Tổng quan nghiên cứu

Gia công cơ khí chính xác đóng vai trò then chốt trong sản xuất các chi tiết máy, đặc biệt là trong chế tạo khuôn mẫu nhựa, nơi yêu cầu độ chính xác và chất lượng bề mặt rất cao. Thép hợp kim đã nhiệt luyện, như thép X12M, là vật liệu phổ biến dùng cho các chi tiết khuôn như chốt đẩy, trụ dẫn hướng nhờ tính chất cơ lý ưu việt. Tuy nhiên, quá trình mài tròn thép hợp kim này đòi hỏi lựa chọn chế độ cắt hợp lý để đảm bảo độ chính xác kích thước và độ nhám bề mặt đạt yêu cầu kỹ thuật.

Nghiên cứu tập trung vào việc xác định ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt gồm tốc độ quay chi tiết (n), lượng tiến dao (f) và chiều sâu cắt (t) trong quá trình mài tròn CNC thép hợp kim đã nhiệt luyện. Mục tiêu là xây dựng mô hình thực nghiệm, tối ưu hóa đa mục tiêu nhằm giảm thiểu sai lệch kích thước và độ nhám bề mặt (Ra), từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sử dụng máy mài CNC. Phạm vi nghiên cứu thực hiện trên máy mài Supertec CNC với vật liệu thép X12M đã nhiệt luyện, trong điều kiện thực nghiệm tại Việt Nam, góp phần bổ sung kiến thức chuyên sâu về gia công mài tròn thép hợp kim trong bối cảnh ứng dụng công nghệ CNC hiện đại.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc cải tiến quy trình gia công, giảm chi phí, rút ngắn thời gian sản xuất và nâng cao độ tin cậy của các chi tiết khuôn, đồng thời hỗ trợ phát triển công nghệ gia công cơ khí chính xác tại Việt Nam.

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:

  • Quá trình mài tròn ngoài: Phân tích hình học, động học và động lực học quá trình mài tròn ngoài, bao gồm các thông số như chiều dài cung tiếp xúc, lực cắt, công suất mài và năng lượng mài riêng. Mài tròn ngoài có tâm chạy dao dọc và chạy dao ngang được xem xét để hiểu rõ ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng gia công.

  • Phương pháp Taguchi: Thiết kế thực nghiệm sử dụng ma trận trực giao để giảm số lượng thí nghiệm nhưng vẫn đảm bảo thu thập đủ dữ liệu đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố chế độ cắt đến chất lượng sản phẩm. Phân tích phương sai ANOVA được áp dụng để xác định mức độ đóng góp của từng yếu tố.

  • Phân tích quan hệ xám (GRA): Phương pháp tối ưu đa mục tiêu nhằm đồng thời tối ưu hóa các chỉ tiêu chất lượng như độ nhám bề mặt và sai lệch kích thước. GRA chuẩn hóa dữ liệu và tính toán cấp độ quan hệ xám để lựa chọn bộ thông số chế độ cắt tối ưu.

Các khái niệm chính bao gồm: độ nhám bề mặt (Ra), sai lệch kích thước đường kính (ΔD), lực cắt (Ft, Fn, Fa), tốc độ cắt (vc), lượng tiến dao (f), chiều sâu cắt (t), và các đặc tính vật liệu hạt mài (độ cứng, độ bền cơ học).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thực nghiệm trên máy mài tròn ngoài CNC Supertec G32/38P-100CNC với vật liệu thép hợp kim X12M đã nhiệt luyện. Đá mài sử dụng là loại SA100J với hạt mài Corindon Al₂O₃, độ hạt #100, độ cứng trung bình (J).

  • Thiết kế thực nghiệm: Sử dụng ma trận trực giao L9 theo phương pháp Taguchi để khảo sát ba yếu tố chính: tốc độ quay chi tiết (n), lượng tiến dao (f), chiều sâu cắt (t) với ba mức khác nhau. Mỗi thí nghiệm được lặp lại để đảm bảo độ tin cậy số liệu.

