Luận văn: Các thông số ảnh hưởng chi phí năng lượng và năng suất khi phay rãnh

Luận văn nghiên cứu các thông số kỹ thuật ảnh hưởng chi phí năng lượng và năng suất khi phay rãnh, giúp tìm ra giải pháp vận hành máy tối ưu.

• Tác giả: Tạ Văn Xã
• Người hướng dẫn: Ts. Trịnh Hữu Trọng
• Trường học: Trường Đại học Lâm Nghiệp
• Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hoá NLN
• Đề tài: Nghiên cứu một số thông số ảnh hưởng đến chi phí năng lượng riêng và năng suất khi phay rãnh trên máy phay đa năng TUM20VS
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Phay rãnh hiệu quả Bí quyết cân bằng năng lượng năng suất

Trong ngành gia công cơ khí chính xác, phay rãnh là một nguyên công cơ bản nhưng chiếm tỷ trọng lớn trong tổng chi phí sản xuất. Việc tìm ra phương pháp cân bằng giữa hiệu suất gia công và tiết kiệm năng lượng không chỉ là một bài toán kỹ thuật mà còn là một yêu cầu cấp thiết về kinh tế. Mục tiêu chính là giảm thiểu chi phí năng lượng riêng (kWh/m³) và tối đa hóa năng suất (sản phẩm/giờ) mà vẫn đảm bảo chất lượng bề mặt và độ chính xác của chi tiết. Bài viết này, dựa trên các phân tích và kết quả thực nghiệm từ luận văn "Nghiên cứu một số thông số ảnh hưởng đến chi phí năng lượng riêng và năng suất khi phay rãnh" của Tạ Văn Xã (2011), sẽ đi sâu vào các phương pháp và chiến lược để đạt được mục tiêu này. Các yếu tố cốt lõi ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình bao gồm chế độ cắt tối ưu, lựa chọn dụng cụ cắt, và chiến lược chạy dao. Việc kiểm soát chặt chẽ các thông số như tốc độ cắt, bước tiến dao, và chiều sâu cắt là chìa khóa để giảm lực cắt, tối ưu hóa quá trình thoát phoi, và kéo dài tuổi thọ dụng cụ cắt. Tối ưu hóa không chỉ dừng lại ở việc điều chỉnh thông số trên máy phay CNC, mà còn bao gồm việc lựa chọn vật liệu dụng cụ cắt phù hợp, sử dụng dung dịch tưới nguội đúng cách và thực hiện bảo trì máy CNC định kỳ. Bằng cách áp dụng một cách khoa học các nguyên tắc này, các xưởng sản xuất có thể giảm đáng kể chi phí sản xuất tổng thể, nâng cao năng lực cạnh tranh và hướng tới một quy trình sản xuất bền vững hơn. Nội dung sẽ phân tích từ cơ sở lý thuyết đến các kết quả ứng dụng thực tiễn, cung cấp một cái nhìn toàn diện và các giải pháp có thể áp dụng ngay lập tức.

1.1. Tầm quan trọng của việc tiết kiệm năng lượng trong gia công

Chi phí năng lượng là một phần đáng kể trong giá thành của một chi tiết máy. Trong bối cảnh giá năng lượng ngày càng tăng và các yêu cầu về sản xuất bền vững, việc tiết kiệm năng lượng trở thành một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng và hiệu quả của máy móc cũng như quy trình công nghệ. Chỉ số chi phí năng lượng riêng, được định nghĩa là năng lượng tiêu thụ để tạo ra một đơn vị khối lượng sản phẩm, là thước đo trực tiếp hiệu quả sử dụng năng lượng. Giảm chỉ số này đồng nghĩa với việc tối ưu hóa công suất máy sử dụng và giảm lãng phí, từ đó trực tiếp hạ thấp chi phí sản xuất.

1.2. Mối liên hệ giữa hiệu suất gia công và thời gian chu kỳ

Năng suất hay hiệu suất gia công được đo lường bằng khối lượng sản phẩm tạo ra trong một đơn vị thời gian. Yếu tố quyết định đến năng suất chính là thời gian chu kỳ (cycle time) để hoàn thành một chi tiết. Thời gian này bao gồm thời gian cắt gọt thực tế, thời gian di chuyển không tải của dao, và thời gian phụ trợ. Việc tối ưu hóa các thông số cắt gọt không chỉ giúp giảm thời gian cắt mà còn có thể giảm số lần chạy dao, từ đó rút ngắn đáng kể tổng thời gian chu kỳ. Một quy trình có năng suất cao sẽ giúp doanh nghiệp đáp ứng đơn hàng nhanh hơn, tăng vòng quay vốn và nâng cao hiệu quả kinh doanh tổng thể.

