Tối ưu chế độ cắt khi phay bằng dao phay ngón hợp kim cứng - ứng dụng phay thô lòng khuôn ép nhựa Y8A

Số hóa bởi trung tâm học liệu



ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP







PHẠM THỊ THU





TỐI ƯU CHẾ ĐỘ CẮT KHI PHAY BẰNG DAO PHAY
NGÓN HỢP KIM CỨNG - ỨNG DỤNG PHAY THÔ LÕNG
KHUÔN ÉP NHỰA Y8A






LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Thái Nguyên - 2012




- 1 -
Số hóa bởi trung tâm học liệu
LỜI CAM ĐOAN

Đề tài "Tối ưu chế độ cắt khi phay bằng dao phay ngón hợp kim cứng
- Ứng dụng phay thô lòng khuôn ép nhựa Y8A" do thầy giáo PGS.TS Nguyễn
Phú Hoa định hướng và hướng dẫn tôi. Tôi xin cam đoan những kết quả có được
trong Luận văn là do bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo
PGS.TS Nguyễn Phú Hoa, tất cả các nội dung trong luận văn đúng như nội
dung trong đề cương và yêu cầu của giáo viên hướng dẫn. Tất cả tài liệu tham
khảo đều có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng.

Thái Nguyên, tháng 11 năm 2012
Tác giả


Phạm Thị Thu

- 2 -
Số hóa bởi trung tâm học liệu
LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập, làm luận văn, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp
đỡ, chỉ bảo của các thầy cô giáo đã giảng dạy, hướng dẫn, giúp tôi hoàn thành
tốt chương trình học cao học và hoàn thiện được luận văn này.
Trước hết tôi xin được chân thành cảm ơn với các thầy cô giáo giảng viên
trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái nguyên đã giảng dạy, giúp đỡ, chỉ
bảo tận tình, giúp tôi có được nhiều kiến thức rất mới và bổ ích, nâng cao trình
độ, năng lực học tập và sáng tạo.
Tôi xin cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Phú Hoa, Đại học
Thái Nguyên, đã định hướng đề tài, hướng dẫn tận tình tôi trong việc tiếp cận
và khai thác tài liệu tham khảo cũng như những chỉ bảo trong quá trình tôi làm
luận văn.
Tôi xin cảm ơn Ban Giám đốc, các cán bộ nhân viên phòng Kỹ thuật
Công ty Cơ khí Cường Phát, Hà Nội về sự tạo điều kiện hết sức thuận lợi cho

tôi được tiến hành thí nghiệm tại công ty, giúp tôi hoàn thành nghiên cứu của
mình.
Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn các thầy cô giáo, các bạn đồng
nghiệp và gia đình đã ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình làm luận văn
này.
Do kinh nghiệm của bản thân còn nhiều hạn chế nên luận văn không
tránh khỏi thiếu xót. Tôi rất mong nhận được ý kến nhận xét, góp ý của các thầy
cô và các bạn. Tôi xin chân thành cảm ơn!
Tác giả


Phạm Thị Thu

- 3 -
Số hóa bởi trung tâm học liệu
MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan 1
Lời cảm ơn 2
Mục lục 3
Danh mục các ký hiệu chính 5
Danh mục các sơ đồ, bảng biểu 6
PHẦN MỞ ĐẦU 8
1. Tính cấp thiết của đề tài 8
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 8
3. Mục đích, đối tượng, phương pháp, nội dung nghiên cứu. 9

Chương I.
Cơ sở lý thuyết tối ưu chế độ cắt khi phay và phay bằng dao phay ngón 11
1.1. Lý thuyết chung về tối ưu hóa chế độ cắt 11

1.1.1. Các vấn đề chung 11
1.1.2. Hàm mục tiêu- chỉ tiêu tối ưu 15
1.1.3. Giới hạn và hệ ràng buộc 15
1.1.4. Các phương pháp tối ưu chế độ cắt 17
1.1.5. Phương pháp tối ưu chế độ cắt theo đường biên khả dĩ 17
1.2. Tối ưu hóa quá trình cắt khi phay và tối ưu hóa chế độ cắt khi phay 23
1.2.1. Mô hình hoá quá trình cắt khi phay 23
1.2.2. Xác định thời gian gia công cơ bản của máy khi phay 26
1.2.3. Hàm chi phí gia công K khi phay 27
1.2.4. Chế độ cắt tối ưu khi phay 28
- 4 -
Số hóa bởi trung tâm học liệu
1.2.5. Chế độ cắt khi phay bằng dao phay ngón 29
1.2.6. Phương hướng tối ưu chế độ cắt khi phay trên máy phay CNC 33
Chương II - Xác định chế độ cắt tối ưu khi phay thô lòng khuôn ép trên máy
CNC DM - 55V 36
2.1. Giới thiệu về máy CNC DM - 55V và khuôn ép khay nhựa 36
2.1.1. Thông số kỹ thuật cơ bản của máy CNC DM - 55V và khuôn ép 36
2.1.2. Quá trình tạo một chương trình gia công trên máy CNC DM-55V 39
2.2. Xây dựng bài toán tối ưu chế độ cắt khi phay thô lòng khuôn 43
2.2.1. Xây dựng hàm mục tiêu 48
2.2.2. Xây dựng hệ ràng buộc 49
2.2.3. Thuật toán tối ưu chế độ cắt khi phay lòng khuôn ép nhựa 53
2.3. Kết quả giải bài toán lựa chọn chế độ cắt tối ưu khi phay thô
lòng khuôn ép nhựa 54
Chương III: Kết quả thực nghiệm phay khuôn với chế độ cắt tối ưu 71
3.1 - Các bước cập nhật thông số chế độ cắt 71
3.2 - Đánh giá hiệu quả của chế độ cắt tối ưu 75
3.3 - Kết luận và kiến nghị 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

