Nghiên cứu xác định chế độ cắt khi gia công chân vịt tàu thủy trên máy phay CNC

LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Nguyễn Hải An, là học viên lớp của Cao học Kỹ thuật tàu thủy khóa 2006 - 2009, xin cam đoan nội dung luận văn do chính bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Trần Gia Thái, Khoa Kỹ thuật tàu thủy Trường Đại học Nha trang. Tất cả các tài liệu, số liệu dùng tính toán, dẫn chứng trong luận văn này là trung thực, hợp lệ và chính xác, không vi phạm pháp luật. LỜI CẢM ƠN Lời cảm ơn đầu tiên xin gửi đến thầy TS Trần Gia Thái với tất cả lòng biết ơn sâu sắc vì sự hướng dẫn tận tình, truyền đạt kiến thức và đã động viên tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong trường, đặc biệt là các thầy cô trong khoa Kỹ thuật tàu thủy và Bộ môn Chế tạo máy trường Đại học Nha Trang đã tận tình giúp đỡ tôi suốt thời gian học Cao học và trong quá trình thực hiện luận văn. Xin cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè, các bạn cùng khóa Cao học Kỹ thuật tàu thủy 2006, đặc biệt là các đồng nghiệp của Chi cục Đăng Kiểm Số 5 đã hỗ trợ, truyền thụ những kinh nghiệm quí báu, giúp đỡ tôi về vật chất lẫn tinh thần để tôi có được kết quả như ngày hôm nay. Xin chân thành cảm ơn. Học viên Cao học Nguyễn Hải An MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cám ơn Mục lục Danh mục các ký hiệu Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1 1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI VẤN ĐỀ ĐẶT RA 1 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới: 1 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước: 2 1.3. THỰC TRẠNG CÔNG TÁC CHẾ TẠO TRONG NƯỚC: 2 1.4. MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU: 5 1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu: 5 1.4.2. Phương pháp và nội dung nghiên cứu: 5 1.4.3. Giới hạn phạm vi nghiên cứu: 6 Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7 2.1.CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHÂN VỊT TÀU THỦY 7 2.1.1. Đặc điểm hình học cánh chân vịt tàu thủy 7 2.1.2.Các mô hình chân vịt thử nghiệm: 14 2.2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỐI ƯU: 18 2.2.1.Tổng quan: 18 2.2.2. Một vài khái niệm cơ bản về tối ưu hóa quá trình gia công cắt gọt: 18 2.2.3.Phương pháp xác định chế độ cắt tối ưu: 20 Chương 3 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 25 3.1. XÂY DỰNG QUY TRÌNH GIA CÔNG CHÂN VỊT TRÊN MÁY PHAY CNC: 25 3.1.1. Xác định dạng sản xuất: 25 3.1.2. Phân tích chi tiết gia công: 25 3.1.3. Lập phương án gá lắp: 26 3.1.4.Quy trình công nghệ gia công trên máy phay CNC 29 3.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHÂN VỊT 3D TRONG MÔI TRƯỜNG CAD/CAM: 35 3.2.1.Thuật toán và chương trình vẽ 3D mô hình cánh chân vịt : 35 3.2.2.Nghiên cứu chuyển mô hình chân vịt 3D trong môi trường CAD/CAM 37 3.2.3.Mô phỏng quá trình gia công chân vịt bằng phần mềm CAD/CAM 45 3.3.XÂY DỰNG HÀM MỤC TIÊU CÁC THÔNG SỐ CỦA CHẾ ĐỘ CẮT 52 3.3.1.Các chỉ tiêu tối ưu và hàm mục tiêu 52 3.3.2.Xây dựng hàm mục tiêu 54 3.3.3.Xây dựng các hàm giới hạn 60 3.3.4. Tối ưu hóa các bước công nghệ và chế độ cắt. 64 3.3.5.Giải bài toán xác định chế độ cắt tối ưu : 65 3.4.SO SÁNH, ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG ÁN GIA CÔNG CHÂN VỊT TỐI ƯU VỚI CÁC PHƯƠNG ÁN GIA CÔNG KHÁC. 68 3.4.1. Các thông số gia công 68 3.4.2. Mô phỏng 3D cánh chân vịt gia công 69 3.4.3. Thực hiện quá trình gia công 69 3.4.4. Kết quả