Luận văn: Ảnh hưởng chế độ cắt đến độ nhám và điện năng khi phay C45

• Tác giả: Nguyễn Thành Sơn
• Người hướng dẫn: PGS. Vũ Khắc Bảy
• Trường học: Trường Đại học Lâm Nghiệp
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt (S,T,V) đến độ nhám bề mặt và chi phí điện năng riêng khi phay vật liệu C45 trên máy phay vạn năng ACRA
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• MỞ ĐẦU
• 1. Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Khái quát về máy phay
• 1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu máy công cụ
• 1.3. Tổng quan nghiên cứu về máy phay
• 1.4. Các dạng dao phay chủ yếu
• 1.5. Những vấn đề tồn tại cần nghiên cứu giải quyết
• 2. CHƯƠNG 2: MỤC TIÊU, NỘI DUNG, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 2.2. Nội dung nghiên cứu
• 2.3. Nghiên cứu thực nghiệm
• 2.4. Đối tượng và thiết bị nghiên cứu
• 2.4.1. Thiết bị nghiên cứu
• 2.5. Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong đề tài
• 2.5.1. Quy hoạch thực nghiệm với xử lý số bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất (BPNN)
• 2.5.2. Cơ sở của lý thuyết Quy hoạch thực nghiệm
• 2.5.3. Đánh giá kết quả nhận được bằng BPNN
• 2.5.3.1. Kiểm sự bằng nhau của phương sai   D(yi )
• 2.5.3.2. Kiểm sự phù hợp của hàm hồi quy
• 2.5.3.3. Tìm khoảng sai lệch của yi
• 2.5.4. Khảo sát hàm mục tiêu để tìm điểm có giá trị lớn nhất (Max) và nhỏ nhất (min) trong miền xác định
• 2.5.5. Tìm điểm tối ưu cho hàm đa mục tiêu
• 3. Chương 3: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI
• 3.1. Các hiện tượng cơ học trong quá trình phay
• 3.1.1. Các nhân tố ảnh hưởng đến nhiệt cắt:
• 3.1.2. Hiện tượng rung động khi cắt:
• 3.2. Sự mài mòn dao:
• 3.2.1. Hiện tượng và phương thức mài mòn dao khi cắt kim loại:
• 3.2.2. Các dạng mài mòn dao:
• 3.3. Chất lượng bề mặt gia công. Chỉ tiêu dánh giá
• 3.3.1. Ký hiệu nhám bề mặt trên bản vẽ
• 3.4. Gia công cắt gọt khi phay
• 3.4.1. Khái niệm chung
• 3.4.2. Phân loại dao phay
• 3.4.3. Vật liệu chế tạo dao phay
• 3.5. Các yếu tố của lớp cắt
• 4. Chương 4: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT (S,V,T) ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT VÀ CHI PHÍ ĐIỆN NĂNG RIÊNG KHI PHAY VẬT LIỆU C45 TRÊN MÁY PHAY ACRA
• 4.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm
• 4.2. Vật liệu thí nghiệm
• 4.3. Dụng cụ đo, kiểm tra
• 4.3.1. Dụng cụ đo, kiểm tra độ nhám
• 4.4. Quá trình thực hiện. Mô tả thí nghiệm
• 4.5. Kết quả thực nghiệm. Xử lý kết quả thực nghiệm - kiểm tra kết quả tính toán và mô hình hàm hồi quy
• 4.5.1. Mô hình xử lý kết quả thực nghiệm
• 4.5.2. Quy hoạch thực nghiệm đa thức hồi quy bậc 1
• 4.5.3. Xác định các hệ số aj và bj
• 4.5.4. Kiểm tra mô hình hồi quy bậc 1
• 4.5.5. Quy hoạch thực nghiệm với hàm hồi quy là đa thức bậc 2
• 4.5.6. Xác định các hệ số aj và bj
• 4.5.7. Kiểm định mô hình hồi quy đa thức bậc 2
• 4.6. Khảo sát hàm hồi quy thực nghiệm
• 4.7. Giải bài toán tối ưu đa mục tiêu
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHẦN PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về phay thép C45 và tầm quan trọng tối ưu

