Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt chi tiết bằng vật liệu NAK80 khi gia công trên máy mài phẳng

TĨM TẮT
Luận văn nghiên cứu tối ưu hóa chế độ cắt khi mài phẳng thép NAK80 bằng đá
mài USA- RPM MAX x 3800 theo chỉ tiêu nhám bề mặt (Ra). Sử dụng ma trận thực
nghiệm dạng Taguchi để xác định giá trị tối ưu của các thông số lượng chạy dao ngang
(Sng), chiều sâu cắt (t) và lượng chạy dao dọc (Sd). Kết quả xác định được giá trị tối ưu
của các thơng số Sng, t, Sd có giá trị tương ứng: 8(mm/s), 0,001(mm), 32(HT/ph), Ứng
với giá trị này của bộ thống số chế độ cắt, nhám bề mặt đạt giá trị Ra = 0,142541 (µm).
Kết quả thực nghiệm của đề tài luận văn có thể sử dụng làm cơ sở khoa học cho việc
lập trình điều khiển quá trình mài trên thiết bị sử dụng đối với vật liệu khảo sát, cũng như
vật liệu tương tự khác.

ABSTRACT
This thesis studied the optimization of cutting parameters for NAK80 steel on
cylindrical grinder using USA- RPM MAX x 3800 grinding wheel. The objective function
is the minimization of surface roughness. Taguchi method was used to design the
experiments with three variables, namely, transverse velocity (Sng), depth of cut (t) and
feed rate (Sd). The results showed that the optimization value of Sng, t and Sd are
8(mm/s), 0.001(mm) and 32(HT/ph), respectively for a surface roughness of
Ra=0.142541µm
The experimental results of this thesis are not only used as a reference for
machining NAK80 steel using cylindrical grinder but other similar materials as well.

xi


MỤC LỤC

LÝ LỊCH KHOA HỌC ................................................................................................... vii
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ ix
CẢM TẠ ............................................................................................................................ x
TÓM TẮT ........................................................................................................................ xi

MỤC LỤC ...................................................................................................................... xii
Danh sách các chữ viết tắt ............................................................................................. xv
Danh sách các hình ...................................................................................................... xvi
Danh sách các bảng ..................................................................................................... xvii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 ...................................................................................................................... 4
TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH MÀI PHẲNG .............................................................. 4
1.

Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ........................................................... 4

1.1. Tình hình nghiên cứu ngồi nước.......................................................................... 4
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước .......................................................................... 4
2.

Đặc điểm cơ bản của quá trình mài ........................................................................ 5

3.

Khái quát về phương pháp mài phẳng ................................................................... 7

4.

Kết luận Chương 1 .................................................................................................. 8

CHƯƠNG 2 .................................................................................................................... 10
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VẬT LIỆU KHUÔN MẪU NAK80 - XÁC ĐỊNH MƠ HÌNH
THỰC NGHIỆM ................................................................................................... 10
2.1 Lý thuyết tổng quan về vật liệu khuôn mẫu NAK80 ............................................ 10
2.1.1. Thành phần hóa học của thép NAK80 ............................................................... 10

2.1.2. Đặc tính thép NAK80 ........................................................................................... 10
2.1.3. Vai trò của vật liệu NAK80 trong ngành công nghiệp sản xuất khuôn mẫu ... 11
2.2. Đề xuất mơ hình thực nghiệm xác định ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề
mặt khi mài phẳng ................................................................................................. 11
2.2.1.

Các điều kiện giới hạn của mơ hình .............................................................. 11

2.2.2.

Thiết lập mơ hình xác định nhám bề mặt ...................................................... 12

2.2.3.

Thiết kế thực nghiệm ...................................................................................... 12

xii


2.3. Tình hình về thiết kế thực nghiệm trong chế tạo máy ở trên thế giới và trong nước
................................................................................................................................ 12
2.4. Thiết kế thực nghiệm theo phương pháp Taguchi, ANOVA ............................... 13
a.

Khái niệm Taguchi ................................................................................................ 13

b.

Đóng góp của Taguchi .......................................................................................... 14

c.

Thiết kế thí nghiệm Taguchi ................................................................................. 14



Khái niệm thiết kế thí nghiệm DOE ..................................................................... 15



Trình tự thực nghiệm DOE với Taguchi .............................................................. 15

2.5. Kết luận Chương 2 ................................................................................................ 19
CHƯƠNG 3 .................................................................................................................... 21
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN NHÁM BỀ
MẶT KHI MÀI PHẲNG VẬT LIỆU NAK80 ....................................................... 21
a.

Sơ đồ mơ hình thí nghiệm ..................................................................................... 21

b.

Trang thiết bị, vật liệu thí nghiệm, thiết bị đo độ nhám ...................................... 21

3.2.1 Máy mài phẳng ...................................................................................................... 21
3.2.2 Đá mài .................................................................................................................... 23
3.2.3 Chi tiết gia công ..................................................................................................... 24
3.2.4 Thiết bị đo độ nhám ............................................................................................... 25
3.2.5 Lựa chọn chế độ công nghệ .................................................................................. 25
3.2.6 Thiết kế ma trận thực nghiệm Taguchi ................................................................ 26

3.3 Kết quả thực nghiệm ............................................................................................. 27
3.4 Kết luận chương 3 ................................................................................................. 33
CHƯƠNG 4 .................................................................................................................... 34
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................................................... 34
4.1. Kết quả phân tích Taguchi ..................................................................................... 34
4.2. Phân tích phương trình hồi quy ............................................................................. 35
4.3. Biểu đồ tác dụng chính của các yếu tố (Main Effects Plot for Means)................ 39
4.4. Biểu đồ phần dư chuẩn hóa Normal P-P Plot (Main Effects Plot for Means) .... 41
4.5. Biểu đồ phân bố tần suất Histogram...................................................................... 43
4.6. Đánh giá ảnh hưởng tương tác giữa các biến thí nghiệm .................................... 44
4.7. Đồ thị đáp ứng bề mặt đường và mức .................................................................... 45
4.8. Tối ưu hóa bằng phương pháp RSM- đáp ứng bề mặt ......................................... 47
4.9. So sánh kết quả đạt được từ phương pháp Taguchi và RSM ............................... 49

xiii


4.10. Kết luận chương 4 ................................................................................................. 50
CHƯƠNG 5 .................................................................................................................... 51
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................ 51

xiv


Danh sách các chữ viết tắt
B:

