Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố chế độ cắt đến chi phí năng lượng riêng và chất lượng bề mặt gia công trên máy phay x6332z

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
------------------------

LÊ ĐỨC MẬU

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ
CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG RIÊNG VÀ CHẤT
LƯỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY X6332Z

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
------------------------

LÊ ĐỨC MẬU

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ
CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG RIÊNG VÀ CHẤT
LƯỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY X6332Z

Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hoá nông lâm nghiệp
Mã Số: 60.52.14

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. HOÀNG VIỆT

Hà Nội - 2012


i

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được bản luận văn này, trong suốt thời gian qua tôi đã
nhận được sự quan tâm, giúp đỡ của nhiều tập thể và cá nhân. Nhân dịp này
cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới thầy giáo
hướng dẫn khoa học TS. Hoàng Việt đã dành nhiều thời gian chỉ bảo tận tình
và cung cấp nhiều tài liệu có giá trị cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận
văn tốt nghiệp của mình.
Tôi trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu cùng cán bộ giáo viên, công nhân
viên chức Trường Đại học Lâm nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi
nhất để tôi hoàn thành nhiệm vụ;
Chân thành cảm ơn lãnh đạo trường Cao đẳng nghề LILAMA.1, nơi tôi
công tác, đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho chúng tôi tiến hành
thí nghiệm, khảo nghiệm máy và ứng dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất.
Tôi trân trọng cảm ơn CBVC Công ty cổ phần cơ khí lắp máy LILAMA,
Ninh Bình, Trung tâm thực nghiệm Khoa Cơ khí chế tạo- Trường cao đẳng
nghề cơ giới Ninh Bình, cùng các đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ, đóng
góp những ý kiến bổ ích trong việc gia công khảo nghiệm thực tế, hoàn thiện

các kết quả luận văn.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Những nội dung tham khảo, trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ
nguồn gốc.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày 12 tháng 08 năm 2012
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Lê Đức Mậu


ii

MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn ......................................................................................................... i
Mục lục .............................................................................................................. ii
Danh mục các chữ viết tắt ................................................................................ iv
Danh mục các ký hiệu sử dụng trong luận văn ................................................ iv
Danh mục các bảng ......................................................................................... vii
Danh mục các hình ......................................................................................... viii
ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................................1
Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ...............................................3

1.1. Tình hình nghiên cứu gia công cắt gọt bằng phương pháp phay và máy
phay trên thế giới ........................................................................................... 3
1.2. Công nghệ và thiết bị gia công phay trong sản xuất ở Việt Nam.......... 8
1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của vấn đề nghiên cứu ......................... 12

Chương 2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG
PHÁP NGHIÊN CỨU .............................................................................................13

2.1. Mu ̣c tiêu nghiên cứu ............................................................................. 13
2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................ 13
2.3. Nội dung/ nhiệm vụ nghiên cứu ........................................................... 14
2.4. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 14
2.4.1. Các phương pháp nghiên cứu chung ............................................. 14
2.4.2. Nội dung và phương pháp luận nghiên cứu thực nhiệm ................ 16
Chương 3 CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................29

3.1. Khả năng công nghệ và các thông số kỹ thuật của máy phay X6332Z 29
3.2. Động học và động lực học quá trình phay ............................................ 30
3.2.1. Động học của quá trình phay ......................................................... 30
3.2.2. Động lực học của quá trình cắt...................................................... 35


iii

3.3. Các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến chỉ tiêu chi phí năng lượng riêng ... 40
3.4.1. Chất lượng bề mặt gia công ........................................................... 42
3.4.2. Độ nhám bề mặt gia công .............................................................. 44
3.4.3. Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt gia công ............................ 45
3.4.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công .................... 47
Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ....................................52

4.1. Mục tiêu thực nghiệm và các tham số điều khiển ................................ 52
4.1.1. Mục tiêu thực nghiệm ..................................................................... 52
4.1.2. Các tham số điều khiển và khoảng giới hạn của chúng................. 52
4.2. Thiết bị đo và phương pháp đo ............................................................. 53

4.3. Kết quả thực nghiệm đơn yếu tố........................................................... 54
4.3.1. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến chi phí năng lượng riêng và độ
nhám bề mặt ............................................................................................. 54
4.3.2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến chi phí năng lượng riêng và độ
nhám bề mặt ............................................................................................. 57
4.4. Kết quả thực nghiệm đa yếu tố ............................................................. 62
4.4.1. Mã hóa các yếu tố ảnh hưởng và ma trận kế hoạch thí nghiệm .... 62
4.4.2. Xác định mô hình toán của hàm chi phí năng lượng riêng N r ...... 63
4.4.3. Xác định mô hình toán của hàm độ nhám bề mặt Ra .................... 65
4.4.4. Chuyển phương trình hồi quy của các hàm mục tiêu về dạng thực
.................................................................................................................. 66
4.4.5. Xác định giá trị tối ưu của các thông số V, S.............................. 67
4.4.6. Gia công chi tiết với các thông số tối ưu V, S ................................ 69
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................71
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
X6332Z

Mã hiệu máy phay

CNC

Máy gia công cắt gọt điều khiển số

MAC

Hãng sản xuất máy công cụ của Đức

PDM-600

Mã hiệu máy phay CNC của Đức

KDVM1000L

Mã hiệu máy phay CNC của Nhật

OPT

Phần mềm xử lí số liệu

TCVN 2511-95

Tiêu chuẩn Việt Nam

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
Ký hiệu

Tên gọi

Đơn vị

Ra

Sai lệch profin trung bình cộng (độ nhám bề mặt)

