Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế công nghiệp hiện nay, gia công cơ khí đóng vai trò then chốt trong việc tạo ra máy móc cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Tại Việt Nam, xu hướng sử dụng máy gia công CNC ngày càng phổ biến nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất. Tuy nhiên, thực tế cho thấy mặc dù chất lượng sản phẩm được cải thiện, chi phí gia công vẫn chưa giảm đáng kể do các nhà công nghiệp chưa tối ưu hóa được các thông số công nghệ, đặc biệt là ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy khi gia công trên máy phay CNC.

Luận văn "Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy khi gia công trên máy phay CNC" tập trung phân tích mối quan hệ giữa các thông số gia công như tốc độ cắt, lượng chạy dao, bán kính mũi dao, góc nghiêng dao với các tiêu chí chất lượng bề mặt như độ nhám bề mặt (Rz, Ra), độ biến dạng lớp bề mặt, ứng suất dư và độ chính xác các mối ghép. Nghiên cứu được thực hiện trên vật liệu thép 45 và thép 40X, trong phạm vi gia công phay trên máy CNC tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, trong khoảng thời gian từ năm 2002 đến 2006.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định các thông số công nghệ tối ưu nhằm nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết máy, giảm chi phí gia công và tăng năng suất máy. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ các nhà sản xuất cơ khí cải tiến quy trình gia công, đảm bảo tính cạnh tranh trên thị trường trong nước và quốc tế.

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 chất lượng bề mặt chi tiết máy, bao gồm:

  • Lý thuyết về chất lượng bề mặt gia công: Chất lượng bề mặt được đánh giá qua các chỉ tiêu như độ nhám bề mặt (Ra, Rz), độ biến dạng lớp bề mặt, ứng suất dư và độ chính xác mối ghép. Độ nhám bề mặt được xác định theo tiêu chuẩn TCVN2511-95 với các chỉ số Ra (độ nhám trung bình) và Rz (độ nhám đỉnh).

  • Mô hình ảnh hưởng của thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt: Các thông số như lượng chạy dao (S), tốc độ cắt (V), bán kính mũi dao (r), góc nghiêng dao (ϕ, ϕ1), góc trước dao (γ), góc sau dao (α) ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhám bề mặt và ứng suất dư. Ví dụ, khi lượng chạy dao tăng, độ nhám bề mặt cũng tăng; khi bán kính mũi dao tăng, độ nhám giảm.

  • Lý thuyết ứng suất dư và biến dạng lớp bề mặt: Ứng suất dư trong lớp bề mặt chi tiết máy phát sinh do biến dạng dẻo, biến dạng đàn hồi, biến đổi nhiệt và chuyển pha trong quá trình gia công. Ứng suất dư có thể là ứng suất nén hoặc kéo, ảnh hưởng đến độ bền mỏi và khả năng chống ăn mòn của chi tiết.

  • Phương pháp đánh giá chất lượng bề mặt: Sử dụng các phương pháp đo quang học, máy đo prôfin để xác định các chỉ số nhám bề mặt, đo độ cứng bề mặt bằng phương pháp Brinell, Rockwell, Vickers, và phân tích ứng suất dư bằng phương pháp tia X.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thí nghiệm gia công phay trên máy CNC với vật liệu thép 45 và thép 40X tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Cỡ mẫu thí nghiệm khoảng 20 mẫu với các biến đổi thông số công nghệ như lượng chạy dao từ 0,02 đến 0,76 mm/vòng, tốc độ cắt từ 15 đến 600 m/phút, bán kính mũi dao từ 1,25 đến 26 mm, và các góc dao khác nhau.

Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu đại diện cho các điều kiện gia công phổ biến trong thực tế sản xuất. Phân tích dữ liệu sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất để xác định mối quan hệ toán học giữa các thông số công nghệ và chất lượng bề mặt. Kiểm định tính đồng nhất và sai số được thực hiện bằng các phương pháp thống kê như kiểm định Kokren, kiểm định sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2002 đến 2006, bao gồm giai đoạn khảo sát tài liệu, thiết kế thí nghiệm, thu thập dữ liệu, phân tích và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của lượng chạy dao (S) đến độ nhám bề mặt (Rz): Khi lượng chạy dao tăng từ 0,02 mm/vòng lên 0,76 mm/vòng, độ nhám Rz tăng rõ rệt, từ khoảng 2 µm đến trên 75 µm, tương ứng với mức tăng hơn 35 lần. Điều này cho thấy lượng chạy dao là yếu tố quyết định lớn nhất đến độ nhám bề mặt.

  2. Ảnh hưởng của bán kính mũi dao (r) đến độ nhám: Khi bán kính mũi dao tăng từ 1,25 mm lên 26 mm, độ nhám bề mặt giảm đáng kể, giảm khoảng 65-75% trong giai đoạn mòn ban đầu, giúp cải thiện độ chính xác mối ghép và giảm khe hở lớp ghép.

  3. Ứng suất dư và biến dạng lớp bề mặt: Ứng suất dư trong lớp bề mặt chi tiết máy có thể là ứng suất nén hoặc kéo, phụ thuộc vào loại vật liệu và điều kiện gia công. Ví dụ, với thép 45, ứng suất dư nén đạt khoảng 195 N/mm² khi độ nhám Rz là 75 µm, và tăng lên 282 N/mm² khi Rz giảm xuống 2 µm, cho thấy ứng suất dư tăng khi bề mặt mịn hơn.

  4. Ảnh hưởng của góc nghiêng dao và góc trước dao: Khi góc nghiêng dao (ϕ) và góc trước dao (γ) tăng, độ nhám bề mặt giảm, do giảm ma sát và lực cắt, từ đó giảm ứng suất dư và tăng tuổi thọ dao.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự biến đổi chất lượng bề mặt là do sự tương tác phức tạp giữa các thông số công nghệ và tính chất vật liệu. Lượng chạy dao lớn làm tăng độ nhám do tạo ra các vết cắt sâu hơn và tăng rung động hệ thống. Bán kính mũi dao lớn giúp làm mịn bề mặt do giảm áp lực cục bộ và tăng diện tích tiếp xúc.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với báo cáo của ngành về ảnh hưởng của lượng chạy dao và bán kính mũi dao đến độ nhám. Tuy nhiên, nghiên cứu này bổ sung thêm phân tích về ứng suất dư và biến dạng lớp bề mặt, giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hình thành chất lượng bề mặt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa lượng chạy dao và độ nhám Rz, biểu đồ ứng suất dư theo độ nhám, và bảng tổng hợp các thông số góc dao với độ nhám tương ứng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu lượng chạy dao: Giảm lượng chạy dao xuống khoảng 0,1 mm/vòng để giảm độ nhám bề mặt và ứng suất dư, nâng cao chất lượng bề mặt. Thời gian thực hiện: ngay trong quy trình gia công hiện tại. Chủ thể thực hiện: kỹ sư công nghệ và vận hành máy CNC.

  2. Sử dụng bán kính mũi dao lớn hơn: Lựa chọn mũi dao có bán kính từ 10 mm trở lên để giảm độ nhám và tăng độ bền mối ghép. Thời gian thực hiện: trong kế hoạch bảo trì và thay thế dao. Chủ thể thực hiện: bộ phận bảo trì và sản xuất.

  3. Điều chỉnh góc nghiêng và góc trước dao: Thiết kế lại góc dao sao cho góc nghiêng dao và góc trước dao tăng lên nhằm giảm lực cắt và ma sát, từ đó giảm ứng suất dư. Thời gian thực hiện: nghiên cứu và thử nghiệm trong vòng 3 tháng. Chủ thể thực hiện: phòng R&D và kỹ thuật.