II. Thách thức trong phay rãnh Lãng phí năng lượng giảm năng suất

Quá trình phay rãnh phải đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật có thể dẫn đến lãng phí năng lượng và suy giảm năng suất. Một trong những vấn đề lớn nhất là rung động khi gia công. Rung động không chỉ làm giảm chất lượng bề mặt, gây ra sai lệch kích thước mà còn tạo ra tải trọng động lên trục chính và dụng cụ cắt, làm giảm đáng kể tuổi thọ dụng cụ cắt. Hiện tượng này làm tăng lực cắt một cách không cần thiết, dẫn đến tiêu thụ công suất máy cao hơn. Thách thức thứ hai là vấn đề thoát phoi, đặc biệt khi thực hiện phay rãnh sâu hoặc phay rãnh hẹp. Phoi không được thoát ra kịp thời sẽ bị kẹt lại trong rãnh, gây ra ma sát lớn, tăng nhiệt độ vùng cắt, và có thể dẫn đến gãy dụng cụ. Tình trạng này buộc người vận hành phải giảm chế độ cắt tối ưu, làm chậm thời gian chu kỳ và giảm năng suất. Thêm vào đó, việc lựa chọn chế độ cắt không phù hợp là nguyên nhân phổ biến gây lãng phí. Ví dụ, tốc độ cắt quá cao mà không tương xứng với khả năng của vật liệu gia công và dụng cụ sẽ gây mòn dao nhanh chóng, trong khi bước tiến dao quá thấp lại kéo dài thời gian gia công một cách không hiệu quả. Mỗi yếu tố này đều góp phần làm tăng chi phí năng lượng riêng và giảm hiệu quả sản xuất tổng thể. Việc không kiểm soát tốt các yếu tố này không chỉ làm tăng chi phí vận hành mà còn ảnh hưởng đến độ ổn định của toàn bộ quy trình sản xuất.

2.1. Phân tích các yếu tố gây tiêu hao công suất máy không hiệu quả

Công suất tiêu thụ của máy phay CNC không chỉ dùng cho việc cắt gọt mà còn cho các hoạt động phụ trợ như bơm dung dịch tưới nguội, hệ thống điều khiển, và tổn thất ma sát trong các cơ cấu truyền động. Tuy nhiên, phần công suất lãng phí lớn nhất thường đến từ lực cắt cao hơn mức cần thiết. Nguyên nhân có thể do dụng cụ cắt bị mòn, góc cắt không phù hợp, hoặc chế độ cắt chưa được tối ưu hóa. Một yếu tố khác là quá trình thoát phoi kém, gây ma sát và nhiệt lượng dư thừa, buộc động cơ phải làm việc nặng nề hơn để duy trì chuyển động cắt. Những tổn thất này làm tăng chi phí năng lượng riêng một cách trực tiếp.

2.2. Ảnh hưởng của rung động khi gia công đến tuổi thọ dụng cụ cắt

Hiện tượng rung động khi gia công (chatter) là kẻ thù của độ chính xác và tuổi thọ dụng cụ cắt. Rung động tạo ra các va đập vi mô liên tục lên lưỡi cắt của dao phay ngón hoặc insert phay, gây ra hiện tượng mẻ lưỡi (micro-chipping) và làm gia tăng tốc độ mài mòn. Dụng cụ bị mòn nhanh chóng sẽ mất đi độ sắc bén, làm tăng lực cắt và nhiệt độ, tạo ra một vòng lặp tiêu cực khiến rung động càng trở nên tồi tệ hơn. Điều này không chỉ làm tăng chi phí thay thế dụng cụ mà còn gây ra các dừng máy không mong muốn, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất gia công.

