Tổng quan nghiên cứu

Gia công tiện cứng là một phương pháp quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí, đặc biệt khi gia công các vật liệu có độ cứng cao như thép đã tôi với độ cứng từ 58 đến 60 HRC. Tuy nhiên, quá trình tiện cứng truyền thống gặp nhiều khó khăn do lực cắt lớn, nhiệt sinh ra cao và dụng cụ cắt mòn nhanh, ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng bề mặt và tuổi thọ dụng cụ. Nghiên cứu này tập trung đánh giá ảnh hưởng của rung động tích cực, cụ thể là rung động siêu âm tần số cao, đến quá trình tiện cứng nhằm cải thiện chất lượng bề mặt và tăng tuổi thọ dao cắt.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là thiết kế, chế tạo và thử nghiệm bộ tạo rung động siêu âm tích hợp trên dao tiện, từ đó so sánh hiệu quả giữa tiện cứng truyền thống và tiện cứng có rung động trợ giúp. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào gia công thép hợp kim 9XC đã tôi với đường kính phôi 63 mm và chiều dài 40 mm, thực hiện trên máy tiện MAZAK tại Việt Nam. Nghiên cứu có ý nghĩa lớn trong việc ứng dụng công nghệ gia công tiên tiến, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong ngành cơ khí chế tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: hiệu ứng áp điện và nguyên lý rung động siêu âm trong gia công cơ khí. Hiệu ứng áp điện cho phép các tinh thể PZT (Piezoelectric Transducers) biến đổi điện năng thành cơ năng rung động với tần số cao (28 kHz) và biên độ nhỏ (2-10 µm). Rung động siêu âm được tích hợp lên dao tiện theo phương lực cắt, tạo ra chuyển động rung cưỡng bức giúp giảm lực cắt, nhiệt sinh ra và cải thiện khả năng bẻ phoi.

Các khái niệm chính bao gồm: độ nhám bề mặt (Ra, Rz), độ tròn, độ trụ, tuổi thọ dao cắt, và các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt gia công. Ngoài ra, mô hình phân tích so sánh sử dụng kiểm nghiệm t (2 sample t-test) để đánh giá sự khác biệt giữa hai phương pháp tiện.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ 36 mẫu phôi thép 9XC đã tôi, trong đó 18 mẫu tiện truyền thống và 18 mẫu tiện có rung động siêu âm trợ giúp. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính toán số lượng mẫu tối thiểu theo lý thuyết quy hoạch thực nghiệm so sánh với độ tin cậy 95% và mức sai số cho phép tương đương độ lệch chuẩn, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

Thiết bị thí nghiệm gồm máy tiện MAZAK, bộ tạo rung PZT-4 ghép chồng, máy phát điện áp xung tần số cao công suất 1200W, máy đo độ nhám Mitutoyo 201, kính hiển vi điện tử quét VEGA SBU EasyProbe, đồng hồ so micromet và máy cắt dây CW322S. Dữ liệu thu thập gồm độ nhám bề mặt, độ tròn, độ trụ, hình dạng phoi và mức độ mòn dao. Quá trình phân tích sử dụng phần mềm Minitab® để thực hiện kiểm định thống kê và so sánh các chỉ tiêu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm độ nhám bề mặt: Độ nhám trung bình của bề mặt tiện có rung động siêu âm là 0,7054 µm, thấp hơn gần một nửa so với tiện truyền thống (1,302 µm). Phân tích thống kê cho thấy sự khác biệt này có ý nghĩa với mức tin cậy 95%, đồng thời độ lệch chuẩn của tiện rung chỉ là 0,1187 so với 0,4455 của tiện thường, cho thấy độ ổn định bề mặt cao hơn.

  2. Cải thiện độ tròn và độ trụ: Độ tròn trung bình của bề mặt tiện rung là 0,005 µm, chỉ bằng khoảng 1/3 so với tiện thường (0,014 µm). Độ trụ trung bình cũng giảm từ 0,046 µm xuống còn 0,026 µm khi sử dụng rung động. Phân bố dữ liệu cho thấy tiện rung có độ ổn định hình học tốt hơn rõ rệt.

  3. Tăng tuổi thọ dao cắt: Diện tích và chiều sâu vết mòn trên mảnh dao tiện rung chỉ bằng khoảng 30% so với tiện truyền thống khi gia công cùng thể tích kim loại bị bóc đi (7,5 mm³), cho thấy mòn dao giảm đáng kể.

  4. Khả năng bẻ phoi tốt hơn: Tiện rung tạo ra phoi vụn nhỏ, không gây xước bề mặt, trong khi tiện thường tạo phoi dây dài, dễ gây bám dính và làm xước bề mặt chi tiết.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy rung động siêu âm tích hợp vào quá trình tiện cứng giúp giảm ma sát và lực cắt, từ đó giảm nhiệt sinh ra và mòn dao. Điều này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về gia công rung siêu âm, khẳng định tính ưu việt của phương pháp trong việc nâng cao chất lượng bề mặt và tuổi thọ dụng cụ. Độ nhám và độ chính xác hình học cải thiện rõ rệt góp phần nâng cao tính ổn định và độ bền của chi tiết gia công.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ nhám, độ tròn và độ trụ giữa hai phương pháp, cùng bảng tổng hợp số liệu mòn dao và hình ảnh phoi để minh họa sự khác biệt rõ nét. Những phát hiện này mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi công nghệ tiện cứng có rung động siêu âm tại Việt Nam, đặc biệt trong gia công các vật liệu cứng khó xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng rộng rãi công nghệ tiện rung siêu âm: Các doanh nghiệp chế tạo máy và gia công cơ khí nên đầu tư phát triển và áp dụng bộ tạo rung PZT tích hợp trên máy tiện để nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí bảo trì dao cắt. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm.

