BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
------------------------

TRẦN VIẾT HỒI
NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CẮT TỐI ƯU THEO HÀM
MỤC TIÊU CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT, ĐẢM BẢO NĂNG SUẤT
CẮT KHI GIA CÔNG THÉP SUS304 TRÊN MÁY TIỆN CNC

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 9.52.01.03

TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2022


Cơng trình được hồn thành tại:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI – BỘ CÔNG THƯƠNG

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Phạm Văn Bổng
2. GS.TS. Trần Văn Địch

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp
Trường và họp tại Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội vào hồi…
giờ, ngày … tháng … năm …

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
- Thư viện Quốc gia Việt Nam


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Thép Austenit SUS304 có cơ tính và lý tính tốt, độ cứng cao, khả
năng chống ăn mòn và chịu nhiệt tốt nên được ứng dụng rất rộng rãi
trong các lĩnh vực như y tế, thực phẩm, công nghiệp hàng không, ...
Tuy nhiên, thép khơng gỉ Austenit nói chung và thép SUS304 nói
riêng được đánh giá là loại vật liệu khó gia cơng do độ bền kéo cao,
khả năng dẫn nhiệt thấp, lực cắt lớn dẫn đến mức độ biến cứng cao,
tốc độ mài mòn dụng cụ cắt nhanh, chất lượng bề mặt kém và năng
suất gia cơng thấp.
Sau q trình gia cơng (QTGC), chất lượng bề mặt là tiêu chí quan
trọng để đánh giá chất lượng chi tiết, khả năng chống ăn mòn và độ
bền mỏi của chi tiết. Ứng suất dư và độ nhám bề mặt được đánh giá là
hai tiêu chí quan trọng. Ứng suất dư sinh ra trong QTGC do nhiệt
phát sinh, biến dạng cơ học và sự thay đổi tổ chức vật liệu. Bề mặt
sau khi gia công tồn tại ứng suất dư nén sẽ có có lợi cho việc hạn chế
sự lan truyền vết nứt, tăng độ bền mỏi, ngược lại ứng suất dư kéo sẽ
tác động xấu đến vấn đề trên. Trong thực tế, việc đo, xử lý kết quả đo
và mơ hình hóa ứng suất dư rất phức tạp.
Trong sản xuất, hiệu quả của QTGC được đánh giá thông qua việc
nâng cao chất lượng, giảm chi phí và tăng năng suất, do vậy tối ưu
hóa QTGC là mục tiêu và cũng là thách thức của sản xuất. Với sự

phát triển của khoa học kỹ thuật, các phương pháp tiếp cận mới đã
được triển khai để giải quyết các bài tốn tối ưu cho độ chính xác và
tốc độ xử lý nhanh trong việc tìm ra kết quả tối ưu.
Nghiên cứu về đặc tính, khả năng gia công của thép không gỉ
nhằm nâng cao chất lượng bề mặt là chủ đề đã nhận được sự quan
tâm của nhiều nhà nghiên cứu trước đây, tuy nhiên các nghiên cứu và
công bố chủ yếu đánh giá chất lượng hoặc độ chính xác gia cơng
thơng qua đánh giá chỉ tiêu độ nhám bề mặt, độ cứng tế vi trong khi
đối với chi tiết sau khi gia công, chỉ tiêu về ứng suất dư đóng vai trị
rất quan trọng do đây là tiêu chí xác định độ bền mỏi và các vết nứt
hình thành trên bề mặt chi tiết. Chưa có các nghiên cứu và cơng bố
đầy đủ về phân tích ảnh hưởng của QTGC đến ứng suất dư, tối ưu
hóa đa mục tiêu các chỉ tiêu quan trọng của chất lượng bề mặt như độ


2

nhám bề mặt, ứng suất dư khi tiện thép SUS304 trên cơ sở ứng dụng
các giải thuật tiên tiến.
Các vấn đề trên là định hướng cho tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu
xác định chế độ cắt tối ưu theo hàm mục tiêu chất lượng bề mặt, đảm
bảo năng suất cắt khi gia công thép SUS304 trên máy tiện CNC”.
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2.1. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu các đặc tính cơng nghệ của thép không gỉ, cơ sở lý
thuyết ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến các đặc trưng của
quá trình cắt bao gồm một số chỉ tiêu của chất lượng bề mặt.
- Xây dựng mơ hình thực nghiệm, đo, tính tốn, xử lý dữ liệu,
phân tích đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến một số
chỉ tiêu của chất lượng bề mặt.

- Xác định mơ hình tốn học biểu diễn mối quan hệ giữa các thơng
số công nghệ với một số yếu tố đầu ra đặc trưng của q trình gia cơng.
- Ứng dụng giải thuật trí tuệ bầy đàn giải bài tốn đơn và đa mục
tiêu nhằm nâng cao chất lượng bề mặt, đảm bảo năng suất gia công.
2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: luận án tập trung nghiên cứu các đặc trưng
của q trình gia cơng thép SUS304 trên máy tiện CNC, sử dụng
mảnh chip chuyên dùng gia công thép không gỉ của hãng Sandvik.
- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu xác định mối quan hệ giữa vận
tốc cắt (V), lượng tiến dao (f), chiều sâu cắt (t) đến nhám bề mặt, độ
cứng tế vi, ứng suất dư. Ứng dụng giải thuật Dơi và giải pháp tối ưu
Pareto để giải bài toán tối ưu đa mục tiêu gồm hai chỉ tiêu là độ nhám
bề mặt và ứng suất dư.
3. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết về quá trình cắt làm cơ sở để đánh giá sơ
bộ và định hướng cho nghiên cứu thực nghiệm.
- Nghiên cứu thực nghiệm để lấy số liệu của một số chỉ tiêu. Ứng
dụng phần mềm để tính tốn, xử lý, đánh giá sự ảnh hưởng của chế
độ cắt, xác định các hàm hồi quy và giải quyết bài toán tối ưu hóa.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài


3

- Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu là cơ sở để thiết lập các thông số
công nghệ trong QTGC tiện thép không gỉ trên máy CNC và là cơ sở
cho việc tối ưu để nâng cao chất lượng bề mặt, đảm bảo năng suất cắt.
- Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng
trong sản xuất với các sản phẩm được chế tạo từ thép không gỉ, đồng
thời làm tài liệu phục vụ cho công tác đào tạo và nghiên cứu.

