Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành kỹ thuật cơ khí, gia công tiện là một trong những nguyên công cơ bản và phổ biến nhất, đóng vai trò quan trọng trong sản xuất hàng loạt các chi tiết máy. Theo ước tính, chi phí liên quan đến việc sử dụng chất lỏng cắt trong gia công có thể chiếm từ 16% đến 30% tổng chi phí sản xuất, đặc biệt với các vật liệu khó gia công. Do đó, việc cải tiến quy trình gia công nhằm giảm thiểu chi phí và tác động môi trường là rất cần thiết. Tiện siêu âm, một công nghệ gia công mới, đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới nhằm giảm lực cắt, nhiệt độ vùng cắt và cải thiện chất lượng bề mặt sản phẩm.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ như chiều sâu cắt, vận tốc cắt và tốc độ tiến dao đến chất lượng bề mặt sản phẩm trong quá trình tiện siêu âm. Nghiên cứu được thực hiện trên máy tiện TUDA-MYLER với phôi thép C45 và SKD11 đã qua nhiệt luyện, kết hợp mô phỏng phần tử hữu hạn bằng phần mềm ABAQUS để phân tích lực cắt và độ nhám bề mặt. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các điều kiện cắt khác nhau nhằm xác định thông số tối ưu cho quá trình tiện siêu âm.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện rõ qua việc giảm nhiệt độ vùng cắt đến 48%, giảm lực cắt từ 30-50% và cải thiện độ nhám bề mặt hơn 40% so với phương pháp tiện truyền thống. Kết quả này không chỉ góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn giảm thiểu chi phí và tác động môi trường, đồng thời mở ra hướng ứng dụng rộng rãi công nghệ tiện siêu âm tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết gia công tiện truyền thống và lý thuyết tiện có hỗ trợ rung siêu âm (Ultrasonically Assisted Turning - UAT).

  • Lý thuyết gia công tiện truyền thống tập trung vào các thông số cơ bản như tốc độ cắt, bước tiến dao, chiều sâu cắt và ảnh hưởng của chúng đến lực cắt, nhiệt độ vùng cắt và độ nhám bề mặt. Các công thức tính lực cắt dựa trên hệ số năng lượng cắt, chiều sâu cắt và bước tiến dao được sử dụng để phân tích.

  • Lý thuyết tiện siêu âm mô tả quá trình rung động tần số cao (khoảng 20 kHz) được truyền vào dụng cụ cắt, tạo ra các tác động dao động nhỏ giúp giảm lực cắt và nhiệt độ vùng gia công. Mô hình phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM) được áp dụng để mô phỏng sự phân bố ứng suất, nhiệt độ và lực cắt trong quá trình gia công.

Các khái niệm chính bao gồm: độ nhám bề mặt (Ra, Rz), lực cắt chính, nhiệt độ vùng cắt, biên độ và tần số rung siêu âm, cũng như các thông số công nghệ như vận tốc cắt, tốc độ tiến dao và chiều sâu cắt.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp thực nghiệm và mô phỏng số:

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quá trình tiện siêu âm trên máy tiện TUDA-MYLER với phôi thép C45 và SKD11 đã qua nhiệt luyện. Các thông số công nghệ được biến đổi gồm chiều sâu cắt (0,15 - 0,45 mm), vận tốc cắt và tốc độ tiến dao. Độ nhám bề mặt được đo bằng thiết bị chuyên dụng, lực cắt và nhiệt độ vùng cắt được ghi nhận qua cảm biến.

  • Phương pháp phân tích: Mô phỏng phần tử hữu hạn 2D trực giao được thực hiện bằng phần mềm ABAQUS để phân tích lực cắt, ứng suất và nhiệt độ trong quá trình gia công. Phân tích thống kê và quy hoạch thực nghiệm được áp dụng để đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 9/2022 đến tháng 6/2023, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, mô phỏng, thực nghiệm và phân tích kết quả.

Cỡ mẫu thực nghiệm được thiết kế phù hợp với các cấp độ thông số nhằm đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả. Phương pháp chọn mẫu dựa trên quy hoạch thực nghiệm có kiểm soát để tối ưu hóa các thông số.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm lực cắt đáng kể: Tiện siêu âm giảm lực cắt trung bình từ 30% đến 50% so với tiện truyền thống, đặc biệt ở các mức chiều sâu cắt và vận tốc cắt khác nhau. Ví dụ, tại chiều sâu cắt 0,25 mm, lực cắt giảm khoảng 40% so với phương pháp thông thường.

  2. Cải thiện độ nhám bề mặt: Độ nhám bề mặt (Ra) giảm trung bình hơn 40% khi sử dụng tiện siêu âm. Ở vận tốc tiến dao 0,111 mm/vòng và tốc độ quay 110 vòng/phút, độ nhám giảm tối đa đến 55,37%.

  3. Giảm nhiệt độ vùng cắt: Nhiệt độ vùng cắt giảm khoảng 25% đến 48% so với tiện truyền thống, giúp giảm mài mòn dụng cụ và tăng tuổi thọ máy móc.

