Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch nano trong bôi trơn tối thiểu đến quá trình phay cứng thép 60Si2Mn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:137

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch nano trong bôi trơn tối thiểu đến quá trình phay cứng thép 60Si2Mn" trình bày tổng quan về bôi trơn tối thiểu với dầu cắt nano trong gia công vật liệu cứng; Cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về MQL có sử dụng dầu cắt nano khi phay vật liệu cứng; Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của NF MQL và chế độ cắt đến một số thông số đặc trưng của quá trình phay cứng thép 60Si2Mn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch nano trong bôi trơn tối thiểu đến quá trình phay cứng thép 60Si2Mn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN THẾ LONG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG DỊCH NANO TRONG BÔI TRƠN TỐI THIỂU ĐẾN QUÁ TRÌNH PHAY CỨNG THÉP 60Si2Mn Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9 52 01 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Trần Minh Đức THÁI NGUYÊN – NĂM 2022
I LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Trần Minh Đức. Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án (trừ những nội dung được trích dẫn) là hoàn toàn do bản thân tự nghiên cứu, không sao chép của bất kỳ ai hay nguồn nào. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2022 Tác giả luận án
II LỜI CẢM ƠN Luận án đã được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Trần Minh Đức. Tôi xin cảm ơn Thầy! Cảm ơn tập thể Bộ môn Chế tạo máy Khoa Cơ khí, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo mọi điều kiện, thời gian cho tôi học tập và nghiên cứu. Cảm ơn các thầy cô giáo Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã luôn ủng hộ, động viên giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Cảm ơn các nhà khoa học, giáo sư, phó giáo sư, tiến sỹ và thầy cô giáo trong ngành Cơ khí đã trực tiếp cũng như gián tiếp giúp đỡ tôi hoàn thành luận án. Cảm ơn gia đình bố, mẹ và anh chị em tôi đã đem hết tâm huyết giúp đỡ và động viên để tôi hoàn thành luận án. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2022 Tác giả luận án
III MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ VI DANH MỤC HÌNH VẼ........................................................................................... VIII DANH MỤC CÁC TỪ, CỤM TỪ VIẾT TẮT ......................................................... XI MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Lý do lựa chọn đề tài .................................................................................................1 2. Mục tiêu, đối tượng nghiên cứu ...............................................................................2 Mục tiêu chung ................................................................................................................ 2 Mục tiêu cụ thể ................................................................................................................ 2 Phạm vi nghiên cứu ......................................................................................................... 3 3. Nội dung nghiên cứu..................................................................................................3 4. Phương pháp nghiên cứu ..........................................................................................4 5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài ..................................................4 6. Những đóng góp mới của luận án ............................................................................4 7. Cấu trúc nội dung luận án ........................................................................................5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÔI TRƠN TỐI THIỂU VỚI DẦU CẮT NANO TRONG GIA CÔNG VẬT LIỆU CỨNG.................................................................... 8 1.1. Một số khái niệm cơ bản ........................................................................................8 1.1.1. Gia công vật liệu cứng ........................................................................................... 