Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến chất lượng và chi phí điện năng riêng khi tiện mặt đầu trên máy tiện bemato BMT 1440e

Mục tiêu nghiên cứu Xuất phát từ những lý do thực hiện đề tài đã nêu ở trên tôi đặt mục tiêu nghiên cứu là: Xác định được ảnh hưởng của một số thông số đến chất lượng sản phẩm và chi ph

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu

Chế tạo máy là ngành công nghiệp quan trọng của đất nước, giá trị của ngành công nghiệp chế tạo máy của Việt Nam năm 2014 ước đạt 20 tỷ USD, đã đóng góp quan trọng cho phát triển một số ngành kinh tế quan trọng của đất nước như ngành công nghiệp điện, công nghiệp dầu khí, công nghiệp khai thác khoáng sản

Nghị quyết đại hội lần thứ 11 của Đảng đã nêu: phấn đấu đến năm 2020 đưa nước ta trở thành nước công nghiệp theo hướng hiện đại Để thực hiện được nhiệm

vụ này Nhà nước đã có nhiều chính sách khuyến kích các doanh nghiệp đầu tư xây dựng các nhà máy chế tạo máy, để có thể chế tạo ra các sản phẩm máy và thiết bị

có chất lượng cao đáp ứng nhu cầu trong nước và xuất khẩu

Tiện là một phương pháp gia công kim loại bằng cắt gọt phổ biến nhất trong ngành cơ khí chế tạo máy Trong các nhà máy cơ khí, máy tiện chiếm số lượng lớn nhất, khoảng 30% đến 40%

Hiện nay ở Việt Nam rất nhiều doanh nghiệp đầu tư các máy công cụ như máy phay, máy tiện, máy dập, máy cắt, máy mài để phục vụ cho công nghệ chế tạo máy và các thiết bị phục vụ cho các ngành công nghiệp Các máy công cụ được sử dụng trong chế tạo chủ yếu được sản xuất ở nước ngoài và nhập khẩu vào Việt Nam, nên các loại máy công cụ này chưa có chế độ sử dụng tối ưu cho các nguyên công

Các máy công cụ trong chế tạo máy hiện nay chủ yếu là máy đa năng với nhiều công dụng, có thể gia công được nhiều loại vật liệu khác nhau, song mỗi loại vật liệu, mỗi một loại công dụng đều có chế độ sử dụng khác nhau

Ở Việt Nam việc nghiên cứu chế độ sử dụng hợp lý cho từng đối tượng vật liệu khi gia công và cho từng loại nguyên công chưa được quan tâm, chưa có nhiều công trình, tài liệu được công bố để khuyến cáo các đơn vị sử dụng các máy công cụ thực hiện nhằm mang lại năng suất chất lượng và giảm chi phí tiêu thụ điện năng góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế trong sản xuất chế tạo máy

Máy tiện được sử dụng khá phổ biến hiện nay ở các dây chuyền chế tạo máy, công dụng chủ yếu là tiện trục, tiện bạc, tiện mặt phẳng mặt đầu, tiện ren, tiện côn trong

và côn ngoài mỗi một nguyên công khác nhau, mỗi một loại vật liệu khác nhau đều

có chế độ tiện khác nhau Việc xác định chế độ tiện sao cho năng suất cao, chất lượng đáp ứng yêu cầu và chi phí năng lượng riêng nhỏ nhất cho từng nguyên công trong gia công chế tạo trên máy tiện là rất cần thiết và ít có công trình nghiên cứu

Từ thực tiễn sản xuất đặt ra là cần phải nghiên cứu sử dụng các loại máy tiện nhập nội một cách bài bản để tìm ra chế độ làm việc hợp lý, phù hợp với điều kiện sản xuất và trình độ sử dụng của công nhân Việt Nam sao cho đạt được năng suất, chất lượng sản phẩm và giá thành hợp lý Trong các chi phí sản xuất để tạo nên giá thành thì chi phí năng lượng điện chiếm một phần đáng kể, vì vậy để tìm ra chế độ gia công, và các thông số góc của dao cắt hợp lý nhằm tiết kiệm năng lượng đến mức thấp nhất để giảm giá thành gia công chi tiết máy là rất cần thiết và có tính thời

sự hiện nay Bên cạnh đó, chế độ gia công và các thông số góc của dao cắt ảnh hưởng rất lớn đến nhám bề mặt, một chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng gia công chi tiết máy trên máy tiện

Với những lý do đã được trình bầy ở trên chúng tôi chọn và thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến chất lượng và chi phí điện năng riêng khi tiện mặt đầu trên máy tiện Bemato BMT 1440E"

2 Mục tiêu nghiên cứu

Xuất phát từ những lý do thực hiện đề tài đã nêu ở trên tôi đặt mục tiêu nghiên cứu là:

Xác định được ảnh hưởng của một số thông số đến chất lượng sản phẩm và chi phí điện năng riêng khi tiện mặt đầu trên máy tiện Bemato BMT 1440E, trên cơ sở

đó xác định được chế độ sử dụng hợp lý của nó

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Do thời gian nghiên cứu có hạn, trong đề tài này chỉ giới hạn các nội dung sau: Thiết bị nghiên cứu là máy tiện Bemato BMT1440E, dao tiện vai dùng vạt mặt đầu, vật liệu tiện là thép chế tạo máy sau nguyên công Đúc C45, công nghệ tiện là tiện mặt đầu, các thông số ảnh hưởng được lựa chọn để nghiên cứu là những thông

số ảnh hưởng chính đến chất lượng sản phẩm và chi phí điện năng riêng

4 Phương pháp nghiên cứu

Dựa vào lý thuyết gia công cắt gọt trên các máy công cụ để thiết lập công thức tính lực tác dụng lên dao tiện

Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trong chế tạo máy để xác định hàm mục tiêu, trên cơ sở đó thiết lập được tương quan giữa hàm mục tiêu với tham số ảnh hưởng

Sử dụng phương pháp giải bài toán tối ưu để tìm ra chế độ sử dụng hợp lý của máy tiện Bemato BMT 1440E

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn

- Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của luận văn đã xác định được qui luật ảnh hưởng của góc cắt chính, chiều sâu cắt, lượng chạy dao đến chất lượng sản phẩm và chi phí điện năng riêng, từ qui luật ảnh hưởng này là cơ sở khoa học cho việc xác định chế độ sử dụng hợp lý của máy khi tiện mặt đầu trên máy tiện Bemato BMT1440E

- Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận văn đã xác định được thông

số sử dụng hợp lý của máy tiện Bemato BMT1440E để nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí điện năng, từ đó góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng máy tiện nêu trên

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về tiện

1.1.1 Khái quát về tiện

Tiện là nguyên công để tạo hình các bề mặt tròn xoay trong và ngoài (các bề mặt trụ, mặt côn, mặt định hình, ren vít …), các mặt phẳng đầu, các rãnh và cắt được các phần chi tiết … Nguyên công tiện được thực hiện trên các máy tiện vạn năng, chuyên dùng tự động và bán tự động, các máy tiện CNC … Trong các nhà máy cơ khí công việc tiện chiếm khoảng 40  50% và máy tiện chiếm khoảng 50 60% tổng số máy cắt kim loại

1.1.2 Các dạng dao tiện chủ yếu

Các loại dụng cụ cắt khi tiện gọi tắt là dao tiện đã được tiêu chuẩn hóa TCVN 3011 - 79 - 3025 - 79

1.1.2.1.Dao tiện ngoài

Hình 1.1 Các loại dao tiện ngoài a) Dao tiện ngoài đầu thẳng; b) Dao tiện ngoài đầu cong

Dao tiện ngoài có hai loại: Dao tiện ngoài đầu thẳng và doa tiện ngoài đầu cong

1.1.2.3 Dao tiện vai

Loại dao này có góc  = 900 dùng tiện vai trụ bậc hoặc các trụ vai có đường kính D nhỏ và chiều dài lớn,  > D, độ cứng vững kém

Hình 1.3 Dao tiện vai Khi dùng loại dao này lực hướng kính Py nhỏ sẽ tránh gây ra độ võng chi tiết lớn