  4. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ: Chiều sâu cắt và vận tốc tiến dao có ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt và lực cắt. Tiện siêu âm làm giảm sự ảnh hưởng tiêu cực của vận tốc tiến dao lên độ nhám bề mặt, giúp duy trì chất lượng bề mặt ổn định hơn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm lực cắt và nhiệt độ vùng cắt là do cơ chế tiếp xúc không liên tục giữa dao và phôi trong quá trình rung siêu âm, làm giảm ma sát và nhiệt sinh ra. Mô hình phần tử hữu hạn cho thấy ứng suất và nhiệt độ phân bố đồng đều hơn, giảm tập trung nhiệt tại vùng cắt.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với báo cáo của nhóm tác giả Teimouri và Feng Jiao, khẳng định hiệu quả của rung siêu âm trong giảm lực cắt và cải thiện độ nhám bề mặt. Việc giảm nhiệt độ cũng góp phần làm giảm ứng suất dư trên bề mặt phôi, tăng độ bền và độ chính xác của chi tiết gia công.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh lực cắt và độ nhám bề mặt giữa tiện truyền thống và tiện siêu âm ở các mức thông số khác nhau, cũng như bảng phân tích nhiệt độ vùng cắt. Các biểu đồ này minh họa rõ ràng sự ưu việt của phương pháp tiện siêu âm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng tiện siêu âm trong gia công kim loại khó: Khuyến nghị các doanh nghiệp sản xuất sử dụng phương pháp tiện siêu âm cho các vật liệu khó gia công như thép SKD11 để giảm lực cắt và cải thiện chất lượng bề mặt, dự kiến triển khai trong vòng 12 tháng.

  2. Đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ tiện siêu âm và vận hành máy tiện TUDA-MYLER, nhằm nâng cao năng lực vận hành và bảo trì thiết bị, thực hiện trong 6 tháng đầu năm.

  3. Đầu tư trang thiết bị hỗ trợ: Khuyến khích đầu tư bộ chuyển đổi siêu âm và thiết bị đo lường hiện đại để kiểm soát chính xác các thông số rung động, đảm bảo hiệu quả gia công tối ưu, kế hoạch đầu tư trong 18 tháng tới.

  4. Nghiên cứu mở rộng và tối ưu hóa thông số: Tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi vật liệu và điều kiện gia công, đồng thời tối ưu hóa các thông số công nghệ dựa trên mô hình phần tử hữu hạn và thực nghiệm, thực hiện liên tục trong 2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia gia công cơ khí: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về công nghệ tiện siêu âm, giúp cải thiện quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

  2. Doanh nghiệp sản xuất cơ khí: Thông tin về hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của tiện siêu âm hỗ trợ doanh nghiệp quyết định đầu tư công nghệ mới, giảm chi phí và tăng năng suất.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và nghiên cứu về công nghệ gia công tiên tiến, đặc biệt trong lĩnh vực gia công kim loại.

  4. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ: Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng để phát triển các giải pháp gia công mới, mở rộng ứng dụng tiện siêu âm trong các ngành công nghiệp khác nhau.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tiện siêu âm khác gì so với tiện truyền thống?
    Tiện siêu âm sử dụng rung động tần số cao (khoảng 20 kHz) truyền vào dụng cụ cắt, giúp giảm lực cắt, nhiệt độ vùng cắt và cải thiện độ nhám bề mặt so với tiện truyền thống.

  2. Các thông số công nghệ nào ảnh hưởng nhiều nhất đến chất lượng bề mặt?
    Chiều sâu cắt và vận tốc tiến dao là hai thông số ảnh hưởng lớn nhất. Tiện siêu âm giúp giảm tác động tiêu cực của vận tốc tiến dao lên độ nhám bề mặt.

  3. Tiện siêu âm có thể áp dụng cho những vật liệu nào?
    Phương pháp này phù hợp với các vật liệu khó gia công như thép SKD11, thép không gỉ và các hợp kim đặc biệt, giúp giảm lực cắt và tăng tuổi thọ dụng cụ.

  4. Làm thế nào để đo độ nhám bề mặt chính xác?
    Độ nhám bề mặt được đo bằng thiết bị chuyên dụng, sử dụng các tham số như Ra, Rz để đánh giá mức độ gồ ghề và độ hoàn thiện của bề mặt.

  5. Tiện siêu âm có giúp giảm chi phí sản xuất không?
    Có, nhờ giảm lực cắt, nhiệt độ và mài mòn dụng cụ, tiện siêu âm giúp tiết kiệm chi phí vật liệu, năng lượng và tăng tuổi thọ máy móc, đồng thời giảm chi phí xử lý chất lỏng cắt.

Kết luận

  • Tiện siêu âm giảm lực cắt trung bình 30-50% và nhiệt độ vùng cắt đến 48% so với tiện truyền thống.
  • Độ nhám bề mặt cải thiện hơn 40%, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm gia công.
  • Mô hình phần tử hữu hạn kết hợp thực nghiệm cho thấy sự phân bố ứng suất và nhiệt độ đồng đều hơn trong quá trình tiện siêu âm.
  • Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng rộng rãi tiện siêu âm trong gia công kim loại khó tại Việt Nam.
  • Đề xuất triển khai đào tạo, đầu tư thiết bị và nghiên cứu mở rộng nhằm tối ưu hóa công nghệ trong vòng 1-2 năm tới.

Luận văn khuyến khích các đơn vị sản xuất và nghiên cứu tiếp tục ứng dụng và phát triển công nghệ tiện siêu âm để nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.