Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số chế độ cắt và đặc trưng của đá mài đến chất lượng bề mặt chi tiết khi mài hớt lưng

15 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ---------o0o--------- NGUYỄN HUY KIÊN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ CẮT VÀ ĐẶC TRƯNG CỦA ĐÁ MÀI ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT KHI MÀI HỚT LƯNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - Năm 2023 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ---------o0o--------- NGUYỄN HUY KIÊN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ CẮT VÀ ĐẶC TRƯNG CỦA ĐÁ MÀI ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT KHI MÀI HỚT LƯNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9.52.01.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. PHẠM VĂN ĐÔNG PGS.TS. TRẦN VỆ QUỐC Hà Nội - Năm 2023 i LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn tập thể các Thầy hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Đông và PGS.TS. Trần Vệ Quốc đã tận tình hướng dẫn và hỗ trợ nghiên cứu sinh trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án. Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa Cơ khí, Trung tâm Đào tạo Sau đại học, Phòng KH&CN, Phòng Đào tạo, Phòng Tổ chức – Hành chính, Trung tâm Cơ khí... - Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Công ty KEYENCE Việt Nam, Công ty CP Đá mài Hải Dương,... đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Trân trọng cảm ơn tập thể các nhà khoa học lĩnh vực Cơ khí chế tạo máy tại Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Học Viện kỹ thuật Quân Sự, Viện nghiên cứu Cơ khí, Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, Trường Đại học Giao thông Vận tải,... đã giúp đỡ và hỗ trợ nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện luận án. Hà Nội, ngày 26 tháng 10 năm 2023 TÁC GIẢ LUẬN ÁN Nguyễn Huy Kiên ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Phạm Văn Đông và PGS.TS. Trần Vệ Quốc. Kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Các nội dung tham khảo từ các tài liệu đều được trích dẫn rõ ràng, đầy đủ và trung thực. Hà Nội, ngày 26 tháng 10 năm 2023 TÁC GIẢ LUẬN ÁN Nguyễn Huy Kiên iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. i LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ................................................................ vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ...................................................................... ix DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU ............................................................................xiii PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẶT CONG ACSIMET VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI MÀI ................................. 5 1.1. Tổng quan mặt cong Acsimet ................................................................................ 5 1.1.1. Đường cong Acsimet ......................................................................................... 5 1.1.2. Mặt cong Acsimet .............................................................................................. 5 1.1.2.1. Các dạng mặt cong Acsimet ............................................................................ 6 1.1.2.2. Ứng dụng của mặt cong có đường chuẩn Acsimet trong dụng cụ cắt ............... 6 1.1.2.3. Phương pháp và dụng cụ gia công mặt cong có đường chuẩn Acsimet ............ 7 1.2. Tổng quan về phương pháp gia công mài và chất lượng bề mặt khi mài .............. 14 1.2.1. Tổng quan về phương pháp gia công mài và mài mặt cong .............................. 14 1.2.1.1. Các phương pháp mài.................................................................................... 14 1.2.1.2. Nghiên cứu trong và ngoài nước về mài ........................................................ 15 1.2.2. Tổng quan về nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến chất lượng bề mặt khi mài .............................................................................................................. 18 1.1.2.1. Ảnh hưởng của một số thông số đến nhám bề mặt ......................................... 19 1.2.2.2. Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến mức độ thay đổi độ cứng bề mặt khi mài ....................................................................................................... 26 1.2.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến chiều dày lớp thay đổi độ cứng bề mặt khi mài .......................................................................................... 30 Kết luận Chương 1 ..................................................................................................... 31 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DAO PHAY HỚT LƯNG, QUÁ TRÌNH MÀI, PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM VÀ TỐI ƯU HÓA ............... 