Tổng quan nghiên cứu

Gia công tiện ren trong là một công đoạn quan trọng trong ngành cơ khí chế tạo máy, đặc biệt trong sản xuất các chi tiết như trục truyền động, đai ốc và các chi tiết lắp ghép chịu tải. Theo ước tính, năng suất và chất lượng bề mặt gia công ren trong chịu ảnh hưởng lớn bởi các yếu tố như vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt và loại dụng cụ cắt sử dụng. Trong đó, rung động trong quá trình gia công là nguyên nhân chính gây giảm chất lượng bề mặt và tuổi thọ dụng cụ.

Nghiên cứu này tập trung vào việc nâng cao năng suất gia công ren trong trên máy tiện CNC thông qua ứng dụng cán dao giảm chấn – một công nghệ mới giúp giảm rung động hiệu quả. Thí nghiệm được thực hiện trên máy tiện CNC Takamaz EX-12 với ba loại vật liệu phổ biến tại Việt Nam gồm thép C45, nhôm 6061 và gang xám. Mục tiêu cụ thể là tăng vận tốc cắt nhằm nâng cao năng suất mà vẫn đảm bảo chất lượng bề mặt chi tiết, đo bằng chỉ số độ nhám Ra.

Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong điều kiện gia công ren trong với hai loại cán dao: cán dao thường và cán dao giảm chấn của hãng Sandvik, sử dụng mảnh insert R166.0L–11VM01-001. Nhiệt độ phòng thí nghiệm duy trì trong khoảng 30 – 35°C. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn, giúp các doanh nghiệp cơ khí nâng cao hiệu quả sản xuất, đồng thời cung cấp tài liệu tham khảo cho sinh viên và chuyên gia trong lĩnh vực gia công chính xác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết cắt gọt kim loại, gia công ren và độ nhám bề mặt, cùng với cơ sở về rung động trong gia công cơ khí.

  • Lý thuyết cắt gọt kim loại: Bao gồm các chuyển động cắt chính, chạy dao và phụ, thông số hình học của dao cắt (góc trước, góc sau, góc sắc, góc nghiêng), cũng như lực cắt và ảnh hưởng của các yếu tố như vận tốc cắt, chiều sâu cắt đến lực cắt và chất lượng bề mặt.

  • Lý thuyết gia công ren: Tập trung vào ren tam giác hệ Met, phổ biến tại Việt Nam, với các thông số kỹ thuật như bước ren, đường kính danh nghĩa, dung sai ren theo tiêu chuẩn ISO 965-1. Ngoài ra, phân loại ren theo mặt cắt, hướng xoắn và số đầu mối cũng được áp dụng để hiểu rõ đặc tính gia công.

  • Lý thuyết độ nhám bề mặt: Độ nhám Ra được sử dụng làm chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt gia công, với các cấp độ nhám theo TCVN 2511-95. Độ nhám ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc, chống mài mòn, độ bền mỏi và độ chính xác lắp ghép của chi tiết.

  • Lý thuyết rung động trong gia công: Rung động tự kích thích và rung động cưỡng bức là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng lẹo dao, làm giảm chất lượng bề mặt và tuổi thọ dụng cụ. Cán dao giảm chấn được thiết kế để giảm rung động này thông qua cấu tạo đặc biệt, giúp ổn định quá trình gia công.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ thí nghiệm thực tế trên máy tiện CNC Takamaz EX-12 tại xưởng cơ khí Thế Hải, Trường Trung Cấp Nghề Đông Sài Gòn, Tp. Hồ Chí Minh. Vật liệu thử nghiệm gồm thép C45, nhôm 6061 và gang xám, tất cả sản xuất trong nước.

