ĐỊNH HƯỚNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ANTEN MẠNG PHA Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật – ISSN 1859 0209 41 TỐI ƯU HÓA CHẾ ĐỘ CẮT PHỤC VỤ GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TRỰC TUYẾN QUÁ TRÌNH GIA CÔNG HỢP KIM TITAN Đào Văn Hiệp1[.]
Tạp chí Khoa học Kỹ thuật – ISSN 1859-0209 TỐI ƯU HÓA CHẾ ĐỘ CẮT PHỤC VỤ GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TRỰC TUYẾN Q TRÌNH GIA CƠNG HỢP KIM TITAN Đào Văn Hiệp1 1Đại học Kỹ thuật Lê Q Đơn Tóm tắt Hợp kim Titan (HKTi) có nhiều tính chất cơ, lý, hóa q đặc biệt khó gia công Để đảm bảo chất lượng hiệu gia cơng, xác định chế độ cắt phải tính đến đầy đủ yếu tố công nghệ nên tốn phức tạp, khó giải tốn thời gian Muốn đáp ứng yêu cầu giám sát điều khiển trực tuyến (GS&ĐKTT) q trình gia cơng, bên cạnh tính xác, tin cậy, việc tính tốn cịn phải nhanh chóng Nhằm tìm giải pháp cho yêu cầu trái ngược trên, mơ hình tối ưu hóa (TƯH) phương pháp giải thử nghiệm so sánh Đối tượng gia công hợp kim Ti-6Al-4V, HKTi điển hình thiết bị bay Kết cho thấy phương pháp dựa trí tuệ nhân tạo cho lời giải tin cậy, đồng thời thỏa mãn yêu cầu thời gian, giải thuật TƯH bầy đàn (PSO) cần 0,20 giây, khoảng 6,6% thời gian giải thuật di truyền (GA) mục tiêu, 6,5% GA đa mục tiêu, thỏa mãn tốt yêu cầu GS&ĐKTT Từ khoá: Hợp kim Titan; chế độ cắt; tối ưu hóa; Taguchi; GA; PSO; quy hoạch tuyến tính Đặt vấn đề Nhờ có tính chất cơ, lý, hóa q báu: nhẹ xấp xỉ nửa thép có độ bền tương đương; làm việc nhiệt độ cao, không gỉ mơi trường ăn mịn hóa học, HKTi có mặt nhiều ngành cơng nghiệp, đặc biệt hàng không vũ trụ Hợp kim Ti-6Al-4V vật liệu điển hình dùng cho cánh, thân tua bin động máy bay Ti-6Al-4V AISI 1045 Ủ Tôi Kéo nguội 4,43 7,84 σch (MPa) E (GPa) HV ε(%) δ(%) 895 1035 625 825 965 530 110 207 340 360 179 10 12 20 20 35 580 486 Độ dẫn nhiệt (W/m.K) σb (MPa) Nhiệt dung riêng (J/kg.K) (g/cm3) Tên vật liệu Trạng thái Bảng So sánh tính chất HKTi với thép 7,3 7,5 10,7 Bảng [1] cho thấy, so với thép AISI 1045 (tương đương C45), Ti-6Al-4V có khối lượng riêng 0,56, độ bền gấp 1,7 lần Nhưng tính độ bền nhiệt cao, với modul đàn hồi độ dẻo thấp, độ dẫn nhiệt thấp nhiệt dung riêng cao, khiến Ti-6Al-4V có tính cắt gọt kém: nhiệt độ vùng cắt cao, lực cắt lớn, tốn lượng, mòn dao nhanh, kết cục chất lượng gia công kém, suất thấp, chi phí cao Với 41 Journal of Science and Technique – ISSN 1859-0209 vật liệu dễ gia cơng, dùng dao rẻ tiền, dao mịn chậm, chi phí cho dao bỏ qua, với HKTi khơng Do đó, mơ hình TƯH phức tạp, khó giải tốn thời gian Trong q trình gia cơng, trạng thái hệ thống, kích thước tính vật liệu phơi, khả cắt dao, ln biến động Để thích ứng, đảm bảo tiến triển bình thường hiệu trình, chế độ cắt cần hiệu chỉnh kịp thời Vì vậy, máy CNC đại, có điều khiển thích nghi (ĐKTN) cần trang bị ghép với modul tính tốn, TƯH hiệu chỉnh trực tuyến chế độ cắt (Hình 1) Tuy nhiên, GS&ĐKTT địi hỏi việc tính tốn phải tự động hóa (TĐH) hồn tồn, đồng thời chu kỳ tính tốn ngắn, thường khơng q giây Từ lý trên, xuất nhu cầu tìm kiếm mơ hình phương pháp TƯH chế độ cắt vừa đảm bảo độ xác, tin cậy, vừa đáp ứng yêu cầu TĐH thời gian GS&ĐKTT q trình gia cơng HKTi Thơng qua nhiệm vụ cụ thể (tiện hợp kim