Tổng quan nghiên cứu

Gia công phay cứng vật liệu SKD61 là một trong những công nghệ quan trọng trong ngành sản xuất khuôn mẫu, đặc biệt với vật liệu có độ cứng từ 45 đến 48 HRC. Theo khảo sát tại các doanh nghiệp như Công ty DISOCO và Công ty TNHH Vạn Xuân, độ nhám bề mặt Ra sau khi phay và đánh bóng khuôn mẫu SKD61 thường đạt từ 0,36 đến 0,63 µm. Tuy nhiên, quá trình đánh bóng tốn kém thời gian và chi phí, ảnh hưởng đến năng suất sản xuất. Nghiên cứu này nhằm đánh giá ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi phay cứng vật liệu SKD61, đồng thời xác định chế độ cắt tối ưu để giảm độ nhám bề mặt xuống dưới 0,2-0,3 µm mà vẫn đảm bảo năng suất cắt cao hơn thực tế sản xuất.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào gia công trên máy phay CNC C-Tek KM80D/100D với tốc độ cắt từ 2900 đến 4142 vòng/phút và lượng chạy dao từ 33 đến 450 mm/phút, sử dụng dao phay phủ PVD – TiAlN. Nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện tưới tràn, trên mẫu vật liệu SKD61 nhiệt luyện đạt độ cứng 45-48 HRC. Mục tiêu chính là xây dựng mô hình toán học mô tả mối quan hệ giữa chế độ cắt và độ nhám bề mặt, từ đó đề xuất chế độ cắt tối ưu nhằm nâng cao chất lượng bề mặt và năng suất gia công, góp phần giảm thiểu công đoạn đánh bóng sau phay, tiết kiệm chi phí và thời gian sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Gia công cứng (Hard machining): Quá trình gia công vật liệu có độ cứng từ 40-70 HRC, trong đó phay cứng là phương pháp gia công tinh sau nhiệt luyện, có ưu điểm tạo ra lớp bề mặt với ứng suất dư nén, tăng độ bền mỏi chi tiết.
  • Lý thuyết về độ nhám bề mặt: Độ nhám Ra là chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng bề mặt gia công, ảnh hưởng đến hệ số ma sát, độ bền mỏi và truyền nhiệt của chi tiết.
  • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm (Design of Experiments - DOE): Sử dụng thiết kế thí nghiệm toàn phần 2 mức (2k), thiết kế thí nghiệm leo dốc và thiết kế bề mặt phản hồi (Response Surface Methodology - RSM) dạng Central Composite Design (CCD) để xây dựng mô hình toán học và tối ưu hóa chế độ cắt.
  • Phân tích phương sai (ANOVA): Được áp dụng để kiểm định ý nghĩa các hệ số trong mô hình hồi quy, xác định các yếu tố ảnh hưởng chính đến độ nhám bề mặt và năng suất cắt.

Các khái niệm chính bao gồm: tốc độ cắt (n), lượng chạy dao (S), độ nhám bề mặt (Ra), năng suất cắt, và các thông số kỹ thuật của dụng cụ cắt phủ PVD – TiAlN.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện theo phương pháp thực nghiệm với các bước chính:

  • Nguồn dữ liệu: Mẫu thí nghiệm là thép SKD61 nhiệt luyện đạt độ cứng 45-48 HRC, gia công trên máy phay CNC C-Tek KM80D/100D. Dụng cụ cắt là dao phay ngón SPSED4A phủ PVD – TiAlN của hãng Okazaki (Nhật Bản). Các thông số thí nghiệm gồm tốc độ cắt từ 2900 đến 4142 vòng/phút, lượng chạy dao từ 33 đến 450 mm/phút.
  • Thiết kế thí nghiệm:
    • Giai đoạn 1: Thiết kế thí nghiệm sơ bộ (Screening Design) với 2 yếu tố chính là tốc độ cắt và lượng chạy dao, mỗi yếu tố 2 mức (+1, -1), nhằm xác định mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến độ nhám bề mặt và năng suất cắt.
    • Giai đoạn 2: Thiết kế thí nghiệm leo dốc để xác định vùng chứa cực trị của hàm mục tiêu.
    • Giai đoạn 3: Thiết kế thí nghiệm bề mặt phản hồi (RSM) dạng CCD để xây dựng mô hình bậc hai mô tả chính xác mối quan hệ giữa các yếu tố và chỉ tiêu đầu ra, đồng thời tìm điểm tối ưu.
  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm Minitab để thiết kế thí nghiệm, phân tích hồi quy, phân tích phương sai (ANOVA) và tối ưu hóa đa mục tiêu nhằm đồng thời tối ưu độ nhám bề mặt và năng suất cắt.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện thực tế tại trường Cao đẳng Công nghiệp Việt Đức và các công ty sản xuất khuôn mẫu, với các thí nghiệm được lặp lại để đảm bảo độ tin cậy số liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tốc độ cắt và lượng chạy dao đến độ nhám bề mặt: Phân tích hồi quy và biểu đồ Pareto cho thấy tốc độ cắt (n) và lượng chạy dao (S) là hai yếu tố có ảnh hưởng mạnh nhất đến độ nhám bề mặt Ra. Tăng tốc độ cắt và giảm lượng chạy dao giúp giảm độ nhám bề mặt. Ví dụ, khi tốc độ cắt đạt khoảng 4000 vòng/phút và lượng chạy dao khoảng 50 mm/phút, độ nhám bề mặt có thể giảm xuống dưới 0,2 µm.

  2. Mối quan hệ giữa chế độ cắt và năng suất cắt: Năng suất cắt tăng theo tốc độ cắt và lượng chạy dao, tuy nhiên cần cân bằng với yêu cầu về độ nhám bề mặt. Kết quả thí nghiệm cho thấy có thể đạt năng suất cắt cao hơn 15-20% so với thực tế sản xuất mà vẫn đảm bảo độ nhám bề mặt dưới 0,3 µm.

  3. Mô hình toán học dự đoán độ nhám bề mặt và năng suất cắt: Mô hình hồi quy bậc hai được xây dựng từ thiết kế CCD có hệ số xác định (R²) trên 0,95, cho phép dự đoán chính xác độ nhám bề mặt và năng suất cắt trong phạm vi khảo sát.

  4. Tối ưu hóa đa mục tiêu: Phương pháp RSM kết hợp với phân tích ANOVA xác định được vùng chế độ cắt tối ưu đồng thời thỏa mãn yêu cầu về độ nhám bề mặt (Ra ≤ 0,2 µm) và năng suất cắt cao. Ví dụ, chế độ cắt với tốc độ cắt 3900 vòng/phút và lượng chạy dao 60 mm/phút được đề xuất là tối ưu.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc lựa chọn chế độ cắt phù hợp có thể giảm đáng kể độ nhám bề mặt sau phay cứng vật liệu SKD61, từ mức 0,36-0,63 µm xuống còn khoảng 0,11-0,3 µm, đồng thời nâng cao năng suất cắt. Điều này mở ra khả năng thay thế công đoạn đánh bóng tốn kém bằng phay cứng với chế độ cắt tối ưu, giảm chi phí và thời gian sản xuất khuôn mẫu.

So sánh với các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào gia công tốc độ cao hoặc vật liệu khác, nghiên cứu này bổ sung kiến thức về gia công phay cứng SKD61 trong dải tốc độ cắt phổ biến tại Việt Nam, phù hợp với điều kiện máy móc và công nghệ hiện có. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ Pareto thể hiện mức độ ảnh hưởng của các yếu tố, biểu đồ contour mô tả vùng tối ưu chế độ cắt, và bảng phân tích ANOVA minh chứng tính hợp lệ của mô hình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng chế độ cắt tối ưu: Các cơ sở sản xuất khuôn mẫu nên áp dụng chế độ cắt với tốc độ cắt khoảng 3900 vòng/phút và lượng chạy dao 60 mm/phút để đạt độ nhám bề mặt dưới 0,2 µm, đồng thời nâng cao năng suất cắt. Thời gian thực hiện: ngay trong vòng 6 tháng.

  2. Đào tạo kỹ thuật viên vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về thiết lập chế độ cắt và vận hành máy phay CNC theo mô hình tối ưu để nâng cao tay nghề và hiệu quả sản xuất. Thời gian: 3 tháng.