Chiều rộng đá mài (mm)

D:

Đường kính đá mài (mm)

E:

Mơđun đàn hồi (N/mm2)

f:

Diện tích ngang của vết cắt (mm2)

h:

Chiều dày cắt (mm)

hm:

Chiều dày cắt lớn nhất (mm) HB,

HRC: Độ cứng của vật liệu






b:

Ứng suất của vật liệu

lc:

Chiều dài tiếp xúc (mm)

lk::

Chiều dài đường cắt (mm)

l:

Chiều dài cung tiếp xúc của đá mài với chi tiết (mm)

m:

Tỉ lệ mài

Ne:

Cơng suất (kW)

nđ:

Tốc độ quay của đá (vịng/phút)

Px:

Lực cắt pháp tuyến tế vi (kG)

Py:

Lực cắt pháp tuyến (kG)

Pz:

Lực cắt tiếp tuyến (kG)

Sn:

Lượng tiến dao ngang(mm/s)

Ra:

Độ nhám bề mặt gia công (m)

Sd:

Lượng tiến dao dọc (ht/ph)

t:

Chiều sâu cắt (mm)

vđ:

Vận tốc đá (m/s)

vct:

Vận tốc chi tiết (m/phút)

z:

Số lượng hạt mài làm việc trong cung tiếp xúc

:

Hệ số ma sát

r:

Bán kính cong đỉnh hạt mài (m)

T:

Tuổi bền của dụng cụ (phút)

c :

Ứng suất cắt (N/ mm2)

HTK: Hành trình kép
xv


Danh sách các hình
Trang
Hình 1.1. Sơ đồ mài phẳng

Trang 5

Hình 1.2. Mài phẳng bằng đầu mặt đá

Trang 8

Hình 2.1. Sơ đồ thiết kế thực nghiệm theo phương pháp Taguchi Trang 14
Hình 2.2. Thiết kế ma trân trực giao trên Minitab16

Trang 18

Hình 3.1. Sơ đồ mơ hình thí nghiệm

Trang 21

Hình 3.2. Máy mài phẳng Okamoto

Trang 22

Hình 3.3. Đá mài

Trang 23

Hình 3.4. Bản vẽ Chi tiết gia cơng

Trang 24

Hình 3.5. Ảnh chi tiết gia cơng

Trang 25

Hình 3.6. Máy đo độ nhám

Trang 25

Hinh 3.7. Mài mẫu thí nghiệm bằng vật liệu thép NAK80

Trang 28

Hình 3.8. Thí nghiệm đo độ nhám mẫu vật liệu thép NAK80

Trang 28

Hình 3.9. In các thơng số trên máy sau khi mài

Trang 29

Hình 4.1a, b. Ảnh hưởng tỷ lệ S/N

Trang 35

Hình 4.2a,b. Đồ thị ảnh hưởng chuẩn hóa các biến

Trang 41,42

Hình 4.3. Biểu đồ phân bố tần suất

Trang 43

Hình 4.4. Đồ thị giữa Ra với Sn và Sd

Trang 44

Hình 4.5a. Đồ thị giữa Ra với t và Sd

Trang 45

Hình 4.5c. Đồ thị giữa Ra với Sn và t

Trang 46

Hình 4.6a,b. Đồ thị, số liệu tối ưu hóa

Trang 48

xvi


Danh sách các bảng
Bảng 2.1. Thành phần hóa học thép NAK80

Trang 10

Bảng 2.2. Ma trận trực giao

Trang 17

Bảng 2.3. Ma trận L9

Trang 18

Bảng 3.1. Thông số đá mài

Trang 24

Bảng 3.2. Giá trị thông số hệ thống công nghệ

Trang 26

Bảng 3.3. Ma trận thực nghiệm theo Taguchi

Trang 27

Bảng 3.4. Số liệu thực nghiệm Ra

Trang 29

Bảng 3.5. Số liệu thực nghiệm Rz

Trang 30

Bảng 3.6. Thông số đầu vào và Ra, Rz

Trang 31

Bảng 3.7. Thông số đầu ra Ra cần xử lý

Trang 32

Bảng 4.1. Hệ số S/N tính tốn cho đơ nhám Ra

Trang 35

Bảng 4.2. Các hệ số phương trình hồi quy

Trang 37

Bảng 4.3. Hệ số hồi quy Ra cho các biến chuẩn hóa

Trang 37

Bảng 4.4. Phân tích phương sai cho độ nhám bề mặt Ra

Trang 38

xvii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Mài là nguyên cơng rất cần thiết trong quy trình chế tạo cơ khí, cho phép gia cơng
nhiều loại bề mặt khác nhau, đạt độ chính xác cao và nó đã tồn tại từ rất lâu trong lịch
sử. Ngay từ thời tiền sử người nguyên thuỷ đã làm sắc công cụ bằng cách chà sát mạnh
chúng vào đá. Ngày nay, mài giữ một vai trị hết sức quan trọng và chiếm khoảng 20
÷ 25 % tổng chi phí cho gia cơng, đặc biệt là mài sắc dụng cụ như: dao tiện, dao phay,
mũi khoan,…
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công mài, thông thường
người ta đánh giá thông qua tiêu chí độ nhám bề mặt.
Khi mài ngồi vấn đề gá đặt chi tiết, việc chọn đá mài, thì chế độ mài đóng vai trị
quyết định đối với chất lượng của sản phẩm. Các thông số công nghệ bao gồm: vận
tốc của đá mài, vận tốc của chi tiết mài, lượng chạy dao ngang, chiều sâu cắt, lực cắt,
topography của đá mài… Trong đó, các thơng số cơng nghệ: vận tốc của đá mài, vận

