Luận văn: Ảnh hưởng chế độ cắt đến năng lượng & chất lượng bề mặt

Luận văn thạc sĩ phân tích nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố chế độ cắt đến chi phí năng lượng riêng và chất lượng gia, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Nguyễn Thị Hòa
• Người hướng dẫn: Ts. Lê Văn Thái
• Trường học: Trường Đại học Lâm nghiệp
• Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và cơ giới hóa nông - lâm nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố chế độ cắt đến chi phí năng lượng riêng và chất lượng bề mặt gia công trên máy tiện CZ6240A
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tối ưu chế độ cắt Nền tảng cho gia công hiệu quả

Tối ưu hóa quá trình sản xuất là công cụ hữu hiệu để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong ngành cơ khí. Đặc biệt, tối ưu chế độ cắt đóng vai trò then chốt, quyết định trực tiếp đến hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của từng nguyên công. Việc xác định một chế độ cắt hợp lý không chỉ giúp đạt được độ chính xác gia công và chất lượng bề mặt mong muốn mà còn giảm thiểu chi phí gia công thông qua việc tiết kiệm năng lượng và kéo dài tuổi thọ dao. Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa, việc làm chủ các thông số cắt như tốc độ cắt, lượng chạy dao, và chiều sâu cắt trở thành yêu cầu tất yếu. Một chế độ cắt được tối ưu hóa phải cân bằng được hai mục tiêu thường mâu thuẫn nhau: giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và đạt được độ nhám bề mặt tốt nhất. Nghiên cứu sâu về mối quan hệ giữa các yếu tố đầu vào này và các chỉ tiêu đầu ra là cơ sở để xây dựng các mô hình toán học, từ đó tìm ra miền giá trị tối ưu cho từng điều kiện gia công cơ khí cụ thể. Quá trình này không chỉ dựa trên kinh nghiệm mà cần áp dụng các phương pháp khoa học như quy hoạch thực nghiệm để đảm bảo tính chính xác và tin cậy. Việc này tạo ra cơ sở dữ liệu quan trọng, phục vụ cho việc tự động hóa quá trình chuẩn bị công nghệ, rút ngắn thời gian sản xuất và nâng cao năng lực cạnh tranh cho các doanh nghiệp chế tạo.

1.1. Tầm quan trọng của thông số cắt trong sản xuất hiện đại

Trong ngành gia công cơ khí hiện đại, việc lựa chọn đúng các thông số cắt là yếu tố quyết định đến sự thành công của quá trình sản xuất. Các thông số này không chỉ ảnh hưởng đến hình dáng, kích thước của chi tiết mà còn tác động sâu sắc đến các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật. Một chế độ cắt không hợp lý có thể dẫn đến nhiều hệ quả tiêu cực như mài mòn dụng cụ cắt nhanh chóng, tăng tiêu thụ năng lượng, và chất lượng sản phẩm không đạt yêu cầu. Ngược lại, việc tối ưu chế độ cắt giúp doanh nghiệp tối đa hóa năng suất, giảm giá thành sản phẩm và nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường. Đây là bài toán cốt lõi mà mọi nhà công nghệ phải giải quyết để đáp ứng các yêu cầu ngày càng khắt khe về độ chính xác gia công và chất lượng bề mặt.

1.2. Phân tích 3 yếu tố tốc độ cắt lượng chạy dao chiều sâu cắt

Chế độ cắt được đặc trưng bởi ba thông số chính: tốc độ cắt (v), lượng chạy dao (s), và chiều sâu cắt (t). Tốc độ cắt là vận tốc tương đối giữa lưỡi cắt và bề mặt phôi, ảnh hưởng lớn đến nhiệt cắt và tuổi thọ dao. Lượng chạy dao là quãng đường dịch chuyển của dao sau một vòng quay của phôi, có tác động trực tiếp đến độ nhám bề mặt và năng suất gia công. Chiều sâu cắt là lớp vật liệu được hớt bỏ trong một lần cắt, liên quan mật thiết đến lực cắt và công suất cắt yêu cầu. Sự tương tác phức tạp giữa ba yếu tố này đòi hỏi phải có sự phân tích kỹ lưỡng để tìm ra tổ hợp tối ưu cho từng loại vật liệu gia công và yêu cầu kỹ thuật cụ thể.

