Nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu khi gia công trên máy tiện cnc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM VĂN BỔNG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CẮT TỐI ƯU KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY TIỆN CNC LUẬN ÁN TIẾN SỸ CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS TRẦN XUÂN VIỆT Hà Nội - 2008 -1- lời cám ơn Nghiên cứu khoa học phục vụ cho công Công nghiệp hoá, đại hoá Đất nước việc làm vô quan trọng nước ta Đề tài Nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu gia công máy tiện CNC để xác định chế độ công nghệ gia công máy tiện CNC nhằm mục đích nâng cao hiệu khai thác, sử dụng máy hoàn thành với giúp đỡ nhiều cá nhân tổ chức Trước tiên xin bày tỏ lòng cám ơn sâu sắc tới PGS TS Trần Xuân Việt ( Bộ môn Công nghệ chế tạo máy - ĐHBK Hà Nội) Thầy hướng dẫn khoa học đà định hướng bảo cho suốt trình nghiên cứu từ cuối năm 2003 đến Tôi xin cám ơn GS TS Trần Văn Địch tập thể Thầy giáo, Cô giáo Bộ môn Công nghệ chế tạo máy Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đà tận tình giúp đỡ trình nghiên cứu Tôi xin cám ơn Ban lÃnh đạo, cán bộ, nhân viên Trung tâm đào tạo bồi dưỡng sau đại học Trường ĐHBK Hà Nội đà tận tình giúp đỡ tạo điều kiện cho trình làm nghiên cứu sinh Tôi xin cám ơn Ban giám hiệu trường Đại học bách khoa Hà Nội, trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đà tạo điều kiện thuận lợi cho trình nghiên cứu Tôi xin cám ơn Ban lÃnh đạo Công ty TNHH Phụ tùng máy số 1, Phân xưởng Cơ khí đà tạo điều kiện cho trình thực nghiệm áp dụng đề tài vào thực tế sản xuất Ngày 12 tháng 01 năm2008 NCS Phạm Văn Bổng -2- lời cam đoan Nội dung luận án nghiên cứu từ sở lý thuyết trình cắt gọt máy đến thực nghiệm để xây dựng mô hình toán học xác định chế độ cắt tối ưu gia công máy tiện CNC nhằm mục đích giúp cho việc khai thác sử dụng máy tiện CNC hiệu Với danh dự Giảng viên Đại học, xin cam đoan nội dung luận án công trình nghiên cứu Nội dung luận án trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả NCS Phạm Văn Bổng -3- mục lục nội dung trang Lời cảm ơn lêi cam ®oan môc lôc danh môc ký hiệu chữ viết tắt danh mục bảng danh mục hình vẽ, đồ thị 11 phần mở đầu 13 phÇn néi dung 17 ch­¬ng 1: tỉng quan tối ưu hoá chế độ cắt việc sử dơng m¸y tiƯn CNC hiƯn 17 1.1 Tỉng quan vỊ tèi ­u ho¸ chÕ độ cắt gia công 17 1.1.1 Kh¸i qu¸t vỊ tèi ­u ho¸ 17 1.1.2 Mét sè c«ng trình nghiên cứu tối ưu hoá 26 1.2 Kü tht tiƯn CNC vµ viƯc øng dơng ë n­íc ta 29 1.2.1 Khái niệm đặc trưng máy tiện CNC 29 1.2.2 Tỉ chøc lËp tr×nh vấn đề cần ý lập trình để đảm bảo độ xác gia công tiện 33 1.2.2.1 