. Trong tài liệu [39] đã đưa ra dải tần số dao động riêng của trục đá nằm trong khoảng tử 0 đến 100Hz. [m/s²] 0.1 10m 1m 100u 10u Autospectrum(Y) - File (Real) \ FFT 0 1k 2k 3k [Hz] 4k 5k Cursor values X: 1.336k Hz Y: 4.504m m/s² Z: 3.333 s 6k Hình 3.18 Đồ thị rung động dạng phổ trong trường hợp chạy không Tiến hành đo rung động trong quá trình mài theo bảng thực nghiệm 3.10, đồ thị kết quả cho một thí nghiệm như hình 3.19. Trong dải tần số ≤ 100Hz, lựa chọn những đỉnh có biên độ gia tốc lớn nhất làm số liệu tính toán. [m/s²] 0.1 10m 1m 100u 10u 0 Autospectrum(X) - File (Real) \ FFT 2k 4k Cursor values X: 2.518k Hz Y: 1.989m m/s² Z: 0.332 s 6k [Hz] 4 Hình 3.19 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 Tiến hành đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số, ta được: A = f(Sd, nw, t) (3.16) 3.3.3 Thiết kế thực nghiệm đo độ nhám bề mặt 13 Ra = f(Sd, nw, t, HRC) (3.17) 3.4 Kết luận chương 3 Đưa ra một số mô hình thực nghiệm. Phân tích, lựa chọn các trang thiết bị, vật liệu thí nghiệm đáp ứng yêu cầu của các thí nghiệm. Sử dụng phương pháp Taguchi để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt và vật liệu gia công đến độ nhám bề mặt, đến lực cắt và rung động của quá trình mài tròn ngoài và đưa ra được các hàm phụ thuộc vào các thông số ảnh hưởng chính. Các hàm này sẽ là cơ sở để xây dựng các mô hình toán học ở chương 4. CHƯƠNG 4 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 Theo kết quả đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số ở chương 3, ta có thể xây dựng được hàm quan hệ như sau: Ra = f(Sd, nw, t, HRC) (4.1) 4.1.1 Thí nghiệm với thép 9XC Bảng 4.1 Điều kiện thí nghiệm Yếu tố Lượng chạy dao dọc Sd, m/p Tốc độ quay của chi tiết nw, v/p Chiều sâu cắt t, mm Độ cứng vật liệu gia công, HRC Mức trên +1 0.5 200 0.025 60 Các mức Mức cơ sở 0 0.4 150 0.015 50 Mức dưới -1 0.3 100 0.005 40 Khoảng biến thiên 0.1 50 0.01 10 Chọn phương án mô hình hóa bậc 1 rút gọn, 4 nhân tố, mỗi nhân tố thay đổi theo 2 mức. Như vậy số thí nghiệm cần thực hiện là N = 24 = 16 thí nghiệm [12, 13]. Mô hình toán học bậc 1 rút gọn có dạng: y = b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b4x4 (4.2) Trong đó: xi - là logarit cơ số e của các biến Sd, nw, t, HRC y - là logarit cơ số e của hàm độ nhám Ra. Hoặc có thể viết dưới dạng ma trận như sau: [X].[B]=[Y] (4.3) Trong đó: 14 1 1  1  1 1  1 1  1 X 1  1  1 1  1 1  1 1  1.203 4.605 5.298 0.693 4.605 5.298 1.203 5.298 5.298 0.693 5.298 5.298 1.203 4.605 3.912 0.693 4.605 3.912 1.203 5.298 3.912 0.693 5.298 3.912 1.203 4.605 5.298 0.693 4.605 5.298 1.203 5.298 5.298 0.693 5.298 5.298 1.203 4.605 3.912 0.693 4.605 3.912 1.203 5.298 3.912 0.693 5.298 3.912 3.688  3.688   3.688   3.688  3.688   3.688  3.688   3.688  4.094   4.094   4.094  4.094   4.094  4.094   4.094  4.094    1.273   1.171     1.050     0.968   0.635     