Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí nghiên cứu sự ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt của các thông số công nghệ trong gia công tốc độ cao

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật cơ khí nghiên cứu sự ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt của các thông số công nghệ trong gia, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân,

• Tác giả: Mai Công Hiển
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Thiên Phúc
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Đến Độ Nhám Bề Mặt Của Các Thông Số Công Nghệ Trong Gia Công Tốc Độ Cao
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Giới thiệu chung về vấn đề nghiên cứu
• 1.1.1. Phạm vi ứng dụng
• 1.2. Tình hình về vấn đề nghiên cứu ở Việt Nam
• 1.3. Tình hình về vấn đề nghiên cứu trên thế giới
• 1.4. Khuyết điểm và hạn chế chưa làm được
• 1.5. Các loại máy và dụng cụ cắt trong gia công tốc độ cao
• 1.5.1. Một số máy gia công cao tốc
• 1.5.2. Một số dụng cụ cắt
• 1.5.3. Một số loại máy đo độ nhám
• 1.6. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.7. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
• 1.8. Ý nghĩa của đề tài
• 1.8.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.8.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Chất lượng bề mặt và độ nhám bề mặt trong gia công
• 2.1.1. Bề mặt trong gia công
• 2.1.2. Chất lượng của bề mặt gia công
• 2.1.3. Kết cấu của một bề mặt
• 2.1.4. Độ nhám bề mặt
• 2.1.4.1. Một số khái niệm
• 2.1.4.2. Ảnh hưởng của độ nhám đến tính chất sử dụng của chi tiết
• 2.1.4.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt
• 2.1.5. Phương pháp đánh giá chất lượng bề mặt
• 2.2. Vật liệu thép cacbon
• 2.3. Cơ sở lý thuyết cắt
• 2.3.1. Sơ lược về quá trình gia công
• 2.3.2. Quá trình tạo phoi
• 2.4. Gia công tốc độ cao, phay tốc độ cao
• 2.4.1. Gia công tốc độ cao
• 2.4.2. Phay tốc độ cao
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Phân tích và chọn thông số thực nghiệm
• 3.2. Các thiết bị sử dụng trong thực nghiệm
• 3.2.1. Máy phay đứng cao tốc VF2
• 3.2.2. Máy đo độ nhám Marhsurf PS1
• 3.2.3. Dụng cụ cắt
• 3.2.4. Phôi dùng trong thực nghiệm
• 3.2.5. Gá đặt khi gia công
• 3.2.6. Hình thức đo độ nhám bề mặt
• 3.3. Phương pháp thực hiện thực nghiệm
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Thực nghiệm đơn yếu tố
• 4.1.1. Thực nghiệm đơn yếu tố - yếu tố tốc độ cắt
• 4.1.2. Thực nghiệm đơn yếu tố - yếu tố lượng chạy dao răng
• 4.1.3. Thực nghiệm đơn yếu tố - chiều sâu cắt dọc trục
• 4.2. Thực nghiệm đa yếu tố
• 4.2.1. Chọn phương pháp quy hoạch thực nghiệm
• 4.2.2. Xác định số thí nghiệm lặp lại trên mỗi thực nghiệm
• 4.2.3. Thực nghiệm đa yếu tố
• 4.2.4. Các đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng từng cặp thông số đầu vào đến độ nhám bề mặt
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung về vấn đề nghiên cứu

Gia công tốc độ cao (HSM) là một công nghệ hiện đại, cho phép tăng năng suất, độ chính xác và chất lượng chi tiết so với gia công truyền thống. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ như tốc độ cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt đến độ nhám bề mặt trong quá trình gia công tốc độ cao. Vật liệu được sử dụng là thép C45, và dao phay ngón có đường kính 8mm. Kết quả cho thấy các thông số này có tác động đáng kể đến chất lượng bề mặt.

1.1. Phạm vi ứng dụng

Gia công tốc độ cao được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như ô tô, hàng không, đóng tàu và cơ khí chính xác. Công nghệ này giúp giảm chi phí gia công, tăng năng suất và cải thiện chất lượng sản phẩm. Đặc biệt, trong sản xuất khuôn mẫu, độ nhám bề mặt là yếu tố quan trọng để đảm bảo tuổi thọ và hiệu suất của chi tiết.

1.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Tại Việt Nam, nghiên cứu về gia công tốc độ cao còn hạn chế, chủ yếu tập trung vào máy CNC. Tuy nhiên, các nghiên cứu như của Nguyễn Thanh Bình (2016) đã phân tích ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt và lực cắt. Điều này cho thấy tiềm năng lớn trong việc áp dụng các nghiên cứu quốc tế vào thực tiễn sản xuất trong nước.

II. Cơ sở lý thuyết

Chất lượng bề mặt và độ nhám bề mặt là hai yếu tố quan trọng trong gia công cơ khí. Độ nhám bề mặt ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ, khả năng chống mài mòn và ăn mòn của chi tiết. Các yếu tố như tốc độ cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt đều có tác động đến độ nhám bề mặt. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xác định mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và chất lượng bề mặt.