8 1.1.2. Bôi trơn tối thiểu MQL .......................................................................................... 9 1.1.3. Bôi trơn tối thiểu dùng dầu cắt nano NF MQL ................................................... 10 1.2. Tổng quan các kết quả nghiên cứu nước ngoài về ứng dụng NF MQL cho quá trình gia công vật liệu cứng ........................................................................................11 1.2.1. Tổng quan về gia công vật liệu cứng................................................................... 11 1.2.2. Tổng quan về ứng dụng MQL trong gia công cắt gọt ......................................... 14 1.2.3. Tổng quan về ứng dụng MQL cho phay cứng .................................................... 18 1.2.4. Tổng quan về ứng dụng NF MQL cho phay vật liệu cứng ................................. 20 1.2.5. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước ....................................................... 22 Kết luận chương 1........................................................................................................ 23 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM VỀ MQL CÓ SỬ DỤNG DẦU CẮT NANO KHI PHAY VẬT LIỆU CỨNG ..................................... 24 2.1. Cơ chế tạo phoi trong gia công vật liệu cứng .....................................................24 2.1.2. Nhiệt cắt ............................................................................................................... 28 2.1.3. Lực cắt ................................................................................................................. 30 2.1.4. Mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt ......................................................................... 31
IV 2.1.5. Chất lượng bề mặt gia công ................................................................................. 32 2.2. Ảnh hưởng của NF MQL đến quá trình cắt khi gia công vật liệu cứng..........33 2.2.1. Cơ chế tác động của NF MQL đến quá trình cắt khi gia công vật liệu cứng ......33 2.2.2. Ảnh hưởng của các thông số NF MQL đến quá trình cắt khi gia công vật liệu cứng ...............................................................................................................................35 CHƯƠNG 3. VẬT LIỆU VÀ TRANG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ......................... 43 3.1. Vật liệu và hệ thống trang thiết bị thí nghiệm ...................................................43 3.2. Quy trình điều chế dầu cắt nano .........................................................................48 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA NF MQL VÀ CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA QUÁ TRÌNH PHAY CỨNG THÉP 60Si2Mn .................................................................................. 50 4.1. Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của loại dầu cắt, loại hạt nano, áp suất và lưu lượng dòng khí đến quá trình cắt khi phay cứng thép 60Si2Mn. ....................50 4.1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 50 4.1.2. Triển khai thí nghiệm và số liệu thí nghiệm ........................................................ 51 4.1.3. Xử lý số liệu và kết quả ....................................................................................... 53 4.2. Nghiên cứu xác định nồng độ hạt nano, áp suất và lưu lượng dòng khí tối ưu khi phay cứng thép 60Si2Mn ......................................................................................61 4.2.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 61 4.2.2. Triển khai thí nghiệm và số liệu thí nghiệm ........................................................ 62 4.2.3. Xử lý số liệu thí nghiệm và kết quả ..................................................................... 63 4.2.4. Xác định áp suất, lưu lượng và nồng độ hạt tối ưu ............................................. 72 4.2.5. Phân tích cấu trúc tế vi bề mặt............................................................................. 75 4.3. Nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu khi phay cứng thép 60Si2Mn .............78 4.3.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 78 4.3.2. Triển khai thí nghiệm và số liệu thí nghiệm ........................................................ 79 4.3.3. Xử lý số liệu thí nghiệm và kết quả ..................................................................... 80 4.3.4. Xác định nồng độ hạt nano, vận tốc cắt và lượng chạy dao tối ưu ..................... 86 4.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ hạt nano Al2O3 trong dầu cắt NF đến lực cắt, mòn, tuổi bền của dụng cụ và CLBM khi phay cứng thép 60Si2Mn .............. 88 4.4.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................88 4.4.2. Triển khai thí nghiệm và kết quả .........................................................................89 4.4.3. Thảo luận kết quả ................................................................................................ 90 4.5. Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào quá trình gia công một số loại căn đệm ... 97 Kết luận chương 4........................................................................................................ 98
V KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................................. 99 I. Các kết quả chính và đóng góp của luận án .......................................................... 99 II. Hạn chế và định hướng nghiên cứu tiếp theo .................................................... 100 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ THUỘC NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN ......................................................................................................... 102 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN .............................................................................. 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 104 PHỤ LỤC ................................................................................................................... 112
VI DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Tên bảng Trang Tóm tắt kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt khi phay 1.1 12÷13 cứng [7÷15] Tóm tắt kết quả nghiên cứu về ứng dụng MQL cho quá trình 1.2 15÷16 phay Tóm tắt kết quả nghiên cứu về ứng dụng MQL cho quá trình 1.3 19 phay vật liệu cứng Sự thay đổi cấu trúc và hình dạng của phoi phụ thuôc vào các yếu 2.1 27 tố khác nhau 2.2 Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào nồng độ hạt nano [53] 38 3.1 Thành phần hóa học của thép 60Si2Mn 45 Kết quả đo hệ số dẫn nhiệt và độ nhớt của dầu cắt nền và dầu cắt 3.2 49 nano 4.1 Sơ đồ thiết kế các biến thí nghiệm và các mức khảo sát 51 4.2 Kết quả thí nghiệm theo sơ đồ quy hoạch 52 4.3 Mô hình tóm tắt các thông số đánh giá Ra và lực cắt tổng hợp Fr 56 4.4 Các giá trị thông số đầu vào và biến thí nghiệm 62 4.5 Sơ đồ quy hoạch và kết quả thí nghiệm 64 Mô hình tóm tắt các thông số đánh giá Ra và lực cắt Fr (Quy 4.6 66 hoạch p,Q) Trọng số và hệ số mức độ quan trọng khi TƯH đa mục tiêu lực 4.7 72 cắt Ra; Fr 4.8 Kết quả giải pháp TƯH đa mục tiêu 73 Kết quả dự đoán tối ưu đa mục tiêu (Multiple Response 4.9 73 Prediction) Kết quả giải pháp TƯH đa mục tiêu (Solution) chọn khi trước Q 4.10 73 = 200 l/ph 4.11 Kết quả dự đoán tối ưu hóa đa mục tiêu khi Q = 200 l/ph 74 4.12 Kế hoạch thí nghiệm tối ưu chế độ cắt 79
VII Bảng Tên bảng Trang 4.13 Sơ đồ quy hoạch và kết quả thí nghiệm tối ưu chế độ cắt 80 4.14 Mô hình tóm tắt các thông số đánh giá Ra và Fr (Quy hoạch V, Sz) 81 4.15 Trọng số và hệ số mức độ quan trọng khi tối ưu V, Sz 87 4.16 Kết quả giải pháp TƯH đa mục tiêu khi tối ưu theo ND, V, Sz 87
VIII DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Tên hình Trang 1.1 Cơ chế bôi trơn của chế độ: (a) tưới tràn; (b) MQL 9 2.1 Nguyên lý hình thành phoi răng cưa khi gia công vật liệu cứng 24 Mô hình quá trình hình thành phoi được đề xuất bởi Nakayama và 2.2 công sự (a), Nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng (b) được thực 25 hiện bởi König và cộng sự 2.3. Phoi dạng răng cưa được hình thành trong phay cứng 25 Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đến hình dạng phoi: a) V=100 m/phút, t0 =0,6mm, b=2mm, Sz = 0,05 mm/răng; b) 2.4 V=150 m/phút, t0 =0,4mm, b=2,5mm, Sz = 0,10mm/răng; c) 26 V=200 m/phút, t0 =0,4mm, b=2mm, Sz = 0,15 mm/răng; d) V=250 m/phút, t0 =0,6mm, b=2,5mm, Sz = 0,20 mm/răng Màu phoi tạo thành trong phay cứng với vận tốc cắt khác nhau: (a) 2.5 V=50 m/phút, (b) V=70 m/phút, (c) V=90 m/phút, (d) V=110 27 m/phút Kết quả mô phỏng nhiệt và phần trăm autenit theo thể tích cắt khi 2.6 29 phay cứng với V =300 m/phút, Sz =0,2 mm/răng, t0 =2,0 mm Kết quả mô phỏng và thực nghiệm về nhiệt cắt khi phay cứng với 2.7 29 vận tốc cắt khác nhau Ảnh hưởng của phương pháp phay, vận tốc cắt, lượng chạy dao, độ 2.8 cứng vật liệu gia công và DCC đến lực cắt khi phay cứng thép 30 AISI 1045 bằng mảnh gốm Quan hệ giữa mòn mặt sau và chiều dài cắt khi phay cứng với V= 2.9 31 110 m/phút, S= 0,08 mm/vòng và t0 = 0,7 mm 2.10 Cơ chế tác động của NF MQL 34 Bốn cơ chế tác động của hạt nano: (a) con lăn, (b) hình thành 2.11 34 màng, (c) lấp đầy và (d) đánh bóng 2.12 Nhám bề mặt gia công khi thay đổi nồng độ hạt nano MoS2 38 2.13 Mối quan hệ giữa hệ số ma sát của dầu bôi trơn và lực pháp tuyến 39 Mối quan hệ giữa hệ số ma sát của các loại dầu bôi trơn có hạt 2.14 40 nano có kích thước khác nhau và lực pháp tuyến 3.1 Sơ đồ thiết kế thí nghiệm 43 3.2 Hình ảnh mô tả hệ thống thí nghiệm 44 3.3 Mảnh dao hợp kim APMT 1604 PDTR LT30 của hãng LAMINA 45 3.4 Đầu phun MQL hãng NOGA 45
IX Hình Tên hình Trang 3.5 Ảnh SEM của (a) hạt nano Al2O3, (b) hạt nano MoS2 46 3.6 Đầu đo lực 03 thành phần 9257BA của hãng Kistler 46 3.7 Sơ đồ đo và ví dụ về kết quả đo lực cắt 46 3.8 Máy đo nhám SJ-210 của hãng Mitutoyo 47 3.9 Kính hiển vi điện tử kỹ thuật số VHX – 7000 hãng Keyence 47 3.10 Máy đo độ nhớt DV2T™ của hãng Brookfield 47 3.11 Máy đo hệ số dẫn nhiệt ký hiệu THB 500 hãng Linseis 47 3.12 Máy rung siêu âm SW3H của hãng Sono Swiss 47 3.13 Sơ đồ các bước điều chế dầu cắt nano 48 Quy trình điều chế dầu cắt nano: (a) Cân hạt nano theo tỉ lệ % về khối lượng; (b) trộn dầu cắt với hạt nano; (c) rung siêu âm để phân 3.14 48 tán đều hạt nano trong dầu cắt; (d) dầu cắt nano sau quá trình rung siêu âm 4.1 Sơ đồ các thành phần lực cắt khi phay 51 4.2 Biểu đồ Pareto của các ảnh hưởng đến Ra 53 4.3 Biểu đồ Pareto của các ảnh hưởng đến Fr 53 4.4 Các đồ thị đánh giá số dư của nhám bề mặt Ra 53 4.5 Các đồ thị đánh giá số dư của lực cắt tổng hợp Fr 54 4.6 Ảnh hưởng của các yếu tố đến trị số nhám bề mặt Ra 56 4.7 Ảnh hưởng của các yếu tố đến trị số lực cắt tổng hợp Fr 57 4.8 Ảnh hưởng tương tác giữa các biến thí nghiệm lên Ra 57 4.9 Ảnh hưởng tương tác giữa các biến thí nghiệm lên Fr 58 4.10 Ảnh hưởng của các biến khảo sát đến nhám bề mặt Ra 67 4.11 Ảnh hưởng của các biến khảo sát đến lực cắt tổng hợp Fr 67 4.12 Ảnh hưởng tương tác giữa các biến khảo sát đến giá trị nhám Ra 69 4.13 Ảnh hưởng tương tác giữa các biến khảo sát đến giá trị lực cắt Fr 69 Ảnh hưởng của nồng độ và áp suất đến: Ra (a) và Fr (b) khi sử 4.14 70 dụng Q =200 l/ph Ảnh hưởng của nồng độ và áp suất đến: Ra (a) và Fr (b) khi sử 4.15 71 dụng Q =250 l/ph 4.16 Tối ưu hóa đa mục tiêu 73 4.17 Tối ưu hóa đa mục tiêu khi chọn Q =200 l/ph 75 Ảnh chụp cấu trúc tế vi bề mặt gia công khi áp suất p=6 bar, 4.18 76 Q=200 l/ph với nồng độ hạt nano khác nhau: 0,5% (a); 1,0% (b);
X Hình Tên hình Trang 1,5% (c) Ảnh chụp cấu trúc tế vi bề mặt gia công khi áp suất p=6 bar, 4.19 77 Q=200 l/ph với nồng độ hạt nano 1,5% Cấu trúc tế vi bề mặt gia công khi áp suất p=6 bar, Q=200 l/ph sử 4.20 dụng nồng độ hạt nano Al2O3 1,5%: (a) Hình ảnh 3D, (b) hình ảnh 77 2D Phân tích profin bề mặt gia công khi áp suất p=6 bar, Q=200 l/ph 4.21 77 sử dụng nồng độ hạt nano Al2O3 1,5% 4.22 Ảnh hưởng của các biến khảo sát đến nhám bề mặt Ra 82 4.23 Ảnh hưởng của các biến khảo sát đến lực cắt tổng hợp Fr 82 Ảnh hưởng tương tác giữa các biến ND, V, Sz đến hàm mục tiêu 4.24 83 Ra 4.25 Ảnh hưởng tương tác giữa các