Tối ưu chế độ cắt của phương pháp khoan trên máy điều khiển số (NC và CNC)

Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3(43)/Năm 2007 tối −u chế độ cắt của ph−ơng pháp khoan trên máy điều khiển số (NC v CNC) Nguyễn Phú Hoa (Tr−ờng ĐH Kỹ thuật Công Nghiệp – ĐH Thái Nguyên) I. Đặt vấn đề Công việc khoan l công việc th−ờng gặp khi gia công cắt gọt, đồng thời cũng l công việc chiếm khá nhiều thời gian gia công. Tối −u hoá chế độ cắt khi khoan cũng không phải l vấn đề mới, cũng đ có nhiều tác giả đ đề cập v nghiên cứu vấn đề ny với các ph−ơng pháp khác nhau. Trong bi báo khác chúng tôi đ đề cập ph−ơng pháp v giải thuật tối −u các thông số chế độ cắt bằng ph−ơng pháp quy hoạch tuyến tính [5]. ở đây chúng tôi tiếp tục trình by tối −u các thông số chế độ cắt của ph−ơng pháp khoan bằng một ph−ơng pháp khác đơn giản v dễ lập trình máy tính hơn ph−ơng pháp quy hoạch tuyến tính. Để có thể xác định đ−ợc chế độ cắt tối −u của ph−ơng pháp khoan, trong đề ti nghiên cứu " xây dựng hệ thống tự động hoá thiết kế QTCN gia công cắt gọt" , chúng tôi đ kết hợp ph−ơng pháp của các tác giả J A Arsecularatne , Hinduija, G Barrow của Depart of Mechanical Engineering, Univesity of Manchester Institute of Science and technology cùng với thuật giải máy tính do chúng tôi xây dựng đ giúp chúng ta nhanh chóng, tự động xác định chế độ cắt tối −u của ph−ơng pháp khoan. Kết quả nghiên cứu ny có ý nghĩa rất lớn cho việc xây dựng phần mềm máy tính tự động hoá thiết kế tối −u QTCN gia công cắt gọt nói chung v đặc biệt ứng dụng nó để tự động xác định chế độ cắt tối −u đối với các máy công cụ điều khiển số (NC v CNC), thực tế l hiện nay ph−ơng pháp ny đang đ−ợc sử dụng trong các phần mềm điều khiển máy CNC. II. Ph−ơng pháp, thuật giải tối −u chế độ cắt khi khoan Trong nội dung bi viết ny chúng tôi giới hạn xem xét tr−ờng hợp khoan lỗ m chỉ một lần khoan, trong các điều kiện khác sẽ đ−ợc trình by ở bi viết khác. Vì vậy m thông số chế độ cắt chỉ cần xác định tối −u 2 thông số l l−ợng chạy dao v vận tốc cắt. Về bản chất ph−ơng pháp ny cũng xuất phát từ các điều kiện rng buộc khi gia công v mục tiêu tối −u l chi phí gia công l nhỏ nhất nh− ph−ơng pháp quy hoạch tuyến tính. Nh−ng vấn đề khác ở chỗ, ph−ơng pháp quy hoạch tuyến tính l duyệt tìm giá trị tối −u trên ton bộ miền các giá trị khả dĩ, còn ph−ơng pháp ny căn cứ vo nhận xét những điểm m chi phí gia công nhỏ nhất luôn nằm trên đ−ờng phân giới giữa miền khả dĩ v không khả dĩ. Cụ thể đó l: trên cơ sở điều kiện gia công của một máy cụ thể với một dụng cụ cắt no đó ta xây dựng mặt phẳng SV. Trên mặt phẳng SV đ−ợc phân ra lm 2 miền: Miền các giá trị của cặp giá trị SV có thể dùng đ−ợc (miền khả dĩ) v miền không thể dùng đ−ợc (miền không khả dĩ) chúng đ−ợc ngăn bởi đ−ờng cong (Hình 1). Theo các tác giả J A Arsecularatne , Hinduija, G Barrow thì điểm m chi phí gia công nhỏ nhất luôn nằm trên đ−ờng phân giới giữa miền khả dĩ v miền không khả dĩ. Chính vì vậy m ta chỉ cần xét các điểm có các cặp giá trị SV nằm trên đ−ờng phân giới ny, do đó quá trình tính toán nhanh hơn, đơn giản hơn rất nhiều. Quá trình tính toán chế độ cắt tối −u của ph−ơng pháp khoan với các b−ớc nh− sau: 109 Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3(43)/Năm 2007 Hình 1 Mặt phẳng giới hạn các miền SV 1. Tính l−ợng chạy dao cực đại theo chiều dy lớp cắt cho phép của mũi khoan đ−ợc tính toán bằng công thức sau: e1 S1 = c 1 D nếu : L/D<=3 (1) e1 S1 = fc 1 D nếu : L/D>3 Với: f= 10,05(L/D3) c1, e 