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 mặt đầu trên máy phay tum20vs

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

• Tác giả: Trương Văn Dũng
• 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 Máy Phay TUM20VS
• 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
• 2. CHƯƠNG 2: MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI GIỚI HẠN, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• KẾT LUẬN - KHUYẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Chi Phí Năng Lượng Phay Mặt Phẳng

Ngành chế tạo máy và cơ khí đóng vai trò then chốt trong nền kinh tế quốc dân. Gia công cơ, đặc biệt là phay, là phương pháp quan trọng để tạo hình chi tiết với độ chính xác cao. Phay chiếm khoảng 20% khối lượng gia công kim loại bằng cắt gọt. Việc sử dụng hiệu quả các thiết bị phay đòi hỏi nghiên cứu về tính năng, tác dụng và các thông số kỹ thuật, từ đó xác định chế độ làm việc hợp lý để nâng cao năng suất và giảm giá thành sản phẩm. Luận văn này tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu trên máy phay TUM 20VS.

1.1. Tình Hình Nghiên Cứu Máy Phay Kim Loại Trên Thế Giới

Máy phay là thiết bị gia công kim loại phổ biến. Nhiều quốc gia phát triển như Anh, Đức, Nga, Nhật Bản có các hãng sản xuất máy phay nổi tiếng. Các hãng này liên tục cải tiến và cho ra đời các dòng máy phay CNC hiện đại, đáp ứng nhu cầu gia công ngày càng cao. Ví dụ, hãng Colchester (Anh) sản xuất các loại máy phay với các mã hiệu: MF-70, FF 500 CNC, FF 500 MICRO. Hãng Gildemeister (Đức) sản xuất các loại máy phay CNC có độ chính xác cao như HSC20,HSC55, HSC75, HSC105,DMCH340, DMCH 600V, DMF180, DMF280, DMF380, DMF500,DMU40, DMU60, DMU80, DMU100, DMU65, DMU85,DMU105, DMU125, DMU 210P. Các nghiên cứu về tối ưu hóa thông số cắt và nâng cao hiệu quả năng lượng cũng được chú trọng.

1.2. Tình Hình Nghiên Cứu Máy Phay Kim Loại Trong Nước

Ở Việt Nam, ngành cơ khí đã có những đóng góp quan trọng cho nền kinh tế. Hàng năm, ngành sản xuất trên 500 danh mục sản phẩm với tổng khối lượng hàng trăm ngàn tấn. Phần lớn các chi tiết máy từ nhiều loại vật liệu khác nhau đều được tạo hình bằng các phương pháp gia công cơ là gia công bằng cắt gọt, đặc biệt trong những trường hợp khi cần có chi tiết với độ chính xác cao và độ nhám bề mặt thấp. Để phương pháp gia công cơ đạt năng suất cao, giá thành hạ và chất lượng đạt yêu cầu cần phải biết những quy luật cơ bản của quá trình cắt gọt, trên cơ sở đó có thể điều khiển được những hiện tượng xảy ra trong vùng cắt và lựa chọn được thông số công nghệ tối ưu.

II. Vấn Đề Ảnh Hưởng Chi Phí Năng Lượng Độ Nhám Phay

Trong quá trình phay mặt phẳng, việc kiểm soát chi phí năng lượng và độ nhám bề mặt là rất quan trọng. Các yếu tố như tốc độ cắt, lượng ăn dao, chiều sâu cắt, vật liệu phay, và dao phay đều ảnh hưởng đến hai chỉ số này. Việc lựa chọn thông số cắt không phù hợp có thể dẫn đến tiêu thụ năng lượng lớn, bề mặt gia công không đạt yêu cầu, và giảm tuổi thọ dao. Do đó, cần có nghiên cứu để xác định các thông số tối ưu, giúp giảm chi phí năng lượng phay và cải thiện chất lượng bề mặt phay.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Chi Phí Năng Lượng Phay

Chi phí năng lượng trong quá trình phay chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Theo tài liệu gốc, các yếu tố này bao gồm thông số cắt, vật liệu gia công, loại dao phay, và điều kiện làm việc của máy. Việc tăng tốc độ cắt hoặc lượng ăn dao có thể làm tăng năng lượng tiêu thụ phay. Ngoài ra, vật liệu phay có độ cứng cao cũng đòi hỏi năng lượng lớn hơn để gia công. Cần phân tích kỹ lưỡng các yếu tố này để tối ưu hóa chi phí năng lượng.

2.2. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Độ Nhám Bề Mặt Phay

Độ nhám bề mặt là một chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng bề mặt phay. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt bao gồm thông số cắt, rung động khi phay, tuổi thọ dao phay, và dầu tưới nguội. Tốc độ cắt quá cao hoặc lượng ăn dao lớn có thể làm tăng độ nhám bề mặt. Rung động trong quá trình phay cũng gây ra các vết xước trên bề mặt gia công. Việc sử dụng dầu tưới nguội phù hợp có thể cải thiện độ nhám bề mặt.

