M Ở ĐẦU
4.3.3.4 Tối ưu hóa đa mục tiêu
Trong chương 3 đã xây dựng được mô hình toán học quan hệlượng mòn mặt sau của dao (∆Hs) với chế độ cắt và thời gian gia công khác nhau khi phay khô và phay ướt. Và mô hình toán học quan hệđộ nhám bề mặt và chếđộ cắt. Hàm mục tiêu mô hình tối ưu hóa chế độ cắt tại các thời điểm khác nhau trong quá trình gia công đảm bảo hàm thích nghi nhỏ nhất với hai mục tiêu là độ nhám (Ra) và lượng mòn
Vấn đề tối ưu hóa đã được giải quyết bằng nhiều phương pháp khác nhau. Tuy vậy, trong công nghệ chế tạo máy đặt ra khi gia công mức độ yêu cầu đối với từng mục tiêu khác nhau tùy theo điều kiện công nghệ và chi tiết yêu cầu. Đối với gia công cao tốc vấn đề mòn dụng cụ cắt và chất lượng độ nhám bề mặt chi tiết gia công là hai trong nhiều mục tiêu được quan tâm. Trên cơ sở sự cần thiết giải bài toán đa mục tiêu hàm thích nghi nhỏ nhất với hai mục tiêu là độnhám và lượng mòn dao.
Theo tác giả Abimbola M. Jubril [70] phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu bằng phương pháp trọng số. Minx∈X f(x) = [f1(x), f2(x), . . , fp(x)] (4.24) S.t. X = {x ∈Rn: g(x) ≤0, h(x) = 0} Trong đó: X: điều kiện ràng buộc và miền giới hạn -x: Miền giới hạn bài toán - g(x) hàm ràng buộc bất phương trình - h(x) hàm ràng buộc phương trình
Hàm thích nghi cho các mục tiêu tối ưu với phương pháp trọng sốnhư sau:
∅(𝑥𝑥,𝑤𝑤) = � 𝑤𝑤𝑚𝑚.𝑓𝑓𝑚𝑚(𝑥𝑥) 𝑝𝑝 𝑚𝑚=1 Trong đó: - p là số mục tiêu của hàm thích nghi
- wilà trọng sốđánh giá mức độảnh hưởng của hàm fi(x) trong hàm thích nghi
� 𝑤𝑤𝑚𝑚= 1 𝑣𝑣à 𝑤𝑤𝑤𝑤> 0 𝑤𝑤 = 1 …𝑝𝑝. 𝑤𝑤𝑤𝑤= [0,1]
𝑝𝑝 𝑚𝑚=1
Đặt ra bài toán trong gia công hợp kim nhôm luôn mong muốn chất lượng độ nhám bề mặt tốt nhất (Ra nhỏ nhất) và lượng mòn nhỏ nhất (∆Hs nhỏ nhất). Hàm thích nghi cho bài toán tối ưu hóa là:
𝐴𝐴 =𝑊𝑊1.𝑅𝑅𝑎𝑎𝑅𝑅𝑎𝑎
0+ 𝑊𝑊2.∆𝐻𝐻𝐻𝐻∆𝐻𝐻𝐻𝐻
0 Nhỏ nhất (4.27)
Trong đó: W1 + W2=1 với Ra0, ∆Hs0 là giá trị giới hạn trên độ nhám và lượng mòn dao.
Điều kiện rằng buộc và miền giới hạn của bài toán tối ưu đa mục tiêu thêm vào điều kiện giới hạn độnhám và lượng mòn mặt sau của dao
� 𝑅𝑅𝑎𝑎 ≤[𝑅𝑅𝑎𝑎] =𝐺𝐺8
∆𝛥𝛥𝛥𝛥 ≤ [∆𝛥𝛥𝛥𝛥] =𝐺𝐺9 (4.28)
(4.25)
Nếu mức độưu tiên của các biến không giống nhau, trọng số của biến nào lớn hơn sẽ cho thấy biến đó quan trọng hơn. Tùy vào mục đích của bài toán, có thể yêu cầu đạt mức độ khác nhau tùy theo từng yêu cầu của bài toán công nghệ trọng sốw1
và w2 có thểđược chọn khác nhau.
