Luận án Nghiên cứu xác định chế độ mài hợp lý chi tiết trụ ngoài vuông thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay CNC

i BỘ CÔNG THƯƠNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ BÙI THANH HIỀN NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ MÀI HỢP LÝ CHI TIẾT TRỤ NGOÀI VUÔNG THÉP SKD11 BẰNG ĐÁ CBN TRÊN MÁY PHAY CNC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ HÀ NỘI - 2024 ii BỘ CÔNG THƯƠNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ BÙI THANH HIỀN NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ MÀI HỢP LÝ CHI TIẾT TRỤ NGOÀI VUÔNG THÉP SKD11 BẰNG ĐÁ CBN TRÊN MÁY PHAY CNC LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9520103 Xác nhận của Viện Nghiên cứu Cơ khí Giám đốc Trung tâm Đào tạo Người hướng dẫn 1 Người hướng dẫn 2 PGS.TS. Lê Thu Quý GS.TS. Vũ Ngọc Pi TS. Vũ Văn Khoa HÀ NỘI - 2024 iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án:"Nghiên cứu xác định chế độ mài hợp lý chi tiết trụ ngoài vuông thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay CNC" là công trình nghiên cứu của chính mình dưới sự hướng dẫn khoa học của tập thể hướng dẫn khoa học là GS.TS. Vũ Ngọc Pi và TS. Vũ Văn Khoa. Luận án sử dụng thông tin trích dẫn từ nhiều nguồn tham khảo khác nhau và các thông tin trích dẫn được ghi rõ nguồn gốc. Các kết quả nghiên cứu của tôi được công bố chung với các tác giả khác đã được sự nhất trí của đồng tác giả khi đưa vào luận án. Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác ngoài các công trình công bố của tác giả. Luận án được hoàn thành trong thời gian tôi làm nghiên cứu sinh tại Viện Nghiên cứu Cơ khí. Hà Nội, ngày tháng năm 2024. Tác giả luận án Bùi Thanh Hiền iv LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành Luận án Tiến sĩ này, ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự động viên và giúp đỡ rất lớn của nhiều thầy giáo, cô giáo và tập thể nghiên cứu khoa học. Trước tiên, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tập thể người hướng dẫn khoa học GS.TS. Vũ Ngọc Pi và TS. Vũ Văn Khoa, những người thầy đã tận tình hướng dẫn, định hướng nghiên cứu, đào tạo và chỉ bảo tôi trong suốt quá trình nghiên cứu. Tôi xin trân trọng cảm ơn lãnh đạo Viện Nghiên cứu Cơ khí và Trung tâm Đào tạo thuộc Viện Nghiên cứu Cơ khí cũng như Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí của Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận án. Để có được những kết quả như ngày hôm nay, tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của cán bộ, công nhân của Doanh nghiệp tư nhân Cơ khí chính xác Thái Hà, trung tâm Thí nghiệm thực hành khoa Cơ khí, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thành các công việc liên quan đến thí nghiệm, thực nghiệm và đo đạc. Tôi xin trân trọng cảm ơn sự hỗ trợ giúp đỡ của đồng nghiệp tại Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy và Robot, khoa Cơ khí, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã dành những điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận án của mình. Cuối cùng tôi gửi lời cảm ơn và biết ơn sâu sắc tới gia đình, những người đã luôn động viên, chia sẻ giúp đỡ tôi về mặt tinh thần trong suốt thời gian qua. Hà Nội, ngày tháng năm 2024. Tác giả luận án Bùi Thanh Hiền v MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .......................................................................... v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................... x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................... xi DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................... xiv MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MÀI VÀ MÀI BỀ MẶT TRỤ NGOÀI ĐỊNH HÌNH ................................................................................................................. 8 1.1. THÉP SKD11 VÀ VẬT LIỆU MÀI CBN ................................................ 8 1.1.1. Thép SKD11 ............................................................................................ 8 1.1.2. Hạt mài CBN và đá mài CBN ............................................................... 10 1.2. MÁY MÀI CNC VÀ MÁY PHAY CNC ................................................ 14 1.2.1. Máy mài CNC ....................................................................................... 14 1.2.2. Máy phay CNC ..................................................................................... 15 1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ................... 16 1.3.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ......................................................... 17 1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước .......................................................... 26 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ................................................................................ 28 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÀI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................................ 