Tổng quan nghiên cứu

Mài phẳng là một nguyên công quan trọng trong quy trình chế tạo cơ khí, chiếm khoảng 20-25% tổng chi phí gia công, đặc biệt trong gia công các dụng cụ cắt như dao tiện, dao phay, mũi khoan. Độ nhám bề mặt là chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng gia công mài, chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi chế độ cắt gồm vận tốc đá mài, vận tốc chi tiết, lượng chạy dao ngang, chiều sâu cắt. Thép NAK80, một loại thép hợp kim được sử dụng phổ biến trong sản xuất khuôn mẫu nhựa, có độ cứng từ 37HRC đến 42HRC, đòi hỏi quá trình gia công tinh với độ nhám bề mặt thấp để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

Nghiên cứu tập trung khảo sát ảnh hưởng của ba yếu tố chế độ cắt: chiều sâu cắt (t), lượng chạy dao dọc (Sd), lượng chạy dao ngang (Sng) đến độ nhám bề mặt chi tiết thép NAK80 khi gia công trên máy mài phẳng OKAMOTO sử dụng đá mài USA-RPM MAX x 3800. Thời gian nghiên cứu thực nghiệm diễn ra trong giai đoạn 2018-2020 tại trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ Bà Rịa - Vũng Tàu. Mục tiêu chính là xác định giá trị tối ưu của các thông số chế độ cắt nhằm giảm thiểu độ nhám bề mặt Ra, nâng cao chất lượng bề mặt gia công, đồng thời làm cơ sở khoa học cho việc lập trình điều khiển quá trình mài trên thiết bị công nghiệp.

Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc tối ưu hóa quá trình mài phẳng thép NAK80, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong ngành cơ khí chính xác tại Việt Nam, đồng thời bổ sung cơ sở lý thuyết cho lĩnh vực gia công mài vốn còn hạn chế các công trình nghiên cứu chuyên sâu.

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 quá trình mài phẳng: Mài là quá trình gia công cắt gọt sử dụng đá mài gồm vô số hạt mài cứng, vận tốc cắt cao (từ 20 đến 40 m/s), chiều sâu cắt nhỏ (0,005 - 0,09 mm), tạo ra bề mặt gia công có độ chính xác và độ bóng cao. Quá trình mài phẳng được thực hiện bằng chuyển động quay của đá mài và chuyển động tịnh tiến của chi tiết gia công.

  • Thành phần và đặc tính vật liệu NAK80: Thép NAK80 là thép hợp kim có thành phần chính gồm cacbon (~0,4%), niken (~3%), có độ cứng 37-42 HRC, dễ hàn, giữ độ chính xác cao và khả năng đánh bóng tốt, thường dùng làm khuôn nhựa trong các ngành công nghiệp điện tử, ô tô, mỹ phẩm.

  • Phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi: Sử dụng ma trận trực giao để tổ chức các thí nghiệm với số lượng tối thiểu, đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố chế độ cắt đến độ nhám bề mặt thông qua phân tích tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (S/N ratio) và phân tích phương sai ANOVA nhằm xác định các yếu tố có ảnh hưởng chính và mức tối ưu.

  • Các khái niệm chính: Độ nhám bề mặt Ra (µm), chiều sâu cắt t (mm), lượng chạy dao dọc Sd (hành trình/phút), lượng chạy dao ngang Sng (mm/s), vận tốc cắt đá mài v (m/s).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm thực tế trên máy mài phẳng OKAMOTO, sử dụng đá mài USA-RPM MAX x 3800, gia công chi tiết thép NAK80 kích thước đường kính 27 mm.

  • Thiết kế thực nghiệm: Áp dụng phương pháp Taguchi với ma trận trực giao L16, khảo sát ba yếu tố chính gồm chiều sâu cắt (t) từ 0,0001 đến 0,006 mm, lượng chạy dao dọc (Sd) từ 26 đến 32 hành trình/phút, lượng chạy dao ngang (Sng) từ 5,0 đến 8,0 mm/s, vận tốc cắt đá mài cố định 25 m/s.

  • Phương pháp phân tích: Đo độ nhám bề mặt Ra sau mỗi thí nghiệm, tính toán tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (S/N ratio) để đánh giá mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố, phân tích phương sai ANOVA để xác định yếu tố có ảnh hưởng thống kê ý nghĩa, xây dựng mô hình hồi quy và biểu đồ tác dụng chính (Main Effects Plot).

