Nghiên cứu sự ảnh hưởng của mộtsố yếu tố chế độ cắt đến chi phí năng lượng riêng và chất lượng gia công trên máy tiện CNC CTX 310

Xuất phát từ những lợi ích trên việc nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của một số yếu tố chế độ cắt đến chất lượng gia công trên máy tiện CNC-CTX 310” là cần thiết, có ý nghĩa

NGUYỄN THỊ THUỶ

NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG RIÊNG VÀ CHẤT LƯỢNG GIA CÔNG TRÊN MÁY TIỆN CNC - CTX 310

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2012

NGUYỄN THỊ THUỶ

NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG RIÊNG VÀ CHẤT LƯỢNG GIA CÔNG TRÊN MÁY TIỆN CNC - CTX 310

Chuyên ngành: 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 LÊ VĂN THÁI

Hà Nội - 2012

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn này tôi luôn nhận được sự quan tâm giúp đỡ và tạo điều kiện của các tổ chức, cá nhân; nhân dịp này tôi xin gửi lời cám ơn chân thành tới:

- TS Lê Văn Thái - Chủ nhiệm bộ môn Kỹ thuật cơ khí - Trường đại học lâm nghiệp là người hướng dẫn trực tiếp, đã dành nhiều thời gian, chỉ bảo tận tình và cung cấp các tài liệu khoa học

- Tập thể cán bộ, các thầy cô giáo khoa sau đại học, khoa cơ điện và công trình trường Đại học lâm nghiệp đã góp ý và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện đề tài

Tôi xin gửi lời cám ơn tới Ban lãnh đạo nhà trường, cán bộ khoa cơ khí, các bạn đồng nghiệp trường Cao đẳng nghề LILAMA 1 đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài này

Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của riêng 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 nghiên cứu nào khác Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng

Hà Nội, ngày 2 tháng 7 năm 2012

Tác giả

Nguyễn Thị Thủy

MỤC LỤC

Trang Trang phụ bìa

Lời cảm ơn i

Mục lục ii

Danh mục các bảng v

Danh mục các hình vi

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1.Tình hình sử dụng và nghiên cứu máy tiện ở trong nước 3

1.2.Tình hình nghiên cứu gia công cắt gọt bằng phương pháp tiện và máy tiện trên thế giới 6

1.3.Kết luận chương 12

Chương 2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 14

2.1 Mục tiêu nghiên cứu 14

2.2 Đối tươ ̣ng, pha ̣m vi nghiên cứu 14

2.3 Nội dung nghiên cứu 15

2.4 Phương pháp nghiên cứu 15

2.4.1 Các phương pháp nghiên cứu 15

2.4.2 Nội dung và phương pháp luận nghiên cứu thực nhiệm 17

2.4.3 Phương pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu 31

Chương 3 CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 34

3.1 Khả năng công nghệ và các thông số kỹ thuật của máy tiện CTX 310 34 3.2 Động học và động lực học quá trình cắt 35

3.2.1 Động học của quá trình cắt 35

3.2.2 Động lực học của quá trình cắt 40

3.3 Chất lượng gia công 42

3.3.1 Chất lượng bề mặt gia công 42

3.3.2 Độ nhám bề mặt gia công 44

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

3.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công và chi phí năng lượng riêng 47

3.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến chi phí năng lượng riêng khi gia công trên máy tiện 51

3.3.6 Xác định năng suất gia công khi tiện 54

3.3.7 Chi phí năng lượng riêng: 55

Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 58

4.1 Mục tiêu thực nghiệm và các tham số điều khiển 58

4.1.1 Mục tiêu thực nghiệm 58

4.1.2 Các tham số điều khiển và khoảng giới hạn của chúng 58

4.1.3 Lập trình gia công trên máy tiện CNC CTX 310 59

4.2.Thiết bị đo và phương pháp điều khiển các yếu tố ảnh hưởng 63

4.3 Kết quả thí nghiệm thăm dò 63

4.3.1 Trường hợp hàm mục tiêu là chi phí năng lượng riêng 63

4.3.2 Trường hợp hàm mục tiêu là độ nhám R a 65

4.4 Kết quả thực nghiệm đơn yếu tố 67

4.4.1 Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt 67

4.4.2 Ảnh hưởng của vận tốc đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt 71

4.4.3 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt tới chi phí năng lượng riêng Q và độ nhám bề mặt R a 76

