Nghiên cứu xác định chế độ cắt khi gia công chân vịt tàu thủy trên máy phay CNC

Cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật nói chung và ngành đóng tàu nói riêng, công nghệ chế tạo chính xác các chi tiết có hình dạng phức tạp như chân vịt tàu thủy trên máy CNC đã

Tôi tên Nguyễn Hải An, là học viên lớp của Cao học Kỹ thuật tàu thủy khóa

2006 - 2009, xin cam đoan nội dung luận văn do chính bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Trần Gia Thái, Khoa Kỹ thuật tàu thủy Trường Đại học Nha trang Tất cả các tài liệu, số liệu dùng tính toán, dẫn chứng trong luận văn này là trung thực, hợp lệ và chính xác, không vi phạm pháp luật

Lời cảm ơn đầu tiên xin gửi đến thầy TS Trần Gia Thái với tất cả lòng biết

ơn sâu sắc vì sự hướng dẫn tận tình, truyền đạt kiến thức và đã động viên tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong trường, đặc biệt là các thầy cô trong khoa Kỹ thuật tàu thủy và Bộ môn Chế tạo máy trường Đại học Nha Trang đã tận tình giúp đỡ tôi suốt thời gian học Cao học và trong quá trình thực hiện luận văn

Xin cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè, các bạn cùng khóa Cao học Kỹ thuật tàu thủy 2006, đặc biệt là các đồng nghiệp của Chi cục Đăng Kiểm Số 5

đã hỗ trợ, truyền thụ những kinh nghiệm quí báu, giúp đỡ tôi về vật chất lẫn tinh thần

để tôi có được kết quả như ngày hôm nay

Xin chân thành cảm ơn

Học viên Cao học

Trang

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Lời cám ơn

Mục lục

Danh mục các ký hiệu

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ

Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI VẤN ĐỀ ĐẶT RA 1

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới: 1

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước: 2

1.3 THỰC TRẠNG CÔNG TÁC CHẾ TẠO TRONG NƯỚC: 2

1.4 MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU: 5

1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu: 5

1.4.2 Phương pháp và nội dung nghiên cứu: 5

1.4.3 Giới hạn phạm vi nghiên cứu: 6

Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

2.1.CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHÂN VỊT TÀU THỦY 7

2.1.1 Đặc điểm hình học cánh chân vịt tàu thủy 7

2.1.2.Các mô hình chân vịt thử nghiệm: 14

2.2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỐI ƯU: 18

2.2.1.Tổng quan: 18

2.2.2 Một vài khái niệm cơ bản về tối ưu hóa quá trình gia công cắt gọt: 18

2.2.3.Phương pháp xác định chế độ cắt tối ưu: 20

Chương 3 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 25

3.1 XÂY DỰNG QUY TRÌNH GIA CÔNG CHÂN VỊT TRÊN MÁY PHAY CNC: 25

3.1.1 Xác định dạng sản xuất: 25

3.1.3 Lập phương án gá lắp: 26

3.1.4.Quy trình công nghệ gia công trên máy phay CNC 29

3.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHÂN VỊT 3D TRONG MÔI TRƯỜNG CAD/CAM: 35

3.2.1.Thuật toán và chương trình vẽ 3D mô hình cánh chân vịt : 35

3.2.2.Nghiên cứu chuyển mô hình chân vịt 3D trong môi trường CAD/CAM 37

3.2.3.Mô phỏng quá trình gia công chân vịt bằng phần mềm CAD/CAM 45

3.3.XÂY DỰNG HÀM MỤC TIÊU CÁC THÔNG SỐ CỦA CHẾ ĐỘ CẮT 52

3.3.1.Các chỉ tiêu tối ưu và hàm mục tiêu 52

3.3.2.Xây dựng hàm mục tiêu 54

3.3.3.Xây dựng các hàm giới hạn 60

3.3.4 Tối ưu hóa các bước công nghệ và chế độ cắt 64

3.3.5.Giải bài toán xác định chế độ cắt tối ưu : 65

3.4.SO SÁNH, ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG ÁN GIA CÔNG CHÂN VỊT TỐI ƯU VỚI CÁC PHƯƠNG ÁN GIA CÔNG KHÁC 68

3.4.1 Các thông số gia công 68

3.4.2 Mô phỏng 3D cánh chân vịt gia công 69

3.4.3 Thực hiện quá trình gia công 69

3.4.4 Kết quả khảo sát 71

Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74

Tài liệu tham khảo 75

Phụ lục 76

Sp - diện tích hình chiếu cánh chân vịt (m2)

Sp’ - diện tích khai triển các cánh chân vịt (m2)

So - diện tích duỗi thẳng cánh chân vịt (m2)

b, bm - chiều rộng và chiều rộng lớn nhất của cánh (m)

dp - đường kính may ơ chân vịt tại giữa (m)

e, eo - chiều dày và chiều dày ảo của cánh xác định ở tâm trục (m)

eự - chiều dày đỉnh cánh (m)

m, m’ - độ nghiêng và độ uốn của mặt cánh (m)

Bảng 2.1 : Đặc điểm các mô hình chân vịt seri B của Wageningen 15

Bảng 2.2 : Tọa độ cánh chân vịt seri B Wageningen loại 2, 3 cánh 16

Bảng 2.3 : Tọa độ cánh chân vịt seri B- Wageningen loại 4 và 5 cánh 16

Bảng 2.4 : Tọa độ profin cánh chân vịt seri B-Wageningen tính bằng % chiều dày lớn nhất của profin 17

Bảng 3.1 : Thứ tự các nguyên công gia công mặt đẩy 30

Bảng 3.2: Thứ tự các nguyên công gia công mặt hút của chân vịt 34

Bảng 3.3 : Thời gian gia công chân vịt 56

Bảng 3.4 : Phân tích thống kê 58

Bảng 3.5 : Cấp chính xác của chân vịt 63

Hình 1.1 : Sơ đồ quy trình chế tạo chân vịt trong nước hiện nay 4

Hình 2.1 :Khai triển đường xoắn ốc chân vịt có bước cố định 7

Hình 2.2 : Nguyên lý tạo mặt xoắn ốc chân vịt 8

Hình 2.3 : Mặt xoắn ốc khi chân vịt hoạt động đối với chân vịt có bước cố định 8

Hình 2.4 : Nguyên lý tạo cánh chân vịt 9

Hình 2.5 : Khai triển elíp đường xoắn ốc 10

Hình 2.6 : Các hình chiếu cánh chân vịt 11

Hình 2.7 : Các kích thước hình học chân vịt 12

Hình 2.8 : Chân vịt seri B - Wageningen loại 2, 3,4 và 5 cánh 15

Hình 3.1 : Đồ gá lắp chân vịt khi gia công trên máy CNC 27

Hình 3.2 : Gá đặt chân vịt gia công mặt đẩy (a) và mặt hút cánh chân vịt (b) 28

Hình 3.3 : Hình ảnh gia công chân vịt 29

Hình 3.4 : Đánh số bề mặt gia công 29

Hình 3.5 : Sơ đồ gá đặt gia công mặt đẩy chân vịt 30

Hình 3.6: Trình bày dao phay cầu và các tùy chọn về kích thước 31

Hình 3.7: Sơ đồ gá đặt gia công mặt hút của cánh chân vịt 34

Hình 3.8 : Sơ đồ gá đặt gia công tại các vị trí bị che khuất giữa 2 cánh 34

Hình 3.9: Sơ đồ thuật toán chương trình vẽ tự động chân vịt từ các thông số thiết kế 36

Hình 3.10 : Giao diện của chương trình 37

Hình 3.11 : Mô hình 3D chân vịt dựng trong phần mềm AutoCad 38

Hình 3.12: Chọn đường bao cánh chân vịt 38

Hình 3.13: Tạo đầu mút cánh chân vịt 39

Hình 3.14: Mô hình cánh chân vịt hoàn chỉnh trong môi trường CAD 39

Hình 3.15: Mô hình chân vịt 3D trong phần mềm Pro/E 40

Hình 3.16 : Menu Export Step 40

Hình 3.17 : Chi tiết chân vịt 41

Hình 3.18 : Thiết lập đơn vị cho chương trình 41

Hình 3.19: Chọn các đường bao prophin cánh trên mặt cánh chân vịt 42

Hình 3.20: Chọn đường bao cánh chân vịt 42

Hình 3.22: Xử lý phần mút cánh chân vịt 43

Hình 3.23: Một cánh chân vịt đã được phủ mặt 43

Hình 3.24 : Liên kết các mặt trên cánh lại với nhau 44

Hình 3.25: Bo cánh chân vịt 44

Hình 3.26 : Xây dựng mô hình và hoàn thiện chân vịt 45

Hình 3.27: Chân vịt chi tiết và chân vịt phôi 47

Hình 3.28: Chân vịt phôi và chân vịt chi tiết chân vịt gia công trong cùng một hệ tọa độ 47

