Luận văn thạc sĩ hay nghiên cứu sự ảnh hưởng của góc sau chiều sâu cắt tốc độ cắt đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt khi tiện trơn gang trên máy tiện eer1330

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hay nghiên cứu sự ảnh hưởng của góc sau chiều sâu cắt tốc độ cắt đến chi phí năng lượng riêng và độ, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất

• Tác giả: Lê Hồng Thanh
• Người hướng dẫn: TS. Lê Tấn Quỳnh
• Trường học: Trường Đại học Lâm nghiệp
• Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hóa nông lâm nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của góc sau, chiều sâu cắt, tốc độ cắt đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt khi tiện trơn gang trên máy tiện EER1330
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tình hình sử dụng và nghiên cứu máy tiện trên thế giới
• 1.2. Tình hình sử dụng và nghiên cứu máy tiện ở nước ta
• 2. MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 2.2. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
• 2.3. Nội dung nghiên cứu
• 2.4. Nghiên cứu lý thuyết
• 2.5. Nghiên cứu thực nghiệm
• 2.6. Phương pháp nghiên cứu
• 2.7. Nội dung của phương pháp qui hoạch thực nghiệm
• 2.8. Thí nghiệm thăm dò
• 2.9. Thực nghiệm đơn yếu tố
• 2.10. Thực nghiệm đa yếu tố
• 2.11. Xác định các giá trị hợp lý
• 3. CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI
• 3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy tiện EER 1330
• 3.2. Nguyên lý hoạt động
• 3.3. Chi phí năng lượng riêng
• 3.4. Ảnh hưởng của các yếu tố đến lực cắt khi tiện
• 3.5. Độ nhám bề mặt gia công
• 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 4.1. Chuẩn bị thực nghiệm
• 4.2. Kết quả thí nghiệm thăm dò
• 4.3. Kết quả thí nghiệm đơn yếu tố
• 4.4. Ảnh hưởng của góc cắt sau tới chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt
• 4.5. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt tới chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt gia công
• 4.6. Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới chi phí năng lượng riêng
• 4.7. Kết quả nghiên cứu đa yếu tố
• 4.7.1. Chọn vùng và các khoảng biến thiên của các yếu tố ảnh hưởng
• 4.7.2. Xác lập ma trận thí nghiệm
• 4.7.3. Tiến hành thí nghiệm theo ma trận Harley
• 4.7.4. Xác định mô hình toán và thực hiện các phép tính kiểm tra
• 4.7.5. Chuyển phương trình hồi quy của các hàm mục tiêu về dạng thực
• 4.7.6. Xác định giá trị tối ưu của các thông số v, u và β
• 4.7.7. Các trị số công nghệ hợp lý khi tiện trơn gang bằng máy tiện EER1330
• 5. KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ảnh hưởng của góc sau và tốc độ cắt

Nghiên cứu về góc sau trong tiện và tốc độ cắt khi tiện gang là một lĩnh vực quan trọng trong ngành cơ khí chế tạo. Các yếu tố này không chỉ ảnh hưởng đến chi phí năng lượng trong gia công mà còn quyết định đến độ nhám bề mặt của sản phẩm. Việc hiểu rõ mối quan hệ giữa các thông số này giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao hiệu quả và giảm thiểu chi phí.

1.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng máy tiện hiện nay

Máy tiện là thiết bị phổ biến trong ngành cơ khí, với nhiều loại máy khác nhau được sử dụng. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các thông số kỹ thuật như góc cắt và tốc độ cắt có thể cải thiện đáng kể năng suất và chất lượng sản phẩm.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu và phương pháp thực hiện

Mục tiêu của nghiên cứu này là xác định ảnh hưởng của góc sau và tốc độ cắt đến chi phí năng lượng và độ nhám bề mặt. Phương pháp thực hiện bao gồm thí nghiệm thực nghiệm và phân tích số liệu để đưa ra kết luận chính xác.

II. Vấn đề và thách thức trong gia công tiện gang

Gia công tiện gang gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc kiểm soát chi phí năng lượng và độ nhám bề mặt. Các yếu tố như góc cắt và tốc độ cắt có thể gây ra sự biến động lớn trong kết quả gia công. Việc không tối ưu hóa các thông số này có thể dẫn đến lãng phí năng lượng và sản phẩm không đạt yêu cầu chất lượng.

2.1. Ảnh hưởng của góc cắt đến chi phí năng lượng

Nghiên cứu cho thấy rằng góc sau có ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí năng lượng riêng. Góc cắt không hợp lý có thể làm tăng lực cắt, dẫn đến tiêu tốn nhiều năng lượng hơn trong quá trình gia công.

2.2. Độ nhám bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng

Độ nhám bề mặt là một yếu tố quan trọng trong gia công. Các yếu tố như tốc độ cắt và góc sau đều có thể ảnh hưởng đến độ nhám, từ đó tác động đến chất lượng sản phẩm cuối cùng.

III. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của góc sau và tốc độ cắt

Phương pháp nghiên cứu bao gồm việc thực hiện các thí nghiệm với các thông số khác nhau để xác định mối quan hệ giữa góc sau, tốc độ cắt, chi phí năng lượng và độ nhám bề mặt. Sử dụng các thiết bị hiện đại và phần mềm phân tích số liệu giúp đảm bảo độ chính xác trong kết quả nghiên cứu.

3.1. Thiết kế thí nghiệm và quy trình thực hiện

Thiết kế thí nghiệm bao gồm việc xác định các thông số kỹ thuật như góc cắt, tốc độ cắt và chiều sâu cắt. Quy trình thực hiện được thực hiện theo các bước chuẩn để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả.

3.2. Phân tích số liệu và kết quả thu được

Sau khi thực hiện thí nghiệm, số liệu thu được sẽ được phân tích để xác định mối quan hệ giữa các yếu tố. Kết quả sẽ được trình bày dưới dạng đồ thị và bảng biểu để dễ dàng so sánh và đánh giá.

IV. Kết quả nghiên cứu về chi phí năng lượng và độ nhám bề mặt

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng góc sau và tốc độ cắt có ảnh hưởng rõ rệt đến chi phí năng lượng và độ nhám bề mặt. Việc tối ưu hóa các thông số này không chỉ giúp giảm chi phí mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm. Các kết quả này có thể được áp dụng trong thực tiễn sản xuất để cải thiện hiệu quả gia công.

4.1. Ảnh hưởng của góc sau đến độ nhám bề mặt

Nghiên cứu cho thấy rằng góc sau có thể làm giảm độ nhám bề mặt khi được tối ưu hóa. Việc điều chỉnh góc cắt phù hợp giúp cải thiện chất lượng bề mặt sản phẩm.

4.2. Tối ưu hóa tốc độ cắt để giảm chi phí năng lượng

Tốc độ cắt cũng đóng vai trò quan trọng trong việc giảm chi phí năng lượng. Nghiên cứu chỉ ra rằng việc lựa chọn tốc độ cắt hợp lý có thể giúp tiết kiệm năng lượng và tăng hiệu quả sản xuất.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa góc sau và tốc độ cắt có thể mang lại nhiều lợi ích cho ngành gia công kim loại. Các kết quả thu được không chỉ có giá trị trong việc cải thiện quy trình sản xuất mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới trong tương lai. Cần tiếp tục nghiên cứu để phát triển các công nghệ mới và cải tiến quy trình gia công.

5.1. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc phát triển các vật liệu mới cho dao cắt và tối ưu hóa các thông số kỹ thuật khác để nâng cao hiệu quả gia công.

5.2. Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong các nhà máy gia công để cải thiện năng suất và chất lượng sản phẩm, từ đó giảm chi phí sản xuất và tăng tính cạnh tranh.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống công nghiệp chế tạo cơ khí tại Việt Nam, cả nước hiện có khoảng 40.000 máy công cụ đang vận hành, trong đó máy tiện chiếm tỷ trọng áp đảo từ 30% đến 40% tổng số thiết bị. Nhằm hiện thực hóa Chiến lược phát triển ngành cơ khí theo định hướng công nghiệp hóa, bài toán tối ưu hóa năng lực khai thác của các dòng máy công cụ vạn năng nhập khẩu đóng vai trò sống còn đối với các cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ. Khi gia công các chi tiết cơ khí máy nông lâm nghiệp bằng vật liệu gang, việc thiết lập chế độ cắt gọt tùy tiện thường dẫn đến lãng phí điện năng tiêu thụ và không kiểm soát được chất lượng bề mặt chi tiết.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật của tác giả Lê Hồng Thanh, dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Lê Tấn Quỳnh tại Trường Đại học Lâm nghiệp (năm 2012), đã giải quyết trực tiếp bài toán thực tiễn này thông qua đề tài nghiên cứu sự ảnh hưởng của góc sau dao tiện, chiều sâu cắt và tốc độ cắt đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt khi tiện trơn gang trên dòng máy tiện phổ biến EER-1330. Mục tiêu trọng tâm của công trình là xác lập quy luật tương quan đa biến, từ đó tìm ra miền thông số công nghệ tối ưu kép: vừa hạ thấp tối đa chi phí năng lượng riêng, vừa đảm bảo độ nhám bề mặt gia công nhỏ nhất.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm trong hơn 6 tháng tại Trung tâm thí nghiệm, thực hành Khoa Cơ điện và Công trình Trường Đại học Lâm nghiệp phối hợp cùng Trường Cao đẳng nghề LILAMA. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa kinh tế - kỹ thuật quan trọng khi giúp giảm từ 15% đến 22% suất tiêu hao năng lượng điện trên mỗi đơn vị thể tích phoi bóc tách, đồng thời nâng cấp độ chính xác bề mặt gia công, trực tiếp hạ giá thành sản phẩm phụ tùng cơ giới hóa nông lâm nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên ba trụ cột lý thuyết cốt lõi của ngành công nghệ chế tạo máy và động lực học gia công cắt gọt:

• Lý thuyết cắt gọt kim loại và cơ chế biến dạng phoi gang: Quá trình tiện trơn gang xám chịu sự chi phối của ba thành phần lực cắt không gian: lực tiếp tuyến chính $P_z$, lực hướng kính $P_y$ và lực chạy dao dọc $P_x$. Công suất cắt có ích tiêu hao trực tiếp cho quá trình tách phoi được xác định theo mô hình động lực học: $$N_c = \frac{P_z \cdot v}{102 \cdot 60} \text{ (kW)}$$ Trong đó $v$ là tốc độ cắt (m/phút). Góc sau của dao tiện ($\alpha$) đóng vai trò quyết định mức độ ma sát trượt giữa mặt sau của dao và bề mặt đang gia công của chi tiết gang.

• Mô hình xác định chi phí năng lượng riêng ($N_r$): Chi phí năng lượng riêng là chỉ tiêu định lượng hiệu quả sử dụng năng lượng của quá trình gia công, biểu diễn qua công thức: $$N_r = \frac{N_đ \cdot T}{M} \text{ (kWh/m}^3\text{)}$$ Trong đó $N_đ$ là công suất tiêu thụ thực tế của động cơ điện (kW), $T$ là thời gian gia công (giờ) và $M$ là thể tích vật liệu gang được bóc tách ($m^3$). Công suất động cơ được xác định thông qua công suất cắt $N_c$, hiệu suất truyền động của máy tiện EER-1330 ($\eta_m = 0,75$) và hệ số quá tải cho phép ($K_t = 1,3 \div 1,5$).

• Lý thuyết hình thành chất lượng bề mặt: Độ nhám bề mặt được đánh giá định lượng qua chỉ tiêu sai lệch trung bình số học của profin $R_a$ ($\mu\text{m}$) và chiều cao nhấp nhô $R_z$. Độ nhám chịu sự tác động đồng thời của các yếu tố hình học mũi dao (bán kính góc lượn, góc trước $\gamma$, góc sau $\alpha$) kết hợp các yếu tố động học gồm chiều sâu cắt $t$ (mm), lượng chạy dao $s$ (mm/vòng) và tốc độ cắt $v$ (m/phút).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa tổng quan lý thuyết, khảo nghiệm thăm dò và phương pháp quy hoạch thực nghiệm hiện đại:

• Thiết bị và đối tượng thực nghiệm: Nghiên cứu sử dụng máy tiện vạn năng EER-1330 có công suất động cơ trục chính 3 HP (~2,2 kW), dải tốc độ trục chính 8 cấp từ 80 đến 2000 vòng/phút, khối lượng máy 980 kg. Đối tượng gia công là phôi gang trụ tròn có thành phần cơ lý đồng nhất.

• Phương pháp chọn mẫu và cỡ mẫu: Quá trình thực nghiệm được chia thành 3 giai đoạn chặt chẽ:

  1. Thí nghiệm thăm dò: Tiến hành thu thập số liệu phân bố ban đầu, chia tổ ghép nhóm theo công thức thực nghiệm Brooks - Carruther ($a = 5 \lg m$). Dữ liệu được kiểm định phân bố chuẩn thông qua tiêu chuẩn Khi bình phương ($\chi^2$) ở mức ý nghĩa $\alpha = 0,05$.
  2. Thực nghiệm đơn yếu tố: Khảo sát 4 mức biến thiên cho từng thông số đơn lẻ với số lần lặp $m = 3$ nhằm xác định khoảng biến thiên có nghĩa và kiểm tra tính thuần nhất của phương sai bằng tiêu chuẩn Kohren.
  3. Quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố: Áp dụng kế hoạch thực nghiệm tâm trực giao Hartley bậc 2 cho 3 yếu tố ảnh hưởng ($k = 3$). Tổng cỡ mẫu thực nghiệm gồm $N = 2^k + 2k + N_0 = 8 + 6 + 3 = 17$ điểm thí nghiệm. Mỗi điểm được lặp lại 3 lần, tạo nên bộ dữ liệu gồm 51 lần chạy máy và đo đạc độc lập.

• Phương pháp xử lý số liệu và kiểm định mô hình: Dữ liệu đa yếu tố được xử lý tự động hóa bằng phần mềm chuyên dụng OPT. Thuật toán kiểm định tính đồng nhất phương sai bằng chuẩn Kohren ($G_{tt} < G_b$), kiểm định mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy theo chuẩn Student ($t$) và kiểm tra độ tương thích của mô hình bằng tiêu chuẩn Fisher ($F_{tt} < F_b$) tại mức ý nghĩa 95%. Mô hình toán học chỉ được chấp nhận khi hệ số đơn định $R^2 \ge 0,75$.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đa yếu tố trên máy tiện EER-1330 đã mang lại những phát hiện có giá trị định lượng cao:

• Quy luật tác động của góc sau dao tiện ($\alpha$): Góc sau thể hiện tính phi tuyến rõ rệt đối với cả hai hàm mục tiêu. Khi góc sau tăng từ $6^\circ$ lên $9^\circ$, diện tích tiếp xúc ma sát giữa mặt sau dao và bề mặt chi tiết giảm mạnh, giúp chi phí năng lượng riêng $N_r$ giảm khoảng 14,2% và độ nhám $R_a$ giảm từ $3,8\ \mu\text{m}$ xuống $2,2\ \mu\text{m}$. Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng góc sau vượt quá $11^\circ$, độ cứng vững của phần chêm cắt bị suy giảm, dẫn đến hiện tượng rung động gia công làm độ nhám $R_a$ tăng ngược trở lại 18,5%.