µm

Rz

Chiều cao nhấp nhô của profin theo mười điểm

µm

Δsm

Sai lệch độ song song của mặt phẳng chi tiết gia công

µm

V = Vn

Vận tốc cắt

m/ph

Sz

Lượng chạy dao răng

mm/răng

Sv

Lượng chạy dao vòng

mm/vòng

Sph

Lượng chạy dao phút

mm/ph

Chiều sâu phay và chiều sâu cắt

mm

Z

Số răng dao phay

răng

ω

Góc nghiêng của lưỡi cắt dao phay trụ răng xoắn



Góc giữa hai răng kề nhau

t = t0

độ
radian

γ1 ; α

Góc trước và góc sau đo trong tiết diện mặt đầu

độ

γ ; αn

Góc trước và góc sau đo trong tiết diện pháp A-A

độ

D

Đường kính của dao phay trụ răng xoắn

mm

h

Chiều cao của răng dao phay trụ răng xoắn

mm

f

Chiều rộng mặt sau của dao phay trụ răng xoắn

mm

v

A-A
Tv

Tiết diện pháp của dao phay trụ răng xoắn
Khoảng cách giữa hai răng kề nhau đo theo cung

mm

tròn đường kính D:
Ttr

Bước chiều trục của dao

mm

Tn

Bước pháp tuyến đo trong tiết diện pháp A-A

mm

Q

Lực tổng tác dụng lên răng xoắn

kN

P

Phản lực cắt của dao

kN

Pz, Px, Py Hệ thống lực cắt của dao theo hướng tiếp tuyến,

kN

pháp tuyến và theo chiều trục của dao.
Pztb

Lực vòng trung bình

kN

ΔLd

Độ giãn dài của dao

µm

Nc

Công suất cắt

kW

J

Độ cứng vững của hệ thống công nghệ

Phk

Lực tác dụng theo phương hướng kính của bề mặt

kN/m
kN

gia công
σb

Giới hạn bền của vật liệu gia công

Ld

chiều dài công xôn của dao

mm

F

Tiết diện của dao cắt

mm2

xmax

Trị số thu thập lớn nhất của đại lượng nghiên cứu

xmin

Trị số thu thập bé nhất của đại lượng nghiên cứu

x

Sai số trung bình mẫu

S

Sai tiêu chuẩn

S2

Phương sai mẫu

S%

Hệ số biến động

R

Phạm vi biến động

Sk

Độ lệch

Ek

Độ nhọn phân bố

χn 2

Xác định luật phân bố

χtt2

Tiêu chuẩn tính toán

kG/mm2


vi

χ2 b

Tiêu chuẩn bảng

∆%

Sai số tương đối

Y

S 2max

Giá trị trung bình của đại lượng nghiên cứu.

Phương sai lớn nhất trong N thí nghiệm

S 2u

Phương sai của thí nghiệm thứ u với số lần lặp lại mu

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

S 2y

Phương sai do sự thay đổi thông số vào X gây nên

Se2

Ước lượng phương sai do nhiễu thực nghiệm gây ra

Y0

Giá trị trung bình chung của thông số ra tính cho
toàn bộ thực nghiệm:

K*

Số hệ số hồi quy có nghĩa

ˆ
Y
u

Giá trị của đối số Y

K

Số các yếu tố ảnh hưởng

1; 2

Các hàm tỷ lệ tối ưu



Hàm tối ưu tổng quát

nct

Dung lươ ̣ng mẫu cần thiế t

τ

Chỉ tiêu Student

Gtt

Giá trị tính toán

Gb

Giá trị thống kê chuẩn Kohren


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Tên bảng

TT
4.1

4.2

4.3

4.4

Trang

Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm chi phí năng lượng
riêng khi vận tốc cắt thay đổi

54

Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm độ nhám bề mặt khi
vận tốc cắt thay đổi

56

Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm chi phí năng lượng
riêng khi lượng chạy dao thay đổi

58

Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm độ nhám bề mặt khi
lượng chạy dao thay đổi

60

4.5

Giá trị mã hóa của X1, X2

62

4.6

Ma trận thí nghiệm kế hoạch trung tâm hợp thành

63


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH
TT

Tên hình

Trang

1.1 Máy phay CNC PDM-600

7

1.2 Máy phay CNC KDVM 1000L

7

3.1 Máy phay X6332Z

29

3.2 Các dạng dao phay thông dụng

30

3.3 Thành phần kết cấu của dao phay trụ răng xoắn

31

3.4 Quỹ đạo lưỡi cắt và vận tốc cắt khi phay

34

3.5 Hệ thống lực cắt khi phay

36

3.6 Thành phần lực khi phay bằng dao phay trụ răng xoắn

38

3.7 Các dạng bề mặt gia công

43

3.8 Độ nhám bề mặt

44

4.1 Đồ thị ảnh hưởng của vận tốc cắt đến chi phí năng lượng riêng

55

4.2 Đồ thị ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt

57

4.3 Đồ thị ảnh hưởng của lượng chạy dao S đến chi phí năng
lượng riêng Nr
4.4 Đồ thị ảnh hưởng của lượng chạy dao S đến độ nhám bề mặt Ra

59
61

4.5 Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đối với chi phí
năng lượng riêng Nr

64

4.6 Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đối với hàm độ
nhám bề mặt

