CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ TÍNH GIA CÔNG CỦA VẬT LIỆU
CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP XÁC LẬP BIỂU ĐỒ VÀ MA TRẬN XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TÍNH GIA CÔNG ĐƢỢC CỦA VẬT LIỆU
PHƯƠNG PHÁP XÁC LẬP BIỂU ĐỒ VÀ MA TRẬN XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TÍNH GIA CÔNG ĐƢỢC CỦA VẬT LIỆU
1.
Kể từ cuộc cách mạng công nghiệp, hoạt động gia công đã trở thành nhân tố chính của ngành công nghiệp gia công cơ khí. Nói một cách tổng quát, quá trình gia công một sản phẩm bao gồm một vài công đoạn nhƣ quá trình thiết kế sản phẩm, quá trình lập quy trình gia công, gia công sản phẩm và bước kiểm tra chất lượng và độ chính xác. Các nghiên cứu về tính gia công có thể liên quan một cách chặt chẽ với quá trình lập quy trình gia công và các quá trình gia công sản phẩm. Tính gia công đƣợc xem là một khia cạnh quan trọng cần đƣợc xét tới một cách cẩn thận trong quá trình chế tạo sản phẩm, dựa trên các đặc tính gia công của vật liệu ta có thể đƣa ra các quy trình gia công hợp lý giúp tăng hiệu suất và giảm giá thành cũng nhƣ thời gian gia công sản phẩm.
Trong quá trình thiết kế sản phẩm, vật liệu đƣợc lựa chọn rất quan trọng tùy thuộc vào đối tượng cần thiết kế, nó sẽ ảnh hưởng tới việc giảm giá thành của sản phẩm. Tính gia công được của các vật liệu kỹ thuật, do ảnh hưởng rất lớn của nó vào chi phí sản xuất cho nên cần phải đƣợc xem xét thật kỹ trong việc thiết kế sản phẩm mặc dù nó sẽ không phải lúc nào cũng là tiêu chí đƣợc ƣu tiên hàng đầu trong quá trình lựa chọn vật liệu. Nó đã được chú rằng việc thay đổi vật liệu từ thép các-bon thường sang các loại vật liệu khác có thể gia tằng tốc độ cắt từ 20 đến 100%, tuy giá thành các loại vật liệu mới cao hơn giá thành của thép các bon thường nhưng xét trên tổng thể nó vẫn giúp giảm giá thành sản xuất. Trong các ứng dụng nhất định, thế mạnh trong quá trình thiết kế sản phẩmkhông quan trọng bằng sự kinh tế trong gia công và các vật liệu thường được lựa chọn trên cơ sở thuộc tính gia công của nó.
Nếu có một số giới hạn các vật liệu làm việc mà từ đó ta chọn ra vật liệu tốt nhất, và nếu mỗi vật liệu thỏa mãn các yêu cầu về thiết kế và các tính năng của sản phẩm, sau đó là tiêu chí chính trong việc lựa chọn vật liệu làm việc là hiệu suất hoạt động của nó trong quá trình gia công, ở đây là tính gia công đƣợc. Bên cạnh việc đóng vai trò chính trong việc lựa chọn các vật liệu, việc nghiên cứu tính gia công là cơ sở cho việc lựa chọn công cụ cắt, đánh giá, tối ƣu hiệu suất và tối ƣu các tham số gia công. Cơ sở của việc đánh giá tính gia công đƣợc phụ thuộc vào lợi ích của nhà sản xuất và nhiều khía cạnh khác. Ví dụ, một số nhà sản xuất quan tâm tới tuổi thọ của dụng cụ và coi đó là yếu tố quan trọng nhất để đánh giá, trong khi các nhà sản xuát khác có thể xem xét chất lƣợng của mặt cắt là yếu tố chi phối. Giải pháp cho các khó khăn này đã bị các nhà nghiên cứu và các kỹ sƣ lảng tránh trong hàng thập kỷ. Vì không có phương pháp được chấp nhận để đánh giá tính gia công đƣợc của các vật liệu làm việc, nhiều nhà sản xuất đang gặp phải khó khăn trong việc lựa chọn vật liệu phù hợp cho sản phẩm của họ. Các nghiên cứu về tính gia công được của vật liệu cho ta thấy rằng các tiêu chí thông thường để đánh giá tính gia công đƣợc của các vật liệu sẽ bao gồm các yêu tố nhƣ tuổi thọ dao, lực cắt hoặc năng lƣợng tiêu thụ, xử lý bề mặt, độ chính xác thu đƣợc trên bề mặt gia công, v…v. Tùy thuộc vào yêu cầu kỹ thuật và tính kinh tế và lợi nhuậ của các nhà sản xuất mà một số tiêu chí sẽ có vai trò chính hoặc phụ trong việc đánh giá tính gia công đƣợc của vật liệu.
