ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ VĂN CẢNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHƯƠNG PHÁP
BÔI TRƠN TÓI THIÊU ĐẾN LỰC CẮT TRONG
PHƯƠNG PHÁP TIỆN

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

Mã số: 60 52 01 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, 2018


Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Trần Anh Sơn ..........................
Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. TS. Lương Hồng Sâm
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Trương Quốc Thanh
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM, ngày 13
tháng 7 năm 2018
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. PGS. TS. Trần Doãn Sơn
2. PGS. TS. Bùi Trọng Hiếu
3. PGS. TS. Lương Hồng Sâm

Chủ tịch HĐ ThưkýHĐ uv


Ngày, tháng, năm sinh: 19/05/1990

Nơi sinh: Bắc Giang

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã số : 60520103

I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHƯƠNG PHÁP BÔI

TRƠN TỐI THIỂU ĐẾN LỰC CẮT TRONG PHƯƠNG PHÁP TIỆN
II. NHỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu lý thuyết cơ bản về phương pháp bôi trơn tối thiểu, cơ sở về gia
công cắt gọt và các mô hình biểu diễn đánh giá lực cắt trong gia công cắt gọt.
- Xây dựng được hệ thống thí nghiệm đáp ứng được yêu cầu của nghiên cứu.
- Thực nghiệm xây dựng được phương trình hồi quy đánh giá ảnh hưởng của
các thông số bôi trơn tối thiểu tới lực cắt và mối quan hệ giữa lực cắt.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/01/2018
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/6/2018
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Trần Anh Sơn

Tp. HCM, ngày 12 tháng 9 năm 2018
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
ĐÀO TẠO

TS. Trần Anh Sơn


LÊ VĂN CẢNH

HVTH: Lê Văn Cảnh

Trang 5


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS. Trần Anh Sơn

TÓM TẮT
Trong gia công cắt gọt, bôi trơn làm nguội giữ một vai trò quan trong trong việc
nâng cao độ chính xác, chất luợng bề mặt chi tiết gia công. Công nghệ bôi trơn tối
thiểu là công nghệ mới đuợc phát triển ở những thập niên gần đây và ngày càng đuợc
nghiên cứu và phát triển. Công nghệ này đang dần chứng minh hiệu quả của nó trong
vấn đề giảm chi phí sản xuất, thân thiên với môi truờng và sức khỏe của nguời vận
hành. Trong nghiên cứu này tác giả tập trung vào tìm hiểu ảnh huởng của các thông số
công nghệ bôi trơn tối thiểu tới lục cắt khi gia công tiện bán tinh thép C45. Bằng các
phuơng pháp quy hoạch thục nghiêm, tác giả xây dụng đuợc mô hình phuơng trình hồi
quy thể hiện mối quan hệ giữa các thông số bôi trơn là áp suất khí, tỉ lệ emulsive trong
dung dịch bôi trơn, góc cao (vị trí) vòi phim tới lục cắt. Căn cứ vào kết quả phân tích,
nghiên cứu chỉ ra rằng các thông số chế độ bôi trơn có ảnh huờng tới lục cắt khi tiện,
tuy nhiên tỉ trọng tuơng đối nhỏ so với các thành phần cố định (chế độ cắt). Huớng
nghiên cứu tuơng lai của nghiên cứu là khảo sát ảnh huởng tổng hợp của cả chế độ cắt
và chế độ công nghệ bôi trơn đến lục cắt, nhiệt cắt, chất luợng bề mặt để có một cái
nhìn, đánh giá tổng quan, chính xác hơn về công nghệ này.
Từ khóa: Bôi trơn tối thiểu, tiện bản tinh, vị tri vòỉ phun, lực cẳt.
ABSTRACT
In the machining process, the cooling lubricant plays an important role in


HVTH: Lê Văn Cảnh

Trang 7


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung luận văn này do chính bản thân tôi thục hiện
cùng với nhóm nghiên cứu duới sụ huớng dẫn của TS. Trần Anh Sơn. Nội dung luận
văn là trung thục và chua từng đuợc ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác.
Trừ những phần tham khảo đã ghi rõ trong nội dung luận văn.
Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định.

