Nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu khi gia công trên máy tiện cnc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------------------------------

PHẠM VĂN BỔNG

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CẮT TỐI
ƯU KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY TIỆN CNC

LUẬN ÁN TIẾN SỸ
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS .TS TRẦN XUÂN VIỆT

Hà Nội - 2008


-1-

lời cám ơn
Nghiên cứu khoa học phục vụ cho công cuộc Công nghiệp hoá, hiện đại
hoá Đất nước là việc làm vô cùng quan trọng đối với nước ta hiện nay. Đề tài
Nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu khi gia công trên máy tiện CNC để
xác định chế độ công nghệ khi gia công trên máy tiện CNC nhằm mục đích nâng
cao hiệu quả khai thác, sử dụng máy được hoàn thành với sự giúp đỡ của rất
nhiều cá nhân và tổ chức.
Trước tiên tôi xin được bày tỏ lòng cám ơn sâu sắc tới PGS . TS Trần Xuân
Việt ( Bộ môn Công nghệ chế tạo máy - ĐHBK Hà Nội) là Thầy hướng dẫn khoa
học đà định hướng và chỉ bảo cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu từ cuối năm

2003 đến nay.
Tôi xin được cám ơn GS .TS Trần Văn Địch và tập thể các Thầy giáo, Cô
giáo trong Bộ môn Công nghệ chế tạo máy và Khoa Cơ khí Trường Đại học
Bách khoa Hà Nội đà tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu.
Tôi xin được cám ơn Ban lÃnh đạo, cán bộ, nhân viên Trung tâm đào tạo và
bồi dưỡng sau đại học Trường ĐHBK Hà Nội đà tận tình giúp đỡ và tạo mọi
điều kiện cho tôi trong quá trình làm nghiên cứu sinh.
Tôi xin được cám ơn Ban giám hiệu trường Đại học bách khoa Hà Nội,
trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đà tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong
quá trình nghiên cứu.
Tôi xin được cám ơn Ban lÃnh đạo Công ty TNHH Phụ tùng máy số 1,
Phân xưởng Cơ khí 2 đà tạo điều kiện cho tôi trong quá trình thực nghiệm áp
dụng đề tài vào thực tế sản xuất.
Ngày 12 tháng 01 năm2008
NCS

Phạm Văn Bổng


-2-

lời cam đoan
Nội dung của luận án là các nghiên cứu từ cơ sở lý thuyết về quá trình cắt
gọt trên máy đến thực nghiệm để xây dựng mô hình toán học xác định chế độ cắt
tối ưu khi gia công trên máy tiện CNC nhằm mục đích giúp cho việc khai thác sử
dụng máy tiện CNC hiệu quả hơn. Với danh dự của một Giảng viên Đại học, tôi
xin cam đoan rằng những nội dung trong luận án này là công trình nghiên cứu
của tôi. Nội dung luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
một công trình nào khác.
Tác giả

NCS

Phạm Văn Bổng


-3-

mục lục
nội dung

trang

Lời cảm ơn...............................................................................................

1

lời cam đoan...........................................................................................

2

mục lục...................................................................................................

3

danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt....................................................

8

danh mục các bảng..................................................................................

9

danh mục các hình vẽ, đồ thị..................................................................

11

phần mở đầu.............................................................................................

13

phần nội dung..........................................................................................

17

chương 1: tổng quan về tối ưu hoá chế độ cắt và viƯc sư
dơng m¸y tiƯn CNC hiƯn nay......................................

17

1.1 Tỉng quan vỊ tối ưu hoá chế độ cắt khi gia công..............................

17

1.1.1 Khái quát về tối ưu hoá ...............................................................

17

1.1.2 Một số công trình nghiên cứu về tối ưu hoá...............................

26

1.2 Kỹ thuật tiện CNC và việc ứng dụng ở nước ta.................................

29

1.2.1 Khái niệm và đặc trưng cơ bản của máy tiện CNC......................

29

1.2.2 Tổ chức lập trình và những vấn đề cần chú ý khi lập trình để
đảm bảo độ chính xác gia công tiện............................................

33

1.2.2.1 Tổ chức lập trình gia công trên máy tiện CNC..................

33

1.2.2.2 Một số vấn cần chú ý khi lập trình.....................................

37

1.2.3 Hiệu quả kinh tế khi sử dụng máy gia công CNC và việc khai
thác sử dụng hiện nay..................................................................

42

1.2.3.1 Hiệu quả kinh tế khi sử dụng máy tiện CNC.....................

42

1.2.3.2 Tình hình khai thác sử dụng hiện nay................................

43

1.3 Kết luận chương...............................................................................

44


-4-

chương 2: nghiên cứu xây dựng mô hình của bài toán tối
ưu hoá chế độ cắt khi tiện trên máy CNC......

46

2.1 Đặt vấn đề..........................................................................................

46

2.2 Chỉ tiêu tối ưu và hàm mục tiêu........................................................

48

2.2.1 Đặt vấn đề....................................................................................

48

2.2.2 Hàm mục tiêu...............................................................................

49

2.2.2.1. Một số nghiên cứu về hàm mục tiêu.....................................

49

2.2.2.2. Một số chỉ tiêu tối ưu............................................................

50

2.3 Hàm giới hạn......................................................................................

54

2.3.1 Một số nghiên cứu về hàm giới hạn............................................

54

2.3.2 Các hàm giới hạn........................................................................

55

2.4 Phương pháp giải bài toán tối ưu.......................................................

58

2.5 Xây dựng bài toán tối ưu hoá chế độ cắt khi tiện trên máy tiện CNC
theo hàm mục tiêu năng suất.........................................................

59

2.5.1 Nội dung xây dựng bài toán tối ưu chế độ cắt trên máy tiện
CNC..............................................................................................

