Nghiên cứu tối ưu hóa chế độ cắt theo tuổi bền dao tiện dựa trên STEP-NC

Nội dung text: Nghiên cứu tối ưu hóa chế độ cắt theo tuổi bền dao tiện dựa trên STEP-NC

1. NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA CHẾ ĐỘ CẮT THEO TUỔI BỀN DAO TIỆN DỰA TRÊN STEP-NC Trương Thị Kim Thoa1, TS. Đặng Thiện Ngôn2 1. Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM Tóm tắt Bài báo giới thiệu về phương pháp thiết lập mô hình bài toán tối ưu chế độ cắt theo tuổi bền dao lớn nhất với các phương trình ràng buộc chính là những điều kiện gia công cụ thể dựa vào các thông số có trong chương trình gia công theo chuẩn STEP-NC. Một ứng dụng thực tế với chương trình gia công STEP-NC tương ứng sử dụng phương pháp đề xuất đã được thực hiện và cho kết quả tốt. Abstract This paper introduce about the method set up optimization cutting model problem follow tool life greatest with the constraint equations are the specific processing conditions based on parameters in the STEP-NC program. A practical application with the step-nc processing program corresponding using the proposed method has been implemented and good results. 1. Giới thiệu chung Tối ưu hóa chế độ cắt theo tuổi bền dao là phương pháp nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu thông qua việc xây dựng mối quan hệ toán học giữa hàm mục tiêu theo tuổi bền dao lớn nhất với các điều kiện ràng buộc là các thông số của chế độ gia công được lập trình trong chương trình gia công STEP-NC. 2. Thiết lập mô hình bài toán Mô hình bài toán tối ưu chế độ cắt theo tuổi bền dao lớn nhất có dạng - Hàm mục tiêu theo tuổi bền dao có dạng [5]: 1 m 1 yV xV Cv T 0 max V m .S m .t m min 1 yV xV V m .S m .t m Thường chiều sâu cắt t được chọn trước và trong sản xuất hàng loạt người ta chọn phương pháp gia công bằng một bước, nên: 1 yV 1 yV V m .S m min V m .100S m min Trang 1
2. Trong đó: C C .K v0 v v Cv : hệ số xét đến vật liệu gia công và điều kiện khi tính vận tốc cắt K K .K .K .K .K .K .K v mV nV uV rV V 1V qV K : xét đến ảnh hưởng của vật liệu gia công mV K : xét đến trạng thái phôi nV K : xét đến ảnh hưởng của vật liệu làm dao uV K , K , K , K : hệ số xét đến ảnh hưởng của thông số hình học kết cấu V 1V rV qV của dao xv, yv, m: chỉ số mũ xét đến mức độ ảnh hưởng của chiều sâu cắt, bước tiến, tuổi bền dụng cụ đến vận tốc - Các ràng buộc chính [2,4]: + Ràng buộc theo công suất cắt 100 yZ .6120.N . V nZ 1.(100S) yZ C C .t xZ .K Z Z + Ràng buộc theo độ bền của cơ cấu chạy dao 100 yX .P V nX .(100S) yX x C .t xX .K x x + Ràng buộc theo độ bền của dụng cụ cắt 100 yZ .B.H 2.[ ] V nZ .(100S) yZ u 6.C .t xZ .K .l Z Z + Ràng buộc theo độ chính xác của chi tiết gia công 100 yZ .K.E. j.[ f ] V nZ .(100S) yZ 1,1.L3.C .t xZ .K Z Z + Ràng buộc theo số vòng quay nhỏ nhất của trục chính .D.n V min 1000 + Ràng buộc theo số vòng quay lớn nhất của trục chính .D.n V max 1000 Trang 2
