Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp hiện đại, việc nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế trong gia công kim loại là vấn đề cấp thiết. Theo ước tính, quá trình gia công cắt gọt chiếm tỷ trọng lớn trong sản xuất cơ khí, ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ dụng cụ và chất lượng bề mặt sản phẩm. Đặc biệt, gia công phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu đối với gang cầu có vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp chế tạo máy và ô tô. Tuy nhiên, hiện tượng nhiệt độ cao, mài mòn dao và biến dạng bề mặt trong quá trình phay gây ra nhiều khó khăn, làm giảm năng suất và tăng chi phí sản xuất.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá và lựa chọn chế độ cắt tối ưu trong gia công phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu đối với gang cầu, nhằm giảm lực cắt, nhiệt độ, mài mòn dao, đồng thời nâng cao tuổi thọ dụng cụ và chất lượng bề mặt gia công. Nghiên cứu tập trung vào vật liệu gang cầu có độ cứng từ 170-220 HB, sử dụng chế độ bôi trơn tối thiểu bằng dầu thực vật và lựa chọn thông số cắt phù hợp như tốc độ cắt, lượng chạy dao, độ sâu cắt.

Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại nhà máy Điện Sông Công, Thái Nguyên, trong khoảng thời gian gần đây, với cỡ mẫu thí nghiệm khoảng 67 lần cắt, phân tích các chỉ số như lực cắt, nhiệt độ, độ mài mòn dao, độ nhám bề mặt. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu (MQL) trong gia công gang cầu, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và chi phí sản xuất, đồng thời nâng cao hiệu quả kinh tế và chất lượng sản phẩm.

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:

  • Lý thuyết gia công cắt gọt kim loại: Phân tích quá trình biến dạng vật liệu, lực cắt, nhiệt độ sinh ra trong quá trình cắt, ảnh hưởng đến tuổi thọ dụng cụ và chất lượng bề mặt gia công.
  • Mô hình nhiệt độ và mài mòn dao: Xác định các thành phần nhiệt độ phát sinh do ma sát và biến dạng nhựa, mô hình hóa sự mài mòn dao qua các giai đoạn mòn ban đầu, mòn ổn định và mòn cuối cùng.
  • Khái niệm bôi trơn tối thiểu (MQL): Sử dụng lượng dầu bôi trơn rất nhỏ, phun trực tiếp vào vùng cắt nhằm giảm ma sát, nhiệt độ và mài mòn, đồng thời thân thiện với môi trường.
  • Các khái niệm chính: Lực cắt tổng hợp (Г), lực ma sát (F0, F0’), hệ số cắt (K̟), độ mòn dao (δ), nhiệt độ vùng cắt (Q), tuổi thọ dụng cụ, độ nhám bề mặt.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm gia công phay mặt phẳng trên vật liệu gang cầu tại nhà máy Điện Sông Công, Thái Nguyên. Cỡ mẫu thí nghiệm khoảng 67 lần cắt, với các thông số cắt đa dạng như tốc độ cắt từ 30 đến 500 m/phút, độ sâu cắt, lượng chạy dao và chế độ bôi trơn MQL bằng dầu thực vật.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Đo lực cắt, nhiệt độ vùng cắt bằng cảm biến lực và cảm biến nhiệt độ gắn gần vùng cắt.
  • Đánh giá độ mòn dao qua quan sát hình thái mòn bề mặt và đo độ mòn bằng thiết bị đo chuyên dụng.
  • Phân tích độ nhám bề mặt gia công bằng máy đo độ nhám.
  • Sử dụng mô hình toán học để tính toán hệ số cắt, nhiệt lượng sinh ra và dự báo tuổi thọ dụng cụ.
  • So sánh các chế độ cắt khác nhau để lựa chọn chế độ tối ưu.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian gần đây, tập trung vào giai đoạn thử nghiệm và phân tích dữ liệu thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của chế độ bôi trơn MQL: Sử dụng dầu thực vật trong chế độ bôi trơn tối thiểu giúp giảm lực cắt xuống khoảng 30-45% so với gia công khô, đồng thời nhiệt độ vùng cắt giảm đáng kể, từ mức cao trên 500°C xuống còn khoảng 200-300°C.

  2. Độ mòn dao và tuổi thọ dụng cụ: Độ mòn dao tăng theo thời gian làm việc, với giai đoạn mòn ban đầu chiếm khoảng 20% tổng thời gian sử dụng. Chế độ cắt tối ưu giúp kéo dài tuổi thọ dao lên gấp 2-3 lần so với chế độ không bôi trơn hoặc bôi trơn truyền thống.

  3. Chất lượng bề mặt gia công: Độ nhám bề mặt đạt giá trị trung bình khoảng Ra = 0.8 µm khi sử dụng chế độ cắt tối ưu với MQL, giảm khoảng 25% so với chế độ cắt không bôi trơn. Độ nhám bề mặt có xu hướng tăng khi tốc độ cắt vượt quá 400 m/phút.

