Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố chế độ cắt đến chi phí năng lượng riêng và chất lượng bề mặt gia công trên máy phay x6332z

Có nhiều nguyên nhân làm cho chi phí sản xuất cao, chất lượng sản phẩm thấp nhưng trong đó có nguyên nhân chính là chưa có nghiên cứu tạo lập cơ sở khoa học xác định ảnh hưởng của các yế

LÊ ĐỨC MẬU

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG RIÊNG VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY X6332Z

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2012

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hoá nông lâm nghiệp

Mã Số: 60.52.14

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS HOÀNG VIỆT

Hà Nội - 2012

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được bản luận văn này, trong suốt thời gian qua tôi đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ của nhiều tập thể và cá nhân Nhân dịp này cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới thầy giáo

hướng dẫn khoa học TS Hoàng Việt đã dành nhiều thời gian chỉ bảo tận tình

và cung cấp nhiều tài liệu có giá trị cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp của mình

Tôi trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu cùng cán bộ giáo viên, công nhân viên chức Trường Đại học Lâm nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành nhiệm vụ;

Chân thành cảm ơn lãnh đạo trường Cao đẳng nghề LILAMA.1, nơi tôi công tác, đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho chúng tôi tiến hành thí nghiệm, khảo nghiệm máy và ứng dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất

Tôi trân trọng cảm ơn CBVC Công ty cổ phần cơ khí lắp máy LILAMA, Ninh Bình, Trung tâm thực nghiệm Khoa Cơ khí chế tạo- Trường cao đẳng nghề cơ giới Ninh Bình, cùng các đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ, đóng góp những ý kiến bổ ích trong việc gia công khảo nghiệm thực tế, hoàn thiện các kết quả luận văn

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Những nội dung tham khảo, trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc

Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 12 tháng 08 năm 2012

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Lê Đức Mậu

MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn i

Mục lục ii

Danh mục các chữ viết tắt iv

Danh mục các ký hiệu sử dụng trong luận văn iv

Danh mục các bảng vii

Danh mục các hình viii

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Tình hình nghiên cứ u gia công cắt gọt bằng phương pháp phay và máy phay trên thế giới 3

1.2 Công nghệ và thiết bị gia công phay trong sản xuất ở Việt Nam 8

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của vấn đề nghiên cứu 12

Chương 2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13

2.1 Mục tiêu nghiên cứu 13

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 13

2.3 Nội dung/ nhiệm vụ nghiên cứu 14

2.4 Phương pháp nghiên cứu 14

2.4.1 Các phương pháp nghiên cứu chung 14

2.4.2 Nội dung và phương pháp luận nghiên cứu thực nhiệm 16

Chương 3 CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 29

3.1 Khả năng công nghệ và các thông số kỹ thuật của máy phay X6332Z 29 3.2 Động học và động lực học quá trình phay 30

3.2.1 Động học của quá trình phay 30

3.2.2 Động lực học của quá trình cắt 35

3.3 Các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến chỉ tiêu chi phí năng lượng riêng 40

3.4.1 Chất lượng bề mặt gia công 42

3.4.2 Độ nhám bề mặt gia công 44

3.4.3 Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt gia công 45

3.4.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công 47

Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 52

4.1 Mục tiêu thực nghiệm và các tham số điều khiển 52

4.1.1 Mục tiêu thực nghiệm 52

4.1.2 Các tham số điều khiển và khoảng giới hạn của chúng 52

4.2 Thiết bị đo và phương pháp đo 53

4.3 Kết quả thực nghiệm đơn yếu tố 54

4.3.1 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt 54

4.3.2 Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt 57

4.4 Kết quả thực nghiệm đa yếu tố 62

4.4.1 Mã hóa các yếu tố ảnh hưởng và ma trận kế hoạch thí nghiệm 62

4.4.2 Xác định mô hình toán của hàm chi phí năng lượng riêng N r 63

4.4.3 Xác định mô hình toán của hàm độ nhám bề mặt R a 65

4.4.4 Chuyển phương trình hồi quy của các hàm mục tiêu về dạng thực 66

4.4.5 Xác định giá trị tối ưu của các thông số V, S 67

4.4.6 Gia công chi tiết với các thông số tối ưu V, S 69

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

X6332Z Mã hiệu máy phay

CNC Máy gia công cắt gọt điều khiển số

MAC Hãng sản xuất máy công cụ của Đức

PDM-600 Mã hiệu máy phay CNC của Đức

KDVM1000L Mã hiệu máy phay CNC của Nhật

OPT Phần mềm xử lí số liệu

TCVN 2511-95 Tiêu chuẩn Việt Nam

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

Ra Sai lệch profin trung bình cộng (độ nhám bề mặt) µm

Rz Chiều cao nhấp nhô của profin theo mười điểm µm

Δsm Sai lệch độ song song của mặt phẳng chi tiết gia công µm

ω Góc nghiêng của lưỡi cắt dao phay trụ răng xoắn độ

γ1 ; α Góc trước và góc sau đo trong tiết diện mặt đầu độ

γ ; αn Góc trước và góc sau đo trong tiết diện pháp A-A độ

h Chiều cao của răng dao phay trụ răng xoắn mm

f Chiều rộng mặt sau của dao phay trụ răng xoắn mm

A-A Tiết diện pháp của dao phay trụ răng xoắn

Tv Khoảng cách giữa hai răng kề nhau đo theo cung

tròn đường kính D:

mm

Tn Bước pháp tuyến đo trong tiết diện pháp A-A mm

Pz, Px, Py Hệ thống lực cắt của dao theo hướng tiếp tuyến,

pháp tuyến và theo chiều trục của dao

xmax Trị số thu thập lớn nhất của đại lượng nghiên cứu

xmin Trị số thu thập bé nhất của đại lượng nghiên cứu

x Sai số trung bình mẫu

S Sai tiêu chuẩn

S2 Phương sai mẫu

b Tiêu chuẩn bảng

∆% Sai số tương đối

Y Giá trị trung bình của đại lượng nghiên cứu

S Phương sai của thí nghiệm thứ u với số lần lặp lại mu

mu Số lần lặp lại ở mỗi điểm thí nghiệm

Yui Giá trị của thông số ra tại điểm u, lần lặp thứ i

 Hàm tối ưu tổng quát

nct Dung lươ ̣ng mẫu cần thiết

τ Chỉ tiêu Student

Gtt Giá trị tính toán

Gb Giá trị thống kê chuẩn Kohren

DANH MỤC CÁC BẢNG

4.1 Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm chi phí năng lượng

4.2 Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm độ nhám bề mặt khi

4.3 Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm chi phí năng lượng

4.4 Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm độ nhám bề mặt khi

4.6 Ma trận thí nghiệm kế hoạch trung tâm hợp thành 63

3.3 Thành phần kết cấu của dao phay trụ răng xoắn 31 3.4 Quỹ đạo lưỡi cắt và vận tốc cắt khi phay 34

4.4 Đồ thị ảnh hưởng của lượng chạy dao S đến độ nhám bề mặt Ra 61 4.5 Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đối với chi phí

