Tổng quan nghiên cứu

Gia công kim loại bằng phương pháp tiện là một trong những phương pháp cắt gọt phổ biến và quan trọng nhất trong ngành cơ khí chế tạo máy, chiếm khoảng 30% đến 40% số lượng máy công cụ trong các nhà máy cơ khí. Trên thế giới, các nước phát triển như Mỹ, Nhật Bản, Đức, Thụy Sĩ đã nghiên cứu và sản xuất nhiều loại máy tiện hiện đại, từ máy tiện vạn năng đến máy tiện CNC với công suất và tốc độ trục chính đa dạng, đáp ứng nhu cầu gia công các chi tiết có kích thước và độ chính xác cao. Ở Việt Nam, ngành cơ khí và chế tạo máy được quan tâm phát triển, tuy nhiên phần lớn máy tiện hiện nay là nhập khẩu hoặc sản xuất với công nghệ còn hạn chế, chưa đáp ứng được yêu cầu về năng suất và chất lượng sản phẩm.

Chi phí năng lượng trong quá trình gia công chiếm tỷ trọng đáng kể trong tổng chi phí sản xuất, đồng thời độ nhám bề mặt là chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng gia công chi tiết máy. Do đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số gia công như góc cắt chính, chiều sâu cắt, lượng ăn dao đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt khi tiện trơn thép trên máy tiện EER1330 là rất cần thiết. Mục tiêu của nghiên cứu là xác định các thông số kỹ thuật hợp lý nhằm tối ưu hóa chi phí năng lượng và nâng cao chất lượng bề mặt gia công, góp phần xây dựng ngân hàng dữ liệu phục vụ sử dụng hiệu quả máy tiện trong sản xuất.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào gia công thép C45 trên máy tiện vạn năng EER1330, một loại máy tiện phổ biến tại các công ty vừa và nhỏ ở Việt Nam. Thời gian nghiên cứu được thực hiện trong năm 2012 với các thí nghiệm thực nghiệm và phân tích dữ liệu nhằm đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố kỹ thuật đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn quan trọng trong việc giảm chi phí sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và phát triển ngành cơ khí chế tạo máy trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về quá trình cắt gọt kim loại, trong đó:

  • Lý thuyết cắt gọt kim loại: Nghiên cứu các lực cắt phát sinh, cơ chế tạo phoi, ảnh hưởng của các thông số gia công đến công suất và chất lượng bề mặt. Các công trình của các nhà khoa học Xô Viết và Mỹ đã làm nền tảng cho việc tính toán lực cắt và chi phí năng lượng trong gia công.
  • Mô hình chi phí năng lượng riêng (Nr): Được xác định dựa trên công suất tiêu thụ và khối lượng gia công, phản ánh hiệu quả sử dụng năng lượng trong quá trình tiện.
  • Độ nhám bề mặt (Ra, Rz): Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt gia công, chịu ảnh hưởng bởi góc cắt, chiều sâu cắt và lượng ăn dao.
  • Mô hình hồi quy đa biến và quy hoạch thực nghiệm: Sử dụng để xây dựng mối quan hệ toán học giữa các yếu tố đầu vào (góc cắt chính, chiều sâu cắt, lượng ăn dao) và các chỉ tiêu đầu ra (chi phí năng lượng riêng, độ nhám bề mặt).

Các khái niệm chính bao gồm: góc cắt chính (φ), chiều sâu cắt (t), lượng ăn dao (s), chi phí năng lượng riêng (kWh/m³), độ nhám bề mặt (Ra), và các lực cắt (Px, Py, Pz).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm thực nghiệm trên máy tiện EER1330, gia công thép C45 với dao tiện hợp kim 9XC có độ cứng 62-64 HRC.
  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm đa yếu tố theo kế hoạch trung tâm hợp thành Hartley, với 3 yếu tố đầu vào chính là góc cắt chính, chiều sâu cắt và lượng ăn dao. Mỗi thí nghiệm được lặp lại 3 lần để đảm bảo độ tin cậy.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Tổng số thí nghiệm là 17 điểm theo ma trận thí nghiệm, mỗi điểm lặp lại 3 lần, đảm bảo tính thống kê và độ chính xác cao.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2012, bao gồm giai đoạn chuẩn bị, thí nghiệm thăm dò, thực nghiệm đơn yếu tố, thực nghiệm đa yếu tố, xử lý số liệu và phân tích kết quả.
  • Thiết bị đo: Máy đo công suất Fluke 41B, máy đo tốc độ HT3100, máy đo độ nhám TR200.
  • Phân tích số liệu: Áp dụng phân tích phương sai (ANOVA), kiểm định Kohren, Fisher, Student để đánh giá tính đồng nhất phương sai, mức độ ảnh hưởng và ý nghĩa thống kê của các yếu tố. Mô hình hồi quy bậc hai được xây dựng và kiểm tra tính tương thích bằng tiêu chuẩn Fisher.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của góc cắt chính đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt: Khi góc cắt chính tăng từ 10° đến 30°, chi phí năng lượng riêng giảm khoảng 15%, đồng thời độ nhám bề mặt cũng giảm đáng kể, đạt giá trị nhỏ nhất tại góc cắt 25°. Điều này cho thấy góc cắt chính có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả năng lượng và chất lượng bề mặt gia công.

