Có nhiều nguyên nhân làm cho chi phí sản xuất cao, chất lượng sản phẩm thấp nhưng trong đó có nguyên nhân chính là chưa có nghiên cứu tạo lập cơ sở khoa học xác định ảnh hưởng của các yế
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Tình hình nghiên cư ́ u gia công cắt gọt bằng phương pháp tiện và máy tiện trên thế giới
Tiện là phương pháp gia công cắt gọt phổ biến, được thực hiện nhờ chuyển động chính là quay tròn của phôi tạo thành chuyển động cắt Vc và sự kết hợp với chuyển động tiến dao, gồm hai thành phần là tiến dao dọc Sd và tiến dao ngang Sng do dao thực hiện Theo nguyên liệu và sản phẩm gia công, tiện được phân thành gia công cơ khí và gia công vật liệu phi kim.
Gia công tiện cơ khí là quá trình gia công kim loại bằng cơ học, một trong những phương thức chế tạo phổ biến nhất trong ngành chế tạo máy Với sự tiến bộ liên tục của gia công kim loại bằng cơ học, lý thuyết cắt gọt kim loại được hình thành và ngày càng hoàn thiện, góp phần nâng cao độ chính xác, chất lượng bề mặt và hiệu quả sản xuất.
Trong lĩnh vực cắt gọt kim loại, nhiều công trình khoa học nổi bật đã đóng góp vào xây dựng và phát triển lý thuyết cắt gọt, ghi nhận công lao của các nhà khoa học Xô Viết tại Liên Xô cũ như giáo sư viện sĩ V.A Arsinop, giáo sư G.C Andrev, V.F Bobrov và C.H.
Philonenko, Iacốp Bachisep, Paven Dakhaba, Lép Sôbakin, các nhà bác ho ̣c
Mỹ như Boston O.W., Ernst H., Merchant M.E.,…
Lý thuyết cắt gọt kim loa ̣i đi sâu nghiên cứu về quá trình tạo phoi, các lực phát sinh trong quá trình gia công bằng cơ giới, công suất của thiết bị, chất lượng sản phẩm khi gia công… những đại lượng này rất cần thiết, chúng làm cơ sở cho việc lựa chọn hình dáng, tính toán kích thước của các công cụ cắt, tính toán thiết kế và sử dụng hợp lý các thiết bị và các công cụ gia công
Nhiều công trình đi sâu nghiên cứu cắt gọt chuyên dùng như: phay, tiện của G.C Andrev, A.V Rudnev, V.F Bobrov; cơ sở lý thuyết mài nhẵn của E
H Maclov…đã đưa ra những phân tích cụ thể về động học các quá trình cắt gọt Đó là những công trình lớn bao gồm các vấn đề về lý thuyết và những
4 kinh nghiệm thực tế trong gia công kim loại mà trên thế giới lúc đó ít có công trình nghiên cứu tương tự nào ra đời
Nghiên cứu quá trình cắt vật theo hướng kết hợp lý thuyết và thực nghiệm đã được các nhà khoa học trên thế giới tiến hành như: M.P Semko, E.M.Trent; Granôpxki (Nga);V Gazda (Tiệp Khắc (cũ); P Korecky (Pháp); J Shinozuka (Nhật); Bhattacharya A (Ấn Độ) với những kết luận quan trọng về các sơ đồ cắt động học, sự tạo phoi, các yếu tố ảnh hưởng tới lực cắt
Trong thập kỷ 70 của thế kỷ XX, lý thuyết gia công kim loại bằng cơ học dần được hoàn thiện nhờ các công trình nghiên cứu mới về các lực phát sinh và hiện tượng nhiệt trong quá trình gia công kim loại Lực cắt đơn vị và các quy luật của lực cắt được xác định thông qua các công thức lý thuyết trong các tham khảo [5, 15, 31, 42, 47], giúp làm rõ nền tảng vật lý của quá trình cắt và nâng cao hiệu quả của quá trình gia công kim loại.
Chế độ cắt được đặc trưng bởi ba tham số: vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt Những tham số này ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng gia công, tiêu hao năng lượng và năng suất của máy công cụ Nhiều công trình của các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến lực cắt, sự mòn của công cụ và rung động của hệ thống công nghệ “Máy – Dao cắt”.
Đồ gá - Chi tiết gia công và các hiện tượng lý - hóa xảy ra trong vùng cắt được làm sáng tỏ qua chuỗi công trình tiêu biểu của các nhà khoa học: Granôpxki đã phân loại các sơ đồ cắt động học, Zorev N.N khảo sát các lực cắt trên các bộ phận của dao cắt, còn Kronenberg, Friedrich, Hippler cùng với các công trình lý thuyết và thực nghiệm của Sokolovski, Kasirin, Tlusty, Tolias, Bhattacharya đã làm rõ các qui luật cơ bản của lực cắt; nhờ đó nhận thức về nguyên lý và qui luật tự rung khi gia công được đi sâu và chính xác hóa, đồng thời cho thấy vai trò của đồ gá và các yếu tố liên quan đến vùng cắt trong quá trình gia công.
5 khoa học Ostermann, Laladze, Malkin, Smith về phương pháp giải tích của trường nhiệt độ trong dụng cụ cắt, phoi và chi tiết gia công
Trong lĩnh vực gia công vật liệu phi kim loại, điển hình là gỗ với đặc tính phức tạp (không đồng nhất và bất đẳng hướng), đã có nhiều công trình nổi tiếng về khoa học cắt gọt gỗ và vật liệu từ gỗ Năm 1870, tỷ suất lực cắt lần đầu tiên được xác định cho các trường hợp cắt đơn giản bằng phương pháp thực nghiệm bởi giáo sư tiến sĩ I A Time, đánh dấu một mốc quan trọng cho sự phát triển lý thuyết và thực hành trong gia công gỗ.
Vào năm 1933, giáo sư tiến sĩ M A Đesevôi đã tổng hợp và hoàn chỉnh lý thuyết cắt gọt gỗ Năm 1939, ông cho xuất bản cuốn sách “Kỹ thuật gia công gỗ”, một công trình lớn bao gồm các vấn đề lý thuyết và kinh nghiệm thực tế trong gia công gỗ, và cho tới thời điểm đó trên thế giới chưa có công trình nghiên cứu tương tự nào được ra đời.
Trong gia công tiện gỗ, tỷ suất lực cắt được dùng để tính toán lực cắt, công suất cắt và công suất đẩy, và các tham số này được xác định bằng một công thức thực nghiệm do giáo sư tiến sĩ A L Bersatski đề xuất [17, 41].
Nghiên cứu quá trình cắt gỗ theo hướng kết hợp lý thuyết và thực nghiệm do các nhà khoa học Mỹ tiến hành, với những kết luận quan trọng về sự hình thành phoi, các yếu tố ảnh hưởng tới lực cắt và chất lượng gia công gỗ GS B.M Buglai đã khảo sát độ nhẵn của phần lớn các dạng gia công gỗ dựa trên khả năng của máy, dao cắt và yêu cầu của từng khâu công nghệ, và phân thành 10 cấp độ nhẵn bề mặt gia công, trong đó độ nhẵn cao nhất có thể đạt là 16 μm và thấp nhất là 1600 μm [17,25].
Nguyên lý cấu tạo và tính năng công nghệ của các máy công cụ, máy cắt kim loại nói chung và các máy gia công tiện nói riêng đã được các nhà khoa học nghiên cứu từ khá sớm Năm 1712, ông Nartôp, một thợ cơ khí người Nga, đã chế tạo được một máy tiện chép hình để tiện các chi tiết định hình; việc chép hình theo mẫu được thực hiện tự động.