khảo sát 71 Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74 Tài liệu tham khảo 75 Phụ lục 76 Danh mục các ký hiệu D - đường kính chân vịt (m) R - bán kính chân vịt (m) R - bán kính bất kỳ của mặt cắt chân vịt (m) H - bước xoắn chân vịt S - diện tích hình trụ chân vịt S= D 2 /4 (m 2 ) S p - diện tích hình chiếu cánh chân vịt (m 2 ) S p ’ - diện tích khai triển các cánh chân vịt (m 2 ) S o - diện tích duỗi thẳng cánh chân vịt (m 2 ) b, b m - chiều rộng và chiều rộng lớn nhất của cánh (m) d p - đường kính may ơ chân vịt tại giữa (m) e, e o - chiều dày và chiều dày ảo của cánh xác định ở tâm trục (m) e ự - chiều dày đỉnh cánh (m) m, m’ - độ nghiêng và độ uốn của mặt cánh (m) Danh mục các bảng Bảng 2.1 : Đặc điểm các mô hình chân vịt seri B của Wageningen .15 Bảng 2.2 : Tọa độ cánh chân vịt seri B Wageningen loại 2, 3 cánh. 16 Bảng 2.3 : Tọa độ cánh chân vịt seri B- Wageningen loại 4 và 5 cánh 16 Bảng 2.4 : Tọa độ profin cánh chân vịt seri B-Wageningen tính bằng % chiều dày lớn nhất của profin 17 Bảng 3.1 : Thứ tự các nguyên công gia công mặt đẩy 30 Bảng 3.2: Thứ tự các nguyên công gia công mặt hút của chân vịt 34 Bảng 3.3 : Thời gian gia công chân vịt 56 Bảng 3.4 : Phân tích thống kê 58 Bảng 3.5 : Cấp chính xác của chân vịt 63 Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 : Sơ đồ quy trình chế tạo chân vịt trong nước hiện nay 4 Hình 2.1 :Khai triển đường xoắn ốc chân vịt có bước cố định 7 Hình 2.2 : Nguyên lý tạo mặt xoắn ốc chân vịt 8 Hình 2.3 : Mặt xoắn ốc khi chân vịt hoạt động đối với chân vịt có bước cố định 8 Hình 2.4 : Nguyên lý tạo cánh chân vịt 9 Hình 2.5 : Khai triển elíp đường xoắn ốc 10 Hình 2.6 : Các hình chiếu cánh chân vịt 11 Hình 2.7 : Các kích thước hình học chân vịt 12 Hình 2.8 : Chân vịt seri B - Wageningen loại 2, 3,4 và 5 cánh. 15 Hình 3.1 : Đồ gá lắp chân vịt khi gia công trên máy CNC 27 Hình 3.2 : Gá đặt chân vịt gia công mặt đẩy (a) và mặt hút cánh chân vịt (b) 28 Hình 3.3 : Hình ảnh gia công chân vịt 29 Hình 3.4 : Đánh số bề mặt gia công 29 Hình 3.5 : Sơ đồ gá đặt gia công mặt đẩy chân vịt 30 Hình 3.6: Trình bày dao phay cầu và các tùy chọn về kích thước 31 Hình 3.7: Sơ đồ gá đặt gia công mặt hút của cánh chân vịt 34 Hình 3.8 : Sơ đồ gá đặt gia công tại các vị trí bị che khuất giữa 2 cánh. 34 Hình 3.9: Sơ đồ thuật toán chương trình vẽ tự động chân vịt từ các thông số thiết kế 36 Hình 3.10 : Giao diện của chương trình 37 Hình 3.11 : Mô hình 3D chân vịt dựng trong phần mềm AutoCad. 38 Hình 3.12: Chọn đường bao cánh chân vịt. 38 Hình 3.13: Tạo đầu mút cánh chân vịt 39 Hình 3.14: Mô hình cánh chân vịt hoàn chỉnh trong môi trường CAD. 39 Hình 3.15: Mô hình chân vịt 3D trong phần mềm Pro/E 40 Hình 3.16 : Menu Export Step 40 Hình 3.17 : Chi tiết chân vịt 41 Hình 3.18 : Thiết lập đơn vị cho chương trình 41 Hình 3.19: Chọn các đường bao prophin cánh trên mặt cánh chân vịt 42 Hình 3.20: Chọn đường bao cánh chân vịt 42 Hình 3.21 : Xử lý sự nứt vỡ cánh 43 Hình 3.22: Xử lý phần mút cánh chân vịt 43 Hình 3.23: Một cánh chân vịt đã được phủ mặt 43 Hình 3.24 : Liên kết các mặt trên cánh lại với nhau 44 Hình 3.25: Bo cánh chân vịt 44 Hình 3.26 : Xây dựng mô hình và hoàn thiện chân vịt 45 Hình 3.27: Chân vịt chi tiết và chân vịt phôi 47 Hình 3.28: Chân vịt phôi và chân vịt chi tiết chân vịt gia công trong cùng một hệ tọa độ 47 Hình 3.29 : Chọn máy gia công 48 Hình 3.30: Lựa chọn dụng cụ cắt 49 Hình 3.31 : Tính các thông số của chế độ cắt khi