1 l các hằng số phụ thuộc cặp vật liệu gia công vật liệu dụng cụ cắt. 2. Tính l−ợng chạy dao S 2 phụ thuộc các mô men của máy, mô men cắt giới hạn của dụng cụ v mô men xoắn tránh khả năng tr−ợt của mũi khoan đ−ợc tính bằng công thức sau: /1 e2  M  S =   đối với mũi khoan thép gió (2) 2  e3 − e3   c2 (D D p )  /1 e2  M  S =   đối với mũi khoan hợp kim cứng 2  e3 − e3   k s c2 (D D p )  e10 Với: k s = c 5 s ; M=min ( M 1, M 2, M 3) ( 3 ) Trong đó: *) M 1 l mô men xoắn lớn nhất m máy có thể cho phép v đ−ợc tính nh− sau: 60 P M = max ( 4) 1 π.n 110 Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3(43)/Năm 2007 *) M2 l mô men xoắn lớn nhất m mũi khoan cho phép v đ−ợc tính nh− sau: π 3 τ .Dav . M2 = với D av =0,7 D ( 5) 16000 . f .s1 *) M3 l mô men xoắn giới hạn để không xẩy ra sự tr−ợt mũi khoan, tính nh− sau: à ± ω2 M3 = crg(F c0 Icmj min rj ) ( 6 ) 3. Tính l−ợng chạy dao S 3 phụ thuộc lực cắt cực đại v lực chạy dao cực đại, đ−ợc tính bằng công thức sau: /1 e4  F  S =  a  đối với mũi khoan thép gió ( 7 ) 3  e5 − e5   c3 (D D p )  /1 e4  F  S =  a  đối với mũi khoan hợp kim cứng 3  e5 − e5   k s c3 (D D p )  Với: F a =min ( F a1 , F a2 ) Trong đó: *) F a1 l lực dọc trục lớn nhất m dụng cụ có thể cho phép v đ−ợc tính nh− sau: π 3 ED 4 Fa1 = 2 ( 8 ) 64 L f s1 *) F a2 l lực dọc trục lớn nhất tránh tr−ợt dụng cụ cắt theo chiều trục, tính nh− sau: à ± ω2 Fa2 = a(F c0 Icmj min rj ) ( 9 ) 4. L−ợng chạy dao S opt tối −u đ−ợc tính toán l: Sopt =min ( S 1, S 2, S 3) ( 10 ) 5. Vận tốc cắt tối −u không kể đến các rng buộc đ−ợc tính toán bằng công thức sau: c D e6 V* = 4 đối với mũi khoan thép gió ( 11 ) opt e7 e8 e9 Topt S opt (BHN ) * c4 V opt = e7 e8 đối với mũi khoan hợp kim cứng Topt Sopt 6. Vận tốc cắt tối −u đ−ợc tính nh− trên sẽ đ−ợc kiểm tra với các rng buộc nh− công suất cắt lớn nhất, tránh tr−ợt dụng cụ cắt theo dọc trục v tiếp tuyến. Nó đ−ợc kiểm tra lần nữa với phạm vi tốc độ cắt ứng cặp vật liệu gia công vật liệu dụng cụ cắt. Vận tốc cắt tối −u nhỏ hơn sẽ đ−ợc chọn khi thoả mn tất cả các rng buộc ny. Thuật giải tối −u chế độ cắt của ph−ơng pháp khoan 111 Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3(43)/Năm 2007 Begin Ngân Nhập Dữ liệu về máy, dụng cụ cắt, chi hng tiết gia công, các hệ số dữ liệu Đ S L/D<=3 f= 1 0,05(L/D 3) S1:=c1De1 S1:=fc1De1 60 P π.D 3 .τ M = max ; M = av ; M = à r (F ±I m ω2 r ) 1 π 2 3 c g c0 c j min j .n 16000 . f .s1 M:=min(M 1,M 2,M 3); Đ S MK Thép gió /1 e2 /1 e2  M   M  S =   S =   2  e3 − e3  2  e3 − e3   c2 (D D p )   k 2 c2 (D D p )  π 3 4 ED à ± ω2 Fa1 = 2 ; F a2 = a(F c0 Icmj min rj ) ;F a =min(F a1 ,F a2 ); 64 L f s1 Đ S MK Thép gió /1 e4 /1 e4      Fa   Fa  S3 = S3 =  e5 − e5   e5 − e5   c3 (D D p )   k s c3 (D D p )  Sopt :=MIN(S 1,S 2,S 3) 112 Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3(43)/Năm 2007 Đ S MK Thép gió e6 * c4 D * c4 V = V opt = opt e7 e8 e7 e8 T S (BHN ) e9 T S opt opt opt opt V :=V Ngân 1 max cho phép vật liệu gia công vật liệu dụng cụ cắt V :=V hng 2 max cho phép của công suất máy dữ V :=V 3 max cho phép tránh sự tr−ợt vòng liệu V :=V 4 max cho phép tránh sự tr−ợt dọc Vopt =MIN( V 1 ,V 2 , V 3, V 4 ) End III. Kết quả nghiên cứu Kết quả của ph−ơng pháp v giải thuật tối −u chế độ cắt của ph−ơng pháp khoan trên đ−ợc thử nghiệm xác định tối −u chế độ cắt của ph−ơng pháp khoan trên máy CNC l trung tâm gia công MHP với chi tiết gia công nh− hình vẽ 2, vật liệu chi tiết gia công l thép 45: Hình 2: Chi tiết gia công Với