TỐI ƯU HOÁ QUÁ TRÌNH CẮT VÀ LỰA CHỌN DỤNG CỤ CẮT VÀ LỰA CHỌN DỤNG CỤ CẮT CHO MÁY CNC

Nguyªn lý c¾t Chương 3 TỐI ƯU HOÁ QUÁ TRÌNH CẮT VÀ LỰA CHỌN DỤNG CỤ CẮT VÀ LỰA CHỌN DỤNG CỤ CẮT CHO MÁY CNC 3.1. Tối ưu hoá quá trình cắt gọt. 3.1.1. Khái niệm và ý nghĩa của tối ưu hoá. Tối ưu hóa quá trình gia công cắt gọt là phương pháp nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu thông qua mối quan hệ việc xây dựng mối quan hệ toán học giữa hàm mục tiêu kinh tế với các thông số của chế độ gia công ứng với một hệ thống giới hạn về mătỵ chất lượng, kỹ thuật và tổ chức của nhà máy. Các bước cơ bản của việc nghiên cứu tối ưu hóa quá trình cắt gọt bao gồm: - Xây dựng hàm mục tiêu của quá trình gia công. - Xây dựng các giới hạn từ đó xác định miền giới hạn của bài toán - Khảo sát, biện luận để xác định chế độ công nghệ hợp lý 3.1.2. Các hình thức tối ưu hoá. Có hai phương pháp tối ưu hóa quá trình cắt gọt đó là tối ưu hóa tĩnh và tối ưu hóa động 1. Tối ưu hóa tĩnh Tối ưu hóa tĩnh hay còn gọi là tối ưu hóa trước là quá trình nghiên cứu và giải quyết bài toán tối ưu dựa trên mô hình tĩnh của quá trình cắt. Nhược điểm của tối ưu hóa tĩnh là không chú ý đến động lực của quá trình cắt, nghĩa là không chú ý đến các đặc điểm mang tĩnh chất ngẫu nhiên và thay đổi theo thời gian như: - Độ cứng của vật liệu gia công không đồng nhất. - Lượng dư gia công không đều. - Lượng mòn của dao thay đổi theo thời gian - Sau khi xác định được chế độ cắt gia công hợp lý người ta tiến hành điều chỉnh máy làm việc theo các thông số của chế độ đó. Trong quá trình làm việc các thông số này được điều chỉnh lại. Do đặc điểm trên đây tối ưu hóa tĩnh chưa giải quyết vấn đề triệt để. Mặc dù vậy ngày nay tối ưu hóa tĩnh vẫn được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi vì nó rất đơn giản, dễ áp dụng và đảm bảo tính hiệu quả. 2. Tối ưu hóa động Còn gọi là tối ưu hóa quá trình cắt gọt là quá trình nghiên cứ tối ưu hóa dựa trên mô hình động của quá trình cắt do đó trong quá trình nghiên cứu có chú ý tới các đặc điểm mang tính ngẫu nhiên và thay đổi theo thới gian Hình 14.2 Sơ đồ nghiên cứu tối ưu hóa động khi tiện BMCNCTM Trang: 92 ` Nguyªn lý c¾t Theo hình 14.2 quá trình cắt hệ thống các đại lượng đo lường đo các đại lượng thuộc về chi tiết (như kích thước chi tiết, sai số hình dạng của chi tiết) .các đại lượng thuộc về dao và hệ thống công nghệ (như độ mòn dao, lực cắt, nhiệt cắt, rung động của hệ thống công nghệ) và chuyển sang hệ thống xử lý nhanh .Sau đfó hệ thống xử lý nhanh xác định ngay chế độ cắt tối ưu và kết qủ cho bộ phận tiếp theo để tự động điều chỉnh máy làm viêcj theo chế độ cắt đã được xác định. Trong qúa trình làm việc mặc dầu xuất hiện yếu tố ngẫu nhiên và thay đổi theo thời gian như độ cứng vật liệu không đồng nhất, lượng dư gia công không đều, lượng mòn của dao thay đổi theo thời gian .nhưng nhờ có các tín hiệu do hệ thống đo lường chủ động cung cấp, hệ thống xử lý nhanh và luôn luôn xác định được chế độ cắt hợp lý ở các thời điểm tương ứng, cung cấp kịp thời cho hệ thống điều khiển tự động đảm bảo cho máy luôn luôn làm việc với ché độ hợp lý. BMCNCTM Trang: 93 ` Hệ thống đo lường Hệ thống xử lý nhah Hệ thống tự động điều chỉnh chế độ cắt t S V Nguyªn lý c¾t Như vậy khác với tối ưu hóa tĩnh, ở tối ưu hóa động chế độ gia công chẳng những được điều chỉnh trước mà còn được tự động điều chỉnh ngay trong quá trình cắt. Tối ưu hóa động giải quyết vấn đề triệt để hơn so với tối ưu hóa tĩnh nhưng cũng phức tạp hơn tối ưu hóa tĩnh rất nhiều vì tối ưu hóa động gần gắn liền với đo lường chủ động và điều khiển thích nghi. Tuy nhiên, do tĩnh hiệu quả của nó tối ưu hóa động sẽ được phát triển mạnh mẽ trong thế kỷ 21. 3.1.3. Cơ sở kinh tế kỹ thuật của tối ưu hoá. Muốn thực hiện tối ưu hóa quá trình gia công cắt gọt phải dựa trên mối quan hệ kinh tế - kỹ thuật được thiết lập được xuất phát từ bản chất vạt lý của qúa trình cắtcũng như dựa trên tính chất đặc trưng của từng nguyên công. Các mô hình toán học mô tả mối quan hệ giữa lực cắt, tuổi bền của dụng cụ với các thông số công nghệ cần tối ưu là cơ sở để thực hiện tối ưu hóa quá trình gia công cắt gọt. 1/ Mô hình lực cắt Lực cắt tại một điểm M trên lưỡi cắt có thể phân tích thành ba thành phần như sau: Từ sơ đồ lựcc ắt đơn vị K được xác định như sau: 2 1 . k ZZZ ak st F ab F A F K ==== (N/mm 2 ) Trong đó: A- tiết diện ngang của phoi (mm 2 ) a- Chiều dày phoi (mm) a= s.sin ϕ ϕ - Góc nghiêng chính của dao (độ) b- Chiều rộng phoi (mm) ϕ sin t b = t- Chiều sâu cắt (mm) Giá trị k 1 và số mũ k 2 phụ thuộc vào các điều kiện giữa gia công cụ thể như vật liệu gia công, vật liệu dao, kết cấu bộ phận cắt của dụng cụ cắt, chế độ bôi trơn và làm nguội khi cắt . F z =k 1 .b.a 1+k2 sin k2 ϕ Trong đó: k 1 = k 10. k 11 .k 1i Với k 1i là hệ số xét tới ảnh hưởng của các yếu tố đặc trưng cho điều kiện gia công cụ thể tới lực cắt, các gia trị k 1i phải xác định bằng thực nghiệm: Các thành phần F x , F y được tính theo công thức F z BMCNCTM Trang: 94 ` Nguyªn lý c¾t F x = C x .F z F y = C y .F z F 2 = F x 2 +F y 2 +F z 2 Trong đó C x , C y là các hệ số mô tả mối quan hệ giữa F x , F y , với F z và được xác định bằng thực nghiệm. 2/ Mô hình mài mòn dụng cụ cắt Chiều cao sau mòn mặt sau B của dụng cụ cắt (hình 14.4) được dùng làm chỉ tiêu đánh giá quá trình mòn. Quá trình mòn phu thuộc chủ yếu vào thời gian cắt τ và tốc độ cắt V Lượng mòn mặt sau B của dao được xác định như sau: B = C 1 τ C2 Trong đó: τ- Thời gian cắt C 1 – hệ số C 1 = C 0 .V C3 .S C4 .t C5 Với C 0 , C 3 , C 4 , C 5 là các hệ số và số mũ phụ thuộc vào các điều kiện gia công cụ thể và được xác định bằng thực nghiệm. Khi lượng mòn B = [B] (lượng mòn cho phép) thì τ = T (tuổi bền của dao) Người ta ciũng có thể biểu diễn tuổi bền T dưới các dạng sau: T = A 1 V A2 T = A 3 V A2 S A4 V = A 5 V A2 S A4 t A6 Trong đó A 1 đến A 6 là các hệ số mũ phu thuộc vào các điều kiện gia công cụ thể và được xác định bằng thực nghiệm. Khi cắt kim loại luôn luôn có A 1 , A 3 , A 5 > 0 A 2 , A 4 , A 6 > 0 /A 2 / > /A 4 / > /A 6 / Biểu thức 14.11 cho thấy tốc độ cắt có ảnh hưởng mạnh nhất tới tuổi bền của T. Biểu thức 14.12 và 14.13 phản ánh đầy đủ ảnh hưởng của bước tiến dao và chiều sâu tới tuổi bền của dụng cụ cắt. Tuy nhiên số mũ A 6 thường rất nhỏ (A 6 ≈ 0) t A6 ≈ 1, do đó khi tính toán người ta bỏ qua ảnh hưởng của chiều sâu cắt tới tuổi bền và thường lấy T theo biểu thức Hệ số A 3 được biểu diễn như sau: A 3 = A 30. A 31 ….A 3i Trong đó A 3i là hệ số ảnh hưởng của các yếu tố đặc trưng cho các điều kiện cắt cụ thể tới tuổi bền T, ở đây đặc biệt chú ý tới ảnh hưởng của cặp vật liệu gia công – vật liệu dụng cụ cắt. 3.1.4 Tối ưu hoá quá trình tiện. BMCNCTM Trang: 95 ` Nguyªn lý c¾t Mô hình quá trình trên như hình vẽ BMCNCTM Trang: 96 ` Nguyªn lý c¾t BMCNCTM Trang: 97 ` Đại lượng vào Quá trình Đại lượng ra Trang thiết bị: - Máy - Đồ gá - PP gá đặt Phôi: - Vật liệu - Hình dáng p - Cơ lý tính Dụng cụ cắt - Vật liệu - T/số hình học Ché độ c/nghệ - chế độ cắt - Chế độ trơn nguội Lực Nhiệt Rung Mòn Chỉ tiêu kỹ thuật: - ĐCX: *Kích thước * HD H học * Vị trí q/trọng - CBLM * Nhám * Sóng * TC cơ lý Chỉ tiêu kinh tế: - Năng suất - Giá thành - Lợi nhuận Nguyªn lý c¾t Hàm mục tiêu tổng quát có dạng: Y= f (x) Trong đó: y- chỉ tiêu tối ưu- chính là các đại lượng ra x- các thông số cần công nghệ tối ưu- chính là các đại lượng vào. * Giới hạn về nghiên cứu: - Các đại lượng vào: bộ thông số chế độ cắt s, v, t - Đại lượng ra (mục tiêu tối ưu), các chỉ tiêu về kinh tế như: + Năng suất  max + Giá thành  min + Lợi nhuận - max ở đây chỉ khảo sát hàm giá thành gia công K K = f (s, v, t)  max BMCNCTM Trang: 98 ` Nguyªn lý c¾t a. Chỉ tiêu về thời gian Bao gồm thời gian cơ bản τ 0 là thời gian cần thiết để bién đổi phôi thành chi tiết có hình dạng, kích thước theo yêu cầu. Thời gian τ 0 do máy thực hiện và được xác định dựa trên sơ đồ gia công cụ thể. - Thời gian phụ τ p bao gồm: + Thời gian phụ của máy τ pm dùng điều chỉnh máy cắt đúng chiều sâu cắt t sau một lợt cắt. + Thời gian phụ của dao τ pd là thời gian chi phí cho một lần thay dao bao gồm thời gian tháo dao, mài lại dao và lắp dao vào vị trí làm việc. Tổng thời gian phụ của dao ∑ pd τ được tính bằng tích số của thời gian chi phí cho một lần chạy dao với số lần chạy dao: pd n i pd T τ τ τ . 1 0 ∑ ∑ = Trong biểu thức (14.15) thương số T n i ∑ 1 0 τ biểu thị số lần thay dao. Tổng số thời gian cơ bản τ 0 và thời gian phụ τ p tọa thành thời gian nguyên công: τ nc = τ 0 + τ p - thời gian phục vụ τ pv và thời gian nghỉ ngơi tự nhiên τ t nh thường lấy theo phần trăm thời gian nguyên công. Hai thành phần này ảnh hưởng rất ít tới kết quả của baòi toán tối ưu nên cho phép bỏ qua. - Thời gian chuẩn bị kết thúc nguyên công cũng như thời gian gá đặt chi tiết không ảnh hưởng tới bài toán tối ưu hóa chế độ cắt nên cũng không xét đến. Vậy chỉ tiêu kỹ thuật về thời gian τ có dạng: phd n i pMi m i OMi T τ τ τττ ∑ ∑ ++= = 1 0 1 )( Trong đó: m- số lần cắt τ oMi – thời gian cơ bản của máy ở lần thứ i. τ pMi – thời gian phục vụ của máy ở lần cắt thứ I để điều chỉnh máy cắt đúng chiều sâu cắt. BMCNCTM Trang: 99 ` Nguyªn lý c¾t b. Chỉ tiêu kỹ thuật về chi phí gia công Phần chi phí liên quan đến dao trong một đơn vị thời gian KD ứng với chu kỳ tuổi bền T của dao gồm: + Chi phí cho thay dao K thd + Chi phí cho dao mài K md + Chi phí cho lượng vật liệu chế tao dao bị mòn K dm Do chi phí liên