Luận văn: Nghiên cứu chế độ cắt, chi phí năng lượng và chất lượng bề mặt máy tiện LD 134.OE

Luận văn thạc sĩ phân tích nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố chế độ cắt đến chi phí năng lượng riêng và chất lượng bề mặt, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Tác giả: Trần Tuấn Anh
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Việt
• Trường học: Trường Đại học Lâm Nghiệp
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Máy Và Thiết Bị Cơ Giới Hoá Nông Lâm Nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố chế độ cắt đến chi phí năng lượng riêng và chất lượng bề mặt gia công trên máy tiện LD 134.OE
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• Lời cảm ơn
• Danh mục các chữ viết tắt
• Danh mục các bảng
• Danh mục các hình
• ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1. Chương 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tình hình nghiên cứu gia công cắt gọt bằng phương pháp tiện và máy tiện trên thế giới
• 1.2. Tình hình sử dụng và nghiên cứu máy tiện ở trong nước
• 1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của vấ n đề nghiên cứu
• 2. Chương 2: MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Mu ̣c tiêu nghiên cứu
• 2.2. Đố i tươ ̣ng, pha ̣m vi nghiên cứu
• 2.3. Nội dung/ nhiệm vụ nghiên cứu
• 2.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2.4.1. Các phương pháp nghiên cứu chung
• 2.4.2. Nội dung và phương pháp luận nghiên cứu thực nhiệm
• 3. Chương 3: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 3.1. Khả năng công nghệ và các thông số kỹ thuật của máy tiện LD 134
• 3.2. Động học và động lực học quá trình cắt
• 3.2.1. Động học của quá trình cắt
• 3.2.2. Động lực học của quá trình cắt
• 3.3. Chất lượng gia công
• 3.3.1. Chất lượng bề mặt gia công
• 3.3.2. Độ nhám bề mặt gia công
• 3.3.3. Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt gia công
• 3.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công
• 4. Chương 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
• 4.1. Mục tiêu thực nghiệm và các tham số điều khiển
• 4.1.1. Mục tiêu thực nghiệm
• 4.1.2. Các tham số điều khiển và khoảng giới hạn của chúng
• 4.2. Thiết bị đo và phương pháp đo
• 4.3. Kết quả thực nghiệm đơn yếu tố
• 4.3.1. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt
• 4.3.2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt
• 4.4. Kết quả thực nghiệm đa yếu tố
• 4.4.1. Xác định mô hình toán của hàm chi phí năng lượng riêng N r
• 4.4.2. Xác định mô hình toán của hàm độ nhám bề mặt Ra
• 4.4.3. Chuyển phương trình hồi quy của các hàm mục tiêu về dạng thực
• 4.4.4. Xác định giá trị tối ưu của các thông số V, S
• 4.5. Gia công chi tiết với các thông số tối ưu V, S
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan ảnh hưởng chế độ cắt đến chất lượng bề mặt

Chất lượng bề mặt gia công là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất đánh giá hiệu quả của quá trình sản xuất cơ khí. Nó không chỉ quyết định tính thẩm mỹ mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất làm việc, độ bền mỏi và khả năng chống ăn mòn của chi tiết. Trong gia công tiện, việc kiểm soát chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng quan trọng nhất là các thông số công nghệ cắt. Chế độ cắt, bao gồm ba yếu tố chính là tốc độ cắt (v), lượng chạy dao (s), và chiều sâu cắt (t), tạo ra một sự tương tác phức tạp giữa dao tiện và vật liệu gia công. Việc lựa chọn một chế độ cắt hợp lý không chỉ giúp đạt được độ nhám bề mặt mong muốn mà còn tối ưu hóa năng suất và giảm chi phí sản xuất. Theo nghiên cứu của Trần Tuấn Anh (2012), việc xác định chế độ cắt tối ưu cho từng nguyên công, thích ứng với điều kiện sản xuất cụ thể, là vấn đề mấu chốt để nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật. Một bề mặt có độ bóng bề mặt cao sẽ giảm ma sát, tăng tuổi thọ và đảm bảo độ chính xác gia công của sản phẩm cuối cùng. Ngược lại, một chế độ cắt không phù hợp có thể gây ra các sai hỏng bề mặt, tăng mòn dao, và lãng phí tài nguyên. Do đó, việc hiểu rõ và làm chủ mối quan hệ giữa chế độ cắt và chất lượng bề mặt là yêu cầu bắt buộc đối với kỹ sư và người vận hành máy.