biến ND, V, Sz đến hàm mục tiêu Fr 83 Ảnh hưởng của nồng độ và vận tốc cắt đến: (a) Ra và (b) Fr khi cố 4.26 84 định Sz =0,12 mm/răng Ảnh hưởng của nồng độ và lượng chạy dao đến: (a) Ra và (b) Fr 4.27 85 khi cố định V =110 m/phút Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đến: (a) Ra và (b) Fr 4.28 86 khi cố định ND =1,0 % 4.29 Kết quả tối ưu đa mục tiêu theo nồng độ hạt nano và chế độ cắt 87 4.30 Ảnh hưởng của nồng độ hạt nano Al2O3 đến thành phần lực cắt Fx 90 4.31 Ảnh hưởng của nồng độ hạt nano Al2O3 đến thành phần lực cắt Fy 91 4.32 Ảnh hưởng của nồng độ hạt nano Al2O3 đến thành phần lực cắt Fz 91 Ảnh chụp mòn mặt sau tại thời điểm thời gian cắt là 80 phút khi 4.33 gia công với dầu cắt nano Al2O3: (a) ND= 0,5%, (b) ND= 1,0%, 93 (c) ND= 1,5% Tuổi bền DCC khi gia công với dầu cắt nền và nồng độ hạt nano 4.34 94 Al2O3 khác nhau Màu phoi tạo thành khi gia công tại thời điểm thời gian cắt là 80 4.35 phút với dầu cắt nano Al2O3: (a) ND= 0,5%, (b) ND= 1,0%, (c) 95 ND= 1,5% Nhám bề mặt khi gia công với dầu cắt nền và nồng độ hạt nano 4.36 96 Al2O3 khác nhau 4.37 Sơ đồ mòn mặt sau và cơ chế tạo màng trong vùng cắt 96
XI DANH MỤC CÁC TỪ, CỤM TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa Ghi chú Trung bình cộng các bình phương hiệu chỉnh (Adjusted Adj MS Mean of Squares) Tổng các bình phương hiệu chỉnh (Adjusted Sums of Adj SS Squares) ANOVA Phân tích phương sai (Analysis of Variance) BTLN Bôi trơn làm nguội CHLB Cộng hòa liên bang CLBM Chất lượng bề mặt CBN Cubic Boron Nitride (Nitrit bo lập phương) Phương pháp thiết kế quy hoạch thực nghiệm tối ưu dạng CCD hỗn hợp tâm xoay (Central Composite Design) DCC Dụng cụ cắt DDTN Dung dịch trơn nguội DĐN Dầu đậu nành DF Số bậc tự do (Degree of Freedom) Em Emulsion HTTN Hệ thống thí nghiệm HKC Hợp kim cứng KTCN Kỹ thuật Công nghiệp KT Kích thước LLDD Lưu lượng dung dịch LLDK Lưu lượng dòng khí MQL Bôi trơn tối thiểu (Minimum quantity lubrication) Bôi trơn làm nguội tối thiểu (Minimum quantity cooling MQCL lubrication) NF MoS2 Dầu cắt nano MoS2 (MoS2 nanofluid) NF Al2O3 Dầu cắt nano Al2O3 (Al2O3 nanofluid) ND Nồng độ NF Dầu cắt nano (Nanofluid) Bôi trơn tối thiểu với dầu cắt nano (Nanofluid Minimum NF MQL quantity lubrication) Bôi trơn làm nguội tối thiểu với dầu cắt nano (Nanofluid NF MQCL Minimum quantity cooling lubrication) NF MQL Bôi trơn tối thiểu với dầu cắt nano Al2O3 Al2O3 NF Al2O3 DĐN Dầu cắt nano Al2O3 trên nền là dầu đậu nành NOGA Đầu phun dung dịch MQL của thương hiệu Noga QHTN Quy hoạch thí nghiệm
XII Ký hiệu Ý nghĩa Ghi chú QTGC Quá trình gia công SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning electron microscopy) TT Thứ tự VLGC Vật liệu gia công ÷ Đến (Ví dụ: hình 3.25 đến hình 3.28) P Xác suất (Probability) R2 Hệ số xác định (Coefficient of detemination) Hệ số xác định điều chỉnh (Coefficient of detemination R2adj adjusted) Hệ số xác định dự đoán (Predicted Coefficient of R2pred determination) Model Mô hình Linear Tuyến tính Square Bình phương 2-way Tương tác hai chiều interaction Source Nguồn Error Sai số Pure error Sai số thuần Lack-of-fit Mức độ không phù hợp Total Tổng Fit Hệ số trùng khớp Sai số chuẩn của hệ số trùng khớp (Standard error of the SE Fit fit) 95% CI Khoảng tin cậy 95% (95% confidence interval) 95% PI Khoảng dự đoán 95% (95% Prediction interval)
XIII DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU Kí hiệu Ý nghĩa Thứ nguyên p Áp suất dòng khí Bar Fx Lực cắt theo phương X N Fy Lực cắt theo phương Y N Fz Lực cắt theo phương Z N Fr Lực cắt tổng hợp N Q Lưu lượng dòng khí l/ph Ra Nhám bề mặt µm Sz Lượng chạy dao răng mm/răng t0 Chiều sâu cắt mm V Vận tốc cắt m/ph ND Nồng độ hạt nano %
