Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ VẬT LIỆU VÀ CHẾ ĐỘ
CẮT ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT MÁY KHI MÀI TRÒN NGOÀI
THÉP HỢP KIM
ANALYZE THE EFFECTS OF MATERIAL PARAMETERS AND CUTTING MODE
TO SURFACE ROUGHNESS IN ALLOYED STEEL EXTERNAL CYLINDRICAL
GRINDING IS EVALUATED
TS. Nguyễn Tuấn Linh1,a, GS.TS. Trần Văn Địch2,b, PGS.TS. Vũ Quý Đạc1,c
1
Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
a
b
[email protected]; [email protected]; [email protected]
TÓM TẮT
Độ nhám bề mặt là một thông số quan trọng trong các thông số chất lượng bề mặt của
chi tiết máy. Mài là một phương pháp gia công tinh có thể đạt được độ nhám bề mặt thấp. Độ
nhám bề mặt chi tiết máy khi mài phụ thuộc vào rất nhiều thông số như: vật liệu gia công, đá
mài, chế độ cắt, rung động của hệ thống công nghệ, chế độ tưới nguội... Với nhiều các thông
số ảnh hưởng như vậy, ta không thể điều khiển tất cả các thông số mà chỉ có thể điều khiển
các thông số ảnh hưởng chính đến hàm mục tiêu. Trong bài báo này đã tiến hành đánh giá
mức độ ảnh hưởng của các thông số vật liệu và chế độ cắt đến độ nhám bề mặt chi tiết máy
khi mài tròn ngoài thép hợp kim; qua đó, xây dựng được mô hình toán học của độ nhám bề
mặt, làm cơ sở cho việc giải quyết bài toán tối ưu hóa quá trình mài.
Từ khóa: độ nhám bề mặt, vật liệu gia công, chế độ cắt, mài tròn ngoài, thép hợp kim.
ABSTRACT
Surface roughness is one essential parameter of surface quality parameters of machine
parts. Grinding is a fine finish machining method that can obtain low surface roughness.
Surface roughness in grinding depends on a number of parameters such as: material, grinding

quay chi tiết: 0 - 650v/p, tốc độ dịch chuyển của bàn máy: vô cấp từ 0,1- 5m/p, công suất
động cơ: 4kW.
- Đá mài: đá mài Hải Dương, kích thước đá 400x50x203
- Dụng cụ sửa đá: Đầu sửa đá kim cương loại ba hạt có kích thước: 8,5x40
- Chi tiết gia công: Đường kính 30mm, vật liệu gia công thép 40X, 65Γ, 9XC và thép
gió P18 nhiệt luyện đạt các độ cứng 40, 50 và 60HRC.
- Phương pháp mài: mài có tâm chạy dao dọc.
- Máy đo độ nhám: Mitutoyo Surflest SJ-400.
3. ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ VẬT LIỆU VÀ CHẾ
ĐỘ CẮT ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHI MÀI TRÒN NGOÀI THÉP HỢP KIM
Với rất nhiều thông số ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt, ta không thể điều khiển quá
trình mài qua tất cả các thông số mà chỉ điều khiển được qua các thông số có ảnh hưởng
chính. Để biết được những thông số nào ảnh hưởng chính đến hàm mục tiêu, cần tiến hành
đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số.
Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số, có thể dùng phân tích phương sai
(ANOVA) hoặc phân tích Taguchi [4]. Khác với phân tích ANOVA, phân tích Taguchi sử
dụng hệ số tín hiệu SN để đánh giá kết quả, giúp lựa chọn thông số tối ưu với độ phân tán
nhỏ. Phân tích này xét đến nhiều yếu tố kể cả các yếu tố nhiễu.

454


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Giả thiết độ nhám bề mặt (R a ) khi mài tròn ngoài phụ thuộc vào các thông số: chế độ
cắt (lượng chạy dao dọc S d , tốc độ quay của chi tiết n w , chiều sâu cắt t), chi tiết gia công
(đường kính d w , độ cứng vật liệu gia công HRC). Các thông số khác không xét đến được coi
là các thông số nhiễu. Có thể xây dựng được hàm quan hệ như sau:
R a = f(S d , n w , t, HRC, d w )

(3.1)


20

0.36

0.34

0.34

2

40

30

0.39

0.35

0.36

3

40

40

0.42

0.39


40

0.55

0.54

0.55

7

60

20

0.59

0.60

0.62

8

60

30

0.62

0.63


Ra
Hệ số SN i

1

40

20

9.1985

2

40

30

8.7052

3

40

40

7.9534

4


8

60

30

4.1053

9

60

40

3.7410

455


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Hệ số SN được tính toán cho mỗi chỉ số và cấp độ như sau:
SN P1,1 =