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 8/2018 đến tháng 5/2020, bao gồm giai đoạn chuẩn bị thiết bị, tiến hành thí nghiệm, phân tích dữ liệu và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt (t) đến độ nhám bề mặt Ra: Khi chiều sâu cắt giảm từ 0,006 mm xuống 0,0001 mm, độ nhám bề mặt Ra giảm đáng kể, đạt giá trị tối thiểu khoảng 0,142541 µm tại t = 0,001 mm. Điều này cho thấy chiều sâu cắt nhỏ giúp giảm lượng dư gia công, nâng cao độ bóng bề mặt.

  2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao dọc (Sd): Tăng lượng chạy dao dọc từ 26 đến 32 hành trình/phút làm giảm độ nhám bề mặt Ra, với mức giảm khoảng 15% so với mức thấp nhất. Lượng chạy dao dọc cao giúp tăng hiệu quả loại bỏ phoi và giảm nhiệt sinh ra trong quá trình mài.

  3. Ảnh hưởng của lượng chạy dao ngang (Sng): Lượng chạy dao ngang tăng từ 5,0 đến 8,0 mm/s cũng góp phần giảm độ nhám bề mặt Ra, với mức giảm khoảng 10%. Lượng chạy dao ngang lớn giúp phân bố đều lực cắt và giảm hiện tượng cháy mài.

  4. Tối ưu hóa chế độ cắt: Kết quả phân tích Taguchi và mô hình hồi quy cho thấy tổ hợp tối ưu là Sng = 8 mm/s, t = 0,001 mm, Sd = 32 hành trình/phút, đạt độ nhám bề mặt Ra = 0,142541 µm. So sánh với các mức khác, độ nhám giảm trung bình 20-25%, thể hiện hiệu quả rõ rệt của việc tối ưu chế độ cắt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện trên là do chế độ cắt ảnh hưởng trực tiếp đến lượng dư cắt, nhiệt sinh ra và lực cắt trong quá trình mài. Chiều sâu cắt nhỏ giúp giảm lượng dư và nhiệt, tránh biến dạng bề mặt. Lượng chạy dao dọc và ngang cao giúp cải thiện khả năng loại bỏ phoi và làm mát bề mặt, giảm hiện tượng cháy mài và ứng suất dư kéo.

So với các nghiên cứu trước đây về mài thép hợp kim SKD61 hay thép 20X, kết quả nghiên cứu này tương đồng về xu hướng ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt, nhưng có sự khác biệt về giá trị tối ưu do đặc tính vật liệu NAK80 và thiết bị mài khác nhau. Việc sử dụng phương pháp Taguchi kết hợp phân tích ANOVA và mô hình hồi quy giúp tăng độ chính xác và tin cậy của kết quả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tác dụng chính thể hiện ảnh hưởng của từng yếu tố đến độ nhám Ra, biểu đồ phân bố tần suất và đồ thị đáp ứng bề mặt giúp trực quan hóa vùng tối ưu. Bảng phân tích phương sai ANOVA cho thấy yếu tố chiều sâu cắt có ảnh hưởng lớn nhất (p < 0,05), tiếp theo là lượng chạy dao dọc và ngang.

Kết quả nghiên cứu không chỉ có ý nghĩa khoa học trong việc hiểu rõ ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt mài thép NAK80 mà còn có giá trị thực tiễn trong việc lập trình điều khiển quá trình mài, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong công nghiệp cơ khí chính xác.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng chế độ cắt tối ưu: Các nhà máy gia công nên áp dụng tổ hợp chế độ cắt Sng = 8 mm/s, t = 0,001 mm, Sd = 32 hành trình/phút để đạt độ nhám bề mặt thấp nhất, nâng cao chất lượng sản phẩm. Thời gian thực hiện: ngay lập tức trong các quy trình mài phẳng thép NAK80.

  2. Đào tạo kỹ thuật viên vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về hiểu biết chế độ cắt và ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt, giúp kỹ thuật viên điều chỉnh thông số chính xác, giảm sai sót trong quá trình gia công. Thời gian: trong vòng 3 tháng.

