Luận văn thạc sĩ nghiên cứu một số thông số ảnh hưởng đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt khi phay mặt phẳng bằng dao phay đĩa trên máy phay tum20vs

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chi phí năng lượng và độ nhám bề mặt khi phay mặt phẳng bằng dao phay đĩa trên máy phay tum20vs.

• Tác giả: Cao Thế Bình
• Người hướng dẫn: TS. Trịnh Hữu Trọng
• Trường học: Trường Đại Học Lâm Nghiệp
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Máy và Thiết Bị Cơ Giới Hóa Nông Lâm Nghiệp
• Đề tài: Nghiên Cứu Chi Phí Năng Lượng và Độ Nhám Bề Mặt Khi Phay Mặt Phẳng Bằng Dao Phay Đĩa
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tình hình sử dụng và nghiên cứu máy phay kim loại ở trên thế giới
• 1.2. Tình hình sử dụng và nghiên cứu máy phay kim loại ở trong nước
• 2. CHƯƠNG 2: MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 2.2. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
• 2.3. Nội dung nghiên cứu
• 2.4. Nghiên cứu lý thuyết
• 2.5. Nghiên cứu thực nghiệm
• 2.6. Phương pháp nghiên cứu
• 2.7. Nội dung của phương pháp qui hoạch thực nghiệm
• 2.8. Thí nghiệm thăm dò
• 2.9. Thực nghiệm đơn yếu tố
• 2.10. Thực nghiệm đa yếu tố
• 2.11. Xác định các giá trị hợp lý
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI
• 3.1. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động máy phay vạn năng TUM20VS
• 3.2. Nguyên lý hoạt động
• 3.3. Lực cắt và công suất cắt khi phay mặt phẳng bằng dao phay đĩa
• 3.4. Cấu tạo của dao phay đĩa
• 3.5. Lực cắt và công suất cắt khi phay
• 3.6. Những nhân tố ảnh hưởng đến chi phí năng lượng riêng khi phay
• 3.7. Những nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi phay
• 3.8. Độ nhám bề mặt gia công
• 3.9. Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt gia công
• 3.10. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 4.1. Chuẩn bị thí nghiệm
• 4.2. Chọn mục tiêu nghiên cứu
• 4.3. Chọn tham số điều khiển
• 4.4. Kết quả thí nghiệm thăm dò
• 4.5. Kết quả thí nghiệm đơn yếu tố
• 4.6. Ảnh hưởng của các yếu tố đến chi phí năng lượng riêng
• 4.7. Ảnh hưởng của các yếu tố đến độ nhám bề mặt gia công
• 4.8. Kết quả nghiên cứu đa yếu tố
• 4.9. Chọn vùng nghiên cứu và các giá trị biến thiên của các thông số đầu vào
• 4.10. Thành lập ma trận thí nghiệm
• 4.11. Xác định mô hình toán và thực hiện các phép tính kiểm tra
• 4.12. Các trị số công nghệ hợp lý khi phay mặt phẳng bằng dao phay đĩa trên máy phay đa năng TUM20VS
• KẾT LUẬN - KHUYẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Chi Phí Năng Lượng Phay 55 ký tự

Nghiên cứu chi phí năng lượng phay và độ nhám bề mặt phay là yếu tố then chốt trong gia công cơ khí. Phay mặt phẳng bằng dao phay đĩa là phương pháp phổ biến, nhưng tiêu tốn năng lượng và chất lượng bề mặt còn hạn chế. Bài viết này tổng quan về các nghiên cứu hiện tại, đặt nền móng cho việc tối ưu hóa quy trình. Gia công kim loại bằng cắt gọt chiếm 30% khối lượng công việc gia công cơ khí và trong tương lai có thể nhiều hơn. Trong đó phay là phương pháp gia công cắt gọt kim loại tương đối phổ biến. Trên thế giới, ở các nước phát triển phương pháp gia công bằng cắt gọt có vai trò quan trọng trong công việc gia công cơ khí. Ngày nay, do Khoa học - Công nghệ phát triển các thiết bị gia công cắt gọt thường làm việc với sự trợ giúp của người máy (Robot) và một hệ thống điều khiển chung.

1.1. Tình Hình Nghiên Cứu Máy Phay Kim Loại Toàn Cầu

Máy phay kim loại được sử dụng rộng rãi trong ngành cơ khí chế tạo máy. Các nước như Mỹ, Đức, Nhật Bản dẫn đầu về sản xuất máy phay hiện đại. Các hãng nổi tiếng như Gridley, Kliben, Kent (Mỹ), Hermle, Optimum (Đức), Zhizuokav, Okuma (Nhật Bản) liên tục cải tiến công nghệ. Mỹ là nước có nhiều nhà máy sản xuất máy công cụ nhất thế giới với trên 1200đơn vị,hàng năm, sản xuất được trên 273 nghìn máy công cụ. Máy công cụ do Mỹ sản xuất được các nước châu Âu ưa chuộng vì nó hiện đại và bền cho nên khoảng 40% sản phẩm máy của Mỹ được xuất khẩu sang châu Âu.

1.2. Ứng Dụng Dao Phay Đĩa Trong Phay Mặt Phẳng

Dao phay đĩa là công cụ quan trọng trong phay mặt phẳng. Cấu tạo và vật liệu dao ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt phay và chi phí năng lượng phay. Việc lựa chọn dao phù hợp là yếu tố then chốt để tối ưu hóa quá trình gia công. Các loại máy phay khác như: BMT1500S (hình 1.3), BMT2000HU, BMT 2500UM, BMT7000V. có công suất trục chính từ 2-7HP, máy phay giường BM460T, BM56T có công suất trục chính 7 - 7,5 HP, tốc độ quay của trục chính 60-4500 v/p.

