Tài liệu Nghiên cứu xác định một số thông số của quá trình gia công khi mài vô tâm thép 20x thấm các bon nhằm cải thiện độ không tròn và độ nhám bề mặt

.. 2.12NGUYÊN ĐẠI HỌC THÁI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐỖ ĐỨC TRUNG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ CỦA QUÁ TRÌNH GIA CÔNG KHI MÀI VÔ TÂM THÉP 20X THẤM CÁC BON NHẰM CẢI THIỆN ĐỘ KHÔNG TRÒN VÀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN – NĂM 2016 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐỖ ĐỨC TRUNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 62.52.01.03 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ CỦA QUÁ TRÌNH GIA CÔNG KHI MÀI VÔ TÂM THÉP 20X THẤM CÁC BON NHẰM CẢI THIỆN ĐỘ KHÔNG TRÒN VÀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. PHAN BÙI KHÔI 2. TS. NGÔ CƯỜNG THÁI NGUYÊN – NĂM 2016 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CAM ĐOAN Tác giả của luận án này xin cam đoan: Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án (trừ những điểm được trích dẫn) là hoàn toàn do bản thân tự nghiên cứu, không sao chép của bất kỳ ai hay nguồn nào. Các bản vẽ, bảng biểu, kết quả đo đạc thí nghiệm và các kết quả tính toán (trừ những điểm được trích dẫn) đều được thực hiện nghiêm túc, trung thực, không chỉnh sửa và sao chép của bất kỳ nguồn nào. Nếu có điều gì sai trái, tác giả của bản luâ ̣n án xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày 8 tháng 9 năm 2016 Tác giả luận án Đỗ Đức Trung Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới PGS. TS. Phan Bùi Khôi và TS. Ngô Cường, những người thầy đã tận tình hướng dẫn và động viên tôi trong nhiều năm tháng học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể Khoa Cơ khí, các vị lãnh đạo và các Nhà Khoa học của Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên đã luôn quan tâm, giúp đỡ cũng như đóng góp các ý kiến để tôi hoàn thành luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu Trường Cao đẳng Kinh tế – Kỹ thuâ ̣t, cùng các phòng ban chức năng đã quan tâm và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các Nhà khoa học trong Hội đồng đánh giá luận án TS cấp cơ sở (PGS-TS. Phan Quang Thế; GS-TSKH. Bành Tiến Long; PGS-TS. Nguyễn Thị Phương Mai; PGS-TS. Nguyễn Quốc Tuấn; PGS-TS. Vũ Ngọc Pi; PGS-TS. Hoàng Vị; PGS-TS. Nguyễn Đình Mãn) đã góp ý thẳng thắn, chân thành để luận án được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn GS W Brian Rowe – Đại học Liverpool John Moores (Anh), cố GS Steven Malkin – Đại học Masachusetts (Mỹ), GS Yongbo Wu – Đại học Akita (Nhật Bản), GS Kang Kim – Đại học Kookmin (Hàn Quốc), GS Noyan Turkkan - Đại học Dé Moncton (Canada) đã cho tôi những ý kiến hết sức quí báu, cho tôi những tài liệu vô cùng quí giá và cho tôi rất nhiều động lực trong quá trình thực hiện luận án này. Từ đáy lòng mình, tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành tới Công ty Cổ phần Cơ khí Phổ Yên – Thái Nguyên (FOMECO) đã giúp đỡ tôi tiến hành thí nghiệm cho nội dung nghiên cứu của luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các Nhà khoa học, bạn bè đồng nghiệp và gia đình, đặc biệt là người vợ Nguyễn Thị Hằng và con trai Đỗ Đức Bảo đã luôn quan tâm, động viên giúp tôi vượt qua mọi khó khăn trong quá trình học tập và hoàn thành bản luận án này. Thái Nguyên, ngày 