Tổng quan luận án

Gia công vật liệu có độ cứng cao ($HRC = 45 \div 70$) sau nhiệt luyện bằng dụng cụ cắt có lưỡi cắt xác định (tiện cứng, phay cứng) là giải pháp công nghệ nhằm thay thế hoặc giảm bớt khối lượng nguyên công mài trong chế tạo cơ khí. Trong nguyên công phay cứng, đặc biệt là phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu gắn mảnh hợp kim cứng, việc sử dụng phương pháp bôi trơn làm nguội tưới tràn truyền thống không thể thực hiện được do hiện tượng sốc nhiệt gây nứt vỡ lưỡi cắt. Phương pháp bôi trơn tối thiểu (MQL) với lưu lượng chất lỏng hạn chế ($0{,}08 \div 3{,}3\text{ ml/phút}$) đã được áp dụng nhằm giảm ma sát và bảo vệ môi trường, song khả năng tản nhiệt bị hạn chế tại các vùng cắt có nhiệt độ cao. Để giải quyết khoảng trống công nghệ này, phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQCL) kết hợp dung dịch lạnh và hạt nano được nghiên cứu nhằm đồng thời nâng cao hiệu quả bôi trơn và làm nguội vùng cắt.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm:

  • Mục tiêu chung: Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQCL) đến quá trình cắt khi phay cứng thép SKD11.
  • Mục tiêu cụ thể:
    1. Nghiên cứu, đánh giá tác động của MQCL và việc sử dụng dung dịch nano $\text{MoS}_2$ đến quá trình cắt khi phay cứng thép SKD11.
    2. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số gồm áp suất và lưu lượng 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.
    3. Nghiên cứu, đánh giá hiệu quả của MQCL sử dụng dung dịch nano để nâng cao khả năng cắt của mảnh hợp kim cứng.
    4. Nghiên cứu tối ưu hóa các thông số khảo sát, đưa ra các chỉ dẫn công nghệ khi sử dụng MQCL vào quá trình phay vật liệu cứng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQCL) sử dụng dung dịch nano $\text{MoS}_2$ ứng dụng cho quá trình phay cứng thép SKD11 bằng dao phay mặt đầu gắn mảnh hợp kim cứng.
  • Phạm vi vật liệu và thiết bị: Thép hợp kim làm khuôn dập nguội SKD11 (tiêu chuẩn JIS) sau nhiệt luyện; mảnh dao hợp kim cứng phủ PVD mã APMT 1604 PDTR LT 30 của hãng LAMINA; dung dịch trơn nguội nền Emulsi pha trộn hạt nano $\text{MoS}_2$ và dung dịch dầu đậu nành.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến công nghệ bôi trơn tối thiểu (MQL), bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQCL) và gia công vật liệu cứng:

Hướng nghiên cứu Tác giả, tài liệu trích dẫn Phát hiện và số liệu chính trong tài liệu
Nền tảng MQL Phát triển tại CHLB Đức và Nhật Bản (thập niên 1990) [30, 41, 45] Đề xuất giải pháp đưa lượng nhỏ dung dịch ($5 \div 200\text{ ml/h}$) vào vùng cắt nhằm thay thế tưới tràn và gia công khô.
MQL trong khoan lỗ Tác giả [10, 50]; Tác giả [21]; Tác giả [16] Khi khoan với MQL lưu lượng $15\text{ ml/h}$ dung dịch Emulsi cho độ nhám $R_a, R_z$ nhỏ nhất [50]. Khoan tốc độ cao hợp kim Ti-6Al-4V bằng dầu cọ cho độ mòn mặt sau thấp hơn ete tổng hợp và làm nguội bằng khí [16].
MQL trong tiện Tác giả [46]; Tác giả [32]; Tác giả [34]; Tác giả [28] Tiện hợp kim đồng đạt tối ưu tại lưu lượng $200\text{ ml/h}$, $V_c = 200\text{ m/phút}$, $S = 0{,}05\text{ mm/vòng}$ [46]. Tiện thép AISI 4340 với MQL giảm mòn mặt sau so với tiện khô và tưới tràn [32]. Tiện hợp kim Inconel 718 với mảnh phủ TiCN/$\text{Al}_2\text{O}_3$/TiN hiệu quả hơn khi trộn khí argon [28].
MQL trong phay Tác giả [28]; Tác giả [49]; Tác giả [19] Phay thép AISI D2 ($62\text{ HRC}$) với dao phủ TiAlSiN dưới chế độ MQL cho tuổi bền cao nhất [28]. Phay thép AISI H13 cho tuổi bền dao khi tưới tràn, MQL và cắt khô lần lượt là $29{,}7$ phút, $25$ phút và $15{,}3$ phút [19].
MQL trong nước Tác giả [1, 2, 3]; Tác giả [15]; Tác giả [7, 23] Tiện thép 90CrSi bằng dao CBN dưới MQL dầu lạc [3]; tiện Inconel 718 bằng dao hợp kim cứng phủ PVD [15]; phay cứng thép S60C2 bằng dao hợp kim cứng không phủ [7, 23].
MQCL quốc tế Tác giả [48]; Tác giả [33]; Tác giả [25]; Tác giả [26]; Tác giả [27] Tiện hợp kim Ti-5553 với MQCL dùng nitơ lỏng giảm lực cắt tới $30%$ [48]. Phay Inconel 718 bằng MQCL giảm mòn mặt sau so với MQL và khí lạnh [33]. Tiện cứng AISI 1045 với MQCL dùng ete photphat $5%$ giảm mòn $8%$ so với Emulsi và $23%$ so với tiện khô [25]. Tiện thép 316L với MQCL giảm hệ số ma sát $28 \div 36%$ so với gia công khô [27].

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định: Chưa có công trình công bố trong nước về phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQCL). Các nghiên cứu quốc tế về MQCL chủ yếu tập trung vào nguyên công tiện hoặc phay các hợp kim titan, Inconel; việc áp dụng MQCL kết hợp bổ sung hạt nano $\text{MoS}_2$ trên dung dịch nền Emulsi để phay mặt đầu thép hợp kim SKD11 sau nhiệt luyện chưa được nghiên cứu một cách toàn diện về chế độ khí động, nồng độ hạt nano, lực cắt, nhám bề mặt và cơ chế mòn dao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và nguyên lý

  1. Cơ chế tạo phoi và nhiệt cắt khi gia công vật liệu cứng: Gia công thép có độ cứng cao sinh ra phoi xếp (saw-tooth chip) qua 4 giai đoạn tuần hoàn: tập trung ứng suất nén và mầm nứt, đoạn phoi trượt không biến dạng, biến dạng dẻo cục bộ cao tại dải trượt hẹp, và nứt vỡ hình thành răng phoi mới (theo mô hình của các tác giả [31, 35, 51]). Quá trình phay biến dạng tiêu hao năng lượng lớn, trong đó khoảng $97{,}5%$ công cắt chuyển hóa thành nhiệt năng [4], gây mòn dụng cụ và thay đổi tổ chức tế vi bề mặt gia công.
  2. Nguyên lý làm lạnh và hòa trộn MQCL: Sử dụng ống xoáy Ranque-Hilsch để tách dòng khí nén áp suất cao thành dòng khí nóng và dòng khí lạnh (đạt nhiệt độ tới $-15^\circ\text{C}$). Dòng khí lạnh áp lực cao được dẫn vào buồng trộn của đầu phun MQCL cải tiến để tán sương dung dịch trơn nguội thành các giọt mịn hướng trực tiếp vào mặt sau và mặt trước của dụng cụ cắt.
  3. Cơ chế của hạt nano $\text{MoS}_2$: Hạt nano $\text{MoS}_2$ phân tán trong dung dịch Emulsi làm tăng độ dẫn nhiệt của môi chất bôi trơn làm nguội, hình thành màng bôi trơn mỏng chịu áp lực cao giữa mặt sau dụng cụ và bề mặt gia công, giúp giảm hệ số ma sát và giảm lực cắt.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Luận án kết hợp nghiên cứu lý thuyết và phương pháp quy hoạch thực nghiệm toán học đa yếu tố, phân tích phương sai (ANOVA) và tối ưu hóa đa mục tiêu bằng phần mềm Minitab 18 thông qua ba giai đoạn:

  • Quy hoạch thực nghiệm riêng phần $2^{k-p}$: Khảo sát sàng lọc ảnh hưởng của 5 yếu tố công nghệ (phương pháp bôi trơn làm nguội, loại dung dịch, có/không có hạt nano, áp suất khí nén $p$, lưu lượng khí nén $Q$) đến 3 thành phần lực cắt ($P_x, P_y, P_z$) và độ nhám bề mặt $R_a$.
  • Quy hoạch tối ưu hóa bề mặt chỉ tiêu dạng tâm xoay (CCD - Central Composite Design): Nghiên cứu ảnh hưởng tương tác và xác định giá trị tối ưu của áp suất dòng khí $p$ và lưu lượng dòng khí $Q$.
  • Quy hoạch thực nghiệm tối ưu Box - Behnken: Xác định ảnh hưởng đồng thời của nồng độ hạt nano $\text{MoS}_2$, vận tốc cắt $V$ và độ cứng vật liệu đến các thành phần lực cắt và nhám bề mặt $R_a$.

Hệ thống thiết bị và nguồn dữ liệu thực nghiệm

Thiết bị / Dụng cụ / Mẫu Xuất xứ / Ký hiệu kỹ thuật Chức năng trong nghiên cứu
Máy công cụ Trung tâm phay đứng CNC Mazak Vertical Center Smart 530C Thực hiện các chế độ phay mặt phẳng thực nghiệm.
Mảnh dụng cụ cắt APMT 1604 PDTR LT 30 (hãng LAMINA, phủ PVD) Cắt gọt phay mặt đầu trên vật liệu cứng.
Phôi gia công Thép hợp kim SKD11 (JIS) qua tôi và ram ($HRC = 50 \div 60$) Đối tượng gia công thực nghiệm.
Thiết bị tạo khí lạnh Đầu phun khí lạnh DTNUT (nguyên lý Ranque-Hilsch) Tạo dòng khí lạnh áp suất cao từ nguồn khí nén.
Đầu phun sương Cụm đầu phun MQCL cải tiến Hòa trộn khí lạnh và dung dịch trơn nguội thành sương mù.
Đo lực cắt Lực kế động lực học Kistler 9257B và bộ điều khiển Đo 3 thành phần lực cắt trực giao $P_x, P_y, P_z$.
Đo độ nhám bề mặt Máy đo nhám Mitutoyo Surftest SJ-210 Đo thông số nhám bề mặt $R_a$ sau gia công.
Kính hiển vi quang học Kính hiển vi kỹ thuật số Keyence VHX-6000 Quan sát mòn mặt trước, mòn mặt sau của mảnh dao và cấu trúc tế vi bề mặt.
Thiết bị tạo dung dịch nano Máy rung siêu âm 3000868 – Ultrasons Phân tán đều hạt nano $\text{MoS}_2$ vào dung dịch nền Emulsi.
Thiết bị đo hóa lý dung dịch Máy đo độ nhớt Brookfield DV2T, máy đo độ dẫn nhiệt Linseis THB-500 Xác định độ nhớt và độ dẫn nhiệt của môi chất.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về MQCL và ứng dụng trong gia công vật liệu cứng

Nội dung chương 1 tập trung phân tích tổng quan về bôi trơn tối thiểu (MQL), bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQCL) và công nghệ gia công vật liệu cứng bằng dụng cụ cắt có lưỡi cắt xác định:

  • Định nghĩa và cơ chế MQL: Lưu lượng dung dịch giới hạn từ $0{,}08 \div 3{,}3\text{ ml/phút}$ ($5 \div 200\text{ ml/h}$). Phân loại hệ thống tạo sương bằng khí nén hoặc tia áp lực cao; phân loại theo đường cấp bên ngoài và bên trong trục chính/dụng cụ cắt. MQL bộc lộ nhược điểm khả năng làm mát kém khi gia công vật liệu cứng có nhiệt cắt cao.
  • Giải pháp kết hợp làm mát tích cực: Khái quát hai cấu hình chính gồm hệ thống MQL độc lập với vòi phun khí lạnh riêng biệt (dùng ống xoáy Ranque-Hilsch tạo dòng khí lạnh $-15^\circ\text{C}$) và hệ thống tích hợp MQCL dẫn dung dịch lạnh dạng sương mù qua một đầu phun duy nhất.
  • Tổng kết tình hình nghiên cứu: Đánh giá chi tiết các công trình khoan, tiện, phay trong và ngoài nước; xác định việc áp dụng MQCL dung dịch nano $\text{MoS}_2$ cho phay cứng thép SKD11 là định hướng nghiên cứu mới, đáp ứng yêu cầu bôi trơn, làm nguội và gia công sạch.

Chương 2: Ảnh hưởng của MQCL đến quá trình cắt khi gia công vật liệu cứng

Chương 2 trình bày các cơ sở lý thuyết về động học cắt và tương tác nhiệt - cơ trong quá trình phay cứng khi có sự tham gia của MQCL:

  • Động học hình thành phoi: Cơ chế hình thành phoi răng cưa/phoi xếp khi phay thép cứng, sự tập trung biến dạng trượt và nứt vỡ tế vi. Luận án phân tích sự hình thành lớp biến trắng (white layer) có độ cứng cao trên bề mặt chi tiết và mối liên hệ với độ mòn dao.
  • Nguồn gốc nhiệt cắt và cân bằng nhiệt: Khoảng $97{,}5%$ công cắt biến thành nhiệt năng; phân tích sự truyền nhiệt vào phôi, phoi và dụng cụ cắt.
  • Cơ chế tác động của các yếu tố công nghệ MQCL:
    • Loại dung dịch: So sánh đặc tính của dầu khoáng pha nước (Emulsi) và dầu thực vật (dầu đậu nành);
    • Thông số khí động: Tác động của áp suất dòng khí $p$ và lưu lượng dòng khí $Q$ đến vận tốc hạt sương, đường kính giọt và mật độ giọt phun trên bề mặt tiếp xúc;
    • Tác dụng của hạt nano $\text{MoS}_2$: Nâng cao độ dẫn nhiệt và tạo màng bôi trơn chịu tải cao, hạn chế ma sát và ngăn ngừa hiện tượng mòn dính, nứt mẻ do sốc nhiệt trên mảnh hợp kim cứng.

Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của MQCL đến quá trình cắt khi phay cứng thép SKD11

Chương 3 là phần thực nghiệm cốt lõi của luận án, được thực hiện qua các bước cụ thể:

  1. Thiết kế và chế tạo thiết bị:
    • Nghiên cứu, chế tạo đầu phun khí lạnh DTNUT dựa trên hiệu ứng xoáy Ranque-Hilsch.
    • Nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm cụm đầu phun MQCL cải tiến đảm bảo khả năng hòa trộn khí lạnh và dung dịch nano thành dòng sương mù ổn định.
  2. Thí nghiệm sàng lọc theo quy hoạch riêng phần $2^{k-p}$:
    • Khảo sát 5 biến đầu vào gồm: phương pháp BTLN (MQL, MQCL), loại dung dịch (Emulsi, dầu đậu nành), nồng độ hạt nano $\text{MoS}_2$ (có, không), áp suất khí $p$, lưu lượng khí $Q$.
    • Kết quả phân tích biểu đồ Pareto và ANOVA chỉ ra rằng phương pháp MQCL kết hợp hạt nano $\text{MoS}_2$ trên nền dung dịch Emulsi giúp giảm đáng kể lực cắt $P_x, P_y, P_z$ và độ nhám bề mặt $R_a$ so với MQL thông thường.
  3. Thí nghiệm tối ưu hóa thông số khí động bằng quy hoạch tâm xoay CCD:
    • Khảo sát miền biến thiên của áp suất $p$ và lưu lượng dòng khí $Q$.
    • Xây dựng các phương trình hồi quy thực nghiệm mô tả quan hệ giữa $p, Q$ với các thành phần lực cắt và nhám $R_a$.
    • Thực hiện tối ưu hóa đa mục tiêu, xác định bộ thông số khí động tối ưu nhằm đồng thời giảm thiểu lực cắt và nhám bề mặt.
  4. Thí nghiệm tối ưu hóa chế độ cắt và nồng độ nano bằng quy hoạch Box - Behnken:
    • Các biến khảo sát gồm nồng độ hạt nano $\text{MoS}_2$, vận tốc cắt $V$ và độ cứng vật liệu gia công thép SKD11 ($HRC = 50 \div 60$).
    • Phân tích tương tác giữa nồng độ nano và chế độ cắt đến lực cắt và $R_a$.
    • Tối ưu hóa đa mục tiêu chỉ ra nồng độ hạt nano $\text{MoS}_2$ thích hợp giúp mở rộng khả năng gia công của mảnh hợp kim cứng APMT 1604 PDTR LT 30 ở dải vận tốc cắt cao và độ cứng vật liệu lớn.
  5. Nghiên cứu chất lượng bề mặt, quy luật mòn và tuổi bền dụng cụ:
    • So sánh cấu trúc hình học tế vi bề mặt sau gia công giữa 5 trạng thái: Gia công khô (Dry), MQL, MQCL Emulsi, MQCL Emulsi + $\text{MoS}_2$ ($0{,}2%$), MQCL Emulsi + $\text{MoS}_2$ ($0{,}5%$).
    • Kết quả đo nhám trên máy Mitutoyo SJ-210 và ảnh chụp kính hiển vi Keyence VHX-6000 chứng minh điều kiện MQCL kết hợp nano $\text{MoS}_2$ cho bề mặt gia công đồng đều nhất, giảm nhấp nhô tế vi.
    • Phân tích dạng mòn mặt trước và mòn mặt sau của mảnh hợp kim cứng: MQCL dung dịch nano $\text{MoS}_2$ làm giảm tốc độ phát triển mòn mặt sau ($V_B$), ngăn chặn mẻ lưỡi cắt do nhiệt và nâng cao rõ rệt tuổi bền của dụng cụ cắt so với gia công khô và MQL.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  • Luận án đã kết hợp ba hướng nghiên cứu: gia công vật liệu cứng (phay cứng), ứng dụng bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQCL) và ứng dụng dung dịch nano ($\text{MoS}_2$) trong gia công cơ khí.
  • Bổ sung cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm về cơ chế truyền nhiệt, ma sát và quy luật biến đổi lực cắt ($P_x, P_y, P_z$), nhám bề mặt ($R_a$), cơ chế mòn dao trong điều kiện phay cứng thép SKD11 có sự hỗ trợ của dòng sương lạnh nano.
  • Thiết lập hệ thống phương trình hồi quy thực nghiệm thông qua các mô hình quy hoạch $2^{k-p}$, CCD và Box - Behnken, phản ánh chính xác ảnh hưởng đơn lẻ và tương tác của áp suất khí, lưu lượng khí, nồng độ hạt nano $\text{MoS}_2$, vận tốc cắt và độ cứng vật liệu.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và công nghệ