59

2.5.2 Xây dựng hàm mục tiêu...............................................................

60

2.5.3 Xác định hàm giới hạn ................................................................

63

2.6 KÕt ln ch­¬ng 2.............................................................................

66

Ch­¬ng 3: C¬ së lý thut vỊ quá trình cắt gọt và mối
quan hệ giữa các yếu tố của chế độ cắt với lực cắt, tuổi
bền dao, độ nhám bề mặt khi gia công trên máy tiện CNC...

3.1 Quá trình cắt và tạo phoi khi tiện...................................................
3.2 Một số hiện tượng xảy ra trong quá trình cắt và ảnh hưởng của nó
đến chất lượng bề mặt và tuổi bền của dao........................................
3.2.1 Hiện tượng phoi bám....................................................................
3.2.2 Hiện tượng nhiệt phát sinh trong quá trình cắt............................
3.2.2.1 Nguồn gốc sinh nhiệt c¾t.....................................................

67
67
69
69
71
71


-5-

3.2.2.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến nhiệt cắt nhiệt cắt.....................

72

3.2.2.3 ảnh hưởng của nhiệt cắt ....................................................

77

3.3 Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa
các yêu tố lực cắt, tuổi bền dụng cụ, độ nhám bề mặt với chế độ cắt
khi gia công trên máy tiện CNC.........................................................

79

3.3.1 Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học xác định lực cắt phụ
thuộc vào thông số công nghệ v,t,s khi gia công trên máy tiện CNC

79

3.3.1.1 Cơ sở lý thuyết về lực cắt và sự ảnh hưởng của chế độ cắt

đến lực cắt..............................................................................

79

3.3.1.2 Mô hình toán học xác định lực cắt phụ thuộc vào chế độ cắt.

81

3.3.2 Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học xác định độ nhám bề
mặt phụ thuộc vào thông số công nghệ v, t, s..............................

85

3.3.2.1 Khái quát về chất lượng bề mặt..............................................

85

3.3.2.2 Sự ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt...............

86

3.3.2.3 Mô hình toán học xác định độ nhám bề mặt phụ thuộc vào
chế độ cắt................................................................................

90

3.3.3 Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học xác định tuổi bền của
dao phụ thuộc vào thông số công nghệ v, t, s...............................

91

3.3.3.1 Hiện tượng mòn dao và tuổi bền của dao ..............................

91

3.3.3.2 Các phương pháp đo mòn dao...............................................

97

3.3.3.3. Tuổi bền dụng cụ...................................................................

104

3.3.3.4 Sự ảnh hưởng của các yếu tố đến tuổi bền của dao..............

104

3.3.3.5 Mô hình toán học xác định tuổi bền dụng cụ phụ thuộc vào
chế độ cắt..............................................................................

107

3.4 Kết luận chương 3.............................................................................

109

chương 4: thực nghiệm đo lực cắt, tuổi bền của dao, độ
nhám bề mặt và xây dựng công thức xác định mối liên hệ

-6-

giữa các yếu tố đó với chế độ cắt...............................................

110

4.1 Hệ thống thí nghiệm...........................................................................

110

4.1.1 Sơ đồ thí nghiệm..........................................................................

110

4.1.2: Dụng cụ cắt và phôi dùng trong thực nghiệm.............................

111

4.1.3 Máy gia công và thiết bị đo dùng trong thực nghiệm..................

112

4.2 Xác định chế độ cắt dùng trong thực nghiệm.....................................

112

4.3 Kết quả đo thực nghiệm và xử lý kết quả...........................................

116

4.3.1 Thực nghiệm đo lực cắt khi gia công trên máy tiện CNC...........

116

4.3.1.1 Kết quả ®o lùc Px .................................................................

116

4.3.1.2 KÕt qu¶ ®o lùc Py..................................................................

119

4.3.1.3 KÕt quả đo lực Pz ..................................................................

122

4.3.2 Thực nghiệm đo độ nhám bề mặt khi gia công trên máy tiện CNC....................

125

4.3.3 Thực nghiệm đo tuổi bền dụng cụ khi gia công trên máy tiện CNC..................

128

4.3.3.1 Đo lượng mòn dao theo hướng kính.......................................

128

4.3.3.2 Đo lượng mòn dao theo mặt sau.............................................

132

4.4 Kết luận chương 4..............................................................................

136

chương 5: giải bài toán tối ưu hoá quá trình cắt khi tiện
cnc và thử nghiệm qua thực tế sản xuất...............

137

5.1 Bài toán tối ưu hoá ............................................................................

137

5.1.1 Chỉ tiêu tối ưu và hàm mục tiêu của bài toán tối ưu....................

137

5.1.2 Các hàm giới hạn của bài toán tối ưu.........................................

137

5.2 Giải bài toán tối ưu............................................................................

140

5.3 Kết quả ứng dụng bước đầu chế độ cắt tối ưu vào thực tế sản xuất...

143

5.4 Kết luận chương 5..............................................................................

144

kết luận và kiến nghị nghiên cứu tiếp theo...............................

145

1 Kết luận.................................................................................................

145

2. Kiến nghị nghiên cứu tiếp theo............................................................

146


-7-

danh mục các công trình khoa học đà được công bố..........

147

tàì liệu tham khảo.......................................................................................

148

phụ lục 1: Thông số kỹ thuật của máy và thiết bị dùng
trong thực nghiệm....................................................

153

phụ lục2: chương trình tính chế độ cắt tối ưu trên máy
tiện cnc...........................................................................

158

phụ lục 3: bản đánh giá thử nghiệm kết quả bước đầu ứng
dụng chế độ cắt tối ưu trên máy tiện cnc vào
thực tế sản xuất...........................................................