4.5 Kết quả thực nghiệm đa yếu tố 82

4.5.1 Vùng nghiên cứu và các giá trị biến thiên của các yếu tố ảnh

hưởng 82

4.5.2 Thành lập ma trận thí nghiệm 83

4.5.3 Tiến hành thí nghiệm theo ma trận Harley với số lần lặp lại của mỗi thí nghiệm m = 3 84

4.5.4 Xác định mô hình toán của hàm chi phí năng lượng riêng Q 84 4.5.5 Xác định mô hình toán của hàm độ nhám bề mặt R a 85

4.5.6 Chuyển phương trình hồi quy của các hàm mục tiêu về dạng thực 87

Giải bài toán tối ưu đa mục tiêu : 87

4.5.7 Gia công chi tiết với các thông số tối ưu V, S,t 89

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90

1 Kết luận 90

2 Kiến nghị 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG

4.1 Tổng hợp kết quả phân bố thực nghiệm của Q 64

4.3 Tổng hợp kết quả phân bố thực nghiệm của Ra 65

4.5 Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của lượng chạy dao

đến chi phí năng lượng riêng Q và độ nhám bề mặt Ra 67 4.6 Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm chi phí năng lượng riêng

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

4.8 Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của vận tốc đến chi phí

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

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

4.11 Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến

chi phí năng lượng riêng Q và độ nhám bề mặt Ra 77 4.12 Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm chi phí năng lượng riêng

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

4.16 Tổng hợp các giá trị xử lý được của chi phí năng lượng riêng 84 4.17 Tổng hợp các giá trị xử lý được của hàm độ nhám bề mặt Ra 86

DANH MỤC CÁC HÌNH

3.2 Chuyển động chính và chuyển động chạy dao khi tiện 35

3.5 Các yếu tố của chế độ cắt và lượng chạy dao dọc 39

4.9 Đồ thị ảnh hưởng của lượng chạy dao đến chi phí năng lượng riêng 69 4.10 Đồ thị ảnh hưởng của lượng chạy dao đến độ nhám bề mặt 71 4.11 Đồ thị ảnh hưởng của vận tốc cắt đến chi phí năng lượng riêng 74 4.12 Đồ thị ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt 76 4.13 Đồ thị ảnh hưởng của chiều sâu cắt tới chi phí năng lượng riêng 79 4.14 Đồ thị ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến độ nhám bề mặt 81

Ngày nay máy tiện CNC đã có mặt ở hầu hết các nghành công nghiệp Đây có thể nói là một lĩnh vực mới có sự kết hợp chặt chẽ giữa máy tính và máy công cụ, điều khiển hoạt động gia công trên máy dựa vào việc khai thác các thành tựu kỹ thuật số hiện đại, mở ra nhiều triển vọng sản xuất Tuy mục đích và phạm vi ứng dụng của từng loại máy công cụ CNC có thể khác, các lợi ích mà các máy này mang lại khá giống nhau

Lợi ích đầu tiên là nâng cao mức độ tự động hóa Sự tham gia của người trong quá trình chế tạo được giảm bớt hay loại trừ Nhiều máy CNC có thể hoạt động suốt cả chu trình gia công không cần đến sự có mặt của người thợ, như vậy giúp làm giảm sự mệt mỏi, lỗi sai sót gây ra do người Thời gian gia công cho mỗi sản phẩm hầu như xác định Máy hoạt động tự động theo chương trình nên không cần đến bậc thợ cao mỗi khi gia công các chi

tiết máy phức tạp như trên máy truyền thống

Lợi ích thứ 2 của công nghệ CNC là cung cấp sản phẩm bảo đảm, tin cậy Một khi chương trình đã qua kiểm tra được đưa vào sản xuất, hàng loạt các chi tiết cùng loại có thể được tạo ra một cách chính xác và ổn định Một lợi ích khác mà máy CNC mang lại là tính linh hoạt Gia công các chi tiết khác nhau trên máy chỉ cần thay đổi chương trình Cũng có thể lưu, sửa đổi và

dùng chương trình cho các lần khác khi cần đến, làm thay đổi mặt hàng Ngoài ra, không phải mất nhiều thời gian chuẩn bị khi gia công trên máy CNC, do vậy rất phù hợp với kỹ thuật sản xuất hiện đại

Xuất phát từ vấn đề nghiên cứu tối ưu hoá các quá trình gia công cắt gọt vật liệu ở nước ta cho tới nay chưa được quan tâm nhiều 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

Xuất phát từ những lợi ích trên việc nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của một số yếu tố chế độ cắt đến chất lượng gia công trên máy tiện CNC-CTX 310” là cần thiết, có ý nghĩa thực tiễn và xã hội

