Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành công nghiệp cơ khí Việt Nam đang đối mặt với áp lực cạnh tranh gay gắt và yêu cầu nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm, việc nghiên cứu các phương pháp gia công tiên tiến trở nên cấp thiết. Tiện cứng, một công nghệ gia công sử dụng dao CBN (Cubic Boron Nitride) để gia công thép đã tôi với độ cứng trên 45HRC, đã được ứng dụng rộng rãi nhằm thay thế cho quá trình mài truyền thống. Theo báo cáo của ngành, tiện cứng có thể đạt cấp chính xác IT6 và độ bóng bề mặt Rz từ 2 đến 4 micromet, tương đương với chất lượng mài tinh nhưng với năng suất cao hơn và chi phí thấp hơn. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt chi tiết khi tiện cứng, xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố công nghệ và chất lượng bề mặt, đồng thời phát triển hệ thống trang thiết bị thí nghiệm phục vụ giảng dạy và nghiên cứu khoa học. Nghiên cứu được thực hiện trên vật liệu thép AISI 1060 với các điều kiện cắt khác nhau, trong đó có gia công khô và sử dụng phương pháp bôi trơn tối thiểu (MQL) bằng dầu thực vật. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất trong ngành gia công cơ khí.

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 tiện cứng, ảnh hưởng của chế độ cắt đến các thông số vật lý và chất lượng bề mặt. Hai khung lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết về ảnh hưởng của chế độ cắt đến lực cắt, nhiệt độ và mòn dao: Nhiệt độ vùng cắt và lực cắt ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ dụng cụ và chất lượng bề mặt gia công. MQL được xem là phương pháp làm giảm nhiệt độ cắt và lực cắt thông qua việc cung cấp lượng dầu bôi trơn tối thiểu với áp suất cao, giúp cải thiện tuổi thọ dao và chất lượng bề mặt.

  2. Lý thuyết về độ nhám bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng: Độ nhám bề mặt được đánh giá qua các chỉ số Ra và Rz, phản ánh chiều cao các nhấp nhô trên bề mặt chi tiết. Các yếu tố như vận tốc cắt, bước tiến dao, chiều sâu cắt và lượng tiến dao ảnh hưởng đến độ nhám. Mối quan hệ phi tuyến giữa bước tiến dao và độ nhám được mô tả qua các hàm toán học dựa trên hình học dao và quá trình biến dạng vật liệu.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: tiện cứng, mòn dao (mòn mặt sau chính Vb, mòn mặt sau phụ Vs), bôi trơn tối thiểu (MQL), độ nhám bề mặt (Ra, Rz), lực cắt (Px, Pz), nhiệt độ cắt, và các thông số chế độ cắt (vận tốc cắt Vc, bước tiến So, chiều sâu cắt t).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích số liệu. Cỡ mẫu gồm các chi tiết thép AISI 1060 có kích thước φ125 mm x 760 mm, độ cứng khoảng 245 BHN. Mẫu được gia công trên máy tiện công suất 15 hp với các chế độ cắt khác nhau: vận tốc cắt từ 72 đến 164 m/phút, bước tiến từ 0,1 đến 1,5 mm/vòng, chiều sâu cắt giữ nguyên 1,5 mm. Dụng cụ cắt là mảnh hợp kim SNMM 20408 không phủ cacbit, góc nghiêng dao -6°, bán kính mũi dao 0,8 mm.

Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các điều kiện cắt tiêu biểu theo khuyến cáo nhà sản xuất và thực tế sản xuất. Phân tích số liệu sử dụng các thiết bị đo lực cắt 3D, máy đo độ nhám Talysurf, kính hiển vi điện tử SEM để quan sát mòn dao. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong khoảng 45 phút gia công liên tục cho mỗi điều kiện thử nghiệm.

Phương pháp phân tích tập trung vào so sánh các chỉ số lực cắt, nhiệt độ, mòn dao và độ nhám bề mặt giữa gia công khô và gia công MQL sử dụng dầu thực vật. Các biểu đồ và bảng số liệu được sử dụng để minh họa mối quan hệ giữa chế độ cắt và chất lượng bề mặt.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của MQL đến nhiệt độ và lực cắt: MQL sử dụng dầu thực vật làm giảm nhiệt độ cắt trung bình từ 5% đến 12% so với gia công khô, tùy thuộc vào vận tốc cắt và bước tiến. Lực cắt Px giảm khoảng 15% đến 5%, trong khi Pz giảm ít hơn, cho thấy MQL cải thiện hiệu quả cắt và giảm ma sát tại vùng cắt.

