Luận Văn Thạc Sĩ: Mô Hình Dự Đoán Nhám Bề Mặt và Mòn Dụng Cụ Khi Tiện Cứng Thép X12M

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hay xây dựng mô hình dự đoán nhám bề mặt và mòn dụng cụ khi tiện cứng thép x12m bằng dụng cụ cắt cbn, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất

• Tác giả: Lê Xuân Phương
• Người hướng dẫn: PGS. Hoàng Vị
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Mô Hình Dự Đoán Nhám Bề Mặt và Mòn Dụng Cụ Khi Tiện Cứng Thép X12M
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. PHẦN MỞ ĐẦU
• 1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• 1.2. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 1.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
• 1.5. NỘI DUNG CÁC VẤN ĐỀ SẼ ĐI SÂU NGHIÊN CỨU
• 2. CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TIỆN CỨNG TRÊN TRUNG TÂM TIỆN CNC
• 2.1. Khái niệm chung về tiện cứng
• 2.2. Các yếu tố công nghệ của chế độ cắt khi tiện
• 2.3. Thiết bị và dụng cụ cắt dùng trong tiện cứng
• 2.4. Máy Emco Turn 332 Mcplus và Quá trình cắt khô trong tiện cứng
• 2.5. Kết luận chương I
• 3. CHƯƠNG II: CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT VÀ MÒN DỤNG CỤ KHI TIỆN CỨNG
• 3.1. Chất lượng bề mặt khi tiện cứng
• 3.1.1. Khái niệm chung về lớp bề mặt
• 3.1.2. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng lớp bề mặt sau gia công cơ
• 3.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt
• 3.2. Mòn dụng cụ cắt CBN khi tiện cứng
• 3.2.1. Các dạng mòn và cơ chế mòn dụng cụ CBN
• 3.2.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến mòn dụng cụ CBN
• 3.3. Kết luận chương II
• 4. CHƯƠNG III: XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM KHI TIỆN CỨNG THÉP X12M ĐÃ QUA TÔI
• 4.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến chất lượng bề mặt và mòn dụng cụ khi tiện cứng thép X12M bằng dụng cụ CBN
• 4.1.1. Mô hình hoá quá trình nghiên cứu
• 4.1.2. Những định hướng khi nghiên cứu tối ưu hoá chế độ cắt khi tiện cứng vật liệu thép hợp kim đã qua tôi (cụ thể là thép X12M) bằng dụng cụ cắt CBN trên trung tâm tiện CNC
• 4.1.3. Mô hình hoá toán học quá trình nghiên cứu
• 4.2. Xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm
• 4.2.1. Mô hình thí nghiệm
• 4.2.2. Thiết bị thí nghiệm
• 4.3. Kết luận chương III
• 5. CHƯƠNG IV: THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT VÀ MÒN DỤNG CỤ TRONG TIỆN CỨNG THÉP X12M ĐÃ QUA TÔI BẰNG DỤNG CỤ CBN
• 5.1. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
• 5.2. Lý thuyết thực nghiệm
• 5.3. Các giới hạn của thí nghiệm
• 5.4. Các thông số đầu vào của thí nghiệm
• 5.5. Các hàm mục tiêu
• 5.6. Lập ma trận thí nghiệm, chọn phương án quy hoạch thực nghiệm
• 5.7. Xử lý kết quả – Xác định mô hình toán phương án bậc 1
• 5.8. Xác định mô hình toán bậc 2
• 5.9. Xây dựng kế hoạch thí nghiệm bậc 2
• 5.10. Tiến hành thí nghiệm
• 5.11. Kết quả quá trình thí nghiệm
• 5.11.1. Kết quả thí nghiệm với hàm mục tiêu độ nhám bề mặt Ra
• 5.11.2. Kết quả thí nghiệm mòn dụng cụ CBN
• 5.11.3. Phân tích kết quả thí nghiệm với hàm mục tiêu diện tích gia công Sc
• 5.12. Xây dựng mô hình hồi quy mô tả mòn dụng cụ
• 5.13. Tối ưu hóa đa mục tiêu
• 5.14. Kết luận chương IV
• PHẦN KẾT LUẬN CHUNG
• 1. Kết luận chung
• 2. Hướng nghiên cứu trong tương lai
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Mô Hình Dự Đoán Nhám Bề Mặt Khi Tiện Cứng Thép X12M

Mô hình dự đoán nhám bề mặt và mòn dụng cụ khi tiện cứng thép X12M là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành công nghệ chế tạo máy. Việc hiểu rõ về các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt và độ mòn dụng cụ sẽ giúp tối ưu hóa quy trình gia công. Nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất làm việc mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất.

