Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
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 KLS-1340A, KSL-1440, KLS- 180G, KLS-2280C … , 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 … có đường kính trục chính 1.56 6inch, công suất động cơ 3 30HP, tốc độ trục chính 40 2000 vòng/phút, [23], [25], [26].
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, [27].
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 dao từ 3000 v/phút 6000 v/phút, công suất động cơ 22kw, [33].
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, [29]
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, [35], [39].
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 chính 625v/phút 2500v/phút, công suất động cơ chính 26kw, [30], [37].
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, [34]
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 đầu 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, [36].
Vào thập kỷ 70 của thế kỷ XX, 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, [45]
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), [41], [42].
Anokhina A.H. đã thực hiện việc nghiên cứu nâng cao chất lượng bề mặt gia công khi tiện vật 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 gọt 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 …
Nghiên cứu hoàn thiện chế độ cắt gọt khi gia công các chi tiết ở trong công trình [40] . 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, [46], [47].
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.