Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng trục dao và chế độ cắt đến năng suất và nhám bề mặt khi gia công mặt cầu lồi trên trung tâm CNC 5 trục (tt)

MỞ ĐẦU
1-Tính cấp thiết của đề tài luận án
Trong kỹ thuật gia công cơ khí thì năng suất, chất lượng và giá
thành là các chỉ tiêu mang tính chất quyết định đến sự tồn tại của sản
phẩm trên thị trường. Ngày nay việc ứng dụng các máy CNC vào
trong kỹ thuật gia công góp phần hạ giá thành, nâng cao năng suất và
độ chính xác gia công sản phẩm cơ khí. Một trong những sản phẩm
đó là khuôn mẫu. Các bề mặt khuôn mẫu sau khi gia công thường là
sau nhiệt luyện phải qua công đoạn mài. Đối với các bề mặt có hình
dáng phức tạp như khuôn ép phun thì việc gia công mài không phải
đơn giản. Để giải quyết vấn đề này có thể khắc phục được bằng cách
sử dụng dao phay cầu trên trung tâm gia công CNC 5 trục để gia
công tinh bề mặt khuôn. Tuy nhiên quá trình cắt bằng dao phay cầu
rất phức tạp vì lưỡi cắt của dao phay cầu được bố trí trên mặt cầu nên
cơ chế cắt gọt ở các vị trí trên lưỡi cắt là khác nhau. Các vị trí đó
phụ thuộc vào góc nghiêng của trục dao với pháp tuyến của bề mặt
chi tiết tại điểm cắt. Như vậy bài toán đặt ra là xác định thông số
công nghệ (góc nghiêng trục dao và chế độ cắt) tối ưu nhằm nâng
cao năng suất và chất lượng bề mặt gia công.
Do đó đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng trục dao
và chế độ cắt đến năng suất và nhám bề mặt khi gia công mặt cầu

lồi trên trung tâm CNC 5 trục” là cần thiết và cấp bách. Kết quả của
đề tài làm tài liệu cho nhà công nghệ chọn chế độ cắt khi gia công
khuôn trên trung tâm gia công CNC 5 trục và nhà khoa học nghiên
cứu về tối ưu hóa quá trình gia công cắt gọt.
2. Mục đích và nội dung nghiên cứu của đề tài
- Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đầu vào
(góc nghiêng trục dao θ, vận tốc cắt V, lượng tiến dao S, chiều
sâu cắt t) đến các thông số công nghệ đầu ra (lực cắt F, chiều cao
mòn dao hs, nhám bề mặt Rz và năng suất gia công Q) khi gia
công trên trung tâm gia công CNC 5 trục.
- Xây dựng phương pháp để thiết lập và giải bài toán tối ưu hóa đa
mục tiêu khi gia công trên trung tâm gia công CNC 5 trục.
1


- Tối ưu hóa bộ thông số công nghệ đầu vào (góc nghiêng trục dao
θ, vận tốc cắt V, lượng tiến dao S, chiều sâu cắt t) đến các thông
số công nghệ đầu ra (lực cắt F, chiều cao mòn dao hs, nhám bề
mặt Rz và năng suất gia công Q).
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu quá trình phay 5 trục cắt vật liệu SKD11 bằng dao
phay cầu.
- Nghiên cứu quá trình gia công bề mặt 3D phức tạp trên trung tâm
gia công CNC 5 trục bằng dao phay cầu.
- Nghiên cứu phương pháp tối ưu hóa thực nghiệm và đánh giá
mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đầu vào (góc
nghiêng trục dao θ, vận tốc cắt V, lượng tiến dao S, chiều sâu cắt
t) đến các thông số công nghệ đầu ra (lực cắt F, chiều cao mòn
dao hs, nhám bề mặt Rz và năng suất gia công Q) bằng phương
pháp Taguchi.
- Nghiên cứu trí tuệ nhân tạo và giải thuật PSO.
- Nghiên cứu tối ưu hóa đa mục tiêu.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết về các hiện tượng xẩy ra trong quá trình gia
công phay.
- Phương pháp mô phỏng thực nghiệm.
- Phương pháp thực nghiệm.
5.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học
- Nghiên cứu xác định mức độ ảnh hưởng của các thông số công


nghệ đầu vào (góc nghiêng trục dao θ, vận tốc cắt V, lượng tiến
dao S, chiều sâu cắt t) đến các thông công nghệ đầu ra (lực cắt F,
chiều cao mòn dao hs, nhám bề mặt Rz và năng suất gia công Q)
khi phay bề mặt chỏm cầu bằng dao phay cầu trên trung tâm gia
công CNC 5 trục.
- Nghiên cứu xây dựng các mô hình toán học giữa các thông số
công nghệ đầu vào (góc nghiêng trục dao θ, vận tốc cắt V, lượng
tiến dao S, chiều sâu cắt t) với các thông số công nghệ đầu ra (lực
cắt F, chiều cao mòn dao hs, nhám bề mặt Rz và năng suất gia
2


