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

2.12
BỘ GIÁO DỤC
VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

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


i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

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


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 luận án xin hoàn toàn chịu trách
nhiệm.

Thái Nguyên, ngày 8 tháng 7 năm 2016
Tác giả luận án

Đỗ Đức Trung

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 thuật, 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 7 năm 2016
Tác giả luận án

Đỗ Đức Trung


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. Phương pháp nghiên cứu
6. Ý nghĩa của đề tài
6.1. Ý nghĩa khoa học
6.2. 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
1.6. Ảnh hưởng của một số yếu tố đến nhám bề mặt

Trang
1
1
3
3
3
4
5
5
6
7
7
7
7
8

9
9
10
10
11
11
11
13
13
13
15
16
17
18
18
19
20
20
25


v

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
3.2.3. Mẫu thí nghiệm

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

70


vi

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 CCD
4.2. Thí nghiệm theo kế hoạch CCD
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 GRG
4.3.5.2. Sử dụng thuật toán GA
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 GRG
4.3.6.2. Sử dụng thuật toán GA
4.3.6.3. Thí nghiệm so sánh kết quả của các thuật toán tối ưu đối với hàm
mục tiêu nhám bề mặt

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

4.3.7. Tối ưu đa mục tiêu
4.3.7.1. Sử dụng thuật toán GRG
4.3.7.2. Sử dụng thuật toán GA
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

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

d ct , 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

tsd

Chiều sâu sửa đá mài

mm

tsd*

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



µm/s


ix

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

tdc

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

b , r

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

Arctn

mct
Fndm , Fndd ,
tt
n

F

Ft dm , Ft dd ,
Ft

tt

dm

Hệ số ma sát giữa bề mặt chi tiết với bề mặt đá mài

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


xi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
TT Bảng số
1

1.1

Nội dung
Giá trị  và  trong một số nghiên cứu

Trang

2

1.2

Giá trị S sd và  trong một số nghiên cứu

21

3

1.3

Giá trị Sk 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 Sk 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 trị M được lựa chọn trong một 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 Sk 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

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 , Sk , vdd và giá trị
35

4.15

36

4.16

37

4.17

38
39

4.18
4.19

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
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

93

95
96
97
98

Giá trị tối ưu của các thông số  , S sd , Sk , vdd và giá trị
40

4.20

41

4.21

42

4.22

43
44

98

4.23

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
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

99
100

Giá trị tối ưu của các thông số  , S sd , Sk , vdd và giá trị
45

4.25

hàm đa mục tiêu f ( x) khi giải bài toán tối ưu bằng hai

104

thuật toán GRG và GA
46

4.26

Kết quả mài thí nghiệm bộ thông số  , S sd , Sk , vdd khi giải
bài toán tối ưu hàm đa mục tiêu f ( x) theo thuật toán GRG

104


xiii

47

4.27

48

4.28

49

4.29

Kết quả mài thí nghiệm bộ thông số  , S sd , Sk , vdd khi giải
bài toán tối ưu hàm đa mục tiêu f ( x) theo thuật toán GA
Giá trị hàm đa mục tiêu f ( x) khi mài với bộ thông số tối
ưu  , S sd , Sk , 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

105
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 dịch 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

34
34
38
40

48
49
51

52
57


xv

30
31
32

2.12
2.13
2.14

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

33
34

2.16

Ảnh hưởng của Sk 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

Đồ thị so sánh Mean hàm f ( x) của hai thuật toán GRG và
GA

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


-2-

pháp thống kê kinh nghiệm). Bên cạnh đó, việc điều chỉnh - lựa chọn giá trị của
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,


-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:


