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, sử dụng chuyển động chính do phôi quay tròn để tạo ra chuyển động cắt Vc Phương pháp này kết hợp với chuyển động tiến dao, bao gồm tiến dao dọc Sd và tiến dao ngang Sng do dao thực hiện Dựa vào nguyên liệu và sản phẩm gia công, tiện có thể được phân chia thành gia công cơ khí và gia công vật liệu phi kim.
Gia công tiện cơ khí là một phương pháp gia công kim loại bằng cơ học, đóng vai trò quan trọng trong ngành chế tạo máy Sự phát triển của gia công kim loại đã dẫn đến sự ra đời và tiến bộ liên tục của lý thuyết cắt gọt kim loại.
Nhiều công trình khoa học quan trọng trong việc xây dựng và phát triển lý thuyết cắt gọt kim loại đã được thực hiện bởi các nhà bác học Xô Viết, nổi bật là giáo sư viện sĩ V.A Arsinop, giáo sư G.C Andrev, và V.F Bobrov.
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 loại nghiên cứu sâu về quá trình tạo phoi, các lực phát sinh trong gia công cơ giới, công suất thiết bị và chất lượng sản phẩm Những yếu tố này rất quan trọng, tạo cơ sở cho việc lựa chọn hình dáng, tính toán kích thước công cụ cắt, cũng như thiết kế và sử dụng hợp lý các thiết bị và 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 về quá trình cắt vật liệu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm đã được thực hiện bởi nhiều nhà khoa học nổi tiếng như M.P Semko, E.M Trent, Granôpxki (Nga), V Gazda (Tiệp Khắc cũ), P Korecky (Pháp), J Shinozuka (Nhật Bản) và Bhattacharya A (Ấn Độ) Những nghiên cứu này đã đưa ra những kết luận quan trọng liên quan đến các sơ đồ cắt động học, sự hình thành phoi và các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt.
Vào thập kỷ 70 của thế kỷ XX, lý thuyết cắt gọt kim loại đã được hoàn thiện với nhiều nghiên cứu mới về các lực phát sinh trong quá trình gia công kim loại Những nghiên cứu này cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về cơ sở vật lý của quá trình cắt và hiện tượng nhiệt liên quan Lực cắt đơn vị và các quy luật của lực cắt được xác định thông qua các công thức lý thuyết chính xác.
Chế độ cắt được xác định bởi ba thông số chính: vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt, có ảnh hưởng lớn đến chất lượng gia công, tiêu hao năng lượng và năng suất máy Nhiều nghiên cứu khoa học đã chỉ ra tác động của các thông số chế độ cắt đến lực cắt, sự hao mòn của công cụ cắt và rung động trong hệ thống công nghệ "Máy - Dao cắt".
Đồ gá và chi tiết gia công là những yếu tố quan trọng trong quá trình cắt, liên quan đến các hiện tượng lý - hóa trong vùng cắt Nghiên cứu của nhà bác học Granôpxki đã phân nhóm các sơ đồ cắt động học, trong khi Zorev N.N tập trung vào các lực cắt tác động lên dao cắt Các nhà khoa học Đức như Kronenberg, Friedrich, và Hippler đã nghiên cứu các qui luật cơ bản của lực cắt Đồng thời, các công trình lý thuyết và thực nghiệm của Sokolovski, Kasirin, Tlusty, Tolias, và Bhattacharya đã làm rõ nguyên lý và qui luật tự rung 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, đặc biệt là gỗ, với những đặc tính phức tạp như tính không đồng nhất và bất đẳng hướng, đã có nhiều nghiên cứu nổi bật về khoa học cắt gọt gỗ Năm 1870, giáo sư tiến sĩ I A Time lần đầu tiên xác định tỷ suất lực cắt cho các trường hợp cắt đơn giản thông qua phương pháp thực nghiệm.
Năm 1933, giáo sư tiến sĩ M A Đesevôi đã hoàn thiện lý thuyết cắt gọt gỗ, và vào năm 1939, ông xuất bản cuốn sách “Kỹ thuật gia công gỗ” Đây là một công trình lớn, bao gồm lý thuyết và kinh nghiệm thực tiễn trong gia công gỗ, mà vào thời điểm đó chưa có nghiên cứu tương tự nào trên thế giới.
Tỷ suất lực cắt và các yếu tố liên quan như lực cắt, công suất cắt, và công suất đẩy khi tiện gỗ đã được giáo sư tiến sĩ A L Bersatski xác định thông qua công thức thực nghiệm.
Nghiên cứu về cắt gỗ kết hợp lý thuyết và thực nghiệm đã được thực hiện bởi các nhà khoa học Mỹ như C Fraz, mang lại những kết luận quan trọng về sự tạo phoi, lực cắt và chất lượng gia công GS B.M.Buglai đã nghiên cứu độ nhẵn của các dạng gia công gỗ, phân loại thành 10 cấp độ nhẵn bề mặt, với độ nhẵn cao nhất đạt 16 µm và thấp nhất là 1600 µm, dựa trên khả năng của máy, dao cắt và yêu cầu công nghệ.
Nguyên lý cấu tạo và tính năng công nghệ của máy công cụ, đặc biệt là máy cắt kim loại, đã được nghiên cứu từ sớm Năm 1712, thợ cơ khí người Nga Nartôp đã chế tạo máy tiện chép hình, cho phép tiện các chi tiết định hình tự động theo mẫu Chuyển động dọc của bàn dao được thực hiện một cách chính xác.
Vào năm 1798, Henry Nandsley người Anh đã nghiên cứu để thay thế chuyển động của bánh răng - thanh răng bằng chuyển động của vít me - đai ốc Đến năm 1873, Spender đã chế tạo thành công máy tiện tự động với ổ tiếp phôi và trục phân phối mang các cam Năm 1880, nhiều hãng trên thế giới như Pittler Ludnig Low (Đức) và RSK (Anh) đã phát triển máy tiện rơvônve sử dụng phôi thép thanh.
Tình hình sử dụng và nghiên cứu máy tiện ở trong nước
Ngành Cơ khí đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, được Đảng và Nhà nước xác định là ngành then chốt cần ưu tiên phát triển Nhiều nhà máy cơ khí lớn đã được xây dựng và các trung tâm đào tạo, nghiên cứu ra đời Hiện nay, cơ sở cơ khí chiếm khoảng 12% lao động công nghiệp cả nước, góp phần đáng kể vào công cuộc Công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.
Ngành cơ khí chế tạo, đặc biệt là ngành tiện, đã có sự phát triển đáng kể về cả số lượng và chất lượng, như đã nêu trong tài liệu “Giáo trình Tiện” của các nhà khoa học Nguyễn Thị Quỳnh, Phạm Minh Đạo, và Trần Sỹ Tuấn (2009) Máy tiện hiện nay chiếm từ 25% đến 35% tổng số thiết bị trong các phân xưởng gia công cắt gọt.
Máy tiện được sản xuất trong nước với sự hỗ trợ của Liên Xô cũ từ những năm 1960 Qua nhiều thập kỷ phát triển, Việt Nam đã chế tạo và nhập khẩu nhiều loại máy tiện khác nhau.
Trong lĩnh vực nghiên cứu cơ bản và ứng dụng gia công vật liệu kỹ thuật, các nước tiên tiến đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể.
Nghiên cứu của Bành Tiến Long, Trần Thế Lục và Trần Sỹ Tuý trong công trình “Nguyên lý gia công vật liệu” đã chỉ ra sự tác động tương hỗ giữa công cụ gia công và kim loại Các tác giả cung cấp cơ sở lý luận khoa học về gia công kim loại bằng cắt gọt, cùng với việc khảo sát các vật liệu khác và các phương pháp gia công mới.
Các thiết bị gia công kim loại, đặc biệt là máy cắt và máy tiện, đã được giới thiệu chi tiết bởi các nhà khoa học Nguyễn Anh Tuấn, Nguyễn Đức Lộc và Phạm Đắp trong tài liệu “Máy cắt kim loại” [20].
Nghiên cứu về phương pháp tính toán và tra cứu chế độ cắt hợp lý đã được các tác giả Nguyễn Ngọc Đào, Trần Thế San, Hồ Việt Bình giới thiệu trong tài liệu “Chế độ cắt gia công cơ khí”, hỗ trợ cho việc học tập, sử dụng và điều khiển thiết bị cắt kim loại Ngoài ra, động học và động lực học của quá trình tiện vật liệu gỗ cũng đã được tác giả Hoàng Nguyên trình bày trong giáo trình “Nguyên lý cắt gọt gỗ” năm 1980.
Trong giáo trình “Máy và thiết bị chế biến gỗ” năm 2003, tác giả Hoàng Việt đã trình bày chi tiết về nguyên lý cấu tạo, tính năng công nghệ và phân loại các máy tiện gỗ.
Trong tài liệu “Tối ưu hóa các quá trình gia công cắt gọt”, PGS.TS Nguyễn Trọng Bình đã trích dẫn nhiều nghiên cứu của GS Friedhelm Lierath, Viện trưởng Viện công nghệ và đảm bảo chất lượng tại trường Đại học tổng hợp kỹ thuật Magdeburg, Đức Nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc mô tả toán học ảnh hưởng của các yếu tố chế độ cắt đến chất lượng gia công và giá thành sản phẩm, từ đó giúp xây dựng các mô hình toán học cho bài toán tối ưu hóa.
T.S Hoàng Việt đã trình bày vấn đề mô tả toán học các quá trình gia công gỗ bằng cơ giới trong các chuyên đề nghiên cứu và bài giảng cho học viên cao học.
Nghiên cứu của Trần Minh Đức về ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình sửa đá đã chỉ ra rằng chiều sâu sửa đá và tốc độ tiến dao dọc là những yếu tố quyết định ảnh hưởng đến khả năng cắt và tuổi thọ của đá mài.
Mô tả toán học về ảnh hưởng của các thông số chế độ gia công trong quá trình cắt vật liệu thép xây dựng đã được trình bày và thảo luận trong nhiều tài liệu nghiên cứu.
Nghiên cứu chỉ ra rằng hình dạng lưỡi cắt, tốc độ cắt và tốc độ đẩy có ảnh hưởng đáng kể đến hai chỉ tiêu là chi phí năng lượng riêng và năng suất cắt vật liệu thép xây dựng.
Ngành cơ khí chế tạo, đặc biệt là ngành Tiện, đã có những bước phát triển đáng kể, nhưng từ khi chuyển sang cơ chế thị trường, ngành này bộc lộ nhiều yếu kém, đặc biệt là khả năng cạnh tranh hạn chế ngay cả trên thị trường nội địa Thị trường tiêu thụ sản phẩm ngày càng thu hẹp, không đủ sức cạnh tranh với hàng hóa ngoại nhập, khiến nhiều doanh nghiệp gặp khó khăn và đứng trước nguy cơ phá sản Nguyên nhân chính dẫn đến chi phí sản xuất cao và chất lượng sản phẩm thấp là do thiếu nghiên cứu và ứng dụng hiệu quả thiết bị trong sản xuất.
Các thiết bị công nghệ và quy trình gia công vật liệu kỹ thuật đã được nghiên cứu một cách hoàn chỉnh, tạo nền tảng cho các nghiên cứu phát triển và ứng dụng Tuy nhiên, sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực máy móc và thiết bị cơ giới hóa nông lâm nghiệp, vẫn đang diễn ra.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của vấn đề nghiên cứu
Máy tiện LD 134.OE có khả năng công nghệ vượt trội, là nền tảng quan trọng cho việc áp dụng trong các quy trình sản xuất gia công chi tiết tại các xưởng gia công cơ khí.
Việc xác định định lượng ảnh hưởng của các yếu tố chế độ cắt đến độ nhám bề mặt và độ chính xác gia công là cơ sở quan trọng để thiết lập mô hình toán học cho bài toán tối ưu hóa quá trình cắt gọt Điều này không chỉ giúp cải thiện thiết kế mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động của các máy tiện trong sản xuất 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 trong việc tổ chức và chỉ đạo kỹ thuật gia công là rất quan trọng, nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng cường hiệu quả sản xuất.
MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Mu ̣c tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu mức độ và quy luật ảnh hưởng của chế độ cắt đến chi phí năng lượng và chất lượng gia công trên máy tiện LD 134.OE, từ đó xác định chế độ cắt tối ưu Mục tiêu là xây dựng ngân hàng dữ liệu nhằm đảm bảo sử dụng kỹ thuật hiệu quả nhất cho các máy tiện.
Nghiên cứu đã xây dựng mối quan hệ giữa các thông số chế độ cắt như vận tốc cắt và lượng chạy dao với chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt trong quá trình gia công chi tiết máy dạng trục trơn trên máy tiện LD 134.OE.
Để đạt được chất lượng bề mặt cao trong quá trình tiện tạo chi tiết máy, việc xác định chế độ cắt hợp lý là rất quan trọng Điều này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác của sản phẩm mà còn tối ưu hóa chi phí năng lượng tiêu thụ.