công Q) của phương pháp phay bằng dao phay cầu trên trung tâm
gia công CNC 5 trục.
- Thiết lập mô hình bài toán tối ưu đa mục tiêu với hai chỉ tiêu là
năng suất gia công Q và nhám bề mặt Rz.
- Đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng gia công bề mặt 3D bằng
phương pháp nghiêng trục dao khi gia công trên trung tâm gia
công CNC 5 trục bằng dao phay cầu.
Ý nghĩa thực tiễn
- Đưa ra bộ thông số công nghệ tối ưu khi phay bề mặt 3D trên
trung tâm gia công CNC 5 trục bằng dao phay cầu.
- Kết quả của luận án làm tài liệu tham khảo cho nghiên cứu, đào
tạo và định hướng công nghệ cho sản xuất.
6. Đóng góp mới của đề tài nghiên cứu
- Xác định được mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ
đầu vào (góc nghiêng trục dao θ, vận tốc cắt v, lượng tiến dao S
và chiều sâu cắt t) đến các thông số đầu ra (lực cắt F, chiều cao
mòn dao hs, nhám bề mặt Rz và năng suất cắt Q) khi phay bằng
dao phay cầu trên trung tâm gia công CNC 5 trục.
- Xây dựng được các hàm toán học của lực cắt F, chiều cao mòn
dao hs, nhám bề mặt Rz và năng suất cắt Q theo các thông số công
nghệ (góc nghiêng trục dao θ, vận tốc cắt v, lượng tiến dao S và
chiều sâu cắt t) khi phay bằng dao phay cầu trên trung tâm gia
công CNC 5 trục.
- Xác định được bài toán tối ưu đa mục tiêu cho quá trình phay bề
mặt 3D trên trung tâm CNC 5 trục bằng dao phay cầu.
- Xác định được bộ thông số công nghệ tối ưu trong điều kiện
nghiên cứu.
- Xây dựng được giải thuật tối ưu PSO tìm miền tối ưu bằng
phương pháp Pareto.
7. Cấu trúc của luận án
Luận án gồm 4 chương, nội dung chính của từng chương được tóm
tắt như sau:
Chương 1: Tổng quan về phay bề mặt 3D trên trung tâm gia công
CNC 5 trục.
3


Chương 2: Một số đặc trưng của quá trình phay bề mặt 3D trên
trung tâm gia công CNC 5 trục.
Chương 3: Xây dựng mô hình toán học bằng thực nghiệm giữa góc
nghiêng trục dao và chế độ cắt với các thông số đầu ra.
Chương 4: Ứng dụng trí tuệ nhân tạo để xác định thông số công
nghệ tối ưu khi phay bề mặt 3D trên trung tâm gia công CNC 5 trục
bằng dao phay cầu.
NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHAY BỀ MẶT 3D TRÊN
TRUNG TÂM GIA CÔNG CNC 5 TRỤC
1.1 Đặc điểm tạo hình trên trung tâm gia công CNC 5 trục
1.1.1 Cấu hình của trung tâm gia công CNC 5 trục
Trung tâm gia công phay dùng để gia công khuôn mẫu thường có
cấu hình từ 3- 5 trục. Việc lập trình chuyển động được thực hiện nhờ
các hệ thống lập trình chuyên dụng chạy trên máy tính. Nhược điểm
lớn nhất của trung tâm gia công 3 trục là phương của trục dụng cụ
luôn không đổi so với bàn máy. Một khuynh hướng mới trong sản
xuất là dùng trung tâm gia công phay 5 trục điều khiển CNC. Các
trung tâm gia công CNC 5 trục được phân loại theo vị trí các trục
quay được thực hiện. Cấu hình có thể là:
- Bàn máy mang phôi quay theo hai trục (kiểu bàn quay)
- Trục chính mang dụng cụ cắt quay theo hai trục (kiểu đầu quay)
- Bàn máy thực hiện quay theo 1 trục, trục chính thực hiện quay
theo 1 trục (kiểu kết hợp giữa bàn quay và đầu quay).
1.1.2 Định hướng dụng cụ trên trung tâm gia công
Góc nghiêng dao: là góc hợp bởi vector trục dao (hướng từ đỉnh
dao đến chuôi dao) và vector pháp tuyến của mặt phẳng tiếp tuyến
với bề mặt chi tiết gia công tại điểm cắt.
Nếu vector trục dao nằm trong mặt phẳng chứa vector pháp tuyến
của mặt phẳng tiếp tuyến với bề mặt chi tiết và vector tiếp tuyến của
đường dụng cụ tại điểm cắt thì góc nghiêng dao được gọi là góc tiếp
dẫn
4


Nếu vector trục dao nằm trong mặt phẳng chứa vector pháp tuyến
của mặt phẳng tiếp tuyến với bề mặt chi tiết và vector vuông góc với
tiếp tuyến của đường dụng cụ tại điểm cắt thì góc nghiêng dao được
gọi là góc pháp dẫn
1.2 Dụng cụ gia công bề mặt 3D trên trung tâm gia công CNC 5
trục
1.2.1 Khả năng cắt gọt của dao phay cầu
Khi gia công các mặt phẳng và mặt trụ: dao để lại lượng dư
gia công lớn hơn khi sử dụng dao phay ngón đầu phẳng với cùng
một giá trị bước dịch ngang.
Khi gia công các mặt chêm và mặt cong: dao để lại lượng dư
gia công bé hơn khi sử dụng dao phay ngón đầu phẳng với cùng
một giá trị bước dịch ngang. Do đó sử dụng dao phay ngón đầu
cầu để gia công tinh mặt chêm và mặt cong tốt hơn dao phay
ngón đầu phẳng.
1.2.2 Thông số hình học của dao phay cầu
Lưỡi cắt của dao phay cầu trải trên mặt trụ và mặt cầu có cùng
bán kính R0
1.2.3 Phương trình lưỡi cắt của dao phay cầu
f(x,y,z) = X Rcos

Y (Rsin

) Rcos√

=0

(1.8)

1.3Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
1.3.1Tình hình nghiên cứu trong nước
1.3.2Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Trên cơ sở nghiên cứu, tổng hợp các công trình nghiên cứu
trong và ngoài nước các tác giả đã nghiên cứu về khả năng công
nghệ cũng như chất lượng bề mặt khi gia công trên trung tâm gia
công CNC 5 trục. Khả năng tạo hình và chất lượng bề mặt phụ
thuộc vào chế độ cắt (v, s, t) và góc nghiêng trục dao. Tuy nhiên
các tác giả không nghiên cứu sự tương tác của các yếu tố đó đồng
thời, chưa đánh giá được mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố công
nghệ đó đến chất lượng đầu ra. Từ đó làm cơ sở điều khiển thông
số công nghệ để đạt chất lượng đầu ra.
Do đó đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng trục dao
và chế độ cắt đến năng suất và nhám bề mặt khi gia công mặt cầu
5


