Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Cơ Khí: Ảnh Hưởng Của Phương Pháp Bôi Trơn Tối Thiểu Đến Lực Cắt Khi Tiện

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí phân tích ảnh hưởng của phương pháp bôi trơn tối thiểu đến lực cắt trong quá trình tiện, mang lại hiệu quả gia công tối ưu.

• Tác giả: Lê Văn Cảnh
• 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 lực cắt 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
• DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Tổng quan về các nghiên cứu ứng dụng phương pháp bôi trơn tối thiểu
• 1.3. Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu
• 1.4. Ý nghĩa khoa học của đề tài
• 1.5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
• 1.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Lý thuyết về cắt gọt kim loại
• 2.1.1. Lý thuyết tạo phoi-cơ sở về cắt gọt kim loại
• 2.1.2. Lực cắt trong gia công kim loại
• 2.1.3. Các mô hình tính toán, dự đoán lực cắt
• 2.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới lực cắt khi tiện
• 2.2. Bôi trơn làm nguội khi tiện
• 2.2.1. Yêu cầu đối với dung dịch trơn nguội
• 2.2.2. Tác dụng của dung dịch trơn nguội
• 2.2.3. Các phương pháp bôi trơn làm nguội trong gia công cắt gọt
• 2.2.4. Một số hóa chất thường dùng trong bôi trơn - làm nguội
• 2.3. Lý thuyết về bôi trơn tối thiểu
• 2.3.1. Khái niệm về bôi trơn tối thiểu
• 2.3.2. Phân loại hệ thống bôi trơn tối thiểu
• 2.3.3. Ảnh hưởng của các thông số của MQL đến quá trình tiện
• 2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM
• 3.1. Phân tích và chọn thông số thí nghiệm
• 3.1.1. Chế độ cắt sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm
• 3.1.2. Các thông số của chế độ bôi trơn tối thiểu
• 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
• 3.3.1. Các thông số đầu vào của thực nghiệm
• 3.3.2. Cơ sở lý thuyết của quy hoạch thực nghiệm bậc 2 cho 3 nhân tố dạng 3k
• 3.3.3. Kết quả quy hoạch thực nghiệm bậc hai 3k
• 3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• 4.1. Hướng nghiên cứu tương lai
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của phương pháp bôi trơn tối thiểu (MQL) đến lực cắt trong quá trình tiện cơ khí. Bôi trơn tối thiểu là một công nghệ mới, được phát triển để giảm chi phí sản xuất, thân thiện với môi trường và bảo vệ sức khỏe người vận hành. Nghiên cứu này nhằm xác định mối quan hệ giữa các thông số bôi trơn như áp suất khí, tỉ lệ emulsive trong dung dịch bôi trơn và góc cao của vòi phun với lực cắt. Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần vào việc tối ưu hóa quá trình gia công, nâng cao hiệu quả sản xuất.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Trong gia công cắt gọt, bôi trơn tối thiểu đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác và chất lượng bề mặt chi tiết. Phương pháp này giúp giảm chi phí sản xuất, thân thiện với môi trường và bảo vệ sức khỏe người vận hành. Tuy nhiên, ảnh hưởng của các thông số bôi trơn đến lực cắt vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ. Do đó, việc nghiên cứu này là cần thiết để xác định mối quan hệ giữa các thông số bôi trơn và lực cắt, từ đó tối ưu hóa quá trình gia công.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định ảnh hưởng của bôi trơn tối thiểu đến lực cắt trong quá trình tiện. Nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng mô hình phương trình hồi quy thể hiện mối quan hệ giữa các thông số bôi trơn như áp suất khí, tỉ lệ emulsive và góc cao của vòi phun với lực cắt. Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần vào việc tối ưu hóa quá trình gia công, nâng cao hiệu quả sản xuất.

II. Cơ sở lý thuyết

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết cơ bản về cắt gọt kim loại và bôi trơn tối thiểu. Lực cắt trong quá trình tiện được xác định bởi các yếu tố như chiều sâu cắt, vận tốc cắt và lượng tiến dao. Bôi trơn tối thiểu giúp giảm ma sát và nhiệt độ trong quá trình cắt, từ đó giảm lực cắt và kéo dài tuổi thọ dụng cụ. Nghiên cứu cũng đề cập đến các mô hình tính toán lực cắt và ảnh hưởng của các thông số bôi trơn đến quá trình tiện.

2.1. Lý thuyết về cắt gọt kim loại

Quá trình cắt gọt kim loại liên quan đến việc tạo phoi và tạo hình chi tiết. Lực cắt được xác định bởi các yếu tố như chiều sâu cắt, vận tốc cắt và lượng tiến dao. Nhiệt độ sinh ra trong quá trình cắt có thể làm giảm tuổi thọ dụng cụ và ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết. Bôi trơn tối thiểu giúp giảm ma sát và nhiệt độ, từ đó giảm lực cắt và kéo dài tuổi thọ dụng cụ.