2.3. Mối Quan Hệ Giữa Chi Phí Năng Lượng và Độ Nhám Bề Mặt

Có một mối quan hệ phức tạp giữa chi phí năng lượng và độ nhám bề mặt trong quá trình phay. Thông thường, việc giảm độ nhám bề mặt đòi hỏi tăng chi phí năng lượng, và ngược lại. Ví dụ, để đạt được bề mặt gia công mịn, cần giảm tốc độ cắt và lượng ăn dao, điều này có thể làm tăng thời gian gia công và năng lượng tiêu thụ. Do đó, cần tìm ra sự cân bằng giữa hai yếu tố này để đạt được hiệu quả kinh tế và chất lượng sản phẩm tốt nhất.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Thông Số Phay TUM20VS

Nghiên cứu này sử dụng kết hợp phương pháp lý thuyết và thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của các thông số đến chi phí năng lượng và độ nhám bề mặt khi phay mặt phẳng trên máy phay TUM20VS. Phương pháp lý thuyết được sử dụng để xây dựng mô hình toán học mô tả mối quan hệ giữa các thông số và các chỉ tiêu đánh giá. Phương pháp thực nghiệm được sử dụng để kiểm chứng mô hình và xác định các thông số tối ưu. Các thí nghiệm được thực hiện theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm để giảm số lượng thí nghiệm và tăng độ tin cậy của kết quả.

3.1. Nghiên Cứu Lý Thuyết Về Quá Trình Phay Mặt Phẳng

Nghiên cứu lý thuyết tập trung vào phân tích lực cắt, công suất cắt, và các yếu tố ảnh hưởng đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt. Các công thức và mô hình toán học được sử dụng để mô tả quá trình phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu. Nghiên cứu cũng xem xét cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy phay vạn năng TUM20VS để hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công.

3.2. Nghiên Cứu Thực Nghiệm Ảnh Hưởng Thông Số Cắt

Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trên máy phay TUM20VS với các thông số cắt khác nhau. Các thông số được điều chỉnh bao gồm tốc độ cắt, lượng ăn dao, và chiều sâu cắt. Chi phí năng lượng được đo bằng thiết bị đo điện năng, và độ nhám bề mặt được đo bằng máy đo độ nhám. Kết quả thí nghiệm được phân tích thống kê để xác định ảnh hưởng của từng thông số đến các chỉ tiêu đánh giá.

3.3. Phương Pháp Quy Hoạch Thực Nghiệm Đa Yếu Tố

Để tối ưu hóa các thông số cắt, nghiên cứu sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố. Phương pháp này cho phép xác định ảnh hưởng của nhiều yếu tố đồng thời và tìm ra các thông số tối ưu. Ma trận thí nghiệm được xây dựng dựa trên kế hoạch trung tâm hợp thành, và các thí nghiệm được thực hiện theo ma trận này. Kết quả thí nghiệm được sử dụng để xây dựng mô hình toán học mô tả mối quan hệ giữa các thông số và các chỉ tiêu đánh giá.

IV. Kết Quả Tối Ưu Chi Phí Năng Lượng Độ Nhám TUM20VS

Kết quả nghiên cứu cho thấy tốc độ cắt, lượng ăn dao, và góc mài ảnh hưởng đáng kể đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt khi phay mặt phẳng trên máy phay TUM20VS. Các mô hình toán học được xây dựng cho phép dự đoán chi phí năng lượng và độ nhám bề mặt dựa trên các thông số cắt. Kết quả tối ưu hóa cho thấy có thể giảm chi phí năng lượng và cải thiện độ nhám bề mặt bằng cách lựa chọn các thông số cắt phù hợp.

4.1. Ảnh Hưởng Của Tốc Độ Cắt Đến Chi Phí Năng Lượng

Thí nghiệm đơn yếu tố cho thấy tốc độ cắt có ảnh hưởng lớn đến chi phí năng lượng riêng. Khi tốc độ cắt tăng, chi phí năng lượng thường giảm đến một mức nhất định, sau đó lại tăng lên. Điều này có thể giải thích bằng sự thay đổi của lực cắt và nhiệt độ cắt khi tốc độ cắt thay đổi. Cần lựa chọn tốc độ cắt phù hợp để giảm chi phí năng lượng.

4.2. Ảnh Hưởng Của Tốc Độ Cắt Đến Độ Nhám Bề Mặt

Tương tự, tốc độ cắt cũng ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt. Khi tốc độ cắt tăng, độ nhám bề mặt thường giảm đến một mức nhất định, sau đó lại tăng lên. Điều này có thể do sự thay đổi của rung động và biến dạng dẻo trên bề mặt gia công khi tốc độ cắt thay đổi. Cần lựa chọn tốc độ cắt phù hợp để cải thiện độ nhám bề mặt.

4.3. Xác Định Thông Số Cắt Hợp Lý Cho Máy Phay TUM20VS

Dựa trên kết quả nghiên cứu, có thể xác định các thông số cắt hợp lý cho máy phay TUM20VS để giảm chi phí năng lượng và cải thiện độ nhám bề mặt. Các thông số này phụ thuộc vào vật liệu phay, dao phay, và yêu cầu về chất lượng bề mặt. Cần thực hiện các thí nghiệm bổ sung để xác định các thông số tối ưu cho từng trường hợp cụ thể.

V. Kết Luận Khuyến Nghị Nghiên Cứu Chi Phí Năng Lượng Phay

Nghiên cứu này đã đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu trên máy phay TUM 20VS. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn các thông số cắt phù hợp để giảm chi phí năng lượng và cải thiện chất lượng bề mặt phay. Cần tiếp tục nghiên cứu để mở rộng phạm vi áp dụng của kết quả và phát triển các phương pháp tối ưu hóa hiệu quả hơn.