lồi trên trung tâm CNC 5 trục” giải quyết các vấn đề đánh giá mức
độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đầu vào (góc nghiêng
trục dao, vận tốc căt, lượng tiến dao, chiều sâu cắt) đến các thông
số công nghệ đầu ra (lực cắt, mòn dao, nhám bề mặt, năng suất gia
công) và tối ưu hóa đa mục tiêu (chất lượng bề mặt, năng suất gia
công).
KẾT LUẬN CHƢƠNG 1
1. Nghiên cứu tổng quan về quá trình gia công trên trung tâm CNC
5 trục với các thông số vật lý, hình học của dụng cụ cắt khi gia
công.
2. Nghiên cứu khả năng gia công các bề mặt 3D tự do trên trung tâm
gia công CNC 5 trục và góc nghiêng trục dao đến khả năng công
nghệ.
3. Nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng trục dao và chế độ cắt
đến chất lượng bề mặt, năng suất gia công. Từ đó xác định được
điều khiển góc nghiêng và chế độ cắt là giải pháp cơ bản, hiệu
quả để kiểm soát chất lượng và đảm bảo năng suất gia công trên
trung tâm gia công CNC 5 trục.
4. Hiện nay, khi gia công trên trung tâm CNC 5 trục thì góc nghiêng
trục dao được xác định trước so với bề mặt phôi chưa được
nghiên cứu triệt để, chưa tối ưu.
5. Nghiên cứu trong nước và ngoài nước đến công nghệ gia công tạo
hình bề mặt phức tạp trên trung tâm gia công và ảnh hưởng của
chế độ công nghệ cũng như góc nghiêng trục dao đến năng suất
và chất lượng bề mặt.
CHƢƠNG 2: MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CỦA QUÁ TRÌNH PHAY
BỀ MẶT 3D
2.1 Lực cắt khi phay
2.1.1 Lực cắt trong hệ thống động lực học quá trình cắt
Trong quá trình gia công lực cắt thường xuyên thay đổi (hình 2.1)
do đó sẽ gây ra hiện tượng rung động khi cắt và tạo nên độ sóng bề
mặt và sóng nhám ảnh hưởng xấu đến chất lượng bề mặt.
2.1.2 Lực tác dụng lên mặt trước và mặt sau của dụng cụ cắt
Lực cắt P có thể phân tích theo các hướng trục tọa độ X, Y, Z của
hệ trục tọa độ OXYZ thành các thành phần PX, PY, PZ. Khi thay đổi
thông số hình học của dụng cụ cắt và các chế độ cắt thì các đại lượng
6


PX, PY, PZ cũng sẽ thay đổi đồng thời vị trí của chúng trong không
gian cũng sẽ ổn định. Tổng lực các thành phần P sẽ là:

P  PX2  PY2  PZ2

(2.2)

2.1.3 Ảnh hưởng của chế độ cắt đến lực cắt
Tăng chiều sâu cắt t và lượng chạy dao S: làm tăng diện tích cắt
do đó các lực cắt thành phần đều tăng. Thực nghiệm đã xác định ảnh
hưởng của t lớn hơn của S đến lực cắt. Tốc độ cắt ảnh hưởng đến lực
cắt phức tạp hơn. Vận tốc cắt ảnh hưởng đến tần xuất ma sát của dao
với phôi, do vậy sẽ làm tăng hay giảm nhiệt khi cắt. Thực chất ảnh
hưởng của vận tốc cắt tới lực cắt là ảnh hưởng gián tiếp thông qua
nhiệt cắt.
2.2 Mòn dao khi phay
2.2.1 Mài mòn của dụng cụ cắt
2.2.2 Các dạng mài mòn phần cắt dụng cụ
Phần cắt dụng cụ trong quá trình gia công thường bị mài mòn theo
các dạng sau :
- Mài mòn theo mặt sau
- Mài mòn mặt trước
- Mài mòn đồng thời cả mặt trước và mặt sau
- Mài mòn tù lưỡi cắt
2.2.3 Chỉ tiêu đánh giá mài mòn dụng cụ cắt
Lượng mòn ở mặt sau thường được đánh giá bởi chỉ tiêu chiều
cao mòn hs. Chỉ tiêu mài mòn mặt sau hs, [hs] được xác định phụ
thuộc chủ yêu vào phương pháp gia công (thô, tinh), vật liệu làm dao
và vật liệu gia công. Khi gia công thô bằng dụng cụ hợp kim cứng
[hs] = (0.8 1 mm) đối với thép và [hs] = (0.8 1.7 mm) đối với gang;
khi gia công tinh thép [hs] = (0.2 0.8 mm).
2.2.4 Cơ chế mài mòn dụng cụ cắt
2.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến mòn dao
Tốc độ cắt V là một nhân tố ảnh hưởng mạnh nhất tới T so với t
và S . Vì khi cắt với vận tốc V càng lớn nhiệt cắt càng cao. Độ mòn
của dao (chủ yếu là do mặt sau) càng nhanh đạt tới mức cho phép hs
và dụng cụ cắt phải được mài lại, nghĩa là tuổi bền T giảm.
7