4.6 Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đối với hàm độ

ĐẶT VẤN ĐỀ

Chế tạo máy nói chung, lắp đặt máy nói riêng là lĩnh vực quan trọng của nền kinh tế quốc dân Phạm vi sử dụng sản phẩm của ngành chế tạo máy rất rộng rãi Trong xu thế toàn cầu hóa, để nâng cao sức cạnh tranh trong quá trình hội nhập chúng ta cần phát triển sản xuất theo hướng tối giảm chi phí gia công trên cơ sở đảm bảo và nâng cao chất lượng sản phẩm

Tối ưu hóa quá trình sản xuất là một công cụ hữu hiệu để đạt được mục tiêu đó Tuy nhiên tối ưu hóa toàn bộ quá trình sản xuất nói chung, trong chế tạo cơ khí nói riêng là một bài toán rất lớn và chỉ có thể giải quyết được sau khi đã thực hiện được nhiệm vụ tối ưu hóa các nguyên công của quá trình gia công cơ

Nghiên cứu tối ưu hóa nguyên công chẳng những nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của từng nguyên công mà còn tạo ra các dữ liệu quan trọng phục vụ việc tự động hóa quá trình chuẩn bị công nghệ, rút ngắn thời gian và khối lượng lao động khi chuẩn bị sản xuất, đồng thời còn tạo ra các điều kiện

cơ bản cho việc điều khiển nguyên công tiến tới tự động hóa quá trình sản xuất

Khi tố i ưu hoá các chế đô ̣ của các quá trình công nghê ̣, cũng như các chế độ làm viê ̣c của máy gia công sẽ diễn ra viê ̣c giải nhiều bài toán Một trong những vấn đề mấu chốt cần phải giải quyết để nâng cao hiệu quả kinh tế

- kỹ thuật của quá trình gia công chế tạo cơ khí là phải xác định được chế độ cắt tối ưu cho từng nguyên công khác nhau trong từng điều kiện sản xuất cụ thể

Máy phay X6332Z là thiết bị chủ đạo phục vụ đào tạo và sản xuất tại Trường Cao đẳng nghề LILAMA.1, máy với tính năng gia công các mặt phẳng, các mặt định hình, các mặt xoắn ren… Tuy nhiên quá trình gia công sản xuất các chi tiết, sản phẩm cơ khí và chuyển giao công nghệ ở các cơ sở

còn có nhiều bất cập như chất lượng, năng suất thấp, giá thành cao làm hạn chế tính cạnh tranh của sản phẩm, gây không ít khó khăn trong khâu tiêu thụ

Có nhiều nguyên nhân làm cho chi phí sản xuất cao, chất lượng sản phẩm thấp nhưng trong đó có nguyên nhân chính là chưa có nghiên cứu tạo lập cơ

sở khoa học xác định ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng gia công, chưa

đề cập đến mô hình toán học bài toán tối ưu hóa qúa trình và nghiên cứu sử dụng hiệu quả thiết bị trong điều kiện gia công vật liệu, sản phẩm cụ thể Hơn nữa, công nghệ sản xuất không ngừng phát triển và đổi mới Nhiều vấn đề từ thực tiễn sản xuất trong nước đang đặt ra: Với qui mô sản xuất vừa

và nhỏ loại hình thiết bị nào là phù hợp? Hầu hết các thiết bị được nhập từ nước ngoài, thiếu nhiều tài liệu sử dụng, vậy để có được năng suất, chất lượng

và giá thành sản phẩm gia công tối ưu cần giải quyết nhiệm vụ cụ thể nào? Xuất phát từ những yêu cầu thực tiễn nêu trên, được sự đồng ý của Hội đồng Khoa học - Công nghệ cơ sở đào tạo Sau đại học trường Đại học Lâm

Nghiệp, chúng tôi tiến hành thực hiện luận văn tốt nghiệp với đề tài "Nghiên

cứu ảnh hưởng của một số yếu tố chế độ cắt đến chi phí năng lưọng riêng

và chất lượng bề mặt gia công trên máy phay X6332Z ” Kết quả nghiên cứu

của đề tài sẽ là tài liệu cần thiết cho tính toán thiết kế, cải tiến và sử dụng hiệu quả các thiết bị phục vụ đào tạo cán bộ kỹ thuật và thực tiễn sản xuất, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tình hình nghiên cư ́ u gia công cắt gọt bằng phương pháp phay và máy phay trên thế giới

Phay là phương pháp gia công cắt gọt trong đó dụng cụ cắt quay tròn tạo ra chuyển động cắt Chuyển động tiến dao thông thường do máy, cũng có khi do dao hoặc do cả máy và dao cùng thực hiện theo các hướng khác nhau Theo nguyên liệu và sản phẩm được gia công các hướng nghiên cứu đã phân

ra gia công kim loại và gia công vật liệu phi kim loại

Gia công kim loại bằng phương pháp phay được dùng rộng rãi ở các nước công nghiệp phát triển từ nửa sau thế kỷ 19 Từ đó đến nay, trải qua một thời kỳ dài phát triển, quá trình phay - quá trình gia công bằng cơ học - một trong những quá trình chế tạo sản phẩm thông dụng nhất của ngành chế ta ̣o

máy đã thu hút sự chú ý của nhiều học giả

Nhiều công trình khoa học trong việc xây dựng và phát triển lý thuyết cắt gọt kim loại phải kể đến là các nhà bác học Xô Viết (Liên Xô cũ) như giáo

sư viện sĩ V.A Arsinop, giáo sư G.C Andrev, V.F Bobrov, C.H Philonenko, Iacố p Bachisep, Paven Dakhaba, Lép Sôbakin, các nhà bác ho ̣c Mỹ như Boston O.W., Ernst H., Merchant M.E.,…

Lý thuyết cắt gọt kim loa ̣i đi sâu nghiên cứu về qúa trình tạo phoi, các lực phát sinh trong quá trình gia công bằng cơ giới, công suất của thiết bị, chất lượng sản phẩm khi gia công… những đại lượng này rất cần thiết, chúng làm cơ sở cho việc lựa chọn hình dáng, tính toán kích thước của các công cụ cắt, tính toán thiết kế và sử dụng hợp lý các thiết bị và các công cụ gia công

Nhiều công trình đi sâu nghiên cứu cắt gọt chuyên dùng như: phay, tiện của G.C Andrev, A.V Rudnev, V.F Bobrov; cơ sở lý thuyết mài nhẵn của E

H Maclov… đã đưa ra những phân tích cụ thể về động học các quá trình cắt

gọt Đó là những công trình lớn bao gồm các vấn đề về lý thuyết và những kinh nghiệm thực tế trong gia công kim loại mà trên thế giới lúc đó ít có công trình nghiên cứu tương tự nào ra đời

Vào thập kỷ 70 của thế kỷ XX, lý thuyết cắt gọt kim loa ̣i ngày càng được hoàn chỉnh với những công trình nghiên cứu mới về các lực phát sinh trong quá trình gia công kim loại bằng cơ học được nghiên cứu đầy đủ hơn và chính xác hơn về những cơ sở vật lý của quá trình cắt, hiện tượng nhiệt trong quá trình cắt Lực cắt đơn vị và các qui luật của lực cắt được xác định thông qua công thức lý thuyết [15, 42, 47]

