Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành kỹ thuật cơ khí, đặc biệt là gia công chi tiết piston trên máy tiện CNC, độ chính xác gia công đóng vai trò quyết định đến chất lượng và tuổi thọ sản phẩm. Theo ước tính, độ chính xác gia công piston chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố công nghệ như tốc độ cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt. Tuy nhiên, một yếu tố ít được chú trọng nhưng có ảnh hưởng đáng kể là phương pháp bôi trơn tưới nguội trong quá trình gia công. Các phương pháp phổ biến hiện nay gồm tưới tràn, tưới nguội kiểu sương mù và gia công khô. Nghiên cứu này tập trung đánh giá ảnh hưởng của các phương pháp tưới nguội đến độ chính xác gia công chi tiết piston bằng thép sau nhiệt luyện trên máy tiện CNC, trong phạm vi thời gian từ tháng 8/2019 đến tháng 5/2020 tại Thành phố Hồ Chí Minh.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xác định sự ảnh hưởng của các phương pháp tưới nguội và chế độ công nghệ (tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt) đến độ chính xác gia công piston, đồng thời xác định quy luật phân bố sai số kích thước và sai lệch hình dạng chi tiết. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng bề mặt, tăng tuổi thọ dụng cụ cắt, giảm chi phí sản xuất và bảo vệ môi trường thông qua việc lựa chọn phương pháp tưới nguội tối ưu. Nghiên cứu cũng góp phần hoàn thiện công nghệ tiện cứng, thay thế cho công đoạn mài truyền thống vốn tốn kém và gây ô nhiễm môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Nguyên lý cắt gọt kim loại: Quá trình tạo phoi khi gia công, bao gồm các kiểu phoi như phoi không liên tục, phoi dây, phoi xếp lớp và phoi răng cưa, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công.
  • Lý thuyết nhiệt cắt: Nhiệt sinh ra trong quá trình cắt gọt ảnh hưởng đến biến dạng nhiệt của chi tiết và dụng cụ, từ đó tác động đến độ chính xác và tuổi thọ dụng cụ.
  • Các phương pháp bôi trơn tưới nguội: Bao gồm tưới tràn, tưới nguội kiểu sương mù (Minimum Quantity Lubricant - MQL) và gia công khô, với các ưu nhược điểm khác nhau về khả năng làm mát, bôi trơn và bảo vệ môi trường.
  • Quy luật phân bố sai số gia công: Áp dụng quy luật phân bố chuẩn (Gauss) và quy luật phân bố lệch tâm để đánh giá đặc tính phân bố sai số kích thước và hình dạng chi tiết gia công.
  • Khái niệm độ chính xác gia công: Định nghĩa và phương pháp xác định độ chính xác dựa trên sai số kích thước, sai lệch hình dạng và độ nhám bề mặt.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm, trong đó phần thực nghiệm chiếm ưu thế. Cỡ mẫu gồm 30 chi tiết piston được gia công trên máy tiện CNC DOOSAN LYNX220A sử dụng dao hợp kim Kyocera VNGA 16 04 04T01215 ME và cán dao MVLNR2020K-16. Vật liệu phôi là thép CSM415 đã qua nhiệt luyện với độ cứng đạt 56-58 HRC.

Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn ngẫu nhiên các chi tiết trong lô sản xuất để đảm bảo tính đại diện. Các chế độ công nghệ được điều chỉnh gồm tốc độ cắt (v), lượng chạy dao (s), chiều sâu cắt (t) theo kế hoạch thực nghiệm đã thiết lập. Hệ thống cung cấp dung dịch tưới nguội được thiết kế để thử nghiệm ba phương pháp: tưới tràn, tưới nguội kiểu sương mù và gia công khô.

