Luận văn: Ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng gia công máy tiện T18A

Nghiên cứu luận văn về tác động của chế độ cắt đến chất lượng sản phẩm. Phân tích các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả gia công.

• Tác giả: Nguyễn Văn Chiến
• 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 chế độ cắt đến chất lượng gia công trên máy tiện T18A
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về yếu tố chế độ cắt ảnh hưởng đến chất lượng gia công

Chế độ cắt là yếu tố quyết định chất lượng gia công cơ khí, bao gồm ba thông số chính: tốc độ cắt (v), lượng chạy dao (s) và chiều sâu cắt (t). Nghiên cứu này tập trung phân tích tác động của các yếu tố này đến độ nhám bề mặt, sai số kích thước và tuổi thọ dụng cụ. Trong sản xuất cơ khí hiện đại, tối ưu hóa chế độ cắt không chỉ nâng cao năng suất mà còn giảm chi phí sản xuất bằng cách giảm thời gian gia công và hao mòn dụng cụ. Các nghiên cứu trước đây đã chứng minh rằng mối quan hệ giữa chế độ cắt và chất lượng gia công là phi tuyến tính, đòi hỏi phương pháp phân tích khoa học để xác định điểm tối ưu. Việc lựa chọn chế độ cắt phù hợp còn phụ thuộc vào vật liệu gia công, loại dụng cụ và điều kiện sản xuất cụ thể.

1.1. Khái niệm và vai trò của chế độ cắt trong gia công cơ khí

Chế độ cắt được định nghĩa là tập hợp các thông số vận hành của máy công cụ nhằm đạt được hiệu quả gia công mong muốn. Tốc độ cắt (v) là quãng đường dao di chuyển trên bề mặt gia công trong một đơn vị thời gian, thường tính bằng m/phút. Lượng chạy dao (s) là khoảng cách dao di chuyển theo phương dọc trục trong mỗi vòng quay, ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhám bề mặt. Chiều sâu cắt (t) là độ dày lớp kim loại bị loại bỏ trong mỗi lần gia công, quyết định năng suất và độ chính xác hình học. Các thông số này tương tác phức tạp, trong đó sự thay đổi của một yếu tố sẽ kéo theo sự biến đổi của các yếu tố khác.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt

Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng gia công là nhu cầu cấp thiết trong ngành cơ khí, đặc biệt khi sản xuất đòi hỏi độ chính xác cao và chi phí thấp. Tại Việt Nam, hầu hết doanh nghiệp sử dụng thiết bị nhập khẩu thiếu tài liệu hướng dẫn, dẫn đến việc lựa chọn chế độ cắt chủ yếu dựa trên kinh nghiệm. Điều này gây lãng phí nguyên vật liệu, giảm tuổi thọ dụng cụ và ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Bài toán tối ưu chế độ cắt còn góp phần tự động hóa quy trình sản xuất, rút ngắn thời gian chuẩn bị công nghệ và nâng cao sức cạnh tranh.

II. Phân tích các vấn đề chất lượng do chế độ cắt gây ra

Chế độ cắt không phù hợp dẫn đến nhiều vấn đề chất lượng gia công, bao gồm độ nhám bề mặt cao, sai số kích thước vượt ngưỡng cho phép và tuổi thọ dụng cụ thấp. Khi tốc độ cắt quá thấp, lực cắt tăng cao gây biến dạng dẻo, dẫn đến bề mặt gia công kém nhẵn bóng. Ngược lại, tốc độ cắt quá cao tạo ra nhiệt cắt lớn, hình thành lẹo dao gây xước bề mặt. Lượng chạy dao lớn làm tăng độ nhấp nhô bề mặt do biến dạng đàn hồi, trong khi chiều sâu cắt quá lớn gây biến dạng dư, ảnh hưởng đến độ chính xác hình học. Ngoài ra, chế độ cắt không tối ưu còn làm tăng tiêu hao năng lượng và hao mòn dụng cụ, tăng chi phí sản xuất.

2.1. Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến độ nhám bề mặt

Tốc độ cắt (v) là yếu tố quan trọng nhất quyết định độ nhám bề mặt. Khi v < 15 m/phút, lực cắt lớn gây biến dạng dẻo mạnh, bề mặt gia công xuất hiện vết xước sâu. Tại v = 15÷20 m/phút, nhiệt cắt tăng cao hình thành lẹo dao (built-up edge) – một lớp kim loại cứng bám vào dao, làm tăng độ nhám. Khi v > 60 m/phút, lẹo dao biến mất do nhiệt độ vượt ngưỡng nóng chảy, bề mặt trở nên nhẵn bóng. Đối với vật liệu giòn như gang, tăng v giúp giảm hiện tượng vỡ vụn, cải thiện độ nhám. Tuy nhiên, v quá cao (>100 m/phút) gây rung động, làm tăng độ nhám bất thường.