5.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu Chính Về Phay TUM20VS

Nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng của tốc độ cắt, lượng ăn dao, và góc mài đến chi phí năng lượng và độ nhám bề mặt. Các mô hình toán học được xây dựng cho phép dự đoán các chỉ tiêu đánh giá dựa trên các thông số cắt. Kết quả tối ưu hóa cho thấy có thể giảm chi phí năng lượng và cải thiện độ nhám bề mặt bằng cách lựa chọn các thông số cắt phù hợp.

5.2. Khuyến Nghị Cho Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Phay TUM20VS

Nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc mở rộng phạm vi áp dụng của kết quả cho các loại vật liệu phay và dao phay khác nhau. Cần phát triển các phương pháp tối ưu hóa hiệu quả hơn, chẳng hạn như sử dụng các thuật toán tối ưu hóa thông minh. Ngoài ra, cần nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khác, chẳng hạn như dầu tưới nguội và rung động, đến chi phí năng lượng và độ nhám bề mặt.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành cơ khí chế tạo đóng vai trò nền tảng cho sự phát triển của nền kinh tế quốc dân. Tại Việt Nam, mạng lưới sản xuất cơ khí đã phát triển mạnh mẽ với hơn 53.000 cơ sở sản xuất, thu hút trên 500.000 lao động lành nghề, chiếm xấp xỉ 12% tổng lực lượng lao động công nghiệp toàn quốc. Trong toàn bộ quy trình công nghệ gia công cắt gọt kim loại, phương pháp phay chiếm khoảng 20% khối lượng công việc nhờ tính linh hoạt và năng suất cao. Tuy nhiên, tại nhiều doanh nghiệp vừa và nhỏ cũng như các xưởng thực hành đào tạo nghề, việc vận hành máy phay vạn năng – tiêu biểu là dòng máy TUM20VS nhập khẩu từ Đài Loan – phần lớn vẫn dựa vào kinh nghiệm chủ quan của người thợ. Điều này dẫn đến sự lãng phí điện năng đáng kể, chi phí vận hành tăng cao và chất lượng bề mặt chi tiết gia công thiếu tính ổn định.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật của tác giả Trương Văn Dũng, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Trịnh Hữu Trọng tại Trường Đại học Lâm nghiệp (bảo vệ năm 2012), được thực hiện nhằm giải quyết trực tiếp bài toán công nghệ cấp thiết này. Đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của các thông số chế độ cắt (vận tốc cắt) và thông số hình học dụng cụ (góc mài dao) đến hai hàm mục tiêu cốt lõi: chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu trên máy phay TUM20VS. Đối tượng nghiên cứu cụ thể là phôi thép C8 kết hợp với dao phay gắn mảnh hợp kim thép dụng cụ 9XC có độ cứng đạt 62–64 HRC.

Ý nghĩa của đề tài được thể hiện qua việc xây dựng thành công ngân hàng dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác, hỗ trợ tối ưu hóa quy trình gia công cơ khí. Kết quả nghiên cứu mở ra giải pháp giảm thiểu tiêu hao điện năng từ 12% đến 18,5% trên mỗi đơn vị thể tích phoi cắt gọt, đồng thời kiểm soát độ nhám bề mặt gia công đạt ngưỡng $R_a \le 1,4,\mu m$, nâng cao hiệu quả kinh tế và độ bền cho thiết bị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý luận của đề tài được xây dựng trên nền tảng lý thuyết cắt gọt kim loại kinh điển và cơ học biến dạng vật liệu, kết hợp với các mô hình đánh giá năng lượng và chất lượng bề mặt hiện đại. Quá trình phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu là quá trình cắt gọt không liên tục, trong đó các răng dao lần lượt tiếp xúc và bóc tách từng lớp kim loại khỏi phôi dưới tác dụng của các thành phần lực cắt phức tạp, bao gồm lực vòng $P_z$, lực hướng kính $P_y$, lực nằm ngang $P_H$ và lực thẳng đứng $P_V$. Lực cắt đơn vị $p$ và tiết diện cắt tức thời $f$ quyết định trực tiếp đến tổng công suất cắt $N_d$ của động cơ máy phay.

Khái niệm chi phí năng lượng riêng ($N_r$, đo bằng $kWh/m^3$) được định nghĩa là tỷ số giữa tổng lượng điện năng tiêu thụ $W$ ($kWh$) và thể tích kim loại bóc tách $M$ ($m^3$) trong khoảng thời gian gia công $T$. Đây là chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật quan trọng phản ánh mức độ tiết kiệm năng lượng của thiết bị. Về phương diện chất lượng sản phẩm, chỉ tiêu độ nhám bề mặt được đánh giá chủ yếu qua thông số sai lệch profin trung bình cộng $R_a$ ($\mu m$) và chiều cao nhấp nhô profin mười điểm $R_z$ ($\mu m$). Độ nhám bề mặt hình thành do sự kết hợp giữa các vết quỹ đạo hình học của lưỡi cắt, hiện tượng biến dạng đàn hồi - dẻo của kim loại, hiện tượng lẹo dao và các dao động tự kích thích phát sinh trong hệ thống công nghệ bao gồm máy, đồ gá, dao và chi tiết gia công.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng quy trình thực nghiệm chặt chẽ kết hợp giữa phương pháp thực nghiệm thăm dò, thực nghiệm đơn yếu tố và quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố nhằm thiết lập mô hình toán học tối ưu:

• Nguồn dữ liệu và thiết bị đo: Dữ liệu được thu thập trực tiếp từ các chu kỳ cắt gọt trên máy phay vạn năng TUM20VS. Công suất cắt được đo đạc bằng thiết bị đo thông số điện năng chuyên dụng kết nối với động cơ máy, còn độ nhám bề mặt $R_a$ được đo bằng máy đo profin bề mặt có độ phân giải $0,01,\mu m$.
• Thực nghiệm thăm dò và xác định cỡ mẫu: Để đảm bảo tính phân bố chuẩn của số liệu đo, tác giả tiến hành lấy mẫu thăm dò với cỡ mẫu $n = 30$ lần đo cho mỗi chế độ. Dữ liệu được chia thành các khoảng biến thiên theo công thức kinh nghiệm Brooks - Carruther để kiểm tra độ lệch $S_k$, độ nhọn $E_x$ và độ phù hợp theo tiêu chuẩn Khi bình phương ($\chi^2$). Số lần lặp lại tại mỗi điểm thí nghiệm được xác định là $m = 3$ lần nhằm đảm bảo sai số tương đối $\Delta% \le 5%$ ở mức ý nghĩa thống kê $\alpha = 0,05$.
• Quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố: Đề tài sử dụng phương án quy hoạch thực nghiệm kế hoạch trung tâm hợp thành bậc hai (CCD) với hai biến độc lập gồm vận tốc cắt ($X_1$) và góc mài dao ($X_2$). Tổng số thí nghiệm thực hiện trong ma trận gồm 9 điểm ($N = 2^2 + 2\cdot 2 + 1 = 9$), bao gồm 4 điểm nhân, 4 điểm sao và 1 điểm tâm.
• Lý do chọn phương pháp phân tích: Việc áp dụng quy hoạch thực nghiệm bậc hai và phân tích hồi quy bằng phần mềm chuyên dụng OPT giúp mô tả chính xác các hiệu ứng phi tuyến và hiệu ứng tương tác giữa các yếu tố công nghệ, đồng thời giảm thiểu số lần chạy thử nghiệm tốn kém so với phương pháp thử - sai truyền thống. Mức độ đồng nhất của phương sai được kiểm định bằng tiêu chuẩn Cochran ($G$), mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy được sàng lọc qua tiêu chuẩn Student ($t$), và độ tương thích của mô hình toán học tổng quát được khẳng định qua tiêu chuẩn Fisher ($F$).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình xử lý số liệu thực nghiệm trên phần mềm chuyên dụng đã đem lại những phát hiện quan trọng về quy luật cắt gọt trên máy phay TUM20VS:

• Quy luật biến thiên của chi phí năng lượng riêng ($N_r$): Vận tốc cắt $v$ có tác động phi tuyến rõ rệt đến điện năng tiêu thụ. Khi vận tốc cắt tăng từ dải thấp lên vùng tối ưu, chi phí năng lượng riêng giảm mạnh khoảng 18,5% (từ mức $4,12,kWh/m^3$ xuống xấp xỉ $3,35,kWh/m^3$). Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng tốc độ cắt vượt qua điểm giới hạn, $N_r$ có xu hướng tăng nhẹ trở lại do nhiệt cắt quá cao làm biến dạng bề mặt tiếp xúc và gia tăng ma sát trượt của phoi.
• Sự cải thiện vượt bậc của độ nhám bề mặt ($R_a$): Góc mài dao và vận tốc cắt có mối tương quan chặt chẽ với độ nhám bề mặt. Tại chế độ công nghệ chưa tối ưu, giá trị độ nhám bề mặt đạt mức $R_a = 2,45,\mu m$. Khi đưa góc mài dao về giá trị hợp lý kết hợp với vận tốc cắt thích hợp, giá trị $R_a$ giảm xuống còn $1,25,\mu m$, tương đương mức cải thiện độ nhẵn bóng bề mặt lên tới 49%.
• Hiệu ứng tương tác giữa các yếu tố công nghệ: Kết quả thực nghiệm đa yếu tố khẳng định rằng sự kết hợp giữa góc mài trước và vận tốc cắt tạo ra một miền cực tiểu đồng thời cho cả hai hàm mục tiêu. Mô hình hồi quy bậc hai nhận được đạt hệ số đơn định $R^2 \ge 0,85$, vượt xa ngưỡng yêu cầu tin cậy tối thiểu ($R^2 \ge 0,75$), chứng minh mô hình có khả năng dự báo và ứng dụng thực tế rất cao.
• Tối ưu hóa đa mục tiêu: Áp dụng phương pháp giải bài toán tối ưu bằng hàm trọng lượng và nhân tử Lagrange đã xác định được bộ thông số cắt tối ưu, giúp hệ thống máy TUM20VS tiết kiệm 14,2% tổng điện năng tiêu thụ trong khi vẫn đảm bảo độ nhám $R_a$ ổn định ở mức $1,25 - 1,35,\mu m$, đáp ứng hoàn toàn tiêu chuẩn lắp ghép chính xác cấp 7–8 trong chế tạo máy.

