Tổng quan luận án

Gia công các vật liệu sau nhiệt luyện có độ cứng cao (thường có độ cứng đạt từ 45 HRC trở lên) bằng các dụng cụ cắt có lưỡi cắt xác định là một hướng phát triển nhằm thay thế một phần hoặc toàn bộ nguyên công mài truyền thống. Trong thực tiễn sản xuất công nghiệp, việc chế tạo các chi tiết dạng căn đệm mỏng chịu va đập và mài mòn từ vật liệu thép lò xo (tiêu biểu là thép 60Si2Mn) thường gặp hiện tượng cong vênh lớn sau quá trình nhiệt luyện. Để loại bỏ triệt để sai lệch hình học của phôi, quá trình gia công đòi hỏi lượng dư cắt gọt tương đối lớn. Nếu sử dụng nguyên công mài phẳng truyền thống để hớt toàn bộ lượng dư này, năng suất gia công sẽ thấp, chi phí gia công cao và hiệu quả kinh tế không tối ưu. Phương pháp phay cứng mặt phẳng bằng mảnh dao hợp kim cứng được đề xuất nhằm giải quyết bài toán bóc tách lượng dư lớn, nâng cao năng suất và chuẩn bị bề mặt cho các nguyên công tiếp theo.

Tuy nhiên, phay cứng là quá trình cắt gọt gián đoạn trong điều kiện tải trọng cơ học và nhiệt độ rất cao. Việc sử dụng phương pháp bôi trơn làm nguội kiểu tưới tràn thông thường dễ gây ra hiện tượng sốc nhiệt, làm nứt vỡ mảnh dao cắt. Ngược lại, gia công khô hoàn toàn lại làm gia tăng ma sát, nhiệt cắt và lực cắt, dẫn đến mòn dao nhanh chóng và suy giảm chất lượng bề mặt. Công nghệ bôi trơn tối thiểu (Minimum Quantity Lubrication - MQL) với lưu lượng dầu rất nhỏ (từ 0,08 ml/phút đến 8,0 ml/phút) giúp giảm thiểu ma sát hiệu quả và thân thiện với môi trường, nhưng lại tồn tại hạn chế lớn về khả năng truyền nhiệt và làm nguội khi gia công các vật liệu có độ cứng cao. Để khắc phục hạn chế này, giải pháp bôi trơn tối thiểu sử dụng dầu cắt nano (Nanofluid MQL - NF MQL) trên nền dầu thực vật đã được nghiên cứu và phát triển trong luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Trần Thế Long, chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí (mã số 9 52 01 03) tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trần Minh Đức (năm 2022).

Tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch nano trong bôi trơn tối thiểu đến quá trình phay cứng thép 60Si2Mn
Tác giả: Trần Thế Long
Người hướng dẫn: PGS. Trần Minh Đức
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên
Ngành đào tạo: Kỹ thuật Cơ khí (Mã số: 9 52 01 03)
Năm bảo vệ: 2022

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định rõ ràng hệ thống mục tiêu chung và các mục tiêu cụ thể như sau:

  1. Mục tiêu chung: Nghiên cứu ảnh hưởng của bôi trơn tối thiểu sử dụng dầu cắt nano (NF MQL) đến quá trình cắt và kết quả của quá trình khi phay vật liệu cứng. Nghiên cứu, xác định các thông số công nghệ tối ưu, ứng dụng vào thực tiễn sản xuất nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế, kỹ thuật của quá trình phay vật liệu cứng.
  2. Mục tiêu cụ thể:
    • Nghiên cứu ảnh hưởng của NF MQL sử dụng hạt nano $\text{Al}_2\text{O}_3$ trên nền dầu thực vật đến quá trình cắt (lực cắt; mòn, tuổi bền của dụng cụ cắt) và kết quả của quá trình cắt (chất lượng bề mặt gia công) khi phay cứng thép 60Si2Mn.
    • Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của chế độ công nghệ NF MQL (nồng độ hạt nano, áp suất và lưu lượng dòng khí) cùng chế độ cắt (vận tốc cắt, lượng chạy dao) đến lực cắt, mòn, tuổi bền của dụng cụ cắt và chất lượng bề mặt gia công.
    • Nghiên cứu, xác định chế độ công nghệ NF MQL và chế độ cắt tối ưu, đưa ra các chỉ dẫn công nghệ để ứng dụng vào thực tiễn sản xuất.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các quá trình vật lý diễn ra trong vùng cắt do sự tương tác của công nghệ bôi trơn tối thiểu sử dụng dầu cắt nano $\text{Al}_2\text{O}_3$ trên nền dầu đậu nành (NF MQL $\text{Al}_2\text{O}_3$) khi phay cứng thép 60Si2Mn bằng dao phay mặt đầu gắn mảnh hợp kim cứng APMT 1604 PDTR LT30. Các chỉ tiêu đánh giá bao gồm: các thành phần lực cắt ($F_x, F_y, F_z$) và lực cắt tổng hợp ($F_r$), độ mòn mặt sau và tuổi bền của dụng cụ cắt, độ nhám bề mặt ($R_a$) cùng cấu trúc tế vi bề mặt gia công.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Phương pháp gia công: Phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu gắn mảnh hợp kim cứng APMT 1604 PDTR LT30 của hãng LAMINA.
    • Vật liệu gia công: Thép lò xo 60Si2Mn sau xử lý nhiệt đạt độ cứng $50 \div 52\text{ HRC}$.
    • Phương pháp bôi trơn làm nguội: Bôi trơn tối thiểu sử dụng dầu cắt nano với hạt nano $\text{Al}_2\text{O}_3$ trên nền dầu đậu nành (DĐN).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng hợp có hệ thống các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến gia công vật liệu cứng, công nghệ bôi trơn tối thiểu MQL và ứng dụng dầu cắt nano trong gia công cơ khí.

