Hướng nghiên cứu tương lai của nghiên cứu là khảo sát ảnh hưởng tổng hợp của cả chế độ cắt và chế độ công nghệ bôi trơn đến lực cắt, nhiệt cắt, chất lượng bề mặt để có một cái nhìn, đánh
TỔNG QUAN
Tính cấp thiết của đề tài
Trong gia công cắt gọt, vấn đề bôi trơn –tưới nguội giữ một vai trò quan trọng, việc này không những ảnh hưởng đến chất lượng của chi tiết gia công mà còn ảnh hưởng đến chi phí sản xuất, môi trường và sức khỏe của người vận hành Do yêu cầu đòi hỏi ngày càng cao về chất lượng sản phẩm và sự phát triển của khoa học công nghê, trong gia công cơ khí thì vận tốc cắt và vận tốc chạy dao là rất lớn do đó dụng cụ cắt sẽ mòn rất nhanh, đây chính là nguyên nhân dẫn đến độ nhẵn bóng bề mặt chi tiết gia công tinh không cao Tuổi thọ của dụng cụ cắt bị rút ngắn sẽ dẫn đến chất lượng của sản phẩm bị giảm cũng như biên dạng sản phẩm bị sai lệch so với thiết kết Nguyên nhân thúc đẩy quá trình mòn và mòn phá hủy diễn ra nhanh là do ma sát và nhiệt độ sinh ra trong quá trình cắt
Theo Groover [1], trong quá trình gia công, hầu như hầu hết tất cả năng lượng tiêu thụ (~98%) được chuyển thành nhiệt Điều này không những gây lãng phí điện năng, gây hư hỏng dụng cụ mà còn dẫn tới những ảnh hưởng không tốt đến chất lượng của sản phẩm Việc áp dụng bôi trơn tưới nguội trong gia công cắt gọt được xem như một trong những giải pháp hiệu quả giải quyết vấn đề trên nhờ vào chức năng bôi trơn và làm nguội của nó Những ảnh hưởng có lợi của việc sử dụng dung dịch trơn nguội đã được Taylor công bố đầu tiên năm 1894 khi nhận thấy rằng vận tốc cắt có thể nâng lên 33% mà không làm giảm tuổi thọ của dụng cụ khi tưới một lượng lớn dung dịch trơn nguội vào vùng cắt [2] Kể từ đó, rất nhiều loại dầu cắt gọt được nghiên cứu và phát triển, gắn liền với nhiều phương pháp bôi trơn làm nguội và áp dụng đa dạng các loại vật liệu phôi và dụng cụ cắt khác nhau Một cách phổ biến, chúng ta có thể phân loại các phương pháp bôi trơn làm nguội trong cắt gọt như sau:
Phương pháp gia công khô: là phương pháp gia công mà không sử dụng chất bôi trơn làm nguội
Phương pháp gia công tưới tràn: là phương pháp dùng phổ biến nhất hiện nay, ở phương pháp này, dung dịch bôi trơn làm nguội được dẫn hoặc phun trực tiếp vào vùng gia công với lưu lượng lớn
Phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQL) hay còn gọi phương pháp bôi trơn gần khô (NDL): là phương pháp mà dung dịch làm nguội được phun vào vùng gia công dưới dạng sương ở áp suất cao Trong đó lưu lượng phun thường thấp hơn rất nhiều lần so với phương pháp tưới tràn
Phương pháp gia công khô (dry machining) đã được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm và đã thành công trong lĩnh vực sản xuất thân thiện với môi trường Tuy nhiên trong thực tế, các nghiên cứu đó ít có tác dụng khi mà đòi hỏi hiệu suất gia công cao hơn, chất lượng bề mặt tinh tốt hơn, và các điều kiện cắt khắt khe hơn đặt ra Khi đó, máy phải có khả năng tản nhiệt nhanh, không chất đống phoi khô nóng và không tích lũy nhiệt ở bất kỳ khu vực nào của máy vì phoi có thể gây nên sự quá nhiệt trong máy Các hạt bay lơ lửng phải được hút chân không ra khỏi máy Bộ phận dẫn hướng của máy phải được làm kín nhằm ngăn chặn sự xâm nhập của bụi sinh ra từ phoi… Thêm vào đó, máy gia công khô này cần có khu vực gia công được thiết kế biệt lập với khung máy nhằm tối thiểu sự giãn nở nhiệt do khung máy tiếp xúc với phoi nóng Phương pháp gia công khô đòi hỏi năng lượng sử dụng cho quá trình cắt rất lớn Phương pháp tưới tràn truyền thống có lực cắt và nhiệt sinh ra trong quá trình cắt nhỏ hơn so với phương pháp gia công khô Do vậy, khi sử dụng phương pháp gia công khô sẽ làm giảm tuổi thọ của dụng cụ cắt và chất lượng bề mặt khi gia công tinh lần cuối Lý do bởi vì nhiệt cắt sinh ra trong quá trình cắt nhanh chóng làm biến đổi cơ tính của vật liệu dụng cụ, làm chúng trở nên mềm hơn, dưới tác dụng của lực cắt, ứng suất cắt, dụng cụ bị mòn nhanh chóng, thậm chí còn có khả năng bị hư hỏng hoàn toàn, dẫn đến ảnh hưởng đến độ chính xác của chi tiết gia công, chất lượng về mặt từ đó ảnh hưởng tới năng suất và chi phí sản xuất Ở một hướng khác, bôi trơn làm nguội kiểu tưới tràn đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong gia công cắt gọt do dung dịch trơn nguội nâng cao được hiệu quả của quá trình gia công nhờ chức năng bôi trơn, làm mát và làm đẩy phoi ra khỏi vùng gia công Tuy nhiên, việc sử dụng dung dịch trơn nguội trong quá trình gia công hiện nay cho thấy nhược điểm của nó là gây ô nhiễm môi trường và độc hại đối với người lao động
Trong một số trường hợp thì việc sử dụng dung dịch trơn nguội sẽ gây nên hiện tượng sốc nhiệt cho lưỡi cắt của dao Hơn nữa, phương pháp trơn nguội kiểu tưới tràn tỏ ra hiệu quả ở chế độ cắt có vận tốc cắt tương đối nhỏ Nhưng nó tỏ ra kém hiệu quả khi gia công ở những dải vận tốc cắt lớn hơn, vì khi đó nhiệt cắt sinh ra rất lớn, chất bôi trơn lại bị cản trở và không thể tiếp cận với bề mặt tiếp trượt giữa dao và phôi từ đó làm giảm tác dụng bôi trơn làm nguội
Ngoài ra, trong quá trình gia công chế tạo các chi tiết máy khi sử dụng dung dịch trơn nguội để giải quyết các vấn đề do nhiệt gây ra, các nhà sản xuất đã nhận thấy những nhược điểm mà phương pháp này có:
Độc hại với người lao động
Mất thời gian làm sạch phôi, dụng cụ và máy móc
Trong khi đó, phương pháp bôi trơn tối thiểu (MQL) được nghiên cứu và áp dụng như một giải pháp thay thế và ngày càng thể hiện được nhiều ứng dụng với ưu thế cao hơn so với gia công khô và gia công tới tràn về chi phí, năng suất lao động, và độ chính xác cũng như chất lượng sản phẩm Nhưng những ảnh hưởng của các thông số trong MQL vẫn chưa dõ dạng Phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu vẫn còn khá mới, cần có nhiều hơn nữa những nghiên cứu, những thực nghiệm khảo sát, đánh giá cụ thể hơn để chứng minh phương pháp này có tính ứng dụng cao và xây dựng cơ sở dữ liệu, đóng góp những thống số công nghệ phù hợp ứng với các phương pháp gia công và từng loại vật liệu cụ thể Do vậy mà việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu (Minimum Quantity Lubricant - MQL) cho quá trình gia công là cấp thiết và cần được phát triển Ở Việt Nam hiện nay, việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu vào quá trình tiện hầu như chưa được quan tâm nhiều Với những lợi ích về môi trường, kinh tế và ý nghĩa khoa học mà phương pháp này mang lại, tác giả nhận thấy cần thiết khi nghiên cứu cụ thể hơn về ảnh hưởng của các thông số công nghệ
MQL đến lực cắt, vì lực cắt có liên quan đến các thông số khác như độ mòn và tuổi bền dụng cụ căt, độ nhầm bề mặt và độ chính xác kích thước Bên cạnh đó, lực cắt cũng ảnh hưởng trực tiếp đến công suất tiêu thụ và chi phí sản xuất.
