Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, việc sử dụng máy tiện CNC ngày càng phổ biến nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Thép không gỉ SUS304 là vật liệu được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp thực phẩm, chế biến thủy hải sản và công nghệ hóa chất nhờ tính chống ăn mòn vật lý và hóa học vượt trội. Tuy nhiên, chất lượng bề mặt chi tiết gia công, đặc biệt là độ nhám bề mặt, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và tuổi thọ của sản phẩm. Theo ước tính, việc lựa chọn chế độ cắt phù hợp có thể giảm thiểu chi phí gia công và nâng cao chất lượng sản phẩm lên đến 20-30%.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt gồm vận tốc cắt (V), lượng chạy dao (S) và chiều sâu cắt (a) đến độ nhám bề mặt chi tiết gia công khi tiện thép không gỉ SUS304 trên máy tiện CNC mã hiệu HASS ST-20. Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong điều kiện gia công trên máy tiện CNC tại Nam Định trong năm 2021, với mục tiêu tìm ra chế độ cắt tối ưu nhằm đạt được độ nhám bề mặt tốt nhất, từ đó góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và ứng dụng trong đào tạo kỹ thuật cơ khí.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc bổ sung kiến thức về ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt gia công thép không gỉ SUS304, đồng thời có ý nghĩa thực tiễn trong việc hướng dẫn lựa chọn chế độ cắt hợp lý, giảm thiểu thời gian và chi phí gia công, phục vụ cho sản xuất và giảng dạy tại các cơ sở đào tạo kỹ thuật.

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 về công nghệ gia công tiện và chất lượng bề mặt gia công cơ khí. Hai khung lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết công nghệ tiện: Gia công tiện là quá trình cắt gọt kim loại bằng sự phối hợp chuyển động quay tròn của chi tiết và chuyển động chạy dao của dụng cụ cắt. Các thông số chế độ cắt như vận tốc cắt (V), lượng chạy dao (S) và chiều sâu cắt (a) là các yếu tố quyết định đến lực cắt, nhiệt độ cắt và chất lượng bề mặt gia công. Máy tiện CNC với hệ thống điều khiển số cho phép lập trình chính xác các chuyển động, nâng cao độ chính xác và hiệu quả gia công.

  2. Lý thuyết chất lượng bề mặt gia công cơ khí: Chất lượng bề mặt được đánh giá qua các yếu tố như độ nhám bề mặt (Ra, Rz), độ sóng bề mặt, sự biến cứng và ứng suất dư lớp bề mặt. Độ nhám bề mặt là chỉ tiêu quan trọng phản ánh độ nhẵn bóng và ảnh hưởng đến khả năng chống mòn, độ bền mỏi và tính chống ăn mòn của chi tiết. Mối quan hệ giữa chế độ cắt và độ nhám bề mặt thường tuân theo quy luật hàm mũ, trong đó các thông số chế độ cắt ảnh hưởng khác nhau đến độ nhám.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng bao gồm: vận tốc cắt (V, m/phút), lượng chạy dao (S, mm/vòng), chiều sâu cắt (a, mm), độ nhám bề mặt (Ra, Rz), góc trước dao (γ), bán kính mũi dao (r), và các loại vật liệu dụng cụ cắt như thép gió, hợp kim cứng, vật liệu phủ lớp.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp lý thuyết và thực nghiệm nhằm đánh giá ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt chi tiết gia công.

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm gia công trên máy tiện CNC HASS ST-20 với vật liệu thép không gỉ SUS304. Mẫu phôi được chuẩn bị theo tiêu chuẩn kỹ thuật, dụng cụ cắt sử dụng dao tiện PCLNR2525M12 với các thông số hình học tiêu chuẩn.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi với ma trận thực nghiệm được thiết kế để khảo sát ảnh hưởng của ba yếu tố chính (V, S, a) ở các mức khác nhau. Kết quả đo độ nhám Ra được xử lý bằng phân tích phương sai (ANOVA) để xác định mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố. Cỡ mẫu thực nghiệm khoảng 20-30 lần gia công với các tổ hợp chế độ cắt khác nhau nhằm đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng 6 tháng, bao gồm giai đoạn chuẩn bị mẫu và thiết bị (1 tháng), tiến hành thực nghiệm (3 tháng), xử lý số liệu và phân tích kết quả (1 tháng), viết báo cáo và hoàn thiện luận văn (1 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của vận tốc cắt (V) đến độ nhám bề mặt: Kết quả thực nghiệm cho thấy khi tăng vận tốc cắt từ 30 m/phút lên 60 m/phút, độ nhám Ra giảm từ khoảng 1,2 µm xuống còn 0,8 µm, tương đương giảm 33%. Điều này phù hợp với lý thuyết rằng vận tốc cắt cao giúp loại bỏ lẹo dao, giảm biến dạng dẻo và tăng độ bóng bề mặt.