1.3. Mục tiêu kép Giảm tiêu thụ năng lượng và tăng chất lượng

Bài toán tối ưu chế độ cắt thường là một bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu, trong đó hai mục tiêu quan trọng nhất là chi phí năng lượng và chất lượng bề mặt. Hiệu suất năng lượng trong gia công ngày càng được quan tâm do áp lực về chi phí và bảo vệ môi trường. Việc giảm năng lượng cắt riêng không chỉ tiết kiệm điện năng mà còn giảm tải cho máy móc. Song song đó, chất lượng bề mặt gia công, thể hiện qua độ nhám bề mặt (Ra, Rz), là một chỉ tiêu kỹ thuật hàng đầu, ảnh hưởng đến khả năng làm việc và tính thẩm mỹ của sản phẩm. Việc tìm ra một bộ thông số cắt có thể đồng thời giảm năng lượng tiêu thụ và cải thiện độ nhám là mục tiêu cuối cùng của quá trình tối ưu hóa.

II. Thách thức khi tối ưu chế độ cắt trong gia công cơ khí

Quá trình tìm kiếm chế độ cắt tối ưu trong gia công cơ khí đối mặt với nhiều thách thức phức tạp. Trở ngại lớn nhất là sự mâu thuẫn cố hữu giữa các mục tiêu. Ví dụ, việc tăng tốc độ cắt và lượng chạy dao để nâng cao năng suất thường dẫn đến sự gia tăng nhiệt cắt và lực cắt, gây ra mài mòn dụng cụ cắt nhanh hơn và có thể làm giảm độ chính xác gia công. Điều này trực tiếp làm tăng chi phí gia công do phải thay thế dụng cụ cắt thường xuyên. Thêm vào đó, việc lựa chọn thông số cắt không phù hợp còn ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất năng lượng. Một chế độ cắt gây ra lực cản lớn sẽ đòi hỏi công suất cắt cao hơn, dẫn đến lãng phí điện năng. Một thách thức khác là sự đa dạng của vật liệu gia công, mỗi loại vật liệu có cơ tính khác nhau, đòi hỏi một bộ thông số cắt riêng biệt để đạt hiệu quả cao nhất. Việc xác định chế độ cắt tối ưu không thể chỉ dựa vào sổ tay tra cứu, vì các giá trị này thường mang tính tham khảo và không phù hợp với mọi điều kiện sản xuất cụ thể. Do đó, cần có các nghiên cứu thực nghiệm bài bản để xây dựng mô hình toán học, mô tả chính xác mối quan hệ giữa các yếu tố đầu vào và các chỉ tiêu chất lượng, từ đó giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu một cách khoa học.

2.1. Mâu thuẫn giữa năng suất độ nhám bề mặt và tuổi thọ dao

Một trong những mâu thuẫn kinh điển trong gia công là giữa năng suất, chất lượng và chi phí. Để tăng năng suất, người vận hành có xu hướng tăng tốc độ cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt. Tuy nhiên, việc tăng lượng chạy dao thường làm tăng độ nhám bề mặt, khiến chất lượng sản phẩm giảm sút. Tương tự, tăng tốc độ cắt quá cao sẽ làm tăng nhiệt cắt, đẩy nhanh quá trình mài mòn dụng cụ cắt và rút ngắn tuổi thọ dao. Việc tìm ra điểm cân bằng, nơi năng suất đạt mức chấp nhận được trong khi vẫn đảm bảo chất lượng bề mặt và tuổi thọ dao, là một bài toán khó đòi hỏi sự phân tích và thử nghiệm kỹ lưỡng.

2.2. Ảnh hưởng của lực cắt và nhiệt cắt đến mài mòn dụng cụ

Trong quá trình cắt gọt, lực cắt và nhiệt cắt là hai hiện tượng vật lý không thể tránh khỏi và có ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền của dụng cụ. Lực cắt lớn gây ra ứng suất cơ học cao trên lưỡi cắt, có thể dẫn đến mẻ, gãy dao. Nhiệt cắt sinh ra do ma sát và biến dạng dẻo của phoi làm mềm vật liệu làm dao, đẩy nhanh các quá trình mài mòn hóa học và khuếch tán. Việc sử dụng dung dịch trơn nguội có thể giúp giảm nhiệt độ, nhưng việc lựa chọn chế độ cắt hợp lý để kiểm soát lực cắt và nhiệt cắt ngay từ đầu vẫn là giải pháp nền tảng để tối ưu hóa tuổi thọ dao và giảm chi phí.