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
Máy 134OE, sản xuất tại Đài Loan, hiện đang được sử dụng rộng rãi trong các xưởng gia công cơ khí và trường đào tạo nghề tại Việt Nam.
Bài viết tập trung vào việc nghiên cứu vật liệu kim loại phổ biến trong ngành cơ khí, cụ thể là thép C45, và sản phẩm được khảo sát là chi tiết trục trụ trơn Nghiên cứu không mở rộng đến tất cả các loại vật liệu hay dao cắt từ các hãng khác nhau, mà chỉ chú trọng vào loại vật liệu và chi tiết cụ thể này.
Các chỉ tiêu chất lượng gia công bao gồm độ nhám bề mặt và chi phí năng lượng riêng Nghiên cứu tập trung vào các tham số chế độ cắt, đặc biệt là vận tốc cắt V và lượng chạy dao S, nhằm đánh giá ảnh hưởng của chúng đến các chỉ tiêu chất lượng này.
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 về gia công cắt gọt vật liệu, đặc biệt là quá trình tiện và thiết bị công nghệ tiện, giúp xác lập cơ sở khoa học cho việc hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công Đồng thời, nghiên cứu cũng chỉ ra mối liên hệ giữa các yếu tố này và chi phí năng lượng riêng trên máy tiện, từ đó đóng góp vào việc tối ưu hóa quy trình gia công.
Nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác lập mục tiêu và nội dung thí nghiệm, tổ chức thực hiện và thu nhận kết quả để xây dựng mô hình toán học cho các hàm mục tiêu liên quan đến các tham số điều khiển Mục tiêu cuối cùng là xác định chế độ làm việc hợp lý trong quá trình gia công chi tiết trên máy tiện LD 134.OE.
Phương pháp nghiên cứu
2.4.1 Các phương pháp nghiên cứu chung
Các phương pháp chính được áp dụng để giải quyết nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phương pháp kế thừa và phương pháp thực nghiệm.
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu các công trình khoa học, giúp tổng hợp cơ sở lý luận và giải quyết các nội dung như tổng quan về vấn đề nghiên cứu và xây dựng cơ sở lý luận cho đề tài.
Phương pháp kế thừa là một kỹ thuật quan trọng trong phân tích lựa chọn, cho phép áp dụng các kết quả nghiên cứu đã được thực hiện cả trên thế giới và trong nước Phương pháp này hỗ trợ trong việc giải quyết các nội dung thực nghiệm và đánh giá, nhận xét về kết quả một cách hiệu quả.
- 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, bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như đặc tính của kim loại (loại kim loại, tính chất cơ - lý - hóa học), tính chất của công cụ (chất liệu, hình học, độ sắc, chất lượng bề mặt, độ chính xác), và đặc điểm của máy móc thiết bị (độ cứng của hệ thống, động học và động lực học) Ngoài ra, các yếu tố của quá trình gia công như bề dày và chiều rộng phoi, quỹ đạo mặt phẳng cắt, các góc cắt, và vận tốc cắt cũng đóng vai trò quan trọng Các yếu tố này tương tác lẫn nhau, vì vậy cần thực hiện các thí nghiệm đơn và đa yếu tố để hiểu rõ hơn về quy trình.
Chúng tôi áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp giữa lý thuyết và thực hành, trong đó lý thuyết đóng vai trò là nền tảng và định hướng ban đầu Phương pháp này giúp giảm bớt khối lượng công việc và rút ngắn thời gian cho quá trình nghiên cứu thực nghiệm.
2.4.2 Nội dung và phương pháp luận nghiên cứu thực nhiệm
Nội dung của nghiên cứu thực nghiệm bao gồm các bước quan trọng như xác định mục tiêu thực nghiệm, lựa chọn tham số điều khiển cùng khoảng biến động của chúng, chọn thiết bị đo phù hợp, tiến hành công tác chuẩn bị, thực hiện thí nghiệm thăm dò, và cuối cùng là thực hiện các thí nghiệm đơn yếu tố và đa yếu tố.
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]
Quy luật phân bố của đại lượng nghiên cứu có thể được khái quát hóa thành phân bố lý thuyết, gọi là phân bố thực nghiệm Việc xây dựng các phân bố thực nghiệm để khái quát hóa thành các phân bố lý thuyết là nhiệm vụ quan trọng nhằm phát hiện ra quy luật phân bố khách quan trong tổng thể Để thực hiện điều này, cần sắp xếp các trị số quan sát được theo một trật tự nhất định và thống kê các phần tử nằm trong những khoảng xác định Để lập phân bố thực nghiệm, cần chia tổ ghép nhóm các trị số thu thập được theo công thức kinh nghiệm của Brooks và Carruther.
