Tổng quan nghiên cứu

Gia công cắt gọt kim loại là một trong những phương pháp chủ đạo trong sản xuất cơ khí, chiếm khoảng 30% khối lượng công việc gia công và ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Trong đó, tiện là quy trình gia công phổ biến nhằm tạo ra các chi tiết có độ chính xác và độ bóng bề mặt cao. Tuy nhiên, rung động trong quá trình tiện gây ra nhiều ảnh hưởng tiêu cực như giảm chất lượng bề mặt, tiếng ồn, hư hỏng máy và giảm tuổi thọ dụng cụ. Độ nhám bề mặt chi tiết gia công là chỉ tiêu quan trọng phản ánh chất lượng sản phẩm, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và tuổi thọ chi tiết.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số giảm chấn lò xo trên cán dao tiện đến độ nhám bề mặt chi tiết lỗ, nhằm nâng cao chất lượng bề mặt sản phẩm gia công. Nghiên cứu được thực hiện trên máy tiện CNC CK6140ZX với phôi thép C45, sử dụng mảnh dao insert DCMT11T304 EN-XR, trong điều kiện chế độ cắt không đổi: chiều sâu cắt 0,2 mm, bước tiến dao 0,05 mm, tốc độ cắt 1200 vòng/phút. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các thông số cơ cấu giảm chấn gồm chiều dài lò xo, loại dung dịch và số lượng bi trong đối trọng.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc tìm ra cơ cấu giảm chấn hiệu quả nhất, giúp cải thiện độ nhám bề mặt từ cấp 6 lên cấp 7, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng năng suất và tuổi thọ dụng cụ, đồng thời hỗ trợ phát triển ngành cơ khí trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết gia công cắt gọt kim loại: Gia công cắt gọt là quá trình loại bỏ lớp kim loại thừa bằng dụng cụ cắt, tạo ra sản phẩm có hình dạng và kích thước theo yêu cầu kỹ thuật. Các chuyển động cơ bản gồm chuyển động cắt chính, chuyển động chạy dao và chuyển động phụ. Vận tốc cắt, bước tiến dao và chiều sâu cắt là các thông số chế độ cắt quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt.

  • Độ nhám bề mặt chi tiết máy: Độ nhám được đánh giá bằng các chỉ tiêu hình học như Ra (sai lệch trung bình số học) và Rz (chiều cao trung bình của prôphin theo 10 điểm). Các cấp độ nhám bề mặt được quy định theo tiêu chuẩn TCVN 2511-78, trong đó cấp 6 tương ứng với Ra từ 2,5 đến 1,25 µm và cấp 7 từ 1,25 đến 0,63 µm.

  • Lực cắt và rung động trong gia công: Lực cắt gồm các thành phần Px, Py, Pz tác động lên dao và chi tiết gia công, ảnh hưởng đến biến dạng và rung động của cán dao. Rung động gây ra độ nhám bề mặt kém và giảm tuổi thọ dụng cụ. Giảm rung động là mục tiêu quan trọng để nâng cao chất lượng gia công.

  • Cơ cấu giảm chấn lò xo trên cán dao tiện: Cơ cấu giảm chấn gồm hai lò xo có độ cứng 150 N/m và đối trọng chứa dung dịch và bi thép. Các thông số như chiều dài lò xo, loại dung dịch và số lượng bi ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ rung động, từ đó tác động đến độ nhám bề mặt chi tiết.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm thực tế trên máy tiện CNC CK6140ZX, sử dụng phôi thép C45 và mảnh dao insert DCMT11T304 EN-XR. Các thông số chế độ cắt được giữ cố định, chỉ thay đổi các thông số giảm chấn trên cán dao.

