Trang iv

TÓM TẮT

Tối ưu hóa ch độ cắt theo tui bn dao lƠ phưng pháp nghiên cu xác đnh
ch độ cắt tối ưu thông qua vic xây dựng mối quan h toán học giữa hàm mc tiêu
tui bn dao lớn nhất với các thông số ca ch độ cắt ng với một h thống các giới
hn v mặt chất lưng, kỹ thut và t chc ca nhà máy. Đa số những hn ch này
liên quan trực tip đn sự phát sinh lực cắt trong suốt quá trình gia công, vì vy tính
toán chính xác ch độ cắt cho phép nâng cao tui bn dao, nâng cao hiu qu gia
công. Tính toán ch độ cắt tối ưu theo tui bn dao đưc trình bày trong lun văn
dựa trên hình dng mặt cắt ngang ca mỗi đưng dao trong quá trình gia công. Với
hình dng đưng chuyển dao có sẵn trong mô hình dữ liu STEP-NC, cho phép xác
đnh các thông số cn thit để tính toán tối ưu ch độ cắt để tui bn dao là lớn nhất.
Lun văn này trình bày các bước tính toán ch độ cắt tối ưu trong tin mặt
đu, tin trn tr ngoài, tin côn.

Trang v

ABSTRACT

Optimized cutting by tool life is research methods to determine the optimal

Danh sách các chữ vit tắt ix
Danh sách các hình x
Danh sách các bng xii
Chưng 1. TNG QUAN 1
1.1 S lưc v sự phát triển ca ngƠnh c khí ch to máy 1
1.2 Các khái nim c bn 2
1.3 Giới thiu v STEP-NC 4
1.4 Lý do chọn đ tài, mc tiêu vƠ đối tưng nghiên cu 6
1.4.1 Lý do chọn đ tài 6
1.4.2 Mc tiêu 7
1.4.3 Đối tưng nghiên cu 8
1.5 Nhim v, phm vi nghiên cu vƠ ý nghĩa ca đ tài 9
1.5.1 Nhim v 9
1.5.2 Phm vi nghiên cu ca đ tài 10
1.5.3 ụ nghĩa khoa học vƠ ý nghĩa thực tin ca đ tài 10
1.6 Phưng pháp nghiên cu 10
1.7 Tng quan v các nghiên cu trong vƠ ngoƠi nước 11
1.7.1 NgoƠi nước 11
Trang vii

1.7.2 Trong nước 12
Chưng 2. C S LÝ THUYT 14
2.1 Lực cắt trong quá trình gia công 14
2.2 Mặt cắt ngang đưng chuyển dao 14
2.3 Tham số hóa mặt cắt ngang đưng chuyển dao 15
2.4 Điu kin ca h thống máy 16
2.5 Động lực học h thống máy 17
2.6 Các cách tối ưu hóa ch độ cắt 18
2.6.1 Tối ưu hóa lưng chy dao dựa trên lực cắt 18
2.6.2 Tối ưu hóa dựa trên tui bn dao 20

4.3.2 ng dng Matlab để gii bài toán 57
4.3.3 Kt qu tính toán tối ưu ch độ cắt 58
4.3.4 Hiu chnh chưng trình STEP-NC 58
4.4 Tính toán thi gian gia công c bn 59
4.4.1 Tính toán với ch độ cắt chưa tối ưu 59
4.4.2 Tính toán với ch độ cắt tối ưu 63
Chưng 5. TH NGHIM 68
5.1 Chọn máy 68
5.2 Chọn dao 69
5.3 Chọn mu 69
5.4 Số ln thí nghim 70
5.5 Cách tin hành thí nghim 70
5.5.1 Thí nghim với ch độ cắt chưa tối ưu 70
5.5.2 Thí nghim với ch độ cắt tối ưu 72
5.6 Đánh giá 74
Chưng 6. KT LUN VẨ Đ NGH 75
TÀI LIU THAM KHO 76
PH LC 1 77
PH LC 2 80
PH LC 3 87
Trang ix

