Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa, ngành cơ khí đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Máy tiện CNC YT-10T là thiết bị hiện đại được sử dụng phổ biến trong các xưởng gia công cơ khí và đào tạo kỹ thuật tại Việt Nam. Tuy nhiên, việc tối ưu hóa chế độ cắt trên máy này vẫn còn nhiều hạn chế, ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí điện năng và chất lượng bề mặt gia công. Theo ước tính, chi phí điện năng riêng và độ nhám bề mặt là hai chỉ tiêu quan trọng phản ánh hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của quá trình tiện mặt trụ trong. Mục tiêu nghiên cứu là xác định ảnh hưởng của các yếu tố chế độ cắt gồm vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt đến chi phí điện năng riêng và chất lượng bề mặt gia công trên máy tiện CNC YT-10T, từ đó đề xuất chế độ cắt tối ưu nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng máy và chất lượng sản phẩm. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào gia công mặt trụ trong chi tiết bạc bằng thép C45, sử dụng dao hợp kim cứng AC 830P, thực hiện tại xưởng CNC của Trường Cao đẳng nghề Cơ giới và Thủy lợi, trong năm 2016. Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc giảm chi phí sản xuất, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, đồng thời hỗ trợ đào tạo kỹ thuật viên vận hành máy CNC hiệu quả hơn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về động học và động lực học quá trình cắt gọt kim loại, trong đó chế độ cắt được đặc trưng bởi ba thông số chính: vận tốc cắt (V), lượng chạy dao (S) và chiều sâu cắt (t). Các khái niệm quan trọng bao gồm:

  • Chi phí điện năng riêng (Nr): lượng điện năng tiêu thụ trên một đơn vị diện tích gia công, phản ánh hiệu quả năng lượng của quá trình.
  • Độ nhám bề mặt (Ra): chỉ tiêu kỹ thuật đánh giá chất lượng bề mặt gia công, ảnh hưởng đến tính năng và thẩm mỹ sản phẩm.
  • Mô hình toán học hồi quy bậc hai: được sử dụng để mô tả mối quan hệ phi tuyến giữa các thông số chế độ cắt và các hàm mục tiêu (Nr, Ra).
  • Phương pháp tối ưu đa mục tiêu: nhằm xác định tổ hợp thông số chế độ cắt tối ưu cân bằng giữa chi phí điện năng và chất lượng bề mặt.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm thực nghiệm trên máy tiện CNC YT-10T với chi tiết gia công là mặt trụ trong bằng thép C45, sử dụng dao hợp kim cứng AC 830P. Cỡ mẫu gồm 17 thí nghiệm theo ma trận Hartley, với mỗi thí nghiệm lặp lại nhiều lần để đảm bảo độ tin cậy số liệu. Phương pháp chọn mẫu là quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố nhằm khảo sát đồng thời ảnh hưởng của ba yếu tố V, S, t trong khoảng biến thiên xác định dựa trên thí nghiệm đơn yếu tố. Các thiết bị đo gồm máy đo độ nhám bề mặt và thiết bị đo công suất điện tiêu thụ. Quá trình phân tích sử dụng phần mềm OPT để xây dựng mô hình hồi quy, kiểm định tính đồng nhất phương sai, mức ý nghĩa các hệ số hồi quy theo tiêu chuẩn Student và Fisher. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2016, bao gồm giai đoạn chuẩn bị, thực nghiệm thăm dò, thực nghiệm đơn yếu tố, thực nghiệm đa yếu tố, phân tích dữ liệu và đề xuất chế độ cắt tối ưu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của vận tốc cắt (V): Khi tăng vận tốc cắt từ mức thấp đến cao, độ nhám bề mặt Ra giảm từ khoảng 1.2 µm xuống còn 0.8 µm, trong khi chi phí điện năng riêng Nr tăng từ 0.15 Wh/m² lên 0.25 Wh/m². Điều này cho thấy vận tốc cắt cao giúp cải thiện chất lượng bề mặt nhưng làm tăng tiêu hao năng lượng.

  2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao (S): Tăng lượng chạy dao từ 0.1 mm/v đến 0.3 mm/v làm độ nhám bề mặt Ra tăng 35%, từ 0.7 µm lên 0.95 µm, đồng thời chi phí điện năng riêng Nr giảm 20%, từ 0.22 Wh/m² xuống 0.18 Wh/m². Lượng chạy dao lớn giúp giảm tiêu hao năng lượng nhưng ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng bề mặt.

  3. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt (t): Chiều sâu cắt tăng từ 0.2 mm đến 0.5 mm làm chi phí điện năng riêng Nr tăng 40%, từ 0.16 Wh/m² lên 0.22 Wh/m², trong khi độ nhám bề mặt Ra không biến động nhiều, duy trì quanh 0.85 µm. Chiều sâu cắt ảnh hưởng rõ đến năng lượng tiêu thụ nhưng ít tác động đến chất lượng bề mặt.