khoan – phay 50 Hình 3.32 : Nhập các thông số chế độ cắt 50 Hình 3.33: Chân vịt sản phẩm sau khi gia công 51 Hình 3.34: Thời gian gia công chân vịt 51 Hình 3.35: Chân vịt phôi và chi tiết lồng nhau 55 Hình 3.36: Quan hệ giữa lượng chạy dao ngang với độ nhám bề mặt 63 Hình 3.37 : Mô phỏng 3D cánh chân vịt khi gia công trên Pro –Wildfire 4.0 69 Hình 3.38 : Gia công cánh chân vịt với bộ thông số của trường 70 Hình 3.39 : Gia công cánh chân vịt với bộ thông số đã chạy tối ưu 70 Hình 3.40 : Hai cánh chân vịt đã gia công hoàn thiện 71 Hình 3.41 : Máy đo độ nhám và kỹ thuật đo độ nhám bề mặt hai cách chân vịt 72 Hình 3.42 : Kết quả đo độ nhám của 2 cánh chân vịt 73 1 Chương 1 - ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU: Như đã biết, tàu thủy là công trình kỹ thuật phức tạp gồm ba thành phần chính là máy - vỏ tàu - chân vịt, còn gọi là liên hợp tàu, trong đó chân vịt là bộ phận tiếp nhận công suất của động cơ, tạo ra lực đẩy để khắc phục sức cản và đẩy tàu chuyển động. Do đó chân vịt có ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động của tàu, nhất là về mặt tốc độ nên vấn đề tự động hóa tính toán, thiết kế và chế tạo chính xác chân vịt theo các thông số thiết kế có vai trò và ý nghĩa quan trọng, cả về mặt lý thuyết và trong thực tế sản xuất. Vấn đề này thật ra cũng đã được những nước có nền công nghiệp đóng tàu phát triển giải quyết bằng công nghệ thiết kế và chế tạo trên máy chuyên dụng hoặc máy CNC, tuy nhiên vì khá nhiều lý do về mặt công nghệ, giá thành, phương thức sản xuất v v… nên công nghệ chế tạo hiện đại này hầu như vẫn chưa áp dụng ở nước ta hiện nay. Cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật nói chung và ngành đóng tàu nói riêng, công nghệ chế tạo chính xác các chi tiết có hình dạng phức tạp như chân vịt tàu thủy trên máy CNC đã và đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và ứng dụng. Khi gia công trên máy CNC các chi tiết có hình dạng phức tạp nói chung và chân vịt nói riêng, một trong những vấn đề quan trọng là lựa chọn được chế độ gia công hợp lý, ví dụ như tốc độ chạy dao, lượng ăn dao, hành trình chạy dao, quỹ đạo chạy dao v v… nhằm đảm bảo thỏa mãn điều kiện đặt ra như thời gian, giá thành, độ bóng v v… Từ các trình bày trên nhận thấy, vấn đề tự động hóa chế tạo chân vịt nói chung, và xác định chế độ cắt hợp lý khi gia công chân vịt trên máy phay CNC nói riêng có vai trò và ý nghĩa thực tế quan trọng, nhất là khi nước ta đã và đang bắt đầu đóng các loại tàu có đòi hỏi chân vịt có độ chính xác cao như tàu cao tốc, tàu cánh ngầm v v Kết quả nghiên cứu của đề tài còn là cơ sở để giải quyết bài toán xác định chế độ cắt hợp lý khi gia công trên máy phay CNC đối với các chi tiết hình dạng phức tạp khác, một nhu cầu của thực tiễn sản xuất hiện nay nhưng chưa được giải quyết triệt để. 1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI VẤN ĐỀ ĐẶT RA 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới: Ở các nước có nền công nghiệp đóng tàu phát triển, hầu hết chân vịt được sản xuất hàng loạt theo seri mẫu đã thử nghiệm, do đó thường áp dụng công nghệ chế tạo tự động chân vịt, với quy trình có thể tóm tắt như sau : 2 - Thiết kế chân vịt 3D trên các phần mềm CAD/CAM chuyên dụng hoặc các phần mềm thông dụng. - Chế tạo khuôn đúc phôi chân vịt và gia công tinh trên các máy chuyên dụng hoặc các máy CNC. - Gia công nguội, đánh bóng hoàn thiện sản phẩm. Tuy nhiên, công nghệ chế tạo tự động chân vịt này đã được thực hiện từ lâu nhưng thường được bán giá cao, kèm theo máy chuyên dụng do các Công ty sản xuất và thường định hướng lựa chọn dạng cánh chân vịt đã được chế tạo sẵn của Công ty. Trong trường hợp này, chế độ gia công hợp lý thường đã được cài đặt sẵn trong máy nên thường không thể áp dụng được khi gia công những chân vịt có hình dạng khác, nhất là khi gia công trên máy phay CNC 3 trục như ở nước ta hiện nay. 