Tỉ chøc lËp tr×nh gia công máy tiện CNC 33 1.2.2.2 Một số vấn cần ý lập trình 37 1.2.3 HiƯu qu¶ kinh tÕ sử dụng máy gia công CNC việc khai th¸c sư dơng hiƯn 42 1.2.3.1 HiƯu qu¶ kinh tÕ sư dơng m¸y tiƯn CNC 42 1.2.3.2 Tình hình khai thác sử dụng 43 1.3 KÕt luËn ch­¬ng 44 -4- ch­¬ng 2: nghiên cứu xây dựng mô hình toán tối ưu hoá chế độ cắt tiện máy CNC 46 2.1 Đặt vấn đề 46 2.2 Chỉ tiêu tối ưu hàm mục tiêu 48 2.2.1 Đặt vấn đề 48 2.2.2 Hàm mục tiêu 49 2.2.2.1 Mét sè nghiªn cứu hàm mục tiêu 49 2.2.2.2 Mét sè chØ tiªu tèi ­u 50 2.3 Hàm giới hạn 54 2.3.1 Một số nghiên cứu hàm giới hạn 54 2.3.2 Các hàm giíi h¹n 55 2.4 Phương pháp giải toán tối ưu 58 2.5 X©y dựng toán tối ưu hoá chế độ cắt tiện máy tiện CNC theo hàm mục tiêu suÊt 59 2.5.1 Nội dung xây dựng toán tối ưu chế độ cắt máy tiện CNC 59 2.5.2 X©y dựng hàm mục tiêu 60 2.5.3 Xác định hàm giới hạn 63 2.6 KÕt luËn ch­¬ng 66 Ch­¬ng 3: C¬ së lý thuyÕt trình cắt gọt mối quan hệ yếu tố chế độ cắt với lực cắt, tuổi bền dao, độ nhám bề mặt gia công máy tiện CNC 3.1 Quá trình cắt t¹o phoi tiƯn 3.2 Một số tượng xảy trình cắt ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt tuổi bền dao 3.2.1 Hiện tượng phoi bám 3.2.2 Hiện tượng nhiệt phát sinh trình cắt 3.2.2.1 Nguồn gèc sinh nhiƯt c¾t 67 67 69 69 71 71 -5- 3.2.2.2 C¸c nhân tố ảnh hưởng đến nhiệt cắt nhiệt cắt 72 3.2.2.3 ảnh hưởng nhiệt cắt 77 3.3 Nghiªn cøu xây dựng mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ yêu tố lực cắt, tuổi bền dụng cụ, độ nhám bề mặt với chế độ cắt gia công máy tiện CNC 79 3.3.1 Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học xác định lực cắt phụ thuộc vào thông số công nghệ v,t,s gia công máy tiƯn CNC 79 3.3.1.1 C¬ së lý thut vỊ lùc cắt ảnh hưởng chế độ cắt đến lùc c¾t 79 3.3.1.2 Mô hình toán học xác định lực cắt phụ thuộc vào chế độ cắt 81 3.3.2 Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học xác định độ nhám bề mặt phụ thuộc vào thông số công nghÖ v, t, s 85 3.3.2.1 Khái quát chất lượng bề mặt 85 3.3.2.2 Sù ¶nh h­ëng cđa chÕ độ cắt đến độ nhám bề mặt 86 3.3.2.3 Mô hình toán học xác định độ nhám bề mặt phụ thuộc vào chế độ cắt 90 3.3.3 Nghiªn cứu xây dựng mô hình toán học xác định tuổi bền dao phụ thuộc vào thông số công nghệ v, t, s 91 3.3.3.1 HiÖn tượng mòn dao tuổi bền dao 91 3.3.3.2 Các phương pháp đo mòn dao 97 3.3.3.3 Ti bỊn dông cô 104 3.3.3.4 Sự ảnh hưởng yếu tố ®Õn ti bỊn cđa dao 104 3.3.3.5 M« hình toán học xác định tuổi bền dụng cụ phụ thuộc vào chế độ cắt 107 3.4 KÕt luËn ch­¬ng 109 chương 4: thực nghiệm đo lực cắt, tuổi bền dao, độ nhám bề mặt xây dựng công thức xác định mối liên hệ -6- yếu tố với chế