Để đánh giá và so sánh đ−ợc hiệu qủa của các ph−ơng pháp gia công ng−ời ta xây dựng các đại l−ợng đặc tr−ng cho quá trình cắt nh− sau :
- Nhu cầu năng l−ợng riệng. - Năng suất cắt.
- Giá thành gia cộng.
Các đại l−ợng đặc tr−ng này đ−ợc tính toán xuất phát từ các thông số động học và hình học của quá trình tạo phoi.
1.3.3. Các đại l−ợng đặc tr−ng về chi phí gia công cho quá trình cắt Để đánh giá tính kinh tế của quá trình cắt ng−ời ta sử dụng đại l−ợng chi phí về giá thành gia công và thời gian gia công. Đây là hai đại l−ợng biến đổi phụ thuộc vào các thông số công nghệ của quá trình cắt.
- Giá thành gia công K đ−ơc xác định nh−sau:
K = KML. τo + Kd.
T
c
τ
Trong đó :
+ KML- Là hệ số khấu hao máy và chi phí l−ơng cho ng−ời công nhân đứng máy trong 1 đơn vị thời gian ( đồng/ giờ, đồng/ phút ).
+ τo- là thời gian cơ bản;
+ τc- là thời gian cắt ( thời gian l−ỡi cắt trực tiếp tiếp xúc với phôi); + Kd-là chi phí liên quan đến 1 lần thay dao ( đồng/lần thay dao ); + τc/T- là số lần thay dao;
+ T- là tuổi bền của dụng cụ cắt;
Chi phí về thời gian gia công τ đ−ợc xác định nh− sau :
K = τo + tthd. T c τ (1-2) Trong đó :
+ tthd - là chi phí về thời gian cho 1 lần thay dao. +
T
c
τ
- là số lần thay dao.
1.3.4. Cơ sở kinh tế – kĩ thuật của tối −u hoá quá trình gia công cắt gọt
Để điều khiển đ−ợc quá trình gia công một cách kinh tế nhất trên cơ sở đảm bảo đ−ợc độ chính xác yêu cầu cần phải xây dựng đ−ợc các mô hình của các đại l−ợng đặc tr−ng xuất hiện trong và sau quá trình cắt. Mô hình lực tạo phoi và mô hình mài mòn dụng cụ cắt là hai mô hình quan trọng nhất trong các mô hình đó. Dựa trên mô hình lực tạo phoi ng−ời ta xác định đ−ợc yêu cầu về năng l−ợng và tính chất biến dạng của hệ thống công nghê. Dựa trên mô hình mài mòn sẽ xác định đ−ợc tuổi bền của dụng cụ, từ đó xác định đ−ợc các thông số công nghệ hợp lí trong quá trình gia công.
Thông th−ờng ta sử dụng hai ph−ơng pháp sau đây để xây dựng các mô hình d−ới dạng các biểu thức giải tích :
- Ph−ơng pháp thứ nhất : Dựa trên các tiên đề rồi dùng ph−ơng pháp diễn giải để mô tả cơ chế tác động cơ lí của quá trình tạo phoi, từ đó rút ra các biểu thức giải tích mô tả các đại l−ợng xuất hiện trong và sau quá trình cắt. Khi sử dụng ph−ơng pháp này ng−ời ta phải đơn giản hoá các điều kiện biên của bài toán, ví dụ phải giả thiết rằng vật liệu luôn đồng nhất và dẳng h−ớng, do đó độ chính xác của mô hình đạt đ−ợc thấp.
- Ph−ơng pháp thứ hai : Nghiên cứu bằng thực nghiệm dựa trên cơ sở lí thuyết qui hoạch thực nghiệm kết hợp với sử lí số liệu theo ph−ơng pháp thống kê để rút ra các mô hình. Nh−ợc điểm của ph−ơng pháp này là mô hình không mang tính tổng quát mà chỉ có giá trị t−ơng ứng với các điều kiện công nghệ cụ thể nh−ng lại có −u điểm là đạt đ−ợc độ chính xác cao và dễ áp dụng vào thực tiễn sản xuất. Đặc biệt, do sự tiến bộ của công nghệ đo l−ờng và công nghệ thông tin, thời gian thí nghiệm và sử lí số liệu rút ngắn đáng kể, vì vậy ph−ơng pháp này vừa đảm bảo tính kinh tế trong quá trình nghiên cứu vừa đạt đ−ợc độ chình xác cao và dễ triển khai áp dụng vào sản xuất. Do đó, hiện nay ph−ơng pháp này chẳng những đ−ợc sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu công nghệ cắt gọt mà còn đ−ợc sử dụng rộng rãi cho việc nghiên cứu trong các lĩnh vực khác.
Mô hình lực cắt và quá trình mài mòn – tuổi bền của dụng cụ cắt đ−ợc thiết lập dựa trên bản chất vật lý của quá trình cắt cũng nh− dựa trên các tính chất đặc tr−ng của từng nguyên công.
Ch−ơng 2
HÀM CHI PHÍ GIA CễNG KHI TIỆN
2.1. xây dựng hàm tuổi T của dụng cụ cắt khi tiện 2.1.1. Các dạng mòn của dụng cụ cắt
Quá trình mòn của dụng cụ cắt diễn ra rất phức tạp. Theo Vieregge quá trình mòn của dụng cụ là sự kết hợp của 4 loại mòn khác nhau (hình 2.1), đó là : - Mòn do khuếch tán.
- Mòn do cào x−ớc.
- Mòn do kim loại bị ô xi hoá ở t0≥ 8000
- Mòn do dính bám dẫn tới hiện t−ợng tróc lớp bề mặt.
a- Mòn do khuếch tán; b- Mòn do cào x−ớc; c- Mòn do ô xi hoá ở t0≥ 8000. d- Mòn do dính bám dẫn tới hiện t−ợng tróc lớp bề mặt.
Do ma sát giữa phoi và mặt tr−ớc mà mặt tr−ớc bị mòn lõm xuống. Nơi mòn mạnh nhất nằm cách l−ỡi cắt một khoảng a (hinh 2.2). Vết mòn lõm ở mặt tr−ớc làm cho điều kiện cắt bị thay đổi.
a- Khoảng cách từ tâm lõm mòn tới l−ỡi cắt; h- Chiều sâu lõm mòn;
B- Chiêu cao trung bình của vết mòn ở mặt sau; Bmax- Chiều cao lớn nhất của vết mòn ở mặt sau; Be- Chiều cao vết mòn mặt sau tại mũi dao. L−ợng mòn mặt sau B của dao đựơc xác định nh− sau :
2 1 C C B= τ (2-1) Trong đó : - τ là thời gian cắt; - C1 là hệ số : 3 4 5 0 1 C C S t V C C C . . . = (2-2)
Với C0, C3, C4, C5 là các hệ số và số mũ phụ thuộc vào các điều kiện gia công cụ thể và đ−ợc xác định bằng thực nghiệm.
Chiều cao vết mòn mặt sau B của dụng cụ cắt (hình 2.3) đ−ợc dùng làm chỉ tiêu đánh giá quá trình mòn.
Quá ttình mòn phụ thuộc chủ yếu vào thời gian cắt τ và tốc độ cắt v (hình 2.4) B 2 3 C C C V V V T T 1 T3 2 1
(Thí nghiệm ứng với vật liệu gia công, vật liệu dụng cụ cắt, góc độ dụng cụ cắt, chiều sâu cắt và b−ớc tiến cắt cố định).
Hình 2.3. Sơ đồ mòn mặt sau dao tiện.
Hình 2.4. Sự phụ thuộc của l−ợng mòn dao vào thời gian cắt và tốc độ cắt.
Thời gian cắt Lượng mũn B
2.1.2. Tuổi bền T phụ thuộc vào tốc độ cắt V và b−ớc tiến S
Nghiên cứu bằng thực nghiệm cho thấy :
2 1 A v A T = . (2-3) 4 3 2 A A S v A T = . . (2-4) 2 4 6 5 A A A S t v A T = . . . (2-5) Trong đó : + A1, A3, A5 là các hệ số + A2, A4, A 6 là các số mũ
các hệ số và số mũ phụ thuộc vào các điều kiện gia công cụ thể và đ−ợc xác định bằng thực nghiệm. Khi cắt kim loại luôn luôn có :
A1, A3, A5 > 0 A2, A4, A6 < 0 A2 > A4 > A6
Biểu thức (2.3) cho thấy tốc độ cắt có ảnh h−ởng mạnh nhất tới tuổi bền T (hình 2.5). V α V 1 V2 V3 T3 T2 1 T log V log T CT Cv
Biểu thức (2.5) phản ánh đầy đủ ảnh h−ởng của b−ớc tiến dao và chiều sâu cắt tới tuổi bền của dụng cụ. Tuy nhiên số mũ A6 th−ờng rất nhỏ (A6≈0) do đó
1
6 ≈ A
t cho nên khi tính toán ng−ời ta bỏ qua ảnh h−ởng của chiều sâu cắt tới tuổi bền của dao và th−ờng lấy T theo biểu thức (2-4).
Hệ số A3 đ−ợc biểu diễn nh− sau :
A3 = A3o.A31.A32 A3PP (2-6) Trong đó A3i là các hệ số xét đến ảnh h−ởng của các yếu tố đặc tr−ng cho các điều kiện cắt cụ thể tới tuổi bền T, ở đây đặc biệt chú ý tới ảnh h−ởng của cặp vật liệu gia công – vật liệu dụng cụ cắt.
A3PP là hệ số đặc tr−ng cho ảnh h−ởng của ph−ơng pháp gia công tới tuổi bền T và đ−ợc xác định bằng thực nghiệm.
Biểu thức (2-4) có dạng hàm số mũ và ph−ơng trình tính gần đúng của tuổi bền đ−ợc xác định bằng thực nghệm. Mặt khác từ kết quả thực nghiệm cho ở hình 2.5 ta thấy trong hệ toạ độ logarit quan hệ giữa tuổi bền T và vận tốc cắt VC là quan hệ đ−ờng thẳng.
Từ thực nghiệm ng−ời ta xây d−ng đ−ợc nối quan hệ giải tuổi bền T và vận tốc cắt V nh− sau :
T= Cv.VK (2-7) V= CT.T1/K (2-8) Trong đó :
+ K= - tgα (2-9) Với α là góc nghiêng của đồ thị thực nghiệm cho ở (hình 2. 5)
+ Cv= - K
T
C
Các mô hình (2-7), (2-8) đúng với tuổi bền T trong khoảng : Tmin = 15 phút < T < Tmax = 450 phút
Các hệ số Cv, CT và số mũ k t−ơng ứng với mỗi cặp liệu gia công – vật liệu dụng cắt. Sự phối hợp của cặp vật liệu gia công – vật liệu dụng cụ cắt có ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc sử dụng mô hình mài mòn khi tiến hành tối −u hoá quá trình cắt gọt.
Việc xác định các hệ số và số mũ đó bằng thực nhiệm đòi hỏi chi phí về nghiên cứu rất lớn. Do đó ng−ời ta chỉ nghiên cứu xác định các hệ số và số mũ của mô hình tuổi bền t−ơng ứng với từng nhóm vật liệu gia công dụng cụ cắt th−ờng gặp trong thực tế. Các kết quả nghiên cứu cho trong bảng 2-1.
Log T
Tmax
Tmin
Hình 2.6. Phạm vi sử dụng của mô hình tuổi bền T= Cv.vk Log V
Bảng 2-1. Hệ số và số mũ của mô hình tuổi bền T = Cv.v1C/k
t−ơng ứng với các cặp vật liệu gia công – vật liệu phôi khác nhau (Khi hiệu vật liệu lấy theo tiêu chuẩn của CHLB Đức).
Hợp kim cứng không phủ Hợp kim cứng không phủ Hợp kim sứ oxid (thép) gốm sứ nitrit(gang) Vật liệu gia công
CT m/ph K CT m/ph K CT m/ph K St 50-2 299 -385 385 -4,55 1210 -2,27 St 70-2 226 -4,55 306 -5,26 1040 -2,27 Ck 45N 299 -3,85 385 -4,55 1210 -2,27 16MnCrS5BG 478 -3,13 588 -3,57 1780 -2,13 20MnCr5BG 478 -3,13 588 -3,57 1780 -2,13 42CrMoS4V 177 -5,26 234 -6,25 830 -2,44 X155CrVMo121G 110 -7,67 163 -8,33 570 -2,63 X40CrMoV51G 177 -5,26 234 -6,25 830 -2,44 GG-30 97 -6,25 184 -6,25 2120 -2,5 GG-40 53 -10,0 102 -10,0 1257 -2,78
Mô hình mài mòn – tuổi bền có thể đ−ợc mở rộng bằng cách t−ơng tự thông qua việc xét đến ảnh h−ởng của các thông số của chế độ cắt. Kết quả nghiên cứu mở rộng đối với tiện cho ở hình 2.7.
Từ hình 2.7 ta có :
Khi chều sâu cắt t và b−ớc tiến S là hằng số :
-tg∝T=G=1/k Log v Log T T ∝ a) Log v Log T -tg∝s= E S ∝ b) Log v -tg∝t=F t ∝
Hình 2.7. Mô hình mài mòn – tuổi bền mở rông.
Khi l−ợng mòn dao B = [ ]B (l−ợng mòn dao cho phép) thì τ=T (tuổi bền của dao).
Ng−ời ta cũng có thể biểu diễu tuổi bền T d−ới các dạng sau : - Khi chiều sâu cắt t = hằng số :
VC = CT,S . TG . SE.
- Mô hình tuổi bền mài mòn tổng quát :
VC = CT,S,t . TG . SE. tF.
Ảnh h−ởng khác nhau của các thông số cắt đến mô hình mài mòn – tuổi bền đ−ợc biểu thị qua các số mũ :
G = - 1,15.... – 0,35 E = - 0,2.... – 0,5 F = - 0,1.... – 0,15
T− đó rút ra nguyên tắc quan trọng trong việc lựa chọn chế độ cắt khi tiện nh− sau :
- Chọn chiều sâu cắt t = tmax - Chọn b−ớc tiến cắt S = Smax
- Tốc độ cắt phụ thuộc vào tuổi bền cho tr−ớc T khi t = tmax và S = Smax.