66


1

ĐẶT VẤN ĐỀ
Chế tạo máy nói chung, lắp đặt máy nói riêng là lĩnh vực quan trọng của
nền kinh tế quốc dân. Phạm vi sử dụng sản phẩm của ngành chế tạo máy rất
rộng rãi. Trong xu thế toàn cầu hóa, để nâng cao sức cạnh tranh trong quá
trình hội nhập chúng ta cần phát triển sản xuất theo hướng tối giảm chi phí gia
công trên cơ sở đảm bảo và nâng cao chất lượng sản phẩm.
Tối ưu hóa quá trình sản xuất là một công cụ hữu hiệu để đạt được mục
tiêu đó. Tuy nhiên tối ưu hóa toàn bộ quá trình sản xuất nói chung, trong chế
tạo cơ khí nói riêng là một bài toán rất lớn và chỉ có thể giải quyết được sau
khi đã thực hiện được nhiệm vụ tối ưu hóa các nguyên công của quá trình gia
công cơ.
Nghiên cứu tối ưu hóa nguyên công chẳng những nâng cao hiệu quả
kinh tế - kỹ thuật của từng nguyên công mà còn tạo ra các dữ liệu quan trọng
phục vụ việc tự động hóa quá trình chuẩn bị công nghệ, rút ngắn thời gian và

khối lượng lao động khi chuẩn bị sản xuất, đồng thời còn tạo ra các điều kiện
cơ bản cho việc điều khiển nguyên công tiến tới tự động hóa quá trình sản
xuất.
Khi tố i ưu hoá các chế đô ̣ của các quá trình công nghê ̣, cũng như các
chế đô ̣ làm viê ̣c của máy gia công sẽ diễn ra viêc̣ giải nhiề u bài toán. Một
trong những vấn đề mấu chốt cần phải giải quyết để nâng cao hiệu quả kinh tế
- kỹ thuật của quá trình gia công chế tạo cơ khí là phải xác định được chế độ
cắt tối ưu cho từng nguyên công khác nhau trong từng điều kiện sản xuất cụ
thể.
Máy phay X6332Z là thiết bị chủ đạo phục vụ đào tạo và sản xuất tại
Trường Cao đẳng nghề LILAMA.1, máy với tính năng gia công các mặt
phẳng, các mặt định hình, các mặt xoắn ren… Tuy nhiên quá trình gia công
sản xuất các chi tiết, sản phẩm cơ khí và chuyển giao công nghệ ở các cơ sở


2

còn có nhiều bất cập như chất lượng, năng suất thấp, giá thành cao làm hạn
chế tính cạnh tranh của sản phẩm, gây không ít khó khăn trong khâu tiêu thụ.
Có nhiều nguyên nhân làm cho chi phí sản xuất cao, chất lượng sản phẩm
thấp nhưng trong đó có nguyên nhân chính là chưa có nghiên cứu tạo lập cơ
sở khoa học xác định ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng gia công, chưa
đề cập đến mô hình toán học bài toán tối ưu hóa qúa trình và nghiên cứu sử
dụng hiệu quả thiết bị trong điều kiện gia công vật liệu, sản phẩm cụ thể.
Hơn nữa, công nghệ sản xuất không ngừng phát triển và đổi mới. Nhiều
vấn đề từ thực tiễn sản xuất trong nước đang đặt ra: Với qui mô sản xuất vừa
và nhỏ loại hình thiết bị nào là phù hợp? Hầu hết các thiết bị được nhập từ
nước ngoài, thiếu nhiều tài liệu sử dụng, vậy để có được năng suất, chất lượng
và giá thành sản phẩm gia công tối ưu cần giải quyết nhiệm vụ cụ thể nào?
Xuất phát từ những yêu cầu thực tiễn nêu trên, được sự đồng ý của Hội

đồng Khoa học - Công nghệ cơ sở đào tạo Sau đại học trường Đại học Lâm
Nghiệp, chúng tôi tiến hành thực hiện luận văn tốt nghiệp với đề tài "Nghiên
cứu ảnh hưởng của một số yếu tố chế độ cắt đến chi phí năng lưọng riêng
và chất lượng bề mặt gia công trên máy phay X6332Z ”. Kết quả nghiên cứu
của đề tài sẽ là tài liệu cần thiết cho tính toán thiết kế, cải tiến và sử dụng hiệu
quả các thiết bị phục vụ đào tạo cán bộ kỹ thuật và thực tiễn sản xuất, góp
phần nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất.


3

Chương 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tình hình nghiên cứu gia công cắt gọt bằng phương pháp phay và
máy phay trên thế giới
Phay là phương pháp gia công cắt gọt trong đó dụng cụ cắt quay tròn
tạo ra chuyển động cắt. Chuyển động tiến dao thông thường do máy, cũng có
khi do dao hoặc do cả máy và dao cùng thực hiện theo các hướng khác nhau.
Theo nguyên liệu và sản phẩm được gia công các hướng nghiên cứu đã phân
ra gia công kim loại và gia công vật liệu phi kim loại.
Gia công kim loại bằng phương pháp phay được dùng rộng rãi ở các
nước công nghiệp phát triển từ nửa sau thế kỷ 19. Từ đó đến nay, trải qua một
thời kỳ dài phát triển, quá trình phay - quá trình gia công bằng cơ học - một
trong những quá trình chế tạo sản phẩm thông dụng nhất của ngành chế ta ̣o
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 (Liên Xô cũ) như giáo
sư viện sĩ V.A. Arsinop, giáo sư G.C. Andrev, V.F. Bobrov, C.H. Philonenko,
Iacố p Bachisep, Paven Dakhaba, Lép Sôbakin, các nhà bác ho ̣c Mỹ như
Boston O.W., Ernst H., Merchant M.E.,…