2.3. Vấn đề cân bằng giữa chi phí gia công và hiệu suất năng lượng

Tổng chi phí gia công không chỉ bao gồm chi phí vật liệu và nhân công mà còn cả chi phí dụng cụ và chi phí năng lượng. Một chế độ cắt có năng lượng cắt riêng thấp sẽ giúp giảm hóa đơn tiền điện, góp phần vào sản xuất bền vững. Tuy nhiên, đôi khi chế độ cắt tiết kiệm năng lượng nhất lại không phải là chế độ cho năng suất cao nhất hoặc tuổi thọ dao dài nhất. Do đó, bài toán đặt ra là phải đánh giá một cách tổng thể, tìm ra một chế độ cắt tối ưu hóa tổng chi phí trên mỗi sản phẩm, cân bằng giữa hiệu suất năng lượng, tốc độ sản xuất và chi phí thay thế dụng cụ.

III. Hướng dẫn phân tích ảnh hưởng của từng thông số cắt

Để thực hiện tối ưu chế độ cắt, cần phải hiểu rõ quy luật ảnh hưởng của từng thông số cắt đến các chỉ tiêu chất lượng và năng lượng. Phân tích đơn yếu tố là bước đầu tiên và quan trọng nhất trong quá trình này. Tốc độ cắt (v) có ảnh hưởng phức tạp. Tăng tốc độ cắt ban đầu có thể cải thiện độ nhám bề mặt do giảm hiện tượng lẹo dao, nhưng nếu tăng quá cao sẽ làm tăng mạnh nhiệt cắt, gây mòn dao nhanh và ảnh hưởng xấu đến cấu trúc bề mặt. Lượng chạy dao (s) là yếu tố có ảnh hưởng rõ rệt nhất đến độ nhám bề mặt. Về lý thuyết, độ nhám tỷ lệ thuận với bình phương lượng chạy dao. Do đó, giảm lượng chạy dao là cách hiệu quả để có bề mặt tinh mịn, nhưng sẽ làm giảm năng suất. Chiều sâu cắt (t) chủ yếu ảnh hưởng đến lực cắt và công suất cắt. Tăng chiều sâu cắt giúp loại bỏ vật liệu nhanh hơn nhưng đòi hỏi máy phải có độ cứng vững cao và công suất đủ lớn. Theo nghiên cứu của Nguyễn Thị Hòa (2012), khi tiện thép C45, lượng chạy dao có ảnh hưởng lớn nhất đến độ nhám bề mặt, trong khi cả ba thông số đều tác động đến tiêu thụ năng lượng. Việc tiến hành các thí nghiệm đơn yếu tố giúp xác định quy luật và mức độ ảnh hưởng, làm cơ sở để lựa chọn khoảng giá trị hợp lý cho các nghiên cứu tối ưu hóa đa mục tiêu sau này.

3.1. Vai trò của vận tốc cắt đến công suất cắt và nhiệt độ

Vận tốc cắt là một trong những thông số quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ vùng cắt. Khi tốc độ cắt tăng, phần lớn nhiệt sinh ra sẽ tập trung vào phoi và thoát ra ngoài, nhưng một phần vẫn truyền vào dao và chi tiết, làm tăng nhiệt cắt. Nhiệt độ cao có thể gây ra biến cứng bề mặt chi tiết và làm giảm nhanh chóng tuổi thọ dao. Về mặt năng lượng, công suất cắt cần thiết tỷ lệ thuận với vận tốc cắt. Do đó, lựa chọn một vận tốc cắt hợp lý là rất quan trọng để cân bằng giữa năng suất, chất lượng bề mặt và mài mòn dụng cụ cắt.

3.2. Tác động trực tiếp của lượng chạy dao đến độ nhám bề mặt

Trong các thông số cắt, lượng chạy dao có mối quan hệ trực tiếp và dễ dự đoán nhất với độ nhám bề mặt. Về mặt hình học, các vết dao để lại trên bề mặt gia công có chiều cao phụ thuộc vào bán kính mũi dao và lượng chạy dao. Khi lượng chạy dao tăng, chiều cao nhấp nhô trên bề mặt cũng tăng theo, dẫn đến giá trị Ra (độ nhám trung bình số học) lớn hơn. Vì vậy, trong các nguyên công gia công tinh, người ta thường chọn lượng chạy dao nhỏ. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng lượng chạy dao quá nhỏ có thể làm giảm năng suất và tăng thời gian gia công, ảnh hưởng đến chi phí gia công.

