Xây Dựng Mô Hình Dự Đoán Nhám Bề Mặt và Mòn Dụng Cụ Khi Tiện Cứng Thép X12M

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích 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 thực trạng, chỉ ra hạn chế, 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
• 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
• 1.4.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 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
• 2.2.1. Chiều sâu cắt t (mm)
• 2.2.2. Lượng chạy dao s
• 2.2.3. Vận tốc cắt v
• 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
• 5.2.1. Các giới hạn của thí nghiệm
• 5.2.2. Các thông số đầu vào của thí nghiệm
• 5.2.3. Các hàm mục tiêu
• 5.3. Lập ma trận thí nghiệm, chọn phương án quy hoạch thực nghiệm
• 5.4. Xử lý kết quả – Xác định mô hình toán phương án bậc 1
• 5.5. Xác định mô hình toán bậc 2
• 5.6. Xây dựng kế hoạch thí nghiệm bậc 2
• 5.7. Tiến hành thí nghiệm
• 5.8. Kết quả quá trình thí nghiệm
• 5.8.1. Kết quả thí nghiệm với hàm mục tiêu độ nhám bề mặt Ra
• 5.8.2. Kết quả thí nghiệm mòn dụng cụ CBN
• 5.9. Phân tích kết quả thí nghiệm với hàm mục tiêu diện tích gia công Sc
• 5.9.1. Xây dựng mô hình hồi quy mô tả mòn dụng cụ
• 5.9.2. Tối ưu hóa đa mục tiêu
• 5.10. Kết luận chương IV
• PHẦN KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CỦA ĐỀ TÀI
• 6. Kết luận chung
• 7. Hướng nghiên cứu trong tương lai
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Tiện Cứng Thép X12M Khái Niệm và Ưu Điểm

Tiện cứng là phương pháp gia công tiện các chi tiết có độ cứng cao (45 ÷ 70HRC), thường sử dụng dao bằng vật liệu siêu cứng như CBN, PCD hoặc ceramic tổng hợp. Phương pháp này thay thế cho nguyên công mài khi gia công thép hợp kim đã qua tôi. So với mài, tiện cứng có nhiều ưu thế vượt trội về kinh tế và sinh thái. Một dụng cụ cắt có thể gia công nhiều chi tiết khác nhau, giảm chi phí đầu tư máy móc. Chất lượng bề mặt khi gia công bằng phương pháp tiện cũng có một số ưu điểm hơn so với mài, như ảnh hưởng nhiệt nhỏ, lớp ứng suất dư nén bề mặt có chiều sâu lớn. Đặc biệt, tiện cứng có thể gia công nhiều biên dạng phức tạp, đạt cấp chính xác IT 5÷7 và độ nhám bề mặt Rz là 2÷4µm. Thậm chí, trong điều kiện đặc biệt, có thể đạt cấp chính xác IT 3÷5 và độ nhám bề mặt Rz<1,5µm. Bên cạnh đó, tiện cứng có thể gia công khô, giảm tác động đến môi trường và sức khỏe người lao động. Tuy nhiên, tiện cứng cũng đòi hỏi máy móc, hệ thống công nghệ có độ cứng vững và độ chính xác cao.

1.1. Lịch Sử Phát Triển và Ứng Dụng của Tiện Cứng

Tiện cứng được giới thiệu rộng rãi và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực chế tạo cơ khí từ những năm 1980. Gia công cứng đã phát triển đáng kể trong các phương pháp gia công khác nhau như phay cứng, khoan, chuốt, phay lăn răng. Sự phát triển của dụng cụ cắt, vật liệu dụng cụ cắt siêu cứng và các thiết kế dụng cụ cắt đặc biệt, chế độ cắt hợp lý đã làm cho việc gia công các vật liệu cứng trở lên dễ dàng hơn. Nó là một bước đi tiên phong được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp như một phương tiện nâng cao khả năng gia công các chi tiết chịu tải trọng. Đặc biệt là công nghiệp chế tạo ô tô để chế tạo ra nhiều chi tiết như vòng bi, chế tạo khuôn và khuôn mẫu cũng như các thành phần khác cho các ngành công nghiệp tiên tiến.

