TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
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 Từ khi ra đời, ngành này đã chứng kiến sự hình thành của nhiều công trình, trung tâm nghiên cứu và chế tạo, cùng với sự xây dựng của nhiều nhà máy cơ khí lớn.
Trong những năm đầu thập kỷ 90, ngành Cơ khí Việt Nam chỉ đáp ứng khoảng 8-10% nhu cầu trong nước, nhưng hiện nay con số này đã tăng lên 40% với tốc độ tăng trưởng bình quân đạt 40%/năm, đánh dấu sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp nền tảng này Theo Hiệp hội Doanh nghiệp Cơ khí Việt Nam, cả nước hiện có khoảng 53.000 cơ sở sản xuất cơ khí, thu hút hơn 500.000 lao động, chiếm gần 12% tổng lao động công nghiệp, chủ yếu tập trung tại Hà Nội, Hồ Chí Minh và Hải Phòng Vùng đồng bằng Bắc Bộ và Nam Bộ đóng góp gần 90% giá trị sản xuất công nghiệp của ngành, với tỷ trọng giá trị sản xuất cơ khí tăng từ 8% lên 12% Ngành Cơ khí đã sản xuất hơn 500 danh mục sản phẩm hàng năm, đáp ứng nhu cầu cho các ngành kinh tế quốc dân, bao gồm các thiết bị phục vụ chế biến lương thực, thực phẩm, xi măng, vật liệu xây dựng, và nhiều sản phẩm tiêu dùng khác.
Tổng công ty Lilama đã khẳng định vị thế của mình là nhà tổng thầu EPC đầu tiên của Việt Nam, với thành công trong việc trúng thầu các gói thầu của Nhà máy Lọc dầu Dung Quất và chế tạo, lắp đặt thiết bị cho nhiều nhà máy điện lớn như Nhiệt điện Na Dương và Phú Mỹ 3, 4 Uy tín của Lilama ngày càng tăng khi đảm nhận vai trò tổng thầu cho các dự án lớn như Nhiệt điện Uông Bí mở rộng và các nhà máy xi măng Sông Thao, Đô Lương Đặc biệt, Lilama đã tự đầu tư vào Dự án Nhiệt điện Vũng Áng, với khối lượng thiết bị chế tạo nội địa hóa đạt 65-70%, bao gồm cả lò nung cho nhà máy xi măng 2.500 tấn clanke/ngày và kết cấu thép cho Trung tâm Hội nghị quốc gia tại Hà Nội.
Ngành Công nghiệp ô tô-xe máy tại Việt Nam đã có những bước tiến đáng kể trong 5 năm qua, đáp ứng nhu cầu trong nước với tỷ lệ nội địa hoá khoảng 40% cho xe buýt và 80-90% cho xe gắn máy Các doanh nghiệp như Công ty Xuân Kiên (Vinaxuki), ô tô Trường Hải và Vinamoto đã đầu tư mạnh vào sản xuất thân vỏ xe và các linh kiện, góp phần tăng cường tỷ lệ nội địa hoá Ngoài ra, các nhà máy thủy điện với công suất lên đến 300MW giờ đây không còn phải nhập khẩu hầu hết thiết bị cơ khí thuỷ công, mà đã có thể sản xuất nội địa.
Ngành Cơ khí trong nước đang được Bộ Công Thương chỉ đạo phát triển, với mục tiêu chế tạo và cung cấp thiết bị cơ khí thuỷ công cho nhiều nhà máy thuỷ điện lớn như A Vương, Pleikrông, Bản Vẽ, Quảng Trị, Sesan 3, Đồng Nai, Hội Quảng và Bản Chát Tổng trọng lượng thiết bị được cung cấp lên đến hàng chục ngàn tấn, thể hiện sự nỗ lực và tiềm năng của các liên doanh cơ khí trong nước.
Ngành cơ khí chế tạo, đặc biệt là lĩnh vực tiện, đã có sự phát triển mạnh mẽ về cả số lượng và chất lượng, như được trình bày trong tài liệu “Giáo trình tiện” của các nhà khoa học Nguyễn Thị Quỳnh, Phạm Minh Đạo và Trần Sỹ Tuấn năm 2009 Máy tiện hiện chiếm từ 25% đến 35% tổng số thiết bị trong các phân xưởng gia công cắt gọt.