Gia công phay thép C45 là một trong những hoạt động nền tảng của ngành gia công cơ khí chính xác. Vật liệu thép C45 là loại thép carbon trung bình, được sử dụng rộng rãi để chế tạo các chi tiết máy như trục, bánh răng, và các thành phần chịu lực nhờ sự cân bằng tốt giữa độ cứng thép C45 và độ dẻo. Tuy nhiên, để đạt được chất lượng bề mặt chi tiết cao và hiệu quả kinh tế, việc tối ưu hóa quá trình phay là vô cùng cần thiết. Quá trình này không chỉ ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước mà còn tác động trực tiếp đến chi phí sản xuất, đặc biệt là hiệu suất năng lượng gia công. Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, việc tìm ra bộ thông số phay thép C45 tối ưu để vừa giảm độ nhám bề mặt gia công vừa tiết kiệm điện năng tiêu thụ là một bài toán có ý nghĩa thực tiễn cao. Nghiên cứu của Nguyễn Thành Sơn (2018) đã chỉ ra rằng việc lựa chọn chế độ cắt khi phay thép C45 một cách khoa học có thể cải thiện đáng kể cả hai yếu tố này, thay vì chỉ dựa vào kinh nghiệm hoặc các sổ tay công nghệ không chuyên biệt. Việc tối ưu hóa giúp giảm thiểu mòn dao, tăng tuổi thọ dụng cụ cắt và nâng cao năng suất tổng thể, góp phần tạo ra lợi thế cạnh tranh cho doanh nghiệp.

1.1. Vật liệu thép C45 Đặc điểm và ứng dụng phổ biến

Thép C45 là một loại thép carbon kết cấu chất lượng cao, với hàm lượng carbon khoảng 0.45%. Theo tiêu chuẩn TCVN, thành phần hóa học của nó bao gồm Carbon (C), Mangan (Mn), Photpho (P), Lưu huỳnh (S), Crom (Cr) và Niken (Ni), tạo nên các đặc tính cơ học ưu việt. Cụ thể, thép C45 có giới hạn chảy σch khoảng 36 N/mm² và độ bền kéo σb đạt 61 N/mm². Nhờ những đặc tính này, nó được ứng dụng rộng rãi trong việc chế tạo các chi tiết máy chịu tải trọng trung bình và mài mòn cao như trục, bánh răng, thanh truyền, và các loại khuôn mẫu đơn giản. Khả năng gia công cắt gọt của thép C45 được đánh giá là tốt, nhưng để đạt được bề mặt hoàn hảo và hiệu quả cao nhất, việc kiểm soát chặt chẽ các thông số cắt là bắt buộc. Độ cứng thép C45 sau khi nhiệt luyện có thể tăng lên đáng kể, làm thay đổi các điều kiện cắt so với trạng thái phôi ban đầu.

1.2. Tầm quan trọng của việc tối ưu hóa quá trình phay

Tối ưu hóa quá trình phay không chỉ là một yêu cầu kỹ thuật mà còn là một chiến lược kinh tế. Việc xác định chế độ cắt khi phay thép C45 hợp lý giúp giải quyết đồng thời hai mục tiêu cốt lõi: nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất. Một bề mặt chi tiết có độ nhám bề mặt gia công thấp sẽ cải thiện khả năng làm việc, giảm mài mòn và tăng tuổi thọ của sản phẩm. Mặt khác, tối ưu công suất cắt khi phay giúp giảm lượng điện năng tiêu thụ trên mỗi đơn vị sản phẩm, trực tiếp cắt giảm chi phí vận hành. Hơn nữa, một chế độ cắt tối ưu còn giúp giảm lực cắt trong gia công, hạn chế rung động, kéo dài tuổi bền của dao phay ngón carbide và toàn bộ hệ thống máy móc. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các doanh nghiệp sản xuất hàng loạt, nơi mà mỗi cải tiến nhỏ về hiệu suất đều mang lại lợi ích kinh tế lớn.

II. Thách thức khi phay C45 Độ nhám và công suất cắt

Quá trình phay thép C45 luôn đối mặt với hai thách thức chính: kiểm soát chất lượng bề mặt chi tiết và quản lý hiệu suất năng lượng gia công. Độ nhám bề mặt gia công là một chỉ tiêu quan trọng, bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố phức tạp như rung động, nhiệt cắt, và hiện tượng mòn dao. Việc lựa chọn sai chế độ cắt khi phay thép C45 có thể dẫn đến bề mặt gồ ghề, không đạt yêu cầu kỹ thuật và phải tốn thêm chi phí cho các công đoạn gia công tinh sau đó. Đồng thời, công suất cắt khi phay cũng là một bài toán cần giải quyết. Một chế độ cắt quá mạnh mẽ tuy có thể tăng năng suất nhưng lại tiêu tốn lượng điện năng khổng lồ và làm dao mòn nhanh chóng. Ngược lại, một chế độ cắt quá thận trọng lại làm giảm năng suất. Nghiên cứu thực nghiệm trên máy phay CNC cho thấy mối quan hệ giữa các thông số phay thép C45 (tốc độ, bước tiến, chiều sâu cắt) và hai yếu tố đầu ra (độ nhám, điện năng) là một hàm đa biến phức tạp. Việc tìm ra điểm cân bằng tối ưu đòi hỏi một phương pháp luận khoa học, thay vì chỉ dựa trên các khuyến cáo chung chung.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng của thông số cắt đến độ nhám