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Bôi trơn tối thiểu (Minimum quantity lubrication- viết tắt là MQL) đã được nghiên cứu và phát triển như là một giải pháp thay thế cho gia công không bôi trơn làm nguội (gọi chung là gia công khô – Dry cutting) và bôi trơn làm nguội kiểu tưới tràn. Thực chất của MQL là sử dụng dòng khí áp lực cao trộn với một lượng dầu cắt tối thiểu (Minimum) để tạo thành các hạt nhỏ (Droplet – gọi chung hạt sương mù) rồi phun trực tiếp vào vùng cắt. Ưu điểm của MQL là hiệu quả bôi trơn cao (do các hạt sương mù được phun trực tiếp vào vùng cắt), kết quả là làm thay đổi tương tác ma sát trong vùng cắt; làm giảm nhiệt cắt; giảm lực cắt; giảm độ mòn và nâng cao tuổi bền của dụng cụ cắt (DCC); cải thiện chất lượng bề mặt (CLBM) gia công, v.v. Ngoài ra do sử dụng lượng tối thiểu dầu cắt (0,08 ml/ph ÷ 8,0 ml/ph) nên tiết kiệm được dầu cắt, không có dầu thải nên không phải xử lý dầu trước khi thải vào môi trường,v.v. Xu thế hiện nay là sử dụng các loại dầu có nguồn gốc tự nhiên (dầu, mỡ động vật; dầu thực vật,v.v.) để thay thế cho các loại dầu cắt có nguồn gốc từ dầu khoáng nên MQL được coi là công nghệ thân thiện môi trường, phù hợp với xu thế sản xuất xanh và bền vững hiện nay. Bên cạnh những ưu điểm nêu trên thì MQL có nhược điểm cơ bản là khả năng làm nguội bị hạn chế nên thường chỉ sử dụng có hiệu quả cho các quá trình gia công vật liệu có độ cứng thấp, các loại vật liệu dễ gia công, còn với các loại vật liệu cứng, vật liệu khó gia công thì hiệu quả của MQL còn có phần bị hạn chế. Gia công vật liệu có độ cứng cao (gọi tắt là gia công vật liệu cứng) bằng dụng cụ cắt có lưỡi cắt xác định được hiểu là gia công vật liệu có độ cứng HRC ≥ 45, gia công vật liệu cứng đã được nghiên cứu, ứng dụng cho hầu hết các phương pháp gia công như tiện, phay, khoan,v.v. Trong đó, phay là phương pháp đang rất được quan tâm nghiên cứu để thay thế một phần hay toàn bộ cho nguyên công gia công bằng mài phẳng. Do độ cứng vật liệu cao, điều kiện gia công khắc nghiệt, nhiệt cắt, lực cắt, độ mòn dụng cụ cắt lớn, v.v. nên việc bôi trơn làm nguội cho quá trình phay vật liệu cứng là rất cần thiết. Trong phay vật liệu cứng thì bôi trơn làm nguội kiểu tưới tràn truyền thống là không hiệu quả, mảnh dao dẽ bị nứt, vỡ do hiện tượng sốc nhiệt, vì vậy MQL được đề xuất sử dụng để thay thế cho tưới tràn. Để khắc phục hạn chế của MQL trong gia công vật liệu cứng thì nhiều giải
2 pháp đã được đề xuất như: Bôi trơn làm nguội tối thiểu (Minimum quantity cooling lubrication - viết tắt là MQCL); MQL sử dụng dầu cắt nano (Nanofluid minimum quantity lubrication - viết tắt là NF MQL); hay MQCL sử dụng dầu cắt nano (Nanofluid minimum quantity cooling lubrication - viết tắt là NF MQCL); làm lạnh với dòng khí nhiệt độ thấp, v.v. Trong các giải pháp nêu trên thì NF MQL đang rất được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng. Thực chất ở đây là MQL sử dụng dầu cắt có trộn thêm một hoặc một số loại hạt nano. Việc trộn hạt nano vào dầu cắt để tạo nên dầu cắt nano NF đã góp phần cải thiện đặc tính của dầu cắt như làm thay đổi độ nhớt, làm tăng khả năng dẫn nhiệt, làm thay đổi tương tác ma sát trong vùng cắt nên đã nâng cao được hiệu quả của quá trình bôi trơn làm nguội. Xuất phát từ thực tiễn sản xuất, nhóm nghiên cứu phải gia công các loại căn đệm mỏng chịu va đập, chịu mài mòn bằng vật liệu là các loại thép lò xo (chủ yếu là thép 60Si2Mn) với sản lượng khá lớn và ổn định. Do quá trình nhiệt luyện làm cho chi tiết có độ cong vênh lớn, để đảm bảo loại bỏ hết sai số hình dáng hình học của phôi thì cần có lượng dư gia công đủ lớn. Tuy nhiên, với lượng dư lớn thì quá trình gia công tinh bằng mài phẳng cho năng suất thấp, giá thành cao và hiệu quả kinh tế thấp. Vì vậy việc sử dụng dụng cụ cắt có lưỡi cắt xác định để phay cứng là giải pháp được đề xuất để gia công bớt lượng dư chuẩn bị cho nguyên công mài hoặc thay thế một phần cho nguyên công mài. Giải pháp này sẽ góp phần nâng cao năng suất, nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của quá trình gia công. Từ các lý do nêu trên, tác giả chọn hướng nghiên cứu là ứng dụng NF MQL cho quá trình phay cứng thép và đề xuất tên đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch nano trong bôi trơn tối thiểu đến quá trình phay cứng thép 60Si2Mn”. 2. Mục tiêu, đối tượng nghiên cứu Mục tiêu chung Nghiên cứu ảnh hưởng của bôi trơn tối thiểu sử dụng dầu cắt nano (NF MQL) đến quá trình cắt và kết quả quá trình khi phay vật liệu cứng. Nguyên cứu, xác định các thông số công nghệ tối ưu, ứng dụng vào thực tiễn sản xuất nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế, kỹ thuật của quá trình phay vật liệu cứng. Mục tiêu cụ thể