8 tháng 9 năm 2016 Tác giả luận án Đỗ Đức Trung Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iv MỤC LỤC NỘI DUNG PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài 2. Đối tượng nghiên cứu 3. Mục đích nghiên cứu 4. Nội dung nghiên cứu 5. Phạm vi nghiên cứu 6. Phương pháp nghiên cứu 7. Ý nghĩa của đề tài 7.1. Ý nghĩa khoa học 7.2. Ý nghĩa thực tiễn Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MÀI VÔ TÂM 1.1. Ưu - nhược điểm, phạm vi ứng dụng của phương pháp mài vô tâm 1.1.1. Ưu - nhược điểm 1.1.2. Phạm vi ứng dụng 1.2. Sơ đồ mài vô tâm chạy dao hướng kính 1.3. Một số thông số cơ bản của quá trình mài vô tâm chạy dao hướng kính 1.3.1. Góc cao tâm của chi tiết 1.3.2. Lượng chạy dao hướng kính 1.3.3. Vận tốc đá mài 1.3.4. Vận tốc chi tiết 1.3.5. Sửa đá mài 1.3.6. Sửa đá dẫn 1.3.7. Thanh tỳ 1.4. Một số dạng sai số khi mài vô tâm chạy dao hướng kính và các nguyên nhân chính 1.4.1. Sai số trên mặt cắt ngang 1.4.2. Sai số theo phương dọc trục 1.4.3. Khuyết tật trên bề mặt gia công 1.4.4. Kích thước đường kính không ổn định 1.5. Ảnh hưởng của một số yếu tố đến độ không tròn của bề mặt chi tiết 1.5.1. Xu hướng nghiên cứu về độ không tròn của bề mặt chi tiết 1.5.2. Ảnh hưởng của phương pháp sửa đá dẫn 1.5.3. Ảnh hưởng của độ chính xác biên dạng đá dẫn 1.5.4. Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ và thông số sửa đá Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Trang 1 1 3 3 3 4 4 6 6 6 7 7 7 7 8 9 9 10 10 11 11 11 13 13 13 15 16 17 18 18 19 20 20 v 1.6. Ảnh hưởng của một số yếu tố đến nhám bề mặt 1.6.1. Xu hướng nghiên cứu về nhám bề mặt 1.6.2. Ảnh hưởng của phương pháp mài và phương pháp sửa đá mài 1.6.3. Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ và thông số sửa đá 1.7. Xu hướng nghiên cứu về mô phỏng quá trình mài vô tâm 1.8. Tối ưu quá trình mài Kết luận chương 1 Chương 2. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH MÀI VÔ TÂM CHẠY DAO HƯỚNG KÍNH 2.1. Đặt vấn đề 2.2. Một số phương pháp mô phỏng quá trình mài vô tâm chạy dao hướng kính 2.2.1. Phương pháp mô phỏng của Rowe và Barash - một số ứng dụng 2.2.1.1. Phương pháp mô phỏng của Rowe và Barash 2.2.1.2. Một số nghiên cứu ứng dụng phương pháp mô phỏng của Rowe và Barash 2.2.2. Phương pháp mô phỏng của Krajnik và cộng sự 2.3. Mô phỏng dự đoán độ không tròn của bề mặt chi tiết khi mài vô tâm chạy dao hướng kính 2.3.1. Xác định mối quan hệ giữa αg, βG với các thông số hình học của hệ thống công nghệ 2.3.2. Phương pháp xác định độ không tròn 2.3.3. Xây dựng thuật toán 2.3.4. Các thông số đầu vào 2.3.5. Đánh giá độ chính xác của thuật toán và chương trình mô phỏng 2.3.6. So sánh với kết quả thực nghiệm Kết luận chương 2 Chương 3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM 3.1. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm 3.1.1. Chọn chỉ tiêu đánh giá 3.1.2. Chọn thông số đầu vào 3.1.3. Các yếu tố điều khiển được 3.1.4. Nhiễu khi mài vô tâm chạy dao hướng kính 3.2. Xây dựng hệ thống thí nghiệm 3.2.1. Yêu cầu chung đối với hệ thống thí nghiệm 3.2.2. Máy thí nghiệm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 25 25 26 26 29 30 31 33 33 33 33 33 39 41 47 48 49 49 54 56 60 64 65 65 66 66 68 69 69 69 70 vi 3.2.3. Mẫu thí nghiệm 3.2.4. Đá thí nghiệm 3.2.5. Sửa đá 3.2.6. Dung dịch trơn nguội 