6 bánh răng và thanh răng đảm nhận chức năng truyền động cho hệ cơ cấu Đến năm 1798 (86 năm sau khi khởi phát ý tưởng), ông Henry Nandsley người Anh mới nghiên cứu thay thế chuyển động này bằng chuyển động vít me - đai ốc Năm 1873, Spender chế tạo được máy tiện tự động có ổ tiếp phôi và trục phân phối mang các cam Năm 1880, nhiều hãng trên thế giới như Pittler Ludwig Low (Đức) và RSK (Anh) đã chế tạo được máy tiện rơvônve dùng phôi thép thanh.
Tình hình sử dụng và nghiên cứu máy tiện ở trong nước
Trong nền kinh tế quốc dân, ngành Cơ khí đóng vai trò rất quan trọng Từ khi hình thành, ngành công nghiệp cơ khí ở nước ta được xác định bởi Đảng và Nhà nước là ngành then chốt, luôn được ưu tiên phát triển, và đã có nhiều nhà máy cơ khí lớn được xây dựng cũng như nhiều trung tâm đào tạo, nghiên cứu được thành lập Theo số liệu thống kê mới nhất, số lượng cơ sở cơ khí chiếm khoảng 12% lao động công nghiệp của cả nước, góp phần đáng kể vào công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước.
Trong lĩnh vực cơ khí chế tạo nói chung và ngành tiện nói riêng, đã có những bước phát triển đáng kể về cả quy mô lẫn chất lượng, như được trình bày trong Giáo trình Tiện (2009) của các nhà khoa học Nguyễn Thị Quỳnh, Phạm Minh Đạo và Trần Sỹ Tuấn Máy tiện chiếm khoảng 25%–35% tổng số thiết bị trong phân xưởng gia công cắt gọt, cho thấy vai trò then chốt của máy tiện đối với năng suất và chất lượng sản phẩm.
Máy tiện được chế tạo trong nước nhờ sự giúp đỡ của Liên Xô cũ từ những thập niên 60 của thế kỷ 20 Trải qua một thời kỳ dài phát triển, Việt Nam đã có nhiều loại máy tiện vừa được chế tạo trong nước vừa được nhập khẩu.
Mười xu hướng từ các nước tiên tiến cho thấy trong lĩnh vực nghiên cứu cơ bản và ứng dụng về gia công vật liệu kỹ thuật, chúng ta đã đạt được những thành tựu đáng kể Những tiến bộ nổi bật tập trung vào cải thiện quy trình gia công, phát triển vật liệu tiên tiến và tối ưu hóa nhiệt luyện, phân tích cơ học cũng như mô phỏng, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng hiệu suất và độ bền Nhờ sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thử nghiệm thực tế, các công nghệ mới đang mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu kỹ thuật trong ngành công nghiệp ôtô, hàng không, điện tử và y tế; đồng thời góp phần giảm chi phí, tiết kiệm năng lượng và giảm tác động tới môi trường, hướng tới phát triển bền vững của toàn cầu.
Những nghiên cứu về sự tác động tương hỗ giữa công cụ (máy gia công) và đối tượng gia công là kim loại của các tác giả Bành Tiến Long, Trần Thế Lục, Trần Sỹ Tuý với công trình “Nguyên lý gia công vật liệu” [15] đã cung cấp nền tảng lý luận khoa học cho quá trình gia công kim loại bằng cắt gọt Các tác giả còn mở rộng phân tích sang gia công các vật liệu khác và đề xuất các phương pháp gia công mới dựa trên cơ sở lý thuyết về tương tác giữa công cụ và vật liệu, nhằm nâng cao hiệu suất và chất lượng gia công.
Về các thiết bị gia công kim loại nói chung, các máy cắt kim loại và máy tiện kim loại nói riêng đã được các nhà khoa học Nguyễn Anh Tuấn, Nguyễn Đức Lộc và Phạm Đắp giới thiệu trong tài liệu 'Máy cắt kim loại' [20].
Các nghiên cứu cho thấy phương pháp tính toán và tra cứu chế độ cắt hợp lý đóng vai trò hỗ trợ thiết thực cho việc học tập, sử dụng và điều khiển thiết bị cắt kim loại, được giới thiệu trong tài liệu "Chế độ cắt gia công cơ khí" của các tác giả Nguyễn Ngọc Đào, Trần Thế San và Hồ Việt Bình Động học và động lực học của quá trình tiện vật liệu gỗ được Hoàng Nguyên trình bày trong giáo trình "Nguyên lý cắt gọt gỗ" (1980) [17].
Trong giáo trình "Máy và thiết bị chế biến gỗ" (2003) của tác giả Hoàng Việt, nguyên lý cấu tạo, tính năng công nghệ và phân loại máy tiện gỗ được trình bày chi tiết, tạo nền tảng cho việc thiết kế, lựa chọn và vận hành các loại máy tiện gỗ trong quá trình gia công gỗ.
Trong tài liệu “Tối ưu hóa các quá trình gia công cắt gọt”, PGS.TS Nguyễn Trọng Bình tổng hợp nhiều nghiên cứu của GS Friedhelm Lierath—Viện trưởng Viện công nghệ và đảm bảo chất lượng, Trường Đại học tổng hợp kỹ thuật Magdeburg, Cộng hòa liên bang Đức và là giáo sư danh dự của nhiều trường đại học trên thế giới—về các phương pháp tối ưu hóa quá trình gia công cắt gọt Nghiên cứu nhấn mạnh vai trò của mô hình hóa toán học để mô tả ảnh hưởng của các yếu tố chế độ cắt đến chất lượng gia công, trong khi chi phí sản phẩm được xem là động lực quyết định để xây dựng các mô hình toán học cho bài toán tối ưu hóa.
Vấn đề miêu tả toán học các quá trình gia công gỗ bằng cơ giới đã được T.S Hoàng Việt đề cập trong các chuyên đề nghiên cứu và các bài giảng dành cho học viên cao học Những phân tích này cho thấy cách ứng dụng mô hình toán học để mô tả và tối ưu hóa quá trình gia công, từ đó cải thiện hiệu suất vận hành và chất lượng sản phẩm Các tài liệu tham khảo [23, 24, 25] làm nổi bật đóng góp của ông và cung cấp khung tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực gia công gỗ bằng cơ giới.
Nghiên cứu của Trần Minh Đức trong tài liệu [1] cho biết thông số công nghệ của quá trình sửa đá gồm chiều sâu sửa đá và tốc độ tiến dao dọc là hai yếu tố có ảnh hưởng quyết định tới khả năng cắt và tuổi thọ của đá mài Theo kết luận về Topografie của đá mài, hai tham số này tác động trực tiếp tới bề mặt và độ bền của đá, từ đó ảnh hưởng tới hiệu suất sửa đá và thời gian sử dụng đá mài Việc tối ưu hóa chiều sâu sửa đá và tốc độ tiến dao dọc sẽ nâng cao chất lượng gia công, cải thiện khả năng cắt và kéo dài tuổi thọ đá mài.