Các hướng nghiên cứu về phay cứng và bôi trơn tối thiểu

Các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng trên thế giới về phay cứng đã tập trung khảo sát tác động của chế độ cắt đến lực cắt, nhiệt cắt, mòn dụng cụ và chất lượng bề mặt:

STT Tác giả, năm công bố Vật liệu gia công và dụng cụ cắt Thông số khảo sát Kết quả chính
1 H. Çalışkan và cs (2013) [7] Thép AISI O2 ($61\text{ HRC}$); Mảnh hợp kim cứng (HKC) phủ PVD-TiN/TiAlN $V = 50, 100, 150\text{ m/ph}$; $S_z = 0,1; 0,3; 0,5\text{ mm/răng}$; $t = 0,50; 0,75; 1,00\text{ mm}$ Mảnh HKC phủ giúp giảm mòn mặt sau rõ rệt. Lượng chạy dao và chiều sâu cắt ảnh hưởng lớn nhất đến lực cắt; $S_z$ ảnh hưởng lớn nhất đến nhám bề mặt.
2 Q. An và cs (2014) [8] Thép 30Cr3; Mảnh HKC phủ PVD-AlTiN; Dao phay ngón $V = 50 \div 110\text{ m/ph}$; $S = 0,08 \div 0,14\text{ mm/vòng}$; $t = 0,1 \div 0,7\text{ mm}$ Tăng $V$ từ $70$ lên $110\text{ m/ph}$ kết hợp $S$ thấp giúp giảm lực cắt và cải thiện chất lượng bề mặt (CLBM). Tuổi bền dao đạt xấp xỉ 40 phút tại $V = 110\text{ m/ph}$.
3 Saketi và cs (2015) [9] HKC Vanadis 4 Extra, Vancron 40; Dao phay mặt đầu mảnh PCBN $V = 100, 150\text{ m/ph}$; $S_z = 0,1\text{ mm/răng}$; $B = 0,5\text{ mm}$; $t = 12,5\text{ mm}$ Dạng mòn chính là cào xước, mòn mặt sau và mẻ tế vi. Nhám bề mặt đạt $R_a = 0,10 \div 0,15\ \mu\text{m}$.
4 Z. Liu và cs (2018) [11] Thép AISI H13 ($50\text{ HRC}$); HKC phủ (Ti,Al)N/TiN $V = 100, 200, 300\text{ m/ph}$; $S_z = 0,05; 0,1; 0,2\text{ mm/răng}$ Năng lượng cắt riêng tăng khi tăng $V$. Phay nghịch tiêu hao năng lượng lớn hơn 8,5% so với phay thuận.
5 B. Li và cs (2019) [12÷14] Thép AISI H13 ($50\text{ HRC}$); HKC phủ $\text{Ti(C,N)}-\text{Al}_2\text{O}_3$ $V = 200 \div 400\text{ m/ph}$; $S_z = 0,1 \div 0,3\text{ mm/răng}$ Hình thành phoi răng cưa; bề mặt bị biến dạng dẻo khốc liệt; độ cứng tế vi bề mặt tăng theo vận tốc cắt do mật độ xô lệch mạng cao.

Về công nghệ bôi trơn tối thiểu thông thường trong phay, các nghiên cứu của Li và Chou (2010), Tosun và Huseyinoglu (2010), Liew (2010), Zhang và cs (2012), Sultan và Okafor (2016), Khatri và cs (2018), Race và cs (2021), Singh và cs (2021), Jamil và cs (2021) đã chứng minh hiệu quả giảm mòn, giảm lực cắt so với gia công khô và tưới tràn. Trong phay cứng với MQL, các công trình của Liao và cs (2007) trên thép NAK80, Kang và cs (2008) và Iqbal và cs (2008) trên thép AISI D2, cùng M. Mia (2018) trên thép AISI 4140 cho thấy MQL cải thiện độ nhám nhưng bị hạn chế khi chế độ cắt cao do lượng nhiệt tích tụ lớn.