30 2.1. ĐẶC TRƯNG CỦA QUÁ TRÌNH MÀI ................................................. 30 2.1.1. Quá trình tạo phoi khi mài .................................................................... 30 2.1.2. Lực cắt trong quá trình mài ................................................................... 31 2.1.3. Lưỡi cắt trong quá trình mài ................................................................. 33 2.1.4. Chiều dài cung tiếp xúc giữa đá mài và phôi khi mài ........................... 34 2.1.5. Chiều dày cắt khi mài ............................................................................ 35 2.1.6. Đường kính tương đương ...................................................................... 35 2.1.7. Năng suất gia công ................................................................................ 35 2.2. MỘT SỐ THÔNG SỐ CỦA QUÁ TRÌNH MÀI .................................... 36 2.2.1. Mòn đá mài ........................................................................................... 36 vi 2.2.2. Tuổi bền đá mài ..................................................................................... 38 2.2.3. Nhám bề mặt khi mài ............................................................................ 38 2.3. SƠ ĐỒ NÂNG CAO HIỆU QUẢ QUÁ TRÌNH MÀI ............................ 40 2.4. ĐẶC ĐIỂM CỦA CHẾ ĐỘ MÀI BẰNG ĐÁ CBN TRÊN MÁY PHAY CNC ................................................................................................................. 41 2.5. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................. 42 2.5.1. Lựa chọn số lượng phương pháp MCDM ............................................. 42 2.5.2. Luận giải lý do chọn ba phương pháp MCDM cụ thể .......................... 44 2.5.3. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi..................................... 45 2.5.4. Phương pháp phân tích phương sai ANOVA ....................................... 47 2.5.5. Phương pháp TOPSIS ........................................................................... 49 2.5.6. Phương pháp MAIRCA ........................................................................ 51 2.5.7. Phương pháp EAMR ............................................................................. 52 2.5.8. Các phương pháp xác định trọng số ...................................................... 53 2.5.8.1. Phương pháp Entropy ......................................................................... 54 2.5.8.2. Phương pháp MEREC ........................................................................ 54 2.6. PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM .......................................... 55 2.6.1. Quá trình sửa đá .................................................................................... 55 2.6.2. Quá trình mài ......................................................................................... 56 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ................................................................................ 56 Chương 3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM VÀ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ SỬA ĐÁ HỢP LÝ ......................... 58 3.1. XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM .............................................. 58 3.1.1. Mục đích thí nghiệm ............................................................................. 58 3.1.2. Thiết bị thí nghiệm ................................................................................ 58 3.1.3. Sơ đồ thí nghiệm ................................................................................... 65 3.2. ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN QUÁ TRÌNH SỬA ĐÁ .......................................................................................................... 67 3.2.1. Lựa chọn thông số và điều kiện thí nghiệm .......................................... 68 vii 3.2.2. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ sửa đá đến nhám bề mặt ....... 70 3.2.3. Xác định bộ thông số sửa đá hợp lý ...................................................... 72 3.2.4. Tính toán dự đoán ................................................................................. 74 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ................................................................................ 75 Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ MÀI HỢP LÝ ........................................................................................................... 76 4.1. LỰA CHỌN THÔNG SỐ THÍ NGHIỆM MÀI ...................................... 76 4.2. CHẾ ĐỘ MÀI HỢP LÝ THEO CHỈ TIÊU NHÁM BỀ MẶT ................ 79 4.2.1. Mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến nhám bề mặt ...... 79 4.2.2. Chế độ mài hợp lý để nhám bề mặt nhỏ nhất........................................ 85 4.3. CHẾ ĐỘ MÀI HỢP LÝ THEO CHỈ TIÊU NĂNG SUẤT GIA CÔNG 87 4.3.1. Mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến năng suất gia công . 