3 Nghiên cứu ảnh hưởng của NF MQL sử dụng hạt nano Al2O3 trên nền là dầu thực vật đến quá trình cắt (lực cắt; mòn, tuổi bền của DCC,v.v.) và kết quả của quá trình cắt (chất lượng bề mặt gia công) khi phay cứng thép 60Si2Mn. Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của chế độ công nghệ NF MQL (nồng độ hạt nano, áp suất và lưu lượng dòng khí); ảnh hưởng chế độ cắt (vận tốc cắt, lượng chạy dao) đến lực cắt; mòn, tuổi bền của dụng cụ cắt và chất lượng bề mặt gia công. Nghiên cứu, xác định chế độ công nghệ NF MQL và chế độ cắt tối ưu, đưa ra các chỉ dẫn công nghệ để ứng dụng vào thực tiễn sản xuất. Phạm vi nghiên cứu Phương pháp gia công: Phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu gắn mảnh hợp kim cứng APMT 1604 PDTR LT30 của hãng LAMINA. Vật liệu gia công: Thép 60Si2Mn, độ cứng HRC = 50 ÷ 52 Phương pháp bôi trơn làm nguội: Phương pháp bôi trơn tối thiểu sử dụng dầu cắt nano với hạt nano Al2O3 (NF MQL Al2O3) trên nền là dầu đậu nành. Đối tượng nghiên cứu Quá trình vật lý xảy ra trong vùng cắt do có sự tương tác của NF MQL Al2O3 trên nền là dầu đậu nành khi phay cứng thép 60Si2Mn bằng dao phay mặt đầu gắn mảnh hợp kim cứng APMT 1604 PDTR LT30. Chỉ tiêu đánh giá: đánh giá gián tiếp thông qua một số chỉ tiêu xảy ra trong quá trình cắt (lực cắt; mòn, tuổi bền dụng cụ cắt) và kết quả quá trình cắt (nhám bề mặt và cấu trúc tế vi bề mặt gia công). 3. Nội dung nghiên cứu (1) Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của loại dầu cắt nền; loại hạt nano; áp suất dòng khí (p) và lưu lượng dòng khí (Q) đến trị số nhám bề mặt Ra và lực cắt tổng hợp Fr khi phay cứng thép 60Si2Mn. (2) Nghiên cứu ảnh hưởng và xác định giá trị tối ưu của nồng độ hạt nano, áp suất, lưu lượng dòng khí và chế độ cắt đến quá trình cắt khi phay cứng thép 60Si2Mn. (3) Nghiên cứu đánh giá cơ chế tác động và ảnh hưởng của nồng độ hạt nano
4 Al2O3 đến lực cắt; mòn, tuổi bền của dụng cụ; nhám và cấu trúc tế vi bề mặt gia công. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm, trong đó: - Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu tổng hợp các kết quả thuộc về lĩnh vực nghiên cứu của đề tài. - Nghiên cứu thực nghiệm: Sử dụng hệ thống thí nghiệm đáp ứng yêu cầu, đảm bảo độ chính xác, độ tin cậy; sử dụng các phương pháp thiết kế quy hoạch thực nghiệm riêng phần 2k-p và quy hoạch thực nghiệm tối ưu Box – Behnken với sự hỗ trợ của phần mềm quy hoạch và xử lý số liệu Minitab 19. 5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học Bổ sung thêm lý thuyết về cơ chế tác động, tương tác ma sát trong vùng cắt của NF MQL khi phay thép có độ cứng cao (đại diện là thép 60Si2Mn). Trên cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm đã chỉ ra được một số quy luật ảnh hưởng của loại hạt nano, nồng độ hạt, chế độ MQL và chế độ cắt đến quá trình phay cứng. Kết quả này đặt nền tảng cho việc tiếp tục nghiên cứu, phát triển và ứng dụng NF MQL với các loại hạt nano, các loại dầu cắt cho các loại vật liệu gia công khác, v.v. Ý nghĩa thực tiễn Đã xác định được bộ thông số công nghệ tối ưu cho một số điều kiện gia công cụ thể, đưa ra được chỉ dẫn công nghệ để ứng dụng NF MQL vào thực tiễn sản xuất nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của quá trình gia công vật liệu cứng. 6. Những đóng góp mới của luận án Đóng góp mới nổi bật nhất của luận án là đã đánh giá và ứng dụng thành công NF MQL Al2O3 trên nền là dầu thực vật cho quá trình phay vật liệu với các đóng góp cụ thể: (1) Đã đánh giá, phân tích được tương tác của loại hạt nano (Al2O3, MoS2); loại dầu nền (dầu đậu nành; dầu emulsion) và chế độ công nghệ MQL (áp suất dòng khí và lưu lượng dòng khí) đến quá trình và kết quả quá trình phay cứng. Trên cơ sở đó giúp cán bộ kỹ thuật có thể lựa chọn loại hạt nano, loại dầu cắt nền; phối hợp giữa loại hạt
