Nghiên cứu tối ưu hóa một số thông số công nghệ khi phay cao tốc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG TIẾN DŨNG NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HĨA MỘT SỐ THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ KHI PHAY CAO TỐC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG TIẾN DŨNG NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HĨA MỘT SỐ THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ KHI PHAY CAO TỐC Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 62520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN HUY NINH GS TS TRẦN VĂN ĐỊCH Hà Nội - 2015 LỜI CẢM ƠN Tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành biết ơn sâu sắc tới thầy hƣớng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Huy Ninh GS.TS Trần Văn Địch hƣỡng dẫn hỗ trợ tận tình tơi suốt thời gian học tập nghiên cứu Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo sau đại học, Viện Cơ Khí-Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện tốt giúp đỡ suốt thời gian học tập nghiên cứu Tôi biết ơn cảm ơn tới thầy cô môn Công Nghệ Chế Tạo Máy –Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đóng góp ý kiến, hỗ trợ giúp đỡ Tôi biết ơn tới thầy TS Phạm Văn Bổng có góp ý hỗ trợ thời gian làm luận án Tôi biết ơn cảm ơn tới TS Trần Ngọc Hiền-Bộ môn Thiết kế máy –Trƣờng ĐH Giao Thông Vận Tải, thầy cô mơn Cơng Nghệ - Khoa Cơ Khí, thầy Khoa Cơ Khí Trƣờng đại học Cơng Nghiệp Hà Nội thầy cô trung tâm Hồng Hải Foxcon giúp đỡ hỗ trợ tơi hồn thành thí nghiệm Và đặc biệt cảm ơn hỗ trợ giúp đỡ tơi thời gian, góp ý chun mơn tạo điều kiện Ban Chủ nhiệm Khoa Cơ Khí trƣờng Đại học Công nghiệp Hà Nội Tôi cảm ơn hỗ trợ tài chính, thời gian quan tâm tạo điều kiện giúp đỡ Ban Giám hiệu, phịng Tổ Chức Hành Chính-Trƣờng Đại Học Cơng Nghiệp Hà Nội Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tơi với mẹ cha tơi, khơng có họ hỗ trợ liên tục, động viên giúp đỡ gia đình nhỏ tơi Tơi muốn cảm ơn đại gia đình tơi đặc biệt bố mẹ vợ động viên giúp đỡ vợ tơi ngày tơi cịn nhỏ để tơi có thời gian học tập Cuối nhƣng khơng phần quan trọng vợ tơi, ngƣời đồng hành tơi hành trình dài này, tơi muốn cảm ơn vợ tơi kiên nhẫn với tơi với u chúng tơi Nếu khơng có hỗ trợ liên tục vợ tơi tơi khó hồn thành cơng việc nghiên cứu Và tôi, muốn cảm ơn nhiều dù tơi cịn nhỏ chƣa hiểu khiến tơi có ý trí, niềm tin phấn đấu Hà Nội, ngày 29 tháng 10 năm 2015 Tác giả Hoàng Tiến Dũng LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án cơng trình nghiên cứu riêng dƣới hƣớng dẫn PGS.TS Nguyễn Huy Ninh GS.TS Trần Văn Địch Kết nêu luận án trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình nghiên cứu khác Hà Nội, ngày 29 tháng 10 năm 2015 HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TÁC GIẢ PGS.TS NGUYỄN HUY NINH HOÀNG TIẾN DŨNG HƢỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS TRẦN VĂN ĐỊCH MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC MỞ ĐẦU 12 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CAO TỐC 15 1.1 Lịch sử khái niệm gia công cao tốc 15 1.2 Dụng cụ cắt sử dụng gia công cao tốc 19 1.3 Sự hình thành phoi q trình gia cơng 20 1.4 Lực cắt nhiệt cắt q trình gia cơng cao tốc 23 1.5 Ảnh hƣởng độ ổn định máy q trình gia cơng cao tốc 24 1.6 u cầu thiết bị cho gia công cao tốc 25 1.7 Đặc điểm ứng dụng gia công cao tốc 26 1.7.1 Đặc điểm gia công cao tốc 26 1.7.2 Các ứng dụng gia công cao tốc 27 1.8 Tổng quan công trình nghiên cứu ngồi nƣớc 30 1.9 Giới hạn vấn đề nghiên cứu 32 1.10 Kết luận chƣơng 33 Chƣơng 2: CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƢNG KHI PHAY CAO TỐC BẰNG DAO PHAY NGÓN LIỀN KHỐI 34 2.1 Lực cắt phay 34 2.1.1 Giới thiệu 34 2.1.2 Phân tích lực cắt q trình phay 37 2.1.3 Phân tích lực lƣỡi cắt dao phay ngón 40 2.1.4 Phân tích mơ hình lực cắt dao phay ngón 42 2.2 Độ nhám bề mặt chi tiết gia công 46 2.2.1 Đặt vấn đề 46 2.2.2 Thông số độ nhám bề mặt 46 2.3 Rung động 51 2.3.1 Đặt vấn đề 51 2.3.2 Ổn định ổn định q trình gia cơng 52 2.3.3 Các thông số rung động 52 2.3.4 Phân tích ảnh hƣởng rung động q trình gia cơng 55 2.4 Mòn dụng cụ cắt 62 2.4.1 Khái niệm mòn dụng cụ cắt 62 2.4.2 Cơ chế mài mòn dụng cụ cắt 62 2.4.3 Các dạng mòn phần cắt dụng cụ cắt 65 2.4.4 Chỉ tiêu đánh giá mòn dụng cụ cắt 66 2.4.5 Các thông số chế độ cắt ảnh hƣởng tới lƣợng mòn dụng cụ cắt phay 67 2.5 Kết luận chƣơng 69 Chƣơng 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG CÁC MƠ HÌNH TỐN HỌC Q TRÌNH PHAY CAO TỐC 70 3.1 Mơ hình thực nghiệm 70 3.1.1 Phân tích thiết kế mơ hình thực nghiệm 70 3.1.2 Máy, dụng cụ cắt, vật tƣ thiết bị đo 72 3.1.3 Thí nghiệm phân tích xử lý kết 74 3.2 Kết đo thực nghiệm xử lý kết 76 3.2.1 Thực nghiệm đo kết lực cắt xây dựng mơ hình toán học lực cắt phụ thuộc vào chế độ cắt phay cao tốc 76 3.2.2 Thực nghiệm đo kết độ nhám bề mặt xây dựng mơ hình tốn học nhám bề mặt phụ thuộc vào chế độ cắt phay cao tốc 81 3.2.3 Thực nghiệm đo kết rung động xây dựng mơ hình tốn học rung động phụ thuộc vào chế độ cắt phay cao tốc 83 3.2.4 Thực nghiệm đo kết lƣợng mịn mặt sau xây dựng mơ hình tốn học lƣợng mịn mặt sau phụ thuộc vào chế độ cắt thời gian gia công 89 3.3 Kết luận chƣơng 92 Chƣơng ỨNG DỤNG THUẬT TỐN TIẾN HĨA ĐỂ TỐI ƢU HĨA VÀ TỰ TỐI ƢU QUÁ TRÌNH PHAY CAO TỐC 93 4.1 Đặt vấn đề 93 4.2 Tiếp cận thuật tốn tiến hóa để giải toán tối ƣu 96 4.3 Cơ sở tối ƣu hóa q trình cắt gọt 97 4.3.1 Khái niệm tối ƣu hóa trình gia cơng cắt gọt 97 4.3.2 Cơ sở kinh tế kỹ thuật tối ƣu hóa trình gia cơng cắt gọt 98 4.4 Bài tốn tối ƣu hóa 99 4.4.1 Cơ sở tối ƣu hóa thơng số gia công 99 4.4.2 Một số hàm mục tiêu công nghệ 100 4.4.3 