Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp bôi trơn tối thiểu đến độ nhám bề mặt trong phương pháp tiện

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật cơ khí nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp bôi trơn tối thiểu đến độ nhám bề mặt trong, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Phạm Tuấn Nghĩa
• Người hướng dẫn: TS. Trần Anh Sơn
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp bôi trơn tối thiểu đến độ nhám bề mặt trong phương pháp tiện
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. Tổng quan về công nghệ bôi trơn tối thiểu
• 1.1.1. Vai trò của dung dịch trơn nguội trong gia công cắt gọt
• 1.1.2. Công nghệ bôi trơn tốt thiểu
• 1.1.3. Tình hình nghiên cứu về công nghệ bôi trơn tối thiểu
• 1.1.4. Khuyết điểm và hạn chế
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. Mục tiêu luận văn
• 1.4. Ý nghĩa khoa học của luận văn
• 1.5. Ý nghĩa thực tiễn của luận văn
• 1.6. Quá trình tiện trong gia công cắt gọt
• 1.7. Dung dịch trơn nguội trong gia công cắt gọt
• 1.7.1. Mục tiêu cơ bản của dung dịch trơn nguội
• 1.7.2. Phân loại dung dịch trơn nguội
• 1.7.3. Các phương pháp tưới nguội
• 1.8. Nhám bề mặt
• 1.8.1. Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt
• 1.8.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt trong gia công
• 1.9. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong bôi trơn tối thiểu đến quá trình gia công
• 1.9.1. Ảnh hưởng của áp suất dòng khí
• 1.9.2. Ảnh hưởng của lưu lượng dung dịch bôi trơn
• 1.9.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ Emulsive trong nước (nồng độ dung dịch)
• 1.9.4. Ảnh hưởng của vị trí vòi phun trong công nghệ bôi trơn tối thiểu
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM
• 3.1. Phân tích và chọn thông số thí nghiệm
• 3.2. Mô hình thí nghiệm
• 3.2.1. Hệ thống công nghệ
• 3.2.2. Hệ thống bôi trơn tối thiểu
• 3.2.3. Thiết bị đo và kiểm tra
• 3.3. Phương pháp phân tích kết quả
• 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Kết quả thực nghiệm
• 4.1.1. Kết quả thực nghiệm toàn phần ba nhân tố
• 4.2. Xây dựng phương trình hồi quy
• 4.3. Kiểm tra tính thích hợp của phương trình hồi quy
• 4.4. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số thực nghiệm đến hàm mục tiêu
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng quan về công nghệ bôi trơn tối thiểu

Bôi trơn tối thiểu (MQL) là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực cơ khí, được phát triển để giảm thiểu việc sử dụng dung dịch bôi trơn trong quá trình gia công. Phương pháp này sử dụng một lượng nhỏ chất bôi trơn được phun dưới dạng sương mù vào vùng gia công, giúp cải thiện độ nhám bề mặt và giảm chi phí sản xuất. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của bôi trơn tối thiểu đến độ nhám bề mặt trong quá trình tiện thép C45. Công nghệ này không chỉ giúp giảm thiểu tác động môi trường mà còn nâng cao hiệu quả kinh tế và an toàn cho người vận hành.

1.1 Vai trò của dung dịch trơn nguội trong gia công cắt gọt

Dung dịch trơn nguội đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng bề mặt và tuổi thọ dụng cụ cắt. Trong quá trình tiện, việc sử dụng dung dịch trơn nguội giúp giảm nhiệt cắt, giảm ma sát và cải thiện độ chính xác gia công. Tuy nhiên, việc sử dụng quá nhiều dung dịch trơn nguội có thể gây ra các vấn đề về môi trường và sức khỏe. Bôi trơn tối thiểu là giải pháp hiệu quả để giảm thiểu những tác động tiêu cực này, đồng thời duy trì hiệu suất gia công cao.

1.2 Công nghệ bôi trơn tối thiểu

Bôi trơn tối thiểu (MQL) là kỹ thuật sử dụng một lượng rất nhỏ dung dịch bôi trơn, thường từ 50 đến 500 ml/giờ, được phun vào vùng gia công dưới dạng sương mù. Phương pháp này giúp giảm thiểu chi phí và tác động môi trường so với phương pháp tưới tràn truyền thống. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số công nghệ như áp suất khí, tỉ lệ emulsive và góc phun để cải thiện độ nhám bề mặt trong quá trình tiện.

II. Ảnh hưởng của bôi trơn tối thiểu đến độ nhám bề mặt

Bôi trơn tối thiểu có ảnh hưởng đáng kể đến độ nhám bề mặt trong quá trình tiện. Các thông số công nghệ như áp suất khí, tỉ lệ emulsive và góc phun được nghiên cứu để xác định mối quan hệ với độ nhám bề mặt. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng việc tối ưu hóa các thông số này có thể cải thiện đáng kể chất lượng bề mặt gia công. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xây dựng phương trình hồi quy, giúp dự đoán và kiểm soát độ nhám bề mặt một cách hiệu quả.

2.1 Ảnh hưởng của áp suất khí

Áp suất khí là một trong những thông số quan trọng trong bôi trơn tối thiểu. Áp suất khí cao giúp đưa dung dịch bôi trơn vào vùng gia công một cách hiệu quả, giảm ma sát và nhiệt cắt. Tuy nhiên, áp suất quá cao có thể gây ra hiện tượng phun tán, làm giảm hiệu quả bôi trơn. Nghiên cứu này xác định mức áp suất tối ưu để đạt được độ nhám bề mặt tốt nhất.

2.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ emulsive

Tỉ lệ emulsive trong dung dịch bôi trơn ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng bôi trơn và làm mát. Tỉ lệ emulsive cao giúp cải thiện khả năng bôi trơn, nhưng có thể làm tăng chi phí và tác động môi trường. Nghiên cứu này tìm ra tỉ lệ emulsive tối ưu để cân bằng giữa hiệu quả bôi trơn và chi phí, đồng thời cải thiện độ nhám bề mặt trong quá trình tiện.

III. Kết quả và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng bôi trơn tối thiểu có thể cải thiện đáng kể độ nhám bề mặt trong quá trình tiện. Phương trình hồi quy được xây dựng từ kết quả thực nghiệm giúp dự đoán và kiểm soát chất lượng bề mặt một cách hiệu quả. Công nghệ này không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất mà còn thân thiện với môi trường, phù hợp với xu hướng sản xuất bền vững trong ngành cơ khí.

3.1 Ứng dụng trong sản xuất

Bôi trơn tối thiểu đã được ứng dụng rộng rãi trong các dây chuyền sản xuất của các công ty lớn như Toyota và Mazda. Công nghệ này giúp giảm thiểu năng lượng tiêu thụ và phát thải CO2, đồng thời cải thiện chất lượng bề mặt và tuổi thọ dụng cụ cắt. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm để áp dụng bôi trơn tối thiểu trong các quy trình gia công khác nhau.

3.2 Hướng phát triển trong tương lai

Hướng phát triển của nghiên cứu này là khảo sát ảnh hưởng tổng hợp của cả chế độ cắt và chế độ bôi trơn đến lực cắt, nhiệt cắt và chất lượng bề mặt. Việc kết hợp các yếu tố này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình gia công, nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu tác động môi trường. Bôi trơn tối thiểu sẽ tiếp tục là một công nghệ quan trọng trong ngành cơ khí trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành gia công cơ khí hiện đại, bài toán nâng cao năng suất luôn đi kèm với tốc độ cắt cao và lực ma sát lớn, sinh ra lượng nhiệt khổng lồ tại vùng tiếp xúc dao và phôi. Phương pháp tưới nguội tràn truyền thống tiêu tốn lượng dung dịch rất lớn, trong đó các hệ thống bơm làm mát tiêu hao từ 34% đến 42% tổng điện năng của dây chuyền sản xuất, đồng thời chi phí lưu trữ và xử lý chất thải dung dịch trơn nguội có thể cao gấp 2 lần chi phí gia công trực tiếp. Ngược lại, phương pháp gia công khô hoàn toàn lại làm dao cắt mòn nhanh, gây biến dạng nhiệt và làm suy giảm nghiêm trọng độ bóng bề mặt chi tiết.

Trước thực trạng đó, công nghệ bôi trơn tối thiểu (Minimum Quantity Lubrication - MQL) nổi lên như một giải pháp gia công xanh vượt trội, chỉ sử dụng lưu lượng chất bôi trơn từ 50 đến 500 ml/giờ, thấp hơn khoảng 10.000 lần so với phương pháp tưới tràn thông thường. Nghiên cứu này tập trung giải quyết vấn đề đánh giá định lượng ảnh hưởng của các thông số công nghệ bôi trơn tối thiểu đến độ nhám bề mặt khi tiện bán tinh thép C45.

Mục tiêu cụ thể của luận văn bao gồm việc thiết lập hệ thống phun sương bôi trơn tối thiểu với lưu lượng cố định 120 ml/giờ, xác định quy luật tương tác giữa áp suất khí nén (khảo sát từ 2 đến 7 kg/cm2), tỉ lệ nồng độ dầu emulsive (từ 6% đến 10%) và góc nghiêng vòi phun (từ 15° đến 25°) đến độ nhám bề mặt Ra. Đề tài được thực hiện thực nghiệm tại xưởng cơ khí Trường Đại học Trần Đại Nghĩa dưới sự hướng dẫn khoa học tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong năm 2018. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa kinh tế và kỹ thuật to lớn, giúp cải thiện chất lượng bề mặt từ 25% đến 40% so với gia công khô, cắt giảm trên 85% lượng hóa chất bôi trơn thải ra môi trường và cung cấp bộ dữ liệu công nghệ chuẩn xác cho ngành chế tạo máy tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp của hai nền tảng lý thuyết cốt lõi trong kỹ thuật gia công cắt gọt: lý thuyết bôi trơn khí động học hạt sương siêu mịn và lý thuyết hình thành độ nhấp nhô tế vi bề mặt chi tiết tiện.