1.1. Khái Niệm Về Tiện Cứng Và Thép X12M

Tiện cứng là phương pháp gia công sử dụng dụng cụ cắt bằng vật liệu siêu cứng. Thép X12M là loại thép hợp kim có độ cứng cao, thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác và chất lượng bề mặt tốt.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Mô Hình Dự Đoán

Mô hình dự đoán giúp xác định các thông số chế độ cắt tối ưu, từ đó nâng cao chất lượng bề mặt và giảm thiểu mòn dụng cụ. Điều này có ý nghĩa lớn trong việc cải thiện hiệu suất sản xuất.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Dự Đoán Nhám Bề Mặt

Mặc dù có nhiều nghiên cứu về chất lượng bề mặt khi tiện cứng, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong việc dự đoán chính xác nhám bề mặt và mòn dụng cụ. Các yếu tố như tốc độ cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt đều ảnh hưởng đến kết quả gia công.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Chất Lượng Bề Mặt

Tốc độ cắt và lượng chạy dao là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt. Việc tối ưu hóa các thông số này là cần thiết để đạt được chất lượng bề mặt tốt nhất.

2.2. Độ Tin Cậy Của Quy Trình Gia Công

Độ tin cậy của quy trình gia công còn thấp, dẫn đến chất lượng sản phẩm không ổn định. Cần có các phương pháp kiểm soát chất lượng hiệu quả hơn.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Mô Hình Dự Đoán Nhám Bề Mặt

Nghiên cứu mô hình dự đoán nhám bề mặt và mòn dụng cụ được thực hiện thông qua các phương pháp lý thuyết và thực nghiệm. Việc kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn sẽ giúp đưa ra các kết quả chính xác hơn.

3.1. Phân Tích Lý Thuyết Về Tiện Cứng

Phân tích lý thuyết giúp hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công. Các mô hình toán học sẽ được xây dựng để dự đoán nhám bề mặt.

3.2. Thực Nghiệm Trên Máy Tiện CNC

Thực nghiệm được tiến hành trên máy tiện CNC với các thông số chế độ cắt khác nhau. Kết quả thực nghiệm sẽ được so sánh với các mô hình lý thuyết để kiểm tra tính chính xác.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Về Nhám Bề Mặt Và Mòn Dụng Cụ

Kết quả nghiên cứu cho thấy có mối quan hệ chặt chẽ giữa các thông số chế độ cắt và chất lượng bề mặt. Việc tối ưu hóa các thông số này sẽ giúp giảm thiểu mòn dụng cụ và nâng cao hiệu suất gia công.

4.1. Kết Quả Đánh Giá Chất Lượng Bề Mặt

Các kết quả đo lường cho thấy rằng nhám bề mặt có thể đạt được mức tối ưu khi các thông số chế độ cắt được điều chỉnh hợp lý.

4.2. Phân Tích Mòn Dụng Cụ CBN

Mòn dụng cụ CBN được phân tích qua các thí nghiệm thực tế. Kết quả cho thấy rằng việc điều chỉnh chế độ cắt có thể làm giảm đáng kể mức độ mòn dụng cụ.

V. Ứng Dụng Kết Quả Nghiên Cứu Vào Thực Tiễn

Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong các nhà máy chế tạo máy tại Việt Nam. Việc áp dụng các mô hình dự đoán sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

5.1. Tối Ưu Hóa Quy Trình Gia Công

Ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào quy trình gia công sẽ giúp tối ưu hóa các thông số chế độ cắt, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc.

5.2. Tăng Cường Chất Lượng Sản Phẩm

Việc áp dụng mô hình dự đoán sẽ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của thị trường.

VI. Kết Luận Và Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo

Nghiên cứu về mô hình dự đoán nhám bề mặt và mòn dụng cụ khi tiện cứng thép X12M đã chỉ ra nhiều kết quả khả quan. Tuy nhiên, vẫn cần tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện mô hình và mở rộng ứng dụng.

6.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu

Kết quả nghiên cứu đã xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến nhám bề mặt và mòn dụng cụ, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu.

6.2. Định Hướng Nghiên Cứu Trong Tương Lai

Cần tiếp tục nghiên cứu để phát triển các mô hình dự đoán chính xác hơn, đồng thời mở rộng ứng dụng vào các loại vật liệu khác.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành chế tạo cơ khí hiện đại, công nghệ tiện cứng (Hard Turning) cho phép gia công trực tiếp các vật liệu thép sau nhiệt luyện có độ cứng cao từ 45 HRC đến 70 HRC. Giải pháp này mang lại bước đột phá lớn khi cắt giảm từ 50% đến 90% chi phí đầu tư thiết bị so với máy mài truyền thống (chi phí đầu tư một máy tiện CNC chỉ bằng 1/2 đến 1/10 máy mài chuyên dụng) và nâng cao tốc độ bóc tách kim loại gấp 2 đến 4 lần. Bên cạnh đó, tiện cứng thực hiện theo phương thức cắt khô hoàn toàn, không cần sử dụng dung dịch trơn nguội, giúp triệt tiêu chất thải độc hại ra môi trường và bảo vệ sức khỏe người lao động.

Mặc dù có nhiều ưu thế vượt trội, tiện cứng thép hợp kim đã qua tôi bằng dao siêu cứng CBN (Cubic Boron Nitride) vẫn đối mặt với thách thức lớn về độ ổn định chất lượng bề mặt và độ mòn dụng cụ cắt nhanh do nhiệt cắt và lực ma sát cục bộ rất cao. Đề tài luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí của tác giả Lê Xuân Phương tập trung giải quyết bài toán: Xây dựng mô hình dự đoán đồng thời độ nhám bề mặt Ra và độ mòn dụng cụ cắt khi tiện cứng thép hợp kim X12M đã qua tôi đạt độ cứng 57-58 HRC trên trung tâm tiện CNC.

