Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật optimization of cutting parameters(duong xuan truong_dhktcn)

  • Số trang: 120 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 12 |
  • Lượt tải: 0
hoangtuavartar

Đã đăng 24677 tài liệu

Mô tả:

X1W Tr−êng §H Kü thuËt c«ng nghiÖp LuËn v¨n Th¹c sü kü thuËt MỤC LỤC Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, đồ thị PHẦN MỞ MỞ ĐẦU 8 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TỐI ƯU HOÁ 11 1.1 Lý thuyết tổng quan về tối ưu hoá 11 1.1.1 Tối ưu hoá tĩnh 12 1.2.2 Tối ưu động 13 1.2. Các mô hình nghiên cứu tối ưu hoá quá trình gia công 15 1.2.1 Mô hình nghiên cứu lực cắt 16 1.2.1.1 Mô hình lực cắt với các phương pháp gia công có góc φ = 90o 18 1.2.1.2 Mô hình lực cắt đối với các phương pháp gia công có θ ≠ hằng số 20 1.2.2 Mô hình nghiên cứu mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt 23 1.2.3 Mô hình nghiên cứu nhám bề mặt gia công 28 1.3 Các ứng dụng về nghiên cứu chế độ cắt trên các máy CNC 31 1.4 Kết luận chương 1 34 CHƯƠNG 2. TỐI ƯU HOÁ CHẾ ĐỘ CẮT KHI PHAY VẬT 35 LIỆU SKD61 BẰNG MẢNH DAO PHỦ PVD TiAlN 2.1 Mô hình hoá quá trình cắt khi phay 35 2.2 Những định hướng khi nghiên cứu tối ưu hoá chế độ cắt khi phay vật 36 liệu SKD61 bằng mảnh dao phủ PVD-TiAlN 2.3 Mô hình hoá toán học tối ưu hoá quá trình cắt khi phay 37 2.4 Kết luận chương 2 39 40 CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG CÔNG NGHỆ VÀ QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM 3.1 Mô hình quy hoạch thực nghiệm HDKH: TS.NguyÔn V¨n Hïng 40 HV: D−¬ng Xu©n Tr−êng LuËn v¨n Th¹c sü kü thuËt X2W Tr−êng §H Kü thuËt c«ng nghiÖp 3.1.1 Sơ đồ sử lý kết quả thí nghiệm 40 3.1.2 Hàm hồi quy một biến 41 3.1.3 Quy hoạch thí nghiệm trực giao toàn phần dạng 2k 43 3.1.4 Quy hoạch thí nghiệm trực giao bậc hai (quy hoạch Box-Wilson) 45 3.1.5 Bài toán tối ưu không có điều kiện ràng buộc 48 3.2 Hệ thống công nghệ 52 3.2.1 Máy gia công CNC 52 3.2.2 Thiết bị đo, kiểm tra 52 3.2.3 Dụng cụ cắt thí nghiệm 54 3.2.4 Vật liệu gia công 54 3.2.5 Phương pháp bôi trơn, làm mát 55 3.3 Thực nghiệm gia công 55 3.3.1 Xác định ma trận thí nghiệm 55 3.3.1.1 Chế độ cắt khi phay 55 3.3.1.2 Ma trận thí nghiệm 56 3.3.2 57 Tiến hành thí nghiệm 3.3.2.1 Chương trình thí nghiệm 57 3.3.2.2 Thực nghiệm gia công trên máy VMC-85S/CNC 59 3.3 Quy hoạch thực nghiệm và sử lý kết quả nghiên cứu 62 3.3.1 Xây dựng thuật toán quy hoạch thực nghiệm 62 3.3.2 Xác định hàm hồi quy 62 3.3.3 Xác định hàm mục tiêu tối ưu 65 3.3.4 Miền tối ưu hoá 67 3.3.4.1 Đồ thị năng suất 67 3.3.4.2 Đồ thị mòn dụng cụ cắt 69 3.3.4.3 Đồ thị Nhám bề mặt 71 3.4 74 Kết luận chương 3 HDKH: TS.NguyÔn V¨n Hïng HV: D−¬ng Xu©n Tr−êng X3W Tr−êng §H Kü thuËt c«ng nghiÖp LuËn v¨n Th¹c sü kü thuËt 75 CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ VÀ TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG 4.1 Phân tích kết quả nghiên cứu 4.1.1 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến mòn dụng cụ cắt 75 4.1.1.1 Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao 75 4.1.1.2 Ảnh hưởng của vận tốc cắt và chiều sâu cắt 76 4.1.1.3 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt và lượng chạy dao 78 4.1.