Thảo luận kết quả

Các kết quả thực nghiệm thu được phản ánh chính xác bản chất vật lý của quá trình cắt gọt kim loại. Ở dải vận tốc cắt thấp, hiện tượng tích tụ kim loại ở mũi dao (lẹo dao) diễn ra mạnh mẽ, làm thay đổi góc cắt thực tế, gia tăng ma sát và gây rung động tế vi, dẫn đến lực cắt tăng cao và bề mặt gia công bị xước, nhấp nhô lớn. Khi vận tốc cắt tăng lên vùng hợp lý, nhiệt sinh ra trong vùng cắt làm mềm dẻo cục bộ lớp vật liệu phoi, giảm hệ số ma sát giữa phoi và mặt trước dao, từ đó làm giảm lực cắt đơn vị $p$ và triệt tiêu mầm mống lẹo dao, giúp bề mặt phẳng mịn hơn.

Trên các biểu đồ đáp ứng bề mặt 3D và đồ thị đường mức đồng mức, mối quan hệ giữa $N_r$ và $R_a$ với các biến độc lập $(v, \gamma)$ thể hiện rõ dạng mặt cong paraboloid có điểm đáy cực tiểu rõ ràng. Bảng phân tích phương sai ANOVA cho thấy tỷ số Fisher tính toán ($F_{tt}$) đều nhỏ hơn giá trị tra bảng ($F_b$) ở mức ý nghĩa $p < 0,05$, khẳng định mô hình toán không bị nhiễu ngẫu nhiên chi phối. Khi so sánh với công trình của Phạm Văn Khiêm thực hiện trên máy phay FA3AU với thép C45 ($R_a = 1,415,\mu m$) hay các công trình phay cao tốc quốc tế, kết quả của luận văn này hoàn toàn tương thích về mặt quy luật, đồng thời bổ sung dữ liệu thực nghiệm giá trị cho dòng máy TUM20VS khi gia công thép C8 bằng dao 9XC.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, tác giả đưa ra 4 nhóm đề xuất và khuyến nghị kỹ thuật có tính ứng dụng cao cho sản xuất và đào tạo:

• Chuẩn hóa bảng tra chế độ cắt tối ưu tại xưởng: Ban hành và áp dụng bảng thông số cắt chuẩn hóa cho máy phay TUM20VS khi gia công thép kết cấu, đặt mục tiêu giảm từ 12% đến 15% lượng điện năng tiêu thụ cho các xưởng gia công cơ khí trong vòng 6 tháng đầu áp dụng. Đội ngũ kỹ sư công nghệ và quản đốc phân xưởng chịu trách nhiệm giám sát tuân thủ.
• Thiết lập quy trình mài và kiểm tra hình học dao cắt: Xây dựng quy trình mài sắc dao phay mặt đầu gắn hợp kim 9XC bằng máy mài chuyên dụng và dưỡng đo quang học, kiểm soát dung sai góc mài dao không vượt quá sai số $\pm 0,5^\circ$. Thời gian triển khai hoàn thiện trong quý đầu tiên do tổ trưởng tổ dụng cụ và thợ mài bậc cao thực hiện.
• Bảo dưỡng định kỳ hệ thống công nghệ máy - đồ gá: Thiết lập chế độ bảo dưỡng, căn chỉnh khe hở bàn máy và độ đảo trục chính của máy TUM20VS theo chu kỳ 3 tháng một lần nhằm triệt tiêu hiện tượng rung động tự kích thích, duy trì độ nhám bề mặt ổn định dưới ngưỡng $R_a = 1,4,\mu m$. Trách nhiệm thực hiện thuộc về phòng bảo trì cơ điện.
• Chuyển giao dữ liệu nghiên cứu vào chương trình đào tạo nghề: Tích hợp mô hình toán và cơ sở dữ liệu thực nghiệm của đề tài vào giáo trình thực hành gia công cơ khí và bài giảng chuyên đề tại các trường đại học, cao đẳng kỹ thuật ngay trong năm học 2012–2013, do ban chủ nhiệm bộ môn cơ khí và trung tâm thí nghiệm chủ trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư công nghệ chế tạo máy và quản lý sản xuất: Có thể sử dụng trực tiếp các phương trình hồi quy và bảng tra chế độ cắt tối ưu để lập quy trình công nghệ gia công chi tiết thép tấm, tính toán định mức tiêu hao năng lượng và lập dự toán chi phí sản xuất chính xác.
• Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Cơ khí: Luận văn là tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp quy hoạch thực nghiệm kế hoạch trung tâm hợp thành bậc hai (CCD), quy trình kiểm định thống kê đa biến bằng các tiêu chuẩn Cochran, Student, Fisher và kỹ thuật giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu.
• Giảng viên và sinh viên các trường đào tạo kỹ thuật cơ khí: Cung cấp tư liệu giảng dạy thực tế, trực quan về nguyên lý cắt gọt, cấu tạo dao phay mặt đầu, các thành phần lực cắt và kỹ thuật vận hành máy phay vạn năng TUM20VS trong các xưởng thực hành.
• Chủ doanh nghiệp cơ khí vừa và nhỏ: Nắm bắt cơ sở khoa học để tái cấu trúc quy trình công nghệ, giảm hao phí điện năng trong bối cảnh giá năng lượng tăng cao, từ đó hạ giá thành sản phẩm và nâng cao năng lực cạnh tranh trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

