(Luận văn thạc sĩ) Tối ưu hoá chế độ cắt theo tuổi bền dao tiện dựa trên STEPNC

LỜI CAM ĐOAN

Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác
Tp.HCM, ngày 30 tháng 09 năm 2012

Trương Thị Kim Thoa

Trang ii


LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gởi lời cảm ơn đến quý Thầy, Cô trong Trường Đại học Sư phạm Kỹ
thuật TP. HCM đã dạy tôi trong thời gian qua.
Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến TS. Đặng Thiện Ngôn, người đã tận
tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi trong suốt quá trình thực hiện luận văn và tạo điều kiện
để tơi hồn thành luận văn này.
Tơi xin cảm ơn các bạn đồng môn và đồng nghiệp đã quan tâm, chia sẻ trong
suốt quá trình học và làm luận văn.
Xin cảm ơn gia đình đã dành cho tơi tình thương u và sự hỗ trợ tốt nhất.

Trang iii


TĨM TẮT

Tối ưu hóa chế độ cắt theo tuổi bền dao là phương pháp nghiên cứu xác định
chế độ cắt tối ưu thông qua việc xây dựng mối quan hệ toán học giữa hàm mục tiêu
tuổi bền dao lớn nhất với các thông số của chế độ cắt ứng với một hệ thống các giới

hạn về mặt chất lượng, kỹ thuật và tổ chức của nhà máy. Đa số những hạn chế này
liên quan trực tiếp đến sự phát sinh lực cắt trong suốt q trình gia cơng, vì vậy tính
tốn chính xác chế độ cắt cho phép nâng cao tuổi bền dao, nâng cao hiệu quả gia
cơng. Tính tốn chế độ cắt tối ưu theo tuổi bền dao được trình bày trong luận văn
dựa trên hình dạng mặt cắt ngang của mỗi đường dao trong q trình gia cơng. Với
hình dạng đường chuyển dao có sẵn trong mơ hình dữ liệu STEP-NC, cho phép xác
định các thông số cần thiết để tính tốn tối ưu chế độ cắt để tuổi bền dao là lớn nhất.
Luận văn này trình bày các bước tính tốn chế độ cắt tối ưu trong tiện mặt
đầu, tiện trơn trụ ngồi, tiện cơn.

Trang iv


ABSTRACT

Optimized cutting by tool life is research methods to determine the optimal
cutting through the construction of the mathematical relationship between the
objective function tool life greatest with parameters of the cutting with a system of
limits in terms of quality, technology and organization of plant. The majority of
those limitations directly relate to the cutting forces generated during the machining
process, since accurately calculating these cutting allowed improve tool life,
improve the efficiency of processing. Calculation of the optimal cutting by tool life
is presented in this paper based on the cross-sectional geometry of each tool path
over the course of the machining process. With the tool path geometry available in
the STEP-NC data model, allows to determine the parameters needed to calculate
the optimal cutting for tool life largest.
This paper presents the steps to calculate the optimal cutting on the turning
end face, outer_diameter cylinder, outer_diameter cone.

Trang v

MỤC LỤC

Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học ...................................................................................................... i
Lời cam đoan.......................................................................................................... ii
Lời cảm ơn ............................................................................................................ iii
Tóm tắt .................................................................................................................. iv
Abstract .................................................................................................................. v
Mục lục ................................................................................................................. vi
Danh sách các chữ viết tắt ..................................................................................... ix
Danh sách các hình ................................................................................................. x
Danh sách các bảng .............................................................................................. xii
Chương 1. TỔNG QUAN ....................................................................................... 1
1.1 Sơ lược về sự phát triển của ngành cơ khí chế tạo máy ................................ 1
1.2 Các khái niệm cơ bản ................................................................................... 2
1.3 Giới thiệu về STEP-NC ............................................................................... 4
1.4 Lý do chọn đề tài, mục tiêu và đối tượng nghiên cứu ................................... 6
1.4.1 Lý do chọn đề tài ................................................................................... 6
1.4.2 Mục tiêu................................................................................................. 7
1.4.3 Đối tượng nghiên cứu ............................................................................ 8
1.5 Nhiệm vụ, phạm vi nghiên cứu và ý nghĩa của đề tài ................................... 9
1.5.1 Nhiệm vụ ............................................................................................... 9
1.5.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài .............................................................. 10
1.5.3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài.................................. 10

1.6 Phương pháp nghiên cứu............................................................................ 10
1.7 Tổng quan về các nghiên cứu trong và ngoài nước ..................................... 11
1.7.1 Ngoài nước .......................................................................................... 11

Trang vi


1.7.2 Trong nước .......................................................................................... 12
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................... 14
2.1 Lực cắt trong q trình gia cơng................................................................. 14
2.2 Mặt cắt ngang đường chuyển dao............................................................... 14
2.3 Tham số hóa mặt cắt ngang đường chuyển dao .......................................... 15
2.4 Điều kiện của hệ thống máy ....................................................................... 16
2.5 Động lực học hệ thống máy ....................................................................... 17
2.6 Các cách tối ưu hóa chế độ cắt ................................................................... 18
2.6.1 Tối ưu hóa lượng chạy dao dựa trên lực cắt .......................................... 18
2.6.2 Tối ưu hóa dựa trên tuổi bền dao .......................................................... 20
2.6.3 Tối ưu hóa dựa trên khối lượng ............................................................ 21
2.6.4 Tối ưu hóa dựa trên hằng số phoi ......................................................... 23
2.6.5 Tối ưu hóa dựa trên chi phí gia cơng .................................................... 25
Chương 3. CHUẨN STEP-NC ............................................................................. 27
3.1 Cấu trúc chương trình STEP-NC................................................................ 27
3.1.1 Phần khai báo (HEADER) ................................................................... 28
3.1.2 Viết phần dữ liệu (DATA) ................................................................... 28
3.1.3 Bắt đầu kế hoạch gia cơng (Project) ..................................................... 28
3.1.4 Trình tự gia công (Workplan) ............................................................... 29
3.1.5 Định nghĩa nguyên công (Workingstep) ............................................... 30
3.1.6 Thông tin về phôi (Workpiece) ............................................................ 30
3.1.7 Mặt phẳng tham chiếu vị trí dao (Security_plane) ................................ 32
3.1.8 Chức năng gia công (Machining_function) .......................................... 32