Diện tích cắt f = S.t Do đó tăng t và S hoặc tăng riêng S, riêng t
đều làm f tăng. Nghĩa là công suất cắt tăng lên, dẫn đến nhiệt cắt
tăng làm dụng cụ cắt mòn nhanh. Để giữ độ mòn [hs] không đổi thì
rõ ràng là phải giảm T.
2.3 Chất lƣợng bề mặt khi phay
2.3.1 Tính chất hình học bề mặt gia công
Độ nhấp nhô tế vi bề mặt là tập hợp tất cả những vết lồi, lõm với
bước cực ngắn để tạo thành profin bề mặt chi tiết trong phạm vi
chiều dài chuẩn l . Độ nhấp nhô tế vi bề mặt được hình thành do tác
động của dụng cụ cắt tới bề mặt gia công.
2.3.2 Ảnh hưởng của chế độ cắt tới bề mặt chi tiết gia công
Theo pro.P.E.Diatrenco thì chiều cao nhấp nhô sau khi cắt gọt
chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố sau [1]:
a. Độ cứng vững của hệ thống và dao động cưỡng bức , dao động tự
dung trong quá trình cắt
b. Chế độ cắt, chủ yếu là V, S
c. Biến dạng dẻo và đàn hồi của vật liệu gia công.
d. Hình dạng hình học và vĩ mô của lưỡi cắt .
2.3.3 Ảnh hƣởng của góc nghiêng trục dao đến chất lƣợng bề mặt
gia công
Nghiêng trục dao làm thay đổi vị trí tiếp xúc giữa dao và phôi nên
đường kính cắt thực thay đổi, dẫn đến vận tốc cắt thay đổi. Theo
Marius Coma [29] nghiêng trục dao làm thay đổi diện tích cắt dẫn
đến lực cắt thay đổi và do đó ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia
công. Việc điều khiển được vị trí tiếp xúc giữa dao và phôi hay góc
nghiêng trục dao sẽ góp phần nâng cao chất lượng bề mặt gia công.
2.4 Năng suất khi phay
Các đại lượng đặc trưng cho quá trình cắt bao gồm [7]:
Thể tích phoi Q ph tạo thành trong 1 đơn vị thời gian: là tích số của
diện tích tiết diện ngang của phoi với vecto tốc độ cắt:
Qph  B.t.vs

(2.15)

KẾT LUẬN CHƢƠNG 2

8


1. Nghiên cứu một số đặc trưng công nghệ khi phay trên trung tâm
gia công CNC 5 trục bao gồm đặc tính về động học và động lực
học.
2. Phân tích các đặc trưng chất lượng bề mặt khi phay trên trung tâm
gia công.
3. Phân tích ảnh hưởng của chế độ cắt đến lực cắt, chất lượng bề mặt,
lượng mòn dụng cụ cắt, năng suất gia công.
4. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt khi gia
công từ đó xác định rõ các thông số cần điều khiển cho quá trình
cắt là góc nghiêng trục dao, vận tốc cắt, lượng tiến dao, chiều sâu
cắt để đảm bảo chất lượng, và năng suất gia công.
CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC BẰNG
THỰC NGHIỆM GIỮA GÓC NGHIÊNG TRỤC DAO VÀ CHẾ
ĐỘ CẮT VỚI CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẦU RA
3.1 Xây dựng mô hình thực ngiệm
3.1.1 Sơ đồ thực nghiệm
3.1.2 Các đại lượng đầu vào
Các thông số công nghệ điều khiển được là các thông số có ảnh
hưởng mạnh nhất đến quá trình gia công phay, chính vì vậy chọn các
thông số đó làm các đại lượng đầu vào. Cơ sở chọn dải thông số chế
độ cắt là xuất phát từ khảo sát thực tế tại các công ty gia công sản
xuất khuôn mẫu, sổ tay công nghệ…Các thông số bao gồm:
- Vận tốc cắt V: 150 ≤ V ≤ 190 (m/phút).
- Lượng chạy dao S: 200 ≤ S ≤ 600 (mm/phút).
- Chiều sâu cắt t: 0.1 ≤ t ≤ 0.3mm.
- Góc nghiêng trục dao θ: 14(0) ≤ θ ≤ 68(0).
3.1.3 Các đại lượng đầu ra
Đầu ra của quá trình nghiên cứu khi phay CNC bao gồm:
- Lực cắt: F(N)
- Chiều cao mòn dao: hs(µm)
- Nhám bề mặt: Rz (µm)
- Năng suất gia công: Q (g/phút)
3.1.4 Các đại lượng cố định
3.1.5 Các đại lượng nhiễu
3.2 Điều kiện thực nghiệm
9


3.2.1 Máy phay CNC
Thực nghiệm được thực hiện trên trung tâm gia công Mikron
UCP600 tại trung tâm hỗ trợ đào tạo nghiên cứu và đổi mới công
nghệ Cơ Khí, Viện Cơ Khí trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Đây
là loại máy phay 5 trục kiểu bàn xoay dạng AC.
3.2.2 Phôi thực nghiệm
Vật liệu thí nghiệm là thép hợp kim hay sử dụng trong gia công
khuôn mẫu có kí hiệu SKD11 tiêu chuẩn Nhật Bản.
3.2.3 Dụng cụ cắt
Dao được chế tạo dưới dạng liền khối, lưỡi cắt phủ TiAlN theo
công nghệ nano của hãng YG được kí hiệu EMC56
3.3 Các thiết bị đo
Máy Surtronic Duo của Đức
Máy VHX của Nhật Bản
Lực kế TelC của Đức
Cân điện tử JWP của Đài Loan
3.4 Thiết kế ma trận thực nghiêm taguchi
Với 4 thông số công nghệ: Vận tốc cắt, lượng tiến dao, chiều sâu
cắt, góc nghiêng trục dao là 4 yếu tố đầu vào. Mỗi yếu tố được chia
thành 5 mức (1, 2, 3, 4, 5). Do vậy ma tran trực giao Taguchi được
thành lập: OA25(54). Nghĩa là bảng thí nghiệm với 4 yếu tố, mỗi yếu
tố chia làm 5 mức, tổng số thí nghiệm là 25. Thí nghiệm được tiến
hành với 25 bộ thông số công nghệ cho mỗi lần cắt. Mỗi bộ thông số
công nghệ được cắt 3 lần. Các điều kiện cắt như nhau, trong môi
trường giống nhau.
3.5 Chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng mô hình toán học xác định mối
quan hệ thực nghiệm
Tiêu chuẩn để xác định một hàm toán học quan hệ thực nghiệm là
sai lệch tại từng điểm dự đoán  càng nhỏ càng tốt hay nói cách khác
là sai số trung bình của toàn bộ sai số dự đoán tb và độ phân tán của
các sai số  càng nhỏ càng tốt.
3.6 Xác định mối quan hệ thực nghiệm
3.6.1 Xác định mối quan hệ thực nghiệm giữa chế độ cắt và lực cắt
F khi gia công thép SKD11
10


