MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Bôi trơn tối thiểu (Minimum quantity lubrication – viết tắt MQL) thực chất là đƣa một lƣợng dung dịch trơn nguội hạn chế trực tiếp vào vùng cắt. Do hiệu quả của quá trình bôi trơn cao, tiết kiệm dung dịch trơn nguội (Lưu lượng 0,08 ÷ 3,3 ml/phút), thân thiện môi trƣờng, tiết kiệm chi phí, v. nên đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng khá rộng rãi cho các phƣơng pháp gia công bằng dụng cụ cắt có lƣỡi cắt xác định.
Nhƣợc điểm cơ bản của MQL là khả năng làm nguội bị hạn chế nên việc sử dụng cho các phƣơng pháp gia công có điều kiện cắt gọt khắc nghiệt, nhiệt cắt lớn nhƣ gia công các loại vật liệu khó gia công, vật liệu cứng hoặc gia công bằng mài chƣa mang lại hiệu quả mong muốn. Để khắc phục nhƣợc điểm trên và mở rộng phạm vi ứng dụng của MQL thì một hƣớng nghiên cứu mới đang rất đƣợc quan tâm là sử dụng phƣơng pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu (Minimum quantity cooling lubrication – viết tắt là MQCL). Thực chất của MQCL là đƣa một lƣợng dung dịch trơn nguội nhiệt độ thấp (Dung dịch lạnh) trực tiếp vào vùng cắt. Ngoài việc ứng dụng để nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật khi gia công các loại vật liệu thông thƣờng, MQCL còn đƣợc nghiên cứu, ứng dụng cho các quá trình gia công vật liệu khó gia công, vật liệu cứng (VLC), v.
Ngày nay gia công vật liệu cứng (Vật liệu sau nhiệt luyện) bằng dụng cụ cắt có lƣỡi cắt xác định (Machining of hard material) là một giải pháp để thay thế một phần cho mài. Gia công vật liệu cứng bằng dụng cụ cắt có lƣỡi cắt xác định nói chung là quá trình gia công cắt gọt vật liệu có độ cứng HRC = 45 ÷ 70. Trong đó phay cứng (Hard milling) đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng khá phổ biến trong thực tiễn. Trong phay cứng, đặc biệt là phay bằng dao phay mặt đầu gắn mảnh hợp kim cứng thì việc bôi trơn làm nguội bằng phƣơng pháp tƣới tràn không thực hiện đƣợc do hiện tƣợng sốc nhiệt.
Vì vậy việc ứng dụng MQL và MQCL cho quá trình phay cứng là các giải pháp đã đƣợc quan tâm nghiên cứu và ứng dụng, trong đó MQCL sử dụng dung dịch nano là giải pháp khả thi. Do có khả năng đạt độ chính xác và chất lƣợng bề mặt cao tƣơng đƣơng với luan an 2 mài nhƣng năng suất cao hơn nên tiện cứng, phay cứng đã và đang đƣợc quan tâm nghiên cứu, ứng dụng để thay thế một phần hoặc phối hợp với nguyên công mài để gia công tinh các chi tiết máy. Xuất phát từ các phân tích ở trên, tác giả chọn hƣớng nghiên cứu là ứng dụng MQCL sử dụng dung dịch nano MoS2 cho quá trình phay cứng thép SKD11 với đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ làm lạnh kết hợp với bôi trơn tối thiểu đến quá trình cắt khi phay cứng”. Mục tiêu, đối tƣợng nghiên cứu Mục tiêu chung Nghiên cứu ảnh hƣởng của MQCL đến quá trình cắt khi phay cứng thép SKD11.
Mục tiêu cụ thể - Nghiên cứu, đánh giá tác động của MQCL và việc sử dụng dung dịch nano MoS2 đến quá trình cắt khi phay cứng thép SKD11. - Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số thông số gồm: Áp suất và lƣu lƣợng dòng khí nén; nồng độ hạt nano trong dung dịch; vận tốc cắt; độ cứng vật liệu gia công trong MQCL đến quá trình và kết quả của quá trình cắt khi phay cứng thép SKD11. - Nghiên cứu, đánh giá hiệu quả của MQCL sử dụng dung dịch nano để nâng cao khả năng cắt của mảnh HKC. - Nghiên cứu tối ƣu các thông số khảo sát, đƣa ra các chỉ dẫn công nghệ khi sử dụng MQCL vào quá trình phay vật liệu cứng.