3.1.9 Dụng cụ cắt (Machine_tool) ................................................................. 34
3.1.10 Công ghệ gia công (Technology_description) ...................................... 36
3.1.11 Chiến lược gia công (Strategy) ............................................................. 36
3.1.12 Thông tin gá kẹp .................................................................................. 37
3.2 Chương trình gia cơng chi tiết .................................................................... 37
Chương 4. MƠ HÌNH BÀI TỐN VÀ CÁCH GIẢI ............................................ 39

Trang vii


4.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi bền dao...................................................... 39
4.1.1 Ảnh hưởng của tốc độ cắt V đến tuổi bền dao ...................................... 39
4.1.2 Ảnh hưởng của lượng chạy dao S đến tuổi bền dao .............................. 40
4.1.3 Ảnh hưởng của chiều rộng cắt b đến tuổi bền dao ................................ 41
4.2 Thiết lập mơ hình bài tốn ......................................................................... 42
4.2.1 Hàm mục tiêu ....................................................................................... 42
4.2.2 Phương trình rang buộc ........................................................................ 45
4.3 Cách giải.................................................................................................... 51
4.3.1 Lấy thơng tin từ chương trình STEP-NC .............................................. 52
4.3.2 Ứng dụng Matlab để giải bài toán ........................................................ 57
4.3.3 Kết quả tính tốn tối ưu chế độ cắt ....................................................... 58
4.3.4 Hiệu chỉnh chương trình STEP-NC ...................................................... 58
4.4 Tính tốn thời gian gia cơng cơ bản ........................................................... 59
4.4.1 Tính tốn với chế độ cắt chưa tối ưu .................................................... 59
4.4.2 Tính toán với chế độ cắt tối ưu ............................................................. 63
Chương 5. THỬ NGHIỆM ................................................................................... 68
5.1 Chọn máy .................................................................................................. 68
5.2 Chọn dao ................................................................................................... 69
5.3 Chọn mẫu .................................................................................................. 69
5.4 Số lần thí nghiệm ....................................................................................... 70

5.5 Cách tiến hành thí nghiệm.......................................................................... 70
5.5.1 Thí nghiệm với chế độ cắt chưa tối ưu ................................................. 70
5.5.2 Thí nghiệm với chế độ cắt tối ưu .......................................................... 72
5.6 Đánh giá .................................................................................................... 74
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ................................................................. 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 76
PHỤ LỤC 1 .......................................................................................................... 77
PHỤ LỤC 2 .......................................................................................................... 80
PHỤ LỤC 3 .......................................................................................................... 87

Trang viii


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CAD: Computer- Aided Design
CAM: Computer- Aided Manufacturing
AI: Actifial Intelligence
PC: Programmable Controller
PLC: Programmable Logic Controller
CNC: Computerized Numerical Controllers
IMS: Intelligent Manufacturing Systems

Trang ix


DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH

TRANG

Hình 2.1: Diện tích mặt cắt ngang lát cắt trong q trình gia cơng tiện ................ 14
Hình 2.2: Những thông số mặt cắt ngang trong tiện ............................................. 15
Hình 2.3: Lượng chạy dao tối ưu suy ra từ lực cắt................................................ 18
Hình 2.4: Lượng bù bán kính phoi vát mỏng bằng cách tối ưu hóa hằng số phoi .. 23
Hình 2.5: Lượng bù dọc trục phoi vát mỏng bởi tối ưu hóa hằng số phoi ............. 23
Hình 3.1: Cấu trúc chương trình STEP-NC .......................................................... 26
Hình 3.2: Chi tiết gia cơng ................................................................................... 36
Hình 4.1: Quan hệ giữa độ mịn dao, tốc độ và thời gian cắt ................................ 38
Hình 4.2: Quan hệ giữa tốc độ cắt V và tuổi bền dao T ........................................ 39
Hình 4.3: Quan hệ giữa tuổi bền dao và lượng chạy dao ...................................... 40
Hình 4.4: Tuổi bền dao T ứng với [hs] ................................................................. 41
Hình 5.1: Máy tiện CHATLES ............................................................................ 68
Hình 5.2: Dao tiện ............................................................................................... 69
Hình 5.3: Hình dạng phơi .................................................................................... 69
Hình 5.4: Kích thước chi tiết gia cơng ................................................................. 70
Hình 5.5: Tiện thơ mặt đầu với chế độ cắt chưa tối ưu ......................................... 70
Hình 5.6: Tiện tinh mặt đầu với chế độ cắt chưa tối ưu ........................................ 70
Hình 5.7: Tiện thơ trụ ngồi Φ80 với chế độ cắt chưa tối ưu ................................ 71
Hình 5.8: Tiện tinh trụ ngồi Φ80 với chế độ cắt chưa tối ưu ............................... 71
Hình 5.9: Tiện thô côn với chế độ cắt chưa tối ưu ................................................ 71
Hình 5.10: Tiện tinh cơn với chế độ cắt chưa tối ưu ............................................. 71
Hình 5.11: Tiện thơ mặt đầu với chế độ cắt tối ưu................................................ 72
Hình 5.12: Tiện tinh mặt đầu với chế độ cắt tối ưu .............................................. 72
Hình 5.13: Tiện thơ trụ ngồi Φ80 với chế độ cắt tối ưu ...................................... 72