Ảnh hưởng của thông số cắt đến độ nhám là rất đáng kể. Tốc độ cắt (Vc) cao thường làm giảm độ nhám do giảm hiện tượng lẹo dao, nhưng nếu quá cao sẽ sinh nhiệt lớn, gây mòn dao và làm xấu bề mặt. Bước tiến dao (f) có ảnh hưởng trực tiếp và tỷ lệ thuận đến độ nhám lý thuyết; bước tiến càng lớn, vết dao để lại trên bề mặt càng rõ. Chiều sâu cắt (ap) ít ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhám hơn nhưng lại tác động đến lực cắt trong gia công và rung động. Rung động là kẻ thù của bề mặt tinh, nó tạo ra các vết sóng không mong muốn. Ngoài ra, việc sử dụng dung dịch tưới nguội hiệu quả giúp giảm nhiệt, bôi trơn và thoát phoi tốt hơn, từ đó cải thiện đáng kể chất lượng bề mặt chi tiết.

2.2. Mối liên hệ giữa chế độ cắt và chi phí điện năng riêng

Chi phí điện năng riêng, hay công suất cắt khi phay, là năng lượng cần thiết để loại bỏ một đơn vị thể tích vật liệu. Chi phí này phụ thuộc chặt chẽ vào chế độ cắt khi phay thép C45. Tăng chiều sâu cắt ap và bước tiến dao f sẽ làm tăng lực cắt và do đó tăng công suất tiêu thụ. Tuy nhiên, việc tăng các thông số này cũng giúp giảm thời gian gia công, dẫn đến một bài toán tối ưu phức tạp. Tốc độ cắt Vc cũng ảnh hưởng đến công suất, nhưng theo một quy luật khác. Nghiên cứu của Nguyễn Thành Sơn (2018) đã xây dựng mô hình toán học để mô tả mối quan hệ này, cho phép dự đoán và lựa chọn một bộ thông số không chỉ đảm bảo năng suất mà còn đạt được hiệu suất năng lượng gia công cao nhất, giúp giảm giá thành sản phẩm một cách bền vững.

III. Hướng dẫn chọn chế độ cắt khi phay thép C45 tối ưu

Việc lựa chọn chế độ cắt khi phay thép C45 là yếu tố quyết định đến thành công của quá trình gia công. Một bộ thông số phay thép C45 hợp lý phải cân bằng được ba yếu tố chính: tốc độ cắt Vc, bước tiến dao f, và chiều sâu cắt ap. Mỗi thông số này có một vai trò và ảnh hưởng của thông số cắt là khác nhau đến kết quả cuối cùng. Tốc độ cắt liên quan trực tiếp đến nhiệt độ vùng cắt và tốc độ bóc tách vật liệu. Bước tiến dao quyết định chiều dày phoi và ảnh hưởng lớn đến độ nhám. Chiều sâu cắt xác định lượng vật liệu được loại bỏ trong mỗi lượt cắt và tác động mạnh đến lực cắt. Ngoài ba thông số cơ bản này, việc lựa chọn dụng cụ cắt, chẳng hạn như dao phay ngón carbide, và việc sử dụng dung dịch tưới nguội phù hợp cũng là những yếu tố không thể bỏ qua. Một hướng dẫn toàn diện cần dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm và mô hình hóa toán học để đưa ra các khuyến nghị chính xác, giúp người vận hành máy phay CNC đạt được cả chất lượng bề mặt chi tiết cao và chi phí vận hành thấp.

3.1. Thiết lập tốc độ cắt Vc để giảm mòn dao và nhiệt

Tốc độ cắt Vc là một trong những thông số quan trọng nhất. Khi phay thép C45, việc tăng Vc có thể cải thiện độ bóng bề mặt đến một giới hạn nhất định. Tuy nhiên, vượt qua ngưỡng tối ưu, nhiệt độ vùng cắt sẽ tăng đột ngột, làm mềm lưỡi cắt của dao phay ngón carbide và đẩy nhanh quá trình mòn dao. Điều này không chỉ làm giảm tuổi thọ dụng cụ mà còn làm giảm chất lượng bề mặt. Do đó, cần chọn Vc trong một khoảng hợp lý, thường được xác định qua thực nghiệm hoặc dựa trên các mô hình dự đoán. Việc sử dụng dung dịch tưới nguội có khả năng làm mát và bôi trơn tốt sẽ cho phép vận hành ở tốc độ cắt cao hơn mà vẫn đảm bảo tuổi bền của dao.

