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.