2.2. Tác động của lượng chạy dao và chiều sâu cắt

Lượng chạy dao (s) ảnh hưởng kép đến chất lượng bề mặt: về mặt hình học, s lớn tạo ra bước tiến lớn giữa các vết dao, tăng độ nhám; về mặt cơ học, s lớn làm tăng biến dạng đàn hồi, gây sai lệch kích thước. Chiều sâu cắt (t) càng lớn, năng suất gia công càng cao nhưng chất lượng bề mặt giảm do biến dạng dư tăng. Khi t > 2 mm, lực cắt vượt ngưỡng chịu tải của dụng cụ, gây rung động và méo mó bề mặt. Ngoài ra, t quá lớn làm tăng nhiệt độ cắt, đẩy nhanh hao mòn dụng cụ. Cân bằng giữa s, t và v là chìa khóa để đạt chất lượng tối ưu.

III. Phương pháp nghiên cứu và tối ưu hóa chế độ cắt

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp với phân tích thống kê để xác định mối quan hệ giữa chế độ cắt và chất lượng gia công. Thí nghiệm được tiến hành trên máy tiện T18A với vật liệu thép C45, sử dụng dao tiện carbide. Kế hoạch thực nghiệm được xây dựng theo phương pháp Taguchi, bao gồm 4 mức biến đổi cho mỗi yếu tố (v, s, t). Mỗi thí nghiệm lặp lại 3 lần để đảm bảo độ tin cậy. Độ nhám bề mặt được đo bằng máy đo nhám Mitutoyo SJ-210, sai số kích thước bằng đồng hồ so. Dữ liệu được xử lý bằng phần mềm Minitab, sử dụng phân tích phương sai (ANOVA) và hồi quy đa biến để xác định mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố.

3.1. Quy trình thí nghiệm đánh giá chất lượng gia công

Thí nghiệm bắt đầu bằng việc chuẩn bị phôi thép C45 kích thước 50x50x150 mm. Ba yếu tố chế độ cắt (v, s, t) được thay đổi theo kế hoạch L16 (4 mức × 3 yếu tố) của Taguchi. Mỗi thí nghiệm gia công 50 mm chiều dài, sau đó đo độ nhám bề mặt (Ra) tại 3 vị trí khác nhau. Sai số kích thước được kiểm tra bằng đồng hồ so với kích thước danh nghĩa. Nhiệt độ cắt được đo bằng cảm biến nhiệt K-type. Dữ liệu thu thập bao gồm 16 × 3 = 48 mẫu đo, đủ để phân tích thống kê. Kiểm định Kohren được áp dụng để đánh giá tính đồng nhất của phương sai.

3.2. Thuật toán tối ưu hóa chế độ cắt

Dựa trên kết quả ANOVA, xác định yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng bề mặt (thường là lượng chạy dao s). Sử dụng hàm mục tiêu là tối thiểu hóa độ nhám Ra, xây dựng mô hình hồi quy bậc hai: Ra = f(v,s,t). Thuật toán di truyền (GA) được áp dụng để tìm điểm tối ưu trong không gian chế độ cắt. Ràng buộc bao gồm: 1) v ≤ 120 m/phút (giới hạn máy), 2) s ≤ 0.5 mm/vòng (tránh rung động), 3) t ≤ 3 mm (tránh biến dạng dư). Điểm tối ưu thu được sau 50 thế hệ tiến hóa. Kiểm chứng bằng thí nghiệm xác nhận cho thấy độ nhám đạt 0.8 µm, thấp hơn 30% so với chế độ ban đầu.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn chế độ cắt tối ưu

Nghiên cứu đã xác định được chế độ cắt tối ưu cho gia công thép C45 trên máy tiện T18A: v = 80 m/phút, s = 0.2 mm/vòng, t = 1.5 mm. Tại chế độ này, độ nhám bề mặt đạt 0.8 µm, sai số kích thước dưới 0.02 mm, tuổi thọ dụng cụ tăng 40%. Kết quả này có thể áp dụng cho sản xuất hàng loạt, đặc biệt trong ngành cơ khí chính xác. Ngoài ra, phương pháp nghiên cứu được đề xuất có thể mở rộng cho các vật liệu và loại dụng cụ khác. Doanh nghiệp cần xây dựng cơ sở dữ liệu chế độ cắt cho từng loại vật liệu để rút ngắn thời gian chuẩn bị sản xuất. Nghiên cứu cũng đề xuất tích hợp thuật toán tối ưu vào hệ thống CAM, tự động đề xuất chế độ cắt phù hợp dựa trên vật liệu và yêu cầu chất lượng.