Máy tiện đã được sản xuất trong nước từ thập niên 60 của thế kỷ 20 với sự hỗ trợ của Liên Xô cũ Qua nhiều năm phát triển, Việt Nam đã cho ra đời nhiều loại máy tiện, bên cạnh việc nhập khẩu từ các quốc gia tiên tiến như Đức và Nhật Bản.
Trong lĩnh vực nghiên cứu cơ bản và ứng dụng về gia công vật liệu kỹ thuật chúng ta đã có những thành tựu đáng kể như:
Nghiên cứu của Bành Tiến Long, Trần Thế Lục và Trần Sỹ Tuý trong công trình “Nguyên lý gia công vật liệu” đã làm rõ sự tác động tương hỗ giữa công cụ gia công và đối tượng gia công kim loại Các tác giả cung cấp cơ sở lý luận khoa học vững chắc về gia công kim loại bằng cắt gọt, cũng như gia công các vật liệu khác và các phương pháp gia công đa dạng.
Các thiết bị gia công kim loại, đặc biệt là máy cắt, tiện và phay kim loại, đã được các nhà khoa học Nguyễn Anh Tuấn, Nguyễn Đức Lộc và Phạm Đắp giới thiệu chi tiết trong tài liệu “Máy cắt kim loại”.
Nghiên cứu của các tác giả Nguyễn Ngọc Đào, Trần Thế San và Hồ Viết Bình trong tài liệu “Chế độ cắt gia công cơ khí” đã chỉ ra các phương pháp tính toán và tra cứu chế độ cắt hợp lý Những phương pháp này hỗ trợ hiệu quả cho việc học tập, sử dụng và điều khiển các thiết bị cắt kim loại.
Nghiên cứu mô tả toán học về ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ và chế độ cắt đến chất lượng gia công và giá thành sản phẩm là rất quan trọng để xây dựng các mô hình toán học cho bài toán tối ưu hoá, như được trình bày trong tài liệu “Tối ưu hoá các quá trình gia công cắt gọt” của PGS-TS Nguyễn Trọng Bình Đặc biệt, động học và động lực học của quá trình tiện vật liệu gỗ đã được tác giả Hoàng Nguyên đề cập trong giáo trình “Nguyên lý cắt gọt gỗ” năm 1980.
Trong giáo trình “Máy và thiết bị chế biến gỗ” năm 2003, T.S Hoàng Việt đã trình bày chi tiết về nguyên lý cấu tạo, tính năng công nghệ và phân loại các máy tiện gỗ.
T.S Hoàng Việt đã nghiên cứu và trình bày vấn đề miêu tả toán học các quá trình gia công gỗ bằng cơ giới trong các chuyên đề nghiên cứu và bài giảng dành cho học viên cao học.
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 phân tích chi tiết trong đề tài luận văn.
Nghiên cứu của Th.s Nguyễn Văn Chiến về ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng gia công trên máy T18A cho thấy rằng chiều sâu cắt và vận tốc cắt có tác động lớn đến chi phí năng lượng riêng.
Tình hình nghiên cứu gia công cắt gọt bằng phương pháp tiện và máy tiện trên thế giới
Hình 1.1 Chuyển động cắt gọt
Tiện là một phương pháp gia công cắt gọt có phoi, thực hiện thông qua sự kết hợp của hai chuyển động chính: chuyển động quay tròn của chi tiết và chuyển động chạy dao, bao gồm cả chạy dao dọc và chạy dao ngang.
Nhiều công trình khoa học quan trọng trong lĩnh vực cắt gọt kim loại đã được đóng góp bởi các nhà khoa học Liên Xô cũ như giáo sư V.A Arsinop, giáo sư G.C Andrev và V.F Bobrov, cùng với các nhà nghiên cứu Mỹ như O.W Boston, H Ernst và M.E Merchant.
Lý thuyết cắt gọt kim loại tập trung vào nghiên cứu quá trình tạo phoi, các lực tác động trong gia công cơ khí, công suất thiết bị và chất lượng sản phẩm Những yếu tố này rất quan trọng, tạo nền tảng 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.
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 trên thế giới 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, quá trình tạo 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 Các 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 cùng các quy luật của lực cắt đã được xác định thông qua các công thức lý thuyết.
