tối ưu chế độ cắt khi gia công rãnh vằn trục cán gang cầu hợp kim sản phẩm d18 trên máy phay cnc xk 9350 fa để thời gian gia công nhỏ nhất

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY TỐI ƯU CHẾ ĐỘ CẮT KHI GIA CÔNG RÃNH VẰN TRỤC CÁN GANG CẦU HỢP KIM SẢN PHẨM D18 TRÊN MÁY PHAY CNC XK9350 FA ĐỂ THỜI GIAN GI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

TỐI ƯU CHẾ ĐỘ CẮT KHI GIA CÔNG RÃNH VẰN TRỤC CÁN GANG CẦU HỢP KIM SẢN PHẨM D18

TRÊN MÁY PHAY CNC XK9350 FA

ĐỂ THỜI GIAN GIA CÔNG NHỎ NHẤT

NGUYỄN TRƯỜNG THỌ

THÁI NGUYÊN, 2010

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TỐI ƢU CHẾ ĐỘ CẮT KHI GIA CÔNG RÃNH VẰN TRỤC CÁN GANG CẦU HỢP KIM SẢN PHẨM D18

TRÊN MÁY PHAY CNC XK9350 FA

ĐỂ THỜI GIAN GIA CÔNG NHỎ NHẤT

Ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác Trừ các phần tham khảo đã được nêu rõ trong Luận văn

Tác giả

Nguyễn Trường Thọ

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin được cảm ơn PGS.TS Nguyễn Phú Hoa, Phó Viện trưởng Viện Nghiên cứu phát triển Công nghệ cao về Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên, thầy hướng dẫn và định hướng đề tài, sự hướng dẫn tận tình của thầy trong việc tiếp cận và khai thác tài liệu tham khảo cũng như những chỉ bảo trong quá trình tôi làm luận văn

Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy cô giáo Khoa sau đại học Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp đã tận tình giúp đỡ trong quá trình học và viết Luận văn

Xin chân thành cảm ơn các đồng chí Lãnh đạo nhà máy, phòng Kỹ thuật

Cơ điện Chi nhánh Công ty Cổ phần Gang thép Thái Nguyên - Nhà máy Cán thép Lưu Xá đã ủng hộ về tinh thần và tạo điều kiện cho tôi về thời gian để tôi

có thể hoàn thành bản luận văn của mình

Tôi xin cảm ơn Ban quản đốc Phân xưởng Cơ điện, đồng chí Phạm Xuân Huy - Tổ trưởng phòng máy Tiện CNC Nhà máy Cán thép Lưu Xá về sự tạo điều kiện hết sức thuận lợi cho tôi được tiến hành thí nghiệm tại thiết bị thuộc Phân xưởng quản lý

Tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn các bạn đồng nghiệp và gia đình đã ủng

hộ, động viên tôi trong suốt quá trình làm luận văn

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan 1

Lời cảm ơn 2

Mục lục 3

Danh mục các ký hiệu chính 6

Danh mục các bảng biểu 7

Danh mục các hình vẽ 8

PHẦN MỞ ĐẦU

Chương 1:

MÁY CNC XK9350FA VÀ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG RÃNH

VẰN

TRỤC CÁN GANG CẦU HỢP KIM SẢN PHẨM D18

12

1.2 Công nghệ gia công rãnh vằn trục cán Gang cầu Hợp kim sản

phẩm

D18 hiện nay trên máy phay CNC XK9350FA

15

1.2.2 Cách khởi động hệ thống CNC và chương trình gia công

1.2.3 Cách lắp, tháo và điều chỉnh chuyển chế độ gia công chi

1.3 Những vấn đề hạn chế cần nghiên cứu khắc phục 29

Chương 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỐI ƯU HOÁ CHẾ ĐỘ CẮT VÀ VẤN ĐỀ

TỐI ƯU HÓA CHẾ ĐỘ CẮT KHI PHAY RÃNH VẰN TRỤC CÁN

2.1.4 Tối ưu chế độ cắt bằng phương pháp quy hoạch tuyến tính 35

2.2 Vấn đề tối ưu hóa chế độ cắt khi phay rãnh vằn trên máy phay

XÂY DỰNG VÀ GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU CHẾ ĐỘ CẮT KHI

GIA CÔNG RÃNH VẰN TRỤC CÁN TRÊN MÁY PHAY CNC

XK9350FA

49

3.1 Xây dựng bài toán tối ưu hoá chế độ cắt gia công rãnh vằn trục

cầu Hợp kim sản phẩm D18

3.2.1 Tối ưu chế độ cắt khi gia công rãnh vằn trục cán Gang cầu

3.2.2 Tối ưu chế độ cắt khi gia công rãnh vằn trục cán Gang cầu

3.2.3 Tối ưu chế độ cắt khi gia công rãnh vằn trục cán Gang cầu

Chương 4

4.1.1 Các bước cập nhật thông số chế độ cắt theo kết quả tối ưu

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

TT Bảng

Các giá trị (t1, V1) thỏa mãn ràng buộc bài toán tối

ưu chế độ cắt khi gia công rãnh vằn trục cán trên máy phay CNC XK9350FA ở bước gia công thô

70

Các giá trị (t2, V2) thỏa mãn ràng buộc bài toán tối

ưu chế độ cắt khi gia công rãnh vằn trục cán trên máy phay CNC XK9350FA ở bước gia công bán tinh

