Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ làm lạnh kết hợp với bôi trơn tối thiểu đến quá trình cắt khi phay cứng

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Phạm Quang Đồng NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ LÀM LẠNH KẾT HỢP VỚI BÔI TRƠN TỐI THIỂU ĐẾN QUÁ TRÌNH CẮT KHI PHAY CỨNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9 52 01 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Trần Minh Đức 2. TS. Nguyễn Trọng Hiếu THÁI NGUYÊN – NĂM 2020 I LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của PGS.TS. Trần Minh Đức và TS. Nguyễn Trọng Hiếu. Những kết quả nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận án (trừ những nội dung đƣợc trích dẫn) là hoàn toàn do bản thân tự nghiên cứu, không sao chép của bất kỳ ai hay nguồn nào. Thái Nguyên, ngày 22 tháng 12 năm 2020 Tác giả luận án Phạm Quang Đồng II LỜI CẢM ƠN Luận án đã đƣợc hoàn thành dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Trần Minh Đức. Tôi xin cảm ơn Thầy! Xin cảm ơn TS. Nguyễn Trọng Hiếu ngƣời đã hƣớng dẫn và giúp tôi hoàn thành luận án. Cảm ơn tập thể Bộ môn Chế tạo máy Khoa Cơ khí, trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo mọi điều kiện, thời gian cho tôi học tập nghiên cứu. Cảm ơn các thầy cô giáo trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã luôn ủng hộ, động viên giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Cảm ơn các nhà khoa học, giáo sƣ, phó giáo sƣ, tiến sỹ và thầy cô giáo trong ngành cơ khí đã trực tiếp cũng nhƣ gián tiếp giúp đỡ tôi hoàn thành luận án. Cảm ơn gia đình bố, mẹ và anh chị em tôi đã đem hết tâm huyết giúp đỡ và động viên để tôi hoàn thành luận án. Cảm ơn vợ tôi Đào Thị Tuyết Nhung, con gái Phạm Anh Thƣ, con gái Phạm Gia Linh, con trai Phạm Quang Dũng đã dành cho tôi tất cả tình yêu thƣơng để tôi có động lực vƣợt lên mọi khó khăn. Thái Nguyên, ngày 22 tháng 12 năm 2020 Tác giả luận án Phạm Quang Đồng III MỤC LỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết ............................................................................................................... 1 2. Mục tiêu, đối tƣợng nghiên cứu .................................................................................. 2 3. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................................. 2 4. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................... 3 5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài ........................................................ 3 6. Những đóng góp mới của đề tài .................................................................................. 3 7. Cấu trúc nội dung luận án ............................................................................................ 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MQCL VÀ ỨNG DỤNG TRONG GIA CÔNG VẬT LIỆU CỨNG.................................................................................................................... 7 1.1. Bôi trơn tối thiểu ....................................................................................................... 7 1.1.1. Khái niệm .............................................................................................................. 7 1.1.2. Phân loại hệ thống MQL ....................................................................................... 7 1.1.3. Ƣu điểm, nhƣợc điểm và phạm vi ứng dụng ......................................................... 9 1.2. Bôi trơn tối thiểu phối hợp với làm lạnh tích cực .................................................. 10 1.2.1. MQL phối hợp với dòng khí lạnh ........................................................................ 10 1.2.2. Bôi trơn làm nguội tối thiểu ................................................................................ 11 1.3. Gia công vật liệu cứng ............................................................................................ 12 1.3.1. Khái niệm ............................................................................................................ 12 1.3.2. Bôi trơn làm nguội cho quá trình gia công vật liệu cứng .................................... 13 1.4. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu ............................................................................ 