1.2. So Sánh Tiện Cứng và Mài Ưu Điểm và Hạn Chế

So với mài, tiện cứng có nhiều ưu điểm như chi phí đầu tư thấp hơn, khả năng gia công biên dạng phức tạp, và khả năng gia công khô. Tuy nhiên, chi phí dụng cụ cho mỗi đơn vị cao hơn đáng kể so với mài, và đòi hỏi máy móc có độ cứng vững và độ chính xác cao. Theo tài liệu gốc, chi phí đầu tư cho một máy tiện CNC chỉ bằng 1/2 đến 1/10 máy mài. Ngoài ra công nghệ này còn góp phần hình thành nên một nền sản xuất công nghiệp công nghiệp bền vững, chất lượng bề mặt khi gia công bằng phương pháp tiện cũng có một số ưu điểm hơn so với mài như: Ảnh hưởng nhiệt đến bề mặt gia công nhỏ do chiều dài và thời gian tiếp xúc giữa dụng cụ và phôi ngắn, lớp ứng suất dư nén bề mặt có chiều sâu lớn nhưng vẫn giữ được độ chính xác và kích thước, hình dáng và tính nguyên vẹn của bề mặt.

II. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Độ Nhám Bề Mặt Khi Tiện Cứng

Chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công là một trong những yêu cầu quan trọng nhất đối với chi tiết máy vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc, độ bền, độ bền mòn cũng như tuổi thọ của chi tiết máy. Độ chính xác gia công ảnh hưởng đến khả năng lắp ráp, khả năng làm việc và thay thế và sửa chữa. Chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công chịu ảnh hưởng rất nhiều của các yếu tố công nghệ. Đặc biệt là các thông số chế độ cắt (tốc độ cắt-V; lượng chạy dao - s và chiều sâu cắt – t) trong quá trình gia công. Chính vì lẽ đó việc nghiên cứu chất lượng bề mặt và độ chính xác khi gia công tiện cứng là rất cần thiết.

2.1. Ảnh Hưởng của Tốc Độ Cắt V Đến Độ Nhám

Tốc độ cắt ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ cắt và tốc độ biến dạng của vật liệu. Tốc độ cắt quá cao có thể gây ra nhiệt độ cao, làm mềm vật liệu và tăng độ dính dao, dẫn đến bề mặt gia công bị xấu đi. Ngược lại, tốc độ cắt quá thấp có thể làm tăng lực cắt và rung động, cũng ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt. Theo nghiên cứu, cần lựa chọn tốc độ cắt phù hợp với vật liệu và dụng cụ cắt để đạt được độ nhám bề mặt tốt nhất.

2.2. Tác Động của Lượng Chạy Dao s Đến Chất Lượng Bề Mặt

Lượng chạy dao là khoảng dịch chuyển của dao trong một vòng quay của phôi. Lượng chạy dao lớn có thể làm tăng năng suất, nhưng cũng làm tăng lực cắt và độ nhám bề mặt. Lượng chạy dao nhỏ giúp cải thiện chất lượng bề mặt, nhưng làm giảm năng suất. Cần cân nhắc giữa năng suất và chất lượng bề mặt để lựa chọn lượng chạy dao phù hợp. Hình 1.2 trong tài liệu gốc minh họa rõ hơn về lượng chạy dao và ảnh hưởng của nó.

2.3. Vai Trò của Chiều Sâu Cắt t Trong Tiện Cứng Thép X12M

Chiều sâu cắt là khoảng cách giữa bề mặt chưa gia công và bề mặt đã gia công. Chiều sâu cắt lớn có thể làm tăng lực cắt và nhiệt độ, ảnh hưởng đến độ chính xác và độ nhám bề mặt. Chiều sâu cắt nhỏ giúp cải thiện chất lượng bề mặt, nhưng làm tăng số lần cắt và thời gian gia công. Hình 1.1 trong tài liệu gốc mô tả rõ hơn về chiều sâu cắt khi tiện.

III. Mòn Dụng Cụ CBN Khi Tiện Cứng Cơ Chế và Yếu Tố

Mòn dụng cụ là một vấn đề quan trọng trong gia công, đặc biệt là khi tiện cứng. Mòn dụng cụ ảnh hưởng đến độ chính xác, chất lượng bề mặt và tuổi thọ của dụng cụ cắt. Việc hiểu rõ cơ chế mòn và các yếu tố ảnh hưởng đến mòn dụng cụ là rất quan trọng để tối ưu hóa quá trình gia công và kéo dài tuổi thọ của dụng cụ cắt. Các dạng mòn và cơ chế mòn dụng cụ CBN.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến mòn dụng cụ CBN .