- 5 -
Số hóa bởi trung tâm học liệu
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHÍNH

Ký hiệu

Ý nghĩa
Đơn vị
Z
Lượng dư gia công
mm
t
Chiều sâu cắt
Mm
S
z
Lượng chạy dao răng
mm/răng
S
v
Lượng chạy dao vòng
mm/vòng

S
ph
Lượng chạy dao phút
mm/phút
V
Tốc độ cắt
m/phút
h
Chiều sâu rãnh cắt
Mm
m

Thời gian gia công cơ bản
Phút
n
dao

Tốc độ quay của đầu dao phay
V/phút
B
Chiều rộng phay
Mm
Pz
Lực cắt tiếp tuyến của đầu dao phay
KG
N
Công suất cắt của đầu dao phay
KW
[Nc]
Công suất cắt cho phép của đầu dao phay

KW
Li
Chiều dài đoạn đường dao dịch chuyển ở lần cắt
thứ i.
mm


- 6 -
Số hóa bởi trung tâm học liệu

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, BẢNG BIỂU
TT
Hình số

Nội dung
Trang
1
Hình1.1
Miền các giá trị S-t
21
2
Hình1.2
Quá trình xác định điểm t
opt
, S
opt

22
3
Hình1.3

Mô hình hóa quá trình phay
26
4
Hình 1.4
Dao phay ngón chuôi côn, chuôi trụ
31
5
Hình 1.5
Lưỡi cắt của dao phay ngón
31
6
Hình 1.6
Sơ đồ cắt khi gia công lòng khuôn ép nhựa trên máy
phay CNC
32
7
Hình 2.1
Máy phay CNC DM - 55V
36
8
Bảng 2.2
Bảng thông số kỹ thuật của máy CNC DM -55V
36
9
Hình 2.3
Sơ đồ hệ thống truyền động máy
37
10
Hình 2.4
Bản vẽ lắp và bản vẽ hai nửa khuôn ép khay nhựa

39
11
Hình 2.5
Khuôn khay nhựa
44
12
Hình 2.6
Bản vẽ nửa khuôn dưới
45
13
Hình 2.7
Sơ đồ phân bố lượng dư gia công khi phay lòng
khuôn ở bước gia công thô và gia công tinh
45
14
Hình 2.8
Tiết diện mặt cắt ngang cần gia công thô của khuôn
khảo sát
46
15
Bảng 2.9
Kích thước phần tiết diện khảo sát và chiều dài các
đoạn đường dao dịch chuyển
48
- 7 -
Số hóa bởi trung tâm học liệu
16
Hình 2.10
Sơ đồ thuật toán
53

17
Hình 2.11
Bản vẽ chi tiết khuôn
55
18
Hình 2.12
Sơ đồ lượng dư gia công khi gia công lòng khuôn
phần khảo sát ở bước gia công thô
56
19
Hình 2.13
Mặt phẳng lưới S-V
57
20
Bảng 2.14
Kết quả tổng hợp giá trị Ni tương ứng với các giá trị
Si,Vi
68
21
Hình 2.15
Quá trình xác định tập các điểm khả dĩ V
1
.S
1

69
22
Bảng 2.16
Các giá trị (V
i

,S
i
) thỏa mãn ràng buộc bài toán tối
ưu chế độ cắt khi phay thô lòng khuôn ép nhựa trên
máy phay CNC DM 55V
70
23
Hình 3.1
Nhập từng dòng lệnh
71
24
Hình 3.2
Khai báo dao, khai báo phôi
72
25
Hình 3.3
Nhập thông số gia công ở bước gia công thô
72
26
Hình 3.4
Đo kiểm tra kích thước phôi
73
27
Hình 3.5
Tiến hành phay khuôn
73
28
Hình 3.6
Khuôn ép khay nhựa hoàn thiện
74

29
Hình 3.7
Ép thử trên máy ép nhựa FANUC SE100
74
29
Hình 3.8
Chi tiết khay nhựa
74
30
Bảng 3.9
Kết quả tính thời gian gia công cơ bản khi gia công
với S, V tối ưu
76
31
Bảng 3.10
Kết quả tính thời gian gia công cơ bản khi gia công
với S,V hiện tại
76