Trang x

Hình 5.14: Tiện tinh trụ ngồi Φ80 với chế độ cắt tối ưu ..................................... 73
Hình 5.15: Tiện thơ cơn với chế độ cắt tối ưu ...................................................... 73
Hình 5.16: Tiện tinh côn với chế độ cắt tối ưu ..................................................... 73

Trang xi


DANH SÁCH CÁC BẢNG

BẢNG

TRANG

Bảng 2.1: So sánh các cách tối ưu ........................................................................ 25
Bảng 4.1: So sánh chế độ cắt tối ưu và chưa tối ưu .............................................. 67

Trang xii


Chương 1

TỔNG QUAN

1.1

Sơ lược về sự phát triển của ngành cơ khí chế tạo máy

Khoa học và cơng nghệ cơ khí chế tạo của thế giới trong thế kỷ XX và XXI đã có
những bước phát triển vượt bậc nhờ ứng dụng các công nghệ hiện đại như: công
nghệ thông tin, vật liệu nano, tự động hoá, ... Trong kinh tế, ngành cơng nghiệp cơ

khí chế tạo vẫn đóng vai trị chủ đạo, góp phần làm thay đổi diện mạo thế giới, với
trên 20 triệu doanh nghiệp đang hoạt động trên các châu lục, chiếm tới 28% số
lượng việc làm và đóng góp 25% giá trị tổng sản phẩm của thế giới.
Sự đổi mới liên tục của CAD/CAM đã giúp cho các nhà chế tạo tiết kiệm về
tài chính, thời gian, nguồn lực, vì CAD và CAM đều là những phương pháp dựa
vào máy tính để mã hố dữ liệu hình học, nên tạo khả năng cho các quy trình thiết
kế và chế tạo được tích hợp cao độ. Hệ CAD tất nhiên không hiểu được các khái
niệm của thế giới thực, chẳng hạn như bản chất hay chức năng của đối tượng được
thiết kế. Hệ CAD thi hành chức năng của mình nhờ khả năng mã hố các khái niệm
hình học. Do vậy, quá trình thiết kế dựa vào CAD liên quan đến việc chuyển ý
tưởng của người thiết kế thành mơ hình hình học. Các nhược điểm khác của CAD
đang được khắc phục nhờ R&D trong lĩnh vực hệ chuyên gia. Lĩnh vực này được
hình thành từ các nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo AI. Một ví dụ về hệ chuyên gia bao
hàm việc kết hợp thông tin về bản chất của vật liệu, trọng lượng, ứng lực, độ bền,
độ dẻo vào phần mềm CAD. Nhờ tích hợp được các dữ liệu đó và những dữ liệu
khác vào phần mềm nên hệ CAD có thể biết được những gì mà người kỹ sư biết khi
người đó tạo ra một bản vẽ thiết kế. Sau đó, CAD có thể bắt chước cách nghĩ của
người kỹ sư và thực hiện công việc thiết kế. Do công nghệ CAD/CAM ngày càng
hoàn thiện nên đã tạo cơ sở phát triển các công nghệ gia công.
Từ thập kỷ 90 đến nay: việc sử dụng công nghệ CAD/CAM đã cho phép chế
tạo sản phẩm cơ khí nhanh hơn, chế tạo các loại máy cơng cụ có tốc độ cao, chính

Trang 1


xác, thông minh và hiệu quả hơn. Năm 1995, sử dụng rộng rãi thiết bị điều khiển
máy công cụ dựa vào PC, phục vụ cả các chức năng PLC và CNC. Cũng trong năm
1995, chương trình Quốc tế IMS với sự tham gia của 300 công ty, viện nghiên cứu
của: Canada, Mỹ, EU, Nhật Bản, Hàn Quốc và Thụy Sĩ.
Gia cơng cơ khí trên máy CNC ngày càng phổ biến và đem lại những lợi ích

rất lớn về mặt kỹ thuật lẫn kinh tế. Tuy nhiên hầu hết các máy móc, thiết bị này đều
hiện đại và đắt tiền, do đó nếu xảy ra sự cố trong q trình gia cơng thì chi phí sửa
chữa khắc phục sẽ rất lớn. Để giảm thiểu tối đa những rủi ro trong sản xuất cũng
như nâng cao năng suất gia công, giảm giá thành sản phẩm thì việc sử dụng một
phần mềm để dự đốn những sai hỏng và tối ưu hóa q trình gia cơng là cần thiết.
1.2

Các khái niệm cơ bản
Tiện là quá trình dùng dụng cụ cắt (dao tiện) để loại bỏ vật liệu dư thừa từ

một dạng nguyện liệu ban đầu (phơi) để tạo ra một hình dạng mong muốn (chi tiết
gia cơng), trong đó phơi quay trịn và dao chuyển động tịnh tiến. Hiệu quả của quá
trình này thường được đánh giá bởi khối lượng của vật liệu được loại bỏ trong một
thời gian nhất định, thường gọi là tỷ lệ loại bỏ vật liệu.
Tuổi bền của dụng cụ (T) là khoảng thời gian làm việc liên tục của dao cho
đến khi phải mài lại (tính theo phút), có nghĩa là thời gian giữa hai lần mài lại. Đơi
khi để biểu thị khả năng cơng nghệ thì tuổi bền của dụng cụ được tính theo mét của
quãng đường cắt được theo số lượng chi tiết được gia công giữa hai lần mài dao.
Tuổi bền của dụng cụ và q trình mài mịn có quan hệ với nhau. Cường độ
mịn càng lớn thì tuổi bền càng nhỏ. Tuổi bền biểu thị số lượng của cường độ mòn
của dụng cụ, do đó nó thay đổi khi thay đổi điều kiện cắt, có nghĩa là thay đổi chế
độ cắt, các thơng số hình học của dụng cụ, dung dịch trơn nguội…. Một trong
những yếu tố xác định tuổi bền của dụng cụ là tốc độ cắt.
Các yếu tố của chế độ cắt

