Tổng quan nghiên cứu

Gia công tiện định hình là một phương pháp gia công cắt gọt quan trọng trong ngành cơ khí chế tạo máy, đặc biệt trong sản xuất hàng loạt lớn và các sản phẩm có biên dạng phức tạp. Theo báo cáo của ngành, tiện định hình giúp đảm bảo độ đồng nhất prôfin chi tiết, nâng cao năng suất và giảm phế phẩm so với các phương pháp gia công khác. Đề tài luận văn tập trung vào tối ưu hóa quá trình tiện định hình biên dạng ngoài động cơ đạn chữa cháy 60mm ĐCC-60, một chi tiết quan trọng trong công nghiệp quốc phòng, nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất tại Nhà máy Z113.

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể gồm: phân tích ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt như tốc độ cắt và tốc độ tiến dao đến lực cắt và nhiệt cắt khi tiện định hình trên vật liệu thép 45; xây dựng mô hình tối ưu hóa chế độ cắt để đạt năng suất gia công lớn nhất trong điều kiện thực tế; và đề xuất phương án công nghệ hợp lý cho sản xuất. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc khảo sát mối quan hệ giữa các thông số chế độ cắt với lực cắt, nhiệt cắt, đồng thời phát triển mô hình tối ưu hóa dựa trên các điều kiện kỹ thuật của máy, dao và chất lượng gia công.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc phát triển lý thuyết về mối quan hệ giữa các thông số cắt với lực và nhiệt cắt, mà còn cung cấp cơ sở thực nghiệm và công nghệ áp dụng cho các cơ sở sản xuất và đào tạo. Kết quả nghiên cứu có thể mở rộng ứng dụng cho các sản phẩm có hình dạng tương tự, góp phần nâng cao hiệu quả và chất lượng gia công trong ngành cơ khí chế tạo máy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về gia công tiện, đặc biệt là tiện định hình, bao gồm:

  • Lý thuyết chuyển động cắt gọt khi tiện: Phân tích các chuyển động chính và phụ trong quá trình tiện, bao gồm chuyển động quay tròn của phôi (tốc độ cắt) và chuyển động tiến dao của dao (tốc độ tiến dao, chiều sâu cắt). Các thông số này quyết định tiết diện lớp cắt và ảnh hưởng trực tiếp đến lực cắt và nhiệt cắt.

  • Lý thuyết về lực cắt và nhiệt cắt khi tiện: Lực cắt được phân tích thành các thành phần theo ba phương chuyển động, gồm lực tiếp tuyến (lực cắt chính), lực chạy dao và lực hướng kính. Nhiệt cắt phát sinh do công biến dạng và ma sát trong quá trình cắt, ảnh hưởng đến độ chính xác gia công, chất lượng bề mặt và tuổi thọ dao.

  • Mô hình thiết kế dao tiện định hình và bộ gá dao: Thiết kế dao tiện định hình lăng trụ với các thông số hình học như góc trước, góc sau, góc sắc, góc nghiêng, bán kính mũi dao, đảm bảo phù hợp với biên dạng chi tiết động cơ đạn chữa cháy 60mm ĐCC-60 và yêu cầu kỹ thuật gia công.

  • Mô hình tối ưu hóa chế độ cắt: Xây dựng hàm mục tiêu năng suất gia công lớn nhất với các ràng buộc về máy, dao và chất lượng gia công, sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm và giải bài toán tối ưu bằng phương pháp đồ thị và giải tích.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm, sử dụng các công cụ toán học và phần mềm xử lý số liệu để xác định mối quan hệ giữa các yếu tố đầu vào (tốc độ cắt, tốc độ tiến dao) và đầu ra (lực cắt, nhiệt cắt).

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm được thu thập tại Nhà máy Z113 với mẫu phôi thép 45 Φ30x30, dao tiện định hình chế tạo từ thép gió P18 theo tiêu chuẩn tương đương JIS SKH2, sử dụng máy tiện ZMM CU500MT.

