Tổng quan nghiên cứu

Gia công kim loại bằng phương pháp tiện là một trong những kỹ thuật gia công phổ biến và quan trọng trong ngành cơ khí chế tạo máy. Theo ước tính, máy tiện chiếm khoảng 30-40% tổng số máy công cụ trong các nhà máy cơ khí, đóng vai trò then chốt trong việc tạo ra các chi tiết máy chính xác và hiệu quả. Ở Việt Nam, mặc dù đã sản xuất được một số loại máy tiện như T613, T616, T630, T6M16, T18A, phần lớn máy tiện vẫn được nhập khẩu từ các nước phát triển như Nga, Đức, Nhật Bản, Đài Loan với đa dạng chủng loại và công suất. Tuy nhiên, việc sử dụng các máy tiện nhập khẩu trong điều kiện sản xuất quy mô vừa và nhỏ đặt ra nhiều thách thức về năng suất, chất lượng và chi phí gia công.

Luận văn tập trung nghiên cứu sự ảnh hưởng của ba yếu tố kỹ thuật quan trọng trong quá trình tiện trơn gang trên máy tiện EER1330 gồm: góc sau của dao cắt, chiều sâu cắt và tốc độ cắt đến hai chỉ tiêu then chốt là chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt gia công. Mục tiêu cụ thể là xác định các giá trị hợp lý của các thông số này nhằm tối ưu hóa chi phí năng lượng và nâng cao chất lượng bề mặt sản phẩm. Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong điều kiện gia công gang trên máy tiện EER1330, với các thí nghiệm thực nghiệm được tiến hành tại các cơ sở nghiên cứu chuyên ngành kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hóa nông lâm nghiệp.

Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng máy tiện nhập khẩu, giảm chi phí sản xuất và cải thiện chất lượng sản phẩm gia công, góp phần thúc đẩy phát triển ngành cơ khí chế tạo máy trong nước. Kết quả nghiên cứu cũng cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn chế độ cắt hợp lý, đồng thời hỗ trợ các doanh nghiệp cơ khí trong việc tối ưu hóa quy trình gia công.

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 gia công cắt gọt kim loại, tập trung vào:

  • Lý thuyết lực cắt và công suất cắt: Công suất cắt được xác định dựa trên lực cắt và các thông số chế độ cắt, từ đó tính toán chi phí năng lượng riêng tiêu hao trong quá trình gia công. Công thức tính chi phí năng lượng riêng là $N_r = \frac{N_{\delta} \times T}{M}$, trong đó $N_{\delta}$ là công suất chi phí động cơ (kW), $T$ là thời gian gia công (h), và $M$ là khối lượng vật liệu gia công (m³).

  • Lý thuyết về độ nhám bề mặt: Độ nhám bề mặt (Ra) được xem xét như một chỉ tiêu quan trọng phản ánh chất lượng gia công, chịu ảnh hưởng bởi các thông số như góc sau dao, chiều sâu cắt và tốc độ cắt.

  • Mô hình hồi quy và quy hoạch thực nghiệm: Sử dụng phương pháp phân tích hồi quy bậc hai để xây dựng mô hình toán học mô tả mối quan hệ giữa các yếu tố đầu vào (góc sau, chiều sâu cắt, tốc độ cắt) và các chỉ tiêu đầu ra (chi phí năng lượng riêng, độ nhám bề mặt). Phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố được áp dụng để tối ưu hóa các thông số kỹ thuật.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm thực nghiệm trên máy tiện EER1330, gia công vật liệu gang bằng phương pháp tiện trơn. Các thí nghiệm được thực hiện theo kế hoạch Hartley với 3 yếu tố chính: góc sau dao (β), chiều sâu cắt (t), tốc độ cắt (v), mỗi yếu tố có các mức biến thiên được mã hóa.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phân tích phương sai (ANOVA) để đánh giá mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt. Mô hình hồi quy bậc hai được xây dựng và kiểm định tính tương thích bằng tiêu chuẩn Fisher và Student. Các hệ số hồi quy không có ý nghĩa thống kê được loại bỏ để đơn giản hóa mô hình.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài khoảng 6 tháng, bao gồm giai đoạn chuẩn bị thiết bị, tiến hành thí nghiệm thăm dò, thực nghiệm đơn yếu tố, thực nghiệm đa yếu tố, xử lý số liệu và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của góc sau dao (β): Khi góc sau tăng từ mức thấp đến mức cao, chi phí năng lượng riêng giảm đáng kể, với mức giảm khoảng 15-20%. Độ nhám bề mặt cũng được cải thiện, giảm trung bình 10-12%. Đồ thị thể hiện xu hướng giảm rõ ràng, cho thấy góc sau dao là yếu tố quan trọng trong việc giảm lực cắt và nâng cao chất lượng bề mặt.

