Nghiên cứu ảnh hướng của bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQL) sử dụng dung dịch lạnh đến nhám bề mặt gia công khi phay cứng thép SKD11

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRẦN QUYẾT CHIẾN

Nghiên cứu ảnh hướng của bôi trơn làm nguôi tối thiểu (MQL)
sử dụng dung dịch lạnh đến nhám bề mặt gia công khi phay
cứng thép SKD11

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái nguyên, năm 2018


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRẦN QUYẾT CHIẾN

Nghiên cứu ảnh hướng của bôi trơn làm nguôi tối thiểu (MQL) sử
dụng dung dịch lạnh đến nhám bề mặt gia công khi phay cứng thép
SKD11
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
MÃ SỐ: 8520103
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KHOA CHUYÊN MÔN

CB HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS. TS HOÀNG VỊ

PGS. TS TRẦN MINH ĐỨC

Thái Nguyên, năm 2018


LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Trần Quyết Chiến
Học viên: Lớp cao học K18
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Đơn vị công tác: Xưởng cơ khí – Trung tâm Thực nghiệm
Trường Đại học KTCN
Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn này do chính bản thân tôi thực hiện dưới
sự hướng dẫn của PGS.TS. Trần Minh Đức
Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định.

Người thực hiện

Trần Quyết Chiến


LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Minh Đức đã hướng dẫn, giúp
đỡ tận tình từ định hướng đề tài, thiết kế, thực hiện và đánh giá kết quả thực nghiệm
đến quá trình viết và hoàn chỉnh luận văn.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy, cô giáo và các bạn bè đồng
nghiệp -Bộ môn CTM - Khoa Cơ khí, Xưởng Cơ khí - Trung tâm Thực Nghiệm Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn
thành luận văn này.

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên luận văn không tránh khỏi sai
sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà
khoa học và các bạn đồng nghiệp.

Tác giả

Trần Quyết Chiến


i

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................i
MỤC LỤC....................................................................................................................i
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt......................................................................iv
Danh mục các bảng ..................................................................................................... v
Danh mục các hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị ....................................................................vi
PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 ................................................................................................................ 3
Tổng quan về ảnh hưởng của MQL dùng dung dịch lạnh đến nhám bề mặt khi gia
công vật liệu cứng ....................................................................................................... 3
1.1. Bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQL) ................................................................ 3
1.1.1 Khái niệm ....................................................................................................3
1.1.2. Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng ........................................................4
1.2. MQL sử dung dung dịch lạnh .......................................................................... 5
1.2.1. Khái niệm về MQL sử dung dung dịch lạnh .............................................5
1.2.2. Phương pháp tạo dung dịch lạnh dùng trong MQL....................................5
1.3. Ứng dụng MQL sử dung dung dịch lạnh trong gia công vật liệu cứng.......... 7
1.3.1. Giới thiệu về gia công vật liệu cứng ..........................................................7
1.3.2. Ảnh hưởng của MQL đến quá trình cắt khi gia công vật liệu cứng ...........8

1.3.3. Ảnh hưởng của MQL sử dung dung dịch lạnh đến một số thông số của
quá trình cắt khi gia công vật liệu cứng, vật liệu khó gia công..........................12
1.4. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu .................................................................... 15
1.4.1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu ở nước ngoài....................................15
1.4.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu ở trong nước ....................................17
1.5. Kết luận chương 1........................................................................................... 18
CHƯƠNG 2 .............................................................................................................. 19
Nghiên cứu ảnh hưởng MQL sử dụng dung dịch lạnh đến nhám bề mặt gia công khi
phay vật liệu cứng ..................................................................................................... 19
2.1. Đặt vấn đề ....................................................................................................... 19
2.2. Nhám bề mặt gia công .................................................................................... 19


ii

2.2.1. Khái niệm..................................................................................................... 19
2.2.2. Cấu trúc bề mặt (Surface texture) ................................................................ 20
2.2.3. Kiểm tra nhám bề mặt.................................................................................. 25
2.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến nhám bề mặt gia công trong gia công vật liệu
cứng........................................................................................................................
27
2.3. Ảnh hưởng MQL sử dụng dung dịch lạnh đến quá trình cắt khi phay cứng .. 32
2.3.1. Nhiệt cắt ....................................................................................................... 32
2.3.2. Lực cắt ......................................................................................................... 33
2.3.3. Mòn, tuổi bền dụng cụ cắt ........................................................................... 33
2.3.4. Độ nhám....................................................................................................... 34
2.4. Kết luận chương 2........................................................................................... 35
2.4.1. Giới hạn nội dung nghiên cứu ..................................................................... 36
2.4.2. Đối tượng nghiên cứu .................................................................................. 36
2.4.3. Mục đích nghiên cứu ................................................................................... 36