14 1.4.1. Tổng quan về MQL ............................................................................................. 14 1.4.1.1. Tình hình nghiên cứu ở nƣớc ngoài ................................................................. 14 1.4.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ..................................................................... 22 IV 1.4.2. Tổng quan về MQCL và ứng dụng cho phay vật liệu cứng ................................ 23 1.4.2.1. Tình hình nghiên cứu ở nƣớc ngoài ................................................................. 23 1.4.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ..................................................................... 29 1.5. Nhận xét chƣơng 1.................................................................................................. 29 CHƢƠNG 2 ẢNH HƢỞNG CỦA MQCL ĐẾN QUÁ TRÌNH CẮT KHI GIA CÔNG VẬT LIỆU CỨNG ........................................................................................................ 30 2.1. Gia công vật liệu cứng ............................................................................................ 30 2.1.1. Quá trình tạo phoi trong gia công vật liệu cứng .................................................. 30 2.1.2. Nhiệt cắt trong quá trình phay vật liệu cứng ....................................................... 32 2.1.3. Lực cắt trong gia công vật liệu cứng ................................................................... 36 2.1.4. Mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt trong phay cứng ............................................. 37 2.1.5. Nhám bề mặt gia công ......................................................................................... 39 2.2. Ảnh hƣởng của MQCL đến quá trình cắt khi phay vật liệu cứng .......................... 40 2.2.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 40 2.2.2. Ảnh hƣởng của MQCL đến quá trình cắt khi phay cứng .................................... 41 2.2.2.1. Ảnh hƣởng của loại dung dịch ......................................................................... 41 2.2.2.2. Ảnh hƣởng của vị trí phun và khoảng cách vòi phun ....................................... 43 2.2.2.3. Ảnh hƣởng của áp suất và lƣu lƣợng dòng khí ................................................ 44 2.2.2.4. Ảnh hƣởng của hạt nano trong dung dịch ........................................................ 45 2.3. Nhận xét chƣơng 2.................................................................................................. 45 CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MQCL ĐẾN QUÁ TRÌNH CẮT KHI PHAY CỨNG THÉP SKD11................................................................................ 49 3.1. Xây dựng hệ thống thí nghiệm ............................................................................... 49 3.1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 49 3.1.2. Xây dựng hệ thống thí nghiệm ............................................................................ 49 V 3.1.2.1. Hệ thống MQCL ............................................................................................... 50 3.1.2.2. Máy công cụ, dụng cụ cắt và vật liệu gia công ................................................ 50 3.1.2.3. Hệ thống đo lƣờng ............................................................................................ 52 3.1.2.4. Trang thiết bị phụ trợ ........................................................................................ 52 3.1.3. Nghiên cứu, chế tạo đầu phun MQCL................................................................. 54 3.1.3.1. Nghiên cứu, chế tạo thiết bị tạo dòng khí lạnh (đầu phun khí lạnh) ................ 54 3.1.3.2. Nghiên cứu, chế tạo thiết bị đầu phun MQCL ................................................. 56 3.2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của phƣơng pháp bôi trơn làm nguội, loại dung dịch và chế độ trơn nguội đến quá trình cắt khi phay cứng thép SKD11 ......................................... 58 3.2.1. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................... 58 3.2.2. Phƣơng pháp thiết kế quy hoạch thực nghiệm .................................................... 58 3.2.3. Hệ thống thí nghiệm ............................................................................................ 