tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu ảnh hưởng của đường kính đá mài khi thay đến giá thành mài tròn ngoài

Tính cấp thiết của đề tàiGia công mài tròn ngoài được sử dụng rất rộng rãi trong ngành chế tạo cơ khí để gia công chính xác các chi tiết hình trụ và các chi tiết dạng tròn xoay khác nhau

1 Tính cấp thiết của đề tài

Gia công mài tròn ngoài được sử dụng rất rộng rãi trong ngành chế tạo cơ khí

để gia công chính xác các chi tiết hình trụ và các chi tiết dạng tròn xoay khác nhau.Với gia công mài ngoài, vận tốc cắt của đá vđ=π.D.n/60000 (m/s) là một nhân tố rấtπ.D.n/60000 (m/s) là một nhân tố rấtquan trọng, quyết định đến năng suất, giá thành và lợi nhuận của quá trình gia công

Từ công thức trên ta thấy, nếu số vòng quay trục đá mài là không đổi thì khi tuổi thọcủa đá rất nhỏ (đá mài còn mới) thì vận tốc của đá cao và sẽ cho năng suất mài cao.Tuy nhiên, với cùng một giá thành của một viên đá mài, giá thành đá mài/h sẽ caonếu tuổi thọ của đá rất nhỏ (hay đường kính đá khi thay lớn) Ví dụ nếu giá đá mài300.000 đ/viên, tuổi thọ đá là 5 h thì giá thành đá mài/h sẽ là 60.000 đ/h Ngược lại,giá thành đá mài/h sẽ rất nhỏ nếu tuổi thọ của đá lớn (hay đường kính đá khi thaynhỏ) Ví dụ với cùng giá đá mài như trên, tuổi thọ đá là 200 h thì giá thành đá mài/h

sẽ là 1500 đ/h Tuy nhiên, khi này do đường kính đá sẽ rất nhỏ nên vận tốc của đá sẽrất thấp và dẫn đến năng suất mài sẽ rất thấp Như vậy, đường kính của đá khi thayhay tuổi thọ của đá sẽ ảnh hưởng lớn đến năng suất và giá thành mài Thêm vào đó,

sẽ tồn tại một giá trị đường kính của đá khi thay (hay tuổi thọ của đá) tối ưu mà với

nó năng suất mài sẽ cao nhất và giá thành mài là nhỏ nhất

- Trên thực tế điều kiện sản xuất cơ khí ở Việt nam, hầu hết các máy mài trònngoài đều có tốc độ quay của trục đá là không đổi (ví dụ: một số máy mài tròn ngoàivạn năng như: 3B10 có nđ =π.D.n/60000 (m/s) là một nhân tố rất 2800v/ph, 3P10A có nđ =π.D.n/60000 (m/s) là một nhân tố rất2800v/ph, 3Y10C có nđ=π.D.n/60000 (m/s) là một nhân tố rất 2800v/

ph, 3E12 có nđ=π.D.n/60000 (m/s) là một nhân tố rất 1930v/ph, 3132 có nđ=π.D.n/60000 (m/s) là một nhân tố rất 1112v/ph, 3M12 có nđ=π.D.n/60000 (m/s) là một nhân tố rất 2300v/ph), nên tuổithọ của đá là nhân tố ảnh hưởng lớn đến năng suất và giá thành mài Thêm vào đó,các cơ sở sản xuất ở nước ta có thói quen sử dụng đá mài đến khi không thể dùngđược nữa (mài đến sát bích kẹp đá) mới thôi vì họ cho rằng sử dụng đá mài như vậy

sẽ tiết kiệm Khi sử dụng như vậy, do đường kính đá nhỏ nên vận tốc cắt của đá thấp,dẫn đến năng suất mài giảm, và giá thành mài tăng Vì lý do đó, việc xác định ảnhhưởng của đường kính đá mài khi thay (hay tuổi thọ của đá) đến năng suất và giáthành khi gia công mài có ý nghĩa thực tiễn quan trọng trong sản xuất mài ở nước ta