2.1. Vật liệu thép C45

Thép C45 là vật liệu phổ biến trong gia công cơ khí, có độ cứng và độ bền cao. Nghiên cứu này sử dụng thép C45 để đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt. Kết quả cho thấy, tốc độ cắt và lượng chạy dao là hai yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng bề mặt.

2.2. Quy trình gia công tốc độ cao

Gia công tốc độ cao đòi hỏi sự chính xác cao trong việc điều chỉnh các thông số công nghệ. Quy trình này bao gồm việc lựa chọn dụng cụ cắt phù hợp, thiết lập chế độ cắt và kiểm soát nhiệt độ trong quá trình gia công. Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc tối ưu hóa các thông số này giúp cải thiện đáng kể độ nhám bề mặt.

III. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt. Các thí nghiệm được thực hiện trên máy phay đứng cao tốc VF2, sử dụng dao phay ngón đường kính 8mm. Độ nhám bề mặt được đo bằng máy đo độ nhám Marhsurf PS1. Kết quả thí nghiệm được phân tích để xác định mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và chất lượng bề mặt.

3.1. Thiết bị và dụng cụ

Máy phay đứng cao tốc VF2 và dao phay ngón đường kính 8mm là hai thiết bị chính được sử dụng trong nghiên cứu. Máy đo độ nhám Marhsurf PS1 được sử dụng để đánh giá độ nhám bề mặt sau mỗi thí nghiệm. Các thông số công nghệ như tốc độ cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt được điều chỉnh để đánh giá ảnh hưởng của chúng đến chất lượng bề mặt.

3.2. Phương pháp thực nghiệm

Nghiên cứu sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt. Các thí nghiệm được thực hiện với các mức giá trị khác nhau của tốc độ cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt. Kết quả thí nghiệm được phân tích bằng các phương pháp thống kê để xác định mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và chất lượng bề mặt.

IV. Kết quả và phân tích

Kết quả nghiên cứu cho thấy, tốc độ cắt và lượng chạy dao là hai yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến độ nhám bề mặt. Khi tốc độ cắt tăng, độ nhám bề mặt giảm đáng kể. Ngược lại, khi lượng chạy dao tăng, độ nhám bề mặt tăng lên. Chiều sâu cắt cũng có ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt, nhưng không đáng kể so với hai yếu tố trên. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về gia công tốc độ cao.

4.1. Ảnh hưởng của tốc độ cắt

Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi tốc độ cắt tăng, độ nhám bề mặt giảm đáng kể. Điều này là do tốc độ cắt cao giúp giảm nhiệt độ tại vùng cắt, từ đó cải thiện chất lượng bề mặt. Tuy nhiên, tốc độ cắt quá cao có thể dẫn đến mài mòn dụng cụ, ảnh hưởng đến tuổi thọ của dao.

4.2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao

Khi lượng chạy dao tăng, độ nhám bề mặt cũng tăng lên. Điều này là do lượng chạy dao lớn tạo ra các vết cắt sâu hơn trên bề mặt chi tiết. Do đó, việc điều chỉnh lượng chạy dao phù hợp là rất quan trọng để đạt được chất lượng bề mặt tốt.

V. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu này đã xác định được ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt trong gia công tốc độ cao. Kết quả cho thấy, tốc độ cắt và lượng chạy dao là hai yếu tố quan trọng nhất cần được điều chỉnh để cải thiện chất lượng bề mặt. Nghiên cứu cũng đề xuất các hướng phát triển trong tương lai, bao gồm việc tối ưu hóa các thông số công nghệ và ứng dụng các công nghệ mới trong gia công tốc độ cao.

5.1. Ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm chi phí gia công. Việc tối ưu hóa các thông số công nghệ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp cơ khí.

5.2. Hướng phát triển

Trong tương lai, nghiên cứu có thể mở rộng sang các vật liệu khác như hợp kim nhôm hoặc thép không gỉ. Ngoài ra, việc ứng dụng các công nghệ mới như gia công bằng tia laser hoặc gia công siêu âm cũng là hướng phát triển tiềm năng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong xu thế phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp sản xuất cơ khí hiện đại, công nghệ gia công tốc độ cao (High Speed Machining - HSM) đang trở thành giải pháp đột phá giúp tăng năng suất bóc tách kim loại gấp 5 đến 10 lần so với các phương pháp cắt gọt truyền thống. Điểm mấu chốt của công nghệ này là phần lớn nhiệt cắt sinh ra được phoi cuốn đi nhanh chóng, giúp giảm ứng suất nhiệt trên bề mặt gia công và duy trì độ chính xác hình học cao. Tuy nhiên, việc kiểm soát chất lượng bề mặt gia công, đặc biệt là chỉ tiêu độ nhám bề mặt (Ra), vẫn là một bài toán kỹ thuật phức tạp chịu sự chi phối đồng thời của nhiều thông số công nghệ. Một bề mặt có độ nhám đạt chuẩn từ 0,4 đến 1,6 micromet không chỉ cải thiện khả năng chống ăn mòn, giảm ma sát, giảm mài mòn và tiếng ồn mà còn nâng cao đáng kể độ bền mỏi và tuổi thọ làm việc của chi tiết cơ khí.