độ cắt 110 4.1 HÖ thèng thÝ nghiÖm 110 4.1.1 Sơ đồ thí nghiệm 110 4.1.2: Dụng cụ cắt ph«i dïng thùc nghiƯm 111 4.1.3 Máy gia công thiết bị đo dùng thực nghiệm 112 4.2 Xác định chế độ c¾t dïng thùc nghiƯm 112 4.3 Kết đo thực nghiệm xử lý kÕt qu¶ 116 4.3.1 Thực nghiệm đo lực cắt gia công máy tiện CNC 116 4.3.1.1 Kết đo lực Px 116 4.3.1.2 Kết đo lực Py 119 4.3.1.3 Kết đo lùc Pz 122 4.3.2 Thực nghiệm đo độ nhám bề mặt gia công máy tiện CNC 125 4.3.3 Thực nghiệm đo tuổi bền dụng cụ gia công máy tiện CNC 128 4.3.3.1 Đo lượng mßn dao theo h­íng kÝnh 128 4.3.3.2 Đo lượng mòn dao theo mặt sau 132 4.4 KÕt luËn ch­¬ng 136 chương 5: giải toán tối ưu hoá trình cắt tiện cnc thử nghiệm qua thực tế sản xuất 137 5.1 Bài toán tèi ­u ho¸ 137 5.1.1 Chỉ tiêu tối ưu hàm mục tiêu toán tối ưu 137 5.1.2 Các hàm giới hạn toán tối ưu 137 5.2 Giải to¸n tèi ­u 140 5.3 Kết ứng dụng bước đầu chế độ cắt tối ưu vào thực tế sản xuất 143 5.4 KÕt luËn ch­¬ng 144 kÕt luËn kiến nghị nghiên cứu 145 KÕt luËn 145 KiÕn nghị nghiên cứu 146 -7- danh mục công trình khoa học đà công bố 147 tàì liệu tham kh¶o 148 phơ lơc 1: Th«ng sè kü tht máy thiết bị dùng thực nghiệm 153 phụ lục2: chương trình tính chế độ cắt tối ưu máy tiện cnc 158 phụ lục 3: đánh giá thử nghiệm kết bước đầu ứng dụng chế độ cắt tối ưu máy tiện cnc vào thực tế sản xuất 168 -8- danh mục ký hiệu chữ viết tắt CNC (Computer Numerical Control) Điều khiển số có hỗ trợ m¸y tÝnh η- HiƯu st CAD (Computer Aided Design)- ThiÕt kÕ α- Gãc sau chÝnh cđa dao cã trỵ gióp máy tính CAM (Computer Aided Manufacturing)Sản xuất có trợ giúp máy tính AC (Adaptive Control)- Điều khiển thích nghi ACC (Adaptive Control Constrain)- §iỊu khiĨn thÝch nghi c­ìng bøc ACO (Adaptive Control Optimation) – §iỊu khiĨn thÝch nghi tèi ­u δ- Gãc c¾t cđa dao γ- Gãc tr­íc cđa dao ϕ- Gãc lƯch chÝnh cđa dao ϕ1- Gãc lệch phụ dao - Nhiệt cắt S- Lượng tiến dao V- Vận tốc cắt t- Chiều sâu cắt NC (Numerical Control) - §iỊu khiĨn sè [X]- ma trËn X MCU (Machine Control Unit) - HƯ ®iỊu [Y] – ma trËn Y khiĨn m¸y Px- Lùc h­íng trơc [A] Ma trận A [hs] Lượng mòn cho phép cđa dao Py- Lùc h­íng kÝnh [T] – Ti bỊn cho phÐp cđa dao Pz – Lùc c¾t chÝnh [Ra] - Độ nhấp nhô tế vi bề mặt cho phép Ra - Độ nhấp nhô tế vi bề mặt T- Tuổi bền dụng cụ y - Giá trị trung bình thực nghiệm U- Lượng mòn dao y i - Giá trị theo hàm hồi qui thực - Thời gian gia công R- Sai số gia công theo bán kính H- Hệ số biến cứng bề mặt ' nghiệm Nđc Công suất động Nđc1- Công suất động chạy dao -9- danh mục bảng bảng nội dung bảng trang Bảng 3.1: Kết đo lượng mòn dao 96 Bảng 3.2: H»ng sè ti bỊn 108 Bảng 4.1: Bảng giá trÞ thùc nghiƯm 