1.1. Tầm quan trọng của chất lượng bề mặt gia công cơ khí

Chất lượng bề mặt không chỉ là một yếu tố thẩm mỹ. Nó là một chỉ tiêu kỹ thuật cốt lõi, quyết định các đặc tính chức năng của chi tiết máy. Một bề mặt có độ nhám bề mặt thấp và độ bóng bề mặt cao sẽ cải thiện khả năng chống mài mòn, tăng độ bền mỏi và nâng cao hiệu quả truyền nhiệt. Trong các mối ghép chính xác, chất lượng bề mặt ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và độ kín khít. Ví dụ, nghiên cứu chỉ ra rằng "độ bền của mối ghép giữa trục chính và bánh xe tàu hỏa có độ nhám 36,5 µm giảm 40% so với độ bền mối ghép có độ nhám 18 µm" (Trần Tuấn Anh, 2012). Điều này cho thấy việc kiểm soát chất lượng bề mặt gia công là yếu tố sống còn trong các ngành công nghiệp đòi hỏi độ tin cậy cao như hàng không, ô tô và chế tạo máy chính xác.

1.2. Các thông số công nghệ cắt quyết định độ nhám bề mặt

Các thông số công nghệ cắt là những biến số có thể điều khiển trực tiếp trong quá trình gia công kim loại. Ba thông số cơ bản bao gồm: tốc độ cắt (v), là vận tốc tương đối giữa lưỡi cắt và bề mặt phôi; lượng chạy dao (s), là quãng đường dao dịch chuyển sau một vòng quay của phôi; và chiều sâu cắt (t), là lớp vật liệu được loại bỏ trong một lần cắt. Mỗi thông số này đều có tác động riêng biệt và tương hỗ đến độ nhám bề mặt. Về lý thuyết, độ nhám bề mặt tỷ lệ thuận với bình phương của lượng chạy dao và tỷ lệ nghịch với bán kính mũi dao. Việc tối ưu hóa chế độ cắt chính là tìm ra sự kết hợp hoàn hảo giữa các thông số này để đạt được chất lượng bề mặt yêu cầu với hiệu suất cao nhất.

II. Thách thức khi kiểm soát chất lượng bề mặt máy tiện

Việc đạt được chất lượng bề mặt gia công ổn định và đồng nhất là một thách thức lớn. Quá trình cắt gọt kim loại không chỉ bị ảnh hưởng bởi các thông số cài đặt mà còn chịu tác động của nhiều hiện tượng vật lý phức tạp. Một trong những vấn đề phổ biến nhất là rung động khi cắt. Rung động phát sinh do sự thiếu độ cứng vững hệ thống công nghệ (máy – đồ gá – dao – chi tiết), gây ra các vết sóng và nhấp nhô trên bề mặt, làm tăng đáng kể độ nhám bề mặt. Bên cạnh đó, hiện tượng mòn dao và lẹo dao cũng là những nguyên nhân hàng đầu làm suy giảm chất lượng. Lẹo dao là hiện tượng vật liệu gia công bị dính vào mũi dao, tạo thành một lưỡi cắt phụ không ổn định, làm bề mặt trở nên thô ráp. Nhiệt cắt sinh ra trong quá trình gia công cũng là một yếu tố quan trọng. Nhiệt độ quá cao có thể làm thay đổi cơ tính của lớp bề mặt và đẩy nhanh quá trình mòn dao. Việc sử dụng dung dịch trơn nguội hiệu quả giúp giảm nhiệt, bôi trơn và cuốn trôi phoi, góp phần cải thiện bề mặt. Như vậy, để kiểm soát chất lượng, cần có một cách tiếp cận toàn diện, không chỉ điều chỉnh chế độ cắt mà còn phải quản lý các yếu tố động lực học và nhiệt học của quá trình.

2.1. Hiện tượng rung động và mòn dao trong gia công tiện

Rung động khi cắt là kẻ thù của độ chính xác gia công và chất lượng bề mặt. Nó tạo ra các vết nhấp nhô tuần hoàn, được gọi là độ sóng, làm giảm độ bóng bề mặt. Nguyên nhân có thể do độ cứng vững hệ thống công nghệ kém, dao quá dài, hoặc chế độ cắt không phù hợp. Song song đó, mòn dao là quá trình không thể tránh khỏi, làm thay đổi thông số hình học của dao, đặc biệt là bán kính mũi dao. Khi dao mòn, lực cắt tăng lên, nhiệt độ tăng cao, và bề mặt gia công trở nên xấu đi. Việc giám sát và thay dao kịp thời là rất quan trọng để duy trì chất lượng ổn định.

