LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên Nguyễn Hải An, là học viên lớp của Cao học Kỹ thuật tàu thủy khóa
2006 - 2009, xin cam đoan nội dung luận văn do chính bản thân tôi thực hiện dưới sự
hướng dẫn của TS Trần Gia Thái, Khoa Kỹ thuật tàu thủy Trường Đại học Nha trang.
Tất cả các tài liệu, số liệu dùng tính toán, dẫn chứng trong luận văn này là trung thực,
hợp lệ và chính xác, không vi phạm pháp luật.
Lời cám ơn
Mục lục
Danh mục các ký hiệu
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ
Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI VẤN ĐỀ ĐẶT RA 1
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới: 1
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước: 2
1.3. THỰC TRẠNG CÔNG TÁC CHẾ TẠO TRONG NƯỚC: 2
1.4. MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU: 5
1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu: 5
1.4.2. Phương pháp và nội dung nghiên cứu: 5
1.4.3. Giới hạn phạm vi nghiên cứu: 6
Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7
2.1.CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHÂN VỊT TÀU THỦY 7
2.1.1. Đặc điểm hình học cánh chân vịt tàu thủy 7
2.1.2.Các mô hình chân vịt thử nghiệm: 14
2.2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỐI ƯU: 18
2.2.1.Tổng quan: 18
2.2.2. Một vài khái niệm cơ bản về tối ưu hóa quá trình gia công
cắt gọt: 18
2.2.3.Phương pháp xác định chế độ cắt tối ưu: 20
Chương 3 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 25
3.1. XÂY DỰNG QUY TRÌNH GIA CÔNG CHÂN VỊT TRÊN MÁY
PHAY CNC: 25
3.1.1. Xác định dạng sản xuất: 25
3.1.2. Phân tích chi tiết gia công: 25
3.1.3. Lập phương án gá lắp: 26
D - đường kính chân vịt (m)
R - bán kính chân vịt (m)
R - bán kính bất kỳ của mặt cắt chân vịt (m)
H - bước xoắn chân vịt
S - diện tích hình trụ chân vịt S= D
2
/4 (m
2
)
S
p
- diện tích hình chiếu cánh chân vịt (m
2
)
S
p
’ - diện tích khai triển các cánh chân vịt (m
2
)
S
o
- diện tích duỗi thẳng cánh chân vịt (m
2
)
b, b
m
- chiều rộng và chiều rộng lớn nhất của cánh (m)
d
p
Hình 2.8 : Chân vịt seri B - Wageningen loại 2, 3,4 và 5 cánh. 15
Hình 3.1 : Đồ gá lắp chân vịt khi gia công trên máy CNC 27
Hình 3.2 : Gá đặt chân vịt gia công mặt đẩy (a) và mặt hút cánh chân vịt (b) 28
Hình 3.3 : Hình ảnh gia công chân vịt 29
Hình 3.4 : Đánh số bề mặt gia công 29
Hình 3.5 : Sơ đồ gá đặt gia công mặt đẩy chân vịt 30
Hình 3.6: Trình bày dao phay cầu và các tùy chọn về kích thước 31
Hình 3.7: Sơ đồ gá đặt gia công mặt hút của cánh chân vịt 34
Hình 3.8 : Sơ đồ gá đặt gia công tại các vị trí bị che khuất giữa 2 cánh. 34
Hình 3.9: Sơ đồ thuật toán chương trình vẽ tự động chân vịt từ các
thông số thiết kế 36
Hình 3.10 : Giao diện của chương trình 37
Hình 3.11 : Mô hình 3D chân vịt dựng trong phần mềm AutoCad. 38
Hình 3.12: Chọn đường bao cánh chân vịt. 38
Hình 3.13: Tạo đầu mút cánh chân vịt 39
Hình 3.14: Mô hình cánh chân vịt hoàn chỉnh trong môi trường CAD. 39
Hình 3.15: Mô hình chân vịt 3D trong phần mềm Pro/E 40
Hình 3.16 : Menu Export Step 40
Hình 3.17 : Chi tiết chân vịt 41
Hình 3.18 : Thiết lập đơn vị cho chương trình 41
Hình 3.19: Chọn các đường bao prophin cánh trên mặt cánh chân vịt 42
Hình 3.20: Chọn đường bao cánh chân vịt 42
Hình 3.21 : Xử lý sự nứt vỡ cánh 43
Hình 3.22: Xử lý phần mút cánh chân vịt 43
Hình 3.23: Một cánh chân vịt đã được phủ mặt 43
Hình 3.24 : Liên kết các mặt trên cánh lại với nhau 44
Hình 3.25: Bo cánh chân vịt 44
Hình 3.26 : Xây dựng mô hình và hoàn thiện chân vịt 45
Hình 3.27: Chân vịt chi tiết và chân vịt phôi 47
Hình 3.28: Chân vịt phôi và chân vịt chi tiết chân vịt gia công trong cùng một
Cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật nói chung và ngành đóng tàu nói riêng,
công nghệ chế tạo chính xác các chi tiết có hình dạng phức tạp như chân vịt tàu thủy
trên máy CNC đã và đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và ứng dụng.