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến nhám bề mặt 79 4.1.2.1 Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đến nhám bền mặt 80 4.1.2.2 Ảnh hưởng của vận tốc cắt và chiều sâu cắt đến nhám bền mặt 81 4.1.2.3 Ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt đến nhám bền mặt 82 4.2 Cơ chế mòn của mảnh dao phủ PVD-TiAlN 83 4.3 Kết quả và bàn luận 83 4.4 Triển khai ứng dụng vào thực tế sản xuất 84 4.4.1 Sản phẩm ứng dụng 84 4.4.2 Chương trình gia công 84 4.4.3 Kết quả ứng dụng 86 4.5 Kết luận chương 4 88 CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 PHỤ LỤC 93 TÓM TẮT LUẬN VĂN HDKH: TS.NguyÔn V¨n Hïng 120 HV: D−¬ng Xu©n Tr−êng LuËn v¨n Th¹c sü kü thuËt X4W Tr−êng §H Kü thuËt c«ng nghiÖp DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DÙNG TRONG LUẬN VĂN Ký hiệu Tiếng anh Tiếng việt CMM Coordinate Measuring Machine Máy đo toạ độ 3 chiều CIM Computer Integrated Manufacturing Sản xuất tích hợp CIM RE Reverse engineering Kỹ thuật tái tạo ngược VMC Vertical machining center Trung tâm gia công đứng CAD Computer Aided Design Thiết kế với trợ giúp của máy tính CAM Computer Aided Manufacturing Sản xuất có trợ giúp của máy tính CNC Computer Numerical Control Điều khiển số bằng máy tính CAP Computer Aided Planning DNC Direct Numerical Control Điều khiển số trực tiếp PKD Diamant Đa tinh thể CBN Cubic Bonitrit Vật liệu Cubic Bonitrit TiN Titan Nitrit Vật liệu Titan Nitrit TiCN Titan Cacbon Nitrit Titan Cacbon Nitrit TiAlN Titan Aluminum Nitrit Vật liệu Titan Aluminum Nitrit RA Regression Analysis Phân tích hồi quy BNN Bayesian Neural Network Mạng neural PVD Physical Vapor Deposition Phủ bay hơi vật lý CVD Chemical Vapor Deposition Phủ bay hơi hoá học SEM Scanning Electron Microscope Scan ảnh trên kính hiển vi điện tử HDKH: TS.NguyÔn V¨n Hïng Lập kế hoạch sản xuất có trợ giúp của máy tính HV: D−¬ng Xu©n Tr−êng LuËn v¨n Th¹c sü kü thuËt X5W Tr−êng §H Kü thuËt c«ng nghiÖp DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các phương pháp tối ưu hoá quá trình gia công Hình 1.2 Mô hình tối ưu hoá động khi phay Hình 1.3 Mô hình lực tạo phoi Hình 1.4 Mô hình phân tích các thành phần lực cắt khi phay Hình 1.5 Ảnh hưởng của góc trước γ đến hệ số kγi Hình 1.6 Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới lực cắt đơn vị Hình 1.7 Mô hình lực cắt đối với góc θ ≠ hằng số Hình 1.8 Ảnh hưởng của vận tốc cắt V và chiều sâu cắt t đến lực cắt Hình 1.9 Ảnh hưởng của vận tốc V và lượng chạy dao S đến lực cắt Hình 1.10 Mô hình mòn dụng cụ cắt Hình 1.11 Đồ thị mòn theo thời gian Hình 1.12 Quan hệ giữa tuổi bền T và vận tốc cắt V Hình 1.13 Phạm vi sử dụng của mô hình tuổi bền T = Cv.Vk Hình 1.14 Quá trình mòn theo thời gian Hình 1.15 Ảnh hưởng của vận tốc V tới tuổi bền T Hình 1.16 Ảnh hưởng của lượng chạy dao S tới tuổi bền T Hình 1.17 Mài mòn do khuếch tán Hình 1.18 Mài mòn do chảy dẻo Hình 1.19 Sự hình thành các vết nứt mảnh dao Hình 1.20 Mô hình tối ưu hoá theo chỉ tiêu nhám bề mặt Hình 1.21 Quan hệ giữa lượng chạy dao và chiều sâu cắt với nhám bề mặt Hình 1.22 Quan hệ giữa vận tốc và chiều sâu cắt với nhám bề mặt Hình 1.23 Quan hệ giữa lượng chạy dao và vận tốc cắt với nhám bề mặt Hình 1.24 Giao diện phần mềm Secocut Hình 1.25 Thư viện Dụng cụ cắt Hình 1.26 Thư viện các vật liệu gia công HDKH: TS.NguyÔn V¨n Hïng HV: D−¬ng Xu©n Tr−êng LuËn v¨n Th¹c sü kü thuËt X6W Tr−êng §H Kü thuËt c«ng nghiÖp Hình 2.1 Mô hình hoá quá trình gia công Hình 3.1 Sơ đồ sử lý kết quả đo Hình 3.2 Sơ đồ khối xác định hàm hồi quy một biến Hình 3.3 Sơ đồ khối xác định hàm hồi quy nhiều biến Hình 3.4 Sơ đồ khối thuật toán gradient Hình 3.5 Thông số hình học mảnh dao phủ TiAlN Hình 3.6 Thiết lập chương trình thí nghiệm Hình 3.7 Thí nghiệm gia công trên máy VMC-85S Hình 3.8 Hệ thống đo mòn dụng cụ cắt trên máy CMM-C544/CNC Hình 3.9 Đo nhám bề mặt Hình 3.10 Chụp ảnh SEM trên kính hiển vi điện tử TM-1000 Hình 3.11a Quan hệ của năng suất với V, S (ttối ưu = 0.8540mm) Hình 3.11b Quan hệ của năng suất với t, S (Vtối ưu = 358.6m/ph) Hình 3.11c Quan hệ của năng suất với V, t (Stối ưu = 0.4210mm/vg) Hình 3.12a Quan hệ của mòn dụng cụ cắt với S, t (Vtối ưu = 309.996 m/ph) Hình 3.12b Quan hệ của mòn dụng cụ cắt với S, V (ttối ưu = 0.246mm) Hình 3.12c Quan hệ của mòn dụng cụ cắt với V, t (Stối ưu = 0.2944mm/vg) Hình 3.13a Quan hệ của nhám bề mặt Rz với V, S (ttối ưu = 0.2460mm) Hình 3.13b Quan hệ của nhám bề mặt Rz với t, S (Vtối ưu = 358.6m/ph) Hình 3.13c Quan hệ của nhám bề mặt Rz với V, t (Stối ưu = 0.1780mm/vg) Hình 4.1 Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đến mòn dụng cụ Hình 4.2 Ảnh SEM mòn Trên lưỡi cắt chính Hình 4.3 Ảnh hưởng của vận tốc và chiều sâu cắt đến mòn dụng cụ Hình 4.4 Hiện tượng nứt tách và phá huỷ lưỡi dao Hình 4.5 Ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt đến mòn dụng cụ Hình 4.6 Hiện tượng khuếch tán vật liệu gia công Hình 4.7 Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đến nhám bề mặt HDKH: TS.NguyÔn V¨n Hïng HV: D−¬ng Xu©n Tr−êng LuËn v¨n Th¹c sü kü thuËt X7W Tr−êng §H Kü thuËt c«ng nghiÖp Hình 4.8 Ảnh hưởng của vận tốc cắt và chiều sâu cắt đến nhám bề mặt Hình 4.9 Ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt đến nhám bề mặt Hình 4.10 Bản vẽ sản phẩm đúc áp lực Hình 4.11 Kết cấu khuôn đúc áp lực Hình 4.12 Bản vẽ tấm khuôn cái Hình 4.13 Bản vẽ tấm khuôn Đực Hình 4.14 Thiết lập chương trình và mô phỏng quá trình gia công Hình 4.15 Khuôn đúc áp lực nắp van Hình 4.16 Sản phẩm Đúc áp lực DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tuổi bền của dụng cụ cắt Bảng 1.2 Chế độ cắt theo phần mềm secocut Bảng 1.3 Chế độ cắt theo hãng Misubishi Bảng 3.1 Thành phần hoá học của vật liệu SKD61 Bảng 3.2 Miền giới hạn chế độ cắt thực nghiệm Bảng 3.3 Các cận trên và dưới của ma trận thí nghiệm Bảng 3.4 Ma trận quy hoạch thí nghiệm Bảng 3.5 Kết quả thí nghiệm gia công thép SKD61 HDKH: TS.NguyÔn V¨n Hïng HV: D−¬ng Xu©n Tr−êng LuËn v¨n Th¹c sü kü thuËt X8W Tr−êng §H Kü thuËt c«ng nghiÖp PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay ngành chế tạo và gia công khuôn mẫu để phục vụ các ngành công nghiệp khác ở Việt Nam đang phát triển và rất được quan tâm. Mặc dù trên thế giới đã có nhiều đề tài và công trình nghiên cứu về chế độ gia công cắt gọt và tối ưu hoá chế độ cắt trên các máy CNC. Tuy nhiên, đa số các công trình nghiên cứu liên quan đến vấn đề này, thường được thực hiện trên một hệ thống công nghệ cụ thể với các vật liệu và dụng cụ cắt xác định. Do đó khi ứng dụng kết quả nghiên cứu này gia công khuôn mẫu ở Việt Nam vẫn cho năng suất và chất lượng chưa cao, vì quá trình gia công khuôn mẫu trong nước thường sử dụng rất nhiều loại vật liệu và dụng cụ cắt có xuất sứ khác nhau trên các hệ thống công nghệ không đồng bộ... Do đo, để nâng cao hiệu quả kinh tế và chất lượng gia công khuôn mẫu thì cần phải có nghiên cứu xác định chế độ cắt hợp lý cho từng quá trình gia công cụ thể trong các điều kiện xác định. Vì vậy việc định hướng nghiên cứu "Tối ưu hoá chế độ cắt khi phay vật liệu SKD61 bằng mảnh dao phủ PVD-TiAlN" là rất cấp thiết đối với các ngành công nghiệp nói chung và ngành công nghiệp khuôn mẫu nói riêng. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu tối ưu hoá chế độ cắt khi phay vật liệu SKD61 bằng mảnh dao TiAlN, trên cơ sở đó quá trình nghiên cứu cần đạt được các mục tiêu cụ thể như sau: - Xây dựng được mô hình nghiên cứu tối ưu hoá chế độ cắt khi phay và các phương trình hồi quy toán học với các chỉ tiêu tối ưu hoá cụ thể. - Thiết lập được chương trình quy hoạch thực nghiệm để giải bài toán tối ưu hoá, tìm được cực trị tối ưu các hàm mục tiêu về năng suất cắt cao nhất, mòn dụng cụ cắt và nhám bề mặt gia công nhỏ nhất. - Xác định được các thông số công nghệ (S, V, t) tối ưu với các hàm mục tiêu đã đề ra và kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu thông qua phân tích cơ chế mòn của dụng cụ cắt TiAlN khi phay vật liệu SKD61 trên ảnh SEM. HDKH: TS.NguyÔn V¨n Hïng HV: D−¬ng Xu©n Tr−êng LuËn v¨n Th¹c sü kü thuËt X9W Tr−êng §H Kü thuËt c«ng nghiÖp 3. Nội dung nghiên cứu Để đạt mục tiêu nghiên cứu của đề tài, nội dung nghiên cứu gồm các phần sau - Lý thuyết tổng quan về tối ưu hoá chế độ gia công cắt gọt - Xây dựng mô hình nghiên cứu và hệ thống quy hoạch thực nghiệm - Thu thập các dữ liệu về chế độ gia công vật liệu SKD61 và khảo sát thực tế để tìm ra khoảng thực nghiệm đạt mục tiêu của đề tài - Phân tích dữ liệu để quy hoạch thực nghiệm - Lập chương trình quy hoạch thực nghiệm, tối ưu hoá các hàm mục tiêu, tìm các điểm cực trị và miền tối ưu hoá - Nghiên cứu, phân tích cơ chế mòn của dụng cụ cắt thông qua ảnh SEM để kiểm nghiệm và đánh giá kết quả nghiên cứu - Triển khai ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất 4. Phương pháp nghiên cứu Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và phân tích các công trình nghiên cứu liên quan đến lĩnh vự của đề tài, kết hợp với quy hoạch thực nghiệm để tìm cực trị và miền tối ưu hoá các mục tiêu đã đề ra. Đề tài này sử dụng phương pháp nghiên cứu suy diễn lý thuyết kết với với phương pháp thực nghiệm. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài Dựa trên cơ sở lý thuyết về tối ưu hoá chế độ gia công cắt gọt, nghiên cứu xây dựng được mô hình tối ưu hoá chế độ cắt khi phay và giải các phương trình hồi quy toán học để tìm cực trị và miền tối ưu hoá theo các chỉ tiêu về kinh tế và kỹ thuật, xác định được mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với mòn dụng cụ và chất lượng bề mặt khi phay vật liệu SKD61. Kết quả nghiên cứu được phân tích và đánh giá khách quan thông qua nghiên cứu cơ chế mòn của dụng cụ cắt TiAlN trên ảnh SEM. Đây là những đóng góp chính về khoa học của luận văn này. HDKH: TS.NguyÔn V¨n Hïng HV: D−¬ng Xu©n Tr−êng LuËn v¨n Th¹c sü kü thuËt X10W Tr−êng §H Kü thuËt c«ng nghiÖp 5.1. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Kết quả nghiên cứu này có thể làm cơ sở để tiến hành các nghiên cứu tiếp theo về tối ưu hoá chế độ gia công cắt gọt, đồng thời ứng dụng kết quả nghiên cứu này vào thực tế sản xuất chế tạo khuôn mẫu sẽ nâng cao năng suất gia công và chất lượng của sản phẩm. HDKH: TS.NguyÔn V¨n Hïng HV: D−¬ng Xu©n Tr−êng LuËn v¨n Th¹c sü kü thuËt X11W Tr−êng §H Kü thuËt c«ng nghiÖp CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TỐI ƯU HOÁ 1.1. Lý thuyết tổng quan về tối ưu hoá Tối ưu hoá quá trình gia công cắt gọt là phương pháp xác định chế độ cắt tối ưu thông qua việc xây dựng mối quan hệ toán học giữa hàm mục tiêu về kinh tế hoặc kỹ thuật của