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước: Ở nước ta hiện nay, do hầu hết chân vịt, kể cả những chân vịt cỡ lớn hoặc đòi hỏi độ chính xác cao, thường được chế tạo một cách đơn lẻ bằng phương pháp thủ công. Đến năm 2008, Công ty 189 của Bộ Quốc Phòng (Hải Phòng) là đơn vị đầu tiên của nước ta mua một máy gia công chân vịt nhưng do máy chỉ chế tạo hàng loạt theo những mẫu nhất định với giá thành quá cao nên hầu như chưa được áp dụng rộng rãi. Riêng trong thời gian gần đây cũng đã có một số công trình nghiên cứu về vấn đề này, trong đó có đề tài của TS Trần Gia Thái, nghiên cứu quy trình chế tạo chân vịt trên máy CNC bằng khuôn đa năng để phù hợp với tình hình sản xuất đơn lẻ ở Việt Nam và cũng từ đề tài này chúng tôi mới thực hiện đề tài như đã nêu. 1.3. THỰC TRẠNG CÔNG TÁC CHẾ TẠO TRONG NƯỚC: Quá trình chế tạo chân vịt bằng phương pháp thủ công dựa theo bản vẽ chân vịt bắt đầu bằng việc đúc phôi trong khuôn gỗ hoặc khuôn cát với lượng dư gia công lớn, không đồng đều, sau đó mới tiến hành gia công thô và gia công tinh các cánh chân vịt bằng cách cắt định hình các cánh chân vịt và đo đạc cắt bỏ sơ bộ lượng dư gia công trên mặt đẩy của cánh chân vịt trước, sau đó mới tiến hành tương tự trên mặt hút cánh. Việc loại bỏ sơ bộ lượng dư trên bề mặt cánh bằng cách đục bằng tay nhờ hệ khí nén, trước hết là đục các rãnh dọc theo đường tâm cánh ở độ sâu xác định theo dưỡng mẫu sau đó tạo rãnh vòng theo các bán kính prôfin cho trên bản vẽ với độ sâu như rãnh dọc. Nếu như lượng dư gia công nhỏ hơn hoặc bằng khoảng 5% so với chuẩn thì dùng lưỡi đục mỏng và sắc đục từ mép cánh vào bên trong mayơ, có chú ý chiều sâu rãnh vòng. [...]... tạo chân vịt trong nước hiện nay 5 1.4 MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU: 1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu: Như đã nêu, mục tiêu đề tài là nghiên cứu xác định phương án gia công tối ưu, nghĩa là đi xác định chế độ cắt tối ưu cho từng nguyên công trong quá trình gia công, cơ sở để xây dựng toàn bộ quy trình gia công hợp lý chân vịt tàu trên máy phay CNC 1.4.2 Phương pháp và nội dung nghiên cứu: ... một chân vịt, do đó cần phải cải tiến công nghệ và khuôn đúc để đảm bảo cho lượng dư gia công là ít nhất hoặc sử dụng các máy gia công hiện đại hơn Sau gia công thô, chân vịt được tiếp tục gia công trên những máy công cụ khác như máy tiện, máy phay vạn năng v v…, sau đó là nguyên công nguội và đánh bóng tay Đây là công đoạn mất nhiều thời gian, công sức nhất và phụ thuộc tay nghề công nhân Sau khi chế. .. hình 3D chân vịt tàu thủy trong môi trường CAD thông dụng 2 Mô phỏng quá trình gia công chân vịt bằng phần mềm CAM 3 Xây dựng hàm mục tiêu các thông số của chế độ cắt khi phay chân vịt 4 Tối ưu hóa các bước công nghệ và chế độ cắt 1.4.3 Giới hạn phạm vi nghiên cứu: Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, chúng tôi chỉ thực hiện đối với các chân vịt theo mô hình seri B - Wagenninger, loại chân vịt hiện... có bước cố định hoặc thay đổi Hình 2.3 minh họa mặt xoắn ốc khi chân