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

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ làm lạnh tích cực kết hợp với bôi trơn tối thiểu đến quá trình cắt khi phay cứng

1. 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 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ THÁI NGUYÊN – NĂM 2020
2. Công trình đƣợc hoàn thành tại: Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp - Đại Học Thái Nguyên Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Trần Minh Đức 2. TS. Nguyễn Trọng Hiếu Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng chấm luận án cấp trƣờng Họp tại: Vào hồi . giờ ngày tháng .năm . Có thể tìm hiểu luận án tại thƣ viện:
3. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài 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, 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, 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. MQCL đƣợc quan tâm nghiên cứu, ứng dụng cho các quá trình gia công vật liệu khó gia công, vật liệu cứng, v.v. Gia công vật liệu cứng (VLC) bằng dụng cụ cắt có lƣỡi cắt xác định là một giải pháp để thay thế một phần cho mài. Gia công VLC 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. Khi phay cứng bằng dao phay mặt đầu gắn mảnh hợp kim cứng (HKC) thì việc bôi trơn làm nguội (BTLN) bằng phƣơng pháp tƣới tràn không thực hiện đƣợc do hiện tƣợng sốc nhiệt. Vì vậy ứng
4. 2 dụng MQCL và MQCL sử dụng dung dịch nano là giải pháp mới. 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 tác động của MQCL và việc sử dụng dung dịch nano MoS2 đến tƣơng tác ma sát trong vùng 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, v.v. đến 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 một số thông số khảo sát, đƣa ra các chỉ dẫn công nghệ khi sử dụng MQCL vào quá trình phay vật liệu cứng. Đối tượng nghiên cứu MQCL sử dụng dung dịch nano MoS2 ứng dụng cho quá trình phay cứng SKD11 bằng dao phay mặt đầu gắn mảnh HKC. 3. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm, trong
5. 3 đó nghiên cứu thực nghiệm sử dụng các phƣơng pháp thiết kế quy hoạch thực nghiệm gồm: Quy hoạch thí nghiệm riêng phần 2k-p; quy hoạch tối ƣu dạng tâm xoay CCD và quy hoạch tối ƣu Box – Behnken với sự hỗ trợ của phần mềm quy hoạch và xử lý số liệu Minitab 18. 4. Nội dung nghiên cứu Ngoài nghiên cứu tổng quan và nghiên cứu về cơ sở lý thuyết, luận án tập trung nghiên cứu bốn nội dung chính sau: 1) Xây dựng hệ thống thí nghiệm đáp ứng yêu cầu nghiên cứu. 2) Nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng của phƣơng pháp BTLN; loại dung dịch; tác động của hạt nano; áp suất và lƣu lƣợng dòng khí đến quá trình cắt khi phay cứng thép SKD11. 3) Nghiên cứu xác định áp suất, lƣu lƣợng dòng khí tối ƣu khi phay cứng thép SKD11 sử dụng MQCL. 4) Nghiên cứu xác định chế độ cắt (CĐC), nồng độ hạt nano tối ƣu khi phay cứng thép SKD11 sử dụng MQCL và đánh giá hiệu quả của MQCL đến khả năng nâng cao tính cắt của mảnh hợp kim APMT 1604 PDTR LT 30 phủ PVD (Gọi tắt là APMT 30). 5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học Bổ sung thêm một phần lý thuyết về tác động của MQCL và MQCL sử dụng dung dịch nano đến quá trình cắt khi phay cứng, kết quả này đặt nền tảng để tiếp tục nghiên cứu phát triển và ứng dụng MQCL vào thực tiễn sản xuất. Ý nghĩa thực tiễn
6. 4 Đã nghiên cứu, ứng dụng thành công MQCL sử dụng dung dịch nano MoS2 vào quá trình phay cứng đáp ứng xu hƣớng gia công sạch, thân thiện môi trƣờng. 