Tổng quan nghiên cứu

Gia công mài, đặc biệt là mài lỗ, đóng vai trò quan trọng trong ngành chế tạo cơ khí, được ứng dụng rộng rãi để gia công bán tinh và tinh các chi tiết có yêu cầu cao về độ chính xác và nhám bề mặt. Theo ước tính, máy mài chiếm khoảng 30% tổng số máy công cụ trong sản xuất cơ khí, trong đó máy mài vòng bi chiếm tới 60%. Thép SKD11 qua tôi là vật liệu hợp kim dụng cụ phổ biến, có độ cứng bề mặt từ 58-60 HRC, được sử dụng để chế tạo các chi tiết chịu mài mòn cao như khuôn dập, dụng cụ cắt gọt. Tuy nhiên, quá trình mài lỗ thép SKD11 qua tôi gặp nhiều thách thức do độ cứng cao và yêu cầu về độ nhám bề mặt thấp.

Mục tiêu nghiên cứu là xác định các thông số chế độ sửa đá mài tối ưu nhằm đạt được nhám bề mặt nhỏ nhất và năng suất mài cao nhất khi mài lỗ thép SKD11 qua tôi. Nghiên cứu tập trung vào chế độ bôi trơn làm nguội, chế độ sửa đá và đường kính đá mài trong phạm vi gia công mài lỗ chạy dao dọc. Thời gian nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trong năm 2021 tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên, phối hợp với doanh nghiệp cơ khí chính xác Thái Hà.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện ở hai khía cạnh: về khoa học, cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho công nghệ mài lỗ vật liệu cứng; về thực tiễn, giúp các nhà máy sản xuất cơ khí nâng cao hiệu quả gia công, giảm chi phí và cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết thép SKD11 qua tôi.

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 quá trình mài: Mài là quá trình cắt gọt vật liệu bằng các hạt mài có độ cứng cao, với tốc độ cắt lớn (30-35 m/s), tạo ra phoi rất nhỏ và nhám bề mặt thấp. Quá trình tạo phoi gồm ba giai đoạn: va chạm, biến dạng đàn hồi-dẻo và tách phoi.

  • Lý thuyết mòn và tuổi bền đá mài: Mòn đá mài gồm các dạng như mòn đỉnh hạt, phá hủy hạt mài, bật hạt mài khỏi bề mặt đá. Tuổi bền đá được xác định qua các chỉ tiêu như độ nhám bề mặt, lực cắt, năng suất mài.

  • Lý thuyết sửa đá mài: Sửa đá gồm hai giai đoạn chính là tạo biên dạng (truing) và làm sắc (dressing). Các thông số sửa đá như lượng chạy dao dọc (Sd), chiều sâu sửa đá (tsđ), tốc độ cắt đá ảnh hưởng đến topography đá và chất lượng bề mặt gia công.

Các khái niệm chính bao gồm: nhám bề mặt Ra, năng suất mài MRR, topography đá mài, chế độ bôi trơn làm nguội, chế độ sửa đá, tuổi bền đá mài.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng phôi thép SKD11 qua tôi có kích thước D25xD36x22 mm, độ cứng bề mặt 58-60 HRC. Đá mài oxit nhôm cỡ hạt 120, chất kết dính thủy tinh. Dụng cụ sửa đá là bút chì kim cương một hạt.

  • Phương pháp phân tích: Thiết kế thí nghiệm theo phương pháp Taguchi với các thông số đầu vào gồm lượng chạy dao dọc sửa đá (Sd), chiều sâu sửa đá (tsđ), chế độ bôi trơn làm nguội. Phân tích ANOVA để đánh giá mức độ ảnh hưởng các yếu tố đến nhám bề mặt Ra và năng suất mài MRR. Tối ưu hóa đa mục tiêu sử dụng phân tích quan hệ mờ (Grey Relational Analysis - GRA).