  • Phương pháp phân tích: Dữ liệu thu thập được xử lý bằng phần mềm Minitab, phân tích ANOVA để xác định mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố. Phân tích quan hệ xám (GRA) được áp dụng để tối ưu hóa đa mục tiêu, đồng thời giảm thiểu độ nhám bề mặt và sai lệch kích thước.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình thực nghiệm và phân tích kéo dài trong khoảng thời gian từ đầu năm 2022 đến giữa năm 2023, bao gồm giai đoạn chuẩn bị thiết bị, tiến hành thí nghiệm, xử lý số liệu và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tốc độ quay chi tiết (n): Tốc độ quay chi tiết có ảnh hưởng lớn nhất đến độ nhám bề mặt (Ra), chiếm khoảng 45% mức độ đóng góp theo phân tích ANOVA. Khi tăng tốc độ quay từ mức thấp đến cao, độ nhám bề mặt giảm trung bình 15%, cho thấy tốc độ quay cao giúp cải thiện chất lượng bề mặt.

  2. Ảnh hưởng của lượng tiến dao (f): Lượng tiến dao ảnh hưởng chủ yếu đến sai lệch kích thước đường kính (ΔD), chiếm khoảng 40% mức độ đóng góp. Tăng lượng tiến dao làm sai lệch kích thước tăng lên đến 12%, do lực cắt lớn hơn gây biến dạng chi tiết.

  3. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt (t): Chiều sâu cắt có ảnh hưởng vừa phải đến cả hai chỉ tiêu Ra và ΔD, với mức đóng góp khoảng 25%. Chiều sâu cắt lớn làm tăng lực cắt và nhiệt sinh ra, dẫn đến tăng độ nhám và sai lệch kích thước.

  4. Tối ưu hóa đa mục tiêu: Áp dụng phân tích quan hệ xám, bộ thông số chế độ cắt tối ưu được xác định là tốc độ quay chi tiết 320 rpm, lượng tiến dao 0.02 mm/vòng, chiều sâu cắt 0.03 mm. Ở chế độ này, độ nhám bề mặt đạt giá trị trung bình khoảng 0.35 µm, sai lệch kích thước dưới 0.01 mm, giảm lần lượt 20% và 15% so với các chế độ chưa tối ưu.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy tốc độ quay chi tiết là yếu tố quyết định chất lượng bề mặt do ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ cắt và nhiệt sinh ra trong quá trình mài. Lượng tiến dao và chiều sâu cắt ảnh hưởng đến lực cắt và biến dạng chi tiết, từ đó tác động đến độ chính xác kích thước. So với các nghiên cứu trước đây về mài thép cacbon, nghiên cứu này mở rộng và làm rõ hơn ảnh hưởng của chế độ cắt trên thép hợp kim đã nhiệt luyện, vật liệu có tính chất cơ lý phức tạp hơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cột thể hiện mức độ đóng góp phần trăm của từng yếu tố đến Ra và ΔD, cùng bảng tổng hợp giá trị S/N và cấp độ quan hệ xám cho các tổ hợp chế độ cắt. Việc áp dụng phương pháp Taguchi kết hợp GRA giúp giảm số lượng thí nghiệm nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác và hiệu quả trong tối ưu hóa đa mục tiêu.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, giúp các kỹ sư gia công lựa chọn chế độ cắt phù hợp, nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sử dụng máy mài CNC trong sản xuất khuôn mẫu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng bộ thông số chế độ cắt tối ưu: Khuyến nghị sử dụng tốc độ quay chi tiết 320 rpm, lượng tiến dao 0.02 mm/vòng, chiều sâu cắt 0.03 mm trong gia công mài tròn thép hợp kim X12M đã nhiệt luyện để đạt chất lượng bề mặt và độ chính xác kích thước tối ưu. Thời gian áp dụng ngay trong các dây chuyền sản xuất khuôn mẫu.

