Luận văn: Nghiên cứu phân bố nhiệt khi mài làm mát bằng không khí lạnh

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số mài đến phân bố nhiệt độ trong quá trình làm mát bằng khí lạnh, tối ưu hóa hiệu suất gia công kim loại.

• Tác giả: Nguyễn Trọng Hưng
• Người hướng dẫn: TS. Trương Tíoanui Son
• Trường học: Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí và Công nghệ Gia công
• Đề tài: Ảnh hưởng thông số mài đến phân bố nhiệt làm mát khí lạnh
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Vai trò của thông số mài trong quá trình gia công

Thông số mài là những yếu tố quan trọng quyết định hiệu quả của quá trình mài làm mát bằng không khí lạnh. Trong công nghiệp gia công cơ khí hiện đại, việc kiểm soát các thông số công nghệ của đá mài trực tiếp ảnh hưởng đến phân bố nhiệt và khả năng làm mát vùng mài. Các thông số này bao gồm cấu trúc đá mài, tỷ lệ lỗ khí, loại hạt mài và các đặc tính vật lý của vật liệu mài. Hiểu rõ về các thông số liên quan giúp tối ưu hóa quá trình gia công, giảm tổn hại do nhiệt, và nâng cao chất lượng bề mặt chỉ tiết. Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm cho phép chúng ta dự đoán và điều chỉnh phân bố nhiệt hiệu quả hơn.

1.1. Ảnh hưởng của cấu trúc đá mài đến phân bố nhiệt

Cấu trúc đá mài quyết định khả năng dẫn nhiệt và phân bố nhiệt trong vùng mài. Các đá mài có tỷ lệ lỗ khí khác nhau sẽ có độ dẫn nhiệt khác nhau, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả làm mát bằng không khí lạnh. Đá mài kim cương với độ cứng cao nhưng cấu trúc lỏng lẻo có khả năng giải tỏa nhiệt tốt hơn. Phân bố nhiệt trong vùng mài phụ thuộc vào khả năng dẫn nhiệt của vật liệu mài và tiếp xúc giữa khí lạnh với bề mặt mài.

1.2. Các thông số công nghệ liên quan đến quá trình mài

Các thông số công nghệ như tốc độ quay, lực mài, tốc độ tiến của chi tiết và lưu lượng khí lạnh đều ảnh hưởng đến phân bố nhiệt làm mát. Tốc độ quay cao tạo ra nhiệt lượng lớn, đòi hỏi khả năng làm mát mạnh hơn. Lực mài càng lớn, lượng nhiệt sinh ra càng nhiều và cần điều chỉnh thông số khí lạnh để duy trì nhiệt độ bề mặt ổn định. Các thông số công nghệ cần được tối ưu hóa để đạt hiệu quả làm mát tối đa.

II. Cơ sở lý thuyết truyền nhiệt trong vùng mài

Phân tích lý thuyết truyền nhiệt là nền tảng để hiểu rõ cơ chế phân bố nhiệt khi mài làm mát bằng không khí lạnh. Quá trình truyền nhiệt trong vùng mài diễn ra qua ba đường: nhiệt truyền vào chỉ tiết gia công, nhiệt truyền vào đá mài và nhiệt mất đi qua không khí lạnh. Mô hình truyền nhiệt MLC (Malkin-Luh-Christodoulos) cung cấp cách tiếp cận toán học để tính toán nhiệt độ bề mặt và phân bố nhiệt trong vùng mài. Việc áp dụng các công thức lý thuyết nhiệt động học giúp dự đoán ảnh hưởng của các thông số mài đến phân bố nhiệt hiệu quả.

2.1. Mô hình truyền nhiệt trong vùng mài

Mô hình truyền nhiệt trong vùng mài phân tích sự phân chia nhiệt giữa ba phần: chi tiết gia công, đá mài và chất làm mát. Phân bố nhiệt phụ thuộc vào đặc tính vật liệu, điều kiện tiếp xúc và khả năng làm mát của không khí lạnh. Lý thuyết MLC cho phép tính toán phần trăm nhiệt truyền vào mỗi thành phần dựa trên các tham số như tốc độ mài, lực mài và độ dẫn nhiệt. Mô hình này rất hữu ích để dự đoán nhiệt độ bề mặt mà không cần thực nghiệm.