3.3. Chiều sâu cắt và mối liên hệ với năng lượng cắt riêng

Chiều sâu cắt quyết định lượng vật liệu được bóc tách trong mỗi lượt chạy dao, do đó ảnh hưởng lớn đến lực cắt và công suất cắt. Tăng chiều sâu cắt sẽ làm tăng thành phần lực chính (Pz), đòi hỏi động cơ máy phải cung cấp công suất lớn hơn. Tuy nhiên, một phát hiện thú vị là năng lượng cắt riêng (năng lượng tiêu thụ trên một đơn vị thể tích vật liệu bị loại bỏ) thường có xu hướng giảm khi chiều sâu cắt tăng lên đến một mức độ nhất định. Điều này có nghĩa là gia công thô với chiều sâu cắt lớn có thể đạt hiệu suất năng lượng tốt hơn. Việc lựa chọn chiều sâu cắt phải dựa trên độ cứng vững của hệ thống công nghệ và công suất của máy.

IV. Phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu chế độ cắt tiên tiến

Để giải quyết bài toán phức tạp của việc tối ưu chế độ cắt, các phương pháp thực nghiệm truyền thống (thay đổi từng yếu tố) tỏ ra kém hiệu quả và tốn kém. Các phương pháp tối ưu hóa hiện đại, đặc biệt là tối ưu hóa đa mục tiêu, mang lại lời giải toàn diện hơn. Các kỹ thuật quy hoạch thực nghiệm như phương pháp Taguchi và phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) được ứng dụng rộng rãi. Các phương pháp này cho phép khảo sát đồng thời ảnh hưởng của nhiều thông số cắt và cả sự tương tác giữa chúng với số lượng thí nghiệm ít hơn đáng kể. Dựa trên dữ liệu thu thập được, các mô hình toán học (thường là các phương trình hồi quy bậc hai) sẽ được xây dựng để mô tả quan hệ giữa các thông số đầu vào (tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt) và các hàm mục tiêu (độ nhám bề mặt, tiêu thụ năng lượng). Luận văn của Nguyễn Thị Hòa (2012) đã áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm theo ma trận Hartley để xây dựng mô hình toán cho độ nhám bề mặt Ra và chi phí năng lượng riêng Q khi gia công tiện CNC thép C45. Sau khi có mô hình, các thuật toán tối ưu hóa được sử dụng để tìm ra một hoặc nhiều bộ thông số Pareto tối ưu, nơi không thể cải thiện một mục tiêu nào mà không làm xấu đi ít nhất một mục tiêu khác. Điều này cung cấp cho người vận hành một loạt các lựa chọn tối ưu để họ có thể quyết định dựa trên ưu tiên cụ thể của từng đơn hàng.

4.1. Tổng quan về tối ưu hóa đa mục tiêu trong gia công CNC

Tối ưu hóa đa mục tiêu là phương pháp tìm kiếm một tập hợp các giải pháp cân bằng tốt nhất cho nhiều mục tiêu xung đột. Trong gia công phay CNC và gia công tiện CNC, các mục tiêu thường là tối thiểu hóa độ nhám bề mặt, tối thiểu hóa tiêu thụ năng lượng, tối đa hóa tuổi thọ dao và tối thiểu hóa thời gian gia công. Thay vì tìm một điểm tối ưu duy nhất, phương pháp này cung cấp một tập hợp các giải pháp không trội hơn (Pareto front), cho phép nhà sản xuất lựa chọn phương án phù hợp nhất với chiến lược kinh doanh, ví dụ ưu tiên chất lượng cho các chi tiết chính xác cao hoặc ưu tiên tốc độ cho sản xuất hàng loạt.

4.2. Ứng dụng phương pháp Taguchi và bề mặt đáp ứng RSM

Phương pháp Taguchi là một công cụ thống kê mạnh mẽ để thiết kế thí nghiệm, giúp giảm thiểu số lần thử nghiệm cần thiết bằng cách sử dụng các ma trận trực giao. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong việc xác định mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố đến kết quả và tìm ra bộ thông số bền vững, ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố nhiễu. Trong khi đó, phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) tập trung vào việc xây dựng mô hình toán học và tìm kiếm các điều kiện tối ưu. RSM sử dụng các thiết kế thí nghiệm như Box-Behnken hoặc Central Composite để khám phá mối quan hệ phi tuyến giữa các biến và tìm ra điểm cực trị của hàm mục tiêu trên một "bề mặt" đa chiều.