Khi gia công trên máy CNC các chi tiết có hình dạng phức tạp nói chung và chân vịt
nói riêng, một trong những vấn đề quan trọng là lựa chọn được chế độ gia công hợp lý,
ví dụ như tốc độ chạy dao, lượng ăn dao, hành trình chạy dao, quỹ đạo chạy dao v v…
nhằm đảm bảo thỏa mãn điều kiện đặt ra như thời gian, giá thành, độ bóng v v…
Từ các trình bày trên nhận thấy, vấn đề tự động hóa chế tạo chân vịt nói chung, và
xác định chế độ cắt hợp lý khi gia công chân vịt trên máy phay CNC nói riêng có vai
trò và ý nghĩa thực tế quan trọng, nhất là khi nước ta đã và đang bắt đầu đóng các loại
tàu có đòi hỏi chân vịt có độ chính xác cao như tàu cao tốc, tàu cánh ngầm v v Kết
quả nghiên cứu của đề tài còn là cơ sở để giải quyết bài toán xác định chế độ cắt hợp
lý khi gia công trên máy phay CNC đối với các chi tiết hình dạng phức tạp khác, một
nhu cầu của thực tiễn sản xuất hiện nay nhưng chưa được giải quyết triệt để.
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI VẤN ĐỀ ĐẶT RA
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới:
Ở các nước có nền công nghiệp đóng tàu phát triển, hầu hết chân vịt được
sản xuất hàng loạt theo seri mẫu đã thử nghiệm, do đó thường áp dụng công nghệ chế
tạo tự động chân vịt, với quy trình có thể tóm tắt như sau :
2 - Thiết kế chân vịt 3D trên các phần mềm CAD/CAM chuyên dụng hoặc
các phần mềm thông dụng.
- Chế tạo khuôn đúc phôi chân vịt và gia công tinh trên các máy chuyên
dụng hoặc các máy CNC.
- Gia công nguội, đánh bóng hoàn thiện sản phẩm.
Tuy nhiên, công nghệ chế tạo tự động chân vịt này đã được thực hiện từ lâu
nhưng thường được bán giá cao, kèm theo máy chuyên dụng do các Công ty sản xuất
Hầu hết công việc gia công thô, sơ bộ ban đầu này đều phải thực hiện một cách từ từ
và để lại lượng dư khoảng (0,5 - 1) mm dành cho việc gia công cơ trên các máy khác.
Công đoạn gia công thô nói trên thường chiếm khoảng (60 - 80) % toàn bộ thời gian
gia công hoàn chỉnh một chân vịt, do đó cần phải cải tiến công nghệ và khuôn đúc để
đảm bảo cho lượng dư gia công là ít nhất hoặc sử dụng các máy gia công hiện đại hơn.
Sau gia công thô, chân vịt được tiếp tục gia công trên những máy công cụ khác như
máy tiện, máy phay vạn năng v v…, sau đó là nguyên công nguội và đánh bóng tay.
Đây là công đoạn mất nhiều thời gian, công sức nhất và phụ thuộc tay nghề công nhân.
Sau khi chế tạo, sử dụng dưỡng mẫu để kiểm tra bề dày prôfin cánh tại các bán kính r
và dùng tam giác bước để kiểm tra góc nghiêng cánh nên kết quả thường ít chính xác.
Chất lượng, độ chính xác mặt cánh chân vịt phụ thuộc nhiều vào tay nghề công nhân.
Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, ngành đóng tàu trên thế giới đã có
những bước tiến vượt bậc, nhất là trong lĩnh vực thiết kế và chế tạo chân vịt tàu thủy
đều đã áp dụng công nghệ gia công lập trình điều khiển số để chế tạo trên máy CNC.
Tuy nhiên như đã nói, công nghệ này có giá thành cao và thuộc bản quyền các công ty
nên cũng chưa được áp dụng rộng rãi.
4 Một cách tổng quát có thể tóm tắt quy trình chế tạo chân vịt thủ công ở nước
ta hiện nay theo sơ đồ mô tả trên hình 1.1, trong đó nội dung cụ thể của các công đoạn
được trình bày trong tài liệu [1].
