Báo cáo: Tối ưu hóa tham số công nghệ nâng cao chất lượng bề mặt khi phay cao tốc hợp kim nhôm 6061

TỐI ƯU HÓA THAM SỐ CÔNG NGHỆ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỀ
MẶT KHI PHAY CAO TỐC HỢP KIM NHÔM 6061
Đoàn Tất Khoa1,a , Nguyễn Văn Toàn1, Phạm Văn Hiệp1, Nguyễn Thị Thu Thủy2
1

Bộ môn Chế tạo máy, khoa Cơ khí, HVKTQS
2
Ban TCĐLCL, Phòng Kỹ thuật, HVKTQS
a


Tóm tắt
Đề tài nghiên cứu sự ảnh hưởng của một số tham số công nghệ khi gia công hợp
kim nhôm 6061 bằng phương pháp phay cao tốc. Sử dụng phương pháp quy hoạch thực
nghiệm, giải bài toán tối ưu hóa tìm ra bộ tham số công nghệ tối ưu để nâng cao chất
lượng bề mặt sản phẩm. Sử dụng bộ tham số tối ưu này gia công chi tiết cánh tuabin thủy
lực bằng hợp kim nhôm 6061 đã nâng cao được độ nhám bề mặt sản phẩm.
Từ khóa: Gia công cao tốc, hợp kim nhôm, tham số công nghệ tối ưu.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, hợp kim nhôm được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành công
nghiệp hàng không vũ trụ, công nghiệp, thiết bị y tế, quốc phòng... Phương pháp
gia công hợp kim nhôm trên thế giới cũng rất đa dạng nhưng áp dụng rộng rãi [15]. Tuy nhiên, do đặc tính độ dẻo cao nên gặp rất nhiều khó khăn trong gia công
cắt gọt, chất lượng bề mặt kém, độ nhám bề mặt thấp. Để nâng cao lượng bề mặt
khi gia công hợp kim nhôm đã có nhiều nghiên cứu quan trọng như ứng dụng công
nghệ gia công tốc độ cao, gia công khô, sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ
đến độ nhám bề mặt chi tiết....Các nghiên cứu này đều tập trung giải quyết bài toán
làm về nâng cao chất lượng bề mặt cho từng loại hợp kim nhôm cụ thể và đã đạt
được những kết quả quan trọng [6-10].
Đối với hợp kim nhôm 6061, là loại hợp kim nhôm được sử dụng rất phổ
biến hiện nay, để nâng cao chất lượng bề mặt khi phay là một yêu cầu rất quan

trọng và hết sức cần thiết. Đề tài sử dụng giải pháp công nghệ gia công tốc độ cao
trên máy phay CNC 5 trục, sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để giải
bài toán tối ưu tìm ra bộ tham số công nghệ tối ưu nâng cao chất lượng bề mặt sản
phẩm. Ứng dụng gia công chi tiết tuabin thủy lực bằng hợp kim nhôm 6061, là chi
tiết rất quan trọng trong ngành chế tạo máy.
2. THÍ NGHIỆM

1


2.1 Thiết bị và vật liệu thí nghiệm
2.1.1 Thiết bị thí nghiệm
Thí nghiệm được thực hiện trên máy phay CNC Spinner U5- 620 như hình 1
thể hiện. Thông số của máy như trong bảng 1 thể hiện.

Hình 1. Máy phay CNC Spinner U5- 620

Hình 2. Dụng cụ cắt

Bảng 1. Thông số kỹ thuật của máy phay CNC Spinner U5- 620
Hành trình
trục X-Y-Z
(mm)

Tốc độ trục
chính
(vòng/phút)

Công suất
động cơ trục

chính
(kW)

Số dao trên
đài dao
(chiếc)

620x520x46
0

12.000

11

32

Dụng cụ cắt: Thí nghiệm sử dụng dao phay cầu, ba me như hình 2 thể hiện, các
thông số dụng cụ cắt như trong bảng 2.
Bảng 2.Thông số của dụng cụ cắt
Thông số

Số lưỡi
cắt

Giá trị

2

Chiều dài
lưỡi cắt

(mm)
12

Chiều dài dao
(mm)

Độ cứng
(HRC)

90

60 ÷ 65

Thiết bị đo: Sử dụng máy đo độ nhám TR200.
− Vị trí đo: đầu dò đặt tại vị trí gia công trên bề mặt mẫu, dịch chuyển theo phương
của đường dao gia công;
− Mỗi vị trí đo 3 lần, lấy giá trị trung bình của ba lần đo;
− Cách thiết lập thông số đo cho máy đo độ nhám TR200 như sau:
2