32 2.1. Cơ sở lý thuyết dao phay hớt lưng ....................................................................... 32 2.1.1. Đặc điểm về kết cấu của dao phay hớt lưng ...................................................... 32 2.1.2. Đường cong hớt lưng của răng dao phay .......................................................... 32 2.1.3. Dao phay bánh răng côn cong .......................................................................... 39 2.1.3.1. Phân loại dao phay bánh răng côn cong ......................................................... 39 2.1.3.2. Dao phay BRCC hệ Gleason ......................................................................... 40 2.2. Cơ sở lý thuyết quá trình mài .............................................................................. 44 2.2.1. Khái quát chung ............................................................................................... 44 iv 2.2.2. Đặc điểm của quá trình cắt khi mài .................................................................. 45 2.2.3. Một số hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình mài ........................................ 46 2.2.3.1. Quá trình tạo phoi khi mài ............................................................................. 46 2.2.3.2. Biến đổi cấu trúc lớp bề mặt .......................................................................... 46 2.2.3.3.Động học và động lực học quá trình mài ........................................................ 47 2.2.3.4. Nhiệt cắt khi mài ........................................................................................... 52 2.2.3.5. Công suất cắt khi mài .................................................................................... 54 2.2.3.6. Rung động khi mài ........................................................................................ 54 2.2.4. Đá mài ............................................................................................................. 54 2.2.4.1. Vật liệu hạt mài ............................................................................................. 54 2.2.4.2. Vật liệu chất dính kết .................................................................................... 55 2.2.4.3. Độ hạt của đá mài.......................................................................................... 55 2.2.4.4. Cấu trúc của đá mài ....................................................................................... 56 2.2.4.5. Độ cứng của đá mài ....................................................................................... 56 2.3. Một số thông số đặc trưng của chất lượng bề mặt khi mài ................................... 57 2.3.1. Khái quát chất lượng bề mặt gia công .............................................................. 57 2.3.2. Một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công ................................ 57 2.3.3. Phương pháp đảm bảo chất lượng bề mặt ........................................................ 58 2.3.3.1. Phương pháp đạt nhám bề mặt ...................................................................... 58 2.3.3.2. Phương pháp đạt độ cứng bề mặt................................................................... 58 2.3.4. Phương pháp đánh giá chất lượng bề mặt ......................................................... 59 2.3.4.1. Đánh giá nhám bề mặt ................................................................................... 59 2.3.4.2. Đánh giá mức độ thay đổi độ cứng và chiều dày lớp thay đổi độ cứng .......... 59 2.4. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm.................................................................. 60 2.4.1. Cơ sở lựa chọn dạng quy hoạch thực nghiệm ................................................... 60 2.4.2. Khái quát phương pháp Taguchi ...................................................................... 60 2.4.3. Phương pháp phân tích số liệu thực nghiệm ..................................................... 61 2.4.3.1. Phương pháp phân tích hệ số S/N .................................................................. 61 2.4.3.2. Phân tích giá trị hệ số Fisher (F) .................................................................... 62 2.4.3.3. Phương pháp phân tích sự thay đổi ................................................................ 62 2.4.3.4. Phương pháp tối ưu hóa ................................................................................ 63 2.4.3.5. Khoảng phân bố của trị số tối ưu ................................................................... 63 2.5. Phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu ................................................................... 65 2.5.1. Phương pháp TOPSIS ...................................................................................... 66 2.5.1.1. Các bước thực hiện khi sử dụng phương pháp TOPSIS ................................. 