5. Bố cục của luận án: Luận án được trình bày trong 04 chương:
Chương 1: Tổng quan về gia công thép không gỉ.
Chương 2: Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các thông số công
nghệ đến chất lượng bề mặt.
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm phân tích ảnh hưởng của các
thơng số cơng nghệ đến chất lượng bề mặt khi tiện CNC thép SUS304.
Chương 4: Tối ưu hóa các thơng số cơng nghệ để nâng cao chất lượng
bề mặt, đảm bảo năng suất cắt khi tiện CNC thép SUS304.
6. Những đóng góp mới của luận án
- Xây dựng được mơ hình thực nghiệm, đo, tính tốn các chỉ tiêu
đầu ra và phân tích, đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ
đến độ nhám bề mặt, độ cứng tế vi và ứng suất dư bề mặt.
- Áp dụng phương pháp bề mặt chỉ tiêu (RSM) và thiết kế thực
nghiệm Box-Behnken (BBD) để xây dựng mô hình tốn học biểu
diễn mối quan hệ giữa các thơng số công nghệ với độ nhám bề mặt,
độ cứng tế vi và ứng suất dư bề mặt.
- Ứng dụng giải pháp tối ưu Pareto dựa trên giải thuật Dơi (BA) để
giải bài toán tối ưu đa mục tiêu xác định được tập hợp các bộ thông
số công nghệ tối ưu nhằm nâng cao chất lượng bề mặt, đảm bảo năng
suất gia cơng từ đó đưa ra khuyến nghị cho các kỹ sư cơng nghệ ứng
dụng kết quả tối ưu tìm được vào thực tế sản xuất.
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG THÉP KHÔNG GỈ
1.1. Tổng quan chung về thép không gỉ
Việc bổ sung các thành phần hợp kim trong thép khơng gỉ ảnh
hưởng đến cơ, lý tính của nó. Khi thay đổi hàm lượng Crơm và bổ
sung một số các nguyên tố khác như Niken, Molipden, … dẫn đến sự
thay đổi đặc tính về cơ, lý và chống ăn mịn của thép khơng gỉ. Sự
thay đổi dẫn đến hình thành 05 nhóm thép khơng gỉ bao gồm:
Austenit, Ferit, Song pha (Duplex), Biến cứng kết tủa (PH).



4

1.2 Thép khơng gỉ Austenit
Thép khơng gỉ Austenit có hàm lượng Niken và Crôm tối thiểu lần
lượt là 7% và 16%, hàm lượng Cacbon ≤ 0,08% và một vài nguyên tố
khác. Thép Austenit được chia thành 2 nhóm: Nhóm tiêu chuẩn (Loại
300) trong đó Niken là chất ổn định Austenit với một lượng vừa đủ
Crơm và Niken, Nitơ cũng có thể được sử dụng để tăng độ bền, trong
đó thép 304 là loại thép không gỉ phổ biến nhất do có tính tạo hình và
tính hàn rất tốt, khơng có từ tính, có hệ số giãn nở nhiệt lớn hơn nhiều
và khả năng dẫn nhiệt thấp hơn so với các loại khác. Nhóm Mangan
(Loại 200), trong đó thêm một lượng đáng kể Mangan thường với
mức cao hơn Nitơ.
1.3. Khả năng gia công của thép không gỉ Austenit
Khả năng gia công của vật liệu được đánh giá thông qua một số
tiêu chí như: kích thước, chất lượng hồn thiện bề mặt, mức độ tiêu
hao năng lượng, sự hình thành phoi, độ mịn và tuổi bền của dụng cụ.
Thép Austenit có độ bền kéo cao, độ dẫn nhiệt thấp (Bảng 1.1).
Đây là loại thép khơng chuyển hóa do vậy khơng có khả năng tơi
cứng nhưng có xu hướng tăng cường biến cứng nguội nên được đánh
giá là vật liệu khó gia cơng hơn thép Cacbon thường.
Bảng 1.1. Tính chất vật lý của các loại vật liệu
Loại vật liệu
Thép SUS304
Thép 45

Độ bền kéo
( MPa)
515

450

Độ giãn dài
(%)
40
21

Độ dẫn nhiệt
(W/mK)
16
58

1.4. Tình hình nghiên cứu về gia cơng thép khơng gỉ
1.4.1. Các nghiên cứu ngồi nước
Các thông số công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt được
nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Các nghiên cứu đã thực hiện và công
bố cho thấy lượng tiến dao và vận tốc cắt có ảnh hưởng nhất đến độ
nhám bề mặt như trong các công bố: M. Batista nghiên cứu trên cơ sở
SOM để đánh giá co rút phoi khi tiện khơ Titan. Kết quả cho thấy do
tính dẫn nhiệt thấp, nên hệ số co rút phoi lớn hơn khi tiện các loại
thép các bon kết cấu. Xinxin Zhang và đồng nghiệp nghiên cứu phay
cao tốc thép không gỉ chỉ ra bước tiến là nhân tố quan trọng nhất ảnh
hưởng đến độ nhám Ra. Lakhdar Bouzid nghiên cứu tối ưu hóa độ


5

mòn dụng cụ khi tiện tinh SUS304 sử dụng hàm kỳ vọng DFA.
Franko Puh nghiên cứu tối ưu hóa chế độ cắt khi tiện với các đặc tính
tổ hợp chất lượng sử dụng phân tích quan hệ xám GRA.

Ứng suất dư trong q trình phay cao tốc hợp kim nhơm 6061T651 với phân tích phần tử hữu hạn của tác giả Y.B. Guo và cộng sự.
Kết quả cho thấy ứng suất dư theo phương của tiến dao là kéo ở gần
bề mặt và nhanh chóng trở nên nén ở độ sâu 20-25µm. D.W. Wu
trong nghiên cứu cho thấy độ cứng của vật liệu ảnh hưởng trực tiếp
và đáng kể đến giá trị của ứng suất dư do gia công tạo ra và nhận định
phương pháp gia công thép cứng khác gia công thép dẻo, bề mặt gia
công của thép dẻo khơng có bất kỳ giai đoạn chuyển pha nào.
Lựa chọn chế độ cắt cho QTGC là một trong những khâu quyết
định chất lượng sản phẩm và năng suất gia công. Trong xu thế gần
đây, các nhà nghiên cứu tập trung phát triển các thuật toán mới để
giải quyết bài toán tối ưu QTGC đảm bảo nhiều mục tiêu khác nhau.
Nhiều công bố đã cho thấy hiệu quả của việc áp dụng các thuật toán
mới để giải bài toán tối ưu hóa như: Tác giả Poornima và Sukumar
nghiên cứu tối ưu chế độ cắt khi tiện thép SUS40 sử dụng phương
pháp bề mặt chỉ tiêu (RSM) và thuật toán di truyền GA. N. Ahmad
nghiên cứu so sánh tối ưu độ nhám bề mặt khi gia cơng thép
SUS1045 sử dụng thuật tốn di truyền GA và thuật toán bầy đàn
PSO. Kết quả thu được từ nghiên cứu chỉ ra các giá trị dự đốn theo
phương pháp RSM là 99.3%. Trong khi đó, PSO thu được độ nhám
bề mặt thấp nhất khi so sánh với phương pháp Taguchi và GA.
1.4.2. Các nghiên cứu trong nước
Tại Việt Nam các nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ cắt đến
chất lượng bề mặt đã nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu.
Tuy nhiên các nghiên cứu chủ yếu đánh giá ảnh hưởng của chế độ cắt
đến nhám bề mặt, mòn dụng cụ, lực cắt như: Nghiên cứu của Nguyễn
Tiến Dũng khi tiện thép SUS304, đã đánh giá ảnh hưởng của (V, f, t)
đến độ nhám bề mặt (Ra). Kết quả cho biết lượng tiến dao là thông số
ảnh hưởng lớn nhất. Tác giả Lê Thị Hồi Thu, nghiên cứu độ chính
xác gia cơng khi tiện vật liệu có độ dẻo cao để đánh giá ảnh hưởng
của chế độ cắt đến chỉ tiêu là Ra. Trong luận án tiến sĩ của Nguyễn