Phân tích dữ liệu sử dụng các công cụ đo lường độ nhám bề mặt, sai số kích thước và hình dạng chi tiết, đồng thời áp dụng phương pháp thống kê để xác định quy luật phân bố sai số. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 8/2019 đến tháng 5/2020, bao gồm giai đoạn chuẩn bị, thực nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của phương pháp tưới nguội đến độ chính xác gia công: Kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp tưới nguội kiểu sương mù đạt độ chính xác gia công cao nhất, với sai số kích thước trung bình giảm khoảng 15% so với tưới tràn và giảm 25% so với gia công khô. Độ nhám bề mặt Ra khi sử dụng tưới nguội kiểu sương mù thấp hơn 0,2 µm so với tưới tràn và thấp hơn 0,4 µm so với gia công khô.

  2. Ảnh hưởng của chế độ công nghệ (v, s, t): Tốc độ cắt và lượng chạy dao có ảnh hưởng đáng kể đến lực cắt và độ chính xác gia công. Khi tăng tốc độ cắt từ 900 đến 1200 vòng/phút, lực cắt giảm nhẹ khoảng 5%, đồng thời độ chính xác gia công cải thiện khoảng 10%. Lượng chạy dao tăng từ 0,1 đến 0,15 mm/vòng làm tăng lực cắt khoảng 12% và giảm độ chính xác gia công khoảng 8%. Chiều sâu cắt có ảnh hưởng nhỏ hơn, với sự thay đổi độ chính xác dưới 5%.

  3. Quy luật phân bố sai số gia công: Sai số kích thước và sai lệch hình dạng chi tiết piston tuân theo quy luật phân bố chuẩn với độ lệch chuẩn nhỏ hơn 0,01 mm, cho thấy quy trình gia công ổn định và có thể kiểm soát được sai số trong phạm vi cho phép.

  4. Năng lực quy trình (Cp): Chỉ số năng lực quy trình Cp đo được trong thực nghiệm đạt giá trị khoảng 1,33 khi sử dụng phương pháp tưới nguội kiểu sương mù, cao hơn so với tưới tràn (1,1) và gia công khô (0,9), chứng tỏ quy trình gia công với tưới nguội kiểu sương mù có khả năng duy trì độ chính xác tốt hơn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc tưới nguội kiểu sương mù vượt trội là do khả năng làm mát và bôi trơn hiệu quả tại vùng lưỡi cắt, giúp giảm nhiệt độ cắt và ma sát, từ đó giảm mòn dụng cụ và biến dạng nhiệt chi tiết. So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với báo cáo của ngành về ưu điểm của công nghệ Minimum Quantity Lubricant trong gia công tinh.

Biểu đồ so sánh độ nhám bề mặt và sai số kích thước giữa ba phương pháp tưới nguội minh họa rõ ràng sự khác biệt về hiệu quả. Bảng phân tích sai số phân bố chuẩn cũng cho thấy sự ổn định cao của phương pháp tưới nguội kiểu sương mù.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc lựa chọn phương pháp tưới nguội phù hợp để nâng cao chất lượng gia công piston, giảm chi phí bảo trì dụng cụ và bảo vệ môi trường do giảm lượng dung dịch trơn nguội sử dụng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phương pháp tưới nguội kiểu sương mù trong sản xuất piston trên máy tiện CNC: Động tác này nhằm nâng cao độ chính xác gia công và chất lượng bề mặt, giảm mòn dụng cụ, dự kiến triển khai trong vòng 6 tháng tới, do bộ phận kỹ thuật và sản xuất thực hiện.

  2. Tối ưu chế độ công nghệ (tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt): Khuyến nghị điều chỉnh tốc độ cắt lên khoảng 1100-1200 vòng/phút và lượng chạy dao từ 0,1-0,12 mm/vòng để cân bằng giữa năng suất và độ chính xác, áp dụng trong các lô sản xuất tiếp theo.

  3. Đào tạo nhân viên vận hành về kỹ thuật tưới nguội kiểu sương mù: Tổ chức các khóa đào tạo trong 3 tháng nhằm nâng cao nhận thức và kỹ năng vận hành hệ thống tưới nguội, đảm bảo hiệu quả sử dụng công nghệ mới.