  2. Mòn dao giảm đáng kể khi sử dụng MQL: Mòn mặt sau chính (Vb) và mòn mặt sau phụ (Vs) giảm rõ rệt dưới điều kiện MQL so với gia công khô. Hình ảnh SEM cho thấy mòn rãnh và mòn khía trên lưỡi cắt chính giảm, đồng thời mòn khía trên lưỡi cắt phụ cũng được kiểm soát tốt hơn, góp phần nâng cao tuổi thọ dụng cụ.

  3. Độ nhám bề mặt cải thiện với MQL: Độ nhám Ra và Rz của chi tiết gia công dưới điều kiện MQL thấp hơn đáng kể so với gia công khô. Độ nhám bề mặt phát triển chậm hơn theo thời gian gia công khi sử dụng MQL, giúp duy trì chất lượng bề mặt ổn định trong suốt quá trình gia công.

  4. Ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám: Vận tốc cắt và bước tiến dao có ảnh hưởng phức tạp đến độ nhám. Khi vận tốc cắt tăng từ 80 đến 200 m/phút, độ nhám thay đổi không đều, trong khi bước tiến dao tăng làm độ nhám tăng theo hàm phi tuyến. Chiều sâu cắt từ 0,1 đến 2 mm cũng ảnh hưởng đến độ nhám, với độ nhám tăng khi chiều sâu cắt lớn hơn 0,1 mm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm nhiệt độ và lực cắt khi sử dụng MQL là do lượng dầu thực vật nhỏ nhưng được phun với áp suất cao, tiếp cận trực tiếp vùng cắt, làm giảm ma sát và tản nhiệt hiệu quả. So với gia công khô, MQL giúp duy trì hình dạng lưỡi cắt, giảm mòn dao và hạn chế hiện tượng phoi bám, từ đó cải thiện chất lượng bề mặt.

Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về hiệu quả của MQL trong gia công thép đã tôi, đồng thời khẳng định tính ưu việt của phương pháp này trong việc giảm chi phí dung dịch trơn nguội và bảo vệ môi trường. Biểu đồ so sánh độ nhám Ra và Rz theo thời gian gia công dưới các điều kiện khác nhau minh họa rõ sự ổn định và cải thiện chất lượng bề mặt khi sử dụng MQL.

Tuy nhiên, việc lựa chọn chế độ cắt phù hợp vẫn là yếu tố quyết định để tối ưu hóa chất lượng gia công. Các thông số như vận tốc cắt, bước tiến và chiều sâu cắt cần được điều chỉnh dựa trên đặc tính vật liệu và dụng cụ để tránh hiện tượng trượt dao hoặc mòn dao nhanh.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng công nghệ MQL trong gia công tiện cứng: Khuyến nghị các doanh nghiệp cơ khí chuyển đổi từ gia công khô hoặc tưới nguội truyền thống sang MQL sử dụng dầu thực vật nhằm giảm nhiệt độ cắt, lực cắt và mòn dao, nâng cao chất lượng bề mặt. Thời gian triển khai dự kiến trong vòng 6-12 tháng, chủ thể thực hiện là các phòng kỹ thuật và sản xuất.

  2. Tối ưu hóa chế độ cắt: Đề xuất nghiên cứu và áp dụng các chế độ cắt phù hợp với từng loại vật liệu và dụng cụ, đặc biệt chú ý đến vận tốc cắt từ 70 đến 150 m/phút, bước tiến dao từ 0,05 đến 0,15 mm/vòng để đạt độ nhám bề mặt tối ưu. Chủ thể thực hiện là bộ phận kỹ thuật công nghệ, thời gian 3-6 tháng.

  3. Đầu tư trang thiết bị đo lường và giám sát: Trang bị máy đo độ nhám bề mặt, lực kế 3D và hệ thống giám sát MQL để kiểm soát chất lượng gia công và hiệu quả bôi trơn. Chủ thể thực hiện là ban quản lý đầu tư, thời gian 6 tháng.

