Thạc Sĩ Nghiên cứu xác định chế độ cắt khi gia công chân vịt tàu thủy trên máy phay CNC

Luận văn thạc sĩ
Đề tài: Nghiên cứu xác định chế độ cắt khi gia công chân vịt tàu thủy trên máy phay CNC
Định dạng file word

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Lời cám ơn
Mục lục
Danh mục các ký hiệu
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ
Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ . 1
1.1. TỔNG QUAN VỀĐỀTÀI NGHIÊN CỨU . 1
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI VẤN ĐỀ ĐẶT RA . 1
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới: 1
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước: 2
1.3. THỰC TRẠNG CÔNG TÁC CHẾ TẠO TRONG NƯỚC: 2
1.4. MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU: 5
1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu: . 5
1.4.2. Phương pháp và nội dung nghiên cứu: . 5
1.4.3. Giới hạn phạm vi nghiên cứu: 6
Chương 2 - CƠ SỞLÝ THUYẾT . 7
2.1.CƠ SỞLÝ THUYẾT CHÂN VỊT TÀU THỦY 7
2.1.1. Đặc điểm hình học cánh chân vịt tàu thủy 7
2.1.2.Các mô hình chân vịt thử nghiệm: . 14
2.2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỐI ƯU: . 18
2.2.1.Tổng quan: 18
2.2.2. Một vài khái niệm cơ bản vềtối ưu hóa quá trình gia công
cắt gọt: 18
2.2.3.Phương pháp xác định chế độ cắt tối ưu: . 20
Chương 3 -KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 25
3.1. XÂY DỰNG QUY TRÌNH GIA CÔNG CHÂN VỊT TRÊN MÁY
PHAY CNC: . 25
3.1.1. Xác định dạng sản xuất: . 25
3.1.2. Phân tích chi tiết gia công: . 25
3.1.3. Lập phương án gá lắp: . 26
3.1.4.Quy trình công nghệ gia công trên máy phay CNC . 29
3.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHÂN VỊT 3D TRONG MÔI TRƯỜNG
CAD/CAM: . 35
3.2.1.Thuật toán và chương trình vẽ 3D mô hình cánh chân vịt : . 35
3.2.2.Nghiên cứu chuyển mô hìnhchân vịt 3D trong môi trường
CAD/CAM 37
3.2.3.Mô phỏng quá trình gia công chân vịt bằng phần mềm
CAD/CAM 45
3.3.XÂY DỰNG HÀM MỤC TIÊU CÁC THÔNG SỐ CỦA
CHẾ ĐỘ CẮT . 52
3.3.1.Các chỉ tiêu tối ưu và hàm mục tiêu 52
3.3.2.Xây dựng hàm mục tiêu 54
3.3.3.Xây dựng các hàm giới hạn . 60
3.3.4. Tối ưu hóa các bước công nghệ và chế độ cắt 64
3.3.5.Giải bài toán xác định chế độ cắt tối ưu : 65
3.4.SO SÁNH, ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG ÁN GIA CÔNG CHÂN VỊT
TỐI ƯU VỚI CÁC PHƯƠNG ÁN GIA CÔNG KHÁC 68
3.4.1. Các thông số gia công 68
3.4.2. Mô phỏng 3D cánh chân vịt gia công . 69
3.4.3. Thực hiện quá trình gia công 69
3.4.4. Kết quả khảo sát 71
Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74
Tài liệu tham khảo 75
Phụ lục . 76

Chương 1 - ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU:
Như đã biết, tàu thủy là công trình kỹ thuật phức tạp gồm ba thành phần chính là
máy - vỏ tàu - chân vịt, còn gọi là liên hợp tàu, trong đó chân vịt là bộ phận tiếp nhận
công suất của động cơ, tạo ra lực đẩy để khắc phục sức cản và đẩy tàu chuyển động.
Do đó chân vịt có ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động của tàu, nhất là về mặttốc độ nên
vấn đề tự động hóa tính toán, thiết kế và chế tạo chính xác chân vịt theo các thông số
thiết kế có vai trò và ý nghĩa quan trọng, cả về mặt lý thuyết và trong thực tế sản xuất.
Vấn đề này thật ra cũng đã được nhữngnước có nền công nghiệp đóng tàu phát triển
giải quyết bằng công nghệ thiết kế và chế tạotrên máy chuyên dụng hoặc máy CNC,
tuy nhiên vì khá nhiều lý do về mặt công nghệ, giá thành, phương thức sản xuất v v
nên công nghệ chế tạo hiện đại này hầu như vẫn chưa áp dụng ở nước ta hiện nay.
Cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật nói chung và ngành đóng tàu nói riêng,
công nghệ chế tạo chính xác các chi tiết có hình dạng phức tạp như chân vịt tàu thủy
trên máy CNC đã và đang được cácnhà khoa học quan tâm nghiên cứu và ứng dụng.