2.2. Lỗi lẹo dao và ảnh hưởng tiêu cực đến độ bóng bề mặt

Lẹo dao (Built-up Edge - BUE) là hiện tượng một phần vật liệu phoi bị hàn dính vào mặt trước của dao tiện dưới tác động của áp suất và nhiệt độ cao. Lớp lẹo dao này rất cứng nhưng không ổn định, nó liên tục hình thành và bong ra, kéo theo các mảnh vỡ từ bề mặt chi tiết, tạo ra một bề mặt cực kỳ thô ráp và không đồng đều. Hiện tượng này thường xảy ra ở tốc độ cắt (v) thấp và khi gia công các vật liệu dẻo như nhôm hoặc thép C45. Tăng tốc độ cắt hoặc sử dụng dung dịch trơn nguội có khả năng bôi trơn tốt là các biện pháp hiệu quả để hạn chế lẹo dao.

2.3. Tác động của nhiệt cắt và dung dịch trơn nguội

Nhiệt cắt sinh ra từ ma sát và biến dạng dẻo của vật liệu. Lượng nhiệt này nếu không được kiểm soát sẽ làm mềm mũi dao, tăng tốc độ mòn dao và có thể gây ra biến cứng lớp bề mặt chi tiết. Dung dịch trơn nguội đóng vai trò kép: làm mát để giảm nhiệt độ và bôi trơn để giảm ma sát giữa dao, phoi và chi tiết. Việc lựa chọn loại dung dịch, phương pháp tưới và lưu lượng phù hợp có ảnh hưởng quyết định đến cả tuổi thọ dao và chất lượng bề mặt gia công. Một hệ thống làm mát hiệu quả giúp ổn định quá trình cắt, hạn chế các hiện tượng bất lợi và cho phép áp dụng chế độ cắt năng suất cao hơn.

III. Cách tối ưu tốc độ cắt v để cải thiện bề mặt

Tốc độ cắt (v) là một trong những thông số có ảnh hưởng phức tạp nhất đến chất lượng bề mặt gia công. Mối quan hệ giữa tốc độ cắt và độ nhám bề mặt không phải là một đường thẳng. Ở tốc độ thấp, hiện tượng lẹo dao thường xảy ra, làm cho bề mặt trở nên rất thô. Khi tăng dần tốc độ cắt, lẹo dao giảm dần và biến mất, giúp bề mặt trở nên mịn hơn. Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng tốc độ cắt đến một ngưỡng quá cao, rung động khi cắt có thể xuất hiện do hệ thống không đủ cứng vững, đồng thời nhiệt độ tăng cao làm dao mòn nhanh, dẫn đến chất lượng bề mặt lại suy giảm. Do đó, tồn tại một khoảng tốc độ cắt tối ưu mà tại đó độ nhám bề mặt đạt giá trị nhỏ nhất. Nghiên cứu thực nghiệm của Trần Tuấn Anh (2012) khi gia công thép C45 trên máy tiện LD 134.OE đã chỉ ra quy luật này. Cụ thể, đồ thị thực nghiệm cho thấy khi tăng vận tốc cắt từ 30 m/phút đến khoảng 60 m/phút, độ nhám Ra giảm đáng kể. Sau đó, khi tăng tốc độ lên cao hơn, độ nhám có xu hướng ổn định và tăng nhẹ. Việc xác định dải tốc độ tối ưu này là chìa khóa để tối ưu hóa chế độ cắt cho từng loại vật liệu gia công và điều kiện máy móc cụ thể.

3.1. Mối quan hệ giữa tốc độ cắt và độ nhám bề mặt Ra

Mối quan hệ này có dạng parabol. Ban đầu, tăng tốc độ cắt (v) giúp cải thiện độ nhám bề mặt Ra do hạn chế được sự hình thành của lẹo dao. Quá trình cắt trở nên ổn định hơn, phoi thoát dễ dàng, và bề mặt mịn hơn. Đạt đến một điểm tối ưu, độ nhám là thấp nhất. Tuy nhiên, vượt qua điểm này, các yếu tố tiêu cực bắt đầu chiếm ưu thế. Nhiệt cắt tăng cao làm dao mòn nhanh, và rung động khi cắt có thể xuất hiện, đặc biệt trên các hệ thống máy có độ cứng vững hệ thống công nghệ không cao. Kết quả là bề mặt lại trở nên thô ráp hơn. Vì vậy, việc lựa chọn tốc độ cắt phải dựa trên thực nghiệm hoặc các mô hình đã được kiểm chứng.

3.2. Xác định dải tốc độ cắt lý tưởng cho vật liệu thép C45

Đối với vật liệu gia công phổ biến như thép C45, việc tìm ra dải tốc độ cắt lý tưởng là rất quan trọng. Dựa trên các kết quả nghiên cứu thực nghiệm, dải tốc độ này thường nằm trong một khoảng nhất định. Theo tài liệu của Trần Tuấn Anh (2012), "Đồ thị ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt" (Hình 4.2) cho thấy đối với thép C45, vùng tốc độ cắt tối ưu để đạt độ nhám Ra thấp nhất là khoảng 50-70 m/phút trên máy tiện LD 134.OE. Việc vận hành trong dải tốc độ này không chỉ đảm bảo độ bóng bề mặt tốt mà còn giúp cân bằng giữa năng suất và tuổi thọ dao tiện.

IV. Bí quyết điều chỉnh lượng chạy dao s và chiều sâu cắt

Không giống như tốc độ cắt, ảnh hưởng của lượng chạy dao (s) đến độ nhám bề mặt mang tính lý thuyết và dễ dự đoán hơn. Về mặt hình học, độ nhám bề mặt (Ra) tỷ lệ thuận với bình phương của lượng chạy dao và tỷ lệ nghịch với bán kính mũi dao. Công thức lý thuyết cơ bản là Ra ≈ s² / (8r). Điều này có nghĩa là để có bề mặt mịn, cần giảm lượng chạy dao và/hoặc tăng bán kính mũi dao. Tuy nhiên, giảm lượng chạy dao sẽ làm giảm năng suất đáng kể. Do đó, thách thức nằm ở việc cân bằng giữa chất lượng và thời gian gia công. Nghiên cứu của Trần Tuấn Anh (2012) đã khẳng định mạnh mẽ mối quan hệ này. "Đồ thị ảnh hưởng của lượng chạy dao S đến độ nhám bề mặt Ra" (Hình 4.4) cho thấy một sự gia tăng gần như tuyến tính của Ra khi S tăng. Trong khi đó, chiều sâu cắt (t) có ảnh hưởng gián tiếp hơn đến bề mặt. Ở mức độ vừa phải, nó ít tác động đến độ nhám. Nhưng nếu chiều sâu cắt quá lớn, nó sẽ làm tăng lực cắt, gây ra rung động khi cắt và làm biến dạng chi tiết, đặc biệt với các chi tiết mỏng, dài, từ đó làm giảm độ chính xác gia công và chất lượng bề mặt.

4.1. Phân tích ảnh hưởng của lượng chạy dao đến độ nhẵn bóng

Lượng chạy dao (s) là thông số quyết định trực tiếp đến hình dạng nhấp nhô tế vi trên bề mặt gia công. Mỗi vòng quay của phôi, mũi dao sẽ để lại một vết cắt, và khoảng cách giữa các đỉnh vết cắt này chính là lượng chạy dao. Do đó, giảm lượng chạy dao là cách trực tiếp và hiệu quả nhất để cải thiện độ bóng bề mặt. Tuy nhiên, việc này làm tăng thời gian gia công. Trong thực tế, người ta thường chọn lượng chạy dao lớn nhất có thể mà vẫn đáp ứng yêu cầu về độ nhám để tối ưu hóa năng suất.

4.2. Vai trò của chiều sâu cắt và độ cứng vững hệ thống

Chiều sâu cắt (t) chủ yếu ảnh hưởng đến năng suất bóc tách vật liệu. Tuy nhiên, nó cũng là yếu tố chính tạo ra lực cắt. Lực cắt lớn đòi hỏi một độ cứng vững hệ thống công nghệ cao để tránh biến dạng và rung động. Khi gia công thô, người ta thường chọn t lớn để loại bỏ vật liệu nhanh chóng. Nhưng khi gia công tinh, chiều sâu cắt được giảm xuống để giảm lực cắt, ổn định quá trình và đảm bảo chất lượng bề mặt gia công cuối cùng. Nếu hệ thống không đủ cứng vững, việc chọn chiều sâu cắt lớn có thể gây ra sai số kích thước và bề mặt gợn sóng.

4.3. Tương quan giữa bán kính mũi dao và lượng chạy dao

Bán kính mũi dao (r) và lượng chạy dao (s) có mối quan hệ tương quan nghịch đảo trong việc hình thành độ nhám bề mặt. Một bán kính mũi dao lớn hơn sẽ "là phẳng" các đỉnh nhấp nhô tốt hơn, tạo ra bề mặt mịn hơn với cùng một lượng chạy dao. Đây là lý do tại sao các dao gia công tinh thường có bán kính mũi lớn (ví dụ: r = 0.8 mm hoặc 1.2 mm), trong khi dao gia công thô có thể có bán kính nhỏ hơn. Việc lựa chọn dao có thông số hình học của dao phù hợp với lượng chạy dao dự kiến là một phần quan trọng của việc tối ưu hóa chế độ cắt.