3.2.7. Thiết bị đo Kết luận chương 3 Chương 4. TỐI ƯU HÓA MỘT SỐ THÔNG SỐ KHI MÀI VÔ TÂM CHẠY DAO HƯỚNG KÍNH 4.1. Thí nghiệm tối ưu hóa 4.1.1. Thí nghiệm khởi đầu 4.1.1.1. Giá trị tại các mức của các biến khi thí nghiệm khởi đầu 4.1.1.2. Ma trận thí nghiệm khởi đầu 4.1.2. Thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu 4.1.2.1. Chọn kế hoạch thí nghiệm 4.1.2.2. Mô hình hồi qui thực nghiệm 4.1.2.3. Ma trận thí nghiệm hỗn hợp tâm xoay 4.2. Thí nghiệm theo kế hoạch hỗn hợp tâm xoay 4.2.1. Giá trị tại các mức của thông số thí nghiệm 4.2.2. Kết quả thí nghiệm 4.2.3. Phân tích kết quả 4.2.3.1. Phân tích mô hình độ không tròn 4.2.3.2. Phân tích mô hình nhám bề mặt 4.3. Tối ưu hóa 4.3.1. Thông số tối ưu 4.3.2. Ràng buộc 4.3.3. Thuật toán tối ưu 4.3.4. Mẫu thí nghiệm 4.3.5. Tối ưu hóa hàm mục tiêu Δ 4.3.5.1. Sử dụng thuật toán giảm gradient tổng quát 4.3.5.2. Sử dụng thuật toán di truyền 4.3.5.3. Thí nghiệm so sánh kết quả của các thuật toán tối ưu đối với hàm mục tiêu độ không tròn 4.3.6. Tối ưu hóa hàm mục tiêu Ra 4.3.6.1. Sử dụng thuật toán giảm gradient tổng quát 4.3.6.2. Sử dụng thuật toán di truyền 4.3.6.3. Thí nghiệm so sánh kết quả của các thuật toán tối ưu đối với hàm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 70 71 72 72 72 74 75 75 76 76 77 81 81 81 82 83 83 84 85 85 88 90 90 90 91 91 92 92 92 94 97 97 97 99 vii mục tiêu nhám bề mặt 4.3.7. Tối ưu đa mục tiêu 4.3.7.1. Sử dụng thuật toán giảm gradient tổng quát 4.3.7.2. Sử dụng thuật toán di truyền 4.3.7.3. Thí nghiệm so sánh kết quả của các thuật toán tối ưu đối với hàm đa mục tiêu Kết luận chương 4 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 102 102 103 104 109 111 113 115 130 viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị Độ không tròn µm  MP Độ không tròn khi mô phỏng µm TN Độ không tròn khi thí nghiệm µm Ra Sai lệch số học trung bình của profin - Độ nhám µm  Góc xoay của ụ đá dẫn trong mặt phẳng thẳng đứng Độ d dm rdm Đường kính, bán kính đá mài mm d dd , rdd Đường kính, bán kính đá dẫn mm dct , rct Đường kính, bán kính chi tiết mm h Chiều cao tâm chi tiết so với đường thẳng nối tâm đá mài và tâm đá dẫn mm  Góc nghiêng bề mặt thanh tỳ so với phương ngang Độ  Góc cao tâm của chi tiết Độ Sk Lượng chạy dao hướng kính S sd Lượng chạy dao dọc khi sửa đá mài mm/ph S sd* Lượng chạy dao dọc khi sửa đá dẫn mm/ph t sd Chiều sâu sửa đá mài mm t sd* Chiều sâu sửa đá dẫn mm vdm Vận tốc đá mài m/s vdd Vận tốc đá dẫn m/ph vct Vận tốc chi tiết m/ph hd Chiều cao gá đĩa sửa đá dẫn so với tâm đá dẫn mm d Góc xoay của thước sửa đá dẫn trong mặt phẳng song song với mặt phẳng tiếp tuyến của bề mặt đá dẫn tại điểm tiếp xúc giữa bề mặt đá dẫn và dụng cụ sửa đá Độ  Góc xác định vị trí tức thời của chi tiết gia công Độ g Góc hợp bởi pháp tuyến chung của bề mặt đá mài – bề mặt chi tiết và pháp tuyến chung của bề mặt thanh tỳ bề mặt chi tiết Độ  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn µm/s ix b , r Sai số trên bề mặt phôi mm Lb , Lr Lượng dịch chuyển tâm chi tiết theo phương vuông góc với bề mặt đá mài tại điểm tiếp xúc với bề mặt đá mài mm S k ( ) Quãng đường chạy dao hướng kính tính đến thời điểm chi tiết quay được góc  . mm R( ) Lượng giảm bán kính lý thuyết của chi tiết tại thời điểm chi tiết quay được góc  mm r( ) Lượng giảm bán kính thực