168


-8-

danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
CNC (Computer Numerical Control) Điều khiển số có sự hỗ trợ của m¸y tÝnh

η- HiƯu st

CAD (Computer Aided Design)- ThiÕt kÕ

α- Gãc sau chính của dao

có trợ giúp của máy tính
CAM (Computer Aided Manufacturing)Sản xuất có trợ giúp của máy tính
AC (Adaptive Control)- §iỊu khiĨn thÝch
nghi

ACC (Adaptive Control Constrain)- §iỊu
khiĨn thÝch nghi c­ìng bøc
ACO (Adaptive Control Optimation) –
§iỊu khiĨn thÝch nghi tèi ­u

δ- Gãc c¾t cđa dao
γ- Gãc tr­íc cđa dao
ϕ- Gãc lƯch chÝnh cđa dao
ϕ1- Gãc lƯch phơ cđa dao
θ - Nhiệt cắt
S- Lượng tiến dao
V- Vận tốc cắt
t- Chiều sâu cắt

NC (Numerical Control) - Điều khiển số

[X]- ma trận X

MCU (Machine Control Unit) - HƯ ®iỊu

[Y] – ma trËn Y

khiĨn máy
Px- Lực hướng trục

[A] Ma trận A
[hs] Lượng mßn cho phÐp cđa
dao

Py- Lùc h­íng kÝnh

[T] – Ti bỊn cho phép của dao

Pz Lực cắt chính

[Ra] - Độ nhấp nhô tế vi bề mặt cho
phép

Ra - Độ nhấp nhô tế vi bề mặt
T- Tuổi bền dụng cụ

y - Giá trị trung bình thực nghiệm

U- Lượng mòn dao

y i - Giá trị theo hàm hồi qui thực

- Thời gian gia công
R- Sai số gia công theo bán kính
H- Hệ số biến cứng bề mặt

'

nghiệm
Nđc Công suất động cơ chính
Nđc1- Công suất động cơ chạy dao


-9-

danh mục các bảng
bảng và nội dung bảng

trang

Bảng 3.1: Kết quả đo lượng mòn dao....................................................

96

Bảng 3.2: Hằng số tuổi bền...................................................................

108

Bảng 4.1: Bảng các giá trị thực nghiệm ..................................................

113

Bảng 4.2: Qui hoạch thực nghiệm khi đo lực cắt.....................................

113

Bảng 4.3: Qui hoạch thực nghiệm khi đo nhám bề mặt..........................

113

Bảng 4.4: Qui hoạch thực nghiệm khi đo lượng tăng bán kính chi tiết...

114

Bảng 4.5: Kết quả đo lực Px....................................................................

116

Bảng 4.6: Bảng tính toán các giá trị Logarit khi tính lực Px...................

117

Bảng 4.7: Các giá trị tính toán độ tin cậy của hàm Px.............................

118

Bảng 4.8: Kết quả đo lực Py....................................................................

119

Bảng 4.9: Bảng tính toán các giá trị Logarit khi tính lực Py...................

120

Bảng 4.10: Các giá trị tính toán độ tin cậy của hàm Py..........................

121

Bảng 4.11: Kết quả đo lực Pz..................................................................

122

Bảng 4.12: Bảng tính toán các giá trị Logarit khi tính lực Pz..................

123

Bảng 4.13: Các giá trị tính toán độ tin cậy của hàm Pz...........................

124

Bảng 4.14: Kết quả đo nhám bề mặt.......................................................

125

Bảng 4.15: Bảng tính toán các giá trị Logarit khi tính Ra.......................

126

Bảng 4.16: Các giá trị tính toán độ tin cậy của hàm Ra..........................

127

Bảng 4.17: Kết quả đo lượng mòn dao theo hướng kính.........................

128

Bảng 4.18: Hàm mòn và tuổi bền của dao theo lượng mòn hướng kính..

129

Bảng 4.19: Các giá trị tính toán Logarit khi tính tuổi bền......................

130

Bảng 4.20: Kết quả tính toán các giá trị độ tin cậy khi tính hàm tuổi

bền theo lượng mòn hướng kính...........................................

131

Bảng 4.21: Kết quả đo lượng mòn theo mặt sau......................................

132

Bảng 4.22: Hàm mòn và tuổi bền của dao theo lượng mòn mặt sau.......

133

Bảng 4.23: Các giá trị tính toán Logarit khi tính tuổi bền theo mặt sau..

134


- 10 -

Bảng 4.24:Kết quả tính toán các giá trị độ tin cậy khi tính hàm tuổi
bền dao theo lượng mòn mặt sau...........................................

135


- 11 -

danh mục các hình vẽ , đồ thị
Hình vẽ và nội dung

trang

Hình 1.1: Quá trình tạo phoi khi gia công tiện.....................................

19

Hình 1.2: Sơ đồ tối ưu hoá động............................................................

20

Hình 1.3: Quan hệ giữa tối ưu hoá tĩnh và tối ưu hoá liên tục đối với
dạng điều khiển ACC............................................................

21

Hình 1.4: Hệ điều khiển thích nghi theo giới hạn ACC- Hệ ACEMA..

22

Hình 1.5: Hệ SPID của Liên Xô............................................................

23

Hình 1.6: Quan hệ giữa tối ưu hoá tĩnh và tối ưu hoá động dùng cho
điều khiển thích nghi tối ưu ACO.........................................

24

Hình 1.7: Điêu khiĨn thÝch nghi tèi ­u ACO víi trỵ gióp tèi ưu hoá
theo thuật giải tìm kiếm......................................................

25

Hình 1.8: Điêu khiển thích nghi tối ưu ACO với trợ giúp tối ưu hoá
theo thuật giải chính tắc......................................................

26

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy CNC 2D với các trục
NC là X và Z.......................................................................

32

Hình 1.10: Hệ thống lập trình tự động.................................................

36

Hình 1.11: S ai số khi gia công cạnh vát...............................................

38

Hình 1.12: Bù bán kính dao khi cắt cung tròn......................................