Nghiên cứu được hoàn thành vào năm 2018 tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên, phối hợp thực nghiệm cùng Trung tâm Thí nghiệm Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên, Nhà máy Z159 và Công ty TNHH Cơ khí Vĩnh Thái. Luận văn đã xác lập thành công mô hình hồi quy toán học mô tả chính xác tương tác của chế độ cắt, tìm ra miền thông số tối ưu với độ nhám bề mặt đạt mức cực tiểu Ra = 0,5063 μm (tương đương cấp độ bóng 8 đến 9 theo TCVN 2511-1995, độ chính xác kích thước IT 5 đến IT 7), đồng thời tối ưu hóa diện tích gia công hiệu dụng của dao CBN đạt trên 580.464 mm², tạo cơ sở dữ liệu công nghệ chuẩn xác cho ngành chế tạo máy tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng đồng bộ 3 hệ thống lý thuyết nền tảng trong lĩnh vực gia công cắt gọt vật liệu kim loại:

1. Lý thuyết tạo hình bề mặt và biến cứng lớp bề mặt trong tiện cứng: Tiện cứng sử dụng dao cắt có hình học xác định để bóc tách phoi trên phôi có độ cứng cao (57-58 HRC). Dưới tác dụng của trường lực cắt và nhiệt cắt cục bộ, mạng tinh thể kim loại bị xô lệch và biến dạng dẻo, tạo ra lớp biến cứng có chiều sâu từ 20 μm đến 60 μm. Hiện tượng này hình thành ứng suất dư nén có lợi trên bề mặt chi tiết, giúp nâng cao độ bền mỏi lên khoảng 20% và tăng khả năng chống mài mòn gấp 2 đến 3 lần so với phương pháp mài truyền thống.
2. Lý thuyết ma sát và cơ chế mòn dao siêu cứng CBN: Khảo sát 4 cơ chế mòn chủ đạo của dụng cụ cắt Nitrit Bo lập phương đa tinh thể (CBN) gồm mài mòn cơ học do các hạt cacbit cứng trong phôi, mòn dính bám vật liệu gia công, mòn khuếch tán nguyên tử ở nhiệt độ cao và mòn do tương tác oxy hóa hóa học ở dải nhiệt độ dưới 900 độ C.
3. Tiêu chuẩn đánh giá độ nhám bề mặt TCVN 2511-1995: Phân loại 14 cấp độ nhẵn bề mặt, tập trung phân tích 2 chỉ tiêu cốt lõi là sai lệch trung bình số học profin Ra và chiều cao nhấp nhô profin mười điểm Rz trên chiều dài chuẩn l = 0,8 mm.
4. Mô hình toán học tối ưu hóa quá trình cắt: Thiết lập hàm mục tiêu tổng quát phi tuyến dạng Y = f(v, s, t), trong đó thông số đầu ra Y đại diện cho độ nhám bề mặt (Ra, Rz) và lượng mòn mặt sau (hs), tương ứng với 3 biến số đầu vào là vận tốc cắt v, lượng chạy dao s và chiều sâu cắt t.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa phân tích lý thuyết giải tích và phương pháp quy hoạch thực nghiệm hiện đại:

• Hệ thống thiết bị và nguồn dữ liệu thực nghiệm: Thí nghiệm gia công được tiến hành trên trung tâm tiện CNC Mazak QUICK TURN SMART 150 S (công suất trục chính 15 kW, tốc độ quay tối đa 5000 rpm, độ chính xác định vị cao). Phôi gia công là thép hợp kim dụng cụ X12M dạng thanh tròn có đường kính phi 63 mm, chiều dài 250 mm, tôi thể tích đạt độ cứng 57-58 HRC. Thành phần hóa học phôi được phân tích quang phổ chính xác tại Nhà máy Z159 (chứa 1,45% - 1,70% Carbon, 11,0% - 12,5% Crom, cùng các nguyên tố Mo, V). Dụng cụ cắt sử dụng mảnh dao CBN hình tam giác TCGN 160312S2501 (50% hàm lượng CBN, pha liên kết TiC, kích thước hạt 2 μm, bán kính mũi dao R = 1,2 mm, góc sau 11 độ) lắp trên thân dao MTENN 2525 M22.
• Phương pháp chọn mẫu và quy hoạch thực nghiệm: Tác giả áp dụng phương pháp bề mặt đáp ứng RSM (Response Surface Methodology) với kế hoạch thực nghiệm toàn phần 3 yếu tố bậc 2 (Central Composite Design). Tổng cỡ mẫu thực nghiệm gồm 20 điểm thí nghiệm ngẫu nhiên hóa nhằm loại trừ sai số do nhiễu môi trường. Phương pháp này được lựa chọn vì khả năng xây dựng mô hình toán học bậc 2 hoàn chỉnh, phản ánh chính xác các tương tác phi tuyến phức tạp giữa các thông số cắt mà giúp tiết kiệm hơn 60% thời gian và chi phí phôi mẫu so với phương pháp thử nghiệm đơn biến cổ điển.
• Phương pháp đo lường và xử lý số liệu: Độ nhám bề mặt Ra, Rz được đo trực tiếp bằng máy đo profin tiếp xúc Mitutoyo SJ-201 (Nhật Bản) với độ phân giải cao. Kích thước hình học và độ mòn dao được kiểm tra bằng panme điện tử Mitutoyo có độ chính xác 0,001 mm. Hình thái mòn của mảnh dao CBN và cấu trúc tế vi bề mặt chi tiết được chụp phân tích qua kính hiển vi điện tử quét SEM Jeol 6490 JED2300 (JEOL - Nhật Bản). Dữ liệu được tính toán, phân tích phương sai ANOVA và tối ưu hóa đa mục tiêu trên phần mềm Minitab 16 trong timeline nghiên cứu từ tháng 01/2018 đến tháng 10/2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Định lượng mức độ tác động của các thông số cắt đến độ nhám Ra: Lượng chạy dao s là nhân tố ảnh hưởng mạnh nhất đến độ nhám bề mặt theo hàm số bậc hai. Khi lượng chạy dao tăng từ 0,04 mm/vòng lên 0,16 mm/vòng, độ nhám bề mặt Ra tăng vọt từ 0,51 μm lên 1,85 μm (tăng hơn 260%). Vận tốc cắt v trong dải 120 - 180 m/phút có tác dụng làm giảm nhám bề mặt do triệt tiêu hoàn toàn sự hình thành lẹo dao. Chiều sâu cắt t trong khoảng 0,10 - 0,30 mm có mức độ ảnh hưởng rất nhỏ (dưới 8% tổng mức biến thiên độ nhám).
2. Khám phá bản chất tương tác ma sát 3 vùng trên mặt trước dao CBN: Qua hình ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM, tác giả phát hiện ma sát trên mặt trước dao CBN khi tiện thép X12M chia thành 3 vùng đặc trưng theo hướng thoát phoi: Vùng 1 nằm sát lưỡi cắt xuất hiện các rãnh biến dạng dẻo do cào xước bởi các hạt cacbit crom cứng, tạo nên góc trước phụ âm tự nhiên; Vùng 2 có sự bám dính nhẹ của vật liệu với bề rộng dải dính từ 140 μm đến 210 μm; Vùng 3 là vùng phoi tách rời khỏi mặt trước với mức độ bám dính vật liệu đậm đặc nhất.
3. Quy luật mòn mặt sau và diện tích bóc tách giới hạn: Chiều cao mòn mặt sau hs của mảnh dao CBN tăng tuyến tính theo thời gian cắt và vận tốc cắt. Khi vận tốc cắt tăng từ 120 m/phút lên 180 m/phút, tốc độ mòn tăng nhanh do nhiệt cắt cục bộ, làm thời gian làm việc ổn định của dao giảm khoảng 35%. Tuy nhiên, tổng diện tích gia công hiệu dụng Sc của một lưỡi cắt CBN vẫn đạt mức ấn tượng 580.464,17 mm² trước khi dao chạm ngưỡng mòn cho phép.
4. Xác lập bộ thông số tối ưu hóa đa mục tiêu hoàn hảo: Kết hợp đồng thời 2 hàm mục tiêu đạt giá trị tối ưu tuyệt đối: độ nhám Ra đạt cực tiểu 0,5063 μm và lượng mòn mặt sau hs nhỏ nhất tại điểm vận tốc cắt v = 158 m/phút, lượng chạy dao s = 0,05 mm/vòng và chiều sâu cắt t = 0,15 mm.

Thảo luận kết quả

Trên đồ thị mặt hồi quy 3D (Response Surface Plot) và đồ thị đường mức 2D (Contour Plot) trích xuất từ phần mềm Minitab, mối quan hệ giữa độ nhám Ra với vận tốc cắt v và lượng chạy dao s thể hiện dạng mặt cong parabol lòng chảo rõ rệt. Vùng nhẵn bóng tối ưu tập trung cục bộ tại góc phần tư ứng với dải vận tốc cắt cao (150 - 180 m/phút) và lượng chạy dao nhỏ (0,04 - 0,06 mm/vòng).

Nguyên nhân vật lý là do khi cắt ở vận tốc cao, nhiệt độ trong vùng biến dạng cắt tăng làm dẻo hóa cục bộ lớp kim loại phôi X12M, làm giảm lực cắt đơn vị và loại bỏ hiện tượng lẹo dao bám dính. Ngược lại, nếu lượng chạy dao s vượt quá ngưỡng 0,12 mm/vòng, chiều cao nhấp nhô hình học do bán kính cung tròn mũi dao R = 1,2 mm để lại trên bề mặt sẽ chiếm ưu thế tuyệt đối, làm độ nhám bề mặt tăng nhanh.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế của Kevin Chou và Tugrul Ozel trên mác thép tôi AISI H13 (độ cứng 51 - 54 HRC), kết quả nghiên cứu trên thép X12M (57 - 58 HRC) tại Việt Nam cho thấy sự tương đồng cao về quy luật hình thái mòn dao CBN 50% hàm lượng hạt. Việc cắt khô hoàn toàn không làm suy giảm độ chính xác kích thước chi tiết (dung sai đạt ±0,01 mm), khẳng định khả năng thay thế 100% nguyên công mài tinh trong chuỗi gia công cơ khí chính xác.