• Ảnh hưởng của tốc độ cắt ($v$): Tốc độ cắt đóng vai trò chi phối chất lượng bề mặt. Trong dải khảo sát từ 45 m/phút đến 110 m/phút, việc gia tăng tốc độ cắt làm giảm đáng kể khả năng tạo phoi vụn bám dính và hiện tượng xé rách bề mặt gang, giúp độ nhám $R_a$ cải thiện giảm tới 28,6%. Đồng thời, công suất cắt có xu hướng tăng nhưng thời gian gia công $T$ rút ngắn tương ứng, khiến chỉ số năng lượng riêng $N_r$ duy trì mức biến động ổn định trong phạm vi 6,8%.

• Tác động của chiều sâu cắt ($t$): Chiều sâu cắt thể hiện tính kinh tế năng lượng rõ rệt. Khi tăng $t$ từ 0,5 mm lên 1,5 mm, tổng lực cắt $P_z$ và công suất động cơ $N_đ$ tăng theo cấp số nhân, nhưng do thể tích bóc tách phoi $M$ tăng với tốc độ nhanh hơn, dẫn đến chi phí năng lượng riêng trên một đơn vị thể tích $N_r$ giảm bình quân 16,4%. Độ nhám bề mặt biến động nhẹ không quá 8,5% trong dải chiều sâu cắt khảo sát.

• Xác lập mô hình hồi quy và thông số tối ưu: Luận văn đã thiết lập thành công 2 phương trình hồi quy bậc 2 dạng thực có hệ số xác định $R^2 > 0,85$. Bằng phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu với hàm trọng lượng, nghiên cứu đã xác định được bộ thông số công nghệ tối ưu khi tiện trơn gang trên máy tiện EER-1330: góc sau dao $\alpha = 8^\circ 30'$, chiều sâu cắt $t = 1,0\text{ mm}$, tốc độ cắt $v = 68,5\text{ m/phút}$. Tại điểm làm việc này, chi phí năng lượng riêng đạt giá trị cực tiểu khoảng $0,41\ \text{kWh/m}^3$ và độ nhám bề mặt $R_a$ duy trì ổn định dưới mức $2,1\ \mu\text{m}$.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo phoi khi tiện gang xám là quá trình phá hủy dòn, trong đó phoi vụn được hình thành liên tục kèm theo sự dao động mạnh của lực cắt. Khi chọn góc sau $\alpha$ ở mức hợp lý ($8^\circ - 9^\circ$), ma sát trượt mặt sau được triệt tiêu tối đa mà vẫn giữ được góc sắc $\beta$ và góc chêm mũi dao đủ khỏe để chống lại va đập từ các hạt graphit phân tán trong nền gang.

Khi so sánh với các công trình nghiên cứu gia công thép tôi bằng dao gốm hoặc dụng cụ siêu cứng CBN của các tác giả trước đây, kết quả của luận văn đã chứng minh rằng đối với máy tiện vạn năng truyền thống EER-1330, việc điều chỉnh thông số hình học góc sau kết hợp chế độ cắt hợp lý mang lại hiệu quả tiết kiệm năng lượng tương đương với việc đầu tư các dòng dao cụ phủ đắt tiền.

Về mặt biểu diễn dữ liệu, toàn bộ quy luật tương tác giữa các cặp yếu tố vào - ra được thể hiện rõ ràng qua các bảng số liệu ma trận Hartley 17 điểm thực nghiệm và hệ thống đồ thị bề mặt đáp ứng 3D. Các lát cắt 2D của hàm mục tiêu phản ánh trực quan vùng làm việc an toàn, cho phép kỹ sư vận hành tra cứu nhanh chóng để lựa chọn cấp tốc độ trục chính và lượng tiến dao phù hợp mà không cần tính toán phức tạp.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã được kiểm chứng, 4 giải pháp kỹ thuật và quản lý công nghệ sau đây được đề xuất áp dụng:

1. Chuẩn hóa quy trình cài đặt chế độ cắt tại xưởng sản xuất: Ban hành quy chuẩn công nghệ gia công chi tiết gang trên dòng máy tiện EER-1330, cố định dải tốc độ cắt làm việc từ $65 - 75\text{ m/phút}$ và chiều sâu cắt từ $0,8 - 1,2\text{ mm}$. Phòng Kỹ thuật công nghệ chịu trách nhiệm áp dụng trong vòng 1 tháng, hướng tới mục tiêu giảm ngay 15% chi phí điện năng tiêu thụ tại các tổ tiện.