59 3.2.4. Triển khai thí nghiệm và kết quả ......................................................................... 60 3.2.5. Xử lý kết quả thí nghiệm với các thành phần lực cắt ................................ 61 3.2.5.1. Xử lý kết quả .................................................................................................... 61 3.2.5.2. Thảo luận kết quả ............................................................................................. 62 3.2.6. Xử lý kết quả thí nghiệm với nhám bề mặt Ra........................................... 65 3.2.6.1. Xử lý kết quả .................................................................................................... 65 3.2.6.2. Thảo luận kết quả ............................................................................................. 66 3.2.6.3. Nhận xét ............................................................................................................ 68 3.3. Nghiên cứu xác định áp suất và lƣu lƣợng dòng khí tối ƣu khi phay cứng thép SKD11. .......................................................................................................................... 68 3.3.1. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................... 68 3.3.2. Triển khai thí nghiệm và kết quả ......................................................................... 69 3.3.3. Xử lý kết quả thí nghiệm quy hoạch tối ƣu CCD ................................................ 70 VI 3.3.4. Thảo luận kết quả thí nghiệm quy hoạch tối ƣu CCD ......................................... 71 3.3.5. Tối ƣu đa mục tiêu ............................................................................................... 72 3.4. Nghiên cứu xác định chế độ cắt và nồng độ hạt nano tối ƣu khi phay cứng thép SKD11 sử dụng MQCL ................................................................................................. 76 3.4.1. Mục đích nghiên cứu ........................................................................................... 76 3.4.2. Mô hình thí nghiệm và hệ thống thí nghiệm ....................................................... 77 3.4.3. Quy hoạch thực nghiệm xác định ảnh hƣởng của các yếu tố đến lực cắt và nhám bề mặt ............................................................................................................................ 77 3.4.4. Xử lý số liệu thí nghiệm với các thành phần lực cắt ........................................... 79 3.4.5. Thảo luận kết quả với các thành phần lực cắt ..................................................... 80 3.4.5.1. Biểu đồ Pareto .................................................................................................. 80 3.4.5.2. Ảnh hƣởng của nồng độ, vận tốc cắt, độ cứng đến lực cắt .............................. 82 3.4.5.3. Nhận xét ............................................................................................................ 86 3.4.6. Xử lý số liệu thí nghiệm và thảo luận kết quả với nhám bề mặt Ra ................... 88 3.4.6.1. Xử lý số liệu thí nghiệm ................................................................................... 88 3.4.6.2. Thảo luận kết quả ............................................................................................. 90 3.4.6.3. Nhận xét chung ................................................................................................. 92 3.4.7. Tối ƣu hóa đa mục tiêu ........................................................................................ 92 3.5. Nghiên cứu ảnh hƣởng của MQCL sử dụng dung dịch nano MoS 2 đến chất lƣợng bề mặt gia công, đến mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt ................................................. 94 3.5.1. Mục đích .............................................................................................................. 94 3.5.2. Triển khai thí nghiệm .......................................................................................... 94 3.5.3. Kết quả thí nghiệm và xử lý kết quả chất lƣợng bề mặt gia công ....................... 95 3.5.3.1. Kết quả và xử lý kết quả ................................................................................... 95 3.5.3.2. Thảo luận kết quả ............................................................................................. 