tế của chi tiết tại thời điểm chi tiết quay được góc  mm M Hệ số đàn hồi của hệ thống công nghệ t dc Chiều sâu cắt điều chỉnh mm ttt Chiều sâu cắt thực tế mm az Lượng dư gia công (tính theo bán kính) mm Gn Mức độ ổn định hình học Độ lớn của vấu lồi hình thành trên bề mặt chi tiết mm xct , yct Lượng dịch tâm chi tiết mm xud (t ) Lượng dịch chuyển của ụ đá theo phương pháp tuyến với bề mặt chi tiết tại điểm tiếp xúc với bề mặt đá sau khoảng thời gian t mm Khối lượng của chi tiết kg Thành phần lực pháp tuyến trên bề mặt đá mài, đá dẫn và thanh tỳ tại điểm tiếp xúc với chi tiết N Thành phần lực tiếp tuyến trên bề mặt đá mài, đá dẫn và thanh tỳ tại điểm tiếp xúc với chi tiết N G Góc hợp bởi pháp tuyến chung của bề mặt đá mài – bề mặt chi tiết và pháp tuyến chung của bề mặt đá dẫn – bề mặt chi tiết Độ K dm , K dd , K tt Độ cứng đàn hồi của bề mặt đá mài, bề mặt đá dẫn và bề mặt thanh tỳ N/m cdm , cdd , ctt Hệ số giảm chấn của bề mặt đá mài, bề mặt đá dẫn và bề mặt thanh tỳ Ns/m  dm Hệ số ma sát giữa bề mặt chi tiết với bề mặt đá mài Arctn mct Fndm , Fndd , tt n F Ft dm , Ft dd , Ft tt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn x tt Hệ số ma sát giữa bề mặt chi tiết với bề mặt thanh tỳ dd Hệ số ma sát giữa bề mặt chi tiết với bề mặt đá dẫn  Mức ý nghĩa  Hệ số mạo hiểm P  value Giá trị xác suất CCD Central Composite Design - Dạng kế hoạch hỗn hợp tâm xoay RSM Response Surface Method – Phương pháp bề mặt chỉ tiêu GRG Generalized Reduced Gradient – Thuật toán giảm gradient tổng quát GA Genetic Algorithm – Thuật toán di truyền Mean Trung bình StDev Độ lệch chuẩn SE Mean Sai số chuẩn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn xi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TT Bảng số 1 1.1 Nội dung Giá trị  và  trong một số nghiên cứu 2 1.2 Giá trị S sd và  trong một số nghiên cứu 21 3 1.3 Giá trị S k và  trong một số nghiên cứu 22 4 1.4 Giá trị vdd và  trong một số nghiên cứu 22 5 1.5 Giá trị tối ưu của  trong một số nghiên cứu 23 6 1.6 Một số công thức hướng dẫn xác định h ,  23 7 1.7 Giá trị  và Ra trong một số nghiên cứu 27 8 1.8 Giá trị S sd và Ra trong một số nghiên cứu 27 9 1.9 Giá trị S k và Ra trong một số nghiên cứu 28 10 1.10 Giá trị vdd và Ra trong một số nghiên cứu 28 11 2.1 37 12 2.2 13 2.3 14 15 16 2.4 2.5 2.6 17 2.7 Giá tri ̣ M đươ ̣c lựa cho ̣n trong mô ̣t số nghiên cứu Các thông số đầu vào của chương trình mô phỏng theo phương pháp của Rowe và Barash Các thông số đầu vào của chương trình mô phỏng theo phương pháp của Krajnik và cộng sự Các thông số đầu vào của chương trình mô phỏng Giá trị các thông số đầu vào của chương trình mô phỏng Giá trị các thông số của đặc tính tiếp xúc Ảnh hưởng của  đến  khi thí nghiệm và khi mô phỏng 18 2.8 Ảnh hưởng của S k đến  khi thí nghiệm và khi mô phỏng 62 19 2.9 Ảnh hưởng của vdd đến  khi thí nghiệm và khi mô phỏng 63 20 3.1 71 21 4.1 22 23 4.2 4.3 24 4.4 25 4.5 26 4.6 Thành phần hóa học chính của mẫu thí nghiệm Giá trị của các thông số đầu vào tại các mức khi thí nghiệm khởi đầu Ma trận thí nghiệm khởi đầu Kết quả ma trận thí nghiệm khởi đầu Kết quả phân tích phương sai đối với  khi thí nghiệm khởi đầu Kết quả phân tích phương sai đối với Ra khi thí nghiệm khởi đầu Ma trận thí nghiệm CCD Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Trang 