B. Nội dung chính
2.5. Xếp hình sản phẩm trên tấm (tối −u hoá quá trình cắt)
2.5.1. Chỉ tiêu kinh tế của việc xếp hình
Trong công nghệ tạo hình tấm, chi phí về nguyên vật liệu của chi tiết
th−ờng chiếm khoảng (50 ữ70)% giá thành của sản phẩm. Vì vậy ph−ơng
pháp hiệu quả nhất để giảm giá thành sản phẩm là sử dụng kim loại sao cho
tiết kiệm nhất, giảm phế liệu đến mức thấp nhất. Nếu giảm đ−ợc 1% khối
l−ợng phế liệu thì giá thành sản phẩm có thể giảm (0,4 ữ0,5)% do đó vấn đề xếp hình sản phẩm sao cho tối −u luôn luôn đ−ợc đặt ra với mọi chi tiết dập.
Xếp hình sản phẩm chính là sự xắp xếp các chi tiết phôi trên tấm, trên dải hoặc băng sao cho có hiệu quả nhất. Hệ số sử dụng vật liệu KS là tỷ số giữa khối l−ợng của chi tiết và định mức tiêu hao vật liệu khi chế tạo nó.
Hệ số xếp hình KX bằng tỷ số giữa khối l−ợng các chi tiết nhận đ−ợc từ một phôi (tấm, dải) với khối l−ợng của phôi ban đầu.
Nếu coi chiều dày của chi tiết dập từ tấm không thay đổi và bằng chiều dày của phôi tấm thì hệ số sử dụng vật liệu KS có thể coi nh− là tỷ số giữa diện tích tất cả các chi tiết đ−ợc dập ra từ phôi tấm n.f với diện tích của tấm phôi B
x L: KS = n.f/(B.L) (2.18); trong đó:
- f: diện tích của một chi tiết; - n: số chi tiết cắt đ−ợc trên tấm, - B và L: chiều rộng và chiều dài của tấm.
Nếu trong chi tiết có các lỗ đột thì diện tích chi tiết khi đó sẽ bằng (f - flỗ)
KS = ( ) L B f f n lo ì − .
(2.19); trong đó:- f: Diện tích chi tiết theo đ−ờng bao ngoài; - flỗ: tổngdiện tích của tất cả các lỗ.
T−ơng tự nh− vậy chúng ta có hệ số xếp hình chính là tỷ số giữa diện tích của tất cả các chi tiết (tính theo đ−ờng bao ngoài của chi tiết kể cả diện tích lỗ) với diện tích của phôi tấm: KX = n.f/B.L. Nh− vậy có thể dễ dàng thấy rằng khi chi tiết không có lỗ nghĩa là flỗ=0 chúng ta có: KS = KX = n.f/(B.L)
Nếu hệ số xếp hình KX phụ thuộc vào hình dạng đ−ờng bao ngoài của chi tiết và sự bố trí chúng trên tấm, thì hệ số sử dụng vật liệu KS ngoài những yếu tố trên còn phụ thuộc vào sự có mặt của cáclỗ trong chi tiết.
Hệ số sử dụng kim loại là chỉ tiêu chính để đánh giá một ph−ơng án sử
dụng kim loại có hiệu quả hay không cũng nh− sự đánh giá tính công nghệ
của chi tiết dập. Nếu hệ số sử dụng kim loại càng lớn thì tính kinh tế của ph−ơng án xếp hình và tính công nghệ của chi tiết dập càng cao.
2.5.2. Các dạng xếp hình vật liệu và lĩnh vực sử dụng
Ng−ời ta chia các dạng xếp hình vật liệu thành 3 loại tuỳ theo mức độ phế liệu nhiều hay ít: Xếp hình có phế liệu; Xếp hình ít phế liệu; Xếp hình không có phế liệu.
Khi xếp hình có phế liệu chi tiết hoặc phôi th−ờng đ−ợc cắt theo đ−ờng bao kín. Khi đó giữa các chi tiết và giữa chi tiết với mép dải hoặc tấm đều có mạch nối ( hình 2.16a) việc xếp hình có phế liệu theo toàn bộ đ−ờng bao chi tiết th−ờng đ−ợc sử dụng khi dập các chi tiết có biên dạng ngoài phần lớn là đ−ờng cong và yêu cầu có độ chính xác cao.
Mạch nối cũng đ−ợc chia thành 2 loại: mạch nối giữa các chi tiết a1 và mạch nối bên là khoảng cách giữa mép chi tiết với mép phôi tấm hoặc dải, a. Trị số của mạch nối bên a tuỳ thuộc vào hình dạng của chi tiết và chiều dày vật liệu, trị số này th−ờng lớn hơn (1,15 ữ 1,3) lần so với trị số mạch nối giữa các chi tiết a1: a = (1,15 ữ1,3)a1. Sở dĩ nh− vậy là để đề phòng sai lệch kích th−ớc của dải về chiều rộng và khả năng cạnh bên cuả tấm không thẳng. Trị số
của mạch nối ảnh h−ởng đến hệ số sử dụng vật liệu: KS, độ chính xác kích
th−ớc của chi tiết cắt và độ bền của chày, cối. Nếu trị số mạch nối càng lớn thì hệ số KS càng nhỏ và do đó phế liệu sẽ càng nhiều. Nh−ng trị số mạch nối cũng phải đủ lớn để đảm bảo độ cứng vững, nếu trị số mạch nối quá nhỏ, độ cứng vững của chúng không đảm bảo, bị mất ổn định và có thể bị kẹt trong khe hở giữa chày và cối do đó làm giảm độ bền của chày cối và cũng có thể
dẫn đến phá hủy chày cối. Ngoài ra độ cứng vững của mạch nối không đảm
bảo sẽ làm giảm độ chính xác của b−ớc dập do nó bị uốn đàn hồi khi chạm
vào cữ dập, nếu sử dụng các cơ cấu cấp phôi tự động hoặc cấp phôi bằng tay. Trị số mạch nối phụ thuộc vào chiều dày vật liệu và cơ tính của nó, độ dài phần cạnh thẳng của chi tiết, phụ thuộc vào kết cấu khuôn, phụ thuộc vào cơ
cấu cấp phôi tự động và một số yếu tố khác (trị số mạch nối đ−ợc xác định
theo các sổ tay). Tuỳ theo các yếu tố ảnh h−ởng, trị số mạch nối có thể thay đổi từ (1ữ3,2) mm với S < 4mm và từ (2,5 ữ 6,5) mm với S = (4 ữ10)mm.
Xếp hình ít phế liệu th−ờng không có mạch nối bên (a = 0) khi đó chiều
rộng của dải bằng chiều rộng của chi tiết dập. Xếp hình ít phế liệu th−ờng
đ−ợc sử dụng khi dập các má xích của băng tải (hình 2.16.b) và một số chi tiết khác. Hệ số sử dụng vật liệu KS cao hơn so với xếp hình có phế liệu.
Xếp hình không có phế liệu đ−ợc sử dụng khi dập các chi tiết mà đ−ờng bao của nó có thể tiếp xúc nhau hoàn toàn giữa các chi tiết. Khi đó không có mạch nối nên hệ số KS = 1. Có thể xếp hình không có phế liệu đối với một loại chi tiết hoặc các chi tiết có hình dạng khác nhau trên cùng một dải phôi (hình 2.16.c).
Hình 2.16. Các dạng xếp hình
a.Xếp hình có phế liệu, b. Xếp hình ít phế liệu, c.Xếp hình không có phế liệu
Khi xếp hình ít phế liệu hoặc không có phế liệu th−ờng xảy ra hiện t−ợng
cắt theo đ−ờng bao ngoài không khép kín, điều đó th−ờng làm giảm độ bền
b)
của dụng cụ do xuất hiện mô men uốn và lực chặn không cân bằng khi cắt. Do vậy chày dập có thể bị biến dạng đàn hồi làm thay đổi trị số khe hở giữa chày và cối. Nếu trị số khe hở tăng lên lớn hơn trị số khe hở tối −u sẽ làm cho chi tiết bị ba via, còn khi trị số khe hở giảm sẽ làm tăng áp lực đơn vị lên mép làm việc của chày và cối, do đó chày cối sẽ bị cùn và mài mòn nhanh hơn.
