Giáo trình Máy tự động trong gia công kim loại - Chương VIII: Đại cương và lý thuyết năng suất

Giáo trình máy cắt kim loại phần 2 cung cấp kiến thức chuyên sâu về công nghệ cắt, nguyên lý hoạt động máy móc và ứng dụng thực tiễn. Tài liệu học tập chính

• Đề tài: Đại cương về máy tự động trong gia công kim loại - Hiệu quả và năng suất
• Chuyên ngành: Cơ khí chế tạo máy
• Loại tài liệu: Tiểu luận
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình máy cắt kim loại phần 2

Giáo trình máy cắt kim loại phần 2 thuộc chương trình đào tạo ngành Cơ khí tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật, kế thừa kiến thức nền tảng từ phần 1 về nguyên lý hoạt động và cấu tạo máy công cụ. Nội dung tập trung vào phân tích đặc điểm kỹ thuật, chế độ cắt gọt, và hiệu suất làm việc của máy tự động. Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết để tối ưu hóa quá trình gia công kim loại, bao gồm phân loại máy, nguyên lý điều khiển, và ứng dụng trong sản xuất công nghiệp. Các chương trình NC, CNC và hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) được đề cập nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

1.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Giáo trình hướng đến sinh viên chuyên ngành Cơ khí chế tạo máy và kỹ sư sản xuất. Nội dung bao gồm phân tích chế độ cắt gọt trên máy tự động, xác định thông số kỹ thuật tối ưu như tốc độ cắt, lượng chạy dao, và chiều sâu cắt. Tài liệu cũng đề cập đến vật liệu gia công phổ biến như thép tự động, hợp kim nhôm và đồng, với tỷ lệ phân bổ cụ thể trong sản xuất công nghiệp. Các ví dụ minh họa giúp người học nắm vững nguyên lý vận hành và ứng dụng thực tế.

1.2. Vai trò trong đào tạo kỹ sư

Chương trình đào tạo kỹ sư Cơ khí tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật yêu cầu sinh viên nắm vững kiến thức về máy cắt kim loại tự động để đáp ứng nhu cầu thị trường lao động. Giáo trình trang bị kỹ năng phân tích hiệu suất máy, tối ưu hóa quy trình sản xuất, và ứng dụng công nghệ tiên tiến như hệ thống điều khiển số (CNC). Nội dung lý thuyết kết hợp với bài tập thực hành giúp sinh viên chuẩn bị sẵn sàng cho môi trường làm việc công nghiệp.

II. Phân tích hiệu suất và chế độ cắt trên máy tự động

Hiệu suất của máy cắt kim loại tự động phụ thuộc vào ba yếu tố chính: thời gian gia công, tốc độ cắt, và lượng chạy dao. Thời gian gia công (T) bao gồm thời gian chạy không tải (tck) và thời gian làm việc (tlv), trong đó tck chiếm tỷ lệ lớn ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất. Tốc độ cắt (V) và lượng chạy dao (S) cần được điều chỉnh linh hoạt để cân bằng giữa chất lượng bề mặt và năng suất. Hệ số năng suất η phản ánh mức độ sử dụng hiệu quả thời gian làm việc, với giá trị lý tưởng η = 1 khi tck = 0.

2.1. Thời gian gia công và hệ số năng suất

Thời gian gia công tổng cộng T = tlv + tck, trong đó tlv là thời gian thực hiện cắt gọt và tck bao gồm thời gian di chuyển dụng cụ, đóng mở cơ cấu máy. Hệ số năng suất η = tlv / T, xác định mức độ hiệu quả sử dụng máy. Khi η càng gần 1, năng suất càng cao do giảm thiểu thời gian chết. Ví dụ, với tlv = 0.8 phút và tck = 0.2 phút, η = 0.8, cho thấy máy hoạt động hiệu quả 80% thời gian.