Hình 3.29 : Chọn máy gia công 48

Hình 3.30: Lựa chọn dụng cụ cắt 49

Hình 3.31 : Tính các thông số của chế độ cắt khi khoan – phay 50

Hình 3.32 : Nhập các thông số chế độ cắt 50

Hình 3.33: Chân vịt sản phẩm sau khi gia công 51

Hình 3.34: Thời gian gia công chân vịt 51

Hình 3.35: Chân vịt phôi và chi tiết lồng nhau 55

Hình 3.36: Quan hệ giữa lượng chạy dao ngang với độ nhám bề mặt 63

Hình 3.37 : Mô phỏng 3D cánh chân vịt khi gia công trên Pro –Wildfire 4.0 69

Hình 3.38 : Gia công cánh chân vịt với bộ thông số của trường 70

Hình 3.39 : Gia công cánh chân vịt với bộ thông số đã chạy tối ưu 70

Hình 3.40 : Hai cánh chân vịt đã gia công hoàn thiện 71

Hình 3.41 : Máy đo độ nhám và kỹ thuật đo độ nhám bề mặt hai cách chân vịt 72

Hình 3.42 : Kết quả đo độ nhám của 2 cánh chân vịt 73

Chương 1 - ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU:

Như đã biết, tàu thủy là công trình kỹ thuật phức tạp gồm ba thành phần chính là máy - vỏ tàu - chân vịt, còn gọi là liên hợp tàu, trong đó chân vịt là bộ phận tiếp nhận công suất của động cơ, tạo ra lực đẩy để khắc phục sức cản và đẩy tàu chuyển động

Do đó chân vịt có ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động của tàu, nhất là về mặt tốc độ nên vấn đề tự động hóa tính toán, thiết kế và chế tạo chính xác chân vịt theo các thông số thiết kế có vai trò và ý nghĩa quan trọng, cả về mặt lý thuyết và trong thực tế sản xuất Vấn đề này thật ra cũng đã được những nước có nền công nghiệp đóng tàu phát triển giải quyết bằng công nghệ thiết kế và chế tạo trên máy chuyên dụng hoặc máy CNC, tuy nhiên vì khá nhiều lý do về mặt công nghệ, giá thành, phương thức sản xuất v v… nên công nghệ chế tạo hiện đại này hầu như vẫn chưa áp dụng ở nước ta hiện nay Cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật nói chung và ngành đóng tàu nói riêng, công nghệ chế tạo chính xác các chi tiết có hình dạng phức tạp như chân vịt tàu thủy trên máy CNC đã và đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và ứng dụng Khi gia công trên máy CNC các chi tiết có hình dạng phức tạp nói chung và chân vịt nói riêng, một trong những vấn đề quan trọng là lựa chọn được chế độ gia công hợp lý,

ví dụ như tốc độ chạy dao, lượng ăn dao, hành trình chạy dao, quỹ đạo chạy dao v v… nhằm đảm bảo thỏa mãn điều kiện đặt ra như thời gian, giá thành, độ bóng v v…

Từ các trình bày trên nhận thấy, vấn đề tự động hóa chế tạo chân vịt nói chung, và xác định chế độ cắt hợp lý khi gia công chân vịt trên máy phay CNC nói riêng có vai trò và ý nghĩa thực tế quan trọng, nhất là khi nước ta đã và đang bắt đầu đóng các loại tàu có đòi hỏi chân vịt có độ chính xác cao như tàu cao tốc, tàu cánh ngầm v v Kết quả nghiên cứu của đề tài còn là cơ sở để giải quyết bài toán xác định chế độ cắt hợp

lý khi gia công trên máy phay CNC đối với các chi tiết hình dạng phức tạp khác, một nhu cầu của thực tiễn sản xuất hiện nay nhưng chưa được giải quyết triệt để

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI VẤN ĐỀ ĐẶT RA

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới:

Ở các nước có nền công nghiệp đóng tàu phát triển, hầu hết chân vịt được sản xuất hàng loạt theo seri mẫu đã thử nghiệm, do đó thường áp dụng công nghệ chế tạo tự động chân vịt, với quy trình có thể tóm tắt như sau :

- Thiết kế chân vịt 3D trên các phần mềm CAD/CAM chuyên dụng hoặc các phần mềm thông dụng

- Chế tạo khuôn đúc phôi chân vịt và gia công tinh trên các máy chuyên dụng hoặc các máy CNC

- Gia công nguội, đánh bóng hoàn thiện sản phẩm

Tuy nhiên, công nghệ chế tạo tự động chân vịt này đã được thực hiện từ lâu nhưng thường được bán giá cao, kèm theo máy chuyên dụng do các Công ty sản xuất

và thường định hướng lựa chọn dạng cánh chân vịt đã được chế tạo sẵn của Công ty Trong trường hợp này, chế độ gia công hợp lý thường đã được cài đặt sẵn trong máy nên thường không thể áp dụng được khi gia công những chân vịt có hình dạng khác, nhất là khi gia công trên máy phay CNC 3 trục như ở nước ta hiện nay

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước:

Ở nước ta hiện nay, do hầu hết chân vịt, kể cả những chân vịt cỡ lớn hoặc đòi hỏi độ chính xác cao, thường được chế tạo một cách đơn lẻ bằng phương pháp thủ công Đến năm 2008, Công ty 189 của Bộ Quốc Phòng (Hải Phòng) là đơn vị đầu tiên của nước ta mua một máy gia công chân vịt nhưng do máy chỉ chế tạo hàng loạt theo những mẫu nhất định với giá thành quá cao nên hầu như chưa được áp dụng rộng rãi Riêng trong thời gian gần đây cũng đã có một số công trình nghiên cứu về vấn đề này, trong đó có đề tài của TS Trần Gia Thái, nghiên cứu quy trình chế tạo chân vịt trên máy CNC bằng khuôn đa năng để phù hợp với tình hình sản xuất đơn lẻ ở Việt Nam

và cũng từ đề tài này chúng tôi mới thực hiện đề tài như đã nêu

1.3 THỰC TRẠNG CÔNG TÁC CHẾ TẠO TRONG NƯỚC:

Quá trình chế tạo chân vịt bằng phương pháp thủ công dựa theo bản vẽ chân vịt bắt đầu bằng việc đúc phôi trong khuôn gỗ hoặc khuôn cát với lượng dư gia công lớn, không đồng đều, sau đó mới tiến hành gia công thô và gia công tinh các cánh chân vịt bằng cách cắt định hình các cánh chân vịt và đo đạc cắt bỏ sơ bộ lượng dư gia công trên mặt đẩy của cánh chân vịt trước, sau đó mới tiến hành tương tự trên mặt hút cánh Việc loại bỏ sơ bộ lượng dư trên bề mặt cánh bằng cách đục bằng tay nhờ hệ khí nén, trước hết là đục các rãnh dọc theo đường tâm cánh ở độ sâu xác định theo dưỡng mẫu sau đó tạo rãnh vòng theo các bán kính prôfin cho trên bản vẽ với độ sâu như rãnh dọc Nếu như lượng dư gia công nhỏ hơn hoặc bằng khoảng 5% so với chuẩn thì dùng lưỡi đục mỏng và sắc đục từ mép cánh vào bên trong mayơ, có chú ý chiều sâu rãnh vòng

Nếu lượng dư gia công lớn hơn 5%, thường đục rãnh dọc với khoảng cách giữa chúng bằng khoảng (20 - 25) mm, sau đó mới dùng đục mỏng để loại bỏ cho hết lượng dư Hầu hết công việc gia công thô, sơ bộ ban đầu này đều phải thực hiện một cách từ từ

và để lại lượng dư khoảng (0,5 - 1) mm dành cho việc gia công cơ trên các máy khác Công đoạn gia công thô nói trên thường chiếm khoảng (60 - 80) % toàn bộ thời gian gia công hoàn chỉnh một chân vịt, do đó cần phải cải tiến công nghệ và khuôn đúc để đảm bảo cho lượng dư gia công là ít nhất hoặc sử dụng các máy gia công hiện đại hơn Sau gia công thô, chân vịt được tiếp tục gia công trên những máy công cụ khác như máy tiện, máy phay vạn năng v v…, sau đó là nguyên công nguội và đánh bóng tay Đây là công đoạn mất nhiều thời gian, công sức nhất và phụ thuộc tay nghề công nhân Sau khi chế tạo, sử dụng dưỡng mẫu để kiểm tra bề dày prôfin cánh tại các bán kính r

và dùng tam giác bước để kiểm tra góc nghiêng cánh nên kết quả thường ít chính xác Chất lượng, độ chính xác mặt cánh chân vịt phụ thuộc nhiều vào tay nghề công nhân Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, ngành đóng tàu trên thế giới đã có những bước tiến vượt bậc, nhất là trong lĩnh vực thiết kế và chế tạo chân vịt tàu thủy đều đã áp dụng công nghệ gia công lập trình điều khiển số để chế tạo trên máy CNC Tuy nhiên như đã nói, công nghệ này có giá thành cao và thuộc bản quyền các công ty nên cũng chưa được áp dụng rộng rãi