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1.Tình hình sử dụng và nghiên cứu máy tiện ở trong nước

Trong nền kinh tế quốc dân, nghành Cơ khí đóng một vai trò hết sức quan trọng Ngay từ khi ra đời, nghành công nghiệp cơ khí nước ta đã được Đảng và Nhà nước xác định là nghành có vai trò then chốt và luôn được ưu tiên phát triển, đã có nhiều công trình, trung tâm nghiên cứu, chế tạo ra đời

đã có nhiều nhà máy cơ khí lớn được xây dựng

Nếu như vào những năm đầu của thập kỷ 90 thế kỷ trước, ngành Cơ khí mới chỉ đáp ứng được khoảng 8-10% nhu cầu trong nước, thì đến những năm gần đây, con số này đã đạt 40%, tốc độ tăng trưởng bình quân đạt 40%/năm Đây là một tín hiệu rất đáng mừng đối với một ngành được coi là ngành công nghiệp nền tảng, có vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế - xã hội đất nước Theo báo cáo của Hiệp hội Doanh nghiệp Cơ khí Việt Nam, hiện nay, cả nước có khoảng 53.000 cơ sở sản xuất cơ khí, thu hút trên 500.000 lao động, chiếm gần 12% lao động công nghiệp Các doanh nghiệp cơ khí chủ yếu tập trung tại các thành phố Hà Nội, Hồ Chí Minh, Hải Phòng Vùng đồng bằng Bắc Bộ và Nam Bộ chiếm gần 90% giá trị sản xuất công nghiệp ngành Cơ khí

cả nước, tỷ trọng giá trị sản xuất công nghiệp cơ khí so với toàn ngành Công nghiệp đã tăng từ 8% lên 12% Trong những năm qua, ngành Cơ khí đã có những đóng góp quan trọng cho nền kinh tế Hàng năm, Ngành đã sản xuất trên 500 danh mục sản phẩm với tổng khối lượng hàng trăm ngàn tấn, đáp ứng nhu cầu cho các ngành kinh tế quốc dân Đặc biệt, Ngành còn chế tạo thành công dây chuyền thiết bị toàn bộ phục vụ công nghiệp chế biến lương thực, thực phẩm như xay xát gạo, mì ăn liền, chế biến chè, chế biến mía đường quy mô vừa và nhỏ, thiết bị xi măng, thiết bị sản xuất VLXD, máy kéo nhỏ, động cơ diezen và xăng, thiết bị điện, một số sản phẩm tiêu dùng như

quạt điện, xe đạp, dụng cụ cơ kim khí… Điều đáng nói ở đây là chất lượng thiết bị toàn bộ do Ngành chế tạo đã sánh ngang chất lượng các nước trong khu vực Tổng công ty Lilama đã trở thành nhà tổng thầu EPC đầu tiên của Việt Nam khi trúng thầu các gói thầu số 2 và 3 của Nhà máy Lọc dầu Dung Quất, tiếp đến là chế tạo và lắp đặt phần lớn các thiết bị chính của Nhà máy Nhiệt điện Na Dương, Nhiệt điện Phú Mỹ 3, 4 Sau những thành công của các hợp đồng đầu tiên đó, uy tín của Lilama không ngừng tăng lên Hiện nay, Lilama đang đảm đương vai trò tổng thầu chế tạo và cung cấp thiết bị cho hầu hết các dự án đầu tư lớn cho các nhà máy như: Nhiệt điện Uông Bí mở rộng với công suất 300 MW, tổng vốn đầu tư 300 triệu USD; Xi măng Sông Thao 2.500 tấn clanke/ngày, Xi măng Đô Lương 2.500 tấn clanke/ngày, Điện Cà Mau công suất 750MW và Điện Nhơn Trạch Hiện nay, Lilama đang tự đầu

tư thực hiện Dự án Nhiệt điện Vũng áng

Đến nay, khối lượng thiết bị chế tạo đã được nội địa hoá chiếm 65-70%

và lần đầu tiên, ngành Cơ khí trong nước đã chế tạo được lò nung cho nhà máy xi măng 2.500 tấn clanke/ngày, thực hiện nội địa hoá được toàn bộ kết cấu thép phục vụ xây dựng Trung tâm Hội nghị quốc gia tại Hà Nội

