Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành kỹ thuật cơ khí, chất lượng bề mặt gia công đóng vai trò then chốt ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của chi tiết máy. Theo ước tính, việc gia công các chi tiết dụng cụ trong ngành gia công áp lực đòi hỏi độ chính xác kích thước và độ nhám bề mặt (Ra) rất cao để đảm bảo khả năng làm việc và độ bền của sản phẩm. Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ như tốc độ cắt (m/phút), lượng ăn dao (mm/vòng) và chiều sâu cắt (mm) đến chất lượng bề mặt gia công của ba loại thép hợp kim phổ biến: X12M, P18 và Y8. Thời gian nghiên cứu được thực hiện trong năm 2023 tại Nhà máy Z129, sử dụng máy phay CNC Deckel Maho DMU 105 với hệ điều khiển Heidenhain iTNC 530. Mục tiêu chính là xác định bộ thông số chế độ cắt tối ưu nhằm đạt độ nhám bề mặt nhỏ nhất và độ chính xác kích thước cao nhất, từ đó ứng dụng hiệu quả trong sản xuất khuôn gia công áp lực. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao năng suất, giảm chi phí sản xuất và cải thiện chất lượng sản phẩm trong ngành công nghiệp chế tạo máy hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về chất lượng bề mặt và công nghệ CNC. Hai khung lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết về nhám bề mặt và ảnh hưởng của các thông số cắt gọt:

    • Độ nhám bề mặt được đánh giá qua các chỉ số Ra (trung bình sai lệch số học biên độ) và Rz (độ cao mười điểm của độ nhám).
    • Ảnh hưởng của độ nhám đến tính chống mòn, độ bền mỏi, khả năng chống ăn mòn hóa học và độ chính xác mối lắp ghép của chi tiết máy.
    • Mối quan hệ toán học giữa các thông số chế độ cắt (tốc độ cắt, lượng ăn dao, chiều sâu cắt) với độ nhám bề mặt.

  2. Công nghệ CNC và máy phay CNC:

    • Cấu trúc hệ thống máy phay CNC, bao gồm hệ điều khiển, hệ thống truyền động, hệ thống thay dao tự động và hệ thống kẹp chi tiết.
    • Ảnh hưởng của các thông số công nghệ trên máy phay CNC đến chất lượng gia công.
    • Phân loại thép hợp kim và hợp kim cứng sử dụng trong gia công áp lực, đặc điểm cơ lý và hóa học của thép X12M, P18 và Y8.

Các khái niệm chính bao gồm: độ nhám bề mặt (Ra, Rz), chế độ cắt (vận tốc cắt, lượng ăn dao, chiều sâu cắt), hợp kim cứng, biến dạng dẻo bề mặt, hiện tượng lẹo dao (BUE).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm để xác lập mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và chất lượng bề mặt gia công. Cỡ mẫu gồm 8 thực nghiệm cho mỗi loại thép, tổng cộng 24 thí nghiệm được tiến hành trên máy phay CNC Deckel Maho DMU 105 tại Nhà máy Z129. Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn ba loại thép hợp kim có độ cứng cao (X12M, P18, Y8) đại diện cho các vật liệu phổ biến trong ngành gia công áp lực.

Dữ liệu thu thập gồm các thông số chế độ cắt (vận tốc cắt từ 100 đến 150 m/phút, lượng ăn dao từ 0,06 đến 0,15 mm/vòng, chiều sâu cắt từ 0,2 đến 1 mm) và kết quả đo độ nhám bề mặt Ra bằng máy đo độ nhám Hommel-Etamic W10.1A. Phân tích số liệu sử dụng phương pháp hồi quy đa biến để xây dựng mô hình toán học mô tả ảnh hưởng của từng thông số đến độ nhám bề mặt. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong quý I và II năm 2023, bao gồm giai đoạn chuẩn bị, thực nghiệm, xử lý số liệu và thảo luận kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt:
    Khi vận tốc cắt tăng từ 100 m/phút lên 150 m/phút, độ nhám bề mặt Ra giảm trung bình khoảng 15% đối với thép X12M và P18, trong khi thép Y8 giảm khoảng 10%. Điều này được giải thích do vận tốc cắt cao giúp giảm hiện tượng lẹo dao (BUE), làm bề mặt gia công mịn hơn.