Đối tƣợng nghiên cứu MQCL sử dụng dung dịch nano MoS2 ứng dụng cho quá trình phay cứng SKD11 bằng dao phay mặt đầu gắn mảnh hợp kim cứng. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm, trong đó: - Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu, tìm hiểu, tổng hợp các kết quả trƣớc đây về luan an 3 lĩnh vực nghiên cứu của đề tài. - Nghiên cứu thực nghiệm: Sử dụng các phƣơng pháp thiết kế quy hoạch thực nghiệm gồm: Phƣơng pháp quy hoạch thí nghiệm riêng phần 2k-p; phƣơng pháp thiết kế quy hoạch thực nghiệm tối ƣu dạng tâm xoay CCD và phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm tối ƣu Box – Behnken với sự hỗ trợ của phần mềm quy hoạch và xử lý số liệu Minitab 18. Nội dung nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu bốn nội dung chính sau: 1) Xây dựng hệ thống thí nghiệm đáp ứng yêu cầu nghiên cứu thực nghiệm.
2) Nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng của phƣơng pháp bôi trơn làm nguội, loại dung dịch, tác động của hạt nano, áp suất dòng khí và lƣu lƣợng dòng khí đến quá trình cắt khi phay cứng thép SKD11. 3) Nghiên cứu xác định áp suất, lƣu lƣợng dòng khí tối ƣu khi phay cứng thép SKD11 sử dụng MQCL. 4) Nghiên cứu xác định chế độ cắt, nồng độ hạt nano tối ƣu khi phay cứng thép SKD11 sử dụng MQCL và đánh giá hiệu quả của MQCL đến khả năng nâng cao tính cắt của mảnh hợp kim APMT 1604 PDTR LT 30 phủ PVD của hãng LAMINA. 5) Nghiên cứu ảnh hƣởng của MQCL sử dụng dung dịch nano MoS2 đến nhám bề mặt Ra; cấu trúc hình học tế vi bề mặt gia công; mòn và tuổi bền của dụng cụ khi phay cứng thép SKD11.
Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học Bổ sung thêm lý thuyết về tác động của MQCL và MQCL sử dụng dung dịch nano đến quá trình cắt khi phay cứng, kết quả này đặt nền tảng để tiếp tục nghiên cứu phát triển và ứng dụng MQCL vào thực tiễn sản xuất. Ý nghĩa thực tiễn Đã nghiên cứu, ứng dụng thành công MQCL sử dụng dung dịch nano MoS2 vào luan an 4 quá trình phay cứng đáp ứng xu hƣớng gia công sạch, thân thiện môi trƣờng. Những đóng góp mới của đề tài Đề tài đã kết hợp đƣợc 3 hƣớng nghiên cứu mới hiện nay là: (1) Gia công vật liệu cứng (Đặc biệt là phay cứng); (2) Ứng dụng MQCL trong gia công cắt gọt, cụ thể là ứng dụng MQCL cho quá trình phay cứng; (3) Sử dụng dung dịch nano (Nanofluid) làm dung dịch trơn nguội trong gia công cắt gọt với các đóng góp mới cụ thể: - Bƣớc đầu đã nghiên cứu, đánh giá đƣợc MQCL cho quá trình gia công cắt gọt kim loại. - Đã nghiên cứu, đánh giá đƣợc hiệu quả của việc sử dụng dung dịch nano MoS2 trên dung dịch nền là Emulsi.
- Ứng dụng đƣợc MQCL sử dụng dung dịch nano Emulsi MoS2 cho quá trình phay cứng thép SKD11; đã nghiên cứu, xác định đƣợc một số thông số nhƣ áp suất, lƣu lƣợng dòng khí; nồng độ hạt nano, vận tốc cắt tối ƣu khi phay cứng thép SKD11. - Đã nghiên cứu, xác định đƣợc tác dụng của MQCL sử dụng dung dịch nano trong việc nâng cao khả năng gia công của mảnh hợp kim cứng APMT 1604 PDTR LT 30 thông qua chỉ tiêu là vận tốc cắt và độ cứng vật liệu gia công. Từ đây mở ra hƣớng mới là sử dụng loại mảnh hợp kim cứng thông dụng, rẻ tiền cho quá trình gia công vật liệu cứng. Kết quả này có ý nghĩa thực tiễn lớn, giúp giảm chi phí sản xuất, hạ giá thành gia công.
