Tối ưu chế độ cắt khi phay bằng dao phay ngón hợp kim cứng - ứng dụng phay thô lòng khuôn ép nhựa Y8A

Tối ưu chế độ cắt khi phay bằng dao phay ngón hợp kim cứng - ứng dụng phay thô lòng khuôn ép nhựa Y8A

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài "Tối ưu chế độ cắt khi phay bằng dao phay ngón hợp kim cứng

- Ứng dụng phay thô lòng khuôn ép nhựa Y8A" do thầy giáo PGS.TS Nguyễn

Phú Hoa định hướng và hướng dẫn tôi Tôi xin cam đoan những kết quả có được

trong Luận văn là do bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo

PGS.TS Nguyễn Phú Hoa, tất cả các nội dung trong luận văn đúng như nội

dung trong đề cương và yêu cầu của giáo viên hướng dẫn Tất cả tài liệu tham

khảo đều có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng

Thái Nguyên, tháng 11 năm 2012

Tác giả

Phạm Thị Thu

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập, làm luận văn, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp

đỡ, chỉ bảo của các thầy cô giáo đã giảng dạy, hướng dẫn, giúp tôi hoàn thành

tốt chương trình học cao học và hoàn thiện được luận văn này

Trước hết tôi xin được chân thành cảm ơn với các thầy cô giáo giảng viên

trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái nguyên đã giảng dạy, giúp đỡ, chỉ

bảo tận tình, giúp tôi có được nhiều kiến thức rất mới và bổ ích, nâng cao trình

độ, năng lực học tập và sáng tạo

Tôi xin cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Phú Hoa, Đại học

Thái Nguyên, đã định hướng đề tài, hướng dẫn tận tình tôi trong việc tiếp cận

và khai thác tài liệu tham khảo cũng như những chỉ bảo trong quá trình tôi làm

luận văn

Tôi xin cảm ơn Ban Giám đốc, các cán bộ nhân viên phòng Kỹ thuật

Công ty Cơ khí Cường Phát, Hà Nội về sự tạo điều kiện hết sức thuận lợi cho

tôi được tiến hành thí nghiệm tại công ty, giúp tôi hoàn thành nghiên cứu của

mình

Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn các thầy cô giáo, các bạn đồng

nghiệp và gia đình đã ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình làm luận văn

này

Do kinh nghiệm của bản thân còn nhiều hạn chế nên luận văn không

tránh khỏi thiếu xót Tôi rất mong nhận được ý kến nhận xét, góp ý của các thầy

cô và các bạn Tôi xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan 1

Lời cảm ơn 2

Mục lục 3

Danh mục các ký hiệu chính 5

Danh mục các sơ đồ, bảng biểu 6

PHẦN MỞ ĐẦU 8

1 Tính cấp thiết của đề tài 8

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 8

3 Mục đích, đối tượng, phương pháp, nội dung nghiên cứu 9

Chương I

Cơ sở lý thuyết tối ưu chế độ cắt khi phay và phay bằng dao phay ngón 11

1.1 Lý thuyết chung về tối ưu hóa chế độ cắt 11

1.1.1 Các vấn đề chung 11

1.1.2 Hàm mục tiêu- chỉ tiêu tối ưu 15

1.1.3 Giới hạn và hệ ràng buộc 15

1.1.4 Các phương pháp tối ưu chế độ cắt 17 1.1.5 Phương pháp tối ưu chế độ cắt theo đường biên khả dĩ 17 1.2 Tối ưu hóa quá trình cắt khi phay và tối ưu hóa chế độ cắt khi phay 23 1.2.1 Mô hình hoá quá trình cắt khi phay 23 1.2.2 Xác định thời gian gia công cơ bản của máy khi phay 26