2.2. Nhiệt độ bề mặt và khả năng làm mát

Nhiệt độ bề mặt chỉ tiết mài là chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu quả làm mát bằng không khí lạnh. Khi sử dụng khí lạnh, lớp ranh giới giữa khí và bề mặt mài sẽ thay đổi, giảm nhiệt độ bề mặt và làm mát vùng mài. Phân bố nhiệt ở bề mặt không đều, phụ thuộc vào phân bố lưu lượng khí lạnh và tính chất tiếp xúc. Các thông số công nghệ như áp suất khí và vị trí phun khí ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả làm mát.

III. Phương pháp làm mát không khí lạnh và ứng dụng

Làm mát bằng không khí lạnh là công nghệ tiên tiến được ứng dụng rộng rãi trong gia công cơ khí hiện đại để thay thế dung dịch trơn nguội truyền thống. Phương pháp này sử dụng khí lạnh được phun vào vùng mài, giúp làm mát chi tiết gia công và đá mài hiệu quả. So với phương pháp truyền thống, không khí lạnh không chứa hóa chất độc hại, an toàn cho sức khỏe lao động và thân thiện với môi trường. Các thông số công nghệ cần được điều chỉnh hợp lý để tối ưu hóa khả năng phân bố nhiệt và nâng cao chất lượng bề mặt. Công nghệ này đặc biệt phù hợp với yêu cầu gia công chính xác của ngành công nghiệp hiện đại.

3.1. Ưu điểm của công nghệ làm mát không khí lạnh

Không khí lạnh mang lại nhiều ưu điểm so với dung dịch làm mát truyền thống. Không gây ô nhiễm môi trường và bảo vệ sức khỏe người lao động là những lợi ích quan trọng. Phân bố nhiệt có thể điều chỉnh dễ dàng bằng cách thay đổi áp suất, lưu lượng khí lạnh. Chất lượng bề mặt chi tiết gia công cải thiện nhờ giảm nhiệt độ bề mặt mài, tránh tích chua giảm độ dẫn điện. Chi phí vệ sinh và xử lý chất thải giảm đáng kể.

3.2. Các thông số điều chỉnh khí lạnh cho hiệu quả tối đa

Để đạt hiệu quả làm mát tối đa, cần điều chỉnh các thông số công nghệ như lưu lượng khí, áp suất, nhiệt độ khí và vị trí phun. Phân bố nhiệt hiệu quả phụ thuộc vào việc phun khí trực tiếp vào vùng mài. Tốc độ mài, lực mài cũng ảnh hưởng đến lượng khí lạnh cần thiết. Các thông số công nghệ này cần được tối ưu hóa dựa trên loại vật liệu mài và chi tiết gia công để đạt kết quả tốt nhất.

IV. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và ứng dụng thực tế

Các kết quả thực nghiệm trên máy mài VKC45 sử dụng đá mài kim cương và vật liệu Hợp kim cứng TiC-Ka cho thấy hiệu quả rõ rệt của làm mát bằng không khí lạnh. Phân bố nhiệt được đo bằng cặp ngẫu nhiệt cho thấy không khí lạnh làm giảm đáng kể nhiệt độ bề mặt mài so với mài khô. Thông số mài như tỷ lệ lỗ khí của đá mài ảnh hưởng trực tiếp đến phân bố nhiệt và khả năng làm mát. Các thông số công nghệ tối ưu cho phép nâng cao năng suất gia công mà vẫn bảo đảm chất lượng bề mặt. Kết quả này chứng minh tính khả thi của ứng dụng công nghệ này trong sản xuất công nghiệp Việt Nam.

4.1. Ảnh hưởng cấu trúc đá mài đến khả năng làm mát

Cấu trúc đá mài với tỷ lệ lỗ khí khác nhau cho kết quả làm mát khác nhau. Đá mài có lỗ khí lớn cho phép phân bố nhiệt nhanh hơn và không khí lạnh tiếp xúc tốt hơn. Thông số mài liên quan đến độ xốp của đá ảnh hưởng đến khả năng thoát nhiệt. Các đá mài kim cương tổng hợp với độ dẫn nhiệt cao hoạt động tốt với làm mát không khí lạnh. Kết quả thí nghiệm cho thấy sự phù hợp giữa cấu trúc đá và phương pháp làm mát.