Một cách tổng quát có thể tóm tắt quy trình chế tạo chân vịt thủ công ở nước

ta hiện nay theo sơ đồ mô tả trên hình 1.1, trong đó nội dung cụ thể của các công đoạn được trình bày trong tài liệu [1]

Hình 1.1 : Sơ đồ quy trình chế tạo chân vịt trong nước hiện nay

Chuẩn bị cơ sở cho việc

Đúc chân vịt

Phá khuôn và làm sạch vật đúc Nấu và rót vật liệu Làm khuôn đúc

Gia công củ chân vịt Cạo xỉ hàn đắp

Gia công chân vịt sau khi

Đánh bóng bề mặt

Gia công nhiệt: ram vật liệu

Gia công

cơ khí

Hoàn thiện sản phẩm

Đóng mác chế tạo và ngày sản xuất Kiểm tra tính cân bằng của chân vịt Kiểm tra các thông số , H/D

1.4 MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU:

1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu:

Như đã nêu, mục tiêu đề tài là nghiên cứu xác định phương án gia công tối

ưu, nghĩa là đi xác định chế độ cắt tối ưu cho từng nguyên công trong quá trình gia công, cơ sở để xây dựng toàn bộ quy trình gia công hợp lý chân vịt tàu trên máy phay CNC

1.4.2 Phương pháp và nội dung nghiên cứu:

Về mặt phương pháp, có thể giải quyết bài toán xác định chế độ cắt hợp lý khi gia công trên máy CNC các chi tiết phức tạp nói chung và chân vịt tàu thủy nói riêng bằng cách xây dựng các hàm mục tiêu và hàm ràng buộc cụ thể theo lý thuyết tối

ưu, sau đó giải bài toán này để xác định chế độ gia công hợp lý trong các điều kiện cụ thể Trong trường hợp này, hàm mục tiêu hay nói cách khác là chỉ tiêu tối ưu cần hướng tới thường chính là thời gian gia công hay giá thành sản phẩm, còn các hàm ràng buộc thường là các điều kiện gia công cần đạt về độ chính xác, độ bóng bề mặt cánh v v… Về nguyên tắc, các hàm mục tiêu và các hàm ràng buộc trong bài toán tối

ưu nói chung thường được xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết kết hợp với các số liệu thực nghiệm trong quá trình thực hiện gia công thực tế các chân vịt tàu thủy trên máy phay CNC Như vậy, để giải quyết được vấn đề này cần tiến hành nghiên cứu lý thuyết chân vịt, đồng thời xây dựng phương án mô phỏng quá trình gia công ảo của chân vịt tàu thủy trên máy CNC bằng các phần mềm CAD/CAM thông dụng nhằm mục tiêu thiết lập hàm mục tiêu dưới dạng chỉ tiêu tối ưu về thời gian gia công và giá thành sản phẩm, sau đó mới đưa bài toán về dạng bài toán tối ưu hóa thông thường như đã biết

để giải, trên cơ sở đảm bảo thời gian và lượng dư gia công trong trường hợp cụ thể là nhỏ nhất

Như vậy, phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong đề tài này là sự kết hợp giữa phương pháp suy diễn lý thuyết và phương pháp thực nghiệm giải quyết vấn

đề đặt ra, bắt đầu từ việc thu thập, phân tích và xử lý các số liệu thực nghiệm thống kê cần thiết, cơ sở đưa ra các giải pháp cụ thể và chế tạo thực nghiệm để kiểm chứng phương án đó

Từ các trình bày trên có thể tóm tắt các nội dung cần phải thực hiện trong đề tài như sau :

1 Tính toán, thiết kế và vẽ mô hình 3D chân vịt tàu thủy trong môi trường CAD thông dụng

2 Mô phỏng quá trình gia công chân vịt bằng phần mềm CAM

3 Xây dựng hàm mục tiêu các thông số của chế độ cắt khi phay chân vịt

4 Tối ưu hóa các bước công nghệ và chế độ cắt

1.4.3 Giới hạn phạm vi nghiên cứu:

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, chúng tôi chỉ thực hiện đối với các chân vịt theo mô hình seri B - Wagenninger, loại chân vịt hiện đang được áp dụng rất rộng rãi trên các tàu đánh cá và trênmột số các loại tàu thông dụng khác hiện nay ở Việt Nam Sau đó, nếu có điều kiện sẽ mở rộng kết quả nghiên cứu cho các chân vịt đặc biệt khác bằng giải pháp chép hình như chân vịt các tàu cao tốc, chân vịt tàu cánh ngầm v v… Đồng thời xuất phát từ điều kiện cụ thể của thực tế sản xuất hiện nay và điều kiện hiện tại đề tài được tiến hành nghiên cứu thực hiện trong các điều kiện cụ thể của Trường Đại học Nha Trang như sau :

- Máy gia công là máy phay CNC hiệu DMU 60 T

- Vật liệu gia công là hợp kim đồng

- Dụng cụ gia công là dao phay ngón, với lưỡi cắt mặt đầu kích thước  30 mm và dùng các mảnh cắt xoay với vật liệu APMT 103508 PDER phủ ACZ 350

- Làm mát quá trình gia công bằng dung dịch trơn nguội Emunxi 4% phun trực tiếp vào khu vực gia công

Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHÂN VỊT TÀU THỦY

2.1.1 Đặc điểm hình học cánh chân vịt tàu thủy

Chân vịt có cấu tạo gồm một số cánh gắn liền với moay ơ, gọi là may ơ chân vịt Các cánh chân vịt là một phần của mặt xoắn ốc nên khi nghiên cứu đặc điểm hình học cánh chân vịt cần nghiên cứu đặc điểm hình học của đường xoắn ốc và mặt xoắn ốc

a) Đường xoắn ốc

Đường xoắn ốc là quỹ đạo chuyển động của một điểm A trên hình trụ bán kính r, thực hiện cùng lúc hai chuyển động, chuyển động tịnh tiến dọc theo trục hình trụ và chuyển động quay xung quanh trục hình trụ đó với vận tốc góc không đổi (Hình 2.1)

Hình 2.1 :Khai triển đường xoắn ốc chân vịt có bước cố định

Khoảng cách tịnh tiến dọc theo trục hình trụ gọi là bước chân vịt, ký hiệu H Góc của bước xoắn  được xác định theo công thức :

tg =

r π H

Hình 2.2 : Nguyên lý tạo mặt xoắn ốc chân vịt

Như vậy, có thể xem mặt xoắn ốc là tập hợp các đường xoắn ốc bước xoắn

H Do đó, tương ứng đường xoắn ốc tạo thành mặt xoắn ốc có bước cố định hay thay đổi, mặt xoắn ốc tạo thành theo nguyên lý này cũng có thể có bước cố định hoặc thay đổi Hình 2.3 minh họa mặt xoắn ốc khi chân vịt hoạt động đối với chân vịt bước cố định, tương ứng với đường xoắn ốc có bước cố định

Hình 2.3 : Mặt xoắn ốc khi chân vịt hoạt động đối với chân vịt có bước cố định

mặt đẩy Mép cánh hướng về chiều quay chân vịt gọi là cạnh dẫn và mép kia gọi là

cạnh theo

- Tiết diện (mặt cắt) cánh chân vịt: Giao tuyến giữa hình trụ bán kính r đồng trục với trục chân vịt và cánh chân vịt là tiết diện (mặt cắt) của cánh chân vịt, thường gọi là profin cánh chân vịt (hình 2.4) Profin cánh chân vịt hiện nay thường có dạng lưu tuyến với chiều dày lớn nhất là emax và các chiều dày khác của profin sẽ được lấy theo tỷ lệ %

emax tùy thuộc bán kính r Tỷ lệ này được rút từ quá trình thử nghiệm các mô hình chân vịt trong bể thử, ví dụ mô hình chân vịt Wageningen hoặc Gawn là hai loại được dùng khá phổ biến hiện nay

Hình 2.4 : Nguyên lý tạo cánh chân vịt

- Mặt khai triển và mặt duỗi thẳng: Do cánh chân vịt là mặt xoắn ốc nên để có thể hiểu phương pháp vẽ chân vịt trình bày ở phần sau, trước tiên cần khảo sát phương pháp khai triển một mặt xoắn ốc Như đã trình bày, cánh chân vịt là một phần mặt xoắn ốc, cong hai chiều nên chỉ có thể khai triển gần đúng cánh chân vịt, tức khai triển mặt xoắn ốc bằng phương pháp elip Trên hình 2.5, đoạn xoắn ốc ACB là vết cắt giữa hình trụ bán kính r với mặt xoắn ốc làm cánh chân vịt và dùng mặt phẳng KCM cắt

tiếp tuyến với đường ACB tại điểm C Mặt phẳng này cắt hình trụ bán kính r và sẽ cho

ta một elíp có trục dài là đoạn KCM Xoay đoạn KCM về mặt phẳng thẳng góc với trục hình trụ sẽ nhận được đoạn K’CM’, sau đó chiếu lên hình chiếu phía trên sẽ nhận được elíp với chiều dài thật K1’C1M1’