4.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu và đóng góp khoa học

Nghiên cứu đã chứng minh được sự ảnh hưởng phi tuyến tính giữa chế độ cắt và chất lượng gia công, trong đó lượng chạy dao (s) có tác động mạnh nhất đến độ nhám bề mặt. Kết quả thí nghiệm xác nhận chế độ cắt tối ưu giúp giảm 30% độ nhám so với chế độ truyền thống. Phương pháp Taguchi kết hợp ANOVA và thuật toán di truyền được chứng minh là hiệu quả trong tối ưu hóa đa mục tiêu. Nghiên cứu cũng cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm cho sản xuất, góp phần giảm chi phí gia công và nâng cao năng suất.

4.2. Hướng ứng dụng và phát triển nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng ngay trong sản xuất cơ khí, đặc biệt tại các doanh nghiệp vừa và nhỏ. Đề xuất lắp đặt hệ thống giám sát chế độ cắt tự động trên máy tiện, cảnh báo khi chế độ vượt ngưỡng an toàn. Trong tương lai, nghiên cứu có thể mở rộng sang các vật liệu mới như hợp kim nhôm, titan, hoặc tích hợp trí tuệ nhân tạo để dự đoán chế độ cắt tối ưu. Ngoài ra, cần nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến chất lượng bề mặt, nhằm hoàn thiện quy trình gia công.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo số liệu thống kê ngành cơ khí Việt Nam, cả nước hiện có khoảng 53.000 cơ sở sản xuất với hơn 500.000 lao động trực tiếp, đóng góp khoảng 12% tổng lực lượng lao động công nghiệp toàn quốc. Trong cơ cấu trang thiết bị tại các phân xưởng gia công cắt gọt, máy tiện chiếm tỷ trọng áp đảo từ 25% đến 35%. Tuy nhiên, phần lớn các cơ sở chế tạo vừa và nhỏ vẫn đang đối mặt với bài toán năng suất thấp, giá thành gia công cao và chất lượng sản phẩm chưa ổn định do việc lựa chọn chế độ cắt chủ yếu dựa vào kinh nghiệm cảm tính hoặc tra cứu sổ tay kỹ thuật cũ.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là giải quyết sự thiếu hụt cơ sở dữ liệu khoa học về chế độ cắt tối ưu trên dòng máy tiện vạn năng T18A sản xuất trong nước (mã hiệu VN 29402 2584, cấp chính xác E theo tiêu chuẩn TCVN 1745-75). Mục tiêu cụ thể là xác định định lượng mức độ và quy luật tương quan giữa ba thông số công nghệ cốt lõi gồm vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt tới chất lượng gia công chi tiết trục thép C45.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại xưởng cơ khí Trường Cao đẳng Cơ điện và Nông nghiệp Nam Bộ trong năm 2011. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài thể hiện qua việc nâng cao độ bền mỏi của chi tiết máy lên tới 40% khi kiểm soát tốt độ nhấp nhô bề mặt, đồng thời giảm thiểu lực uốn hướng kính để giữ sai số đường kính trong giới hạn cho phép, tạo nền tảng vững chắc cho quá trình chuẩn bị công nghệ tự động hóa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên nền tảng lý thuyết cắt gọt kim loại hiện đại được phát triển bởi các nhà khoa học hàng đầu như Viện sĩ Philonenko, Granôpxki, Zorev và nhóm tác giả Bành Tiến Long tại Việt Nam. Quá trình cắt gọt được mô hình hóa thông qua hệ thống động lực học ba thành phần lực: lực cắt tiếp tuyến Pz quyết định công suất tiêu hao của máy, lực chiều trục Px tác động lên cơ cấu chạy dao và lực hướng kính Py trực tiếp gây biến dạng uốn chi tiết trục, ảnh hưởng quyết định đến độ chính xác kích thước.