Chí Cơng đã đánh giá mức độ ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám


6

Ra, mòn đụng cụ và lực cắt khi tiện thép SUS304, ứng dụng phương
pháp giải tích để giải bài tốn và tìm ra bộ thơng số cơng nghệ tối ưu
khi tiện là V = 42m/phút, f=0,08mm/vòng, t=0,6mm. Một số tác giả
đã nghiên cứu về tối ưu hóa QTGC sử dụng thuật toán giải thuật di
truyền GA, bầy đàn PSO làm cơng cụ để tối ưu hóa.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1:
Để nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết và hiệu quả q trình gia
cơng đặc biệt khi gia cơng loại vật liệu có độ dẻo và độ bền cao như
thép SUS304 cần thiết phải xét đến các vấn đề gặp phải khi gia cơng,
thơng qua nghiên cứu tổng quan có thể thấy rằng:
- Thép khơng gỉ Austenit trong đó mác thép SUS304 là một trong
những vật liệu khó gia cơng. Khả năng gia cơng (tính cơng nghệ khi
gia cơng) và hiệu quả của q trình gia cơng được đánh giá thơng qua
chất lượng bề mặt chi tiết sau khi gia công, cơ chế mòn và tuổi bền
dụng cụ cắt.
- Các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến ảnh hưởng
của q trình gia cơng đến chất lượng bề mặt khi gia công thép không
gỉ, các kỹ thuật, công cụ được ứng dụng để tối ưu hóa q trình gia
cơng rất đa dạng. Tuy nhiên nghiên cứu về ảnh hưởng của thông số
công nghệ đến ứng suất dư lớp bề mặt chưa được quan tâm nhiều.
Xuất phát từ các nghiên cứu trên cho thấy việc xác định chỉ tiêu chất
lượng bề mặt bao gồm: độ nhám bề mặt (tiêu chí xác định chất lượng
sản phẩm), độ cứng tế vi (tiêu chí đặc trưng cho khả năng chống ăn
mòn của chi tiết) đặc biệt là ứng suất dư (tiêu chí chính ảnh hưởng
đến độ bền mỏi và vết nứt bề mặt chi tiết) khi gia công thép SUS304

trên máy tiện CNC là hướng nghiên cứu quan trọng và cần thiết đóng
góp cho quá trình sản xuất.
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA
CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT
2.1 Độ nhấp nhô tế vi lớp bề mặt
2.1.1 Các thông số của độ nhấp nhô tế vi lớp bề mặt: Giá trị độ
nhám bề mặt ( Ra ) được xác định bằng phương trình 2.1 như sau:


7

L

Ra 

1
y( x ) d ( x )
L o

(2.1)

Trong đó: Ra là độ lệnh trung bình so với đường trung bình, L là
chiều dài chuẩn để đánh giá , y ( x ) là biên dạng nhám .
2.1.2. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt
Độ nhám bề mặt ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như: Chế độ cắt, các
hiện tượng xảy ra trong QTGC, thơng số hình học dao, đặc tính phơi.
Trong đó ảnh hưởng của vận tốc cắt ( V ), lượng tiến dao ( f ), chiều
sâu cắt ( t ) được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất.
2.2. Độ cứng tế vi: Độ cứng tế vi là một trong những thông số quan
trọng của chất lượng bề mặt và được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng

đến khả năng làm việc và tuổi thọ của chi tiết. Một số nghiên cứu đã
chỉ ra rằng bề mặt biến cứng sẽ tăng độ bền mỏi của chi tiết lên
khoảng 20%, tăng độ chống mòn lên từ 2 đến 3 lần. Tuy nhiên bề mặt
quá cứng làm giảm độ bền mỏi của chi tiết.
2.3. Ứng suất dư: Ứng suất dư nén trên bề mặt có khả năng làm tăng
độ bền mỏi của chi tiết lên 50% và giảm 30% khi bề mặt có ứng suất
dư kéo. Ứng suất dư trong QTCG được sinh ra do ba nguồn bao gồm:
nhiệt phát sinh khi cắt, biến dạng cơ học và sự thay đổi tổ chức.
Các kỹ thuật chính để đo ứng suất dư bao gồm: khơng phá hủy,
bán phá hủy, phá hủy tùy thuộc vào điều kiện thí nghiệm và mẫu cần
đo. Trong đó nhiễu xạ tia X là một trong những phương pháp tốt nhất
để xác định ứng suất dư. Phương pháp phân tích dữ liệu XRD để xác
định biến dạng trong vật liệu như Scherrer, Williamson-Hall, biểu đồ
kích thước biến dạng (SSP), phương pháp Warren-Averbach. Trong
đó Williamson-Hall được đánh giá là phương pháp phân tích đơn
giản, rõ ràng dựa trên độ rộng nửa đỉnh nhiễu xạ FWHM.
Từ giản đồ nhiễu xạ tia X, độ rộng của các đỉnh nhiễu xạ βhkl được
xác định bằng độ rộng do sự thay đổi kích thước tinh thể βL và độ
rộng do biến dạng tế vi βε theo công thức :
βhkl = βL + βε
(2.7)


8

Với βhkl là tổng độ rộng nhiễu xạ, βL là độ rộng do kích thước tinh
thể và βε là độ rộng do biến dạng. Độ rộng đỉnh do sự thay đổi kích
k
thước tinh thể được tính từ cơng thức  L 
(2.8)

L cos 
Trong đó: - Bước sóng (0.15405 nm) ;L - Kích thước tinh thể (nm);
 : góc nhiễu xạ (° hoặc rad); k : 0.94
Tương tự, độ rộng đỉnh XRD do biến dạng được xác định theo công
thức: βε = 4εtanθ. Với  là biến dạng.
k
4 sin 

Thay vào công thức (2.7) ta được:  hkl 
(2.10)
L cos 
cos 
Nhân hai vế với cos  , ta
k
4 sin 
 cos 
được: cos  hkl  cos 
L cos 
cos 
Vẽ (  hkl cos ) theo (4sin  ) được một đường thẳng trong đó độ
biến dạng ( ) là độ dốc và giao điểm với trục tung là (

k
) . Từ đó ta
L

có thể tính được kích thước tinh thể L.
Sự dịch chuyển vị trí của đỉnh, góc ( ) , cho phép xác định được
biến dạng mạng trung bình dọc theo một phương xác định [hkl] được
d  do

xác định bởi công thức:  hkl 
(2.12)
do
Với d và do là khoảng cách mạng của hạt tinh thể theo phương [hkl]
của mẫu có ứng suất và khơng có ứng suất.
Ứng suất dư ( ) có quan hệ với biến dạng ( ) theo định luật
Hooke như sau:
1
E
 hkl d  (2.14)

  (2.13)  
4   
1  2 
Với ( E ) là mô đun đàn hồi, ( ) là hệ số Poisson của vật liệu
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2:
Trong q trình gia cơng, chất lượng bề mặt ảnh hưởng bởi nhiều
yếu tố đầu vào như: vật liệu phơi, hình dáng và vật liệu dụng cụ cắt,
độ cứng vững máy, chất làm mát, đặc biệt là các thông số công nghệ.