Khi gia công trên máyCNC các chi tiết có hình dạng phức tạp nói chung và chân vịt
nói riêng, một trong những vấnđề quan trọng là lựa chọn được chế độ gia công hợp lý,
ví dụ như tốc độ chạy dao, lượng ăn dao, hành trìnhchạy dao, quỹ đạo chạy dao v v
nhằm đảm bảo thỏa mãn điều kiện đặt ra như thời gian, giá thành, độ bóng v v
Từ các trình bày trên nhận thấy, vấn đề tự động hóa chế tạo chân vịt nói chung, và
xác định chế độ cắt hợp lý khi gia công chân vịt trên máy phay CNC nói riêng có vai
trò và ý nghĩa thực tế quan trọng, nhất là khi nước ta đã và đang bắt đầu đóng các loại
tàu có đòi hỏi chân vịt có độ chính xác cao như tàu cao tốc, tàu cánh ngầm v v . Kết
quả nghiên cứu của đề tài còn là cơ sở để giải quyết bài toán xác định chế độ cắt hợp
lý khi gia công trên máyphay CNC đối với các chi tiết hình dạng phức tạp khác, một
nhu cầu của thực tiễn sản xuất hiện nay nhưng chưa được giải quyết triệt để.
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI VẤN ĐỀ ĐẶT RA
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới:
Ở cácnước có nền công nghiệp đóng tàu phát triển, hầu hết chân vịt được
sản xuất hàng loạt theo seri mẫu đã thử nghiệm, do đó thường áp dụng công nghệ chế
tạo tự động chân vịt, với quy trình có thể tóm tắt như sau:
- Thiết kế chân vịt 3D trên các phần mềmCAD/CAMchuyên dụng hoặc
các phần mềm thông dụng.
- Chế tạo khuôn đúc phôi chân vịt và gia công tinh trên các máy chuyên
dụnghoặc các máy CNC.
- Gia công nguội, đánh bóng hoàn thiện sản phẩm.
Tuy nhiên, công nghệ chế tạo tự động chân vịt này đã được thực hiệntừ lâu
nhưng thường được bán giá cao, kèm theo máy chuyên dụng do các Công ty sản xuất
và thườngđịnh hướng lựa chọn dạng cánh chân vịt đã được chế tạo sẵn của Công ty.
Trong trường hợp này, chế độ gia công hợp lý thường đã được cài đặt sẵn trong máy
nên thường không thể áp dụng được khi gia công những chân vịt có hình dạng khác,
nhất là khi gia công trên máy phay CNC 3 trục như ở nước ta hiện nay.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước:
Ở nước ta hiện nay, do hầu hết chân vịt, kể cả những chân vịt cỡ lớn hoặc
đòi hỏi độ chính xác cao,thường được chế tạo một cách đơn lẻ bằng phương pháp thủ
công. Đến năm 2008, Công ty 189 của Bộ Quốc Phòng (Hải Phòng) là đơn vị đầu tiên
của nước ta mua một máy gia công chân vịt nhưng do máy chỉ chế tạo hàng loạt theo
những mẫu nhất định với giá thành quá cao nên hầu như chưa được áp dụng rộng rãi.
Riêng trong thời gian gần đây cũng đã có một số công trình nghiên cứu về vấn đề này,
trong đó có đề tài của TS Trần Gia Thái, nghiên cứu quy trình chế tạo chân vịt trên
máy CNC bằng khuôn đa năng để phù hợp với tình hình sản xuất đơn lẻ ở Việt Nam
và cũng từ đề tàinày chúng tôi mới thực hiện đề tài như đã nêu.
1.3. THỰC TRẠNG CÔNG TÁC CHẾ TẠO TRONG NƯỚC:
Quá trình chế tạo chân vịt bằngphương pháp thủ công dựa theo bản vẽ chân vịt
bắt đầu bằng việc đúc phôi trong khuôn gỗ hoặc khuôn cát với lượng dư gia công lớn,
không đồng đều, sau đó mới tiến hành gia công thô và gia công tinh các cánh chân vịt
bằng cách cắt định hình các cánh chân vịt và đo đạc cắt bỏ sơ bộ lượng dư gia công
trên mặt đẩy của cánh chân vịt trước, sau đó mới tiến hành tương tự trên mặt hút cánh.
Việc loại bỏ sơ bộ lượng dư trên bề mặt cánh bằng cách đục bằng tay nhờ hệ khí nén,
trước hết là đục các rãnh dọc theo đường tâm cánh ở độ sâu xác định theo dưỡng mẫu
sau đó tạo rãnh vòng theo các bán kính prôfin cho trên bản vẽ với độ sâu như rãnh dọc.