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

Hình 5.4: Kích thước chi tit gia công 70
Hình 5.5: Tin thô mặt đu với ch độ cắt chưa tối ưu 70
Hình 5.6: Tin tinh mặt đu với ch độ cắt chưa tối ưu 70
Hình 5.7: Tin thô tr ngoài Φ80 với ch độ cắt chưa tối ưu 71
Hình 5.8: Tin tinh tr ngoài Φ80 với ch độ cắt chưa tối ưu 71
Hình 5.9: Tin thô côn với ch độ cắt chưa tối ưu 71
Hình 5.10: Tin tinh côn với ch độ cắt chưa tối ưu 71
Hình 5.11: Tin thô mặt đu với ch độ cắt tối ưu 72
Hình 5.12: Tin tinh mặt đu với ch độ cắt tối ưu 72
Hình 5.13: Tin thô tr ngoƠi Φ80
với ch độ cắt tối ưu 72
Trang xi

Hình 5.14: Tin tinh tr ngoƠi Φ80
với ch độ cắt tối ưu 73
Hình 5.15: Tin thô côn
với ch độ cắt tối ưu 73
Hình 5.16: Tin tinh côn với ch độ cắt tối ưu 73

trên 20 triệu doanh nghiệp đang hot động trên các châu lục, chiếm tới 28% số
lợng việc làm và đóng góp 25% giá trị tổng sn phẩm ca thế giới.
Sự đổi mới liên tục ca CAD/CAM đã giúp cho các nhà chế to tiết kiệm về
tài chính, thi gian, nguồn lực, vì CAD và CAM đều là những phơng pháp dựa
vào máy tính để mã hoá dữ liệu hình học, nên to kh năng cho các quy trình thiết
kế và chế to đợc tích hợp cao độ. Hệ CAD tất nhiên không hiểu đợc các khái
niệm ca thế giới thực, chẳng hn nh bn chất hay chc năng ca đối tợng đợc
thiết kế. Hệ CAD thi hành chc năng ca mình nh kh năng mư hoá các khái niệm
hình học. Do vậy, quá trình thiết kế dựa vào CAD liên quan đến việc chuyển ý
tng ca ngi thiết kế thành mô hình hình học. Các nhợc điểm khác ca CAD
đang đợc khắc phục nh R&D trong lĩnh vực hệ chuyên gia. Lĩnh vực này đợc
hình thành từ các nghiên cu về trí tuệ nhân to AI. Một ví dụ về hệ chuyên gia bao
hàm việc kết hợp thông tin về bn chất ca vật liệu, trọng lợng, ng lực, độ bền,
độ dẻo vào phần mềm CAD. σh tích hợp đợc các dữ liệu đó và những dữ liệu
khác vào phần mềm nên hệ CAD có thể biết đợc những gì mà ngi kỹ s biết khi
ngi đó to ra một bn vẽ thiết kế. Sau đó, CAD có thể bắt chớc cách nghĩ ca
ngi kỹ s và thực hiện công việc thiết kế. Do công nghệ CAD/CAM ngày càng
hoàn thiện nên đư to cơ s phát triển các công nghệ gia công.
Từ thập kỷ 90 đến nay: việc sử dụng công nghệ CAD/CAM đư cho phép chế
to sn phẩm cơ khí nhanh hơn, chế to các loi máy công cụ có tốc độ cao, chính
Trang 2

xác, thông minh và hiệu qu hơn. σăm 1995, sử dụng rộng rưi thiết bị điều khiển
máy công cụ dựa vào υC, phục vụ c các chc năng υLC và CσC. Cũng trong năm
1995, chơng trình Quốc tế IMS với sự tham gia ca 300 công ty, viện nghiên cu
ca: Canada, Mỹ, EU, σhật Bn, Hàn Quốc và Thụy Sĩ.
Gia công cơ khí trên máy CσC ngày càng phổ biến và đem li những lợi ích
rất lớn về mặt kỹ thuật lẫn kinh tế. Tuy nhiên hầu hết các máy móc, thiết bị này đều
hiện đi và đắt tiền, do đó nếu xy ra sự cố trong quá trình gia công thì chi phí sửa
chữa khắc phục sẽ rất lớn. Để gim thiểu tối đa những ri ro trong sn xuất cũng

