Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí, gia công tiện là một trong những phương pháp phổ biến để tạo hình chi tiết máy với yêu cầu ngày càng cao về chất lượng bề mặt và độ chính xác kích thước. Theo báo cáo ngành, độ nhám bề mặt là chỉ tiêu quan trọng phản ánh chất lượng gia công, ảnh hưởng trực tiếp đến tính năng làm việc và tuổi thọ của chi tiết. Tuy nhiên, rung động trong quá trình tiện, đặc biệt khi sử dụng cán dao gá dài, là nguyên nhân chính làm giảm chất lượng bề mặt, gây ra độ nhám cao và giảm độ bóng bề mặt chi tiết.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là khảo sát ảnh hưởng của cơ cấu giảm chấn trên cán dao tiện ngoài đến độ bóng bề mặt trong quá trình tiện, nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm gia công. Nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế và thử nghiệm cơ cấu giảm chấn xoay quanh trục cán dao với các thông số kỹ thuật như góc α, chiều dài vít chỉnh L, khối lượng đối trọng m và độ cứng lò xo, trong điều kiện có dầu và không có dầu. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại xưởng Cắt gọt kim loại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long, sử dụng vật liệu thép C45 kích thước Ø30 x 250 mm, với chế độ cắt cố định: chiều sâu cắt t = 0,25 mm, bước tiến S = 0,05 mm/vòng, tốc độ cắt n = 1000 vòng/phút.

Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc cải tiến dụng cụ cắt, giảm rung động, nâng cao độ bóng bề mặt và độ nhám chi tiết gia công, từ đó tăng năng suất và chất lượng sản phẩm trong ngành cơ khí chế tạo. Kết quả nghiên cứu cũng góp phần phát triển công nghệ gia công tiện giảm chấn phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước.

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 đánh giá qua các chỉ tiêu Ra và Rz, phản ánh các nhấp nhô tế vi trên bề mặt chi tiết. Độ nhám ảnh hưởng đến tính chống mòn, độ bền mỏi, khả năng chống ăn mòn và độ chính xác lắp ghép của chi tiết. Theo TCVN 2511-95, độ nhám được phân cấp từ 1 đến 14 với các trị số Ra và Rz tương ứng, trong đó gia công bán tinh đến tinh thường đạt cấp độ nhám từ 4 đến 12.

  • 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 pháp giảm rung bao gồm tăng độ cứng hệ thống, sử dụng cơ cấu giảm chấn, điều chỉnh chế độ cắt và cải tiến dụng cụ cắt.

  • Mô hình cơ cấu giảm chấn: Cơ cấu giảm chấn được thiết kế xoay quanh trục cán dao, sử dụng các đối trọng có khối lượng từ 18 đến 26 g, lò xo có độ cứng 560 N/m, và góc α điều chỉnh từ 30°. Mô hình vật lý và phương trình dao động được áp dụng để phân tích biên độ rung động và ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt.

Phương pháp nghiên cứu

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

  • Phương pháp phân tích: Thực hiện thí nghiệm gia công tiện với cán dao gắn cơ cấu giảm chấn có và không có dầu, thay đổi các thông số kỹ thuật gồm góc α, chiều dài vít chỉnh L, khối lượng đối trọng m. Đo độ nhám bề mặt bằng máy Mitutoyo SJ-210, đo rung động bằng cảm biến MPU-6050. Số mẫu thí nghiệm được xác định để đảm bảo độ tin cậy, mỗi mẫu đo lặp lại nhiều lần để tính trung bình.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được tiến hành 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: Với cơ cấu giảm chấn không có dầu, bộ thông số tối ưu là góc α = 30°, chiều dài vít chỉnh L = 5 mm, khối lượng đối trọng m = 24 g. Ở điều kiện này, biên độ dao động góc Roll của cán dao giảm chấn nhỏ hơn đáng kể so với cán dao thường, giúp giảm độ nhám bề mặt chi tiết gia công.

  2. Thông số giảm chấn tối ưu có dầu: Khi sử dụng cơ cấu giảm chấn có dầu, thông số tối ưu thay đổi thành α = 30°, L = 8 mm, m = 24 g. Dầu giúp tăng khả năng giảm rung động, làm cho độ nhám bề mặt chi tiết gia công được cải thiện rõ rệt so với cơ cấu không dầu và cán dao không giảm chấn.

  3. Ảnh hưởng của khối lượng đối trọng và độ cứng lò xo: Độ nhám bề mặt giảm khi tăng khối lượng đối trọng và lực nén lò xo. Cụ thể, khi khối lượng đối trọng tăng từ 18 g lên 26 g, độ nhám Rz giảm khoảng 15-20%. Tương tự, tăng độ cứng lò xo giúp ổn định biên độ dao động và cải thiện độ bóng bề mặt.