97 VII 3.5.4. Kết quả, xử lý kết quả mòn và tuổi bền của dụng cụ .......................................... 99 3.5.4.1. Kết quả và xử lý kết quả ................................................................................... 99 3.5.4.2. Thảo luận kết quả ........................................................................................... 101 3.6. Nhận xét chƣơng 3................................................................................................ 102 KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................................. 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 107 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ...................... 113 PHỤ LUC 1. Kết quả phân tích ANOVA quy hoạch 2k-p ........................................... 114 PHỤ LỤC 2. Kết quả phân tích ANOVA quy hoạch bề mặt chỉ tiêu CCD ................ 117 PHỤ LỤC 3. Kết quả phân tích ANOVA quy hoạch Box – Behnken ........................ 120 PHỤ LỤC 4. Một số kết quả thí nghiệm kiểm chứng ................................................. 123 PHỤ LỤC 5. Một số hình ảnh quá trình làm thí nghiệm ............................................ 123 PHỤ LỤC 6. Bản vẽ lắp và bản vẽ chế tạo các chi tiết đầu làm lạnh..................... 127 VIII DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1. Thành phần hóa học thép SKD11 (Wt, %) ...................................................52 Bảng 3.2. Các thông số cơ bản của đầu phun khí lạnh ..................................................55 Bảng 3.3. Kết quả đo nhiệt độ đầu ra của đầu phun DTNUT .......................................55 Bảng 3.4. Các biến và mức khảo sát trong nghiệm riêng phần 2k-p .............................. 58 Bảng 3.5. Kết quả đo độ nhớt, độ dẫn nhiệt của dung dịch trơn nguội .........................60 Bảng 3.6. Sơ đồ quy hoạch và kết quả thí nghiệm ...............................................61 Bảng 3.7. Mô hình tóm tắt các thông số đánh giá các thành phần lực cắt ....................62 Bảng 3.8. Mô hình tóm tắt các thông số đánh giá Ra ....................................................66 Bảng 3.9. Các biến và mức khảo sát trong quy hoạch tối ƣu CCD ............................... 68 Bảng 3.10. Sơ đồ quy hoạch và kết quả thí nghiệm tối ƣu CCD ..................................69 Bảng 3.11. Phƣơng trình hồi quy các thông số đánh giá ...............................................70 Bảng 3.12. Trọng số và hệ số mức độ quan trọng khi tối ƣu hóa đa mục tiêu ..............74 Bảng 3.13. Kết quả tối tƣ hóa đa mục tiêu ....................................................................74 Bảng 3.14. Dự đoán nhiều phản hồi ..............................................................................74 Bảng 3.15. Kết quả tối tƣ hóa đa mục tiêu ....................................................................75 Bảng 3.16. Các giá trị thông số đầu vào và biến thí nghiệm .........................................77 Bảng 3.17. Kết quả đo nhám bề mặt Ra và các thành phần lực cắt ............................... 78 Bảng 3.18. Trọng số và hệ số mức độ quan trọng khi tối ƣu hóa đa mục tiêu ..............93 Bảng 3.19. Kết quả tối tƣ hóa đa mục tiêu ....................................................................93 Bảng 3.20. Trị số nhám Ra đo trên máy SJ 210............................................................. 95 IX DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Đầu phun dung dịch dạng sƣơng mù ............................................................... 8 Hình 1.2. Đầu phun dung dịch dạng tia dung dịch áp lực ..............................................8 Hình 1.3. Kiểu đƣa dung dịch từ bên ngoài dụng cụ cắt .................................................8 Hình 1.4. Kiểu đƣa dung dịch từ bên trong dụng cụ cắt .................................................8 Hình 1.5. Hệ thống MQL đƣa dung dịch vào vùng cắt từ bên ngoài .............................. 9 Hình 1.6. Hệ thống MQL phối hợp với dòng khí nhiệt độ thấp độc lập .......................11 Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý đầu phun MQCL ................................................................ 12 Hình 1.8. Giá trị nhám Ra và Rz sau khi khoan 272 và 315 lỗ [50]............................... 15 Hình 1.9. Đo giá trị lực và mô men xoắn ......................................................................15 Hình 1.10. Nhiệt độ phôi khi khoan với MQL sử dụng dầu cọ và ê te tổng hợp ở tốc độ cắt và lƣợng chạy dao khác nhau [16] ...........................................................................16 Hình 1.11. Lực dọc trục khi khoan với MQL sử dụng dầu cọ và ê te tổng hợp ở tốc độ cắt khác nhau [16]..........................................................................................................17 Hình 1.12. Mô men xoắn khi khoan với MQL sử dụng dầu cọ và ê te tổng hợp ở tốc độ cắt khác nhau [16]..........................................................................................................17 Hình 1.13. Mòn mặt sau khi tiện khô, tƣới tràn và MQL [32] ......................................18 Hình 1.14. Ảnh SEM chụp mòn dao tại thời gian cắt 45 phút khi tiện khô, tƣới tràn và MQL [32] .......................................................................................................................18 Hình 1.15. Mòn mặt sau khi tiện khô, tƣới tràn và MQL [34] ......................................20 Hình 1.16. Nhám bề mặt khi tiện khô, tƣới tràn và MQL [34] .....................................20 Hình 1.17. Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa mòn mặt sau và chiều dài cắt khi phay khô, tƣới tràn và MQL [28] ........................................................................................... 21 Hình 1.18. Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa chiều dài cắt và lƣợng chạy dao răng khi phay chế độ khô và MQL với v= 300 m/phút [49]........................................................21 X Hình 1.19. Lực cắt và nhám bề mặt khi phay chế độ cắt khô và MQL với chiều sâu cắt t=0,3 mm, lƣợng chạy dao S= 0,15 mm/răng [49] ........................................................22 Hình 1.20. Lực cắt khi tiện chế độ MQL sử dụng dung dịch lạnh, MQL và tƣới tràn với vận tốc cắt v=50 m/phút, lƣợng chạy dao S= 0,05; 0,125; 0,2 mm/vòng [48] .......23 Hình 1.21. Tuổi bền của dao khi phay thép Inconel 718 [33] .......................................24 Hình 1.22. Giá trị nhám bề mặt Ra khi tiện cứng thép AISI 1045 với các chế độ bôi trơn làm nguội khác nhau, vận tốc cắt 150 m/phút, chiều sâu cắt 0,5 mm [25] ............25 Hình 1.23. Ảnh chụp mòn mặt sau khi tiện cứng thép AISI 1045 với các chế độ bôi trơn làm nguội khác nhau, vận tốc cắt 150 m/phút, lƣợng chạy dao 0,1 mm/vòng, chiều sâu cắt 0,5 mm [25] .......................................................................................................25 Hình 1.24. Đồ thị biểu diễn lƣợng mòn mặt sau theo thời gian khi tiện cứng thép AISI 1045 với các chế độ bôi trơn làm nguội khác nhau, vận tốc cắt 150 m/phút, lƣợng chạy dao 0,1 mm/vòng, chiều sâu cắt 0,5 mm [25] ............................................................... 26 Hình 1.25. Mối quan hệ giữa đƣờng kính giọt với (a) khoảng cách vòi phun tới vùng cắt và lƣu lƣợng (6 m3/giờ) (b) khoảng cách vòi phun tới vùng cắt và áp suất phun (2,6 g/phút); (c) áp suất và lƣu lƣợng [26] ............................................................................27 Hình 1.26. Mối quan hệ giữa số lƣợng giọt với (a) khoảng cách vòi phun tới vùng cắt và lƣu lƣợng (6 m3/giờ) (b) khoảng cách vòi phun tới vùng cắt và áp suất phun (2,6 g/phút); (c) áp suất và lƣu lƣợng [26] ............................................................................27 Hình 1.27. Ảnh hƣởng của phƣơng pháp bôi trơn làm nguội đến góc trƣợt Φ với lƣu lƣợng dung dịch 0,29 g/phút và lƣu lƣợng khí 4 l/phút phụ thuộc vào: (a) thay đổi vận tốc cắt với lƣợng chạy dao không đổi 0,15 mm/vòng; (b) thay đổi lƣợng chạy dao với vận tốc cắt không đổi 200 m/phút [27] ..........................................................................28 Hình 1.28. Ảnh hƣởng của phƣơng pháp bôi trơn làm nguội đến hệ số ma sát với lƣu lƣợng dung dịch 0,29 g/phút và lƣu lƣợng khí 4 l/phút phụ thuộc vào: (a) thay đổi vận tốc cắt với lƣợng chạy dao không đổi 0,15 mm/vòng; (b) thay đổi lƣợng chạy dao với vận tốc cắt không đổi 200 m/phút [27] ..........................................................................28 XI Hình 2.1. Cơ chế hình thành phoi xếp ...........................................................................30 Hình 2.2. Các giai đoạn hình thành phoi xếp [35, 31] ..................................................31 Hình 2.3. Các loại phoi xếp có đƣợc khi gia công thép AISI 4340 có độ cứng khác nhau: (a) 45 HRC, (b) 50 HRC, (c) 55 HRC và (d) 60 HRC [23].................................31 Hình 2.4. Hình ảnh mặt cắt ngang của các đỉnh phoi pc: bƣớc phoi t1: chiều cao răng t2: chiều dày phoi [51]. .......................................................................................................32 Hình 2.5. Nguồn gốc của nhiệt cắt và sự truyền nhiệt khi cắt [4] .................................33 Hình 2.6. Sự phân bố nhiệt Phôi-Phoi-DCC [4] ............................................................ 