Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố chế độ cắt đến chất lượng gia công trên máy phay FA3AU

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP PHẠM VĂN KHIÊM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN CHẤT LƯỢNG GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY FA3AU Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới h

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

PHẠM VĂN KHIÊM

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ

CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN CHẤT LƯỢNG GIA CÔNG TRÊN

MÁY PHAY FA3AU

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2011

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

PHẠM VĂN KHIÊM

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN CHẤT LƯỢNG GIA CÔNG TRÊN

MÁY PHAY FA3AU

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 - 2011

ĐẶT VẤN ĐỀ

Chế tạo máy là một ngành quan trọng của nền kinh tế quốc dân Phạm vi

sử dụng sản phẩm của ngành chế tạo máy rất rộng rãi Từ con tầu vũ trụ cho đến giày, dép và quần áo - tất cả những sản phẩm này đều được chế tạo ra nhờ các máy và thiết bị khác nhau

Trong xu thế toàn cầu hoá, 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 hoá quá trình sản xuất là một công cụ hữu hiệu để đạt được mục tiêu đó Tuy nhiên tối ưu hoá 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 hoá các nguyên công của quá trình gia công cơ

Nghiên cứu tối ưu hoá 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 hoá 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 hoá 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 FA3AU là thiết bị chủ đạo phục vụ đào tạo và sản xuất tại Trường Cao đẳng Cơ điện và Nông nghiệp Nam Bộ, 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 hoá 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 chất lượng gia công trên máy phay FA3AU ” 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 cứu 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 có thể 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 - 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 [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 hoá 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 loa ̣i 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, Nhâ ̣t, 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 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 rộng với nhiều công trình nổi tiếng về tối ưu hoá 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 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, Thụy Sĩ,… 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, 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 động 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 hoá 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 khác và các phương pháp gia công mới

Về các thiết bị gia công kim loại nói chung, các máy phay kim loa ̣i 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 viê ̣c 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 liê ̣u “Chế đô ̣ 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 hoá 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 hoá

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

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 các thiết bị công nghệ một cách có hiệu quả 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 hoá 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 FA3AU tại xưởng thực hành Trường Cao đẳng Cơ điện và Nông nghiê ̣p Nam Bô ̣ đươ ̣c nhập khẩu từ Cộng hoà Sec Máy phay FA3AU 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 hoá khâu sản xuất

Vì vậy, cần phải có những công trình nghiên cứu cụ thể về sự ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lươ ̣ng 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

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 FA3AU, 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 độ nhám bề mă ̣t và độ chính xác gia công khi sản xuất các chi tiết máy là cơ sở cho thiết lập mô hình toán học bài toán tối ưu hoá 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

- Xác định chế độ cắt hợp lý khi phay tạo chi tiết máy trên máy đảm bảo yêu cầu chất lượng bề mặt và độ chính xác kích thước gia công cao

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 FA3AU Đây là loại máy sản xuất tại Cộng hoà Sec và hiện đang được

sử dụng phổ biến trong các xưởng gia công cơ khí của các Công ty, Trường 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 sai số kích thước - độ lệch song song của mặt phẳng chi tiết 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 phay t

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 độ chính xác gia công 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 FA3AU

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

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 - 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 - 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

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

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 hóa thành phân bố lý thuyết gọi là phân bố thực nghiệm Xây dựng các phân bố thực nghiệm để khái quát hóa 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

1x

xxn

1

2

) (

1 n

n i i

Độ lệch: Sk= 3

n

1

3 i

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 < 0 thì 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

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;

ui

Y - Giá trị trung bình của thông số ra tại điểm u;

m

i 1 u

1

  (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

Trong đó bậc tự do ở tử số  = m - 1 và ở mẫu số K = N.(m - 1)

m- số lần lặp lại ở thí nghiệm mà ở đó có phương sai cực đại m = mu

Giá trị thống kê chuẩn Kohren được tính sẵn theo mức ý nghĩa , bậc

tự do  và k ký hiệu Gb tra bảng [2, 14]

Nếu Gtt < Gb thì giả thiết H0 không mâu thuẫn với số liệu thí nghiệm Phương sai của 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 Ngược lại nếu Gtt > Gb thì giả thiết H0 bị bác bỏ

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

 2

N 2

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=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

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 sai số kích thước

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 sai số kích thước 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:

N = 2k + N+ N0 (2.22) Trong đó: 2k - các thí nghiệm ở phần hạt nhân;

k - các thông số ảnh hưởng, k = 3 suy ra 23 = 8;

N- các thí nghiệm ở mức sao, N = 2.k = 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

0, còn mức trên có giá trị (+1)

Bảng 2.1: Mã hoá của các yếu tố ảnh hưởng

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 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

i

K

i

i ii j

i ij K

i

i

b b

Y

2 1

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

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 (2.27  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 Hartley:

+ 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

e m 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 ijb2a





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 độ nhám bề mặt và Y2 sai số kích thước ở dạng phương trình hồi quy (2.26) Hai hàm mục tiêu này có các thứ nguyên khác nhau (m, mm ), 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, X3 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, X3 vào 1 và 2

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

- Thay X1, X2, X3 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

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

Hình 3.1 Máy phay FA3AU tại trường Cao đẳng

Cơ điê ̣n và Nông nghiê ̣p Nam Bộ

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 cắt, khác với tiện và khoan các lưỡi cắt của dao phay không tham gia cắt liên tục, phoi ngắn hơn, lưỡi cắt bị nung nóng gián đoạn nên khả năng chịu tải tốt hơn Tiết diện ngang của phoi không đồng đều nên lực cắt dao động và lưỡi cắt chịu tải trọng va đập gây ra rung động trong quá trình phay

3.2.1.1 Kết cấu và thông số hình học phần cắt của dao phay

Tuỳ theo yêu cầu tạo hình bề mặt chi tiết và điều kiện gia công mà có nhiều loại dao phay kết cấu khác nhau như trên hình 3.2 Trong luận văn, như

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; h- dao phay định hình

phạm vi nghiên cứu đã đưa ra, ở đây chỉ khảo sát kết cấu và thông số hình học của dao phay hình trụ, cụ thể là trụ răng xoắn

Thành phần kết cấu của dao phay trụ răng xoắn (hình 3.3,a) gồm có: mặt trước 1; mặt sau 2; mặt lưng răng 4; lưỡi cắt xoắn 5 nghiêng với trục dao một góc ω; cạnh viền 3 nằm giữa lưỡi cắt 5 và mặt sau 2, có chiều rộng 0.05 – 1mm trên mặt trụ đường kính D, h là chiều cao của răng và f là chiều rộng mặt sau

Các góc của dao phay trụ răng xoắn được xét trong 2 tiết diện: tiết diện mặt đầu (vuông góc với trục dao) và tiết diện pháp A-A (hình 3.3) Góc trong tiết diện pháp A-A (tiết diện thoát phoi) có ảnh hưởng quyết định đến quá trình cắt khi phay như sự co rút của phoi, lực cắt, độ mòn của răng cắt, chất lượng bề mặt gia công… còn góc đo trong tiết diện mặt đầu chỉ dùng để điều chỉnh dao phay khi mài mặt trước và mặt sau

Các góc đo trong tiết diện pháp tuyến với lưỡi cắt và tiết diện mặt đầu

có mối quan hệ sau:

Hình 3.3 Thành phần kết cấu của dao phay trụ răng xoắn

Ở đây: γ1 và α - góc trước và góc sau đo trong tiết diện mặt đầu;

γ và αn - góc trước và góc sau đo trong tiết diện pháp A-A Bước vòng của dao Tv là khoảng cách giữa hai răng kề nhau đo theo cung tròn đường kính D:

T v D

z



 (mm) (3.3) Góc giữa hai răng kề nhau:

cos

n

D T z

 (mm) (3.5)

3.2.1.2 Các yếu tố của chế độ cắt khi phay

Các yếu tố của chế độ cắt khi phay bao gồm: vận tốc cắt V, lượng chạy dao S và chiều sâu phay t

a Vận tốc cắt V

Trong quá trình phay, do sự phối hợp của hai chuyển động tạo hình là chuyển động quay của dao và chuyển động tịnh tiến của chi tiết gia công, mà quỹ đạo của lưỡi cắt là một đường cong OQ (hình 3.4,a)

Phương trình đường cong OQ được biểu diễn bằng hệ phương trình:

xRsinS z

yR1 cos  (3.6)

Ở đây: R- bán kính dao phay; θ- góc tiếp xúc ứng với điểm M của

đường cong

Vì

2

v z

Trong đó: ε- góc ở tâm giữa hai răng kề nhau, tính bằng radian Hệ phương

trình (3.7) là phương trình của đường xicơlôit kéo dài

Vận tốc cắt khi phay được biểu diễn như sau (hình 3.3,b):

Trong thực tế thường giá trị của V s rất bé so với V n Do đó khi tính

toán chế độ cắt người ta thường bỏ qua lượng V s khi đó công thức tính vận tốc cắt sẽ có dạng:

Hình 3.4 Quỹ đạo lưỡi cắt và vận tốc cắt khi phay:

a- quỹ đạo của lưỡi cắt khi phay; b- vận tốc cắt khi phay

b Lượng chạy dao S

Trong quá trình phay lượng chạy dao được phân ra làm 3 loại:

- Lượng chạy dao răng Sz là lượng dịch chuyển của bàn máy (mang chi tiết gia công) sau khi dao quay được một góc răng, mm/răng

- Lượng chạy dao vòng Sv là lượng dịch chuyển của bàn máy sau khi dao quay được một vòng, mm/vòng

