Đề tài Nghiên cứu khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh nghiêng trên bề mặt đá mài chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam khi mài phẳng vật liệu skd11 nhiệt luyện

i LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và hoàn thành luận án, 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 trân trọng cám ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn Gia công vật liệu và Dụng cụ công nghiệp, Viện Cơ khí, Viện Đào tạo Sau đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình dạy bảo trong suốt khóa học. Đặc biệt, xin trân trọng cảm ơn PGS. TS Nguyễn Thị Phương Giang và TS. Nguyễn Tiến Đông đã hướng dẫn và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án. Đồng thời, xin trân trọng cảm ơn các chuyên gia, các nhà khoa học đã đóng góp những ý kiến quý báu trong suốt quá trình tác giả thực hiện luận án. Ngoài ra, tác giả cũng xin cảm ơn sự giúp đỡ của Công ty Cổ phần máy Công nghiệp và Dụng cụ, Trung tâm Đo lường Quân đội về cơ sở vật chất và thiết bị trong quá trình thí nghiệm để hoàn thành luận án. Cuối cùng, tác giả xin chân thành 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 khóa học. ii 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 tác giả khác công bố. TM. TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Nguyễn Thị Phương Giang TÁC GIẢ Nguyễn Thị Phương iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN......................................................................................................................... i LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. ii MỤC LỤC ............................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.......................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................... x MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 Chương 1 ............................................................................................................................... 5 Tổng quan về mài phẳng và tình hình nghiên cứu nâng cao khả năng cắt của đá mài ......... 5 1.1 Tổng quan về mài phẳng ................................................................................................. 5 1.1.1 Giới thiệu về phương pháp mài .................................................................................... 5 1.1.2 Mài phẳng bằng đá mài mặt đầu ................................................................................... 5 1.1.3 Mài phẳng bằng đá mài hình trụ ................................................................................... 6 1.1.4 Đặc điểm của quá trình mài .......................................................................................... 7 1.2 Đặc tính vật liệu có độ cứng cao ..................................................................................... 7 1.3 Tình hình nghiên cứu về đá mài gián đoạn trên thế giới và trong nước .......................... 8 1.3.1 Nghiên cứu đá mài gián đoạn hay đá mài xẻ rãnh trên thế giới ................................... 8 1.3.2 Đá mài xẻ rãnh do Việt Nam đang nghiên cứu ......................................................... 10 1.4 Bài toán tối ưu tổng quát và tối ưu đa mục tiêu ............................................................ 12 1.4.1 Bài toán tối ưu tổng quát ............................................................................................ 12 1.4.2 Bài toán tối ưu đa mục tiêu ......................................................................................... 13 1.5 Quy hoạch tối ưu đa mục tiêu ........................................................................................ 13 1.5.1 Những khái niệm cơ bản của thiết kế thực nghiệm .................................................... 13 1.5.2 Các nguyên tắc cơ bản của thiết kế thực nghiệm ....................................................... 17 1.5.3 Các bước thiết kế thực nghiệm cực trị ........................................................................ 18 1.5.4 Khái niệm và nguyên tắc tiếp cận hệ thống công nghệ .............................................. 19 Kết luận chương 1 ............................................................................................................... 19 Chương 2 ............................................................................................................................. 20 Cơ sở lý thuyết của quá trình mài phẳng ............................................................................. 20 2.1 Các thông số công nghệ khi mài phẳng ......................................................................... 20 2.2.1 Máy mài phẳng ........................................................................................................... 20 2.3 Chất lượng chi tiết gia công ........................................................................................... 