Tuy nhiên để có thể xác định đƣợc các yếu tố nào là quan trọng là một việc rất khó và phức tạp, do đó ta cần phải thiết lập một phương pháp mới đơn giản, dễ thực hiện và chính xác để xác định đƣợc các tiêu chí cho vật liệu.
Lý thuyết đồ thị và ma trận là một phương pháp tiếp cận hợp lý và có hệ thống. Tính mới của lý thuyết đồ thì và ứng dụng của nó là một tài liệu rất tốt để tham khảo. Phương pháp đồ thị đã đƣợc chứng minh là rất hữu ích trong việc mô hình hóa và phân tích sự khác nhau của các hệ thống và các vấn đề trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ.
Phương pháp ma trận là phương pháp hữu ích trong việc phân tích các mô hình, đồ thị.
Dựa theo lý thuyết hai phương pháp đồ thị và ma trận ta có thể đánh giá được tính gia công của vật liệu để đáp ứng đƣợc các yêu cầu gia công.
2.
Một quá trình gia công đƣợc xác định bởi một loạt các biến số có tính độc lập hoặc phụ thuộc với nhau. Các biến quá trình độc lập là các biến quá trình đầu vào bao gồm:
tính sẵn có/đặc trƣng của vật liệu làm việc (ví dụ: vi cấu trúc, thành phần, tính vật lý, tính chất nhiệt và hóa học, hình dạng ngoài,v..v) vật liệu dụng cụ cắt, hình dáng dụng cụ, điều kiện cắt (ví dụ: tốc độ cắt, độ ăn dao, độ sâu cắt, kiểu cắt, dung dịch làm mát, độ cứng và khả năng làm việc của máy, v..v). Các biến quá tình phụ thuộc là các biến đầu ra bao gồm: công cụ mài, lực cắt, năng lƣợng tiêu thụ, quá trình xử lý bề mặt, độ chính xác kích thước, nhiệt độ, tiếng ồn, độ rung, v.v. Các biến quá trình phụ thuộc liên quan tới hiệu suất của vật liệu làm việc trong quá trình hoạt động của máy và ảnh hưởng trực tiếp quá trình gia công và tính gia công. Các thuộc tính gia công đƣợc xác định nhƣ là các tham số (độc lập/phụ thuộc) đƣợc đƣa vào với mục đích đánh giá các vật liệu làm việc, với các biến đầu ra là hàm số của các biến đầu vào.
Các thuộc tính gia công thông dụng của biểu đồ
Một biểu đồ các thuộc tính gia công thông dụng là một biểu đồ mô tả sự liên hệ giữa các thuộc tính gia công và các yếu tố quan trọng liên quan của nó. Một biểu đồ nhƣ vậy sẽ bao gồm một loạt các nút ký hiệu là V={vi} với i = 1, 2, …, M và một loạt các cạnh biên ký hiệu là D = {dij}. Một nút vi biểu diễn cho thuộc tính gia công thứ i và các cạnh biểu diễn cho mối liên hệ quan trọng giữa các thuộc tính. Số lƣợng nút M đƣợc tính bằng số thuộc tính gia công đƣợc xét tới trong quá trình gia công. Nếu một nút thứ „i‟ có tầm quan trọng tương đối so với nút „j‟ trong việc đánh giá tính gia công của các vật liệu trong quá trình gia công nhất định, sau đó ta sử dụng mũi tên vẽ từ nút i tới nút j (ví dụ dij). Nếu „j‟ có tầm quan trọng tương đối hơn „i‟ ta sẽ vẽ mũi tên bắt đầu từ j tới i.