1.1.2.4 Dao tiện mặt phẳng đầu (dao xén mặt)

Loại dao này có thể chế tạo với góc  > 900

Hình 1.4 Dao tiện mặt phẳng đầu (dao xén mặt đầu)

1.1.2.5 Dao tiện cắt đứt và tiện rãnh

Dao tiện này được dùng để cắt hoặc cắt rãnh trên các mặt trụ ngoài

Hình 1.5 Dao tiện rãnh và cắt đứt

1.1.2.6 Dao tiện ren

Dao tiện ren được dùng để tiện ren ngoài (hình 1.6) hoặc tiện ren trong

Hình 1.6 Dao tiện ren

- Năng suất gia công cao vì giảm được thời gian máy và thời gian phụ

- Tuổi thọ lớn vì mài sắc được nhiều lần

Dao tiện định hình có nhiều loại:

- Theo hình dạng dao: dao hình tròn (hình 1.7a), dao hình lăng trụ (hình 15,7b)

- Theo phương chạy dao: dao hướng kính (hình 1.7a, b), dao tiếp tuyến (hình 1.7c)

- Theo các góc dao: dao gá thẳng (hình 1.7d), dao gá nghiêng (hình 1.7đ)

- Theo vị trí mặt trước:

Mặt trước không nâng  = 0 (hình 1.7a, b)

Dao gá nâng  > 0 (hình 1.7e)

Dao tiện định hình lăng trụ được kẹp chặt bằng mang cá và vít giữ được dùng để tiện các bề mặt ngoài định hình (hình 1.8b) Dao tiện định hình hình tròn được lắp các trục gá và chống xoay bằng khía mặt đầu hoặc chốt (hình 1.8a)

Dao tiện định hình hình tròn được dùng để gia công các mặt định hình ngoài

và trong (các lỗ định hình)

Dao tiện định hình hướng kính các loại được gá sao cho đỉnh dao nằm ngang tâm chi tiết (hình 1.7a, b)

Hình 1.8 Kẹp chặt dao tiện định hình a) Dao hình tròn; b) Dao lăng trụ Dao tiện định hình tiếp tuyến được gá sao cho mặt sau tiếp xúc với đường tròn bé nhất của chi tiết và hướng chạy dao tiếp tuyến với bề mặt chi tiết (hình 1.7c)

Dao tiện định hình gá nghiêng được dùng khi gia công các chi tiết có phần prôfin đặc biệt, phải gá nghiêng để N ở các phần đó khác không (N > 0) (hình 1.7đ)

Dao tiện định hình tròn chế tạo dễ hơn hình lăng trụ, nhưng độ chính xác và

độ cứng vững kém hơn Prôfin lưỡi cắt của dao tiện định hình được tính toán và thiết kế dựa vào prôfin của chi tiết gia công (định hình) và khi dao mòn được mài sắc lại theo mặt trước (mặt phẳng) để đảm bảo Prôfin lưỡi cắt không thay đổi

1.2 Tình hình sử dụng và nghiên cứu máy tiện trên thế giới

Gia công kim loại bằng phương pháp tiện xuất hiện từ lâu nhưng mãi tới nửa cuối của thế kỷ XIX máy tiện mới được sử dụng rộng rãi thực sự nhờ những phát minh làm cho máy tiện có kết cấu hoàn chỉnh gần như các máy đang dùng hiện nay như cơ giới hóa được các thao tác công nghệ khi gia công, điều chỉnh tự động lượng

ăn dao; có cơ cấu kẹp dao, kẹp phôi hoàn chỉnh; chế độ gia công thay đổi dễ dàng, nhanh và không tốn sức … Từ đó đến nay, trải qua một thời gian dài phát triển, nhiều loại máy tiện khác nhau được nghiên cứu, chế tạo và sử dụng ở nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Đức, Nhật, Anh, Pháp Những nước công nghiệp tiên tiến này cung cấp chủ yếu máy tiện cho toàn thế giới

Mỹ là nước có nhiều nhà máy sản xuất máy công cụ nhất thế giới với trên

1300 đơn vị, hàng năm, sản xuất được trên 350 nghìn máy công cụ Máy công cụ do

Mỹ sản xuất được các nước châu Âu ưa chuộng vì nó hiện đại và bền cho nên khoảng 45% sản phẩm máy của Mỹ được xuất khẩu sang Châu Âu Nhiều hãng sản xuất máy tiện nổi tiếng thế giới như hãng như Gridley, Kliben, Kent … đã sản xuất các loại máy tiện tự động và bán tự động nhiều trục Một số loại máy tiện vạn năng

do hãng Kent sản xuất dòng kinh tế mang nhãn hiệu 1340A, KSL-1440, 180G, KLS-2280C … (hình 1.1), có đường kính trục chính 1.5 - 4,2 inch, công suất động cơ 2 - 10HP, tốc độ trục chính 32  2000 vòng/phút Các loại máy tiện dòng chính xác mang nhãn hiệu TLR-1340, MRL-1440VT, MRL-1640T, ML-260T … (hình 1.2) có đường kính trục chính 1.56  6inch, công suất động cơ 3  30HP, tốc

KLS-độ trục chính 40  2000 vòng/phút, [23]

Mặc dù, máy tiện ở Mỹ được nghiên cứu và sản xuất muộn hơn ở Châu Âu rất nhiều, mãi cho tới nửa đầu thế kỷ XIX bệ máy tiện do Mỹ sản xuất vẫn còn làm bằng gỗ nhưng đến năm 1873, H.Spencer đã chế tạo mẫu máy tiện tự động đầu tiên trên thế giới Việc nghiên cứu và chế tạo máy tiện tự động đánh dấu giai đoạn phát triển mới của ngành chế tạo máy đó là kỷ nguyên phát triển máy công cụ tự động Hiện nay, nhiều hãng sản xuất máy công cụ hàng đầu của Mỹ cho ra đời các máy công cụ kỹ thuật số như hãng Milltronic với các mã hiệu máy: SL6, SL10 có một số

thông số kỹ thuật cơ bản như đường kính phôi lớn nhất gia công được 510mm, chiều dài phôi 500mm, công suất động cơ 19kW; các mác máy tiện với mã hiệu: ML16, ML18, ML22, ML26, ML35, ML40 … có đường kính phôi gia công được

từ 440mm đến 1010mm, chiều dài phôi từ 1220mm đến 6200mm, công suất động

cơ từ 9kw đến 38kw, [24]

Hãng AAS chế tạo các máy tiện CNC với các mã hiệu: HAAS SL-20, HAAS SL30, HAAS SL-4, HAAS-TL1, HAAS-TL2, HAAS-TL3, HAAS-TL3B, HAAS-TL3W có các thông số kỹ thuật như: Đường kính phôi lớn nhất gia công được trên máy 762mm, chiều dài lớn nhất của phôi 1500mm, tốc độ quay của trục 1800 v/phút, công suất động cơ 30kw

Nhật Bản, nước công nghiệp phát triển đứng thứ hai thế giới sau Mỹ về sản xuất máy công cụ với hơn 280 hãng sản xuất cho ra đời khoảng 280 nghìn máy công cụ trong một năm Hãng Washino đã sản xuất các loại máy tiện vạn năng có

mã hiệu LEO-80A, LEO - 125A, LEO-19J…, có đường kính trục chính 50  54mm, công suất động cơ 3HP, tốc độ trục chính từ 50  1500 vòng/phút Hãng TAKISAWA sản xuất các loại máy tiện vạn năng có mã hiệu TLS-130, TLS-550, LL-100, LLA-1000, TAC360, TAC800, TAC510… có đường kính trục chính 190mm, công suất động cơ 3HP, tốc độ trục chính 83  1800 vòng/phút, [28]

Trong lĩnh vực máy tự động CNC, hãng TAKISAWA (Nhật) sản xuất các loại máy tiện CNC mang mã hiệu TMM-200, TMM250, TY-2000, TY-200CS… có công suất 20  30HP, tốc độ trục chính 20  6000 vòng/phút