  • Phương pháp phân tích: So sánh kết quả gia công ren trong sử dụng cán dao thường và cán dao giảm chấn. Đo độ nhám bề mặt Ra bằng máy đo độ nhám SJ-301 của Mitutoyo. Phân tích mối quan hệ giữa vận tốc cắt và độ nhám bề mặt, đồng thời đánh giá rung động qua biểu đồ so sánh biên độ dao.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mỗi loại vật liệu được gia công với nhiều mức vận tốc cắt khác nhau, sử dụng hai loại cán dao để đảm bảo tính khách quan và độ tin cậy của kết quả. Mẫu được chọn đại diện cho các vật liệu phổ biến trong sản xuất cơ khí tại Việt Nam.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 1 đến tháng 4 năm 2016, bao gồm giai đoạn khảo sát lý thuyết, chuẩn bị thí nghiệm, tiến hành thí nghiệm và xử lý số liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của cán dao giảm chấn đến năng suất gia công: Khi sử dụng cán dao giảm chấn, vận tốc cắt có thể tăng lên đến khoảng 60 m/phút mà vẫn duy trì độ nhám bề mặt Ra trong giới hạn cho phép (từ 0,8 đến 1,25 μm). Trong khi đó, với cán dao thường, vận tốc cắt tối ưu chỉ khoảng 40 m/phút để đạt chất lượng tương tự.

  2. Độ nhám bề mặt cải thiện rõ rệt: Độ nhám Ra trung bình khi gia công thép C45 với cán dao giảm chấn giảm khoảng 15% so với cán dao thường ở cùng vận tốc cắt 50 m/phút. Tương tự, với nhôm 6061 và gang xám, độ nhám giảm lần lượt khoảng 12% và 18%.

  3. Giảm rung động và lẹo dao: Biểu đồ so sánh biên độ rung động cho thấy cán dao giảm chấn giảm biên độ rung xuống còn khoảng 40-50% so với cán dao thường, giúp hạn chế hiện tượng lẹo dao và tăng tuổi thọ dụng cụ.

  4. Chất lượng ren và độ chính xác hình học: Kiểm tra bằng dưỡng đo ren và máy quét 3D ATOS Blue light cho thấy ren gia công bằng cán dao giảm chấn có biên dạng chính xác hơn, sai số kích thước giảm khoảng 10% so với cán dao thường.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc nâng cao năng suất và chất lượng bề mặt khi sử dụng cán dao giảm chấn là do khả năng giảm rung động hiệu quả, từ đó giảm hiện tượng lẹo dao và biến dạng bề mặt. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ứng dụng cán dao giảm chấn trong gia công tiện, đồng thời bổ sung thêm dữ liệu thực nghiệm cho vật liệu phổ biến tại Việt Nam.

So với các nghiên cứu trước đây tập trung vào ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt, nghiên cứu này mở rộng thêm khía cạnh công nghệ dụng cụ cắt, đặc biệt là cán dao giảm chấn, góp phần nâng cao hiệu quả gia công ren trong. Việc duy trì độ nhám Ra trong khoảng 0,8 – 1,25 μm đảm bảo chất lượng bề mặt phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật và yêu cầu lắp ghép.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ mối quan hệ vận tốc cắt – độ nhám bề mặt cho từng loại vật liệu, bảng so sánh biên độ rung động giữa hai loại cán dao, và hình ảnh 3D biên dạng ren để minh họa sự khác biệt về chất lượng gia công.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng cán dao giảm chấn trong gia công ren trong: Các doanh nghiệp cơ khí nên ưu tiên sử dụng cán dao giảm chấn để tăng vận tốc cắt lên khoảng 50-60 m/phút, nâng cao năng suất mà vẫn đảm bảo chất lượng bề mặt. Thời gian áp dụng có thể bắt đầu ngay trong vòng 6 tháng tới.

  2. Đào tạo kỹ thuật viên và công nhân vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về kỹ thuật sử dụng cán dao giảm chấn và điều chỉnh chế độ cắt phù hợp nhằm tối ưu hóa hiệu quả gia công. Chủ thể thực hiện là các phòng đào tạo nội bộ hoặc hợp tác với nhà cung cấp dụng cụ cắt.

  3. Xây dựng quy trình gia công chuẩn: Thiết lập quy trình gia công ren trong chuẩn hóa sử dụng cán dao giảm chấn, bao gồm các thông số vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt phù hợp với từng loại vật liệu. Thời gian xây dựng quy trình trong vòng 3 tháng.

  4. Đầu tư trang thiết bị đo kiểm chất lượng: Trang bị máy đo độ nhám bề mặt và thiết bị kiểm tra ren hiện đại để giám sát chất lượng sản phẩm liên tục, đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật được duy trì ổn định. Chủ thể thực hiện là bộ phận quản lý chất lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp cơ khí chế tạo: Nghiên cứu cung cấp giải pháp nâng cao năng suất và chất lượng gia công ren trong, giúp doanh nghiệp cải thiện hiệu quả sản xuất và giảm chi phí bảo trì dụng cụ.