Chế độ cắt được xác định bởi ba thông số chính: vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt Những thông số này có ảnh hưởng lớn đến chất lượng gia công, mức tiêu hao năng lượng và năng suất của các máy móc Nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học đã chỉ ra tầm quan trọng của chế độ cắt trong quá trình sản xuất.
Nghiên cứu đã tập trung vào ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến lực cắt, sự hao mòn của công cụ cắt và rung động của hệ thống công nghệ "Máy - Dao cắt" Các yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất cắt và nâng cao tuổi thọ của công cụ Việc phân tích mối quan hệ giữa các thông số này giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm thiểu sự cố trong quá trình gia công.
Đồ gá và chi tiết gia công đóng vai trò quan trọng trong quá trình cắt, với nhiều hiện tượng lý - hoá xảy ra trong vùng cắt Các nghiên cứu của nhà bác học Nga Granôpxki đã phân nhóm các sơ đồ cắt động học, trong khi Zorev N.N tập trung vào lực cắt trên dao cắt Các nhà khoa học Đức như Kronenberg, Friedrich và Hippler đã nghiên cứu các qui luật cơ bản của lực cắt Hơn nữa, 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 gia công Cuối cùng, nghiên cứu của Ostermann, Laladze, Malkin và Smith đã phát triển phương pháp giải tích cho 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, có nhiều nghiên cứu nổi bật về cắt gọt và tính chất phức tạp của nó Gỗ được biết đến với tính không đồng nhất và bất đẳng hướng, điều này đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học Năm 1870, giáo sư tiến sĩ I A Time đã 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, tập hợp lý thuyết và kinh nghiệm thực tiễn trong gia công gỗ, đánh dấu bước đột phá vì chưa có nghiên cứu nào tương tự trên thế giới vào thời điểm đó.
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 của các nhà khoa học Mỹ, như C Fraz, đã kết hợp lý thuyết và thực nghiệm trong quá trình cắt gỗ, mang lại những kết luận quan trọng về sự tạo phoi và các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt cũng như chất lượng cắt.
GS B.M.Buglai đã tiến hành nghiên cứu độ nhẵn của các dạng gia công gỗ, phân loại thành 10 cấp độ khác nhau dựa trên khả năng của máy, dao cắt và yêu cầu công nghệ Độ nhẵn cao nhất có thể đạt được là 16 μm, trong khi độ nhẵn thấp nhất lên đến 1600 μm.
Nguyên lý cấu tạo và tính năng công nghệ của máy công cụ và 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 nhờ bánh răng.
Vào năm 1798, Henry Nandsley, một nhà nghiên cứu người Anh, đã thay thế chuyển động truyền thống bằng chuyển động của vít me - đai ốc Đến năm 1873, Spender đã phát minh ra máy tiện tự động với ổ tiếp phôi và trục phân phối có cam đĩa và cam thùng Đến năm 1880, nhiều hãng sản xuất trên thế giới như Pittler Ludnig Low (Đức) và RSK (Anh) đã chế tạo thành công máy tiện rơvônve sử dụng phôi thép thanh.
Kết luận chương
Ngành cơ khí chế tạo, đặc biệt là ngành Tiện, đã có những bước phát triển đáng kể Tuy nhiên, từ khi chuyển sang cơ chế thị trường, ngành này đã bộc lộ nhiều yếu kém, với 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 nhập khẩu, dẫn đến hoạt động kinh doanh gặp nhiều khó khăn Nguyên nhân chính khiến chi phí sản xuất tăng cao và chất lượng sản phẩm thấp là do thiếu nghiên cứu và khai thác, sử dụng hiệu quả thiết bị.
Để sản xuất sản phẩm chất lượng cao, việc sử dụng máy móc tự động như máy CNC là cần thiết Trong bối cảnh cạnh tranh toàn cầu hiện nay, các nhà sản xuất phải cung cấp sản phẩm tốt nhất với giá thành thấp nhất Việt Nam cần phải hòa nhập vào xu hướng phát triển này bằng cách tối ưu hóa các quy trình gia công cắt gọt vật liệu trên máy CNC Tối ưu hóa không chỉ giúp xác định chế độ cắt tối ưu mà còn xây dựng mối quan hệ toán học giữa hàm mục tiêu kinh tế và các thông số gia công, trong khuôn khổ các giới hạn về chất lượng, kỹ thuật và tổ chức của nhà máy.
