TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1 2014 65 NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH GIA CÔNG PHAY BÀO GỖ Hoàng Việt TS Trường Đại học Lâm nghiệp TÓM TẮT Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu thiết l[.]
C«ng nghiƯp rõng NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HĨA Q TRÌNH GIA CƠNG PHAY BÀO GỖ Hồng Việt TS Trường Đại học Lâm nghiệp TĨM TẮT Bài viết trình bày kết nghiên cứu thiết lập mơ hình tốn học tối ưu hóa q trình gia cơng chi tiết máy bào bốn mặt cỡ trung sử dụng phổ biến sở sản xuất chế biến gỗ nước ta Kết nghiên cứu thực nghiệm xác định tương quan biểu thị ảnh hưởng hai thông số thuộc chế độ cắt vận tốc đẩy U, chiều sâu cắt H tới chi phí lượng điện riêng Nr = 7.150 - 4.332U + 7.213U2 + 7.424H - 7.995U.H - 8.028H2, độ nhám bề mặt Rz = 3.375 + 5.932U + 3.174U2 + 1.368H + 2.948U.H 2.941H2 sai số gia công chi tiết ∆h = -1.123 + 9.357U + 9.336U2 + 5.366H + 9.115U.H + 6.181H2 máy SK-230, FE-620 Từ sở xác lập mơ hình tốn học phục vụ tính tốn chế độ tối ưu cho q trình phay bào gỗ nhóm máy Mơ hình áp dụng hiệu máy thiết bị phay bào khác có đặc tính kỹ thuật tương đồng với máy SK-230, FE-620 thực tế sản xuất Từ khóa: Chế độ cắt, độ nhám, máy bào bốn mặt, mô hình tốn, tối ưu hóa I ĐẶT VẤN ĐỀ Các máy phay bào bốn mặt thiết bị chủ đạo phục vụ sản xuất sở sản xuất chế biến gỗ, máy với tính gia cơng mặt phẳng, mặt định hình chi tiết ván hẹp… Tuy nhiên q trình gia cơng sản xuất chi tiết, sản phẩm đồ gỗ chuyển giao cơng nghệ sở cịn có nhiều bất cập chất lượng, suất thấp, giá thành cao làm hạn chế tính cạnh tranh sản phẩm, gây khơng khó khăn khâu tiêu thụ Có nhiều ngun nhân làm cho chi phí sản xuất cao, chất lượng sản phẩm thấp có ngun nhân chưa có nghiên cứu tạo lập sở khoa học xác định ảnh hưởng yếu tố đến chất lượng gia công, chưa đề cập đến mơ hình tốn học tốn tối ưu hóa qúa trình nghiên cứu sử dụng hiệu thiết bị điều kiện gia công vật liệu, sản phẩm cụ thể Nghiên cứu q trình gia cơng máy bào bốn mặt điển hình mã hiệu SK-230, FE620 với việc xác định tương quan định lượng chi phí lượng riêng, chất lượng gia cơng với yếu tố thuộc chế độ cắt; thiết lập mơ hình tốn học tối ưu hóa q trình phay bào gỗ máy đảm bảo tính đại diện cao thông số điều khiển hàm mục tiêu sở khoa học thực tiễn định hướng cho sở sản xuất tổ chức đạo kỹ thuật khâu gia công đảm bảo nâng cao chất lượng sản phẩm, tối giảm tiêu hao lượng, góp phần nâng cao hiệu sản xuất II NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nội dung, đối tượng nguyên vật liệu nghiên cứu - Những nội dung nghiên cứu bao gồm: Động học động lực học q trình gia cơng chi tiết gỗ máy