Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố chế độ cắt đến chi phí năng lượng riêng và sai số gia công trên máy khoan 2m55

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

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

ĐỖ HỮU VIỆT

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ
CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG RIÊNG VÀ SAI SỐ
GIA CÔNG TRÊN MÁY KHOAN 2M55

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
------------------------

ĐỖ HỮU VIỆT

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ
CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG RIÊNG VÀ SAI SỐ
GIA CÔNG TRÊN MÁY KHOAN 2M55

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
Xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, các cơ quan đã nhiệt tình
giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn khoa học này.
Trước hết xin bầy tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Hoàng Việt với những
ý kiến đóng góp quan trọng và chỉ dẫn khoa học quý giá trong quá trình thực
hiện công trình nghiên cứu.
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 Cơ Giới Ninh
Bình, Khoa CNPTNT, Trung tâm thực nghiệm Cơ khí chế tạo nơi tôi công
tác, cùng các đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập
cũng như trong quá trình thực hiện đề tài luận văn.
Tôi trân trọng cảm ơn Trung tâm thực nghiệm khoa Chế biến Lâm sản Trường Đại học Lâm nghiệp, Công ty cổ phần cơ khí lắp máy LILAMA, Ninh
Bình đã tạo điều kiện về thời gian cũng như về cơ sở vật chất cho chúng tôi
tiến hành thực nghiệm, 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.
Cuối cùng, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu nặng đến Bố, Mẹ cùng
gia đình đã thường xuyên quan tâm, động viên, tạo mọi điều kiện tốt nhất về
tinh thần cũng như vật chất cho tôi trong suốt thời gian vừa qua.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày 12 tháng 08 năm 2012
Tác giả

Đỗ Hữu Việt


ii
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cảm ơn ......................................................................................................... i
Mục lục .............................................................................................................. ii
Danh mục các ký hiệu sử dụng trong luận văn ................................................ iv
Danh mục các bảng .......................................................................................... vi
Danh mục cá hình............................................................................................ vii
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 khoan và
thiết bị khoan trên thế giới ............................................................................ 3
1.2. Công nghệ và thiết bị gia công khoan 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 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 nghiệm ............. 15
Chương 3 CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................... 28

3.1. Khả năng công nghệ và các thông số kỹ thuật của máy khoan 2M55 ......... 28
3.2. Động học và động lực học quá trình khoan cắt ................................... 29
3.2.1. Động học của quá trình khoan cắt ................................................ 29
3.2.2. Động lực học của quá trình cắt .................................................... 38
3.3. Độ chính xác gia công .......................................................................... 43
3.3.1. Luận đề chung ............................................................................... 43


iii
3.3.2. Ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến biến dạng đàn hồi của
hệ thống công nghệ và độ chính xác gia công ........................................ 46
3.3.3. Ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến biến dạng nhiệt của
dao cắt và độ chính xác gia công ............................................................ 47
3.3.4. Ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến biến dạng nhiệt của
chi tiết và độ chính xác gia công............................................................. 47
3.3.5. Ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến rung động trong quá
trình cắt và độ chính xác gia công .......................................................... 48
3.4. Các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến chỉ tiêu chi phí năng lượng riêng .. 49
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 .......................................................... 53
4.3.1. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến chi phí năng lượng riêng và sai số
gia công ................................................................................................... 53
4.3.2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến chi phí năng lượng riêng và sai
số gia công .............................................................................................. 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 sai số gia công Δd..................... 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 KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
Ký hiệu

