Luận văn: Tối ưu chế độ cắt để tiết kiệm năng lượng và nâng cao chất lượng bề mặt

Luận văn thạc sĩ phân tích ảnh hưởng của chế độ cắt tới chi phí năng lượng riêng và chất lượng bề mặt, đề xuất giải pháp gia công tối ưu.

• Tác giả: Lê Đức Mậu
• 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 phay X6332Z
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Chế độ cắt là gì Yếu tố cốt lõi của gia công cơ khí

Trong lĩnh vực gia công cơ khí, chế độ cắt được định nghĩa là tập hợp các thông số cắt cơ bản, quyết định trực tiếp đến hiệu quả của quá trình loại bỏ vật liệu khỏi phôi. Việc lựa chọn và thiết lập một chế độ cắt hợp lý không chỉ ảnh hưởng đến năng suất mà còn là yếu tố then chốt quyết định chất lượng bề mặt gia công và chi phí sản xuất. Ba thông số nền tảng cấu thành nên chế độ cắt bao gồm: tốc độ cắt (v), lượng chạy dao (f), và chiều sâu cắt (t). Mỗi thông số này đều có tác động qua lại, tạo thành một bài toán phức tạp đòi hỏi sự cân bằng tinh tế để đạt được mục tiêu kép: chất lượng cao nhất và chi phí thấp nhất. Việc thiết lập các thông số này không thể tùy tiện mà phải dựa trên cơ sở khoa học, kinh nghiệm thực tiễn và đặc tính của hệ thống công nghệ "Máy – Dao – Đồ gá – Chi tiết". Theo nghiên cứu của Lê Đức Mậu (2012), việc xác định chế độ cắt tối ưu cho từng nguyên công cụ thể là "một trong những vấn đề mấu chốt cần phải giải quyết để nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của quá trình gia công chế tạo cơ khí". Điều này cho thấy, hiểu biết sâu sắc và khả năng tối ưu hóa quá trình gia công thông qua chế độ cắt là năng lực cốt lõi của người kỹ sư, góp phần nâng cao sức cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường.

1.1. Hiểu đúng về các thông số cắt cơ bản trong sản xuất

Các thông số cắt cơ bản bao gồm: Tốc độ cắt (v), đơn vị mét/phút (m/ph), là vận tốc tương đối của lưỡi cắt chính so với bề mặt đang được gia công. Lượng chạy dao (f), có thể tính theo mm/răng (Sz), mm/vòng (Sv) hoặc mm/phút (Sph), là quãng đường dịch chuyển của dụng cụ cắt hoặc phôi trong một đơn vị thời gian hoặc sau một vòng quay của dao/phôi. Cuối cùng, chiều sâu cắt (t), đơn vị milimét (mm), là độ dày của lớp vật liệu được loại bỏ trong một lần cắt. Sự kết hợp của ba yếu tố này xác định hình dạng, kích thước của phoi và ảnh hưởng trực tiếp đến các yếu tố động lực học như lực cắt, nhiệt cắt và công suất cắt.

1.2. Vai trò của việc lựa chọn chế độ cắt hợp lý

Lựa chọn một chế độ cắt hợp lý mang lại nhiều lợi ích. Nó giúp đạt được độ nhám bề mặt và độ bóng bề mặt mong muốn, đảm bảo độ chính xác hình học và kích thước của chi tiết. Đồng thời, một chế độ cắt được tối ưu hóa giúp giảm thiểu tiêu thụ năng lượng, kéo dài tuổi thọ dụng cụ cắt bằng cách kiểm soát mòn dao, và tăng năng suất gia công. Ngược lại, một chế độ cắt không phù hợp có thể gây ra các sai hỏng bề mặt, làm mòn dao nhanh chóng, gây rung động, và lãng phí năng lượng, dẫn đến tăng giá thành sản phẩm và giảm khả năng cạnh tranh.