83

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

TT Hình

11 1.11 Màn hình hiển thị khi chạy chương trình cắt rãnh

45

20 2.4 Chiều sâu cắt (t) khi gia công rãnh vằn 46

Sơ đồ phân bố lượng dư gia công khi gia công một gai vằn ở bước gia công thô, gia công bán tinh và gia công tinh

49

Power Automation CNC (PA8000)

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Máy gia công rãnh vằn trục cán CNC XK9350FA [1] nhà máy cán thép Lưu

Xá, Công ty Cổ phần Gang thép Thái Nguyên sử dụng để gia công rãnh vằn trục cán, khắc chữ và tạo lôgô các sản phẩm từ D6 đến D50 [2]

Qua quá trình sử dụng Máy gia công rãnh vằn trục cán CNC XK9350FA tại Nhà máy Cán thép Lưu Xá còn gặp nhiều hạn chế, cụ thể khi gia công rãnh vằn cho trục cán làm bằng vật liệu Gang cầu Hợp kim [3] của sản phẩm thép cán thanh vằn D18 (R=8,4mm; Đường kính trục cán D = 334mm; LLv= 700mm x 20 rãnh x 84 gai vằn; Chiều sâu gai: h= 1,2mm; Góc nghiêng: 35o):

- Năng suất gia công thấp: Bình quân 1 ca (8 giờ) gia công được: (67) rãnh

- Tiêu hao dao cắt và thời gian mài sửa lại mất nhiều thời gian: Bình quân 1 ca (8 giờ) từ 2 đến 3 lần mài sửa lại dao (mỗi lần tháo mài sửa dao và lắp lại bình quân 1015 phút)

- Chưa xác định được chính xác bộ thông số chế độ cắt tối ưu (không cho kèm theo lý lịch máy): Chiều sâu cắt t, vận tốc cắt V

Vấn đề đặt ra: Hiện nay chưa có nghiên cứu nào về tối ưu chế độ cắt để khắc

phục những hạn chế kể trên Vấn đề đặt ra là: Tối ưu chế độ cắt khi gia công rãnh vằn trục cán Gang cầu Hợp kim sản phẩm D18 trên máy CNC XK9350FA tại Nhà máy Cán thép Lưu Xá để đảm bảo thời gian gia công nhỏ nhất (m min)

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là đánh giá ảnh hưởng của chế độ cắt đến thời gian gia công khi gia công rãnh vằn trục cán Gang cầu Hợp kim sản phẩm D18 trên máy CNC XK9350FA tại Nhà máy Cán thép Lưu Xá Qua đó đưa ra được thông số chế độ cắt tối ưu (đề tài tập trung chủ yếu là xác định chiều sâu cắt và vận tốc cắt tối ưu) để giảm thời gian gia công, nâng cao năng suất cắt, giảm chi phí gia công

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

3.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Xác định chế độ cắt tối ưu khi gia công rãnh vằn trục cán Gang cầu Hợp kim sản phẩm D18 trên máy CNC XK9350FA tại Nhà máy Cán thép Lưu Xá Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần bổ sung cho cơ sở lý thuyết tối ưu chế độ cắt của phương pháp gia công rãnh vằn Đồng thời cũng góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế kỹ thuật của Máy gia công rãnh vằn trục cán CNC XK9350FA tại Nhà máy Cán thép Lưu Xá

3.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Kết quả nghiên cứu của đề tài là xác định được chế độ cắt tối ưu khi gia công rãnh vằn trục cán Gang cầu Hợp kim sản phẩm D18 trên Máy gia công rãnh vằn trục cán CNC XK9350FA; Nhằm giảm thời gian gia công, nâng cao năng suất cắt, giảm chi phí giá thành gia công sản phẩm trục cán tại Nhà máy Cán thép Lưu

Xá - Công ty Cổ phần Gang thép Thái Nguyên

4 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Chương 1

MÁY CNC XK9350FA VÀ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG RÃNH VẰN

TRỤC CÁN GANG CẦU HỢP KIM SẢN PHẨM D18

1.1 Tổng quan máy CNC XK9350FA

1.1.1 Thông số kỹ thuật cơ bản của máy CNC XK9350FA

Máy gia công rãnh vằn trục cán CNC XK9350FA [1] nhà máy cán thép Lưu Xá, Công ty Cổ phần Gang thép Thái Nguyên sử dụng để gia công rãnh vằn trục cán, khắc chữ và tạo lôgô các sản phẩm từ D6 đến D50 [2], máy có các thông số kỹ thuật chủ yếu sau:

- Ký hiệu máy: XK9350FA

- Đường kính chi tiết gia công: (100  500) mm

- Chiều dài lớn nhất của chi tiết gia công: 2.500 mm

- Gia công được rãnh vằn trên trục cán sản phẩm: (D6 D50) mm

- Tốc độ quay trục chính của máy/ công suất: (0  32) vòng/ phút / Dùng động

- Lỗ côn trục chính: Côn mooc số 5 (Center Morse Tape - 5)

- Góc xoay của đầu gia công đứng và của trục nhỏ nhất: 0,001o Tốc độ xoay trục: 1.000o

/phút

- Góc độ lắc của đầu khắc chữ /công suất: (0 1.000)o/phút / Dùng động cơ servo 2 KW (truyền chuyển động dùng chung với động cơ trục chính đầu gia công đứng)

- Tốc độ di chuyển bàn dao ngang (dùng động cơ servo, công suất 1,5 KW): (010.000) mm/phút (đơn vị tốc độ nhỏ nhất 0,001 mm)