  4. Xây dựng hệ thống giám sát và kiểm soát chất lượng gia công: Thiết lập quy trình đo kiểm định định kỳ sai số kích thước và độ nhám bề mặt, sử dụng chỉ số năng lực quy trình Cp làm tiêu chuẩn đánh giá, thực hiện liên tục trong quá trình sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư công nghệ gia công cơ khí: Nghiên cứu cung cấp kiến thức về ảnh hưởng của phương pháp tưới nguội và chế độ công nghệ đến độ chính xác gia công, giúp họ lựa chọn và tối ưu quy trình sản xuất.

  2. Quản lý sản xuất trong ngành chế tạo máy: Thông tin về hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của các phương pháp tưới nguội hỗ trợ quyết định đầu tư công nghệ và cải tiến quy trình sản xuất.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Luận văn là tài liệu tham khảo thực tiễn về ứng dụng công nghệ tưới nguội trong gia công tinh, giúp nâng cao hiểu biết chuyên môn và nghiên cứu khoa học.

  4. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ gia công: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình phân tích sai số gia công, làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về tối ưu hóa công nghệ tiện cứng và bôi trơn tưới nguội.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp tưới nguội kiểu sương mù có ưu điểm gì so với tưới tràn?
    Phương pháp này sử dụng lượng dung dịch rất nhỏ, tập trung làm mát và bôi trơn vùng cắt hiệu quả, giảm nhiệt độ và ma sát tốt hơn, từ đó nâng cao độ chính xác và tuổi thọ dụng cụ, đồng thời giảm ô nhiễm môi trường.

  2. Gia công khô có thể áp dụng trong tiện piston không?
    Gia công khô có thể áp dụng nhưng thường dẫn đến nhiệt độ vùng cắt cao, tăng mòn dụng cụ và giảm độ chính xác gia công so với các phương pháp có bôi trơn tưới nguội.

  3. Làm thế nào để xác định quy luật phân bố sai số gia công?
    Quy luật phân bố được xác định bằng cách thu thập dữ liệu sai số kích thước và hình dạng từ mẫu thực nghiệm, sau đó sử dụng phân tích thống kê để kiểm tra tính phù hợp với phân bố chuẩn hoặc phân bố lệch tâm.

  4. Chế độ công nghệ nào ảnh hưởng nhiều nhất đến lực cắt?
    Chiều rộng cắt (tương đương với chiều sâu cắt) và lượng chạy dao ảnh hưởng lớn đến lực cắt, trong khi tốc độ cắt có ảnh hưởng nhỏ hơn trong phạm vi tốc độ cao.

  5. Làm sao để nâng cao năng lực quy trình gia công?
    Nâng cao năng lực quy trình có thể thực hiện bằng cách tối ưu chế độ công nghệ, áp dụng phương pháp tưới nguội hiệu quả như kiểu sương mù, đồng thời kiểm soát chặt chẽ sai số và duy trì ổn định quy trình sản xuất.

Kết luận

  • Phương pháp tưới nguội kiểu sương mù cho kết quả độ chính xác gia công piston tốt nhất, giảm sai số kích thước và độ nhám bề mặt đáng kể so với tưới tràn và gia công khô.
  • Chế độ công nghệ như tốc độ cắt và lượng chạy dao ảnh hưởng rõ rệt đến lực cắt và độ chính xác, cần được tối ưu để đạt hiệu quả cao nhất.
  • Sai số gia công tuân theo quy luật phân bố chuẩn, cho thấy quy trình gia công ổn định và có thể kiểm soát được.
  • Năng lực quy trình Cp cao nhất đạt được khi sử dụng tưới nguội kiểu sương mù, chứng tỏ tính khả thi và hiệu quả của phương pháp này trong sản xuất.
  • Đề xuất áp dụng tưới nguội kiểu sương mù kết hợp tối ưu chế độ công nghệ và đào tạo nhân viên để nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất trong thời gian tới.

Hành động tiếp theo là triển khai áp dụng phương pháp tưới nguội kiểu sương mù trong sản xuất thực tế, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng về ảnh hưởng của các loại dung dịch bôi trơn và điều kiện vận hành nhằm hoàn thiện công nghệ gia công piston trên máy tiện CNC.