III. Phương pháp tối ưu chế độ cắt để tiết kiệm năng lượng hiệu quả

Việc thiết lập chế độ cắt tối ưu là giải pháp cốt lõi để giải quyết đồng thời hai bài toán: tiết kiệm năng lượng và nâng cao năng suất. Chế độ cắt bao gồm ba thông số chính: tốc độ cắt (vc), bước tiến dao (f), và chiều sâu cắt (ap). Theo kết quả nghiên cứu của Tạ Văn Xã (2011), các thông số này có ảnh hưởng trực tiếp và rõ rệt đến chi phí năng lượng riêng và năng suất. Cụ thể, nghiên cứu chỉ ra rằng khi tăng bước tiến dao (lượng ăn dao Sz), chi phí năng lượng riêng có xu hướng giảm. Điều này được lý giải là do với cùng một thể tích vật liệu được loại bỏ, thời gian cắt giảm xuống, làm giảm tổng năng lượng tiêu thụ. Tuy nhiên, việc tăng bước tiến dao phải nằm trong giới hạn cho phép để không làm quá tải máy, không gây rung động khi gia công và đảm bảo chất lượng bề mặt yêu cầu. Ngược lại, tốc độ cắt có mối quan hệ phức tạp hơn. Tăng tốc độ cắt giúp tăng năng suất nhưng cũng làm tăng nhiệt độ vùng cắt và tốc độ mài mòn dụng cụ, từ đó có thể làm tăng chi phí năng lượng nếu không được kiểm soát. Do đó, cần tìm ra một dải tốc độ cắt tối ưu cho từng cặp vật liệu gia công và dụng cụ cắt cụ thể. Việc sử dụng dung dịch tưới nguội cũng đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát nhiệt độ, giảm ma sát và hỗ trợ quá trình thoát phoi, gián tiếp giúp duy trì chế độ cắt ổn định và tiết kiệm năng lượng.

3.1. Thiết lập tốc độ cắt vc và bước tiến dao f hợp lý

Việc tìm ra sự kết hợp lý tưởng giữa tốc độ cắt và bước tiến dao là nghệ thuật trong gia công cơ khí chính xác. Một nguyên tắc chung là ưu tiên tăng bước tiến dao đến mức tối đa mà vẫn đảm bảo chất lượng bề mặt và độ ổn định của hệ thống. Sau đó, điều chỉnh tốc độ cắt để đạt được năng suất mong muốn mà không làm giảm tuổi thọ dụng cụ cắt quá nhanh. Luận văn của Tạ Văn Xã đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng tồn tại một giá trị hợp lý cho các thông số này để đạt chi phí năng lượng riêng thấp nhất và năng suất cao nhất trên máy phay TUM20VS.

3.2. Vai trò của chiều sâu cắt ap và chiều rộng cắt ae khi phay

Chiều sâu cắt (ap) và chiều rộng cắt (ae) quyết định lượng vật liệu được loại bỏ trong mỗi lượt dao. Tăng các thông số này giúp giảm số lượt chạy dao cần thiết, từ đó rút ngắn thời gian chu kỳ. Tuy nhiên, điều này cũng làm tăng đáng kể lực cắt và yêu cầu công suất máy lớn hơn. Đối với phay rãnh sâu, chiến lược cắt nhiều lớp mỏng (high-speed machining) với ap nhỏ nhưng f và vc cao thường hiệu quả hơn về mặt năng lượng và tuổi thọ dụng cụ cắt so với việc cắt một lớp dày với tốc độ chậm.

3.3. Sử dụng dung dịch tưới nguội để giảm lực cắt và nhiệt độ

Dung dịch tưới nguội (coolant) có hai chức năng chính: bôi trơn và làm mát. Chức năng bôi trơn giúp giảm ma sát giữa phoi, dụng cụ và bề mặt chi tiết, từ đó làm giảm lực cắt và năng lượng tiêu thụ. Chức năng làm mát giúp kiểm soát nhiệt độ vùng cắt, ngăn ngừa biến dạng nhiệt của chi tiết và bảo vệ lưỡi cắt khỏi bị quá nhiệt, giúp kéo dài tuổi thọ dụng cụ cắt. Việc sử dụng đúng loại dung dịch với áp suất và lưu lượng phù hợp là rất quan trọng để tối ưu hóa quá trình gia công.