Tổng quan về các nghiên cứu ứng dụng phương pháp bôi trơn tối thiểu
Ảnh hưởng của bôi trơn tối thiểu trong quá trình tiện hợp kim thép AISI 1040 đã được nghiên cứu bởi Dhar và các cộng sự [3] Trong thực nghiệm của họ, các nhân tố như: lực cắt, nhiệt cắt, hệ số co rút phoi, mòn dao, độ nhám bề mặt và độ chính xác kích thước đã được đo đạc và giám sát để đánh giá ảnh hưởng phương pháp bôi trơn tối thiểu với áp suất khí: 8 bar, lưu lượng chất bôi trơn 200ml/giờ, chiều sâu cắt cố định ở 1.5mm và các bộ thông số về vận tốc cắt và lượng tiến dao khác nhau (V: 72, 94, 139 and 164 m/ph; S: 0.10, 0.13, 0.16, 0.20 mm/vg) So sánh với điều kiện gia công khô, nhóm tác giả đã nhận thấy rằng gia công dưới điều kiện bôi trơn tối thiểu giúp giảm lực cắt từ 5-15% và nhiệt cắt giảm từ 5-10%
Ali và các cộng sự [2] đã tiến hành thực nghiệm tiện thép carbon trung bình để nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp bôi trơn tối thiểu tới lực cắt, nhiệt cắt, hệ số co rút phoi, mòn dao, độ nhám bề mặt sau đó so sánh với phương pháp gia công khô Quá trình gia công đã thực hiện với nhiều chế độ cắt khác nhau dưới điều kiện bôi trơn tối thiểu được áp dụng với áp suất cao và sử dụng dầu VG-68 Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng MQL chứng minh được những ưu điểm trong việc trong việc giảm lực cắt, nhiệt cắt, mòn dụng cụ, giảm sai số kích thước đồng thời nâng cao năng suất gia công, độ bóng bề mặt và chất lượng của sản phẩm
Hadad và Sadeghi [4] bằng thực nghiệm tiện cứng thép hợp kim AISI 4140 dưới điều kiện bôi trơn tối thiểu đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vị trí của vòi phun và chế độ cắt (chiều sâu cắt, vận tốc cắt và lượng chạy dao) đến quá trình gia công như lực cắt, nhiệt cắt và chất lượng bề mặt Nghiên cứu này đã đưa ra mô hình tính toán nhiệt cắt trung bình nhiệt độ cục bộ trên dụng cụ, chi tiết và phoi
Mô hình này còn xác định được nhiệt cắt trong gia công khô và gia công tưới tràn
Kết quả cho thấy gia công dùng MQL giảm nhiệt cắt được 350 o C so với gia công khô nếu đặt vùi phum vào góc sau, và 200 o C nếu đặt ở góc trước trong khi đó ở phương pháp tưới tràn nhiệt độ chỉ giảm được 300 o C
Khan và các công sự [5] đã đánh giá ảnh hưởng của MQL với dầu thực vật về lực cắt, nhiệt độ vùng cắt, mòn dao, kích thước chi tiết và độ nhám bề mặt trong gia công tiện thép AISI 1060 Kết quả thực nghiệm cho thấy: gia công dưới điều kiện MQL cho kết quả tốt hơn gia công khô vì MQL giúp giảm nhiệt độ, cải thiện sự tương tác tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ cắt và duy trì độ sắc của lưỡi cắt, từ đó giảm đáng kể hiện tượng mòn dao, nâng cao chất lượng bề mặt, độ chính xác kích thước và nổi bật là với phương pháp MQL, lực cắt giảm từ 5-15%
Lamba và các cộng sự [6] đã nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp bôi trơn tối thiểu lên lực cắt và độ nhám bề mặt khi tiện thép hợp kim EN16 sử dụng dầu thực vật Nhóm tác giả đã thực nghiệm với vận tốc cắt trong khoảng từ 25-75 m/phút và lượng chạy dao khoảng 0.8-0.16 mm/vòng cùng với dao phay thép do (HSS) Kết quả thí nghiệm chỉ ra MQL làm tăng đang kể chất lượng gia công, làm giảm lực cắt dưới mọi tốc độ cắt ở vùng khảo sát so với phương pháp gia công khô và tưới tràn Bên cạnh đó độ nhám và nhiệt độ cắt cũng giảm đáng kể
Behera và các cộng sự [7] đã nghiên cứu đề xuất một mô hình lực cắt khi gia công trong môi trường MQL xét đến ma sát tiếp xúc của dụng cụ và phoi Một mô hình được đề xuất trên cơ sở mở rộng lý thuyết về gia công của Oxley (OPMT)
Nghiên cứu đưa ra một mô hình cơ khí dự đoán về hệ số ma sát (COF) cục bộ dựa trên chế độ cắt và các thông số của MQL Thực nghiệm trong nghiên cứu chỉ ra sự phù hợp của mô hình, đồng thời nhận thấy chiều dài tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ cắt giảm đáng kể khi tăng lưu lượng và áp suất
Patole và các cộng sự [8] đã nghiên cứu tối ưu hóa các thông số quá trình của bôi trơn tối thiểu sử dụng dung dịch nano trong gia công tiện AISI 4340 trên cơ sở xét đến lực cắt và nhám bề mặt Trong thí nghiệm, 5 giá trị của lượng tiến dao, 3 giá trị của chiều sâu cắt, hai giá trị của tốc độ cắt và bán kính mũi dao tương ứng được sử dụng Các mẫu thử được gia công trên một máy CNC vạn năng Các số liệu được đo đạc và phân tích trên lý thuyết quy hoạch toàn phần với mô hình trực giao
Phương pháp Taguchi được sử dụng để tối ưu hóa các thông số quá trình Kết quả sau đó được phân tích bằng phân tích phương sai (ANOVA) Kết quả thực nghiệm và tính toán phân tích cho thấy lượng chạy dao có ảnh hưởng lớn tới độ nhám bề mặt và so sánh với phương pháp bôi trơn làm nguội truyền thống, phương pháp MQL cho kết quả với độ nhám thấp hơn trên cơ sở giữ lực cắt và nhiệt cắt ở một mức hợp lý Ở Việt Nam Trong nước những năm gần đây, bên cạnh về năng suất gia công, yêu cầu về gia công tinh đạt độ nhẵn bóng bề mặt có độ chính xác cao, tiết kiệm dầu bôi trơn, giảm thiểu chất thải ô nhiễm môi trường, đang được chú ý và phát triển Tuy nhiên, việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu nhằm giảm lực cắt, tăng tuổi thọ dao cắt, độ nhẵn bóng bề mặt hầu như chưa được quan tâm so với những mặt tích cực mà phương pháp này mang lại (an toàn về vệ sinh, kinh tế và có ý nghĩa khoa học )
Hoàng Xuân Tứ [9] đã nghiên cứu: “Ảnh hưởng của bôi trơn tối thiểu (MQL) đến mòn dụng cụ cắt và nhám bề mặt khi tiện tinh thép 9 CrSi (9XC) đã qua tôi” trong luận văn thạc sĩ thuộc đại học Thái Nguyên 2009 Sử dụng thành công dầu thực vật sẵn có ở Việt Nam vào tiện cứng khi sử dụng phương pháp bôi trơn tối thiểu Kết quả nghiên cứu đã cho thấy hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của phương pháp tiện tinh cứng sử dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu so với tiện khô
Lê Thái Sơn [10] đã nghiên cứu ảnh hưởng các thông số bôi trơn - làm nguội tối thiểu đến quá trình tiện cứng thép 9XC Tác giả 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 trong điều kiện MQL dùng 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 này đã chỉ ra được bộ thông số lưu lượng áp lực hợp lý khi tiện cứng thép 9XC dùng dầu lạc, lưu lượng và áp lực phun khi bôi trơn - làm nguội tối thiểu (MQL) đến các thông số công nghệ như: Lực cắt, mòn, tuổi bền dụng cụ cắt, chất lượng bề mặt chi tiết trong quá trình tiện cứng 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 Nghiên cứu chứng minh được ưu điểm vượt trội của công nghệ MQL so với gia công khô khi tiện cứng thép 9XC, khi MQL dùng emulsion pha 10% trong nước cất tuổi bền của dao tăng 20% và khi MQL dùng dầu lạc tuổi bền của dao tăng 46% so với gia công khô Đặc biệt là hiệu quả về kinh tế và bảo vệ môi trường Tìm và chứng minh được khả năng MQL của dầu lạc khi tiện cứng thép 9XC loại dầu này vừa có tác dụng MQL rất tốt có khả năng giảm lực cắt