Các hàm giới hạn miền xác định thông số công nghệ 101 4.5 Cơ sở lý thuyết tối ƣu hóa bầy đàn (PSO) 103 4.5.1 Một số định nghĩa tối ƣu hóa bầy đàn (PSO) 103 4.5.2 Mơ tả thuật tốn PSO 106 4.5.3 Xây dựng giải thuật PSO 107 4.5.4 Giải toán tối ƣu hóa chế độ cắt phay cao tốc 109 4.5.5 Kết đánh giá kết toán 112 4.6 Tự tối ƣu thơng số cắt q trình gia công 115 4.6.1 Đặt vấn đề 115 4.6.2 Các nghiên cứu liên quan mơ hình hệ thống điều khiển tự tối ƣu 116 4.6.3 Xác định hàm mục tiêu điều khiển tự tối ƣu gia công 118 4.7 Kết luận chƣơng 125 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO 128 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 Ký hiệu HSM HSC CNC EDM NURBS ANOVA HRC HB HV Dtr D N n v f fz ar ap Re G() Rz Ra (t) Fx Fy Fz Fr Ft Fa h  Krc Ktc Kac Kre Kte Kae st ex p Ý nghĩa Đơn vị High Speed Milling (Phay cao tốc) High Speed Cutting (Cắt cao tốc) Computer Numerical Control(Điều khiển số trợ giúp máy tính) Electrical Discharge Machining (Gia cơng tia lửa điện) Non Uniform Rational B-Spline (Đƣờng cong B-Spline hữu tỉ khơng đều) Analysis Of Variance (Phân tích phƣơng sai) Đơn vị đo độ cứng theo phƣơng pháp Rockwell C HRC Đơn vị đo độ cứng theo phƣơng pháp Brinell HB Đơn vị đo độ cứng theo phƣơng pháp Vickers HV Đƣờng kính vịng ổ mm Đƣờng kính dụng cụ cắt Số lƣỡi cắt dụng cụ cắt Tốc độ vịng quay trục Vịng/phút Tốc độ cắt m/phút Tốc độ lƣợng chạy dao mm/phút Lƣợng chạy dao mm/răng Chiều sâu cắt theo phƣơng hƣớng kính mm Chiều sâu cắt theo phƣơng dọc trục mm Giá trị hệ số phần thực hàm truyền tần số Hàm truyền miền tần số Chiều cao nhấp nhơ trung bình bề mặt chi tiết m Sai lệch profin trung bình bề mặt chi tiết m Chuyển vị theo thời gian Thành phần lực cắt theo phƣơng X N Thành phần lực cắt theo phƣơng Y N Thành phần lực cắt theo phƣơng Z N Thành phần lực cắt theo phƣơng pháp tuyến N Thành phần lực cắt theo phƣơng tiếp tuyến N Thành phần lực cắt theo phƣơng dọc trục N Độ dày phoi mm Độ dày trung bình phoi mm góc cắt tức thời lƣỡi cắt so với phƣơng thẳng đứng Độ Hệ số lực cắt theo phƣơng pháp tuyến với phoi Hệ số lực cắt theo phƣơng tiếp tuyến với phoi Hệ số lực cắt theo phƣơng dọc trục với phoi Hệ số lực cắt theo phƣơng pháp tuyến với chi tiết gia công Hệ số lực cắt theo phƣơng tiếp tuyến với chi tiết gia công Hệ số lực cắt theo phƣơng dọc trục với chi tiết gia cơng Góc ăn dao Độ Góc dao Độ Góc bƣớc dụng cụ cắt Độ 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 Tc Pt ψ  z VB VBmax  PSO RO rmp HSK Hp CBN TiN TiAlN MOCVD blim  Ax, Ay PCT GA Mô men cắt tức thời Cơng suất cắt Góc trễ Góc xoắn lƣỡi cắt Chiều sâu điểm lƣỡi cắt theo phƣơng Z Lƣợng mòn mặt sau dụng cụ cắt Lƣợng mòn mặt sau dụng cụ cắt lớn Thời gian gia cơng Tối ƣu hóa bầy đàn Độ đảo dụng cụ cắt (Run-Out) Ký hiệu đơn vị tốc độ vòng quay vòng/phút Ký hiệu