Lý thuyết cắt gọt kim loa ̣i đi sâu nghiên cứu về qúa trình tạo phoi, các
lực phát sinh trong quá trình gia công bằng cơ giới, công suất của thiết bị,
chất lượng sản phẩm khi gia công… những đại lượng này rất cần thiết, chúng
làm cơ sở cho việc lựa chọn hình dáng, tính toán kích thước của các công cụ
cắt, tính toán thiết kế và sử dụng hợp lý các thiết bị và các công cụ gia công.
Nhiều công trình đi sâu nghiên cứu cắt gọt chuyên dùng như: phay, tiện
của G.C. Andrev, A.V. Rudnev, V.F. Bobrov; cơ sở lý thuyết mài nhẵn của E.
H. Maclov… đã đưa ra những phân tích cụ thể về động học các quá trình cắt


4

gọt. Đó là những công trình lớn bao gồm các vấn đề về lý thuyết và những
kinh nghiệm thực tế trong gia công kim loại mà trên thế giới lúc đó ít có công
trình nghiên cứu tương tự nào ra đời.
Vào thập kỷ 70 của thế kỷ XX, lý thuyết cắt gọt kim loa ̣i ngày càng
được hoàn chỉnh với những công trình nghiên cứu mới về các lực phát sinh
trong quá trình gia công kim loại bằng cơ học được nghiên cứu đầy đủ hơn và
chính xác hơn về những cơ sở vật lý của quá trình cắt, hiện tượng nhiệt trong
quá trình cắt. Lực cắt đơn vị và các qui luật của lực cắt được xác định thông
qua công thức lý thuyết [15, 42, 47].
Nghiên cứu quá trình cắt vật theo hướng kết hợp lý thuyết và thực
nghiệm đã được các nhà khoa học trên thế giới tiến hành như: M.P. Semko,
E.M.Trent; Granôpxki (Nga); V. Gazda (Tiệp Khắc cũ); P. Korecky (Pháp); J.
Shinozuka (Nhật); Bhattacharya A. (Ấn Độ)... với những kết luận quan trọng
về các sơ đồ cắt động học, sự tạo phoi, các yếu tố ảnh hưởng tới lực cắt.
Chế độ cắt được đặc trưng bởi ba thông số: vận tốc cắt, lượng chạy dao
và chiều sâu cắt. Chế độ cắt ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng gia công, tiêu
hao năng lượng và năng suất các máy. Nhiều công trình của các nhà khoa học
đã tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến lực cắt, sự

hao mòn của công cụ cắt, rung động của hệ thống công nghệ “ Máy - dao cắt đồ gá - chi tiết gia công” cũng như các hiện tượng lý - hóa xảy ra trong vùng
cắt. Điển hình là công trình của nhà bác học Nga Granôpxki về phân nhóm
các sơ đồ cắt động học, công trình của Zorev N.N. về các lực cắt trên các bộ
phận của dao cắt, các công trình của các nhà khoa học Đức Kronenberg,
Friedrich, Hippler… về các qui luật cơ bản của lực cắt, các công trình lý
thuyết và thực nghiệm của các nhà khoa học Sokolovski, Kasirin, Tlusty,
Tolias, Bhattacharya … đã đi sâu và chính xác hóa nhận thức về nguyên lý và
qui luật tự rung khi gia công, hay các công trình của các nhà khoa học
Ostermann, Laladze, Malkin, Smith về phương pháp giải tích của trường nhiệt
độ trong dụng cụ cắt, phoi và chi tiết gia công.


5

Trong lĩnh vực gia công vật liệu phi kim loại mà điển hình là vật liệu
gỗ với đặc tính phức tạp (không đồng nhất và bất đẳng hướng) đã có nhiều
công trình nổi tiếng về khoa học cắt gọt gỗ, vật liệu từ gỗ. Năm 1870, tỷ suất
lực cắt lần đầu tiên được giáo sư tiến sĩ I. A. Time xác định cho các trường
hợp cắt đơn giản bằng phương pháp thực nghiệm [17, 22, 41].
Năm 1933, giáo sư tiến sĩ M. A. Đesevôi đã tổng hợp và xây dựng hoàn
chỉnh lý thuyết cắt gọt gỗ. Năm 1939, ông cho ra đời cuốn sách “Kỹ thuật gia
công gỗ”, đó là một công trình lớn bao gồm các vấn đề về lý thuyết và những
kinh nghiệm thực tế trong gia công gỗ mà trên thế giới lúc đó chưa có công
trình nghiên cứu tương tự nào ra đời [17].
Tỷ suất lực cắt và theo đó tính toán lực cắt, công suất cắt, công suất đẩy
khi phay gỗ đã được giáo sư tiến sĩ A. L. Bersatski xác định bằng công thức
thực nghiệm [17, 41].
Nghiên cứu quá trình cắt gỗ theo hướng kết hợp lý thuyết và thực
nghiệm đã được các nhà khoa học Mỹ tiến hành như C. Fraz [37], với những
kết luận quan trọng về sự tạo phoi, các yếu tố ảnh hưởng tới lực cắt, chất

lượng gia công. GS. TS. B.M.Buglai đã nghiên cứu độ nhẵn phần lớn các
dạng gia công gỗ mà phay, bào được quan tâm nhiều nhất.
Nguyên lý cấu tạo, tính năng công nghệ của các máy công cụ, máy cắt
kim loại nói chung, các máy gia công phay nói riêng đã được các nhà khoa
ho ̣c nghiên cứu từ khá sớm. Nhiều kiểu loại máy phay được thiết kế, chế tạo
như máy phay nằm, máy phay đứng, máy phay giường, máy phay vạn năng,
máy phay chuyên môn hóa và chuyên dùng v.v… Cùng với sự phát triển của
quá trình phay, dao phay ngày càng được cải tiến và hoàn thiện với nhiều kiểu
loại khác nhau.
Nhiều hãng trên thế giới như PLL (Pittler Ludnig Low - Đức), Tập
đoàn LMT (Leitz metalworking technology), RSK (Anh) đã nổi tiếng với
những máy và công cụ cắt hiện đại…


