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

ang lại chất lƣợng gia công tốt. Ngoài ra, dầu không chứa các thành phần độc hại nhƣ Nitrite hay hợp chất pheno, việc sử dụng đơn giản, v.v. Nhƣợc điểm cơ bản của loại dầu này là khả năng làm nguội hạn chế. Một số loại dầu sử dụng khả phổ biến hiện nay nhƣ dầu Bestril, dầu Total Aleda EE 30T 200L, Castrol Ilocut 603, v.v. Trong MQL và MQCL, ngoài các ƣu nhƣợc điểm nêu trên thì các loại dầu không pha nƣớc do có độ nhớt cao nên khả năng tạo thành sƣơng mù bị hạn chế và do nhiệt độ cháy thấp nên thƣờng sử dụng cho các quá trình gia công vật liệu mềm, ít sử dụng khi gia công vật liệu cứng. b. Dầu cắt gọt pha nước Dầu cắt gọt pha nƣớc khi sử dụng phải pha thêm dung môi (Nước) để tạo thành dạng nhũ tƣơng màu trắng sữa hoặc màu trắng mờ, màu xanh nhạt, v.v (Gọi chung là dung dịch trơn nguội). Khi khô dung dịch sẽ để lại lớp dầu nhƣ một lớp màng mỏng bảo vệ rất tốt cho dụng cụ và chi tiết gia công. Trong thành phần nhũ tƣơng đó có chứa các chất tạo nhũ, phụ gia tăng cƣờng khả năng bôi trơn, chống rỉ sét, chống ăn mòn, tạo bọt, diệt khuẩn, ngăn mùi hôi thối. Loại dung dịch có đặc điểm là khả năng làm nguội tốt nhƣng khả năng bôi trơn bị hạn chế (do độ nhớt thấp) nên thƣờng đƣợc sử dụng trong các giai đoạn gia công phát sinh nhiệt lớn và cần mức độ bôi trơn thấp. Một số loại dầu cắt gọt pha nƣớc thông dụng: Dầu Emulsi VBC EMCOOL E- 960V, EMCOOL-100, dầu VBC COOL ALBIO-118V, VBC OIL NCO-30, v.v. Tỷ lệ pha trộn dung dịch thƣờng từ 5% ÷ 10% tùy thuộc vào phƣơng pháp gia công. 43 Trong MQL và MQCL, các loại dung dịch trơn nguội này có ƣu điểm là độ nhớt thấp, khả năng tạo sƣơng mù tốt nên khả năng xâm nhập trực tiếp vào vùng gia công tốt. Ngoài ra do khả năng làm nguội tốt nên rất thích hợp cho các quá trình gia công vật liệu cứng. Các loại dầu cắt gọt nêu trên đều có nguồn gốc là sản phẩm công nghiệp, tuy các nhà sản xuất đã có các chất phụ gia để đảm bảo an toàn, ít độc hại cho con ngƣời, tuy nhiên vẫn còn một số thành phần hóa chất gây độc hại cho con ngƣời và môi trƣờng. Xu thế mới hiện nay là sử dụng các loại dầu thực vật (Như loại dầu không pha nước) để làm dầu bôi trơn làm nguội trong gia công cắt gọt. Đặc điểm và tính chất sử dụng của các loại dầu thực vật tƣơng tự nhƣ dầu không pha nƣớc. Tuy nhiên các loại dầu thực vật có ƣu điểm nổi trội là không độc hại, ít ảnh hƣởng đến sức khỏe của ngƣời lao động, thân thiện với môi trƣờng, phù hợp với xu hƣớng phát triển bền vững. Các loại dầu thực vật đã đƣợc nghiên cứu, ứng dụng cho gia công vật liệu mềm rất hiệu quả. Trong gia công vật liệu cứng, do các nhƣợc điểm chung của loại dầu không pha nƣớc nên khả năng ứng dụng còn bị hạn chế, để nâng cao hiệu quả bôi trơn làm nguội của các loại dầu thực vật để ứng dụng cho gia công vật liệu cứng, một xu hƣớng mới hiện nay là trộn một số loại hạt nano vào dầu thực vật để tạo dung dịch nano (Nanofluid). Đây là xu hƣớng mới nên cần có nghiên cứu thêm. 2.2.2.2. Ảnh hƣởng của vị trí phun và khoảng