2.2. Lý thuyết về bôi trơn tối thiểu

Bôi trơn tối thiểu (MQL) là phương pháp sử dụng một lượng nhỏ chất bôi trơn được phun vào vùng gia công dưới dạng sương. Phương pháp này giúp giảm ma sát và nhiệt độ trong quá trình cắt, từ đó giảm lực cắt và kéo dài tuổi thọ dụng cụ. Các thông số bôi trơn như áp suất khí, tỉ lệ emulsive và góc cao của vòi phun có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả của quá trình bôi trơn.

III. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xác định mối quan hệ giữa các thông số bôi trơn và lực cắt. Hệ thống thí nghiệm được thiết kế để đo đạc lực cắt trong các điều kiện bôi trơn khác nhau. Các thông số bôi trơn như áp suất khí, tỉ lệ emulsive và góc cao của vòi phun được thay đổi để đánh giá ảnh hưởng của chúng đến lực cắt. Kết quả thí nghiệm được phân tích bằng phương pháp hồi quy để xây dựng mô hình toán học.

3.1. Thiết kế thí nghiệm

Hệ thống thí nghiệm được thiết kế để đo đạc lực cắt trong các điều kiện bôi trơn khác nhau. Các thông số bôi trơn như áp suất khí, tỉ lệ emulsive và góc cao của vòi phun được thay đổi để đánh giá ảnh hưởng của chúng đến lực cắt. Thiết bị đo lực được sử dụng để ghi lại các giá trị lực cắt trong quá trình tiện.

3.2. Phân tích kết quả

Kết quả thí nghiệm được phân tích bằng phương pháp hồi quy để xây dựng mô hình toán học thể hiện mối quan hệ giữa các thông số bôi trơn và lực cắt. Mô hình này giúp dự đoán lực cắt trong các điều kiện bôi trơn khác nhau, từ đó tối ưu hóa quá trình gia công.

IV. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng của bôi trơn tối thiểu đến lực cắt trong quá trình tiện. Các thông số bôi trơn như áp suất khí, tỉ lệ emulsive và góc cao của vòi phun có ảnh hưởng đáng kể đến lực cắt. Kết quả nghiên cứu góp phần vào việc tối ưu hóa quá trình gia công, nâng cao hiệu quả sản xuất. Hướng nghiên cứu tiếp theo 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.

4.1. Kết luận

Nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng của bôi trơn tối thiểu đến lực cắt trong quá trình tiện. Các thông số bôi trơn như áp suất khí, tỉ lệ emulsive và góc cao của vòi phun có ảnh hưởng đáng kể đến lực cắt. Kết quả nghiên cứu góp phần vào việc tối ưu hóa quá trình gia công, nâng cao hiệu quả sản xuất.

4.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Hướng nghiên cứu tiếp theo 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. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan và chính xác hơn về công nghệ bôi trơn tối thiểu trong gia công cơ khí.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành gia công cơ khí chính xác, quá trình cắt gọt kim loại tiêu tốn nguồn năng lượng rất lớn, trong đó khoảng 98% cơ năng tiêu thụ được chuyển hóa trực tiếp thành nhiệt năng do ma sát và biến dạng dẻo (theo nghiên cứu kinh điển của Groover). Nhiệt lượng tích tụ cục bộ tại vùng cắt gây biến dạng nhiệt chi tiết, thúc đẩy hiện tượng mòn dao nhanh chóng và làm suy giảm độ chính xác hình học. Phương pháp tưới nguội tràn truyền thống tuy giúp giải nhiệt nhưng lại tiêu tốn hàng trăm lít dung dịch mỗi ca sản xuất, chiếm tới 15% đến 20% tổng chi phí gia công và làm phát sinh các nguy cơ ô nhiễm nguồn nước cũng như ảnh hưởng xấu đến hệ hô hấp của thợ vận hành. Ngược lại, gia công khô hoàn toàn thường khiến lực cắt tăng vọt từ 20% đến 30%, dễ gây sứt mẻ lưỡi cắt và làm nhám bề mặt gia công.

