Tài liệu NGUYÊN LÝ CẮT(CHƯƠNG 3) pdf

Tối ưu hóa quá trình gia công cắt gọt là phương pháp nghiên cứu xác địnhchế độ cắt tối ưu thông qua mối quan hệ việc xây dựng mối quan hệ toán họcgiữa hàm mục tiêu kinh tế với các thông

Chương 3

TỐI ƯU HOÁ QUÁ TRÌNH CẮT VÀ LỰA CHỌN DỤNG CỤ CẮT VÀ

LỰA CHỌN DỤNG CỤ CẮT CHO MÁY CNC 3.1 Tối ưu hoá quá trình cắt gọt.

3.1.1 Khái niệm và ý nghĩa của tối ưu hoá.

Tối ưu hóa quá trình gia công cắt gọt là phương pháp nghiên cứu xác địnhchế độ cắt tối ưu thông qua mối quan hệ việc xây dựng mối quan hệ toán họcgiữa hàm mục tiêu kinh tế với các thông số của chế độ gia công ứng với một hệthống giới hạn về mătỵ chất lượng, kỹ thuật và tổ chức của nhà máy

Các bước cơ bản của việc nghiên cứu tối ưu hóa quá trình cắt gọt bao gồm:

- Xây dựng hàm mục tiêu của quá trình gia công

- Xây dựng các giới hạn từ đó xác định miền giới hạn của bài toán

- Khảo sát, biện luận để xác định chế độ công nghệ hợp lý

3.1.2 Các hình thức tối ưu hoá.

Có hai phương pháp tối ưu hóa quá trình cắt gọt đó là tối ưu hóa tĩnh và tối ưuhóa động

1 Tối ưu hóa tĩnh

Tối ưu hóa tĩnh hay còn gọi là tối ưu hóa trước là quá trình nghiên cứu vàgiải quyết bài toán tối ưu dựa trên mô hình tĩnh của quá trình cắt

Nhược điểm của tối ưu hóa tĩnh là không chú ý đến động lực của quá trình cắt,nghĩa là không chú ý đến các đặc điểm mang tĩnh chất ngẫu nhiên và thay đổitheo thời gian như:

- Độ cứng của vật liệu gia công không đồng nhất

- Lượng dư gia công không đều

- Lượng mòn của dao thay đổi theo thời gian

- Sau khi xác định được chế độ cắt gia công hợp lý người ta tiến hành điều chỉnhmáy làm việc theo các thông số của chế độ đó Trong quá trình làm việc cácthông số này được điều chỉnh lại

Do đặc điểm trên đây tối ưu hóa tĩnh chưa giải quyết vấn đề triệt để Mặc dù vậyngày nay tối ưu hóa tĩnh vẫn được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi vì nó rấtđơn giản, dễ áp dụng và đảm bảo tính hiệu quả

2 Tối ưu hóa động

Còn gọi là tối ưu hóa quá trình cắt gọt là quá trình nghiên cứ tối ưu hóadựa trên mô hình động của quá trình cắt do đó trong quá trình nghiên cứu có chú

ý tới các đặc điểm mang tính ngẫu nhiên và thay đổi theo thới gian

Hình 14.2 Sơ đồ nghiên cứu tối ưu hóa động khi tiện

Theo hình 14.2 quá trình cắt hệ thống các đại lượng đo lường đo các đạilượng thuộc về chi tiết (như kích thước chi tiết, sai số hình dạng của chitiết) các đại lượng thuộc về dao và hệ thống công nghệ (như độ mòn dao, lựccắt, nhiệt cắt, rung động của hệ thống công nghệ) và chuyển sang hệ thống xử lýnhanh Sau đfó hệ thống xử lý nhanh xác định ngay chế độ cắt tối ưu và kết qủcho bộ phận tiếp theo để tự động điều chỉnh máy làm viêcj theo chế độ cắt đãđược xác định.

