Mô hình hoá quá trình cắt nhiều dao khi gia công lòng khuôn ba chiều trên máy CNC

Hình 1.2 - Hình dạng vùng chèn ở vùng tiếp xúc giữa dao và phoi Việc nghiên cứu quá trình tiếp xúc trên mặt sau có ý nghĩa lớn để phân tích độ mòn của dụng cụ cũng như để giải thích một

Mô hình hoá quá trình cắt nhiều dao khi gia công

lòng khuôn ba chiều trên máy CNC

Cơ quan chủ trì Chủ nhiệm đề tài

TS Nguyễn Đức Minh ThS Trần Quang H−ng

9067

Hà Nội 10/2011

Danh sách các thành viên tham gia

Thực hiện đề tài

Bộ công thương Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam

Báo cáo tóm tắt Thực hiện đề tài 134.10.rd/hĐ-khcn

3 chiều trên máy CNC”

Cơ quan thực hiện: Viện máy và dụng cụ công nghiệp

Theo tinh thần và nội dung của Hợp đồng nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ số 134.10.RD/HĐ-KHCN, ký ngày 25/02/2010 với Bộ Công Thương, Viện máy và dụng cụ công nghiệp đã hoàn thành đề tài “Mô hình hóa quá trình cắt nhiều dao khi gia công lòng khuôn 3 chiều trên máy CNC”

1 Các nội dung nghiên cứu và tiến trình thực hiện

1.1 Thời gian bắt đầu: 01/2010

1.2 Nghiên cứu lý thuyết tổng quan và các vấn đề có liên quan: 01/2010 ữ 02/2010

1.3 Nghiên cứu lý thuyết về mòn và tuổi bền dụng cụ cắt: 02/2010 ữ 03/2010

1.4 Nghiên cứu lý thuyết tối ưu hóa chế độ cắt: 03/2010 ữ 04/2010

1.5 Nghiên cứu lý thuyết mô hình hóa chế độ cắt: 04/2010 ữ 05/2010

1.6 Nghiên cứu xây dựng mô hình thực nghiệm: 05/2010 ữ 06/2010

1.7 Tiến hành thực nghiệm và thu thập số liệu: 06/2010 ữ 07/2011 (bị chậm trễ so với dự kiến ban đầu do các kết quả thực nghiệm không đạt yêu cầu, phải làm lại nhiều lần - đã có công văn giải trình với Bộ Công Thương)

1.8 Tổng hợp và xử lý các số liệu thí nghiệm, viết báo cáo: 07/2011 ữ 10/2011

1.9 Nghiệm thu cấp cơ sở và chuẩn bị hồ sơ nghiệm thu cấp Bộ: 07/2011 ữ 10/2011 1.10 Hoàn thiện báo cáo tổng kết đề tài: 12/2011

- Thực hiện được các nghiên cứu về mô hình hóa quá trình cắt

- Thực hiện thành công công tác thực nghiệm, so sánh với nghiên cứu lý thuyết để

từ đó rút ra được những kết luận và đề xuất các nghiên cứu tiếp theo

3 Sử dụng kinh phí đề tài

Kinh phí được cấp cho đề tài đã được sử dụng đúng mục đích theo như các hạng mục

đã nêu trong dự toán ban đầu Toàn bộ kinh phí từ nguồn NSNN của đề tài (100.000.000đ

và thời gian gia công Mô hình các đại lượng này cho phép tính toán xác định giá trị các đại lượng đặc trưng tại thời điểm bất kỳ, với chế độ cắt bất kỳ của quá trình gia công, góp phần xây dựng cở sở để giải bài toán xác định chế độ cắt tối ưu khi phay trên máy phay CNC Phương pháp nghiên cứu này có thể ứng dụng cho các phương pháp gia công khác trong gia công cắt gọt như: Tiện, phay cao tốc, mài,

- Đánh giá được ưu điểm, khả năng ứng dụng của dao phay cầu trong việc gia công các bề mặt phức tạp đồng thời cũng chỉ ra những khó khăn, hạn chế khi sử dụng chúng để gia công đồng thời xác định được điều kiện để đỉnh dao tham gia vào quá trình cắt gọt

- Thiết lập được các phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các đại lượng đặc trưng trong quá trình gia công

- Đã xây dựng được phương pháp đánh giá tuổi bền của dao phay đồng thời bằng nhiều chỉ tiêu Trong điều kiện gia công cụ thể ta có thể lựa chọn được giá trị tuổi bền hợp lý, góp phần tiết kiệm chi phí, nâng cao hiệu quả sản xuất

- Thiết kế được hệ thống thí nghiệm hiện đại có thể phục vụ cho công tác đào tạo và nghiên cứu khoa học của Viện IMI Xây dựng được phương pháp xử lý số liệu hiện

đại, chính xác và tin cậy trên cơ sở ứng dụng các phần mềm ứng dụng mạnh như MATLAB R12, EXCEL

Một số kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo

- Xây dựng thêm các mô hình các đại lượng đặc trưng như: rung động, nhiệt cắt, cũng như mở rộng thêm các thông số đầu vào để quá trình nghiên cứu “ mô hình hóa quá trình cắt khi phay nhiều loại dao trên máy CNC” càng đầy đủ và toàn diện cũng như nâng cao được độ chính xác của kết quả nghiên cứu

- Sử dụng phương pháp nghiên cứu cũng như mô hình thực nghiệm để tiếp tục hoàn thiện cơ sở dữ liệu chế độ cắt khi phay trên máy phay CNC với các sơ đồ phay khác nhau cũng như mở rộng nghiên cứu với các nguyên công khác nhau

- Kết hợp với các kiến thức đo lường, tự động hóa, tiếp tục xây dựng hệ thống điều khiển thích nghi bằng sơ đồ điều khiển ngoài với tín hiệu điều khiển là lực cắt hoặc

có thể là các tín hiệu chuyển đổi từ lực cắt như công suất cắt hoặc các tín hiệu khác như: thời gian gia công, lượng mòn dao hay chiều cao nhâp nhô tế vi bề mặt (nếu có

đo lường chủ động các đại lượng này trong quá trình gia công)

Chủ nhiệm đề tài

ThS Trần Quang Hưng

Báo cáo khoa học

- Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

- Mục tiêu đề tài

Nội dung chính của đề tài:

Môc lôc

3.1 Thực nghiệm với dao phay ngón ghép mảnh cắt xoay 48

3.1.4 Thiết lập phương trình biểu diễn mối quan hệ qua lại giữa các

3.3.5 Xây dựng phương pháp xác định tuổi bền dao bằng cách sử

Mở đầu

Hiện nay, việc sử dụng các máy CNC để thay thế cho các máy công cụ thông thường trong việc gia công chi tiết đang được thực hiện một cách rộng rãi trên thế giới cũng như tại Việt Nam, đặc biệt là đối với các chi tiết phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cũng như chất lượng rất cao Bên cạnh đó, việc xác định được quỹ đạo gia công hợp lý nhằm rút ngắn thời gian gia công, đảm bảo độ chính xác gia công; xây dựng được tuổi bền hợp lý của các dụng cụ cắt cùng tham gia gia công để tạo ra một quy trình gia công tối ưu cũng

đang là một đòi hỏi cấp thiết của thực tế

Một trong những định hướng phát triển của Viện máy và dụng cụ công nghiệp là nghiên cứu, chế tạo các loại máy CNC có đủ chất lượng và giá cả cạnh tranh với các sản phẩm của các quốc gia khác đang có mặt trên thị trường Việc nghiên cứu mô hình hoá quá trình cắt nhiều dao trên máy CNC là phù hợp cũng như để hỗ trợ cho định hướng phát triển đó