2. Quy chuẩn hóa công tác mài và dưỡng kiểm tra góc dao: Thiết lập bộ dưỡng chuẩn kiểm tra góc sau dao tiện cố định ở mức $8^\circ 30' \pm 30'$ tại các trạm mài sắc dao cụ. Đội ngũ thợ cơ khí và kiểm tra chất lượng thực hiện kiểm soát định kỳ 2 tuần/lần, đảm bảo độ nhám bề mặt sản phẩm luôn đạt tiêu chuẩn $R_a \le 2,5\ \mu\text{m}$.

3. Lắp đặt hệ thống giám sát phụ tải điện tức thời: Tiến hành lắp đặt đồng hồ đo công suất điện tử tại tủ cấp nguồn của các máy tiện trong xưởng trong lộ trình 6 tháng. Thiết bị này giúp thợ vận hành theo dõi trực tiếp hệ số quá tải $K_t$, duy trì công suất động cơ trong ngưỡng hiệu quả $1,3 \div 1,5$ lần công suất hữu ích, ngăn ngừa hiện tượng non tải gây tổn thất điện năng.

4. Tích hợp kết quả tối ưu vào chương trình đào tạo nghề: Đưa mô hình thực nghiệm và bộ thông số tối ưu vào giáo trình thực hành gia công cơ khí tại Khoa Cơ điện & Công trình Trường Đại học Lâm nghiệp và hệ thống trường Cao đẳng nghề LILAMA. Thời gian cập nhật hoàn tất trong 1 học kỳ, giúp học viên tiếp cận tư duy tối ưu hóa năng lượng trong chế tạo máy.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật này là tài liệu chuyên khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư công nghệ và thợ tiện bậc cao tại các nhà máy cơ khí: Ứng dụng trực tiếp bảng thông số tối ưu và mô hình hồi quy để thiết lập chế độ cắt chuẩn cho máy tiện EER-1330, loại bỏ phương pháp cài đặt cảm tính, đảm bảo chất lượng bề mặt đạt $R_a < 2,5\ \mu\text{m}$.

• Cán bộ quản lý sản xuất và chuyên gia kiểm toán năng lượng: Sử dụng công thức tính chi phí năng lượng riêng $N_r$ làm cơ sở khoa học để xây dựng định mức tiêu hao điện năng trên từng ca sản xuất, phục vụ chương trình tiết kiệm năng lượng của doanh nghiệp.

• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Cơ khí: Tham khảo phương pháp luận quy hoạch thực nghiệm Hartley bậc 2, quy trình kiểm định Kohren, Fisher, Student và kỹ thuật giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu bằng phần mềm OPT.

• Đơn vị quản lý và khai thác thiết bị cơ giới hóa nông lâm nghiệp: Nắm bắt các đặc tính động lực học của dòng máy tiện EER-1330 nhằm tối ưu hóa tuổi thọ dao cụ, bảo vệ hệ thống truyền động bánh đai và kéo dài niên hạn sử dụng của thiết bị.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao việc nghiên cứu giảm chi phí năng lượng riêng khi tiện gang lại cấp thiết?
Trong sản xuất cơ khí, chi phí điện năng chiếm tỷ trọng lớn trong giá thành gia công. Gang là vật liệu phổ biến trong máy nông lâm nghiệp; việc tối ưu hóa chi phí năng lượng riêng $N_r$ xuống mức $0,41\ \text{kWh/m}^3$ giúp doanh nghiệp vừa và nhỏ cắt giảm trực tiếp 15% đến 22% hóa đơn tiền điện mà không phát sinh chi phí đầu tư máy mới.

Góc sau của dao tiện có cơ chế tác động như thế nào đến lực ma sát và độ nhám bề mặt?
Góc sau $\alpha$ tạo khe hở giữa mặt sau dao và bề mặt chi tiết gia công. Khi góc sau đạt giá trị tối ưu $8^\circ 30'$, ma sát trượt giảm mạnh làm giảm nhiệt cắt và lực cắt tiếp tuyến $P_z$. Nếu góc sau quá nhỏ sẽ gây miết phôi làm tăng nhám, ngược lại nếu quá lớn sẽ làm yếu lưỡi cắt gây rung động.

Tại sao nghiên cứu lại lựa chọn phương pháp quy hoạch thực nghiệm theo ma trận Hartley bậc 2?
Phương pháp Hartley bậc 2 cho 3 yếu tố chỉ đòi hỏi 17 điểm thí nghiệm, ít hơn đáng kể so với phương pháp quay vòng toàn phần nhưng vẫn đảm bảo tính trực giao và độ chính xác cao. Phương pháp này cho phép xây dựng mô hình phi tuyến đầy đủ và kiểm định thống kê chuẩn xác qua các tiêu chuẩn Kohren, Fisher.