  4. So sánh với cán dao không giảm chấn: Cán dao giảm chấn cho độ nhám bề mặt thấp hơn từ 20% đến 40% so với cán dao thông thường trong cùng điều kiện cắt. Biên độ rung động cũng giảm khoảng 30%, góp phần nâng cao chất lượng gia công và tuổi thọ dụng cụ.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy cơ cấu giảm chấn xoay quanh trục cán dao tiện có hiệu quả rõ rệt trong việc giảm rung động và cải thiện độ bóng bề mặt chi tiết gia công. Việc điều chỉnh các thông số kỹ thuật như góc α, chiều dài vít chỉnh L và khối lượng đối trọng m là cần thiết để đạt hiệu quả tối ưu. Sự khác biệt giữa cơ cấu có dầu và không dầu phản ánh vai trò của môi trường dầu trong việc giảm ma sát và hấp thụ rung động.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với báo cáo của các công ty dụng cụ cắt hàng đầu như Sandvik và các nghiên cứu quốc tế về giảm rung động trong gia công tiện. Việc sử dụng cơ cấu giảm chấn giúp giảm lực cắt thành phần Py và Pz, từ đó giảm biên độ dao động và nâng cao chất lượng bề mặt. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa các thông số giảm chấn và độ nhám bề mặt, cũng như bảng so sánh biên độ rung động giữa các loại cán dao.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng cơ cấu giảm chấn xoay trục cán dao trong sản xuất: Các doanh nghiệp cơ khí nên trang bị cán dao giảm chấn với thông số kỹ thuật tối ưu (α = 30°, L = 5-8 mm, m = 24 g) để nâng cao chất lượng bề mặt và giảm rung động trong gia công tiện. Thời gian áp dụng có thể bắt đầu trong vòng 6 tháng.

  2. Tăng cường nghiên cứu và phát triển cơ cấu giảm chấn có dầu: Khuyến khích các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp đầu tư phát triển cơ cấu giảm chấn có dầu nhằm tận dụng khả năng giảm rung động hiệu quả hơn, đặc biệt trong các điều kiện gia công phức tạp. Kế hoạch phát triển trong 1-2 năm.

  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 để đảm bảo vận hành đúng kỹ thuật, tối ưu hóa hiệu quả gia công. Thời gian đào tạo định kỳ hàng năm.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho cán dao giảm chấn: Các cơ quan quản lý và hiệp hội ngành cơ khí nên xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật về cơ cấu giảm chấn cán dao, bao gồm các thông số kỹ thuật và phương pháp kiểm tra chất lượng, nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong sản xuất. Thời gian đề xuất và ban hành tiêu chuẩn trong 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp sản xuất cơ khí: Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến dụng cụ cắt, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí bảo trì máy móc.

  2. Trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ gia công: Sử dụng luận văn làm cơ sở để phát triển các giải pháp giảm rung động mới, phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Tham khảo để nâng cao kiến thức về công nghệ gia công tiện, cơ cấu giảm chấn và phương pháp đo lường độ nhám bề mặt.

  4. Nhà quản lý và hoạch định chính sách công nghiệp: Dựa vào kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ gia công tiên tiến, thúc đẩy ngành cơ khí chế tạo phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cơ cấu giảm chấn xoay trục cán dao tiện hoạt động như thế nào?
    Cơ cấu giảm chấn xoay quanh trục cán dao sử dụng đối trọng và lò xo để hấp thụ và giảm biên độ rung động phát sinh trong quá trình gia công, từ đó giảm độ nhám bề mặt chi tiết.

  2. Thông số nào ảnh hưởng nhiều nhất đến hiệu quả giảm chấn?
    Góc α, chiều dài vít chỉnh L và khối lượng đối trọng m là các thông số quan trọng, trong đó khối lượng đối trọng và độ cứng lò xo ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhám và biên độ rung động.

  3. Sử dụng dầu trong cơ cấu giảm chấn có lợi ích gì?
    Dầu giúp giảm ma sát và tăng khả năng hấp thụ rung động, làm giảm biên độ dao động và cải thiện độ bóng bề mặt chi tiết gia công so với cơ cấu không có dầu.

  4. Độ nhám bề mặt được đo bằng phương pháp nào trong nghiên cứu?
    Độ nhám được đo bằng máy Mitutoyo SJ-210 sử dụng phương pháp máy dò prôfin, đảm bảo độ chính xác cao trong phạm vi chiều dài chuẩn.

  5. Cơ cấu giảm chấn có thể áp dụng cho các loại vật liệu khác ngoài thép C45 không?
    Theo báo cáo ngành và các nghiên cứu tương tự, cơ cấu giảm chấn có thể điều chỉnh để phù hợp với nhiều loại vật liệu khác nhau, đặc biệt là vật liệu có độ cứng cao, nhằm cải thiện chất lượng gia công.

Kết luận

  • Cơ cấu giảm chấn xoay trục cán dao tiện ngoài có khả năng giảm biên độ rung động và cải thiện độ bóng bề mặt chi tiết gia công rõ rệt.
  • 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, với sự khác biệt giữa cơ cấu có dầu và không dầu.
  • Độ nhám bề mặt giảm từ 20% đến 40% so với cán dao không giảm chấn, đồng thời biên độ rung động giảm khoảng 30%.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn để phát triển dụng cụ cắt giảm chấn phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước.
  • Đề xuất các giải pháp áp dụng và phát triển công nghệ giảm chấn trong gia công tiện, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngành cơ khí.

Tiếp theo, các đơn vị sản xuất và nghiên cứu nên triển khai áp dụng cơ cấu giảm chấn theo thông số tối ưu, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi ứng dụng và cải tiến thiết kế để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của ngành cơ khí chế tạo.