lý
Thuật toán giải bài toán tối ưu năng suất gia công được thể hiện như Hình 4.19 với các bước thực hiện quy trình tìm kiếm như sau:
- Bước 1: Khởi tạo quần thể.
a) Thiết lập các hằng số: kmax = 300, c1 = 2, c2= 2 (trong đó kmaxlà số vòng lặp tối đa).
90
b) Khởi tạo quần thể nghiệm ngẫu nhiên ban đầu gồm n = 100 vector nghiệm: x0
= [x10, x20,…, xj0,…, xn0], vector xj0 = [Sj0, tj0]
trong đó:
Sj0 = 1000+ (10000 - 1000).rSj; tj0 = 0,005 + (0,015 – 0,005).rtj;
10000 và 1000 là giới hạn lớn nhất, nhỏ nhất của lượng tiến dao;
0,015 và 0,005 là giới hạn lớn nhất, nhỏ nhất của chiều sâu cắt;
rSj, rtj là những số được tạo ngẫu nhiên trong khoảng [0, 1].
Với cách khởi tạo như vậy các vector xmin ≤ xj0 ≤ xmax, với xmin = [1000; 0,005], xmax = [10000; 0,015]. Do đó các điều kiện biên g2, g3 ,g4 ,g5luôn được thỏa mãn.
Sau đó kiểm tra điều kiện g1: Ra ≤ 1,35.
Kết thúc Bước 1 có quần thể nghiệm ban đầu x0với các thành phần thỏa mãn năm điều kiện biên.
c) Khởi tạo ngẫu nhiên vận tốc nghiệm ngẫu nhiên: -v0
max ≤ vj0 ≤ v0
max với j = [1,n]
d) Đặt k= 1.
- Bước 2: Tạo nghiệm mới bằng cách cập nhật các thế hệ.
Nghiệm mới xjk+1được tạo ra bằng cách cập nhật thế hệ dựa trên cơ sở nghiệm cũ
xjk là: k+1 k k+1 j j j x = x + v với k+1 k k k j j 1 1 bestj j 2 2 best j v = w.v + c .rand ().(P -x ) + c .rand ().(G -x )
Sau khi tạo ra vận tốc vjk+1thì hai thành phần của xjk+1 (Sjk+1 và tjk+1) cũng thay đổi
theo vjk+1(bao gồm vjSk+1 và vjtk+1): Sjk+1 = Sjk + vjSk+1; tjk+1 = tjk + vjtk+1
Sau đó phải kiểm tra điều kiện giới hạn của biến. Nếu là thông số S thì kiểm tra điều kiện biên g2 và g3, nếu là thông số t thì kiểm tra điều kiện biên g4 và g5. Giả sử thông số S được chọn thì kiểm tra 1000 ≤ Sjk+1≤ 10000. Nếu Sjk+1 < 1000 thì lấy Sjk+1
= 1000 hay Sjk+1 > 10000 thì lấy Sjk+1 = 10000.
Sau khi kiểm tra các điều kiện biên về giới hạn không gian biến phải kiểm tra điều kiện biên về giới hạn hàm g1: Ra ≤ 1,35. Nếu điều kiện biên về giới hạn hàm không được thỏa mãn thì phải tạo lại ngẫu nhiên vận tốc nghiệm vjkrồi tính lại vjk+1 và xjk+1
theo công thức trên cho đến khi điều kiện g1thỏa mãn thì thôi.
- Bước 3: Tối ưu hóa.
a) Kiểm tra nghiệm mới xjk+1có tốt hơn nghiệm cũ xjkhay không. Tính giá trị hàm mục tiêu Q tại giá trị nghiệm mới và nghiệm cũ để so sánh. Nếu Q(xjk+1) ≥ Q(xjk) thì
lấy nghiệm mới xjk+1 bỏ nghiệm cũ xjk, ngược lại thì giữ nguyên nghiệm xjk. Vị trí
xjk+1(hoặc xjk) có giá trị Q lớn hơn chính là Pbestj. Vị trí xjk+1(với j = [1,n]) có giá trị Q lớn nhất chính là Gbest.
91
c) Cập nhật tất cả các vận tốc vjk và vị trí xjk. Sau bước tạo nghiệm này sẽ tạo ra quần thể nghiệm mới tốt hơn quần thể nghiệm cũ.
d) Tăng j. Nếu j > n thì đặt j = 1, tăng k.
e) Quay trở lại từ Bước 2.
- Bước 4: Kết thúc.