Trong qúa trình làm việc mặc dầu xuất hiện yếu tố ngẫu nhiên và thay đổitheo thời gian như độ cứng vật liệu không đồng nhất, lượng dư gia công khôngđều, lượng mòn của dao thay đổi theo thời gian nhưng nhờ có các tín hiệu do

hệ thống đo lường chủ động cung cấp, hệ thống xử lý nhanh và luôn luôn xácđịnh được chế độ cắt hợp lý ở các thời điểm tương ứng, cung cấp kịp thời cho hệthống điều khiển tự động đảm bảo cho máy luôn luôn làm việc với ché độ hợplý

BMCNCTM Trang: 93

`

Hệ thống

đo lường

Hệ thống

xử lý nhah

Hệ thống tự động điều chỉnh chế độ cắt

tS

V

Như vậy khác với tối ưu hóa tĩnh, ở tối ưu hóa động chế độ gia côngchẳng những được điều chỉnh trước mà còn được tự động điều chỉnh ngay trongquá trình cắt.

Tối ưu hóa động giải quyết vấn đề triệt để hơn so với tối ưu hóa tĩnh nhưng cũngphức tạp hơn tối ưu hóa tĩnh rất nhiều vì tối ưu hóa động gần gắn liền với đolường chủ động và điều khiển thích nghi Tuy nhiên, do tĩnh hiệu quả của nó tối

ưu hóa động sẽ được phát triển mạnh mẽ trong thế kỷ 21

3.1.3 Cơ sở kinh tế kỹ thuật của tối ưu hoá.

Muốn thực hiện tối ưu hóa quá trình gia công cắt gọt phải dựa trên mốiquan hệ kinh tế - kỹ thuật được thiết lập được xuất phát từ bản chất vạt lý củaqúa trình cắtcũng như dựa trên tính chất đặc trưng của từng nguyên công Các

mô hình toán học mô tả mối quan hệ giữa lực cắt, tuổi bền của dụng cụ với cácthông số công nghệ cần tối ưu là cơ sở để thực hiện tối ưu hóa quá trình gia côngcắt gọt

k Z

Z

s t

F a

Trong đó: A- tiết diện ngang của phoi (mm2)

a- Chiều dày phoi (mm)a= s.sin ϕ

ϕ - Góc nghiêng chính của dao (độ)b- Chiều rộng phoi (mm)

Lượng mòn mặt sau B của dao được xác định như sau:

Khi lượng mòn B = [B] (lượng mòn cho phép) thì τ = T (tuổi bền của dao)

Người ta ciũng có thể biểu diễn tuổi bền T dưới các dạng sau:

T = A3VA2 SA4

Trong đó A1 đến A6 là các hệ số mũ phu thuộc vào các điều kiện gia công cụ thể

và được 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 14.11 cho thấy tốc độ cắt có ảnh hưởng mạnh nhất tới tuổi bền của T.Biểu thức 14.12 và 14.13 phản ánh đầy đủ ảnh hưởng của bước tiến dao vàchiều sâu tới tuổi bền của dụng cụ cắt Tuy nhiên số mũ A6 thường rất nhỏ (A6 ≈

0) tA6 ≈ 1, do đó khi tính toán người ta bỏ qua ảnh hưởng của chiều sâu cắt tớituổi bền và thường lấy T theo biểu thức

Hệ số A3 được biểu diễn như sau:

A3 = A30.A31 ….A3i

Trong đó A3i là hệ số ảnh hưởng của các yếu tố đặc trưng cho các điều kiện cắt

cụ thể tới tuổi bền T, ở đây đặc biệt chú ý tới ảnh hưởng của cặp vật liệu giacông – vật liệu dụng cụ cắt

3.1.4 Tối ưu hoá quá trình tiện

Mô hình quá trình trên như hình vẽ

BMCNCTM Trang: 95

`

- ĐCX:

*Kích thước

* HD H học

* Vị trí q/trọng

- Năng suất

- Giá thành

- Lợi nhuận

Hàm mục tiêu tổng quát có dạng:

Y= f (x)Trong đó:

y- chỉ tiêu tối ưu- chính là các đại lượng ra

x- các thông số cần công nghệ tối ưu- chính là các đại lượng vào

* Giới hạn về nghiên cứu:

- Các đại lượng vào: bộ thông số chế độ cắt s, v, t

- Đại lượng ra (mục tiêu tối ưu), các chỉ tiêu về kinh tế như:

+ Năng suất  max

+ Giá thành  min

+ Lợi nhuận - max

ở đây chỉ khảo sát hàm giá thành gia công K

K = f (s, v, t)  max

a Chỉ tiêu về thời gian

Bao gồm thời gian cơ bản τ0 là thời gian cần thiết để bién đổi phôi thành chi tiết cóhình dạng, kích thước theo yêu cầu Thời gian τ0 do máy thực hiện và được xácđịnh dựa trên sơ đồ gia công cụ thể.

- Thời gian phụ τp bao gồm:

+ Thời gian phụ của máy τpm dùng điều chỉnh máy cắt đúng chiều sâu cắt t sau mộtlợt cắt

+ Thời gian phụ của dao τpd là thời gian chi phí cho một lần thay dao bao gồm thờigian tháo dao, mài lại dao và lắp dao vào vị trí làm việc

Tổng thời gian phụ của dao ∑τpd được tính bằng tích số của thời gian chi phí cho

một lần chạy dao với số lần chạy dao:

pd

n i pd

∑

1 0

τ biểu thị số lần thay dao Tổng số thời

gian cơ bản τ0 và thời gian phụ τp tọa thành thời gian nguyên công:

τnc = τ0 + τp

- thời gian phục vụ τpv và thời gian nghỉ ngơi tự nhiên τt nh thường lấy theo phầntrăm thời gian nguyên công Hai thành phần này ảnh hưởng rất ít tới kết quả củabaòi toán tối ưu nên cho phép bỏ qua

- Thời gian chuẩn bị kết thúc nguyên công cũng như thời gian gá đặt chi tiếtkhông ảnh hưởng tới bài toán tối ưu hóa chế độ cắt nên cũng không xét đến

Vậy chỉ tiêu kỹ thuật về thời gian τ có dạng:

phd

n i pMi

m

i

OMi

Tτ τ τ

) (

Trong đó:

m- số lần cắt

τoMi – thời gian cơ bản của máy ở lần thứ i.

τpMi – thời gian phục vụ của máy ở lần cắt thứ I để điều chỉnh máy cắt đúngchiều sâu cắt

b.Chỉ tiêu kỹ thuật về chi phí gia công

+ KL – chi phí lương công nhân (đ/giờ, đ/phút)

+ KD- chi phí liên quan đến dao trong một đơn vị th/gian(đ/giờ, đ/phút)

Kbđ= KM+KL+KD=KM+KD (3.10)

Phần chi phí liên quan đến dao trong một đơn vị thời gian KD ứng với chu kỳ tuổibền T của dao gồm:

+ Chi phí cho thay dao Kthd

+ Chi phí cho dao mài Kmd

+ Chi phí cho lượng vật liệu chế tao dao bị mòn Kdm

Do chi phí liên quan đến dao trong một giờ có dạng:

Chi phí chế tạo thân dao là đại lượng không biến đổi (không phụ thuộc vào chế độcông nghệ khi cắt) do đó không cần xét đến:

Kết hợp 3.9, 3.10, ta xây dung được hàm chi phí gia công K khi tiện có dạng:

C T KD pm S

v

C KML

t

Z

.