cách vòi phun Vị trí đặt vòi phun và khoảng cách vòi phun đến vùng cắt ảnh hƣởng rất lớn đến quá trình bôi trơn làm nguội trong vùng cắt. Đối với phƣơng pháp MQCL từ bên ngoài có thể đặt vòi phun để phun dung dịch trơn nguội vào mặt trƣớc hoặc mặt sau của DCC. Tuy nhiên do phun vào mặt sau có nhiều ƣu điểm hơn nên trong thực tiễn sản xuất thƣờng dùng sơ đồ phun dung dịch vào mặt sau của DCC nhƣ hình 2.15. Ƣu điểm: Dung dịch dƣới dạng sƣơng mù đƣợc phun trực tiếp vào vùng cắt nên hiệu quả bôi trơn, làm nguội cao. Khoảng cách L từ đầu vòi phun đến vùng cắt ảnh hƣởng lớn đến quá trình bôi trơn làm nguội. Khi L lớn áp lực dòng dung dịch vào vùng cắt nhỏ nên không đủ để 44 đƣa dung dịch trơn nguội vào vùng cắt, khi L bé áp lực dòng dung dịch vào vùng cắt lớn nên sẽ làm hạn chế khả năng giữ dung dịch trong vùng cắt. Khoảng cách L tối ƣu đƣợc xác định theo từng yêu cầu cụ thể bằng thực nghiệm. Hình 2.15. Sơ đồ phun dung dịch vào mặt sau của dụng cụ cắt 2.2.2.3. Ảnh hƣởng của áp suất và lƣu lƣợng dòng khí Áp suất và và lƣu lƣợng dòng khí ảnh hƣởng lớn đến quá trình bôi trơn làm nguội. Áp suất và và lƣu lƣợng dòng khí chủ yếu ảnh hƣởng đến khả năng tạo thành sƣơng mù, khả năng đƣa dung dịch dƣới dạng sƣơng mù vào vùng cắt và khả năng giữ dung dịch trong vùng cắt. Áp suất dòng khí lớn thì khả năng tạo thành các hạt sƣơng mù và khả năng đƣa dung dịch trực tiếp vào cùng cắt tốt, tuy nhiên do áp lực lớn nên sẽ đẩy dung dịch ra khỏi vùng cắt, làm giảm khả năng giữ dung dịch trong vùng cắt. Việc chọn áp suất dòng khí tối ƣu phụ thuộc nhiều vào phƣơng pháp gia công. Đối với các phƣơng pháp gia công hở và nửa kín (Tiện, Phay rãnh, Phay mặt đầu, v.v.) nên chọn áp suất trung bình, đối với các phƣơng pháp gia công kín (Khoan, Khoét, Doa, Ta rô, v.v.) nên chọn áp suất dòng khí lớn. Lƣu lƣợng dòng khí lớn làm tăng khả năng thoát, tản nhiệt trong vùng cắt, tăng khả năng làm nguội. Tuy nhiên khi tăng lƣu lƣợng dòng khí sẽ làm giảm lƣu lƣợng dung dịch vào vùng cắt nên giảm khả năng bôi trơn. Việc xác định lƣu lƣợng dòng khí tối ƣu phụ thuộc vào điều kiện gia công cụ thể. Lƣu lƣợng dung dịch trơn nguội trong MQCL rất nhỏ (0,08 ÷ 3,3 ml/phút) và phụ thuộc vào các yếu tố nhƣ phƣơng pháp gia công; loại dung dịch; áp suất dòng khí, 45 v.v. Việc lựa chọn lƣu lƣợng hợp lý đồng nghĩa với việc lựa chọn đƣợc lƣu lƣợng “vừa đủ”, nếu chọn lƣu lƣợng lớn hơn sẽ lãnh phí dung dịch trơn nguội. Việc nghiên cứu, điều chỉnh thông số lƣu lƣợng với giá trị rất nhỏ gặp một số khó khăn và ít ý nghĩa nên thông số này chƣa đƣợc đặt vấn đề nghiên cứu sâu ở đây. 2.2.2.4. Ảnh hƣởng của hạt nano trong dung dịch Hạt nano trong dung dịch nano làm thay đổi đặc tính của dung dịch nền vì vậy ảnh hƣởng đến khả năng bôi trơn làm nguội của dung dịch. Loại hạt, kích thƣớc hạt và nồng độ hạt nano trong dung dịch đều ảnh hƣởng đến đặc tính và khả năng bôi trơn làm nguội của dung dịch. Loại hạt nano ảnh hƣởng chủ yếu là do làm thay đổi đặc tính của dung dịch trơn nguội, cụ thể hạt nano MoS2 