  3. Ứng dụng phần mềm thiết kế thực nghiệm: Khuyến khích sử dụng phương pháp Taguchi và phần mềm Minitab để thiết kế và phân tích các thí nghiệm tối ưu hóa chế độ cắt cho các loại vật liệu tương tự, nâng cao hiệu quả nghiên cứu và sản xuất. Thời gian: triển khai trong 6 tháng.

  4. Nâng cấp thiết bị đo kiểm: Đầu tư trang thiết bị đo độ nhám hiện đại, chính xác để kiểm soát chất lượng bề mặt gia công liên tục, đảm bảo duy trì chế độ cắt tối ưu và phát hiện kịp thời các sai lệch. Thời gian: trong vòng 1 năm.

  5. Nghiên cứu mở rộng: Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khác như dung dịch tưới nguội, hình dạng đá mài, sửa đá đến độ nhám bề mặt, nhằm hoàn thiện mô hình tối ưu hóa đa mục tiêu trong gia công mài phẳng. Thời gian: 1-2 năm tiếp theo.

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 độ nhám bề mặt, áp dụng vào thiết kế quy trình gia công mài phẳng thép NAK80 và các vật liệu tương tự, nâng cao chất lượng sản phẩm.

  2. Nhà quản lý sản xuất: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng tiêu chuẩn công nghệ, tối ưu hóa chi phí và thời gian gia công, đồng thời đào tạo nhân sự vận hành máy mài hiệu quả.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Là tài liệu tham khảo khoa học về thiết kế thực nghiệm Taguchi, phân tích ANOVA và ứng dụng trong nghiên cứu tối ưu hóa quá trình gia công mài.

  4. Nhà nghiên cứu và phát triển vật liệu: Tham khảo các đặc tính vật liệu NAK80 và ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt, từ đó phát triển các vật liệu mới hoặc cải tiến quy trình gia công.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn thép NAK80 để nghiên cứu?
    Thép NAK80 có ứng dụng rộng rãi trong sản xuất khuôn mẫu nhựa với yêu cầu độ chính xác và độ bóng cao. Nghiên cứu giúp tối ưu hóa quá trình gia công, nâng cao chất lượng sản phẩm.

  2. Phương pháp Taguchi có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    Taguchi giúp giảm số lượng thí nghiệm cần thiết, tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời xác định chính xác ảnh hưởng của các yếu tố chế độ cắt đến độ nhám bề mặt.

  3. Độ nhám bề mặt Ra là gì và tại sao quan trọng?
    Ra là chỉ số đo độ nhám trung bình của bề mặt gia công, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng, độ bền và thẩm mỹ sản phẩm. Độ nhám thấp đồng nghĩa với bề mặt mịn và chất lượng cao.

  4. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các vật liệu khác không?
    Kết quả có thể tham khảo cho các vật liệu tương tự thép hợp kim có tính chất cơ lý gần giống, tuy nhiên cần thực nghiệm bổ sung để điều chỉnh chế độ cắt phù hợp.

  5. Làm thế nào để kiểm soát chế độ cắt trong sản xuất thực tế?
    Sử dụng hệ thống điều khiển tự động trên máy mài, kết hợp đo kiểm độ nhám liên tục và đào tạo nhân viên vận hành để đảm bảo các thông số chế độ cắt luôn được duy trì ở mức tối ưu.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng rõ rệt của chiều sâu cắt, lượng chạy dao dọc và lượng chạy dao ngang đến độ nhám bề mặt chi tiết thép NAK80 khi mài phẳng.
  • Phương pháp Taguchi kết hợp phân tích ANOVA và mô hình hồi quy cho phép tối ưu hóa chế độ cắt với độ nhám bề mặt đạt giá trị thấp nhất Ra = 0,142541 µm.
  • Kết quả nghiên cứu có giá trị thực tiễn cao, giúp nâng cao chất lượng gia công và hiệu quả sản xuất trong ngành cơ khí chính xác tại Việt Nam.
  • Đề xuất áp dụng chế độ cắt tối ưu, đào tạo nhân sự và đầu tư thiết bị đo kiểm để duy trì chất lượng sản phẩm.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo là mở rộng khảo sát các yếu tố khác ảnh hưởng đến độ nhám và phát triển mô hình tối ưu đa mục tiêu cho quá trình mài phẳng.

Mời các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong ngành cơ khí tiếp tục ứng dụng và phát triển các kết quả này nhằm nâng cao hiệu quả công nghệ gia công mài phẳng thép NAK80 và các vật liệu tương tự.