−
−
−
−
−
−
−

Tham số độ nhám: Ra;

Độ phân giải hiển thị: 0,001 (µm);
Cutoff: 0,8 mm
LTH: 0,8x5 mm
STD: ISO
RAN: ± 40 µm
FIL: RC

Hình 3. Máy đo độ nhám TR200

2.1.2 Vật liệu thí nghiệm
Thí nghiệm sử dụng hợp kim nhôm 6061 có thành phần như trong bảng 3
thể hiện, các đặc tính về cơ tính như thể hiện trong bảng 4.
Bảng 3. Thành phần các nguyên tố hóa học trong hợp kim nhôm 6061
Nguyên
tố
% khối
lượng

Al

Si

Fe

95,85- 0,1- ≤0,3
98,56 0,8

Cu

Mn

Mg

Cr

0,10,4

≤0,1

0,6- 0,041,2 0,35

Zn

Ti

≤0,1

≤0,05

Nguyên
tố khác
0,050,1

Bảng 4. Đặc tính về cơ tính của hợp kim nhôm
Khối lượng
riêng
(g/cm3)
2,7

Độ cứng

(HB)
95

Modun đàn
hồi
(GPa)
68,9

Ứng suất
trượt
(Mpa)
207

Độ dẫn
nhiệt
(W/mK)
167

Nhiệt độ
nóng chảy
(°C)
582-652

2.2 Phương pháp thí nghiệm
Tiến hành thí nghiệm trên 3 tham số công nghệ. Dựa vào các thí nghiệm cơ
sở, ta xác định được các miền giá trị của các tham số công nghệ như trong bảng 5
Mô hình ban đầu
thể hiện.
Bảng 5. Miền giá trị các tham số công nghệ
Tham số

Giá trị

Số vòng quay trục
chính/ n
(vòng/phút)
10000- 11500

Tốc độ chạy dao/ vf
(mm/phút)

Chiều sâu cắt/ ap
(mm)

2000- 3000

0,2- 0,5

Theo phương pháp qui hoạch thực nghiệm ta có số thí nghiệm cần thực hiện là:
N= nk;
trong đó:
N: số thí nghiệm cần thực hiện.
n: Số lượng mức của các yếu tố.
3


k: số yếu tố ảnh hưởng.
Ở thí nghiệm này ta có n= 2; k=3. Vậy số thí nghiệm cần thực hiện là:
N= 23= 8 thí nghiệm.
Thực hiện qui hoạch trực giao cấp I, ta thực hiện thêm 3 thí nghiệm ở tâm
của các thông số. Tiến hành đo giá trị độ nhám bề mặt Ra từ mẫu sản phẩm thí

nghiệm. Lập phương trình hồi qui để tìm ra sự phụ thuộc của R a vào 3 tham số
trên. Xác định các hệ số của phương trình hồi qui bằng phương án thực nghiệm tại
tâm bằng cách ta tiến hành thêm 3 thí nghiệm tại tâm như bảng 6 thể hiện.
Bảng 6. Các thí nghiệm tại tâm
TT
1
2
3

Số vòng quay trục
chính/ n
(vòng/phút)
10750
10750
10750

Tốc độ chạy dao/ vf
(mm/phút)

Chiều sâu cắt/ ap
(mm)

2500
2500
2500

0,35
0,5
0,2

Kiểm tra sự tương thích của phương trình hồi qui với thực nghiệm thông qua
chuẩn Fisher (E).
Từ một giá trị Ra cụ thể ta xác định các giá trị cho các tham số.
3. KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH
Đặt: y= Ra; x1= n; x2= vf; x3= ap. Bài toán cần giải quyết là tìm mối liên hệ
giữa Ra với 3 tham số trên, hay cách khác là ta xác định: y= f(x1, x2, x3).
Giá trị ở tâm phương án khi n= 10750 vòng/phút; v f= 2500 mm/phút; ap=
0,35 mm được xác định bằng thực nghiệm thu được Ra = 0,267µm.
Trong hệ mã hóa không thứ nguyên ta có:
− Mức trên: kí hiệu +1.
− Mức sơ sở: kí hiệu 0.
− Mức dưới: kí hiệu -1.
Công thức chuyển hệ từ hệ đơn vị thực qua đơn vị mã hóa không thứ
nguyên:

(1)
(2)
Ta thu được ma trận thực nghiệm với các biến mã và kết quả đo R a như
trong bảng 7 thể hiện.
Bảng 7. Ma trận thực nghiệm và kết quả
TT

z0

z1

z2
4

z3

y
(µm)