Tên gọi

V

Vâ ̣n tố c cắ t

S

Lượng chạy dao

t

Chiều sâu cắt

xmax

Trị số thu thập lớn nhất của đố i tươ ̣ng đo

xmin

Trị số thu thập nhỏ nhất của đố i tươ ̣ng đo

x

Đơn vị
m/phút
mm/ht.kép
mm

Sai số trung bình mẫu

Ex

Đô ̣ nhọn phân bố

Y

Giá trị trung bình của đại lượng nghiên cứu

h

chiều cao chi tiế t gia công

k

Số hành trình kép trên một phút

a

Chiều dày cắt

mm

b

Chiều rộng cắt

mm

f

Diện tích lớp cắt

mm2

L

Chiều dài hành trình dao

mm

m

Tỉ số vận tốc làm việc/ chạy không

P

Lực cắt tổ ng hơ ̣p

KG

Px

Lực chiều trục hay lực chạy dao

KG

Py

Thành phần này gọi là lực hướng kính

KG

Pz

Thành phần này gọi là lực tiếp tuyến, lực

KG

mm

cắt chính
r

Bán kính cong của lưỡi dao

Ra

Sai lệch profin trung bình cộng

m

Rz

Sai lệch profin theo mười điểm

m


v
δ

Góc cắt của lưỡi dao

α

Mức ý nghĩa

Δhm

Sai số kích thước chiều cao chi tiế t gia công

nct

Dung lươ ̣ng mẫu cần thiế t



Y

Giá trị trung hình

S

Sai số tiêu chuẩn

Ex

S 2max

Phương sai lớn nhất trong thí nghiê ̣m

S 2u

Phương sai của thí nghiê ̣m thứ u

S 2y

Phương sai do sự thay đổ i thông số đầ u vào

Se2

Phương sai ngẫu nhiên do thực nghiê ̣m gây
ra

K*

số hệ số hồi quy có nghĩa


vi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Tên bảng

TT
4.1

Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm chi phí năng lượng

Trang
54

riêng Nr khi vận tốc cắt thay đổi
4.2

Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm sai số gia công Δd

56

khi vận tốc cắt thay đổi
4.3

Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm chi phí năng

58

lượng riêng khi lượng chạy dao thay đổi
4.4

Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm sai số gia công

60

khi lượng chạy dao thay đổi
4.5

Giá trị mã hóa của X1, X2,

62

4.6

Ma trận thí nghiệm kế hoạch trung tâm hợp thành

63

vii
DANH MỤC CÁC HÌNH
TT

Tên hình

Trang

1.1

Máy phay- khoan CNC KDVM 1000L

7

1.2

Máy tiện - khoan CNC PDL-T6/8

7

3.1

Máy khoan 2M55 tại công ty lắp máy LILAMA Ninh Bình

28

3.2

Mũi khoan nòng súng

30

3.3

Mũi khoan lỗ tâm

30

3.4

Mũi khoan dẹt

31

3.5

Các yếu tố kết cấu của mũi khoan xoắn

32

3.6

Các thông số hình học phần cắt của mũi khoan

34

3.7

Xác định góc trước của mũi khoan trên một điểm của lưỡi cắt

34

3.8

Tạo góc sau của mũi khoan ở tiết diện chiều trục

35

3.9

Các yếu tố của chế độ cắt khi khoan

37

3.10 Các thành phần lực cắt khi khoan

38

4.1

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

55

4.2

Đồ thị ảnh hưởng của vận tốc cắt đến sai số gia công

57

4.3

Đồ thị ảnh hưởng của lượng chạy dao S đến chi phí năng lượng

59

riêng Nr
4.4

Hình 4.4. Đồ thị ảnh hưởng của lượng chạy dao S đến sai số gia

61

công
4.5

Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đối với chi phí

64

năng lượng riêng Nr
4.6

Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đối với hàm sai
số gia công

66

1

ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong sự nghiệp Công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước lĩnh vực cơ
khí chế tạo, lắp đặt, sửa chữa máy và thiết bị cho các loại hình công nghệ sản
xuất đóng vai trò hết sức quan trọng. Phạm vi sử dụng sản phẩm của ngành
chế tạo máy rất rộng rãi. Từ con tầu vũ trụ cho đến các sản phẩm đơn giản
như buloong, đai ốc - tất cả những sản phẩm này đều được chế tạo ra nhờ các
máy và thiết bị khác nhau. Với 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 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. 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 hóa các chế đô ̣ của các quá trình công nghê ̣, cũng như các
chế đô ̣ làm việc 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 khoan 2M55 là một trong những thiết bị chủ đạo phục vụ đào tạo
tại Trường Cao đẳng nghề LILAMA.I và sản xuất tại Công ty lắp máy
LiLaMa Ninh Bình thuộc tổng công ty lắp máy Việt Nam, máy với tính năng

