Tổng quan nghiên cứu

Sản xuất công nghiệp chiếm khoảng 20-30% giá trị hàng hóa và dịch vụ trong nền kinh tế quốc dân, đóng vai trò then chốt trong phát triển kinh tế và nâng cao tiêu chuẩn sống. Trong đó, ngành chế tạo máy là xương sống, cung cấp thiết bị và công cụ cho các ngành khác. Tuy nhiên, tại Việt Nam, nhiều xưởng gia công nhỏ và vừa còn gặp khó khăn về chất lượng, năng suất và chi phí sản xuất cao, ảnh hưởng đến tính cạnh tranh sản phẩm. Một trong những nguyên nhân chính là thiếu các nghiên cứu khoa học sâu sắc về ảnh hưởng của các thông số hình học dao đến chất lượng gia công, đặc biệt trong gia công tiện cứng.

Tiện cứng là phương pháp gia công các vật liệu có độ cứng trên 45 HRC, được xem là giải pháp thay thế hiệu quả cho mài truyền thống nhờ tính linh hoạt, chi phí thấp và khả năng gia công chính xác. Tuy nhiên, quá trình này còn nhiều thách thức về độ ổn định, độ tin cậy, lực cắt, mòn dao và chất lượng bề mặt gia công. Độ nhám bề mặt là chỉ số quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và chi phí sản xuất. Việc cải tiến các thông số hình học dao như góc nâng, góc trước, góc nghiêng chính nhằm tối ưu lực cắt, giảm mòn dao và nâng cao chất lượng bề mặt là nhu cầu cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu là xác định mức độ và quy luật ảnh hưởng của các thông số hình học dao đến lực cắt, độ mòn dao và độ nhám bề mặt trong gia công tiện cứng sử dụng mảnh hợp kim tiêu chuẩn. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi gia công thép hợp kim cứng trên máy tiện tại Việt Nam, với thời gian thực nghiệm và phân tích dữ liệu trong năm 2019. Kết quả nghiên cứu góp phần thiết lập cơ sở khoa học cho việc thiết kế, cải tiến và sử dụng hiệu quả thiết bị gia công, nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất trong ngành cơ khí chế tạo máy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ bản trong công nghệ cắt gọt kim loại, bao gồm:

  • Nguyên lý cắt gọt và chuyển động trong gia công tiện: Chuyển động chính (vận tốc cắt), chuyển động chạy dao và chuyển động phụ tạo nên quá trình cắt gọt. Các thông số chế độ cắt gồm vận tốc cắt (Vc), chiều sâu cắt (t), lượng chạy dao (S) ảnh hưởng trực tiếp đến lực cắt và chất lượng bề mặt.

  • Thông số hình học dao tiện theo tiêu chuẩn ISO: Bao gồm góc nâng (λ), góc trước (γO), góc nghiêng chính (Φ), góc sau chính (αO). Các góc này ảnh hưởng đến lực cắt, nhiệt độ vùng cắt, mòn dao và độ nhám bề mặt.

  • Mô hình lực cắt Ernst và Merchant: Lực tổng hợp F được phân tích thành các thành phần lực cắt chính (Fz), lực dọc trục (Fx), lực đẩy (Fy) và các lực ma sát trên mặt trước và mặt sau dao. Mối quan hệ giữa các lực này và các góc hình học dao giúp dự đoán lực cắt và mòn dao.

  • Hiện tượng mài mòn dao: Mài mòn mặt sau, mặt trước, mài mòn lưỡi liềm và cùn lưỡi cắt là các dạng mòn phổ biến. Quá trình mòn dao diễn ra qua ba giai đoạn: mòn bắt đầu, mòn bình thường và mòn cấp tốc dẫn đến hỏng dao.

  • Tiện cứng và các đặc trưng: Tiện cứng là gia công vật liệu có độ cứng từ 42 đến 65 HRC, ưu điểm là tốc độ gia công nhanh, không cần tưới nguội, giảm chi phí và thân thiện môi trường. Tuy nhiên, cần kiểm soát tốt các thông số để tránh ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng bề mặt và tuổi thọ dao.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp mô hình toán học và tối ưu hóa:

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm gia công tiện cứng trên máy tiện với mảnh hợp kim tiêu chuẩn TNGA160404S01525 6050, vật liệu phôi là thép hợp kim AISI 1055 đã tôi cứng.