4.2. Tác động các thông số công nghệ đến hiệu quả làm mát

Thông số công nghệ như tốc độ quay, lực mài, lưu lượng khí lạnh cần được điều phối hợp lý. Tăng lực mài yêu cầu tăng lưu lượng khí lạnh để duy trì phân bố nhiệt ổn định. Nhiệt độ bề mặt tăng với tốc độ quay cao hơn, đòi hỏi khí lạnh với áp suất cao hơn. Các thông số công nghệ tối ưu được xác định thông qua các thí nghiệm có thể áp dụng trong sản xuất hàng loạt để nâng cao hiệu quả gia công.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG VẺ NHIỆT MÀI 1. Vị trí của mài trong sản xuất cơ khí và cuộc sống. Mâi lả phương pháp gia công cắt gọt tốc độ cao bằng một số lượng lớn các lưỡi cắt của hạt mài. Các hạt mải được liên kết trong đá mài bằng các chất kết dính.

Lỗ khí là thành phần rất quan trọng đề tạo khả năng cắt gọt của đá mài. Với tốc độ phát triển của khoa học kỹ thuật, yêu cầu về độ chỉnh xác của chỉ tiết máy ngày càng cao, mài là một trong những phương pháp gia công tỉnh có hiệu quả cao va thoả mãn các yêu cầu đó. Có thể nói, nếu không có phương pháp mài thỉ khó có thể chế tạo được các chi tiết có độ chính xác cao. Tầm qua trọng của mài được thể hiện qua các yếu tổ sau: - Trong gia công cơ khí, mài chiếm từ 20-25% giá thành chế tạo các chỉ tiết có nguyên công mài hay có liên quan đến mài.

- Sẽ không có xã hội văn minh nêu không có phương pháp mài. Nhin chung các sản phẩm cao cấp trong cuộc sống của xã hôi văn minh đều phải qua mài hoặc có liên quan đến quá trình mải Quá trình mài thực chất được thực hiện bởi máy mài và đá mài Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, có nhiều loại máy mài hiện đại và vật liệu đá mài mới ra đời với nhiều tính năng, công dụng khác nhau, độ chính xác gia công ngày càng được nâng cao. Máy mài thường được chế tạo theo các loại: máy mải tròn ngoài, máy mài trong trong, may mai mat phẳng, máy mài vô tâm. Một trong những đặc điểm nội bật của máy mài so với các loại máy công cụ khác là chúng có khả năng thực hiện được những lớp cắt rất nhỏ (vài um) va co kha ning điều chỉnh máy với lượng dịch chuyển rất nhỏ Đá mài được chế tạo với nhiều chủng loại rất phong phú đề có thể gia công hầu hết tất cả các bề mặt chỉ tiết gia công: đá mài tròn ngoài, đá mài tròn trong, đá mài mặt phẳng, đá mài ren, đá mài răng, đá mài rãnh.

Đá mài (Hình 1-1) được đặc trưng bởi các yếu tố: dạng hạt mài, kích thước hạt mài, độ cứng của đá, cấu trúc của đá, chất kết dính và các mảng để nhận dạng đá mài. Các loại vật liệu sử dụng để chế tạo đá mài như: Kim cương tự nhiên và nhân tạo, CBN (Cubic Nitride Boron), Ôxyt nhém (Al,03), Carbide Silic (SiC), Oxyt Silic (Si02),. Cac loai vat ligu duoc str dung lam chất kết dính như: kim loại (Metal), thuỷ tinh hoa (Vitrified), nhua tổng hop (Resin),.Da mài còn được chế tạo theo các phương pháp khác nhau nhằm tạo ra các đặc tính khác nhau của chúng, một trong các đặc điểm được quan tâm nhiều đó là tỷ lê lỗ khí của đá mài sau khi chế tạo. Hình 1-3 mô phỏng độ cứng của các loại vật liệu hạt mài dùng chế tạo đá mài 9000 : : a 5000 Vat liêu đá — 2 Ty Vật liệu dung cu cat khác £CS 5000 S = 4000 M 3000 sD §5 2000 = 1000 a 0 Kim cuong Oxyt Silic Hình 1-3 Độ cứng của các loại vật liệu mài So với phương pháp gia công cắt gọt bằng các dụng cụ cắt có lưỡi cắt xác P00 911C 00000710000 Tungsten Carbide Hình 1-2 Một số dạng hạt mài NÓI ĐẦU Ngày nay, nền công nghiệp gia công cơ đang hướng tới một môi trường công nghệ đảm bảo đô chính xác gia công và chất lượng bề mặt chỉ tiết máy đôi hỏi ngày cảng cao đồng thời phải tạo ra một môi trường gia công sạch có.