Trang 2


-

Vận tốc cắt (V) là khoảng dịch chuyển tương đối của một điểm
trên dao so với vật gia công trong một đơn vị thời gian.

-

Lượng chạy dao (S) là khoảng dịch chuyển của dao theo phương
dọc (hoặc ngang) của dao sau một vịng quay của vật gia cơng.

-

Chiều sâu cắt (t) là bề dày lớp kim loại bị cắt đi trong mỗi lần
chạy dao.

Tối ưu hóa chế độ cắt theo tuổi bền dao tiện là phương pháp nghiên cứu xác
định chế độ cắt tối ưu thông qua việc xây dựng mối quan hệ toán học giữa hàm mục
tiêu tuổi bền dao với các thông số của chế độ gia công ứng với một hệ thống các
giới hạn về mặt chất lượng, kỹ thuật và tổ chức của nhà máy.
Mỗi quá trình gia cơng đều có một bản ghi những hạn chế ràng buộc xác
định khả năng gia công của hệ thống thiết bị, bao gồm thành phần cấu tạo chính của
thiết bị, trục chính, bàn dao và dụng cụ cắt. Sau đây là danh sách các hạn chế
thường gặp nhất trong hệ thống gia công:
-

Độ bền vững cấu trúc thiết bị

-

Momen quay trục chính, năng lượng và khoảng điều chỉnh tốc độ

-

Khả năng chịu tải của trục chính

-

Cơng suất trục truyền động

-

Hạn chế momen uốn và momen xoắn của bàn dao

-

Độ cứng vững và tính chống hao mịn của dụng cụ

-

Ảnh hưởng độ lệch kích thước đến độ võng dụng cụ cắt

-

Đặc tính truyền động của dụng cụ cắt, bàn dao và trục chính.

Những ràng buộc này bao gồm những dạng khác nhau của hệ thống thiết bị,
chúng có liên quan trực tiếp đến sự phát sinh lực cắt trong q trình gia cơng nên
ảnh hưởng đến tuổi bền dao [9].
1.3

Giới thiệu về STEP-NC

Trong vài thập kỷ gần đây, số lượng các hệ CNC tăng vọt trong mọi lĩnh vực sản
xuất. Nhược điểm chung của chúng là: các thông số công nghệ như vận tốc cắt và

Trang 3


lượng chạy dao được áp đặt bởi người lập trình và phụ thuộc vào kinh nghiệm, hiểu
biết của người lập trình. Do đó trong q trình lập trình gia cơng gây ra những sai
sót nhất định do tính chủ quan lẫn kinh nghiệm của con người.
Cho đến nay, khối lượng sản phẩm cơ khí phải qua gia cơng bằng cắt gọt vẫn
chiếm tỷ lệ cao nhất trong các phương pháp gia công kim loại. Cắt gọt là phương
pháp hàng đầu về khả năng đáp ứng độ chính xác kích thước, độ phức tạp về hình
dạng và chất lượng bề mặt chi tiết gia cơng. Đó là lý do khiến các cơng nghệ tiên
tiến, có trợ giúp của máy tính (CAD/CAM-CNC) phát triển sớm nhất và mạnh mẽ
nhất trong lĩnh vực này.
Nhờ tích hợp được các thành tựu mới trong kỹ thuật điều khiển và máy tính
mà các hệ điều khiển CNC hiện tại có nhiều tính năng vượt trội. Tuy nhiên, về bản
chất điều khiển trên các máy CNC hiện nay vẫn chỉ là điều khiển “tĩnh” với các
tham số hệ thống khơng đổi. Biểu hiện của nó về mặt công nghệ là tốc độ cắt và tốc
độ chạy dao được thiết đặt cố định bởi lệnh trong chương trình NC và được duy trì
cho đến khi có lệnh thiết đặt giá trị mới.
Trong công nghệ CAD/CAM-CNC, điều khiển CNC thông minh được hiểu
như là 1 máy CNC thông minh có chức năng:
-

Dữ liệu chuyển động dao cắt: thay vì dữ liệu chuyển động các trục được
chuyển tới máy CNC, hệ CNC thơng minh có khả năng chuyển đổi quỹ
đạo chạy dao tới chuyển động các trục của máy CNC.

-

Thông tin mức cao: đặc tính chi tiết, vật liệu, dao cắt, kích thước, dung sai
được gửi tới máy CNC.

-

Thơng tin này sẽ được gửi đi bằng cách sử dụng một chuẩn dữ liệu “STEP
- NC” AP 238.