21 39 45 54 56 60 61 77 77 78 80 80 82 xii 27 4.7 28 4.8 29 4.9 30 4.10 31 4.11 32 4.12 33 34 4.13 4.14 Giá trị của các thông số đầu vào tại các mức khi thí nghiệm CCD Kết quả ma trận thí nghiệm CCD Thông tin mô hình hồi qui hàm mục tiêu  khi thí nghiệm CCD Kết quả phân tích phương sai hàm mục tiêu  khi thí nghiệm CCD Thông tin mô hình hồi qui hàm mục tiêu Ra khi thí nghiệm CCD Kết quả phân tích phương sai hàm mục tiêu Ra khi thí nghiệm CCD Giá trị các thông số khi tối ưu hàm mục tiêu  bằng GRG Giá trị các thông số khi tối ưu hàm mục tiêu  bằng GA 84 84 86 86 88 89 92 93 Giá trị tối ưu của các thông số  , S sd , S k , vdd và giá trị hàm mục tiêu  khi giải bài toán tối ưu bằng hai thuật toán GRG và GA Kết quả thí nghiệm đối với hàm mục tiêu  Thông tin so sánh Mean, StDev và SE-Mean hàm  của GA so với GRG 93 4.18 4.19 Giá trị các thông số khi tối ưu hàm mục tiêu Ra bằng GRG Giá trị các thông số khi tối ưu hàm mục tiêu Ra bằng GA Giá trị tối ưu của các thông số  , S sd , S k , vdd và giá trị 97 98 40 4.20 98 41 4.21 hàm mục tiêu Ra khi giải bài toán tối ưu bằng hai thuật toán GRG và GA Kết quả thí nghiệm đối với hàm mục tiêu Ra 42 4.22 43 44 35 4.15 36 4.16 37 4.17 38 39 95 96 99 4.23 Thông tin so sánh Mean, StDev và SE Mean hàm Ra của GA so với GRG Giá trị các thông số khi tối ưu hàm đa mục tiêu f ( x) bằng GRG 102 4.24 Giá trị các thông số khi tối ưu hàm đa mục tiêu f ( x) bằng GA 103 100 Giá trị tối ưu của các thông số  , S sd , S k , vdd và giá trị 45 46 4.25 4.26 hàm đa mục tiêu f ( x) khi giải bài toán tối ưu bằng hai thuật toán GRG và GA Kết quả mài thí nghiệm bộ thông số  , S sd , S k , vdd khi giải bài toán tối ưu hàm đa mục tiêu f ( x) theo thuật toán GRG Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 104 104 xiii 47 4.27 48 4.28 49 4.29 Kết quả mài thí nghiệm bộ thông số  , S sd , S k , vdd khi giải bài toán tối ưu hàm đa mục tiêu f ( x) theo thuật toán GA 105 Giá trị hàm đa mục tiêu f ( x) khi mài với bộ thông số tối ưu  , S sd , S k , vdd của hai thuật toán GRG và GA. Thông tin so sánh Mean, StDev và SE-Mean hàm f ( x) của thuật toán GRG và GA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 106 107 xiv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TT Hình số 1 1.1 2 1.2 3 1.3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 19 2.1 20 21 2.2 2.3 22 2.4 23 24 2.5 2.6 25 2.7 26 2.8 27 28 29 2.9 2.10 2.11 Nội dung Trang Một số dạng chi tiết gia công bằng phương pháp mài vô 7 tâm Sơ đồ mài vô tâm chạy dao hướng kính 8 Sơ đồ biểu thị góc cao tâm  9 Vị trí gá dụng cụ sửa đá dẫn Tiếp xúc giữa chi tiết và đá dẫn Độ không tròn Độ ô van Độ đa cạnh Độ côn Độ yên ngựa Độ tang trống Sai lệch số học trung bình của profin Ra Độ ổn định hình học Xu hướng nghiên cứu về độ không tròn của bề mặt chi tiết Sửa đá dẫn bằng đĩa kim cương Xu hướng nghiên cứu về độ nhám bề mặt của chi tiết Xu hướng nghiên cứu về mô phỏng quá trình mài vô tâm Xu hướng nghiên cứu về tối ưu quá trình mài vô tâm Mô hình xây dựng phương trình cơ sở cho chương trình mô phỏng Sự dich ̣ chuyển tâm chi tiết do phôi không chính xác Biểu đồ biểu diễn phương pháp mô phỏng Ảnh hưởng của  ,  đến  12 13 13 14 14 15 15 16 16 18 19 19 25 29 30 Sơ đồ phân tích động lực học chi tiết gia công Sơ đồ khối phương pháp mô phỏng của Krajnik và cộng sự Sơ đồ xác định  g và G 42 45 Mô hình quá trình mài vô tâm chạy dao hướng kính dạng tổng quát Thuật toán mô phỏng quá trình mài vô tâm chạy dao hướng kính Từng khối mô tả thuật toán trên hình 2.9 So sánh mức độ ổn định hình học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 34 34 38 40 48 49 51 52 57 xv 58 58 59 2.15 So sánh độ lớn vấu lồi hình thành trên bề mặt chi tiết So sánh lượng dịch chuyển tâm chi tiết So sánh hình dạng chi tiết Ảnh hưởng của  đến  khi thí nghiệm và khi mô phỏng 34 2.16 Ảnh hưởng của S k đến  khi thí nghiệm và khi mô phỏng 62 35 2.17 Ảnh hưởng của vdd đến  khi thí nghiệm và khi mô phỏng 63 36 37 38 39 40 41 42 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 4.1 4.2 65 71 72 73 74 93 96 43 4.3 44 4.4 45 4.5 Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm Mẫu thí nghiệm Thước đo nồng độ dầu REF-511 Thiết bị đo độ không tròn Máy đo độ nhám SJ-401 Đồ thị hàm thích nghi của hàm mục tiêu  bằng thuật toán GA Đồ thị so sánh Mean hàm  của GA so với GRG Đồ thị hàm thích nghi của hàm mục tiêu Ra bằng thuật toán GA Đồ thị so sánh Mean hàm Ra của GA so với GRG Đồ thị hàm thích nghi của hàm đa mục tiêu f ( x) 46 4.6 30 31 32 2.12 2.13 2.14 33 Đồ thị so sánh Mean hàm f ( x) của hai thuật toán GRG và GA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 62 98 101 103 108 -1- PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong gia công cơ khí, mài vô tâm là một phương pháp được sử dụng phổ biến, phương pháp này có năng suất cao hơn nhiều lần so với mài có tâm nhờ thời gian gá đặt và tháo dỡ chi tiết ít; độ cứng vững của máy mài vô tâm cao hơn so với máy mài có tâm [17], [18], [79]. Khi mài vô tâm bề mặt trụ ngoài, chi tiết được định vị bằng chính bề mặt gia công nên có thể giảm bớt lượng dư gia công; có thể nâng cao chế độ mài (tốc độ chi tiết) và gia công được chi tiết có đường kính nhỏ với tỷ lệ chiều dài/đường kính (l / d ) lớn hơn so với phương pháp mài có tâm vì chi tiết được gá trên thanh tỳ và đá dẫn có độ cứng vững cao; nếu sử dụng đá có chiều dày lớn có thể giảm đáng kể số lần chạy dao dọc. Đối với phương pháp mài vô tâm chạy dao hướng kính, khi gia công bề mặt ngoài: có thể gia công các chi tiết dạng bậc, chi tiết dạng côn hoặc nhiều chi tiết đồng thời [18]. Ngoài ra, phương pháp này còn đang được sử dụng để gia công các chi tiết có hình dáng, kích thước nhất định mà đối với các phương pháp khác (tiện, mài tròn ngoài,…) khó thực hiện được như con đội xupap, piston, bi côn,… Cũng như các phương pháp gia công cắt gọt khác, chất lượng gia công tinh các bề mặt trụ bằng phương pháp mài được đánh giá qua nhiều thông số. Trong đó, độ không tròn và độ nhám của bề mặt chi tiết là hai trong số những thông số kỹ thuật quan trọng có ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của chi tiết [3], [18], [28], [29], [30], [84], [121]. Cơ chế hình thành độ không tròn, độ nhám của bề mặt chi tiết khi mài vô tâm thường phức tạp và phụ thuộc nhiều vào các yếu tố (chế độ cắt, chế độ sửa đá, công nghệ trơn nguội) và các yếu tố của hệ thống công nghệ (thông số hình học, độ cứng vững, đặc tính tiếp xúc,...) [18], [28], [29], [84], [121]. Hiện nay, tại nhiều cơ sở sản xuất khi điều khiển quá trình mài vô tâm vẫn chọn các thông số của quá trình gia công (thông số công nghệ, thông số sửa đá,…) theo