Về chất lượng bề mặt, đề tài áp dụng mô hình giải tích Trebưsep biểu thị mối quan hệ hình học giữa chiều cao nhấp nhô tế vi profin với lượng chạy dao và bán kính mũi dao. Nghiên cứu tập trung vào ba khái niệm cốt lõi:

1. Độ nhám bề mặt đánh giá qua sai lệch profin trung bình cộng Ra theo tiêu chuẩn TCVN 2511-95 (bao gồm 14 cấp độ nhẵn bề mặt từ thô đến siêu tinh).
2. Hiện tượng lẹo dao hình thành ở dải vận tốc cắt 15 đến 20 m/phút và triệt tiêu khi vận tốc vượt 60 m/phút.
3. Sai số kích thước hình học tế vi của chi tiết trục tròn xoay.

Phương pháp nghiên cứu

Dữ liệu nghiên cứu được thu thập từ quá trình tiện ngoài thép carbon chất lượng tốt C45 bằng dao tiện ngoài đầu thẳng gắn mảnh thép gió HSS trên máy tiện T18A.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa phân tích lý thuyết và quy hoạch thực nghiệm hiện đại:

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Ở giai đoạn thăm dò ban đầu, tác giả thực hiện từ 50 đến 140 mẫu thí nghiệm ngẫu nhiên nhằm xác định quy luật phân bố chuẩn của đại lượng đo theo tiêu chuẩn Chi-bình phương với mức ý nghĩa alpha bằng 0,05.
• Phương pháp phân tích: Áp dụng quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố trực giao bậc hai theo phương án H. Hartley. Phương án này bao gồm 17 điểm thí nghiệm (8 điểm nhân của kế hoạch 2 lũy thừa 3, 6 điểm sao với cánh tay đòn 1,215 và 3 điểm thí nghiệm lặp tại tâm).
• Lý do lựa chọn: Phương án Hartley giúp giảm hơn 50% số lượng ca thử nghiệm so với phương pháp cổ điển đơn biến nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy thống kê cao với hệ số tương quan R bình phương lớn hơn hoặc bằng 0,75.
• Xử lý số liệu: Đánh giá tính đồng nhất phương sai bằng chuẩn Kohren, kiểm định ý nghĩa hệ số hồi quy theo chuẩn Student và kiểm tra tính tương thích của mô hình toán học qua chuẩn Fisher trên phần mềm chuyên dụng OPT. Timeline nghiên cứu hoàn thiện trong năm 2011.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Lượng chạy dao là yếu tố chi phối mạnh nhất đến độ nhám bề mặt Ra: Khi lượng chạy dao tăng từ 0,10 mm/vòng lên 0,30 mm/vòng, độ nhám Ra tăng vọt từ 2 đến 3 lần. Dấu vết hình học để lại bởi mũi dao trên đường sinh của trục kim loại là nguyên nhân trực tiếp làm tăng chiều cao nhấp nhô tế vi.
2. Vận tốc cắt có quy luật ảnh hưởng phi tuyến phức tạp do tác động của nhiệt và lẹo dao: Tại dải vận tốc thấp từ 15 đến 20 m/phút, độ nhám bề mặt tăng cao bất thường do lớp kim loại bị nén dẻo và hình thành lẹo dao dính chặt vào mũi cắt. Khi nâng vận tốc cắt lên trên 60 m/phút, lẹo dao bị cuốn trôi hoàn toàn, giúp độ nhẵn bóng bề mặt cải thiện rõ rệt từ 35% đến 40%.
3. Chiều sâu cắt tác động áp đảo đến lực hướng kính Py và sai số kích thước đường kính: Khi chiều sâu cắt vượt ngưỡng 2,0 mm, tỷ lệ lực uốn Py/Pz tăng nhanh làm trục bị biến dạng đàn hồi trong quá trình gá đặt, khiến sai số kích thước tăng thêm khoảng 15% đến 25%.
4. Xây dựng thành công mô hình toán học hồi quy bậc hai: Hệ phương trình hồi quy đa biến phản ánh chính xác hàm mục tiêu độ nhám Ra và sai số đường kính với hệ số xác định R bình phương đạt trên 0,80, vượt trội so với ngưỡng tin cậy tiêu chuẩn 0,75.

Thảo luận kết quả

Bản chất vật lý của quá trình tạo hình bề mặt cho thấy ở dải vận tốc 15 đến 20 m/phút, nhiệt cắt tăng cao kết hợp áp lực lớn tạo ra hạt lẹo dao có nhiệt độ nóng chảy tế vi lên tới 3000 độ C. Hạt lẹo dao này phá hủy độ nhẵn của bề mặt gia công. Khi vận tốc đạt trên 60 m/phút, nhiệt độ vùng cắt làm mềm phoi, lực ma sát dòng phoi thắng lực bám dính, triệt tiêu lẹo dao.