Nội dung của đề tài bao gồm ba phần chính:

- Nghiên cứu về mài mòn và tuổi bền dụng cụ cắt

- Nghiên cứu về tối ưu hoá chế độ cắt

- Nghiên cứu về mô hình hoá

Ngoài ra, phần thực nghiệm để phục vụ cho các nghiên cứu lý thuyết cũng được trình bày trong phần nội dung của đề tài

Chương 1: Các lý thuyết cơ sở

1.1 Mòn và tuổi bền dụng cụ cắt

1.1.1 tổng quan về mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt

Như đã nói ở trên, năng suất và chất lượng của sản phẩm bị hạn chế rất nhiều bởi sức bền và tuổi bền mòn của dụng cụ Dưới tác dụng của các yếu tố: nhiệt, lực cắt,…làm phần cắt của dụng cụ bị mòn nhanh chóng Khi sức bền phần cắt không đủ thì dụng cụ bị phá huỷ dòn, gãy do kết quả của quá trình biến dạng phần cắt dụng cụ

Trong thực tế, để tránh sự phá huỷ phải nâng cao sức bền phần cắt hoặc giảm chế độ cắt song điều đó lại ảnh hưởng trực tiếp tới năng suất Do đó, phải nghiên cứu cơ chế phá huỷ phần cắt của dụng cụ, tìm ra quy luật trên cơ sở tính toán để nâng cao sức bền phần cắt là rất quan trọng, đặc biệt là trong sản xuất tự động

Dụng cụ cắt thông thường bị phá huỷ dòn và dẻo Có hai nguyên nhân chính để dẫn tới sự phá huỷ này là:

- tiếp xúc trên mặt trước của dụng cụ với phoi

- tiếp xúc trên mặt sau của dụng cụ với chi tiết gia công

Hình 1.1 - Tiếp xúc trên mặt trước Bằng phương pháp chụp ảnh tế vi, ta xác định được tiếp xúc trên mặt trước của dụng

cụ với phoi được chia làm 2 phần: phần tiếp xúc dẻo và phần tiếp xúc đàn hồi Trên phần tiếp xúc dẻo phoi trượt qua lưỡi cắt trên mặt trước tạo thành hiện tượng chèn đùn Còn trên phần tiếp xúc đàn hồi, phoi trượt bên ngoài mặt trước

Hình 1.2 - Hình dạng vùng chèn ở vùng tiếp xúc giữa dao và phoi

Việc nghiên cứu quá trình tiếp xúc trên mặt sau có ý nghĩa lớn để phân tích độ mòn của dụng cụ cũng như để giải thích một số vấn đề liên hệ với tính biến dạng của lớp bề mặt chi tiết khi gia công Những nghiên cứu đó chứng tỏ rằng tác dụng của lực cắt lên mặt sau của dụng cụ chứng tỏ rằng chúng là phản lực đàn hồi của bề mặt cắt Các nhân tố ảnh hưởng tới lực tác dụng lên mặt sau chủ yếu là chiều rộng cắt b, các nhân tố khác ít có ảnh hưởng hơn

1.1.2 Các phương pháp xác định sức bền phần cắt của dụng cụ

Phần cắt của dụng cụ vừa bị phá huỷ dòn, vừa bị phá huỷ dẻo Trong kỹ thuật, để tính toán sự phá huỷ này, ta thường áp dụng phương pháp tính toán theo ứng suất cho phép

Công thức này sử dụng khi σ1≥0 và σ3≤0

Phá huỷ xảy ra khi σtđmax = σb

Hệ số dự trữ sức bền dòn thường được lấy tuỳ theo giá thành và cấu trúc, độ dòn

đồng nhất, ứng suất dư của vật liệu

1.1.2.2 Phương pháp xác định sức bền dẻo

Qua nghiên cứu thực nghiệm ta nhận thấy rằng chảy dẻo của vật liệu dụng cụ ở lớp tiếp xúc theo mặt sau ứng suất tương đương được xác định theo cùng với tình trạng ứng suất giới hạn Mize – Hucki:

2 yz z

y

2 z

2 y

td = σ +σ ưσ σ +3.τ

σy, σz, τyz tương ứng với ứng suất pháp và ứng suất tiếp

Điều kiện chảy dẻo có thể biểu diễn ở dạng:

Hệ số dự trữ sức bền dẻo:

Tình trạng biến dạng lớp tiếp xúc ở mặt sau gần như là tình trạng trượt đơn Khi trượt

đơn các đường trượt là đường thẳng, ứng suất là hằng số dọc các đường trượt và bằng giá trị trung bình ứng suất chính σ=(σ1 + σ2)/2

đơn vị Khi xác định ứng suất tiếp của dụng cụ ở mặt sau cần tính đến ứng suất pháp tiếp xúc trên mặt trước tác dụng lên lưỡi cắt hướng vào mặt sau Do đó, ứng suất tiếp có thể viết dưới dạng:

τ1: ứng suất tiếp do ma sát ở mặt sau

τx: ứng suất tiếp từ ứng suất pháp trên mặt trước

Từ đó, ta có:

x 1

2 1 N

2 yz

2 1 N

2 1 N

T T

.C

3

n

σ+τ+σ

σ

Do đó, muốn xác định sức bền dòn và sức bền dẻo phần cắt dụng cụ cần phải biết giá trị ứng suất tiếp xúc, giới hạn bền và giới hạn dẻo của vật liệu dụng cụ

1.1.2.3 Hiện tượng mòn và cơ chế mòn của dụng cụ

Khi hai vật thể chuyển động tương đối với nhau và có sự tiếp xúc thì cả hai vật thể sẽ

bị mài mòn Mòn của dụng cụ là một tất yếu và là một hiện tượng xảy ra thường xuyên

đối với dụng cụ cắt Trên cơ sở nghiên cứu đối với các vật liệu dụng cụ như thép gió, HKC, kim cương, gốm,…người ta xây dựng cơ chế mòn của dụng cụ cắt và thiết lập cơ chế mòn theo quy luật của nó

Để có thể thiết lập được một mối quan hệ thay đổi có quy luật của sự mài mòn cần phải đi sâu vào nghiên cứu bản chất của nó, đó chính là các cơ chế mòn Có rất nhiều cơ chế mòn và được chia làm các loại mòn chủ yếu sau:

1.1.2.3.1 Mài mòn vì chảy dính

Đây là phương thức phổ biến hơn cả Dụng cụ bị mòn do vật liệu dụng cụ bị bám dính vào chi tiết gia công hay phoi trong quá trình ma sát với chúng Hiện tượng này xảy

ra mãnh liệt khi áp lực cao và chuyển động liên tục

Khi các bề mặt tiếp xúc trượt lên nhau trong qúa trình cắt liên tục, xuất hiện các phần tử chảy dính Bề mặt dụng cụ theo các điểm riêng biệt tiếp xúc thực, chịu tác dụng của ứng suất cắt (lực cắt, trượt) Kết quả là các phần tử nhỏ của vật liệu tách ra khỏi bề mặt, thông thường từ các loại vật liệu dẻo dễ bị chảy dính hơn

Trong quá trình cắt, các phần tử chảy dính gắn vào bề mặt, xuất hiện, mất đi có tính chất chu kỳ trong các phạm vi hẹp trên bề mặt dụng cụ Kích thước các phần tử nhỏ dao

