Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, ngành cơ khí chế tạo đóng vai trò then chốt trong việc sản xuất và cung cấp thiết bị công nghệ. Phay là phương pháp gia công cắt gọt phổ biến, chiếm trên 10% tổng khối lượng công việc cắt gọt kim loại, được ứng dụng rộng rãi để gia công các bề mặt phức tạp như rãnh định hình, bánh răng, trục vít. Đặc biệt, dao phay ngón là dụng cụ cắt dạng trụ có nhiều răng, cho phép cắt với tốc độ cao và lượng chạy dao lớn, giúp nâng cao năng suất và đảm bảo an toàn cho người vận hành.

Tuy nhiên, trong quá trình gia công, độ mòn của dao phay ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và chi phí sản xuất. Việc tăng vận tốc cắt và lượng chạy dao có thể nâng cao năng suất nhưng đồng thời làm tăng độ mòn dao, dẫn đến chi phí thay thế và bảo trì tăng lên. Do đó, nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đến lượng mòn dao phay ngón là cần thiết để xác định chế độ cắt tối ưu, nâng cao tuổi bền dụng cụ và chất lượng sản phẩm.

Luận văn tập trung nghiên cứu trên dao phay ngón thép gió P18 sản xuất tại Việt Nam, gia công trên vật liệu thép C45, sử dụng máy phay đứng vạn năng NIIGATA. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các thông số vận tốc vòng quay từ 230 đến 610 vòng/phút và lượng chạy dao từ 20 đến 50 mm/phút. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn trong việc tối ưu hóa chế độ cắt, giảm chi phí sản xuất và nâng cao hiệu quả kinh tế trong ngành cơ khí chế tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết vật liệu dụng cụ cắt: Đặc tính cơ bản của vật liệu dụng cụ như độ cứng, độ bền nhiệt, độ chịu mòn và độ dẫn nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ và hiệu suất cắt. Thép gió P18 với thành phần hợp kim gồm vonfram, crôm, vanađi và molipđen được lựa chọn do có độ bền nhiệt khoảng 600°C và độ cứng đạt HRC62-65, phù hợp cho gia công tốc độ cao.

  • Mô hình mòn dao: Mòn dao được đánh giá qua các chỉ tiêu như lượng mòn mặt trước, mặt sau và dạng mòn cào xước. Mối quan hệ giữa vận tốc cắt (V), lượng chạy dao (S) và lượng mòn dao được mô hình hóa bằng hàm hồi quy đa thức, giúp xác định chế độ cắt tối ưu.

  • Quy hoạch thực nghiệm trực giao: Phương pháp này cho phép thiết kế thí nghiệm đa yếu tố hiệu quả, giảm số lượng thí nghiệm cần thiết nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy của kết quả. Phân tích dữ liệu sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất để xây dựng mô hình hồi quy.

Các khái niệm chính bao gồm: vận tốc cắt (m/ph), lượng chạy dao (mm/phút), lượng mòn dao (mm), độ bền nhiệt của vật liệu, và tuổi bền dụng cụ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thí nghiệm được tiến hành trên máy phay đứng NIIGATA tại Công ty TNHH MTV Cơ khí và Thương mại Phú Cường, Ninh Bình. Vật liệu gia công là thép C45 với thành phần hóa học được phân tích bằng quang phổ. Dao phay ngón thép gió P18 sản xuất tại Việt Nam, đường kính 10 mm, 5 răng cắt.

  • Thiết kế thí nghiệm: Thí nghiệm gồm hai giai đoạn: thí nghiệm đơn yếu tố để xác định vùng giá trị vận tốc cắt và lượng chạy dao phù hợp; thí nghiệm đa yếu tố với các mức vận tốc 230, 300, 430, 610 vòng/phút và lượng chạy dao 20, 31.5, 50 mm/phút. Tổng số thí nghiệm được thiết kế theo quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 1 và cấp 2.

  • Phương pháp phân tích: Số liệu thu thập được xử lý bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất để xây dựng mô hình hồi quy đa thức mô tả mối quan hệ giữa vận tốc cắt, lượng chạy dao và lượng mòn dao. Kiểm định mô hình bằng các chỉ số thống kê để đảm bảo độ tin cậy.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian thực nghiệm và xử lý số liệu, dự kiến hoàn thành trong vòng 6 tháng, bao gồm các bước tổng quan tài liệu, thiết kế thí nghiệm, thực hiện thí nghiệm, phân tích dữ liệu và báo cáo kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến lượng mòn dao: Khi vận tốc cắt tăng từ 7,22 m/ph (tương ứng 230 vòng/phút) lên 19,1 m/ph (610 vòng/phút), lượng mòn dao tăng trung bình khoảng 35%. Điều này cho thấy vận tốc cắt cao làm tăng nhiệt độ vùng cắt, thúc đẩy quá trình mòn dao nhanh hơn.

  2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến lượng mòn dao: Tăng lượng chạy dao từ 20 mm/phút lên 50 mm/phút làm lượng mòn dao tăng khoảng 40%. Lượng chạy dao lớn làm tăng diện tích tiếp xúc và áp lực lên lưỡi cắt, dẫn đến mòn dao nhanh hơn.

  3. Mối quan hệ tương tác giữa vận tốc cắt và lượng chạy dao: Mô hình hồi quy đa thức cho thấy sự tương tác giữa hai yếu tố này ảnh hưởng không tuyến tính đến lượng mòn dao. Ở mức vận tốc cắt và lượng chạy dao trung bình, lượng mòn dao đạt giá trị tối thiểu, cho thấy tồn tại chế độ cắt tối ưu.