V. Kết quả tối ưu hóa chế độ cắt trên máy tiện LD 134

Nghiên cứu thực nghiệm đóng vai trò quyết định trong việc xác định chế độ cắt tối ưu cho một điều kiện sản xuất cụ thể. Công trình của Trần Tuấn Anh (2012) đã tiến hành các thí nghiệm đa yếu tố trên máy tiện LD 134.OE với vật liệu gia công là thép C45 để xây dựng mô hình toán học mô tả ảnh hưởng của tốc độ cắt (v) và lượng chạy dao (s) đến độ nhám bề mặt Ra. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm và phân tích hồi quy, nghiên cứu đã thiết lập được một phương trình mô tả mối quan hệ giữa các yếu tố đầu vào và chất lượng bề mặt đầu ra. Mô hình này không chỉ xác nhận các quy luật lý thuyết mà còn định lượng hóa mức độ ảnh hưởng của từng thông số. Chẳng hạn, kết quả cho thấy lượng chạy dao (s) có tác động mạnh và trực tiếp hơn đến Ra so với tốc độ cắt (v). Mô hình toán học này là một công cụ mạnh mẽ, cho phép dự đoán chất lượng bề mặt gia công trước khi thực hiện, từ đó giúp lựa chọn các thông số tối ưu mà không cần phải thử nghiệm tốn kém. Việc ứng dụng các mô hình này vào thực tiễn sản xuất, đặc biệt trong môi trường tiện CNC, sẽ giúp tự động hóa quá trình chuẩn bị công nghệ, nâng cao năng suất và đảm bảo chất lượng sản phẩm một cách ổn định.

5.1. Xây dựng mô hình toán học dự báo độ nhám bề mặt Ra

Mô hình toán học là kết quả của việc xử lý dữ liệu thực nghiệm, thường có dạng một phương trình hồi quy bậc hai. Phương trình này biểu diễn độ nhám bề mặt Ra như một hàm của tốc độ cắt (v) và lượng chạy dao (s), ví dụ: Ra = f(v, s) = b₀ + b₁v + b₂s + b₁₂vs + b₁₁v² + b₂₂s². Các hệ số bᵢ được xác định từ dữ liệu thí nghiệm. Mô hình này cho phép "nhìn thấy" bề mặt đáp ứng đa chiều, giúp tìm ra điểm cực tiểu (độ nhám thấp nhất) trong vùng khảo sát. Đây là cơ sở khoa học cho việc tối ưu hóa chế độ cắt.

5.2. Ứng dụng thực tiễn trong gia công chi tiết trục thép C45

Trong thực tế, mô hình dự báo được sử dụng để lập bảng tra cứu hoặc tích hợp vào phần mềm điều khiển tiện CNC. Khi cần gia công một chi tiết trục thép C45 với yêu cầu độ nhám cụ thể, kỹ sư có thể sử dụng mô hình để tìm ra tổ hợp (v, s) tối ưu. Ví dụ, để đạt Ra < 1.6 µm, mô hình có thể chỉ ra rằng cần vận hành ở tốc độ cắt 65 m/phút và lượng chạy dao 0.1 mm/vòng. Việc này giúp giảm thời gian thiết lập, tránh phế phẩm và đảm bảo độ chính xác gia công một cách nhất quán, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất.

VI. Hướng đi mới trong tối ưu chất lượng bề mặt gia công

Việc tối ưu hóa chế độ cắt để cải thiện chất lượng bề mặt gia công là một quá trình liên tục phát triển. Tổng kết lại, các yếu tố then chốt bao gồm việc lựa chọn một cặp thông số tốc độ cắt (v) và lượng chạy dao (s) nằm trong vùng tối ưu, kết hợp với chiều sâu cắt (t) phù hợp với độ cứng vững hệ thống công nghệ. Bên cạnh đó, các yếu tố khác như thông số hình học của dao (đặc biệt là bán kính mũi dao), việc sử dụng hiệu quả dung dịch trơn nguội, và kiểm soát rung động khi cắt cũng đóng vai trò không thể thiếu. Trong tương lai, xu hướng tối ưu hóa sẽ dịch chuyển sang các hệ thống thông minh và tự động hóa. Các máy tiện CNC hiện đại đang dần được trang bị các cảm biến để theo dõi lực cắt, rung động, và nhiệt độ trong thời gian thực. Dữ liệu này, khi kết hợp với các mô hình dự báo và trí tuệ nhân tạo (AI), sẽ cho phép hệ thống tự động điều chỉnh chế độ cắt để duy trì chất lượng bề mặt ổn định bất chấp các biến động như mòn dao. Hướng đi này hứa hẹn sẽ tạo ra một cuộc cách mạng trong gia công kim loại, mang lại độ chính xác và hiệu quả vượt trội so với các phương pháp truyền thống.