  2. Đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ rung siêu âm và vận hành thiết bị tạo rung nhằm đảm bảo hiệu quả và an toàn trong sản xuất. Chủ thể thực hiện là các trường đại học kỹ thuật và trung tâm đào tạo nghề.

  3. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng trên các vật liệu khác: Tiếp tục nghiên cứu và thử nghiệm tiện rung trên các loại vật liệu cứng khác như gốm sứ, thủy tinh để đánh giá hiệu quả và tối ưu hóa thông số rung. Thời gian nghiên cứu dự kiến 2-3 năm.

  4. Phát triển thiết bị tạo rung phù hợp điều kiện sản xuất trong nước: Tập trung nghiên cứu chế tạo bộ tạo rung siêu âm có chi phí hợp lý, dễ bảo trì và phù hợp với máy tiện phổ biến tại Việt Nam nhằm thúc đẩy ứng dụng công nghệ. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và nhà quản lý trong ngành gia công cơ khí: Giúp hiểu rõ về công nghệ tiện cứng có rung động, từ đó áp dụng cải tiến quy trình sản xuất, nâng cao chất lượng và giảm chi phí.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên kỹ thuật cơ khí: Cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm quý giá để phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan đến gia công rung siêu âm và công nghệ tiện cứng.

  3. Doanh nghiệp sản xuất máy công cụ: Tham khảo để thiết kế, chế tạo và tích hợp bộ tạo rung siêu âm vào máy tiện, nâng cao tính cạnh tranh sản phẩm trên thị trường.

  4. Các trung tâm đào tạo nghề và trường đại học kỹ thuật: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy, cập nhật kiến thức công nghệ gia công tiên tiến cho học viên và sinh viên.

Câu hỏi thường gặp

  1. Rung động siêu âm có ảnh hưởng như thế nào đến tuổi thọ dao tiện?
    Rung động siêu âm làm giảm ma sát và nhiệt sinh ra trong quá trình cắt, từ đó giảm mòn dao. Thí nghiệm cho thấy mòn dao khi tiện rung chỉ bằng khoảng 30% so với tiện truyền thống, giúp kéo dài tuổi thọ dao đáng kể.

  2. Chất lượng bề mặt gia công được cải thiện ra sao khi sử dụng rung động?
    Độ nhám bề mặt giảm gần một nửa, từ 1,302 µm xuống còn 0,7054 µm, đồng thời độ ổn định bề mặt tăng lên, giúp chi tiết có độ bóng và độ chính xác cao hơn, giảm nguy cơ hư hỏng khi sử dụng.

  3. Phương pháp tạo rung siêu âm sử dụng thiết bị nào?
    Bộ tạo rung sử dụng các tấm PZT-4 ghép chồng, hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện, tạo rung động tần số 28 kHz với biên độ 2-10 µm, được cấp điện bởi máy phát điện áp xung công suất 1200W.

  4. Có thể áp dụng công nghệ này cho các vật liệu khác ngoài thép 9XC không?
    Có thể, rung động siêu âm đã được chứng minh hiệu quả trên nhiều vật liệu cứng và giòn như gốm sứ, thủy tinh. Tuy nhiên, cần nghiên cứu thêm để tối ưu thông số cho từng loại vật liệu cụ thể.

  5. Chi phí đầu tư cho công nghệ tiện rung siêu âm có cao không?
    Chi phí ban đầu cho bộ tạo rung và máy phát điện áp xung khá cao do sử dụng các linh kiện PZT chất lượng cao. Tuy nhiên, lợi ích về năng suất, chất lượng và tuổi thọ dao cắt giúp giảm chi phí vận hành và bảo trì lâu dài, mang lại hiệu quả kinh tế tổng thể.

Kết luận

  • Thiết kế và chế tạo thành công bộ tạo rung động siêu âm tần số cao tích hợp trên dao tiện, hoạt động ổn định với tần số 28 kHz và biên độ 2-10 µm.
  • Tiện cứng có rung động siêu âm giúp giảm độ nhám bề mặt gần một nửa, cải thiện độ tròn và độ trụ bề mặt đáng kể so với tiện truyền thống.
  • Mòn dao giảm khoảng 70%, kéo dài tuổi thọ dụng cụ cắt và nâng cao hiệu quả sản xuất.
  • Rung động siêu âm làm tăng khả năng bẻ phoi, tạo phoi vụn nhỏ, giảm hiện tượng bám dính và xước bề mặt chi tiết.
  • Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng công nghệ gia công tiên tiến tại Việt Nam, góp phần nâng cao năng lực sản xuất và chất lượng sản phẩm cơ khí.

Hành động tiếp theo: Khuyến nghị các doanh nghiệp và viện nghiên cứu triển khai ứng dụng công nghệ tiện rung siêu âm, đồng thời mở rộng nghiên cứu trên các vật liệu và quy trình gia công khác để phát huy tối đa tiềm năng công nghệ.