Hình 2.17. Các dạng xếp hình cơ bản
Có 6 dạng cơ bản khi xếp hình trên dải, việc áp dụng các dạng xếp hình này tùy thuộc vào hình dạng và kích th−ớc của chi tiết dập, khi dập các chi tiết
có hình dáng hình học đơn giản có thể sử dụng ph−ơng pháp xếp hình thẳng
(hình 2.17.a) và một số chi tiết có hình dạng phức tạp khác nh− trên hình 2.17. Trong sản xuất hàng loạt lớn và hàng khối đối với các chi tiết không lớn ng−ời ta có thể xếp nhiều hàng. Khi dập các chi tiết nhỏ và rất mảnh thì ng−ời ta xếp hình để cắt phần mạch nối với mục đích tăng tiết diện ngang của chày, khi đó phế liệu kim loại sẽ tăng lên. Với mỗi chi tiết có thể có nhiều ph−ơng án xếp hình khác nhau, vì vậy khi lựa chọn ph−ơng án xếp hình trên dải cần xem xét,
cân nhắc các ph−ơng án để chọn ra ph−ơng án có lợi nhất sao cho nâng cao
độ chính xác yêu cầu của sản phẩm. Trong tr−ờng hợp không ảnh h−ởng đến tính năng sử dụng và tính thẩm mỹ của chi tiết có thể thay đổi hình dạng của chi tiết hoặc sửa đổi đ−ờng bao một phần để có thể xếp hình ít phế liệu hoặc không có phế liệu.
2.5.3. Chọn ph−ơng án xếp hình trên tấm
Việc lựa chọn một ph−ơng án xếp hình hợp lí nhất đ−ợc thực hiện bằng cách phân tích, tính toán hoặc bằng cách xếp hình trực tiếp trên tấm. Ph−ơng
pháp xếp hình trực tiếp đ−ợc sử dụng trong sản xuất loạt nhỏ với những chi
tiết có hình dạng phức tạp, khi đó khối l−ợng phế liệu sẽ là nhỏ nhất.
Khi xác định chiều rộng của dải phôi và b−ớc cấp phôi (b−ớc dập) cần tính đến trị số mạch nối bên và mạch nối dọc giữa các chi tiết.
Ph−ơng pháp lựa chọn ph−ơng án xếp hình theo phân tích tính toán
th−ờng chỉ đ−ợc áp dụng khi xác định các quan hệ giữa các thông số xếp hình và hệ số sử dụng vật liệu KS. Chúng ta có thể khảo sát một ph−ơng pháp xác định hệ số KS khi cắt một chi tiết hình tròn, đ−ợc xếp hình nhiều hàng với 2 ph−ơng án: xếp song song và xếp so le (hình 2.18).
Hình 2.18. Ph−ơng án xếp hình chi tiết tròn
Đầu tiên ta chọn ph−ơng án xếp và số hàng N trên dải, tuỳ thuộc vào
đ−ờng kính chi tiết và chiều dày của phôi, dải phôi phải đảm bảo sao cho công
bsong song bso le
nhân có thể thao tác dễ dàng trong suốt quá trình làm việc khi cấp phôi bằng tay. Sau đó cần xác định trị số mạch nối a và a1, dung sai chiều rộng của dải
∆d, khe hở Z giữa mép của dải với cạnh dẫn h−ớng của khuôn và l−ợng d− c
để cắt bằng dao cắt b−ớc bên. Sau khi tính toán và lựa chọn các thông số,
chúng ta có thể xác định đ−ợc chiều rộng của dải.
ắ Khi xếp song song và không sử dụng chặn bên:
bsong song = N.D + 2.a + (N - 1)a1 + 2.∆d + Z (2.20)
ắ Khi xếp so le không sử dụng chặn bên:
bso le = D + 2.a + 0,966.(N - 1)(D + a1) + 2.∆d + Z (2.21)
Khi dập có sử dụng chặn bên, thì có thể coi rằng khe hở Z=0 và khi đó chiều rộng của dải phôi đ−ợc xác định theo công thức(2.20) và (2.21) với Z=0.