Trong những năm 1970 với sự phát triển của CNC và sự phát triển nhanh
chóng của cơng nghệ CAD/CAM trong hơn một thập kỷ trước, những tiến trình
quan trọng đã được thực hiện trong sản xuất tự động các chi tiết cơ khí. Tuy nhiên,
ngơn ngữ lập trình được sử dụng trong cơng nghiệp để điều khiển máy vẫn giữ
giống như với chuẩn ban đầu được biết là G và M code (ISO 6983) dựa trên sự mô

Trang 4


tả chuyển động của dụng cụ cắt và những lệnh tắt/mở. Một tiêu chuẩn quốc tế ngày
nay, tên là ISO 14649 và được biết đến là STEP-NC đang được phát triển để cung
cấp một giao diện cách mạng cho sự tích hợp CAD/CAM sử dụng một loại ngơn
ngữ được phát triển từ chuẩn STEP (ISO 10303). Không giống như G và M code chỉ
lập trình cho chuyển động của trục máy và cơng tắc hành trình, STEP-NC cịn là
một mơ hình hóa dữ liệu hồn chỉnh mà nó liên kết đối tượng gia công (dữ liệu thiết
kế CAD) với giải pháp cơng nghệ (dữ liệu qui trình gia cơng CAM yêu cầu) theo
hướng đối tượng. Và kết quả là một chương trình STEP-NC giống với một hoạch
định quá trình chi tiết hơn là một thủ tục q trình gia cơng. Trong một chương trình
như vậy, dữ liệu sản xuất cho một chi tiết được tổ chức như là một dự án về những
hình dạng hình học sẽ được gia cơng, các bước gia công (nguyên công cụ thể) cần
thiết cho mỗi đặc tính, các u cầu cơng nghệ và thứ tự cơng việc (mục đích là để

cung cấp thơng tin cho máy CNC).
Ngôn ngữ cấp cao và hướng đối tượng này làm cho chương trình gia cơng dễ
dàng sử dụng mà không cần phải thay đổi nhiều trên nhiều máy CNC. Quan trọng
hơn nữa, nó được xây dựng như là một phản hồi thông tin hai chiều giữa
CAD/CAM và hệ thống CNC.
Mục tiêu của STEP-NC là bao hàm hết toàn bộ phạm vi của sản xuất trực
tuyến. Một mơ hình dữ liệu mới STEP-NC đã được phát triển để thay thế cho mơ
hình tiêu chuẩn mã G&M cũ cho q trình tiện, phay, tia lửa điện (EDM). Một mơ
hình dữ liệu mới đã được thiết lập, phát triển và bổ sung để những hệ thống
CAD/CAM/CNC tương thích với mơ hình dữ liệu kiểu mới đang được chú ý này.
STEP-NC là một mơ hình mới chuyển đổi dữ liệu giữa các hệ thống
CAD/CAM và máy CNC. Mã G-code chỉ thể hiện sự di chuyển các trục, tốc độ
quay trục chính, chiều sâu ăn dao, vị trí dụng cụ trong ổ dao, hệ thống làm mát. Với
các thơng tin đó thì rất khó khăn cho người vận hành máy nắm được là nó đang
thực hiện ngun cơng nào, điều kiện máy, dao đang gia cơng, muốn nắm được
những điều trên thì người vận hành phải đọc hết chương trình gia cơng. Chính vì thế
nó là điều khơng thể để cho bộ điều khiển thực thi một cách thông minh hoặc dừng

Trang 5


chương trình trong trường hợp khẩn cấp với những thơng tin giới hạn đó. Ngược lại
STEP-NC bao gồm thơng tin chức năng được yêu cầu. Ví dụ như bước làm việc,
đặc tính gia cơng, chu trình gia cơng, dụng cụ gia công, quỹ đạo gia công, chức
năng máy và phôi. STEP-NC cịn chứa đựng trong nó thơng tin thiết lập như mơ
hình hình học, q trình lập kế hoạch.
STEP-NC cho phép bỏ qua các hệ thống CAM và chuyển dữ liệu trực tiếp
đến máy CNC. Sự mở rộng xử lí các thơng tin này có thể mở rộng khả năng điều
khiển hoạt động trên máy công cụ CNC.
STEP-NC là một mơ hình mở rộng có sự tích hợp giữa thơng tin thiết kế và

thơng tin sản xuất: trong đó bao gồm vật liệu gia cơng, dụng cụ cắt, độ chính xác,
tốc độ quay dao, … và các tham số chương trình.
1.4

Lý do chọn đề tài, mục tiêu và đối tượng nghiên cứu

1.4.1 Lý do chọn đề tài
Do tiến bộ của khoa học - công nghệ, các trang thiết bị dùng cho q trình gia cơng
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 bù đủ cho chi phí sản xuất, đặc biệt là chi phí
khấu hao thiết bị.
Vì vậy, một trong những vấn đề mấu chốt cần giải quyết để giảm chi phí gia
cơng 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 cơng nghệ.
Sử dụng chế độ cắt tối ưu góp phần tăng tuổi bền dụng cụ từ 10 † 15%, tăng
năng suất từ 8 † 10%. Tối ưu hóa quá trình cắt gọt được nghiên cứu và phát triển rất
mạnh ở các nước công nghiệp tiên tiến như: Đức, Mỹ, Nhật, Thụy Sĩ, Pháp, … Ở
những nước này song song với việc nghiên cứu tối ưu hóa chế độ cắt người ta tiến
hành xây dựng ngân hàng dữ liệu về chế độ gia công cơ để tạo cơ sở cho việc tự
động hóa chuẩn bị cơng nghệ nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình sản xuất.

Trang 6


Ở nước ta cho đến nay vấn đề nghiên cứu tối ưu q trình gia cơng cắt gọt
chưa được nghiên cứu nhiều. Phần lớn trong quá trình chuẩn bị sản xuất các kỹ sư
công nghệ vẫn phải dựa vào các sổ tay để tra cứu. Số liệu cho trong các sổ tay là các
số liệu kinh nghiệm thu được trong các điều kiện cơng nghệ cụ thể, vì thế chúng
khơng phải là các thơng số cơng nghệ tối ưu. Vì vậy, nghiên cứu tối ưu hóa chế độ

cắt là vấn đề cần thiết.
Trên thế giới, tối ưu hóa chế độ cắt theo tuổi bền dao đã được nghiên cứu
nhiều vì tuổi bền dao là nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến năng suất và giá thành
sản phẩm. Tuy nhiên, tối ưu hóa chế độ cắt theo tuổi bền dao dựa trên STEP-NC
chưa được nghiên cứu nhiều và ở Việt Nam là một lĩnh vực mới. Do vậy đề tài "Tối
ưu hóa chế độ cắt theo tuổi bền dao tiện dựa trên STEP-NC " là cần thiết và có tính
ứng dụng trực tiếp.
1.4.2 Mục tiêu
Tối ưu hóa chế độ cắt quá trình gia cơng là phương pháp nghiên cứu xác định chế
độ cắt tối ưu thông qua 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 các giới hạn về mặt
chất lượng, kỹ thuật và tổ chức của nhà máy.
Mục tiêu của đề tài là tối ưu hóa chế độ cắt theo tuổi bền dao trong q trình
gia cơng cắt gọt bao gồm:
-

Xây dựng hàm mục tiêu, hệ ràng buộc chính, điều kiện ràng buộc phụ để

tối ưu hóa chế độ cắt sao cho tuổi bền dao là lớn nhất
-

Sử dụng các thông số liên quan có trong STEP-NC để tính tốn tối ưu

-

Đề ra phương pháp giải bài toán tối ưu chế độ cắt theo tuổi bền dao.

1.4.3 Đối tượng nghiên cứu
Có hai phương pháp tối ưu hóa chế độ cắt quá trình gia cơng: tối ưu hóa tĩnh và tối
ưu hóa động. Tối ưu hóa tĩnh là q trình nghiên cứu và giải quyết bài tốn tối ưu

dựa trên mơ hình tĩnh của q trình cắt. Tối ưu hóa động là quá trình nghiên cứu tối

Trang 7


ưu dựa trên mơ hình động của q trình cắt, trong q trình nghiên cứu có chú ý tới
các đặc điểm mang tính ngẫu nhiên và thay đổi theo thời gian: độ cứng vật liệu
không đồng nhất, lượng dư gia cơng khơng đồng đều, lượng mịn của dao thay đổi
theo thời gian, … Như vậy, ở tối ưu hóa động chế độ cắt chẳng những được điều
chỉnh trước mà còn được tự động điều chỉnh ngay trong quá trình cắt.
Do đó muốn thực hiện tối ưu hóa q trình gia cơng cắt gọt phải xây dựng
mơ hình nghiên cứu dựa trên các điều kiện công nghệ cụ thể. Về mặt thực tiễn nếu
xét được càng nhiều yếu tố ảnh hưởng tới q trình gia cơng thì vấn đề được giải
quyết càng tồn diện và triệt để nhưng về mặt tốn học thì quá trình nghiên cứu sẽ
càng phức tạp và khó áp dụng vào sản xuất. Ngược lại, nếu bỏ qua nhiều yếu tố ảnh
hưởng tới q trình gia cơng thì kết quả thu được khơng chính xác, hiệu quả kinh tế
của việc áp dụng tối ưu hóa sẽ thấp [3].
Khi tối ưu hóa chế độ cắt theo tuổi bền dao ta cần nghiên cứu kỹ các yếu tố
ảnh hưởng đến tuổi bền dao. Thực tế cho thấy: tất cả các yếu tố có liên quan đến
q trình cắt gọt ở những mức độ khác nhau đều có ảnh hưởng đến tuổi bền dao
như: tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt, đặc tính vật liệu của chi tiết gia công,
kết cấu của dao, dung dịch trơn nguội, … [1].
-

Ảnh hưởng của tốc độ cắt V: tốc độ cắt càng lớn thì tuổi bền của dụng
càng nhỏ.

-

Ảnh hưởng của lượng chạy dao S: khi tăng chiều dày cắt a thì tuổi bền

dao sẽ giảm. Bởi vì khi chiều dày cắt a tăng một mặt sẽ làm tăng tải trọng
lực trên một đơn vị chiều dài lưỡi cắt, mặt khác sẽ làm tăng nhiệt cắt. Kết
hợp hai nguyên nhân trên dẫn đến tốc độ mài mòn dao tăng lên, do đó
tuổi bền dao giảm.

-

Ảnh hưởng của chiều sâu cắt: với những yếu tố khác không đổi khi tăng
chiều sâu cắt t sẽ làm tăng chiều dài tiếp xúc giữa lưỡi cắt và chi tiết. Như
vậy sẽ dẫn đến những ảnh hưởng ngược nhau: một mặt khi tăng chiều dài
làm việc thực tế của dao sẽ làm tăng biến dạng, ma sát dẫn đến tăng nhiệt
cắt, nhưng đồng thời cũng tăng khả năng tản nhiệt khỏi khu vực lưỡi cắt.

Trang 8


Kết hợp hai tác dụng trái ngược đó là khi tăng chiều sâu cắt b sẽ làm tăng
tốc độ mài mòn dao, giảm tuổi bển dao.
-

Ảnh hưởng của chi tiết gia cơng: tính chất cơ-lý-hóa của vật liệu chi tiết
gia công ảnh hưởng lớn đến biến dạng và ma sát khi cắt, dẫn tới sự thay
đổi tải trọng (lực và nhiệt) trên dao. Sự thay đổi tải trọng làm cho tốc độ
mài mịn dao thay đổi, do đó tuổi bền dao cũng thay đổi.

-

Ảnh hưởng của kết cấu dao: vật liệu dao, các yếu tố hình học phần cắt
của dao và kích thước của thân dao cũng ảnh hưởng đến tuổi bền dao.

-

Ảnh hưởng của dung dịch trơn - nguội: trong q trình gia cơng người ta
tưới dung dịch trơn - nguội vào vùng cắt vừa làm tăng môi trường tản
nhiệt, vừa lợi dụng dòng tưới đưa nhiệt ra khỏi vùng cắt để làm tăng tuổi
bền của dao.

1.5

Nhiệm vụ, phạm vi nghiên cứu và ý nghĩa của đề tài

1.5.1 Nhiệm vụ
Việc nghiên cứu về tiện, phân tích các q trình lý, hóa trong tiện đã và đang được
quan tâm, tiến hành tại nhiều trung tâm, viện nghiên cứu cũng như các trường đại
học trên thế giới. Tuy nhiên từ những cơng bố trên các tạp chí khoa học cho thấy
các kết quả nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc phân tích hiện tượng mài mịn
dao khi cắt và xác định những yếu tố ảnh hưởng đến tuổi bền dao, mà chưa đề cập
nhiều về vấn đề tối ưu hóa chế độ cắt theo tuổi bền dao dựa trên STEP-NC, mặt
khác việc ứng dụng công nghệ này ở nước ta cịn mang nhiều tính kinh nghiệm.
Ứng dụng phần mềm STEP-NC để đưa ra một lý thuyết về tối ưu hóa chế độ cắt
theo tuổi bền dao góp phần cải thiện và nâng cao hiệu quả sản xuất là cần thiết. Ta
lại biết rằng dao thường có giá thành cao, vì vậy tuổi bền của dao càng trở nên quan
trọng bởi trong quá trình cắt nếu phải thay dao nhiều sẽ tăng sai số, thời gian, ... ảnh
hưởng tới năng suất, chất lượng và giá thành sản phẩm. Việc tìm ra một hàm số mô
tả quan hệ giữa tuổi bền dao và chế độ cắt trên cơ sở đó sẽ tối ưu hoá chế độ cắt
theo tuổi bền dao là nhiệm vụ chính của đề tài.

Trang 9

1.5.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Do hạn chế về thời gian và điều kiện nên luận văn này chỉ nghiên cứu tối ưu hóa
chế độ cắt q trình gia công tiện theo tuổi bền dao dựa trên STEP-NC. Qua đó có
thể đưa ra một bộ thơng số chế độ cắt khi tiện để dụng cụ cắt đạt tuổi bền cao nhất
trong khi vẫn đạt chất lượng bề mặt gia công theo yêu cầu.
1.5.3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Về mặt khoa học, đề tài phù hợp với xu thế phát triển khoa học và công nghệ. Xây
dựng được quan hệ giữa các thông số của chế độ cắt đến tuổi bền khi tiện dưới dạng
hàm thực nghiệm, kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở khoa học cho việc tối ưu hoá q
trình tiện, đồng thời cũng góp phần đánh giá chất lượng bề mặt khi tiện. Về mặt
thực tiễn, áp dụng kết quả nghiên cứu vào q trình gia cơng để chọn chế độ cắt phù
hợp sẽ làm tăng tuổi bền của dao, giảm chi phí sản xuất và giảm giá thành sản
phẩm. Qua đó nâng cao tính cạnh tranh trên thị trường và thúc đẩy các nghiên cứu
mới trên các khía cạnh khác nhau về tiện.
1.6

Phương pháp nghiên cứu
-

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thử nghiệm

-

Xử lý số liệu và đánh giá kết quả

→ Chọn chế độ cắt tối ưu.
1.7

Tổng quan về các nghiên cứu trong và ngoài nước

1.7.1 Ngoài nước
Từ đầu thế kỷ XIX F.W.Taylor [2] đã chú ý đến hiện tượng mài mòn của
dao. Trên cơ sở nghiên cứu cơ chế mài mịn dao ơng đã đưa ra khái niệm về khả
năng cắt gọt dao thông qua thông số đặc trưng gọi là tuổi bền dao. Trong suốt q
trình cắt mặt trước của dao ln tiếp xúc và có chuyển động tương đối với phoi, mặt
sau của dao ln tiếp xúc và có chuyển động tương đối với mặt đã gia công của chi

Trang 10


tiết, lưỡi dao và mũi dao trực tiếp tiếp xúc và có chuyển đơng tương đối với mặt
đang gia cơng của chi tiết. Sự tiếp xúc giữa các phần tử kim loại trên dao với phoi
hoặc chi tiết có những đặc điểm đáng lưu ý:
-

Sự tiếp xúc được thực hiện dưới áp lực lớn.

-

Quá trình tiếp xúc diễn ra ở nhiệt độ cao.

-

Hệ số ma sát tại các vùng tiếp xúc có chuyển động tương đối rất lớn.

-

Mỗi phần tử kim loại của dao chỉ tiếp xúc với mỗi phần tử phoi hoặc chi
tiết có một lần và khơng lặp lại.

Từ lý thuyết về mài mòn Summers Smith và Deupiereux [2] đã khái quát
thành 4 nguyên nhân dẫn đến mài mịn dao:
-

Mài mịn do q trình ma sát cơ học gây nên.

-

Mài mòn do sự xuất hiện và mất đi liên tục của các khối lẹo dao.

-

Mài mòn do hiện tượng khuếch tán tại các vùng tiếp xúc.

-

Sự xuất hiện và phát triển các vết nứt tế vi dẫn đến gãy vỡ dao.

Những kết quả nghiên cứu của Colding, Le Yongson, Palmai, Gordeev [9]
đã cho thấy: khi cắt ở tốc độ cao, nhất là đối với dao hợp kim cứng thì khuếch tán là
nguyên nhân quan trọng làm tăng tốc độ mài mịn của dao.
Trong cơng trình nghiên cứu của mình, Jean [9] đã trình bày cách thức tối
ưu hóa chiều dày phoi trong gia công phay.
Một số ý tưởng về tối ưu hóa dựa trên STEP-NC trong q trình gia cơng: tối
ưu hóa làm giảm lượng chạy dao, tối ưu hóa tuổi bền dao, tối ưu hóa dựa trên khối
lượng, tối ưu hóa hằng số phoi [9,10].
Nghiên cứu phân tích về lực cắt bắt đầu từ giữa thế kỷ 20. Merchant phát
triển một mơ hình lực cắt để tính tốn lực từ kích thước của phần chưa cắt và góc
cắt của phần tạo thành. Nghiên cứu sâu hơn về góc cắt được thực hiện bởi Shaw,
Oxley, Rowe và Spick để cải thiện tính chính xác việc tính tốn lực cắt. Martellotti,

Koenigsberger và Sabberwal và Klinephát triển cơng thức tính tốn lực dựa vào
hình dạng cắt trong gia cơng phay. Trong đó lực được nghiên cứu nhiều nhất tập
trung ở điều kiện cắt ban đầu, Merritt xây dựng khái niệm chu kỳ va đập để minh

Trang 11


họa truyền động trong quá trình cắt, Das và Tobias giải thích ảnh hưởng của q
trình truyền động đến lực cắt. Andrew, Tobias, Tlusty và Altintas đưa ra nguyên lý
va đập trong quá trình phay để nghiên cứu hệ thống truyền động và ảnh hưởng của
nó đến lực cắt và độ cứng vững trong gia công phay [9].
Các yếu tố ảnh hưởng tới q trình gia cơng: đặc điểm của hệ thống máy,
dụng cụ cắt, đặc tính vật liệu của chi tiết gia cơng, các thơng số trong q trình gia
công như: lực cắt, mặt cắt ngang đường chuyển dao, … là những yếu tố cần kể đến
khi tối ưu hóa q trình gia cơng [11].
1.7.2 Trong nước
Trong nghiên cứu tối ưu hóa q trình gia cơng của mình, tác giả Trần Văn
Địch đã xây dựng hàm chi phí gia công khi tiện phụ thuộc vào tốc độ cắt và lượng
chạy dao. Sau khi xây dựng được các giới hạn ông đã biểu diễn chúng trong hệ tọa
độ phẳng logV – logS và xây dựng được miền giới hạn của bài tốn tối ưu hóa chế
độ cắt khi tiện [3].
Các tác giả Phùng Rân – Trương Ngọc Thục đã nghiên cứu các yếu tố ảnh
hưởng đến tuổi bền dao và xây dựng đồ thị quan hệ giữa các yếu tố với tuổi bền
dao. Các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi bền dao: tốc độ cắt V, lượng chạy dao S, chiều
rộng cắt b, chi tiết gia công, vật liệu phần cắt và các yếu tố hình học của dao, dung
dịch trơn nguội [1].
Ngồi ra, cịn một số nghiên cứu khác về tối ưu hóa q trình gia cơng, tối
ưu hóa tuổi bền dao, tối ưu hóa lượng chạy dao, … nhưng chưa có nghiên cứu tối
ưu hóa dựa trên STEP-NC.
Qua các cơng trình nghiên cứu đã được phân tích trên cho thấy tối ưu hóa chế độ

cắt dựa trên STEP-NC theo tuổi bền dao tiện chưa được nghiên cứu ở Việt Nam
và là một lĩnh vực mới.

Trang 12


Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1

Lực cắt trong quá trình gia cơng

Được đề xuất bởi nghiên cứu của Merchant [9] thì lực cắt có thể được tính bởi diện
tích mặt cắt ngang của phoi và một hệ số lực:

Trang 13


Pz  K z . f [9]

(2.1)

Py  K y . f

(2.2)

[9]

Trong đó f là diện tích mặt cắt ngang của phoi, Pz là lực cắt tiếp tuyến, Py
là lực cắt pháp tuyến đến bề mặt gia công, K z vàK y là những hệ số lực cắt tương ứng
với Pz vàPy . Những hệ số lực cắt phụ thuộc vào biên dạng cắt, đặc tính vật liệu, tốc
độ cắt, … Những hệ số này có thể được tìm hoặc bằng thực nghiệm hoặc thơng qua
mơ hình tốn học.
2.2

Mặt cắt ngang đường chuyển dao

Q trình gia cơng thường bao gồm nhiều đường chuyển dao. Mỗi đường chuyển
dao là quỹ đạo dao cắt được xác định bởi những giá trị điều chỉnh trong câu lệnh
của chương trình máy điều khiển số (NC). Như trình bày ở trên, mặt cắt ngang của
đường chuyển dao là một trong những thông số quan trọng nhất trong tính tốn lực
cắt và tối ưu hóa q trình gia cơng.
Mặt cắt ngang đường chuyển dao trong gia cơng tiện là diện tích mặt cắt
ngang f của phoi. Diện tích mặt cắt ngang lát cắt f trong gia cơng tiện có thể
được suy ra từ chiều rộng lát cắt b và chiều dày lát cắt a như trong hình 2.1 là:

f  a.b [9]

(2.3)

Hình 2.1: Diện tích mặt cắt ngang lát cắt trong q trình gia cơng tiện [9]

Trang 14