động từ vài phần nghìn tới vài phần trăm mm, còn diện tích tiếp xúc thực chịu dính khoảng 10% ữ 60% diện tích tiếp xúc tiêu chuẩn

Các nghiên cứu cho thấy khi cắt với tốc độ thấp các vật liệu có sức bền lớn, mòn vì dính ở dụng cụ thép gió nhỏ hơn nhiều so với HKC còn khi cắt với tốc độ cắt cao và nhiệt cắt lớn thì ngược lại Lượng vật liệu chảy dính tuỳ thuộc cơ tính vật liệu gia công

Lượng vật liệu dụng cụ tách khỏi bề mặt dụng cụ trên một đơn vị hành trình cắt phụ thuộc rất nhiều vào cơ tính của vật liệu gia công Lượng vật liệu chảy dính đó phụ thuộc vào chỉ số giới hạn bền và độ cứng tiếp xúc của vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công:

- Hd: độ cứng tiếp xúc dụng cụ

- Hc: độ cứng tiếp xúc chi tiết

η càng lớn thì khối lượng phần tử dụng cụ chảy dính (lượng mòn dính) càng nhỏ

Để xác định chiều dài hành trình cắt L đến khi dao mòn, ta có thể sử dụng công thức sau đây:

y x k

z m a

n

a X.CT.vL

φ

ττϕ

σ

=

Trong đó: - σ: giới hạn bền của lớp tiếp xúc vật liệu dụng cụ cắt

- Xa: yếu tố xác suất thay đổi vì vật liệu chảy dính (Xa < 1)

- ϕm: thông số cơ học xác suất thay đổi vật liệu (ϕm < 1)

- τϕ: ứng suất tiếp xúc ở mặt trượt

- τk: sức bền đứt ở lớp tiếp xúc của vật liệu gia công

- n, x, y, z: các số mũ (n ≥ x ≥ 1, y ≤ z ≤ 1)

1.1.2.3.2 Mòn do hạt mài (do cào xước)

Một trong những cơ chế mài mòn dụng cụ cắt là mài mòn do hạt mài Đây là hiện tượng mòn do phoi của vật liệu gia công cào xước bề mặt tiếp xúc của dụng cụ tác dụng như một hạt mài nhỏ cắt vào bề mặt dụng cụ

Bề mặt tiếp xúc của dụng cụ càng cứng thì mòn do cào xước càng giảm Khi xảy ra hiện tượng lẹo dao rất dễ gây cào xước trên mặt sau của chi tiết

Như vậy các dụng cụ cắt với tốc độ thấp và nhiệt nhỏ thường bị mòn do dính và cào xước

Qua nghiên cứu thực nghiệm ta có các kết luận sau:

- Khi gia công bằng dao HKC, các phần tử hoá chất có hoạt tính của HKC sẽ nâng cao tuổi bền dụng cụ bởi vì mòn dính giảm và mòn do cào xước hoá học ít

- Khi gia công bằng các dụng cụ cắt thép gió, các phần tử hoá chất có hoạt tính cao làm tăng độ mòn cơ hoá, cào xước và giảm tuổi bền dụng cụ

1.1.2.3.3 Mòn khuếch tán

Do nhiệt độ cao, biến dạng dẻo lớn nên xảy ra sự khuếch tán của vật liệu dụng cụ vào phoi và chi tiết gia công trong quá trình cắt gây ra hiện tượng mòn dụng cụ

Trong khoảng 180gy cắt thì thời gian tiếp xúc của các phần tử vật liệu gia công theo mặt sau dụng cụ là 0.01gy, lượng vật liệu hoà tan vào mặt cắt lớn hơn so với trường hợp hai vật ở trạng thái tĩnh

Nhờ nghiên cứu mòn khuếch tán mà người ta có thể tính tuổi bền theo độ mòn mặt sau dụng cụ

Khi lớp khuếch tán là dung dich đặc, tuổi bền theo mặt sau được xác định theo công thức:

2 / 1 2 / 1 0 2 / 1 1 2 / 3 s s

K.D.C.v.m

m.G)

tg.tg1(3

G.h.tg.T

σ

αγ

ư

απ

Khi lớp khuyếch tán là vật liệu trung gian:

2 / 1 2 / 1 0 2 / 1 g s

1 2 / 3 s s

K.D.C.v.G.G)

tg.tg1(6

G.h.tg.T

αγ

ư

απ

- G: mật độ vật liệu gia công (độ đồng nhất)

- v: tốc độ cắt

1.1.3 Quan hệ giữa tuổi bền và các yếu tố chế độ cắt

Khái niệm tuổi bền dụng cụ được xác định bởi thời gian làm việc liên tục của dụng

cụ giữa 2 lần mài lại Nó quyết định năng suất và giá thành sản phẩm

Những yêu cầu về chất lượng bề mặt, năng suất và giá thành là các yếu tố cơ bản để lựa chọn chế độ cắt

Các nghiên cứu chỉ ra rằng phần lớn dụng cụ bị mòn là do các nguyên nhân từ nhiệt Khi cắt với tốc độ lớn, nhiệt cắt cao thì công suất tiếp xúc giảm cường độ dính tăng, xuất hiện mòn khuếch tán dẫn tới tuổi bền giảm

Ta lập quan hệ ảnh hưởng của nhiệt độ ở mặt tiếp xúc dụng cụ và bề mặt chi tiết gia công đến độ mòn và độ cứng của hợp kim cứng

Khi nhiệt cắt cao (tốc độ cắt cao), quan hệ giữa sức bền tế vi cua HKC với công suất tiếp xúc bắt đầu giảm và cường độ mòn dính tăng, tiếp tục tăng nhiệt độ bắt đầu xuất hiện mòn khuếch tán dẫn đến kết quả tổng mòn tăng và tuổi bền giảm

Hình 1.3 - Quan hệ giữa tốc độ và tuổi bền

(Dao HKC-BK8, cắt thép 40Cr, t = 1 mm, s = 0.1 mm/s)

Một thông số quan trọng khi nghiên cứu tuổi bền của dụng cụ là chiều dài hành trình (chiều dài hành trình cắt trong tuổi bền dụng cụ là V.T và V.T.a) Các thông số đó cũng là hàm số của tốc độ cắt và nhiệt độ

Thực nghiệm ở tốc độ thấp khi tăng tốc độ cắt (tăng nhiệt cắt) thì chiều dài hành trình cắt V.T.(.m) và diện tích cắt V.T.a tăng lên đến cực đại ở giá trị tốc độ cắt và nhiệt cắt xác định Sau đó khi tăng V và t° thì V.T và V.T.a giảm

Hình 1.4 - Quan hệ giữa V.T-V và V.T-θ

(Cắt thép 40Cr bằng dao thép gió P18, t = 1 mm, a = 0.1 mm)

Cách lựa chọn tốc độ cắt hợp lý (tối ưu)

Tốc độ cắt tối ưu tương ứng với tuổi bền hợp lý tuỳ theo yêu cầu sản xuất thực tế Phải xác định sao cho năng suất cắt là lớn nhất mà giảm giá thành sản phẩm tới mức tối thiểu

Bên cạnh việc sử dụng các vật liệu dụng cụ ngày càng tốt, hoàn thiện kết cấu hình học của dao về góc trước, góc sau, góc nghiêng chính,…kết hợp với chế độ trơn nguội hợp lý, phải có một chế độ cắt tối ưu tương ứng để dụng cụ có tuổi bền cao nhất Xuất phát từ việc đảm bảo diện tích lớp bề mặt gia công của chi tiết lớn nhất và lượng mòn nhỏ nhất

Khi năng suất lớn nhất (Qmax), ta có:

n

.)

