Tổng quan nghiên cứu

Ngành chế tạo máy tại Việt Nam đóng vai trò then chốt trong phát triển kinh tế xã hội, với tốc độ tăng trưởng khoảng 9,4% theo báo cáo của Bộ Công Thương. Máy lăn răng là thiết bị gia công phổ biến, chiếm khoảng 10% khối lượng gia công kim loại bằng cắt gọt, đóng góp quan trọng trong sản xuất bánh răng và các chi tiết cơ khí khác. Tuy nhiên, việc sử dụng máy lăn răng nhập khẩu như máy Y3150/3 tại Việt Nam còn hạn chế do thiếu các nghiên cứu về chế độ vận hành tối ưu, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và chi phí năng lượng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xác định quy luật ảnh hưởng của các thông số công nghệ như tốc độ cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt đến độ nhám bề mặt và chi phí điện năng riêng khi gia công bánh răng trên máy lăn răng Y3150/3. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi gia công thép C45 bằng phương pháp lăn răng chép hình, với các thí nghiệm thực nghiệm được tiến hành tại các cơ sở chế tạo máy ở Việt Nam. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng máy lăn răng, giảm chi phí sản xuất và cải thiện chất lượng sản phẩm, góp phần thúc đẩy ngành công nghiệp chế tạo máy phát triển theo hướng hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về quá trình cắt gọt kim loại, trong đó:

  • Lý thuyết lực cắt và công suất cắt: Phân tích các thành phần lực cắt (Pz, Px, Py) và công suất cắt dựa trên các thông số chế độ cắt như tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt, chiều rộng cắt. Công thức thực nghiệm được sử dụng để mô tả mối quan hệ giữa lực cắt và các thông số này.
  • Lý thuyết chất lượng bề mặt gia công: Đánh giá độ nhám bề mặt (R) như một chỉ tiêu quan trọng phản ánh chất lượng sản phẩm, chịu ảnh hưởng bởi các thông số công nghệ và vật liệu gia công.
  • Mô hình toán học hồi quy đa biến: Xây dựng mô hình toán học dạng phương trình hồi quy bậc hai để mô tả ảnh hưởng đồng thời của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt và chi phí điện năng riêng.
  • Khái niệm chi phí điện năng riêng (N): Là lượng điện năng tiêu thụ để gia công một sản phẩm, phản ánh hiệu quả kinh tế của quá trình gia công.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp các phương pháp:

  • Phương pháp kế thừa: Tổng hợp, phân tích các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về gia công bánh răng và máy lăn răng.
  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phân tích các công thức lực cắt, công suất cắt, và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công.
  • Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thí nghiệm trên máy lăn răng Y3150/3 với cỡ mẫu khoảng 30 thí nghiệm thăm dò và thực nghiệm đa yếu tố theo ma trận Hartley, mỗi thí nghiệm lặp lại 3 lần để đảm bảo độ tin cậy.
  • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố: Giảm số lượng thí nghiệm cần thiết, đồng thời đánh giá ảnh hưởng tương tác giữa các yếu tố.
  • Phương pháp xử lý số liệu thống kê: Kiểm tra tính đồng nhất phương sai theo tiêu chuẩn Kokhren, kiểm định ý nghĩa hệ số hồi quy theo tiêu chuẩn Student, kiểm tra tính tương thích mô hình theo tiêu chuẩn Fisher, và đánh giá khả năng dự báo của mô hình bằng hệ số xác định R² (>0,75).
  • Phương pháp tối ưu đa mục tiêu: Sử dụng các phương pháp chuyển đổi bài toán đa mục tiêu thành bài toán một mục tiêu để xác định chế độ cắt tối ưu, cân bằng giữa chất lượng bề mặt và chi phí điện năng.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong khoảng năm 2017-2018, tại các cơ sở nghiên cứu và sản xuất cơ khí ở Cần Thơ và các địa phương lân cận.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến độ nhám bề mặt và chi phí điện năng riêng: Khi tăng tốc độ cắt từ khoảng 50 đến 200 m/phút, độ nhám bề mặt giảm từ khoảng 2,5 µm xuống còn 1,2 µm, trong khi chi phí điện năng riêng giảm khoảng 15%. Tuy nhiên, khi tốc độ cắt vượt quá 200 m/phút, độ nhám bề mặt có xu hướng tăng nhẹ do hiện tượng leo dao, còn chi phí điện năng riêng giảm chậm lại.

  2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến các chỉ tiêu nghiên cứu: Tăng lượng chạy dao từ 0,1 mm/răng lên 0,3 mm/răng làm tăng độ nhám bề mặt khoảng 20%, đồng thời chi phí điện năng riêng tăng khoảng 10%. Điều này cho thấy lượng chạy dao cần được điều chỉnh hợp lý để cân bằng giữa năng suất và chất lượng.

  3. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến độ nhám và chi phí điện năng: Chiều sâu cắt tăng từ 0,1 mm lên 0,3 mm làm giảm độ nhám bề mặt khoảng 12% và giảm chi phí điện năng riêng khoảng 8%, do lực cắt và công suất cắt tăng nhưng hiệu quả gia công được cải thiện.

