Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành gia công cơ khí, phay là một trong những phương pháp cắt gọt kim loại phổ biến, chiếm khoảng 60-70% tổng số nguyên công gia công cơ khí. Quá trình phay sử dụng dao phay thép gió có vai trò quan trọng trong việc tạo hình, gia công các chi tiết máy với độ chính xác và độ bóng bề mặt đạt yêu cầu kỹ thuật. Tuy nhiên, mòn dao trong quá trình phay là một vấn đề lớn ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ dụng cụ, chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất. Theo ước tính, mòn dao có thể làm giảm tuổi thọ dụng cụ từ 1,5 đến 4 lần nếu không có biện pháp bôi trơn và làm mát hiệu quả.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là khảo sát ảnh hưởng của dầu nano, cụ thể là dầu Emusil có trộn bột nano Al2O3, đến mòn dao và chất lượng bề mặt trong quá trình phay rãnh sử dụng dao phay thép gió. Nghiên cứu tập trung xác định tỷ lệ hạt nano phù hợp và vận tốc cắt tối ưu nhằm nâng cao hiệu quả bôi trơn, làm mát, giảm lực cắt và mòn dao, đồng thời cải thiện độ nhám bề mặt sản phẩm. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Nhà máy Z131, Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng, với các thí nghiệm trên máy phay vạn năng X63W/1 trong năm 2018.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ góp phần hoàn thiện lý thuyết về mòn dao khi sử dụng dầu nano mà còn mang tính thực tiễn cao, giúp nâng cao tuổi thọ dụng cụ, giảm chi phí bảo dưỡng và tăng năng suất sản xuất trong công nghiệp chế tạo máy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về quá trình cắt gọt kim loại, mòn dụng cụ và bôi trơn làm mát trong gia công cơ khí:

  • Lý thuyết quá trình phay và hình thành phoi: Quá trình phay là sự cắt đi một lớp kim loại trên bề mặt phôi bằng dao phay có nhiều lưỡi cắt, tạo ra các dạng phoi như phoi vụn, phoi xếp và phoi dây tùy thuộc vào vật liệu và chế độ cắt. Quá trình này sinh ra lực cắt và nhiệt độ cao, ảnh hưởng đến mòn dao và chất lượng bề mặt.

  • Lý thuyết mòn dụng cụ cắt: Mòn dao được phân thành mòn mặt trước và mặt sau, xảy ra do các cơ chế mòn như mòn dính, mòn mỏi, mòn hạt mài, mòn khuếch tán và mòn ôxy hóa. Mòn dao làm giảm hiệu suất cắt và chất lượng sản phẩm, đồng thời làm tăng chi phí sản xuất.

  • Lý thuyết bôi trơn và làm mát trong gia công cắt gọt: Dung dịch bôi trơn làm nguội giúp giảm nhiệt độ vùng cắt, giảm ma sát và mòn dao, đồng thời cải thiện chất lượng bề mặt. Dầu nano, với các hạt nano Al2O3 có kích thước và tính chất cơ học phù hợp, được xem là chất phụ gia nâng cao hiệu quả bôi trơn và truyền nhiệt.

Các khái niệm chính bao gồm: lực cắt tổng và thành phần lực cắt, nhiệt độ vùng cắt, mòn mặt trước và mặt sau của dao, độ nhám bề mặt, tỷ lệ hạt nano trong dầu, và vận tốc cắt.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm, trong đó phần thực nghiệm là trọng tâm nhằm khảo sát ảnh hưởng của dầu nano đến mòn dao và chất lượng bề mặt khi phay rãnh.

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm thực hiện tại Nhà máy Z131 trên máy phay vạn năng X63W/1, sử dụng dao phay thép gió và dầu Emusil trộn bột nano Al2O3 với các tỷ lệ khác nhau (0,1% đến 2,0%).