Trong trường hợp cần ưu tiên độ nhám bề mặt cao thì chọn trọng sốđộ nhám lớn hơn trọng sốlượng mòn (∆Hs). Theo phương trình thích nghi chúng ta biết rằng nếu trọng số w1tăng thì giá trị của Ra giảm và giá trị của ∆Hs tăng. Giá trị của Ra
giảm một đơn vị và ∆Hs sẽtăng bao nhiêu vấn đề này cần phải phân tích trọng số của hàm thích nghi để tìm ra mức độảnh hưởng của từng mục tiêu đơn.
Theo tác giải Hua Zuo và Guoli Zhang [71] đưa ra phương pháp phân tích và đánh giá trọng số bằng giải pháp tối ưu hóa Pareto.
Giả sửw1 có giá trịw* và x* là nghiệm tối ưu cho hàm thích nghi ứng với giá trị trọng sốw*. Rồi sau đó tăng w1đến w** (w* < w**) khi đó giải bài toán tối ưu hóa hàm thích nghi với trọng sốw** có nghiệm là x**. Khi đó x* và x** là các giá trị cho giải pháp tối ưu hóa Pareto
∆𝑅𝑅𝑎𝑎
∆𝐻𝐻𝐻𝐻=∆𝐻𝐻𝐻𝐻𝑅𝑅𝑎𝑎((𝑚𝑚𝑚𝑚∗∗∗∗))−−𝑅𝑅𝑎𝑎∆𝐻𝐻𝐻𝐻(𝑚𝑚(∗𝑚𝑚)∗) (4.29)
Được gọi là phương pháp cân bằng trọng số từw* đến w**. Với sựthay đổi trọng số cho ra kết quả của độ nhám bề mặt RaU, RaK và lượng mòn dao ∆HsU, ∆HsK khi đó có thể xây dựng được đồ thị quan hệ giữa trọng số W1 và kết quảđộ nhám bề mặt RaU, RaK và lượng mòn dao ∆HsU, ∆HsK. Khi đó đánh giá mức độ một hàm mục tiêu đơn tăng thì hàm mục tiêu khác giảm tương ứng với từng giá trị trọng số. Từđồ thị giúp cho người kỹ thuật nhìn nhận, đánh giá và lựa chọn sự cải tiến mức độảnh hưởng của hàm mục tiêu đơn tương ứng với trọng số của từng mục tiêu đơn. Thường thì giá trị trọng sốw1thay đổi từ 0,05 ÷ 0,95.
Trong trường hợp này giả sử xét bài toán mức độ trọng số cần thiết của độ nhám và lượng mòn như nhau khi đó bài toán tự tối ưu có trọng sốw1=w2.
Khi đó ta có phương trình hàm thích nghi nhỏ nhất để tự tối ưu hóa chếđộ cắt theo sự thay thời gian trong quá trình gia công là:
𝐴𝐴= 0,5.𝑅𝑅𝑎𝑎𝑅𝑅𝑎𝑎
0+ 0,5.∆𝐻𝐻𝐻𝐻∆𝐻𝐻𝐻𝐻
0 (4.30)
Ứng dụng giải thuật di truyền (GA) có sẵn trong Optimzation tool của phần mềm Matlab để tối ưu hóa hàm mục tiêu thích nghi (A) nhỏ nhất.
Theo (Hình 4.20) trong mục Solver chọn phương pháp giải là: gamultiobj- Multiobjective Optimization using Genetic Algorithm (tối ưu hóa đa mục tiêu sử
Ví dụ: @objmul (chương trình lập trình phần phụ lục)
Kết quảđộ nhám bề mặt và lượng mòn dao tương ứng với mỗi lần chạy dao ra kết quả chếđộ cắt tối ưu như sau:
Sau thời gian gia công 90 phút.