giới hn về mặt chất lợng, kỹ thuật và tổ chc ca nhà máy.
Mỗi quá trình gia công đều có một bn ghi những hn chế ràng buộc xác
định kh năng gia công ca hệ thống thiết bị, bao gồm thành phần cấu to chính ca
thiết bị, trục chính, bàn dao và dụng cụ cắt. Sau đây là danh sách các hn chế
thng gặp
nhất trong hệ thống gia công:
- Độ bền vững cấu trúc thiết bị
- Momen quay trục chính, năng lợng và khong điều chỉnh tốc độ
- Kh năng chịu ti ca trục chính
- Công suất trục truyền động
- Hn chế momen uốn và momen xoắn ca bàn dao
- Độ cng vững và tính chống hao mòn ca dụng cụ
- nh hng độ lệch kích thớc đến độ võng
dụng cụ cắt
- Đặc tính truyền động ca dụng cụ cắt, bàn dao và trục chính.
σhững ràng buộc này bao gồm những dng khác nhau ca hệ thống thiết bị,
chúng có liên quan trực tiếp đến sự phát sinh lực cắt trong quá trình gia công nên
nh hng đến tuổi bền dao [9].
1.3 Giới thiu v STEP-NC
Trong vài thập kỷ gần đây, số lợng các hệ CσC tăng vọt trong mọi lĩnh vực sn
xuất. σhợc điểm chung ca chúng là: các thông số công nghệ nh vận tốc cắt và
Trang 4

lợng chy dao đợc áp đặt bi ngi lập trình và phụ thuộc vào kinh nghiệm, hiểu
biết ca ngi lập trình. Do đó trong quá trình lập trình gia công gây ra những sai
sót nhất định do tính ch quan lẫn kinh nghiệm ca con ngi.
Cho đến nay, khối lợng sn phẩm cơ khí phi qua gia công bằng cắt gọt vẫn
chiếm tỷ lệ cao nhất trong các phơng pháp gia công kim loi. Cắt gọt là phơng
pháp hàng đầu về kh năng đáp ng độ chính xác kích thớc, độ phc tp về hình
dng và chất lợng bề mặt chi tiết gia công. Đó là lý do khiến các công nghệ tiên

kế CAD) với gii pháp công nghệ (dữ liệu qui trình gia công CAM yêu cầu) theo
hớng đối tợng. Và kết qu là một chơng trình STEυ-σC giống với một hoch
định quá trình chi tiết hơn là một th tục quá trình gia công. Trong một chơng trình
nh vậy, dữ liệu sn xuất cho một chi tiết đợc tổ chc nh là một dự án về những
hình dng hình học sẽ đợc gia công, các bớc gia công (nguyên công cụ thể) cần
thiết cho mỗi đặc tính, các yêu cầu công nghệ và th tự công việc (mục đích là để
cung cấp thông tin cho máy CσC).
σgôn ngữ cấp cao và hớng đối tợng này làm cho chơng trình gia công dễ
dàng sử dụng mà không cần phi thay đổi nhiều trên nhiều máy CσC. Quan trọng
hơn nữa, nó đợc xây dựng nh là một phn hồi thông tin hai chiều giữa
CAD/CAM và hệ thống CσC.
Mục tiêu ca STEυ-σC là bao hàm hết toàn bộ phm vi ca sn xuất trực
tuyến. Một mô hình dữ liệu mới STEυ-σC đư đợc phát triển để thay thế cho mô
hình tiêu chuẩn mư G&M cũ cho quá trình tiện, phay, tia lửa điện (EDM). Một mô
hình dữ liệu mới đư đợc thiết lập, phát triển và bổ sung để những hệ thống
CAD/CAM/CσC tơng thích với mô hình dữ liệu kiểu mới đang đợc chú ý này.
STEP-NC là một mô 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 thông tin đó thì rất khó khăn cho ngi vận hành máy nắm đợc là nó đang
thực hiện nguyên công nào, điều kiện máy, dao đang gia công, muốn nắm đợc
những điều trên thì ngi vận hành phi đọc hết chơng trình gia công. Chính vì thế
nó là điều không thể để cho bộ điều khiển thực thi một cách thông minh hoặc dừng
Trang 6