Hãng Okuma là một trong những hãng sản xuất máy công cụ lớn ở Nhật Bản cho ra đời máy tiện với các mác máy: LT300, LT2000, GENOS L200-M, GENOS L250 GENOS L300-M, GENOS L400 có các thông số kỹ thuật cơ bản như đường kính phôi gia công được 200mm, chiều dài phôi 225mm, tốc độ quay của trục dao

3000 v/phút, công suất động cơ 7,5kw; các mác máy LU300, LY400, LU35, LU4

có các thông số kỹ thuật cơ bản như đường kính phôi gia công được 3700mm, chiều dài phôi từ 350mm  1000mm, tốc độ quay của trục chính từ 3000 v/phút  6000 v/phút, công suất động cơ 22kw, [31]

Trong số các nước đang phát triển thì Trung Quốc là nước đứng đầu về chế tạo máy với hơn 800 xí nghiệp đang hoạt động Trong số đó, 45% là xí nghiệp sản xuất máy cắt kim loại còn lại là xí nghiệp sản xuất máy gia công kim loại Mặc dù, hàng năm ngành chế tạo máy của Trung Quốc có tốc độ phát triển tương đối nhanh khoảng 28% nhưng từ năm 2002 Trung Quốc là nước nhập khẩu máy lớn nhất thế giới gần 20% sản phẩm chế tạo máy của thế giới Trung Quốc nhập khẩu máy chủ yếu từ các nước tư bản như Mỹ, Nhật, Tây Đức, Ý, Hàn Quốc, Đài Loan Năm 2010 Chính phủ Trung Quốc đã lập kế hoạch phát triển ngành chế tạo máy, theo đó tiến hành xây dựng các xí nghiệp chế tạo máy với qui mô lớn được đầu tư công nghiệp hiện đại, có khả năng cạnh tranh trên thị trường quốc tế và đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ trong nước về các loại máy và thiết bị công nghiệp Một số hãng chế tạo máy hàng đầu Trung Quốc như Beijing Nort Hong, ChangChun CNC, China Czechoslovakia, China Qiqihar, Jnan Huili, Qinghia No,1, Shandong Lunan, Dalian

đã có sản phẩm xuất khẩu đến nhiều nước trên thế giới trong đó có các nước công nghiệp phát triển như Mỹ, Canada, Anh, Pháp, Đức, Tây Ban Nha, [27]

Hãng Lihong sản xuất các loại máy tiện với các mã hiệu như QK1313A, QK1313B, QK1320; máy tiện CNC như CKE 6136Z, CKE 6150Z, CKE 6180Z, CKE 6163Z Hãng Dezhou Long sản xuất các loại máy tiện vạn năng mã hiệu CU580M, CU630/1000, CU630/1500, CU630/2000, CU630/3000, CU730/1500, CU730/500, CA6150B/1000, CA6150B/2000, CA6150B/3000, CW6130B/1500, CW6130/3000 …, có đường kính trục chính 50 - 70mm, công suất động cơ 2.5 3.0 HP, tốc độ trục chính từ 70  1400 vòng/phút, hãng Zeng Zhou sản xuất các loại máy tiện vạn năng có mã hiệu FL-400B, FL-450B, FL-500B, FL-600B… có đường kính trục chính 65  80mm, công suất động cơ 6  10HP, tốc độ trục chính 22 

1800 vòng/phút, [25]

Trong vài năm gần đây, ngành chế tạo máy ở Đài Loan không ngừng phát triển các loại máy công cụ sản xuất tại Đài Loan đáp ứng được nhu cầu sử dụng của nhiều nước trên thế giới trong đó có các nước phát triển như Mỹ, Nhật, các nước Châu Âu … Một số nhà sản xuất máy công cụ lớn như: Hãng Leadwell thành lập

năm 1990, sản phẩm máy công cụ của hãng đảm bảo được yêu cầu tiêu chuẩn

ISO-9001, có tốc độ cắt cao, độ bền và độ chính xác tương đương với các máy cùng cấp sản xuất ở Châu Âu; hãng FEELER thành lập năm 1979 là một trong những hãng sản xuất máy hàng đầu ở Đài Loan, sản phẩm của hãng xuất khẩu đến các nước như

Mỹ, Nhật, Châu Âu Hãng Force one, tuy mới thành lập vào năm 1997 nhưng đã sản xuất được các sản phảm được biết đến ở nhiều nước đó là máy tiện CNC mang các mã hiệu như FCL-20TS, FCL-15TS, FCL-30TS, FCL-20TT, TC-3508, TC-

3515, TC-3523, TC-3530 có các thông số kỹ thuật cơ bản: Đường kính phôi 660mm, chiều dài phôi 820mm, tốc độ quay của trục máy 625v/phút và 2500v/phút, công suất động cơ chính 26kw, [32]

Từ những phân tích ở trên cho thấy rằng chế tạo máy là một ngành quan trọng quyết định sự phát triển chung kinh tế của một nước vì vậy, dù là một nước đang phát triển hay là nước công nghiệp tiên tiến thì việc đầu tư để cho ngành chế tạo máy phát triển cũng được quan tâm Để phục vụ nhu cầu của sản xuất ở trong nước và xuất khẩu ở nhiều nước đã sản xuất nhiều loại máy tiện khác nhau và chúng không ngừng được hoàn thiện nhờ áp dụng những thành tựu nghiên cứu, phát minh của các nhà khoa học và những sáng kiến trong quá trình sản xuất ở các công ty, xí nghiệp Gia công kim loại bằng phương tiện là phương pháp cắt gọt kim loại được

sử dụng rộng rãi trong thực tế sản xuất của ngành chế tạo máy đã thu hút sự chú ý của nhiều học giả

Nhiều công trình khoa học trong việc xây dựng và phát triển lý thuyết cắt gọt kim loại phải kể đến là các nhà bác học Xô Viết như giáo sư I.A Time, K.I.Zvorưkin, G.C.Andrev, V.F.Bobrov, C.H.Philomenko Các nhà bác học Mỹ như O.W.Boston, Merchant.M.E, [37]

Lý thuyết cắt gọt kim loại đi sâu nghiên cứu về quá trình tạo phôi, 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 công cụ cắt, tính toán, thiết kế và sử dụng hợp lý các thiết bị và công cụ gia công

Lần đầu tiên, nghiên cứu quá trình cắt gọt kim loại bằng thực nghiệm được tiến hành ở nước Pháp do đại úy Kokilia thực hiện năm 1848 với kết quả là xác định được công cần thiết chi phí trong quá trình khoan kim loại Năm 1780, giáo sư trường Đại học Mỏ Địa chất Peterbua đã công bố cuốn sách "Sức bền của kim loại

và của gỗ khi cắt" lần dầu tiên sự biến dạng của kim loại trong quá trình hình thành phoi được nghiên cứu Công trình này được coi là điểm khởi đầu và là nền móng của lý thuyết cắt gọt kim loại Năm 1839, giáo sư K.I.Zvorưkin xuất bản cuốn sách

"Công và lực cần thiết để tách phoi kim loại" Đây là một đóng góp có giá trị cho lý thuyết cắt gọt kim loại của thế giới, [34]

Vào thập kỷ 70 của thế kỷ GDQPAN, lý thuyết cắt gọt kim loại ngày càng được hoàn chỉnh với những công trình nghiên cứu mới về lực phát sinh trong quá trình gia công kim loại bằng cơ học

Nghiên cứu quá trình gọt kim loại theo hướng kết hợp lý thuyết với thực nghiệm đã được các nhà khoa học trên thế giới tiến hành như: M.P.Semko, E.M.Trent, I.A.Isaevui, Nga, Tiệp Khắc cũ, Pháp, Nhật, Ấn Độ… với những kết luận quan trọng về các sơ đồ động học, sự tạo phoi, các yếu tố ảnh hưởng tới lực cắt

Trên cơ sở nền tảng vững chắc của lý thuyết cắt gọt kim loại những nghiên cứu hoàn thiện và nâng cao chất lượng máy gia công kim loại nói chung và máy tiện nói riêng đã được quan tâm nghiên cứu ở nhiều nước