kinh nghiệm của người thợ, theo phương pháp đo dò cắt thử hay sử dụng các thông số của quá trình gia công được chọn trong các bảng tra (phương pháp thống kê kinh nghiệm). Bên cạnh đó, việc điều chỉnh - lựa chọn giá trị của Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn -2- các thông số để gia công chi tiết có độ không tròn, độ nhám đạt giá trị nhỏ thường gặp nhiều khó khăn và tốn nhiều thời gian ngay cả đối với thợ có tay nghề cao [100]. Những lý do trên thường làm hạn chế việc cải thiện độ không tròn, độ nhám của bề mặt chi tiết; hạn chế việc nâng cao hiệu quả của quá trình mài vô tâm. Nếu xác định được giá trị các thông số của quá trình gia công để đảm bảo chi tiết có độ không tròn, độ nhám nhỏ sẽ giúp giảm thời gian điều chỉnh máy – thời gian gia công thử, góp phần nâng cao hiệu quả của quá trình mài. Ở Việt Nam, mài vô tâm được sử dụng nhiều trong lĩnh vực gia công tinh các sản phẩm của động cơ, ô tô, vòng bi, công nghệ dệt,…. Kết quả khảo sát 3 đơn vị sản xuất trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên tại thời điểm tháng 6/2013 bao gồm: Công ty TNHH MTV Diesel Sông Công Thái Nguyên, Công ty CP Cơ khí Phổ Yên và Công ty Cổ phần Phụ tùng máy số I cho thấy: các mặt hàng gia công bằng phương pháp mài vô tâm khá đa dạng; chỉ tính riêng chi phí cho lương công nhân đứng máy đã lên tới hàng tỷ đồng mỗi năm (phụ lục 1). Thép 20X thuộc loại thép hợp kim thấp được sử dụng rộng rãi trong ngành chế tạo máy. Loại thép này hiện đang được dùng phổ biến (ở trạng thái thấm các bon và tôi) để chế tạo một số loại chi tiết của động cơ, đồ định vị,… với phương pháp mài vô tâm được chọn để gia công tinh các bề mặt trụ yêu cầu độ chính xác cao. Chỉ tính riêng đối với sản phẩm con đội xupap của động cơ được chế tạo từ loại thép 20X thấm các bon: mỗi tháng cần tới 1500  2000 chiếc đối với mỗi loại động cơ, và là các sản phẩm đang được xuất khẩu đi nhiều nước như Indonesia, Srilanka, Hàn Quốc, Nhật Bản [19]. Còn đối với con đội xupap của loại động cơ Diesel RV125 phục vụ nhu cầu trong nước: mỗi năm, chỉ tính riêng Công ty TNHH MTV Diesel Sông Công Thái Nguyên đã sản xuất khoảng 96.000 chiếc từ loại thép 20X thấm các bon bằng phương pháp mài vô tâm chạy dao hướng kính (phụ lục 1). Mặc dù đã được nghiên cứu bởi nhiều Nhà khoa học, nhưng đến nay cho thấy vẫn còn nhiều vấn đề cần tiếp tục được nghiên cứu về mài vô tâm. Theo số liệu thống kê một số nghiên cứu về mài vô tâm được công bố từ năm 1964 đến 2015 (phụ lục 2) trên các tạp chí uy tín như: International Journal of Machine Tools & Manufacture, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn -3- Journal of Manufacturing Science and Engineering, CIRP Annals - Manufacturing Technology,.... cho thấy: - Số lượng các nghiên cứu về mài vô tâm được công bố trong các giai đoạn tăng dần theo thời gian và tăng rất nhanh trong những năm gần đây. Cụ thể: số lượng các nghiên cứu đã công bố tăng dần theo các giai đoạn 1964  1975; 1975  1985; 1985  1995; 1995  2005; 2005  2015. Riêng trong giai đoạn 2005  2015 số nghiên cứu về mài vô tâm được công bố chiếm tới 57% số nghiên cứu từ 1964 đến 2015. - Các công bố về mài vô tâm thường được thực hiện thông qua nghiên cứu mô hình hóa - mô phỏng, nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu tối ưu để tìm ra giá trị hợp lý (tối ưu) cho các thông số của quá trình gia công nhằm giảm thời gian điều chỉnh máy - thời gian gia công thử, giảm độ không tròn và độ nhám bề mặt chi tiết. Ở Việt Nam, thông qua việc tìm kiếm trên internet cho thấy: trên các tạp chí khoa học và công nghệ trong những năm gần đây, ngoài một số công bố của tác giả và cộng sự thì chưa thấy có nghiên cứu nào về mài vô tâm được công bố. Những đặc điểm nêu trên là định hướng cho việc chọn đề tài: “Nghiên cứu xác định một số thông số của quá trình gia công khi mài vô tâm thép 20X thấm các bon nhằm cải thiện độ không tròn và độ nhám bề mặt” 2. Đối tượng nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu công nghệ mài vô tâm chạy dao hướng kính với đối tượng thực nghiệm là loại thép 20X thấm các bon. 3. Mục đích nghiên cứu Mục đích của nghiên cứu là tìm ra phương pháp lựa chọn, điều chỉnh một số thông số của quá trình mài vô tâm chạy dao hướng kính nhằm: - Giảm thời gian điều chỉnh máy và thời gian gia công thử. - Giảm (cải thiện) độ không tròn của bề mặt chi tiết gia công. - Giảm (cải thiện) độ nhám của bề mặt chi tiết gia công. 4. Nội dung nghiên cứu Để đạt được những mục đích kể trên, nội dung nghiên cứu gồm: 1. Nghiên cứu tổng quan về mài vô tâm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn -4- 2. Nghiên cứu mô phỏng quá trình mài vô tâm trên cơ sở kế thừa một nghiên cứu trên thế giới để biểu diễn quan hệ giữa các thông số của quá trình mài với hình dạng hình học của sản phẩm. 3. Nghiên cứu thực nghiệm quá trình mài vô tâm chạy dao hướng kính. 4. Xây dựng mối quan hệ giữa một số thông số của quá trình mài với độ không tròn, độ nhám bề mặt. 5. Nghiên cứu các thuật toán để xác định giá trị tối ưu của một số thông số của quá trình mài vô tâm. 6. Nghiên cứu thực nghiệm để so sánh kết quả của các thuật toán tối ưu đã sử dụng. 5. Phạm vi nghiên cứu Trong điều kiện thực hiện luận án, phạm vi nghiên cứu được giới hạn như sau: - Nghiên cứu ưu điểm, nhược điểm, phạm vi ứng dụng của phương pháp mài vô tâm; một số thông số cơ bản của quá trình mài cũng như một số dạng sai hỏng thường gặp khi mài vô tâm chạy dao hướng kính; ảnh hưởng của một số thông số của quá trình gia công đến độ không tròn và độ nhám bề mặt. - Nghiên cứu một số công bố trên thế giới về mô phỏng quá trình mài vô tâm chạy dao hướng kính; cải thiện một trong số các công bố đó để xây dựng thuật toán cho việc dự đoán độ không tròn của bề mặt chi tiết. - Nghiên cứu mục đích của việc thí nghiệm; cơ sở và những yêu cầu đối với thông số đầu vào, thông số đầu ra khi nghiên cứu thực nghiệm; những yêu cầu cơ bản đối với hệ thống thí nghiệm và xây dựng hệ thống thí nghiệm. - Nghiên cứu tối ưu quá trình mài vô tâm thép 20X thấm các bon, bao gồm: thí nghiệm theo phương pháp bề mặt chỉ tiêu, xây dựng hàm hồi qui thể hiện mối quan hệ giữa độ không tròn và độ nhám bề mặt với một số thông số của quá trình gia công; ứng dụng một số thuật toán trong việc giải các bài toán tối ưu và so sánh kết quả của các thuật toán tối ưu đã sử dụng thông qua thực nghiệm. 6. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình mài vô tâm và các kết quả nghiên cứu về mài vô tâm đã được công bố để xác định hướng nghiên cứu về phương pháp mài vô tâm đang được các nhà khoa học quan tâm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn