Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh hiện nay, ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu đang ảnh hưởng sâu rộng đến các lĩnh vực kinh tế, chính trị và xã hội toàn cầu. Ngành công nghệ chế tạo máy cũng không nằm ngoài xu thế này, đòi hỏi các giải pháp gia công thân thiện môi trường, tiết kiệm năng lượng và nguyên liệu. Bôi trơn làm nguội tối thiểu (Minimum Quantity Lubrication - MQL) là một công nghệ gia công xanh, sử dụng lượng dung dịch trơn nguội rất nhỏ (5÷500 ml/giờ) nhằm giảm thiểu ô nhiễm và chi phí xử lý chất thải. MQL không chỉ giảm ma sát và nhiệt sinh ra trong vùng cắt mà còn kéo dài tuổi thọ dụng cụ và cải thiện chất lượng bề mặt gia công.

Gia công vật liệu cứng, đặc biệt là thép đã qua nhiệt luyện với độ cứng từ HRC 45 đến 70, là một thách thức lớn do điều kiện cắt khắc nghiệt, dễ gây mòn dụng cụ và giảm chất lượng bề mặt. Truyền thống, gia công vật liệu cứng chủ yếu dựa vào mài, tuy nhiên phay cứng bằng dụng cụ cắt có lưỡi cắt xác định đang được ứng dụng rộng rãi nhờ năng suất cao và chất lượng tốt. Việc áp dụng MQL trong gia công vật liệu cứng giúp khắc phục hạn chế của phương pháp tưới tràn và gia công khô.

Một hướng nghiên cứu mới nổi bật là sử dụng dung dịch Nanofluid trong MQL, tức là trộn các hạt nano Al2O3 có kích thước dưới 30 nm vào dung dịch trơn nguội để nâng cao khả năng bôi trơn và làm nguội. Nghiên cứu này tập trung đánh giá ảnh hưởng của dung dịch Nanofluid chứa hạt nano Al2O3 đến lực cắt, tuổi bền dụng cụ và chất lượng bề mặt khi phay cứng thép 60Si2Mn. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên, với mẫu thép 60Si2Mn nhiệt luyện đạt độ cứng HRC 50-52. Mục tiêu là xác định các thông số công nghệ MQL tối ưu, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật và bảo vệ môi trường trong gia công vật liệu cứng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết quá trình tạo phoi trong gia công vật liệu cứng: Mô hình phoi xếp theo chu kỳ của Shaw giải thích cơ chế hình thành phoi trong gia công vật liệu cứng, với các vết nứt tế vi và gross crack ảnh hưởng đến hình dạng phoi và ứng suất dư trên bề mặt gia công.

  • Lý thuyết lực cắt và nhiệt cắt: Các thành phần lực cắt Fx, Fy, Fz được phân tích theo hệ tọa độ phù hợp với phương pháp phay mặt đầu. Nhiệt độ vùng cắt được mô hình hóa phụ thuộc vận tốc cắt và lượng chạy dao, ảnh hưởng trực tiếp đến mòn dụng cụ và chất lượng bề mặt.

  • Lý thuyết mòn dụng cụ cắt: Mòn mặt trước (crater wear) và mòn mặt sau (flank wear) là hai dạng mòn chính, được đánh giá theo tiêu chuẩn ISO 3685 và ISO 8688. Mòn dao ảnh hưởng đến tuổi bền dụng cụ và sai số kích thước chi tiết gia công.

  • Lý thuyết chất lượng bề mặt và lớp biến trắng: Nhám bề mặt Ra, Rz và sự hình thành lớp biến trắng (white layer) được xem xét như các chỉ tiêu quan trọng phản ánh hiệu quả gia công vật liệu cứng. Lớp biến trắng có thể làm giảm khả năng chịu mài mòn và độ bền mỏi của chi tiết.

  • Mô hình bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQL) sử dụng dung dịch Nanofluid: Hạt nano Al2O3 trong dung dịch đóng vai trò như các “viên bi” tạo ma sát lăn, giảm ma sát trượt trong vùng cắt, đồng thời tăng khả năng dẫn nhiệt và hoạt tính bôi trơn của dung dịch.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng thép 60Si2Mn đã qua nhiệt luyện (HRC 50-52) làm vật liệu gia công, dao phay mặt đầu gắn mảnh hợp kim cứng APMT 1604 PDTR LT30. Dung dịch trơn nguội gồm dầu đậu nành và dung dịch Emunxi 5%, với hạt nano Al2O3 kích thước 30 nm được pha trộn tạo thành dung dịch Nanofluid.

  • Phương pháp phân tích: Thí nghiệm được thực hiện trên máy trung tâm gia công VMC85S với các chế độ cắt cố định: vận tốc cắt 110 m/phút, lượng chạy dao 0,12 mm/răng, chiều rộng lớp cắt 0,2 mm. Hệ thống MQL sử dụng đầu phun Noga, áp suất khí 6 bar, lưu lượng dung dịch 0,23-0,25 ml/phút, phun vào mặt sau dao.

  • Cỡ mẫu và quy hoạch thí nghiệm: Thí nghiệm được triển khai với 4 chế độ bôi trơn khác nhau (dầu đậu nành và Emunxi có/không có hạt nano Al2O3 0,5%) và nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ hạt nano (0,5%; 1,0%; 1,5%) theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm của Giáo sư H. Popke. Mỗi điểm thí nghiệm được lặp lại để đảm bảo độ tin cậy.

  • Các chỉ tiêu đánh giá: Lực cắt (Fx, Fy, Fz) được đo bằng lực kế Kistler 9257BA, nhám bề mặt Ra, Rz đo bằng máy Mitutoyo SJ-210, mòn và tuổi bền dụng cụ đánh giá qua quan sát bằng kính hiển vi điện tử TM-1000 và tiêu chuẩn mòn mặt sau VB theo ISO.

  • Timeline nghiên cứu: Thí nghiệm mỗi lần cắt kéo dài 5 phút, tổng thời gian gia công đến khi dụng cụ mòn khốc liệt (VB ≥ 0,3 mm) được ghi nhận để xác định tuổi bền.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của dung dịch Nanofluid đến lực cắt và nhám bề mặt:

    • Trong 20 phút đầu, lực cắt Fz dưới 450 N, nhám bề mặt Ra dao động từ 0,08 đến 0,2 µm, tương đương mài tinh.
    • Dung dịch Nanofluid với hạt nano Al2O3 làm giảm trung bình 40% lực cắt Fz và 40% nhám Ra so với dung dịch không có hạt nano, đặc biệt rõ rệt với dung dịch Emunxi.
    • Khi sử dụng dung dịch Emunxi có hạt nano, trị số Ra giảm còn 0,6 lần và lực Fz giảm còn 0,9 lần so với Emunxi không có hạt nano.

  2. Tuổi bền dụng cụ tăng đáng kể khi sử dụng dung dịch Nanofluid:

    • Tuổi bền dao khi dùng dầu đậu nành không có hạt nano là 45 phút, với Emunxi không có hạt nano là 50 phút.
    • Khi sử dụng dung dịch Nanofluid dầu đậu nành có hạt nano, tuổi bền dao tăng lên 80 phút (tăng 177%).
    • Với dung dịch Nanofluid Emunxi có hạt nano, tuổi bền dao đạt 115 phút (tăng 230%).

  3. Ảnh hưởng của nồng độ hạt nano Al2O3 trong dung dịch Nanofluid:

    • Nồng độ hạt nano từ 0,5% đến 1,5% ảnh hưởng rõ rệt đến lực cắt, nhám bề mặt và tuổi bền dao.
    • Hàm hồi quy thực nghiệm cho thấy quan hệ gần tuyến tính giữa nồng độ hạt nano và các chỉ tiêu đánh giá.
    • Nồng độ 1,0% được xác định là mức tối ưu, cân bằng giữa hiệu quả bôi trơn và tránh lãng phí do lắng đọng hạt.

  4. Mô hình mòn dao và cơ chế tác dụng của hạt nano:

    • Khi không có hạt nano, mòn dao tập trung chủ yếu trên lưỡi cắt chính cả mặt trước và mặt sau.
    • Khi có hạt nano, ma sát chuyển từ trượt sang lăn do các hạt nano đóng vai trò “viên bi”, giảm áp lực lên lưỡi cắt chính, làm mòn dao đều hơn và chậm hơn.
    • Hạt nano cũng giúp tăng khả năng dẫn nhiệt của dung dịch, giảm nhiệt độ vùng cắt, góp phần kéo dài tuổi thọ dụng cụ.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy dung dịch Nanofluid chứa hạt nano Al2O3 cải thiện đáng kể hiệu quả bôi trơn làm nguội trong gia công phay cứng thép 60Si2Mn. Việc giảm lực cắt và nhám bề mặt đồng thời kéo dài tuổi bền dụng cụ là minh chứng cho tác dụng tích cực của hạt nano. Cơ chế chính là sự hình thành ma sát lăn thay vì ma sát trượt truyền thống, giảm ma sát và nhiệt sinh ra trong vùng cắt.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với báo cáo của ngành về hiệu quả của MQL sử dụng dung dịch Nanofluid trong gia công vật liệu cứng và mài. Việc lựa chọn dung dịch nền Emunxi cho hiệu quả tốt hơn dầu đậu nành do đặc tính nhiệt và bôi trơn vượt trội, tuy nhiên dầu đậu nành vẫn được khuyến cáo sử dụng nhờ tính thân thiện môi trường và sẵn có tại Việt Nam.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ lực cắt Fx, Fy, Fz theo thời gian gia công, biểu đồ nhám bề mặt Ra, Rz theo nồng độ hạt nano và tuổi bền dao dưới các chế độ MQL khác nhau. Bảng hồi quy thực nghiệm cũng minh họa mối quan hệ giữa nồng độ hạt nano và các chỉ tiêu đánh giá.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng dung dịch Nanofluid Al2O3 với nồng độ 1,0% trong MQL khi phay cứng thép 60Si2Mn

    • Mục tiêu: Giảm lực cắt và nhám bề mặt, tăng tuổi bền dụng cụ.
    • Thời gian thực hiện: Ngay trong giai đoạn sản xuất hiện tại.
    • Chủ thể thực hiện: Các nhà máy gia công cơ khí, đặc biệt trong ngành khuôn mẫu.

  2. Ưu tiên sử dụng dung dịch nền Emunxi kết hợp hạt nano Al2O3 cho các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao

    • Mục tiêu: Tối ưu hóa hiệu quả bôi trơn và làm nguội, giảm chi phí thay dao.
    • Thời gian thực hiện: 6-12 tháng để thử nghiệm và điều chỉnh quy trình.
    • Chủ thể thực hiện: Phòng nghiên cứu và phát triển công nghệ, kỹ sư công nghệ.

  3. Khuyến khích sử dụng dầu đậu nành có hạt nano Al2O3 trong các cơ sở sản xuất nhỏ và vừa, ưu tiên tính thân thiện môi trường

    • Mục tiêu: Giảm thiểu tác động môi trường, đảm bảo an toàn lao động.
    • Thời gian thực hiện: Ngay lập tức, kết hợp đào tạo kỹ thuật.
    • Chủ thể thực hiện: Các doanh nghiệp vừa và nhỏ, cơ sở gia công truyền thống.

  4. Xây dựng quy trình kiểm soát và bảo dưỡng dụng cụ cắt dựa trên mức mòn mặt sau VB từ 0,3 đến 0,5 mm

    • Mục tiêu: Đảm bảo tuổi bền dụng cụ tối ưu, tránh hư hỏng đột ngột.
    • Thời gian thực hiện: 3-6 tháng để thiết lập và áp dụng.
    • Chủ thể thực hiện: Bộ phận bảo trì, kỹ thuật vận hành máy.

  5. Tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng MQL sử dụng dung dịch Nanofluid cho các vật liệu cứng khác và phương pháp gia công khác

    • Mục tiêu: Mở rộng phạm vi ứng dụng, nâng cao hiệu quả công nghệ.
    • Thời gian thực hiện: 1-2 năm.
    • Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu, trường đại học, doanh nghiệp công nghệ cao.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư công nghệ và kỹ thuật viên trong ngành gia công cơ khí

    • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ MQL hiện đại, áp dụng dung dịch Nanofluid để nâng cao hiệu quả gia công, giảm chi phí và tăng tuổi thọ dụng cụ.
    • Use case: Thiết kế quy trình gia công phay cứng cho các chi tiết khuôn mẫu.

  2. Nhà quản lý sản xuất và quản lý chất lượng

    • Lợi ích: Hiểu rõ tác động của công nghệ MQL đến chất lượng sản phẩm và chi phí sản xuất, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý.
    • Use case: Lập kế hoạch cải tiến công nghệ gia công thân thiện môi trường.

  3. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí và vật liệu

    • Lợi ích: Cập nhật kiến thức về ứng dụng hạt nano trong công nghệ gia công, phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo.
    • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu về gia công vật liệu cứng và công nghệ bôi trơn làm nguội.

  4. Doanh nghiệp sản xuất dụng cụ cắt và dung dịch trơn nguội

    • Lợi ích: Nắm bắt xu hướng công nghệ mới, phát triển sản phẩm dung dịch Nanofluid phù hợp với thị trường.
    • Use case: Thiết kế và sản xuất dung dịch trơn nguội có hạt nano cho MQL.

Câu hỏi thường gặp

  1. MQL là gì và tại sao lại ưu tiên sử dụng trong gia công vật liệu cứng?
    MQL là công nghệ bôi trơn làm nguội tối thiểu, sử dụng lượng dung dịch rất nhỏ để giảm ma sát và nhiệt sinh ra trong vùng cắt. Ưu điểm là tiết kiệm dung dịch, thân thiện môi trường và nâng cao tuổi thọ dụng cụ, đặc biệt phù hợp với gia công vật liệu cứng do điều kiện cắt khắc nghiệt.

  2. Dung dịch Nanofluid có tác dụng gì trong công nghệ MQL?
    Dung dịch Nanofluid chứa các hạt nano Al2O3 giúp tăng khả năng bôi trơn và dẫn nhiệt, đồng thời tạo ma sát lăn trong vùng cắt, giảm lực cắt và mòn dụng cụ, cải thiện chất lượng bề mặt gia công.

  3. Nồng độ hạt nano Al2O3 tối ưu trong dung dịch Nanofluid là bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy nồng độ 1,0% là mức tối ưu, cân bằng giữa hiệu quả bôi trơn và tránh lãng phí do lắng đọng hạt, giúp giảm lực cắt và tăng tuổi thọ dụng cụ hiệu quả nhất.

  4. So sánh hiệu quả giữa dung dịch nền dầu đậu nành và Emunxi trong MQL có hạt nano?
    Dung dịch Emunxi có đặc tính bôi trơn và nhiệt tốt hơn, cho kết quả giảm lực cắt và nhám bề mặt tốt hơn dầu đậu nành. Tuy nhiên, dầu đậu nành thân thiện môi trường và phù hợp với điều kiện sản xuất tại các nước nhiệt đới.

  5. Làm thế nào để đánh giá tuổi bền của dụng cụ cắt trong nghiên cứu này?
    Tuổi bền được đánh giá dựa trên mức mòn mặt sau dao (VB) theo tiêu chuẩn ISO, khi VB đạt từ 0,3 đến 0,5 mm được xem là mòn khốc liệt, dụng cụ mất khả năng cắt và cần thay thế hoặc mài lại.

Kết luận

  • Đã chứng minh được tác dụng tích cực của hạt nano Al2O3 trong dung dịch Nanofluid khi sử dụng trong công nghệ MQL, giúp giảm lực cắt, mòn dụng cụ và cải thiện chất lượng bề mặt khi phay cứng thép 60Si2Mn.
  • Nồng độ hạt nano 1,0% trong dung dịch Nanofluid được xác định là mức tối ưu cho hiệu quả bôi trơn và tuổi bền dụng cụ.
  • Dung dịch nền Emunxi kết hợp hạt nano cho hiệu quả kỹ thuật vượt trội, trong khi dầu đậu nành có hạt nano được khuyến cáo sử dụng nhờ tính thân thiện môi trường.
  • Công nghệ MQL sử dụng dung dịch Nanofluid mở rộng khả năng ứng dụng phay cứng với dụng cụ hợp kim cứng thông thường, giảm chi phí so với các loại mảnh dao cao cấp như CBN hay gốm.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng công nghệ này cho các vật liệu và phương pháp gia công khác, đồng thời phát triển quy trình công nghệ và đào tạo nhân lực.

Hành động tiếp theo: Các doanh nghiệp và viện nghiên cứu nên phối hợp triển khai thử nghiệm thực tế, áp dụng công nghệ MQL với dung dịch Nanofluid để nâng cao hiệu quả sản xuất và bảo vệ môi trường.