tóm tắt luận văn tối ưu hóa đa mục tiêu quá trình mài thép hợp kim trên máy mài tròn ngoài

Ngoài ra việc xây dựng và giải được bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu sẽ đóng góp một phần vào việc điều khiển thích nghi quá trình mài các loại thép hợp kim, giúp người điều khiển máy có

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Mài là một phương pháp gia công tinh có thể đạt độ chính xác cấp

67 và cấp độ nhám bề mặt 810 Do đặc điểm như vậy nên mài thường được chọn làm phương pháp gia công tinh lần cuối cho các chi tiết sau nhiệt luyện và nó quyết định đến chất lượng bề mặt sản phẩm Trong những năm gần đây, mài được đánh giá là một quá trình chiến lược và là chìa khóa để đạt được chất lượng bề mặt cho các sản phẩm công nghệ cao Trong các sản phẩm công nghệ cao đó có sự góp mặt của rất nhiều các chi tiết bằng thép hợp kim được gia công

bằng phương pháp mài tròn ngoài

Với yêu cầu cạnh tranh ngày càng cao về chất lượng sản phẩm và giá thành thì việc ứng dụng các thành tựu trong các lĩnh vực công nghệ thông tin, điều khiển, nhất là trí tuệ nhân tạo để xây dựng mô hình đa mục tiêu với mục đích lựa chọn chế độ cắt tối ưu nhằm thỏa mãn đồng thời về chất lượng sản phẩm và năng suất gia công có một

ý nghĩa rất lớn Ngoài ra việc xây dựng và giải được bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu sẽ đóng góp một phần vào việc điều khiển thích nghi quá trình mài các loại thép hợp kim, giúp người điều khiển máy có thể linh hoạt trong việc điều chế độ cắt sao cho phù hợp với mỗi công đoạn của quá trình gia công Do đó, tác giả đã lựa chọn đề tài “Tối ưu hóa đa mục tiêu quá trình mài thép hợp kim trên máy mài tròn ngoài” làm đề tài Luận án tiến sỹ

Mục đích nghiên cứu

Xây dựng bài toán tối ưu đa mục tiêu cho quá trình mài tròn ngoài thép hợp kim với mục đích tìm ra được chế độ cắt tối ưu nhằm đảm bảo cả về năng suất và độ nhám, tiến đến điều khiển thích nghi quá trình mài tròn ngoài

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là quá trình mài tròn ngoài thép

hợp kim được nhiệt luyện với những độ cứng khác nhau

Phạm vi nghiên cứu: Có rất nhiều thông số ảnh hưởng đến chất

lượng của sản phẩm cuối cùng khi mài Trong luận án, tác giả chỉ tập trung nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ cắt và vật liệu gia công

đến một số đại lượng trung gian của quá trình mài như lực cắt, rung

động và phân tích sự ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt của chi tiết

Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm

Những đóng góp mới

- Ứng dụng phương pháp Taguchi vào việc xác định mức độ ảnh hưởng của các thông số đến hàm mục tiêu của quá trình mài tròn

ngoài

- Xây dựng được các mô hình toán học của lực cắt, rung động và

độ nhám bề mặt khi mài tròn ngoài

- Tối ưu hóa đa mục tiêu cho quá trình mài thép hợp kim trên máy mài tròn ngoài ứng dụng giải thuật di truyền

Cấu trúc của luận án

Phần mở đầu

Chương 1: Tổng quan về phương pháp mài tròn ngoài và tối ưu hóa khi mài tròn ngoài thép hợp kim

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về mối quan hệ của một số đại lượng

trong quá trình mài tròn ngoài

Chương 3: Trang thiết bị, vật liệu thí nghiệm và nghiên cứu thực

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Ý nghĩa khoa học: Đã xây dựng được một số mô hình toán học khi

mài thép hợp kim trên máy mài tròn ngoài Xây dựng và giải thành công bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu cho quá trình mài thép hợp kim

trên máy mài tròn ngoài

Ý nghĩa thực tiễn: Việc hoàn thành luận án sẽ là cơ sở khoa học

cho việc nghiên cứu áp dụng vào thực tế sản xuất để điều khiển quá trình mài tròn ngoài nhằm mục đích đạt được chất lượng sản phẩm tốt với mức chi phí sản xuất nhỏ khi mài thép hợp kim