tốc của chi tiết mài, lượng chạy dao ngang, chiều sâu cắt, được gọi là chế độ mài.
Ở Việt Nam, gia công tinh hiện nay đang có chiều hướng phát triển, nhiều quốc
gia trên thế giới đã đầu tư xây dựng các nhà máy sản xuất cơ khí chính xác mà ngun
cơng chính là mài. Nhưng việc nghiên cứu về lý thuyết mài vẫn còn ít chưa đáp ứng
được nhu cầu của xã hội.
Trên cơ sở đó, tác giả lựa chọn và nghiên cứu sâu một vấn đề của Mài:
Học viên chọn đề tài luận văn cao học về vấn đề: “Nghiên cứu ảnh hưởng của
chế độ cắt đến nhám bề mặt khi mài phẳng bằng vật liệu NAK80” là cần thiết có ý
nghĩa khoa học và thực tiễn hiện nay ở Việt Nam.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Thép NAK80 được sử dụng để sản xuất và học tập tại trường Cao đẳng Kỹ Thuật
Công Nghệ Bà Rịa- Vũng Tàu,
Máy mài phẳng OKAMOTO,
Đá mài hình trụ, mài bằng chu vi đá,
1


Mài là một ngun cơng trong quy trình cơng nghệ chế tạo cơ khí phức tạp, có
nhiều yếu tố gây ảnh hưởng đến chất lượng gia cơng, trong đó có độ nhám bề mặt và
chưa được nghiên cứu đầy đủ, ví dụ như:


Chế độ cắt.



Vật liệu gia cơng và tính chất cơ lý của nó.



Hình dạng hình học của đá mài.



Dung dịch tưới nguội.



Sửa đá và chế độ sửa đá.



Hình thái ban đầu trên bề mặt của chi tiết mài, …

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài Luận văn Cao học này chỉ giới hạn tập trung
vào khảo sát ảnh hưởng của 3 yếu tố cơng nghệ chính là:


Ảnh hưởng của chiều sâu cắt (t) đến nhám bề mặt;



Ảnh hưởng của lượng chạy dao dọc (Sd) đến nhám bề mặt;



Ảnh hưởng của lượng chạy dao ngang (Sng) đến độ nhám bề mặt chi
tiết gia công ở dạng phẳng, với điều kiện biên khi coi ảnh hưởng của
các yếu tố khác là hằng số.

Như ta đã biết, để có một kết quả chính xác cao trong nghiên cứu thực nghiệm,
cần thiết phải tiến hành ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố và mất nhiều thời gian, cần rất
nhiều trang thiết bị. Với thời gian hạn chế và khuôn khổ của một luận văn Thạc sĩ hạn
hẹp nên có thể cịn nhiều khiếm khuyết, học viên xin được các thầy góp ý kiến để hồn
thiện kết quả nghiên cứu của mình. Đồng thời có được định hướng nghiên cứu phát
triển luận văn ở mức cao hơn trong tương lai.
Chế độ mài (bao gồm: vận tốc của đá mài, vận tốc của chi tiết mài (lượng chạy
dao dọc, lượng chạy dao ngang, chiều sâu cắt…).
3. Phương pháp nghiên cứu
Để nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhám bề mặt chi tiết khi mài phẳng.
Phương pháp nghiên cứu là lý thuyết kết hợp với thực nghiệm nhằm thích ứng được
2


tính khoa học và thực tiễn của đề tài. Trên cơ sở các mơ hình lý thuyết đưa ra của một
số tác giả trên thế giới và trong nước, tiến hành thực nghiệm và kiểm chứng. Từ các
kết quả thực nghiệm đưa ra kết luận, đánh giá cho điều kiện mài cụ thể, từ đó có thể
áp dụng vào thực tiễn.
Về giải thuật tối ưu: nghiên cứu các phương pháp Taguchi, ANOVA, RSM
4. Ứng dụng của đề tài
Thành công bước đầu của đề tài sẽ được áp dụng rất phù hợp để định hình chọn
chế độ cắt khi mài. Nó giúp nhà công nghệ chọn chế độ cắt tối ưu, giảm sai số và tăng
độ bóng bề mặt chi tiết gia cơng.
Dần làm sáng tỏ q trình mài và tiến tới tối ưu hóa q trình mài.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
 Làm phong phú thêm lý thuyết trong qui hoạch thực nghiệm và xử lý dữ liệu thực
nghiệm, q trình tối ưu hóa các thơng số cơng nghệ trong điều kiện tại Việt Nam
 Ứng dụng trí tuệ nhân tạo vào kỹ thuật điều khiển thông số trong lĩnh vực cơng
nghệ cơ khí.

3


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ Q TRÌNH MÀI PHẲNG
1.

Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước

1.1. Tình hình nghiên cứu ngồi nước
Ngày nay với sự phát triển về công nghệ thông tin và tự động hóa đã mang đến
những hướng nghiên cứu mới. Tác giả Dasthagiri và Goud [1] nghiên cứu tối ưu hóa
các thơng số mài bề mặt bằng phương pháp đáp ứng bề mặt RSM. Hasan và các công
sự [2] đã đề cập đến việc áp dụng kỹ thuật tối ưu hóa Taguchi để giảm vấn đề cong
vênh liên quan đến biến thể co ngót.
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Tại Việt Nam thì việc ứng dụng các phương pháp mới như trí tuệ nhân tạo vào
cơng nghệ mài cịn hạn chế. Trong những năm gần đây, có một số cơng trình nghiên
cứu về mài:
Năm 2014 tác giả Đỗ Đức Trung và đồng tác giả [3] nghiên cứu ảnh hưởng của
lượng chạy dao đến chất lượng bề mặt gia công thép 20X thấm cacbon khi mài vô tâm
chạy dao hướng kính. Đã nghiên cứu thực nghiệm hai thơng số đặc trưng của chất
lượng bề mặt gia công được khảo sát gồm độ nhám bề mặt Ra và độ không trịn. Từ
đó đưa ra được mức độ ảnh hưởng của lượng chạy dao đến độ nhám và độ khơng trịn.
Đồng thời nghiên cứu này cũng chỉ ra khoảng chạy dao hợp lý khi gia công tinh mác
thép 20X thấm các bon bằng phương pháp mài vô tâm chạy dao hướng kính.
Năm 2018 nhóm tác giả Trần Quốc Hùng [4] nghiên cứu về tối ưu hóa chế độ cắt
khi mài trịn ngoài thép hợp kim SKD61 theo chỉ tiêu nhám bề mặt, trong bài báo này
tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để xác định giá trị tối ưu hóa của các thông số của
chế độ cắt Vct, t, Sd nhằm đảm bảo nhám bề mặt có giá trị nhỏ nhất.

Có thể thấy trong các nghiên cứu trên dừng lại ở việc tìm ra được hàm quan hệ
tốn học dựa trên một chỉ tiêu nào đó mà chưa có một cơng trình nghiên cứu nào đề
cập đến vấn đề tối ưu hóa đa mục tiêu khi mài các loại thép hợp kim. Việc xây dựng

4


và giải quyết bài toán tối ưu đa mục tiêu có ý nghĩa rất lớn nhằm khắc phục những khó
khăn trong việc điều khiển thích nghi q trình mài phẳng với mục đích kiểm sốt
đồng thời chất lượng sản phẩm và năng suất gia công.
2.

Đặc điểm cơ bản của quá trình mài
[5] Mài là phương pháp gia cơng kim loại bằng cắt gọt, sử dụng dụng cụ cắt là đá

mài. Quá trình mài thực chất là quá trình được thực hiện bởi vơ số hạt mài rất cứng và
chống mịn tốt, chúng được gắn cưỡng bức với nhau bởi chất kết dính cắt đi lớp lượng
dư rất nhỏ trên bề mặt vật gia công. Mỗi hạt mài (gồm nhiều lưỡi cắt có góc độ khác
nhau) lấy đi lượng kim loại rất nhỏ khoảng vài micron. Để tạo thành bề mặt gia cơng,
mỗi q trình mài có hàng nghìn hạt mài tham gia cắt gọt đồng thời và hàng triệu dao
liên tiếp.
Để thực hiện quá trình (hình 1.1) đá mài và chi tiết phải có các chuyển động cần
thiết. Khi mài phẳng, đá chuyển động quay tròn theo chiều mũi tên 2, chi tiết chuyển
động tịnh tiến theo chiều mũi tên 4, các hạt mài 7 được gắn cưỡng bức lên bề mặt đá
bởi chất kết dính 6. Giữa chất kết dính và các hạt mài là các khe hở 5 (gọi là các khoảng
trống).

Hình 1.1: Sơ đồ mài phẳng: [5] 1)mặt đầu đá ; 2)chiều quay đá; 3)mặt trụ đá;
4)hướng dịch chuyển; 5) khoảng trống; 6) chất kết dính; 7)hạt mài
Mài là phương pháp gia công tinh phổ biến ở ngun cơng cuối cùng của một q

trình cơng nghệ gia cơng bằng phương pháp mài có ưu điểm là có thể cắt được chiều
5


sâu cắt rất nhỏ, với vận tốc cắt khá cao, điều chỉnh, gá đặt chi tiết đơn giản, không tốn
nhiều thời gian và thay đổi chế độ cắt ngay trong q trình gia cơng. Thường chiều
sâu cắt từ 0,005÷0,09 mm độ bóng và độ chính xác rất cao (từ cấp 7÷9, nhám bề mặt
từ 0,2÷3,2μm).
Rõ ràng là khơng có phương pháp gia cơng nào có thể so sánh được với mài về độ
bóng và độ chính xác gia cơng. Ví dụ, khi gia cơng các lát silíc trong cơng nghệ vi
điện tử, khi đó người ta dùng các đĩa mài hoặc cưa cực mỏng (chỉ dầy khoảng 20μm).
Ngoài ra mài cịn được sử dụng để gia cơng thơ, bạt mấu phôi trong các phân xưởng
tạo phôi, cắt đứt, làm sạch các thỏi thép trong các xưởng đúc và trong các nhà máy
thép với tốc độ khoảng 1600 cm3/ph, … nhờ có tốc độ cắt rất cao và có thể cắt đi lớp
vỏ cứng của bề mặt phôi. Tốc độ cao cũng là một trong những đặc điểm nổi bật của
mài, tốc độ mài thường từ 30÷50 m/s (từ 1800÷3000 v/p), với mài cao tốc vận tốc cắt
khoảng 100 m/s hoặc cao hơn. Vận tốc này lớn hơn từ 10÷60 lần so với vận tốc cắt
khi tiện, thời gian mài diễn ra rất nhanh (khoảng 10-4 ÷ 10-5 s). Nhờ có tốc độ cắt cao
mà động năng của các hạt mài đủ lớn để không bị tách ra khỏi bề mặt đá mài trong
quá trình tách phoi. Tuy nhiên tốc độ cắt cao cơng với các góc mài khơng hợp lý (các
hạt mài có hình dáng bất kỳ và có góc cắt khơng hợp lý: góc cắt lớn và góc trước âm)
nên nhiệt cắt sinh ra trong quá trình mài rât lớn (1000 ÷ 15000c), làm biến dạng cấu
trúc mạng tinh thể và biến đổi các tính chất cơ lý lớp vật liệu bề mặt. Khi mài thường
gây ra các khuyết tật như: Cháy mài, thoát các bon, nứt tế vi, ứng suất dư (ứng suất dư
khi mài là ứng suất dư kéo). Giá thành mài cao điều đó cũng là các trở ngại làm hạn
chế khả năng công nghệ của mài.
Khi gia cơng các loại vật liệu có độ cứng cao và giịn, khơng thể hoặc rất khó gia
cơng bằng các phương pháp khác. Mài có thể dùng để gia cơng thép tơi hoặc thép đã
hố cứng như dụng cụ cắt, ổ bi, …
Mặc dù đóng vai trị rất quan trọng trong cơng nghiệp nhưng mài vẫn có nhiều hạn

