Nghiên cứu tối ưu hóa một số thông số công nghệ khi phay cao tốc

1. Lý do chọn đề tài MỞ ĐẦU Ngày nay, phay cao tốc (High Speed Milling – HSM) là một trong những côngnghệ quan trọng hàng đầu trong nền công nghệ gia công hiện đại. Do tính phức tạp củaHSM, cho tới nay vẫn còn rất nhiều câu hỏi mở liên quan tới lĩnh vực này. Các đặc điểmkỹ thuật, đặc tính bề mặt, chất lƣợng sản phẩm và hiệu quả kinh tế có thể đạt đƣợc thôngqua quá trình gia công cao tốc. Hiện nay công nghệ gia công cao tốc trên thế giới đangphát triển rất mạnh mẽ. Tuy nhiên, đối với Việt Nam gia công cao tốc còn mới đối với cácDoanh nghiệp, cơ sở sản xuất cho nên gặp nhiều khó khăn trong khai thác và đầu tƣ; Máy,trang thiết bị gia công cao tốc khá đắt tiền mức khấu hao lớn mà mức độ tiếp nhận côngnghệ chƣa đầy đủ, khai thác thiết bị không hiệu quả và triệt để; Đây là cơ sở và động lựcđể tác giả nghiên cứu lĩnh vực gia công cao tốc, với mục tiêu nâng cao chất lƣợng bề mặtchi tiết gia công và tăng tuổi thọ dụng cụ cắt khi phay cao tốc, với cách tiếp cận và phƣơngpháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. Trong gia công cao tốc, năng suất và chất lƣợng gia công phụ thuộc vào rất nhiềuyếu tố, ảnh hƣởng của các yếu tố vật liệu dụng cụ cắt và thông số hình học của dụng cụ đãđƣợc hãng chế tạo dụng cụ cắt nghiên cứu và chứng minh 38,57. Đối với một hệ thốngcông nghệ nhất định thì năng suất hay chất lƣợng bề mặt phụ thuộc chủ yếu vào thông sốchế độ cắt đƣợc cài đặt. Vì vậy, điều khiển thông số chế độ cắt là phƣơng pháp cơ bản vàhiệu quả để kiểm soát chất lƣợng gia công và nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị. Đặc biệthơn nữa bề mặt chi tiết sau khi gia công cao tốc có thể đạt độ bóng bề mặt tƣơng đƣơngvới phƣơng pháp gia công mài, thời gian đánh bóng bề mặt sau khi gia công cao tốc nhỏhơn rất nhiều so với phƣơng pháp gia công truyền thống, năng suất bóc tách cao hơnphƣơng pháp gia công truyền thống 46. Tuy vậy, kéo theo đó dụng cụ cắt mòn nhanh hơntrong quá trình gia công vì tốc độ cắt lớn. Do đó, việc phân tích và xây dựng mô hình toánhọc ảnh hƣởng của chế độ cắt đến chất lƣợng bề mặt, tăng tuổi bền dụng cụ cắt (giảmlƣợng mòn) trong quá trình phay cao tốc và xác định chế độ cắt tối ƣu trong quá trình giacông là cần thiết và luôn mở đối với công nghệ gia công cao tốc. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ thông tin và hiệu quả đem lại từ ứngdụng của khoa học máy tính trong sản xuất và với những tiến bộ nhƣ: 1) Tích hợp các quátrình: Các máy công cụ có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ và nhiều trục trên cùng một máy;2) Dòng dữ liệu hai chiều: STEPNC, một chuẩn dữ liệu mới, đƣợc sử dụng cho các máycông cụ để trao đổi dữ liệu giữa các hệ thống CADCAM (Computer AidedDesignComputer Aided Manufacturing) và máy công cụ; 3) Điều khiển thích nghi: Cácthông tin phản hồi đƣợc đo trực tiếp trong quá trình gia công để giám sát và điều chỉnhhoàn thiện sự thực thi của máy công cụ ngay trong quá trình gia công 53. Ứng dụng trítuệ nhân tạo (thuật toán tiến hóa) trong tính toán tối ƣu hóa đặc biệt trong lĩnh vực cơ khílà xu hƣớng tất yếu và cần thiết. Đây cũng là một phần rất quan trọng trong việc xây dựngcác hệ thống máy thông minh tự thích nghi trong quá trình gia công, giúp tăng năng suất vàchất lƣợng sản phẩm (Máy công cụ tự thích nghi có các chƣơng trình máy tính với các đặctính nhƣ: tự trị, năng lực hợp tác, khả năng phản ứng và tính chủ động 4). Từ những phân tích nêu trên tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu tối ưu hóa một sốthông số công nghệ khi phay cao tốc” để nghiên cứu nhằm mục đích xác định chế độ cắttối ƣu và tự tối ƣu hóa (SeflOptimizing) chế độ cắt trong quá trình phay cao tốc góp phầnvào tiếp cận, khai thác máy và thiết bị phay cao tốc, tăng hiệu quả trong sản xuất và là cơsở ban đầu cho các nghiên cứu tiếp theo. Theo đó, việc giải bài toán tối ƣu hóa trong giacông cắt gọt nhằm tìm ra một phƣơng pháp tiếp cận mới, hƣớng giải quyết mới trong quá trình đang gia công là cần thiết và có tính tất yếu trong tƣơng lai để giải quyết bài toáncông nghệ gia công cắt gọt ngày càng khắt khe và yêu cầu độ chính xác cao. 2. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu2.1 Mục đích Nghiên cứu cơ sở lý thuyết động lực học quá trình phay cao tốc và thuật toán tốiƣu hóa bầy đàn (PSO). Xây dựng đƣợc mối quan hệ thông số chế độ cắt với lực cắt, độ nhám bề mặt,rung động và mòn dụng cụ cắt dƣới dạng hàm toán học. Xây dựng mối quan hệlƣợng mòn dụng cụ cắt phụ thuộc vào chế độ cắt và thời gian gia công khi phaybiên dạng trên máy phay cao tốc bằng dao phay ngón liền khối. Xây dựng hàm mục tiêu tối ƣu hóa, thiết lập điều kiện biên, miền giới hạn đối vớihệ thống công nghệ để giải bài toán tối ƣu hóa chế độ cắt khi phay cao tốc. Xây dựng phần mềm tính toán chế độ cắt tối ƣu và tự tối ƣu hóa (Self Optimizing) chế độ cắt trong quá trình gia công khi xét đến mòn dụng cụ cắt vàđộ nhám bề mặt dựa trên thuật toán tối ƣu hóa bầy đàn (Particle SwarmOptimization (PSO)). 2.2 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu gia công phay biên dạng trên máy phay cao tốc HS Super MC500 3 trục điều khiển đồng thời của trung tâm FOXCON, tốc độ quay trục chính:100÷30000(vphút), tốc độ dịch chuyển của bàn máy cắt gọt: 1÷30000(mmphút),tốc độ chạy không lớn nhất: 48000(mmphút). Vật liệu nghiên cứu trong gia công là thép C45, dụng cụ cắt là dao phay ngón liềnkhối của Sandvik gia công đƣợc thép có độ cứng 19 48 HRC. Đƣờng kính dao D =đƣờng kính chuôi = 20 mm. Số lƣỡi cắt : 4. Lớp phủ Cooltop (TiAlN Titan NhômNito). Góc nghiêng Helix : 35 độ. Nghiên cứu, ứng dụng phƣơng pháp phân tích phƣơng sai (ANOVA) trên phầnmềm Matlab và Excel xây dựng hàm quan hệ toán học thông số chế độ cắt với lựccắt, mòn dao, rung động và độ nhám bề mặt khi phay cao tốc biên dạng. Tối ƣu hóa chế độ cắt để đạt đƣợc chất lƣợng độ nhám bề mặt nhỏ nhất và tự tối ƣuhóa (SeflOptimizing) chế độ cắt trong quá trình gia công đảm bảo hàm thích nghiđa mục tiêu nhỏ nhất của độ nhám bề mặt chi tiết gia công và lƣợng mòn dao.