Dữ liệu thực nghiệm của luận văn có thể được biểu diễn trực quan thông qua bảng ma trận quy hoạch 17 điểm Hartley kết hợp hệ thống đồ thị đáp ứng bề mặt không gian ba chiều (3D Response Surface). Trên đồ thị 3D, sự tương tác giữa vận tốc cắt và lượng chạy dao tạo nên một thung lũng cực tiểu rõ nét, tại đó độ nhám Ra đạt giá trị thấp nhất. Đồ thị mặt cắt hai chiều cũng thể hiện rõ sự phân kỳ của sai số kích thước khi chiều sâu cắt tăng dần từ 0,5 mm lên 2,5 mm.

Kết quả này hoàn toàn đồng nhất với các công trình nghiên cứu kinh điển của GS. Bành Tiến Long và GS. Friedhelm Lierath, đồng thời đóng góp bộ dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác cho dòng máy tiện T18A sản xuất tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Thiết lập chế độ cắt tối ưu hóa trong nguyên công tiện tinh: Các cơ sở sản xuất cần cài đặt thông số gia công chi tiết trục thép C45 trên máy tiện T18A với vận tốc cắt duy trì trên 60 m/phút, lượng chạy dao tinh khống chế dưới 0,12 mm/vòng và chiều sâu cắt không vượt quá 1,0 mm. Giải pháp này giúp kiểm soát độ nhám Ra luôn đạt dưới 1,6 micromet (tương đương cấp độ nhẵn tinh từ cấp 7 đến cấp 8) và giảm thiểu 20% tỷ lệ phế phẩm ngay trong quý đầu tiên vận hành.
2. Chuẩn hóa thông số hình học và chế độ mài dao cắt: Đội ngũ kỹ thuật viên cần định kỳ mài sửa dụng cụ cắt bằng đá mài kim cương mịn để duy trì bán kính mũi dao r tối thiểu 0,5 mm và góc sau alpha lớn hơn 8 độ. Việc này giúp giảm diện tích tiếp xúc ma sát, hạ nhiệt độ cắt và nâng cao độ bền mỏi của chi tiết lên 40%.
3. Số hóa và ban hành bảng tra cứu chế độ cắt chuẩn cho máy tiện T18A: Ban giám hiệu các trường đào tạo nghề cùng bộ phận kỹ thuật nhà máy cần phối hợp biên soạn tài liệu tra cứu số liệu công nghệ trong thời gian 6 tháng tới, thay thế phương pháp phỏng đoán kinh nghiệm của thợ tiện.
4. Kiểm soát độ cứng vững hệ thống công nghệ định kỳ: Bộ phận bảo trì thiết bị tại các xưởng cơ khí cần tiến hành kiểm tra khe hở ổ trục chính và độ rơ bàn xe dao theo chu kỳ 3 tháng một lần, nhằm đảm bảo sai số kích thước đường kính luôn nằm trong dung sai tiêu chuẩn dưới 0,02 mm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư công nghệ chế tạo máy tại các doanh nghiệp cơ khí vừa và nhỏ: Nắm vững phương pháp tính toán chế độ cắt hợp lý cho thép C45, giúp rút ngắn 15% thời gian chuẩn bị công nghệ và tiết kiệm 25% chi phí hao mòn dao cụ.
2. Giảng viên và giáo viên dạy nghề tại các trường kỹ thuật: Sử dụng dữ liệu thực nghiệm làm giáo trình chuẩn phục vụ đào tạo thực hành tiện trên máy T18A cho hơn 500 học sinh, sinh viên mỗi năm.
3. Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành kỹ thuật cơ khí: Tham khảo quy trình ứng dụng toán học thống kê và quy hoạch thực nghiệm bậc hai Hartley 17 điểm với độ tin cậy R bình phương trên 0,75 để giải quyết các bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu.
4. Tổ trưởng sản xuất và thợ tiện bậc cao tại các xưởng gia công: Tra cứu trực tiếp dải vận tốc cắt an toàn trên 60 m/phút để loại trừ hoàn toàn vùng lẹo dao 15 đến 20 m/phút, đảm bảo chất lượng bề mặt sản phẩm xuất xưởng.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao dải vận tốc cắt từ 15 đến 20 m/phút lại làm giảm độ nhẵn bóng bề mặt?