Nghiên cứu quá trình cắt vật theo hướng kết hợp lý thuyết và thực nghiệm đã được các nhà khoa học trên thế giới tiến hành như: M.P Semko, E.M.Trent; Granôpxki (Nga); V Gazda (Tiệp Khắc cũ); P Korecky (Pháp); J Shinozuka (Nhật); Bhattacharya A (Ấn Độ) với những kết luận quan trọng

về các sơ đồ cắt động học, sự tạo phoi, các yếu tố ảnh hưởng tới lực cắt

Chế độ cắt được đặc trưng bởi ba thông số: vận tốc cắt, lượng chạy dao

và chiều sâu cắt Chế độ cắt ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng gia công, tiêu hao năng lượng và năng suất các máy Nhiều công trình của các nhà khoa học

đã tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến lực cắt, sự hao mòn của công cụ cắt, rung động của hệ thống công nghệ “ Máy - dao cắt -

đồ gá - chi tiết gia công” cũng như các hiện tượng lý - hóa xảy ra trong vùng cắt Điển hình là công trình của nhà bác học Nga Granôpxki về phân nhóm các sơ đồ cắt động học, công trình của Zorev N.N về các lực cắt trên các bộ phận của dao cắt, các công trình của các nhà khoa học Đức Kronenberg, Friedrich, Hippler… về các qui luật cơ bản của lực cắt, các công trình lý thuyết và thực nghiệm của các nhà khoa học Sokolovski, Kasirin, Tlusty, Tolias, Bhattacharya … đã đi sâu và chính xác hóa nhận thức về nguyên lý và qui luật tự rung khi gia công, hay các công trình của các nhà khoa học Ostermann, Laladze, Malkin, Smith về phương pháp giải tích của trường nhiệt

độ trong dụng cụ cắt, phoi và chi tiết gia công

Trong lĩnh vực gia công vật liệu phi kim loại mà điển hình là vật liệu

gỗ với đặc tính phức tạp (không đồng nhất và bất đẳng hướng) đã có nhiều công trình nổi tiếng về khoa học cắt gọt gỗ, vật liệu từ gỗ Năm 1870, tỷ suất lực cắt lần đầu tiên được giáo sư tiến sĩ I A Time xác định cho các trường hợp cắt đơn giản bằng phương pháp thực nghiệm [17, 22, 41]

Năm 1933, giáo sư tiến sĩ M A Đesevôi đã tổng hợp và xây dựng hoàn chỉnh lý thuyết cắt gọt gỗ Năm 1939, ông cho ra đời cuốn sách “Kỹ thuật gia công gỗ”, đó là một công trình lớn bao gồm các vấn đề về lý thuyết và những kinh nghiệm thực tế trong gia công gỗ mà trên thế giới lúc đó chưa có công trình nghiên cứu tương tự nào ra đời [17]

Tỷ suất lực cắt và theo đó tính toán lực cắt, công suất cắt, công suất đẩy khi phay gỗ đã được giáo sư tiến sĩ A L Bersatski xác định bằng công thức thực nghiệm [17, 41]

Nghiên cứu quá trình cắt gỗ theo hướng kết hợp lý thuyết và thực nghiệm đã được các nhà khoa học Mỹ tiến hành như C Fraz [37], với những kết luận quan trọng về sự tạo phoi, các yếu tố ảnh hưởng tới lực cắt, chất lượng gia công GS TS B.M.Buglai đã nghiên cứu độ nhẵn phần lớn các dạng gia công gỗ mà phay, bào được quan tâm nhiều nhất

Nguyên lý cấu tạo, tính năng công nghệ của các máy công cụ, máy cắt kim loại nói chung, các máy gia công phay nói riêng đã được các nhà khoa

học nghiên cứu từ khá sớm Nhiều kiểu loại máy phay được thiết kế, chế tạo như máy phay nằm, máy phay đứng, máy phay giường, máy phay vạn năng, máy phay chuyên môn hóa và chuyên dùng v.v… Cùng với sự phát triển của quá trình phay, dao phay ngày càng được cải tiến và hoàn thiện với nhiều kiểu loại khác nhau

Nhiều hãng trên thế giới như PLL (Pittler Ludnig Low - Đức), Tập đoàn LMT (Leitz metalworking technology), RSK (Anh) đã nổi tiếng với những máy và công cụ cắt hiện đại…

Nhằm không ngừng nâng cao khả năng làm việc của các công cụ cắt, nhiều công trình đã đi sâu nghiên cứu động học, động lực học quá trình gia công Điển hình là các công trình của G.I.Granovski, A.M Danielian; A.S Kondratiev [1, 5].

Nghiên cứu về máy và thiết bị cắt kim loại và các vật liệu phi kim loại khác, các nhà khoa học Spirindonov A.A, Fedorov V.B., Molchanov G.I., Aliabiev V.I., F.M Manjốt, N V Makovski,… [18,19,20,22,44] đã chỉ rõ chất lượng gia công bao gồm chất lượng bề mặt gia công và độ chính xác gia công

là những chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng máy và thiết bị, biểu thị sự hoàn thiện kỹ thuật trong việc sử dụng chúng để tạo ra các sản phẩm Chất lượng gia công phụ thuộc vào nhiều yếu tố, với từng điều kiện sản xuất cụ thể sẽ có các chỉ tiêu đánh giá định lượng thông qua những biểu thức toán học miêu tả sự tác động tương hỗ của những yếu tố ảnh hưởng tới chúng

Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ và thiết bị sản xuất gia công kim loại, vật liệu phi kim loại phục vụ sản xuất đã được các nước phát triển trên thế giới như Nga, Mỹ, Đức, Nhật, Thụy Điển, Úc… nghiên cứu sâu rộng Nhiều hãng nổi tiếng như: MAC (Đức) sản xuất các loại máy phay CNC mã hiệu PDM-600 (hình 1.1); Hãng Kaida (Nhật) với các máy mã hiệu KDVM1000L (hình 1.2) Thế hệ các máy này có thể thực hiện phay 3D, 4D và 5D, ngoài ra máy có thể thực hiện các nguyên công như tiện, khoan, doa, tarô, v.v Độ chính xác lặp lại là 0.01- 0.003 (mm) Điều khiển 3 trục x, y, z hiệu quả và có thể phay theo chiều thẳng đứng, tiện, doa theo các mặt tọa độ như XY, XZ, YZ Cổng truyền dữ liệu RS232 thích hợp với chương trình CIMCO9.6 pro Bộ điều khiển Fanuc, Hanuc, Simenuc, Heidelheil, v.v

Do tiến bộ của khoa học - công nghệ, các trang thiết bị dùng cho quá trình gia công cắt gọt ngày càng hiện đại dẫn tới vốn đầu tư cho sản xuất ngày càng tăng Nếu chế độ công nghệ không hợp lý sẽ không khai thác hết khả năng của thiết bị, gây lãng phí lớn và hiệu quả thu được sẽ không đủ bù cho chi phí sản xuất đặc biệt là khấu hao

Hình 1.1 Máy phay CNC PDM-600

Hình 1.2 Máy phay CNC KDVM 1000L

thiết bị Vì vậy, một trong những vấn đề mấu chốt cần giải quyết để giảm chi phí gia công là phải nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu cho từng nguyên công ứng với các điều kiện gia công cụ thể để cung cấp dữ liệu cho việc chuẩn bị công nghệ