Nguyễn Thanh Sơn [11] đã nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp bôi trơn tối thiểu đến độ nhám bề mặt trong phay cao tốc thép hợp kim SKD 11 bằng dao phay ngón Tác đã tập trung vào nghiên cứu ba thông số chính của MQL: vị trí vòi phun so với hướng cắt, khoảng cách từ đầu vòi phun đến vùng cắt và tỉ lệ emulsive tác động đến độ nhám bề mặt của chi tiết gia công Bằng các phương pháp quy hoạch thực nghiệm, phương pháp Taguchi đã được vận dụng để xây dụng phương trình hồi quy để mô tả mối quan hệ giữa các thông số của MQL và độ nhám bề mặt Đồng thời tác giả cũng đưa ra được một bộ thông số tốt nhất của MQL: vị trí vòi phun so với hướng cắt 10 o , khoảng cách từ đầu vòi phun đến vùng cắt 30mm và tỉ lệ emulsive 6% Với áp suất khí là 5 kgf/cm 2 và lưu lượng dung dịch 90 ml/giờ
Sau khi nghiên cứu các tài liệu tài liệu hiện có, đa số các công trình nguyên cứu xoay quanh các vấn đề sau:
Nghiên cứu so sánh hiệu quả giữa các phương pháp bôi trơn làm nguội Cụ thể thường là bôi trơn tối thiểu (MQL) với gia công tưới tràn và gia công khô Và kết quả cho thấy MQL thể hiện được nhiều ưu điểm về chi phí sản xuất, về hiệu quả gia công, và đáp ứng bài toán bảo vệ môi trường trong sản xuất công nghiệp đang được ngày một quan tâm
Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp bôi trơn tối thiểu khi sử dụng các lại dầu bôi trơn khác nhau, khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của từng loại và chỉ ra loại phù hợp trong trường hợp gia công cụ thể
Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các thông số chế độ bôi trơn tối thiểu đến lực cắt
Xây dựng phương trình hồi quy biểu diễn mối quan hệ giữa các yếu tố của chế độ bôi trơn và lực cắt Trên cơ sở đó xác định bộ thông số tối ưu cho hệ thống với chế độ cắt đã chọn Đối tượng nghiên cứu là lực cắt Trong đó các yếu tố như áp suất khí, lưu lượng và vị trí của vòi phun sẽ được xét đến Vật liệu của phôi được lựa chọn khảo sát là thép C45 một mác thép khá phổ biến ở Việt Nam.
Ý nghĩa khoa học của đề tài
Đề tài phù hợp với xu thế phát triển khoa học công nghệ trong và ngoài nước về công nghệ gia công sạch và thân thiện với môi trường Do đó đề tài có ý nghĩa khoa học trong sản xuất chế tạo máy hiện đại
Một cái nhìn khái quát chúng ta có thể thấy những nghiên cứu về bôi trơn làm nguội gần đây tập trung vào bôi trơn làm nguội tối thiểu Đề tài sẽ đóng góp một số kết quả vào hướng nghiên cứu này
Quá trình gia công sử dụng MQL là một quá trình phức tạp với tấp hợp lớn các thông số ảnh hưởng và chỉ tiêu đánh giá Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm được trình bày trong luận văn không chỉ phù hợp với đối tượng nghiên cứu của đề tài mà còn có thể sử dụng khi nghiên cứu quá trình bôi trơn làm nguội tối thiểu ứng với các điều kiện khác nhau.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Nghiên cứu chế động công nghệ bôi trơn trên thép C45 một loại vật liệu khá phổ biến ở Viêt Nam
Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của bôi trơn tối thiểu tới lực cắt khi tiện có thể được sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo về rung động, nhiệt cắt, tuổi bền và độ nhám bề mặt
Kết quả thực nghiệm của đề tài hoàn toàn có thể triển khai vào sản xuất nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình gia công chế tạo chi tiết máy và sản xuất thân thiện với môi trường
Sau khi nghiên cứu tổng hợp các công trình và tài liệu, tác giả xây dựng được cái nhìn tổng quan về các phương pháp bôi trơn làm nguội trong gia công cắt gọt, nắm được xu thế phát triển, phân tích, đánh giá được ưu điểm và hạn chế của các nghiên cứu trước trong nước cũng như trên thế giới và xác định được mục tiêu, đối tượng nghiên cứu của đề tài.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Lý thuyết về cắt gọt kim loại
2.1.1 Lý thuyết tạo phoi-cơ sở về cắt gọt kim loại
2.1.1.1 Mô hình cắt trực giao
Mặc dù trong thực tế hầu hết các quá trình cắt gọt là dạng 3 chiều và với mô hình hình học phức tạp, tuy nhiên mô hình cắt trực giao 2D đơn giản được sử dụng để giải thích tổng quát về hiện tượng cơ học trong cắt gọt kim loại Trong mô hình trực giao, vật liệu được bóc tách bởi một dụng cụ có lưỡi cắt trực giao với phương chuyển động tương đối giữa dao và phôi Trên cơ sở đó, mô hình cắt xiên (3D) thực tế có thể tính toán và đánh giá xấp xỉ bằng các phép chuyển đổi từ mô hình 2D này
Quá trình cắt trực giao giống như một quá trình tạo hình với dụng cụ có lưỡi cắt vuông góc với vận tốc cắt (V) Một phần phoi kim loại có bề rộng cắt (w) và chiều sâu cắt (t0) bị cắt ra khỏi phôi Trong cắt trực giao, cắt được giả định là đồng nhất dọc theo cạnh cắt; do đó, nó là một quá trình biến dạng phẳng hai chiều mà không có sự biến dạng về 2 phía của vật liệu Do đó, các lực cắt được tạo ra chỉ theo các phương của vận tốc và lượng chạy dao (dọc trục), được gọi là lực tiếp tuyến (Ft) và lực dọc trục (Ff) Tuy nhiên, trong cắt xiên, lưỡi cắt chính hướng với một góc nghiêng (i) và thành phần lực thứ ba xuất hiện theo phương hướng tâm (Fr) [12] a) Mô hình cắt trực giao b) Mô hình cắt xiên Hình 2.1: Hình học của các quá trình cắt trực giao và cắt xiên
Hình 2.2: Các vùng biến dạng trong quá trình hình thành phoi
Có ba vùng biến dạng trong quá trình cắt như thể hiện trong mặt cắt ngang của cắt trực giao (xem hình 2.2)
Vùng I: vùng cắt chính (biến dạng dẻo) của phoi Tại vùng này vật liệu bị biến dạng mãnh liệt nhất Trong phân tích vùng cắt chính, Merchant đã phát triển một mô hình cắt trực giao bằng cách giả định rằng khu vực cắt có một mặt phẳng mỏng, trên đó phoi là các phần tử song song trượt với mặt phẳng đó
Vùng biến dạng thứ hai là vùng ma sát giữa mặt sau dao với các phần tử kim loại trên bề mặt đã gia công nằm sát mặt dao Về biến dạng thì đây là vùng vừa có biến dạng đàn hồi, vừa có biến dạng dẻo