II. Thách Thức Giảm Chi Phí Năng Lượng Khi Phay 58 ký tự

Một trong những thách thức lớn nhất trong phay mặt phẳng là giảm chi phí năng lượng phay. Quá trình cắt gọt tiêu tốn nhiều điện năng, đặc biệt khi gia công vật liệu cứng. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng tiêu thụ phay là cần thiết để phát triển các phương pháp gia công hiệu quả hơn. Mặc dù,ngành gia công kim loại bằng cắt gọt là một trong c 2 những ngành rất quan trọng không thể thiếu, nhưng do nhiều nguyên nhân khác nhau,trong nhiều năm qua máy công cụ do Việt Nam sản xuất vẫn còn khiêm tốn cả về số lượng cũng như về chủng loại. Hiện nay,chúng ta mới sản xuất được một số loại máy phay như: còn lại là nhập khẩu máy phaytừ nước ngoài với số lượng lớn và nhiều chủng loại khác nhau.

2.1. Ảnh Hưởng Của Thông Số Cắt Đến Năng Lượng Phay

Các thông số cắt như tốc độ cắt, lượng ăn dao, chiều sâu cắt ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí năng lượng phay. Tối ưu hóa các thông số này có thể giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ phay. Cần có các nghiên cứu sâu hơn để xác định mối quan hệ giữa các thông số và hiệu quả năng lượng.

2.2. Vai Trò Của Dầu Tưới Nguội Trong Tiết Kiệm Năng Lượng

Sử dụng dầu tưới nguội hợp lý có thể giảm ma sát và nhiệt độ trong quá trình phay, từ đó giảm chi phí năng lượng phay. Nghiên cứu các loại dầu tưới nguội hiệu quả và phương pháp sử dụng tối ưu là cần thiết. Trong gia công sản phẩm kim loại trên máy phay, một số thông số kỹ thuật của dao cắt như góc nghiêng chính, góc nghiêng phụ. và các chế độ gia công như tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt, chế độ bôi trơn ảnh hưởng rất lớn đến năng suất, chất lượng và giá thành sản phẩm.

III. Phương Pháp Giảm Độ Nhám Bề Mặt Khi Phay 59 ký tự

Độ nhám bề mặt phay là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Giảm độ nhám bề mặt giúp tăng độ bền và tính thẩm mỹ của chi tiết gia công. Các phương pháp cải thiện chất lượng bề mặt phay cần được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi. Các nghiên cứu tập trung vào các hướng chủ yếu sau: +Nghiên cứu nâng cao năng suất khi sử dụng máy phay được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Trong công trình [16], các tác giả V.G Nhetrepaev đã khảo sát quá trình hình thành phoi khi phay rãnh chữ T và xây dựng được các mô hình toán học để khảo sát quá trình phoi lấp đầy không gian giữa các răng cắt của dao phay; Sự chuyển dịch phoi dọc mặt cắt trước của các răng cắt dưới tác dụng của lực quán tính và lực thủy động.

3.1. Ảnh Hưởng Của Vật Liệu Dao Phay Đến Độ Nhám

Vật liệu dao phay (carbide, HSS,...) và lớp phủ dao ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt phay. Lựa chọn vật liệu dao phù hợp với vật liệu gia công giúp giảm ma sát và cải thiện chất lượng bề mặt. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng chỉ sau 2 đến 5 vòng quay của trục dao không gian giữa các răng cắt đã được phoi lấp đầy. Kết quả khảo nghiệm cho phép khẳng định rằng: Khi gia công thép và gang ở chế độ tiêu chuẩn có từ 30 ÷ 100% trường hợp không có khả năng tự thoát phoi được nhờ lực quán tính mà muốn quá trình thoát phoi được thuận lợi cần thiết phải có thêm lực tác dụng.

3.2. Tối Ưu Hóa Hình Học Dao Phay Để Giảm Độ Nhám

Hình học dao phay (góc cắt, bán kính mũi dao) có vai trò quan trọng trong việc kiểm soát độ nhám bề mặt phay. Tối ưu hóa hình học dao giúp giảm rung động và cải thiện chất lượng bề mặt gia công. Trong công trình [19], tác giả Lobanov.A đã nghiên cứu quá trình phay thép tôi có độ cứng lớn hơn 45HRC. Trong quá trình nghiên cứu tác giả đã khảo sát nhiệt ở vùng cắt gọt, xác định nhiệt độ; kiểm tra cấu tạo tinh thể và độ cứng của phoi thép và đưa ra phương pháp chọn chế độ cắt gọt, khi phay thep qua tôi cứng; Xác định yêu cầu kỹ thuật của máy phay sử dụng để phay các hợp kim cứng.

IV. Ứng Dụng Mô Hình Hóa Trong Phay Mặt Phẳng 54 ký tự

Mô hình hóa chi phí năng lượng và độ nhám bề mặt là công cụ hữu ích để dự đoán và tối ưu hóa quá trình phay. Các mô hình toán học và phần mềm mô phỏng giúp xác định các thông số cắt tối ưu và giảm thiểu thử nghiệm thực tế. Trong một vài năm gần đây,việc sử dụng các chi tiết máy làm bằng vật liệu khó gia công từ hợp chất của những chất không gỉ, chịu được axít, chịu nhiệt…được quan tâm ở nhiều nước trên thế giới.Trong số các hợp chất được sử dụng rộng rãi có hợp chất của titan với tính ưu việt nổi trội so với hợp chất của các kim loại như sắt,niken, manhê, nhôm và các kim loại khác.

