Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực gia công cơ khí, chất lượng bề mặt chi tiết gia công đóng vai trò then chốt ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc và tuổi thọ sản phẩm. Theo báo cáo ngành, độ nhám bề mặt là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng gia công, đặc biệt trong quá trình tiện ngoài. Rung động trong quá trình cắt gọt là nguyên nhân chính làm tăng độ nhám bề mặt, gây giảm độ chính xác và tuổi thọ dụng cụ. Nghiên cứu về cơ cấu giảm chấn trên cán dao tiện nhằm giảm rung động và cải thiện độ bóng bề mặt là rất cần thiết để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu ảnh hưởng của cơ cấu giảm chấn gắn trên cán dao tiện ngoài đến độ bóng bề mặt trong quá trình tiện, từ đó xác định các thông số giảm chấn tối ưu nhằm giảm rung động và cải thiện độ nhám bề mặt chi tiết gia công. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào gia công thép C45 với kích thước phôi Ø30 x 250 mm, sử dụng máy tiện CS6140/750 tại xưởng Cắt gọt kim loại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long, trong điều kiện chế độ cắt không đổi: chiều sâu cắt 0,25 mm, bước tiến dao 0,05 mm/vòng, tốc độ cắt 1000 vòng/phút.

Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc phát triển công nghệ gia công cơ khí tại Việt Nam, góp phần nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết, giảm hao mòn dụng cụ và tăng hiệu quả sản xuất. Kết quả nghiên cứu cũng cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế và ứng dụng các cơ cấu giảm chấn phù hợp trong công nghiệp gia công kim loại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết độ nhám bề mặt: Độ nhám được định nghĩa là các nhấp nhô tế vi trên bề mặt chi tiết, được đo bằng các chỉ tiêu Ra và Rz theo tiêu chuẩn TCVN 2511-95. Độ nhám ảnh hưởng trực tiếp đến tính chống mòn, độ bền mỏi, khả năng chống ăn mòn và độ chính xác lắp ghép của chi tiết.

  • Lý thuyết rung động trong gia công: Rung động trong quá trình cắt gọt gồm rung động cưỡng bức, rung động tự kích thích và rung động riêng. Rung động làm tăng độ nhám bề mặt, giảm tuổi thọ dụng cụ và ảnh hưởng đến độ chính xác gia công. Các phương trình dao động điều hòa và phương trình vi phân dao động của hệ thống cán dao được áp dụng để mô hình hóa hiện tượng này.

  • Mô hình cơ cấu giảm chấn: Cơ cấu giảm chấn được thiết kế xoay quanh trục cán dao với các đối trọng có khối lượng từ 18 đến 26 g và lò xo có độ cứng 560 N/m. Hai loại cơ cấu giảm chấn được nghiên cứu: có dầu và không có dầu. Mục tiêu là giảm biên độ dao động góc Roll và cải thiện độ nhám bề mặt.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thông tin được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, bài báo khoa học quốc tế và trong nước, cùng với các kết quả thí nghiệm thực tế tại xưởng Cắt gọt kim loại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long.

  • Phương pháp phân tích: Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp với quy hoạch thực nghiệm để tối ưu hóa số lượng thí nghiệm. Các thông số giảm chấn như góc α, chiều dài vít chỉnh L, khối lượng đối trọng m được thay đổi để khảo sát ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt và biên độ rung động.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Thí nghiệm được thực hiện trên máy tiện CS6140/750 với phôi thép C45 kích thước Ø30 x 250 mm. Số mẫu thí nghiệm và số lần đo độ nhám được xác định nhằm đảm bảo độ tin cậy và tính đại diện của kết quả.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được tiến hành trong khoảng thời gian từ tháng 5/2016 đến tháng 10/2017, bao gồm giai đoạn thiết kế cơ cấu giảm chấn, thực hiện thí nghiệm, thu thập và xử lý số liệu, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thông số giảm chấn tối ưu không có dầu: Trong điều kiện cắt gọt không đổi, cơ cấu giảm chấn không có dầu đạt hiệu quả tốt nhất với góc α = 30°, chiều dài vít chỉnh L = 5 mm, khối lượng đối trọng m = 24 g. Độ nhám bề mặt Rz giảm đáng kể so với cán dao không giảm chấn, biên độ dao động góc Roll cũng giảm khoảng 25%.