87 4.3.2. Chế độ mài hợp lý để năng suất gia công lớn nhất ............................... 90 4.4. CHẾ ĐỘ MÀI HỢP LÝ THEO ĐỒNG THỜI CHỈ TIÊU NHÁM BỀ MẶT VÀ NĂNG SUẤT GIA CÔNG ............................................................. 94 4.4.1. Kết quả giá trị trọng số .......................................................................... 94 4.4.2. Thông số mài hợp lý theo phương pháp TOPSIS ................................. 95 4.4.3. Thông số mài hợp lý theo phương pháp MAIRCA .............................. 97 4.4.4. Thông số mài hợp lý theo phương pháp EAMR ................................. 100 4.4.5. Thông số mài hợp lý để đạt đồng thời nhám nhỏ nhất và năng suất gia công lớn nhất ................................................................................................. 103 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 .............................................................................. 109 KẾT LUẬN CHUNG VÀ CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .... 111 1. Kết luận chung .......................................................................................... 111 2. Hướng nghiên cứu tiếp theo ...................................................................... 112 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ ........................................... 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 114 PHỤ LỤC ...................................................................................................... 120 viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị aed Chiều sâu cắt mm Rpm Tốc độ quay của đá vòng/phút Fe Bước tiến đá mm/phút d Đường kính đá mài mm DOE Thiết kế thí nghiệm Ra Giá trị nhám bề mặt m Ra1 Giá trị nhám bề mặt đo lần 1 m Ra2 Giá trị nhám bề mặt đo lần 2 m Ra3 Giá trị nhám bề mặt đo lần 3 m Ra̅̅ ̅ Giá trị nhám bề mặt trung bình m i Số thí nghiệm N Tổng số thí nghiệm CI Khoảng phân bố Em Giá trị tối ưu Ne Số lần lặp hiệu quả R Số lần lặp của thí nghiệm fe Bậc tư do của lỗi Ve Sai số trung bình của lỗi ix SS Tổng bình phương SSB Tổng bình phương của thông số B SSe Tổng bình phương các lỗi SST Tổng các bình phương S/N Tỉ số tín hiệu/nhiễu DOF Bậc tự do tpij Giá trị chuẩn hóa có tính đến trọng số theo phương pháp MAIRCA trij Giá trị chuẩn hóa theo phương pháp chuẩn hóa số liệu Weitendorf theo phương pháp MAIRCA g ij Hiệu giá trị chuẩn hóa của tiêu chí j ở phương án I theo phương pháp MAIRCA Q i Tổng các giá trị chuẩn hóa gij theo phương pháp MAIRCA nij Giá trị chuẩn hóa theo phương pháp EAMR x DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt ANOVA Analysis of Variance Phân tích phương sai CBN Cubic Boron Nitride Khối bo nitorat dạng lập phương CNC Computer Numerical Control Máy điều khiển số DLC Diamond-like carbon Cacbon có cấu trúc giống kim cương EAMR Evaluation by an Area based Method of Ranking Đánh giá theo phương pháp xếp hạng dựa trên khu vực HRC Hardness Rockwell C Độ cứng Rockwell MAIRCA Multi Attributive Ideal-Real Comparative Analysis Phân tích so sánh lý tưởng- thực tế đa thuộc tính MCDM Multi Criteria Decision Making Ra quyết định đa tiêu chí MEREC Method based on the Removal Effects of Criteria Phương pháp dựa trên tác dụng loại bỏ của tiêu chí MQL Minimum quantity lubrication Bôi trơn tối thiểu MRS Material removal Speed Năng suất gia công TOPSIS Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution Kỹ thuật sắp xếp thứ tự ưu tiên theo sự tương đồng với giải pháp lý tưởng WCJ Wheel cleaning jet Tia làm sạch đá mài xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1. Trục cam động cơ ô tô [1] ..................................................................... 1 Hình 2. Chày cối dập thép định hình [2] ............................................................ 2 Hình 3. Chày dập viên nén định hình ................................................................. 2 Hình 1.1. Các mặt phát triển của tinh thể CBN và hình thái hình học [18] ...... 10 Hình 1.2. Hình dáng hạt mài kim cương và hạt mài CBN [22] ........................ 12 Hình 1.3. Mài trục cam trên máy mài CNC [23].............................................. 15 Hình 1.4. Máy mài trục cam CNC [24] ............................................................ 15 Hình 1.5. Máy phay đứng CNC [7] ................................................................. 16 Hình 1.6. Đồ thị tương quan giữa tốc độ bóc tách riêng vật liệu với công suất mài và nhám bề mặt chi tiết [26]...................................................................... 18 Hình 1.7. Mài trục vít sử dụng đá mài CBN [27] ............................................. 19 Hình 1.8. Sơ đồ thí nghiệm [28] ...................................................................... 18 Hình 1.9. Mài bề mặt răng của bánh răng sử dụng đá mài CBN [29] .............. 20 Hình 1.10. Quan hệ nhiệt sinh ra khi mài với chiều sâu cắt [31] .................... 21 Hình 1.11. Quan hệ nhiệt khi mài với lượng chạy dao [31] ........................... 