2.2. Chỉ tiêu tối −u khi tiên
Hàm mục tiêu biểu diễn mối quan hệ giữa các chi tiêu tối −u với các thông số công nghệ cần tối −u. Về nguyên tắc, mục tiêu kinh tế, mà tr−ớc hết là chi phí gia công và thời gian gia công chính là các chỉ tiêu cần tối −u.
Các chỉ tiêu tối −u có thể là :
Giá thành 1 chi thiết Nhỏ nhất. Thời gian gia công 1 chi tiết Nhỏ nhất. Sự tổ hợp giữa giá thành và thời gian Nhỏ nhất.
Số l−ợng chi tiết trong 1 đơn vị thời gian lớn nhất. Lợi nhuận. lớn nhất.
Hàm mục tiêu biểu diễn mối quan hệ giữa các chỉ tiêu tối −u kể trên với các thông số công nghệ cần tối −u. L−u ý rằng chúng ta đang đi tìm điểm xảy ra cực trị của bài toán ( điểm ứng với bộ thông số công nghệ tối −u ). Do đó hàm mục tiêu chỉ bao gồm các thành phần biến đổi phụ thuộc vào các thông số công nghệ cần tối −u.
Chỉ tiêu giá thành hoặc thời gian gia công một chi tiết có ý nghĩa rất quan trọng trong quá trình giải bài toán xác định chế độ cắt tối −u. Vì giá thành liên quan trực tiếp đến thời gian gia công nên cả hai chỉ tiêu tối −u này sẽ cùng đ−ợc phân tích.
2.2.1. Chỉ tiêu kỹ thuật về thời gian
Chỉ tiêu kỹ thuật về thời gian bao gồm :
- Thời gian cơ bản τ0 là thời gian cần thiết để biến đổi phôi thành chi tiết có hình dạng, kích th−ớc theo yêu cần. Thời gian cơ bản τ0 do máy thực hiện và đ−ợc xác định dựa trên sơ đồ gia công cụ thể.
- Thời gian phụ τP bao gồm :
+ Thời gian phụ của máy τ0m dùng điều chỉnh máy cắt đúng chiều sâu cắt t sau mỗi l−ợt cắt.
+ Thời gian phụ của dao τPd là thời gian chi phí cho 1 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 ∑τPd đ−ợc tính bằng tích số của lần thay dao với chi phí về thời gian cho 1 lần thay dao :
∑τPd= T n i ci ∑τ Pd τ (2-9)
Trong đó :
−
τci là thời gian dao trực tiếp tiếp xúc với chi tiết ở lần cắt thứ i hay thời gian dao di chuyển đoạn đừơng bằng lPhôi (hình 2.1).
T n i ci ∑τ
- biểu thị số lần thay dao.
τPd - là thời gian chi phí cho 1 lần thay dao.
Tổng thời gian cơ bản τ0 và thời gian phụ τP tạo thành thời gian nguyên công:
τnc= τ0+τP (2.10)
Hình 2.8. Sơ đồ cắt khi tiện.
- Thời gian phục vụ τpv và thời gian nghỉ ngơi tự nhiên τtnh th−ờng lấy
theo % thời gian nguyên công. Hai thành phần này ảnh h−ởng rất ít tới kết quả của bài toán tối −u nên cho phép bỏ qua.
- Thời gian chuẩn bị và kết thúc nguyên công cũng nh− thời gian gá đặt chi tiết không ảnh h−ởng tới bài toán tối −u hoá chế độ cắt nên ta không xét đến. Vậy chỉ tiêu kỹ thuật về thời gian τ có dạng :
pd m ci pmi m i omi T τ τ + τ + τ = τ ∑ ∑ = 1 1 ) ( (2-11)
Trong đó : m- là số lần cắt;
τomi - là thời cơ bản của máy ở lần cắt thứ i
τpmi- thời gian phụ của máy ở lần cắt thứ i để điều chỉnh máy cắt đúng chiều sâu cắt.
2.2.2. Chỉ tiêu kỹ thuật về chi phí gia công
Chỉ phí gia công t−ơng ứng với các thành phần thời gian gia công cho ở biểu thức (2-11) có thể phân thành 2 phần :
- Phần chi phí cho chỗ làm việc trong 1 đơn vị thời gian, kí hiệu Kclv(đồng/phút, đồng/giờ), bao gồm :
+ Chi phí khấu hao máy trong 1 đơn vị thời gian KM (đồng/phút, đồng/giờ).