Trong trường hợp xét bài toán mức độ trọng số cần thiết của độnhám và lượng mòn như nhau khi đó bài toán tự tối ưu có trọng sốw1=w2 cho thấy lượng mòn dao khi không sử dụng dung dịch trơn nguội có xu hướng tăng nhanh, độ nhám bề mặt chi tiết gia công tăng nhanh.
Bảng 4.10. Giá trị Ra và ∆Hs phay không có dung dịch trơn nguội sau 90 phút
TT V(m/phút) S(mm/phút) t(mm) Ra(µm) ∆Hs(µm)
Lần 1 188 800 1.5 0.33181 14.3671
Lần 2 188 800.003 1.5 0.33181 14.3672
Lần 3 188 800.002 1.5 0.33181 14.3672
Trung Bình 0.33181 14.367
Bảng 4.11. Giá trị Ra và ∆Hs phay có dung dịch trơn nguội sau 90 phút
TT V(m/phút) S(mm/phút) t(mm) Ra(µm) ∆Hs(µm)
Lần 1 188 800 1.5 0.3095 14.5417
Lần 2 188 800.003 1.5 0.3095 14.5417
Lần 3 188.005 799.98 1.5 0.30949 14.5415
Trung Bình 0.3095 14.542
Bảng 4.12. Giá trị Ra và ∆Hs phay không có dung dịch trơn nguội sau 180 phút
TT V(m/phút) S(mm/phút) t(mm) Ra(µm) ∆Hs(µm)
Lần 1 188 800 1.5 0.2422 22.3348
Lần 2 188 800 1.5 0.2422 22.3348
Lần 3 187.85 800.002 1.5 0.2422 22.3350
Trung Bình 0.2422 22.334
Bảng 4.13. Giá trị Ra và ∆Hs phay có dung dịch trơn nguội sau 180 phút
TT V(m/phút) S(mm/phút) t(mm) Ra(µm) ∆Hs(µm)
Lần 1 188 800 1.5 0.2537 24.1015
Lần 2 188 800 1.5 0.2537 24.1015
Lần 3 188.005 800.002 1.5 0.2537 24.1016
Bảng 4.14. Giá trị Ra và ∆Hs phay không có dung dịch trơn nguội sau 270 phút TT V(m/phút) S(mm/phút) t(mm) Ra(µm) ∆Hs(µm) Lần 1 188 800 1.5 1.4513 63.7759 Lần 2 188 800.052 1.499 1.4510 63.7698 Lần 3 188 800 1.5 1.4513 63.7759 Trung Bình 1.451 63.774
Bảng 4.15. Giá trị Ra và ∆Hs phay có dung dịch trơn nguội sau 270 phút
TT V(m/phút) S(mm/phút) t(mm) Ra(µm) ∆Hs(µm) Lần 1 188 800 1.5 0.9929 38.2729 Lần 2 188 800 1.5 0.9929 38.2729 Lần 3 188 800.032 1.5 0.9929 38.2733 Trung Bình 0.993 38.273 4.4 Kết luận chương 4
Chương 4 đã phân tích các thông số đầu ra của quá trình phay khô hợp kim nhôm A7075 và so sánh với các thông sốđầu ra khi phay ướt. Từđó đánh giá những ưu điểm, cơ sở để lựa chọn chếđộ cắt hợp lý khi gia công khô và gia công ướt. Mối quan hệ của các thông sốđầu ra cũng được phân tích, là cơ sở đểxác định điều kiện cắt phục vụ tối ưu hóa quá trình phay. Cuối cùng, các bài toán tối ưu hóa đơn mục tiêu và đa mục tiêu cũng được giải quyết. Các kết quảđạt được cụ thểnhư sau:
1. Sựthay đổi về lực cắt khi gia công ướt và gia công khô với các chếđộ công nghệ khác nhau trong các khoảng thời gian gia công khác nhau là không đáng kể. Như vậy, dung dịch trơn nguội không có tác dụng làm giảm lực cắt trong quá trình phay hợp kim nhôm A7075; Lực cắt ổn định và thay đổi không đáng kể trong khoảng thời gian 90 phút, 180 phút và 270 phút;