35 Hình 2.7. Trƣờng nhiệt độ khi tiện [4] ..........................................................................35 Hình 2.8. Mối quan hệ giữa lực cắt và độ cứng vật liệu (Vc = 90 m/phút; S = 0,15 mm/vòng; t = 0,9 mm) [8]...............................................................................37 Hình 2.9. Ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến lực cắt khi dùng mảnh hợp kim phủ TiN gia công ba loại thép khác nhau có độ cứng 300BHN. .......................................................37 Hình 2.10. Mòn và mẻ lƣỡi cắt chính dao phay ngón đầu cầu khi gia công tinh ..........38 Hình 2.11. Mòn mặt trƣớc của dao tiện khi gia công vật liệu Ti6Al4V [20] ................38 Hình 2.12. Trị số lực Rz phụ thuộc vào chế độ BTLN và thời gian cắt ........................40 Hình 2.13. Tuổi bền của dao phụ thuộc vào chế độ BTLN ...........................................40 Hình 2.14. Mô hình MQCL sử dụng dung dịch nano khi phay cứng ........................... 40 Hình 2.15. Sơ đồ phun dung dịch vào mặt sau của dụng cụ cắt ....................................44 Hình 3.1. Mô hình hệ thống thí nghiệm ........................................................................49 Hình 3.2. Trung tâm phay đứng Mazak 530C ............................................................... 51 Hình 3.3. Đầu dao phay mặt đầu ...................................................................................51 Hình 3.4. Lực kế Kistler 9257B (a) và Hệ thống điều khiển (b) ...................................52 Hình 3.5. Kính hiển vi VHX - 6000 ..............................................................................53 Hình 3.6. Máy đo nhám Mitutoyo SJ-210 .....................................................................53 XII Hình 3.7. Máy rung siêu âm 3000868 – Ultrasons (a); máy đo độ nhớt Brookfield DV2T (b) và máy đo độ dẫn nhiệt Linseis THB-500 (c) ..............................................53 Hình 3.8. Nguyên lý tạo dòng khí lạnh trong ống xoáy Ranque-Hilsch .......................54 Hình 3.9. Kích thƣớc cơ bản đầu phun DTNUT ........................................................... 55 Hình 3.10. Hình ảnh đầu phun DTNUT ........................................................................55 Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý tạo dòng dung dịch lạnh ...................................................56 Hình 3.12. Sơ đồ đã cải tiến tạo dung dịch lạnh ............................................................ 57 Hình 3.13. Kết cấu đầu MQCL đã cải tiến ....................................................................57 Hình 3.14. Hình ảnh đầu MQCL đã cải tiến .................................................................58 Hình 3.15. Sơ đồ hệ thống trang thiết bị thí nghiệm khi phay mặt phẳng bằng............59 Hình 3.16. Biểu đồ Pareto ảnh hƣởng của các biến khảo sát đến lực Px .......................63 Hình 3.17. Biểu đồ Pareto ảnh hƣởng của các biến khảo sát đến lực Py .......................63 Hình 3.18. Biểu đồ Pareto ảnh hƣởng của các biến khảo sát đến lực Pz .......................63 Hình 3.19. Ảnh hƣởng của các yếu tố đến trị số đến lực Px ..........................................64 Hình 3.20. Ảnh hƣởng của các yếu tố đến trị số đến lực Py ..........................................64 Hình 3.21. Ảnh hƣởng của các yếu tố đến trị số lực Pz .................................................64 Hình 3.22. Biểu đồ Pareto ảnh hƣởng của các biến khảo sát đến Ra............................. 66 Hình 3.23. Ảnh hƣởng của các yếu tố đến trị số đến Ra................................................67 Hình 3.24. Sơ đồ quy hoạch thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu CCD ......................................69 Hình 3.25. Ảnh hƣởng của áp suất ( và lƣu lƣợng dòng khí ) đến lực Px..........71 Hình 3.26. Ảnh hƣởng của áp suất ( và lƣu lƣợng dòng khí ( ) đến lực Py.........71 Hình 3.27. Ảnh hƣởng của áp suất ( và lƣu lƣợng dòng khí ( đến lực Pz ..........71 Hình 3.28. Ảnh hƣởng của áp suất ( và lƣu lƣợng dòng khí ( đến nhám Ra ....72 Hình 3.29. Kết quả tối ƣu hóa đa mục tiêu các thành phần lực cắt và trị số nhám Ra ..75 XIII Hình 3.30. Kết quả tối ƣu hóa đa mục tiêu chỉ với các thành phần lực cắt ...................75 Hình 3.31. Biểu đồ Pareto ảnh hƣởng của các yếu tố đến thành phần lực Px ...............81 Hình 3.32. Biểu đồ Pareto ảnh hƣởng của các yếu tố đến thành phần lực Py ...............81 Hình 3.33. Biểu đồ Pareto ảnh hƣởng của các yếu tố đến thành phần lực Pz ...............82 Hình 3.34. Ảnh hƣởng của nồng độ và vận tốc đến thành phần lực Px ...............83 Hình 3.35. Ảnh hƣởng của nồng độ và độ cứng đến thành phần lực Px ..............83 Hình 3.36. Ảnh hƣởng của vận tốc và độ cứng đến thành phần lực Px ...............84 Hình 3.37. Ảnh hƣởng của nồng độ và vận tốc đến thành phần lực Py ...............85 Hình 3.38. Ảnh hƣởng của nồng độ và độ cứng đến thành phần lực Py...............85 Hình 3.39. Ảnh hƣởng của vận tốc và độ cứng đến thành phần lực Py ...............85 Hình 3.40. Ảnh hƣởng của nồng độ và vận tốc đến thành phần lực Pz ................87 Hình 3.41. Ảnh hƣởng của nồng độ và độ cứng đến thành phần lực Pz ..............87 Hình 3.42. Ảnh hƣởng của vận tốc và độ cứng đến thành phần lực Pz................87 Hình 3.43. Biểu đồ Pareto ảnh hƣởng của các yếu tố đến trị số nhám Ra .....................89 Hình 3.44. Ảnh hƣởng của nồng độ và vận tốc đến trị số nhám Ra .............................. 89 Hình 3.45. Ảnh hƣởng của nồng độ và độ cứng đến trị số nhám Ra ............................. 89 Hình 3.46. Ảnh hƣởng của vận tốc và độ cứng đến trị số nhám Ra .............................. 90 Hình 3.47. Ví dụ về đồ thị kết quả tối ƣu hóa đa mục tiêu ...........................................94 Hình 3.48. Cấu trúc bề mặt sau gia công khô (Dry) ......................................................95 Hình 3.49. Cấu trúc bề mặt sau gia công có MQL ........................................................95 Hình 3.50. Cấu trúc bề mặt sau gia công có MQCL Emulsi .........................................96 Hình 3.51. Cấu trúc bề mặt sau gia công có MQCL Emulsi – MoS2 0,2% ..................96 Hình 3.52. Cấu trúc bề mặt sau gia công có MQCL Emulsi – MoS2 0,5% ..................96 Hình 3.53. Trị số nhám trung bình Ra phụ thuộc vào điều kiện BTLN ........................97 XIV Hình 3.54. Mô hình mòn dao.........................................................................................99 Hình 3.55. Sơ đồ đo mòn mặt sau của dao ....................................................................99 Hình 3.56. Mòn mặt trƣớc (a) và mặt sau (b) của dao khi gia công khô.....................100 Hình 3.57. Mòn mặt trƣớc (a) và mặt sau (b) của dao khi gia công có MQCL ..........100 Hình 3.58. Mòn mặt trƣớc (a) và mặt sau (b) của dao có MQCL MoS2 0,2% ...........100 Hình 3.59. Mòn mặt trƣớc (a) và mặt sau (b) của dao có MQCL MoS2 0,5%............101 Hình 3.60. Tuổi bền của dao phụ thuộc điều kiện BTLN ...........................................101 XV DANH MỤC CÁC TỪ, CỤM TỪ VIẾT TẮT Kí hiệu Adj MS Adj SS Ý nghĩa Trung bình cộng các bình phƣơng hiệu chỉnh (Adjusted Mean of Squares) Tổng các bình phƣơng hiệu chỉnh (Adjusted Sums of Squares) ANOVA Phân tích phƣơng sai (Analysis of Variance) BTLN Bôi trơn làm nguội CCD Phƣơng pháp thiết kế quy hoạch thực nghiệm tối ƣu dạng tâm xoay (Central Composite Design) CHLB Cộng hòa liên bang CLBM Chất lƣợng bề mặt DCC Dụng cụ cắt DDN Dầu đậu nành DF Số bậc tự do – số lƣợng dữ liệu tập mẫu trừ đi 1 (Degree of Freedom) Em Emulsi F Giá trị giới hạn khi kiểm định F (có ý nghĩa thống kê) P Xác suất HKC Hợp kim cứng HRC Độ cứng đo theo thang Rockoen JIS Tiêu chuẩn Nhật MCC Máy công cụ MQCL Bôi trơn làm nguội tối thiểu (Minimum quantity cooling lubrication) MQL Bôi trơn tối thiểu (Minimum quantity lubrication) Ghi chú XVI NOGA Đầu phun dung dịch MQL có thƣơng hiệu Noga PTN Phòng thí nghiệm R2 Hệ số xác định (Coefficient of detemination) R2adj R2pred Hệ số xác định