Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày càng phát triển, ngành công nghệ chế tạo máy tại Việt Nam đang đối mặt với yêu cầu nâng cao chất lượng và hiệu quả sản xuất. Máy phay CNC đóng vai trò chủ đạo trong gia công cơ khí chính xác, đặc biệt là khi gia công các vật liệu hợp kim nhôm như 7075. Theo ước tính, việc tối ưu hóa chế độ công nghệ gia công trên máy phay CNC có thể nâng cao chất lượng bề mặt sản phẩm và tăng tốc độ bóc tách vật liệu, từ đó giảm chi phí và thời gian sản xuất. Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt như tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt và điều kiện trơn nguội đến độ nhám bề mặt và tốc độ bóc tách vật liệu (MRR) khi phay hợp kim nhôm 7075 trên máy phay CNC DMC 835V sử dụng hệ điều khiển Siemens. Nghiên cứu được thực hiện tại Hà Nội trong năm 2022-2023, nhằm cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc thiết lập chế độ gia công tối ưu, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong ngành cơ khí chế tạo máy.

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 quá trình phay và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng gia công:

  • Lý thuyết quá trình phay: Phay là phương pháp gia công cắt gọt trong đó dụng cụ cắt quay tròn tạo chuyển động cắt, với các thông số chính gồm vận tốc cắt (V), lượng chạy dao (S) và chiều sâu cắt (a). Động lực học quá trình cắt được mô tả qua các lực cắt tác động lên dao phay, ảnh hưởng đến độ ổn định và chất lượng bề mặt gia công.

  • Khái niệm độ nhám bề mặt (Ra): Độ nhám bề mặt là chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng bề mặt gia công, ảnh hưởng đến tính năng sử dụng và tuổi thọ sản phẩm. Độ nhám được đo bằng các chỉ số như Ry, Rz, Sm theo tiêu chuẩn TCVN 2511-95.

  • Mô hình ảnh hưởng các thông số chế độ cắt: Các thông số như tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt và điều kiện trơn nguội ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhám bề mặt và tốc độ bóc tách vật liệu (MRR). Mối quan hệ này được mô hình hóa bằng phương pháp mặt đáp ứng (RSM) và phân tích phương sai (ANOVA).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu được thu thập từ 18 thí nghiệm thực nghiệm trên máy phay CNC DMC 835V tại Trường Cao đẳng Cơ điện Hà Nội, sử dụng hợp kim nhôm 7075 làm vật liệu gia công. Các thông số đầu vào gồm tốc độ cắt (n), lượng chạy dao (S), chiều sâu cắt (a) và điều kiện trơn nguội (TN).

  • Phương pháp phân tích: Thiết kế thí nghiệm theo ma trận trực giao Taguchi L18 với 4 yếu tố, mỗi yếu tố 3 mức. Phân tích ảnh hưởng các yếu tố đến độ nhám bề mặt và MRR bằng phân tích phương sai ANOVA. Mô hình dự đoán và tối ưu hóa đa mục tiêu cho Ra và MRR được xây dựng bằng phương pháp mặt đáp ứng (RSM).

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2022-2023, bao gồm giai đoạn tổng hợp lý thuyết, thiết kế thí nghiệm, thu thập và xử lý dữ liệu, xây dựng mô hình và đề xuất giải pháp tối ưu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến độ nhám bề mặt: Tốc độ cắt có ảnh hưởng lớn nhất đến độ nhám bề mặt, chiếm khoảng 45% mức độ ảnh hưởng theo phân tích ANOVA. Khi tăng tốc độ cắt từ mức thấp đến mức trung bình (khoảng 15-30 m/phút), độ nhám bề mặt giảm đáng kể do giảm hiện tượng dính phoi và biến dạng dẻo trên bề mặt. Tuy nhiên, khi tốc độ cắt vượt quá 60 m/phút, độ nhám tiếp tục giảm do hiện tượng leo dao không hình thành.

  2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao: Lượng chạy dao ảnh hưởng khoảng 30% đến độ nhám bề mặt. Khi lượng chạy dao tăng từ 0.02 mm/vòng đến 0.15 mm/vòng, độ nhám giảm do giảm biến dạng dẻo và đàn hồi trên bề mặt. Tuy nhiên, lượng chạy dao quá nhỏ (<0.02 mm/vòng) làm tăng độ nhám do dao bị trượt, còn quá lớn (>0.15 mm/vòng) làm tăng biến dạng và độ nhám.

  3. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt: Chiều sâu cắt có ảnh hưởng nhỏ hơn, khoảng 15%, đến độ nhám bề mặt. Chiều sâu cắt quá nhỏ (<0.03 mm) gây trượt dao và tăng độ nhám, trong khi chiều sâu cắt lớn làm tăng rung động và độ nhám.

  4. Ảnh hưởng của điều kiện trơn nguội: Việc sử dụng dung dịch trơn nguội giúp giảm ma sát và nhiệt độ vùng cắt, từ đó giảm độ nhám bề mặt và tăng MRR khoảng 10-12% so với gia công khô.