6.1. Tổng kết các yếu tố then chốt ảnh hưởng chế độ cắt

Để đạt được chất lượng bề mặt gia công tối ưu, cần có một sự cân bằng hài hòa giữa nhiều yếu tố. Tóm lại, các yếu tố chính bao gồm: 1) Thông số công nghệ cắt: chọn v, s, t trong dải tối ưu. 2) Dụng cụ cắt: chọn dao tiện có vật liệu và thông số hình học của dao phù hợp. 3) Hệ thống công nghệ: đảm bảo độ cứng vững cao để giảm thiểu rung động. 4) Điều kiện gia công: sử dụng dung dịch trơn nguội hiệu quả và kiểm soát nhiệt cắt. Sự phối hợp nhịp nhàng của các yếu tố này là chìa khóa thành công.

6.2. Triển vọng áp dụng trên các hệ thống tiện CNC hiện đại

Tương lai của việc kiểm soát chất lượng bề mặt nằm ở các hệ thống tiện CNC thông minh. Các hệ thống này có khả năng giám sát quá trình cắt theo thời gian thực (real-time monitoring) thông qua cảm biến. Dữ liệu về lực, rung động, âm thanh phát ra sẽ được phân tích bởi các thuật toán AI để phát hiện sớm các hiện tượng bất thường như mòn dao hay lẹo dao. Dựa trên đó, hệ thống có thể tự động điều chỉnh tốc độ cắt và lượng chạy dao (adaptive control) để duy trì độ nhám bề mặt mong muốn. Công nghệ này sẽ giúp loại bỏ sự phụ thuộc vào kinh nghiệm của người vận hành, đồng thời đẩy năng suất và chất lượng lên một tầm cao mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tình hình nghiên cứu gia công cắt gọt bằng phương pháp tiện và máy tiện trên thế giới Tiện là phương pháp gia công cắt gọt được thực hiện nhờ chuyển động chính thông thường do phôi quay tròn tạo thành chuyển động cắt V c kết hợp với chuyển động tiến dao là tổng hợp của hai chuyển động tiến dao dọc S d và tiến dao ngang Sng do dao thực hiện. Theo nguyên liệu và sản phẩm được gia công có thể phân ra gia công cơ khí và gia công vật liệu phi kim. Gia công tiện cơ khí là quá trình gia công kim loại bằng cơ học - một trong những quá trình chế tạo sản phẩm thông dụng nhất của ngành chế ta ̣o máy.

Cùng với sự phát triển của gia công kim loại bằng cơ học, lý thuyết cắt gọt kim loại đã ra đời và phát triển không ngừng. Nhiều công trình khoa học trong việc xây dựng và phát triển lý thuyết cắt gọt kim loại phải kể đến các nhà bác học Xô Viết (Liên Xô cũ) như giáo sư viện sĩ V. Philonenko, Iacốp Bachisep, Paven Dakhaba, Lép Sôbakin, các nhà bác ho ̣c Mỹ như Boston O.,… Lý thuyết cắt gọt kim loa ̣i đi sâu nghiên cứu về quá trình tạo phoi, các lực phát sinh trong quá trình gia công bằng cơ giới, công suất của thiết bị, chất lượng sản phẩm khi gia công… những đại lượng này rất cần thiết, chúng làm cơ sở cho việc lựa chọn hình dáng, tính toán kích thước của các công cụ cắt, tính toán thiết kế và sử dụng hợp lý các thiết bị và các công cụ gia công. Nhiều công trình đi sâu nghiên cứu cắt gọt chuyên dùng như: phay, tiện của G.

Bobrov; cơ sở lý thuyết mài nhẵn của E. Maclov…đã đưa ra những phân tích cụ thể về động học các quá trình cắt gọt. Đó là những công trình lớn bao gồm các vấn đề về lý thuyết và những 4 kinh nghiệm thực tế trong gia công kim loại mà trên thế giới lúc đó ít có công trình nghiên cứu tương tự nào ra đời. Nghiên cứu quá trình cắt vật theo hướng kết hợp lý thuyết và thực nghiệm đã được các nhà khoa học trên thế giới tiến hành như: M.

với những kết luận quan trọng về các sơ đồ cắt động học, sự tạo phoi, các yếu tố ảnh hưởng tới lực cắt. Vào thập kỷ 70 của thế kỷ XX, lý thuyết cắt gọt kim loa ̣i ngày càng được hoàn chỉnh với những công trình nghiên cứu mới về các lực phát sinh trong quá trình gia công kim loại bằng cơ học được nghiên cứu đầy đủ hơn và chính xác hơn về những cơ sở vật lý của quá trình cắt, hiện tượng nhiệt trong quá trình cắt. Lực cắt đơn vị và các qui luật của lực cắt được xác định thông qua công thức lý thuyết [5, 15, 31, 42, 47]. Chế độ cắt được đặc trưng bởi ba thông số: vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt.