  2. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt (t): Chi phí năng lượng riêng tăng theo chiều sâu cắt, với mức tăng khoảng 25% khi chiều sâu cắt tăng từ 0.2 mm lên 0.5 mm. Độ nhám bề mặt cũng tăng nhẹ khoảng 8%, phản ánh sự gia tăng lực cắt và rung động trong quá trình gia công. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến lực cắt và chất lượng bề mặt.

  3. Ảnh hưởng của tốc độ cắt (v): Tăng tốc độ cắt từ 80 m/phút lên 200 m/phút làm giảm chi phí năng lượng riêng khoảng 18%, tuy nhiên độ nhám bề mặt có xu hướng tăng nhẹ khoảng 5%. Điều này cho thấy tốc độ cắt cao giúp giảm thời gian gia công và năng lượng tiêu hao nhưng có thể ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt do nhiệt độ vùng cắt tăng.

  4. Mô hình hồi quy đa yếu tố: Mô hình toán học xây dựng có hệ số xác định R² đạt 0.87 cho chi phí năng lượng riêng và 0.82 cho độ nhám bề mặt, cho thấy mô hình phù hợp và có khả năng dự báo chính xác. Phân tích phương sai xác nhận các yếu tố đều có ảnh hưởng có ý nghĩa thống kê với mức ý nghĩa α=0.05.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các ảnh hưởng trên có thể giải thích dựa trên cơ chế cắt gọt và đặc tính vật liệu gang. Góc sau dao lớn giúp giảm ma sát giữa dao và phoi, từ đó giảm lực cắt và năng lượng tiêu hao, đồng thời cải thiện độ nhám bề mặt do giảm rung động. Chiều sâu cắt lớn làm tăng khối lượng vật liệu bị cắt trong một lần chạy dao, dẫn đến lực cắt và năng lượng tiêu hao tăng, đồng thời làm bề mặt gia công thô hơn do dao dễ bị rung. Tốc độ cắt cao giúp giảm thời gian gia công, giảm chi phí năng lượng riêng nhưng có thể làm tăng nhiệt độ vùng cắt, ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt.

So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy kết quả phù hợp với xu hướng chung về ảnh hưởng của các thông số cắt đến năng lượng và chất lượng gia công. Việc xây dựng mô hình hồi quy và áp dụng quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố giúp tối ưu hóa các thông số kỹ thuật, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường thể hiện sự biến đổi chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt theo từng yếu tố, cũng như bảng tổng hợp kết quả phân tích phương sai và hệ số hồi quy để minh chứng tính chính xác của mô hình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa góc sau dao: Khuyến nghị điều chỉnh góc sau dao trong khoảng 10° đến 15° để giảm chi phí năng lượng riêng và cải thiện độ nhám bề mặt. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư vận hành và bảo trì máy tiện, thời gian áp dụng ngay trong các ca sản xuất.

  2. Kiểm soát chiều sâu cắt: Giới hạn chiều sâu cắt không vượt quá 0.3 mm trong các quy trình gia công tinh để đảm bảo chi phí năng lượng và chất lượng bề mặt ở mức tối ưu. Các nhà thiết kế quy trình và kỹ thuật viên gia công cần phối hợp thực hiện.

  3. Điều chỉnh tốc độ cắt hợp lý: Áp dụng tốc độ cắt trong khoảng 120-160 m/phút để cân bằng giữa năng suất và chất lượng bề mặt. Đề xuất này dành cho bộ phận lập kế hoạch sản xuất và vận hành máy.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức: Tổ chức các khóa đào tạo cho công nhân vận hành về tầm quan trọng của các thông số cắt và cách điều chỉnh phù hợp nhằm tiết kiệm năng lượng và nâng cao chất lượng sản phẩm. Thời gian triển khai trong vòng 3 tháng.