-4-

1. Nghiên cứu tổng quan về mài vô tâm.
2. Nghiên cứu mô phỏng quá trình mài vô tâm 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. 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.
Phân tích những vấn đề còn phải tiếp tục nghiên cứu, từ đó xác định được đối
tượng, mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của luận án.
- Nghiên cứu mô phỏng: Nghiên cứu mô hình hóa - mô phỏng quá trình mài
và một số phương pháp mô phỏng quá trình mài vô tâm chạy dao hướng kính đã
được công bố trên những tạp chí Quốc tế có uy tín cao, được nhiều nhà khoa học
tham khảo. Phân tích những phương pháp mô phỏng đó để xác định những vấn đề
còn phải tiếp tục nghiên cứu. Từ đó tiến hành nghiên cứu xây dựng thuật toán và
viết chương trình mô phỏng để dự đoán độ không tròn của bề mặt chi tiết khi mài
vô tâm chạy dao hướng kính; đánh giá độ chính xác của thuật toán thông qua việc
so sánh với một thuật toán đã được công bố trong một tạp chí Quốc tế có uy tín
thuộc nhóm ISI, IF = 3.35 (International Journal of Mechine Tools & Manufacture
– ELSEVIER) và so sánh với kết quả khi thí nghiệm của tác giả. Sau đó sử dụng
chương trình mô phỏng để định hướng cho nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu
tối ưu quá trình mài.


-5-

- Nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu cơ sở khoa học và tiến trình của quá

trình thực nghiệm; xây dựng và sử dụng hệ thống thí nghiệm là những thiết bị hiện
đại đã được kiểm tra định kỳ bởi các tổ chức uy tín (phụ lục 3), gắn liền với thực tế
sản xuất; phương pháp quy hoạch thực nghiệm khoa học (theo một số tài liệu, trong
đó có những tài liệu đã và đang được nhiều nhà khoa học tham khảo khi nghiên cứu
thực nghiệm [4], [13]); kết hợp với phần mềm xử lý số liệu chuyên dùng (Minitab)
để phân tích số liệu và xây dựng các phương trình hồi qui làm cơ sở cho việc điều
khiển và tối ưu quá trình mài.
- Nghiên cứu tối ưu: Nghiên cứu và sử dụng thuật toán truyền thống (thuật
toán giảm gradient tổng quát), thuật toán hiện đại (thuật giải di truyền) đang được
nhiều nhà khoa học sử dụng; kết hợp với phần mềm của hãng Microsoft và chương
trình tiến hóa được viết bởi GS Noyan Turkkan (2001) [112] (Đại học Dé Moncton
- Canada) để giải các bài toán tối ưu; so sánh kết quả của các thuật toán tối ưu đã sử
dụng thông qua thực nghiệm.
6. Ý nghĩa của đề tài
6.1. Ý nghĩa khoa học
Đóng góp một số kết quả vào hướng nghiên cứu về mài vô tâm đã và đang
được các nhà khoa học quan tâm là Mô hình hóa - Mô phỏng, Tối ưu hóa và Điều
khiển quá trình mài:
1. Xây dựng được thuật toán và chương trình máy tính mô phỏng quá trình
mài vô tâm chạy dao hướng kính.
2. Xây dựng được phương pháp xác định thuận lợi các thông số hợp lý của
quá trình mài cho phép giảm thời gian điều chỉnh máy - thời gian gia công thử;
giảm độ không tròn của bề mặt chi tiết khi mài vô tâm chạy dao hướng kính.
3. Xây dựng mô hình độ không tròn, độ nhám của bề mặt chi tiết với một số
thông số của quá trình gia công làm cơ sở cho việc điều khiển hay tối ưu quá trình
mài.
4. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu mô phỏng,
nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu tối ưu quá trình mài được trình bày trong

-6-

luận án tạo cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu quá trình mài ứng với các điều kiện
khác nhau.
6.2. Ý nghĩa thực tiễn
1. Sử dụng thuật toán và chương trình mô phỏng cho phép đảm bảo và cải
thiện độ không tròn, độ nhám của bề mặt chi tiết gia công; giảm thời gian điều
chỉnh máy - thời gian gia công thử.
2. Tính gia công của vật liệu phụ thuộc nhiều vào thành phần hóa học của vật
liệu gia công. Do đó, những kết quả nghiên cứu khi mài tinh thép 20X thấm các
bon, ngoài việc được áp dụng để mài tinh thép 20X thấm các bon thì còn được dùng
để tham khảo khi mài vô tâm các loại vật liệu có thành phần hóa học lớp bề mặt gần
giống như thành phần hóa học của vật liệu lớp bề mặt thép 20X thấm các bon.
3. Việc áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất sẽ góp phần nâng
cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của quá trình mài vô tâm.