• Tại sao cần nghiên cứu đồng thời chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt?
  Việc nghiên cứu đồng thời hai chỉ tiêu này nhằm giải quyết bài toán hài hòa giữa hiệu quả kinh tế và yêu cầu kỹ thuật. Nếu chỉ tập trung giảm năng lượng tiêu thụ, bề mặt gia công có thể bị thô ráp không đạt chuẩn, trong khi nếu chỉ tối ưu độ nhẵn bóng bề mặt mà không kiểm soát chế độ cắt thì chi phí điện năng và hao mòn dao có thể tăng vọt từ 20% đến 30%.
• Máy phay TUM20VS có ưu thế gì trong điều kiện sản xuất tại Việt Nam?
  Máy phay TUM20VS là dòng máy phay vạn năng có kết cấu cứng vững, độ bền cơ học cao, thao tác vận hành đơn giản, chi phí đầu tư và bảo trì thấp. Dòng máy này rất phù hợp với quy mô tài chính của các xưởng cơ khí vừa và nhỏ cũng như các trung tâm đào tạo nghề kỹ thuật trên cả nước.
• Quy hoạch thực nghiệm trung tâm hợp thành bậc hai mang lại lợi ích gì cho đề tài?
  Phương pháp quy hoạch thực nghiệm CCD giúp giảm số lượng mẫu thử xuống chỉ còn 9 thí nghiệm đa yếu tố mà vẫn bao quát toàn bộ không gian nghiên cứu. Phương pháp này cho phép thiết lập mô hình hồi quy phi tuyến bậc hai chính xác, mô tả đầy đủ các hiệu ứng tương tác phức tạp với độ tin cậy thống kê trên 95%.
• Cặp vật liệu phôi thép C8 và dao thép 9XC có tính đại diện như thế nào?
  Thép C8 là loại thép kết cấu thông dụng được gia công với số lượng lớn trong ngành cơ khí chế tạo, còn thép hợp kim dụng cụ 9XC (độ cứng 62–64 HRC) là vật liệu làm dao phay phổ biến nhờ khả năng chịu mài mòn và độ dai va đập tốt. Cặp vật liệu này phản ánh trung thực điều kiện sản xuất thực tế tại các xí nghiệp.
• Mô hình toán học của luận văn có thể chuyển giao cho máy phay CNC được không?
  Về mặt phương pháp luận, quy trình tối ưu hóa hoàn toàn có thể áp dụng cho các dòng máy phay CNC hiện đại. Tuy nhiên, các hệ số hồi quy số trị cụ thể cần được hiệu chỉnh lại thông qua một số bước chạy thử nghiệm kiểm chứng để thích ứng với dải tốc độ trục chính cao hơn và độ cứng vững vượt trội của máy CNC.

Kết luận

• Luận văn đã tổng hợp sâu sắc cơ sở lý thuyết về động học cắt gọt, cơ chế tiêu hao năng lượng và quy luật hình thành nhấp nhô bề mặt khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu.
• Thiết lập thành công mô hình toán học hồi quy bậc hai mô tả chính xác sự phụ thuộc của chi phí năng lượng riêng $N_r$ và độ nhám bề mặt $R_a$ vào vận tốc cắt và góc mài dao, đạt độ tương thích Fisher với $R^2 \ge 0,85$.
• Xác định được vùng thông số công nghệ tối ưu trên máy phay TUM20VS, giúp giảm 14,2% chi phí điện năng riêng và đưa độ nhám bề mặt đạt mức chất lượng cao $R_a \le 1,4,\mu m$.
• Đóng góp nguồn dữ liệu thực nghiệm quý báu phục vụ công tác giảng dạy thực hành tại Đại học Lâm nghiệp và chuẩn hóa quy trình sản xuất tại các cơ sở cơ khí vừa và nhỏ.
• Mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo về việc kết hợp công nghệ bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQL) và ứng dụng quy hoạch thực nghiệm trên các trung tâm gia công CNC hiện đại. Quý bạn đọc và các kỹ sư cơ khí có thể liên hệ thư viện nhà trường để khai thác trọn vẹn tập số liệu và ma trận thực nghiệm của đề tài.

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. Máy phay được chế tạo từ thế kỷ 16 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 phát triển,nước Anh là một trong những nước công nghiệp đi tiên phong trong lĩnh vực chế tạo máy công cụ.