Liên quan đến mô tả toán học về ảnh hưởng của các thông số chế độ gia công khi cắt vật liệu thép xây dựng, các mô hình lý thuyết và phân tích thực nghiệm đã được trình bày trong nhiều tài liệu khoa học Nghiên cứu cho thấy mối quan hệ mật thiết giữa tốc độ cắt, lượng ăn dao và góc gia công với lực gia công, nhiệt sinh ra và chất lượng bề mặt trong quá trình gia công thép xây dựng Việc tổng hợp các kết quả này giúp tối ưu tham số chế độ gia công, giảm mài mòn dụng cụ và tăng năng suất, đồng thời cung cấp khuyến nghị về lựa chọn vật liệu thép xây dựng và điều kiện cắt cho từng ứng dụng.
Kết quả nghiên cứu cho thấy dạng lưỡi cắt, vận tốc cắt và vận tốc đẩy ảnh hưởng lớn đến hai chỉ tiêu quan trọng khi gia công vật liệu thép xây dựng: chi phí năng lượng riêng và năng suất cắt Việc tối ưu hóa hình dạng lưỡi cắt và điều chỉnh các tham số gia công giúp giảm chi phí năng lượng và nâng cao năng suất cắt vật liệu thép xây dựng, từ đó cải thiện hiệu quả sản xuất và chất lượng bề mặt.
Trong lĩnh vực cơ khí chế tạo nói chung và ngành liên quan nói riêng đã ghi nhận những bước phát triển đáng kể, nhưng kể từ khi bước vào cơ chế thị trường ngành cơ khí Việt Nam lộ rõ nhiều yếu kém, nổi bật là khả năng cạnh tranh còn rất hạn chế ngay cả trên thị trường nội địa Thị trường tiêu thụ sản phẩm thu hẹp, không thể cạnh tranh với hàng hóa nhập khẩu, khiến hoạt động sản xuất kinh doanh gặp nhiều khó khăn và nhiều doanh nghiệp đứng trước nguy cơ phá sản Nguyên nhân chủ yếu là chi phí sản xuất cao và chất lượng sản phẩm còn chưa đáp ứng yêu cầu, trong đó nguyên nhân chính là chưa có nghiên cứu và ứng dụng hiệu quả thiết bị.
Trong lĩnh vực thiết bị công nghệ và các quá trình gia công cơ vật liệu kỹ thuật, các loại máy tiện và hệ thống liên quan đã được nghiên cứu ở mức độ khá hoàn chỉnh, trở thành nền tảng khoa học cho các công trình nghiên cứu phát triển và ứng dụng thực tiễn Những luận cứ khoa học này đóng vai trò làm nền tảng cho việc tăng cường hiệu suất thiết bị, tối ưu hóa quy trình gia công và thúc đẩy đổi mới công nghệ trong sản xuất Tuy nhiên, cùng với nhịp độ phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật nói chung và kỹ thuật máy cùng thiết bị cơ giới hóa nông lâm nghiệp nói riêng, việc cập nhật công nghệ và nâng cao trình độ thiết kế - chế tạo vẫn cần được đẩy mạnh để đáp ứng ngày càng cao yêu cầu về năng suất, chất lượng sản phẩm và sự cạnh tranh trên thị trường.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của vấn đề nghiên cứu
Việc bổ sung dữ liệu khả năng công nghệ của máy tiện LD 134.OE là cơ sở vững chắc để đưa loại máy này vào các quá trình sản xuất và gia công chi tiết tại xưởng gia công cơ khí Dữ liệu khả năng công nghệ cho LD 134.OE cho phép đánh giá độ chính xác, khả năng gia công và hiệu suất của máy trong các công đoạn tiện, gia công bề mặt và gia công lỗ, từ đó tối ưu quy trình sản xuất Nhờ thông tin cập nhật, các doanh nghiệp có thể lựa chọn máy phù hợp, lập kế hoạch tối ưu chu kỳ gia công và đảm bảo chất lượng sản phẩm LD 134.OE trở thành lựa chọn tin cậy cho xưởng cơ khí nhờ dữ liệu khả năng công nghệ đầy đủ, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và cạnh tranh trên thị trường.
Việc định lượng ảnh hưởng của một số yếu tố chế độ cắt đối với độ nhám bề mặt và độ chính xác gia công khi sản xuất các chi tiết trục là nền tảng để xây dựng mô hình toán học cho bài toán tối ưu hóa quá trình gia công Mô hình này cho phép xác định các tham số tối ưu nhằm nâng cao chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công trong quá trình gia công chi tiết trục Kết quả nghiên cứu cũng là cơ sở để tính toán thiết kế và cải tiến, hoàn thiện các máy tiện, từ đó nâng cao hiệu suất, độ tin cậy và chất lượng sản phẩm của hệ thống gia công chi tiết trục.
+ Khẳng định các thông số chế độ cắt hợp lý trên máy tiê ̣n LD 134.OE phục vụ tra cứu áp dụng khi lựa chọn và sử dụng máy
Định hướng cho các cơ sở sản xuất về tổ chức và chỉ đạo kỹ thuật các khâu gia công nhằm bảo đảm nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng hiệu quả sản xuất Việc tập trung cải tiến quy trình, kiểm soát chất lượng và tối ưu hóa các bước gia công sẽ góp phần nâng cao năng suất và sức cạnh tranh của doanh nghiệp.
MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Mu ̣c tiêu nghiên cứu
Xác định mức độ và quy luật ảnh hưởng của chế độ cắt đến chi phí năng lượng riêng và chất lượng gia công trên máy tiện mã hiệu LD 134.OE nhằm làm cơ sở xác lập chế độ cắt tối ưu và góp phần xây dựng ngân hàng dữ liệu dùng cho đảm bảo hiệu quả kỹ thuật nhất cho các máy tiện Nghiên cứu tối ưu hóa các tham số cắt, giảm chi phí năng lượng và nâng cao chất lượng bề mặt gia công trên LD 134.OE, đồng thời cung cấp dữ liệu tham chiếu cho các máy tiện khác để tăng tính nhất quán và khả năng tái sử dụng quy trình gia công Việc xây dựng ngân hàng dữ liệu này sẽ hỗ trợ triển khai các giải pháp chế độ cắt hiệu quả trên quy mô rộng, đáp ứng yêu cầu tối ưu hóa năng lực sản xuất và chất lượng sản phẩm.
Bài viết trình bày cách xây dựng mối quan hệ giữa các thông số chế độ cắt—vận tốc cắt và lượng chạy dao—với chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt khi gia công chi tiết máy dạng trục trơn trên máy tiện LD 134.OE Mô hình này giúp tối ưu hóa quá trình gia công bằng cách điều chỉnh vận tốc cắt và lượng chạy dao để giảm chi phí năng lượng riêng đồng thời cải thiện chất lượng bề mặt, đáp ứng các tiêu chuẩn về độ nhám trên chi tiết trục Kết quả mang lại quy trình gia công hiệu quả, giảm chu trình gia công, hạn chế biến động độ nhám và phù hợp với mục tiêu sản xuất đòi hỏi độ chính xác cao cho chi tiết trục sử dụng trên máy tiện LD 134.OE.
Xác định chế độ cắt hợp lý khi tiện tạo chi tiết máy trên máy công cụ là yếu tố then chốt để đảm bảo chất lượng bề mặt cao và tối ưu chi phí năng lượng riêng Việc tối ưu các thông số gia công như tốc độ tiến, tốc độ cắt và lượng dao giúp đạt được bề mặt có độ bóng và nhám phù hợp, đồng thời nâng cao hiệu suất vận hành của máy Nhờ đó có thể tiết kiệm năng lượng, giảm mài mòn và kéo dài tuổi thọ công cụ, từ đó tối ưu chi phí sản xuất Để thực hiện hiệu quả, cần phân tích vật liệu gia công, đặc tính dao cắt và điều kiện vận hành, sau đó áp dụng các tham số cắt tối ưu cho từng loại chi tiết máy.