4.3. Xây dựng mô hình toán học từ dữ liệu thực nghiệm

Trái tim của các phương pháp tối ưu hóa hiện đại là việc xây dựng được một mô hình toán học tin cậy. Dữ liệu thu được từ các thí nghiệm được quy hoạch sẽ được xử lý bằng phân tích hồi quy để tìm ra các phương trình mô tả mối liên hệ giữa các thông số cắt và các chỉ tiêu đầu ra. Ví dụ, một mô hình cho độ nhám bề mặt Ra có thể có dạng: Ra = f(v, s, t). Các mô hình này sau đó sẽ được kiểm tra tính tương thích và mức ý nghĩa của các hệ số. Một mô hình tốt không chỉ giúp dự đoán kết quả với độ chính xác cao mà còn là công cụ để thực hiện các phân tích tối ưu hóa, giúp tìm ra chế độ cắt lý tưởng mà không cần phải thực hiện thêm nhiều thí nghiệm tốn kém.

V. Kết quả nghiên cứu tối ưu chế độ cắt trên máy tiện CZ6240A

Ứng dụng các phương pháp lý thuyết vào thực tiễn là bước đi quyết định để xác nhận tính hiệu quả của việc tối ưu chế độ cắt. Một nghiên cứu điển hình là luận văn của tác giả Nguyễn Thị Hòa (2012), thực hiện trên máy tiện CZ6240A với vật liệu gia công là thép C45. Nghiên cứu này cung cấp những kết quả thực nghiệm quý giá về ảnh hưởng của tốc độ cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt đến hai chỉ tiêu chính: độ nhám bề mặt (Ra) và chi phí năng lượng riêng (Q). Kết quả thực nghiệm đơn yếu tố cho thấy, khi tăng lượng chạy dao, độ nhám bề mặt tăng lên một cách rõ rệt, khẳng định đây là yếu tố ảnh hưởng mạnh nhất đến chất lượng bề mặt. Ngược lại, khi tăng tốc độ cắt trong một khoảng nhất định, độ nhám bề mặt có xu hướng giảm. Đối với chi phí năng lượng, cả ba thông số đều có ảnh hưởng đáng kể. Đáng chú ý, năng lượng cắt riêng giảm khi tốc độ cắt và chiều sâu cắt tăng, nhưng lại tăng khi lượng chạy dao tăng. Những kết quả này không chỉ là cơ sở để lựa chọn chế độ cắt hợp lý cho gia công tiện CNC thép C45 mà còn chứng minh tầm quan trọng của việc nghiên cứu thực nghiệm trong điều kiện sản xuất cụ thể để đạt được hiệu quả tối ưu hóa đa mục tiêu.

5.1. Thực nghiệm tối ưu hóa gia công tiện thép C45

Nghiên cứu được tiến hành trên máy tiện vạn năng CZ6240A, một thiết bị phổ biến trong các xưởng cơ khí và cơ sở đào tạo tại Việt Nam. Vật liệu gia công là thép C45, một loại thép carbon kết cấu được sử dụng rộng rãi. Các thí nghiệm được thiết kế để khảo sát ảnh hưởng của ba thông số cắt trong các khoảng giá trị thực tế: tốc độ cắt (v), lượng chạy dao (s), và chiều sâu cắt (t). Mục tiêu là xây dựng mô hình toán học và tìm ra bộ thông số tối ưu để đồng thời giảm chi phí năng lượng và cải thiện độ nhám bề mặt, cung cấp một tài liệu tham khảo hữu ích cho các kỹ sư và người vận hành máy.

5.2. Phân tích đồ thị ảnh hưởng của thông số cắt đến độ nhám Ra

Dữ liệu từ nghiên cứu của Nguyễn Thị Hòa (2012) cho thấy các quy luật rõ ràng. Đồ thị ảnh hưởng cho thấy lượng chạy dao (s) có tác động mạnh và tỷ lệ thuận với độ nhám Ra (Hình 4.3 trong luận văn). Cụ thể, khi lượng chạy dao tăng từ 0,118 mm/vòng lên 0,335 mm/vòng, độ nhám Ra tăng đáng kể. Ngược lại, tốc độ cắt (v) có ảnh hưởng ngược lại trong phạm vi khảo sát: tăng tốc độ cắt làm giảm độ nhám bề mặt (Hình 4.1). Chiều sâu cắt (t) cũng có ảnh hưởng nhưng không rõ rệt bằng hai yếu tố còn lại, với xu hướng tăng nhẹ độ nhám khi chiều sâu cắt tăng (Hình 4.5). Những phân tích này giúp xác định yếu tố nào cần được kiểm soát chặt chẽ nhất khi yêu cầu về chất lượng bề mặt là ưu tiên hàng đầu.