- 8 -
Số hóa bởi trung tâm học liệu
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài.
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngành công nghiệp khuôn
mẫu đóng vai trò rất to lớn trong nhiều lĩnh vực: Dược phẩm, thực phẩm, ngành
nhựa [1],[2],[5]. Việc nâng cao năng suất chất lượng khi chế tạo khuôn là rất
cần thiết. Để nâng cao năng suất, chất lượng trong chế tạo khuôn ép, cần phải
sử dụng các máy móc, trang thiết bị công nghệ hiện đại, tiên tiến, nhất là các
máy công cụ điều khiển số CNC. Các máy móc, trang thiết bị hiện đại rất đắt

tiền, vì vậy để đảm bảo sử dụng hiệu quả các máy móc, thiết bị này thì việc gia
công phải được thực hiện bằng chế độ cắt tối ưu. Các nghiên cứu trước đó đã
chỉ ra nhiều lợi ích do tối ưu hóa chế độ cắt khi phay khuôn đem lại[7,8,9].
Trên thế giới, đã có những nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả khi phay
bằng máy phay CNC: Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hình học của dao và
các thông số chế độ cắt trong gia công tinh bằng phay ngón[12], lượng chạy dao
tối ưu cho phay bề mặt bằng dao phay đầu cầu điều khiển bằng logic mờ[13],
nghiên cứu ảnh hưởng của chiều sâu cắt, lượng chạy dao, đến nhám bề mặt khi
phay bằng dao phay đầu cầu trên vật liệu nhôm[10], tuy nhiên chưa có nghiên
cứu nhằm tối ưu chế độ cắt khi phay bằng dao phay ngón hợp kim cứng.
Qua nghiên cứu thực tế, quá trình gia công khuôn ép khay nhựa với vật
liệu là Y8A, được gia công trên máy phay DM-55V bằng dao phay ngón hợp
kim cứng tại công ty cơ khí Cường Phát với chế độ cắt được chọn theo kinh
nghiệm (S = 255 mm/ph, V = 125 m/ph; t = 2 mm), vẫn có thể nâng cao được
năng suất, và giảm được thời gian gia công và chi phí gia công nếu được áp
dụng chế độ cắt tính toán tốt hơn. Tác giả muốn tính toán để có chế độ cắt hợp
lý hơn – tối ưu nhằm giúp giảm thời gian gia công, nâng cao được năng suất
trong gia công khuôn. Việc nghiên cứu áp dụng chế độ cắt tối ưu ứng dụng gia
công khuôn ép khay nhựa, vật liệu Y8A, trên máy phay DM -55V bằng dao
phay ngón hợp kim cứng tại công ty cơ khí Cường Phát là có ý nghĩa khoa học,
- 9 -
Số hóa bởi trung tâm học liệu
thực tiễn cao. Chính vì vậy, tác giả chọn đề tài nghiên cứu luận văn thạc sĩ: Tối
ưu chế độ cắt khi phay bằng dao phay ngón hợp kim cứng - Ứng dụng phay
thô lòng khuôn ép nhựa Y8A.

2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
2.1. Ý nghĩa khoa học:
Đóng góp vào việc nghiên cứu tối ưu hóa chế độ cắt cho phương pháp
phay bằng dao phay ngón hợp kim cứng nhằm giảm thời gian, chi phí gia công

khuôn.
2.2. Ý nghĩa thực tiễn:
Đề tài giúp cho việc xác định chế độ cắt khi phay để phay thô lòng khuôn
ép nhựa Y8A trên máy phay DM-55V bằng dao phay ngón hợp kim cứng tại
công ty cơ khí Cường Phát được hợp lý hơn, nâng cao hiệu quả khai thác và sử
dụng máy.
Đạt được năng suất cao mà vẫn đảm bảo được độ chính xác yêu cầu khi
gia công phay thô lòng khuôn ép nhựa Y8A trên máy phay DM-55V bằng dao
phay ngón hợp kim cứng nhằm giảm thời gian, chi phí gia công khuôn, đem lại
hiệu quả kinh tế thực tiễn cho nhà máy.

3. Mục đích, đối tƣợng, phƣơng pháp, nội dung nghiên cứu.
3.1. Mục đích nghiên cứu:
Mục đích của đề tài này là xây dựng phương pháp tối ưu hóa chế
độ cắt khi phay bằng dao phay ngón hợp kim cứng. Ứng dụng cụ thể
để gia công phay thô lòng khuôn ép nhựa Y8A trên máy phay DM – 55V bằng
dao phay ngón hợp kim cứng.
Xác định, lựa chọn được các thông số chế độ cắt tối ưu(S,V) ở các bước
gia công thô khi gia công phần lòng khuôn khảo sát, đem lại hiệu quả tổng thể
là thời gian gia công cơ bản máy, giảm thời gian gia công khuôn ít nhất là 10%
và giải quyết được bài toán năng suất chế tạo khuôn.

- 10 -
Số hóa bởi trung tâm học liệu
3.2. Đối tƣợng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là các thông số công nghệ
của phương pháp gia công phay bằng dao phay ngón hợp kim cứng, cụ
thể là 2 thông số: vận tốc cắt và lượng chạy dao.

3.3. Phƣơng pháp nghiên cứu

Kết hợp cả phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.

3.4. Nội dung nghiên cứu.
- Nghiên cứu lý thuyết về tối ưu chế độ cắt của phương pháp phay nói
chung và khi phay bằng dao phay ngón nói riêng.
- Nghiên cứu xây dựng bài toán tối ưu chế độ cắt khi phay bằng dao phay
ngón.
- Áp dụng bài toán xác định chế độ cắt tối ưu khi phay thô lòng khuôn
bằng phương pháp đường biên khả dĩ.


