  • Phương pháp phân tích: Thực hiện các thí nghiệm theo kế hoạch 2 mức để đo lực cắt và nhiệt cắt bằng thiết bị Loadcell PST keli 1000 kg và thiết bị đo nhiệt FLUKE 568-2 IR. Xây dựng mô hình hồi quy bậc nhất mô tả ảnh hưởng của tốc độ cắt và tốc độ tiến dao đến lực cắt và nhiệt cắt. Phân tích phương sai và xác định các hệ số trong hàm mục tiêu tối ưu.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong năm học 2021-2023, bao gồm giai đoạn thiết kế dao và bộ gá (6 tháng), thực nghiệm đo lực và nhiệt cắt (8 tháng), xây dựng mô hình và tối ưu hóa (4 tháng), hoàn thiện luận văn và bảo vệ (4 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tốc độ tiến dao đến lực cắt và nhiệt cắt: Thực nghiệm cho thấy khi tăng tốc độ tiến dao từ khoảng 0.1 mm/vòng lên 0.3 mm/vòng, lực cắt thành phần Pv tăng trung bình 15%, trong khi nhiệt cắt tăng khoảng 10%. Đồ thị Pareto thể hiện hiệu ứng chuẩn hóa của tốc độ tiến dao lên lực cắt và nhiệt cắt là đáng kể, với hệ số ảnh hưởng lần lượt là 0.45 và 0.38.

  2. Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến lực cắt và nhiệt cắt: Khi tăng tốc độ cắt từ 50 m/ph lên 150 m/ph, lực cắt giảm khoảng 12%, trong khi nhiệt cắt tăng lên đến 25%. Mối quan hệ này được mô tả bằng hàm mũ với số mũ xθ = 0.5 cho nhiệt cắt và xp = -0.3 cho lực cắt, phù hợp với các nghiên cứu trong ngành.

  3. Mối quan hệ giữa lực cắt, nhiệt cắt với chế độ cắt: Mô hình hồi quy bậc nhất xây dựng từ dữ liệu thực nghiệm cho thấy lực cắt Pv và nhiệt cắt ΔT có thể dự đoán chính xác với sai số trung bình dưới 5% khi biết tốc độ cắt và tốc độ tiến dao. Hàm mục tiêu năng suất gia công được tối ưu hóa dựa trên các ràng buộc kỹ thuật, cho kết quả năng suất gia công tăng khoảng 18% so với chế độ cắt hiện tại.

  4. Hiệu quả của dao tiện định hình chế tạo trong nước: Dao tiện định hình lăng trụ chế tạo theo tiêu chuẩn thép gió P18 đáp ứng tốt yêu cầu kỹ thuật, đảm bảo độ bền và khả năng mài sắc lại nhiều lần, góp phần giảm chi phí sản xuất và tăng tuổi thọ dao lên đến 30% so với dao nhập khẩu.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu khẳng định vai trò quan trọng của việc lựa chọn chế độ cắt tối ưu trong gia công tiện định hình, đặc biệt đối với chi tiết có biên dạng phức tạp như động cơ đạn chữa cháy 60mm ĐCC-60. Việc tăng tốc độ tiến dao làm tăng lực cắt và nhiệt cắt, ảnh hưởng đến tuổi thọ dao và chất lượng bề mặt gia công, trong khi tăng tốc độ cắt giúp giảm lực cắt nhưng làm tăng nhiệt cắt, gây ảnh hưởng đến độ chính xác và độ bền dao.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả về mối quan hệ giữa chế độ cắt và lực, nhiệt cắt tương đồng với các báo cáo về gia công thép 45 và các vật liệu tương tự. Việc áp dụng mô hình tối ưu hóa giúp cân bằng giữa năng suất và chất lượng, phù hợp với điều kiện sản xuất thực tế tại Nhà máy Z113.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ ảnh hưởng của tốc độ tiến dao và tốc độ cắt đến lực cắt và nhiệt cắt, biểu đồ Pareto thể hiện mức độ ảnh hưởng của các yếu tố, cũng như bảng kết quả mô hình hồi quy và tối ưu hóa chế độ cắt.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng chế độ cắt tối ưu: Đề xuất sử dụng tốc độ cắt khoảng 120-140 m/ph và tốc độ tiến dao 0.15-0.2 mm/vòng để đạt năng suất gia công tối đa đồng thời đảm bảo tuổi thọ dao và chất lượng bề mặt. Thời gian áp dụng trong vòng 6 tháng đầu tiên tại Nhà máy Z113.

  2. Nâng cao chất lượng dao tiện định hình: Khuyến nghị tiếp tục sử dụng thép gió P18 cho dao tiện định hình, đồng thời cải tiến quy trình mài sắc để kéo dài tuổi thọ dao thêm 20-30%. Chủ thể thực hiện là bộ phận kỹ thuật chế tạo dao và bảo trì.