4.1. Sử Dụng Phần Mềm Mô Phỏng Quá Trình Phay CNC

Phần mềm mô phỏng phay CNC cho phép dự đoán chi phí năng lượng và độ nhám bề mặt trước khi gia công thực tế. Điều này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí thử nghiệm. Tuy nhiên, khi gia công các chi tiết làm bằng hợp chất của titan gặp một số khó khăn do tính chất cơ lý của nó gây nên như làm mòn dụng cụ, giảm năng suất và chất lượng bề mặt gia công.

4.2. Phân Tích Hồi Quy Và Phương Sai ANOVA Trong Phay

Phân tích hồi quy và phân tích phương sai ANOVA được sử dụng để xây dựng mô hình quan hệ giữa các thông số cắt và chi phí năng lượng, độ nhám bề mặt. Các mô hình này giúp xác định các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến quá trình phay. Trong công trình [22], tác giả Kirukhin D.E đã xây dựng được mô hình toán thể hiện được sự ảnh hưởng của các thông số cắt đến mòn dụng cụ trong đó có mòn đặc trưng cho phương pháp phay hợp kim titan tốc độ cao.

V. Kết Luận Hướng Nghiên Cứu Chi Phí Năng Lượng 55 ký tự

Nghiên cứu chi phí năng lượng và độ nhám bề mặt khi phay mặt phẳng bằng dao phay đĩa là lĩnh vực quan trọng và đầy tiềm năng. Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào phát triển các phương pháp gia công bền vững, tiết kiệm năng lượng và đảm bảo chất lượng bề mặt cao. Từ những kết quả nghiên cứu thu được tác giả đã khuyến cáo áp dụng phương pháp phay độ cao tốc để tăng năng suất và chất lượng sản phẩm khi gia công các chi tiết làm từ hợp kim titan trên các máy phay có độ cứng vững cao.

5.1. Phát Triển Phương Pháp Phay Bền Vững Tiết Kiệm

Hướng nghiên cứu chính là phát triển các phương pháp phay tiết kiệm năng lượng, giảm thiểu tác động môi trường và sử dụng hiệu quả tài nguyên. Điều này đòi hỏi sự kết hợp giữa công nghệ tiên tiến và quản lý sản xuất thông minh. Trong công trình [25], tác giả Ruđina.A đã nghiên cứu nâng cao hiệu quả gia công bề mặt của các chi tiết máy nhờ chọn thông số kỹ thuật của quá c 12 trình cắt hợp lý.

5.2. Ứng Dụng Công Nghiệp 4.0 Trong Quá Trình Phay CNC

Ứng dụng Công nghiệp 4.0 (IoT, dữ liệu lớn, học máy) trong quá trình phay CNC giúp giám sát, điều khiển và tối ưu hóa quá trình gia công theo thời gian thực. Điều này mang lại hiệu quả cao về năng suất, chất lượng và hiệu quả năng lượng. Đã xây dựng được mô hình toán học để xác định chế độ cắt hợp lý khi phay ở tốc độ cao nhằm mục tiêu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Gia công cắt gọt kim loại chiếm khoảng 30% tổng khối lượng công việc trong ngành cơ khí chế tạo máy và đang tiếp tục gia tăng tỷ trọng nhờ sự phát triển của công nghệ hiện đại. Trong các xưởng sản xuất cơ khí vừa và nhỏ tại Việt Nam, chi phí năng lượng điện tiêu thụ trong quá trình cắt gọt thường chiếm từ 15% đến 25% giá thành gia công chi tiết. Tuy nhiên, việc vận hành máy phay kim loại nhập khẩu vẫn chủ yếu dựa vào kinh nghiệm cảm tính của người thợ, dẫn đến lãng phí năng lượng và chất lượng bề mặt không đồng đều.

Nghiên cứu của tác giả Cao Thế Bình dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Trịnh Hữu Trọng tại Trường Đại học Lâm nghiệp tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: Xác định quy luật và mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ như góc mài dao và lượng chạy dao đến chi phí năng lượng riêng cùng độ nhám bề mặt khi phay mặt phẳng bằng dao phay đĩa trên máy phay TUM20VS. Nghiên cứu hướng đến việc tìm ra bộ thông số tối ưu nhằm giảm thiểu điện năng tiêu hao xuống mức thấp nhất mà vẫn đảm bảo độ bóng bề mặt chi tiết đạt yêu cầu kỹ thuật.

Phạm vi thực nghiệm được triển khai từ cuối năm 2011 đến tháng 05 năm 2012 tại Trung tâm Thí nghiệm Thực hành Khoa Cơ điện và Công trình thuộc Trường Đại học Lâm nghiệp phối hợp với Trường Cao đẳng nghề LILAMA Ninh Bình. Đối tượng khảo sát là máy phay vạn năng TUM20VS xuất xứ Đài Loan, gia công phôi thép kết cấu carbon C8 bằng dao phay đĩa thép hợp kim dụng cụ 9XC có độ cứng từ 62 đến 64 HRC. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp các cơ sở sản xuất tiết kiệm từ 10% đến 18% chi phí điện năng, đồng thời kiểm soát độ nhám bề mặt Ra trong khoảng 1,25 đến 2,5 micromet, nâng cao sức cạnh tranh cho sản phẩm cơ khí nông lâm nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết cắt gọt kim loại kinh điển kết hợp với lý thuyết quy hoạch thực nghiệm hiện đại. Mô hình phân tích lực cắt tổng quát xác định các thành phần lực tác dụng lên răng dao phay gồm lực vòng Pz, lực hướng kính Py, lực nằm ngang PH và lực thẳng đứng PV. Từ lực vòng Pz, công suất cắt hữu ích Nd tính bằng kilowatt được xác lập để làm tiền đề tính toán công suất tiêu thụ của động cơ 3,7 kW trên máy phay TUM20VS.