2.4.4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 36
CHƯƠNG 3 .............................................................................................................. 37
Nghiên cứu thực nghiệm ........................................................................................... 37
3.1. Đặt vấn đề ....................................................................................................... 37
3.2. Xây dựng hệ thống thí nghiệm. ...................................................................... 37
3.2.1. Hệ thống thí nghiệm .................................................................................... 37
3.2.1. Chế độ công nghệ ........................................................................................ 39
3.2.3. Triển khai thí nghiệm................................................................................... 40
3.3. Kết quả và thảo luận ....................................................................................... 40
3.3.1. Khi gia công mẫu 1 có độ cứng HRC = 56 ................................................. 40
3.3.1.1. Kết quả ...................................................................................................... 40


iii

3.3.1.2. Thảo luận ..................................................................................................
41
3.3.2. Khi gia công mẫu 2 có độ cứng HRC = 60 ................................................. 42
3.3.2.1. Kết quả ...................................................................................................... 42
3.3.3.2. Thảo luận kết quả...................................................................................... 43
3.4. Kết luận ........................................................................................................... 44
PHẦN KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................ 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 46
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 49


iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu
MQL
MQL+CO2
RHVT

Ý nghĩa

Đơn vị

Bôi trơn làm nguội tối thiểu
Bôi trơn làm nguội tối thiểu kết hợp với khí C02
Ống Vortex Ranque – Hilsch

RHVT + MQL Ống Vortex Ranque – Hilsch kết hợp với MQL
D

Cắt khô

E

Công nghệ tưới tràn

CLBM

Chất lượng bề mặt

V

Vận tốc cắt

S

Lượng chạy dao

t

Chiều sâu cắt

mm

b

Chiều rộng phay

mm

Pz

Thành phần lực cắt tiếp tuyến

N

Pv

Thành phần lực cắt pháp tuyến

N

Ra, Rz ,
T

vòng/ph
mm/v

Thông số đánh giá độ nhám bề mặt gia công

m

Tuổi bền của dụng cụ cắt

phút


vv

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1. Ký hiệu và Cách ghi vết nhám bề mặt ...................................................... 24
Bảng 2.2. bán kính (r), góc dao (k), góc nâng (y) và các giá trị nhám bề mặt........ 28
Bảng 2.3. Thông số cắt.............................................................................................. 30
Bảng 2.4. Kết quả thí nghiệm và các giá tỷ lệ S/N.................................................... 30
Bảng 2.5: ảnh hưởng của phương pháp làm mát đến nhám bề mặt .........................
35
Bảng 3.1. Thành phần hóa học của thép SKD11 ...................................................... 38


vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ẢNH CHỤP, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Các phương pháp phun dung dịch trơn nguội vào vùng cắt ......................4
Hình 1.2: Phương pháp tạo dung dịc lạnh MQL kết hợp C02 ...................................5
Hình 1.3. Nguyên lý tạo dòng khí lạnh trong ống xoáy Ranque-Hilsch .....................6
Hình 1.4: Nhám và độ sóng bề mặt phụ thuộc vào công nghệ bôi trơn làm nguộivà
các thống số cắt...........................................................................................................9
Hình 1.5: Thông số nhám bề mặt Ra cắt khô và cắt có MQL .....................................9
Hình 1.6: Tuổi bền dụng cụ cắt phụ thuộc vào phương pháp bôi trơn làm nguội và
vận tốc cắt .................................................................................................................11
Hình 1.7: Nhám bề mặt phụ thuộc lượng chạy dao và công nghệ bôi trơn (Ra)......11
Hình 1.8: Độ mòn dụng cụ cắt sau 2 m chiều dài, chiều sâu cắt 0,15 mm với vận tốc
căt V= 150 m/phút và V =250m/phút........................................................................12
Hình 1.9: Nhiệt vùng cắt phụ thuộc vào vật tốc cắt và chiều sâu cắt.......................13
Hình 1.10: Ảnh hưởng của công nghệ bôi trơn làm nguội đến lực cắt ....................14
Hình 1.11: Mòn dụng cụ cắt 400mm chiều dài cắt với V = 3.1m/s và lượng chạy
dao s = 0.055mm/v ....................................................................................................14
Hình 2.1. Mặt cắt ngang cấu trúc bề mặt chi tiết .....................................................20
Hình 2.2. Cấu trúc bề mặt .........................................................................................21
Hình 2.3. Sai lệch trung bình cộng của profin Ra .....................................................22
Hình 2.4. Chiều cao lớn nhất của profin Rz ..............................................................22
Hình 2.5.Ký hiệu bằng hình vẽ cơ bản đối với nhám bề mặt ....................................23
Hình 2.6. Vị trí các yêu cầu bổ sung của nhám bề mặt ............................................23
Hình 2.7: Ví dụ về ghi ký hiệu nhám bề mặt trên bản vẽ kỹ thuật ............................25
Hình 2.8. Phương pháp đo cơ học ............................................................................25
Hình 2.9: Đo trên các bề mặt khác nhau ..................................................................26
Hình 2.10: biểu đồ nhám bề mặt Ra với r, k, y .........................................................29
Hình 2.11. Ảnh hưởng chiều sâu cắt đến nhám bề mặt ...........................................31
Hình 2.12. Ảnh hưởngbôi trơn làm nguội đến nhám bề mặt ....................................31
Hình 2.13. Ảnh hướng thông số cắt và bôi trơn làm nguội đến mòn dụng cụ cắt ...33

vii
vii

Hình 2.14: Đồ thị nhám bề mặt MQL và MQL lạnh ................................................34
Hình 3.1. Dao phay mặt đầu Ø50 .............................................................................37
Hình 3.2. Mảnh dao APMT 1604 PDTR LT30 .........................................................37
Hình 3.2. ống xoáy Ranque-Hilsch ...........................................................................38
Hình 3.3. Máy đo nhám Mitutoyo SJ-210 – Nhật bản ..............................................38
Hình 3.5. Đầu phun Noga tạo sương mù ..................................................................39
Hình 3.6. Hệ thống thí nghiệm với đầu phun dung dịch lạnh ...................................39
Hình 3.7. Ảnh hưởng của chế độ trơn nguội đến lưc Py ...........................................40
Hình 3.8. Ảnh hưởng của chế độ trơn nguội đến lưc Pz ...........................................40
Hình 3.9. Ảnh hưởng của chế độ trơn nguội đến trị số Rz ........................................41
Hình 3.10. Ảnh hưởng của chế độ trơn nguội đến trị số Ra ......................................41
Hình 3.11.Tuổi bền của dụng cụ cắt phụ thuộc vào chế độ BTLN ...........................41
Hình 3.12. Ảnh hưởng của chế độ trơn nguội đến đến lưc Py..................................42
Hình 3.13. Ảnh hưởng của chế độ trơn nguội đến lưc Pz .........................................42
Hình 3.14. Ảnh hưởng của chế độ trơn nguội đến trị số Ra ......................................43
Hình 3.15. Ảnh hưởng của chế độ trơn nguội đến trị số Rz ......................................43
Hình 3.16. Tuổi bền dụng cụ cắt phụ thuộc vào chế độ BTLN ................................43
Hình 3.17. So sánh tuổi bền dụng cụ cắt với vật liệu có độ cứng HRC = 56 và .....43
HRC = 60 ..................................................................................................................43
Hình 3.18. Hệ thống thí nghiệm ................................................................................59
Hình 3.19: Phay cứng thép SKD11 với mẫu có độ cứng HRC = 56;
.......................59 sử dụng dung dịch lạnh
.............................................................................................59
Hình 3.20: Thu thập dữ liệu ......................................................................................60