lợi cho môi trường, cho sức khoẻ của người lao động. Điều đó cho thấy không thể tiếp tục sử dụng các loại dung dịch trơn nguôi truyền thông có sử dụng các hợp chất hoá hóc có hại cho sức khoẻ con người lâu dai được mà đỏi hỏi phải có sự thay thế nhằm thoả mãn các yêu câu của khoa học công nghệ Cho đến nay, sử dụng khí lạnh làm nguội khi gia công là công nghệ duy nhất có thể đáp ứng được các yêu cầu nói trên của nền công nghiệp gia công cơ. Do đó cần sớm được đầu tư, nghiên cứu, phát triển công nghệ sử dụng khí lanh làm nguôi trong quá trình gia công cơ. Việt nam là nước có nền công nghiệp đang trên đà phát triển nên việc áp dụng công nghệ này quá trình sản xuất sẽ tạo ra được tiền đề tốt cho sự nghiệp phát triển cũng như tạo tiền đề cho việc phát trên bền vững sau này.

Việc sử dụng khí lạnh để làm mát vùng mài đã được nghiên cứu và ứng dụng ở một số nước ® Đã có nhiều công trình nghiên cứu vẻ khả năng và mát cũng như khả năng ửng dụng không khí lạnh để làm mát vung mai thay cho các dung dịch làm mát truyền thống. Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc thổi một lường không khi lạnh qua ving mai sẽ có tác dụng làm cho nhiệt độ bề mặt mài của chỉ tiết hạ xuống và một phần nhiệt được lay ra khỏi vùng mài ®. Tuy nhiên, các nghiên cứu về khả năng làm mát của không khí lạnh mới chủ yếu được nghiên cứu ở dạng thực nghiệm. Để việc cho việc sử dụng không khí lạnh để làm mát trong quá trình mài có hiệu quả hơn thì cần có những nghiên cứu lý thuyết.

Ở phạm vi đề tài này, tác giả mong muốn đưa băng các thực nghiệm để chứng minh các phân tích lý thuyết đã đưa ra trước đó. Quá trình thực nghiêm được tiền hảnh trên trung tâm mài VKC45 do hãng, Hitachi Seiki san xuất, sử dụng đá mài kim cương có tỷ lệ lỗ khi khác nhau để mài vật liệu là Hợp kim cứng Tị;Ka. Nhiệt độ hễ mặt chỉ liết mài được đo băng bằng cặp ngẫu nhiệt trực tiếp trong vùng mài. Dây là kết quả của sự hợp tác giữa các tác giá với Phòng thí nghiệm nghiên cửu các quá trình gia công chỉnh xác của trường dai học Ritsumeikan-Nhật Đán.

Các thảo luận về kết quả đạt được, đánh giá và đưa ra các kết luận về kết quả được thực nghiệm. cũng là một phần của chương này Chương 5 trinh bảy một số kết luận đã dạt được của dễ tải nghiên cửu và đưa ra các hướng nghiên cứu tiếp theo Phần này chủ yếu đưa ra các kết luận đã được phân tích bằng mê hình lý thuyết và thực nghiệp trong đề lái. Đánh giả kết quả của đề lải và ổưa ra các vẫn đề liên quan chưa được nghiên cứu trong để tài, để xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm đảm bảo hiệu quả tối đa ủa nội dung để tài này. NÓI ĐẦU Ngày nay, nền công nghiệp gia công cơ đang hướng tới một môi trường công nghệ đảm bảo đô chính xác gia công và chất lượng bề mặt chỉ tiết máy đôi hỏi ngày cảng cao đồng thời phải tạo ra một môi trường gia công sạch có.