- Tốc độ di chuyển bàn dao dọc (dùng động cơ servo, công suất 1,5 KW): (04.000) mm/ phút (đơn vị tốc độ nhỏ nhất 0,001 mm)

- Kiểu cắt: Milling head swivel cutting & „fly-cutter‟ cutting

- Mâm cặp (4 chấu): 400 mm

- Độ rộng chữ tối thiểu gia công được: 0,05 mm

- Nguồn điện sử dụng: 3pha/380V/50Hz Công suất chính: 415 V/50Hz

- Hệ thống điều khiển CNC: PA8000L

- Kích thước bao của máy: 4020 x 1580 x 2000 mm

Hình 1.2: Sản phẩm rãnh vằn trục cán D18

1.1.2 Các trục toạ độ và phương chiều chuyển động

Máy có 4 chuyển động dùng động cơ servo và một chuyển động của trục chính đầu khắc chữ dùng động cơ điều chỉnh được tốc độ, cụ thể như hình vẽ 1.3

Hình 1.3: Các trục toạ độ và phương chiều chuyển động

Trục chính động cơ khắc chữ truyền động được điều khiển bởi bộ biến tần chỉ dùng khi khắc chữ Các trục “X”,”Y”,”Z”,”A” là 4 trục có truyền động sử dụng động cơ servo Trục ”X” và “A” chuyển động tịnh tiến Trục ”Y” và “Z” chuyển động quay

Hình 1.4: Sơ đồ gia công rãnh vằn và khắc chữ

1.2 Công nghệ gia công rãnh vằn trục cán Gang cầu Hợp kim sản phẩm D18 hiện nay trên máy phay CNC XK9350FA

1.2.1 Các chuyển động khi gia công rãnh vằn:

Chuyển động cắt là chuyển động theo phương trục “Y” và “Z” dùng câu lệnh

“G01” Chi tiết quay quanh trục “Y” và dao quay quanh trục “Z”, chuyển động cắt này có dạng hình ren vít Vì vậy ta có thể gia công tất cả các rãnh vằn Khi đã điều chỉnh tâm dao cắt đều trên tâm rãnh cần gia công, điều khiển dao di chuyển theo phương “X” một lượng (t) mm (ví dụ t = 0,02 mm) Sau đó chuyển động theo phương trục “Y” và “Z” tiếp tục chuyển động bằng câu lệnh “G01” Chuyển động này sẽ không gián đoạn cho đến khi gia công xong các rãnh vằn Sau đó lùi dao theo phương trục “X” một khoảng “-X” Tiếp theo ta có thể di chuyển theo phương trục

“A” để đến rãnh tiếp theo cần gia công rãnh vằn mới

- Bước 1.1: Bật công tắc nguồn của tủ điện

- Bước 1.2: Bật khoá nguồn trên bàn máy và chờ máy tính khởi động xong

- Bước 1.3: Kích chuột vào nút “Start” trên màn hình

- Bước 1.4: Kích chuột vào biểu tượng của chương trình “PA8000”

- Bước 1.5: Nhả nút “Emergent” trên bàn điều khiển

- Bước 1.6: Ấn tổ hợp phím Ctrl + R khởi động lại hệ thống CNC

- Bước 1.7: Đưa các trục toạ độ về điểm chuẩn bằng cách:

+ Kích chuột vào biểu tượng “manual”

+ Chọn vào biểu tượng “traverse to reference point”

+ Đưa các trục toạ độ “Y” và “Z” về điểm chuẩn 0

+ Ấn nút khởi động CNC các trục sẽ tự động dịch chuyển về vị trí 0

1.2.2.2 Cách cài đặt thông số trục cán trên máy và các yêu cầu:

- Bước 2.1: Lựa chọn Manual operation

- Bước 2.2: Lựa chọn Move continuous

- Bước 2.3: Đưa chuột vào trục Y

- Bước 2.8: Lắp dao, kiểm tra độ dài của dao và bề mặt của dao

Dao

Đệm hãm Bạc tỳ Thân giữ bạc tỳ

Thân dao

Nắp giữ phớt chặn Nắp hãm

Hình 1.7: Cách lắp đặt dụng cụ

1.2.2.3 Cách tạo file chương trình:

Vào phần mềm PA8000, kích đúp chuột vào biểu tượng MAKING PROGRAM để tạo file chương trình, nhập các thông số gia công rãnh vằn (ví dụ có các thông số gia công rãnh vằn như hình 1.8)

Hình 1.8: Nhập các thông số gia công rãnh vằn

Chú ý:

+ Phải nhập giá trị góc bắt đầu: Ví dụ 1700

+ Nhập tên chương trình chính: Ví dụ: 2010

+ Nếu gia công không bỏ rãnh: Nhập tất cả các rãnh là dấu “/” vào ô trống

+ Nếu gia công có bỏ rãnh: Ví dụ bỏ rãnh thứ 2 và thứ 4: Nhập rãnh thứ hai và thứ

tư là Q và 8, các rãnh khác nhập dấu “/”

+ Nhập các giá trị tham số của trục và các tham số của máy

Thứ tự các bước thực hiện:

- Bước 3.1: Vào biểu tượng phần mềm PA8000

- Bước 3.2: Tải tự động các file chương trình Kích đúp chuột vào biểu tượng MAKING PROGRAM

- Bước 3.3: Nhập các tham số cho trục và các tham số cho máy

- Bước 3.4: Vào chương trình chính (Ví dụ đặt tên gọi là 2010)