  4. Mô hình toán học hồi quy đa biến: Mô hình dự báo độ nhám bề mặt và chi phí điện năng riêng đạt hệ số xác định R² lần lượt là 0,82 và 0,79, cho thấy mô hình có khả năng dự báo tốt các chỉ tiêu nghiên cứu dựa trên các thông số công nghệ.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy tốc độ cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt đều có ảnh hưởng rõ rệt đến chất lượng bề mặt và chi phí điện năng riêng khi gia công bánh răng trên máy lăn răng Y3150/3. Tốc độ cắt tăng giúp giảm độ nhám bề mặt và chi phí điện năng đến một ngưỡng nhất định, sau đó hiệu quả giảm do hiện tượng leo dao và tăng nhiệt độ cắt. Lượng chạy dao tăng làm tăng độ nhám và chi phí, do lớp cắt dày hơn và lực cắt lớn hơn. Chiều sâu cắt tăng giúp cải thiện chất lượng bề mặt và giảm chi phí điện năng nhờ tăng hiệu quả cắt.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả phù hợp với các công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng gia công và tiêu hao năng lượng. Ví dụ, các nghiên cứu về phay bánh răng và phay hợp kim titan cũng chỉ ra tầm quan trọng của việc tối ưu hóa các thông số công nghệ để nâng cao năng suất và chất lượng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt với độ nhám bề mặt và chi phí điện năng riêng, cũng như bảng tổng hợp các hệ số hồi quy và kiểm định thống kê.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa chế độ cắt: Đề xuất sử dụng tốc độ cắt trong khoảng 150-200 m/phút, lượng chạy dao 0,15-0,2 mm/răng và chiều sâu cắt 0,25-0,3 mm để đạt chất lượng bề mặt tốt và chi phí điện năng thấp nhất. Thời gian áp dụng: ngay trong các dây chuyền sản xuất hiện tại.

  2. Đào tạo kỹ thuật viên vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về hiểu biết và điều chỉnh các thông số công nghệ trên máy lăn răng Y3150/3 nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị. Chủ thể thực hiện: các cơ sở đào tạo nghề và doanh nghiệp chế tạo máy, trong vòng 6 tháng.

  3. Áp dụng mô hình toán học dự báo: Sử dụng mô hình hồi quy xây dựng trong luận văn để dự báo và điều chỉnh chế độ cắt phù hợp với từng loại vật liệu và yêu cầu chất lượng sản phẩm. Chủ thể thực hiện: bộ phận kỹ thuật và quản lý sản xuất, áp dụng liên tục.

  4. Nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng: Khuyến khích các doanh nghiệp áp dụng các biện pháp tiết kiệm điện năng trong quá trình gia công, như bảo trì máy móc định kỳ, sử dụng thiết bị đo lường và giám sát tiêu thụ điện năng. Thời gian thực hiện: dài hạn, theo kế hoạch phát triển bền vững.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp chế tạo máy: Nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí điện năng và cải thiện chất lượng sản phẩm bánh răng, từ đó tăng sức cạnh tranh trên thị trường.

  2. Các viện nghiên cứu và trường đại học kỹ thuật: Là tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo về gia công bánh răng và tối ưu hóa chế độ cắt trên máy công cụ nhập khẩu.

  3. Kỹ thuật viên và kỹ sư vận hành máy công cụ: Cung cấp kiến thức thực tiễn về ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng và chi phí, giúp vận hành máy hiệu quả hơn.

  4. Các nhà quản lý sản xuất và hoạch định chính sách công nghiệp: Hỗ trợ trong việc xây dựng các chính sách phát triển ngành chế tạo máy, khuyến khích áp dụng công nghệ và kỹ thuật tiên tiến.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần tối ưu hóa các thông số công nghệ khi gia công bánh răng?
    Tối ưu hóa giúp cân bằng giữa chất lượng sản phẩm và chi phí sản xuất, giảm hao phí năng lượng và tăng năng suất. Ví dụ, chọn tốc độ cắt phù hợp giúp giảm độ nhám bề mặt và chi phí điện năng.

  2. Máy lăn răng Y3150/3 có ưu điểm gì so với các loại máy khác?
    Máy Y3150/3 là máy lăn răng vạn năng, có khả năng gia công nhiều loại bánh răng với độ chính xác cao, phù hợp với nhiều vật liệu khác nhau, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất.

  3. Làm thế nào để xác định số lần lặp lại thí nghiệm phù hợp?
    Số lần lặp được xác định dựa trên sai số tương đối cho phép (<5%) và tiêu chuẩn Student với mức ý nghĩa 0,05, đảm bảo độ tin cậy của kết quả thí nghiệm.

  4. Mô hình toán học hồi quy có thể áp dụng cho các loại vật liệu khác không?
    Mô hình được xây dựng trên vật liệu thép C45, tuy nhiên có thể điều chỉnh và hiệu chỉnh để áp dụng cho các vật liệu khác dựa trên dữ liệu thực nghiệm bổ sung.

  5. Chi phí điện năng riêng ảnh hưởng như thế nào đến giá thành sản phẩm?
    Chi phí điện năng riêng chiếm phần đáng kể trong tổng chi phí sản xuất, giảm chi phí này giúp hạ giá thành sản phẩm, tăng lợi nhuận và khả năng cạnh tranh của doanh nghiệp.

Kết luận

  • Xác định được quy luật ảnh hưởng của tốc độ cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt đến độ nhám bề mặt và chi phí điện năng riêng khi gia công bánh răng trên máy lăn răng Y3150/3.
  • Xây dựng thành công mô hình toán học hồi quy đa biến với hệ số xác định R² trên 0,79, có khả năng dự báo chính xác các chỉ tiêu nghiên cứu.
  • Đề xuất chế độ cắt tối ưu giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí điện năng, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất.
  • Khuyến nghị đào tạo kỹ thuật viên và áp dụng mô hình dự báo trong quản lý sản xuất để sử dụng máy hiệu quả hơn.
  • Tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi vật liệu và loại máy lăn răng khác nhằm hoàn thiện hơn các giải pháp tối ưu trong ngành chế tạo máy.

Hành động tiếp theo là triển khai áp dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất và tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật vận hành máy lăn răng Y3150/3 nhằm nâng cao năng lực sản xuất và chất lượng sản phẩm.