3.1. Các Dạng Mòn Dụng Cụ Phổ Biến Khi Tiện Cứng

Các dạng mòn dụng cụ phổ biến bao gồm mòn mặt trước, mòn mặt sau, mòn đỉnh dao và sứt mẻ. Mòn mặt trước xảy ra do ma sát và nhiệt độ cao giữa phoi và mặt trước của dao. Mòn mặt sau xảy ra do ma sát giữa bề mặt đã gia công và mặt sau của dao. Mòn đỉnh dao xảy ra do lực cắt tập trung tại đỉnh dao. Sứt mẻ xảy ra do va đập hoặc ứng suất quá lớn. Hình ảnh về các dạng mòn này có thể được tìm thấy trong tài liệu gốc.

3.2. Cơ Chế Mòn Dụng Cụ CBN Khi Tiện Thép X12M

Cơ chế mòn dụng cụ CBN bao gồm mòn cơ học, mòn nhiệt và mòn hóa học. Mòn cơ học xảy ra do ma sát và va đập giữa dao và phôi. Mòn nhiệt xảy ra do nhiệt độ cao làm mềm vật liệu dao và tăng tốc độ mòn. Mòn hóa học xảy ra do phản ứng hóa học giữa vật liệu dao và vật liệu phôi. Tính chất ít tương tác hóa học với nhóm hợp kim thép, độ cứng cao và tính ổn định ở nhiệt độ cao, đặc biệt trong điều kiện ô xy hóa đã làm cho vật liệu CBN...

3.3. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Tuổi Thọ Dụng Cụ

Các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ dụng cụ bao gồm vật liệu dao, vật liệu phôi, thông số chế độ cắt, dung dịch làm mát và độ cứng của máy. Vật liệu dao có độ cứng và độ bền cao sẽ có tuổi thọ cao hơn. Vật liệu phôi có độ cứng cao sẽ làm tăng tốc độ mòn dao. Thông số chế độ cắt phù hợp sẽ giảm lực cắt và nhiệt độ, kéo dài tuổi thọ dao. Dung dịch làm mát giúp giảm nhiệt độ và ma sát, kéo dài tuổi thọ dao. Máy có độ cứng vững cao sẽ giảm rung động, kéo dài tuổi thọ dao.

IV. Xây Dựng Mô Hình Dự Đoán Độ Nhám và Mòn Dụng Cụ

Để tối ưu hóa quá trình tiện cứng, cần xây dựng mô hình dự đoán độ nhám bề mặt và mòn dụng cụ. Mô hình này giúp dự đoán kết quả gia công dựa trên các thông số chế độ cắt, từ đó lựa chọn thông số phù hợp để đạt được chất lượng bề mặt tốt nhất và tuổi thọ dụng cụ cao nhất. Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm. Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và phân tích các công trình nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực của đề tài, kết hợp với quy hoạch thực nghiệm để tìm miền tối ưu của các thông số chế độ cắt khi tiện cứng thép hợp kim đã qua tôi đạt độ cứng 57-58 HRC.

4.1. Phương Pháp Mô Hình Hóa Quá Trình Tiện Cứng

Có nhiều phương pháp mô hình hóa quá trình tiện cứng, bao gồm mô hình hồi quy, mạng nơ-ron và phần mềm mô phỏng. Mô hình hồi quy sử dụng các phương trình toán học để mô tả mối quan hệ giữa các thông số đầu vào và đầu ra. Mạng nơ-ron sử dụng các thuật toán học máy để dự đoán kết quả gia công. Phần mềm mô phỏng sử dụng các mô hình vật lý để mô phỏng quá trình cắt. Mô hình hoá toán học quá trình nghiên cứu .2 Xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm. Mô hình thí nghiệm .2 Thiết bị thí nghiệm .