  2. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt: Tăng chiều sâu cắt từ 0.2 mm đến 0.6 mm làm chi phí năng lượng riêng tăng khoảng 20%, trong khi độ nhám bề mặt có xu hướng tăng nhẹ, đặc biệt khi chiều sâu cắt vượt quá 0.5 mm. Chiều sâu cắt hợp lý được xác định trong khoảng 0.3-0.4 mm để cân bằng giữa năng suất và chất lượng.

  3. Ảnh hưởng của lượng ăn dao: Lượng ăn dao tăng từ 0.05 mm/vòng đến 0.15 mm/vòng làm chi phí năng lượng riêng tăng khoảng 18%, đồng thời độ nhám bề mặt tăng rõ rệt, đặc biệt khi lượng ăn dao vượt quá 0.12 mm/vòng. Lượng ăn dao tối ưu được xác định khoảng 0.08-0.1 mm/vòng.

  4. Mô hình đa yếu tố: Mô hình hồi quy bậc hai xây dựng từ dữ liệu thực nghiệm cho thấy mối quan hệ phi tuyến giữa các yếu tố đầu vào và chỉ tiêu đầu ra, với hệ số xác định R² đạt 0.85 cho chi phí năng lượng riêng và 0.82 cho độ nhám bề mặt, chứng tỏ mô hình có khả năng dự báo tốt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các ảnh hưởng trên xuất phát từ cơ chế cắt gọt và sự tương tác giữa dao cắt và vật liệu gia công. Góc cắt chính lớn giúp giảm lực cắt và ma sát, từ đó giảm tiêu hao năng lượng và cải thiện bề mặt gia công. Chiều sâu cắt và lượng ăn dao lớn làm tăng khối lượng vật liệu bị cắt trong mỗi chu kỳ, dẫn đến tăng lực cắt và tiêu hao năng lượng, đồng thời làm tăng độ nhám do dao cắt phải chịu tải lớn hơn.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với các công trình nghiên cứu về tối ưu hóa chế độ cắt gọt trên máy tiện CNC và máy tiện vạn năng, đồng thời bổ sung dữ liệu thực nghiệm cho máy tiện EER1330, một loại máy phổ biến tại Việt Nam. Việc xác định các thông số hợp lý giúp giảm chi phí năng lượng từ khoảng 15-20% so với chế độ cắt không tối ưu, đồng thời cải thiện độ nhám bề mặt từ Ra trung bình 1.2 µm xuống còn khoảng 0.8 µm.

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 các giá trị trung bình và sai số chuẩn để minh họa tính ổn định và độ tin cậy của kết quả.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa góc cắt chính: Đề nghị điều chỉnh góc cắt chính dao tiện trong khoảng 25° để giảm chi phí năng lượng riêng và cải thiện độ nhám bề mặt. Chủ thể thực hiện là kỹ sư công nghệ và thợ máy, thời gian áp dụng ngay trong các ca sản xuất hiện tại.

  2. Kiểm soát chiều sâu cắt: Khuyến nghị duy trì chiều sâu cắt trong khoảng 0.3-0.4 mm để cân bằng giữa năng suất và chất lượng gia công. Các nhà quản lý sản xuất cần xây dựng quy trình vận hành và đào tạo công nhân thực hiện đúng thông số này trong vòng 3 tháng tới.

  3. Điều chỉnh lượng ăn dao hợp lý: Lượng ăn dao nên được duy trì ở mức 0.08-0.1 mm/vòng để giảm tiêu hao năng lượng và đảm bảo bề mặt gia công đạt yêu cầu. Bộ phận kỹ thuật cần kiểm tra và hiệu chỉnh máy tiện định kỳ, áp dụng trong quý tiếp theo.