Theo mô hình chuyển động của hạt chất lỏng trong dòng khí nén dựa trên phương trình lực cản Stokes, khi dòng khí nén áp suất cao hòa trộn với dung dịch trơn nguội tại vòi phun, chất lỏng sẽ bị xé tơi thành các hạt sương có kích thước micromet (từ 1 đến 20 μm). Các hạt sương này sở hữu động năng lớn, dễ dàng thâm nhập sâu vào vùng tiếp xúc ma sát giữa mặt trước dao cắt và phoi kim loại. Tại đây, lớp màng dầu bôi trơn mỏng giúp giảm hệ số ma sát giữa phoi và dao, trong khi dòng khí nén liên tục đối lưu giải nhiệt và thổi bay phoi vụn ra khỏi vùng cắt.

Khung lý thuyết gia công tiện xác lập rằng độ nhám bề mặt số học Ra và chiều cao nhấp nhô mười điểm Rz chịu sự chi phối chặt chẽ bởi bán kính mũi dao r, lượng tiến dao s (chọn cố định ở mức 0.12 mm/vòng), vận tốc cắt v (170 m/phút) và hiện tượng biến dạng dẻo đàn hồi của vật liệu thép C45. Khi nhiệt độ vùng cắt vượt quá 600°C, hiện tượng lẹo dao hình thành gây cào xước bề mặt gia công. Bốn khái niệm chính được làm rõ trong mô hình bao gồm: độ nhám bề mặt Ra, công nghệ bôi trơn tối thiểu MQL bên ngoài, nồng độ nhũ tương emulsive hòa tan trong nước và áp suất động học dòng khí tán sương.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập hoàn toàn thông qua phương pháp thực nghiệm đo đạc trực tiếp trên hệ thống máy công cụ công nghiệp. Máy tiện Mascut MA1880 với công suất 7.5 HP, dải tốc độ trục chính từ 39 đến 2800 vòng/phút kết hợp bộ gá phun MQL bên ngoài được sử dụng để tiến hành gia công các mẫu phôi thép C45 đường kính 60 mm. Dữ liệu độ nhám bề mặt được đo kiểm bằng thiết bị đo độ nhám biên dạng tiếp xúc chuyên dụng Mitutoyo với chiều dài chuẩn đo lường tiêu chuẩn, và nồng độ dầu emulsive được kiểm soát thông qua máy đo quang học khúc xạ kế.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 24 lượt thí nghiệm được thiết kế theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm toàn phần ba nhân tố bậc một kết hợp các điểm lặp tại tâm để xác định phương sai tái hiện. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát từ cùng một phôi thép chuẩn hóa nhiệt luyện nhằm loại trừ sai lệch cơ tính vật liệu.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích quy hoạch thực nghiệm và hồi quy đa biến trên phần mềm Minitab 17 là nhằm xác lập chính xác mô hình toán học tương quan giữa hàm mục tiêu độ nhám Ra và các yếu tố đầu vào, đồng thời kiểm tra độ tương thích của mô hình thông qua tiêu chuẩn Fisher và kiểm định Student với độ tin cậy thống kê trên 95%. Toàn bộ chương trình nghiên cứu thực nghiệm và xử lý số liệu được triển khai chặt chẽ từ tháng 01/2018 đến tháng 06/2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm quy hoạch đa yếu tố đã làm sáng tỏ mối quan hệ định lượng giữa chế độ bôi trơn tối thiểu và chất lượng bề mặt chi tiết tiện thép C45, mang lại 4 phát hiện công nghệ nổi bật:

Thứ nhất, áp suất dòng khí nén là nhân tố có tác động mạnh mẽ nhất đến chỉ số nhám bề mặt Ra. Khi áp suất khí tăng từ 2 kg/cm2 lên 6 kg/cm2, kích thước hạt sương dầu giảm đáng kể từ 290 μm xuống dưới 50 μm, giúp tăng vận tốc phun và khả năng thâm nhập của chất bôi trơn vào vùng nêm cắt, qua đó làm giảm độ nhám Ra từ 2.45 μm xuống còn 1.91 μm (mức cải thiện đạt khoảng 22%).

Thứ hai, nồng độ dầu emulsive trong dung dịch ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất bôi trơn và sức căng bề mặt của giọt sương. Trong khoảng khảo sát từ 6% đến 10%, nồng độ 8% cho chất lượng bề mặt tối ưu nhất với Ra đạt trị số cực tiểu. Khi nồng độ tăng quá 10%, độ nhớt động học của dung dịch tăng cao cản trở quá trình xé nhỏ hạt sương của dòng khí, khiến độ nhám Ra tăng ngược trở lại khoảng 5% do bôi trơn không đồng đều.

Thứ ba, góc nghiêng của vòi phun đóng vai trò định hướng dòng hạt bôi trơn và hỗ trợ quá trình thoát phoi. Góc phun hướng vào mặt trước của dao ở vị trí 20° mang lại hiệu quả cao hơn hẳn góc 15° và 25°, giúp độ nhám bề mặt giảm thêm 12% nhờ luồng khí nén áp lực thổi trực diện vào mặt dưới của phoi, ngăn ngừa hoàn toàn hiện tượng phoi cọ quẹt làm trầy xước bề mặt chi tiết vừa gia công.

Thứ tư, phương trình hồi quy tuyến tính thực nghiệm được xây dựng thành công trên phần mềm Minitab 17 có hệ số xác định R-sq đạt trên 92.4%, chứng minh rằng mô hình giải thích được hơn 92% sự biến thiên của độ nhám bề mặt thực tế và các sai số ngẫu nhiên chỉ chiếm dưới 8%.

Thảo luận kết quả

Cơ chế vật lý đằng sau sự suy giảm độ nhám bề mặt khi ứng dụng MQL nằm ở sự kết hợp kép giữa làm mát đối lưu cưỡng bức và bôi trơn giảm ma sát. Ở vận tốc cắt 170 m/phút, dòng khí nén áp suất cao mang theo hàng triệu hạt dầu kích thước micron đã hạ nhiệt độ cục bộ vùng cắt, triệt tiêu sự chảy dẻo kim loại và dập tắt hoàn toàn sự hình thành của lẹo dao. Kết quả này hoàn toàn tương thích và làm sâu sắc thêm các kết luận của Dhar và cộng sự khi tiện thép AISI 1040, cũng như nghiên cứu của Hadad và Sadeghi khi chỉ ra MQL giúp cải thiện từ 25% đến 40% độ bóng bề mặt so với gia công khô.

Dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu được trực quan hóa thông qua biểu đồ bề mặt đáp ứng 3D và đồ thị Pareto trong Minitab 17. Các bề mặt đáp ứng thể hiện rõ độ dốc cực đại theo trục áp suất khí nén, khẳng định áp suất là biến số chi phối hàng đầu. Đồng thời, bảng phân tích phương sai ANOVA cho thấy tất cả các giá trị p-value của các nhân tố áp suất, tỉ lệ dầu và góc phun đều nhỏ hơn mức ý nghĩa 0.05, khẳng định mô hình toán học đạt độ tin cậy tuyệt đối trong điều kiện sản xuất cơ khí thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả thực nghiệm và mô hình toán học đã được kiểm chứng, nghiên cứu đưa ra 4 khuyến nghị hành động thiết thực cho các doanh nghiệp cơ khí chế tạo:

Thứ nhất, thiết lập và chuẩn hóa bộ thông số công nghệ bôi trơn tối thiểu tối ưu trong quy trình tiện bán tinh thép C45: Áp suất khí nén cố định ở mức 5.5 đến 6.0 kg/cm2, tỉ lệ dầu emulsive hòa tan đạt 8%, góc nghiêng đầu phun 20° hướng vào mặt trước của dao và lưu lượng cấp dầu 120 ml/giờ. Bộ thông số này cần được kỹ sư công nghệ ban hành áp dụng ngay trong quý 1 nhằm duy trì độ nhám Ra ổn định dưới 1.6 μm.

Thứ hai, triển khai chuyển đổi lắp đặt cụm thiết bị phun sương MQL ngoại vi cho toàn bộ hệ thống máy tiện vạn năng và máy tiện CNC tại xưởng sản xuất. Mục tiêu dự án nhằm cắt giảm 85% lượng dầu trơn nguội tiêu thụ hàng tháng và tiết kiệm khoảng 30% điện năng vận hành máy bơm làm mát, với lộ trình hoàn thành trong vòng 6 tháng do phòng bảo trì cơ điện phụ trách.

Thứ ba, ban hành quy trình kiểm soát nồng độ dung dịch trơn nguội định kỳ 2 lần mỗi ca làm việc bằng thiết bị khúc xạ kế quang học cầm tay. Tổ trưởng sản xuất có trách nhiệm theo dõi để đảm bảo tỉ lệ emulsive luôn duy trì chuẩn xác ở mức 8% ± 0.5%, tránh tình trạng bốc hơi nước làm tăng độ nhớt dung dịch gây nghẹt vòi phun.

Thứ tư, mở rộng hướng nghiên cứu thực nghiệm đa mục tiêu trong giai đoạn 12 tháng tiếp theo do các viện nghiên cứu và trường đại học kỹ thuật chủ trì. Nghiên cứu tiếp theo cần khảo sát tích hợp đồng thời ảnh hưởng của chế độ cắt (vận tốc v, lượng chạy dao s, chiều sâu t) và các thông số MQL đến cả 3 hàm mục tiêu: lực cắt 3 chiều, nhiệt độ vùng cắt và tuổi bền mòn dao tiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị ứng dụng khoa học và thực tiễn phong phú cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

Thứ nhất, kỹ sư công nghệ chế tạo máy và kỹ thuật viên vận hành xưởng cơ khí: Ứng dụng trực tiếp bộ thông số bôi trơn MQL tối ưu (áp suất 6 kg/cm2, nồng độ 8%, góc 20°) vào dây chuyền tiện trục thép C45 để nâng cao độ bóng bề mặt chi tiết, loại bỏ phoi quấn và tăng tuổi thọ mảnh hợp kim cắt gọt thêm 30%.

Thứ hai, giám đốc nhà máy và nhà quản trị sản xuất công nghiệp: Tham khảo luận cứ kinh tế kỹ thuật để xây dựng kế hoạch thay thế hệ thống tưới tràn bằng công nghệ bôi trơn tối thiểu, hướng tới cắt giảm 40% chi phí năng lượng và loại bỏ hoàn toàn chi phí xử lý nước thải độc hại theo chuẩn sản xuất bền vững.

Thứ ba, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí: Sử dụng phương pháp luận quy hoạch thực nghiệm toàn phần, cách thức xử lý dữ liệu hồi quy đa biến trên Minitab 17 và hệ số kiểm định thống kê làm tài liệu tham khảo chuẩn mực cho các đề tài nghiên cứu về gia công tiên tiến.

Thứ tư, giảng viên và các nhà nghiên cứu tại các trường đại học kỹ thuật: Khai thác mô hình thiết bị phun sương MQL tự chế tạo và cơ sở lý thuyết khí động học hạt sương làm học liệu trực quan phục vụ giảng dạy các môn học Công nghệ Kim loại, Dụng cụ cắt và Gia công xanh.

Câu hỏi thường gặp

Bôi trơn tối thiểu MQL khác biệt thế nào so với phương pháp tưới tràn truyền thống? Công nghệ MQL chỉ sử dụng lưu lượng chất bôi trơn cực nhỏ từ 50 đến 500 ml/giờ (luận văn sử dụng 120 ml/giờ), thấp hơn khoảng 10.000 lần so với tưới tràn (10 đến 225 lít/phút). MQL hòa trộn dầu với khí nén áp suất cao để bôi trơn trực diện vùng cắt, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và cắt giảm 35% điện năng tiêu thụ.

Tại sao áp suất dòng khí nén lại là thông số quyết định chất lượng bề mặt khi tiện MQL? Áp suất khí nén từ 2 đến 7 kg/cm2 đóng vai trò tán nhỏ giọt dầu thành các hạt sương kích thước siêu mịn dưới 50 μm. Áp suất cao gia tăng động năng cho hạt sương thâm nhập sâu vào nêm ma sát giữa dao và phoi, đồng thời tạo luồng khí thổi sạch phoi vụn, giúp giảm độ nhám Ra tới 22%.

Tỉ lệ nồng độ dầu emulsive 8% mang lại lợi ích cơ học gì trong quá trình cắt gọt thép C45? Nồng độ emulsive 8% tạo ra sự cân bằng hoàn hảo giữa sức căng bề mặt và độ nhớt động học của dung dịch Blasocut 2000. Tỉ lệ này đảm bảo màng dầu bám dính tốt để bôi trơn giảm ma sát, trong khi lượng nước 92% còn lại bay hơi nhanh giúp giải nhiệt hiệu quả, ngăn chặn tối đa hiện tượng lẹo dao cào xước phôi.

Vị trí và góc đặt vòi phun 20° lên mặt trước dao mang lại ưu thế kỹ thuật gì? Góc phun 20° hướng vào mặt trước của dao giúp tia sương bôi trơn tiếp cận chính xác điểm tiếp xúc sinh nhiệt cao nhất giữa phoi và mặt trước dao. Vị trí này giúp đẩy phoi cuốn thoát ra ngoài thuận lợi theo dòng khí, tránh va chạm vào mặt gia công và giảm độ nhám bề mặt thêm 12% so với góc 15°.

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm trong luận văn có độ tin cậy thống kê ra sao? Nghiên cứu áp dụng quy hoạch thực nghiệm toàn phần 3 nhân tố với các lần lặp đo đạc kiểm chứng sai số tái hiện. Phương trình hồi quy xây dựng trên Minitab 17 đạt hệ số xác định R-sq trên 92%, kiểm định Fisher và Student đều cho thấy các biến số có ý nghĩa thống kê cao với mức tin cậy vượt 95%.

Kết luận

• Luận văn đã chế tạo và thử nghiệm thành công hệ thống bôi trơn tối thiểu MQL với lưu lượng cố định 120 ml/giờ ứng dụng trong nguyên công tiện thép C45.
• Thiết lập thành công phương trình hồi quy tương quan đa biến mô tả chính xác sự phụ thuộc của độ nhám bề mặt Ra vào áp suất khí nén, tỉ lệ dầu emulsive và góc phun vòi với hệ số tin cậy R-sq đạt trên 92%.
• Xác định được bộ thông số công nghệ tối ưu gồm áp suất khí nén 6 kg/cm2, tỉ lệ emulsive 8% và góc vòi phun 20°, giúp giảm độ nhám bề mặt khoảng 22% so với chế độ thông thường.
• Đóng góp luận cứ khoa học và cơ sở thực nghiệm vững chắc cho định hướng gia công cơ khí xanh, thân thiện môi trường và an toàn cho sức khỏe người lao động tại Việt Nam.
• Cung cấp giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao, hỗ trợ các doanh nghiệp cơ khí chế tạo cắt giảm 85% chi phí chất bôi trơn và tiết kiệm trên 30% điện năng tiêu thụ của máy công cụ.

Trong giai đoạn 6 đến 12 tháng tới, các doanh nghiệp chế tạo máy và cơ sở gia công cơ khí nên chủ động triển khai tích hợp công nghệ bôi trơn tối thiểu MQL vào quy trình sản xuất thực tế để tối ưu hóa chi phí vận hành và nâng cao năng lực cạnh tranh trên thị trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. Tổng quan về công nghệ bôi trơn tối thiểu 1. Vai trò của dung dịch trơn nguội trong gia công cắt gọt Trong ngành công nghiệp cơ khí ngày nay, nhu cầu ngày càng tăng với chi phí thấp, năng suất cao và chất lượng sản phẩm tốt.

Năng suất cao vốn gắn liền với tốc độ cắt cao, lượng chạy dao và chiều sâu cắt lớn, dẫn đến một lượng lớn nhiệt sinh ra tại vùng gia công. Xét về mặt biểu diễn, dung dịch trơn nguội hiệu quả làm tăng tuổi thọ dụng cụ, cho phép kiểm soát tốt kích thước và chất lượng bề mặt tốt. Chất lượng bề mặt tốt không chỉ đạt tính thẩm mỹ mong muốn của một sản phẩm mà còn để cải thiện các tính chất ma sát, độ bền mỏi, và khả năng chống ăn mòn. Do đó, chất lượng bề mặt là cực kỳ quan trọng trong việc đánh giá năng suất của các công cụ máy móc và các bộ phận cơ khí.

Bên cạnh đó, nó có thể được sử dụng như một chỉ số chất lượng quan trọng cho bề mặt gia công. Việc lựa chọn, áp dụng và kiểm soát đúng đắn dung dịch trơn sẽ dẫn đến việc trở thành một phần không thể tách rời của một xưởng cơ khí có hiệu quả về chi phí, được tổ chức tốt và an toàn. Do đó, Dung dịch trơn nguội là điều cần thiết để giải quyết các vấn đề nhằm đạt năng suất cao. Tuy nhiên bên cạnh những mặt lợi mà dung dịch trơn nguội đem lại có những bất lợi nhất định như chi phí xử lý việc thải bỏ dung dịch trơn nguội, chi phí cho việc dự trữ và thải bỏ dung dịch trơn nguội có thể cao gấp hai lần chi phí gia công [1], ngoài ra sức khỏe của người sử dụng bị ảnh hưởng rất nhiều đặc biệt là các bệnh về da và hô hấp.

Trong khí đó nền công nghiệp luôn hướng đến nền “sản xuất bền vững” – Tạo ra các sản phẩm được sản xuất sử dụng quy trình giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường, bảo tồn năng lượng và tài nguyên thiên nhiên, an toàn cho nhân viên, người tiêu dùng và cộng đồng [2]. HVTH: PHẠM TUẤN NGHĨA 1 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: TS TRẦN ANH SƠN Hình 1. Đặc tính của sản xuất bền vững [3] Do đó có thể thấy rằng việc cắt giảm sử dụng dung dịch trơn nguội đang là một xu thế tất yếu. Ngày nay, đã có nhiều phương pháp bôi trơn được nghiên cứu và ứng dụng vào gia công đảm bảo vấn đề môi trường và kinh kế kỹ thuật, một trong số đó phương pháp bôi trơn tối thiểu đã thể hiện những ưu điểm đáng kể so với các phương pháp khác.

HVTH: PHẠM TUẤN NGHĨA 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: TS TRẦN ANH SƠN  Giảm ma sát & lực cắt  Giảm nhiệt cắt  Giảm lẹo dao và mòn dao Dung dịch  Cải thiện chất lượng bề mặt Bôi trơn trơn nguội  Nâng cao vận tốc cắt và lượng chạy dao  Giảm hao tốn năng lượng  Giải nhiệt từ vùng gia 1. Tăng tuổi thọ công dụng cụ  Giảm nhiệt cắt Làm mát 2. Nâng cao năng  Giảm mòn dao suất  Nâng cao độ chính xác 3. Cải thiện chất kích thước lượng chi tiết  Đưa phoi ra khỏi vùng gia công Thoát phoi  Giảm mòn dao  Làm sạch phôi Hình 1.

Vai trò của dung dịch trơn nguội [4] 1. Công nghệ bôi trơn tốt thiểu Bôi trơn tối thiểu (Minimum Quantity Lubrication - MQL) hay gia công gần khô (Near Dry Machining – NDM) là kỹ thuật chỉ sử dụng một lượng rất nhỏ dung dịch trơn nguội trong suốt quá trình gia công. Lưu lượng chất lỏng trong hệ thống MQL thông thường là 50÷500 ml / h, được ước tính thấp hơn 10.000 lần so với việc tưới tràn thông thường [3]. Trong kỹ thuật MQL / NDM, một lượng nhỏ chất bôi trơn / làm mát được trộn lẫn với không khí để tạo thành dạng sương, được phun ở áp suất cao vào vùng gia công với sự trợ giúp của vòi phun.

Hệ thống này bao gồm một bộ tạo sương, bể chứa dung dịch trơn nguội, vòi xả, vv. Bộ tạo sương hoạt động như một ống phun trong đó HVTH: PHẠM TUẤN NGHĨA 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: TS TRẦN ANH SƠN khí với áp suất cao được sử dụng để tán nhỏ chất bôi trơn thành dạng hạt có kích thước micron. Khi hỗn hợp khí và các hạt bôi trơn được phun trong vùng cắt có dạng sương mù, nó hoạt động như chất làm mát cũng như chất bôi trơn và thâm nhập sâu vào vùng tiếp xúc giữa dụng cụ cắt và phôi [5]. Theo phương thức dung dịch trơn nguội chuyển đến vùng cắt gọt, kỹ thuật MQL có thể được phân loại thành hai loại, cụ thể là hệ thống cấp MQL bên ngoài và hệ thống cung cấp MQL bên trong.

Hệ thống cấp MQL bên ngoài và bên trong [5]  Hệ thống cấp MQL bên ngoài: Hỗn hợp của luồng khí nén và dầu được cấp đến vùng cắt gọt thông qua một vòi phun bên ngoài giống với vòi phun tưới tràn trong máy. Có hai phương pháp khả thi cho hệ thống cấp MQL bên ngoài đó là: - Hệ thống cấp MQL bên ngoài với vòi phun áp lực cao: Luồng khí nén và dung dịch bôi trơn được cấp cho vòi phun một cách riêng biệt, sự hòa trỗn hỗn hợp xảy ra ngay sau miệng vòi. - Hệ thống cấp MQL bên ngoài với vòi phun thông thường: Hỗn hợp khí và chất bôi trơn được chuẩn bị trong một buồng trộn bên ngoài và sau đó được đưa đến vòi phun.  Hệ thống cấp MQL bên trong: HVTH: PHẠM TUẤN NGHĨA 4 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: TS TRẦN ANH SƠN Hỗn hợp khí và dung dịch trơn nguội được trộn bên trong một ống dẫn và đưa vào vùng cắt gọt thông qua dụng cụ cắt.

Hệ thống này có hai dạng đó là: - Dạng một kênh dẫn: Dầu và luồng khí nén được trộn bên trong dụng cụ cắt trước khi được đưa vào vùng gia công. - Dạng hai kênh dẫn: Dầu và khí nén được cung cấp trong hai đường ống lồng vào nhau và chỉ được trộn trước đồ gá dụng cụ cắt. Hệ thống cung cấp MQL bên ngoài [6] HVTH: PHẠM TUẤN NGHĨA 5 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: TS TRẦN ANH SƠN Hình 1. Hệ thống cung cấp MQL bên trong [7] Ngoài ra, từ góc nhìn gia công sạch (Green machining), công nghệ này làm giảm tối thiểu ảnh hưởng của môi trường do sở hữu các tính năng nổi bật như sau: giảm thiểu hao phí, đặc biệt là dung dịch bôi trơn; giảm thiệu điện năng tiêu hao và phát thải CO2; dung dịch bôi trơn có thể dùng dầu sinh học không độc hại thay vì dùng dầu khoáng.

Trước khi Toyota Motor Corporation và Mazda Motor Corporation triển khai hệ thống gia công MQL trong dây chuyền gia công của họ, năng lượng tiêu thụ cho việc làm mát so với tổng công suất điện đạt tới 42% ở Toyota, và 34% ở Mazda, tuy nhiên công suất tiêu thụ thực sự cho trục chính chỉ chiếm 16% tổng công suất, cho việc tẩy rửa các bộ phận gia công chiếm tới 18%. Có thể nhận thấy rằng máy bơm tiêu thụ phần lớn nhất của năng lượng trong các dây chuyền gia công. Điều này cũng có nghĩa là giảm điện năng bằng cách loại bỏ các bơm làm mát là đáng kể, và do đó nó chỉ ra rằng CO2 chắc chắn phát ra trong quá trình tạo ra điện cũng sẽ được giảm đáng kể bằng cách thay thế phương pháp tưới tràn bằng hệ thống gia công MQL. Một số dự báo cho rằng năng lượng điện được sử dụng trong dây chuyền gia công có thể được cắt giảm khoảng một nửa nếu làm sạch các bộ phận gia công cũng trở nên không cần thiết bằng cách áp dụng gia công MQL.

HVTH: PHẠM TUẤN NGHĨA 6 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: TS TRẦN ANH SƠN Hình 1. Năng lượng tiêu hao trong nhịp sản xuất Dó đó, công nghệ MQL được ứng dụng rất phổ biến trong nhiều phương pháp gia công như phay, tiện, khoan,… 1. Tình hình nghiên cứu về công nghệ bôi trơn tối thiểu Dhar và các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của MQL bằng thực nghiệm trong quá trình tiện thép AISI 1040 so sánh với gia công khô. Công nghệ MQL được sử dụng với lưu lượng 200ml/giờ và áp suất là 8 bar thông qua hệ thống cấp bên ngoài.

Với vận tốc cắt là 110 m/ph, lượng chạy dao là 0,16m/vg và chiều sâu cắt là 1,5mm, kết quả khảo sát mòn dao và nhám bề mặt theo thời gian cho thấy khi thời gian gia công từ khoảng trên 5 phút thì MQL vượt trội hơn hẳn so với gia công khô [8]. HVTH: PHẠM TUẤN NGHĨA 7 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: TS TRẦN ANH SƠN Hình 1. Mòn mặt sau phụ, Vs dưới điều kiện gia công khô và MQL [8] Hình 1.Nhám bề mặt, Ra dưới điều kiện gia công khô và MQL [8] Kamata và Obikawa đã nghiên cứu ảnh hưởng của các chế độ bôi trơn (gia công khô, tưới tràn và MQL) đến độ nhám bề mặt và tuổi thọ của dụng cụ cắt với các mảnh hợp kim được phủ bằng những phương pháp khác nhau (PVD, CVD). Dung dịch trơn HVTH: PHẠM TUẤN NGHĨA 8 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: TS TRẦN ANH SƠN nguội và luồng khí nén trong công nghệ MQL được trộn lẫn và cấp bởi hệ thống bên trong dụng cụ cắt và tiếp cận với vùng gia công tại hai vị trí mặt trước và mặt sau.

Kết quả cho thấy với cùng một phương pháp phủ thì MQL cho chất lượng bề mặt là tốt nhất, làm tăng tuổi thọ dụng cụ lên khoảng 40% so với gia công khô [9]. Tuổi thọ dụng cụ và độ nhám bề mặt của ba loại dụng cụ phủ khác nhau trong MQL, tưới tràn và gia công khô. (a) Tuổi bền; (b) Độ nhám bề mặt HVTH: PHẠM TUẤN NGHĨA 9 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: TS TRẦN ANH SƠN Trong nghiên cứu thực nghiệm của Khan và các cộng sự, phôi thép hợp kim AISI 9310 được tiện với nhiều vận tốc cắt và lượng chạy dao và trong ba điều kiện gia công khô, bôi trơn tối thiểu và tưới tràn với dung dịch trơn nguội sử dụng cho cả hai là dầu thực vật, nhằm nghiên cứu vai trò của MQL trong khả năng gia công của vật liệu phôi trên những chi tiêu nhiệt cắt, quá trình tạo hình của phoi, mòn dao và nhám bề mặt. Hệ thống MQL dạng cung cấp bên ngoài với lưu lượng 100ml/giờ, áp suất khí là 6 bar còn hệ thống tưới tràn với lưu lượng 6 l/phút với áp suất là 0,5 bar.