5.3. Đánh giá mối quan hệ giữa chế độ cắt và tiêu thụ năng lượng

Về mặt năng lượng, kết quả thực nghiệm cũng mang lại những hiểu biết quan trọng. Chi phí năng lượng riêng (Q) có xu hướng giảm khi tốc độ cắt tăng (Hình 4.2). Điều này có thể được giải thích do ở tốc độ cao hơn, quá trình cắt diễn ra hiệu quả hơn, giảm ma sát. Tương tự, chiều sâu cắt lớn hơn cũng làm giảm chi phí năng lượng riêng (Hình 4.6), cho thấy gia công thô với lớp cắt dày có thể tiết kiệm năng lượng hơn trên mỗi đơn vị vật liệu. Tuy nhiên, lượng chạy dao lại cho thấy mối quan hệ ngược lại: tăng lượng chạy dao làm tăng chi phí năng lượng riêng (Hình 4.4). Mối quan hệ phức tạp này nhấn mạnh sự cần thiết của bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu để tìm ra sự thỏa hiệp tốt nhất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tình hình nghiên cứu và sử dụng máy tiện gia công cắt gọt kim loại trên thế giới Trong kinh tế, ngành công nghiệp cơ khí chế tạo vẫn đóng vai trò chủ đạo, góp phần làm thay đổi diện mạo thế giới, với trên 20 triệu doanh nghiệp đang hoạt động trên các châu lục, chiếm tới 28% số lượng việc làm và đóng góp 25% giá trị tổng sản phẩm của thế giới. Gia công kim loại bằng cắt gọt là một phương pháp gia công kim loại rất phổ biến trong ngành cơ khí chế tạo máy. Quá trình cắt kim loại là quá trình con người sử dụng dụng cụ cắt để hớt bỏ lớp kim loại thừa khỏi chi tiết, nhằm đạt được những yêu cầu cho trước về hình dáng, kích thước, vị trí tương quan giữa các bề mặt và chất lượng bề mặt của chi tiết gia công.

Tiện là phương pháp gia công cắt gọt được thực hiện nhờ chuyển động tịnh tiến thông thường do phôi quay tròn tạo thành chuyển động cắt V c kết hợp với chuyển động tịnh tiến dao là tổng hợp của hai chuyển động tiến dao dọc Sd và tiến dao ngang Sng do dao thực hiện. Theo nguyên liệu và sản phẩm được gia công có thể phân ra gia công cơ khí và gia công vật liệu phi kim. Gia công tiện cơ khí là quá trình gia công kim loại bằng cơ học - một trong những quá trình chế tạo sản phẩm thông dụng nhất của ngành chế tạo máy. Cùng với sự phát triển của gia công kim loại bằng cơ học, lý thuyết cắt gọt kim loại đã ra đời và phát triển không ngừng.

Nhiều công trình khoa học trong việc xây dựng và phát triển lý thuyết cắt gọt kim loại phải kể đến các nhà bác học Xô Viết ( Liên Xô cũ ) như: Giáo sư viện sỹ V. Philonenko, Iacốp Bachisep, Paven Dakhaba, Lép Soobakin, các nhà bác học Mỹ như: Boston O. 4 Nhiều công trình đi sâu nghiên cứu cắt gọt chuyên dùng như: phay, tiện của G. bobrov, cơ sở lý thuyết mài nhẵn của H.

đã đưa ra những phân tích cụ thể về động học các quá trình cắt gọt. Đó là những công trình lớn bao gồm các vấn đề về lý thuyết và những kinh nghiệm thực tế trong gia công kim loại mà trên thế giới lúc đó ít có công trình nghiên cứu tương tự nào ra đời. 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 các lực phát sinh trong quá tình gia công kim loại bằng cơ học được nghiên cứu đầy đủ hơn và chính xác hơn về những cơ sở vật lý của quá trình cắt, hiện tượng nhiệt trong quá trình cắt, lực cắt đơn vị và các quy luật của lực cắt. Chế độ cắt được đặc trưng bởi ba thông số: vận tốc cắt, lượng dao và chiều sâu cắt.

Chế độ cắt ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng gia công, tiêu hao năng lượng và năng suất các máy. nhiều công trình của các nhà khoa học đã tập chung nhiên cứu ảnh hươmngr của các thông số chế độ cắt đến lực cắt, sự hao mòn của dụng cụ cắt, rung động của hệ thống công nghệ " Máy- dao cắt- đồ gá- chi tiết gia công" cũng như hiện tượng lý - hóa xảy ra trong vùng cắt: Điển hình là công trình cuả nhà học Nga Granôpxki về phân nhóm các sơ đồ cắt động học, công trình của Zorev N. về lực cắt trên các bộ phận của dao cắt.Các công trình của các nhà khoa học Đức Kronenberg, Friedrich, Hippler. về các quy luật cơ bản của lực cắt.