chơng trình trong trng hợp khẩn cấp với những thông tin giới hn đó. σgợc li
STEP-σC bao gồm thông tin chc năng đợc yêu cầu. Ví dụ nh bớc làm việc,
đặc tính gia công, chu trình gia công, dụng cụ gia công, quỹ đo gia công, chc
năng máy và phôi. STEυ-NC còn cha đựng trong nó thông tin thiết lập như mô
hình hình học, quá trình lập kế hoạch.

Trên thế giới, tối u hóa chế độ cắt theo tuổi bền dao đư đợc nghiên cu
nhiều vì tuổi bền dao là nhân tố quan trọng nh hng đến năng suất và giá thành
sn phẩm. Tuy nhiên, tối u hóa chế độ cắt theo tuổi bền dao dựa trên STEυ-NC
cha đợc nghiên cu nhiều và  Việt σam là một lĩnh vực mới. Do vậy đề tài "Tối
u hóa chế độ cắt theo tuổi bền dao tiện dựa trên STEυ-NC " là cần thiết và có tính
ng dụng trực tiếp.
1.4.2 Mc tiêu
Tối u hóa chế độ cắt quá trình gia công là phơng pháp nghiên cu xác định chế
độ cắt tối u thông qua việc xây dựng mối quan hệ toán học giữa hàm mục tiêu kinh
tế với các thông số ca chế độ gia công ng với một hệ thống các giới hn về mặt
chất lợng, kỹ thuật và tổ chc ca nhà máy.
Mục tiêu ca đề tài là tối u hóa chế độ cắt theo tuổi bền dao trong quá trình
gia công cắt gọt bao gồm:
- Xây dựng hàm mục tiêu, hệ ràng buộc chính, điều kiện ràng buộc phụ để
tối u 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 toán tối u
- Đề ra phơng pháp gii bài toán tối u chế độ cắt theo tuổi bền dao.
1.4.3 Đối tưng nghiên cu
Có hai phơng pháp tối u hóa chế độ cắt quá trình gia công: tối u hóa tĩnh và tối
u hóa động. Tối u hóa tĩnh là quá trình nghiên cu và gii quyết bài toán tối u
dựa trên mô hình tĩnh ca quá trình cắt. Tối u hóa động là quá trình nghiên cu tối
Trang 8

u dựa trên mô hình động ca quá trình cắt, trong quá trình nghiên cu có chú ý tới
các đặc điểm mang tính ngẫu nhiên và thay đổi theo thi gian: độ cng vật liệu
không đồng nhất, lợng d gia công không đồng đều, lợng mòn ca dao thay đổi
theo thi gian, … σh vậy,  tối u hóa động chế độ cắt chẳng những đợc điều
chỉnh trớc mà còn đợc tự động điều chỉnh ngay trong quá trình cắt.
Do đó muốn thực hiện tối u hóa quá trình gia công cắt gọt phi xây dựng
mô hình nghiên cu dựa trên các điều kiện công nghệ cụ thể. Về mặt thực tiễn nếu

- nh hng ca kết cấu dao: vật liệu dao, các yếu tố hình học phần cắt
ca dao và kích thớc ca thân dao cũng nh hng đến tuổi bền dao.
- nh hng ca dung dịch trơn - nguội: trong quá trình gia công ngi ta
tới dung dịch trơn - nguội vào vùng cắt vừa làm tăng môi trng tn
nhiệt, vừa lợi dụng dòng tới đa nhiệt ra khỏi vùng cắt để làm tăng tuổi
bền ca dao.
1.5 Nhim v, phm vi nghiên cu vƠ ý nghĩa ca đ tài
1.5.1 Nhim v
Việc nghiên cu về tiện, phân tích các quá trình lý, hóa trong tiện đư và đang đợc
quan tâm, tiến hành ti nhiều trung tâm, viện nghiên cu cũng nh các trng đi
học trên thế giới. Tuy nhiên từ những công bố trên các tp chí khoa học cho thấy
các kết qu nghiên cu ch yếu tập trung vào việc phân tích hiện tợng mài mòn
dao khi cắt và xác định những yếu tố nh hng đến tuổi bền dao, mà cha đề cập
nhiều về vấn đề tối u hóa chế độ cắt theo tuổi bền dao dựa trên STEυ-NC, mặt
khác việc ng dụng công nghệ này  nớc ta còn mang nhiều tính kinh nghiệm.
ng dụng phần mềm STEP-σC để đa ra một lý thuyết về tối u hóa chế độ cắt
theo tuổi bền dao góp phần ci thiện và nâng cao hiệu qu sn xuất là cần thiết. Ta
li biết rằng dao thng có giá thành cao, vì vậy tuổi bền ca dao càng tr nên quan
trọng bi trong quá trình cắt nếu phi thay dao nhiều sẽ tăng sai số, thi gian, nh
hng tới năng suất, chất lợng và giá thành sn phẩm. Việc tìm ra một hàm số mô
t quan hệ giữa tuổi bền dao và chế độ cắt trên cơ s đó sẽ tối u hoá chế độ cắt
theo tuổi bền dao là nhiệm vụ chính ca đề tài.
Trang 10

1.5.2 Phm vi nghiên cu ca đ tài
Do hn chế về thi gian và điều kiện nên luận văn này chỉ nghiên cu tối u hóa
chế độ cắt quá trình gia công tiện theo tuổi bền dao dựa trên STEP-NC. Qua đó có
thể đa ra một bộ thông số chế độ cắt khi tiện để dụng cụ cắt đt tuổi bền cao nhất
trong khi vẫn đt chất lợng bề mặt gia công theo yêu cầu.
1.5.3 ụ nghĩa khoa học vƠ ý nghĩa thực tin ca đ tài

thành 4 nguyên nhân dẫn đến mài mòn dao:
- Mài mòn do quá trình ma sát cơ học gây nên.
- Mài mòn do sự xuất hiện và mất đi liên tục ca các khối lẹo dao.
- Mài mòn do hiện tợng khuếch tán ti các vùng tiếp xúc.
- Sự xuất hiện và phát triển các vết nt tế vi dẫn đến gưy vỡ dao.
σhững kết qu nghiên cu ca Colding, Le Yongson, υalmai, Gordeev [9]
đư cho thấy: khi cắt  tốc độ cao, nhất là đối với dao hợp kim cng thì khuếch tán là
nguyên nhân quan trọng làm tăng tốc độ mài mòn ca dao.
Trong công trình nghiên cu ca mình, Jean [9] đư trình bày cách thc tối
u hóa chiều dày phoi trong gia công phay.
Một số ý tng về tối u hóa dựa trên STEυ-NC trong quá trình gia công: tối
u hóa làm gim lợng chy dao, tối u hóa tuổi bền dao, tối u hóa dựa trên khối
lợng, tối u hóa hằng số phoi [9,10].
σghiên cu phân tích về lực cắt bắt đầu từ giữa thế kỷ 20. Merchant phát
triển một mô hình lực cắt để tính toán lực từ kích thớc ca phần cha cắt và góc
cắt ca phần to thành. σghiên cu sâu hơn về góc cắt đợc thực hiện bi Shaw,
Oxley, Rowe và Spick để ci thiện tính chính xác việc tính toán lực cắt. Martellotti,
Koenigsberger và Sabberwal và Klinephát triển công thc tính toán lực dựa vào
hình dng cắt trong gia công phay. Trong đó lực đợc nghiên cu nhiều nhất tập
trung  điều kiện cắt ban đầu, Merritt xây dựng khái niệm chu kỳ va đập để minh
Trang 12