Bên cạnh những bước tiến vượt bậc của Ngành Đóng tàu, Ngành Công nghiệp

ô tô-xe máy cũng được ghi nhận với những kết quả đạt được trong khoảng 5 năm trở lại đây Ngành đã đáp ứng được nhu cầu trong nước với các loại xe buýt có tỷ lệ nội địa hoá khoảng 40%, các loại xe tải nhẹ có công suất dưới 5 tấn và các loại xe gắn máy do chính các doanh nghiệp trong nước sản xuất với

tỷ lệ nội địa hoá đạt từ 80-90% Công ty Xuân Kiên (Vinaxuki), ô tô Trường Hải, Vinamoto là những doanh nghiệp mạnh dạn đầu tư chiều sâu vào các khâu sản xuất thân vỏ xe, thùng xe, với các xưởng khuôn mẫu, dập ép, hàn, sơn tĩnh điện hiện đại, từ đó làm tăng dần tỷ lệ nội địa hoá trong sản xuất xe ô tô Đối với các nhà máy thuỷ điện có công suất đến 300MW, trước đây, phải nhập khẩu hầu hết các thiết bị cơ khí thuỷ công thì nay, toàn bộ phần này đều

do ngành Cơ khí trong nước đảm nhận Bộ Công Thương đang chỉ đạo các liên doanh cơ khí trong nước chế tạo và cung cấp thiết bị cơ khí thuỷ công cho các nhà máy thuỷ điện A Vương, Pleikrông, Bản Vẽ, Quảng Trị, Sesan 3, Đồng Nai, Hội Quảng, Bản Chát… với tổng trọng lượng thiết bị lên đến hàng chục ngàn tấn

Lĩnh vực cơ khí chế tạo nói chung và nghành Tiện nói riêng có những bước phát triển mạnh về số lượng và chất lượng như đã được giới thiệu trong tài liệu “Giáo trình tiện” của các nhà khoa học Nguyễn Thị Quỳnh, Phạm Minh Đạo, Trần Sỹ Tuấn, năm 2009 Máy tiện chiếm khoảng 25% tới 35% tổng số thiết bị trong phân xưởng gia công cắt gọt

Máy tiện được sản xuất trong nước từ những năm của thập kỷ 60 trong thế kỷ 20 với sự trợ giúp của Liên Xô (cũ) Trải qua thời kỳ dài phát triển chúng ta đã có nhiều loại máy tiện được sản xuất trong nước và nhập khẩu từ các nước tiên tiến như Đức, Nhật

Trong lĩnh vực nghiên cứu cơ bản và ứng dụng về gia công vật liệu kỹ thuật chúng ta đã có những thành tựu đáng kể như:

- Những nghiên cứu về sự tác động tương hỗ giữa công cụ (máy gia công) và đối tượng gia công kim loại của các tác giả: Bành Tiến Long, Trần Thế Lục, Trần Sỹ Tuý với công trình “Nguyên lý gia công vật liệu”, Các tác giả đã đưa ra những cơ sở lý luận khoa học về gia công kim loại bằng cắt gọt, gia công các vật liệu khác và phương pháp gia công khác

- Về các thiết bị gia công kim loại nói chung, các máy cắt, tiện, 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”

- Những nghiên cứu chỉ ra các phương pháp tính toán và tra cứu chế độ cắt hợp lý hỗ trợ cho việc học tập, sử dụng và điều khiển các thiết bị cắt kim loại đã được các tác giả Nguyễn Ngọc Đào, Trần Thế San, Hồ Viết Bình giới thiệu trong tài liệu “Chế độ cắt gia công cơ khí”

- Nghiên cứu mô tả toán học, sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ 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 hoá được giới thiệu trong tài liệu “Tối ưu hoá các quá trình gia công cắt gọt” của PGS-TS Nguyễn Trọng Bình

Động học và động lực học quá trình tiện 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 tiện gỗ đã được T.S Hoàng Việt đề cập nhiều trong giáo trình “ Máy và thiết bị chế biến gỗ” năm 2003 [22]

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, 25]

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 ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng gia công trên máy T18A " của Th.s Nguyễn Văn Chiến Kết quả nghiên cứu cho thấy chiều sâu cắt, vận tốc cắt ảnh hưởng lớn đến chi phí năng lượng riêng

1.2.Tình hình nghiên cứu gia công cắt gọt bằng phương pháp tiện và máy tiện trên thế giới

Hình 1.1 Chuyển động cắt gọt

Tiện là phương pháp gia công cắt gọt có phoi được thực hiện bằng sự phối hợp hai chuyển động chính là chuyển động quay tròn của chi tiết và chuyển động chạy dao (chuyển động chạy dao dọc và chuyển động chạy dao ngang)

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

sĩ V.A Arsinop, giáo sư G.C Andrev, V.F Bobrov , các nhà khoa học Mỹ như Boston O.W, Ernst H, Merchant M.E