1.2.5 Chế độ cắt khi phay bằng dao phay ngón 29

1.2.6 Phương hướng tối ưu chế độ cắt khi phay trên máy phay CNC 33

Chương II - Xác định chế độ cắt tối ưu khi phay thô lòng khuôn ép trên máy

2.1 Giới thiệu về máy CNC DM - 55V và khuôn ép khay nhựa 36

2.1.1 Thông số kỹ thuật cơ bản của máy CNC DM - 55V và khuôn ép 36

2.1.2 Quá trình tạo một chương trình gia công trên máy CNC DM-55V 39

2.2 Xây dựng bài toán tối ưu chế độ cắt khi phay thô lòng khuôn 43

2.2.3 Thuật toán tối ưu chế độ cắt khi phay lòng khuôn ép nhựa 53

2.3 Kết quả giải bài toán lựa chọn chế độ cắt tối ưu khi phay thô

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHÍNH

[Nc] Công suất cắt cho phép của đầu dao phay KW

Li Chiều dài đoạn đường dao dịch chuyển ở lần cắt

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, BẢNG BIỂU

2 Hình1.2 Quá trình xác định điểm topt, Sopt 22

4 Hình 1.4 Dao phay ngón chuôi côn, chuôi trụ 31

6 Hình 1.6 Sơ đồ cắt khi gia công lòng khuôn ép nhựa trên máy

8 Bảng 2.2 Bảng thông số kỹ thuật của máy CNC DM -55V 36

10 Hình 2.4 Bản vẽ lắp và bản vẽ hai nửa khuôn ép khay nhựa 39

13 Hình 2.7 Sơ đồ phân bố lượng dư gia công khi phay lòng

khuôn ở bước gia công thô và gia công tinh 45

14 Hình 2.8 Tiết diện mặt cắt ngang cần gia công thô của khuôn

15 Bảng 2.9 Kích thước phần tiết diện khảo sát và chiều dài các

16 Hình 2.10 Sơ đồ thuật toán 53

18 Hình 2.12 Sơ đồ lượng dư gia công khi gia công lòng khuôn

Các giá trị (Vi,Si) thỏa mãn ràng buộc bài toán tối

ưu chế độ cắt khi phay thô lòng khuôn ép nhựa trên máy phay CNC DM 55V

70

25 Hình 3.3 Nhập thông số gia công ở bước gia công thô 72

29 Hình 3.7 Ép thử trên máy ép nhựa FANUC SE100 74

30 Bảng 3.9 Kết quả tính thời gian gia công cơ bản khi gia công

31 Bảng 3.10 Kết quả tính thời gian gia công cơ bản khi gia công

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngành công nghiệp khuôn

mẫu đóng vai trò rất to lớn trong nhiều lĩnh vực: Dược phẩm, thực phẩm, ngành

nhựa [1],[2],[5] Việc nâng cao năng suất chất lượng khi chế tạo khuôn là rất

cần thiết Để nâng cao năng suất, chất lượng trong chế tạo khuôn ép, cần phải

sử dụng các máy móc, trang thiết bị công nghệ hiện đại, tiên tiến, nhất là các

máy công cụ điều khiển số CNC Các máy móc, trang thiết bị hiện đại rất đắt

tiền, vì vậy để đảm bảo sử dụng hiệu quả các máy móc, thiết bị này thì việc gia

công phải được thực hiện bằng chế độ cắt tối ưu Các nghiên cứu trước đó đã

chỉ ra nhiều lợi ích do tối ưu hóa chế độ cắt khi phay khuôn đem lại[7,8,9]

Trên thế giới, đã có những nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả khi phay

bằng máy phay CNC: Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hình học của dao và

các thông số chế độ cắt trong gia công tinh bằng phay ngón[12], lượng chạy dao

tối ưu cho phay bề mặt bằng dao phay đầu cầu điều khiển bằng logic mờ[13],

nghiên cứu ảnh hưởng của chiều sâu cắt, lượng chạy dao, đến nhám bề mặt khi

phay bằng dao phay đầu cầu trên vật liệu nhôm[10], tuy nhiên chưa có nghiên

cứu nhằm tối ưu chế độ cắt khi phay bằng dao phay ngón hợp kim cứng

Qua nghiên cứu thực tế, quá trình gia công khuôn ép khay nhựa với vật

liệu là Y8A, được gia công trên máy phay DM-55V bằng dao phay ngón hợp

kim cứng tại công ty cơ khí Cường Phát với chế độ cắt được chọn theo kinh

nghiệm (S = 255 mm/ph, V = 125 m/ph; t = 2 mm), vẫn có thể nâng cao được

năng suất, và giảm được thời gian gia công và chi phí gia công nếu được áp

dụng chế độ cắt tính toán tốt hơn Tác giả muốn tính toán để có chế độ cắt hợp

lý hơn – tối ưu nhằm giúp giảm thời gian gia công, nâng cao được năng suất

trong gia công khuôn Việc nghiên cứu áp dụng chế độ cắt tối ưu ứng dụng gia

công khuôn ép khay nhựa, vật liệu Y8A, trên máy phay DM -55V bằng dao

phay ngón hợp kim cứng tại công ty cơ khí Cường Phát là có ý nghĩa khoa học,

thực tiễn cao Chính vì vậy, tác giả chọn đề tài nghiên cứu luận văn thạc sĩ: Tối

ưu chế độ cắt khi phay bằng dao phay ngón hợp kim cứng - Ứng dụng phay

thô lòng khuôn ép nhựa Y8A

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

2.1 Ý nghĩa khoa học:

Đóng góp vào việc nghiên cứu tối ưu hóa chế độ cắt cho phương pháp

phay bằng dao phay ngón hợp kim cứng nhằm giảm thời gian, chi phí gia công

khuôn

2.2 Ý nghĩa thực tiễn:

Đề tài giúp cho việc xác định chế độ cắt khi phay để phay thô lòng khuôn

ép nhựa Y8A trên máy phay DM-55V bằng dao phay ngón hợp kim cứng tại

công ty cơ khí Cường Phát được hợp lý hơn, nâng cao hiệu quả khai thác và sử

dụng máy

Đạt được năng suất cao mà vẫn đảm bảo được độ chính xác yêu cầu khi

gia công phay thô lòng khuôn ép nhựa Y8A trên máy phay DM-55V bằng dao

phay ngón hợp kim cứng nhằm giảm thời gian, chi phí gia công khuôn, đem lại

hiệu quả kinh tế thực tiễn cho nhà máy

3 Mục đích, đối tượng, phương pháp, nội dung nghiên cứu

3.1 Mục đích nghiên cứu:

Mục đích của đề tài này là xây dựng phương pháp tối ưu hóa chế

độ cắt khi phay bằng dao phay ngón hợp kim cứng Ứng dụng cụ thể

để gia công phay thô lòng khuôn ép nhựa Y8A trên máy phay DM – 55V bằng

dao phay ngón hợp kim cứng

Xác định, lựa chọn được các thông số chế độ cắt tối ưu(S,V) ở các bước

gia công thô khi gia công phần lòng khuôn khảo sát, đem lại hiệu quả tổng thể

là thời gian gia công cơ bản máy, giảm thời gian gia công khuôn ít nhất là 10%

và giải quyết được bài toán năng suất chế tạo khuôn

3.2 Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là các thông số công nghệ

của phương pháp gia công phay bằng dao phay ngón hợp kim cứng, cụ

thể là 2 thông số: vận tốc cắt và lượng chạy dao

3.3 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp cả phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

3.4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết về tối ưu chế độ cắt của phương pháp phay nói

chung và khi phay bằng dao phay ngón nói riêng

- Nghiên cứu xây dựng bài toán tối ưu chế độ cắt khi phay bằng dao phay

ngón

- Áp dụng bài toán xác định chế độ cắt tối ưu khi phay thô lòng khuôn

bằng phương pháp đường biên khả dĩ

Hiện nay, trên thế giới cũng như ở nước ta, với tốc độ công nghiệp hóa

phát triển như vũ bão, quá trình sản xuất cơ khí nói chung và quá trình gia công

cắt gọt nói riêng đều ứng dụng rất nhiều các tiến bộ về kỹ thuật Trong quá trình

gia công cắt gọt đã không ngừng đổi mới và ứng dụng các tiến bộ về các thiết bị

gia công mới, phương pháp gia công mới, vật liệu gia công mới, vật liệu dụng

cụ mới và công nghệ bôi trơn tối thiểu Trước tình hình đó, để đáp ứng và phát

huy tối đa hiệu quả của các tiến bộ kỹ thuật đó thì trong gia công cắt gọt phải áp

dụng bài toán tối ưu hóa mà cụ thể là tối ưu hóa chế độ cắt Do đó, tối ưu hóa

chế độ cắt trong gia công cắt gọt là tất yếu và khách quan

Tối ưu hóa chế độ cắt được thực hiện bằng 2 hình thức sau:

