Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: 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

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:127

Thêm vào BST

Báo xấu

61
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của luận án nhằm đánh giá mức Ďộ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đầu vào 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 a mục tiêu khi gia công trên trung tâm gia công CNC 5 trục.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÙI LONG VỊNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG 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 Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9520103 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS Trần Văn Địch LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2017
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam Ďoan Ďây là công trình nghiên cứu của tôi. Tất cả các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, chưa từng Ďược ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Người hướng dẫn khoa học Tác giả GS.TS Trần Văn Địch Bùi Long Vịnh
LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc Ďến thầy hướng dẫn GS.TS Trần Văn Địch Ďã tận tình hướng dẫn và hỗ trợ tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc Ďến thầy TS. Nguyễn Ngọc Kiên Ďã giúp Ďỡ tôi trong thời gian làm luận án. Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu, Viện Ďào tạo sau Ďại học, Viện Cơ Khí, bộ môn Công nghệ chế tạo máy, bộ môn Cơ khí chính xác và quang học, Trung tâm hỗ trợ Ďào tạo nghiên cứu và Ďổi mới công nghệ cơ khí Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Ďã tạo Ďiều kiện tốt nhất Ďể tôi hoàn thành luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả Bùi Long Vịnh
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ANOVA : Analysis Of Varience (Phân tích phương sai) CAD : Computer Aided Design (Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính) CAM : Computer Aided Manufacturing (Gia công có sự trợ giúp của máy tính) CNC : Computer Numerical Control ( Điều khiển số) C1, C2 : Các hệ số gia tốc CF : Correction factor (yếu tố Ďiều chỉnh) D : Đường kính dụng cụ cắt E : Độ lệch tiêu chuẩn ae : Lượng dịch dao ngang FHD : Full Hight Definition (Độ phân giải cao) F : Lực cắt fU : Điểm Utopia fN : Điểm Nadir hs : Chiều cao mòn dao HSM : High Speed Machine (Gia công cao tốc) HRC : Đơn vị Ďo Ďộ cứng theo phương pháp Rock well HB : Đơn vị Ďo Ďộ cứng theo phương pháp Brinell iz : góc xoắn trên phần bán cầu LCD : Liquid Crystal Display (Màn hình tinh thể lỏng) LED : Light Emitting Diode ( Điốt phát quang) MT : Mục tiêu n : Số vòng quay của trục chính Nf : Number of flute cut (số lưỡi cắt của dao) OA : Orthogonal Array (Bảng trực giao) P : Công suất cắt PSO : Particle Swarm Optimization (Tối ưu hóa bày Ďàn) Pv : phần trăm ảnh hưởng của yếu tố vận tốc Ps : phần trăm ảnh hưởng của yếu tố lượng tiến dao Pt : phần trăm ảnh hưởng của yếu tố chiều sâu cắt Pθ : phần trăm ảnh hưởng của yếu tố góc nghiêng trục dao Pe : phần trăm ảnh hưởng của yếu tố nhiễu Q : Năng suất gia công QT : Quần thể RBG : Red Blue Green (Hệ mầu tổng hợp) Rz : Chiều cao nhấp nhô profin theo mười Ďiểm Ra : Sai lệch trung bình số học của profin S : Lượng tiến dao SI : Swarm Intelligence (Bầy Ďàn thông minh) S/N : Signal to Noise (Độ sạch của tín hiệu) T : Thời gian cắt t : Chiều sâu cắt V : Vận tốc cắt w : Trọng số  : Độ phân tán sai số θtb : Sai số trung bình θ : Góc nghiêng trục dao I
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3. 1 Đặc tính kỹ thuật của máy Mikron UCP600 ........................................................ 43 Bảng 3. 2 Thành phần vật liệu của thép SKD11................................................................... 44 Bảng 3. 3 Đặc tính kỹ thuật của dao phay cầu EMC56 ........................................................ 45 Bảng 3. 4 Đặc tính kỹ thuật của máy đo nhám Surtronic Duo ............................................ 46 Bảng 3. 5 Đặc tính kỹ thuật của máy VHX ........................................................................... 47 Bảng 3. 6 Đặc tính kỹ thuật cân điện tử JWP ...................................................................... 47 Bảng 3. 7 Bảng trực giao OA25(54) ..................................................................................... 48 Bảng 3. 8 Giá trị cho phép của thông số công nghệ khi gia công thép SKD11 .................... 49 Bảng 3. 9 Kết quả thí nghiệm đo lực cắt ............................................................................. 51 Bảng 3. 10 Kết quả thí nghiệm đo chiều cao mòn dao hs ................................................... 59 Bảng 3. 11 Kết quả thí nghiệm đo nhám bề mặt Rz ............................................................ 67 Bảng 3. 12 Kết quả thí nghiệm đo năng suất gia công Q .................................................... 75 Bảng 4. 1 Thông số chế độ cắt.……………………………………………………………………………………..101 Bảng 4. 2 Kết quả thử nghiệm chế độ cắt thu được……………………………………..……………..101 II
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1. 1 Trung tâm gia công CNC 5 trục kiểu bàn xoay AC .................................................. 4 Hình 1. 2 Trung tâm gia công CNC 5 trục kiểu đầu quay AB ................................................. 5 Hình 1. 3 Trung tâm gia công CNC 5 trục AC kiểu kết hợp đầu quay và bàn quay ............... 6 Hình 1. 4 Góc nghiêng trục dao ............................................................................................. 7 Hình 1. 5 Các dạng nghiêng của dao ..................................................................................... 7 Hình 1. 6 Trục dao nghiêng góc không đổi trên suốt đường dẫn dao .................................. 7 Hình 1. 7 Góc nghiêng dao thay đổi trên dường dẫn dao..................................................... 8 Hình 1. 8 trục dao luôn đi qua một điểm .............................................................................. 8 Hình 1. 9 trục dao luôn vuông góc với một đường thẳng ..................................................... 8 Hình 1. 10 Trục dao nằm trong mặt phẳng tiếp dẫn ............................................................. 9 Hình 1. 11 Trục dao nằm trong mặt phẳng pháp dẫn ........................................................... 9 Hình 1. 12 Tối ưu hóa góc nghiêng trục dao ......................................................................... 9 Hình 1. 13 Dao phay ngón đầu phẳng ................................................................................. 10 Hình 1. 14 Khả năng hớt đi lượng dư của dao phay ngón đầu phẳng và đầu cầu khi gia công mặt phẳng ................................................................................................................... 11 Hình 1. 15 Khả năng hớt đi lượng dư của dao phay ngón đầu phẳng và đầu cầu khi gia công mặt phẳng ................................................................................................................... 11 Hình 1. 16 Khả năng hớt đi lượng dư của dao phay ngón đầu phẳng và đầu cầu khi gia công mặt cầu lồi................................................................................................................... 11 Hình 1. 17 Khả năng hớt đi lượng dư của dao phay ngón đầu phẳng và đầu cầu khi gia công mặt cầu lõm ................................................................................................................ 12 Hình 1. 18 Thông số hình học của dao phay cầu ................................................................ 12 Hình 1. 19 Mặt cắt ngang dao phay cầu .............................................................................. 13 Hình 1. 20 Mô hình lưỡi cắt trên phần cầu ......................................................................... 14 Hình 1. 21 Hình học của lưỡi cắt và các mặt phẳng chiếu ................................................. 14 Hình 2. 1 Quan hệ giữa lực cắt và đường dịch chuyển dụng cụ………………….……………………22 Hình 2. 2 Mô tả dụng cụ cắt bề mặt có chiều dày cắt ......................................................... 23 Hình 2. 3 Ảnh hưởng của t , S đến Px Py Pz ....................................................................... 24 Hình 2. 4 Ảnh hưởng của V đến Pz Py Px ........................................................................... 24 Hình 2. 5 Các dạng mài mòn dụng cụ cắt ............................................................................ 25 Hình 2. 6 Quan hệ giữa lượng mòn và thời gian ................................................................. 26 Hình 2. 7 Các chỉ tiêu đánh giá lượng mài mòn mặt sau và mặt trước .............................. 27 Hình 2. 8 Cơ chế mòn phụ thuộc vào nhiệt độ ................................................................... 29 Hình 2. 9 Quan hệ tổng quát giữa T và V khi phay thép bằng hợp kim cứng ..................... 30 Hình 2. 10 Quan hệ V-T đơn điệu khi gia công gang bằng dao hợp kim cứng và P18 ........ 30 Hình 2. 11 Quan hệ T-S ........................................................................................................ 31 Hình 2. 12 Quan hệ T-t ........................................................................................................ 32 Hình 2. 13 Profin bề mặt chi tiết máy ................................................................................. 33 III
Hình 2. 14 Ảnh hưởng của một số yếu tố của quá trình cắt đến độ nhấp nhô của bề mặt gia công … ............................................................................................................................ 35 Hình 2. 15 Sự thay đổi của ứng suất dư theo chiều sâu chi tiết trong kim loại .................. 35 Hình 2. 16 Biểu đồ về độ cứng nguội H và chiều sâu lớp cứng nguội ................................. 36 Hình 2. 17 Ảnh hưởng của V,S , đến ứng suất tiếp T và ............................................. 36 Hình 2. 18 Nghiêng trục dao khi gia công mặt phẳng ......................................................... 37 Hình 2. 19 Cơ chế tạo phoi ứng với các góc nghiêng .......................................................... 38 Hình 2. 20 Các đại lượng để xác định năng suất cắt khi phay............................................. 38 Hình 3. 1 Sơ đồ thực nghiệm…… …………………………………………………………………………………….41 Hình 3. 2 Máy phay Mikron UCP600 ................................................................................... 43 Hình 3. 3 Thông số hình học của chi tiết thí nghiệm ........................................................... 44 Hình 3. 4 Dao phay cầu EMC56 ........................................................................................... 45 Hình 3. 5 Lực kế khi phay .................................................................................................... 45 Hình 3. 6 Máy đo nhám Surtronic Duo................................................................................ 46 Hình 3. 7 Kính hiển vi kỹ thuật số VHX Z-450 ...................................................................... 46 Hình 3. 8 Cân điện tử JWP ................................................................................................... 47 Hình 3. 9 Đường quan hệ thực nghiệm và dự đoán ........................................................... 50 Hình 3. 10 Đồ thị ảnh hưởng của lượng tiến dao S và vận tốc cắt V tới lực cắt F .............. 52 Hình 3. 11 Đồ thị ảnh hưởng của chiều sâu cắt t và vận tốc cắt V tới lực cắt F ................. 52 Hình 3. 12 Đồ thị ảnh hưởng của góc nghiêng trục dao và vận tốc cắt V tới lực cắt F .... 53 Hình 3. 13 Đồ thị ảnh hưởng của lượng tiến dao S và chiều sâu cắt t tới lực cắt F ........... 53 Hình 3. 14 Đồ thị ảnh hưởng của lượng tiến dao S và góc nghiêng trục dao đến F ........ 54 Hình 3. 15 Đồ thị ảnh hưởng của chiều sâu cắt t và góc nghiêng trục dao đến F ........... 54 Hình 3. 16 Đồ thị phân bố các mức ảnh hưởng của vận tốc cắt ......................................... 56 Hình 3. 17 Đồ thị phân bố các mức ảnh hưởng của lượng tiến dao ................................... 57 Hình 3. 18 Đồ thị phân bố các mức ảnh hưởng của chiều sâu cắt...................................... 57 Hình 3. 19 Đồ thị phân bố các mức ảnh hưởng của góc nghiêng trục dao ......................... 58 Hình 3. 20 Đồ thị ảnh hưởng của lượng tiến dao S và vận tốc cắt V đến hs....................... 60 Hình 3. 21 Đồ thị ảnh hưởng của thời gian cắt T và vận tốc cắt V đến hs........................... 60 Hình 3. 22 Đồ thị ảnh hưởng của lượng tiến dao S và thời gian cắt T đến hs ..................... 61 Hình 3. 23 Đồ thị ảnh hưởng của lượng tiến dao S và thời gian cắt T đến hs ..................... 61 Hình 3. 24 Đồ thị ảnh hưởng của lượng tiến dao S và góc nghiêng trục dao tới hs......... 62 Hình 3. 25 Đồ thị ảnh hưởng của thời gian cắt T và góc nghiêng trục dao tới hs ............ 62 Hình 3. 26 Đồ thị phân bố các mức ảnh hưởng của vận tốc cắt ......................................... 64 Hình 3. 27 Đồ thị phân bố các mức ảnh hưởng của lượng tiến dao ................................... 65 Hình 3. 28 Đồ thị phân bố các mức ảnh hưởng của thời gian cắt ...................................... 65 Hình 3. 29 Đồ thị phân bố các mức ảnh hưởng của góc nghiêng trục dao ......................... 66 Hình 3. 30 Đồ thị ảnh hưởng của lượng tiến dao S và vận tốc cắt V tới Rz ......................... 68 Hình 3. 31 Đồ thị ảnh hưởng của chiều sâu cắt t và vận tốc cắt V tới Rz ........................... 68 Hình 3. 32 Đồ thị ảnh hưởng của góc nghiêng trục dao và tốc độ tiến dao V tới Rz ...... 69 Hình 3. 33 Đồ thị ảnh hưởng của lượng tiến dao S và chiều sâu cắt t tới Rz ..................... 69 Hình 3. 34 Đồ thị ảnh hưởng của lượng tiến dao S và góc nghiêng trục dao tới Rz ........ 70 Hình 3. 35 Đồ thị ảnh hưởng của chiều sâu cắt t và góc nghiêng trục dao tới Rz ........... 70 Hình 3. 36 Đồ thị phân bố các mức ảnh hưởng của vận tốc cắt ......................................... 72 IV
Hình 3. 37 Đồ thị phân bố các mức ảnh hưởng của lượng tiến dao ................................... 73 Hình 3. 38 Đồ thị phân bố các mức ảnh hưởng của chiều sâu cắt...................................... 73 Hình 3. 39 Đồ thị phân bố các mức ảnh hưởng của góc nghiêng trục dao ......................... 74 Hình 3. 40 Đồ thị ảnh hưởng của lượng tiến dao S và vận tốc cắt V tới Q ......................... 76 Hình 3. 41 Đồ thị ảnh hưởng của chiều sâu cắt t và vận tốc cắt V tới Q ............................ 76 Hình 3. 42 Đồ thị ảnh hưởng của góc nghiêng trục dao và vận tốc cắt V tới Q .............. 77 Hình 3. 43 Đồ thị ảnh hưởng của lượng tiến dao S và chiều sâu cắt t tới Q ...................... 77 Hình 3. 44 Đồ thị ảnh hưởng của lượng tiến dao S và góc nghiêng trục dao tới Q ......... 78 Hình 3. 45 Đồ thị ảnh hưởng của chiều sâu cắt t và góc nghiêng trục dao tới Q ............ 78 Hình 3. 46 Đồ thị phân bố các mức ảnh hưởng của vận tốc cắt ......................................... 80 Hình 3. 47 Đồ thị phân bố các mức ảnh hưởng của lượng tiến dao ................................... 81 Hình 3. 48 Đồ thị phân bố các mức ảnh hưởng của chiều sâu cắt...................................... 81 Hình 3. 49 Đồ thị phân bố các mức ảnh hưởng của góc nghiêng dao ................................ 82 Hình 4. 1 Sơ đồ xây dựng bài toán tối ưu khi phay trên trung tâm gia công……… ……………84 Hình 4. 2 Nghiệm tối ưu Pareto và các điểm hữu hiệu ....................................................... 90 Hình 4. 3 Biên tối ưu Pareto (a), quan hệ giữa các nghiệm trong miền tối ưu Pareto (b).. 90 Hình 4. 4 Khoảng cách của 1 và 2 dựa trên J ................................................................. 92 Hình 4. 5 Bầy đàn cá thể trong không gian tìm kiếm 2 chiều ............................................. 93 Hình 4. 6 Cấu trúc liên kết của các lân cận .......................................................................... 94 Hình 4. 7 Phương pháp PSO ................................................................................................ 94 Hình 4. 8 Lưu đồ giải thuật PSO .......................................................................................... 96 Hình 4. 9 Lưu đồ giải thuật PSO tìm miền Pareto ............................................................... 97 Hình 4. 10 Sơ đồ khối giải thuật PSO tìm nghiệm tối ưu cho hàm đơn mục tiêu. .............. 98 Hình 4. 11 Sơ đồ khối lọc biên Pareto ............................................................................... 100 Hình 4. 12 Đồ thị quan hệ giữa năng suất và độ nhấp nhô tế vi bề mặt .......................... 101 V
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT................................................................. I DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.......................................................................................... II DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................................III MỤC LỤC ........................................................................................................................ VI MỞ ĐẦU ........................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................... 1 2. Mục đích và nội dung nghiên cứu của đề tài ............................................................ 1 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 1 4.Phƣơng pháp nghiên cứu ......................................................................................... 2 5.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài................................................................... 2 6. Đóng góp mới của đề tài nghiên cứu........................................................................ 2 7. Cấu trúc của luận án ................................................................................................ 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHAY BỀ MẶT 3D TRÊN TRUNG TÂM GIA CÔNG CNC 5 TRỤC............................................................................................................................. 4 1.1 Đặc điểm tạo hình trên trung tâm gia công CNC 5 trục........................................... 4 1.1.1 Cấu hình của trung tâm gia công CNC 5 trục ................................................... 4 1.1.2 Định hƣớng dụng cụ trên trung tâm gia công ................................................... 6 1.2 Dụng cụ gia công bề mặt 3D trên trung tâm gia công CNC 5 trục..........................10 1.2.1 Khả năng cắt gọt của dao phay cầu ................................................................10 1.2.2 Thông số hình học của dao phay cầu .............................................................12 1.2.3 Phƣơng trình lƣỡi cắt của dao phay cầu .........................................................14 1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc............................................................15 1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ...................................................................15 1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc ...................................................................17 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ...................................................................................................21 CHƢƠNG 2: MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CỦA QUÁ TRÌNH PHAY BỀ MẶT 3D ..................22 2.1 Lực cắt khi phay ....................................................................................................22 2.1.1 Lực cắt trong hệ thống động lực học quá trình cắt ..........................................22 2.1.2 Lực tác dụng lên mặt trƣớc và mặt sau của dụng cụ cắt.................................22 2.1.3 Ảnh hƣởng của chế độ cắt đến lực cắt ...........................................................23 VI
2.2 Mòn dao khi phay ..................................................................................................25 2.2.1 Mài mòn dụng cụ cắt.......................................................................................25 2.2.2 Các dạng mài mòn phần cắt dụng cụ ..............................................................25 2.2.3 Chỉ tiêu đánh giá mài mòn dụng cụ cắt ...........................................................27 2.2.4 Cơ chế mài mòn dụng cụ cắt ..........................................................................28 2.2.5 Các yếu tố ảnh hƣởng đến mòn dụng cụ cắt ..................................................29 2.2.5.1 Ảnh hưởng của tốc độ cắt V tới T .............................................................29 2.2.5.2 Ảnh của hưởng t và S đến tuổi bền T .......................................................31 2.3 Chất lƣợng bề mặt khi phay ..................................................................................33 2.3.1 Tính chất hình học bề mặt gia công ................................................................33 2.3.2 Ảnh hƣởng của chế độ cắt tới bề mặt chi tiết gia công ...................................34 2.3.2.1 Ảnh hƣởng của một số yếu tố trong quá trình cắt đến chiều cao nhấp nhô bề mặt ......................................................................................................................34 2.3.2.2 Trạng thái cơ lí của lớp bề mặt chi tiết gia công .......................................35 2.3.3 Ảnh hƣởng của góc nghiêng trục dao đến chất lƣợng bề mặt gia công ..........37 2.4 Năng suất khi phay ...............................................................................................38 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ...................................................................................................40 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 ........................................................................................................................................41 3.1 Xây dựng mô hình thực ngiệm ..............................................................................41 3.1.1 Sơ đồ thực nghiệm .........................................................................................41 3.1.2 Các đại lƣợng đầu vào....................................................................................41 3.1.3 Các đại lƣợng đầu ra ......................................................................................42 3.1.4 Các đại lƣợng cố định .....................................................................................42 3.1.5 Các đại lƣợng nhiễu .......................................................................................42 3.2 Điều kiện thực nghiệm...........................................................................................42 3.2.1 Máy phay CNC ...............................................................................................42 3.2.2 Phôi thực nghiệm ............................................................................................43 3.2.3 Dụng cụ cắt.....................................................................................................45 3.3 Các thiết bị đo .......................................................................................................45 3.4 Thiết kế ma trận thực nghiêm Taguchi ..................................................................47 3.5 Chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng mô hình toán học xác định mối quan hệ thực nghiệm . ........................................................................................................................................49 3.6 Xác định mối quan hệ thực nghiệm .......................................................................51 3.6.1 Xác định mối quan hệ thực nghiệm giữa chế độ cắt và lực cắt F khi gia công thép SKD11 ..................................................................................................................51 VII