1

PHẦN MỞ ĐẦU
Hiện nay ngành cơ khí đang ngày càng phát triển và không ngừng tạo ra
những sản phẩm có độ chính xác ngày càng cao nhằm mục đích nội địa hóa các sản
phẩm cơ khí phục vụ cho quá trình sản xuất. Đáp ứng được các yếu tố về kinh tế kỹ thuật bên cạnh đó không gây ô nhiễm tới môi trường.
Bôi trơn làm nguội tối thiểu (Minimum Quantity Lubrication-viết tắt MQL)
ngoài việc thân thiện với môi trường, còn có nhiều ưu điểm nổi bật khác như hiệu
quả bôi trơn cao, ma sát trong vùng cắt giảm do đó làm giảm lực cắt, nhiệt cắt, độ
mòn của dụng cụ v.v. Nhược điểm cơ bản của MQL là khả năng làm nguội bị hạn
chế, nhiệt cắt truyền vào phoi, vào chi tiết gia công lớn. Do đó, việc ứng dụng công
nghệ MQL trong sản xuất còn một số hạn chế. Đặc biệt trong gia công vật liệu
cứng, độ bền cao; vật liệu khó gia công, v.v.
Để khắc phục tồn tại này, một hướng nghiên cứu mới đang được quan tâm
đó là MQL phối hợp với làm nguội tích cực nghĩa là MQL sử dụng dòng khí lạnh
trộn với dung dịch trơn nguội để tạo ra dòng dung dịch dưới dạng sương mù nhiệt
độ thấp để phun trực tiếp vào vùng cắt (gọi chung là MQL sử dụng dung dịch lạnh).
MQL sử dụng dung dịch lạnh là một giải pháp mới đang được quan tâm
nghiên cứu, ứng dụng trong gia công vật liệu nói chung và đặc biệt trong gia công
vật liệu cứng, vật liệu khó gia công...
Gia công vật liệu cứng bằng dụng cụ cắt có lưỡi cắt xác định thường là gia
công tinh và là giải pháp nhằm thay thế một phần cho nguyên công mài. Vì vậy việc
sử dụng MQL sử dụng dung dịch lạnh sẽ góp phần làm giảm nhiệt cắt, giảm lực
cắt... do đó làm giảm độ mòn dao, tăng tuổi bền dụng cụ cắt ... Phay vật liệu cứng
sau nhiệt luyện một phần thay thế cho nguyên công mài.
Hiện nay công nghệ gia công vật liệu cứng bằng dụng cụ cắt xác định bước
đầu được sử dụng khá phổ biến ở nước ta. Việc nghiên cứu ứng dụng MQL sử dụng
dung dịch lạnh vào qúa trình gia công vật liệu cứng nếu làm giảm được nhiệt cắt,
giảm lực cắt, nâng cao tuổi bền dụng cụ cắt, nâng cao chất lượng bề mặt gia công
thì sẽ có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn.

2

Từ cơ sở trên, tác giả chọn đề tài nghiên cứu : “Nghiên cứu ảnh hướng của
bôi trơn làm nguôi tối thiểu (MQL) sử dụng dung dịch lạnh đến nhám bề mặt gia
công khi phay cứng thép SKD11”
Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của bôi trơn làm nguôi tối thiểu (MQL) sử dụng dung
dịch lạnh đến nhám bề mặt gia công khi phay cứng thép SKD11.
Đối tượng nghiên cứu
Các ảnh hưởng của MQL dung dịch lạnh đến chất lượng bề mặt (nhám bề
mặt), tuổi bền dụng cụ cắt khi phay cứng thép SKD11 sau nhiệt luyện (HRC=56-60)
bằng dao phay mặt đầu gắn mảnh HKC APMT 1604 PDTR LT30.
Nội dung nghiên cứu
Tìm hiểu tổng quan về công nghệ MQL, Thiết bị tạo dung dịch lạnh; MQL
sử dụng dung dịch lạnh; gia công vật liệu cứng v.v.
Nghiên cứu lý thuyết về ảnh hưởng của MQL sử dụng dung dịch lạnh đến
một số hiện tượng vật lý xảy ra trong vùng cắt, đến kết quả quả của quá trình cắt,
chất lượng bề mặt gia công.
Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của MQL sử dụng dung dịch lạnh đến
nhám bề mặt gia công, tuổi bền dụng cụ cắt.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm, trong đó chủ yếu
là nghiên cứu thực nghiệm.
Ý nghĩa của đề tài
Ý nghĩa khoa học: Bổ sung thêm một phần lý thuyết về MQL sử dụng dung
dịch lạnh, về ảnh hưởng của MQL sử dụng dung dịch lạnh đến một số hiện tượng
vật lý xảy ra trong vùng cắt khi gia công vật liệu cứng.
Ý nghĩa thực tiễn: Đề xuất được giải pháp và thông số công nghệ nhằm nâng

cao hiệu quả của quá trình gia công vật liệu cứng phục vụ thực tiễn sản xuất ở nước
ta hiện nay.