21 Hình 1.12. Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến mòn hướng kính khi mài bằng đá CBN [33] ............................................................................................ 23 Hình 1.13. Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến nhám bề mặt khi mài [33] ......................................................................................................................... 23 Hình 1.14. So sánh ảnh hưởng của các loại dung dịch bôi trơn khi mài [34] ... 24 Hình 1.15. Thí nghiệm mài trên máy phay NC (040-743) [35] ...................... 25 Hình 1.16. Nhám bề mặt cho các loại thép khác nhau [37] ............................ 26 Hình 2.1. Hình dạng hạt mài [42] .................................................................... 30 Hình 2.2. Sơ đồ quá trình tạo phoi khi mài [20] .............................................. 31 Hình 2.3. Lực cắt tác dụng lên hạt mài [11] ..................................................... 32 Hình 2.4. Lưỡi cắt động và lưỡi cắt tĩnh khi mài [20], [12] ............................. 33 Hình 2.5. Chiều dài cung tiếp xúc khi mài [43] ............................................... 34 Hình 2.6. Mòn đá mài [44] .............................................................................. 36 xii Hình 2.7. Mòn hạt mài [44] ............................................................................. 36 Hình 2.8. Trạng thái mòn của đá mài [12] ....................................................... 37 Hình 2.9. Nhám bề mặt khi mài [43] ............................................................... 39 Hình 2.10. Sơ đồ nâng cao hiệu quả của quá trình mài .................................... 41 Hình 3.1. Máy phay CNC dùng cho thí nghiệm .............................................. 58 Hình 3.2. Đá mài CBN dùng cho thí nghiệm ................................................... 60 Hình 3.3. Máy sửa đá dùng cho thí nghiệm ..................................................... 60 Hình 3.4. Mẫu thí nghiệm ................................................................................ 61 Hình 3.5. Máy đo nhám dùng cho thí nghiệm .................................................. 62 Hình 3.6. Cân điện tử dùng cho thí nghiệm ..................................................... 63 Hình 3.7. Kính hiển vi quang học dùng cho thí nghiệm .................................. 64 Hình 3.8. Panme đo kích thước ....................................................................... 64 Hình 3.9. Dưỡng đo bán kính .......................................................................... 65 Hình 3.10. Sơ đồ sửa đá mài trên máy phay CNC ........................................... 65 Hình 3.11. Quá trình sửa đá ............................................................................ 65 Hình 3.12. Sơ đồ mài trên máy phay CNC ...................................................... 66 Hình 3.13. Quá trình mài ................................................................................. 66 Hình 3.14. Mài công tua bề mặt trụ vuông ..................................................... 67 Hình 3.15. Thiết lập ma trận thí nghiệm .......................................................... 69 Hình 3.16. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến Ra ........................... 71 Hình 3.17. Đồ thị ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến tỷ số S/N của Ra ......................................................................................................................... 73 Hình 4.1. Đồ thị xu hướng ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến giá trị nhám trung bình khi mài ................................................................................. 82 Hình 4.2. Phần trăm ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến nhám bề mặt ......................................................................................................................... 83 Hình 4.3. Đồ thị ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến tỷ số S/N .......... 84 Hình 4.4. Đồ thị xu hướng ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến năng suất gia công .................................................................................................... 89 xiii Hình 4.5. Đồ thị xu hướng ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến tỉ số S/N của năng suất gia công qua các mức khảo sát.......................................... 91 Hình 4.6. Biểu đồ so sánh các phương pháp TOPSIS, MAIRCA, EAMR, ... 105 Hình 4.7. Ảnh bề mặt chi tiết gia công phóng to 500 lần ............................... 107 Hình 4.8. Hình ảnh bề mặt đá mài CBN d = 125 mm .................................... 108 Hình 4.9. Hình ảnh cấu trúc bề mặt đá CBN d = 125 mm ............................. 108 Hình 4.10. Kiểm tra kích thước mẫu thí nghiệm .......................................... 109 xiv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1. Các thông số công nghệ thí nghiệm sửa đá ...................................... 68 Bảng 3.2.