Luận án nghiên cứu xác định thông số gia công mài vô tâm thép 20X thấm các bon

-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,. 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. 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. 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. 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.

Nghiên cứu thực nghiệm quá trình mài vô tâm chạy dao hướng kính. Xây dựng mối quan hệ giữa một số thông số của quá trình mài với độ không tròn, độ nhám bề mặt. Nghiên cứu các thuật toán để xác định giá trị tối ưu của một số thông số của quá trình mài vô tâm. Nghiên cứu thực nghiệm để so sánh kết quả của các thuật toán tối ưu đã sử dụng.

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.

Ý nghĩa của đề tài 6.