2.2. Ảnh hưởng của chế độ cắt đến tuổi thọ dao

Chế độ cắt (V, S, T) ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ dao cắt. Tốc độ cắt cao tăng năng suất nhưng làm giảm tuổi thọ dao, trong khi lượng chạy dao lớn cải thiện chất lượng bề mặt nhưng tăng lực cắt. Cần xác định phạm vi tối ưu dựa trên vật liệu gia công: thép tự động cho phép V = 100-150 m/phút, S = 0.1-0.3 mm/vòng. Việc lựa chọn chế độ cắt sai lệch sẽ dẫn đến hao mòn dao nhanh hoặc sản phẩm kém chất lượng.

III. Phương pháp tối ưu hóa quy trình sản xuất

Tối ưu hóa quy trình sản xuất trên máy tự động yêu cầu phân tích toàn diện các yếu tố kỹ thuật và kinh tế. Bước đầu tiên là lựa chọn vật liệu phôi phù hợp với yêu cầu sản phẩm, bao gồm thép kết cấu (20-50%) và hợp kim nhôm (3-5%). Tiếp theo, xác định chế độ cắt tối ưu dựa trên đường cong tuổi thọ dao và hiệu suất máy. Áp dụng phương pháp thống kê để giảm thiểu sai lệch sản phẩm, kết hợp với hệ thống giám sát tự động nhằm phát hiện sớm hỏng hóc.

3.1. Lựa chọn vật liệu và phôi tự động

Vật liệu gia công ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và chi phí sản xuất. Thép tự động (10-30%) và thép kết cấu (20-50%) chiếm tỷ lệ lớn trong sản xuất do tính dễ gia công. Phôi tự động cần đảm bảo kích thước chính xác, độ cứng vững, và khả năng chống biến dạng. Quy trình sản xuất phải tính toán lượng dư gia công hợp lý để tránh lãng phí vật liệu, đồng thời đảm bảo độ chính xác kích thước sản phẩm cuối cùng.

3.2. Kỹ thuật giám sát và kiểm soát chất lượng

Hệ thống giám sát tự động sử dụng cảm biến đo lường lực cắt, nhiệt độ, và rung động để phát hiện sớm hỏng hóc máy. Dữ liệu thu thập được phân tích bằng phần mềm chuyên dụng nhằm điều chỉnh chế độ cắt kịp thời. Kiểm soát chất lượng bao gồm đo lường kích thước sản phẩm sau gia công bằng dụng cụ đo quang học hoặc cảm biến laser. Áp dụng phương pháp thống kê (SPC) giúp duy trì độ ổn định quá trình sản xuất, giảm tỷ lệ phế phẩm xuống dưới 1%.

IV. Ứng dụng thực tiễn và xu hướng phát triển

Máy cắt kim loại tự động được ứng dụng rộng rãi trong ngành sản xuất ô tô, điện tử, và cơ khí chính xác nhờ năng suất cao và độ chính xác vượt trội. Xu hướng phát triển hiện nay tập trung vào tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) để tối ưu hóa chế độ cắt theo thời gian thực. Hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) kết hợp robot công nghiệp cho phép tự động hóa toàn bộ quy trình, từ cấp phôi đến kiểm tra sản phẩm. Các trường đại học kỹ thuật cần cập nhật giáo trình để đào tạo nguồn nhân lực đáp ứng yêu cầu công nghiệp 4.0.

4.1. Ứng dụng trong sản xuất công nghiệp

Ngành sản xuất ô tô sử dụng máy CNC 5 trục để gia công chi tiết khung gầm và động cơ với độ chính xác micromet. Hệ thống FMS tích hợp robot tải phôi và dụng cụ tự động thay dao, cho phép sản xuất 24/7 với năng suất gấp 3 lần phương pháp truyền thống. Trong ngành điện tử, máy cắt laser được ứng dụng để gia công bo mạch in với độ phân giải cao, đáp ứng nhu cầu miniatur hóa thiết bị.

4.2. Tương lai của giáo dục và công nghệ

Giáo trình cần bổ sung kiến thức về máy cắt thế hệ mới sử dụng trí tuệ nhân tạo để tự động điều chỉnh chế độ cắt dựa trên dữ liệu sản xuất. Các trường đại học nên hợp tác với doanh nghiệp để triển khai phòng thí nghiệm sản xuất thông minh, nơi sinh viên thực hành trên hệ thống FMS tích hợp IoT. Xu hướng đào tạo kỹ sư toàn diện, kết hợp kỹ thuật cơ khí, công nghệ thông tin, và quản lý sản xuất, sẽ trở thành tiêu chuẩn trong kỷ nguyên công nghiệp 4.0.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ÑAÏI CÖÔNG VEÀ MAÙY TÖÏ ÑOÄNG 157 CHÖÔNG VIII ÑAÏI CÖÔNG VEÀ MAÙY TÖÏ ÑOÄNG I. Vai troø: — Coâng cuï saûn xuaát luoân ñöôïc caûi tieán, thay ñoåi daàn töø thoâ sô ñôn giaûn leân coâng cuï cô khí hoùa, coâng cuï töï ñoäng hoùa. — Caùch maïng veà coâng cuï saûn xuaát gaén lieàn vôùi caùc cuoäc caùch maïng khoa hoïc kyõ thuaät, cuoäc caùch maïng khoa hoïc kyõ thuaät laàn I vôùi noäi dung chuû yeáu laø cô khí hoùa, baét ñaàu vaøo theá kyû 18. Cuoäc caùch maïng khoa hoïc kyõ thuaät laàn II baét ñaàu vaøo ñaàu theá kyû-21 vôùi noäi dung laø töï ñoäng hoùa vaø linh hoaït hoaù caùc quaù trình saûn xuaát, khoa hoïc kyõ thuaät ñaõ ñaït ñeán trình ñoä cao.

Maùy tieän töï ñoäng ñieàu khieån baèng cam 158 I. Töï ñoäng hoùa laø gì: ? — Cô khí hoùa laø thay theá söùc löïc cuûa con ngöôøi baèng maùy moùc ñeå thöïc hieän nhanh, nhöõng coâng vieäc tinh vi, phöùc taïp, naëng nhoïc. — Töï ñoäng hoùa laø khaû naêng cô khí hoùa ôû trình ñoä cao maùy moùc thöïc hieän nhanh choùng caùc quaù trình saûn xuaát maø khoâng caàn söï ñieàu khieån tröïc tieáp cuûa con ngöôøi. - Hieäu quaû lao ñoäng cuûa maùy töï ñoäng hoùa: - Coâng suaát lôùn, laøm vieäc lieân tuïc 24/ 24.

- Toác ñoä cao, giaûm ñöôïc thôøi gian gia coâng. - Thay theá con ngöôøi laøm nhöõng coâng vieäc naëng nhoïc, ñoäc haïi …. - Ngöôøi coâng nhaân coù theå theo doõi nhieàu maùy cuøng moät luùc. - Maùy moùc töï ñoäng ñaõ thay theá con ngöôøi ñeå ñieàu khieån caùc quaù trình saûn xuaát, phöùc taïp tinh vi, vôùi naêng suaát cao vaø chaát löôïng toát nhö: NC, CNC, FMS ( flexible manufacturing system),… - Thay theá con ngöôøi ôû nhöõng ñieàu kieän laøm vieäc naëng nhoïc, ñoäc haïi nguy hieåm, giaûm thôøi gian lao ñoäng vaø coù theå laøm vieäc lieân tuïc.

Lyù thuyeát veà naêng suaát cuûa maùy töï ñoäng: — Noäi dung chuû yeáu: laø giaûm thôøi gian chaïy khoâng ñeå taêng naêng suaát lao ñoäng. - Thôøi gian gia coâng moät saûn phaåm, hay thôøi gian 1 chu kyø gia coâng - Kí hieäu: T, tính theo coâng thöùc sau: (Phuùt) ÔÛ ñaây: T tlv - thôøi gian laøm vieäc = t lv + t ck Tck- thôøi gian chaïy khoâng, goàm thôøi gian tieán vaøo, luøi ra ñoùng môû caùc cô caáu maùy……. — Naêng suaát cuûa maùy töï ñoäng Q: laø soá saûn phaåm maùy laøm ra trong moät ñôn vò thôøi gian. 1 1 (Chieác / Phuùt) Q= = T tlv + t ck Neáu t ck = 0, thì naêng suaát baèng: = K (1.2) 1 Q= Tlv - K: goïi laø naêng suaát coâng ngheä cuûa maùy, noù töôïng tröng cho naêng suaát cuûa moät chieác maùy “ lí töôûng “ töï ñoäng caét goït lieân tuïc, khoâng coù haønh trình chaïy khoâng.

1 Thay trò soá: Tlv = , töø coâng thöùc (1.2) vaøo coâng thöùc (1.t ck 159 Trong ñoù; η: goïi laø heä soá naêng suaát cuûa maùy, 1 , noù xaùc ñònh möùc ñoä söû duïng maùy coù hieäu quaû.t ck - Chuù yù: töø (1.3) ta coù: Q 1 1 t η = = : = lv tlv : Ñoâi khi coøn goïi laø “ möùc ñoä T giaT coâtlvng lieâ T n tuïc cuûa quaù trình coâng T a noù truøng vôùi heä soá naêng suaát η cuûa maùy töï ñoäng. ngheä” giaù trò cuû Ví duï: Trong moät chu kì gia coâng tlv = 0.8 phuùt, nhö vaäy naêng 1 suaát coâng ngheä K= = 2.5 (chieác / phuùt) vaø heä soá naêng suaát: 0.0,8 -Töùc thôøi gian coù ích cuûa maùy chæ chieám 33% cuûa chu kì gia coâng. -Theo coâng thöùc (1.3) thì naêng suaát cuûa maùy Q phuï thuoäc vaøo naêng suaát coâng ngheä K vaø heä soá naêng suaát η. Muoán taêng Q lieân tuïc thi phaûi ñoàng thôøi taêng K vaø η, töùc giaûm ñoàng thôøi, thôiø gian laøm vieäc(tlv) vaø thôøi gian chaïy khoâng (tck).

— Neáu chæ coù moät trong hai thaønh phaàn naøy giaûm thì gia trò Q seõ tieán ñeán moät gia trò giôùi haïn nhaát ñònh. — Coù hai tröôøng hôïp naêng suaát tieán ñeán moät giaù trò giôùi haïn: K ( chieác/ phuùt) Qmax = Lim =K t ck → 0 1 + K .t ck K 1 ( chieác/ phuùt) Qmax = Lim = K →∞ 1 + K .lck lck tlv→0 H. Doà thò naêng suaát + Ñöôøng 1 ( hình 1.3) chæ raèng Q = K ( naêng suaát lí töôûng), neáu Tck = 0. + Nhöng vì Tck ≠ 0 neân coù ñöôøng coâng naêng suaát thöïc teá 2.

trong tröôøng hôïp naøy duø 1 coù taêng K tôùi ñaâu thì naêng suaát Q vaãn tieán ñeán giôùi haïn ,chöù khoâng taêng tæ leä Tck 1 vôùi K, vì khi K taêng thì trò soá: η = laïi giaûm. Ñoà thò heä soá naêng suaát ù — Caùc ñöôøng cong treân (hình 1.4) cho thaáy moái quan heä giöõa K vaø η. Ví duï: Gia coâng chi tieát coù: L =100 mm, S = 0,1 ( mm/ voøng), Tck = 1 ( phuùt), ( ñöa duïng cuï vaøo vaø ra, ño, kieåm tra,…) Soá voøng quay truïc chính: ntc = 1000 (voøng / phuùt). L 100 Vaäy soá voøng quay caàn thieát ñeå gia coâng phoâi: n = = = 1000 (voøng) S 0.1 Naêng suaát cuûa maùy: Q = k.

η (chieác / phuùt) 1 n Naêng suaát coâng ngheä K: K = = tc = 1 (chieác/ phuùt) Tlv n 1 1 Heä soá naêng suaát η: η= = = 0.1 Naêng suaát cuûa maùy: Q = k.0,5 = 0,5 (chieác /phuùt) — Giaû söû coù theå naâng k = 50 ( chieác / phuùt) luùc ñoù heä soá naêng suaát vaø naêng suaát cuûa maùy Q = K.1 — Ñeå taêng naêng suaát leân 50 laàn caàn nhöõng phí toån veà kyõ thuaät raát lôùn, nhöng naêng suaát thöïc teá chæ taêng 2 laàn. Keát luaän: muoán taêng naêng suaát Q cuûa maùy ñoàng thôøi vôùi vieäc giaûm thôøi gian laøm vieäc, ñeå taêng naêng suaát coâng ngheä K, phaûi giaûm thôøi gian chaïy khoâng (Tck). — Lòch söû phaùt trieån cuûa maùt töï ñoäng coù theå bieåu dieån baèng ñoà thò döôùi ñaây, — Sau khi cheá taïo loaïi maùy ñaàu tieân ngöôøi saûn xuaát coá taän duïng khaû naêng cuûa chuùng baèng caùch taêng cöôøng ñoä gia coâng ( taêng K), - Nhöng ñeán moät luùc naøo ñoù K taêng maø Q seõ khoâng taêng, ñeå coù naêng suaát cao hôn nöõa caàn coù moät loaïi maùy môùi vôùi thôøi gian chaïy khoâng beù hôn hoaëc vôùi qui trình coâng ngheä môùi toát hôn vaø nhö theá caùc maùy H. Giaûn ñoà phaùt trieån naêng môùi daàn daàn xuaát hieän, caùc ñöôøng cong naêng suaát cao daànsuaát maùy töï ñoäng 161 — Naêng suaát taêng ñeàu treân moãi ñöôøng cong laø do taêng K hay giaûm thôøi gian laøm vieäc ( Tlv).

— Naêng suaát nhaûy voït töø ñöôøng cong naøy leân ñöôøng cong kia ñoâi khi laø nhôø coù qui trình coâng ngheä môùi, Tlv vaø Tck ñeàu giaûm, nhöng chuû yeáu laø giaûm thôøi gian chaïy khoâng — Neân noäi dung chuû yeáu cuûa töï ñoäng hoùa laø giaûm thôøi gian chaïy khoâng, giuùp taêng nhanh naêng suaát lao ñoäng. — Ôû treân tính toån thaát cuûa maùy cho töøng chu kì laøm vieäc ( gia coâng xong moät chi tieát) neáu tính cho moät thôøi gian daøi thì noù cao hôn, vì neáu thôøi gian daøi seõ phaùt sinh toån thaát ngoaøi chu kì, nhö thay ñoåi hay ñieàu chænh moät soá duïng cuï ñaõ moøn, söûa chöõa hay ñieàu chænh laïi caùc cô caáu maùy, ñöa loaït phoâi môùi vaøo maùy, kieãm tra saûn phaåm, ñieàu chænh maùy …., Cöôøng ñoä gia coâng caøng taêng thì toån thaát ngoaøi chu kì caøng lôùn. Trong tröôøng hôp naùy toån thaát maùy tính theo coâng thöùc: 1 K Q= = Tlv + Tck + Ttt 1 + K ∑ t ph Ttt = ttt1+ ttt2+ ttt3+…, laø thôøi gian toån thaát ngoaøi chu kì tính cho moät saûn phaåm. Σtph = tck+ttt laø toång soá thôøi gian phuï ( toån thaát trong vaø ngoaøi chu kì).

— Trong thöïc teá khi tính ñeán naêng suaát phaûi tính ñeán caùc toån thaát trong vaø ngoaøi chu kì. Nhieäm vuï töï ñoäng ñeå giaûm toån thaát vaø naâng cao naêng suaát: III. Toån thaát loaïi 1 vaø Nhieäm vuï töï ñoäng hoùa chu kyø. — Toån thaát loaïi 1: Laø toån thaát lieân quan ñeán chuyeån ñoäng chaïy khoâng, khoâng truøng vôùi chu kyø laøm vieäc cuûa maùy, laép phoâi, thaùo phoâi, ñoåi vò trí cuûa phoâi, caùc cô caáu ñoùng môû …v…v — Ñeå giaûm toån thaát ngöôøi ta tìm caùch giaûm toái ña thôøi gian chaïy khoâng xuoáng möùc thaáp nhaát, hoaëc baèng khoâng — Ñoái vôùi daïng saûn xaát haøng loaït lôùn ngöôøi ta duøng maùy töï ñoäng nhieàu truïc ñeå gia coâng, phöông phaùp naøy coù naêng suaát gaáp 22 laàn so vôùi khi gia coâng treân maùy vaïn naêng.

vì gia coâng treân maùy naøy toác ñoä caét cao, thôøi gian gia coâng vaø thôøi gian chaïy khoâng giaûm. Caùc phöông phaùp caét trong chu kyø gia coâng Hình 1 vaø hình 2: bieåu dieãn phöông phaùp gia coâng truï ngoaøi theo 2 phöông phaùp: Hình 1: gia coâng baèng phöông phaùp caét thöû L1,L2,L3m Phöông phaùp naøy giaõm ñöôïc thôøi gian chaïy khoâng cho töøng chu kyø. Hình 2: gia coâng töøng lôùp moûng L1,L2,L3. Phöông phaùp naùy tieâu toán nhieàu thôøi gian chaïy khoâng, dao caét mau moøn.

Hình 3 vaø hình 4: bieåu dieãn phöông phaùp khoan loã Hình 3: khoan loã ñaït kích thöôùc L1 tröôùc, sau ñoù khoan loã kích thöôùc L2, phöông phaùp naøy giaûm ñöôïc raát nhieàu thôøi gian chaïy khoâng, thöôøng ñöôïc aùp duïng trong tröôøng hôïp vaät lieäu cöùng khoù gia coâng, nhöng ñaûm baûo phoâi phaûi cöùng vöõng khi khoan, giöõ ñöôïc tuoåi thoï cuûa muõi khoan ñöôïc laâu hôn. Hình 4: caùch naøy thöôøng ñöôïc aùp duïng ñeå gia coâng vaät lieäu meàm, toán thôøi gian chaïy khoâng khoaûng L2 III. Toån thaát loaïi 2 vaø Nhieäm vuï töï ñoäng hoùa thay theá ñieàu chænh duïng cuï. — Laø loaïi toån thaát lieân lieân quan ñeán vieäc giao nhaän maøi söûa, laép ñaët,ñieàu chænh duïng cuï gia coâng.

Ñeå khaéc phuïc vaø giaûm loaïi toån thaát naøy caàn phaûi: — Choïn vaät lieäu laøm dao toát ñeå taêng tuoåi thoï cuûa dao caét, giaûm thôøi gian ñieàu chænh duïng caét. — Ngaøy nay toån thaát loaïi II vaãn coøn treân maùy töï ñoäng,nhöng ñöôïc hieän ñaïi hoùa vaø linh hoaït hoùa hôn, vôùi söï ra ñôøi cuûa maùy ñieàu khieån theo chöông trình soá, treân maùy boá trí 1 oå dao quay ñöôïc, thay dao nhôø vaøo heä thoáng ñieàu khieån thuûy löïc hoaëc khí neùn, nhanh vaø an toaøn. — Ngöôøi coâng nhaân coù theå ñieàu chænh, laép gheùp dao saún ôû beân ngoaøi, sau ñoù laép vaøo oå dao ñeå maùy töï ñoäng thay dao. — Ngoaøi ra ñeå giaûm toån thaát ngöôøi ta coøn söû duïng caùc cô caáu ñaëc bieät trong giaù dao, ñoà gaù hay treân baøn maùy ñeå ñieàu chænh duïng cuï chính xaùc vaø nhanh choùng…v…v.

163 Caùc loaïi dao caét thoâng duïng: Kieåu 2: Kieåu1 H.