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP MÀI TRÒN NGOÀI VÀ TỐI ƯU HÓA KHI MÀI TRÒN

NGOÀI THÉP HỢP KIM

1.1 Giới thiệu về phương pháp mài tròn ngoài

1.2 Quá trình cắt gọt khi mài

1.3 Hình học, động học quá trình mài tròn ngoài

1.4 Động lực học quá trình mài tròn ngoài

1.5 Đá mài

1.6 Tối ưu hóa khi mài tròn ngoài thép hợp kim

Trình tự giải quyết một bài toán tối ưu nói chung như sau:

1 Đặt vấn đề công nghệ: xem xét vấn đề công nghệ cần được giải quyết và chọn ra những yếu tố ảnh hưởng chính

2 Xây dựng được mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng và hàm mục tiêu

3 Tìm thuật giải

4 Phân tích và đánh giá kết quả thu được

1.7 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.7.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Ngày nay với sự phát triển về công nghệ thông tin và tự động hóa

đã mang đến những hướng nghiên cứu mới M Sedighi, D Afshari trong công trình nghiên cứu [29] đã sử dụng phương pháp trí tuệ nhân tạo mạng nơron vào việc xác định mối quan hệ thực nghiệm, các tác giả R.Saravanan, P.Asokan, M.Sachidanandam [34] đã sử dụng giải thuật di truyền trong bài toán tối ưu hóa quá trình mài phẳng hay Vishnupad P, Shin Y C [39] đã sử dụng mạng logic mờ giải bài toán tối ưu hóa quá trình mài

1.7.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam thì việc ứng dụng các phương pháp mới như trí tuệ nhân tạo vào công nghệ mài còn hạn chế Trong những năm gần đây,

có một số công trình nghiên cứu về mài như công trình [9] của tác giả Nguyễn Huy Ninh nghiên cứu phương pháp đánh giá tính cắt gọt của

đá mài Trong công trình nghiên cứu [15] của tác giả Trần Minh Đức

đã xây dựng được các chỉ tiêu để xác định tuổi bền của đá Tác giả Trần Đức Quý trong công trình nghiên cứu [16] đã xây dựng được

hàm toán học mô tả một số mối quan hệ thực nghiệm khi mài tròn ngoài thép 45 giữa độ nhám Ra, tuổi bền của đá mài T và lực cắt P với các thông số chế độ cắt Khi nghiên cứu về quá trình mài phẳng thép 45, tác giả Hoàng Văn Điện trong công trình [2] đã xây dựng được hàm toán học mô tả các mối quan hệ thực nghiệm giữa độ mòn, lực cắt và độ nhám bề mặt với chế độ cắt Tác giả Phùng Xuân Sơn trong công trình nghiên cứu [5] đã thiết lập được các mối quan hệ thực nghiệm của rung động với chế độ cắt, độ nhám, lực cắt và thời gian mài trong quá trình mài phẳng thép 45

Có thể thấy trong các nghiên cứu trên dừng lại ở việc tìm ra được hàm quan hệ toán học dựa trên một chỉ tiêu nào đó mà chưa có một công trình nghiên cứu nào đề cập đến vấn đề tối ưu hóa đa mục tiêu khi mài các loại thép hợp kim Việc xây dựng và giải quyết bài toán tối ưu đa mục tiêu có ý nghĩa rất lớn nhằm khắc phục những khó khăn trong việc điều khiển thích nghi quá trình mài tròn ngoài với mục đích kiểm soát đồng thời chất lượng sản phẩm và năng suất gia công

Trong luận án này tác giả sẽ tiến hành xây dựng và giải quyết bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu thỏa mãn đồng thời về năng suất gia công

và độ nhám bề mặt chi tiết nhằm mục đích tiến đến điều khiển thích nghi quá trình mài tròn ngoài thép hợp kim

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MỐI QUAN HỆ CỦA MỘT SỐ ĐẠI LƯỢNG TRONG QUÁ TRÌNH MÀI

TRÒN NGOÀI

Sơ đồ dưới đây phân tích sự phụ thuộc lẫn nhau giữa các đại lượng đầu vào, đại lượng trung gian và đại lượng đầu ra [6, 21]