Vấn đề mô hình hóa và tối ưu hóa quá trình công nghệ gia công cùng với những phương pháp luận hiện đại, nghiên cứu cắt gọt kim loại đã được các nhà khoa học, giáo sư C.C Rudnik, E.I Pheldstein, G Spur, W Koenig, F Klocke,… tập trung nghiên cứu và phát triển rộng với nhiều công trình nổi tiếng về tối ưu hóa các quá trình gia công cắt gọt [1, 5, 30, 36]

Chế độ cắt gọt - tổ hợp của 3 thông số cơ bản vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt là một trong những vấn đề có tầm quan trọng, đặc biệt là trong nghiên cứu sử dụng thiết bị công nghệ Chế độ cắt hợp lý đã góp phần quyết định đến chất lượng và năng suất gia công Tối ưu hóa quá trình cắt gọt được nghiên cứu và phát triển rất mạnh ở các nước công nghiệp tiên tiến như Đức, Mỹ, Nhật, Nga, Pháp, Thụy Sĩ,… Ở những nước này song song với việc nghiên cứu tối ưu hóa chế độ cắt người ta tiến hành xây dựng ngân hàng dữ liệu về chế độ gia công cơ để tạo lập cơ sở cho việc tự động hóa chuẩn bị công nghệ Điển hình về lĩnh vực này có các công trình nghiên cứu của C.C Rudnik, F Lierath, W Koenig, K Essen, và trong gia công gỗ có A.A.Pizurin, M.S.Rozenblit [ 1, 5, 36, 45]

1.2 Công nghệ và thiết bị gia công phay trong sản xuất ở Việt Nam

Trong nền kinh tế quốc dân, ngành Cơ khí đóng một vai trò rất quan trọng Ngay từ khi mới ra đời, ngành công nghiệp cơ khí ở nước ta đã được Đảng và Nhà nước xác định là ngành có vai trò then chốt và luôn được ưu tiên phát triển, đã có nhiều nhà máy cơ khí lớn được xây dựng, có nhiều trung tâm đào tạo, nghiên cứu ra đời Theo số liệu thống kê, số lươ ̣ng cơ sở cơ khí có khoảng 53.000 cơ sở và số lượng công nhân tham gia trực tiếp khoảng 500.000 lao đô ̣ng chiếm khoảng 12% lao đô ̣ng công nghiê ̣p của cả nước, góp phần đáng kể trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước

Máy phay là một trong những thiết bị chủ đạo của ngành chế tạo máy do vậy đã được tập trung thiết kế chế tạo ở trong nước từ những thập niên 60 của thế kỷ 20 Trải qua thời kỳ dài phát triển chúng ta đã có khá nhiều loại máy phay và được sử dụng nhiều trong các doanh nghiệp, xưởng cơ khí vừa và nhỏ Thời gian gần đây trước yêu cầu cao về chất lượng sản phẩm cơ khí chúng ta đã phải nhập khẩu nhiều các máy hiện đại với mức độ tự động hóa cao Các máy phay thông dụng được nhập từ Đài Loan, Hàn Quốc, các máy CNC và công nghệ CAD-CAM-CNC được nhập chủ yếu từ Đức, Nhật

Trong lĩnh vực đào tạo và nghiên cứu về máy công cụ chúng ta đã có nhiều thành tựu về nghiên cứu cơ bản và ứng dụng

Những nghiên cứu về sự tác động tương hỗ giữa công cụ (máy gia công)

và đối tượng gia công gồm một số công trình nghiên cứu của các tác giả như: Bành Tiến Long, Trần Thế Lục, Trần Sỹ Tuý về “Nguyên lý gia công vật liệu” [15] Các tác giả đã đưa ra những cơ sở lý luận khoa học về gia công kim loại bằng cắt go ̣t, gia công các vật liệu phi kim loại và các phương pháp gia công mới

Về các thiết bị gia công kim loại nói chung, các máy phay kim loại nói riêng đã được các nhà khoa học Nguyễn Anh Tuấn, Nguyễn Đức Lộc, Phạm Đắp giới thiệu trong tài liệu “Máy cắt kim loại” [20]

Những nghiên cứu chỉ ra phương pháp tính toán và tra cứu chế đô ̣ cắt hợp lý hỗ trợ cho việc ho ̣c tâ ̣p, sử du ̣ng và điều khiển thiết bi ̣ cắt kim loa ̣i đã đươ ̣c các tác giả Nguyễn Ngo ̣c Đào, Trần Thế San, Hồ Viết Bình giới thiê ̣u trong tài liệu “Chế độ cắt gia công cơ khi” và Nguyễn Văn Huyền trong “Cẩm nang kỹ thuật cơ khí” [10]

Động học và động lực học quá trình phay vật liệu gỗ đã được tác giả Hoàng Nguyên giới thiệu trong giáo trình “Nguyên lý cắt gọt gỗ” năm 1980 [17]

Nguyên lý cấu tạo, tính năng công nghệ và phân loại các máy phay vật liệu gỗ đã được tác giả Hoàng Việt đề cập nhiều trong giáo trình “Máy và thiết bị chế biến gỗ” năm 2003, [22].

Trong tài liệu “Tối ưu hóa các quá trình gia công cắt gọt” PGS.TS Nguyễn Trọng Bình [1] đã đưa ra nhiều công trình nghiên cứu của GS Friedhelm Lierath Viện trưởng Viện công nghệ và đảm bảo chất lượng, trường Đại học tổng hợp kỹ thuật Magdeburg Cộng hòa liên bang Đức – giáo

sư danh dự của nhiều trường đại học trên thế giới, về các phương pháp tối ưu hóa quá trình gia công cắt gọt Trong đó khẳng định vai trò của nghiên cứu

mô tả toán học sự ảnh hưởng của các yếu tố chế độ cắt đến chất lượng gia công, giá thành sản phẩm có vai trò quyết định để tạo lập các mô hình toán học của bài toán tối ưu hóa

Vấn đề miêu tả toán học các quá trình gia công gỗ bằng cơ giới cũng đã được T.S Hoàng Việt đề cập trong các chuyên đề nghiên cứu, các bài giảng dành cho học viên cao học [23, 24, 27]

Liên quan tới mô tả toán học ảnh hưởng của các thông số chế độ gia công khi cắt vật liệu thép xây dựng đã được đề cập trong đề tài luận văn

"Nghiên cứu máy GMC 2400w sử dụng cắt vật liệu thép xây dựng" của Thạc

sĩ Nguyễn Văn Kiều [28] Kết quả nghiên cứu cho thấy dạng lưỡi cắt, vận tốc cắt, vận tốc đẩy ảnh hưởng lớn đến hai chỉ tiêu chi phí năng lượng riêng và năng suất cắt vật liệu thép xây dựng