IV. Top chiến lược chạy dao và lựa chọn dụng cụ cắt tối ưu nhất

Bên cạnh chế độ cắt, chiến lược chạy dao và việc lựa chọn dụng cụ cắt phù hợp đóng vai trò quyết định đến hiệu quả của quá trình phay rãnh. Các phần mềm CAM hiện đại cung cấp nhiều chiến lược tiên tiến như phay tốc độ cao (HSM), phay động (Dynamic Milling), hay phay troichoidal, giúp duy trì tải trọng cắt ổn định, tối ưu hóa quá trình thoát phoi và giảm rung động khi gia công. Những chiến lược này cho phép sử dụng toàn bộ chiều dài lưỡi cắt của dao phay ngón, giúp phân bổ đều sự mài mòn và tăng tuổi thọ dụng cụ cắt. Về dụng cụ, việc lựa chọn giữa dao phay ngón nguyên khối và dao phay gắn mảnh (insert phay) phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể. Dao phay đĩa thường được ưu tiên cho các rãnh rộng và sâu nhờ độ cứng vững và khả năng thoát phoi tốt. Vật liệu làm dao (thép gió HSS, Carbide, CBN...) và lớp phủ bề mặt (TiN, TiAlN, AlCrN...) phải được lựa chọn dựa trên vật liệu gia công. Một dụng cụ cắt sắc bén với hình học lưỡi cắt được tối ưu hóa sẽ yêu cầu lực cắt thấp hơn, tiêu thụ ít năng lượng hơn và tạo ra chất lượng bề mặt tốt hơn. Do đó, đầu tư vào dụng cụ cắt chất lượng cao và áp dụng chiến lược chạy dao thông minh là một khoản đầu tư mang lại lợi nhuận cao trong việc tối ưu hóa chi phí sản xuất.

4.1. Lựa chọn giữa dao phay ngón dao phay đĩa và dao phay T slot

Việc lựa chọn loại dao phay phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của rãnh. Dao phay ngón (end mill) là lựa chọn linh hoạt nhất cho hầu hết các loại rãnh thông thường, đặc biệt là phay rãnh hẹp. Dao phay đĩa (slitting saw/side and face cutter) có hiệu suất cao hơn khi phay các rãnh dài và thẳng, cho phép cắt với chiều sâu cắt lớn trong một lần chạy dao. Dao phay rãnh T (T-slot cutter) là dụng cụ chuyên dụng cho các biên dạng rãnh đặc thù. Lựa chọn đúng loại dao sẽ giúp tối ưu hóa thời gian chu kỳ và đảm bảo độ chính xác hình học.

4.2. Tầm quan trọng của vật liệu và lớp phủ trên insert phay

Đối với dao phay gắn mảnh, insert phay là bộ phận làm việc chính. Vật liệu của insert (ví dụ như Carbide) quyết định khả năng chịu nhiệt và chịu mài mòn. Lớp phủ bề mặt (coating) đóng vai trò như một lớp rào cản nhiệt và chất bôi trơn rắn, giúp giảm ma sát, ngăn phoi bám dính và tăng độ cứng bề mặt. Một insert phay với lớp phủ phù hợp với vật liệu gia công có thể cho phép tăng tốc độ cắt lên đáng kể, từ đó cải thiện hiệu suất gia công và kéo dài tuổi thọ dụng cụ.

V. Nghiên cứu thực tiễn Kết quả tối ưu năng suất trên máy phay

Lý thuyết cần được kiểm chứng bằng thực nghiệm để xác định các giá trị tối ưu. Luận văn của Tạ Văn Xã đã tiến hành các thí nghiệm có quy hoạch trên máy phay đa năng TUM20VS để xác định mối quan hệ định lượng giữa các thông số đầu vào (tốc độ cắt, lượng ăn dao) và các chỉ tiêu đầu ra (chi phí năng lượng riêng, năng suất). Kết quả thực nghiệm đơn yếu tố và đa yếu tố đã cho thấy rõ quy luật ảnh hưởng. Chẳng hạn, đồ thị thực nghiệm đã chỉ ra điểm mà tại đó việc tăng tốc độ cắt không còn mang lại lợi ích về năng suất do thời gian thay dao và các yếu tố khác bù trừ. Tương tự, một ngưỡng tối ưu cho lượng ăn dao cũng được xác định, nơi mà chi phí năng lượng là thấp nhất mà không làm suy giảm chất lượng bề mặt. Những kết quả này cung cấp cơ sở khoa học vững chắc để xây dựng một bộ thông số khuyến nghị cho việc phay rãnh sâu và phay rãnh hẹp trên các loại vật liệu gia công phổ biến. Việc áp dụng các thông số được tối ưu hóa này vào thực tế sản xuất giúp giảm thời gian chu kỳ một cách có thể đo lường được, giảm tiêu thụ điện năng và hạ thấp chi phí sản xuất trên mỗi sản phẩm. Đây là minh chứng rõ ràng cho việc nghiên cứu ứng dụng có thể mang lại lợi ích kinh tế trực tiếp cho ngành gia công cơ khí chính xác.