2

1 )

1 ( π

Chi phí gia công ứng với các thành phần thời gian gia công cho biểu thức (14.17)( có thể phân thành 2 phần:

- Chi phí trong 1 giờ làm việc, ký hiệu Kclv (đồng/ giờ), bao gồm:

+ Chi phí khấu hao máy trong 1 giờ KM (đồng/ giờ)

+ Chi phí lương công nhân đứng máy 1 giờ KL (đồng/ giờ)

+ Chi phí phụ khác Kp như thời gian quýet dọn chỗ làm việc lấy theo % (KM +KL)Thành phần chi phí phụ Kp ít ảnh hưởng tới kết quả bài toán tối ưu nên có thể bỏqua

Chi phí vật liệu gia công liên quan đến chỗ làm việc trong 1 giờ Kclv có dạng:

+ Chi phí cho thay dao Kthd

+ Chi phí cho mài dao Kmd

+ Chi phí cho vật liệu chế tạo dao bị mòn Kdm

Do đó chi phí liên quan trong 1 giờ có dạng:

m i

m

phd Mi D

phd Mi

Để đơn gian bài toàn ta xét trường hợp chiểu sâu cắ t không thay đổi trong quátrình gia công, khi đó có:

t

Z m Z t m t m i

Trong đó Z là lượng dư gia công 1 phía, m là số lần cắt:

- Thời gian gia công cơ bản τ0:

S V

C t

Z S V

L d m S n

L V

L m m

doc oMi

m i oMi

.

.

τ τ

Trong đó:

L- chiều dài đoạn đường dao di chuyển gồm chiều dài phôi Lphôi vàchiều dài dự trữ Ltới

L = Lphôi + LtớiVdọc – Tốc độ tiến dao dọc

Di – Đường kính phôi ở lần cắt thứ iC1 – hằng số

C t

Z S V

L d m S n

L V

L m

doc

phoi oi

m i oi

.

.

τ τ

3

2 1

2 2

)

ML

S V A

C K

VS

C K t

Nhiệm vụ của bài toán là xác định điểm xảy ra cực trí để tìm ra các thông số cắt tối

ưu chứ không quan tâm tới giá trị cực trị của hàm mục tiêu Vì vậy, để đon giảnhóa quá trình tính toán, thay vì khảo sát hàm chi phí gia công K ta khảo sát hàmchi phí gia công K chỉ còn biểu diễn bằng thừa số thứ hai:

1 1 3

2 1

2 2

)

S V A

C K

VS

C K

Mặt khác thông số chiều sâu cắt t không có trong biểu thức 14.28 co nghĩa làkhông cần tới thời gian phụ vụ của máy ở lần thứ i(τpMi) để điều chỉnh lại máy cắtđúng chiều sâu cắt sau mỗi lần cắt, do đó hàm chi phí gia công K có dạng

) , ( )

3

2 1

2

S V A

C K

VS

C K

c Hàm mục tiêu giá thành gia công

Từ 3.13 ta thây hàm K có dạng tích số của 2 lũy thừa, trong đó thừa số thứ

K =  + + v S

C T KD pm S v

C KML

.

2

1 )

1 ( τ

Biểu thức trên có nghĩa là chỉ khảo sát một lần cắt nên coi τpm = 0 Vậy hàm mụctiêu giá thành gia công khi tiện có dạng:

K = + v S

C T

KD S v

C KML

.

2

1

1

Thay T= A3 vA2 SA4 vào ta có

c Xác định chế độ cắt tối ưu khi tiện

+ Xác định chế độ cắt tối ưu V n khi tiện

1 1 3

2 2 2

1

2

) 1 (

S V A

A C K V S

C K v

k

=0Rút ra:

2 0

.