- Tối ưu hóa tĩnh: Là phương pháp xác định các thông số chế độ cắt tối

ưu trước khi quá trình cắt gọt diễn ra, thông qua việc xây dựng các mối quan hệ

toán học giữa mục tiêu tối ưu với hệ thống giới hạn và các mặt kỹ thuật, chất

lượng, tổ chức nhà máy

Tối ưu hóa trước quá trình cắt gọt dựa trên mô hình tĩnh của quá trình cắt

Nhược điểm cơ bản của phương pháp này là không chú ý tới động lực học của

quá trình, nghĩa là không chú ý tới những đặc điểm mang tính ngẫu nhiên và

thay đổi theo thời gian Điều này có thể khắc phục phần nào khi có sự điều

chỉnh lại trong thực tế

- Tối ưu hóa động: Là tối ưu hóa trong quá trình cắt gọt Dựa trên mô

hình động của quá trình cắt gọt, do đó có xét tới các đặc điểm mang tính ngẫu

nhiên và thay đổi theo thời gian Tối ưu hóa động thì các thông số chế độ cắt

được điều chỉnh tự động ngay cả trong quá trình cắt So với tối ưu hóa tĩnh thì

tối ưu hóa động giải quyết các vấn đề triệt để, nhưng vì thế cũng phức tạp hơn

rất nhiều, bởi tối ưu hóa động gắn với đo lường tích cực, điều khiển thích nghi

và kỹ thuật tự động hóa

Hiệu quả của quá trình tối ưu hóa phụ thuộc vào mức độ chính xác của

mô hình thí nghiệm so với quá trình cắt thực và mức độ chính xác của mô hình

toán học được xây dựng để khảo sát đối tượng trong quá trình nghiên cứu Khi

tối ưu hóa quá trình gia công, giải quyết được càng nhiều yếu tố ảnh hưởng tới

quá trình gia công thì vấn đề giải quyết được càng nhiều và triệt để Nhưng về

mặt toán học, quá trình nghiên cứu càng phức tạp thì càng khó áp dụng vào sản

xuất Ngược lại nếu bỏ qua nhiều yếu tố ảnh hưởng thì kết quả thu được không

chính xác Do đó cần giới hạn bài toán cho thích hợp Ngoài ra hiệu quả của

phương pháp tối ưu hóa cũng còn phụ thuộc mức độ chính xác vào ổn định của

dụng cụ đo cũng như vào kỹ thuật xử lý số liệu

Thực chất phương pháp tối ưu hóa là xây dựng rồi giải bài toán cực trị để

xác định được phương án tối ưu hóa cho quá trình nghiên cứu nhận xét đó cho

thấy:

- Tối ưu hóa là một phương pháp, một công cụ cho các nhà nghiên cứu

kinh tế, kỹ thuật

- Tối ưu hóa gắn liền với mô hình hóa Nói cách khác, mô hình hóa là

bước thứ nhất của tối ưu hóa

Công việc đầu tiên của bài toán tối ưu hóa là xây dựng hàm mục tiêu

Hàm mục tiêu khi thiết kế tối ưu quá trình cắt gọt mô tả quan hệ giữa chỉ tiêu

tối ưu với các thông số cần tối ưu

Chỉ tiêu tối ưu(còn gọi là mục tiêu tối ưu) phải là các chỉ tiêu kinh tế

được xây dựng trên cơ sở giá thành và thời gian gia công, thường được chọn

với các đại lượng sau:

- Chi phí gia công tính cho một đơn vị sản phẩm → thấp nhất

- Thời gian gia công cho một chi tiết → thấp nhất

- Tỷ lệ giữa chi phí gia công và thời gian gia công → thấp nhất

- Số lượng sản phẩm cho một đơn vị thời gian → Cao nhất

- Tiền lãi → Cao nhất

- Độ chính xác đạt được → Cao nhất

- Độ bóng bề mặt đạt được → Cao nhất

Trong các chỉ tiêu trên thì chỉ tiêu về chi phí gia công thấp nhất có vai trò

quan trọng Bởi xét đến cùng thì giá thành chế tạo thấp nhất trên cơ sở đảm bảo

chất lượng, và các yêu cầu kỹ thuật của chi tiết gia công sẽ quyết định tính cạnh

tranh của sản phẩm trong cơ chế kinh tế thị trường

Tối ưu hóa chế độ cắt về thực chất là tìm giá trị các thông số của chế độ

cắt (S,V,t) trên cơ sở đạt được mục tiêu tối ưu cực trị thỏa mãn các hệ ràng

buộc về kinh tế - kỹ thuật khi gia công cắt gọt

Muốn tối ưu hóa chế độ cắt gọt, cần phải dựa vào các mối quan hệ kinh

tế kỹ thuật được thiết lập dựa trên bản chất vật lý của qúa trình cắt, và đặc trưng

của từng bước, từng nguyên công cắt gọt

Các mô hình toán học mô tả quan hệ giữa lực cắt, tuổi bền dụng cụ với

các thông số công nghệ cần tối ưu là cơ sở thực hiện tối ưu hóa quá trình cắt

gọt

Cơ sở kinh tế - kỹ thuật có ý nghĩa quan trọng khi tối ưu hóa quá trình cắt

gọt Vì trong sản xuất cơ khí nói chung, quá trình cắt gọt nói riêng đều phải đạt

được hiệu quả kinh tế, nhất là trong cơ chế thị trường Cơ sở kinh tế - kỹ thuật

quyết định tối ưu hóa cái gì và tối ưu hóa như thế nào?