  • Phương pháp chọn mẫu: Mẫu thí nghiệm là các trường hợp thay đổi chiều dài lò xo (L1 từ 7 mm đến 35 mm, L2 từ 75 mm đến 103 mm), số lượng bi (1 đến 5), và loại dung dịch (dầu thủy lực, dầu xe máy, nước) trong đối trọng. Mỗi trường hợp được thực hiện nhiều lần để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để thiết kế thí nghiệm, đo độ nhám bề mặt Ra và Rz bằng máy đo Mitutoyo SJ-210. Dữ liệu được xử lý thống kê, lập biểu đồ so sánh kết quả giữa các trường hợp thí nghiệm và với dao thường. Phân tích ảnh hưởng của từng thông số giảm chấn đến độ nhám bề mặt.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 8/2017 đến tháng 5/2018, bao gồm các giai đoạn: khảo sát tài liệu, thiết kế và chế tạo cán dao giảm chấn, tiến hành thí nghiệm, xử lý số liệu và viết luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng chiều dài lò xo đến độ nhám bề mặt: Khi giữ nguyên các thông số khác, thay đổi chiều dài lò xo L1 và L2 trong khoảng từ 7 mm đến 35 mm và 75 mm đến 103 mm tương ứng, kết quả thí nghiệm cho thấy độ nhám Ra giảm đáng kể so với dao thường. Cụ thể, trường hợp B3 (L1=21 mm, L2=89 mm) đạt độ nhám Ra thấp nhất, giảm khoảng 20% so với dao không có cơ cấu giảm chấn.

  2. Ảnh hưởng số lượng bi trong đối trọng: Thí nghiệm với số bi từ 1 đến 5 cho thấy số lượng bi tăng lên giúp cải thiện khả năng giảm rung, từ đó giảm độ nhám bề mặt. Trường hợp sử dụng 4 bi trong đối trọng cho kết quả tối ưu, giảm độ nhám Ra khoảng 15% so với trường hợp 1 bi.

  3. Ảnh hưởng loại dung dịch trong đối trọng: So sánh giữa dầu thủy lực, dầu xe máy và nước, dầu thủy lực cho hiệu quả giảm chấn tốt nhất, giúp giảm độ nhám Ra trung bình 10% so với dầu xe máy và 18% so với nước.

  4. Tổng hợp hiệu quả cơ cấu giảm chấn: Với thông số tối ưu (L1=21 mm, L2=89 mm, 4 bi, dầu thủy lực), độ nhám bề mặt chi tiết lỗ được cải thiện từ cấp 6 lên cấp 7 theo tiêu chuẩn TCVN 2511-78, tương đương tăng một cấp độ nhám bề mặt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện độ nhám bề mặt là do cơ cấu giảm chấn lò xo trên cán dao tiện làm giảm rung động tự kích thích trong quá trình cắt gọt. Chiều dài lò xo ảnh hưởng đến tần số dao động của hệ thống, khi được điều chỉnh phù hợp sẽ tạo ra hiệu ứng hấp thụ rung động tối ưu. Số lượng bi và loại dung dịch trong đối trọng ảnh hưởng đến lực ma sát và khả năng hấp thụ năng lượng rung động, từ đó giảm biên độ rung và cải thiện chất lượng bề mặt.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả này tương đồng với các báo cáo về hiệu quả của dao giảm chấn Silent Tools và các cơ cấu giảm chấn khác, đồng thời bổ sung thêm dữ liệu thực nghiệm cụ thể về ảnh hưởng của các thông số lò xo và đối trọng. Biểu đồ so sánh độ nhám Ra giữa các trường hợp thí nghiệm minh họa rõ ràng sự khác biệt và hiệu quả của cơ cấu giảm chấn.

Ý nghĩa của kết quả là cơ cấu giảm chấn lò xo có thể được ứng dụng rộng rãi trong gia công tiện để nâng cao chất lượng bề mặt, giảm hao mòn dụng cụ và tăng năng suất sản xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thiết kế cán dao giảm chấn: Khuyến nghị sử dụng chiều dài lò xo L1 khoảng 21 mm, L2 khoảng 89 mm, kết hợp với 4 bi thép trong đối trọng và dung dịch dầu thủy lực để đạt hiệu quả giảm rung tối ưu. Chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất dụng cụ cắt, thời gian áp dụng trong vòng 6 tháng.

  2. Áp dụng trong sản xuất gia công tiện lỗ: Các doanh nghiệp gia công cơ khí nên trang bị cán dao giảm chấn theo thông số tối ưu để nâng cao chất lượng bề mặt, giảm tỷ lệ phế phẩm và tăng năng suất. Thời gian triển khai từ 3 đến 12 tháng tùy quy mô.