6

Nhằm không ngừng nâng cao khả năng làm việc của các công cụ cắt,
nhiều công trình đã đi sâu nghiên cứu động học, động lực học quá trình gia
công. Điển hình là các công trình của G.I.Granovski, A.M. Danielian; A.S.
Kondratiev [1, 5].
Nghiên cứu về máy và thiết bị cắt kim loại và các vật liệu phi kim loại
khác, các nhà khoa học Spirindonov A.A, Fedorov V.B., Molchanov G.I.,
Aliabiev V.I., F.M. Manjốt, N. V. Makovski,… [18,19,20,22,44] đã chỉ rõ chất
lượng gia công bao gồm chất lượng bề mặt gia công và độ chính xác gia công
là những chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng máy và thiết bị, biểu thị sự
hoàn thiện kỹ thuật trong việc sử dụng chúng để tạo ra các sản phẩm. Chất
lượng gia công phụ thuộc vào nhiều yếu tố, với từng điều kiện sản xuất cụ thể
sẽ có các chỉ tiêu đánh giá định lượng thông qua những biểu thức toán học
miêu tả sự tác động tương hỗ của những yếu tố ảnh hưởng tới chúng.
Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ và thiết bị sản xuất gia công kim loại, vật liệu

phi kim loại phục vụ sản xuất đã được các nước phát triển trên thế giới như Nga, Mỹ,
Đức, Nhật, Thụy Điển, Úc… nghiên cứu sâu rộng. Nhiều hãng nổi tiếng như: MAC
(Đức) sản xuất các loại máy phay CNC mã hiệu PDM-600 (hình 1.1); Hãng Kaida
(Nhật) với các máy mã hiệu KDVM1000L (hình 1.2). Thế hệ các máy này có
thể thực hiện phay 3D, 4D và 5D, ngoài ra máy có thể thực hiện các nguyên
công như tiện, khoan, doa, tarô, v.v... Độ chính xác lặp lại là 0.01- 0.003
(mm). Điều khiển 3 trục x, y, z hiệu quả và có thể phay theo chiều thẳng
đứng, tiện, doa theo các mặt tọa độ như XY, XZ, YZ. Cổng truyền dữ liệu
RS232 thích hợp với chương trình CIMCO9.6 pro. Bộ điều khiển Fanuc,
Hanuc, Simenuc, Heidelheil, v.v...
Do tiến bộ của khoa học - công nghệ, các trang thiết bị dùng cho quá trình gia
công cắt gọt ngày càng hiện đại dẫn tới vốn đầu tư cho sản xuất ngày càng tăng. Nếu
chế độ công nghệ không hợp lý sẽ không khai thác hết khả năng của thiết bị, gây lãng
phí lớn và hiệu quả thu được sẽ không đủ bù cho chi phí sản xuất đặc biệt là khấu hao


7

Hình 1.1. Máy phay CNC PDM-600

Hình 1.2. Máy phay CNC KDVM 1000L


8

thiết bị. Vì vậy, một trong những vấn đề mấu chốt cần giải quyết để giảm chi phí gia
công là phải nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu cho từng nguyên công ứng với các
điều kiện gia công cụ thể để cung cấp dữ liệu cho việc chuẩn bị công nghệ.
Vấn đề mô hình hóa và tối ưu hóa quá trình công nghệ gia công cùng với những
phương pháp luận hiện đại, nghiên cứu cắt gọt kim loại đã được các nhà khoa học,

giáo sư C.C. Rudnik, E.I. Pheldstein, G. Spur, W. Koenig, F. Klocke,… tập trung
nghiên cứu và phát triể n rô ̣ng với nhiều công trình nổi tiếng về tối ưu hóa các quá
trình gia công cắt gọt [1, 5, 30, 36].
Chế độ cắt gọt - tổ hợp của 3 thông số cơ bản vận tốc cắt, lượng chạy
dao và chiều sâu cắt là một trong những vấn đề có tầm quan trọng, đặc biệt là
trong nghiên cứu sử dụng thiết bị công nghệ. Chế độ cắt hợp lý đã góp phần
quyết định đến chất lượng và năng suất gia công. Tối ưu hóa quá trình cắt gọt
được nghiên cứu và phát triển rất mạnh ở các nước công nghiệp tiên tiến như
Đức, Mỹ, Nhật, Nga, Pháp, Thụy Sĩ,… Ở những nước này song song với việc
nghiên cứu tối ưu hóa chế độ cắt người ta tiến hành xây dựng ngân hàng dữ
liệu về chế độ gia công cơ để tạo lập cơ sở cho việc tự động hóa chuẩn bị
công nghệ. Điển hình về lĩnh vực này có các công trình nghiên cứu của C.C.
Rudnik, F. Lierath, W. Koenig, K. Essen, và trong gia công gỗ có A.A.Pizurin,
M.S.Rozenblit ...[ 1, 5, 36, 45].
1.2. Công nghệ và thiết bị gia công phay trong sản xuất ở Việt Nam
Trong nền kinh tế quốc dân, ngành Cơ khí đóng một vai trò rất quan
trọng. Ngay từ khi mới ra đời, ngành công nghiệp cơ khí ở nước ta đã được
Đảng và Nhà nước xác định là ngành có vai trò then chốt và luôn được ưu tiên
phát triển, đã có nhiều nhà máy cơ khí lớn được xây dựng, có nhiều trung tâm
đào tạo, nghiên cứu ra đời. Theo số liệu thống kê, số lươ ̣ng cơ sở cơ khí có
khoảng 53.000 cơ sở và số lượng công nhân tham gia trực tiế p khoảng
500.000 lao đô ̣ng chiế m khoảng 12% lao đô ̣ng công nghiêp̣ của cả nước, góp
phần đáng kể trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.