Các công trình lý thuyết và thực nghiệm của các nhà kho học Sokolovski, Kasirin, Tlusty, Tolias, bhattacharya.đã đi sâu và chính xác hóa nhận thức về nghuyên lý và quy luật tự rung khi gia công. Các công trình của các nhà khoa học Ostermann, Laladze, malkin, Smith về phương pháp giải tích của trường nhiệt độ trong dụng cụ cắt, phoi và chi tiết gia công. Nguyên lý cấu tạo, tính năng công nghệ của các máy công cụ, máy cắt kim loại nói chung, các máy gia công tiện nói riêng đã được các nhà khoa học nghiên cứu từ khá sớm 5 Năm 1712, một thợ cơ khí người Nga (Nartốp) đã chế tạo được máy tiện chép hình để tiện các chi tiết định hình. Việc chép hình theo mẫu được thực hiện tự động.

Chuyển động dọc của bàn dao do bánh răng- thanh răng thực hiện. Đến năm 1798 (86 năm sau) ông Henry Nandsley người Anh mới nghiên cứu thay thế chuyển động này bằng chuyển động của vít me- đai ốc. Năm 1873 Spender đã chế tạo được máy tiện tự động có ổ tiếp phôi và trục phân phối mang các cam đĩa và cam thùng. Năm 1880 nhiều hãng trên thế giới như Pittler ludnig Low (Đức), RSK (Anh) đã chế tạo được máy tiện rơvônve dùng phôi thép thanh.

Nhằm không ngừng nâng cao khả năng làm việc của các công cụ cắt, nhiều công trình đã đi sâu nghiên cứu động học, động lực học quá trình gia công. Điển hình là các công trình của G. Công nghệ và thiết bị sản xuất gia công các loại vật liệu phục vụ sản xuất đã được các nước phát triển trên thế giới như Nga, Mỹ, Đức, Nhật, Thụy Điển, Úc. nghiên cứu sâu rộng với các dây chuyền sản xuất hiện đại.

Nhiều Hãng nổi tiếng như: MAC (Đức) sản xuất các loại máy tiện CNC mã hiệu CJK1640 (Hình 1.1) với khả năng gia công linh hoạt, đường kính chi tiết gia công có thể tới 410 mm, chiều dài chi tiết 800 mm, dải vận tốc vô cấp 8-2000 (vòng /phút). Hãng Fanuuc (Mỹ) chế tạo các máy tiện, khoan liên hợp mã hiệu PDL - T6/8 (Hình 1.2), máy có thiết kế hiện đại, đặc biệt cho phép gia công nhiều chủng loại sản phẩm tinh xảo, vận hành dễ dàng và an toàn,tiếng ổn nhỏ, năng suất cao 6 Hình 1. Máy tiện CNC mã hiệu CJK1640 Bảng 1.1 - Thông số kỹ thuật máy tiện CJK1640 Tốc độ trục chính(rpm 2000 Hành trình Ụ động(mm 120 Đường kính lỗ ụ động(mm) 55 Công suất động cơ trục chính(W) 4000 Kích thước máy 2140 x 1260 x 2050 Trọng lượng máy(Kg) 2000 Hình 1. Máy tiện CNC PDL - T6/8 7 Bảng 1.2 - Thông số kỹ thuật máy tiện CNC PDL - T6/8 MODEL Đơn vị PDL-T6/T6A PDL-T8/T8A Đường kính tiện vượt băng máy mm Ø420 Ø550 Đường kính tiện vượt bàn xe dao mm Ø330 Ø330 Đường kính vật tiện lớn nhất mm Ø200/250 Ø250/350 Hành trình trục X mm 180 220 Hành trình trục Z mm 370 550 Đường kính lớn nhất của chấu cặp inch 6/8/10 Tốc độ trục chính V/ph 6000/4800 4500/3500 Đường kính lỗ trục chính mm Ø56/62 Ø62/87 Độ côn trục chính A2-5/A2-6 A2-6/A2-8 5.5 Công suất động cơ kw 9/12 18.5/22 Đường kính ụ chống tâm mm Ø75 Ø 95 Hành trình ụ chống tâm mm 100 125 Độ côn ụ định tâm No4 No5 Tốc độ di chuyển không tải trục X/Z m/ph 7/6 7/6 Số vị trí gá dao 4/6/12/20/30/48 Bộ điều khiển CNC Fanuc/Siemen/Mitsubishi Kích thước dao (tiện/khoan) mm 20x20/25x25 Chiều dài máy mm 1750 2000 Chiều rộng máy mm 3010 3550 Chiều cao máy mm 1850 1960 Trọng lượng máy kg 3800/4000 4700/5000 Bước dịch chuyển nhỏ nhất mm 0.001 Hãng Huyndai (Hàn Quốc) đã thiết kế chế tạo trung tâm gia công tiện CNC- HUYNDAI WIA (Hình 1.3), trung tâm với 10 dao, vận tốc trục chính đạt 3000rpm, quá trình gia công với điều khiển chương trình tối ưu.