Vấn đề tối ưu hóa quy trình gia công cắt gọt vật liệu tại Việt Nam hiện nay chưa được quan tâm đúng mức Trong giai đoạn chuẩn bị sản xuất, nhiều nhà công nghệ vẫn phải dựa vào sổ tay để tra cứu thông tin, trong khi số liệu trong các sổ tay này có thể không đáp ứng được yêu cầu thực tiễn.
Kinh nghiệm thu được từ thực tế trong các điều kiện sản xuất và công nghệ cụ thể không phải là các tham số tối ưu.
Cần thực hiện nghiên cứu cụ thể về ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng sản phẩm gia công và năng suất khi gia công chi tiết máy Điều này giúp xây dựng cơ sở cho việc tính toán thiết kế, cải tiến thiết bị và lựa chọn chế độ gia công tối ưu, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế phù hợp với các điều kiện sản xuất cụ thể.
Từ những phân tích trên một lần nữa cho thấy vấn đề mà luận văn cần giải quyết là thời sự và cấp thiết
MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Mu ̣c tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu mức độ và quy luật tác động của các yếu tố chính trong chế độ cắt đến các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật khi gia công chi tiết trên máy tiện CNC CTX 310 Kết quả thu được sẽ là cơ sở để xác lập chế độ cắt tối ưu, nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng máy tiện CNC trong quá trình gia công.
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:
Máy tiện CNC CTX 310 là thiết bị gia công chính được sử dụng trong nghiên cứu, sản xuất tại Đức và đang được áp dụng phổ biến trong các xưởng gia công cơ khí, cũng như trong các trường đào tạo chuyên ngành kỹ thuật và nghề cơ khí tại Việt Nam.
Bài viết này tập trung nghiên cứu vật liệu thép C45, một loại vật liệu phổ biến trong ngành cơ khí, cùng với chi tiết dạng trụ được sử dụng rộng rãi trong các máy hiện nay Đặc biệt, dao cắt được lựa chọn là dao gắn mảnh hợp kim, không đề cập đến tất cả các loại vật liệu kim loại hay dao cắt của các hãng khác nhau.
Trong nghiên cứu này, các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật được xác định bao gồm độ nhám bề mặt và chi phí năng lượng riêng Để phân tích ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng gia công, các tham số như vận tốc cắt V, lượng chạy dao S và chiều sâu cắt t được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu.
Nội dung nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu của đề tài tôi tập trung giải quyết những nội dung sau:
Nghiên cứu lý thuyết về quá trình gia công cắt gọt vật liệu, đặc biệt là quá trình tiện và thiết bị công nghệ, nhằm xác lập cơ sở lý thuyết cho các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng tập trung vào việc phân tích chi phí năng lượng riêng trên máy tiện, từ đó cung cấp cái nhìn tổng quan về các yếu tố quyết định trong gia công cơ khí.
Nghiên cứu thực nghiệm tập trung vào việc xác lập mục tiêu và nội dung thí nghiệm, tổ chức quy trình thực hiện, thu thập kết quả, và xây dựng mô hình toán học cho các hàm mục tiêu liên quan đến các tham số điều khiển Mục tiêu là xác định chế độ làm việc tối ưu khi gia công chi tiết trên máy tiện CNC CTX 310.
- Xác định giá trị tối ưu của các thông số thuộc chế độ cắt
- Thử nghiệm gia công với chế độ cắt tối ưu.
Phương pháp nghiên cứu
2.4.1 Các phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích các công trình khoa học, giúp tổng hợp cơ sở lý luận cần thiết để giải quyết những vấn đề nghiên cứu Qua đó, nó cung cấp cái nhìn tổng quan về chủ đề nghiên cứu và xây dựng nền tảng lý luận cho đề tài một cách hiệu quả.
Phương pháp kế thừa là một kỹ thuật quan trọng trong phân tích lựa chọn, cho phép sử dụng các kết quả nghiên cứu đã được công bố cả trong và ngoài nước Phương pháp này hỗ trợ trong việc giải quyết các vấn đề thực nghiệm, đồng thời giúp nhận xét và đánh giá hiệu quả của các kết quả nghiên cứu.
- Phương pháp thực nghiệm: Được sử dụng là qui hoạch hóa thực nghiệm đơn và đa yếu tố để giải quyết các nội dung nghiên cứu thực nghiệm,
- Phương pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu theo phương pháp Lagrăng
Quá trình gia công cơ khí, đặc biệt là gia công cắt gọt kim loại, bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm các đặc điểm riêng của vật liệu và các điều kiện gia công Những yếu tố này quyết định chất lượng và hiệu quả của quá trình gia công.