Để tối ưu hóa chế độ công nghệ bằng phương pháp PSO, ở đây thực hiện lập trình trực tiếp trên phần mềm Matlab. Tiến hành chạy chương trình, sau một số lần chạy thu được kết quả như trong Bảng 4.2. Tiến hành mài với chế độ công nghệtối ưu: v = 30 m/s; S = 2056 mm/ph; t = 0,015 mm. Sau khi thu được kết quả thực nghiệm thì so sánh với kết quả mô phỏng bằng PSO như Bảng 4.3. Qua Bảng 4.3, nhận thấy sai số trung bình giữa giá trịmô phỏng và thực nghiệmnhỏ hơn 5%. Nguyên nhân gây
ra sai số trên là do vẫn tồn tại sai số đo và sai số ngẫu nhiên. Ngoài ra, khi thiết lập các phương trình hồi quy thực nghiệm theo phương pháp BPNN thì luôn có sai số giữa giá trị tính toán và giá trị thực nghiệm.
Bảng 4.2 Kết quả chạy chương trình xác định chế độ công nghệ tối ưu bằng PSO
Biến số S (mm/ph) t (mm) Ra (µm) Q (mm3/ph)
Lần chạy 1 2053,5994 0,015 1,3496 12,7918
Lần chạy 2 2056,2434 0,015 1,3498 12,7864
Lần chạy 3 2057,2475 0,015 1,3499 12,7918
Trung bình 2055,6968 0,015 1,3498 12,7900
Bảng 4.3 So sánh nhám bề mặt phôi Ravà năng suất mài Q giữa phương pháp PSO và
thực nghiệm khi sử dụngchế độ mài tối ưu
Biến số Rabằng PSO (µm) Rathực nghiệm (µm) Sai số (%) Q bằng PSO (mm3/ph) Q thực nghiệm (mm3/ph) Sai số (%) Lần chạy 1 1,3496 1,397 3,39 12,7918 13,42 4,68 Lần chạy 2 1,3498 1,324 1,95 12,7864 12,98 1,49 Lần chạy 3 1,3499 1,302 3,68 12,7918 12,26 4,34 Trung bình 1,3498 1,341 3,01 12,7900 12,89 3,50
92
Hình 4.19 Sơ đồ khối giải bài toán tối ưu chế độ công nghệ ứng dụng giải thuật PSO
4.4.3. Nhận xét và Đánh giá
- Sau khi tối ưu hóa quá trình mài bằng thuật toán bầy đàn PSO, thu được bộ thông số chế độ cắt hợp lý là: v = 30 m/s, S = 2056 mm/ph; t = 0,015 mm.
Bắt đầu
Khởi tạo quần thể nghiệm ban đầu ngẫu nhiên gồm n = 100 vector
nghiệm: x0 = [x10, x20,…, xj0,…, xn0]; Thiết lập các hằng số kmax =
300, c1 = c2 = 2;
thiết lập trọng số quán tính ω
Vector xj0 = [Sj0, tj0]; Sj0 = Smin + rij(Smax - Smin); tương tự với tj; Kiểm
tra điều kiện biên g1; khởi tạo ngẫu nhiên vận tốc nghiệm ngẫu nhiên –vmax0≤ vj0≤ vmax0; đặt k = 1
Tạo nghiệm mới xjk+1 = xjk + vjk+1; trong đó hai thành phần của xjk+1 (S và t) được thay đổi (Sjk+1 = Sjk + vjSk+1 và tjk+1 = tjk + vjtk+1); kiểm
tra các điều kiện biên gi.
Nếu Q(xjk+1) ≥ Q(xjk) thì lấy nghiệm mới xjk+1, ngược lại thì giữ nguyên nghiệm xjk; xjk+1 (hoặc xjk) = Pbestj; xjk+1(với j = [1,n]) có Q
lớn nhất là Gbest; Cập nhật tất cả các vận tốc vjkvà vị trí xjk. Tăng j.
Nếu j > n thì đặt j = 1, tăng k.
Bước lặp max hoặc thỏa mãn tiêu chuẩn hội tụ
Xuất kết quả Hoàn thành Đúng
93 - Sai số trung bình của giá trị nhám Ra và năng suất gia công Q giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm tương ứng là 3,01% và 3,50% (nhỏ hơn 5%). Điều đó chứng tỏ kết quả mô phỏng tương đối phù hợp với thực nghiệm.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
1. Đã xác định được ảnh hưởng của lượng tiến dao, chiều sâu cắt, chế độ bôi trơn
làm mát và cấu trúc tinh thể vật liệu gia công đến nhám bề mặt, độ cứng tế vi bề mặt và cấu trúc tế vi bề mặt. Đã xây dựng được các phương trình hồi quy thực nghiệm của nhám bề mặt dưới hai chế độ mài khô và mài ướtthông thường tương ứng là: Ra = 5,7916.t0,4094 và Ra = S0,1045.t0,1184.