  4. Nhiệt độ và hiện tượng nhiệt trong quá trình cắt: Nhiệt độ cao tập trung chủ yếu ở vùng tiếp xúc giữa dao và phoi, chiếm khoảng 60-70% tổng nhiệt lượng sinh ra. Hiện tượng nhiệt độ cao gây ra biến dạng bề mặt và tăng mài mòn dao, đặc biệt khi không sử dụng bôi trơn hoặc bôi trơn không hiệu quả.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các hiện tượng trên là do ma sát và biến dạng nhựa trong vùng cắt, tạo ra nhiệt lượng lớn làm giảm tuổi thọ dao và ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt. Việc áp dụng chế độ bôi trơn tối thiểu bằng dầu thực vật không chỉ giảm ma sát mà còn làm mát vùng cắt hiệu quả, từ đó giảm nhiệt độ và mài mòn dao.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả phù hợp với báo cáo của ngành về hiệu quả của MQL trong gia công kim loại màu và gang. Việc lựa chọn thông số cắt phù hợp như tốc độ cắt, lượng chạy dao và độ sâu cắt là yếu tố quyết định để tối ưu hóa quá trình gia công.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ nhiệt độ theo thời gian cắt, biểu đồ độ mòn dao theo số lần cắt, và bảng so sánh độ nhám bề mặt giữa các chế độ cắt khác nhau, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của chế độ cắt tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng chế độ bôi trơn tối thiểu (MQL) bằng dầu thực vật: Giảm lực cắt và nhiệt độ vùng cắt, kéo dài tuổi thọ dao, giảm chi phí thay thế dụng cụ. Thời gian thực hiện: ngay lập tức, chủ thể: nhà máy sản xuất.

  2. Lựa chọn thông số cắt phù hợp: Tốc độ cắt từ 200-400 m/phút, lượng chạy dao và độ sâu cắt tối ưu để đảm bảo chất lượng bề mặt và tuổi thọ dụng cụ. Thời gian thực hiện: trong vòng 3 tháng, chủ thể: kỹ sư công nghệ.

  3. Theo dõi và đánh giá định kỳ độ mòn dao: Sử dụng thiết bị đo chuyên dụng để kịp thời thay thế hoặc mài lại dao, tránh hư hỏng sản phẩm. Thời gian thực hiện: hàng tháng, chủ thể: bộ phận bảo trì.

  4. Đào tạo nhân viên vận hành: Nâng cao nhận thức về lợi ích của MQL và kỹ thuật gia công tối ưu, đảm bảo thực hiện đúng quy trình. Thời gian thực hiện: 6 tháng, chủ thể: phòng đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư công nghệ gia công cơ khí: Áp dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình gia công, nâng cao hiệu quả sản xuất.

  2. Nhà quản lý sản xuất: Đưa ra quyết định đầu tư công nghệ bôi trơn tối thiểu và lựa chọn thiết bị phù hợp nhằm giảm chi phí và tăng năng suất.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình lý thuyết và kết quả thực nghiệm để phát triển các đề tài liên quan.

  4. Các doanh nghiệp sản xuất dụng cụ cắt: Cải tiến thiết kế dao phay mặt đầu dựa trên các phân tích về mài mòn và nhiệt độ, nâng cao chất lượng sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Chế độ bôi trơn tối thiểu (MQL) là gì và có lợi ích gì?
    MQL là phương pháp sử dụng lượng dầu bôi trơn rất nhỏ, phun trực tiếp vào vùng cắt để giảm ma sát và nhiệt độ. Ví dụ, trong nghiên cứu, MQL giúp giảm lực cắt 30-45% và nhiệt độ vùng cắt đáng kể, kéo dài tuổi thọ dao.

  2. Tại sao nhiệt độ trong quá trình phay lại quan trọng?
    Nhiệt độ cao gây biến dạng bề mặt, tăng mài mòn dao và giảm tuổi thọ dụng cụ. Nghiên cứu cho thấy nhiệt độ vùng cắt có thể lên tới 500°C nếu không bôi trơn, ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm.

  3. Làm thế nào để đánh giá độ mòn dao trong gia công?
    Độ mòn dao được đánh giá qua quan sát hình thái mòn, đo độ mòn bề mặt và theo dõi sự thay đổi lực cắt, nhiệt độ. Ví dụ, giai đoạn mòn ban đầu chiếm khoảng 20% tổng thời gian sử dụng dao.

  4. Thông số cắt nào ảnh hưởng nhiều nhất đến chất lượng bề mặt?
    Tốc độ cắt và lượng chạy dao là hai thông số quan trọng. Tốc độ cắt quá cao (>400 m/phút) làm tăng độ nhám bề mặt, trong khi tốc độ cắt tối ưu giúp đạt Ra khoảng 0.8 µm.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các vật liệu khác không?
    Kết quả chủ yếu áp dụng cho gang cầu với độ cứng 170-220 HB, tuy nhiên phương pháp và mô hình có thể điều chỉnh để áp dụng cho các vật liệu kim loại khác trong gia công phay.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã đánh giá hiệu quả của chế độ bôi trơn tối thiểu (MQL) trong gia công phay mặt phẳng gang cầu, giảm lực cắt và nhiệt độ vùng cắt đáng kể.
  • Lựa chọn thông số cắt tối ưu giúp nâng cao tuổi thọ dao và chất lượng bề mặt gia công.
  • Mô hình nhiệt độ và mài mòn dao được xây dựng phù hợp với thực tế sản xuất tại nhà máy Điện Sông Công, Thái Nguyên.
  • Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng ngay trong sản xuất để giảm chi phí và ô nhiễm môi trường.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo là mở rộng áp dụng cho các loại vật liệu và công nghệ gia công khác, đồng thời phát triển hệ thống giám sát tự động độ mòn dao.

Call-to-action: Các doanh nghiệp và kỹ sư công nghệ nên áp dụng chế độ bôi trơn tối thiểu và lựa chọn chế độ cắt tối ưu để nâng cao hiệu quả sản xuất và bảo vệ môi trường.