CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA DẦU CÔNG NGHIỆP CÓ TRỘN BỘT NANO
3.2. Hệ thống thí nghiệm
Máy phay ngang vạn năng Knuth tại trung tâm sáng tạo sản phẩm của trường đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, với sơ đồ thí nghiệm được bố trí như Hình 3. 1.
b, Dao phay có một răng cắt
Với mục đích nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng dầu bôi trơn có trộn bột nano Al2O3 tới các thông số cơ bản của quá trình cắt khi phay với dao phay một răng cắt và sau đó áp dụng vào quá trình phay lăn răng, thí nghiệm sử dụng dao phay có một răng cắt có
biên dạng giống với biên dạng lưỡi cắt của dao phay lăn răng được chế tạo từ dao phay lăn răng sử dụng trong dây truyền sản xuất của nhà máy FUTU1, như hình 3.2. Dao phay lăn răng có thông số kỹ thuật như Bảng 3. 1.
Hình 3. 1 Mô hình thí nghiệm sử dụng dao phay một răng cắt
Bảng 3. 1 Thông số kỹ thuật của dao phay phay lăn răng dùng trong thí nghiệm (Dragon, Inc.)
Hãng sản xuất
Cấp chính
xác
Modul (mm)
Đường kính ngoài (mm)
Góc xoắn
Góc trước
Số rãnh thoát
phoi
Vật liệu dao
Vật liệu phủ
DTR DIN-AA 1.75 60 1043’ 00 12 SKH-55 TIN
Hình 3. 2 Dao phay có một răng cắt
c, Phôi thí nghiệm
Phôi thí nghiệm được lựa chọn vật liệu SCM420, là vật liệu được sử dụng để gia công bánh răng tại công ty cổ phần máy và phụ tùng số 1.
d, Cảm biến đo nhiệt và bộ thu thập dữ liệu
Sử dụng cảm biến đo nhiệt loại K do Trung Quốc sản xuất, đo theo phương pháp tiếp xúc. Tín hiệu từ cảm biến nhiệt được đọc và thu thập bằng bộ đọc và lưu trữ tín hiệu HE801 do Huato Trung Quốc sản xuất, như Hình 3. 3.
Hình 3. 3Bộ thu thập dữ liệu từ cảm biến nhiệt
Bộ thu và lưu trữ tín hiệu này có thể kết nối được với 01 cảm biến nhiệt, thực hiện được 01 phép đo trong một giây với độ chính xác 10C và có thể lưu trữ được 36000 kết quả đo. Sau khi thực hiện phép đo, kết nối HE801 với máy tính thông qua cổng USB2.0 và sử dụng phần mềm phân tích dữ liệu của Huato. Dữ liệu có thể được trích xuất dưới nhiều dạng như đồ thị theo thời gian, hoặc bảng giá trị.
e, Cảm biến đo lực cắt
Thiết bị đo lực cắt: Sử dụng lực kế đo lực cắt 3 thành phần (9257B) Hình 3. 4 của hãng Kisler, Thụy Sỹ sản xuất dùng sensor 3 thành phần kiểu 9602 loại sensor áp điện. Thiết bị sử dụng phần mềm DasyLab10.0 và card A/D loại USB1208LS Đài Loan sản xuất.