  4. Xây dựng ngân hàng dữ liệu công nghệ: Tập hợp và lưu trữ các thông số kỹ thuật tối ưu cho máy tiện EER1330, phục vụ cho việc đào tạo và vận hành sản xuất hiệu quả. Chủ thể là phòng kỹ thuật và đào tạo, hoàn thành trong vòng 6 tháng.

  5. Áp dụng mô hình dự báo và kiểm soát chất lượng: Sử dụng mô hình hồi quy đã xây dựng để dự báo chi phí năng lượng và độ nhám bề mặt, từ đó điều chỉnh kịp thời các thông số gia công. Phòng nghiên cứu và phát triển cần phối hợp với bộ phận sản xuất để triển khai trong năm tài chính tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư công nghệ và vận hành máy tiện: Giúp hiểu rõ ảnh hưởng của các thông số gia công đến chi phí năng lượng và chất lượng sản phẩm, từ đó điều chỉnh chế độ cắt phù hợp nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất.

  2. Nhà quản lý sản xuất trong ngành cơ khí: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng quy trình công nghệ, tối ưu hóa chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm, góp phần giảm giá thành và tăng sức cạnh tranh.

  3. Nhà nghiên cứu và giảng viên kỹ thuật cơ khí: Tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo về tối ưu hóa quá trình gia công, đồng thời làm nguồn học liệu giảng dạy về công nghệ máy tiện và gia công kim loại.

  4. Các doanh nghiệp sản xuất máy tiện và thiết bị cơ khí: Hỗ trợ trong việc phát triển sản phẩm máy tiện phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước, nâng cao hiệu suất và chất lượng máy móc.

Câu hỏi thường gặp

  1. Góc cắt chính ảnh hưởng như thế nào đến chi phí năng lượng khi tiện thép?
    Góc cắt chính lớn giúp giảm lực cắt và ma sát, từ đó giảm chi phí năng lượng riêng khoảng 15% khi tăng góc từ 10° lên 25°, đồng thời cải thiện độ nhám bề mặt.

  2. Chiều sâu cắt tối ưu để tiết kiệm năng lượng là bao nhiêu?
    Chiều sâu cắt trong khoảng 0.3-0.4 mm được xác định là hợp lý, giúp cân bằng giữa năng suất và chi phí năng lượng, tránh tăng lực cắt quá mức gây hao phí năng lượng.

  3. Lượng ăn dao ảnh hưởng thế nào đến chất lượng bề mặt gia công?
    Lượng ăn dao lớn làm tăng độ nhám bề mặt do dao cắt chịu tải lớn hơn, lượng ăn dao tối ưu khoảng 0.08-0.1 mm/vòng giúp giảm độ nhám và tiết kiệm năng lượng.

  4. Phương pháp nghiên cứu nào được sử dụng để xác định các thông số tối ưu?
    Phương pháp qui hoạch thực nghiệm đa yếu tố theo kế hoạch trung tâm hợp thành Hartley, kết hợp phân tích phương sai và mô hình hồi quy bậc hai để xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất thực tế?
    Các nhà quản lý và kỹ sư cần điều chỉnh chế độ cắt theo các thông số tối ưu đã xác định, xây dựng quy trình vận hành chuẩn và đào tạo công nhân, đồng thời sử dụng mô hình dự báo để kiểm soát chất lượng và chi phí.

Kết luận

  • Xác định được mối quan hệ rõ ràng giữa góc cắt chính, chiều sâu cắt, lượng ăn dao với chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt khi tiện thép C45 trên máy tiện EER1330.
  • Góc cắt chính 25°, chiều sâu cắt 0.3-0.4 mm và lượng ăn dao 0.08-0.1 mm/vòng là các thông số kỹ thuật hợp lý để tối ưu chi phí năng lượng và chất lượng bề mặt.
  • Mô hình hồi quy bậc hai với hệ số xác định trên 0.8 cho phép dự báo chính xác các chỉ tiêu công nghệ, hỗ trợ tối ưu hóa quá trình gia công.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần xây dựng ngân hàng dữ liệu công nghệ cho máy tiện EER1330, nâng cao hiệu quả sử dụng máy trong sản xuất cơ khí tại Việt Nam.
  • Khuyến nghị áp dụng các thông số tối ưu trong quy trình sản xuất và tiếp tục nghiên cứu mở rộng cho các loại vật liệu và máy tiện khác nhằm nâng cao năng suất và chất lượng gia công.

Hãy bắt đầu áp dụng các thông số kỹ thuật tối ưu này để tiết kiệm năng lượng và nâng cao chất lượng sản phẩm ngay hôm nay!