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 .