bào bốn mặt; Cơ sở khoa học tác động tương hỗ yếu tố chế độ cắt với tiêu kinh tế - kỹ thuật trình phay bào gỗ phương pháp luận khoa học xác lập mơ hình tốn học tối ưu hóa: Nghiên cứu thực nghiệm xác định tương quan chi phí lượng riêng, độ nhám bề mặt, sai số kích thước chi tiết gia công máy SK-230 với yếu tố thuộc chế độ gia công - Gỗ để gia công gỗ Keo lai (thanh phôi thô), trước đưa vào gia công chúng sấy để đạt độ ẩm trung bình 12%; Thiết bị nghiên cứu gia cơng máy phay TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2014 65 C«ng nghiƯp rõng bào bốn mặt (SK-230, FE-620), thực nghiệm tiến hành sở sản xuất: Trung tâm Công nghiệp rừng, Trường đại học Lâm nghiệp, Công ty TNHH Phú Đạt Hịa Bình, Hà Nội Cơng ty cổ phần Woodsland, Hà Nội - Các thông số điều khiển: Các thông số chế độ gia công máy vận tốc đẩy U chiều sâu cắt (chiều cao lớp phoi H) - Các hàm mục tiêu: Chi phí lượng riêng - lượng điện mà máy tiêu thụ gia công tạo mét chiều dài sản phẩm (W.h/m); Chất lượng gia công chi tiết đánh giá theo số tiêu chuẩn hành độ nhẵn bề mặt sai số kích thước hình học sản xuất đồ mộc tiêu đánh giá, xác định mức độ quy luật ảnh hưởng chúng đến tiêu quan tâm Trong số phương án quy hoạch bậc hai phương án Keeferi J, phương án trực giao, kế hoạch trung tâm hợp thành, Box Wilson, phương án H.O Hartley, chọn phương án Kế hoạch Trung tâm hợp thành [1] Đây phương án đời sớm địi hỏi số lượng thí nghiệm khơng nhiều mà đạt độ tin cậy cao Xử lý số liệu thí nghiệm xác định tương quan tốn học phần mềm Excel chương trình xử lý số liệu đa yếu tố OPT máy vi tính III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết thực nghiệm đơn yếu tố 2 Phương pháp nghiên cứu 3.1.1 Ảnh hưởng vận tốc đẩy đến chi phí lượng riêng, độ nhám bề mặt sai số gia công a Ảnh hưởng vận tốc đẩy tới chi phí lượng riêng Nr - Phương trình hồi quy mô tả tương quan ảnh hưởng: N r 75.051 4.164U 0.074U (1) - Phương pháp kế thừa: Tham khảo tài liệu, phân tích lựa chọn, sử dụng kết nghiên cứu giới nước có liên quan phục vụ giải nội dung thực nghiệm, nhận xét đánh giá kết - Phương pháp thực nghiệm sử dụng quy hoạch thực nghiệm đơn đa yếu tố để giải nội dung nghiên cứu thực nghiệm Nhiệm vụ thực nghiệm đơn yếu tố xác định thông số ảnh hưởng để xem thông số thực ảnh hưởng đến - Đồ thị tương quan vận tốc đẩy chi phí lượng riêng hình Chi phí lượng riêng Nr, Wh/m 70 60 50 40 30 20 10 Chi phí n?ng l??ng r iêng, kW h 10 15 20 25 30 35 40 Vận tốc đẩy U, m/ph Hình Đồ thị ảnh hưởng vận tốc đẩy U đến Nr 66 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2014 C«ng nghiƯp rõng - Ảnh hưởng vận tốc đẩy U đến chi phí lượng riêng tuân theo quy luật