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

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

1.1 12÷13 Tóm tắt kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt khi phay cứng [7÷15]

1.2 15÷16 Tóm tắt kết quả nghiên cứu về ứng dụng MQL cho quá trình phay

1.3 19 Tóm tắt kết quả nghiên cứu về ứng dụng MQL cho quá trình phay vật liệu cứng

2.1 27 Sự thay đổi cấu trúc và hình dạng của phoi phụ thuôc vào các yếu 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

3.2 49 Kết quả đo hệ số dẫn nhiệt và độ nhớt của dầu cắt nền và dầu cắt 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

56 4.3 Mô hình tóm tắt các thông số đánh giá Ra và lực cắt tổng hợp Fr

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

4.6 66 Mô hình tóm tắt các thông số đánh giá Ra và lực cắt Fr (Quy hoạch p,Q)

4.7 72 Trọng số và hệ số mức độ quan trọng khi TƯH đa mục tiêu lực cắt Ra; Fr

4.8 Kết quả giải pháp TƯH đa mục tiêu 73

4.9 73 Kết quả dự đoán tối ưu đa mục tiêu (Multiple Response Prediction)

4.10 73 Kết quả giải pháp TƯH đa mục tiêu (Solution) chọn khi trước Q = 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

Tên bảng Trang Bảng

4.13 Sơ đồ quy hoạch và kết quả thí nghiệm tối ưu chế độ cắt 80

81 4.14 Mô hình tóm tắt các thông số đánh giá Ra và Fr (Quy hoạch V, Sz)

87 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

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

2.2 25

Mô hình quá trình hình thành phoi được đề xuất bởi Nakayama và công sự (a), Nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng (b) được thực hiện bởi König và cộng sự

2.3. Phoi dạng răng cưa được hình thành trong phay cứng 25

2.4 26

2.5 27

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) V=150 m/phút, t0 =0,4mm, b=2,5mm, Sz = 0,10mm/răng; c) 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) V=50 m/phút, (b) V=70 m/phút, (c) V=90 m/phút, (d) V=110 m/phút

2.6 29

2.7 29 Kết quả mô phỏng nhiệt và phần trăm autenit theo thể tích cắt khi 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 vận tốc cắt khác nhau

2.8 30

Ảnh hưởng của phương pháp phay, vận tốc cắt, lượng chạy dao, độ cứng vật liệu gia công và DCC đến lực cắt khi phay cứng thép AISI 1045 bằng mảnh gốm

2.9 31 Quan hệ giữa mòn mặt sau và chiều dài cắt khi phay cứng với V= 110 m/phút, S= 0,08 mm/vòng và t0 = 0,7 mm

2.10 Cơ chế tác động của NF MQL 34

2.11 34 Bốn cơ chế tác động của hạt nano: (a) con lăn, (b) hình thành màng, (c) lấp đầy và (d) đánh bóng

2.12 Nhám bề mặt gia công khi thay đổi nồng độ hạt nano MoS2 2.13 Mối quan hệ giữa hệ số ma sát của dầu bôi trơn và lực pháp tuyến 39

2.14 40 Mối quan hệ giữa hệ số ma sát của các loại dầu bôi trơn có hạt 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

Hình Trang

IX Tên hình

3.5 Ảnh SEM của (a) hạt nano Al2O3, (b) hạt nano MoS2 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

3.14 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 tán đều hạt nano trong dầu cắt; (d) dầu cắt nano sau quá trình rung siêu âm

Sơ đồ các thành phần lực cắt khi phay 4.1 51

4.2 53

4.3 53

4.4 53

4.5 54 Biểu đồ Pareto của các ảnh hưởng đến Ra Biểu đồ Pareto của các ảnh hưởng đến Fr Các đồ thị đánh giá số dư của nhám bề mặt Ra Các đồ thị đánh giá số dư của lực cắt tổng hợp Fr

4.14 70 4.6 Ảnh hưởng của các yếu tố đến trị số nhám bề mặt Ra 4.7 Ảnh hưởng của các yếu tố đến trị số lực cắt tổng hợp Fr 4.8 Ảnh hưởng tương tác giữa các biến thí nghiệm lên Ra 4.9 Ảnh hưởng tương tác giữa các biến thí nghiệm lên Fr 4.10 Ảnh hưởng của các biến khảo sát đến nhám bề mặt Ra 4.11 Ảnh hưởng của các biến khảo sát đến lực cắt tổng hợp Fr 4.12 Ảnh hưởng tương tác giữa các biến khảo sát đến giá trị nhám Ra 4.13 Ảnh hưởng tương tác giữa các biến khảo sát đến giá trị lực cắt Fr Ảnh hưởng của nồng độ và áp suất đến: Ra (a) và Fr (b) khi sử dụng Q =200 l/ph

4.15 71 Ảnh hưởng của nồng độ và áp suất đến: Ra (a) và Fr (b) khi sử 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

4.18 76 Ảnh chụp cấu trúc tế vi bề mặt gia công khi áp suất p=6 bar, Q=200 l/ph với nồng độ hạt nano khác nhau: 0,5% (a); 1,0% (b);

X Tên hình

Trang Hình

1,5% (c)

4.19 77 Ảnh chụp cấu trúc tế vi bề mặt gia công khi áp suất p=6 bar, Q=200 l/ph với nồng độ hạt nano 1,5%

4.20 77

Cấu trúc tế vi bề mặt gia công khi áp suất p=6 bar, Q=200 l/ph sử dụng nồng độ hạt nano Al2O3 1,5%: (a) Hình ảnh 3D, (b) hình ảnh 2D

4.21 77 Phân tích profin bề mặt gia công khi áp suất p=6 bar, Q=200 l/ph sử dụng nồng độ hạt nano Al2O3 1,5%

82 4.22 Ảnh hưởng của các biến khảo sát đến nhám bề mặt Ra 4.23 Ảnh hưởng của các biến khảo sát đến lực cắt tổng hợp Fr

4.24 83 Ảnh hưởng tương tác giữa các biến ND, V, Sz đến hàm mục tiêu Ra

4.26 84

4.27 85 4.25 Ảnh hưởng tương tác giữa các biến ND, V, Sz đến hàm mục tiêu Fr Ảnh hưởng của nồng độ và vận tốc cắt đến: (a) Ra và (b) Fr khi cố định Sz =0,12 mm/răng Ảnh hưởng của nồng độ và lượng chạy dao đến: (a) Ra và (b) Fr khi cố định V =110 m/phút

4.28 86 Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đến: (a) Ra và (b) Fr 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

91 4.30 Ảnh hưởng của nồng độ hạt nano Al2O3 đến thành phần lực cắt Fx 4.31 Ảnh hưởng của nồng độ hạt nano Al2O3 đến thành phần lực cắt Fy 4.32 Ảnh hưởng của nồng độ hạt nano Al2O3 đến thành phần lực cắt Fz

4.33 93

Ảnh chụp mòn mặt sau tại thời điểm thời gian cắt là 80 phút khi gia công với dầu cắt nano Al2O3: (a) ND= 0,5%, (b) ND= 1,0%, (c) ND= 1,5%

4.34 94

4.35 95

Tuổi bền DCC khi gia công với dầu cắt nền và nồng độ hạt nano Al2O3 khác nhau Màu phoi tạo thành khi gia công tại thời điểm thời gian cắt là 80 phút với dầu cắt nano Al2O3: (a) ND= 0,5%, (b) ND= 1,0%, (c) ND= 1,5%

4.36 96

Nhám bề mặt khi gia công với dầu cắt nền và nồng độ hạt nano Al2O3 khác nhau Sơ đồ mòn mặt sau và cơ chế tạo màng trong vùng cắt 4.37 96

XI DANH MỤC CÁC TỪ, CỤM TỪ VIẾT TẮT

Ghi chú Ký hiệu

Adj MS

Adj SS

ANOVA BTLN CHLB CLBM CBN

CCD

DCC DDTN DĐN DF Em HTTN HKC KTCN KT LLDD LLDK MQL

MQCL

NF MoS2 NF Al2O3 ND NF

NF MQL

NF MQCL Ý nghĩa Trung bình cộng các bình phương hiệu chỉnh (Adjusted Mean of Squares) Tổng các bình phương hiệu chỉnh (Adjusted Sums of Squares) Phân tích phương sai (Analysis of Variance) Bôi trơn làm nguội Cộng hòa liên bang Chất lượng bề mặt Cubic Boron Nitride (Nitrit bo lập phương) Phương pháp thiết kế quy hoạch thực nghiệm tối ưu dạng hỗn hợp tâm xoay (Central Composite Design) Dụng cụ cắt Dung dịch trơn nguội Dầu đậu nành Số bậc tự do (Degree of Freedom) Emulsion Hệ thống thí nghiệm Hợp kim cứng Kỹ thuật Công nghiệp Kích thước Lưu lượng dung dịch Lưu lượng dòng khí Bôi trơn tối thiểu (Minimum quantity lubrication) Bôi trơn làm nguội tối thiểu (Minimum quantity cooling lubrication) Dầu cắt nano MoS2 (MoS2 nanofluid) Dầu cắt nano Al2O3 (Al2O3 nanofluid) Nồng độ Dầu cắt nano (Nanofluid) Bôi trơn tối thiểu với dầu cắt nano (Nanofluid Minimum quantity lubrication) Bôi trơn làm nguội tối thiểu với dầu cắt nano (Nanofluid Minimum quantity cooling lubrication)

Bôi trơn tối thiểu với dầu cắt nano Al2O3

Dầu cắt nano Al2O3 trên nền là dầu đậu nành Đầu phun dung dịch MQL của thương hiệu Noga Quy hoạch thí nghiệm NF MQL Al2O3 NF Al2O3 DĐN NOGA QHTN

Ký hiệu QTGC SEM TT VLGC ÷ P R2 Ghi chú

adj

pred

XII Ý nghĩa Quá trình gia công Kính hiển vi điện tử quét (Scanning electron microscopy) Thứ tự Vật liệu gia công Đến (Ví dụ: hình 3.25 đến hình 3.28) Xác suất (Probability) Hệ số xác định (Coefficient of detemination) Hệ số xác định điều chỉnh (Coefficient of detemination adjusted) Hệ số xác định dự đoán (Predicted Coefficient of determination) Mô hình Tuyến tính Bình phương

Tương tác hai chiều

Model Linear Square 2-way interaction Source Error Pure error Lack-of-fit Total Fit

SE Fit

Nguồn Sai số Sai số thuần Mức độ không phù hợp Tổng Hệ số trùng khớp Sai số chuẩn của hệ số trùng khớp (Standard error of the fit) Khoảng tin cậy 95% (95% confidence interval) Khoảng dự đoán 95% (95% Prediction interval) 95% CI 95% PI

XIII DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU

Kí hiệu Ý nghĩa Thứ nguyên

p Áp suất dòng khí Bar

Lực cắt theo phương X N Fx

Lực cắt theo phương Y N Fy

Lực cắt theo phương Z N Fz

Lực cắt tổng hợp N Fr

Q Lưu lượng dòng khí l/ph

Nhám bề mặt µm Ra

Lượng chạy dao răng mm/răng Sz

Chiều sâu cắt t0

V Vận tốc cắt mm 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)

7

đến trị số nhám bề mặt Ra và lực cắt tổng hợp Fr.

2) Nghiên cứu xác định giá trị nồng độ hạt nano, áp suất dòng khí và lưu lượng

dòng khí tối ưu khi phay cứng thép 60Si2Mn với chế độ NF MQL dùng dầu cắt nano

Al2O3.

3) Trên cở sở bộ thông số áp suất và lưu lượng dòng khí tối ưu, tiến hành

nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ hạt nano, vận tốc cắt, lượng chạy dao đến quá trình

phay cứng và tối ưu các thông số này khi phay cứng thép 60Si2Mn với chế độ NF

MQL Al2O3.

4) Nghiên cứu đánh giá cơ chế tác động và ảnh hưởng của nồng độ hạt nano

Al2O3 đến lực cắt, mòn, tuổi bền của dụng cụ, cấu trúc tế vi bề mặt và chất lượng bề

mặt gia công.

8

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ BÔI TRƠN TỐI THIỂU VỚI DẦU CẮT NANO TRONG GIA

CÔNG VẬT LIỆU CỨNG

1.1. Một số khái niệm cơ bản

1.1.1. Gia công vật liệu cứng

Với các loại vật liệu có độ cứng cao (độ cứng HRC ≥ 45, thường là sau nguyên

công nhiệt luyện) thì giải pháp truyền thống là gia công bằng hạt mài, chủ yếu là gia

công bằng mài [1]. Gia công bằng mài có nhiều ưu điểm nổi bật như có khả năng đạt

độ chính xác cao, chất lượng bề mặt tốt, tính vạn năng cao (gia công được hầu hết các

dạng bề mặt như mặt trụ, mặt phẳng, mặt răng, ren và các bề mặt định hình

khác...),v.v. Tuy nhiên mài có nhược điểm cơ bản là năng suất gia công thấp (lượng

phoi được tách ra trong một đơn vị thời gian thấp) vì vậy việc sử dụng các phương

pháp gia công bằng dụng cụ cắt có lưỡi cắt xác định để gia công vật liệu cứng là xu

hướng đang rất được quan tâm nghiên cứu để thay thế một phần cho nguyên công mài.

Cho đến nay do sự phát triển mãnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật nên đã cho ra

đời những mẫu máy công cụ tiên tiến, mức độ tự động hoá cao, có độ cứng vững và độ

chính xác cao. Đồng thời cùng với đó là các thành tựu mới về dụng cụ cắt như: công

nghệ phun phủ bề mặt dụng cụ, sử dụng các loại vật liệu có tính năng cắt cao như vật

liệu hợp kim cứng, gốm, CBN (Cubic Boron Nitride - Nitrit bo lập phương), kim

cương nhân tạo và các loại kết cấu dụng cụ cắt mới,v.v nên việc gia công cắt gọt trực

tiếp những loại thép sau nhiệt luyện có độ cứng cao bằng dụng cụ cắt có lưỡi cắt xác

định đã đạt được các thành tựu đáng kể.

Việc gia công vật liệu cứng bằng dụng cụ cắt có lưỡi cắt xác định đã giúp cho

quá trình gia công được linh hoạt hơn, nâng cao được năng suất, nhưng vẫn đảm bảo

được độ chính xác, chất lượng bề mặt gia công, v.v. Gia công vật liệu cứng đã được

nghiên cứu và ứng dụng cho hầu hết các phương pháp gia công như tiện cứng, phay

cứng, khoan cứng, v.v. [1]. Tuy nhiên các kết quả nghiên cứu và ứng dụng chủ yếu

vẫn tập trung cho phương pháp tiện, còn các phương pháp khác như phay, khoan còn

hạn chế.

Đặc điểm cơ bản của gia công vật liệu cứng là điều kiện gia công khắc nghiệt,

nhiệt cắt lớn, lực cắt cắt lớn, mòn dao lớn, tuổi bền dụng cụ cắt giảm,v.v. Vì vậy việc

9 nghiên cứu tìm các giải pháp công nghệ nhằm cải thiện tương tác ma sát trong vùng

cắt, nâng cao hiệu quả của quá trình cắt, nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật là cần

thiết. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cắt và kết quả quá trình cắt như hệ

thống công nghệ, phương pháp gia công, chất lượng và kết cấu dụng cụ cắt, chế độ cắt,

công nghệ và chế độ trơn nguội,v.v. Khi đã lựa chọn được các yếu tố khác đạt yêu cầu

của quá trình gia công thì công nghệ và chế độ trơn nguội ảnh hưởng rất lớn đến quá

trình và kết quả của quá trình cắt.

Đối với phay vật liệu cứng, do quá trình cắt không liên tục nên cần lựa chọn

được công nghệ trơn nguội hợp lý để tránh hiện tượng sốc nhiệt, tránh làm vỡ mảnh

dao thì hướng nghiên cứu hiện nay là ứng dụng một số công nghệ bôi trơn làm nguội

như: bôi trơn tối thiểu MQL; bôi trơn làm nguội tối thiểu MQCL; gia công trong môi

trường khí nhiệt độ thấp,v.v. Việc ứng dụng các công nghệ trơn nguội cho quá trình

gia công vật liệu cứng là lĩnh vực rất rộng, trong phạm vi đề tài tác giả chỉ tập trung

nghiên cứu về ứng dụng MQL cho quá trình phay vật liệu cứng.

1.1.2. Bôi trơn tối thiểu MQL

Bôi trơn tối thiểu MQL thực chất là đưa một lượng dung dịch trơn nguội hạn

chế (tối thiểu) với lưu lượng chỉ từ 5÷500 ml/giờ (0,08 ÷ 8 ml/phút) [2] trực tiếp vào

vùng cắt dưới dạng sương mù hoặc dưới dạng dòng tia dầu cắt áp lực cao (hình 1.1).

Trên hình 1.1a là bôi trơn làm nguội kiểu tưới tràn, do sức căng bề mặt nên màng dầu

cắt khó xâm nhập vào vùng cắt. Hình 1.1b là ứng dụng công nghệ MQL, do dầu cắt

được tạo thành các hạt sương mù (microdroplet) nên có khả năng xâm nhập trực tiếp

vào vùng cắt tốt hơn.

(a)

(b)

Hình 1.1. Cơ chế bôi trơn của chế độ: (a) tưới tràn; (b) MQL

10 MQL đã được đề xuất vào những năm 1990 [2], phương pháp này được nghiên

cứu và phát triển như là một giải pháp thay thế cho gia công ở chế độ khô và bôi trơn

làm nguội kiểu tưới tràn. Do các hạt nhỏ dầu cắt xâm nhập trực tiếp vào vùng cắt nên

MQL cho hiệu quả bôi trơn cao, giảm ma sát trong vùng cắt từ đó góp phần giảm nhiệt

cắt, giảm lực cắt, giảm độ mòn và nâng cao tuổi bền của dụng cụ, nâng cao độ chính

xác gia công, cải thiện chất lượng bề mặt gia công, v.v. Ngoài ra do MQL chỉ sử dụng

lượng dầu cắt rất nhỏ, không có lượng dầu cắt thải ra môi trường khi hết hạn sử dụng

nên rất tiết kiệm dầu cắt, tiết kiệm được chi phí xử lý dầu thải, v.v. và ít gây tác hại

xấu đến môi trường. Việc sử dụng các loại dầu cắt có nguồn gốc tự nhiên (dầu cắt có

nguồn gốc từ thực vật, từ động vật) để thay thế cho các loại dầu cắt có nguồn gốc từ

dầu khoáng đã góp phần làm cho MQL có thêm ưu điểm là ít ảnh hưởng đến sức khỏe

của người lao động, thân thiện với môi trường, đáp ứng xu thế gia công xanh, gia công

bền vững [2,3].

Có nhiều yếu tố của MQL (gọi chung là thông số công nghệ của MQL – thông

số khảo sát) ảnh hưởng đến quá trình và kết quả của quá trình gia công như: loại dầu

cắt, áp suất dòng khí, lưu lượng dung dịch, lưu lượng dòng khí, góc phun, khoảng cách

vòi phun, số lượng vòi phun, v.v. Các công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của các

thông số công nghệ MQL đến quá trình cắt đã chỉ ra được các ưu điểm của MQL,

đồng thời cũng chỉ ra tồn tại cơ bản của MQL là khả năng làm nguội bị hạn chế nên

việc ứng dụng cho các phương pháp gia công có điều kiện cắt khắc nhiệt như gia công

vật liệu cứng, gia công các loại vật liệu khó gia công bị hạn chế. Để nâng cao hiệu quả

của MQL ứng dụng cho quá trình gia công vật liệu cứng, ở đây tác giả đề xuất giải

pháp là MQL sử dụng dầu cắt nano (NF MQL).

1.1.3. Bôi trơn tối thiểu dùng dầu cắt nano NF MQL

Bôi trơn tối thiểu dùng dầu cắt nano NF MQL thực chất là công nghệ MQL

sử dụng dầu cắt nano. Dầu cắt nano (Nanofluid – viết tắt là NF) được hình thành từ

việc trộn một số loại hạt nano như: ô xít nhôm Al2O3, ô xít si lích SiO2, sun fít mô líp

đen MoS2, ô xít ti tan TiO2, ô xít đồng CuO, v.v. vào dầu cắt nền là các loại dầu

khoáng hoặc là dầu thực vật với tỷ lệ thích hợp. Sự có mặt của hạt nano trong dầu cắt

đã cải thiện được tính năng bôi trơn, làm nguội của dầu cắt nền như thay đổi độ nhớt,

thay đổi tính dẫn nhiệt,v.v. Đồng thời do các hạt nano có kích thước rất nhỏ và được

11 phân tán đều trong dầu cắt nền nên khi kết hợp với công nghệ MQL thì các hạt sẽ được

đưa trực tiếp vào vùng cắt cùng với các hạt sương mù của dầu nền. Kết quả của sự kết

hợp này đã giúp cải thiện đáng kể ma sát trong vùng cắt, làm giảm nhiệt cắt; giảm lực

cắt; giảm độ mòn, nâng cao được tuổi bền dụng cụ và cải thiện chất lượng bề mặt gia

công,v.v. [2]. NF MQL được nghiên cứu và ứng dụng có hiệu quả cho quá trình gia

công các loại vật liệu cứng, các loại vật liệu khó gia công [4].

1.2. Tổng quan các kết quả nghiên cứu nước ngoài về ứng dụng NF MQL cho quá

trình gia công vật liệu cứng

1.2.1. Tổng quan về gia công vật liệu cứng

Trong những năm gần đây, gia công vật liệu cứng đang ngày một được ứng

dụng rộng rãi trong gia công cắt gọt. Những nghiên cứu cơ bản về lý thuyết chung của

gia công vật liệu cứng được trình bày trong tài liệu [1]. Một số những phương pháp gia

công vật liệu cứng được sử dụng phổ biến bao gồm: tiện cứng, phay cứng, khoan

cứng,v.v. Đã có rất nhiều nghiên cứu ứng dụng tiện cứng trong gia công cắt gọt,

nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt và lực cắt khi tiện

cứng thép AISI 52100 (HRC=62) với mảnh CBN đã được công bố trong [5]. Trị số

nhám bề mặt chịu ảnh hưởng lớn nhất bởi lượng chạy dao và sau đó đến vận tốc cắt.

Kết quả cũng chỉ ra rằng lực pháp tuyến là thành phần lực lớn nhất và có mối liên hệ

chặt chẽ với sự thay đổi độ cứng của chi tiết gia công, thông số hình học và tốc độ

mòn của dụng cụ cắt. Lực cắt chịu ảnh hưởng lớn nhất bởi chiều sâu cắt sau đó đến

lượng chạy dao và vận tốc cắt. Trong gia công vật liệu cứng, lực cắt và nhiệt cắt sinh

ra rất lớn nên việc hình thành lớp biến trắng (white layer) trong công nghệ tiện cứng là

một trong những vấn đề đã được rất nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu và được công

bố trong [6]. Lớp biến trắng là kết quả của sự thay đổi cấu trúc tế vi của vật liệu, có

cấu trúc martensit không qua nhiệt luyện, có độ cứng cao hơn lớp vật liệu trung gian

(dark layer) và lớp vật liệu nền. Chiều dày lớp biến trắng tăng khi tăng chế độ cắt và

khi đó lượng mòn mặt sau tăng. Khả năng chịu mài mòn giảm khi có lớp biến trắng

trên bề mặt. Nguyên nhân chính là do tồn tại những vết nứt tế vi trên lớp biến trắng, và

sự lan truyền của các vết nứt dẫn đến sự bong tróc của lớp biến trắng.

Việc nghiên cứu ứng dụng phay cứng trong gia công cắt gọt đã và đang thu hút

được sự quan tâm rất lớn không chỉ của các nhà khoa học trên thế giới mà còn của các

12 nhà sản xuất, đặc biệt trong lĩnh vực gia công khuôn mẫu. Bảng 1.1 tóm tắt những kết

quả nghiên cứu chính về ảnh hưởng của chế độ cắt khi phay cứng.

Bảng 1.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt khi phay cứng [7÷15]

STT

Thông số khảo sát

Kết quả khi phay cứng

Tác giả, năm công bố

H. Çalışkan và cộng sự (2013) [7]

Thép AISI O2 VLGC: (HRC=61); Vật liệu DCC: HKC phủ PVD- TiN/TiAlN và không phủ; DCC: Dao phay mặt đầu (2 răng); V (m/ph): 50; 100; 150; Sz =0,1; 0,3; 0,5; Chiều sâu cắt (mm): t=0,50; 0,75; 1,00.

110;

70;

Q. An và cộng sự (2014) [8]

VLGC: Thép 30Cr3; Vật liệu DCC: HKC phủ PVD-AlTiN; DCC: Dao phay ngón; V (m/ph): 50; S 90; (mm/vòng)=0,08; 0,10; 0,12; 0,14; Chiều sâu cắt (mm): B=10; t=0,1; 0,3; 0,5; 0,7.

kim

S. Saketi và cộng sự (2015) [9]

VLGC: Hợp cứng Uddeholm Vanadis 4 Extra và Uddeholm Vancron 40; Vật liệu DCC: PCBN; DCC: Dao phay mặt đầu; V (m/ph): 100; 150; Sz =0,1; Chiều sâu cắt (mm): B=0,5; t=12,5

Mòn mặt sau trên mảnh HKC phủ giảm rõ rệt so với mảnh HKC không phủ. Lượng chạy dao và chiều sâu cắt có ảnh hưởng lớn nhất đến lực cắt. Lượng chạy dao có ảnh hưởng lớn nhất đến nhám bề mặt. Khi tăng V từ 70 m/ph lên 110 m/ph kết hợp với lượng chạy dao thấp góp phần giảm lực cắt và cải thiện CLBM. Tuổi bền DCC xấp xỉ 40 phút khi cắt ở chế độ: V=110/phút; S=0,08 mm/vòng; t=0,7mm với tiêu chuẩn mòn mặt sau [B]=0,3mm. Khi tăng vận tốc cắt làm tăng nhiệt cắt (đánh giá gián tiếp thông qua màu phoi). Dạng mòn chính gồm: mòn do cào xước, mòn mặt sau và mẻ tế vi lưỡi cắt chính. Những dạng mòn này có xu hướng tăng khi tăng vận tốc cắt và ảnh hưởng xấu đến CLBM. Nhám bề mặt Ra =0,10÷0,15 µm.

Q. Zhang và cộng sự (2017) [10]

Lực cắt tăng khi tăng lượng chạy dao. Nhiệt cắt tăng khi tăng vận tốc cắt.

Z.Y. Liu và cộng sự (2018) [11]

Năng lượng cắt riêng tăng khi tăng vận tốc cắt. Phay nghịch tiêu hao năng lượng lớn hơn 8,5% so với phay thuận

VLGC: Thép AISI H13; Vật liệu DCC: HKC phủ PVD; DCC: Dao phay mặt đầu; V (m/ph): 190; 280; 160; Sz =0,35; 0,09; 0,35; Chiều sâu cắt (mm): B=1,1; 1,1; 1,4; t=0,9; 1,1; 0,9; Thép AISI H13 VLGC: (HRC=50); Vật liệu DCC: HKC phủ (Ti,Al)N/TiN; DCC: Dao phay ngón; V (m/ph): 100; 200;300; Sz =0,05; 0,1; 0,2; Chiều sâu cắt (mm): B=0,3; 0,4; 0,5; t=1,0

13

(Tiếp bảng 1.1)

STT

Thông số khảo sát

Kết quả khi phay cứng

Tác giả, năm công bố

B. Li và cộng sự (2019) [12]

Phoi dạng răng cưa được hình thành và trên bề mặt gia công bị biến dạng dẻo khốc liệt, không ghi nhận hiện tượng chuyển pha vật liệu. Độ cứng tế vi bề mặt tăng khi tăng vận tốc cắt.

B. Li và cộng sự (2019) [13]

Độ cứng tế vi bề mặt tăng do mật độ cao các xô lệch trong cấu trúc hạt của vật liệu

B. Li và cộng sự (2019) [14]

Sự tập trung của biến dạng cắt và nhiệt ở vùng biến dạng thứ nhất tăng khi tăng vận tốc cắt. Đã mô phỏng được sự hình thành phoi dạng răng cưa và kiểm chứng bằng thực nghiệm.

A. Vovk và cộng sự (2021) [15]

Đã xây dựng được mô hình dự đoán về ảnh hưởng của chế độ cắt đến lớp vật liệu và ứng suất trên bề mặt gia công.

VLGC: Thép AISI H13 (HRC=50); Vật liệu DCC: HKC phủ Ti(C,N)-Al2O3; DCC: Dao phay mặt đầu; V (m/ph): 200; 250; Sz =0,1; 0,2; Chiều sâu cắt (mm): B=1,5; t=2,0; 1,5 VLGC: Thép AISI H13 (HRC=50); Vật liệu DCC: HKC phủ Ti(C,N)-Al2O3; DCC: Dao phay mặt đầu; V (m/ph): 200; 400; Sz =0,1; 0,3; Chiều sâu cắt (mm): B=1,0; 3,0 VLGC: Thép AISI H13 (HRC=50); Vật liệu DCC: HKC phủ Ti(C,N)-Al2O3; DCC: Dao phay mặt đầu; V (m/ph): 200; 300; 400; S =0,2 mm/vòng; Chiều sâu cắt (mm): B=2,0 VLGC: Thép AISI 4140 (HRC=47); Vật liệu DCC: HKC; DCC: Dao phay mặt đầu; V (m/ph): 150; 200; S =0,2 mm/vòng; Chiều sâu cắt (mm): B=0,05; 0,15

Từ các kết quả nghiên cứu ở bảng 1.1 có thể thấy rằng các nghiên cứu sử dụng

mảnh dao phay hợp kim cứng phủ để phay cứng các loại vật liệu như thép hợp kim có

độ cứng cao như AISI H13 (HRC=50), thép AISI O2 (HRC=61),v.v. Bên cạnh đó,

nghiên cứu ứng dụng mảnh PCBN khi phay cứng hợp kim cứng Uddeholm Vanadis 4

Extra và Uddeholm Vancron 40, được công bố trong [9]. Trong các nghiên cứu này

đều tập trung đánh giá ảnh hưởng của chế độ cắt gồm vận tốc cắt, lượng chạy dao và

chiều sâu cắt lên lực cắt, độ mòn của dụng cụ, CLBM gia công, nhiệt cắt, năng lượng

cắt riêng [7÷11, 13, 14], cấu trúc vật liệu, ứng suất dư và độ cứng tế vi bề mặt gia công

[12]. Bên cạnh đó, một số nghiên cứu tập trung xây dựng mô hình phần tử hữu hạn để

mô phỏng, tính toán và dự đoán hình dạng phoi, ảnh hưởng của chế độ cắt đến lớp vật

liệu và ứng suất trên bề mặt gia công [15].

14

1.2.2. Tổng quan về ứng dụng MQL trong gia công cắt gọt

Cho đến nay, đã có rất nhiều nghiên cứu ngoài nước và một số nghiên cứu trong

nước đã được thực hiện nhằm chứng minh hiệu quả và hoàn thiện các thông số công

nghệ cho MQL. Trong những năm gần đây, các thông số công nghệ MQL như: loại

dầu cắt, lưu lượng, áp suất, vị trí vòi phun, góc phun, số lượng vòi phun, v.v. đã được

nhiều tác giả nghiên cứu. Một số loại dầu cắt thường được sử dụng như: dầu emulsion,

dầu thực vật, v.v. Việc nghiên cứu MQL sử dụng dầu cắt emulsion trong gia công cắt

gọt được trình bày trong tài liệu [16,17]. Trong các loại dầu cắt thường sử dụng thì dầu

thực vật có đặc tính bôi trơn phù hợp do khối lượng phân tử cao hơn so với dầu

khoáng thông thường, điều này giúp cho dầu thực vật có đặc tính bôi trơn vượt trội khi

gia công vật liệu mềm. Ngoài ra, các loại dầu này có nguồn gốc từ thực vật nên có thể

phân hủy sinh học tự nhiên, không độc hại với người sử dụng và không gây ô nhiễm

môi trường. Chính vì vậy, các loại dầu thực vật rất phù hợp với công nghệ MQL khi

gia công vật liệu mềm vì không những đảm bảo được tính năng bôi trơn làm nguội

thích hợp mà còn giữ được đặc tính thân thiện với môi trường, phù hợp với xu thế gia

công bền vững ngày nay. Do đó, hướng nghiên cứu này thu hút được nhiều sự quan

tâm của các nhà khoa học và các nhà sản xuất trong nước và ngoài nước.