Chiều rộng của dải phôi khi cắt các chi tiết tròn trong các khuôn có sử dụng dao cắt b−ớc bên để cắt bỏ phần chiều rộng d− thừa c dọc theo dải phôi, trong 2 tr−ờng hợp xếp song song và xếp so le là:
ắ Khi dao cắt b−ớc bên chỉ có ở một cạnh phôi:
bsong song = N.D + 2.a + (N - 1)a1 + c (2.22) bso le = D + 2.a + 0,866(N - 1)(D + a1) + c (2.23)
ắ Khi dao b−ớc bên ở hai phía:
bsong song = N.D + 2.a + (N - 1)a1 + 2c (2.24) bso le = D + 2.a + 0,866(N - 1)(D + a1) + 2c (2.25) Sau khi xác định đ−ợc chiều rộng của
dải chúng ta có thể xác định đ−ợc số dải trên tấm với 2 ph−ơng án xếp theo chiều dọc và chiều ngang của tấm (hình 2.19).
ắ Khi cắt dải theo chiều dọc tấm (chiều dài) ta có số dải: ndải (song song) = B/bsong song(2.26); ndải (so le) = B/bso le (2.27)
ắ Khi cắt theo chiều ngang tấm ta có:
ndải (song song) = L/bsong song (2.28); ndải (so le) = L/bso le (2.29)
Ph−ơng pháp xếp hình các dải trên tấm cũng giống nh− xếp hình trên dải, nó ảnh h−ởng đến hệ số sử dụng vật liệu KS. Khi cắt các tấm thành dải không chỉ chú ý đến tính kinh tế mà còn phải chú ý đến các yếu tố công nghệ cũng nh− năng suất lao động khi cắt trên máy cắt. Ph−ơng án xếp hình tốt hơn cả là tất cả các dải đ−ợc xếp theo chiều dọc tấm, khi đó năng suất cắt sẽ cao hơn so với khi xếp ngang tấm.
Tuy nhiên cắt dọc tấm không phải khi nào cũng là tốt nhất mà trong một số tr−ờng hợp th−ờng gây khó khăn cho quá trình dập do chiều dài của dải lớn, chiều dày phôi nhỏ, phôi th−ờng bị võng, khó đ−a phôi vào vùng làm việc hơn so với dải phôi ngắn. Ngoài ra đôi khi xếp theo chiều ngang tấm số chi tiết trên tấm nhiều hơn so với khi xếp dọc tấm, do đó phế liệu khi cắt tấm sẽ ít hơn. Cuối cùng chúng ta có thể xác định đ−ợc hệ số sử dụng vật liệu KS với các ph−ơng án xếp hình khác nhau:
ắ Khi xếp song song các chi tiết trên dải và các dải đ−ợc cắt dọc theo tấm, ta có số chi tiết trên dải (với a ≈ a1) là:
mL (song song) = N(L - a)/(D + a1) = N(L - a)/(D + a) (2.30)
ắ Khi cắt ngang tấm ta có:
mB (song song) = N(B - a)/(D + a1) = N(B - a)/(D + a) (2.31)
ắ Khi xếp so le, số chi tiết trên một dải sẽ là: mso le = N1.l1 + N2 l 2 (2.32)
trong đó:
- N1 và N2 t−ơng ứng là số hàng dọc theo dải có số chi tiết là lớn nhất và nhỏ nhất,
- l1 và l2 là số hàng theo chiều ngang của dải có số chi tiết là lớn nhất và nhỏ nhất. Có thể thấy rằng: N2=N1 - 1 do đó:mso le = N1.l1 + (N1 - 1)l 2 (2.32.a)
Chúng ta khảo sát hai loại xếp hình: khi l1 = l2 thì số hàng theo chiều ngang của dải l = l1 + l2 sẽ luôn luôn là một số chẵn, còn khi l2 = l1 - 1 thì số hàng theo chiều ngang của dải sẽ luôn luôn là một số lẻ.