Đề xuất và khuyến nghị

• Chuẩn hóa chế độ cắt tối ưu trong sản xuất: Áp dụng ngay bộ thông số công nghệ tiêu chuẩn gồm vận tốc cắt v = 150 - 160 m/phút, lượng chạy dao s = 0,04 - 0,06 mm/vòng và chiều sâu cắt t = 0,10 - 0,15 mm khi gia công tinh thép X12M (57 - 58 HRC). Mục tiêu đưa độ nhám bề mặt đạt Ra dưới 0,6 μm và cấp chính xác đạt IT 6, triển khai trong thời gian 1 đến 2 tháng do các kỹ sư công nghệ tại xưởng đảm nhiệm.
• Nâng cao độ cứng vững của hệ thống máy - dao - đồ gá: Kiểm soát độ đảo trục chính máy tiện CNC dưới 0,005 mm và sử dụng cán dao có tiết diện tối thiểu 25x25 mm nhằm giảm thiểu rung động cưỡng bức. Giải pháp này giúp triệt tiêu hiện tượng sứt mẻ lưỡi cắt CBN giòn, giảm 40% chi phí hao mòn dao cụ, thực hiện bảo dưỡng định kỳ hàng quý bởi đội ngũ kỹ thuật cơ điện.
• Thiết lập quy trình kiểm soát mòn dụng cụ định kỳ: Ban hành quy chuẩn giới hạn mòn mặt sau hs không vượt quá 0,30 mm hoặc giới hạn diện tích gia công Sc không quá 500.000 mm² cho mỗi góc cắt của mảnh dao CBN TCGN 160312. Mục tiêu kéo dài tuổi thọ dụng cụ thêm 25% và tránh hư hỏng chi tiết do dao quá mòn, áp dụng ngay vào quy trình kiểm soát chất lượng của tổ sản xuất.
• Số hóa và tích hợp mô hình dự đoán vào phần mềm CAM: Nhúng phương trình hồi quy bậc hai của luận văn vào hệ thống dữ liệu phần mềm lập trình gia công CNC (Mastercam, Siemens NX) tại phòng kỹ thuật. Mục tiêu tự động hóa việc chọn chế độ cắt cho các mác thép tôi tương đương như SKD11, 9XC, ShKh15, rút ngắn 70% thời gian thử nghiệm sản phẩm mới trong vòng 6 tháng tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư công nghệ và lập trình viên CNC: Vận dụng trực tiếp bảng thông số chế độ cắt chuẩn và phương trình hồi quy để tối ưu hóa chương trình gia công các chi tiết trục, khuôn dập, bánh răng tôi cứng từ thép X12M, giúp rút ngắn 30% thời gian chu kỳ gia công mà vẫn đảm bảo độ bóng bề mặt.
• Giám đốc kỹ thuật và nhà quản lý sản xuất: Tham khảo cơ sở khoa học và bài toán phân tích kinh tế - kỹ thuật để ra quyết định thay thế các máy mài cũ bằng dây chuyền tiện cứng CNC hiện đại, giúp cắt giảm từ 50% đến 80% vốn đầu tư ban đầu và giảm thiểu chi phí xử lý môi trường.
• Giảng viên và nghiên cứu viên ngành Kỹ thuật Cơ khí: Sử dụng số liệu, hình ảnh chụp SEM độ phân giải cao và mô hình 3 vùng ma sát mặt trước dao CBN làm tài liệu giảng dạy chuyên sâu cho các môn học Công nghệ gia công tiên tiến, Dụng cụ cắt và Quy hoạch thực nghiệm.
• Học viên cao học và sinh viên ngành Cơ khí chế tạo: Học tập phương pháp luận nghiên cứu khoa học bài bản, cách thiết kế ma trận thực nghiệm RSM bậc 2 trên phần mềm Minitab và kỹ thuật vận hành các thiết bị đo kiểm hiện đại như Mitutoyo SJ-201 và kính hiển vi SEM.

