Tổng quan nghiên cứu

Gia công tiện là một trong những phương pháp gia công cơ khí phổ biến và quan trọng trong ngành chế tạo máy. Theo báo cáo của ngành, khoảng 35% tổng số thiết bị gia công cơ khí sử dụng phương pháp tiện để tạo hình chi tiết. Trong đó, việc tối ưu hóa quá trình tiện thép C45 trên máy tiện CNC đóng vai trò then chốt nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thiểu sai số và tăng hiệu quả sản xuất. Thép C45 là loại vật liệu phổ biến trong chế tạo chi tiết máy do có tính cơ lý phù hợp và chi phí hợp lý.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số kỹ thuật của quá trình tiện CNC nhằm đạt được chỉ tiêu độ nhám bề mặt và độ chính xác kích thước gia công. Mục tiêu cụ thể là xác định bộ thông số cắt tối ưu (tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt) và lựa chọn loại dao tiện phù hợp để cải thiện chất lượng bề mặt và độ chính xác chi tiết thép C45. Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong điều kiện gia công trên máy tiện CNC MAZAK Quick Turn 10N ATC, sử dụng dao tiện hợp kim cứng T15K6, vật liệu gia công là thép C45, trong khoảng thời gian nghiên cứu năm 2015-2017 tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện rõ qua việc giảm thiểu sai số kích thước và độ nhám bề mặt, từ đó nâng cao tuổi thọ chi tiết, giảm chi phí gia công và tăng năng suất sản xuất. Kết quả nghiên cứu cũng góp phần làm phong phú thêm cơ sở lý thuyết về gia công tiện CNC và ứng dụng phương pháp thiết kế thí nghiệm Taguchi trong tối ưu hóa quá trình gia công.

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 sau:

  • Lý thuyết gia công tiện CNC: Bao gồm các khái niệm về quá trình cắt gọt, phân loại dao tiện, các thông số hình học dao (góc lưỡi cắt, bán kính mũi dao), và các thông số kỹ thuật của quá trình cắt (tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt). Lý thuyết này giúp hiểu rõ cơ chế hình thành bề mặt gia công và các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước.

  • Lý thuyết về độ chính xác và chất lượng bề mặt chi tiết gia công: Định nghĩa về độ chính xác gia công, sai số kích thước, sai lệch hình học, cùng các chỉ tiêu đo lường độ nhám bề mặt như Ra (độ nhám trung bình), Rz (chiều cao nhấp nhô trung bình). Lý thuyết này làm cơ sở đánh giá chất lượng sản phẩm gia công.

  • Mô hình thiết kế thí nghiệm Taguchi: Phương pháp thiết kế thí nghiệm tối ưu nhằm xác định ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào đến kết quả gia công, đồng thời tìm ra bộ thông số tối ưu với số lượng thí nghiệm tối thiểu. Các thuật ngữ chuyên ngành như OA (Orthogonal Array), S/N ratio (Signal to Noise ratio), ANOVA (Analysis of Variance) được áp dụng để phân tích dữ liệu.

Các khái niệm chính bao gồm: dao tiện hợp kim cứng, tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt, độ nhám bề mặt Ra, độ chính xác kích thước, sai số hình học, thiết kế thí nghiệm Taguchi.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thí nghiệm gia công tiện thép C45 trên máy tiện CNC MAZAK Quick Turn 10N ATC, sử dụng dao tiện hợp kim cứng T15K6. Cỡ mẫu thí nghiệm khoảng 16 lần, được thiết kế theo phương pháp Taguchi với bảng trực giao OA phù hợp để khảo sát ảnh hưởng của ba yếu tố chính: tốc độ cắt (v), lượng chạy dao (s), chiều sâu cắt (t).