  3. Nâng cao đào tạo và nghiên cứu ứng dụng: Các trường đại học và viện nghiên cứu cần tích hợp kiến thức về cơ cấu giảm chấn vào chương trình đào tạo và nghiên cứu phát triển, nhằm đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao và phát triển công nghệ trong nước. Thời gian thực hiện liên tục.

  4. Phát triển các cơ cấu giảm chấn mới: Khuyến khích nghiên cứu thêm các loại cơ cấu giảm chấn khác như hấp thụ rung động bằng vật liệu composite, lớp phủ giảm chấn để mở rộng ứng dụng và nâng cao hiệu quả giảm rung. Chủ thể là các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ, thời gian nghiên cứu 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia gia công cơ khí: Nghiên cứu giúp hiểu rõ ảnh hưởng của cơ cấu giảm chấn đến chất lượng bề mặt, từ đó lựa chọn và thiết kế dụng cụ cắt phù hợp, nâng cao hiệu quả sản xuất.

  2. Nhà sản xuất dụng cụ cắt: Tham khảo để phát triển và cải tiến sản phẩm cán dao giảm chấn, đáp ứng nhu cầu thị trường về chất lượng và hiệu suất gia công.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy, nghiên cứu và thực hành về gia công cắt gọt và công nghệ giảm rung.

  4. Doanh nghiệp gia công cơ khí: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến quy trình sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí bảo trì và tăng năng suất.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cơ cấu giảm chấn lò xo trên cán dao tiện hoạt động như thế nào?
    Cơ cấu giảm chấn sử dụng hai lò xo có độ cứng 150 N/m và đối trọng chứa dung dịch cùng bi thép để hấp thụ rung động phát sinh trong quá trình gia công, từ đó giảm biên độ rung và cải thiện độ nhám bề mặt.

  2. Thông số nào ảnh hưởng nhiều nhất đến hiệu quả giảm chấn?
    Chiều dài lò xo và số lượng bi trong đối trọng là hai thông số quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến tần số dao động và khả năng hấp thụ năng lượng rung động.

  3. Loại dung dịch nào được khuyến nghị sử dụng trong đối trọng?
    Dầu thủy lực được khuyến nghị vì có độ nhớt phù hợp giúp tăng hiệu quả giảm rung so với dầu xe máy và nước, góp phần cải thiện độ nhám bề mặt.

  4. Độ nhám bề mặt được cải thiện như thế nào khi sử dụng cán dao giảm chấn?
    Độ nhám Ra của chi tiết gia công được cải thiện từ cấp 6 (dao thường) lên cấp 7 (dao giảm chấn), tương đương giảm khoảng 20% giá trị Ra, nâng cao chất lượng bề mặt.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các loại gia công khác không?
    Mặc dù nghiên cứu tập trung vào tiện lỗ, nguyên lý giảm rung và cơ cấu giảm chấn có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các phương pháp gia công khác như phay, doa để cải thiện chất lượng bề mặt.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng rõ rệt của các thông số giảm chấn lò xo trên cán dao tiện đến độ nhám bề mặt chi tiết lỗ.
  • Thông số tối ưu gồm chiều dài lò xo L1=21 mm, L2=89 mm, 4 bi trong đối trọng và dung dịch dầu thủy lực giúp cải thiện độ nhám từ cấp 6 lên cấp 7.
  • Kết quả thí nghiệm được thực hiện trên máy tiện CNC với phôi thép C45 và mảnh dao insert DCMT11T304 EN-XR, đảm bảo tính thực tiễn và độ tin cậy.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm gia công, tăng năng suất và tuổi thọ dụng cụ, đồng thời hỗ trợ phát triển công nghệ gia công trong nước.
  • Đề xuất các giải pháp ứng dụng và phát triển cơ cấu giảm chấn, khuyến khích nghiên cứu tiếp theo về các cơ cấu giảm rung mới và mở rộng ứng dụng trong gia công cơ khí.

Hãy áp dụng ngay các kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng gia công và phát triển công nghệ trong ngành cơ khí!