5.1. Kết quả từ luận văn Ảnh hưởng thông số đến lực cắt thực tế

Nghiên cứu đã xây dựng các mô hình toán học và kiểm chứng bằng thực nghiệm để mô tả mối quan hệ giữa các thông số chế độ cắt và lực cắt. Kết quả cho thấy chiều sâu cắt và bước tiến dao là hai yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến lực cắt. Việc hiểu rõ mối quan hệ này cho phép người vận hành dự đoán được tải trọng trên máy và dụng cụ, từ đó thiết lập chế độ cắt an toàn, tránh quá tải và tối ưu hóa quá trình, đặc biệt khi gia công các vật liệu gia công cứng.

5.2. Đánh giá hiệu suất gia công qua thông số thời gian chu kỳ

Thông qua các thí nghiệm, thời gian chu kỳ để phay một rãnh tiêu chuẩn đã được ghi nhận và so sánh dưới các chế độ cắt khác nhau. Kết quả cho thấy việc áp dụng chế độ cắt được tối ưu hóa có thể giảm thời gian gia công từ 20-30% so với việc sử dụng các thông số kinh nghiệm thông thường. Sự cải thiện này về hiệu suất gia công có ý nghĩa rất lớn trong sản xuất hàng loạt, nơi mỗi giây tiết kiệm được đều góp phần làm giảm đáng kể chi phí sản xuất.

VI. Kết luận Hướng tới sản xuất cơ khí chính xác bền vững hơn

Tối ưu chi phí năng lượng và năng suất khi phay rãnh là một nhiệm vụ đa diện, đòi hỏi sự kết hợp hài hòa giữa kiến thức lý thuyết, kinh nghiệm thực tiễn và ứng dụng công nghệ. Các phân tích từ tài liệu nghiên cứu và thực tiễn sản xuất đã khẳng định rằng, việc tập trung vào chế độ cắt tối ưu là yếu tố then chốt. Bằng cách điều chỉnh một cách khoa học các thông số như tốc độ cắt, bước tiến dao và chiều sâu cắt, doanh nghiệp có thể đạt được sự cân bằng lý tưởng giữa tốc độ và hiệu quả năng lượng. Bên cạnh đó, việc đầu tư vào dụng cụ cắt hiện đại như dao phay ngón và insert phay có lớp phủ tiên tiến, kết hợp với các chiến lược chạy dao thông minh sẽ giúp giảm lực cắt, cải thiện chất lượng bề mặt và kéo dài tuổi thọ dụng cụ cắt. Tương lai của ngành gia công cơ khí chính xác gắn liền với sự bền vững. Việc tiết kiệm năng lượng không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất mà còn thể hiện trách nhiệm với môi trường. Do đó, quá trình tối ưu hóa cần được xem là một hoạt động liên tục, kết hợp với việc bảo trì máy CNC định kỳ và đào tạo nhân lực để khai thác tối đa công suất máy một cách hiệu quả nhất. Áp dụng toàn diện các giải pháp này sẽ giúp các doanh nghiệp nâng cao năng lực cạnh tranh và phát triển bền vững trong dài hạn.

6.1. Tóm tắt các bí quyết giảm chi phí sản xuất phay rãnh

Để tóm lược, các bí quyết chính bao gồm: 1) Luôn ưu tiên tối ưu hóa bước tiến dao để giảm chi phí năng lượng riêng. 2) Tìm ra dải tốc độ cắt tối ưu cho từng ứng dụng cụ thể. 3) Sử dụng chiến lược chạy dao tốc độ cao để duy trì tải trọng ổn định. 4) Đầu tư vào dụng cụ cắt và insert phay chất lượng cao. 5) Không xem nhẹ vai trò của dung dịch tưới nguội và công tác thoát phoi. Việc áp dụng đồng bộ các biện pháp này sẽ mang lại hiệu quả giảm chi phí sản xuất rõ rệt.