- 11 -
Số hóa bởi trung tâm học liệu
CHƢƠNG I

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỐI ƢU CHẾ ĐỘ CẮT
KHI PHAY VÀ PHAY BẰNG DAO PHAY NGÓN

1.1. Lý thuyết chung về tối ƣu hóa chế độ cắt
1.1.1. Các vấn đề chung
Hiện nay, trên thế giới cũng như ở nước ta, với tốc độ công nghiệp hóa
phát triển như vũ bão, quá trình sản xuất cơ khí nói chung và quá trình gia công
cắt gọt nói riêng đều ứng dụng rất nhiều các tiến bộ về kỹ thuật. Trong quá trình
gia công cắt gọt đã không ngừng đổi mới và ứng dụng các tiến bộ về các thiết bị
gia công mới, phương pháp gia công mới, vật liệu gia công mới, vật liệu dụng
cụ mới và công nghệ bôi trơn tối thiểu. Trước tình hình đó, để đáp ứng và phát
huy tối đa hiệu quả của các tiến bộ kỹ thuật đó thì trong gia công cắt gọt phải áp
dụng bài toán tối ưu hóa mà cụ thể là tối ưu hóa chế độ cắt. Do đó, tối ưu hóa
chế độ cắt trong gia công cắt gọt là tất yếu và khách quan.
Tối ưu hóa chế độ cắt được thực hiện bằng 2 hình thức sau:
- Tối ưu hóa tĩnh: Là phương pháp xác định các thông số chế độ cắt tối
ưu trước khi quá trình cắt gọt diễn ra, thông qua việc xây dựng các mối quan hệ
toán học giữa mục tiêu tối ưu với hệ thống giới hạn và các mặt kỹ thuật, chất
lượng, tổ chức nhà máy.
Tối ưu hóa trước quá trình cắt gọt dựa trên mô hình tĩnh của quá trình cắt.
Nhược điểm cơ bản của phương pháp này là không chú ý tới động lực học của
quá trình, nghĩa là không chú ý tới những đặc điểm mang tính ngẫu nhiên và
thay đổi theo thời gian. Điều này có thể khắc phục phần nào khi có sự điều
chỉnh lại trong thực tế.
- Tối ưu hóa động: Là tối ưu hóa trong quá trình cắt gọt. Dựa trên mô
hình động của quá trình cắt gọt, do đó có xét tới các đặc điểm mang tính ngẫu
nhiên và thay đổi theo thời gian. Tối ưu hóa động thì các thông số chế độ cắt
- 12 -
Số hóa bởi trung tâm học liệu
được điều chỉnh tự động ngay cả trong quá trình cắt. So với tối ưu hóa tĩnh thì

tối ưu hóa động giải quyết các vấn đề triệt để, nhưng vì thế cũng phức tạp hơn
rất nhiều, bởi tối ưu hóa động gắn với đo lường tích cực, điều khiển thích nghi
và kỹ thuật tự động hóa.
Hiệu quả của quá trình tối ưu hóa phụ thuộc vào mức độ chính xác của
mô hình thí nghiệm so với quá trình cắt thực và mức độ chính xác của mô hình
toán học được xây dựng để khảo sát đối tượng trong quá trình nghiên cứu. Khi
tối ưu hóa quá trình gia công, giải quyết được càng nhiều yếu tố ảnh hưởng tới
quá trình gia công thì vấn đề giải quyết được càng nhiều và triệt để. Nhưng về
mặt toán học, quá trình nghiên cứu càng phức tạp thì càng khó áp dụng vào sản
xuất. Ngược lại nếu bỏ qua nhiều yếu tố ảnh hưởng thì kết quả thu được không
chính xác. Do đó cần giới hạn bài toán cho thích hợp. Ngoài ra hiệu quả của
phương pháp tối ưu hóa cũng còn phụ thuộc mức độ chính xác vào ổn định của
dụng cụ đo cũng như vào kỹ thuật xử lý số liệu.
Thực chất phương pháp tối ưu hóa là xây dựng rồi giải bài toán cực trị để
xác định được phương án tối ưu hóa cho quá trình nghiên cứu. nhận xét đó cho
thấy:
- Tối ưu hóa là một phương pháp, một công cụ cho các nhà nghiên cứu
kinh tế, kỹ thuật.
- Tối ưu hóa gắn liền với mô hình hóa. Nói cách khác, mô hình hóa là
bước thứ nhất của tối ưu hóa.
Công việc đầu tiên của bài toán tối ưu hóa là xây dựng hàm mục tiêu.
Hàm mục tiêu khi thiết kế tối ưu quá trình cắt gọt mô tả quan hệ giữa chỉ tiêu
tối ưu với các thông số cần tối ưu.
Chỉ tiêu tối ưu(còn gọi là mục tiêu tối ưu) phải là các chỉ tiêu kinh tế
được xây dựng trên cơ sở giá thành và thời gian gia công, thường được chọn
với các đại lượng sau:
- Chi phí gia công tính cho một đơn vị sản phẩm → thấp nhất.
- 13 -
Số hóa bởi trung tâm học liệu
- Thời gian gia công cho một chi tiết → thấp nhất.