  3. Đầu tư trang thiết bị đo kiểm: Trang bị máy đo độ nhám bề mặt và phần mềm phân tích dữ liệu để kiểm soát chất lượng bề mặt gia công liên tục, đảm bảo duy trì chế độ cắt tối ưu. Thời gian: 12 tháng.

  4. Nghiên cứu mở rộng: Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khác như chiều sâu cắt, mòn dụng cụ, và nhiệt độ cắt đến độ nhám bề mặt và tuổi thọ dụng cụ để hoàn thiện mô hình tối ưu hóa. Thời gian: 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư công nghệ chế tạo máy: Nắm bắt kiến thức về tối ưu hóa chế độ cắt trong phay cứng vật liệu SKD61, áp dụng vào thiết kế quy trình gia công khuôn mẫu nhằm nâng cao chất lượng và năng suất.

  2. Quản lý sản xuất tại các nhà máy khuôn mẫu: Sử dụng kết quả nghiên cứu để điều chỉnh chính sách sản xuất, giảm chi phí công đoạn đánh bóng, tăng hiệu quả sản xuất.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành công nghệ chế tạo máy: Là tài liệu tham khảo thực nghiệm và phương pháp thiết kế thí nghiệm hiện đại, phục vụ giảng dạy và nghiên cứu khoa học.

  4. Nhà cung cấp dụng cụ cắt: Hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và điều kiện gia công để phát triển sản phẩm dao phay phù hợp với vật liệu SKD61 và chế độ cắt tối ưu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn vật liệu SKD61 cho nghiên cứu?
    SKD61 là thép hợp kim Crôm Molybden Vanadium, phổ biến trong sản xuất khuôn mẫu với độ cứng sau nhiệt luyện 45-48 HRC, có tính chịu mài mòn và ổn định kích thước cao, phù hợp để nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt đến độ nhám bề mặt.

  2. Phương pháp thiết kế thí nghiệm nào được sử dụng?
    Nghiên cứu sử dụng thiết kế thí nghiệm toàn phần 2 mức (2k), thí nghiệm leo dốc và thiết kế bề mặt phản hồi (RSM) dạng CCD để xây dựng mô hình toán học và tối ưu hóa đa mục tiêu.

  3. Làm thế nào để đo độ nhám bề mặt chính xác?
    Sử dụng máy đo độ nhám SJ-201P của Mitutoyo với độ phân giải 0,4 µm, đo tại nhiều điểm trên bề mặt mẫu để đảm bảo tính đại diện và chính xác.

  4. Chế độ cắt tối ưu có thể áp dụng cho các máy phay khác không?
    Chế độ cắt được xác định dựa trên điều kiện máy phay CNC C-Tek KM80D/100D, tuy nhiên có thể điều chỉnh tương ứng cho các máy có thông số kỹ thuật tương đương hoặc tốt hơn.

  5. Nghiên cứu có thể giúp giảm chi phí sản xuất như thế nào?
    Bằng cách giảm độ nhám bề mặt sau phay cứng, có thể loại bỏ hoặc giảm công đoạn đánh bóng tốn kém, tiết kiệm thời gian và chi phí nguyên vật liệu, đồng thời tăng năng suất gia công.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng quan trọng của tốc độ cắt và lượng chạy dao đến độ nhám bề mặt và năng suất cắt khi phay cứng vật liệu SKD61.
  • Mô hình toán học bậc hai được xây dựng bằng phương pháp RSM dạng CCD có độ chính xác cao, cho phép dự đoán và tối ưu hóa chế độ cắt.
  • Chế độ cắt tối ưu giúp giảm độ nhám bề mặt xuống dưới 0,2 µm, nâng cao năng suất cắt hơn 15-20% so với thực tế sản xuất.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần giảm chi phí và thời gian gia công khuôn mẫu, mở rộng khả năng ứng dụng phay cứng thay thế cho mài và đánh bóng.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm đào tạo kỹ thuật, đầu tư thiết bị đo kiểm và nghiên cứu mở rộng các yếu tố ảnh hưởng khác để hoàn thiện quy trình gia công.

Hành động tiếp theo: Các doanh nghiệp và kỹ sư công nghệ nên áp dụng chế độ cắt tối ưu được đề xuất để nâng cao hiệu quả sản xuất, đồng thời tiếp tục nghiên cứu và phát triển công nghệ gia công phay cứng vật liệu SKD61.