3. + Ràng buộc theo lượng chạy dao nhỏ nhất của máy 100S ≥ 100Smin + Ràng buộc theo lượng chạy dao lớn nhất của máy 100S ≤ 100Smax Trong đó: Nc : công suất cắt (kw) η : hiệu suất (η = 0,8) Pz : lực tiếp tuyến (lực cắt chính) Cz, xz, yz, nz : hệ số và các số mũ của lực cắt khi tiện ngoài Kz = Km . Kφ . Kγ . Kr Px : lực chạy dao (KG) Cx, xx, yx, nx : hệ số và các số mũ của lực cắt khi tiện ngoài Kx = Km . Kφ . Kγ . Kr B : chiều rộng thân dao (mm) H : chiều cao thân dao (mm) [σ]u : ứng suất uốn của vật liệu làm cán dao, đối với cán dao bằng thép 2 thường lấy [σ]u = 20 (KG/mm ) l : phần nhô ra của cán dao (mm) K : hệ số xét đến ảnh hưởng cách gá đặt đối với S [4] K = 3 chi tiết được kẹp một đầu trên mâm cặp và một đầu tự do K = 48 chi tiết được gá trên hai mũi tâm K = 100 khi gá một đầu trên mâm cặp và một đầu chống tâm E : mô đun đàn hồi của vật liệu gia công: E = 2,1.104 (KG/mm2) đối với thép, E = 8.103 (KG/mm2) đối với gang [4] j : mômen quán tính tiết diện ngang của chi tiết gia công hình trụ j = 0,05. D4 (mm4) [4] [f] : độ võng cho phép theo độ chính xác của chi tiết gia công, thường [f] = 0,25δ [4] L : chiều dài chi tiết gia công (mm) nmin : số vòng quay nhỏ nhất của trục chính máy (v/ph) V : vận tốc cắt (m/ph) Trang 3
4. D : đường kính chi tiết gia công (mm) nmax : số vòng quay lớn nhất của trục chính máy (v/ph) Smin : lượng chạy dao nhỏ nhất của máy (mm/vg) Smax - lượng chạy dao lớn nhất của máy (mm/vg) - Ràng buộc phụ: V, S > 0 Chuyển tất cả các bất phương trình ràng buộc và hàm mục tiêu thành các bất phương trình tuyến tính, bằng cách lấy Lôgarit tự nhiên hai vế của các bất phương trình ràng buộc và hàm mục tiêu, ta được [2]: Hàm mục tiêu: 1 y f lnV v ln100S min m m Ràng buộc chính: yZ 100 .6120.N C . (nz 1).lnV y z .ln100S ln xZ CZ .t .K Z yX 100 .Px nx .lnV y x .ln100S ln xX C x .t .K x yZ 2 100 .B.H .[ ]u nz .lnV y z .ln100S ln xZ 6.CZ .t .K Z .l yZ 100 .K.E. j.[ f ] nz .lnV y z .ln100S ln 3 xZ 1,1.L .CZ .t .K Z .D.n lnV ln min 1000 .D.nmax lnV ln 1000 ln100S ln100S min ln100S ln100S max Ràng buộc phụ: V, S > 0 Đặt lnV = X1, ln100S = X2, ta được mô hình bài toán có dạng Hàm mục tiêu: 1 y f X v X min m 1 m 2 Trang 4
5. Ràng buộc chính: yZ 100 .6120.N C . (nz 1).X 1 y z .X 2 ln xZ CZ .t .K Z y X 100 .Px nx .X 1 y x .X 2 ln xX C x .t .K x yZ 2 100 .B.H .[ ]u nz .X 1 y z .X 2 ln xZ 6.CZ .t .K Z .l yZ 100 .K.E. j.[ f ] nz .X 1 y z .X 2 ln 3 xZ 1,1.L .CZ .t .K Z .D.n X ln min 1 1000 .D.nmax X 1 ln 1000 X 2 ln100S min X ln100S 2 max Ràng buộc phụ: X1, X2 > 0 3. Thông tin công nghệ lấy từ chương trình gia công STEP-NC [12] /* Functions / Technology */ #40=TURNING_MACHINE_FUNCTIONS(.T.,$,$,(),.F.,$,$,(),$,$,$); #41=TURNING_TECHNOLOGY($,.TCP.,#45,0.300,.F.,.F.,.F.,$); #42=TURNING_TECHNOLOGY($,.TCP.,#46,0.200,.F.,.F.,.F.,$); #43=TURNING_TECHNOLOGY($,.TCP.,#47,0.300,.F.,.F.,.F.,$); #44=TURNING_TECHNOLOGY($,.TCP.,#48,0.200,.F.,.F.,.F.,$); #45=CONST_SPINDLE_SPEED(5.000); #46=CONST_CUTTING_SPEED(2.500,10.000); #47=CONST_CUTTING_SPEED(2.200,10.000); #48=CONST_CUTTING_SPEED(2.500,10.000); /* */ /* Strategies */ #50=UNIDIRECTIONAL_TURNING($,$,(3.000),$,$,#82,$,$,2.000,$,$); #51=UNIDIRECTIONAL_TURNING($,$,(0.500),$,$,#82,$,$,2.000,$,$); Trang 5