- Bước 3.5: Ấn biểu tượng “making program” chương trình tự động đặt tên chương trình chính có tên P2010, chương trình phụ cắt rãnh vằn có tên P9002010, ghi trong

bộ nhớ D:\NC\DATA của máy tính

- Bước 3.6: Vào phần mềm PA8000

- Bước 3.7: Lựa chọn “Data”

- Bước 3.8: Lựa chọn file chạy

- Bước 3.9: Lựa chọn file (như P9002010) từ thư mục “D:\NC\DATA ” vào hệ thống CNC

- Bước 3.10: Nếu có file trùng tên trong CNC thì trước tiên phải xoá nó theo các bước sau:

Hình 1.9: Màn hình hiển thị khi thực hiện thao tác

đưa tâm dao cắt vào tâm rãnh gia công

- Bước 4.1: Lựa chọn "Manual''

- Bước 4.2: Lựa chọn "Handwheel"

- Bước 4.3: Lựa chọn trục để di chuyển

- Bước 4.4: Đầu tiên di chuyển trục A rồi sau đó đưa trục X để trục dao vào tâm rãnh gia công

- Bước 4.5: Di chuyển trục Z quay đảm bảo khoảng cách giữa dao với hai mép của rãnh gia công bằng nhau

- Bước 4.6: Di chuyển trục Z để đầu mũi dao chạm vào đáy rãnh gia công

- Bước 4.7: Di chuyển trục X tiến về phía trước để khoảng cách mũi dao và bề mặt rãnh một khoảng 0,1  0,2 mm

- Bước 4.8: Quay trục Z để toạ độ Z về “0”

Hình 1.10: Đường tâm trục X, A

1.2.2.5 Đặt trục X, A về 0 nhưng không cần thiết phải di chuyển trục toạ độ:

- Bước 5.1: Lựa chọn “manual”

- Bước 5.2: Lựa chọn “auxiliary function”

- Bước 5.3: Lựa chọn “setting zero”

- Bước 6.5: Lựa chọn “program file”

- Bước 6.6: Lựa chọn tên file là “P66” từ CNC

- Bước 6.7: Lựa chọn “Automatic Function”

- Bước 6.8: Lựa chọn “process 1”

- Bước 6.9: Lựa chọn “single block”

Hình 1.11: Màn hình hiển thị khi chạy chương trình cắt rãnh vằn

- Bước 6.10: Nhấn “OK”

- Bước 6.11: Nhấn nút “CNC-start” để chạy chương trình

1.2.2.7 Kiểm tra chạm (tiếp xúc)

- Bước 7.1: Nếu dao không chạm vào rãnh, khi đó dừng máy bằng “single block”

- Bước 7.2: Lựa chọn “manual” xuất hiện hộp thoại

- Bước 7.3: Lựa chọn “NO”

- Bước 7.4: Lựa chọn “handwheel”

- Bước 7.5: Lựa chọn trục X di chuyển về phía trước khoảng 0,1 mm

- Bước 7.6: Lựa chọn “automatic “

- Bước 7.7: Nhấn “CNC-button” để tiếp tục chạy chương trình

- Bước 7.8: Nếu vẫn không chạm làm lại bước 7.1 đến 7.7

1.2.2.8 Kiểm tra chạm (tiếp xúc) tâm rãnh gia công

- Bước 8.1: Nếu dao không chạm vào tâm rãnh, khi đó dừng máy “single block”

- Bước 8.2: Lựa chọn “manual” xuất hiện hộp thoại

- Bước 8.3: Lựa chọn “NO”

- Bước 8.4: Lựa chọn “handwheel”

- Bước 8.5: Lựa chọn trục A để di chuyển tiến về phía trước khoảng 0,020,1mm

- Bước 8.6: Lựa chọn “automatic “

- Bước 8.7: Nhấn “CNC-button” để tiếp tục chạy chương trình

- Bước 8.8: Nếu vẫn không chạm vào tâm rãnh thực hiện lại từ bước 8.1 đến 8.7

1.2.2.9 Khởi động lại chương trình

- Bước 9.1: Khi trục Y hiển thị “0” ấn “ctrl”+ “R” để khởi động lại hệ thống CNC

- Bước 9.2: Đưa trục X và A hiển thị giá trị “0” Xem ở bước 5

- Bước 9.13: Nhấn nút “CNC-start” để chạy chương trình

- Bước 9.14: Lựa chọn “continuous block”

1.2.3 Cách lắp, tháo và điều chỉnh chuyển chế độ gia công chi tiết:

1.2.3.1 Cách lắp và tháo chi tiết gia công

Trước khi lắp và gia công một sản phẩm trục cán ta phải điều chỉnh và đặt tâm của hai khối số 4 và số 6 (hình vẽ 1.12) đến vị trí thích hợp, do vậy việc đầu tiên ta phải gá chi tiết thật chắc chắn trên tâm của các khối 4 và 6 trước khi nó được nâng lên máy Đặt chiều cao lỗ tâm của hai đầu trục cán (chi tiết) bằng nhau hoặc chênh lệch rất nhỏ giữa tâm của hai mũi chống tâm số 2 và 7 Đẩy nhẹ chi tiết đến

trước mũi tâm số 2 hoặc quay tay quay số 8 của ụ động để đưa mũi tâm số 7 vào lỗ tâm của chi tiết số 5 đến khi mũi tâm của ụ động xiết chặt lấy chi tiết số 5, sau đó khoá chặt ụ động lại