cải thiện khả năng bôi trơn của dung dịch, hạt nano Al2O3 cải thiện tính dẫn nhiệt của dung dịch. Khi cần cải thiên cả khả năng bôi trơn và tính dẫn nhiệt nên dùng hỗn hợp nano MoS2/Al2O3 (Hybrid nano), v.v. Tùy mục đích cụ thể mà lựa chọn loại hạt phù hợp. Cỡ hạt nano cũng ảnh hƣởng đến đặc tính của dung dịch và khả năng bôi trơn làm nguội, hiện nay thƣờng dùng cỡ hạt từ 20 nm ÷ 80 nm. Nồng độ hạt nano ảnh hƣởng lớn đến khả năng bôi trơn làm nguội của dung dịch do đó ảnh hƣởng lớn đến quá trình cắt. Nếu nồng độ hạt nhỏ sẽ không phát huy đƣợc tác dụng của hạt nano, nếu nồng độ quá lớn sẽ gây tác động xấu đến quá trình cắt (Hạt MoS2 sẽ tạo thành màng có hại cho quá trình cắt) hoặc gây lãnh phí hạt nano. Việc xác định nồng độ tối ƣu đƣợc xác định bằng thực nghiệm phụ thuộc vào điều kiện gia công cụ thể. 2.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 Từ kết quả nghiên cứu trên cho thấy việc ứng dụng MQCL cho quá trình phay cứng đã làm ảnh hƣởng đến tính tƣơng tác ma sát trong vùng cắt. Sự thay đổi tƣơng tác ma sát này sẽ làm thay đổi quá trình vật lý xảy ra trong vùng cắt nhƣ thay đổi nhiệt cắt, thay đổi lực cắt, mòn và tuổi bền của dụng cụ, v.v. do đó làm thay đổi kết quả của quá trình gia công nhƣ thay đổi về chất lƣợng bề mặt, độ chính xác và năng suất gia công, v.v. 46 Có nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến MQCL do đó ảnh hƣởng đến quá trình cắt khi phay cứng và có nhiều phƣơng pháp để đánh giá ảnh hƣởng của MQCL đến quá trình cắt, đến kết quả của quá trình gia công. Với điều kiện cụ thể của cơ sở đào tạo và với điều kiện thực tiễn sản xuất hiện nay, tác giả giới hạn vấn đề nghiên cứu nhƣ sau: 2.3.1. Lựa chọn thông số vào (Điều kiện) - Phƣơng pháp BTLN: Sử dụng hai phƣơng pháp là MQL và MQCL. Mục đích là đánh giá hiệu quả của MQCL so với MQL. - Loại dung dịch nền: Sử dụng hai loại dung dịch nền gồm dầu đậu nành (DDN) và dung dịch Emulsi 5% (Em 5%). Mục đích là đánh giá, so sánh một loại dầu thực vật sẵn có, thân thiện môi trƣờng so với dung dịch Emulsi (một loại dung dịch pha nước thông dụng). Kết quả đƣợc dùng làm căn cứ để tiếp tục nghiên cứu, ứng dụng DDN vào quá trình BTLN, đáp ứng xu hƣớng gia công sạch, bền vững. - Hạt nano: Sử dụng hạt nano MoS2 để tạo dung dịch nano trên dung dịch nền là Em 5% và DDN. Mục đích là đánh giá hiệu quả của việc sử dụng dung dịch nano MoS2 đến quá trình cắt khi phay cứng. - Áp suất (p) và lƣu lƣợng (Q) dòng khí: Mục đích là đánh giá ảnh hƣởng của áp suất và lƣu lƣợng dòng khí đến quá trình cắt khi phay cứng. - Vận tốc cắt (V) và độ cứng vật liệu gia công: Mục đích là xác định vận tốc cắt và độ cứng tối ƣu khi phay cứng sử dụng MQCL qua đó đánh giá đƣợc hiệu quả của MQCL sử dụng dung dịch nano đến khả năng nâng cao tính cắt của mảnh HKC. 2.3.2. Thông số đánh giá (Kết quả) Có thể đánh giá thông qua các hiện tƣợng vật lý xảy ra trong quá trình cắt và kết quả của quá trình gia công. - Đánh giá thông qua các hiện tƣợng vật lý xảy ra trong quá trình cắt: Sử dụng