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Thí nghiệm được thiết kế theo phương pháp Taguchi với ma trận thí nghiệm gồm nhiều mức vận tốc cắt và tỷ lệ hạt nano, nhằm đánh giá ảnh hưởng từng yếu tố đến lượng mòn mặt sau và độ nhám bề mặt. Cỡ mẫu đủ lớn để đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phân tích phương sai (ANOVA), tỷ số tín hiệu trên nhiễu (S/N ratio) để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố. Đo lường lượng mòn mặt sau bằng kính hiển vi và thiết bị quang học, độ nhám bề mặt bằng thiết bị đo chuyên dụng. Kết quả được xử lý thống kê và so sánh với các trường hợp không sử dụng dầu nano.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 1 đến tháng 3 năm 2018, bao gồm giai đoạn chuẩn bị thiết bị, tiến hành thí nghiệm, thu thập và phân tích dữ liệu, viết báo cáo luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỷ lệ hạt nano đến lượng mòn mặt sau dao: Kết quả thí nghiệm cho thấy khi tỷ lệ bột nano Al2O3 trong dầu Emusil tăng từ 0,1% đến 0,5%, lượng mòn mặt sau dao giảm đáng kể, trung bình giảm khoảng 20-30% so với dầu Emusil không trộn. Tuy nhiên, khi tỷ lệ hạt nano vượt quá 1,0%, lượng mòn không giảm thêm mà có xu hướng tăng nhẹ do hiện tượng kết tụ hạt nano.

  2. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến mòn dao: Vận tốc cắt tăng từ 50 m/phút lên 150 m/phút làm tăng lượng mòn mặt sau dao khoảng 35%. Tuy nhiên, khi sử dụng dầu nano với tỷ lệ hạt phù hợp, mức tăng mòn dao được kiểm soát tốt hơn, giảm khoảng 15% so với trường hợp không dùng dầu nano.

  3. Ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công: Độ nhám bề mặt giảm trung bình 10-15% khi sử dụng dầu Emusil trộn bột nano Al2O3 ở tỷ lệ 0,3-0,5% so với dầu Emusil thông thường. Độ nhám tăng nhẹ khi tỷ lệ hạt nano vượt quá 1,0%, tương tự như hiện tượng mòn dao.

  4. Tương tác giữa tỷ lệ hạt nano và vận tốc cắt: Phân tích tương tác cho thấy tỷ lệ hạt nano 0,3-0,5% kết hợp với vận tốc cắt 100-120 m/phút là điều kiện tối ưu để giảm mòn dao và cải thiện chất lượng bề mặt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm mòn dao khi sử dụng dầu nano là do các hạt nano Al2O3 có kích thước nhỏ, cấu trúc dạng cầu giúp tạo thành lớp màng bôi trơn mỏng, ổn định giữa bề mặt dao và phoi, giảm ma sát và nhiệt độ vùng cắt. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về khả năng giảm hệ số ma sát và tăng truyền nhiệt của dầu nano trong gia công cắt gọt.

Sự gia tăng mòn dao và độ nhám bề mặt khi tỷ lệ hạt nano vượt quá mức tối ưu có thể do hiện tượng kết tụ hạt nano, làm giảm hiệu quả bôi trơn và gây mài mòn cơ học tăng lên. Kết quả này tương đồng với các báo cáo trong ngành về ảnh hưởng của nồng độ hạt nano đến tính chất dung dịch bôi trơn.

Biểu đồ lượng mòn mặt sau dao theo tỷ lệ hạt nano và vận tốc cắt có thể được trình bày để minh họa rõ ràng xu hướng giảm mòn và điểm tối ưu. Bảng so sánh độ nhám bề mặt giữa các điều kiện thí nghiệm cũng giúp làm nổi bật hiệu quả của dầu nano.

Kết quả nghiên cứu khẳng định rằng việc sử dụng dầu Emusil trộn bột nano Al2O3 với tỷ lệ hợp lý là giải pháp kỹ thuật hiệu quả để nâng cao tuổi thọ dao phay thép gió và cải thiện chất lượng sản phẩm trong quá trình phay rãnh.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng dầu nano Emusil trộn bột Al2O3 với tỷ lệ 0,3-0,5% trong quá trình phay rãnh nhằm giảm lượng mòn mặt sau dao từ 20-30% và cải thiện độ nhám bề mặt sản phẩm trong vòng 6 tháng tới. Chủ thể thực hiện: Nhà máy Z131 và các phân xưởng gia công.

  2. Điều chỉnh vận tốc cắt trong khoảng 100-120 m/phút để tối ưu hóa hiệu quả bôi trơn làm mát và giảm mòn dao, đồng thời đảm bảo năng suất gia công. Thời gian thực hiện: áp dụng ngay trong các kế hoạch sản xuất tiếp theo.

  3. Đầu tư trang thiết bị đo lường và kiểm soát chất lượng dầu nano định kỳ nhằm đảm bảo tỷ lệ hạt nano và tính ổn định của dung dịch bôi trơn, tránh hiện tượng kết tụ hạt gây giảm hiệu quả. Thời gian: triển khai trong 3 tháng đầu năm.

