Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, gia công cắt gọt kim loại đóng vai trò then chốt trong việc tạo ra các chi tiết cơ khí với độ chính xác và chất lượng bề mặt cao. Theo ước tính, gia công cắt gọt chiếm khoảng 30% khối lượng công việc trong lĩnh vực gia công cơ khí, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ CNC, CAD/CAM. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn là kiểm soát dao động của cán dao trong quá trình tiện, bởi dao động này ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhám và chất lượng bề mặt sản phẩm. Đề tài “Khảo sát dao động của cán dao trong quá trình tiện” được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh và Trường Trung cấp Nghề Đông Sài Gòn nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng cán dao đến dao động và chất lượng bề mặt gia công trên các vật liệu phổ biến như thép C10, C30, C45, gang xám và nhôm 6061.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xác định sự ảnh hưởng của 5 mức độ cứng cán dao (40HRC, 45HRC, 50HRC, 55HRC, 60HRC) đến dao động góc của cán dao tiện và từ đó đánh giá tác động đến độ nhám bề mặt sản phẩm. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào gia công tiện ngoài trên máy TX-2 CNC LATHE, sử dụng một loại mảnh hợp kim duy nhất với các thông số cắt cố định như vận tốc cắt từ 80 đến 220 m/phút, bước tiến dao 0.2 mm/vòng và chiều sâu cắt 0.0 mm. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm gia công, giảm thiểu rung động, từ đó tăng tuổi thọ dụng cụ và hiệu quả sản xuất trong ngành cơ khí chế tạo máy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết cơ bản về gia công cắt gọt kim loại, trong đó:

  • Lý thuyết cắt gọt kim loại: Quá trình cắt gọt tạo ra sản phẩm bằng cách loại bỏ lớp kim loại dưới dạng phoi, với các chuyển động chính (chuyển động quay của phôi) và chuyển động chạy dao (chuyển động tịnh tiến của dao). Các thông số cắt như vận tốc cắt (Vc), bước tiến dao (S), chiều sâu cắt (t) ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bề mặt và dao động trong quá trình gia công.

  • Lý thuyết về độ nhám bề mặt: Độ nhám được xác định bởi các yếu tố như vật liệu gia công, phương pháp gia công, chế độ cắt, độ cứng vững của hệ thống công nghệ, thông số hình học của dao và dung dịch trơn nguội. Đặc biệt, rung động trong quá trình cắt là nguyên nhân chính gây ra độ nhám bề mặt không mong muốn.

  • Lý thuyết rung động trong gia công cơ khí: Rung động được phân thành rung động cưỡng bức, rung động riêng và rung động tự kích thích. Rung động tự kích thích do sự biến động lực cắt, hình thành và phá hủy lẹo dao, hiệu ứng tái sinh và biến động vật liệu gia công. Các rung động này ảnh hưởng đến độ ổn định của quá trình cắt và chất lượng bề mặt gia công.

Các khái niệm chính bao gồm: độ cứng Rockwell (HRC) của cán dao, các góc dao động dY, dP, dR biểu thị dao động góc của cán dao, và các chỉ số độ nhám Ra, Rz dùng để đánh giá chất lượng bề mặt.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm gia công tiện ngoài trên máy TX-2 CNC LATHE tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh và Trường Trung cấp Nghề Đông Sài Gòn. Vật liệu gia công gồm thép C10, C30, C45, gang xám và nhôm 6061. Cán dao tiện có 5 mức độ cứng khác nhau: 40HRC, 45HRC, 50HRC, 55HRC, 60HRC. Mỗi độ cứng được thử nghiệm trên 10 phôi, sử dụng cùng một loại mảnh hợp kim TNMG160404MQ – CA6525.

  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát, đảm bảo các điều kiện cắt gọt đồng nhất, chỉ thay đổi duy nhất độ cứng cán dao để đánh giá ảnh hưởng riêng biệt.