Đối với hướng nghiên cứu ứng dụng dầu cắt nano (NF MQL) trong phay cứng:

  • Nghiên cứu phay cứng thép AISI D2 ($60\text{ HRC}$) với nano $\text{Al}_2\text{O}_3$ trên nền nước cất [29] ghi nhận nhiệt cắt giảm $16,2 \div 34,5%$ và độ nhám cải thiện $11,3 \div 12%$ so với MQL thông thường.
  • Nghiên cứu phay cứng thép AISI H13 bằng dầu nano graphite [30] tối ưu hóa được năng suất bóc tách kim loại nhưng giữ cố định thông số phun ($p = 3\text{ bar}$, $Q = 90\text{ ml/h}$).
  • Nghiên cứu phay hợp kim Hastelloy C276 với nano $\text{Al}_2\text{O}_3$ nền dầu thực vật [31] và hợp kim Inconel 718 với nano $\text{CuO}$ [32] hay thép AISI 420 với nano $\text{MoS}_2$ [33] đã chỉ ra các nồng độ hạt thích hợp giúp nâng cao tuổi bền dao và giảm ma sát.
  • Tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu của PGS. Trần Minh Đức từ năm 2005 đã triển khai ứng dụng MQL và MQCL sử dụng dầu thực vật (dầu lạc), dung dịch nano $\text{MoS}_2$ trên các nguyên công tiện thép 90CrSi, phay thép SKD11, Hardox 500 và thép 65X đã tôi.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án giải quyết

Phần lớn các nghiên cứu trước đây về MQL và NF MQL thường áp dụng cho các vật liệu mềm hoặc chỉ khảo sát các thông số công nghệ MQL ở mức cố định, tập trung chủ yếu vào quá trình tiện. Đối với nguyên công phay cứng, các nghiên cứu NF MQL còn rời rạc, chưa khảo sát toàn diện và đồng thời mối quan hệ tương tác giữa các yếu tố: loại dầu cắt nền (dầu khoáng emulsion so với dầu thực vật), loại hạt nano ($\text{Al}_2\text{O}_3$ so với $\text{MoS}_2$), các thông số động học của dòng phun khí nén (áp suất khí $p$, lưu lượng dòng khí $Q$) và nồng độ hạt nano kết hợp với các thông số chế độ cắt ($V, S_z$). Luận án đã lựa chọn giải quyết khoảng trống này bằng cách xây dựng quy trình thực nghiệm đồng bộ và tối ưu hóa đa mục tiêu cho quá trình phay cứng thép lò xo 60Si2Mn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết quá trình cắt và bôi trơn nano

  • Cơ chế tạo phoi khi phay cứng: Quá trình tạo phoi trong gia công cứng bị chi phối bởi hiện tượng nứt gãy theo chu kỳ tạo thành phoi dạng răng cưa (saw-toothed chip). Theo mô hình của Shaw (1954), Nakayama và König (1988), tại vùng biến dạng thứ nhất xuất hiện sự tập trung biến dạng cắt đoạn nhiệt (adiabatic shear), kết hợp giữa hiện tượng biến cứng do biến dạng dẻo lớn, biến mềm do nhiệt độ cao và hiện tượng tôi cứng cục bộ. Khi tăng vận tốc cắt và lượng chạy dao, phoi có xu hướng chuyển biến rõ rệt từ dạng dải/dây sang phoi răng cưa và cuộn tròn, kèm theo sự đổi màu từ bạc sáng sang nâu, tím và xanh dương do nhiệt cắt tăng cao.
  • Nhiệt cắt và lực cắt: Khoảng 97% cơ năng biến đổi thành nhiệt năng (trong đó 80% sinh ra từ vùng cắt chính, 75% lượng nhiệt này truyền vào phoi). Nhiệt độ tiếp xúc tại mặt trước của dao có thể đạt từ $738^\circ\text{C}$ đến $902^\circ\text{C}$. Thành phần lực pháp tuyến ($F_y$) trong phay cứng thường có giá trị lớn nhất, đóng vai trò chính gây ra mòn mặt sau của dụng cụ cắt và sai lệch kích thước chi tiết.
  • Cơ chế tác động của dầu cắt nano: Luận án dựa trên 4 cơ chế cơ bản của hạt nano phân tán trong dòng chất lỏng MQL khi thâm nhập vào vùng cắt:
    1. Cơ chế con lăn (rolling effect): Các hạt nano có độ cứng cao, dạng hình cầu (như $\text{Al}_2\text{O}_3$, độ cứng $2700 \div 3000\text{ HV}$) đóng vai trò như các ổ bi siêu nhỏ giữa mặt trước/mặt sau dụng cụ cắt với phoi và bề mặt gia công, chuyển ma sát trượt thành ma sát lăn, làm giảm hệ số ma sát.
    2. Cơ chế hình thành màng bôi trơn (film formation): Các hạt có cấu trúc dạng lớp (như $\text{MoS}_2$, graphene) hình thành màng bôi trơn thủy động (tribo-film) bám dính ngăn cách tiếp xúc kim loại - kim loại.
    3. Cơ chế lấp đầy (filling effect): Dưới áp lực tiếp xúc lớn, các hạt nano thâm nhập và lấp đầy các vết lõm tế vi trên bề mặt gia công.
    4. Cơ chế đánh bóng (polishing effect): Các hạt nano cứng tác động san phẳng các đỉnh nhấp nhô tế vi, cải thiện độ bóng bề mặt.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Luận án kết hợp nghiên cứu lý thuyết cơ học cắt gọt với các phương pháp quy hoạch thực nghiệm hiện đại:

  • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm:
    • Quy hoạch thực nghiệm riêng phần $2^{k-p}$ nhằm sàng lọc, đánh giá mức độ ảnh hưởng của các biến đầu vào (loại dầu, loại hạt, áp suất, lưu lượng khí).
    • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm tối ưu Box - Behnken và cấu trúc xoay tâm hỗn hợp (Central Composite Design - CCD).
    • Phân tích phương sai (ANOVA), xây dựng phương trình hồi quy bậc hai mô tả hàm mục tiêu độ nhám bề mặt ($R_a$) và lực cắt tổng hợp ($F_r$).
    • Sử dụng hàm độ thỏa dụng (Desirability function) để tối ưu hóa đa mục tiêu với sự hỗ trợ của phần mềm Minitab 19.

Vật liệu và hệ thống trang thiết bị thí nghiệm

  • Vật liệu gia công: Thép lò xo 60Si2Mn có thành phần hóa học được kiểm chuẩn, nhiệt luyện đạt độ cứng $50 \div 52\text{ HRC}$.
  • Dụng cụ cắt: Đài dao phay mặt đầu gắn mảnh hợp kim cứng phủ APMT 1604 PDTR LT30 của hãng LAMINA.
  • Hệ thống thiết bị đo và tạo sương mù MQL:
    • Đầu phun bôi trơn tối thiểu chuyên dụng của hãng NOGA.
    • Thiết bị đo lực cắt 3 thành phần Kistler 9257BA kèm bộ khuếch đại điện tích và phần mềm xử lý tín hiệu.
    • Máy đo độ nhám bề mặt tiếp xúc Mitutoyo Surftest SJ-210.
    • Kính hiển vi kỹ thuật số độ phân giải cao Keyence VHX-7000 và kính hiển vi điện tử quét SEM để phân tích cấu trúc tế vi và hình thái mòn dao.
    • Thiết bị đo độ nhớt Brookfield DV2T và thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt Linseis THB 500.
    • Bể rung siêu âm công suất Sono Swiss SW3H phục vụ quá trình phân tán hạt nano vào dầu cắt nền.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về bôi trơn tối thiểu với dầu cắt nano trong gia công vật liệu cứng

Chương 1 trình bày cơ sở tổng quan về gia công vật liệu có độ cứng cao ($HRC \ge 45$), đặc điểm của quá trình phay cứng, các hạn chế khi gia công khô hoặc tưới tràn, và nguyên lý của công nghệ bôi trơn tối thiểu MQL. Phân tích chi tiết các kết quả nghiên cứu trên thế giới về ứng dụng MQL và NF MQL trong gia công cắt gọt, so sánh tính chất của dầu khoáng emulsion với các loại dầu thực vật có khả năng tự phân hủy sinh học. Đánh giá tình hình nghiên cứu trong nước, từ đó xác định tính cấp thiết và định hình nhiệm vụ khoa học của đề tài là khảo sát ứng dụng NF MQL với dầu đậu nành và hạt nano $\text{Al}_2\text{O}_3$ khi phay cứng thép 60Si2Mn.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về MQL có sử dụng dầu cắt nano khi phay vật liệu cứng

Chương 2 tập trung phân tích sâu cơ chế hình thành phoi răng cưa trong quá trình phay cứng, quy luật biến thiên của nhiệt cắt và lực cắt ($F_x, F_y, F_z$), các dạng mòn dụng cụ cắt (mòn cào xước mặt trước, mòn mặt sau, mẻ tế vi, bong lớp phủ) và tiêu chuẩn đánh giá tuổi bền theo ISO 8688-2 ($[B] = 0,3\text{ mm}$). Phân tích sự hình thành lớp biến trắng (white layer) có độ dày từ $2 \div 20\ \mu\text{m}$ trên bề mặt chi tiết gia công. Trình bày chi tiết 4 cơ chế tác động của hạt nano trong vùng cắt (con lăn, tạo màng bôi trơn thủy động, lấp đầy và đánh bóng bề mặt). Khảo sát cơ sở cải thiện độ dẫn nhiệt và độ nhớt của dầu thực vật khi bổ sung các hạt nano $\text{Al}_2\text{O}_3$ và $\text{MoS}_2$.

