-1- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ kỹ thuật này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu và được sự hướng dẫn, kiểm tra của PGS. TS Vũ Ngọc Pi. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo đã được trích dẫn. Tác giả Phạm Hồng Thái -2- LỜI CẢM ƠN Bằng tất cả sự kính trọng, em xin chân thành cảm ơn tới PGS. TS Vũ Ngọc Pi - người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Đồng thời, em xin chân thành cảm ơn tới Phòng Quản lý đào tạo, Phòng Sau đại học cùng các thầy, cô đã hướng dẫn, giảng dậy em trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường. Xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu hoàn thành luận văn. Xin kính chúc các Thầy, cô luôn mạnh khỏe, hạnh phúc. Em xin chân thành cảm ơn! Tác giả Phạm Hồng Thái -3- MỤC LỤC Nội dung Trang Chƣơng 1: Nghiên cứu tổng quan về công nghệ làm sạch bằng phun bi 4 1.1 Tìm hiểu về công nghệ phun bi 4 1.2. Tìm hiểu các kết quả nghiên cứu đã công bố về tuổi thọ và tuổi thọ tối ưu của vòi phun cát, phun bi 8 Chƣơng 2: Xây dựng các bài toán tối ƣu 12 2.1 Xây dựng các hàm đơn mục tiêu 12 2.1.1 Hàm mục tiêu giá thành làm sạch bằng phun bi là nhỏ nhất 12 2.1.2. Hàm mục tiêu lợi nhuận làm sạch bằng phun bi là lớn nhất 13 2.2. Các bài toán tối ưu 14 2.2.1. Các bài toán tối ưu đơn mục tiêu. 14 a. Bài toán tối ưu đơn mục tiêu nhằm đạt giá thành phun bi là nhỏ nhất 16 b. Bài toán tối ưu đơn mục tiêu nhằm đạt lợi nhuận phun bi là lớn nhất 17 Chƣơng 3: Giải bài toán tối ƣu 19 3.1.Các phương pháp giải bài toán tối ưu và lựa chọn phương pháp giải 19 3.1.1. Các phương pháp giải bài toán tối ưu đơn mục tiêu 19 3.1.2. Phương pháp hàm phạt 19 3.1.3. Phương pháp gradien 3.1.4. Phương pháp các nhân tử Lagrange 20 3.1.5. Phương pháp tìm kiếm trực tiếp 20 3.1.6. Phương pháp Rosenbrock H.H 21 3.1.7. Phương pháp biến đổi đơn hình( Hay Phương pháp Simplex) 21 -4- 3.1.8. Phương pháp lát cắt vàng 21 3.2. Các phương pháp giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu 22 3.2.1. Phương pháp ràng buộc (constraint method) 22 3.2.2. Phương pháp người – máy của Geoffrion, Dyer, Frienberg 24 3.2.3. Phương pháp nhượng bộ dần 26 3.2.4. Phương pháp tổng trọng số 27 3.3. Lựa chọn phương pháp giải 28 3.4. Lập trình giải các bài toán tối ưu 29 3.5. Phân tích kết quả và xây dựng công thức tính tuổi bền tối ưu 30 3.5.1. Phân tích các kết quả 30 3.5.2. Xây dựng công thức tính tuổi bền tối ưu. 35 3.5.3. Kết luận 36 Chƣơng 4: Kết luận và đề xuất 37 4.1. Kết luận 37 4.2. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp 38 Tài liệu tham khảo 39 Phụ lục 1: Chương trình tạo số liệu để xây dựng công thức tính đường kính tối ưu của vòi phun bi 40 Phụ lục 2: Bài báo đã xuất bản 47 -5- CHƢƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LÀM SẠCH BẰNG PHUN CÁT, PHUN BI 1.1. Tìm hiểu về công nghệ phun bi Trong công nghiệp chế tạo có rất nhiều sản phẩm cần làm sạch bề mặt như các sản phẩm rèn dập nóng, các sản phẩm qua xử lý nhiệt luyện hoặc các sản phẩm đúc. Những sản phẩm này bề mặt thường bị bao phủ một lớp vảy các bon và xỉ than bám bẩn trên bề mặt hay sản phẩm đúc có nhiều ba via hoặc dính cát nên việc làm sạch là rất cần thiết. Ngoài ra, các sản phẩm có thép kết cấu trước khi sơn chống rỉ lên bề mặt cũng bắt buộc phải làm sạch để lớp sơn sẽ bám chắc và có thể chống ôxi hóa từ bên trong lớp sơn. Để làm sạch bề mặt chi tiết có rất nhiều phương pháp khác nhau, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm riêng. Các phương pháp làm sạch phổ biến hiện nay gồm làm sạch bề mặt bằng tia nước áp suất cao, làm sạch bằng phương pháp phun bi, phun cát Trong các phương pháp nêu trên, làm sạch bằng phun bi là phương pháp làm sạch được được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau, đặc biệt là để làm sạch bề mặt kim loại, làm sạch bề mặt vật đúc hoặc các chi tiết máy vv Chính vì vậy, việc nghiên cứu về chế độ phun bi tối ưu cũng như tuổi thọ tối ưu của vòi phun là rất quan trọng. Hiện nay trong ngành chế tạo, việc làm bề mặt bằng công nghệ phun bi đã trở lên phổ biến, các hãng sản xuất lớn cũng đã tập trung nghiên cứu và phát triển công nghệ. Các nước Đài Loan, Thái Lan, Trung quốc đều sản xuất loại thiết bị này có nhiều kiểu dáng cho ta có thể lựa chọn. Trong công nghệ làm sạch băng phun bi ta sử dụng các hạt bi thép cỡ nhỏ từ 0.8-1.2mm được bắn ra với vận tốc rất lớn lên bề mặt phần chi tiết cần được làm sạch. Với lực tác động liên tục và lực va đập mạnh làm cho bề mặt chi tiết được làm sạch. Các hệ thống làm sạch bằng phun bi gồm 03 thành phần cơ bản đó là: Bộ phận chứa hạt mài (bi), bộ phận tạo áp lực và vòi phun. -6- Tùy từng sản phẩm mà ta có thể chọn loại máy phun bi cho thích hợp, có nhiều kiểu máy đáp ứng cho nhiều loại hình gia công, trên thị trường hiện nay đã có nhiều hãng nghiên cứu và chế tạo, có những kiểu máy phun bi điển hình như sau: Hình 1.1: Máy phun bi kiểu treo Hình 1.2: Máy phun bi kiểu băng tải -7- Hình 1.3: Máy phun bi kiểu thùng quay Trong thực tế, ngoài các thông số như hạt mài, máy, vòi phun còn có nhiều yếu tố khác ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất, khả năng làm việc của máy và giá thành cũng như lợi nhuận. Các thông số này là các thông số cơ bản của quá trình gia công như: loại hạt mài, mật độ hạt mài khi phun, cỡ hạt mài, vận tốc của dòng hạt mài, khoảng cách của vòi phun. Năng suất làm sạch bề mặt và độ mòn của vòi phun chịu ảnh hưởng của nhiều thông số như: kích thước vòi phun, vật liệu chế tạo vòi phun, khoảng cách từ vòi phun đến bề mặt cần làm sạch, thành phần cấu tạo, kích thước và hình dáng của hạt mài. Thành phần áp suất và tốc độ của dòng khí khi phun. Tại một áp suất nhất định năng suất bóc tách vật liệu tăng theo tốc độ dòng hạt mài, nhưng khi đạt đến giá trị tối ưu thì năng suất lại giảm nếu ta tiếp tục tăng tốc độ dòng hạt. Vòi phun dùng trong phun cát-phun bi thường làm bằng những vật liệu cứng như: Ôxit nhôm, Các bít vôn fram, Các-bít bo, trong công nghệ làm sạch bằng phun cát-phun bi thì các thông số của vòi phun ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và năng suất của bề mặt gia công, cũng như giá thành của sản phẩm. Có nhiều kiểu vòi phun khác nhau về kích thước và vật liệu chế tạo, mỗi loại lại -8- được sử dụng phù hợp cho từng trường hợp cụ thể. Hình 1.4 là một loại vòi phun, hình 1.5 và 1.6 là một kiểu súng phun đã lắp vòi phun và ống dẫn. Hình 1.4: Đầu vòi phun Hình 1.5: Súng phun -9- Hình 1.6: Súng phun 1.2. Tìm hiểu các kết quả nghiên cứu đã công bố về tuổi thọ và tuổi thọ tối ƣu của vòi phun cát, phun bi. Trong phạm vi của đề tài tôi chọn vòi phun và các thông số ảnh hưởng làm đối tượng nghiên cứu, cho đến nay, đã có một số nghiên cứu về chế độ phun bi và về tối ưu hóa trong làm sạch bằng các phương pháp khác nhau. Cụ thể như sau: Theo như những kết quả dựa trên I.A. Gorlach [1] đã tiến hành nghiên cứu về ảnh hưởng của hình dạng của vòi phun và các loại vòi phun của quá trình làm sạch bằng việc mô phỏng động lực học quá trình phun bằng máy. Kết quả của quá trình mô phỏng sẽ xác định chế độ cắt tối ưu khi phun để đạt được hiệu quả phun cao nhất. Ảnh hưởng của độ mòn đầu vòi phun và lượng tiêu thụ khí nén [2] Cỡ vòi Cỡ độ mở Dòng khí nén trong cfm Mức tăng trong tiêu thụ khí nén inches mm 4 1/4 6.5 81 cfm 5 5/16 8.0 137 cfm Tăng 69% so với số 4 6 3/8 9.5 196 cfm Tăng 43% so với số 5 7 7/16 11.0 254 cfm Tăng 29% so với số 6 8 1/2 12.5 338 cfm Tăng 33% so với số 7 -10- * Nghiên cứu của các hãng: - Cho đến nay, các nghiên cứu về chế độ phun cát và đặc biệt là về tối ưu hóa trong làm sạch bằng phun cát còn rất hạn chế. Việc xác định chế độ phun cát chủ yếu dựa vào các bảng tra của các hãng cung cấp hệ thống làm sạch (ví dụ hãng Clemco, hãng Kennametal vv…). Thông thường các thông số làm việc khi phun như áp suất khí, lưu lượng khí, lưu lượng hạt mài vv được tra bảng theo đường kính vòi phun [1]. Tuổi thọ của vòi phun được xác định theo kinh nghiệm như hãng Kenneametal cũng đưa ra tuổi thọ của các loại vòi phun khi phun các loại vật liệu hạt mài khác nhau dựa trên các thống kê trên thực tế sử dụng (Bảng 1.1). Tuổi thọ của vòi phun Vật liệu vòi phun Phun bi thép/đá vụn Phun cát Phun ôxit nhôm Ôxit nhôm 20 -40 10 - 30 1 – 4 Các bít vôn-fram 500 – 800 300 - 400 20 – 40 Compsite Cacbit silic 500 – 800 300 - 400 50 - 100 Các-bít bo 1500 - 2500 750 - 1500 200 - 1000 Bảng 1.1 So sánh tuổi thọ sử dụng của vòi phun [2] * Nghiên cứu của M.J. Woodward and R.S. Judson [3]: Các tác giả đã tiến hành một nghiên cứu nhằm khảo sát ảnh hưởng các thông số quá trình như áp suất nước, lưu lượng hạt mài, lưu lượng nước vv… đến giá thành của quá trình làm sạch. * Nghiên cứu của Andreas W. Momber [4]: Tác giả đã trình bầy cấu trúc của giá thành làm sạch khi phun cát ướt (Hình 1). Từ cấu trúc này, có thể thấy rằng chi phí lương (46,6%), chi phí thiết bị phun (18,6%) và chi phí vật liệu phun (15%) là các chi phí chủ yếu khi làm sạch. [...]... Các công thức này cho phép tính toán các đường kính tối ưu (hay tuổi thọ tối ưu) của vòi phun một cách đơn giản và tiện lợi -35- CHƢƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 4.1 Kết luận Đề tài này nhằm xác định tuổi thọ tối ưu của vòi phun trong công nghệ làm sạch bằng phun bi Từ các kết quả của đề tài, có thể đưa ra một số kết luận sau: - Cho đến nay đã có một số nghiên cứu về tuổi thọ và tuổi thọ tối ưu của vòi phun. .. * Nghiên cứu của Vũ Ngọc Pi [6]: Tác giả tiến hành một nghiên cứu về tối ưu hóa tuổi thọ của vòi phun nhằm đạt lợi nhuận khi phun cát là nhỏ nhất Từ nghiên cứu này, các công thức tính toán giá trị tối ưu của đường kính ban đầu của vòi phun với một hệ thống phun xác định (hay biết giá trị lớn nhất của đường kính vòi phun) và công thức tính đường kính vòi phun lớn nhất tối ưu khi biết đường kính vòi phun. .. các công thức xác định tính toán đường kính tối ưu (hay dùng để tính toán tuổi thọ tối ưu) của vòi phun các-bít bo cho quá trình làm sạch bằng phun cát đã được đề xuất * Nghiên cứu của Vũ Ngọc Pi và Phan Chí Chính [7]: Các tác giả tiến hành một nghiên cứu về tối ưu hóa tuổi thọ của vòi phun nhằm đạt giá thành phun bi là nhỏ nhất Bằng việc giải bài toán tối ưu đơn mục tiêu, các tác giả đã đưa ra các công. .. gọi là đường kính ban đầu tối ưu df,0op Giá trị tuổi bền của vòi phun xác định bởi đường kính ban đầu tối ưu gọi là tuổi bền tối ưu Kết quả cho thấy rằng tuổi thọ tối ưu của vòi tìm được từ chương trình nhỏ hơn khá nhiều so với tuổi thọ truyền thống của vòi phun Trong các ví dụ trên hình 3.1 và 3.2, tuổi thọ tối ưu của vòi phun các bít vonfram chỉ là 43,33 giờ với hàm lợi nhuận phun bi là lớn nhất và...* Nghiên cứu của Vũ Ngọc Pi và A Hoogstrate [5]: Các tác giả tiến hành một nghiên cứu về tối ưu hóa tuổi thọ của vòi phun nhằm đạt giá thành phun cát là nhỏ nhất Bằng việc xác định được ảnh hưởng của đường kính vòi phun ban đầu tới giá thành làm sạch các tác giả đã chỉ rõ có thể xác định được tuổi bền tối ưu của vòi phun Hơn thế nữa, các tác giả đã đưa ra các công thức tính toán giá trị tối ưu của... đưa ra các công thức tính toán giá trị tối ưu của đường kính ban đầu của vòi phun khi biết giá trị lớn nhất của đường kính vòi phun và công thức tính đường kính vòi phun lớn nhất tối ưu khi biết đường kính vòi phun ban đầu cho vòi phun bằng các-bít vonfram Kết luận: Thông qua các kết quả nghiên cứu về công nghệ phun cát -phun bi, cũng như kết quả của các hãng chế tạo đã có những nghiên cứu về lợi nhuận,... hàm đơn và đa mục tiêu cho thấy tuổi thọ tối ưu của vòi phun phụ đáng kể vào chi phí cố định và giá thành của vòi phun (các hình 3.4, 3.5 và 3.6 a,b) Thêm vào đó, ảnh hưởng của hai thông số này đến tuổi thọ tối ưu trái ngược nhau Khi chi phí cố định tăng thì giá trị của tuổi thọ tối ưu giảm (các 3.4, 3.5 và 3.6 a) và ngược lại khi giá thành của vòi phun tăng thì tuổi thọ tối ưu lại tăng (các 3.4, 3.5... mòn của vòi phun a) b) -33- c) d) Hình 3.8 Quan hệ giữa các thông số quá trình đến đường kính ban đầu tối ưu của vòi phun (hàm đa mục tiêu) 3.5.2 Xây dựng công thức tính tuổi bền tối ưu Để thuận tiện cho quá trình tính toán đường kính khi thay tối ưu của vòi phun, từ kết quả của chương trình tối ưu, công thức dùng để tính toán đường kính vòi phun ban đầu tối ưu khi biết đường kính lớn nhất của vòi (hay... kính ban đầu của vòi phun (hay tuổi thọ tối ưu của vòi) với một hệ thống phun xác định (hay biết giá trị lớn nhất của đường kính vòi phun) và công thức tính đường kính vòi phun lớn nhất tối ưu khi biết đường kính vòi phun ban đầu Các kết quả của nghiên cứu được tiến hành cho hàm đơn mục tiêu nhằm đạt giá thành phun cát là nhỏ nhất High-pressure unit (18.6%) High-pressure gun (3.3%) Labor (46.6%) Water... vòi, áp suất khí, giá thành vòi phun, chi phí cố định vv… đến đường kính tối ưu (hay tuổi thọ tối ưu) của vòi đã được thiết lập Chương trình để xây dựng dữ liệu cho việc xác định đường kính tối ưu (hay tuổi thọ tối ưu) của vòi cũng được xây dựng (xem Phụ lục) Nhờ chương trình này, 1080 số liệu kể đến ảnh hưởng của các thông số nêu trên đến đường kính tối ưu của vòi phun đã được thiết lập Những số liệu