Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Giới thiệu công nghệ bôi trơn tối thiểu: Khái niệm về bôi trơn với lượng tối thiểu: Bôi trơn làm nguội tối thiểu (Minimum Quantity Lubrication - MQL) là quá trình làm mát khi cắt gọt trong gia công cơ khí (gồm dao cắt, phôi, phoi, máy) bằng cách sử dụng dòng khí áp lực cao trộn với thể tích dung dịch bôi trơn phun với lượng nhỏ vào vùng xuất hiện nhiệt cắt nhằm bôi trơn và ngăn lượng nhiệt sinh ra tích tụ vào dao, phôi. Các thông số đặc trưng cho MQL bao gồm: thành phần dung dịch, nồng độ dung dịch, độ nhớt của chất bôi trơn, áp suất dòng khí và lưu lượng dung dịch.
Thực trạng về việc nghiên cứu ứng dụng bôi trơn tối thiểu trên thế giới: Khái niệm về bôi trơn và làm nguội tối thiểu (MQL) đã được đề nghị một thập kỷ trước, nhằm giải quyết các vấn đề về môi trường và các bệnh nghề nghiệp có thể xâm nhập vào cơ thể có thể gây nên bệnh nghề. Việc giảm thiểu các dung dịch tưới nguội sẽ làm tăng lợi ích kinh tế bằng cách tiết kiệm chi phí bôi trơn. Giảm thời gian ở các công đoạn làm sạch máy và các công cụ. Ngày 1 tháng 12 năm 1999 Klaus Kroyt, Isabelle Capron, Madeleine Djabourov Physiqe Thermique, ESPCI.
10, rue Vauquelin, Paris. France đã nghiên cứu độ nhớt của nhũ tương [2], với những lập luận kết hợp với những tài liệu nghiên cứu trước đó của Taylor 1934, Oldroyd 1950, 1953, 1958, Rallison 1980, Grace 1982, cho thấy rằng nếu cung cấp một tỉ lệ emulsive hợp lý vào vùng cắt thì chất lượng bề mặt gia công tinh sẽ cải thiện rất nhiều. Năm 2005 Kardekar và Abhijit Dilip đã mô hình hóa và tối ưu hóa các biện pháp tự động trong gia công phay mặt của hợp kim nhôm A380 trong điều kiện bôi trơn làm nguội tối thiểu khác nhau để sản xuất bền vững ở đại học Kentucky [3]. Công trình nghiên cứu này cho thấy dù có tác dụng tích cực của bôi trơn làm nguội, nhưng dung dịch tưới nguội có những thành phần chưa biết ảnh hưởng xấu đến môi trường và sức khỏe nghề nghiệp.
Bên cạnh đó nghiên cứu về mô hình hóa các ảnh hưởng của chất bôi trơn chất làm nguội đến hiệu suất gia công còn thiếu. Ngoài ra nghiên cứu này đã tối ưu hóa các phát triển trước đây cho nhiều thông số và được áp dụng cho hai kiểu phay mặt kết hợp với tất cả các biện pháp nhằm đạt được chế độ bôi trơn làm nguội tối ưu cho các chế độ cắt tối ưu khác nhau. Nghiên cứu này đã đề xuất bôi trơn làm nguội tối thiểu như là một thay thế cho phương pháp tưới tràn với kết quả tương đương hoặc cao hơn trong điều kiện gia công cao tốc. Đồng thời, MQL thân thiện và bền vững với môi trường trong quá trình sản xuất, vì số lượng sử dụng là rất nhỏ nên ảnh hưởng có hại của nó được giảm đáng kể.
HVTH: Nguyễn Ngọc Quỳnh Trang 14 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Trần Thiên Phúc Năm 2013 Ismet Hari Mulyadi ở trường Đại học Manchester thuộc khoa cơ khí chế tạo ngành Không gian vũ trụ và Kỹ thuật Xây dựng đã nghiên cứu đề tài cải thiện hiệu suất của bôi trơn làm nguội tối thiểu trong phay cao tốc và phân tích hiệu suất môi trường xung quanh [4]. Gia công cao tốc cho phép giảm 7% đến 10% thời gian sản xuất khi dập và đó cũng là một cải tiến đáng kể để gia công tinh bề mặt [5]. Trong một lượng nhỏ chất bôi trơn làm nguội tối thiểu được vận chuyển đến vùng cắt với sự hỗ trợ của không khí nén áp suất cao đi qua các lỗ nhỏ ở vòi phun tạo thành các hạt nhỏ (hạt sương). Nghiên cứu đã khảo sát tác động của vị trí vòi phun đến tuổi thọ của dụng cụ khi gia công tinh thép đã ủ hoặc tôi cứng.
Kết quả nghiên cứu cho thấy vị trí vòi phun trong khi phay tinh thép đã tôi cứng với tốc độ trục chính cao có ảnh hưởng đáng kể tuổi thọ và hiệu suất dụng cụ gia công so với vòi phun bố trí ngẫu nhiên. Ngoài ra, để nâng cao hiệu quả của MQL trong gia công, điều quan trọng là phải đảm bảo tối đa lượng thể tích chất lỏng được phân phối đến công cụ và mặt gia công. Một nghiên cứu khác tháng 4 năm 2013, Youssef Iskandar ở đại học McGill, Montreal đã nghiên cứu tối ưu hóa bôi trơn làm nguội tối thiểu khi gia công composites qua quan sát ảnh của dòng MQL [6]. Nghiên cứu cho thấy các thông số áp suất không khí và lưu lượng dòng chảy có tác động lớn nhất cho dòng chảy MQL, 2 thông số tối ưu này không làm không khí trở nên hỗn loạn ở đầu phun và vùng phun đồng thời không làm mất về số lượng chất bôi trơn có hiệu quả đến vùng cắt.
Một bài báo khoa học được đăng vào 16 tháng 3 năm 2016 do The Vinh Do và Quang Cherng Hsu ở trường Đại học Khoa học ứng dụng thuộc Đại học Quốc gia Thành phố Cao Hùng Quận Sanmin, Đài Loan [7] đã nghiên cứu vấn đề Tối ưu hóa bôi trơn làm nguội tối thiểu và chế độ cắt khi phay cứng thép AISI H13. Nghiên cứu với thí nghiệm là khảo sát các thông số như loại chất lỏng tưới nguội, áp suất và lưu lượng chất lỏng và được xác định là những yếu tố có ảnh hưởng nhất và hiệu quả đáng kể đến độ nhám bề mặt gia công tinh. Cũng trong nghiên cứu này, các thí nghiệm khảo sát thông số cắt khi gia công phay thép cứng.1 Liệt kê những ưu điểm và nhược điểm chính của dầu bôi trơn bên ngoài. Thuận lợi Bất lợi • Đơn giản • Các lựa chọn điều chỉnh vòi phun bị giới • Chi phí đầu tư thấp hạn do độ dài khác nhau và đường kính khác nhau của dụng cụ.
• Không cần nhiều thiết bị • Khả năng phun khi gia công khi gia công • Đáp ứng nhanh • Các tác động khi phun • Vị trí của đầu phun HVTH: Nguyễn Ngọc Quỳnh Trang 15 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Trần Thiên Phúc Hình 1.1 Thể hiện yêu cầu về số lượng bôi trơn tương ứng với các phương pháp gia công khác nhau.2 Các phương pháp gia công được cập nhật từ các dự án nghiên cứu và các nhóm làm việc cho thấy rằng ngày nay có rất nhiều và đa dạng các ứng dụng của gia công khô và bôi trơn tối thiểu. Vật liệu Nhôm Thép Đúc Hợp kim Mềm, dập cao, cán GG20, Gia công Đúc Cán nguội, chịu lực GGG70 nóng. cán Khoan MQL MQL MQL Dry Dry Doa MQL MQL MQL MQL MQL Cắt ren MQL MQL MQL MQL MQL Cán ren MQL MQL MQL MQL MQL Khoan sâu MQL MQL MQL MQL Phay Dry MQL Dry Dry Dry Tiện MQL/dry MQL/dry Dry Dry Dry Phay lăn răng Dry Dry Dry Cưa MQL MQL MQL MQL MQL Chuốt MQL MQL/dry Dry Bảng 1.3 Dưới đây cho thấy một số ví dụ ứng dụng phương pháp bôi trơn tối thiểu sử dụng este và rượu béo. HVTH: Nguyễn Ngọc Quỳnh Trang 16 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Trần Thiên Phúc Componet Material Process Tool type and dimensions Cutting parameters Tool life Medium, chem.