II. Thách thức với chế độ cắt Tiêu thụ năng lượng Lực cắt

Một trong những thách thức lớn nhất khi xác định chế độ cắt là cân bằng giữa năng suất và hiệu quả năng lượng trong sản xuất. Quá trình cắt gọt kim loại vốn là một quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng, biến cơ năng thành nhiệt năng và năng lượng biến dạng để tách phoi. Tiêu thụ năng lượng trong gia công cơ khí không chỉ là chi phí vận hành mà còn phản ánh hiệu quả của toàn bộ quá trình. Chi phí năng lượng riêng (Nr), được định nghĩa là năng lượng cần thiết để loại bỏ một đơn vị thể tích vật liệu, là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá. Một chế độ cắt không tối ưu, ví dụ như tốc độ cắt (v) quá cao hoặc lượng chạy dao (f) không phù hợp, có thể làm tăng đột biến lực cắt và nhiệt cắt. Lực cắt tăng đòi hỏi công suất cắt lớn hơn từ động cơ máy, dẫn đến tiêu thụ năng lượng cao hơn. Theo các nghiên cứu động lực học, lực cắt là tổng hợp của nhiều thành phần lực tác dụng lên dao, và độ lớn của nó phụ thuộc chặt chẽ vào các thông số cắt. Việc không kiểm soát được các yếu tố này không chỉ gây lãng phí mà còn ảnh hưởng đến độ cứng vững của hệ thống máy, gây rung động và tác động tiêu cực đến chất lượng bề mặt gia công.

2.1. Phân tích chi phí năng lượng riêng trong gia công cắt gọt

Chi phí năng lượng riêng (Nr) là thước đo hiệu quả sử dụng năng lượng. Công thức tính Nr = W/M (Năng lượng tiêu thụ / Lượng vật liệu được gia công) cho thấy mục tiêu là giảm thiểu năng lượng (W) cho cùng một lượng sản phẩm (M). Nghiên cứu của Lê Đức Mậu (2012) trên máy phay X6332Z đã chỉ ra rằng cả tốc độ cắt và lượng chạy dao đều có ảnh hưởng đáng kể đến chi phí năng lượng riêng. Việc tìm ra điểm kết hợp tối ưu giữa các thông số cắt này có thể giảm đáng kể chi phí điện năng trên mỗi sản phẩm, một yếu tố quan trọng trong sản xuất hàng loạt.

2.2. Mối liên hệ giữa lực cắt nhiệt cắt và hiệu quả năng lượng

Lực cắt phát sinh do biến dạng dẻo và ma sát trong vùng cắt. Năng lượng để thắng được lực cản này được chuyển hóa phần lớn thành nhiệt cắt. Nhiệt độ cao trong vùng cắt không chỉ làm giảm tuổi thọ của dụng cụ cắt (gây mòn dao) mà còn là dấu hiệu của sự lãng phí năng lượng. Một chế độ cắt hiệu quả sẽ tạo ra phoi một cách dễ dàng, giảm thiểu ma sát và biến dạng, từ đó làm giảm cả lực cắt và nhiệt cắt. Điều này trực tiếp làm giảm yêu cầu về công suất cắt, giúp máy hoạt động ở chế độ tiết kiệm năng lượng hơn, nâng cao hiệu quả năng lượng trong sản xuất.

III. Phương pháp tối ưu chế độ cắt để cải thiện bề mặt gia công

Chất lượng bề mặt là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất đánh giá kết quả của quá trình gia công cơ khí. Các yếu tố như độ nhám bề mặt (Ra), độ bóng bề mặt, sự tồn tại của lớp biến cứng bề mặt và ứng suất dư đều chịu ảnh hưởng trực tiếp từ việc lựa chọn chế độ cắt. Để đạt được chất lượng bề mặt mong muốn, cần phải hiểu rõ tác động của từng thông số cắt. Tốc độ cắt (v) có ảnh hưởng phức tạp. Ở tốc độ thấp, hiện tượng lẹo dao có thể xảy ra, làm tăng độ nhám. Khi tăng tốc độ cắt đến một ngưỡng nhất định, nhiệt độ vùng cắt tăng giúp vật liệu trở nên dẻo hơn, quá trình thoát phoi dễ dàng hơn, giúp cải thiện độ bóng bề mặt. Tuy nhiên, nếu tốc độ quá cao có thể gây rung động và làm giảm chất lượng. Lượng chạy dao (f) là yếu tố có ảnh hưởng rõ rệt nhất đến độ nhám hình học. Lượng chạy dao càng nhỏ, các đỉnh nhấp nhô do quỹ đạo của lưỡi cắt để lại càng gần nhau, tạo ra bề mặt mịn hơn. Chiều sâu cắt (t) lớn có thể làm tăng lực cắt và biến dạng dẻo, dẫn đến hình thành lớp biến cứng bề mặt sâu hơn và ứng suất dư lớn hơn, ảnh hưởng đến tính năng làm việc của chi tiết sau này.