66 2.5.1.2. Các bước tính toán trọng số bằng phương pháp AHP .................................... 68 2.5.2. Phương pháp FUCA ......................................................................................... 69 2.5.3. Phương pháp MARCOS ................................................................................... 70 v Kết luận Chương 2 ..................................................................................................... 71 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MÀI HỚT LƯNG MẶT SAU RĂNG DAO PHAY BÁNH RĂNG CÔN CONG HỆ GLEASON ............................... 72 3.1. Mục tiêu và nội dung của nghiên cứu thực nghiệm ............................................. 72 3.1.1. Mục tiêu của nghiên cứu .................................................................................. 72 3.1.2. Nội dung của nghiên cứu.................................................................................. 72 3.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ................................................................ 72 3.2.1. Xây dựng mô hình nghiên cứu ......................................................................... 74 3.2.1.1. Mô hình nghiên cứu ...................................................................................... 74 3.2.1.2. Sơ đồ thực nghiệm ........................................................................................ 74 3.2.1.3. Chọn chỉ tiêu đánh giá ................................................................................... 75 3.2.1.4. Chọn thông số đầu vào .................................................................................. 75 3.2.1.5 Các yếu tố điều khiển được ............................................................................ 76 3.2.1.6. Nhiễu khi mài hớt lưng mặt cong Acsimet .................................................... 76 3.2.2. Xây dựng hệ thống thực nghiệm....................................................................... 77 3.2.2.1. Yêu cầu chung đối với hệ thống và điều kiện thực nghiệm, thiết bị đo .......... 77 3.2.2.2. Máy gia công dùng trong thực nghiệm .......................................................... 77 3.2.2.3. Dụng cụ cắt ................................................................................................... 79 3.2.2.3. Phôi thực nghiệm .......................................................................................... 81 3.2.2.5. Hệ thống thiết bị đo ....................................................................................... 86 3.3. Thiết kế thông số và xây dựng ma trận thực nghiệm ........................................... 90 3.3.1. Thiết kế thông số đầu vào................................................................................. 90 3.3.1.1. Thông số đá mài tinh ..................................................................................... 90 3.3.1.2. Thông số chế độ cắt....................................................................................... 91 3.3.1.3. Chế độ trơn nguội.......................................................................................... 92 3.3.2. Lựa chọn thông số đầu ra ................................................................................. 92 3.3.3. Thiết kế ma trận thực nghiệm ........................................................................... 92 3.3.4. Tiến hành thực nghiệm ..................................................................................... 93 3.4. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm ......................................................................... 94 3.4.1. Kết quả đo nhám bề mặt Ra .............................................................................. 94 3.4.2. Kết quả đo mức độ thay đổi độ cứng ∆H .......................................................... 95 3.4.3. Kết quả đo chiều dày lớp thay đổi độ cứng L ................................................. 97 Kết luận Chương 3 ..................................................................................................... 99 CHƯƠNG 4. ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT VÀ TỐI ƯU HÓA THÔNG SỐ KHI MÀI HỚT LƯNG 100 4.1. Ảnh hưởng của một số thông số đến chất lượng bề mặt khi mài ........................ 100 4.1.1. Đánh giá ảnh hưởng đến nhám bề mặt gia công ............................................. 100 4.1.1.1. Mức độ ảnh hưởng của một số thông số đến nhám bề mặt ........................... 100 vi 4.1.1.2. Xu hướng ảnh hưởng của một số thông số chính đến nhám ......................... 102 4.1.1.3. Ảnh hưởng tương tác của một số thông số đến nhám bề mặt ....................... 103 4.1.2. Đánh giá ảnh hưởng đến mức độ thay đổi độ cứng bề mặt gia công ∆H ......... 104 4.1.2.1. Ảnh hưởng của một số thông số đến mức độ thay đổi độ cứng .......................... 