39

Hình 1.13: Chu trình cắt ren thẳng......................................................

40

Hình 1.14: Đồ thị tốc độ khi cắt ren.....................................................

42

Hình 3.1: Sự biến dạng kim loại trong vùng cắt....................................

68

Hình 3.2: Hiện tượng lẹo dao................................................................

70

Hình 3.3: Lực pháp tuyến trên mặt dao.................................................

71

Hình 3.4: ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt...............................

74

Hình 3.5: Mối quan hệ giữa lực cắt thành phần với lượng tiến dao.....

82


- 12 -

Hình 3.6: Mối quan hệ giữa lực cắt thành phần với chiều sâu cắt........

83

Hình 3.7: Mối quan hệ giữa lực cắt thành phần với vận tốc cắt............

84

Hình 3.8: Mối quan hệ giữa vận tốc cắt V với độ nhấp nhô tế vi lớp
bề mặt Ra..............................................................................

86

Hình 3.9: Mối quan hệ giữa vận tốc cắt V với Ra thực nghiệm...........

87

Hình 3.10: ảnh hưởng của bán kính lưỡi dao đến quá trình cắt............

88

Hình 3.11: Mối quan hệ giữa lượng chạy dao S với độ nhấp nhô tế vi
bề mặt Ra.............................................................................

89

Hình 3.12: Mối quan hệ giữa chiều sâu cắt t với độ nhấp nhô tế vi bề
mặt Ra..................................................................................

90

Hình 3.13: Các dạng mòn của dao........................................................

92

Hình 3.14: Quan hệ giữa lượng mòn và thời gian cắt...........................

95

Hình 3.15: Quan hệ giữa lượng mòn và thời gian cắt khi thực nghiệm

96

Hình 3.16: Xác định lượng mòn dao theo hướng kính..........................

99

Hình 3.17: Đo vị trí dao bằng Sensor...................................................

100

Hình 4.1: Sơ đồ đo lực cắt ba thành phần..............................................

110

Hình 4.2: Sơ đồ đo độ nhám bề mặt......................................................

111

Hình 4.3: Sơ đồ đo đường kính chi tiết..................................................

111

Hình 4.4: Lượng tăng bán kÝnh chi tiÕt khi tiƯn do mßn dao................

115


- 13 -

phần mở đầu
I. Tính cấp thiết của đề tài

Sự nghiệp đổi mới nền kinh tế đất nước nhằm đưa nước ta ra khỏi tình
trạng nghèo nàn, chậm phát triển đà được Đảng khởi xướng và lÃnh đạo thực hiện
trong 20 năm qua. Để thực hiện được mục tiêu Công nghiệp hoá, hiện đại hoá
Đất nước thì việc phát triển khoa học công nghệ nói chung và khoa học công
nghệ trong cơ khí nói riêng càng trở nên quan trọng và cấp thiết hơn bao giờ hết.
Từ cuối thập niên 80 của thế kỷ XX đến nay, rất nhiều doanh nghiệp trong nước
đà trang bị nhiều loại máy, thiết bị sử dụng kỹ thuật CNC nhằm nâng cao năng
suất, chất lượng sản phẩm. Bên cạnh những kết quả đạt được về mặt công nghệ
thì một số doanh nghiệp cũng gặp khó khăn về hiệu quả kinh tế khi sử dụng các
máy và thiết bị này bởi vì các nguyên nhân sau:
- Việc chuyển giao công nghệ chưa đầy đủ
- Đầu tư thiếu đồng bộ, nhập nhiều chủng loại và thế hệ máy, trong đó có
những loại không rõ nguồn gốc
- Giá thành đầu tư lớn nên mức khấu hao cao
- Số lượng sản xuất trên máy thường theo loạt vừa và nhỏ
- Chưa chủ động được về bảo dưỡng, bảo trì máy...
Vấn đề đặt ra là làm thế nào để nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng loại
máy này?
Qua tìm hiểu các doanh nghiệp sản xuất cơ khí có sử dụng các máy và
thiết bị NC, CNC, xét về mặt xác định chế độ cắt thì thấy có một số vấn đề sau:
- Các doanh nghiệp 100% vốn nước ngoài hoặc liên doanh thì các máy gia

công sử dụng kỹ thuật CNC chủ yếu để sản xuất các mặt hàng truyền thống, ổn
định. Chương trình gia công trên máy được chuyên gia nước ngoài đưa vào nên
chế độ công nghệ thiết lập trong chương trình đà được hoàn chØnh.


- 14 -

- C¸c doanh nghiƯp trong n­íc sư dơng máy CNC thì việc lập trình gia
công do người lập trình thực hiện. Chế độ công nghệ (v, s, t) được xác định bằng
cách tra sổ tay công nghệ như khi thực hiện gia công trên máy truyền thống hoặc
bằng cách lấy theo kinh nghiệm.
Chính vì lẽ đó, chế độ công nghệ gia công trên máy chưa thể khẳng định
là hợp lý. Vì vậy hiệu quả khai thác, sử dụng máy còn hạn chế.
Đề tài Nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu khi gia công trên máy
tiện CNC được lựa chọn để nghiên cứu nhằm mục đích xác định chế độ cắt hợp
lý và tiến tới tối ưu hoá chế độ công nghệ cho quá trình tiện CNC là một việc cần
thiết, góp phần vào việc nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng máy tiện CNC
trong sản xuất cơ khí nói riêng và là cơ sở để nghiên cứu cho các máy khác.
ii. Nội dung nghiên cứu