3.2. Điều chỉnh bước tiến dao f và chiều sâu cắt ap

Bước tiến dao f (thường tính bằng mm/răng) và chiều sâu cắt ap (mm) là hai thông số quyết định năng suất gia công. Tăng f và ap sẽ giảm thời gian gia công nhưng đồng thời làm tăng lực cắt trong gia công và có thể gây ra rung động mạnh. Đối với gia công thô, có thể chọn f và ap lớn để bóc tách vật liệu nhanh chóng. Ngược lại, trong gia công tinh, cần giảm f để đạt được độ nhám bề mặt gia công thấp. Chiều sâu cắt ap trong gia công tinh thường được giữ ở mức nhỏ để giảm biến dạng đàn hồi của chi tiết và máy, đảm bảo độ chính xác. Sự kết hợp tối ưu giữa f và ap phụ thuộc vào độ cứng vững của hệ thống máy-dao-chi tiết và yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm cuối cùng.

IV. Phương pháp Taguchi hồi quy để tối ưu đa mục tiêu

Để giải quyết bài toán tối ưu đa mục tiêu phức tạp trong phay thép C45, việc áp dụng các phương pháp khoa học hiện đại là cần thiết. Phương pháp Taguchi và quy hoạch thực nghiệm là công cụ mạnh mẽ để thiết kế các thí nghiệm một cách hiệu quả, giảm thiểu số lần thí nghiệm cần thực hiện mà vẫn thu thập đủ dữ liệu tin cậy về ảnh hưởng của thông số cắt. Dựa trên dữ liệu thu được, các mô hình toán học, cụ thể là hàm hồi quy, được xây dựng để mô tả mối quan hệ giữa các thông số đầu vào (S, t, V) và các yếu tố đầu ra (độ nhám, chi phí điện năng). Nghiên cứu của Nguyễn Thành Sơn (2018) đã sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm và xử lý số liệu bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất (BPNN) để xây dựng các hàm hồi quy bậc hai. Các mô hình này không chỉ giúp hiểu rõ bản chất của quá trình cắt mà còn là cơ sở để tìm ra bộ thông số phay thép C45 tối ưu, đáp ứng đồng thời cả hai yêu cầu: độ nhám bề mặt gia công nhỏ nhất và hiệu suất năng lượng gia công cao nhất.

4.1. Quy hoạch thực nghiệm để xác định các thông số

Quy hoạch thực nghiệm là một cách tiếp cận có hệ thống để xác định mối quan hệ nhân quả giữa các yếu tố đầu vào và kết quả đầu ra. Thay vì thay đổi từng yếu tố một cách ngẫu nhiên, phương pháp này cho phép khảo sát đồng thời ảnh hưởng của thông số cắt như tốc độ cắt Vc, bước tiến dao f, và chiều sâu cắt ap. Trong nghiên cứu gốc, các mức giá trị cho mỗi thông số được lựa chọn trong một khoảng xác định (ví dụ: V từ 53,538 đến 126,462 m/phút). Bằng cách kết hợp các mức này theo một ma trận thí nghiệm được thiết kế trước (như ma trận của phương pháp Taguchi), nhà nghiên cứu có thể đánh giá không chỉ ảnh hưởng riêng lẻ của từng thông số mà còn cả sự tương tác giữa chúng, giúp có cái nhìn toàn diện về quá trình gia công cơ khí chính xác.

4.2. Xây dựng mô hình hồi quy bậc hai cho độ nhám và điện

Sau khi thu thập dữ liệu từ các thí nghiệm, bước tiếp theo là xây dựng mô hình toán học. Mô hình hồi quy đa thức bậc hai thường được lựa chọn vì nó có khả năng mô tả các mối quan hệ phi tuyến tính phức tạp giữa các biến. Mô hình này có dạng một phương trình toán học liên kết độ nhám bề mặt gia công (Y1) và chi phí điện năng riêng (Y2) với các thông số phay thép C45 (S, t, V) và các số hạng tương tác của chúng. Luận văn đã thành công trong việc "xây dựng mối quan hệ giữa hàm độ nhám cũng như hàm chi phí điện năng với các thông số (S, T, V) của chế độ cắt trong miền khảo sát ở dạng bậc 2". Các mô hình này sau đó được kiểm định sự phù hợp về mặt thống kê để đảm bảo tính chính xác trước khi sử dụng để tìm kiếm giải pháp tối ưu hóa quá trình phay.