Để xây dựng bài toán tối ưu chế độ cắt, phải giải quyết các vấn đề sau:

- Xuất phát từ chỉ tiêu tối ưu, ta xây dựng hàm mục tiêu, để từ đó xác

định các giá trị cực trị của bài toán

- Xuất phát từ các điều kiện gia công, ta xây dựng các hàm giới hạn để

lập miền xác định của các hàm mục tiêu, tức là miền chứa điểm mà hàm mục

tiêu đạt cực trị, còn gọi là điều kiện biên

Đối với các phương pháp gia công cắt gọt khác nhau thì các thông số

công nghệ cần tối ưu là khác nhau: Chẳng hạn với các phương pháp tiện, phay,

bào thì các thông số công nghệ cần tối ưu là tốc độ cắt (V), chiều sâu cắt (t),

bước tiến dao (S); Với phương pháp mài tiến đá hướng kính thì thông số công

nghệ cần tối ưu là lượng tiến đá hướng kính Sn ,.v v

Cần chú ý khi tối ưu hóa chế độ cắt đối với bước gia công tinh, bước gia

công thô, bán tinh( còn gọi là bước gia công trung gian) Khi gia công tinh thì

yêu cầu rất quan trọng là độ chính xác gia công và độ bóng đạt được, vì vậy yêu

cầu chiều dày lớp kim loại được cắt bỏ là không quan trọng Ngược lại, khi gia

công thô, bán tinh, thì lượng kim loại được cắt bỏ trong một đơn vị thời gian là

rất quan trọng, chiều dày lớp kim loại được cắt bỏ là cần đạt lớn nhất trong điều

kiện gia công có thể chịu đựng được, có như vậy mới đảm bảo năng suất gia

công là cao nhất, chi phí gia công là nhỏ nhất

Qua sự phân tích này thì đối với bước gia công tinh có thể không cần tối

ưu thông số chiều sâu cắt, mà chiều sâu cắt được xác định sao cho phù hợp với

phương pháp gia công đã chọn ở phương pháp gia công tinh đảm bảo quá trình

cắt xảy ra (không bị trượt) Như vậy, chỉ cần tối ưu 2 thông số là lượng chạy

dao (S) và vận tốc cắt (V)

Còn đối với các bước gia công thô và bán tinh thì ta cần tối ưu cả 3 thông

số là chiều sâu cắt (t), lượng chạy dao (S) và vận tốc cắt (V)

Các thông số công nghệ cần tối ưu được xác định trên các điều kiện gia

công cụ thể như:

- Phương tiện gia công gồm máy, dao, đồ gá, trang bị công nghệ

- Phôi liệu gia công: Vật liệu, hình dáng, kích thước

Y : Là chỉ tiêu tối ưu( Các đại lượng ra)

xi : Các thông số cần tối ưu( Các đại lượng vào)

Giới hạn về nghiên cứu:

Các đại lượng vào: Bộ thông số chế độ cắt S,V, t

Các đại lượng ra (mục tiêu tối ưu), các chỉ tiêu về kinh tế như:

+ Năng suất → max ( Hay thời gian gia công là nhỏ nhất) + Giá thành → min

+ Lợi nhuận → max

Các chỉ tiêu về kỹ thuật như: Độ chính xác, chất lượng bề mặt,.v.v

Khi xây dựng các hàm mục tiêu và ràng buộc cần chú ý các điểm sau:

- Các hàm đó phải phù hợp với phương pháp gia công cắt gọt cụ thể mà

ta nghiên cứu

- Các hàm đó phải đơn giản, thuận cho việc giải bài toán tối ưu trên máy

tính

1.1.3 Giới hạn và hệ ràng buộc

Điều kiện biên tạo ra quan hệ giữa điều kiện gia công và các thông số

công nghệ tối ưu Các điều kiện biên còn gọi là các giới hạn, từ đó ta xác định

miền của các thông số công nghệ

Các điều kiện biên được xây dựng từ các giới hạn kỹ thuật của phương

tiện gia công và điều kiện gia công như:

* Giới hạn làm việc của các bộ phận trong hệ thống công nghệ:

- Công suất cho phép

- Mômen cho phép

- Số vòng quay lớn nhất, nhỏ nhất của máy

- Lực kẹp cho phép của cơ cấu kẹp phôi hoặc dao kẹp phôi

* Giới hạn về chất lượng chi tiết cần đạt được khi gia công như: Độ chính

xác về hình dạng, kích thước, vị trí tương quan cũng như độ nhám bề mặt

Đồng thời khi xây dựng hệ thống giới hạn cũng cần quan tâm đến các đại

lượng đặc trưng của quá trình cắt(hình học, động học, động lực học, quá trình

mòn các dụng cụ v.v ), cũng như các mối quan hệ của các đại lượng khác như

lực cắt, công suất cắt, tuổi bền dụng cụ cắt.v.v với các thông số công nghệ tối

ưu

Khi khảo sát hàm chi phí gia công K = K(S,V,t) chỉ khảo sát những điểm

nằm trong miền xác định của các thông số công nghệ mà tại đó đạt K = Kmin

mới là lời giải của bài toán tối ưu thông số của chế độ cắt gọt

Đây là những nguyên tắc cơ bản mang tính chất chung khi nghiên cứu,

xây dựng và giải bài toán tối ưu về chế độ cắt, về tất cả các phương pháp gia

công Khi xác định chế độ cắt cho một phương pháp gia công nào đó, cần phải

phân tích tỷ mỷ và xây dựng mô hình toán học rõ ràng thì mới giải được bài

toán tối ưu

Hiện nay, có nhiều phương pháp xác định chế độ cắt tối ưu như: phương

pháp quy hoạch tuyến tính, phương pháp toán đồ, đồ thị, phương pháp GRAPH,

phương pháp thực nghiệm, phương pháp đại số Bản chất các phương pháp

khác nhau ở việc xây dựng hàm mục tiêu chi phí gia công K chứa các thông số

cần tối ưu và phương thức khảo sát

1.1.4 Các phương pháp tối ưu

Để xác định chế độ cắt tối ưu của các phương pháp gia công ta

có nhiều phương pháp tối ưu như:

- Phương pháp quy hoạch tuyến tính, phi tuyến

- Phương pháp quy hoạch rời rạc

- Phương pháp quy hoạch đa mục tiêu

- Phương pháp đường biên khả dĩ

- Phương pháp GRAPH, phương pháp thực nghiệm,

Hàm mục tiêu và hệ phương trình ràng buộc phụ thuộc vào phương

pháp gia công khác nhau và điều kiện gia công (máy, dụng cụ cắt,…)