Trong gia công kim loại, 16 yếu tố chính bao gồm các tính chất cơ - lý - hóa học của kim loại và các đặc trưng của công cụ gia công như tính chất vật liệu, thông số hình học, độ sắc của dao cắt, và chất lượng bề mặt Ngoài ra, độ cứng của hệ "Máy - Công cụ cắt - Thiết bị gá kẹp phôi" cùng với động học và động lực học cũng đóng vai trò quan trọng Quá trình gia công cơ giới được đặc trưng bởi bề dày và chiều rộng phoi cắt, quỹ đạo mặt phẳng cắt, các góc cắt, cùng với lực cắt và sự đốt nóng của công cụ và vật liệu Các yếu tố này tương tác lẫn nhau, do đó cần thực hiện các thí nghiệm đơn và đa yếu tố để giải quyết toàn diện vấn đề.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm mà chúng tôi áp dụng không chỉ là thực nghiệm thuần túy, mà còn là sự kết hợp hài hòa giữa lý thuyết và thực nghiệm Lý thuyết được sử dụng làm cơ sở và định hướng ban đầu, giúp giảm bớt khối lượng công việc và rút ngắn thời gian nghiên cứu thực nghiệm.
Trong nghiên cứu thực nghiệm, phương pháp cổ điển cho phép người thực nghiệm dựa vào kinh nghiệm và trực giác để chọn hướng nghiên cứu Các thí nghiệm được thực hiện tuần tự với sự thay đổi từng thông số, trong khi giữ nguyên các yếu tố khác Tuy nhiên, phương pháp này chỉ giúp tìm kiếm cái mới dựa trên mối quan hệ đơn định giữa các chỉ tiêu đánh giá và các yếu tố ảnh hưởng, dẫn đến việc thực nghiệm riêng rẽ từng yếu tố Mặc dù có tập hợp các phương trình thực nghiệm đơn yếu tố, chúng không cung cấp kết quả chặt chẽ về mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố trong mối tương tác của chúng, do đó không thể tìm ra phương án phối hợp tối ưu giữa các yếu tố ảnh hưởng.
Phương pháp qui hoạch thực nghiệm là cần thiết trong việc tìm kiếm điều kiện tối ưu, vì nó cung cấp hướng chuyển dịch cho các tương quan, khác với các thực nghiệm thụ động Đây là một phương pháp nghiên cứu hiện đại, trong đó toán học đóng vai trò quan trọng Cơ sở toán học của lý thuyết qui hoạch thực nghiệm chủ yếu dựa vào toán học thống kê, với hai lĩnh vực quan trọng là phân tích phương sai và phân tích hồi quy.
Qui hoạch thực nghiệm là quá trình thiết lập chiến thuật thực nghiệm từ giai đoạn đầu đến giai đoạn kết thúc của nghiên cứu, bao gồm việc thu thập thông tin, xây dựng mô hình toán học và xác định các điều kiện tối ưu Ưu điểm của qui hoạch thực nghiệm bao gồm việc giảm số lượng thí nghiệm cần thiết, tiết kiệm thời gian và chi phí, cung cấp thông tin rõ ràng hơn nhờ đánh giá sự tương tác giữa các yếu tố, và cho phép xây dựng mô hình toán học chính xác Nó cũng giúp xác định điều kiện tối ưu đa yếu tố một cách chính xác thông qua các hàm toán học, từ đó cải thiện độ tin cậy của kết quả thí 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 tiêu thực nghiệm, lựa chọn tham số điều khiển và khoảng biến động của chúng, chọn thiết bị đo phù hợp, tiến hành công tác chuẩn bị, thực hiện thí nghiệm thăm dò, và tiến hành các thí nghiệm đơn yếu tố cũng như 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, được gọi là phân bố thực nghiệm Việc xây dựng các phân bố thực nghiệm nhằm khái quát hóa thành các phân bố lý thuyết là một nhiệm vụ quan trọng Để phát hiện qui luật phân bố khách quan trong tổng thể từ tài liệu thu thập được, cần sắp xếp các trị số quan sát theo một trật tự nhất định và thống kê các phần tử trong những khoảng xác định Để lập phân bố thực nghiệm, cần chia tổ ghép nhóm các trị số theo công thức kinh nghiệm của Brooks và Carruther: a = 5.lgn (k) với k = (x_max - x_min) / m.