phƣơng pháp đánh giá gián tiếp thông qua các chỉ tiêu gồm các thành phần lực cắt; mòn và tuổi bền của dụng cụ. - Kết quả của quá trình gia công: Đánh giá thông qua một số thông số chất lƣợng bề mặt gia công gồm trị số nhám bề mặt Ra và cấu trúc hình học tế vi bề mặt. 47 2.3.3. Mô hình nghiên cứu tổng quát Mô hình nghiên cứu tổng quát có dang: y = f(xi) (2.1) Trong đó: y - Thông số ra (Thông số đánh giá) gồm: Các thành phần lực cắt Px, Py, Pz; nhám bề mặt Ra; cấu trúc hình học tế vi bề mặt. xi - Thông số vào (Biến khảo sát) gồm: Phƣơng pháp BTLN (MQL, MQCL); loại dung dịch (Em, DDN); tác động của hạt nano MoS2 (Yes, No); áp suất dòng khí (p); lƣu lƣợng dòng khí (Q); vận tốc cắt (V); nồng độ hạt nano và độ cứng vật liệu gia công. 2.3.4. Nội dung nghiên cứu Từ các kết quả nghiên cứu tổng quan và lý thuyết, từ mô hình nghiên cứu tổng quát nêu trên, tác giả tập trung giải quyết 4 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 năng nâng cao tính cắt của mảnh hợp kim APMT 30. 4) Nghiên cứu ảnh hƣởng của MQCL sử dụng dung dịch nano MoS2 đến nhám bề mặt Ra; cấu trúc hình học tế vi bề mặt gia công; mòn và tuổi bền của dụng cụ khi phay cứng thép SKD11. 2.3.5. Phương pháp nghiên cứu Để giải quyết các bài toán nêu trên tác giả sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm với các phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm thích hợp cho từng nội dung 48 nghiên cứu. Để đáp ứng quá trình nghiên cứu thực nghiệm tác giả đã sử dụng phần mềm thiết kế quy hoạch thí nghiệm Minitab 18 để thiết kế quy hoạch thực nghiệm, xử lý số liệu thí nghiệm và xây dựng hệ thống thí nghiệm (HTTN) trên cơ sở máy thí nghiệm, các trang thiết bị đo và các thiết bị phụ trợ hiện đại, đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy. 49 CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MQCL ĐẾN QUÁ TRÌNH CẮT KHI PHAY CỨNG THÉP SKD11 3.1. XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM 3.1.1. Đặt vấn đề Để đáp ứng yêu cầu nghiên cứu thực nghiệm thì việc thiết kế, xây dựng hệ thống thí nghiệm đáp ứng yêu cầu là một nhiệm vụ của đề tài. Việc xây dựng hệ thống thí nghiệm phải đáp ứng các yêu cầu sau: - Thuận lợi cho việc chế tạo, lắp đặt, vận hành trong quá trình nghiên cứu. - Đảm bảo độ chính xác, độ tin cậy và ổn định suốt quá trình nghiên cứu thực nghiệm. - Tuyệt đối an toàn trong sử dụng. - Phù hợp với điều kiện thực tiễn ở Việt Nam, giá thành hợp lý và thuận lợi cho chuyển giao vào quá trình sản xuất. 3.1.2. Xây dựng hệ thống thí nghiệm Mô hình thí nghiệm nhƣ hình 3.1 Hệ thống MQCL Máy và dụng cụ Hệ thống đo lường 9. ệ thống xử lý và hiển thị đo lực cắt. 10. Kính hiển vi kỹ thuật số 11. Máy đo nhám 12. Thiết bị đo phụ trợ khác Hình 3.1. Mô hình hệ thống thí nghiệm ệ thống MQCL: 1. Nguồn khí nén, 2. ệ thống điều chỉnh áp suất và lưu lượng dòng khí vào, 3. Dụng cụ cắt, 4. Đầu phun MQCL, 5. Nguồn cấp dung dịch trơn nguội, 6. Chi tiết gia công, 7. Van điều chỉnh lưu lượng dung dịch, 8. Cảm biến đo lực, 9. ệ thống xử lý và