( SN1 + SN 2 + SN 3 )
3

SN P1,2 =

( SN 4 + SN 5 + SN 6 )
3

1

8.6190

6.5350

2

5.6854

6.2007

3

4.0778

5.6465

R

4.5412

0.8884

Như vậy, có thể thấy rằng độ cứng có ảnh hưởng nhiều hơn đường kính chi tiết gia
công. Do đó, thông số độ cứng vật liệu gia công sẽ là thông số điều khiển. Với mức độ ảnh
hưởng khá ít, thông số đường kính chi tiết gia công sẽ được coi là thông số không điều khiển.
b) Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến độ nhám bề mặt
Các thông số chế độ cắt được đưa ra nghiên cứu là lượng chạy dao dọc S d , tốc độ quay
của chi tiết n w và chiều sâu cắt t.


0.005

0.27

0.29

0.26

2

0.3

150

0.01

0.33

0.40

0.38

3

0.3

200

0.02


0.46

0.51

6

0.4

200

0.005

0.44

0.45

0.42

7

0.5

100

0.02

0.53

0.55


Tương tự như trên, ta có:

456


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Bảng 3.5: Hệ số SN tính toán cho mỗi chỉ số và cấp độ của chế độ cắt
Ra

Mức độ

Hệ số SN của S d

Hệ số SN của n w

Hệ số SN của t

1

0.3867

0.4100

0.3333

2

0.4367


R a = f(S d , n w , t, HRC)
a) Thí nghiệm với thép 9XC
Bảng 4.1: Điều kiện thí nghiệm
Các mức

Khoảng
biến thiên

Yếu tố

Mức trên
+1

Mức cơ sở
0

Mức dưới
-1

Lượng chạy dao dọc S d , m/p

0.5

0.4

0.3

0.1

Tốc độ quay của chi tiết n w , v/p

Như vậy số thí nghiệm cần thực hiện là N = 24 = 16 thí nghiệm [2, 3].
Mô hình toán học bậc 1 rút gọn có dạng:
y = b0 + b1 x 1 + b2x2 + b3x 3 + b4x4

(4.1)

Trong đó: x 1 - là logarit cơ số e của lượng chạy dao dọc, S d
x 2 - là logarit cơ số e của tốc độ quay chi tiết, n w
x 3 - là logarit cơ số e của chiều sâu cắt, t
x 4 - là logarit cơ số e của độ cứng vật liệu gia công, HRC
y - là logarit cơ số e của hàm độ nhám R a .
Hoặc có thể viết dưới dạng ma trận như sau:
Hay

[X].[B]=[Y]

(4.2)

[XT].[X].[B]= [XT].[Y]

(4.3)

Đặt [M] = [XT].[X], suy ra nghiệm của hệ là: [B]=[M-1]. [XT].[Y]

457

(4.4)


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

−1.203
−0.693
−1.203
−0.693
−1.203
−0.693
−1.203
−0.693
−1.203
−0.693
−1.203
−0.693
−1.203
−0.693

4.605
4.605
5.298
5.298
4.605
4.605
5.298
5.298
4.605
4.605
5.298
5.298
4.605
4.605
5.298


3.688 
 −0.968
 −0.635
3.688 



3.688 
 −0.528
 −0.462 
3.688 



3.688 
 −0.400
; Y =
−1.386 
4.094 



4.094 
 −1.238 
 −1.139 
4.094 


 −1.050 

(mm)

Ra
(µm)

Ln(S d )

Ln(n w )

Ln(t) Ln(HRC)

Ln(R a )

X0

X1

X2

X3

X4

Sd
nw
(m/p) (v/p)

1

+1


+1

+1

-1

-1

-1

0.5

100

0.005

40

0.31

-0.693

4.605

-5.298

3.688

-1.171


-1.050

4

+1

+1

+1

-1

-1

0.5

200

0.005

40

0.38

-0.693

5.298

-5.298


-3.912

3.688

-0.635

6

+1

+1

-1

+1

-1

0.5

100

0.025

40

0.59

-0.693


-1.203

5.298

-3.912

3.688

-0.462

8

+1

+1

+1

+1

-1

0.5

200

0.025

40


60

0.25

-1.203

4.605

-5.298

4.094

-1.386

10

+1

+1

-1

-1

+1

0.5

100


200

0.005

60

0.32

-1.203

5.298

-5.298

4.094

-1.139

12

+1

+1

+1

-1

+1


+1

0.3

100

0.025

60

0.51

-1.203

4.605

-3.912

4.094

-0.673

14

+1

+1

-1


+1

+1

+1

0.3

200

0.025

60

0.58

-1.203

5.298

-3.912

4.094

-0.545

16

+1

y = 0.8041 + 0.1833x 1 + 0.2572x 2 + 0.4484x 3 - 0.1860x 4

(4.5)