  2. Ảnh hưởng của lượng ăn dao (s) đến độ nhám:
    Lượng ăn dao trong khoảng 0,06 đến 0,15 mm/vòng có ảnh hưởng rõ rệt đến Ra. Khi lượng ăn dao tăng, Ra tăng lên trung bình 20% trên tất cả các loại thép. Lượng ăn dao nhỏ hơn 0,05 mm/vòng không cải thiện đáng kể độ nhám do ảnh hưởng của biến dạng dẻo bề mặt.

  3. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt (t):
    Chiều sâu cắt từ 0,2 đến 1 mm có tác động nhẹ đến độ nhám, với sự thay đổi Ra khoảng 5-8%. Chiều sâu cắt quá nhỏ (<0,02 mm) gây hiện tượng trượt dao, làm tăng độ nhám.

  4. So sánh chất lượng bề mặt giữa các loại thép:
    Thép X12M cho độ nhám thấp nhất với Ra trung bình 0,32 μm, tiếp theo là P18 với 0,38 μm và Y8 cao nhất khoảng 0,45 μm. Sự khác biệt này liên quan đến tính chất cơ lý và khả năng biến dạng dẻo của từng loại vật liệu.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy vận tốc cắt và lượng ăn dao là hai yếu tố công nghệ có ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng bề mặt gia công trên máy phay CNC. Việc tăng vận tốc cắt giúp giảm hiện tượng lẹo dao, từ đó giảm độ nhám bề mặt, phù hợp với các nghiên cứu trước đây trong ngành gia công kim loại. Lượng ăn dao tăng làm tăng chiều cao nhấp nhô tế vi, gây giảm chất lượng bề mặt, do đó cần lựa chọn lượng ăn dao hợp lý để cân bằng giữa năng suất và chất lượng.

Chiều sâu cắt có ảnh hưởng nhỏ hơn nhưng không nên chọn quá nhỏ để tránh hiện tượng trượt dao gây hư hại bề mặt. So sánh giữa các loại thép cho thấy vật liệu có độ cứng và tính biến dạng dẻo khác nhau sẽ ảnh hưởng đến độ nhám, điều này cần được cân nhắc khi thiết kế chế độ cắt cho từng loại vật liệu cụ thể.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ mối quan hệ giữa Ra với vận tốc cắt, lượng ăn dao và chiều sâu cắt cho từng loại thép, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của từng thông số. Bảng hồi quy đa biến cũng minh họa mức độ ảnh hưởng tương đối của các yếu tố.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa vận tốc cắt:
    Đề xuất sử dụng vận tốc cắt trong khoảng 140-150 m/phút để giảm độ nhám bề mặt, tăng năng suất gia công. Thời gian áp dụng: ngay trong các lô sản xuất hiện tại. Chủ thể thực hiện: kỹ sư công nghệ và vận hành máy CNC.

  2. Kiểm soát lượng ăn dao:
    Khuyến nghị duy trì lượng ăn dao trong khoảng 0,06-0,10 mm/vòng để đảm bảo độ nhám thấp và tránh tăng lực cắt quá mức. Thời gian áp dụng: trong quy trình lập trình gia công. Chủ thể thực hiện: bộ phận lập trình và vận hành.

  3. Giữ chiều sâu cắt ổn định:
    Nên chọn chiều sâu cắt từ 0,2 đến 0,5 mm để tránh hiện tượng trượt dao và đảm bảo độ ổn định quá trình gia công. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật viên lập trình và vận hành.