Sử dụng phần mềm minitab hồi quy thực nghiệm quan hệ giữa (S,
V, t,  ) và lực cắt F. Với tập dữ liệu thu được hàm hồi quy có dạng
tương tác lẫn cho độ chính xác dự đoán cao nhất. Hàm quan hệ sau
khi tính toán như sau:
F = 28,49 – 0,0368669 . V – 0,0047209 . S + 315,382 . t – 1,19425 . +
0,000246017 .V .S – 1,54882 .V .t + 0,00572035 .V . – 0,135744 .S .t –
0,000184129 .S . + 0,79007 .t .
(3.5)

Hình 3. 10 Đồ thị ảnh hưởng của S và V tới F
khi θ=140, t=0.1(mm)

Hình 3. 11Đồ thị ảnh hưởng của t và V tới F
khi θ=140, S=200 (mm/ph)

Hình 3. 12 Đồ thị ảnh hưởng của và V tới F
khi S=600(mm/ph), t=0.3(mm)

Hình 3.13 Đồ thị ảnh hưởng của S và t tớiF

Hình 3. 14 Đồ thị ảnh hưởng của S và
khi V=150(m/ph), t=0.1(mm)

Hình 3. 15 Đồ thị ảnh hưởng của t và tới F
khi V=150(m/ph), S=200(mm/ph)

tới F

khi θ=140, V=190(m/ph)

11


Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến lực cắt
bằng phương pháp Taguchi cho kết quả như sau: ảnh hưởng của góc
nghiêng dao là 47.0594%, lượng tiến dao là 25.0815%, chiều sâu cắt
là 15.7163%, vận tốc cắt 4.4072% và nhiễu là 7.7353%.
3.6.2 Xác định mối quan hệ thực nghiệm giữa chế độ cắt và chiều
cao mòn dao hs khi gia công thép SKD11
Sử dụng phần mềm minitab hồi quy thực nghiệm quan hệ giữa (S,
V, T,  ) và chiều cao mòn dao hs. Với tập dữ liệu thu được hàm hồi
quy có dạng hàm số mũ cho độ chính xác dự đoán cao nhất. Hàm
quan hệ sau khi tính toán như sau:
(3.24)
hs = 2,321.10-6.V2.38496.S0.285157.T0.589862.  -0.191772

Hình 3.20 Đồ thị ảnh hưởng của S và V
đến hs khi θ=140, T=10(phút)

Hình 3. 21 Đồ thị ảnh hưởng của T và V đến
hs khi θ=140, S=200(mm/ph)

Hình 3. 22 Đồ thị ảnh hưởng của S và T
đến hs khi S=600(mm/ph), T=50(phút)

Hình 3. 23 Đồ thị ảnh hưởng của S và T đến
hs khi V=150(m/ph), =14°

12


Hình 3. 24 Đồ thị ảnh hưởng của S và tới
hs khi V=190(m/ph), T=50(phút)

Hình 3.25 Đồ thị ảnh hưởng của T và tới
hs khi V=150(m/ph), S=200(mm/ph)

Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến chiều cao
mòn dao hs bằng phương pháp Taguchi cho kết quả như sau: ảnh
hưởng của góc nghiêng dao là 7.4695%, lượng tiến dao là 8.1724%,
thời gian cắt là 59.9725%, vận tốc cắt 20.1988% và nhiễu là
4.1867%.
3.6.3 Xác định mối quan hệ thực nghiệm giữa chế độ cắt và nhám
bề mặt Rz khi gia công thép SKD11
Sử dụng phần mềm minitab hồi quy thực nghiệm quan hệ giữa (S,
V, t,  ) và nhám bề mặt Rz. Với tập dữ liệu thu được hàm hồi quy
có dạng tương tác lẫn cho độ chính xác dự đoán cao nhất. Hàm quan
hệ sau khi tính toán như sau:
Rz =3,06377 – 0,00853526.V – 0,00176698.S + 71,8845.t –
0,272548.  +6,53233.10-5.V.S – 0,357075.V.t + 0,00134262.V.  –
0,0316131.S.t - 5,55995.10-5.S.  +0,149278.t. 
(3.43)

Hình 3. 1 Đồ thị ảnh hưởng của S và V tới Rz
khi θ=140, t=0.1 (mm)

Hình 3. 31 Đồ thị ảnh hưởng của t và V tới
Rz khi θ=140, S=200(mm/ph)

13


Hình 3. 32 Đồ thị ảnh hưởng của và V tới
Rz khi t=0.3(mm), S=600(mm/ph)

Hình 3. 33 Đồ thị ảnh hưởng của S và t tới
Rz khi θ=140, V=150 (m/ph)

Hình 3. 34 Đồ thị ảnh hưởng của S và tới
Rz khi t=0.1(mm), V=150 (m/ph)

Hình 3. 35 Đồ thị ảnh hưởng của t và tới
Rz khi V=150(m/ph), S=200 (mm/ph)

Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến nhám bề
mặt bằng phương pháp Taguchi cho kết quả như sau: ảnh hưởng của
góc nghiêng dao là 54.1414%, lượng tiến dao là 31.2771%, chiều
sâu cắt là 2.50518%, vận tốc cắt 4.8728% và nhiễu là 7.2034%.
3.6.4 Xác định mối quan hệ thực nghiệm giữa chế độ cắt và năng
suất gia công Q khi gia công thép SKD11
Sử dụng phần mềm minitab hồi quy thực nghiệm quan hệ giữa (S, V,
t,  ) và năng suất gia công Q. Với tập dữ liệu thu được hàm hồi quy
có dạng hàm mũ cho độ chính xác dự đoán cao nhất. Hàm quan hệ
sau khi tính toán như sau:
(3.62)
-3 1.06568 1.26202 1.00954
-0.861357

Q= 1,09428.10 .V

.S

Hình 3. 40 Đồ thị ảnh hưởng của S và V tới Q

.t

.