Nếu như lượng dư gia công nhỏ hơn hoặc bằng khoảng 5% so với chuẩn thì dùng lưỡi
đục mỏng và sắc đục từ mép cánh vào bên trong mayơ, có chú ý chiều sâu rãnh vòng.
Nếu lượng dư gia công lớn hơn 5%, thường đục rãnh dọc với khoảng cách giữa chúng
bằng khoảng (20 -25) mm, sau đó mới dùng đục mỏng để loại bỏ cho hết lượng dư.
Hầu hết công việc gia công thô, sơ bộ ban đầu này đều phải thực hiện một cách từ từ
và để lại lượng dư khoảng (0,5 -1) mm dành cho việc gia công cơ trên các máy khác.
Công đoạn gia công thô nói trên thường chiếm khoảng (60 -80) % toàn bộ thời gian
gia công hoàn chỉnh một chân vịt, do đó cần phải cải tiến công nghệ và khuôn đúc để
đảm bảo cho lượng dư gia công là ít nhất hoặc sử dụng các máy gia công hiện đại hơn.
Sau gia công thô, chân vịt được tiếp tục gia công trên những máy công cụ khác như
máy tiện, máy phay vạn năng v v , sau đó là nguyên công nguội và đánh bóng tay.
Đây là công đoạn mấtnhiều thời gian, công sứcnhất và phụ thuộc tay nghề công nhân.
Sau khi chế tạo, sử dụng dưỡng mẫu để kiểm tra bề dày prôfin cánh tại các bán kính r
và dùng tam giác bước để kiểm tra góc nghiêng cánh nên kết quả thường ít chính xác.
Chất lượng, độ chính xác mặt cánh chân vịt phụ thuộc nhiều vào tay nghề công nhân.
Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, ngành đóng tàu trên thế giới đã có
những bước tiến vượt bậc, nhất là trong lĩnh vực thiết kế và chế tạo chân vịt tàu thủy
đều đã áp dụng công nghệ gia công lập trình điều khiển số để chế tạo trên máy CNC.
Tuy nhiênnhư đã nói,công nghệ này có giá thành cao và thuộc bản quyền các công ty
nên cũng chưa được áp dụng rộng rãi.
1.4. MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU:
1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu:
Như đã nêu, mục tiêu đề tài là nghiên cứu xác địnhphương án gia công tối
ưu, nghĩalà đi xác định chế độ cắt tối ưu cho từng nguyên công trong quá trình gia
công, cơ sở để xây dựng toàn bộ quy trình gia công hợp lý chân vịt tàu trên máy phay
CNC.
1.4.2. Phương pháp và nội dung nghiên cứu:
Về mặt phương pháp, có thể giải quyết bài toán xác định chế độ cắt hợp lý
khi gia công trên máy CNC các chi tiết phức tạp nói chung và chân vịt tàu thủy nói
riêng bằng cách xây dựng các hàm mục tiêu và hàm ràng buộc cụ thể theo lý thuyết tối
ưu, sau đó giải bài toán này để xác định chế độ gia công hợp lý trong các điều kiện cụ
thể. Trong trường hợp này, hàm mục tiêu hay nói cách khác là chỉ tiêu tối ưu cần
hướng tới thường chính là thời gian gia công hay giá thành sản phẩm, còn các hàm
ràng buộc thường là các điều kiện gia công cần đạt về độ chính xác, độ bóng bề mặt
cánh v v Về nguyên tắc, các hàm mục tiêu và các hàm ràng buộc trong bài toán tối
ưu nói chung thường được xây dựng dựatrên cơ sở lý thuyết kết hợp với các số liệu
thực nghiệmtrong quá trình thực hiện gia công thực tế các chân vịt tàu thủy trên máy
phay CNC. Như vậy, để giải quyết được vấn đề này cần tiến hành nghiên cứu lý thuyết
chân vịt, đồng thời xây dựng phương án mô phỏng quá trình gia công ảo của chân vịt
tàu thủy trên máy CNC bằng các phần mềm CAD/CAM thông dụng nhằmmục tiêu
thiết lập hàm mục tiêu dưới dạng chỉ tiêu tối ưu về thời giangia công và giá thành sản
phẩm, sau đó mới đưa bài toán về dạng bài toán tối ưu hóa thông thường như đã biết
để giải, trên cơ sở đảm bảo thời gian và lượng dư gia công trong trường hợp cụ thể là
nhỏ nhất.
Như vậy, phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong đề tài này là sự kết
hợp giữa phương pháp suy diễn lý thuyết và phương pháp thực nghiệm giải quyết vấn
đề đặt ra, bắt đầu từ việc thu thập, phân tích và xử lý các số liệu thực nghiệm thống kê
cần thiết, cơ sở đưa ra các giải phápcụ thể và chế tạo thực nghiệm để kiểm chứng
phương án đó.
