Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển ngành cơ khí Việt Nam, việc nâng cao hiệu quả sử dụng máy công cụ, đặc biệt là máy tiện, đóng vai trò quan trọng trong việc tăng năng suất và chất lượng sản phẩm. Máy tiện Pinacho S-90/200, một loại máy tiện vạn năng nhập khẩu từ Tây Ban Nha, được sử dụng phổ biến trong các doanh nghiệp vừa và nhỏ tại Việt Nam. Tuy nhiên, việc xác định chế độ gia công hợp lý nhằm tối ưu hóa chất lượng sản phẩm và giảm chi phí điện năng riêng khi tiện trục trên máy này vẫn còn hạn chế.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xác định ảnh hưởng của một số thông số kỹ thuật như góc cắt chính, chiều sâu cắt, lượng chạy dao đến chất lượng bề mặt gia công và chi phí điện năng riêng khi tiện trục trên máy tiện Pinacho S-90/200. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vật liệu thép C45, với công nghệ tiện trục, thực hiện tại các cơ sở sản xuất cơ khí ở Đồng Nai trong năm 2016.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc làm rõ các quy luật ảnh hưởng của các thông số gia công đến chất lượng và chi phí điện năng, từ đó đề xuất chế độ sử dụng hợp lý cho máy tiện Pinacho S-90/200. Về thực tiễn, kết quả giúp các doanh nghiệp nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí và cải thiện chất lượng sản phẩm, góp phần phát triển ngành chế tạo máy trong nước.

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 sau:

  • Lý thuyết lực tác dụng của phần tử cắt lên phôi: Phân tích các thành phần lực cắt (lực chạy dao, lực hướng kính, lực tiếp tuyến) tác động lên dao tiện trong quá trình gia công, giúp hiểu rõ cơ chế tạo phoi và ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt.
  • Lý thuyết quá trình tiện: Bao gồm các yếu tố chế độ cắt như tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt và các góc cắt của dao (góc sau chính, góc trước chính, góc nghiêng chính), ảnh hưởng đến lực cắt, nhiệt độ vùng cắt và độ nhám bề mặt.
  • Mô hình toán học hồi quy bậc hai: Xây dựng mô hình hồi quy để mô tả mối quan hệ giữa các thông số đầu vào (góc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt) với các chỉ tiêu đầu ra (độ nhám bề mặt, chi phí điện năng riêng).
  • Phương pháp tối ưu đa mục tiêu: Sử dụng các phương pháp như hàm tổng quát, phương pháp nhân tử Lagrange để tìm ra chế độ gia công tối ưu cân bằng giữa chất lượng bề mặt và chi phí điện năng.

Các khái niệm chính bao gồm: lực cắt, độ nhám bề mặt (Ra), chi phí điện năng riêng, góc cắt chính, lượng chạy dao, chiều sâu cắt.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm thực nghiệm trên máy tiện Pinacho S-90/200 với vật liệu thép C45, sử dụng dao tiện ngoài có các góc cắt được điều chỉnh theo thiết kế.
  • Phương pháp phân tích: Áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Box-Behnken để thiết kế thí nghiệm với ba yếu tố chính: góc cắt chính, lượng chạy dao, chiều sâu cắt. Mỗi yếu tố được biến đổi trong phạm vi xác định để thu thập dữ liệu về độ nhám bề mặt và chi phí điện năng riêng.
  • Kiểm tra mô hình: Sử dụng kiểm định thống kê như kiểm tra tính đồng nhất phương sai (Kohren), kiểm tra ý nghĩa hệ số hồi quy (Student), kiểm tra tính tương thích mô hình (Fisher) và hệ số xác định (R²) để đảm bảo mô hình hồi quy phù hợp và có khả năng dự báo.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2016 tại Đồng Nai, bao gồm giai đoạn thiết kế thí nghiệm, thu thập dữ liệu, phân tích và tối ưu mô hình.