Hình 3. 4 Cảm biến lực kisler 9257BA 3.2. 2 Chế độ công nghệ
a, Chế độ cắt cho dụng cụ cắt có một lưỡi cắt
Quá trình hình thành phoi ở các vị trí gần tâm bao hình và chuẩn bị ra khỏi vùng ăn khớp là phoi bị chèn ép lớn nhất, quá trình thoát phoi khó khăn [10][52]. Đây cũng chính là một nguyên nhân quan trọng gây mòn lớn hơn ở đỉnh của răng cắt khi phay lăn răng. Đồng
thời, khi phay lăn răng, trong tất cả các răng tham gia cắt thì răng cắt ở vị trí tâm bao hình là răng cắt tạo ra phoi có kích thước lớn nhất. Với mục đích khảo sát nhiệt độ cắt và lực cắt khi gia công, để thuận tiện cho quá trình khảo sát, dao có một răng cắt được thiết lập với chế độ gia công tương đương với răng cắt ở vị trí tâm bao hình trên dao phay lăn răng, đây là răng cắt tạo ra kích thước phoi lớn nhất, Hình 3.5. Chiều dày phoi lớn nhất và chiều dài phoi lớn nhất của quá trình phay lăn răng được xác định theo công thức của HOFFMEISTER [10]:
𝑆𝑚𝑎𝑥 = 4,9. 𝑚𝑛. 𝑍𝑓(0,00925.𝛽−0,542). 𝑒(−0,015.𝛽). 𝑒(−0,015.𝑥𝑝) . (2.𝑚𝑑0
𝑛)(−0,00825.𝛽−0,225)
. (𝑁𝑘)−0,877. (𝑚𝑓
𝑛)0,511. (𝑚𝑡
𝑛)0,319 (3.1) 𝑙𝑚𝑎𝑥 = 3,081. 𝑚𝑛. . 𝑒(−0,032.𝛽). ( 𝑑0
2. 𝑚𝑛)
(0,336)
. (𝑁 𝑘)
−0,036
.
. (𝑚𝑓
𝑛)(−0,000425𝛽2+0,026.𝛽+0,04)
. (𝑚𝑡
𝑛)0,0262 (3.2) Trong đó:
Smax(mm): Chiều dày phoi lớn nhất lmax(mm): Chiều dài phoi lớn nhất mn(mm): Modul pháp tuyến Zf: Số răng của bánh răng gia công 𝛽: Góc xoắn của bánh răng
d0(mm): Đường kính ngoài của dao k: Số đầu mối của dao
N: Số rãnh thoát phoi
f(mm/vòng): Lượng chạy dao vòng t (mm): Chiều sâu cắt
Hình 3.5Chiều dày phoi lớn nhất khi phay lăn răng
Chế độ cắt cho quá trình gia công sử dụng dao một răng cắt trên máy phay ngang được tính toán sao cho đảm bảo tạo ra phoi có kích thước tương đương với kích thước phoi lớn nhất khi phay lăn răng. Chế độ cắt này được xác định dựa theo sơ đồ cắt như hình 3.6.
Trong đó, L và S là kích thước của phoi trong quá trình cắt đơn được chọn bằng kích thước phoi lớn nhất khi phay lăn răng tương ứng (L=Lmax và S=Smax)
Quá trình cắt sử dụng dao một răng cắt có kích thước đường kính ngoài bằng kích thước đường kính ngoài của dao phay lăn răng và các thông số lưỡi cắt giống dao phay lăn răng. Khi đó chiều sâu cắt và lượng chạy dao vòng được xác định theo công thức sau:
𝑡 =𝑑2𝑜. (1 − 𝑐𝑜𝑠θ) (3.3) 𝑓′ =𝑠𝑖𝑛𝜃𝑆 (3.4) Trong đó: t(mm): chiều sâu cắt
f’(mm/vòng): Lượng chạy dao vòng θ: Góc chắn cung phoi có chiều dài L.
𝜃 =2.𝐿𝑑
𝑜
Hình 3. 6Kích thước phoi khi phay bằng dao phay một răng
Kích thước phoi lớn nhất khi phay lăn răng và chế độ cắt khi phay bằng dao phay một răng cắt được tính toán phù hợp với quá trình phay lăn răng thực tế tại phân xưởng cơ khí 2, công ty phụ tùng máy số 1 như sau:
- Dao phay lăn răng một đầu mối, hướng xoắn phải, có 12 rãnh thoát phoi và đường kính ngoài 60mm.
- Gia công bánh răng trụ răng thẳng có modul 1.75mm, 21 răng và hệ số dịch chỉnh 0.202.