2. Độ nhám bề mặt khi phay khô có cao hơn so với khi phay ướt sau 90 phút gia công, độtăng cao nhất là 5,8% ở thí nghiệm số 1. Tuy nhiên mức tăng này là rất nhỏ và không làm thay đổi cấp độ nhám của bề mặt chi tiết gia công. Sau thời gian gia công 180 phút và 270 phút, độ nhám bề mặt khi gia công khô thấp hơn so với khi gia công ướt, độ giảm cao nhất là 9% ở thí nghiệm số 5. Kết quả so sanh sựthay đổi độ nhám theo thời gian gia công cho thấy, trong khoảng thời gian gia công từ 90 phút
3. Lượng mòn dao mặt sau khi gia công khô và gia công ướt thay đổi không đáng kể tại tất cả các thí nghiệm sau 90 phút và 180 phút gia công. Trong đó, tại thí nghiệm số7, lượng mòn khi gia công khô tăng nhiều nhất là 9% so với khi gia công ướt. Tuy nhiên mức chênh lệch này giảm chỉ còn 2,6% sau 270 phút gia công. Khi gia công khô, lượng mòn dao tăng mạnh sau 180 phút gia công;
4. Nếu nhà sản xuất lựa chọn tiêu chí bảo vệmôi trường và sức khỏe của người lao động thì nên chỉ sử dụng phương pháp gia công khô. Nếu nhà sản xuất lựa chọn tiêu chí giảm chi phí cho dụng cụ cắt thì nên sử dụng dung dịch trơn nguội sau 180 phút gia công.
5. Đã xây dựng được mô hình bài toán tối ưu hóa chếđộ cắt khi phay khô và phay ướt hợp kim nhôm A7075 với dụng cụ cắt dao phay ngón HSSCo8 có phủ TiN. Đã ứng dụng giải thuật di truyền (GA) đề giải bài toán tối ưu đơn mục tiêu và đa mục tiêu qua đó giúp nhà công nghệ tham khảo áp dụng trong sản xuất như sau:
Bộ thông số chếđộ cắt hợp lý
Mục tiêu là độ nhám bề mặt Mục tiêu là độ nhám bề mặt và lượng mòn dao S = 800mm/phút =0,02mm/rang T = 0,5mm V = 376 m/phút Ra = 0,256 (μm) ở 90 phút Ra = 0,162 (μm) ở 180 phút Ra = 0,9 (μm) ở 270 phút S = 800mm/phút =0,02mm/rang T = 0,5mm V = 376 m/phút Ra = 0,33(μm), ∆H=14.10(µm) ở 90 phút Ra = 0,162 (μm), ∆H=24.10(µm) ở 180 phút Ra = 0,9 (μm), ∆H=33,27(µm) ở 270 phút Từ thực nghiệm trong chương 4 đã cho thấy việc đề xuất vật liệu dụng cụ cắt hợp kim nhôm A7075 là phù hợp.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
KẾT LUẬN
Luận án nghiên cứu anh hưởng của dung dich trơn nguội và các thông số công nghệảnh hưởng đến các thông sốđầu ra như lực cắt, độ nhám bề mặt và lượng mòn dao khi phay nhôm hợp kim A7075 đã đạt được một số kết quả mới như sau:
1. Đã phân tích, tổng hợp và làm rõ được cơ sở lý thuyết động lực học gia công nhôm hợp kim A7075 khi phay có dung dich trơn nguội và không có dung dịch trơn nguội