- Bƣớc đầu đánh giá đƣợc ảnh hƣởng của MQCL sử dụng dung dịch nano MoS2 cấu trúc hình học tế vi bề mặt gia công; đến mòn và tuổi bền của dụng cụ khi phay cứng thép SKD11. Các đóng góp này thể hiện qua 05 công trình liên quan đến nội dung luận án đã công bố gồm: 01 bài báo trên tạp chí Metals thuộc danh mục SCI (Q2); 01 bài báo trên tạp chí Lubricants thuộc danh mục ESCI (Q1); 02 bài báo trên tạp chí quốc tế có chỉ số ISSN; 01 bài báo trên tạp chí trong nƣớc. Cấu trúc nội dung luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận chung, phụ lục và danh mục các bảng biểu, luan an 5 hình vẽ thì nội dung chính của luận án đƣợc trình bày trong ba chƣơng: Chương 1. Tổng quan về MQCL và ứng dụng trong gia công vật liệu cứng Nội dung chính trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nƣớc về các vấn đề nghiên cứu gồm gia công vật liệu cứng; MQL, MQCL; ứng dụng MQL, MQCL vào quá trình gia công vật liệu cứng, v.
qua đó lựa chọn đƣợc hƣớng nghiên cứu. Ảnh hƣởng của MQCL đến quá trình cắt khi gia công vật liệu cứng Nôi dung chính của chƣơng là nghiên cứu một số lý thuyết cơ bản về gia công vật liệu cứng, MQCL và ảnh hƣởng của MQCL đến quá trình cắt khi phay cứng. Nghiên cứu ảnh hƣởng của MQCL đến quá trình cắt khi phay cứng thép SKD11 Đây là trọng tâm của luận án với các nội dung chính nhƣ sau: 1) Xây dựng hệ thống thí nghiệm. 2) Nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng của phƣơng pháp bôi trơn làm nguội (MQL, MQCL); loại dung dịch (Emulsi, dầu đậu nành); tác động của hạt nano (Có hạt nano MoS2, không có hạt nano); áp suất dòng khí p và lƣu lƣợng dòng khí Q đến quá trình cắt khi phay cứng thép SKD11.
Tác giả sử dụng phƣơng pháp quy hoạch thí nghiệm riêng phần 2k-p để đánh giá ảnh hƣởng của các yếu tố khảo sát đến quá trình cắt khi phay cứng thép SKD11. 3) Nghiên cứu ảnh hƣởng của áp suất, lƣu lƣợng dòng khí nén và xác định áp suất, lƣu lƣợng dòng khí nén tối ƣu khi phay cứng thép SKD11 sử dụng MQCL. Công cụ khảo sát là sử dụng phƣơng pháp thiết kế quy hoạch thực nghiệm tối ƣu dạng tâm xoay CCD với sự trợ giúp của phần mềm Minitab 18. 4) Nghiên cứu xác định chế độ cắt, nồng độ hạt nano tối ƣu khi phay cứng thép SKD11 sử dụng MQCL qua đó đánh giá hiệu quả của MQCL đến khả năng nâng cao tính cắt của mảnh hợp kim APMT 1604 PDTR LT 30 phủ PVD của hãng LAMINA mà chủ yếu là nâng cao đƣợc vận tốc cắt và độ cứng của vật liệu gia công.
Để giải luan an 6 quyết bài toán, tác giả sử dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm tối ƣu Box – Behnken với sự hỗ trợ của phần mềm quy hoạch và xử lý số liệu Minitab 18. 5) Nghiên cứu ảnh hƣởng của MQCL sử dụng dung dịch nano MoS2 đến nhám bề mặt Ra; cấu trúc hình học tế vi bề mặt gia công; mòn và tuổi bền của dụng cụ khi phay cứng thép SKD11. luan an 7 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MQCL VÀ ỨNG DỤNG TRONG GIA CÔNG VẬT LIỆU CỨNG 1.