Nhằm không ngừng nâng cao khả năng làm việc của các công cụ cắt, nhiều công trình đã đi sâu vào nghiên cứu động học và động lực học quá trình gia công Điển hình là các công trình của G.I.Granovsky, A.M.Danielian, A.S.Kondatriev, [40]

Nâng cao năng suất lao động và chất lượng sản phẩm được nhiều nhà khoa học quan tâm có một số công trình nổi bật của các tác giả như A.A.Anokhina, V.A.Boguslavsky, A.A.Pustov (25, 26, 31), [42]

Anokhina A.H đã thực hiện việc nghiên cứu nâng cao chất lượng bề mặt gia công khi tiện vận liệu kim loại khó gia công với tốc độ lớn Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng sử dụng loại dao cắt làm bằng vật liệu sứ có độ cứng 90 HRA rất phù hợp

với tốc độ cắt 600 - 800m/phút, lượng ăn dao 0.05 - 0.1mm/vòng và chiều sâu cắt 0.15 - 0.25mm cho năng suất cao và đảm bảo độ chính xác và chất lượng bề mặt khi gia công Tuy nhiên, khi ở chế độ cắt với tốc độ nhỏ dưới 300m/phút, lượng ăn dao lớn hơn 0.15mm/vòng và chiều sâu cắt lớn hơn 0.3mm bề mặt gia công đạt chất lượng không cao

Các tác giả Boguslavsky V.A., Ivtrenko T.G đã nghiên cứu tối ưu hóa chế

độ cắt gọt khi tiện vật liệu khó gia công có tính đến giới hạn của nhiệt độ Trên cơ

sở nghiên cứu qui luật thay đổi của dòng nhiệt và nhiệt độ tại vùng cắt gọt phụ thuộc vào tốc độ cắt, lượng ăn dao Sử dụng phương pháp nghiên cứu quy hoạch tuyến tính đã xác định được chế độ cắt gọt tối ưu cho năng suất gia công cắt gạo cao nhất và đảm bảo được nhiệt độ cho phép không làm ảnh hưởng đến chất lượng gia công tiện Sử dụng phương pháp nghiên cứu trong công trình này cho phép chọn chế

độ cắt gọt tối ưu ở các điều kiện khác nhau khi tiện vật liệu khó gia công, [42], [47]

Nghiên cứu hoàn thiện chế độ cắt gọt khi gia công các chi tiết ở trong công trình [44] Tác giả Phômenkô R.N đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của các lớp chất phủ chống mòn cho dao đến thông số kỹ thuật của quá trình cắt gọt khi tiện kim loại Bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, tác giả đã khảo sát sự ảnh hưởng của các lớp chất phủ chống mòn dao khác nhau đến thông số kỹ thuật của quá trình cắt gọt như lực cắt, hệ số ma sát giữa phôi và mặt trước của dao cắt, nhiệt độ vùng cắt gọt … và đưa ra một số kết luận dựa trên các kết quả nghiên cứu

Việc xác định được sự ảnh hưởng của các lớp phủ chống mòn của dao cắt đến chất lượng cắt và hướng đến nhiệt độ cắt tối ưu, lực cắt … cho phép xác định được các chỉ tiêu về bề mặt gia công và chế độ tối ưu bằng phương pháp tính toán

Sử dụng chế độ cắt tối ưu khi sử dụng dao cắt có phủ lớp chống mòn cho phép tăng tốc độ cắt và năng suất gia công vì chất phủ chống mòn cho dao cắt có hệ

số ma sát nhỏ, có tác dụng làm giảm lực cản cắt và nhiệt độ

1.3 Tình hình sử dụng và nghiên cứu máy tiện ở Việt Nam

Ở nước ta, ngành cơ khí nói chung và chế tạo máy nói riêng luôn được quan tâm và ưu tiên đầu tư phát triển vì thế ngay từ thập kỷ 60 của thế kỷ XX một số nhà

máy cơ khí đã được xây dựng đến nay toàn quốc có khoảng 53000 cơ sở cơ khí với

số lượng công nhân tham gia trực tiếp sản xuất khoảng 500000 người chiếm khoảng 12% lao động công nghiệp của cả nước

Ngay từ thập kỷ 70 của thế kỷ trước nước ta đã chế tạo được máy tiện với các mã hiệu như T630, T616, T6M16, T18A Máy tiện do nước ta chế tạo thường dựa vào các mẫu máy nhập từ Liên Xô cũ cho nên chúng thường có cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng, cồng kềnh và độ chính xác không cao cho nên một số cơ sở sản xuất với quy mô tương đối lớn thường nhập các máy công cụ từ những nước có nền công nghiệp phát triển như: Nhật, Mỹ, CHLB Đức … Nhiều hãng máy tiện của Nhật đã có sản phẩm lưu hành trên thị trường cũng như trong sản xuất ở nước ta từ rất sớm như hãng Howa Sangyo với sản phẩm máy tiện P-860, hãng Kobayachi với sản phẩm máy tiện A-55, hãng Ikegai với ản phẩm máy tiện A-25, hãng Hamuta với sản phẩm máy tiện HAT-420X800, hãng Howa với ản phẩm máy tiện A-25 có đặc tính kỹ thuật chính: Chiều dài chống tâm 3500mm, đường kính phôi lớn nhất 630mm, tốc độ quay từ 60  800v/phút, công suất 5,5kw Một số hãng sản xuất máy công cục của Mỹ như Leblond, HAAS đã nhập khẩu vào nước ta các loại máy tiện với các mã hiệu khác nhau như TM-9, NK-873, NK4025 có một số thông số kỹ thuật chính tốc độ quay của trục chính 4  225v/phút, công suất 20HP Một số công

ty đã nhập máy tiện sản xuất tại Đài Loan như các loại máy tiện với mã hiệu 975; DY-860G, DY-860G, DY-860G (hãng Ann Yang) có đặc tính kỹ thuật chính như chiều dài chống tâm 10001600mm, đường kính phôi 550790mm, tốc độ trục chính 9  600v/phút

UPL-Trong một vài năm gần đây, yêu cầu về chất lượng các sản phẩm cơ khí đòi hỏi ngày càng cao, một số công ty đã nhập các loại máy tiện hiện đại điều khiển bằng kỹ thuật số từ nhiều nước khác nhau như hãng Okuma (Nhật) với các máy tiện CNC mã hiệu GENOS L200, GENOS L250, GENOS L300, GENOS L400, …, sử dụng hệ điều hành FANUC công suất động cơ 7,5KW, tốc độ trục chính 15 - 3000 vòng/phút; hãng Manford (Đài Loan) các máy tiện CNC với mã hiệu MH-150, ML-

150, ML-200, MH-300, MH-350, MH-200 có các thông số kỹ thuật chính như

đường kính phôi tiện 500mm, chiều dài phôi lớn nhất 650mm, tốc độ trục chính 30

 4200v/phút, công suất động cơ 11  15kw

Từ những phân tích trên cho thấy: Mặc dù, ngành cơ khí nói chung và ngành chế tạo máy nói riêng đã giành được sự quan tâm lớn lao của Nhà nước trong nhiều năm qua nhưng cho đến nay, ngành công nghiệp chế tạo của chúng ta vẫn còn nằm trong tình trạng kém phát triển, các máy công cụ do ta chế tạo không đáp ứng được nhu cầu sản xuất cả về chất lượng cũng như số lượng vì vậy để đáp ứng nhu cầu của sản xuất chúng ta vẫn phải nhập nhiều loại máy công cụ nhập khẩu sao cho hiệu quả