21 2.3.1 Độ nhám bề mặt chi tiết máy khi mài ......................................................................... 21 2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt chi tiết mài ............................................ 23 iv 2.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến sai số kích thước chi tiết gia công ................................... 25 2.4 Rung động khi mài phẳng .............................................................................................. 27 Kết luận chương 2 ............................................................................................................... 28 Chương 3 ............................................................................................................................. 30 Các chỉ tiêu và phương pháp đánh giá khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh khi mài phẳng .... 30 3.1 Quá trình nghiên cứu đánh giá khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh .................................. 30 3.2 Khả năng cắt của đá mài ................................................................................................ 31 3.3 Khái quát về các phương pháp đánh giá ....................................................................... 31 3.4 Cơ sở đánh giá khả năng cắt của đá mài........................................................................ 32 3.5 Chỉ tiêu đánh giá khả năng cắt của đá mài ................................................................... 32 a. Chỉ tiêu tỷ lệ mài .............................................................................................................. 32 b. Năng suất mài .................................................................................................................. 32 c. Thể tích vật liệu được bóc trên một đơn vị công suất ...................................................... 33 d. Khả năng cắt khi mài ....................................................................................................... 33 e. Đánh giá bằng năng lượng tiêu hao riêng của đá ............................................................. 34 f. Đánh giá bằng đặc tính cắt của đá .................................................................................... 34 3.6 Đánh giá khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh nghiêng chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam . 34 3.6.1 Đánh giá theo chỉ tiêu chất lượng chi tiết gia công .................................................... 35 a. Đánh giá theo sai lệch về kích thước chiều cao .............................................................. 35 c. Đánh giá theo sai lệch về độ song song ........................................................................... 35 d. Đánh giá theo độ nhám bề mặt bề mặt ........................................................................... 36 e. Đánh giá theo chỉ tiêu lực cắt .......................................................................................... 37 f. Đánh giá theo chỉ tiêu nhiệt cắt ........................................................................................ 41 3.7. Đánh giá theo chỉ tiêu năng suất ................................................................................... 42 3.8 Độ không đảm bảo đo 43 3.9 Đo nhám bề mặt bằng phương pháp tiếp xúc ................................................................ 43 3.10 Đo sai lệch về độ phẳng bề mặt trên máy đo tọa độ .................................................... 45 3.10.1. Khái niệm ................................................................................................................ 45 3.10.2 Các hệ tọa độ sử dụng trong máy đo CMM ............................................................. 45 3.10.3 Nguyên tắc xác định số điểm đo ............................................................................... 46 3.11 Đo sai lệch về kích thước theo chiều cao .................................................................... 47 3.12 Đo sai lệch về độ song song ........................................................................................ 47 3.13 Phương pháp đo lực sử dụng Loadcell ........................................................................ 48 3.13.1 Thiết bị đo nhiệt ........................................................................................................ 49 v 3.13.2 Cảm biến nhiệt điện ................................................................................................. 51 a. Nguyên lý cấu tạo, hoạt động của cảm biến nhiệt điện .................................................. 51 b. Đặc trưng chung độ nhạy nhiệt ........................................................................................ 51 3.13.3 Phương pháp đo điện áp cảm biến nhiệt điện ........................................................... 52 3.14 Phương pháp đo rung ................................................................................................... 