Trong đó: a- số tổ được chia; k- cự ly tổ; xmax, xmin- trị số thu thập lớn nhất, bé nhất của đại lượng nghiên cứu
Xác định các đặc trưng của phân bố thực nghiệm:
Sai số trung bình mẫu:
Sai tiêu chuẩn: trường hợp mẫu lớn (n >30):
Phương sai mẫu là bình phương sai tiêu chuẩn: S 2
Phạm vi biến động: R = xmax - xmin (2.7) Độ lệch: Sk= 3 n
Nếu: Sk=0, thì phân bố là đối xứng;
Sk>0 thì đỉnh đường cong lệch trái so với số trung bình;
Sk 0 thì đỉnh đường cong nhọn so với phân bố chuẩn
Ex < 0 thì đỉnh đường cong bẹt hơn so vơi phân bố chuẩn
Xác định luật phân bố: χn 2= l
) f (f (2.10) trong đó l- số tổ hợp sau khi đã gộp những tổ hợp có tần số lý luận fi
Luật phân bố của đại lượng nghiên cứu là phân bố chuẩn, với giá trị χ²α(k) được xác định thông qua bảng phụ lục 5 [13] Trong đó, k = n-1 là bậc tự do và mức ý nghĩa α được đặt là 0,05.
Xác định số lần lặp cho các thí nghiệm là rất quan trọng, vì nó cần đủ lớn để đảm bảo độ chính xác của luật phân bố chuẩn Tuy nhiên, số lần lặp cũng phải được tối thiểu hóa để giảm khối lượng công việc.
20 lượng thực nghiệm Số lần lặp cho mỗi thí nghiệm được tính theo kết quả của thí nghiệm thăm dò và theo công thức: m Y Δ% τ S
(2.11) trong đó: m- số lần lặp; τ- tiêu chuẩn Student tra bảng với mức ý nghĩa φ=0,05; ∆%- sai số tương đối, ≤5%; Y - giá trị trung bình của đại lượng nghiên cứu
2.4.2.2 Thực nghiệm đơn yếu tố
Thực nghiệm đơn yếu tố có nhiệm vụ xác định các thông số ảnh hưởng đến các chỉ tiêu đánh giá, từ đó làm rõ mức độ và quy luật tác động của chúng Quy trình thực hiện thực nghiệm đơn yếu tố bao gồm các bước cụ thể để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong việc phân tích dữ liệu.
Để thực hiện thí nghiệm, cần thay đổi từng thông số với ít nhất 4 mức khác nhau, trong đó khoảng thay đổi phải lớn hơn 2 lần sai số bình quân của phép đo giá trị thông số Số lần thí nghiệm lặp lại (n) có thể được xác định dựa trên kết quả từ thí nghiệm thăm dò.
Sau khi hoàn thành thí nghiệm, cần xác định độ tin cậy của từng yếu tố đối với độ nhám bề mặt và sai số kích thước Đồng thời, đánh giá tính thuần nhất của phương sai trong quá trình thí nghiệm nhằm chứng minh rằng những ảnh hưởng khác đối với các thông số cần xem xét là không đáng kể hoặc không tồn tại.
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 (2.13) 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
u =1, 2, 3, 4, …, N (2.14) 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
CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Khả năng công nghệ và các thông số kỹ thuật của máy tiện CTX 310 34 3.2 Động học và động lực học quá trình cắt
Máy tiện CTX 310 Eco (hình 3.1) là máy tiện điều khiển theo chương trình số và được sản xuất tại Đức
Máy tiện CTX 310 Eco là thiết bị đa năng, cho phép gia công nhiều loại chi tiết như 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, cùng với các công cụ như mũi khoan, mũi khoét, mũi doa, ta-rô và bàn ren để thực hiện các đường ren chính xác.
Các thông số kỹ thuật của máy tiện CTX 310 Eco như giới thiệu ở phụ lục 01
Hình 3.1 Máy tiện CTX 310 Eco
3.2 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 đường tâm máy, từ đó dụng cụ thực hiện chuyển động tương đối so với chuyển động của chi tiết.