Xuất phát từ đề tài nghiên cứu, luận văn này cã néi dung nh­ sau:
- Nghiªn cøu tỉng quan vỊ kỹ thuật CNC, về cơ sở lý thuyết của bài toán tối
ưu làm cơ sở cho việc xây dựng bài toán tối ưu chế độ cắt khi gia công trên máy
tiện CNC.
- Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về quá trình cắt làm cơ sở cho việc
xây dựng mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa chế độ cắt với lực cắt, độ
nhám bề mặt và tuổi bền dụng cụ.
- Nghiên cứu xác định hàm mục tiêu và các hàm giới hạn của bài toán tối ưu
chế độ cắt khi gia công trên máy tiện CNC.
- Nghiên cứu thực nghiệm xây dựng công thức toán học biểu diễn mối quan

hệ giữa chế độ cắt với lực cắt, độ nhám bề mặt, tuổi bền của dụng cụ khi tiện mặt
trụ ngoài với phôi thép trên máy tiện CNC.
- Xây dựng bài toán tối ưu hoá chế độ cắt khi gia công mặt trụ ngoài trên
máy tiện CNC theo hàm mục tiêu là Thời gian cơ bản nhỏ nhất và ứng dụng
tin học xây dựng phần mềm giải bài toán tối ưu đó.


- 15 -

iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là tìm hiểu sự ảnh hưởng của chế độ công nghệ đối
với quá trình cắt nói chung và mối quan hệ giữa chế độ cắt với các yếu tố của quá
trình cắt như : Lực cắt, tuổi bền của dao, độ nhám bề mặt. Việc nghiên cứu thực
nghiệm được tiến hành với các điều kiện sau:
- Máy thực nghiệm: là máy tiện CNC.
- Vật liệu gia công là thép C45.
- Vật liệu làm dao là mảnh hợp kim TCMT của Nhật Bản.
- Đối tượng gia công là mặt trụ ngoài.
- Thiết bị đo lực, đo độ nhấp nhô tế vi bề mặt, đo kích thước(đo đường
kính chi tiết), đo lượng mòn dao theo mặt sau của nước ngoài chế tạo
(hÃng Mitutoyo Nhật Bản, Kistler- Thuỵ sỹ).
iv. Phương pháp nghiên cứu

Dùng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực
nghiệm.
- Nghiên cứu lý thuyết để tìm hiểu mối quan hệ giữa các yếu tố chế độ cắt
với một số yếu tố khác như tuổi bền dụng cụ, lực cắt, độ nhám bề mặt gia công.
- Thực nghiệm cắt thử để kiểm chứng cơ sở lý thuyết về mối quan hệ giữa
chế độ cắt với các yếu tố của quá trình cắt như: lực cắt, tuổi bền của dao, độ

nhám bề mặt.
- Thực nghiệm trên máy để xây dựng các hàm toán học biểu diễn mối quan
hệ giữa chế độ cắt với các yếu tố của quá trình cắt như : lực cắt, tuổi bền của dao,
độ nhám bề mặt.
Ngoài ra, trong quá trình nghiên cứu còn trao đổi với Giáo viên hướng dẫn
và các Nhà khoa học chuyên ngành.
v. ý nghĩa khoa học và ý nghÜa thùc tiƠn cđa ln ¸n
ý nghÜa khoa häc:


- 16 -

Bằng cách nghiên cứu cơ sở lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, luận án đÃ
đưa ra được các hàm toán học mô tả mối quan hệ giữa lực cắt, độ nhám bề mặt,
tuổi bền của dao với chế độ cắt làm cơ sở cho việc tối ưu hoá quá trình cắt cũng
như cho các nghiên cứu khác của quá trình cắt. Đồng thời trên cơ sở đó luận án
đà xây dựng được bài toán tối ưu với hàm mục tiêu là thời gian gia công nhỏ nhất
và các hàm ràng buộc là các điều kiện về máy, về dao, về chất lượng bề mặt...
của quá trình cắt. Xây dựng cách giải bài toán tối ưu và thiết kế phần mềm trợ
giúp lựa chọn chế độ cắt khi gia công trên máy tiện CNC.
ý nghĩa thực tiễn :

Kết quả nghiên cứu xây dựng chế độ cắt tối ưu khi gia công trên máy tiện
CNC có ý nghĩa thực tiễn trong nghiên cứu khoa học cũng như trong sản xuất
như sau:
- Làm cơ sở cho việc nghiên cứu các khía cạnh khác của quá trình cắt
- Giúp cho việc lựa chọn chế độ công nghệ khi viết chương trình gia công
NC trong quá trình chuẩn bị sản xuất được hợp lý hơn, hiệu quả khai thác, sử
dụng máy tiện CNC tốt hơn. Góp phần vào việc nâng cao năng suất và hạ giá
thành sản phẩm. Đây là một yếu tố có ý nghĩa rất lớn đối với sự phát triển của

doanh nghiệp trong môi trường sản xuất, kinh doanh luôn phải đối mặt với sự
cạnh tranh khốc liệt hiện nay trên thị trường cũng như trong quá trình hội nhập.
- Đạt được khả năng cho năng suất cao nhưng vẫn đảm bảo chất lượng bề mặt
theo yêu cầu trong sản xuất ngay cả khi số lượng sản phẩm không nhiều.
- Tạo ra phần mềm lựa chọn với các ràng buộc mở, cho phép doanh nghiệp
lựa chọn điều kiện ràng buộc phù hợp với thực tiễn sản xuất, chẳng hạn như khi
phải sử dụng dao đặc biệt, giá thành cao thì đưa vào yêu cầu về tuổi bền dao cao,
phần mềm tính toán sẽ lựa chọn được chế độ cắt phù hợp với yêu cầu đó.