53 Kết luận chương 3 ............................................................................................................... 54 Chương 4 ............................................................................................................................. 55 Thực nghiệm xác định ảnh hưởng của một số yếu tố đến năng suất và chất lượng bề mặt chi tiết gia công ................................................................................................................... 55 4.1 Khái quát về tổ chức thực nghiệm ................................................................................. 55 4.2 Thiết kế thực nghiệm ..................................................................................................... 55 4.2.1 Tình hình về thiết kế thực nghiệm trong chế tạo máy ở trên thế giới và trong nước . 55 4.2.2 Thiết kế thực nghiệm theo phương pháp Taguchi ...................................................... 56 4.2.3 Thiết kế ma trận trực giao ........................................................................................... 57 4.2.4 Phân tích số liệu thực nghiệm.................................................................................... 58 4.3 Phân tích phương sai ANOVA ...................................................................................... 59 4.3.1 Khái niệm về phân tích phương sai ........................................................................... 59 4.3.2 Phân tích phương sai .................................................................................................. 59 4.4 Thiết kế thực nghiệm theo phương pháp Taguchi mờ ................................................... 60 4.5 Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng các thông số Sd,t, Z đến sai lệch độ phẳng, độ nhám, lực cắt, nhiệt cắt, rung động và bóc tách vật liệu gia công .................................................. 60 4.5.1 Lựa chọn máy ............................................................................................................. 60 4.5.2 Đá mài ........................................................................................................................ 61 4.5.3 Lựa chọn vật liệu ........................................................................................................ 63 4.5.4 Lựa chọn chế độ công nghệ ........................................................................................ 64 4.5.5 Thiết kế ma trận thực nghiệm Taguchi ....................................................................... 64 4.6 Thực nghiệm đánh giá theo các chỉ tiêu riêng biệt ........................................................ 65 4.6.1 Chỉ tiêu sai lệch độ phẳng........................................................................................... 65 4.6.1.1 Tính toán kết quả thực nghiệm theo phương pháp Taguchi .................................... 65 4.6.1.2 Phân tích kết quả theo phương sai ANOVA ........................................................... 66 4.6.2 Chỉ tiêu độ nhám bề mặt ............................................................................................. 68 4.3.2.1 Tính toán kết quả thực nghiệm theo phương pháp Taguchi .................................... 68 4.3.2.2 Phân tích phương sai ANOVA ................................................................................ 69 4.6.3 Chỉ tiêu lực cắt ............................................................................................................ 72 vi 4.6.3.1 Tính toán kết quả thực nghiệm theo phương pháp Taguchi .................................... 73 4.6.3.2 Phân tích phương sai ANOVA ................................................................................ 73 4.6.4 Chỉ tiêu nhiệt sinh ra khi mài ..................................................................................... 75 4.6.4.1 Tính toán kết quả thực nghiệm theo phương pháp Taguchi .................................... 76 4.6.4.2 Phân tích phương sai ANOVA ............................................................................... 76 4.6.5 Chỉ tiêu rung động tạo ra khi mài ............................................................................... 79 4.6.5.1 Tính toán kết quả thực nghiệm theo phương pháp Taguchi .................................... 80 4.6.5.2. Phân tích phương sai ANOVA rung động .............................................................. 80 4.6.6 Chỉ tiêu năng suất gia công ........................................................................................ 83 4.6.6.1 Tính toán kết quả thực nghiệm theo phương pháp Taguchi .................................... 83 4.6.6.2 Phân tích phương sai ANOVA ............................................................................... 84 4.7 Thực nghiệm đánh giá theo chỉ tiêu tổng hợp ............................................................... 