2

gia công các chi tiết lỗ thủng, không thủng cho các chi tiết máy,… Tuy nhiên
quá trình gia công sản xuất các chi tiết, sản phẩm cơ khí và chuyển giao công
nghệ ở các cơ sở 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 quá 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 như 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?
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 các máy và thiết bị công nghệ,
xác lập chế độ gia công tối ưu, đảm bảo yêu cầu chất lượng sản phẩm, tối
giảm chi phí điện năng, nguyên vật liệu, tạo cơ sở tối ưu hóa khâu sản xuất và
tối ưu hóa toàn bộ quá trình thi công.
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 Việt Nam, 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
lượng riêng và sai số gia công trên máy khoan 2M55”. 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 khoan và
thiết bị khoan trên thế giới
Khoan là một phương pháp gia công lỗ dùng lâu đời nhất và cũng phổ
biến nhất, tuy mũi khoan xoắn mới chỉ xuất hiện từ đầu thế kỷ 19 đến nay.
Khoan là phương pháp gia công cắt gọt vật liệu có tính vạn năng cao, chuyển
động cắt đơn giản. Theo nguyên liệu và sản phẩm được gia công có thể phân
ra gia công kim loại và gia công vật liệu phi kim loại.
Với đối tượng gia công là kim loại, khoa học cắt gọt kim loại đã hình
thành và phát triển. Lý thuyết cắt gọt kim loa ̣i đi sâu nghiên cứu về quá 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 khoa học trong việc xây dựng và phát triển lý thuyết
cắt gọt kim loại phải kể đến 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.,…
Nhiều công trình đi sâu nghiên cứu cắt gọt chuyên dùng như: khoan,
bào, phay, tiện của G.C. Andrev, A.V. Rudnev, V.F. Bobrov; cơ sở lý thuyết
mài nhẵn của E. H. Maclov…đã đưa ra những phân tích cụ thể về động học
các quá trình cắt gọt. Đó là những công trình lớn bao gồm các vấn đề về lý
thuyết và những 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.


4

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, 30, 33, 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, vật liệu từ gỗ [17, 41].
Tỷ suất lực cắt và theo đó tính toán lực cắt, công suất cắt, công suất đẩy
khi phay, khoan gỗ đã được giáo sư tiến sĩ A. L. Bersatski xác định bằng công
thức thực nghiệm. [17, 41, 44].
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.
Nguyên lý cấu tạo, tính năng công nghệ của các máy công cụ, máy cắt
kim loại nói chung, các máy khoan nói riêng đã đươ ̣c các nhà khoa ho ̣c
nghiên cứu từ khá sớm. Các máy khoan đầu tiên xuất hiện vào thế kỷ 15. Vào
những năm 20 của thế kỷ 19 các máy bắt đầu được sản xuất công nghiệp hàng
loạt. Thời kỳ này, khi mà nghành chế tạo máy còn ở trình độ thấp, các máy
gia công có đặc trưng cơ bản là không lớn về công suất và năng suất, độ cứng
vững thấp và chất lượng gia công không cao.
Nhiều kiểu loại máy khoan được thiết kế, chế tạo như máy khoan đứng,
máy máy khoan cần, máy khoan vạn năng, máy khoan chuyên môn hóa và

6

chuyên dùng v.v… Cùng với sự phát triển của công nghệ khoan, mũi khoan
ngày càng được cải tiến và hoàn thiện với nhiều kiểu loại khác nhau.
Nghiên cứu về máy và thiết bị cắt kim loại và các vật liệu phi kim loa ̣i
khác, các nhà khoa học Spirindonov A.A, Fedorov V.B., Molchanov G.I.,
Aliabiev V.I., F.M. Manjốt, N. V. Makovski,… [15,17, 31, 37, 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.
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 [20, 46, 48].
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….
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, Pháp, Nhâ ̣t, Thuỵ Điển, Úc…nghiên cứu sâu rộng, với các máy phay - khoan
CNC (hình 1.1), các máy tiện - khoan (hình 1.2), các trung tâm gia công và dây
chuyền sản xuất hiện đại [6, 28, 46, 47] .


7

Hình 1.1. Máy phay- khoan CNC KDVM 1000L

Hình 1.2. Máy tiện - khoan CNC PDL-T6/8
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


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, 40].
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, Thuỵ Sĩ, Pháp,..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, 34, 41, 45].

1.2. Công nghệ và thiết bị gia công khoan trong sản xuất ở Việt Nam
Với vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, ngành công nghiệp
cơ khí chế tạo và lắp máy ở nước ta đã được Đảng và Nhà nước luôn quan
tâm, 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.
Máy khoan là một trong những thiết bị chủ đạo của ngành chế tạo, lắp
đặt 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


9

loại máy khoan 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.
Theo số liệu thống kê, số lươ ̣ng cơ sở cơ khí có khoảng trên 53.000 cơ
sở và số lươ ̣ng công nhân tham gia trực tiế p khoảng chiếm khoảng 12% lao
động công nghiệp của cả nước, góp phần đáng kể trong công cuộc công
nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Trong các nhà máy sản xuất với sản lượng
lớn, các máy khoan chiếm khoảng 20% tổng số máy cắt.
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
Lực, 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 khác và các phương pháp gia công mới.
Về các thiết bị gia công kim loại nói chung, các máy cắt, khoan kim loa ̣i
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 tính toán và tra cứu chế độ cắ t hơ ̣p lý hỗ trơ ̣ cho việc
học tập, sử dụng 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 liêụ “Chế
đô ̣ cắt gia công cơ khí” và Nguyễn Văn Huyền trong “Cẩm nang kỹ thuật cơ
khí” [3, 10]..
Động học và động lực học quá trình khoan, lạng vật liệu gỗ đã được tác
giả Hoàng Nguyên giới thiệu trong giáo trình “Nguyên lý cắt gọt gỗ” [17].


10

Nguyên lý cấu tạo, tính năng công nghệ và phân loại các máy khoan,
lạng 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 (Đại học tổng hợp kỹ thuật Magdeburg Cộng hoà liên bang
Đức) 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, 25].
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 các tài liệu [15, 27].
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 chung
Liñ h vực cơ khí chế ta ̣o nói chung và gia công khoan 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, 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 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


11

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 giới vật liệu kỹ thuật
trong đó có các loa ̣i máy khoan 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 các thiết bị công nghệ một cách có hiệu quả 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 khoan 2M55 tại công ty lắp máy LILAMA Ninh Bình đươ ̣c chế tạo
tại LB Nga. Máy khoan 2M55 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, các công

trường lắp đặt máy qui mô, các xưởng thực tâ ̣p cho ho ̣c sinh, sinh viên trong
các trường đào tạo kỹ thuật cơ giới. 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 phẩm, tối giảm
chi phí điện năng, nguyên vật liệu, tạo cơ sở tối ưu hóa khâu sản xuất.
Vì vậy, cần phải có những công trình nghiên cứu cụ thể về sự ảnh hưởng
của các yếu tố đến chấ t lươ ̣ng sản phẩm gia công, năng suất …. khi gia công
chi tiế t máy để tạo lập cơ sở tính toán thiết kế, cải tiến thiết bị, lựa chọn chế


12

độ gia công tối ưu, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế thích ứng với các điều
kiện sản xuất cụ thể.
Từ những phân tích trên một lần nữa cho thấy vấn đề mà luận văn cần
giải quyết là thời sự và cấp thiết.
1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của vấn đề nghiên cứu
Ý nghĩa lý luận:
- Xác định được định lượng ảnh hưởng một số yếu tố chế độ cắt đến chi
phí năng lượng riêng và độ chính xác 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 khoan .
- Bổ sung dữ liệu khả năng công nghệ của máy khoan 2M55, là cơ sở
để sử dụng loại này trong các quá trình sản xuất gia công chi tiết trong các
xưởng gia công cơ khí, các công trường lắp máy.
Ý nghĩa thực tế:
- Khẳng định các thông số chế độ cắ t hợp lý trên máy khoan 2M55
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, góp phần nâng cao hiệu quả
sản xuất.


