CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. Tổng quan về công nghệ bôi trơn tối thiểu 1. Vai trò của dung dịch trơn nguội trong gia công cắt gọt Trong quá trình gia công cắt gọt, việc sử dụng dung dịch trơn nguội đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất, chất lượng của quá trình gia công, bên cạnh đó nó còn giúp giảm chi phí sản xuất, cải thiện môi trường làm việc tại các xưởng gia công cơ.
Năng suất cao vốn gắn liền với tốc độ cắt cao, lượng chạy dao và chiều sâu cắt lớn, dẫn đến một lượng lớn nhiệt sinh ra tại vùng gia công. Xét một cách tổng thể, dung dịch trơn nguội có hiệu quả làm tăng tuổi thọ dụng cụ, cho phép kiểm soát tốt kích thước và chất lượng bề mặt tốt. Chất lượng bề mặt tốt không chỉ đạt tính thẩm mỹ mong muốn của một sản phẩm mà còn để cải thiện các tính chất ma sát, độ bền mỏi, và khả năng chống ăn mòn. Do đó, chất lượng bề mặt là cực kỳ quan trọng trong việc đánh giá năng suất của các công cụ máy móc và các bộ phận cơ khí.
Bên cạnh đó, xét về mặt kinh tế của quá trình gia công, việc giảm chi phí sản xuất và xử lý chất thải, môi trường gia công ngày càng được quan tâm. Giảm ma sát và lực cắt Giảm nguồn nhiệt Giảm lẹo dao và mòn dao Bôi trơn Dung Nâng cao chất lượng bề mặt dịch cắt Nâng cao chiều sâu cắt và bước tiến Giảm năng lượng cắt Giải nhiệt từ dụng cụ và phôi 1. Tăng tuổi thọ dụng cụ Giảm nhiệt của dụng cụ và Làm mát 2. Tăng năng suất phôi 3.
Cải thiện chất lượng Giảm mòn dao sản phẩm Nâng cao độ chính xác Loại bỏ phoi của vùng cắt Thoát Giảm mòn dao phoi Làm sạch phôi Hình 1. Vai trò của dung dịch trơn nguội[1] HVTH: TRẦN TRỌNG QUYẾT 1 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: TS. TRƯƠNG QUỐC THANH TS. TRẦN ANH SƠN Việc lựa chọn, áp dụng và kiểm soát đúng đắn dung dịch trơn sẽ dẫn đến việc trở thành một phần không thể tách rời của một xưởng cơ khí có hiệu quả về chi phí, được tổ chức tốt và an toàn.
Do đó, dung dịch trơn nguội là điều cần thiết để giải quyết các vấn đề nhằm đạt năng suất cao. Vai trò, ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội tới quá trình gia công đã được nghiên cứu nhiều, nó được thể thể tóm tắt qua Hình 1. Những thông số ảnh hưởng tới hiệu suất gia công được thể hiện trong Hình 1.2, trong đó có dung dịch trơn nguội. Các ảnh hưởng này có ảnh hưởng qua lại và tác động lẫn nhau.
Thông số ảnh hưởng đến hiệu suất quá trình gia công (lực cắt, tuổi thọ dụng cụ, năng lượng riêng, chất lượng bề mặt…) Máy Dụng Phôi Chế độ Dung công cụ cụ cắt cắt dịch cắt Kích thước Vật liệu Kích thước Bước tiến Loại Công suất Kích thước Tính chất Độ nhớt hóa học Chiều sâu cắt Thông số Lưu lượng Rung động hình học và áp suất Loại vật liệu Đồ gá Tính chất hóa học và Vận tốc cắt Số vòi phun Tổ chức tế vi nhiệt Cứng vững Lớp phủ Tính chất nhiệt Phương pháp Hình 1. Những thông số ảnh hưởng đến hiệu suất quá trình gia công [1] Tuy nhiên bên cạnh những mặt lợi mà dung dịch trơn nguội đem lại có những bất lợi nhất định như chi phí xử lý việc thải bỏ dung dịch trơn nguội, chi phí cho việc dự trữ và thải bỏ dung dịch trơn nguội có thể cao gấp hai lần chi phí gia công [2], ngoài ra sức khỏe của người sử dụng bị ảnh hưởng rất nhiều đặc biệt là các bệnh về da và hô hấp. Trong khi đó nền công nghiệp luôn hướng đến nền “sản xuất bền vững”, tạo ra các sản phẩm được sản xuất sử dụng quy trình giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường, bảo tồn năng lượng và tài nguyên thiên nhiên, an toàn cho nhân viên, HVTH: TRẦN TRỌNG QUYẾT 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: TS. TRƯƠNG QUỐC THANH TS.