87 4.9 Đánh giá khả năng cắt của đá mài xẻ rãnh theo bài toán tối ưu đa mục tiêu................. 92 KẾT LUẬN CHUNG VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .................. 97 Kết luận chung ..................................................................................................................... 97 Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo .................................................................................... 98 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 102 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa Sd Bước tiến dao dọc t Chiều sâu cắt Z Số rãnh gián đoạn HRC Độ cứng TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam ГOCT Tiêu chuẩn Nga SAE Tiêu chuẩn Mỹ JIS Tiêu chuẩn Nhật o C Nhiệt độ J/kg.K Nhiệt dung riêng Ohm.mm 2 /m Điện trở suất N/mm 2 Môđun đàn hồi W/m.K Độ dẫn nhiệt kg/dm 3 Khối lượng riêng Mv2 Độ cứng đá: Cn Vật liệu hạt mài là ôxit nhôm điện thường G Chất dính kết là gốm. V6 Kiểu đá trụ, cạnh vuông. d Đường kính trong D Đường kính ngoài B Chiều rộng đá WxH Kích thước rãnh gián đoạn vw Vận tốc chi tiết vs Vận tốc đá Rt Độ cao nhấp nhô Ra Độ nhấp nhô trung bình L Khoảng cách giữa các hạt mài σbm Ứng suất dư lớp bề mặt Nc Công suất hiệu dụng vct Tốc độ chi tiết vđ Tốc độ đá h Chiều dày lớp vật liệu được cắt ra viii Vđ Thể tích đá mài bị hao mòn Vvl: Thể tích vật liệu được bóc khỏi chi tiết Qvl Năng suất mài QN Thể tích vật liệu được bóc trên một đơn vị công suất Nc Công suất cắt khi mài g Lượng tiêu hao riêng của đá Δ Độ phẳng l Chiều dài chuẩn. Ft: Lực mài tiếp tuyến Fn: Lực mài pháp tuyến Qcht Nhiệt truyền vào chi tiết Qda Nhiệt truyền vào đá Qbt Nhiệt truyền vào dung dịch trơn nguội Qphoi Nhiệt truyền vào phoi và các phế thải khi mài Qphs Nhiệt phát sáng  Hệ số dẫn nhiệt c Dung lượng riêng của nhiệt  Mật độ khối r Sai số quy tròn số đo của giá trị đo trung bình dã quy tròn; ir  Sai số quy tròn của phép đọc thứ i; mr  Sai số quy tròn của của giá trị đo trung bình. OA Ma trận trực giao S/N Tỷ lệ tín hiệu nhiễu n Số thí nghiệm lặp lại yi Giá trị sinh ra trong quá trình mài đối với một thí nghiệm. u Số lần thử nghiệm i Số thí nghiệm SST Tổng các sai lệch bình phương cho toàn bộ mẫu SSB Tổng các sai lệch bình phương giữa các nhóm: SSw Tổng các sai lệch bình phương trong mỗi nhóm MSw Sai lệch bình phương trung bình trong từng nhó MSB Sai lệch bình phương trung bình giữa các nhóm ix ξi(k) Hệ số xám γ Độ xám x DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Sơ đồ mài phẳng sử dụng mặt đầu đá 6 Hình 1.2 Sơ đồ mài phẳng bằng đá mài hình trụ 6 Hình 1.3 Đá mài gián đoạn với các thanh mài (a) hình lăng trụ (b) hình lục giác 9 Hình 1.4 Một số hình dạng cơ bản của đá mài (a) bàn cờ, so le, chéo, và hình V và (b) so le, chéo, đối xứng và song song;(c) có khoảng cách cắt chân (d) hình côn 9 Hình 1.5 Sự tạo thành áp lực chất làm mát trước vùng tiếp xúc trong quá trình mài cho các bánh mài tiêu chuẩn (trái) và có khe (phải) 10 Hình 1.6 Hình ảnh đá mài xẻ rãnh trên thế giới nghiên cứu 10 Hình 1.7 Hình dáng hình học đá mài xẻ rãnh 12 Hình 1.8 Hình ảnh đá mài xẻ rãnh thực do Việt Nam nghiên cứu 12 Hình 1.9 Sơ đồ đối tượng nghiên cứu 14 Hình 1.10 Sơ đồ đối tượng nghiên cứu với nhiễu e có tính cộng 14 Hình 2.1 Máy mài phẳng KENT 20 Hình 2.2 Sơ đồ các đại lượng trong quá trình mài phẳng 20 Hình 2.3 Sự hình thành độ nhám bề mặt mài 21 Hình 2.4 Ảnh SEM bề mặt mài 21 Hình 2.5 Mô hình bề mặt đá 22 Hình 2.6 Mô hình độ nhám lý tưởng bề mặt chi tiết 22 Hình 3.1 Sơ đồ quá trình thí nghiệm của luận án 30 Hình 3.2 Sai lệch độ phẳng bề mặt 35 Hình 3.3 Sai lệch độ song song bề mặt 35 Hình 3.4 Sai lệch số học trung bình prôphin Ra 36 Hình 3.5 Các thành phần lực cắt khi mài phẳng 37 Hình 3.6 Sơ đồ tính lực cắt giả định khi mài phẳng 38 Hình 3.7 Hình dạng của đá mài gián đoạn với tỷ lệ gián đoạn khác nhau [58] 40 Hình 3.8 Quan hệ giữa lượng tiến dao dọc với lực pháp tuyến (a) và lực tiếp tuyến (b) khi gia công bằng đá mài truyền thống và đá mài gián đoạn. Đá mài gián đoạn thực hiện khả năng giảm lực cắt trong quá trình gia công 44 Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý đo nhám theo phương pháp tiếp xúc bằng đầu dò 45 Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý của máy đo 3 tọa độ. 46 xi Hình 3.11 Các hệ tọa độ ba chiều được sử dụng trong máy đo tọa độ 47 Hình 3.12 Sơ đồ đo hai tiếp điểm 48 Hình 3.13 Thiết bị đo lực Futek MTA 400 48 Hình 3.14 Cấu tạo thiết bị đo lực loadcell 49 Hình 3.15 Các mạch điều khiển của cảm biến đo lực 49 Hình 3.16 Sơ đồ khối hệ thống đo nhiệt 50 Hình 3.17 Sơ đồ khối hệ thống đo phân bố nhiệt độ 51 Hình 3.18 Sơ đồ khối cảm biến nhiệt điện 51 Hình 3.19 Cấu tạo cặp nhiệt 51 Hình 3.20 Sơ đồ đo điện áp nhiệt điện (a) và mạch thay thế (b) 52 Hình 3.21 Sơ đồ hệ thống và phân tích đo rung động 53 Hình 4.1 Sơ đồ thiết kế thực nghiệm