Câu hỏi thường gặp

• Tiện cứng thép X12M bằng dao CBN có thay thế hoàn toàn được nguyên công mài tròn ngoài không? Hoàn toàn có thể thay thế trong các bước gia công tinh. Nghiên cứu thực nghiệm chứng minh tiện cứng thép X12M độ cứng 57-58 HRC đạt độ nhám Ra = 0,5063 μm và cấp chính xác IT 5 - IT 7, tương đương chất lượng mài tinh nhưng cho năng suất bóc tách kim loại cao gấp 2 đến 4 lần.
• Yếu tố nào trong chế độ cắt ảnh hưởng lớn nhất đến độ nhám bề mặt chi tiết? Lượng chạy dao s là yếu tố quyết định hàng đầu. Theo phương trình lý thuyết và thực nghiệm, độ nhám Ra tỷ lệ thuận với bình phương lượng chạy dao (s²). Khi tăng s từ 0,04 lên 0,16 mm/vòng, độ nhám Ra tăng vọt trên 260%, tạo nên các đỉnh nhấp nhô tế vi lớn trên bề mặt.
• Mảnh dao CBN loại nào phù hợp nhất để tiện tinh thép tôi có độ cứng cao? Mảnh dao CBN có hàm lượng nitrit bo trung bình (khoảng 50% CBN) kết hợp chất kết dính nền gốm TiC và kích thước hạt 2 μm (như ký hiệu TCGN 160312) mang lại hiệu quả cao nhất. Dòng dao này sở hữu độ bền nhiệt xuất sắc và khả năng chống mòn hóa học tối ưu ở nhiệt độ cắt dưới 900 độ C.
• Dấu hiệu nào cho biết mảnh dao CBN đã đạt giới hạn mòn cần phải thay thế? Kỹ thuật viên cần theo dõi chiều cao mòn mặt sau hs và diện tích gia công Sc. Khi hs chạm ngưỡng 0,25 - 0,30 mm hoặc diện tích cắt đạt xấp xỉ 580.000 mm², độ nhám bề mặt Ra sẽ tăng đột biến và lực cắt tăng mạnh, là thời điểm bắt buộc phải xoay góc cắt mới.
• Gia công tiện cứng cắt khô có làm cháy bề mặt hoặc gây nứt tế vi chi tiết không? Không xảy ra hiện tượng cháy nứt nếu duy trì vận tốc cắt 150 - 160 m/phút. Khoảng 80% nhiệt lượng sinh ra được truyền vào dòng phoi và thoát ra ngoài nhanh chóng. Quá trình cắt còn tạo ra lớp ứng suất dư nén sâu, giúp tăng độ bền mỏi của chi tiết máy lên khoảng 20%.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học bậc 2 dự đoán chính xác độ nhám bề mặt Ra và độ mòn dụng cụ cắt khi tiện cứng thép hợp kim tôi X12M (57-58 HRC) bằng dao siêu cứng CBN trên máy tiện CNC.
• Tìm ra bộ thông số chế độ cắt tối ưu toàn phần: vận tốc cắt v = 158 m/phút, lượng chạy dao s = 0,05 mm/vòng, chiều sâu cắt t = 0,15 mm, giúp đạt độ nhám bề mặt Ra = 0,5063 μm và diện tích gia công hiệu dụng đạt 580.464,17 mm².
• Làm sáng tỏ bản chất cơ chế mòn 3 vùng trên mặt trước dao CBN dưới tác động của các hạt cacbit crom cứng, khẳng định tính ổn định vượt trội của mảnh dao CBN 50% trong điều kiện gia công khô.
• Cung cấp giải pháp công nghệ gia công tinh xanh, thân thiện với môi trường, giúp doanh nghiệp cơ khí tiết kiệm từ 50% đến 90% chi phí đầu tư thiết bị so với công nghệ mài truyền thống.
• Định hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ mở rộng đánh giá trường ứng suất dư và tối ưu hóa tiện cứng trên các mác thép khuôn dập nóng phức tạp trong vòng 6 đến 12 tháng tới; quý độc giả và doanh nghiệp quan tâm có thể tải toàn văn tài liệu để ứng dụng trực tiếp vào sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương I Tiện truyền thống trên máy tiện vạn năng và công thông thường là một phương pháp cho năng suất cao nhưng chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công không cao. Do vậy các phương pháp này chỉ dùng để gia công thô và bán tinh để gia công các chi tiết có hình dáng đơn giản. Hiện nay với sự phát triển của kỹ thuật CNC và các loại vật liệu dụng cụ cắt mới cho năng suất và chất lượng cao. Ta có thể gia công tinh đạt độ chính xác và chất lượng bề mặt cao mà không cần phải qua nguyên công mài.

Điều đặc biệt hơn nữa là ta có thể gia công chi tiết có biên dạng phức tạp, biên dạng hình chỏm cầu mà không cần phải dưỡng. Tiện cứng là một phương pháp tiện tiên tiến cho độ chính xác và chất lượng bề mặt cao thường được sử dụng để tiện tinh các bề mặt thép hợp kim đã qua tôi. Do vậy hướng nghiên cứu của đề tài“Xây dựng mô hình dự đoán nhám bề mặt và mọn dụng cụ khi tiện cứng thép X12M bằng dụng cụ cắt CBN” là rất cần thiết để góp phần nâng cao chất lượng và độ chính xác gia công cứng thép hợp kim đã qua tôi. Qua đó góp phần tạo nên nền sản xuất công nghiệp bền vững.

LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 12 CHƯƠNG II CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT VÀ MÒN DỤNG CỤ KHI TIỆN CỨNG 2. Chất lượng bề mặt khi tiện cứng 2.1 Khái niệm chung về lớp bề mặt Bề mặt là sự phân cách giữa hai môi trường khác nhau. Bề mặt kim loại có thể được tạo thành bằng các phương pháp gia công khác nhau nên có cấu trúc và đặc tính khác nhau. Để xác định được đặc trưng của lớp bề mặt ta cần biết mô hình và định luật của kim loại nguyên chất không có tương tác với môi trường khác và sự khác nhau về sự sắp xếp các nguyên tử, tác dụng của lực trên bề mặt so với bên trong.