3.1. Ảnh hưởng của tốc độ cắt v đến độ nhám bề mặt Ra

Kết quả thực nghiệm đơn yếu tố trong luận văn của Lê Đức Mậu (2012) cho thấy, khi tăng tốc độ cắt (v) từ 23.55 m/ph đến 58.88 m/ph, độ nhám bề mặt (Ra) có xu hướng giảm. Cụ thể, Ra giảm từ 2.82 µm xuống còn 1.83 µm. Điều này khẳng định rằng trong một khoảng nhất định, việc tăng tốc độ cắt giúp cải thiện chất lượng bề mặt. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng mối quan hệ này không phải lúc nào cũng tuyến tính và phụ thuộc nhiều vào vật liệu phôi và dụng cụ cắt.

3.2. Lượng chạy dao f và tác động đến độ bóng bề mặt

Lượng chạy dao là yếu tố quyết định đến độ nhám hình học. Về mặt lý thuyết, độ nhám tỷ lệ thuận với bình phương của lượng chạy dao. Nghiên cứu thực nghiệm cũng xác nhận quy luật này: khi tăng lượng chạy dao răng (Sz) từ 0.05 mm/răng đến 0.12 mm/răng, độ nhám bề mặt (Ra) tăng đáng kể từ 1.75 µm lên 4.2 µm. Do đó, để đạt được độ bóng bề mặt cao, việc giảm lượng chạy dao là một giải pháp hiệu quả, dù có thể làm giảm năng suất.

3.3. Tương quan giữa chiều sâu cắt t và lớp biến cứng

Mặc dù không phải là đối tượng nghiên cứu chính trong thí nghiệm của Lê Đức Mậu, chiều sâu cắt (t) có ảnh hưởng lớn đến trạng thái vật lý của lớp bề mặt. Chiều sâu cắt lớn làm tăng áp lực và biến dạng dẻo, gây ra hiện tượng hóa bền cho lớp kim loại bề mặt, tạo ra lớp biến cứng bề mặt. Lớp này có độ cứng cao hơn nhưng cũng giòn hơn, đồng thời có thể chứa ứng suất dư kéo, làm giảm độ bền mỏi của chi tiết. Việc lựa chọn chiều sâu cắt phù hợp, đặc biệt trong các nguyên công tinh, là rất quan trọng để kiểm soát các yếu tố này.

IV. Hướng dẫn tối ưu hóa chế độ cắt để giảm tiêu thụ năng lượng

Việc tối ưu hóa quá trình gia công không chỉ dừng lại ở chất lượng sản phẩm mà còn phải hướng đến hiệu quả năng lượng trong sản xuất. Một chế độ cắt được tối ưu hóa về mặt năng lượng sẽ giúp giảm chi phí vận hành và góp phần vào sản xuất bền vững. Mục tiêu chính là giảm chi phí năng lượng riêng (Nr) mà không làm ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng bề mặt và tuổi thọ dao. Các nghiên cứu cho thấy, lượng chạy dao (f) có ảnh hưởng mạnh mẽ đến việc tiêu thụ năng lượng. Tăng lượng chạy dao giúp tăng tốc độ loại bỏ vật liệu, rút ngắn thời gian gia công, từ đó giảm tổng năng lượng tiêu thụ cho một chi tiết, mặc dù công suất cắt tức thời có thể tăng. Ngược lại, tốc độ cắt (v) có mối quan hệ phức tạp hơn. Tăng tốc độ cắt thường làm giảm lực cắt do hiệu ứng nhiệt làm mềm vật liệu, nhưng lại làm tăng công suất cắt do tốc độ quay cao hơn. Do đó, cần tìm ra một khoảng tốc độ cắt tối ưu nơi mà hiệu quả năng lượng là cao nhất. Việc giảm ma sát trong vùng cắt thông qua sử dụng dụng cụ cắt sắc bén và dung dịch trơn nguội phù hợp cũng là một yếu tố quan trọng giúp giảm năng lượng tiêu thụ.