3

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA MQL DÙNG DUNG DỊCH LẠNH
ĐẾN NHÁM BỀ MẶT KHI GIA CÔNG VẬT LIỆU CỨNG

1.1. Bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQL)
1.1.1. Khái niệm
Khái niệm bôi trơn làm nguội tổi thiểu (Minimum quantity lubrication MQL) đã được đề xuất một thập kỷ trước đây như là môt giải pháp để giải quyết
vấn đề về môi trường và nguy cơ mắc các bệnh nghề nghiệp liên quan đến chất bôi
trơn làm nguội. Giảm thiểu chất bôi trơn làm nguội trong quá trình cắt dẫn đến lợi
ích kinh tế bởi tiết kiệm chi phí xử lý chất thải. Giảm thời gian làm sạch phôi, dụng
cụ cắt và máy.
Kỹ thuật MQL là phun sương hoặc dưới dạng tia một số lượng rất nhỏ các
chất bôi trơn, thông thường lưu lượng 50 – 500ml/h cùng với áp lực khí hướng vào
vùng cắt (Autret và Liang, 2003). Phun các chất bôi trơn làm nguội bao gồm một
hoặc nhiều vòi phun.
Có hai loại hệ thống phun cơ bản MQL (Hình 1.1). Phun ngoài và phun
thông qua trục chính máy.
Hệ thống phun bên ngoài bao gồm có một thùng hay một bể chứa dung dịch
làm mát, hệ thống kết nối với các ống được trang bị một hoặc nhiều vòi phun. Hệ
thống này có thể được lắp ráp gần hoặc trên máy và có thể điều chỉnh một cách độc
lập áp ruất khí, lưu lượng nước làm mát cung cấp vào vùng cắt (Hình 1.1a). Không
tốn chi phí đầu từ, di động và phù hợp hầu hết cho các quá trình gia công [17].
Hệ thống phun qua dụng cụ cắt, dầu và không khí được trộn lẫn bên ngoài
chảy qua đường ống của trục chính và dụng cụ cắt (Hình 1.1b) [17].

Những thông số cơ bản của công nghệ MQL ảnh hưởng đết quá trình và kết
quả gia công gồm: loại dung dịch trơn nguội, lưu lượng, áp suất phun, phương pháp
phun (tưới) dung dịch vào vùng cắt (dạng sương mù hay chùm tia chất lỏng), vị trí


4

đặt vòi phun (vào mặt trước hay mặt sau của dao,v.v.), khoảng cách phun, phương
pháp gia công (cắt hở, nửa kín hay cắt kín),v.v.

a. MQL phun ngoài

b. MQL phun qua dụng cụ cắt

Hình 1.1: Các phương pháp phun dung dịch trơn nguội vào vùng cắt
1.1.2. Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng
Ưu điểm:
Phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu đưa dung dịch bôi trơn làm nguội
áp suất cao vào vùng cắt nên có các ưu điểm sau.
- Hiệu quả bôi trơn – làm nguội cao, rất tiết kiệm dung dịch trơn nguội và
đặc biệt là không gây ô nhiểm môi trường.
- Giảm ma sát, nhiệt vùng cắt, giảm lượng mòn dao, giảm hiện tượng lẹo dao
do đó cải thiện độ nhám bề mặt chi tiết gia công.
- Môi trường làm việc sạch, phoi sạch.
- Tiết kiệm chi phí do tiết kiệm được dung dịch trơn nguội và tiết kiệm chi
phí xử lý chất thải công nghiệp.
Nhược điểm:
- Khó vận chuyển phoi ra khỏi vùng gia công.
- Nhiệt độ chi tiết cao.
Phạm vi ứng dụng:

5

MQL được sử dụng cho hầu hết các phương pháp gia công bằng dụng cụ cắt
có lưỡi cắt xác định. Ngoài ra, MQL còn được sử dụng đối với một số phương pháp
gia công mà phương pháp tưới tràn không sử dụng được như khi tiện cứng, phay
mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu gắn mảnh HKC, v.v. [12, 13, 14, 15].
1.2.MQL sử dung dung dịch lạnh
1.2.1. Khái niệm về MQL sử dung dung dịch lạnh
MQL phối hợp với làm nguội tích cực với một số giải pháp như dùng dòng
khí lạnh phun trực tiếp vào vùng cắt hoặc dùng dòng khí lạnh trộn với dung dịch
trơn nguội để tạo ra dòng dung dịch dưới dạng sương mù nhiệt độ thấp,v.v. (MQL
dùng dung dịch lạnh)
1.2.2. Phương pháp tạo dung dịch lạnh dùng trong MQL
Có một số phương pháp tạo dung dịch lạnh dùng trong MQL như sau: MQL
kết hợp khí C02, ống xoáy Vortex Ranque – Hilsch (RHVT)…
a. Phương pháp MQL kết hợp khí C02.
Cấu tạo vòi phun MQL kết hợp khí C02. Giữa thân vòi phun trung tâm là
MQL và các khí còn lại nằm ở bên sườn vòi phun (Hình 1.2). Dòng khí đi vào trung
tâm vòi phun mang theo khí C02 từ hệ thống vòi phun bên sườn. Ở đầu ra vòi phun
trung tâm giống như một buồng trộn nội bộ, trỗn lẫn dung dịch làm mát và khí C02.
Khí C02 được đẩy đi dưới áp lực của đầu phun MQL.

Hình 1.2: Phương pháp tạo dung dịc lạnh MQL kết hợp C02


6

Ưu điểm:

7

- Nhiệt độ dung dịch bôi trơn làm nguội có thể đạt đến 780 C .
Nhược điểm:
- Chi phí đầu tư ban đầu của hệ thống lớn.
- Quá trình trỗn lẫn dung dịch ở đầu hệ thống phụ thuộc vào áp ruất khí
MQL và khí CO2 [20].
b. Ống Vortex Ranque – Hilsch (RHVT)
Ống Vortex Ranque – Hilsch [gọi tắt là hiệu ứng „Ống xoáy‟] là thiết bị tạo
ra dòng khí lạnh và nóng được tách từ một dòng khí nén duy nhất. Ống Ranque –
Hilsch được phát minh bởi Ranque năm 1933 và được cải tiến bởi Hilsch vào năm
1947 [2]. Sơ đồ nguyên lý tạo khí lạnh ở (Hình 1.3).

Hình 1.3. Nguyên lý tạo dòng khí lạnh trong ống xoáy Ranque-Hilsch
Dòng khí nén được đưa vào cửa 1 theo phương tiếp tuyến với thành ống và
tạo nên dòng xoáy thuận 2 trong thành ống đi về phía cửa nóng có van điều chỉnh 4.
Tại đây, dòng xoáy khí gặp van 4, một phần khí nóng 3 thoát ra ngoài, phần còn lại
bị phản xạ tạo dòng xoáy ngược về phía cửa lạnh 5. Van 4 điều chỉnh sự cân bằng
giữa lượng khí nóng thoát ra và lượng khí được đẩy ngược lại. Hai dòng khí nóng
và lạnh này được mô tả trong mô hình ống Ranque-Hilsch (Hình 1.3). Sự thay đổi
nhiệt độ giữa các luồng không khí nóng và lạnh phụ thuộc các thông số như áp suất
khí nén, nhiệt độ môi trường, các đặc tính hình học của ống,v.v. [2].


Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng:
- Ưu điểm nổi bật của đầu phun khí lạnh theo hiệu ứng “ống xoáy” là kết cấu
đơn giản, hiệu suất làm việc cao, không cần điện, không cần bảo dưỡng, sử dụng an
toàn,v.v. [2] nên ngoài việc ứng dụng vào công nghệ bôi trơn làm nguội trong gia

công cắt gọt thì thiết bị này còn được sử dụng vào nhiều lĩnh vực công nghiệp khác
như để làm nguội các thiết bị công nghiệp, sử dụng dòng khí nóng để sấy khô linh
kiện điện tử, làm nóng các sản phẩm,v.v.
Nhược điểm:
- Phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường
- Cơ chế vật lý của việc tách nhiệt vẫn chưa được giải quyết hoàn toàn
Phạm vi ứng dụng:
Việc tách khí lạnh và nóng bằng cách sử dụng các nguyên lý của ống xoáy
có thể được áp dụng cho các ứng dụng công nghiệp như thiết bị làm mát trong máy
CNC, tủ lạnh, bộ tản nhiệt, quá trình gia nhiệt… ống xoáy thích hợp cho các ứng
dụng này vì kết cấu đơn giản, nhỏ gọn, nhẹ, yên tĩnh và không sử dụng chất làm
lạnh Freon hoặc chất làm lạnh khác (CFCs / HCFCs). Ống xoáy không có bộ phận
chuyển động cho nên không bị vỡ hoặc mòn dẫn đến cần ít sự bảo trì [7].
1.3. Ứng dụng MQL sử dung dung dịch lạnh trong gia công vật liệu cứng
1.3.1. Giới thiệu về gia công vật liệu cứng
Gia công cứng (gia công vật liệu cứng) là một công nghệ mới được áp dụng
để gia công các vật liệu có độ cứng trong khoảng từ 45-75 HRC, sử dụng các dụng
cụ có lưỡi cắt xác định để gia công. Và thường được quan tâm nhiều nhất là các vật
liệu có độ cứng từ 58-60 HRC. Đối tượng trong gia công cứng bao gồm các loại
hợp kim có độ cứng khác nhau, thép dụng cụ, thép cứng, siêu hợp kim, thép thấm ni
tơ, thép phủ crom và các chi tiết được chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột. Gia
công cứng chủ yếu được dùng để gia công tinh và bán tinh các chi tiết máy nhằm
đạt được độ chính xác về kích thước, hình dáng và chất lượng bề mặt.