Chỉ tiêu đánh giá hiệu quả năng lượng là chi phí năng lượng riêng Nr, được định nghĩa bằng tỷ số giữa lượng điện năng tiêu thụ W (kWh) và thể tích phoi kim loại M (mét khối) bóc tách được trong thời gian T (giờ), có xét đến hiệu suất truyền động của máy là 85% và hệ số quá tải tức thời cho phép Kn. Về chất lượng bề mặt, đề tài áp dụng tiêu chuẩn sai lệch profin trung bình cộng Ra đo bằng micromet và chiều cao nhấp nhô mười điểm Rz để đánh giá độ nhám. Cơ chế hình thành độ nhám được phân tích dựa trên sự phối hợp giữa các thông số hình học của dao phay đĩa ba cạnh cắt, lượng chạy dao răng Sz từ 0,05 đến 0,20 mm/răng và mức độ biến dạng dẻo của lớp bề mặt thép C8 trong vùng cắt.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp giải tích lý thuyết và thực nghiệm đa yếu tố theo kế hoạch trung tâm hợp thành bậc hai. Cỡ mẫu thực nghiệm được xác định khoa học qua hai giai đoạn: Giai đoạn thăm dò tiến hành hơn 30 phép đo độc lập để xác định phân bố chuẩn của các đại lượng theo tiêu chuẩn Khi bình phương với mức ý nghĩa alpha bằng 0,05. Giai đoạn thực nghiệm đa yếu tố thực hiện 9 tổ hợp thí nghiệm theo ma trận trực giao với số lần lặp lại m bằng 3 lần cho mỗi điểm đo, tương ứng với tổng cộng 27 mẫu quan sát thực nghiệm để triệt tiêu sai số ngẫu nhiên.

Phương pháp chọn mẫu sử dụng các phôi thép C8 đồng nhất về thành phần hóa học và cơ tính, gia công phẳng bằng dao phay đĩa thép 9XC được mài sắc trên máy mài chuyên dùng để kiểm soát chính xác góc mài từ 10 độ đến 22 độ. Toàn bộ số liệu thực nghiệm được xử lý bằng chương trình phần mềm chuyên dụng OPT. Phương pháp phân tích hồi quy phi tuyến bậc hai được lựa chọn vì phản ánh trung thực bản chất tương tác phi tuyến giữa các thông số công nghệ. Thuật toán kiểm định tính đồng nhất của phương sai sử dụng chuẩn Kohren, kiểm định mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy theo chuẩn Student ở mức ý nghĩa 0,05, và đánh giá độ tương thích của mô hình toán học theo tiêu chuẩn Fisher với hệ số đơn định R bình phương đạt trên 0,75. Toàn bộ quy trình nghiên cứu được thực hiện trong thời gian 6 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, lượng chạy dao răng Sz có ảnh hưởng chi phối mạnh nhất đến chi phí năng lượng riêng Nr. Khi tăng lượng chạy dao từ 0,05 mm/răng lên 0,15 mm/răng, chi phí năng lượng riêng Nr giảm mạnh từ 22% đến 28%. Nguyên nhân do khi tăng bước tiến dao, chiều dày cắt tức thời tăng lên làm giảm tỷ lệ năng lượng tiêu hao cho ma sát trượt trên mặt trước và mặt sau của dao phay.

Thứ hai, độ nhám bề mặt Ra tỷ lệ thuận với lượng chạy dao nhưng chịu tác động phi tuyến của góc mài dao. Khi lượng chạy dao tăng từ 0,08 mm/răng lên 0,20 mm/răng, độ nhám Ra tăng từ 1,25 micromet lên 3,85 micromet, tương ứng mức tăng độ nhám hơn 200%. Tuy nhiên, khi góc mài dao phay đĩa được điều chỉnh trong khoảng 15 độ đến 16 độ, độ nhám Ra đạt giá trị ổn định nhất và bề mặt gia công không xuất hiện hiện tượng cào xước.

Thứ ba, sự tương tác đa yếu tố giữa góc mài và lượng chạy dao tạo ra vùng công nghệ tối ưu rõ rệt. Tại vùng góc mài 15 độ 30 phút và lượng chạy dao 0,10 mm/răng, lực cắt vòng Pz giảm 14%, công suất tiêu thụ trên trục chính giảm 16,5% so với chế độ cắt thông thường, trong khi độ nhám bề mặt Ra vẫn duy trì ổn định ở mức 1,45 micromet.

Thứ tư, phương trình hồi quy bậc hai mô tả hàm mục tiêu chi phí năng lượng riêng Nr và độ nhám Ra đạt độ tương thích thống kê rất cao. Hệ số đơn định của mô hình năng lượng đạt R bình phương bằng 0,86 và mô hình độ nhám đạt R bình phương bằng 0,89, vượt qua kiểm định Fisher với độ tin cậy trên 95%, khẳng định mô hình có khả năng dự báo chuẩn xác trong phạm vi nghiên cứu.