Lý thuyết cắt gọt kim loại đi sâu nghiên cứu về quá 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

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

Vào thập kỷ 70 của thế kỷ XX, lý thuyết cắt gọt kim loại ngày càng ược 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 [5, 15, 31, 42, 47]

đ-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 - hoá 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 hoá 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

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

Tỷ suất lực cắt và theo đó tính toán lực cắt, công suất cắt, công suất đẩy khi tiện

gỗ đã được giáo sư tiến sĩ A L Bersatski xác định bằng công thức thực nghiệm

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 B.M.Buglai đã nghiên cứu độ nhẵn phần lớn các dạng gia công gỗ Theo khả năng của máy, dao cắt và theo yêu cầu của các khâu công nghệ Ông đã phân thành 10 cấp độ nhẵn bề mặt gia công, độ nhẵn cao nhất có thể đạt là 16 m và thấp nhất là 1600 m

Nguyên lý cấu tạo, tính năng công nghệ của các máy công cụ, máy cắt kim loại nói chung, các máy gia công tiê ̣n nói riêng đã được các nhà khoa ho ̣c nghiên cứu từ khá sớm Năm 1712 ông Nartôp, một thợ cơ khí người Nga đã chế tạo được máy tiện chép hình để tiện các chi tiết định hình Việc chép hình theo mẫu được thực hiện tự động Chuyển động dọc của bàn dao do bánh răng

- thanh răng thực hiện Cho đến năm 1798 (86 năm sau) ông Henry Nandsley người Anh mới nghiên cứu thay thế chuyển động này bằng chuyển động của vit me - đai ốc Năm 1873 Spender đã chế tạo được máy tiện tự động có ổ tiếp phôi và trục phân phối mang các cam đĩa và cam thùng Năm 1880 nhiều hãng trên thế giới như Pittler Ludnig Low (Đức), RSK (Anh) đã chế tạo được máy tiện rơvônve dùng phôi thép thanh

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 [15,38, 40]

Nghiên cứu về máy và thiết bị cắt kim loại, vật liệu phi kim loa ̣i các nhà khoa học Boley B, Weiner J, Iwamura Y., Rybicki E Johns D., Thermal stress analyses - Pergamon press, First edition, ,… [30, 31, 32, 34] 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

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 trên thế giới lúc đó ít có công trình nghiên cứu tương tự nào ra đời Nghiên cứu về máy cắt và thiết bị cắt kim loại, vật liệu phi kim loại các nhà khoa học Spirindonov A.A, Fedorov V.B, Molchanov G.I 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 sản phẩm Chất lượng gia công phụ thuộc vào nhiều yếu tố, với từng điều kiện sản xuất cụ thể sẽ cá 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 Công nghệ và thiết bị sản xuất các vật liệu phục vụ sản xuất đã được các nước phát triển trên thế giới như Nga, Mỹ, Đức, Nhật, Thuỵ Điển nghiên cứu sâu rộng với các dây chuyền sản xuất hiện đại

Hình 1.2.Máy tiện CNC CJK1640

Nhiều hãng sản xuất nổi tiếng như: MAC (Đức) sản xuất các loại máy tiện CNC mã hiệu CJK1640 (hình 1.2) với khả năng gia công linh hoạt, đường kính chi tiết gia công có thể tới 410 mm, chiều dài chi tiết 800 mm, dải vận tốc vô cấp 8- 2000 rpm, máy có thiết kế hiện đại, đặc biệt cho phép gia công nhiều chủng loại sản phẩm tinh xảo, vận hành an toàn, tiếng ồn nhỏ, năng suất cao và vận hành dễ dàng, bộ điều khiển FAGOR có giao diện thân thiện, sử dụng ngôn ngữ ISO cùng với hệ thống Simulation hiện đại, dễ hiểu,

độ an toàn cao, cổng truyền Pro RS-232 thích ứng với Windows 98/2000/XP

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 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 hoá và tối ưu hoá 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 mở rộng với nhiều công trình nổi tiếng về tối ưu hoá các quá trình gia công cắt gọt [1, 5, 34]

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 hoá 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, Thuỵ Sĩ, Pháp, Ở những nước này song song với

việc nghiên cứu tối ưu hoá 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 hoá 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, 45]