V. Kết quả thực tiễn Tối ưu phay C45 trên máy ACRA

Nghiên cứu thực nghiệm trên máy phay vạn năng ACRA đã cung cấp những kết quả cụ thể và có giá trị ứng dụng cao cho việc tối ưu hóa quá trình phay thép C45. Dựa trên các mô hình hồi quy đã được xây dựng và kiểm định, nghiên cứu đã xác định được các bộ thông số phay thép C45 tối ưu cho từng mục tiêu riêng biệt và cả bài toán đa mục tiêu. Kết quả cho thấy không tồn tại một chế độ cắt duy nhất hoàn hảo cho mọi trường hợp. Thay vào đó, người vận hành cần đưa ra lựa chọn dựa trên ưu tiên cụ thể: ưu tiên chất lượng bề mặt chi tiết hay ưu tiên hiệu suất năng lượng gia công. Bằng cách khảo sát các hàm mục tiêu, nghiên cứu đã chỉ ra các vùng làm việc hiệu quả, nơi có thể đạt được độ nhám bề mặt gia công thấp mà không làm tăng quá mức chi phí điện năng, hoặc ngược lại. Những kết quả này là kim chỉ nam quan trọng cho các xưởng gia công cơ khí chính xác, giúp họ đưa ra quyết định dựa trên dữ liệu khoa học thay vì chỉ là kinh nghiệm cảm tính.

5.1. Bộ thông số phay cho độ nhám bề mặt thấp nhất Ra min

Để đạt được độ nhám bề mặt gia công nhỏ nhất, kết quả khảo sát hàm hồi quy cho thấy cần ưu tiên một tốc độ cắt Vc tương đối cao kết hợp với một bước tiến dao f nhỏ. Tốc độ cắt cao giúp giảm hiện tượng lẹo dao và tạo ra bề mặt cắt sạch hơn. Bước tiến dao nhỏ đảm bảo các vết cắt gối lên nhau một cách mịn màng, làm giảm chiều cao nhấp nhô tế vi. Trong khi đó, chiều sâu cắt ap nên được giữ ở mức vừa phải để tránh gây rung động quá mức. Cụ thể, nghiên cứu đã chỉ ra một bộ thông số tối ưu trong miền khảo sát, ví dụ như một điểm cụ thể (S, t, V) mà tại đó hàm độ nhám Y1 đạt giá trị nhỏ nhất, cung cấp một công thức rõ ràng cho các nguyên công phay tinh đòi hỏi chất lượng bề mặt cao.

5.2. Chế độ cắt giúp tiết kiệm chi phí điện năng hiệu quả

Khi mục tiêu là tối ưu hiệu suất năng lượng gia công, chế độ cắt sẽ có xu hướng khác. Để giảm chi phí điện năng riêng, cần tối ưu hóa tỷ lệ giữa lượng vật liệu bóc tách và công suất tiêu thụ. Kết quả phân tích cho thấy việc tăng bước tiến dao f và chiều sâu cắt ap đến một mức độ hợp lý có thể hiệu quả hơn, vì nó giúp hoàn thành công việc nhanh hơn mặc dù công suất tức thời cao hơn. Tốc độ cắt Vc trong trường hợp này có thể không cần đặt ở mức cao nhất, vì tốc độ cao thường đi kèm với ma sát và tiêu hao năng lượng lớn. Nghiên cứu cung cấp tọa độ (S, t, V) mà tại đó hàm chi phí điện năng Y2 đạt giá trị nhỏ nhất, rất hữu ích cho các nguyên công phay thô hoặc khi chi phí vận hành là ưu tiên hàng đầu.

5.3. Giải pháp cân bằng giữa chất lượng bề mặt và năng lượng

Trong sản xuất thực tế, thường cần một giải pháp cân bằng giữa hai mục tiêu. Nghiên cứu đã giải quyết bài toán này bằng cách xây dựng một hàm tối ưu tổng hợp (hàm đa mục tiêu), gán các trọng số khác nhau cho độ nhám và chi phí điện năng. Bằng cách thay đổi các trọng số này, doanh nghiệp có thể tìm ra một chế độ cắt khi phay thép C45 phù hợp nhất với chiến lược sản xuất của mình. Ví dụ, một chế độ cắt có thể cho độ nhám bề mặt gia công chấp nhận được trong khi vẫn duy trì công suất cắt khi phay ở mức thấp. Bảng kết quả trong luận văn đã liệt kê các điểm tối ưu khác nhau tương ứng với các tỷ lệ trọng số, mang lại sự linh hoạt cao trong việc áp dụng vào thực tiễn sản xuất trên máy phay CNC.