Nguời thục hiện

LÊ VĂN CẢNH


MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VÉ


DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

MQL (Minimum Quantity Lubrication): công nghệ bôi trơn tối thiểu. NDL (Near dry
machining): gia công gần khô
Ft, Fy:



Pn : góc

ma sát pháp tuyến.

r|: góc thoát của dòng phoi.
Cf: hằng số lực cắt.
Xpn: Vị trí hạt tiếp xúc bề mặt dụng cụ theo phương X (m) ypn: Vị trí hạt tiếp xúc bề
mặt dụng cụ theo phương Y (m) t: Thời gian
Vf: Vận tốc của hạt
p : độ nhớt tuyệt đối của hạt (Pa.s)
D : Đường kính của hạt (m)
M : Khối lượng của hạt
Vo: Độ lớn vận tốc ban đầu của hạt.
00 = góc nghiêng của đầu phun/
P: áp suất khí.
E: tỉ lệ emulsive trong nước.
A: góc cao của vòi phun.
F1: lực cắt tổng theo 3 phương ở lần thực nghiệm thứ nhất F2: lực cắt tổng theo 3
phương ở lần thực nghiệm thứ 2 Ftb: lực cắt trung bình của 2 lần thí nghiệm.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.

Tính cấp thiết của đề tài.
Trong gia công cắt gọt, vấn đề bôi trơn -tưới nguội giữ một vai trò quan trọng,

việc này không những ảnh hưởng đến chất lượng của chi tiết gia công mà còn ảnh

thường thấp hơn rất nhiều lần so với phương pháp tưới tràn.
Phương pháp gia công khô (dry machining) đã được nhiều nhà nghiên cứu quan
tâm và đã thành công trong lĩnh vực sản xuất thân thiện với môi trường. Tuy nhiên
trong thực tế, các nghiên cứu đó ít có tác dụng khi mà đòi hỏi hiệu suất gia công cao
hơn, chất lượng bề mặt tinh tốt hơn, và các điều kiện cắt khắt khe hơn đặt ra. Khi đó,
máy phải có khả năng tản nhiệt nhanh, không chất đống phoi khô nóng và không tích
lũy nhiệt ở bất kỳ khu vực nào của máy vì phoi có thể gây nên sự quá nhiệt trong máy.
Các hạt bay lơ lửng phải được hút chân không ra khỏi máy. Bộ phận dẫn hướng của
máy phải được làm kín nhằm ngăn chặn sự xâm nhập của bụi sinh ra từ phoi... Thêm
vào đó, máy gia công khô này cần có khu vực gia công được thiết kế biệt lập với
khung máy nhằm tối thiểu sự giãn nở nhiệt do khung máy tiếp xúc với phoi nóng.
Phương pháp gia công khô đòi hỏi năng lượng sử dụng cho quá trình cắt rất lớn.
Phương pháp tưới tràn truyền thống có lực cắt và nhiệt sinh ra trong quá trình cắt nhỏ
hơn so với phương pháp gia công khô. Do vậy, khi sử dụng phương pháp gia công khô
sẽ làm giảm tuổi thọ của dụng cụ cắt và chất lượng bề mặt khi gia công tinh lần cuối.
Lý do bởi vì nhiệt cắt sinh ra trong quá trình cắt nhanh chóng làm biến đổi cơ tính của
vật liệu dụng cụ, làm chúng trở nên mềm hơn, dưới tác dụng của lực cắt, ứng suất cắt,
dụng cụ bị mòn nhanh chóng, thậm chí còn có khả năng bị hư hỏng hoàn toàn, dẫn đến
ảnh hưởng đến độ chính xác của chi tiết gia công, chất lượng về mặt từ đó ảnh hưởng
tới năng suất và chi phí sản xuất.
Ở một hướng khác, bôi trơn làm nguội kiểu tưới tràn đã được nghiên cứu và ứng
dụng rộng rãi trong gia công cắt gọt do dung dịch trơn nguội nâng cao được hiệu quả
của quá trình gia công nhờ chức năng bôi trơn, làm mát và làm đẩy phoi ra khỏi vùng
gia công. Tuy nhiên, việc sử dụng dung dịch trơn nguội trong quá trình gia công hiện
nay cho thấy nhược điểm của nó là gây ô nhiễm môi trường và độc hại đối với người
lao động.
Trong một số trường hợp thì việc sử dụng dung dịch trơn nguội sẽ gây nên hiện
tượng sốc nhiệt cho lưỡi cắt của dao. Hơn nữa, phương pháp trơn nguội kiểu tưới tràn
tỏ ra hiệu quả ở chế độ cắt có vận tốc cắt tương đối nhỏ. Nhưng nó tỏ ra kém hiệu quả
khi gia công ở những dải vận tốc cắt lớn hơn, vì khi đó nhiệt cắt sinh ra rất lớn, chất