chi tiết gia công thì bề mặt cần khoan l bề lỗ Φ18. Dụng cụ cắt l mũi khoan thép gió Φ18, khoan 1 lần l đạt kích th−ớc nên chiều sâu cắt l 9 mm, tuổi bền mũi khoan để chi phí dụng cụ thấp nhất l 24,75 phút. Quá trình tối −u l−ợng chạy dao qua các b−ớc nh− sau: 1. L−ợng chạy dao cực đại tính theo tiết diện phoi cắt lớn nhất cho phép l: S1= 0,102 mm/vòng. 2. L−ợng chạy dao S 2 phụ thuộc rng buộc mô men tính theo công thức (2) l: S2= 2,341 mm/vòng. 3. L−ợng chạy dao S 3 phụ thuộc rng buộc lực theo công thức (2) l: 113 Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3(43)/Năm 2007 S3= 2,098 mm/vòng. 4. L−ợng chạy dao tối −u theo công thức (2) l: S=min(S 1, S 2, S 3)=min( 0,102; 2,341; 2,098)= 0,102 mm/vòng. 5. Vận tốc cắt tối −u ứng với l−ợng chạy dao tối −u v tuổi bền dụng cụ tối −u l: * V opt =62,7 m/phút. 6. Kiểm tra các điều kiện: *) Vận tốc cắt cho phép lớn nhất của cặp vật liệu chi tiết gia công v vật liệu dụng cụ cắt l : 30,0 m/phút. *) Vận tốc cắt cho phép lớn nhất của công suất máy l : 25,45 m/phút. *) Vận tốc cắt cho phép lớn nhất tránh tr−ợt vòng l : 219,8 m/phút. *) Vận tốc cắt cho phép lớn nhất tránh tr−ợt dọc trục l : 230,1 m/phút. Vậy: V opt = min ( 62,7; 30,0; 25,45; 219,8; 230,1) = 25,4 5 m/phút Sau đây l so sánh kết quả tính toán tối −u v tính toán bằng ph−ơng pháp tra bảng, trong đó chi phí khấu hao máy l 4.800,0 đồng/phút, chi phí dụng cụ cắt ứng với tuổi bền tối −u l 150,0 đồng/phút. Thời gian gia công ( phút ) Chi phí gia công ( đồng ) Ph−ơng pháp Ph−ơng pháp Sai lệch Ph−ơng pháp Ph−ơng pháp Sai lệch dùng bảng tra tính toán tối −u ( %) dùng bảng tra tính toán tối −u ( %) 0,607 0,496 18,3 3.442,0 2.910,0 15.5 Trên đây l những kết quả nghiên cứu ny, ph−ơng pháp v giải thuật tính toán chế độ cắt tối −u đ trình by ở trên vừa cho phép hon hon tự động xác định các thông số chế độ cắt của ph−ơng pháp khoan một cách nhanh chóng v có hiệu quả. Đặc biệt kết quả nghiên cứu ny rất có ý nghĩa khi ứng dụng xác định chế độ cắt tối −u đối với các máy điều khiển số (NC v CNC)
Tóm tắt: Bi báo trình by ph−ơng pháp v thuật giải để tối −u hoá các thông số chế độ cắt của ph−ơng pháp khoan. Ph−ơng pháp ny có ý nghĩa quan trọng để tự động xác định tối −u các thông số chế độ cắt trong quá trình tự động hoá thiết kế tối −u quy trình công nghệ gia công cắt gọt, đặc biệt l với các hệ thống máy điều khiển số (NC v CNC). Kết quả đ−ợc thực nghiệm trên trung tâm gia công MHP. Summary Optimum cutting conditions for drilling components on the numerically controlled system ( NC & CNC) This paper describes method and algorithm of synchronizes optimum to determine the optimum cutting conditions automatically for drilling. This is very important for determine the optimum cutting conditions automatically in the automatic design of optimum cutting process, specially for technologically orientated numerically controlled system (NC and CNC). Disquisitional results rendered in here are given determine the optimum cutting conditions automatic for drilling on the MHP turning centre. Ti liệu tham khảo [1]. Shaw, M.C: On the drilling of metals 2the torque and thrust in driling Trans, ASME, 1957 [2]. SANDVIK Coromant: Short hole driling S81181, Sweden 1981 [3]. Nguyễn Đăng Bình, Lê Văn Vĩnh, Nguyễn Phú Hoa: “Thiết kế quy trình công nghệ tối −u thei chuẩn thứ tự nguyên công có giá thnh MIN với sự trợ giúp máy tính”, Thông báo Khoa học của các tr−ờng đại học năm 1997 , Vụ Khoa học Công nghệ Bộ Giáo dục v Đo tạo 114