(Luận văn thạc sĩ) tối ưu hoá chế độ cắt theo tuổi bền dao tiện dựa trên STEP NC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯƠNG THỊ KIM THOA TỐI ƯU HÓA CHẾ ĐỘ CẮT THEO TUỔI BỀN DAO TIỆN DỰA TRÊN STEP-NC S K C 0 9 NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY – 605204 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯƠNG THỊ KIM THOA TỐI ƯU HÓA CHẾ ĐỘ CẮT THEO TUỔI BỀN DAO TIỆN DỰA TRÊN STEP-NC NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY – 605204 Tp.Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯƠNG THỊ KIM THOA TỐI ƯU HÓA CHẾ ĐỘ CẮT THEO TUỔI BỀN DAO TIỆN DỰA TRÊN STEP-NC NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY – 605204 Hướng dẫn khoa học: TS ĐẶNG THIỆN NGƠN Tp.Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2012 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Trương Thị Kim Thoa Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 08 - 06 - 1983 Nơi sinh: Bình Định Quê quán: Phước Sơn, Tuy Phước, Bình Định Dân tộc: Kinh Địa liên lạc: Xóm 3, Phụng Sơn, Phước Sơn, Tuy Phước, Bình Định Điện thoại nhà riêng: 0562245617 E-mail: thoakim.truong83@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Cao đẳng: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2002 đến 02/ 2006 Nơi học (trường, thành phố): Trường Cao đẳng Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long Ngành học: Cơ khí Chế tạo máy Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2007 đến 09/ 2009 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Ngành học: Cơ khí Chế tạo máy Tên đồ án: Biên soạn giáo trình, giảng đề thi mơn máy cắt kim loại Ngày & nơi bảo vệ đồ án: Tháng năm 2009, Khoa Cơ khí Chế tạo máy Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Người hướng dẫn: ThS Trần Quốc Hùng III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ 01/2010 đến 10/2010 Trường Cao đẳng Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long Giáo viên khoa Cơ khí Chế tạo máy Trang i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp.HCM, ngày 30 tháng 09 năm 2012 Trương Thị Kim Thoa Trang ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin gởi lời cảm ơn đến quý Thầy, Cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM dạy thời gian qua Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến TS Đặng Thiện Ngôn, người tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi suốt q trình thực luận văn tạo điều kiện để hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn bạn đồng môn đồng nghiệp quan tâm, chia sẻ suốt trình học làm luận văn Xin cảm ơn gia đình dành cho tơi tình thương yêu hỗ trợ tốt Trang iii MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Abstract v Mục lục vi Danh sách chữ viết tắt ix Danh sách hình x Danh sách bảng xii Chương TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược phát triển ngành khí chế tạo máy 1.2 Các khái niệm 1.3 Giới thiệu STEP-NC 1.4 Lý chọn đề tài, mục tiêu đối tượng nghiên cứu 1.4.1 Lý chọn đề tài 1.4.2 Mục tiêu 1.4.3 Đối tượng nghiên cứu 1.5 Nhiệm vụ, phạm vi nghiên cứu ý nghĩa đề tài 1.5.1 Nhiệm vụ 1.5.2 Phạm vi nghiên cứu đề tài 10 1.5.3 Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn đề tài 10 1.6 Phương pháp nghiên cứu 10 1.7 Tổng quan nghiên cứu nước 11 1.7.1 Ngoài nước 11 Trang vi 1.7.2 Trong nước 12 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14 2.1 Lực cắt trình gia công 14 2.2 Mặt cắt ngang đường chuyển dao 14 2.3 Tham số hóa mặt cắt ngang đường chuyển dao 15 2.4 Điều kiện hệ thống máy 16 2.5 Động lực học hệ thống máy 17 2.6 Các cách tối ưu hóa chế độ cắt 18 2.6.1 Tối ưu hóa lượng chạy dao dựa lực cắt 18 2.6.2 Tối ưu hóa dựa tuổi bền dao 20 2.6.3 Tối ưu hóa dựa khối lượng 21 2.6.4 Tối ưu hóa dựa số phoi 23 2.6.5 Tối ưu hóa dựa chi phí gia cơng 25 Chương CHUẨN STEP-NC 27 3.1 Cấu trúc chương trình STEP-NC 27 3.1.1 Phần khai báo (HEADER) 28 3.1.2 Viết phần liệu (DATA) 28 3.1.3 Bắt đầu kế hoạch gia công (Project) 28 3.1.4 Trình tự gia công (Workplan) 29 3.1.5 Định nghĩa nguyên công (Workingstep) 30 3.1.6 Thông tin phôi (Workpiece) 30 3.1.7 Mặt phẳng tham chiếu vị trí dao (Security_plane) 32 3.1.8 Chức gia công (Machining_function) 32 3.1.9 Dụng cụ cắt (Machine_tool) 34 3.1.10 Công ghệ gia công (Technology_description) 36 3.1.11 Chiến lược gia công (Strategy) 36 3.1.12 Thông tin gá kẹp 37 3.2 Chương trình gia cơng chi tiết 37 Chương MƠ HÌNH BÀI TỐN VÀ CÁCH GIẢI 39 Trang vii 4.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi bền dao 39 4.1.1 Ảnh hưởng tốc độ cắt V đến tuổi bền dao 39 4.1.2 Ảnh hưởng lượng chạy dao S đến tuổi bền dao 40 4.1.3 Ảnh hưởng chiều rộng cắt b đến tuổi bền dao 41 4.2 Thiết lập mơ hình toán 42 4.2.1 Hàm mục tiêu 42 4.2.2 Phương trình rang buộc 45 4.3 Cách giải 51 4.3.1 Lấy thơng tin từ chương trình STEP-NC 52 4.3.2 Ứng dụng Matlab để giải toán 57 4.3.3 Kết tính tốn tối ưu chế độ cắt 58 4.3.4 Hiệu chỉnh chương trình STEP-NC 58 4.4 Tính tốn thời gian gia cơng 59 4.4.1 Tính tốn với chế độ cắt chưa tối ưu 59 4.4.2 Tính toán với chế độ cắt tối ưu 63 Chương THỬ NGHIỆM 68 5.1 Chọn máy 68 5.2 Chọn dao 69 5.3 Chọn mẫu 69 5.4 Số lần thí nghiệm 70 5.5 Cách tiến hành thí nghiệm 70 5.5.1 Thí nghiệm với chế độ cắt chưa tối ưu 70 5.5.2 Thí nghiệm với chế độ cắt tối ưu 72 5.6 Đánh giá 74 Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC 77 PHỤ LỤC 80 PHỤ LỤC 87 Trang viii Chương TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược phát triển ngành khí chế tạo máy Khoa học cơng nghệ khí chế tạo giới kỷ XX XXI có bước phát triển vượt bậc nhờ ứng dụng công nghệ đại như: công nghệ thông tin, vật liệu nano, tự động hố, Trong kinh tế, ngành cơng nghiệp khí chế tạo đóng vai trị chủ đạo, góp phần làm thay đổi diện mạo giới, với 20 triệu doanh nghiệp hoạt động châu lục, chiếm tới 28% số lượng việc làm đóng góp 25% giá trị tổng sản phẩm giới Sự đổi liên tục CAD/CAM giúp cho nhà chế tạo tiết kiệm tài chính, thời gian, nguồn lực, CAD CAM phương pháp dựa vào máy tính để mã hố liệu hình học, nên tạo khả cho quy trình thiết kế chế tạo tích hợp cao độ Hệ CAD tất nhiên không hiểu khái niệm giới thực, chẳng hạn chất hay chức đối tượng thiết kế Hệ CAD thi hành chức nhờ khả mã hố khái niệm hình học Do vậy, trình thiết kế dựa vào CAD liên quan đến việc chuyển ý tưởng người thiết kế thành mô hình hình học Các nhược điểm khác CAD khắc phục nhờ R&D lĩnh vực hệ chuyên gia Lĩnh vực hình thành từ nghiên cứu trí tuệ nhân tạo AI Một ví dụ hệ chuyên gia bao hàm việc kết hợp thông tin chất vật liệu, trọng lượng, ứng lực, độ bền, độ dẻo vào phần mềm CAD Nhờ tích hợp liệu liệu khác vào phần mềm nên hệ CAD biết mà người kỹ sư biết người tạo vẽ thiết kế Sau đó, CAD bắt chước cách nghĩ người kỹ sư thực công việc thiết kế Do cơng nghệ CAD/CAM ngày hồn thiện nên tạo sở phát triển công nghệ gia công Từ thập kỷ 90 đến nay: việc sử dụng công nghệ CAD/CAM cho phép chế tạo sản phẩm khí nhanh hơn, chế tạo loại máy cơng cụ có tốc độ cao, Trang 5.6 Đánh giá Qua lần thử nghiệm ta thấy: tiện với chế độ cắt chưa tối ưu thời gian gia cơng chi tiết nhanh độ bóng bề mặt chi tiết tuổi bền dao thấp so với tiện với chế độ cắt tối ưu Như vậy, tiện với chế độ cắt tối ưu góp phần tăng suất, giảm giá thành sản phẩm Trang 74 Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Sau thực q trình tối ưu hóa chế độ cắt theo tuổi bền dao ta thấy có ưu điểm nhược điểm sau: - Ưu điểm: o Tuổi bền dao tăng → giảm thời gian thay dao mài lại dụng cụ → giảm chi phí gia cơng o Chất lượng bề mặt chi tiết tốt - Nhược điểm: o Thời gian gia công chi tiết tăng không đáng kể Vì vậy, gia cơng chi tiết cần chọn chế độ cắt hợp lý để góp phần tăng suất, giảm chi phí gia cơng → giảm giá thành sản phẩm Chế độ cắt tối ưu luôn phụ thuộc vào điều kiện gia cơng cụ thể, nghiên cứu giải toán tối ưu phải dựa vào điều kiện sản xuất cụ thể, góp phần tạo điều kiện tự động hóa chuẩn bị sản xuất để nâng cao hiệu kinh tế kỹ thuật trình sản xuất Trang 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO Phùng Rân, Trương Ngọc Thục, Giáo trình sở cắt gọt kim loại, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, 1994, 230 trang Trần Văn Địch, Nguyên lý cắt kim loại, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2006, 303 trang Trần Văn Địch, Nguyễn Trọng Bình, Nguyễn Thế Đạt, Nguyễn Viết Tiếp, Trần Xuân Việt, Công nghệ chế tạo máy, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2006, 836 trang Nguyễn Ngọc Đào, Trần Thế San, Hồ Viết Bình, Chế độ cắt gia cơng khí, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2010, 256 trang Nguyễn Thế Tranh, Trần Quốc Việt, Cơ sở cắt gọt kim loại, Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, 2008 Phùng Rân, Nguyễn Tiến Dũng, Tối ưu hóa, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, 2006, 150 trang Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Đặng Thiện Ngơn, Lập trình gia cơng STEP-NC, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, 2009 Liangji Xu, Advanced Design and Manufacturing Based on STEP, The Boeing Company, Seattle, Washington 98124-2207, USA 10 Liangji Xu, Optimizing Tool Life with STEP-NC, ISO 10303 AP 238 Meeting; National Institute of Standards and Technology, Maryland, USA 11 Leon Xu, Machining Process Optimization with ISO 10303-238, The Boeing Company 12 ISO 14649 Data model for Computerized Numerical Controllers - Part 12: PROCESS DATA FOR TURNING Trang 76 PHỤ LỤC Chương trình gia cơng chi tiết STEP-NC [12] ISO-10303-21; HEADER; FILE_DESCRIPTION(('ISO14649','SIMPLE EXAMPLE OF NC PROGRAM FOR TURNING: REVOLVED_FLAT, OUTER_DIAMETER.'),'1'); FILE_NAME('EXAMPLE1.STP','2003-04-08',('STEFAN HEUSINGER','MICHAEL WOSNIK'),('ISW UNI-STUTTGART','GERMANY'),'','',''); FILE_SCHEMA(('MACHINING_SCHEMA','MILLING_SCHEMA','TURNING _SCHEMA','TURNING_MACHINE_TOOL_SCHEMA')); ENDSEC; DATA; /* ****************************************************** */ /* ***** Workpiece definition ***** */ #1=WORKPIECE('SIMPLE WORKPIECE',#2,0.010,$,$,$,()); #2=MATERIAL('DIN EN 10027-1','E 295',(#3)); #3=NUMERIC_PARAMETER('ELASTIC MODULUS',2.E11,'pa'); /* ****************************************************** */ /* ***** Manufacturing features ***** */ #10=REVOLVED_FLAT('END FACE',#1,(#20,#21),#70,#80,0.000,#91); #11=OUTER_DIAMETER('CONE',#1,(#22,#23),#76,#83,#93,#95); #12=OUTER_DIAMETER('CYLINDER',#1,(#22,#23),#78,#72,#74,$); /* ****************************************************** */ /* ***** Turning operations ***** */ #20=FACING_ROUGH($,$,'ROUGH END FACE',$,$,#100,#41,#40,#52,#53,#50,0.500); #21=FACING_FINISH($,$,'FINISH END FACE',$,$,#100,#42,#40,#52,#53,#51,0.000); #22=CONTOURING_ROUGH($,$,'ROUGH CONTOUR',$,$,#100,#43,#40,#56,#56,#54,0.500); #23=CONTOURING_FINISH($,$,'FINISH CONTOUR',$,$,#100,#44,#40,#56,#56,#55,0.000); Trang 77 /* ****************************************************** */ /* ***** Project ***** */ #29=PROJECT('TURNING EXAMPLE 1',#30,(#1),$,$,$); #30=WORKPLAN('MAIN WORKPLAN',(#31,#32,#33,#34),$,#37,$); #31=MACHINING_WORKINGSTEP('WS ROUGH END FACE',#63,#10,#20,$); #32=MACHINING_WORKINGSTEP('WS FINISH END FACE',#63,#10,#21,$); #33=TURNING_WORKINGSTEP('WS ROUGH CONTOUR',#63,(#11,#12),#22,$); #34=TURNING_WORKINGSTEP('WS FINISH CONTOUR',#63,(#11,#12),#23,$); #37=SETUP('SETUP FOR TURNING EXAMPLE 1',$,#63,(#38)); #38=WORKPIECE_SETUP(#1,#64,$,$,()); /* ****************************************************** */ /* ***** Functions / Technology ***** */ #40=TURNING_MACHINE_FUNCTIONS(.T.,$,$,(),.F.,$,$,(),$,$,$); #41=TURNING_TECHNOLOGY($,.TCP.,#45,0.300,.F.,.F.,.F.,$); #42=TURNING_TECHNOLOGY($,.TCP.,#46,0.200,.F.,.F.,.F.,$); #43=TURNING_TECHNOLOGY($,.TCP.,#47,0.300,.F.,.F.,.F.,$); #44=TURNING_TECHNOLOGY($,.TCP.,#48,0.200,.F.,.F.,.F.,$); #45=CONST_SPINDLE_SPEED(5.000); #46=CONST_CUTTING_SPEED(2.500,10.000); #47=CONST_CUTTING_SPEED(2.200,10.000); #48=CONST_CUTTING_SPEED(2.500,10.000); /* ****************************************************** */ /* ***** Strategies ***** */ #50=UNIDIRECTIONAL_TURNING($,$,(3.000),$,$,#82,$,$,2.000,$,$); #51=UNIDIRECTIONAL_TURNING($,$,(0.500),$,$,#82,$,$,2.000,$,$); #52=AP_RETRACT_TANGENT($,60.000); #53=AP_RETRACT_ANGLE($,100.000,2.000); #54=UNIDIRECTIONAL_TURNING($,$,(3.000),$,$,$,$,$,2.000,$,$); #55=CONTOUR_TURNING($,$,(0.500),$,$,#81,$,$,$,$,$); #56=AP_RETRACT_ANGLE($,45.000,4.000); /* ****************************************************** */ /* ***** Placements / Lengths / Planes ***** */ #63=PLANE('SECURITY PLANE',#68); #64=AXIS2_PLACEMENT_3D('WORKPIECE',#65,#66,#67); #65=CARTESIAN_POINT('WORKPIECE: LOCATION',(0.000,0.000,0.000)); #66=DIRECTION('WORKPIECE: AXIS',(0.000,0.000,1.000)); #67=DIRECTION('WORKPIECE: REF_DIRECTION',(1.000,0.000,0.000)); #68=AXIS2_PLACEMENT_3D('SECURITY PLANE',#69,$,$); #69=CARTESIAN_POINT('SECPLANE: LOCATION',(90.000,0.000,200.000)); #70=AXIS2_PLACEMENT_3D('PLACEMENT END FACE',#71,$,$); #71=CARTESIAN_POINT('END FACE: LOCATION',(0.000,0.000,160.000)); #72=TOLERANCED_LENGTH_MEASURE(80.000,#73); #73=PLUS_MINUS_VALUE(0.100,0.100,1); Trang 78 #74=TOLERANCED_LENGTH_MEASURE(110.000,#75); #75=PLUS_MINUS_VALUE(0.100,0.100,1); #76=AXIS2_PLACEMENT_3D('PLACEMENT CONE',#77,$,$); #77=CARTESIAN_POINT('CONE: LOCATION',(0.000,0.000,160.000)); #78=AXIS2_PLACEMENT_3D('PLACEMENT CYLINDER',#79,$,$); #79=CARTESIAN_POINT('CYLINDER: LOCATION',(0.000,0.000,110.000)); #80=DIRECTION('END FACE: FRONT',(0.000,0.000,-1.000)); #81=DIRECTION('STEPOVER DIRECTION FOR CONTOUR',(1.,0.,0.)); #82=DIRECTION('FACING DIRECTION',(-1.000,0.000,0.000)); #83=TOLERANCED_LENGTH_MEASURE(40.000,#90); #89=PLUS_MINUS_VALUE(0.000,0.200,1); #91=LINEAR_PROFILE($,#92); #92=NUMERIC_PARAMETER('LINEAR PROFILE LENGTH',20.000,'mm'); #93=TOLERANCED_LENGTH_MEASURE(50.000,#94); #94=PLUS_MINUS_VALUE(0.100,0.100,1); #95=DIAMETER_TAPER(#96); #96=TOLERANCED_LENGTH_MEASURE(80.000,#97); #97=PLUS_MINUS_VALUE(0.100,0.100,1); /* ****************************************************** */ /* ***** Tools ***** */ #100=TURNING_MACHINE_TOOL('ROUGHING TOOL',#101,(#102),$,$,$); #101=GENERAL_TURNING_TOOL(#103,.LEFT.,$,$,$,$); #102=CUTTING_COMPONENT(50.,#104,$,$,$); #103=TURNING_TOOL_DIMENSION($,$,$,25.000,$,25.000,$,0.300,$); #104=MATERIAL('T15K6','CEMENT CARBIDE',(#105)); #105=NUMERIC_PARAMETER('ELASTIC MODULUS',3.E11,'pa'); ENDSEC; END-ISO-10303-21; Trang 79 PHỤ LỤC Bảng 1: Trị số hệ số số mũ cơng thức tính tốc độ cắt tiện [4] Trang 80 Bảng (tt) Trang 81 Bảng 2: Hệ số hiệu chuẩn K m ảnh hưởng tính chất học vật liệu gia V công đến tốc độ cắt [4] Bảng 3: Hệ số Cm số mũ nv cơng thức tính K m [4] V Trang 82 Bảng 4: Hệ số K n chất lượng phôi đến tốc độ cắt [4] V Bảng 5: Hệ số K u vật liệu phần cắt dụng cụ ảnh hưởng đến tốc độ cắt [4] V Trang 83 Bảng 6: Các hệ số thông số dao ảnh hưởng đến tốc độ cắt [4] Bảng 7: Hệ số C số mũ lực cắt tiện [2] Bảng 8: Hệ số Km lực cắt có tính đến ảnh hưởng vật liệu gia công [2] Trang 84 Bảng 9: Số mũ np để tính hệ số Km [2] Trang 85 Bảng 10: Các hệ số để tính lực cắt phụ thuộc vào thơng số hình học dao[2] Trang 86 PHỤ LỤC Thuyết minh máy tiện CHATLES Trang 87 ... cơng, tối ưu hóa tuổi bền dao, tối ưu hóa lượng chạy dao, … chưa có nghiên cứu tối ưu hóa dựa STEP- NC Qua cơng trình nghiên cứu phân tích cho thấy tối ưu hóa chế độ cắt dựa STEP- NC theo tuổi bền dao. .. thiết Trên giới, tối ưu hóa chế độ cắt theo tuổi bền dao nghiên cứu nhiều tuổi bền dao nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến suất giá thành sản phẩm Tuy nhiên, tối ưu hóa chế độ cắt theo tuổi bền dao dựa. .. cách tối ưu hóa chế độ cắt 18 2.6.1 Tối ưu hóa lượng chạy dao dựa lực cắt 18 2.6.2 Tối ưu hóa dựa tuổi bền dao 20 2.6.3 Tối ưu hóa dựa khối lượng 21 2.6.4 Tối ưu hóa dựa