hàm bậc Khi vận tốc đẩy tăng từ - 15 m/ph chi phí lượng riêng giảm mạnh từ 62 - 24 (Wh/m) Khi vận tốc đẩy tăng từ 15 - 36 m/ph chi phí lượng riêng giảm với cường độ nhỏ từ 24 tới 18 (Wh/m) b Ảnh hưởng vận tốc đẩy tới độ nhám bề mặt Rz - Phương trình tương quan: Rz = 37,011 + 1,290U + 0,038U2 (2) - Đồ thị tương quan vận tốc đẩy độ nhám bề mặt Rz hình Từ kết cho thấy, ảnh hưởng vận tốc đẩy đến độ nhám bề mặt hàm phi tuyến Khi vận tốc đẩy tăng từ -18 m/ph, độ nhám bề mặt Rz tăng từ khoảng 41- 61µm Tốc độ tăng Rz giai đoạn không mạnh Khi vận tốc đẩy tiếp tục tăng từ 18 - 36 m/ph độ nhám bề mặt chi tiết tăng với cường độ cao hơn, tới 135.8 µm Vận tốc đẩy, m/ph Hình Đồ thị ảnh hưởng vận tốc đẩy U đến Rz Ảnh hưởng vận tốc đẩy đến độ nhám bề mặt hàm phi tuyến Khi vận tốc đẩy tăng từ -18 m/ph, độ nhám bề mặt R z tăng từ khoảng 41- 61µm Tốc độ tăng R z giai đoạn không mạnh Khi vận tốc đẩy tiếp tục tăng từ 18 - 36 m/ph độ nhám bề mặt chi tiết tăng với cường độ cao hơn, tới 135.8 µm c Ảnh hưởng vận tốc đẩy tới sai số gia công theo bề rộng sản phẩm ∆b - Phương trình tương quan: ∆b = 0,098 – 0,006U + 0,0003U2 (3) - Đồ thị tương quan U ∆b giới thiệu hình Hình Đồ thị ảnh hưởng vận tốc đẩy U đến ∆b TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2014 67 C«ng nghiƯp rõng nhám thay đổi Nhiều cơng trình nghiên cứu [6, 7, 9] cho thấy quan hệ U (thông qua Uz) chiều cao nhấp nhô tế vi (độ nhám bề mặt ) Rz gia công vật liệu hàm phi tuyến Khi gia công với lượng đẩy nhỏ bề mặt gia cơng có độ nhấp nhơ tế vi giảm Nếu gia cơng với lượng đẩy lớn độ nhấp nhơ tăng lên (độ nhẵn bóng giảm xuống) biến dạng đàn hồi ảnh hưởng đến hình thành nhấp nhơ tế vi, kết hợp với ảnh hưởng yếu tố hình học, làm cho độ nhám bề mặt tăng lên 3.1.2 Ảnh hưởng chiều sâu cắt H đến chi phí lượng riêng, độ nhám bề mặt sai số gia công a Ảnh hưởng chiều sâu cắt tới chi phí lượng riêng - Phương trình tương quan: Nr = 13,851 + 6,020H – 0,185H2 (4) - Đồ thị tương quan chiều sâu cắt chi phí lượng riêng hình Chi phí lượng riêng Nr, Wh/m - Ảnh hưởng vận tốc đẩy U đến sai số gia công theo bề rộng Δb mạnh tuân theo quy luật hàm bậc Khi vận tốc đẩy tăng từ - 13 m/ph sai số gia công giảm từ 0.08 0.05 mm Tuy nhiên vận tốc đẩy tăng từ 13 - 36 m/ph sai số gia cơng lại tăng với cường độ mạnh từ 0.05 - 0.25 mm Như vậy, vận tốc đẩy U ảnh hưởng trước hết tới lực cắt, điều thể rõ nghiên cứu động lực học q trình cắt Hệ thống cơng nghệ (máy - dao cắt - đồ gá - chi tiết gia công) hệ đàn hồi Sự thay đổi giá trị biến dạng đàn hồi tác dụng lực cắt gây sai số kích thước sai số hình dạng hình học chi tiết gia công Biến dạng đàn hồi hệ thống công nghệ phụ thuộc vào lực cắt độ cứng vững thân hệ thống Vận tốc đẩy ngồi ảnh hưởng mang tính chất hình học nói trên, cịn có ảnh hưởng lớn đến mức độ biến dạng dẻo biến dạng đàn hồi bề mặt gia cơng, làm cho độ Hình Đồ thị ảnh hưởng chiều sâu cắt H đến Nr - Ảnh hưởng chiều sâu cắt H đến chi phí lượng riêng tuân theo quy luật phi tuyến Khi chiều sâu cắt tăng từ 0.4 - 2.8 mm chi phí lượng riêng tăng Kết cho thấy mức độ tăng Nr không mạnh, từ 16 - 28 (Wh/m) 68 b Ảnh hưởng chiều sâu cắt tới độ nhám bề mặt Rz - Phương trình tương quan: Rz = 57,102 + 17,354.H – 1,271.H2 (5) - Đồ thị tương quan chiều sâu cắt độ nhám bề mặt hình TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2014 C«ng nghiƯp rõng Hình Đồ thị ảnh hưởng chiều sâu cắt H đến Rz - Ảnh hưởng chiều sâu cắt đến độ nhám bề mặt phi tuyến với quy luật hàm bậc Khi chiều sâu cắt tăng từ 0.4 - 2.8 mm, độ nhám bề mặt tăng từ 62 - 95µm Tốc độ tăng Rz nhỏ c Ảnh hưởng chiều sâu cắt tới sai số gia công theo bề rộng Δb - Phương trình tương quan: Δb = 0,027 + 0,039H + 0,0003H2 (6) - Đồ thị tương quan chiều sâu cắt sai số gia công Δb hình Hình Đồ thị ảnh hưởng chiều sâu cắt H đến Δb - Chiều sâu cắt có ảnh hưởng đáng kể tới sai số gia công theo bề rộng Δb quy luật đồng biến, phi tuyến Từ kết cho thấy, chiều sâu cắt H nhìn chung khơng có ảnh hưởng đáng kể đến độ nhám bề mặt Tuy nhiên chiều sâu cắt nhỏ làm cho dao bị trượt bề mặt gia công xảy tượng cắt không liên tục, độ nhám bề mặt lại tăng Ngược lại chiều sâu cắt lớn chiều dày phoi tăng, lực công suất cắt tăng làm rung động trình cắt tăng mạnh Rung động hệ thống cơng nghệ q trình cắt làm cho vị trí tương đối dao cắt chi tiết gia cơng thay đổi theo chu kỳ, để lại bề mặt chi tiết hình dáng khơng phẳng Nếu tần số rung thấp, biên độ lớn sinh sóng bề mặt, tần số rung động cao biên độ thấp sinh nhám bề mặt Ngoài ra, rung động chiều sâu cắt, tiết diện phoi lực cắt tăng, giảm theo chu kỳ ảnh hưởng đến độ xác gia cơng 3.2 Kết thực nghiệm đa yếu tố Kết thực nghiệm đơn yếu tố cho thấy ảnh hưởng vận tốc đẩy U, chiều sâu cắt H đến hàm mục tiêu Nr, Rz, Δb Δh hàm TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2014 69 C«ng nghiƯp rõng phi tuyến Điều cho phép thực quy hoạch thực nghiệm bậc hai mà không qua tiến hành quy hoạch thực nghiệm bậc nhất.Tiến hành thí nghiệm theo ma trận kế hoạch trung tâm hợp thành với số lần lặp lại m = Các thông số nghiên cứu đầu vào: vận tốc đẩy U = – 36 m/ph, khoảng biến thiên lu =16m/ph; chiều sâu cắt H = 0.4 – 2.8 mm, khoảng biến thiên lH =1.2 mm Các tiêu đầu (hàm mục tiêu): Chi phí lượng (điện năng) riêng cho gia công chi tiết (Wh/m); Độ nhám bề mặt gia cơng Rz (µm); Sai số