9

Máy phay là một trong những thiết bị chủ đạo của ngành chế tạo máy do
vậy đã được tập trung thiết kế chế tạo ở trong nước từ những thập niên 60 của
thế kỷ 20. Trải qua thời kỳ dài phát triển chúng ta đã có khá nhiều loại máy

phay và được sử dụng nhiều trong các doanh nghiệp, xưởng cơ khí vừa và
nhỏ. Thời gian gần đây trước yêu cầu cao về chất lượng sản phẩm cơ khí
chúng ta đã phải nhập khẩu nhiều các máy hiện đại với mức độ tự động hóa
cao. Các máy phay thông dụng được nhập từ Đài Loan, Hàn Quốc, các máy
CNC và công nghệ CAD-CAM-CNC được nhập chủ yếu từ Đức, Nhật.
Trong lĩnh vực đào tạo và nghiên cứu về máy công cụ chúng ta đã có
nhiều thành tựu về nghiên cứu cơ bản và ứng dụng.
Những nghiên cứu về sự tác động tương hỗ giữa công cụ (máy gia công)
và đối tượng gia công gồm một số công trình nghiên cứu của các tác giả như:
Bành Tiến Long, Trần Thế Lục, Trần Sỹ Tuý 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 go ̣t, gia công các vật liệu phi kim loại và các phương pháp
gia công mới.
Về các thiết bị gia công kim loại nói chung, các máy phay kim loại nói
riêng đã được các nhà khoa học Nguyễn Anh Tuấn, Nguyễn Đức Lộc, Phạm
Đắp giới thiệu trong tài liệu “Máy cắt kim loại” [20].
Những nghiên cứu chỉ ra phương pháp tiń h toán và tra cứu chế đô ̣ cắ t
hợp lý hỗ trợ cho viêc̣ ho ̣c tâ ̣p, sử du ̣ng và điề u khiể n thiết bi ̣ cắ t kim loa ̣i đã
đươ ̣c các tác giả Nguyễn Ngo ̣c Đào, Trầ n Thế San, Hồ Viế t Bình giới thiêụ
trong tài liệu “Chế đô ̣ cắ t gia công cơ khi” và Nguyễn Văn Huyền trong “Cẩm
nang kỹ thuật cơ khí” [10].
Động học và động lực học quá trình phay vật liệu gỗ đã được tác giả
Hoàng Nguyên giới thiệu trong giáo trình “Nguyên lý cắt gọt gỗ” năm 1980
[17].


10

Nguyên lý cấu tạo, tính năng công nghệ và phân loại các máy phay vật
liệu gỗ đã được tác giả Hoàng Việt đề cập nhiều trong giáo trình “Máy và

thiết bị chế biến gỗ” năm 2003, [22].
Trong tài liệu “Tối ưu hóa các quá trình gia công cắt gọt” PGS.TS.
Nguyễn Trọng Bình [1] đã đưa ra nhiều công trình nghiên cứu của GS.
Friedhelm Lierath Viện trưởng Viện công nghệ và đảm bảo chất lượng,
trường Đại học tổng hợp kỹ thuật Magdeburg Cộng hòa liên bang Đức – giáo
sư danh dự của nhiều trường đại học trên thế giới, về các phương pháp tối ưu
hóa quá trình gia công cắt gọt. Trong đó khẳng định vai trò của nghiên cứu
mô tả toán học sự ảnh hưởng của các yếu tố chế độ cắt đến chất lượng gia
công, giá thành sản phẩm có vai trò quyết định để tạo lập các mô hình toán
học của bài toán tối ưu hóa.
Vấn đề miêu tả toán học các quá trình gia công gỗ bằng cơ giới cũng đã
được T.S. Hoàng Việt đề cập trong các chuyên đề nghiên cứu, các bài giảng
dành cho học viên cao học [23, 24, 27].
Liên quan tới mô tả toán học ảnh hưởng của các thông số chế độ gia
công khi cắt vật liệu thép xây dựng đã được đề cập trong đề tài luận văn
"Nghiên cứu máy GMC 2400w sử dụng cắt vật liệu thép xây dựng" của Thạc
sĩ Nguyễn Văn Kiều [28]. Kết quả nghiên cứu cho thấy dạng lưỡi cắt, vận tốc
cắt, vận tốc đẩy ảnh hưởng lớn đến hai chỉ tiêu chi phí năng lượng riêng và
năng suất cắt vật liệu thép xây dựng.
Nhận xét
Liñ h vực cơ khí chế ta ̣o, lắp đặt máy công tác nói chung và gia công
phay nói riêng có những bước phát triển đáng kể . Tuy nhiên, từ khi bước sang
cơ chế thị trường, ngành cơ khí Việt Nam đã bộc lộ rất nhiều yếu kém, trong
đó vấn đề nổi cộm nhất là khả năng cạnh tranh của ngành rất hạn chế ngay cả
ở thị trường trong nước. Thị trường tiêu thụ sản phẩm bị thu hẹp, không đủ