4.2. Ứng Dụng Mô Hình Hồi Quy Trong Dự Đoán Độ Nhám

Mô hình hồi quy là một phương pháp đơn giản và hiệu quả để dự đoán độ nhám bề mặt. Mô hình này sử dụng các phương trình toán học để mô tả mối quan hệ giữa độ nhám và các thông số chế độ cắt. Các phương trình này được xây dựng dựa trên dữ liệu thực nghiệm. Xử lý kết quả – Xác định mô hình toán phương án bậc 1 .2 Xác định mô hình toán bậc 2 .3 Xây dựng kế hoạch thí nghiệm bậc 2 .4 Tiến hành thí nghiệm .5 Kết quả quá trình thí nghiệm .

4.3. Sử Dụng Mạng Nơ Ron Để Dự Đoán Mòn Dụng Cụ CBN

Mạng nơ-ron là một phương pháp mạnh mẽ để dự đoán mòn dụng cụ CBN. Mạng nơ-ron có thể học được các mối quan hệ phức tạp giữa các thông số đầu vào và đầu ra, và có thể dự đoán kết quả gia công với độ chính xác cao. Phân tích kết quả thí nghiệm với hàm mục tiêu diện tích gia công Sc.2 Xây dựng mô hình hồi quy mô tả mòn dụng cụ .3 Tối ưu hóa đa mục tiêu .

V. Thực Nghiệm Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Chế Độ Cắt Tiện Cứng

Để kiểm chứng các mô hình dự đoán và tìm ra các thông số chế độ cắt tối ưu, cần tiến hành thực nghiệm. Thực nghiệm giúp xác định mối quan hệ thực tế giữa các thông số và kết quả gia công, từ đó điều chỉnh mô hình và lựa chọn thông số phù hợp. Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trên máy tiện CNC có sử dụng các thiết bị đo hiện đại có độ chính xác cao.

5.1. Thiết Kế Thí Nghiệm và Lựa Chọn Thông Số

Thiết kế thí nghiệm cần đảm bảo tính khoa học và độ tin cậy của kết quả. Cần lựa chọn các thông số chế độ cắt phù hợp với vật liệu và dụng cụ cắt, và xác định các mức giá trị của từng thông số. Các giới hạn của thí nghiệm .4 Các thông số đầu vào của thí nghiệm .5 Các hàm mục tiêu .2 Lập ma trận thí nghiệm, chọn phương án quy hoạch thực nghiệm .

5.2. Phương Pháp Đo Độ Nhám Bề Mặt và Mòn Dụng Cụ

Cần sử dụng các phương pháp đo chính xác để đánh giá độ nhám bề mặt và mòn dụng cụ. Các phương pháp đo độ nhám bề mặt bao gồm phương pháp tiếp xúc và phương pháp không tiếp xúc. Các phương pháp đo mòn dụng cụ bao gồm phương pháp quang học và phương pháp khối lượng.

5.3. Phân Tích Kết Quả Thí Nghiệm và Tối Ưu Hóa

Sau khi thu thập dữ liệu, cần phân tích kết quả thí nghiệm để xác định mối quan hệ giữa các thông số và kết quả gia công. Dựa trên kết quả phân tích, có thể tối ưu hóa thông số chế độ cắt để đạt được chất lượng bề mặt tốt nhất và tuổi thọ dụng cụ cao nhất. Kết quả thí nghiệm . Giá trị trung bình nhám bề mặt tại các điểm thí nghiệm theo qui hoạch .6: Nhập các thông số thực nghiệm vào Minitab . Kết quả đo chiều cao vùng mòn mặt sau (hs) . Nhập kết quả đo chiều cao mòn mặt sau (hs)vào phần mềm Minitab . Nhập kết quả đo chiều cao mòn mặt sau (hs) và độ nhám bề mặt .

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Tiện Cứng

Nghiên cứu về mô hình dự đoán độ nhám bề mặt và mòn dụng cụ khi tiện cứng thép X12M bằng dụng cụ cắt CBN có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa quá trình gia công và nâng cao hiệu quả sản xuất. Các kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng tại các nhà máy. Quá trình ứng dụng các kết quả nghiên cứu sẽ cho phép ta mở rộng phạm vi gia công của ngành chế tạo máy nói chung và công nghệ tiện cứng nói riêng. Góp phần tạo ra các sản phẩm có chất lượng tốt, giá thành hạ và nâng cao khả năng ứng dụng vào thực tiễn một phương pháp gia công tinh linh hoạt, thân thiện với môi trường với chi phí đầu tư thấp phù hợp với điều kiện sản xuất ở nớc ta.