Tổng quan về các nghiên cứu ứng dụng phương pháp bôi trơn tối thiểu
Ảnh hưởng của bôi trơn tối thiểu trong quá trình tiện hợp kim thép AISI 1040 đã
được nghiên cứu bởi Dhar và các cộng sự [3]. Trong thực nghiêm của họ, các nhân tố


như: lực cắt, nhiệt cắt, hệ số co rút phoi, mòn dao, độ nhám bề mặt và độ chính xác
kích thước đã được đo đạc và giám sát để đánh giá ảnh hưởng phương pháp bôi trơn
tối thiểu với áp suất khí: 8 bar, lưu lượng chất bôi trơn 200ml/giờ, chiều sâu cắt cố
định ở 1.5mm và các bộ thông số về vận tốc cắt và lượng tiến dao khác nhau (V: 72,
94, 139 and 164 m/ph; S: 0.10, 0.13, 0.16, 0.20 mm/vg). So sánh với điều kiện gia
công khô, nhóm tác giả đã nhận thấy rằng gia công dưới điều kiện bôi trơn tối thiểu
giúp giảm lực cắt từ 5-15% và nhiệt cắt giảm từ 5-10%.
Ali và các cộng sự [2] đã tiến hành thực nghiêm tiện thép carbon trung bình để
nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp bôi trơn tối thiểu tới lực cắt, nhiệt cắt, hệ số
co rút phoi, mòn dao, độ nhám bề mặt sau đó so sánh với phương pháp gia công khô.
Quá trình gia công đã thực hiện với nhiều chế độ cắt khác nhau dưới điều kiện bôi trơn
tối thiểu được áp dụng với áp suất cao và sử dụng dầu VG-68. Kết quả thực nghiệm
chỉ ra rằng MQL chứng minh được những ưu điểm trong việc trong việc giảm lực cắt,
nhiệt cắt, mòn dụng cụ, giảm sai số kích thước đồng thời nâng cao năng suất gia công,
độ bóng bề mặt và chất lượng của sản phẩm.
Hadad và Sadeghi [4] bằng thực nghiệm tiện cứng thép hợp kim AISI 4140 dưới
điều kiện bôi trơn tối thiểu đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vị trí của vòi
phun và chế độ cắt (chiều sâu cắt, vận tốc cắt và lượng chạy dao) đến quá trình gia
công như lực cắt, nhiệt cắt và chất lượng bề mặt. Nghiên cứu này đã đưa ra mô hình
tính toán nhiệt cắt trung bình nhiệt độ cục bộ trên dụng cụ, chi tiết và phoi. Mô hình
này còn xác định được nhiệt cắt trong gia công khô và gia công tưới tràn. Ket quả cho
thấy gia công dùng MQL giảm nhiệt cắt được 350°C so với gia công khô nếu đặt vùi
phum vào góc sau, và 200°C nếu đặt ở góc trước, trong khi đó ở phương pháp tưới
tràn nhiệt độ chỉ giảm được 300°C.

tích bằng phân tích phương sai (ANOVA). Ket quả thực nghiệm và tính toán phân tích
cho thấy lượng chạy dao có ảnh hưởng lớn tới độ nhám bề mặt và so sánh với phương
pháp bôi trơn làm nguội truyền thống, phương pháp MQL cho kết quả với độ nhám
thấp hơn trên cơ sở giữ lực cắt và nhiệt cắt ở một mức hợp lý.
Ở Việt Nam Trong nước những năm gần đây, bên cạnh về năng suất gia công,
yêu cầu về gia công tinh đạt độ nhẵn bóng bề mặt có độ chính xác cao, tiết kiệm dầu
bôi trơn, giảm thiểu chất thải ô nhiễm môi trường, đang được chú ý và phát triển. Tuy
nhiên, việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu nhằm giảm lực cắt,
tăng tuổi thọ dao cắt, độ nhẵn bóng bề mặt hầu như chưa được quan tâm so với những