Nghiên cứu của học viên Mai Công Hiển, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Thiên Phúc tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh (thực hiện từ ngày 04/07/2016 đến ngày 04/12/2016 và bảo vệ thành công ngày 06/01/2017), tập trung giải quyết vấn đề cốt lõi: xác định quy luật ảnh hưởng và xây dựng mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số công nghệ chế độ cắt với độ nhám bề mặt khi phay cao tốc. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm được giới hạn trên vật liệu thép carbon kết cấu C45 (hàm lượng carbon tiêu chuẩn khoảng 0,45%) sử dụng dao phay ngón hợp kim nguyên khối đường kính 8 mm. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi cung cấp cơ sở khoa học để các kỹ sư cơ khí thiết lập chế độ cắt tối ưu, góp phần giảm từ 20% đến 30% chi phí và thời gian cho các công đoạn gia công tinh và đánh bóng phụ trợ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng của hai lý thuyết kinh điển trong kỹ thuật cơ khí: Lý thuyết cắt gọt kim loại trực giao của Merchant và Lý thuyết động học hình thành nhấp nhô tế vi bề mặt trong gia công cắt gọt. Cùng với đó là Lý thuyết gia công tốc độ cao (HSM), vốn nhấn mạnh vào sự thay đổi cơ chế biến dạng dẻo và phân bố nhiệt năng ở dải vận tốc cắt cực lớn.

Mô hình nghiên cứu tập trung khảo sát mối quan hệ hàm số giữa các thông số đầu vào của chế độ cắt với đại lượng đầu ra là chất lượng bề mặt gia công. Khung lý thuyết tích hợp năm khái niệm công nghệ nền tảng bao gồm:

• Độ nhám bề mặt (được định lượng qua trị số sai lệch số học trung bình Ra và chiều cao nhấp nhô trung bình Rz theo tiêu chuẩn TCVN).
• Tốc độ cắt v (vận tốc dài tiếp tuyến tại lưỡi cắt, tính bằng mét/phút).
• Lượng chạy dao trên từng răng dao phay fz hoặc sr (quãng đường dao tịnh tiến trên mỗi răng cắt khi trục chính quay, tính bằng milimet/răng).
• Chiều sâu cắt dọc trục ap (độ sâu lớp kim loại bị hớt đi theo phương song song với trục dao, tính bằng milimet).
• Hiện tượng lẹo dao (Built-Up Edge - BUE, hiện tượng kim loại bị chảy dẻo và bám dính vào mặt trước của lưỡi cắt ở dải nhiệt độ và áp lực nhất định, gây cày xước và làm xấu bề mặt).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm sơ cấp thu thập trực tiếp tại xưởng C1, Bộ môn Công nghệ Chế tạo máy thuộc Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM. Thiết bị gia công là trung tâm phay đứng cao tốc CNC Haas VF-2 với độ cứng vững và tốc độ trục chính đáp ứng tiêu chuẩn HSM. Thiết bị đo kiểm là máy đo độ nhám bề mặt điện tử tiếp xúc Mahr MarSurf PS1 sử dụng đầu kim đo kim cương bán kính đỉnh 0,005 mm với góc côn 90 độ, hoạt động theo nguyên lý chuyển đổi độ lệch dọc tế vi thành tín hiệu điện tử với chiều dài chuẩn lọc sóng từ 0,8 đến 5,6 mm.

Về cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu, đề tài áp dụng phương pháp chọn mẫu thực nghiệm phân tầng chuẩn hóa theo ma trận quy hoạch thực nghiệm đa nhân tố bậc hai toàn phần dạng 3 mũ k. Tổng quy mô mẫu bao gồm 30 lượt gia công và đo đạc, trong đó có 27 thí nghiệm chính ứng với sự kết hợp của 3 nhân tố ở 3 mức giá trị công nghệ (thấp, trung bình, cao) và 3 thí nghiệm kiểm chứng lặp lại tại tâm để đánh giá sai số ngẫu nhiên. Mỗi vị trí bề mặt sau phay được đo lặp lại 3 lần tại các phương vị khác nhau và lấy giá trị trung vị nhằm triệt tiêu sai số cục bộ.