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 ..............................................................................................58 3.6.3 Xác định mối quan hệ thực nghiệm giữa chế độ cắt và nhám bề mặt Rz khi gia công thép SKD11 .........................................................................................................66 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 ..............................................................................................74 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ...................................................................................................83 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 ......................................................................................................................84 4.1 Xây dựng bài toán tối ƣu khi phay trên trung tâm gia công .....................................84 4.1.1 Xác định hàm mục tiêu ...................................................................................85 4.1.2 Xác định hàm biên ..........................................................................................86 4.1.3 Thành lập bài toán tối ƣu đa mục tiêu khi phay trên trung tâm gia công ..........88 4.2 Giải bài toán tối ƣu đa mục tiêu khi phay trên trung tâm gia công ...........................88 4.2.1 Một số phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu đa mục tiêu .....................................89 4.2.2 Ứng dụng giải thuật PSO để xác định miền tối ƣu Pareto khi gia công trên trung tâm gia công CNC 5 trục .....................................................................................96 4.3 Xác định góc nghiêng trục dao và chế độ cắt tối ƣu khi phay trên trung tâm gia công ......................................................................................................................................100 4.3.1 Sử dụng phần mềm viết trên Matlab xác định góc nghiêng trục dao và chế độ cắt tối ƣu ....................................................................................................................100 4.3.2 Kiểm nghiệm kết quả ....................................................................................101 KẾT LUẬN CHƢƠNG 4 .................................................................................................103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...........................................................................................104 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................106 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ...................................109 PHỤ LỤC .......................................................................................................................110 VIII
IX
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong kỹ thuật gia công cơ khí thì năng suất, chất lượng và giá thành là các chỉ tiêu mang tính chất quyết Ďịnh Ďến 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 Ďộ chính xác gia công sản phẩm cơ khí. Một trong những sản phẩm Ďó là khuôn mẫu. Các bề mặt khuôn mẫu sau khi gia công thường là sau nhiệt luyện phải qua công Ďoạn mài. Đối với các bề mặt có hình dáng phức tạp như khuôn ép phun thì việc gia công mài không phải Ďơn giản. Để giải quyết vấn Ďề này có thể khắc phục Ďược bằng cách sử dụng dao phay cầu trên trung tâm gia công CNC 5 trục Ďể 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 Ďược bố trí trên mặt cầu nên cơ chế cắt gọt ở các vị trí trên lưỡi cắt là khác nhau. Các vị trí Ďó phụ thuộc vào góc nghiêng của trục dao với pháp tuyến của bề mặt chi tiết tại Ďiểm cắt. Như vậy bài toán Ďặt ra là xác Ďịnh thông số công nghệ (góc nghiêng trục dao và chế Ďộ cắt) tối ưu nhằm nâng cao năng suất và chất lượng bề mặt gia công. Do Ďó Ďề 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 Ďề tài làm tài liệu cho nhà công nghệ chọn chế Ďộ 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 Ďộ ảnh hưởng của các thông số công nghệ Ďầu vào (góc nghiêng trục dao θ, vận tốc cắt V, lượng tiến dao S, chiều sâu cắt t) Ďến các thông số công nghệ Ďầu 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 Ďể thiết lập và giải bài toán tối ưu hóa Ďa mục tiêu khi gia công trên trung tâm gia công CNC 5 trục. - Tối ưu hóa bộ thông số công nghệ Ďầu vào (góc nghiêng trục dao θ, vận tốc cắt V, lượng tiến dao S, chiều sâu cắt t) Ďến các thông số công nghệ Ďầu 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. 1
