TRANG THÔNG TIN LUẬN ÁN

Tên đề tài luận án tiến sĩ: "Nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch nano trong bôi trơn tối thiểu đến quá trình phay cứng thép 60Si2Mn"

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí                  Mã số: 9.52.01.03

Họ và tên NCS: Trần Thế Long

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Trần Minh Đức, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên

Đơn vị đào tạo: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên

NHỮNG KẾT QUẢ MỚI CỦA LUẬN ÁN

1. Trên cơ sở tổng hợp một số lý thuyết cơ bản về gia công vật liệu cứng, về cơ chế tác động của hạt nano trong vùng cắt, ảnh hưởng của loại dầu nền, loại hạt, kích thước hạt nano, chế độ bôi trơn tối thiểu (Minimum quantity lubrication-viết tắt là MQL),v.v. đến quá trình cắt và kết quả của quá trình cắt khi gia công vật liệu cứng,v.v. tác giả đưa ra được các nhận xét, các giả thuyết và lựa chọn hướng nghiên cứu cụ thể là nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của bôi trơn tối thiểu dùng dầu cắt nano (Nanofluid minimum quantity lubrication-viết tắt là NF MQL) sử dụng hạt nano ô xít nhôm Al₂O₃ và sun fít mô líp đen MoS₂ trên nền là dầu đậu nành (DĐN) và emulsion (Em) cho quá trình phay cứng thép 60Si2Mn.

2. Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm riêng phần 2^k-p với sự hỗ trợ của phần mềm Minitab 19 đã đánh giá được quy luật ảnh hưởng của loại dầu cắt nền (dầu emulsion và dầu đậu nành); loại hạt nano (Al₂O₃ và MoS₂); áp suất dòng khí (p) và lưu lượng dòng khí (Q) đến các hàm mục tiêu là nhám bề mặt R_a và lực cắt tổng hợp F_r. Kết quả cho thấy cả bốn biến khảo sát đều ảnh hưởng đến các hàm mục tiêu, trong đó mức độ ảnh hưởng đến lực cắt F_r lớn hơn so với nhám bề mặt R_a. Trên cơ sở đó, tác giả đề xuất lựa chọn nội dung nghiên cứu chính là sử dụng NF MQL với dầu cắt nano Al₂O₃ trên nền dầu đậu nành.

3. Sử dụng phương pháp thiết kế quy hoạch thí nghiệm tối ưu Box-Behnken với sự hỗ trợ của phần mềm Minitab 19 để nghiên cứu tác động của NF MQL sử dụng dầu cắt nano Al₂O₃ trên nền là DĐN đến quá trình phay cứng thép 60Si2Mn, kết quả là đã phân tích và đánh giá được:

a) Quy luật ảnh hưởng của nồng độ hạt nano, áp suất dòng khí , lưu lượng dòng khí đến hàm mục tiêu là lực cắt tổng hợp F_r, trị số nhám R_a và xác định được giá trị tối ưu. Khi tối ưu hóa (TƯH) đa mục tiêu với cả 03 biến khảo sát thì nên chọn bộ thông số: áp suất dòng khí p =5,2 bar; nồng độ hạt nano ND=1,2% và lưu lượng dòng khí Q = 250 l/ph. Nếu chọn trước giá trị lưu lượng Q=200 l/ph thì nên chọn p=6 bar và ND=0,91%.

b) Quy luật ảnh hưởng của nồng độ hạt nano và chế độ cắt đến hàm mục tiêu là lực cắt tổng hợp F_r, trị số nhám R_a để làm cơ sở cho quá trình lựa chọn nhanh các thông số trong miền tối ưu. Khi cần trị số R_a nhỏ thì nên chọn nồng độ ND=0,5 ÷ 0,55 %; với hàm mục tiêu là lực F_r thì nên chọn nồng độ ND = 1,0 ÷1,2 %; cả hai mục tiêu nên chọn vận tốc cắt V= 100 ÷ 110 m/ph; lượng chạy dao S_z=0,08 ÷ 0,12 mm/răng. Với lựa chọn này đã nâng cao được vận tốc cắt của mảnh dao từ V = 50 ÷ 55 m/phút đến V=100 ÷ 110 m/phút (tăng khoảng 200%). Khi cần trị tối ưu cho cả hai hàm mục tiêu thì chọn: nông độ hạt nano ND = 1,41 %; vận tốc cắt V = 100 m/phút; lượng chạy dao  = 0,09 mm/răng. 