6. Những đóng góp mới của đề tài Đề tài đã kết hợp đƣợc 3 hƣớng nghiên cứu mới hiện nay là: (1) Gia công vật liệu cứng (Phay cứng); (2) Ứng dụng MQCL cho quá trình phay cứng; (3) Sử dụng dung dịch nano (Nanofluid) làm dung dịch trơn nguội trong gia công cắt gọt với các đóng góp mới cụ thể: - Bƣớc đầu đã nghiên cứu, đánh giá và ứng dụng thành công MQCL cho quá trình gia công cắt gọt kim loại đáp ứng xu hƣớng gia công thân thiện môi trƣờng. - Đã nghiên cứu, đánh giá đƣợc hiệu quả của việc sử dụng dung dịch nano MoS2 trên dung dịch nền là Emulsi. - Ứng dụng đƣợc MQCL sử dụng dung dịch nano Emulsi MoS2 cho quá trình phay cứng thép SKD11; Đã nghiên cứu, xác định đƣợc một số thông số nhƣ áp suất, lƣu lƣợng dòng khí; nồng độ hạt nano, vận tốc cắt tối ƣu khi phay cứng thép SKD11. - Đã nghiên cứu, xác định đƣợc tác dụng của MQCL sử dụng dung dịch nano trong việc nâng cao khả năng gia công của mảnh hợp kim cứng APMT 30 thông qua chỉ tiêu là vận tốc cắt và độ cứng vật liệu gia công. Từ đây mở ra hƣớng mới là sử dụng các loại loại mảnh HKC thông dụng, rẻ tiền cho quá trình gia công vật liệu cứng. Các đóng góp này thể hiện qua 05 công trình liên quan đến nội dung luận án đã công bố gồm: 01 bài báo trên tạp chí Metals thuộc danh mục SCI (Q2); 01 bài báo trên tạp chí Lubricants thuộc danh mục ESCI (Q1); 02 bài báo trên tạp chí quốc tế có chỉ số ISSN; 01 bài
7. 5 báo trên tạp chí trong nƣớc. NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN Chương1. Tổng quan về MQCL và ứng dụng trong gia công vật liệu cứng Nội dung chính là nghiên cứu tổng quan các vấn đề liên quan nhƣ MQL; MQCL; việc sử dụng dung dịch nano trong bôi trơn làm nguội; gia công VLC và ứng dung MQL, MQCL vào quá trình gia công VLC, v.v. Từ việc phân tích tổng quan các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc tác giả chọn hƣớng nghiên cứu là ứng dụng MQCL vào quá trình gia công VLC với tên 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”. Chương 2. Ảnh hƣởng của MQCL đến quá trình cắt khi gia công vật liệu cứng Nội dung chính là nghiên cứu một số vấn đề lý thuyết cơ bản về gia công VLC; tác động của MQCL; của hạt nano đến tƣơng tác ma sát trong vùng cắt, v.v. Từ các kết quả nghiên cứu tổng quan và lý thuyết, tác giả giới hạn vấn đề nghiên cứu và tập trung giải quyết 3 nội dung chính: 1. Nghiên cứu, đánh giá ảnh hƣởng của phƣơng pháp BTLN; loại dung dịch; tác động của hạt nano; áp suất dòng khí (p) và lƣu lƣợng dòng khí (Q) đến quá trình cắt khi phay cứng thép SKD11. 2. Nghiên cứu xác định áp suất (p), lƣu lƣợng dòng khí (Q) tối ƣu trong MQCL khi phay cứng thép SKD11. 3. Nghiên cứu xác định vận tốc cắt, nồng độ hạt nano tối ƣu khi phay cứng thép SKD11 và đánh giá hiệu quả của MQCL đến khả
8. 6 năng nâng cao tính cắt của mảnh hợp kim APMT 30. Chỉ tiêu đánh giá: Các thành phần lực cắt Px, Py, Pz; mòn và tuổi bền của dụng cụ; nhám bề mặt Ra và cấu trúc hình học tế vi bề mặt. Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu thực nghiệm với sự trợ giúp của phần mềm thiết kế quy hoạch thí nghiệm Minitab 18. Để đáp ứng yêu cầu nghiên cứu thực nghiệm, tác giả xây dựng hệ thống thí nghiệm với các trang thiết bị hiện đại, đảm bảo độ tin cậy. Chương 3. Nghiên cứu ảnh hƣởng của MQCL đến quá trình cắt khi phay cứng thép SKD11 3.1. XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM Để đáp ứng yêu cầu nghiên cứu thực nghiệm, tác giả đã xây dựng đƣợc hệ thống thí nghiệm gồm máy công cụ, trang bị công nghệ và các thiết bị đo đảm bảo độ tin cậy, cụ thể: 1. Máy công cụ: Trung tâm gia công Mazak 530C (Nhật Bản). 2. Dụng cụ cắt: Dao phay mặt đầu Ø50, thân dao BAP 100R - 63- 22 - 4T; mảnh dao: HKC phủ PVD ký hiệu APMT 1604 PDTR LT 30 của hãng LAMINA - gọi tắt là mảnh APMT 30 (Thụy Sỹ). 3. Mẫu thí nghiệm: Kích thƣớc 90 x 48 x 50 (mm); vật liệu thép SKD11, các mẫu có độ cứng HRC = 52; 56; 60. 4. Hệ thống đo lực cắt và nhám bề măt: Lực kế đo ba thành phần Kistler 9257B CHLB Đức; hệ thống xử lý tín hiệu và điều khiển Kistler 5233A. Kính hiển vi kỹ thuật số VHX - 6000 của hãng Keyence; máy đo nhám SJ - 210 của hãng Mitutoyo (Nhật bản). 5. Hệ thống MQCL: Gồm máy nén khí; bộ phận ổn định và điều