  5. Mô hình dự đoán và tối ưu hóa: Mô hình RSM xây dựng cho Ra và MRR đạt hệ số xác định R² lần lượt là 0.87 và 0.82, cho thấy mô hình có độ tin cậy cao. Tối ưu đa mục tiêu cho thấy tổ hợp chế độ cắt tối ưu là tốc độ cắt 45 m/phút, lượng chạy dao 0.12 mm/vòng, chiều sâu cắt 0.4 mm và sử dụng dung dịch trơn nguội, đạt độ nhám bề mặt thấp nhất và MRR cao nhất.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công. Tốc độ cắt và lượng chạy dao là hai yếu tố quyết định lớn nhất, trong khi chiều sâu cắt và điều kiện trơn nguội có vai trò hỗ trợ. Việc sử dụng phương pháp Taguchi kết hợp ANOVA và RSM giúp xác định chính xác mức độ ảnh hưởng và tối ưu hóa đa mục tiêu hiệu quả. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cột thể hiện tỷ lệ ảnh hưởng các yếu tố và biểu đồ bề mặt thể hiện mối quan hệ giữa các thông số chế độ cắt với Ra và MRR, giúp trực quan hóa kết quả nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng chế độ cắt tối ưu: Các doanh nghiệp và xưởng gia công nên áp dụng tổ hợp chế độ cắt gồm tốc độ cắt 45 m/phút, lượng chạy dao 0.12 mm/vòng, chiều sâu cắt 0.4 mm và sử dụng dung dịch trơn nguội để đạt hiệu quả gia công tối ưu trong vòng 6 tháng tới.

  2. Đào tạo kỹ thuật viên vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về lập trình và vận hành máy phay CNC sử dụng hệ điều khiển Siemens, tập trung vào việc lựa chọn và điều chỉnh chế độ công nghệ phù hợp nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm.

  3. Xây dựng cơ sở dữ liệu chế độ công nghệ: Thiết lập hệ thống lưu trữ và cập nhật các thông số chế độ cắt tối ưu cho từng loại vật liệu và máy CNC, hỗ trợ công tác chuẩn bị công nghệ và giảm thời gian thử nghiệm.

  4. Đầu tư thiết bị đo kiểm chất lượng: Trang bị các thiết bị đo độ nhám bề mặt và kiểm soát chất lượng tự động để giám sát liên tục quá trình gia công, đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư công nghệ và vận hành máy CNC: Nắm bắt kiến thức về ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến chất lượng gia công, từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất.

  2. Nhà quản lý sản xuất trong ngành cơ khí: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng tiêu chuẩn công nghệ, nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Là tài liệu tham khảo bổ ích cho việc giảng dạy và nghiên cứu về công nghệ gia công CNC và tối ưu hóa chế độ cắt.

  4. Các nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ: Cung cấp cơ sở khoa học để phát triển các mô hình dự đoán và tối ưu hóa chế độ gia công cho các vật liệu và máy CNC khác nhau.

Câu hỏi thường gặp

  1. Chế độ công nghệ nào ảnh hưởng nhiều nhất đến độ nhám bề mặt khi phay hợp kim nhôm 7075?
    Tốc độ cắt là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất, chiếm khoảng 45% mức độ ảnh hưởng, do nó quyết định nhiệt độ và lực cắt trong quá trình gia công.

  2. Lượng chạy dao nên được điều chỉnh như thế nào để đạt chất lượng bề mặt tốt?
    Lượng chạy dao nên nằm trong khoảng 0.02 đến 0.15 mm/vòng; quá nhỏ gây trượt dao, quá lớn làm tăng biến dạng và độ nhám.

  3. Tại sao điều kiện trơn nguội lại quan trọng trong gia công CNC?
    Dung dịch trơn nguội giúp giảm ma sát và nhiệt độ vùng cắt, từ đó giảm độ nhám bề mặt và tăng tốc độ bóc tách vật liệu, nâng cao hiệu quả sản xuất.

  4. Phương pháp Taguchi có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    Phương pháp Taguchi giúp giảm số lượng thí nghiệm cần thiết, đồng thời xác định được mức độ ảnh hưởng và tổ hợp thông số tối ưu một cách nhanh chóng và chính xác.

  5. Mô hình RSM được sử dụng như thế nào trong tối ưu hóa chế độ cắt?
    RSM xây dựng mô hình toán học giữa các thông số đầu vào và kết quả đầu ra, từ đó tìm ra tổ hợp thông số tối ưu đa mục tiêu cho độ nhám bề mặt và MRR.

Kết luận

  • Đã xác định được ảnh hưởng định lượng của các thông số chế độ cắt đến độ nhám bề mặt và tốc độ bóc tách vật liệu khi phay hợp kim nhôm 7075 trên máy phay CNC DMC 835V.
  • Tốc độ cắt và lượng chạy dao là hai yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công.
  • Mô hình dự đoán và tối ưu hóa đa mục tiêu bằng phương pháp mặt đáp ứng (RSM) đạt độ chính xác cao với hệ số xác định R² trên 0.8.
  • Đề xuất tổ hợp chế độ cắt tối ưu giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất trong thực tế.
  • Khuyến nghị triển khai áp dụng kết quả nghiên cứu trong các cơ sở sản xuất và đào tạo kỹ thuật viên vận hành máy CNC.

Next steps: Triển khai thử nghiệm áp dụng chế độ cắt tối ưu trong sản xuất thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu cho các vật liệu và máy CNC khác.

Call-to-action: Các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu trong ngành cơ khí nên tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao năng lực cạnh tranh và chất lượng sản phẩm.