Lý do lựa chọn phương pháp quy hoạch thực nghiệm kết hợp phân tích hồi quy thống kê đa biến là vì phương pháp này cho phép đánh giá chính xác đồng thời tác động đơn lẻ, tác động phi tuyến bậc hai và các tương tác chéo giữa các thông số cắt gọt. Cách tiếp cận này giúp tiết kiệm hơn 65% thời gian, công sức và chi phí phôi liệu so với phương pháp thử - sai truyền thống nhưng vẫn bảo đảm độ tin cậy thống kê trên 95% thông qua kiểm định chuẩn Student và chuẩn Fisher (F-test). Toàn bộ quá trình nghiên cứu, chế tạo mẫu và đo kiểm số liệu được triển khai chặt chẽ từ tháng 07/2016 đến tháng 12/2016.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích số liệu thực nghiệm đơn yếu tố và đa yếu tố đã rút ra bốn phát hiện khoa học mang tính quy luật rõ rệt:

Thứ nhất, lượng chạy dao trên răng (sr) là nhân tố có mức độ ảnh hưởng chi phối mạnh nhất đến độ nhám bề mặt. Khi tăng lượng chạy dao răng từ 0,02 mm/răng lên 0,08 mm/răng, trị số độ nhám Ra tăng vọt từ khoảng 0,42 micromet lên trên 1,45 micromet, tương ứng với mức tăng hơn 245%. Dấu vết hình học để lại của lưỡi cắt trên bề mặt chi tiết tỷ lệ thuận với bình phương của lượng chạy dao.

Thứ hai, tốc độ cắt (v) tác động phi tuyến tích cực đến độ nhẵn bóng bề mặt. Khi nâng tốc độ cắt từ dải thông thường 80 m/phút lên dải tốc độ cao từ 180 đến 220 m/phút, độ nhám Ra giảm trung bình từ 25% đến 38%. Sự cải thiện bề mặt diễn ra rõ nét nhất khi tốc độ cắt vượt qua ngưỡng 140 m/phút.

Thứ ba, chiều sâu cắt dọc trục (ap) có ảnh hưởng độc lập ở mức độ thấp nhất trong ba thông số. Khi thay đổi ap từ 0,2 mm lên 0,8 mm, độ nhám chỉ biến thiên trong khoảng 10% đến 18%. Tuy nhiên, khi ap tăng cao kết hợp đồng thời với lượng chạy dao lớn, lực cắt tổng hợp gia tăng đột ngột sẽ kích thích rung động cưỡng bức của hệ thống công nghệ máy - dao - đồ gá - chi tiết, gián tiếp làm tăng độ sóng bề mặt.

Thứ tư, nghiên cứu đã xây dựng thành công phương trình hồi quy toán học đa biến mô tả quan hệ phi tuyến giữa độ nhám Ra với ba thông số v, sr, ap, đạt hệ số tương quan R bình phương trên 0,92, chứng minh mức độ tương thích rất cao giữa mô hình lý thuyết và thực tế cắt gọt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân vật lý sâu xa của hiện tượng giảm nhám khi tăng vận tốc cắt nằm ở sự chuyển dịch trạng thái nhiệt và cơ học trong vùng tạo phoi. Ở dải vận tốc cắt cao trên 150 m/phút, tần số biến dạng trượt của kim loại C45 tăng nhanh, nhiệt cắt cục bộ làm mềm dẻo lớp phôi tại bề mặt trượt, giúp phoi tách rời dễ dàng mà không gây hiện tượng cày xước tế vi. Đặc biệt, vận tốc cắt lớn đã triệt tiêu hoàn toàn vùng nhiệt độ tạo lẹo dao (vốn thường xuất hiện ở dải vận tốc 15 đến 30 m/phút), giúp lưỡi cắt tiếp xúc trực tiếp và định hình bề mặt một cách chuẩn xác.

Khi đối chiếu với các công trình khoa học tiền nhiệm, kết quả của luận văn hoàn toàn đồng thuận với nghiên cứu của tác giả Nguyễn Thanh Bình (năm 2016) khi phay cao tốc thép hợp kim SKD11 và nghiên cứu của Derzija Begic-Hajdarevic cùng các cộng sự (năm 2013) trên thép carbon. Các công trình này đều khẳng định lượng chạy dao răng là nhân tố quyết định chiều cao nhấp nhô tế vi và phay tốc độ cao luôn tạo ra chất lượng bề mặt vượt trội hơn hẳn phay truyền thống.

Về mặt biểu diễn dữ liệu, mối quan hệ phức hợp này được trực quan hóa xuất sắc thông qua các biểu đồ mặt đáp ứng ba chiều (3D Response Surface Plots) và đồ thị đường mức hai chiều (Contour Plots). Trên biểu đồ không gian ba chiều giữa tốc độ cắt và lượng chạy dao, bề mặt đáp ứng tạo thành một vùng võng parabol rõ rệt: đáy của vùng võng tương ứng với miền độ nhám thấp nhất (Ra dưới 0,5 micromet) xuất hiện tại góc kết hợp giữa tốc độ cắt cực đại (200 - 220 m/phút) và lượng chạy dao cực tiểu (0,02 - 0,03 mm/răng). Bảng phân tích phương sai ANOVA cũng chỉ ra rằng giá trị xác suất p-value của các biến bậc nhất và tương tác chéo đều nhỏ hơn 0,05, khẳng định ý nghĩa thống kê vững chắc của mô hình toán học đã thiết lập.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận thực nghiệm, bốn nhóm giải pháp kỹ thuật và công nghệ được đề xuất nhằm ứng dụng hiệu quả gia công tốc độ cao trong công nghiệp:

Thứ nhất, tối ưu hóa dải chế độ cắt công nghiệp khi phay tinh thép C45. Các doanh nghiệp gia công cơ khí chế tạo máy và khuôn mẫu cần thiết lập chế độ cắt tiêu chuẩn với tốc độ cắt v duy trì trong khoảng 160 đến 200 m/phút, lượng chạy dao răng sr kiểm soát từ 0,02 đến 0,04 mm/răng và chiều sâu cắt dọc trục ap từ 0,2 đến 0,4 mm. Giải pháp này giúp kiểm soát độ nhám bề mặt Ra ổn định dưới 0,63 micromet, rút ngắn 25% thời gian chu kỳ gia công và tiết kiệm 20% chi phí đánh bóng hoàn thiện, có thể triển khai áp dụng ngay trong quý tới bởi các kỹ sư công nghệ phân xưởng.

Thứ hai, chuẩn hóa quy trình kiểm soát rung động và quản lý hao mòn dụng cụ cắt. Trưởng bộ phận kỹ thuật tại các nhà máy cần ban hành quy định kiểm tra độ đảo hướng kính của đầu kẹp dao và trục chính định kỳ với dung sai không vượt quá 0,003 mm; đồng thời thiết lập định mức thay thế hoặc mài lại dao phay ngón hợp kim sau mỗi 100 đến 120 phút cắt gọt liên tục. Biện pháp này giúp ngăn ngừa 15% nguy cơ lỗi phế phẩm do hiện tượng mòn mặt sau của dao làm tăng đột biến độ nhám bề mặt.

Thứ ba, tích hợp mô hình hồi quy toán học vào phần mềm CAM chuyên dụng. Đội ngũ kỹ sư lập trình gia công CNC phối hợp với các chuyên gia phần mềm tích hợp phương trình dự báo độ nhám của đề tài vào cơ sở dữ liệu vật liệu của các hệ thống CAM như Mastercam, NX hoặc PowerMill. Mục tiêu hoàn thành trong vòng 6 tháng nhằm giúp phần mềm tự động tính toán và gợi ý dải thông số cắt tối ưu ngay khi lập trình đường chạy dao phay tinh.

Thứ tư, mở rộng nghiên cứu sang điều kiện gia công bôi trơn tối thiểu (MQL). Các viện nghiên cứu cơ khí và các nhóm nghiên cứu sau đại học tại các trường kỹ thuật cần triển khai các đề tài tiếp nối trong giai đoạn 2026-2027, khảo sát ảnh hưởng kết hợp của công nghệ bôi trơn tối thiểu MQL và đánh giá thêm các chỉ tiêu cơ tính chuyên sâu như ứng suất dư và chiều sâu lớp biến cứng bề mặt, nhằm gia tăng 30% độ bền mỏi cho các chi tiết máy làm việc trong điều kiện khắc nghiệt.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn thạc sĩ này là tài liệu tham khảo chuyên môn giá trị cao dành cho bốn nhóm đối tượng cụ thể sau:

Nhóm 1: Kỹ sư lập trình và vận hành máy CNC tại các nhà máy cơ khí. Tài liệu cung cấp bộ thông số chế độ cắt thực nghiệm chi tiết cho vật liệu thép C45 với dao phay ngón 8 mm, giúp kỹ sư áp dụng ngay vào chương trình gia công thực tế để đạt độ chính xác bề mặt mong muốn mà không cần tốn chi phí thử nghiệm nhiều lần.

Nhóm 2: Quản lý kỹ thuật và giám đốc sản xuất tại các doanh nghiệp khuôn mẫu, phụ tùng ô tô. Luận văn cung cấp luận cứ khoa học để đổi mới công nghệ, chuyển đổi từ phay truyền thống sang gia công tốc độ cao, qua đó nâng cao năng suất cắt gọt từ 30% đến 50%, cắt giảm chi phí gia công phụ và nâng cao năng lực cạnh tranh sản phẩm.

Nhóm 3: Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí, Chế tạo máy. Đây là tài liệu mẫu mực về phương pháp luận nghiên cứu thực nghiệm cắt gọt kim loại, hướng dẫn chi tiết cách thiết lập ma trận quy hoạch thực nghiệm 3 mũ k, quy trình vận hành máy đo profin MarSurf PS1 và kỹ thuật xử lý dữ liệu hồi quy đa biến.

Nhóm 4: Các nhà phát triển công nghệ dụng cụ cắt và giải pháp CAD/CAM. Dữ liệu thực nghiệm của luận văn là nguồn dữ liệu chuẩn hóa giúp các đơn vị này hiệu chỉnh cơ sở dữ liệu cắt gọt và tối ưu hóa hình học lưỡi cắt cho các dòng dao phay ngón gia công thép carbon.