Xác định số lần lặp cho các thí nghiệm là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác của luật phân bố chuẩn Số lần lặp cần đủ lớn để đạt được kết quả tin cậy, nhưng cũng phải tối thiểu để giảm thiểu khối lượng thực nghiệm.
Mục đích của thí nghiệm thăm dò là phát hiện quy luật phân bố khách quan trong tổng thể dựa vào tài liệu thu thập từ đại lượng nghiên cứu, làm cơ sở xác định số lần lặp cho các thí nghiệm đơn và đa yếu tố Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng có mối tương quan quy luật giữa chi phí năng lượng riêng, chất lượng gia công và các yếu tố công nghệ, từ đó hình thành phân bố lý thuyết gọi là phân bố thực nghiệm Dựa trên những kết quả này, luận văn quyết định triển khai thực nghiệm đơn yếu tố mà không thực hiện thí nghiệm thăm dò, với số lần lặp cho mỗi thí nghiệm trong các lô thí nghiệm là 3.
2.4.2.2 Thực nghiệm đơn yếu tố
Nhiệm vụ chính của thực nghiệm đơn yếu tố là xác định các thông số có ảnh hưởng để nhận diện thông số nào thực sự tác động đến các chỉ tiêu 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:
Trong thí nghiệm, cần thực hiện với từng thông số có ít nhất 4 mức khác nhau, và khoảng thay đổi của các thông số này phải lớn hơn 2 lần sai số bình quân của phép đo giá trị tương ứng.
Sau khi hoàn thành thí nghiệm, cần xác định độ tin cậy về ảnh hưởng của từng yếu tố đến 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 ảnh hưởng khác đối với các thông số cần xem xét là không có hoặc không đáng kể.
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]
Nếu Gtt < Gb, giả thiết H0 không mâu thuẫn với dữ liệu thí nghiệm, cho thấy phương sai của các thí nghiệm là đồng nhất Điều này cho phép cường độ nhiễu được coi là ổn định khi các thông số trong thí nghiệm thay đổi Ngược lại, nếu Gtt > Gb, giả thiết H0 sẽ bị bác bỏ, cho thấy có sự ảnh hưởng đáng kể của các yếu tố trong thí nghiệm.
Phương pháp đánh giá sử dụng chuẩn Fisher (F) để so sánh phương sai do thay đổi thông số đầu vào và phương sai do nhiễu Nếu tỷ số giữa hai phương sai này lớn hơn giá trị lý thuyết trong bảng của tiêu chuẩn F, thì sự khác biệt giữa các giá trị trung bình là đáng kể, cho thấy các thông số đầu vào có ảnh hưởng thực sự đến thông số đầu ra, vượt trội hơn 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
S - ước lượng phương sai do nhiễu thực nghiệm gây ra; e
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 là 2 e 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]
Nếu giá trị tính toán F nhỏ hơn Fb, thì ảnh hưởng của thông số đầu vào không đáng kể trong bối cảnh các biến ngẫu nhiên Nguyên nhân là do thí nghiệm sử dụng các thông số không có ảnh hưởng lớn hoặc bước biến đổi của thông số quá nhỏ, dẫn đến hiệu ứng của thông số trở nên không đáng kể so với nhiễu.
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 là một thiết bị vạn năng được sản xuất tại Đài Loan, cho phép gia công nhiều loại chi tiết khác nhau Với máy tiện này, người sử dụng có thể thực hiện các công việc như tiện mặt trụ ngoài và trong, mặt côn, mặt định hình, mặt đầu mút và gờ Ngoài ra, máy còn hỗ trợ cắt rãnh ngang, cắt ren trong và ngoài, cũng như khoan, khoét, doa, và sử dụng ta-rô để cắt đường ren.
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
Trong quá trình gia công trên máy tiện, phôi được quay quanh trục của máy, trong khi dụng cụ tiện được kẹp trên bàn máy Bàn máy có thể di chuyển song song hoặc tạo một góc với trục máy, cho phép dụng cụ thực hiện chuyển động tương đối so với phôi.