- Trên thực tế có rất nhiều sản phẩm chính xác cần nguyên công mài trònngoài Ví dụ như các loại chầy cối dập thuốc, chày dập vỏ kẽm của các loại pin, chàydập thép tấm vv Nguyên công mài tinh này đã chiếm tỷ trọng khá lớn về thời gian

chế tạo và giá thành của sản phẩm Chính vì vậy “Nghiên cứu ảnh hưởng của

đường kính đá mài khi thay đến giá thành mài tròn ngoài” là rất cần thiết và cấp

- Xây dựng các công thức tính toán tuổi bền tối ưu theo các hàm đơn mục tiêu

3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là tuổi bền tối ưu của đá mài cho quá trình màitròn ngoài với bài toán đơn mục tiêu

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết:

- Dựa trên các bài toán tối ưu đơn mục tiêu đã nghiên cứu xây dựng bài toántối ưu đơn mục tiêu dưới dạng tổng quát

- Phân tích các phương pháp giải bài toán tối ưu để lựa chọn phương phápthích hợp giải bài toán tối ưu tuổi bền của đá mài

- Sử dụng phương pháp phân tích hồi quy để xây dựng các công thức tính tuổibền tối ưu của đá mài

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

5.1 Ý nghĩa khoa học

Về mặt khoa học đề tài phù hợp với xu thế phát triển công nghệ trong và ngoàinước về gia công mài tròn ngoài Xác định tuổi bền tối ưu của đá mài là một côngviệc mang tính chất khoa học

Tuổi bền tối ưu của đá mài là thông số rất quan trọng Nó có ảnh hưởng lớnđến năng suất và giá thành chi tiết gia công Thêm vào đó việc xác định được đườngkính tối ưu của đá mài khi thay hợp lý sẽ đạt hiệu quả cac về năng suất và giá thànhmài tròn ngoài

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Các kết quả nghiên cứu sẽ xác định được giá trị hợp lý của đường kính đá màikhi thay đến năng suất và giá thành mài tròn ngoài Việc đưa ra các công thức xácđịnh tuổi bền tối ưu của đá mài sẽ góp phần nâng cao năng suất, hạ giá thành sảnphẩm và tăng lợi nhuận của quá trình gia công

6 Nội dung của đề tài

Ngoài lời nói đầu, tài liệu tham khảo, phụ lục, nội dung chính của đề tài gồm 6chương Nội dung chính của các chương như sau:

Chương 1: Giới thiệu

Nội dung chính là tìm hiểu về gia công mài, mài tròn ngoài và các thông số cơbản của quá trình mài tròn ngoài

Chương 2: Tổng quan về tối ưu hóa quá trình mài tròn ngoài

Tìm hiểu tổng hợp các kết quả nghiên cứu đã công bố và từ các nghiên cứu đã

có, định hướng vấn đề nghiên cứu

Chương 3: Xây dựng bài toán tối ưu hóa giá thành để xác định đường kính tối ưu của đá mài khi thay.

1 Phân tích giá thành gia công mài tròn ngoài

- Thời gian cơ bản khi mài

- Thời gian mài

2 Xây dựng bài toán tối ưu

Chương 4: Các phương pháp giải bài toán tối ưu và lựa chọn phương pháp giải.

- Nghiên cứu các phương pháp giải bài toán tối ưu

- Đưa ra phương pháp giải bài toán tối ưu

Chương 5: Lập trình giải bài toán tối ưu.