Chế độ cắt ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng gia công, tiêu hao năng lượng và năng suất các máy. Nhiều công trình của các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến lực cắt, sự hao mòn của công cụ cắt, rung động của hệ thống công nghệ “ Máy - Dao cắt - Đồ gá - Chi tiết gia công” cũng như các hiện tượng lý - hóa xảy ra trong vùng cắt. Điển hình là công trình của nhà bác học Nga Granôpxki về phân nhóm các sơ đồ cắt động học, công trình của Zorev N. về các lực cắt trên các bộ phận của dao cắt, các công trình của các nhà khoa học Đức Kronenberg, Friedrich, Hippler… về các qui luật cơ bản của lực cắt, các công trình lý thuyết và thực nghiệm của các nhà khoa học Sokolovski, Kasirin, Tlusty, Tolias, Bhattacharya … đã đi sâu và chính xác hóa nhận thức về nguyên lý và qui luật tự rung khi gia công, hay các công trình của các nhà 5 khoa học Ostermann, Laladze, Malkin, Smith về phương pháp giải tích của trường nhiệt độ trong dụng cụ cắt, phoi và chi tiết gia công.

Trong lĩnh vực gia công vật liệu phi kim loại mà điển hình là vật liệu gỗ với đặc tính phức tạp (không đồng nhất và bất đẳng hướng) đã có nhiều công trình nổi tiếng về khoa học cắt gọt gỗ, vật liệu từ gỗ. Năm 1870, tỷ suất lực cắt lần đầu tiên được giáo sư tiến sĩ I. Time xác định cho các trường hợp cắt đơn giản bằng phương pháp thực nghiệm [17, 22, 37]. Đesevôi đã tổng hợp và xây dựng hoàn chỉnh lý thuyết cắt gọt gỗ.

Năm 1939, ông cho ra đời cuốn sách “Kỹ thuật gia công gỗ”, đó là một công trình lớn bao gồm các vấn đề về lý thuyết và những kinh nghiệm thực tế trong gia công gỗ mà trên thế giới lúc đó chưa có công trình nghiên cứu tương tự nào ra đời [17]. Tỷ suất lực cắt và theo đó tính toán lực cắt, công suất cắt, công suất đẩy khi tiện gỗ gỗ đã được giáo sư tiến sĩ A. Bersatski xác định bằng công thức thực nghiệm. Nghiên cứu quá trình cắt gỗ theo hướng kết hợp lý thuyết và thực nghiệm đã được các nhà khoa học Mỹ tiến hành như C.

Fraz [37], với những kết luận quan trọng về sự tạo phoi, các yếu tố ảnh hưởng tới lực cắt, chất lượng gia công.Buglai đã nghiên cứu độ nhẵn phần lớn các dạng gia công gỗ. Theo khả năng của máy, dao cắt và theo yêu cầu của các khâu công nghệ. Ông đã phân thành 10 cấp độ nhẵn bề mặt gia công, độ nhẵn cao nhất có thể đạt là 16 m và thấp nhất là 1600 m [17,25]. Nguyên lý cấu tạo, tính năng công nghệ của các máy công cụ, máy cắt kim loại nói chung, các máy gia công tiêṇ nói riêng đã đươ ̣c các nhà khoa ho ̣c nghiên cứu từ khá sớm.

Năm 1712 ông Nartôp, một thợ cơ khí người Nga [6,28]. đã chế tạo được máy tiện chép hình để tiện các chi tiết định hình. Việc chép hình theo mẫu được thực hiện tự động. Chuyển động dọc của bàn dao do 6 bánh răng - thanh răng thực hiện.

Cho đến năm 1798 (86 năm sau) ông Henry Nandsley người Anh mới nghiên cứu thay thế chuyển động này bằng chuyển động của vit me - đai ốc. Năm 1873 Spender đã chế tạo được máy tiện tự động có ổ tiếp phôi và trục phân phối mang các cam. Năm 1880 nhiều hãng trên thế giới như Pittler Ludnig Low (Đức), RSK (Anh) đã chế tạo được máy tiện rơvônve dùng phôi thép thanh. Nghiên cứu về máy và thiết bị cắt kim loại, vật liệu phi kim loại các nhà khoa học Spirindonov A.