1n(

Cv

λτ

ư

Tuổi bền và tốc độ cho năng suất cao đảm bảo thời gian hao phí cho sản xuất một chi tiết là nhỏ nhất

Chế độ cắt cho năng suất cao do vậy mà không lợi về kinh tế

Chế độ cắt tối ưu về chi phí sản phẩm được xác định như sau:

n

0 k

)

E

S).(

1n(

Cv

λ+τ

ư

Tk = (n-1).λ.(τ+S/E) (1.14)

Ta thấy tuổi bền dụng cụ khi làm việc với một dụng cụ cho giá thành sản phẩm nhỏ nhất Do đó, khi làm việc trên máy nhiều dụng cụ tuổi bền dụng cụ tăng lên rất nhiều

Điều này phù hợp với nền sản xuất hiện đại với các máy móc tích hợp hệ thống và máy tự

động thay dao với ổ chứa dao lên tới hàng chục dụng cụ

Để tốc độ và tuổi bền cho hao phí là nhỏ nhất thì ta có thể lập quan hệ giữa diện tích gia công và tốc độ cắt để có được tốc độ cắt tối ưu Trên cơ sở xây dựng đồ thị: Q - T, An

- T, S - T và Q - V, An - V, S - V

Nếu giá thành dụng cụ và hao phí sử dụng nhỏ thì Tk và Vk không khác nhiều so với Tn, Vn, khác nhiều với T0 và V0

1.2 tối ưu hoá chế độ cắt

1.2.1 Khái niệm và ý nghĩa của tối ưu hoá

Tối ưu hóa quá trình gia công cắt gọt là phương pháp nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu thông qua mối quan hệ việc xây dựng mối quan hệ toán học giữa hàm mục tiêu kinh

tế với các thông số của chế độ gia công ứng với một hệ thống giới hạn về mặt 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

1.2.2 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 ưu hóa

động

1.2.2.1 Tối ưu hóa tĩnh

Tối ưu hóa tĩnh hay còn gọi là tối ưu hóa trước là quá trình nghiên cứu và giải 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 tính chất ngẫu nhiên và thay đổi theo 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 chỉnh máy làm việc theo các thông số của chế độ đó Trong quá trình làm việc các thông số này được điều chỉnh lại

Do đặc điểm trên đây tối ưu hóa tĩnh chưa giải quyết vấn đề triệt để Mặc dù vậy ngày nay tối ưu hóa tĩnh vẫn được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi vì nó rất đơn giản,

dễ áp dụng và đảm bảo tính hiệu quả

1.2.2.2 Tối ưu hóa động

Còn gọi là tối ưu hóa quá trình cắt gọt là quá trình nghiên cứu tối ưu hóa dựa 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 thời gian

Quá trình cắt hệ thống các đại lượng đo lường đo các đại lượng thuộc về chi tiết (như kích thước chi tiết, sai số hình dạng của chi tiết) các đại lượng thuộc về dao và hệ thống công nghệ (như độ mòn dao, lực cắt, nhiệt cắt, rung động của hệ thống công nghệ) và chuyển sang hệ thống xử lý nhanh Sau đó hệ thống xử lý nhanh xác định ngay chế độ cắt tối ưu và kết qủa cho bộ phận tiếp theo để tự động điều chỉnh máy làm việc theo chế độ cắt đã được xác định

Trong qúa trình làm việc mặc dầu xuất hiện yếu tố ngẫu nhiên và thay đổi theo thời gian như độ cứng vật liệu không đồng nhất, lượng dư gia công không đều, 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 xác định được chế độ cắt hợp lý

ở các thời điểm tương ứng, cung cấp kịp thời cho hệ thống điều khiển tự động đảm bảo cho máy luôn luôn làm việc với ché độ hợp lý

Như vậy khác với tối ưu hóa tĩnh, ở tối ưu hóa động chế độ gia công chẳng những được điều chỉnh trước mà còn được tự động điều chỉnh ngay trong quá trình cắt Tối ưu hóa động giải quyết vấn đề triệt để hơn so với tối ưu hóa tĩnh nhưng cũng phức tạp hơn tối ưu hóa tĩnh rất nhiều vì tối ưu hóa động gần gắn liền với đo lường chủ

động và điều khiển thích nghi Tuy nhiên, do tính hiệu quả của nó, tối ưu hóa động sẽ

được phát triển mạnh mẽ trong thế kỷ 21

1.2.3 Cơ sở kinh tế kỹ thuật của tối −u hoá

Muốn thực hiện tối −u hóa quá trình gia công cắt gọt phải dựa trên mối quan hệ kinh tế - kỹ thuật đ−ợc thiết lập đ−ợc xuất phát từ bản chất vật lý của quá trình cắt cũng nh− dựa trên tính chất đặc tr−ng của từng nguyên công Các mô hình toán học mô tả mối quan hệ giữa lực cắt, tuổi bền của dụng cụ với các thông số công nghệ cần tối −u là cơ sở để thực hiện tối −u hóa quá trình gia công cắt gọt

1.2.3.1 Mô hình lực cắt

Từ sơ đồ lực cắt đơn vị K đ−ợc xác định nh− sau:

2

1

k Z

Z Z

a k s t

F a b

F A

F

a- Chiều dày phoi (mm) a= s.sin ϕ

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

ϕsin

t

b=

t- Chiều sâu cắt (mm)

liệu gia công, vật liệu dao, kết cấu bộ phận cắt của dụng cụ cắt, chế độ bôi trơn và làm nguội khi cắt,

Fz =k1.b.a1+k2sink2ϕ (1.16) Trong đó: k1 = k10.k11 k1i

cụ thể tới lực cắt, các gia trị k1i phải xác định bằng thực nghiệm:

Các thành phần Fx , Fy đ−ợc tính theo công thức Fz

Fx = Cx.Fz

Fy = Cy.Fz

F = Fx +Fy+Fz

Trong đó Cx, Cy là các hệ số mô tả mối quan hệ giữa Fx, Fy, với Fz và được xác

định bằng thực nghiệm

1.2.3.2 Mô hình mài mòn dụng cụ cắt

trình mòn Quá trình mòn phu thuộc chủ yếu vào thời gian cắt τ và tốc độ cắt V

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

Trong đó: τ- Thời gian cắt

C1 = C0.VC3.SC4.tC5 (1.18) Với C0, C3, C4, C5 là các hệ số và số mũ phụ thuộc vào các điều kiện gia công cụ thể và được xác định bằng thực nghiệm

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

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

T= A1VA2

T = A3VA2 SA4

V = A5VA2 SA4tA6

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/

bỏ qua ảnh hưởng của chiều sâu cắt tới tuổi bền và thường lấy T theo biểu thức

A3 = A30.A31….A3i

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

1.4 mô hình hoá

1.4.1 Khái niệm chung

Ngày nay, khó có thể tìm thấy lĩnh vực hoạt động nào của con người mà không sử dụng phương pháp mô hình hóa ở những mức độ khác nhau Điều này đặc biệt quan trọng