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trong năm 2021, bao gồm xây dựng hệ thống thí nghiệm, thu thập dữ liệu, phân tích và xác định chế độ sửa đá tối ưu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của lượng chạy dao dọc sửa đá (Sd) đến nhám bề mặt Ra: Khi giảm Sd từ 0,4 mm/vòng xuống 0,1 mm/vòng, nhám bề mặt Ra giảm từ khoảng 0,8 µm xuống 0,3 µm, tương ứng giảm 62,5%. Điều này cho thấy sửa đá tinh với lượng chạy dao nhỏ giúp tạo bề mặt đá mài mịn hơn, từ đó cải thiện chất lượng bề mặt gia công.

  2. Ảnh hưởng của chiều sâu sửa đá (tsđ) đến năng suất mài (MRR): Tăng tsđ từ 0,01 mm/htđ lên 0,03 mm/htđ làm năng suất mài tăng khoảng 35%, từ 12 mm³/s lên 16,2 mm³/s. Chiều sâu sửa đá lớn giúp đá mài có nhiều lưỡi cắt sắc hơn, tăng khả năng bóc tách vật liệu.

  3. Tối ưu hóa đa mục tiêu: Sử dụng phân tích quan hệ mờ, chế độ sửa đá tối ưu được xác định là Sd = 0,15 mm/vòng, tsđ = 0,02 mm/htđ, kết hợp với chế độ bôi trơn làm nguội hợp lý, đạt được nhám bề mặt Ra khoảng 0,35 µm và năng suất mài MRR khoảng 15 mm³/s.

  4. So sánh với các nghiên cứu khác: Kết quả phù hợp với các nghiên cứu về sửa đá mài ngoài, tuy nhiên tập trung vào mài lỗ thép SKD11 qua tôi là điểm mới, bổ sung cho lĩnh vực gia công vật liệu cứng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm nhám bề mặt khi giảm lượng chạy dao dọc sửa đá là do mật độ lưỡi cắt trên bề mặt đá tăng, chiều cao biên dạng đá giảm, tạo ra bề mặt đá mài phẳng hơn. Chiều sâu sửa đá lớn làm tăng lực pháp tuyến khi sửa, tạo nhiều lưỡi cắt sắc, nâng cao năng suất mài nhưng có thể làm tăng nhám bề mặt nếu quá lớn.

Biểu đồ phân tích ANOVA cho thấy lượng chạy dao dọc sửa đá chiếm tỷ lệ ảnh hưởng lớn nhất đến nhám bề mặt (khoảng 45%), trong khi chiều sâu sửa đá ảnh hưởng chính đến năng suất mài (khoảng 50%). Việc kết hợp tối ưu hai thông số này giúp cân bằng giữa chất lượng bề mặt và năng suất.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cột thể hiện sự thay đổi Ra và MRR theo các mức Sd và tsđ, cũng như bảng tổng hợp kết quả phân tích quan hệ mờ để minh họa hiệu quả tối ưu đa mục tiêu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng chế độ sửa đá tinh với lượng chạy dao dọc Sd từ 0,1 đến 0,15 mm/vòng: Giúp giảm nhám bề mặt Ra xuống dưới 0,4 µm, nâng cao chất lượng bề mặt gia công. Thời gian thực hiện: ngay trong các quy trình mài lỗ hiện tại. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật viên vận hành máy mài.

  2. Tăng chiều sâu sửa đá tsđ lên khoảng 0,02 mm/htđ: Tăng năng suất mài khoảng 30-35%, giảm thời gian gia công. Thời gian áp dụng: trong vòng 3 tháng để đánh giá hiệu quả. Chủ thể thực hiện: bộ phận kỹ thuật và quản lý sản xuất.

  3. Sử dụng chế độ bôi trơn làm nguội hợp lý: Đảm bảo nhiệt độ vùng mài thấp, giảm biến dạng dẻo và vết cháy bề mặt, góp phần cải thiện độ bền đá mài và chất lượng bề mặt. Thời gian áp dụng: song song với điều chỉnh chế độ sửa đá. Chủ thể thực hiện: bộ phận bảo trì và vận hành.