Đối tươ ̣ng, pha ̣m vi nghiên cứu
Trong đề tài luận văn giới hạn ở các đối tượng và phạm vi nghiên cứu cụ thể sau:
Thiết bị gia công: Thiết bị nghiên cứu được sử dụng là máy tiện LD
134OE là một loại máy được sản xuất tại Đài Loan và hiện đang được sử dụng phổ biến trong các xưởng gia công cơ khí của các công ty, cũng như tại các trường đào tạo nghề ở Việt Nam Việc áp dụng máy 134OE tại các đơn vị sản xuất và cơ sở đào tạo cho thấy vai trò của nó trong nâng cao năng lực chế tạo và đào tạo kỹ năng cơ khí ở Việt Nam.
Vật liệu, chi tiết gia công và dao cắt là trọng tâm của đề tài, và phạm vi nghiên cứu được giới hạn ở loại vật liệu phổ biến trong ngành cơ khí là thép C45, cùng với sản phẩm là chi tiết trục trơn Đề tài không đi sâu vào mọi loại vật liệu kim loại hay nhiều loại dao cắt từ các hãng khác nhau mà tập trung phân tích đặc tính gia công của thép C45 để tối ưu hóa quá trình gia công chi tiết trục trơn, từ lựa chọn dao cắt, tốc độ cắt cho đến chất lượng bề mặt và độ bền của sản phẩm.
Trong nghiên cứu này, các chỉ tiêu quan trọng cho chất lượng gia công được xác định là độ nhám bề mặt chi tiết và chi phí năng lượng riêng Các tham số của chế độ cắt được lựa chọn để khảo sát nhằm làm rõ ảnh hưởng của chúng đối với hai chỉ tiêu chính nêu trên, cụ thể là vận tốc cắt V và lượng chạy dao S Mục tiêu là tối ưu hóa sự cân bằng giữa chất lượng bề mặt và hiệu quả sử dụng năng lượng thông qua việc điều chỉnh các tham số V và S.
Nội dung/ nhiệm vụ nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu của đề tài chúng tôi tập trung giải quyết những nội dung sau:
Nghiên cứu lý thuyết và tổng hợp các cơ sở khoa học của quá trình gia công cắt gọt vật liệu, đặc biệt tập trung vào quá trình tiện và các thiết bị công nghệ tiện Xác lập cơ sở lý thuyết về những yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công và chi phí năng lượng riêng trên máy tiện, nhằm giải thích mối quan hệ giữa tham số gia công, điều kiện vận hành và hiệu suất sản xuất Kết quả hướng tới tối ưu hóa quy trình tiện, cải thiện chất lượng bề mặt và giảm tiêu thụ năng lượng, phù hợp với yêu cầu của sản xuất hiện đại.
Trong nghiên cứu thực nghiệm, mục tiêu được xác lập rõ ràng, nội dung và tổ chức thí nghiệm được xác định, kết quả thí nghiệm được thu nhận và phân tích để xây dựng mô hình toán học của các hàm mục tiêu trong mối quan hệ với các tham số điều khiển Từ kết quả đó, chế độ làm việc hợp lý khi gia công tạo chi tiết trên máy tiện LD 134.OE được xác định.
Phương pháp nghiên cứu
2.4.1 Các phương pháp nghiên cứu chung
Các phương pháp chủ đạo được sử dụng để giải quyết các nội dung nghiên cứu của đề tài là phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phương pháp kế thừa và phương pháp thực nghiệm
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết được sử dụng trong nghiên cứu các công trình khoa học, tổng hợp cơ sở lý luận để giải quyết các nội dung: tổng quan về vấn đề nghiên cứu; tạo lập cơ sở lý luận của đề tài
Phương pháp kế thừa được áp dụng trong phân tích lựa chọn bằng cách tổng hợp và vận dụng các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên thế giới và trong nước có liên quan Việc tham chiếu các nghiên cứu trước giúp làm rõ nội dung thực nghiệm, đồng thời cung cấp cơ sở để nhận xét và đánh giá kết quả một cách khách quan Khi áp dụng, phương pháp kế thừa đảm bảo tính liên tục và độ tin cậy của phân tích bằng cách so sánh các kết quả và rút ra những kết luận có giá trị cho nghiên cứu hiện tại.
- Phương pháp thực nghiệm được sử dụng là qui hoạch thực nghiệm đơn và đa yếu tố để giải quyết các nội dung nghiên cứu thực nghiệm
Quá trình gia công cơ khí, đặc biệt là gia công cắt gọt kim loại, chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố và sự tương tác lẫn nhau giữa chúng Các yếu tố này được phân thành: đối tượng gia công gồm loại kim loại và các tính chất cơ – lý – hoá học của kim loại; công cụ gia công với tính chất cơ lý của vật liệu làm công cụ, các thông số hình học, độ sắc của dao cắt, chất lượng bề mặt các cạnh biên lưỡi cắt, độ dày công cụ, số cạnh cắt tham gia làm việc và độ chính xác của công cụ; máy móc thiết bị với độ cứng của hệ “Máy – Công cụ cắt – Thiết bị gá kẹp phôi” và các đặc tính động học, động lực học của hệ; và các yếu tố đặc trưng cho quá trình gia công cơ giới như bề dày phoi, chiều rộng phoi, quỹ đạo mặt phẳng cắt, các góc cắt, vận tốc đẩy và vận tốc cắt, lực cắt, sự đốt nóng của công cụ và vật liệu gia công, cũng như đặc tính của quá trình cắt (cắt kín, cắt hở, cắt nửa kín) Giữa các yếu tố này có tác động qua lại tương hỗ với nhau, nên để giải quyết đầy đủ nội dung cần thực nghiệm đơn yếu tố và đa yếu tố.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm mà chúng tôi sử dụng không phải là thực nghiệm thuần túy mà là sự kết hợp hài hòa giữa lý thuyết và thực nghiệm; lý thuyết được xem là cơ sở nền tảng và định hướng ban đầu, hỗ trợ làm rõ mục tiêu nghiên cứu và tối ưu hóa quy trình tiến hành Nhờ sự kết hợp này, khối lượng công việc được giảm thiểu và thời gian nghiên cứu thực nghiệm được rút ngắn đáng kể.
2.4.2 Nội dung và phương pháp luận nghiên cứu thực nhiệm
Theo các nguồn tham khảo [2,14,29], nội dung nghiên cứu thực nghiệm gồm xác định mục tiêu thực nghiệm, chọn tham số điều khiển và phạm vi biến động của chúng, chọn thiết bị đo phù hợp và tiến hành công tác chuẩn bị Tiếp theo là thực hiện thí nghiệm thăm dò để khảo sát điều kiện hoạt động, sau đó tiến hành thực nghiệm đơn yếu tố và thực nghiệm đa yếu tố nhằm đánh giá ảnh hưởng của từng tham số và sự tương tác giữa chúng lên kết quả nghiên cứu.