Trong những năm gần đây, bôi trơn tối thiểu đã được ứng dụng vào trong nhiều

phương pháp gia công cắt gọt như: tiện, phay, khoan, mài và đã mang lại những hiệu

quả rõ rệt. Việc nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ cắt khi gia công ứng dụng bôi

trơn tối thiểu đã thu hút được rất nhiều sự quan tâm của các tác giả trên thế giới và một

số tác giả trong nước. Ứng dụng thành công đầu tiên của bôi trơn tối thiểu cho gia

công cắt gọt đó chính là cho phương pháp tiện. Do vậy, đã có rất nhiều nghiên cứu ứng

dụng MQL cho quá trình tiện và cho thấy hiệu quả trong việc nâng cao hiệu quả của

quá trình cắt, nâng cao chất lượng bề mặt gia công, giảm lực cắt, nhiệt cắt và mòn

dụng cụ cắt do hiệu quả bôi trơn cao hơn so với chế độ khô và tưới tràn [18]. Các

nghiên cứu đã khảo sát ảnh hưởng của loại dầu nền, áp suất, lưu lượng, chế độ cắt và

chế độ trơn nguội đến kết quả của quá trình tiện thép hợp kim chưa nhiệt luyện, các

loại hợp kim nhôm, ma-giê và đồng có độ cứng thấp được trình bày trong [18,19].

Gần đây, đã có một số nghiên cứu ứng dụng MQL cho quá trình phay và bước

đầu cho thấy hiệu quả trong bôi trơn và làm nguội, từ đó nâng cao được hiệu quả của

15 quá trình cắt. Bảng 1.2 tóm tắt một số kết quả nghiên cứu về ứng dụng MQL cho quá

trình phay.

Bảng 1.2. Tóm tắt kết quả nghiên cứu về ứng dụng MQL cho quá trình phay [18; 20 ÷24]

STT

Thông số khảo sát

Kết quả khi gia công với chế độ MQL

Tác giả, năm công bố

Li và Chou (2010)

Giảm lượng mòn mặt sau khoảng 60% và giảm sự hình thành ba via

CLBM tốt hơn so với tưới tràn với vận tốc cắt lớn

Tosun và Huseyinog lu (2010)

Liew (2010)

Cải thiện CLBM, giảm mòn mặt sau so với chế độ tưới tràn

Zhang và cộng sự (2012)

VLGC: Thép SKD61 (HRC=38); Loại DDTN: Dầu thực vật (Bluebe lubricant LB-1); p =0,5 MPa; Q=1,88÷7,5 ml/giờ; Sz =1,0; 1,5; 2,0; Chiều sâu cắt (mm): B=0,2; V (vòng/ph): 20000; 30000; 40000; Chế độ BTLN: Khô, MQL VLGC: Hợp kim nhôm AA7075; Loại DDTN: Dầu pha nước Boron; p =5 bar; Q=5 ml/ph; S =20; 40;80 mm/ph; Chiều sâu cắt (mm):*; V (vòng/ph): 260; 780; 1330; Chế độ BTLN: Tưới tràn, MQL VLGC: AISI 420; Loại DDTN: Hỗn hợp dầu hỏa (93%) và Cyclomethi-cone; p =0,2 MPa; Q=200 ml/giờ; Sz =0,04; Chiều sâu cắt (mm): B=0,2; V (m/ph): 50 m/ph; Chế độ BTLN: Tưới tràn, MQL VLGC: Hợp kim inconel 718; Loại DDTN: Dầu thực vật Bescut 173; p =0,15 MPa; Q=8 ml/giờ; Sz =0,1; Chiều sâu cắt (mm): B=0,5; t=1; V (m/ph): 55 m/ph; Chế độ BTLN: Khô, MQL

Giảm lực cắt và tăng tuổi bền dụng cụ lên 1,57 lần so với phay khô

VLGC: Inconel 718; Loại DDTN: Dầu emulsion, dầu thực vật; p=*; Q=*; S=41,85 mm/phút; Chiều sâu cắt (mm):1,75; V(m/ph): 61,8; 92,7; Chế độ BTLN: Tưới tràn, N2, MQL, MQL+ N2

MQL và MQL + N2 giúp giảm lực cắt so với chế độ tưới tràn và làm mát bằng khí N2.

A. Sultan và A.C. Okafor (2016) [20]

A. Khatri và cộng sự (2018) [21]

VLGC: Hợp kim Ti-6Al-4V; Loại DDTN: *; p =*; Q=*; Sz =41,85 mm/phút; Chiều sâu cắt (mm): t=1,75; V (m/ph): 61,8; 92,7; Chế độ BTLN: Tưới tràn, N2, MQL, MQL+ N2

A. Race và cộng sự (2021) [22] T. Singh và cộng sự (2021) [23]

VLGC: Thép các bon SA516; Loại DDTN: Dầu thực vật; p =*; Q=45÷50 ml/giờ; Sz =0,268; Chiều sâu cắt (mm): B=2; V (m/ph): 277; Chế độ BTLN: Khô, tưới tràn, MQL VLGC: Thép hợp kim EN31 (23HRC); Loại DDTN: Dầu bôi trơn Motul safco rubric SZ32- 20L; p =*; Q=50; 100; 150 ml/giờ; S =70; 140; 210 mm/ph; Chiều sâu cắt (mm): B=0,3; t=0,6;

Giảm mòn dụng cụ so với chế độ khô và tưới tràn. Phay với chế độ MQL phù hợp với gia công hợp kim của Ti. Giảm mòn dụng cụ so với chế độ khô và tưới tràn Giảm được nhiệt cắt và giảm thiểu được những tác động xấu đến môi trường.

16

(Tiếp bảng 1.2)

STT

Thông số khảo sát

Kết quả khi gia công với chế độ MQL

Tác giả, năm công bố

V (vòng/ph): 700; 950; 1200; Chế độ BTLN: MQL

M. Jamil và cộng sự (2021) [24]

VLGC: Hợp kim Ti-6Al-4V; Loại DDTN: Dầu cắt Vascomill MMSFA-1; p =0,6 MPa cho MQL và 0,55 MPa cho CO2/N2; Q=2,5 ml/ph; Sz =0,1; Chiều sâu cắt (mm): B=0,5; t=8; V (m/ph): 110; 185; Chế độ BTLN: Khô, MQL, làm mát bằng CO2 và N2

Chế độ làm mát bằng CO2, N2 và MQL giảm mòn dụng cụ tương ứng 54%, 42% và 24% và CLBM cải thiện tương ứng 53,8%, 39,7% và 32,8% so với phay khô. MQL có hiệu quả làm mát thấp hơn chế độ làm mát bằng CO2 và N2.

“*” Tác giả không đề cập

Qua phần trình bày tóm tắt các kết quả nghiên cứu trong bảng 1.2, có thể thấy

rằng việc ứng dụng công nghệ MQL cho quá trình phay đã mang lại hiệu quả trong

việc cải thiện chất lượng bề mặt gia công, giảm lực và mòn dụng cụ. Một số loại dầu

cắt được nghiên cứu ứng dụng trong MQL như dầu khoáng và dầu thực vật.

Việc nghiên cứu MQL sử dụng một số loại dầu khoáng như dầu cắt emulsion,

dầu Motul SAFCO RUBRIC SZ32-20L, v.v. cho quá trình phay một số loại thép hợp

kim và hợp kim của Ti, Ni được trình bày trong tài liệu [20,23,24]. Trong đó dầu

emulsion được sử dụng phổ biến do có những ưu điểm nổi bật như có nhiệt độ cháy

cao, khả năng làm nguội tốt, khả năng tạo hạt sương mù tốt do có độ nhớt thấp nên đã

góp phần giảm được nhiệt cắt, độ mòn của dụng cụ và cải thiện chất lượng bề mặt.

Tuy nhiên dầu cắt emulsion có khả năng bôi trơn thấp, không thể phân hủy sinh học tự

nhiên nên gây ảnh hưởng xấu đến môi trường. Chính vì thế trong những năm gần đây

dầu thực vật đã được nghiên cứu và ứng dụng do dầu thực vật có đặc tính bôi trơn cao

do có độ nhớt và khối lượng phân tử cao hơn so với dầu khoáng thông thường. Nghiên

cứu ứng dụng dầu thực vật trong MQL cho quá trình phay thép SKD 61, thép các bon

SA516 và hợp kim Inconel 718 được trình bày trong tài liệu [18,22]. Kết quả nghiên

cứu chỉ ra lực cắt, độ mòn của dụng cụ giảm, từ đó góp phần làm tăng tuổi bền dụng

cụ cắt. Ngoài ra, các loại dầu thực vật nên có thể phân hủy sinh học tự nhiên, không

độc hại với người sử dụng và gây ô nhiễm môi trường. Vì vậy, các loại dầu thực vật rất

phù hợp với công nghệ MQL vì không những đảm bảo được tính năng bôi trơn làm

17 nguội thích hợp mà còn giữ được đặc tính thân thiện với môi trường, phù hợp với nền

gia công hiện đại ngày nay. Do đó, hướng nghiên cứu này thu hút được nhiều sự quan

tâm của các nhà khoa học và các nhà sản xuất trong và ngoài nước. Tuy nhiên, dầu

thực vật có nhiệt độ cháy thấp nên khi ứng dụng trong MQL cho gia công vật liệu khó

gia công, vật liệu có độ cứng cao bị hạn chế.

Thông số áp suất dòng khí cũng đóng vai trò rất quan trọng trong MQL và

thông số này có ảnh hưởng lớn đến kết quả của quá trình gia công. Nếu áp suất sử

dụng quá thấp thì việc đưa dung dịch trơn nguội bị hạn chế, dẫn tới hiệu quả bôi trơn

làm nguội thấp. Ngoài ra phoi tạo thành sẽ không bị đẩy ra khỏi vùng gia công, gây

ảnh hưởng xấu đến chất lượng bề mặt và tuổi bền của dụng cụ. Trái lại, nếu áp suất sử

dụng quá cao thì việc đẩy phoi ra khỏi vùng cắt thuận lợi và đưa được dung dịch vào

sâu trong vùng cắt hơn nhưng do không kịp hình thành màng dầu thì đã bị thổi ra khỏi

vùng cắt nên hiệu quả bôi trơn bị hạn chế. Điều này đặt ra vấn đề cần phải lựa chọn

được giá trị áp suất hợp lý và tối ưu thông số này ứng với từng điều kiện cắt cụ thể.

Những nghiên cứu về các thông số MQL như góc phun, lưu lượng dầu cắt, áp suất

dòng khí và vị trí vòi phun cho đến nay được thực hiện chủ yếu cho quá trình tiện. Các

kết quả nghiên cứu chỉ ra được mối quan hệ giữa áp suất dòng khí, vị trí vòi phun đến

kích thước và sự phân bố các giọt dung dịch trơn nguội [25]. Việc hình thành màng

dầu đóng vai trò như một lớp bôi trơn thủy động giữa mặt trước của dao với phoi, mặt

sau của dao với bề mặt gia công. Đây là một trong những đặc tính rất đặc biệt của

công nghệ MQL trong gia công cắt gọt. Kết quả chỉ ra rằng vị trí đặt vòi phun là một

yếu tố quan trọng liên quan đến hiệu quả của việc hình thành màng dầu. Ngoài ra,

cũng có mối liên hệ giữa sự di chuyển của các hạt dầu tới vùng cắt và lưu lượng dung

dịch [25,26]. Gần đây, đã có những nghiên cứu ban đầu về số lượng vòi phun trong

công nghệ MQL nhằm nâng cao hiệu quả bôi trơn làm nguội được trình bày trong

[27]. Tuy nhiên, những nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ MQL (loại dầu cắt, áp suất,

lưu lượng dòng khí, v.v.) cho quá trình phay còn chưa nhiều, hầu hết kết quả nghiên

cứu ứng dụng cho phay vật liệu mềm như hợp kim nhôm, thép hợp kim chưa nhiệt

luyện [18,22,23] và một số ứng dụng cho hợp kim khó gia công như hợp kim của Ti,

Ni [20,24]. Khi ứng dụng cho phay vật liệu cứng hay các loại hợp kim khó gia công

như hợp kim của Titan thì việc sử dụng MQL không cho thấy hiệu quả rõ rệt do nhiệt

sinh ra từ vùng cắt lớn và khả năng làm nguội của MQL thấp. Vì vậy, chế độ cắt và

18 đặc biệt là việc ứng dụng các loại dầu cắt có thể tự phân hủy sinh học, thân thiện với

môi trường như dầu thực vật bị hạn chế. Do đó, cần phải có những giải pháp để cải

thiện khả năng làm nguội của MQL, từ đó mở rộng được phạm vi ứng dụng của công

nghệ này. Trong những giải pháp được đề xuất, việc sử dụng dầu cắt nano cho MQL là

một hướng nghiên cứu mới, không những giúp nâng cao được khả năng bôi trơn và

làm nguội mà còn dễ dàng triển khai vào thực tiễn sản xuất. Hướng nghiên cứu này sẽ

tiếp tục được trình bày trong phần tiếp theo.

Bên cạnh đó, ngoài việc MQL được ứng dụng trong các phương pháp gia công

cắt gọt như tiện, khoan, phay thì MQL còn được ứng dụng trong các phương pháp gia

công sử dụng lưỡi cắt không xác định như mài. Tuy nhiên, nội dung này nằm ngoài

phạm vi nghiên cứu này.

1.2.3. Tổng quan về ứng dụng MQL cho phay cứng

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển nhanh chóng của lĩnh vực vật

liệu để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao từ thực tiễn sản xuất, ngày càng có nhiều loại

vật liệu mới được ra đời mà sở hữu đồng thời nhiều đặc tính tốt như độ cứng, độ bền,

độ dẻo cao, khả năng chịu mài mòn, oxy hóa tốt, v.v. Cùng lúc đó nhu cầu ngày càng

cao về năng suất và chất lượng trong gia công các loại vật liệu đã qua xử lý nhiệt có độ

cứng và độ bền cao đặt ra những yêu cầu mới đối với công nghệ gia công cắt gọt. Để

gia công được những loại vật liệu này, việc lựa chọn vật liệu dụng cụ cắt và công nghệ

bôi trơn làm nguội là hai yếu tố rất quan trọng vì lực và nhiệt sinh ra từ quá trình cắt

rất lớn. Do đó, Công nghệ MQL đã và đang được nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu,

ứng dụng trong gia công cứng nói chung và trong phay cứng nói riêng. Bảng 1.3 trình

bày tóm tắt kết quả nghiên cứu ứng dụng MQL cho quá trình phay vật liệu cứng. Qua

các kết quả nghiên cứu ở bảng 1.3 có thể thấy rằng đã có một số nghiên cứu ứng dụng

MQL cho quá trình phay cứng một số loại thép đã qua nhiệt luyện như NAK80, AISI

D2 và AISI 4140 sử dụng dao phay ngón hợp kim cứng phủ PVD TiAlN. Bên cạnh đó

cũng có thể thấy, hầu hết các nghiên cứu đang sử dụng các thông số của chế độ MQL

ở mức cố định, các kết quả khảo sát và tối ưu các thông số này cho quá trình phay

cứng còn rất ít. Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của vận tốc cắt (150; 200; 250

m/phút), lượng chạy dao răng Sz (0,1; 0,15; 0,2 mm/răng), chiều sâu cắt B=0,6 mm;

t=5 mm khi phay cứng thép NAK80 (HRC=41) với chế độ MQL bằng dao phay ngón

19 HKC phủ được trình bày trong [18]. Kết quả thực nghiệm chỉ ra chất lượng bề mặt gia

công với chế độ cắt được khảo sát tốt hơn khi phay cứng với chế độ khô và tưới tràn.

Bảng 1.3. Tóm tắt kết quả nghiên cứu về ứng dụng MQL cho quá trình phay vật liệu

cứng [18,28]

STT

Thông số khảo sát

Tác giả, năm công bố

Kết quả khi gia công với chế độ MQL

Liao và cộng sự (2007)

CLBM tốt hơn so với chế độ khô và tưới tràn

Kang và cộng sự (2008)

Cải thiện hiệu suất cắt, giảm mòn mặt sau so với chế độ khô và tưới tràn

A. Iqbal và cộng sự (2008)

Cơ chế mòn chính là mòn mũi dao, mòn do cào xước, do dính và mẻ tế vi. Khi giảm vận tốc cắt và lượng chạy dao thì hiện tượng mẻ tế vi giảm so với mòn do dính và mòn mũi dao.

M.Mia (2018) [28]

CLBM cải thiện và mòn dụng cụ giảm khi tăng lưu lượng và chế độ cắt ở mức thấp.

VLGC: Thép NAK80 đã nhiệt luyện (HRC=41); Vật liệu DCC: HKC phủ PVD TiAlN; DCC: Dao phay ngón; Loại DDTN: Dầu khoáng; p =0,45 MPa; Q=10 ml/giờ; Sz =0,1; 0,15; 0,2; Chiều sâu cắt (mm): B=0,6; t=5; V (m/ph): 150; 200; 250; Chế độ BTLN: Khô, tưới tràn, MQL VLGC: Thép AISI D2 (HRC=62); Vật liệu DCC: HKC phủ PVD TiAlN; Dao phay ngón; Loại DDTN: *; p =5 bar; Q=6 ml/giờ; Sz =0,01 mm/răng; Chiều sâu cắt (mm): B=0,02; t=2; V (vòng/ph): 12000; Chế độ BTLN: Khô, tưới tràn, MQL VLGC: Thép AISI D2 (HRC=63) và X210 Cr12 (HRC=60); Vật liệu DCC: HKC phủ PVD TiAlN; DCC: Dao phay ngón đầu cầu; Loại DDTN: *; p =6 bar; Q=25 ml/giờ; Sz =0,08 mm/răng; Chiều sâu cắt (mm): t=0,3; V (m/ph): 38÷83; Chế độ BTLN: MQL VLGC: Thép AISI 4140 (HRC=40); Vật liệu DCC: HKC; Dao phay ngón; Loại DDTN: dầu phân hủy sinh học VG68; p =*; Q=50; 100; 150 ml/giờ; S =22; 46 mm/ph; Chiều sâu cắt (mm): t=1,0; 1,5; V (m/ph): 12; 32; Chế độ BTLN: MQL

“*” Tác giả không đề cập

Nghiên cứu tương tự về khảo sát ảnh hưởng của chế độ cắt khi phay cứng thép

AISI D2 và X210 Cr12 lên hiệu suất cắt và mòn dụng cụ được trình bày trong tài liệu

[18]. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cũng chỉ ra hiệu suất cắt được cải thiện, độ mòn

dụng cụ giảm. Cơ chế mòn chính là mòn mũi dao, mòn do cào xước, mòn dính và mẻ

tế vi. Ngoài ra, nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ cắt (V= 12; 32 m/phút; S =22; 46

mm/phút; chiều sâu cắt t=1,0; 1,5 mm) và lưu lượng dầu cắt (50; 100; 150 ml/giờ) khi

phay cứng thép AISI 4140 với chế độ MQL được trình bày trong [28]. Kết quả nghiên

20 cứu chỉ ra chất lượng bề mặt gia công được cải thiện khi dùng chế độ cắt ở mức thấp

và phải tăng lưu lượng dầu cắt của hệ thống MQL mới đảm bảo được hiệu quả của quá

trình cắt do lực và nhiệt cắt khi phay cứng rất lớn. Điều này cho thấy rõ nhược điểm

chính của công nghệ MQL đó là khả năng làm nguội thấp. Để khắc phục nhược điểm

này có nhiều giải pháp, trong đó có bôi trơn tối thiểu dùng dầu cắt nano (NF MQL).

Phần nghiên cứu tổng quan về công nghệ này được trình bày trong phần tiếp theo.

Tuy nhiên, nhược điểm chính của công nghệ MQL đó chính là khả năng làm

nguội thấp nên việc ứng dụng công nghệ này để gia công những vật liệu khó gia công

như vật liệu có độ cứng cao gặp nhiều khó khăn. Để khắc phục vấn đề này, việc sử

dụng dầu cắt nano cho công nghệ MQL là một hướng nghiên cứu mới giúp cải thiện

được khả năng bôi trơn và đặc biệt là khả năng làm nguội, từ đó mở rộng được khả

năng công nghệ của MQL.

1.2.4. Tổng quan về ứng dụng NF MQL cho phay vật liệu cứng

Trong những năm gần đây, việc ứng dụng công nghệ NF MQL cho quá trình

phay vật liệu cứng là một hướng nghiên cứu mới, bắt đầu thu hút được sự quan tâm và

nghiên cứu. Do có hiện tượng sốc nhiệt nên quá trình phay vật liệu cứng thường tiến

hành ở trạng thái khô nên lực cắt và nhiệt cắt rất lớn, điều này đã đẩy nhanh quá trình

mòn, ảnh hưởng lớn đến tuổi bền dụng cụ, chất lượng bề mặt gia công và công suất

tiêu thụ. Bởi vậy, cần phải sử dụng phương pháp bôi trơn và làm nguội thích hợp,

trong đó công nghệ NF MQL đã cho thấy được hiệu quả và sự phù hợp.

Trong nghiên cứu ứng dụng MQL và NF MQL cho phay cứng thép AISI D2

(HRC=60) bằng dao phay ngón hợp kim cứng và sử dụng dầu cắt nano Al2O3 trên nền

là nước cất [29], tác giả đã khảo sát ảnh hưởng của chế độ cắt (vận tốc cắt, lượng chạy

dao và chiều sâu cắt) và lưu lượng dung dịch đến nhiệt cắt và chất lượng bề mặt gia

công. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra khi phay cứng với chế độ NF MQL nhiệt cắt giảm

từ 16,2÷34,5% và cải thiện CLBM từ 11,3÷12% so với chế độ MQL. Tác giả cũng chỉ

ra lưu lượng dung dịch có ảnh hưởng lớn tới nhiệt cắt. Trong công trình nghiên cứu

[30], tác giả đã ứng dụng công nghệ NF MQL dùng dầu cắt nano graphite để phay

cứng thép AISI H13 với độ cứng thay đổi HRC=40, 45, 50. Nội dung nghiên cứu tập

trung vào ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến năng suất bóc tách vật liệu và tối

ưu hóa chế độ cắt, còn các thông số về chế độ của NF MQL được giữ không đổi với áp

suất p = 3 bar và Q =90 ml/giờ. Kết quả nghiên cứu đề xuất ra bộ thông số chế độ cắt

21 tối ưu gồm V=48,4 m/ph; Sz=0,034 mm/răng; B=0,664 mm khi độ cứng vật liệu gia

công là 45 HRC sẽ cho năng suất bóc tách vật liệu cao nhất.

Ngoài ra, đã có một số nghiên cứu ứng dụng công nghệ này để gia công các loại

hợp kim khó gia công. Nghiên cứu quá trình phay hợp kim Hastelloy C276 với công

nghệ MQL sử dụng dầu cắt nano Al2O3 trên nền là dầu thực vật được trình bày trong

[31]. Các thông số khảo sát bao gồm nồng độ hạt nano Al2O3 (0,5%; 1,0%; 1,5%), vận

tốc cắt (60, 75 và 90 m/phút), lượng chạy dao (0,10; 0,15 và 0,20 mm/vòng). Kết quả

thực nghiệm chỉ ra tuổi bền của dụng cụ và chất lượng bề mặt gia công có mối liên hệ

chặt chẽ với chế độ cắt và nồng độ hạt nano. Tuổi bền của dụng cụ tăng khi tăng nồng

độ hạt nano Al2O3 từ 0,5% lên 1,0%, điều này là do khi tăng nồng độ hạt nano làm

tăng hệ số dẫn nhiệt của dầu cắt, từ đó giúp cho quá trình phân tán nhiệt ở vùng cắt

được nhanh hơn nên góp phần giảm mòn dụng cụ. Tuy nhiên khi tiếp tục tăng nồng độ

hạt nano lên 1,5% thì tuổi bền dụng cụ lại giảm nhẹ, nguyên nhân là do có hiện tượng

lắng đọng và chèn ép của các hạt nano khi xâm nhập vào vùng cắt, từ đó làm ảnh

hưởng đến khả năng bôi trơn của dầu cắt nano. Cơ chế mòn chủ yếu là mòn do cào

xước, mẻ lưỡi cắt và bong lớp phủ. Kết quả phân tích EDX vết mòn cho thấy rằng

không có vật liệu chi tiết gia công bám vào lưỡi cắt, điều này có nghĩa là không có

hiện tượng mòn do dính. Nghiên cứu chỉ ra rằng tồn tại một giá trị nồng độ hạt nano

tối ưu mà ở đó sẽ cho hiệu quả về bôi trơn và làm nguội tốt nhất. Tuy nhiên, nghiên

cứu chưa khảo sát được lực cắt, ảnh hưởng của các thông số công nghệ của MQL,

nồng độ hạt nano, chế độ cắt và tối ưu các thông số này.

Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của MQL sử dụng hạt nano CuO (60nm) trộn

vào nước cho quá trình phay hợp kim Inconel 718 bằng dao phay ngón được trình bày

trong [31]. Nghiên cứu đã khảo sát ảnh hưởng của vận tốc cắt và chiều sâu cắt ở hai

chế độ bôi trơn MQL và NF MQL và ảnh hưởng tương tác của hai thông số này đến

chất lượng bề mặt gia công. Kết quả phân tích bề mặt cũng chỉ ra được tác động của

hạt nano CuO trong vùng cắt góp phần giảm được hệ số ma sát, lực cắt và cải thiện

được chất lượng bề mặt gia công. Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng chỉ ra khi gia công

với chế độ NF MQL, nhiệt và năng lượng tiêu thụ giảm lần lượt là 14,7% và 13,3% so

với chế độ MQL. Tuy nhiên, nghiên cứu mới chỉ phân tích được ảnh hưởng của các

thông số như chiều sâu cắt, vận tốc cắt, lưu lượng dung dịch và chưa tối ưu được các

22 thông số này. Ảnh hưởng của nồng độ hạt nano, áp suất dòng khí là hai thông số có

ảnh hưởng lớn đến hiệu quả của NF MQL chưa được đề cập.

Nghiên cứu ứng dụng dầu cắt nano MoS2 khi phay hợp thép chậm gỉ AISI 420

bằng công nghệ MQL bằng dao phay ngón hợp kim cứng không phủ được đề cập

trong [33]. Nghiên cứu thực nghiệm so sánh với chế độ khô, MQL và NF MQL với hai

giá trị lưu lượng khác nhau trên nền dầu thực vật. Kết quả nghiên cứu chỉ ra việc sử

dụng chế độ NF MQL với dầu cắt nano MoS2 có hiệu quả bôi trơn tốt hơn so với MQL

không có hạt nano và chế độ khô, điều này đã góp phần giảm được hệ số ma sát và

nhiệt trong quá trình cắt nên giảm được mòn dụng cụ và cải thiện chất lượng bề mặt

gia công. Hơn nữa, việc tăng lưu lượng dầu cắt cho hiệu quả bôi trơn tốt hơn, từ đó

nâng cao được hiệu quả của quá trình cắt. Tuy nhiên nghiên cứu chỉ dừng lại ở kết quả

so sánh với cùng một chế độ cắt, còn rất nhiều thông số công nghệ của NF MQL chưa

được khảo sát và tối ưu.

Qua đây, có thể thấy rằng việc gia công với chế độ NF MQL nâng cao được

hiệu quả của quá trình phay vật liệu cứng do đã cải thiện được khả năng bôi trơn và

làm nguội trong vùng cắt, từ đó giúp giảm mòn dụng cụ, lực cắt, nhiệt cắt, nâng cao

được chất lượng bề mặt gia công khi so sánh với chế độ MQL không sử dụng dầu cắt

nano. Đây là một hướng nghiên cứu mới nên những nghiên cứu ứng dụng NF MQL

cho phay vật liệu cứng vẫn còn chưa nhiều. Các nghiên cứu đang tập trung vào ảnh

hưởng của chế độ cắt đến quá trình phay vật liệu cứng, còn ảnh hưởng của chế độ NF

MQL như loại dầu cắt, loại hạt nano, áp suất dòng khí, lưu lượng dòng khí, v.v. chưa

được đề cập. Bên cạnh đó cũng có thể thấy xu hướng sử dụng dung dịch/dầu cắt thân

thiện với môi trường trong nghiên cứu ứng dụng NF MQL cho phay vật liệu cứng.

1.2.5. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước

Các kết quả nghiên cứu trong nước chủ yếu là của tác giả Trần Minh Đức và

nhóm nghiên cứu, với các nghiên cứu về MQL bắt đầu được khởi nguồn từ năm 2005.

Một số kết quả nghiên cứu về MQL sử dụng một số loại dầu cắt như dầu công nghiệp,

dầu emulsion, dầu lạc khi tiện ngoài, tiện cắt đứt thép 90CrSi; phay rãnh, phay đĩa

xích, v.v. [34÷37]. Kết quả đã chỉ ra được hiệu quả của MQL và đặc biệt là lần đầu thử

nghiệm thành công dầu lạc (một loại dầu thực vật sẵn có ở Việt Nam) ứng dụng trong

gia công cắt gọt. MQL sử dụng dầu thực vật ứng dụng cho quá trình tiện cứng thép

90CrSi được công bố trong [35]. Một số kết quả về nghiên cứu ứng dụng MQL ứng

23 dụng cho phay được công bố trong [37]. Kết quả nghiên cứu ứng dụng dầu cắt nano

MoS2 cho quá trình phay cứng thép SKD 11 và Hardox 500 với công nghệ MQCL

được trình bày trong [38,39]. Ngoài ra, kết quả nghiên cứng ảnh hưởng của MQL đến

mòn dao và độ nhám bề mặt chi tiết khi phay mặt phẳng thép 65X đã tôi bằng dao

phay mặt đầu Các bít được trình bày trong [40]. Kết quả nghiên cứu chỉ ra mòn dao

giảm, chất lượng bề mặt gia công được cải thiện do hiệu quả bôi trơn tốt của MQL,

giúp giảm được ma sát trong vùng cắt. Các công trình trên đã nghiên cứu, đánh giá ảnh

hưởng của loại dung dịch, áp lực dòng khí, lưu lượng tưới, vị trí đặt và khoảng cách

vòi phun, phương pháp gia công (gia công hở, gia công nửa kín, gia công kín) đến các

thành phần lực cắt, đến mòn và tuổi bền dụng cụ, chất lượng bề mặt, hiệu quả về kinh

tế - xã hội, v.v. khi phay cứng thép với chế độ MQL và NF MQCL. Tuy nhiên chưa có

nghiên cứu về ảnh hưởng của NF MQL đến quá trình phay cứng thép.

Kết luận chương 1

Kết quả nghiên cứu tổng quan cho thấy gia công vật liệu cứng và ứng dụng dầu

cắt nano trong công nghệ MQL cho quá trình gia công vật liệu cứng là hướng nghiên

cứu mới, đang thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế

giới. Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra được những hiệu quả tích cực như cải thiện

được khả năng bôi trơn làm nguội trong vùng cắt, làm giảm ma sát; giảm lực cắt; giảm

độ mòn và nâng cao được tuổi bền của dụng cụ, cải thiện được chất lượng bề mặt gia

công,v.v. do đó đã nâng cao được hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của quá trình gia công vật

liệu cứng.

Về phay vật liệu cứng và ứng dụng NF MQL cho quá trình phay vật liệu cứng,

đặc biệt là NF MQL sử dụng dầu nền là các loại dầu thực cũng như việc ứng dụng các

kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất ở nước ta còn hạn chế. Vì vậy việc lựa chọn

NF MQL sử dụng dầu cắt nano trên nền là dầu thực vật sẵn có ở Việt Nam để nâng cao

hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của quá trình phay vật liệu cứng, ứng dụng vào thực tiễn

sản xuất ở nước ta là cần thiết, có ý nghĩa về kinh tế - kỹ thuật và ý nghĩa xã hội.