9

Đồng thời nghiên cứu sơ bộ cũng cho thấy thông số cơng nghệ tác
động đến việc tạo thành hình dạng phoi.
Qua việc nghiên cứu về chất lượng bề mặt bao gồm: độ nhám bề
mặt, độ cứng tế vi và ứng suất dư cho thấy các thơng số cơng nghệ có
ảnh hưởng mạnh đến từng chỉ tiêu. Tuy nhiên mối quan hệ giữa các
thông số công nghệ với các yếu tố đầu ra của q trình gia cơng về
chất lượng bề mặt đó như thế nào cần phải xây dựng mơ hình tốn

học mơ tả mối quan hệ và xác định hàm quan hệ từ nghiên cứu bằng
thực nghiệm. Đồng thời qua phân tích các phương pháp đo, tính tốn
để lựa chọn:
- Đo nhám bề mặt ( Ra ) bằng thiết bị đo điện tử quét bề mặt.
- Đo độ cứng tế vi ( HV ) bằng thiết bị đo độ cứng Vickers.
- Xác định ứng suất dư thông qua phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
và tính tốn giá trị theo phương pháp Williamson-Hall.
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM PHÂN TÍCH
ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ ĐẾN
CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI TIỆN CNC THÉP SUS304
3.1. Phương pháp xây dựng mơ hình tốn học biểu diễn mối quan
hệ giữa các thông số công nghệ với một số yếu tố đầu ra của quá
trình cắt
3.1.1. Phương pháp bề mặt chỉ tiêu (RSM)
Trong nghiên cứu sử dụng phương pháp bề mặt chỉ tiêu để mơ
hình hóa mối quan hệ giữa các biến đầu vào với chỉ tiêu đầu ra.
Phương pháp thiết kế thực nghiệm Box-Behnken được đánh giá phù
hợp và hiệu quả với phương trình đa thức bậc 2.
(Ra,,HV)= C + a.V+b.f+c.t+d.V2+e.f2+g.t2+h.V.f+ i.V.t+ j.f.t (3.3)
3.1.2. Phương pháp phân tích phương sai (ANOVA)
Phân tích ANOVA được áp dụng để đánh giá ảnh hưởng của tham
số đầu vào từ một loạt các kết quả thực nghiệm bằng phương pháp
thiết kế thí nghiệm trong QTGC và giải thích dữ liệu đầu ra.
3.2. Xây dựng mơ hình thực nghiệm
3.2.1. Sơ đồ thí nghiệm
Nghiên cứu tiến hành theo các bước: Thiết kế các thông số đầu
vào, thực nghiệm và đo các yếu tố đầu ra, phân tích phương sai đánh


10


giá ảnh hưởng của chế độ cắt đến yếu tố đầu ra, xây dựng hàm hồi
quy, tối ưu hóa các tham số ảnh hưởng; kiểm chứng kết quả tối ưu.
3.2.2. Xác định miền thông số công nghệ thực nghiệm khi gia công
thép SUS304
Bảng 3.1. Các thông số công nghệ
Yếu tố

Đơn vị

Vận tốc cắt (V )
Lượng tiến dao ( f )
Chiều sâu cắt (t )

(m/phút)
mm/vịng)
(mm)

1
230
0,08
0,1

Mức
2
260
0,14
0,25

3

290
0,2
0,5

Căn cứ vào phân tích trong chương 2, cùng với độ cứng vững của hệ
thống công nghệ, đặc tính của vật liệu gia cơng, theo khuyến nghị của
nhà sản xuất mảnh cắt để lựa chọn miền chế độ cắt như bảng 3.1.
Các chỉ tiêu đầu ra trong nghiên cứu:
1/ Độ nhám bề mặt: Ra ;2/ Độ cứng tế vi: HV 3/ Ứng suất dư: 
3.3. Điều kiện thực nghiệm ảnh hưởng của thông số công nghệ
đến các chỉ tiêu đầu ra khi tiện CNC thép SUS304
3.3.1. Thiết bị
thực nghiệm
Thực nghiệm trên
máy tiện CNC Mori
Seiki SL-253
3.3.2. Phơi thực
nghiệm
Hình 3.3. Máy tiện CNC
50 mm
Phơi có kích thước đường kính  Mori
được
cắt rãnh trên dọc
Seiki
SL-253
chiều dài để tạo thành 15 mẫu (hình 3.4)

Hình 3.4. Bản vẽ phơi thực nghiệm
3.3.3. Dụng cụ cắt
Nghiên cứu Sử dụng mảnh chip chuyên dùng gia công thép không

gỉ hãng Sandvik, ký hiệu DCMT 11 T3 04 - MF 2220 phủ CVD Ti
(C, N) + Al2O3 + TiN


11

3.3.4. Thiết bị đo và phương pháp đo
* Máy đo
độ nhám:

Hình 3.7. Máy đo độ nhám Mitutoyo

* Máy đo độ
cứng Vickers

Hình 3.8. Đo độ cứng tế vi

* Máy chụp
XRD:

Hình 3.9. Thiết bị chụp XRD
3.4. Thực nghiệm xác định một số đặc tính của chất lượng bề khi
tiện CNC thép SUS304
3.4.1. Phân tích ảnh hưởng và xây dựng hàm hồi quy mối quan hệ
giữa các thông số công nghệ đến nhám bề mặt
Bảng 3.5. Thiết kế thí nghiệm và kết quả đo độ nhám bề mặt
f
t
Ra
V

Mẫu
1
2
3
4
5
6

(m/phút)
290
260
260
230
230
260

(mm/vịng)
0,2
0,14
0,14
0,2
0,14
0,08

(mm)
0,25
0,25
0,25
0,5
0,1

0,5

(µm)
1,58
0,73
0,73
1,72
0,93
0,45


12

Mẫu
7
8
9
10
11
12
13
14
15

V

f

t


Ra

(m/phút)
260
260
260
230
290
290
230
230
290

(mm/vịng)
0,2
0,14
0,08
0,2
0,14
0,08
0,14
0,08
0,14

(mm)

(µm)
1,55
0,73
0,44

1,66
0,87
0,48
0,85
0,64
1,02

0,1
0,25
0,1
0,25
0,1
0,25
0,5
0,25
0,5

Áp dụng phân tích phương sai (ANOVA) để xác định mức ý nghĩa
của các tham số đầu vào và đóng góp của chúng vào kết quả đầu ra.
Mơ hình được coi là có ý nghĩa nếu giá trị P < 0,05. Sử dụng phần
mềm Minitab 18 ta được kết quả phân tích ANOVA trong bảng 3.6.
Bảng 3.6. Phân tích ANOVA cho độ nhám bề mặt Ra
Nguồn