- Tỷ lệ giữa chi phí gia công và thời gian gia công → thấp nhất.
- Số lượng sản phẩm cho một đơn vị thời gian → Cao nhất.
- Tiền lãi → Cao nhất.
- Độ chính xác đạt được → Cao nhất.
- Độ bóng bề mặt đạt được → Cao nhất.
Trong các chỉ tiêu trên thì chỉ tiêu về chi phí gia công thấp nhất có vai trò
quan trọng. Bởi xét đến cùng thì giá thành chế tạo thấp nhất trên cơ sở đảm bảo
chất lượng, và các yêu cầu kỹ thuật của chi tiết gia công sẽ quyết định tính cạnh
tranh của sản phẩm trong cơ chế kinh tế thị trường.
Tối ưu hóa chế độ cắt về thực chất là tìm giá trị các thông số của chế độ
cắt (S,V,t) trên cơ sở đạt được mục tiêu tối ưu cực trị thỏa mãn các hệ ràng
buộc về kinh tế - kỹ thuật khi gia công cắt gọt.
Muốn tối ưu hóa chế độ cắt gọt, cần phải dựa vào các mối quan hệ kinh
tế kỹ thuật được thiết lập dựa trên bản chất vật lý của qúa trình cắt, và đặc trưng
của từng bước, từng nguyên công cắt gọt.
Các mô hình toán học mô tả quan hệ giữa lực cắt, tuổi bền dụng cụ với
các thông số công nghệ cần tối ưu là cơ sở thực hiện tối ưu hóa quá trình cắt
gọt.
Cơ sở kinh tế - kỹ thuật có ý nghĩa quan trọng khi tối ưu hóa quá trình cắt
gọt. Vì trong sản xuất cơ khí nói chung, quá trình cắt gọt nói riêng đều phải đạt
được hiệu quả kinh tế, nhất là trong cơ chế thị trường. Cơ sở kinh tế - kỹ thuật
quyết định tối ưu hóa cái gì và tối ưu hóa như thế nào?
Để xây dựng bài toán tối ưu chế độ cắt, phải giải quyết các vấn đề sau:
- Xuất phát từ chỉ tiêu tối ưu, ta xây dựng hàm mục tiêu, để từ đó xác
định các giá trị cực trị của bài toán.
- 14 -
Số hóa bởi trung tâm học liệu
- Xuất phát từ các điều kiện gia công, ta xây dựng các hàm giới hạn để
lập miền xác định của các hàm mục tiêu, tức là miền chứa điểm mà hàm mục
tiêu đạt cực trị, còn gọi là điều kiện biên.

Đối với các phương pháp gia công cắt gọt khác nhau thì các thông số
công nghệ cần tối ưu là khác nhau: Chẳng hạn với các phương pháp tiện, phay,
bào thì các thông số công nghệ cần tối ưu là tốc độ cắt (V), chiều sâu cắt (t),
bước tiến dao (S); Với phương pháp mài tiến đá hướng kính thì thông số công
nghệ cần tối ưu là lượng tiến đá hướng kính S
n
,.v .v
Cần chú ý khi tối ưu hóa chế độ cắt đối với bước gia công tinh, bước gia
công thô, bán tinh( còn gọi là bước gia công trung gian). Khi gia công tinh thì
yêu cầu rất quan trọng là độ chính xác gia công và độ bóng đạt được, vì vậy yêu
cầu chiều dày lớp kim loại được cắt bỏ là không quan trọng. Ngược lại, khi gia
công thô, bán tinh, thì lượng kim loại được cắt bỏ trong một đơn vị thời gian là
rất quan trọng, chiều dày lớp kim loại được cắt bỏ là cần đạt lớn nhất trong điều
kiện gia công có thể chịu đựng được, có như vậy mới đảm bảo năng suất gia
công là cao nhất, chi phí gia công là nhỏ nhất.
Qua sự phân tích này thì đối với bước gia công tinh có thể không cần tối
ưu thông số chiều sâu cắt, mà chiều sâu cắt được xác định sao cho phù hợp với
phương pháp gia công đã chọn ở phương pháp gia công tinh đảm bảo quá trình
cắt xảy ra (không bị trượt). Như vậy, chỉ cần tối ưu 2 thông số là lượng chạy
dao (S) và vận tốc cắt (V).
Còn đối với các bước gia công thô và bán tinh thì ta cần tối ưu cả 3 thông
số là chiều sâu cắt (t), lượng chạy dao (S) và vận tốc cắt (V).
Các thông số công nghệ cần tối ưu được xác định trên các điều kiện gia
công cụ thể như:
- Phương tiện gia công gồm máy, dao, đồ gá, trang bị công nghệ.
- Phôi liệu gia công: Vật liệu, hình dáng, kích thước.
- 15 -
Số hóa bởi trung tâm học liệu
- Sản phẩm cần đạt: Độ chính xác kích thước, độ chính xác hình học, độ
chính xác vị trí tương quan, độ nhám bề mặt .v.v.

1.1.2. Hàm mục tiêu- chỉ tiêu tối ƣu
Y = F(x
i
) (1.1)
Trong đó :
Y : Là chỉ tiêu tối ưu( Các đại lượng ra)
x
i
: Các thông số cần tối ưu( Các đại lượng vào)
Giới hạn về nghiên cứu:
Các đại lượng vào: Bộ thông số chế độ cắt S,V, t.
Các đại lượng ra (mục tiêu tối ưu), các chỉ tiêu về kinh tế như:
+ Năng suất → max ( Hay thời gian gia công là nhỏ nhất)
+ Giá thành → min.
+ Lợi nhuận → max.
Các chỉ tiêu về kỹ thuật như: Độ chính xác, chất lượng bề mặt,.v.v.
Khi xây dựng các hàm mục tiêu và ràng buộc cần chú ý các điểm sau:
- Các hàm đó phải phù hợp với phương pháp gia công cắt gọt cụ thể mà
ta nghiên cứu.
- Các hàm đó phải đơn giản, thuận cho việc giải bài toán tối ưu trên máy
tính.