Xuất phát từ đòi hỏi của thực tiễn sản xuất và xuất phát từ các kết quả nghiên

cứu tổng quan nêu trên, tác giả lựa chọn hướng nghiên cứu là ứng dụng NF MQL quá

trình phay cứng thép với tên đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu ảnh hưởng của dung

dịch nano trong bôi trơn tối thiểu đến quá trình phay cứng thép 60Si2Mn”.

24

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM VỀ MQL CÓ SỬ DỤNG DẦU CẮT NANO

KHI PHAY VẬT LIỆU CỨNG

2.1. Cơ chế tạo phoi trong gia công vật liệu cứng

Quá trình tạo phoi trong gia công cứng có một số khác biệt so với gia công

truyền thống. Mô hình đơn giản đầu tiên về hiện tượng nứt theo chu kỳ trong quá trình

hình thành phoi dạng răng cưa (hình 2.1) được đề xuất bởi tác giả Shaw [41].

Hình 2.1. Nguyên lý hình thành phoi răng cưa khi gia công vật liệu cứng [41]

Tại điểm C trong trường hợp (i) vật liệu ở bề mặt tự do bắt đầu bị đẩy lên và giả

sử theo hướng CD song song với lực cắt tổng hợp Fr. Vết nứt do cắt bắt đầu từ điểm D

và phát triển xuống dọc theo mặt phẳng trượt DO tới mặt trước (trường hợp (ii)). Khi

dao di chuyển, phoi trượt theo mặt vết nứt tới khi vết nứt mới hình thành tại điểm D’

(trường hợp (iii)). Ban đầu các vết nứt (được gọi là gross crack,) hình thành liên tục

theo chiều rộng của phoi đối với vật liệu có tính giòn vừa phải, còn đối với vật liệu có

tính giòn thấp và nếu cắt với vận tốc cắt cao hơn sẽ hình thành phoi vụn vì vết nứt bắt

đầu và hướng tới mũi dao.

Trong gia công vật liệu cứng, phoi dạng răng cưa (so called “saw-toothed

chip”) được hình thành do sự đứt gãy của vật liệu gia công (hình 2.2). Vết nứt được

hình thành trên bề mặt của chi tiết gia công khi vật liệu gia công đạt tới biến dạng cắt

giới hạn, vì thế hiện tượng đứt gãy chi phối quá trình hình thành phoi.

25

(a) (b)

Hình 2.2. Mô hình quá trình hình thành phoi được đề xuất bởi Nakayama và công

sự (a), Nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng (b) được thực hiện bởi König và cộng

sự [42]

Phoi dạng răng cưa là dạng phoi chủ đạo được ghi nhận trong nghiên cứu thực

nghiệm quá trình phay cứng thép 30Cr3 bằng mảnh hợp kim cứng phủ PVD-AlTiN

với chế độ khô [8]. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra có 3 vùng: (1) vùng biến

dạng dẻo, (2) vùng biến dạng cắt đoạn nhiệt, (3) vùng biến dạng thấp (hình 2.3). Trong

quá trình hình thành phoi dạng răng cưa, có 3 hiện tượng xuất hiện: thứ nhất là hiện

tượng biến cứng do phoi chịu biến dạng dẻo lớn, thứ hai là ảnh hưởng của hiện tượng

biến mềm do nhiệt cắt cao, thứ ba là hiện tượng phoi bị tôi cứng do nhiệt cắt cao kết

hợp với quá trình cắt không liên tục.

Hình 2.3. Phoi dạng răng cưa được hình thành trong phay cứng [8]

26 Mặc dù dạng phoi xếp được hình thành trong quá trình gia công những loại vật

liệu khó gia công do cắt đoạn nhiệt (adiabatic shear) có mặt cắt ngang giống với phoi

dạng răng cưa được hình thành trong gia công cứng nhưng hai loại phoi này không

giống nhau do khác nhau về cơ chế hình thành. Góc trượt trong gia công cứng rất nhỏ

so với gia công truyền thống và giá trị của góc này tăng đáng kể khi tăng độ cứng vật

liệu gia công và ít phụ thuộc vào góc trước của dụng cụ cắt.

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo phoi, trong đó độ cứng vật liệu gia

công và chế độ cắt là các yếu tố ảnh hưởng đáng kể đến quá trình hình thành phoi và

hình dạng phoi. Hình 2.4 minh họa hình ảnh mặt cắt phoi khi phay cứng thép dụng cụ

AISI H13 (HRC=50) với mảnh hợp kim cứng phủ (Ti, Al)N-TiN. Kết quả nghiên cứu

chỉ ra có hai loại phoi khác nhau được tạo thành với chế độ cắt: V=100÷250 m/phút,

Sz=0,05÷0,20 mm/răng, chiều sâu cắt t0 =0,3÷0,6 mm đó là phoi dây và phoi dạng

răng cưa khi cắt với vận tốc cắt và lượng chạy dao cao. Quan sát hình 2.4 có thể thấy

hình dạng phoi thay đổi từ dạng phoi dây sang phoi răng cưa khi tăng vận tốc cắt và

lượng chạy dao. Trong đó, lượng chạy dao răng là yếu tố ảnh hưởng chính đến sự hình

thành dạng phoi răng cưa, sau đó đến vận tốc cắt.

Hình 2.4 minh họa mối liên hệ giữa độ cứng vật liệu gia công, chế độ cắt và

hình dạng phoi với dạng biến dạng dẻo trong vùng cắt chính (vùng cắt thứ nhất).

Hình 2.4. 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) V=150 m/phút, t0 =0,4mm,

b=2,5mm, Sz = 0,10mm/răng; c) 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 [1]

27 Khi độ cứng của vật liệu gia công tăng và tăng chế độ cắt thì dạng phoi hình

thành có xu hướng chuyển từ dạng phoi dây sang phoi dạng răng cưa (bảng 2.1). Khi

tiếp tục tăng thì phoi dạng răng cưa có xu hướng cuộn tròn, vùng bị biến trắng trên

phoi tăng (hình 2.4c, d) [1].

Bảng 2.1. Sự thay đổi cấu trúc và hình dạng của phoi phụ thuộc vào các yếu tố [1]

SỰ THAY ĐỔI CỦA PHOI

Phoi dây Phoi dạng răng cưa

Dạng phoi Dạng phoi răng cưa

Dạng tấm mỏng (lamellae) => Dạng có Dạng có nếp gấp (folds) => Dạng có nếp

nếp gấp (folds) gấp dạng cuộn (dimples)

Độ cứng vật liệu gia công, vận tốc cắt,

Chế độ cắt v.v. (các yếu tố chính dẫn đến sự hình

thành phoi dạng răng cưa)

Biến mềm do nhiệt

Ứng xử vật liệu trong vùng cắt chính Biến cứng

Sự xuất hiện của lớp oxy hóa trên bề mặt của phoi làm cho màu phoi có sự khác

biệt khi thay đổi vận tốc cắt được ghi nhận trong [8].

Hình 2.5. Màu phoi tạo thành trong phay cứng với vận tốc cắt khác nhau: (a) V=50

m/phút, (b) V=70 m/phút, (c) V=90 m/phút, (d) V=110 m/phút [8]

28 Khi tăng vận tốc cắt, màu của phoi tạo thành thay đổi từ màu bạc ở V=50 m/phút sang

màu nâu tối ở V=70 m/phút, sang màu tím ở V=90 m/phút, và sang màu xanh dương ở

V=100 m/phút (hình 2.5).

2.1.2. Nhiệt cắt

Trong quá trình cắt, 97% cơ năng biến thành nhiệt năng và trong đó có 80%

lượng nhiệt sinh ra từ vùng cắt chính, 75% lượng nhiệt này truyền vào phoi và 5%

truyền sang chi tiết gia công. Nhiệt ở bề mặt tiếp xúc giữa dụng cụ cắt và phoi chiếm

18% và 2% từ bề mặt tiếp xúc giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công [1]. Do việc đo

trực tiếp nhiệt cắt trong quá trình gia công gặp nhiều khó khăn nên các nghiên cứu về

nhiệt cắt chủ yếu tập trung ở việc xây dựng các mô hình tính toán, dự đoán.

Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng phần tử hữu hạn ba chiều cho lực cắt

và nhiệt cắt và kiểm chứng thực nghiệm khi phay cứng thép dụng cụ AISI H13 bằng

mảnh hợp kim cứng được trình bày trong [10]. Kết quả phân tích cho thấy khi tăng

lượng chạy dao từ 0,05 mm/răng lên 0,15 mm/răng thì nhiệt cắt tăng đáng kể từ

457,63˚C lên 538,08 ˚C. Trong nghiên về nhiệt cắt và mô phỏng nhiệt trong quá trình

phay cứng thép AISI H13 (HRC=50) sử dụng mảnh hợp kim cứng phủ Ti (C, N)-

Al2O3 [12]. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng nhiệt cắt cao nhất tập trung ở vùng biến

dạng thứ hai do sự kết hợp giữa biến dạng dẻo khốc liệt tại mặt phẳng trượt và lực ma

sát lớn giữa mặt trước của dao và phoi (chip back surface). Nhiệt cắt cũng là yếu tố

ảnh hưởng lớn nhất đến sự chuyển pha của vật liệu. Trong hình 2.6 trình bày về kết

quả mô phỏng quá trình tạo phoi, sự phân bố nhiệt cắt và sự thay đổi của nồng độ

autenit, có thể thấy rằng nhiệt cắt tập trung ở bề mặt tiếp xúc giữa phoi và mặt trước

của dao, đạt giá trị cao nhất ở vị trí vùng biến dạng thứ hai, khoảng 738ºC ÷ 902ºC và

nồng độ autenit 28 ÷ 34%. Nhiệt cắt và nồng độ autenit giảm nhanh khi bề mặt phoi ra

khỏi vùng biến dạng thứ hai. Khi tăng vận tốc cắt thì nhiệt độ bề mặt gia công tăng. Cụ

thể với vận tốc cắt là 200 m/phút, 300 m/phút và 400 m/phút thì nhiệt độ bề mặt gia

công lần lượt là 446,8ºC, 490,4 ºC và 557,9 ºC (hình 2.7), tuy nhiên nhiệt cắt đo được

trong quá trình thực nghiệm có sai khác lớn với kết quả dự đoán theo mô hình mô

phỏng. Do vậy, bề mặt gia công trong phay cứng chịu biến dạng dẻo khốc liệt và thay

đổi cấu trúc hạt hơn là thay đổi pha vật liệu. Độ cứng tế vi bề mặt gia công và lớp vật

liệu chuyển tiếp (subsurface) cao hơn so với lớp vật liệu nền và độ cứng tế vi tăng khi

29 tăng vận tốc cắt. Ngoài ra, chiều sâu của lớp biến dạng dẻo tăng khi tăng lượng chạy

dao và ít thay đổi khi tăng vận tốc cắt [13].

Hình 2.6. Kết quả mô phỏng nhiệt và phần trăm autenit theo thể tích cắt khi phay cứng

với V =300 m/phút, Sz =0,2 mm/răng, t0 =2,0 mm [12]

Hình 2.7. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm về nhiệt cắt khi phay cứng với vận tốc cắt

khác nhau [12]

Trong quá trình phay cứng có thể thấy rằng nhiệt sinh ra từ quá trình cắt rất lớn

và lượng nhiệt này có ảnh hưởng lớn đến tốc độ mòn dụng cụ và chất lượng bề mặt gia

công.

30

2.1.3. Lực cắt

Trong gia công cứng, các thành phần lực cắt nhìn chung cao hơn so với gia

công vật liệu có độ cứng thấp. Bên cạnh đó, thành phần lực pháp tuyến (Fy) có giá trị

lớn, có thể còn lớn hơn thành phần lực tiếp tuyến (Fz). Thành phần lực Fy ảnh hưởng

lớn nhất đến mòn mặt sau và sai số kích thước trong gia công vật liệu cứng. Bên cạnh

đó, ảnh hưởng của lực tiếp tuyến và lực pháp tuyến lên mòn mặt sau khác nhau. Lực

cắt khi phay cứng ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như phương pháp phay, chế độ cắt, độ

cứng vật liệu gia công, dụng cụ cắt, v.v. Trong nghiên cứu [43] đã nghiên cứu ảnh

hưởng của phương pháp phay, vận tốc cắt, lượng chạy dao, độ cứng vật liệu gia công

và dụng cụ cắt đến lực cắt khi phay cứng thép AISI 1045 bằng mảnh gốm. Quan sát

hình 2.8 có thể thấy rằng phương pháp phay (phay thuận và phay nghịch) ít có ảnh

hưởng đến lực cắt. Khi tăng vận tốc cắt thì lực cắt có xu hướng giảm. Lượng chạy dao

có ảnh hưởng lớn nhất đến lực cắt, khi tăng lượng chạy dao thì lực cắt tăng nhanh do

diện tích lớp cắt tăng. Bên cạnh đó độ cứng vật liệu gia công và loại dụng cụ cắt cũng

có ảnh hưởng đến lực cắt. Khi tăng vận tốc cắt thì lực cắt giảm và chất lượng bề mặt

gia công được cải thiện. Việc sử dụng kết hợp lượng chạy dao và chiều sâu cắt nhỏ với

vận tốc cắt cao có hiệu quả trong giảm lực cắt và giá trị nhám bề mặt [8].

Hình 2.8. Ảnh hưởng của phương pháp phay, vận tốc cắt, lượng chạy dao, độ cứng vật

liệu gia công và DCC đến lực cắt khi phay cứng thép AISI 1045 bằng mảnh gốm [43]

31

2.1.4. Mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt

Mòn dụng cụ cắt là một vấn đề lớn trong gia công vật liệu cứng bởi vật liệu gia

công có độ cứng cao gây mòn dụng cụ rất nhanh, làm giảm tuổi bền và gây gãy hỏng

dụng cụ. Lực cắt và nhiệt cắt cao hơn do ma sát và nhiệt sinh ra từ vùng cắt đẩy nhanh

quá trình mòn trong gia công vật liệu cứng so với gia công truyền thống. Trong các

phương pháp gia công cứng, phay cứng là một quá trình cắt không liên tục, nhiệt cắt

rất cao (có thể lên tới 1000ºC hoặc hơn) và lực cắt lớn là những yếu tố có ảnh hưởng

lớn đến việc chọn lựa vật liệu dụng cụ cắt [7]. Các loại dụng cụ cắt được làm từ hợp

kim cứng được sử dụng phổ biến nhất do có độ dai và độ cứng nóng cao, bên cạnh đó

chi phí thấp hơn nhiều so với các loại vật liệu dụng cụ cắt khác. Trong nghiên cứu thực

nghiệm quá trình phay cứng thép 30Cr3 bằng mảnh hợp kim cứng phủ PVD-AlTiN

với chế độ khô [8]. Tuổi bền của dụng cụ cắt gần 40 phút khi cắt với vận tốc cắt 110

m/phút, lượng chạy dao 0,08 mm/vòng và chiều sâu cắt 0,7 mm được đánh giá theo

tiêu chuẩn mòn mặt sau [B] =0,3 mm (theo tiêu chuẩn ISO 8688-2) (hình 2.9). Dạng

mòn chủ yếu là mòn do cào xước (crater wear), mẻ tế vi (micro chipping) và bong lớp

phủ (coating peeling). Mòn do cào xước xuất hiện rõ trên mặt trước của dao do nhiệt

cắt lớn giữa mặt tiếp xúc giữa dao và phoi. Bên cạnh đó, khi lớp phủ bị bong, khả năng

chịu nhiệt của lớp vật liệu nền của dụng cụ cắt giảm gây hiện tượng mẻ tế vi và hiện

tượng mòn dính trên mặt trước của dao. Ngoài ra, lực cắt có mối quan hệ chặt chẽ với

mòn mặt sau, đặc biệt là thành phần lực pháp tuyến Fy. Thành phần lực này có thể sử

dụng để theo dõi tình trạng mòn dụng cụ.

Hình 2.9. Quan hệ giữa mòn mặt sau và chiều dài cắt khi phay cứng với V= 110

m/phút, S= 0,08 mm/vòng và t0 = 0,7 mm [8]

32 Trên mặt sau của dao, dạng mòn do cào xước là dạng mòn chủ đạo do áp lực và

ma sát lớn kết hợp với nhiệt độ cao giữa bề mặt gia công và mặt sau của dao khi gia

công thép có độ bền cao. Khi dụng cụ cắt mòn nhanh hơn, nó gây ra ảnh hưởng xấu

đến chất lượng của bề mặt như khuyết tật bề mặt, độ nhám tăng, sự hình thành lớp

biến trắng và ứng suất dư. Do đó, cần phải có các giải pháp để giảm mòn dụng cụ hoặc

thường xuyên thay đổi dụng cụ cắt.

2.1.5. Chất lượng bề mặt gia công

Chất lượng bề mặt gia công là một thông số rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến

cơ tính và tính năng làm việc của chi tiết. Những yếu tố quan trọng nhất để đánh giá

chất lượng bề mặt gia công cứng như nhám bề mặt, topography, độ cứng tế vi, chiều

dày lớp biến trắng, thành phần hóa học của lớp vật liệu bề mặt,v.v. Trong đó, nhám bề

mặt có ảnh hưởng lớn đến độ bền mỏi và đặc tính bề mặt của sản phẩm, và đây cũng là

thông số phổ biến nhất để đánh giá sản phẩm sau khi gia công có đạt yêu cầu hay

không. Ngoài ra, do nhiệt sinh ra từ quá trình phay cứng rất lớn và khi lượng nhiệt này

vượt quá nhiệt độ autenit hóa do ma sát, lực cắt lớn, lẹo dao và biến dạng dẻo (plastic

strain) sẽ hình thành một lớp vật liệu giòn bị biến đổi được gọi là lớp biến trắng (white

layer) trên bề mặt gia công. Lớp vật liệu này có độ cứng cao hơn và chiều dày từ 2÷20

µm. Các nghiên cứu chỉ ra cấu trúc tế vi lớp vật liệu này có dạng tinh thể nano với

kích thước hạt từ 30÷500 nm. Lớp biến trắng có tính giòn và tồn tại ứng suất dư kéo

nên gây ra những ảnh hưởng xấu đến tính năng làm việc của chi tiết [44]. Trong

nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhám bề mặt khi phay cứng thép AISI

4340 (HRC=46) [44], có thể thấy việc sử dụng kết hợp vận tốc cắt cao, lượng chạy dao

và chiều sâu cắt nhỏ sẽ cho giá trị nhám bề mặt thấp nhất. Lượng chạy dao vẫn là yếu

tố có ảnh hưởng lớn nhất đến trị số nhám bề mặt khi phay cứng.

Nhận xét chung

Qua đây có thể thấy rằng, cơ chế cắt của quá trình phay cứng có nhiều khác biệt

với gia công vật liệu thường, điều này phản ánh qua sự khác biệt trong quá trình hình

thành phoi và cơ chế tạo phoi. Phoi dạng răng cưa là dạng phoi chủ đạo được hình

thành trong gia công vật liệu cứng do sự đứt gãy của vật liệu gia công do hiện tượng

biến cứng do phoi chịu biến dạng dẻo lớn, ảnh hưởng của hiện tượng biến mềm do

nhiệt cắt cao, và hiện tượng phoi bị tôi cứng do nhiệt cắt cao kết hợp với quá trình cắt

33 không liên tục. Lực cắt và nhiệt cắt trong gia công vật liệu cứng rất lớn, đây cũng là

một điểm so với gia công vật liệu thường. Trong đó, thành phần lực pháp tuyến (Fy) có

giá trị lớn, là nhân tố chính gây ra hiện tượng mòn mặt sau và sai số kích thước trong

gia công vật liệu cứng. Mòn do cào xước là dạng mòn chủ đạo, tập trung ở lưỡi cắt

chính do áp lực và ma sát lớn kết hợp với nhiệt độ cao giữa bề mặt gia công và mặt sau

của dao; mặt trước của dao và phoi khi gia công vật liệu có độ cứng độ bền cao.

Phay cứng thường tiến hành ở chế độ khô với một số ưu điểm như tiết kiệm chi

phí từ việc không sử dụng dầu cắt và đảm bảo được tính thân thiện với môi trường.

Tuy nhiên, hiện tượng mòn nhanh và tuổi bền thấp khi gia công vật liệu cứng bằng các

loại mảnh hợp kim cứng do lực cắt và nhiệt cắt lớn [7] là một trong những yếu tổ ảnh

hưởng đến độ chính xác về kích thước và chất lượng bề mặt gia công, do đó cần phải

có những loại vật liệu phủ phù hợp cho mảnh hợp kim cứng để mở rộng khả năng ứng

dụng của loại vật liệu dụng cụ cắt này [45]. Bên cạnh đó, việc sử dụng chế độ bôi trơn

dạng tưới tràn gặp nhiều khó khăn khi ứng dụng cho phay cứng vì quá trình cắt không

liên lục nên rất dễ gây ra hiện tượng sốc nhiệt, làm sứt, vỡ dụng cụ cắt, ảnh hưởng

nghiêm trọng tới tuổi bền, chất lượng bề mặt gia công và giá thành gia công [46]. Do

đó, để khắc phục vấn đề này, việc ứng dụng MQL và NF MQL vào công nghệ phay

cứng là một giải pháp mang lại nhiều hiệu quả rõ rệt, thay thế cho chế độ khô và tưới

tràn trong khi vẫn đảm bảo được tính thân thiện với môi trường. Nội dung này sẽ được

trình bày trong phần tiếp theo.

2.2. Ảnh hưởng của NF MQL đến quá trình cắt khi gia công vật liệu cứng

2.2.1. Cơ chế tác động của NF MQL đến quá trình cắt khi gia công vật liệu cứng

Hình 2.10 mô tả quá trình xâm nhập của dầu cắt nano NF vào vùng cắt khi sử

dụng MQL, trong đó hình 2.10a sơ đồ mô tả chung, hình 2.10b mô tả chi tiết quá trình

xâm nhập của các hạt sương mù và hạt nano trực tiếp vào vùng cắt. Khi xâm nhập vào

vùng cắt, mỗi loại hạt nano có hình dạng, kích thước và đặc tính khác nhau nên cơ chế

bôi trơn của chúng cũng khác nhau. Có bốn cơ chế tác động của hạt nano được đề xuất

đó là: con lăn (rolling), hình thành màng (film formation), lấp đầy (filling) và đánh

bóng (polishing) [47] như hình 2.11. Đối với các loại hạt nano có độ cứng cao và dạng

cầu hoặc gần cầu ví dụ như Al2O3, TiO2, v.v. khi xâm nhập vào vùng cắt thì cơ chế tác

động chính là đóng vai trò như các con lăn, chuyển ma sát trượt thành ma sát lăn, do

34 đó giảm được hệ số ma sát trong vùng cắt (hình 2.11a), ngoài ra còn có thể có cơ chế

tạo màng hạt nano kim loại trên bề mặt.

Hình 2.10. Cơ chế tác động của NF MQL

Một số loại hạt nano có cấu trúc dạng lớp như MoS2, graphene, v.v. thì có xu

hướng hình thành lớp màng bôi trơn thủy động (tribo-film) bám lên trên bề mặt dụng

cụ cắt, bề mặt gia công,v.v. trong vùng cắt (hình 2.11b). Lớp màng này có hiệu quả

trong việc giảm ma sát, từ đó giảm được lực cắt, nhiệt cắt và mòn dụng cụ. Do áp lực

trong vùng cắt rất lớn, kết hợp với nhiệt độ cao, một số loại hạt nano (như SiO2, CuO,

v.v.) bị chèn ép và bám lên trên bề mặt gia công hoặc lấp đầy vào những vết lõm trên

bề mặt gia công từ đó cải thiện chất lượng bề mặt gia công (hình 2.11c). Ngoài ra, với

những loại hạt nano có độ cứng cao như Al2O3, CNTs, hBN, v.v. có khả năng tạo ra

hiệu ứng con lăn giảm ma sát và cũng đóng vai trò san phẳng những nhấp nhô trên bề

mặt gia công (hình 2.11d). Vì vậy, chất lượng bề mặt gia công được cải thiện.

Hình 2.11. Bốn cơ chế tác động của hạt nano: (a) con lăn, (b) hình thành màng, (c)

lấp đầy và (d) đánh bóng [47]

35 Nhận xét: Sự có mặt của hạt nano trong dầu cắt đã cải thiện được tính năng bôi

trơn, làm nguội của dầu cắt nền và hơn thế nữa còn có thể cải thiện hoạt tính của dầu

cắt nền, từ đó giúp cải thiện được ma sát trong vùng cắt, giúp giảm lực, mòn, nâng cao

được tuổi bền dụng cụ và chất lượng bề mặt gia công.

2.2.2. Ảnh hưởng của các thông số NF MQL đến quá trình cắt khi gia công vật

liệu cứng

a. Ảnh hưởng của loại dầu cắt

Có nhiều loại dầu cắt được nghiên cứu và ứng dụng làm dầu nền cho công nghệ

MQL như dầu emulsion, dầu thực vật, v.v. Tuy nhiên để đáp ứng tốt hơn với những

yêu cầu đặt ra của các phương pháp gia công cứng mà ở đó nhiệt cắt và lực cắt rất lớn

thì các loại dầu cắt không những phải có đặc tính bôi trơn tốt mà cần có khả năng làm

nguội. Ngoài ra, các loại dầu cắt sử dụng cũng cần phải đảm bảo được tính không độc

hại với người sử dụng và gây ô nhiễm môi trường.

Dầu cắt emulsion là một trong những loại dầu cắt được sử dụng phổ biến nhất

trong gia công cắt gọt và được sử dụng chủ yếu với chế độ tưới tràn. Dầu cắt emulsion

có nguồn gốc từ dầu khoáng, có đặc tính làm nguội tốt nhưng do độ nhớt thấp nên khả

năng bôi trơn còn hạn chế. Đã có khá nhiều nghiên cứu ứng dụng dầu cắt emulsion

trong công nghệ MQL và cho thấy hiệu quả trong việc giảm hệ số ma sát trong vùng

cắt, từ đó giảm được lực cắt, nhiệt cắt, mòn dụng cụ và trị số nhám bề mặt [48]. Tuy

nhiên, khi ứng dụng trong gia công những loại vật liệu có độ cứng cao, nhiệt cắt và lực

cắt rất lớn nên việc sử dụng MQL với dầu cắt nền là emulsion còn bộc lộ nhiều hạn

chế về hiệu quả bôi trơn. Hơn nữa, vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng được quan

tâm trong xu thế sản xuất bền vững, thân thiện với môi trường nên việc lựa chọn

những loại dầu cắt nguồn gốc từ thực vật có thể tự phân hủy sinh học là một xu hướng

tất yếu.

Các loại dầu thực vật được xem như là một một giải pháp thay thế phù hợp nhất

dùng trong công nghệ MQL. Dầu thực vật chủ yếu bao gồm axit béo và chất béo trung

tính -COOH trong phân tử axit béo và -COOR trong chất béo trung tính cả hai đều

thuộc nhóm phân cực, điều này giúp cho dầu thực vật có đặc tính bôi trơn tốt [3]. Dầu

thực vật không chỉ tạo ra lớp màng bôi trơn có độ bền cao mà còn tương tác với bề mặt

kim loại bởi vì các phân cực của axit béo tạo ra các màng phân tử có định hướng, từ đó

36 tạo ra màng dầu giúp làm giảm ma sát và mòn. Hơn nữa, dầu thực vật có thể phân hủy

sinh học nên đây là loại dầu cắt rất phù hợp với công nghệ MQL, đảm bảo được tính

thân thiện với môi trường, phù hợp với xu thế sản xuất bền vững hiện nay. Do vậy,

việc ứng dụng dầu thực vật trong công nghệ MQL ứng dụng trong gia công cắt gọt đã

trở thành một hướng nghiên cứu mới, thu hút được sự quan tâm và nghiên cứu của các

nhà khoa học trên toàn thế giới. Dầu thực vật có nhiệt độ cháy từ 250ºC÷360ºC, nhiệt

độ này cao hơn so với dầu khoáng [3], nên có thể chịu được nhiệt độ cắt cao hơn trong

gia công cắt gọt. Tuy nhiên, nhược điểm có dầu thực vật đó là tính ổn định nhiệt và

khả năng chống ô xy hóa thấp, dễ đông đặc. Bên cạnh đó, việc ứng dụng loại dầu cắt

này cho các phương pháp gia công vật liệu cứng, trong đó có phay cứng gặp nhiều khó

khăn do nhiệt sinh ra từ vùng cắt rất lớn, làm cháy dầu thực vật làm giảm khả năng bôi

trơn [49].

Trong những loại dầu cắt được sử dụng cho công nghệ MQL, thì dầu thực vật là

một loại dầu phù hợp để thay thế cho dầu khoáng và đáp ứng tốt yêu cầu về môi

trường. Những nghiên cứu để phát triển và cải tiến các loại dầu cắt có nguồn gốc từ

thực vật đã trở thành một chủ đề ngày một được quan tâm trên toàn thế giới, trong đó

có việc sử dụng hạt nano phân tán vào trong dầu thực vật để hình thành dầu cắt nano,

giúp nâng cao được khả năng bôi trơn và đặc biệt là hệ số dẫn nhiệt, vì vậy, mở rộng

phạm vi ứng dụng của dầu thực vật trong gia công cắt gọt, đặc biệt cho các phương

pháp gia công vật liệu cứng mà vẫn không làm mất đi đặc tính thân thiện với môi

trường của loại dầu này.

b. Ảnh hưởng của loại hạt nano

Mỗi loại hạt nano có hình dạng, kích thước và đặc tính khác nhau nên khi ứng

dụng để điều chế dầu cắt nano cho gia công vật liệu cứng thì sẽ tạo ra các cơ chế tác

động trong vùng cắt khác nhau.

Hạt nano Al2O3 có những đặc tính như độ cứng, độ bền cao, khả năng chịu

nhiệt và hệ số dẫn nhiệt tốt. Loại hạt này có thể thay đổi cơ chế ma sát trượt thuần túy

thành phối hợp giữa ma sát trượt và ma sát lăn, do đó giảm hệ số ma sát. Hạt nano

Al2O3 cũng có độ cứng cao (HR=2700÷3000) nên khả năng chịu mài mòn tốt và có thể

đóng vai trò như những con lăn nên diện tích bề mặt tiếp xúc thực giảm đáng kể. Bên

cạnh đó cũng có hiệu ứng đánh bóng giúp nâng cao chất lượng bề mặt gia công [47].

37 Sun fít mô líp đen (MoS2) được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp như là chất

bôi trơn rắn và được xem như là loại chất bôi trơn rắn tốt nhất với hệ số ma sát rất thấp

(0,03÷0,05 hoặc thậm chí nhỏ hơn). Hạt nano MoS2 có cấu trúc dạng lớp, độ cứng

thấp. Cấu trúc lớp của hạt nano MoS2 là một hệ tinh thể lục giác gồm nguyên tử Mo và

S liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị. Liên kết này ngắn nhưng khoảng cách

giữa các nguyên tử S lại lớn do vật liên kết giữa hai lớp phân tử S liền kề yếu cho phép

chuyển động trượt của các tấm song song. Đây là đặc điểm giúp cho hạt nano MoS2 có

khả năng bôi trơn rất tốt. Bên cạnh đó, các lớp lưu huỳnh của MoS2 có ái lực với các

nguyên tử kim loại nên giúp cho việc hình thành lớp màng bôi trơn giúp giảm ma sát,

chống mài mòn rất tốt [50]. Hạt nano graphite cũng có cấu trúc và tính chất tương tự

như hạt nano MoS2.

Sợi nano cacbon (Carbon nanotubes –CNTs) có cấu trúc dạng ống tròn có độ

bền cao do vậy cơ chế bôi trơn chính là tạo hiệu ứng con lăn. Khi sử dụng với nồng độ

nhỏ, sợi nano cacbon tham gia vào vùng cắt làm giảm ma sát trượt và cải thiện khả

năng bôi trơn của dầu cắt nano.