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 như sau:
Trong quá trình tiện, có hai loại chuyển động chính: chạy dao dọc và chạy dao ngang Chạy dao dọc diễn ra song song với đường tâm máy, tạo ra bề mặt trụ Ngược lại, chạy dao ngang, diễn ra thẳng góc với đường tâm, sẽ tạo ra bề mặt phẳng khi tiện mặt đầu và bề mặt trụ khi lưỡi cắt nằm song song với đường tâm Khi sử dụng dao tiện định hình trong chạy dao ngang, bề mặt tạo thành sẽ có hình dạng tròn xoay.
Chuyển động chính Chuyển động chính
Khi gia công, có thể tạo ra các bề mặt khác nhau bằng cách làm một góc với đường tâm máy, dẫn đến việc hình thành mặt côn ngoài hoặc trong Ngoài ra, việc thực hiện theo một đường cong, có thể bằng tay hoặc sử dụng dưỡng, sẽ tạo ra bề mặt tròn xoay với đường sinh cong Cuối cùng, nếu lưỡi cắt của dụng cụ có profin của ren và dao dịch chuyển song song với đường tâm, sẽ tạo ra mặt ren.
Hình 3.3 mô tả sự dịch chuyển của các dao cắt trong quá trình gia công Các hoạt động 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.
Chuyển động cắt 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.
Chuyển động chính Chuyển động chính Chuyển động chính
Chuyển động chính Chuyển động chính Chuyển động chính
Dao tiện trên máy tiện rất đa dạng, tuy nhiên 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 b a
Vận tốc cắt khi tiện V được định nghĩa là khoảng dịch chuyển của lưỡi cắt trên bề mặt chi tiết gia công trong một đơn vị thời gian Để tính toán chính xác, vận tốc cắt là sự tổng hợp của 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)
Trong quá trình sản xuất, vận tốc vòng thường được xác định dựa trên đường kính của phôi Nếu không có bản vẽ phôi, vận tốc vòng sẽ được tính theo đường kính sản phẩm cộng với lượng dư cần thiết Thông thường, sự chênh lệch giữa kích thước phôi và sản phẩm không vượt quá 5-10% đường kính phôi, do đó, vận tốc vòng sẽ được tính theo đường kính lớn nhất Bên cạnh đó, vận tốc chạy dao cũng là yếu tố quan trọng cần xem xét.
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 xác định theo hướng ngược lại với chuyển động của dao Khi thực hiện quá trình tiện mặt trụ, véc tơ vận tốc vòng của chi tiết Vc luôn 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 rất nhỏ so với vận tốc vòng của chi tiết Do đó, 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, và 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
- 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
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
Tổ hợp các yếu tố của chế độ cắt và lượng chạy dao dọc như giới thiệu trên hình 3.5 a b
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 tiêu hao 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 việc 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
Chất lượng gia công
Chất lượng gia công bao gồm hai yếu tố chính: chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công Trong lĩnh vực gia công chính xác cao và kích thước nhỏ, hai yếu tố này có mối liên hệ chặt chẽ, nhưng với kích thước lớn, chúng lại có sự khác biệt Chất lượng gia công ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm cuối cùng, 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 rộng 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 Trong quá trình gia công, lưỡi cắt tạo ra các vết lồi, lõm trên bề mặt, dẫn đến sự thay đổi cấu trúc của lớp bề mặt Lớp bề mặt sẽ bị biến cứng dẻo, hình thành biến cứng và xuất hiện ứng suất dư.
Bề mặt có thể có độ sóng và độ nhám cao, độ sóng và độ nhám vừa phải, hoặc bề mặt tương đối bằng phẳng nhưng vẫn có độ nhám cao Ngoài ra, cũng có thể có bề mặt phẳng với độ nhám thấp.
Độ sóng bề mặt là hiện tượng xuất hiện trong quá trình gia công khi hệ thống công nghệ (bao gồm máy, dao, đồ gá và chi tiết gia công) bị rung động, cùng với quá trình cắt không liên tục và độ đảo của dụng cụ cắt Hiện tượng này thường 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 véc tơ vận tốc cắt, (hình 3.8,c)
Hình 3.8 mô tả 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 độ nhám cao; 4- bề mặt phẳng với độ nhám thấp Ngoài ra, độ nhám dọc xuất hiện khi lực cắt biến đổi gây ra rung động, và cũng có thể do hiện tượng lẹo dao, khi lớp kim loại dính chặt trên mũi dao.