13

Chương 2
MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI 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 khoan 2M55. 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 khoan.
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 sai số gia công khi gia công
tạo lỗ cho các chi tiết máy trên máy khoan 2M55.
- Xác định chế độ cắt hợp lý khi khoan tạo lỗ cho các chi tiết máy trên
máy đảm bảo yêu cầu độ chính xác 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 khoan mã
hiệu 2M55. Đây là loại máy nhập khẩu từ LB Nga và hiện đang được sử dụng
phổ biến trong các xưởng gia công cơ khí của các Công ty, 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 các lỗ khoan thông trong các chi tiết
phục vụ làm các chân đế hay đưa đến các công đoạn gia công tiếp theo như


14

chế tạo các mặt bích, hoàn thiện bề mặt…. Mũi khoan được lựa chọn là một
chủng loa ̣i - mũi khoan xoắn (ruột gà).
Các chỉ tiêu và tham số nghiên cứu: Chỉ tiêu đặc trưng cho năng lượng
của quá trình cắt là chi phí năng lượng riêng - chi phí điện năng cho gia công
một đơn vị diện tích bề mặt lỗ khoan; Chỉ tiêu đặc trưng cho chất lượng gia
công là sai số kích thước đường kính lỗ khoan. Các tham số của chế độ cắt
được lựa chọn để nghiên cứu sự ảnh hưởng của chúng tơí các chỉ tiêu là vận
tốc cắt V và 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 khoan và thiết bị công nghệ khoan. Xác lập cơ sở lý
thuyết những yếu tố ảnh hưởng đến chi phí năng lượng riêng và độ chính xác gia
công trên máy khoan .
- 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 các lỗ trong các chi tiết đặc trên máy khoan mã
hiệu 2M55.
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
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 hưỏng 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.
2.4.2. Nội dung và phương pháp luận nghiên cứu thực nghiệm
Từ các công trình đã nghiên cứu [2, 14, 29] nội dung của nghiên cứu

thực nghiệm mà luận văn tiến hành gồm: Xác định mục tiêu thực nghiệm;
chọn tham số điều khiển và khoảng biến động của chúng; chọn các thiết bị đo;
tiến hành công tác chuẩn bị; tiến hành thực nghiệm đơn yếu tố; tiến hành thực
nghiệm đa yếu tố.
2.4.2.1. Thực nghiệm đơn yếu tố
Nhiệm vụ cơ bản của thực nghiệm đơn yếu tố là xác định các thông số
ảnh hưởng để xem thông số nào thực sự ảnh hưởng đến các chỉ tiêu đánh giá,


16

xác định mức độ và quy luật ảnh hưởng của chúng đến chỉ tiêu quan tâm.
Thực nghiệm đơn yếu tố được tiến hành qua các bước sau:
- Thực hiện thí nghiệm với từng thông số thay đổi với số mức không
nhỏ hơn 4, khoảng thay đổi lớn hơn 2 lần sai số bình phương trung bình của
phép đo giá trị thông số đó. Số thí nghiệm lặp lại n có thể lấy theo kết quả từ
thí nghiệm thăm dò.
- Sau khi thí nghiệm xong, tiến hành xác định độ tin cậy về ảnh hưởng
của mỗi yếu tố tới độ nhám bề mặt và sai số kích thước. Đánh giá tính thuần
nhất của phương sai trong quá trình thí nghiệm, để chứng tỏ ảnh hưởng khác
đối với thông số cần xét là không có hoặc không đáng kể.
Thuật toán phân tích phương sai để xác định độ tin cậy và tính thuần
nhất [2, 13, 14, 29] cụ thể như dưới đây.
a. Đánh giá tính đồng nhất của phương sai:
Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai theo tiêu chuẩn Kohren.

G

S2max
N

S
u 1

(2.1)

2
u

S 2max -Phương sai lớn nhất trong N thí nghiệm;
S 2u -Phương sai của thí nghiệm thứ u với số lần lặp lại mu.
2
1 m
S=
 Yui -Yu 
mu -1 i=1
u

2
u

(2.2)

mu- Số lần lặp lại ở mỗi điểm thí nghiệm;
Yui- Giá trị của thông số ra tại điểm u, lần lặp thứ i;

Yui - Giá trị trung bình của thông số ra tại điểm u.

1 m
Yu 

 Yiu
mu i1
u

u =1, 2, 3, 4, …, N .

(2.3)