  2. Thông số giảm chấn tối ưu có dầu: Với cơ cấu giảm chấn có dầu, các thông số tối ưu là α = 30°, L = 8 mm, m = 24 g. Độ nhám bề mặt Rz giảm hơn 15% so với cơ cấu không dầu và biên độ dao động góc Roll giảm thêm khoảng 10% so với cơ cấu không dầu.

  3. Ảnh hưởng của khối lượng đối trọng và độ cứng lò xo: Khi tăng khối lượng đối trọng và lực nén lò xo, độ nhám bề mặt giảm và ổn định hơn. Cụ thể, tăng khối lượng đối trọng từ 18 g lên 26 g làm giảm độ nhám Rz trung bình từ khoảng 1,2 μm xuống còn 0,8 μm, tương ứng giảm 33%. Lực nén lò xo tăng cũng làm giảm biên độ dao động và cải thiện độ bóng bề mặt.

  4. So sánh với cán dao không giảm chấn: Cán dao giảm chấn có biên độ dao động góc Roll thấp hơn 30% và độ nhám bề mặt giảm từ 20% đến 40% so với cán dao tiện thông thường. Điều này chứng tỏ cơ cấu giảm chấn hiệu quả trong việc giảm rung động và nâng cao chất lượng bề mặt gia công.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc cải thiện độ nhám bề mặt là do cơ cấu giảm chấn làm giảm biên độ dao động góc Roll, từ đó giảm rung động truyền vào chi tiết gia công. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với báo cáo của các nhà khoa học quốc tế về hiệu quả của cơ cấu giảm chấn trong gia công vật liệu cứng và tốc độ cắt cao.

Việc sử dụng cơ cấu giảm chấn có dầu cho thấy hiệu quả vượt trội hơn do lực ma sát và lực cản dầu giúp hấp thụ năng lượng dao động tốt hơn. Kết quả này cũng đồng nhất với các nghiên cứu về giảm chấn sử dụng dòng lưu biến điện từ và vật liệu giảm chấn đặc biệt.

Biểu đồ so sánh độ nhám bề mặt và biên độ dao động theo các thông số giảm chấn được lập để minh họa rõ ràng mối quan hệ giữa các yếu tố này. Bảng số liệu chi tiết cho thấy sự ổn định của độ nhám khi tăng khối lượng đối trọng và lực nén lò xo, giúp đề xuất các thông số thiết kế phù hợp cho từng điều kiện gia công.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng cơ cấu giảm chấn xoay trục cán dao: Khuyến nghị các nhà sản xuất và xưởng gia công sử dụng cán dao giảm chấn xoay trục với thông số tối ưu α = 30°, L = 5-8 mm, m = 24 g để giảm rung động và cải thiện độ bóng bề mặt chi tiết. Thời gian áp dụng trong vòng 6 tháng để đánh giá hiệu quả thực tế.

  2. Tăng cường nghiên cứu và phát triển cơ cấu giảm chấn có dầu: Đề xuất đầu tư nghiên cứu sâu hơn về cơ cấu giảm chấn có dầu nhằm khai thác tối đa khả năng hấp thụ rung động, đặc biệt trong gia công vật liệu cứng và tốc độ cắt cao. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp cơ khí trong 1-2 năm tới.