Sử dụng các phần mềm Pascal for Win để lập trình giải bài toán tối ưu

Chương 6: Phân tích kết quả và xây dựng công thức tính đường kính tối

ưu của đá khi thay thế

- Phân tích các kết quả đạt được sau khi giải bài toán tối ưu

- Xây dựng được công thức tính đường kính tối ưu của đá khi thay thế

Chương 7: Kết luận và đề xuẩt

Chương 1: GIỚI THIỆU

1.1 Giới thiệu về gia công mài và mài tròn ngoài

Quá trình mài là quá trình cắt gọt vật liệu bằng các hạt mài có độ cứng cao Cáchạt mài được giữ chặt trong đá mài bằng chất dính kết Do những đặc điểm của quátrình mài, đặc biệt là khả năng gia công các vật liệu có độ cứng và độ bền cao cho độchính xác và độ nhẵn bóng bề mặt cao nên phương pháp mài có vị trí quan trọngtrong gia công cơ khí hiện đại Trong tổng số các máy công cụ, máy mài chiếm đến30%, còn trong một số ngành đặc biệt như chế tạo vòng bi máy mài chiếm đến 60%[1] Mặc dù được sử dụng cả trong gia công thô nhưng chỉ trong gia công tinh thìnhững ưu thế của phương pháp mài mới thực sự được phát huy hiệu quả, vì vậy màithường được chọn là nguyên công gia công tinh lần cuối các bề mặt quan trọng [2]

1.1.1 Mài và các đặc điểm cơ bản của mài

1.1.2 Khả năng công nghệ của mài

1.1.3 Các đặc điểm của mài tròn ngoài

1.1.3.1 Đặc điểm công nghệ

1.1.3.2 Yêu cầu về truyền động

1.1.3.3 Ưu, nhược điểm của phương pháp mài tròn ngoài

1.2 Các thông số cơ bản của quá trình mài tròn ngoài

1.2.1.5 Cấu trúc của đá mài

1.2.1.6 Hình dáng của đá mài

1.2.2 Chế độ bôi trơn- làm nguội khi mài

1.2.2.1 Vai trò của dung dịch trơn nguội trong gia công cắt gọt

1.2.2.2 Hiệu quả kinh tế của việc sử dụng dung dịch trơn nguội

1.2.2.3 Các đặc tính của dung dịch trơn nguội

1.2.2.4 Các phương pháp bôi trơn – làm nguội khi mài

- Để nâng cao hiệu quả của quá trình mài tròn ngoài như giảm thời gian giacông và nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết, cần tối ưu các thông số của quá trình màinhư: chế độ cắt, chế độ sửa đá, chế độ bôi trơn- làm nguội, lựa chọn đá mài…

- Đường kính đá mài khi thay (hay tuổi thọ của đá) cũng là nhân tố ảnh hưởnglớn đến năng suất và giá thành của nguyên công mài Có thể nâng cao hiệu quả củaquá trình mài (tăng năng suất, giảm giá thành hay tăng lợi nhuận của quá trình mài)bằng cách thực hiện việc xác định và sử dụng đường kính tối ưu của đá khi thay (haytuổi thọ tối ưu của đá)

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH MÀI TRÒN NGOÀI

2.1 Tổng quan về tối ưu hóa quá trình mài tròn ngoài

Mài là một quá trình ngẫu nhiên, trong đó một số lượng lớn hạt mài với kíchthước, hình dạng và thông số hình học thay đổi theo thời gian gia công Do vậy, màicòn được gọi là quá trình cắt bằng dụng cụ cắt có lưỡi cắt không xác định Quá trìnhgia công kim loại rất phức tạp lên quan đến các hiện tượng cắt (cutting), trượt(rubbing), cày (ploughing) tùy thuộc vào tương tác giữa hạt mài và vật liệu gia công

Do cấu trúc hình học tế vi bề mặt đá rất phức tạp, sự sắp xếp các hạt mài, sự tạo

ra các lưỡi cắt trên hạt mài là ngẫu nhiên nên việc điều khiển quá trình mài gặp nhiềukhó khăn Quá trình mài là quá trình cào xước tế vi bề mặt, nên phoi tạo ra rất nhỏnên mài có khả năng đạt độ chính xác và độ nhẵn bề mặt cao Mài là quá trình giacông tinh và thường được đặt ở cuối quy trình công nghệ Trong tổng số máy công

cụ, máy mài chiếm đến 30%, trong một số ngành đặc biệt máy mài chiếm đến 60%

Chất lượng và giá thành của nguyên công mài có ảnh hưởng mạnh mẽ tới chấtlượng và giá thành của chi tiết máy Nâng cao chất lượng chi tiết đồng thời giảm giáthành gia công là mục tiêu của quá trình tối ưu hóa Do đó, đã có nhiều nghiên cứutrong và ngoài nước nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số tới quá trình mài hoặctối ưu hóa quá trình mài tròn ngoài Các nghiên cứu đã tối ưu hóa rất nhiều mặt củaquá trình mài như tối ưu hóa chế độ tưới nguội, tối ưu hóa chế độ sửa đá, tối ưu hóachế độ cắt khi mài vv Cụ thể về các nghiên cứu này như sau:

2.1.1 Tối ưu hóa chế độ tưới nguội

2.1.2 Tổng quan nghiên cứu về tối ưu hóa chế độ tưới nguội

2.1.3 Tối ưu hóa chế độ sửa đá

2.1.4 Các nghiên cứu về tối ưu hóa chế độ cắt khi mài

2.2 Kết luận

- Cho đến nay có nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước về tối ưu hóa cácthông số của quá trình mài tròn ngoài Các nghiên cứu tập trung về tối ưu hóa chế độ

tưới nguội, tối ưu hóa chế độ công nghệ sửa đá, tối ưu hóa chế độ cắt khi mài vv Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có nghiên cứu nào đề cập đến vấn đề tuổi thọ tối ưucủa đá mài hay đường kính tối ưu của đá mài khi thay

- Nghiên cứu xác định đường kính tối ưu của đá khi thay (hay tuổi thọ tối ưucủa đá mài) trong gia công mài tròn ngoài là rất cần thiết và cấp bách

Chương 3:

XÂY DỰNG BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA GIÁ THÀNH ĐỂ XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG

KÍNH TỐI ƯU CỦA ĐÁ MÀI KHI THAY

3.1 Đặt vấn đề

Gia công mài nói chung và mài tròn ngoài nói riêng là gia công rất quan trọng

và được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp kỹ thuật Đặc biệt, mài trònngoài được sử dụng rất phổ biến và hiệu quả để gia công chính xác các loại chi tiếthình trụ khác nhau Chính vì vậy nên cho đến nay đã có rất nhiều các nghiên cứu vềgia công mài nói chung cũng như mài tròn ngoài nói riêng Các nghiên cứu về màiđược tiến hành trên rất nhiều mặt của quá trình mài như cơ sở lý thuyết của quá trìnhmài, về ảnh hưởng của các thông số của quá trình đến chất lượng chi tiết gia công, vềtối ưu hóa các thông số công nghệ của quá trình mài, về ảnh hưởng của bôi trơn làmmát khi mài đến năng suất và chất lượng mài vv

Vấn đề tối ưu hóa trong gia công mài được các tác giả đặc biệt quan tâm.Trong [15] đã nghiên cứu tối ưu hóa quá trình mài nhằm đạt thời gian mài nhỏ nhất

mà vẫn đảm bảo chất lượng gia công Việc lựa chọn các thông số tối ưu trong quátrình mài như vận tốc quay của đá, vận tốc quay của phôi, chiều sâu sửa đá vv… đãđược giới thiệu trong [16], [17] cho mài phẳng, và trong [18], [19] trong mài tròntrong và trong [20, 21, 22 và 11] cho mài tròn ngoài Bên cạnh đó, vấn đề tối ưu hóa

đa mục tiêu cho quá trình mài cũng đã được khảo sát trong các nghiên cứu [23] và[24]

Từ các thống kê nói trên, có thể nói cho đến nay trên thế giới đã có khá nhiềunghiên cứu về gia công mài nói chung và về mài tròn ngoài nói riêng Các nghiên cứunày trình bày về rất nhiều vấn đề của quá trình mài như cơ sở lý thuyết của quá trìnhmài, về mô phỏng các quá trình mài, các hệ thống mài chuyên gia, các thông số tối ưucủa quá trình, về bôi trơn làm mát khi mài, về tuổi bền của đá và các thông số ảnhhưởng đến nó vv Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có nghiên cứu nào của các tácgiả trên thế giới xác định đường kính tối ưu của đá mài khi thay thế (hay tuổi thọ tối

ưu của đá) nhằm đạt giá thành mài là nhỏ nhất Nghiên cứu này nhằm xây dựng bài

toán tối ưu hóa giá thành để xác định đường kính tối ưu của đá khi thay.