  4. Mô hình hồi quy đa biến: Mô hình toán học hồi quy bậc hai với hệ số xác định R² đạt 0.87 cho độ nhám bề mặt và 0.83 cho chi phí điện năng riêng, cho thấy mô hình phù hợp và có khả năng dự báo chính xác. Mô hình cho phép xác định tổ hợp thông số chế độ cắt tối ưu.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy sự đánh đổi giữa chi phí điện năng và chất lượng bề mặt khi điều chỉnh các thông số chế độ cắt. Vận tốc cắt cao cải thiện độ nhẵn bề mặt nhưng làm tăng tiêu hao điện năng do công suất động cơ lớn hơn. Lượng chạy dao lớn giúp giảm chi phí điện năng nhưng làm tăng độ nhám bề mặt do lực cắt tăng và dao dễ bị rung động. Chiều sâu cắt ảnh hưởng chủ yếu đến chi phí điện năng, ít tác động đến chất lượng bề mặt, phù hợp để điều chỉnh khi ưu tiên tiết kiệm năng lượng. So sánh với các nghiên cứu trong ngành cơ khí CNC, kết quả tương đồng với các công trình nghiên cứu về tối ưu chế độ cắt trên máy tiện CNC khác, khẳng định tính ứng dụng rộng rãi của mô hình. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ ảnh hưởng từng yếu tố đến Ra và Nr, cũng như bảng tổng hợp các hệ số hồi quy và kết quả kiểm định mô hình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu vận tốc cắt: Đề nghị duy trì vận tốc cắt trong khoảng 120-140 m/phút để cân bằng giữa chất lượng bề mặt và chi phí điện năng, áp dụng trong vòng 3-6 tháng, do bộ phận kỹ thuật vận hành máy tiện CNC YT-10T.

  2. Điều chỉnh lượng chạy dao hợp lý: Khuyến khích sử dụng lượng chạy dao từ 0.15 đến 0.2 mm/v nhằm giảm chi phí điện năng mà vẫn đảm bảo độ nhám bề mặt dưới 0.9 µm, thực hiện trong các chương trình đào tạo vận hành máy CNC.

  3. Kiểm soát chiều sâu cắt: Giữ chiều sâu cắt không vượt quá 0.4 mm để hạn chế tăng chi phí điện năng, áp dụng trong quy trình gia công sản xuất hàng loạt tại các xưởng cơ khí.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ thuật viên về tối ưu chế độ cắt dựa trên mô hình toán học và kết quả thực nghiệm, nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng máy CNC trong 6 tháng tới.

  5. Ứng dụng mô hình toán học: Áp dụng mô hình hồi quy xây dựng trong việc lập trình gia công NC để tự động lựa chọn chế độ cắt tối ưu, giảm thời gian chuẩn bị và tăng năng suất gia công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ thuật viên vận hành máy CNC: Nắm bắt được ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến chi phí và chất lượng, từ đó điều chỉnh phù hợp trong quá trình gia công.

  2. Chuyên gia công nghệ gia công cơ khí: Sử dụng mô hình toán học và kết quả nghiên cứu để thiết kế quy trình gia công tối ưu, nâng cao hiệu quả sản xuất.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Là tài liệu tham khảo thực tiễn về ứng dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và tối ưu hóa trong gia công CNC.

  4. Doanh nghiệp sản xuất cơ khí: Áp dụng các giải pháp tối ưu chế độ cắt để giảm chi phí sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng sức cạnh tranh trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Chế độ cắt nào ảnh hưởng nhiều nhất đến chi phí điện năng riêng?
    Vận tốc cắt và chiều sâu cắt là hai yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến chi phí điện năng riêng, trong đó vận tốc cắt tăng làm chi phí điện năng tăng đáng kể do công suất động cơ lớn hơn.

  2. Làm thế nào để cân bằng giữa chất lượng bề mặt và chi phí điện năng?
    Cần lựa chọn vận tốc cắt và lượng chạy dao hợp lý, ví dụ vận tốc cắt khoảng 130 m/phút và lượng chạy dao 0.15-0.2 mm/v giúp cân bằng giữa độ nhám bề mặt và tiêu hao năng lượng.

  3. Mô hình toán học có thể áp dụng cho các loại máy tiện khác không?
    Mô hình được xây dựng dựa trên máy tiện CNC YT-10T và vật liệu thép C45, tuy nhiên phương pháp và nguyên lý có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các máy tiện CNC tương tự với hiệu chỉnh tham số phù hợp.

  4. Có thể giảm chi phí điện năng mà không làm giảm chất lượng bề mặt không?
    Có thể thông qua việc tối ưu lượng chạy dao và chiều sâu cắt, giảm vận tốc cắt quá cao, đồng thời sử dụng dao cắt chất lượng cao để duy trì độ nhám bề mặt tốt.

  5. Nghiên cứu này có hỗ trợ gì cho đào tạo kỹ thuật CNC?
    Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực nghiệm giúp kỹ thuật viên hiểu rõ ảnh hưởng của chế độ cắt, từ đó vận hành máy hiệu quả, giảm lỗi và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Kết luận

  • Xác định được ảnh hưởng rõ ràng của vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt đến chi phí điện năng riêng và độ nhám bề mặt khi tiện mặt trụ trong trên máy CNC YT-10T.
  • Xây dựng thành công mô hình toán học hồi quy bậc hai với độ chính xác cao, làm cơ sở cho tối ưu hóa chế độ cắt.
  • Đề xuất các thông số chế độ cắt tối ưu giúp cân bằng giữa chi phí điện năng và chất lượng bề mặt, phù hợp với điều kiện sản xuất và đào tạo.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng máy tiện CNC trong đào tạo và sản xuất cơ khí tại Việt Nam.
  • Khuyến nghị triển khai áp dụng mô hình và kết quả nghiên cứu trong thực tế sản xuất, đồng thời mở rộng nghiên cứu cho các loại vật liệu và máy tiện khác.

Hành động tiếp theo: Áp dụng các thông số chế độ cắt tối ưu trong quy trình gia công thực tế, tổ chức đào tạo kỹ thuật viên vận hành máy CNC, và tiếp tục nghiên cứu mở rộng để nâng cao hiệu quả sản xuất cơ khí CNC.