1
2
3
4
5
6
7
8

1
1
1
1
1
1
1
1

1
1
1
1
-1
-1
-1

-1

1
1
-1
-1
1
1
-1
-1

1
-1
1
-1
1
-1
1
-1

0,4
0,314
0,326
0,32
0,328
0,282
0,288
0,264

Thiết lập phương trình hồi qui dạng:

y= a0 + a1x1 + a2x2 + a3x3
Từ kết quả thực nghiệm, ta tính các hệ số ai theo công thức:

(3)

(4)

(5)
Từ số liệu bảng 7 và áp dụng công thức trên ta thu được kết quả như bảng 8
thể hiện.
Bảng 8. Giá trị các hệ số trong phương trình hồi qui
a0

a1

a2

a3

0,31525

0,02475

0,01575

0,02025

Để tính phương sai tái hiện ta làm thêm 3 thí nghiệm tại tâm. Thông số các
thí nghiệm tại tâm được cho trong bảng 6 và ta thu được kết quả như bảng 9 thể
hiện.

Bảng 9. Kết quả thí nghiệm tại tâm
N0
1
2
3

0,267
0,29
0,262

0,273

-0,006
0,017
-0,011

3,6x10-5
2,89x10-4
1,21x10-4

4,46x10-4

Phương sai tái hiện được tính theo công thức:
(6)
Trong đó: m là số thí nghiệm ở tâm. Ở đây, m= 3 nên ta có:

5


Kiểm định sự có nghĩa của các hệ số ai trong phương trình hồi qui bằng tiêu

chuẩn Student:

(7)
ai: hệ số thứ i trong phương trình hồi qui.
: độ lệch quân phương của hệ số thứ i.
(8)
Khi đó các hệ số ti thu được như trong bảng 9.
Bảng 10. Giá trị ti
t0

t1

t2

t3

59,71

4,688

2,9831

3,8355

Tra bảng phân phối phân vị Student với mức ý nghĩa p= 0,05; f= N 0-1= 2 ta
có t0,05(2)= 2,91999. Vậy các hệ số ti đều lớn hơn t0,075(2) nên các hệ số của phương
trình hồi qui đều có nghĩa.
Vậy phương trình hồi qui có dạng:
yL= 0,31525.10-3+ 0,02475.10-3x1+ 0,01575.10-3x2+ 0,02025.10-3x3
(10)

(vì các tham số tính theo mm còn y tính theo µm nên các hệ số cần qui đổi
về cùng đơn vị với y)
Kiểm tra sự tương thích của phương trình hồi qui với thực nghiệm: thay các
giá trị của tham số vào phương trình sau đó so sánh với kết quả thí nghiệm ta có:
Bảng 11. Tính toán theo phương trình
STT
1
2
3
4
5
6
7
8

yL
0,3322
0,332194
0,31645
0,316444
0,295075
0,295069
0,279325
0,279319

yi
0,4
0,314
0,326
0,32

0,328
0,282
0,288
0,264

yi- yL
0,0678
-0,01819
0,00955
0,003556
0,032925
-0,01307
0,008675
-0,01532

(yi- yL)2
0,004597
0,000331
9,12.10-5
1,26.10-5
0,001084
0,000171
7,52.10-5
0,000235

Phương sai dư được tính theo công thức:

(N là số thí nghiệm, L là hệ số có nghĩa)
Thay số vào ta có:
6

(11)


(12)
Tiêu chuẩn Fisher:
(13)
Tra bảng phân vị phân bố Fisher với: p= 0,05; f1= N- L= 4; f2= N0- 1= 2, ta
có:
. Vậy F< F0,095(4;2) nên phương trình hồi qui tương thích
với thực nghiệm với mức ý nghĩa 95%.
Từ mức cơ sở của các yếu tố và phương trình hồi qui tuyến tính đối với hàm
mục tiêu ta tính các bước chuyển động δj (j=1, 2, 3). Kết quả được trình bày ở
bảng 12.
Bảng 12. Kết quả tính bước chuyển động δj của các yếu tố
Các yếu tố ảnh hưởng
n (vòng/phút)
vf (mm/phút)
10750
2500
750
500
0,02475
0,01575
18,5625
7,7875
375
157,323
375
157

Các mức
Mức cơ sở
Khoảng biến thiên (Δj)
Hệ số bj
bjΔj
Bước chuyển động (δj)
Làm tròn

ap (mm)
0,35
0,15
0,02025
0,003038
0,0622
0,06

Theo số liệu ta có b1Δ1max= 18,5625 khi đó ta chọn: δ1= 0,5.750= 375. Từ đó
ta xác định được:
(14)
(15)
Từ kết quả các bước chuyển động δj, ta tổ chức thí nghiệm leo dốc và điểm
xuất phát là tâm thực nghiệm.
Bảng 13. Kết quả thí nghiệm leo dốc
Yếu tố
TN