6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu Chính

Các kết quả nghiên cứu chính bao gồm việc xác định mối quan hệ giữa các thông số chế độ cắt và độ nhám bề mặt, mòn dụng cụ, xây dựng mô hình dự đoán và tối ưu hóa thông số. Các kết quả này có thể được sử dụng để cải thiện quá trình tiện cứng và nâng cao chất lượng sản phẩm.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Mở Rộng Trong Tương Lai

Hướng nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc nghiên cứu các vật liệu dao cắt mới, phát triển các phương pháp mô hình hóa tiên tiến hơn, và ứng dụng các kỹ thuật tối ưu hóa hiện đại. Ngoài ra, cần nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khác như rung động và nhiệt độ đến quá trình tiện cứng. Hướng nghiên cứu trong tương lai .

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Tiện cứng là phương pháp gia công tinh cuối sử dụng dụng cụ cắt siêu cứng như CBN để gia công thép hợp kim đã qua tôi có độ cứng từ 45 đến 70 HRC. Theo báo cáo ngành, tiện cứng có thể đạt cấp chính xác IT 3÷7 và độ nhám bề mặt Rz từ 1,5 đến 4 µm, đồng thời cho phép gia công khô, giảm thiểu tác động môi trường và chi phí dung dịch trơn nguội. Tuy nhiên, tiện cứng vẫn còn nhiều thách thức như chi phí dụng cụ cao, độ tin cậy quá trình chưa ổn định và chất lượng gia công thiếu đồng đều, đặc biệt khi gia công thép X12M đã qua tôi với độ cứng 57-58 HRC.

Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng mô hình dự đoán nhám bề mặt và mòn dụng cụ khi tiện cứng thép X12M bằng dụng cụ cắt CBN trên trung tâm tiện CNC, nhằm xác định ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt (vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt) đến chất lượng bề mặt và độ mòn dụng cụ, từ đó tối ưu hóa quá trình gia công. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thép hợp kim X12M đã qua tôi, sử dụng máy tiện CNC và dụng cụ cắt CBN, với các thí nghiệm thực hiện tại Việt Nam trong năm 2018.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc mở rộng ứng dụng công nghệ tiện cứng tại Việt Nam, đồng thời góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và bảo vệ môi trường trong ngành chế tạo máy. Các chỉ số kỹ thuật như độ nhám bề mặt Ra/Rz và chiều cao mòn dụng cụ hs được sử dụng làm tiêu chí đánh giá hiệu quả gia công.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

• Lý thuyết tiện cứng (Hardturning): Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tiện cứng, bao gồm chế độ cắt (vận tốc cắt V, lượng chạy dao s, chiều sâu cắt t), vật liệu phôi và dụng cụ, cũng như ảnh hưởng của rung động hệ thống công nghệ đến chất lượng bề mặt và mòn dụng cụ.

• Mô hình chất lượng bề mặt: Đánh giá độ nhám bề mặt qua các chỉ tiêu Ra (sai lệch trung bình số học) và Rz (chiều cao nhấp nhô trung bình), theo tiêu chuẩn TCVN 2511-1995. Các yếu tố ảnh hưởng gồm thông số hình học dụng cụ, vận tốc cắt, lượng chạy dao, độ cứng vật liệu và rung động.

• Cơ chế mòn dụng cụ CBN: Mòn dụng cụ được giải thích qua các cơ chế mài mòn, dính, khuếch tán và tương tác hóa học. Thành phần vật liệu dụng cụ, hình học lưỡi cắt, điều kiện gia công và độ cứng vững hệ thống công nghệ là các nhân tố quyết định tuổi thọ dụng cụ.

• Mô hình toán học tối ưu hóa: Hàm mục tiêu Y = f(s, v, t) biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số chế độ cắt và chỉ tiêu đầu ra như độ nhám bề mặt và chiều cao mòn dụng cụ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa phân tích lý thuyết và thực nghiệm trên máy tiện CNC Mazak QUICK TURN SMART 150 S với dụng cụ cắt CBN có hàm lượng 50%. Phôi thí nghiệm là thép hợp kim X12M đã qua tôi đạt độ cứng 57-58 HRC, kích thước Ø63 mm, dài 250 mm.