Ngoài ra còn rất nhiều các loại hạt nano khác đã và đang được nghiên cứu và

ứng dụng, tuy nhiên trong phạm vi nghiên cứu này tác giả chỉ đề cập tới một số loại

hạt nano được sử dụng phổ biến. Hơn nữa, việc sử dụng loại hạt nano nào cho phù hợp

đối với từng điều kiện và phương pháp gia công cụ thể cần phải được nghiên cứu

thêm.

c. Ảnh hưởng của nồng độ hạt nano

Nồng độ hạt nano trong dầu cắt là một thông số rất quan trọng vì nó không

những ảnh hưởng đến đặc tính bôi trơn làm nguội của dầu nền mà còn ảnh hưởng lớn

đến kết quả của quá trình gia công. Hiệu quả của quá trình cắt không phải lúc nào cũng

tăng khi tăng nồng độ hạt nano và có xu hướng giảm khi đạt tới một giá trị đỉnh mà ở

đó có giá trị nồng độ hạt nano phù hợp [47]. Trong nghiên cứu về nồng độ hạt nano

MoS2 trong dầu khoáng khi tiến hành phay hợp kim nhôm Al6061-T6 với công nghệ

MQL [51], nhóm tác giả đã khảo sát các giá trị nồng độ hạt nano: 0%, 0,2%, 0,5%,

1,0%. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng khi sử dụng dầu cắt nano MoS2 giúp cải thiện

được chất lượng bề mặt gia công so với dầu cắt nền không có hạt nano (hình 2.12).

Khi tăng nồng độ hạt nano MoS2 từ 0,2% lên 0,5% thì trị số nhám bề mặt giảm. Tuy

nhiên khi tăng nồng độ hạt nano MoS2 lên 1,0% thì lại ảnh hưởng xấu đến chất lượng

38 bề mặt gia công, trị số nhám tăng (hình 2.12). Kết quả phân tích cấu trúc tế vi của bề

mặt gia công đã chỉ ra có một lớp màng mỏng MoS2 bám trên bề mặt gia công, lớp này

giúp làm giảm ma sát và biến dạng do nhiệt. Sự hình thành lớp màng mỏng này tăng

dần khi tăng nồng độ hạt nano MoS2 trong dầu cắt nền từ 0,2% lên 0,5%.

Hình 2.12. Nhám bề mặt gia công khi thay đổi nồng độ hạt nano MoS2 [51]

Tuy nhiên khi tiếp tục tăng nồng độ hạt nano lên 1,0% thì sự hình thành màng

mỏng này lại kém đi, hiệu quả trong việc giảm ma sát và biến dạng do nhiệt giảm, nên

không những không cải thiện được chất lượng bề mặt gia công mà còn ảnh hưởng xấu

đến chất lượng bề mặt. Mặt khác, khi tăng nồng độ hạt nano đến 1,0% xảy ra hiện

tượng chèn ép làm cho quá trình bôi trơn của hạt nano không được liên tục. Việc tăng

nồng độ hạt nano trong làm tăng độ nhớt của dầu cắt nền, do vậy giúp cho quá trình

hình thành màng dầu bôi trơn được thuận lợi hơn [52]. Mối liên hệ giữa nồng độ hạt

nano với hệ số dẫn nhiệt của dung dịch nền đã được nghiên cứu trong [53]. Kết quả

nghiên cứu thực nghiệm giữa mối liên hệ giữa nồng độ hạt nano và hệ số dẫn nhiệt của

dung dịch nền là nước được cho ở bảng 2.2.

Bảng 2.2. Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào nồng độ hạt nano [53]

Hạt nano Al2O3 (150nm)

Hạt nano TiO2 (150nm)

Hạt nano ZrO2 (44nm)

Nồng độ

Hệ số dẫn nhiệt

Nồng độ

Hệ số dẫn nhiệt

Nồng độ

Hệ số dẫn nhiệt

(W/m.K)

(%)

1,0%

1,059

1,0%

1,048

2,0%

1,077

2,0%

1,131

2,0%

1,100

4,0%

1,143

4,0%

1,178

4,0%

1,146

6,0%

1,172

6,0%

1,240

6,0%

1,206

8,0%

1,185

39 Qua kết quả thực nghiệm ở bảng 2.2 có thể thấy rằng khi tăng nồng độ hạt nano

làm tăng đáng kể hệ số dẫn nhiệt của dung dịch nền là nước. Cụ thể, ở giá trị nồng độ

hạt nano 6,0%, hệ số dẫn nhiệt của dung dịch nền tăng từ 5% đến 28% tùy thuộc vào

loại dung dịch nano. Tuy nhiên, do các loại hạt nano không hòa tan trong dung dịch

nền và chỉ phân tán trong dung dịch nên khi sử dụng nồng độ hạt quá cao sẽ gây hiện

tượng kết tủa, gây lãng phí và giảm hiệu quả khi sử dụng làm dầu cắt. Kết quả nghiên

cứu về mối quan hệ giữa hệ số ma sát với lực pháp tuyến với dầu bôi trơn thông

thường và dầu bôi trơn nano graphite được cho ở hình 2.13 [54]. Có thể thấy rõ rằng

dầu bôi trơn nano có hệ số ma sát nhỏ hơn đáng kể so với dầu bôi trơn không có hạt

nano. Hệ số ma sát của dầu bôi trơn nano có xu hướng giảm khi tăng nồng độ hạt nano

và lực pháp tuyến.

Hình 2.13. Mối quan hệ giữa hệ số ma sát của dầu bôi trơn và lực pháp tuyến [54]

d. Ảnh hưởng của kích thước hạt nano

Kích thước của hạt nano cũng là một thông số rất quan trọng, ảnh hưởng lớn

đến đặc tính bôi trơn của dầu cắt nền. Nghiên cứu về ảnh hưởng của kích thước hạt

nano grapite đến đặc tính bôi trơn của dầu bôi trơn chỉ ra rằng dầu bôi trơn có chứa hạt

nano có hệ số ma sát nhỏ hơn so với dầu bôi trơn không có hạt nano (hình 2.14) [55].

Hệ số ma sát của dầu bôi trơn nano giảm đáng kể khi giảm kích thước của hạt nano

graphite từ 450 nm xuống 55 nm và hệ số ma sát có xu hướng giảm khi tăng giá trị lực

pháp tuyến khi sử dụng hạt nano graphite có kích thước 55 nm. Trong khi đó, khi sử

dụng hạt graphite có kích thước 5µm hệ số ma sát thậm chí còn cao hơn so với dầu bôi

40 trơn không có hạt, và hệ số này tăng khi tăng giá trị lực pháp tuyến, điều này cũng

tương tự với trường hợp dầu bôi trơn không có hạt nano và dầu bôi trơn nano với kích

thước hạt 450 nm. Có thể thấy rằng việc dùng hạt nano có kích thước nhỏ hơn sẽ cho

hiệu quả bôi trơn tốt hơn. Kích thước của hạt ở cỡ micro hay nano không chỉ ảnh

hưởng đến đặc tính bôi trơn làm nguội dầu cắt nền mà còn có mối liên hệ với chi phí

sản xuất hạt. Do vậy, tùy vào từng điều kiện và yêu cầu gia công cụ thể mà sử dụng

kích thước hạt cho hợp lý.

Hình 2.14. Mối quan hệ giữa hệ số ma sát của các loại dầu bôi trơn có hạt nano có

kích thước khác nhau và lực pháp tuyến [55]

Đã có nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng khi gia công tinh thì dùng hạt nano có kích

thước trong khoảng 10÷60 nm sẽ mang lại hiệu quả tốt hơn, trong khi đó khi gia công

thô thì việc sử dụng hạt có kích thước micro lại cho hiệu quả tốt hơn [4].

* Nhận xét

(a) Tổng hợp các kết quả nghiên cứu nêu trên đều hướng đến nhận định là các

hạt nano trong dầu cắt nano NF có tác dụng làm thay đổi hoạt tính của dầu cắt nền và

làm thay đổi tương tác ma sát trong vùng cắt.

Hạt nano trong dầu cắt góp phần làm thay đổi độ nhớt, thay đổi khả năng dẫn

nhiệt, cải thiện khả năng bôi trơn, làm mát,v.v. của dầu cắt nền.

Trong bôi trơn tối thiểu MQL sử dụng dầu cắt nano NF, các hạt nano làm thay

41 đổi tương tác ma sát trong vùng cắt thông qua một (hoặc kết hợp vài) cơ chế trong các

cơ chế tác động chính gồm: (1) cơ chế con lăn (rolling); (2) cơ chế hình thành màng

mỏng (film formation); (3) cơ chế lấp đầy (filling) và (4) cơ chế đánh bóng (polishing)

phụ thuộc vào loại hạt nano và sự phối hợp giữa các loại hạt nano.

Kết quả là hạt nano trong dầu cắt nano làm thay đổi tương tác ma sát trong vùng

cắt, cải thiện điều kiện cắt gọt, làm giảm nhiệt cắt, giảm lực cắt, nâng cao chất lượng

bề mặt, v.v.

(b) Để đánh giá, kiểm chứng các nhận định lý thuyết nêu trên thường sử dụng

phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và có thể sử dụng các phương đánh giá như:

- Đánh giá trực tiếp bằng cách đo hệ số ma sát trong vùng cắt,v.v. Phương pháp

này cho kết quả tin cậy tuy nhiên quá trình thực hiện khó khăn, nhất là trong điều kiện

ở Việt Nam.

- Đánh giá gián tiếp thông qua các chỉ tiêu là các yếu tố xảy ra trong quá trình

cắt (nhiệt cắt, lực cắt, mòn dụng cụ,v.v.) hoặc kết quả quá trình cắt (chất lượng bề mặt,

độ chính xác gia công,v.v.). Việc đo lường, đánh giá các yếu tố xảy ra trong quá trình

cắt và kết quả quá trình cắt thuận lợi hơn so với phương pháp trên, đặc biệt là trong

điều kiện thực tiễn tại Việt Nam. Ngoài ra các chỉ tiêu này mang tính chất công nghệ

nên có rất ý nghĩa trong thực tiễn sản xuất.

Trong nội dung của Luận án này, để kiểm chứng các nhận định lý thuyết nêu

trên, tác giả lựa chọn phương pháp đánh giá gián tiếp.

Kết luận chương 2

Với mục đích nghiên cứu ảnh hưởng của NF MQL đến quá trình cắt và kết quả

quá trình cắt khi phay cứng thép, qua đó ứng dụng để nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ

thuật của quá trình phay cứng, tác giả giới hạn vấn đề và tập trung nghiên cứu các nội

dung chính sau:

(1) Vật liệu và phương pháp gia công

- Vật liệu gia công: thép 60Si2Mn, độ cứng HRC = 50 ÷ 52; vật liệu dụng cụ

cắt: mảnh HKC phủ TiAlN ký hiệu APMT 1604 PDTR LT30 của hãng LAMINA.

- Phương pháp gia công: Phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu.

(2) Nội dung nghiên cứu

42 - Nghiên cứu, đánh giá tổng quan 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.

- Nghiên cứu ảnh hưởng và xác định nồng độ hạt nano, áp suất, lưu lượng dòng

khí và chế độ cắt tối ưu khi phay cứng thép 60Si2Mn.

- 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.

(3) Chỉ tiêu đánh giá

Đánh giá gián tiếp thông qua các chỉ tiêu:

- Xảy ra trong quá trình cắt: lực cắt, mòn và tuổi bền của dụng cụ;

- Kết quả của quá trình cắt: Chất lượng bề mặt gia công gồm nhám bề mặt, cấu

trúc tế vi bề mặt.

(4) Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm với các phương pháp QHTN gồm quy hoạch riêng phần 2k-p và quy hoạch tối ưu Box-Behnken, công cụ trợ giúp là

phần mềm quy hoạch và xử lý số liệu thí nghiệm Minitab 19.

Việc xây dựng hệ thống thí nghiệm và các nội dung nghiên cứu thực nghiệm

được trình bày trong chương 3 và chương 4 của luận án.

43

CHƯƠNG 3

VẬT LIỆU VÀ TRANG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

3.1. Vật liệu và hệ thống trang thiết bị thí nghiệm

Sơ đồ thiết kế thí nghiệm được cho ở hình 3.1. Trong đó phôi thí nghiệm được

gắn trực tiếp lên bề mặt của lực kế được kết nối với bộ khuếch đại tín hiệu và được

chuyển đổi qua hệ thống thu thập số liệu A/D DQA N16210. Hệ thống này được kết

nối với máy tính với mềm xử lý số liệu Dasylab 10.0. Ba thành phần lực cắt được đo

trực tiếp trong quá trình cắt. Đầu phun MQL được bố trí phun trực tiếp vào mặt sau

của dụng cụ cắt. Trị số nhám, cấu trúc trúc tế vi bề mặt và mòn của dụng cụ cắt được

đo trên máy đo nhám và chụp trên kính hiển vi kỹ thuật số sau mỗi lần cắt theo sơ đồ

quy hoạch thực nghiệm.

Hình 3.1. Sơ đồ thiết kế thí nghiệm

Máy: Trung tâm gia công CNC Maximart VMC 85S. Hình ảnh mô tả máy và hệ

thống thí nghiệm được cho ở hình 3.2.

44

Hình 3.2. Hình ảnh mô tả hệ thống thí nghiệm

Dụng cụ cắt: Dao phay mặt đầu Ø 80 ký hiệu BAP 400R-80-27 - 6T gắn mảnh

HKC phủ TiAlN ký hiệu APMT 1604 PDTR LT30 của hãng LAMINA (Thụy Sĩ, hình

3.3). Thông số hình học của mảnh dao ở trạng thái tĩnh gồm: hình dạng mảnh là hình

bình hành, cạnh dài 17,01 mm, chiều dày mảnh 4,82 mm, góc sau của mảnh là 11º, bán

kính mũi dao là 0,66 mm. Đây là loại mảnh dao được sử dụng phổ biến cho công nghệ

phay thông thường, có thể phay vật liệu có độ cứng lên đến HRC =50÷55 với tốc độ

cắt tương đối thấp ở mức 50÷55 m/phút [57]. Nếu việc ứng dụng NF MQL làm tăng

được tính cắt, tăng được vận tốc cắt, tăng được tuổi bền của mảnh dao,v.v. thì việc lựa

chọn loại mảnh này góp phần làm nâng hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của quá trình cắt do

giá thành của mảnh dao khá thấp.

Mẫu thí nghiệm: Thép 60Si2Mn, kích thước 100 × 80 × 50 mm, nhiệt luyện đạt

độ cứng HRC = 50 ÷ 52. Thành phần hóa học của thép 60Si2Mn được cho ở bảng 3.1.

Thép 60Si2Mn có độ đàn hồi cao và khả năng chịu mài mòn tốt nên được ứng dụng

rộng rãi để chế tạo các chi tiết như các loại lò xo, nhíp đàn hồi trong các phương tiện

vận tải, các căn đệm mỏng của đầu máy tàu hỏa, toa xe,v.v. Từ thực tiễn sản xuất, khi

gia công các căn đệm mỏng của đầu máy tàu hỏa thì sau khi nhiệt luyện có độ cong

vênh rất lớn và thường phải gia công sau nhiệt luyện. Để đảm độ chính xác về kích

45 thước, về hình dáng hình học của chi tiết thì cần phải có lượng dư gia công lớn. Để

nâng cao năng suất gia công thì phay cứng bằng dao phay mặt đầu là giải pháp chính

thay thế cho nguyên công mài phẳng.

Bảng 3.1. Thành phần hóa học của thép 60Si2Mn

Nguyên tố

C

Si

Mn

P

S

Cr

Fe

Ni

≤0,035 ≤0,035

0,35max

Còn lại

0,56÷ 0,64

1,50÷ 2,00

0,60÷ 0,90

0,35 max

Hàm lượng (%)

Hệ thống MQL: Đầu phun MQL hãng NOGA (Hình 3.4), máy nén khí Model

PT-0136, van điều chỉnh áp suất, van điều chỉnh lưu lượng dòng khí;

Hình 3.3. Mảnh dao hợp kim APMT Hình 3.4. Đầu phun MQL hãng NOGA

1604 PDTR LT30 của hãng LAMINA

Loại dầu cắt: dầu đậu nành, dầu cắt emulsion 5%. Mục đích là để đánh giá, so

sánh giữa một loại dầu khoáng và một loại dầu thực vật.

Loại hạt nano: hạt nano Al2O3 kích thước hạt 30 nm; hạt nano MoS2 kích thước

hạt 30 nm. Hạt nano Al2O3 là một loại hạt nano có độ cứng cao, khả năng dẫn nhiệt

tốt, có hình dạng cầu và gần cầu. Bên cạnh đó, hạt nano MoS2 có cấu trúc dạng lớp, có

khả năng bôi trơn tốt. Do vậy, hai loại hạt này được sử dụng phổ biến trong công nghệ

NF MQL. Mục đích sử dụng hai loại hạt nano này để so sánh đánh giá hai loại hạt điển

hình mà có các cơ chế tác động khác nhau (hạt nano Al2O3 có cơ chế điển hình là con

46 lăn và hạt nano MoS2 có cơ chế điển hình là tạo màng). Đây là cũng là cơ sở để phát

triển ứng dụng công nghệ NF MQL sử dụng dầu cắt hybrid nano. Hình ảnh SEM của

hạt nano cho ở hình 3.5.

(a) (b)

Hình 3.5. Ảnh SEM của hạt nano: (a) Al2O3, (b) MoS2

Thiết bị đo lực: Lực kế số hiệu 9257BA của hãng Kistler (CHLB Đức, hình

3.6); hệ thống thu thập và xử lý số liệu A/D DQA N16210; phần mềm Dasylab 10.0.

Sơ đồ đo lực và ví dụ về kết quả đo lực cho ở hình 3.8.

Hình 3.6. Đầu đo lực 03 thành phần Hình 3.7. Sơ đồ đo và ví dụ về kết quả đo

9257BA của hãng Kistler lực cắt

Máy đo nhám và chụp cấu trúc tế vi bề mặt: máy đo nhám Mitutoyo SJ-210

(Nhật Bản, hình 3.8); kính hiển vi quang học TM-1000 của hãng Hitachi (Nhật Bản);

kính hiển vi điện tử kỹ thuật số VHX-7000 hãng Keyence (Nhật Bản, hình 3.9).

47

Hình 3.8. Máy đo nhám SJ-210 của hãng Hình 3.9. Kính hiển vi điện tử kỹ thuật số

Mitutoyo VHX – 7000 hãng Keyence

Thiết bị đo độ nhớt và hệ số dẫn nhiệt cho dầu cắt nano: Máy đo độ nhớt

DV2T™ của hãng Brookfield (Hoa Kỳ, hình 3.10). Máy đo hệ số dẫn nhiệt ký hiệu

THB 500 hãng Linseis (CHLB Đức, hình 3.11).

Hình 3.10. Máy đo độ nhớt DV2T™ của Hình 3.11. Máy đo hệ số dẫn nhiệt ký hiệu

hãng Brookfield THB 500 hãng Linseis

Thiết bị phụ trợ: Máy rung siêu âm SW3H (Sono Swiss - Thụy Sĩ ,hình 3.12).

Hình 3.12. Máy rung siêu âm SW3H của hãng Sono Swiss

48

3.2. Quy trình điều chế dầu cắt nano

Quy trình điều chế dầu cắt nano tóm tắt như hình 3.13

Hình 3.13. Sơ đồ các bước điều chế dầu cắt nano

Hạt nano được trộn vào dầu cắt nền theo tỷ lệ % về khối lượng. Do hạt nano

không tan trong dầu cắt nền nên phải sử dụng máy rung siêu âm (Máy SW3H của hãng

Sono Swiss - Thụy Sĩ - hình 3.12) để giúp cho các hạt nano phân tán đều trong dầu cắt

nền, từ đó mới phát huy hiệu quả bôi trơn và làm nguội của dầu cắt nano, song song

với đó để tránh hiện tượng kết tủa hạt nano, tránh lãng phí. Thời gian rung siêu âm từ

25÷45 phút tùy thuộc vào loại dầu cắt nền và nồng độ hạt nano. Hình 3.14 minh họa

cho quá trình điều chế dầu cắt nano Al2O3 với dầu nền là dầu đậu nành.

(a) (b)

(d) (c)

Hình 3.14. 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 tán đều hạt nano trong dầu cắt; (d) dầu cắt nano sau quá trình rung siêu âm

Kết quả đo hệ số dẫn nhiệt và độ nhớt của một số loại dầu cắt nền và dầu cắt

nano trên máy DV2T™ và máy BHT 500 được cho ở bảng 3.2.

49

Bảng 3.2. Kết quả đo hệ số dẫn nhiệt và độ nhớt của dầu cắt nền và dầu cắt nano

Mẫu

Độ nhớt (cP)

Hệ số dẫn nhiệt (W/(m*K))

Dầu emulsion 5%

0,339

0,371

0,483

Dầu emulsion 5% có hạt nano MoS2 với nồng độ 0,5% Dầu emulsion 5% có hạt nano Al2O3 với nồng độ 0,5%

Dầu đậu nành

0,194

130,0

0,229

192,2

0,210

130,8

Dầu đậu nành có hạt nano MoS2 với nồng độ 0,5% Dầu đậu nành có hạt nano Al2O3 với nồng độ 0,5% “-“: Không đo được do độ nhớt quá thấp

Kết luận chương 3

Tác giả đã xây dựng được hệ thống thí nghiệm hoàn chỉnh, đồng bộ, đảm bảo

độ chính xác và độ tin cậy trên cơ sở máy, dụng cụ cắt và các thiết bị đo hiện đại của

các hãnh nổi tiếng thế giới như hãng Mitutoyo, Hitachi, Keyence (Nhật Bản); Kistler

(CHLB Đức); Brookfield (Hoa Kỳ); Sono Swiss (Thụy Sĩ),v.v. Hệ thống thí nghiệm

đáp ứng tốt yêu cầu nghiên cứu thực nghiệm của đề tài luận án.

50

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 chương này tập trung vào 4 vấn đề sau:

(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.

(2) Nghiên cứu xác định nồng độ hạt nano, áp suất và lưu lượng dòng khí tối ưu

khi phay cứng thép 60Si2Mn.

(3) Nghiên cứu xác định nồng độ hạt nano và chế độ cắt tối ưu khi phay cứng

thép 60Si2Mn.

(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.

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.

4.1.1. Đặt vấn đề

Mục đích nghiên cứu: Đánh giá ảnh hưởng của một số thông số công nghệ của

NF MQL gồm loại dầu cắt, loại hạt nano, áp suất và lưu lượng dòng khí đến quá trình

và kết quả quá trình cắt khi phay cứng thép 60Si2Mn. Kết quả nghiên cứu sẽ giúp có

đánh giá khái quát về mức độ ảnh hưởng của mỗi thông số đến quá trình cắt, từ đó đưa

ra định hướng lựa chọn, tối ưu các thông số để nâng cao hiệu quả của quá trình cắt.

Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của loại dầu cắt (dung

dịch emulsion 5% - viết tắt là Em, dầu đậu nành – viết tắt là DĐN); loại hạt nano

(Al2O3, MoS2); áp suất và lưu lượng dòng khí đến lực cắt, nhám bề mặt khi phay cứng

thép 60Si2Mn.

Phương pháp QHTN: Sử dụng phương pháp thiết kế quy hoạch thí nghiệm riêng phần 2k-p, độ phân giải III. Cụ thể với số biến khảo sát 4 biến, hai mức p = 2. Sơ

đồ thiết kế các biến thí nghiệm và các mức khảo sát ở bảng 4.1.

51

Bảng 4.1. Sơ đồ thiết kế các biến thí nghiệm và các mức khảo sát

STT

Đặc tính

Mức 1

Mức 2

Ký hiệu

Thông số đánh giá

Loại dầu cắt

DĐN

Loại hạt nano

Al2O3

MoS2

1. Các thành phần lực cắt Fx, Fy; Fz (lực cắt tổng hợp Fr).

Áp suất dòng khí (bar)

2. Nhám bề mặt Ra

Lưu lượng dòng khí (l/ph)

100

200

Hệ thống thí nghiệm: Sử dụng hệ thống được trình bày ở chương 3 với các

thông số cụ thể gồm: loại dầu cắt (Em, DĐN); loại hạt nano (Al2O3, MoS2); dầu cắt

nano NF Al2O3 Em 1%, NF Al2O3 DĐN 1%; áp suất dòng khí p; lưu lượng dòng khí Q

và với chế độ cắt không đổi V=110 m/phút; t0=0,2 mm; Sz=0,12 mm/răng (Việc lựa

chọn chế độ cắt dựa trên [31,38]).

4.1.2. Triển khai thí nghiệm và số liệu thí nghiệm

Sử dụng phần mềm Minitab 19 thiết kế thí nghiệm lặp 4 cho ma trận thí nghiệm

như bảng 4.2. Triển khai thí nghiệm theo thứ tự chạy (Run Order) theo sơ đồ quy

hoạch thực nghiệm, đo các thông số nhám bề mặt Ra, các thành phần lực cắt Fx, Fy, Fz.

Sơ đồ lực cắt được cho ở hình 4.1. Kết quả thí nghiệm cho ở bảng 4.2.

Hình 4.1. Sơ đồ các thành phần lực cắt khi phay

52

2 (4.1)

Lực tổng hợp Fr được theo công thức:

2 + 𝐹𝑦

2 + 𝐹𝑧

Fr = √𝐹𝑥

Trong đó: Fr – lực cắt tổng hợp (N); Fx, Fy, Fz – các thành phần lực cắt (N)

Bảng 4.2. Kết quả thí nghiệm theo sơ đồ quy hoạch

Thông số đầu vào

Thông số đầu ra

Q

p

Ra

Fx

Fy

Fz

Fr

Kiểu điểm

TT chuẩn

TT chạy

Loại hạt nano

(bar)

(l/ph)

(µm)

(N)

Loại dầu cắt

100

0,143 60,1 176,7 377,9 421,5

Em MoS2

200

0,075 71,5 73,0 315,5 331,7

DĐN MoS2

200

0,069 38,9 90,0 180,2 205,2

Em Al2O3

100

0,126 67,1 99,6 287,8 311,9

DĐN Al2O3

200

0,136 58,7 146,0 365,6 398,1

Em MoS2

100

0,132 41,9 67,5 270,5 281,9

DĐN MoS2

100

0,116 96,8 162,8 450,8 489,0

Em Al2O3

200

0,115 105,4 137,9 368,4 407,3

DĐN Al2O3

100

0,135 48,8 162,8 345,5 385,1

Em MoS2

200

0,072 81,9 82,9 336,4 356,0

DĐN MoS2

200

0,064 37,6 89,1 170,6 196,1

Em Al2O3

100

0,122 86,4 122,2 274,3 312,5

DĐN Al2O3

200

0,091 54,8 136,7 330,4 361,8

Em MoS2

100

0,143 44,4 71,1 271,9 284,5

DĐN MoS2

100

0,126 84,4 137,6 445,3 473,7

Em Al2O3

200

0,106 91,6 136,5 360,3 396,1

DĐN Al2O3

100

0,126 56,5 172,9 361,6 404,8

Em MoS2

200

0,072 73,6 78,9 328,9 346,2

DĐN MoS2

200

0,071 35,6 59,0 161,4 175,5

Em Al2O3

100

0,102 80,3 108,2 273,1 304,6

DĐN Al2O3

200

0,096 46,6 135,4 328,3 358,2

Em MoS2

100

0,139 59,5 70,3 290,9 305,1

DĐN MoS2

100

0,121 70,8 136,2 422,9 449,9

Em Al2O3

200

0,103 100,0 129,8 368,9 403,7

DĐN Al2O3

53

4.1.3. Xử lý số liệu và kết quả

Xử lý số liệu thí nghiệm với sự hỗ trợ của phần mềm Minitab 19. Kết quả, các

phân tích thống kê, việc đánh giá và thảo luận kết quả được trình bày cụ thể như sau:

4.1.3.1. Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố và phân tích thống kê

Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát đến các thông số đánh giá Ra và lực

cắt tổng hợp Fr được đánh giá thông qua phương pháp sử dụng biểu đồ Pareto (Hình

4.2 và hình 4.3). Các phân tích thống kê gồm các đồ thị đánh giá số dư (Hình 4.4, 4.5)

và kết quả phân tích ANOVA cho ở bảng PL4.1.1 và PL4.1.2 phụ lục 1. Phân tích

ANOVA được thực hiện với mức ý nghĩa α = 5% (mức độ tin cậy 95%).

Hình 4.2. Biểu đồ Pareto của các ảnh Hình 4.3. Biểu đồ Pareto của các ảnh

hưởng đến Ra hưởng đến Fr

Hình 4.4. Các đồ thị đánh giá số dư của nhám bề mặt Ra

54

Hình 4.5. Các đồ thị đánh giá số dư của lực cắt tổng hợp Fr

Biểu đồ Pareto được cho ở hình 4.2 và hình 4.3 cho thấy đường giới hạn của

vùng loại bỏ giả thuyết đảo đều có hoành độ 2,12. Các yếu tố có biểu đồ đều vượt quá

bên phải đường giới hạn loại bỏ giả thuyết đảo là các yếu tố có ảnh hưởng lớn. Các

yếu tố có biểu đồ nằm bên trái đường giới hạn loại bỏ giả thuyết đảo là ít ảnh hưởng.

Biểu đồ Pareto minh họa các ảnh hưởng đến Ra (Hình 4.2) cho thấy ba biến

khảo sát là loại hạt nano (NP), lưu lượng (Q) và áp suất (p) có ảnh hưởng lớn đến

nhám bề mặt (biểu đồ vượt đường giới hạn loại bỏ giả thuyết đảo). Trong đó, mức độ

ảnh hưởng lớn nhất là lưu lượng dòng khí (Q), sau đó là áp suất (p) và loại hạt nano

(NP), còn loại dầu cắt có ảnh hưởng ít nhất. Với kết quả này cho thấy khi muốn cải

thiện trị số nhám bề mặt thì nên ưu tiên lựa chọn lưu lượng và áp suất dòng khí hợp lý

sau đó đến loại hạt nano.

Các ảnh hưởng tương tác bậc hai (ảnh hưởng tương tác giữa các biến) có ảnh

hưởng lớn đến trị số nhám Ra, trong đó tương tác giữa loại dầu cắt với loại hạt

(𝐹𝑇 ∗ 𝑁𝑃) là ảnh hưởng lớn nhất, tiếp đến là tương tác giữa loại dầu cắt với áp suất

(FT*p). Kết quả này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn ở chỗ tuy loại dầu cắt ít ảnh

hưởng đến nhám bề mặt nhưng khi có thêm hạt nano thì ảnh hưởng là đáng kể, vì vậy

việc thêm hạt nano vào dầu cắt có ảnh hưởng đáng kể đến trị số nhám bề mặt.

55 Biểu đồ Pareto minh họa các ảnh hưởng đến Fr (Hình 4.3) cho thấy cả bốn biến

khảo sát đều có ảnh hưởng lớn đến lực cắt tổng hợp Fr. Trong đó mức độ ảnh hưởng

lớn nhất là áp suất dòng khí (p), tiếp đến là lưu lượng dòng khí (Q), loại dầu cắt (FT)

và cuối cùng là loại hạt nano (NP) có ảnh hưởng ít nhất. Với kết quả này cho thấy khi

muốn cải thiện trị số lực cắt thì nên ưu tiên lựa chọn áp suất, lưu lượng hợp lý sau đó

đến loại hạt nano.

Tất cả các tương tác bậc hai có đều ảnh hưởng rất lớn đến lực cắt Fr, trong đó

tương tác giữa loại dầu cắt với lưu lượng (FT*Q) có ảnh hưởng lớn nhất, tiếp đến là

tương tác giữa loại dầu cắt và áp suất (FT*p), tiếp đến là loại dầu cắt với loại hạt nano

(FT*NP).