Vùng thứ ba: Vùng ma sát, nơi mặt sau của dụng cắt chà xát bề mặt mới được gia công Về biến dạng thì đây là vùng vừa có biến dạng đàn hồi, vừa có biến dạng dẻo
Trên hình ta có thể thấy phoi trượt trên một mặt trượt mỏng hợp với bề mặt đã gia công một góc ϕ và α là góc trước của dao Trong quá trình cắt dụng cụn được điều chỉnh ở một chiều sâu cắt to nhất định trên phôi Sau khi phoi được hình thành dọc trên mặt trượt, chiều dày của phoi tăng lên giá trị tc lúc này ta có hệ số chiều dày phoi: o c r t
Trong mô hình trực giao ta có góc trượt được xác định:
2.1.1.2 Phân loại phoi Phoi được hình thành là một kết quả của quá trình biến dạng và ma sát khi cắt
Tuỳ thuộc vào loại vật liệu gia công, các điều kiện tiến hành cắt gọt mà phoi được tạo thành có nhiều dạng khác nhau Như vậy một cách ngược lại, từ dạng phoi cắt ta có thể phán đoán được vật liệu gia công và những điều kiện cắt đã thực hiện
Trong nghiên cứu về cơ chế cắt gọt, xuất phát từ những mục đích nghiên cứu khác nhau, đã có nhiều cách phân loại dạng phoi khác nhau Tuy nhiên, phoi thường được phân loại thành 4 dạng tương ứng với 2 nhóm chính
Nhóm phoi gãy vụn (phoi vụn)
Nhóm phoi liên tục a Phoi gãy vụn
Thường khi cắt vật liệu dòn hoặc những vật liệu dẻo với tốc độ cắt tương đối nhỏ thì phoi được tạo ra bị gãy vụn gọi là phoi vụn (hình )
Các phần tử phoi chèn ép lẫn nhau ngay trước lưỡi cắt của dao Lúc đó ứng suất trong phoi đã đạt tới giới hạn bền nén của vật liệu cắt, và gãy vụn Kích thước mỗi hạt phoi thường rất nhỏ, thường nhỏ hơn 1cm 3
Các hạt phoi được gãy theo đường biên giới các hạt, do đó khi hình thành phoi vụn thì bề mặt đã gia công lưu lại các nhấp nhô Mặt khác do quá trình gãy vụn phoi xảy ra liên tục khi cắt, cho nên dao động về lực cắt cũng lớn Điều đó cũng ảnh hưởng xấu đến chất lượng bề mặt đã gia công
Trong thực tế khi gia công tinh và gia công có yêu cầu bề mặt cao, cần chú ý tránh tạo phoi vụn bằng cách chọn chế độ cắt hợp lý b Phoi liên tục
Sự hình thành phoi liên tục là đặc trưng khi cắt những vật liệu dẻo Các phần tử phoi khi được tách ra không bị gãy rời ra mà còn dính vào nhau thành dãy liên tục
Phoi liên tục lại được phân thành 3 nhóm:
Phoi dây là một loại phoi liên tục, các phần tử phoi liên kết nhau thành chuỗi liên tục (hình)
Phoi dây được tạo thành khi cắt các loại vật liệu dẻo với tốc độ tương đối lớn
Biến dạng cắt khi tạo phoi dây là bé nhất Vì vậy trong những trường hợp gia công tinh ta cần cố gắng tạo phoi dây bằng cách nâng cao tốc độ cắt
Khi tạo phoi dây, do phoi được hình thành một cách liên tục, do đó lực cắt khá ổn định, ít rung động Nhờ vậy dễ đạt độ bóng bề mặt cao
Bôi trơn làm nguội khi tiện
Thực chất, bản chất của bôi trơn làm nguội là dung dịch làm nguội được đưa vào vùng gia công để nhằm cải thiện quá trình gia công
2.2.1 Yêu cầu đối với dung dịch trơn nguội
Một dung dịch muốn được sử dụng làm dung dịch trơn nguội phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Có khả năng bôi trơn
- Có khả năng làm nguội
- Phải là tác nhân có lợi cho máy, chi tiết, dụng cụ bảo vệ chúng không bị tác động của môi trường, chống ôxy hoá.v.v
- Không độc hại với con người
- Không gây ô nhiễm môi trường
- Đảm bảo tính kinh tế
- Áp suất và nhiệt độ khi cắt kim loại rất cao, do đó dung dịch cần tạo được màng dầu bôi trơn chịu áp lực và nhiệt độ cao
2.2.2 Tác dụng của dung dịch trơn nguội
- Dung dịch có khả năng xâm nhập tốt nhất vào vùng cắt, tạo được lớp màng bao phủ được dụng cụ cắt, đặc biệt xâm nhập vào những vết nứt tế vi, lúc này nó đóng vai trò như một cái chêm làm giảm lực liên kết giữa các nguyên tử, khiến lớp kim loại dễ bị biến dạng dẻo và quá trình cắt dễdàng hơn
- Khả năng làm lạnh của dung dịch càng lớn khi nhiệt hoá hơi, độ dẫn nhiệt và nhiệt dung của nó càng lớn, nhờ đó tuổi bền của dao tăng lên và biến dạng do nhiệt của dao giảm đi
- Khi gia công vật liệu dẻo, dung dịch trơn nguội giúp phá huỷ mạng tinh thể ở lớp cứng nguội
- Chất bôi trơn - làm nguội luôn phải có xu hướng làm giảm lực cắt, giảm hệ số ma sát, giảm biến dạng phoi Kết quả thể hiện ở việc kéo dài tuổi thọ dụng cụ cắt, giảm nhiệt tai vùng cắt, giảm độ mấp mô bề mặt
2.2.3 Các phương pháp bôi trơn làm nguội trong gia công cắt gọt
Trong gia công cắt gọt, vấn đề bôi trơn –tưới nguội giữ một vai trò quan trọng, việc này không những ảnh hưởng đến chất lượng của chi tiết gia công mà còn ảnh hưởng đến chi phí sản xuất, sức khỏe và môi trường
Hiện nay có nhiều phương pháp bôi trơn làm nguội, tuy nhiên chúng ta có thể phân loại thành các phương pháp chính như:
Phương pháp gia công khô: là phương pháp gia công mà không sử dụng chất bôi trơn làm nguội
Không gây ô nhiễm môi trường
Không hao tốn dung dịch trơn nguội
Máy không cần trang bị hệ thống bôi trơn
Nhiệt độ vùng cắt lớn
Lực cắt lớn hơn so với gia công ướt
Khó thoát phoi ra khỏi vùng gia công, phương pháp này chỉ ứng dụng cho một số vật liệu nhất định
Phương pháp tưới tràn Là phương pháp dùng phổ biến nhất hiện nay, ở phương pháp này, dung dịch bôi trơn làm nguội được dẫn hoặc phun trực tiếp vào vùng gia công với lưu lượng lớn
Tải nhiệt tốt ra khỏi vùng cắt, hạn chế tác dụng xấu của nhiệt độ với dụng cụ cắt
Đảm bảo nhiệt độ làm việc của môi trường thấp và ổn định
Giúp việc vận chuyển phoi ra khỏi vùng cắt dễ dàng
Giảm ma sát giữa phoi và mặt trước, giữa phôi và mặt sau của dụng cụ cắt
Gây ô nhiễm môi trường làm việc, đất đai và nguồn nước
Tăng chi phí sản xuất, vận chuyển, bảo dưỡng và tái chế chất bôi trơn, đặc biệt, tăng chi phí cho làm sạch trước khi đưa ra môi trường
Tiêu tốn nhiều dung dịch trơn nguội
Dung dịch khó xâm nhập vào vùng cắt
Phương pháp bôi trơn tối thiểu
Là quá trình bôi trơn 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 và phôi
Lượng dung dịch trơn nguội cần thiết chỉ bằng 20 % so với lượng dung dịch sử dụng theo phương pháp tưới tràn, do đó, làm giảm chi phí chế tạo chất bôi trơn làm nguội
Hiệu quả bôi trơn, làm nguội cao nên giảm lực, giảm nhiệt dẫn đến nâng cao chất lượng sản phẩm
Tiết kiệm dung dịch trơn nguội, giảm ô nhiễm môi trường
Đảm bảo tuổi bền của dụng cụ cắt
Phoi sạch, không gây ô nhiễm môi trường
Không gian làm việc sạch
Khó vận chuyển phoi ra khỏi vùng cắt
Nhiệt độ chi tiết cao
2.2.4 Một số hóa chất thường dùng trong bôi trơn - làm nguội