Hình 2.5 : Khai triển elíp đường xoắn ốc

Cung A1’C1 B1’ xác định được ở đây thực tế chưa phải là đường khai triển của đường xoắn ốc ABC mà chỉ là đoạn A’CB’ nằm trên elíp (thực tế nếu cánh chân vịt không rộng thì cũng như đường khai triển của đường xoắn ốc ACB vì sai số là rất ít) Nối tất cả các điểm mút A1’, B1’ ở các bán kính r khác nhau sẽ có hình dáng của cánh khai triển của chân vịt,và diện tích của nó gọi là diện tích khai triển của cánh chân vịt Trên đường thẳng tiếp tuyến với cánh tại điểm C1, nếu duỗi thẳng cung A1’C1= A1”C1

và cung C1B1’ = C1B1” thì đọan A1”C1B1” chính là đường xoắn ốc ABC duỗi thẳng Nếu nối tất cả điểm mút A1”, B1” ở các bán kính r khác nhau sẽ được hình dáng cánh duỗi thẳng có diện tích gọi là diện tích duỗi thẳng, cũng là diện tích thật cánh chân vịt Nếu cánh chân vịt hẹp, diện tích khai triển cánh cũng gần bằng diện tích duỗi thẳng

Vì sai số giữa cánh khai triển và cánh duỗi thẳng không lớn nên trên bản vẽ kỹ thuật chỉ yêu cầu thể hiện các hình chiếu bình thường và hình chiếu cánh khai triển là đủ

Tương tự khi chiếu hai điểm A’, B’ trên mặt cắt KCM bằng cách làm như trên ta sẽ nhận được hai điểm

A1’, B1’ nằm trên elíp thật K1’C1M1’ Hai điểm A, B nằm trên mặt hình trụ nếu chiếu lên hình chiếu phía trên ta

sẽ được hai điểm A1, B1 tương ứng nằm ngay trên đường tròn bán kính r Nếu dóng ngang song song với K’M’ cũng sẽ nhận được điểm A1’ và B1’

- Tỷ lệ mặt đĩa : Tỷ lệ  là tỷ số diện tích duỗi thẳng So và diện tích hình tròn ngoại tiếp chân vịt Tỷ lệ mặt đĩa càng nhỏ thì hiệu suất chân vịt càng cao, nhưng thường không dưới 0,35 và nên chọn giá trị đủ nhỏ sao cho đảm bảo điều kiện sức bền cánh và không sủi bọt

Sz

2 o

 = (0,3 – 1,2) (2.2)

1.Hình chiếu tiêu chuẩn 2.Hình chiếu cánh khai triển 3.Hình chiếu duỗi thẳng

e) Kích thước và đặc điểm hình học của chân vịt:

Các kích thước và đặc điểm hình học chính của chân vịt trình bày trên hình 2.7

Sp - diện tích hình chiếu cánh chân vịt (m2)

Sp’ - diện tích khai triển các cánh chân vịt (m2)

So - diện tích duỗi thẳng cánh chân vịt (m2)

b, bm- chiều rộng và chiều rộng lớn nhất của cánh (m)

dp - đường kính may ơ chân vịt tại giữa (m)

e, eo - chiều dày và chiều dày ảo của cánh xác định ở tâm trục (m)

eự - chiều dày đỉnh cánh (m)

m, m’- độ nghiêng và độ uốn của mặt cánh (m)

f) Vật liệu chế tạo chân vịt:

Các loại vật liệu dùng chế tạo chân vịt gồm có hợp kim đồng, thép cácbon đúc, thép không gỉ và gang, tuy nhiên cho đến nay chân vit gang hầu như không sử dụng Vật liệu chân vịt phải thỏa mãn được các yêu cầu về cơ lý, thành phần hóa học

và lựa chọn còn tùy thuộc vào kiểu loại, phạm vi hoạt động của tàu và đường kính chân vịt Với tàu thông thường, có hoạt động ở vùng băng thưa và nếu được đằng kiểm đồng ý thì có thể dùng đồng thanh đặc biệt có đặc tính cơ học thấp hơn để chế tạo chân vịt Một số hợp kim phổ biến dùng để tạo chân vịt như sau:

- Đồng mangan – sắt

Loại này có tính khử kém, nhưng có thể rạn nứt dưới tác dụng của ngoại lực Dưới tác động lực tĩnh và lực chu kỳ, hệ số sức bền của nó thấp hơn đồng pha nhôm Chân vịt bằng vật liệu này cần được bảo vệ trước dòng điện phân chạy ở vòm đuôi tàu Khi tháo lắp không được đốt nóng, càng không được dùng tia lửa điện hở để đốt nóng Trong sữa chữa chân vịt, nếu buộc phải nung nóng để hàn đắp hoặc để kiểm tra v v… thì sau đó phải ram ở nhiệt độ 350 – 400 0C Que hàn phải đúng như vật liệu chân vịt

- Đồng – nhôm – mangan:

Loại vật liệu này có sức bền cao hơn vật liệu trên và không bị gỉ nhưng cũng bị xâm thực ở vùng cánh nên nếu không có biện pháp bảo vệ sẽ có hiện tượng khử kẽm Vật liệu này thường dùng cho chân vịt cấp cao như tàu lướt, tàu cao tốc, tuần tra … Que hàn đắp khi sửa chữa phải dùng mác vật liệu và phải ram ở nhiệt độ 500 – 5500C Thời gian ram còn tùy thuộc vào đường kính chân vịt

- Đồng – nhôm – sắt và loại đồng – mangan – nhôm – kẽm:

Đây là các loại vật liệu có nhiều đặc tính tốt nhất so với các vật liệu hợp kim màu thường được dùng để chế tạo chân vịt cho các tàu biển chạy với tốc độ lớn hơn 15 hl/h, phổ biến nhất là để chế tạo chân vịt cho các loại tàu biển lớn chạy ở các vùng có băng Khi sử dụng ký hiệu các loại đồng của người Nga cần lưu ý là những chỉ số kèm theo

ký hiệu là tỷ lệ phần trăm các thành phần kim loại được pha chế trong hợp kim đồng Trong hầu hết các trường hợp, để bảo vệ chân vịt tránh hiện tượng xâm thực mặt cánh

do tính chất dòng điện phân xuất hiện tại vùng chân vịt hoạt động, người ta thường gắn tại vùng đuôi tàu, gần trục chân vịt những cục kẽm có đặc điểm hoạt tính hơn đồng, do

đó khi có dòng điện phân, kẽm sẽ bị phân cực đầu tiên nhờ đó bảo vệ chân vịt

- Thép cacbon:

Đây là loại thép dễ đúc và dễ gia công cơ nhưng lại có tính chống rỉ kém nên thường dùng để chế tạo chân vịt cho các loại tàu thông thường và các tàu chạy sông, trường hợp đặc biệt mới dành cho tàu biển

- Thép không gỉ:

Có sức bền cao, chống ăn mòn tốt nhưng sức bền mỏi do ăn mòn lại không cao do

đó thường được dùng để chế tạo loại chân vịt cao cấp và thông thường trên các tàu Trong chế tạo, nếu hàn khuyết tật thì tiến hành sau khi ram đến gia công nhiệt xong Trong sữa chữa được phép đốt nóng cục bộ đên nhiệt độ 10600C 1000C trong 4 giờ

và làm nguội bằng không khí và sau khi hàn khuyết tật không phải gia công nhiệt trừ khi hàn ở cánh

- Thép mangan không gỉ:

Loại vật liệu này dùng để chế tạo chân vịt cấp cao cho các tàu đặc biệt và vật liệu khi chọn tùy thuộc vào công dụng loại tàu, tốc độ và đường kính chân vịt

2.1.2.Các mô hình chân vịt thử nghiệm:

Phương pháp nghiên cứu hiệu quả hiện nay là thử mô hình chân vịt trong bể thử, với các thông số hình học chân vịt được thay đổi một cách hệ thống theo chương trình thử nghiệm và kết quả thử mô hình sẽ là cơ sở nghiên cứu tính toán tính năng chân vịt Trên cơ sở đó, các nhà khoa học đã thực hiện khảo sát một cách có hệ thống một loạt mô hình chân vịt làm việc tự do trong nước với kích thước thay đổi một cách

hệ thống Sau đó mới tổng kết lại và công bố hàng loạt đồ thị thực nghiệm và rút ra một loạt các kết luận ảnh hưởng của các kích thước hình học đến đặc tính hoạt động của chân vịt Có thể kể các chân vịt như thế như chân vịt seri B– Wageningen, chân vịt Gawn v v…Riêng trong phạm vi của đề tài này chỉ giới thiệu chân vịt thuộc seri

B - Wageningen, chân vịt nhóm B do Viện nghiên cứu tàu thủy tại Wageningen của

Hà Lan công bố, hiện đã và đang được áp dụng rộng rãi cho các tàu đánh cá, tàu hàng, tàu lai dắt v v