  2. Tăng cường kiểm soát và giám sát quá trình mài: Lắp đặt cảm biến đo lực cắt và độ nhám bề mặt tự động để theo dõi liên tục, phát hiện sớm các sai lệch và điều chỉnh chế độ cắt kịp thời nhằm duy trì chất lượng ổn định.

  3. Đào tạo nhân lực vận hành máy CNC: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết lập chế độ cắt, vận hành máy mài CNC và phân tích dữ liệu để nâng cao năng lực kỹ thuật, giảm thiểu sai sót trong quá trình gia công.

  4. Nghiên cứu mở rộng cho các loại thép hợp kim khác: Tiếp tục nghiên cứu tối ưu chế độ cắt cho các loại thép hợp kim có tính chất khác nhau, mở rộng phạm vi ứng dụng và nâng cao hiệu quả sản xuất trong ngành cơ khí chính xác.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư gia công cơ khí và vận hành máy CNC: Nắm bắt kiến thức về ảnh hưởng các thông số chế độ cắt đến chất lượng gia công, áp dụng tối ưu hóa trong thực tế sản xuất.

  2. Nhà quản lý sản xuất trong ngành chế tạo khuôn mẫu: Sử dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến quy trình, nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí và thời gian gia công.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về công nghệ mài tròn ngoài, phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi và tối ưu hóa đa mục tiêu.

  4. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ gia công: Cơ sở để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về điều khiển thích nghi, tự động hóa và ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong gia công cơ khí chính xác.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần tối ưu hóa chế độ cắt khi mài thép hợp kim?
    Tối ưu hóa giúp giảm sai lệch kích thước và độ nhám bề mặt, nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sử dụng máy móc, đồng thời giảm chi phí và thời gian gia công.

  2. Phương pháp Taguchi có ưu điểm gì trong thiết kế thực nghiệm?
    Taguchi giảm số lượng thí nghiệm cần thiết, tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời giúp xác định chính xác mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến kết quả.

  3. Độ nhám bề mặt Ra là gì và tại sao quan trọng?
    Ra là chỉ số đo độ nhám trung bình của bề mặt, ảnh hưởng đến tính năng lắp ghép, mài mòn và thẩm mỹ của chi tiết. Độ nhám thấp thường đồng nghĩa với chất lượng bề mặt cao.

  4. Làm thế nào để đo độ nhám bề mặt chính xác?
    Sử dụng máy đo độ nhám chuyên dụng như HOMMEL-TESTER T1000 với đầu dò mũi kim, cho kết quả chính xác và khách quan hơn so với phương pháp so sánh bằng mắt.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các loại thép khác không?
    Kết quả chủ yếu áp dụng cho thép hợp kim đã nhiệt luyện như X12M, tuy nhiên phương pháp nghiên cứu và tối ưu hóa có thể điều chỉnh để áp dụng cho các loại vật liệu khác với đặc tính riêng biệt.

Kết luận

  • Đã xác định được ảnh hưởng chính của các thông số chế độ cắt (tốc độ quay, lượng tiến dao, chiều sâu cắt) đến độ nhám bề mặt và sai lệch kích thước khi mài tròn thép hợp kim đã nhiệt luyện.
  • Phương pháp Taguchi kết hợp phân tích quan hệ xám hiệu quả trong tối ưu hóa đa mục tiêu, giúp lựa chọn bộ thông số chế độ cắt tối ưu.
  • Bộ thông số tối ưu giúp giảm 20% độ nhám bề mặt và 15% sai lệch kích thước so với chế độ chưa tối ưu.
  • Kết quả nghiên cứu có giá trị ứng dụng thực tiễn cao trong sản xuất khuôn mẫu và gia công cơ khí chính xác.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng cho các loại vật liệu và ứng dụng công nghệ tự động hóa, điều khiển thích nghi trong gia công mài CNC.

Hành động tiếp theo: Áp dụng bộ thông số chế độ cắt tối ưu vào sản xuất thực tế, đồng thời triển khai đào tạo nhân lực và nghiên cứu mở rộng để nâng cao năng lực công nghệ gia công cơ khí chính xác.