Câu hỏi thường gặp

Gia công tốc độ cao (HSM) mang lại những ưu thế kỹ thuật vượt trội nào so với gia công phay truyền thống? Gia công tốc độ cao giúp tăng tốc độ bóc tách vật liệu gấp 5 đến 10 lần, đồng thời truyền hơn 75% nhiệt cắt vào dòng phoi thoát ra ngoài. Điều này giảm thiểu tối đa sự biến dạng nhiệt của phôi, triệt tiêu hiện tượng lẹo dao và giúp bề mặt đạt độ nhẵn bóng cao với Ra dưới 0,8 micromet, loại bỏ nhiều công đoạn gia công tinh tốn kém.

Trong các thông số chế độ cắt, yếu tố nào ảnh hưởng mạnh nhất đến độ nhám bề mặt Ra? Lượng chạy dao trên răng sr là thông số chi phối mạnh nhất. Về mặt động học, chiều cao nhấp nhô tế vi tỷ lệ thuận với bình phương lượng chạy dao; kết quả thực nghiệm cho thấy khi tăng sr từ 0,02 lên 0,08 mm/răng, độ nhám Ra đã tăng vọt hơn 245%, vượt trội hoàn toàn so với mức độ ảnh hưởng của vận tốc cắt và chiều sâu cắt.

Tại sao tăng tốc độ cắt trong dải phay cao tốc lại giúp cải thiện độ nhẵn bóng bề mặt thép C45? Khi vận tốc cắt vượt qua ngưỡng 150 m/phút, nhiệt độ sinh ra tại vùng cắt làm mềm dẻo phôi kim loại và xóa bỏ hoàn toàn hiện tượng lẹo dao bám dính. Lưỡi cắt tiếp xúc êm và ổn định hơn với bề mặt chi tiết, giúp giảm trị số độ nhám Ra từ 25% đến 38% so với khi cắt ở tốc độ thấp.

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 3 mũ k đóng vai trò gì trong việc giải quyết bài toán nghiên cứu? Phương pháp quy hoạch thực nghiệm bậc hai 3 mũ k cho phép khảo sát toàn diện 3 nhân tố ở 3 mức giá trị thông qua 27 thí nghiệm chính và 3 điểm tâm lặp lại. Giải pháp này giúp tiết kiệm trên 60% thời gian và vật tư thử nghiệm nhưng vẫn xây dựng được mô hình toán học đa biến với độ tin cậy thống kê trên 95%.

Kết quả và phương trình hồi quy của luận văn có thể áp dụng trực tiếp cho các mác thép hợp kim khác không? Mô hình toán học trong luận văn được xây dựng đặc thù cho thép carbon C45 với cơ tính và độ cứng tiêu chuẩn. Đối với các mác thép hợp kim cứng như SKD11 hoặc thép không gỉ, các kỹ sư cần tiến hành hiệu chỉnh lại các hệ số thực nghiệm để phù hợp với đặc tính cơ lý và mức độ mài mòn dao riêng biệt của từng loại vật liệu.

Kết luận

Nghiên cứu của học viên Mai Công Hiển đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu khoa học và thực tiễn đề ra với các kết luận then chốt:

• Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về gia công phay tốc độ cao (HSM), cơ chế tạo phoi và quy luật hình thành nhấp nhô tế vi bề mặt chi tiết máy.
• Hoàn thành xuất sắc 30 lượt thí nghiệm đơn yếu tố và đa yếu tố trên trung tâm phay đứng CNC Haas VF-2 kết hợp máy đo độ nhám Mahr MarSurf PS1 trên vật liệu thép C45 với dao phay ngón đường kính 8 mm.
• Xác lập chính xác thứ tự mức độ ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt: lượng chạy dao răng sr tác động lớn nhất, tiếp theo là tốc độ cắt v và chiều sâu cắt dọc trục ap.
• Xây dựng thành công phương trình hồi quy toán học phi tuyến mô tả quan hệ giữa chế độ cắt và độ nhám Ra với hệ số xác định R bình phương đạt trên 0,92.
• Đề xuất bộ thông số công nghệ tối ưu với tốc độ cắt từ 160 đến 200 m/phút và lượng chạy dao răng từ 0,02 đến 0,04 mm/răng giúp duy trì độ nhám Ra dưới 0,63 micromet, giảm 20% đến 25% chi phí hoàn thiện sản phẩm.

Trong giai đoạn 2026-2027, các hướng nghiên cứu mở rộng nên tiếp tục tích hợp công nghệ tưới nguội tối thiểu MQL và thuật toán trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa đa mục tiêu; đồng thời các doanh nghiệp sản xuất cơ khí chính xác hãy ứng dụng ngay bộ thông số công nghệ này vào dây chuyền gia công để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- MAI CÔNG HIỂN NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƢỞNG ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ TRONG GIA CÔNG TỐC ĐỘ CAO. Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí. LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.

Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2016. Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM GVHD: PGS.TS Trần Thiên Phúc CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG TP. Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Trần Thiên Phúc. (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.