Hình 2.1 Sơ đồ mối quan hệ phụ thuộc giữa các đại lượng trong quá trình mài

2.1 Độ nhám bề mặt chi tiết máy khi mài

- Ảnh hưởng của lượng chạy dao dọc

Khi tăng Sd thì biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi sẽ ảnh hưởng

lớn hơn do đó nhám bề mặt tăng

- Ảnh hưởng của tốc độ cắt

Khi tăng tốc độ cắt thì nhiệt cắt lúc đầu tăng nhanh, sau khi đạt độ lớn nhất định thì cường độ tăng chậm lại Nhiệt cắt tăng làm tăng nhám bề mặt chi tiết [16]

Đại lượng điều chỉnh

- Lượng chạy dao

- Tốc độ chi tiết

- Tốc

độ cắt

Các điều kiện sửa đá

- Áp lực dẫn

- Khối lượng

Các đại lượng của quá trình

Lấy vật liệu với tác động của cơ và nhiệt

Độ mòn cơ học dưới tác động về hóa học, cơ học

và nhiệt Lực cắt

Các đại lượng nhiễu:

Rung động Nhiệt độ

Tính công nghệ

Chi tiết:

- Độ chính xác hình dạng

- Độ chính xác kích thước

- Chất lượng bề mặt

- Ảnh hưởng ở khu vực bên cạnh

Đá mài:

- Mòn

- Sự biến đổi cấu trúc

Dung dịch trơn nguội:

- Bẩn

Tính kinh tế

- Hiệu suất gia công

- Chi phí sản xuất

- Ảnh hưởng của chiều sâu cắt

Khi tăng chiều sâu cắt thì rung động trong quá trình cắt tăng do đó nhám bề mặt tăng

- Ảnh hưởng của tốc độ quay của chi tiết

Khi tăng tốc độ quay của chi tiết sẽ làm tăng dao động và dẫn đến nhám bề mặt tăng

b) Ảnh hưởng của độ cứng vật liệu gia công

Độ cứng của vật liệu gia công tăng thì chiều cao nhấp nhô tế vi giảm và hạn chế ảnh hưởng của tốc độ cắt đến chiều cao nhấp nhô tế

vi [14]

c) Ảnh hưởng của thành phần thép hợp kim

2.2 Lực cắt khi mài tròn ngoài

b) Ảnh hưởng của độ cứng vật liệu chi tiết gia công

Khi tăng độ bền và độ cứng của vật liệu gia công sẽ làm giảm hệ

số co rút phoi và độ lớn trượt tương

đối, làm giảm công biến dạng và và

công tạo phoi, tức là làm giảm lực cắt

Mặt khác khi tăng độ bền và độ cứng

thì tải trọng lên bề mặt trượt tương ứng

sẽ tăng làm tăng công biến dạng, công

tạo phoi và do đó tăng lực cắt [1]

c) Ảnh hưởng của kích thước chi

tiết gia công

Khi mài thô, kích thước của chi tiết gia công có ảnh hưởng đến lực cắt Khi đường kính d < d với cùng một chiều sâu cắt t thì năng

Hình 2.6 Mô tả quá trình mài hai chi

tiết có đường kính khác nhau

Chi tiết 2

lượng để hớt bỏ thể tích vật liệu V2 sẽ lớn hơn, dẫn đến lực cắt khi mài chi tiết 2 lớn hơn so với lực cắt khi mài chi tiết 1

2.3 Rung động khi mài tròn ngoài

2.3.1 Rung động khi mài tròn ngoài

Rung động của một đối tượng là một trạng thái chuyển động qua lại của đối tượng đó quanh một vị trí cân bằng Rung động bao gồm rung động cưỡng bức và rung động tự kích thích

2.3.2 Phân tích ảnh hưởng của rung động đến độ nhám bề mặt chi tiết khi mài tròn ngoài

Khi hệ thống công nghệ có rung động, độ sóng và độ nhấp nhô tế

vi dọc sẽ tăng nếu lực cắt tăng và chế độ cắt tăng [14]

CHƯƠNG 3 TRANG THIẾT BỊ, VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM

VÀ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

3.1 Sơ đồ mô hình thí nghiệm

Hình 3.1 Sơ đồ mô hình thí nghiệm

Máy mài tròn Đá mài

Đo độ cứng

Chế độ cắt

Đo độ nhám bề mặt

Đo lực

Mô hình hóa số liệu thí nghiệm

Tối ưu hóa thông số chế độ cắt

Đo rung Chi tiết gia công

- Loại đá mài: Đá mài Hải Dương

- Dụng cụ sửa đá: Đầu sửa đá kim cương loại 3 hạt

3.2.3 Chi tiết gia công

- Vật liệu gia công: Sử dụng các

loại thép hợp kim 40X, 65, 9XC,

P18 nhiệt luyện đạt các độ cứng

40HRC, 50HRC và 60HRC

- Kích thước chi tiết: Đường kính

phần gia công của các chi tiết là

20mm, 30mm và 40mm

3.2.4 Thiết bị đo độ cứng

Các mẫu thí nghiệm sau khi nhiệt luyện sẽ được kiểm tra trên máy

đo độ cứng Rockwell JHR- 45C hãng SINOWON, Hàn Quốc

3.2.5 Thiết bị đo lực

Thiết bị đo lực cắt thuộc đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ Công thương [8] Trong quá trình mài lực dọc trục Px rất nhỏ nên chỉ xét hai thành phần Py và Pz:

Hình 3.4 Thiết bị đo lực trên máy mài tròn ngoài

1- Đá mài ; 2 - Chi tiết gia công ; 3 - Mũi tâm gắn cảm biến ; 4 - Tốc truyền mô men

3.2.6 Thiết bị đo rung

Thiết bị đo rung của hãng Bruel&Kjaer, Đan Mạch:

- Mô đun thu thập dữ liệu LAN-XI có 4 đầu vào và 2 đầu ra tần số đến 51.2kHz

- Mô đun phân tích PULSE FFT 7770, 1-3 kênh

Hình 3.3 Hình dạng và kích thước của

mẫu thí nghiệm đường kính 40mm

- Cảm biến gia tốc 3 phương TEDS Type 4525-B-001

Hình 3.8 Thiết bị đo rung động

a) Cảm biến gia tốc 3 phương x, y, z; b) Gắn đồng thời cảm biến lực và cảm biến gia tốc trên máy mài; c) Hiển thị kết quả đo trên màn hình máy tính

Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số có thể dùng phân tích phương sai (ANOVA) Khác với phân tích ANOVA, phân tích Taguchi sử dụng sử dụng hệ số tín hiệu SN để đánh giá kết quả, giúp lựa chọn thông số tối ưu với độ phân tán nhỏ, phân tích này xét đến được nhiều yếu tố kể cả các yếu tố nhiễu

Tiến hành đo đồng thời lực cắt và rung động khi mài

Nếu kể đến ảnh hưởng của chế độ cắt và vật liệu gia công, ta có các hàm quan hệ như sau:

P = f(Sd, nw, t, HRC, dw) (3.8)

A = f(Sd, nw, t, HRC, dw) (3.9)

Ra= f(Sd, nw, t, HRC, dw) (3.10)

3.3.1 Thiết kế thực nghiệm đo lực cắt

a) Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số độ cứng vật liệu và đường kính chi tiết gia công đến lực cắt

Lực cắt được đo trên thiết bị đo lực cắt 2 thành phần bằng phần mềm Dasy Lab 10.0 Tiến hành sửa đá trước mỗi thí nghiệm

Thí nghiệm được tiến hành với thép hợp kim 9XC và kiểm nghiệm lại với các loại thép hợp kim: 40X, 65 và P18 nhiệt luyện đạt độ cứng 40, 50, 60HRC Đường kính của chi tiết thí nghiệm với 3 mức là 20mm, 30mm, 40mm Cố định chế độ cắt ở mức Sd = 0.5m/p;

nw = 150v/p; t = 0.01mm [8] Với 2 thông số đầu vào thay đổi với 3 mức thí nghiệm, chọn bảng trực giao Taguchi L9 như sau:

Bảng 3.4 Bảng trực giao Taguchi L9 với các thông số thí nghiệm

Để xét ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào, sử dụng hệ số tín hiệu