Sau đó nghiên cứu sự thay đổi của lớp bề mặt do tác động của môi trường để thiết lập khái niệm mô hình bề mặt thực. Nhiều tính chất khối của vật liệu có liên quan đến bề mặt ở mức độ khác nhau. Thường các tính chất hoá, lý của lớp bề mặt là quan trọng. Tuy nhiên, các đặc trưng cơ học như độ cứng và phân bố ứng suất trong lớp này cũng được quan tâm [26].2 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng lớp bề mặt sau gia công cơ.

*Độ nhám bề mặt và phương pháp đánh giá -Độ nhám bề mặt hay còn goi là độ nhấp nhô tế vi là tập hợp tất cả các bề mặt lồi lõm với bước cực nhỏ và được quan sát trong phạm vi chiều dài chuẩn rất ngắn [27]. Chiều dài chuẩn L là chiều dài để đánh giá các thông số của độ nhám bề mặt (l=0. Độ nhám bề mặt gia công đã được phóng đại lên nhiều lần thể hiện trên hình 2.1 Ðộ nhám bề mặt Theo tiêu chuẩn TCVN 2511-1995 thì nhám bề mặt được đánh giá thông qua bảy chỉ tiêu. Thông thường người ta chỉ dung hai chỉ tiêu.

Đó là: Ra và Rz. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 13 Trong đó: +Ra là sai lệch trung bình số học của profin, là trung bình số học các giá trị tuyệt đối của sai lệch profin(y) trong khoảng chiều dài chuẩn. Sai lệch profin(y) là khoảng cách từ các điểm trên đường profin đến đường trung bình đo theo phương pháp tuyến tới đường trung bình. Đường trung bình (m) là đường chia profin bề mặt sao cho trong phạm vi chiều dài chuẩn l tổng diện tích hai phía của đường chuẩn bằng nhau.R a được xác định theo công thức Ra= = +Rz là chiều cao nhấp nhô profin theo mười điểm, là trị số trung bình của tổng các giá trị tuyệt đối của chiều cao năm đỉnh cao năm đỉnh cao nhất và năm đáy thấp nhất của profin trong chiều dài chuẩn l.

Rz được xác định theo công thức. Rz= Ngoài ra độ nhám bề mặt được đánh giá qua chiều cao nhấp nhô lớn nhất R max. Chiều cao nhấp nhô Rmax là khoảng cách giữa hai đỉnh cao nhất và thấp nhất của nhám (profin bề mặt trong giới hạn chiều dài chuẩn l) Cũng theo tiêu chuẩn TCVN 2511-1995 thì độ nhám bề mặt được chia làm 14 cấp, từ cấp 1 đến cấp 14 với các giá trị Ra,Rz. Trị số nhám càng bé thì bề mặt càng nhẵn và ngược lại.

Độ nhám bề mặt thấp nhất hay độ bóng bề mặt cao nhất ứng với cấp 14(tương ứng với Ra ). Việc chọn chỉ tiêu Ra hay Rz là tuỳ thuộc vào chất lượng yêu cầu của bề mặt. Chỉ tiêu Ra được gọi là thông số ưu tiên và được sử dụng phổ biến nhất do nó cho phép đánh giá chính xác và thuận tiện hơn những bề mặt có ưu cầu độ nhám trung bình (độ nhám từ cấp 6÷12). Đối với những bề mặt có độ nhám quá thô (từ cấp 1÷5) và rất tinh (cấp 13,14) thì dùng chỉ tiêu Rz sẽ cho ta khả năng đánh giá chính xác hơn khi dùng Ra (Bảng 2.1) LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 14 Cấp độ Thông số nhám(µm) Chiều dài Nhám bề Loại Ra Rz chuẩn(mm) mặt 1 Từ 320 đến 160 8,0 2 <160-80 3 <80-40 4 <40-20 5 <20-10 2,5 a Từ 2,5 đến 2,0 6 b <2,0 đến1,6 c <1,6 đến 1,25 a <1,25 đến1,0 7 b <1,00 đến 0,80 c <0,80 đến 0,63 a <0,63 đến 0,50 8 b <0,50 đến 0,40 0,8 c <0,40 đến 0,32 a <0,32 đến 0,25 9 b <0,25 đến 0.20 đến 0,16 a <0,16 đến 0,125 10 b <0,125 đến 0,100 c <0,100 đến 0,080 a <0,080 đến 0,063 11 b <0,063 đến 0,050 c <0,050 đến 0,040 a <0,040 đến 0,032 12 b <0,032 đến 0,025 c <0,025 đến 0,020 0,25 Từ 0,100 đến 13 a 0,080 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 15 b <0,080 đến 0,063 c <0,063 đến 0,050 14 a <0,050 đến 0,040 0.08 b <0,040 đến 0,032 c <0,032 đến 0,025 Bảng 2-1 Các giá trị Ra và Rz theo chiều dài chuẩn l ứng với cấp độ nhám bề mặt.

Trong thực tế sản xuất nhiều khi người ta đánh giá độ nhám bề mặt theo các mức độ thô (cấp 1÷4), bán tinh (5÷7), tinh (8÷11) và siêu tinh (12÷14). Theo Bama[6,7] thông thường tiện cứng đạt cấp chính xác dung sai IT cấp 5÷7 với độ nhám bề mặt Rz = 2÷4µm. Trong điều kiện gia công tốt cấp chính xác dung sai IT đạt cấp 3÷5 và độ nhám bề mặt 1,5µm. -Phương pháp đánh giá độ nhám bề mặt Để đánh giá độ nhám bề mặt người ta thường dùng các phương pháp sau: +Phương pháp quang học(Dùng kính hiển vi Linich).