mặt tích cực mà phương pháp này mang lại (an toàn về vệ sinh, kinh tế và có ý nghĩa
khoa học...).
Hoàng Xuân Tứ [9] đã nghiên cứu: “Ảnh hưởng của bôi trơn tối thiểu (MQL)
đến mòn dụng cụ cẳt và nhảm bề mặt khỉ tiện tinh thép 9 CrSỈ (9XC) đã qua tôi ”
trong luận văn thạc sĩ thuộc đại học Thái Nguyên 2009. Sử dụng thành công dầu thực
vật sẵn có ở Việt Nam vào tiện cứng khi sử dụng phương pháp bôi trơn tối thiểu. Kết
quả nghiên cứu đã cho thấy hiệu quả kinh tế-kỹ thuật của phương pháp tiện tinh cứng
sử dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu so với tiện khô.
Lê Thái Sơn [10] đã nghiên cứu ảnh hưởng các thông số bôi trơn - làm nguội tối
thiểu đến quá trình tiện cứng thép 9XC. Tác giả đã quy hoạch thực nghiêm tìm được
quan hệ giữa lực cắt, độ mòn dụng cụ cắt, chiều cao nhấp nhô bề mặt chi tiết với thời
gian gia công, xác định được tuổi bền của dụng cụ trong điều kiện MQL dùng dầu lạc
để tiện cứng thép 9XC. Xây dựng được quan hệ giữa áp suất dòng khí, lượng dung
dịch tiêu hao với độ mòn, tuổi bền dụng cụ cắt và chiều cao nhấp nhô bề mặt chi tiết
gia công. Nghiên cứu này đã chỉ ra được bộ thông số lưu lượng áp lực hợp lý khi tiện
cứng thép 9XC dùng dầu lạc, lưu lượng và áp lực phun khi bôi trơn - làm nguội tối
thiểu (MQL) đến các thông số công nghệ như: Lực cắt, mòn, tuổi bền dụng cụ cắt,
chất lượng bề mặt chi tiết trong quá trình tiện cứng một lĩnh vực mới hiện nay các nhà
khoa học đang tập trung nghiên cứu để thay thế công nghệ mài trong gia công tinh.

Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của phương pháp bôi trơn -làm nguội tối thiểu
đến quá trình gia công và chất lượng sản phẩm. Trong đó các yếu tố chính thường
được tập trung nghiên cứu: lực cắt, nhiệt cắt, độ mòn và tuổi bền dụng cụ và độ nhám
bề mặt.
Nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời xác định các thông số công nghệ tối ưu của
phương pháp bôi trơn tối thiểu như lưu lượng, áp suất, và vị trí của vòi phun dựa trên
các tiêu chí về lục cắt, nhiệt cắt và chất luợng bề mặt. Đồng thời đánh giá ảnh huởng
cũng nhu mối quan hệ của các thông số trên đến các tiêu chí đó.
1.3.

Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các thông số chế độ bôi trơn tối

thiểu đến lực cắt.
Xây dựng phương trình hồi quy biểu diễn mối quan hệ giữa các yếu tố của chế
độ bôi trơn và lực cắt. Trên cơ sở đó xác định bộ thông số tối ưu cho hệ thống với chế
độ cắt đã chọn.


Đối tượng nghiên cứu là lực cắt. Trong đó các yếu tố như áp suất khí, lưu lượng
và vị trí của vòi phun sẽ được xét đến. Vật liệu của phôi được lựa chọn khảo sát là
thép C45 một mác thép khá phổ biến ở Việt Nam.
1.4.

Ý nghĩa khoa học của đề tài
Đề tài phù hợp với xu thế phát triển khoa học công nghệ trong và ngoài nước về

công nghệ gia công sạch và thân thiện với môi trường. Do đó đề tài có ý nghĩa khoa
học trong sản xuất chế tạo máy hiện đại.
Một cái nhìn khái quát chúng ta có thể thấy những nghiên cứu về bôi trơn làm


CHƯƠNG 2: cơ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.

Lý thuyết về cắt gọt kim loại
2. ỉ, ỉ. Lý thuyết tạo phoi-cơ sở về cắt gột kim loại

2.1.1.1.

Mô hình cắt trực giao.

Mặc dù trong thực tế hầu hết các quả trình cắt gọt là dạng 3 chiều và với mô hình
hình học phức tạp, tuy nhiên mô hình cắt trực giao 2D đơn giản được sử dụng để giải
thích tồng quát về hiện tượng cơ học trong cắt gọt kim loại. Trong mô hình trực giao,
vật liệu được bỏc tách bởi một dụng cụ có lưỡi cắt trực giao với phương chuyển động
tương đối giữa dao và phôi. Trên cơ sở đó, mô hình cắt xiên (3D) thực tế có thể tính
toán và đánh giá xấp xỉ bằng các phép chuyển đổi từ mô hình 2D này. Quả trình cắt
trực giao giống như một quá trình tạo hình với dụng cụ có lưỡi cắt vuông góc với vận
tốc cắt (V). Một phần phoi kim loại có bề rộng cắt (w) và chiều sâu cắt (to) bị cắt ra
khỏi phôỉ. Trong cắt trực giao, cắt được giả định là đồng nhất dọc theo cạnh cắt; do đó,
nó là một quá trình biến dạng phẳng hai chiều mà không có sự biến dạng về 2 phía của
vật liệu. Do đỏ, các lực cắt được tạo ra chỉ theo các phương của vận tốc và lượng chạy
dao (dọc trục), được gọi là lực tiếp tuyến (Ft) và lực dọc trục (Ff). Tuy nhiên, trong cắt
xiên, lưỡi cắt chính hướng với một góc nghiêng (í) và thành phần lực thứ ba xuất hiện
theo phương hướng tâm (Fr). [ 12]