- 17 -

phần nội dung
chương 1: tổng quan về tối ưu hoá chế độ cắt và việc

khai thác, sử dụng m¸y tiƯn CNC hiƯn nay
1.1 Tỉng quan vỊ tèi ­u hoá chế độ cắt khi gia công
1.1.1 Khái quát về tối ưu hoá
Tối ưu hoá quá trình cắt gọt là vấn đề phức tạp đà được quan tâm và triển
khai nghiên cứu từ những thập niên 70 của thế kỷ trước ở các nước công nghiệp
phát triển, thuộc cả hai hệ thống xà hội đối lập nhau lúc đó là hệ thống các nước
XÃ hội Chủ nghĩa và hệ thống các nước Tư bản Chủ nghĩa.
Trong cuốn sách tiếng Đức [49] xuất bản năm 1977 nói về vấn đề tối ưu hoá
quá trình cắt của Giáo sư Tiến sĩ Khoa học HANS JRGEN JACOBS và các
cộng sự của trường Đại học Tổng hợp kỹ thuật DRESDEN(thuộc Cộng hoà Dân
chủ Đức trước đây) đà nêu mục đích, nội dung và phương pháp triển khai việc tối
ưu hoá quá trình gia công cắt gọt. Tuy nhiên trong điều kiện lúc đó mới chỉ có
các máy điều khiển số thế hệ đầu tiên máy NC (Numerical Control Machine
Tool) sử dụng trong sản xuất với tỷ lệ thấp, do đó đề tài cấp nhà nước lúc đó chủ
yếu thực hiện trên máy thường và một số máy NC.

Cũng theo tài liệu này thì những cơ sở tối ưu hoá được xác định gồm:
* Cơ sở kỹ thuật cắt gọt: Đó là các đại lượng đặc trưng của quá trình cắt như
lực cắt thành phần, độ nhám bề mặt gia công, độ mòn và tuổi bền dụng cụ... và
được qui nạp thành các điều kiện giới hạn.
* Cơ sở kinh tế kỹ thuật: Các chỉ tiêu tối ưu và hàm mục tiêu cũng như các
giới hạn về thông số công nghệ của quá trình cắt, đó là:
- Các chỉ tiêu tối ưu:
+ Chi phÝ tõng chiÕc: nhá nhÊt
+ Thêi gian tõng chiÕc: nhá nhất
+ Số lượng thành phẩm: nhiều nhất


- 18 -

+ Lợi nhận(lÃi): lớn nhất
- Các giới hạn về thông số công nghệ:
Các điều kiện biên xác định mối liên quan giữa các điều kiện gia công và
các thông số công nghệ mà giá trị hợp lý(hay tối ưu) được xác định. Các điều
kiện biên này được xác lập theo các giới hạn kỹ thuật của trang thiết bị, dụng cụ
gia công, vật liệu gia công, các yêu cầu về độ chính xác gia công,v.v.... Nghĩa là
các giá trị cho phép về thông số công nghệ của máy, trang bị, dụng cụ gia công
và đối tượng gia công không được vượt quá khi thực hiện quá trình cắt trên máy.
Ngoài việc xây dựng cơ sở lý thuyết về tối ưu hoá, nội dung cuốn sách tập
trung vào hai phương pháp gia công là tiện và phay rồi đưa ra giải pháp triển khai
tối ưu hoá với sự trợ giúp của máy tính (thế hệ máy tính tương tự và máy tính
nhỏ) với các chương trình máy tính KOFA DR1 và 2, KOFA MKFR với ngôn
ngữ lập trình SYMAP và các ngân hàng dữ liệu. Mô hình toán tối ưu để xác định
chế độ cắt hợp lý khi gia công cắt gọt (tiện, phay) được chuyển đổi thành hệ
phương trình bậc nhất (tuyến tính) và được giải bằng phương pháp toán vi phân
mà không dùng phương pháp đơn hình (Simplex) của tác giả DANTZIG (Mỹ). ở

đây có hai phương pháp tối ưu được nêu ra là tối ưu hoá tĩnh và tối ưu hoá động.
Tối ưu hoá tĩnh: Là quá trình nghiên cứu và giải quyết bài toán tối ưu dựa
trên mô hình tĩnh của quá trình cắt gọt (còn gọi là tối ưu trước quá trình cắt)[3],
[49]. Để thực hiện bài toán này phải dựa trên cơ sở các giả thiết:
- Giả thiết lượng dư gia công trong lát cắt là không thay đổi.
- Giả thiết độ cứng vật liệu gia công có độ bền, độ cứng đồng nhất.
- Trong giai đoạn mòn ổn định, lượng mòn của dao thay đổi theo thời
gian với mối quan hệ là tuyến tính.
Sau khi xây dựng và giải bài toán xác định được các thông số cắt hợp lý,
người ta tiến hành điều chỉnh máy làm việc theo các thông số đó trong suốt quá
trình gia công.


- 19 -

Như vậy, phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, nhưng có nhược điểm là
không chú ý đến động lực học của quá trình cắt, nghĩa là không chú ý đến các
yếu tố mang tính ngẫu nhiên xảy ra trong quá trình cắt như phoi bám, kẹt phoi,
độ cứng vững của chi tiết gia công phụ thuộc vào vị trí cắt...(hình 1.1)[49]. Hơn
nữa các giả thiết trên trong thực tế là không đúng vì lượng dư trong một lát cắt
có thể có thay đổi (do dao mòn, do chi tiết bị uốn ...) , độ cứng và ®é bỊn cđa vËt
liƯu kh«ng thĨ ®ång nhÊt tut ®èi.v.v. [3], [49]. Vậy mà giá trị tối ưu đà xác
định trước sẽ không thay đổi trong quá trình cắt thực.
Các đại lượng đầu
vào(EG)

Phôi gia công

- Tốc độ cắt V
- Lượng tiến dao S

- Chiều sâu cắt t

Các đại lượng đầu vào
điều chỉnh được

Thông số về máy,
gá, dụng cụ gia
công

Các đại lượng đầu vào
không điều chỉnh được

Thông số về chi
tiêt gia công

Quá trình tạo
phoi:
- Hệ thống công
nghệ (máy, gá,
dao, phôi)
- Các đại lượng
đặc trưng(KG):
+ Độ mòn dao
+ Lực cắt
+Nhiệt cắt...
KG = f(EG)
AG = f(KG)
AG = f(EG)