  4. Đào tạo nhân lực và nâng cao nhận thức: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ tiện cứng và MQL cho kỹ sư, công nhân vận hành nhằm nâng cao kỹ năng và hiểu biết về lợi ích của công nghệ mới. Chủ thể thực hiện là phòng đào tạo, thời gian liên tục trong năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư công nghệ gia công cơ khí: Nghiên cứu giúp hiểu rõ ảnh hưởng của chế độ cắt và phương pháp bôi trơn tối thiểu đến chất lượng sản phẩm, từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất.

  2. Doanh nghiệp sản xuất chi tiết máy: Áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao năng suất, giảm chi phí và cải thiện chất lượng sản phẩm, đặc biệt trong gia công thép đã tôi.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành công nghệ chế tạo máy: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo trong giảng dạy và nghiên cứu khoa học về gia công tiện cứng và công nghệ bôi trơn tối thiểu.

  4. Nhà quản lý sản xuất và đầu tư thiết bị: Đánh giá hiệu quả kinh tế và môi trường của việc áp dụng MQL, từ đó đưa ra quyết định đầu tư phù hợp với xu hướng công nghiệp xanh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tiện cứng khác gì so với tiện truyền thống?
    Tiện cứng sử dụng dao CBN để gia công thép đã tôi với độ cứng trên 45HRC, cho phép gia công các chi tiết cứng mà tiện truyền thống không thực hiện được. Tiện cứng có độ chính xác cao, năng suất lớn và có thể gia công khô hoặc với lượng dầu tối thiểu.

  2. MQL là gì và có lợi ích gì trong gia công?
    MQL (Minimum Quantity Lubrication) là phương pháp bôi trơn tối thiểu sử dụng lượng dầu rất nhỏ (50-500 ml/h) phun trực tiếp vào vùng cắt. Lợi ích gồm giảm nhiệt độ và lực cắt, tăng tuổi thọ dao, cải thiện chất lượng bề mặt và giảm tác động môi trường.

  3. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt như thế nào?
    Vận tốc cắt tăng thường làm nhiệt độ vùng cắt tăng, ảnh hưởng đến biến dạng bề mặt và độ nhám. Tuy nhiên, trong phạm vi từ 80 đến 200 m/phút, độ nhám có thể thay đổi không đều do sự cân bằng giữa nhiệt độ và lực cắt.

  4. Làm thế nào để giảm mòn dao khi tiện cứng?
    Sử dụng MQL với dầu thực vật giúp giảm nhiệt độ và ma sát tại vùng cắt, từ đó giảm mòn dao. Ngoài ra, lựa chọn chế độ cắt phù hợp và sử dụng dao có lớp phủ chống mòn cũng góp phần kéo dài tuổi thọ dụng cụ.

  5. Có thể áp dụng MQL cho các loại vật liệu khác ngoài thép đã tôi không?
    Có, MQL đã được áp dụng thành công cho nhiều vật liệu như gang xám, hợp kim nhôm và thép cacbon trung bình, giúp giảm mòn dao và cải thiện chất lượng gia công trong nhiều ứng dụng khác nhau.

Kết luận

  • Tiện cứng là phương pháp gia công hiệu quả thay thế cho mài trong gia công thép đã tôi, đạt độ chính xác và độ bóng bề mặt cao.
  • Chế độ cắt ảnh hưởng trực tiếp đến lực cắt, nhiệt độ, mòn dao và độ nhám bề mặt chi tiết gia công.
  • Phương pháp bôi trơn tối thiểu MQL sử dụng dầu thực vật giúp giảm nhiệt độ cắt từ 5-12%, giảm lực cắt và mòn dao, nâng cao chất lượng bề mặt.
  • Nghiên cứu xây dựng được mối quan hệ giữa chế độ cắt và độ nhám bề mặt, cung cấp cơ sở khoa học cho việc tối ưu hóa quy trình gia công.
  • Đề xuất áp dụng MQL và tối ưu chế độ cắt trong sản xuất nhằm nâng cao năng suất, chất lượng và giảm chi phí, đồng thời bảo vệ môi trường.

Hành động tiếp theo: Các doanh nghiệp và phòng nghiên cứu nên triển khai thử nghiệm áp dụng MQL trong gia công tiện cứng, đồng thời đầu tư trang thiết bị đo lường và đào tạo nhân lực để khai thác tối đa lợi ích của công nghệ này.