chế. Mài tinh thường đắt hơn so với các phương pháp gia cơng khác tính theo thể tích
vật liệu bị cắt đi, do đó chỉ được dùng trong các trường hợp cần thiết. Dĩ nhiên chiều
dầy gia công càng ngày càng giảm do sự phát triển của các phương pháp đúc và tạo
phôi khác, mài trở nên càng kinh tế với tư cách là phương pháp gia công trực tiếp đạt
6


kích thước danh nghĩa mà khơng cần qua các phương pháp gia cơng khác như tiện,
phay.
Tóm lại, mài là một quá trình phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố, các yếu tố lại
có sự tác động tương hỗ lẫn nhau, điều đó được mơ tả trong (hình 1.1).
Trong các đại lượng của quá trình mài rất phức tạp, các yếu tố có thể ảnh hưởng
tác động lẫn nhau hoặc tác động song song. Trong tất cả các phương pháp gia cơng
phổ biến, mài là phương pháp cịn nhiều vấn đề phải nghiên cứu. Do khi mài vô số các
vị trí cùng được gia cơng, hình dạng hình học khơng giống nhau tốc độ cắt cao và
chiều sâu cắt nhỏ, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt phức tạp, khó xác định
và khơng ổn định theo thời gian, trong khi đó quy luật thay đổi và tác động qua lại của
chúng phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện gia cơng và tình trạng cụ thể của máy.
3.

Khái quát về phương pháp mài phẳng
[5] Mài phẳng được thực hiện theo hai phương pháp: 1) Bằng mặt đầu đá , sơ đồ

nguyên lý cho trên (hình 1.2) (năng suất bóc phoi lớn, vì số lượng hạt mài tham gia
cắt đồng thời lớn, nhiệt cắt lớn, dễ gây ra các vết cháy, nứt tế vi và biến dạng nhiệt
trên vật mài); 2) Bằng đá mài hình trụ (diện tích tiếp xúc giữa đá và phôi nhỏ, số lượng
hạt mài tham gia cắt gọt đồng thời trong quá trình cắt gọt nhỏ, nhiệt trên bề mặt tiếp
xúc giữa đá và phôi nhỏ, do đó độ chính xác gia cơng cao hơn phương pháp mài bằng
mặt đầu của đá).
Trong trường hợp thứ 2: vận tốc đá mài thường từ 20 ÷ 40 m/s trên các máy mài

thơng thường và có thể lên tới 200m/s trên các máy mài cao tốc. Chi tiết gia công được
gá trên bàn gá hoặc bàn từ và chuyển động tịnh tiến khứ hồi trong quá trình mài để gia
công hết chiều dài chi tiết gia công. Vận tốc chuyển động của chi tiết khoảng từ 3 ÷
45 m/ph.
Trong q trình gia cơng, vận tốc dịch chuyển ụ đá có thể thay đổi vơ cấp từ 2 ÷
40 mm/HTK tuỳ theo loại máy, cần sử dụng dung dịch tưới nguội cấp liên tục vào
vùng cắt để làm nguội chi tiết, đẩy phoi và các phế thải ra ngoài, tạo điều kiện cho quá
trình mài được dễ dàng, giảm ứng suất dư kéo, biến dạng nhiệt, các vết nứt tế vi cũng
như các vết xước do các phế thải chà sát vào bề mặt gia công.
7


Phương pháp ăn dao nhiều lần (áp dụng với các chi tiết mài có chiều sâu cắt nhỏ):
chiều sâu cắt cho mỗi lần chạy dao nhỏ nhưng lượng chạy dao ngang lớn, nó cho phép
giảm tối đa các ảnh hưởng của nhiệt cắt, do đó thường sử dụng cho gia công tinh cũng
như các chi tiết mỏng.
Sơ đồ nguyên lý mài phẳng bằng đá mài hình trụ có thể tiến hành theo hai cách:

Hình 1.2. Mài phẳng bằng mặt đầu đá[5]

4.

Kết luận Chương 1
Để nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhám bề mặt chi tiết khi mài phẳng.

Phương pháp nghiên cứu là lý thuyết kết hợp với thực nghiệm nhằm thích ứng được
tính khoa học và thực tiễn của đề tài. Từ các kết quả thực nghiệm đưa ra kết luận, đánh
giá cho điều kiện mài cụ thể, từ đó có thể áp dụng vào thực tiễn.
Thành công bước đầu của đề tài sẽ được áp dụng rất có hiệu quả để định hình chọn
chế độ cắt khi mài. Nó giúp nhà cơng nghệ chọn chế độ cắt tối ưu, giảm sai số và tăng

độ bóng bề mặt chi tiết gia cơng.
Dần làm sáng tỏ q trình mài và tiến tới tối ưu hóa q trình mài.

8


Mài là một yếu tố phức tạp và chưa được nghiên cứu đầy đủ. Độ nhám bề mặt
cũng chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố trong q trình gia cơng như:


Chế độ cắt.



Vật liệu gia cơng và tính chất cơ lý của nó.



Hình dạng hình học của đá mài.



Dung dịch tưới nguội.



Sửa đá và chế độ sửa đá.