Chi tiết máy

Các đại lượng đầu
ra(AG)
Đại lượng tổng hợp
chất lượng gia công

Đại lượng tổng hợp
năng suất gia công

-Độ chính xác về
vị trí
-Độ chính xác về
kích thước
-Độ chính xác về
chất lượng bề mặt

- Chi phí gia công
- Thời gian gia
công

Phoi

Hình 1.1: Quá trình tạo phoi khi gia công cắt gọt
Tối ưu hoá động(hay là tối ưu liên tục): Là tối ưu hoá ngay cả trong quá trình
cắt nhằm khai thác tối đa tiềm năng của hệ thống công nghệ. Quá trình nghiên
cứu và giải quyết bài toán dựa trên mô hình động của quá trình cắt, quá trình cắt
luôn giữ được ở trạng thái cân bằng nhờ kỹ thuật điều khiển bằng cách liên tục
xác định giá trị tối ưu của các đại lượng theo mục tiêu đà định theo thời gian và

- 20 -

điều kiện cắt thực. Vì vậy đà chú ý đến các yếu tố xảy ra trong quá trình cắt
mang tính ngẫu nhiên và thay đổi theo thời gian. Với hình thức tối ưu hoá này
thì chế độ cắt tối ưu không những được điều chỉnh trước mà còn được tự động
điều chỉnh ngay cả trong quá trình cắt một cách tự động. Điều khiển này dược
gọi là điều khiĨn thÝch nghi AC(Adaptive Control) vµ chØ cã thĨ thùc hiện được
đối với máy gia công có hệ điều khiển thích nghi mà thôi.
Để thực hiện được điều đó thì máy phải được trang bị các thiết bị có mức
độ tự động hoá cao như thiết bị đo lường kích thước tự động hay thiết bị đo lực tự
động... ( hình 1.2) Các thiết bị này liên tục đo kiểm yếu tố xảy ra trong quá trình
cắt và đưa tín hiệu đó về hệ thống
xử lý trung tâm (thường là máy tính).
Hệ thống xử lý thông tin sẽ phân tích
thông tin và đưa ra các tín hiệu điều
khiển tới các động cơ chạy dao để
điều chỉnh lại chế độ cắt V0, t0, S0
của quá trình cắt cho phù hợp với thực
tế.
Như vậy,so với tối ưu hoá tĩnh thì
tối ưu hoá động giải quyết bài toán
triệt để hơn nhưng cũng rất phức tạp.

Hình 1.2 : Sơ đồ tối ưu
hoá động[3]

Qúa trình đó đòi hỏi phải gắn với đo lường tích cực, khả năng phân tích, xử lý
thông tin nhanh, chính xác, khả năng điều khiển thích nghi và mức độ tự động
hoá cao. Đây là một công việc hết sức khó khăn do đó tối ưu hoá tĩnh vẫn được
nghiên cứu và ứng dụng rộng rÃi vì tính hiệu quả của nó[3].

Với mục tiêu là liên tục đảm bảo mức khai thác tốt về kỹ thuật đối với
công cụ gia công, người ta đà phối hợp cả hai phương pháp tối ưu hoá tĩnh và tối
ưu hoá liên tục (tương tự như dạng điều khiển thích nghi theo giới hạn ACC).
Mối quan hệ giữa tối ưu hoá tĩnh và tối ưu hoá liên tục như hình 1.3 [49]


- 21 -

Dạng điều khiển thích nghi theo giới hạn ACC ( Adaptiv Control
Congtraint) đà được áp dụng cho các máy gia công điều khiển thích nghi thế hệ
NC với các hệ chương trình máy tính tương ứng, ví dụ:
- Hệ điều khiển thích nghi ACEMA(hình 1.4) của trung tâm nghiên cứu
chế tạo máy công cụ Thành phố KARL - MARX(Đức)được tạo lập để điều khiển
các đại lượng lực cắt và lượng chạy dao không lệ thuộc vào máy và phương pháp
gia công, người ta đà thực hiện trên máy tiện DFS 400NC thông qua việc điều
khiển kết hợp phép đo trực tiếp lực cắt và nguyên lý đo đàn hồi điện từ (magneto
elastisch).
Tối ưu hoá tĩnh
Hệ chương trình AUTOTECH
(Ví dụ: Các chương trình KOFA)

Hàm mục tiêu

Tối ưu hoá liên tục
ADAPTIVE CONTROL(Điều khiển thích nghi)
(Ví dụ: Hệ ACEMA)

Các giới hạn kỹ thuật về:
- Máy gia công ; Đồ gá
- Dụng cụ cắt; Phôi gia công

- Phương pháp gia công

Các thông số công nghệ
(chế độ cắt) có giá trị
không đổi: v, s, t

Xác định tải trọng hiện thời
thông qua các đại lượng điều
khiển (các đại lượng đo kiểm)
- Lực, công suất, mô men

- Phạm vi cài đặt (chọn) cho
các đại lượng điều chỉnh
- Giá trị yêu cầu(đại lượng
mục tiêu)

Các đại lượng thay đổi theo thời gian cắt, ví dụ : s, t
Các đại lượng không thay đổi theo thời gian cắt, ví dụ
v (n)

Hình 1.3: Quan hệ giữa tối ưu hoá tĩnh và tối ưu
hoá liên tục đối với dạng điều khiÓn ACC