để nâng cao năng suất, chất lượng gia công và hạ giá thành sản phẩm là rất cần thiết Ở một số trung tâm nghiên cứu lớn như trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh … các công trình nghiên cứu về máy công cụ và quá trình gia công kim loại trên máy công cụ đã được quan tâm nghiên cứu trong một vài năm gần đây Trong

số các công trình nghiên cứu về sự tác động giữa công cụ (máy gia công) và đối tượng gia công có một số công trình nghiên cứu của tác giả như Bành Tiến Long, Trần Thế Lực về "Nguyên lý gia công vật liệu", [15] Các tác giả đã đưa ra những

cơ sở lý luận khoa học về gia công kim loại bằng cắt gọt, gia công các vật liệu khác

và phương pháp gia công mới Trong số các nghiên cứu về máy tiện và quá trình gia công kim loại trên máy tiện phải kể đến một số công trình như "Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt tới cơ chế mòn dụng cụ PCBN sử dụng tiện tinh thép 9XC qua tôi"

- Tác giả Dương Đình Chiến trong công trình: "Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ cắt, lượng ăn dao và chiều sâu cắt đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám

bề mặt khi tiện trơn thép trên máy tiện EER 1330 [4], kết quả nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng của tốc độ cắt, lượng ăn dao và chiều sâu cắt đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt khi tiện trơn thép trên máy tiện EER 1330

- Tác giả Phạm Tài Thắng trong công trình: "Nghiên cứu mối quan hệ giữa mòn và tuổi bền của dao gắn mảnh PCBN theo chế độ cắt khi tiện thép 9XC qua

tôi" [17], kết quả nghiên cứu đã xác định được quan hệ gữa hoa mòn lưỡi cắt với tuổi bền của dao

- Trần Ngọc Giang trong công trình nghiên cứu "Ảnh hưởng của bôi trơn tối thiểu (MQL) đến mòn dụng cụ cắt và nhám bề mặt khi tiện tinh thép 9CrSi (9XC)

đã qua tôi" [7], kết quả nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng của bôi trơn đến mòn dụng cụ cắt và chất lượng sản phẩm khi tiện tinh thép 9CrSi (9XC) đã qua tôi

- Tác giả Nguyễn Thị Hòa trong công trình: " Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố chế độ cắt đến chi phí năng lượng riêng cà chất lượng bề mặt gia công trên máy tiện CZ6240A [11], kết quả nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng của vận tốc cắt, lượng chạy dao đến chi phí năng lượng riêng và chất lượng sản phẩm khi gia công trên máy tiện CZ6240A

- Tác giả Nguyễn Trọng Anh Tuấn trong công trình: ; "Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt đến chất lượng gia công tiện" [20], kết quả nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng của nhiệt trong quá trình gia công đến chất lượng bề mặt sản phẩm

- Tác giả Trần Tuấn Anh trong công trình: " " Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố chế độ cắt đến chi phí năng lượng riêng cà chất lượng bề mặt gia công trên máy tiện LD 134.OC [1], kết quả nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng của các thông số góc của dao tiện đến chi phí năng lượng riêng và chất lượng bề mặ sản phẩm khi tiện lỗ trên máy tiện LD 134.OC

- Tác giả Phạm Ngọc Hanh trong công trình: "Nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng chính, lượng ăn dao và tốc độ cắt đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt khi tiện trơn thép trên máy tiện EER 1330 [13], kết quả nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng của góc nghiêng chính, lượng ăn dao và tốc độ cắt đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt khi tiện trơn thép trên máy tiện EER 1330

- Tác giả Ngô Ngọc Tân trong công trình: (1995)", "Nghiên cứu năng lượng tiêu hao khi tiện thép C45 bằng dụng cụ phủ Titan" [18], kết quả nghiên cứu đã xác định được năng lượng tiêu hao khi tiện thép C45 bằng dao tiện có phủ Titan

- Tác giả Lê Hồng Thanh trong công trình: "Nghiên cứu ảnh hưởng của góc sau, chiều sâu cắt và tốc độ cắt đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt khi tiện trơn gang trên máy tiện EER 1330 [19], kết quả nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng của góc sau, chiều sâu cắt và tốc độ cắt đến chi phí năng lượng riêng và

độ nhám bề mặt khi tiện trơn gang trên máy tiện EER 1330

- Tác giả Nguyễn Thị Thanh Vân trong công trình:"Nghiên cứu sự ảnh hưởng loại dung dịch bôi trơn làm nguội tối thiểu đến lực cắt và nhám bề mặt khi tiện thép 9xc"[22], kết quả nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng của dung dịch bội trơn đến lực cắt và độ nhám bề mặt gia công khi tiện trục

Tóm lại: Có nhiều công trình nghiên cứu đã xây dựng được qui luật ảnh

hưởng của các yếu tố đầu vào như vận tốc cắt, loại dung dịch chất bôi trơn, chế độ cắt, … đến các hàm mục tiêu như tuổi bền dụng cụ, chất lượng gia công hay chi phí năng lượng, lực cắt … Từ đó xác định được chế độ cắt hợp lý, xác định được loại dung dịch bôi trơn hợp lý để tuổi bền của dụng cụ là cao nhất, chi phí năng lượng, lực cắt là nhỏ nhất … Kết quả nghiên cứu của các đề tài có thể làm tài liệu tham khảo cho các nhà nghiên cứu, các nhà quản lý sản xuất khi nghiên cứu, sử dụng máy tiện Song quá trình cắt có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chi phí điện năng riêng

và chất lượng sản phẩm, các công trình nghiên cứu trình bầy ở trên cũng mới chỉ nghiên cứu được một số yếu tố cho một số trường hợp cụ thể, do vậy còn nhiều yếu

tố khác, trong các trường hợp tiện khác chưa được nghiên cứu

1.4 Những vấn đề tồn tại cần nghiên cứu giải quyết

Ngành chế tạo máy nói chung và gia công kim loại bằng phương pháp tiện nói riêng đã được quan tâm ở nước ta và ở nhiều nước khác nhau trên thế giới Đã

có nhiều loại máy tiện khác nhau được nghiên cứu và chế tạo để đáp ứng cho nhu cầu của thực tiễn sản xuất Ở các nước phát triển, các loại máy tiện hiện đại điều khiển theo chương trình số NC hoặc máy CNC được sử dụng rộng rãi còn ở nước ta các máy tiện vạn năng và các loại máy CNC nhỏ được chọn và sử dụng nhiều hơn

Nghiên cứu về máy tiện và quá trình gia công kim loại trên máy tiện đã được tiến hành ở các nước phát triển tương đối đầy đủ và bài bản Những thành tựu

nghiên cứu của các nước phát triển có ý nghĩa rất lớn đối với các nhà nghiên cứu và quản lý sản xuất khi lựa chọn và sử dụng máy tiện Ở nước ta, do nhiều nguyên nhân khác nhau, nghiên cứu về máy tiện và quá trình gia công kim loại trên máy tiện mới được tiến hành ở các trung tâm khoa học lớn trong những năm gần đây Mặc dù, những nghiên cứu đã thu được kết quả bước đầu, nhưng chúng chưa đầy đủ

và có hệ thống, đặc biệt các kết quả nghiên cứu chưa được phổ biến và áp dụng rộng rãi trong sản xuất, nghiên cứu và sản xuất ở nước ta vẫn chưa được gắn kết chặt chẽ là những nguyên nhân làm giảm ý nghĩa khoa học, thực tiễn của các đề tài nghiên cứu

Vấn đề nghiên cứu tối ưu hóa các quá trình gia công cắt gọt chưa được nghiên cứu một cách bài bản ở nước ta Phần lớn trong quá trình chuẩn bị sản xuất, các nhà công nghệ phải dựa vào các loại sổ tay để tra cứu Số liệu trong sổ tay là số liệu thống kê thu được trong điều kiện sản xuất và công nghệ cụ thể chúng không

phải là thông số công nghệ tối ưu

Có nhiều công trình nghiên cứu về chế độ gia công trên các máy tiện khác nhau, loại dao tiện khác nhau cho các đối tượng vật liệu gia công khác nhau Đối với mỗi một loại máy tiện khác nhau khi gia công cho một đối tượng khác nhau thì cần phải xác định được chế độ gia công hợp lý Việc xác định chế độ gia công hợp

lý góp phần nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và giảm chi phí điện năng, từ