Nhám và sóng ban đầu trên bề mặt của chi tiết mài, …

Để có một kết quả chính xác cao phải tiến hành thí nghiệm ảnh hưởng của rất
nhiều yếu tố và mất nhiều thời gian, cần rất nhiều trang thiết bị. Với thời gian thực
hiện ngắn nên đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của yếu tố quyết định đến nhám
bề mặt mài là chế độ cắt (t, Sng, Sd) khi coi ảnh hưởng của các yếu tố khác là hằng số.
Vì vậy đề tài sẽ khó có một kết quả đầy đủ, ý nghĩa thực tiễn sẽ bị hạn chế. Nhưng
trong tương lai được tiến hành phát triển khi tiến hành nghiên cứu đầy đủ các yếu tố
sẽ có được các kết quả tốt và được ứng dụng rất rộng rãi, nâng cao hiệu quả phương
pháp mài phẳng. Nội dung đề tài sẽ là cơ sở để tiến tới tối ưu hóa q trình mài.

9


CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VẬT LIỆU KHUÔN MẪU NAK80 XÁC ĐỊNH MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM
2.1 Lý thuyết tổng quan về vật liệu khuôn mẫu NAK80
Thép NAK80 là mác thép do hãng DaiDo của Nhật Bản sản xuất, tên thép được
đặt dựa theo tên các thành phần hóa học: N (Nickel), A (Aluminum), K (Kupfer – tên
của nguyên tố Cu trong tiếng Đức). Mác thép NAK80 được tạo ra vào năm 1980, và
số “80’’ trong tên gọi chính là năm xuất hiện loại thép này.
Với thời điểm đó, thép NAK80 được xem là mác thép bán chạy nhất của DaiDo.
Ứng dụng của thép NAK80 là làm khuôn nhựa chế tạo vỏ điện thoại, máy fax, máy
quay phim, vỏ tivi LCD, máy tính xách tay, vỏ táp lơ của xe ô tô, chai lọ mỹ phẩm,……
2.1.1. Thành phần hóa học của thép NAK80
Bảng 2.1. Thành phần hóa học thép NAK80
STT

Thành phần hóa học

Thép NAK80 (%)

1

Cacbon

~0.15

2

Crom

3

Molipden

~0.3

4

Vanadium

-

5

Silic

~0.3

6

Mangan

~1.4

7

Photpho

-

8

Lưu huỳnh

-

9

Niken

~3.0

10

Đồng(cu)

~3.0

11

Nhơm(Al)

~1.0

-

2.1.2. Đặc tính thép NAK80
 Độ cứng sẵn có là 37HRC – 42 HRC;
 Độ cứng tính từ tâm rất đồng đều;
10


 Dễ hàn, dễ chỉnh sửa;
 Giữ độ chính xác cao trong q trình sử dụng;
 Có khả năng đánh bóng cao sau khi gia cơng bằng xung điện (EDM).
Thép NAK80 chuyên sử dụng làm khuôn ép nhựa, với độ cứng sẵn có ở mức
37HRC – 42 HRC có thể sử dụng ngay mà khơng cần trải qua q trình nhiệt luyện
đối với 1 số nhu cầu không cần độ cứng cao.
2.1.3. Vai trò của vật liệu NAK80 trong ngành công nghiệp sản xuất khuôn mẫu
Ứng dụng của thép NAK80 là làm khuôn nhựa chế tạo vỏ điện thoại, máy fax,
máy quay phim, vỏ tivi LCD, máy tính xách tay, vỏ táp lô của xe ô tô, chai lọ mỹ
phẩm,……
2.2. Đề xuất mơ hình thực nghiệm xác định ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ
nhám bề mặt khi mài phẳng
Để khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến nhám bề mặt khi mài phẳng
chọn một mô hình phù hợp với nội dung đề tài khảo sát và kiểm nghiệm.
2.2.1. Các điều kiện giới hạn của mô hình
Việc khảo sát đầy đủ ảnh hưởng của tất cả các yếu tố là rất cần thiết, xong do giới

hạn về thời gian, trang thiết bị việc thực nghiệm để khảo sát ảnh hưởng của tất cả các
yếu tố ảnh hưởng đến nhám bề mặt là khơng thể. Vì vậy mơ hình thực nghiệm của đề
tài giới hạn khảo sát ảnh hưởng của chế độ cắt gồm: Vận tốc cắt, lượng chạy dao và
chiều sâu cắt khi coi các yếu tố ảnh hưởng cịn lại đối với mơ hình thực nghiệm của đề
tài là hằng số. Các yếu tố hạn chế gồm:
 Đá mài: mơ hình tiến hành thực nghiệm với một loại đá mài xác định là Grade,
Dđá = 355 mm, d = 127 mm, B = 38 mm, độ hạt 46. Với các điều kiện như trên
ảnh hưởng của đá và các đặc tính của nó được coi là hằng số;
 Máy mài: máy dùng cho thí nghiệm là máy mài phẳng OKAMOTO Nhật Bản,
các yếu tố như độ cứng vững, dao động…cũng chưa được xét đến trong đề tài;