11

sức cạnh tranh với hàng hóa ngoại nhập, hoạt động sản xuất kinh doanh gặp

rất nhiều khó khăn... nhiều doanh nghiệp đứng trước nguy cơ bị phá sản. Có
nhiều nguyên nhân làm cho chi phí sản xuất cao, chất lượng sản phẩm thấp
nhưng trong đó có nguyên nhân chính là chưa có nghiên cứu sử dụng hiệu quả
thiết bị.
Thiết bị công nghệ và các quá trình gia công cơ vật liệu kỹ thuật trong đó
có các loa ̣i máy phay đã được nghiên cứu tương đối hoàn chỉnh. Đó là những
cơ sở và luận chứng khoa học nền tảng cho các nghiên cứu phát triển và ứng
dụng. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật
nói chung, kỹ thuật máy và thiết bị gia công cơ khí nói riêng, việc nghiên cứu
sử dụng hiệu quả các thiết bị công nghệ và thu được những sản phẩm theo yêu
cầu là một trong những nhiệm vụ cấp thiết và quan trọng hàng đầu trong mọi
quá trình sản xuất.
Vấn đề nghiên cứu tối ưu hóa các quá trình gia công cắt gọt vật liệu ở
nước ta cho tới nay chưa được đặt ra. Phần lớn trong quá trình chuẩn bị sản
xuất các nhà công nghệ vẫn phải dựa vào các sổ tay để tra cứu. Số liệu trong
các sổ tay là các số liệu kinh nghiệm thu được trong các điều kiện sản xuất và
công nghệ cụ thể, vì thế chúng không phải là các thông số công nghệ tối ưu.
Máy phay X6332Z tại xưởng thực hành Trường Cao đẳng nghề
LILAMA.1 đươ ̣c nhập khẩu từ Trung quốc. Máy X6332Z thuộc loại thiết bị đa
năng với cấu tạo không phức tạp, dễ sử dụng nên cũng rất phổ biến trên các
xưởng gia công của các nhà máy chế ta ̣o, xưởng thực tâ ̣p cho ho ̣c sinh, sinh
viên trong các trường đào tạo kỹ thuật cơ khí. Tuy nhiên qua khảo sát chung
và thực tế sử dụng chúng tôi thấy trong điều kiện sản xuất cụ thể vấn đề cấp
thiết đặt ra là phải nghiên cứu sử dụng hiệu quả nhất các tính năng kỹ thuật
của máy, xác lập chế độ gia công hợp lý, đảm bảo yêu cầu chất lượng sản


12

phẩm, tối giảm chi phí điện năng, nguyên vật liệu, tạo cơ sở tối ưu hóa khâu

sản xuất.
Từ những phân tích trên một lần nữa cho thấy vấn đề mà luận văn cần
giải quyết là thời sự và cấp thiết.
1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của vấn đề nghiên cứu
Ý nghĩa lý luận:
- Bổ sung dữ liệu khả năng công nghệ của máy phay X6332Z, là cơ sở
để sử dụng loại máy này trong các quá trình sản xuất gia công chi tiế t trong
các xưởng gia công cơ khí.
- Xác định được định lượng ảnh hưởng một số yếu tố chế độ cắt đến chi
phí năng lượng riêng và độ nhám bề mă ̣t gia công khi sản xuất các chi tiết
máy là cơ sở cho thiết lập mô hình toán học bài toán tối ưu hóa quá trình cắt
gọt đồng thời là cơ sở để tính toán thiết kế, cải tiến hoàn thiện các máy phay.
Ý nghĩa thực tế:
- Khẳng định các thông số chế độ cắ t hợp lý trên máy phay X6332Z
phục vụ tra cứu áp dụng khi lựa chọn và sử dụng máy.
- Định hướng cho các cơ sở sản xuất tổ chức và chỉ đạo kỹ thuật khâu
gia công đảm bảo nâng cao chất lượng sản phẩm, tối giảm năng lượng, góp
phần nâng cao hiệu quả sản xuất.


13

Chương 2
MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG
VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Mu ̣c tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chung:
Xác định mức độ và qui luật ảnh hưởng của chế độ cắt đến chi phí năng
lượng riêng và chất lượng gia công trên máy phay X6332Z. Từ cơ sở đó xác
lập chế độ cắt tối ưu góp phần xây dựng ngân hàng dữ liệu đảm bảo sử dụng

kỹ thuật hiệu quả nhất cho các máy phay.
Mục tiêu cụ thể:
- Xây dựng được mối quan hệ giữa các thông số chế độ cắt (vận tốc cắt,
lượng chạy dao) đến chi phí năng lượng riêng và độ nhám bề mặt khi gia công
chế tạo chi tiết máy dạng thanh trên máy phay X6332Z.
- Xác định chế độ cắt hợp lý khi phay tạo chi tiết máy trên máy phay
X6332Z đảm bảo yêu cầu chất lượng bề mặt cao và tối giảm chi phí năng
lượng riêng.
2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Trong đề tài luận văn giới hạn ở các đối tượng và phạm vi nghiên cứu
cụ thể sau:
Thiết bị gia công: Thiết bị nghiên cứu được sử dụng là máy phay mã
hiệu X6332Z. Đây là loại máy sản xuất tại Trung quốc và hiện đang được sử
dụng phổ biến trong các xưởng gia công cơ khí của các Công ty xí nghiệp,
các Trường đào tạo nghề ở Việt Nam.
Vật liệu, chi tiết gia công và dao cắt: Đề tài không nghiên cứu tất cả
các loại vật liệu kim loại, cũng không nghiên cứu ở nhiều loại dao cắt của các
hãng khác nhau mà chỉ tập trung nghiên cứu loại vật liệu phổ biến trong
ngành cơ khí là thép C45, sản phẩm là chi tiết được phay tạo mặt phẳng phục