104 4.1.2.2. Xu hướng ảnh hưởng của một số thông số chính đến mức độ thay đổi độ cứng105 4.1.2.3. Ảnh hưởng tương tác của một số thông số đến mức độ thay đổi độ cứng ......... 106 4.1.3. Đánh giá ảnh hưởng đến chiều dày lớp thay đổi độ cứng ∆L .......................... 107 4.1.3.1. Mức độ ảnh hưởng của một số thông số đến chiều dày lớp thay đổi độ cứng ... 107 4.1.3.2. Xu hướng ảnh hưởng của một số thông số chính đến chiều dày lớp thay đổi độ cứng 108 4.1.3.3. Ảnh hưởng tương tác của một số thông số đến chiều dày lớp thay đổi độ cứng 110 4.2. Nghiên cứu bài toán tối ưu đơn mục tiêu ........................................................... 111 4.2.1. Xác định giá trị hợp lý theo chỉ tiêu nhám bề mặt gia công (Ra) ..................... 111 4.2.1.1. Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến S/N của Ra ......................... 111 4.2.1.2. Xác định giá trị hợp lý của Ra ...................................................................... 112 4.2.2. Xác định giá trị hợp lý của mức độ thay đổi độ cứng bề mặt ∆H .................... 113 4.2.2.1. Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến S/N của ∆H ....................... 113 4.2.2.2. Xác định giá trị hợp lý của ∆H .................................................................... 114 4.2.3. Xác định giá trị hợp lý của chiều dày lớp thay đổi độ cứng ∆L ...................... 115 4.2.3.1. Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến S/N của ∆L ........................ 115 4.2.3.2. Xác định giá trị hợp lý của ∆L ..................................................................... 116 4.3. Nghiên cứu tối ưu đa mục tiêu quá trình mài hớt lưng ....................................... 117 4.3.1. Đặt vấn đề ...................................................................................................... 117 4.3.2. Kết quả tối ưu bằng phương pháp TOPSIS kết hợp phân tích ANOVA .......... 117 4.3.2.1. Kết quả tối ưu bằng phương pháp TOPSIS .................................................. 117 4.3.2.2. Kết quả tối ưu bằng phân tích ANOVA ....................................................... 121 4.3.3. Kết quả tối ưu bằng phương pháp FUCA kết hợp phân tích ANOVA............. 123 4.3.3.1. Kết quả tối ưu bằng phương pháp FUCA .................................................... 123 4.3.3.2. Kết quả tối ưu bằng phân tích ANOVA ....................................................... 124 4.3.4 Kết quả tối ưu bằng phương pháp MARCOS kết hợp phân tích ANOVA ....... 126 4.3.4.1. Kết quả tối ưu bằng phương pháp MARCOS .............................................. 126 4.3.4.2. Kết quả tối ưu bằng phân tích ANOVA ....................................................... 128 4.3.5. Phân tích lựa chọn kết quả và phương pháp tối ưu ......................................... 131 Kết luận chương 4.................................................................................................... 133 KẾT LUẬN CHUNG .............................................................................................. 135 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO..................................................................... 136 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ............................ 137 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................. 138 vii DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TT Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị 1 G Độ hạt của đá mài 2 Hđ Độ cứng của đá mài 3 Vđ Vận tốc cắt của đá mài m/s 4 S Bước tiến m/ph 5 Vct Vận tốc chi tiết m/ph 6 t Chiều sâu cắt mm 7 nct Tốc độ quay của chi tiết Vòng/ph 8 nđc Tốc độ quay của động cơ Vòng/ph 9 Nđc Công suất động cơ kW 10 Ra Sai lệch profin trung bình của bề mặt chi tiết. m 11 Rz Chiều cao nhấp nhô trung bình của bề mặt chi tiết. m 12 H Mức độ thay đổi độ cứng HRC 13 L Chiều sâu thay đổi độ cứng µm 14 MV1 Mềm vừa 1 (độ cứng đá mài) 15 MV2 Mềm vừa 2 (độ cứng đá mài) 16 TB1 Trung bình 1 (độ cứng đá mài) 17 TB2 Trung bình 2 (độ cứng đá mài) 18 Dtb Đường kính trung bình của đầu dao mm 19 CBN Cubic Boron Nitride 20 HB Đơn vị đo độ cứng theo phương pháp Brinell 21 HRC Đơn vị đo độ cứng theo phương pháp Rockwell C 22 T Tuổi bền của dụng cụ theo thời gian phút 23 Fc Lực cắt tổng hợp N 24 Pc Công suất kW 25 Qc Năng lượng bóc tách vật liệu J 26 Fx Lực cắt theo phương x N 27 Fy Lực cắt theo phương y N 28 Fz Lực cắt theo phương z N 29 AFx Biên độ lực cắt theo phương x N 30 AFz Biên độ lực cắt theo phương z N viii TT Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị 31 Ax Biên độ rung động theo phương x µm 32 Ay Biên độ rung động theo phương y µm 33 Az Biên độ rung động theo phương z µm 34 Vhm Phần trăm thể tích của hạt mài % 35 CNC Bộ điều khiển số với sự hỗ trợ của máy tính (Computer Numerical Control) 36 QTGC Quá trình gia công 37 MQL Lưu lượng của dung dịch tưới nguội ở mức tối thiểu (Minimum quantity lubrication) 38  Góc sắc độ 39  Góc trước độ 40  Góc nâng đ