11


 Loại vật liệu gia cơng: do thời gian có hạn, số lượng thí nghiệm thực hiện tương
đối nhiều vì vậy đề tài tiến hành thực nghiệm với một loại vật liệu là Thép
NAK80;
 Dung dịch tưới nguội: dung dịch tưới được chọn là dioxy với áp lực và lưu lượng
không thay đổi;
 Tốc độ quay của đá mài: do thí nghiệm tiến hành với một loại đá, vì vậy vận tốc
cắt của đá mài cũng được giới hạn ở V = 26,9 m/s.
2.2.2. Thiết lập mơ hình xác định nhám bề mặt
Việc xây dựng mơ hình xác định nhám bề mặt theo thời gian có một ý nghĩa
vơ cùng quan trọng để tiến tới tự động hoá và nâng cao năng suất quá trình mài.
Với mỗi một điều kiện gia cơng cụ thể ta sẽ có một quan hệ đặc trưng, vì vậy
việc xây dựng mơ hình xác định nhám bề mặt khi mài phẳng cho các điều kiện
mài khác là rất cần thiết. Tuy nhiên để khảo sát tất cả các yếu tố cần nhiều thời
gian và máy móc thiết bị, để lập ra được một mơ hình tổng quát xét đến ảnh hưởng
của tất cả các yếu tố sẽ rất phức tạp vì vậy dựa trên cơ sở lý thuyết và các mơ hình
cơ bản của các nhà nghiên cứu trên thế giới ta có thể chọn một mơ hình phù hợp

với các điều kiện thí nghiệm nhất, nhằm tăng độ chính xác và giảm thời gian thiết
lập mơ hình.
v, s, t – Các yếu tố lựa chọn tương ứng với một trong các chế độ cắt khi
mài phẳng.
Do thời gian có hạn đề tài chỉ tiến hành thí nghiệm và xây dựng ảnh hưởng
của chế độ cắt tới nhám bề mặt, với các ảnh hưởng như: dung dịch tưới nguội, vật
liệu gia công, hạt mài, coi là hằng số.
2.2.3. Thiết kế thực nghiệm
2.3. Tình hình về thiết kế thực nghiệm trong chế tạo máy ở trên thế giới và trong
nước
Nhiều cơng trình nghiên cứu khoa học cơng nghệ thường đưa đến giải bài
tốn cực trị, tìm điều kiện tối ưu để tiến hành các quá trình hoặc lựa chọn thành
phần tối ưu để tiến hành các quá trình hoặc lựa chọn thành phần tối ưu của hệ
12


nhiều phần tử. Những bài toán này thường giải quyết ở các mức độ nghiên cứu
các yếu tố ảnh hưởng đến hệ, lập mơ hình biểu diễn mối phụ thuộc giữa các yếu
tố khảo sát, điều khiển các thông số cơng nghệ theo mục đích cho trước, hoặc đưa
về trạng thái tối ưu theo những chỉ tiêu đánh giá đã chọn.
Một thiết kế thực nghiệm tốt là thiết kế chỉ ra được các thơng số chính ảnh
hưởng đến các kết quả đầu ra với số lượng các thí nghiệm hợp lý, các mức của
mỗi thông số được thiết lập cụ thể. Trong khi các thí nghiệm truyền thống thường
yêu cầu các mức của một thơng số có số bước giống nhau để dễ dàng trong việc
lựa chọn bảng quy hoạch thực nghiệm. Các kết quả nghiên cứu cho thấy phương
pháp Taguchi đã được ứng dụng hiệu quả để tối ưu hóa trong q trình mài, số
lượng các thơng số đầu vào với các mức được khảo sát lớn, thông số đầu vào có
thể khơng cần định lượng và trị số các mức được chọn tùy ý. Bên cạnh đó, những
kết quả nhận được từ phương pháp này có độ chính xác cao do đã loại bỏ được
ảnh hưởng của các thơng số nhiễu. Trên cơ sở đó tác giả lựa chọn phương pháp

Taguchi để thiết kế thực nghiệm.
2.4. Thiết kế thực nghiệm theo phương pháp Taguchi, ANOVA
a. Khái niệm Taguchi
Phương pháp Taguchi (TS. Genichi Taguchi - Nhật Bản) liên quan đến việc
giảm sự thay đổi trong một q trình thơng qua các thiết kế mạnh mẽ của các thí
nghiệm. Mục đích của phương pháp này là tạo ra sản phẩm chất lượng cao với chi
phí thấp cho các nhà sản xuất. TS.G.Taguchi đã phát triển một phương pháp thiết
kế các thực nghiệm, để nghiên cứu biện pháp xác định các thơng số khác nhau ảnh
hưởng đến giá trị trung bình và phương sai (average value and variances) của đặc
tính hiệu suất quá trình, xác định xem quá trình này hoạt động tốt như thế nào.
Thiết kế thực nghiệm bởi Taguchi đề xuất liên quan đến việc sử dụng các ma trận
trực giao để tổ chức các thông số ảnh hưởng đến q trình và các mức, mà tại đó
chúng sẽ được thay đổi, nó cho phép để thu thập các dữ liệu cần thiết để xác định
các yếu tố ảnh hưởng đến hầu hết chất lượng sản phẩm với một số lượng tối thiểu
của thí nghiệm, do đó tiết kiệm thời gian và nguồn lực. Phân tích phương sai trên

13


các dữ liệu thu thập được từ các thiết kế thực nghiệm Taguchi, có thể được sử
dụng để chọn các giá trị thơng số mới nhằm tối ưu hóa các đặc tính hiệu suất.
b. Đóng góp của Taguchi


Cơ lập và loại bỏ các yếu tố ảnh hưởng đến tính biến đổi chất lượng của
sản phẩm.



Giảm tổn thất về doanh thu cho các nhà sản xuất.



Giảm lỗi sản phẩm



Taguchi đã đưa ra một mảng nhất định được gọi là mảng trực giao sẽ
xác định được các ảnh hưởng gián tiếp cũng như kiểm sốt chi phí.

c. Thiết kế thí nghiệm Taguchi
Xác định các yếu tố
Xác định điều kiện thử nghiệm

Xác định và kiểm soát yếu tố ngây nhiễu

Giai
đoạn
1

Thiết kế các ma trận thực nghiệm (AOs)
Xác định các thủ tục phân tích dữ liệu

Tiến hành thiết kế thí nghiệm

Giai đoạn 2

Phân tích dữ liệu (phần mềm)

Giai đoạn 3

Dự đoán hiệu suất

Sự tác
động của
từng yếu
tố

Sự tương
ANOVA
Hiệu suất
Xác định
tác giữa
và phân
Hình
2.1:các
Sơ đồ thiết
kếtối
thực nghiệm
theo phươngtrong
phápđiều
Taguchi
mức
yếu tố liên
tích S/N
kiện lựa
ưu
quan
chọn
14