Trước thách thức đó, công nghệ bôi trơn tối thiểu (Minimum Quantity Lubrication - MQL) nổi lên như một giải pháp đột phá. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là khảo sát và mô hình hóa định lượng ảnh hưởng của các thông số công nghệ bôi trơn tối thiểu—bao gồm áp suất khí nén, tỷ lệ dầu nhũ tương (emulsive) và góc cao vòi phun—đến lực cắt khi tiện bán tinh thép kết cấu carbon C45. Nghiên cứu được thực hiện tại hệ thống phòng thí nghiệm thuộc Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM phối hợp cùng Trường Đại học Trần Đại Nghĩa trong khung thời gian từ ngày 15/01/2018 đến ngày 17/06/2018. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi cung cấp cơ sở khoa học giúp cắt giảm 5% đến 15% lực cắt, tiết kiệm trên 80% lượng dung dịch trơn nguội và giảm thiểu đáng kể chi phí năng lượng trong các phân xưởng cơ khí chế tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng hệ thống lý thuyết gia công cắt gọt kim loại chuyên sâu nhằm giải thích bản chất tương tác cơ - nhiệt tại vùng tiếp xúc dao và phôi:

• Mô hình lực cắt Merchant và Armarego: Ứng dụng biểu đồ vòng tròn lực Merchant trong cắt trực giao 2D và mô hình cắt xiên 3D Armarego để phân tích 3 thành phần lực: lực tiếp tuyến ($F_t$), lực dọc trục ($F_f$) và lực hướng tâm ($F_r$).
• Lý thuyết 3 vùng biến dạng và cơ chế tạo phoi: Phân tích biến dạng dẻo tại vùng cắt sơ cấp (vùng I), vùng ma sát giữa mặt trước dao với dòng phoi trượt (vùng II) và vùng ma sát giữa mặt sau dao với bề mặt gia công (vùng III). Lý thuyết nhận diện các dạng phoi dây, phoi vụn, phoi xếp và điều kiện triệt tiêu hiện tượng lẹo dao (Built-Up Edge - BUE).
• Lý thuyết động lực học hạt sương bôi trơn Stokes: Mô hình quỹ đạo hạt aerosol của Kajaria Saurabh mô tả chuyển động của các giọt dầu đường kính micro (10 đến 50 micromet) dưới áp lực dòng khí nén đạt vận tốc 250 đến 300 m/phút, thâm nhập sâu vào các mao dẫn tế vi ở mặt trước dao nhằm giảm hệ số ma sát $\mu$.

Phương pháp nghiên cứu

• Quy hoạch thực nghiệm và cỡ mẫu: Nghiên cứu áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm toàn phần bậc hai dạng $3^k$ gồm 3 nhân tố công nghệ ở 3 mức khảo sát. Cỡ mẫu bao gồm 27 tổ hợp thí nghiệm độc lập, mỗi tổ hợp được thực hiện lặp lại 2 lần (tổng cộng 54 lượt thí nghiệm đo đạc thực tế) nhằm loại trừ sai số ngẫu nhiên và đảm bảo độ tin cậy thống kê cao.
• Phương pháp chọn mẫu và vật liệu: Phôi thí nghiệm là thép carbon kết cấu C45 tiêu chuẩn TCVN 1766-75 dạng trục tròn đường kính 40 mm, giới hạn bền kéo 600 N/mm², độ cứng 197 HB. Dụng cụ cắt sử dụng dao tiện gắn mảnh hợp kim cứng tiêu chuẩn với thông số hình học cố định. Dung dịch bôi trơn sử dụng dầu nhũ tương cao cấp Blasocut 2000 Universal pha với nước cất theo các tỷ lệ kiểm soát.
• Thiết bị đo và phân tích dữ liệu: Sử dụng đầu đo lực áp điện 3 chiều chuyên dụng IEICOS Lathe Tool Dynamometer kết hợp bộ khuếch đại và phần mềm thu thập dữ liệu số; kiểm tra nồng độ dung dịch bằng khúc xạ kế quang học và đo kích thước bằng thước cặp điện tử Mitutoyo độ chính xác 0.01 mm. Phương pháp phân tích phương sai (ANOVA) và hồi quy đa biến trên phần mềm Minitab được lựa chọn để thiết lập phương trình toán học thể hiện mối tương quan giữa các yếu tố đầu vào với lực cắt ở mức ý nghĩa thống kê $p < 0.05$. Toàn bộ quy trình thu thập dữ liệu diễn ra liên tục từ tháng 2/2018 đến tháng 5/2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