  2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao (S): Khi lượng chạy dao tăng từ 0,05 mm/vòng lên 0,15 mm/vòng, độ nhám Ra tăng từ 0,7 µm lên 1,4 µm, tức tăng gấp đôi. Lượng chạy dao nhỏ giúp giảm chiều cao nhấp nhô tế vi trên bề mặt, cải thiện chất lượng bề mặt gia công.

  3. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt (a): Chiều sâu cắt có ảnh hưởng ít hơn so với hai yếu tố trên. Khi thay đổi chiều sâu cắt trong khoảng 0,02 mm đến 0,05 mm, độ nhám Ra biến động nhẹ trong khoảng 0,9-1,1 µm. Tuy nhiên, chiều sâu cắt quá nhỏ gây hiện tượng trượt dao, làm tăng độ nhám.

  4. Chế độ cắt tối ưu: Phân tích ANOVA và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (S/N) cho thấy chế độ cắt tối ưu để đạt độ nhám bề mặt thấp nhất là vận tốc cắt 60 m/phút, lượng chạy dao 0,05 mm/vòng và chiều sâu cắt 0,03 mm. Ở chế độ này, độ nhám Ra đạt giá trị thấp nhất khoảng 0,65 µm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên liên quan đến cơ chế hình thành bề mặt gia công. Vận tốc cắt cao giúp giảm lực cắt và nhiệt độ cắt phân bố đều, hạn chế hiện tượng lẹo dao và biến dạng dẻo trên bề mặt. Lượng chạy dao nhỏ làm giảm khoảng cách dịch chuyển của dao trên bề mặt, từ đó giảm chiều cao nhấp nhô tế vi. Chiều sâu cắt quá nhỏ hoặc quá lớn đều gây ảnh hưởng tiêu cực do hiện tượng trượt dao hoặc rung động hệ thống.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả phù hợp với báo cáo của ngành cơ khí chế tạo máy, trong đó vận tốc cắt và lượng chạy dao là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi tiện thép không gỉ. Kết quả cũng khẳng định vai trò quan trọng của việc lựa chọn chế độ cắt hợp lý trên máy tiện CNC để nâng cao chất lượng sản phẩm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cột thể hiện độ nhám Ra tương ứng với từng mức vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt, cùng bảng phân tích ANOVA chi tiết để minh họa mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa chế độ cắt: Khuyến nghị sử dụng vận tốc cắt 60 m/phút, lượng chạy dao 0,05 mm/vòng và chiều sâu cắt 0,03 mm để đạt độ nhám bề mặt tối ưu. Giải pháp này giúp giảm độ nhám Ra xuống khoảng 0,65 µm, nâng cao chất lượng bề mặt và tuổi thọ chi tiết. Thời gian áp dụng: ngay lập tức trong các quy trình gia công.

  2. Đào tạo kỹ thuật viên vận hành máy CNC: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về lựa chọn và điều chỉnh chế độ cắt phù hợp với từng loại vật liệu, đặc biệt là thép không gỉ SUS304. Mục tiêu nâng cao kỹ năng vận hành, giảm thiểu sai sót và tăng hiệu quả sản xuất. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng.

  3. Nâng cấp và bảo trì thiết bị đo kiểm: Đầu tư máy đo độ nhám hiện đại, đảm bảo độ chính xác trong kiểm tra chất lượng bề mặt. Việc này giúp phát hiện kịp thời các sai lệch trong quá trình gia công, từ đó điều chỉnh chế độ cắt phù hợp. Chủ thể thực hiện: phòng kỹ thuật và quản lý chất lượng. Thời gian: 6 tháng.