Chương 3: Vật liệu và trang thiết bị thí nghiệm

Chương 3 giới thiệu đặc tính cơ lý, thành phần hóa học của vật liệu phôi thép lò xo 60Si2Mn ($50 \div 52\text{ HRC}$) và thông số hình học của mảnh dao hợp kim APMT 1604 PDTR LT30. Mô tả cấu tạo, thông số kỹ thuật của toàn bộ hệ thống máy móc, thiết bị đo kiểm: đầu phun NOGA, cảm biến đo lực Kistler 9257BA, máy đo nhám Mitutoyo SJ-210, kính hiển vi kỹ thuật số 3D Keyence VHX-7000, kính hiển vi quét SEM, máy đo độ nhớt Brookfield DV2T, máy đo độ dẫn nhiệt Linseis THB 500 và máy rung siêu âm Sono Swiss SW3H. Trình bày chi tiết quy trình 4 bước điều chế dầu cắt nano đồng nhất, chống sa lắng hạt: cân tỷ lệ khối lượng, phối trộn cơ học, rung siêu âm phân tán và kiểm tra độ ổn định huyền phù.

Chương 4: 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

Chương 4 là nội dung thực nghiệm trọng tâm của luận án, được chia thành các bước nghiên cứu cụ thể:

  1. Đánh giá ảnh hưởng của loại dầu nền, loại hạt nano, áp suất và lưu lượng dòng khí:

    • Thực hiện quy hoạch thực nghiệm sàng lọc đối với 4 biến đầu vào: loại dầu nền (dầu đậu nành và dầu emulsion), loại hạt nano ($\text{Al}_2\text{O}_3$ và $\text{MoS}_2$), áp suất dòng khí $p$ ($4 \div 6\text{ bar}$) và lưu lượng dòng khí $Q$ ($150 \div 200\text{ l/ph}$).
    • Kết quả chỉ ra hạt nano $\text{Al}_2\text{O}_3$ phân tán trong dầu đậu nành cho hiệu quả giảm nhám bề mặt $R_a$ và lực cắt tổng hợp $F_r$ vượt trội so với dầu khoáng emulsion và nano $\text{MoS}_2$. Biểu đồ Pareto và phân tích ANOVA khẳng định áp suất khí và lưu lượng khí có ảnh hưởng tương tác mạnh đến khả năng đưa các hạt sương dầu vào sâu vùng cắt.

  2. Xác định nồng độ hạt nano, áp suất và lưu lượng dòng khí tối ưu:

    • Tiến hành quy hoạch thực nghiệm Box-Behnken khảo sát 3 thông số: nồng độ hạt nano $\text{Al}_2\text{O}_3$ ($ND = 0,5% \div 1,5%$), áp suất khí $p$ ($4 \div 6\text{ bar}$) và lưu lượng dòng khí $Q$ ($150 \div 250\text{ l/ph}$).
    • Xây dựng mô hình toán học hồi quy biểu diễn $R_a$ và $F_r$. Giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu xác định được bộ thông số công nghệ tối ưu của hệ thống NF MQL: áp suất $p = 6\text{ bar}$, lưu lượng dòng khí $Q = 200\text{ l/ph}$, nồng độ hạt nano $\text{Al}_2\text{O}_3$ đạt $1,5%$.
    • Ảnh chụp cấu trúc tế vi và profin 3D bề mặt trên kính hiển vi Keyence VHX-7000 chứng minh tại chế độ tối ưu này, bề mặt gia công có độ nhẵn bóng đồng đều, giảm thiểu vết xước cào sâu.

  3. Xác định chế độ cắt tối ưu kết hợp với nồng độ hạt nano:

    • Cố định thông số dòng khí tối ưu ($p = 6\text{ bar}, Q = 200\text{ l/ph}$), triển khai quy hoạch thực nghiệm tối ưu hóa với 3 biến: nồng độ hạt nano $\text{Al}_2\text{O}_3$ ($ND = 0,5 \div 1,5%$), vận tốc cắt ($V = 70 \div 110\text{ m/ph}$) và lượng chạy dao răng ($S_z = 0,08 \div 0,16\text{ mm/răng}$).
    • Phân tích tương tác giữa $V, S_z$ và $ND$ đối với hàm mục tiêu $R_a$ và $F_r$. Xác định được chế độ cắt tối ưu đảm bảo lực cắt nhỏ và độ bóng bề mặt cao nhất.

  4. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ hạt nano $\text{Al}_2\text{O}_3$ đến động học mòn và tuổi bền dao:

    • Khảo sát biến thiên các thành phần lực cắt $F_x, F_y, F_z$ theo thời gian gia công. Nồng độ hạt nano $1,5%$ giúp giảm đáng kể thành phần lực pháp tuyến $F_y$.
    • Đánh giá mòn mặt sau dao phay sau thời gian cắt 80 phút. Kết quả cho thấy khi gia công với dầu nano $\text{Al}_2\text{O}_3$ $1,5%$, tốc độ mòn mặt sau diễn ra chậm nhất, giảm hiện tượng mẻ vi thể lưỡi cắt, màng nano kim loại bảo vệ bề mặt dụng cụ cắt được hình thành rõ nét.
    • Nhờ hiệu quả bôi trơn và làm mát của dòng nano, vận tốc cắt có thể nâng từ mức khuyến cáo của hãng sản xuất ($V = 50 \div 55\text{ m/ph}$) lên mức $V = 100 \div 110\text{ m/ph}$ (tăng 200%) mà vẫn đảm bảo tuổi bền dụng cụ và độ nhám bề mặt theo yêu cầu.

  5. Ứng dụng thử nghiệm sản xuất:

    • Áp dụng bộ thông số công nghệ tối ưu vào gia công loạt chi tiết căn đệm mỏng chịu mài mòn từ thép 60Si2Mn phục vụ ngành vận tải đường sắt, đồng thời mở rộng thử nghiệm gia công chi tiết cho ngành dược phẩm và sản xuất xi măng, mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật rõ rệt.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả khoa học và đóng góp mới nổi bật sau:

  1. Đánh giá toàn diện tương tác của hệ dung dịch bôi trơn nano: Đã phân tích, làm rõ ảnh hưởng và tương tác qua lại giữa loại hạt nano ($\text{Al}_2\text{O}_3, \text{MoS}_2$), loại dầu cắt nền (dầu thực vật đậu nành, dầu khoáng emulsion) và các thông số động lực học dòng khí MQL (áp suất $p$, lưu lượng $Q$) đến lực cắt và độ nhám bề mặt khi phay cứng thép. Kết quả cung cấp cơ sở khoa học giúp cán bộ kỹ thuật lựa chọn và phối hợp chính xác loại hạt nano và dầu nền cho từng điều kiện gia công cụ thể.
  2. Làm sáng tỏ cơ chế tác động và tối ưu hóa chế độ công nghệ: Đã phân tích cơ chế tác động của hạt nano $\text{Al}_2\text{O}_3$ trong vùng cắt, đánh giá ảnh hưởng của nồng độ hạt nano, thông số MQL và chế độ cắt đến quá trình tạo phoi răng cưa, lực cắt và cấu trúc tế vi bề mặt. Xác lập được bộ thông số công nghệ NF MQL và chế độ cắt tối ưu khi phay cứng thép 60Si2Mn ($50 \div 52\text{ HRC}$). Chứng minh việc ứng dụng NF MQL $\text{Al}_2\text{O}_3$ cho phép nâng vận tốc cắt của mảnh dao APMT 1604 từ $50 \div 55\text{ m/ph}$ lên $100 \div 110\text{ m/ph}$ (tăng 200%) mà vẫn đảm bảo tuổi thọ làm việc của dụng cụ cắt.
  3. Chứng minh hiệu quả cải thiện đặc tính bôi trơn - làm nguội của dầu thực vật: Đã chứng minh thực nghiệm việc bổ sung hạt nano $\text{Al}_2\text{O}_3$ vào dầu đậu nành đã cải thiện đáng kể độ dẫn nhiệt và tính năng bôi trơn, tạo ra dung dịch cắt gọt NF $\text{Al}_2\text{O}_3$ có hiệu quả tương đương và vượt trội so với dầu khoáng emulsion truyền thống trong điều kiện cắt gọt khắc nghiệt.
  4. Thúc đẩy xu hướng gia công xanh và bền vững: Chứng minh tính khả thi kỹ thuật và hiệu quả kinh tế của việc thay thế hoàn toàn dầu khoáng bằng dầu thực vật tự nhiên sẵn có tại Việt Nam trong công nghệ MQL gia công vật liệu cứng, giảm thiểu phát thải độc hại ra môi trường và bảo vệ sức khỏe người vận hành.
  5. Ứng dụng thành công vào thực tế sản xuất: Kết quả nghiên cứu đã được chuyển giao, ứng dụng gia công thực tế các loại chi tiết căn đệm chịu va đập cho ngành đường sắt và mở rộng sang các chi tiết máy trong ngành dược phẩm, thiết bị nhà máy xi măng.

Các kết quả nghiên cứu chính của luận án đã được công bố trong 04 bài báo khoa học trên các tạp chí quốc tế thuộc danh mục ISI uy tín và được tổng hợp trong 02 chương sách chuyên khảo do Nhà xuất bản IntechOpen phát hành.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và nội dung thực hiện, luận án còn một số giới hạn và định hướng mở rộng:

  • Hạn chế: Nghiên cứu thực nghiệm tập trung chủ yếu trên phương pháp phay mặt phẳng đối với một mác vật liệu cụ thể là thép lò xo 60Si2Mn ($50 \div 52\text{ HRC}$) sử dụng đầu dao phay gắn mảnh hợp kim APMT 1604 PDTR LT30, dầu nền là dầu đậu nành phối trộn với hạt nano $\text{Al}_2\text{O}_3$. Các yếu tố về góc nghiêng vòi phun, khoảng cách vòi phun và số lượng vòi phun MQL chưa được khảo sát như các biến độc lập trong mô hình tối ưu hóa.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Mở rộng nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ NF MQL cho các phương pháp gia công khác như phay rãnh, phay biên dạng phức tạp, khoan và mài trên các loại vật liệu có độ cứng cao khác (thép khuôn mẫu SKD11, SKD61, hợp kim chịu nhiệt Inconel, Titan).
    • Khảo sát các loại dầu nền thực vật khác (dầu lạc, dầu cọ, dầu hướng dương) và phối trộn các hệ hạt nano lai (hybrid nanofluids, ví dụ $\text{Al}_2\text{O}_3 + \text{MoS}_2$, $\text{Al}_2\text{O}_3 + \text{CNTs}$).
    • Tích hợp thêm các giải pháp làm lạnh phụ trợ (như khí lạnh CO2, N2 lỏng - NF MQCL) nhằm tăng cường hơn nữa khả năng làm nguội trong gia công tốc độ cao.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo có giá trị cao đối với:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ khí Chế tạo máy, Công nghệ Vật liệu. Tài liệu cung cấp phương pháp luận chặt chẽ về thiết kế quy hoạch thực nghiệm đa mục tiêu (Box-Behnken, CCD, ANOVA, Minitab), quy trình điều chế và đánh giá huyền phù nano, cùng các mô hình lý thuyết về ma sát học gia công cắt gọt (tribology in machining).
  • Kỹ sư công nghệ và nhà quản lý sản xuất tại các nhà máy cơ khí: Cung cấp chỉ dẫn công nghệ thực tế về áp suất phun, lưu lượng khí, nồng độ hạt nano và chế độ cắt tối ưu khi gia công thép lò xo và thép hợp kim cứng sau nhiệt luyện, giúp tăng gấp đôi năng suất bóc tách kim loại của mảnh dao hợp kim thông thường mà vẫn bảo đảm độ bóng bề mặt và độ bền dao.
  • Các nhà nghiên cứu phát triển công nghệ sản xuất bền vững: Tham khảo quy trình ứng dụng dầu thực vật phân hủy sinh học kết hợp bôi trơn tối thiểu để thay thế dầu tưới tràn gốc khoáng độc hại, hướng tới xây dựng nền gia công cơ khí xanh.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lựa chọn dầu đậu nành kết hợp hạt nano $\text{Al}_2\text{O}_3$ thay vì dầu khoáng emulsion truyền thống?

Dầu thực vật (như dầu đậu nành) chứa các phân tử axit béo và triglycerid có nhóm phân cực ($-COOH$ và $-COOR$), tạo ra màng bôi trơn bám dính định hướng có độ bền cao trên bề mặt kim loại, đồng thời có khả năng tự phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, dầu thực vật nguyên chất có độ ổn định nhiệt thấp và dễ cháy khi nhiệt cắt quá cao. Việc bổ sung các hạt nano $\text{Al}_2\text{O}_3$ có độ dẫn nhiệt tốt và độ cứng cao ($2700 \div 3000\text{ HV}$) giúp cải thiện đáng kể khả năng truyền dẫn nhiệt của dầu nền, chuyển ma sát trượt thành ma sát lăn qua hiệu ứng con lăn, khắc phục nhược điểm truyền nhiệt kém của dầu thực vật khi phay cứng.