Hoặc có thể viết dưới dạng hàm số mũ như sau:
R a = 2.2347S d 0.1833n w 0.2572t0.4484 HRC-0.1860
458

(4.6)


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Đánh giá tính phù hợp của phương trình hồi quy
Đánh giá tính phù hợp của phương trình hồi quy là đánh giá mô hình thu được mô tả thí
nghiệm đúng hay chưa.
Sử dụng chuẩn Fisher để so sánh:
F tính < F bảng (P, k 1 , k 2 )

(4.7)

Trong đó: k 1 = N - n - 1; k 2 = N(m - 1)
N: số thí nghiệm (N = 16)
n: số nhân tố ảnh hưởng lên kết quả thí nghiệm (n = 4)
m: số lần lặp lại của thí nghiệm (m = 3)
Do đó: k 1 = 11; k 2 = 32
F tính =
Phương sai tương
thích: S2tt
=
Phương sai tái hiện:

Trong đó: yˆ i : kết quả thực nghiệm thứ i tính theo phương trình hồi quy
yi : giá trị trung bình của m lần thí nghiệm trong thí nghiệm thứ i
y ij: giá trị của thí nghiệm thứ i trong lần lặp lại thứ j
yi − yˆ i : sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm ở thí nghiệm thứ i.
Với các kết quả theo bảng thực nghiệm (4.2) và phương trình hồi quy (4.7) ta có:
S2tt = 0.0042; S2th = 0.0104

Tra bảng theo chuẩn Fisher [4]:F tính = 0.4014 < F bảng (11, 32, 0.95) ≈ 2.1
Như vậy, hàm hồi quy phù hợp với thực tế.
b) Thí nghiệm với một số thép hợp kim khác
Thí nghiệm tương tự với các loại thép hợp kim 40X, 65Γ, P18 cho kết quả như sau:
Với thép 40X:

R a = 2.5098 S d 0.2017n w

0.2347 0.4355

t

HRC-0.1844

(4.11)

Với thép 65Γ:

R a = 1.8515 S d 0.1453n w

0.2545 0.4337

HRC-0.1518

thép hợp kim trên và ở mỗi độ cứng khác nhau. Khi độ cứng càng cao thì khả sâm nhập của
đá mài càng giảm dẫn tới lực cắt tăng, đây chính là nguyên nhân gây ra hiện tượng cắt không
hết chiều sâu cắt. Như vậy độ cứng vật liệu cao phù hợp trong trường hợp mài tinh với chiều
sâu cắt nhỏ. Khi mài thô thì cần có độ cứng nhỏ để tăng chiều sâu cắt nhằm thỏa mãn về năng
suất gia công. Đây chính là mục tiêu cần đạt được cho mỗi công đoạn của quá trình gia công.
Các kết quả này sẽ là cơ sở để xây dựng bài toán tối ưu hóa quá trình mài tròn ngoài các
loại thép hợp kim nhằm đạt độ nhám bề mặt và nâng cao năng suất gia công, cho phép lựa
chọn một chế độ cắt tối ưu khi gia công các loại thép hợp kim trên máy mài tròn ngoài.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Đắc Lộc, Lê Văn Tiến, Ninh Đức Tốn, Trần Xuân Việt (2010) Sổ tay công nghệ
chế tạo máy. NXB Khoa học & kỹ thuật.
[2] Nguyễn Doãn Ý (2009) Xử lý số liệu thực nghiệm trong kỹ thuật. NXB Khoa học & kỹ
thuật.
[3] Trần Văn Địch (2003) Nghiên cứu độ chính xác gia công bằng thực nghiệm. NXB Khoa
học & kỹ thuật.
[4] Roy, Ranjit K, John Wiley & Sons Design of Experiments Using the Taguchi Approach,
16 Steps to Product and Process Improvement, Inc. (US).
[5] W.Brian Rowe (2009) Principles of Modern Grinding Technology. William Andrew
Publishing.

460