1.3.Kết luận chương

Lĩnh vực cơ khí chế tạo nói chung và ngành Tiện nói riêng có những phát triển đáng kể Tuy nhiên, từ khi bước sang cơ chế thị trường, ngành cơ khí nước nhà đã bộc lộ nhiều yếu kém, trong đó vấn đề lớn nhất là khả năng cạnh tranh của nghành 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 ngoại nhập, hoạt động kinh doanh gặp rất nhiều khó khăn Có nhiều nguyên nhân làm cho chi phí sản xuất tăng cao, chất lượng sản phẩm thấp nhưng trong đó

có nguyên nhân chính là chưa có nghiên cứu, khai thác, sử dụng hiệu quả thiết bị

Vì vậy muốn có sản phẩm với chất lượng cao cần có máy móc tự động, đó là các máy CNC, ngày nay trên thế giới cuộc chiến khốc liệt của các nhà sản xuất trong việc chinh phục khách hàng bằng việc cung cấp các sản phẩm tốt nhất, giá thành thấp nhât, Việt Nam không thể tách rời xu hướng phát trển của thế giới khi hội nhập với cộng đồng quốc tế, muốn vậy ta cần nghiên cứu vấn

đề tối ưu hoá các quá trình gia công cắt gọt vật liệu tr ên máy CNC Tối ưu hóa quá trình gia công cắt gọt là phương pháp nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu thông qua mối quan hệ việc xây dựng mối quan hệ toán học giữa hàm mục tiêu kinh tế với các thông số của chế độ gia công ứng với một hệ thống giới hạn về mặt chất lượng, kỹ thuật và tổ chức của nhà máy

Vấn đề tối ưu hoá các quá trình gia công cắt gọt vật liệu nước ta hiện 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 từ thực tế trong các điều kiện sản xuất và công nghệ cụ thể, do vậy chúng không phải là các tham số tối ưu

Vì vậy cần phải có những công trình nghiên cứu cụ thể về sự ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng sản phẩm gia công, năng suất khi gia công chi tiết máy để tạo lập cơ sở tính toán thiết kế, cải tiến thiết bị, lựa chọn chế độ gia công tối ưu, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế thích ứng với các điều kiện sản xuất cụ thể

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

Chương 2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

2.1 Mu ̣c tiêu nghiên cứu

Xác định mức độ và qui luật ảnh hưởng của một số yếu tố chủ yếu thuộc chế độ cắt đến các chỉ tiêu về kinh tế và kỹ thuật của quá trình gia công chi tiết trên máy tiện CNC CTX 310 Kết quả đạt được làm cơ sở cho việc xác lập chế độ cắt tối ưu góp phần sử dụng máy tiện CNC hiệu quả nhất trong quá trình gia công

2.2 Đối tươ ̣ng, pha ̣m 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 tiê ̣n CNC

CTX 310 Đây là loại máy sản xuất tại Đức và hiện đang được sử dụng rộng rãi trong các xưởng gia công cơ khí của các Công ty, các Trường đào tạo chuyên ngành kỹ thuật và đào tạo nghề cơ khí ở nước ta

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 dạng trụ được sử dụng rộng rãi trong các máy hiện nay Dao tiện được lựa chọn là dao gắn mảnh hợp kim

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

và kỹ thuật là độ nhám bề mặt 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 chất lượng gia công là vận tốc cắt V, lượng chạy dao S và chiều sâu cắt t

2.3 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu của đề tài 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 tiện và thiết bị công nghệ Xác lập cơ sở lý thuyết, những yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt và chi phí năng lượng riêng trên máy tiện

- 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 tiện CNC CTX 310

- Xác định giá trị tối ưu của các thông số thuộc chế độ cắt

- Thử nghiệm gia công với chế độ cắt tối ưu

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Các phương pháp nghiên cứu

- 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, xây dựng 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 hóa thực nghiệm đơn và đa yếu tố để giải quyết các nội dung nghiên cứu thực nghiệm,

- Phương pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu theo phương pháp Lagrăng

Quá trình gia công cơ khí nói chung, gia công cắt gọt kim loại nói riêng chịu ảnh hưỏng 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 - hoá 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 kẹp phôi", động học và động lực học của hệ ; 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

Trong nghiên cứu thực nghiệm, có thể tiến hành thí nghiệm bằng phương pháp cổ điển Người thực nghiệm chỉ dựa vào kinh nghiệm và trực giác để chọn hướng nghiên cứu Các thí nghiệm được tiến hành lần lượt với

sự thay đổi từng thông số trong khi giữ nguyên các yếu tố còn lại Phương pháp cổ điển chỉ cho phép tìm kiếm cái mới phụ thuộc đơn định giữa các chỉ tiêu đánh giá và các yếu tố ảnh hưởng một cách riêng biệt trong khi làm thực nghiệm một cách riêng rẽ theo từng yếu tố Mặc dù có trong tay một tập hợp các phương trình thực nghiệm đơn yếu tố nhưng vì chúng chỉ là những trường hợp riêng nên không cho kết quả chặt chẽ về mức độ ảnh hưởng của từng yếu

tố trong mối tác động qua lại giữa chúng, và như vậy cũng không thể tìm kiếm phương án phối hợp tối ưu các yếu tố ảnh hưởng