6.2. Tầm quan trọng của việc bảo trì máy CNC định kỳ và hiệu chuẩn

Một chiếc máy phay CNC được bảo trì máy CNC tốt sẽ hoạt động với hiệu suất năng lượng cao hơn. Việc kiểm tra và bảo dưỡng định kỳ các bộ phận như trục chính, hệ thống bôi trơn, và các trục chuyển động giúp giảm ma sát và tổn thất năng lượng không cần thiết. Hiệu chuẩn máy định kỳ cũng đảm bảo độ chính xác, giúp tránh phải gia công lại các chi tiết hỏng, từ đó tiết kiệm cả thời gian, vật liệu và năng lượng. Đây là nền tảng vững chắc cho mọi nỗ lực tối ưu hóa khác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Ngành chế tạo máy nói riêng và ngành cơ khí nói chung giữ một vai trò rất lớn trong nền kinh tế quốc dân, là một trong những ngành công nghiệp nền tảng, có vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế, củng cố an ninh, quốc phòng của đất nƣớc. Trong những năm qua, ngành Cơ khí đã có những đóng góp quan trọng cho nền kinh tế. Hàng năm, Ngành đã sản xuất trên 500 danh mục sản phẩm với tổng khối lƣợng hàng trăm ngàn tấn, đáp ứng nhu cầu cho các ngành kinh tế quốc dân. Báo cáo tại Hội nghị đánh giá Chiến lƣợc phát triển ngành Cơ khí Việt Nam đến năm 2010, tầm nhìn đến năm 2020, cũng cho thấy, nếu nhƣ vào những năm đầu của thập kỷ 90 thế kỷ trƣớc, ngành Cơ khí mới chỉ đáp ứng đƣợc khoảng 8-10% nhu cầu trong nƣớc, thì đến những năm gần đây, con số này đã đạt 40%, tốc độ tăng trƣởng bình quân đạt 40%/năm.

Theo báo cáo của Hiệp hội Doanh nghiệp Cơ khí Việt Nam, hiện nay, cả nƣớc có khoảng 53.000 cơ sở sản xuất cơ khí, thu hút trên 500.000 lao động, chiếm gần 12% lao động công nghiệp. Phần lớn các chi tiết máy từ nhiều loại vật liệu khác nhau đều đƣợc tạo hình bằng các phƣơng pháp gia công cơ là gia công bằng cắt gọt, đặc biệt trong những trƣờng hợp khi cần có chi tiết với độ chính xác cao và độ nhám bề mặt thấp. Để phƣơng pháp gia công cơ đạt năng suất cao, giá thành hạ và chất lƣợng đạt yêu cầu cần phải biết những quy luật cơ bản của quá trình cắt gọt, trên cơ sở đó có thể điều khiển đƣợc những hiện tƣợng xảy ra trong vùng cắt và lựa chọn đƣợc thông số công nghệ tối ƣu. Phay là một phƣơng pháp gia công phổ biến, là một phần quan trọng trong qui trình công nghệ gia công kim loại, đồng thời cũng là một trong những phƣơng pháp gia công cho năng suất cao.

Gia công các chi tiết máy tiện, máy phay chiếm khoảng 20% khối lƣợng gia công kim loại bằng cắt gọt, chính vì vậy, ở nƣớc ta trong những năm gần đây đã nhập khẩu và đƣa vào sử dụng nhiều loại máy phay khác nhau. Để sử dụng hiệu quả các thiết bị nhập nội cần thiết có những nghiên cứu về tính năng, tác dụng và các thông số kỹ thuật của thiết bị, 2 xác định đƣợc chế độ làm việc hợp lý nhằm nâng cao năng suất và giảm giá thành sản phẩm nhƣng vẫn đảm bảo đƣợc chất lƣợng sản phẩm theo yêu cầu. Thực hiện ý tƣởng nên trên và đƣợc sự đồng ý của BGH Trƣờng Đại học Lâm nghiệp và Ban chủ nhiệm khoa sau Đại học, tôi thực hiện luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật với tên đề tài: "Nghiên cứu một số thông số ảnh hưởng đến chi phí năng lượng riêng và năng suất khi phay rãnh trên máy phay đa năng TUM20VS". 3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.

