Luận án nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch nano trong bôi trơn tối thiểu đến qua trìh phay cứng thé 60si2mn

Nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch nano trong bôi trơn tối thiểu đến quá trình phay cứng thép 60Si2Mn, tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng.

Trường đại học

Đại học Thái Nguyên

Chuyên ngành

Kỹ thuật Cơ khí

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Luận án tiến sĩ kỹ thuật

2022

137
2
0

Phí lưu trữ

35 Point

Mục lục chi tiết

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

1. MỞ ĐẦU

1.1. Lý do lựa chọn đề tài

1.2. Mục tiêu, đối tượng nghiên cứu

1.2.1. Mục tiêu chung

1.2.2. Mục tiêu cụ thể

1.2.3. Phạm vi nghiên cứu

1.2.4. Đối tượng nghiên cứu

1.3. Nội dung nghiên cứu

2. TỔNG QUAN VỀ BÔI TRƠN TỐI THIỂU VỚI DẦU CẮT NANO TRONG GIA CÔNG VẬT LIỆU CỨNG

2.1. Một số khái niệm cơ bản

2.2. Gia công vật liệu cứng

2.3. Bôi trơn tối thiểu MQL

2.4. Bôi trơn tối thiểu dùng dầu cắt nano NF MQL

2.5. Tổng quan các kết quả nghiên cứu nước ngoài về ứng dụng NF MQL cho quá trình gia công vật liệu cứng

2.6. Tổng quan về gia công vật liệu cứng

2.7. Tổng quan về ứng dụng MQL trong gia công cắt gọt

2.8. Tổng quan về ứng dụng MQL cho phay cứng

2.9. Tổng quan về ứng dụng NF MQL cho phay vật liệu cứng

2.10. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước

2.11. Kết luận chương 1

3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM VỀ MQL CÓ SỬ DỤNG DẦU CẮT NANO KHI PHAY VẬT LIỆU CỨNG

3.1. Cơ chế tạo phoi trong gia công vật liệu cứng

3.2. Mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt

3.3. Chất lượng bề mặt gia công

3.4. Ảnh hưởng của NF MQL đến quá trình cắt khi gia công vật liệu cứng

3.5. Cơ chế tác động của NF MQL đến quá trình cắt khi gia công vật liệu cứng

3.6. Ảnh hưởng của các thông số NF MQL đến quá trình cắt khi gia công vật liệu cứng

4. VẬT LIỆU VÀ TRANG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

4.1. Vật liệu và hệ thống trang thiết bị thí nghiệm

4.2. Quy trình điều chế dầu cắt nano

5. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA NF MQL VÀ CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA QUÁ TRÌNH PHAY CỨNG THÉP 60Si2Mn

5.1. Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của loại dầu cắt, loại hạt nano, áp suất và lưu lượng dòng khí đến quá trình cắt khi phay cứng thép 60Si2Mn

5.2. Triển khai thí nghiệm và số liệu thí nghiệm

5.3. Xử lý số liệu và kết quả

5.4. Nghiên cứu xác định nồng độ hạt nano, áp suất và lưu lượng dòng khí tối ưu khi phay cứng thép 60Si2Mn

5.4.1. Triển khai thí nghiệm và số liệu thí nghiệm

5.4.2. Xử lý số liệu thí nghiệm và kết quả

5.4.3. Xác định áp suất, lưu lượng và nồng độ hạt tối ưu

5.5. Phân tích cấu trúc tế vi bề mặt

5.6. Nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu khi phay cứng thép 60Si2Mn

5.6.1. Triển khai thí nghiệm và số liệu thí nghiệm

5.6.2. Xử lý số liệu thí nghiệm và kết quả

5.6.3. Xác định nồng độ hạt nano, vận tốc cắt và lượng chạy dao tối ưu

5.7. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ hạt nano Al2O3 trong dầu cắt NF đến lực cắt, mòn, tuổi bền của dụng cụ và CLBM khi phay cứng thép 60Si2Mn

5.7.1. Triển khai thí nghiệm và kết quả

5.7.2. Thảo luận kết quả

5.8. Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào quá trình gia công một số loại căn đệm

5.9. Kết luận chương 4

6. KẾT LUẬN CHUNG

6.1. Các kết quả chính và đóng góp của luận án

6.2. Hạn chế và định hướng nghiên cứu tiếp theo

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ THUỘC NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC CÁC TỪ, CỤM TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Dung Dịch Nano

Nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch nano trong bôi trơn tối thiểu đến quá trình phay cứng thép 60Si2Mn là một lĩnh vực đang thu hút sự quan tâm lớn trong ngành công nghiệp chế tạo. Bôi trơn tối thiểu (MQL) sử dụng dung dịch nano không chỉ giúp cải thiện hiệu suất gia công mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Việc áp dụng công nghệ này trong gia công vật liệu cứng như thép 60Si2Mn có thể mang lại nhiều lợi ích về mặt kinh tế và kỹ thuật.