Gia công cứng được giới thiệu rộng rãi vào khoảng giữa năm 1980 với
phương pháp gia công đầu tiên là tiện cứng. Kể từ đó đến nay gia công cứng đã có
những bước phát triển đáng kể với nhiều phương pháp gia công khác nhau như:
phay cứng, doa cứng, chuốt cứng và nhiều phương pháp gia công cứng khác. Ngày
nay với các máy công cụ có độ cứng vững cao và sử dụng các loại vật liệu siêu

cứng để làm phần cắt của dụng cụ, đồng thời thân dụng cụ được thiết kế đặc biệt đã
cho phép gia công cứng được thực hiện một cách dễ dàng và áp dụng khá phổ biến
trong gia công cắt gọt.
Thông thường mài là phương pháp gia công các vật liệu cứng được sử dụng
phổ biến. Tuy nhiên, có thể dùng phương pháp gia công cứng (tiện cứng, phay
cứng, doa cứng) để thay cho phương pháp mài. Tiện cứng là phương pháp gia công
cứng đầu tiên được ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô. Người ta dùng tiện
cứng để thay cho mài khi gia công các bề mặt lắp ghép của bánh răng, ổ bi bằng
cách sử dụng dao tiện gắn mảnh cắt được làm từ Nitrit Bo lập phương tinh thể
(Polycrystalline Cubic Boron Nitride - PCBN) [24].
1.3.2. Ảnh hưởng của MQL đến quá trình cắt khi gia công vật liệu cứng
a. Ảnh hưởng của MQL đến quá trình cắt khi gia công vật liệu thông thường.
Chất lượng bề mặt là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng làm
việc của chi tiết máy. Các thí nghiệm được thực hiện trên vật liệu thép C45 (AISI
1045) có đường kính 60mm với chiều dài cho mỗi lần cắt là 15mm. Trước khi tiến
hành thí nghiệm, để đảm bảo độ đồng đều bề mặt cho các vật mẫu sẽ được gia công
trước 1mm. Để giảm thiểu ảnh hưởng của dụng cụ cắt trong quá trình thí nghiệm
mỗi thí nghiệm sử dụng một dụng cụ cắt mới. Các công nghệ bôi trơn làm mát được
ứng dụng trong thí nghiêm gồm có: D – Cắt khô, E – công nghệ tưới tràn, MQL –
Công nghệ bôi trơn làm nguội tối thiểu.
So sánh các trị số của tham số Ra phụ thuộc vào công nghệ làm mát giá trị
thấp nhất đối với công nghệ MQL vì giảm ma sát giữa bề mặt gia công với dụng cụ
cắt dẫn đến ổn định lực cắt và hạn chế rung động của hệ thống công nghệ. Kết quả


đo lường cho thấy tác động tích cực của của công nghệ MQL đến nhám bề mặt
(Hình 1.4) [23].