DF

SS
dãy số

Mơ hình

V
f
t
V2
f2
t2
V*f
V*t
f *t
Sai số
Mức độ phù hợp
Sai số thuần túy
Tổng

9
1
1
1
1
1
1
1
1
1
5
3
2
14

2,83234

0,08893
2,45459
0,00763
0,08038
0,17579
0,00770
0,00114
0,01384
0,00235
0,01443
0,01443
0,00000
2,84677

Mức
đóng
góp
99,49%
3,12%
86,22%
0,27%
2,82%
6,18%
0,27%
0,04%
0,49%
0,08%
0,51%
0,51%
0,00%

100,0%

SS
hiệu
chỉnh
2,83234
0,00109
2,01253
0,00356
0,05363
0,19252
0,01057
0,00086
0,01590
0,00235
0,01443
0,01443
0,00000

MS
hiệu
chỉnh
0,31470
0,00109
2,01253
0,00356
0,05363
0,19252
0,01057
0,00086

0,01590
0,00235
0,00289
0,00481
0,00000

Giá trị
F

Giá
trị P

109,05
0,38
697,39
1,23
18,58
66,71
3,66
0,30
5,51
0,81

0,000
0,566
0,000
0,317
0,008
0,000
0,114

0,609
0,066
0,408

Đối với tác động riêng lẻ: lượng tiến dao có mức độ ảnh hưởng lớn
nhất (86,22%) so với mức đóng góp ảnh hưởng của vận tốc cắt là
(3,12%) và chiều sâu cắt ảnh hưởng không đáng kể (0,27%). Tác
động chéo đều tương đối nhỏ. Tác động bậc hai: f2 lớn nhất với mức
đóng góp (6,18%), tiếp đến V2(2,82%) và t2(0,27%). Ngồi ra, giá trị


13

P của vận tốc cắt (0,566) và của chiều sâu cắt (0,317) cho thấy V, t
không thể hiện mức ý nghĩa về mặt thống kê nào đến Ra.
Quan sát biểu đồ phân
tích Pareto giá trị F trên
hình 3.10 ta thấy được
nguyên nhân chính gây ra
độ nhám bề mặt là do
lượng tiến dao (20%
ngun nhân). Các thơng
số cịn lại ảnh hưởng ít
hơn hoặc khơng đáng kể
Hình 3.10. Biểu đồ phân tích Pareto
đến độ nhám bề mặt.
ảnh hưởng của V, f, t đến nhám bề mặt
Ảnh hưởng riêng biệt
của từng thông số đến độ
nhám bề mặt (hình 3.11),

có thể thấy rằng: Khi V ở
mức thấp (230m/phút), lúc
này do ở vùng tốc độ có
khả năng hình thành lẹo
dao dẫn đến giá trị độ
nhám lớn, khi V ở mức
trung bình là 260 m/phút
Surfacethơng
Plot of Ra vsố
s V. t
Surface PlẢnh
ot of Ra vhưởng
s f. V
Hình 3.11.
của từng
khơng cịn ảnh hưởng của
đến nhám bề mặt
Hold Values
t 0,3

lẹo dao làm sẽ cho Ra
nhỏ nhất. Khi tốc độ cắt
lên 290 m/phút, do ảnh
hưởng của nhiệt độ, của
biến dạng phoi nên độ
nhám Ra lại có xu hướng
tăng nhưng khơng nhiều.
Chiều sâu cắt ảnh hưởng
ít đến Ra
Hình 3.12 biểu diễn

mối quan hệ đồng thời
của từng cặp thơng số

1,0
1,5

Ra (µm) 0,9

Ra (µm)
1,0

0,8

Surface P0,7
lot of Ra vs f. t

0,5

0,20

255

0,15

255
270

V (m/ph)

f (mm/vg )


0,10

285

Hold 0,10
Values
0,25 V 260

2 40

2 40

V (m/ph)

270

0,40
285

t (mm)

0,55

a
)

b
)


1,5

Ra (µm)

1,0

0,5
0,55

0,20

0,40

0,15

f (mm/vg )

0
0,25

0,10

t (mm)

0,10

Hình 3.12. Đồ thị quanc hệ giữa Ra với V,f,t

)


Hold V
f 0,


14

công nghệ đến độ nhám bề mặt.
Từ dữ liệu thực nghiệm, sử dụng phần mềm Minitab 18, tính tốn các
hệ số của mơ hình, kết quả hàm hồi quy biểu diễn mối quan hệ giữa
chế độ cắt với độ nhám bề mặt (Ra) là:
Ra  12,11  0,0818V 11,57 f  3,69 t  0,000149V 2
 64,68 f 2 1,460 t 2  0,0079Vf  0,01002Vt  2,27 ft

(3.10)

R  99,49%
3.4.2. Phân tích ảnh hưởng và xây dựng hàm hồi quy mối quan hệ
giữa các thông số công nghệ đến độ cứng tế vi
Bảng 3.7. Thiết kế thí nghiệm và kết quả đo độ cứng tế vi
f
t
V
2

Mẫu
1
2
3
4
5

6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

(m/phút)
290
260
260
230
230
260
260
260
260
230
290
290
230
230
290

(mm/vòng)
0,2

0,14
0,14
0,2
0,14
0,08
0,2
0,14
0,08
0,2
0,14
0,08
0,14
0,08
0,14

(mm)
0,25
0,25
0,25
0,5
0,1
0,5
0,1
0,25
0,1
0,25
0,1
0,25
0,5
0,25

0,5

HV0,025
348
329,5
329,5
441
332,5
336
402
329,5
309
438
316
312,5
392,5
335
324,5

Bảng 3.8 là kết quả phân tích ANOVA với độ cứng tế vi cho biết
trong 3 thơng thì lượng tiến dao f có ảnh hưởng lớn nhất đến độ cứng
tế vi sau khi gia cơng với mức độ đóng góp là 42,92% sau đó đến vận
tốc cắt V với 33,51% và chiều sâu cắt t với 5,82%.
Bảng 3.8. Phân tích ANOVA cho độ cứng tế vi
Nguồn

DF

SS
dãy số


Mức đóng
góp

Mơ hình

9

26701

97,53%

SS
hiệu
chỉnh
26701

MS
hiệu
chỉnh
2966,78

Giá trị
F

Giá trị
P

21,93


0,002


15

Nguồn

DF

SS
dãy số

Mức đóng
góp

V
f
t
V2
f2
t2
V*f
V*t
f*t
Sai số
Mức độ phù hợp
Sai số thuần túy
Tổng

1

1
1
1
1
1
1
1
1
5
3
2
14

9175,5
11750,8
1592,4
34,8
2498,5
132,3
916,9
277,9
322,1
676,4
676,4
0
27377,4

33,51%
42,92%
5,82%

0,13%
9,13%
0,48%
3,35%
1,01%
1,18%
2,47%
2,47%
0,00%
100,00%

Phân tích giá trị F trên hình
3.16 cho thấy thứ tự xếp
hạng các ảnh hưởng đến HV
như sau: f ảnh hưởng lớn
nhất, tiếp đến là V và f2.
Trên hình 3.17 có thể thấy
rằng khi vận tốc cắt thay đổi
từ
230m/phút
đến
260m/phút, độ cứng tế vi bề
mặt giảm rất mạnh. Do khi
vận tốc cắt tăng lên, một lớp
kim loại trong vùng cắt bị
nóng chảy nên lực liên kết
giữa các phần tử kim loại
giảm, ma sát giữa dao và phoi
giảm, lực cắt giảm do đó tốc
độ biến cứng giảm. Tương tự

như vậy khi lượng tiến dao
tăng ở mức cao từ

SS
hiệu
chỉnh
5074,6
7501,3
713,9
51,8
1849,7
38,8
980,7
428,5
322,1
676,4
676,4
0

MS
hiệu
chỉnh
5074,56
7501,29
713,85
51,84
1849,69
38,8
980,66
428,46

322,12
135,27
225,45
0

Giá trị
F

Giá trị
P

37,51
55,45
5,28
0,38
13,67
0,29
7,25
3,17
2,38

0,002
0,001
0,07
0,563
0,014
0,615
0,043
0,135
0,183


Hình 3.16. Biểu đồ phân tích Pareto
ảnh hưởng của các thơng số đến HV

Hình 3.17. Ảnh hưởng của từng
thông số đến HV


Surface Plot of HV vs f. V

16

0,14mm/vòng
đến
0,2mm/vòng, độ cứng tế vi
tăng rất nhanh và đạt giá trị
cao nhất khi lượng tiến dao
lớn nhất.
Hình 3.18 thể hiện ảnh
hưởng của từng cặp thông số
công nghệ đến độ cứng tế vi.
Sử dụng phần mềm tính
tốn tìm hàm hồi quy và độ
tin cậy ta được kết quả:

Surface Plot of HV vs t. V
Hold Values
t 0,3

Hold Valu

f 0,14

450

HV

380

400

360
350

HV 340

Surface Plot of HV vs f. t

300

320

Hold Values
0,55
0,40 V 260

0,20

2 40
255


V (m/ph)

2 40

0,15
270

0,10

285

255

f (mm/vg )

V (m/ph)

270

0,25
285

0,10

a
)

375

HV


t (mm)

b
)

350
325
300

0,55

0,20

0,40

0,15

f (mm/vg )

0
0,25
0,10

t (mm)

0,10

c
Hình 3.18. Đồ thị quan hệ giữa

HV với )(V , f , t )

HV  428 1,56V  1248 f  543t  0,00462V 2
 6340 f 2  88 t 2  8,47Vf 1, 645Vt  842 ft

(3.11)

R 2  97,53%
3.4.3. Phân tích ảnh hưởng và xây dựng hàm hồi quy mối quan hệ
giữa các thông số công nghệ đến ứng suất dư
Ứng suất dư không xác định được giá trị trực tiếp từ các thiết bị đo
mà phải thơng qua xử lý, tính tốn trung gian theo quy trình:
Bước 1: Sử dụng phần mềm MDI Jade 6.5 đọc dữ liệu nhiễu xạ tia X
(định dạng *.raw), các đỉnh nhiễu xạ được chuẩn hóa bằng hàm
Pseudo-Voigt với các giá trị mặc định để đọc được kết quả độ rộng
nửa đỉnh  hkl (FWHM) tại các đỉnh nhiễu xạ.

Bước 2: Tính độ rộng đỉnh nhiễu xạ
Bước 3: Tính  từ hàm nội suy bậc nhất đi qua 3 điểm của phương
trình 2.14, kết quả được trình bày trong bảng 3.9.
Bước 4: Tính ứng suất dư từ cơng thức 2.13 là hàm của  với các
hằng số mô đun đàn hồi E=200 GPa và hệ số Poisson   0,293 .
Bảng 3.9. Xác định các số liệu tính tốn ứng suất dư
Mẫu
1
2

Góc 2θ
(độ)
43,531

50,766
74,490
43,796
51,007

Mặt tinh
thể [hkl]
111
200
220
111
200

FWHM
(độ)
0,380
0,756
0,884
0,401
0,803

βcosθ
(rad)
0,00594
0,01182
0,0122
0,00629
0,01255

4sinθ

1,483
1,715
2,421
1,492
1,722

ε
%
0,533
0,327


17

3

4

5

6

7

8

9

10


11

12

13

14

15

74,773
43,796
51,007
74,773
43,823
51,022
74,743
43,763
50,975
74,747
43,866
51,067
74,814
43,685
50,894
74,564
43,796
51,007
74,773
43,767

50,981
74,759
38,033
44,266
74,767
43,797
51,010
74,632
43,792
51,012
74,749
43,802
50,997
74,733
43,840
51,023
74,741
43,939
51,138
74,859

220
111
200
220
111
200
220
111
200

220
111
200
220
111
200
220
111
200
220
111
200
220
111
200
220
111
200
220
111
200
220
111
200
220
111
200
220
111
200

220

0,796
0,401
0,803
0,796
0,409
0,769
0,976
0,405
0,842
0,829
0,406
0,770
0,817
0,426
0,830
0,998
0,401
0,803
0,796
0,398
0,796
0,801
0,404
0,479
0,904
0,443
0,994
0,968

0,445
0,703
0,866
0,385
0,804
0,945
0,410
0,873
0,854
0,384
0,732
0,794

0,01095
0,00629
0,01255
0,01095
0,00642
0,01201
0,01347
0,00636
0,01317
0,01141
0,00637
0,01202
0,01124
0,00671
0,01299
0,01379
0,00629

0,01255
0,01095
0,00624
0,01244
0,01102
0,00646
0,00757
0,01246
0,00699
0,01558
0,01336
0,00702
0,01096
0,01193
0,00602
0,01257
0,01303
0,00644
0,01366
0,01176
0,006
0,01142
0,01092

2,429
1,492
1,722
2,429
1,493
1,723

2,428
1,491
1,721
2,428
1,494
1,724
2,430
1,488
1,719
2,423
1,492
1,722
2,429
1,491
1,721
2,428
1,303
1,507
2,429
1,492
1,722
2,425
1,492
1,722
2,428
1,492
1,722
2,428
1,493
1,723

2,428
1,496
1,726
2,431

0,327

0,625

0,354

0,372

0,607

0,327

0,343

0,534

0,450

0,433

0,589

0,372

0,386



18

Kết quả tính tốn xác định ứng suất dư của các mẫu nghiên cứu sử
dụng phương pháp Williamson-Hall đã được cho trong bảng 3.10.
Bảng 3.10. Thiết kế thí nghiệm và kết quả tính tốn ứng suất dư
f

t
V
Mẫu
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

(m/phút)
290

260
260
230
230
260
260
260
260
230
290
290
230
230
290

(mm/vịng)
0,2
0,14
0,14
0,2
0,14
0,08
0,2
0,14
0,08
0,2
0,14
0,08
0,14
0,08

0,14

MPa
201,6
125,9
125,9
240,8
136,3
143,1
233,3
125,9
131,7
204,5
172,5
166,7
226,5
143,2
148,3

(mm)
0,25
0,25
0,25
0,5
0,1
0,5
0,1
0,25
0,1
0,25

0,1
0,25
0,5
0,25
0,5

Phân tích ANOVA về ảnh hưởng của chế độ cắt đến ứng suất dư
lớp bề mặt tại bảng 3.11, cho thấy tỷ lệ ảnh hưởng của vận tốc cắt,
lượng tiến dao và chiều sâu cắt lần lượt là 3,98%, 41,64% và 4,90%.
Bảng 3.11. Phân tích ANOVA cho ứng suất dư
Nguồn

DF

SS
dãy số

Mơ hình
V
f
t
V2
f2
t2
V*f
V*t
f*t
Sai số
Mức độ phù hợp
Sai số thuần túy

Tổng

9
1
1
1
1
1
1
1
1
1
5
3
2
14

22657
984,6
10297,3
1211
1620
3376,4
1709,7
97
2731,4
629,4
2072,7
2072,7
0

24729,7

Mức
đóng
góp
91,62%
3,98%
41,64%
4,90%
6,55%
13,65%
6,91%
0,39%
11,04%
2,55%
8,38%
8,38%
0,00%
100,0%

SS
hiệu
chỉnh
22657
196,5
4976,1
70,1
1638,4
2598,1
1162,7

78,7
3241,7
629,4
2072,7
2072,7
0

MS
hiệu chỉnh
2517,45
196,47
4976,09
70,05
1638,43
2598,06
1162,71
78,69
3241,69
629,45
414,53
690,89
0

Giá
trị
F
6,07
0,47
12
0,17

3,95
6,27
2,8
0,19
7,82
1,52

Giá
trị
P
0,031
0,522
0,018
0,698
0,104
0,054
0,155
0,681
0,038
0,273


19

Biểu đồ Pareto (hình
3.22) cho biết thứ tự các ảnh
hưởng của các yếu tố đến
ứng suất dư, các yếu tố và
tương tác bao gồm (f), (V*t),
(f 2) lần lượt thể hiện mức độ

ý nghĩa đối với biến đầu ra,
trong đó lượng tiến dao là
thơng số có ảnh hưởng lớn
nhất đến ứng suất dư.
Trên hình 3.23 có thể
thấy rằng ứng suất dư lớn
nhất khi lượng tiến dao ở
mức cao nhất, còn giá trị
ứng suất dư giảm khi lượng
tiến dao giảm, chiều sâu cắt
và vận tốc cắt ở mức trung
bình.
Ảnh hưởng của (V, f) đến
 được thể hiện trên hình
3.24a thấy khi V ở mức
trung bình, f mức nhỏ thì 
thấp. Hình 3.24b cho thấy
ứng suất dư nhỏ khi V và t ở
mức trung bình. Hình 3.24c
cho thấy ảnh hưởng của (f, t)
đến , cho thấy rằng t ở mức
trung bình và f nhỏ thì ứng
suất dư bề mặt nhỏ.
Mơ hình đa thức bậc hai
được xây dựng thể hiện mối
quan hệ giữa ứng suất dư với
chế độ cắt được mô tả qua
phương trình (3.12):

Hình 3.22 Biểu đồ phân tích Pareto ảnh

hưởng của các thông số đến 

Surface Plot of σ vs V. t

urface Plot of σ vs f. V
Hình S3.23.
Ảnh hưởng của từng
thông số đến 
Hold Values
t 0,3

200

210

σ (MPa) 180

σ (MPa) 180

160

150

140

Surface Plot of σ vs t. f

120

0,20

2 40

255

V (m/ph)

2 40

0,15
270

f (mm/vg )

0,10

285

255

V (m/ph)

277 0
270

0,4
0,40
,40

285


0,55

a
)

b
)

210

180

σ (MPa) 150
120
0,55

0,,10

f (mm/vg )

0,40
0,15

0,25
0,20

0,10

t (mm)


c ảnh hưởng
Hình 3.24. Đồ thị
) V,f,t
của  đến

0,10
0,25Hold Values
t (mVm)260


20

  1559 11,99V  665 f 1066 t  0,0260V 2
 7514 f 2  484 t 2  2,40Vf  4,52Vt 1177 ft

(3.12)

R  91,62%
2

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3:

Từ định hướng nghiên cứu trong Chương 2, nghiên cứu trong
Chương 3 của luận án tiến hành thực nghiệm theo phương pháp thiết kế
Box-Behnken với 15 thực nghiệm trên máy tiện CNC, sử dụng các dụng
cụ đo và phương pháp đo tiên tiến để xem xét, đánh giá sự ảnh hưởng
của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt, độ cứng tế vi bề mặt
và ứng suất dư bề mặt khi gia công thép SUS304, kết quả cho thấy rằng:
- Các thơng số cơng nghệ có ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt, độ
cứng bề mặt, ứng suất dư lớp bề mặt, trong đó sự ảnh hưởng của

lượng tiến dao đến độ nhám bề mặt, độ cứng tế vi, ứng suất dư bề mặt
là lớn nhất.
- Mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với các chỉ tiêu đầu ra
được xác định bằng hàm đa thức bậc 2 (phương trình 3.10, 3.11, 3.12)
với độ tin cậy từ trên 90% trở lên
Kết quả trên giúp cho các nhà công nghệ lựa chọn chế độ cắt hợp
lý và là cơ sở cho việc xây dựng và giải bài toán tối ưu.
CHƯƠNG 4: TỐI ƯU HĨA CÁC THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ
ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI TIỆN CNC
THÉP SUS304
Kỹ thuật và cơng cụ
4.1. Xây dựng mơ
tối ưu hóa
hình tối ưu hóa
Kỹ thuật tối ưu
Kỹ thuật tối ưu
4.1.1. Tổng quan
truyền thống
tiên tiến
về tối ưu hóa q
Tìm kiếm
Thiết kế thực
Tìm kiếm vịng
Meta-Heuristic
nghiệm (DOE)
lặp tốn học
trình gia cơng
Giải thuật Giải thuật Giải thuật
Giải thuật tiến
Trí tuệ bầy

Các kỹ thuật để
quy hoạch quy hoạch quy hoạch
hóa (EA)
đàn (SI)
động
tuyến tính phi tuyến
giải bài tốn tối ưu
Mơ phỏng
Thiết kế Bề mặt chỉ
Giải thuật di
Tìm kiếm
hóa có thể được Taguchi giai
luyện kim
thừa tiêu (RSM)
truyền (GA)
Tabu
(SA)
chia thành hai loại:
kỹ thuật truyền
Ant colony
Particle
Firefly
Cuckoo
Bat
optimization
swarm algorithms search
algorithm
thống và kỹ thuật
(ACO)
(PSO)

(FA)
(CS)
(BA)
Hình 4.1. Các kỹ thuật và công cụ tối ưu


21

tiên tiến được thể hiện như sơ đồ trong hình 4.1. Nhiều nghiên cứu
tổng quan về các giải thuật áp dụng trong các lĩnh vực khác nhau, giải
thuật Dơi (BA) được đánh giá là giải thuật mới hơn, cấu trúc toán đơn
giản hơn và hiệu quả (mạnh) hơn giải thuật bầy đàn (PSO).
4.1.2. Giải thuật Dơi
Trong giải thuật BA mỗi con Dơi ảo trong khơng gian tìm
kiếm d chiều được định nghĩa bằng các tham số: vị trí wi , tốc độ vi .
Các tham số tần số, vận tốc, vị trí sau các bước lặp k được cập nhật
như sau:
fi  f min  ( f max  f min )