0.528   0.462     0.400  Y  1.386     1.238     1.139    1.050     0.673   0.598     0.545   0.462    X là ma trận logarit cơ số e của Sd, nw, t và HRC Y là ma trận ln(Ra) theo bảng thực nghiệm 4.2, Ra là giá trị trung bình của độ nhám sau 3 lần đo. Bảng 4.2 Bảng quy hoạch các thông số thực nghiệm với thép 9XC ST T 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 X0 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 Thông số đầu vào Biến mã hóa Biến thực nghiệm Sd nw T X1 X2 X3 X4 (m/p) HRC (v/p) (mm) -1 -1 -1 -1 0.3 100 0.005 40 +1 -1 -1 -1 0.5 100 0.005 40 -1 +1 -1 -1 0.3 200 0.005 40 +1 +1 -1 -1 0.5 200 0.005 40 -1 -1 +1 -1 0.3 100 0.025 40 +1 -1 +1 -1 0.5 100 0.025 40 -1 +1 +1 -1 0.3 200 0.025 40 +1 +1 +1 -1 0.5 200 0.025 40 -1 -1 -1 +1 0.3 100 0.005 60 +1 -1 -1 +1 0.5 100 0.005 60 -1 +1 -1 +1 0.3 200 0.005 60 +1 +1 -1 +1 0.5 200 0.005 60 -1 -1 +1 +1 0.3 100 0.025 60 +1 -1 +1 +1 0.5 100 0.025 60 -1 +1 +1 +1 0.3 200 0.025 60 +1 +1 +1 +1 0.5 200 0.025 60 Ra Ln(Sd) Ln(nw) Ln(t)Ln(HRC) Ln(Ra) (µm) 0.28 0.31 0.35 0.38 0.53 0.59 0.63 0.67 0.25 0.29 0.32 0.35 0.51 0.55 0.58 0.63 -1.203 -0.693 -1.203 -0.693 -1.203 -0.693 -1.203 -0.693 -1.203 -0.693 -1.203 -0.693 -1.203 -0.693 -1.203 -0.693 4.605 4.605 5.298 5.298 4.605 4.605 5.298 5.298 4.605 4.605 5.298 5.298 4.605 4.605 5.298 5.298 -5.298 -5.298 -5.298 -5.298 -3.912 -3.912 -3.912 -3.912 -5.298 -5.298 -5.298 -5.298 -3.912 -3.912 -3.912 -3.912 3.688 3.688 3.688 3.688 3.688 3.688 3.688 3.688 4.094 4.094 4.094 4.094 4.094 4.094 4.094 4.094 Sử dụng phần mềm MATLAB lập trình và tính toán các kết quả như sau: Ra = 2.2347Sd0.1833nw 0.2572t0.4484 HRC-0.1860 (4.7) Đánh giá tính phù hợp của phương trình hồi quy Đánh giá tính phù hợp của phương trình hồi quy là đánh giá mô hình thu được mô tả thí nghiệm đúng hay chưa. -1.273 -1.171 -1.050 -0.968 -0.635 -0.528 -0.462 -0.400 -1.386 -1.238 -1.139 -1.050 -0.673 -0.598 -0.545 -0.462 15 Sử dụng chuẩn Fisher để so sánh: Ftính < Fbảng (P, k1, k2) Trong đó: k1 = N - n - 1 = 11; k2 = N(m - 1) = 32 Ftính = S2tt S2th (4.8) (4.9) N m (4.10) (yi yˆ tb )2  N  n  1 i1 n N m 1 Phương sai tái hiện: S2th  1  Si2   (yij  yi )2 N i1 N(m  1) i1 j1 Phương sai tương thích: S2tt  S2tt = 0.0042 ; S2th = 0.0104 Tra bảng theo chuẩn Fisher [4]: Ftính = 0.4014 < Fbảng (11, 32, 0.95)  2.1 Như vậy hàm hồi quy phù hợp với thực tế. 4.1.2 Thí nghiệm với thép 40X, 65 và P18 Tiến hành thí nghiệm với thép 40X, 65 và P18: Với thép 40X: Ra = 2.5098 Sd0.2017nw 0.2347t0.4355 HRC-0.1844 (4.12) Ftính = 0.5848 < Fbảng (11, 32, 0.95)  2.1 Với thép 65: Ra = 1.8515 Sd0.1453nw 0.2545t0.4337 HRC-0.1518 (4.13) Ftính = 1.393 < Fbảng (11, 32, 0.95)  2.1 Với thép P18: Ra = 2.2463Sd0.1559nw 0.2204t0.4277 HRC-0.1605 (4.14) Ftính = 1.797 < Fbảng (11, 32, 0.95)  2.1 4.1.3 Nhận xét Kết quả trong vùng khảo sát cho thấy độ nhám bề mặt khi mài tròn