Hình 1.1 : Sơ đồ quy trình chế tạo chân vịt trong nước hiện nay Chuẩn bị cơ sở cho việc
chế tạo
Dụng cụ đúc
Lò nồi nấu vật liệu
Lập nhà xưởng
Vật liệu đúc
Tạo mẫu chân vịt đúc
Chế tạo mẫu đúc
Lập bản vẽ thiết kế đúc
Đúc chân vịt
Phá khuôn và làm sạch vật đúc
Nấu và rót vật liệu
Làm khuôn đúc
Gia công củ chân vịt
Cạo xỉ hàn đắp
1.4. MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU:
1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu:
Như đã nêu, mục tiêu đề tài là nghiên cứu xác định phương án gia công tối
ưu, nghĩa là đi xác định chế độ cắt tối ưu cho từng nguyên công trong quá trình gia
công, cơ sở để xây dựng toàn bộ quy trình gia công hợp lý chân vịt tàu trên máy phay
CNC.
1.4.2. Phương pháp và nội dung nghiên cứu:
Về mặt phương pháp, có thể giải quyết bài toán xác định chế độ cắt hợp lý
khi gia công trên máy CNC các chi tiết phức tạp nói chung và chân vịt tàu thủy nói
riêng bằng cách xây dựng các hàm mục tiêu và hàm ràng buộc cụ thể theo lý thuyết tối
ưu, sau đó giải bài toán này để xác định chế độ gia công hợp lý trong các điều kiện cụ
thể. Trong trường hợp này, hàm mục tiêu hay nói cách khác là chỉ tiêu tối ưu cần
hướng tới thường chính là thời gian gia công hay giá thành sản phẩm, còn các hàm
ràng buộc thường là các điều kiện gia công cần đạt về độ chính xác, độ bóng bề mặt
cánh v v… Về nguyên tắc, các hàm mục tiêu và các hàm ràng buộc trong bài toán tối
ưu nói chung thường được xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết kết hợp với các số liệu
thực nghiệm trong quá trình thực hiện gia công thực tế các chân vịt tàu thủy trên máy
phay CNC. Như vậy, để giải quyết được vấn đề này cần tiến hành nghiên cứu lý thuyết
chân vịt, đồng thời xây dựng phương án mô phỏng quá trình gia công ảo của chân vịt
tàu thủy trên máy CNC bằng các phần mềm CAD/CAM thông dụng nhằm mục tiêu
thiết lập hàm mục tiêu dưới dạng chỉ tiêu tối ưu về thời gian gia công và giá thành sản
phẩm, sau đó mới đưa bài toán về dạng bài toán tối ưu hóa thông thường như đã biết
để giải, trên cơ sở đảm bảo thời gian và lượng dư gia công trong trường hợp cụ thể là
nhỏ nhất.
Như vậy, phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong đề tài này là sự kết
hợp giữa phương pháp suy diễn lý thuyết và phương pháp thực nghiệm giải quyết vấn
đề đặt ra, bắt đầu từ việc thu thập, phân tích và xử lý các số liệu thực nghiệm thống kê
cần thiết, cơ sở đưa ra các giải pháp cụ thể và chế tạo thực nghiệm để kiểm chứng
phương án đó.
2.1.CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHÂN VỊT TÀU THỦY
2.1.1. Đặc điểm hình học cánh chân vịt tàu thủy
Chân vịt có cấu tạo gồm một số cánh gắn liền với moay ơ, gọi là may ơ chân
vịt. Các cánh chân vịt là một phần của mặt xoắn ốc nên khi nghiên cứu đặc điểm hình
học cánh chân vịt cần nghiên cứu đặc điểm hình học của đường xoắn ốc và mặt
xoắn ốc.
a) Đường xoắn ốc
Đường xoắn ốc là quỹ đạo chuyển động của một điểm A trên hình trụ bán
kính r, thực hiện cùng lúc hai chuyển động, chuyển động tịnh tiến dọc theo trục hình
trụ và chuyển động quay xung quanh trục hình trụ đó với vận tốc góc không đổi
(Hình 2.1). Hình 2.1 :Khai triển đường xoắn ốc chân vịt có bước cố định.
Khoảng cách tịnh tiến dọc theo trục hình trụ gọi là bước chân vịt, ký hiệu H.