4.1. Tối ưu hóa công suất cắt để tiết kiệm chi phí điện năng

Nghiên cứu của Lê Đức Mậu (2012) chỉ ra rằng khi tăng lượng chạy dao (Sz), chi phí năng lượng riêng (Nr) giảm rõ rệt. Cụ thể, khi Sz tăng từ 0.05 mm/răng lên 0.12 mm/răng, Nr giảm từ 0.0076 W.h/mm² xuống còn 0.0042 W.h/mm². Điều này cho thấy để tiết kiệm năng lượng, nên ưu tiên sử dụng lượng chạy dao lớn trong giới hạn cho phép của máy và yêu cầu chất lượng. Việc này giúp giảm thời gian chạy máy không tải và tối đa hóa hiệu suất loại bỏ vật liệu trong thời gian máy hoạt động, từ đó giảm tổng tiêu thụ năng lượng.

4.2. Giảm thiểu mòn dao thông qua thông số cắt phù hợp

Mòn dao là một nguyên nhân làm tăng lực cắt và tiêu thụ năng lượng. Một lưỡi cắt bị mòn sẽ làm tăng ma sát và đòi hỏi nhiều năng lượng hơn để biến dạng và cắt phoi. Tốc độ cắt là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến tốc độ mòn dao. Việc hoạt động ở tốc độ cắt quá cao sẽ làm tăng nhiệt độ và thúc đẩy các cơ chế mòn hóa học và khuếch tán, làm giảm nhanh tuổi thọ dao. Lựa chọn một chế độ cắt với tốc độ cắt hợp lý giúp duy trì độ sắc bén của dao lâu hơn, giữ cho lực cắt và công suất cắt ổn định và ở mức thấp, góp phần tiết kiệm năng lượng.

V. Case study Tối ưu hóa quá trình gia công phay thép C45

Để minh họa cho các nguyên tắc lý thuyết, luận văn "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 phay X6332Z" của tác giả Lê Đức Mậu là một ví dụ thực tiễn điển hình. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa quá trình gia công phay mặt phẳng trên vật liệu phôi là thép C45, một loại vật liệu rất phổ biến trong ngành chế tạo máy. Mục tiêu của nghiên cứu là xác định mối quan hệ định lượng giữa các thông số cắt (cụ thể là tốc độ cắt v và lượng chạy dao S) với hai chỉ tiêu đầu ra quan trọng: chi phí năng lượng riêng (Nr) và độ nhám bề mặt (Ra). Bằng cách sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm và phân tích hồi quy, nghiên cứu đã xây dựng thành công các mô hình toán học mô tả sự ảnh hưởng này. Những mô hình này không chỉ giúp dự đoán kết quả gia công mà còn là công cụ mạnh mẽ để tìm ra bộ thông số chế độ cắt tối ưu, giúp cân bằng giữa hai mục tiêu thường mâu thuẫn nhau là chất lượng bề mặt cao (Ra nhỏ) và chi phí năng lượng thấp (Nr nhỏ).

5.1. Kết quả từ máy phay X6332Z với vật liệu phôi thép C45

Thí nghiệm được tiến hành trên máy phay vạn năng X6332Z, sử dụng dụng cụ cắt là dao phay trụ. Kết quả thực nghiệm đa yếu tố đã khẳng định rằng cả tốc độ cắt và lượng chạy dao đều có ảnh hưởng có ý nghĩa thống kê đến cả Nr và Ra. Phân tích đồ thị bề mặt đáp ứng cho thấy tồn tại một vùng giá trị tối ưu của (v, S) nơi có thể đồng thời đạt được độ nhám bề mặt chấp nhận được và chi phí năng lượng riêng thấp. Ví dụ, kết quả chỉ ra rằng để giảm độ nhám, cần tăng tốc độ cắt và giảm lượng chạy dao. Ngược lại, để giảm chi phí năng lượng, cần tăng lượng chạy dao.

5.2. Xây dựng mô hình toán học cho bài toán tối ưu hóa

Dựa trên dữ liệu thực nghiệm, các phương trình hồi quy bậc hai đã được xây dựng để mô tả hàm mục tiêu. Ví dụ, hàm chi phí năng lượng riêng Nr và hàm độ nhám bề mặt Ra được biểu diễn dưới dạng các hàm số của v và S. Việc có được các mô hình toán học này cho phép giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu. Bằng cách sử dụng hàm tối ưu tổng quát, nghiên cứu đã xác định được bộ thông số chế độ cắt hợp lý nhất, đáp ứng đồng thời cả hai yêu cầu. Đây là cơ sở khoa học quan trọng để thiết lập chế độ gia công cho các sản phẩm tương tự trong thực tế sản xuất.