hiển thị đo lực cắt, 10. Kính hiển vi kỹ thuật số, 11. Máy đo nhám bề mặt, 12. Thiết bị đo phụ trợ khác Nguyên lý làm việc: Khí nén từ nguồn cấp (1) qua van điều chỉnh và ổn định áp 50 suất (2) với nguồn khí nén có áp suất đến 8 bar cấp cho đầu phun MQCL (4). Nhờ hiệu ứng chân không do đầu phun (4) tạo ra dung dịch trơn nguội từ bình (5) qua bộ van điều chỉnh áp suất và lƣu lƣợng (7) đi vào đầu phun MQCL (4). Tại đây dòng khí lạnh trộn với dung dịch trơn nguội tạo ra dòng dung dịch lạnh dƣới dạng sƣơng mù phun vào mặt sau của dụng cụ cắt (3) trong vùng gia công. Các thành phần lực phát sinh trong quá trình cắt của dụng cụ (3) tác động lên chi tiết gia công (6) đƣợc cảm biến đo lực (8) thu nhận trong quá trình gia công. Tín hiệu đo từ cảm biến đo (8) đƣợc truyền đến hệ thống xử lý số liệu và thiết bị hiển thị (9). Kết quả quá trình gia công gồm các thông số chất lƣợng bề mặt và mòn dụng cụ cắt đƣợc đánh giá bởi kính hiển vi kỹ thuật số (10) và máy đo nhám bề mặt (11). 3.1.2.1. Hệ thống MQCL - Nguồn cung cấp khí nén (1): Có thể dùng nguồn cung cấp chung cho toàn phân xƣởng hoặc có thể sử dụng nguồn cấp cục bộ. Ở đây tác giả sử dụng nguồn cấp cục bộ là máy nén khí Puma công suất 11 HP. - Bộ điều chỉnh và ổn định áp suất và lƣu lƣợng khí nén (2): Loại MAR401 – 10A và loại MSC300 – 10A của hãng Mindman Đài Loan. - Van điều chỉnh áp suất và lƣu lƣợng dung dịch (7) đƣợc thiết kế tổ hợp trong đầu phun MQCL (4). - Đầu phun dung dịch lạnh MQCL: Đƣợc trình bày cụ thể ở phần sau. 3.1.2.2. Máy công cụ, dụng cụ cắt và vật liệu gia công 1. Máy công cụ Sử dụng trung tâm gia công đứng Mazak 530C của hãng Mazak Nhật Bản sản xuất (hình 3.2). Đây là thiết bị đáp ứng đƣợc các thông số công nghệ tin cậy trong gia công phay cứng, phù hợp với yêu cầu của đề tài luận án. 2. Dụng cụ cắt Dao phay mặt đầu Ø50 gắn mảnh hợp kim cứng (hình 3.3). Thân dao: BAP 100R – 63- 22 - 4T Mảnh dao: Mảnh hợp kim cứng phủ PVD ký hiệu APMT 1604 PDTR LT 30 của hãng LAMINA (Thụy Sỹ). Loại vật liệu dụng cụ cắt hiện tại đang đƣợc sử dụng phổ biến trong nƣớc và tính kinh tế hợp lý. 51 Hình 3.2. Trung tâm phay đứng Mazak 530C Hình 3.3. Đầu dao phay mặt đầu 3. Mẫu thí nghiệm Vật liệu gia công thép SKD11, các mẫu thí nghiệm có độ cứng sau nhiệt luyện lần lƣợt là HRC = 52; 56; 60. Kích thƣớc phôi 90 mm x 48 mm x 50 mm. Thành phần hóa học cho ở bảng 3.1. Vật liệu SKD11 sử dụng nhiều trong gia công khuôn mẫu, các chi tiết chịu mài mòn, chịu nhiệt, chịu va đập, v.v.. 52 Bảng 3.1. Thành phần hóa học thép SKD11 (Wt, %) Thành phần C Si Mn P S Cr Mo V Hàm lượng 1,4 -1,6 0,40 0,60 0,03 0,03 11,0 - 13,0 0,08 - 1,2 0,02 -0,50 3.1.2.3. Hệ thống đo lƣờng 1. Hệ thống đo lực cắt Hệ thống lực kế gồm cảm biến lực ba thành phần Kistler 9257B CHLB Đức (Gọi tắt là lực kế KISTLER 9257B hình 3.4a); hệ thống xử lý tín hiệu và điều khiển Kistler type 5233A ( ệ thống điều khiển hình 3.4b); bộ hiển thị (Máy tính cá nhân). 