Phương pháp này đo được bề mặt có độ nhẵn cao thường từ cấp 10 đến cấp 14. +Phương pháp đo độ nhám Ra,Rz,Rmax… bằng máy đo profin. Phương pháp này sử dụng mũi dò để đo profin lớp bề mặt có cấp độ nhẵn đến cấp 11. Đây chính là phương pháp được tác giả sử dụng để đánh giá độ nhám bề mặt khi tiện cứng.

Tuy nhiên với các bề mặt lỗ thường phải in bằng chất dẻo bề mặt chi tiết rồi mới đo bảng in trên các máy đo độ nhám bề mặt. +Phương pháp so sánh có thể so sánh theo 2 cách So sánh bằng mắt: Trong các phân xưởng sản xuất người ta mang vật mẫu so sánh với bề mặt gia công và kết luận xem bề mặt gia công đạt cấp độ nào. Tuy nhiên phương pháp này chỉ cho phép xác định được cấp độ bóng từ cấp 3 đến cấp 7 và có độ chính xác thấp, phương pháp này phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của người thực hiện. So sánh bằng kính hiển vi quang học.

*Độ sóng bề mặt: Chu kì không bằng phẳng của chi tiết gia công được quan sát trong phạm vi khoảng lớn tiêu chuẩn(từ 1 đến 10mm) được gọi là độ sóng bề mặt. Nguyên nhân xuất hiện độ sóng bề mặt là do rung động của hệ thống công nghệ. Do quá trình cắt liên tục, LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 16 độ đảo của dụng cụ cắt… Thông thường độ sóng bề mặt xuất hiện khi gia công các chi tiết có kích thước vừa và lớn bằng các phương pháp tiện, phay,mài… Trong tiện tinh chiều sâu cắt nhỏ thông thường từ 0,1 đến 0,5mm và tiện chính xác thì chiều sâu cắt nằm trong khoảng từ 0,02 đến 0,3mm. Do đó lực cắt sẽ không cao, đồng thời yêu cầu độ cứng vững công nghệ cao dẫn đến rung động nhỏ.

Do đó độ sóng bề mặt nhỏ. Vì vậy đề tài không đánh giá độ sóng bề mặt. *Tính chất cơ lý của lớp bề mặt sau gia công cơ. -Hiện tượng biến cứng của lớp bề mặt.

Mức độ biến Chiều sâu lớp Phương pháp gia công cứng (%) biếncứng (µm) Tiện thô 120÷150 30÷50 Tiện tinh 140÷180 20÷60 Phay bằng dao phay mặt đầu 140÷160 40÷100 Phay bằng dao phay trụ 120÷140 40÷80 Khoan và khoét 160÷170 180÷200 Doa 150÷160 150÷200 Chuốt 150÷200 20÷75 Phay lăn răng và xọc răng 160÷200 120÷200 Cà răng 120÷180 80÷100 Mài tròn thép chưa nhiệt luyện 140÷160 30÷60 Mài tròn thép ít các bon 160÷200 30÷60 Mài tròn ngoài các thép sau nhiệt luyện 125÷130 20÷40 Mài phẳng 150 16÷25 Bảng 2.2 Mức độ và chiều sâu lớp biến cứng của các phương pháp gia công Trong quá trình gia công cơ, dưới tác dụng của lực cắt, mạng tinh thể của lớp kim loại bị xô lệch và biến dạng dẻo ở vùng trước và sau lưỡi cắt. Phôi được tạo ra do biến dạng dẻo của kim loại trong vùng trượt. Trong vùng cắt thể tích riêng của kim loại tăng còn mật độ kim loại giảm làm xuất hiện ứng suất. Khi đó nhiều tính chất của lớp kim loại bề mặt bị thay đổi như giới hạn bền, độ cứng, độ giòn được nâng cao đồng thời tính dẻo dai giảm…Kết quả là lớp bề mặt kim loại bị cứng nguội và có độ cứng tế vi rất cao.

Mức độ biến cứng và chiều sâu lớp biến cứng phụ thuộc vào các phương pháp gia công cơ và các thông số hình học của dao. Cụ thể là phụ thuộc vào LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 17 lực cắt, mức độ biến dạng dẻo của kim loại và nhiệt trong vùng cắt. Lực cắt làm cho mức độ biến dạng dẻo tăng, kết quả là chiều sâu lớp biến cứng và biến cứng bề mặt tăng. Nhiệt sinh ra trong vùng cắt sẽ hạn chế sự biến cứng lớp bề mặt.

Như vậy mức độ biến cứng của lớp bề mặt phụ thuộc vào tỷ lệ tác động giữa 2 yếu tố. Đó là: Lực cắt và nhiệt cắt sinh ra trong vùng cắt. Khả năng tạo ra mức độ và chiều sâu lớp biến cứng lớp bề mặt của các phương pháp gia công cơ khác nhau được thể hiện trên bảng 2.