điều chỉnh (Coefficient of detemination adjusted) Hệ số xác định dự đoán (Predicted Coefficient of determination) SKD11 Thép hợp kim SKD11 theo tiêu chuẩn JIS TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam ГOCT Tiêu chuẩn Nga ÷ Đến (Ví dụ: hình 3.25 đến hình 3.28) XVII DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU Kí hiệu Ý nghĩa Đơn vị p Áp suất dòng khí Bar Px Lực cắt theo phƣơng X N Py Lực cắt theo phƣơng Y N Pz Lực cắt theo phƣơng Z N Q Lƣu lƣợng dòng khí l/ph Ra Nhám bề mặt µm Sz Lƣợng chạy dao răng mm/r t0 Chiều sâu cắt mm V Vận tốc cắt m/ph 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Bôi trơn tối thiểu (Minimum quantity lubrication – viết tắt MQL) thực chất là đƣa một lƣợng dung dịch trơn nguội hạn chế trực tiếp vào vùng cắt. Do hiệu quả của quá trình bôi trơn cao, tiết kiệm dung dịch trơn nguội (Lưu lượng 0,08 ÷ 3,3 ml/phút), thân thiện môi trƣờng, tiết kiệm chi phí, v.v. nên đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng khá rộng rãi cho các phƣơng pháp gia công bằng dụng cụ cắt có lƣỡi cắt xác định. Nhƣợc điểm cơ bản của MQL là khả năng làm nguội bị hạn chế nên việc sử dụng cho các phƣơng pháp gia công có điều kiện cắt gọt khắc nghiệt, nhiệt cắt lớn nhƣ gia công các loại vật liệu khó gia công, vật liệu cứng hoặc gia công bằng mài chƣa mang lại hiệu quả mong muốn. Để khắc phục nhƣợc điểm trên và mở rộng phạm vi ứng dụng của MQL thì một hƣớng nghiên cứu mới đang rất đƣợc quan tâm là sử dụng phƣơng pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu (Minimum quantity cooling lubrication – viết tắt là MQCL). Thực chất của MQCL là đƣa một lƣợng dung dịch trơn nguội nhiệt độ thấp (Dung dịch lạnh) trực tiếp vào vùng cắt. Ngoài việc ứng dụng để nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật khi gia công các loại vật liệu thông thƣờng, MQCL còn đƣợc nghiên cứu, ứng dụng cho các quá trình gia công vật liệu khó gia công, vật liệu cứng (VLC), v.v. Ngày nay gia công vật liệu cứng (Vật liệu sau nhiệt luyện) bằng dụng cụ cắt có lƣỡi cắt xác định (Machining of hard material) là một giải pháp để thay thế một phần cho mài. Gia công vật liệu cứng bằng dụng cụ cắt có lƣỡi cắt xác định nói chung là quá trình gia công cắt gọt vật liệu có độ cứng HRC = 45 ÷ 70. Trong đó phay cứng (Hard milling) đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng khá phổ biến trong thực tiễn. Trong phay cứng, đặc biệt là phay bằng dao phay mặt đầu gắn mảnh hợp kim cứng thì việc bôi trơn làm nguội bằng phƣơng pháp tƣới tràn không thực hiện đƣợc do hiện tƣợng sốc nhiệt. Vì vậy việc ứng dụng MQL và MQCL cho quá trình phay cứng là các giải pháp đã đƣợc quan tâm nghiên cứu và ứng dụng, trong đó MQCL sử dụng dung dịch nano là giải pháp khả thi. Do có khả năng đạt độ chính xác và chất lƣợng bề mặt cao tƣơng đƣơng với 2 mài nhƣng năng suất cao hơn nên tiện cứng, phay cứng đã và đang đƣợc quan tâm nghiên cứu, ứng dụng để thay thế một phần hoặc phối hợp với nguyên công mài để gia công tinh các chi tiết máy. Xuất phát từ các phân tích ở trên, tác giả chọn hƣớng nghiên cứu là ứng dụng MQCL sử dụng dung dịch nano MoS2 cho quá trình phay cứng thép SKD11 với đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ làm lạnh kết hợp với bôi trơn tối thiểu đến quá trình cắt khi phay cứng”. 2. Mục tiêu, đối tƣợng nghiên cứu Mục tiêu chung Nghiên cứu ảnh hƣởng của MQCL đến quá trình cắt khi phay cứng thép SKD11. Mục tiêu cụ thể - Nghiên cứu, đánh giá tác động của MQCL và việc sử dụng dung dịch nano MoS2 đến quá trình cắt khi phay cứng thép SKD11. - Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số thông số gồm: Áp suất và lƣu lƣợng dòng khí nén; nồng độ hạt nano trong dung dịch; vận tốc cắt; độ cứng vật liệu gia công trong MQCL đến quá trình và kết quả của quá trình cắt khi phay cứng thép SKD11. - Nghiên cứu, đánh giá hiệu quả của MQCL sử dụng dung dịch nano để nâng cao khả năng cắt của mảnh HKC. - Nghiên cứu tối ƣu các thông số khảo sát, đƣa ra các chỉ dẫn công nghệ khi sử dụng MQCL vào quá trình phay vật liệu cứng. Đối tƣợng nghiên cứu MQCL sử dụng dung dịch nano MoS2 ứng dụng cho quá trình phay cứng SKD11 bằng dao phay mặt đầu gắn mảnh hợp kim cứng. 3. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm, trong đó: - Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu, tìm hiểu, tổng hợp các kết quả trƣớc đây về