ngoài tỷ lệ thuận với các thông số chế độ cắt nhưng tỷ lệ nghịch với độ cứng vật liệu gia công, cho phép điều khiển độ nhám theo các thông số Sd, nw, t với các loại thép hợp có độ cứng khác nhau. So sánh với kết quả của công trình nghiên cứu về mài thép Cacbon [16] cho thấy quy luật phụ thuộc của độ nhám vào các thông số chế độ cắt là giống nhau, tuy nhiên mức độ ảnh hưởng thì tương đối khác nhau do bản chất cơ lý tính khác biệt của thép hợp kim. 4.2 Xây dựng mô hình toán học lực cắt Với thép 9XC: Py = 22.31Sd0.8608t0.3431HRC0.4712 (4.22) Pz = 6.887 Sd0.8623t0.3635HRC0.5315 (4.23) 16 Ftính = 1.17 < Fbảng (4, 16, 0.95) = 3.0 Hình 4.1 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa lực cắt P y, Pz với Sd và t khi mài thép 9XC được nhiệt luyện đạt độ cứng 40HRC Với thép 40X: Py = 28.663 Sd0.8682t0.3556HRC0.3739 (4.24) Pz = 10.837 Sd0.8133t0.3585HRC0.3918 (4.25) Ftính = 1.23 < Fbảng (4, 16, 0.95) = 3.0 Với thép 65: Py = 28.777 Sd0.8913t0.3763HRC0.3989 (4.26) 0.8412 0.3779 0.4096 Pz = 11.498 Sd t HRC (4.27) Ftính = 0.86 < Fbảng (4, 16, 0.95) = 3.0 Với thép P18: Py = 36.445 Sd0.9324t0.3507HRC0.3373 (4.28) Pz = 13.397 Sd0.8176t0.3655HRC0.3662 (4.29) Ftính = 1.13 < Fbảng (4, 16, 0.95) = 3.0. 4.2.3 Nhận xét Với các kết quả thí nghiệm, có thể thấy rằng lực cắt theo phương pháp tuyến Py lớn hơn nhiều so với lực cắt tiếp tuyến Pz. Lực cắt Py lớn là do mất năng lượng lớn để tách phoi khỏi chi tiết khi có sự sâm nhập của hạt mài. Như vậy nếu tăng chiều sâu cắt thì sự ngăn cản khả năng sâm nhập của các hạt mài vào bề mặt vật liệu tăng, gây ra hiện tượng trượt trên bề mặt, hiện tượng cắt không hết chiều sâu cắt và hiện tượng mòn đá, gãy vỡ hạt mài. Kết quả trong vùng khảo sát cho thấy lực cắt khi mài tròn ngoài không những phụ thuộc vào chế độ cắt mà còn phụ thuộc vào độ cứng vật liệu chi tiết gia công. Khi tăng độ cứng vật liệu gia công thì lực cắt tăng do khả năng sâm nhập của hạt mài vào chi tiết khó khăn hơn, khi tăng lượng chạy dao dọc và chiều sâu cắt thì lực cắt cũng tăng. 4.3 Xây dựng mô hình toán học rung động 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 17 Với thép 9XC: A = 0.9564Sd0.2980nw 0.2208t0.1717 (4.36) Ftính = 0.698 < Fbảng (4, 16, 0.95) = 3.0 Với thép 40X: A = 0.9555Sd0.3451nw0.2309t0.1696 (4.37) Ftính = 0.396 < Fbảng (4, 16, 0.95) = 3.0 Với thép 65: A = 0.8746Sd0.3309nw0.2226t0.1427 (4.38) Ftính = 0.974 < Fbảng (4, 16, 0.95) = 3.0 Với thép P18: A = 1.2409Sd0.3397nw0.1908t0.1809 (4.39) Ftính = 1.03 < Fbảng (4, 16, 0.95) = 3.0 4.3.3 Nhận xét Kết quả trong vùng khảo sát cho thấy rung động khi mài tròn ngoài tỷ lệ thuận với các thông số chế độ cắt. Các mô hình toán học xây dựng được sẽ cho phép điều khiển rung động theo các thông số Sd, nw, t. Ngoài ra, rung động phụ thuộc vào lực cắt. Khi mài cần điều khiển lực cắt để tránh xảy ra hiện tượng cộng hưởng, tức là tần số dao