113 Bảng 4.2: Qui hoạch thực nghiệm đo lực cắt 113 Bảng 4.3: Qui hoạch thực nghiệm đo nhám bề mặt 113 Bảng 4.4: Qui hoạch thực nghiệm đo lượng tăng bán kính chi tiết 114 Bảng 4.5: Kết đo lực Px 116 Bảng 4.6: Bảng tính toán giá trÞ Logarit tÝnh lùc Px 117 Bảng 4.7: Các giá trị tính toán độ tin cậy hàm Px 118 Bảng 4.8: Kết đo lực Py 119 Bảng 4.9: Bảng tính toán giá trị Logarit tính lực Py 120 Bảng 4.10: Các giá trị tính toán độ tin cậy hàm Py 121 Bảng 4.11: Kết đo lực Pz 122 Bảng 4.12: Bảng tính toán giá trị Logarit tính lực Pz 123 Bảng 4.13: Các giá trị tính toán độ tin cậy hàm Pz 124 Bảng 4.14: Kết đo nhám bề mặt 125 Bảng 4.15: Bảng tính toán giá trị Logarit tính Ra 126 Bảng 4.16: Các giá trị tính toán độ tin cậy hàm Ra 127 Bảng 4.17: Kết đo lượng mòn dao theo hướng kính 128 Bảng 4.18: Hàm mòn tuổi bền dao theo lượng mòn hướng kính 129 Bảng 4.19: Các giá trị tính toán Logarit tính tuổi bền 130 Bảng 4.20: Kết tính toán giá trị độ tin cậy tính hàm tuổi bền theo lượng mòn hướng kính 131 Bảng 4.21: Kết đo lượng mòn theo mặt sau 132 Bảng 4.22: Hàm mòn tuổi bền dao theo lượng mòn mặt sau 133 Bảng 4.23: Các giá trị tính toán Logarit tính tuổi bền theo mặt sau 134 - 161 - - Cơ cấu kẹp chặt phôi: Tự ®éng b»ng thủ lùc ThiÕt bÞ ®o dïng thực nghiệm 2.1 : Thiết bị đo lực cắt Thiết bị đo lực cắt thành phần Sử dụng thiết bị đo lực cắt thành phần hÃng Kistler - Thuỵ sỹ Thông số kỹ thuật bao gồm: - Cảm biến đo lực cắt 9257B- Kistler + Khả ®o: D¶i ®o lùc Px: ®Õn 1500N D¶i ®o lùc Py: đến 1500N Dải đo lực Pz: đến 5000N + Nhiệt độ làm việc: 700C + Độ nhạy: : Lùc Px, Py: 7,39pC/N Lùc Pz : 3,72pC/N + Độ không tuyến tính : 0,1% - Thiết bị khuếch đại điện tích 5019 B130 Kistler + Dải đo: 10 ữ 999000pC - 162 - + Tần số đo: ữ 200kHz + Hiệu điện đầu ra: 10V + Nguồn điện cung cấp: 230/115 VAC - Thiết bị chuyển đổi tín hiệu A/D thu nhập vào máy tính 2 Thiết bị đo độ nhám bề mặt Thiết bị đo độ nhám bề mặt Đo chiều cao nhấp nhô tế vi bề mặt gia công thiết bị chuyên dùng máy đo SJ 201- Mitutoyo có thông số sau: - Hiển thị LCD, tiêu chuẩn DIN, ISO, JIS, ANSI - Thông số đo được: Ra, Rz, Rt, Rq, Ry, - Độ phân giải: 0,32/300àm; 0,08/75àm; 0,04/9,4àm - Bộ chuyển đổi A/D: RS 232 - 163 - - Phần mềm điều khiển sư lý sè liƯu MSTAT w 32 4.0 2.3 ThiÕt bị đo lượng mòn dao * Xác định lượng mòn dao theo hướng kính thông qua lượng tăng đường kính sau thời gian gia công Thiết bị đo : Dùng máy đo chiều hÃng Mitutoyo Nhật sản xuất + Độ xác đạt được: 0,001mm + Tự động lấy kích thước hiển thị máy tính Máy đo biên dạng chiều * Xác định lượng mòn dao theo mặt sau: Dùng thiết bị đo quang học có độ phóng đại 100 lần để