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

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.

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.