2. Từcác điều kiên trang thiết bị trong nước nghiên cứu cũng xây dựng sơ đồ thực nghiệmvà hệ thống thiết bị đo khoa học. Xây dựng các công thức hồi quy thực nghiệm biểu diễn mối quan hệ các thông số công nghệđến: lực cắt, độ nhám bề mặt và lượng mòn dụng dao trong quá trình phay khô và phay ướt hợp kim nhôm A7075 ở ba khoảng thời gian gia công là 90 phút, 180 phút và 270 phút:
Phương trình mối quan hệ giữa các thông số chếđộ cắt và lực tai các khoảng thời gian 90 phút, 180 phút, và 270 phút
Quá trình phay ướt Quá trình phay khô
𝐹𝐹1 = 4,279.𝑡𝑡0,196.𝑆𝑆0,603.𝑉𝑉−0,117 (N) 𝐹𝐹𝐹𝐹2 = 4,368.𝑡𝑡0,185.𝑆𝑆0,572.𝑉𝑉−0,078 (N) 𝐹𝐹3 = 6,202.𝑡𝑡0,215.𝑆𝑆0,584.𝑉𝑉−0,154 (N) 𝐹𝐹1 = 6,865.𝑡𝑡0,217.𝑆𝑆0,572.𝑉𝑉−0,160 (N) 𝐹𝐹𝐹𝐹2 = 7,009.𝑡𝑡0,205.𝑆𝑆0,571.𝑉𝑉−0,164 (N) 𝐹𝐹𝐹𝐹3 = 6,952.𝑡𝑡0,224.𝑆𝑆0,556.𝑉𝑉−0,138 (N)
Phương trình mối quan hệ giữa các thông số chếđộ cắt và độ nhám bề mặt tai các khoảng thời gian 90 phút, 180 phút, và 270 phút
Quá trình phay ướt Quá trình phay khô
𝑅𝑅𝑎𝑎𝐹𝐹1 = 0,634.𝑡𝑡0,0375.𝑆𝑆0,102.𝑉𝑉−0,059 (µm) 𝑅𝑅𝑎𝑎𝐹𝐹2 = 0,055.𝑡𝑡0,150.𝑆𝑆0,445.𝑉𝑉−0,295(µm) 𝑅𝑅𝑎𝑎𝐹𝐹3 = 0,694.𝑡𝑡0,037.𝑆𝑆0,110.𝑉𝑉−0,076(µm) 𝑅𝑅𝑎𝑎𝐹𝐹1 = 0,0557.𝑡𝑡0,140.𝑆𝑆0,339.𝑉𝑉−0,112(µm) 𝑅𝑅𝑎𝑎𝐹𝐹2 = 0,036.𝑡𝑡0,151.𝑆𝑆0,465.𝑉𝑉−0,248(µm) 𝑅𝑅𝑎𝑎𝐹𝐹3 = 0,683.𝑡𝑡0,033.𝑆𝑆0,1067.𝑉𝑉−0,069(µm)
Phương trình mối quan hệ giữa các thông số chếđộ cắt và lượng mòn dao mặt sau tai các khoảng thời gian 90 phút, 180 phút, và 270 phút
Quá trình phay ướt Quá trình phay khô
𝛥𝛥𝛥𝛥𝐹𝐹1 = 4,365.𝑡𝑡0,0956.𝑆𝑆0,308.𝑉𝑉−0,173(µm) 𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝐹𝐹2 = 6,023.𝑡𝑡0,114.𝑆𝑆0,334.𝑉𝑉−0,173(µm) 𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝐹𝐹3 = 5,051.𝑡𝑡0,102.𝑆𝑆0,327.𝑉𝑉−0,0414(µm) 𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝐹𝐹1 = 2,794.𝑡𝑡0,0997.𝑆𝑆0,322.𝑉𝑉−0,109(µm) 𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝐹𝐹2 = 3,204.𝑡𝑡0,108.𝑆𝑆0,400.𝑉𝑉−0,1496(µm) 𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝐹𝐹3 = 1,783.𝑡𝑡0,112.𝑆𝑆0,578.𝑉𝑉−0,068(µm)
3. Trong quá trình gia công hợp kim nhôm A7075 nghiên cứu đa phân tích ưu nhực điểm của quá trình phay khô và phay ướt để giúp cho nhà sản xuất có thể lựa chọn một trong 2 quá trình phay khô hoặc phay có dung dịch trơn nguộn
- Nếu lựa chọn quá trình phay ướt thì giảm được chi phí về dụng cụ cắt do tuổi thọ của dụng cụ cắt cao hơn 24% so với gia công khô, dẫn đến giảm được 24% chi phí của dụng cụ cắt. Tuy nhiên tốn về chi phí cho việc sử dụng dung dịch trơn nguội, làm anh hưởng đến sức khỏe người vận hành máy và đặc biệt là chi phí cho sửlý môi trường do dung dich trơn nguội đã qua sử dụng thải ra.