Ti-6Al-6V), báo giới thiệu số mơ hình phương pháp TƯH chế độ cắt, giúp so sánh, lựa chọn phương pháp phù hợp với nhu cầu ứng dụng thực tế Hình Sơ đồ điều khiển thích nghi có tối ưu hố Thiết lập mơ hình tối ưu hóa 2.1 Mơ hình tối ưu hóa tổng qt Về toán học, toán TƯH phát biểu sau: Cực tiểu hóa hàm mục tiêu (a) với điều kiện ràng buộc (b) y y1 (x) yz (x) (a) g g1 (x) g m1 (x) T T f (x) h h1 (x) h m (x) x x x max (b) T 42 (1) Tạp chí Khoa học Kỹ thuật – ISSN 1859-0209 đó: x = [x1 … xi … xn]T - vectơ biến đầu vào; y = [y1… yj…yz]T - vectơ mục tiêu, gồm thành phần biểu diễn tiêu chí tối ưu; (b), vectơ biểu diễn ràng buộc dạng bất đẳng thức, dạng đẳng thức điều kiện biên Trong toán TƯH chế độ cắt tiện, biến đầu vào thường tốc độ cắt v (m/ph), lượng chạy dao s (mm/vòng), chiều sâu cắt t (mm) Mục tiêu sản xuất đạt chất lượng yêu cầu với hiệu cao nên hàm mục tiêu thường chi phí gia công (thấp nhất) suất gia công (cao nhất) Các điều kiện ràng buộc đảm bảo cho trình gia công đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, phù hợp điều kiện thực tế tiến triển bình thường Sau mô tả hàm mục tiêu điều kiện ràng buộc Hàm mục tiêu Hàm mục tiêu suất chi phí gia cơng xây dựng tương tự [1] Nghiên cứu xét chi phí gia cơng Đó chi phí cần thiết cho nguyên công K = Km + Kd + Kmd (ng.đ) đó: Km, Kd Kmd - chi phí vận hành máy, mua mài dao cho nguyên công Sau tính thành phần trên, ta nhận tiêu tối ưu K AV BV CV AV CdV Z ZT ZT Z ZT (2) đó: A (ng.đ/ph) - chi phí cho phút chạy máy; V (cm3) - thể tích vật liệu bị hớt nguyên công; Z = v.s.t (cm3/ph) - suất cắt; T (ph) - tuổi bền dao; B (ng.đ) - chi phí mua dao tính cho lần mài; C (ng.đ) - chi phí cho lần mài dao; Cd = B+C - chi phí dao Để dễ trao đổi liệu, người ta thường dùng tiêu chi phí gia cơng 1cm3 vật liệu K A Cd V Z ZT Các điều kiện ràng buộc (3) Sau số điều kiện ràng buộc thường gặp: - Điều kiện lực cắt không vượt ngưỡng cho phép nhằm hạn chế biến dạng phơi, đảm bảo an tồn hệ thống,… F F1v mf s nf t kf Fmax (4) Cùng loại, cịn có hạn chế rung động, mơ men trục chính, nhiệt độ vùng cắt - Điều kiện hạn chế độ nhám bề mặt: Ra R1vmr s nr t kr Rmax (5) Các hạn chế sai số kích thước, hình dạng có biểu diễn tương tự - Điều kiện công suất cắt không vượt công suất động trục (Pm): mp np kp P Pv s t Pm 43 Journal of Science and Technique – ISSN 1859-0209 hay P F1 v( mf 1) s nf t kf Pm 60.1000 (6) - Miền giới hạn chế độ cắt phụ thuộc tính máy yêu cầu công nghệ: vmin v vmax ; smin s smax ; tmin t tmax (7) Ta thấy, điều kiện ràng buộc (4)(7) có dạng hàm mũ với F1, R1, , mf, nf, kf, số Sau lấy logarit biến đổi quan hệ tuyến tính Tuy cơng cụ đại cho phép giải hệ phi tuyến mô hình tuyến tính dễ giải cho kết xác, tin cậy Vì vậy, cố gắng đưa mơ hình tuyến tính Riêng hàm mục tiêu (3) có dạng tổng, muốn lấy logarit phải đưa dạng tích Có giải pháp: Giải pháp thứ nhất: Bỏ qua chi phí dao để có K/V=A/Z Đối với vật liệu dễ gia cơng, dùng dao rẻ tiền (Cd nhỏ), chậm mịn (T lớn) sai số | nt| > |kt| nên bỏ qua s t Thay (9) vào (3), ta nhận được: Cd K A = mt 1 nt 1 kt 1 V vsa T1 v s t (10) Tìm cực trị K/V biến đổi tốn học [1], ta nhận tuổi bền ứng với chi phí gia công thấp nhất, gọi tuổi bền kinh tế Te Cd (mt 1) A (11) Cơng thức có nghĩa mt