Phương pháp phân tích dữ liệu bao gồm phân tích phương sai ANOVA để xác định mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố đến độ nhám bề mặt và độ chính xác kích thước. Đồng thời, sử dụng tỷ số tín hiệu trên nhiễu (S/N ratio) để đánh giá độ ổn định và hiệu quả của các thông số cắt.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, bao gồm giai đoạn khảo sát lý thuyết, thiết kế thí nghiệm, tiến hành thí nghiệm, thu thập và phân tích dữ liệu, cuối cùng là đề xuất giải pháp tối ưu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến độ nhám bề mặt: Khi tăng tốc độ cắt từ 60 m/phút lên 120 m/phút, độ nhám Ra giảm trung bình từ 1.2 µm xuống còn khoảng 0.8 µm, tương đương giảm 33%. Điều này cho thấy tốc độ cắt cao giúp cải thiện chất lượng bề mặt gia công.

  2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến độ chính xác kích thước: Lượng chạy dao tăng từ 0.05 mm/vòng lên 0.15 mm/vòng làm sai số kích thước tăng từ 0.01 mm lên 0.03 mm, tương đương tăng 200%. Lượng chạy dao nhỏ giúp nâng cao độ chính xác gia công.

  3. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến độ nhám và độ chính xác: Chiều sâu cắt tăng từ 0.1 mm lên 0.3 mm làm độ nhám Ra tăng khoảng 25% và sai số kích thước tăng 0.015 mm. Chiều sâu cắt vừa phải là cần thiết để cân bằng giữa năng suất và chất lượng.

  4. Tối ưu bộ thông số cắt: Bộ thông số tối ưu được xác định là tốc độ cắt 120 m/phút, lượng chạy dao 0.05 mm/vòng, chiều sâu cắt 0.1 mm. Ở điều kiện này, độ nhám bề mặt đạt Ra ≈ 0.75 µm và sai số kích thước dưới 0.01 mm, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật gia công.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các ảnh hưởng trên là do tốc độ cắt cao giúp giảm lực cắt và nhiệt độ tại vùng cắt, từ đó giảm hiện tượng dính phoi và mài mòn dao, cải thiện bề mặt chi tiết. Lượng chạy dao lớn làm tăng độ dày phoi, gây rung động và sai lệch kích thước. Chiều sâu cắt lớn làm tăng lực cắt, dẫn đến biến dạng chi tiết và giảm độ chính xác.

So sánh với các nghiên cứu gần đây, kết quả phù hợp với xu hướng chung về ảnh hưởng của thông số cắt đến chất lượng gia công tiện CNC. Việc áp dụng thiết kế thí nghiệm Taguchi giúp giảm số lượng thí nghiệm mà vẫn đảm bảo độ tin cậy của kết quả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ ảnh hưởng của từng thông số đến độ nhám Ra và sai số kích thước, cũng như bảng phân tích ANOVA thể hiện mức độ ảnh hưởng tương đối của các yếu tố.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng bộ thông số cắt tối ưu: Khuyến nghị sử dụng tốc độ cắt 120 m/phút, lượng chạy dao 0.05 mm/vòng, chiều sâu cắt 0.1 mm cho gia công thép C45 trên máy tiện CNC MAZAK Quick Turn 10N ATC nhằm đạt độ nhám bề mặt dưới 0.8 µm và sai số kích thước dưới 0.01 mm. Thời gian áp dụng: ngay lập tức. Chủ thể thực hiện: bộ phận sản xuất và kỹ thuật.

  2. Lựa chọn dao tiện hợp kim cứng T15K6: Do dao này có độ bền cao, khả năng chịu nhiệt tốt và phù hợp với vật liệu thép C45, giúp duy trì độ chính xác và chất lượng bề mặt trong quá trình gia công. Chủ thể thực hiện: bộ phận mua sắm và kỹ thuật.

  3. Thường xuyên kiểm tra và bảo dưỡng máy tiện CNC: Để giảm rung động hệ thống, đảm bảo độ ổn định trong quá trình gia công, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm. Chủ thể thực hiện: bộ phận bảo trì, định kỳ 3 tháng/lần.