  • Thiết kế thực nghiệm: Sử dụng thiết kế thực nghiệm cấu trúc có tâm (Central Composite Design) với ba yếu tố chính là góc nâng (λ), góc trước (γO), góc nghiêng chính (Φ) ở nhiều mức khác nhau để khảo sát ảnh hưởng đến lực cắt (Fx, Fy, Fz), độ mòn dao (Vb) và độ nhám bề mặt (Ra).

  • Phương pháp phân tích: Áp dụng phương pháp đáp ứng bề mặt (Response Surface Methodology - RSM) để xây dựng mô hình bậc hai mô tả mối quan hệ giữa các thông số hình học dao và các chỉ tiêu đầu ra. Phân tích phương sai (ANOVA) được sử dụng để đánh giá mức độ ảnh hưởng và ý nghĩa thống kê của các yếu tố.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình thực nghiệm và thu thập dữ liệu diễn ra trong năm 2019, bao gồm giai đoạn chuẩn bị thiết bị, thực hiện thí nghiệm, xử lý số liệu và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của góc nâng (λ) đến lực cắt và độ mòn dao: Khi góc nâng tăng từ khoảng 0° đến 20°, lực cắt thành phần Fx giảm trung bình 15%, trong khi độ mòn dao giảm khoảng 10%. Điều này cho thấy góc nâng lớn giúp giảm ma sát và nhiệt sinh ra, kéo dài tuổi thọ dao.

  2. Góc trước (γO) ảnh hưởng mạnh đến độ nhám bề mặt: Tăng góc trước từ -10° đến 10° làm giảm độ nhám bề mặt Ra trung bình từ 1,2 μm xuống còn 0,7 μm, tương đương giảm 42%. Góc trước lớn giúp giảm biến dạng vật liệu và lực cắt, cải thiện chất lượng bề mặt.

  3. Góc nghiêng chính (Φ) tác động đến lực đẩy (Fy) và độ mòn dao: Khi góc nghiêng chính tăng từ 30° đến 60°, lực đẩy Fy giảm khoảng 20%, đồng thời độ mòn dao giảm 12%. Góc nghiêng lớn giúp phân bố lực cắt đều hơn, giảm áp lực lên dao.

  4. Mối quan hệ tương tác giữa các góc hình học dao: Phân tích ANOVA cho thấy tương tác giữa góc nâng và góc trước có ảnh hưởng đáng kể đến lực cắt và độ nhám bề mặt (p < 0,05). Mô hình bậc hai dự đoán lực cắt và độ nhám với sai số trung bình dưới 5%, phù hợp với dữ liệu thực nghiệm.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ảnh hưởng của thông số hình học dao đến quá trình tiện cứng. Việc tăng góc nâng và góc trước giúp giảm lực cắt và nhiệt độ vùng cắt, từ đó giảm mòn dao và cải thiện độ nhám bề mặt. Góc nghiêng chính lớn làm giảm lực đẩy, giúp ổn định quá trình gia công và kéo dài tuổi thọ dao.

So sánh với nghiên cứu của Samir Khamel và Süleyman Neseli, các kết quả về ảnh hưởng của góc trước và góc nghiêng chính tương đồng, tuy nhiên nghiên cứu này mở rộng thêm phân tích về góc nâng và tương tác giữa các góc, cung cấp cái nhìn toàn diện hơn. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ bề mặt 3D và đường đồng mức thể hiện sự biến đổi lực cắt và độ nhám theo từng cặp thông số hình học dao, giúp trực quan hóa mối quan hệ phức tạp.

Việc xác định bộ thông số hình học dao tối ưu không chỉ nâng cao chất lượng bề mặt mà còn giảm chi phí sản xuất do giảm mòn dao và lực cắt, phù hợp với điều kiện sản xuất tại các xưởng gia công nhỏ và vừa ở Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa góc nâng dao trong khoảng 15°-20° nhằm giảm lực cắt và mòn dao, kéo dài tuổi thọ dụng cụ, áp dụng trong vòng 6 tháng tại các nhà máy gia công cơ khí.

  2. Điều chỉnh góc trước dao từ 5° đến 10° để cải thiện độ nhám bề mặt, nâng cao chất lượng sản phẩm, thực hiện trong quy trình gia công tinh.

  3. Tăng góc nghiêng chính lên 50°-60° để giảm lực đẩy và ổn định quá trình gia công, giảm thiểu rung động và hư hại dao, áp dụng trong các công đoạn gia công thô và bán tinh.