đó góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng máy

Máy tiện Bemato BMT1440E là máy tiện vạn năng được nhập khẩu từ Đài Loan, đây là loại máy tiện được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy cơ khí và trong

xí nghiệp sản xuất ở nước ta đặc biệt trong các doanh nghiệp quy mô vừa và nhỏ vì cấu tạo của nó không phức tạp, dễ sử dụng và sửa chữa, giá máy không cao

Để sử dụng hiệu quả thiết bị nhập nội này cần thiết phải có các công trình nghiên cứu cụ thể về ảnh hưởng của các yếu tố về chế độ gia công và thông số của dao tiện đến chi phí điện năng và độ nhám bề mặt, đó là hai chỉ tiêu quan trọng ảnh hưởng trong giá thành gia công sản phẩm trên máy tiện và chất lượng sản phẩm sau gia công

Từ những phân tích ở trên một lần nữa cho thấy vấn đề mà luận văn cần giải quyết là thời sự và cấp thiết

Chương 2 MỤC TIÊU, NỘI DUNG, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Xuất phát từ những lý do thực hiện đề tài đã nêu ở trên chúng tôi đặt mục tiêu nghiên cứu là:

Xác định được ảnh hưởng của một số thông số đến chất lượng sản phẩm và chi phí điện năng riêng khi tiện mặt đầu trên máy tiện Bemato BMT1440E, trên cơ sở

đó xác định được chế độ sử dụng hợp lý của máy

2.2 Nội dung nghiên cứu

Với phạm vi nghiên cứu đã trình bày ở phần trên Để đạt được mục tiêu của đề tài chúng tôi tập trung giải quyết những nội dung sau:

2.2.1 Nghiên cứu lý thuyết

Nội dung nghiên cứu lý thuyết cần giải quyết các vấn đề sau:

- Phân tích lực tác dụng lên các phần tử dao cắt

- Phân tích lực cắt trong quá trình tiện mặt đầu

- Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tiện mặt đầu

- Lựa chọn chế độ gia công hợp lý

2.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm để xác định qui luật ảnh hưởng của một số thông số đến chất lượng sản phẩm và chi phí điện năng riêng trong quá trình tiện mặt đầu Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm giải bài toán tối ưu để xác định chế độ sử dụng hợp

lý của máy tiện Bemato BMT1440E

2.3 Đối tượng nghiên cứu

2.3.1 Cấu tạo của máy tiện B emato BMT 1440E

Máy tiện Bemato BMT1440E là loại máy tiện vạn năng xuất xứ từ Đài Loan, hình ảnh máy tiện Bemato BMT1440E được thể hiện trên hình 2.1

Hình 2.1: Máy tiện vạn năng Bemato BMT1440E

2.3.2 Thông số kỹ thuật của máy tiện bemato BMT1440E

Bảng 2.1 Bảng thông số kỹ thuật của máy tiện Bemato1440E

3 Đường kính quay trên bàn dao 250mm

13 Dịch chuyển ống ụ động 110mm

Mặt cắt 1 là mặt phẳng đi qua lưỡi cắt chính và vectơ tốc độ của một điểm bất kỳ (điểm A) Tốc độ cắt được gọi là tốc độ dịch chuyển tương đối của lưỡi cắt

so với chi tiết gia công

Mặt phẳng đáy 2 là mặt phẳng vuông góc với vectơ tốc độ cắt Khi xem xét các góc của dao tiện ở trạng thái tĩnh thì tốc độ cắt hay vectơ tốc độ cắt là khái niệm giả định bởi vì không có chuyển động các loại dụng cụ trong quá trình cắt Chúng được dùng để xác định các góc cắt của dao tiện và của tất cả các dụng cụ trong quá trình cắt

Mặt cắt chính A-A là mặt phẳng vuông góc với hình chiếu của lưỡi cắt chính trên mặt phẳng đáy, còn mặt cắt phụ B-B là mặt phẳng vuông góc với hình chiếu của lưỡi cắt phụ trên mặt phẳng đáy

Các góc được đo trong mặt cắt chính gọi là các góc chính, còn các góc được

đo trong mặt cắt phụ được gọi là các góc phụ Các góc này được định nghĩa như sau:

Góc sau chính α là góc giữa tiếp tuyến với mặt sau chính tại điểm quan sát và mặt phẳng cắt Cần có góc sau để giảm ma sát giữa mặt sau của dao và mặt của chi tiết gia công Góc sau thường lấy trong khoảng 60

÷ 120 Góc trước γ là góc trước của dao và mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng cắt

đi qua lưỡi cắt chính của dao Góc này cần có để giảm lực cắt, đồng thời giảm ma sát giữa phoi và mặt trước của dao Khi gia công kim loại dẻo, góc γ thường lấy trong khoảng 100 ÷ 200 hoặc lớn hơn Khi gia công thép, đặc biệt khi dao làm bằng hợp kim cứng, góc γ thường lấy bằng 0 hoặc trị số âm Còn khi gia công bằng các dao định hình (dao tiện định hình, dao phay định hình, dao phay ren, dụng cụ cắt răng,…) góc trước γ phải bằng 0 hoặc rất nhỏ (20 ÷ 40)

Góc sắc β là góc giữa mặt trước và mặt sau chính của dao Độ bền phần làm việc của dao phụ thuộc vào góc này

Góc cắt δ là góc giữa mặt trước của dao và mặt phẳng cắt

Các góc phụ của dao như α1, γ1đo trong mặt cắt phụ và cũng được xác định tương tự như các góc chính của dao (hình 2.6a)

Góc nghiên chính φ là góc giữa hình chiếu của lưỡi cắt chính trên mặt đáy và chiều chạy dao

Góc nghiên phụ φ1 là góc giữa hình chiếu của lưỡi cắt phụ trên mặt đáy và chiều ngược với phương chạy dao

Góc đỉnh dao ε là góc giữa các hình chiếu của lưỡi cắt chính và phụ trên mặt phẳng đáy

Giữa các góc α, γ, δ và β có mối quan hệ sau: δ + γ = 900 và α +β + γ = 900nếu góc γ dương, còn nếu góc γ âm ta có: δ – γ = 900

Góc nghiêng của lưỡi cắt chính λ là góc lưỡi cắt chính và đường thẳng đi qua đỉnh dao song song với mặt phẳng đáy 4 (hình 2.3a)

Hình 2.3 Góc nghiêng λ của lưỡi cắt chính

1, 2 – lưỡi cắt chính; 3,4 – mặt cắt và mặt phẳng đáy

Góc λ được đo trong mặt phẳng đi qua lưỡi cắt chính vuông góc với mặt phẳng đáy (hình 2.7a), có nghĩa là, trong mặt cắt 3 và có thể bằng 0, âm hoặc dương (hình 2.7b) Góc λ xác định hướng thoát phoi Khi λ = 0 phoi thoát theo hướng vuông góc với lưỡi cắt chính, khi λ >0 phoi thoát theo hướng bề mặt đã gia công, còn khi λ <0 phoi thoát theo hướng bề mặt đang gia công

Nếu lưỡi cắt chính song song với mặt phẳng đáy thì góc λ = 0, nếu đỉnh dao là điểm cao nhất của lưỡi cắt chính thì góc λ <0, còn nếu đỉnh dao là điểm thấp nhất của lưỡi cắt chính thì góc λ >0

Tất cả các góc trên đây của dao được xác định trong những điều kiện sau đây:

 Đỉnh dao được gá trên tâm quay của chi tiết gia công

 Tâm hình học của thân dao được gá vuông góc với tâm quay của chi tiết gia công

Nếu hai điều kiện trên đây không được thỏa mãn thì các góc sẽ thay đổi

2.3.4 Đối tượng gia công

Đối tượng gia công là thép C45, công nghệ tiện là tiện mặt đầu

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Dựa vào lý thuyết: " Nguyên lý và dụng cụ cắt" [6], [15], [16], để tính toán lực tác dụng của phôi lên các phần tử cắt, lập công thức tính lực cắt trong quá trình tiện, phân tích ảnh hưởng của các yếu tố đến lực cắt và chất lượng chế độ gia công hợp lý trên máy tiện