9. 7 chỉnh áp suất, lƣu lƣợng dòng khí nén; đầu phun MQCL, v.v. Trong đó đầu phun MQCL đƣợc tác giả chế tạo trên cơ sở cải tiến, tổ hợp từ đầu phun khí lạnh và đầu phun MQL. 6. Trang thiết bị phụ trợ: Máy đo độ cứng Brinen, nhiệt kế, máy rung siêu âm để tạo dung dịch nano, v.v. 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 THÉP SKD11 3.2.1. Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu, đánh giá ảnh hƣởng của phƣơng pháp BTLN (MQL, MQCL); loại dung dịch (Emulsi – Em, Dầu đậu nành – DDN); tác động của hạt nano (có hạt nano MoS2 - Yes, không có hạt nano – No); áp suất dòng khí (p) và lƣu lƣợng dòng khí (Q) đến quá trình cắt khi phay cứng thép SKD11 sử dụng MQCL. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm (QHTN): Thiết kế quy hoạch thí nghiệm riêng phần 2k-p, độ phân giải III, với k = 5; p = 2 có phƣơng án thiết kế , các biến và mức khảo sát ở bảng 3.1. ảng 3.1. Các biến và mức khảo sát trong nghiệm riêng phần 2k-p TT Tên biến khảo sát Mức thấp Mức cao Thông số đánh (-1) (+1) giá 1 Loại dung dịch (x1) Em DDN 1. Các thành 2 Phƣơng pháp BTLN (x2) MQL MQCL phần Lực cắt: 3 Hạt nano (x3) Yes No Px; Py; Pz 4 Áp suất dòng khí (x4 bar) 5 7 2. Trị số Ra. 5 Lƣu lƣợng dòng khí (x5 l/ph) 150 250
10. 8 3.2.2. Triển khai thí nghiệm và kết quả Triển khai thí nghiệm, đo các thông số đánh giá theo sơ đồ quy hoạch thực nghiệm cho kết quả thí nghiệm. Xử lý kết quả: Sử dụng phần mềm Minitab 18 xử lý số liệu thí nghiệm cho kết quả: Phƣơng trình hồi quy thực nghiệm các yếu tố khảo sát; biểu đồ Pareto đánh giá mức độ ảnh hƣởng của các biến khảo sát; đồ thị ảnh hƣởng của các biến khảo sát đến trị số các thành phần lực cắt Px; Py; Pz và đến nhám Ra (Ở đây chỉ giới thiệu một thành phần lực cắt là Py và nhám bề mặt Ra) Thảo luận kết quả: Hình 3.1a cho thấy các yếu tố khảo sát đều ảnh hƣởng rất lớn đến lực cắt Py (Tương tự với Px; Pz). Hình 3.1b cho thấy các yếu tố khảo sát ít ảnh hƣởng đến Ra. a) Ảnh hưởng đến Py b) Ảnh hưởng đến Ra Hình 3.1. Biểu đồ Pareto ảnh hưởng của các biến khảo sát đến Py và Ra Hình 3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố trị số đến lực Py
11. 9 Hình 3.3. Ảnh hưởng của các yếu tố trị số đến Ra Đồ thị trên các hình 3.2; 3.3 cho thấy ảnh hƣởng cụ thể của các biến khảo sát đến thành phần lực cắt Py và nhám bề măt Ra, qua đây sẽ đánh giá đƣợc tác động của từng yếu tố khảo sát. Với quan điểm khi trị số lực cắt và nhám bề mặt nhỏ tốt hơn thì nên chọn: sử dụng dung dịch Emulsi; MQCL; có hạt nano; áp suất lớn, lƣu lƣợng nhỏ. Kết luận: Tác giả chọn định hƣớng nghiên cứu cụ thể là: sử dụng MQCL, loại dung dịch Emulsi và sử dụng hạt nano MoS2 (MQCL sử dụng dung dịch nano MoS2 Emulsi ). 3.3. NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ÁP SUẤT VÀ LƢU LƢỢNG DÒNG KHÍ TỐI ƢU KHI PHAY CỨNG THÉP SKD11 3.3.1. Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hƣởng của áp suất, lƣu lƣợng dòng khí đến quá trình cắt, qua đó xác định giá trị áp suất và lƣu lƣợng dòng khí tối ƣu. Phương pháp QHTN: Sử dụng phƣơng pháp thiết kế quy hoạch thực nghiệm tối ƣu dạng tâm xoay CCD với sự trợ giúp của phần mềm Minitab 18 cho ma trận thí nghiệm cho ở bảng 3.2. ảng 2. Các biến và mức khảo sát trong quy hoạch tối ưu CCD TT Tên biến Mức thấp Mức cao Thông số đánh giá (-1) (+1) 4 Áp suất dòng khí (x4 bar) 5 7 1. Các thành phần
12. 10 5 Lƣu lƣợng dòng khí (x5 150 250 lực cắt. l/ph) 2. Trị số nhám Ra. 3.3.2. Triển khai thí nghiệm và kết quả Triển khai thí nghiệm, đo các thông số đánh giá theo sơ đồ quy hoạch thực nghiệm cho kết quả thí nghiệm. Xử lý kết quả: Xử lý số liệu thí nghiệm cho kết quả là phƣơng trình hồi quy thực nghiệm ảnh hƣởng của áp suất và lƣu lƣợng dòng khí đến lực cắt P và nhám Ra; đồ thị ảnh hƣởng của áp suất và lƣu lƣợng đến trị số đến lực cắt P và đến nhám Ra. (Ở đây chỉ giới thiệu một thành phần lực cắt là Py). a) b) Hình 3.4. Ảnh hưởng của áp suất và lưu lượng dòng khí đến lực Py a) b) Hình 3.5. Ảnh hưởng của áp suất và lưu lượng dòng khí đến nhám Ra Từ các đồ thị trên cho thấy ảnh hƣởng cụ thể của áp suất p và lƣu lƣợng dòng khí Q đến các thành phần lực cắt P và trị số nhám bề mặt Ra. Từ đây giúp có định hƣớng nhanh khi chọn áp suất và lƣu lƣợng hợp lý cho từng mục tiêu cụ thể.
13. 11 3.3.5. Tối ưu đa mục tiêu Để tìm trị số áp suất và lƣu lƣợng tối ƣu đáp ứng tất cả các mục tiêu, tiến hành giải bài toán tối ƣu hóa đa mục tiêu. Căn cứ vào mức độ ƣu tiên của từng mục tiêu để chọn trọng số (Weight) và mức độ quan trọng (Importance) sẽ tìm đƣợc các giá trị tối ƣu tƣơng ứng. Cụ thể ở đây chọn trọng số và hệ số mức độ quan trọng cho các biến khảo sát bằng 1, giải bài toán cho kết quả nhƣ đồ thị ở hình 3.6. Hình 3.6. Đồ thị kết quả tối ưu hóa đa mục tiêu Px; Py; Pz; Ra= f (p,Q) Kết luận: Để thuận lợi cho quá trình nghiên cứu tiếp theo và để thuận lợi cho việc ứng dụng vào sản xuất thì nên chọn áp suất p = 6 bar; lưu lượng Q = 200 lít/phút. 3.4. NGHIÊN CỨU XÁC ĐINH CHẾ ĐỘ CẮT VÀ NỒNG ĐỘ HẠT NANO TỐI ƢU KHI PHAY CỨNG THÉP SKD11 SỬ DỤNG MQL 3.4.1. Mục đích nghiên cứu 1. Xác định nồng độ hạt nano, vận tốc cắt tối ƣu.
14. 12 2. Đánh giá hiệu quả của MQCL sử dụng dung dịch nano MoS2 trong việc nâng cao khả năng cắt của mảnh HKC mà chủ yếu là nâng cao vận tốc cắt và độ cứng vật liệu gia công. Nội dung nghiên cứu: 1. Nghiên cứu xác định chế độ cắt và nồng độ hạt tối ƣu. 2. Thí nghiệm kiểm chứng. 3.4.2. Nghiên cứu xác định chế độ cắt và nồng độ hạt tối ưu 3.4.2.1. Triển khai thí nghiệm và kết quả Hệ thống thí nghiệm: Đƣợc trình bày chi tiết trong mục 3.1, trong đó mẫu thí nghiệm gồm 03 mức độ cứng lần lƣợt là HRC = 52; HRC = 56 và HRC = 60. Dung dịch nano MoS2 Emulsi 5% với các nồng độ 0,5%; 1,0% và 1,5%. Áp suất p = 6 bar; lƣu lƣợng dòng khí Q = 200 lít/phút. Quy hoạch thực nghiệm: Sử dụng phƣơng pháp quy hoạch tối ƣuBox – Behnken 03 biến, sơ đồ quy hoạch nhƣ bảng 3.3. ảng 3.3. Các giá trị thông số đầu vào và biến thí nghiệm TT Tên biến Ký hiệu Mức thấp Mức cao Thông số đánh giá 1 Nồng độ (%) 0,5 1,5 - Các thành phần lực cắt P , P , P ; 2 Vận tốc (m/phút) 90 110 x y z - Nhám bề mặt R 3 Độ cứng (HRC) 52 60 a Triển khai thí nghiệm: Triển khai thí nghiệm theo quy hoạch, đo các thông số đánh giá cho kết quả thí nghiệm. 3.4.2.2. Xử lý số liệu và thảo luận kết quả Xử lý số liệu: Sử dụng phần mềm Minitab 18 xử lý số liệu thí nghiệm cho kết quả: Là phƣơng trình hồi quy thực nghiệm các yếu tố
15. 13 khảo sát; biểu đồ Pareto đánh giá mức độ ảnh hƣởng của các biến khảo sát; đồ thị ảnh hƣởng của các biến khảo sát đến trị số đến các thành phần lực cắt Px; Py; Pz và đến nhám Ra. Trong bản tóm tắt này chỉ trình bày đại diện lực cắt là Py và nhám bề mặt Ra. Thảo luận kết quả: 1. Phƣơng trình hồi quy thực nghiệm ảnh hƣởng của nồng độ hạt ; vậntốc cắt ( ); độ cứng ( ) đến Py và Ra. cho ở các phƣơng trình (3.1; 3.2). 2 2 2 Py = -2248 – 160,4 – 25,03 + 133,1 + 71,7 + 0,1232 - 1,198 (3.1) 2 2 Ra=6,54 + 0,2521 + 0,0051 – 0,2387 – 0,1131 – 0,000028 + 2 (3.2) 0,002109 2. Biểu đồ Pareto (hình 3.7), chọn mức ý nghĩa α = 0,05 đƣờng giới hạn có hoành độ 2,024. Kết quả cho thấy ảnh hƣởng của các yếu tố là khác nhau. a) b) Hình 3.7. Biểu đồ Pareto ảnh hưởng của các yếu tố đến lực Py và nhám Ra 3. Đồ thị ảnh hƣởng của nồng độ, vận tốc cắt và độ cứng đến lực cắt Py và nhám Ra từ hình 3.8 ÷ 3.13. Đồ thị trên các hình 3.8a ÷ 3.13a cho thấy ảnh hƣởng của nồng độ, vận tốc cắt, độ cứng đến lực cắt và nhám bề mặt. Đồ thị đƣờng mức trên các hình 3.8b ÷ 3.13b cho thấy miền có trị số lực cắt và nhám bề mặt nhỏ nhất. Kết quả này giúp có định hƣớng lựa chọn nhanh các thông số khảo sát.
16. 14 a) b) Hình 3.8. Ảnh hưởng của nồng độ và vận tốc đến thành phần lực Py a) b) Hình 3.9. Ảnh hưởng của nồng độ và độ cứng đến thành phần lực Py a) b) Hình 3.10. Ảnh hưởng của vận tốc và độ cứng đến thành phần lực Py (a) (b) Hình 3.11. Ảnh hưởng của nồng độ và vận tốc đến trị số nhám Ra
17. 15 (a) (b) Hình 3.12. Ảnh hưởng của nồng độ và độ cứng đến trị số nhám Ra (a) (b) Hình 3.13. Ảnh hưởng của vận tốc và độ cứng đến trị số nhám Ra Kết luận chung 1. Việc ứng dụng MQCL sử dụng dung dịch nano vào quá trình phay cứng cho thấy có ảnh hƣởng tích cực đến quá trình cắt do đó đã nâng cao đƣợc hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của quá trình gia công. 2. Trong các biến khảo sát thì nồng độ hạt ảnh hƣởng đáng kể đến kết quả gia công. Trong đó với các thành phần lực cắt, nồng độ tối ƣu trong khoảng 1% ÷ 1,11%. Còn với nhám bề mặt nồng độ nhỏ (0,5%) cho kết quả tốt hơn. Tuy nhiên trong khoảng nồng độ khảo sát, khi nồng độ giảm dƣới 0,5% trị số nhám tiếp tục giảm. 3. Khi sử dụng MQCL vào quá trình phay cứng đã góp phần nâng cao tính cắt của mảnh HKC, cụ thể đã gia công đƣợc vật liệu có độ cứng đến HRC = 60 ở vận tốc V = 110 m/phút so với 50 ÷ 52 HRC
18. 16 khi MQL sử dụng dung dịch nano Al2O3. Một ý nghĩa khác của việc khảo sát ảnh hƣởng của độ cứng là khi đã có yêu cầu độ cứng cụ thể, hoàn toàn có thể lựa chọn đƣợc các thông số nồng độ, vận tốc hợp lý để nâng cao hiệu quả của quá trình gia công. 3.4.2.3. Tối ưu hóa đa mục tiêu Quá trình giải bài toán tối ƣu hóa đa mục tiêu căn cứ vào mức độ ƣu tiên của từng mục tiêu để chọn trọng số và mức độ quan trọng. Ở đây nếu coi phay cứng là gia công tinh, ví dụ chọn trọng số và hệ số mức độ quan trọng cho các biến khảo sát nhƣ bảng 3.3, giải bài toán cho kết quả ở đồ thị hình 3.14. Với mục đích cụ thể nhƣ đã nêu, kết quả cho bộ thông số khảo sát tối ƣu là: Nồng độ hạt nano 0,5%; vận tốc cắt V = 110 m/phút; độ cứng của vật liệu gia công HRC = 56,8484. ảng 3. Trọng số và hệ số mức độ quan trọng khi tối ưu hóa đa mục tiêu Hàm Mức Mong Mức độ Mục tiêu Mức cao Trọng số mục tiêu thấp muốn quan trọng Ra Minimum 0,092 0,257 10 8 Fz Minimum 84,780 205,900 1 1 Fy Minimum 57,200 170,100 5 2 Fx Minimum 37,300 72,200 1 1
19. 17 Hình 3.14. Đồ thị kết quả tối ưu hóa đa mục tiêu 3.5. THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG 3.5.1. Mục đích Kiểm chứng lại giá trị nồng độ MoS2 tối ƣu; so sánh, đánh giá hiệu quả giữa các phƣơng pháp BTLN gồm: Cắt khô; MQL với dung dịch Emulsi 5%; MQCL với dung dịch Emulsi 5%; MQCL với dung dịch nano MoS2 qua đó có đánh giá chính xác hơn hiệu quả của MQCL trong gia công vật liệu cứng. Các thông số thí nghiệm chọn trƣớc nhƣ phần thí nghiệm ở phần trên gồm: Sz = 0,08 mm/r; t0 = 0,12 mm; độ cứng vật liệu gia công HRC = 56; V=110 m/ph. Hệ thống thí nghiệm, mẫu phôi thí nghiệm và mô hình thí nghiệm chọn nhƣ phần 3.1 3.5.2. Triển khai thí nghiệm Triển khai thí nghiệm với bộ thông số nêu trên, các chế độ bôi trơn làm nguội khác nhau gồm: (1) Không bôi trơn làm nguội (Dry); (2) MQLvới dung dịch Emulsi 5%; (3) MQCLvới dung dịch Emulsi 5%; (4) MQCL với dung dịch nano MoS2 (nồng độ: 0,2%; 0,5%;
20. 18 0,8%). Thông số so sánh đánh giá gồm: cấu trúc tế vi bề mặt; trị số nhám Ra; mòn và tuổi bền của dụng cụ. 3.5.3. Kết quả và xử lý kết quả Trị số nhám bề mặt Ra mặt phụ thuộc vào phƣơng pháp BTLN (hình 3.15); kết quả chụp trên kính hiển vi VHX – 6000: cấu trúc tế vi bề mặt (Ví dụ cho hình 3.16 ÷ hình 3.17), ảnh mô hình đo mòn dao (hình 3.18); tuổi bền của dao đƣợc xác định khi dao hết khả năng cắt theo chỉ tiêu độ mòn mặt sau cho phép B = [0,35mm] (hình 3.19). Hình 3.15. Trị số nhám trung bình Ra phụ thuộc vào điều kiện BTLN Hình 3.16. Cấu trúc bề mặt sau gia công có MQCL Emulsi
21. 19 Hình 3.17. Cấu trúc bề mặt sau gia công có MQCL Emulsi – MoS2 0,5% Ảnh hƣởng của phƣơng pháp BTLN đến giá trị trung bình của Ra (hình 3.15) đều cho thấy MQCL sử dụng dung dịch nano MoS2 đã cải thiện đáng kể trị số nhám bề mặt so với không BTLN hoặc so với MQL và so với MQCL không có hạt nano. Kết quả cho thấy để đạt trị số Ra tối ƣu tiên chọn nồng độ hạt nano là 0,5%. Quan sát cấu trúc tế vi bề mặt và profin bề mặt chi tiết gia công (hình 3.16 ÷ hình 3.17) cho thấy rõ có sự khác biệt về cấu trúc bề mặt chi tiết gia công. Hình 3.18. Ảnh mô hình đo mòn dao trên kính hiển vi VHX - 6000
22. 20 Hình 3.19. Tuổi bền của dao phụ thuộc điều kiện BTLN Ảnh chụp mô hình đo mòn dao (hình 3.18) cho thấy rõ mô hình mòn của dao, kết quả đo cho thấy rõ ảnh hƣởng của phƣơng pháp BTLN, chế độ trơn nguội đến quá trình mòn và tuổi bền của dao. Hình 3.19 cho thấy ảnh hƣởng của các phƣơng pháp BTLN đến tuổi bền của dụng cụ, trong đó cho thấy MQCL cải thiện đáng kể tuổi bền dụng cụ so với MQL (64 phút so với 48 phút, tăng 1 , %) Tuy nhiên việc sử dụng dung dịch nano MoS2 không cải thiện đƣợc tuổi bền của dụng cụ, vấn đề này cần có nghiên cứu thêm. 3.6. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 1. Đã thiết kế, xây dựng hệ thống thí nghiệm đáp ứng yêu cầu nghiên cứu thực nghiệm. Trong đó đã chế tạo thành công đầu MQCL trong điều kiện thực tiễn của cơ sở đào tạo. 2. Tác giả đã nghiên cứu đánh giá đƣợc ảnh hƣởng của phƣơng pháp bôi trơn làm nguội (MQL, MQCL); loại dung dịch (Emulsi, dầu đậu nành); tác động của hạt nano MoS2 (có hạt nano, không có hạt nano); áp suất dòng khí p và lƣu lƣợng dòng khí Q đến quá trình cắt khi phay cứng thép SKD11.
23. 21 3. Đã xác định đƣợc giá trị áp suất và lƣu lƣợng tối ƣu trong trƣờng hợp cụ thể này là p = 6 bar; Q = 200 lít/phút. 4. Đã nghiên cứu ảnh hƣởng của vận tốc cắt V, nồng độ hạt nano MoS2 và độ cứng của vật liệu gia công đến quá trình cắt khi phay cứng thép SKD11. - Căn cứ vào mục tiêu tối ƣu là các thành phần lực cắt hay nhám bề mặt mà chọn đƣợc bộ thông số gồm nồng độ hạt, vận tốc cắt tối ƣu và độ cứng vật liệu tối ƣu. Cụ thể ở đây đã xác định đƣợc bộ thông số tối ƣu: nồng độ hạt nano MoS2 0,5%; vận tốc cắt V = 110 m/phút; độ cứng của vật liệu gia công HRC = 56,8484; - Với việc ứng dụng MQCL sử dụng dung dịch nano MoS2 trên dung dịch nền là Em cho phay cứng thép SKD11 đã nâng đƣợc vận tốc cắt của mảnh dao APMT 30 đến 110 m/ph, độ cứng vật liệu gia công đến HRC = 60. So với thông số do hãng cung cấp thì đã nâng độ cứng vật liệu gia công lớn nhất từ 45 HRC đến 60 HRC (tăng 133,3%), vận tốc cắt tăng từ 70 m/ph đến 110 m/ph (tăng 157,1%). KẾT LUẬN CHUNG I. Các kết quả chính và đóng góp của luận án 1. Gia công vật liệu cứng là hƣớng nghiên cứu mới để dần thay thế một phần cho mài. Để nâng cao hiệu quả của quá trình gia công vật liệu cứng, giải pháp tác giả sử dụng ở đây là MQCL sử dụng dung dịch nano MoS2. Đây là hƣớng nghiên cứu mới, đặc biệt là ở Việt Nam.
24. 22 2. Từ định hƣớng chung, tác giả đã có nghiên cứu lý thuyết cơ bản và tổng quan về quá trình gia công VLC; về bôi trơn thiểu MQL; bôi trơn làm nguội tối thiểu MQCL; MQCL sử dụng dung dịch nano vào quá trình phay cứng. Tác giả đã chọn định hƣớng nghiên cứu là ảnh hƣởng của MQCL sử dụng dung dịch nano MoS2 đến quá trình cắt khi phay cứng thép SKD11 với 3 mục tiêu nghiên cứu chính: a. Nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng của phƣơng pháp bôi trơn làm nguội; loại dung dịch; tác động của hạt nano MoS2; áp suất dòng khí và lƣu lƣợng dòng khí đến quá trình cắt khi phay cứng thép SKD11. b. Nghiên cứu xác định áp suất, lƣu lƣợng dòng khí tối ƣu khi phay cứng thép SKD11 sử dụng MQCL c. Nghiên cứu xác định chế độ cắt, nồng độ hạt nano tối ƣu khi phay cứng thép SKD11 sử dụng MQCL và đánh giá hiệu quả của MQCL đến khả năng nâng cao tính cắt của mảnh hợp kim APMT 1604 PDTR LT 30 phủ PVD của hãng LAMINA. 3. Phƣơng pháp nghiên cứu: Sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm với các phƣơng pháp thiết kế quy hoạch thực nghiệm gồm quy hoạch dạng 2k-p; quy hoạch tối ƣu bề mặt chỉ tiêu CCD và phƣơng pháp quy hoạchtối ƣu Box – Behnken với sự trợ giúp của phần mềm thiết kế quy hoạch thí nghiệm Minitab 18. 4. Đã thiết kế, xây dựng hệ thống thí nghiệm đáp ứng yêu cầu nghiên cứu thực nghiệm. Trong đó đã chế tạo thành công đầu MQCL trong điều kiện thực tiễn của cơ sở đào tạo. 5. Một số kết quả chính:
25. 23 a) Với việc sử dụng phƣơng pháp thiết kế quy hoạch thực nghiệm 2k – p, tác giả đã nghiên cứu, đánh giá đƣợc ảnh hƣởng của các yếu tố gồm phƣơng pháp bôi trơn làm nguội; loại dung dịch; tác động của hạt nano; áp suất dòng khí và lƣu lƣợng dòng khí đến qua trình và kết quả của quá trình phay cứng thép SKD11. b) Với phƣơng pháp thiết kế quy hoạch thực nghiệm tối ƣu CCD đã nghiên cứu ảnh hƣởng của áp suất và lƣu lƣợng dòng khí đến quá trình cắt khi phay cứng và đã xác định đƣợc các giá trị tối ƣu là p = 6 bar; Q = 200 lít/phút. c) Với quy hoạch thực nghiệm tối ƣu Box – Behnken đã nghiên cứu, đánh giá ảnh hƣởng của vận tốc cắt, nồng độ hạt nano và độ cứng vật liệu gia công đến quá trình cắt khi phay cứng thép SKD11 đánh giá thông qua các thành phần lực cắt, nhám bề mặt Ra. d) Kết quả nghiên cứu tối ƣu đa mục tiêu khi định hƣớng phay tinh ƣu tiên trị số nhám bề mặt nhỏ và trị số lực cắt Py nhỏ (giảm sai số gia công) cho bộ thông số tối ƣu là nồng độ hạt nano 0,5%; vận tốc cắt V = 110 m/phút; độ cứng của vật liệu gia công HRC = 56,85 với giá trị của các hàm mục tiêu là: Ra= 0,107 µm; Px = 54,99 N; Py = 120,92N; Pz = 158,48N. Với công cụ tính toán đƣợc trang bị ở đây, căn cứ vào yêu cầu cụ thể hoàn toàn có thể chọn trọng số và mức độ quan trọng cho các hàm mục tiêu chính, qua đó sẽ tìm đƣợc bộ thông số tối ƣu. e) Với việc ứng dụng MQCL sử dụng dung dịch nano MoS2 trên dung dịch nền là Emulsi cho quá trình phay cứng thép SKD11 đã
26. 24 nâng cao đƣợc đƣợc đáng kể khả năng cắt của mảnh dao APMT 1604 PDTR LT 30, cụ thể so với thông số do hãng cung cấp thì đã nâng độ cứng vật liệu gia công từ 45 HRC đến 60 HRC (tăng 1 , %), vận tốc cắt tăng từ 70 m/ph đến 110 m/ph (tăng 157,1%). g) Kết quả nghiên cứu kiểm chứng đã cho thấy rõ hơn hiệu quả của MQCL sử dụng dung dịch MoS2 trong việc cải thiện chất lƣợng bề mặt, giảm trị số Ra. Cụ thể MQCL với dung dịch nano MoS2 0,5% đã đạt Ra = 0,130 µm (bằng 82,8% so với MQCL; 56,2% so với MQL và 44,5% so với không BTLN). II. Hạn chế và định hƣớng nghiên cứu tiếp theo 1. Chƣa đo lƣờng và nghiên cứu đƣợc ảnh hƣởng của các yếu tố khảo sát đến nhiệt cắt, đối với BTLN thì đây là vấn đề quan trọng. 2. Chỉ mới nghiên cứu ứng dụng đƣợc MQCL vào quá trình phay cứng, chƣa khảo sát sâu về cơ chế vật lý xảy ra trong vùng cắt khi phay cứng có sử dụng MQCL, chƣa nghiên cứu sâu đƣợc về đặc điểm, cơ chế mòn của dụng cụ, v.v. 3. Định hƣớng nghiên cứu tiếp theo: Đây là vấn đề mới, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn vì vậy cần tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện thiết bị, nghiên cứu tối ƣu các thông số vào của MQCL, nghiên cứu sâu về cơ sở vật lý, phối hợp với việc dùng dung dịch hybrid nano và ứng dụng rộng rãi vào các quá trình gia công khác nhƣ tiện, mài, v.v.
27. 25 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Trần Minh Đức, Phạm Quang Đồng, Trần Thế Long, Trần Quyết Chiến,“Nghiên cứu chế tạo đầu phun dung dịch lạnh cho bôi trơn làm nguội tối thiểu, ứng dụng vào phay thép SKD11”. Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Thái Nguyên, tập 173, số 13, 2017, tr 171. 2. Tran Minh Duc, Tran The Long, Pham Quang Dong, Tran Bao Ngoc,“Applied Research of Nanofluids in MQL to Improve Hard Milling Performance of 60Si2Mn Steel Using Carbide Tools”.American Journal of Mechanical Engineering, 2017, Vol. 5, No. 5, 228-233). 3. Pham Quang Dong, Tran Minh Duc, Tran The Long, “ Performance Evaluation of MQCL HardMilling of SKD11 Tool Steel Using MoS2 Nanofluid”, Metals 2019, Volume 9, Issue 6, 658 (SCI- Q2). 4. Tran Minh Duc, Pham Quang Dong, Tran The Long, Dang Van Thanh,“Evaluation of MQCL Technique Using MoS2 Nanofluids During Hard Milling Process of SKD11 Tool Steel”, International Journal of Mechanical Engineering and Applications. Vol 7, No 4, 2019, pp 91-100. 5. Pham Quang Dong, Tran Minh Duc, Ngo Minh Tuan, Tran The Long, Dang Van Thanh and Nguyen Van Truong,“Improvement in the Hard Milling of AISI D2 Steel under the MQCL Condition Using Emulsion-Dispersed MoS2 Nanosheets”. Lubricants, Volume 8, Issue 6, June 2020(ESCI - Q1).