base, Viscosity 40°C N = 500 min '1 Camshaft 16MnCr5 Centering D = 6,3x20 1200 centres Fatty alcohol Vise: 10 - 20 mm’/s Vf = 50 mm/min N = 2 800 min'1 Camshaft 16MnCr5 Drilling Stepped drill D = 6,8x10x28,5 2 400 holes Fatty alcohol Vise: 10 - 20 mm’/s Vf = 504 mm/min N = 690 min Camshaft 16MnCr5 Reaming D = 7 H8 1200 operations Fatty alcohol Vise: 10 - 20 mm’/s Vf =152 mm/min N = 330 min'1 Crankshaft 38MnVS5 Drilling HSS-Drlll D = 14,5 mm 500 holes Fatty alcohol Vise: 20 mm’/s Vf = 52,8 mm/min HSS-countersink N = 90 min'1 Crankshaft 38MnVS5 Countersinking 960 operations Fatty alcohol Vise: 20 mm’/s 90° Vf = 5,2 mm/min Tap N = 90 min'1 Crankshaft 38MnVS5 Threading 500 threads Fatty alcohol Vise: 20 mm’/s M16x1,5 Vf = 135 mm/min Cylinder head AlSi 7 Mg Sawing Band saw > 2 000 cuts Fatty alcohol Vise: 10 - 30 mm’/s Cylinder head AlSi 7 Mg Milling Surface mill Approx. 6 000 Fatty alcohol Vise: 10 - 30 mm’/s Drilling N = 200 min'1 Universal joints CK 45 (Impact drilling) HSS-Drlll D = 14 mm 100-150 holes Synthetic ester Vise: 20 - 30 mm’/s Vf = 40 mm/min Drive shaft 20MoCr4 Rolling DIN profile Rolling tools 40 - 50-thousand Synthetic ester Vise: 20 - 35 mm’/s Cylinder head Al Si 10 Mg Milling End mill N = 4 000 min'1 Approx. 105 000 Synthetic ester Vise: 30 mm’/s Vf = 1200 mm/min Cylinder head AISMO Mg Milling Surface mill Approx. 3 500 Synthetic ester Vise: 50 mm’/s Cylinder head Al Si 10 Mg Sawing Surface mill Approx.
4 500 Synthetic ester Vise: 50 mm’/s HVTH: Nguyễn Ngọc Quỳnh Trang 17 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Trần Thiên Phúc 1. Thực trạng các nghiên cứu ứng dụng phương pháp bôi trơn tối thiểu trong nước Trong nước những năm gần đây, yêu cầu về gia công tinh đạt độ nhẵn bóng bề mặt có độ chính xác cao trong gia công cao tốc đang được chú ý và phát triển. Việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu nhằm tăng tuổi thọ dao cắt, độ nhẵn bóng bề mặt hầu như chưa được quan tâm so với những mặc tích cực mà phương pháp này mang lại như an toàn về vệ sinh, kinh tế và có ý nghĩa khoa học. Những công trình nghiên cứu trong nước như: 1- Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số bôi trơn - làm nguội tối thiểu đến quá trình tiện cứng thép 9XC - Luận án tiến sĩ của Lê Thái Sơn thuộc đại học Thái Nguyên vào năm 2012.
Đề tài đã Quy hoạch thực nghiệm tìm được quan hệ giữa lực cắt, độ mòn dụng cụ cắt, chiều cao nhấp nhô bề mặt chi tiết với thời gian gia công, xác định được tuổi bền của dụng cụ khi bôi trơn tối thiểu bằng dầu lạc để tiện cứng thép 9XC. Xây dựng được quan hệ giữa áp suất dòng khí, lượng dung dịch tiêu hao với độ mòn, tuổi bền dụng cụ cắt và chiều cao nhấp nhô bề mặt chi tiết gia công. Nghiên cứu đã chỉ ra được thông số lưu lượng và áp lực hợp lý khi tiện cứng thép 9XC dùng dầu lạc bôi trơn - làm nguội tối thiểu đến các thông số công nghệ khác như : lực cắt, mòn, tuổi bền dụng cụ cắt, chất lượng bề mặt chi tiết trong quá trình tiện cứng đây là một lĩnh vực mới hiện nay các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu để thay thế công nghệ mài trong gia công tinh.