Cả bốn yếu tố khảo sát gồm loại dầu cắt, loại hạt nano, áp suất, lưu lượng dòng

khí và tương tác nội bộ giữa các yếu tố khảo sát đều ảnh hưởng rất lớn đến quá trình

cắt nên ảnh hưởng rất lớn đến lực cắt. Để cải thiện điều kiện cắt gọt, cải thiện lực cắt

thì việc nghiên cứu lựa chọn các thông số như loại dầu cắt, loại hạt nano, áp suất và

lưu lượng hợp lý là rất có ý nghĩa.

Qua các đồ thị đánh giá số dư trên hình 4.4 và hình 4.5 cho thấy:

Đồ thị Normal Probability Plot so sánh xác suất phân bố các số dư (hiển thị

bằng các điểm) so với phân bố chuẩn (hiển thị bằng đoạn thẳng). Kết quả ở cả hai đồ

thị cho thấy số dư phân bố rất gần quanh đường chuẩn.

Đồ thị Histogram hiển thị tần suất các số dư, trên hình 4.4 cho thấy tần suất

xuất hiện số dư chủ yếu tập trung quanh tâm phân bố (có thể coi theo quy luật phân bố

chuẩn), còn trên hình 4.5 cho thấy tần suất xuất hiện số dư phân bố khá đều (có thể

theo quy luật phân bố hình chữ nhật).

Đồ thị Versus Fit biểu diễn quan hệ giữa các số dư và giá trị tương ứng của mô

hình hồi quy. Các điểm này trên các đồ thị đều phân bố rất ngẫu nhiên quanh đường

“0” chứng tỏ dữ liệu đã nhập không bị ảnh hưởng các yếu tố điều khiển có quy luật

nào khác ngoài các biến đầu vào là loại dầu cắt, loại hạt nano, áp suất và lưu lượng

dòng khí.

56 Đồ thị Versus Order biểu diễn quan hệ giữa các số dư và thứ tự các điểm dữ

liệu. Các điểm này trên các đồ thị hình 4.4, hình 4.5 đều phân bố rất ngẫu nhiên quanh

đường “0” chứng tỏ liệu đã nhập không bị ảnh hưởng bởi yếu tố thời gian.

hết các yếu tố khảo sát đều có giá trị xác suất P rất nhỏ so với mức ý nghĩa α = 0,05

(Minitab coi P = 0,000, trừ biến FT, NP và các tương tác bậc hai FT*p; FT*Q). Điều

đó chứng tỏ ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát là rất đáng kể. Mức độ phù hợp của mô

đối với giá trị

hình thí nghiệm với số liệu thí nghiệm thu thập được đánh giá thông qua hệ số xác định được cho ở bảng 4.3. Qua đây có thể thấy rằng hệ số xác định R2

nhám bề mặt Ra và lực cắt tổng hợp Fr lần lượt là 88,00% và 97,69% chứng tỏ mô hình

thí nghiệm rất phù hợp với kết quả thực nghiệm.

Bảng 4.3. Mô hình tóm tắt các thông số đánh giá Ra và lực cắt tổng hợp Fr

TT

Thông số

Ra

Fr

0,0109373

15,0173

S

88,00%

97,69%

R2

4.1.3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố đến trị số nhám bề mặt Ra và lực cắt Fr

(1) Kết quả

Ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát đến trị số nhám bề mặt Ra và lực cắt tổng

hợp Fr cho ở hình 4.6 và hình 4.7. Ảnh hưởng tương tác giữa các biến khảo sát đến Ra

và Fr được cho ở hình 4.8 và 4.9.

Hình 4.6. Ảnh hưởng của các yếu tố đến trị số nhám bề mặt Ra

57

Hình 4.7. Ảnh hưởng của các yếu tố đến trị số lực cắt tổng hợp Fr

Hình 4.8. Ảnh hưởng tương tác giữa các biến thí nghiệm lên Ra

(2) Thảo luận kết quả

a) Ảnh hưởng của loại dầu cắt

- Ảnh hưởng đến trị số nhám Ra: Hai loại dầu cắt được khảo sát Emulsion (Em)

và dầu đậu nành (DĐN) có mức chênh lệch ảnh hưởng đến trị số nhám Ra là không

đáng kể (Hình 4.6).

Nguyên nhân: Khi gia công vật liệu cứng thì nguyên nhân chính ảnh hưởng đến

nhám bề mặt do sự in dập hình học và động học của dụng cụ cắt lên bề mặt gia công

(các vết cào xước của DCC lên bề mặt công). Sự in dập hình học và động học chỉ phụ

thuộc chủ yếu vào các thông số hình học của DCC và động học quá trình cắt nên ít

chịu ảnh hưởng của loại dầu cắt.

58 - Ảnh hưởng đến lực cắt tổng hợp Fr: Trong hai loại dầu cắt khảo sát thì DĐN

cho kết quả tốt hơn so với Em (khi sử dụng DĐN lực cắt tổng hợp Fr nhỏ hơn so với

Em, hình 4.7).

Nguyên nhân: do DĐN có độ nhớt cao hơn dầu emulsion nên khả năng bôi trơn

tốt hơn.

Hình 4.9. Ảnh hưởng tương tác giữa các biến thí nghiệm lên Fr

b) Ảnh hưởng của loại hạt nano

Trong hai loại hạt nano là MoS2 và Al2O3 được sử dụng thì hạt nano Al2O3 cho

kết quả tốt hơn so với hạt nano MoS2 khi xét trên cả hai chỉ tiêu nhám bề mặt Ra và lực

cắt Fr (tri số Ra và Fr khi dùng hạt Al2O3 nhỏ hơn so với khi dùng hạt MoS2 – hình 4.6

và hình 4.7).

Nguyên nhân: Hạt nano Al2O3 có dạng gần cầu, có độ cứng cao nên cơ chế bôi

trơn của dầu cắt nano Al2O3 chủ yếu là theo cơ chế ma sát lăn [31]. Bên cạnh đó, hạt

nano Al2O3 có khả năng dẫn nhiệt tốt nên khi thêm vào dầu cắt sẽ làm tăng khả năng

dẫn nhiệt của dầu cắt [18]. Hạt nano MoS2 có cấu tạo dạng tấm mỏng, chỉ có tính chất

bôi trơn tốt và cơ chế bôi trơn chủ yếu là theo cơ chế tạo màng [51]. Ngoài ra còn có

nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tính chất ma sát trong vùng cắt khi sử dụng hai loại hạt

nano này, trong đó nồng độ và cỡ hạt là các yếu tố ảnh hưởng chính. Trong điều kiện

khảo sát cụ thể ở đây do nồng độ hạt Al2O3 phù hợp hơn so với hạt MoS2 nên cho kết

59 quả tốt hơn [51,58]. Về ảnh hưởng của nồng độ hạt, cỡ hạt, v.v. cần có nghiên cứu

thêm.

c) Ảnh hưởng của áp suất và lưu lượng dòng khí

Cả áp suất p và lưu lượng dòng khí Q đều ảnh hưởng rất lớn đến nhám bề mặt

và lực cắt. Kết quả cho thấy khi phay với áp suất ở mức trung bình (p = 6 bar), lưu

lượng lớn (Q = 200 l/ph) cho kết quả tốt hơn cho cả nhám bề mặt và lực cắt.

Do áp suất và lưu lượng dòng khí là các biến liên tục (biến số) nên cần có

nghiên cứu, khảo sát thêm để xác định giá trị tối ưu. Vấn đề này sẽ được nguyên cứu ở

nội dung tiếp theo.

d) Ảnh hưởng tương tác giữa các biến thí nghiệm

Đồ thị các ảnh hưởng tương tác giữa các biến thí nghiệm đến giá trị các hàm

mục tiêu trên hình 4.8 và 4.9 cho thấy chỉ có các tương tác giữa các biến là loại hạt

nano, áp suất dòng khí và lưu lượng dòng khí với loại dầu cắt (FT*NP; FT*p; FT*Q)

là có ảnh hưởng lớn đến biến khảo sát.

Ảnh hưởng tương tác giữa loại dầu cắt với loại hạt nano FT*NP: khi thay đổi

loại hạt nano từ hạt MoS2 (đường nét liền) sang hạt nano Al2O3 (đường nét đứt) cho

thấy độ dốc và hướng dốc của các đường này thay đổi khá lớn cho cả thông số đánh

giá Ra (Hình 4.8) và lực cắt Fr (Hình 4.9). Điều này chứng tỏ tương tác giữa loại hạt

nano với loại dầu cắt đã ảnh hưởng lớn đến đặc tính bôi trơn của dầu cắt nano nên làm

thay đổi đặc tính bôi trơn và làm nguội của dầu cắt nền. Kết quả này có ý nghĩa khoa

học và thực tiễn ở chỗ nếu lựa chọn được loại dầu cắt nền và loại hạt nano để tạo nên

dầu cắt nano phù hợp với từng điều kiện gia công cụ thể thì sẽ làm cải thiện điều kiện

cắt gọt, làm giảm lực cắt và giảm được trị số nhám bề mặt.

Ảnh hưởng tương tác giữa loại dầu cắt với áp suất dòng phí FT*p: Khi thay đổi

áp suất dòng khí từ 5 bar (đường nét liền) lên 7 bar (đường nét đứt) cũng cho thấy độ

dốc của đồ thị thay đổi khá lớn, điều đó cũng chứng tỏ ảnh hưởng tương tác giữa loại

dầu cắt và áp suất là đáng kể, trong đó ảnh hưởng đến lực cắt Fr (Hình 4.9) lớn hơn so

với nhám bề mặt Ra (Hình 4.8, cũng thể hiện trên các biểu đồ hình 4.6 và 4.7). Điều

này có thể được giải thích là việc tạo thành hạt sương mù và đưa hạt sương mù vào

vùng cắt phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó độ nhớt của dầu cắt và áp suất dòng khí

60

là hai yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất.

Ảnh hưởng tương tác giữa loại dầu cắt với lưu lượng dòng phí FT*Q: Khi thay

đổi lưu lượng dòng khí từ 100 l/ph lên 200 l/ph cũng cho thấy ảnh hưởng của tương

tác này đến nhám bề mặt Ra (hình 4.8) và lực cắt Fr (hình 4.9) có sự khác biệt lớn.

Đối với hàm mục tiêu Ra (hình 4.8) hai đường đồ thị gần như song song điều đó

chứng tỏ tương tác này ảnh hưởng không đáng kể đến hàm mục tiêu Ra (thể hiện rõ

trên biểu đồ Pareto hình 4.6). Nguyên nhân ở đây là trong gia công vật liệu cứng,

nhám bề mặt Ra phụ thuộc chủ yếu vào vết cào xước của dụng cụ cắt lên bề mặt gia

công (nguyên nhân do động học).

Đối với hàm mục tiêu Fr (hình 4.9) các đường đồ thị thay đổi độ dốc rất lớn

chứng tỏ tương tác FT*Q ảnh hưởng rất lớn đến hàm mục tiêu Fr (thể hiện rõ trên biểu

đồ Pareto hình 4.7). Nguyên nhân là khi phối hợp giữa loại dầu cắt (đặc trưng bởi độ

nhớt) với lưu lượng dòng khí sẽ ảnh hưởng đến lượng dầu cắt được đưa vào vùng cắt

nên ảnh hưởng đến tương tác ma sát trong vùng cắt. Khi độ nhớt của dầu cắt cao có thể

chỉ yêu cầu lượng dầu cắt vừa phải, khi độ nhớt của dầu cắt thấp cần lượng dầu vào

vùng cắt lớn hơn.

Nhận xét chung

Kết quả nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của loại dầu cắt; loại hạt nano; áp suất

dòng khí và lưu lượng dòng khí đến các hàm mục tiêu là trị số nhám bề mặt Ra và lực

cắt tổng hợp Fr cho thấy các biến khảo sát và tương tác giữa các biến đều có ảnh

hưởng đến các hàm mục tiêu. Cụ thể:

a) Với mức ý nghĩa α = 0,05 qua các phân tích thống kê và phân tích ANOVA

cho thấy ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát là rất đáng kể. Việc đánh giá thông qua hệ giá xác định R2 = 88,00% (đối với Ra) và và R2 = 97,69% (đối với Fr) đều rất lớn

chứng tỏ các dữ liệu thu được là phù hợp tốt với dữ liệu thí nghiệm.

b) Cả bốn biến khảo sát đều ảnh hưởng đến các hàm mục tiêu, trong đó mức độ

ảnh hưởng của các biến đến lực cắt Fr lớn hơn so với nhám bề mặt Ra. Đối với lực cắt

Fr mức độ ảnh hưởng lần lượt của các biến là áp suất dòng khí, lưu lượng dòng khí,

loại dầu cắt và cuối cùng là loại hạt nano. Còn đối với trị số nhám bề mặt Ra thì mức

độ ảnh hưởng lần lượt là lưu lượng, áp suất, loại hạt nano và loại dầu cắt. Xu thế

61 chung cho thấy khi áp suất nhỏ, lưu lượng lớn cho kết quả tốt hơn. Đây là hai biến liên

tục nên cần thêm các khảo sát để tìm giá trị tối ưu cho từng trường hợp gia công cụ

thể.

c) Ảnh hưởng tương tác giữa các biến chủ yếu là ảnh hưởng tương tác giữa loại

hạt (NP), áp suất (p) và lưu lượng (Q) với loại dầu cắt (FT). Trong đó ảnh hưởng của

tương tác giữa loại hạt nano với loại dầu cắt (FT*NP) đến các hàm mục tiêu là đáng kể

và rất đáng được quan tâm. Tuy ảnh hưởng đơn lẻ của các biến này có thể không lớn

nhưng tương tác giữa chúng lại ảnh hưởng rất lớn đến các hàm mục tiêu. Nhận định

này giúp các kỹ sư công nghệ lựa chọn và phối hợp giữa loại dầu cắt nền (FT) với loại

hạt nano (NP) để điều chế dầu cắt nano phù hợp với từng điều kiện gia công cụ thể

nhằm cải thiện điều kiện cắt gọt, nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của QTGC.

d) Từ các kết quả và các nhận xét nêu trên, tác giả đề xuất lựa chọn một số

thông số đầu vào cơ bản gồm:

(1) Lựa chọn dầu cắt nền là dầu đậu nành (DĐN), ngoài vấn đề kỹ thuật thì định

hướng này cũng đáp ứng được xu thế gia công xanh, thân thiện môi trường.

(2) Lựa chọn hạt nano Al2O3 để điều chế dầu cắt nano trên nền là DĐN.

(3) Áp suất và lưu lượng dòng khí cần phải có những nghiên cứu tiếp theo để

lựa chọn được thông số tối ưu.

Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra được xu hướng và mức độ ảnh

hưởng của các thông số công nghệ NF MQL như loại dầu nền, loại hạt nano, áp suất

dòng khí và lưu lượng dòng khí. Tuy nhiên, áp suất dòng khí và lưu lượng dòng khí là

các biến liên tục nên có thể tiếp tục nghiên cứu để tìm ra được giá trị tối ưu. Nội dung

này sẽ được trình bày trong phần tiếp theo.

4.2. Nghiên cứu xác định nồng độ hạt nano, áp suất và lưu lượng dòng khí tối ưu

khi phay cứng thép 60Si2Mn

4.2.1. Đặt vấn đề

Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu xác định nồng độ hạt nano (ND), áp suất (p) và lưu lượng dòng khí

(Q) tối ưu trong NF MQL đến quá trình cắt và kết quả của quá trình cắt khi phay cứng

62 thép 60Si2Mn. Từ đó đưa ra được bộ thông số công nghệ MQL tối ưu để triển khai

ứng dụng vào thực tiễn sản xuất.

Nội dung nghiên cứu

(1) Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của nồng độ hạt nano, áp suất, lưu lượng

dòng khí và tương tác giữa các thông số này đến lực cắt, nhám bề mặt khi phay cứng

thép 60Si2Mn sử dụng NF MQL với dầu cắt nano Al2O3 nền là dầu đậu nành.

(2) Xác định nồng độ hạt nano, áp suất và lưu lượng dòng khí tối ưu khi phay

cứng thép 60Si2Mn sử dụng NF MQL với dầu cắt nano Al2O3 nền là dầu đậu nành.

Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm với thiết kế quy hoạch thí

nghiệm tối ưu Box-Behnken 03 biến để xây dựng sơ đồ quy hoạch thực nghiệm ảnh

hưởng của nồng độ hạt nano (ND), áp suất dòng khí (p) và lưu lượng dòng khí (Q) đến

lực cắt tổng hợp Fr và nhám bề mặt Ra. Sơ đồ quy hoạch như bảng 4.4

Bảng 4.4. Các giá trị thông số đầu vào và biến thí nghiệm

TT

Tên biến

Ký hiệu Mức thấp Mức cao

Hàm mục tiêu

Áp suất (bar)

- Lực cắt tổng hợp Fr;

Lưu lượng (l/ph)

150

250

- Trị số nhám bề mặt Ra và cấu trúc tế vi bề mặt

Nồng độ hạt nano (%)

0,5

1,5

4.2.2. Triển khai thí nghiệm và số liệu thí nghiệm

Hệ thống thí nghiệm: Sử dụng hệ thống thí nghiệm đã thiết kế, xây dựng và đã

thử nghiệm được trình bày ở chương 3. Trong đó có các thông số khác biệt như sau:

(1) Dầu cắt: sử dụng dầu cắt nano Al2O3 trên nền là dầu đậu nành (NF Al2O3

DĐN) với 3 giá trị nồng độ hạt nano (theo khối lượng) khác nhau tương ứng với 3 mức

gồm mức thấp 0,5%, mức cao 1,5% và mức trung bình 1,0%.

(2) Áp suất dòng khí p chọn 3 mức gồm mức thấp p = 5 bar, mức cao p = 7 bar

và mức trung bình p = 6 bar. Việc chọn khoảng áp suất như phần 4.1 là do khoảng áp

suất này phù hợp với phạm vi điều chỉnh của thiết bị và tương đồng với các kết quả

nghiên cứu trước đây [60].

63 (3) Lưu lượng dòng khí chọn 3 mức gồm mức thấp Q = 150 l/ph, mức cao Q =

250 l/ph và mức trung bình 200 l/ph. Việc chọn mức lưu lượng lớn hơn so với phần

4.1 do kết quả cho thấy khi tăng lưu lượng dòng khí thì làm tăng hiệu quả quá trình bôi

trơn làm nguội và đồng thời phạm vi điều chỉnh có thể đáp ứng tốt và an toàn trong

khoảng lưu lượng này.

(4) Các thông số không đổi gồm vận tốc cắt V = 110 m/ph, lượng chạy dao răng

Sz = 0,12 mm/răng, chiều sâu cắt t0 = 0,2 mm.

Thông số đánh giá (Hàm mục tiêu):

- Lực cắt tổng hợp: Fr.

- Nhám bề mặt gia công: Ra.

Sử dụng phần mềm quy hoạch và xử lý số liệu thí nghiệm Minitab 19 xây dựng

ma trận thí nghiệm theo mô hình quy hoạch tối ưu Box - Behnken 03 biến, hai mức lặp

3. Triển khai thí nghiệm theo trình tự chạy (RunOrder), trị số Ra được đo 03 lần và lấy

giá trị trung bình sau mỗi lượt gia công bằng máy đo độ nhám SJ210; các thành phần

lực cắt Fx; Fy; Fz được đo trực tiếp tức thời trong quá trình cắt bằng hệ thống đo lực cắt

Kistler và từ đó tính được lực cắt tổng hợp Fr theo công thức 4.1. Kết quả các thông số

đánh giá theo sơ đồ quy hoạch thực nghiệm được thể hiện trong bảng 4.5.

4.2.3. Xử lý số liệu thí nghiệm và kết quả

Hàm hồi quy theo quy hoạch Box – Behnken có dạng [61]

(4.2)

Trong đó:

y: Hàm mục tiêu

a0, ai, aii và aij: là các hệ số của phương trình hồi quy

xi và xj đại diện cho các biến độc lập (i ≠ j).

Với mức ý nghĩa α = 0,05, sử dụng phần mềm Minitab 19 xử lý số liệu thí

nghiệm cho trị số nhám Ra và lực cắt Fr. cho kết quả: Phương trình hồi quy thực

nghiệm các hàm mục tiêu Ra và lực cắt Fr cho ở các phương trình 4.3 và 4.4.

64

Bảng 4.5. Sơ đồ quy hoạch và kết quả thí nghiệm

ND

p

Q

TT chuẩn

TT chạy

Kiểu điểm

(bar)

(l/ph)

(%)

Ra (µm)

Fx (N)

Fy (N)

Fz (N)

Fr (N)

150

1,0

0,092

80,3

108,2

273,1

304,6

150

1,0

0,098

38,5

61,1

122,8

142,5

250

1,0

0,045

35,5

49,4

122,6

136,9

250

1,0

0,112

40,8

47,6

125,8

140,6

200

0,5

0,128

40,6

98,1

144,6

179,4

200

0,5

0,069

61,6

67,6

263,6

279,1

200

1,5

0,101

71,6

105,5

308,2

333,6

200

1,5

0,117

76,0

103,9

375,6

397,0

150

0,5

0,091

83,1

107,6

203,3

244,6

250

0,5

0,084

45,8

47,0

105,4

124,2

150

1,5

0,111

39,5

39,3

182,9

191,2

250

1,5

0,070

61,9

70,4

176,5

199,9

200

1,0

0,069

61,2

63,2

167,7

189,4

200

1,0

0,065

60,7

63,9

177,7

198,4

200

1,0

0,061

60,9

62,9

162,7

184,8

150

1,0

0,096

86,4

122,2

274,3

312,5

150

1,0

0,109

34,8

60,6

119,3

138,3

250

1,0

0,044

30,6

46,3

111,3

124,4

250

1,0

0,102

36,5

46,7

114,8

129,2

200

0,5

0,120

40,2

91,4

140,1

172,1

200

0,5

0,079

66,5

68,3

271,8

288,0

200

1,5

0,097

78,0

110,4

311,5

339,6

200

1,5

0,102

80,2

102,5

377,9

399,7

150

0,5

0,109

77,8

96,3

200,0

235,2

250

0,5

0,089

45,5

47,3

103,7

122,8

150

1,5

0,126

40,7

41,9

202,9

211,1

250

1,5

0,081

67,2

71,4

175,6

201,1

200

1,0

0,064

59,1

62,2

168,6

189,2

200

1,0

0,069

60,2

65,0

169,2

191,0

200

1,0

0,062

60,4

62,9

170,1

191,2

65 Kết quả phân tích phương sai ANOVA cho trị số nhám bề mặt và giá trị lực cắt cho trong bảng 4.2.1 và bảng 4.2.2 phụ lục 2; hệ số đánh giá xác định R2 cho ở bảng

4.6; ảnh hưởng độc lập của các biến khảo sát đến các hàm mục tiêu Ra và Fr cho ở các

(4.3)

Ra = 1,260 - 0,2517 p - 0,00281 Q - 0,2960 ND + 0,01438 p*p + 0,000003 Q*Q

+ 0,0890 ND*ND + 0,000265 p*Q + 0,03025 p*ND - 0,000295 Q*ND

(4.4)

Fr = 2387 - 720 p + 2,47 Q - 497 ND + 47,6 p*p - 0,02387 Q*Q + 241,1 ND*ND

+ 0,862 p*Q - 23,0 p*ND + 1,157 Q*ND

hình 4.10 và hình 4.11.

4.2.3.1. Phân tích thống kê

Kết quả phân tích phương sai đối với hàm mục tiêu Ra ở bảng PL4.2.1 cho thấy

áp suất dòng khí p, nồng độ hạt nano (ND), các tương tác bậc hai của lưu lượng dòng

khí Q*Q, và tương tác nội bộ giữa lưu lượng dòng khí và nồng độ hạt nano Q*ND có

giá trị xác suất P lớn hơn 0,05 chứng tỏ các biến ít ảnh hưởng đến hàm mục tiêu Ra.

Các biến và các tương tác còn lại đều có giá trị xác suất P rất nhỏ so với mức ý nghĩa α

= 0,05 (Phần mềm Minitab coi P = 0,000), chứng tỏ ảnh hưởng của các yếu tố khảo

sát này là rất đáng kể. Mức độ phù hợp của mô hình hồi quy xác định trị số độ nhám bề mặt (Phương trình 4.2) được đánh giá thông qua hệ số xác định R2 (Bảng 4.6). Kết quả cho thấy hệ số xác định R2 = 75,16% là khá lớn chứng tỏ mô hình hồi quy phù

hợp với bộ dữ liệu thí nghiệm. Hệ số Lack - of – Fit có giá trị xác suất P rất nhỏ hơn so

với α=0.05 (Bảng PL4.2.1) chứng tỏ mô hình hồi quy bậc 2 còn có thể phụ thuộc vào

một số yếu tố khác. Kết quả phân tích phương sai đối với hàm mục tiêu Fr ở bảng

PL4.2.2 cho thấy các biến gồm áp suất dòng khí p, tương tác bậc hai giữa các biến áp

suất dòng khí và nồng độ hạt nano p*ND, có giá trị xác suất P lớn hơn 0,05 chứng tỏ

các biến ít ảnh hưởng đến hàm mục tiêu Fr. Các biến và các tương tác bậc hai còn lại

đều có giá trị xác suất P rất nhỏ so với mức ý nghĩa α = 0,05 (Phần mềm Minitab coi P

= 0,000) điều đó chứng tỏ ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát này là rất đáng kể. Kết

quả phân tích mức độ phù hợp của mô hình hồi quy (Phương trình 4.3) cho thấy hệ số xác định R2 = 76,80% (Bảng 4.6) là khá lớn, mô hình hồi quy thu được là phù hợp với

dữ liệu thí nghiệm. Hệ số Lack - of – Fit có giá trị xác suất P rất nhỏ hơn so với α

(Bảng PL 4.2.2) chứng tỏ mô hình hồi quy bậc 2 còn có thể phụ thuộc vào một số yếu

tố khác.

66

Bảng 4.6. Mô hình tóm tắt các thông số đánh giá Ra và lực cắt Fr (Quy hoạch p, Q)

Thông số

TT

Ra 0,0139

Fr 46,6872

75,16%

76,80%

S R2

4.2.3.2. Thảo luận kết quả

(1) Ảnh hưởng độc lập của các biến khảo sát đến hàm mục tiêu

Hình 4.10 là đồ thị ảnh hưởng độc lập của các biến khảo sát đến hàm mục tiêu

Ra. Kết quả cho thấy đồ thị của cả 3 biến khảo sát đều có điểm uốn chứng tỏ trong

khoảng khảo sát tồn tại giá trị tối ưu của các biến để hàm mục tiêu Ra đạt giá trị nhỏ

nhất. Kết quả này cho thấy việc lựa chọn miền giá trị các biến khảo sát là hợp lý.

Trong đó nhám bề mặt đạt giá trị nhỏ nhất khi sử dụng áp suất và nồng độ hạt nano

gần giá trị trung bình (p=6 bar và ND=1,0%) và khi sử dụng lưu lượng dòng khí lớn

(cận kề giá trị mức cao Q = 250 l/ph).

Mức độ ảnh hưởng của áp suất dòng khí, nồng độ hạt nano đến hàm mục tiêu Ra

nhỏ (Ra = 0,065 ÷ 0,085 µm) như trên hình 4.10 và cũng được chỉ rõ trên phần phân

tích ANOVA cho thấy phù hợp với kết quả nghiên cứu ở phần 4.1. Nguyên nhân là do

nhám bề mặt trong gia công vật liệu cứng phụ thuộc chủ yếu vào vết cào xước của

dụng cụ cắt lên bề mặt gia công. Tuy nhiên trong gia công tinh vật liệu cứng, chất

lượng bề mặt đạt được tốt, trị số nhám đạt được nhỏ nên sự cải thiện dù nhỏ nhưng

mang lại ý nghĩa về kỹ thuật rất lớn.

Hình 4.11 cho thấy đồ thị ảnh hưởng độc lập các biến khảo sát đến hàm mục

tiêu Fr. Trong đó, đồ thị ảnh hưởng của áp suất, nồng độ hạt nano đến hàm mục tiêu Fr

có điểm uốn để hàm Fr đạt giá trị tối ưu (đạt giá trị nhỏ nhất), như vậy khoảng giá trị

của các biến áp suất dòng khí p và nồng độ hạt nano ND là hợp lý. Với lưu lượng dòng

khí Q, xu hướng chung khi tăng lưu lượng (từ 170 l/ph đến 250 l/ph) cho kết quả tốt

(lực Fr giảm).

Kết quả trên cho thấy đối với cả chỉ tiêu về nhám bề mặt Ra và lực cắt Fr có giá

trị nhỏ (tốt) khi áp suất p có giá trị trung bình và lưu lượng có giá trị lớn.

67

Hình 4.10. Ảnh hưởng của các biến khảo sát đến nhám bề mặt Ra

Hình 4.11. Ảnh hưởng của các biến khảo sát đến lực cắt tổng hợp Fr

Nguyên nhân: áp suất và lưu lượng dòng khí có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng

tạo hạt, đưa hạt sương mù vào vùng cắt và khả năng giữ hạt sương mù, tạo màng dầu

trong vùng cắt [60]. Do phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu thuộc nhóm các

phương pháp gia công hở nên nếu dùng áp suất dòng khí nhỏ tuy là khả năng tạo hạt

và đưa hạt sương mù vào vùng cắt có hạn chế nhưng các hạt sương mù không bị đẩy

khỏi vùng cắt. Ngược lại nếu sử dụng áp suất dòng khí lớn thì khả năng tạo sương mù

68 và đưa các hạt sương mù vào vùng cắt tốt, nhưng cũng do áp suất lớn nên các hạt

sương mù dễ bị đẩy ra khỏi vùng cắt nên hạn chế quá trình bôi trơn. Khi tăng lưu

lượng sẽ làm tăng lượng dầu bôi trơn trong vùng cắt nên sẽ nâng cao hiệu quả của quá

trình bôi trơn.

Do phạm vi điều chỉnh lưu lượng của hệ thống bị giới hạn, để đảm bảo sự ổn định

của hệ thống cung cấp khí tác giả chọn giới hạn trên của lưu lượng dòng khí là Q =

250 l/ph.

(b) Ảnh hưởng tương tác giữa các biến khảo sát đến hàm mục tiêu

Tương tác giữa các biến khảo sát ảnh hưởng đến các hàm mục tiêu Ra và Fr cho

ở các hàm hồi quy (4.3), (4.4) gồm các tương tác giữa lưu lượng và áp suất dòng khí

p*Q; giữa áp suất và nồng độ p*ND và giữa lưu lượng và nồng độ Q*ND. Mức độ ảnh

hưởng của các tương tác này được thể hiện rõ qua các hệ số bi trong các hàm hồi quy

(4.3), (4.4) và trong phần phân tích thông kê. Ảnh hưởng cụ thể của tương tác giữa các

yếu tố đến hàm mục tiêu nhám bề mặt Ra và lực cắt tổng hợp Fr cho ở hình 4.12 và

4.13.

Ảnh hưởng của tương tác p*Q đến trị số nhám Ra trên hình 4.12 thực chất là xét

ảnh hưởng của áp suất p đến Ra khi lưu lượng Q lấy ở 3 mức khác nhau là 150 l/ph;

200 l/ph và 250 l/ph. Khi Q = 200 l/ph thì ảnh hưởng của áp suất p đến Ra là ít nhất;

khi Q = 150 l/ph thì khi tăng áp suất p sẽ ảnh hưởng lớn và tốt đến hàm mục tiêu Ra;

nếu Q = 250 l/ph thì khi tăng áp suất p sẽ ảnh hưởng lớn và xấu đến hàm mục tiêu Ra.

Với cả 3 mức của lưu lượng Q, khi tăng áp suất p thì mức độ ảnh hưởng của tương tác

p*Q đến trị số nhám Ra giảm. Nguyên nhân: tương tác giữa áp suất và lưu lượng dòng

khí p*Q sẽ ảnh hưởng đến mật độ hạt nano Al2O3 trong vùng cắt nên ảnh hưởng đến

quá trình cắt [73].