2.2.4.1 Dầu mỏ Được khai thác từ các nguồn tài nguyên dưới lòng đất, đem tinh chế dưới các dạng dầu khác nhau và tồn tại dưới nhiều trạng thái khác nhau Loại dầu này chỉ thích hợp với thuỷ động lực học hoặc bôi trơn dưới dạng tạo màng mỏng, chống ôxy hoá và chịu nhiệt cao Dầu mỏ thường sử dụng làm dầu cắt gọt, có thể sử dụng ở trạng thái dầu nguyên chất hoặc trộn thêm một số chất bổ sung khác
2.2.4.2 Mỡ Động vật Mỡ động vật thường đươc sử dụng làm chất phụ trợ trong dầu cắt Loại này được lấy từ các mô mỡ của các loại động vật như ngựa, cừu, lợn, một số động vật biển v.v… Chúng được chế biến, bảo hoà bằng các phương pháp hoá học và bảo quản ở nhiệt độ phòng Chất béo và dầu sử dụng tốt cho bôi trơn, chúng còn làm giảm nhiệt cắt, giảm hệ số ma sát trong quá trình gia công
2.2.4.3 Dầu Thực vật Dầu thực vật thường được chiết suất từ các loại quả, củ như lạc, vừng, cọ, hạt cải, đậu nành, ô lưu v.v hoặc nhựa các loại cây Các loại dầu này có chứa chất béo, nên chúng có đầy đủ các tính chất để bôi trơn và làm nguội trong gia công cắt gọt Dầu thực vật được chia ra làm hai loại:
Dầu tồn tại dưới dạng khô được lấy từ các loại nhựa cây Chúng được chế biến thành dạng màng dai bền co giãn được nên rất dễ vận chuyển và cất giữ nhưng trước khi sử dung cần chế biến lại để đưa về trạng thái lỏng
Dầu thực vật dưới dạng nước chúng được ép từ các loại thực vật như cọ, dừa, vừng, lạc, hải ly Chúng tồn tại dưới dạng lỏng nên có thể hoà trộn được hầu hết các loại chất béo và sẽ không có dạng màng khô co giãn khi phơi ngoài không khí
2.2.4.4 Các nguyên tố hoá học Các nguyên tố hoá học ảnh hưởng đến tính sắc của dao cũng như tuổi bền của chúng Ngày nay người ta thường sử dụng các loại hoá chất như lưu huỳnh, clo, phốt pho, chúng tác động có lợi không những giảm ma sát mà còn giảm lực cắt ở vùng cắt, giảm năng lượng tách phoi xuống 50%, ngoài ra chúng còn tăng tính sắc của dụng cụ cắt và tăng tuổi thọ dụng cụ
Các nguyên tố hoá học có tác dụng tích cực khi chúng có mặt trong dung dịch bôi trơn - làm nguội, nhưng chúng có thể làm tốn thương đến con người như thấm thấu qua da gây ung thư Các hạt dung dịch bay lơ lửng trong không gian nếu bay vào mắt sẽ dẫn đến viêm kết mạc, nếu con người hít phải các hạt này sẽ gây tốn thương bộ máy hô hấp như viêm đường hô hấp, ung thư phổi v.v
2.2.4.5 Emusil (Nhũ tương) Emusil ở dạng thể huyền phù, là loại dầu hoà tan trong nước, tạo thành hỗn hợp dầu pha Nhũ tương thường được pha dưới hai dạng cơ bản sau:
- Nhũ tương trực tiếp: là dầu khoáng phân tán trong nước ở dạng các giọt rất nhỏ, loại này có khả năng làm lạnh nhiều hơn khả năng bôi trơn
- Nhũ tương gián tiếp: là các giọt nước phân tánq trong dầu, loại này có tác dụng bôi trơn tốt hơn tác dụng làm nguội
Lý thuyết về bôi trơn tối thiểu
2.3.1 Khái niệm về bôi trơn tối thiểu
Phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu (minimum quantity lubrication - MQL) hay còn gọi phương pháp bôi trơn gần khô (Near dry machining - NDL), là phương pháp mà dung dịch làm nguội được phun vào vùng gia công dưới dạng sương rất nhỏ (cỡ phân tử) cùng với áp suất cao Trong đó lưu lượng phun thường thấp hơn rất nhiều lần so với phương pháp tưới tràn Các hạt sương được đánh nhỏ nhờ áp suất khí nén và với vận tốc cao (250~300 m/ph), chúng len lỏi thâm nhập sâu vào vùng gia công, đặc biệt là bề mặt tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ cắt, tạo thành liên kết vững chắc bao phủ các bề mặt của dụng cụ làm giảm hệ số ma sát giữa dụng cụ cắt và phoi Nhờ vào đó, MQL giúp giải quyết định căn nguyên của việc phát sinh nhiệt do ma sát, giảm lực cắt, tăng tuổi bền dụng cụ, cải thiện chất lượng bề mặt và độ chính xác của chi tiết máy [14] Ở phương pháp này chức năng bôi trơn có tỉ trọng lớn hơn so với làm nguội
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, góc độ vòi phun so với hướng cắt, góc cao của vòi phun, khoảng cách từ vòi phun tới vùng gia công…
2.3.2 Phân loại hệ thống bôi trơn tối thiểu
Nhiệm vụ chính của hệ thống bôi trơn tối thiểu là cung cấp một lượng chất bôi trơn thích hợp vào vùng cắt (lưỡi cắt) Vì vậy để thực hiện nhiệm vụ này mà mỗi hệ thống sẽ có yêu cầu khác nhau Thực tế hệ thống bôi trơn tối thiểu thường được thiết kế theo hai nguyên lý sau: hệ thống MQL dùng bơm lưu lượng và hệ thống MQL dùng bình áp suất [15]
2.3.2.1 Hệ thống MQL dùng bơm lưu lượng:
Hình 2.13: Hệ thống MQL dùng bơm lưu lượng [15]
Hệ thống này dùng bơm lưu lượng nhỏ (thường là bơm piston) và được dẫn động bằng khí nén thông qua timer khí nén (pneumatic timer) Sự đóng mở theo chu kì của timer khí nén sẽ giúp điều khiển số chu trình của piston trong một đơn vị thời gian Mỗi chu trình của piston sẽ cấp một lượng dung dich chính xác cho hệ thống
Cung cấp lưu lượng một cách chính xác dầu tới nguội cho hệ thống
Do thiết kế theo dạng module nên có thể tích hợp nhiều bơm và nhiều đầu ra trên một hệ thống
Dung dịch được cấp theo chu kì và phụ thuộc và timer khí nén nên có tính gián đoạn Ở những mức lưu lượng nhỏ, hệ thống này sẽ khó đảm bảo yêu cầu bôi trơn,cần yêu cầu cao hơn về hệ thống cơ khí của MQL
2.3.2.2 Hệ thống MQL dùng bình áp suất
Hình 2.14: Hệ thống MQL dùng bình áp suất [16]
Trong hệ thống này,bình dung dịch được tạo áp suất để ép dung dịch trong bình tới vòi phun Lưu lượng của dung dịch có thể điều chỉnh được bằng cách điều chỉnh các mức áp suất khác nhau kết hợp với các van (vít) tiết lưu
Dung dịch được cấp một cách liên tục vào vùng gia công với mức lưu lượng có thể điều chỉnh bằng áp suất hoặc thiết bị tiết lưu
Hệ thống đơn giản, dễ tích hợp và giá thành rẻ
Hạn chế: Khó kiểm soát lưu lượng đầu ra một cách chính xác, nên để điều chỉnh mức lưu lượng sẽ tốn nhiều thời gian
Ngoài ra theo đặc điểm của việc tích hợp hệ thống MQL và dụng cụ cắt, chúng ta còn có thể chia thành 2 loại hệ thống: hệ thống bôi trơn bên ngoài và hệ thống tích hợp
2.3.2.3 Hệ thống bôi trơn tối thiểu bên ngoài:
Hình 2.15: Bôi trơn tối thiểu bên ngoài [15]
Loại này phù hợp cho việc trang bị thêm các công cụ máy, bời vì yêu cầu vòi phun thì dễ dàng cài đặt trên trục chính máy, hệ thống máy này phù hợp cho các quá trình tiêu chuẩn đơn giản như: tiện, phay, khoan, cưa , loại này bị giới hạn bởi chiều dài và đường kính dao khác nhau, cũng như là là khả năng tiếp cận hạn chế với cạnh dụng cụ cắt (khi khoan lỗ sâu) [15]