lợi cho môi trường, cho sức khoẻ của người lao động. Điều đó cho thấy không thể tiếp tục sử dụng các loại dung dịch trơn nguôi truyền thông có sử dụng các hợp chất hoá hóc có hại cho sức khoẻ con người lâu dai được mà đỏi hỏi phải có sự thay thế nhằm thoả mãn các yêu câu của khoa học công nghệ Cho đến nay, sử dụng khí lạnh làm nguội khi gia công là công nghệ duy nhất có thể đáp ứng được các yêu cầu nói trên của nền công nghiệp gia công cơ. Do đó cần sớm được đầu tư, nghiên cứu, phát triển công nghệ sử dụng khí lanh làm nguôi trong quá trình gia công cơ. Việt nam là nước có nền công nghiệp đang trên đà phát triển nên việc áp dụng công nghệ này quá trình sản xuất sẽ tạo ra được tiền đề tốt cho sự nghiệp phát triển cũng như tạo tiền đề cho việc phát trên bền vững sau này.

Việc sử dụng khí lạnh để làm mát vùng mài đã được nghiên cứu và ứng dụng ở một số nước ® Đã có nhiều công trình nghiên cứu vẻ khả năng và mát cũng như khả năng ửng dụng không khí lạnh để làm mát vung mai thay cho các dung dịch làm mát truyền thống. Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc thổi một lường không khi lạnh qua ving mai sẽ có tác dụng làm cho nhiệt độ bề mặt mài của chỉ tiết hạ xuống và một phần nhiệt được lay ra khỏi vùng mài ®. Tuy nhiên, các nghiên cứu về khả năng làm mát của không khí lạnh mới chủ yếu được nghiên cứu ở dạng thực nghiệm. Để việc cho việc sử dụng không khí lạnh để làm mát trong quá trình mài có hiệu quả hơn thì cần có những nghiên cứu lý thuyết.

Ở phạm vi đề tài này, tác giả mong muốn đưa P00 911C 00000710000 Tungsten Carbide Hình 1-2 Một số dạng hạt mài ra các một số nghiên cứu lý thuyết về khả năng làm nguội của chỉ tiết gia công khi mài bằng cách sử dụng khí lạnh. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến khả năng làm mát của khi lạnh khi mai, qua đó đưa ra các thông số về mối quan hệ giữa các yếu tố do khi mãi. Toàn bộ nghiên cứu của luận văn được trình bày trong 5 chương. Chương 1 giới thiệu chung về nhiệt mài.

Chương này giới thiệu về khả năng công nghệ của phương pháp mài, những ưu điểm và tổn tại của chúng. Sau đỏ phân tích các ảnh hưởng do nhiệt mài gây nên dẳng thời dưa ra các phương pháp truyền thống làm giảm nhiệt mài và giới thiệu phương pháp mài sử dung khí lạnh dễ làm mát vùng mải và nhiệt độ bề mặt chỉ tiết mài Chương 2 trình bày các phân tích về truyền nhiệt trong vùng mải của quá trình mài. Chương này tiếp tục giới thiệu rõ hơn về các cơ sử truyền nhiệt khi gia công, đề cập đến cở sở lính Loán sự truyền nhiệt trong khu vực giá công theo lý thuyết của MI. Shaw và dựa vào đó để làm cơ sở cho các tính toán và Ÿ sau nàyeen thựo nghiệm của để tài Chương 3 trình bay các phân tích về mặt lý (huyết sự truyền nhiệt vào chỉ tiết mải khi làm mát bằng khí lạnh.

Chương này tác giả muốn đưa ra các lý thuyết phân tích về sự truyền nhiệt mài đến các thành phần của hệ thống công nghề trong khu vực mái khi dùng khí lạnh để lâm mat ving mai. Qua dé phan tích rõ sự ảnh hưởng của các yếu tổ hệ thống công nghệ, các yếu tố chế độ mai đến quá trình truyền nhiệt này Một số kiểm nghiệm ảnh hưởng của không khí lạnh tới việc làm mắt trong, quá trình mài thực nghiệm được trình bày ở trong chương 4.