kích thước chi tiết theo bề rộng Δb (mm) chiều dày Δh (mm) 3.2.1 Kết thực nghiệm xử lý số liệu * Phương trình hồi quy mơ tả ảnh hưởng vận tốc đẩy U, chiều sâu cắt H đến chi phí lượng riêng Nr: Nr = 7.150 - 4.332U + 7.213U2 + 7.424H 7.995U.H - 8.028H2 (7) Nr H, mm U, m/ph Hình Ảnh hưởng vận tốc đẩy chiều sâu cắt chi phí lượng riêng Nr Đồ thị biểu diễn tương quan vận tốc đẩy chiều sâu cắt với chi phí lượng riêng hình * Phương trình hồi quy mơ tả ảnh hưởng vận tốc đẩy U, chiều sâu cắt H đến độ nhám bề mặt Rz: Rz = 3.375 + 5.932U + 3.174U2 + 1.368H + 2.948U.H - 2.941H2 (8) Tương quan vận tốc đẩy chiều sâu cắt với độ nhám Rz dạng đồ thị hình Rz,μm U, m/ph H, mm Hình Ảnh hưởng vận tốc đẩy chiều sâu cắt độ nhám bề mặt 70 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2014 C«ng nghiƯp rõng ∆b = 6.515- 6.569U + 2.648U2 + 3.147H + 3.906U.H - 3.889H2 (9) Tương quan vận tốc đẩy, chiều sâu cắt với sai số gia công Δb dạng đồ thị hình * Phương trình hồi quy mơ tả ảnh hưởng vận tốc đẩy U, chiều sâu cắt H đến sai số gia công theo bề rộng sản phẩm Δb: ∆b,mm U, m/p h H, mm Hình Ảnh hưởng vận tốc đẩy chiều sâu cắt sai số gia công ∆b ∆h = -1.123 + 9.357U + 9.336U2 + 5.366H + 9.115U.H + 6.181H2 (10) Tương quan vận tốc đẩy,chiều sâu cắt với sai số gia công Δh dạng đồ thị hình 10 * Phương trình hồi quy mơ tả ảnh hưởng vận tốc đẩy U, chiều sâu cắt H đến sai số gia công theo chiều dày sản phẩm Δh: Δh,mm U, m/ph H,mm Hình 10 Ảnh hưởng vận tốc đẩy chiều sâu cắt sai số gia cơng ∆h 3.2.2 Mơ hình tốn học để tính tốn chế độ tối ưu cho q trình gia công gỗ máy bào bốn mặt * Mô hình tốn theo tiêu chi phí lượng nhỏ Với thiết bị, công cụ cắt cụ thể thông số chế độ gia công tối ưu cần xác định giới hạn hai thông số quan trọng vận tốc đẩy chiều sâu cắt Để đạt độ xác gần với điều kiện sản xuất cụ thể, thông số tối ưu xác định theo tiêu tối ưu chi phí lượng riêng nhỏ thỏa mãn điều kiện chất lượng gia cơng Mơ hình tốn học để xác định chế độ tối ưu trường hợp có dạng sau: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2014 71 ... số gia công theo chiều dày sản phẩm Δh: Δh,mm U, m/ph H,mm Hình 10 Ảnh hưởng vận tốc đẩy chiều sâu cắt sai số gia cơng ∆h 3.2.2 Mơ hình tốn học để tính tốn chế độ tối ưu cho q trình gia cơng gỗ. .. Nhiều cơng trình nghiên cứu [6, 7, 9] cho thấy quan hệ U (thông qua Uz) chiều cao nhấp nhô tế vi (độ nhám bề mặt ) Rz gia công vật liệu hàm phi tuyến Khi gia cơng với lượng đẩy nhỏ bề mặt gia cơng... kiện sản xuất cụ thể, thông số tối ưu xác định theo tiêu tối ưu chi phí lượng riêng nhỏ thỏa mãn điều kiện chất lượng gia cơng Mơ hình tốn học để xác định chế độ tối ưu trường hợp có dạng sau: TẠP