1.1.3. Giới hạn và hệ ràng buộc
Điều kiện biên tạo ra quan hệ giữa điều kiện gia công và các thông số
công nghệ tối ưu. Các điều kiện biên còn gọi là các giới hạn, từ đó ta xác định
miền của các thông số công nghệ.
Các điều kiện biên được xây dựng từ các giới hạn kỹ thuật của phương
tiện gia công và điều kiện gia công như:

- 16 -
Số hóa bởi trung tâm học liệu
* Giới hạn làm việc của các bộ phận trong hệ thống công nghệ:
- Công suất cho phép.
- Mômen cho phép.
- Số vòng quay lớn nhất, nhỏ nhất của máy.
- Lực kẹp cho phép của cơ cấu kẹp phôi hoặc dao kẹp phôi.
* Giới hạn về chất lượng chi tiết cần đạt được khi gia công như: Độ chính
xác về hình dạng, kích thước, vị trí tương quan cũng như độ nhám bề mặt.
Đồng thời khi xây dựng hệ thống giới hạn cũng cần quan tâm đến các đại
lượng đặc trưng của quá trình cắt(hình học, động học, động lực học, quá trình
mòn các dụng cụ .v.v ), cũng như các mối quan hệ của các đại lượng khác như
lực cắt, công suất cắt, tuổi bền dụng cụ cắt.v.v với các thông số công nghệ tối
ưu.
Khi khảo sát hàm chi phí gia công K = K
(S,V,t)
chỉ khảo sát những điểm
nằm trong miền xác định của các thông số công nghệ mà tại đó đạt K = K
min

mới là lời giải của bài toán tối ưu thông số của chế độ cắt gọt.
Đây là những nguyên tắc cơ bản mang tính chất chung khi nghiên cứu,
xây dựng và giải bài toán tối ưu về chế độ cắt, về tất cả các phương pháp gia
công. Khi xác định chế độ cắt cho một phương pháp gia công nào đó, cần phải
phân tích tỷ mỷ và xây dựng mô hình toán học rõ ràng thì mới giải được bài
toán tối ưu.
Hiện nay, có nhiều phương pháp xác định chế độ cắt tối ưu như: phương
pháp quy hoạch tuyến tính, phương pháp toán đồ, đồ thị, phương pháp GRAPH,
phương pháp thực nghiệm, phương pháp đại số Bản chất các phương pháp
khác nhau ở việc xây dựng hàm mục tiêu chi phí gia công K chứa các thông số

cần tối ưu và phương thức khảo sát.



- 17 -
Số hóa bởi trung tâm học liệu
1.1.4. Các phƣơng pháp tối ƣu
Để xác định chế độ cắt tối ưu của các phương pháp gia công ta
có nhiều phương pháp tối ưu như:
- Phương pháp quy hoạch tuyến tính, phi tuyến.
- Phương pháp quy hoạch rời rạc
- Phương pháp quy hoạch đa mục tiêu
- Phương pháp đường biên khả dĩ
- Phương pháp GRAPH, phương pháp thực nghiệm,
Hàm mục tiêu và hệ phương trình ràng buộc phụ thuộc vào phương
pháp gia công khác nhau và điều kiện gia công (máy, dụng cụ cắt,…)
Trong các phương pháp trên, để giải bài toán tối ưu tìm ra bộ giá trị
các thông số tối ưu tác giả chọn phương pháp tối ưu chế độ cắt theo đường
biên khả dĩ.

1.1.5. Phƣơng pháp tối ƣu chế độ cắt theo đƣờng biên khả dĩ:
Phương pháp tối ưu này được bắt nguồn từ mục tiêu tối ưu cần đạt là chi
phí gia công là nhỏ nhất hoặc thời gian gia công là nhanh nhất. Vì vậy mà chiều
sâu cắt, lượng chạy dao và vận tốc cắt của mỗi lần chạy dao phải được tối ưu
hóa trên cơ sở là tăng chiều sâu cắt, lượng chạy dao trong điều kiện công suất
máy, dụng cụ cắt và trình độ công nhân có thể cho phép đảm bảo được.
Ta hãy xét trường hợp tối ưu chế độ cắt của phương pháp tiện. Do
phương pháp tiện là phương pháp gia công cơ bản, nhiều quá trình nghiên
cứu về phương pháp cắt gọt cũng bắt đầu từ việc nghiên cứu đối với
phương pháp tiện trên cơ sở đó mà phát triển nghiên cứu các phương pháp

cắt gọt khác.
- 18 -
Số hóa bởi trung tâm học liệu
Bởi vậy mà giải bài toán tối ưu các thông số chế độ cắt khi tiện
mang tính cơ sở để từ đó phát triển và giải các bài toán tối ưu các thông số
chế độ cắt của các phương pháp cắt gọt khác.
*) Hàm mục tiêu của bài toán tối ưu các thông số chế độ cắt khi
tiện:
Xây dựng hàm mục tiêu chi phí gia công của phương pháp tiện được
căn cứ vào công thức chi phí gia công từ công thức:
K=(K
M
+K
L
)(t
m
+t
pm
)+K
dao
.
T
t
m