- Nghiên cứu phương pháp tối ưu hóa thực nghiệm và Ďánh giá mức Ďộ ảnh hưởng của các thông số công nghệ Ďầu vào (góc nghiêng trục dao θ, vận tốc cắt V, lượng tiến dao S, chiều sâu cắt t) Ďến các thông số công nghệ Ďầu 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 Ďa 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 Ďịnh mức Ďộ ảnh hưởng của các thông số công nghệ Ďầu vào (góc nghiêng trục dao θ, vận tốc cắt V, lượng tiến dao S, chiều sâu cắt t) Ďến các thông công nghệ Ďầu 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 Ďầu vào (góc nghiêng trục dao θ, vận tốc cắt V, lượng tiến dao S, chiều sâu cắt t) với các thông số công nghệ Ďầu ra (lực cắt F, chiều cao mòn dao hs, nhám bề mặt Rz và năng suất gia 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 Ďa 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, Ďào tạo và Ďịnh hướng công nghệ cho sản xuất. 6. Đóng góp mới của đề tài nghiên cứu - Xác Ďịnh Ďược mức Ďộ ảnh hưởng của các thông số công nghệ Ďầu vào (góc nghiêng trục dao θ, vận tốc cắt v, lượng tiến dao S và chiều sâu cắt t) Ďến các thông số Ďầu ra 2
(lực cắt F, chiều cao mòn dao hs, nhám bề mặt Rz và năng suất gia công Q) khi phay bằng dao phay cầu trên trung tâm gia công CNC 5 trục. - Xây dựng Ďược các hàm toán học của lực cắt F, chiều cao mòn dao hs, nhám bề mặt Rz và năng suất gia công 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 Ďịnh Ďược bài toán tối ưu Ďa mục tiêu cho quá trình phay bề mặt 3D trên trung tâm CNC 5 trục bằng dao phay cầu. - Xác Ďịnh Ďược bộ thông số công nghệ tối ưu trong Ďiều kiện nghiên cứu. - Xây dựng Ďược 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 Ďược tóm tắt như sau: Chương 1: Tổng quan về phay bề mặt 3D trên trung tâm gia công CNC 5 trục. Kết luận của chương chỉ ra các tồn tại của các nghiên cứu hiện tại và hướng nghiên cứu của luận án. Chương 2: Một số Ďặc trưng của quá trình phay bề mặt 3D trên trung tâm gia công CNC 5 trục. Kết quả nghiên cứu của chương làm cơ sở cho các nghiên cứu ở các chương sau. Chương 3: Xây dựng mô hình toán học bằng thực nghiệm giữa góc nghiêng trục dao và chế Ďộ cắt với các thông số Ďầu ra. Kết quả nghiên cứu của chương là tìm ra Ďược các phương tình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa góc nghiêng trục dao và chế Ďộ công nghệ với lực cắt, chiều cao mòn dao, nhám bề mặt, năng suất gia công. Chương 4: Ứng dụng trí tuệ nhân tạo Ďể xác Ďịnh thông số công nghệ tối ưu khi phay bề mặt 3D trên trung tâm gia công CNC 5 trục bằng dao phay cầu. Phần cuối cùng là kết luận và Ďề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo của Ďề tài. Tài liệu tham khảo, danh mục các công trình Ďã công bố của luận án và phụ lục. 3
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 Ďể gia công khuôn mẫu thường có cấu hình từ 3- 5 trục. Việc lập trình chuyển Ďộng Ďược thực hiện nhờ các hệ thống lập trình chuyên dụng chạy trên máy tính. Nhược Ďiểm lớn nhất của trung tâm gia công 3 trục là phương của trục dụng cụ luôn không Ďổi so với bàn máy. Một khuynh hướng mới trong sản xuất là dùng trung tâm gia công phay 5 trục Ďiều khiển CNC. Sử dụng trung tâm gia công CNC 5 trục cho các lợi thế sau Ďây [13]: - Giảm thời gian gia công. - Gia công chi tiết có các bề mặt cong phức hợp trong một lần gá. - Nâng cao chất lượng bề mặt. - Tăng tuổi thọ của dụng cụ cắt. Trung tâm gia công CNC 5 trục có thể Ďưa dụng cụ gia công tới một Ďiểm bất kì và chuyển Ďộng cắt trên bề mặt phôi, Ďồng thời duy trì một góc nghiêng Ďịnh trước so với bề mặt phôi. Các trung tâm gia công CNC 5 trục Ďược phân loại theo vị trí các trục quay Ďược 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 Ďầu quay) - Bàn máy thực hiện quay theo 1 trục, trục chính thực hiện quay theo 1 trục (kiểu kết hợp giữa bàn quay và Ďầu quay). Trung tâm gia công CNC 5 trục có bàn máy quay được theo hai trục (hình 1.1) Hình 1. 1 Trung tâm gia công CNC 5 trục kiểu bàn xoay AC 4