Tình hình sử dụng và nghiên cứu máy phay kim loại ở trên thế giới 1. Tình hình sử dụng máy phay kim loại ở trên thế giới Máy phay là một trong những loại máy gia công kim loại đƣợc dùng phổ biến trong các nhà máy cơ khí. Máy phay đƣợc chế tạo từ thế kỷ 16 cho đến nay hàng triệu máy phay với nhiều kiểu dáng khác nhau đã đƣợc chế tạo và đƣa vào sản xuất. Ở các nƣớc công nghiệp, đã nghiên cứu, chế tạo rất nhiều loại máy phay khác nhau để phục vụ gia công cơ khí, có nhiều loại máy phay nhƣ: ở Mỹ có các loại máy phay của Hãng Kent: KTM-3, KTM-3VS, KTM-3VKF (hình 1.1), KTM-VKF, KTM-4VKF.

Máy phay tháp KTM-3VKF Máy phay giƣờng: TW-32QI-ANILAM3300 (hình 1.2), TW-32MV- FANUC, TW-32TRH. Máy phay giƣờng TW-32QI-ANILAM3300 Các loại máy phay khác nhƣ: BMT1500S (hình 1.3), BMT2000HU, BMT 2500UM, BMT7000V. có công suất trục chính từ 2-7HP, máy phay giƣờng BM460T, BM56T có công suất trục chính 7, 7,5 HP, tốc độ quay của trục chính 60-4500 v/p. Máy phay tháp BMT1500S 5 Ở Đức có hãng nổi tiếng là DECKEL với các loại máy phay FP1, FP2, FP3 (hình 1.4) có công suất trục chính 2-5HP; máy phay giƣờng Bernardo BFM 180, BFM200, BFM240.

có công suất trục chính 7,5KW. Máy phay tháp DECKEL FP1 Hình 1. Máy phay giƣờng BFM200 6 Ở Trung Quốc, hãng sản xuất máy phay nổi tiếng LILIAN, CENTRE với đa dạng các loại máy phay nhƣ: máy phay tháp: XW6032 có công suất trục chính là 4KW, X6333A có công suất trục chính 3,75 KW, MW5032, XK6325B, PTDM20, M4 Verticle (hình 1. Máy M4 Verticle của hãng CENTRE Máy phay giƣờng XL7036, BM360, BM400, BM460 (hình 1.7) có công suất trục chính 3,5-5,5kW, số vòng quay 30-3500 v/p.

Máy phay giƣờng BM460 7 1. Tình hình nghiên cứu máy phay kim loại ở trên thế giới Ở các nƣớc công nghiệp tiên tiến máy phay kim loại đã đƣợc quan tâm đúng mức và bài bản. Các nghiên cứu tập trung vào một số hƣớng sau: + Hƣớng thứ nhất: Nghiên cứu nâng cao năng suất khi sử dụng máy phay. Trong công trình [15], các tác giả V.G Nhetrepaev đã khảo sát quá trình hình thành phoi khi phay rãnh chữ T và xây dựng đƣợc các mô hình toán học để khảo sát quá trình phoi lấp đầy không gian giữa các răng cắt của dao phay; Sự chuyển dịch phoi dọc mặt cắt trƣớc của các răng cắt dƣới tác dụng của lực quán tính và lực thủy động.

Sự dịch chuyển của các phoi kim loại dọc mạch cắt dƣới tác dụng lực thủy động học; Quá trình lắp đầy phoi trong không gian của mạch cắt; Xác định lực cần thiết tác dụng lên khối phoi vật liệu vụn đƣợc tạo thành trong không gian của mạch cắt. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng chỉ sau 2 đến 5 vòng quay của trục dao không gian giữa các răng cắt đã đƣợc phoi lấp đầy. Kết quả khảo nghiệm cho phép khẳng định rằng: Khi gia công thép và gang ở chế độ tiêu chuẩn có từ 30 ÷ 100% trƣờng hợp không có khả năng tự thoát phoi đƣợc nhờ lực quán tính mà muốn quá trình thoát phoi đƣợc thuận lợi cần thiết phải có thêm lực tác dụng. Trong quá trình gia công, phoi thép cũng nhanh chóng đƣợc lấp đầy rãnh cắt; chỉ sau 10 ÷ 30 mm chiều dài mạch cắt.

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng: Sự tách phoi ra khỏi không gian giữa 2 răng cắt (hầu răng) và phoi cắt ra khỏi không gian của mạch cắt cho phép tăng năng suất lên 2 lần mà vẫn đảm bảo đƣợc độ nhám theo tiêu chuẩn. Nhờ sử dụng nhƣng pháp chủ động đẩy phoi ra khỏi không gian giữa các răng cắt và trong mạch cắt dòng nƣớc làm mát có áp lực mà tuổi bền của dao tăng lên nhiều lần so với trƣờng hợp làm mát dao cắt khi gia công mà không đẩy phoi…. 8 Trong công trình [19], tác giả Lobanov. A đã nghiên cứu quá trình phay thép tôi có độ cứng lớn hơn 45HRC.