Tiến hành thí nghiệm thăm dò (ở mức cơ sở với số thí nghiệm n 50140) để xác định qui luật phân bố của đại lượng cần nghiên cứu [14]
Qui luật phân bố của đại lượng nghiên cứu có thể được khái quát hóa thành phân bố lý thuyết thông qua phân bố thực nghiệm Việc xây dựng phân bố thực nghiệm để khái quát hóa thành các phân bố lý thuyết là một trong những nhiệm vụ quan trọng của phân tích dữ liệu nghiên cứu Để nhận diện các qui luật phân bố khách quan trong tổng thể từ các tài liệu thu thập được về đại lượng nghiên cứu, trước hết cần sắp xếp các giá trị quan sát theo một trật tự nhất định và thống kê các phần tử nằm trong các khoảng xác định Để hình thành phân bố thực nghiệm, ta tiến hành chia tổ ghép nhóm các trị số thu thập được theo công thức kinh nghiệm của Brooks và Carruther [13].
Xác định số lần lặp cho thí nghiệm là bước quan trọng giúp đảm bảo độ tin cậy và độ chính xác của kết quả Số lần lặp phải đủ lớn để đảm bảo độ chính xác của ước lượng dựa trên phân bố chuẩn, đồng thời tối thiểu hóa khối lượng thực nghiệm để tối ưu nguồn lực và thời gian tiến hành.
Mục đích của thí nghiệm thăm dò là phát hiện qui luật phân bố khách quan trong tổng thể dựa trên dữ liệu thu thập được ở đại lượng nghiên cứu và làm căn cứ xác định số lần lặp cho các thí nghiệm ở thực nghiệm đơn và thực nghiệm đa yếu tố Từ nhiều công trình nghiên cứu liên quan [1,14,15,47], cho thấy mối quan hệ giữa các đại lượng như chi phí năng lượng riêng và chất lượng gia công với các yếu tố công nghệ, và có thể khái quát thành một phân bố thực nghiệm Kế thừa kết quả này, luận văn không tiến hành thí nghiệm thăm dò mà triển khai luôn thực nghiệm đơn yếu tố Số lần lặp cho mỗi thí nghiệm ở các lô thí nghiệm là 3.
2.4.2.2 Thực nghiệm đơn yếu tố
Trong thực nghiệm đơn yếu tố, nhiệm vụ cơ bản là xác định các thông số ảnh hưởng và xem thông số nào thực sự tác động đến các chỉ tiêu đánh giá Quy trình này tập trung vào việc thay đổi một tham số tại một thời điểm và quan sát sự biến đổi của các chỉ tiêu đo lường, từ đó phân tích mức độ ảnh hưởng của từng tham số và nhận diện các yếu tố chủ chốt cần tối ưu hóa Việc xác định đúng các thông số ảnh hưởng giúp cải thiện hiệu suất thí nghiệm, tăng tính tin cậy của kết quả và cung cấp cơ sở cho việc điều chỉnh tham số để tối ưu hóa quá trình và kết quả đánh giá.
18 xác định mức độ và quy luật ảnh hưởng của chúng đến chỉ tiêu quan tâm Thực nghiệm đơn yếu tố được tiến hành qua các bước sau:
Để đánh giá tác động của từng tham số, tiến hành thí nghiệm với mỗi thông số bằng cách thay đổi ở ít nhất 4 mức khác nhau, đảm bảo bước thay đổi giữa các mức đủ lớn Khoảng cách giữa các mức phải lớn hơn hai lần sai số bình phương trung bình (MSE) của phép đo giá trị tham số đó, nhằm tăng độ ổn định và độ tin cậy của kết quả khi ước lượng ảnh hưởng của tham số lên hệ Quá trình này giúp phân tích tác động độc lập của từng tham số và thu thập dữ liệu có thể so sánh, phục vụ cho việc tối ưu hóa mô hình hoặc quy trình.
Sau khi kết thúc thí nghiệm, cần xác định độ tin cậy về ảnh hưởng của từng yếu tố đối với chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt của chi tiết gia công Đồng thời đánh giá tính thuần nhất của phương sai trong quá trình thí nghiệm để chứng minh rằng các ảnh hưởng từ các yếu tố khác tới thông số cần xét là không có hoặc không đáng kể Các bước này giúp làm rõ vai trò của từng yếu tố, tăng độ tin cậy của kết quả và hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế cùng quy trình gia công, nhằm cải thiện hiệu suất năng lượng và chất lượng bề mặt.
Thuật toán phân tích phương sai để xác định độ tin cậy và tính thuần nhất [11, 13, 29] cụ thể như dưới đây a Đánh giá tính đồng nhất của phương sai
Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai theo tiêu chuẩn Kohren
Smax- Phương sai lớn nhất trong N thí nghiệm;
Su - Phương sai của thí nghiệm thứ u với số lần lặp lại mu;
S = 1 Y -Y m -1 (2.2) mu - Số lần lặp lại ở mỗi điểm thí nghiệm;
Yui - Giá trị của thông số ra tại điểm u, lần lặp thứ i;
Yui- Giá trị trung bình của thông số ra tại điểm u; m u u iu u i 1
19 Ứng với N điểm thí nghiệm trong kế hoạch thực nghiệm ta có N phương sai S 2 u Trong đó luôn có giá trị S 2 max ;
Gtt- Chuẩn Kohren tính toán theo thực nghiệm
Trong đó bậc tự do ở tử số = m - 1 và ở mẫu số K = N.(m - 1) m- số lần lặp lại ở thí nghiệm mà ở đó có phương sai cực đại m = mu
Giá trị thống kê chuẩn Kohren được tính sẵn theo mức ý nghĩa , bậc tự do và k ký hiệu Gb tra bảng [2, 14]
Trong phân tích thí nghiệm, khi Gtt < Gb, giả thuyết H0 không mâu thuẫn với kết quả số liệu thí nghiệm Phương sai của các thí nghiệm được coi là đồng nhất, cho phép giả định nhiễu ổn định khi thay đổi các tham số trong thí nghiệm Ngược lại, nếu Gtt > Gb thì giả thuyết H0 bị bác bỏ Tiếp tục kiểm tra mức độ ảnh hưởng của các yếu tố.
Phương pháp đánh giá này dựa trên chuẩn Fisher (F), bằng cách so sánh phương sai thành phần do thay đổi tham số gây ra với phương sai nhiễu Tỉ lệ giữa hai phương sai sẽ cho biết mức độ khác biệt giữa các giá trị trung bình; nếu lớn hơn giá trị tra bảng của phân phối F ở mức ý nghĩa đã chọn, sự khác biệt là có ý nghĩa thống kê và các tham số được đưa vào có ảnh hưởng thực sự đến kết quả đầu ra, chứ không chỉ là do nhiễu ngẫu nhiên gây ra Do đó, kết quả cho thấy các mức tham số có tác động đáng kể lên biến đầu ra và vượt trội so với ảnh hưởng ngẫu nhiên.
Giá trị tính toán của chuẩn F là tỷ số:
S - phương sai do sự thay đổi thông số vào X gây nên; y
Se- ước lượng phương sai do nhiễu thực nghiệm gây ra;
Y0- giá trị trung bình chung của thông số ra tính cho toàn bộ thực nghiệm:
Bậc tự do của S là 2 y 1 = N - 1; của S 2 e là 2 = N.(m - 1)
Giá trị thống kê của chuẩn F được tính sẵn theo mức ý nghĩa = 0,05, bậc tự do 1, 2 ở phụ lục 3 tài liệu [14]
Khi giá trị F nhỏ hơn ngưỡng Fb, ảnh hưởng của tham số lên kết quả được xem là không đáng kể so với nhiễu ngẫu nhiên Nguyên nhân chủ yếu là thí nghiệm đã đưa vào các tham số không có ảnh hưởng đáng kể hoặc mức biến đổi của tham số quá nhỏ, khiến hiệu ứng của tham số bị che khuất bởi nhiễu và khó nhận biết.
CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Khả năng công nghệ và các thông số kỹ thuật của máy tiện LD 134.OE
Máy tiện LD134.OE, sản xuất tại Đài Loan, là một máy tiện vạn năng có khả năng gia công nhiều loại chi tiết Trên máy có thể dùng dao tiện để gia công mặt trụ ngoài và trong, mặt côn và mặt định hình, mặt đầu mút và gờ; cắt rãnh ngang; dùng dao cắt ren trong và ngoài; dùng mũi khoan, mũi khoét, mũi doa; và dùng ta-rô cùng bàn ren để cắt đường ren trong và ngoài.
Các thông số kỹ thuật của máy tiện LD134.OE như giới thiệu ở phụ biểu 01
Hình 3.1 Má y tiê ̣n LD134.OE ta ̣i trường Cao đẳng nghề
Động học và động lực học quá trình cắt
3.2.1 Động học của quá trình cắt
3.2.1.1 Các chuyển động của quá trình cắt
Khi gia công trên máy tiện, phôi (chi tiết) quay quanh trục (đường tâm) của máy, trong khi dao tiện được kẹp trên bàn máy và cùng với bàn máy chuyển động song song với đường tâm máy hoặc tạo với đường tâm máy một góc (hình 3.2) Do đó, dao tiện thực hiện chuyển động tương đối so với chi tiết, tạo ra sự khác biệt về chuyển động giữa dụng cụ và phôi.
Trong gia công, chuyển động cắt chính là chuyển động quay tròn của chi tiết quanh trục của nó, tạo đường cắt và hình thành bề mặt chi tiết Chuyển động phụ, hay còn gọi là chạy dao, là sự dịch chuyển của dao cùng với bàn dao để đảm bảo tiến dao và kiểm soát hướng cắt, từ đó định hình và hoàn thiện sản phẩm.
Dao cắt có thể dịch chuyển theo hai hướng chính: song song với đường tâm máy được gọi là chạy dao dọc, cho kết quả là mặt trụ (hình 3.2); thẳng góc với đường tâm được gọi là chạy dao ngang, và bề mặt gia công sẽ phụ thuộc vào vị trí của lưỡi cắt Khi tiện mặt đầu, chạy dao ngang sẽ tạo ra mặt phẳng thẳng góc với đường tâm (hình 3.3,a); nếu toàn bộ lưỡi cắt nằm song song với đường tâm, bề mặt tạo thành sẽ là mặt trụ (hình 3.3,b).
Chuyển động chính Chuyển động chính
Hình 3.2 Chuyển động chính và chuyển động chạy dao khi tiện: a- tiện ngoài chạy dao dọc; b- tiện trong
Trong gia công tiện, 32 đường tâm được dùng để thực hiện chạy dao ngang; khi dao tiện định hình trong lúc chạy dao ngang sẽ cho bề mặt định hình là bề mặt tròn xoay Có thể tạo một góc bất kỳ với đường tâm máy, kết quả gia công sẽ là một mặt côn ngoài hoặc trong Theo một đường cong nào đó được thực hiện bằng tay hoặc bằng dưỡng đặt trong mặt phẳng đi qua tâm máy, bề mặt thu được là một bề mặt tròn xoay có đường sinh cong Nếu lưỡi cắt của dụng cụ có profile ren và dao dịch chuyển song song với đường tâm thì sẽ hình thành mặt ren.
Chuyển động chính Chuyển động chính Chuyển động chính
Chuyển động chính Chuyển động chính Chuyển động chính
Hình 3.3 trình bày các dịch chuyển của dao cắt trong các thao tác gia công cơ khí, gồm a- xén mặt đầu, b- cắt đứt và tiện rãnh, c- tiện mặt định hình bằng dao tiện định hình, d- tiện mặt côn, đ- tiện mặt định hình bằng dao tiện ngoài, và e- tiện ren Các thao tác này cho thấy cách lựa chọn và điều chỉnh đường đi của dao để thực hiện các bước gia công cụ thể từ xén và làm phẳng mặt đầu đến gia công rãnh, hình học mặt định hình, mặt côn, và ren, góp phần tối ưu hóa chất lượng bề mặt và hiệu suất gia công.
Trong quá trình tiện gia công, động tác cắt chính là quay vòng của chi tiết để hình thành phoi, trong khi động tác tiến dao của dao cắt là chuyển động nhằm tiếp tục tạo phoi và duy trì quá trình cắt liên tục.
Dao tiện trên máy tiện có sự đa dạng về hình dạng và chất liệu Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn này, tác giả sử dụng dao tiện ngoài đầu thẳng (hình 3.4 a) làm công cụ cắt chính, với vật liệu dao là thép gió (HSS) Việc chọn dao tiện như vậy nhằm phân tích hiệu suất cắt, độ bền và chất lượng gia công của dao trong các điều kiện gia công khác nhau.
Hình 3.4 Dao tiện mặt ngoài: a- đầu thẳng; b- đầu cong
3.2.1.2 Chế độ cắt khi tiện
Chế độ cắt khi tiện được đặc trưng bằng 3 thông số cơ bản: vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt
Vận tốc cắt khi tiện V là khoảng cách di chuyển của lưỡi cắt trên bề mặt chi tiết gia công trong một đơn vị thời gian Tính một cách chính xác, V là tổng hợp của hai thành phần chính: vận tốc vòng của chi tiết gia công (vận tốc quay) và vận tốc của chuyển động chạy dao (tiến dao) trong quá trình gia công a Vận tốc vòng của chuyển động quay của chi tiết là một thành phần quan trọng, xác định tốc độ quay của chi tiết và ảnh hưởng đến độ nhẵn, kích thước bề mặt cũng như chất lượng gia công.
Vận tốc vòng của chi tiết được tính:
, m/ph (3.1) trong đó: D- đường kính của phôi (mm); n - số vòng quay của phôi trong một phút (v/ph)
Trong thực tế gia công, vận tốc vòng được xác định dựa trên đường kính phôi; khi không có bản vẽ phôi, vận tốc vòng được tính theo đường kính của sản phẩm cộng thêm lượng dư, và sự chênh lệch kích thước giữa phôi và sản phẩm thường không vượt quá 5–10% đường kính phôi, nên vận tốc vòng được tính theo đường kính lớn nhất giữa hai yếu tố Điều này cũng ảnh hưởng đến vận tốc chạy dao, bởi việc chọn đường kính lớn nhất giúp tối ưu hóa chu kỳ gia công và chất lượng bề mặt.
Vận tốc chạy dao là lượng dịch chuyển của dao theo phương chạy dao trong một phút, tính bằng mm Nếu sau một vòng quay của chi tiết, khoảng dịch chuyển của dao là S (mm), thì vận tốc chạy dao sẽ là tích của S với số vòng quay của chi tiết mỗi phút (rpm), hay v = S × n (mm/phút), với n là rpm Vì vậy, khi S hoặc rpm tăng lên, vận tốc chạy dao cũng tăng theo tỉ lệ.