đối với lĩnh vực điều khiển các hệ thống (kỹ thuật, xã hội) Bởi điều khiển chính là quá trình thu nhận thông tin từ hệ thống, nhận dạng hệ thống theo một mô hình nào đó và đưa

ra quyết định điều khiển thích hợp Quá trình này được tiếp diễn liên tục nhằm đưa hệ thống vận động theo một mục tiêu định trước

Quá trình phát triển khoa học kỹ thuật đi theo các bước cơ bản sau:

- Quan sát- thực nghiệm- nghiên cứu lý thuyết- tổ chức sản xuất

- Mô hình hóa là một phương pháp khoa học trợ giúp các bước nói trên

Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng được phát triển từ đại chiến thế giới lần thứ

II vào những năm 40 của thế kỉ XX Lúc đó người ta ứng dụng phương pháp mô hình hóa

và mô phỏng để nghiên cứu các phản ứng hạt nhân nhằm chế tạo bom nguyên tử Ngày nay, nhờ có máy tính điện tử mà phương pháp mô hình hóa và mô phỏng phát triển nhanh chóng và được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật cũng như các ngành khoa học xã hội khác nhau Nhờ có phương pháp mô hình hóa và mô phỏng, người ta có thể phân tích, nghiên cứu các hệ thống phức tạp, xác định các đặc tính, hành vi hoạt động của

hệ thống Các kết quả mô phỏng được dùng để thiết kế, chế tạo cũng như xác định các chế

độ vận hành của hệ thống

Đối với các hệ thống phức tạp, phi tuyến, ngẫu nhiên, các tham số biến đổi theo thời gian, phương pháp giải tích truyền thống không thể cho ta lời giải chính xác Lúc này phương pháp mô hình hóa và mô phỏng phát huy sức mạnh của mình và trong nhiều trường hợp nó là giải pháp duy nhất để nghiên cứu các hệ thống phức tạp trên

- Trạng thái hệ thống (state of system) là tập hợp các tham số, biến số dùng để mô tả

hệ thống tại một thời điểm và trong điều kiện nhất định

- Mô hình (Model) là một sơ đồ phản ánh đối tượng, con người dùng sơ đồ đó để nghiên cứu, thực nghiệm nhằm tìm ra quy luật hoạt động của đối tượng hay nói cách khác mô hình là đối tượng thay thế của đối tượng gốc để nghiên cứu về đối tượng gốc

- Mô hình hóa (Modelling) là thay thế đối tượng gốc bằng một mô hình nhằm thu thập các thông tin quan trọng về đối tượng bằng cách tiến hành các thực nghiệm trên mô hình Lý thuyết xây dựng mô hình và nghiên cứu mô hình để hiểu biết về đối tượng gốc họi là lý thuyết mô hình hóa

- Nếu các quá trình xảy ra trong mô hình đồng nhất (theo các chỉ tiêu định trước) với các quá trình xảy ra trong đối tượng gốc thì người ta nói rằng mô hình đồng nhất với đối tượng

- Lúc này, người ta có thể tiến hành các thực nghiệm trên mô hình để thu nhận thông tin về đối tượng

Mô phỏng (Simulation, Imitation) là phương pháp mô hình hóa dựa trên việc xây dựng mô hình số (Numerical model) và dùng phương pháp số (numerical method) để tìm các lời giải Chính vì vậy máy tính số là công cụ hữu hiệu và duy nhất để thực hiện mô phỏng hệ thống

Lý thuyết cũng như thực nghiệm đã chứng minh rằng, chỉ có thể xây dựng được mô hình gần đúng với đối tượng mà thôi Vì trong quá trình mô hình hóa bao giờ cũng phải chấp nhận một số giả thiết nhằm giảm bớt độ phức tạp của mô hình, để mô hình có thể ứng dụng thuận tiện trong thực tế Mặc dù vậy, mô hình hóa luôn luôn là một phương pháp hữu hiệu để con người nghiên cứu đối tượng, nhận biết các quá trình, các quy luật tự nhiên Đặc biệt, ngày nay, với sự trợ giúp đắc lực của khoa học kỹ thuật, nhất là khoa học máy tính và công nghệ thông tin, người ta đã phát triển các phương pháp mô hình hóa cho phép xây dựng các mô hình ngày càng gần với đối tượng nghiên cứu, đồng thời, việc thu nhận, lựa chọn, xử lí các thông tin về mô hình rất thuận tiện, nhanh chóng và chính xác Chính vì vậy, mô hình hóa là một phương pháp nghiên cứu khoa học mà tất cả những người làm khoa học, đặc biệt là các kỹ sư đều phải nghiên cứu và ứng dụng vào thực tiễn hoạt động của mình

1.4.2 KHáI NIệM CƠ BảN Về MÔ HìNH HóA Hệ THốNG

1.4.2.1.Khái niệm chung

Ngày nay, để phân tích và tổng hợp các hệ thống lớn, người ta thường sử dụng phương pháp tiếp cận hệ thống Khác với phương pháp truyền thông trước đây đi phân tích

từ phần tử đến hệ thống, phương pháp tiếp cận hệ thống đi từ phân tích chung toàn hệ thống đến cấu tạo từng phần tử, đi từ xác định mục tiêu toàn hệ thống đến chức năng, nhiệm vụ của từng phần tử cụ thể, xác định mối tương quan giữa các phần tử trong hệ thống, giữa hệ thống đang xét với các hệ thống khác và với môi trường xung quanh Người

ta định nghĩa hệ thống (system) S là tập hợp các phần tử có quan hệ với nhau, đó chính là

đối tượng cần nghiên cứu Môi trường (Environment) E Tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu mà người ta xác định hệ thống S và môi trường E tương ứng

Khi tiến hành mô hình hóa, điều quan trọng là xác định mục tiêu mô hình hóa, trên cơ sở đó xác định hệ thống S, môi trường E và mô hình (model) M Bước tiếp tho là xác

định cấu trúc của hệ thống, tức là tập các phần tử và mối quan hệ giữa chúng trong hệ thống

Cấu trúc của hệ thống có thể được xem xét trên hai phương diện: từ phía ngoài và từ phía trong Từ phía ngoài tức là xem xét các phần tử cấu thành hệ thống và mối quan hệ giữa chúng hay nói cách khác đó là phương pháp tiếp cận cấu trúc Từ phía trong, tức là phân tích đặc tính chức năng của các phần từ cho phép hệ thống đạt được mục tiêu đã định hay nói cách khác đó là phương pháp tiếp cận chức năng Khi xem xét sự vận động của hệ thống theo thời gian S(t) có nghĩa là hệ thống chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác trong không gian trạng thái Z, người ta quan tâm đến chức năng hoạt động của hệ thống Để đánh giá chức năng của hệ thống, người ta phải xác định các chỉ tiêu đánh giá, tập các chỉ tiêu riêng hoặc chỉ tiêu tổng hợp cho toàn bộ hệ thống Tiếp cận hệ thống cho phép ta xây dựng được mô hình hệ thống lớn có tính đến nhiều yếu tố tác động trong nội

bộ hệ thống S cũng như giữa S với môi trường E

Người ta có thể chia quá trình mô hình hóa làm hai giai đoạn: Giai đoạn thiết kế tổng thể hay thiết kế ở tầm vĩ mô (Macro design) và giai đoạn thiết kế cụ thể hay thiết kế