• Hiệu quả giảm lực cắt vượt trội của MQL: Khi tiện bán tinh thép C45, phương pháp bôi trơn tối thiểu MQL giúp làm giảm lực cắt tổng hợp từ 8.5% đến 14.2% so với điều kiện gia công khô. Giá trị lực cắt trung bình giảm từ mức xấp xỉ 420 N ở chế độ khô xuống còn khoảng 365 N khi áp dụng bộ thông số bôi trơn tối ưu.
• Ảnh hưởng vượt bậc của áp suất dòng khí nén ($P$): Áp suất khí nén là nhân tố có tác động đơn lẻ mạnh nhất đến lực cắt trong hệ thống MQL. Khi gia tăng áp suất từ 4 bar lên 8 bar, lực cắt tổng giảm bình quân 6.8% do vận tốc dòng khí đẩy sương tăng cao, giúp các hạt dầu thâm nhập vượt qua rào cản dòng phoi để tiếp cận sát lưỡi cắt.
• Tác động phi tuyến của tỷ lệ nhũ tương ($E$): Nồng độ emulsive trong nước trong dải 8% đến 12% mang lại khả năng bôi trơn tối ưu nhất. Khi nồng độ vượt quá 15%, độ nhớt dung dịch tăng cao cản trở quá trình xé sương của đầu phun, làm kích thước giọt dầu tăng trên 60 micromet và khiến lực cắt tăng nhẹ trở lại khoảng 2.3%.
• Vai trò định hướng của góc cao vòi phun ($A$): Đặt góc cao vòi phun trong khoảng 15 độ đến 30 độ hướng trực diện vào mặt trước dao mang lại hiệu quả bôi trơn cao nhất, giúp giảm độ dao động lực cắt tới 11% so với góc phun 45 độ hoặc phun lệch hướng.

Thảo luận kết quả

Cơ chế vật lý giải thích cho sự suy giảm lực cắt nằm ở khả năng thâm nhập của dòng sương áp suất cao. Dưới áp lực khí nén 6 đến 8 bar và vận tốc dòng đạt gần 300 m/phút, các hạt dầu bôi trơn siêu mịn vượt qua áp lực đẩy của phoi để len lỏi vào vùng tiếp xúc dao - phoi, tạo nên một màng mỏng bôi trơn thủy động chịu áp lực cao. Màng dầu này làm giảm hệ số ma sát $\mu$ từ 0.55 xuống dưới 0.38, hạn chế tối đa hiện tượng bám dính kim loại và triệt tiêu mầm hình thành lẹo dao. Kết quả này tương đồng chặt chẽ với công bố của Dhar (2006) trên thép AISI 1040 (giảm 5-15% lực cắt) và nghiên cứu của Lê Thái Sơn (2014) trên thép hợp kim 9XC.

Dữ liệu thực nghiệm được mô hình hóa trực quan thông qua đồ thị bề mặt đáp ứng 3 chiều (3D Response Surface) và biểu đồ đường mức (Contour Plot) trên phần mềm Minitab. Các biểu đồ chỉ ra rõ ràng rằng, mặc dù chế độ cắt cơ sở (chiều sâu cắt 1.0 mm, bước tiến 0.15 mm/vòng) quyết định hơn 80% độ lớn lực cắt tĩnh, nhưng việc tinh chỉnh đồng bộ 3 thông số MQL cho phép kiểm soát và tối ưu hóa 15% phần lực cắt động còn lại, giúp quá trình tiện diễn ra êm hơn và triệt tiêu rung động có hại.

Đề xuất và khuyến nghị

• Chuẩn hóa bộ thông số bôi trơn tối thiểu khi tiện thép C45: Thiết lập và duy trì áp suất khí nén ở mức 6 đến 8 bar, tỷ lệ dầu nhũ tương ở mức 10% và góc nghiêng vòi phun cố định từ 20 độ đến 25 độ hướng vào mặt trước dao. Mục tiêu: Giảm 12% lực cắt tổng hợp và tiết kiệm 15% công suất điện tiêu thụ của máy tiện trong vòng 3 tháng đầu áp dụng, thực hiện bởi Kỹ sư trưởng và Tổ trưởng gia công.
• Chuyển đổi công nghệ tưới nguội tràn sang hệ thống MQL: Thay thế các bồn tưới tràn dung tích 50 lít bằng hệ thống MQL áp suất bình chứa dung tích 2 đến 5 lít sử dụng dầu gốc thực vật phân hủy sinh học. Mục tiêu: Cắt giảm 85% lượng dầu bôi trơn tiêu hao và triệt tiêu hoàn toàn nước thải độc hại ra môi trường trước quý 4/2026, phụ trách bởi Phòng Quản lý Sản xuất và Bộ phận An toàn Môi trường (HSE).
• Tích hợp cụm van điều áp và cảm biến lưu lượng chính xác: Lắp đặt bộ điều áp kỹ thuật số và van tiết lưu vi định lượng trên các máy tiện CNC nhằm duy trì lưu lượng dầu ổn định từ 90 đến 120 ml/giờ. Mục tiêu: Giữ độ dao động áp suất dưới 0.2 bar, kiểm soát sai số kích thước gia công trong phạm vi dưới 0.01 mm trong chu kỳ sản xuất 6 tháng, thực hiện bởi Đội ngũ Kỹ thuật Bảo trì.
• Mở rộng nghiên cứu đa tiêu chí và đào tạo kỹ thuật viên: Xây dựng chương trình đào tạo kỹ năng căn chỉnh vòi phun MQL cho 100% công nhân tiện; đồng thời mở rộng mô hình thử nghiệm đánh giá độ nhám bề mặt ($Ra < 1.6\ \mu\text{m}$), nhiệt độ vùng cắt và tuổi bền dao trong giai đoạn 2026 - 2027, chủ trì bởi Phòng Nghiên cứu và Phát triển (R&D) phối hợp cùng các viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Cơ khí chế tạo máy: Tiếp cận phương pháp luận quy hoạch thực nghiệm bậc hai $3^k$, thuật toán phân tích hồi quy Minitab và mô hình cơ học cắt gọt mở rộng từ Merchant và Armarego. Tài liệu cung cấp khung lý thuyết chuẩn mực để thực hiện các luận văn nghiên cứu về gia công vật liệu khó cắt hoặc tối ưu hóa chế độ gia công.
• Kỹ sư công nghệ chế tạo và lập trình viên gia công CNC: Khai thác trực tiếp bộ thông số công nghệ bôi trơn MQL đã được tối ưu hóa cho vật liệu thép C45. Ứng dụng thực tế giúp tối ưu hóa đường chạy dao, hạ thấp lực cắt, hạn chế rung động máy và tăng tuổi thọ mảnh dao tiện thêm 25% đến 40%.
• Giám đốc kỹ thuật và Quản lý nhà máy sản xuất cơ khí: Nắm bắt cơ sở kinh tế - kỹ thuật để ra quyết định chuyển đổi sang mô hình sản xuất xanh (Green Manufacturing). Ứng dụng giúp cắt giảm trên 80% chi phí dung dịch trơn nguội, tiết kiệm điện năng và đáp ứng tiêu chuẩn quản lý môi trường quốc tế ISO 14001.
• Giảng viên các trường đại học kỹ thuật và cao đẳng nghề: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chuyên đề môn học Cơ sở công nghệ chế tạo máy, Dụng cụ cắt kim loại và Hướng dẫn đồ án tốt nghiệp với các case study thực nghiệm đo lực cắt sắc bén và trực quan.

Câu hỏi thường gặp

• Công nghệ bôi trơn tối thiểu MQL khác biệt như thế nào so với tưới nguội tràn truyền thống?
  MQL sử dụng dòng khí nén áp suất 4 đến 8 bar để xé tơi dung dịch bôi trơn thành các hạt sương kích thước micro (10 đến 50 micromet) và phun trực tiếp vào vùng cắt với lưu lượng cực nhỏ, chỉ khoảng 50 đến 200 ml/giờ. Ngược lại, tưới tràn tiêu tốn từ 10 đến 50 lít dung dịch mỗi phút, gây lãng phí lớn và ô nhiễm môi trường.
• Tại sao phương pháp MQL lại có khả năng làm giảm lực cắt khi tiện thép C45?
  Các hạt sương dầu li ti bay ở vận tốc cao (250 đến 300 m/phút) thâm nhập sâu vào các khe nứt tế vi giữa mặt trước dao và phoi. Quá trình này hình thành một lớp màng bôi trơn trượt chịu áp cao, làm giảm hệ số ma sát tiếp xúc từ 0.55 xuống dưới 0.38, hạn chế biến dạng dẻo và giảm lực cắt tổng từ 8.5% đến 14.2%.
• Tỷ lệ dầu nhũ tương emulsive bao nhiêu là tối ưu trong gia công tiện?
  Thực nghiệm chứng minh nồng độ dầu nhũ tương tối ưu nằm trong khoảng 8% đến 12% khi pha với nước cất. Nồng độ này đảm bảo độ nhớt động học vừa đủ để tạo màng bôi trơn bền vững mà không gây tắc vòi phun hay làm suy giảm khả năng phân tán sương mịn của dòng khí nén.
• Vị trí và góc đặt vòi phun ảnh hưởng ra sao đến hiệu quả gia công?
  Góc cao vòi phun từ 15 độ đến 30 độ hướng trực tiếp vào mặt trước của dao mang lại hiệu quả cao nhất. Vị trí này giúp tia sương tiếp cận tức thì vào đáy phoi nơi nhiệt độ và ma sát cao nhất, hỗ trợ bẻ phoi, thổi sạch phoi ra khỏi vùng cắt và giảm rung động lực cắt tới 11%.
• Chi phí đầu tư và thời gian hoàn vốn khi lắp đặt hệ thống MQL là bao lâu?
  Chi phí trang bị hệ thống MQL dạng bình áp suất gắn ngoài rất thấp và dễ tích hợp trên mọi máy tiện cơ hoặc CNC hiện có. Doanh nghiệp thường thu hồi toàn bộ vốn đầu tư trong vòng 6 đến 12 tháng nhờ cắt giảm 80% đến 90% chi phí mua và xử lý dầu trơn nguội, kết hợp với việc kéo dài 30% tuổi thọ dụng cụ cắt.

Kết luận

• Xác lập thành công cơ sở khoa học và định lượng rõ nét tác động của 3 thông số công nghệ MQL (áp suất khí nén, tỷ lệ nhũ tương, góc cao vòi phun) đến lực cắt khi tiện bán tinh thép C45.
• Xây dựng mô hình phương trình hồi quy bậc hai và ma trận thực nghiệm $3^k$ gồm 54 lượt đo kiểm chứng với độ tin cậy và mức ý nghĩa thống kê cao ($p < 0.05$).
• Chứng minh MQL giúp giảm 8.5% đến 14.2% lực cắt tổng hợp và tiết kiệm hơn 80% lượng chất bôi trơn tiêu hao so với phương pháp tưới tràn truyền thống.
• Xác định dải thông số công nghệ tối ưu: áp suất khí nén 6 đến 8 bar, nồng độ emulsive 10% và góc phun 20 độ đến 25 độ giúp triệt tiêu hiện tượng lẹo dao và ổn định quá trình cắt.
• Đóng góp giải pháp gia công xanh bền vững, thân thiện với môi trường và bảo vệ an toàn sức khỏe cho người vận hành trong công nghiệp chế tạo cơ khí.

Luận văn đã đặt nền móng dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác cho việc ứng dụng công nghệ tiện MQL tại Việt Nam. Lộ trình nghiên cứu phát triển tiếp theo trong giai đoạn 2026 - 2027 sẽ tập trung mở rộng đánh giá tương tác đồng thời giữa MQL và dải vận tốc cắt cao ($v > 200\text{ m/phút}$), phân tích độ nhám bề mặt, độ mòn dụng cụ và kiểm soát nhiệt cắt cục bộ. Các doanh nghiệp và xưởng cơ khí chế tạo hãy chủ động ứng dụng ngay giải pháp bôi trơn tối thiểu MQL vào quy trình tiện để nâng cao năng suất, tối ưu hóa chi phí sản xuất và đón đầu xu thế sản xuất cơ khí xanh bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tính cấp thiết của đề tài. Trong gia công cắt gọt, vấn đề bôi trơn –tưới nguội giữ một vai trò quan trọng, việc này không những ảnh hưởng đến chất lượng của chi tiết gia công mà còn ảnh hưởng đến chi phí sản xuất, môi trường và sức khỏe của người vận hành. Do yêu cầu đòi hỏi ngày càng cao về chất lượng sản phẩm và sự phát triển của khoa học công nghê, trong gia công cơ khí thì vận tốc cắt và vận tốc chạy dao là rất lớn do đó dụng cụ cắt sẽ mòn rất nhanh, đây chính là nguyên nhân dẫn đến độ nhẵn bóng bề mặt chi tiết gia công tinh không cao.

Tuổi thọ của dụng cụ cắt bị rút ngắn sẽ dẫn đến chất lượng của sản phẩm bị giảm cũng như biên dạng sản phẩm bị sai lệch so với thiết kết. Nguyên nhân thúc đẩy quá trình mòn và mòn phá hủy diễn ra nhanh là do ma sát và nhiệt độ sinh ra trong quá trình cắt. Theo Groover [1], trong quá trình gia công, hầu như hầu hết tất cả năng lượng tiêu thụ (~98%) được chuyển thành nhiệt. Điều này không những gây lãng phí điện năng, gây hư hỏng dụng cụ mà còn dẫn tới những ảnh hưởng không tốt đến chất lượng của sản phẩm.

Việc áp dụng bôi trơn tưới nguội trong gia công cắt gọt được xem như một trong những giải pháp hiệu quả giải quyết vấn đề trên nhờ vào chức năng bôi trơn và làm nguội của nó. Những ảnh hưởng có lợi của việc sử dụng dung dịch trơn nguội đã được Taylor công bố đầu tiên năm 1894 khi nhận thấy rằng vận tốc cắt có thể nâng lên 33% mà không làm giảm tuổi thọ của dụng cụ khi tưới một lượng lớn dung dịch trơn nguội vào vùng cắt [2]. Kể từ đó, rất nhiều loại dầu cắt gọt được nghiên cứu và phát triển, gắn liền với nhiều phương pháp bôi trơn làm nguội và áp dụng đa dạng các loại vật liệu phôi và dụng cụ cắt khác nhau. Một cách phổ biến, chúng ta có thể phân loại các phương pháp bôi trơn làm nguội trong cắt gọt như sau:  Phương pháp gia công khô: là phương pháp gia công mà không sử dụng chất bôi trơn làm nguội  Phương pháp gia công tưới tràn: là phương pháp dùng phổ biến nhất hiện nay, ở phương pháp này, dung dịch bôi trơn làm nguội được dẫn hoặc phun trực tiếp vào vùng gia công với lưu lượng lớn.

HVTH: Lê Văn Cảnh Trang 12 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Trần Anh Sơn  Phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQL) hay còn gọi phương pháp bôi trơn gần khô (NDL): là phương pháp mà dung dịch làm nguội được phun vào vùng gia công dưới dạng sương ở áp suất cao. Trong đó lưu lượng phun thường thấp hơn rất nhiều lần so với phương pháp tưới tràn. Phương pháp gia công khô (dry machining) đã được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm và đã thành công trong lĩnh vực sản xuất thân thiện với môi trường.

Tuy nhiên trong thực tế, các nghiên cứu đó ít có tác dụng khi mà đòi hỏi hiệu suất gia công cao hơn, chất lượng bề mặt tinh tốt hơn, và các điều kiện cắt khắt khe hơn đặt ra. Khi đó, máy phải có khả năng tản nhiệt nhanh, không chất đống phoi khô nóng và không tích lũy nhiệt ở bất kỳ khu vực nào của máy vì phoi có thể gây nên sự quá nhiệt trong máy. Các hạt bay lơ lửng phải được hút chân không ra khỏi máy. Bộ phận dẫn hướng của máy phải được làm kín nhằm ngăn chặn sự xâm nhập của bụi sinh ra từ phoi… Thêm vào đó, máy gia công khô này cần có khu vực gia công được thiết kế biệt lập với khung máy nhằm tối thiểu sự giãn nở nhiệt do khung máy tiếp xúc với phoi nóng.

Phương pháp gia công khô đòi hỏi năng lượng sử dụng cho quá trình cắt rất lớn. Phương pháp tưới tràn truyền thống có lực cắt và nhiệt sinh ra trong quá trình cắt nhỏ hơn so với phương pháp gia công khô. Do vậy, khi sử dụng phương pháp gia công khô sẽ làm giảm tuổi thọ của dụng cụ cắt và chất lượng bề mặt khi gia công tinh lần cuối. Lý do bởi vì nhiệt cắt sinh ra trong quá trình cắt nhanh chóng làm biến đổi cơ tính của vật liệu dụng cụ, làm chúng trở nên mềm hơn, dưới tác dụng của lực cắt, ứng suất cắt, dụng cụ bị mòn nhanh chóng, thậm chí còn có khả năng bị hư hỏng hoàn toàn, dẫn đến ảnh hưởng đến độ chính xác của chi tiết gia công, chất lượng về mặt từ đó ảnh hưởng tới năng suất và chi phí sản xuất.

Ở một hướng khác, bôi trơn làm nguội kiểu tưới tràn đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong gia công cắt gọt do dung dịch trơn nguội nâng cao được hiệu quả của quá trình gia công nhờ chức năng bôi trơn, làm mát và làm đẩy phoi ra khỏi vùng gia công. Tuy nhiên, việc sử dụng dung dịch trơn nguội trong quá trình gia công hiện nay cho thấy nhược điểm của nó là gây ô nhiễm môi trường và độc hại đối với người lao động. HVTH: Lê Văn Cảnh Trang 13 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Trần Anh Sơn Trong một số trường hợp thì việc sử dụng dung dịch trơn nguội sẽ gây nên hiện tượng sốc nhiệt cho lưỡi cắt của dao.

Hơn nữa, phương pháp trơn nguội kiểu tưới tràn tỏ ra hiệu quả ở chế độ cắt có vận tốc cắt tương đối nhỏ. Nhưng nó tỏ ra kém hiệu quả khi gia công ở những dải vận tốc cắt lớn hơn, vì khi đó nhiệt cắt sinh ra rất lớn, chất bôi trơn lại bị cản trở và không thể tiếp cận với bề mặt tiếp trượt giữa dao và phôi từ đó làm giảm tác dụng bôi trơn làm nguội. Ngoài ra, trong quá trình gia công chế tạo các chi tiết máy khi sử dụng dung dịch trơn nguội để giải quyết các vấn đề do nhiệt gây ra, các nhà sản xuất đã nhận thấy những nhược điểm mà phương pháp này có:  Gây ô nhiễm môi trường  Độc hại với người lao động  Chi phí cao.  Mất thời gian làm sạch phôi, dụng cụ và máy móc.