2. Đã xác định được dảilượng tiến dao đạt được nhám bề mặt nhỏ nhất là từ 2500
đến 3500 mm/ph.
3. Đã tối ưu hóa quá trình mài phẳng bằng thuật toánbầy đàn PSO nhằm đạt được năng suất gia công hợp lý và đảm bảo nhám bề mặt chi tiết mài và thu được bộ thông số chế độ cắt phù hợp là: v = 30 m/s; S = 2056 mm/ph; t = 0,015 mm. Kết quả mô phỏng nhám bề mặt Ravà năng suất gia công Q khi sử dụng bộ thông số
trên phù hợp với thực nghiệm với sai số nhỏ hơn 5%.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
KẾT LUẬN
Mục tiêu của nghiên cứu là đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công. Nghiên cứu này được thực hiện trên một vật liệu mới là hợp kim titan Ti-6Al-4V và một dụng cụ mới là đá mài cBN. Sau quá
trình nghiên cứu, có thể rút ra các kết luận sau:
1. Đã mô phỏng được quá trình tạo phoi, lực cắt và nhiệt độ cắt của quá trình mài bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Việc mô phỏng thành công giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và lựa chọn được chếđộ công nghệ phù hợp khi gia công. 2. Đã xây dựng được các phương trình hồi quy thực nghiệm của nhám bề mặt dưới
hai chế độ mài khô và mài ướt thông thường tương ứng là: Ra = 5,7916.t0,4094 và Ra = S0,1045.t0,1184. Qua kết quả thực nghiệm thấyrằng, ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến nhám bề mặt lớn hơn lượng chạy dao. Mài ướt thông thường có số lượng khuyết tật bề mặt ít hơn mài khô. Tuy nhiên, nhám bề mặt khi mài ướt thông
thường cao hơn mài khô. Mài ướt bổ sung chất phụ gia nano cho thấynhám bề mặt thấp hơn và số lượng khuyết tật bề mặt íthơn mài ướt thông thường. Dầu tổng hợp thể hiện khả năng bôi trơn làm mát tốt hơn dầu nhũ tương. Hợp kim Ti-6Al- 4V ủ có nhám bề mặt vàbiến cứng bề mặt nhỏ hơn hợp kim Ti-6Al-4V tôi. 3. Đã xác định được dảilượng tiến dao đạt được nhám bề mặt nhỏ nhất là từ 2500
đến 3500 mm/ph. Kết quả đó có thể ứng dụng vào việc lựa chọn chế độ cắt khi gia công hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN trong thực nghiệm.
4. Đã tối ưu hóa quá trình mài phẳng trên cơ sở ứng dụng thuật toánbầy đàn PSO
94 0,015 mm. Khi sử dụng chế độ công nghệ này sẽ đảm bảo nhám bề mặt chi tiết mài trong khi năng suất gia công là lớn nhất.
KIẾN NGHỊ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
1. Nghiên cứu ảnh hưởng của loại chất phụ gia nano, nồng độ chất phụ gia nano, loại chất kết dính của đá mài, vận tốc cắt, chế độ bôi trơn tối thiểu (MQL) … tới chất lượng bề mặt của chi tiết.
2. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi sửa đá và khi gia công đến tốc độmòn đá và chất lượng bề mặt gia công.
95
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
[1] Phí Trọng Hùng, Hoàng Văn Gợt, Trương Hoành Sơn (2018), “Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt, độ mòn đá và năng suất gia công khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài CBN”, Hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí lần thứ V, pp. 520 - 527.
[2] Phi-Trong Hung, Hoang-Tien Dung, Nguyen-Kien Trung, Truong-Hoanh Son (2020), “The study on surface grinding process of TI-6AL-4V alloy with resinoid
cBN grinding wheel”, International Journal of Modern Physics B (SCIE), Vol. 34, Nos. 22-24 2040135 (5 pages), DOI: 10.1142/S0217979220401359.
[3] Hung Trong Phi, Trung Kien Nguyen, Got Van Hoang and Son Hoanh Truong (2020), “The Effect of Technology Parameters on Surface Roughness in the Grinding Process of Ti-6Al-4V Alloy with Resinoid cBN Grinding Wheel”, In: Proceedings of the 2019 International Conference on Physics, Mechanics of New Materials and Their Applications, pp. 11-17.