2. Kính hiển vi kỹ thuật số và máy đo nhám bề mặt Kính hiển vi kỹ thuật số VHX – 6000 của hãng Keyence Nhật bản (hình 3.5) và máy đo nhám bề mặt SJ – 210 của hãng Mitutoyo Nhật bản (hình 3.6). 3.1.2.4. Trang thiết bị phụ trợ Ngoài ra, trong quá trình triển khai còn sử dụng các thiết bị phụ trợ khác nhƣ máy đo độ cứng Brinen, nhiệt kế, máy rung siêu âm để tạo dung dịch nano; máy đo độ nhớt Brookfield DV2T; máy đo độ dẫn nhiệt Linseis THB-500 (hình 3.7) Trong toàn bộ hệ thống thí nghiệm trình bày ở trên, đầu phun dung dịch lạnh MQCL do tác giả nghiên cứu, chế tạo để đáp ứng yêu cầu nghiên cứu và chuyển giao vào thực tiễn sản xuất. (a) (b) Hình 3.4. Lực kế Kistler 9257B (a) và ệ thống điều khiển (b) 53 Hình 3.5. Kính hiển vi V X - 6000 Hình 3.6. Máy đo nhám Mitutoyo SJ-210 a) b) c) Hình 3.7. Máy rung siêu âm 3000868 – Ultrasons (a); máy đo độ nhớt Brookfield DV2T (b) và máy đo độ dẫn nhiệt Linseis T B-500 (c) 54 3.1.3. Nghiên cứu, chế tạo đầu phun MQCL Để có đƣợc đầu phun MQCL thì quá trình nghiên cứu, chế tạo đầu phun qua hai giai đoạn: Giai đoạn 1. Nghiên cứu, chế tạo thiết bị tạo dòng khí lạnh. Giai đoạn 2. Nghiên cứu, chế tạo đầu phun MQCL trên cơ sở tổ hợp đầu phun khí lạnh với thiết bị bôi trơn tối thiểu MQL. 3.1.3.1. Nghiên cứu, chế tạo thiết bị tạo dòng khí lạnh (Đầu phun khí lạnh) Việc tạo dòng khí lạnh thực hiện theo hiệu ứng Ranque-Hilsch [38] (Gọi tắt là hiệu ứng “ống xoáy”). Sơ đồ nguyên lý tạo dòng khí lạnh cho ở hình 3.8. Hình 3.8. Nguyên lý tạo dòng khí lạnh trong ống xoáy Ranque-Hilsch Dòng khí nén đƣợc cấp vào cửa 1 theo phƣơng tiếp tuyến với thành ống tạo nên dòng xoáy thuận 2 đi về phía cửa nóng có van điều chỉnh 4. Tại đây, dòng xoáy khí gặp van điều chỉnh 4, một phần khí nóng 3 thoát ra ngoài không khí, phần còn lại bị phản xạ tạo dòng xoáy ngƣợc về phía cửa lạnh 6. Van điều chỉnh 4 điều chỉnh sự cân bằng giữa lƣợng khí nóng thoát ra và lƣợng khí đƣợc đẩy ngƣợc lại để tạo dòng khí lạnh. Hai dòng khí nóng và lạnh này đƣợc mô tả trong mô hình ống Ranque-Hilsch (hình 3.8). Sự thay đổi nhiệt độ giữa các luồng không khí nóng và lạnh phụ thuộc các thông số đầu vào nhƣ áp suất khí nén, nhiệt độ môi trƣờng, các đặc tính hình học của ống, v.v. Nguyên lý Ranque - Hilsch ra đời từ những năm 30 của thế kỷ 20, tuy nhiên đến nay, cơ chế vật lý của việc tách nhiệt vẫn chƣa đƣợc giải quyết hoàn toàn [37], việc nghiên cứu tính toán các thông số bằng lý thuyết gặp nhiều khó khăn, hƣớng giải quyết chủ yếu vẫn nghiên cứu thực nghiệm. 55 Căn cứ yêu cầu sử dụng mà thông số ra của thiết bị có thể là dòng khí nóng hoặc dòng khí lạnh. Ở đây tác giả nghiên cứu, chế tạo thiết bị với thông số ra là dòng khí lạnh. Trên cơ sở tham khảo kết cấu và thông số kỹ thuật của hãng Seyang – Hàn Quốc nhƣ bảng 3.2, tác giả đã thiết kế kết cấu và chế tạo thành công đầu khí lạnh nhƣ hình 3.9 và 3.10 (Ký hiệu là DTNUT). Kết qua thử nghiệm cho ở bảng 3.3. Bảng 3.2. Các thông số cơ bản của đầu phun khí lạnh Vật liệu L (mm) D (mm) L/D D1 (mm) L1 (mm) L2 (mm) Áp suất(bar) 3Cr13 49 7 7 16 10 105 7÷8 Hình 3.9. Kích thước cơ bản đầu phun