  4. Áp dụng phương pháp thiết kế thực nghiệm và phân tích đáp ứng bề mặt (RSM) để liên tục theo dõi và điều chỉnh các thông số hình học dao phù hợp với từng loại vật liệu và điều kiện gia công cụ thể, triển khai trong các trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ.

  5. Đào tạo kỹ thuật viên và công nhân vận hành máy tiện về tầm quan trọng của các thông số hình học dao và cách điều chỉnh phù hợp nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia công nghệ chế tạo máy: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình toán học giúp thiết kế và tối ưu hóa dụng cụ cắt, nâng cao hiệu quả gia công tiện cứng.

  2. Nhà quản lý sản xuất tại các nhà máy cơ khí: Tham khảo để xây dựng quy trình gia công chuẩn, giảm chi phí sản xuất và tăng chất lượng sản phẩm, đặc biệt trong các xưởng gia công nhỏ và vừa.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ cắt gọt và gia công tiện cứng.

  4. Các nhà nghiên cứu phát triển công nghệ gia công: Cung cấp cơ sở khoa học để phát triển các công cụ tối ưu hóa, mô phỏng quá trình gia công và ứng dụng công nghệ mới trong sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

  1. Góc nâng dao ảnh hưởng như thế nào đến lực cắt trong gia công tiện cứng?
    Góc nâng dao lớn giúp giảm lực cắt bằng cách giảm ma sát và nhiệt sinh ra tại vùng cắt, từ đó giảm mòn dao và tăng tuổi thọ dụng cụ. Ví dụ, tăng góc nâng từ 0° lên 20° có thể giảm lực cắt thành phần Fx khoảng 15%.

  2. Tại sao góc trước dao lại quan trọng đối với độ nhám bề mặt?
    Góc trước dao ảnh hưởng đến biến dạng vật liệu và lực cắt. Góc trước lớn giúp giảm lực cắt và biến dạng, tạo bề mặt gia công mịn hơn. Nghiên cứu cho thấy tăng góc trước từ -10° đến 10° giảm độ nhám Ra đến 42%.

  3. Làm thế nào để xác định bộ thông số hình học dao tối ưu?
    Sử dụng thiết kế thực nghiệm cấu trúc có tâm kết hợp phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) để xây dựng mô hình toán học dự đoán và tối ưu hóa các thông số hình học dao nhằm đạt mục tiêu giảm lực cắt, mòn dao và độ nhám bề mặt.

  4. Mòn dao ảnh hưởng thế nào đến chất lượng gia công?
    Mòn dao làm tăng lực cắt, giảm độ chính xác và chất lượng bề mặt, đồng thời làm tăng chi phí do phải thay thế dao thường xuyên. Kiểm soát mòn dao thông qua điều chỉnh góc hình học dao giúp nâng cao hiệu quả gia công.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các loại vật liệu khác không?
    Mặc dù nghiên cứu tập trung vào thép hợp kim cứng AISI 1055, các kết quả và mô hình có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các vật liệu cứng khác với điều kiện gia công tương tự, tuy nhiên cần thực nghiệm bổ sung để hiệu chỉnh mô hình.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định rõ ảnh hưởng của các thông số hình học dao (góc nâng, góc trước, góc nghiêng chính) đến lực cắt, độ mòn dao và độ nhám bề mặt trong gia công tiện cứng.
  • Mô hình bậc hai xây dựng bằng phương pháp đáp ứng bề mặt cho phép dự đoán chính xác các chỉ tiêu đầu ra với sai số dưới 5%.
  • Bộ thông số hình học dao tối ưu được đề xuất giúp giảm lực cắt khoảng 15%, giảm mòn dao 10-12% và cải thiện độ nhám bề mặt đến 42%.
  • Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, hỗ trợ thiết kế, cải tiến dụng cụ cắt và nâng cao hiệu quả sản xuất trong ngành cơ khí chế tạo máy.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu với các loại vật liệu và điều kiện gia công khác, đồng thời ứng dụng mô hình vào thực tế sản xuất để đánh giá hiệu quả lâu dài.

Khuyến nghị hành động: Các nhà máy và trung tâm nghiên cứu nên áp dụng bộ thông số hình học dao tối ưu và phương pháp thiết kế thực nghiệm để nâng cao chất lượng gia công tiện cứng, giảm chi phí và tăng năng suất sản xuất.