Hình 3. 41Đồ thị ảnh hưởng của t và V tới Q

14


khi θ=140, t=0.1(mm)

khi θ=140, S=200(mm/ph)

Hình 3. 42 Đồ thị ảnh hưởng của và V tới Q
khi S=200(mm/ph), t=0.1(mm)

Hình 3.43 Đồ thị ảnh hưởng của S và t tới
Q khi V=150(m/ph), θ=140

Hình 3. 44 Đồ thị ảnh hưởng của S và
khi V=150(m/ph), t=0.1(mm)

tới Q

Hình 3. 45 Đồ thị ảnh hưởng của t và tới Q
khi V=150(m/ph), S=200(mm/ph)

Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến năng suất
gia công bằng phương pháp Taguchi cho kết quả như sau: ảnh hưởng
của góc nghiêng dao là 32.6355%, lượng tiến dao là 36.61747%,
chiều sâu cắt là 26.2674%, vận tốc cắt 3.32819% và nhiễu là
1.1513%.
KẾT LUẬN CHƢƠNG 3
1. Nghiên cứu, xây dựng qui hoạch thực nghiệm bằng phương pháp
Taguchi.
2. Phân tích thực nghiệm và thực hiện thu thập dữ liệu, xử lý dữ liệu
thực nghiệm bằng phương pháp Taguchi.
3. Xác định được phương trình toán học thể hiện mối quan hệ thực
nghiệm giữa góc nghiêng trục dao (), vận tốc cắt (V), chiều sâu
cắt (t), lượng tiến dao (S) với lực cắt (F), chiều cao mòn dao (hs),
nhám bề mặt (Rz) năng suất gia công (Q):
- F = 28,49 – 0,0368669.V – 0,0047209.S + 315,382.t –
1,19425. + 0.000246017.V.S – 1,54882.V.t + 0,00572035.V.
– 0,135744.S.t – 0,000184129.S. + 0,79007.t .
- hs = 2,321.10-6.V2.38496.S0.285157.T0.589862.-0.191772
15


- Rz =3,06377 – 0,00853526.V – 0,00176698.S + 71,8845.t –
0,272548. +6,53233.10-5.V.S – 0,357075.V.t +
0,00134262.V. – 0,0316131.S.t - 5,55995.10-5.S.
+0,149278.t.
- Q= 1,09428.10-3.V1.06568.S1.26202.t1.00954. -0.861357
Các hàm quan hệ toán học này đều phi tuyến và đơn điệu.
4. Bằng phương pháp Taguchi đánh giá mức tác động ảnh hưởng của
góc nghiêng trục dao (), vận tốc cắt (V), chiều sâu cắt (t), lượng
tiến dao (S) tới:
- Lực cắt (F): ảnh hưởng của góc nghiêng dao là lớn nhất
47.0594%, thứ hai là lượng tiến dao 25.0815%, chiều sâu cắt
15.7163% và vận tốc cắt 4.4072%.
- Chiều cao mòn dao (hs): ảnh hưởng của thời gian cắt là lớn nhất
59.9725%, thứ hai là vận tốc cắt 20.1988%, tiếp theo là lượng
tiến dao 8.1724% và góc nghiêng dao 7.4695%.
- Nhám bề mặt (Rz): ảnh hưởng của góc nghiêng trục là lớn nhất
54.1414%, thứ hai là lượng tiến dao 31.2771%, tiếp theo là vận
tốc cắt 4.8728% và chiều sâu cắt 2.50518%.
- Năng suất gia công (Q): ảnh hưởng của lượng tiến dao là lớn
nhất 36.61747%, thứ hai là góc nghiêng trục dao 32.6355%,
chiều sâu cắt 26.2674% và vận tốc cắt 3.32819%.
CHƢƠNG 4: ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO ĐỂ XÁC
ĐỊNH THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ TỐI ƢU KHI PHAY BỀ
MẶT 3D TRÊN TRUNG TÂM GIA CÔNG BẰNG DAO PHAY
CẦU
4.1 Xây dựng bài toán tối ƣu khi phay trên trung tâm gia công
4.1.1 Xác định hàm mục tiêu
Trong luận án các hàm mục tiêu bao gồm hàm mục tiêu về năng suất
gia công và nhám bề mặt gia công:
Q( x)  1,09.103.X11.06568.X 1.26202
.X 31.0094.X 40.861357
2

(4.4)

16


R z ( x)  3,06377 – 0,00853526.X1 – 0,00176698.X 2  71,8845.X 3 – 0, 272548. X 4 
6,53233.105. X1. X 2 – 0,357075. X1. X 3  0,00134262. X1. X 4 – 0,0316131. X 2 . X 3 
5,55995.105. X 2 . X 4  0,149278. X 3 . X 4

(4.5)

4.1.2 Xác định hàm biên
- Giới hạn về không gian chế độ cắt:
g1= X1 -190 ≤ 0
g2= -X1 + 150 ≤ 0
g3= X2 -600 ≤ 0
g4= -X2 + 200 ≤ 0
g5=X3 -0,3 ≤ 0
g6= -X3 + 0,1 ≤ 0
g7=X4 -68 ≤ 0
g8= -X4 + 14 ≤ 0

(4.8)
(4.9)
(4.10)
(4.11)
(4.12)
(4.13)
(4.14)
(4.15)

F ( x). X1
 14  0
60.1020

(4.19)

Hàm biên giới hạn công suất cắt được viết dưới dạng:
g9 

Hàm giới hạn biên về mòn được biểu diễn :
g10 ( x)  0,17257.104.X12.38496.X 20.285157 .X 40.191772  200  0 (4.21)