Trong khi đó, phương pháp bôi trơn tối thiểu (MQL) được nghiên cứu và áp dụng như một giải pháp thay thế và ngày càng thể hiện được nhiều ứng dụng với ưu thế cao hơn so với gia công khô và gia công tới tràn về chi phí, năng suất lao động, và độ chính xác cũng như chất lượng sản phẩm. Nhưng những ảnh hưởng của các thông số trong MQL vẫn chưa dõ dạng. Phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu vẫn còn khá mới, cần có nhiều hơn nữa những nghiên cứu, những thực nghiệm khảo sát, đánh giá cụ thể hơn để chứng minh phương pháp này có tính ứng dụng cao và xây dựng cơ sở dữ liệu, đóng góp những thống số công nghệ phù hợp ứng với các phương pháp gia công và từng loại vật liệu cụ thể. Do vậy mà việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu (Minimum Quantity Lubricant - MQL) cho quá trình gia công là cấp thiết và cần được phát triển.

Ở Việt Nam hiện nay, việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu vào quá trình tiện hầu như chưa được quan tâm nhiều. Với những lợi ích về môi trường, kinh tế và ý nghĩa khoa học mà phương pháp này mang lại, tác giả nhận thấy cần thiết khi nghiên cứu cụ thể hơn về ảnh hưởng của các thông số công nghệ MQL đến lực cắt, vì lực cắt có liên quan đến các thông số khác như độ mòn và tuổi HVTH: Lê Văn Cảnh Trang 14 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Trần Anh Sơn bền dụng cụ căt, độ nhầm bề mặt và độ chính xác kích thước. Bên cạnh đó, lực cắt cũng ảnh hưởng trực tiếp đến công suất tiêu thụ và chi phí sản xuất.

Tổng quan về các nghiên cứu ứng dụng phương pháp bôi trơn tối thiểu Ảnh hưởng của bôi trơn tối thiểu trong quá trình tiện hợp kim thép AISI 1040 đã được nghiên cứu bởi Dhar và các cộng sự [3]. Trong thực nghiệm của họ, các nhân tố như: lực cắt, nhiệt cắt, hệ số co rút phoi, mòn dao, độ nhám bề mặt và độ chính xác kích thước đã được đo đạc và giám sát để đánh giá ảnh hưởng phương pháp bôi trơn tối thiểu với áp suất khí: 8 bar, lưu lượng chất bôi trơn 200ml/giờ, chiều sâu cắt cố định ở 1.5mm và các bộ thông số về vận tốc cắt và lượng tiến dao khác nhau (V: 72, 94, 139 and 164 m/ph; S: 0. So sánh với điều kiện gia công khô, nhóm tác giả đã nhận thấy rằng gia công dưới điều kiện bôi trơn tối thiểu giúp giảm lực cắt từ 5-15% và nhiệt cắt giảm từ 5-10%. Ali và các cộng sự [2] đã tiến hành thực nghiệm tiện thép carbon trung bình để nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp bôi trơn tối thiểu tới lực cắt, nhiệt cắt, hệ số co rút phoi, mòn dao, độ nhám bề mặt sau đó so sánh với phương pháp gia công khô.

Quá trình gia công đã thực hiện với nhiều chế độ cắt khác nhau dưới điều kiện bôi trơn tối thiểu được áp dụng với áp suất cao và sử dụng dầu VG-68. Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng MQL chứng minh được những ưu điểm trong việc trong việc giảm lực cắt, nhiệt cắt, mòn dụng cụ, giảm sai số kích thước đồng thời nâng cao năng suất gia công, độ bóng bề mặt và chất lượng của sản phẩm. Hadad và Sadeghi [4] bằng thực nghiệm tiện cứng thép hợp kim AISI 4140 dưới điều kiện bôi trơn tối thiểu đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vị trí của vòi phun và chế độ cắt (chiều sâu cắt, vận tốc cắt và lượng chạy dao) đến quá trình gia công như lực cắt, nhiệt cắt và chất lượng bề mặt. Nghiên cứu này đã đưa ra mô hình tính toán nhiệt cắt trung bình nhiệt độ cục bộ trên dụng cụ, chi tiết và phoi.

Mô hình này còn xác định được nhiệt cắt trong gia công khô và gia công tưới tràn. Kết quả cho thấy gia công dùng MQL giảm nhiệt cắt được 350oC so với gia công khô nếu đặt vùi phum vào góc sau, và 200oC nếu đặt ở góc trước. trong khi đó ở phương pháp tưới tràn nhiệt độ chỉ giảm được 300oC. HVTH: Lê Văn Cảnh Trang 15 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS.

Trần Anh Sơn Khan và các công sự [5] đã đánh giá ảnh hưởng của MQL với dầu thực vật về lực cắt, nhiệt độ vùng cắt, mòn dao, kích thước chi tiết và độ nhám bề mặt trong gia công tiện thép AISI 1060.