Độ nhám ngang thường cao hơn độ nhám dọc, tuy nhiên khi sử dụng dụng cụ hạt mài để gia công tinh bề mặt, độ nhám theo cả hai phương ngang và dọc gần như tương đương.
Chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Tính chất của vật liệu gia công; Phương pháp gia công (tiện, bào, phay,v.v ); Chế độ a b c
44 cắt; Độ cứng vững của hệ thống công nghệ; Thông số hình học của dao; Dung dịch trơn nguội
Chất lượng bề mặt gia công là một vấn đề đa dạng, tuy nhiên, trong luận văn này, chúng tôi sẽ tập trung nghiên cứu độ nhám bề mặt và các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến độ nhám đó.
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
Hình 3.9 Độ nhám bề mặt gia công
Độ nhám bề mặt gia công, như thể hiện trong hình 3.9, ảnh hưởng lớn đến tính chất sử dụng của chi tiết máy Nghiên cứu cho thấy ma sát và độ mòn của chi tiết máy phụ thuộc vào chiều cao, hình dáng của độ nhám bề mặt và phương của vết gia công Sự gia tăng độ nhám bề mặt có thể làm giảm độ bền của mối ghép căng, do khi ép, độ nhám bị chèn xuống, dẫn đến giảm độ bền Chẳng hạn, độ bền của mối ghép giữa trục chính và bánh xe tàu hỏa với độ nhám 36,5 giảm tới 40% so với độ bền của mối ghép có độ nhám 18.
Độ nhám bề mặt giảm, hay độ nhẵn bóng bề mặt tăng, góp phần nâng cao độ bền mỏi của các chi tiết Cụ thể, bề mặt thép được đánh bóng có độ bền mỏi cao hơn 40% so với bề mặt không được đánh bóng Ngoài ra, độ nhám bề mặt cũng ảnh hưởng lớn đến tính chống ăn mòn hóa học Các chỗ lõm trên bề mặt là nơi tích tụ tạp chất như axit và muối, gây ra ăn mòn hóa học cho kim loại Do đó, bề mặt chi tiết máy có độ nhám thấp sẽ giảm thiểu nguy cơ ăn mòn hóa học Hơn nữa, bán kính đáy các nhấp nhô lớn sẽ nâng cao 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
(3.5) 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 chiều cao nhấp mô của profin, được xác định bằng giá trị trung bình giữa năm đỉnh cao nhất và năm đỉnh thấp nhất trong khoảng 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 chia thành 14 cấp dựa trên các chỉ số Ra và Rz, với cấp 14 (Ra = 0,01µm; Rz = 0,05µm) tương ứng với độ nhẵn bề mặt cao nhất Trên bản vẽ chi tiết máy, yêu cầu về độ nhám bề mặt được thể hiện qua giá trị Ra hoặc Rz, trong đó Ra được sử dụng cho các cấp độ từ 6 đến 12 (Ra = 2,5 đến 0,04µm) và Rz cho các cấp từ 1 đến 5 (Rz = 320 đến 20µm) hoặc từ 13 đến 14 (Rz = 0,08 đến 0,05µm) Trong thực tế sản xuất, độ nhám bề mặt thường được phân loại thành 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 và chi phí năng lượng riêng a Thông số hình học của công cụ cắt
Qua nghiên cứu thực nghiệm, các nhà khoa học đã xác định rằng hình dáng và giá trị độ nhám bề mặt phụ thuộc vào lượng chạy dao, hình dáng lưỡi cắt và bán kính mũi dao Việc thay đổi góc nghiêng chính và góc nghiêng phụ sẽ ảnh hưởng đến chiều cao và hình dáng của độ nhám Đặc biệt, khi sử dụng dao có bán kính mũi lớn, hình dáng độ nhám sẽ có xu hướng được vê tròn.
Trong quá trình tiện bằng dao có bán kính mũi dao nhỏ và lượng chạy dao lớn, độ nhám bề mặt không chỉ bị ảnh hưởng bởi bán kính mũi dao mà còn bởi lưỡi cắt chính và lưỡi cắt phụ, tức là các góc nghiêng chính và phụ GS Trebưsep (Nga) đã đề xuất công thức thể hiện mối quan hệ giữa Rz, S, r và hmin.