động riêng của lực kích thích bằng với tần số dao động riêng của trục đá hoặc trục phôi. 4.4 Kết luận chương 4 Đã xây dựng được các mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ thực nghiệm giữa độ nhám, lực cắt và rung động với các thông số chế độ cắt và vật liệu gia công. Kết quả này sẽ giúp xây dựng bài toán tối ưu hóa quá trình mài tròn ngoài các loại thép hợp kim nhằm đạt độ chính xác và nâng cao năng suất gia công, cho phép lựa chọn một chế độ cắt tối ưu khi gia công các loại thép hợp kim trên máy mài tròn ngoài. 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 Trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật luôn gắn liền với những bài toán tối ưu nhằm mục đích đạt được chất lượng sản phẩm tốt với chi phí thấp. Hay nói cách khác các bài toán tối ưu có thể được xem như bài toán tìm kiếm giải pháp tốt nhất trong không gian vô cùng lớn các giải pháp. Khi không gian tìm kiếm nhỏ thì các phương pháp 18 tối ưu hóa truyền thống cũng có thể thích hợp để giải (phương pháp tính trực tiếp, phuơng pháp đồ thị, phương pháp Lagrange v.v [10]). Tuy nhiên các phương pháp tối ưu truyền thống này thì không hiệu quả khi khoảng khảo sát quá rộng. Các thuật toán xây dựng trên cơ sở của các phương pháp này thì không đủ mạnh với số ràng buộc và số bước tối ưu quá phức tạp. Giải thuật di truyền (GA) là phương pháp phi truyền thống để giải bài toán tối ưu khi không gian tìm kiếm lớn. Nó khác với phương pháp truyền thống ở một số đặc điểm sau: - GA giải bài toán tối ưu bằng cách mã hóa thông số cài đặt, chứ không phải sử dụng chính các thông số đó để giải. - GA tìm kiếm từ quần thể của các cá thể (tức là duy trì và xử lý một tập các lời giải) chứ không phải từng cá thể đơn lẻ (tức là chỉ xử lý một điểm trong không gian tìm kiếm). Chính vì vậy GA mạnh hơn các phương pháp tìm kiếm khác rất nhiều. - GA thực hiện tiến trình tìm kiếm các lời giải tối ưu theo nhiều hướng bằng cách duy trì một quần thể các lời giải, thúc đẩy sự hình thành và trao đổi thông tin giữa các hướng này. Quần thể trải qua tiến trình tiến hóa, ở mỗi thế hệ lại tái sinh các lời giải tương đối tốt, trong khi các lời giải tương đối xấu thì mất đi. Để phân biệt các lời giải khác nhau, hàm mục tiêu được dùng để đóng vai trò môi trường [33]. Với những ưu điểm của GA như vậy nên tác giả lựa chọn GA giải bài toán tối ưu hóa quá trình mài tròn ngoài. 5.2 Giới thiệu giải thuật di truyền GA (Genetic Algorithm) giải bài toán tối ưu (nguồn: [11]) Giải thuật di truyền là kỹ thuật bắt chước sự chọn lọc tự nhiên và di truyền. Trong tự nhiên, các cá thể khỏe, có khả năng thích nghi tốt với môi trường sẽ được tái sinh và nhân bản trong các thế hệ sau. Các thuật ngữ sử dụng trong giải thuật di truyền được vay mượn từ các thuật ngữ của di truyền học. Trong giải thuật di truyền, mỗi cá thể được mã hóa bởi một cấu trúc dữ liệu mô tả cấu trúc gen của mỗi cá thể đó, gọi là nhiễm sắc thể. Mỗi nhiễm sắc thể được tạo thành từ các đơn vị gọi là gen. Giải thuật di truyền mô phỏng bốn quá trình cơ bản: lai ghép, đột biến, sinh sản và chọn lọc tự nhiên. 