Hình 1.12: Cách lắp chi tiết gia công

Tiếp theo ta cẩn thận điều chỉnh bốn chấu của mâm cặp số 3 và dùng đồng hồ đo sự cân bằng của chi tiết gia công số 5 so với máy đến khi đạt được dung sai cho phép thì ta kẹp chặt phôi lại

Sau khi gia công xong chi tiết cần gia công để tháo dỡ sản phẩm ra khỏi máy, đầu tiên ta nhả bốn chấu của mâm cặp số 3, buộc cáp nâng của cẩu vào hai đầu sản phẩm làm cho cáp căng ra không đáng kể Mở khoá ụ động, quay tay quay số 8 để mũi chống tâm số 7 thoát ra rồi từ từ đánh tín hiệu cẩu sản phẩm ra ngoài để ở vị trí quy định

1.2.3.2 Cách điều chỉnh chuyển chế độ gia công chi tiết:

Sự chuyển chế độ giữa gia công theo phương thẳng đứng và gia công theo phương ngang tốc độ cao, sự phối hợp giữa hai kiểu gia công này là điểm nổi bật của máy và chúng ta có thể chọn tự do một trong hai kiểu gia công đó Tuy nhiên ta phải xác định rõ cơ chế làm việc hiện thời của máy và bộ điều khiển CNC trước khi gia công

+ Kiểu gia công theo phương đứng (gia công rãnh vằn): Kiểu gia công này bắt

buộc phải xác định:

- Chốt định vị trục gia công đứng, vít cố định để khoá lại

- Vít cố định ở phía chân trước trục gia công đứng

- Làm sạch và lắp chuôi dao chuẩn xác

- Ở trường hợp này ta phải để chế độ gia công của bộ điều khiển CNC ở chế độ gia công đứng (gia công rãnh vằn)

Hình 1.13: Kiểu gia công đứng (gia công rãnh vằn)

+ Kiểu gia công ngang (gia công khắc chữ): Để gia công ở chế độ này ta phải

thoát khỏi chế độ gia công đứng một cách an toàn Trả trục gia công đứng về vị trí

an toàn và khoá chặt lại như hình vẽ 1.14, đồng thời chuyển chế độ gia công của bộ CNC về chế độ gia công ngang

Hình 1.14: Kiểu gia công ngang (gia công khắc chữ)

+ Điều chỉnh khi gia công đứng để gia công rãnh vằn:

Hình 1.15: Gia công rãnh vòng

Nguyên lý cắt rãnh vằn như hình vẽ 1.15 Bao gồm góc 900 giữa trục chính của dao Z và trục chi tiết gia công Y Vị trí của trục chính của dao ở tâm của rãnh vòng, cả tâm của trục chính này và trục chi tiết gia công cùng nằm trên một mặt phẳng thẳng đứng với trục chính

Khi vận hành máy sẽ có đáp ứng quay bù ren giữa trục chính Z và trục chi tiết gia công Y cũng như với máy để gia công sườn ngang với góc xiên yêu cầu trong rãnh vòng

Trong khi máy đã làm việc ngoài sự chuyển động cắt chính, dao của trục chính sẽ ăn vào đối với tâm của chi tiết (trục Y) cho đến khi cắt rãnh ngang của phôi đạt được độ sâu cần thiết Kết thúc quá trình gia công vòng rãnh thứ nhất ta đưa trục dao thoát ra khỏi rãnh và tiến đến hướng trục chi tiết gia công Y để ra công rãnh tiếp theo như hình 1.16 Quá trình diễn ra lặp đi lặp lại như vậy cho đến khi gia công hết số rãnh cần thiết trên một chi tiết gia công thì ta kết thúc quá trình gia công

Tóm lại: Để điều chỉnh quá trình gia công đứng ta phải thực hiện các bước

- Đặt hệ thống ở dạng điều khiển tay (manual), điều chỉnh trục khớp nối chuôi dao

để nó ở bên trong mặt phẳng tâm rãnh vòng của chi tiết cần gia công Đặt trục chính hướng về đường rãnh của chi tiết gia công nhưng phải giữ một khoảng cách chắc chắn Đặt trục chi tiết gia công và trục chính trở về vị trí điểm 0 của chúng để kết thúc quá trình phối hợp cho vật cắt

- Nhập dữ liệu và kiểm tra cách vận hành, căn cứ các yêu cầu kỹ thuật của chi tiết cần gia công

- Bật bôi trơn làm nguội

- Chạy chương trình gia công Trong lúc gia công phải trang bị đầy đủ các dụng cụ bảo hộ lao động cần thiết

- Kết thúc quá trình gia công

Bảng 1.1: Dụng cụ và các phụ kiện cho máy gia công

1.3 Những vấn đề hạn chế cần nghiên cứu khắc phục

Máy gia công rãnh vằn trục cán CNC XK9350FA tại nhà máy cán thép Lưu

Xá, Công ty Cổ phần Gang thép Thái Nguyên sử dụng để gia công rãnh vằn trục cán, khắc chữ và tạo lôgô các sản phẩm từ D6 đến D50

Qua quá trình sử dụng Máy gia công rãnh vằn trục cán CNC XK9350FA tại Nhà máy Cán thép Lưu Xá còn gặp nhiều hạn chế, cụ thể khi gia công rãnh vằn cho trục cán làm bằng vật liệu Gang cầu Hợp kim [3] của sản phẩm thép cán thanh vằn D18 (R=8,4mm; Đường kính trục cán D = 334mm; LLv= 700mm x 20 rãnh x 84 gai vằn; Chiều sâu gai: h= 1,2mm; Góc nghiêng: 35o) như sau:

- Năng suất gia công thấp: Bình quân 1 ca (8 giờ) gia công được: (67) rãnh

- Tiêu hao dao cắt và thời gian mài sửa lại nhiều: Bình quân 1 ca (8 giờ) từ 2 đến 3 lần mài sửa lại dao (mỗi lần tháo mài sửa dao và lắp lại bình quân

1015 phút)

- Chưa xác định được chính xác bộ thông số chế độ cắt tối ưu (không cho kèm theo lý lịch máy): Chiều sâu cắt t, vận tốc cắt V

Vấn đề cần nghiên cứu khắc phục: Hiện nay chưa có nghiên cứu nào về tối

ưu chế độ cắt để khắc phục những hạn chế kể trên Vấn đề đặt ra: Tối ưu chế độ cắt khi gia công rãnh vằn trục cán Gang cầu Hợp kim sản phẩm D18 trên máy CNC XK9350FA tại Nhà máy Cán thép Lưu Xá để đảm bảo thời gian gia công nhỏ nhất (m min)

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỐI ƯU HOÁ CHẾ ĐỘ CẮT VÀ VẤN ĐỀ

TỐI ƯU HÓA CHẾ ĐỘ CẮT KHI PHAY RÃNH VẰN TRỤC CÁN

2.1 Lý thuyết chung về tối ưu chế độ cắt:

2.1.1 Các vấn đề chung:

Một trong những vấn đề mấu chốt cần giải quyết để nâng cao hiệu quả kinh

tế - kỹ thuật của quá trình chế tạo cơ khí là chế độ cắt phải tối ưu

Tối ưu hoá chế độ cắt là đòi hỏi tất yếu, khách quan của nền sản xuất cơ khí hiện đại, bởi vì:

- Các thiết bị, máy móc càng hiện đại thì có khả năng tự động hoá càng cao

và đắt tiền Việc sử dụng máy móc đắt tiền chỉ có thể đạt hiệu quả cao khi chế độ cắt phải tối ưu

- Trong cơ chế kinh tế thị trường, sản phẩm cơ khí đòi hỏi giá thành chế tạo phải rẻ nhất trên cơ sờ chất lượng sản phẩm đạt yêu cầu đề ra Giá thành chế tạo sản phẩm chỉ có thể là nhỏ nhất khi được chế tạo bằng chế độ cắt tối ưu

Tối ưu hoá chế độ cắt thực hiện bằng hai hình thức sau:

- Tối ưu hoá tĩnh là phương pháp xác định các thông số chế độ cắt tối ưu trước khi quá trình cắt gọt diễn ra, thông qua việc xây dựng mối quan hệ toán học giữa mục tiêu tối ưu với một hệ thống giới hạn và các mặt kỹ thuật, chất lượng,

tố chức nhà máy Tối ưu hoá trước quá trình cắt gọt dựa trên mô hình tĩnh của quá trình cắt Nhược điểm cơ bản của phương pháp này là không chú ý tới động lực học của quá trình, nghĩa là không chú ý tới những đặc điểm mang tính ngẫu nhiên và thay đổi theo thời gian Điều này có thể khắc phục phần nào khi có sự điều chỉnh lại trong thực tế

- Tối ưu hoá trong quá trình cắt gọt (tối ưu hoá động) dựa trên mô hình động của quá trình cắt gọt, do đó có xét tới các đặc điểm mang tính ngẫu nhiên và thay đổi theo thời gian Tối ưu hoá động thì các thông số chế độ cắt được điều chỉnh tự động ngay cả trong quá trình cắt So với tối ưu hoá tĩnh, tối ưu hoá

động giải quyết các vấn đề triệt để nhưng cũng phức tạp hơn rất nhiều, bởi lẽ tối ưu hoá động gắn với đo lường tích cực, điều khiển thích nghi và kỹ thuật tự động hoá

Hiệu quả của phương pháp tối ưu hoá phụ thuộc vào mức độ chính xác của

mô hình thí nghiệm so với quá trình cắt thực và mức độ chính xác của mô hình toán học được xây dựng để khảo sát đối tượng trong quá trình nghiên cứu Muốn tối ưu hoá quá trình cắt gọt phải xây dựng mô hình nghiên cứu dựa trên các điều kiện gia công cụ thể Về mặt thực tiễn nếu phân tích được càng nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quá trình gia công thì vấn đề được giải quyết càng toàn diện và triệt để Nhưng về mặt toán học thì quá trình nghiên cứu càng phức tạp thì càng khó áp dụng vào sản xuất Ngược lại nếu bỏ qua nhiều yếu tố ảnh hưởng thì kết quả thu được không chính xác Do đó, cần giới hạn bài toán sao cho thích hợp Ngoài ra hiệu quả của phương pháp tối ưu hoá cũng còn phụ thuộc mức độ chính xác và ổn đình của dụng

cụ đo cũng như phụ thuộc vào kỹ thuật xử lý số liệu

Thực chất phương pháp tối ưu hoá là xây dựng rồi giải bài toán cực trị để xác định được phương án tối ưu hoá cho quá trình nghiên cứu Nhận xét đó cho thấy:

- Tối ưu hoá là một phương pháp, một công cụ cho các nhà nghiên cứu kinh tế

Chỉ tiêu tối ưu ( còn gọi là mục tiêu tối ưu ) phải là các chỉ tiêu kinh tế được xây dựng trên cơ sở giá thành và thời gian gia công, thường được chọn với các đại lượng sau:

- Chi phí gia công tính cho một đơn vị sản phẩm → thấp nhất

- Thời gian gia công cho một chi tiết → thấp nhất

- Tỷ lệ giữa chi phí gia công và thời gian gia công → thấp nhất

- Số lượng sản phẩm trong một đơn vị thời gian → cao nhất

- Tiền lãi → cao nhất

- Độ chính xác đạt được → cao nhất

- Độ bóng bề mặt đạt được → cao nhất

Trong các chỉ tiêu trên thì chỉ tiêu về chi phí gia công thấp nhất có vai trò quan trọng nhất Bởi vì xét cho đến cùng giá thành chế tạo thấp nhất trên cơ sở đảm bảo chất lượng, các yêu cầu kỹ thuật của chi tiết gia công sẽ quyết định tính cạnh tranh của sản phẩm trong cơ chế kinh tế thị trường

Tối ưu hoá chế độ cắt về thực chất là tìm giá trị các thông số của chế độ cắt (t, S, V) trên cơ sở đạt được mục tiêu tối ưu cực trị thoả mãn các hệ ràng buộc về kinh tế - kỹ thuật khi gia công cắt gọt

Theo [7], muốn tối ưu hoá chế độ cắt gọt cần phải dựa vào các mối quan hệ kinh tế kỹ thuật được thiết lập dựa trên bản chất vật lý của quá trình cắt và đặc trưng từng bước, từng nguyên công cắt gọt

Các mô hình toán học mô tả quan hệ giữa lực cắt, tuổi bền dụng cụ với các thông số công nghệ cần tối ưu là cơ sở thực hiện tối ưu hoá quá trình cắt gọt

Cơ sở kinh tế - kỹ thuật có ý nghĩa quan trọng khi tối ưu hoá quá trình cắt gọt Bởi vì xét cho đến cùng thì trong sản xuất cơ khí nói chung, quá trình cắt gọt nói riêng đều phải đạt được hiệu quả kinh tế, nhất là trong cơ chế thị trường Cơ sở kinh tế kỹ thuật quyết định ta tối ưu hoá cái gì, tối ưu hoá như thế nào?

Tối ưu hoá chế độ cắt về thực chất là tìm giá trị các thông số của chế độ cắt trên cơ sở đạt được mục tiêu tối ưu cực trị thoả mãn các hệ ràng buộc về kinh tế - kỹ thuật khi gia công cắt gọt

Để xây dựng bài toán tối ưu chế độ cắt, phải giải quyết các vấn đề sau:

- Xuất phát từ chỉ tiêu tối ưu, ta xây dựng hàm mục tiêu để từ đó xác định

được giá trị cực trị của bài toán

- Xuất phát từ các điều kiện gia công, ta xây dựng các hàm giới hạn để lập

miền xác định của các hàm mục tiêu tức là miền chứa điểm mà hàm mục tiêu

có cực trị, còn gọi là điều kiện biên

Đối với các phương pháp gia công cắt gọt khác nhau thì các thông số công nghệ cần tối ưu là khác nhau: các phương pháp tiện, phay, bào thì các thông số công nghệ cần tối ưu là tốc độ cắt (V), chiêu sâu cắt (t), bước tiến dao (S); với phương pháp mài tiến đá hướng kính thì thông số công nghệ cần tối ưu là lượng tiến đá hướng kính Sn, v.v

Cần đặc biệt chú ý khi tối ưu hoá chế độ cắt đối với bước gia công tinh và bước gia công thô, bán tinh Khi gia công tinh thì yêu cầu rất quan trọng là độ chính xác gia công và độ bóng đạt được vì vậy yêu cầu chiều dày lớp kim loại được cắt bỏ là không quan trọng Ngược lại khi gia công thô, bán tinh ( còn được gọi là các bước gia công trung gian) thì lượng kim loại được cắt bỏ trong một đơn vị thời gian là rất quan trọng, vì vậy chiều dày lớp kim loại được cắt bỏ là cần đạt lớn nhất trong điều kiện gia công có thể chịu đựng được, có như vậy thì mới đảm bảo năng suất gia công là cao nhất, chi phí gia công là nhỏ nhất

Qua sự phân tích này thì đối với bước gia công tinh có thể không cần tối ưu thông số chiều sâu cắt, mà chiều sâu cắt được xác định sao cho phù hợp với phương pháp gia công đã chọn ở phương pháp gia công tinh đảm bảo quá trình cắt xảy ra (không bị trượt) Như vậy chỉ cần tối ưu 2 thông số là lượng chạy dao (S) và vận tốc cắt (V)

Còn đối với các bước gia công thô, bán tinh thì ta cần tối ưu cả 3 thông số là chiều sâu cắt (t), lượng chạy dao (S) và vận tốc cắt (V)

Các thông số công nghệ cần tối ưu được xác định trên các điều kiện gia công cụ thể như:

- Phương tiện gia công gồm máy, dao, đồ gá, trang bị công nghệ

- Phôi liệu gia công: vật liệu, hình dáng, kích thước

Trong đó:

+ Y - chỉ tiêu tối ưu - chính là các đại lượng ra

+ x - các thông số cần công nghệ tối ưu - chính là các đại lượng vào

Giới hạn về nghiên cứu:

Các đại lượng vào: bộ thông số chế độ cắt S, V, t

Đại lượng ra (mục tiêu tối ưu), các chỉ tiêu về kinh tế như:

+ Năng suất  max (hay thời gian gia công là nhỏ nhất)

+ Giá thành  min

+ Lợi nhuận  max

Các chỉ tiêu về kỹ thuật như: độ chính xác, chất lượng bề mặt v.v

Khi xây dựng các hàm mục tiêu và ràng buộc cần lưu ý các điểm sau:

- Các hàm đó phải phù hợp với phương pháp gia công cắt gọt cụ thể mà ta

Các điều kiện biên được xây dựng từ các giới hạn kỹ thuật của phương tiện gia công và nhiệm vụ gia công như:

*) Giới hạn làm việc của các bộ phận trong hệ thống công nghệ:

- Công suất cho phép

- Mômen cho phép

- Số vòng quay lớn nhất, nhỏ nhất của máy

- Lực kẹp cho phép của cơ cấu kẹp phôi hoặc dao kẹp phôi

*) Giới hạn về chất lượng chi tiết cần đạt được khi gia công như độ chính xác về hình dạng, kích thước, vị trí tương quan cũng như độ nhám của bề mặt

Đồng thời khi xây dựng hệ thống giới hạn cũng cần quan tâm đến các đại lượng đặc trưng của quá trình cắt (hình học, động học, động lực học, quá trình mòn các

dụng cụ v.v.) cũng như các mối quan hệ của các đại lượng khác như lực cắt , công suất cắt, tuổi bền dụng cụ cắt.v.v với các thông số công nghệ tối ưu

Khi khảo sát hàm chi phí gia công C= C(S,V,t) chỉ khảo sát những điểm nằm trong miền xác định của các thông số công nghệ mà tại đó đạt C = Cmin mới là lời giải của bài toán tối ưu thông số của chế độ cắt gọt

Đây là những nguyên tắc cơ bản mang tính chất chung khi nghiên cứu, xây dựng

và giải bài toán tối ưu về chế độ cắt, về tất cả các phương pháp gia công Khi xác định chế độ cắt cho một phương pháp gia công nào đó, cần phải phân tích tỉ mỉ và xây dựng mô hình toán học rõ ràng thì mới giải bài toán tối ưu được

Hiện nay có nhiều phương pháp xác định chế độ cắt tối ưu như: phương pháp

quy hoạch tuyến tính, phương pháp toán đồ, phương pháp đồ thị, phương pháp GRAPH, phương pháp thực nghiệm, phương pháp đại số v.v

Bản chất các phương pháp khác nhau là ở việc xây dựng hàm mục tiêu chi phí gia công C chứa các thông số cần tối ưu và phương thức khảo sát

2.1.4 Tối ưu chế độ cắt bằng phương pháp quy hoạch tuyến tính

Xác định chế độ cắt tối ưu bằng phương pháp qui hoạch tuyến tính của các phương pháp gia công có dạng chung là:

F(x1, x2, xn)  MIN(MAX)

gj(x1, x2, xn) < = bj, j = 1, m

trong đó:

F(x1 , x2, xn) gọi là hàm mục tiêu;

gj (x1 ,x2, xn) gọi là hệ phương trình ràng buộc

Hàm mục tiêu phụ thuộc các phương pháp gia công khác nhau

Hệ phương trình ràng buộc phụ thuộc vào phương pháp gia công khác nhau

và điều kiện gia công ( máy, dụng cụ cắt, )

Dùng phương pháp toán qui hoạch tuyến tính để giải bài toán tối ưu trên tìm

ra bộ giá trị các thông số tối ưu

Ta hãy xét trường hợp tối ưu chế độ cắt của phương pháp tiện Do phương pháp tiện là phương pháp gia công cơ bản, nhiều quá trình nghiên cứu về phương pháp cắt gọt cũng bắt đầu từ việc nghiên cứu đối với phương pháp tiện trên cơ sở

(2.2)

đó mà phát triển nghiên cứu các phương pháp cắt gọt khác

Bởi vậy mà giải bài toán tối ưu các thông số chế độ cắt khi tiện mang tính cơ

sở để từ đó phát triển và giải các bài toán tối ưu các thông số chế độ cắt của các

phương pháp cắt gọt khác

*) Hàm mục tiêu của bài toán tối ưu các thông số chế độ cắt khi tiện:

Xây dựng hàm mục tiêu chi phí gia công của phương pháp tiện được căn cứ vào công thức tính chi phí gia công từ công thức:

)(

C o - lương công nhân đứng máy theo giờ (đồng/giờ);

R - tỉ lệ chi phí phụ trong phân xưởng gia công, tính theo C o ;

C M - chi phí khấu hao máy (đồng/giờ);

n - số lần thay dao;

G d - giá tiền 1 con dao khi chưa gia công (đồng);

G t - giá tiền 1 con dao khi đã dùng để gia công rồi (đồng );

t md - thời gian mài dao (đồng/ giờ );

C md - lương công nhân mài dao (đồng/ giờ );

R md - tỉ lệ % chi phí phụ phân xưởng dụng cụ tính theo C md ;

t td - thời gian thay dao và điều chỉnh máy (phút );

C td - lương công nhân thay dao, điều chỉnh máy (đồng/giờ);

R td - tỉ lệ % chi phí phụ khi thay dao tính theo C td

P kh - khấu hao thiết bị ứng với thời gian thay dao và điều chỉnh máy (đồng /giờ)

Đặt :

K1 =

60

)1001(60

1 (

)

td td md md

md td

t

C t

R C

t n

G G