Trương Nguyễn Luân Vũ. (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS. (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 06 tháng 01 năm 2017.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. Thái Thị Thu Hà. Trương Nguyễn Luân Vũ. Tôn Thiện Phương.

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA CƠ KHÍ HV: Mai Công Hiển – 7140908. 1 Luận văn thạc sĩ Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM GVHD: PGS.TS Trần Thiên Phúc ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Mai Công Hiển. Ngày, tháng, năm sinh: 23-10-1991.

Nơi sinh: Phú Yên. Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu sự ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt của các thông số công nghệ trong gia công tốc độ cao. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Bằng quy hoạch thực nghiệm xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ ( tốc độ cắt, lượng chạy dao răng, chiều sâu cắt dọc trục) đến độ nhám bề mặt trong gia công tốc độ cao khi sử dụng vật liệu gia công là thép C45 và dao phay ngón ϕ8.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) 04/07/2016 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:(Ghi theo trong QĐ giao đề tài)04/12/2016 V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):. TS Trần Thiên Phúc.

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TRƢỞNG KHOA CƠ KHÍ (Họ tên và chữ ký) Ghi chú: Học viên phải đóng tờ nhiệm vụ này vào trang đầu tiên của tập thuyết minh LV HV: Mai Công Hiển – 7140908. 2 Luận văn thạc sĩ Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM GVHD: PGS.TS Trần Thiên Phúc LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi muốn gửi lời cảm ơn đến Thầy PGS. Trần Thiên Phúc, Thầy đã giúp đỡ, hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Trong quá trình thực hiện luận văn, có những lúc gặp khó khăn, vướng mắc luôn được Thầy cho lời khuyên và định hướng giúp tôi vượt qua những khó khăn này để hoàn thành luận văn.

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy, Cô trong xưởng C1, bộ môn Công nghệ chế tạo máy đã luôn giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi thực hiện các thí nghiệm để hoàn thành luận văn. Tôi xin cảm ơn quý Thầy, Cô trong khoa Cơ Khí đã tham gia giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức cần thiết để tôi có thể hoàn thành luận văn. Cuối cùng, tôi gửi lời cảm ơn đến tất cả những người thân trong gia đình và bạn bè đã luôn thông cảm, giúp đỡ và động viên tôi trong quá trình học tập tại trường Đại Học Bách khoa TP.HCM Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên cao học Mai Công Hiển HV: Mai Công Hiển – 7140908. 3 Luận văn thạc sĩ Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM GVHD: PGS.TS Trần Thiên Phúc TÓM TẮT Gia công tốc độ cao (HSM) là một trong những công nghệ hiện đại mà so với gia công thông thường cho phép làm tăng năng suất, độ chính xác, chất lượng chi tiết và còn giảm chi phí và thời gian gia công ở thời điểm nhất định.

Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của các thông số công nghệ đối với độ nhám bề mặt khi gia công tốc độ cao với thép carbon được nghiên cứu. Các thông số công nghệ xem xét bao gồm tốc độ cắt, lượng chạy dao trên răng và chiều sâu cắt dọc trục. Các thực nghiệm gia công được thực hiện sử dụng dao phay ngón, đường kính 8 mm. Kết quả cho thấy, các thông số công nghệ có ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt.

Từ khóa: Gia công tốc độ cao, độ nhám bề mặt, các thông số công nghệ, thép cacbon. ABSTRACT High Speed Machining (HSM) is one of the modern technologies, which in comparison with conventional cutting enables to increased productivity, accuracy, quality of parts and at the time to decrease costs and machining time. In this study, the effect of technological parameters on surface roughness during high speed machining of carbon steel has been investigated. The technological parameters considered include cutting speed, feed per tooth and axial depth of cut.

The cutting experiments are carried out using end milling tool, diameter 8 mm. The results show that, technological parameters has effect on the surface roughness. Keywords: High speed machining, surface roughness, technological parameters, carbon steel. HV: Mai Công Hiển – 7140908.

4 Luận văn thạc sĩ Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM GVHD: PGS.TS Trần Thiên Phúc LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là: Mai Công Hiển. Mã số học viên: 7140908. Tôi đã thực hiện luận văn cao học với đề tài “Nghiên cứu sự ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt của các thông số công nghệ trong gia công tốc độ cao” dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS Trần Thiên Phúc. Tôi xin cam kết đây là luận văn tốt nghiệp cao học của riêng tôi, số liệu trong luận văn là trung thực.

Tôi đã thực hiên luận văn đúng theo quy định của phòng đào tạo sau đại học và theo hướng dẫn của Thầy PGS.TS Trần Thiên Phúc. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với những lời cam kết trên. HCM, tháng 12 năm 2016. Học viên cao học Mai Công Hiển.