Vs = S.n mm/ph Ở đây n - số vòng quay của chi tiết trong một phút (v/ph)
Trong quá trình tiện, véc tơ vận tốc chạy dao được chọn theo chiều ngược lại với hướng dịch chuyển của dao nhằm tối ưu hóa lực và quỹ đạo cắt Khi tiện mặt trụ, véc tơ vận tốc vòng của chi tiết Vc sẽ thẳng góc với véc tơ vận tốc chạy dao Vs, cho thấy sự phân bổ động lực giữa quay và tiến dao và đảm bảo quá trình gia công diễn ra ổn định.
Như vậy vận tốc cắt V là tổng hình học của vận tốc vòng Vc và vận tốc chạy dao Vs:
Trong đa số trường hợp gia công, lượng chạy dao (feed) thường rất nhỏ so với vận tốc vòng của chi tiết Vì vậy, giá trị của vận tốc cắt thường bằng với vận tốc vòng của chi tiết, giúp đơn giản hóa việc tính toán tham số và kiểm soát quá trình gia công Việc này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bề mặt, thời gian gia công và hiệu suất sản xuất.
Lượng chạy dao S là khoảng cách di chuyển của dao theo hướng chạy dao sau mỗi vòng quay của chi tiết gia công, được đo bằng mm/vòng Đây là tham số quan trọng trong gia công để kiểm soát hành trình của dao và độ chính xác kích thước của sản phẩm Việc xác định đúng lượng chạy dao S giúp tối ưu hóa quá trình gia công, giảm thải bỏ, đồng thời cải thiện chất lượng bề mặt và hiệu suất làm việc của máy.
Lượng chạy dao được phân ra:
- Lượng chạy dao dọc: khi phương chuyển động của dao dọc theo đường tâm của chi tiết gia công a b
Hình 3.5 Các yếu tố của chế độ cắt và lượng chạy dao dọc: a- các yếu tố của chế độ cắt; b- lượng chạy dao dọc
- Lượng chạy dao ngang: khi phương chuyển động của dao vuông góc với đường tâm của chi tiết gia công
- Lượng chạy dao nghiêng: khi phương chuyển động của dao làm một góc với đường tâm của chi tiết gia công
Tổ hợp các yếu tố của chế độ cắt và lượng chạy dao dọc như giới thiệu trên hình 3.5
3.2.2 Động lực học của quá trình cắt Động lực học quá trình cắt nghiên cứu nhiều vấn đề ảnh hưởng đến năng suất, chất lượng, hiệu quả của công nghệ cắt gọt như: sự cân bằng năng lượng trong quá trình cắt, lực cắt, độ ổn định quá trình cắt,v.v…Trong luận văn chỉ đề cập đến lực cắt khi tiện và ảnh hưởng của một số yếu tố thuộc chế độ cắt đến lực cắt để làm cơ sở cho nghiên cứu thực nghiệm
Hệ thống lực cắt khi tiện được mô tả như trên hình 3.6 Lực tổng hợp
P được phân tích thành 3 thành phần tiếp tuyến, hướng kính và ngược với hướng chuyển động chạy dao
Hình 3.6 Hệ thống lực cắt khi tiện
Trong quá trình gia công, thành phần lực Pz nằm theo hướng chuyển động chính (hướng vận tốc cắt), được gọi là lực tiếp tuyến hoặc lực cắt chính Giá trị của thành phần này rất quan trọng để tính toán công suất chuyển động chính, đánh giá độ bền của dao và các chi tiết khác của máy.
Chất lượng gia công
Chất lượng gia công được xác định bởi hai nội dung chính: chất lượng bề mặt gia công và độ chính xác gia công Trong phạm vi kích thước nhỏ và tế vi, hai yếu tố này có mối liên hệ chặt chẽ với nhau, còn ở kích thước lớn thì sự liên hệ có thể khác biệt Chất lượng gia công ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng thành phẩm, vì mục tiêu cuối cùng của công nghệ gia công là chế tạo sản phẩm hoàn chỉnh Do đó, các nhà khoa học cần nghiên cứu một cách toàn diện hơn để nâng cao cả chất lượng bề mặt và độ chính xác, đáp ứng yêu cầu của công nghệ và thị trường.
3.3.1 Chất lượng bề mặt gia công
Chất lượng bề mặt gia công được đánh giá bằng hai yếu tố đặc trưng:
- Tính chất cơ lý của lớp kim loại bề mặt
Chất lượng lớp kim loại bề mặt được xác định bởi tính chất của kim loại và phương pháp gia công cơ được áp dụng Trong quá trình gia công cơ, lực tác dụng của lưỡi cắt gây ra trên bề mặt kim loại các vết lồi lõm và làm thay đổi cấu trúc của lớp bề mặt, khiến lớp bề mặt bị biến cứng dẻo và hình thành biến cứng, đồng thời xuất hiện ứng suất dư có thể ảnh hưởng đến độ bền và hiệu suất làm việc của chi tiết.
Độ sóng bề mặt và độ nhám bề mặt có thể ở các mức độ khác nhau: cao về độ sóng và độ nhám, vừa phải, hoặc bề mặt tương đối bằng phẳng nhưng vẫn có độ nhám cao, cũng có thể là bề mặt phẳng với độ nhám thấp (hình 3.8,a) Độ sóng bề mặt xuất hiện khi có rung động của hệ thống gia công, gồm máy, dao, đồ gá và chi tiết gia công; quá trình cắt không liên tục và sự đảo chiều của dụng cụ cắt cũng là nguyên nhân Thông thường độ sóng bề mặt xuất hiện khi gia công các chi tiết có kích thước vừa và lớn.
Bề mặt chi tiết được gia công bằng các dụng cụ có lưỡi cắt (dao tiện, dao phay, dao bào, v.v…) có độ nhám với các đặc tính khác nhau:
- Độ nhám dọc (trùng với phương véc tơ vận tốc cắt,hình 3.8,b )
- Độ nhám ngang (vuông góc với phương vận tốc cắt, (hình 3.8,c)
Độ nhám dọc xuất hiện khi lực cắt có biến đổi gây ra rung động trong quá trình gia công Ngoài ra, nguyên nhân lẹo dao (hiện tượng lớp kim loại dính chặt trên mũi dao) cũng góp phần làm xuất hiện độ nhám dọc.
Độ nhám theo phương ngang thường lớn hơn độ nhám theo phương dọc Tuy nhiên, khi gia công tinh bề mặt bằng dụng cụ hạt mài, độ nhám theo hai phương ngang và dọc gần như bằng nhau, cho thấy quá trình mài tinh có thể làm đồng đều nhám bề mặt và giảm sự chênh lệch giữa các hướng.
Chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó nổi bật là tính chất của vật liệu gia công và phương pháp gia công được chọn (tiện, bào, phay, v.v.) Chế độ cắt tối ưu và độ cứng vững của hệ thống công nghệ đóng vai trò quyết định trong việc kiểm soát biến dạng, nhiệt và độ nhám bề mặt Thông số hình học của dao và dung dịch trơn nguội cũng ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả gia công, giúp cải thiện khả năng cắt và làm mát, giảm ma sát và tổn thất nhiệt Do đó, để đạt chất lượng bề mặt cao, cần phối hợp chọn vật liệu phù hợp, tối ưu hóa phương pháp gia công và chế độ cắt, đảm bảo độ cứng vững của hệ thống công nghệ, điều chỉnh thông số hình học của dao và sử dụng dung dịch trơn nguội phù hợp.