VI. Tương lai Tự động hóa tối ưu chế độ cắt trong gia công CNC

Các kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ cắt đến năng lượng và chất lượng bề mặt là nền tảng quan trọng cho xu hướng sản xuất hiện đại. Trong tương lai, việc lựa chọn chế độ cắt sẽ không còn phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm chủ quan mà sẽ được tự động hóa và tối ưu hóa nhờ vào sức mạnh của công nghệ số. Hệ thống gia công CNC ngày càng thông minh, tích hợp các cảm biến để theo dõi lực cắt, nhiệt độ, và rung động trong thời gian thực. Dữ liệu này, kết hợp với các mô hình toán học đã được xây dựng từ các nghiên cứu thực nghiệm, cho phép hệ thống tự động điều chỉnh thông số cắt để duy trì trạng thái gia công tối ưu. Việc xây dựng các ngân hàng dữ liệu về chế độ cắt cho từng cặp vật liệu phôi – dụng cụ cắt cụ thể đóng vai trò then chốt. Những cơ sở dữ liệu này, khi được tích hợp vào phần mềm CAD/CAM, sẽ giúp quá trình lập trình gia công CNC trở nên nhanh chóng, chính xác và hiệu quả hơn. Mục tiêu cuối cùng là tạo ra một quy trình sản xuất khép kín, nơi việc tối ưu hóa quá trình gia công diễn ra liên tục, đảm bảo mọi sản phẩm đều đạt chất lượng cao nhất với chi phí và năng lượng tiêu thụ thấp nhất.

6.1. Tầm quan trọng của ngân hàng dữ liệu gia công cơ khí

Một ngân hàng dữ liệu toàn diện sẽ chứa thông tin về chế độ cắt tối ưu cho hàng ngàn kịch bản gia công khác nhau (phay, tiện, khoan...). Các nhà công nghệ sẽ không còn phải tra cứu sổ tay hay dựa vào phỏng đoán. Thay vào đó, họ có thể truy xuất ngay lập tức các thông số cắt đã được kiểm chứng, giúp rút ngắn đáng kể thời gian chuẩn bị sản xuất, giảm thiểu sai sót và đảm bảo tính nhất quán về chất lượng. Những nghiên cứu như của Lê Đức Mậu (2012) chính là những viên gạch đầu tiên xây dựng nên ngân hàng dữ liệu quý giá này.

6.2. Xu hướng ứng dụng CAD CAM CNC trong sản xuất hiện đại

Hệ thống CAD/CAM hiện đại không chỉ giúp thiết kế và lập trình đường chạy dao mà còn tích hợp các module mô phỏng và tối ưu hóa. Người dùng có thể nhập các yêu cầu về chất lượng bề mặt hoặc mục tiêu về hiệu quả năng lượng, và phần mềm sẽ tự động đề xuất chế độ cắt phù hợp dựa trên cơ sở dữ liệu và các thuật toán thông minh. Sự kết hợp chặt chẽ giữa CAD/CAM và máy gia công CNC tạo ra một chu trình sản xuất thông minh, linh hoạt và hiệu quả, đáp ứng được các yêu cầu ngày càng khắt khe của thị trường.

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 phay và máy phay trên thế giới Phay là phương pháp gia công cắt gọt trong đó dụng cụ cắt quay tròn tạo ra chuyển động cắt. Chuyển động tiến dao thông thường do máy, cũng có khi do dao hoặc do cả máy và dao cùng thực hiện theo các hướng khác nhau. Theo nguyên liệu và sản phẩm được gia công các hướng nghiên cứu đã phân ra gia công kim loại và gia công vật liệu phi kim loại.