Trong các phương pháp trên, để giải bài toán tối ưu tìm ra bộ giá trị

các thông số tối ưu tác giả chọn phương pháp tối ưu chế độ cắt theo đường

biên khả dĩ

1.1.5 Phương pháp tối ưu chế độ cắt theo đường biên khả dĩ:

Phương pháp tối ưu này được bắt nguồn từ mục tiêu tối ưu cần đạt là chi

phí gia công là nhỏ nhất hoặc thời gian gia công là nhanh nhất Vì vậy mà chiều

sâu cắt, lượng chạy dao và vận tốc cắt của mỗi lần chạy dao phải được tối ưu

hóa trên cơ sở là tăng chiều sâu cắt, lượng chạy dao trong điều kiện công suất

máy, dụng cụ cắt và trình độ công nhân có thể cho phép đảm bảo được

Ta hãy xét trường hợp tối ưu chế độ cắt của phương pháp tiện Do

phương pháp tiện là phương pháp gia công cơ bản, nhiều quá trình nghiên

cứu về phương pháp cắt gọt cũng bắt đầu từ việc nghiên cứu đối với

phương pháp tiện trên cơ sở đó mà phát triển nghiên cứu các phương pháp

cắt gọt khác

Bởi vậy mà giải bài toán tối ưu các thông số chế độ cắt khi tiện

mang tính cơ sở để từ đó phát triển và giải các bài toán tối ưu các thông số

chế độ cắt của các phương pháp cắt gọt khác

*) Hàm mục tiêu của bài toán tối ưu các thông số chế độ cắt khi

tiện:

Xây dựng hàm mục tiêu chi phí gia công của phương pháp tiện được

căn cứ vào công thức chi phí gia công từ công thức:

1 (

)

td td md md

md

K R

K t

R K

t n

G G

(1 3)

Trong đó:

K0- Lương công nhân đứng máy theo giờ (đồng/giờ);

R- Tỉ lệ chi phí phụ trong phân xưởng gia công, tính theo K0;

KM- Chi phí khấu hao máy (đồng/giờ)

n- Số lần thay dao;

Gd- Giá tiền 1 con dao khi chưa gia công (đồng);

Gt- Giá tiền 1 con dao khi đã dùng để gia công (đồng);

tmd - Thời gian mài dao (đồng/giờ);

Kmd- Lương công nhân mài dao (đồng/giờ);

Rmd- Tỷ lệ % cho phí phụ phân xưởng dụng cụ tính theo Kmd;

ttd - Thời gian thay dao và điều chỉnh máy (phút);

Ktd- Lương công nhân thay dao, điều chỉnh máy (đồng/giờ);

Rtd- Tỷ lệ % chi phí phụ khi thay dao tính theo Ktd;

Pkh- Khấu hao thiết bị ứng với thời gian thay dao và điều chỉnh máy

A

. (1.47) Với

At - Hằng số tính toán;

bt, ct, dt - Các hệ số nói lên ảnh hưởng vận tốc cắt, chiều sâu cắt lượng

chạy dao tới tuổi bền dụng cụ cắt

t, S, V- Chiều sâu cắt lượng chạy dao và vận tốc cắt

Khi cho giá trị t và S ta nhận được giá trị vận tốc cắt tối ưu là

Vopt = [ ct dt

opt m S t T

A

. ] (1.48)

m

opt

opt t S V

A

.

Từ các công thức biến đổi này ta thấy Topt tối ưu khi tích (S,V) là max, và

cho phép ta xây dựng phương pháp tính toán tối ưu các thông số chế độ cắt khi

tiện thô như sau:

Hình 1.1: Miền các giá trị S-t

Trên cơ sở điều kiện gia công của một máy công cụ với một dụng cụ cắt

nào đó ta xây dựng một mặt phẳng t-S Vấn đề ở đây là ta xác định điểm tối ưu

trong mặt phẳng t-S cho phép trên Để thực hiện ta chia mặt phẳng t-S ra thành

t

S(mm/ph) Smax

lưới 20*20 như hình 1.1 Nó được phân ra hai miền, miền các điểm không khả

dĩ do các yếu tố ràng buộc và miền khả dĩ, chúng được ngăn bởi một đường

cong như hình 1.1 Những điểm mà chi phí gia công nhỏ nhất luôn nằm trên

đường phân giới giữa miền khả dĩ và không khả dĩ Bởi vậy mà không cần xem

xét hết các điểm nằm trong mặt phẳng t-S

Quá trình xác định topt, Sopt được bắt đầu từ điểm O và các bước sau:

1 Điểm lưới (Si, tj) là điểm có toạ độ (Smin, tmax) sẽ được kiểm tra với

các ràng buộc về công suất cắt cho phép, nếu nó không khả dĩ như điểm 1 ở

hình 1.2 thì chiều sâu cắt sẽ giảm xuống điểm 2 và lại được kiểm tra với các

ràng buộc

2 Nếu là điểm khả dĩ thì ta tiép tục tăng lượng chạy dao S theo bước

nhảy của lưới và tiếp tục kiểm tra đièu kiẹn dàng buộc Những điểm khả dĩ đó

dùng để xác định topt và Sopt ở công thức (1.53) sẽ đảm bảo chi phí gia công nhỏ

nhất hoặc năng suất gia công lớn nhất

3 Giá trị chiều sâu cắt tối ưu tính ở bước 2 được kiểm tra với các ràng

buộc về vận tốc cắt Nếu có thỏa mãn khả dĩ thì đó là vận tốc cắt tối ưu Nếu

không thì điểm lưới đó sẽ trở thành không khả dĩ

Hình 1.2: Quá trình xác định điểm t opt , S opt

4 Lúc này điểm lưới được lấy tăng theo lượng chạy dao như điểm 4

trong hình 1.2 Và phương pháp này quay về bước 1

5 Quá trình bước 1 đến bước 4 được lặp đi lặp lại nhiều lần cho đến khi

gặp điểm M thỏa mãn các ràng buộc về lượng chạy dao và vận tốc cắt Điểm

lưới đó sẽ có lượng chạy dao, chiều sâu cắt là tối ưu mà chi phí gia công là nhỏ

nhất

6 Chương trình quay trở về bước 1 Các bước 1 đến 5 tiếp tục được thực

hiện đến khi lượng chạy dao S vượt quá lượng chạy dao cho phép Ta sẽ xác

định được số lần cắt, lượng chạy dao tối ưu, chiều sâu cắt tối ưu cho từng lần

chạy dao

7 Ở lần chạy dao cuối cùng chiều sâu cắt được tính bằng lượng dư gia

công cần cắt bỏ trừ đi tổng chiều sâu cắt các lần chạy dao trước

8 Lúc này chiều sâu cắt cắt, lượng chạy dao được xác định lại đó chính

là chiều sâu cắt tối ưu, lượng chạy dao tối ưu cần xác định

Smin tmin

tmax

topt

S(mm/ph) Smax

Sopt

1.2 Tối ƣu hóa quá trình cắt khi phay và tối ƣu hóa chế độ cắt khi

phay

1.2.1 Mô hình hoá quá trình cắt khi phay

Phay là một phương pháp gia công cắt gọt kim loại Đó là quá trình cắt đi

một lớp kim loại (hay còn gọi là lượng dư gia công để tạo thành phoi) trên bề

mặt của phôi để được chi tiết có hình dáng, kích thước, độ chính xác, độ bóng

theo yêu cầu kỹ thuật trên bản vẽ Quá trình đó được thực hiện trên các máy

phay (gọi chung là máy công cụ hay máy cắt kim loại) bằng các loại dao phay,

mũi khoan…gọi chung là dụng cụ gia công cắt gọt[7]

Phay là phương pháp gia công kim loại, có độ chính xác không cao hơn

cấp 3-4 và độ bóng không hơn cấp 6, là một trong những phương pháp gia công

đạt năng suất cao nhất Bằng phương pháp phay người ta có thể gia công mặt

phẳng, định hình phức tạp, rãnh then, cắt đứt, gia công mặt tròn xoay, trục then

hoa, cắt ren, bánh răng…

Phay có thể dùng để gia công tinh, gia công lần cuối để đạt được độ

bóng, độ chính xác cao, dễ cơ khí hoá, tự động hoá, cho năng suất cao, dùng

trong sản xuất đơn chiếc, sản xuất hàng loạt và hàng khối Số lượng nguyên

công gia công cắt gọt đạt tới 60% - 70% công việc gia công cơ khí thì nguyên

công phay cũng chiếm một tỷ lệ lớn Máy phay có số lượng nhiều, chiếm tỷ lệ

lớn và giữ một vị trí quan trọng trong các nhà máy, phân xưởng cơ khí[7]

* Các chuyển động cơ bản khi phay

Chuyển động cơ bản là các chuyển động để thực hiện quá trình cắt gọt,

hình thành các bề mặt chi tiết gia công, bao gồm[7]:

- Chuyển động chính (chuyển động cắt): là chuyển động chủ yếu thực

hiện quá trình cắt tạo ra phoi, ký hiệu là V hoặc n Chuyển động chính khi phay

là chuyển động quay tròn của dao phay được truyền dẫn qua trục chính

- Chuyển động chạy dao S là chuyển động để thực hiện quá trình cắt tiếp

tục và cắt hết chiều dài chi tiết Đó là chuyển động dọc, ngang hoặc thẳng đứng

của bàn máy phay có gá phôi Chúng thường vuông góc với trục dao

* Chiều sâu cắt t o :

Chiều sâu cắt là kích thước lớp kim loại được cắt đi ứng với một lần

chuyển dao, đo theo phương vuông góc với bề mặt gia công (mm)

* Lƣợng chạy dao S: Được phân làm 3 loại:

+ Lượng chạy dao răng Sz: là lượng dịch chuyển của bàn máy (mang chi

tiết gia công) sau khi dao quay được một góc răng (mm/răng)

+ Lượng chạy dao vòng Sv: là lượng dịch chuyển của bàn máy khi dao

quay được một vòng (mm/vòng) Sv = Sz.Z

+ Lượng chạy dao phút Sph: là lượng dịch chuyển của bàn máy sau thời

gian 1phút (mm/phút) Sph = Sz.Z.n

*Tốc độ cắt[7]:

Dấu (+) ứng với trường hợp phay nghịch, dấu (-) ứng với trường hợp

phay thuận Trong đó:

Vn =π.D.n/1000 (m/phút)

Thực tế giá trị Vs rất nhỏ so với Vn khi tính toán chế độ cắt người ta

thường bỏ qua lượng Vs, khi đó công thức trên có dạng:

* Chiều sâu phay t

Chiều sâu phay là kích thước lớp kim loại được cắt đi, đo theo phương

vuông góc với trục của dao phay ứng với góc tiếp xúc Khi phay rãnh bằng dao

phay ngón thì chiều sâu phay bằng đường kính dao, khi phay bề mặt vuông góc

thì chiều sâu phay bằng chiều sâu cắt to

*Chiều rộng phay B

Chiều rộng phay là kích thước lớp kim loại được cắt theo phương chiều

trục của dao phay[7]

* Mô hình hoá quá trình cắt khi phay

Ta xây dựng mô hình hoá quá trình cắt khi phay như hình 1 Từ mô hình

này ta thấy, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phay như: độ cứng

vững của hệ thống công nghệ, độ chính xác của máy, vật liệu và chất lượng của

phôi gia công, chất lượng và thông số hình học của dụng cụ cắt, chế độ gia công

s, v, t , chúng có ảnh hưởng lớn đến các thông số đầu ra là các chỉ tiêu về kinh

tế và kỹ thuật như: năng suất, chất lượng và độ chính xác của bề mặt, mòn và

tuổi bền của dụng cụ cắt

Hình 1.3: Mô hình hóa quá trình phay

1.2.2 Xác định thời gian gia công cơ bản của máy khi phay

Dựa vào sơ đồ cắt khi phay[4], kết hợp biểu thức V=n .D, ta có:

o=

doc V

L

=

S n

L

. =

Z S n

L

z.

Z S D V L

z .

=

V S

D L

.

.