  5. Áp dụng mô hình tối ưu hóa: Sử dụng mô hình hồi quy và quy hoạch thực nghiệm để thiết kế các chế độ cắt mới phù hợp với từng loại vật liệu và yêu cầu sản xuất cụ thể. Chủ thể là phòng nghiên cứu và phát triển công nghệ của doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành máy tiện: Nắm bắt các yếu tố ảnh hưởng đến chi phí năng lượng và chất lượng gia công để điều chỉnh chế độ cắt phù hợp, nâng cao hiệu quả sản xuất.

  2. Nhà quản lý sản xuất: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các tiêu chuẩn vận hành, giảm chi phí sản xuất và tăng năng suất lao động.

  3. Chuyên gia nghiên cứu và phát triển công nghệ: Áp dụng mô hình toán học và phương pháp quy hoạch thực nghiệm để phát triển các công nghệ gia công mới, tối ưu hóa quy trình sản xuất.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hóa: Tham khảo để hiểu rõ hơn về phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, phân tích dữ liệu và ứng dụng trong lĩnh vực gia công cơ khí.

Câu hỏi thường gặp

  1. Góc sau dao ảnh hưởng như thế nào đến chi phí năng lượng riêng?
    Góc sau dao lớn giúp giảm ma sát giữa dao và phoi, từ đó giảm lực cắt và chi phí năng lượng riêng. Ví dụ, tăng góc sau từ 5° lên 15° có thể giảm chi phí năng lượng riêng khoảng 15-20%.

  2. Chiều sâu cắt có tác động ra sao đến độ nhám bề mặt?
    Chiều sâu cắt lớn làm tăng lực cắt và rung động, dẫn đến độ nhám bề mặt tăng lên. Khi chiều sâu cắt tăng từ 0.2 mm lên 0.5 mm, độ nhám bề mặt có thể tăng khoảng 8%.

  3. Tốc độ cắt cao có phải luôn tốt cho năng suất?
    Tốc độ cắt cao giúp giảm thời gian gia công và chi phí năng lượng riêng, nhưng có thể làm tăng nhiệt độ vùng cắt, ảnh hưởng tiêu cực đến độ nhám bề mặt. Cần cân nhắc điều chỉnh tốc độ phù hợp.

  4. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố là gì?
    Đây là phương pháp nghiên cứu kết hợp nhiều yếu tố cùng lúc, sử dụng mô hình toán học để xác định ảnh hưởng và tối ưu hóa các thông số kỹ thuật nhằm đạt hiệu quả cao nhất.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất thực tế?
    Các doanh nghiệp cần điều chỉnh các thông số cắt theo khuyến nghị, đào tạo nhân viên vận hành và sử dụng mô hình tối ưu hóa để thiết kế quy trình gia công phù hợp với từng loại vật liệu và máy móc.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định rõ ảnh hưởng của góc sau dao, chiều sâu cắt và tốc độ cắt đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt khi tiện trơn gang trên máy tiện EER1330.
  • Mô hình hồi quy bậc hai được xây dựng có độ chính xác cao với hệ số xác định R² trên 0.8, phù hợp để dự báo và tối ưu hóa các thông số kỹ thuật.
  • Góc sau dao lớn, chiều sâu cắt vừa phải và tốc độ cắt hợp lý là các yếu tố then chốt giúp giảm chi phí năng lượng và nâng cao chất lượng bề mặt gia công.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và đào tạo nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng máy tiện, giảm chi phí sản xuất và cải thiện chất lượng sản phẩm.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai áp dụng các thông số tối ưu trong sản xuất thực tế, mở rộng nghiên cứu với các loại vật liệu và máy tiện khác, đồng thời phát triển các mô hình tối ưu hóa đa mục tiêu phức tạp hơn.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu này để nâng cao hiệu quả gia công cơ khí, đồng thời tiếp tục phát triển các nghiên cứu sâu hơn trong lĩnh vực kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hóa.