Hình 2.8 là hình dáng profin cánh chân vịt seri B-Wageningen loại 2, 3, 4 và 5 cánh

Hình 2.8 : Chân vịt seri B - Wageningen loại 2, 3,4 và 5 cánh

Đặc điểm các mô hình chân vịt seri B - Wageningen được trình bày trong bảng 2.1

Bảng 2.1 : Đặc điểm các mô hình chân vịt seri B của Wageningen

Hệ số đường kính moayơ

dp/D

Giảm bước xoắn theo chiều moayơ (%)

Góc nghiêng cánh  (độ)

Tỷ lệ bước xoắn H/D

0,180 0,180 0,167 0,167

Riêng đối với chân vịt có tỷ lệ mặt đĩa So/S =0,4 - 0,55 và 0,7 thì bước xoắn

H từ bán kính bằng 0,47R được giảm dần đến chân moayơ của chân vịt bằng khoảng 20% Bảng 2.2, 2.3, 2.4 là tọa độ profin cánh cho tất cả chân vịt seri B - Wageningen

Bảng 2.2 : Tọa độ cánh chân vịt seri B Wageningen loại 2, 3 cánh

Bảng 2.3 : Tọa độ cánh chân vịt seri B- Wageningen loại 4 và 5 cánh

Từ trục tâm đến cạnh theo

28,68 32,67 36,62 40,53 44,18 46,97 48,22 45,46 14,87

Từ trục tâm đến cạnh dẫn

Bảng 2.4 : Tọa độ profin cánh chân vịt seri B-Wageningen tính bằng % chiều dày lớn nhất của profin

Từ cạnh theo đến điểm có chiều dày lớn nhất

[%]

Từ cạnh dẫn đến điểm có chiều dày lớn nhất [%] Đường kính lượn mép cánh tính %

chiều dày lớn nhất r/R

53,35 50,95 47,70 43,40 40,20 39,40 40,95 45,15

72,65 71,60 70,25 68,40 67,15 66,90 67,80 70,00

86,90 86,80 86,55 86,10 85,40 84,90 85,30 87,00

96,45 96,80 97,00 96,95 96,80 96,65 96,70 97,00

98,60 98,40 98,20 98,10 98,10 97,60 97,00 97,00

94,50 94,00 93,25 92,40 91,25 88,80 85,30 87,00

87,00 85,80 84,30 82,30 79,35 74,90 68,70 70,00

74,40 72,50 70,40 67,70 63,60 57,00 48,25 45,15

64,35 62,65 60,15 56,80 52,20 44,20 34,55 30,10

56,95 54,90 52,20 48,60 43,35 35,00 25,45 22,00

30,00 25,35 17,85 9,70 5,10

18,20 12,20 6,20 1,75

10,90 5,80 1,50

5,45 1,70

1,55 0,45

0,05

2,30 1,30 0,30

5,90 4,60 2,65 0,70

13,45 10,85 7,80 4,30 0,80

20,30 16,55 12,50 8,45 4,45 0,40

26,20 22,20 17,90 13,30 8,40 2,45

40,00 37,55 34,50 30,40 24,50 16,05 7,40

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95 đầu cánh

6,4 6,5 6,6 6,7 6,8 6,9 7,0 11,1 15,7

2.2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỐI ƯU:

2.2.1.Tổng quan:

Toán tối ưu được áp dụng trong kỹ thuật và kinh tế dựa trên cơ sở mô phỏng những vấn đề kinh tế, kỹ thuật bằng các mô hình tóan học dưới dạng tuyến tính hoặc phi tuyến Từ năm 1939, giáo sư Kantorovich đề xuất phương pháp giải toán quy hoạch tuyến tính Năm 1947, nhà toán học Dantzig đề xuất phương pháp đơn hình (Simplex) giải bài toán tối ưu tuyến tính đơn giản và vạn năng nên áp dụng rộng rãi trong kỹ thuật và kinh tế Trong chuẩn bị công nghệ, việc áp dụng lý thuyết toán tối ưu rất cần thiết vì các lý do :

- Phải lập được các phương án, so sánh để chọn phương án tối ưu cho quá trình công nghệ và dây chuyền công nghệ theo điều kiện và quy mô sản xuất, đạt được những chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, đảm bảo sản xuất tin cậy và linh hoạt

- Các phương án công nghệ được so sánh dựa trên cơ sở hao phí thời gian lao động, vật liệu, năng lượng, năng suất lao động, giá thành tương ứng sản lượng dự kiến

- Tạo tiền đề sử dụng máy tính trong thiết kế công nghệ

Mô hình toán tối ưu ứng với lĩnh vực thiết kế công nghệ xác định, xây dựng

từ hai nhóm hàm số sau :

- Hàm mục tiêu xác định theo chỉ tiêu nhất định từ đó phải tìm cực trị (max, min), ví dụ chi phí nhỏ nhất, năng suất cao nhất, lãi suất lớn nhất Hàm mục tiêu gồm các đại lượng có quan hệ với chỉ tiêu tối ưu, các đại lượng này là các biến số của hàm mục tiêu mà trị số của chúng cần phải xác định

- Các hàm giới hạn xác lập từ các điều kiện giới hạn, gọi là điều kiện biên mà trong các giới hạn cực trị (max, min) của hàm mục tiêu được phép tồn tại và chấp nhận Các hàm giới hạn này phụ thuộc giới hạn thực tế về kỹ thuật và tổ chức sản xuất, xác định sao cho không mâu thuẫn nhau, tức đảm bảo tính tương thích của chúng

2.2.2 Một vài khái niệm cơ bản về tối ưu hóa quá trình gia công cắt gọt:

Hiện nay có hai cách tối ưu hóa quá trình cắt gọt:

a) Tối ưu hóa trước quá trình cắt gọt (tối ưu tĩnh):

Tối ưu hóa trước quá trình cắt gọt là phương pháp xác định thông số cắt gọt hợp lý trước khi quá trình cắt gọt diễn ra, thông qua việc xây dựng mối quan hệ toán học giữa hàm mục tiêu với hệ thống giới hạn về mặt kỹ thuật, chất lượng, tổ chức của nhà máy Tối ưu hóa trước quá trình cắt gọt dựa trên mô hình tĩnh của quá trình cắt

nên còn gọi là tối ưu hóa tĩnh) nên có nhược điểm cơ bản là không chú ý tới động lực học của quá trình, nghĩa là không chú ý tới các đặc điểm mang tính ngẫu nhiên và thay đổi theo thời gian Đối với tối ưu hóa tĩnh, sau khi xác định thông số cắt gọt hợp

lý, người ta sẽ điều chỉnh máy làm việc theo các thông số đó Các thông số này được điều chỉnh lại trong thực tế

b) Tối ưu hóa trong quá trình cắt gọt (tối ưu hóa động):

Tối ưu hóa trong quá trình cắt gọt xây dựng dựa trên mô hình động quá trình cắt gọt, do đó có xét tới những đặc điểm mang tính chất ngẫu nhiên và thay đổi theo thời gian Khác với tối ưu hóa tĩnh, ở tối ưu hóa động, chế độ cắt gọt tối ưu không những đã được điều chỉnh trước mà còn được tự động điều chỉnh ngay cả trong quá trình cắt gọt chi tiết So với tối ưu hóa tĩnh, tối ưu hóa động giải quyết vấn đề triệt để nhưng phức tạp hơn vì tối ưu hóa động gắn với đo lường tích cực, điều khiển thích nghi và kỹ thuật tự động hóa Hiệu quả của phương pháp tối ưu hóa phụ thuộc độ chính xác mô hình thí nghiệm so với quá trình cắt thực và độ chính xác mô hình toán dùng khảo sát đối tượng nghiên cứu, thường được xây dựng dựa trên những điều kiện gia công cụ thể trong thực tế sản xuất Về nguyên tắc, nếu phân tích được càng nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công thì vấn đề được giải quyết càng chính xác, toàn diện và triệt để nhưng về mặt toán học, quá trình nghiên cứu càng phức tạp thì càng khó áp dụng vào trong sản xuất thực tế Ngược lại nếu bỏ qua nhiều yếu tố ảnh hưởng, kết quả thu được sẽ không chính xác, do đó cần phải giới hạn sao cho thích hợp với điều kiện thực tế của các bài toán cụ thể Ngoài ra hiệu quả của phương pháp tối ưu hóa cũng phụ thuộc vào mức độ chính xác và độ ổn định của dụng cụ đo và kỹ thuật xử lý số liệu Thực chất phương pháp tối ưu hóa là xây dựng và giải bài toán cực trị để tìm phương pháp tối ưu hóa quá trình nghiên cứu Xác định chế độ cắt tối

ưu là đòi hỏi tất yếu, khách quan của sản xuất hiện đại vì những lý do sau :

- Trong chế tạo cơ khí, gia công cắt gọt là phương pháp gia công áp dụng rộng rãi nhất, chiếm tỷ lệ cao nhất so với các phương pháp gia công khác