Gia công kim loại bằng phương pháp phay được dùng rộng rãi ở các nước công nghiệp phát triển từ nửa sau thế kỷ 19. Từ đó đến nay, trải qua một thời kỳ dài phát triển, quá trình phay - quá trình gia công bằng cơ học - một trong những quá trình chế tạo sản phẩm thông dụng nhất của ngành chế ta ̣o máy đã thu hút sự chú ý của nhiều học giả. Nhiều công trình khoa học trong việc xây dựng và phát triển lý thuyết cắt gọt kim loại phải kể đến là các nhà bác học Xô Viết (Liên Xô cũ) như giáo sư viện sĩ V. Philonenko, Iacố p 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 qúa 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 4 gọt. Đó là những công trình lớn bao gồm các vấn đề về lý thuyết và những 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.

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 [15, 42, 47]. 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.

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 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. 5 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, 41].

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 phay gỗ đã được giáo sư tiến sĩ A. Bersatski xác định bằng công thức thực nghiệm [17, 41].

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 mà phay, bào được quan tâm nhiều nhất. Nguyên lý cấu tạo, tính năng công nghệ của các máy công cụ, máy cắt kim loại nói chung, các máy gia công phay nói riêng đã được các nhà khoa ho ̣c nghiên cứu từ khá sớm. Nhiều kiểu loại máy phay được thiết kế, chế tạo như máy phay nằm, máy phay đứng, máy phay giường, máy phay vạn năng, máy phay chuyên môn hóa và chuyên dùng v.v… Cùng với sự phát triển của quá trình phay, dao phay ngày càng được cải tiến và hoàn thiện với nhiều kiểu loại khác nhau.

Nhiều hãng trên thế giới như PLL (Pittler Ludnig Low - Đức), Tập đoàn LMT (Leitz metalworking technology), RSK (Anh) đã nổi tiếng với những máy và công cụ cắt hiện đại… 6 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. Nghiên cứu về máy và thiết bị cắt kim loại và các vật liệu phi kim loại khác, các nhà khoa học Spirindonov A. Makovski,… [18,19,20,22,44] 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. Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ và thiết bị sản xuất gia công kim loại, vật liệu phi kim loại phục vụ sản xuất đã được các nước phát triển trên thế giới như Nga, Mỹ, Đức, Nhật, Thụy Điển, Úc… nghiên cứu sâu rộng. Nhiều hãng nổi tiếng như: MAC (Đức) sản xuất các loại máy phay CNC mã hiệu PDM-600 (hình 1.1); Hãng Kaida (Nhật) với các máy mã hiệu KDVM1000L (hình 1. Thế hệ các máy này có thể thực hiện phay 3D, 4D và 5D, ngoài ra máy có thể thực hiện các nguyên công như tiện, khoan, doa, tarô, v.

Độ chính xác lặp lại là 0. Điều khiển 3 trục x, y, z hiệu quả và có thể phay theo chiều thẳng đứng, tiện, doa theo các mặt tọa độ như XY, XZ, YZ. Cổng truyền dữ liệu RS232 thích hợp với chương trình CIMCO9. Bộ điều khiển Fanuc, Hanuc, Simenuc, Heidelheil, v.

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 7 Hình 1. Máy phay CNC PDM-600 Hình 1. Máy phay CNC KDVM 1000L 8 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 rô ̣ng với nhiều công trình nổi tiếng về tối ưu hóa các quá trình gia công cắt gọt [1, 5, 30, 36]. 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, Thụy Sĩ,… Ở những nước này song song với việc nghiên cứu tối ưu hóa chế độ cắt người ta tiến hành xây dựng ngân hàng dữ liệu về chế độ gia công cơ để tạo lập cơ sở cho việc tự động hóa chuẩn bị công nghệ. Điển hình về lĩnh vực này có các công trình nghiên cứu của C. Essen, và trong gia công gỗ có A.

Công nghệ và thiết bị gia công phay trong sản xuất ở Việt Nam Trong nền kinh tế quốc dân, ngành Cơ khí đóng một vai trò rất quan trọng. Ngay từ khi mới ra đời, ngành công nghiệp cơ khí ở nước ta đã được Đảng và Nhà nước xác định là ngành có vai trò then chốt và luôn được ưu tiên phát triển, đã có nhiều nhà máy cơ khí lớn được xây dựng, có nhiều trung tâm đào tạo, nghiên cứu ra đời. Theo số liệu thống kê, số lươ ̣ng cơ sở cơ khí có khoảng 53.000 cơ sở và số lượng công nhân tham gia trực tiế p khoảng 500.