  4. Đào tạo nhân viên vận hành: Nâng cao nhận thức về tầm quan trọng của các thông số cắt và kỹ thuật vận hành máy CNC để đảm bảo tuân thủ quy trình gia công tối ưu. Chủ thể thực hiện: phòng đào tạo, trong vòng 6 tháng tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư sản xuất và vận hành máy CNC: Giúp hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng gia công tiện, từ đó điều chỉnh thông số cắt phù hợp để nâng cao hiệu quả sản xuất.

  2. Nhà quản lý sản xuất trong ngành cơ khí: Có cơ sở khoa học để xây dựng quy trình gia công chuẩn, giảm thiểu sai sót và chi phí sản xuất.

  3. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật cơ khí: Là tài liệu tham khảo bổ ích về lý thuyết và thực nghiệm trong gia công tiện CNC, đặc biệt về tối ưu hóa thông số cắt.

  4. Nhà cung cấp dụng cụ cắt và máy CNC: Hiểu được yêu cầu kỹ thuật và xu hướng sử dụng dao tiện hợp kim cứng trong gia công thép C45, từ đó phát triển sản phẩm phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao tốc độ cắt ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt?
    Tốc độ cắt cao giúp giảm lực cắt và nhiệt độ tại vùng cắt, hạn chế hiện tượng dính phoi và mài mòn dao, từ đó bề mặt chi tiết gia công mịn hơn. Ví dụ, khi tăng tốc độ cắt từ 60 lên 120 m/phút, độ nhám Ra giảm khoảng 33%.

  2. Lượng chạy dao lớn có tác động gì đến độ chính xác kích thước?
    Lượng chạy dao lớn làm tăng độ dày phoi, gây rung động và sai lệch kích thước chi tiết. Nghiên cứu cho thấy lượng chạy dao tăng từ 0.05 mm/vòng lên 0.15 mm/vòng làm sai số kích thước tăng gấp 3 lần.

  3. Chiều sâu cắt nên được chọn như thế nào để cân bằng chất lượng và năng suất?
    Chiều sâu cắt vừa phải (khoảng 0.1 mm) giúp duy trì độ nhám và sai số trong giới hạn cho phép, đồng thời đảm bảo năng suất gia công. Chiều sâu cắt lớn hơn 0.3 mm có thể làm tăng sai số và độ nhám.

  4. Dao tiện hợp kim cứng T15K6 có ưu điểm gì?
    Dao T15K6 có độ bền cao, chịu nhiệt tốt, phù hợp với vật liệu thép C45, giúp duy trì độ chính xác và chất lượng bề mặt trong quá trình gia công tiện CNC.

  5. Phương pháp Taguchi giúp gì trong nghiên cứu này?
    Phương pháp Taguchi giúp thiết kế thí nghiệm hiệu quả, giảm số lượng thí nghiệm cần thiết, đồng thời xác định được bộ thông số cắt tối ưu với độ tin cậy cao, tiết kiệm thời gian và chi phí nghiên cứu.

Kết luận

  • Đã xác định được bộ thông số cắt tối ưu cho gia công tiện thép C45 trên máy CNC MAZAK Quick Turn 10N ATC, gồm tốc độ cắt 120 m/phút, lượng chạy dao 0.05 mm/vòng, chiều sâu cắt 0.1 mm.
  • Độ nhám bề mặt đạt khoảng Ra 0.75 µm và sai số kích thước dưới 0.01 mm, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật gia công chính xác.
  • Dao tiện hợp kim cứng T15K6 được khuyến nghị sử dụng do tính ổn định và độ bền cao.
  • Phương pháp thiết kế thí nghiệm Taguchi chứng minh hiệu quả trong tối ưu hóa quá trình gia công tiện CNC.
  • Các bước tiếp theo bao gồm áp dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất thực tế và mở rộng nghiên cứu cho các loại vật liệu và máy tiện khác.

Hành động ngay: Các đơn vị sản xuất và kỹ thuật nên triển khai áp dụng bộ thông số cắt tối ưu để nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả gia công.