- Máy cắt gọt kim loại ngày càng được hiện đại hóa và có khả năng tự động hóa cao Việc sử dụng các máy đắt tiền như vậy chỉ mang lại hiêu quả khi máy làm việc với chế độ cắt tối ưu

- Khi thực hiện tự động hóa dây chuyền sản xuất cần vốn đầu tư lớn nên nếu máy làm việc ở chế độ cắt không hợp lý sẽ không gây lãng phí và kết quả thu được không đủ bù chí phí sản xuất

Theo các số liệu đã công bố, việc sử dụng chế độ cắt tối ưu đã góp phần nâng cao năng suất của máy công cụ từ (8 – 10) %, tăng tuổi bền của dụng cụ cắt từ (10 – 15) % Tối ưu hóa chế độ cắt khi gia công đã được nghiên cứu và phát triển rất mạnh ở những nước có nền công nghiệp tiên tiến như Mỹ, Nga, Anh Đức, Pháp, Nhật, Thụy Điển v v… Ở các nước này, cùng với việc nghiên cứu tối ưu hóa chế độ cắt thường thành lập các ngân hàng thông tin về chế độ cắt giúp việc chuẩn bị công nghệ nhanh chóng và hiệu quả Khi cần chế tạo một chi tiết, người ta chuyển bản vẽ đến ngân hàng thông tin đã thiết lập, sau đó căn cứ yêu cầu kỹ thuật của chi tiết, vật liệu chi tiết, vật liệu dao, thiết bị gia công, điều kiện gia công, ngân hàng thông tin sẽ cung cấp chế độ cắt tối ưu khi gia công từng bề mặt cũng như thời gian gia công toàn bộ chi tiết Dựa vào các số liệu đó, phòng công nghệ tiến hành thiết kế công nghệ rồi đưa vào sản xuất

2.2.3.Phương pháp xác định chế độ cắt tối ưu:

Để tạo ra một sản phẩm có thể có nhiều phương án công nghệ, do đó vấn đề đặt ra là làm sao chọn được phương án công nghệ hợp lý hoặc cao hơn là một phương

án tối ưu

a) Xác định các thông số công nghệ:

Các thông số công nghệ thường ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng khi gia công và hiệu quả kinh tế của quá trình công nghệ Trị số của các thông số công nghệ phải được xác định hợp lý theo yêu cầu kỹ thuật và kinh tế thích hợp với điều kiện gia công cụ thể Thông số công nghệ cơ bản của quá trình cắt gọt đối với những chi tiết máy là vận tốc cắt, số vòng quay, lượng tiến dao, chiều sâu cắt, số lần cắt Giá trị của các thông số công nghệ phụ thuộc vào từng phương pháp gia công, từng kiểu loại máy, từng kiểu loại trang bị, dụng cụ công nghệ và tính chất của vật liệu gia công, trạng thái phôi hoặc bán thành phẩm cụ thể như chất lượng của bề mặt, độ chính xác kích thước,

độ cứng vững, lượng dư v v Các thông số công nghệ được xác định chủ yếu trong thực tế sản xuất bằng đồ thị hoặc tra từ các bảng số có trong các sổ tay gia công cắt gọt, rồi đối chiếu với phạm vi giá trị thực trên máy sử dụng, kết hợp với việc kiểm tra lại công suất và năng suất gia công của máy Thông số công nghệ là cơ sở để xác định

tổng thời gian gia công cần thiết tương ứng một chi tiết hay toàn bộ sản lượng, qua đó định mức thời gian gia công và hạch toán kinh tế Để đảm bảo chất lượng gia công và hiệu quả kinh tế cần phải xác định giá trị tối ưu của các thông số công nghệ, tương ứng mục tiêu nhất định cần đạt khi gia công chi tiết máy Nói chung ở bước gia công thô thì mục tiêu chủ yếu cần đạt là năng suất gia công cao, ngược lại với bước gia công tinh thì mục tiêu số một lại là đạt chất lượng gia công cao

Từ các trình bày trên nhận thấy, một trong những vấn đề quan trọng cần phải được giải quyết để có thể nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của quá trình chế tạo cơ khí là phải xác định được chế độ cắt gọt tối ưu cho từng nguyên công khác nhau để cung cấp cho các máy gia công, nhằm đảm bảo thời gian gia công và chi phí gia công nhỏ nhất

b) Các cơ sở để tối ưu hóa quá trình cắt gọt:

Muốn tối ưu hóa quá trình cắt gọt cần dựa vào các mối quan hệ kinh tế - kỹ thuật thiết lập dựa trên bản chất vật lý quá trình cắt gọt và tính chất đặc trưng từng nguyên công Các mô hình toán học mô tả mối quan hệ giữa các lực cắt, tuổi bền dụng

cụ cắt với các thông số công nghệ cần tối ưu hóa và là cơ sở để thực hiện tối ưu hóa quá trình cắt gọt Tối ưu hóa thực chất là giải bài toán cực trị, trong đó một điều kiện

là một phương trình hoặc bất phương trình, do đó cần phải giải quyết các vấn đề sau đây :

- Từ chỉ tiêu tối ưu, xây dựng hàm mục tiêu để từ đó xác định cực trị bài toán

- Xuất phát từ các điều kiện biên, xây dựng các hàm giới hạn để thiết lập miền xác định của hàm mục tiêu tức là miền chứa điểm mà tại đó hàm mục tiêu có cực trị Hàm mục tiêu và các hàm giới hạn phải có chứa các thông số công nghệ cần tối ưu Đối với các phương pháp cắt gọt bằng dụng cụ cắt có lưỡi như dao tiện, phay, bào v v… các thông số công nghệ cần tối ưu bao gồm tốc độ cắt V, chiều sâu cắt t, bước tiến dao S Các thông số công nghệ cần tối ưu được xác định dựa trên các điều kiện gia công cụ thể như phương tiện gia công bao gồm máy, đồ gá, dao và nhiệm vụ gia công cần phải đạt được khi gia công thô: độ chính xác về kích thước, độ chính xác

về hình dáng, độ chính xác về vị trí tương quan, độ nhám bề mặt

Nếu các hàm mục tiêu và hàm giới hạn là tuyến tính, ta gọi là tối ưu hóa tuyến tính, còn nếu một trong các hàm nêu trên là hàm phi tuyến thì ta gọi là tối ưu

hóa phi tuyến Khi xây dựng các hàm mục tiêu và các hàm giới hạn cần lưu ý đến các điểm sau :

- Các hàm đó phải phù hợp với phương pháp cắt gọt cụ thể mà ta đang nghiên cứu

- Các hàm đó phải đơn giản, thuận tiện cho việc giải bài toán tối ưu trên máy tính

Sau khi xây dựng được các hàm mục tiêu và miền giới hạn, sử dụng công cụ toán để khảo sát hàm mục tiêu, từ đó xác định được các thông số cắt gọt tối ưu c) Các chỉ tiêu tối ưu và hàm mục tiêu:

Hàm mục tiêu thực chất là các hàm toán học mô tả mối quan hệ giải tích giữa các chỉ tiêu cần phải tối ưu của quá trình công nghệ với những thông số công nghệ cần tối ưu Về nguyên tắc, mục tiêu tối ưu phải là các chỉ tiêu kinh tế xây dựng trên cơ sở giá thành và thời gian gia công Người ta thường chọn các đại lượng sau đây

là các chỉ tiêu tối ưu :

- Chi phí gia công cho một chi tiết là nhỏ nhất

- Thời gian gia công cho một chi tiết là nhỏ nhất

- Tỷ lệ chi phí và thời gian gia công là nhỏ nhất

- Số lượng thành phần gia công được là nhỏ nhất

- Tiền lãi lớn nhất

Trong các chỉ tiêu nêu trên, chỉ tiêu thời gian và chi phí gia công cho một chi tiết có ý nghĩa quan trọng Thời gian gia công là cơ sở để xác định chi phí gia công

d) Tối ưu hóa các thông số:

Quá trình tối ưu hóa thông số là tính các thông số tối ưu như chế độ cắt, các thông số về chất lượng v v…) của quá trình công nghệ hay nguyên công với cấu trúc cho trước Tối ưu hóa các thông số có chức năng xác định các giá trị của các thông số

x sao cho các hàm mục tiêu hoặc hàm hiệu quả F(x), ví dụ như chi phí tổng thể, giá thành công nghệ, thời gian, năng suất từng chiếc, năng suất công nghệ, thời gian phục

vụ v v… đạt cực trị Để giải quyết bài toán tối ưu trong thiết kế công nghệ sử dụng các mô hình toán học và những phương pháp lập trình như lập trình tuyến tính, lập trình động, lập trình hình học Trong thiết kế công nghệ, các mô hình nguyên công mô

tả bằng phương pháp lập trình toán học có thể biểu diễn dưới dạng :

f(X1, X2…… Xn) → min (max)

gi(X1, X2…… Xn)  bj, J = 1 ,m

a1i  Xi  a2i, i= 1 ,n

trong đó : f(x), g(x) - các hàm vô hướng của các biến;