Với lý luận tương tự hoàn toàn đánh giá được ảnh hưởng của các tương tác bậc

hai còn lại đến các hàm mục tiêu nhám bề mặt Ra và lực cắt tổng hợp Fr. Ý nghĩa chính

của việc đánh giá ảnh hưởng tương tác nội bộ giữa các biến đến các hàm mục tiêu là

giúp cho các cán bộ công nghệ có định hướng lược bỏ bớt các ảnh hưởng ít, chú ý và

có giải pháp với các ảnh hưởng lớn qua đó nâng cao được hiệu quả của quá trình

BTLN.

69

Hình 4.12. Ảnh hưởng tương tác giữa các biến khảo sát đến giá trị nhám Ra

Hình 4.13. Ảnh hưởng tương tác giữa các biến khảo sát đến giá trị lực cắt Fr

Trong khoảng khảo sát thì lưu lượng Q lớn tốt cho cả hàm mục tiêu nhám bề

mặt Ra và lực cắt tổng hợp Fr. Tuy nhiên khi lưu lượng Q= 200 l/ph thì ảnh hưởng

tương tác của áp suất p là ít nhất. Để đơn giản và thuận lợi cho việc ứng dụng kết quả

nghiên cứu vào thực tiễn thì nên chọn trước giá trị lưu lượng Q và chỉ nên khảo sát ảnh

hưởng của giữa áp suất dòng khí và nồng độ hạt nano (p và ND) đến các hàm mục tiêu.

70 Giá trị của Q có thể chọn là 200 l/ph (để giảm ảnh hưởng tương tác của áp suất p)

hoặc là 250 l/ph (để làm giảm trị số nhám và trị số lực cắt Fr).

Đồ thị ảnh hưởng và đồ thị đường mức ảnh hưởng của các biến áp suất p và

nồng độ ND đến hàm mục tiêu nhám bề mặt Ra và lực cắt tổng Fr khi chọn trước giá trị

lưu lượng Q cho ở hình 4.14 và 4.15.

(a) Ra

(b) Fr Hình 4.14. Ảnh hưởng của nồng độ và áp suất đến: (a) Ra và (b) Fr khi sử dụng Q =200 l/ph

Hình 4.14 cho thấy ảnh hưởng của áp suất và nồng độ hạt nano đến hàm mục

tiêu Ra và Fr khi chọn lưu lượng Q = 200 l/ph. Hình 4.14a cho thấy miền giá trị Ra tối

ưu là vùng có Ra ˂ 0,07 µm khi nồng độ hạt nano từ 0,75 ÷ 1,25 % và áp suất dòng khí

p = 5,2 ÷ 6,5 bar. Hình 4.14b cho thấy miền cho giá trị Fr tối ưu là vùng có Fr ˂ 200 N

khi nồng độ hạt nano từ 0,6 ÷ 1,1 % và áp suất dòng khí p = 5,4 ÷ 6,5 bar. Hình 4.15

cho thấy ảnh hưởng của áp suất và nồng độ đến hàm mục tiêu Ra và Fr khi chọn giá trị

71 lưu lượng dòng khí Q = 250 l/ph. Hình 4.15a cho thấy miền cho giá trị Ra tối ưu là

vùng có Ra ˂ 0,06 µm khi nồng độ hạt nano từ 0,9 ÷1,5 % và áp suất dòng khí p = 5,0

÷ 6,0 bar. Hình 4.15b cho thấy miền cho giá trị Fr tối ưu là vùng có Fr ˂ 100 N khi

nồng độ hạt nano từ 0,5 ÷ 1,1 % và áp suất dòng khí p = 5,0 ÷ 6,3 bar.

(a) Ra

(b) Fr

Hình 4.15. Ảnh hưởng của nồng độ và áp suất đến: (a) Ra và (b) Fr khi sử dụng Q

=250 l/ph

Những kết luận này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn vì khi chọn trước lưu

lượng dòng khí Q, thì các kỹ sư công nghệ có thể định hướng nhanh để lựa chọn giá trị

của nồng độ hạt nano và áp suất dòng khí hợp lý để đạt được kết quả đầu ra mong

muốn. Cụ thể nếu chọn Q = 200 l/ph thì bộ thông số hợp lý là nồng độ hạt nano từ 0,75

÷ 1,1 %, áp suất dòng khí p = 5,5 ÷ 6,5 bar. Nếu chọn Q = 250 l/ph thì bộ thông số hợp

lý là nồng độ hạt nano từ 0,9 ÷ 1,1 %, áp suất dòng khí p = 5,0 ÷ 6,0 bar.

72 Tuy nhiên, khi muốn tính chính xác các giá trị áp suất dòng khí và nồng độ hạt

nano tối ưu cần có tính toán cụ thể hơn.

4.2.4. Xác định áp suất, lưu lượng và nồng độ hạt tối ưu

Với phương pháp quy hoạch tối ưu Box – Behnken và với sự hỗ trợ của phần

mềm Minitab 19 thì việc giải bài toán tối ưu khá thuận lợi. Căn cứ vào điều kiện và

yêu cầu cụ thể của quá trình gia công mà có thể chọn hàm mục tiêu và các chỉ tiêu tối

ưu thích hợp.

a) Nếu quan tâm đồng thời cả hai chỉ tiêu là nhám bề mặt Ra và lực Fr cắt thì

chọn phương án là tối ưu đa mục tiêu với đồng thời hai hàm mục tiêu là Ra và Fr với cả

03 biến khảo sát là nồng độ hạt ND, áp suất p và lưu lượng dòng khí Q. Lúc này hàm

mục tiêu có dạng:

(4.5) Ra; Fr = f(ND, p, Q) → min

Các ràng buộc:

0,05% ≤ ND ≤ 1,5%; 5,0 bar ≤ p ≤ 7,0 bar; 150 l/ph ≤ Q ≤ 250 l/ph (4.6)

Giải bài toán tối ưu đa mục tiêu cho ở (4.5 và 4.6) còn phụ thuộc vào trọng số

(Weight) và mức độ quan trọng (Importance) của các hàm mục tiêu (trong số và mức

độ quan trọng lấy từ 0,1 ÷ 10). Việc lựa chọn trọng số và mức độ quan trọng của các

hàm mục tiêu phụ thuộc vào mục tiêu và yêu cầu gia công cụ thể.

Nếu coi mức độ quan trọng và trọng số của các hàm mục tiêu là như nhau và

đều chọn là 1,0 (Bảng 4.7); kết quả giải pháp tối ưu đa mục tiêu cho ở bảng 4.8; kết

quả dự đoán tối ưu đa mục tiêu cho ở bảng 4.9; đồ thị TƯH đa mục tiêu cho ở hình

4.16.

Bảng 4.7. Trọng số và hệ số mức độ quan trọng khi TƯH đa mục tiêu lực cắt Ra; Fr

Hàm mục tiêu Mục tiêu Mong muốn Mức cao

Trọng số

Mức độ quan trọng

Minimum

122,831

399,781

Minimum

0,044

0,128

73

Bảng 4.8. Kết quả giải pháp TƯH đa mục tiêu

Kỳ vọng

Giải pháp

Q (l/ph)

ND (%)

p (bar)

Ra (µm) phù hợp

Fr (N) phù hợp

tổng hợp

250

122,3389

0,9505

1,1768 5,2424 0,0521

Bảng 4.9. Kết quả dự đoán tối ưu đa mục tiêu (Multiple Response Prediction)

Hàm mục tiêu

SE Fit

95% CI

95% PI

Fit

24,9

(70,4; 174,3)

(120,0; 232,7)

122,3

Fr (N)

0,05212

0,00741

(0,0367; 0,0675)

(0,0193; 0,0850)

Ra (µm)

Hình 4.16. Tối ưu hóa đa mục tiêu

Bảng 4.10. Kết quả giải pháp TƯH đa mục tiêu khi chọn trước Q = 200 l/ph

Kỳ vọng

Giải pháp

ND (%)

p (bar)

Ra (µm) phù hợp

Fr (N) phù hợp

tổng hợp

0,9141

5,9697

0,0652

185,7254

0,7599

74

Bảng 4.11. Kết quả dự đoán tối ưu hóa đa mục tiêu khi Q = 200 l/ph

Hàm mục tiêu

Fit

SE Fit

95% CI

95% PI

185,7

18,9

(146,3; 225,1)

(80,7; 290,8)

Fr (N)

0,06524

0,00562

(0,0535; 0,0760)

(0,0339; 0,0965)

Ra (µm)

b) Với cơ sở lý luận như nêu ở phần 4.2.3.2 và để thuận lợi hơn cho cho quá

trình tính toán, ứng dụng vào thực tiễn sản xuất thì có thể chọn trước giá trị lưu lượng

Q sau đó chỉ cần tối ưu hai thông số là nồng độ (ND) và áp suất dòng khí (p). Cụ thể ở

đây đề xuất hai phương án chọn trước Q = 200 l/ph sau đó chỉ tối ưu hoá đa mục tiêu

với hai biến khảo sát là ND và p. Ưu điểm do lưu lượng khảo sát ở giá trị trung bình

nên không cần hệ thống cung cấp khí có công suất lớn và với lưu lượng này sẽ làm

giảm ảnh hưởng tương tác nội bộ của của áp suất đến lưu lượng (hình 4.17).

Nếu coi mức độ quan trọng và trọng số và của các hàm mục tiêu đều là như

nhau và đều chọn là 1,0 thì kết quả giải pháp tối ưu đa mục tiêu khi chọn trước giá trị

lưu lượng Q cho ở các bảng 4.10; kết quả dự đoán tối ưu đa mục tiêu cho ở bảng 4.11

và đồ thị tối ưu cho ở hình 4.17.

c) Kết quả cho thấy khi cắt với các thông số chế độ cắt không đổi gồm V = 110

m/ph, Sz = 0,12 mm/răng; t0 = 0,2 mm. Nếu tối TƯH đa mục tiêu với cả 03 biến khảo

sát thì: áp suất dòng khí tối ưu là p = 5,2424 bar (chọn p =5,2 bar); giá trị nồng độ hạt

nano tối ưu là ND =1,1768% (chọn ND=1,2%) và giá trị lưu lượng dòng khí tối ưu Q

= 250 l/ph. Giá trị tối ưu dự đoán của lực cắt tổng hợp Fr = 122,34 N và nhám bề mặt

Ra =0,052 µm.

- Nếu chọn trước giá trị lưu lượng Q=200 l/ph: giá trị áp suất dòng khí tối ưu p

= 5,9697 bar (chọn p=6 bar) và giá trị nồng độ hạt nano tối ưu là ND =0,9141% (chọn

ND=0,91%). Giá trị tối ưu dự đoán của lực cắt tổng hợp Fr = 185,73N và nhám bề mặt

Ra =0,065 µm.

75

Hình 4.17. Tối ưu hóa đa mục tiêu khi chọn Q =200 l/ph

4.2.5. Phân tích cấu trúc tế vi bề mặt

Quan sát ảnh chụp cấu trúc tế vi bề mặt trên kính hiển vi điện tử kỹ thuật số

VHX-7000 sau khi gia công với áp suất p=6 bar, Q=200 l/ph, các nồng độ hạt nano

ND = 0,5%; 1,0%; 1,5% cho thấy rõ ảnh hưởng của nồng độ hạt nano lên cấu trúc tế vi

bề mặt và ảnh hưởng đến cả lực cắt tổng hợp Fr (hình 4.18). Khi sử dụng nồng độ hạt

nano ở mức thấp (ND=0,5%) thì số lượng hạt nano trong vùng cắt chưa đủ để tạo nên

lớp màng “con lăn” nên chưa phát huy được tác dụng của hạt nano vì vậy trị số nhám

bề mặt Ra và lực cắt tổng hợp Fr lớn. Khi sử dụng nồng độ hạt nano ở mức trung bình

ND= 1,0%, số lượng hạt nano vào cùng cắt hợp lý, sự hình thành màng con lăn thuận

lợi, nên đã góp phần làm giảm ma sát, giảm lực cắt nên làm giảm trị số nhám bề mặt.

Khi sử dụng nồng độ hạt nano ở mức cao (ND=1,5%), thì số lượng hạt nano

trong vùng cắt lớn, gây chèn ép lẫn nhau làm cản trở quá trình cắt, gây cào xước bề

mặt gia công nên nhám bề mặt và lực cắt đều tăng. Hơn nữa, quan sát trên hình 4.18 có

thể thấy rằng lớp màng Al2O3 xuất hiện càng rõ nét khi tăng nồng độ hạt nano từ 0,5%

lên 1,5%.

76

(b) ND=1,0% (a) ND=0,5%

Hình 4.18. Ảnh chụp cấu trúc tế vi bề mặt gia công khi áp suất p=6 bar, Q=200 l/ph

với nồng độ hạt nano khác nhau: (a) ND=0,5%; (b) ND=1,0%; (c) ND=1,5%

Trên hình 4.19 có thể thấy rõ lớp màng Al2O3 bám dính trên bề mặt khi sử dụng

nồng độ hạt nano ở mức 1,5%. Hình ảnh chụp cấu trúc tế vi bề mặt dạng 3D và 2D

trên hình 4.20 có các vết cào xước (plough area) trên bề mặt gia công. Quan sát hình

4.21 chụp biên dạng profin bề mặt gia công và phân tích tại vị trí có lớp màng Al2O3

bám dính có thể khẳng định được các vết xước gây bởi hạt nano Al2O3 trên bề mặt gia

công. Điều này có thể giải thích do hạt nano Al2O3 có độ cứng cao, khi sử dụng với giá

trị nồng độ hạt cao và xảy ra hiện tượng chèn ép, kết hợp với áp lực trong vùng cắt rất

lớn thì các hạt này lại đóng vai trò như những lưỡi cắt rất nhỏ (tiny cutters), gây ảnh

hưởng xấu đến chất lượng bề mặt gia công. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với các

nghiên cứu lý thuyết và các nghiên cứu trước đây [31].

77

Hình 4.19. Ảnh chụp cấu trúc tế vi bề mặt gia công khi áp suất p=6 bar, Q=200 l/ph với nồng độ hạt nano 1,5%

(a) Hình ảnh 3D (b) Hình ảnh 2D

Hình 4.20. Cấu trúc tế vi bề mặt gia công khi áp suất p=6 bar, Q=200 l/ph sử dụng nồng độ hạt nano Al2O3 1,5%: (a) Hình ảnh 3D, (b) Hình ảnh 2D

Hình 4.21. Phân tích profin bề mặt gia công khi áp suất p=6 bar, Q=200 l/ph sử dụng

nồng độ hạt nano Al2O3 1,5%

78

Nhận xét chung

Từ các kết quả trên cho thấy có thể lựa chọn phương án TƯH đơn mục tiêu

(theo hàm mục tiêu Ra hoặc là hàm mục tiêu Fr) hoặc TƯH đa mục tiêu (với đồng thời

cả 02 hàm mục tiêu Ra và Fr) tuỳ thuộc vào yêu cầu và mục đích cụ thể của nguyên

công.

Nếu TƯH đa mục tiêu với đồng thời cả ba biến khảo sát là nồng độ hạt nano

(ND), áp suất (p) và lưu lượng dòng khí (Q) với giả thiết là chọn trọng số và mức độ

quan trọng các hàm mục tiêu là như nhau (đều bằng 1,0) thì cho kết quả hàm mục tiêu

đạt giá trị tối ưu là Fr = 122,34 N và Ra =0,052 µm khi ND = 1,2%; p = 5,2 bar; Q =

250 l/ph.

Nếu TƯH đa mục tiêu nhưng chọn trước giá trị lưu lượng Q=200 l/ph thì cho

kết quả hàm mục tiêu đạt giá trị tối ưu là Fr = 122,34 N và Ra = 0,052 µm khi ND =

0,91 %; p = 6 bar.

Trên cơ sở lưu lượng dòng khí Q = 200 l/ph kết hợp với bộ thông số áp suất

dòng khí p = 6 bar đã chọn, việc nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ hạt nano (ND),

vận tốc cắt (V) và lượng chạy dao (S) và xác định giá trị tối ưu các thông số này để

triển khai vào thực tiễn sản xuất là việc làm cần thiết. Nội dung này sẽ được trình bày

trong phần tiếp theo.

4.3. Nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu khi phay cứng thép 60Si2Mn

4.3.1. Đặt vấn đề

Mục đích: Nghiên cứu xác định ảnh hưởng tương tác của nồng độ hạt nano, vận

tốc vắt (V) và lượng chạy dao (𝑆𝑧) và xác định chế độ tối ưu khi phay cứng thép

60Si2Mn sử dụng NF MQL Al2O3 trên nền là dầu đậu nành.

Phương pháp nghiên cứu: Tương tự như phần 4.2 sử dụng phương pháp

nghiên cứu thực nghiệm với thiết kế quy hoạch thí nghiệm tối ưu Box-Behnken 03

biến để xây dựng sơ đồ quy hoạch thực nghiệm ảnh hưởng của nồng độ hạt nano (ND),

vận tốc cắt (V) và lượng chạy dao (𝑆𝑧) đến các thành phần lực cắt và nhám bề mặt Ra.

Sơ đồ quy hoạch như bảng 4.12.

79

Bảng 4.12. Kế hoạch thí nghiệm tối ưu chế độ cắt

TT

Tham số

Ký hiệu Mức thấp Mức cao

Hàm mục tiêu

Nồng độ hạt nano (%)

0,5

1,5

- Lực cắt tổng hợp 𝐹𝑟

Vận tốc cắt (m/ph)

130

- Nhám Ra và cấu trúc tế vi bề mặt

0,08

0,16

Lượng chạy dao (mm/răng)

𝑆𝑧

4.3.2. Triển khai thí nghiệm và số liệu thí nghiệm

Hệ thống thí nghiệm: Sử dụng hệ thống thí nghiệm đã thiết kế, xây dựng và các

thông số như phần 4.1.2. Trong đó có các thông số khảo sát và hàm mục tiêu trong

bảng 4.12 được cụ thể hoá như sau:

(1) Các thông số khảo sát (thay đổi)

Nồng độ nano Al2O3 (% theo khối lượng) với 3 giá trị gồm mức thấp 0,5%,

mức cao 1,5% và mức trung bình 1,0%.

Vận tốc cắt V (m/ph) với 3 giá trị gồm mức thấp 90 m/ph, mức cao 130 m/ph

và mức trung bình 110 m/ph.

Lượng chạy dao răng 𝑆𝑧 (mm/răng) với 3 giá trị gồm mức thấp 0,08 mm/răng,

mức cao 0,16 mm/răng và mức trung bình 0,12 mm/răng.

(2) Thông số đánh giá (Hàm mục tiêu): Nhám bề mặt Ra. Lực cắt tổng hợp: Fr.

(3) Thông số cố định: Chiều sâu cắt t0 = 0,2 mm; áp suất p = 6 bar; lưu lượng Q

= 200 l/ph.

Sử dụng phần mềm quy hoạch và xử lý số liệu thí nghiệm Minitab 19 xây dựng

ma trận thí nghiệm theo mô hình quy hoạch tối ưu Box - Behnken 03 biến, hai mức.

Triển khai thí nghiệm theo trình tự chạy (RunOrder), trị số Ra được đo 03 lần và lấy

giá trị trung bình sau mỗi lượt gia công bằng máy đo độ nhám SJ210; các thành phần

lực cắt Fx; Fy; Fz được đo trực tiếp tức thời trong quá trình cắt bằng hệ thống đo lực cắt

Kisler. Lực cắt tổng hợp được tính theo công thức (4.1). Kết quả các thông số đánh giá

theo sơ đồ quy hoạch thực nghiệm cho ở trong bảng 4.13.

80

Bảng 4.13. Sơ đồ quy hoạch và kết quả thí nghiệm tối ưu chế độ cắt

TT

ND

V

Ra

Fx

Fy

Fz

Fr

Kiểu điểm

chuẩn

chạy

(%)

(m/ph)

(µm)

(N)

𝑺𝒛 (mm/r)

0,5

0,12

0,178

197,5

289,9

680,5

765,5

1,5

0,12

0,219

156,3

245,4

550,0

622,2

0,5

130

0,12

0,148

188,2

295,2

686,0

770,1

1,5

130

0,12

0,285

174,0

273,1

634,8

712,6

0,5

110

0,08

0,143

165,6

253,6

618,6

688,7

1,5

110

0,08

0,152

144,2

216,2

505,6

568,4

0,5

110

0,16

0,184

170,7

316,1

734,9

818,0

1,5

110

0,16

0,205

183,6

265,8

657,4

732,4

0,08

0,228

145,5

228,3

530,6

595,6

130

0,08

0,287

176,6

277,0

643,9

722,8

0,16

0,212

137,8

216,2

502,7

564,3

130

0,16

0,286

143,4

225,0

522,8

586,9

110

0,12

0,192

137,7

216,0

502,1

563,6

110

0,12

0,211

135,2

212,0

492,6

553,0

110

0,12

0,208

132,8

208,4

483,8

543,2

4.3.3. Xử lý số liệu thí nghiệm và kết quả

4.3.3.1. Phân tích thống kê

Phương pháp xử lý số liệu thí nghiệm, phân tích thống kê, phân tích ảnh hưởng

các yếu tố khảo sát, v.v tương tự như phần 4.2. Sử dụng phần mềm Minitab 19 (với

mức ý nghĩa α = 0,05) xử lý số liệu thí nghiệm cho kết quả: Phương trình hồi quy thực

nghiệm các hàm mục tiêu nhám bề mặt Ra và lực cắt Fr, cho ở các phương trình 4.7 và

(4.7)

4.8.

Ra = 1,555 + 0,084ND - 0,0256V - 1,41𝑆𝑧 - 0,1568ND2 + 0,000108*V2

+ 4,1*𝑆𝑧

2 + 0,00240*ND*V + 0,150* ND *𝑆𝑧 + 0,0047*V*𝑆𝑧

(4.8)

Fr = 2219 - 1385 ND - 18.6 V - 78 𝑆𝑧 + 498 NDND + 0.0998 VV

+ 15126 𝑆𝑧*𝑆𝑧+ 2.15 ND*V + 435 ND*𝑆𝑧 - 32.7 V*𝑆𝑧

81 Kết quả phân tích phương sai đối với hàm mục tiêu Ra và Fr cho ở bảng PL4.3.1

đều lớn hơn 78%) điều đó chứng tỏ mô

– PL 4.3.2 phụ lục chương 4. Kết quả phân tích mức độ phù hợp của mô hình hồi quy (Phương trình 4.7÷4.8) thông qua hệ số xác định R2 (Bảng 4.14) cho thấy hệ số xác định R2 của các hàm khảo sát là khá lớn (R2

hình hồi quy thu được là phù hợp với dữ liệu thí nghiệm. Hệ số Lack - of – Fit (bảng

PL4.3.1 ÷ PL4.3.2) có giá trị xác suất P rất nhỏ hơn so với α chứng tỏ các mô hình hồi

quy bậc 2 còn có thể phụ thuộc vào một số yếu tố khác.

Bảng 4.14. Mô hình tóm tắt các thông số đánh giá Ra và Fr (Quy hoạch V, Sz)

TT

Thông số

Ra

Fr

0,03365

73,6176

82,01%

78,02%

4.3.3.2. Thảo luận kết quả

(1) Ảnh hưởng của các biến khảo sát đến hàm mục tiêu

Ảnh hưởng độc lập của các biến khảo sát đến hàm mục tiêu Ra và Fr cho ở các

đồ thị trên hình 4.22 và 4.23 cho thấy khi kết hợp sự tương tác của 3 yếu tố là nồng độ

hạt, vận tốc cắt và lượng chạy dao thì cả 3 yếu tố đều ảnh hưởng đến các hàm mục tiêu

Ra và Fr. Trong đó ảnh hưởng lớn nhất vẫn là nồng độ hạt nano ND, tiếp đến là vận tốc

cắt V, ảnh hưởng ít nhất là lượng chạy dao 𝑆𝑧. Ảnh hưởng tương tác giữa các biến

khảo sát trên hình 4.24 và hình 4.25 cho thấy tương tác giữa nồng độ hạt và vận tốc cắt

(ND*V) là ảnh hưởng lớn nhất, còn các tương tác khác ảnh hưởng không đáng kể.

Nguyên nhân ở đây do ảnh hưởng của nồng độ hạt, mật độ hạt nano, ảnh hưởng của

vận tốc cắt đến quá trình chèn ép của hạt nano trong vùng cắt.

Các kết quả trên cho thấy hạt nano Al2O3 trong dầu cắt (dầu cắt nano Al2O3

NF) ảnh hưởng lớn đến quá trình cắt khi thay đổi với chế độ cắt. Như vậy việc sử dụng

dầu cắt nano ở có hiệu quả đáng kể. Do nồng độ hạt nano (ND), vận tốc cắt (V) tương

tác giữa chúng (ND*V) là các yếu tố ảnh hưởng chính đến các hàm mục tiêu nên kết

quả này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn ở chỗ khi cần cải thiện điều kiện cắt gọt chỉ

cần tập trung lựa chọn và điều chỉnh hai thông số cơ bản là nồng độ hạt nano (ND) và

82 vận tốc cắt (V), còn lượng chạy dao ít ảnh hưởng nên để vừa đảm bảo năng suất và vừa

đảm bảo chất lượng thì có thể chọn lượng chạy dao 𝑆𝑧 lớn nhất có thể.

Hình 4.22. Ảnh hưởng của các biến khảo sát đến nhám bề mặt Ra

Hình 4.23. Ảnh hưởng của các biến khảo sát đến lực cắt tổng hợp Fr

83

Hình 4.24. Ảnh hưởng tương tác giữa các biến ND, V, 𝑆𝑧 đến hàm mục tiêu Ra

Hình 4.25. Ảnh hưởng tương tác giữa các biến ND, V, 𝑆𝑧 đến hàm mục tiêu Fr

84

(a) Ra

(b) Fr

Hình 4.26. Ảnh hưởng của nồng độ và vận tốc cắt đến: (a) Ra và (b) Fr khi cố định Sz

=0,12 mm/răng

Từ các đồ thị đường mức (hình 4.26 ÷ 4.28) giúp cho các cán bộ kỹ thuật lựa

chọn được các thông số khảo sát trong miền tối ưu tuỳ thuộc vào các hàm mục tiêu. Cụ

thể, với hàm mục tiêu là nhám bề mặt Ra thì nên chọn nồng độ ND=0,5% ÷ 0,55%;

vận tốc cắt V= 100 ÷ 110 m/ph; lượng chạy dao Sz=0.08 ÷ 0,16 mm/răng. Đối với

hàm mục tiêu là lực cắt tổng hợp Fr thì nên chọn nồng độ ND = 1,0% ÷1,2%; vận tốc

cắt V=90 ÷ 110 m/phút; lượng chạy dao Sz = 0,08 ÷ 0,12 mm/răng. Khi phối hợp cả

hai chỉ tiêu đánh giá là nhám bề mặt Ra và lực cắt tổng hợp Fr thì vận tốc cắt có thể

chọn trong khoảng V=100 ÷ 110 m/phút. Kết quả là đã nâng cao được vận tốc cắt của

mảnh dao từ V=50 ÷ 55 m/phút đến V=100 ÷ 110 m/phút (tăng khoảng 200%).

85 (a) Ra

(b) Fr

Hình 4.27. Ảnh hưởng của nồng độ và lượng chạy dao đến: (a) Ra và (b) Fr khi cố

định V =110 m/phút

Đồ thị bề mặt và đường mức trên hình 4.26 cho thấy ảnh hưởng của nồng độ hạt

nano và vận tốc cắt đến hàm mục tiêu Ra và Fr khi cố định lượng chạy dao Sz = 0,12

mm/răng. Hình 4.26a cho thấy miền giá trị Ra tối ưu là vùng có Ra ˂ 0,15 µm khi nồng

độ hạt nano từ 0,50 ÷ 0,55 % và vận tốc cắt V = 100 ÷ 120 m/ph. Hình 4.26b cho thấy

miền cho giá trị Fr tối ưu là vùng có Fr ˂ 550 N khi nồng độ hạt nano từ 1,00 ÷ 1,25 %

và vận tốc cắt V = 92 ÷ 110 m/ph. Đồ thị bề mặt và đường mức trên hình 4.27 cho thấy

ảnh hưởng của nồng độ hạt nano và lượng chạy dao đến hàm mục tiêu Ra và Fr khi cố

định V =110 m/phút. Hình 4.27a cho thấy miền giá trị Ra tối ưu là vùng có Ra ˂ 0,14

µm khi nồng độ hạt nano từ 0,50 ÷ 0,60 % và Sz = 0,08 ÷ 0,16 mm/răng. Hình 4.27b

cho thấy miền cho giá trị Fr tối ưu là vùng có Fr ˂ 550 N khi nồng độ hạt nano từ 1,00

÷ 1,25 % và Sz = 0,09 ÷ 0,12 mm/răng.

86 (a) Ra

(b) Fr

Hình 4.28. Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đến: (a) Ra và (b) Fr khi cố

định ND =1,0 %

Đồ thị bề mặt và đường mức trên hình 4.28 cho thấy ảnh hưởng của nồng độ hạt

nano và lượng chạy dao đến hàm mục tiêu Ra và Fr khi cố định ND =1,0 %. Hình

4.28a cho thấy miền giá trị Ra tối ưu là vùng có Ra ˂ 0,20 µm khi V=102 ÷ 110 m/phút

và Sz = 0,08 ÷ 0,11 mm/răng. Hình 4.28b cho thấy miền cho giá trị Fr tối ưu là vùng có

Fr ˂ 550 N khi V=90 ÷ 110 m/phút và Sz = 0,08 ÷ 0,12 mm/răng.

Tuy nhiên, khi muốn tính chính xác các giá trị nồng độ hạt nano, vận tốc cắt và

lượng chạy dao tối ưu cần có tính toán cụ thể hơn. Nội dung này sẽ được trình bày

trong phần tiếp theo.

4.3.4. Xác định nồng độ hạt nano, vận tốc cắt và lượng chạy dao tối ưu

Sử dụng phương pháp quy hoạch tối ưu Box – Behnken và với sự hỗ trợ của

phần mềm Minitab 19, căn cứ vào điều kiện và yêu cầu cụ thể của quá trình gia công

mà có thể chọn hàm mục tiêu và các chỉ tiêu tối ưu thích hợp. Nếu quan tâm đồng thời

87 cả hai hàm mục tiêu nhám bề mặt Ra và lực cắt tổng hợp Fr thì chọn phương án là tối

ưu đa mục tiêu với đồng thời là cả hai hàm mục tiêu là Ra và Fr. Nếu chọn mức độ

quan trọng và trọng số của các hàm mục tiêu là như nhau (Bảng 4.15). Giải bài toán tối

ưu đa mục tiêu cho kết quả ở bảng 4.16 và hình 4.29. Với giải pháp đã chọn thì hàm

kỳ vọng đạt giá trị 0,804 là khá tốt.

Bảng 4.15. Trọng số và hệ số mức độ quan trọng khi tối ưu V, Sz

Hàm mục tiêu Mục tiêu Mong muốn Mức cao Trọng số

Mức độ quan trọng

Minimum

543,258

818,007

Minimum

0,143

0,287

Bảng 4.16. Kết quả giải pháp TƯH đa mục tiêu khi tối ưu theo ND, V, Sz

Kỳ vọng

Fr

Ra

𝑺𝒛

Giải pháp ND (%) V (m/ph)

phù hợp

(mm/răng)

tổng hợp

1,40909 98,8889 0,0888889

566,145

0,185514

0,803775

Hình 4.29. Kết quả tối ưu đa mục tiêu theo nồng độ hạt nano và chế độ cắt

88

Nhận xét chung

Trên cơ sở thiết kế và triển khai thí nghiệm theo quy hoạch tối ưu Box –

Behnken, với công cụ là phần mềm Minitab 19 giải bài toán tối ưu đa mục tiêu hoàn

toàn có thể xác định các miền giá trị tối ưu hoặc bộ thông số gồm ND, 𝑆𝑧 và V tối ưu

tuỳ thuộc vào yêu cầu mục tiêu tối ưu. Cụ thể khi giải bài toán TƯH đa mục tiêu với

giả thiết trọng số và mức độ quan trọng của các hàm mục tiêu Ra và Fr là như nhau và

đều bằng 1 thì cho bộ thông số tối ưu (sau khi làm tròn số) là: nồng độ ND = 1,41%;

vận tốc cắt V = 100 m/ph; lượng chạy dao 𝑆𝑧 = 0,09 mm/răng.