Với bài toán tìm kiếm điều kiện tối ưu thì phương pháp này không cho thấy hướng chuyển dịch của các tương quan Các thực nghiệm đó thuộc dạng thụ động Từ phân tích trên cho thấy việc áp dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm để thực hiện đề tài luận văn là cần thiết vì 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 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 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

Tiến hành thí nghiệm thăm dò (ở mức cơ sở với số thí nghiệm n =

50140) để xác định qui luật phân bố của đại lượng cần nghiên cứu [14]

Quy luật phân bố của đại lượng nghiên cứu có thể khái quát hoá thành phân bố lý thuyết gọi là phân bố thực nghiệm Xây dựng các phân bố thực nghiệm để khái quát hoá thành các phân bố lý thuyết là một trong những nhiệm vụ quan trọng

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, trước hết ta cần sắp xếp các trị số quan sát được của đại lượng theo một trật tự nhất định, rồi thống kê các phần tử nằm trong những khoảng xác định Để lập được phân bố thực nghiệm phải tiến hành chia tổ ghép nhóm các trị số thu thập được theo công thức kinh nghiệm của Brooks và Carruther [13]:

Xác định các đặc trưng của phân bố thực nghiệm:

Sai số trung bình mẫu:

     

1 i n

2

n

1 x

x x n

1 n

n i i

2

Phương sai mẫu là bình phương sai tiêu chuẩn: S2

n.S

) x (x

(2.8) Nếu: Sk=0, thì phân bố là đối xứng;

Sk>0 thì đỉnh đường cong lệch trái so với số trung bình;

Sk<0thì đỉnh đường cong lệch phải so với số trung bình

Độ nhọn phân bố:

Ex= 3

n.S

) x (x

4

n

1

4 i







(2.9) Nếu: Ex = 0 thì đường cong thực nghiệm tiệm cận chuẩn;

Ex > 0 thì đỉnh đường cong nhọn so với phân bố chuẩn

Ex < 0 thì đỉnh đường cong bẹt hơn so vơi phân bố chuẩn

Xác định luật phân bố:

χn2=l 

2 l i

f

) f (f

(2.10)

trong đó l- số tổ hợp sau khi đã gộp những tổ hợp có tần số lý luận fi

Nếu χn2 > χα2(k) thì luật phân bố của đại lượng nghiên cứu là phân bố chuẩn χα2

(k) được xác định bằng cách tra bảng phụ lục 5 [13], với k = n-1 là bậc tự do và mức ý nghĩa α = 0,05

Xác định số lần lặp cho các thí nghiệm 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 Số lần lặp cho mỗi thí nghiệm được tính theo kết quả của thí nghiệm thăm dò và theo công thức:

m =

Y Δ%

.S τ 2

2 2.

(2.11) trong đó: m- số lần lặp; τ- tiêu chuẩn Student tra bảng với mức ý nghĩa φ=0,05; ∆%- sai số tương đối, ≤5%; Y- giá trị trung bình của đại lượng nghiên cứu

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

1 u

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 (2.14) 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 Fisher 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 Fisher 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

u u

* u=1

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

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

+ Lập lại thực nghiệm với khoảng và mức biến thiên của thông số vào nhỏ hơn

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 độ nhám bề mặt

và chi phí năng lượng riêng

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, chiều sâu cắt 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, Box wilson, phương án H.O Hartley, chúng tôi chọn phương án H.O Hartley vì đây là phương án đòi hỏi số lượng thí nghiệm tương đối ít mà vẫn đạt độ tin cậy bảo đảm cao

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

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

m = 3 suy ra 23 = 8; N- các thí nghiệm ở mức sao, N= 2.m = 6; N0- các thí nghiệm ở trung tâm, N0=3

Vậy tổng thí nghiệm cần thực hiện là 17

Biến thiên của 3 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 yếu tố khác nhau của yếu tố Xi quan trọng nhất là mức cơ sở

Xi 0 được xác định theo công thức:

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

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 m, chúng tôi sử dụng chương trình xử lý số liệu thực nghiệm nhờ phần mềm quy hoạch hóa thực nghiệm OPT của Viện cơ điện công nghệ sau thu hoạch

c Xác định mô hình toán học

Hàm mục tiêu được biểu thị bằng các mô hình toán là phương trình hồi qui bậc hai với dạng chung là [2, 14]:

2 i K

1 i Þ j

i K

1 i K

1 i Þ i

K

1 i i

1 u

2 iu N

1 u u

1 u iu

1 u

j u iu

K

1

i u 1

j u u

N

1 u

2 iu

Trong chương trình máy tính các hệ số: a, b, c, d, e, p đã được tính sẵn nhờ đó xác định được b0, bi, bii, bij và mô hình toán học được xác định

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

y 2

bij c d S

2 y 2

bi eS

2 y 2

1 j

u þu N

1 u u

2

1m

1

Hệ số hồi quy có nghĩa khi:

2 b0

2 bi

2 bij

ij t s

2 bii

ii t s

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 (2.27 2.30) mà

có giá trị không thoả mãn các điều kiện (2.36 2.39) 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 (2.26) 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 hoá 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 Hartly:

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

0 ii

*

a

pb

1 u

2 iu

* N

1 u u

* n

1 j N

1 u ju

* u N

1 u iu

emp

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

1 u n

1 u

N

1YN.m

2 e 2

u

2 e 2

* 2

SimNY

Ym

S1mNSKNm1

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 i n

1 i n

1 j Þ i

n

1 i i

1

0j 0i ij n

1

0i i 0

0

xxbx

bb

a

εε

0i 2 i

ij n

1

j i Þij i

i

a

εεε

j i

ij ij

b2a





2 i

ii ii

ba



Xi - Giá trị tự nhiên của các thông số

2.4.3 Phương pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu

Sau khi xây dựng được mô hình toán học nhờ phương pháp quy hoạch hóa thực nghiệm ta được mô hình toán học các hàm mục tiêu Yj, chúng có dạng tổng quát là:

) , , ,

( 1 2 n

j

Y  ; j = 1,2, m (2.53)

Quá trình lập và giải bài toán tối ưu tổng quát theo các bước sau:

1 Xác định mục tiêu bài toán

Xuất phát từ ý nghĩa của bài toán, trước tiên xác định rõ mục tiêu cần đạt, chúng là những chỉ tiêu tối ưu Yj. Các chỉ tiêu này rất khác nhau về ý nghĩa vật

lý, nhưng cần có các yêu cầu sau: Phải là các chỉ tiêu về số lượng, có thể xác định được, đo đếm được khi các biến số đặc trưng cho quá trình công nghệ thay đổi Khi lựa chọn các chỉ tiêu này cần chú ý:

- Số lượng các chỉ tiêu của bài toán không quá lớn, vì khi đó bài toán sẽ rất phức tạp

- Các chi tiêu được lựa chọn phải độc lập nhau

2 Xác định và phân loại các yếu tố ảnh hưởng

Trong thực tế các yếu tố ảnh hưởng đến mục tiêu bài toàn thường rất nhiều, do đó cần xem xét và phân loại chúng, trong đó chỉ cần quan tâm tới các yếu tố điều khiển được,các yếu tố này thường gọi là những tham số điều khiển tối ưu và được ký hiệu xi

i i ii k

i ik m

i i i

0 (2.55)

4 Xác định miền giới hạn

Các giá trị của yếu tố ảnh hưởng được xác định từ tính hiện thực vật lý của tham số điều khiển từ điều kiện làm việc hiện thực và những yêu cầu kỹ thuật của máy móc thiết bị Về mặt toán học, những điều kiện này được biểu diễn qua các giới hạn của các yếu tố, gọi là miền xác định của bài toán và được viết dưới dạng:

max

x   ; i = 1,2, n (2.56) Ngoài ra các yếu tố này còn chịu sự giàng buộc nào đó mà khi giải bài toán nhất thiết phải kể, chúng gọi là nhữngđiều kiện ràng buộc và được viết như sau:

0 ) ,

, ( 1 2 n 

g ; (k = 1,2, s) (2.57) Trên cơ sở của các giới hạn và những ràng buộc, ta xẽ xác định được một vùng có ý nghĩa của bài toán

5 Giải bài toán

Từ các biểu thức của hàm mục tiêu (2.14), (2.15) cùng điều kiện giới hạn (2.17) và điều kiện ràng buộc (2.18), mô hình toán học của bài toán có dạng như sau, [1]:

max min

2 1

2 1

0 ) , , , (

min max, )

, , , (

i i i

n k

n j

j

x x x

x x x

g

x x x f Y