  4. Xây dựng quy trình kiểm soát tuổi thọ đá mài dựa trên nhám bề mặt và năng suất mài: Giúp xác định thời điểm sửa đá hợp lý, tránh lãng phí vật liệu và thời gian. Thời gian triển khai: 6 tháng. Chủ thể thực hiện: phòng kỹ thuật và quản lý chất lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và kỹ thuật viên gia công cơ khí: Nắm bắt các thông số kỹ thuật sửa đá tối ưu để nâng cao chất lượng và năng suất mài lỗ thép SKD11 qua tôi.

  2. Nhà quản lý sản xuất tại các nhà máy cơ khí: Áp dụng các giải pháp tối ưu hóa quy trình mài nhằm giảm chi phí và tăng hiệu quả sản xuất.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Tham khảo cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm về công nghệ mài lỗ vật liệu cứng.

  4. Các doanh nghiệp sản xuất dụng cụ cắt và khuôn mẫu: Ứng dụng kết quả nghiên cứu để cải thiện chất lượng sản phẩm và kéo dài tuổi thọ dụng cụ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần tối ưu chế độ sửa đá khi mài lỗ thép SKD11 qua tôi?
    Chế độ sửa đá ảnh hưởng trực tiếp đến topography đá mài, từ đó quyết định chất lượng bề mặt và năng suất mài. Tối ưu giúp giảm nhám bề mặt và tăng hiệu quả gia công.

  2. Các thông số sửa đá nào quan trọng nhất?
    Lượng chạy dao dọc (Sd) và chiều sâu sửa đá (tsđ) là hai thông số chính ảnh hưởng đến nhám bề mặt và năng suất mài.

  3. Phương pháp nào được sử dụng để xác định chế độ sửa đá tối ưu?
    Phương pháp Taguchi kết hợp phân tích ANOVA và phân tích quan hệ mờ (GRA) giúp đánh giá và tối ưu đa mục tiêu.

  4. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các vật liệu khác không?
    Kết quả chủ yếu áp dụng cho thép SKD11 qua tôi, tuy nhiên nguyên lý và phương pháp có thể tham khảo để điều chỉnh cho các vật liệu hợp kim cứng khác.

  5. Làm thế nào để kiểm soát tuổi thọ đá mài trong sản xuất?
    Theo dõi nhám bề mặt Ra và năng suất mài MRR, kết hợp với quan sát lực cắt và rung động để xác định thời điểm sửa đá hợp lý.

Kết luận

  • Xác định được chế độ sửa đá tối ưu với lượng chạy dao dọc Sd khoảng 0,15 mm/vòng và chiều sâu sửa đá tsđ khoảng 0,02 mm/htđ giúp đạt nhám bề mặt Ra dưới 0,4 µm và năng suất mài MRR trên 15 mm³/s khi mài lỗ thép SKD11 qua tôi.
  • Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm, sử dụng thiết bị đo nhám bề mặt Mitutoyo SV-3100 và phân tích thống kê ANOVA, GRA đảm bảo độ tin cậy kết quả.
  • Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, góp phần nâng cao hiệu quả công nghệ mài lỗ vật liệu cứng trong sản xuất cơ khí chính xác.
  • Đề xuất áp dụng chế độ sửa đá tinh và chế độ bôi trơn làm nguội hợp lý để cải thiện chất lượng và năng suất gia công.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo tập trung vào tối ưu hóa chế độ bôi trơn làm nguội và phát triển mô hình dự báo tuổi thọ đá mài trong điều kiện sản xuất thực tế.

Quý độc giả và các nhà sản xuất được khuyến khích áp dụng các kết quả và giải pháp trong luận văn để nâng cao hiệu quả gia công mài lỗ thép SKD11 qua tôi.