Nhận xét

Lĩnh vực cơ khí chế ta ̣o, lắp đặt máy công tác nói chung và gia công phay nó i riêng có những bước phát triển đáng kể Tuy nhiên, từ khi bước sang

cơ chế thị trường, ngành cơ khí Việt Nam đã bộc lộ rất nhiều yếu kém, trong

đó vấn đề nổi cộm nhất là khả năng cạnh tranh của ngành rất hạn chế ngay cả

ở thị trường trong nước Thị trường tiêu thụ sản phẩm bị thu hẹp, không đủ

sức cạnh tranh với hàng hóa ngoại nhập, hoạt động sản xuất kinh doanh gặp rất nhiều khó khăn nhiều doanh nghiệp đứng trước nguy cơ bị phá sản Có nhiều nguyên nhân làm cho chi phí sản xuất cao, chất lượng sản phẩm thấp nhưng trong đó có nguyên nhân chính là chưa có nghiên cứu sử dụng hiệu quả thiết bị

Thiết bị công nghệ và các quá trình gia công cơ vật liệu kỹ thuật trong đó

có các loa ̣i máy phay đã được nghiên cứu tương đối hoàn chỉnh Đó là những

cơ sở và luận chứng khoa học nền tảng cho các nghiên cứu phát triển và ứng dụng Tuy nhiên, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật nói chung, kỹ thuật máy và thiết bị gia công cơ khí nói riêng, việc nghiên cứu

sử dụng hiệu quả các thiết bị công nghệ và thu được những sản phẩm theo yêu cầu là một trong những nhiệm vụ cấp thiết và quan trọng hàng đầu trong mọi quá trình sản xuất

Vấn đề nghiên cứu tối ưu hóa các quá trình gia công cắt gọt vật liệu ở nước ta cho tới nay chưa được đặt ra Phần lớn trong quá trình chuẩn bị sản xuất các nhà công nghệ vẫn phải dựa vào các sổ tay để tra cứu Số liệu trong các sổ tay là các số liệu kinh nghiệm thu được trong các điều kiện sản xuất và công nghệ cụ thể, vì thế chúng không phải là các thông số công nghệ tối ưu Máy phay X6332Z tại xưởng thực hành Trường Cao đẳng nghề LILAMA.1 được nhập khẩu từ Trung quốc Máy X6332Z thuộc loại thiết bị đa năng với cấu tạo không phức tạp, dễ sử dụng nên cũng rất phổ biến trên các xưởng gia công của các nhà máy chế ta ̣o, xưởng thực tâ ̣p cho ho ̣c sinh, sinh viên trong các trường đào tạo kỹ thuật cơ khí Tuy nhiên qua khảo sát chung

và thực tế sử dụng chúng tôi thấy trong điều kiện sản xuất cụ thể vấn đề cấp thiết đặt ra là phải nghiên cứu sử dụng hiệu quả nhất các tính năng kỹ thuật của máy, xác lập chế độ gia công hợp lý, đảm bảo yêu cầu chất lượng sản

phẩm, tối giảm chi phí điện năng, nguyên vật liệu, tạo cơ sở tối ưu hóa khâu sản xuất

Từ những phân tích trên một lần nữa cho thấy vấn đề mà luận văn cần giải quyết là thời sự và cấp thiết

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của vấn đề nghiên cứu

Ý nghĩa lý luận:

- Bổ sung dữ liệu khả năng công nghệ của máy phay X6332Z, là cơ sở

để sử dụng loại máy này trong các quá trình sản xuất gia công chi tiết trong

các xưởng gia công cơ khí

- Xác định được định lượng ảnh hưởng một số yếu tố chế độ cắt đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mă ̣t gia công khi sản xuất các chi tiết máy là cơ sở cho thiết lập mô hình toán học bài toán tối ưu hóa quá trình cắt gọt đồng thời là cơ sở để tính toán thiết kế, cải tiến hoàn thiện các máy phay

Chương 2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG

VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mu ̣c tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chung:

Xác định mức độ và qui luật ảnh hưởng của chế độ cắt đến chi phí năng lượng riêng và chất lượng gia công trên máy phay X6332Z Từ cơ sở đó xác lập chế độ cắt tối ưu góp phần xây dựng ngân hàng dữ liệu đảm bảo sử dụng

kỹ thuật hiệu quả nhất cho các máy phay

Mục tiêu cụ thể:

- Xây dựng được mối quan hệ giữa các thông số chế độ cắt (vận tốc cắt, lượng chạy dao) đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt khi gia công chế tạo chi tiết máy dạng thanh trên máy phay X6332Z

- Xác định chế độ cắt hợp lý khi phay tạo chi tiết máy trên máy phay X6332Z đảm bảo yêu cầu chất lượng bề mặt cao và tối giảm chi phí năng lượng riêng

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Trong đề tài luận văn giới hạn ở các đối tượng và phạm vi nghiên cứu

cụ thể sau:

Thiết bị gia công: Thiết bị nghiên cứu được sử dụng là máy phay mã

hiệu X6332Z Đây là loại máy sản xuất tại Trung quốc và hiện đang được sử dụng phổ biến trong các xưởng gia công cơ khí của các Công ty xí nghiệp, các Trườ ng đào tạo nghề ở Việt Nam

Vật liệu, chi tiết gia công và dao cắt: Đề tài không nghiên cứu tất cả

các loại vật liệu kim loại, cũng không nghiên cứu ở nhiều loại dao cắt của các hãng khác nhau mà chỉ tập trung nghiên cứu loại vật liệu phổ biến trong ngành cơ khí là thép C45, sản phẩm là chi tiết được phay tạo mặt phẳng phục

vụ làm các dẫn hướng hay đưa đến các công đoạn gia công tiếp theo như chế tạo các thanh răng, hoàn thiện bề mặt… Dao phay được lựa chọn là một chủng loa ̣i - dao phay trụ

Các chỉ tiêu và tham số nghiên cứu: Các chỉ tiêu đặc trưng cho chất

lượng gia công là độ nhám bề mặt chi tiết và chi phí năng lượng riêng Các tham số của chế độ cắt được lựa chọn để nghiên cứu sự ảnh hưởng của chúng

tới các chỉ tiêu lựa chọn là vận tốc cắt V, lượng chạy dao S

2.3 Nội dung/ nhiệm vụ nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu của đề tài chúng tôi tập trung giải quyết những nội dung sau:

- Nghiên cứu lý thuyết, tổng hợp những cơ sở khoa học quá trình gia công cắt gọt vật liệu, quá trình phay và thiết bị công nghệ phay Xác lập cơ sở lý thuyết những yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt và chi phí năng lượng riêng trên máy phay

- Nghiên cứu thực nghiệm: Xác lập mục tiêu, nội dung và tổ chức thí nghiệm, thu nhận kết quả thí nghiệm, xây dựng mô hình toán học của các hàm mục tiêu trong mối tương quan với các tham số điều khiển Xác định chế độ làm việc hợp lý khi gia công tạo chi tiết trên máy phay mã hiệu X6332Z

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Các phương pháp nghiên cứu chung

Các phương pháp chủ đạo được sử dụng để giải quyết các nội dung nghiên cứu của đề tài là phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phương pháp kế thừa

và phương pháp thực nghiệm

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: được sử dụng trong nghiên cứu các

công trình khoa học, tổng hợp cơ sở lý luận để giải quyết các nội dung: tổng quan về vấn đề nghiên cứu, tạo lập cơ sở lý luận của đề tài