quá trình gia công với các thông số của chế độ cắt tương ứng với một hệ thống công nghệ xác định, nhằm đạt được các mục tiêu về kinh tế hoặc kỹ thuật của quá trình gia công. Như vậy, thực chất của việc xác định chế độ cắt tối ưu là giải bài toán tối ưu hoá bằng phương pháp thực nghiệm [2] với các bước cơ bản như sau: - Xây dựng mô hình hoá quá trình nghiên cứu - Xây dựng hàm mục tiêu của nghiên cứu - Xác định miền giới hạn của bài toán - Nghiên cứu xác định các kết quả tối ưu của quá trình cắt Tối ưu hoá chế độ cắt được thực hiện theo hai phương pháp là tối ưu hoá tĩnh và tối ưu hoá động như sơ đồ hình 1.1 Hình 1.1. Các phương pháp tối ưu hoá quá trình gia công HDKH: TS.NguyÔn V¨n Hïng HV: D−¬ng Xu©n Tr−êng LuËn v¨n Th¹c sü kü thuËt X12W Tr−êng §H Kü thuËt c«ng nghiÖp 1.1.1. Tối ưu hoá tĩnh Tối ưu hoá tĩnh là quá trình nghiên cứu và giải quyết bài toán xác định chế độ cắt tối ưu dựa trên mô hình tĩnh của quá trình gia công [1], tức là xác định chế độ cắt trước khi gia công thông qua mối quan hệ toán học giữa hai mục tiêu và các giới hạn (các hàm ràng buộc) [2]. Nhược điểm cơ bản của phương pháp này là không chú ý đến động lực học của quá trình cắt, nghĩa là không chú ý tới các đặc điểm mang tính ngẫu nhiên và thay đổi theo thời gian như: - Độ cứng của vật liệu gia công không đồng nhất - Lượng dư gia công không đồng đều - Lượng mòn của dụng cụ cắt thay đổi theo thời gian... Tuy nhiên, tối ưu hoá tĩnh vẫn được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi vì phương pháp nghiên cứu này đơn giản và không cần tới đo lường chủ động mà vẫn đạt được hiệu quả mong muốn trong nhiều trường hợp. 1.1.2. Tối ưu động Tối ưu hoá động là nghiên cứu dựa trên mô hình động của quá trình cắt, do đó trong quá trình nghiên cứu có chú ý tới đặc điểm mang tính ngẫu nhiên và thay đổi theo thời gian như: Lượng dư không đều, độ không đồng nhất của vật liệu, lượng mòn của dao thay đổi theo thời gian hình 1.2. Trên hình 1.2. ta thấy, trong quá trình cắt người ta đo các đại lượng xuất hiện trong quá trình gia công như: Kích thước, chiều cao nhấp nhô bề mặt, sai số hình dạng của bề mặt gia công, độ mòn dao, lực cắt, nhiệt cắt, rung động của hệ thống công nghệ...; sau đó bộ phận sử lý nhanh chóng xác định chế độ cắt tối ưu và chuyển kết quả cho bộ phận điều khiển để tiến hành tự động điều chỉnh máy làm việc theo chế độ công nghệ tối ưu tương ứng với thời điểm đó. HDKH: TS.NguyÔn V¨n Hïng HV: D−¬ng Xu©n Tr−êng LuËn v¨n Th¹c sü kü thuËt X13W Tr−êng §H Kü thuËt c«ng nghiÖp Hình 1.2. Mô hình tối ưu hoá động khi phay Trong quá trình làm việc, mặc dù xuất hiện các yếu tố ngẫu nhiên và thay đổi theo thời gian như: Độ cứng của vật liệu cũng như lượng dư gia công không đều, lượng mòn của dao thay đổi theo thời gian... Nhưng nhờ có các tín hiệu do hệ thông đo lường chủ động cung cấp nên hệ thống sử lý nhanh luôn xác định được chế độ cắt hợp lý ở các thời điểm tương ứng để cung cấp kịp thời cho hệ thống điều khiển tự động, đảm bảo cho máy luôn luôn làm việc với chế độ tối ưu. Như vậy, khác với tối ưu hoá tĩnh, ở tối ưu hoá động thì chế độ gia công không những được điều chỉnh trước mà còn được tự động điều chỉnh ngay trong quá trình cắt. Do đó tối ưu hoá động giải quyết vấn đề triệt để hơn so với tối ưu hoá tĩnh và do tính hiệu quả của nó, tối ưu hoá động sẽ được phát triển rất mạnh trong tương lai. Tuy nhiên, tối ưu hoá động phức tạp hơn tối ưu hoá tĩnh rất nhiều vì phương pháp này phải gắn liều với đo lường chủ động và điều khiển thích nghi. Hiệu quả của tối ưu hoá phụ thuộc vào mức độ phù hợp của mô hình nghiên cứu so với quá trình cắt thực và mức độ chính xác của mô hình toán học được xây dựng để HDKH: TS.NguyÔn V¨n Hïng HV: D−¬ng Xu©n Tr−êng LuËn v¨n Th¹c sü kü thuËt X14W Tr−êng §H Kü thuËt c«ng nghiÖp mô tả quá trình khảo sát. Do đó, muốn thực hiện tối ưu hoá quá trình gia công cắt gọt phải xây dựng mô hình nghiên cứu dựa trên các điều kiện công nghệ cụ thể. Về mặt thực tiễn, nếu xét được càng nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quá trình gia công thì vấn đề được giải quyết càng toàn diện và triệt để. Tuy nhiên, về mặt toán học thì quá trình nghiên cứu càng phức tạp và khó áp dụng vào thực tế sản xuất. Ngược lại, nếu bỏ qua nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quá trình gia công thì kết quả thu được không chính xác, hiệu quả kinh tế của việc áp dụng tối ưu hoá sẽ thấp. Như vậy, trước hết cần dựa vào các thông tin dự báo kỹ thuật hoặc các nghiên cứu thăm dò để xác định được mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới hàm mục tiêu nhằm giới hạn bài toán, nghĩa là sau khi nghiên cứu thăm dò chỉ nên giữ lại các yếu tố ảnh hưởng mạnh, bỏ qua các yếu tố ít ảnh hưởng để bài toán đơn giản và dễ áp dụng vào thực tế. 1.2. Các mô hình nghiên cứu tối ưu hoá quá trình gia công Để điều khiển được quá trình gia công một cách hiệu quả nhất, trên cơ sở đảm bảo được độ chính xác yêu cầu, ta cần phải xây dựng được các mô hình của các đại lượng đặc trưng xuất hiện trong và sau quá trình cắt. Mô hình lực tạo phoi và mô hình mài mòn dụng cụ cắt là hai mô hình quan trọng nhất trong các mô hình đó[1]. Dựa trên mô hình lực tạo phoi, người ta xác định được yêu cầu về năng lượng và tính chất biến dạng của hệ thống công nghệ, dựa trên mô hình mài mòn dụng cụ cắt sẽ xác định được tuổi bền của dụng cụ cắt, từ đó xác định được các thông số công nghệ hợp lý trong quá trình gia công. Thông thường người ta sử dụng hai phương pháp sau đây để xây dựng các mô hình dưới dạng các biểu thức giải tích: - Phương pháp thứ nhất: Dựa trên các tiên đề rồi dùng phương pháp diễn giải để mô tả cơ chế tác động cơ lý của quá trình tạo phoi, từ đó rút ra các biểu thức giải tích mô tả các đại lượng xuất hiện trong và sau quá trình cắt. Khi sử dụng phương pháp này, người ta phải đơn giản hoá các điều kiện biên của bài toán HDKH: TS.NguyÔn V¨n Hïng HV: D−¬ng Xu©n Tr−êng LuËn v¨n Th¹c sü kü thuËt X15W Tr−êng §H Kü thuËt c«ng nghiÖp - Phương pháp thứ hai: Nghiên cứu bằng thực nghiệm dựa trên cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm kết hợp với sử lý số liệu theo phương pháp thống kê để rút ra các mô hình nghiên cứu phù hợp. Nhược điểm của phương pháp này là mô hình không mang tính tổng quát mà chỉ có giá trị tương ứng với các điều kiện công nghệ cụ thể nhưng lại có ưu điểm là đạt được độ chính xác cao và dễ áp dụng vào thực tế sản xuất. Đặc biệt, do sự tiến bộ của công nghệ đo lường và công nghệ thông tin, thời gian thí nghiệm và sử lý số liệu được rút ngắn đáng kể. Vì vậy, phương pháp này vừa đàm bảo tính kinh tế trong quá trình nghiên cứu, vừa đạt được độ chính xác cao và dễ triển khai áp dụng vào sản xuất. Do đó, hiện nay phương pháp này còn được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu về nhiều lĩnh vực khác. Mô hình lực cắt, quá trình mài mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt được thiết lập dựa trên bản chất Lý - Hoá của quá trình cắt cũng như dựa trên các tính chất đặc trưng của từng nguyên công. Vì vậy, ta khảo sát các mô hình nghiên cứu cụ thể như sau: 1.2.1. Mô hình nghiên cứu lực cắt Dưới tác dụng của ngoại lực khi dụng cụ cắt tiến sâu vào phôi làm xuất hiện các biến dạng đàn hồi và tiếp theo là biến dạng dẻo. Nếu dụng cụ cắt tiếp tục chuyển động và tiến sâu hơn nữa vào phôi sẽ gây ra biến dạng phá huỷ và phoi được hình thành. Có thể coi lực cắt là tổng hợp của các lực ma sát giữa phoi với mặt trước của dao, giữa phôi với mặt sau và lực cản xuất hiện trong vùng bán kính cong của dụng cụ cắt hình 1.3. Như vậy, lực cắt là một véc tơ trong không gian mà hướng của nó không xác định và không thể đo trực tiếp. Hình 1.3. Mô hình lực tạo phoi [1] Vì vậy, cần phân tích lực cắt ra các thành phần để nghiên cứu như hình 1.4 HDKH: TS.NguyÔn V¨n Hïng HV: D−¬ng Xu©n Tr−êng LuËn v¨n Th¹c sü kü thuËt X16W Tr−êng §H Kü thuËt c«ng nghiÖp Hình 1.4. Mô hình phân tích các thành phần lực cắt khi phay [1] r r r r Phân tích F thành hai thành phần: F = Fa + Fp (1-1) r r Trong đó: Fa Trong mặt phẳng làm việc Plv, FP Vuông góc với mặt phẳng làm việc và đi qua tâm chi tiết r Trong mặt phẳng chứa trục dao ta phân tích Fa thành hai thành phần r r r Fa = Fhk + Fc (1-2) r r Với Fhk : Lực hướng kính đi qua tâm dao; FC : Lực cắt trùng với phương của tốc độ cắt r Trong mặt phẳng làm việc ta phân tích Fa thành hai thành phần r r r Fa = FN + FS r (1-3) r Trong đó FS : Lực tiến dao; FN : Lực vuông góc với lực tiến dao HDKH: TS.NguyÔn V¨n Hïng HV: D−¬ng Xu©n Tr−êng LuËn v¨n Th¹c sü kü thuËt X17W Tr−êng §H Kü thuËt c«ng nghiÖp Lực cắt là thành phần lực tạo phoi lớn nhất do đó được dùng để xác định công suất cắt và công suất động cơ chính của máy: PC = FC.VC (1-4) Pđc = FC.Vc/η (1-5) Trong đó: η - Hiệu suất của máy Lực tiến dao FS được dùng để xác định công suất tiến dao PTD PTD = FS.VS (1-6) Trong đó: FS: Lực tiến dao; VS: Tốc độ tiến dao Do tốc độ tiến dao VS rất nhỏ so với tốc độ cắt Vc nên công suất tiến dao PTD rất nhỏ so với công suất cắt PC. Vì vậy trong tính toán có thể bỏ qua công suất tiến dao. 1.2.1.1. Mô hình lực cắt với các phương pháp gia công cắt gọt có góc φ = 90o Theo mô hình lực cắt của Kienzle-Victor [9] ta có: Fi = ki.A = ki.b.a (1-7) Trong đó: Chỉ số i để diễn tả các thành phần khác nhau của lực cắt, ki là lực cắt đơn vị Như vậy: Lực cắt đơn vị ki là lực tác dụng trên diện tích bằng 1mm2, ki phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: Vật liệu gia công, chiều dày của phoi, thông số hình học của dụng cụ cắt, phương pháp gia công.v.v. công trình nghiên cứu theo [9] đã chứng minh rằng: quan hệ giữa lực cắt đơn vị ki với chiều dày cắt a có dạng hàm mũ : ki = k1i.a.k2i (1-8) Nếu xét ảnh hưởng của thông số hình học của dao, vận tốc cắt, phương pháp gia công đến lực cắt đơn vị thì lực cắt đơn vị có dạng: ki = k1i.ak2i.k3i.k4i (1-9) Trong đó - k1i - Hệ số ảnh hưởng của vật liệu gia công đến lực cắt đơn vị. - k2i - Số mũ kể đến ảnh hưởng của chiều dày phoi a đến lực cắt đơn vị. Các kết quả nghiên cứu đã chứng minh rằng k2i < 0 - k3i - hệ số ảnh hưởng của thông số hình học dụng cụ cắt, vận tốc cắt đến lực cắt đơn vị, hệ số k3i được xác định theo công thức: k3i = kγi.kγi.kϕi.kVi (1-10) Trong đó: HDKH: TS.NguyÔn V¨n Hïng HV: D−¬ng Xu©n Tr−êng X18W Tr−êng §H Kü thuËt c«ng nghiÖp LuËn v¨n Th¹c sü kü thuËt + kγi - hệ số xét tới ảnh hưởng của góc trước γ; + kλi - hệ số xét tới ảnh hưởng của góc nâng λ; + kϕi - hệ số xét tới ảnh hưởng của góc nghiêng chính ϕ. + kVi là hệ số xét tới ảnh hưởng của tốc độ cắt vC. - k4i - Hệ số xét tới ảnh hưởng của phương pháp gia công (bào, xọc, khoan, khoét, chuốt) đến lực cắt đơn vị. Bằng thực nghiệm đã xác định được k4i ứng với các phương pháp gia công: Mô hình lực cắt tổng quát có dạng: Fi = k1i.b.ak2i.k3i.k4i (1-11) Với dụng cụ cắt có nhiều lưỡi cắt (khoan, khoét, doa) thì lực cắt Fc được xác định bằng biểu thức: FΣ = Fi.Zemax (1-12) Trong đó: - Fi - Lực cắt do 1 lưỡi cắt tạo ra cho ở biểu thức - Zemax - số lưỡi cắt đồng thời tham gia cắt. Ảnh hưởng của một số hệ số đến lực cắt đơn vị - Ảnh hưởng góc trước γ: Ảnh hưởng của góc trước γ đến hệ số kγi được xác định bằng thực nghiệm theo công thức: kγi = 1 + γ0 −γ (1-13) Cγi Trong đó: γ0 - góc trước ở điều kiện thí nghiệm; γ - góc trước của dao đang dùng; Cγi - là hằng số xét tới ảnh hưởng của góc γ. Chỉ số i để mô tả Cγ ứng với các thành phần khác nhau của lực tạo phoi như lực cắt FC, lực tiến dao FS, lực bị động Fp. Qua thực nghiệm xác định được: Cγc = 66,7; Cγs = 20; Cγp = 25 Hình 1.5. Ảnh hưởng của góc trước γ đến hệ số kγi - Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới lực cắt đơn vị: HDKH: TS.NguyÔn V¨n Hïng HV: D−¬ng Xu©n Tr−êng LuËn v¨n Th¹c sü kü thuËt X19W Tr−êng §H Kü thuËt c«ng nghiÖp Qua thực nghiệm người ta xác định được mối quan hệ giữa lực cắt đơn vị ki với tốc độ cắt VC có dạng hàm số mũ (hình 1.6) và được xác định bằng phương trình: kVi = 1,1.VC-0,11 (1-14) Hình 1.6 Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới lực cắt đơn vị 1.2.1.2. Mô hình lực cắt đối với các phương pháp gia công có góc θ ≠ hằng số Góc cắt θ là góc tạo bởi véc tơ tốc độ cắt với véc tơ hướng tiến dao, trong trường hợp phay mặt đầu góc hướng cắt θ tại một vị trí bất kỳ trong vùng tiếp xúc chính là góc tiếp xúc giữa dao và phôi tại vị trí đó hình 1.7 Hình 1.7. Mô hình lực cắt đối với góc θ ≠ hằng số HDKH: TS.NguyÔn V¨n Hïng HV: D−¬ng Xu©n Tr−êng X20W Tr−êng §H Kü thuËt c«ng nghiÖp LuËn v¨n Th¹c sü kü thuËt Gọi lực cắt trên 1 lưỡi cắt tại một vị trí tức thời trong vùng tiếp xúc là Fi* ta có: Fi* = ki.b.ai (1.15) Từ hình cắt (n-n) ta có: a' =n.sinϕ Coi Sx ≈Sz ta có: n = Sz.cosθ ai = Sz .sinϕ.cosθ (1.16) Fi* = ki.b.ai = ki.b.Sz.sinϕ.sinθ (1.17) Vậy lực cắt do 1 lưỡi cắt thứ i tạo ra trong vùng tiếp xúc khi phay đối xứng như hình 1.7 1 F i= ψ /2 Fi = ψ /2 1 Fi .dθ = ψ /2 ∫ ψ /2 * 0 ∫ k .b.S . sin ϕ. cos θ .dθ i z 0 2.S z .t k itb .b. sin ϕ D.ψ (1.18) Hay: atb = 2.S z .t sin ϕ (1.19) D.ψ Theo (1.12), thì lực cắt đơn vị được tính theo công thức: kitb=k1i.atbk2, lực cắt trung bình trên một lưỡi cắt có dạng: ⎛ 2.S z .t ⎞ sin ϕ ⎟⎟ Fitb = kitb .b.atb = k1i .b.⎜⎜ ⎝ D.ψ ⎠ k2 (1.20) Với ϕ tính theo độ, ψ tính theo radian. Vậy lực cắt trung bình Fctb khi phay mặt đầu là: Fctb = Fitb.Zemax (1.21) Trong đó Zemax là số lưỡi cắt lớn nhất nằm trong vùng tiếp xúc: Z e max ) ψ .Z dao ψ .Z dao = = (lấy quy tròn) 2π 360 0 (1.22) Với ψ0 là góc tiếp xúc của dao với phôi đo bằng độ. Theo kết quả nghiên cứu [9] thí nghiệm bằng mảnh dao CBN khi gia công vật liệu 20MnCr5 thì ảnh hưởng của vận tốc cắt V là thấp hơn so với ảnh hưởng của chiều sâu cắt t; Khi cắt ở vận tốc V = 50 - 250m/ph với chiều sâu cắt t = 0.1 - 0.5 mm thì lực HDKH: TS.NguyÔn V¨n Hïng HV: D−¬ng Xu©n Tr−êng
- Xem thêm -