Tại dải vận tốc này, nhiệt cắt và lực cắt tăng mạnh gây biến dạng dẻo nghiêm trọng ở lớp bề mặt kim loại. Kim loại bị nén chặt và dính vào mũi dao tạo thành lẹo dao có độ cứng cao, cào xước bề mặt gia công. Khi tăng vận tốc lên trên 60 m/phút, lẹo dao bị cuốn trôi hoàn toàn, giúp độ nhẵn bóng tăng khoảng 35% đến 40%.

Quy hoạch thực nghiệm theo phương án H. Hartley có ưu điểm gì nổi bật?

Phương án Hartley chỉ yêu cầu thực hiện 17 thí nghiệm cho 3 thông số đầu vào thay vì 27 thí nghiệm như phương pháp toàn phần truyền thống. Phương pháp này cho phép thiết lập mô hình hồi quy bậc hai tương thích cao, đánh giá đầy đủ tác động tương hỗ giữa các yếu tố và đảm bảo hệ số tương quan đạt trên 0,75.

Yếu tố nào gây ra sai số kích thước đường kính lớn nhất khi tiện trục?

Chiều sâu cắt là yếu tố ảnh hưởng mạnh nhất do tác động trực tiếp đến lực hướng kính Py. Khi chiều sâu cắt vượt quá 2,0 mm, lực Py làm cong thân trục và biến dạng hệ thống gá kẹp, khiến sai số kích thước đường kính tăng từ 15% đến 25% so với chế độ cắt mỏng.

Chỉ tiêu Ra trong tiêu chuẩn TCVN 2511-95 được hiểu như thế nào?

Ra là sai lệch profin trung bình cộng của các khoảng cách từ đỉnh và đáy nhấp nhô tới đường trung bình trên chiều dài chuẩn. Tiêu chuẩn Việt Nam chia độ nhám thành 14 cấp, trong đó gia công tinh thường yêu cầu Ra nằm trong khoảng từ 2,5 đến 0,04 micromet (tương ứng từ cấp 6 đến cấp 12).

Làm thế nào để giải bài toán tối ưu đồng thời cả độ nhám bề mặt và sai số kích thước?

Tác giả sử dụng phương pháp hàm mục tiêu tổng quát không thứ nguyên Phi bằng tổng của hai hàm tỷ lệ thành phần Phi 1 và Phi 2. Bài toán quy về việc tìm bộ ba thông số vận tốc, lượng chạy dao và chiều sâu cắt sao cho hàm tổng đạt giá trị cực tiểu, đáp ứng cùng lúc cả hai tiêu chí kỹ thuật.

Kết luận

• Luận văn đã xác lập thành công mô hình toán học hồi quy bậc hai mô tả quy luật ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám Ra và sai số kích thước trên máy tiện T18A với hệ số tương quan vững chắc R bình phương lớn hơn 0,80.
• Lượng chạy dao được xác định là thông số ảnh hưởng lớn nhất đến độ nhám bề mặt, trong khi chiều sâu cắt chi phối chủ yếu đến lực uốn hướng kính và sai số kích thước đường kính chi tiết.
• Vận tốc cắt trên 60 m/phút được chứng minh là vùng làm việc tối ưu giúp triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng lẹo dao, nâng cao độ bóng bề mặt thêm 35% đến 40%.
• Kế hoạch triển khai tiếp theo trong vòng 3 đến 6 tháng là mở rộng ngân hàng dữ liệu thực nghiệm cho các mác thép hợp kim khác và tích hợp thuật toán tối ưu vào phần mềm điều khiển gia công.
• Độc giả, kỹ sư và các nhà nghiên cứu hãy áp dụng ngay bộ thông số cắt tối ưu của luận văn vào quy trình sản xuất thực tế để nâng cao năng suất và khẳng định chất lượng cơ khí Việt Nam.

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 Sd 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, 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 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 đ- ược 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 - hoá 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 hoá 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, 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 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 6 động có ổ tiếp phôi và trục phân phối mang các cam đĩa và cam thùng. 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. 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, vật liệu phi kim loa ̣i 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.

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 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 7 RS-232 thích ứng với Windows 98/ 2000/ XP; Hãng Hyundai (Hàn quốc) đã thiết kế, chế tạo Hình 1. Máy tiện CNC CJK1640 8 Hình 1. Máy tiện CNC PDL-T6/8 Hình 1.

Trung tâm gia công tiện CNC- HYUNDAI WIA 9 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 hoá và tối ưu hoá 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 hoá các quá trình gia công cắt gọt [1, 5, 34]. 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 hoá 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,.