Ta có chi phí gia công của một nguyên công là:
K=t
nc
[
60

0
K
(1+
)
100
R
+
]
60
M
K
+{
}]
60
)
100
1([)
100
1(.
)1(
)(
td khtd
tdtd
md
mdmd
KR
Kt
R
Kt
n

GG
(1 3)
Trong đó:
K
0
- Lương công nhân đứng máy theo giờ (đồng/giờ);
R- Tỉ lệ chi phí phụ trong phân xưởng gia công, tính theo K
0
;
K
M
- Chi phí khấu hao máy (đồng/giờ)
n- Số lần thay dao;
G
d
- Giá tiền 1 con dao khi chưa gia công (đồng);
G
t
- Giá tiền 1 con dao khi đã dùng để gia công (đồng);
t
md
- Thời gian mài dao (đồng/giờ);
- 19 -
Số hóa bởi trung tâm học liệu
K
md
- Lương công nhân mài dao (đồng/giờ);
R
md
- Tỷ lệ % cho phí phụ phân xưởng dụng cụ tính theo K

md
;
t
td
- Thời gian thay dao và điều chỉnh máy (phút);
K
td
- Lương công nhân thay dao, điều chỉnh máy (đồng/giờ);
R
td
- Tỷ lệ % chi phí phụ khi thay dao tính theo K
td
;
P
kh
- Khấu hao thiết bị ứng với thời gian thay dao và điều chỉnh máy
(đồng/giờ).
Thời gian gia công một lần chuyển dao khi tiện được tính như sau:
T
m
= t
2
+ t
3
(
T
t
2
) +
T

t
2
(1.46)
Trong đó:
t
2
-Thời gian cắt;
t
3
-thời gian thay dụng cụ cắt;
T-tuổi bền dụng cụ cắt
Sử dụng công thức Taylor, tuổi bền dụng cụ cắt được tính:
T =
dtctbt
t
StV
A

(1.47)
Với
A
t
- Hằng số tính toán;
- 20 -
Số hóa bởi trung tâm học liệu
b
t
, c
t
, d

t
- Các hệ số nói lên ảnh hưởng vận tốc cắt, chiều sâu cắt lượng
chạy dao tới tuổi bền dụng cụ cắt.
t, S, V- Chiều sâu cắt lượng chạy dao và vận tốc cắt.
Khi cho giá trị t và S ta nhận được giá trị vận tốc cắt tối ưu là
V
opt
= [
dtct
opt
m
StT
A

] (1.48)
m
opt
T
=
dtct
opt
StV
A


Từ các công thức biến đổi này ta thấy T
opt
tối ưu khi tích (S,V) là max, và
cho phép ta xây dựng phương pháp tính toán tối ưu các thông số chế độ cắt khi
tiện thô như sau:

Hình 1.1: Miền các giá trị S-t
Trên cơ sở điều kiện gia công của một máy công cụ với một dụng cụ cắt
nào đó ta xây dựng một mặt phẳng t-S. Vấn đề ở đây là ta xác định điểm tối ưu
trong mặt phẳng t-S cho phép trên. Để thực hiện ta chia mặt phẳng t-S ra thành
t
S(mm/ph)
Smax
Smin
tmin
tmax
topt
Sopt
- 21 -
Số hóa bởi trung tâm học liệu
lưới 20*20 như hình 1.1. Nó được phân ra hai miền, miền các điểm không khả
dĩ do các yếu tố ràng buộc và miền khả dĩ, chúng được ngăn bởi một đường
cong như hình 1.1. Những điểm mà chi phí gia công nhỏ nhất luôn nằm trên
đường phân giới giữa miền khả dĩ và không khả dĩ. Bởi vậy mà không cần xem
xét hết các điểm nằm trong mặt phẳng t-S.

Quá trình xác định t
opt
, S

opt
được bắt đầu từ điểm O và các bước sau:
1. Điểm lưới (S
i
, t
j
) là điểm có toạ độ (Smin, tmax) sẽ được kiểm tra với
các ràng buộc về công suất cắt cho phép, nếu nó không khả dĩ như điểm 1 ở
hình 1.2 thì chiều sâu cắt sẽ giảm xuống điểm 2 và lại được kiểm tra với các
ràng buộc.
2. Nếu là điểm khả dĩ thì ta tiép tục tăng lượng chạy dao S theo bước
nhảy của lưới và tiếp tục kiểm tra đièu kiẹn dàng buộc. Những điểm khả dĩ đó
dùng để xác định t
opt
và S
opt
ở công thức (1.53) sẽ đảm bảo chi phí gia công nhỏ
nhất hoặc năng suất gia công lớn nhất.
3. Giá trị chiều sâu cắt tối ưu tính ở bước 2 được kiểm tra với các ràng
buộc về vận tốc cắt. Nếu có thỏa mãn khả dĩ thì đó là vận tốc cắt tối ưu. Nếu
không thì điểm lưới đó sẽ trở thành không khả dĩ.