  4. Đào tạo kỹ thuật viên và công nhân vận hành về kỹ thuật sử dụng dầu nano và phương pháp bôi trơn làm mát tối ưu để nâng cao nhận thức và kỹ năng vận hành, giảm thiểu sai sót trong quá trình gia công. Thời gian: tổ chức trong quý tiếp theo.

  5. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng dầu nano cho các phương pháp gia công khác như tiện, doa, mài nhằm khai thác tối đa lợi ích của công nghệ bôi trơn làm mát mới. Chủ thể: Bộ phận R&D và phòng kỹ thuật Nhà máy.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia công nghệ gia công cơ khí: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về ảnh hưởng của dầu nano đến mòn dao và chất lượng bề mặt, giúp họ lựa chọn và áp dụng dung dịch bôi trơn phù hợp trong sản xuất.

  2. Nhà quản lý sản xuất và kỹ thuật tại các nhà máy cơ khí: Thông tin về hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của dầu nano hỗ trợ quyết định đầu tư, cải tiến công nghệ và nâng cao năng suất, giảm chi phí bảo dưỡng.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, chế tạo máy: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho việc học tập, nghiên cứu về gia công cắt gọt, mòn dụng cụ và công nghệ bôi trơn làm mát hiện đại.

  4. Các nhà nghiên cứu và phát triển sản phẩm dầu bôi trơn công nghiệp: Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm để phát triển các sản phẩm dầu nano mới, thân thiện môi trường và hiệu quả cao.

Câu hỏi thường gặp

  1. Dầu nano có thực sự giảm mòn dao trong quá trình phay không?
    Có, nghiên cứu cho thấy dầu nano Emusil trộn bột Al2O3 với tỷ lệ 0,3-0,5% giúp giảm lượng mòn mặt sau dao khoảng 20-30% so với dầu thông thường nhờ khả năng bôi trơn và truyền nhiệt tốt hơn.

  2. Tỷ lệ hạt nano ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả bôi trơn?
    Tỷ lệ hạt nano quá thấp không phát huy hiệu quả, trong khi quá cao (trên 1,0%) có thể gây kết tụ hạt, làm giảm khả năng bôi trơn và tăng mòn dao. Tỷ lệ tối ưu là khoảng 0,3-0,5%.

  3. Vận tốc cắt có ảnh hưởng đến mòn dao khi sử dụng dầu nano không?
    Có, vận tốc cắt tăng làm tăng mòn dao, nhưng khi sử dụng dầu nano với tỷ lệ hạt phù hợp, mức tăng mòn được kiểm soát tốt hơn, giúp kéo dài tuổi thọ dao.

  4. Dầu nano có cải thiện chất lượng bề mặt gia công không?
    Đúng, độ nhám bề mặt giảm trung bình 10-15% khi sử dụng dầu nano so với dầu thông thường, nhờ giảm ma sát và nhiệt độ vùng cắt.

  5. Có thể áp dụng dầu nano cho các phương pháp gia công khác không?
    Có thể, dầu nano có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các phương pháp gia công như tiện, doa, mài để nâng cao hiệu quả bôi trơn và làm mát, tuy nhiên cần nghiên cứu cụ thể cho từng phương pháp.

Kết luận

  • Luận văn đã khảo sát thành công ảnh hưởng của dầu Emusil trộn bột nano Al2O3 đến mòn dao và chất lượng bề mặt trong quá trình phay rãnh sử dụng dao phay thép gió.
  • Tỷ lệ hạt nano tối ưu nằm trong khoảng 0,3-0,5%, kết hợp với vận tốc cắt 100-120 m/phút cho hiệu quả giảm mòn và cải thiện độ nhám bề mặt tốt nhất.
  • Sử dụng dầu nano giúp giảm lượng mòn mặt sau dao từ 20-30% và giảm độ nhám bề mặt khoảng 10-15% so với dầu thông thường.
  • Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng thực tiễn tại Nhà máy Z131 và các cơ sở sản xuất cơ khí khác nhằm nâng cao tuổi thọ dụng cụ và chất lượng sản phẩm.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm triển khai áp dụng công nghệ dầu nano, đào tạo nhân lực và mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong các phương pháp gia công khác.

Hãy bắt đầu áp dụng dầu nano trong quy trình gia công của bạn để nâng cao hiệu quả sản xuất và tiết kiệm chi phí bảo dưỡng ngay hôm nay!