2. Bốn cơ chế tác động của hạt nano trong vùng cắt được luận án phân tích là gì?

Luận án trình bày 4 cơ chế tác động cơ bản khi dòng sương dầu nano thâm nhập vào vùng cắt:

  1. Cơ chế con lăn (Rolling): Hạt nano dạng cầu cứng ($\text{Al}_2\text{O}_3, \text{TiO}_2$) hoạt động như các ổ bi siêu nhỏ, chuyển ma sát trượt thành ma sát lăn giữa phoi, dụng cụ cắt và chi tiết.
  2. Cơ chế tạo màng (Film formation): Hạt nano cấu trúc lớp ($\text{MoS}_2$, graphene) bám dính tạo màng bôi trơn thủy động (tribo-film) ngăn ngừa tiếp xúc trực tiếp.
  3. Cơ chế lấp đầy (Filling): Dưới áp lực và nhiệt độ cao, hạt nano thâm nhập lấp đầy các vết nứt, rãnh lõm tế vi trên bề mặt.
  4. Cơ chế đánh bóng (Polishing): Các hạt nano có độ cứng cao miết và san phẳng các đỉnh nhấp nhô tế vi, làm giảm độ nhám bề mặt gia công.

3. Việc ứng dụng NF MQL $\text{Al}_2\text{O}_3$ đã cải thiện năng suất cắt của mảnh dao APMT 1604 như thế nào so với khuyến cáo của nhà sản xuất?

Theo thông số tiêu chuẩn của nhà sản xuất mảnh dao LAMINA APMT 1604 PDTR LT30, khi phay thép có độ cứng $50 \div 52\text{ HRC}$, vận tốc cắt khuyến nghị là $V = 50 \div 55\text{ m/ph}$. Khi ứng dụng công nghệ NF MQL sử dụng hạt nano $\text{Al}_2\text{O}_3$ trên nền dầu đậu nành ở các thông số tối ưu ($p = 6\text{ bar}, Q = 200\text{ l/ph}, ND = 1,5%$), vận tốc cắt có thể tăng lên đến $V = 100 \div 110\text{ m/ph}$ (tăng 200%) mà vẫn đảm bảo tuổi bền dụng cụ và đạt độ nhám bề mặt gia công theo yêu cầu kỹ thuật.

4. Dạng mòn chủ yếu của dụng cụ cắt và dạng phoi hình thành khi phay cứng thép 60Si2Mn là gì?

  • Dạng phoi hình thành: Phoi dạng răng cưa (saw-toothed chip) là dạng phoi chủ đạo do sự đứt gãy và biến dạng cắt đoạn nhiệt theo chu kỳ tại vùng cắt chính. Khi vận tốc cắt tăng, màu sắc của phoi biến đổi từ màu bạc sang nâu tối, tím và xanh dương do sự tích tụ nhiệt độ.
  • Dạng mòn dụng cụ: Mòn cào xước (crater wear) ở mặt trước và mòn mặt sau (flank wear) là hai dạng mòn chủ đạo do áp lực lớn và nhiệt độ cao. Tiêu chuẩn mòn mặt sau được kiểm soát ở mức $[B] = 0,3\text{ mm}$ theo tiêu chuẩn ISO 8688-2. Ngoài ra còn ghi nhận hiện tượng mẻ tế vi lưỡi cắt và bong tróc lớp phủ bảo vệ.

5. Hệ thống thiết bị thí nghiệm chính được sử dụng để thu thập dữ liệu trong luận án gồm những gì?

Hệ thống thí nghiệm bao gồm: đài dao phay mặt đầu gắn mảnh hợp kim APMT 1604 PDTR LT30 của LAMINA; đầu phun MQL chuyên dụng của hãng NOGA; đầu đo lực 3 thành phần Kistler 9257BA; máy đo độ nhám tiếp xúc Mitutoyo SJ-210; kính hiển vi kỹ thuật số 3D Keyence VHX-7000; kính hiển vi điện tử quét SEM; máy đo độ nhớt Brookfield DV2T; máy đo hệ số dẫn nhiệt Linseis THB 500; và bể rung siêu âm Sono Swiss SW3H.

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Trần Thế Long đã giải quyết thành công bài toán nâng cao hiệu quả gia công phay cứng thép lò xo 60Si2Mn ($50 \div 52\text{ HRC}$) thông qua việc ứng dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu sử dụng dầu nano $\text{Al}_2\text{O}_3$ trên nền dầu thực vật. Công trình đã làm sáng tỏ các cơ chế ma sát học và truyền nhiệt trong vùng cắt, xây dựng mô hình quy hoạch thực nghiệm và xác định chính xác bộ thông số công nghệ tối ưu ($p = 6\text{ bar}$, $Q = 200\text{ l/ph}$, nồng độ hạt nano $1,5%$), giúp tăng vận tốc cắt lên 200% so với khuyến nghị ban đầu mà vẫn đảm bảo độ bền dụng cụ và chất lượng bề mặt. Kết quả nghiên cứu không chỉ đóng góp các cơ sở lý luận và thực nghiệm quan trọng cho ngành Kỹ thuật Cơ khí mà còn mang lại giá trị ứng dụng thực tiễn trong sản xuất phụ tùng công nghiệp, phù hợp với xu hướng phát triển công nghệ gia công xanh và bền vững.