TRẦN ANH SƠN người tiêu dùng và cộng đồng [3]. Đặc tính của sản xuất bền vững được thể hiện trong Hình1. Đặc tính của sản xuất bền vững Minimum quantity lubrication (MQL)NDM Compressed – Allied cooling Ari/Vapor/ Gas as coolant Cooling approaches Hight Cryogenic (Cooling techniques) pressure cooling Coolant (HPC) Flood cooling Solid coolant/ Lubrication Hình 1. Một số công nghệ làm mát HVTH: TRẦN TRỌNG QUYẾT 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: TS.
TRƯƠNG QUỐC THANH TS. TRẦN ANH SƠN Do đó có thể thấy rằng việc cắt giảm sử dụng dung dịch trơn nguội đang là một xu thế tất yếu. Ngày nay, đã có nhiều công nghệ bôi trơn được nghiên cứu và ứng dụng vào gia công đảm bảo vấn đề môi trường và kinh kế kỹ thuật, Hình 1.4 thể hiện một số công nghệ làm mát [4]. Trong số đó phương pháp bôi trơn tối thiểu đã thể hiện những ưu điểm đáng kể so với các phương pháp khác.
Công nghệ bôi trơn tốt thiểu Bôi trơn tối thiểu (Minimum Quantity Lubrication - MQL) hay gia công gần khô (Near Dry Machining – NDM) là kỹ thuật chỉ sử dụng một lượng rất nhỏ dung dịch trơn nguội trong suốt quá trình gia công. Lưu lượng chất lỏng trong hệ thống MQL thông thường là 50÷500 ml / h, được ước tính thấp hơn 10.000 lần so với việc tưới tràn thông thường [5]. Trong kỹ thuật MQL / NDM, một lượng nhỏ chất bôi trơn / làm mát được trộn lẫn với không khí để tạo thành dạng sương, được phun ở áp suất cao vào vùng gia công với sự trợ giúp của vòi phun. Hệ thống này bao gồm một bộ tạo sương, bể chứa dung dịch trơn nguội, vòi xả, vv.
Bộ tạo sương hoạt động như một ống phun trong đó khí với áp suất cao được sử dụng để tán nhỏ chất bôi trơn thành dạng hạt có kích thước micron. Khi hỗn hợp khí và các hạt bôi trơn được phun trong vùng cắt có dạng sương mù, nó hoạt động như chất làm mát cũng như chất bôi trơn và thâm nhập sâu vào vùng tiếp xúc giữa dụng cụ cắt và phôi [6]. Theo phương thức dung dịch trơn nguội chuyển đến vùng cắt gọt, kỹ thuật MQL có thể được phân loại thành hai loại, cụ thể là hệ thống cấp MQL bên ngoài và hệ thống cung cấp MQL bên trong Hình 1. HVTH: TRẦN TRỌNG QUYẾT 4 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: TS.
TRƯƠNG QUỐC THANH TS. TRẦN ANH SƠN Hình 1. Hệ thống cấp MQL bên ngoài và bên trong Hệ thống cấp MQL bên ngoài: Hỗn hợp của luồng khí nén và dầu được cấp đến vùng cắt gọt thông qua một vòi phun bên ngoài giống với vòi phun tưới tràn trong máy. Có hai phương pháp khả thi cho hệ thống cấp MQL bên ngoài đó là: - Hệ thống cấp MQL bên ngoài với vòi phun áp lực cao: Luồng khí nén và dung dịch bôi trơn được cấp cho vòi phun một cách riêng biệt, sự hòa trỗn hỗn hợp xảy ra ngay sau miệng vòi.