  3. Đào tạo kỹ thuật viên và công nhân vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về nguyên lý hoạt động và cách điều chỉnh cơ cấu giảm chấn cho đội ngũ kỹ thuật viên và công nhân để đảm bảo vận hành hiệu quả, giảm thiểu sai sót trong quá trình gia công. Thời gian đào tạo dự kiến 3 tháng.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho cán dao giảm chấn: Cơ quan quản lý và các tổ chức chuyên ngành cần xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật về thiết kế, thử nghiệm và đánh giá cán dao giảm chấn nhằm chuẩn hóa sản phẩm và nâng cao chất lượng gia công trong nước. Thời gian thực hiện trong vòng 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về cơ cấu giảm chấn trong gia công tiện, giúp mở rộng kiến thức và phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và gia công cơ khí: Các công ty có nhu cầu nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết và giảm hao mòn dụng cụ có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến công nghệ sản xuất, tăng năng suất và giảm chi phí.

  3. Các viện nghiên cứu và trung tâm công nghệ cao: Tài liệu là nguồn tham khảo quan trọng để phát triển các sản phẩm dụng cụ cắt giảm chấn mới, phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước và xu hướng công nghiệp 4.0.

  4. Cơ quan quản lý và xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật: Luận văn cung cấp dữ liệu khoa học và thực nghiệm để xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật về dụng cụ cắt giảm chấn, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm cơ khí trong nước.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cơ cấu giảm chấn trên cán dao tiện là gì?
    Cơ cấu giảm chấn là thiết bị được gắn trên cán dao tiện nhằm giảm rung động trong quá trình gia công, giúp cải thiện độ nhám bề mặt và tuổi thọ dụng cụ. Ví dụ, cơ cấu có thể bao gồm đối trọng và lò xo hoạt động xoay quanh trục cán dao.

  2. Tại sao rung động ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt?
    Rung động làm dao cắt dao động không ổn định, tạo ra các nhấp nhô trên bề mặt chi tiết, làm tăng độ nhám và giảm chất lượng gia công. Giảm rung động giúp bề mặt gia công mịn hơn và chính xác hơn.

  3. Thông số nào quan trọng trong thiết kế cơ cấu giảm chấn?
    Các thông số chính gồm góc α (góc xoay của cơ cấu), chiều dài vít chỉnh L, khối lượng đối trọng m và độ cứng lò xo. Những thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hấp thụ rung động và cải thiện độ nhám bề mặt.

  4. Cơ cấu giảm chấn có dầu và không dầu khác nhau thế nào?
    Cơ cấu giảm chấn có dầu sử dụng lực ma sát của dầu để hấp thụ rung động hiệu quả hơn, giúp giảm biên độ dao động và cải thiện độ nhám bề mặt tốt hơn so với cơ cấu không dầu.

  5. Làm thế nào để đo độ nhám bề mặt chính xác?
    Độ nhám bề mặt được đo bằng máy đo độ nhám sử dụng mũi dò prôfin, cho kết quả chính xác trong phạm vi chiều dài chuẩn. Ví dụ, máy Mitutoyo SJ-210 được sử dụng phổ biến trong các nghiên cứu và sản xuất.

Kết luận

  • Cơ cấu giảm chấn xoay trục cán dao tiện ngoài có ảnh hưởng tích cực đến việc giảm rung động và cải thiện độ nhám bề mặt chi tiết gia công.
  • Thông số giảm chấn tối ưu được xác định là góc α = 30°, chiều dài vít chỉnh L = 5-8 mm, khối lượng đối trọng m = 24 g.
  • Cơ cấu giảm chấn có dầu cho hiệu quả hấp thụ rung động và cải thiện độ bóng bề mặt tốt hơn so với cơ cấu không dầu.
  • Tăng khối lượng đối trọng và lực nén lò xo giúp giảm độ nhám và ổn định hơn trong quá trình gia công.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để phát triển và ứng dụng các cơ cấu giảm chấn trong công nghiệp gia công cơ khí tại Việt Nam.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng cơ cấu giảm chấn trong sản xuất thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu về các loại vật liệu và điều kiện gia công khác nhau để hoàn thiện công nghệ. Mời các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm liên hệ để hợp tác phát triển ứng dụng công nghệ giảm chấn trong gia công tiện.