Ưu điểm: - Bàn máy quay theo hai trục tạo Ďiều kiện thuận lợi cho quá trình thoát phoi, giúp nâng cao Ďược chất lượng gia công. Đối với các chi tiết có dạng hốc, rãnh sâu phoi rất khó thoát ra và trở thành các lưỡi cắt cà vào bề mặt chi tiết Ďã gia công làm giảm chất lượng bề mặt gia công, tăng lượng mòn dao, có thể làm gẫy dao. Đối với các chi tiết dạng này việc sử dụng trung tâm gia công CNC 5 trục kiểu bàn quay Ďể cắt gọt rất có lợi. - Đối với các bề mặt chi tiết có biên dạng không Ďòi hỏi phải nội suy 5 trục Ďồng thời ta có thể Ďịnh vị 5 trục và gia công theo phương thức 3, 4 trục. Bằng cách phối kết hợp hai chuyển Ďộng quay của bàn máy ta có thể Ďưa các bề mặt chi tiết nghiêng một góc xác Ďịnh với trục Z sau Ďó gia công trong mặt phẳng XY. Tạo Ďiều kiện thuận lợi cho người mới sử dụng máy 5 trục mà Ďã quen với vận hành máy 3, 4 trục. - Tâm xoay nằm trên bàn máy nên thuận lợi hơn cho việc lập trình gia công. - Kiểu kết cấu này có Ďộ cứng vững cao hơn các kết cấu khác vì trục quay nằm trên bàn máy, nên trong quá trình gia công ít gây ra rung Ďộng. Nhược điểm: - Các máy kiểu bàn quay thường chỉ dùng cho phôi có kích thước hạn chế. - Không gian gia công thường nhỏ hơn nhiều so với các máy có kết cấu kiểu khác. - Việc thay Ďổi vị trí phôi khác vị trí tâm xoay trên bàn máy gây khó khăn cho việc cài Ďặt thông số của dao và phôi. Các áp dụng quan trọng đối với kiểu này là: - Cắt 5 mặt của Ďiện cực dùng cho gia công tia lửa Ďiện. - Gia công các phôi chính xác. - Các tuabin và profin lốp xe… Trung tâm gia công CNC 5 trục có đầu trục chính quay theo 2 trục (hình 1.2) Hình 1. 2 Trung tâm gia công CNC 5 trục kiểu đầu quay AB Ưu điểm: - Các máy này có thể gia công các phôi rất lớn. - Không gian gia công rộng hơn so với các máy có kết cấu kiểu khác. 5
- Mỗi vị trí kẹp mới của phôi Ďược cài Ďặt lại dễ dàng hơn. Điều này diễn ra với 1 dịch chuyển trong hệ Ďiều khiển CNC của máy. Nhược điểm: - Sự quay của Ďầu trục chính rất phức tạp. Chỉ trong trường hợp toàn bộ trục chính với Ďộng cơ cùng quay mới có thể nhận Ďược cấu trúc máy Ďơn giản. - Kết cấu máy kiểu này có Ďộ cứng vững thấp vì trục quay của trục chính hạn chế sự truyền lực. Ở số vòng quay cao (trên 5000 v/ph) còn có momen tác Ďộng do hiệu ứng con quay hồi chuyển có thể là 1 nhược Ďiểm trong trường hợp trục chính dụng cụ quay rất nhanh. - Gặp khó khăn khi gia công các chi tiết có rãnh và hốc sâu do kết cấu máy không tạo Ďiều kiện cho sự thoát phoi. - Mỗi lần thay Ďổi vị trí phôi sự thay Ďổi chiều dài dụng cụ không thể Ďiều chỉnh Ďược bằng dịch chuyển zero trong hệ thống Ďiều khiển mà thường Ďòi hỏi phải tính toán lại toàn bộ chương trình. Các áp dụng quan trọng đối với kiểu này là: - Gia công các phôi lớn như cánh máy bay… - Điêu khắc tượng. Trung tâm gia công CNC 5 trục kiểu kết hợp cả bàn quay và trục chính quay (hình 1.3) Hình 1. 3 Trung tâm gia công CNC 5 trục AC kiểu kết hợp đầu quay và bàn quay Ngày nay trên thị trường có nhiều máy với 1 trục quay trên trục chính dụng cụ và 1 trục quay trên bàn máy. Chúng tổng hợp hầu hết các nhược Ďiểm của cả hai dạng máy nói trên và thường Ďược sử dụng Ďể sản xuất các phôi nhỏ. Bề mặt kẹp bị giới hạn, tuy nhiên chúng Ďủ dùng Ďể gia công cho nhiều chi tiết có biên dạng phức tạp. Ứng dụng của kiểu máy này cũng tương tự các máy có kiểu bàn máy quay theo hai trục. 1.1.2 Định hƣớng dụng cụ trên trung tâm gia công Góc nghiêng trục dao: là góc hợp bởi vector trục dao (hướng từ Ďỉnh dao Ďến chuôi dao) và vector pháp tuyến của mặt phẳng tiếp tuyến với bề mặt chi tiết gia công tại Ďiểm cắt. 6
Hình 1. 4 Góc nghiêng trục dao 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 Ďường dụng cụ tại Ďiểm cắt thì góc nghiêng dao Ďược gọi là góc tiếp dẫn (hình 1.4) 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 Ďường dụng cụ tại Ďiểm cắt thì góc nghiêng dao Ďược gọi là góc pháp dẫn ( hình 1.4) Hình 1. 5 Các dạng nghiêng của dao Kiểu cố Ďịnh góc pháp dẫn và góc tiếp dẫn. Với dạng này giá trị của góc pháp dẫn và góc tiếp dẫn là hằng số (Hình 1.5 a) Kiểu cố Ďịnh góc pháp dẫn và góc tiếp dẫn thay Ďổi. Với kiểu này góc pháp dẫn là hằng số và góc tiếp dẫn biến thiên (Hình 1.5 b) Kiểu góc tiếp dẫn cố Ďịnh và góc pháp dẫn biến thiên. Với kiểu này góc tiếp dẫn là hằng số và góc pháp dẫn biến thiên (Hình 1.5 c) Dẫn hướng trục dao Góc nghiêng dao không Ďổi trên suốt Ďường dẫn dao Hình 1. 6 Trục dao nghiêng góc không đổi trên suốt đường dẫn dao Góc nghiêng dao sẽ Ďược nội suy linh hoạt Ďể tránh va chạm trong không gian 7
Hình 1. 7 Góc nghiêng dao thay đổi trên dường dẫn dao Đường kéo dài của trục dao luôn Ďi qua một Ďiểm (hình 1.8a), Ďiểm hội tụ theo cùng chiều của vector trục dao (hình 1.8a, b), Ďiểm hội tụ ngược chiều vector trục dao (hình 1.8c) Hình 1. 8 trục dao luôn đi qua một điểm Đường kéo dài của vector trục dao luôn vuông góc với một Ďường thẳng (hinh 1.9a), Ďường thẳng dẫn trục dao nằm cùng chiều với vector trục dao (hình 1.9a, b), Ďường thẳng dẫn trục dao nằm ngược chiều với vector trục dao (hình 1.9c) Hình 1. 9 trục dao luôn vuông góc với một đường thẳng Trục dao Ďược chiếu lên bề mặt chứa Ďường dẫn dao và hợp với vector pháp tuyến của bề mặt chi tiết tại Ďiểm cắt một góc không Ďổi (hình 1.10) 8