Dự đốn hiệu suất

Giai đoạn 4


 Khái niệm thiết kế thí nghiệm DOE

Thiết kế thí nghiệm (DOE) là một cơng cụ mà có thể được sử dụng mạnh mẽ
trong một loạt các tình huống thí nghiệm. DOE cho phép kiểm soát nhiều yếu tố đầu
vào để xác định ảnh hưởng đến yếu tố đầu ra mong muốn. DOE có thể giúp xác định
những tương tác quan trọng giữa các yếu tố cái mà có thể bị thiếu sót khi thử nghiệm
với một yếu tố tại một thời điểm. Việc sử dụng thiết kế thí nghiệm (DOE) khi ta muốn
khảo sát nhiều hơn một yếu tố đầu vào bị nghi là ảnh hưởng đến một hay nhiều yếu tố
đầu ra.
 Trình tự thực nghiệm DOE với Taguchi

Bước 1: Xác định các định tính chất lượng của sản phẩm và các thông số thiết kế
quan trọng cho sản phẩm hay quy trình.
 Trước khi tiến hành thí nghiệm, kiến thức về sản phẩm/quy trình được điều tra có
tầm quan trọng hàng đầu để xác định các yếu tố có khả năng ảnh hưởng đến kết
quả. Để mà tổng hợp danh sách các yếu tố, đầu vào cho thí nghiệm thường được
lấy từ tất cả những người tham gia dự án.
Bước 2: Xác định hàm mục tiêu để tối ưu
 Để xác định ảnh hưởng của từng biến ở đầu ra, tỷ lệ tín hiệu nhiễu (the signal-tonoise ratio), hoặc giá trị SN, cần tính tốn cho mỗi thử nghiệm được thực hiện.
Việc tính tốn giá trị SN đối với các thử nghiệm đầu tiên trong ma trận trên được
hiển thị dưới đây cho trường hợp với giá trị mục tiêu cụ thể của đặc tính hiệu suất
 Đối với trường hợp giảm thiểu các đặc tính chất lượng mà nhà sản xuất quan tâm,
định nghĩa về các tỷ lệ S/N nên được tính tốn:
 Đối với trường hợp cực tiểu hóa trong q trình mài, cần phải tính tốn tỉ lệ nhiễu

S/N như sau:
Ni

SNi= -10log⌊∑
𝑢=1

𝑦2
𝑢
⌋
Ni

 Đối với trường hợp Cực đại hóa trong q trình mài, cần phải tính tốn tỷ lệ tín
hiệu nhiễu S/N như sau:

15


Ni

SNi=-10log⌊∑

1
⌋
𝑦2
𝑢
𝑢=1

Trong đó:
S/N (Signal-to-Noise ratio) thực chất là thơng số đánh giá mức ảnh hưởng do
tác động của các yếu tố bao gồm cả yếu tố bên trong lẫn bên ngoài tác động lên

kết quả, nó có thể được hiểu là một đại lượng để đo mức ảnh hưởng của các yếu tố
i: số thí nghiệm
u : số lần thử
Ni :số lần thử so với thí nghiệm thứ i
𝑦i : dữ liệu quan sát được
S : là tổng phương sai của giá trị thử nghiệm.
Bước 3: Lựa chọn thông số cho từng cấp độ
Khi các biến độc lập được quyết định, số cấp độ cho mỗi biến được quyết
định.
Việc lựa chọn số cấp độ tùy thuộc vào các tham số hiệu suất bị ảnh hưởng do
cấp độ khác nhau. Nếu tham số hiệu suất là một hàm tuyến tính của biến độc lập, thì
số lượng mức độ sẽ là 2. Tuy nhiên, nếu biến độc lập khơng liên quan tuyến tính, thì
người ta có thể đi đến 3, 4 hoặc cao hơn tùy thuộc vào mối quan hệ là bậc hai, bậc ba
hoặc bậc cao hơn.
Mỗi thông số không cần phải có cùng cấp độ với nhau. Việc lựa chọn bao nhiêu
cấp độ cho mỗi thông số là phụ thuộc vào người nghiên cứu. Càng nhiều cấp độ cho
từng thông số thì độ tin cậy của thí nghiệm càng cao.
Bước 4: Lựa chọn thí nghiệm mảng trực giao Orthogonal Arrays
Việc lựa chọn các mảng trực giao được dựa trên số lượng các thông số và cấp
độ của mỗi thông số. Để lựa chọn mảng trực giao (Orthogonal Arrays) ta dựa vào bảng

16


Bảng 2.2. Bảng ma trận trực giao

Việc lựa chọn ma trận được chỉ dẫn trong bảng thiết kế Taguchi (Ma trận trực
giao bảng 2.2)
Từ bảng (2.2) ta xét ma trận, trong đó:


Số thí nghiệm: 16



Số thơng số khảo sát: P1, P2, P3

Các mức của các thông số: 1, 2, 3, 4.

17


STT Thí
nghiệm
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

Bảng 2.3 Ma trận L9
Các thơng số khảo sát
P1
P2
1
1
1
2
1
3
1
4
2
1
2
2
2
3
2
4
3
1
3
2
3
3
3
4
4

1
4
2
4
3
4
4

P3
1
2
3
4
2
1
4
3
3
4
1
2
4
3
2
1

Ngồi ra, ta có thể chọn mảng trực giao bằng cách ứng dụng phần mềm
Minitab16. Việc lựa chọn mảng trực giao phụ thuộc vào khả năng tiến hành thí
nghiệm, thời gian chế tạo sản phẩm, chi phí chế tạo, …
Ví dụ, có ba thơng số và bốn cấp độ, chúng ta có thể lựa chọn mảng trực giao 9

Hình 2.2. Thiết kế ma trận trực giao trên minitab16

18