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


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

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

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



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


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


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


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:


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


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


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

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.,…

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

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,

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

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

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.

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.