  4. Xây dựng quy trình chuẩn gia công thép SUS304 trên máy tiện CNC: Soạn thảo tài liệu hướng dẫn chi tiết về chế độ cắt, dụng cụ cắt và quy trình kiểm tra chất lượng bề mặt. Quy trình này sẽ là cơ sở cho sản xuất và đào tạo, đảm bảo tính đồng nhất và hiệu quả. Thời gian: 3 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và kỹ thuật viên cơ khí: Nghiên cứu giúp hiểu rõ ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt, từ đó áp dụng hiệu quả trong sản xuất và vận hành máy tiện CNC.

  2. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Tài liệu tham khảo bổ ích cho việc giảng dạy và học tập về công nghệ gia công tiện, chất lượng bề mặt và phương pháp thực nghiệm.

  3. Nhà quản lý sản xuất và chất lượng: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng quy trình sản xuất chuẩn, nâng cao hiệu quả và giảm chi phí gia công.

  4. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ: Thông tin chi tiết về ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt giúp phát triển các công nghệ gia công tiên tiến, cải tiến dụng cụ cắt và máy móc.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao vận tốc cắt ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt?
    Vận tốc cắt cao giúp giảm lực cắt và nhiệt độ tập trung, hạn chế hiện tượng lẹo dao và biến dạng dẻo trên bề mặt, từ đó giảm độ nhám và tăng độ bóng. Ví dụ, khi tăng vận tốc từ 30 lên 60 m/phút, độ nhám giảm khoảng 33%.

  2. Lượng chạy dao nhỏ có phải luôn tốt cho chất lượng bề mặt?
    Lượng chạy dao nhỏ giúp giảm chiều cao nhấp nhô tế vi, cải thiện độ nhẵn bề mặt. Tuy nhiên, nếu quá nhỏ (<0,02 mm/vòng) có thể gây trượt dao và tăng độ nhám do biến dạng dẻo. Do đó cần cân nhắc lựa chọn hợp lý.

  3. Chiều sâu cắt có ảnh hưởng như thế nào đến độ nhám?
    Chiều sâu cắt ảnh hưởng ít hơn vận tốc cắt và lượng chạy dao. Chiều sâu quá nhỏ gây trượt dao, quá lớn gây rung động hệ thống, làm tăng độ nhám. Trong nghiên cứu, thay đổi chiều sâu từ 0,02 đến 0,05 mm chỉ làm độ nhám biến động nhẹ.

  4. Làm thế nào để đo chính xác độ nhám bề mặt?
    Có thể sử dụng máy đo độ nhám chuyên dụng với đầu dò tiếp xúc hoặc phương pháp quang học bằng kính hiển vi. Máy đo Mitutoyo là một ví dụ phổ biến trong thực tế sản xuất.

  5. Chế độ cắt tối ưu được xác định như thế nào?
    Thông qua thiết kế thực nghiệm Taguchi và phân tích ANOVA, chế độ cắt tối ưu là tổ hợp các mức vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt cho kết quả độ nhám thấp nhất. Trong nghiên cứu này, vận tốc 60 m/phút, lượng chạy dao 0,05 mm/vòng và chiều sâu cắt 0,03 mm là tối ưu.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định rõ ảnh hưởng của vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt đến độ nhám bề mặt chi tiết gia công thép không gỉ SUS304 trên máy tiện CNC HASS ST-20.
  • Vận tốc cắt và lượng chạy dao là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt, trong khi chiều sâu cắt có ảnh hưởng nhỏ hơn nhưng không thể bỏ qua.
  • Chế độ cắt tối ưu được đề xuất giúp giảm độ nhám Ra xuống khoảng 0,65 µm, nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả gia công.
  • Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, hỗ trợ lựa chọn chế độ cắt hợp lý trong sản xuất và đào tạo kỹ thuật cơ khí.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai áp dụng chế độ cắt tối ưu trong sản xuất thực tế, đào tạo nhân lực và nâng cấp thiết bị đo kiểm để đảm bảo chất lượng bền vững.

Hãy áp dụng ngay các giải pháp tối ưu để nâng cao chất lượng gia công và hiệu quả sản xuất trong ngành cơ khí chế tạo máy.