2.4.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

- Sử dụng phương pháp nghiên cứu qui hoạch thực nghiệm để xác định hàm mục tiêu, trên cơ sở đó thiết lập được tương quan giữa hàm mục tiêu với tham số ảnh hưởng

- Sử dụng phương pháp giải bài toán tối ưu để tìm ra chế độ sử dụng hợp lý của máy tiện

2.4.2.1 Phương pháp qui hoạch thực nghiệm

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm là cơ sở lý luận của nghiên cứu thực nghiệm hiện đại có nhiều ưu điểm, trong đó công cụ toán học giữ vai trò tích cực

Cơ sở toán học của lý thuyết quy hoạch thực nghiệm là toán học thống kê với hai lĩnh vực quan trọng là phân tích phương sai và phân tích hồi qui 14 Nội dung của phương pháp quy hoạch thực nghiệm được trình bày trong các tài liệu 9, [10], [14], dưới đây chỉ ứng dụng phương pháp này vào bài toán cụ thể

a) Xác định mô hình toán học

Hàm mục tiêu được biểu thị bằng mô hình toán học là phương trình hồi qui bậc

2 dạng tổng quát như sau [10], 14

i k

i

k

i j ij k

1 1 1

1

1

2 1

.

bi = e iu u

N

1u

YX

K

i N

u iu

N

1 2

1 1 2

1

Trong đó: k - số yếu tố ảnh hưởng; b0, bi, bij, bii - hệ số hồi qui

j = i+1 ; N - số thí nghiệm; i - chỉ số của yếu tố

b) Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai

Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai theo tiêu chuẩn Kokhren

Gtt = S2m / 



N 1 u

Trong đó: S2

m - phương sai lớn nhất trong tổng số thí nghiệm;

S2u - phương sai thực nghiệm thứ n với số lần lặp lại mu

S2u =  2

1

.1

u ui u

Y Y

y m u

Nếu Gtt < Gtb thì giả thiết H0 không mâu thuẫn với số liệu thí nghiệm, phương sai ở các thí nghiệm coi là đồng nhất cường độ nhiễu là ổn định khi thay đổi các thông số thí nghiệm

c) Kiểm tra giá trị có nghĩa của hệ số hồi qui

Các hệ số hồi qui b0; bi; bij; bii của phương trình (2.1) được kiểm tra mức ý nghĩa theo tiêu chuẩn Student: ti = bi / Sbi

Trong đó: Sbi - Phương sai của hệ số hồi qui, các hệ số chỉ có nghĩa khi ti > tb,trong đó tb giá trị tra bảng theo tiêu chuẩn Student

d) Kiểm tra tính tương thích của phương trình hồi qui

Sau khi kiểm tra giá trị có ý nghĩa của hệ số hồi qui ta được phương trình hồi qui thực nghiệm và chúng cần phải được kiểm tra theo tiêu chuẩn Fisher:

2

2

e tt S

S

N 1

2

1

Sau khi xác định được tiêu chuẩn Fisher theo công thức (2.5) so sánh giá trị tra bảng Fb, nếu Ftt < Fb, thì mô hình tương thích và ngược lại mô hình không tương thích

e) Kiểm tra khả năng làm việc của mô hình hồi qui

Mô hình hồi qui được xây dựng nhằm mục đích dự báo giá trị hàm Y tại các toạ độ được quan sát, phép kiểm tra để khẳng định mô hình có thực sự phản ánh ảnh hưởng của các yếu tố đến hàm mục tiêu hay không Mô hình có khả năng làm việc

khi giá trị dự báo Y ở toạ độ nào đó là chính xác có sai số nhỏ hơn ít nhất hai lần so với việc gán cho toạ độ đó có giá trị trung bình Ytính theo toàn bộ thí nghiệm

u

m u

N

YNm

Y

1

1 1

11

Để đánh giá khả năng làm việc của mô hình dùng hệ số đơn định (R2) và được tính theo công thức:

2 e 2

u

2 e 2

2

S 1 m N Y

Y m

S 1 m N S k N m 1 R

) (

) (

) (

)

Mô hình có khả năng làm việc khi R2 0,75

f) Chuyển phương trình hồi qui về dạng thực

Để mô tả sự ảnh hưởng của các tham số đầu vào đến chỉ tiêu nghiên cứu cần đưa phương trình hồi qui về dạng thực với các biến là các thông số tự nhiên

j i ij n

Các hệ số hồi qui a0; ai; ạji được xác định theo hệ số hồi qui dạng mã

j i ij n

1 1

b a





i ii n

ij

X b b b

0 2 1

1

1

 

ij ij

b.a





 (i  j )

Xi là giá trị thực của tham số đầu vào

2.4.2.2 Phương pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu

Từ mục tiêu của đề tài đặt ra ta có bài toán tối ưu đa mục tiêu như sau:

Ra = f1(;S;t) min

Nr= f2(;S;t) min

(2.7)

min max ; Smin  S  Smax ; tmin  t  tmax (2.8)

Với: ; S; t – Góc nghiêng chính, lượng ăn dao và chiều sâu cắt của máy tiện, đây là thông số tối ưu cần tìm

Ra; Nr - Độ nhám bề mặt sản phẩm và chi phí điện năng riêng, đây là hàm mục tiêu cần đạt được Ta có bài toán tối ưu với 2 mục tiêu:

Phương pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu này đã được tổng kết trong tài liệu thông tin khoa học kỹ thuật Lâm nghiệp số 6 năm 1997, [3] Ta cần phân tích nội dung và cách giải theo các phương pháp đã nêu để chọn phương pháp thích hợp cho bài toán đặt ra Bài toán tối ưu đa mục tiêu được chuyển về bài toán một mục tiêu qua một phiếm hàm mục tiêu F(xi) min nào đó, cùng với các ràng buộc và điều kiện biên (2.8) Có các phương pháp chuyển như sau:

a) Phương pháp thứ tự ưu tiên

Đây là phương pháp đầu tiên (theo lịch sử của bài toán) Nội dung là trong số các mục tiêu dạng (2.7) chỉ chọn lấy một chỉ tiêu quan trọng nhất, chủ yếu nhất (theo một quan điểm nào đó), còn các chỉ tiêu khác được coi như những điều kiện giới hạn Bài toán dẫn đến việc tìm cực trị của một chỉ tiêu trong khi đảm bảo các giá trị giới hạn của các chỉ tiêu còn lại (bài toán tối ưu có điều kiện)

c) Phương pháp trao đổi giá trị phụ (Phương pháp nhân tử Lagrăngiơ)

Phương pháp trao đổi giá trị phụ do Haimes đề xướng vào năm 1955 và được

sử dụng để giải các bài toán tối ưu đa mục tiêu Theo Haimes bài toán tối ưu đa mục tiêu được đưa về bài toán một mục tiêu như sau:

Y1 min Với Yj(xi) < , j = 1, 2, , m

Và hàm mục tiêu được biểu diễn qua phiếm hàm Lagrăngiơ dạng tổng:

F(x, ) = Y1(x) + ji j j

j

m

Y x[ ( ) ]



 j  1 (2.10) Trong đó ji - Gọi là nhân tử Lagrăngiơ, có ý nghĩa như hàm trao đổi

- Xác định giá trị cực tiểu của từng hàm mục tiêu: Ramin; Nrmin

R





min 2

Nr

Nr



 (2.11)

- Lập hàm tỷ lệ tối ưu tổng quát:  = 1+ 2 (2.12)

- Xác định giá trị ; S; t, để tối ưu hàm tổng quát đạt giá trị cực tiểu

- Thay các giá trị ; S; t vào các hàm tỷ lệ tối ưu 1; 2

- Nếu 1+ 2 = min thì giá trị ; S; t, là các giá trị cực trị cần tìm

- Thay ; s; t vào hàm Ra và Nr tìm được giá trị tối ưu của hàm mục tiêu

Nhận xét: Đối với bài toán xác định góc nghiêng chính, lượng chạy dao và chiều

sâu cắt khi tiện mặt đầu trên máy tiện Bemato BMT 1440E để độ nhám bề mặt gia công và chi phí điện năng riêng là nhỏ nhất, như vậy hai hàm mục tiêu càng nhỏ càng tốt, do vậy chúng tôi lựa chọn phương pháp giải bài toán tối ưu bằng phương pháp hàm tổng quát