HV: Mai Công Hiển – 7140908. 5 Luận văn thạc sĩ Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM GVHD: PGS.TS Trần Thiên Phúc MỤC LỤC: DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ .9 DANH MỤC BẢNG .12 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.13 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.1 Giới thiệu chung về vấn đề nghiên cứu: .2 Phạm vi ứng dụng: .2 Tình hình về vấn đề nghiên cứu ở Việt Nam: .3 Tình hình về vấn đề nghiên cứu trên thế giới: .4 Khuyết điểm và hạn chế chƣa làm đƣợc: .5 Các loại máy và dụng cụ cắt trong gia công tốc độ cao: .1 Một số máy gia công cao tốc:.2 Một số dụng cụ cắt: .3 Một số loại máy đo độ nhám: .6 Tính cấp thiết của đề tài: .7 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu: .8 Ý nghĩa của đề tài: .1 Ý nghĩa khoa học:.2 Ý nghĩa thực tiễn: .27 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.1 Chất lƣợng bề mặt và độ nhám bề mặt trong gia công: .1 Bề mặt trong gia công: .2 Chất lƣợng của bề mặt gia công: .3 Kết cấu của một bề mặt: .4 Độ nhám bề mặt: .1 Một số khái niệm: .2 Ảnh hƣởng của độ nhám đến tính chất sử dụng của chi tiết:.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt: .4 Phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng bề mặt:.2 Vật liệu thép cacbon: .40 HV: Mai Công Hiển – 7140908. 6 Luận văn thạc sĩ Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM GVHD: PGS.TS Trần Thiên Phúc 2.3 Cơ sở lý thuyết cắt: .1 Sơ lƣợc về quá trình gia công:.2 Quá trình tạo phoi:.4 Gia công tốc độ cao, phay tốc độ cao:.1 Gia công tốc độ cao: .2 Phay tốc độ cao:.54 CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.1 Phân tích và chọn thông số thực nghiệm: .2 Các thiết bị sử dụng trong thực nghiệm: .1 Máy phay đứng cao tốc VF2: .2 Máy đo độ nhám Marhsurf PS1: .3 Dụng cụ cắt: .4 Phôi dùng trong thực nghiệm: .5 Gá đặt khi gia công: .6 Hình thức đo độ nhám bề mặt: .7 Phƣơng pháp thực hiện thực nghiệm: .60 CHƢƠNG 4: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM.1 Thực nghiệm đơn yếu tố: .1 Thực nghiệm đơn yếu tố - yếu tố tốc độ cắt: .2 Thực nghiệm đơn yếu tố - yếu tố lƣợng chạy dao răng: .3 Thực nghiệm đơn yếu tố - chiều sâu cắt dọc trục: .2 Thực nghiệm đa yếu tố: .1 Chọn phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm: .2 Xác định số thí nghiệm lặp lại trên mỗi thực nghiệm: .3 Thực nghiệm đa yếu tố: .4 Các đồ thị thể hiện sự ảnh hƣởng từng cặp thông số đầu vào đến độ nhám bề mặt: .72 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.77 HV: Mai Công Hiển – 7140908. 7 Luận văn thạc sĩ Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM GVHD: PGS.TS Trần Thiên Phúc TÀI LIỆU THAM KHẢO: .80 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG: .87 HV: Mai Công Hiển – 7140908.

8 Luận văn thạc sĩ Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM GVHD: PGS.TS Trần Thiên Phúc DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Một số loại máy gia công cao tốc trên thị trường.2: Một số hình ảnh về dụng cụ cắt.3: Một số hình ảnh về máy đo độ nhám trên thị trường.1: Mặt cắt phóng đại của một chi tiết kim loại điển hình[2].2: Cấu trúc bề mặt của chi tiết.3: Sai lệch so với bề mặt danh nghĩa[2].4: Độ nhám bề mặt.5: Ảnh hưởng của các thông số hình học đến bề mặt chi tiết của dụng cụ cắt đơn.6: Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến độ nhám bề mặt khi gia công thép.7: Ảnh hưởng của lượng chạy dao s tới chiều cao nhấp nhô tế vi Rz.8: Thiết bị điện tử đo độ nhám bề mặt một vật mẫu[2].9: Minh họa hoạt động của thiết bị đo độ nhám bề mặt[2].10: (a) Mặt cắt dọc của quá trình gia công, (b) Dụng cụ cắt với góc trước âm.11: Tốc độ cắt v, lượng chạy dao s (f), chiều sâu cắt t (d) trong quá trình tiện.12: (a) Mặt cắt dọc của quá trình gia công, (b) Dụng cụ cắt với góc trước âm.13: Dụng cụ một lưỡi cắt và nhiều lưỡi cắt[2].14: Mô hình cắt trực giao: (a) không gian 3 chiều, (b) không gian 2 chiều[2].15: Biến dạng trượt trong quá trình hình thành phoi: (a) hình thành phoi được miêu tả như một loạt các tấm song song trượt tương đối với nhau, (b) một trong những HV: Mai Công Hiển – 7140908. 9 Luận văn thạc sĩ Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM GVHD: PGS.TS Trần Thiên Phúc tấm được tách riêng để minh họa cho định nghĩa của biến dạng trượt dựa trên mô hình tấm; và (c) các thông số tam giác biến dạng cắt[2].