Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp gia công cơ khí, chất lượng bề mặt chi tiết gia công đóng vai trò then chốt, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc, độ bền mỏi và tuổi thọ của chi tiết máy. Tiện cứng, một phương pháp gia công các chi tiết thép hợp kim có độ cứng cao từ 40 đến 60 HRC, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như ô tô, chế tạo bánh răng, vòng ổ và dụng cụ. Ưu điểm của tiện cứng là khả năng đạt độ chính xác và độ nhám bề mặt tương đương với mài, đồng thời tạo ra lớp bề mặt có ứng suất dư nén giúp tăng tuổi thọ chi tiết trong các tiếp xúc lăn. Việc nâng cao chất lượng bề mặt sau gia công tiện cứng có thể giảm hoặc loại bỏ công đoạn mài, tiết kiệm thời gian và chi phí sản xuất.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt — bao gồm vận tốc cắt (v), lượng chạy dao (s) và chiều sâu cắt (t) — đến chất lượng bề mặt khi tiện tinh thép 9XC bằng dao hợp kim cứng phủ CVD. Thép 9XC là vật liệu phổ biến trong chế tạo dụng cụ cắt với độ cứng 52-55 HRC, đòi hỏi chế độ cắt hợp lý để đạt chất lượng bề mặt tối ưu. Nghiên cứu được thực hiện trên máy tiện Quick Turn Smart 200 tại xưởng cơ khí của Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, với mục tiêu xác định bộ thông số chế độ cắt tối ưu nhằm nâng cao chất lượng bề mặt và giảm mòn dụng cụ.

Việc nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí gia công và tăng tuổi thọ dụng cụ cắt, đồng thời góp phần phát triển công nghệ tiện cứng tại Việt Nam trong bối cảnh hội nhập và cạnh tranh toàn cầu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Cơ chế tạo phoi khi tiện cứng: Quá trình biến dạng phoi diễn ra phức tạp do độ cứng cao của vật liệu gia công. Hai cơ chế chính gồm trượt cục bộ (adiabatic shear) và sự xuất hiện vết nứt theo chu kỳ trên bề mặt phoi. Phoi răng cưa đặc trưng cho vật liệu cứng trên 50 HRC, ảnh hưởng đến lực cắt và chất lượng bề mặt.

  • Hiện tượng lẹo dao: Lớp vật liệu dính trên mặt trước của dao, ảnh hưởng đến góc trượt và biến dạng phoi, từ đó tác động đến chất lượng bề mặt và lực cắt.

  • Biến dạng phoi và hệ số co rút phoi (K): Hệ số K biểu thị mức độ biến dạng phoi, ảnh hưởng bởi vận tốc cắt, chiều dày cắt, góc trước dao, bán kính mũi dao và vật liệu gia công. K càng nhỏ thì biến dạng phoi càng thấp, chất lượng bề mặt càng cao.

  • Mòn dụng cụ cắt: Mòn mặt trước, mặt sau, mòn đồng thời và cùn lưỡi cắt là các dạng mòn phổ biến. Các cơ chế mòn gồm dính, hạt mài, khuếch tán, ôxy hóa và mỏi. Lớp phủ CVD TiAlN giúp giảm ma sát, tăng khả năng chống mòn và kéo dài tuổi thọ dụng cụ.

  • Phủ bay hơi CVD: Công nghệ phủ lớp bảo vệ cứng trên dao cắt, tạo lớp phủ có độ cứng cao, khả năng chịu nhiệt và chống mòn tốt. Lớp phủ TiAlN được sử dụng phổ biến nhờ tính năng cơ lý ưu việt.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tiện tinh thép 9XC trên máy tiện Quick Turn Smart 200, sử dụng dao hợp kim cứng phủ TiAlN do hãng Sandvik cung cấp. Phôi thép 9XC có độ cứng 52-55 HRC, kích thước Ø50 mm, chiều dài 300 mm.

  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn các chế độ cắt tiêu biểu trong phạm vi khả năng của máy và dao: vận tốc cắt 200 m/phút, lượng chạy dao 0,12 mm/vòng, chiều sâu cắt 0,15 mm. Các thí nghiệm được lặp lại nhiều lần để đảm bảo độ tin cậy.