b) Mô hình
a) Mô hỉnh cắt
cắt
xiên

dẻo.
Trên hình ta có thể thấy phoi trượt trên một mặt trượt mỏng hợp với bề mặt đã
gia công một góc ộ và a là gỏc trước của dao. Trong quá trình cắt dụng cụn được điều
chỉnh ở một chiều sâu cắt to nhất định trên phôi. Sau khi phoi được hình thành dọc
trên mặt trượt, chiều dày của phoi tăng lên giá trị tc lúc này ta có hệ số chiều dày phoi:
(2.1)


r.cosa
1r.sina

(2.
2)

Trong mô hình trực giao ta có góc trượt được xác định:
2.1.1.2. Phân loại phoi

ộ

Phoi được hình thành là một kết quả của quá trình biến dạng và ma sát khi cắt.
Tuỳ thuộc vào loại vật liệu gia công, các điều kiện tiến hành cắt gọt mà phoi được tạo
thành có nhiều dạng khác nhau. Như vậy một cách ngược lại, từ dạng phoi cắt ta có
thể phán đoán được vật liệu gia công và những điều kiện cắt đã thực hiện.
Trong nghiên cứu về cơ chế cắt gọt, xuất phát từ những mục đích nghiên cứu
khác nhau, đã có nhiều cách phân loại dạng phoi khác nhau. Tuy nhiên, phoi thường
được phân loại thành 4 dạng tương ứng với 2 nhóm chính.
> Nhóm phoi gãy vụn (phoi vụn)
> Nhóm phoi liên tục.
a. Phoi gẫy vụn
Thường khi cắt vật liệu dòn hoặc những vật liệu dẻo với tốc độ cắt tương đối nhỏ

ổn định, ít rung động. Nhờ vậy dễ đạt độ bóng bề mặt cao.
Trong sản xuất cần lưu ý: phoi dậy một mặt dễ gây tai nạn cho công nhân đứng
máy, mặt khác có thể cuốn vào chi tiết gây cào xước trên bề mặt đã gia công. Do vậy
khi cắt phoi ra dây cần chú ý sử dụng các cơ cấu cuốn và bẻ phoi.


> Phoi lẹo đao

Hình 2.5: Phoi cỏ lẹo đao
Nối chung khỉ cắt tạo ra phoi dây hoặc phoi liên tục thì thường xảy ra hiện
trượng: các phần tử kim ỉoạỉ của chỉ tiết gia công bị tách ra dính trên mặt trước, mặt
sau dao; dính trên mặt đang và đã gia công của chỉ tiêt. Các khôi kim loại dính như
vậy được gọi là khối lẹo dao. Hiện tượng này được gọi là khối lẹo dao. Độ cứng của
các khôi lẹo dao cao hơn nhiêu so với độ cứng bản thân vật liệu chi tiêt.
Khối lẹo dao được xuất hiện, lớn lên đến một độ lớn nào đỏ thì bị phân ra làm 3
thành phần:
- Một phần dính trên mặt đang và đã gia công của chỉ tiết.
- Một phần dính lên phoi và bị phoi mang ra ngoài.
- Một phần dính trên mặt trước và mặt sau dao, phần này lại tiếp tục lớn lên đến
một mức độ nào đó lại chia làm 3 thành phần.
Phoi lẹo dao thực chất là phoi liên tục nhưng trọng những điều kiện cắt cụ thể nó
mang thoe các khối lẹo dao (hình).
Hiện tượng lẹo dao có ảnh hưởng lổn tới quá trình cắt kim loại. Khối lẹo dao
hình thành trên đầu dao làm thay đổi ệóc trước và góc sau của dao, đồng thời nó trực
tiếp màỉ cà lên các bề mặt trực tiếp tiếp xúc với nó. Công tác nghiên cứu cắt gọt cho
thấy: các khối leo dao sinh ra, lớn lên và mặt đi một cách liên tực, gây rung động cho
quả trình cắt, do đó tạo nhấp nhô trên bề mặt đã gia công của chỉ tiết.
Nỏỉ chung, hiện tượng lẹo dao cần nên tránh khỉ cắt kim loại. Kỉnh nghiệm cho
thấy: cỗ thể giảm hoặc triệt tiêu hiện tượng lẹo dao bằng cảch giảm mức độ biến dạng
và ma sát khỉ cắt.