Trong thực tiễn sản xuất, khi không cần phải có tính toán rất chính xác thì có

lựa chọn nhanh các thông số khảo sát theo miền tối ưu như trên các đồ thị đường mức.

Kết quả nghiên cứu từ các phần 4.1 đến phần 4.3 đã giúp lựa chọn được định

hướng chung là sử dụng dầu cắt nano Al2O3 trong MQL để phay cứng thép 60Si2Mn,

đã nghiên cứu xác định được ảnh hưởng của các yếu tố và đã xác định được các giá trị

tối ưu tuỳ thuộc vào mục tiêu tối ưu và các điều kiện công nghệ cụ thể. Kết quả này

hoàn toàn có thể được chỉ dẫn để ứng dụng vào thực tiễn sản xuất.

Tuy nhiên để có đánh giá sâu hơn về ảnh hưởng của dầu cắt nano đến bản chất

quá trình cắt, cần có nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của dầu cắt nano Al2O3 đến cơ

chế mòn, lực cắt, tuổi bền của dụng cụ và chất lượng bề mặt đạt được sau khi gia công.

Nội dung này được trình bày ở phần tiếp theo.

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

4.4.1. Đặt vấn đề

Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của nồng độ hạt nano

trong NF MQL đến lực cắt, mòn, tuổi bền của dụng cụ và CLBM khi phay cứng thép

60Si2Mn.

Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của nồng độ hạt nano

Al2O3 trong NF MQL thông qua chỉ tiêu là các thành phần lực cắt và mòn, tuổi bền

của dụng cụ và nhám bề mặt.

Hệ thống thí nghiệm: Sử dụng hệ thống thí nghiệm, mẫu thí nghiệm trình bày ở

89 mục 4.1 với các thông số thí nghiệm không đổi gồm: Vận tốc cắt V=110 m/ph, lượng

chạy dao 𝑆𝑧 = 0,12 mm/răng, chiều sâu cắt t0 = 0,2 mm; chế độ trơn nguội: áp suất

dòng khí p = 6 bar, lưu lượng dòng khí Q = 200 l/ph.

Thông số khảo sát: Nồng độ hạt nano Al2O3 trong dầu nền là DĐN với các mức

0,5%; 1,0% và 1,5% và dầu cắt nano Al2O3 trong dầu nền là emulsion với nồng độ hạt

0,5% (Để có sự so sánh giữa hai loại dầu cắt nền).

4.4.2. Triển khai thí nghiệm và kết quả

Triển khai thí nghiệm với 03 mức nồng độ 0,5%; 1,0% và 1,5%, cắt cho đến khi

DCC hết tuổi bền (hết khả năng cắt). Tiến hành đo nhám bề mặt bằng máy đo nhám SJ

210, đo lực cắt bằng lực kế Kistler 9257BA ngay trong quá trình cắt, đo mòn DCC

bằng kính hiển vi điện tử kỹ thuật số VHX – 7000, kết quả đo nhám bề mặt và lực cắt

theo thời gian cho ở bảng PL 4.4.1 ÷ PL4.4.4. Trong quá trình nghiên cứu, tác giả đã

tiến hành đo trị số nhám bề mặt Ra, Rz, tuy nhiên do quy luật thay đổi của hai trị số này

giống nhau nên tác giả chỉ phân tích trị số nhám bề mặt Ra.

Do các thành phần lực cắt có ảnh hưởng khác nhau đến mòn và tuổi bền của

dụng cụ nên ở đây tác giả khảo sát đồng thời cả 03 thành phần lực cắt là lực pháp

tuyến Fy; lực tiếp tuyến Fz và lực chạy dao Fx. Tương tự như trong gia công vật liệu

thông thường (gọi chung là vật liệu mềm), thành phần lực chạy dao Fx ít ảnh hưởng

đến mòn, tuổi bền của dụng cụ, hai thành phần còn lại là ảnh hưởng lớn đến quá trình

cắt nên ảnh hưởng lớn tới mòn, tuổi bền của dụng cụ và CLBM gia công. Điểm khác

biệt trong gia công vật liệu cứng là thành phần lực cắt Fy chiếm tỷ trọng lớn hơn (trong

thành phần lực cắt tổng hợp Fr) so với gia công vật liệu mềm. Với đặc điểm khác biệt

này cùng với việc tác động của dầu cắt nano NF nên quá trình mòn của dụng cụ và

CLBM đạt được sau gia công sẽ có những đặc điểm riêng. Nhận định này được chứng

tỏ qua kết quả nghiên cứu thực nghiệm ở phần sau

Sử dụng phần mềm Origin 9 xử lý số liệu đo về lực cắt cho kết quả trên hình

4.30 ÷ 4.32; Ảnh mòn DCC cho trên hình 4.33; màu phoi phụ thuộc nồng độ hạt nano

cho ở hình 4.35; tuổi bền của DCC phụ thuộc nồng độ hạt đánh giá thông qua chỉ tiêu

bền mặt sau cho ở hình 4.34. Nhám bề mặt phụ thuộc vào nồng độ và thời gian cắt cho

ở hình 4.36.

90

4.4.3. Thảo luận kết quả

4.4.3.1. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số khảo sát đến lực cắt, mòn dụng cụ và

tuổi bền dụng cụ

Ảnh hưởng của nồng độ hạt nano Al2O3 trong dầu cắt nano NF DĐN và thời

gian cắt đến các thành phần lực cắt trên các hình 4.30 ÷ 4.32 cho thấy trong khoảng

thời gian cắt 20 phút đầu không có sự khác biệt nhiều khi tăng nồng độ hạt nano từ

0,5% lên 1,5%. Sau khoảng thời gian cắt 20 phút, với nồng độ 0,5% cả 3 thành phần

lực cắt đều tăng mạnh. Còn với các nồng độ 1,0% và 1,5% thì giá trị lực nhỏ hơn

nhiều và tăng chậm hơn, trong đó với nồng độ 1,5% có giá trị lực Fz nhỏ, xu hướng ổn

định và tăng chậm nhất.

Nguyên nhân: Ngoài các nguyên nhân ảnh hưởng của nồng độ hạt như đã nêu ở

các phần trên, ở đây phương lực cắt Fz là phương cắt chính (như các mô hình tạo phoi)

nên sẽ chịu ảnh hưởng lớn nhất của dầu cắt nano.

Hình 4.30. Ảnh hưởng của nồng độ hạt nano Al2O3 đến thành phần lực cắt Fx

91

Hình 4.31. Ảnh hưởng của nồng độ hạt nano Al2O3 đến thành phần lực cắt Fy

Hình 4.32. Ảnh hưởng của nồng độ hạt nano Al2O3 đến thành phần lực cắt Fz

Quan sát vết mòn của dao được chụp từ kính hiển vi kỹ thuật số VHX-7000 trên

hình 4.33 cho thấy lượng mòn trên mặt trước và mặt sau đều tập trung quanh lưỡi cắt

92 chính và thấy rõ các vết cào xước, điều đó cho thấy dạng mòn chủ yếu do cào xước.

Nguyên nhân: Trong gia công vật liệu cứng thường cắt với chiều sâu cắt và lượng chạy

dao nhỏ (t0; Sz nhỏ) nên phần phôi tiếp xúc với mặt sau của dao và phoi tiếp xúc với

mặt trước của dao đều tập trung quanh lưỡi cắt chính nên lượng mòn chủ yếu tập trung

quanh lưỡi cắt chính. Bên cạnh đó, do độ cứng của vật liệu gia công cao (HRC ≥ 50)

nên áp lực của phôi lên mặt sau lớn (lực Fy lớn), sự cào xước lên mặt sau của dao lớn

nên gây ra mòn mặt sau lớn.

Nồng độ hạt nano trong dầu cắt NF ảnh hưởng lớn đến các thành phần lực cắt

(hình 4.30 ÷ hình 4.32) nên ảnh hưởng lớn đến đặc điểm và độ mòn của dao. Theo thời

gian cắt các thành phần lực cắt tăng, bởi vậy có thể lấy sự tăng của lực cắt làm chỉ tiêu

xác định tuổi bền của dụng cụ cắt. Ở đây tác giả lấy chỉ tiêu sơ bộ để xác định tuổi bền

của dụng cụ cắt là lực cắt (kết hợp với các hiện tượng cụ thể phát sinh trong quá trình

cắt) và dùng chỉ tiêu là lượng mòn mặt sau để kiểm chứng tuổi bền. Cụ thể khi cắt đến

80 phút thì các thành phần lực cắt Fy; Fz đối với trường hợp sử dụng dầu cắt có nồng

độ hạt nano 0,5% tăng mạnh nên dừng quá trình cắt để đo kiểm lượng mòn mặt sau.

Hình 4.33 là ảnh chụp mòn dao khi cắt được 80 phút.

Hình 4.33a khi cắt với nồng độ hạt nano 0,5% lúc này dao đã đến giai đoạn

mòn khốc liệt (hết tuổi bền). Hình 4.33b khi cắt với nồng độ hạt nano 1,0% lúc này

dao đã mòn hết lớp phủ và bắt đều mòn đến lớp nền, hình 4.33c khi cắt với nồng độ

hạt nano 1,5% dao mòn ít nhất, lúc này dao bắt đầu mòn hết lớp phủ (vết phủ màu

vàng còn lại như trên hình 4.33c). Tiếp tục cắt và theo dõi sự tăng của các thành phần

lực cắt đối với các chế độ sử dụng dầu cắt có nồng độ 1,0%; 1,5% và dầu cắt Em có

nồng độ 0,5% và nếu lấy chỉ tiêu mòn cho phép theo mặt sau là [B] = 0,3 mm [1] thì

ảnh hưởng của nồng độ hạt nano Al2O3 đến tuổi bề của dụng cụ cắt cho ở hình 4.34.

Tuổi bền tăng khoảng 18,75% (từ 80 phút lên 95 phút) khi tăng nồng độ hạt

nano từ 0,5% lên 1,0% và khoảng 43,8% (từ 80 phút lên 115 phút) khi tăng nồng độ

hạt nano từ 0,5% lên 1,5%. Tuổi bền khi sử dụng dầu đậu nành với ND =1,5% tương

đương với khi sử dụng dầu nền emulsion với ND = 0,5% (hình 4.34). Dầu đậu nành có

độ nhớt cao, có khả năng bôi trơn tốt nhưng nhiệt độ cháy thấp, khả năng dẫn nhiệt và

93

(a) ND= 0,5%

(b) ND= 1,0%

Hình 4.33. Ảnh chụp mòn mặt sau tại thời điểm thời gian cắt là 80 phút khi gia công

với dầu cắt nano Al2O3: (a) ND= 0,5%, (b) ND= 1,0%, (c) ND= 1,5%

94

Hình 4.34. Tuổi bền DCC khi gia công với dầu cắt nền và nồng độ hạt nano Al2O3

khác nhau

khả năng tạo hạt và xâm nhập vào vùng cắt kém hơn so với dầu emulsion nên việc ứng

dụng dầu đậu nành cho quá trình gia công cứng kém hiệu quả hơn so với emulsion.

Việc đưa hạt nano Al2O3 để điều chế dầu cắt NF trên nền là dầu đậu nành đã góp phần

cải thiện được khả năng chịu nhiệt và dẫn nhiệt của dầu nền từ đó nâng cao được đặc

tính bôi trơn và làm nguội của loại dầu này. Kết quả là đã khắc phục được những

nhược điểm của dầu đậu nành, mở rộng được khả năng ứng dụng vào công nghệ gia

công cứng. Điều này có ý nghĩa rất lớn vì dầu đậu nành là loại dầu có nguồn gốc từ

thực vật, có thể tự phân hủy sinh học, thân thiện với môi trường nên hoàn toàn có thể

thay thế cho dầu công nghiệp emulsion mà vẫn đảm bảo được yêu cầu về kinh tế và kỹ

thuật.

Ngoài yếu tố lực cắt thì nồng độ hạt nano sẽ ảnh hưởng lớn đến nhiệt cắt nên

ảnh hưởng đến mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt. Khi tăng nồng độ hạt nano Al2O3

trong dầu cắt NF ngoài việc cải thiện điều kiện ma sát trong vùng cắt, các hạt nano còn

nâng cao khả năng dẫn nhiệt của dầu cắt nano NF [4] nên góp phần làm giảm nhiệt cắt.

Sự giảm của nhiệt cắt khi tăng nồng độ hạt nano được đánh giá gián tiếp thông qua

quan sát màu của phoi ở hình 4.35 [62].

95

a. ND= 0,5% b. ND= 1,0% c. ND= 1,5%

Hình 4.35. Màu phoi tạo thành khi gia công tại thời điểm thời gian cắt là 80 phút với

dầu cắt nano Al2O3: (a) ND= 0,5%, (b) ND= 1,0%, (c) ND= 1,5%

Có thể thấy rõ rằng màu sắc của phoi tạo thành trong trường hợp ND= 0,5% là

màu tím sẫm và xanh lam, và màu đã chuyển sang màu nâu và vàng sẫm với

ND=1,0÷1,5%. Những thay đổi này cho thấy nhiệt sinh ra từ vùng cắt giảm [8,62].

4.4.3.2. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số khảo sát đến nhám bề mặt gia công

Ảnh hưởng của nồng độ hạt nano và thời gian gia công đến nhám bề mặt cho ở

hình 4.36. Với dầu nền là DĐN thì việc sử dụng giá trị nồng độ hạt nano ở mức thấp

0,5 % lại cho kết quả tốt hơn trong khoảng thời gian cắt ban đầu (khoảng 50 phút đầu)

sau đó tăng nhanh. Khi tăng nồng độ hạt nano lên 1,0÷1,5 %, ở khoảng thời gian cắt từ

0 đến 45 phút ban đầu trị số nhám bề mặt lớn và giảm nhanh theo thời gian cắt. Sau

khoảng thời gian trên nhám bề mặt tiếp tục giảm dần.

Nguyên nhân: Trong gia công vật liệu cứng thì nhám bề mặt phụ thuộc chủ yếu

vào các vết xước cơ học do động hình học quá trình cắt và do cơ chế tác động của

màng dầu và mật độ hạt nano trong vùng cắt (Hình 4.37). Sự hình thành màng dầu,

mật độ hạt trong vùng cắt phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó chủ yếu là phụ thuộc vào

loại dầu nền, loại hạt nano, nồng độ hạt và diện tích mòn theo mặt sau B. Khi lượng

mòn mặt sau “phù hợp” sẽ thuận lợi cho khả năng tạo màng dầu và phù hợp với mật

độ hạt trong vùng cắt (Hình 4.37) thì quá trình cắt thuận lợi nhất và nhám bề mặt đạt

được tốt nhất.

Khi cắt với nồng độ 0,5% thì trong giai đoạn đầu lực cắt tăng nhanh, đặc biệt là

thành phần lực Fy nên tốc độ mòn mặt sau nhanh và do nồng độ hạt nhỏ, mật độ hạt

trong vùng cắt nhỏ nên việc hình thành “lượng mòn phù hợp” sớm hơn. Kết quả là

nhám bề mặt đạt được nhỏ và ổn định. Sau đó lực cắt, nhiệt cắt tăng nhanh, lượng mòn

96 dao tăng nhanh, lúc này mật độ hạt trong vùng cắt nhỏ nên hạt nano ít phát huy tác

dụng, lúc này các vết cào xước của dao sẽ làm tăng trị số nhám bề mặt [18].

Hình 4.36. Nhám bề mặt khi gia công với dầu cắt nền và nồng độ hạt nano Al2O3 khác

nhau

Hình 4.37. Sơ đồ mòn mặt sau và cơ chế tạo màng trong vùng cắt

Khi tăng nồng độ hạt nano lên 1,0÷1,5%, ở khoảng thời gian cắt từ 0 đến 45

phút ban đầu, do lực cắt nhỏ hơn, nồng độ hạt lớn và mật độ hạt trong vùng cắt lớn nên

việc hình thành “lượng mòn phù hợp” chậm hơn. Kết quả là do mật độ hạt nano lớn

nên gây ra hiện tượng chèn ép các hạt nano nên ảnh hưởng xấu đến nhám bề mặt [31].

Theo thời gian lượng mòn mặt sau tăng dần, “lượng mòn phù hợp” hình thành, lúc này

97 hiệu ứng “con lăn” [2] phát huy hết tác dụng nên trị số nhám giảm dần và ổn định

(Hình 4.36). Đây là một đặc điểm khác biệt khi gia công với công nghệ MQL dùng

dầu cắt nano NF so với dùng dầu cắt thường, vấn đề này cần có các nghiên cứu thêm

để có các kết luận sâu sắc hơn.

Với dầu nền là emulsion với nồng độ hạt 0,5% cho kết quả tốt nhất, điều này

cũng được giải thích như khi dùng DĐN 0,5% và do đặc tính của dầu emulsion có khả

năng tạo hạt “sương mù” để hình thành màng dầu tốt hơn.

Nhận xét chung

Ở nội dung phần này đã nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ hạt nano trên nền là

DĐN và emulsion đến các thành phần lực cắt (Fx, Fy và Fz), mòn, tuổi bền của dụng cụ

cắt và trị số nhám bề mặt (Ra). Kết quả cho thấy khi gia công với Al2O3 NF trên nền là

DĐN với nồng độ hạt nano là 0,5% thì lực cắt lớn, nhám bề mặt trong giai đoạn đầu

nhỏ sau đó lực cắt, nhám bề mặt tăng nhanh, tuổi bền của dụng cụ thấp nhất (80 phút).

Khi cắt với nồng độ hạt nano ở mức 1,0% và 1,5% lực cắt giảm, nhám bề mặt

ban đầu tuy lớn nhưng giảm dần và ổn định theo thời gian cắt, tuổi bền của dụng cụ

tăng (115 phút, tăng khoảng 43,8% so với 80 phút khi cắt với nồng độ 0,5%). Khi cắt

với nồng độ 1,5% thì các chỉ số đánh giá của loại dầu nền là DĐN tương đương với

dầu nền là emulsion. Kết quả này cho thấy việc sử dụng hạt nano Al2O3 đã cải thiện

đáng kể tính năng BTLN của DĐN và hoàn toàn có thể ứng dụng DĐN điều chế dầu

cắt nano NF để thay thế cho dầu cắt emulsion trong gia công vật liệu cứng.

4.5. Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào quá trình gia công một số loại căn đệm

Kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng để gia công một số loại căn đệm chịu

mài mòn cho các loại đầu máy tàu hoả, toa xe như bản vẽ ở phụ lục 2. Trong đó khó

khăn nhất là loại căn có kích thước 335 x 50 x 3 (mm). Do độ cong vênh sau khi nhiệt

luyện của chi tiết này rất lớn nên chiều dày phôi trước khi gia công thường phải để đến

6 mm, lượng dư gia công danh nghĩa thường đến 3 mm. Để gia công hết lượng dư này

một cách có hiệu quả thì có thể chia quá trình gia công làm hai giai đoạn: giai đoạn thứ

nhất là phay cứng đến kích thước chiều dày đạt 3,5 mm, giai đoạn thứ hai là tiến hành

mài tinh để đạt kích thước 3 mm theo yêu cầu. Khi có giải pháp công nghệ tốt như việc

ứng dụng NF MQL thì chỉ cần thực hiện qua một giai đoạn là phay cứng. Kết quả của

98 quá trình này đã góp phần rất lớn trong việc nâng cao năng suất, hạ giá thành sản phẩm

nên đã đáp ứng tốt nhu cầu thực tế (có xác nhận của đơn vị nhận chuyển giao như phụ

lục 2).

Kết luận chương 4

(1) Việc nghiên cứu ảnh hưởng của loại dầu cắt nền (FT); loại hạt nano (NP);

áp suất (p) và lưu lượng (Q) đến các hàm mục tiêu Ra và Fr cho thấy: cả bốn biến khảo

sát đều ảnh hưởng đến các hàm mục tiêu, trong đó mức độ ảnh hưởng của các biến

khảo sát đến lực cắt Fr lớn hơn so với nhám bề mặt Ra. Từ các kết quả thu được, tác

giả đề xuất lựa chọn nội dung nghiên cứu là sử dụng NF MQL với dầu cắt nano NF

Al2O3 trên nền DĐN.

(2) Với việc sử dụng phương pháp thiết kế quy hoạch thí nghiệm tối ưu Box-

Behnken đã xác định được quy luật ảnh hưởng và giá trị nồng độ hạt, áp suất và lưu

lượng dòng khí tối ưu. Cụ thể: Nếu tối TƯH đa mục tiêu với cả 03 biến khảo sát thì

chọn bộ thông số: p =5,2 bar; ND=1,2% và Q = 250 l/ph. Nếu chọn trước giá trị lưu

lượng Q=200 l/ph thì nên chọn p=6 bar và ND=0,91%.

(3) Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ hạt, vận tốc cắt V và lượng chạy

dao 𝑺𝒛 đã đưa ra chỉ dẫn công nghệ cụ thể: Với mong muốn đạt trị số Ra nhỏ thì nên

chọn nồng độ nhỏ (0,5%); V=100 ÷ 110 m/phút; 𝑺𝒛= 0,08 ÷ 0,1 mm/răng. Nếu muốn

lực Fr nhỏ nên chọn ND=1,0 ÷ 1,2%; V=100 ÷ 110 m/phút; 𝑺𝒛=0,10 ÷ 0,12mm/răng.

(4) Trên cơ sở bộ thông số áp suất và lưu lượng tối ưu đã chọn, tác giả đã đánh

giá ảnh hưởng tương tác và xác định được nồng độ hạt, vận tốc cắt và lượng chạy dao

tối ưu để đưa ra chỉ dẫn công nghệ cụ thể để áp dụng vào thực tiễn. Cụ thể nếu TƯH

𝑺𝒛 = 0,09 mm/răng.

đa mục tiêu với các hàm mục tiêu là Ra và Fr nên chọn: ND = 1,41%; V = 100 m/ph;

(5) Nồng độ hạt nano có ảnh hưởng lớn đến quá trình cắt nên ảnh hưởng lớn

đến lực cắt, mòn, tuổi bền của dụng cụ và chất lượng bề mặt. Khi sử dụng nồng độ hạt

nano Al2O3 hợp lý (cụ thể khoảng 1,5%) trong dầu cắt DĐN thì cho hiệu quả về tuổi

bền dụng cụ tương đương với dầu emulsion (khoảng 115 phút). Kết luận này giúp triển

khai ứng dụng dầu thực vật thay thế cho dầu khoáng trong gia công vật liệu cứng

nhằm đáp ứng xu thế gia công sạch, bền vững.

99

KẾT LUẬN CHUNG

I. Các kết quả chính và đóng góp của luận án

1. Trên cơ sở tổng hợp một số lý thuyết cơ bản về gia công vật liệu cứng, về cơ

chế tác động của hạt nano trong vùng cắt trong gia công vật liệu cứng, ảnh hưởng của

loại dầu nền, loại hạt, kích thước hạt nano, chế độ MQL,v.v. đến quá trình cắt và kết

quả của quá trình cắt khi gia công vật liệu cứng,v.v. tác giả đưa ra được các nhận xét,

các giả thuyết và lựa chọn hướng nghiên cứu cụ thể là nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng

của NF MQL sử dụng hạt nano Al2O3 và MoS2 trên nền là dầu đậu nành cho quá trình

phay cứng thép 60Si2Mn.

2. Hệ thống thiết bị thí nghiệm được xây dựng với trang thiết bị hiện đại (trung

tâm gia công CNC VMC 85S; lực kế Kistler 9257BA; kính hiển vi điện tử kỹ thuật số

VHX-7000,v.v) đáp ứng yêu cầu nghiên cứu. Việc triển khai nghiên cứu thực nghiệm,

quá trình thu thập, lưu trữ và xử lý số liệu đảm bảo độ chính xác, độ tin cậy.

3. Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm riêng phần 2k-p với sự hỗ trợ

của phần mềm Minitab 19 đánh giá được 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) đến các hàm mục tiêu Ra và Fr. Kết quả cho thấy cả bốn biến khảo sát

đều ảnh hưởng đến các hàm mục tiêu, trong đó mức độ ảnh hưởng của các biến khảo

sát đến lực cắt Fr lớn hơn so với nhám bề mặt Ra. Trên cơ sở đó, tác giả đề xuất lựa

chọn nội dung nghiên cứu chính là sử dụng NF MQL với dầu cắt nano Al2O3 trên nền

dầu đậu nành.

4. Sử dụng phương pháp thiết kế quy hoạch thí nghiệm tối ưu Box-Behnken với

sự hỗ trợ của phần mềm Minitab 19 để nghiên cứu tác động của NF MQL sử dụng dầu

cắt NF Al2O3 trên nền là dầu đậu nành đến quá trình phay cứng thép 60Si2Mn, kết quả

là đã phân tích và đánh giá được:

a) Quy luật ảnh hưởng của nồng độ hạt nano, áp suất dòng khí, lưu lượng dòng

đến hàm mục tiêu là lực cắt tổng hợp Fr, trị số nhám Ra và xác định được giá trị tối ưu.

Khi TƯH đa mục tiêu với cả 03 biến khảo sát thì nên chọn bộ thông số: p =5,2 bar;

ND=1,2% và Q = 250 l/ph. Nếu chọn trước giá trị lưu lượng Q=200 l/ph thì nên chọn

p=6 bar và ND=0,91%.

100 b) Quy luật ảnh hưởng của nồng độ hạt nano và chế độ cắt đến hàm mục tiêu là

lực cắt tổng hợp Fr, trị số nhám Ra để làm cơ sở cho quá trình lựa chọn nhanh các

thông số trong miền tối ưu. Khi cần trị số Ra nhỏ thì nên chọn nồng độ ND=0,5 ÷ 0,55

%; với hàm mục tiêu là lực Fr thì nên chọn nồng độ ND = 1,0 ÷1,2 %; cả hai mục tiêu

nên chọn vận tốc cắt V= 100 ÷ 110 m/ph; lượng chạy dao Sz=0,08 ÷ 0,12 mm/răng.

Với lựa chọn này đã nâng cao được vận tốc cắt của mảnh dao từ V = 50 ÷ 55 m/phút

đến V=100 ÷ 110 m/phút (tăng khoảng 200%). Khi cần trị tối ưu cho cả hai hàm mục

tiêu thì chọn: ND = 1,41 %; V = 100 m/phút; 𝑺𝒛 = 0,09 mm/răng.

c) Quy luật ảnh hưởng của nồng độ hạt nano Al2O3 đến quá trình cắt khi phay

cứng thép 60Si2Mn. Kết quả cho thấy nồng độ hạt nano có ảnh hưởng lớn đến lực cắt;

mòn, tuổi bền của dụng cụ và chất lượng bề mặt gia công. Kết quả cho thấy tuổi bền

của dụng cụ tăng khoảng 18,75% (từ 80 phút lên 95 phút) khi tăng nồng độ hạt nano từ

0,5% lên 1,0% và khoảng 43,8% (từ 80 phút lên 115 phút) khi tăng nồng độ hạt nano

từ 0,5% lên 1,5%. Tuổi bền của dụng cụ cắt khi sử dụng dầu đậu nành với ND =1,5%

tương đương với khi sử dụng dầu nền emulsion với ND = 0,5%. Kết luận này giúp có

cơ sở để tiếp tục nghiên cứu, ứng dụng dầu thực vật thay thế cho dầu khoáng trong gia

công vật liệu cứng nhằm đáp ứng xu thế gia công sạch, bền vững.

5. Kết quả chính và các đóng góp mới của luận án được công bố trong 04 bài

quốc tế uy tín báo thuộc danh mục ISI và 02 chương sách thuộc Nhà xuất bản

Intechopen. Ngoài ra, với nội dung liên quan đến định hướng nghiên cứu của luận án,

tác giả đã tham gia nghiên cứu và công bố được 05 bài báo quốc tế thuộc danh mục

ISI/Scopus. Về ứng dụng thực tiễn, đã triển khai ứng dụng thành công để gia công các

loại căn đệm cho ngành vận tải đường sắt và một số ngành khác.

II. Hạn chế và định hướng nghiên cứu tiếp theo

1. Trong nội dung nghiên cứu này, chưa thực hiện được việc đo trực tiếp nhiệt

sinh ra từ quá trình phay cứng và nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt cắt khi sử dụng chế

độ NF MQL. Việc đánh giá nhiệt cắt mới chỉ dừng lại ở việc đánh giá gián tiếp thông

qua màu của phoi gia công.

2. Chỉ mới nghiên cứu được hai loại hạt nano, cho hai loại dầu cắt và cho một

loại vật liệu, chưa có kết quả nghiên cứu bao quát cho các loại hạt nano, sự phối hợp

với các loại dầu cắt nền khác,v.v.

101 3. Định hướng nghiên cứu tiếp theo: Vì đây là một hướng nghiên cứu mới, có

nhiều ý nghĩa khoa học và thực tiễn nên còn rất nhiều vấn đề cần phải tiếp tục nghiên

cứu như: xây dựng hệ thống thiết bị đo trực tiếp nhiệt cắt, nghiên cứu sâu hơn về cơ

chế tác động của hạt nano trong vùng cắt, ảnh hưởng của các loại hạt nano khác nhau,

tổ hợp các loại hạt nano trong dầu cắt hybrid nano, v.v.

102

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ THUỘC NỘI DUNG

CHÍNH CỦA LUẬN ÁN

Kết quả chính của luận án và các nội dung, kết quả nghiên cứu liên quan được

công bố trong 04 bài báo trên tạp chí quốc tế uy tín thuộc danh mục ISI/SCOPUS và

các nghiên cứu lý thuyết được tổng hợp trong 02 chương sách chuyên khảo.

1. Duc Tran Minh, Long Tran The* and Ngoc Tran Bao. Performance of

Al2O3 nanofluids in minimum quantity lubication in hard milling of 60Si2Mn steel

using cemented carbide tools. Advances in Mechanical Engineering 2017, 9 (7), DOI:

10.1177/1687814017710618. (SCIE, Q3).

2. Tran Minh Duc, Tran The Long*, Pham Quang Dong.“Effect of the alumina

nanofluid concentration on minimum quantity lubrication hard machining for

sustainable production”. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part

C: Journal of Mechanical Engineering Science 2019, 233, 5977–5988,

doi:10.1177/0954406219861992. (SCIE, Q2).

3. Tran Minh Duc, Tran The Long*, Ngo Minh Tuan. “Performance

Investigation of MQL Parameters Using Nano Cutting Fluids in Hard Milling”. Fluids

2021, 6, 248. https://doi.org/10.3390/ fluids6070248 (ISI, Q2)

4. Tran Minh Duc, Ngo Minh Tuan, Tran The Long*, Tran Bao Ngoc.

“Machining feasibility and sustainability study associated with air pressure, air flow

rate, and nanoparticle concentration in nanofluid MQL-assisted hard milling process

of 60Si2Mn steel”. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C:

Journal of Mechanical Engineering Science 2022, 236, 23, 11256-11269.

doi:10.1177/09544062221111253 (SCIE, Q2).

5. Tran The Long, Tran Minh Duc. Chapter 7: Micro/Nanofluids in

Sustainable Machining. Book tittle: Microfluidics and Nanofluidics, 2018, 1st edition;

ISBN: 978-1-78923-541-8, DOI: 10.5772/intechopen.71136.

6. Tran The Long, Tran Minh Duc. Chapter 9: The Characteristics and

Application of Nanofluids in MQL and MQCL for Sustainable Cutting Processes.

Book tittle: Advances in Microfluidic Technologies for Energy and Environmental

Applications, 2020, ISBN 978-1-78984-419-1, DOI: 10.5772/intechopen.81935.

