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

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.

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.