  • Phương pháp phân tích: Đo dao động góc của cán dao theo ba hướng dY, dP, dR bằng cảm biến gia tốc và phần mềm STMStudio. Đánh giá độ nhám bề mặt chi tiết sau gia công. Sử dụng phân tích thống kê mô tả, vẽ đồ thị so sánh dao động và độ nhám giữa các mức độ cứng cán dao. Thời gian nghiên cứu từ tháng 10/2015 đến tháng 4/2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của độ cứng cán dao đến dao động góc dY: Kết quả thí nghiệm cho thấy khi độ cứng cán dao tăng từ 40HRC đến 60HRC, biên độ dao động góc dY giảm trung bình khoảng 25%. Ví dụ, với vật liệu thép C10, biên độ dao động dY giảm từ 0.15° (40HRC) xuống còn 0.11° (60HRC).

  2. Ảnh hưởng đến dao động góc dP và dR: Tương tự, dao động góc dP và dR cũng giảm đáng kể khi độ cứng cán dao tăng. Với thép C30, dao động dP giảm khoảng 20%, dao động dR giảm khoảng 18% khi so sánh cán dao 40HRC và 60HRC.

  3. Ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt: Độ nhám Ra của chi tiết gia công giảm trung bình 15-20% khi sử dụng cán dao có độ cứng cao hơn. Ví dụ, trên vật liệu gang xám, Ra giảm từ 2.5 μm (40HRC) xuống còn 2.0 μm (60HRC).

  4. So sánh giữa các vật liệu gia công: Vật liệu nhôm 6061 có dao động và độ nhám thấp nhất trong các vật liệu thử nghiệm, trong khi thép C45 và gang xám có mức dao động và độ nhám cao hơn, phản ánh tính chất vật liệu ảnh hưởng đến dao động và chất lượng bề mặt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm dao động khi tăng độ cứng cán dao là do cán dao cứng hơn có khả năng chịu lực và giảm biến dạng đàn hồi, từ đó hạn chế sự dao động trong quá trình cắt. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của độ cứng dụng cụ đến ổn định gia công và chất lượng bề mặt.

So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, đề tài đã bổ sung thêm góc nhìn về dao động góc của cán dao tiện với các mức độ cứng khác nhau, điều mà trước đây chưa được nghiên cứu chuyên sâu tại Việt Nam. Dữ liệu được trình bày qua các biểu đồ dao động góc dY, dP, dR và đồ thị độ nhám Ra theo độ cứng cán dao giúp minh họa rõ ràng mối quan hệ này.

Ý nghĩa của kết quả là giúp các nhà sản xuất và kỹ sư lựa chọn cán dao có độ cứng phù hợp để giảm rung động, nâng cao chất lượng bề mặt, tăng tuổi thọ dụng cụ và hiệu quả sản xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường sử dụng cán dao có độ cứng từ 55HRC trở lên trong các quy trình tiện để giảm dao động và cải thiện độ nhám bề mặt, đặc biệt với các vật liệu thép và gang xám. Thời gian áp dụng: ngay lập tức; chủ thể thực hiện: các nhà máy cơ khí chế tạo.

  2. Đầu tư thiết bị đo dao động và kiểm soát chất lượng bề mặt trong quá trình gia công để phát hiện sớm các dao động bất thường, từ đó điều chỉnh thông số cắt hoặc thay cán dao kịp thời. Thời gian: 6-12 tháng; chủ thể: phòng kỹ thuật và quản lý chất lượng.

  3. Đào tạo kỹ thuật viên và công nhân vận hành về ảnh hưởng của độ cứng cán dao và dao động đến chất lượng sản phẩm, nâng cao nhận thức và kỹ năng vận hành máy tiện CNC. Thời gian: 3-6 tháng; chủ thể: bộ phận đào tạo và nhân sự.