Bảng 2.4: Ưu và nhược điểm của hệ thống bôi trơn tối thiểu bên ngoài: Ưu điểm Nhược điểm
Chi phí đầu tư thấp
Ít công việc cần thiết khi trang bị thêm các thiết bị
Đặc tính thích ứng nhanh
Không đòi hỏi các công cụ đặc biệt
Bị hạn chế khi điều chỉnh vòi phun đối với dao có đường kính và chiều dài khác nhau
Ảnh hưởng việc bị che khuất vòi phun có thể xẩy ra trong khi gia công
2.3.2.4 Hệ thống bôi trơn tối thiểu tích hợp:
Việc sử dụng hệ thống bôi trơn tối thiểu bên trong cho phép cung cấp chính xác dầu bôi trơn tới điểm tiếp xúc của dụng cụ cắt, dầu tưới nguội liên tục có sẵn tại những vùng quan trọng trong suất quá trình gia công
Hình 2.16: Hệ thống bôi trơn tối thiểu tích hợp [15]
Bảng 2.5: Ưu và nhược điểm của hệ thống bôi trơn tích hợp: Ưu điểm Nhược điểm
Tưới nguôi tối ưu các điểm của dụng cụ căt (ngay cả những điểm khó tiếp xúc)
Không bị tán xạ hoặc lãng phí
Lượng bôi trơn tối ưu cho mỗi loại dao
Đòi hỏi dao đặc biêt
Chi phí đầu tư cao
Đòi hỏi máy gia công phải phù hợp
2.3.3 Ảnh hưởng của các thông số của MQL đến quá trình tiện
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, góc độ vòi phun so với hướng cắt, góc cao của vòi phun, khoảng cách từ vòi phun tới vùng gia công…
2.3.3.1 Ảnh hưởng của áp suất dòng khí Áp suất của dòng khí là một trong những thông số quan trong của hệ thống MQL Nó có một vai trò quan trọng trong việc vận chuyển các hạt sương của dung dịch bôi trơn tới vùng gia công Khi tăng áp suất của vòi phun sẽ làm tăng vận tốc phun của dầu tưới nguội, vận tốc cao này tạo điều kiện thâm nhập tốt hơn vào mặt dưới của phoi, giảm ma sát tiếp xúc giữa dao-phoi, làm giảm lực cắt, giảm mòn dao
Hơn nữa, áp suất không khí cao hơn giúp đẩy phoi ra khỏi vùng gia công và làm giảm bám dính phoi lên phôi và dao từ đó giúp tăng chất lượng bề mặt
Mặt khác, theo như khuyến cáo của nhà sản xuất vòi phun, áp suất phun khí là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến kích thước giọt dầu, việc tăng áp lực sẽ làm giảm góc côn phun và kích thước giọt nhỏ hơn, vì vậy có thể dễ dàng hơn để thâm nhập bôi trơn một cách hiệu quả
Bảng 2.6: Kích thước giọt dầu ứng với các mức áp suất khác nhau [17]
10 psi (0.7 bar) 40 psi (2.8 bar) 100 psi (7 bar) Capacity VMD Capacity VMD Capacity VMD gpm lpm microns gpm lpm microns gpm lpm microns
*VMD: volume median diameter Áp suất dòng khí cũng quan hệ chặt chẽ với khoảng cách từ đầu vòi phun tới vùng cắt Vì trong quá trình gia công thực tế, đặc biệt cho việc khoan, doa cắt các rãnh sâu, vòi phun không thể được đặt quá gần vùng gia công vì vòi phun có thể tiếp xúc với phôi và các phoi gây ra va đập trong quá trình gia công, vì vậy mức cao của áp suất nên được sử dụng ưu tiên để đạt được khoảng cách hiệu quả lớn hơn từ đầu vòi phun tới vùng cắt
2.3.3.2 Ảnh hưởng của lưu lượng dung dịch bôi trơn Lưu lượng dầu (dung dịch bôi trơn) cần thiết cho hệ thống MQL phụ thuộc vào nhiều yếu tố như dụng cụ cắt, diện tích tiếp xúc giữa dao và phoi Lưu lượng cấp vào ảnh hưởng rất lớn đến kích thước hạt, việc dùng vừa đủ lượng giúp cho việc tạo hạt sương có kích thước nhỏ tốt hơn, nâng cao hiểu quả của việc tiếp cận và bôi trơn trong quá trình cắt gọt
NGHIÊN CỨU QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM
Phân tích và chọn thông số thí nghiệm
Như đã trình bày ở phần trước, các nhân tố của hệ thống bôi trơn tối thiểu được lựa chọn để làm thực nghiệm nghiên cứu bao gồm: áp suất khí, nồng độ % của emulsive trong dung dịch và góc cao của vòi phun lên mặt trước của dao
3.1.1 Chế độ cắt sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm
Trong phần 2.1.4 tác giả đã nghiên cứu và tìm hiểu, chế độ cắt có ảnh hưởng không nhỏ tới lực cắt Tuy nhiên, trong nghiên cứu này tác giả sẽ sử dụng một bộ thông số về chế độ cắt (V,s,t) do nhà sản xuất dụng cụ cắt khuyến cáo kết hợp với thông số hoạt động của máy tiện sử dụng Trên cơ sở ở chế độ cắt này, đánh giá ảnh hưởng của các nhân tố của MQL đã lựa chọn tới đối tượng nghiên cứu
Bảng 3.1: Chế độ cắt sử dụng trong nghiên cứu
Vận tốc cắt v (m/ph) 127.17 m/ph
Lượng tiến dao s (mm/vg) 0.15
3.1.2 Các thông số của chế độ bôi trơn tối thiểu
3.1.2.1 Lưu lượng Công việc xác định lưu lượng phù hợp cho công nghệ bôi trơn tối thiểu là một không hề dễ dàng Lượng dung dịch sử dụng phụ thuộc nhiều vào kich thước của dụng cụ và diện tích tiếp xúc giữ phoi và dụng cụ Giá trị lưu lượng phù hợp là bao nhiều phụ thuộc vào đối tượng khảo sát, theo tiêu chuẩn DIN của Đức giá trị này vào khoảng 50ml/giờ, và có một vài trường hợp lên tới 150ml/giờ; có nghiên cứu, lưu lượng lên tới 500ml/giờ Bài toán của công nghệ bôi trơn tối thiểu là làm sao sử dụng lượng dung dịch ít nhất mà mang lại hiệu quả cao nhất Theo như khuyến cáo của Unist [14] với những dụng cụ có kích thước < 40mm đường kính, lưu lượng được sử dụng khoảng 80ml/giờ Theo các nghiên cứu được khảo sát bỏi
Sharma [20] trong gia công vật liệu thép cacbon trung bình, lưu lượng thường được sử dụng trong khoảng 100-200ml/giờ Ở nghiên cứu này, tác giả sẽ sử dụng thống nhất một khoảng lưu lượng để khảo sát 120ml/giờ
3.1.2.2 Áp suất khí Giá trị của áp suất khi được lựa chọn khảo sát trong thực nghiệm dưa trên cơ sở khuyến cáo của nhà sản xuất vòi phun và thừa kế việc khảo sát và tổng hợp các nghiên cứu của các tác giả khác Trong nghiên cứu này tác giả chọn khoảng khảo sát của của áp suất khí là 3-7 kg/cm 2
3.1.2.3 Tỉ lệ emulsive trong nước Theo như khuyến cáo của nhà sản xuất (cung cấp) dung dịch bôi trơn giá trị nồng độ thường được sủ dụng trong điều kiện gia công thông thường: 6-8%
Tuy nhiên để mở rộng khảo sát, nhóm nghiên cứu sẽ thực hiện khảo sát với dung dịch bôi trơn có nồng độ từ 6-10%
3.1.2.4 Góc cao của vòi phun
Hình 3.1: Mô tả góc cao A của vòi phun lên mặt trước Đối với việc gia công trên máy tiện, bên cạnh việc ảnh hưởng tới đường kính hạt sương, góc cao của vòi phun sẽ ảnh hưởng không nhỏ tới khả năng tiếp cận của chất bôi trơn đên bề mặt tiếp xúc của phoi và dao, bên cạnh đó nhân tố này còn ảnh hưởng tới khả năng đẩy phoi ra khỏi vùng gia công Ở nghiên cứu này, do đặc điểm của dụng cụ căt, tác giả sẽ khảo sát các giá trị của góc cao trong khoảng 15-25 0
Trong nghiên cứu này tác giả cố định giá trị của góc tiếp cận theo phương ngang giữa vòi phun và mặt đã gia công một góc: 30 o (như hình 3.1).