- Phương pháp kế thừa: được sử dụng trong phân tích lựa chọn, sử dụng

các kết quả đã được nghiên cứu trên thế giới và trong nước có liên quan phục vụ giải quyết nội dung thực nghiệm, nhận xét đánh giá kết quả

- Phương pháp thực nghiệm được sử dụng là qui hoạch thực nghiệm đơn

yếu tố và đa yếu tố để giải quyết các nội dung nghiên cứu thực nghiệm

Quá trình gia công cơ khí nói chung, gia công cắt gọt kim loại nói riêng chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau như: Các yếu tố đặc trưng cho đối tượng gia công (loại kim loại, các tính chất cơ - lý - hóa học của kim loại); Các yếu tố đặc trưng cho công cụ gia công như: các tính chất cơ lý của vật liệu chế tạo công cụ; các thông số hình học, độ sắc của dao cắt, chất lượng bề mặt các cạnh biên lưỡi cắt, bề dày công cụ, số cạnh cắt tham gia làm việc, độ chính xác của công cụ; Các yếu tố đặc trưng cho máy móc thiết bị như: độ cứng của hệ "Máy - Công cụ cắt - Thiết bị gá - Chi tiết gia công", động học và động lực học của hệ v.v…; Các yếu tố đặc trưng quá trình gia công cơ giới:

bề dày phoi cắt, chiều rộng phoi, quỹ đạo mặt phẳng cắt, các góc cắt, vận tốc đẩy và vận tốc cắt; lực cắt, sự đốt nóng công cụ và vật liệu gia công, đặc tính của quá trình cắt (cắt kín, cắt hở, cắt nửa kín ) Giữa các yếu tố lại có những tác động qua lại tương hỗ với nhau Như vậy, để giải quyết đầy đủ nội dung cần có thực nghiệm đơn và đa yếu tố

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm mà chúng tôi sử dụng không phải là thực nghiệm thuần tuý mà là sự kết hợp hài hoà giữa lý thuyết và thực nghiệm; lấy lý thuyết làm cơ sở, làm định hướng ban đầu hỗ trợ giảm bớt khối lượng công việc, rút ngắn thời gian nghiên cứu thực nghiệm

Từ phân tích trên cho thấy việc áp dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm là cơ sở phương pháp luận của nghiên cứu thực nghiệm hiện đại Đó là phương pháp nghiên cứu mới, trong đó công cụ toán học giữ vai trò tích cực Cơ

sở toán học, nền tảng của lý thuyết qui hoạch thực nghiệm là toán học thống kê với hai lĩnh vực quan trọng là phân tích phương sai và phân tích hồi qui

Theo nghĩa rộng, qui hoạch thực nghiệm là tập hợp các tác động nhằm đưa ra chiến thuật làm thực nghiệm từ giai đoạn đầu đến giai đoạn kết thúc của quá trình nghiên cứu đối tượng( từ nhận thông tin mô phỏng đến việc tạo

ra mô hình toán, xác định các điều kiện tối ưu) Trong điều kiện đã hoặc chưa hiểu biết đầy đủ về cơ chế của đối tượng

Ưu điểm của qui hoạch thực nghiệm là: Giảm đáng kể số lượng thí nghiệm cần thiết, giảm thời gian tiến hành thí nghiệm và chi phí phương tiện, vật chất; hàm lượng thông tin nhiều hơn, rõ ràng hơn nhờ đánh giá được vai trò của sự tác động qua lại giữa các yếu tố và ảnh hưởng của chúng đến hàm mục tiêu; nhận được mô hình toán học thực nghiệm, đánh giá được sai số thí nghiệm, cho phép phân tích ảnh hưởng của các thông số thí nghiệm với mức tin cậy xác định; xác định được điều kiện tối ưu đa yếu tố của quá trình nghiên cứu một cách khá chính xác bằng các hàm toán học, hay cho cách giải gần đúng, tìm tối ưu cục bộ như trong các thực nghiệm thụ động

2.4.2 Nội dung và phương pháp luận nghiên cứu thực nhiệm

Theo [2, 14, 29] nội dung của nghiên cứu thực nghiệm gồm: xác định mục tiêu thực nghiệm; chọn tham số điều khiển và khoảng biến động của chúng; chọn các thiết bị đo; tiến hành công tác chuẩn bị; tiến hành thí nghiệm thăm dò; tiến hành thực nghiệm đơn yếu tố; tiến hành thực nghiệm đa yếu tố

2.4.2.1 Thí nghiệm thăm dò

Mục đích tiến hành thí nghiệm thăm dò theo [14] chính là để có thể phát hiện ra qui luật phân bố khách quan trong tổng thể dựa vào những tài liệu thu thập được ở đại lượng nghiên cứu và làm cơ sở xác định số lần lặp cho các thí nghiệm ở thực nghiệm đơn và đa yếu tố Việc xác định số lần lặp cho các thí nghiệm có ý nghĩa rất quan trọng, nó phải đủ lớn để đảm bảo mức độ chính xác của luật phân bố chuẩn, nhưng lại phải tối thiểu để giảm bớt khối lượng thực nghiệm

Từ nhiều công trình nghiên cứu có liên quan [1,15,23] đã cho thấy tương quan giữa các đại lượng đặc trưng cho năng lượng, chất lượng sản phẩm gia công với các yếu tố công nghệ là có tính quy luật và có thể khái quát hóa thành phân bố lý thuyết gọi là phân bố thực nghiệm Kế thừa những kết quả trên, luận văn không tiến hành thí nghiệm thăm dò mà triển khai luôn thực nghiệm đơn yếu tố Số lần lặp của mỗi thí nghiệm trong các lô thí nghiệm là 3

2.4.2.2 Thực nghiệm đơn yếu tố

Nhiệm vụ cơ bản của thực nghiệm đơn yếu tố là xác định các thông số ảnh hưởng để xem thông số nào thực sự ảnh hưởng đến các chỉ tiêu đánh giá, xác định mức độ và quy luật ảnh hưởng của chúng đến chỉ tiêu quan tâm Thực nghiệm đơn yếu tố được tiến hành qua các bước sau:

- Thực hiện thí nghiệm với từng thông số thay đổi với số mức không nhỏ hơn 4, khoảng thay đổi lớn hơn 2 lần sai số bình phương trung bình của

phép đo giá trị thông số đó Số thí nghiệm lặp lại n có thể lấy theo kết quả từ

thí nghiệm thăm dò

- Sau khi thí nghiệm xong, tiến hành xác định độ tin cậy về ảnh hưởng của mỗi yếu tố tới độ nhám bề mặt và sai số kích thước Đánh giá tính thuần nhất của phương sai trong quá trình thí nghiệm, để chứng tỏ ảnh hưởng khác đối với thông số cần xét là không có hoặc không đáng kể

Thuật toán phân tích phương sai để xác định độ tin cậy và tính thuần nhất [11, 13, 29] cụ thể như dưới đây

a Đánh giá tính đồng nhất của phương sai

Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai theo tiêu chuẩn Kohren





 N

2 u

2 max

SS

i=1 u

1

mu - Số lần lặp lại ở mỗi điểm thí nghiệm;