- Tốc độ trục chính máy phay lăn răng 200 đến 300 vòng/phút.
- Lượng chạy dao đứng 1 đến 1.5 mm/vòng.
Áp dụng các công thức từ 3.1 – 3.4 tính toán các thông số chiều dày phoi và kích thước phoi lớn nhất (bảng 3.2). Dựa vào thông số máy thí nghiệm, lựa chọn chế độ cắt tương đương cho quá trình phay với dao đơn lưỡi cắt
Bảng 3. 2 Kích thước phoi lớn nhất khi phay lăn răng và chế độ cắt khi phay bằng dao phay đơn lưỡi cắt
Thông số quá trình phay lăn răng Quá trình phay với dao đơn lưỡi Vận tốc cắt
cắt (m/ph)
Lượng chạy dao đứng
(mm/vg)
Chiều dài phoi (mm)
Chiều dày phoi (mm)
Vận tốc cắt (m/ph)
Lượng chạy dao vòng (mm/vòng)
Chiều sâu cắt
(mm)
38 1,27 0.108 17.01 38 0.25 2.75
50 1.27 0.108 17.01 50 0.25 2.75
Với mục đích đánh giá hiệu quả của dầu nano khi phay lăn răng trong điều kiện sản xuất của Việt Nam, dự theo điều kiện công nghệ tại nhà máy FUTU1, hai chế độ cắt tương ứng với giá trị vận tốc cắt 38 và 50 m/ph được lựa chọn để khảo sát trong mô hình thí nghiệm một răng cắt.
b, Chế độ bôi trơn làm mát
Trong điều kiện gia công tại FUTU1, sử dụng các máy phay lăn răng bán tự động, với dải vận tốc cắt thấp, phương pháp bôi trơn và làm mát quá trình gia công theo phương pháp tưới tràn được sử dụng. Do đó, phương pháp bôi trơn làm mát tới tràn được sử dụng trong mô hình thí nghiệm sử dụng dao phay một răng cắt. Trong đó, dung dịch bôi trơn làm mát được điều chế bằng cách trộn bột nano Al2O3 vào dầu công nghiệp VG46. Bột Al2O3 được sản xuất bởi trung tâm nghiên cứu vật liệu nano, USA, được trộn vào dầu công nghiệp VG46 bằng phương pháp trộn cơ học sử dụng máy khuấy Scilogex OS400S trong 1h. Sau đó trộn trong thùng bằng máy khuấy như Hình 3. 7.
Hình 3. 7 Máy khuấy dung dịch
Quá trình thí nghiệm thực hiện với ba cỡ hạt nano thông dụng là 20nm, 80nm và 135nm. Để lựa chọn được vùng tỷ lệ bột nano thích hợp, tiến hành các thí nghiệm khảo sát sơ bộ bao gồm:
- Khảo sát độ nhớt của dầu nano
Đo độ nhớt của dầu trước và sau khi trộn trên thiết bị đo độ nhớt tại trung tâm đo lường nhà máy Z131, như Hình 3. 8.
Hình 3. 8 Thiết bị đo độ nhớt TV250, xuất xứ Hà lan
Độ nhớt của dầu công nghiệp trong trường hợp trộn bột nano với các tỷ lệ các nhau được thể hiện trong bảng 3.3.
Bảng 3. 3Kết quả đo độ nhớt (cSt) ở 400C của dầu công nghiệp khi trộn bột nano Al2O3
Cỡ hạt (nm)
Tỷ lệ bột nano Al2O3 trộn vào dầu công nghiệp (%)
0 0.1 0.2 0.3 0.5 1 2 3
20 47.2 51.34 54,45 58,571 58,97 63,947 65,989 68,661
80 52.17 55,036 60,69 62,006 65,862 67,551 70,863
135 54.36 58,021 60,772 65,527 65,929 70,863 76,46 Như vậy, khi trộn bột nano vào dầu công nghiệp thì các hạt nano phân tán trong dầu làm dầu đặc hơn và tăng độ nhớt của dầu. Đặc biệt với hạt có kích thước lớn hơn thì độ nhớt dầu sẽ tăng nhiều hơn. Độ nhớt của dầu tăng sẽ làm tăng hiệu quả bôi trơn của dầu và tăng thời gian sử dụng của dầu khi gia công.