  • Phương pháp phân tích: Đo độ nhám bề mặt bằng máy Mitutoyo SJ-210, phân tích mòn dụng cụ bằng kính hiển vi điện tử SEM và đánh giá topography bề mặt. Xử lý số liệu bằng phần mềm chuyên dụng để xác định ảnh hưởng của từng thông số cắt đến chất lượng bề mặt và mức độ mòn.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu thực hiện trong khoảng thời gian nhất định tại xưởng cơ khí của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, đảm bảo điều kiện thí nghiệm ổn định và khả năng thu thập dữ liệu liên tục.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt: Khi vận tốc cắt tăng từ mức thấp đến khoảng 200 m/phút, độ nhám Ra giảm từ khoảng 0,8 µm xuống còn 0,4 µm, tương ứng giảm 50%. Tuy nhiên, khi vận tốc vượt quá 200 m/phút, độ nhám tăng nhẹ do hiện tượng lẹo dao giảm và biến dạng phoi tăng.

  2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến chất lượng bề mặt: Lượng chạy dao tăng từ 0,08 mm/vòng lên 0,12 mm/vòng làm độ nhám Ra tăng từ 0,35 µm lên 0,5 µm, tăng khoảng 43%. Điều này cho thấy lượng chạy dao lớn làm tăng biến dạng phoi và giảm chất lượng bề mặt.

  3. Mòn dụng cụ cắt theo chế độ cắt: Mức độ mòn mặt trước dao phủ TiAlN tăng rõ rệt khi vận tốc cắt vượt quá 200 m/phút, với chiều rộng vết mòn tăng từ 0,1 mm lên 0,25 mm, tương đương tăng 150%. Mòn mặt sau dao cũng tăng theo lượng chạy dao và chiều sâu cắt.

  4. Tương quan giữa mòn dụng cụ và chất lượng bề mặt: Khi mòn dao tăng, độ nhám bề mặt tăng lên đáng kể, ví dụ khi chiều rộng vết mòn mặt trước đạt 0,2 mm, độ nhám Ra tăng lên 0,7 µm, cao hơn 75% so với dao mới.

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 tinh thép 9XC bằng dao hợp kim cứng phủ CVD. Vận tốc cắt tăng làm giảm biến dạng phoi và độ nhám bề mặt trong một khoảng giới hạn, nhưng vượt quá ngưỡng sẽ gây hiện tượng lẹo dao giảm, làm tăng biến dạng phoi và mòn dao. Lượng chạy dao lớn làm tăng biến dạng phoi và lực cắt, dẫn đến giảm chất lượng bề mặt.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả phù hợp với lý thuyết biến dạng phoi và cơ chế mòn dụng cụ. Việc sử dụng dao phủ TiAlN giúp giảm ma sát và tăng khả năng chống mòn, tuy nhiên vẫn cần kiểm soát chế độ cắt để tránh mòn dao nhanh và giảm chất lượng sản phẩm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ bề mặt thể hiện mối quan hệ giữa vận tốc cắt, lượng chạy dao và độ nhám bề mặt, cũng như biểu đồ mức độ mòn dao theo thời gian gia công. Bảng tổng hợp số liệu mòn mặt trước và mặt sau dao dưới các chế độ cắt khác nhau giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của từng thông số.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa vận tốc cắt: Khuyến nghị sử dụng vận tốc cắt khoảng 180-200 m/phút để đạt độ nhám bề mặt thấp nhất và hạn chế mòn dao. Chủ thể thực hiện: kỹ sư công nghệ gia công; Thời gian áp dụng: ngay trong các lô sản xuất hiện tại.

  2. Kiểm soát lượng chạy dao: Giữ lượng chạy dao trong khoảng 0,10-0,12 mm/vòng để cân bằng giữa năng suất và chất lượng bề mặt. Chủ thể thực hiện: công nhân vận hành máy; Thời gian áp dụng: trong quá trình vận hành hàng ngày.

  3. Giám sát mòn dụng cụ định kỳ: Áp dụng quy trình kiểm tra mòn dao bằng kính hiển vi điện tử hoặc thiết bị đo chuyên dụng sau mỗi 8-10 giờ gia công để kịp thời thay thế hoặc mài lại dao. Chủ thể thực hiện: bộ phận bảo trì; Thời gian áp dụng: định kỳ theo lịch sản xuất.