DTNUT Hình 3.10. Hình ảnh đầu phun DTNUT Bảng 3.3. Kết quả đo nhiệt độ đầu ra của đầu phun DTNUT Nhiệt độ vào ( o C) Nhiệt độ ra ( o C) Mức chênh nhiệt độ (oC) Áp suất dòng khí vào (Bar) Áp suất dòng khí ra (Bar) 25 ÷ 35 - 1 ÷ -5 30 ÷ 35 7 - 8 5 ÷ 6 56 3.1.3.2. Nghiên cứu, chế tạo thiết bị đầu phun MQCL Trên cơ sở đầu phun khí lạnh, tác giả nghiên cứu tổ hợp đầu phun khí lạnh với đầu phun MQL để tạo thành đầu phun MQCL. Yêu cầu đối với đầu phun dung dịch lạnh: - Tạo dòng dung dịch lạnh dạng sƣơng mù, không bị đóng tuyết đối với các loại dung dịch trơn nguội thông dụng nhƣ dầu Emulsi và các loại dầu thực vật. - Nhiệt độ dòng dung dịch lạnh 40C ÷ 100C với điều kiện nhiệt độ dòng khí nén 25 0 C ÷ 35 0 C (Điều kiện nhiệt độ môi trường). - Lƣu lƣợng 0,1 ÷ 3,3 ml/phút. - Áp suất 3 ÷ 4 bar. - Đáp ứng yêu cầu nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và đồng thời phải có kết cấu đơn giản, gọn nhẹ thuận lợi cho việc chế tạo, triển khai trong thực tiễn sản xuất. Dòng dung dịch lạnh dƣới dạng sƣơng mù đƣợc tạo ra dựa trên nguyên lý hút chân không, sơ đồ nguyên lý nhƣ hình 3.11. Trong bôi trơn làm nguội tối thiểu MQCL, để đảm bảo hiệu quả của quá trình tạo sƣơng mù và phun dung dịch vào vùng gia công hiệu quả, việc chế tạo, lắp ráp, điều chỉnh thiết bị đƣợc thuận lợi thì việc chọn vị trí và kết cấu phần buồng trộn dòng khí lạnh với dung dịch có ý nghĩa quan trọng. Nguyên lý làm việc nhƣ sau: Luồng khí lạnh đi vào cửa (2) sẽ hút khí trong ống để tạo chân không và hút dung dịch vào cửa (1). Dòng khí lạnh và dung dịch đƣợc trộn với nhau ở cửa ra (3). Dòng dung dịch lạnh dƣới dạng sƣơng mù đƣợc phun trực tiếp vào vùng gia công. Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý tạo dòng dung dịch lạnh Ƣu điểm: Vùng trộn dung dịch nằm ngay cửa ra của đầu phun nên dòng dung dịch lạnh không phải di chuyển hành trình dài trong đƣờng dẫn nên không làm giảm tổn hao, giữ đƣợc nhiệt độ dòng khí ổn định. 57 Nhƣợc điểm: - Kết cấu khi lắp chi tiết số 7 vào chi tiết số 6 phải đúng góc độ và đúng vị trí. - Mối lắp giữa chi tiết số 6 và chi tiết số 7 phải cố định sau khi lắp và không tháo ra đƣợc khi cần sữa chữa. - Không điều chỉnh đƣợc lƣợng tiết lƣu. Để khắc phục các nhƣợc điểm trên tác giả đã nghiên cứu, đề xuất cải tiến kết cấu nhƣ hình 3.12. Hình 3.12. Sơ đồ đã cải tiến tạo dung dịch lạnh Khí lạnh đi vào cửa (2) khi ra khỏi cửa (11) gặp cửa (12) có đƣờng kính lỗ lớn nên sẽ hút dung dịch từ (1) qua khe hở (9), dung dịch và khí lạnh đƣợc hòa trộn tại buồng (10) cho dòng dung dịch lạnh dƣới dạng sƣơng mù để phun trực tiếp vào vùng gia công. Ƣu điểm: Kết cấu này thuận lợi cho quá trình gia công, lắp ráp và rất dễ điều chỉnh trong quá trình sử dụng. Đây là điểm khác biệt cơ bản so với một số kết cấu của một số hãng đang bán trên thị trường, có thể nói rằng đây phần đóng góp mới của tác giả. Tổ hợp buồng trộn ở hình 3.12 với đầu lạnh DTNUT có kết cấu đầu phun dung dịch lạnh MQCL nhƣ hình 3.13 và hình ảnh sản phẩm đầu phun nhƣ hình 3.14 (Bản vẽ chế tạo và bản vẽ lắp ở phụ lục 6) Hình 3.13. Kết cấu đầu MQCL đã cải tiến 58 Hình 3.14. ình ảnh đầu MQCL đã cải tiến 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 3.2.1. Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu, đánh giá ảnh hƣởng của phƣơng pháp bôi trơn làm nguội (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. 3.2.2. Phƣơng pháp thiết kế quy hoạch thực nghiệm Sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm với thiết kế quy hoạch thí nghiệm riêng phần 2k-p, độ phân giải III. Trong đó k là số biến khảo sát, theo mô hình nghiên cứu có k = 5; p = 2. Ta có phƣơng án thiết kế . Sơ đồ thiết kế các biến thí nghiệm và các mức khảo sát ở bảng 3.4. Bảng 3.4. Các biến và mức khảo sát trong nghiệm riêng phần 2k-p TT Tên biến khảo sát Mức thấp (-1) Mức cao (+1) Thông số đánh giá 1 Loại dung dịch (x1) Em DDN 1. Các thành phần Lực cắt: Px; Py; Pz 2. Trị số Ra. 2 Phƣơng pháp BTLN (x2) MQL MQCL 3 Hạt nano (x3) Yes No 4 Áp suất dòng khí (x4 bar) 5 7 5 Lƣu lƣợng dòng khí (x5 l/ph) 150 250 Loại dung dịch Em là dung dịch vừa có tác dụng bôi trơn vừa có tác dụng làm nguôi, đƣợc sử dụng phổ biến trong gia công cắt gọt hiện nay [24, 40]. Dung dịch 59 DDN là dung dịch thân thiện với môi trƣờng, đây là loại dung dịch có khả năng bôi trơn tốt [24, 40] khi ứng dụng với MQCL sẽ cho kết quả tốt về khả năng làm nguội trong gia công cắt gọt, hơn nữa đây là loại dung dịch sẵn có trên thị trƣờng nên dễ ứng dụng vào thực tiễn sản xuất. Hạt nano MoS2 khi đƣợc đƣa vào vùng gia công bằng MQL dùng dầu hạt cải pha nồng độ từ 0,2% ÷ 1,5%, cỡ hạt 20 nm ÷ 80 nm sẽ có khả năng giảm lực cắt đến 37%, giảm nhiệt độ đến 21%, giảm mòn DCC đến 44%, tăng chất lƣợng bề mặt đến 39% so với MQL (20ml/h) [13, 18] Áp suất dòng khí nén và lƣu lƣợng dòng khí nén phù hợp để ổn định nhiệt độ làm lạnh dung dịch, độ phân ly khi đƣa dung dịch vào vùng cắt, chọn áp suốt từ 5 bar ÷ 7 bar và lƣu lƣợng 150 l/ph ÷ 250 l/ph sẽ phù hợp với đầu phun MQCL đã chế tạo, thiết bị đã chế tạo trên thị trƣơng và đảm bảo an toàn. 3.2.3. Hệ thống thí nghiệm Chọn sơ đồ gia công là phay mặt đầu nhƣ hình 3.15. Hệ thống thí nghiệm gồm máy công cụ, hệ thống MQCL, thiết bị đo lƣờng, v.v. dùng hệ thống thí nghiệm đƣợc trình bày chi tiết ở mục 3.1. Mẫu thí nghiệm: Thép SKD11, kích thƣớc 90 mm x 48 mm x 50 mm, độ cứng HRC = 56. Các thông số thay đổi cho ở Bảng 3.4. Trong đó: Hình 3.15. Sơ đồ hệ thống trang thiết bị thí nghiệm khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu 60 - Phƣơng pháp bôi trơn làm nguội (BTLN): Bôi trơn tối thiểu (MQL), bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQCL). - Dung dịch trơn nguội: Dung dịch Emulsi 5% (Em) và dầu đậu nành (DDN). - Hạt nano: Có hạt nano MoS2 (Yes), không có hạt nano (No). Kích thƣớc trung bình của hạt nano MoS2 20 x 80 nm. Cách tạo dung dịch nano: Trộn hạt nano MoS2 vào dung dịch rồi đƣa lên máy rung siêu âm 3000868 – Ultrasons rung từ 30 phút ÷ 35 phút, hỗn hợp tạo thành đƣợc gọi là dung dịch nano MoS2 (1%