- Khảo sát mật độ hạt và khả năng lắng đọng bột của dầu nano
Hình 3. 9Quan sát lắng đọng bột nano Al2O3 20nm với các tỷ lệ bột khác nhau
Khi trộn bột có kích thước nano vào dầu thì bột nano sẽ ở dạng huyền phù lơ lửng trong dầu công nghiệp [79]. Tuy nhiên, khi tỷ lệ hạt tăng, cỡ hạt tăng thì sẽ làm cho mật độ hạt tăng lên, các hạt có xu hướng xích lại gần nhau gây ra hiện tượng tích tụ lại và lắng đọng. Qua khảo sát nhận thấy, với dầu công nghiệp trộn 1%, 2% và 3% bột nano 20nm thì sau 1h đã quan sát thấy hiện tượng lắng đọng bột nano Al2O3 và lắng đọng một lượng bột rõ rệt sau 1 ngày, như Hình 3. 9.
Trong khi, với dầu công nghiệp trộn bột nano 20nm với tỷ lệ nhỏ hơn 0.5% thì không quan sát thấy hiện tượng lắng đọng sau 1h và sau 1 ngày thì có rất ít bột nano Al2O3
lắng đọng. Khảo sát cũng được lặp lại với dầu trộn bột Al2O3 80nm và 135nm và cũng nhận thấy kết quả tương tự, hình 3.10 và 3.11. Vì vậy tác giả lựa chọn tỷ lệ bột nhỏ hơn 0.5% để nghiên cứu trong phạm vi đề tài.
Hình 3. 10 Quan sát lắng đọng bột nano Al2O3 80nm với các tỷ lệ bột khác nhau
Hình 3. 11 Quan sát lắng đọng bột nano Al2O3 135nm với các tỷ lệ bột khác nhau - Kiểm tra độ dẫn nhiệt của dầu nano
Ngoài độ nhớt thì độ dẫn nhiệt của dung dịch là một trong những thông số ảnh hưởng tới hiệu quả của quá trình bôi trơn và làm nguội của dung dịch khi gia công cắt gọt.
Độ dẫn nhiệt của dầu có trộn bột nano được kiểm tra với các tỷ lệ và cỡ hạt tương ứng, tại phòng phát triển công nghệ hóa học thuộc trung tâm phát triển khoa học công nghệ, Viên hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam. Kết quả đo được thể hiện trong bảng 3.4.
Bảng 3. 4Kết quả đo độ dẫn nhiệt (W.m/K) của dầu công nghiệp khi trộn bột nano Al2O3
Cỡ hạt (nm)
Tỷ lệ bột nano Al2O3 trộn vào dầu công nghiệp (%)
0 0.1 0.2 0.3 0.5
20 0.27 0.281 0.297 0.311 0.339
80 0.317 0.336 0.352 0.383
135 0.333 0.352 0.368 0.386
Kết quả cho thấy, dầu có trộn bột Al2O3 có kích thước nano có khả năng tăng khả năng dẫn nhiệt của dung dịch. Trong đó với cùng một tỷ lệ hạt, kích thước hạt càng lớn thì độ dẫn nhiệt của dung dịch càng tăng. Đồng thời với tất cả các kích thước hạt, tỷ lệ bột tăng thì độ dẫn nhiệt của dung dịch tăng theo. Do đó, trộn bột nano vào dung dịch có thể có hiệu quả tích cực trong quá trình gia công cắt gọt, và cụ thể là trong quá trình phay lăn răng.