;

Trong đó:

o là thời gian gia công cơ bản của máy khi phay

Vdọc là tốc độ dịch chuyển dọc của bàn máy(mm/ph)

n là số vòng quay của trục chính (vòng/phút)

Sz là bước tiến răng(mm/răng)

S: lượng chạy dao vòng (mm/vòng)

V là tốc độ cắt (m/phút)

D: Đường kính dao (mm)

L là đoạn đường dao dịch chuyển (mm), phụ thuộc vào kích thước dao,

phôi và vị trí tương quan giữa dao và phôi Nếu ở bước gia công có nc lần cắt

thì L là tổng của đoạn đường các lần cắt đó: L=

c n

i i

L

1

Ta có: Li = li + ltớii + lquái + lbxi (mm);

Trong đó:

li : Chiều dài phôi ở lần cắt thứ i(mm)

ltớii : Đoạn đường dự trữ trước khi dao tiếp xúc phôi ở lần cắt i(mm);

lquái : Đoạn đường vượt quá phôi ở lần cắt thứ i(mm)

lbxi : Đoạn đường bổ xung khi phay ở lần cắt thứ i(mm)[4]

1.2.3 Hàm chi phí gia công K khi phay

Hàm chi phí gia công k khi phay được xác định như sau[4]:

K= KML

m

i ci D pmi

m

i omi

T

K

1 '

1

là chi phí liên quan đến chỗ làm việc

Với KML là chi phí khấu hao máy và lương công nhân đứng máy trong 1

đơn vị thời gian(đồng/phút)

+

m

i ci D

là góc nghiêng giữa lưỡi cắt và phôi

Như vậy thời gian gia công cơ bản của máy khi phay phụ thuộc vào đại

V

1)

Vì vậy ta có:

K= KML(

z S

D pmi

m

i z m

i

T S V

K S

.

.

1 '

1 1

Lưu ý rằng tương ứng với 1 cặp giá trị (V, Sz) cố định ta luôn có:

z m

i

mi.V S

1

= C

Kết quả ta được:

K= KML(

z S

V

1

.

'

1 V S T

C K C

z

D pmi

m

i

.(*)

1.2.4 Chế độ cắt tối ƣu khi phay

Ở trên ta đã xác định được hàm chi phí gia công K khi phay là[4]:

K= KML(

z S

V

1

.

'

1 V S T

C K C

z

D pmi

v

K

.

.

.

.

.

2 ' 2 ' 2

dV

dT T S V

C K V

T S

C K S

V

C K

z D z

D z

ML

0

.

1

1

' 2

dV

dT T V V T

K V

K

D ML

Nhân 2 vế với V2 ta được:

0

1 1

2 '

dV

dT V T T K

Ta có: V0=

dV

dT T K T

K K

D

D ML

2 ' '

V v d

T d

) (ln

) (ln

Rút ra:

dV

dT V

d V

T d T

) (ln

) (ln

Thay vào biểu thức (**) Ta được:

0 ) (ln

) (ln

1

' '

V d

T d T

K T K

D ML

Ta rút ra được tuổi bền kinh tế Tov:

T = Tov=

) (ln

) (ln 1 '

V d

T d K

K ML D

Vì T = f(v,S) nên giá trị Tov sẽ được xác định ứng với những cặp (V,S)

khác nhau[5]

Như vậy ta có kết luận:

+ Hàm chi phí gia công K khi phay phụ thuộc vào T với T phụ thuộc vào

giá trị (v,S)

+ Ta cũng thấy từ biểu thức xác định thời gian gia công cơ bản o, xét với

chiều sâu cắt t không đổi, thời gian gia công cơ bản cũng phụ thuộc vào cặp giá

trị (V,S)

Các giá trị K và o đạt giá trị tối ưu khi giá trị (V, S) đạt tối ưu

1.2.5 Chế độ cắt khi phay bằng dao phay ngón:

Dao phay là loại dụng cụ cắt có nhiều lưỡi, trong quá trình cắt ngoài

những đặc điểm giống quá trình cắt khi tiện, còn có những đặc điểm sau:

- Dao có một số lưỡi cắt cùng tham gia cắt, nên năng suất cắt khi phay

cao hơn khi bào

- Lưỡi cắt của dao phay làm việc không liên tục, cùng với khối lượng

thân dao phay thường lớn nên điều kiện truyền nhiệt tốt

- Diện tích cắt khi phay thay đổi, do đó lực cắt thay đổi gây rung động

trong quá trình cắt

- Do lưỡi cắt làm việc gián đoạn, gây va đập và rung động, nên khả năng

tồn tại lẹo dao ít

Trong gia công khuôn, phay những bề mặt lõm, sâu như bậc, rãnh, lòng

khuôn, thì thường dùng dao phay ngón vì phù hợp hơn cả Các loại dao phay

ngón được làm từ các loại vật liệu như thép gió, hợp kim cứng, và có số răng

khác nhau Tùy vào điều kiện gia công mà chọn dao phay ngón với đường kính,

số răng, vật liệu khác nhau

Chuôi trụ

Chuôi côn

Hình 1.4: Dao phay ngón chuôi côn, chuôi trụ

Số lượng lưỡi cắt của dao phay ngón thường dùng:

Dao phay ngón 2 lưỡi cắt bằng hợp kim cứng

Dao phay ngón 4 lưỡi cắt bằng thép gió (HSS)

Dao phay ngón 5 lưỡi cắt thép gió

Dao phay ngón 3 lưỡi cắt thép gió

a)

b) 2 lưỡi cắt 3 lưỡi cắt 4 lưỡi cắt 6 lưỡi cắt

Hình 1.5: Lưỡi cắt của dao phay ngón

Với đặc điểm gia công trên máy phay CNC với sơ đồ như hình 1.3, ta

chọn dao phay ngón hợp kim cứng, chuôi trụ, đường kính D (mm), số răng Z

Hình 1.6: Sơ đồ cắt khi gia công lòng khuôn ép nhựa

trên máy phay CNC

Trong đó:

+ Bthô, Bbtinh, Btinh: Chiều rộng lớp cắt ở các bước gia công thô, bán

tinh và tinh (mm)