Góc của bước xoắn được xác định theo công thức :
tg =
r
π
2
H
(2.1)
8
Hình 2.3 : Mặt xoắn ốc khi chân vịt hoạt động đối với chân vịt có bước cố định.
c) Đặc điểm mặt cánh chân vịt:
Mặt cánh chân vịt tàu hình thành từ giao tuyến giữa hai mặt xoắn ốc giao
nhau, với mặt cánh quay về hướng chuyển động của tàu gọi là mặt hút và mặt kia là
b
a
9 mặt đẩy. Mép cánh hướng về chiều quay chân vịt gọi là cạnh dẫn và mép kia gọi là
cạnh theo.
- Tiết diện (mặt cắt) cánh chân vịt: Giao tuyến giữa hình trụ bán kính r đồng trục
với trục chân vịt và cánh chân vịt là tiết diện (mặt cắt) của cánh chân vịt, thường gọi là
profin cánh chân vịt (hình 2.4) Profin cánh chân vịt hiện nay thường có dạng lưu tuyến
với chiều dày lớn nhất là e
max
và các chiều dày khác của profin sẽ được lấy theo tỷ lệ %
e
max
tùy thuộc bán kính r. Tỷ lệ này được rút từ quá trình thử nghiệm các mô hình
chân vịt trong bể thử, ví dụ mô hình chân vịt Wageningen hoặc Gawn là hai loại được
dùng khá phổ biến hiện nay.
Hình 2.5 : Khai triển elíp đường xoắn ốc.
Cung A
1
’C
1
B
1
’ xác định được ở đây thực tế chưa phải là đường khai triển của
đường xoắn ốc ABC mà chỉ là đoạn A’CB’ nằm trên elíp (thực tế nếu cánh chân vịt
không rộng thì cũng như đường khai triển của đường xoắn ốc ACB vì sai số là rất ít).
Nối tất cả các điểm mút A
1
’, B
1
’ ở các bán kính r khác nhau sẽ có hình dáng của cánh
khai triển của chân vịt,và diện tích của nó gọi là diện tích khai triển của cánh chân vịt.
Trên đường thẳng tiếp tuyến với cánh tại điểm C
1
, nếu duỗi thẳng cung A
Vì sai số giữa cánh khai triển và cánh duỗi thẳng không lớn nên trên bản vẽ kỹ thuật
chỉ yêu cầu thể hiện các hình chiếu bình thường và hình chiếu cánh khai triển là đủ.
Tương tự khi chiếu hai điểm A’, B’
trên mặt cắt KCM bằng cách làm
như trên ta sẽ nhận được hai điểm
A
1
’, B
1
’ nằm trên elíp thật K
1
’C
1
M
1
’.
Hai điểm A, B nằm trên mặt hình trụ
nếu chiếu lên hình chiếu phía trên ta
sẽ được hai điểm A
1
, B
1
tương ứng
nằm ngay trên đường tròn bán kính r.
=
S
S
o
=
4
D
S
z
2
o
= (0,3 – 1,2) (2.2)
1.Hình chiếu tiêu chuẩn
2.Hình chiếu cánh khai triển
3.Hình chiếu duỗi thẳng
12 e) Kích thước và đặc điểm hình học của chân vịt:
Các kích thước và đặc điểm hình học chính của chân vịt trình bày trên
hình 2.7.
)
S
o
- diện tích duỗi thẳng cánh chân vịt (m
2
)
b, b
m
- chiều rộng và chiều rộng lớn nhất của cánh (m)
d
p
- đường kính may ơ chân vịt tại giữa (m)
e, e
o
- chiều dày và chiều dày ảo của cánh xác định ở tâm trục (m)
e
ự
- chiều dày đỉnh cánh (m)
m, m’- độ nghiêng và độ uốn của mặt cánh (m)
f) Vật liệu chế tạo chân vịt:
Các loại vật liệu dùng chế tạo chân vịt gồm có hợp kim đồng, thép cácbon
đúc, thép không gỉ và gang, tuy nhiên cho đến nay chân vit gang hầu như không sử
dụng. Vật liệu chân vịt phải thỏa mãn được các yêu cầu về cơ lý, thành phần hóa học
13 và lựa chọn còn tùy thuộc vào kiểu loại, phạm vi hoạt động của tàu và đường kính
chân vịt. Với tàu thông thường, có hoạt động ở vùng băng thưa và nếu được đằng
kiểm đồng ý thì có thể dùng đồng thanh đặc biệt có đặc tính cơ học thấp hơn để chế
tạo chân vịt. Một số hợp kim phổ biến dùng để tạo chân vịt như sau:
trường hợp đặc biệt mới dành cho tàu biển.
14 - Thép không gỉ:
Có sức bền cao, chống ăn mòn tốt nhưng sức bền mỏi do ăn mòn lại không cao do
đó thường được dùng để chế tạo loại chân vịt cao cấp và thông thường trên các tàu.