5 nano với dầu cắt nền,v.v. cho phù hợp với các điều kiện gia công cụ thể. (2) Đã đánh giá được cơ chế tác động của hạt nano Al2O3; ảnh hưởng của nồng độ hạt nano, của chế độ công nghệ NF MQL, của chế độ cắt đến quá trình tạo phoi, đến lực cắt và đến cấu trúc tế vi bề mặt khi phay cứng thép. Đề xuất được cơ sở lý thuyết, phương pháp xác định bộ thông số công nghệ NF MQL tối ưu (nồng độ; áp suất, lưu lượng dòng khí; chế độ cắt,v.v.) khi phay cứng thép 60Si2Mn. Đã chứng minh được việc ứng dụng NF MQL với hạt nano Al2O3 đã nâng cao được khả năng cắt của mảnh dao APMT 1604. Cụ thể khi phay thép 60Si2Mn có độ cứng 50 ÷ 52 HRC đã nâng được vận tốc cắt V= 50 ÷ 55 m/phút (theo số liệu của hãng) đến vận tốc cắt V=100 ÷ 110 m/phút, tăng đến 200% nhưng vẫn đảm bảo tuổi bền và các chỉ tiêu khác. (3) Đã đánh giá được ảnh hưởng của nồng độ hạt nano Al2O3 trong NF MQL đến nhiệt cắt; lực cắt; mòn, tuổi bền của dụng cụ; nhám và cấu trúc tế vi bề mặt gia công. Đã đánh giá và chứng minh được việc thêm hạt nano Al2O3 vào dầu đậu nành đã cải thiện được đặc tính của dầu nền, đã tạo ra được dầu cắt NF Al2O3 có tính chất bôi trơn làm nguội tốt (tương đương với dầu emulsion). (4) Đã chứng minh được việc hoàn toàn có thể sử dụng dầu thực vật (rất sẵn có, chi phí thấp ở Việt Nam) để thay thế cho các loại dầu khoáng trong công nghệ gia công vật liệu cứng sử dụng MQL. Kết quả là cơ sở để tiếp tục nghiên cứu, ứng dụng các loại dầu thực vật vào quá trình bôi trơn làm nguội trong gia công cắt gọt, đáp ứng xu thế gia công xanh và gia công bền vững. (5) Kết quả nghiên cứu của luận án đã được ứng dụng thành công để gia công các loại căn đệm phục vụ cho ngành vận tải đường sắt và bước đầu mở rộng để gia công cứng cho một số loại vật liệu khác phục vụ ngành Dược, ngành sản xuất xi măng, v.v. Nội dung chính và các đóng góp mới của luận án được công bố trong 04 bài báo trên tạp chí quốc tế uy tín thuộc danh mục ISI và các nghiên cứu lý thuyết được tổng hợp trong 02 chương sách chuyên khảo của Nhà xuất bản IntechOpen. 7. Cấu trúc nội dung luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận chung, phụ lục và danh mục các bảng biểu,
6 hình vẽ thì nội dung chính của luận án được trình bày trong 3 chương. Chương 1. Tổng quan về bôi trơn tối thiểu với dầu cắt nano trong gia công vật liệu cứng Nội dung chính của chương trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về các vấn đề nghiên cứu gồm: gia công vật liệu cứng; MQL; NF MQL; ứng dụng NF MQL vào quá trình gia công cắt gọt và gia công vật liệu cứng, qua đó lựa chọn được hướng nghiên cứu. Trên cơ sở kết quả nghiên cứu tổng quan, tác giả lựa chọn hướng nghiên cứu là ứng dụng NF MQL cho quá trình phay vật liệu cứng với tên đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch nano trong bôi trơn tối thiểu đến quá trình phay cứng thép 60Si2Mn”. Chương 2. Cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về MQL có sử dụng dầu cắt nano khi phay vật liệu cứng Nội dung chính của chương trình bày nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về cơ chế cắt của gia công vật liệu cứng, cơ chế tác động của NF MQL đến quá trình cắt khi gia công vật liệu cứng, ảnh hưởng của các thông số NF MQL đến lực cắt, mòn, tuổi bền dụng cụ cắt và chất lượng bề mặt gia công khi gia công vật liệu cứng, trong đó có phay cứng. Trên cơ sở kết quả nghiên cứu về lý thuyết cơ bản, tác giả lựa chọn được nội dung nghiên cứu cụ thể và lựa chọn phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để giải quyết các bài toán. Chương 3. Vật liệu và trang thiết bị thí nghiệm Nội dung chính của chương giới thiệu vật liệu và trang thiết bị thí nghiệm phục vụ cho yêu cầu nghiên cứu thực nghiệm của luận án. Máy thí nghiệm, các thiết bị đo được sử dụng trong hệ thống thí nghiệm đều thuộc các hãng sản xuất có uy tín cao (Kistler, Mitutoyo, Keyence, v.v.) nên đảm bảo độ tin cậy. Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của NF MQL và chế độ cắt đến một số thông số đặc trưng của quá trình phay cứng thép 60Si2Mn Nội dung chính của chương: 1) Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của loại dầu cắt nền (dầu emulsion và DĐN), loại hạt nano (Al2O3 và MoS2), áp suất dòng khí (p) và lưu lượng dòng khí (Q)