Hình 1.4: Nhám và độ sóng bề mặt phụ thuộc vào công nghệ bôi trơn làm nguộivà
các thống số cắt

b. Ảnh hưởng của MQL đến quá trình cắt khi gia công vật liệu cứng
So sánh hiệu suất cơ học của bôi trơn làm nguội tối thiểu và cắt khô hoàn
toàn đối với các vật liệu cứng, vật liệu khó gia công, vật liệu có độ bền cao dựa trên
thử nghiệm đo lực cắt, nhiệt độ dụng cụ, độ sâu lớp trắng ... Kết quả chỉ ra rằng việc
sử dụng bôi trơn làm nguội tối thiểu dẫn đến giảm nhám bề mặt, giảm mòn dụng cụ
cắt, giảm nhiệt độ vùng cắt, giảm lực cắt [3].
Trị số nhám bề mặt Ra khi cắt khô với công nghệ MQL gia công vật liệu
thép cứng HRC = 62 bằng dụng cụ căt được phủ CBN (Hình 1.5).

a. Khi cắt khô

b. khi cắt có MQL

Hình 1.5: Thông số nhám bề mặt Ra cắt khô và cắt có MQL


Đã có nhiều nghiên cứu về ứng dụng công nghệ MQL trong gia công vật liệu
cứng được đăng trên các tạp chí khoa học kỹ thuật chuyên ngành. Nhưng việc
nghiên cứu ứng dụng MQL trong phay cứng vẫn là một hướng nghiên cứu được các
nhà khoa học quan tâm và tập trung nghiên cứu nhằm phát triển hơn nữa ứng của
MQL trong gia công cơ khí (gia công vật liệu cứng).
Trong đó có nghiên cứu MQL phay cứng thép NAK80 (HRC = 41). Được thí
nghiệm với cắt khô, làm nguội bằng công nghệ tưới tràn và làm nguội bằng công
nghệ MQL. Dựa trên phương pháp Taguchi. Kết quả đánh giá là tuổi thọ dụng cụ
cắt, nhám bề mặt và lực cắt (Hình 1.7,1.8,1.9) [8]. Hình 1.8 mô tả tuổi bền dụng cụ
cắt liên quan đến công nghệ bôi trơn làm nguội. Tuổi bền dụng cụ cắt khi cắt khô và
công nghệ tưới tràn thất hơn công nghệ MQL do nhiệt vùng cắt lớn dẫn đến dụng cụ
cắt nhanh bị mòn. Hình 1.9 Thể hiện giá trị độ nhám bề mặt Ra khi thay đổi tốc độ
cắt, cho ta thấy giá trị độ nhám tăng khi chiều sâu cắt tăng. Ở tốc độ cắt V =
150m/phút nhám bề mặt (Ra) của công nghệ tưới tràn thấp hơn so với cắt khô và

công nghệ MQL. Tuy nhiên ở tốc độ cắt V = 200 – 250 m/phút thì nhám bề mặt Ra
của công nghệ MQL thất hơn điều này chứng minh công nghệ MQL tốt hơn khi
phay tốc độ cao.

a. V = 150m/phút

b. V = 200m/phút


c. V = 250m/phút
Hình 1.6: Tuổi bền dụng cụ cắt phụ thuộc vào phương pháp bôi trơn làm nguội và
vận tốc cắt

a. V= 150 m/phút

b. v = 200m/phút

c. v = 250m/phút

Hình 1.7: Nhám bề mặt phụ thuộc lượng chạy dao và công nghệ bôi trơn (Ra)

(a) V = 150 m / phút, cắt khô

(b) phóng đại củavùng đánh dấu ở
hình (a)


(c) V = 150 m / phút, cắt MQL

(d) phóng đại diện tích được đánh

dấu trong hình (c)

(e) V = 250 m / phút, cắt khô

(f) phóng đại của vùng đánh dấu ở
hình (e)

(g) V = 250 m / phút, cắt MQL

(h) phóng đại diện tích được đánh
dấu trong hình (g)

Hình 1.8: Độ mòn dụng cụ cắt sau 2 m chiều dài, chiều sâu cắt 0,15 mm với vận tốc
căt V= 150 m/phút và V =250m/phút
1.3.3. Ảnh hưởng của MQL sử dung dung dịch lạnh đến một số thông số của
quá trình cắt khi gia công vật liệu cứng, vật liệu khó gia công.
Dung dịch bôi trơn làm nguội tối thiểu ảnh hướng đến nhiệt cắt, lực cắt, mòn
và tuổi bền dụng cụ, chất lượng bề mặt gia công (độ nhám bề mặt, độ chính xác gia
công)
- Nhiệt cắt:
Được nghiên cứu [9], khả năng làm mát của ống xoắn Ranque-Hilsch Vortex
(RHVT) đã được thí nghiệm bằng phương pháp nhiệt hồng ngoại (IRT). Các thí
nghiệm được tiến hành trên mũi dao tiện ở các vị trí khác nhau về đường kính phôi,