quan đến dao trong một giờ có dạng: K D = K thd + K md + K dm Nếu sử dụng mảnh dao lắp ghép ta có: K D = K mc + K thd Trong đó: K mc – chi phí chế tạo mảnh cắt. BMCNCTM Trang: 100 ` K Kvl Kbkl KM KL KD Kch Kkbd + Kv- Chi phí vật liệu + Kch- chí phí chung + Kcbkt- chi phí chuẩn bị và kết thúc Kbđ + KM – chi phí khấu hao máy (đ/giờ, đ/ phút) + KL – chi phí lương công nhân (đ/giờ, đ/phút) + KD- chi phí liên quan đến dao trong một đơn vị th/gian (đ/giờ, đ/phút) Kbđ= KM+KL+KD=KM+KD (3.10) Nguyªn lý c¾t K thd - chi phí thay dao Chi phí chế tạo thân dao là đại lượng không biến đổi (không phụ thuộc vào chế độ công nghệ khi cắt) do đó không cần xét đến: Kết hợp 3.9, 3.10, ta xây dung được hàm chi phí gia công K khi tiện có dạng: K=       ++ Sv C T KDpm Sv C KML t Z . 2 . 1 .) . 1 .( π Chi phí gia công ứng với các thành phần thời gian gia công cho biểu thức (14.17) ( có thể phân thành 2 phần: - Chi phí trong 1 giờ làm việc, ký hiệu K clv (đồng/ giờ), bao gồm: + Chi phí khấu hao máy trong 1 giờ K M (đồng/ giờ) + Chi phí lương công nhân đứng máy 1 giờ K L (đồng/ giờ) + Chi phí phụ khác K p như thời gian quýet dọn chỗ làm việc lấy theo % (K M +K L ) Thành phần chi phí phụ K p ít ảnh hưởng tới kết quả bài toán tối ưu nên có thể bỏ qua. Chi phí vật liệu gia công liên quan đến chỗ làm việc trong 1 giờ K clv có dạng: K clv = K M +K L = K ML K ML : hệ số chi phí lien quan tới khấu hao máy và lương công nhân đứng máy trong 1 giờ (đồng/gìơ) - Phần chi phí liên quan đến dao trong 1 giờ K D ứng với các chu kỳ tuổi bền T của dao bao gồm: + Chi phí cho thay dao K thd + Chi phí cho mài dao K md + Chi phí cho vật liệu chế tạo dao bị mòn K dm Do đó chi phí liên quan trong 1 giờ có dạng: K d = K thd +K md + K dm Kết hợp 14.17, 14.18, 14.19 ta xấy dựng đợc hàm chi phí gia công K có dạng: BMCNCTM Trang: 101 ` [...]... Các dụng cụ dùng cho máy CNC và hệ thống sản xuất linh hoạt FMS 3.2.1 Tổ chức dòng lưu thông dụng cụ tự động hoá 3.2.2 Các dụng cụ dùng cho máy NC, CNC và FMS Hệ thống dụng cụ tạo lên mối liên kết chủ yếu giữa hai lưỡi cắt, phoi và trên nó có tác dụng ba lực cắt chính và máy công cụ hấp thụ các lực đó Thiết kế hệ thống dụng cụ cần đáp ứng tất cả các quá trình gia công (như: khoan, phay, tiện v.v )và. .. tiếp vào dụng cụ cắt, còn các dữ liệu của chúng thì được dưa vào bộ phận máy tính của máy công cụ để phục vụ cho dụng cụ làm việc sau này.Các ổ chứa dụng cụ mới nhất được sắp xếp chặt chẽ vào một vi mạch EPROM(Electrically Programmable Read-Only Memory),trong đó chứa cả hai ký hiệu dụng cụ và các số liệu về vị trí Điều đó cho phép chuyển đổi tự động số liệu của dụng cụ vào bộ ghi dữ liệu dụng cụ máy. .. khác để tận dụng được các kinh nghiệm đã có Đồng thời còn phải dựa trên toàn bộ các cơ cấu dụng cụ đã có trong nhà máy, hoặc cụ thể hơn là các dụng cụ được đưa ra từ một giàn dụng cụ trung tâm hoặc là giàn dụng cụ đã được phân công cho từng máy hoặc từng nhóm máy NC cụ thể 4 Bản danh mục dụng cụ trong kho Chiều điều khiển và các dữ liệu kỹ thuật khác lien quan tới các dụng cụ cắt dùng trên máy NC được... lập trình bằng máy tính được thuận tiện thì các dữ liệu phải được ghi chép theo một khuôn khổ cố định,khuôn khổ này cũng được dùng cho các dữ liệu vào của dụng cụ từ các số liệu ghi chép Để nắm được đầy đủ hệ thống dụng cụ và các bộ dụng cụ riêng biệt,người ta đưa ra bảng phân loại và mã hoá hệ thống dụng cụ 3.2.7 Quản lý dụng cụ dùng cho máy CNC và hệ thống sản xuất linh hoạt FMS Bất kỳ một chương trình. .. gồm:  Giá đỡ dụng cụ bảo đảm chứa các dụng cụ từ trục chính  Bản thân dụng cụ cắt được nối với các bộ phận phù hợp(toàn thể các bộ phận lắp ráp thông thường đóng vai trò quan trọng trong việc xuất xưởng các máy công cụ)  Ổ chứa dụng cụ, trong đó chứa các loại dụng cụ cần thiết cho việc gia công  Cơ cấu thay dao để thay đổi dụng cụ và làm phù hợp giữa trục chính máy và ổ chứa dụng cụ Bộ phận làm... thường xuyên và liên tục cho mỗi một dụng cụ riêng biệt trong ổ chứa(hệ thống) ,và so sánh giá trị tìm được với một tuổi thọ cho phép của dụng cụ. Khi tuổi BMCNCTM ` Trang: 121 Nguyªn lý c¾t thọ của dụng cụ kết thúc,thì dụng cụ thay thế được gọi ra và việc thay dụng cụ tự động được thực hiện một cách thuận lợi Hệ thống quản lý logic được đưa đến hầu hết các loại dụng cụ khi sử dụng. Hầu như các dụng cụ chính,... nhờ máy tính đều là cơ sở cho các thông số của dụng cụ. Khi dữ liệu của dụng cụ khác với giá trị của chương trình được lập ra thì kết quả sẽ sai khác và các thông số cần loại bỏ.Vì vậy mà phải chú ý đặc biệt tới dụng cụ, tới đầu vào và việc quản lý các số liệu hiệu chỉnh liên quan Các số liệu của việc chế tạo và quản lý dụng cụ CNC bao gồm:  Chiều dài dụng cụ( dọc theo trục Z)  Đường kính dụng cụ ... đặc trưng cắt gọt và tuổi thọ của dụng cụ hoàn toàn có thể dự đoán trước được.Cuối cùng là khả năng đưa ra nguyên nhân của mòn hỏng,dẫn đến phải thay đổi dụng cụ nhanh và độ chính xác gia công kém Những ưu điểm của hệ thống quản lý dụng cụ CNC sẽ có đầy đủ hiệu quả chỉ khi việc chọn và dụng được tiến hành có hệ thống và cẩn thận,mà việc đầu tiên ở đây là đặt dụng cụ ở xa khu vực máy công cụ và liệt kê... trực tiếp của chính dụng cụ cắt cần có sự chuẩn bị đầy đủ hệ thống lấy phoi sao cho việc lấy phoi là thường xuyên,nhanh và có hiệu quả 3.2.6 Lắp đặt trước dụng cụ cho máy NC, CNC BMCNCTM ` Trang: 119 Nguyªn lý c¾t Muốn bảo đảm năng suất cao của máy công cụ NC,cần tránh thời gian dừng máy khi các dụng cụ đang được lắp đặt chiếm chỗ trên máy. Từ đó ta thấy hầu như tất cả các hệ thống dụng cụ NC đều được thiết... chiều dài dụng cụ coa thể được hiệu chỉnh ngay trên máy công cụ (hình 4.7) Việc đo kiểm dụng cụ ở đây là đo chính xác khoảng cách cho giữa lưỡi cắt của dụng cụ và điểm chuẩn cố định trên thân dụng cụ( hình 4.8) Kiểm tra kích thước dụng cụ cần thiếtkhi ta thực hiện các công việc tiện,phay,khoan trên các máy công cụ NC để có các giá trị kích thước tuyệt đối hoặc là các giá trị hiệu chỉnh của dụng cụ các . Chương 3 TỐI ƯU HOÁ QUÁ TRÌNH CẮT VÀ LỰA CHỌN DỤNG CỤ CẮT VÀ LỰA CHỌN DỤNG CỤ CẮT CHO MÁY CNC 3.1. Tối ưu hoá quá trình cắt gọt. 3.1.1. Khái niệm và ý nghĩa. Các hình thức tối ưu hoá. Có hai phương pháp tối ưu hóa quá trình cắt gọt đó là tối ưu hóa tĩnh và tối ưu hóa động 1. Tối ưu hóa tĩnh Tối ưu hóa tĩnh hay