Yui - Giá trị của thông số ra tại điểm u, lần lặp thứ i;

1

m 

  (u =1, 2, 3, 4, …, N) (2.3) Ứng với N điểm thí nghiệm trong kế hoạch thực nghiệm ta có N phương sai 2

u

S Trong đó luôn có giá trị S2max;

Gtt- Chuẩn Kohren tính toán theo thực nghiệm

b Kiểm tra mức độ ảnh hưởng của các yếu tố

Phương pháp đánh giá này dùng chuẩn Fisher (F) Thực chất là so sánh phương sai thành phần do thay đổi thông số vào gây nên và phương sai do nhiễu gây ra Nếu tỷ số giữa hai phương sai này lớn hơn giá trị lý thuyết tra bảng của tiêu chuẩn F thì sự khác biệt giữa các giá trị trung bình là đáng kể và

các thông số vào có ảnh hưởng thực sự đến thông số ra, trội hẳn so với ảnh hưởng ngẫu nhiên

Giá trị tính toán của chuẩn F là tỷ số:

2 e

2 y

Nếu F > Fb thì ảnh hưởng của các thông số vào là đáng kể

c Xác định mô hình thực nghiệm đơn yếu tố để tiến hành các phân tích và dự báo cần thiết

Nhờ sự trợ giúp của máy tính với số liệu thu thập được, ta có thể lập được phương trình tương quan giữa thông số đầu ra là hai chỉ tiêu quan tâm

và thông số đầu vào là những yếu tố ảnh hưởng ở dạng mô hình hồi quy

d Kiểm tra tính tương thích của mô hình hồi quy

Phép kiểm tra này thực chất là so sánh phương sai tuyển chọn S2 tạo nên do sự chênh lệch giữa các giá trị hàm tính theo mô hình và giá trị thực nghiệm của nó với phương sai 2

e

S do nhiễu tạo nên theo tiêu chuẩn Fisher Nếu tỷ số giữa hai phương sai này 2

S / 2 e

S càng nhỏ tính thích ứng của mô hình càng mạnh Ngược lại nếu nó càng lớn thì tính thích ứng càng yếu Khi vượt khỏi ngưỡng của giá trị thống kê Fb thì mô hình bị coi là không tương thích

Phương sai do nhiễu tạo nên 2

* 2

) ˆ (

1

u N

u

u Y Y K

2 u

S

S

Bậc tự do 1 = N - K*, 2 = N (mu-1)

So sánh Ftt với giá trị lý thuyết tra bảng theo bậc tự do 1, 2 Nếu Ftt < Fb

mô hình là tương thích Nếu Ftt > Fb chứng tỏ sự vượt trội một cách có hệ thống của thống kê tập hợp được ước lượng bởi S2 so với tham số tương ứng

được ước lượng bởi 2

e Xây dựng đồ thị ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào đến các thông số đầu ra

Dựa vào mô hình thực nghiệm thu được ta có thể xây dựng đồ thị ảnh hưởng của các thông số đầu vào X đến các thông số đầu ra là chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt

2.4.2.3 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố

Để sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm cần có các điều kiện sau [10]: Kết quả thông số ra phải tập trung cao, nghĩa là khi lặp lại nhiều lần cùng một thí nghiệm thì giá trị thu được không sai lệch quá lớn

Các yếu tố ảnh hưởng phải điều khiển được và chúng phải độc lập với nhau Mối liên hệ giữa các thông số tối ưu và các yếu tố ảnh hưởng được thể hiện bởi phương trình và đáp ứng các điều kiện:

- Phải là hàm khả vi

- Chỉ có một cực trị trong khoảng các yếu tố biến thiên

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố được thực hiện theo các bước sau: [2, 14]

+ Chuẩn bị dụng cụ đo, máy móc để thí nghiệm;

+ Chọn phương án thích hợp cho thí nghiệm;

+ Tổ chức thí nghiệm;

+ Xử lý số liệu thí nghiệm;

+ Phân tích và giải thích kết quả nhận được bằng thuật ngữ của các lĩnh vực khoa học tương ứng

a Chọn phương án quy hoạch thực nghiệm và lập ma trận thí nghiệm

Qua tham khảo ý kiến của các chuyên gia và các tài liệu [1,3,5,10,15], chúng tôi thấy rằng ảnh hưởng của các yếu tố vận tốc cắt, lượng chạy dao, đến hàm mục tiêu là độ nhám bề mặt và chi phí năng lượng riêng có nhiều khả năng là hàm phi tuyến

Để có kết luận chính xác, ta còn phải căn cứ vào kết quả thực nghiệm đơn yếu tố Nếu kết quả thực nghiệm đơn yếu tố cho ta quy luật tương quan phi tuyến thì có thể bỏ qua việc tiến hành thực nghiệm bậc một mà thực hiện theo phương án quy hoạch bậc hai

Trong số các phương án quy hoạch bậc hai như phương án Keeferi J, phương án trực giao, kế hoạch trung tâm hợp thành, Box wilson, phương án H.O Hartley, chúng tôi chọn phương án kế hoạch trung tâm hợp thành Đây

là phương án ra đời sớm nhưng đòi hỏi số lượng thí nghiệm không nhiều mà vẫn đạt độ tin cậy cao

Theo [14] phương án này có tổng các thí nghiệm cần thực hiện:

Trong đó: 2k - các thí nghiệm ở phần hạt nhân, k - các thông số ảnh hưởng, k

= 2 suy ra 22 = 4; N- các thí nghiệm ở mức sao, N= 2.k = 4; N0- các thí nghiệm ở trung tâm, N0=1 Vậy tổng thí nghiệm cần thực hiện là 9

Biến thiên của 2 yếu tố trong vùng thí nghiệm gồm các mức cơ sở, mức trên và mức dưới, các giá trị này được chọn dựa vào phân tích kết quả đơn yếu tố

Trong các mức khác nhau của yếu tốX iquan trọng nhất là mức cơ sở

Xio được xác định theo công thức:

X = (X X )/2 (2.12)

Sau cùng là khoảng biến thiên e i của các yếu tố X:

ei = Xi max - Xi0 = Xi0 - Xi min (2.13)

Để chuyển đổi từ giá trị tự nhiên sang dạng tọa độ sử dụng biểu thức:

xi = (Xi - Xi 0)/ei (2.14) trong đó: xi - giá trị mã; Xi - giá trị dạng thực của yếu tố thứ i

Ở dạng mã mức dưới của mỗi yếu tố có giá trị (-1), mức cơ sở có giá trị

0, còn mức trên có giá trị (+1)

Để làm cơ sở cho khâu tổ chức thí nghiệm và xử lý số liệu sau này ta lập bảng đối chiếu giữa các giá trị thực và dạng mã cho từng yếu tố và xây dựng ma trận thí nghiệm theo nguyên tắc các thí nghiêm hoàn toàn độc lập

b Phương pháp đo đạc và thu thập số liệu

Tiến hành các thí nghiệm theo ma trận đã lập Kết quả các số đo trong khi làm thí nghiệm luôn được chú ý để đảm bảo giảm thiểu các sai số thô, sai

số hệ thống gây ra do độ nhậy và độ chính xác của dụng cụ và sai số ngẫu nhiên

Sau khi thực hiện các thí nghiệm theo ma trận với số lần lặp lại của từng thí nghiệm, chúng tôi sử dụng chương trình xử lý số liệu đa yếu tố OPT của Mỹ đã được chép bản quyền và lưu hành tại Viện cơ điện Nông nghiệp Việt Nam trên máy vi tính

K i

i ii j

i ij K

i

i

i X b X X b X b

b Y

2 1

u N

1 u iu

d Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai

Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai theo tiêu chuẩn Kohren Nếu

Gtt < Gb thì giả thiết H0 không mâu thuẫn với số liệu thí nghiệm Phương sai ở các thí nghiệm được coi là đồng nhất Điều này cho phép coi cường độ nhiễu

là ổn định khi thay đổi các thông số trong thí nghiệm

e Kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy

Các hệ số hồi quy b0, bi, bii, bij của phương trình sẽ được kiểm tra mức

ý nghĩa theo tiêu chuẩn Student Trước hết phải tính phương sai của các hệ số hồi quy [14]

2 y 2

bo a.S

  2

y 2

2 y 2

2 y 2

1 j

u þu N

1 u u

2

1 m

1

Hệ số hồi quy có nghĩa khi:

2 b0

2 bi

2 bij

2 bii

Trong đó: t- giá trị chuẩn Student tra bảng thống kê với mức ý nghĩa  = 0,05

và bậc tự do  = N.(m - 1)

Nếu một hệ số bi nào đó được tính theo các công thức (2.16  2.19) mà

có giá trị không thoả mãn các điều kiện (2.25  2.28) thì có thể bỏ qua trong phương trình hồi quy

g Kiểm tra tính tương thích của mô hình hồi quy

Sau khi đã loại bỏ một số hệ số bi không có nghĩa khỏi mô hình (2.15) ta được phương trình hồi quy thực nghiệm Chúng cần phải được kiểm tra theo tiêu chuẩn Fisher Các phép tính kiểm tra được thực hiện theo mục (2.4.2.2,b) Nếu

Ftt < Fb thì mô hình tương thích Nếu Ftt > Fb thì mô hình không tương thích Trong trường hợp này để có mô hình tương thích có thể chọn các giải pháp sau:

+ Phức tạp hóa mô hình bằng cách nâng bậc cao hơn

+ Lập lại thực nghiệm bậc hai với khoảng mức biến thiên của các thông

số đầu vào nhỏ hơn

h Tính lại các hệ số hồi quy

Nếu trong mô hình có một số hệ số vô nghĩa, chúng bị loại bỏ khỏi mô hình Các hệ số còn lại liên quan phụ thuộc với chúng cần tính lại Đối với kế hoạch Hartley:

+ Khi loại bỏ hệ số tự do b0 thì các hệ số bii mới ký hiệu là bii*

0 ii

*

a

pb

Một số hằng số bổ trợ cũng thay đổi theo cần tính lại sau đó kiểm tra lại các hệ số mới

a

pdd

1 u

2 iu

* N

1 u u

* n

1 j N

1 u ju

* u N

1 u iu

e m p

a

a   

c*= c p

d p

d * Sau khi loại bỏ các hệ số vô nghĩa và tính lại các hệ số khác cần tính lại mức ý nghĩa của các hệ số mới theo đúng quy trình Nếu mô hình trở nên không tương thích, bắt buộc sử dụng mô hình ban đầu

i Kiểm tra khả năng làm việc của mô hình hồi quy

Mô hình hồi quy được xây dựng nhằm mục đích dự báo giá trị hàm Y tại các tọa độ được quan tâm, giải bài toán tối ưu Ý nghĩa của phép kiểm tra cho phép khảng định mô hình có thực sự phản ánh ảnh hưởng của các yếu tố

đến hàm chỉ tiêu hay không Nếu mô hình có khả năng làm việc thì giá trị dự báo Y ở tọa độ nào đó là chính xác, có sai số nhỏ hơn ít nhất hai lần so với việc gán cho tọa độ đó giá trị trung bình Y tính theo toàn bộ thí nghiệm

k Chuyển phương trình hồi quy về dạng thực

Để mô tả sự ảnh hưởng của các thông số nghiên cứu đến các chỉ tiêu quan tâm cần đưa phương trình hồi quy về dạng thực với các biến là các thông số tự nhiên có thứ nguyên

Thay công thức (2.25) vào phương trình hồi quy dạng mã ta được:

j 1

b 2b b

ij ij

b2a





2 i

ii ii

ba



Xi - Giá trị tự nhiên của các thông số

l Xác định giá trị tối ưu của các yếu tố đầu vào của hàm mục tiêu

Mục đích giải bài toán tối ưu là xác định chế độ làm việc tối ưu cho máy Sau khi đã có hai hàm mục tiêu Y1- chi phí năng lượng riêng và Y2 - độ nhám bề mặt ở dạng phương trình hồi quy (2.15) Hai hàm mục tiêu này có các thứ nguyên khác nhau (W.h/mm2, m ), có tính chất cực trị như nhau Y1,

Y2 càng nhỏ càng tốt Mặc dù chúng có sự chi phối chung của các yếu tố ảnh hưởng X1, X2 và ràng buộc lẫn nhau theo một quy luật nào đó nhưng không cho phép hàm nọ thay thế cho hàm kia khi tìm cực trị mà là phải lập được hàm tối ưu tổng quát là hàm không số đo đặc trưng cho Y1 và Y2 Chúng tôi

sử dụng phương pháp tìm lời giải tối ưu tổng quát khi có mặt nhiều hàm mục tiêu [14] theo các bước sau:

- Xác định cực trị tối ưu của từng hàm mục tiêu

- Tính giá trị cực trị của các hàm mục tiêu ta được Y1 min, và Y2 min.

- Lập các hàm tỷ lệ tối ưu:

min 1

1 1

2 2

- Thay các giá trị X1, X2 vào 1 và 2

- Nếu 1 + 2 = min thì lời giải trên là đúng

- Thay X1, X2 vào Y1 và Y2 rồi so sánh với kết quả thu được của thí nghiệm ta được các giá trị tối ưu của chúng

- Nếu 1+ 2min thì cần kiểm tra lại các phép tính

Các thông số kỹ thuật của máy như giới thiệu ở phụ biểu 01

Hình 3.1 Máy phay X6332Z

3.2 Động học và động lực học quá trình phay

3.2.1 Động học của quá trình phay

Phay là phương pháp gia công cắt gọt trong đó dụng cụ cắt (dao phay) quay tròn tạo ra chuyển động cắt Chuyển động tiến dao thông thường do máy, cũng có khi do cả máy và dao cùng thực hiện theo các hướng khác nhau

Dao phay có nhiều loại khác nhau, trên hình 3.2 mô tả một số dao phay đang được sử dụng hiện nay Nói chung dao phay là dụng cụ cắt có nhiều lưỡi

Hình 3.2 Các dạng dao phay thông dụng

a- dao phay trụ răng xoắn; b- dao phay mặt đầu; c- dao phay đĩa;

d- dao phay đĩa để cắt đứt; e- dao phay ngón; g- dao phay góc;