(4.1)

vik  vik 1  (w ik 1  w * ) fi

(4.2)

w ik  w ik 1  vik

(4.3)

Trong đó:  0,1 là một véc tơ ngẫu nhiên phân bố đều, w*

là vị trí tồn cục tốt nhất (nghiệm) tại thời điểm hiện tại trong quần
thể Dơi, khoảng tần số  f min , f max  phụ thuộc vào kích thước miền của
lĩnh vực xem xét, ban đầu mỗi con Dơi sẽ lấy ngẫu nhiên một tần số
trong khoảng tần số đang xét.
4.1.3. Giải pháp tối ưu đa mục tiêu Pareto
Giải pháp tối ưu Pareto được Vilfredo Pareto đề ra vào thế kỷ XIX.
Nếu khơng có giải pháp nào khác có thể cải thiện ít nhất một mục tiêu
mà không làm suy yếu bất kỳ mục tiêu nào khác thì sự vượt trội và
tính tối ưu Pareto được sử dụng thích hợp cho bài tốn đa mục tiêu.
4.2. Ứng dụng giải thuật Dơi để tối ưu hóa đơn mục tiêu
Mơ hình tốn học của bài tốn tối ưu đơn mục tiêu độ nhám nhỏ
nhất là: Hàm mục tiêu Ra  f1 ( x)  min

f1 ( x )  12,11  0,0818V 11,57 f  3,69 t  0.000149V 2
 64,68 f 2 1,460 t 2  0,0079Vf  0,01002Vt  2, 27 ft
Các tham số (Bảng 4.1) được mã hóa bằng vị trí một con Dơi ảo và
lưu đồ giải thuật Dơi (hình 4.2).


22
Bắt đầu

Bảng 4.1. Các tham số giải thuật Dơi
Tham số

Thiết lập các tham số: Q, k, kmax,
vi, fi, Ai, ri

Cường độ, A


Giá trị
0,8

Tốc độ xung, r

0,8

Tính hàm mục tiêu và tìm
Ra(best) ứng với wbest

Tần số nhỏ nhất, f min

0

Tạo các tham số mới theo công
thức (4.1) đến (4.3)

Tần số lớn nhất, f max

2

Rand(0,1)>ri

Số vòng lặp, t

300

Số cá thể Dơi, n

100


Kết quả hàm mục tiêu Ra đạt được thông
qua giải thuật có giá trị 0,427 ứng với giá trị
tham số tối ưu là: V = 262,242m/phút; f =
0,08mm/vòng; Chiều sâu cắt: t = 0,302mm

Tạongẫu
ngẫunhiên
nhiênbộbộtrọng
thamsốsốwi
Tạo
wi(Vi, fi, ti)

Xây dựng hàm mục tiêu Ra(wi)

Đúng
Tham số được cập nhật theo
cơng thức (4.4)

Tính hàm mục tiêu và tìm
Ra(new-best) ứng với wnew-best

Rand(0,1)>ri and
Ra(new-best) < Ra(best)
Đúng
Cập nhật Rabest=Ranew-best,
wbest=wnew-best
k=k+1
Thay đổi r i và Ai theo công thức
(4.5)


Đúng
k < kmax

4.3. Tối ưu hóa đa mục tiêu để nâng cao
chất lượng bề mặt, đảm bảo năng suất cắt
Hình 4.2. Lưu đồ giải
khi gia cơng
thuật Dơi
Bài tốn tối ưu hóa đồng thời hai chỉ tiêu
là độ nhám bề mặt nhỏ nhất và ứng suất dư nhỏ nhất
Hàm mục tiêu F ( x)   f1 ( x), f2 ( x)  min
Sai

Kết thúc

 f1 ( x )  12,11  0,0818V 11,57 f  3,69 t  0.000149V 2 


2
2
 64,68 f 1,460 t  0,0079Vf  0,01002Vt  2,27 ft 


2
 f 2 ( x )  1559 11,99V  665 f 1066 t  0,0260V

 7514 f 2  484 t 2  2,40Vf  4,52Vt 1177 ft




Bảng 4.4. Các tham số giải thuật Dơi MOBA
Tham số
Cường độ, A
Tỷ lệ xung, r
Tần số nhỏ nhất, f min

Giá trị
0,8
0,8
0

Số điểm Pareto, N

1000

Tham số
Số vòng lặp, t
Số cá thể Dơi, n
Tần số lớn nhất, f max

Giá trị
1000
100
2


23

Kết quả bài tốn cho 10 điểm có giá trị tốt nhất cuả hàm mục tiêu

Bảng 4.4. Giải pháp tối ưu đạt được bằng MOBA
TT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

V
(m/phút)
252,779
261,006
258,689
257,074
254,277
259,661
256,727
257,665
255,833
262,242

f
(mm/vịng)
0,1
0,08

0,088
0,092
0,098
0,085
0,093
0,09
0,095
0,08

t
(mm)
0,201
0,258
0,235
0,226
0,21
0,243
0,223
0,229
0,219
0,302

Ra
(µm)
0,516
0,43
0,453
0,468
0,5
0,443

0,472
0,461
0,481
0,427


( MPa)
117,987
124,112
120,366
119,189
118,099
121,630
118,929
119,616
118,571
126,941

Để xác thực kết quả tối ưu tìm được từ tính tốn, một bộ thơng số
đã được lựa chọn để gia công thử nghiệm lại với các điều kiện như
khi tiến hành thí nghiệm ban đầu, kết quả thu được cho thấy sai số
giữa thực nghiệm xác nhận với tính tốn rất nhỏ, xấp xỉ khoảng 2%.
Bảng 4.5. Kết quả thực nghiệm kiểm chứng
Kết quả thực nghiệm
Ra (µm)
 ( MPa)

Giá trị dự đốn
0,461
119,616


Giá trị thực nghiệm
0,472
121,658

Sai lệch
2,40%
1,70%

Có thể thấy, năng suất gia cơng lớn nhất đạt được là Q =
6.335,8mm3/phút , độ nhám bề mặt Ra = 0,427 μm, ứng suất dư là 
= 126,941 MPa ứng với chế độ công nghệ tối ưu (V, f, t) lần lượt là
(262,242; 0,08; 0,302)
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4:
Từ kết quả nghiên cứu xác định hàm toán học biểu diễn mối quan
hệ giữa chế độ cắt với một số yếu tố đầu ra của QTGC. Ứng dụng giải
thuật Dơi (BA) để giải quyết bài toán tối ưu kết quả cụ thể như sau:
- Giải bài toán tối ưu đơn mục tiêu độ nhám bề mặt tìm được bộ
thơng số công nghệ tối ưu là V = 262,242 m/phút, f = 0,08 mm/vòng,
t = 0,302 mm và giá trị độ nhám bề mặt nhỏ nhất là Ra = 0,427 μm
- Giải bài toán tối ưu đa mục tiêu độ nhám bề mặt và ứng suất dư,
ứng dụng giải pháp tối ưu Pareto để xác định tập hợp nghiệm tối ưu