  4. Chế độ cắt tối ưu: Kết quả thực nghiệm xác định vận tốc cắt khoảng 12-15 m/ph và lượng chạy dao 31.5 mm/phút là vùng chế độ cắt hợp lý, giúp giảm lượng mòn dao xuống khoảng 20% so với các chế độ cắt cao hơn hoặc thấp hơn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự gia tăng lượng mòn dao khi tăng vận tốc cắt và lượng chạy dao là do nhiệt độ vùng cắt tăng cao, làm giảm độ cứng nhiệt của thép gió và tăng tốc độ phản ứng hóa học giữa dao và phoi. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của nhiệt độ và áp lực lên mòn dao.

Mô hình hồi quy đa thức cho phép biểu diễn dữ liệu qua biểu đồ bề mặt 3D, thể hiện rõ vùng tối ưu của vận tốc cắt và lượng chạy dao để giảm mòn dao. So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này khẳng định tính hiệu quả của việc điều chỉnh chế độ cắt nhằm cân bằng giữa năng suất và tuổi thọ dụng cụ.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học để lựa chọn chế độ cắt phù hợp, giảm chi phí thay thế dao, nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất trong ngành cơ khí chế tạo.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa chế độ cắt: Áp dụng vận tốc cắt trong khoảng 12-15 m/ph và lượng chạy dao 31.5 mm/phút để giảm lượng mòn dao, nâng cao tuổi thọ dụng cụ và chất lượng bề mặt gia công. Thời gian áp dụng: ngay trong các quy trình sản xuất hiện tại.

  2. Kiểm soát nhiệt độ vùng cắt: Sử dụng dung dịch làm mát nhũ tương với tỷ lệ dầu và nước 1:15 để giảm nhiệt độ vùng cắt, hạn chế mòn dao do nhiệt. Chủ thể thực hiện: bộ phận kỹ thuật và vận hành máy.

  3. Đào tạo nhân viên vận hành: Tăng cường đào tạo về lựa chọn chế độ cắt và bảo dưỡng dao phay nhằm nâng cao nhận thức và kỹ năng vận hành, giảm thiểu sai sót gây mòn dao nhanh. Thời gian: tổ chức định kỳ hàng quý.

  4. Nghiên cứu mở rộng: Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khác như độ sâu cắt, loại vật liệu phôi và vật liệu dao để hoàn thiện mô hình tối ưu hóa chế độ cắt. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư công nghệ chế tạo máy: Nắm bắt kiến thức về ảnh hưởng của chế độ cắt đến mòn dao, áp dụng trong thiết kế quy trình gia công tối ưu, giảm chi phí sản xuất.

  2. Nhà quản lý sản xuất: Sử dụng kết quả nghiên cứu để điều chỉnh chính sách vận hành, nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu chi phí bảo trì, thay thế dụng cụ.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành cơ khí: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về vật liệu dụng cụ cắt, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và phân tích dữ liệu trong gia công cơ khí.

  4. Doanh nghiệp sản xuất dụng cụ cắt: Tham khảo để cải tiến vật liệu và thiết kế dao phay phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước, nâng cao chất lượng sản phẩm và sức cạnh tranh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vận tốc cắt và lượng chạy dao ảnh hưởng thế nào đến tuổi thọ dao phay?
    Tăng vận tốc cắt và lượng chạy dao làm tăng nhiệt độ và áp lực vùng cắt, dẫn đến mòn dao nhanh hơn. Ví dụ, tăng vận tốc cắt từ 7,22 m/ph lên 19,1 m/ph làm lượng mòn tăng khoảng 35%.

  2. Tại sao thép gió P18 được chọn làm vật liệu dao phay?
    Thép gió P18 có độ cứng cao (HRC62-65), độ bền nhiệt khoảng 600°C và khả năng chịu mòn tốt, phù hợp cho gia công tốc độ cao và điều kiện làm việc khắc nghiệt.

  3. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao giúp gì trong nghiên cứu?
    Phương pháp này giúp thiết kế thí nghiệm hiệu quả, giảm số lượng thí nghiệm cần thiết nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy, từ đó xây dựng mô hình hồi quy chính xác về mối quan hệ giữa các yếu tố.

  4. Làm thế nào để giảm nhiệt độ vùng cắt trong quá trình phay?
    Sử dụng dung dịch làm mát nhũ tương với tỷ lệ dầu và nước 1:15 giúp làm mát vùng cắt, giảm nhiệt độ và hạn chế mòn dao do nhiệt.

  5. Chế độ cắt tối ưu được xác định như thế nào?
    Dựa trên mô hình hồi quy và kết quả thực nghiệm, chế độ cắt tối ưu là vận tốc cắt khoảng 12-15 m/ph và lượng chạy dao 31.5 mm/phút, giúp giảm lượng mòn dao và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định rõ ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đến lượng mòn dao phay ngón thép gió P18 khi gia công thép C45 trên máy phay NIIGATA.
  • Mối quan hệ giữa các yếu tố này được mô hình hóa bằng hàm hồi quy đa thức, cho phép xác định chế độ cắt tối ưu.
  • Chế độ cắt tối ưu nằm trong khoảng vận tốc cắt 12-15 m/ph và lượng chạy dao 31.5 mm/phút, giúp giảm lượng mòn dao khoảng 20%.
  • Kết quả nghiên cứu có giá trị thực tiễn cao, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí trong ngành cơ khí chế tạo.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng các yếu tố ảnh hưởng khác và áp dụng kết quả vào thực tế sản xuất để tối ưu hóa quy trình gia công.

Hành động tiếp theo: Áp dụng chế độ cắt tối ưu trong sản xuất, đồng thời triển khai đào tạo và kiểm soát chất lượng để phát huy hiệu quả nghiên cứu.