Chuyển động cắt là quá trình quay tròn của chi tiết quanh trục của nó, trong khi chuyển động phụ, hay còn gọi là chạy dao, là sự dịch chuyển của dao cùng với bàn dao.
Dao cắt có thể dịch chuyển theo hai hướng chính: đầu tiên, song song với đường tâm máy, được gọi là chạy dao dọc, tạo ra bề mặt trụ (hình 3.2) Thứ hai, khi dao cắt di chuyển thẳng góc với đường tâm, được gọi là chạy dao ngang, sẽ tạo ra bề mặt phẳng thẳng góc với đường tâm (hình 3.3,a) khi tiện mặt đầu, hoặc bề mặt trụ (hình 3.3,b) khi lưỡi cắt nằm song song.
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
Khi thực hiện chạy dao ngang với dao tiện định hình, ta có thể tạo ra bề mặt định hình tròn xoay Bằng cách làm một góc với đường tâm máy, kết quả gia công sẽ cho ra mặt côn ngoài hoặc trong Ngoài ra, nếu chạy theo một đường cong, ta có thể tạo ra bề mặt tròn xoay với đường sinh cong Cuối cùng, nếu lưỡi cắt của dụng cụ có profin của ren và dao di chuyển song song với đường tâm, sẽ tạo ra mặt ren.
Chuyển động chính Chuyển động chính Chuyển động chính
Chuyển động chính Chuyển động chính Chuyển động chính
Hình 3.3 minh họa các phương pháp dịch chuyển của dao cắt trong gia công cơ khí, bao 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; e- tiện ren.
Chuyển động cắt trong gia công cơ khí bao gồm hai thành phần chính: chuyển động quay tròn của chi tiết để hình thành phoi và chuyển động di chuyển của dao cắt nhằm tiếp tục tạo ra phoi.
Dao tiện trên máy tiện rất đa dạng, nhưng trong nghiên cứu này, chúng tôi tập trung vào dao tiện ngoài đầu thẳng (hình 3.4,a) với vật liệu là thép gió.
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 được định nghĩa là khoảng dịch chuyển của lưỡi cắt so với bề mặt chi tiết gia công trong một đơn vị thời gian Để tính toán chính xác, vận tốc cắt khi tiện là sự tổng hợp giữa vận tốc vòng của chi tiết gia công và vận tốc của chuyển động chạy dao.
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)
Vận tốc vòng trong gia công thường được tính dựa trên đường kính của phôi Nếu không có bản vẽ phôi, vận tốc vòng sẽ được xác định theo đường kính của sản phẩm cộng với lượng dư Kích thước phôi và sản phẩm thường chênh lệch không quá 5-10% so với đường kính phôi, do đó vận tốc vòng được tính theo đường kính lớn nhất.
Vận tốc chạy dao được xác định bằng 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, thì vận tốc chạy dao sẽ được tính theo công thức tương ứng.
Vs = S.n mm/ph Ở đây n - số vòng quay của chi tiết trong một phút (v/ph)
Véc tơ vận tốc chạy dao được chọn ngược chiều với hướng dịch chuyển của dao Khi thực hiện tiện mặt trụ, véc tơ vận tốc vòng của chi tiết Vc tạo góc vuông với véc tơ vận tốc chạy dao Vs.
Như vậy vận tốc cắt V là tổng hình học của vận tốc vòng Vc và vận tốc chạy dao Vs:
Trong hầu hết các trường hợp gia công, lượng chạy dao thường nhỏ so với vận tốc vòng của chi tiết Vì vậy, giá trị của vận tốc cắt thường được xác định bằng giá trị của vận tốc vòng của chi tiết.
Lượng chạy dao S là khoảng dịch chuyển của dao theo hướng chuyển động sau mỗi vòng quay của chi tiết gia công, được tính bằng mm/vòng.
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
Lực P z, hướng theo chuyển động chính (hướng vận tốc cắt), được gọi là lực tiếp tuyến hay lực cắt chính Giá trị của lực này là cần thiết để tính toán công suất của chuyển động chính, cũng như để đánh giá độ bền của dao và các chi tiết khác trong máy.
Chất lượng gia công
Chất lượng gia công bao gồm hai yếu tố chính: chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công Hai yếu tố này có mối liên hệ chặt chẽ trong các sản phẩm có kích thước nhỏ và yêu cầu độ chính xác cao, nhưng có thể khác biệt ở các sản phẩm lớn hơn Chất lượng gia công ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng thành phẩm, vì mục tiêu cuối cùng của công nghệ gia công là tạo ra sản phẩm hoàn thiện Do đó, các nhà khoa học cần thực hiện nghiên cứu sâu hơn về vấn đề này.