1.1. Khái Niệm Về Dung Dịch Nano Trong Bôi Trơn

Dung dịch nano là sự kết hợp giữa dầu cắt và các hạt nano, giúp cải thiện tính chất bôi trơn. Hạt nano như Al2O3 có khả năng làm giảm ma sát và nhiệt độ trong quá trình cắt, từ đó nâng cao hiệu quả gia công.

1.2. Lợi Ích Của Bôi Trơn Tối Thiểu Trong Gia Công

Bôi trơn tối thiểu giúp tiết kiệm dầu cắt, giảm lượng chất thải và cải thiện chất lượng bề mặt gia công. Công nghệ này cũng giúp giảm thiểu hiện tượng mài mòn dụng cụ cắt, kéo dài tuổi thọ của dụng cụ.

II. Thách Thức Trong Quá Trình Phay Cứng Thép 60Si2Mn

Quá trình phay cứng thép 60Si2Mn gặp nhiều thách thức do độ cứng cao và điều kiện gia công khắc nghiệt. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phay bao gồm lực cắt, nhiệt độ và độ mòn của dụng cụ cắt. Việc sử dụng dung dịch nano trong bôi trơn tối thiểu có thể giúp giảm thiểu những vấn đề này.

2.1. Ảnh Hưởng Của Lực Cắt Đến Quá Trình Phay

Lực cắt lớn có thể gây ra hiện tượng mài mòn nhanh chóng cho dụng cụ cắt. Việc sử dụng dung dịch nano giúp giảm lực cắt, từ đó cải thiện hiệu suất gia công.

2.2. Nhiệt Độ Trong Quá Trình Cắt

Nhiệt độ cao trong quá trình cắt có thể dẫn đến hư hỏng dụng cụ cắt. Dung dịch nano có khả năng dẫn nhiệt tốt, giúp làm mát vùng cắt hiệu quả hơn.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Dung Dịch Nano

Phương pháp nghiên cứu bao gồm việc thử nghiệm với các loại dầu cắt khác nhau và nồng độ hạt nano khác nhau. Các thông số như áp suất, lưu lượng dòng khí cũng được điều chỉnh để đánh giá ảnh hưởng đến quá trình phay cứng thép 60Si2Mn.

3.1. Thiết Kế Thí Nghiệm Đánh Giá Ảnh Hưởng

Thiết kế thí nghiệm bao gồm việc xác định các thông số như nồng độ hạt nano, áp suất và lưu lượng dòng khí để đánh giá ảnh hưởng đến lực cắt và chất lượng bề mặt.

3.2. Phân Tích Kết Quả Thí Nghiệm

Kết quả thí nghiệm sẽ được phân tích để xác định mối quan hệ giữa các thông số và hiệu suất gia công. Việc này giúp tối ưu hóa quy trình phay cứng.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Dung Dịch Nano Trong Gia Công

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng dung dịch nano trong bôi trơn tối thiểu có thể cải thiện đáng kể hiệu suất gia công thép 60Si2Mn. Các ứng dụng thực tiễn của công nghệ này đang được triển khai trong nhiều nhà máy chế tạo.

4.1. Cải Thiện Chất Lượng Bề Mặt Gia Công

Sử dụng dung dịch nano giúp cải thiện chất lượng bề mặt gia công, giảm thiểu nhám bề mặt và tăng độ bóng cho sản phẩm.

4.2. Tăng Tuổi Thọ Dụng Cụ Cắt

Việc giảm ma sát và nhiệt độ trong quá trình cắt giúp kéo dài tuổi thọ của dụng cụ cắt, từ đó giảm chi phí sản xuất.

V. Kết Luận Về Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Dung Dịch Nano

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng dung dịch nano trong bôi trơn tối thiểu có ảnh hưởng tích cực đến quá trình phay cứng thép 60Si2Mn. Công nghệ này không chỉ nâng cao hiệu suất gia công mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

5.1. Tương Lai Của Công Nghệ Bôi Trơn Tối Thiểu

Công nghệ bôi trơn tối thiểu sử dụng dung dịch nano hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển và được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo.