Từ các trình bày trên có thể tóm tắt các nội dung cần phảithực hiện trong đề
tài như sau:
1. Tính toán, thiết kế và vẽ mô hình 3D chân vịt tàu thủy trong môi trường CAD
thông dụng.
2. Mô phỏng quá trình gia công chân vịt bằng phần mềm CAM
3. Xây dựng hàm mục tiêu các thông số của chế độ cắt khi phaychân vịt.
4. Tối ưu hóa các bước công nghệ và chế độ cắt.
1.4.3. Giới hạn phạm vi nghiên cứu:
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, chúng tôi chỉ thực hiện đối với các chân
vịt theo mô hình seri B - Wagenninger, loại chân vịt hiện đang đượcáp dụng rất rộng
rãi trên các tàu đánh cá và trênmột số các loại tàu thông dụng khác hiện nay ở Việt
Nam. Sau đó,nếu có điều kiện sẽ mở rộng kết quả nghiên cứu cho các chân vịt đặc
biệt khác bằng giải pháp chép hình như chân vịt các tàu cao tốc, chân vịt tàu cánh
ngầm v v Đồng thời xuất phát từ điều kiện cụ thể của thực tế sản xuất hiện nay và
điều kiện hiện tại đề tài được tiến hành nghiên cứu thực hiện trong các điều kiện cụ thể
của Trường Đại học Nha Trang như sau :
- Máy gia công là máy phay CNC hiệu DMU 60 T.
- Vật liệu gia công là hợp kim đồng.
- Dụng cụ gia công là dao phay ngón, với lưỡi cắt mặt đầu kích thước  30mm và
dùng các mảnh cắt xoay với vật liệu APMT 103508 PDER phủ ACZ 350.
- Làm mát quá trình gia công bằng dung dịch trơn nguội Emunxi 4% phun trực tiếp
vào khuvực gia công.

Chương 2 - CƠ SỞLÝ THUYẾT
2.1.CƠ SỞLÝ THUYẾT CHÂN VỊTTÀU THỦY
2.1.1.Đặc điểm hình học cánh chân vịt tàu thủy
Chân vịt có cấu tạo gồm một số cánh gắn liền với moay ơ, gọi là may ơ chân
vịt. Các cánh chân vịt là một phần của mặt xoắn ốc nên khi nghiên cứu đặc điểm hình
học cánh chân vịt cần nghiên cứu đặc điểm hình học của đường xoắn ốc và mặt
xoắn ốc.
a)Đường xoắn ốc
Đường xoắn ốc là quỹ đạo chuyển động của một điểm A trên hình trụ bán
kính r, thực hiện cùng lúc hai chuyển động, chuyển động tịnh tiến dọc theo trục hình
trụ và chuyển động quay xung quanh trục hình trụ đó với vận tốc góc không đổi
(Hình 2.1).

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Đức Ân và các tác giả, Sổ tay kỹ thuật đóng tàu,Tập 1, Nhà xuất bản
Khoa học và kỹ thuật Hà nội, 1982
2. Võ Duy Bông và Nguyễn Xuân Mai, Giáo trình hướng dẫn thiết kế chân vịt
tàu thủy, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 1983.
3. Nguyễn Tiến Dũng, Kỹ năng lập trình Visual Basic 6, Nhàxuất bản thống kê,
1998
4. Nguyễn Đắc Lộc và các tác giả, Sổ tay công nghệ chế tạo máy, Tập 2, Nhà
xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội, 2005.
5. Nguyễn Hữu Lộc, Sử dụng Autocad thiết kế các mô hình 3 chiều, Nhà xuất
bản thành phố Hồ Chí Minh, 1998
6. Trần Công Nghị (2001), Tin học ứng dụng trong thiết kế và đóng tàu, Đại học
Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
7. Trần Công Nghị (2006), Thiết kế tàu thủy, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia
Thành phố Hồ Chí Minh.
8. Đặng Văn Nghìn và các tác giả, Các phương pháp gia công kim loại,Nhà xuất
bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2001
9. Trần Gia Thái, Cơ sở tự động hoá trong thiết kế tàuthủy, Tài liệu giảng dạy
Cao học Trwongf Đại học Nha trang
10. Trần Gia Thái, Nghiên cứu xây dựng quy trình chế tạo chân vịt tàu thủy bằng
khuôn đa năng trên máy phay CNC, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ trọng
điểm, Mã số B2007-13-29 TĐ
11. Nguyễn Thắng Thịnh, Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật: Nghiên cứu chế tạo mẫu
chân vịt tàu cá từ các thông số thiết kế trên máy phay CNC, 2006
12. Nguyễn Tiến, Đặng Xuân Hường và các tác giả, Giáo trình Visual Basic 6,
Nhà xuất bản giáo dục, 1998.
13. Bùi Minh Trí, Bài tập tối ưu hóa, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội,
2008