Mô hình thí nghiệm
3.2.1.1 Máy tiện Quá trình thí nghiệm được thực hiện trên máy tiện Mascut MA1880 đặt tại xưởng cơ khí của Trường ĐH Trần Đại Nghĩa Với công suất 7.5 Hp; tốc độ trục chính 39-2800 vg/ph (18 cấp tốc độ)
Hình 3.2: Máy tiện dùng trong thực nghiệm
3.2.1.2 Dụng cụ cắt Dụng cụ cắt được sử dụng trong quá trình tiện là dao tiện có gắn mảnh hợp kim
Hình 3.3: Dao tiện được sử dụng trong thí nghiệm
Mảnh hợp kim sử dụng là mảnh hợp kim của hãng Duracarb có mã số: CNMG 120408 52 DC7010; với góc trước α 0 và bán kính mũi dao r =0.8 mm
3.2.1.3 Phôi Phôi được sử dụng trong quá trình thí nghiệm là phôi trụ với kích thước ϕ 50 x 200 mm, với vật liệu thép C45 theo tiêu chuẩn TCVN 1766-75
Bảng 3.2: Thành phần của thép C45 theo TCVN 1766-75
C Si Mn P max S max Cr max Mo max Ni max
Bảng 3.3: Cơ tính của thép C45 theo TCVN 1766-75
Giới hạn chảy, Sch Độ bền kéo, Sb Độ dãn dài tương đối d5 Độ thắt tương đối y Độ dai va đập Độ cứng kg/mm2 (%) kgm/cm2 (HRC)
3.2.1.4 Đồ gá Đồ gá được sử dụng để định vị và kẹp chặt trong quá trình gia công: mâm cặp 3 chấu và mũi chống tâm nhằm nâng cao độ cứng vững cho hệ thống công nghệ
3.2.2 Hệ thống bôi trơn tối thiểu
3.2.2.1 Xây dựng hệ thống MQL Hệ thống MQL được xây dựng theo phương pháp dùng bình áp suất để cấp dung dịch và áp dụng kỹ thuật phun sương bên ngoài (không tích hợp với dụng cụ cắt) có tính linh hoạt cao
Hình 3.4: Sơ đồ hệ thống MQL được xây dựng và sử dụng [16]
3.2.2.2 Máy nén khí Máy nén khí Fusheng TA100 (12Hp) được sử dụng có áp suất làm việc 8 kg/cm 2 Với dung tích 304 lít
Hình 3.5: Máy nén khí Fusheng
3.2.2.3 Vòi phun và đồ gá chia góc cao a) Vòi phun b)Đồ gá vòi phun
Hình 3.6: Vòi phun và đồ gá chia góc cao
Vòi phun sử dụng là vòi phun Air atomizing kết hợp với ống coaxial nối dài của hãng Spraying system, với loại đầu phun sương trộn bên trong (internal mixed nozzle)
3.2.2.4 Dung dịch bôi trơn Chất bôi trơn làm mát được sử dụng trong nghiên cứu là dầu blasocut 2000 universal, xuất xứ thụy sỹ Đây là loại dầu cắt tổng hợp được ứng dụng trong gia công các loại vật liệu khác nhau như (gang, thép, nhôm )
Hình 3.7: Chất bôi trơn blasocut 2000 universal Đặc tính của sản phẩm:
Không hại sức khỏe và da
Khối lượng riêng tại 20 o c: 0.96 g/ cm 3
Giá trị PH: 8.3-9.2 Tỷ lệ thường sử dụng: Thành phần thay đổi từ 5 đến 20%
3.2.3 Thiết bị đo và kiểm tra
3.2.3.1 Thiết bị đo kích thước:
Thước cặp cơ khí Mitutoyo 505-745 D30TX có dải đo từ 0-300mm, độ chia 0.02mm
3.2.3.2 Thiết bị đo lực Trong thực nghiệm, tác giả dùng thiết bị đo lực IEICOS Lathe Tool Dynamometer – Model 621B: 200 KgF, Multicomponent digital force, có thể đo 3 thành phần lực theo các phương X, Y, Z
Hình 3.9: Thiết bị đo lực IEICOS Lathe Tool Dynamometer
Hình 3.10: Sơ đồ lực đo bởi IEICOS Lathe Tool Dynamometer
3.2.3.3 Thiết bị đo tỉ lệ emulsive Đo tỉ lệ emulsive trong nước bằng thiết bị Refractometer RHB 32 của hãng ATC, khoảng đo từ 0-32%
Hình 3.11: Máy đo tỉ lệ emulsive trong dung dịch.