họa truyền động trong quá trình cắt, Das và Tobias gii thích nh hng ca quá
trình truyền động đến lực cắt. Andrew, Tobias, Tlusty và Altintas đa ra nguyên lý
va đập trong quá trình phay để nghiên cu hệ thống truyền động và nh hng ca
nó đến lực cắt và độ cng vững trong gia công phay [9].
Các yếu tố nh hng tới quá trình gia công: đặc điểm ca hệ thống máy,
dụng cụ cắt, đặc tính vật liệu ca chi tiết gia công, các thông số trong quá trình gia
công nh: lực cắt, mặt cắt ngang đng chuyển dao, … là những yếu tố cần kể đến
khi tối u hóa quá trình gia công [11].


Chưng 2
C S LÝ THUYT

2.1 Lực cắt trong quá trình gia công
Đợc đề xuất bi nghiên cu ca Merchant [9] thì lực cắt có thể đợc tính bi diện
tích mặt cắt ngang ca phoi và một hệ số lực:
Trang 14 fKP
zz
.
[9]

(2.1)

fKP
yy
.
[9]
(2.2)
Trong đó
f


baf .
[9]

(2.3)

Hình 2.1: Diện tích mặt cắt ngang lát cắt trong quá trình gia công tiện [9]
Trang 15

2.3 Tham số hóa mặt cắt ngang đưng chuyển dao
Sự cần thiết ca thông tin chính xác mặt cắt ngang đng chuyển dao để tính toán
lực cắt và tối u hóa quá trình gia công đợc thiết lập  trên. Kích thớc và vị trí
ca mặt cắt ngang có thể thay đổi đáng kể trong quá trình gia công. σhững phơng
pháp mô t diện tích mặt cắt ngang bất kỳ có thể cực kỳ phc tp trong một vài
trng hợp. Xác định số lợng các thông số đợc sử dụng để tìm những mặt cắt
ngang yêu cầu một sự cân bằng giữa kích cỡ mô hình dữ liệu STEυ-NC và độ chính
xác trong việc thể hiện mặt cắt ngang tùy ý. Số lợng các thông số mô t mặt cắt
ngang nên giữ  mc tối thiểu để tránh quá ti mô hình dữ liệu STEυ-σC. σhững
giá trị mặt cắt ngang đng chuyển dao dới đây đợc xác định trong bn đính
chính mới nhất ca tiêu chuẩn ISτ 10303 Aυ 238.
Kích thớc 0 mô t chiều dài dọc trục tối đa ca mặt cắt ngang liên kết dụng
cụ đợc thể hiện bằng ADmax (hình 2.2). Chiều dài dọc trục tối đa trong tiện sẽ
đợc đo song song với trục chính:
- Kích thớc 1 mô t chiều dài hớng kính tối đa ca mặt cắt ngang liên
kết dụng cụ đợc thể hiện bằng RDmax. Chiều dài hớng kính tối đa sẽ
đợc đo vuông góc với c hai trục dụng cụ và phơng chuyển dao
- Kích thớc 2 mô t các vị trí dọc theo trục X ti vị trí đo chiều dài hớng
kính tối đa, đợc thể hiện bằng Xmaxofs
- Kích thớc 3 mô t các vị trí dọc theo trục Y ti vị trí đo chiều dài dọc
trục tối đa, đợc thể hiện bằng Ymaxofs

trình gia công quá mc nó giống nh ràng buộc hệ thống. nh ví dụ: hệ số ti ca
trục chính,
LP
R
, đợc xác định

bound
act
LP
Q
Q
R 
[9]

(2.4)