  4. Áp dụng dung dịch làm mát hiệu quả: Sử dụng dung dịch làm mát phù hợp để giảm nhiệt sinh ra trong vùng cắt, hạn chế biến dạng nhiệt và ứng suất dư. Thời gian thực hiện: ngay lập tức. Chủ thể thực hiện: bộ phận vận hành và quản lý chất lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư công nghệ gia công cơ khí: Nắm bắt các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt, từ đó tối ưu hóa quy trình gia công CNC nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất.

  2. Nhà quản lý sản xuất: Hiểu rõ các thông số công nghệ ảnh hưởng đến chi phí và chất lượng sản phẩm, giúp ra quyết định đầu tư thiết bị và đào tạo nhân lực phù hợp.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành cơ khí: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc nghiên cứu, giảng dạy về gia công CNC và chất lượng bề mặt chi tiết máy.

  4. Các nhà nghiên cứu phát triển công nghệ gia công: Cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm để phát triển các công nghệ gia công mới, cải tiến dụng cụ cắt và vật liệu gia công.

Câu hỏi thường gặp

  1. Lượng chạy dao ảnh hưởng thế nào đến chất lượng bề mặt?
    Lượng chạy dao tăng làm tăng độ nhám bề mặt do tạo ra các vết cắt sâu hơn và rung động hệ thống. Ví dụ, khi lượng chạy dao tăng từ 0,02 mm/vòng lên 0,76 mm/vòng, độ nhám Rz tăng hơn 35 lần.

  2. Bán kính mũi dao có vai trò gì trong gia công CNC?
    Bán kính mũi dao lớn giúp giảm độ nhám bề mặt và tăng độ bền mối ghép do giảm áp lực cục bộ. Khi bán kính mũi dao tăng từ 1,25 mm lên 26 mm, độ nhám giảm khoảng 65-75%.

  3. Ứng suất dư ảnh hưởng như thế nào đến chi tiết máy?
    Ứng suất dư có thể làm tăng hoặc giảm độ bền mỏi và khả năng chống ăn mòn của chi tiết. Ví dụ, ứng suất dư nén cao giúp tăng tuổi thọ chi tiết, nhưng ứng suất kéo có thể gây nứt gãy.

  4. Làm thế nào để giảm ứng suất dư trong quá trình gia công?
    Điều chỉnh thông số công nghệ như giảm lượng chạy dao, tăng bán kính mũi dao, sử dụng dung dịch làm mát hiệu quả và điều chỉnh góc dao giúp giảm ứng suất dư.

  5. Phương pháp nào được sử dụng để đánh giá chất lượng bề mặt?
    Sử dụng máy đo prôfin để xác định độ nhám Ra, Rz; đo độ cứng bề mặt bằng Brinell, Rockwell, Vickers; phân tích ứng suất dư bằng phương pháp tia X; và đo biến dạng lớp bề mặt bằng phương pháp quang học.

Kết luận

  • Luận văn đã xác định rõ ảnh hưởng của các thông số công nghệ như lượng chạy dao, bán kính mũi dao, góc dao đến chất lượng bề mặt chi tiết máy gia công trên máy phay CNC.
  • Đã xây dựng được mô hình toán học mô tả mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và các chỉ tiêu chất lượng bề mặt như độ nhám, ứng suất dư, biến dạng lớp bề mặt.
  • Kết quả thí nghiệm cho thấy việc tối ưu hóa các thông số công nghệ giúp nâng cao chất lượng bề mặt, giảm chi phí gia công và tăng năng suất máy.
  • Đề xuất các giải pháp cụ thể như điều chỉnh lượng chạy dao, sử dụng bán kính mũi dao lớn, điều chỉnh góc dao và áp dụng dung dịch làm mát hiệu quả.
  • Các bước tiếp theo bao gồm thử nghiệm mở rộng trên các loại vật liệu khác và ứng dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất thực tế để đánh giá hiệu quả lâu dài.

Hành động ngay: Các nhà sản xuất và kỹ sư công nghệ nên áp dụng các khuyến nghị trong nghiên cứu để cải tiến quy trình gia công, nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng sức cạnh tranh trên thị trường.