- 22 -

- Hệ SPID (hình 1.5) của Liên Xô là hệ điều khiển độ chính xác gia công
trên các máy công cụ khác nhau với các phương pháp gia công khác nhau. Mục
tiêu ở đây là tăng năng suất gia công đồng thời với việc tăng độ chính xác gia
công. Đại lượng điều khiển là khoảng cách giữa mép lưỡi cắt của dao và một

chuẩn được xác định ở máy gia công. Đại lượng cài đặt(điều chỉnh) được chọn
vẫn là lượng chạy dao S. Dạng điều khiển này có thể coi là một ví dụ cho các hệ
điều khiển hình học thích nghi ACG(Adaptive Control Geometrical).
Lập trình bên ngoài

Hệ NC
(Numerik)

Điều khiển lượng chạy dao

Máy công cụ (gia công cắt gọt)
Tập hợp giá trị đo kiểm
Kênh1

2

Hệ đo
lực Fs

3

4

Hệ đo công
suất Ps

1
2
3
4

Nạp
giá
trị
yêu
cầu

Nạp bằng
tay

Dự trữ

Bộ chuyển đổi A/D (Analog/Digital)

Kết nối tín hiệu (Signal Link)

Điều khiển quá trình

Hệ điều chỉnh
chiều sâu cắt

Khâu điều chỉnh lượng chạy dao

Hình 1.4: Hệ điều khiển thích nghi theo giới hạn ACC
của Cộng hoà dân chủ Đức trước ®©y – HƯ ACEMA


- 23 -

- HƯ ACRAMIZER cđa h·ng MILACRON/CINCINNATI (Mü) dïng cho

máy phay đà chọn mô men quay, công suất động cơ và độ võng hướng kính của
trục máy làm đại lượng điều khiển thông qua các phép đo phù hợp. đại lượng cài
đặt ở đây là tốc độ dịch chuyển bàn máy(u) và có thêm đại lượng tốc độ quay
trục chính (n) ứng với giới hạn công suất động cơ.

Máy
- Tốc độ cắt
- Lượng chạy dao
- Chiều sâu cắt
- Nhiệt độ
- Độ cứng vững
Phôi
- Kích thước
- Nhiệt độ

Đồ gá
- Độ chính xác hình học
- Độ chính xác phân độ
- Nhiệt độ
- Độ cứng vững

SPID

Dụng cụ cắt
- Độ chính xác
- Lượng tăng độ mòn
- Nhiệt độ
- Độ cứng vững

Chi tiết máy

- Kích thước
- Chất lượng bề mặt

Thợ vận hành
Ví dụ: gá đặt phôi
không chính xác

Hình 1.5: Hệ SPID của Liên Xô
Các máy gia công điều khiển thích nghi tối ưu (ACO machine tool) trong
một hệ thống sản xuât kết nối với nhau và được điều khiển bằng máy tính làm gia
tăng mức độ tự động hoá sản xuất với cấp độ cao nhất về tối ưu hoá quá trinhd
cắt nhưng lại rất khó triển khai vì kỹ thuật điều khiển chưa đáp ứng được đầy đủ
các yêu cầu đặt ra. ở dạng điều khiển này có mối quan hệ giữa tối ưu hoá tĩnh và


- 24 -

tối ưu hoá động được biểu diễn như hình 1.6 [49]. Các đại lượng mục tiêu đối với
điều khiển ACO là các cực trị của các chỉ tiêu tối ưu kinh tế tương ứng với hàm
mục tiêu của giải pháp tối ưu hoá tĩnh bên ngoài(extern optimization). Sự biến
đổi của các giá trị theo thời gian được xác định bằng những tín hiệu từ quá trình
cắt tạo phoi do m¸y tÝnh trùc tuyÕn (on line computer) ghi nhËn. Trong hệ ACO
luôn luôn có hệ điều khiển thích nghi có giới hạn cưỡng bức (ACC) bởi vì đại
lượng có ảnh hưởng đối với việc tối ưu hoá chi phí gia công chính là tốc độ cắt
(v) do tốc độ cắt có ảnh hưởng lớn nhất đến tuổi bền dao. Các đại lượng khác
nhất là lượng tiến dao(s) ở nhiều trường hợp phải có giá trị lớn và có thể tối ưu
hoá liên tục thông qua cách điều khiển ACC. Như vậy một máy tính phải được
kết nối phù hợp với quá trình gia công, đảm nhận chức năng điều khiển và hiệu
chỉnh quá trình gia công, trực tiếp truyền tải dữ liệu và xử lý tức thời.
Tối ưu hoá bên ngoài quá trình cắt

(tối ưu hoá tĩnh)
Hệ chương trình AUTOTECH

Tối ưu hoá bên trong quá trình cắt
(tối ưu hoá liên tục, tối ưu hoá thích nghi)
Điều khiển thích nghi (ADAPTIVE CONTROL)

Ví dụ: các chương trình KOFA

Điều khiển tối ưu

Hàm mục tiêu
- Chi phí(thời
gian) gia công
- Độ mòn dao

Các giới hạn kỹ
thuật
- Phôi
- Máy
- Đồ gá
- Dao
- Phương pháp
gia công

Các đại lượng
đo kiểm để xác
định hàm mục
tiêu hiện thời

Các đại lượng đo kiểm
để xác định mức độ
tận dụng hiện thời các
giới hạn kỹ thuật

Độ mòn dao
- Trực tiếp
- Gián tiếp

Lực, mô men, công
suất, chất lượng gia
công

Hệ điều khiển tối ưu hay là các máy tính trực tuyến
Thuật giải điều khiển
Hàm mục tiêu hiện thời
Hiệu chỉnh cần thiết các đại lượng cần tối ưu hoá
để đạt tối ưu hiện thời

- Phạm vi điều chỉnh
cho các đại lượng
điều chỉnh đạt mức
độ sử dụng
- Giá trị yêu cầu của
đại lượng mục tiêu

Các đại lượng công nghệ tối ưu theo thời gian

Hình 1.6: Quan hệ giữa tối ưu hoá tĩnh và tối ưu hoá

Ví dơ:
HƯ
A
C
E
M
A