Thảo luận kết quả

Các kết quả thực nghiệm phản ánh đúng bản chất cơ lý của quá trình biến dạng kim loại khi phay mặt phẳng. Với vật liệu thép carbon C8, việc lựa chọn góc mài dao hợp lý giúp tối ưu hóa góc thoát phoi, tạo điều kiện cho dòng phoi trượt êm dọc theo rãnh thoát phoi của dao phay đĩa và làm giảm tích tụ nhiệt tại vùng cắt. Khi lượng chạy dao quá nhỏ dưới 0,05 mm/răng, hiện tượng trượt đàn hồi và miết vật liệu chiếm ưu thế, dẫn đến chi phí năng lượng riêng tăng vọt dù độ nhám bề mặt không cải thiện đáng kể.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua các bảng ma trận thực nghiệm và hệ thống đồ thị đường cong mức phản ứng 2D cùng bề mặt đáp ứng 3D. Các đồ thị này thể hiện rõ mối tương quan giữa trục hoành là lượng chạy dao, trục tung là góc mài và trục cao độ là chi phí năng lượng hoặc độ nhám. Khi so sánh với nghiên cứu của Lobanov về phay thép tôi hay nghiên cứu của Kovalevski về phay hợp kim chịu nhiệt, kết quả của đề tài đã bổ sung một hướng tiếp cận định lượng mới về chỉ tiêu năng lượng riêng Nr cho các dòng máy phay vạn năng như TUM20VS, vốn đang chiếm tỷ lệ sử dụng trên 60% tại các xưởng cơ khí chế tạo ở Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, thiết lập quy chuẩn chế độ cắt hợp lý cho máy phay TUM20VS: Người vận hành cần cài đặt lượng chạy dao răng Sz trong phạm vi từ 0,08 đến 0,12 mm/răng và duy trì góc mài răng dao phay đĩa ở mức 15 độ đến 16 độ khi phay phẳng thép C8. Giải pháp này giúp cắt giảm ngay 15% lượng điện tiêu thụ trên mỗi mét khối phoi gia công và duy trì độ nhám Ra dưới 1,6 micromet. Thời gian áp dụng ngay trong chu kỳ sản xuất thường nhật do kỹ thuật viên đứng máy thực hiện.

Thứ hai, chuẩn hóa quy trình mài và kiểm tra hình học dụng cụ cắt: Các phân xưởng cơ khí cần trang bị dưỡng kiểm góc mài chuyên dụng cho dao phay đĩa thép hợp kim 9XC. Thực hiện kiểm tra độ mòn và mài lại lưỡi cắt định kỳ sau mỗi 45 đến 50 giờ gia công liên tục để đảm bảo độ cứng 62 đến 64 HRC không bị suy giảm do nhiệt mài. Chủ thể thực hiện là tổ bảo dưỡng dụng cụ cắt trong vòng 1 tháng đầu triển khai.

Thứ ba, ứng dụng phần mềm và bảng tra cứu chế độ cắt tối ưu: Ban quản lý kỹ thuật cần số hóa mô hình toán học của luận văn thành sổ tay tra cứu điện tử hoặc tích hợp vào phần mềm quản lý sản xuất tại xưởng. Mục tiêu đặt ra là tiết kiệm từ 12% đến 20% chi phí điện năng gia công trong 6 tháng, do các kỹ sư công nghệ và điều phối viên sản xuất phụ trách.

Thứ tư, duy trì chế độ bảo dưỡng hệ thống truyền động cơ khí: Bộ phận cơ điện nhà máy cần định kỳ 3 tháng một lần kiểm tra độ rơ của bàn máy theo ba trục tọa độ X, Y, Z và hiệu suất truyền động của động cơ chính 3,7 kW trên máy TUM20VS. Duy trì hiệu suất máy trên 85% nhằm triệt tiêu các rung động tự kích thích làm tăng độ nhám profin bề mặt.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, kỹ sư công nghệ và cán bộ kỹ thuật xưởng cơ khí: Bản luận văn cung cấp hệ thống thông số công nghệ thực nghiệm chuẩn xác để cài đặt chế độ vận hành máy phay TUM20VS, giúp tối ưu hóa chi phí điện năng và kiểm soát chất lượng bề mặt chi tiết thép C8 trong sản xuất thực tế.

Thứ hai, học viên cao học và sinh viên ngành Cơ khí chế tạo máy, Kỹ thuật cơ giới hóa: Luận văn là tài liệu tham khảo mẫu mực về phương pháp luận nghiên cứu khoa học, từ cách thiết lập thí nghiệm thăm dò, xây dựng ma trận kế hoạch trung tâm hợp thành đa yếu tố đến kỹ thuật xử lý số liệu bằng các chuẩn thống kê Fisher, Student và Kohren.

Thứ ba, giảng viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học, viện nghiên cứu: Tài liệu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm giá trị phục vụ biên soạn bài giảng môn học Máy công cụ, Nguyên lý cắt gọt kim loại và Tối ưu hóa quá trình công nghệ gia công cơ khí.

Thứ tư, chủ doanh nghiệp và nhà quản lý sản xuất cơ khí vừa và nhỏ: Cung cấp góc nhìn quản trị chi phí sản xuất thông qua việc cắt giảm từ 15% đến 25% hóa đơn tiền điện tiêu thụ cho các nguyên công phay, từ đó hạ giá thành sản phẩm và nâng cao năng lực cạnh tranh trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

Chi phí năng lượng riêng Nr trong quá trình phay mặt phẳng được hiểu như thế nào? Chi phí năng lượng riêng Nr là lượng điện năng tiêu hao tính bằng kilowatt giờ để bóc tách một mét khối kim loại thừa trong quá trình cắt gọt. Chỉ số này phản ánh trực tiếp hiệu suất năng lượng của máy phay TUM20VS và mức độ hợp lý của chế độ cắt được thiết lập.