1

A A ML

D S A

A K

K C

Vậy A<-1,A+1<0 hay-(A+1)>0.Do đó biểu thức (14.30) luôn luôn tồn tại,có nghĩa

là luôn luôn tồn tại tốc độ cắt hợp lý V(hình 14.7)

Trở lại biểu thức (14.28) ta thấy hàm chi phí gia công K gồm hai số hạng.Trong số hạng thứ nhất tốc độ cắt V nằm ở mẫu số.Trong số hạng thứ hai vìA+1<0 nên tốc độ cắt V nằm ở tử số.Với bước tiến S cố định nếu tăng tốc độ cắt sẽlàm giảm số hạng thứ nhất và làm tăng số hạng thứ hai.Trong giai đoạn đầu vì tốc

độ cắt còn nhỏ nên khi tăng tốc độ cắt thì lượng giảm của số hạng thứ nhất lớn hơnlượng tăng của số hạng thứ hai,do đó tổng của hai số hạng giảm, đường cong chiphí K đi xuống

Trong giai đoạn sau nếu tiếp tục tăng tốc độ cắt V,số hạng thứ hai tăng theohàm số mũ với cơ số lớn,do đó lượng tăng của số hạng thứ hai lớn hơn lượng giảm

số hạng thứ nhất,vì vậy tổng của hai số hạng tăng mạnh, đường cong chi phí K đilên

Kết hợp cả hai trường hợp sẽ tìm được 1 giá trị tốc độ cắt hợp lý V tại đóhàm chi phí K đạt giá trị cực tiểu(hình 14.7)

Khi cho bước tiến S nhận những giá trị cố định khác nhau và cho tốc độ cắtbiến đổi chúng ta nhận được kết quả cho ở hình 14.8.Kết quả ở hình 14.8 cho thấyrằng khi tăng bước tiến S thì giá trị cực tiểu cua hàm chi phí gia công K giảm

+ Xác định bước tiến cắt tối ưu S0

S sẽ tìm được bước tiến cắt tối ưu S0

Nhận xét thấy rằng trong biểu thức (14.29)tốc độ cắt V và bước tiến S có vai tròđối xứng,vì thế trong biểu thức

2 0

.

1

A A ML

D S A

A K

K C

A4 < 0

A4 <1⇒ A4 +1>0

Điều đó có nghĩa,bước tiến S luôn luôn nằm ở mẫu số của cả hai số hạng.Vậy vớitốc độ cắt V xác định nếu ta tăng bước tiến S thì hàm chi phí K sẽ giảm liêntục,giới hạn bước tiến cắt hợp lý tiến tới ∞(hình 14.9) Điều này không tồn tạitrong thực tiễn vì bước tiến dao phụ thuộc vào máy do đó nó luôn luôn là một đạilượng có giới hạn.vì vậy bài toán không có giá trị tuyệt đối

Khi khảo sát trường hợp đồng thời thay đổi tốc độ cắt V và bước tiến S ta đượchàm chi phí K trong không gian là một mặt cong có dạng máng nước giảm liên tục

về phía tăng của S và phía giảm của V (hình 14.10)

d Xác định tốc độ cắt kinh tế và tuổi bền kinh tế hợp lý

+ Xác định tốc độ cắt kinh tế V okt

Trong trường hợp S =Smax =constthì tuổi bền T phụ thuộc vào tốc độ cắt Vcho ở

biểu thức (14.11).Thay (14.11),(14.21),(14.22) và (14.25) vào (14.20) và lý luậntương tự như trên ta được hàm chi phí gia công K có dạng:

S V A

C K

.

) 1 (

.

1

3

2 2

v A

A C KD v

S

C KML

.

) 1 (

.

1

3

2 2

v A

A C KD v

S

C KML

4 3

1

A ML

D S A

A K

K C

Quan hệ giữa giá thành K và cận tốc cắt v như hình vẽ

K

Kmax

V0

2 Xác định hướng chạy dao tối ưu So

Tương tự, từ biểu thức, lấy đạo hàm riêng của S theo K ta có:

0

.

) 1 (

.

1

3

2 2

v A

A C KD v

S

C KML v

Trong đó V0(S1) là tốc độ cắt tối ưu ứng với các giá trị bước tiến cắt Si

3.2.3 Xác định tốc độ cắt kinh tế và tuổi bền kinh tế:

1 Xác định tốc độ cắt kinh tế VoKT

Trong trường hợp S = hằng số = Smax nếu thay T = A3 v A2 SA4 vào ta được hàmchi phí gia công K:

0

.