cấu bầu kẹp dao Đơn vị mã lực (Horse Power) Cấu trúc Cabit bornitrit Lớp phủ Titan Nitrit Lớp phủ Titan Nhôm Nitrit Phủ hữu cơ, phủ dùng hợp chất hữu kim loại Chiều sâu cắt tới hạn Tần số rung động riêng Biên độ rung động theo phƣơng X, Y Phay cao tốc Giải thuật di truyền Nmm Kw Độ Độ mm m m Phút m mm Hz m/s2 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng Bảng 1.1 Bảng 2.1 Bảng 3.1 Bảng 3.2 Bảng 3.3 Bảng 3.4 Bảng 3.5 Bảng 3.6 Bảng 3.7 Bảng 3.8 Bảng 3.9 Bảng 3.10 Bảng 1.11 Bảng 3.12 Bảng 3.13 Bảng 3.14 Bảng 3.15 Bảng 3.16 Bảng 3.17 Bảng 3.18 Bảng 4.1 Bảng 4.2 Bảng 4.3 Bảng 4.4 Bảng 4.5 Bảng 4.6 Bảng 4.7 Bảng 4.8 Bảng 4.9 Tên bảng So sánh tốc độ cắt gia công truyền thống tốc độ cắt cao tốc Thuật tốn mơ lực cắt dao phay ngón Giá trị yếu tố biến thiên thực nghiệm Quy hoạch thực nghiệm thông số đầu vào Kết đo lực cắt thành phần Fx, Fy, Fz Bảng kết tính tốn Logarit lực cắt theo phƣơng X,Y,Z Tóm tắt kết ứng dụng phần mềm Excel phƣơng pháp ANOVA ảnh hƣởng v, f, ar đến lực cắt theo phƣơng x (Fx) Thông số phân tích ANOVA Bảng kết tính tốn logarit lực cắt Fxy Tóm tắt kết ứng dụng phần mềm Excel phƣơng pháp ANOVA ảnh hƣởng v, f, ar đến Fxy Kết đo độ nhám bề mặt Bảng kết tính Logarit Tóm tắt kết ứng dụng phần mềm Excel phƣơng pháp ANOVA ảnh hƣởng v, f, ar đến độ nhám bề mặt (Ra) Bảng kết đo tính Logarit rung động theo phƣơng X,Y Tóm tắt kết ứng dụng phần mềm Excel phƣơng pháp ANOVA ảnh hƣởng v, f, ar đến rung động theo phƣơng x (Ax) Bảng kết tính tốn logarit biên độ rung động Axy Tóm tắt kết ứng dụng phần mềm Excel phƣơng pháp ANOVA ảnh hƣởng v, f, ar đến Axy Bản kết đo lƣợng mịn (VB) Bảng kết tính Logarit thơng số lƣợng mịn (VB) Tóm tắt kết ứng dụng phần mềm Excel phƣơng pháp ANOVA ảnh hƣởng v, f, ar đến lƣợng mòn mặt sau (VB) Kết tối ƣu hóa chế độ cắt sử dụng thuật tốn tối ƣu hóa bầy đàn (PSO) Kết tối ƣu hóa chế độ cắt sử dụng thuật toán di truyền (GA) Đánh giá kết tối ƣu hóa chế độ cắt sử dụng thuật tốn PSO Chế độ cắt tối ƣu giá trị Ra, VB thời gian =5 phút Chế độ cắt tối ƣu giá trị Ra, VB thời gian =8 phút Chế độ cắt tối ƣu giá trị Ra, VB thời gian =15 phút Giá trị Ra VB thời gian =5 phút Giá trị Ra VB thời gian =8 phút Giá trị Ra VB thời gian =15 phút Trang 16 41 75 76 76 77 78 78 80 80 81 82 82 86 87 88 88 89 90 90 113 114 114 124 124 124 125 125 126 ending=0; %%%%%==============*********** Start PSO ***********======================= while ending==0 W(j)=0.4+(rand(1)/2); % Calculation of new positions % Finding the new objective function values for all these new positions of the particles for i=1:N; temp = Objective_function([x(i,2,j), x(i,1,j), x(i,3,j)]); F(i,1,j)=temp(1); end % Constrained part modification for Feasibility Starts [F_g_sort,sort_g_index]=sort(F(:,1,j)); Feas_g=0; i_unconst_g=1; while Feas_g==0 && i_unconst_g