-7-

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
Trong gia công cơ khí nói chung và gia công bằng phương pháp mài nói
riêng, nếu kéo dài thời gian phụ, thời gian gá đặt - tháo dỡ chi tiết sẽ làm tăng chi
phí của quá trình gia công. Đối với phương pháp mài vô tâm bề mặt trụ ngoài, có ưu
điểm là không cần gia công lỗ tâm như một số phương pháp gia công khác (tiện,
mài có tâm,...), mà chi tiết được định vị bằng chính bề mặt gia công của nó. Điều
này làm giảm thời gian phụ, thời gian gá đặt - tháo dỡ chi tiết, đồng thời tránh được
sai số gia công do sai số của lỗ tâm gây ra. Ngoài ra mài vô tâm còn có ưu điểm: gia

công được chi tiết có đường kính nhỏ hơn so với phương pháp mài có tâm; không
cần cơ cấu kẹp chặt chi tiết khi gia công, sẽ tiết kiệm thời gian phụ, dễ tự động hóa
quá trình gia công.
Tuy nhiên, mài vô tâm còn một số nhược điểm sau [6], [17]:
- Điều chỉnh máy phức tạp.
- Khó có khả năng đảm bảo độ đồng tâm giữa các bậc trục.
- Khó mài những bề mặt gián đoạn.
1.1.2. Phạm vi ứng dụng

Hình 1.1. Một số dạng chi tiết gia công bằng phương pháp mài vô tâm [67]


-8-

Các sản phẩm thường được ứng dụng công nghệ mài vô tâm có hình dáng,
kích thước rất đa dạng như: các chi tiết của ngành công nghệ ô tô, vòng bi, một số chi
tiết của động cơ, đồ định vị, một số chi tiết trong ngành công nghệ dệt,.... (hình 1.1).
1.2. Sơ đồ mài vô tâm chạy dao hướng kính
Khi gia công bề mặt trụ ngoài bằng phương pháp mài vô tâm chạy dao
hướng kính: vị trí của chi tiết gia công nằm ở giữa đá mài, thanh tỳ, đá dẫn và cữ
chặn, những thành phần này quyết định tốc độ quay của chi tiết gia công. Đối với đa
số các máy mài vô tâm khi thực hiện mài chạy dao hướng kính: đá dẫn, chi tiết,
thanh tỳ và cữ chặn sẽ tiến về phía tâm đá mài trong quá trình mài. Đồng thời để
định vị chi tiết được chắc chắn theo hướng dọc trục thì cần phải tạo ra lực kẹp bằng
cách xoay đá dẫn trong mặt phẳng thẳng đứng một góc  khoảng 0, 50 [16], [18],
[79]. Sơ đồ mài vô tâm chạy dao hướng kính bề mặt trụ ngoài được trình bày trong
hình 1.2.

Hình 1.2. Sơ đồ mài vô tâm chạy dao hướng kính

-9-

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
Góc cao tâm  là góc hợp bởi hai tiếp tuyến của bề mặt chi tiết tại điểm tiểm
xúc giữa bề mặt chi tiết với bề mặt đá mài và bề mặt đá dẫn. Sử dụng  để mô tả vị
trí của chi tiết gia công trong hệ thống công nghệ (hình 1.3).

Hình 1.3. Sơ đồ biểu thị góc cao tâm 
Mối quan hệ giữa  với một số thông số hình học của hệ thống công nghệ
được thể hiện trong biểu thức sau [3]:


h
 rdm  rct

  arcsin 


 h 
  arcsin 


 rdd  rct 

 A  rct  H
 arcsin 
 rdm  rct


 A  rct  H 
  arcsin 


 rdd  rct 

(1.1)

Trong đó:
 - Góc cao tâm của chi tiết.
h - Chiều cao tâm chi tiết, là khoảng cách từ tâm chi tiết đến đường thẳng

nối tâm đá mài và tâm đá dẫn.
rdm - Bán kính đá mài.