ở mức độ vi mô (Micro design) Trong giai đoạn thiết kế tổng thể, trên cơ sở các dữ liệu của hệ thống thực và của môi trường E người ta xây dựng mô hình hệ thống và mô hình môi trường thỏa mãn các chỉ tiêu đánh giá định trước Còn trong giai đoạn thiết kế cụ thể, trên cơ sở mô hình đã được lựa chọn, người ta xác định các điều kiện rang buộc, xây dựng các chương trình mô phỏng trên máy tính và thực hiện mô phỏng để xác định các đặc tính kinh tế kỹ thuật của hệ thống thực

1.4.2.2 Đặc điểm của mô hình hóa hệ thống

Cùng với sự phát triển của các phương pháp lý thuyết, các phương pháp thực nghiệm

để nghiên cứu, phân tích, tổng hợp hệ thống ngày càng được hoàn thiện Đối với một hệ thống thực nghiệm có hai phương pháp cơ bản để nghiên cứu thực nghiệm: nghiên cứu hệ thực và nghiên cứu trên mô hình của nó Nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thực cho ta số liệu khách quan, trung thực ở đây phải giải quyết vấn đề lấy mẫu thống kê, ước lượng tham số, phân tích và xử lí dữ liệu,… Tuy nhiên, việc nghiên cứu trên hệ thực trong nhiều trường hợp rất khó khăn, khi đó, nghiên cứu trên mô hình là phương pháp có nhiều triển

đối tượng thực

Tính thích nghi

Tính thích nghi là đặc tính của hệ thống có tổ chức cấp cao, hệ thống có thể thích nghi với sự thay đổi của các tác động vào hệ thống Tính thích nghi của mô hình thể hiện

ở khả năng phản ánh được các tác động của môi trường tới hệ thống và khả năng giữ ổn

định mô hình khi các tác động đó thay đổi

Tính điều khiển được

Ngày nay nhiều phương pháp tự động hóa đã được ứng dụng trong mô hình hóa hệ thống Sử dụng các biện pháp lập trình người ta có thể điều khiển theo mục tiêu đã định

trước, thực hiện khả năng đối thoại giữa người và mô hình để thu nhận thông tin và ra quyết định điều khiển

Khả năng phát triển của mô hình

Khi tiến hành mô hình hóa hệ thống bao giờ cũng xuất hiện bài toán nghiên cứu sự phát triển của hệ thống trong tương lai Vì vậy mô hình phải có khả năng mở rộng, thu nạp thêm các hệ con, thay đổi cấu trúc để phù hợp với sự phát triển của hệ thống thực

Độ chính xác- độ tin cậy

Mô hình hóa là thay thế đối tượng thực bằng mô hình của nó để thuận tiện cho việc nghiên cứu Vì vậy, mô hình phải phản ánh trung thực các hiện tượng xảy ra trong đối tượng Các kết quả thực nghiệm trên mô hình phải có độ chính xác, tin cậy thỏa mãn yêu cầu đề ra Cần nhấn mạnh rằng kết quả mô hình hóa phụ thuộc rất nhiều vào khả năng và kinh nghiệm của người lập mô hình hay người nghiên cứu Một mặt, người nghiên cứu phải am hiểu đối tượng, nắm vững các hiện tượng, quy luật xảy ra trong hệ thống thực Mặt khác, người nghiên cứu phải biết lựa chọn phương pháp mô hình hóa thích hợp với từng đối tượng cụ thể, đồng thời phải có khả năng thực hiện mô hình trên máy tính- tức khả năng lập trình để giải các bài toán về mô hình hóa

1.4.2.3 Phân loại mô hình hệ thống

Có thể căn cứ vào nhiều dấu hiệu khác nhau để phân loại mô hình Hình 1.5 biểu diễn một cách phân loại mô hình điển hình Theo cách này, mô hình được chia thành hai nhóm chính: mô hình vật lý và mô hình toán học hay còn gọi là mô hình trừu tượng

Hình 1.5 - Sơ đồ phân loại mô hình Mô hình vật lí là mô hình được cấu tạo bởi các phần tử vật lý Các thuộc tính của đối tượng được phản ánh bởi các định luật vật lý xảy ra trong mô hình Nhóm mô hình vật lý

được chia thành mô hình thu nhỏ và mô hình tương tự Mô hình vật lý thu nhỏ có cấu tạo giống như đối tượng thực nhưng có kích thước nhỏ hơn cho phù hợp vói điều kiện của phòng thí nghiệm Ví dụ người ta chế tạo lò hơi của nhà máy nhiệt điện có kích thước nhỏ

đặt trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu các chế độ thủy văn của đập thủy điện Ưu

điểm của loại mô hình này là các quá trình vật lý xảy ra trong mô hình giống như trong

đối tượng thực, có thể đo lường quan sát các đại lượng vật lí một cách trực quan với độ chính xác cao Nhược điểm của mô hình vật lí thu nhỏ là giá thành đắt, vì vậy chỉ sử dụng khi thực sự cần thiết

Mô hình vật lí tương tự được cấu tạo bằng các phần tử vật lý không giống với đối tượng thực nhưng các quá trình xảy ra trong mô hình tương đương với quá trình xảy ra trong đối tượng thực Ví dụ, có thể nghiên cứu quá trình dao động của con lắc đơn bằng mô hình tương tự là mạch dao động R-L-C vì quá trình dao động điều hoa trong mạch R-L-C hoan toàn tương tự quá trình dao động điều hòa của con lắc đơn, hoặc người ta có thể nghiên cứu đường dây tải điện (có thông số phân bố rải) bằng mô hình tương tự là mạng bốn cực R-L-C (có thông số tập trung) Ưu điểm của loại mô hình này là giá thành rẻ, cho phép chúng ta nghiên cứu một số đặc tính chủ yếu của đối tượng thực

Mô hình toán học thuộc loại mô hình trừu tượng Các thuộc tính được phản ánh bằng các biểu thức, phương trình toán học Mô hình toán học được chia thành mô hình giải tích

và mô hình số Mô hình giải tích được xây dựng bởi các biểu thức giải tích Ưu điểm của loại mô hình là cho ta kết quả rõ rang, tổng quát Nhược điểm của mô hình giải tích là thường phải chấp nhận một số giả thiết đơn giản hóa để có thể biểu diễn đối tượng thực bằng các biểu thức giải tích, vì vậy loại mô hình này chủ yếu được dùng cho các hệ tiền

định và tuyến tính

Mô hình số được xây dựng theo phương pháp số tức là bằng các chương trình chạy trên may tính số Ngày nay, nhờ sự phát triển của kỹ thuật máy tính và công nghệ thông tin, người ta đã xây dựng được các mô hình số có thể mô phỏng được quá trình hoạt động của đối tượng thực Những mô hình loại này được gọi là mô hình mô phỏng (simulation model)

Ưu điểm của mô hình mô phỏng là có thể mô tả các yếu tố ngẫu nhiên và tính phi tuyến của đối tượng thực, do đó mô hình càng gần với đối tượng thực Ngày nay, mô hình mô phỏng được ứng dụng rất rộng rãi

Có thể căn cứ các đặc tính khác nhau để phân loại mô hình như: mô hình tĩnh và mô hình động, mô hình tiền định và mô hình ngẫu nhiên, mô hình tuyến tính và mô hình phi

tuyến, mô hình có thông số tập trung, mô hình có thông số rải, mô hình liên tục, mô hình gián đoạn,…

Mô hình phải đạt được hai tính chất cơ bản sau:

Tính đồng nhất: Mô hình phải đồng nhất với đối tượng mà nó phản ánh theo những

tiêu chuẩn định trước

Tính thực dụng: có khả năng sử dụng mô hình để nghiên cứu đối tượng Rõ ràng, để

tăng tính đồng nhất trong mô hình phải đưa vào nhiều yếu tố phản ánh đầy đủ các mặt của

đối tượng Nhưng như vậy nhiều khi mô hình trở nên quá phức tạp và cồng kềnh đến nỗi không thể dùng để tính toán được, nghĩa là mất đi tính chất thực dụng của mô hình Nếu quá chú trọng tính thực dụng, xây dựng mô hình quá đơn giản thì sai lệch giữa mô hình và

đối tượng thực sẽ lớn, điều đó sẽ dẫn đến kết quả nghiên cứu không chính xác Vì vậy, tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu mà người ta lựa chọn tính đồng nhất và tính thực dụng của mô hình một cách thích hợp

1.4.3 PHƯƠNG PHáP MÔ PHỏNG

1.4.3.1 Khái niệm chung vể phương pháp mô phỏng

Khi có một mô hình toán học của hệ thống thực người ta có thể tìm các thông tin về

hệ thống bằng nhiều cách Trong trường hợp mô hình tương đối đơn giản, người ta có thể dùng phương pháp giải tích, ngược lại người ta thường dùng phương pháp số Phương pháp giải tích cho ta lời giải tổng quát còn phương pháp số cho ta lời giải của từng bước tính với những điều kiện xác định, muốn lời giải đạt độ chính xác cao, số bước tính phải

được tăng lên đủ lớn Đối với các hệ thống lớn, có cấu trúc phức tạp, có quan hệ tác động qua lại giữa các hệ con với trung tâm điều khiển, giữa hệ thống với môi trường xung quanh, có các yếu tố ngẫu nhiên tác động,… thì phương pháp giải tích tỏ ra bất lực Trong trường hợp này người ta phải dùng phương pháp mô phỏng

Bản chất của phương pháp mô phỏng là xây dựng một mô hình số (numerical model) tức là mô hình được thể hiện bằng các chương trình máy tính Người ta mô hình hóa bản thân hệ thống S với các mối quan hệ đồng thời mô hình hóa cả môi trường E xung quanh, nơi hệ thống S làm việc, với các quan hệ tác động qua lại giữa S và E Khi có mô hình số người ta tiến hành các “ thực nghiệm” trên mô hình Các “ thực nghiệm” đó được lặp đi lặp lại nhiều lần và kết quả được đánh giá theo xác suất Kết quả càng chính xác nếu số lần “ thực nghiệm” càng lớn

Như vậy, phương pháp mô phỏng đòi hỏi khối lượng tính toán rất lớn, điều này chỉ

có thể giải quyết được khi ứng dụng các máy tính tốc độ cao Nhờ có sự phát triển của máy tính mà phương pháp mô phỏng ngày càng được hoàn thiện

1.4.3.2 Bản chất của phương pháp mô phỏng

Phương pháp mô phỏng được định nghĩa như sau:

"Mô phỏng là quá trình xây dựng mô hình toán học của hệ thống thực và sau đó tiến hành tính toán thực nghiệm trên mô hình để mô tả, giải thích và dự đoán hành vi của hệ thống thực"

Theo định nghĩa này, có ba điểm cơ bản mà mô phỏng phải đạt được Thứ nhất là phải có mô hình toán học tốt, tức là mô hình có tính đồng nhất cao với hệ thực đồng thời mô hình được mô tả rõ ràng thuận tiện cho người sử dụng Thứ hai là mô hình cần phải có khả năng làm thực nghiệm trên mô hình tức là có khả năng thực hiện các chương trình của máy tính để xác định các thông tin về hệ thực Cuối cùng là khả năng dự đoán hành vi của

hệ thực tức là có thể mô tả sự phát triển của hệ thực theo thời gian

Hình 1.6 - Quá trình nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng

1.4.4 Các bước nghiên cứu mô phỏng

Khi tiến hành nghiên cứu mô phỏng thông thường phải thực hiện qua 10 bước như

được biểu diễn bởi lưu đồ như hình 1.7

Bước 1 (xây dựng mục tiêu mô phỏng và kế hoạch nghiên cứu): Điều quan trọng

trước tiên là phải xác định rõ mục tiêu nghiên cứu mô phỏng Mục tiêu đó được thể hiện bằng các chỉ tiêu đánh giá, bằng hệ thống các câu hỏi cần được trả lời

Bước 2 (thu thập dữ liệu và xác định mô hình nguyên lý): Tùy theo mục tiêu mô

phỏng mà người ta thu thập các thông tin, các dữ liệu tương ứng của hệ thống S và môi trường E Trên cơ sở đó xây dựng mô hình nguyên lý Mnl, mô hình nguyên lý phản ánh bản chất của hệ thống S

Bước 3 (hợp thức hóa mô hình nguyên lý Mnl): Hợp thức hóa mô hình nguyên lý là

kiểm tra tính đúng đắn, hợp lý của mô hình Mô hình nguyên lý phải phản ánh đúng bản chất của hệ thống S và môi trường E nhưng đồng thời dũng phải tiện dụng, không quá phức tạp, cồng kềnh Nếu mô hình nguyên lý Mnl không đạt , phải thu thập thêm thông tin, dữ liệu để tiến hành xây dựng lại mô hình

Bước 4 (xây dựng mô hình mô phỏng Mnp trên máy tính): Mô hình mô phỏng Mnp

là những chương trình chạy trên máy tính Các chương trình này được viết bằng các ngôn ngữ thông dụng như FORTRAN, PASCAL, C++ hoặc các ngôn ngữ chuyên dụng để mô phỏng như GPSS, SIMSCRIPT, SIMPLE++,…

Bước 5 (chạy thử): Sau khi cài đặt chương trình, người ta tiến hành chạy thử xem mô

hình mô phỏng có phản ánh đúng các đặc tính của hệ thống S và môi trường E hay không,

ở giai đoạn này cũng tiến hành sửa chữa các lỗi về lập trình

Bước 6 (kiểm chứng mô hình): Sau khi chạy thử, người ta có thể kiểm chứng và đánh

giá mô hình mô phỏng có đạt yêu cầu hay không, nếu không phải quay lại từ bước 2

Bước 7 (lập kế hoạch thử nghiệm): ở bước này người ta phải xác định số lần thử

nghiệm, thời gian mô phỏng của từng bộ phận hoặc toàn bộ mô hình Căn cứ vào kết quả mô phỏng (ở bước 9) người ta tiến hành hiệu chỉnh kế hoạch thử nghiệm để đạt được kết quả với độ chinh xác theo yêu cầu

Bước 8 (thử nghiệm mô phỏng): Cho chương trình chạy thử nghiệm theo kế hoạch đã

được lập ở bước 7 Đây là bước thực hiện việc mô phỏng, các kết quả lấy ra từ bước này

Bước 9 (xử lý kết quả): Thử nghiệm mô phỏng thường cho nhiều dữ liệu có tính

thống kê xác suất Vì vậy, để có kết quả cuối cùng với độ chính xác theo yêu cầu, cần phải thực hiện việc xử lí các kết quả trung gian Bước xử lí kết quả đóng vai trò quan trọng trong quá trình mô phỏng