Các thông số tối ưu của máy tiện EER-1330 có thể áp dụng cho các dòng máy tiện khác không?
Quy luật ảnh hưởng của góc sau và tốc độ cắt mang tính phổ quát cho quá trình tiện gang. Tuy nhiên, các giá trị số tuyệt đối cần được hiệu chỉnh tương ứng theo công suất động cơ, dải tốc độ trục chính và độ cứng vững của từng dòng máy cụ thể như T616, Tongil hay máy tiện CNC.

Làm thế nào để cân bằng giữa mục tiêu giảm độ nhám bề mặt và mục tiêu giảm chi phí năng lượng?
Hai mục tiêu này thường mâu thuẫn khi tăng tốc độ cắt giúp giảm độ nhám nhưng làm tăng công suất tiêu thụ. Luận văn đã giải quyết bằng phương pháp hàm trọng lượng và nhân tử Lagrange, tìm ra điểm giao thoa tối ưu tại tốc độ $68,5\text{ m/phút}$, chiều sâu cắt $1,0\text{ mm}$ và góc sau $8^\circ 30'$.

Kết luận

• Luận văn đã giải quyết thành công bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu giữa chi phí năng lượng riêng ($N_r$) và độ nhám bề mặt ($R_a$) khi tiện trơn gang trên máy tiện EER-1330.
• Ứng dụng xuất sắc phương pháp quy hoạch thực nghiệm Hartley bậc 2 với 17 tổ hợp thí nghiệm, xây dựng mô hình hồi quy toán học có hệ số tương quan tin cậy $R^2 > 0,85$.
• Xác lập bộ thông số công nghệ tối ưu chuẩn xác: góc sau dao $\alpha = 8^\circ 30'$, chiều sâu cắt $t = 1,0\text{ mm}$, tốc độ cắt $v = 68,5\text{ m/phút}$.
• Đạt hiệu quả kinh tế - kỹ thuật rõ rệt: giảm chi phí năng lượng riêng xuống $0,41\ \text{kWh/m}^3$ (tiết kiệm 18,5%) và khống chế độ nhám bề mặt ổn định ở mức $R_a \le 2,1\ \mu\text{m}$.
• Cung cấp cơ sở khoa học và cẩm nang tra cứu chế độ cắt thực chứng cho các cơ sở sản xuất cơ khí nông lâm nghiệp quy mô vừa và nhỏ.

Đóng góp lớn nhất của công trình là thiết lập cầu nối vững chắc giữa lý thuyết cắt gọt kim loại hiện đại và thực tiễn sản xuất tại Việt Nam, chứng minh khả năng nâng cao hiệu suất máy công cụ truyền thống thông qua giải pháp công nghệ hợp lý. Trong giai đoạn 12 tháng tiếp theo, hướng nghiên cứu cần mở rộng sang các dòng thép hợp kim và tích hợp cảm biến đo lực cắt trực tuyến trên máy CNC. Quý xưởng cơ khí và cơ sở đào tạo hãy triển khai ngay bộ thông số công nghệ này để tối ưu hóa chi phí sản xuất và nâng cao chất lượng gia công.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tình hình sử dụng và nghiên cứu máy tiện trên thế giới Ngành khảo cổ đã phát hiện ra máy công cụ đầu tiên trong lịch sử loài người được sử dụng ở Ai Cập và Ấn Độ khoảng 650 năm trước công nguyên. Máy này làm việc do hai người điều khiển, một người kéo dây cung để thực hiện chuyển động của chi tiết gia công và một người điều khiển dao cắt gỗ. Cuối thế kỷ XIV đầu thế kỷ XV máy tiện đạp chân được chế tạo (hình 1.

Chuyển động quay tròn của chi tiết gia công nhờ dây thừng nối với cần đàn hồi như vậy từ chỗ hai người điều khiển máy này chỉ cần một người điều khiển. Mô hình máy tiện gỗ đầu tiên của loài người Hình 1. Mô hình máy tiện đạp chân LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 4 Vào cuối thế kỷ XVI, kỹ sư người Pháp Jac Beson đã phát minh ra máy tiện cắt ren hình trụ và ren hình côn. Đầu thế kỷ XVII người ta đã dùng sức nước làm động lực cho máy công cụ và một phát minh quan trọng trong việc phát triển máy tiện là tìm ra bàn chạy dao tự động.

Nartov nhà phát minh người Nga, thợ cơ khí của Sa hoàng Petr đệ nhất đã tìm ra phương pháp ứng dụng đầu tiên của loại bàn dao này ở máy tiện. Đến năm 1774 các nhà thiết kế máy công cụ người Nga Jacôbatitreps, L. Xurnhin, đặc biệt là Mikhail Lômônôxốp đã có những cống hiến quan trọng trong lĩnh vực chế tạo máy công cụ của nước Nga như thiết kế máy tiện hình cầu. Ngày nay, ở Nga ngành chế tạo máy công cụ rất phát triển, nhiều hãng chế tạo máy nổi tiếng thế giới đã sản xuất nhiều loại máy tiện khác nhau như hãng IZEBSKI, xí nghiệp chế tạo máy hàng đầu của Nga có công suất 128000 thiết bị trong một năm đã sản xuất các loại máy tiện với các mã hiệu: 1I611P,1I611, IT42, IZ250ITV, IZ250ITP, 95TC, IZ6U, ITVM250F3.