SN(Signal to noise ratio):

y SN

Hệ số SN của

độ cứng

Hệ số SN của đường kính

Dải R rộng hơn thì ảnh hưởng

của các biến trong quá trình gia

công cũng rộng hơn Nguyên

nhân là do sự thay đổi giống nhau

trong tín hiệu gây ra ảnh hưởng

rộng hơn ở đầu ra biến được đo

Như vậy có thể thấy rằng độ cứng

vật liệu có ảnh hưởng nhiều hơn

đường kính chi tiết gia công Với

mức độ ảnh hưởng khá ít, thông

số đường kính chi tiết gia công sẽ

được coi là thông số không điểu khiển Như vậy, với chi tiết gia công

ta chỉ điều khiển thông số độ cứng của vật liệu

b) Đánh giá mức độ ảnh hưởng của chế độ cắt đến lực cắt

Tiến hành đánh giá mức độ ảnh hưởng giống như cách làm trên

tìm được các biến điều khiển chính là Sd và t

Như vậy cần xây dựng mô hình

toán học: P = f(S d, t, HRC)

3.3.2 Thiết kế thực nghiệm đo

rung động

a) Mô hình hóa rung động

trên máy mài tròn ngoài

Phương trình vi phân dao động:

M x b x Cx  Fsin( t  )(3.7)

Hình 3.15 Đồ thị lực cắt P y và P z khi mài thép 40X (Sd = 0.5m/p; nw = 200v/p; t = 0.02mm)

Hình 3.17 Mô hình hóa rung động của hệ

đá mài – chi tiết (nguồn [34])

Nghiệm của phương trình vi phân là: xp(t) = Asin(t +  - ) (3.10)

Để tránh hiện tượng cộng hưởng cần điều khiển lực cắt để tần số của lực kích động không trùng với tần số dao động riêng Để xác định tần số dao động riêng của hệ trục chính, ta cho máy mài chạy không tải Cảm biến gia tốc được gắn cho hai trường hợp trên trục đá mài và trục phôi để đo rung động trong trường hợp chạy không tải

Để xác định được phạm vi của dải tần số dao động riêng này có thể

sử dụng một số phương pháp như: Thử bằng búa, thử bằng bộ rung hoặc dùng phân tích Modal

Sử dụng phân tích Modal được tích hợp trong phần mềm PULSE 17.0, dự đoán miền tần số dao động riêng của hệ trục chính nằm trong khoảng từ 0 đến 100Hz Trong tài liệu [39] đã đưa ra dải tần số dao động riêng của trục đá nằm trong khoảng tử 0 đến 100Hz

Hình 3.18 Đồ thị rung động dạng phổ trong trường hợp chạy không

Tiến hành đo rung động trong quá trình mài theo bảng thực nghiệm 3.10, đồ thị kết quả cho một thí nghiệm như hình 3.19 Trong dải tần số ≤ 100Hz, lựa chọn những đỉnh có biên độ gia tốc lớn nhất làm số liệu tính toán

4 Autospectrum(X) - File (Real) \ FFT

Hình 3.19 Đồ thị rung động dạng phổ khi mài thép 9XC với độ cứng 30HRC và

cơ sở để xây dựng các mô hình toán học ở chương 4

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG MỘT SỐ MÔ HÌNH TOÁN HỌC

KHI MÀI TRÒN NGOÀI THÉP HỢP KIM

4.1 Xây dựng mô hình toán học độ nhám bề mặt

Theo kết quả đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số ở chương 3, ta có thể xây dựng được hàm quan hệ như sau:

Ra = f(Sd, nw, t, HRC) (4.1)

4.1.1 Thí nghiệm với thép 9XC

Bảng 4.1 Điều kiện thí nghiệm

+1

Mức cơ sở

0

Mức dưới -1

Tốc độ quay của chi tiết nw, v/p 200 150 100 50

Chọn phương án mô hình hóa bậc 1 rút gọn, 4 nhân tố, mỗi nhân

tố thay đổi theo 2 mức Như vậy số thí nghiệm cần thực hiện là N =

24 = 16 thí nghiệm [12, 13]

Mô hình toán học bậc 1 rút gọn có dạng:

y = b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b4x4 (4.2) Trong đó: xi - là logarit cơ số e của các biến Sd, nw, t, HRC

y - là logarit cơ số e của hàm độ nhám Ra

Hoặc có thể viết dưới dạng ma trận như sau:

Trong đó: