Tối ưu hóa chế độ cắt theo tuổi bền dao tiện tại HCMUTE

Luận văn thạc sĩ HCMUTE nghiên cứu tối ưu hóa chế độ cắt theo tuổi bền dao tiện dựa trên step NC, mang lại hiệu quả trong sản xuất.

• Tác giả: Trương Thị Kim Thoa
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Thiện Ngôn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
• Đề tài: Tối ưu hóa chế độ cắt theo tuổi bền dao tiện dựa trên STEP-NC
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Sơ lược về sự phát triển của ngành cơ khí chế tạo máy
• 1.2. Các khái niệm cơ bản
• 1.3. Giới thiệu về STEP-NC
• 1.4. Lý do chọn đề tài, mục tiêu và đối tượng nghiên cứu
• 1.4.1. Lý do chọn đề tài
• 1.4.2. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4.3. Nhiệm vụ, phạm vi nghiên cứu và ý nghĩa của đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Tổng quan về các nghiên cứu trong và ngoài nước
• 2. CHƯƠNG 2
• 2.1. Lực cắt trong quá trình gia công
• 2.2. Mặt cắt ngang đường chuyển dao
• 2.3. Tham số hóa mặt cắt ngang đường chuyển dao
• 2.4. Điều kiện của hệ thống máy
• 2.5. Động lực học hệ thống máy
• 2.6. Các cách tối ưu hóa chế độ cắt
• 2.6.1. Tối ưu hóa lượng chạy dao dựa trên lực cắt
• 2.6.2. Tối ưu hóa dựa trên tuổi bền dao
• 2.6.3. Tối ưu hóa dựa trên khối lượng
• 2.6.4. Tối ưu hóa dựa trên hằng số phoi
• 2.6.5. Tối ưu hóa dựa trên chi phí gia công
• 2.7. CHUẨN STEP-NC
• 2.7.1. Cấu trúc chương trình STEP-NC
• 2.7.2. Viết phần dữ liệu (DATA)
• 2.7.3. Bắt đầu kế hoạch gia công (Project)
• 2.7.4. Trình tự gia công (Workplan)
• 2.7.5. Định nghĩa nguyên công (Workingstep)
• 2.7.6. Thông tin về phôi (Workpiece)
• 2.7.7. Mặt phẳng tham chiếu vị trí dao (Security_plane)
• 2.7.8. Chức năng gia công (Machining_function)
• 2.7.9. Dụng cụ cắt (Machine_tool)
• 2.7.10. Công nghệ gia công (Technology_description)
• 2.7.11. Chiến lược gia công (Strategy)
• 2.7.12. Thông tin gá kẹp
• 2.8. Chương trình gia công chi tiết
• 3. MÔ HÌNH BÀI TOÁN VÀ CÁCH GIẢI
• 3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi bền dao
• 3.1.1. Ảnh hưởng của tốc độ cắt V đến tuổi bền dao
• 3.1.2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao S đến tuổi bền dao
• 3.1.3. Ảnh hưởng của chiều rộng cắt b đến tuổi bền dao
• 3.2. Thiết lập mô hình bài toán
• 3.2.1. Hàm mục tiêu
• 3.2.2. Phương trình ràng buộc
• 3.3. Lấy thông tin từ chương trình STEP-NC
• 3.4. Ứng dụng Matlab để giải bài toán
• 3.5. Kết quả tính toán tối ưu chế độ cắt
• 3.6. Hiệu chỉnh chương trình STEP-NC
• 3.7. Tính toán thời gian gia công cơ bản
• 3.7.1. Tính toán với chế độ cắt chưa tối ưu
• 3.7.2. Tính toán với chế độ cắt tối ưu
• 3.8. Số lần thí nghiệm
• 3.9. Cách tiến hành thí nghiệm
• 3.9.1. Thí nghiệm với chế độ cắt chưa tối ưu
• 3.9.2. Thí nghiệm với chế độ cắt tối ưu
• 4. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tối ưu hóa chế độ cắt dao tiện

Tối ưu hóa chế độ cắt dao tiện theo tuổi bền là một phương pháp quan trọng trong ngành công nghệ chế tạo máy. Phương pháp này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả gia công mà còn kéo dài tuổi thọ của dao tiện. Việc xác định chế độ cắt tối ưu thông qua việc xây dựng mối quan hệ toán học giữa hàm mục tiêu tuổi bền dao và các thông số chế độ cắt là rất cần thiết. Các yếu tố như tốc độ cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt đều ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi bền của dao cắt. Theo nghiên cứu, việc tối ưu hóa chế độ cắt có thể nâng cao tuổi bền dao từ 10% đến 15%, đồng thời tăng năng suất gia công từ 8% đến 10%.

1.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi bền dao

Tuổi bền của dao tiện phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó tốc độ cắt (V), lượng chạy dao (S) và chiều sâu cắt (t) là những yếu tố chính. Tốc độ cắt cao có thể làm tăng lực cắt, dẫn đến mòn nhanh hơn. Lượng chạy dao cũng ảnh hưởng đến lượng vật liệu bị loại bỏ trong mỗi lần chạy dao. Chiều sâu cắt quyết định độ dày lớp kim loại bị cắt đi. Việc phân tích các yếu tố này giúp xác định được chế độ cắt tối ưu, từ đó nâng cao hiệu quả gia công và kéo dài tuổi bền của dao cắt.

1.2. Quy trình tối ưu hóa chế độ cắt

Quy trình tối ưu hóa chế độ cắt dao tiện bao gồm việc thu thập dữ liệu từ các thông số gia công và áp dụng các phương pháp tính toán để xác định chế độ cắt tối ưu. Sử dụng mô hình STEP-NC cho phép xác định các thông số cần thiết để tối ưu hóa chế độ cắt. Mô hình này giúp liên kết giữa dữ liệu thiết kế và quy trình gia công, từ đó tạo ra một quy trình gia công hiệu quả hơn. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu sai sót trong quá trình gia công.

II. Ứng dụng thực tiễn của tối ưu hóa chế độ cắt

Tối ưu hóa chế độ cắt dao tiện theo tuổi bền có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp chế tạo máy. Việc áp dụng các phương pháp tối ưu hóa giúp các nhà sản xuất tiết kiệm chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm. Các công ty có thể giảm thiểu thời gian gia công và tăng năng suất lao động. Hơn nữa, việc tối ưu hóa chế độ cắt còn giúp giảm thiểu lượng phế phẩm trong quá trình sản xuất, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế cho doanh nghiệp.

2.1. Lợi ích kinh tế

Việc tối ưu hóa chế độ cắt không chỉ giúp tăng tuổi bền của dao tiện mà còn mang lại lợi ích kinh tế lớn cho doanh nghiệp. Các nghiên cứu cho thấy rằng, việc áp dụng chế độ cắt tối ưu có thể giảm chi phí sản xuất từ 10% đến 20%. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh cạnh tranh ngày càng gia tăng trong ngành công nghiệp chế tạo. Doanh nghiệp có thể đầu tư vào công nghệ mới và cải tiến quy trình sản xuất, từ đó nâng cao vị thế cạnh tranh trên thị trường.

2.2. Tác động đến chất lượng sản phẩm

Tối ưu hóa chế độ cắt cũng có tác động tích cực đến chất lượng sản phẩm. Khi tuổi bền của dao cắt được nâng cao, chất lượng bề mặt của chi tiết gia công cũng được cải thiện. Điều này giúp giảm thiểu các lỗi trong sản phẩm và tăng độ chính xác trong gia công. Các sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng cao sẽ tạo ra sự hài lòng cho khách hàng và nâng cao uy tín của doanh nghiệp trên thị trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành cơ khí chế tạo máy đóng vai trò then chốt trong nền kinh tế toàn cầu, chiếm khoảng 28% số lượng việc làm và đóng góp 25% giá trị tổng sản phẩm thế giới. Trong bối cảnh đó, gia công tiện là một trong những phương pháp gia công kim loại phổ biến nhất, với hiệu quả được đánh giá qua tuổi bền của dụng cụ cắt và năng suất gia công. Tuổi bền dao, được định nghĩa là thời gian làm việc liên tục của dao trước khi phải mài lại, ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí sản xuất và chất lượng sản phẩm. Việc tối ưu hóa chế độ cắt theo tuổi bền dao nhằm nâng cao hiệu quả gia công, giảm chi phí và tăng năng suất là một vấn đề cấp thiết.

Luận văn tập trung nghiên cứu tối ưu hóa chế độ cắt trong gia công tiện dựa trên mô hình dữ liệu STEP-NC, một chuẩn dữ liệu mới cho phép tích hợp thông tin thiết kế và công nghệ gia công một cách thông minh. Mục tiêu chính là xây dựng hàm mục tiêu và hệ ràng buộc toán học để xác định chế độ cắt tối ưu sao cho tuổi bền dao đạt giá trị lớn nhất, đồng thời đảm bảo các giới hạn kỹ thuật và chất lượng của nhà máy. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các quá trình tiện mặt đầu, tiện trơn trụ ngoài và tiện côn, với dữ liệu và mô hình được áp dụng trong điều kiện thực tế tại các nhà máy cơ khí hiện đại.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc nâng cao tuổi bền dao từ 10 đến 15% và tăng năng suất từ 8 đến 10%, mà còn góp phần giảm chi phí sản xuất, nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường. Việc ứng dụng STEP-NC giúp tự động hóa quá trình lập trình và điều khiển máy CNC, giảm thiểu sai sót do kinh nghiệm chủ quan của người lập trình, đồng thời tạo nền tảng cho phát triển các hệ thống gia công thông minh trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết tuổi bền dao (Taylor’s Tool Life Equation): Mô tả mối quan hệ giữa tuổi bền dao $T$ và các thông số chế độ cắt như vận tốc cắt $V$, lượng chạy dao $S$, chiều sâu cắt $t$, theo công thức mở rộng: $$ T = C \cdot V^{-m} \cdot S^{-n} \cdot t^{-p} $$ trong đó $C, m, n, p$ là các hằng số đặc trưng cho vật liệu dao và chi tiết gia công.

• Mô hình lực cắt (Merchant’s Model): Lực cắt $P_z$ được tính dựa trên diện tích mặt cắt ngang phoi $f$ và hệ số lực cắt $K_z$: $$ P_z = K_z \cdot f $$ với diện tích mặt cắt ngang được xác định từ chiều rộng cắt và chiều dày cắt.

• Mô hình dữ liệu STEP-NC: Chuẩn dữ liệu tích hợp CAD/CAM/CNC, cho phép mô tả chi tiết các thông số gia công, hình dạng phôi, dụng cụ cắt và chiến lược gia công theo hướng đối tượng, giúp tự động hóa và tối ưu hóa quá trình lập trình gia công.

Các khái niệm chính bao gồm: tuổi bền dao, chế độ cắt (vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt), mặt cắt ngang đường chuyển dao, hệ số tải máy CNC, và các ràng buộc kỹ thuật trong gia công tiện.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu được thu thập từ các chương trình gia công thực tế sử dụng chuẩn STEP-NC, kết hợp với số liệu thí nghiệm về tuổi bền dao và lực cắt trong gia công tiện tại các nhà máy cơ khí.

• Phương pháp phân tích: Xây dựng hàm mục tiêu tối ưu hóa tuổi bền dao dựa trên các tham số chế độ cắt, đồng thời thiết lập hệ ràng buộc kỹ thuật và chất lượng. Sử dụng phần mềm Matlab để giải bài toán tối ưu hóa với các thuật toán phù hợp, đảm bảo tìm được chế độ cắt tối ưu trong phạm vi giới hạn.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, bao gồm các giai đoạn: thu thập và phân tích dữ liệu (3 tháng), xây dựng mô hình và hàm mục tiêu (4 tháng), thực hiện thí nghiệm và kiểm chứng mô hình (3 tháng), hiệu chỉnh và hoàn thiện luận văn (2 tháng).

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Thí nghiệm được thực hiện với khoảng 20 bộ chế độ cắt khác nhau, lựa chọn dựa trên các điều kiện gia công phổ biến trong thực tế nhằm đảm bảo tính đại diện và khả năng áp dụng rộng rãi.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến tuổi bền dao: Kết quả thí nghiệm cho thấy khi tăng vận tốc cắt từ 100 m/phút lên 150 m/phút, tuổi bền dao giảm khoảng 25%. Điều này phù hợp với mô hình Taylor và các nghiên cứu trước đây, khẳng định vận tốc cắt là yếu tố quyết định lớn nhất ảnh hưởng đến tuổi bền dao.

2. Tối ưu hóa lượng chạy dao: Qua phân tích hệ số tải máy CNC, lượng chạy dao tối ưu được xác định giảm khoảng 10-15% so với lượng chạy dao ban đầu để đảm bảo lực cắt không vượt quá giới hạn kỹ thuật, từ đó kéo dài tuổi bền dao lên đến 12%.

3. Tối ưu hóa chiều sâu cắt: Chiều sâu cắt tối ưu được xác định trong khoảng 1.5-2.0 mm, giúp cân bằng giữa tăng năng suất và giảm mài mòn dao. Khi chiều sâu cắt vượt quá 2.5 mm, tuổi bền dao giảm mạnh do tăng nhiệt và lực cắt.

4. Ứng dụng STEP-NC trong tối ưu hóa: Việc sử dụng dữ liệu hình dạng mặt cắt ngang đường chuyển dao từ STEP-NC cho phép tính toán chính xác các thông số chế độ cắt, giúp tự động hóa quá trình tối ưu hóa và giảm sai số do con người. So với phương pháp truyền thống, thời gian lập trình giảm khoảng 20%, đồng thời nâng cao độ chính xác của chế độ cắt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự giảm tuổi bền dao khi tăng vận tốc cắt là do tăng nhiệt độ và lực cắt tại vùng tiếp xúc giữa dao và phoi, làm tăng tốc độ mài mòn. Việc điều chỉnh lượng chạy dao và chiều sâu cắt nhằm giảm lực cắt vượt quá giới hạn kỹ thuật giúp kéo dài tuổi bền dao, đồng thời duy trì chất lượng bề mặt gia công.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với các mô hình lý thuyết và thực nghiệm đã được công bố, đồng thời bổ sung thêm tính ứng dụng của chuẩn STEP-NC trong việc tối ưu hóa chế độ cắt. Việc tích hợp dữ liệu công nghệ và hình học trong STEP-NC tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển các hệ thống gia công thông minh, tự động điều chỉnh chế độ cắt theo điều kiện thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ quan hệ giữa vận tốc cắt và tuổi bền dao, lượng chạy dao tối ưu và hệ số tải máy, cũng như bảng so sánh hiệu quả giữa chế độ cắt tối ưu và chưa tối ưu, giúp minh họa rõ ràng tác động của từng yếu tố.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng chế độ cắt tối ưu trong sản xuất: Các nhà máy nên sử dụng các thông số chế độ cắt được tối ưu hóa dựa trên tuổi bền dao, đặc biệt là vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt, nhằm tăng tuổi thọ dụng cụ và nâng cao năng suất. Thời gian áp dụng dự kiến trong vòng 6 tháng, do bộ phận kỹ thuật và công nghệ chịu trách nhiệm.

2. Triển khai hệ thống lập trình gia công STEP-NC: Đầu tư phát triển và ứng dụng phần mềm lập trình gia công theo chuẩn STEP-NC để tự động hóa quá trình lập trình, giảm thiểu sai sót và tăng tính linh hoạt trong sản xuất. Chủ thể thực hiện là phòng công nghệ thông tin và kỹ thuật, với lộ trình 12 tháng.

3. Đào tạo nhân lực về công nghệ STEP-NC và tối ưu hóa chế độ cắt: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho kỹ sư lập trình và vận hành máy CNC nhằm nâng cao năng lực sử dụng công nghệ mới và hiểu biết về tối ưu hóa chế độ cắt. Thời gian đào tạo kéo dài 3-6 tháng, do phòng nhân sự phối hợp với các chuyên gia thực hiện.

4. Nghiên cứu mở rộng tối ưu hóa động: Khuyến khích nghiên cứu tiếp theo về tối ưu hóa chế độ cắt động, tự động điều chỉnh trong quá trình gia công dựa trên các biến đổi thực tế như mòn dao, biến đổi vật liệu, nhằm nâng cao hiệu quả và độ chính xác. Chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học, với kế hoạch nghiên cứu 2-3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư công nghệ gia công: Giúp hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi bền dao và cách tối ưu hóa chế độ cắt, từ đó áp dụng hiệu quả trong lập kế hoạch và điều chỉnh quá trình gia công.

2. Nhà quản lý sản xuất: Cung cấp cơ sở khoa học để ra quyết định đầu tư công nghệ, lựa chọn thiết bị và xây dựng quy trình sản xuất nhằm tối ưu chi phí và nâng cao năng suất.

3. Nhà nghiên cứu và giảng viên: Là tài liệu tham khảo quý giá cho các nghiên cứu tiếp theo về tối ưu hóa gia công, ứng dụng STEP-NC và phát triển công nghệ gia công thông minh.

4. Nhà phát triển phần mềm CAD/CAM/CNC: Hỗ trợ phát triển các giải pháp phần mềm tích hợp dữ liệu STEP-NC, nâng cao khả năng tự động hóa và tối ưu hóa trong lập trình gia công.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tuổi bền dao lại quan trọng trong gia công tiện?
   Tuổi bền dao ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí sản xuất và chất lượng sản phẩm. Dao có tuổi thọ cao giúp giảm số lần thay dao, giảm thời gian dừng máy và tăng năng suất gia công.

2. STEP-NC khác gì so với mã G-code truyền thống?
   STEP-NC tích hợp thông tin thiết kế, công nghệ và chiến lược gia công theo hướng đối tượng, cho phép điều khiển máy CNC thông minh hơn, tự động hóa lập trình và giảm sai sót do con người.

3. Làm thế nào để xác định chế độ cắt tối ưu theo tuổi bền dao?
   Bằng cách xây dựng hàm mục tiêu toán học mô tả tuổi bền dao theo các tham số chế độ cắt và giải bài toán tối ưu hóa trong phạm vi các ràng buộc kỹ thuật và chất lượng.

4. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến tuổi bền dao ngoài chế độ cắt?
   Bao gồm đặc tính vật liệu chi tiết gia công, kết cấu và vật liệu dao, dung dịch trơn nguội, cũng như điều kiện vận hành máy và kỹ thuật gia công.

5. Ứng dụng của nghiên cứu này trong thực tế sản xuất như thế nào?
   Giúp các nhà máy lựa chọn chế độ cắt phù hợp, giảm chi phí sản xuất, nâng cao tuổi thọ dụng cụ và chất lượng sản phẩm, đồng thời tăng tính tự động hóa và hiệu quả trong lập trình gia công.

Kết luận

• Xây dựng thành công mô hình toán học tối ưu hóa chế độ cắt theo tuổi bền dao dựa trên dữ liệu STEP-NC, giúp nâng cao tuổi thọ dụng cụ và hiệu quả gia công.
• Phân tích chi tiết ảnh hưởng của vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt đến tuổi bền dao, cung cấp các thông số chế độ cắt tối ưu trong gia công tiện mặt đầu, trơn trụ ngoài và côn.
• Ứng dụng STEP-NC giúp tự động hóa lập trình gia công, giảm sai sót và tăng tính linh hoạt trong sản xuất.
• Đề xuất các giải pháp thực tiễn nhằm áp dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất, đồng thời khuyến khích phát triển nghiên cứu tối ưu hóa động trong tương lai.
• Khuyến nghị các nhóm đối tượng liên quan như kỹ sư, nhà quản lý, nhà nghiên cứu và nhà phát triển phần mềm tham khảo và ứng dụng kết quả nghiên cứu.

Next steps: Triển khai áp dụng chế độ cắt tối ưu tại các nhà máy, đào tạo nhân lực và phát triển phần mềm hỗ trợ STEP-NC trong vòng 6-12 tháng tới.

Các đơn vị sản xuất và nghiên cứu được khuyến khích hợp tác để mở rộng ứng dụng và phát triển công nghệ gia công thông minh dựa trên nền tảng STEP-NC.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược về sự phát triển của ngành cơ khí chế tạo máy Khoa học và công nghệ cơ khí chế tạo của thế giới trong thế kỷ XX và XXI đã có những bước phát triển vượt bậc nhờ ứng dụng các công nghệ hiện đại như: công nghệ thông tin, vật liệu nano, tự động hoá,. Trong kinh tế, ngành công nghiệp cơ khí chế tạo vẫn đóng vai trò chủ đạo, góp phần làm thay đổi diện mạo thế giới, với trên 20 triệu doanh nghiệp đang hoạt động trên các châu lục, chiếm tới 28% số lượng việc làm và đóng góp 25% giá trị tổng sản phẩm của thế giới. Sự đổi mới liên tục của CAD/CAM đã giúp cho các nhà chế tạo tiết kiệm về tài chính, thời gian, nguồn lực, vì CAD và CAM đều là những phương pháp dựa vào máy tính để mã hoá dữ liệu hình học, nên tạo khả năng cho các quy trình thiết kế và chế tạo được tích hợp cao độ. Hệ CAD tất nhiên không hiểu được các khái niệm của thế giới thực, chẳng hạn như bản chất hay chức năng của đối tượng được thiết kế.

Hệ CAD thi hành chức năng của mình nhờ khả năng mã hoá các khái niệm hình học. Do vậy, quá trình thiết kế dựa vào CAD liên quan đến việc chuyển ý tưởng của người thiết kế thành mô hình hình học. Các nhược điểm khác của CAD đang được khắc phục nhờ R&D trong lĩnh vực hệ chuyên gia. Lĩnh vực này được hình thành từ các nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo AI.

Một ví dụ về hệ chuyên gia bao hàm việc kết hợp thông tin về bản chất của vật liệu, trọng lượng, ứng lực, độ bền, độ dẻo vào phần mềm CAD. Nhờ tích hợp được các dữ liệu đó và những dữ liệu khác vào phần mềm nên hệ CAD có thể biết được những gì mà người kỹ sư biết khi người đó tạo ra một bản vẽ thiết kế. Sau đó, CAD có thể bắt chước cách nghĩ của người kỹ sư và thực hiện công việc thiết kế. Do công nghệ CAD/CAM ngày càng hoàn thiện nên đã tạo cơ sở phát triển các công nghệ gia công.

Từ thập kỷ 90 đến nay: việc sử dụng công nghệ CAD/CAM đã cho phép chế tạo sản phẩm cơ khí nhanh hơn, chế tạo các loại máy công cụ có tốc độ cao, chính Trang 1 Luan van xác, thông minh và hiệu quả hơn. Năm 1995, sử dụng rộng rãi thiết bị điều khiển máy công cụ dựa vào PC, phục vụ cả các chức năng PLC và CNC. Cũng trong năm 1995, chương trình Quốc tế IMS với sự tham gia của 300 công ty, viện nghiên cứu của: Canada, Mỹ, EU, Nhật Bản, Hàn Quốc và Thụy Sĩ. Gia công cơ khí trên máy CNC ngày càng phổ biến và đem lại những lợi ích rất lớn về mặt kỹ thuật lẫn kinh tế.

Tuy nhiên hầu hết các máy móc, thiết bị này đều hiện đại và đắt tiền, do đó nếu xảy ra sự cố trong quá trình gia công thì chi phí sửa chữa khắc phục sẽ rất lớn. Để giảm thiểu tối đa những rủi ro trong sản xuất cũng như nâng cao năng suất gia công, giảm giá thành sản phẩm thì việc sử dụng một phần mềm để dự đoán những sai hỏng và tối ưu hóa quá trình gia công là cần thiết.2 Các khái niệm cơ bản Tiện là quá trình dùng dụng cụ cắt (dao tiện) để loại bỏ vật liệu dư thừa từ một dạng nguyện liệu ban đầu (phôi) để tạo ra một hình dạng mong muốn (chi tiết gia công), trong đó phôi quay tròn và dao chuyển động tịnh tiến. Hiệu quả của quá trình này thường được đánh giá bởi khối lượng của vật liệu được loại bỏ trong một thời gian nhất định, thường gọi là tỷ lệ loại bỏ vật liệu. Tuổi bền của dụng cụ (T) là khoảng thời gian làm việc liên tục của dao cho đến khi phải mài lại (tính theo phút), có nghĩa là thời gian giữa hai lần mài lại.

Đôi khi để biểu thị khả năng công nghệ thì tuổi bền của dụng cụ được tính theo mét của quãng đường cắt được theo số lượng chi tiết được gia công giữa hai lần mài dao. Tuổi bền của dụng cụ và quá trình mài mòn có quan hệ với nhau. Cường độ mòn càng lớn thì tuổi bền càng nhỏ. Tuổi bền biểu thị số lượng của cường độ mòn của dụng cụ, do đó nó thay đổi khi thay đổi điều kiện cắt, có nghĩa là thay đổi chế độ cắt, các thông số hình học của dụng cụ, dung dịch trơn nguội….

Một trong những yếu tố xác định tuổi bền của dụng cụ là tốc độ cắt. Các yếu tố của chế độ cắt Trang 2 Luan van - Vận tốc cắt (V) là khoảng dịch chuyển tương đối của một điểm trên dao so với vật gia công trong một đơn vị thời gian. - Lượng chạy dao (S) là khoảng dịch chuyển của dao theo phương dọc (hoặc ngang) của dao sau một vòng quay của vật gia công. - Chiều sâu cắt (t) là bề dày lớp kim loại bị cắt đi trong mỗi lần chạy dao.

Tối ưu hóa chế độ cắt theo tuổi bền dao tiện là phương pháp nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu thông qua việc xây dựng mối quan hệ toán học giữa hàm mục tiêu tuổi bền dao với các thông số của chế độ gia công ứng với một hệ thống các giới hạn về mặt chất lượng, kỹ thuật và tổ chức của nhà máy. Mỗi quá trình gia công đều có một bản ghi những hạn chế ràng buộc xác định khả năng gia công của hệ thống thiết bị, bao gồm thành phần cấu tạo chính của thiết bị, trục chính, bàn dao và dụng cụ cắt. Sau đây là danh sách các hạn chế thường gặp nhất trong hệ thống gia công: - Độ bền vững cấu trúc thiết bị - Momen quay trục chính, năng lượng và khoảng điều chỉnh tốc độ - Khả năng chịu tải của trục chính - Công suất trục truyền động - Hạn chế momen uốn và momen xoắn của bàn dao - Độ cứng vững và tính chống hao mòn của dụng cụ - Ảnh hưởng độ lệch kích thước đến độ võng dụng cụ cắt - Đặc tính truyền động của dụng cụ cắt, bàn dao và trục chính. Những ràng buộc này bao gồm những dạng khác nhau của hệ thống thiết bị, chúng có liên quan trực tiếp đến sự phát sinh lực cắt trong quá trình gia công nên ảnh hưởng đến tuổi bền dao [9].3 Giới thiệu về STEP-NC Trong vài thập kỷ gần đây, số lượng các hệ CNC tăng vọt trong mọi lĩnh vực sản xuất.

Nhược điểm chung của chúng là: các thông số công nghệ như vận tốc cắt và Trang 3 Luan van lượng chạy dao được áp đặt bởi người lập trình và phụ thuộc vào kinh nghiệm, hiểu biết của người lập trình. Do đó trong quá trình lập trình gia công gây ra những sai sót nhất định do tính chủ quan lẫn kinh nghiệm của con người. Cho đến nay, khối lượng sản phẩm cơ khí phải qua gia công bằng cắt gọt vẫn chiếm tỷ lệ cao nhất trong các phương pháp gia công kim loại. Cắt gọt là phương pháp hàng đầu về khả năng đáp ứng độ chính xác kích thước, độ phức tạp về hình dạng và chất lượng bề mặt chi tiết gia công.

Đó là lý do khiến các công nghệ tiên tiến, có trợ giúp của máy tính (CAD/CAM-CNC) phát triển sớm nhất và mạnh mẽ nhất trong lĩnh vực này. Nhờ tích hợp được các thành tựu mới trong kỹ thuật điều khiển và máy tính mà các hệ điều khiển CNC hiện tại có nhiều tính năng vượt trội. Tuy nhiên, về bản chất điều khiển trên các máy CNC hiện nay vẫn chỉ là điều khiển “tĩnh” với các tham số hệ thống không đổi. Biểu hiện của nó về mặt công nghệ là tốc độ cắt và tốc độ chạy dao được thiết đặt cố định bởi lệnh trong chương trình NC và được duy trì cho đến khi có lệnh thiết đặt giá trị mới.

Trong công nghệ CAD/CAM-CNC, điều khiển CNC thông minh được hiểu như là 1 máy CNC thông minh có chức năng: - Dữ liệu chuyển động dao cắt: thay vì dữ liệu chuyển động các trục được chuyển tới máy CNC, hệ CNC thông minh có khả năng chuyển đổi quỹ đạo chạy dao tới chuyển động các trục của máy CNC. - Thông tin mức cao: đặc tính chi tiết, vật liệu, dao cắt, kích thước, dung sai được gửi tới máy CNC. - Thông tin này sẽ được gửi đi bằng cách sử dụng một chuẩn dữ liệu “STEP - NC” AP 238. Trong những năm 1970 với sự phát triển của CNC và sự phát triển nhanh chóng của công nghệ CAD/CAM trong hơn một thập kỷ trước, những tiến trình quan trọng đã được thực hiện trong sản xuất tự động các chi tiết cơ khí.

Tuy nhiên, ngôn ngữ lập trình được sử dụng trong công nghiệp để điều khiển máy vẫn giữ giống như với chuẩn ban đầu được biết là G và M code (ISO 6983) dựa trên sự mô Trang 4 Luan van tả chuyển động của dụng cụ cắt và những lệnh tắt/mở. Một tiêu chuẩn quốc tế ngày nay, tên là ISO 14649 và được biết đến là STEP-NC đang được phát triển để cung cấp một giao diện cách mạng cho sự tích hợp CAD/CAM sử dụng một loại ngôn ngữ được phát triển từ chuẩn STEP (ISO 10303). Không giống như G và M code chỉ lập trình cho chuyển động của trục máy và công tắc hành trình, STEP-NC còn là một mô hình hóa dữ liệu hoàn chỉnh mà nó liên kết đối tượng gia công (dữ liệu thiết kế CAD) với giải pháp công nghệ (dữ liệu qui trình gia công CAM yêu cầu) theo hướng đối tượng. Và kết quả là một chương trình STEP-NC giống với một hoạch định quá trình chi tiết hơn là một thủ tục quá trình gia công.

Trong một chương trình như vậy, dữ liệu sản xuất cho một chi tiết được tổ chức như là một dự án về những hình dạng hình học sẽ được gia công, các bước gia công (nguyên công cụ thể) cần thiết cho mỗi đặc tính, các yêu cầu công nghệ và thứ tự công việc (mục đích là để cung cấp thông tin cho máy CNC). Ngôn ngữ cấp cao và hướng đối tượng này làm cho chương trình gia công dễ dàng sử dụng mà không cần phải thay đổi nhiều trên nhiều máy CNC. Quan trọng hơn nữa, nó được xây dựng như là một phản hồi thông tin hai chiều giữa CAD/CAM và hệ thống CNC. Mục tiêu của STEP-NC là bao hàm hết toàn bộ phạm vi của sản xuất trực tuyến.

Một mô hình dữ liệu mới STEP-NC đã được phát triển để thay thế cho mô hình tiêu chuẩn mã G&M cũ cho quá trình tiện, phay, tia lửa điện (EDM).