[4] Nguyen T.K., Phi H.T., Van Hoang G., Bui T.N., Truong S.H. (2021),
“Experimental Evaluation of the Performance of Oil-Based Nanofluids in the Grinding of Ti-6Al-4V Alloy”, In: Sattler KU., Nguyen D.C., Vu N.P., Long B.T., Puta H. (Eds) Advances in Engineering Research and Application, ICERA 2020, Lecture Notes in Networks and Systems, vol 178, pp. 441–451, Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-64719-3_49.
[5] Phí Trọng Hùng, Nguyễn Kiên Trung, Trương Hoành Sơn (2021), “Nghiên cứu ảnh hưởng của đa yếu tố đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công khi mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 1+2,
pp. 38-41.
[6] Phi H.T., Hoang G.V., Bui T.N., Nguyen T.K., Truong S.H. (2021), “The Effect of Microstructure on the Cutting Forces and Microhardness in the Surface
Grinding of Titanium Alloys”, In: Long B.T., Kim Y.H., Ishizaki K., Toan N.D.,
Parinov I.A., Vu N.P. (eds) Proceedings of the 2nd Annual International Conference on Material, Machines and Methods for Sustainable Development (MMMS2020), MMMS 2020, Lecture Notes in Mechanical Engineering, pp. 525-533,Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-69610-8_72. [7] H. T. Phi, G. V. Hoang, T. K. Nguyen, and S. H. Truong (2021), “Numerical and
Experimental Study on the Grinding Performance of Ti-Based Super-Alloy”, Int.
J. Eng. Technol. Innov. (ESCI), Vol. 11, No. 3, pp. 191-203.
[8] Phí Trọng Hùng, Trương Hoành Sơn, Nguyễn Kiên Trung, Hoàng Tiến Dũng
(2021), “Nghiên cứu xác định lượng tiến dao tối ưu khi mài phẳng hợp kim Titan bằng đá mài cBN”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Tập 57, Số 3, pp. 91-95.
[9] Phí Trọng Hùng, Trương Hoành Sơn, Hoàng Văn Gợt, Nguyễn Kiên Trung (2021), “Nghiên cứu mô phỏng về lực cắt và nhiệt độ cắt khi mài phẳng hợp kim
Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN liên kết nhựa”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ -
96
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lưu Văn Nhang (2003), “Kỹ thuật mài kim loại”, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
[2] A. Shokrani, V. Dhokia, S.T. Newman (2012), “Environmentally conscious machining of difficult-to-machine materials with regard to cutting fluids”, International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 57, pp. 83–101. [3] J. Paulo Davim (2014), “Machining of Titanium Alloys”, Springer-Verlag
Berlin Heidelberg.
[4] G. W. Meetham (1981), “The development of gas turbine materials”, Applied Science Publishers Ltd.
[5] S. H. Wang (2000), “Investigation in to the grinding of titanium alloys”, PhD Thesis, School of Industrial and Manufacturing Science, Cranfield University. [6] Hossam A. Kishawy, Ali Hosseini (2019), “Machining Difficult-to-Cut
Materials”, Springer International Publishing AG, part of Springer Nature. [7] Gerd Lütjering, James C. Williams (2007), “Titanium”, Springer Berlin
Heidelberg New York.
[8] I. D. Marinescu et al. (2007), “Handbook of Machining with Grinding Wheels”,
Taylor & Francis Group.
[9] Mark J. Jackson, Michael P. Hitchiner (2013), “High performance grinding and
advanced cutting tools”, Springer Science+Business Media New York.
[10] Trần Thị Vân Nga (2017), “Nghiên cứu chế tạo và đánh giá khả năng cắt gọt của đá mài CBN liên kết kim loại bằng phương pháp mạ điện”, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Công Thương.
[11] Robert I. King (1985), “Handbook of modern grinding technology”, Chapman and Hall Publishing House.
[12] W. Brian Rowe (2014), “Principles of Modern Grinding Technology”, 2nd Edition, William Andrew.
[13] Stephen Malkin, Changsheng Guo (2008), “Grinding technology: Theory and applications of machining with abrasives”, Industrial Press.
[14] M.C. Shaw (1996), “Principles of Abrasive Processing”, Clarendon Press,
Oxford.
[15] www.damaikimcuong.com
[16] I. D. Marinescu et al. (2004), “Tribology of Abrasive Machining Processes”,
William Andrew.