- Hệ thống cấp MQL bên ngoài với vòi phun thông thường: Hỗn hợp khí và chất bôi trơn được chuẩn bị trong một buồng trộn bên ngoài và sau đó được đưa đến vòi phun. Hệ thống cấp MQL bên trong: Hỗn hợp khí và dung dịch trơn nguội được trộn bên trong một ống dẫn và đưa vào vùng cắt gọt thông qua dụng cụ cắt. Hệ thống này có hai dạng đó là: - Dạng một kênh dẫn: Dầu và luồng khí nén được trộn bên trong dụng cụ cắt trước khi được đưa vào vùng gia công. - Dạng hai kênh dẫn: Dầu và khí nén được cung cấp trong hai đường ống lồng vào nhau và chỉ được trộn trước đồ gá dụng cụ cắt.
HVTH: TRẦN TRỌNG QUYẾT 5 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: TS. TRƯƠNG QUỐC THANH TS. TRẦN ANH SƠN Bộ trộn Sương Khí Chất lỏng Sương Hình 1. Hệ thống cung cấp MQL bên ngoài[7] Chất lỏng Khí Khớp quay Kênh dẫn Trục chính máy Cán dụng cụ Dụng cụ Đường dẫn khí và chất lỏng Vùng trộn Khớp quay Chất lỏng Khí Hình 1.
Hệ thống cung cấp MQL bên trong [8] Ngoài ra, từ góc nhìn gia công sạch (Green machining), công nghệ này làm giảm tối thiểu ảnh hưởng của môi trường do sở hữu các tính năng nổi bật như sau: giảm thiểu hao phí, đặc biệt là dung dịch bôi trơn; giảm thiệu điện năng tiêu hao và phát thải CO2; dung dịch bôi trơn có thể dùng dầu sinh học không độc hại thay vì dùng dầu khoáng. Trước khi Toyota Motor Corporation và Mazda Motor Corporation triển khai hệ thống gia công MQL trong dây chuyền gia công của họ, năng lượng tiêu thụ cho việc làm mát so với tổng công suất điện đạt tới 42% ở Toyota, và 34% ở Mazda, HVTH: TRẦN TRỌNG QUYẾT 6 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: TS. TRƯƠNG QUỐC THANH TS. TRẦN ANH SƠN tuy nhiên công suất tiêu thụ thực sự cho trục chính chỉ chiếm 16% tổng công suất, cho việc tẩy rửa các bộ phận gia công chiếm tới 18%.
Có thể nhận thấy rằng máy bơm tiêu thụ phần lớn nhất của năng lượng trong các dây chuyền gia công. Điều này cũng có nghĩa là giảm điện năng bằng cách loại bỏ các bơm làm mát là đáng kể, và do đó nó chỉ ra rằng CO2 chắc chắn phát ra trong quá trình tạo ra điện cũng sẽ được giảm đáng kể bằng cách thay thế phương pháp tưới tràn bằng hệ thống gia công MQL. Một số dự báo cho rằng năng lượng điện được sử dụng trong dây chuyền gia công có thể được cắt giảm khoảng một nửa nếu làm sạch các bộ phận gia công cũng trở nên không cần thiết bằng cách áp dụng gia công MQL. Năng lượng tiêu hao trong nhịp sản xuất Dó đó, công nghệ MQL được ứng dụng rất phổ biến trong nhiều phương pháp gia công như phay, tiện, khoan,… 1.
Tình hình nghiên cứu về công nghệ bôi trơn tối thiểu Dhar và các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của MQL bằng thực nghiệm trong quá trình tiện thép AISI 1040 so sánh với gia công khô. Công nghệ MQL được sử dụng với lưu lượng 200ml/giờ và áp suất là 8 bar thông qua hệ thống cấp bên ngoài. Với vận tốc cắt là 110 m/ph, lượng chạy dao là 0,16m/vg và chiều sâu cắt là 1,5mm, kết quả khảo sát mòn dao và nhám bề mặt theo thời gian cho thấy khi thời HVTH: TRẦN TRỌNG QUYẾT 7 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: TS. TRƯƠNG QUỐC THANH TS.
TRẦN ANH SƠN gian gia công từ khoảng trên 5 phút thì MQL vượt trội hơn hẳn so với gia công khô[9]. Kết quả của nghiên cứu được thể hiện qua Hình 1. Mòn mặt sau phụ, Vs dưới điều kiện gia công khô và MQL[9] Hình 1.