Bj - hàm thực cho trước

Tất cả biến điều khiển Xi có thể nhận giá trị trong tập giá trị [a1i, a2i] của dãy

số thực Sau khi xác định các hàm mục tiêu và các hàm giới hạn thì nhận được bài toán quy hoạch phi tuyến với các ràng buộc tuyến tính sau :

min)

x(

trong đó : f(x) - hàm phi tuyến

D - miền ràng buộc

Một số phương pháp giải quy hoạch phi tuyến có ràng buộc như phương pháp gradien, Lagrange, hàm phạt, hàm chắn, phương pháp quy hoạch lồi v v… Đối với bài toán có các ràng buộc tuyến tính thì phương pháp giải quy hoạch lồi với ràng buộc tuyến tính [12] là một phương pháp đơn giản để giải các bài toán tối ưu:

Đây thực chất là một trường hợp riêng quan trọng của bài toán quy hoạch lồi,

x f

;0

)(min

Trong đó f- lồi, A= (aij)min , b m

R

Như thế:

g

x x D M

1

) , 1 ( 0 )

x0, x1, …,xk sao cho f(xk) giảm dần, f(xk)  min f(x)

Thuật toán:

- Đầu tiên ta lấy một điểm bất kỳ x0  M ( tìm một phương án bằng quy hoạch tuyến tính)

- Khi đã có xk (k0) ta tìm xk+1 như sau:

Giải bài toán quy hoạch tuyến tính phụ:

x x

x x

) (

min

1

k j j m

k M

x

x f

k k k

x x x f M x x

x x

  ( ),   0



k k k

x x x f

Vì theo định lý 2.1[12], xk là lời giải cần tìm Quá trình dừng lại

2   ( ),   0



k k k

x x x f

Khi ấy đạo hàm riêng theo hướng k k

x , tức là giải bài toán một biến

số :

)(min)

(

min

1 0 1

( cho '()= 0 tìm điểm dừng *

 , so sánh các giá trị (*),(0),(1)

Giả sử  k là trị ta tìm được, ta lấy:

) (



Dĩ nhiên f(xk+1)< f(xk)

Chương 3 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

3.1 XÂY DỰNG QUY TRÌNH GIA CÔNG CHÂN VỊT TRÊN MÁY PHAY CNC:

3.1.1 Xác định dạng sản xuất:

Công việc gia công chế tạo chân vịt được thực hiện trực tiếp trên máy phay CNC Tuy nhiên, do việc gá đặt phôi, thay dao, định tọa độ bù dao, mặt phẳng lùi dao v v… đều được thực hiện một cách thủ công cho từng sản phẩm nên phương thức sản xuất này vẫn còn mang tính chất đơn lẻ và hàng loạt nhỏ

3.1.2 Phân tích chi tiết gia công:

Do cánh chân vịt thường bị nghiêng và cong tại những vị trí khác nhau nên chân vịt được xếp vào loại những chi tiết phức tạp, vì vậy mà trong quá trình gia công chế tạo cần xác định một phương án gá đặt phù hợp để đảm bảo chân vịt chế tạo có độ chính xác cao Mặt khác, do bề mặt cánh chân vịt khá rộng, đồng thời độ dày của cánh lại giảm dần từ củ đến đầu cánh nên gây nhiều trở ngại cho việc cố định cánh chân vịt trên mặt bàn máy Ngoài ra, do bề dày cánh chân vịt khá nhỏ nên trong quá trình ăn dao, tương tác giữa dao và cánh tạo rung động lớn gây ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của bề mặt gia công Vì các khó khăn nêu trên nên yêu cầu đặt ra đối với dụng

cụ gá đặt trong trường hợp này là phải đảm bảo được độ cứng vững cần thiết cho toàn

bộ chi tiết gia công là chân vịt tàu Quá trình gia công chân vịt trên các máy phay 3 trục sẽ được tiến hành lần lượt trên hai mặt cánh và tại các vị trí phức tạp của chân vịt như bề mặt chuyển tiếp giữa cánh và củ, phần nằm chồng nhau giữa hai cánh chân vịt (trường hợp chân vịt có tỷ lệ mặt đĩa lớn) cần phải có được sự kết hợp chặt chẽ giữa máy phay và đồ gá mới có thể gia công được Trong trường hợp gia công các chân vịt

có tỷ lệ mặt đĩa nhỏ, tức là không có hiện tượng các cánh chân vịt chồng lên nhau, trong các nguyên công gia công mặt hút và mặt đẩy, phôi chân vịt có thể sẽ được gá lắp trực tiếp lên trên bàn máy bằng các đồ gá kẹp chặt, thường đã được tiêu chuẩn hóa, đồng thời cũng cần phải chế tạo thêm những đồ gá phụ như tấm gá và trục gá côn có đai ốc để định vị tâm lỗ và siết chặt chân vịt trên tấm gá Tấm gá được chế tạo bằng thép tấm có chiều dày là đủ lớn để đảm bảo độ cứng vững, tránh bị rung động trong quá trình gia công và thuận tiện cho thao tác gá đặt, thay phôi Đối với chân vịt có tỷ

số mặt đĩa lớn, tại một số vị trí chân vịt có sự trùng lắp giữa các cánh nên không thể gia công trực tiếp trên máy phay 3 trục do bước tiến dao bị cản trở nên phải sử dụng

thay tấm gá phẳng là bàn gá xoay ba chiều dùng cho máy phay CNC, tuy nhiên cũng chỉ có thể gia công khi các cánh chồng lên nhau ở mức độ không nhiều

3.1.3 Lập phương án gá lắp:

Tùy thuộc vào loại máy phay CNC là 3 trục hay 5 trục và kích thước của bàn máy để có phương án gá đặt thích hợp đối với từng loại chi tiết khác nhau nhằm phát huy được hết tính năng kỹ thuật của từng kiểu máy với mục tiêu đạt được hiệu quả kinh tế cao nhất, do đó qui trình công nghệ khi gia công chân vịt trên các máy khác nhau cũng khác nhau Đối với các máy phay CNC nhiều trục, ví dụ như máy 5 trục, đồ

gá sẽ đơn giản hơn nhiều so với các loại máy phay 3 trục do khả năng có thể gia công được chi tiết tại nhiều vị trí Tuy nhiên, ở nước ta hiện nay do các loại máy CNC nhiều trục chưa được sử dụng rộng rãi vì giá thành còn cao nên thường chỉ dùng máy phay 3 trục để gia công chế tạo chân vịt Do loại máy phay 3 trục chỉ có thể gia công theo 3 chiều không gian và cũng không thể tự động gia công ở các vị trí đặc biệt nên rất khó gia công chi tiết phức tạp như chân vịt Trường hợp chân vịt có tỷ lệ mặt đĩa lớn, tức là xảy ra sự trùng lắp giữa 2 cánh liền kề, nếu sử dụng máy phay 3 trục để gia công thì cần phải sử dụng bàn gá đặt xoay ba chiều chuyên dùng cho máy phay CNC để xoay phần bị che khuất giữa hai cánh về mặt phẳng tiến của dao thì mới có thể gia công được những vị trí đặc biệt bị che khuất nói trên

a) Sơ đồ nguyên lý đồ gá:

Hình 3.1 trình bày phương án lắp bằng đồ gá đối với chân vịt có tỷ số mặt đĩa lớn Kết cấu đồ gá gồm có chân đế của bàn gá xoay 1 có gia công hai đường rãnh nằm hai bên nhằm mục đích lắp chặt đồ gá lên trên mặt bàn của máy phay CNC bằng các bulông kẹp Các chi tiết nằm phía trên của bàn gá xoay ba chiều sẽ được liên kết chặt với đĩa số 3, trong đó đĩa cùng với những chi tiết nằm trên nó thể xoay xung quanh trục thẳng đứng Trên đĩa 3 là đĩa xoay 2, thường đã được tiêu chuẩn hóa để kẹp những chi tiết gia công và có bố trí những rãnh xẻ số 7 nhằm mục đích gá đặt các thiết

bị kẹp chặt chi tiết gia công Trong quá trình gá lắp, để điều chỉnh chi tiết phay cần xoay bàn gá góc xoay thích hợp, sẽ được xác định nhờ có vạch chia độ 14 và được điều chỉnh chính xác nhờ vít chỉnh số 6 Khớp trụ 5 liên kết với tấm gá tròn 2 và có thể xoay được trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng bàn máy Góc xoay này được điều chỉnh chính xác bằng vít chỉnh 4

Hình 3.1 : Đồ gá lắp chân vịt khi gia công trên máy CNC Ngoài ra, để gia công chân vịt còn làm thêm các dụng cụ gá đặt chuyên dụng sau :

- Cụm trục gá côn:

Cụm trục gá côn gồm có ba chi tiết chính là trục côn 8, vòng đệm 9 và đai ốc 10 Một đầu của trục côn 8 sẽ được lắp chặt trên tấm gá tròn 2 của bàn gá xoay nói ở trên Đoạn côn trục được chế tạo chính xác có tâm trục và độ côn giống như lỗ moayơ chân vịt Phần đầu trục có ren để lắp đai ốc 10 Tác dụng của vòng đệm 9 nhằm tăng lực siết của đai ốc và phân bố đều lực xiết trên moayơ