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 phụ thuộc vào tính chất của kim loại và phương pháp gia công cơ học Trong quá trình gia công, lưỡi cắt tạo ra các vết lồi, lõm trên bề mặt kim loại, dẫn đến sự thay đổi cấu trúc của lớp bề mặt Kết quả là lớp bề mặt bị biến cứng dẻo và hình thành biến cứng, đồng thời xuất hiện ứng suất dư.
Bề mặt gia công có thể có nhiều đặc điểm khác nhau, từ độ sóng và độ nhám cao đến độ sóng và độ nhám vừa phải, hoặc bề mặt tương đối bằng phẳng nhưng vẫn có độ nhám cao Độ sóng bề mặt thường xuất hiện do rung động trong hệ thống công nghệ như máy móc, dao cắt, đồ gá và chi tiết gia công, cũng như do quá trình cắt không liên tục và độ đảo của dụng cụ cắt Thông thường, hiện tượng này xảy ra 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 40 xuất hiện khi có sự biến đổi trong lực cắt, dẫn đến rung động Bên cạnh đó, hiện tượng lẹo dao, tức là lớp kim loại bám chặt vào mũi dao, cũng là nguyên nhân gây ra độ nhám dọc này.
Độ nhám ngang thường cao hơn độ nhám dọc Tuy nhiên, khi thực hiện gia công tinh bề mặt bằng dụng cụ hạt mài, độ nhám theo cả hai phương ngang và dọc trở nên gần như tương đương.
Chất lượng bề mặt gia công chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố quan trọng, bao gồm tính chất vật liệu gia công, phương pháp gia công như tiện, bào hay phay, chế độ cắt, độ cứng vững của hệ thống công nghệ, thông số hình học của dao, và dung dịch trơn nguội.
Chất lượng bề mặt gia công là một vấn đề quan trọng, và trong nghiên cứu này, chúng tôi sẽ tập trung vào độ nhám bề mặt cùng với các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến nó.
Hình 3.8 trình bày các dạng bề mặt gia công, bao gồm: 1- bề mặt có độ sóng và độ nhám cao; 2- bề mặt với 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 Ngoài ra, hình còn thể hiện độ nhám dọc và 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 có tác dụng ăn mòn hóa học đối với kim loại Bề mặt chi tiết máy có độ nhám thấp, tức là độ nhẵn bóng cao, sẽ ít bị ăn mòn hóa học hơn Hơn nữa, bán kính đáy các nhấp nhô lớn giúp tăng khả năng chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt.
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 là chỉ số đo chiều cao nhấp nhô của profin, được xác định dựa trên mười điểm Giá trị này được tính bằng cách lấy trung bình của năm đỉnh cao nhất và năm đỉnh thấp nhất 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)
Theo TCVN 2511-95, độ nhám bề mặt được phân thành 14 cấp dựa trên các chỉ số Ra và Rz Cấp độ nhám bề mặt thấp nhất tương ứng với Ra = 0,01 µm và Rz = 0,05 µm Trên bản vẽ chi tiết máy, yêu cầu về độ nhám bề mặt được thể hiện qua giá trị Ra hoặc Rz Giá trị Ra được sử dụng khi yêu cầu độ nhám từ cấp 6 đến cấp 12 (Ra = 2,5 đến 0,04 µm), trong khi trị số Rz được ghi khi yêu cầu nằm trong cấp 1 đến 5 (Rz = 320 đến 20 µm) hoặc từ cấp 13 đến 14 (Rz = 0,08 đến 0,05 µm) Trong sản xuất, độ nhám bề mặt thường được phân loại 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 thực nghiệm, các nhà khoa học đã xác định rằng hình dáng và độ nhám bề mặt phụ thuộc vào lượng chạy dao, hình dáng lưỡi cắt và bán kính mũi dao Việc thay đổi góc cắt cũng ảnh hưởng đến các yếu tố này.
Khi thay đổi góc nghiêng chính và góc nghiêng phụ, chiều cao và hình dáng của độ nhám sẽ biến đổi Đặc biệt, khi gia công bằng dao có bán kính mũi lớn, hình dáng độ nhám sẽ trở nên tròn hơn.