  3. Đào tạo và nâng cao kỹ năng vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo cho công nhân vận hành máy tiện về kỹ thuật tối ưu chế độ cắt và bảo dưỡng dao, nhằm giảm thiểu sai sót và tăng hiệu quả sản xuất. Thời gian thực hiện trong 3 tháng đầu năm.

  4. Triển khai hệ thống giám sát và đo lường: Lắp đặt thiết bị đo lực cắt và nhiệt cắt tự động để giám sát quá trình gia công, giúp điều chỉnh kịp thời chế độ cắt khi có biến động. Chủ thể thực hiện là phòng kỹ thuật và quản lý sản xuất, với kế hoạch triển khai trong 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia công nghệ trong ngành cơ khí chế tạo máy: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về tối ưu hóa chế độ cắt tiện định hình, giúp cải tiến quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả gia công.

  2. Nhà quản lý sản xuất tại các nhà máy cơ khí quốc phòng: Tham khảo để xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình vận hành phù hợp, đảm bảo chất lượng và năng suất trong sản xuất chi tiết động cơ đạn chữa cháy.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và nghiên cứu về gia công tiện, lực cắt, nhiệt cắt và tối ưu hóa quá trình gia công.

  4. Nhà thiết kế dụng cụ cắt và thiết bị đo lường: Cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm để phát triển các loại dao tiện định hình và thiết bị đo lực, nhiệt cắt phù hợp với yêu cầu công nghiệp hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tiện định hình khác gì so với tiện CNC?
    Tiện định hình sử dụng dao có hình dạng prôfin cố định để gia công bề mặt định hình, phù hợp với sản xuất hàng loạt lớn, trong khi tiện CNC linh hoạt hơn, thích hợp cho sản xuất thử và chi tiết phức tạp nhưng năng suất thấp hơn.

  2. Tại sao cần tối ưu hóa chế độ cắt trong tiện định hình?
    Chế độ cắt ảnh hưởng trực tiếp đến lực cắt, nhiệt cắt, tuổi thọ dao và chất lượng bề mặt. Tối ưu hóa giúp cân bằng giữa năng suất và chất lượng, giảm chi phí và tăng hiệu quả sản xuất.

  3. Làm thế nào để đo lực cắt và nhiệt cắt trong quá trình tiện?
    Có thể sử dụng thiết bị Loadcell để đo lực cắt trực tiếp và thiết bị đo nhiệt hồng ngoại hoặc cặp ngẫu nhiệt để đo nhiệt cắt, đảm bảo thu thập dữ liệu chính xác phục vụ phân tích và tối ưu.

  4. Ảnh hưởng của tốc độ cắt và tốc độ tiến dao đến quá trình gia công như thế nào?
    Tăng tốc độ cắt thường làm giảm lực cắt nhưng tăng nhiệt cắt, còn tăng tốc độ tiến dao làm tăng cả lực cắt và nhiệt cắt, ảnh hưởng đến tuổi thọ dao và chất lượng gia công.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các chi tiết khác không?
    Kết quả có thể áp dụng cho các sản phẩm có hình dạng và vật liệu tương tự, đặc biệt trong gia công các chi tiết biên dạng ngoài bằng thép 45 hoặc vật liệu có tính chất gần giống.

Kết luận

  • Xây dựng thành công mô hình lý thuyết và thực nghiệm xác định mối quan hệ giữa tốc độ cắt, tốc độ tiến dao với lực cắt và nhiệt cắt khi tiện định hình chi tiết động cơ đạn chữa cháy 60mm ĐCC-60.
  • Thiết kế và chế tạo dao tiện định hình lăng trụ phù hợp với yêu cầu kỹ thuật, đảm bảo độ bền và khả năng mài sắc lại nhiều lần.
  • Xác định bộ thông số chế độ cắt tối ưu giúp tăng năng suất gia công khoảng 18% so với hiện trạng, đồng thời đảm bảo chất lượng và tuổi thọ dao.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý nhằm áp dụng hiệu quả kết quả nghiên cứu trong sản xuất thực tế.
  • Khuyến nghị triển khai hệ thống giám sát lực cắt và nhiệt cắt tự động để nâng cao hiệu quả và kiểm soát chất lượng gia công.

Tiếp theo, cần tiến hành áp dụng các chế độ cắt tối ưu vào sản xuất thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu cho các chi tiết có hình dạng tương tự nhằm nâng cao hiệu quả toàn diện trong ngành cơ khí chế tạo máy. Để biết thêm chi tiết và hỗ trợ triển khai, quý độc giả và các đơn vị sản xuất có thể liên hệ trực tiếp với tác giả hoặc nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.