Cỡ mẫu thí nghiệm gồm khoảng 15-20 tổ hợp thí nghiệm với mỗi tổ hợp lặp lại 3 lần để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của góc cắt chính đến độ nhám bề mặt và chi phí điện năng riêng: Khi góc cắt chính tăng từ 5° đến 15°, độ nhám bề mặt giảm trung bình 12%, đồng thời chi phí điện năng riêng giảm khoảng 8%. Điều này cho thấy góc cắt chính lớn giúp giảm lực cắt và ma sát, cải thiện chất lượng bề mặt và tiết kiệm năng lượng.

  2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao (S): Tăng lượng chạy dao từ 0.05 mm/vòng lên 0.3 mm/vòng làm tăng độ nhám bề mặt lên khoảng 20%, trong khi chi phí điện năng riêng tăng 15%. Lượng chạy dao lớn làm tăng độ dày lớp cắt, gây lực cắt lớn hơn và giảm chất lượng bề mặt.

  3. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt (t): Chiều sâu cắt tăng từ 0.1 mm đến 0.4 mm làm chi phí điện năng riêng tăng 18%, trong khi độ nhám bề mặt tăng 10%. Chiều sâu cắt lớn làm tăng diện tích lớp cắt, dẫn đến lực cắt và tiêu hao năng lượng cao hơn.

  4. Mô hình hồi quy bậc hai: Mô hình hồi quy xây dựng có hệ số xác định R² đạt 0.87 cho độ nhám bề mặt và 0.85 cho chi phí điện năng riêng, cho thấy mô hình phù hợp và có khả năng dự báo tốt các chỉ tiêu nghiên cứu.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy rõ ràng sự ảnh hưởng của các thông số gia công đến chất lượng và chi phí điện năng khi tiện trục trên máy Pinacho S-90/200. Góc cắt chính lớn giúp giảm lực cắt và ma sát, từ đó giảm chi phí điện năng và cải thiện độ nhám bề mặt, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của góc cắt đến lực cắt và nhiệt độ vùng cắt.

Lượng chạy dao và chiều sâu cắt tăng làm tăng lực cắt, dẫn đến tăng chi phí điện năng và giảm chất lượng bề mặt, điều này phù hợp với các lý thuyết về quá trình tiện và các nghiên cứu thực nghiệm trong ngành cơ khí.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tương quan giữa các thông số đầu vào và chỉ tiêu đầu ra, cũng như bảng hồi quy chi tiết để minh họa mức độ ảnh hưởng và tương tác giữa các yếu tố. So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế cho thấy kết quả nghiên cứu phù hợp và có tính ứng dụng cao trong thực tế sản xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Điều chỉnh góc cắt chính dao tiện: Khuyến nghị sử dụng góc cắt chính trong khoảng 12° - 15° để tối ưu hóa chất lượng bề mặt và giảm chi phí điện năng riêng. Chủ thể thực hiện: kỹ sư công nghệ và nhà sản xuất dao tiện. Thời gian áp dụng: ngay trong các lô sản xuất hiện tại.

  2. Kiểm soát lượng chạy dao: Giữ lượng chạy dao trong khoảng 0.1 - 0.2 mm/vòng để cân bằng giữa năng suất và chất lượng sản phẩm. Chủ thể thực hiện: công nhân vận hành máy và quản lý sản xuất. Thời gian áp dụng: trong kế hoạch sản xuất hàng ngày.

  3. Tối ưu chiều sâu cắt: Áp dụng chiều sâu cắt từ 0.15 mm đến 0.3 mm để giảm chi phí điện năng mà vẫn đảm bảo độ nhám bề mặt yêu cầu. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật viên lập trình máy và công nhân vận hành. Thời gian áp dụng: trong các quy trình gia công chuẩn.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức: Tổ chức các khóa đào tạo về ảnh hưởng của các thông số gia công đến chi phí và chất lượng sản phẩm cho đội ngũ kỹ thuật và vận hành. Chủ thể thực hiện: phòng đào tạo và quản lý doanh nghiệp. Thời gian thực hiện: trong vòng 6 tháng tới.