Nếu thay l1 = l2 và l = l1 + l2 vào công thức (2.32.a) chúng ta sẽ có số chi tiết trên mỗi dải khi xếp so le và số hàng theo chiều ngang của dải là chẵn nh−
sau: mso le(chẵn) = 0,5.(2N1 - 1).l (2.33); Thay l2 = (l1 -1) và l = (l1 + l2) vào (2.32.a) ta có số chi tiết trên dải khi số hàng theo chiều ngang dải là lẻ nh−
sau: mso le (lẻ) = 0,5.[N1(l + 1) + (N1 - 1)(l - 1)] (2.34)
Trong các công thức (2.33) và (2.34), N1 đ−ợc xác định từ công thức (2.23)
với ∆d = 0, Z = 0 và a ≈ a1: N1 = ( ) ( ) (D a) , a D , a bsole + + − − 866 0 134 0 (2.35) Số hàng theo chiều ngang của dải l tuỳ thuộc vào ph−ơng án xếp hình trên
tấm, nếu cắt dải theo chiều ngang tấm ta có: 1
866 0 2 1 + + − − = ) a D ( , D a B l (2.36)
Nếu cắt dải theo chiều dọc tấm ta có: 1
866 0 2 1 + + − − = , ). a D ( D a L l (2.37)
trong đó: B và L là chiều rộng và chiều dài của tấm, giá trị mà ta tính toán đ−ợc sẽ chỉ là số nguyên khi B và L là bội số của b−ớc xếp hình (D + a1).
Nếu chúng ta biết đ−ợc số dải trên tấm nd và số chi tiết trên mỗi dải m, chúng ta có thể xác định đ−ợc số chi tiết trên tấm với các ph−ơng án xếp hình khác nhau: ntấm = ndải.m (2.38); Do đó hệ số sử dụng vật liệu KS đ−ợc xác định: KS = (0,875.D2.ntấm)/B.L (2.39)
Nh− vậy các tính toán ở trên đã cho thấy rằng: khi xếp so le sẽ có lợi hơn (kinh tế hơn) so với khi xếp song song và khi xếp so le hiệu quả sẽ càng cao khi số hàng càng nhiều
Việc xếp hình nhiều hàng sẽ đ−ợc sử dụng có hiệu quả khi dập các chi tiết tròn có đ−ờng kính t−ơng đối nhỏ D = (100 ữ120)mm với số hàng N≥ 10 khi D ≤ 10 mm và N = (1 ữ 2) khi D >120 mm. Với số hàng tăng lên chiều rộng của dải tăng và khối l−ợng của dải sẽ lớn (nặng), do đó công nhân thao tác sẽ khó khăn hơn do phải tổn hao sức lao động nhiều. Trong tr−ờng hợp này cần cơ khí hoá quá trình cấp phôi. Việc dập trực tiếp từ tấm mà không cắt thành dải sẽ có hiệu quả lớn hơn khi dập từ phôi dải hoặc phôi băng.
2.5.4. Tối −u hoá việc xếp hình sản phẩm nhờ máy tính
Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, việc tối −u hoá quá trình xếp hình vật liệu đã đ−ợc thực hiện nhờ máy tính. Điều đó cho phép rút ngắn thời gian khảo sát nhiều ph−ơng án khác nhau và chọn ra ph−ơng án tối −u.
Việc tính toán các thông số xếp hình xẽ đ−ợc máy tính thực hiện một
cách tuần tự đối với mỗi loại kích th−ớc khác nhau của tấm. Ph−ơng án xếp hình tôt nhất sẽ đ−ợc xác định và sẽ cho ta kết quả số phôi lớn nhất trong tấm khi xếp hình nghiêng, hệ sô KS và góc nghiêng α của dải.
Khi xếp hình chi tiết (phôi) có hình dạng chữ nhật trên tấm có thể có 3 dạng chính: xếp dọc tấm, xếp ngang tấm và xếp hỗn hợp. Sau khi cắt tấm thành dải, chúng ta xẽ bố trí phôi trên dải. Với kích th−ớc của phôi không đổi, chúng ta cho các thông số thay đổi nh−: kích th−ớc tấm, kiểu xếp hình phôi trên dải và kiểu xếp dải trên tấm. Với kiểu xếp hình dải trên tấm theo chiều