14

vụ làm các dẫn hướng hay đưa đến các công đoạn gia công tiếp theo như chế
tạo các thanh răng, hoàn thiện bề mặt… Dao phay được lựa chọn là một
chủng loa ̣i - dao phay trụ.
Các chỉ tiêu và tham số nghiên cứu: Các chỉ tiêu đặc trưng cho chất
lượng gia công là độ nhám bề mặt chi tiết và chi phí năng lượng riêng. Các
tham số của chế độ cắt được lựa chọn để nghiên cứu sự ảnh hưởng của chúng
tới các chỉ tiêu lựa chọn là vận tốc cắt V, lượng chạy dao S.

2.3. Nội dung/ nhiệm vụ nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu của đề tài chúng tôi tập trung giải quyết những
nội dung sau:
- Nghiên cứu lý thuyết, tổng hợp những cơ sở khoa học quá trình gia công
cắt gọt vật liệu, quá trình phay và thiết bị công nghệ phay. Xác lập cơ sở lý
thuyết những yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt và chi phí năng lượng riêng
trên máy phay .
- Nghiên cứu thực nghiệm: Xác lập mục tiêu, nội dung và tổ chức thí
nghiệm, thu nhận kết quả thí nghiệm, xây dựng mô hình toán học của các hàm
mục tiêu trong mối tương quan với các tham số điều khiển. Xác định chế độ làm
việc hợp lý khi gia công tạo chi tiết trên máy phay mã hiệu X6332Z.
2.4. Phương pháp nghiên cứu
2.4.1. Các phương pháp nghiên cứu chung
Các phương pháp chủ đạo được sử dụng để giải quyết các nội dung
nghiên cứu của đề tài là phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phương pháp kế thừa
và phương pháp thực nghiệm.
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: được sử dụng trong nghiên cứu các
công trình khoa học, tổng hợp cơ sở lý luận để giải quyết các nội dung: tổng
quan về vấn đề nghiên cứu, tạo lập cơ sở lý luận của đề tài.


15

- Phương pháp kế thừa: được sử dụng trong phân tích lựa chọn, sử dụng
các kết quả đã được nghiên cứu trên thế giới và trong nước có liên quan phục vụ
giải quyết nội dung thực nghiệm, nhận xét đánh giá kết quả.
- Phương pháp thực nghiệm được sử dụng là qui hoạch thực nghiệm đơn
yếu tố và đa yếu tố để giải quyết các nội dung nghiên cứu thực nghiệm.
Quá trình gia công cơ khí nói chung, gia công cắt gọt kim loại nói riêng
chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau như: Các yếu tố đặc trưng cho đối

tượng gia công (loại kim loại, các tính chất cơ - lý - hóa học của kim loại);
Các yếu tố đặc trưng cho công cụ gia công như: các tính chất cơ lý của vật
liệu chế tạo công cụ; các thông số hình học, độ sắc của dao cắt, chất lượng bề
mặt các cạnh biên lưỡi cắt, bề dày công cụ, số cạnh cắt tham gia làm việc, độ
chính xác của công cụ; Các yếu tố đặc trưng cho máy móc thiết bị như: độ
cứng của hệ "Máy - Công cụ cắt - Thiết bị gá - Chi tiết gia công", động học và
động lực học của hệ v.v…; Các yếu tố đặc trưng quá trình gia công cơ giới:
bề dày phoi cắt, chiều rộng phoi, quỹ đạo mặt phẳng cắt, các góc cắt, vận tốc
đẩy và vận tốc cắt; lực cắt, sự đốt nóng công cụ và vật liệu gia công, đặc tính
của quá trình cắt (cắt kín, cắt hở, cắt nửa kín...). Giữa các yếu tố lại có những
tác động qua lại tương hỗ với nhau. Như vậy, để giải quyết đầy đủ nội dung
cần có thực nghiệm đơn và đa yếu tố.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm mà chúng tôi sử dụng không
phải là thực nghiệm thuần tuý mà là sự kết hợp hài hoà giữa lý thuyết và thực
nghiệm; lấy lý thuyết làm cơ sở, làm định hướng ban đầu hỗ trợ giảm bớt khối
lượng công việc, rút ngắn thời gian nghiên cứu thực nghiệm.
Từ phân tích trên cho thấy việc áp dụng phương pháp qui hoạch thực
nghiệm là cơ sở phương pháp luận của nghiên cứu thực nghiệm hiện đại. Đó là
phương pháp nghiên cứu mới, trong đó công cụ toán học giữ vai trò tích cực. Cơ
sở toán học, nền tảng của lý thuyết qui hoạch thực nghiệm là toán học thống kê
với hai lĩnh vực quan trọng là phân tích phương sai và phân tích hồi qui.