Để rõ hơn biểu đồ các thuộc tính gia công, ta sẽ có một ví dụ sử dụng phương pháp này để đánh giá các vật liệu làm việc trong quá trình mài một trụ tròn. Ta sẽ lấy ra các thuộc tính gia công mà ta cho là quan trọng trong quá trình mài.
Chỉ số khoán (CM) – chỉ của một lƣợng vật liệu bị loại bỏ Lực pháp tuyến (PL)
Lực tiếp tuyến (TL), Xử lý bề mặt(XM),
Độ chính xác kích thước của sản phẩm (CX) Giá thành (C).
Ta thấy rằng chỉ số mài(CM) quan trọng hơn so với lực pháp tuyến khi mài. Tuy nhiên, lực pháp tuyến lại quan trọng trong quá trình gia công mài. Do đó, tồn tại một mối liên hệ hai chiều quan trọng giữa những thuộc tính. Các thuộc tính xử lý bề mặt và độ chính xác kích thước có độ quan trọng ngang nhau trong gia công mài. Tương tự, ta có xét các thuộc tính khác nhƣ trên. Ta thiết lập đƣợc biểu đồ các thuộc tính gia công của vật liệu cho quá trình gia công mài như hình dưới. Có 6 nút biểu diễn 6 thuộc tính.
Biểu đồ thuộc tính gia công cho ta một cái nhìn tổng quát về các mối quan hệ giữa các thuộc tính quan trọng. Khi số nút và sự liên hệ tăng lên, biểu đồ trở nên phức tạp.
Trong những trường hợp đó phương pháp đồ thị sẽ trở nên rất khó và phức tạp. Để xử lý vấn đề này, ta sẽ chuyển đồ thị về dạng ma trận để có thể dễ dàng xử lý.
Hình 2.1: Biểu đồ thuộc tính gia công của quy trình mài khối trụ.
Các thuộc tính: (1) chỉ số mài (CM); (2) lực pháp tuyến(LP); (3) lực tiếp tuyến (LT) (4) xử lý bề mặt (XM); (5)Độ chính xác kích thước (CX); (6)giá thành(C)
3. .
Do độ phức tạp khi dùng phương pháp đồ thị với nhiều thuộc tính, ta sẽ thực hiện ma trận hóa đồ thị để có thể dễ dàng trong việc lựa chọn các thuộc tính. Ma trận đại diện cho đồ thị thuộc tính theo tính tương ứng một với một. Ma trận được sử dụng là một ma trận vuông với kích thước MxM và bao gồm toàn bộ các thuộc tính (ví dụ Di) và các mối liên hệ với nhau(ví dụ aij). Ví dụ ma trận A cho ví dụ ở hình 2.1 sẽ được biểu diễn dưới dạng ma trận nhƣ sau:
Trong đó: Di là giá trị của thuộc tính thứ i biểu diễn cho nút thứ vi và sự liên hệ aij của thuộc tính thứ i và thuộc tính thứ j với trường hợp thuộc tính i quan trọng hơn thuộc tính j đƣợc biểu diễn bằng cạnh dij. Permanent của ma trận A – per(A) đƣợc dùng để đánh giá tính gia công sẽ giúp ích trong việc đại diện các thuộc tính gia công của vật liệu và coi nó nhƣ là một tổ hợp. Áp dụng khái niệm permanent của ma trận sẽ đƣa cho ta sự đánh giá tốt hơn các thuộc tính làm việc của vật liệu. Hơn nữa bằng cách này, sẽ không xuất hiện biến dị trong các biểu thức và do đó đảm bảo thông tin sẽ không bị mất. Ta sẽ có hàm khai triển cho ma trận các tham số gia công nhƣ sau:
Biểu thức trên biểu diễn toàn bộ mối quan hệ giữa các thuộc tính của quá trình gia công mài, nó biểu diễn hết các thuộc tính và các mối liên hệ giữa các thuộc tính. Một cách tổng quát, nếu ta có M số thuộc tính gia công và tồn tại các mối liên hệ giữa các thuộc tính, khi đó ta có ma trận thuộc tính gia công B, với các thuộc tính đƣợc thiết lập biểu đồ và quy về dạng ma trận nhƣ sau:
Ta có thể tính được permanent của ma trận B đưa về dạng phương trình như sau
Các chức năng tổng quát của tính gia công sẽ bao gồm M + 1 nhóm và các nhóm đại diện cho các thuộc tính và các vòng lặp mối liên hệ. Nhóm đầu tiên đại diện cho các thuộc tính gia công được. Nhóm thứ hai không có vì không có sự tự lặp lại trong phương pháp biểu đồ. Nhóm thứ ba có chứa hai thuộc tính có mối liên hệ lặp với nhau và đƣợc biểu diễn bởi (M – 2) thuộc tính. Mỗi thuật ngữ của nhóm bố đại diện cho nhóm với ba thuộc tính liên hệ với nhau hoặc các cặp của nó và đƣợc biểu diễn bởi (M – 3) thuộc tính.
Nhóm thứ năm bao gồm hai nhóm con. Các số hạng của nhóm con đầu tiên là một nhóm các vòng của hai thuộc tính có mối liên hệ với nhau và biểu diễn bơi (M – 4) thuộc tính.
Mỗi số hạng của nhóm con thứ hai là một loại các vòng của bốn thuộc tính liên hệ với nhau hoặc theo các cặp của nó, đƣợc biểu diễn bằng (M – 4) thuộc tính. Nhóm thứ sáu
(2) (2)
bao gồm hai nhóm con. Các số hạng của nhóm con đầu tiên là mốt loạt các vòng của ba thuộc tính liên hệ với nhau hoặc từng cặp và đƣợc biểu diễn bằng (M – 5) thuộc tính. Mỗi số hạng của nhóm con thứ hai là một loạt các vòng của năm thuộc tính liên hệ với nhau hoặc theo từng cặp được biểu diễn bằng (M – 5) thuộc tính. Tương tự như vậy cho các số hạng khác của biểu thức.
4.
Các chỉ số tính gia công là phép đo giúp xác định dễ dàng vật liệu nào có thể phù hợp và thỏa mãn các yêu cầu gia công. Dựa theo công thức số 2 ở trên để đánh giá các chỉ số thuộc tính gia công. Các giá trị số của hàm thuộc tính gia công đƣợc gọi là các chỉ số thuộc tính gia công. Các số hạng trong hàm này đều là các số dương, do đó giá trị cao hơn của Di và aij sẽ làm tăng giá trị chỉ số tính gia công. Để tính các chỉ số này, ta cần phải xác định đƣợc các giá trị của Di và aij.