19 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 5.3.1 Khái niệm tối ưu hóa đa mục tiêu Vấn đề tối ưu với chỉ một hàm mục tiêu duy nhất đã được đề cập và giải quyết khá triệt để. Tuy nhiên trong thực tế có nhiều các quá trình kỹ thuật mà người thiết kế muốn để tối ưu hai hay nhiều mục tiêu đồng thời, được gọi là tối ưu hóa đa mục tiêu. Hàm đa mục tiêu được định nghĩa như sau [26]: Min hoặc Max f(x) = (f1(x), f2(x), ... , fk(x)) (5.4) Ràng buộc: hi(x) = 0; i = 1 đến p gj(x)  0; j = 1 đến m Trong đó: k là số hàm mục tiêu đơn p là số phương trình ràng buộc Quần thể ban đầu m là số bất phương trình ràng buộc Hàm chỉ tiêu Hàm độ nhám bóc tách vật liệu Ra f(x) là véc tơ k chiều Q’ của các hàm mục tiêu. 5.3.2 Hàm đa mục Hàm thích nghi tiêu và các ràng buộc Trong sơ đồ hình Các ràng buộc 5.1, quần thể ban đầu là các thông số đầu vào Giải thuật di truyền của quá trình, xét trong bài toán này bao gồm S các thông số chế độ cắt Số lần lặp và độ cứng của vật liệu gia công. Đ Hàm độ nhám Ra và Thông số tối ưu hàm chỉ tiêu bóc tách vật liệu Q' là các hàm Hình 5.1 Sơ đồ khối giải bài toán tối ưu mục tiêu đơn. đa mục tiêu quá trình mài tròn ngoài 20 Hàm thích nghi chính là hàm đa mục tiêu, là hàm của các hàm mục tiêu đơn. Các ràng buộc bao gồm ràng buộc hàm và ràng buộc biến, ràng buộc hàm xét trong bài toán này bao gồm ràng buộc hàm lực cắt và rung động, các biến ràng buộc là các thông số chế độ cắt và độ cứng vật liệu gia công. Các bước chọn lọc, lai ghép và đột biến là các bước thực hiện của giải thuật di truyền. Số lần lặp để tạo được cá thể tốt nhất trong số cá thể được lựa chọn và mục đích là đưa ra thông số tối ưu. a) Hàm đa mục tiêu Quá trình mài được chia thành mài thô và mài tinh. Với mài thô, thông thường mục tiêu năng suất lớn nhất được quan tâm trong khi vẫn duy trì một độ nhám bề mặt nhất định. Với mài tinh, mục tiêu là đạt được độ nhám bề mặt nhỏ nhất, nhưng vẫn phải đảm bảo năng suất gia công. Như vậy, quá trình mài cần thỏa mãn: - Nhỏ nhất về độ nhám bề mặt, Ra  Min - Lớn nhất về lượng bóc tách vật liệu Q'  Max Khi đó, có thể xây dựng được hàm đa mục tiêu theo phương pháp trọng số: M  w1. Ra Q'  w 2 . *  Min * Ra Q (5.6) - Hàm chỉ tiêu bóc tách vật liệu Q = vw.t.bs ; mm3/s (5.7) bs là chiều rộng đá mài, do chiều rộng đá mài không đổi nên ta sử dụng hàm chỉ tiêu bóc tách vật liệu như sau: Q’ = vw.t ; mm2/s (5.8) Hay Q' = d w n w t ; mm2/s 60 (5.10) Q* là giới hạn về chỉ tiêu bóc tách vật liệu (điều kiện Q'  Q*), với Q*  0.26mm2/s là giá trị khi thay điều kiện biên dưới của các biến vào phương trình (5.10). - Hàm độ nhám Hàm độ nhám được xây dựng trong chương 4.
- Xem thêm -