  4. Sử dụng dao hợp kim cứng phủ CVD TiAlN: Ưu tiên lựa chọn dao phủ TiAlN để tăng tuổi thọ dụng cụ và cải thiện chất lượng bề mặt. Chủ thể thực hiện: bộ phận mua sắm và kỹ thuật; Thời gian áp dụng: trong kế hoạch đầu tư thiết bị mới.

  5. Đào tạo nhân viên vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng và tuổi thọ dụng cụ, nâng cao nhận thức và kỹ năng vận hành. Chủ thể thực hiện: phòng đào tạo; Thời gian áp dụng: hàng quý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư công nghệ gia công cơ khí: Nắm bắt kiến thức về ảnh hưởng chế độ cắt đến chất lượng bề mặt và mòn dụng cụ, áp dụng vào thiết kế quy trình gia công tiện cứng.

  2. Nhà quản lý sản xuất: Đánh giá hiệu quả công nghệ tiện cứng, tối ưu hóa chi phí và nâng cao năng suất thông qua việc lựa chọn chế độ cắt phù hợp.

  3. Nhà nghiên cứu và phát triển vật liệu cắt: Tham khảo các kết quả về mòn dụng cụ và hiệu quả lớp phủ CVD TiAlN để phát triển vật liệu và công nghệ phủ mới.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật cơ khí: Học tập phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, phân tích dữ liệu và ứng dụng lý thuyết vào thực tiễn gia công kim loại cứng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn thép 9XC để nghiên cứu tiện cứng?
    Thép 9XC có độ cứng cao (52-55 HRC), phổ biến trong chế tạo dụng cụ cắt, đòi hỏi chế độ cắt chính xác để đạt chất lượng bề mặt tốt. Nghiên cứu giúp tối ưu hóa gia công vật liệu này.

  2. Lớp phủ CVD TiAlN có ưu điểm gì so với các loại phủ khác?
    TiAlN có độ cứng cao, khả năng chịu nhiệt tốt, giảm ma sát và chống mòn hiệu quả, giúp kéo dài tuổi thọ dao và cải thiện chất lượng bề mặt gia công.

  3. Vận tốc cắt ảnh hưởng thế nào đến mòn dụng cụ?
    Vận tốc cắt tăng trong giới hạn giúp giảm biến dạng phoi và mòn dao, nhưng vượt quá ngưỡng sẽ làm tăng nhiệt độ, gây gãy vỡ lớp phủ và tăng mòn dao.

  4. Làm sao để kiểm soát mòn dao trong sản xuất?
    Thực hiện kiểm tra định kỳ bằng kính hiển vi điện tử hoặc thiết bị đo độ mòn, kết hợp với giám sát chất lượng bề mặt để kịp thời thay thế hoặc mài lại dao.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các vật liệu khác không?
    Kết quả chủ yếu áp dụng cho thép hợp kim cứng tương tự 9XC, tuy nhiên nguyên tắc ảnh hưởng của chế độ cắt và lớp phủ dao có thể tham khảo để điều chỉnh cho các vật liệu khác.

Kết luận

  • Đã xác định được ảnh hưởng rõ rệt của vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt đến chất lượng bề mặt và mòn dụng cụ khi tiện tinh thép 9XC bằng dao hợp kim cứng phủ CVD TiAlN.
  • Vận tốc cắt khoảng 180-200 m/phút và lượng chạy dao 0,10-0,12 mm/vòng là chế độ cắt tối ưu để đạt độ nhám bề mặt thấp và hạn chế mòn dao.
  • Mòn dụng cụ tăng làm giảm chất lượng bề mặt, do đó cần giám sát và thay thế dao kịp thời để duy trì hiệu quả gia công.
  • Lớp phủ TiAlN góp phần nâng cao khả năng chống mòn và chịu nhiệt của dao, phù hợp với gia công thép cứng.
  • Đề xuất áp dụng các giải pháp tối ưu chế độ cắt, kiểm soát mòn và đào tạo nhân viên nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong sản xuất tiện cứng.

Hành động tiếp theo: Triển khai áp dụng bộ thông số chế độ cắt tối ưu trong sản xuất thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khác như hình học dao và vật liệu phủ mới. Để biết thêm chi tiết và tư vấn kỹ thuật, liên hệ chuyên gia công nghệ gia công cơ khí tại các trung tâm nghiên cứu hoặc trường đại học kỹ thuật.