5.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo

Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa các thông số công nghệ và mở rộng ứng dụng của dung dịch nano trong các loại vật liệu khác.

26/06/2025
Luận án nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch nano trong bôi trơn tối thiểu đến qua trìh phay cứng thé 60si2mn

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÔI TRƠN TỐI THIỂU VỚI DẦU CẮT NANO TRONG GIA CÔNG VẬT LIỆU CỨNG 1. Một số khái niệm cơ bản 1. Gia công vật liệu cứng Với các loại vật liệu có độ cứng cao (độ cứng HRC ≥ 45, thường là sau nguyên công nhiệt luyện) thì giải pháp truyền thống là gia công bằng hạt mài, chủ yếu là gia công bằng mài [1]. Gia công bằng mài có nhiều ưu điểm nổi bật như có khả năng đạt độ chính xác cao, chất lượng bề mặt tốt, tính vạn năng cao (gia công được hầu hết các dạng bề mặt như mặt trụ, mặt phẳng, mặt răng, ren và các bề mặt định hình khác.

Tuy nhiên mài có nhược điểm cơ bản là năng suất gia công thấp (lượng phoi được tách ra trong một đơn vị thời gian thấp) vì vậy việc sử dụng các phương pháp gia công bằng dụng cụ cắt có lưỡi cắt xác định để gia công vật liệu cứng là xu hướng đang rất được quan tâm nghiên cứu để thay thế một phần cho nguyên công mài. Cho đến nay do sự phát triển mãnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật nên đã cho ra đời những mẫu máy công cụ tiên tiến, mức độ tự động hoá cao, có độ cứng vững và độ chính xác cao. Đồng thời cùng với đó là các thành tựu mới về dụng cụ cắt như: công nghệ phun phủ bề mặt dụng cụ, sử dụng các loại vật liệu có tính năng cắt cao như vật liệu hợp kim cứng, gốm, CBN (Cubic Boron Nitride - Nitrit bo lập phương), kim cương nhân tạo và các loại kết cấu dụng cụ cắt mới,v.v nên việc gia công cắt gọt trực tiếp những loại thép sau nhiệt luyện có độ cứng cao bằng dụng cụ cắt có lưỡi cắt xác định đã đạt được các thành tựu đáng kể. Việc gia công vật liệu cứng bằng dụng cụ cắt có lưỡi cắt xác định đã giúp cho quá trình gia công được linh hoạt hơn, nâng cao được năng suất, nhưng vẫn đảm bảo được độ chính xác, chất lượng bề mặt gia công, v.

Gia công vật liệu cứng đã được nghiên cứu và ứng dụng cho hầu hết các phương pháp gia công như tiện cứng, phay cứng, khoan cứng, v. Tuy nhiên các kết quả nghiên cứu và ứng dụng chủ yếu vẫn tập trung cho phương pháp tiện, còn các phương pháp khác như phay, khoan còn hạn chế. Đặc điểm cơ bản của gia công vật liệu cứng là điều kiện gia công khắc nghiệt, nhiệt cắt lớn, lực cắt cắt lớn, mòn dao lớn, tuổi bền dụng cụ cắt giảm,v. Vì vậy việc 9 nghiên cứu tìm các giải pháp công nghệ nhằm cải thiện tương tác ma sát trong vùng cắt, nâng cao hiệu quả của quá trình cắt, nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật là cần thiết.

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cắt và kết quả quá trình cắt như hệ thống công nghệ, phương pháp gia công, chất lượng và kết cấu dụng cụ cắt, chế độ cắt, công nghệ và chế độ trơn nguội,v. Khi đã lựa chọn được các yếu tố khác đạt yêu cầu của quá trình gia công thì công nghệ và chế độ trơn nguội ảnh hưởng rất lớn đến quá trình và kết quả của quá trình cắt. Đối với phay vật liệu cứng, do quá trình cắt không liên tục nên cần lựa chọn được công nghệ trơn nguội hợp lý để tránh hiện tượng sốc nhiệt, tránh làm vỡ mảnh dao thì hướng nghiên cứu hiện nay là ứng dụng một số công nghệ bôi trơn làm nguội như: bôi trơn tối thiểu MQL; bôi trơn làm nguội tối thiểu MQCL; gia công trong môi trường khí nhiệt độ thấp,v. Việc ứng dụng các công nghệ trơn nguội cho quá trình gia công vật liệu cứng là lĩnh vực rất rộng, trong phạm vi đề tài tác giả chỉ tập trung nghiên cứu về ứng dụng MQL cho quá trình phay vật liệu cứng.

Bôi trơn tối thiểu MQL Bôi trơn tối thiểu MQL thực chất là đưa một lượng dung dịch trơn nguội hạn chế (tối thiểu) với lưu lượng chỉ từ 5÷500 ml/giờ (0,08 ÷ 8 ml/phút) [2] trực tiếp vào vùng cắt dưới dạng sương mù hoặc dưới dạng dòng tia dầu cắt áp lực cao (hình 1.1a là bôi trơn làm nguội kiểu tưới tràn, do sức căng bề mặt nên màng dầu cắt khó xâm nhập vào vùng cắt.1b là ứng dụng công nghệ MQL, do dầu cắt được tạo thành các hạt sương mù (microdroplet) nên có khả năng xâm nhập trực tiếp vào vùng cắt tốt hơn. Cơ chế bôi trơn của chế độ: (a) tưới tràn; (b) MQL 10 MQL đã được đề xuất vào những năm 1990 [2], phương pháp này được nghiên cứu và phát triển như là một giải pháp thay thế cho gia công ở chế độ khô và bôi trơn làm nguội kiểu tưới tràn. Do các hạt nhỏ dầu cắt xâm nhập trực tiếp vào vùng cắt nên MQL cho hiệu quả bôi trơn cao, giảm ma sát trong vùng cắt từ đó góp phần giảm nhiệt cắt, giảm lực cắt, giảm độ mòn và nâng cao tuổi bền của dụng cụ, nâng cao độ chính xác gia công, cải thiện chất lượng bề mặt gia công, v. Ngoài ra do MQL chỉ sử dụng lượng dầu cắt rất nhỏ, không có lượng dầu cắt thải ra môi trường khi hết hạn sử dụng nên rất tiết kiệm dầu cắt, tiết kiệm được chi phí xử lý dầu thải, v.

và ít gây tác hại xấu đến môi trường. Việc sử dụng các loại dầu cắt có nguồn gốc tự nhiên (dầu cắt có nguồn gốc từ thực vật, từ động vật) để thay thế cho các loại dầu cắt có nguồn gốc từ dầu khoáng đã góp phần làm cho MQL có thêm ưu điểm là ít ảnh hưởng đến sức khỏe của người lao động, thân thiện với môi trường, đáp ứng xu thế gia công xanh, gia công bền vững [2,3]. Có nhiều yếu tố của MQL (gọi chung là thông số công nghệ của MQL – thông số khảo sát) ảnh hưởng đến quá trình và kết quả của quá trình gia công như: loại dầu cắt, áp suất dòng khí, lưu lượng dung dịch, lưu lượng dòng khí, góc phun, khoảng cách vòi phun, số lượng vòi phun, v. Các công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số công nghệ MQL đến quá trình cắt đã chỉ ra được các ưu điểm của MQL, đồng thời cũng chỉ ra tồn tại cơ bản của MQL là khả năng làm nguội bị hạn chế nên việc ứng dụng cho các phương pháp gia công có điều kiện cắt khắc nhiệt như gia công vật liệu cứng, gia công các loại vật liệu khó gia công bị hạn chế.

Để nâng cao hiệu quả của MQL ứng dụng cho quá trình gia công vật liệu cứng, ở đây tác giả đề xuất giải pháp là MQL sử dụng dầu cắt nano (NF MQL). Bôi trơn tối thiểu dùng dầu cắt nano NF MQL Bôi trơn tối thiểu dùng dầu cắt nano NF MQL thực chất là công nghệ MQL sử dụng dầu cắt nano. Dầu cắt nano (Nanofluid – viết tắt là NF) được hình thành từ việc trộn một số loại hạt nano như: ô xít nhôm Al2O3, ô xít si lích SiO2, sun fít mô líp đen MoS2, ô xít ti tan TiO2, ô xít đồng CuO, v. vào dầu cắt nền là các loại dầu khoáng hoặc là dầu thực vật với tỷ lệ thích hợp.

Sự có mặt của hạt nano trong dầu cắt đã cải thiện được tính năng bôi trơn, làm nguội của dầu cắt nền như thay đổi độ nhớt, thay đổi tính dẫn nhiệt,v. Đồng thời do các hạt nano có kích thước rất nhỏ và được 11 phân tán đều trong dầu cắt nền nên khi kết hợp với công nghệ MQL thì các hạt sẽ được đưa trực tiếp vào vùng cắt cùng với các hạt sương mù của dầu nền. Kết quả của sự kết hợp này đã giúp cải thiện đáng kể ma sát trong vùng cắt, làm giảm nhiệt cắt; giảm lực cắt; giảm độ mòn, nâng cao được tuổi bền dụng cụ và cải thiện chất lượng bề mặt gia công,v. NF MQL được nghiên cứu và ứng dụng có hiệu quả cho quá trình gia công các loại vật liệu cứng, các loại vật liệu khó gia công [4].