  2. Kỹ sư và kỹ thuật viên gia công: Tài liệu giúp hiểu rõ về ảnh hưởng của cán dao giảm chấn và các thông số gia công đến chất lượng bề mặt, từ đó áp dụng hiệu quả trong thực tế.

  3. Sinh viên và học viên ngành cơ khí: Luận văn là nguồn tham khảo quý giá cho các môn học về gia công chính xác, công nghệ cắt gọt và thiết kế dụng cụ cắt.

  4. Nhà cung cấp dụng cụ cắt: Giúp định hướng phát triển sản phẩm cán dao giảm chấn phù hợp với nhu cầu thị trường Việt Nam, đồng thời hỗ trợ khách hàng tối ưu hóa quy trình gia công.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cán dao giảm chấn là gì và hoạt động như thế nào?
    Cán dao giảm chấn là loại cán dao có cấu tạo đặc biệt giúp hấp thụ và giảm rung động trong quá trình gia công, từ đó hạn chế lẹo dao và cải thiện chất lượng bề mặt. Ví dụ, trong nghiên cứu, cán dao giảm chấn của hãng Sandvik đã giảm biên độ rung xuống còn khoảng 40-50% so với cán dao thường.

  2. Tại sao vận tốc cắt lại ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt?
    Vận tốc cắt ảnh hưởng đến nhiệt độ và lực cắt, từ đó tác động đến biến dạng dẻo của lớp bề mặt. Khi vận tốc cắt quá thấp hoặc quá cao, độ nhám bề mặt tăng do hiện tượng lẹo dao hoặc biến dạng không kịp. Nghiên cứu cho thấy vận tốc cắt tối ưu với cán dao giảm chấn là khoảng 50-60 m/phút.

  3. Độ nhám Ra là gì và tại sao chọn chỉ số này để đánh giá?
    Ra là giá trị trung bình số học của độ nhấp nhô trên bề mặt gia công, được sử dụng phổ biến để đánh giá chất lượng bề mặt. Ra có mối quan hệ chặt chẽ với Rz và phù hợp với các tiêu chuẩn gia công ren trong, giúp đánh giá chính xác độ mịn bề mặt.

  4. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các loại vật liệu khác không?
    Mặc dù nghiên cứu tập trung vào thép C45, nhôm 6061 và gang xám, nguyên lý giảm rung động của cán dao giảm chấn có thể áp dụng cho nhiều loại vật liệu khác. Tuy nhiên, cần thực hiện thêm thí nghiệm để điều chỉnh thông số gia công phù hợp.

  5. Làm thế nào để đo độ nhám bề mặt chính xác?
    Sử dụng máy đo độ nhám chuyên dụng như máy SJ-301 của Mitutoyo, đo trên chiều dài chuẩn và theo tiêu chuẩn TCVN 2511-95. Kết quả đo giúp đánh giá chính xác độ nhám Ra và đảm bảo chất lượng bề mặt gia công.

Kết luận

  • Cán dao giảm chấn giúp nâng cao năng suất gia công ren trong trên máy tiện CNC bằng cách cho phép tăng vận tốc cắt lên khoảng 50-60 m/phút mà vẫn đảm bảo chất lượng bề mặt.

  • Độ nhám bề mặt Ra giảm trung bình từ 12% đến 18% khi sử dụng cán dao giảm chấn so với cán dao thường, góp phần nâng cao độ chính xác và tuổi thọ chi tiết.

  • Rung động trong quá trình gia công được giảm đáng kể, hạn chế hiện tượng lẹo dao và tăng tuổi thọ dụng cụ cắt.

  • Kết quả nghiên cứu có giá trị thực tiễn cao, hỗ trợ doanh nghiệp cơ khí và cung cấp tài liệu tham khảo cho ngành gia công chính xác.

  • Đề xuất triển khai áp dụng cán dao giảm chấn trong sản xuất, đồng thời đào tạo nhân lực và xây dựng quy trình gia công chuẩn để tối ưu hóa hiệu quả.

Hành động tiếp theo là tổ chức các buổi hội thảo giới thiệu công nghệ cán dao giảm chấn và triển khai thí điểm tại các doanh nghiệp cơ khí trong vòng 6 tháng tới nhằm đánh giá hiệu quả thực tế và mở rộng ứng dụng.