6. #52=AP_RETRACT_TANGENT($,60.000); #53=AP_RETRACT_ANGLE($,100.000,2.000); #54=UNIDIRECTIONAL_TURNING($,$,(3.000),$,$,$,$,$,2.000,$,$); #55=CONTOUR_TURNING($,$,(0.500),$,$,#81,$,$,$,$,$); #56=AP_RETRACT_ANGLE($,45.000,4.000); Từ đoạn chương trình trên, có được các thông tin công nghệ sau: - Tiện mặt đầu + Tiện thô n = 5 v/s = 300 v/ph (dòng lệnh #45) .D.n 3,14.87.300 V 82 m/ph 1000 1000 t = 3 mm (dòng lệnh #50) S = 0,3 mm/vg (dòng lệnh #41) + Tiện tinh V = 2,5 m/s = 150 m/ph (dòng lệnh #46) t = 0,5 mm (dòng lệnh #51) S = 0,2 mm/vg (dòng lệnh #42) - Tiện trụ Ф80 và tiện côn + Tiện thô V = 2,2 m/s = 132 m/ph (dòng lệnh #47) t = 3 mm (dòng lệnh #54) S = 0,3 mm/vg (dòng lệnh #43) + Tiện tinh V = 2,5 m/s = 150 m/ph (dòng lệnh #48) t = 0,5 mm (dòng lệnh #55) S = 0,2 mm/vg (dòng lệnh #44) 4. Mô hình bài toán tối ưu theo tuổi bền dao Từ các thông số chế độ cắt có được (mục 3) và các hệ số được chọn theo tài liệu [2,4] ta có: Mô hình bài toán tối ưu chế độ cắt khi tiện thô 5,6 X1 + 1,67 X2 → min Trang 6
7. 0,85X1 0,75X 2 7,22 0,4X 0,5X 5,77 1 2 0,15X1 0,75X 2 3,95 0,15X1 0,75X 2 2,42 X1 2,03 X 5,94 1 X 2 1,39 X 2 4,1 X1, X2 >0 Mô hình bài toán tối ưu chế độ cắt khi tiện tinh 5,6 X1 + 1,67 X2 → min 0,85X1 0,75X 2 9,02 0,4X 0,5X 7,56 1 2 0,15X1 0,75X 2 5,74 0,15X1 0,75X 2 4,16 X1 2,02 X 5,93 1 X 2 1,39 X 2 4,1 X1, X2 >0 5. Kết quả giải - Tiện thô X1 = 5.01, X2 = 3.401 - Tiện tinh X1 = 5.135, X2 = 2.3 6. Kết quả tính toán tối ưu chế độ cắt - Tiện thô 5,01 X1 = lnV = 5,01 → V = e ≈ 150 (m/ph) e3,401 X2 = ln100S = 3,401 → S 0,3 (mm/vg) 100 t = 3 (mm) - Tiện tinh 5,135 X1 = lnV = 5,135 → V = e ≈ 170 (m/ph) Trang 7
8. e2,3 X2 = ln100S = 2,3 → S 0,1 (mm/vg) 100 t = 0.5 (mm) 7. Thử nghiệm a. Chọn máy Thử nghiệm được tiến hành trên máy tiện CHATLES 610 x 2000, đây là máy tiện hạng vừa có: - Công suất: N = 7.5 (kW) - Đường kính tiện lớn nhất: Ф610 (mm) - Giới hạn cấp vòng quay trục chính: n = 30 ÷ 1500 (v/ph) - Lượng chạy dao: 0.04 ÷ 0.6 (mm/vòng) - Lực chạy dao theo trục X: Px = 3600 (N) b. Chọn dao Từ [12] ta có dao tiện: vật liệu làm phần cắt của dao là hợp kim cứng T15K6, dao đầu thẳng có lưỡi cắt chính bên trái, bán kính mũi dao r = 0.3 mm, môđun đàn hồi E = 11 o o o o 3.10 pa. Dao có kết cấu: F = 25 x 25, φ = 75 , φ1 = 15 , γ = 10 , α = 10 . c. Chọn mẫu - Vật liệu chi tiết gia công: vật liệu thép carbon kết cấu < 0.6% C, không vỏ 2 11 cứng, σb = 75 KG/mm , E = 2.10 pa - Kích thước mẫu: Ф87 x 117 Hình 1: Hình dạng phôi [12] - Chi tiết gia công Hình 2: Kích thước chi tiết gia công [12] Trang 8
9. d. Cách tiến hành thí nghiệm - Thí nghiệm với chế độ cắt chưa tối ưu Hình 3: Chi tiết gia công với chế độ cắt chưa tối ưu Lần 1: tiện được 7 chi tiết thì dao bị mòn (tuổi bền của dao T ≈41,4 ph) Lần 2: tiện được 8 chi tiết thì dao bị mòn (tuổi bền của dao T ≈ 47 ph) Lần 3: tiện 8 chi tiết thì dao bị mòn (tuổi bền của dao T ≈ 47 ph) 41,4 47 47 Vậy tuổi bền trung bình của dao: T 45 (ph) TB 3 - Thí nghiệm với chế độ cắt tối ưu Hình 4: Chi tiết gia công với chế độ cắt tối ưu Lần 1: tiện được 8 chi tiết thì dao bị mòn (tuổi bền của dao T ≈ 55 ph) Lần 2: tiện được 9 chi tiết thì dao bị mòn (tuổi bền của dao T ≈ 62 ph) Lần 3: tiện 8,5 chi tiết thì dao bị mòn (tuổi bền của dao T ≈ 59 ph) 55 62 59 Vậy tuổi bền trung bình của dao: T 59 (ph) TB 3 8. Đánh giá Qua 6 lần thử nghiệm ta thấy: khi tiện với chế độ cắt tối ưu thì tuổi bền dao cao hơn so với khi tiện với chế độ cắt chưa tối ưu, đồng thời chất lượng bề mặt chi tiết gia công cũng được cải thiện. 9. Kết luận Chế độ cắt tối ưu luôn luôn phụ thuộc vào điều kiện gia công cụ thể, vì vậy khi nghiên cứu giải quyết bài toán tối ưu phải dựa vào điều kiện sản xuất cụ thể, góp phần tạo điều kiện tự động hóa chuẩn bị sản xuất để nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của quá trình sản xuất. Trang 9
10. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Phùng Rân, Trương Ngọc Thục, Giáo trình cơ sở cắt gọt kim loại, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, 1994, 230 trang. 2. Trần Văn Địch, Nguyên lý cắt kim loại, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2006, 303 trang. 3. Trần Văn Địch, Nguyễn Trọng Bình, Nguyễn Thế Đạt, Nguyễn Viết Tiếp, Trần Xuân Việt, Công nghệ chế tạo máy, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2006, 836 trang. 4. Nguyễn Ngọc Đào, Trần Thế San, Hồ Viết Bình, Chế độ cắt gia công cơ khí, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2010, 256 trang. 5. Nguyễn Thế Tranh, Trần Quốc Việt, Cơ sở cắt gọt kim loại, Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, 2008. 6. Phùng Rân, Nguyễn Tiến Dũng, Tối ưu hóa, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, 2006, 150 trang. 7. Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 8. Đặng Thiện Ngôn, Lập trình gia công bằng STEP-NC, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, 2009. 9. Liangji Xu, Advanced Design and Manufacturing Based on STEP, The Boeing Company, Seattle, Washington 98124-2207, USA. 10. Liangji Xu, Optimizing Tool Life with STEP-NC, ISO 10303 AP 238 Meeting; National Institute of Standards and Technology, Maryland, USA. 11. Leon Xu, Machining Process Optimization with ISO 10303-238, The Boeing Company. 12. ISO 14649 Data model for Computerized Numerical Controllers - Part 12: PROCESS DATA FOR TURNING Họ và tên: Trương Thị Kim Thoa Xóm 3 - Phụng Sơn - Phước Sơn - Tuy Phước - Bình Định SĐT: 01694631960 Trang 10
11. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.