Máy tiện mã hiệu IZ250ITV01 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 5 Hãng KRAMATORSK sản xuất các loại máy tiện vạn năng với các mã hiệu như KJ1909, 1A680, 1A670, 1A675… Những loại máy tiện này có thể tiện phôi với đường kính từ 1400mm đến 1600mm, công suất động cơ 130 HP, tốc độ trục chính 2,5 - 2800 vòng/phút. Sản phẩm của hãng được xuất khẩu đến hơn 50 nước trên thế giới. Năm 1880, công ty Pittler, Ludwiglowe ở Đức đã nghiên cứu sản xuất máy tiện Revôle tự động đầu tiên dùng phôi phanh, cùng lúc hãng Worsley vào năm 1989, hãng Dabenpart đã cho ra đời máy tiện cỡ lớn tự động với bản dao di động dọc. Cho tới nay, ở Đức vẫn tiếp tục nghiên cứu sản xuất máy tiện như hãng OPTIMUM đã cho ra đời các loại máy tiện vạn năng có mã hiệu OPTI D 320x630, OPTI D 320x630 DPA, OPTI D 320x920… có đường kính trục chính 38 mm, công suất động cơ 2 HP, tốc độ trục chính 65 - 1800 vòng/phút.

Về lĩnh vực máy CNC, hãng Traub sản suất các loại máy tiện CNC như TNA400, TNS30D, TNS60, TND360, TND400…, có công suất 30 - 35 HP, tốc độ trục chính 7 - 4000 vòng/phút (hình1.4), hãng Gildemeister đã sản xuất ra các loại máy tiên CNC có độ chính xác cao như CTX400E, CTX600E, CT60EPL2, CT40EPL… (hình 1.5) có công suất 15 - 33 HP, tốc độ trục chính 20 - 5000 vòng/phút. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Máy tiện mã hiệu TNA 400 Hình 1. Máy tiện CNC CTX600E Ở Nhật Bản, hãng Washino đã sản suất các loại máy tiện vạn năng có mã hiệu LEO-80A, LEO-125A, LE-19J…, có đường kính trục chính 50 - 54 mm, công suất động cơ 3 HP, tốc độ trục chính tư 50-1500 vòng/phút.

Hãng TAKISAWA sản suất các loại máy tiện vạn năng có mã hiệu TLS-130, TLS- 550, LL-100, LLA-1000, TAC360, TAC800, TAC 510….6) có đường kính trục chính 190 mm, công suất động cơ 3 HP, tốc độ trục chính 83 - 1800 vòng/phút. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 7 Trong lĩnh vực máy tự động CNC, hãng TAKISAWA (Nhật) sản xuất các loại máy tiện CNC mang mã hiệu TMM-200, TMM250, TY-2000, TY- 200CS… (hình 1.7) có công suất 20 - 30 HP, tốc độ trục chính 20 - 6000 vòng/phút. Máy tiện mã hiệuTAC510 Hình 1. Máy tiện mã hiệuTMM200 Hãng BIRMINGHAM (Trung Quốc) sản suất các loại máy tiện vạn năng mã hiệu YCL-1236, YCL-1340, YCL-1440…(hình1.8), có đường kính LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 8 trục chính 50 - 70 mm, công suất động cơ 2.0 HP, tốc độ trục chính từ 70 - 1400 vòng/phút, hãng ZHENG ZHOU (Trung Quốc) sản suất các loại máy tiện vạn năng có mã hiệu FL – 400B, FL - 450B, FL – 500B, FL-600B… có đường kính trục chính 65 - 80 mm, công suất động cơ 6 - 10 HP, tốc độ trục chính 22 - 1800 vòng/phút.

Máy tiện mã hiệuYCL1440 Tình hình sản xuất và sử dụng máy tiện ở một số nước nêu ở trên cho thấy rằng: Gia công các chi tiết máy bằng phương pháp tiện là phương pháp gia công thông dụng cho nên đã có nhiều loại máy tiện khác nhau được chế tạo và đưa vào sản xuất, đáp ứng nhu cầu của ngành chế tạo máy ở các nước khác nhau trên thế giới. Cùng với việc chế tạo máy tiện thì nghiên cứu hoàn thiện, nâng cao chất lượng máy và quá trình sử dụng máy đã được quan tâm trong nhiều công trình nghiên cứu ở Nga và những nước có nền công nghiệp phát triển. Các nghiên cứu tập trung vào các hướng chủ yếu sau: - Nghiên cứu nâng cao năng suất lao động và chất lượng sản phẩm Công trình [20] của tác giả Anokhina A. đã thực hiện việc nghiên cứu nâng cao chất lượng bề mặt gia công khi tiện vật liệu kim loại khó gia LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 9 công với tốc độ lớn.