Số vòng quay
trục chính/ n
(vòng/phút)

Tốc độ chạy
dao/ vf
(mm/phút)

Chiều sâu cắt/ ap
(mm)

Độ nhám bề
mặt/ Ra
(µm)

1 (TN tại tâm)
2
3

10750
11125
11500

2500
2657
2814

0,35
0,41
0,47

0,267
0,25

0,308

7


4

11875

2971

0,53

0,403

Nhìn vào bảng kết quả, ta thấy kết quả thí nghiệm ở thí nghiệm 2 là cho Ra
nhỏ nhất. Từ đó ta xác định được giá trị tối ưu cho các tham số công nghệ khi phay
tinh cao tốc hợp kim nhôm 6061 là:
n= 11125 vòng/phút;

vf= 2657 mm/phút;

ap= 0,41 mm

4. GIA CÔNG TUABIN THỦY LỰC
Dùng các giá trị trên cho các tham số công nghệ để phay tuabin thủy lực trên
máy phay CNC 5 trục Spinner U5 - 620. Tuabin gồm 12 cánh (6 cánh lớn và 6
cánh nhỏ) với đường kính lớn nhất ở chân cánh là 180 mm. Các thông số cánh
được xây dựng thông qua mẫu sẵn bằng phương pháp quét điểm ảnh. Kết quả như
hình 4 thể hiện. Cánh tuabin thủy lực đạt được độ nhám bề mặt R a (0,32 – 0,45)

µm.

Hình 4. Sản phẩm cánh tuabin thủy lực bằng hợp kim nhôm 6061

5. KẾT LUẬN
Đề tài đã sử dụng giải pháp phay cao tốc để nâng cao chất lượng bề mặt khi
gia công hợp kim nhôm 6061, sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, giải
bài toán tối ưu tìm ra bộ tham số công nghệ tối ưu n = 11125 vòng/phút; vf = 2657
mm/phút; ap = 0,41 mm để đạt được độ nhám bề mặt R a = 0,25 µm. Ứng dụng gia
công tuabin thủy lực đạt được độ nhám bề mặt Ra (0,32 – 0,45) µm.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Chi-Hsiang Chen, Yung-Cheng Wang, Bean-Yin Lee, “The Effect of Surface

Roughness of End-Mills on Optimal Cutting Performance for High-Speed
Machining”, Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 59(2013)2,
124-134.
[2] D.Bhanu

prakash , G.Rama Balaji , A.Gopi chand, V.Ajay
kumar,D.V.N.Prabhaker, “Optimization Of Machining Parameters For Aluminium
Alloy 6082 In Cnc End Milling”, International Journal of Engineering Research
8


and Applications (IJERA) ISSN: 2248-9622 Vol. 3, Issue 1, January -February
2013, pp.505-510.
[3] V. Songmene, R. Khettabi, I. Zaghbani, J. Kouam, and A. Djebara, “Machining

and Machinability of Aluminum Alloys”, École de technologie supérieure (ÉTS),
Department of Mechanical Engineering,1100 Notre-Dame Street West, Montreal

Quebec H3C 1K3, Canada.
[4] Julia Hricova, Martin Kovac, Peter Sugar, “Experimental investigation of high

speed milling of aluminum alloy”, ISSN 1330-3651 (Print), ISSN 1848-6339
(Online), UDC/UDK 620.179.118:621.914.02-408.8.
[5] Pasko, R. -Przybylski, L. & Slodki, “High Speed Machining (HSM) –The

effective way of modern cutting”, International Workshop CA Systems And
Technologies.
[6] Tatsuya Sugihara, On-machine tool resharpening process for dry machining of

aluminum alloys employing LME phenomenon, Precision Engineering, 40
( 2015), 241–248.
[7] Timothy W. Spence, The effect of machining-induced residual stresses on the

creep characteristics of aluminum alloys, Materials Science and Engineering: A,
630 (2015), 125–130.
[8] B.C. Chen,

C.Y. Ho, Ultrashort-laser-pulse machining characteristics of
aluminum nitride and aluminum oxide, Ceramics International, Available online
30 March 2015

[9] Tatsuya Sugihara, On-machine Tool Resharpening for Dry Machining of

Aluminum Alloys, Procedia CIRP, 24 (2014), 68–73
Tomohiro Yokota, Frictional properties of diamond-like carbon coated tool
in dry intermittent machining of aluminum alloy 5052, Precision Engineering, 38
(2014), 365–370.

[10]

9