Hình 3.1 Sơ đồ tác dụng của lực khi cắt tự do

Mặt trước của dao chịu tác dụng của lực R0, lực R0 là tổng hợp lực pháp tuyến

N và lực ma sát của phoi lên mặt trước F0, có nghĩa là, R0 =N + F0 Mặt sau của dao (gần lưỡi cắt) chịu tác dụng của lực pháp tuyến N’ và lực ma sát lên mặt sau của dao F0’ Tổng hợp lực của hai lực N’ và F0’ là R1 Vì góc α nhỏ và không có độ mòn ở mặt sau của dao, cho nên ta có thể tính lực như trên hình 3.1b, có nghĩa là, phương của lực F0’ ngược với phương của tốc độ cắt V Để thực hiện được quá

trình cắt hoặc để giữ trạng thái cân bằng của dao thì từ ngoài phải có một lực tác dụng lên dao: R 

Phân tích lực R tác dụng lên dao ra hai thành phần:

 Thành phần lực PZ theo phương chuyển động chính hoặc theo phương dịch chuyển của dao và ta gọi PZ là lực tiếp tuyến

 Thành phần lực PY theo phương trùng với đường tâm dao và ta gọi PY là

lực hướng kính Khi chiếu các lực tác dụng lên phương của trục y và trục z ta được:

m- số mũ của K (phụ thuộc vào vật liệu gia công)

Ngoài hai thành phần lực PZ và PY còn có thêm thành phần lực PX (lực tác dụng theo phương dọc trục chi tiết)

Tương quan của các thành phần lực này trong điều kiện gia công bình thường

có thể được tính như sau:

3.2 Cơ sở lý thuyết quá trình tiện

3.2.1 Các yếu tố chế độ cắt

Quá trình tiện được thực hiện khi phôi tiện được kẹp chặt trên mâm cặp và quay với vận tốc là V, dao tiện dịch chuyển theo chiều dọc hoặc chạy ngang với lượng chạy dao S và ăn sâu vào phôi với chiều sâu cắt là t ( hình 3.2)

Quá trình tiện có 3 yếu tố chế độ cắt bao gồm: Vận tốc cắt ký hiệu là V, lượng chạy dao ký hiệu là S và chiều sâu cắt ký hiệu là t

Hình 3.2 Các yếu tố lớp cắt khi tiện a) Các yếu tố chế độ cắt; b) Chạy dao dọc; c) Chạy dao ngang

Sm- Lượng chạy dao phút (mm/phút)

n - Số vòng quay phôi (vòng/phút)

- Chiều sâu cắt t (mm): Chiều sâu cắt t được gọi là khoảng cách giữa bề mặt

đang gia công và bề mặt đã gia công, được đo theo phương vuông góc với bề mặt

đã gia công Chiều sâu cắt luôn luôn vuông góc với phương chạy dao (hình 3.3)

Chiều sâu cắt được tính bằng mm

Hình 3.3 Sơ đồ tính chiều sâu cắt và lượng chạy dao

3.2.2 Chiều dày, bề rộng và tiết diện lớp cắt

Ngoài tốc độ cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt đối với các yếu tố chế độ

cắt còn phải kể đến chiều dày a và bề rộng b của lớp cắt (xem hình 3.2; 3.4) Các

đại lượng a và b không phải là chiều dày và bề rộng của lớp phoi được cắt mà là

kích thước của lớp cắt trước khi tạo thành phoi Kích thước của phoi có nghĩa là của

lớp kim loại được cắt sẽ khác, đặc biệt là chiều dày của nó Điều này được giải thích

rằng, lớp cắt bị biến dạng dẻo, do đó chiều dài của phoi bị ngắn lại so với lớp kim

loại được bóc ra nhưng chiều dày của nó theo tiết diện ngang lại tăng lên

Chiều dày lớp cắt a được đo theo phương vuông góc với lưỡi cắt chính, còn bề rộng lớp cắt b được đo theo lưỡi cắt chính Các thông số a và b được tính theo mm Giữa chiều dày lớp cắt a và lượng chạy dao s cũng như giữa chiều sâu cắt t và bề rộng cắt b tồn tại một quan hệ xác định Từ tam giác vuông KLN (hình 3.4) ta có:

- Chiều dày cắt a: a = S.sin (mm) (3.9)

- Diện tích cắt: F = a.b = S.t (mm2) (3.11)

Từ các công thức (3.9); (3.10) và (3.11) và từ các sơ đồ trên hình 3.4 ta thấy cùng một lượng chạy dao S và chiều sâu cắt t khi góc nghiêng chính φ tăng thì chiều dày lớp cắt a tăng, còn bề rộng lớp cắt b giảm

Chiều sâu cắt t và lượng chạy dao S đặc trưng cho quá trình cắt ở khía cạnh công nghệ, vì vậy chúng được gọi là yếu tố công nghệ của chế độ cắt Chiều dày và

bề rộng lớp cắt đặc trưng cho khía cạnh vật lý của quá trình cắt, vì vậy chúng được gọi là các yếu tố vật lý của chế độ cắt

Hình 3.4 Hình dạng tiết diện ngang của lớp cắt khi gia công bằng các dao có

mặt sau trượt lên bề mặt đang gia công tạo ra các lực ma sát Lực chống lại lực biến dạng và ma sát tác dụng lên dao là lực cắt Hợp các lực tác dụng lên mặt trước theo hướng pháp tuyến với mặt trước là N1 và theo tiếp tuyến với mặt trước là F1 Hợp hai lực tác dụng lên mặt trước là lực Q1= N1+F1 (hình 3.5)

Hình 3.5 Sơ đồ lực tác dụng lên lưỡi cắt của dao tiện Hợp các lực tác dụng lên mặt sau theo hướng pháp tuyến là N2, theo hướng tiếp tuyến là F2 Hợp hai lực N2 và F2 là lực Q2 tác dụng lên mặt sau:

2

Hợp hai lực Q1 và Q2 ta có lực R R là lực cắt khi tiện

Trong quá trình cắt, lực R R là lực cắt khi tiện

Trong quá trình cắt, lực R không cố định về giá trị và về phương lực Thực

tế lực Q2 nhỏ hơn lực Q1 rất nhiều

3.2.3.2 Các thành phần lực cắt khi tiện

Trong điều kiện cắt không tự do, khi tiện tổng hợp lực cắt R được chi ra ba lực thành phần (hình 3.6): PZ – lực tiếp tuyến (lực cắt chính) tác dụng theo hướng của chuyển động chính của máy; PY – lực hướng kính tác dụng trong mặt phẳng nằm ngang vuông góc với đường tâm của chi tiết; PX – lực chạy dao (lực dọc trục), tác dụng song song với đường kính tâm của chi tiết, ngược chiều với phương chạy dao

P Y

P Z

S

n

a b

Hình 3.6 Sơ đồ các thành phần lực cắt khi tiện

- Lực tiếp tuyến Pz, hướng theo phương của chuyển động cắt chính Mc (v c ) Thành phần này được dùng để tính sức bền dao, máy và công suất của động cơ Thành phần Pz, còn được gọi là lực cắt chính khi tiện (hình 3.6)

- Lực hướng kính Py, hướng theo phương vuông góc với trục chi tiết (hình 3.6) Thành phần Py sẽ gây ra độ võng cho chi tiết và ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác chi tiết

- Lực chạy dao Px tác dụng theo phương chuyển động chạy dao (hình 3.6) Lực này được dùng để tính sức bền của cơ cấu chạy dao và công suất của động cơ chạy dao Thành phần lực này trong quá trình cắt phải nhỏ hơn lực cho phép [Pm] của cơ cấu chạy dao

Khi biết lực cắt có thể xác định công suất cần thiết để thực hiện quá trình cắt Công suất này được gọi là công suất hữu ích bởi vì nó không phải dùng để thắng lực