  • Thiết kế và chế tạo thành công thiết bị tạo khí lạnh DTNUT và đầu phun MQCL cải tiến, có kết cấu gọn nhẹ, dễ lắp đặt trên các máy công cụ CNC hiện có.
  • Ứng dụng thành công dung dịch nano $\text{MoS}_2$ trên nền Emulsi cho nguyên công phay cứng thép SKD11 đạt độ chính xác và độ nhẵn bề mặt cao.
  • Nâng cao khả năng cắt gọt của mảnh hợp kim cứng thương mại thông dụng APMT 1604 PDTR LT 30 phủ PVD (hãng LAMINA), cho phép gia công thép SKD11 đạt độ cứng đến $60\text{ HRC}$ ở vận tốc cắt cao hơn, giúp giảm chi phí mua sắm dụng cụ cắt chuyên dụng đắt tiền và hạ giá thành gia công.
  • Kết quả nghiên cứu đã được công bố qua 05 công trình khoa học gồm:
    • 01 bài báo trên tạp chí Metals (danh mục SCI, Q2);
    • 01 bài báo trên tạp chí Lubricants (danh mục ESCI, Q1);
    • 02 bài báo trên tạp chí quốc tế có chỉ số ISSN;
    • 01 bài báo trên tạp chí khoa học chuyên ngành trong nước.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Áp dụng đầu phun MQCL cải tiến kết hợp dung dịch nano $\text{MoS}_2$ nền Emulsi vào sản xuất khuôn mẫu và gia công tinh chi tiết thép hợp kim sau nhiệt luyện để thay thế gia công khô hoặc mài.
  • Sử dụng bộ thông số công nghệ tối ưu về áp suất khí nén, lưu lượng dòng khí và nồng độ hạt nano theo chỉ dẫn của luận án nhằm đảm bảo tuổi bền dụng cụ và độ nhám bề mặt gia công.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các nghiên cứu thực nghiệm trong luận án chủ yếu thực hiện trên đối tượng thép khuôn dập SKD11 và loại mảnh dao hợp kim cứng phủ PVD mã APMT 1604 PDTR LT 30 theo dạng phay mặt phẳng; chưa khảo sát trên các dạng bề mặt định hình phức tạp hoặc các mác thép hợp kim chịu nhiệt khác.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Tiếp tục thử nghiệm phương pháp MQCL với các loại hạt nano khác ($\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{TiO}_2$, CNTs, graphene...) và các loại dung dịch nền có nguồn gốc sinh học khác.
    • Nghiên cứu mở rộng ứng dụng MQCL dung dịch nano cho các nguyên công gia công bề mặt 3D phức tạp, phay rãnh, khoan sâu trên các vật liệu khó gia công như hợp kim titan và hợp kim niken.
    • Tối ưu hóa kết cấu đầu phun và tích hợp hệ thống điều khiển tự động điều chỉnh lưu lượng, nhiệt độ phun theo thời gian thực trong quá trình gia công.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy: Luận án là tài liệu tham khảo về phương pháp thiết kế quy hoạch thực nghiệm nhiều yếu tố ($2^{k-p}$, CCD, Box - Behnken), quy trình phân tích phương sai ANOVA và xử lý số liệu tối ưu hóa đa mục tiêu bằng phần mềm Minitab.
  • Đối với giảng viên và cơ sở đào tạo: Cung cấp học liệu phục vụ giảng dạy các học phần Công nghệ chế tạo máy, Gia công vật liệu khó gia công, Kỹ thuật bôi trơn làm nguội và Gia công cơ khí bền vững.
  • Đối với kỹ sư công nghệ tại các doanh nghiệp cơ khí chế tạo khuôn mẫu: Cung cấp bản vẽ nguyên lý, kết cấu thiết bị đầu phun khí lạnh DTNUT, đầu phun MQCL cải tiến cùng bộ thông số công nghệ cụ thể để ứng dụng trực tiếp vào quá trình phay cứng các chi tiết thép sau tôi.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQCL) khác biệt như thế nào so với bôi trơn tối thiểu (MQL) thông thường? Bôi trơn tối thiểu (MQL) chỉ đưa một lượng nhỏ dung dịch trơn nguội ($0{,}08 \div 3{,}3\text{ ml/phút}$) ở nhiệt độ thường vào vùng cắt, dẫn đến khả năng làm nguội bị hạn chế khi gia công vật liệu cứng có nhiệt cắt lớn. Bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQCL) sử dụng dòng khí lạnh áp suất cao (tạo ra từ ống xoáy Ranque-Hilsch với nhiệt độ có thể đạt $-15^\circ\text{C}$) hòa trộn với dung dịch trơn nguội để tạo thành dòng sương lạnh phun trực tiếp vào vùng cắt, nhờ đó vừa đảm bảo bôi trơn giảm ma sát vừa làm nguội tích cực để chống sốc nhiệt và giảm mòn dụng cụ.

  2. Vật liệu gia công và dụng cụ cắt cụ thể được tác giả sử dụng trong các thí nghiệm phay cứng là gì? Vật liệu gia công trong thực nghiệm của luận án là thép hợp kim SKD11 (tiêu chuẩn JIS của Nhật Bản) sau nhiệt luyện (tôi và ram) với độ cứng khảo sát trong khoảng $HRC = 50 \div 60$. Dụng cụ cắt sử dụng là đầu dao phay mặt đầu gắn các mảnh hợp kim cứng phủ PVD thông dụng mã APMT 1604 PDTR LT 30 của hãng LAMINA.

  3. Các phương pháp quy hoạch thực nghiệm và phần mềm nào được áp dụng để xử lý dữ liệu trong luận án? Tác giả đã sử dụng ba phương pháp thiết kế quy hoạch thực nghiệm: quy hoạch thí nghiệm riêng phần $2^{k-p}$ (dùng cho sàng lọc 5 biến đầu vào), quy hoạch thực nghiệm tối ưu dạng bề mặt chỉ tiêu tâm xoay (CCD), và quy hoạch thực nghiệm tối ưu Box - Behnken. Toàn bộ quá trình phân tích hồi quy, phân tích phương sai (ANOVA) và tối ưu hóa đa mục tiêu được thực hiện với sự hỗ trợ của phần mềm Minitab 18.

  4. Hệ thống thiết bị đo lường chính phục vụ nghiên cứu thực nghiệm gồm những thiết bị nào? Hệ thống thiết bị đo lường bao gồm: Trung tâm phay đứng CNC Mazak Vertical Center Smart 530C; Lực kế động lực học đa thành phần Kistler 9257B kèm bộ khuếch đại và điều khiển để thu thập ba thành phần lực cắt $P_x, P_y, P_z$; Máy đo độ nhám bề mặt Mitutoyo Surftest SJ-210 để đo thông số nhám $R_a$; Kính hiển vi kỹ thuật số Keyence VHX-6000 để kiểm tra mòn dao và vi cấu trúc bề mặt; Máy rung siêu âm 3000868 – Ultrasons; Máy đo độ nhớt Brookfield DV2T và máy đo độ dẫn nhiệt Linseis THB-500.

  5. Luận án đã đạt được đóng góp thực tiễn quan trọng nào trong việc nâng cao tính năng cắt của mảnh dao hợp kim cứng? Luận án đã chứng minh việc sử dụng MQCL kết hợp dung dịch nano $\text{MoS}_2$ trên nền Emulsi giúp cải thiện đáng kể khả năng gia công của mảnh hợp kim cứng thương mại APMT 1604 PDTR LT 30 phủ PVD (vốn là loại mảnh dao thông dụng, chi phí thấp). Giải pháp này cho phép tăng vận tốc cắt và gia công được thép SKD11 có độ cứng cao ($60\text{ HRC}$) mà vẫn đảm bảo độ bền của dao và độ nhám bề mặt tương đương gia công mài, giúp giảm chi phí sản xuất cơ khí.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Phạm Quang Đồng đã giải quyết bài toán ứng dụng phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQCL) kết hợp dung dịch nano $\text{MoS}_2$ trong nguyên công phay cứng thép hợp kim SKD11 sau nhiệt luyện. Bằng việc kết hợp nghiên cứu lý thuyết nhiệt - cơ cắt gọt với các mô hình quy hoạch thực nghiệm $2^{k-p}$, CCD và Box - Behnken trên phần mềm Minitab 18, tác giả đã chế tạo thành công thiết bị đầu phun khí lạnh DTNUT và đầu phun MQCL cải tiến, đồng thời xác lập được bộ thông số công nghệ tối ưu cho quá trình phay. Kết quả thực nghiệm khẳng định MQCL dung dịch nano $\text{MoS}_2$ làm giảm đáng kể lực cắt, giảm độ nhám bề mặt $R_a$, hạn chế mòn dao và nâng cao hiệu quả gia công của mảnh hợp kim cứng phủ PVD thông dụng trong môi trường sản xuất sạch.