Trong quá trình nghiên cứu tác giả đã khảo sát nhiệt ở vùng cắt gọt, xác định nhiệt độ; kiểm tra cấu tạo tinh thể và độ cứng của phoi thép và đƣa ra phƣơng pháp chọn chế độ cắt gọt, khi phay thep qua tôi cứng; Xác định yêu cầu kỹ thuật của máy phay sử dụng để phay các hợp kim cứng. Sử dụng phƣơng pháp phay kim loại ở trạng thái tôi cứng mà đề tài đề xuất góp phần nâng cao năng suất, giảm độ nhám, giảm chi phí gia công của các chi tiết máy. Trong công trình [21], tác giả Ruđina. A đã nghiên cứu nâng cao hiệu quả gia công bề mặt của các chi tiết máy nhờ chọn thông số kỹ thuật của quá trình cắt hợp lý.

Đã xây dựng đƣợc mô hình toán học để xác định chế độ cắt hợp lý khi phay ở tốc độ cao nhằm mục tiêu nâng cao năng suất và chất lƣợng sản phẩm. Trong công trình nghiên cứu [24] Tác giả Poliakova.V đã nghiên cứu khả năng nâng cao năng suất và chất lƣợng gia công bề mặt của chi tiết máy. Trong quá trình nghiên cứu đã xây dựng đƣợc 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 đƣợc chế độ cắt tối ƣu bằng phƣơng pháp qui hoạch thực hiện nghiệm phi tuyến. Với hàm mục tiêu là giá thành sản phẩm. + Hƣớng thứ 2: Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng sản phẩm Trong công trình [26] Tác giả Haxan – Al – Đabac đã nghiên cứu nâng cao chất lƣợng gia công nhờ chế tạo và sử dụng đầu măng danh khoan phay. Bằng lý thuyết đã khảo sát đặc tính đầu măng danh khoan phay và đề xuất cấu tạo của đầu măng danh với mục tiêu nâng cao độ chính xác và chất lƣợng gia công.

Tiến hành nghiên cứu trạng thái biến dạng và ảnh hƣởng của tốc độ quay đến lực kẹp của đầu măng danh. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng: Khi phay với tốc độ từ 6000 đến 12000 vòng/phút lực ly tâm không ảnh hƣởng đến lực kẹp. Khi sử dụng đầu măng danh khoan phay độ nhám bề mặt chi tiết 9 giảm 6÷10% so với đầu măng danh bình thƣờng và chất lƣợng gia công tăng lên rõ rệt. + Hƣớng thứ 3: Nghiên cứu hoàn thiện kết cấu máy và quá trình cắt gọt kim loại.

Trong công trình [13] các tác giả AntônhiuK.A đã xây dựng đƣợc mô hình toán học để tính toán các thành phần của lực cắt sinh ra trong quá trình phay đƣờng viền các hợp kim khó gia công bằng dao phay ngón. Phân lực tiếp tuyến Px và phân lực vuông góc Py của lực cắt khi phay phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố đó là chiều sâu cắt, lƣợng ăn dao, góc gặp, loại vật liệu…. Kết quả nghiên cứu của các học giả trên có thể dùng để nghiên cứu sự ảnh hƣởng của lực cắt đến độ bền lƣỡi phay và độ chính xác gia công trong quá trình phay các hợp kim khó gia công bằng dao phay ngón. Trong công trình [22], tác giả Frolov.N đã nghiên cứu nâng cao ổn định rung khi phay trên cơ sở sử dụng lƣỡi phay mặt đầu có độ cứng thay đổi đã góp phần làm hoàn thiện kết cấu của lƣỡi phay, Tác giả đã xây dựng đƣợc mô hình toán học miêu tả quá trình dao động uốn của dao phay có độ cứng không đổi và dao phay có độ cứng thay đổi.

Mô hình hóa quá trình thay đổi lực cắt khi gia công bề mặt bằng lƣỡi phay mặt đầu có độ cứng của các răng cắt không đổi và lƣỡi phay có độ cứng của các răng cắt thay đổi.