Tổng quan các kết quả nghiên cứu nước ngoài về ứng dụng NF MQL cho quá trình gia công vật liệu cứng 1. Tổng quan về gia công vật liệu cứng Trong những năm gần đây, gia công vật liệu cứng đang ngày một được ứng dụng rộng rãi trong gia công cắt gọt. Những nghiên cứu cơ bản về lý thuyết chung của gia công vật liệu cứng được trình bày trong tài liệu [1]. Một số những phương pháp gia công vật liệu cứng được sử dụng phổ biến bao gồm: tiện cứng, phay cứng, khoan cứng,v.

Đã có rất nhiều nghiên cứu ứng dụng tiện cứng trong gia công cắt gọt, nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt và lực cắt khi tiện cứng thép AISI 52100 (HRC=62) với mảnh CBN đã được công bố trong [5]. Trị số nhám bề mặt chịu ảnh hưởng lớn nhất bởi lượng chạy dao và sau đó đến vận tốc cắt. Kết quả cũng chỉ ra rằng lực pháp tuyến là thành phần lực lớn nhất và có mối liên hệ chặt chẽ với sự thay đổi độ cứng của chi tiết gia công, thông số hình học và tốc độ mòn của dụng cụ cắt. Lực cắt chịu ảnh hưởng lớn nhất bởi chiều sâu cắt sau đó đến lượng chạy dao và vận tốc cắt.

Trong gia công vật liệu cứng, lực cắt và nhiệt cắt sinh ra rất lớn nên việc hình thành lớp biến trắng (white layer) trong công nghệ tiện cứng là một trong những vấn đề đã được rất nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu và được công bố trong [6]. Lớp biến trắng là kết quả của sự thay đổi cấu trúc tế vi của vật liệu, có cấu trúc martensit không qua nhiệt luyện, có độ cứng cao hơn lớp vật liệu trung gian (dark layer) và lớp vật liệu nền. Chiều dày lớp biến trắng tăng khi tăng chế độ cắt và khi đó lượng mòn mặt sau tăng. Khả năng chịu mài mòn giảm khi có lớp biến trắng trên bề mặt.

Nguyên nhân chính là do tồn tại những vết nứt tế vi trên lớp biến trắng, và sự lan truyền của các vết nứt dẫn đến sự bong tróc của lớp biến trắng. Việc nghiên cứu ứng dụng phay cứng trong gia công cắt gọt đã và đang thu hút được sự quan tâm rất lớn không chỉ của các nhà khoa học trên thế giới mà còn của các 12 nhà sản xuất, đặc biệt trong lĩnh vực gia công khuôn mẫu.1 tóm tắt những kết quả nghiên cứu chính về ảnh hưởng của chế độ cắt khi phay cứng.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Tài liệu có tiêu đề Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Dung Dịch Nano Trong Bôi Trơn Tối Thiểu Đến Quá Trình Phay Cứng Thép 60Si2Mn cung cấp cái nhìn sâu sắc về việc ứng dụng công nghệ nano trong lĩnh vực bôi trơn, đặc biệt là trong quá trình gia công thép cứng. Nghiên cứu này không chỉ làm rõ những lợi ích của dung dịch nano trong việc cải thiện hiệu suất gia công mà còn chỉ ra cách mà nó có thể giảm thiểu ma sát và mài mòn, từ đó nâng cao tuổi thọ của dụng cụ cắt. Độc giả sẽ tìm thấy những thông tin quý giá về cách thức mà công nghệ nano có thể cách mạng hóa quy trình sản xuất, đồng thời mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu và ứng dụng trong ngành công nghiệp chế tạo.

Để mở rộng thêm kiến thức về ứng dụng của công nghệ nano trong các lĩnh vực khác, bạn có thể tham khảo tài liệu Luận án tiến sĩ sinh học nghiên cứu ảnh hưởng của nano kim loại lên việc khắc phục một số hiện tượng bất thường của cây trồng nuôi cấy in vitro. Tài liệu này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về tác động của nano trong nông nghiệp và các ứng dụng tiềm năng khác.