- Cụm chi tiết phiến tỳ định vị:

Trong quá trình gia công, lực cắt của dao cụ tác động lên mặt cánh gây ra lực uốn, đồng thời sự tương tác giữa dao cụ và phôi cũng sẽ làm xuất hiện hiện tượng dao động nên ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bề mặt gia công, trường hợp này là cánh chân vịt Để khắc phục hiện tượng này, chế tạo cụm phiến tỳ định vị cấu tạo gồm đế phiến

tỳ 13 có hai gờ hai bên để thuận lợi cho việc kẹp chặt chi tiết trên đĩa 3 của bàn xoay

3 chiều Giữa đế 13 có tạo một rãnh trượt cho phiến tỳ 12 làm bằng thép rèn, có chiều dày đủ lớn để cứng vững khi gá đặt Đầu phiến tỳ 12 được bo tròn để việc tiếp xúc giữa phiến tỳ và mặt cánh là tốt nhất và phiến tỳ 12 di chuyển được trong rãnh đế 13 nhờ vào trục vít 11 và khi gá phải vặn vít 11 để phiến tỳ ép lên cánh nhằm khử dao động sinh ra khi gia công

b) Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của đồ gá lắp để gia công các chân vịt có cánh chồng lên nhau được thực hiện theo trình tự sau :

- Lắp bàn gá xoay 3 chiều lên mặt bàn máy phay CNC, dùng bulông - đai ốc siết chặt bàn gá xoay với bàn máy, sau đó lắp trục côn 8 lên bàn xoay và siết chặt vấu kẹp

- Lắp moayơ chân vịt vào trục côn số 8, sau đó lắp vòng đệm số 9 vào trục côn

- Sau khi lắp đặt xong chân vịt lên bàn gá, tiến hành kiểm tra, vặn chặt lại các đai ốc và chuẩn bị gia công

Hình 3.2 mô tả phương án gá đặt chân vịt trên bàn gá xoay để thực hiện quá trình gia công mặt đẩy và mặt hút các cánh chân vịt chồng lên nhau

Hình 3.2 : Gá đặt chân vịt gia công mặt đẩy (a) và mặt hút cánh chân vịt (b)

(a) (b)

Hình 3.3 : Hình ảnh gia công chân vịt

(a) Chân vịt gá nghiêng

(b) Gá đặt gia công chân vịt trong thực tế

3.1.4.Quy trình công nghệ gia công trên máy phay CNC:

Đối với các chân vịt có tỷ số mặt đĩa   0.7, tức là chưa có sự trùng lắp cánh nên quá trình gá lắp phôi thực hiện hai lần cho nguyên công gia công mặt hút và mặt đẩy Trường hợp chân vịt có tỷ lệ mặt đĩa  lớn hơn 0.7 thì nếu sử dụng máy phay CNC 3 trục để gia công các vị trí trùng lắp cánh phải dùng bàn gá xoay 3 chiều để xoay vị trí này về mặt phẳng ăn dao nên qui trình công nghệ chế tạo trong trường hợp này phức tạp hơn Dưới đây trình bày qui trình công nghệ gia công một chân vịt cụ thể trên máy phay CNC 3 trục trong trường hợp áp dụng cho chân vịt có tỷ lệ mặt đĩa lớn

Hình 3.4: Đánh số bề mặt gia công

Các nguyên công trong qui trình gia công chân vịt đánh số trên hình 3.5 như sau

- Nguyên công 1: Làm sạch phôi

- Nguyên công 2: Tiện lỗ côn củ chân vịt, vạt hai mặt đầu củ để tạo chuẩn

- Nguyên công 3: Chuốt rãnh then

- Nguyên công 4: Gia công mặt đẩy, góc lượn giữa cánh và củ, mặt ngoài

đầu nhỏ moayơ

- Nguyên công 5: Gia công mặt hút

- Nguyên công 6: Gia công các góc lượn mặt hút, mặt ngoài đầu to moayơ

và các mặt bị che khuất giữa hai cánh liền kề

- Nguyên công 7: Gia công nguội, đánh bóng, kiểm tra chân vịt chế tạo a) Qui trình công nghệ gia công mặt đẩy:

Quy trình gia công mặt đẩy chân vịt gồm các nguyên công trình bày trong bảng 3.1

Bảng 3.1 : Thứ tự các nguyên công gia công mặt đẩy

STT Tên các nguyên công Bề mặt

gia công

Bề mặt định vị

Dạng máy công nghệ

- Sơ đồ gá đặt:

Sơ đồ gá đặt gia công mặt đẩy chân vịt được mô tả như trên hình 3.6

Hình 3.5 : Sơ đồ gá đặt gia công mặt đẩy chân vịt

- Chọn dụng cụ cắt:

Do bề mặt cánh chân vịt là bề mặt cong về hai phía nên các phần mềm CAD/CAM đã số hóa bề mặt gia công và biên dịch đường chạy dao thành chương trình NC dựa theo công thức nội suy bậc 3 (Cubic Interpolation) và vì thế để phay tinh

bề mặt cánh chân vịt duy nhất chỉ sử dụng các dao phay cầu mới có thể thực hiện được những công việc này Việc chọn đường kính dao phải căn cứ vào độ cong của bề mặt cánh và của các góc lượn Bán kính mặt cầu của dao phải nhỏ hơn hoặc bằng bán kính cong nhỏ nhất của bề mặt gia công và bán kính dao càng nhỏ, chất lượng bề mặt gia

P

công tốt hơn do độ nhấp nhô bề mặt nhỏ nhưng độ cứng vững của dao kém nên sẽ ảnh hưởng đến năng suất cắt gọt Ngược lại, nếu như chọn đường kính dao cầu lớn thì năng suất cắt gọt sẽ được tăng lên Tóm lại, phải chú trọng đến hai mặt này để có thể chọn được đường kính dao phù hợp nhằm đảm bảo được chất lượng của bề mặt gia công và năng suất cắt gọt khi gia công

Hình 3.6 : Trình bày dao phay cầu và các tùy chọn về kích thước

- Tính toán chế độ cắt:

Việc chọn các yếu tố của chế độ cắt phải tính tới đặc điểm gia công, loại và kích thước dụng cụ cắt, vật liệu phần cắt, vật liệu và trạng thái phôi, loại và tình trạng thiết bị Các yếu tố của chế độ cắt được xác định theo trình tự sau đây :

 Chiều sâu phay t (mm) :

Chiều sâu phay t và chiều rộng phay B là định nghĩa của những đại lượng gắn liền với đặc điểm lớp kim loại của phôi đúc cần phải được hớt bỏ trong quá trình gia công Trong tất cả dạng phay, trừ phay mặt đầu, chiều sâu phay t xác định bằng khoảng cách tiếp xúc của răng dao vào phôi và được đo theo hướng vuông góc đường tâm dao phay Chiều rộng phay B tính bằng chiều dài cắt của răng dao khi cắt, đo theo hướng song song với trục của dao Khi gia công thô, chiều sâu phay t được lấy theo khả năng lớn nhất, bằng toàn bộ lượng dư gia công hoặc là phần lớn lượng dư khi gia công tinh, chiều sâu phay phụ thuộc vào yêu cầu về độ chính xác của kích thước và độ nhám bề mặt gia công

 Lượng chạy dao S :

Khi phay cần phải phân biệt giữa lượng chạy dao răng Sz, lượng chạy dao vòng S và lượng chạy dao phút Sph, quan hệ với nhau theo công thức sau :

Sph = S.n = Sz .Z n (3.1)

trong đó : n - số vòng quay của dao phay, (vòng/phút)

Z - số răng của dao phay

Lượng chạy dao đầu tiên khi phay thô là đại lượng cho dưới dạng Sz, khi phay tinh cho dưới dạng S, để từ đó tính ra :

q

ZBStT

DC

trong đó : Cv, m, x, y, u, q, p - hệ số và các số mũ cho trong bảng 5.39 [4]

T - chu kỳ bền của dao ([4] bảng 5.40)

kv - hệ số điều chỉnh chung cho tốc độ cắt phụ thuộc các điều kiện cắt cụ thể

kv = kMN kNV.kUV (3.4)

kMV - hệ số phụ thuộc chất lượng vật liệu gia công (bảng 5.1  5.4 [4])

kNV - hệ số phụ thuộc trạng thái bề mặt của phôi (bảng 5.5 [4]

kUV - hệ số phụ thuộc vật liệu của dụng cụ cắt, tra theo bảng 5.6 [4]

 Lực cắt Pz (N)

Lực cắt Pz được tính theo công thức tổng quát như sau :

Pz =

w q

n y z

x p

nD

ZBStC10

kMP (3.5)

trong đó : Z - số răng dao phay

n, D - số vòng quay của dao (vòng/phút) và đường kính dao phay (mm)