đo lượng mòn theo mặt sau - 164 - Thiết bị đo quang học - 165 - phụ lục chương trình tính chế độ cắt tối ưu máy tiện cnc (Khai báo hàm) Public k(8) As Double Public Nghiem(2) As Double Dim coso, mu As Double Public buoclap As Integer Public giatritoiuu As Double Public Function hammu(coso, mu) As Double hammu = Exp(mu * Log(coso)) End Function (Xac dinh he so K) Private Sub Command1_Click() Dim i As Integer Dim b1, b2, b3, b4, b5, b6, b7,b8 As Double Dim b11 As Double Dim max, nmin, smax, smin, nc, hc, ns, hs, ra, tuoiben, t, d As Double Const pi As Double = 3.141592654 b11 = 1000 / (pi * d) nmax = CDbl(txtnmax.Text) nmin = CDbl(txtnmin.Text) smax = CDbl(txtsmax.Text) smin = CDbl(txtsmin.Text) nc = CDbl(txtnc.Text) hc = CDbl(txthc.Text) ns = CDbl(txtns.Text) - 166 - hs = CDbl(txths.Text) b3 = CDbl(nmax/b11) b4 = CDbl(nmin/b11) If smin = Then b6 = Else b6 = CDbl(1000 * smin) End If b5 = CDbl(1000 * smax) b1 = (hammu(1000, 0.5413) * 60 * 1020 * nc * hc ) / (1404.45 * hammu(t, 0.9273)) b2 = (hammu(1000, 1.88) * 60 * 1020 * 1000 * ns * hs / (194.1 * hammu(t, 0.844)) b8 = (hammu(100, 0.1024) * ra) / (36.10387 * hammu(t, -0.0259)) b7 = (tuoiben * hammu(100, -0.1963)) / (405.89 * hammu(t, 0.0684)) If b6 > Then k(1) = Log(b4) k(2) = Log(b3) k(3) = Log(b6) k(4) = Log(b5) k(5) = Log(b1) k(6) = Log(b2) k(7) = Log(b8) k(8) = Log(b7) For i = To frmhesok.Text13(i).Text = CStr(Round(k(i), 5)) - 167 - Next Else k(1) = Log(b4) k(2) = Log(b3) k(4) = Log(b5) k(5) = Log(b1) k(6) = Log(b2) k(7) = Log(b8) k(8) = Log(b7) For i = To If i Then frmhesok.Text13(i).Text = CStr(Round(k(i), 5)) Else frmhesok.Text13(3).Text = "" End If Next End If End Sub Private Sub Command2_Click() txtnmin.Text = "" txtnmax.Text = "" txtsmin.Text = "" txtsmax.Text = "" txtnc.Text = "" txthc.Text = "" - 168 - txtns.Text = "" txths.Text = "" End Sub (Buoc lap ma tran) rivate Sub Command1_Click() Dim i As Integer For i = To Text2(i).Text = CStr(k(i)) Next End Sub Private Sub Command2_Click() Dim i As Integer Dim max As Double max = For i = To 104 If max < Abs(CDbl(Text1(i).Text)) Then max = Abs(CDbl(Text1(i).Text)) End If Next For i = To If max < Abs(CDbl(Text2(i).Text)) Then max = Abs(CDbl(Text2(i).Text)) End If Next For i = To 13 - 169 - If max < Abs(CDbl(Text3(i).Text)) Then max = Abs(CDbl(Text3(i).Text)) End If Next Text3(4).Text = CStr(-max) Text3(7).Text = CStr(-max) Text3(13).Text = CStr(-max) End Sub Private Sub Command3_Click() Const mmax As Integer = 20 Const nmax As Integer = 10 Const n As Integer = Const m As Integer = Const eps As Double = 0.0001 Dim nsim As Integer Dim val As Double Dim a(mmax * (nmax + mmax)), b(mmax), c(nmax + mmax), x(nmax + mmax) As Double Dim mf, nm, lff, k, b4, b3, kj, l, ij, lj, i, j As Integer Dim imf, lfi, jmf, ibi As Integer Dim te, rw As Double Dim e((mmax + 1) * (mmax + 1)), q(mmax + 1), dl(nmax + mmax) As Double Dim ib(mmax) As Integer Dim ketthuc As Boolean For i = To (m + n) * m - 170 - a(i) = CDbl(Text1(i).Text) Next For i = To m b(i) = CDbl(Text2(i).Text) Next For i = To (n + m) c(i) = CDbl(Text3(i).Text) Next mf = m + nm = n + m lff = mf * mf nsim = For j = To lff e(j) = Next j=1 For i = To m e(j) = ib(i) = n + i j = j + mf + Next imf = mf For i = To m e(imf) = b(i) imf = imf + mf - 171 - Next jmf = m * mf For j = To mf ij = j jmf = jmf + e(jmf) = For i = To m ibi = ib(i) e(jmf) = e(jmf) + c(ibi) * e(ij) ij = ij + mf Next Next ketthuc = False Do nsim = nsim + For j = To nm dl(j) = -c(j) b4 = m * mf + b3 = j For i = To m dl(j) = dl(j) + e(b4) * a(b3) b4 = b4 + b3 = b3 + nm Next Next - 172 - rw = 1E+20 For j = To nm If (dl(j) < rw) Then k=j rw = dl(j) End If Next If (rw >= -eps) Then For j = To nm x(j) = Next l = mf For i = To m kj = ib(i) x(kj) = e(l) l = l + mf Next val = e(lff) ketthuc = True Exit Do End If For i = To m q(i) = b4 = (i - 1) * mf + b3 = k - 173 - For j = To m q(i) = q(i) + a(b3) * e(b4) b4 = b4 + b3 = b3 + nm Next Next q(mf) = dl(k) l=0 te = 1E+20 lfi = mf For i = To m If (q(i) > eps) Then rw = e(lfi) / q(i) If (rw < te) Then te = rw l=i End If End If lfi = lfi + mf Next If (l = 0) Then mgsbox = " chinh xac bang cong vo cung" ketthuc = True Exit Do End If - 174 - lj = (l - 1) * mf ij = For i = To mf If (i = l) Then ij = ij + mf Else For j = To mf ij = ij + lj = lj + e(ij) = e(ij) - (e(lj) * q(i)) / q(l) Next lj = lj - mf End If Next For j = To mf lj = lj + e(lj) = e(lj) / q(l) Next ib(l) = k Loop Until ketthuc = True For i = To Nghiem(i) = x(i) Next buoclap = nsim giatritoiuu = val - 175 - frmnghiem1.Show Unload Me End Sub phụ lục đánh giá khả ứng dụng bước đầu chế độ cắt tối ưu vào thực tế sản xuất ... kết nghiên cứu tối - 46 - ưu hoá trình cắt máy tiện CNC hạn chế Vì việc nghiên cứu để xác định chế độ cắt hợp lý gia công máy tiện CNC nhằm giảm thời gian cắt gọt (thời gian bản) để có suất cắt. .. toán tối ưu thiết kế phần mềm trợ giúp lựa chọn chế độ cắt gia công máy tiện CNC ý nghĩa thực tiễn : Kết nghiên cứu xây dựng chế độ cắt tối ưu gia công máy tiện CNC có ý nghĩa thực tiễn nghiên cứu. .. nghệ gia công máy chưa thể khẳng định hợp lý Vì hiệu khai thác, sử dụng máy hạn chế Đề tài Nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu gia công máy tiện CNC lựa chọn để nghiên cứu nhằm mục đích xác định