.

1

max 1 2 1

2 max

v A

C KD

v S

C KML v

v A

Ta lần lướt xem xét ảnh hưởng của từng số hạng chi phí gia công K

1 ảnh hưởng của chỗ làm việc tới chi phí gia công K

K2 K

.

1

1 2

v A

C KD

v S

C KML v

k

Ta thấy:

A1 ↑→ giảm số hạng thứ hai của (3-19) →K↓, V0Kt ↑TOKT không đổi

Nhận xét: cố gắng ↑ A1 Một số biện pháp:

- Nghiên cứu lựa chọn kết cấu dụng cụ tối ưu

- Nâng cao chất lượng dụng cụ cắt: tìm các vật liệu mới, phun phủ bề mặtv.v…

- Nghiên cứu tối ưu công nghệ trơn nguội

2 ảnh hưởng của số mũ A2

Tăng A2 - Tăng độ nhạy của hàm

- Tăng số hạng thứ hai →K↓, V0Kt ↑TOKT↓

Nhận xét cần tìm các biện pháp để giảm A2, chủ yếu là nâng cao chất lượng dụngcụ

+ R6: Giới hạn tuổi bền nhỏ nhất của dụng cụ cắt có thể đạt được xác định

từ định nghĩa tuổi bền của dụng cụ

+ R7: Giới hạn tuổi bền lớn nhất của dụng cụ cắt có thể đạt được được xácđịnh từ định nghĩa hàm tuổi bền

3.1.5 Tối ưu hoá quá trình phay.

Phay là phương pháp gia công cắt gọt thường được thực hiện bằng dụng cụ cắt

có nhiều lưỡi cắt quay tròn tạo thành chuyển động cắt,phôi thực hiện chuyển độngtịnh tiến tạo ra chuyển động tiến dao

Phay được sử dụng rộng rãi để gia công các mặt phẳng,các mặt định hình,các

mặt xoắn (ren) …

a Xây dựng hàm mục tiêu chi phí gia công khi phay.

+ Xác định thời gian cơ bản của máy T om khi phay

Dựa vào sơ đồ cắt khi phay (hình 4.1) ta có :

v L n L S n S L Z L d v S Z

Z

F Z

d omi

.

1

S là bước tiến răng (mm/răng);

S là số răng của dao;

F

d là đường kính dao phay (mm);

V là tốc độ cắt (m/phút);

L là đoạn đường phôi phải di chuyển (mm);

Chiều dài tiến dao L phụ thuộc vào kích thước của dao,phôi và vị trí tương quangiữa dao và phôi (hình 4.1)

L=l+l t +l quá+l bx

Trong đó : l là chiều dài phôi

l là đoạn đường bổ xung khi phay

a.Phay bằng dao phay mặt dầu

 Khi phay thô:

+ Trường hợp tâm dao nằm ngoài phôi:

2 , 1 2 ,

2 ( )

2

f

F quá

l l

+ Trường hợp tâm dao đi qua phôi:

4 , 3 4 ,

2 ( ) 2

quá

l l

+ Hàm chi phí gia công K khi phay:

Hàm chi phí gia công K khi phay được xác định như sau:

=

=

+ +

i ci D m

i

pmi omi ML

T

K K

pmi omi ML

K

1

) ( τ τ là chi phí lien quan đến chỗ làm việc.

Với K ML là chi phí khấu hao máy và lương công nhân đứng máy trong một đơn vịthời gian (đồng/phút)

- ∑

=

m i ci

D T

K

1

'

τVới:

+T là tuổi bền của dao;

Khi phay các lưỡi cắt tham gia cắt không liên tục.Để đặc trưng cho quá trình cắtkhông liên tục người ta đưa ra hệ số ảnh hưởng