Tổng quan nghiên cứu

Gia công cắt gọt kim loại là công đoạn then chốt trong ngành cơ khí, chiếm phần lớn thời gian và chi phí sản xuất. Tại Việt Nam, việc tối ưu hóa các thông số cắt nhằm giảm chi phí và nâng cao năng suất đang là vấn đề cấp thiết. Theo ước tính, phoi cắt liên tục trong quá trình gia công không được kiểm soát hiệu quả có thể gây cản trở sản xuất, làm giảm năng suất và tiềm ẩn nguy cơ an toàn cho người vận hành. Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cắt gồm vận tốc cắt (vc), lượng chạy dao (fn) và chiều sâu cắt (ap) đến hình dạng phoi trong quá trình tiện thô trụ ngoài bằng máy CNC Maxxturn 65 tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định mối quan hệ giữa các thông số cắt và hình dạng phoi, từ đó tìm ra vùng cắt gọt tối ưu giúp kiểm soát phoi hiệu quả, đảm bảo an toàn và nâng cao chất lượng gia công. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong gia công thép C45 với phôi trụ tròn đường kính 50 mm, chiều dài 50 mm, sử dụng dụng cụ cắt Insert hãng Sandvik (CNMG 120408 – WMX4325), không sử dụng dung dịch tưới nguội, trong môi trường nhiệt độ phòng 25-30°C. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn, cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn chế độ cắt hợp lý, đồng thời hỗ trợ đào tạo và nâng cao kỹ năng cho người mới trong ngành cơ khí.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về cắt gọt kim loại và quá trình hình thành phoi. Hai mô hình lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết biến dạng và lực cắt trong gia công kim loại: Quá trình cắt gọt là sự trượt phá của các phần tử vật liệu dưới tác dụng lực cắt, dẫn đến biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và hình thành phoi. Góc độ và hình học của dụng cụ cắt ảnh hưởng trực tiếp đến lực cắt và hình dạng phoi.

  2. Mô hình phân loại phoi: Phoi được chia thành ba dạng chính gồm phoi vụn, phoi xếp và phoi dây, tương ứng với tính chất vật liệu và điều kiện gia công. Hình dạng phoi phản ánh chất lượng quá trình gia công và ảnh hưởng đến năng suất, an toàn vận hành.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: vận tốc cắt (vc), lượng chạy dao (fn), chiều sâu cắt (ap), góc trước (γ), góc sau (α), góc nghiêng chính (φ), hệ số co rút phoi (K), và các mặt phẳng cơ bản của dao cắt kim loại. Ngoài ra, các thông số hình học của dao và sự thay đổi góc độ khi gá dao cũng được nghiên cứu để hiểu rõ ảnh hưởng đến quá trình tạo phoi.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp xử lý số liệu thống kê. Cỡ mẫu gồm 64 mẫu thí nghiệm được bố trí theo các mức vận tốc cắt vc = 230, 280, 330, 380 m/phút; lượng chạy dao fn và chiều sâu cắt ap được biến đổi theo từng nhóm thí nghiệm. Dụng cụ cắt là miếng Insert hãng Sandvik CNMG 120408 – WMX4325, vật liệu gia công là thép C45 với phôi trụ tròn Φ50 mm, chiều dài 50 mm.

Quá trình thí nghiệm được tiến hành trên máy tiện CNC Maxxturn 65, một máy tiện 6 trục hiện đại có khả năng gia công chi tiết đường kính đến 400 mm và chiều dài tối đa 550 mm. Dữ liệu thu thập gồm hình dạng phoi thực tế, các thông số vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt, và các quan sát về sự co rút phoi.

Phân tích số liệu sử dụng các phương pháp thống kê như phân tích tương quan, hồi quy tuyến tính, và qui hoạch thực nghiệm yếu tố từng phần để xác định mối quan hệ giữa thông số cắt và hình dạng phoi. Kết quả được trình bày qua biểu đồ hình dạng phoi và bảng đánh giá phoi theo từng nhóm thông số.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của vận tốc cắt (vc) đến hình dạng phoi: Khi vc tăng từ 230 m/phút đến 380 m/phút, phoi chuyển từ dạng phoi vụn sang phoi dây dài, với tỷ lệ phoi dây tăng khoảng 45%. Hình dạng phoi dây cho thấy độ bóng bề mặt gia công cao hơn và giảm thiểu nguy cơ gây tắc nghẽn máy.

  2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao (fn): Tăng fn làm tăng chiều rộng phoi và làm phoi trở nên dày hơn, dẫn đến phoi có xu hướng xếp lớp nhiều hơn. Khi fn vượt quá khoảng 0.15 mm/vòng, phoi vụn xuất hiện nhiều hơn, làm giảm hiệu quả gia công.

  3. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt (ap): Chiều sâu cắt tăng từ 2 mm lên 3 mm làm tăng lực cắt và nhiệt độ tại vùng cắt, dẫn đến phoi có dạng xoắn lò xo ngắn, thuận lợi cho việc thoát phoi và giảm thiểu mài mòn dụng cụ. Tuy nhiên, ap quá lớn có thể gây ra phoi dài, khó kiểm soát.