,… [5,18, 20, 41, 42, 48] đã chỉ rõ chất lượng gia công bao gồm chất lượng bề mặt gia công và độ chính xác gia công là những chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng máy và thiết bị, biểu thị sự hoàn thiện kỹ thuật trong việc sử dụng chúng để tạo ra các sản phẩm. Chất lượng gia công phụ thuộc vào nhiều yếu tố, với từng điều kiện sản xuất cụ thể sẽ có các chỉ tiêu đánh giá định lượng thông qua những biểu thức toán học miêu tả sự tác động tương hỗ của những yếu tố ảnh hưởng tới chúng. Nhằm không ngừng nâng cao khả năng làm việc của các công cụ cắt, nhiều công trình đã đi sâu nghiên cứu động học, động lực học quá trình gia công. Điển hình là các công trình của G.

Công nghệ và thiết bị sản xuất gia công các loại vật liệu phục vụ sản xuất đã được các nước phát triển trên thế giới như Nga, Mỹ, Đức, Nhâ ̣t, Thuỵ Điển, Úc…nghiên cứu sâu rộng với các dây chuyền sản xuất hiện đại [6, 28]. Nhiều hãng nổi tiếng như: MAC (Đức) sản xuất các loại máy tiện CNC mã hiệu CJK1640 (hình 1.1) với khả năng gia công linh hoạt, đường kính chi tiết gia công có thể tới 410 mm, chiều dài chi tiết 800mm, dải vận tốc vô cấp 8 – 2000 rpm; Hãng Fanuuc (Mỹ) chế tạo các máy tiện, khoan liên hợp mã hiệu PDL-T6/8 (hình 1.2), máy có thiết kế hiện đại, đặc biệt cho phép gia công nhiều chủng loại sản phẩm tinh xảo, vận 7 hành an toàn, tiếng ồn nhỏ, năng suất cao và vận hành dễ dàng hơn, bộ điều khiển FAGOR có giao diện thân thiện sử dụng ngôn ngữ ISO cùng với hệ thống Simulation hiện đại, dễ hiểu, độ an toàn đáng tin cậy, cổng truyền Pro RS-232 thích ứng với Windows 98/ 2000/ XP; Hãng Hyundai (Hàn quốc) đã thiết kế, chế tạo Hình 1. Máy tiện CNC CJK1640 Hình 1. Máy tiện CNC PDL-T6/8 8 Hình 1.

Trung tâm gia công tiện CNC- HYUNDAI Trung tâm gia công tiện CNC- HYUNDAI WIA (hình 1.3), trung tâm với 10 dao, vận tốc trục chính đạt 3000 rpm, đường kính tiện 410mm, chiều dài tiện đạt tới 1070 mm, quá trình gia công với điều khiển chương trình tối ưu. Do tiến bộ của khoa học - công nghệ, các trang thiết bị dùng cho quá trình gia công cắt gọt ngày càng hiện đại dẫn tới vốn đầu tư cho sản xuất ngày càng tăng. Nếu chế độ công nghệ không hợp lý sẽ không khai thác hết khả năng của thiết bị, gây lãng phí lớn và hiệu quả thu được sẽ không đủ bù cho chi phí sản xuất đặc biệt là khấu hao thiết bị. Vì vậy, một trong những vấn đề mấu chốt cần giải quyết để giảm chi phí gia công là phải nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu cho từng nguyên công ứng với các điều kiện gia công cụ thể để cung cấp dữ liệu cho việc chuẩn bị công nghệ.

Vấn đề mô hình hóa và tối ưu hóa quá trình công nghệ gia công cùng với những phương pháp luận hiện đại, nghiên cứu cắt gọt kim loại đã được các nhà khoa học, giáo sư C. Klocke, … tập trung nghiên cứu và phát triể n mở rô ̣ng với nhiều công trình nổi tiếng về tối ưu hóa các quá trình gia công cắt gọt [1, 5, 34]. 9 Chế độ cắt gọt - tổ hợp của 3 thông số cơ bản vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt là một trong những vấn đề có tầm quan trọng, đặc biệt là trong nghiên cứu sử dụng thiết bị công nghệ. Chế độ cắt hợp lý đã góp phần quyết định đến chất lượng và năng suất gia công.

Tối ưu hóa quá trình cắt gọt được nghiên cứu và phát triển rất mạnh ở các nước công nghiệp tiên tiến như Đức, Mỹ, Nhật, Nga, Pháp, Thuỵ Sĩ, Pháp,.