Phương pháp phân tích kết quả
3.3.1 Các thông số đầu vào của thực nghiệm
Thông qua các số liệu khảo sát sơ bộ thể hiện qua các biểu đồ thực nghiệm ở trên từ đó có thể chọn ra chế độ bôi trơn làm nguội tối thiểu với các thông số đầu vào là: áp suất khí, tỉ lệ hòa trộn giữa chất bôi trơn và nước, góc cao của vòi phun thể hiện ở bảng 3.4
Bảng 3.4: Thông số đầu vào của thực nghiệm
Thông số khảo sát Thấp Trung Bình Cao Áp suất khí P (kg/cm 2 ) 3 5 7
Góc cao của vòi phun A (độ) 20 25 30
3.3.2 Cơ sở lý thuyết của quy hoạch thực nghiệm bậc 2 cho 3 nhân tố dạng 3 k
Các bước xây dựng phương trình hồi quy
Bước 1: Xác định các hệ số của phương trình hồi quy
Bước 2: Kiểm tra tính ý nghĩa các hệ số của phương trình hồi quy
Bước 3: Kiểm tra tính thích hợp phương trình hồi quy theo tiêu chuẩn fisher
Xác định số lần lặp:
Thực hiện thực nghiệm gia công khô với chế độ cắt đã xác định (t=1mm, S= 0.15 mm/vg, v = 127.17 m/ph) Sau 5 lần đo ta thu được các kết quả:
Bảng 3.5 Kết quả thí nghiệm thăm dò
Chọn mức ý nghĩa q = 0.05 Xác suất độ tin cậy p = 0.95
Mức ý nghĩa là 95% và số bậc tự do f=N-1=5-1=4 t = 2.57 (tra bảng Student) Với N = 5 là số thí nghiệm
Sai số lớn nhất kì vọng tính toán: 2 (dựa trên sai số của thiết bị đo =+/- 1% trên dải đo 200kgf)
Số thí nghiệm ít nhất lặp lại:
Vậy ta chỉ thực hiện thí nghiệm 2 lần
Quy hoạch dạng 3 k , là quy hoach thực nghiệm nhân tố toàn phần với 3 mức giá trị: thấp nhất (mức -1), cao nhất (mức +1) và cơ sở (0), khi số nhân tố 2 hoặc 3 ta sử dụng quy hoạch nhân tố toàn phần 3 k [21]
Bảng 3.6: Quy hoạch nhân tố đã mã hóa 3 k
3.3.3 Kết quả quy hoạch thực nghiệm bậc hai 3 k
3.3.3.1 Tiến hành thực nghiệm và thu thập kết quả Như đã phân tích ở phần trước, trong nghiên cứu này, tác giả sẽ thực hiện thực nghiệm để khảo sát ảnh hưởng của các thông số chế độ bôi trơn tối thiểu (áp suất khí, tỉ lệ emulsive trong nước, góc cao của vòi phun) đến lực cắt khi tiện thép C45
Mỗi nhân tố đầu vào có 3 mức giá trị
Bảng 3.7 Kết quả thực nghiệm với 27 thí nghiệm thực hiện 2 lần lặp
Thông số đầu vào Lần 1 Lần 2
Từ bảng 3.8 ta xây dụng bảng ma trận quy hoạch thực nghiệm với các nhân tố mã hóa
Bảng 3.8 Ma trận quy hoạch với các nhân tố mã hóa
Sử dụng phần mềm Minitab để phân tích hồi quy thực nghiệm với mô hình của phương trình hồi quy bậc 2:
0 1 1 2 2 3 3 12 1 2 x 13 1 3 x 2 3 2 3 x 123 x 1 2 3 11 1 2 2 2 3 3 3 yb b x b x b x b x b x b x b x x b x b x b x (3.1) Ta thu được kết quả:
Phân tích mức ý nghĩa của các hệ số phương trình hồi quy:
Cũng từ phần mềm ta có kết quả:
Hình 3.12: Mức ý nghĩa của các hệ số phương trình hồi quy trên Minitab
Dựa trên kết quả có được ta nhận thấy với mức ý nghĩa p = 0.05, chúng ta loại được các hệ số b13, b23, b123, b33 với các P-Value > 0.05
Ta chạy lại phần mềm Minitab, lúc này chúng ta loại bỏ các hệ số số b13, b23, b123, b33 ra khỏi mô hình phương trình hồi quy ta có phương trình hồi quy mới, với x1, x2, x3 là các nhân tố mã hóa
3.3.3.2 Kiểm tra tính thích hợp của phương trình hồi quy Để kiểm tra mô hình tính toán với mô hình thực nghiệm, trước hết chúng ta phải xác định phương sai tái hiện S 2 (y)
Với n là số thí nghiệm lặp, Yju là kết quả của từng thí nghiệm, ȳj là giá trị trung bình
Với mô hình hồi quy đã xác định được ở phần trước ta khảo sát mô hình hồi quy này với các nhân tố đầu vào là các giá trị thực
Ta có phương trình hồi quy với các nhân tố thực:
Trong đó P: áp suất khí
E: tỉ lệ emulsive trong dung dịch A: góc cao của vòi phun
Bảng 3.9 Dữ liệu để đánh giá phương tình hồi quy
Thông số đầu vào Kết quả
Bậc tự do của phương sai tái hiện:
Bậc tự do của phương sai thích hợp: fth = N-p = 27-7 Xác định tổng bình phương, đặc trưng thích hợp mô hình Sth Khi số thí nghiệm lặp như nhau trong mỗi thí nghiệm:
Chúng ta có phương sai thích hợp:
Nhờ tiêu chuẩn Fisher ta kiểm tra tính đồng nhất Khi đó ta tính giá trị tính toán Ftt theo phương sai thích hợp và phương sai tái hiện
Và so sánh với giá trị bảng F b = 2.04 (tra theo q=0.05 và fth = 20 và fy = 27)
F tt < F b nên phương trình hồi qui thích hợp để mô tả đối tượng trên
3.3.3.3 Đánh giá ảnh hưởng của các thông số thực nghiệm đến lực cắt:
Hình 3.13: Đồ thị đánh giá ảnh hưởng của 3 nhân tố MQL tới lực cắt
Main Effects Plot for Ftb Data Means
Qua phương trình hồi quy vừa thu được: Ftb = 66.80 - 5.483P - 2.693E + 0.2556A + 0.4256P*P + 0.1817E*E + 0.0959P*E, ta khảo sát ảnh hưởng của các nhân tố tới giá trị thu được từ thực nghiệm (hình 3.13)
Tiếp theo để đánh giá cụ thể hơn, ta khảo sát sự ảnh hưởng của từng cặp nhân tố đầu vào tới lực cắt bằng cách sử dụng phần mềm matlab để xây dựng biểu đồ mặt cong đáp ứng bằng cách cố định lần lượt một nhân tố (với giá trị cơ sở) và cho 2 nhân tố còn lại thay đổi trong khoảng khảo sát thực nghiệm
Bảng 3.10 Bảng giá trí khi 2 thông số E và A thay đổi, P ở mức cơ sở
Tỉ lệ emulsive E (%) Góc cao A( o ) Lực cắt Ftb
Hình 3.14: Ảnh hưởng của tỉ lệ emulsive và góc cao lên lực cắt
Bảng 3.11 Bảng giá trí khi 2 thông số P và A thay đổi, E ở mức cơ sở
Stt Áp suất khí (kgf/cm 2 ) Tỉ lệ emulsive E (%) Góc cao A( o ) Ftb (kgf)
Hình 3.15: Ảnh hưởng của áp suất khí và góc cao tới lực cắt Bảng 3.12 Bảng giá trí khi 2 thông số P và E thay đổi, A ở mức cơ sở
Stt Áp suất khí (kgf/cm 2 ) Tỉ lệ emulsive E (%) Góc cao A( o ) Ftb (kgf)
Hình 3.16: Ảnh hưởng của tỉ lệ emulsive và áp suất khí lên lực cắt
3.3.3.4 Xác định tối ưu hóa trong nghiên cứu
Trong thực nghiệm này, dưới chế độ cắt đã được cố định trước tác giả chỉ tập trung nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số của chế độ bôi trơn: áp suất khí, tỉ lệ emulsive trong nước, góc cao của vòi phun tới lực cắt Qua phương pháp hồi quy thực nghiệm bậc hai 3 nhân tố thực hiện trên phần mềm minitab, chúng ta đã xác định được phương trình hồi quy biểu diễn mối quan hệ mối quan hệ giữa các nhân tố đầu vào: áp suất khí (P), tỉ lệ emulsive (E) và góc cao của vòi phun (A) Từ mô hình hồi quy thu được, ta có thể tối ưu hóa các thông số đầu ra với hàm mục tiêu là lực cắt nhỏ nhất
Hình 3.17: Đồ thị tối ứu hóa các thông số thực nghiệm
Từ đồ thị tối ưu hóa, chúng ta có được bộ thông số tối ưu trên tiêu chí lực cắt nhỏ nhất: P = 5.76 kgf/cm2; E = 6% và A = 20 o , với giá trị đáp ứng là Ftb = 48.15 kgf Kết quả này gần giống với kết quả thực nghiệm kiểm chứng lại được (Fx";
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 Ở chương 3, tác giả đã thực hiện được các nội dung sau:
Phân tích chọn được các thông số đầu vào của thí nghiệm, xác định khoảng giá trị của nghiên cứu thực nghiệm
Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, xây dựng thành công mô hình quy hoạch thực nghiệm bậc hai cho 3 nhân tố (mỗi nhân tố 3 mức), đã kiểm nghiệm tính thích hợp Bên cạnh đó, tác giả đã tối ứu hóa để tìm bộ thông số của MQL tốt nhất cho lực cắt, dưa trên mô hình quy hoạch thu được và kiểm nghiệm lại bằng thực tế đã chứng minh mô hình phù hợp Đánh giá giá kết quả thực nghiệm, tác giả nhận thấy các thông số công nghệ bôi trơn (áp suất, tỉ lệ emulsive trong nước, góc cao) có ảnh hưởng tới lực cắt nhưng chiếm ở tỉ trọng tương đối nhỏ.