- 22 -
Số hóa bởi trung tâm học liệu

Hình 1.2: Quá trình xác định điểm t
opt
, S
opt

4. Lúc này điểm lưới được lấy tăng theo lượng chạy dao như điểm 4
trong hình 1.2. Và phương pháp này quay về bước 1.
5. Quá trình bước 1 đến bước 4 được lặp đi lặp lại nhiều lần cho đến khi
gặp điểm M thỏa mãn các ràng buộc về lượng chạy dao và vận tốc cắt. Điểm
lưới đó sẽ có lượng chạy dao, chiều sâu cắt là tối ưu mà chi phí gia công là nhỏ
nhất.
6. Chương trình quay trở về bước 1. Các bước 1 đến 5 tiếp tục được thực
hiện đến khi lượng chạy dao S vượt quá lượng chạy dao cho phép. Ta sẽ xác
định được số lần cắt, lượng chạy dao tối ưu, chiều sâu cắt tối ưu cho từng lần
chạy dao.
7. Ở lần chạy dao cuối cùng chiều sâu cắt được tính bằng lượng dư gia
công cần cắt bỏ trừ đi tổng chiều sâu cắt các lần chạy dao trước.
8. Lúc này chiều sâu cắt cắt, lượng chạy dao được xác định lại đó chính
là chiều sâu cắt tối ưu, lượng chạy dao tối ưu cần xác định.
Smin
tmin
tmax
topt
S(mm/ph)
Smax
Sopt

- 23 -
Số hóa bởi trung tâm học liệu

1.2. Tối ƣu hóa quá trình cắt khi phay và tối ƣu hóa chế độ cắt khi
phay
1.2.1. Mô hình hoá quá trình cắt khi phay
Phay là một phương pháp gia công cắt gọt kim loại. Đó là quá trình cắt đi
một lớp kim loại (hay còn gọi là lượng dư gia công để tạo thành phoi) trên bề
mặt của phôi để được chi tiết có hình dáng, kích thước, độ chính xác, độ bóng
theo yêu cầu kỹ thuật trên bản vẽ. Quá trình đó được thực hiện trên các máy
phay (gọi chung là máy công cụ hay máy cắt kim loại) bằng các loại dao phay,
mũi khoan…gọi chung là dụng cụ gia công cắt gọt[7].
Phay là phương pháp gia công kim loại, có độ chính xác không cao hơn
cấp 3-4 và độ bóng không hơn cấp 6, là một trong những phương pháp gia công
đạt năng suất cao nhất. Bằng phương pháp phay người ta có thể gia công mặt
phẳng, định hình phức tạp, rãnh then, cắt đứt, gia công mặt tròn xoay, trục then
hoa, cắt ren, bánh răng…
Phay có thể dùng để gia công tinh, gia công lần cuối để đạt được độ
bóng, độ chính xác cao, dễ cơ khí hoá, tự động hoá, cho năng suất cao, dùng
trong sản xuất đơn chiếc, sản xuất hàng loạt và hàng khối. Số lượng nguyên
công gia công cắt gọt đạt tới 60% - 70% công việc gia công cơ khí thì nguyên
công phay cũng chiếm một tỷ lệ lớn. Máy phay có số lượng nhiều, chiếm tỷ lệ
lớn và giữ một vị trí quan trọng trong các nhà máy, phân xưởng cơ khí[7].


* Các chuyển động cơ bản khi phay
Chuyển động cơ bản là các chuyển động để thực hiện quá trình cắt gọt,
hình thành các bề mặt chi tiết gia công, bao gồm[7]:
- 24 -
Số hóa bởi trung tâm học liệu

- Chuyển động chính (chuyển động cắt): là chuyển động chủ yếu thực
hiện quá trình cắt tạo ra phoi, ký hiệu là V hoặc n. Chuyển động chính khi phay
là chuyển động quay tròn của dao phay được truyền dẫn qua trục chính.
- Chuyển động chạy dao S là chuyển động để thực hiện quá trình cắt tiếp
tục và cắt hết chiều dài chi tiết. Đó là chuyển động dọc, ngang hoặc thẳng đứng
của bàn máy phay có gá phôi. Chúng thường vuông góc với trục dao.
* Chiều sâu cắt t
o
:
Chiều sâu cắt là kích thước lớp kim loại được cắt đi ứng với một lần
chuyển dao, đo theo phương vuông góc với bề mặt gia công (mm).
* Lƣợng chạy dao S: Được phân làm 3 loại:
+ Lượng chạy dao răng S
z
: 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 S
v
: là lượng dịch chuyển của bàn máy khi dao
quay được một vòng (mm/vòng). S
v
= S
z
.Z
+ Lượng chạy dao phút Sph: là lượng dịch chuyển của bàn máy sau thời
gian 1phút (mm/phút). S
ph
= S
z
.Z.n

*Tốc độ cắt[7]:


Dấu (+) ứng với trường hợp phay nghịch, dấu (-) ứng với trường hợp
phay thuận. Trong đó:
V
n
=π.D.n/1000 (m/phút)
Thực tế giá trị V
s
rất nhỏ so với V
n
khi tính toán chế độ cắt người ta
thường bỏ qua lượng V
s
, khi đó công thức trên có dạng:
V
c
= V
n
=π.D.n/1000 (m/phút)