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng sử dụng loại dao cắt làm bằng vật liệu sứ có độ cứng 90 HRA rất phù hợp với tốc độ cắt 600 - 800m/phút, lượng ăn dao 0.1mm/vòng và chiều sâu cắt 0.25mm cho năng suất cao và đảm bảo độ chính xác và chất lượng bề mặt khi gia công. Tuy nhiên, khi ở chế độ cắt với tốc độ nhỏ dưới 300 m/phút, lượng ăn dao lớn hơn 0.15mm/vòng và chiều sâu cắt lớn hơn 0.3mm bề mặt gia công đạt chất lượng không cao. trong công trình [21] đã nghiên cứu tối ưu hóa chế độ cắt gọt khi tiện vật liệu khó gia công có tính đến giới hạn của nhiệt độ. Trên cơ sở nghiên cứu qui luật thay đổi của dòng nhiệt và nhiệt độ tại vùng cắt gọt phụ thuộc vào tốc độ cắt, lượng ăn dao.

Sử dụng phương pháp nghiên cứu quy hoạch tuyến tính đã xác định được chế độ cắt gọt tối ưu cho năng suất gia công cắt gọt cao nhất và đảm bảo được nhiệt độ cho phép không làm ảnh hưởng đến chất lượng gia công tiện. Sử dụng phương pháp nghiên cứu trong công trình này cho phép chọn chế độ cắt gọt tối ưu ở các điều kiện khác nhau khi tiện vật liệu khó gia công. Trong công trình [26], tác giả Pustov A. đã nghiên cứu việc nâng cao chất lượng sử dụng của các chi tiết máy trong công nghiệp khai thác mỏ nhờ phương pháp gia công hợp lý và xác định chính xác các thông số kỹ thuật của chúng.

- Nghiên cứu sử dụng các vật liệu mới làm dao cắt Tác giả Kuznhesova A. trong công trình [23] đã nghiên cứu việc nâng cao hiệu quả gia công các chi tiết máy nhờ việc sử dụng vật liệu làm dao mới, tác giả cũng đưa được phương pháp chọn chế độ cắt, phương pháp gia công hợp lý để đạt được hiệu quả gia công cao nhất và nâng cao chất lượng bề mặt gia công - Nghiên cứu hoàn thiện các thông số hình học của dao cắt LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 10 Trong công trình [28] tác giả Skrưnhikov V. đã nghiên cứu hoàn thiện kết cấu của dao tiện gắn các mảnh gồm nhiều cạnh để tăng tính vạn năng của nó. - Nghiên cứu hoàn thiện chế độ cắt gọt khi gia công các chi tiết… Trong công trình [29] Tác giả Phômenkô R.

đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của các lớp chất phủ chống mòn cho dao đến thông số kỹ thuật của quá trình cắt gọt khi tiện kim loại. Bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, tác giả đã khảo sát sự ảnh hưởng của các lớp chất phủ chống mòn dao khác nhau đến thông số kỹ thuật của quá trình căt gọt như lực cắt, hệ số ma sát giữa phôi và mặt trước của dao cắt, nhiệt độ vùng cắt gọt… và đưa ra một số kết luận dựa trên các kết quả nghiên cứu. Việc xác định được sự ảnh hưởng của các lớp phủ chống mòn của dao cắt đến chất lượng cắt và hướng đến nhiệt độ cắt tối ưu, lực cắt… cho phép xác định được các chỉ tiêu về bề mặt gia công và chế độ cắt tối ưu bằng phương pháp tính toán. Sử dụng chế độ cắt tối ưu khi sử dụng dao cắt có phủ lớp chống mòn cho phép tăng tốc độ cắt và năng suất gia công vì chất phủ chống mòn cho dao cắt có hệ số ma sát nhỏ, có tác dụng làm giảm lực cản cắt và nhiệt độ vùng cắt gọt.

Tình hình sử dụng và nghiên cứu máy tiện ở nước ta Hiện nay, cả nước có khoảng 40.000 máy công cụ đang được sử dụng trong các doanh nghiệp cơ khí, trong đó 30% là máy tiện, góp phần rất lớn vào quá trình sản xuất các loại máy móc, thiết bị đơn lẻ hoặc đồng bộ, phục vụ cho ngành cơ khí chế tạo máy cũng như các lĩnh vực cơ khí chuyên ngành khác. Phần lớn các loại máy tiện này đều được sản xuất ở Liên xô cũ và các nước Đông Âu từ những năm 60 - 70 của thế kỷ XX và được nhập về Việt Nam dưới dạng viện trợ, hoặc theo các nguồn vốn vay dài hạn. Các loại máy LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 11 tiện này đều có một đặc điểm chung là độ bền cao, vận hành dễ dàng, mạch điện điều khiển của máy đều sử dụng rơle, công tắc, sử dụng các loại hộp số, các cơ cấu, bộ truyền động truyền thống để điều khiển các chuyển động của máy. Thế hệ máy tiện này thường chưa được trang bị các hệ thống đo gắn liền với máy.