Trong chế tạo, nếu hàn khuyết tật thì tiến hành sau khi ram đến gia công nhiệt xong.
Trong sữa chữa được phép đốt nóng cục bộ đên nhiệt độ 1060
0
C
100
0
C trong 4 giờ
và làm nguội bằng không khí và sau khi hàn khuyết tật không phải gia công nhiệt trừ
khi hàn ở cánh.
- Thép mangan không gỉ:
Loại vật liệu này dùng để chế tạo chân vịt cấp cao cho các tàu đặc biệt và vật liệu
khi chọn tùy thuộc vào công dụng loại tàu, tốc độ và đường kính chân vịt.
2.1.2.Các mô hình chân vịt thử nghiệm:
Phương pháp nghiên cứu hiệu quả hiện nay là thử mô hình chân vịt trong bể
thử, với các thông số hình học chân vịt được thay đổi một cách hệ thống theo chương
trình thử nghiệm và kết quả thử mô hình sẽ là cơ sở nghiên cứu tính toán tính năng
chân vịt. Trên cơ sở đó, các nhà khoa học đã thực hiện khảo sát một cách có hệ thống
một loạt mô hình chân vịt làm việc tự do trong nước với kích thước thay đổi một cách
hệ thống. Sau đó mới tổng kết lại và công bố hàng loạt đồ thị thực nghiệm và rút ra
một loạt các kết luận ảnh hưởng của các kích thước hình học đến đặc tính hoạt động
của chân vịt. Có thể kể các chân vịt như thế như chân vịt seri B– Wageningen, chân vịt Hình 2.8 : Chân vịt seri B - Wageningen loại 2, 3,4 và 5 cánh.
Đặc điểm các mô hình chân vịt seri B - Wageningen được trình bày trong
bảng 2.1.
Bảng 2.1 : Đặc điểm các mô hình chân vịt seri B của Wageningen.
Số
cánh
Z
Tỷ lệ mặt đĩa
So/S
Hệ số
chiều dày
cánh e/D
Hệ số đư
ờng
kính moayơ
d
p
/D
Giảm bước
xoắn theo
chiều moayơ
(%)
Góc
nghiêng
o
15
o
15
o
15
o
0,5 - 1,4
0,5 - 1,4
0,5 - 1,4
0,5 - 1,4
Riêng đối với chân vịt có tỷ lệ mặt đĩa S
o
/S =0,4 - 0,55 và 0,7 thì bước xoắn
H từ bán kính bằng 0,47R được giảm dần đến chân moayơ của chân vịt bằng khoảng
20%. Bảng 2.2, 2.3, 2.4 là tọa độ profin cánh cho tất cả chân vịt seri B - Wageningen.
16 Bảng 2.2 : Tọa độ cánh chân vịt seri B Wageningen loại 2, 3 cánh.
Bảng 2.3 : Tọa độ cánh chân vịt seri B- Wageningen loại 4 và 5 cánh.
r/R 0,2 0,3 0,4 0,5
30,31
-
Chiều
rộng cánh
tính theo
% chiều
rộng lớn
nhất tại
0,6 R
Tổng
chiều
rộng cánh
74,73 83,91 93,53 97,05
100,0
99,19
92,85
75,77
-
Khoảng cách từ cạnh
dẫn đến điểm có
chiều dày lớn nhất
tính theo phần %
chiều rộng cánh
56,32 57,60
56,08
51,40
41,65
25,35
-
Chi
ều rộng
cánh tính
theo %
chiều rộng
lớn nhất
tại 0,6 R
Tổng chiều rộng
cánh
76,08 85,96
93,62 93,38
100,0
98,08
90,00
Tung độ mặt hút
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
53,35
50,95
47,70
43,40
40,20
39,40
40,95
45,15
72,65
71,60
70,25
68,40
67,15
66,90
67,80
70,00
86,90
98,60
98,40
98,20
98,10
98,10
97,60
97,00
97,00
94,50
94,00
93,25
92,40
91,25
88,80
85,30
48,25
45,1564,35
62,65
60,15
56,80
52,20
44,20
34,55
30,10
56,95
54,90
52,20
48,60
43,35
1,50
5,45
1,70
1,55 0,45
0,05
2,30
1,30
0,30
5,90
4,60
2,65
0,70
13,45
10,85
7,80
4,30
0,80
20,30
16,55
12,50
8,45
4,45
0,40
26,20
đầu cánh
6,4
6,5
6,6
6,7
6,8
6,9
7,0
11,1
15,7
-
-
-
-
-
-
-
11,1
15,7
26,7
Copyright: Tài liệu đại học ©