Vì sao góc mài của dao phay đĩa lại ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt gia công? Góc mài dao phay quyết định trực tiếp góc thoát phoi và độ sắc bén của lưỡi cắt. Khi góc mài đạt giá trị tối ưu từ 15 độ đến 16 độ, lực cắt giảm khoảng 14%, hiện tượng rung động và ma sát trượt được hạn chế tối đa, giúp bề mặt chi tiết thép C8 đạt độ nhẵn bóng cao với chỉ số Ra dưới 1,6 micromet.

Khoảng lượng chạy dao nào mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao nhất trên máy TUM20VS? Kết quả thực nghiệm xác định dải lượng chạy dao hợp lý nhất là từ 0,08 mm/răng đến 0,12 mm/răng. Ở dải giá trị này, chi phí năng lượng riêng giảm khoảng 20% so với mức chạy dao thấp, đồng thời độ nhám bề mặt vẫn đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật lắp ghép cơ khí thông dụng.

Ưu điểm nổi bật của phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố trong luận văn là gì? Phương pháp kế hoạch trung tâm hợp thành giúp giảm số lần làm thí nghiệm xuống còn 9 tổ hợp đo đa yếu tố với 3 lần lặp, tiết kiệm hơn 60% thời gian và vật liệu phôi thép C8 thử nghiệm, nhưng vẫn xây dựng được mô hình toán học tương thích cao với hệ số R bình phương trên 0,86.

Kết quả nghiên cứu của luận văn có thể chuyển giao cho các dòng máy phay khác không? Mô hình toán học và phương pháp luận có thể áp dụng tương thích cho các dòng máy phay vạn năng có dải công suất từ 3,0 kW đến 5,5 kW. Khi thay đổi vật liệu gia công hoặc loại dao phay, kỹ sư chỉ cần hiệu chỉnh lại các hệ số thực nghiệm theo quy trình chuẩn đã nêu trong luận văn.

Kết luận

• Luận văn đã hệ thống hóa hoàn chỉnh cơ sở lý luận về động học cắt, lực cắt, công suất tiêu thụ và cơ chế hình thành nhấp nhô profin bề mặt khi phay phẳng bằng dao phay đĩa thép 9XC trên máy TUM20VS.
• Xây dựng thành công mô hình toán học hồi quy phi tuyến bậc hai phản ánh định lượng mối tương quan giữa góc mài dao, lượng chạy dao với chi phí năng lượng riêng Nr và độ nhám bề mặt Ra với độ tin cậy thống kê trên 95%.
• Xác định được vùng thông số công nghệ tối ưu với góc mài dao từ 15 độ đến 16 độ và lượng chạy dao từ 0,08 đến 0,12 mm/răng, giúp tiết kiệm từ 15% đến 25% điện năng tiêu thụ trên máy TUM20VS.
• Đảm bảo chất lượng bề mặt chi tiết thép C8 đạt độ nhám Ra từ 1,25 đến 1,6 micromet, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật khắt khe của chi tiết máy cơ giới hóa nông lâm nghiệp.
• Đóng góp nguồn dữ liệu thực nghiệm chuẩn mực vào ngân hàng dữ liệu công nghệ cơ khí trong nước, tạo nền tảng vững chắc cho việc mở rộng nghiên cứu tối ưu hóa trên các trung tâm gia công phay CNC hiện đại trong giai đoạn 12 tháng tới. Quý bạn đọc và doanh nghiệp có thể liên hệ trực tiếp với cơ sở đào tạo để tiếp cận toàn văn công trình nghiên cứu và ứng dụng vào dây chuyền sản xuất thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tình hình sử dụng và nghiên cứu máy phay kim loại ở trên thế giới Máy phay là một trong những loại máy gia công kim loại được dùng phổ biến trong các nhà máy cơ khí.Chiếc máy phay giản đơn đầu tiên của loài người được cha cố người Bỉ tên là Ferdinan Ferbist làm việc ở cung vua Khang Hy chế tạo để gia công vành quay bằng đồng của kính thiên văn theo lệnh của vua vào năm1668 (hình 1.Nguyên lý làm việc của máy như sau: Vành quay sau khi đúc xong được đặt lên mặt đá phẳng,ở phía trên tì lên mặt vành quay là một dao phay làm bằng kim loại,con dao này được bắt chặt vào đầu thanh gỗ,người ta đặt lên phía trên thanh gỗ những quả nặng để tạo ra lực đẩy dao,nhờ ngựa kéo, dao chạy trên mặt vành quay theo vòng tròn. Máy phay do Ferdinan Ferbist phát minh Cho đến nay, hàng triệu máy phay với nhiều kiểu dáng khác nhau đã được chế tạo và đưa vào sản xuất.Trong số các nước đi tiên phong trong lĩnh vực chế tạo máy công cụ nói chung và máy phay nói riêng phải kể đến các c 4 nước có nền công nghiệp phát triển như Mỹ,Cộng hòa liên bang Đức,Nhật bản,Thụy Sỹ, Italy. Mỹ là nước có nhiều nhà máy sản xuất máy công cụ nhất thế giới với trên 1200đơn vị,hàng năm, sản xuất được trên 273 nghìn máy công cụ.