  5. Áp dụng mô hình tối ưu đa mục tiêu: Sử dụng mô hình toán học và phần mềm hỗ trợ để xác định chế độ gia công tối ưu cho từng loại sản phẩm cụ thể, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất. Chủ thể thực hiện: bộ phận nghiên cứu và phát triển, kỹ sư công nghệ. Thời gian áp dụng: dài hạn, tích hợp vào quy trình sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư công nghệ và vận hành máy tiện: Nắm bắt các thông số kỹ thuật và chế độ gia công tối ưu để nâng cao chất lượng sản phẩm và tiết kiệm chi phí điện năng trong sản xuất.

  2. Nhà quản lý sản xuất và doanh nghiệp cơ khí: Áp dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm chi phí và nâng cao năng suất, từ đó tăng lợi nhuận và khả năng cạnh tranh.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình toán học và kết quả thực nghiệm để phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan đến gia công cơ khí và tối ưu hóa quá trình sản xuất.

  4. Nhà sản xuất và cung cấp máy công cụ, dao tiện: Hiểu rõ ảnh hưởng của các thông số gia công đến hiệu suất máy và chất lượng sản phẩm, từ đó cải tiến thiết kế máy và dao cắt phù hợp với nhu cầu thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao góc cắt chính lại ảnh hưởng lớn đến chi phí điện năng và chất lượng bề mặt?
    Góc cắt chính ảnh hưởng đến lực cắt và ma sát giữa dao và phôi. Góc cắt lớn giúp giảm lực cắt, giảm ma sát, từ đó giảm tiêu hao năng lượng và cải thiện độ nhám bề mặt.

  2. Lượng chạy dao nên được điều chỉnh như thế nào để cân bằng giữa năng suất và chất lượng?
    Lượng chạy dao nên giữ ở mức vừa phải (khoảng 0.1 - 0.2 mm/vòng) để đảm bảo năng suất gia công mà không làm tăng quá mức lực cắt và độ nhám bề mặt.

  3. Chiều sâu cắt ảnh hưởng ra sao đến chi phí điện năng riêng?
    Chiều sâu cắt lớn làm tăng diện tích lớp cắt, dẫn đến lực cắt lớn hơn và tiêu hao năng lượng nhiều hơn, làm tăng chi phí điện năng riêng.

  4. Mô hình hồi quy bậc hai có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    Mô hình hồi quy bậc hai giúp mô tả chính xác mối quan hệ phi tuyến giữa các thông số đầu vào và chỉ tiêu đầu ra, từ đó dự báo và tối ưu hóa chế độ gia công hiệu quả.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất thực tế?
    Doanh nghiệp cần điều chỉnh các thông số gia công theo khuyến nghị, đào tạo nhân viên vận hành và sử dụng mô hình tối ưu để lập kế hoạch gia công phù hợp với từng sản phẩm.

Kết luận

  • Đã xác định được ảnh hưởng rõ ràng của góc cắt chính, lượng chạy dao và chiều sâu cắt đến độ nhám bề mặt và chi phí điện năng riêng khi tiện trục trên máy Pinacho S-90/200.
  • Mô hình hồi quy bậc hai được xây dựng có độ chính xác cao với hệ số xác định R² trên 0.85, phù hợp để dự báo và tối ưu chế độ gia công.
  • Chế độ gia công tối ưu được đề xuất giúp giảm chi phí điện năng riêng khoảng 10-15% và cải thiện độ nhám bề mặt từ 10-12%.
  • Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, hỗ trợ nâng cao hiệu quả sản xuất trong ngành cơ khí Việt Nam.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm áp dụng chế độ gia công tối ưu trong sản xuất thực tế, đào tạo nhân lực và phát triển nghiên cứu mở rộng cho các loại máy tiện và vật liệu khác.

Hành động ngay: Các doanh nghiệp và kỹ sư công nghệ nên áp dụng các khuyến nghị từ nghiên cứu để nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí, đồng thời tiếp tục theo dõi và điều chỉnh các thông số gia công phù hợp với điều kiện thực tế.