Sv = SzZ (mm/vg), Z - số răng dao phay

- Lượng chạy dao phút Sph là lượng dịch chuyển của bàn máy sau thời gian một phút, mm/ph

Sph = Sz..Z.n (mm/ph)

c Chiều sâu phay t

Chiều sâu phay t là kích thước lớp kim loại được cắt đi đo theo phương vuông góc với trục của dao phay ứng với góc tiếp xúc OO (hình 3.4) Trong trường hợp xét với dao phay trụ thì chiều sâu phay trùng với chiều sâu cắt (t = t0) (hình 3.2)

3.2.2 Động lực học của quá trình cắt

Động lực học quá trình cắt nghiên cứu nhiều vấn đề ảnh hưởng đến năng suất, chất lượng, hiệu quả của công nghệ cắt gọt như: sự cân bằng năng lượng trong quá trình cắt, lực cắt, độ ổn định quá trình cắt, v.v… Trong luận văn chỉ đề cập đến lực cắt khi phay bằng dao phay trụ và ảnh hưởng của một số yếu tố thuộc chế độ cắt đến lực cắt để làm cơ sở cho nghiên cứu thực nghiệm

Qui luật phân bố lực cắt khi phay khá phức tạp Khi phay diện tích cắt thay đổi làm cho lực cắt thay đổi Độ lớn của lực phay phụ thuộc vào số răng tham gia cắt và diện tích cắt tức thời Lực phay tổng cộng là tất cả các lực tác dụng lên răng dao phay

3.2.2.1 Các thành phần lực cắt khi phay

Hệ thống lực cắt khi phay được mô tả như trên hình 3.5 Phản lực cắt

P được phân tích thành hệ thống Pz, Px, Py theo hướng tiếp tuyến với đường tròn dao phay, pháp tuyến với nó và theo chiều trục của dao

Thành phần lực P z - lực tiếp tuyến còn gọi là lực vòng tạo thành mômen xoắn, mômen vượt qua lực cản cắt Khi thiết kế hay kiểm tra, người ta tính toán động lực học của máy theo Pz Do khi răng dao phay chuyển động theo bề mặt cắt thì diện tích lớp cắt thay đổi làm cho hệ thống lực cắt thay đổi Bởi thế khi tính toán chế độ cắt người ta dùng mômen và công suất trung bình xác định theo lực vòng trung bình:

2000

z tb

P D

M  (3.10)

6120

z c

PV

N  (3.11) Phản lực Pz làm xoắn và làm cong trục dao

trục chính của máy có xu hướng đẩy chi tiết ra khỏi dao phay theo hướng kính Lực này có xu hướng làm võng trục dao, đồng thời qua đó nó tạo ra

áp lực lên các ổ trục chính, do đó gây ra mômen ma sát phụ trên các ổ

dao phay và phản lực của nó có chiều hướng dịch dao phay theo ổ trục Phản lực Py phải nằm theo hướng của trục máy

Các đại lượng của Px, Py, Pz không thuần nhất, tỷ lệ giữa chúng phụ thuộc vào các thông số hình học của dao phay và chế độ cắt Tỷ lệ Px/Pz

phụ thuộc vào chiều dày lớp cắt và góc nghiêng của rãnh xoắn Tỷ lệ này tăng khi giảm chiều dày lớp cắt và giảm khi góc ω tăng Với dao có góc xoắn ω = 25 ÷ 350 và khi thay đổi lượng chạy dao răng thì tỷ lệ giữa các lực có quan hệ:

Px = (0.4 ÷ 0.6)Pz (3.12)

Tỷ lệ Py/Pz về cơ bản được xác định bằng góc xoắn rãnh răng ω Khi răng thẳng thì Py = 0 Giữa Py và Pz có quan hệ:

Py = (0.2 ÷ 0.4)Pz.tgω (3.13)

Để tiện lợi cho việc xét tính ổn định của phôi trong quá trình cắt ta

có thể phân tích lực Pxz thành hai thành phần theo hướng thẳng đứng và hướng ngang (hình 3.5) Lực Pv gọi là lực thẳng đứng, lực Ph là lực nằm ngang còn gọi là lực chạy dao

Lực thẳng đứng Pv có xu hướng ép chi tiết xuống hoặc nâng chi tiết lên để tăng khả năng kẹp chặt chi tiết hay tăng cơ cấu kẹp chặt, đồng thời làm giảm hay tăng rung động do quá trình phay thuận hay phay nghịch Lực Pv còn phụ thuộc vào tỷ lệ t/D (chiều sâu phay t và đường kính dao phay D) Khi phay nghịch, phụ thuộc t/D, lực Pv có thể hướng lên hoặc xuống dưới Khi tỷ lệ t/D lớn thì có xu hướng lên trên Khi t/D nhỏ thì Pv

giảm, tiệm cận tới không và đổi hướng Khi phay thuận thì lực Pv với bất