Giá trị của Di thu đƣợc bằng cách thực nghiệm. Nếu không có sẵn một giá trị định lƣợng, ta sẽ chọn ra chỉ số phù hợp từ 0 tới 10 dựa theo bảng số 1. Bảng 1 này đại diện cho các thuộc tính gia công dựa theo thang điểm chất lƣợng, dựa vào bảng này ta đánh giá mức độ ƣu tiên của các thuộc tính. Hơn nữa, những giá trị về định lƣợng sẽ có đơn vị khác nhau. Điều mong muốn ở đây đó là ta sẽ chuyển đổi giá trị về định lương của Di về cùng với các giá trị về chất lƣợng. Nếu Di có khoảng Dii của thuộc tính gia công và giá trị đƣợc cho phép trong khoảng từ 0 đến 10, ta sẽ có biểu thức quan hệ nhƣ sau:
Di = {10/Diu} x Dii với Dii = 0 Di = {10/(Diu - Dil)} x {Dii - Dil} với Dil > 0
(3) (3)
Bảng 2.1: Phân loại giá trị thuộc tính
Phân loại Giá trị thuộc tính (Di)
Đặc biệt thấp 0
Cực kỳ thấp 1
Rất thấp 2
Dưới ngưỡng trung bình 3
Trung bình 4
Trên trung bình 5
Khá 6
Cao 7
Rất cao 8
Cực kỳ cao 9
Đặc biệt cao 10
Biểu thức (3) chỉ đƣợc áp dụng cho các thuộc tính mang lợi ích chung. Một thuộc tính có lợi (ví dụ: chỉ số mài) có nghĩa là giá trị thuốc tính của nó cao hơn là mong muốn cho các quá trình gia công nhất định, trong khi một thuộc tính không có lợi (ví dụ: chi phí cho mỗi đơn vị thể tích của mặt vật liệu) là một trong những thuộc tính mong muốn có giá trị thấp. Do đó trong trường hợp của các thuộc tính gia công không có lợi, giá trị thuộc tính là 0 tính theo thang từ 0 đến 10, đƣợc gán cho khoảng giá trị cao nhất (Diu) và giá trị của 10 đƣợc gán cho giá trị có khoảng thấp nhất (Dil). Các giá trị trung gian khác Dii của thuộc tính gia công đƣợc gán cho giá trị nằm trong khoảng từ 0 tới 10 theo nhƣ sau:
Di =
x 10 Với thuộc tính có giá trị nhỏ hơn là tốt Di =
x 10 Với thuộc tính có giá trị lớn hơn là tốt
Mối quan hệ giữa hai thuộc tính (ví dụ dij) cho một quá trình gia công đƣợc gán cho giá trị trong khoảng từ 0 tới 10 và đƣợc phân chia thành sáu lớp. Các ký hiệu liên hệ „i‟
đƣợc so sánh với thuộc tính khác „j‟ trong các số hnajg của các mối liên hệ trong quá
trình gia công. Mối liên hệ giữa i, j và j, i đƣợc thể hiện bằng các giá trị từ 0 tới 10 theo công thức:
Aji = 10 – aij
Nếu aij đại diện cho tầm quan trọng tương đối của thuộc tính thứ i qua thuộc tính thứ j, sau đó tầm quan trọng của thuộc tính j qua thuộc tính thứ i đƣợc đánh giá bằng biểu số (5). Ví dụ, nếu thuộc tính thứ i quan trọng hơn một chút so với thuộc tính thứ j. thì ta có aij = 6, aji = 4. Bảng số 2 đƣợc đề xuất với vai trò trợ giúp trong việc gán giá trị aij dựa vào lý thuyết ở trên. Nó có thể đƣợc đề cập lựa chọn khoảng từ 0 đến 5, 0 đến 10, 0 đến 50,0 đến 100 cho Di và aij, nhƣng thứ hạng cuối cùng sẽ không thay đổi vì đây là những giá trị tương đối. Tuy nhiên, mong muốn lựa chọn tỉ lệ thấp hơn cho Di và aij để thu được các giá trị có thể quản lý của các chỉ số tính gia công.
Chỉ số tính gia công được cho mỗi loại vật liệu được đánh giá theo phương trình (2) với việc thay giá trị Di và aij vào. Các vật liệu có thế đƣợc sắp xếp theo thứ tự giảm dần hoặc tăng dần để phân loại thứ hạng và ƣu tiên vật liệu dùng cho quá trình gia công. Các vật liệu có giá trị cao đƣợc xếp hạng cao sẽ là lựa chọn tốt nhất cho quy trình gia công.
Tuy nhiên. quyết định lựa chọn loại vật liệu nào vẫn còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ, thiết kế, chức năng sử dụng, chi phí, tính sẵn có, và những hạn chế về kỹ thuật, kinh tế, chính trị. Cần phải dung hòa các yếu tố để có thể lựa chọn vật liệu có giá trị cao nhất của các chí số tính gia công.
(5) (5)