- Nếu lựa chọn quá trình phay khô thì chi phí dụng cụ cắt tăng lên 24% do tuổi thọ dụng cụ cắt giảm tuy nhiêm phương pháp này lại giảm được chi phí sự dụng dung dịch trơn nguội hơn nữa bảo đảm an toàn cho người vận hành máy và bảo vệ môi trường đây là xu thế của sự phát triển hiện nay cũng như mong muốn của các quốc gia hiện nay.
4. Đã xây dựng được mô hình bài toán tối ưu hóa chế độ cắt khi phay khô và phay ướt hợp kim nhôm A7075 với dụng cụ cắt dao phay ngón HSSCo8 có phủ TiN. Đã ứng dụng giải thuật di truyền (GA) đề giải bài toán tối ưu đơn mục tiêu và đa mục tiêu qua đó giúp nhà công nghệ tham khảo áp dụng trong sản xuất như sau:
Bộ thông số chếđộ cắt hợp lý
Mục tiêu là độ nhám bề mặt Mục tiêu là độ nhám bề mặt và lượng mòn dao S = 800mm/phút =0,02mm/rang T = 0,5mm V = 376 m/phút Ra = 0,256 (μm) ở 90 phút Ra = 0,162 (μm) ở 180 phút Ra = 0,9 (μm) ở 270 phút S = 800mm/phút =0,02mm/rang T = 0,5mm V = 376 m/phút Ra = 0,33(μm), ∆H=14.10(µm) ở 90 phút Ra = 0,162 (μm),∆H=24.10(µm) ở 180 phút Ra = 0,9 (μm), ∆H=33,27(µm)ở 270 phút
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
1. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt cắt trong quá trình phay khô và ướt hợp kim nhôm.
2. Nghiên cứu ứng dụng giải thuật mới để giải bài toán tối ưu đơn và đa mục tiêu với sốlượng nhiều biến đầu vào và đầu ra trong quá trình phay khô và phay ướt hợp kim nhôm.
3. Nghiên cứu sự thay đổi tổ chức vật liệu khi phay khô và phay ướt.
4. Nghiên cứu đánh giá mức độ ảnh hưởng đến môi trường và kinh tế khi phay khô và phay ướt.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
1. Le Nhu Trang, Xuan Thai - Tran, Nguyen Trong Hai & Nhu-Tung Nguyen (2020), “An investigation and analysis of surface roughness and tool wear in dry pocket milling of aluminum alloy AA7075”, International Journal of Mechanical and Production Engineering Research and Development (IJMPERD) ISSN(P): ISSN(P): 2249–6890; ISSN(E): 2249–8001, IMPACT FACTOR(JCC) (2019): 8.8746; INDEX COPERNICUS VALUE (ICV) - (2016): 60.6; NAAS RATING: 3.11; Vol. 10, Issue 2, Apr 2020, 1307–1320. 2. Nhu–Trang Le , Thai - Xuan Tran1, Hai – Trong Nguyen (2020), “An
Investigation and Analysis of Cutting Force and Tool Wear in Dry Pocket