Chất lượng bề mặt gia công là một phạm trù rộng trong công nghệ chế tạo, nhưng phạm vi của đề tài luận văn này tập trung vào độ nhám bề mặt và các yếu tố cơ bản ảnh hưởng tới độ nhám khi gia công Mục tiêu chính là định nghĩa và đo lường độ nhám Ra, phân tích mối quan hệ giữa các tham số gia công (tốc độ cắt, sâu cắt, lực cắt, loại dụng cụ) và vật liệu với mức độ nhám, từ đó đề xuất giải pháp tối ưu để cải thiện chất lượng bề mặt Các yếu tố ảnh hưởng chính bao gồm điều kiện gia công, đặc tính vật liệu, loại máy và dụng cụ, cũng như trạng thái của bề mặt trước khi gia công Việc nắm bắt các yếu tố này giúp lựa chọn thông số gia công phù hợp, cải thiện độ nhám, tăng độ bền và tuổi thọ của chi tiết, đồng thời nâng cao hiệu quả thiết kế và chất lượng sản phẩm.
Hình 3.8 mô tả các dạng bề mặt gia công, trong đó phần a giới thiệu các dạng bề mặt chính: 1) bề mặt có độ sóng và độ nhám cao; 2) bề mặt có độ sóng và độ nhám vừa phải; 3) bề mặt tương đối bằng phẳng nhưng có độ nhám cao; 4) bề mặt phẳng với độ nhám thấp; phần b cho thấy độ nhám dọc và phần c cho thấy độ nhám ngang.
3.3.2 Độ nhám bề mặt gia công Độ nhám bề mặt (độ nhấp nhô tế vi) là tập hợp tất cả những bề lồi, lõm với bước cực nhỏ và được quan sát trên một khoảng ngắn tiêu chuẩn Trên hình 3.9 là độ nhám bề mặt gia công được phóng đại lên nhiều lần Độ nhám bề mặt ảnh hưởng lớn đế tính chất sử dụng của chi tiết máy Nhiều công trình nghiên cứu đã chứng minh rằng ma sát và độ mòn của chi tiết máy phụ thuộc vào chiều cao và hình dáng của độ nhám bề mặt và phương của vết gia công Độ nhám bề mặt tăng có ảnh hưởng xấu đến độ bền của mối ghép căng (lắp chặt) bởi vì khi ép, độ nhám bề mặt bị chèn xuống làm cho độ bền của mối ghép giảm xuống Ví dụ như, độ bền của mối ghộp giữa trục chớnh và bỏnh xe tầu hoả cú độ nhỏm 36,5 àm giảm 40% so với độ bền mối ghộp cú độ nhỏm 18 àm Độ nhám bề mặt giảm (độ nhẵn bóng bề mặt tăng) cho phép nâng cao độ bền mỏi của các chi tiết Cụ thể như bề mặt vật liệu thép được đánh bóng sẽ có độ bền mỏi cao hơn 40% so với không được đánh bóng Độ nhám bề mặt còn ảnh hưởng rất lớn đến tính chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt chi tiết Các chỗ lõm trên bề mặt chi tiết (đáy các nhấp nhô tế vi) là nơi chứa các tạp chất như axit, muối, v.v… Các tạp chất này
Hình 3.9 Độ nhám bề mặt
42 cho thấy có tác dụng ăn mòn hóa học đối với kim loại Khi bề mặt chi tiết máy có độ nhám thấp (độ nhẵn bóng cao) thì càng ít bị ăn mòn hóa học Bán kính đáy của các nhấp nhô trên bề mặt càng lớn thì khả năng chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt càng cao.
3.3.3 Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt gia công Để đánh giá độ nhám, trước hết ta phải vẽ được đường thẳng chuẩn Đường thẳng chuẩn là đường trung bình được vẽ sao cho trong phạm vi chiều dài chuẩn l tổng diện tích (phần gạch đứng trên hình 3.9) từ hai phía của đường chuẩn bằng nhau Chiều dài chuẩn l là chiều dài dùng để đánh giá các thông số của độ nhám, l = 0,01 đến 25 mm
Theo TCVN 2511-95 cũng như các tiêu chuẩn: ISO, DIN, ANSI và JIS, độ nhám bề mặt được đánh giá theo một (hoặc một số) trong các thông số sau:
Ra - sai lệch profin trung bình cộng bằng giá trị trung bình cộng của các chiều cao h tính từ đường trung bình trong phạm vi chiều dài chuẩn l
Ra được xác định theo công thức
(3.6) ở đây: l - chiều dài chuẩn; h - tung độ của profin được đo từ đường thẳng chuẩn; n - số lượng tung độ của profin được đo
Rz - chiều cao nhấp nhô của profin theo mười điểm, được tính bằng giá trị trung bình giữa năm đỉnh cao nhất và năm đỉnh thấp nhất được đo trong phạm vi chiều dài chuẩn l:
Sm - bước trung bình các nhấp nhô của profin:
S - bước trung bình nhấp nhô của profin theo đỉnh bằng giá trị trung bình của các bước nhấp nhô (theo đỉnh) trong phạm vi chiều dài chuẩn l:
Rmax - chiều cao lớn nhất các nhấp nhô của profin, là khoảng cách giữa hai đỉnh cao nhất và thấp nhất của độ nhám (xem hình 3.9)
Căn cứ vào Ra và Rz ,TCVN 2511-95 chia độ nhám bề mặt ra 14 cấp như giới thiệu ở phụ biểu 02 Theo đó độ nhẵn bề mặt thấp nhất (hay độ nhẵn búng bề mặt cao nhất) ứng với cấp 14 (Ra = 0,01àm; Rz = 0,05àm ) Trên bản vẽ chi tiết máy, yêu cầu về độ nhám bề mặt được cho theo giá trị của Ra hoặc Rz Trị số Ra được cho khi yêu cầu độ nhám bề mặt (độ nhẵn búng bề mặt) cần đạt từ cấp 6 đến cấp 12 (Ra = 2,5 ữ 0,04àm) Trị số Rz được ghi trên bản vẽ nếu yêu cầu độ nhám bề mặt cần đạt trong phạm vi từ cấp 1 đến cấp 5 (Rz = 320 ữ 20 àm ) hoặc từ cấp 13 đến 14 (Rz = 0,08 ữ 0,05 àm ) Trong thực tế sản xuất nhiều khi người ta đỏnh giỏ độ nhỏm bề mặt chi tiết theo các mức độ: thô (cấp 1÷ 4), bán tinh (cấp 5÷ 7), tinh (cấp 8÷ 11) và siêu tinh (cấp 12÷ 14)
Luận văn sử dụng chỉ tiêu Ra khi xác định độ nhám bề măt chi tiết gia công trong nghiên cứu
3.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công a Thông số hình học của công cụ cắt
Qua các thí nghiệm với phương pháp tiện, các nhà khoa học đã xác định được rằng hình dáng và mức độ của độ nhám bề mặt phụ thuộc vào lượng chạy dao, hình dạng lưỡi cắt và bán kính mũi dao r; khi thay đổi góc cắt và góc nghiêng của dao, đặc tính độ nhám và cấu trúc bề mặt sẽ biến đổi, cho thấy mối liên hệ chặt chẽ giữa tham số gia công và kết quả gia công bề mặt Những kết quả này cung cấp cơ sở để tối ưu hóa quy trình tiện nhằm đạt được độ nhám mong muốn và nâng cao hiệu suất sản xuất.
Góc nghiêng chính và góc nghiêng phụ, đặc trưng cho góc mài, làm thay đổi chiều cao và hình dáng của độ nhám bề mặt; khi gia công bằng dao có bán kính mũi dao lớn, độ nhám cũng có dạng được vê tròn.