[17] Phí Trọng Hảo, Nguyễn Thanh Mai (2005), “Giáo trình công nghệ chế tạo
máy”, NXB Giáo dục.
[18] Trần Văn Địch (2006), “Nguyên lý cắt kim loại”, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
[19] Nguyễn Anh Tuấn (2018), “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến mòn đá và chất lượng bề mặt chi tiết khi mài định hình rãnh tròn xoay”,
Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Đại học Bách Khoa Hà Nội.
[20] Antonio Vitor de Mello et al (2017), “Surface Grinding of Ti-6Al-4V Alloy with
SiC Abrasive Wheel at Various Cutting Conditions”, Procedia Manufacturing,
Vol. 10, pp. 590 – 600.
[21] Sadeghi M, Haddad M, Tawakoli T, Emami M (2009), “Minimal quantity lubrication-MQL in grinding of Ti–6Al-4V titanium alloy”, Int J Adv Manuf
97 [22] Yang Changyong, Xu Jiuhua, Ding Wenfeng, Chen Zhenzhen, Fu Yucan
(2010), “Dimension Accuracy and Surface Integrity of Creep Feed Ground
Titanium Alloy with Monolayer Brazed CBN Shaped Wheels”, Chinese Journal
of Aeronautics, Vol. 23, pp. 585-590
[23] Xinxin Xi, Wenfeng Ding, Zheng Li, Jiuhua Xu (2017), “High speed grinding of particulate reinforced titanium matrix composites using a monolayer brazed
cubic boron nitride wheel”, Int J Adv Manuf Technol, Vol. 90, pp. 1529–1538.
[24] Zheng Li, Wenfeng Ding, Chaojie Liu, Honghua Su (2018), “Grinding performance and surface integrity of particulate-reinforced titanium matrix composites in creep-feed grinding”, Int J Adv Manuf Technol, Vol. 94, pp. 3917–3928.
[25] X. Wang, T. Yu, X. Sun, Y. Shi, W. Wang (2016), “Study of 3D grinding temperature field based on finite difference method: considering machining
parameters and energy partition”, Int J Adv Manuf Technol, Vol. 84, pp. 915-
927.
[26] Jiang Guo et al (2020), “Investigation on surface integrity of electron beam
melted Ti-6Al-4 V by precision grinding and electropolishing”, Chinese Journal
of Aeronaut, DOI: 10.1016/j.cja.2020.08.014
[27] Elanchezhian J., Pradeep Kumar M., Manimaran G. (2015), “Grinding titanium Ti-6Al-4V alloy with electroplated cubic boron nitride wheel under cryogenic
cooling”, Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 29(11), pp. 4885 - 4890.
[28] Kumagai N, Kamei K. (1984), “Grinding of titanium with jet infusion of
grinding fluid, Proceeding 5th international conference on titanium”, Titanium
science and technology, Munich, W. Germany, pp. 1015-1022.
[29] Kumar K. V. (1990), “Superabrasive grinding of titanium alloys”, Technical paper No. MR90 - 505, Society of manufacturing engineers, USA.
[30] Hafenbraedl D, Malkin S (2001), “Technology environmentaly correct for
internal cylindrical grinding”, Mach Metals Magaz, Vol. 426, pp. 40–55.
[31] Dinesh Setti, Manoj Kumar Sinha, Sudarsan Ghosh, P. Venkateswara Rao
(2015), “Performance evaluation of Ti–6Al–4V grinding using chip formation and coefficient of friction under the influence of nanofluids”, International
Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 88, pp. 237–248.
[32] Kumagai N, Kamei K, Inoue S (1985), “A study on grinding of titanium”, Technology report No. 26, Kansai University, pp. 125-139.
[33] Ren J, Hua D, Huang Q, Xu Q (1988), “Study on grinding titanium alloy with
vitrified CBN wheel”, Proceedings of the international conference of production engineering, September, Beijing, pp. 30-134.
[34] Ren J, Hua D, Huang Q, Zhang Z (1989), “Improvement of titanium alloy
grindability”, Journal of northwestern polytechnical university, Vol. 7, No. 4, pp. 355-363.
[35] Kumar K. V. (1991), “Grinding titanium”, Aerospace engineering, Vol. 11, No. 9, pp. 17-19.
[36] Kumar K. V. (1993), “Superabrasive grinding of aerospace materials”, Diamond & CBN ultrahard materials symposium '93, International diamond association, September, Windsor, Canada, pp. 73-81.
98