+ Chiều sâu cắt (t): Căn cứ vào sơ đồ cắt hình 1.4, chiều sâu cắt chính là

chiều dày lớp kim loại được bóc đi sau một lần dao phay chạy dọc theo phương

vuông góc với bề mặt lòng khuôn

Khi phay trên máy phay CNC, chiều rộng rãnh cắt do dao tạo thành:

B(mm) và chiều sâu cắt t=Z/nc , với nc là số lần lớp cắt

+ Lƣợng chạy dao (S): Theo nguyên lý khi phay trên máy phay CNC,

lượng chạy dao là SDao, ta có:

h

Như vậy các thông số chế độ cắt khi phay lòng khuôn sẽ là: (t, Sdao, Vdao)

1.2.6 Phương hướng tối ưu chế độ cắt khi phay trên máy phay CNC

Từ lý thuyết tối ưu, tối ưu hóa quá trình cắt khi phay và tối ưu hóa chế độ

cắt khi phay trên máy CNC thì phương hướng tối ưu chế độ cắt như sau:

*Xác định mục tiêu tối ưu:

Về chỉ tiêu tối ưu (còn gọi là mục tiêu tối ưu) của bài toán tối ưu chế độ

cắt khi phay lòng khuôn ép nhựa trên máy gia công CNC thì về nguyên tắc ta

có thể hoàn toàn chọn là chi phí gia công thấp nhất

Bản chất của chi phí gia công cũng được tính toán trên cơ sở thời gian gia

công Song do hiện nay Công ty cơ khí Cường Phát chưa xây dựng được định

mức về chỉ tiêu kinh tế Vì thế để đơn giản hóa trong tính toán, trên cơ sở vẫn

đạt được chỉ tiêu về chi phí gia công thấp nhất nên ta lựa chọn chỉ tiêu tối ưu là

hàm thời gian gia công τ Tác giả chọn chỉ tiêu tối ưu là hàm thời gian gia

công cơ bản o min hay o đạt min

Theo [4], chỉ tiêu kỹ thuật về thời gian là:

m

i ci pmi

Trong đó:

omi: Là thời gian gia công cơ bản ở lần cắt thứ i

pmi: Là thời gian phụ ở lần cắt thứ i

ci: Là thời gian cắt ở lần cắt thứ i.

pd: Là thời gian phụ dao - thời gian cho 1 lần thay dao

Biểu thức của τo [4] là:

o=

doc V

L

=

S n

L

. =

Z S n

L

z.

Z S D V L

z .

=

V S

D L

.

.

;

Ta thấy từ biểu thức này, xét với chiều sâu cắt t không đổi, thời gian gia

công cơ bản phụ thuộc vào cặp giá trị (v,S)

Để τo → Min thì tích (V.S)→Max

Ở trên ta cũng có kết luận các giá trị K và o đạt giá trị tối ưu khi (V, S)

đạt tối ưu

Trong gia công thô, bán tinh, tinh, thì quá trình gia công thô có lượng

kim loại cắt gọt là nhiều nhất, không ảnh hưởng đến chất lượng của biên dạng

khuôn nên ta có thể tối ưu được chế độ cắt ở công đoạn gia công thô khi ta chọn

trước chiều sâu cắt t Nếu ta chọn tối tưu chế độ cắt ở bước gia công tinh thì

hiệu quả về thời gian không được nhiều Do vậy hàm mục tiêu của bài toán là

thời gian gia công thô nhỏ nhất:

τ o1 = τ o1 (V,S) → min

*Xác định các giới hạn và hệ ràng buộc:

Về giới hạn và hệ ràng buộc thì căn cứ vào đặc điểm và nguyên lý gia

công phay lòng khuôn ép nhựa, giới hạn hệ các phương trình ràng buộc gồm:

Ràng buộc về công suất cắt gọt cho phép của máy

- Điều kiện cắt gọt kinh tế (vận tốc cắt kinh tế của dao (m/phút), có xét

đến vận tốc cắt cho phép của đầu dao theo máy, tuổi bền T của dao và điều kiện

cắt gọt cho phép của vật liệu làm dao)

- nd: Tốc độ quay của dao

- Độ chính xác gia công cần đạt được của chi tiết sau gia công

*Lựa chọn phương pháp xây dựng và giải bài toán tối ưu chế độ cắt:

Có thể lựa chọn một trong hai phương pháp: Tối ưu chế độ cắt theo

phương pháp quy hoạch tuyến tính, tối ưu chế độ cắt theo phương pháp đường

biên khả dĩ

Nhận thấy xác định chế độ cắt tối ưu theo phương pháp đường biên khả

dĩ là phương pháp thực hiện cho kết quả nhanh, chính xác, và đơn giản nhất Do

vậy ta chọn phương pháp giải bài toán tối ưu chế độ cắt theo phương pháp

đường biên khả dĩ để xác định chế độ cắt tối ưu

CHƯƠNG II

XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CẮT TỐI ƯU KHI PHAY THÔ LÒNG KHUÔN ÉP TRÊN MÁY CNC DM - 55V

2.1 Giới thiệu về máy CNC DM - 55V

2.1.1 Thông số kỹ thuật cơ bản của máy CNC DM - 55V và khuôn ép

khay nhựa

Hình 2.1: Máy phay CNC DM - 55V

Máy phay CNC DM - 55V với hệ điều hành Fanuc là máy phay CNC của

Hàn Quốc, có thông số kỹ thuật như sau:

Bảng 2.2: Bảng thông số kỹ thuật của máy CNC DM - 55V

Kích thước chi tiết lớn nhất với chiều dài dao 500 x 400 x 300 mm

Khoảng cách mặt trục chính từ bàn 100 mm

Tốc độ trục chính 12000 v/ph

Dịch chuyển nhanh - trục x,y,z 25 m/ph

* Hệ thống truyền động của máy

Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống truyền động máy

Khuôn ép khay nhựa được gia công trên máy phay DM-55V có hình

dạng, kết cấu như hình dưới đây:

Hình2.4: Bản vẽ lắp và bản vẽ hai nửa khuôn ép khay nhựa

- Đưa các trục tọa độ về điểm chuẩn bằng cách:

+ Kích chuột vào biểu tượng “Manual”

+ Chọn vào biểu tượng “traverse to to reference point”