103

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN HƯỚNG

NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

1. Tran Minh Duc, Tran The Long* and Tran Bao Ngoc. “Effectiveness of

alumina nanofluid on slotting end milling performance of SKD 11 tool steel”. Journal

of Computational and Applied Research in Mechanical Engineering, 2020, 9(2), 359-

369 (SCOPUS, Q3)

2. Tran Minh Duc, Tran The Long*, Tran Quyet Chien. “Performance

Evaluation of MQL Parameters Using Al2O3 and MoS2 Nanofluids in Hard Turning

90CrSi Steel”. Lubricants 2019, 7, 40, doi:10.3390/lubricants7050040. (SCIE, Q2)

3. Tran Minh Duc, Tran The Long*, Dang Van Thanh. “Evaluation of

minimum quantity lubrication and minimum quantity cooling lubrication performance

in hard drilling of Hardox 500 steel using Al2O3 nanofluid”. Advances in Mechanical

Engineering 2020, 12, 1–12, doi:10.1177/1687814019888404. (SCIE, Q3)

4. Pham Quang Dong, Tran Minh Duc, Ngo Minh Tuan, Tran The Long*,

Dang Van Thanh and Nguyen Van Truong. “Improvement in the Hard Milling of AISI

D2 Steel under the MQCL Condition Using Emulsionon-Dispersed MoS2 Nanosheets”.

Lubricants, Volume 8, Issue 6, June 2020(SCIE, Q2).

5. Pham Quang Dong, Tran Minh Duc, and Tran The Long*. “Performance

Evaluation of MQCL Hard Milling of SKD 11 Tool Steel using MoS2 Nanofluid”.

Metals 2019, Vol 9, Issue 6, 658. (SCIE, Q2)

104

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] J. Paulo Davim (2011). Machining of Hard Materials. Springer-Verlag London

Limited.

[2] Pil-Ho Lee, Jung Soo Nam, Chengjun Li, Sang Won Lee (2012). An experimental

study on micro-grinding process with nanofluid minimum quantity lubrication

(MQL). International journal of precision engineering and manufacturing, 13(3),

331–338. doi:10.1007/s12541-012-0042-2.

[3] S. Debnath, M.M. Reddy, Q.S. Yi (2014). Environmental friendly cutting fluids

and cooling techniques in machining: a review. Journal of Cleaner Production,

83(), 33–47. doi:10.1016/j.jclepro.2014.07.071

[4] N. A. C. Sidik, S. Samion, J. Ghaderian, M. N. A. W. M. Yazid (2017). Recent

progress on the application of nanofluids in minimum quantity lubrication

machining: A review. International Journal of Heat and Mass Transfer, 108, 79–

89. doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.11.105.

[5] B. Sredanović, G. Globočki Lakić (2017). Hard turning of bearing steel AISI

52100 with carbide tool and high pressure coolant supply. Journal of the Brazilian

Society of Mechanical Sciences and Engineering, doi:10.1007/s40430-017-0764-2.

[6] C. Cappellini, A. Attanasio, G. Rotella, D. Umbrello (2010). Formation of white

and dark layers in hard cutting: influence of tool wear. Int J Mater Form 3: 455-

458.

[7] H. Çalışkan, C. Kurbanoğlu, P. Panjan, M. Čekada, D. Kramar (2013). Wear

behavior and cutting performance of nanostructured hard coatings on cemented

carbide cutting tools in hard milling. Tribology International, 62, 215–222.

doi:10.1016/j.triboint.2013.02.035.

[8] Q. An, C. Wang, J. Xu, P. Liu, M. Chen (2014). Experimental investigation on

hard milling of high strength steel using PVD-AlTiN coated cemented carbide

tool. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 43, 94–101.

doi:10.1016/j.ijrmhm.2013.11.007.

105 [9] S. Saketi, S. Sveen, S. Gunnarsson, R. M’Saoubi, M. Olsson (2015). Wear of a

high cBN content PCBN cutting tool during hard milling of powder metallurgy

cold work tool steels. Wear, 332-333, 752–761. doi:10.1016/j.wear.2015.01.073

[10] Q. Zhang, S. Zhang, J. Li (2017). Three Dimensional Finite Element Simulation

of Cutting Forces and Cutting Temperature in Hard Milling of AISI H13 Steel.

Procedia Manufacturing, 10, 37–47. doi:10.1016/j.promfg.2017.07.018.

[11] Z. Y. Liu, Y. B. Guo, M. P. Sealy, Z. Q. Liu (2016). Energy consumption and

process sustainability of hard milling with tool wear progression. Journal of

Materials Processing Technology, 229, 305–312.

doi:10.1016/j.jmatprotec.2015.09.032

[12] B. Li, S. Zhang, Q. Zhang, J. Chen, J. Zhang (2019). Modelling of phase

transformations induced by thermo-mechanical loads considering stress-strain

effects in hard milling of AISI H13 steel. International Journal of Mechanical

Sciences, 149, 241–253. doi:10.1016/j.ijmecsci.2018.10.010.

[13] B. Li, S. Zhang, Y. Fang, J. Zhang, Z. Liu (2019). Deformation behaviour and

texture evolution of martensite steel subjected to hard milling. Materials

Characterization, 109881. doi:10.1016/j.matchar.2019.109881.

[14] B. Li, S. Zhang, Q. Zhang, L. Li (2019). Simulated and experimental analysis on

serrated chip formation for hard milling process. Journal of Manufacturing

Processes, 44, 337–348. doi:10.1016/j.jmapro.2019.06.018

[15] A. Vork, J. Solter, B. Karpuschewski (2021). Numerical investigation of the

influence of multiple loads on material modifications during hard milling.

Procedia CIRP 102, 500 -505.

[16] V.N. Gaitonde, S.R. Karnik, J. Paulo Davim (2008). Selection of optimal MQL

and cutting conditions for enhancing machinability in turning of brass. Journal of

materials processing technology 204, 459-464.

[17] L.M. Barczak, A.D.L. Batako, M.N. Morgan (2010). A study of plane surface

grinding under minimum quantity lubrication (MQL) conditions. International

Journal of Machine Tools & Manufacture, 50, 977–985.

106 [18] A. K. Sharma, A. K.Tiwari, A. R.i Dixit (2016). Effects of Minimum Quantity

Lubrication (MQL) in machining processes using conventional and nanofluid

based cutting fluids: A review. Journal of Cleaner Production, doi:

10.1016/j.jclepro.2016.03.146.

[19] R.Viswanathan, S. Ramesh, V. Subburam (2018). Measurement and optimization

of performance characteristics in turning of Mg alloy under dry and MQL

conditions. Measurement, S0263224118301118–.

doi:10.1016/j.measurement.2018.02.018.

[20] A.A. Sultan, A.C. Okafor (2016). Effects of geometric parameters of wavy-edge

bull-nose helical end-mill on cutting force prediction in end-milling of Inconel 718

under MQL cooling strategy. Journal of Manufacturing Processes, 23, 102–114.

doi:10.1016/j.jmapro.2016.05.015.

[21] A. Khatri, M. P. Jahan (2018). Investigating tool wear mechanisms in machining

of Ti-6Al-4V in flood coolant, dry and MQL conditions. Procedia Manufacturing,

26, 434–445. doi:10.1016/j.promfg.2018.07.051.

[22] A. Race, I. Zwierzak, J. Secker, J. Walsh, J. Carrell, T. Slatter, A. Maurotto

(2021). Environmentally sustainable cooling strategies in milling of SA516:

Effects on surface integrity of dry, flood and MQL machining. Journal of Cleaner

Production, 288, 125580. doi:10.1016/j.jclepro.2020.125580.

[23] T. Singh, V. K. Sharma, M. Rana, A. Saini, R. S. Rooprai, M. Singh (2021). Multi

response optimization of process variables in MQL assisted face milling of EN31

alloy steel using grey relational analysis. Materials Today: Proceedings.

doi:10.1016/j.matpr.2021.05.408.

[24] M. Jamil, W. Zhao, N. He, M. K. Gupta, M. Sarikaya, A. M. Khan, M. R. Sanjay,

S, Suchart, D. Y. Pimenov (2021). Sustainable milling of Ti–6Al–4V: A trade-off

between energy efficiency, carbon emissions and machining characteristics under

MQL and cryogenic environment. Journal of Cleaner Production, 281, 125374.

doi:10.1016/j.jclepro.2020.125374.

107 [25] T. Tawakoli, M.J. Hadad, M.H. Sadeghi (2010). Influence of oil mist parameters

on minimum quantity lubrication – MQL grinding process. International Journal

of Machine Tools & Manufacture, 50, 521–531.

[26] E. A. Rahim, H. Dorairaju (2018). Evaluation of mist flow characteristic and

performance in Minimum Quantity Lubrication (MQL) machining. Measurement,

123, 213–225. doi:10.1016/j.measurement.2018.03.015

[27] P. B. Zaman, N. R. Dhar (2019). Design and evaluation of an embedded double

jet nozzle for MQL delivery intending machinability improvement in turning

operation. Journal of Manufacturing Processes, 44, 179–196.

doi:10.1016/j.jmapro.2019.05.047.

[28] M. Mia (2018). Mathematical modeling and optimization of MQL assisted end

milling characteristics based on RSM and Taguchi method. Measurement, 121,

249–260. doi:10.1016/j.measurement.2018.02.017.

[29] A. M. Khan, M. Jamil, A. Ul Haq, S. Hussain, L. Meng, N. He (2018).

Sustainable machining. Modeling and optimization of temperature and surface

roughness in the milling of AISI D2 steel. Industrial Lubrication and Tribology.

doi:10.1108/ilt-11-2017-0322.

[30] Vu, Ngoc-Chien; Dang, Xuan-Phuong; Huang, Shyh-Chour (2020). Multi-

objective optimization of hard milling process of AISI H13 in terms of

productivity, quality, and cutting energy under nanofluid minimum quantity

lubrication condition. Measurement and Control, 002029402091945–.

doi:10.1177/0020294020919457

[31] F. Günan, T. Kıvak, Ç.V. Yıldırım, M. Sarıkaya (2020). Performance evaluation

of MQL with Al2O3 mixed nanofluids prepared at different concentrations in

milling of Hastelloy C276 alloy. Journal of Materials Research and Technology,

9(5), 10386–10400. doi:10.1016/j.jmrt.2020.07.018.

[32] M. A. ul Haq, S. Hussain, M. A. Ali, M. U. Farooq, N. A. Mufti, C. I. Pruncu, A.

Wasim (2021). Evaluating the effects of nano-fluids based MQL milling of IN718

associated to sustainable productions. Journal of Cleaner Production, 310,

127463. doi:10.1016/j.jclepro.2021.127463.

108 [33] A. Uysal, F. Demiren, E. Altan (2015). Applying Minimum Quantity Lubrication

(MQL) Method on Milling of Martensitic Stainless Steel by Using Nano MoS2

Reinforced Vegetable Cutting Fluid. Procedia - Social and Behavioral Sciences,

195, 2742–2747. doi:10.1016/j.sbspro.2015.06.384.

[34] Trần Minh Đức; Nghiên cứu ứng dụng công nghệ bôi trơn làm nguội tối thiểu

trong gia công cắt gọt. Đề tài NCKH cấp Bộ trọng điểm 2005. Mã số: B2005- 01-

61TĐ.

[35] Trần Minh Đức, Phạm Quang Đồng. Ảnh hưởng của áp suất nén dung dịch MQL

đến tuổi bền của dụng cụ cắt khi tiện thép 9CrSi bằng dao CBN, TẠP CHÍ KHOA

HỌC & CÔNG NGHỆ. Đại học Thái Nguyên. Tập 88, Số 12/2011, Tr185 – 190.

[36] Trần Minh Đức. Ảnh hưởng của phương pháp tưới và dung dịch đến mòn và tuổi

bền của dao khi tiện cắt đứt, TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ các trường

đại học kỹ thuật. Số 67/2008. Tr 99 -102.

[37] Trần Minh Đức, Phạm Quang Đồng. Ảnh hưởng của phương pháp tưới và dung

dịch đến mòn, tuổi bền của dao và nhám bề mặt khi phay rãnh bằng dao phay

ngón, TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ các trường đại học kỹ thuật. Số

65/2008, Tr55 -58.

[38] Trần Minh Đức; Nghiên cứu chế tạo hạt nano MoS2 dạng lớp mỏng bằng phương

pháp bóc tách ướt có sự hỗ trợ của siêu âm và ứng dụng làm chất bôi trơn làm

nguội trong gia công cắt gọt kim loại. Đề tài NCKH cấp Bộ năm 2019. Mã số:

B2019-TNA-02.

[39] Phạm Quang Đồng. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ làm lạnh kết hợp với bôi

trơn tối thiểu đến quá trình cắt khi phay cứng. Luận án tiến sĩ năm 2020.

[40] Đỗ Như Hoàng. Ảnh hưởng của bôi trơn làm nguội tối thiểu tới mòn dao và độ

nhám bề mặt chi tiết khi phay phẳng thép 65X đã tôi bằng dao phay mặt đầu

cácbít. Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật năm 2009.

[41] M.C. Shaw, A. Vyas (1998). The mechanism of chip formation with hard turning

steel. Ann CIRP 47(1), 77–82.

[42] W. König, F. Klocke (1997). Fertigungsverfahren 1. Drehen, Fräsen, Bohren.

Springer, Berlin.

109 [43] M. Shnfir, O. A. Olufayo, W. Jomaa, V. Songmene (2019). Machinability Study

of Hardened 1045 Steel When Milling with Ceramic Cutting Inserts. Materials,

12(23), 3974. doi:10.3390/ma12233974

[44] H. Hassanpour, M. H. Sadeghi, A. Rasti, S. Shajari (2016). Investigation of

surface roughness, microhardness and white layer thickness in hard milling of

AISI 4340 using minimum quantity lubrication. Journal of Cleaner Production,

120, 124–134. doi:10.1016/j.jclepro.2015.12.091.

[45] B. M. Gopalsamy, B. Mondal, S. Ghosh, K. Arntz, F. Klocke (2009).

Investigations on hard machining of Impax Hi Hard tool steel. International

Journal of Material Forming, 2(3), 145–165. doi:10.1007/s12289-009-0400-5.

[46] T. Teppernegg, T. Klünsner, P. Angerer, C. Tritremmel, C. Czettl, J. Keckes, R.

Ebner, R. Pippan (2014). Evolution of residual stress and damage in coated hard

metal milling inserts over the complete tool life. International Journal of

Refractory Metals and Hard Materials, 47, 80–85.

doi:10.1016/j.ijrmhm.2014.07.005.

[47] X. Wang, C. Li, Y. Zhang, W. Ding, M. Yang, T. Gao, H. Cao, X. Xu, D. Wang,

Z. Said, S. Debnath, M. Jamil, H.M. Ali (2020). Vegetable oil-based nanofluid

minimum quantity lubrication turning: Academic review and perspectives. Journal

of Manufacturing Processes, 59, 76–97. doi:10.1016/j.jmapro.2020.09.044.

[48] J. Rajaguru, N. Arunachalam (2020). A comprehensive investigation on the effect

of flood and MQL coolant on the machinability and stress corrosion cracking of

super duplex stainless steel. Journal of Materials Processing Technology, 276,

116417–. doi:10.1016/j.jmatprotec.2019.116417.

[49] A. Das, S.K. Patel, B.B. Biswal, N. Sahoo, A. Pradhan (2020). Performance

evaluation of various cutting fluids using MQL technique in hard turning of AISI

4340 alloy steel. Measurement, 150, 107079–.

doi:10.1016/j.measurement.2019.107079.

[50] Y. Wang, C. Li, Y. Zhang, B. Li, M. Yang, X. Zhang, S. Guo, G. Liu.

Experimental evaluation of the lubrication properties of the wheel/workpiece

interface in MQL grinding with different nanofluids. Tribology International.

2016;99:198-210.

110 [51] B. Rahmati, A. A. D. Sarhan, M. Sayuti (2014). Morphology of surface generated

by end milling AL6061-T6 using molybdenum disulfide (MoS2) nanolubrication

in end milling machining. Journal of Cleaner Production, 66, 685–691.

doi:10.1016/j.jclepro.2013.10.048.

[52] G. Liu, X. Li, B. Qin, D. Xing, Y. Guo, R. Fan (2004). Investigation of the

mending effect and mechanism of copper nano-particles on a tribologically

stressed surface. Tribol. Lett. 17, 961-966.

[53] M. I. Pryazhnikov, A. V. Minakov, V. Y. Rudyak, D. V. Guzei (2017). Thermal

conductivity measurements of nanofluids. International Journal of Heat and Mass

Transfer, 104, 1275–1282. doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.09.080.

[54] C.-G. Lee, Y.-J. Hwang, Y.-M. Choi, J.-K. Lee, C. Choi, J.-M. Oh (2009). A

study on the tribological characteristics of graphite nano lubricants. International

Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 10(1), 85–90.

doi:10.1007/s12541-009-0013-4.

[55] Y. Hwang, C. Lee, Y. Choi, S. Cheong, D. Kim, K. Lee, J. Lee, S. H. Kim (2011).

Effect of the size and morphology of particles dispersed in nano-oil on friction

performance between rotating discs. Journal of Mechanical Science and

Technology, 25(11), 2853–2857. doi:10.1007/s12206-011-0724-1.

[56] Ş. Şirin, T. Kıvak (2021). Effects of hybrid nanofluids on machining performance

in MQL-milling of Inconel X-750 superalloy. Journal of Manufacturing

Processes, 70, 163–176. doi:10.1016/j.jmapro.2021.08.038.

[57] https://wix.lamina tech.ch/img/catalog/1237.pdf.

[58] A. Gupta, R. Kumar, H. Kumar, H. Garg (2020). Comparative performance of

pure vegetable oil and Al2O3 based vegetable oil during MQL turning of AISI

4130. Materials Today: Proceedings, S2214785320335707–.

doi:10.1016/j.matpr.2020.05.019.

[60] P.A. Jadhav, R. Deivanathan (2020). Numerical analysis of the effect of air

pressure and oil flow rate on droplet size and tool temperature in MQL machining.

Materials Today: Proceedings, S2214785320356285–.

doi:10.1016/j.matpr.2020.07.518.

111 [61] X. Peng, G. Yang, Y. Shi, Y. Zhou, M. Zhang, S. Li (2020). Box-Behnken design

based statistical modeling for the extraction and physicochemical properties of

pectin from sunflower heads and the comparison with commercial low-methoxyl

pectin. Scientific Reports, 10(1), 3595–. doi:10.1038/s41598-020-60339-1.

[62] Erik Oberg, Franklin Jones, Holbrook Horton, Henry Ryffel, Christopher McCauley (2016). Machinery's Handbook, 30th Edition, Toolbox Edition,

Publisher: Industrial Press, ISBN: 9780831130916.

112

PHỤ LỤC

Bảng PL 4.1.1. Kết quả phân tích ANOVA cho lực cắt tổng hợp Fr trong quy hoạch 2k-p

PHỤ LỤC 1

Source

DF

Adj SS

Adj MS

F-Value

P-Value

Model

152436

21776,6

96,56

0,000

Linear

44346

11086,5

49,16

0,000

3207

3206,9

14,22

0,002

500

500,3

2,22

0,156

30683

30682,7

136,05

0,000

9956

9956,3

44,15

0,000

2-Way Interactions

108090

36029,9

159,77

0,000

FT*NP

13564

13563,7

60,14

0,000

FT*p

16362

16362,0

72,55

0,000

FT*Q

78164

78164,0

346,60

0,000

Error

3608

225,5

Total

156044

Bảng PL 4.1.2. Kết quả phân tích ANOVA cho nhám bề mặt Ra trong quy hoạch 2k-p

Source

DF

Adj SS

Adj MS

F-Value

P-Value

Model

0,014038

0,002005

16,76

0,000

Linear

0,011994

0,002999

25,07

0,000

0,000007

0,06

0,811

0,000590

4,93

0,041

0,002542

21,25

0,000

0,008855

74,02

0,000

0,008

2-Way Interactions

0,002043

0,000681

5,69

FT*NP

0,001683

14,07

0,002

FT*p

0,000345

2,88

0,109

FT*Q

0,000015

0,13

0,728

113

Source

DF

Adj SS

Adj MS

F-Value

P-Value

Error

0,001914

0,000120

Total

0,015952

Bảng PL 4.2.1. Kết quả phân tích ANOVA cho nhám bề mặt Ra (TƯH: ND; p; Q)

Source

DF

Adj SS

Adj MS

F-Value

P-Value

Model

0,011695

0,001299

6,72

0,000

Linear

0,002972

0,000991

5,13

0,009

0,000264

1,37

0,256

0,002627

13,59

0,001

0,000081

0,42

0,525

Square

0,005054

0,001685

8,72

0,001

P*P

0,001526

7,90

0,011

Q*Q

0,000458

2,37

0,139

ND*ND

0,000

0,003656

18,92

6,33

0,003

2-Way Interaction

0,003670

0,001223

P*Q

0,001405

7,27

0,014

p*ND

0,001830

9,47

0,006

Q*ND

0,000435

2,25

0,149

Error

0,003865

0,000193

Lack-of-Fit

0,003138

0,001046

24,46

0,000

Pure Error

0,000727

0,000043

Total

0,015560

Bảng PL 4.2.2. Kết quả phân tích ANOVA cho lực cắt tổng Fr (TƯH: ND; p; Q)

Source

DF

Adj SS

Adj MS

F-Value

P-Value

Model

144294

16032,6

7,36

0,000

Linear

47226

15742,0

7,22

0,002

8,2

0,00

0,952

114

Source

DF

Adj SS

Adj MS

F-Value

P-Value

22575

22575,1

10,36

0,004

24643

24642,8

11,31

0,003

Square

74455

24818,4

11,39

0,000

P*P

16748

16748,0

7,68

0,012

Q*Q

26301

26300,9

12,07

0,002

ND*ND

26823

26823,3

12,31

0,002

2-Way Interaction

22612

7537,4

3,46

0,036

P*Q

14858

14858,1

6,82

0,017

P*ND

1057

1057,0

0,48

0,494

Q*ND

6697

6697,2

3,07

0,095

Error

43594

2179,7

Lack-of-Fit

42979

14326,3

396,09

0,000

Pure Error

615

36,2

Total

187887

Bảng PL 4.3.1.1. Kết quả phân tích phương sai ANOVA cho trị số nhám Ra (TƯH: ND; V; Sz)

DF

Adj SS

Adj MS

F-Value

P-Value

Source

Model

0,025817

0,002869

2,53

0,159

Linear

0,009719

0,003240

2,86

0,144

0,005408

4,77

0,081

0,003570

3,15

0,136

0,000741

0,65

0,455

Square

0,013702

0,004567

4,03

0,084

ND*ND

0,005676

5,01

0,075

V*V

0,006840

6,04

0,057

0,000158

0,14

0,724

Sz*Sz

2-Way Interaction

0,002396

0,000799

0,71

0,589

115

0,002304

2,03

0,213

ND*V

0,000036

0,03

0,865

ND*Sz

0,000056

0,05

0,832

V*Sz

0,005663

0,001133

Error

0,005454

0,001818

17,43

0,055

Lack-of-Fit

0,000209

0,000104

Pure Error

0,031480

Total

Bảng PL 4.3.2. Kết quả phân tích phương sai ANOVA cho lực Fr (TƯH: ND; V; Sz)

Source

DF

Adj SS

Adj MS

F-Value

P-Value

1,97

0,235

10686,0

Model

96174

1,85

0,255

10051,4

Linear

30154

3,82

0,108

20679,1

20679

1,38

0,293

7491,7

7492

0,37

0,572

1983,4

1983

3,76

0,094

20381,3

Square

61144

10,54

0,023

57143,5

ND*ND

57143

1,09

0,345

5882,7

V*V

5883

0,40

0,555

2162,6

2163

Sz*Sz

0,30

0,825

1625,3

2-Way Interaction

4876

0,34

0,585

1841,7

ND*V

1842

0,06

0,823

302,2

302

ND*Sz

0,50

0,509

2732,1

2732

V*Sz

5419,5

Error

27098

8963,1

Lack-of-Fit

26889

86,02

0,012

104,2

Pure Error

208

Total

123272

116

Bảng PL 4.4.1. Kết quả đo lực cắt và nhám bề mặt theo thời gian cắt với dầu cắt nano Al2O3

với dầu nền là DĐN nồng độ 0,5%

Thời gian cắt

Dầu cắt nano Al2O3 nồng độ 0,5%

(phút)

Fx

Fy

Fz

Ra

Rz

166,7

182,1

406,2

0,155

0,917

170,9

187,3

426,8

0,174

1,006

172,9

173,1

431,6

0,182

1,065

168,2

196,1

454,4

0,182

1,162

155,9

184,7

344,6

0,204

1,288

165,9

170,4

465,5

0,17

1,039

191,0

201,4

493,7

0,13

0,892

201,3

211,9

537,1

0,09

0,580

221,2

232,2

577,9

0,098

0,78

234,0

237,2

626,7

0,172

1,262

225,2

263,4

600,7

0,172

1,165

252,1

280,8

738,9

0,242

1,606

250,2

276,6

730,4

0,277

1,798

234,7

240,3

790,1

0,238

1,633

296,8

316

872,2

0,285

2,006

320,5

351,3

940,1

0,288

2,013

Bảng PL 4.4.2. Kết quả đo lực cắt và nhám bề mặt theo thời gian cắt với dầu cắt nano Al2O3

với dầu nền là DĐN nồng độ 1,0%

Thời gian cắt

Dầu cắt nano Al2O3 nồng độ 1,0%

(phút)

Fx

Fy

Fz

Ra

Rz

72,4

108,9

193,4

0,330

1,824

141,5

180,5

392,5

0,587

2,944

143,2

191,8

390,6

0,465

2,256

140,8

194,3

406,2

0,435

2,028

145,6

143,0

358,9

0,427

2,012

117

Thời gian cắt

Dầu cắt nano Al2O3 nồng độ 1,0%

(phút)

Fx

Fy

Fz

Ra

Rz

143,3

181,4

411,3

0,420

1,897

144,3

177,9

413,6

0,393

1,768

152,0

207,2

417,3

0,342

1,558

146,6

171,3

452,0

0,328

1,436

152,9

205,8

492,0

0,263

1,204

149,8

200,7

534,6

0,280

1,198

112,4

127,2

324,4

0,277

1,262

155,6

216,3

501,2

0,184

0,898

152,1

186,3

477,8

0,200

1,188

182,1

207,3

600,2

0,107

0,608

171,2

240,9

576,3

0,082

0,559

187,2

244,8

612,4

0,121

0,723

157,0

194,6

540,8

0,202

1,249

165,0

230,1

573,4

0,205

1,236

Bảng PL 4.4.3. Kết quả đo lực cắt và nhám bề mặt theo thời gian cắt với dầu cắt nano Al2O3

với dầu nền là DĐN nồng độ 1,5%

Thời gian cắt

Dầu cắt nano Al2O3 nồng độ 1,5%

(phút)

Fx

Fy

Fz

Ra

Rz

170,5

153,7

389,2

0,351

1,688

145,5

157

375,5

0,376

1,923

154,5

161,5

387,7

0,365

1,822

170,7

163,3

391,7

0,371

1,815

165,6

162,9

401,5

0,398

1,593

159,4

177,6

394,0

0,300

1,426

165,2

165,1

391,6

0,317

1,426

167,1

176,4

403,8

0,305

1,597

174,4

178,1

416,6

0,318

1,572

174,4

160,9

403,3

0,296

1,504

173,6

181,0

431,7

0,261

1,354

164,4

174,3

445,0

0,261

1,351

118

Thời gian cắt

Dầu cắt nano Al2O3 nồng độ 1,5%

(phút)

Fx

Fy

Fz

Ra

Rz

179,3

183,4

470,1

0,267

1,527

149,8

147,5

426,9

0,238

1,226

173,9

179,0

439,4

0,195

1,183

176,9

151,7

442,1

0,194

1,116

176,7

179,3

466,6

0,170

1,151

172,6

454,4

0,180

1,196

202,1

180,9

446,9

0,128

0,893

100

183,5

183,4

493,5

0,162

1,088

105

184,6

185,8

474,6

0,175

1,789

110

193,2

185,4

488,3

0,164

1,145

115

188,9

187,4

502,3

0,184

1,254

Bảng PL 4.4.4. Kết quả đo lực cắt và nhám bề mặt theo thời gian cắt với dầu cắt nano Al2O3

trong dầu nền là emulsion với nồng độ hạt 0,5%.

Thời gian cắt

Dầu cắt nano Al2O3 dầu nền là emulsion nồng độ 0,5%

(phút)

Fx

Fy

Fz

Ra

Rz

121,0

144,7

320,8

0,083

0,542

120,6

143,5

324,7

0,074

0,510

127,4

146,7

326,0

0,088

0,560

130,4

149,5

333,7

0,089

0,507

136,0

151,6

339,2

0,093

0,525

138,2

154,7

356,7

0,096

0,551

140,5

156,3

359,4

0,105

0,658

121,6

149,5

361,2

0,107

0,613

141,8

154,6

361,1

0,107

0,632

133,9

149,8

346,7

0,082

0,443

143,7

165,8

361,5

0,106

0,544

150,7

176,2

414,5

0,124

0,699

150,7

170,5

434,6

0,178

0,977

160,6

188,7

479,6

0,130

0,940

183,2

209,6

559,2

0,179

1,082

119

Thời gian cắt

Dầu cắt nano Al2O3 dầu nền là emulsion nồng độ 0,5%

(phút)

Fy

Fz

Rz

Ra

Fx

216,3

566,9

1,455

0,230

188,0

229,6

604,9

1,126

0,131

207,1

244,6

688,0

1,357

0,230

235,0

277,6

757,2

1,507

0,185

270,5

258,6

732,8

1,938

0,307

100

236,9

255,2

696,7

1,343

0,213

105

247,5

255,9

695,2

1,083

0,168

110

245,0

267,5

738,8

1,441

0,241

115

258,6

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

Chủ đề:

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí

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

II LỜI CẢM ƠN

III MỤC LỤC

IV 2.1.5. Chất lượng bề mặt gia công ................................................................................. 32

VI DANH MỤC BẢNG BIỂU

VII

VIII DANH MỤC HÌNH VẼ

IX Tên hình

X Tên hình

XI DANH MỤC CÁC TỪ, CỤM TỪ VIẾT TẮT

XIII DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU

1

2

pháp đã được đề xuất như: Bôi trơn làm nguội tối thiểu (Minimum quantity cooling

3

Nghiên cứu ảnh hưởng của NF MQL sử dụng hạt nano Al2O3 trên nền là dầu

4

5

6

7

8

9

nghiên cứu tìm các giải pháp công nghệ nhằm cải thiện tương tác ma sát trong vùng

(a)

(b)

10

MQL đã được đề xuất vào những năm 1990 [2], phương pháp này được nghiên

11

phân tán đều trong dầu cắt nền nên khi kết hợp với công nghệ MQL thì các hạt sẽ được

12

nhà sản xuất, đặc biệt trong lĩnh vực gia công khuôn mẫu. Bảng 1.1 tóm tắt những kết

STT

Thông số khảo sát

Kết quả khi phay cứng

Tác giả, năm công bố

13

STT

Thông số khảo sát

Kết quả khi phay cứng

Tác giả, năm công bố

14

15

quá trình cắt. Bảng 1.2 tóm tắt một số kết quả nghiên cứu về ứng dụng MQL cho quá

STT

Thông số khảo sát

Kết quả khi gia công với chế độ MQL

Tác giả, năm công bố

16

STT

Thông số khảo sát

Kết quả khi gia công với chế độ MQL

Tác giả, năm công bố

17

nguội thích hợp mà còn giữ được đặc tính thân thiện với môi trường, phù hợp với nền

18

đặc biệt là việc ứng dụng các loại dầu cắt có thể tự phân hủy sinh học, thân thiện với

19

HKC phủ được trình bày trong [18]. Kết quả thực nghiệm chỉ ra chất lượng bề mặt gia

STT

Thông số khảo sát

Tác giả, năm công bố

Kết quả khi gia công với chế độ MQL

20

cứu chỉ ra chất lượng bề mặt gia công được cải thiện khi dùng chế độ cắt ở mức thấp

21