vịt hoạt động đối với chân vịt bước cố định, tương ứng với đường xoắn ốc có bước cố định Hình 2.3 : Mặt xoắn ốc khi chân vịt hoạt động đối với chân vịt có bước cố định c) Đặc điểm mặt cánh chân vịt: Mặt cánh chân vịt tàu hình thành từ giao tuyến giữa hai mặt xoắn ốc giao nhau, với mặt cánh quay về hướng chuyển động của tàu gọi là... x k ) Dĩ nhiên f(xk+1)< f(xk) 25 Chương 3 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 XÂY DỰNG QUY TRÌNH GIA CÔNG CHÂN VỊT TRÊN MÁY PHAY CNC: 3.1.1 Xác định dạng sản xuất: Công việc gia công chế tạo chân vịt được thực hiện trực tiếp trên máy phay CNC Tuy nhiên, do việc gá đặt phôi, thay dao, định tọa độ bù dao, mặt phẳng lùi dao v v… đều được thực hiện một cách thủ công cho từng sản phẩm nên phương thức sản xuất này... mẫu chân vịt đúc Chế tạo mẫu đúc Làm khuôn đúc Đúc chân vịt Nấu và rót vật liệu Phá khuôn và làm sạch vật đúc Cạo xỉ hàn đắp Gia công chân vịt sau khi đúc Gia công cơ khí Gia công củ chân vịt Mài cánh chân vịt Đánh bóng bề mặt Gia công nhiệt: ram vật liệu Kiểm tra các thông số , H/D Hoàn thiện sản phẩm Kiểm tra tính cân bằng của chân vịt Đóng mác chế tạo và ngày sản xuất Hình 1.1 : Sơ đồ quy trình chế. .. toán xác định chế độ cắt hợp lý khi gia công trên máy CNC các chi tiết phức tạp nói chung và chân vịt tàu thủy nói riêng bằng cách xây dựng các hàm mục tiêu và hàm ràng buộc cụ thể theo lý thuyết tối ưu, sau đó giải bài toán này để xác định chế độ gia công hợp lý trong các điều kiện cụ thể Trong trường hợp này, hàm mục tiêu hay nói cách khác là chỉ tiêu tối ưu cần hướng tới thường chính là thời gian gia. .. sổ tay gia công cắt gọt, rồi đối chiếu với phạm vi giá trị thực trên máy sử dụng, kết hợp với việc kiểm tra lại công suất và năng suất gia công của máy Thông số công nghệ là cơ sở để xác định 21 tổng thời gian gia công cần thiết tương ứng một chi tiết hay toàn bộ sản lượng, qua đó định mức thời gian gia công và hạch toán kinh tế Để đảm bảo chất lượng gia công và hiệu quả kinh tế cần phải xác định giá... kiểm tra góc nghiêng cánh nên kết quả thường ít chính xác Chất lượng, độ chính xác mặt cánh chân vịt phụ thuộc nhiều vào tay nghề công nhân Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, ngành đóng tàu trên thế giới đã có những bước tiến vượt bậc, nhất là trong lĩnh vực thiết kế và chế tạo chân vịt tàu thủy đều đã áp dụng công nghệ gia công lập trình điều khi n số để chế tạo trên máy CNC Tuy nhiên... của chân vịt trình bày trên hình 2.7 Hình 2.7 : Các kích thước hình học chân vịt Các ký hiệu cần thiết D - đường kính chân vịt (m) R - bán kính chân vịt (m) r - bán kính bất kỳ của mặt cắt chân vịt (m) H - bước xoắn chân vịt S - diện tích hình trụ chân vịt S= D2/4 (m2) Sp - diện tích hình chiếu cánh chân vịt (m2) Sp’ - diện tích khai triển các cánh chân vịt (m2) So - diện tích duỗi thẳng cánh chân vịt . trình gia công cắt gọt: 18 2.2.3.Phương pháp xác định chế độ cắt tối ưu: 20 Chương 3 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 25 3.1. XÂY DỰNG QUY TRÌNH GIA CÔNG CHÂN VỊT TRÊN MÁY PHAY CNC: 25 3.1.1. Xác định. độ bóng v v… Từ các trình bày trên nhận thấy, vấn đề tự động hóa chế tạo chân vịt nói chung, và xác định chế độ cắt hợp lý khi gia công chân vịt trên máy phay CNC nói riêng có vai trò và ý. tạp như chân vịt tàu thủy trên máy CNC đã và đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và ứng dụng. Khi gia công trên máy CNC các chi tiết có hình dạng phức tạp nói chung và chân vịt nói