4.1.3 Thành lập bài toán tối ưu đa mục tiêu khi phay trên trung
tâm gia công
Tìm trong không gian thông số chế độ cắt
x=[X1,X2,X3,X4]T=[V,S,t,]T những bộ thông số công nghệ hợp lý
để:

f (x)  [  Q(x), R z (x)]  min
Với 10 điều kiện biên : g1, g2, g3, g4, g5, g6, g7, g8, g9, g10.
4.2 Giải bài toán tối ƣu đa mục tiêu khi phay trên trung tâm gia
công
4.2.1 Một số phương pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu
a) Phương pháp tổng trọng số
b) Phương pháp tổng trọng số chấp nhận được để tìm miền Pareto
c) phương pháp sử dụng giải thuật PSO tìm miền tối ưu Pareto

17


4.2.2 Ứng dụng giải thuật PSO để xác định miền tối ưu Pareto khi
gia công trên trung tâm gia công CNC 5 trục
Đặt F1= Rz(x) và F2= -Q(x), bài toán tối ưu đặt ra là: Tìm trong
không gian thông số chế độ cắt x=[X1,X2,X3,X4]T=[V,S,t,]T những
bộ thông số công nghệ hợp lý để:
F (x)  [F1 (x), F2 (x)]  min với 10 điều kiện biên từ g1 đến g10

Hình 4. 1 Lưu đồ giải thuật PSO tìm miền Pareto

18


Bƣớc1:Tạo 3 quần thể
- Quần thể 1 (QT1): Bỏ qua hàm mục tiêu F2, quần thể 1 gồm những
cá thể tối ưu nhất của hàm mục tiêu F1 bằng cách sử dụng giải thuật
PSO đơn mục tiêu cho hàm F1 sơ đồ giải thuật như hình 4.10
- Quần thể 2 (QT2): Bỏ qua hàm mục tiêu F1, quần thể 2 gồm những
cá thể tối ưu nhất của hàm mục tiêu F2 bằng cách sử dụng giải thuật
PSO cho hàm mục tiêu F2 sơ đồ giải thuật như hình 4.10.

19


Hình 4. 2 Sơ đồ khối giải thuật PSO tìm nghiệm tối ưu cho hàm
đơn mục tiêu.
- Quần thể 3 (QT3): Tạo quần thể ngẫu nhiên cho hàm F, với :

F  w1.F1  w 2 .F2

(4.35)

Trong đó:
- w1,w2 là trọng số của các hàm mục tiêu : w1 = w2 = 0.5
- F2 , F1 là các hàm chuẩn hóa của hàm mục tiêu tương ứng với công
thức:

F

Fmax  F
Fmax  Fmin

(4.36)

Bƣớc 2: Gộp 3 quần thể làm 1 quần thể duy nhất.
- Không gán gbest của quần thể chung cho quần thể 1 hoặc quần thể
2 vì sẽ kéo theo cả quần thể bị
dồn đến QT1 hoặc QT2 sẽ gây ra thiếu chính xác.
Bƣớc 3: Sử dụng PSO để tối ưu quần thể trên:
- Điều kiện cải tiến:
+ Pbest cũ := Pbest mới nếu đồng thời:

(
(

{

)
)

( (
(

)
)

(
(

)
)

+ Gbest cũ := Gbest mới nếu đồng thời:

{

(
(

)
)

Sau bước 3 sẽ thu được 1 miền gồm các cá thể tối ưu
Bƣớc 4: So sánh một cá thể xi với cả miền tối ưu vừa tìm được ở
bước 3. Nếu tồn tại một cá thể thỏa mãn điều kiện:

{

( )
( )

( )
( )

Thì điểm xi không thuộc biên Pareto. Các điểm còn lại không thỏa
mãn điều kiện trên sẽ thuộc biên Pareto.
20


4.3 Xác định góc nghiêng trục dao và chế độ cắt tối ƣu khi phay
trên trung tâm gia công
4.3.1 Sử dụng phần mềm viết trên Matlab xác định góc nghiêng
trục dao và chế độ cắt tối ưu
Sử dụng phần mềm Matlab để viết giải thuật PSO giải bài toán đa
mục tiêu trên. Chương trình được viết để tìm giá trị nhỏ nhất của các
hàm mục tiêu (Rz min, Q min) với các điều kiện biên. Yêu cầu trong
bài toán này lại là tìm (Rz min, Q max) nên biến đổi tương đương tìm
(Rz min, -Q min). Với thông số mạng: số lần lặp là 5000, số cá thể là
2000. Đưa vào chương trình chạy được kết quả như hình 4.12. Giới
hạn Rz là tùy thuộc vào người làm công nghệ, Khi gia công phay tinh
thì giá trị nhám mong muốn đạt cấp 8 tương đương với Rz=2.5 µm.
Chọn điểm nào gần nhất với giá trị Rz=2.5 µm trên đồ thị thu được
kết quả Qmax= 4.7044 (gam/phút); Rz=2.5184 (µm) với bộ thông số
chế độ cắt trong bảng 4.1

Hình 4. 3 Đồ thị quan hệ giữa năng suất và độ nhấp nhô tế vi bề mặt

X1
165.2375

Bảng 4. 1 Thông số chế độ cắt
X2
X3
599.3759
0.20592

X4
61.8677

4.3.2 Kiểm nghiệm kết quả

21


Sử dụng bộ thông số công nghệ thu được từ kết quả tính toán, cắt thử
nghiệm trở lại với các điều kiện về máy, dao và vật liệu như khi tiến
hành lấy số liệu ban đầu. Thu được kết quả như sau:
Bảng 4. 2 Kết quả thử nghiệm chế độ cắt thu được
̅Z
V
S
t
Q

(µm)
(m/ph)
(mm/ph)
(mm)
(g/ph)
(độ)
165.2375

R 
z

599.3759

Rz  Rztt
Rztt

0.20592

.100% 

61.8677

2.69  2.5184
2.5184

5.0472

.100%  6.81%

2.69
(4.37)

_

R Z : là kết quả đo giá trị nhám thu được sau khi cắt thử bằng bộ
thông số chế độ cắt vừa thu được.
_

R Z tt : là kết quả giá trị nhám tính toán thu được sau khi chạy
chương trình.
Q  Qtt
5.0472  4.7044
Q 
.100% 
.100%  7.28% (4.38)
Qtt
4.7044