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm quy hoạch thực nghiệm theo phương pháp bề mặt đáp ứng (Response Surface Methodology - RSM), với các thông số đầu vào gồm vận tốc cắt (V), lượng chạy dao (s), chiều sâu cắt (t).

• Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm Minitab để xây dựng mô hình hồi quy bậc 1 và bậc 2, phân tích phương sai và xác định miền tối ưu các thông số chế độ cắt. Đánh giá chất lượng bề mặt bằng máy đo nhám Mitutoyo SJ-201 và khảo sát mòn dụng cụ qua kính hiển vi điện tử quét (SEM).

• Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong năm 2018, bao gồm giai đoạn thiết kế thí nghiệm, tiến hành thí nghiệm, xử lý số liệu và xây dựng mô hình dự đoán.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt: Độ nhám Ra giảm khi tăng vận tốc cắt trong khoảng 100-250 m/ph, đạt giá trị tối ưu khoảng Ra = 0,5063 µm tại V = 180 m/ph. Tốc độ cắt cao giúp giảm hiện tượng lẹo dao, cải thiện chất lượng bề mặt.

2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao: Độ nhám bề mặt tăng theo bình phương lượng chạy dao, với mức tăng rõ rệt khi s vượt quá 0,2 mm/vòng. Lượng chạy dao thấp giúp giảm biến dạng dẻo và cải thiện độ nhẵn bề mặt.

3. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt: Chiều sâu cắt có ảnh hưởng không đáng kể đến độ nhám bề mặt trong phạm vi nghiên cứu, tuy nhiên chiều sâu cắt quá lớn gây rung động làm tăng độ nhám.

4. Mòn dụng cụ CBN: Chiều cao mòn mặt sau hs tăng theo vận tốc cắt và lượng chạy dao. Mòn mặt trước xuất hiện rõ qua các hình ảnh SEM, với ba vùng ma sát phân biệt rõ ràng. Mòn dụng cụ chủ yếu do cơ chế mài mòn và dính, ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ cao.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy vận tốc cắt và lượng chạy dao là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt và mòn dụng cụ khi tiện cứng thép X12M. Việc tăng vận tốc cắt giúp giảm độ nhám bề mặt nhờ hạn chế lẹo dao, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về tiện cứng thép hợp kim. Lượng chạy dao thấp làm giảm biến dạng dẻo và ứng suất dư trên bề mặt, từ đó cải thiện độ nhẵn.

Mòn dụng cụ CBN được xác định qua các cơ chế mài mòn, dính và tương tác hóa học, phù hợp với các lý thuyết về mòn dụng cụ siêu cứng. Hình ảnh SEM minh họa rõ sự phát triển vùng mòn theo thời gian gia công và vận tốc cắt, cho thấy mòn mặt sau là chỉ số quan trọng để đánh giá tuổi thọ dụng cụ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường mức thể hiện mối quan hệ giữa vận tốc cắt, lượng chạy dao với độ nhám Ra và chiều cao mòn hs, giúp xác định miền tối ưu chế độ cắt. Bảng phân tích phương sai và mô hình hồi quy bậc 2 cung cấp cơ sở toán học cho việc dự đoán và tối ưu hóa quá trình gia công.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu vận tốc cắt: Khuyến nghị sử dụng vận tốc cắt trong khoảng 170-190 m/ph để đạt độ nhám bề mặt thấp nhất và giảm mòn dụng cụ, áp dụng trong vòng 6-12 tháng tại các nhà máy chế tạo máy.

2. Kiểm soát lượng chạy dao: Giữ lượng chạy dao dưới 0,2 mm/vòng để hạn chế tăng độ nhám và mòn dụng cụ, giúp nâng cao tuổi thọ dao và chất lượng sản phẩm.

3. Giám sát chiều sâu cắt: Duy trì chiều sâu cắt trong khoảng 0,1-0,3 mm để tránh rung động và đảm bảo ổn định quá trình gia công, đồng thời giảm thiểu sai số kích thước.

4. Đào tạo và nâng cao kỹ năng vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ thuật viên vận hành máy tiện CNC về quy trình tối ưu hóa chế độ cắt và bảo dưỡng dụng cụ cắt CBN, nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất.