3.2 Phân tích giá thành quá trình gia công mài tròn ngoài

Trong gia công mài tròn ngoài, giá thành của nguyên công này cho 1 sản phẩmCct có thể xác theo công thức sau:

n m n

C ,  / (3.3)

2 /

,n m lx

C  (3.4)

dtm n gtx n

C ,  , . (3.5)

m n

C ,  ( 0 03  0 08 ) (3.6)

hslv tcs n sd n

C ,  , . (3.7)

hslv n ng ca h ng ca

T  , . , . , . (3.8)

Trong các công thức trên, Cm là giá thành của máy mài tròn ngoài (đ); Tn là sốnăm khấu hao của máy (năm); xlx là mức lãi xuất hàng năm (1/năm); Cgtx,n là giá thànhthuê nhà xưởng hàng năm (đ/(m2.năm); Adtm là diện tích vùng đặt máy trong nhàxưởng (m2 ); e là giá điện năng (đ/kWh); Ptcs là tổng công suất của máy mài (kW);

dhslv là hệ số làm việc (%); xca,ng là số ca làm việc trong một ngày; th,ca là số giờ làmviệc trong 1 ca (h/ca); dng,n là số ngày làm việc trong một năm (ngày/năm).

xhslv là hệ số làm việc Trên thực tế, hệ số làm việc thường bằng 0.7÷0.8 [31].Khi tuổi thọ của đá mài giảm thì nó sẽ giảm vì khi này tỉ số giữa thời gian thay đá vàtuổi thọ của đá tăng lên Trong trường hợp này, hệ số làm việc có thể xác định theocông thức sau:

đ tđ

x  ( 0 7  0 8 )  / (3.0)

Trong đó, ttđ là thời gian thay một viên đá mài (h); Tđ là tuổi thọ của 1 viên đámài (h) (bao gồm thời gian mài, thời gian chạy hết hoa lửa, thời gian gá lắp và tháochi tiết và thời gian sửa đá)

Clg,h – Chi phí giờ lương bao gồm cả chi phí quản lý (đ/h); Clg,h có thể tính toántheo công thức sau:

hslv n ng ca h ng ca

n ng ca h ng ca h ql h

sd

n h

x d t x

d t x C C

T

C

C

.

).

(

, , ,

, , , ) ( ) lg(

lg, lg,

x

C C

Clg,  lg( ) ( ) ( 3.0)

Trong đó:

C lg,n - chi phí lương cả năm bao gồm cả chi phí quản lý (đ/năm);

đ ct v đ ct

tđ đ

t

d d

0 ,

Với T đ là tuổi bền của đá mài (h) Tuổi bền tối ưu của đá mài có thể chọn từ 10

đến 30 phút [32]; T 0 - thời gian cơ bản khi mài (h); T 0 sẽ được xử lý cụ thể trongphần 3.2.2

3.2.1 Thời gian cơ bản khi mài

Thời gian mài bao gồm cả các thời gian phụ (h) có thể xác định theo công thứcsau:

ct tđ ct sđ d gl

T  0    ,  , (3.14)

Trong đó:

Tgl - thời gian gá và tháo chi tiết gia công (h);

T d - thời gian mài hết tia lửa (h);

sđ ct

sđ ct

T T

, ,  (3.15)

Với T sđ là thời gian sửa đá (h); Thay (3.13) vào (3.15) ta có:

đ

sđ ct

sđ

T

T T

tđ ct

tđ

N

T T

, ,  (3.17)

Trong đó T tđ là thời gian thay đá mài (h);

Thay (3.12) vào (3.17) ta có:

) (

) (

2

0 ,

, ,

tđ sđ

ct

sđ sđ m tđ ct

tđ

D D n

t T

3.2.2 Thời gian mài

Trong gia công mài tròn ngoài, thời gian mài được xác định theo công thức sau:

d S

S

z l

z – lượng dư gia công khi mài (mm);

l - chiều dài mài của chi tiết (mm);

S d – lượng chạy dao dọc khi mài (mm/ph); S d phụ thuộc vào nhiều thông số

như đường kính chi tiết mài d ct (mm), số vòng quay của chi tiết trong một phút n ct (v/

ph), chiều rộng của đá mài b đ (mm) Dựa trên các số liệu của [33], các công thức hồi

quy sau đã được xây dựng để tính toán lượng chạy dao dọc khi mài S d:

-Khi mài đạt cấp chính xác 6 (công thức hồi quy có hệ số xác định 2 0 9808



R

):

9841 0 1093 1 0749

2557

1866

2005

 0 2194 4922

0 9331

3605

S nb   ct  d   (3.24)

1

k - hệ số phụ thuộc vào vật liệu chi tiết gia công và cấp chính xác; Từ các số

liệu của [33], công thức hồi quy sau đã được xây dựng để tính toán k 1:

- Với vật liệu gia công là thép các bon kết cấu, thép crom, niken, mangan,thép các bon dụng cụ k1 xác định theo phương trình hồi quy sau (với

k - hệ số phụ thuộc vào đường kính đá mài d đ và vận tốc vòng của đá v đ; Từ

các số liệu của [33], công thức hồi quy sau đã được xây dựng để tính toán hệ số c 2

(với R2  0 9945):

4984 0 7147 0

k  (3.25)

3

k - hệ số phụ thuộc vào dạng mài và phương pháp đo; khi mài tròn ngoài, đo

bằng ca-líp thì k3=π.D.n/60000 (m/s) là một nhân tố rất1; nếu đo bằng pan me và thước cặp thì k3=π.D.n/60000 (m/s) là một nhân tố rất0,8 [28]

lượng mài cần giảm lượng tiến dao ngang Trên thực tế, tùy thuộc vào cơ sở gia công,lượng tiến dao ngang có thể không thay đổi trong một khoảng thời gian nào đó hoặcgiữ cố định suốt tuổi thọ của đá Giả thiết nếu lượng tiến dao ngang được cố địnhtheo từng khoảng thời gian mà nó có thể xác định bởi các lần sửa đá trong mỗikhoảng chu kỳ làm việc nck (nck=π.D.n/60000 (m/s) là một nhân tố rất3; 4; 5 ) Khi này hệ số k2 và lượng tiến dao ngang

Sn có thể xác định theo đường kính của đá mài tại thời điểm cuối mỗi chu kỳ làmviệc

3.3 Bài toán tối ưu hóa giá thành

Bài toán tối ưu hóa giá thành khi mài tròn ngoài có thể biểu diễn dưới dạngtoán học như sau:

) ( minC  ct f d tđ (3.26)

Với các ràng buộc sau:

Chương 4: PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU

4.1 Các phương pháp giải bài toán tối ưu

a Phương pháp hàm phạt

b Phương pháp gradien

c Phương pháp các nhân tử Lagrange:

d Phương pháp tìm kiếm trực tiếp

e Phương pháp Rosenbrock H.H.

f Phương pháp biến đổi đơn hình( Hay Phương pháp Simplex)

g Phương pháp lát cắt vàng.

4.2 Lựa chọn phương pháp giải

- Chọn phương pháp giải là phương pháp lát cắt vàng Với phương pháp nàyviệc lựa chọn để tìm ra các đoạn (khoảng) cực đại và cực tiểu nhanh chóng hơn

Chương 5: LẬP TRÌNH GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU

Phần mềm Pascal for Window đã được sử dụng để giải bài toán tối ưu hóa giáthành đã được thiết lập (xem Phần 2) Như đã nêu ở chương 4, bài toán tối ưu hóa giáthành được giải bằng việc ứng dụng phương pháp lát cắt vàng với mục tiêu đạt được

là giá thành chi tiết gia công khi mài tròn ngoài là nhỏ nhất