Ở Anh có khoảng hơn 200 hãng chế tạo máy công cụ với công suất khoảng 60000 sản phẩm trong một năm gồm các loại máy sau: Máy tiện chiếm khoảng 38,2%, máy phay chiếm khoảng 11,3%, máy mài chiếm khoảng 15,6%, máy CNC chiếm khoáng 9,5%. Một số hãng có sản phẩm được xuất khẩu sang nhiều nước khác nhau trên thế giới như hãng Colchester sản xuất các loại máy phay với các mã hiệu:MF-70, FF 500 CNC, FF 500 MICRO (hình 1.1) có kích thước bàn máy 310 x 100mm, công suất 400 w, tốc độ quay của trục dao 180 ÷2500 v/ phút,VMC 850L/S, VM1020L/S, VMC 1300S, VMC 500L, VMC 610L/S (hình 1.2)có các thông số kỹ thuật cơ bản nhưhành trình bàn theo trục X 610mm theo trục Y 460mm, theo trục Z 460mm; công suất 11 kw; tốc độ trục chính từ 6000÷12000 v/phú.Hãng Axminster đã sản xuất các loại máy phay với các mã hiệu ZX 2M2, ZX 25M2,ZX30M,SIEG X2, SIEG X3,SIEG SX2,SIEG SX4.Hãng DUGARD cho ra đời các loại máy phay với các mã hiệu:PC-460,EAGLE N 210 Y, EAGLE SMV 600,EAGLE 1000 có công suất c 4 7,5 kw, tốc độ quay 8000 v/phút, hành trình bàn máy theo trục X 1020 mm, theo trục Y 510 mm, theo trục Z 510 mm; hệ điều hành Siemen (hình 1.Máy phay FF500 MICRO c 5 Hình 1.Máy phay Colchester 610 L/S Hình 1.Máy phay EAGLE 1000 Ở Nga,ngành chế tạo máy công cụ rất phát triển,nhiều hãng chế tạo máy nổi tiếng thế giới đã sản xuất nhiều loại máy phay khác nhau như hãng Treliabinskơ đã sản xuất các loại máy phay CNC với các mã hiệu như QV209,QV179, QV159, QV147, QV117, Q127(hình 1.4) có các thông số kỹ c 6 thuật chính như kích thước bàn máy 1500x700mm;hành trình bàn theotrục X 1300mm,theo trục Y 900mm, theo trụcZ 850mm; tốc độ trục chính 40÷8000v/phút; công suất 15 kw. Máy phay QV 127 Hãng Mekhanit đã sản xuất nhiều kiểu máy phay với cácmã hiệu khác nhau như:INNO 600, INNO 810, HANDYMAN 1000, HANDYMAN 1270 HANDYMAN 1500, HANDYMAN 2000, HANDYMAN 2500 HANDYMAN 3000, ACELER 1120, ACELER 1120, ACELER 1320, ACELER 1520, OPTIMAL 1100, OPTIMAL 1250, OPTIMAL 1500, OPTIMAL 1800, ACUMEN 660, ACUMEN 1100, ACUMEN 900 (hình1.5) có các thông số kỹ thuật chính như kích thước bàn máy 1100x500mm;hành trình bàn theo trục X 900mm,theo trục Y 520mm, theo trụcZ 590mm; tốc độ trục chính8000÷15000v/phút; công suất 11 kw.Hãng CKC Stanko sản xuất các loại máy phayvạn năng với các mã hiệu như CD 10, 6T82G, 6T83G,6T12, 6T82S,6T83S(hình 1.6) có các thông số kỹ thuật chính như kích thước bàn máy 1600x400mm, tốc độ trục chính 50÷1600 v/phút, công suất động cơ chính 11kw. Máy phay Acumen 900 Hãng chế tạo máy Votkinsk đã sản xuất các loại máy phay với các mã hiệu khác nhau E 320, HL3,HL4, LH108, L262, L256, L322, L421, L422, L423, L526, M218(hình 1.7) có các thông số kỹ thuật chính kích thước bàn máy 830x 405mm; hành trình bàn máy trục X 660mm,theo trục Y 410mm,theo trục Z 610mm; tốc độ trục dao 8000÷10000v/phút; công suất 7,5kw; hệ điều hành Siemen.

Máy phay M218 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, c 9 bao gồm máy mài,máy doa chiếm 20,1%,máy tiện CNC chiếm 16,2%,máy phay chiếm 13,8%, máy tiện thường chiếm 12,35%. Ngay từ những năm đầu của thế kỷ XIX, sản xuất công nghiệp ở 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. Cho tới nay, ở Đức vẫn tiếp tục nghiên cứu sản xuất máy công cụ có chất lượng cao như hãng OPTIMUM đã cho ra đời các loại máy phay có mã hiệu OPTI F100 TC, OPTI 100, OPTI BF 30, OPTI BF46, OPTI BF20 (hình 1.8) có các thông số kỹ thuật chính như hành trình bàn máy theo trục X 175mm,theo trục Y280mm, theo trụcZ 120mm; công suất động cơ 850 W; tốc độ trục chính 30÷3000 v/phút.Máy phay OPTI BF 20 Hãng Traub sản suất các loại máy phay CNC như SNC 86,F 400, FZ 12W, TVC 350, TVC200,TVC200P có công suất 9,7KW, tốc độ trục chính c 10 8000 vòng/phút,hành trình bàn theo trụcX 400mm,theo trụcY 300mm, theo trụcZ 400 mm, hệ điều hành Fanuc.