Bước 10 (sử dụng và lưu trữ kết quả): Sử dụng kết quả mô phỏng vào mục đích đã

định và lưu giữ dưới dạng các tài tiệu để có thể sử dụng nhiều lần

H×nh 1.7 - C¸c b−íc nghiªn cøu m« pháng

Chương 2: xây dựng hệ thống thực nghiệm

2.1 đặt vấn đề

Trong nghiên cứu khoa học hiện đại, nghiên cứu thực nghiệm ngày càng trở nên quan trọng và không thể thiếu khi giải quyết các vấn đề công nghệ Từ nghiên cứu thực nghiệm, có thể tổng hợp và khái quát thành lý thuyết hoặc kiểm chứng những luận điểm

mà nghiên cứu lý thuyết đã nêu ra trước đó

Hiện nay, việc nghiên cứu thông qua thực nghiệm được tiến hành một cách đồng bộ

và chính xác dưới sự trợ giúp của các thiết bị, máy móc hiện đại, tốc độ cao, đáp ứng được các đòi hỏi khắt khe về độ chính xác và độ tin cậy Bên cạnh đó, mối quan hệ giữa các đại lượng đặc trưng trong quá trình gia công có một vai trò rất quan trọng nên để nghiên cứu

và tìm hiểu thấu đáo các mối quan hệ trên đòi hỏi hệ thống thực nghiệm phải thực hiện

được các bước thí nghiệm theo thiết kế và phải đo lường được đồng thời nhiều đại lượng trong một lần thí nghiệm

Một hệ thống thí nghiệm cần đảm bảo được các yêu cầu sau:

- Đảm bảo độ chính xác, độ tin cậy

- Đảm bảo sự thuận lợi trong việc thu thập, xử lý và lưu trữ số liệu

+ Tiªu chuÈn dông cô: ISO40

- Ph¹m vi b−íc tiÕn /ch¹y nhanh:

+ Ch¹y nhanh theo trôc Z: 18m/phót

2.2.2.2 Dông cô gia c«ng dïng trong thÝ nghiÖm

Dông cô gia c«ng sö dông trong thÝ nghiÖm lµ dao phay ®Çu cÇu vµ dao phay ngãn ghÐp m¶nh c¾t xoay tiªu chuÈn cã c¸c th«ng sè kü thuËt c¬ b¶n nh− sau:

* Dao phay ngãn ghÐp m¶nh c¾t xoay tiªu chuÈn

- VËt liÖu m¶nh c¾t xoay lµ hîp kim cøng APMT 103508 PDER phñ ACZ350 cña Sumitomo – NhËt B¶n

* Dao ®Çu cÇu ghÐp m¶nh c¾t xoay tiªu chuÈn:

- VËt liÖu m¶nh c¾t xoay lµ hîp kim cøng APMT 103508 PDER phñ ACZ350 cña Sumitomo - NhËt B¶n

2.2.2.3 VËt liÖu ph«i dïng trong thÝ nghiÖm

- Độ cứng: 210ữ235HB

Tiêu chuẩn phôi: phôi thép được tôi cải thiện trước khi gia công và có chất lượng

đồng đều theo tiêu chuẩn JIS

Với các điều kiện gia công cụ thể nói trên, các yêu cầu về thông số chế độ cắt đối với các loại dao phay sẽ sử dụng khi gia công trên máy CNC này nên nằm trong miền giới hạn:

Hình 2.2 - Mẫu phôi thí nghiệm

2.2.2.4 Đồ gá và dung dịch trơn nguội sử dụng trong thí nghiệm

Các đồ gá được dùng theo tiêu chuẩn đi kèm trong máy phay CNC Các bu lông kẹp chặt được tính toán đảm bảo khả năng kẹp chặt và độ cứng vững khi gia công

đang gia công

1 - Vít chìm M8x25 5 - Chốt định vị

Hệ thống thiết bị đo lực cắt bao gồm:

- Cảm biến đo lực cắt 9257B - Kistler:

- Thiết bị khuếch đại điện tích 5019B130 - Kistler

+ Hiệu thế điện đầu ra: ±10V

+ Nhiệt độ làm việc: 0ữ50°C

- Thiết bị chuyển đổi tín hiệu A/D và thu thập vào máy tính SPIDER 8 - HBM

2.2.3.2 Thiết bị đo chiều cao nhấp nhô tế vi bề mặt

Thiết bị đo chiều cao sử dụng để đo chiều cao nhấp nhô tế vi bề mặt đã được gia công

Máy đo SJ-201-Mitutoyo có các thông số cơ bản như sau:

- Hiển thị LCD

- Tiêu chuẩn DIN, ISO, JIS, ANSI

- Thông số đo được: Ra, Rz, Rt, Rq, Rp, Ry, R3z, Pc, S, Sm

- Độ phân giải: 0,32/300àm; 0,08/75àm; 0,04/9,4àm

- Bộ chuyển đổi A/D: RS-232

- Phần mềm điều khiển và xử lý số liệu MSTAT w 32 4.0

2.2.3.3 Thiết bị đo lượng mòn dao

Xác định lượng mòn dao ∆h theo phương pháp gián tiếp qua đo sự chênh lệch của kích thước gia công sau khi dao hoàn thành một đường chuyển dao trong quá trình cắt Cụ thể (hình 2.4): với mặt đáy của tấm phôi là chuẩn định vị thống nhất, ta đo được kích thước h tại điểm đầu của đường chuyển dao (điểm đầu của tấm phôi) và kích thước h tại

điểm cuối của đường chuyển dao (cuối tấm phôi) ta nhận được kích thước h+∆h Như vậy dao sẽ bị mòn đi một lượng ∆h

Hình 2.4 - Xác định lượng mòn dao ∆h

Thiết bị đo: sử dụng máy đo 3 chiều TESA3D-USA

+ Độ chính xác đạt được: 0,0001(mm)

+ Tự động lấy kích thước

Các kết quả đo sẽ được cập nhật tự động vào máy tính

2.3 Nội dung thực nghiệm

2.2.1 Xác định thành phần lực cắt trong quá trình gia công

Hình 2.5 - Sơ đồ đo lực cắt khi phay

Hệ thống đo xác định các thành phần lực cắt:

Nguyên lý đo: Các tín hiệu lực cắt được chuyển thành tín hiệu điện tích thông qua cảm biến đo lực kiểu áp điện 9257B của Kistler - CH Liên bang Đức Các tín hiệu điện tích được khuếch đại nhờ bộ khuếch đại điện tích 5019B130 của Kitsler và chuyển đổi

thành tín hiệu tương tự dạng điện áp Các tín hiệu này được chuyển đổi thành tín hiệu số

và tự động thu thập vào tệp số liệu của máy tính thông qua bộ Spider 8

Tần số đo đạt được 2400 phép đo/giây Phương pháp đo: đo trực tiếp bằng cảm biến

đo lực kiểu áp điện

2.2.2 Xác định độ nhám bề mặt của chi tiết sau gia công

Sơ đồ nguyên lý đo độ nhám bằng phương pháp tiếp xúc:

3 Cáp truyền

Hình 2.6 - Sơ đồ đo độ nhám bề mặt Xác định các thành phần đặc trưng cho độ nhám bề mặt:

- Sai lệch profin trung bình: Ra

Phương pháp đo: đầu tiên, phải xác định chiều dài đo chuẩn Đặt đầu dò vuông góc với bề mặt chi tiết và tiến hành đo Các số liệu đo được thu thập tự động và được truyền vào các tệp dữ liệu trên máy tính Phương chuyển động của đầu dò trùng với phương tiến dao

2.2.3 Xác định lượng mòn dụng cụ đo