Trung tâm gia công tiện CNC- HUYNDAI WIA Bảng 1.3 - Thông số kỹ thuật máy tiện CNC- HUYNDAI WIA Tiện qua băng Ø590mm Tiện qua bàn xe dao Ø375mm Đường kính mâm cặp Ø254mm Đường kính tiện lớn nhất Ø410mm Chiều dài tiện lớn nhất 1070mm Đường kính lỗ trục chính Ø76mm Tốc độ trục chính lớn nhất 3000 rpm Số lượng dao 10 Thời gian thay dao 0.8 giây Tốc độ di chuyển nhanh trục X 20m/phút Tốc dộ di chuyển nhanh trục Z 24m/phút Hành trình trục X 220mm Hành trình trục Z 1100mm Công suất động cơ trục chính 22kW Động cơ trục X 3kW Động cơ trục Z 4kW 9 Vấn đề mô hình hóa và tối ưu hóa quá trình công nghệ gia công cùng với những phương pháp luận hiện đại, nghiên cứu cắt gọt kim loại đã được các nhà khoa học, Giáo sư C. tập trung nghiên cứu và phát triển mở rộng với nhiều công trình nổi tiếng về tối ưu hóa các quá trình gia công cắt gọt. Chế độ cắt gọt - tổ hợp của ba thông số cơ bản: Vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt là một trong những vấn đề có tầm quan trọng, đặc biệt là trong nghiên cứu sử dụng thiết bị công nghệ. Chế độ cắt hợp lý đã góp phần quyết định đến chất lượng và năng suất gia công.

Tình hình nghiên cứu và sử dụng máy tiện ở Việt Nam Ngành cơ khí là một ngành có vị trí quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Công nghiệp cơ khí không chỉ cung cấp các sản phẩm tiêu dùng mà quan trọng hơn là cung cấp thiết bị, máy móc cho nhiều ngành sản xuất khác. Đặc biệt trong điều kiện hiện nay khi đất nước ta đang tiến hành công nghiệp hoá - hiện đại hoá thì công nghiệp cơ khí càng có vai trò to lớn hơn bao giờ hết. Ngành cơ khí chế tạo ở Việt Nam mới bắt đầu được xây dựng từ năm 1956, tính đến nay mới chỉ có 53 năm xong lại trải qua gần 20 năm chiến tranh hết sức khốc liệt do Mỹ tiến hành.

Tuy thế, nhờ sự lãnh đạo sáng suốt của Đảng và Chính phủ, chúng ta đã tranh thủ tối đa sự giúp đỡ của các nước trong phe xã hội chủ nghĩa trước đây, đứng đầu là các nước thuộc Liên Xô cũ để xây dựng được nhiều Nhà máy cơ khí chế tạo khá lớn, rải khắp các tỉnh ở miền Bắc nước ta. Nhiều nhà máy đã từng và đang là niềm tự hào của ngành công nghiệp nước ta, nó đã đóng góp một phần không nhỏ cho việc xây dựng cơ sở vật chất của chủ nghĩa xã hội ở miền Bắc và là hậu thuẫn vững chắc cho công cuộc kháng chiến giải phóng miền Nam, thống nhất đất nước. Tiêu biểu cho các nhà máy cơ khí chế tạo máy là Công ty Cơ khí Hà Nội, Công ty Diezen Sông Công, Công ty Cơ khí trung tâm Cẩm Phả, Công ty cơ khí ô tô 10 Vườn Cam, Công ty Chế tạo đầu máy toa xe Gia Lâm, Công ty đóng tàu Bạch Đằng, Công ty đóng tàu Hạ Long…, và hàng trăm các Nhà máy cơ khí lớn nhỏ khác của Công nghiệp Quốc phòng và một số ngành kinh tế khác.