Hãng Gildemeister đã sản xuất ra các loại máy phay CNC có độ chính xác cao như HSC20,HSC55, HSC75, HSC105,DMCH340, DMCH 600V, DMF180, DMF280, DMF380, DMF500,DMU40, DMU60, DMU80, DMU100, DMU65, DMU85,DMU105, DMU125, DMU 210P (hình 1.9)có các thông số kỹ thuật chính như hành trình bàn máy theo trục X 1800mm,theo trục Y 2100mm, theo trụcZ 1250mm; công suất động cơ 44kW; tốc độ trục chính 10000 v/phút. Máy phay CNC DMU 210P Ở Nhật Bản, hãng Mitsubishi đã sản suất các loại máy phay có mã hiệu MH-100C, MH-50E, MH-60E, MH-80D, MH-80E, MV-5B, V-65,MVR35, MVR40 (hình 1.10) có các thông số kỹ thuật chính như hành trình bàn máy theo trục X 6200mm,theo trục Y3000mm, theo trụcZ 701mm; công suất động cơ 29kW; tốc độ trục chính 6000 v/phút. Hãng Takisawa sản suất các loại máy phay có mã hiệu MAC-V1E,MAC-V2E,MAC-V40, MAC-V SUPER, MAC-V10,MAC-V0,MAC-V4 (hình 1.10) có các thông số kỹ thuật chính c 11 như hành trình bàn máy theo trục X 909mm,theo trục Y500mm, theo trụcZ 5001mm; công suất động cơ 7,5kW; tốc độ trục chính 7000 v/phút; hệ điều hành Fanuc. Máy phay MVR40 Hình 1.Máy phay MAC- V4 Tình hình sản xuất và sử dụng máy phay kim loại ở một số nước nêu ở trên cho thấy rằng: Gia công các chi tiết máy bằng phương pháp phay là c 12 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. Phay là phương pháp gia công cắt gọt trong đó dụng cụ cắt quay tròn tạo ra chuyển động cắt.Chuyển động tiến dao thông thường do máy, cũng có khi do dao hoặc có khi do cả máy và dao cùng thực hiện theo các hướng khác nhau.Qúa trình phay kim loại là quá trình gia công bằng cơ học một trong những quá trình chế tạo sản phẩm thông dụng nhất của ngành chế tạo máy đã thu hút sự chú ý của nhiều học giả vì vậy nhiều công trình khoa học trong việc xây dựng và phát triển lý thuyết cắt gọt kim loại ra đời.Lý thuyết cắt gọt kim loại đi sâu nghiên cứu về quá trình tạo phoi,các lực phát sinh trong quá trình gia công bằng cơ giới, công suất của thiết bị,chất lượng sản phẩm khi gia công.những đại lượng này rất cần thiết,chúng làm cơ sở cho việc lựa chọn hình dáng,tính toán kích thướccủa các công cụ gia cắt,tính toán thiết kế và sử dụng hợp lý các thiết bị và các công cụ gia công. Năm 1780,Giáo sư trường Đai học Mỏ địa chất Petecbua I.Time công bố công trình:Sức bền của kim loại và của gỗ khi cắt gọt. Trong đó,quá trình biến dạng của kim loại khi hình thành phoi lần đầu tiên được nghiên cứu vì vậy công trình này được coi là điểm bắt đầu của lý thuyết cắt gọt kim loại và tác giả của nó là người sáng lập ra lý thuyết cắt gọt.

Năm 1893, Giáo sư trường Đại học Công nghệ Kharcốp K.Zvôzưkin đã xuất bản cuốn sách"Công và lực cần thiết để tách phoi kim loại". Trong cuốn sách tác giả đã đưa ra phương pháp nghiên cứu để xác định lực tác dụng lên dao cắt,lực ma sát ở mặt trước và mặt sau của lưỡicắt và bằng lý thuyết c 13 ông đã chứng minh rằng áp lực tác dụng lên mặt trước của lưỡi cắt tạo ra lực ma sát giữa các phoi khi cắt và cản trở chúngchuyển động.Ngoài ra,một phần đáng kể trong cuốn sách dành cho việcnghiên cứu sự phụ thuộc của lực cắt vào chiều dày của phoi. Sau chiến tranh thế giới lần thứ II,nhiều công trình đi sâu giải quyết các vấn đề chuyên môn sâu trong lý thuyết cắt gọt như quá trình biến dạng bề mặt kim loại khi cắt, hiện tượng nhiệt và mòn dụng cụ.Một số công trình chủ yếu được công bố trong thời gian này như: V. Krivoukhôvưi "Sự biến dạng của các lớp mặt kim loại trong quá trình cắt gọt"; I.

Bexprôzvanưi "Cơ sở vật lý của lý thuyết cắt gọt kim loại"; C.Glebovưi "Cơ chế biến dạng dẻo khi cắt gọt kim loại”; A.Ixaevưi "Qúa trình hình thành lớp mặt khi gia công kim loại"; A.Đanhielian"Mòn dụng cụ và hiện tượng nhiệt khi cắt gọt kim loại". Vào thập kỷ 70 của thế kỷ XX, lý thuyết cắt gọt kim loại ngày càng được hoàn chỉnh với những công trình nghiên cứu mới về lực phát sinh trong quá trình gia công kim loại bằng cơ học được nghiên cứu đầy đủ hơn và chính xác hơn về cơ sở vật lý của quá trình cắt, hiện tượng nhiệt trong quá trình cắt. Nghiên cứu quá trình cắt gọt kim loại theo hướng kết hợp lý thuyết và thực nghiệm đã dược nhiều nhà khoa học trên thế giới tiến hành như:M.với những kết luận quan trọng về các sơ đồcắt động học,quá trình hình thành phoi,các yếu tố ảnh hướng tới lực cắt. Trong quá trình gia công kim loại,chế độ cắt ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng gia công,tiêu hao năng lượng và năng suất của máy gia công vì vậy, nghiên cứu xác định chế độ cát tối ưu nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu.

c 14 Trong công trình nghiên cứu [29], 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. Trong công trình [26], tác giả Ruđina.