  4. Nghiên cứu mở rộng về ảnh hưởng của các yếu tố khác như hình học mũi dao, chế độ cắt và vật liệu mảnh hợp kim kết hợp với độ cứng cán dao để tối ưu hóa toàn diện quá trình gia công tiện. Thời gian: 1-2 năm; chủ thể: các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia gia công cơ khí: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phân tích chi tiết về dao động cán dao, giúp họ lựa chọn dụng cụ và thiết lập chế độ cắt phù hợp nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm.

  2. Nhà quản lý sản xuất trong ngành cơ khí chế tạo máy: Thông tin về ảnh hưởng độ cứng cán dao đến hiệu quả gia công giúp họ đưa ra quyết định đầu tư thiết bị và đào tạo nhân lực nhằm giảm thiểu lỗi sản phẩm và tăng năng suất.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết cắt gọt, rung động trong gia công và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, hỗ trợ học tập và nghiên cứu khoa học.

  4. Nhà sản xuất dụng cụ cắt gọt: Thông tin về mối quan hệ giữa độ cứng cán dao và dao động giúp cải tiến thiết kế cán dao, phát triển sản phẩm phù hợp với yêu cầu gia công hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Độ cứng cán dao ảnh hưởng như thế nào đến dao động trong quá trình tiện?
    Độ cứng cán dao càng cao thì dao động góc của cán dao càng giảm, do cán dao cứng hơn chịu lực tốt hơn và ít biến dạng đàn hồi. Ví dụ, cán dao 60HRC giảm dao động dY khoảng 25% so với 40HRC.

  2. Tại sao dao động lại ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt sản phẩm?
    Dao động làm bề mặt gia công không đều, tạo ra các vết nhấp nhô và sóng nhỏ trên bề mặt, làm tăng độ nhám. Giảm dao động giúp bề mặt mịn hơn, nâng cao chất lượng sản phẩm.

  3. Có nên chỉ tập trung vào độ cứng cán dao để cải thiện chất lượng gia công không?
    Không, ngoài độ cứng cán dao còn nhiều yếu tố khác như hình học mũi dao, chế độ cắt, vật liệu mảnh hợp kim và vật liệu gia công cũng ảnh hưởng đến chất lượng. Cần kết hợp nhiều yếu tố để tối ưu.

  4. Phương pháp đo dao động trong nghiên cứu này là gì?
    Sử dụng cảm biến gia tốc gắn trên cán dao, đo dao động góc theo ba hướng dY, dP, dR, dữ liệu được thu thập và phân tích bằng phần mềm STMStudio để đánh giá biên độ và tần số dao động.

  5. Nghiên cứu có áp dụng được cho các loại máy tiện khác không?
    Có thể áp dụng cho các máy tiện CNC tương tự, tuy nhiên cần điều chỉnh thông số và kiểm tra lại do đặc tính máy và điều kiện gia công có thể khác nhau.

Kết luận

  • Đề tài đã hệ thống hóa lý thuyết về cắt gọt kim loại, độ nhám bề mặt và rung động trong gia công tiện.
  • Thí nghiệm thực hiện trên 5 loại vật liệu và 5 mức độ cứng cán dao cho thấy độ cứng cán dao ảnh hưởng rõ rệt đến dao động và chất lượng bề mặt.
  • Độ cứng cán dao tăng giúp giảm dao động góc dY, dP, dR trung bình từ 18-25%, đồng thời giảm độ nhám bề mặt Ra khoảng 15-20%.
  • Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn trong việc lựa chọn cán dao và tối ưu hóa quy trình gia công tiện nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo là mở rộng khảo sát các yếu tố khác như hình học mũi dao, chế độ cắt và vật liệu mảnh hợp kim để hoàn thiện hơn quy trình gia công.

Để nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm, các nhà sản xuất và kỹ sư gia công nên áp dụng kết quả nghiên cứu này trong thực tế. Liên hệ với các chuyên gia và trung tâm nghiên cứu để được tư vấn và hỗ trợ kỹ thuật là bước tiếp theo cần thiết.