Q :là kết quả đo năng suất thu được sau khi cắt thử bằng bộ thông số
chế độ cắt vừa thu được
Qtt : là kết quả tính toán năng suất thu được sau khi chạy chương
trình.
Kết quả dự đoán và thực tế gia công thấy rằng sai lệch giữa dự
đoán và thực tế dao động khoảng 10% là có thể chấp nhận được
trong sản xuất.
KẾT LUẬN CHƢƠNG 4
1. Xác định được các hàm mục tiêu là năng suất gia công Q và nhám bề
mặt Rz; xác định các điều kiện biên bao gồm điều kiện biên về không
gian chế độ cắt (V,S,t,), giới hạn về công suất cắt (P), giới hạn về
chiều cao mòn dao (hs) cũng như thành lập bài toán tối ưu đa mục tiêu
khi gia công trên trung tâm CNC 5 trục bằng dao phay đầu cầu.
2. Đưa ra giải pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu dựa trên phương
pháp tối ưu Pareto, xác định tập hợp các nghiệm tối ưu trên miền biên
Pareto.
22


3. Áp dụng phương pháp trí tuệ nhân tạo và cải tiến giải thuật PSO để
giải bài toán tối ưu đa mục tiêu, tìm miền pareto tối ưu với các cặp
thông số công nghệ tương ứng (V,S,t,θ).
4. Xây dựng phần mềm viết trên Matlab để xác định miền tối ưu Pareto
khi gia công thép hợp kim SKD11 trên trung tâm gia công CNC 5 trục.
5. Xác định được bộ thông số công nghệ tối ưu trong trường hợp chất
lượng bề mặt tinh với Rz= 2,5(µm) và Q=4.7044 (gam/phút):
V=165.237(m/ph),S=599.375(mm/ph), t =0.2059(mm), θ=61.867(0)
và thực nghiệm kiểm chứng.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
KẾT LUẬN
Luận án đã giải quyết được các nội dung sau:
1. Đã nghiên cứu làm rõ ảnh hưởng của góc nghiêng trục dao (), vận
tốc cắt (V), lượng tiến dao (S), chiều sâu cắt (t) tới chất lượng bề mặt
(Rz) và năng suất gia công (Q), lực cắt (F), chiều cao mòn dao (hs) khi
gia công trên trung tâm CNC 5 trục sử dụng dao phay đầu cầu.
2. Xác định được phương trình toán học thể hiện mối quan hệ thực
nghiệm giữa góc nghiêng trục dao (), vận tốc cắt (V), chiều sâu cắt (t),
lượng tiến dao (S) với lực cắt (F), chiều cao mòn dao (hs), nhám bề mặt
(Rz) năng suất gia công (Q):
- F = 28.49 - 0.0368669 .V - 0.0047209 .S + 315.382.t 1.19425 . + 0.000246017 .V .S - 1.54882 .V .t +
0.00572035.V. - 0.135744 . S. t - 0.000184129.S. +
0.79007 .t .
- hs = 2,321.10-6.V2.38496.S0.285157.T0.589862.  -0.191772
- Rz = 3,06377 – 0,00853526.V – 0,00176698.S + 71,8845.t –
0,272548.
+6,53233.10-5.V.S – 0,357075.V.t +
0,00134262.V.
– 0,0316131.S.t - 5,55995.10-5.S.
+0,149278.t.
- Q = 1,09428.10-3.V1.06568.S1.26202.t1.00954. -0.861357
Các hàm quan hệ toán học này đều phi tuyến và đơn điệu.

23


3. Bằng phương pháp Taguchi đánh giá mức tác động ảnh hưởng của
góc nghiêng trục dao (), vận tốc cắt (V), chiều sâu cắt (t), lượng tiến
dao (S) tới:
- Lực cắt (F): ảnh hưởng của góc nghiêng dao là lớn nhất
47.0594%, thứ hai là lượng tiến dao 25.0815%, chiều sâu cắt
15.7163% và vận tốc cắt 4.4072%.
- Chiều cao mòn dao (hs): ảnh hưởng của thời gian cắt là lớn nhất
59.9725%, thứ hai là vận tốc cắt 20.1988%, tiếp theo là lượng
tiến dao 8.1724% và góc nghiêng dao 7.4695%.
- Nhám bề mặt (Rz): ảnh hưởng của góc nghiêng trục là lớn nhất
54.1414%, thứ hai là lượng tiến dao 31.2771%, tiếp theo là vận
tốc cắt 4.8728% và chiều sâu cắt 2.50518%.
- Năng suất gia công (Q): ảnh hưởng của lượng tiến dao là lớn
nhất 36.61747%, thứ hai là góc nghiêng trục dao 32.6355%,
chiều sâu cắt 26.2674% và vận tốc cắt 3.32819%.
4. Ứng dụng phương pháp trí tuệ nhân tạo và cải tiến giải thuật PSO để
xác định miền chế độ cắt tối ưu đa mục tiêu Pareto đáp ứng chất lượng
bề mặt và năng suất gia công.
5. Đã xác định được bộ thông số công nghệ tối ưu trong trường hợp
chất lượng bề mặt tinh với Rz= 2,5(µm) và Q=4.7044 (gam/phút):
V=165.2375 (m/ph)
S=599.3759 (mm/ph)
t =0.20592 (mm)
θ=61.8677 (0)
và thực nghiệm kiểm chứng.
KIẾN NGHỊ
1. Nghiên cứu mở rộng các thông số đầu vào để nghiên cứu hoàn thiện
hơn.
2. Tiếp tục sử dụng phương pháp nghiên cứu trong luận án để mở rộng
nghiên cứu cho các vật liệu khác, với các biên dạng bề mặt khác.
3. Thành lập ngân hàng dữ liệu chế độ cắt tối ưu khi gia công , phục vụ
cho việc tự động hóa quá trình sản xuất, góp phần giảm chi phí gia
công, nâng cao khả năng cạnh tranh trong quá trình hội nhập toàn cầu
24



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×