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 -
.PDF 
120 
116 
113 