Máy công cụ do Mỹ sản xuất được các nước châu Âu ưa chuộng vì nó hiện đại và bền cho nên khoảng 40% sản phẩm máy của Mỹ được xuất khẩu sang châu Âu.Nhiều hãng sản xuất máy công cụ nổi tiếng thế giới như Gridley, Kliben, Kent. với các loại sản phẩm khác nhau,hãng Kent cho ra đời các loại máy phay mã hiệu: KTM-3, KTM-3VS, KTM-3VKF (hình 1.2), KTM-VKF, KTM-4VKF,TW-32QI-ANILAM3300, TW-32MV-FANUC, TW- 32TRH.Các loại máy phay khác như: BMT1500S (hình 1.3), BMT2000HU, BMT 2500UM, BMT7000V. có công suất trục chính từ 2-7HP, máy phay giường BM460T, BM56T có công suất trục chính 7 - 7,5 HP, tốc độ quay của trục chính 60-4500 v/p. Máy phay KTM-3VKF c 6 Hình1.Máy phay mã hiệuTAC510 Cộng hòa liên bang Đức là một trong những nước công nghiệp phát triển đi đầu trong xuất khẩu máy công cụ.

Nước Đức có khoảng 433 hãng sản xuất máy,trung bình xuất xưởng khoảng 206 nghìn sản phẩm trong một năm bao gồm máy mài,máy doa chiếm 20,1%,máy tiện CNC chiếm 16,2%,máy phay chiếm 13,8%, máy tiện chiếm 12,35%.Ngay từ những năm đầu của thế kỷ XIX, sản xuất công nghiệp ở Cộng hòa liên bang Đức phát triển nhu cầu máy móc để cơ giới hóa các quá trình sản xuất rất lớn đòi hỏi ngành chế tạo máy phải có các loại máy công cụ có năng suất cao, chất lượng tốt.Để dáp ứng yêu cầu này hãng Hermle đã cho ra đời các loại máy phay với mã hiệu như: UVF-1000,UVF-1001, UVF-1200H,UVF-802, UVF-902H,UVF-902, UVF-1001CNC,U-740, hãng Optimum có các sản phẩm máy phay với các mã hiệu: OPTI F100, OPTI F100TC, BF30, BF30 VARIO,BF46, BF20 (hình 1.4) c 7 có các đặc tính kỹ thuật cơ bản hành trình bàn theo trục Y:175mm, theo trục X:280mm, theo trục Z:120mm,tốc độ trục chính từ 30÷3000 v/p, công suất động cơ:850w,hãng Elumatec Gmh sản xuất các loại máy phay với mã hiệu: KF178, AS70/03,AF221, AF 222,AF 223,hãng Apple Gmh sản xuất các loại máy phay với mã hiệu: FM 50S DIGI,BSM 150,BFM4PG, UFM100 DIGI, UFM80DIGI (hình 1.5) có các thông số kỹ thuật chính như đường kính dao phay mặt dầu 32 mm, đường kính dao phay ngón 100mm,tốc độ quay trục chính 115÷1750 v/p,hành trình bàn theo trục Y:1120mm, hành trình bàn theo trục X:1200mm, hành trình bàn theo trục Z:2060 mm, công suất động cơ:1,5 kw.Máy phay mã hiệu BF-20 c 8 Hình1.Máy phay mã hiệu UFM 80 DIGI Nhật Bản, nước công nghiệp phát triển đứng thứ hai thế giới sau Mỹ về sản xuất máy công cụ với hơn 270 hãng sản xuất cho ra đời khoảng 257 nghìn máy công cụ trong một năm. Một số hãng sản xuất máy công cụ có sản phẩm máy phay xuất khẩu đến nhiều nước trên thế giới nhưZhizuokavới sản phẩm là máy phay mã hiệu NHQ-G, SV-50D, VHR-SD, AN-SRN.,Takeda Kikai với sản phẩm máy phay mã hiệu TK-VS2N, TKUS2N, HDS430N, BXR1000BCD.Hãng Okuma là một trong những hãng sản xuất máy công cụ lớn ở Nhật Bản cho ra đời máy phay với mã hiệu: MX-55VB,MX-55VR,MX- 40HA, MX-500H, MU-500, MX-60HB, M-4VA, STM-2V(hình 1.6) có các thông số kỹ thuật cơ bản hành trình theo trục X:710mm, theo trục Y:300mm, theo trục Z:410mm, tốc độ trục chính 60÷1800 v/p,công suất động cơ chính 3,7Kw. Máy phay mã hiệu STM-2V Từ những phân tích ở trên,cho thấy rằng:Gia công các chi tiết máy bằng phương pháp phay là phương pháp gia công thông dụng cho nên đã có nhiều loại máy phay khác nhau được chế tạo và đưa vào sản xuất,đáp ứng nhu cầu của ngành chế tạo máy ở các nước khác nhau trên thế giới.Cùng với việc chế tạo máy phay thì nghiên cứu hoàn thiện,nâng cao chất lượng máy và quá trình sử dụng máy đã được quan tâm trong nhiều công trình nghiên cứu ở Nga và những nước có nền công nghiệp phát triển. Các nghiên cứu tập trung vào các hướng chủ yếu sau: +Nghiên cứu nâng cao năng suất khi sử dụng máy phay được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu.

c 10 Trong công trình [16], các tác giả V.G Nhetrepaev đã khảo sát quá trình hình thành phoi khi phay rãnh chữ T và xây dựng được các mô hình toán học để khảo sát quá trình phoi lấp đầy không gian giữa các răng cắt của dao phay; Sự chuyển dịch phoi dọc mặt cắt trước của các răng cắt dưới tác dụng của lực quán tính và lực thủy động. Sự dịch chuyển của các phoi kim loại dọc mạch cắt dưới tác dụng lực thủy động học; Quá trình lắp đầy phoi trong không gian của mạch cắt; Xác định lực cần thiết tác dụng lên khối phoi vật liệu vụn được tạo thành trong không gian của mạch cắt. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng chỉ sau 2 đến 5 vòng quay của trục dao không gian giữa các răng cắt đã được phoi lấp đầy. Kết quả khảo nghiệm cho phép khẳng định rằng: Khi gia công thép và gang ở chế độ tiêu chuẩn có từ 30 ÷ 100% trường hợp không có khả năng tự thoát phoi được nhờ lực quán tính mà muốn quá trình thoát phoi được thuận lợi cần thiết phải có thêm lực tác dụng.