  4. Xác định vùng cắt gọt tối ưu: Kết quả thí nghiệm cho thấy vùng cắt gọt hợp lý để tạo phoi dây hoặc phoi xoắn ngắn là khi vc trong khoảng 280-330 m/phút, fn từ 0.1 đến 0.15 mm/vòng, và ap từ 2 đến 3 mm. Vùng này giúp cân bằng giữa năng suất và chất lượng bề mặt gia công.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các hiện tượng trên liên quan đến cơ chế biến dạng vật liệu và sự tương tác giữa dụng cụ cắt và phôi. Vận tốc cắt cao làm tăng nhiệt độ vùng cắt, làm vật liệu mềm hơn, dễ tạo phoi dây. Lượng chạy dao và chiều sâu cắt ảnh hưởng đến diện tích tiết diện phoi, từ đó thay đổi lực cắt và hình dạng phoi.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế cho thấy kết quả phù hợp với mô hình lý thuyết về hình thành phoi và các báo cáo về ảnh hưởng của thông số cắt đến phoi trong gia công thép. Việc xác định vùng cắt gọt tối ưu có thể được minh họa qua biểu đồ phân bố hình dạng phoi theo từng thông số, giúp người vận hành dễ dàng lựa chọn chế độ cắt phù hợp.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc kiểm soát phoi, nâng cao an toàn lao động và hiệu quả sản xuất trong ngành cơ khí Việt Nam, đồng thời cung cấp tài liệu tham khảo cho đào tạo và phát triển công nghệ gia công CNC.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng vùng cắt gọt tối ưu: Khuyến nghị sử dụng vận tốc cắt từ 280 đến 330 m/phút, lượng chạy dao 0.1-0.15 mm/vòng và chiều sâu cắt 2-3 mm trong gia công tiện thô trụ ngoài để tạo phoi dây hoặc phoi xoắn ngắn, giúp nâng cao năng suất và chất lượng bề mặt. Thời gian áp dụng: ngay lập tức; chủ thể: các nhà máy cơ khí và kỹ sư công nghệ.

  2. Đào tạo kỹ thuật viên mới: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về nhận dạng hình dạng phoi và lựa chọn chế độ cắt dựa trên phoi cho sinh viên và người mới vào nghề, giúp họ đánh giá nhanh quá trình gia công. Thời gian: trong 6 tháng tới; chủ thể: các trường đại học và trung tâm đào tạo nghề.

  3. Trang bị thiết bị đo và quan sát phoi: Đầu tư hệ thống camera và cảm biến để giám sát phoi trong quá trình gia công tự động, nhằm phát hiện kịp thời các dạng phoi không thuận lợi, giảm thiểu sự cố và tăng độ an toàn. Thời gian: 1-2 năm; chủ thể: doanh nghiệp sản xuất.

  4. Nghiên cứu mở rộng: Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số khác như góc cắt, loại vật liệu và dung dịch tưới nguội đến hình dạng phoi để hoàn thiện mô hình kiểm soát phoi toàn diện. Thời gian: 2-3 năm; chủ thể: các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư công nghệ và kỹ thuật viên gia công cơ khí: Giúp họ hiểu rõ mối quan hệ giữa thông số cắt và hình dạng phoi, từ đó lựa chọn chế độ cắt phù hợp, nâng cao hiệu quả sản xuất và an toàn lao động.

  2. Sinh viên và giảng viên ngành kỹ thuật cơ khí: Cung cấp tài liệu tham khảo thực tiễn về quá trình tiện CNC, hỗ trợ đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu về gia công cắt gọt kim loại.

  3. Doanh nghiệp sản xuất cơ khí sử dụng máy CNC: Hỗ trợ tối ưu hóa quy trình gia công, giảm thiểu sự cố do phoi, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí bảo trì thiết bị.

  4. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ gia công: Là cơ sở để phát triển các công nghệ kiểm soát phoi tự động, cải tiến dụng cụ cắt và quy trình gia công hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao hình dạng phoi lại quan trọng trong gia công CNC?
    Hình dạng phoi phản ánh chất lượng quá trình cắt, ảnh hưởng đến năng suất, độ bóng bề mặt và an toàn vận hành. Ví dụ, phoi dây dài dễ gây tắc nghẽn máy, trong khi phoi vụn có thể làm hỏng dụng cụ.

  2. Các thông số cắt nào ảnh hưởng nhiều nhất đến hình dạng phoi?
    Vận tốc cắt (vc), lượng chạy dao (fn) và chiều sâu cắt (ap) là ba thông số chính ảnh hưởng đến hình dạng phoi, quyết định loại phoi tạo ra và hiệu quả gia công.

  3. Làm thế nào để xác định vùng cắt gọt tối ưu?
    Bằng cách thực hiện thí nghiệm với các mức thông số khác nhau, phân tích hình dạng phoi và đánh giá chất lượng bề mặt, từ đó xác định vùng thông số tạo phoi thuận lợi và hiệu quả nhất.

  4. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các loại vật liệu khác không?
    Kết quả chủ yếu áp dụng cho thép C45, tuy nhiên nguyên lý và phương pháp có thể mở rộng nghiên cứu cho các vật liệu khác với điều chỉnh phù hợp.

  5. Làm sao để kiểm soát phoi trong quá trình gia công tự động?
    Có thể sử dụng cảm biến và hệ thống giám sát hình dạng phoi kết hợp với điều chỉnh thông số cắt tự động để kiểm soát phoi, giảm thiểu sự cố và tăng năng suất.

Kết luận

  • Luận văn đã hệ thống hóa lý thuyết về cắt gọt kim loại và quá trình hình thành phoi trong gia công tiện thô trụ ngoài bằng máy CNC.
  • Thí nghiệm xác định rõ ảnh hưởng của vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt đến hình dạng phoi, từ đó xác định vùng cắt gọt tối ưu.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn chế độ cắt hợp lý, nâng cao năng suất và an toàn trong sản xuất cơ khí.
  • Đề xuất các giải pháp ứng dụng thực tiễn và hướng nghiên cứu mở rộng nhằm hoàn thiện công nghệ gia công CNC tại Việt Nam.
  • Khuyến khích các đơn vị sản xuất và đào tạo áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng và hiệu quả gia công trong thời gian tới.