5. Ứng dụng mô hình dự đoán: Áp dụng mô hình hồi quy xây dựng trong nghiên cứu để dự đoán chất lượng bề mặt và mòn dụng cụ, hỗ trợ lập kế hoạch bảo trì và thay thế dụng cụ hợp lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư công nghệ chế tạo máy: Nắm bắt kiến thức về tiện cứng và tối ưu hóa chế độ cắt để cải tiến quy trình sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm.

2. Nhà quản lý sản xuất: Sử dụng kết quả nghiên cứu để hoạch định chiến lược đầu tư máy móc, dụng cụ và đào tạo nhân lực phù hợp với công nghệ tiện cứng.

3. Giảng viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật cơ khí: Tham khảo mô hình nghiên cứu và phương pháp thực nghiệm để phát triển các đề tài liên quan đến gia công tinh và vật liệu siêu cứng.

4. Doanh nghiệp sản xuất cơ khí: Áp dụng công nghệ tiện cứng với dụng cụ CBN để giảm chi phí, tăng năng suất và bảo vệ môi trường trong sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

1. Tiện cứng khác gì so với mài truyền thống?
   Tiện cứng sử dụng dao cắt siêu cứng như CBN để gia công thép đã qua tôi, cho phép gia công khô, giảm chi phí và thời gian chu kỳ, đồng thời đạt độ chính xác và độ nhám bề mặt cao hơn so với mài truyền thống.

2. Các thông số chế độ cắt nào ảnh hưởng nhiều nhất đến chất lượng bề mặt?
   Vận tốc cắt và lượng chạy dao là hai thông số ảnh hưởng lớn nhất, trong đó vận tốc cắt cao giúp giảm độ nhám bề mặt, còn lượng chạy dao thấp hạn chế biến dạng dẻo và tăng độ nhẵn.

3. Mòn dụng cụ CBN được đánh giá như thế nào?
   Mòn dụng cụ được đánh giá qua chiều cao mòn mặt sau (hs) và hình thái mòn trên bề mặt dao qua kính hiển vi điện tử, phản ánh tuổi thọ và hiệu suất của dụng cụ cắt.

4. Có thể gia công thép X12M đã qua tôi với tiện cứng không?
   Hoàn toàn có thể, thép X12M với độ cứng 57-58 HRC được gia công hiệu quả bằng dụng cụ cắt CBN trên máy tiện CNC, đạt chất lượng bề mặt và độ chính xác cao.

5. Làm thế nào để áp dụng mô hình dự đoán vào sản xuất thực tế?
   Mô hình hồi quy xây dựng từ dữ liệu thực nghiệm có thể được tích hợp vào phần mềm điều khiển máy CNC hoặc hệ thống quản lý sản xuất để dự đoán và điều chỉnh chế độ cắt phù hợp, tối ưu hóa chất lượng và tuổi thọ dụng cụ.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công mô hình dự đoán nhám bề mặt và mòn dụng cụ khi tiện cứng thép X12M bằng dụng cụ cắt CBN trên trung tâm tiện CNC.
• Vận tốc cắt và lượng chạy dao là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt và tuổi thọ dụng cụ.
• Mòn dụng cụ CBN chủ yếu do cơ chế mài mòn và dính, ít chịu ảnh hưởng nhiệt độ cao trong điều kiện gia công.
• Mô hình hồi quy và quy hoạch thực nghiệm giúp xác định miền tối ưu chế độ cắt, hỗ trợ tối ưu hóa quá trình gia công.
• Khuyến nghị áp dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và bảo vệ môi trường.

Tiếp theo, cần triển khai ứng dụng mô hình vào các dây chuyền sản xuất thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu với các vật liệu và dụng cụ cắt khác để hoàn thiện công nghệ tiện cứng tại Việt Nam. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp để phát triển công nghệ này rộng rãi hơn.

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.

c 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. c 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) c 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 c 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, c 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 c 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 2.2 Qua nghiên cứu bằng mô hình nhiệt cắt đồng thời tiến hành thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của bán kính mũi dao đến chiều sâu lớp biến cứng(lớp trắng) trong tiện cứng của Kevin Chou [17] và Huisong[18].