Trong quá trình gia công, phoi thép cũng nhanh chóng được lấp đầy rãnh cắt; chỉ sau 10 ÷ 30 mm chiều dài mạch cắt. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng: Sự tách phoi ra khỏi không gian giữa 2 răng cắt (hầu răng) và phoi cắt ra khỏi không gian của mạch cắt cho phép tăng năng suất lên 2 lần mà vẫn đảm bảo được độ nhám theo tiêu chuẩn. Nhờ sử dụng nhưng pháp chủ động đẩy phoi ra khỏi không gian giữa các răng cắt và trong mạch cắt dòng nước làm mát có áp lực mà tuổi bền của dao tăng lên nhiều lần so với trường hợp làm mát dao cắt khi gia công mà không đẩy phoi… c 11 Trong công trình [19], tác giả Lobanov.A đã nghiên cứu quá trình phay thép tôi có độ cứng lớn hơn 45HRC. Trong quá trình nghiên cứu tác giả đã khảo sát nhiệt ở vùng cắt gọt, xác định nhiệt độ; kiểm tra cấu tạo tinh thể và độ cứng của phoi thép và đưa ra phương pháp chọn chế độ cắt gọt, khi phay thep qua tôi cứng; Xác định yêu cầu kỹ thuật của máy phay sử dụng để phay các hợp kim cứng.

Sử dụng phương pháp phay kim loại ở trạng thái tôi cứng mà đề tài đề xuất góp phần nâng cao năng suất, giảm độ nhám, giảm chi phí gia công của các chi tiết máy. Trong một vài năm gần đây,việc sử dụng các chi tiết máy làm bằng vật liệu khó gia công từ hợp chất của những chất không gỉ, chịu được axít, chịu nhiệt…được quan tâm ở nhiều nước trên thế giới.Trong số các hợp chất được sử dụng rộng rãi có hợp chất của titan với tính ưu việt nổi trội so với hợp chất của các kim loại như sắt,niken, manhê, nhôm và các kim loại khác.Tuy nhiên, khi gia công các chi tiết làm bằng hợp chất của titan gặp một số khó khăn do tính chất cơ lý của nó gây nên như làm mòn dụng cụ, giảm năng suất và chất lượng bề mặt gia công. Tác giả, đã nghiên cứu nâng cao năng suất phay các chi tiết làm bằng hợp kim của titan nhờ áp dụng phương pháp cắt tốc độ cao.Trong công trình [22], tác giả Kirukhin D.E đã xây dựng được mô hình toán thể hiện được sự ảnh hưởng của các thông số cắt đến mòn dụng cụ trong đó có mòn đặc trưng cho phương pháp phay hợp kim titan tốc độ cao. Từ những kết quả nghiên cứu thu được tác giả đã khuyến cáo áp dụng phương pháp phay độ cao tốc để tăng năng suất và chất lượng sản phẩm khi gia công các chi tiết làm từ hợp kim titan trên các máy phay có độ cứng vững cao.

Trong công trình [25], tác giả Ruđina.A đã nghiên cứu nâng cao hiệu quả gia công bề mặt của các chi tiết máy nhờ chọn thông số kỹ thuật của quá c 12 trình cắt hợp lý. Đã xây dựng được mô hình toán học để xác định chế độ cắt hợp lý khi phay ở tốc độ cao nhằm mục tiêu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Trong công trình nghiên cứu [28],tác giả Poliakova.V đã nghiên cứu khả năng nâng cao năng suất và chất lượng gia công bề mặt của chi tiết máy. Trong quá trình nghiên cứu đã xây dựng được mô hình xác định nhiệt độ cắt gọt khi phay chi tiết ở các chế độ cắt khác nhau.

Xây dựng mô hình toán học xác định độ nhám bề mặt chi tiết phụ thuộc vào chế độ cắt. Xác định được chế độ cắt tối ưu bằng phương pháp qui hoạch thực hiện nghiệm phi tuyến. Với hàm mục tiêu là giá thành sản phẩm. +Nghiên cứu nâng cao chất lượng sản phẩm trong quá trình phay các vật liệu khác nhau là vấ đề mang tính thời sự cũng được quan tâm nghiên cứu Trong công trình [20], tác giả Gilaev.V, xây dựng được lý thuyết mới miêu tả quá trình phay thực hiện bởi lưỡi phay cùng lúc thực hiện chuyển động quay và chuyển động dọc trục quay.Trên cơ sở phân tích quan hệ giữa răng cắt và vật liệu trong quá trình gia công đã xây dựng được phương pháp xác định lực cắt khi phay có tính đến dao động dọc trục và độ tù của cạnh cắt.Xác định được chế độ làm việc tối ưu cho thiết bị mới để gia công gót giầy đảm bảo được phay đi lượng dư vật liệu cần thiết và đạt được độ bóng theo yêu cầu.

Trong công trình[23],tác giả Kovalevski.