  4. Lựa chọn vật liệu và dụng cụ phù hợp:
    Sử dụng thép hợp kim X12M cho các chi tiết yêu cầu độ nhám thấp nhất, kết hợp với dụng cụ cắt hợp kim cứng nhóm P hoặc M để tăng tuổi thọ dao và chất lượng bề mặt. Chủ thể thực hiện: bộ phận thiết kế và mua sắm vật tư.

  5. Đào tạo và nâng cao kỹ năng vận hành:
    Tổ chức các khóa đào tạo về lập trình và vận hành máy phay CNC, tập trung vào việc điều chỉnh chế độ cắt phù hợp với từng loại vật liệu. Thời gian: trong vòng 6 tháng tới. Chủ thể thực hiện: phòng đào tạo và quản lý sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư công nghệ gia công:
    Hưởng lợi từ việc áp dụng các thông số chế độ cắt tối ưu để nâng cao chất lượng bề mặt và hiệu quả sản xuất.

  2. Nhà quản lý sản xuất trong ngành cơ khí:
    Có cơ sở khoa học để điều chỉnh quy trình sản xuất, giảm phế phẩm và chi phí gia công.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí:
    Tài liệu tham khảo thực tiễn về ứng dụng công nghệ CNC và ảnh hưởng của thông số công nghệ đến chất lượng sản phẩm.

  4. Nhà nghiên cứu và phát triển vật liệu:
    Tham khảo các kết quả về ảnh hưởng của vật liệu thép hợp kim đến chất lượng gia công, hỗ trợ phát triển vật liệu mới.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao vận tốc cắt ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt?
    Vận tốc cắt cao giúp giảm hiện tượng lẹo dao (BUE), làm bề mặt gia công mịn hơn và giảm độ nhám. Ví dụ, khi tăng vận tốc cắt từ 100 lên 150 m/phút, độ nhám giảm khoảng 15%.

  2. Lượng ăn dao nên được chọn như thế nào để đảm bảo chất lượng bề mặt?
    Lượng ăn dao trong khoảng 0,06-0,10 mm/vòng là tối ưu, vì lượng ăn dao quá lớn làm tăng độ nhám, còn quá nhỏ không cải thiện đáng kể do biến dạng dẻo bề mặt.

  3. Chiều sâu cắt có ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng bề mặt?
    Chiều sâu cắt từ 0,2 đến 1 mm ảnh hưởng nhẹ đến độ nhám, nhưng chiều sâu quá nhỏ (<0,02 mm) gây trượt dao, làm tăng độ nhám và hư hại bề mặt.

  4. Tại sao thép X12M cho độ nhám thấp hơn P18 và Y8?
    Do đặc tính cơ lý và khả năng biến dạng dẻo khác nhau, thép X12M có độ cứng cao và ít biến dạng dẻo hơn, giúp bề mặt gia công mịn hơn.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất thực tế?
    Cần điều chỉnh chế độ cắt theo các thông số tối ưu đã xác định, đào tạo nhân viên vận hành và sử dụng máy CNC hiện đại để đảm bảo chất lượng bề mặt và năng suất.

Kết luận

  • Đã xác định được ảnh hưởng rõ rệt của vận tốc cắt, lượng ăn dao và chiều sâu cắt đến độ nhám bề mặt gia công trên máy phay CNC.
  • Vận tốc cắt cao và lượng ăn dao vừa phải giúp giảm độ nhám, nâng cao chất lượng bề mặt.
  • Thép X12M cho chất lượng bề mặt tốt hơn so với P18 và Y8 trong điều kiện gia công tương tự.
  • Mô hình hồi quy đa biến được xây dựng giúp dự đoán độ nhám bề mặt dựa trên các thông số công nghệ.
  • Đề xuất áp dụng các thông số chế độ cắt tối ưu trong sản xuất để nâng cao hiệu quả và chất lượng gia công.

Next steps: Triển khai áp dụng bộ thông số chế độ cắt tối ưu trong các dây chuyền sản xuất thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu với các loại vật liệu và máy CNC khác.

Call-to-action: Các kỹ sư và nhà quản lý sản xuất nên tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất trong ngành gia công áp lực.