c) Quy luật ảnh hưởng của nồng độ hạt nano Al₂O₃ đến quá trình cắt khi phay cứng thép Kết quả cho thấy nồng độ hạt nano có ảnh hưởng lớn đến lực cắt; mòn, tuổi bền của dụng cụ và chất lượng bề mặt gia công. Kết quả cho thấy tuổi bền của dụng cụ tăng khoảng 18,75% (từ 80 phút lên 95 phút) khi tăng nồng độ hạt nano từ 0,5% lên 1,0% và khoảng 43,8% (từ 80 phút lên 115 phút) khi tăng nồng độ hạt nano từ 0,5% lên 1,5%. Tuổi bền của dụng cụ cắt khi sử dụng dầu đậu nành với ND =1,5% tương đương với khi sử dụng dầu nền emulsi với ND = 0,5%. Kết luận này giúp có cơ sở để tiếp tục nghiên cứu, ứng dụng dầu thực vật thay thế cho dầu khoáng trong gia công vật liệu cứng nhằm đáp ứng xu thế gia công sạch, bền vững.

4. Kết quả chính và các đóng góp mới của luận án được công bố trong 04 bài quốc tế thuộc danh mục ISI và 02 chương sách thuộc NXB Intechopen. Ngoài ra, với nội dung liên quan đến hướng nghiên cứu của luận án, tác giả đã tham gia nghiên cứu và công bố được 05 bài báo quốc tế thuộc danh mục ISI/Scopus.

NHỮNG ỨNG DỤNG, KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG THỰC TIỄN

HOẶC NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN BỎ NGỎ CẦN TIẾP TỤC NGHIÊN CỨU

1. Kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng thành công để gia phay cứng một số loại căn đệm chịu mài mòn cho một số loại đầu máy diesel. Kết quả này có khả năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế sản xuất để gia công các loại vật liệu cứng nhằm thay thế một phần cho nguyên công mài qua đó sẽ góp phần nâng cao năng suất, hạ giá thành sản phẩm và thân thiện môi trường.

2. Chưa thực hiện được việc đo trực tiếp nhiệt sinh ra từ quá trình phay cứng và nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt cắt khi sử dụng chế độ NF MQL.

3. Chỉ mới nghiên cứu được hai loại hạt nano, cho hai loại dầu cắt và cho một loại vật liệu, chưa có kết quả nghiên cứu bao quát cho các loại hạt nano, sự phối hợp với các loại dầu nền khác,v.v.

4. Định hướng nghiên cứu tiếp theo: Vì đây là một hướng nghiên cứu mới, có nhiều ý nghĩa khoa học và thực tiễn nên còn rất nhiều vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu như: xây dựng hệ thống thiết bị đo trực tiếp nhiệt cắt, nghiên cứu sâu hơn về cơ chế tác động của hạt nano trong vùng cắt, ảnh hưởng của các loại hạt nano khác nhau, tổ hợp các loại hạt nano trong dầu cắt hybrid nano, v.v.

INFORMATION OF DOCTORAL DISSERTATION

Thesis title: "Research on effects of nanofluid in minimum quantity lubrication on hard milling of 60Si2Mn steel"

Specialty: Mechanical Engineering                  Code of Specialty: 9 52 01 03

PhD Student: Tran The Long

Scientific supervisor: Assoc. Prof., Dr. Tran Minh Duc, Thai Nguyen University of Technology

Training institution: Thai Nguyen University of Technology, Thai Nguyen University

NEW CONTRIBUTIONS OF THE DISSERTATION

1. Based on the literature review of some basic theories on hard machining, the acting mechanism of nanoparticles in the cutting zone, the influence of base oil type, nanoparticle type, nanoparticle size, MQL parameters , etc. on the cutting process and results of hard machining. The author proposes the suggestions, hypotheses and selected research directions of studying and evaluating the effects of NF MQL using Al₂O₃ and MoS₂ nanoparticles in the soybean and emulsion oil for hard milling of 60Si2Mn steel.

2. Using the 2^k-p factorial experimental design with the support of Minitab 19 software to evaluate the influence of the base cutting oil (Emulsion and soybean oil); types of nanoparticles (Al₂O₃ and MoS₂); air pressure (p) and air flow rate (Q) to the objective functions R_a and F_r. The results show that all four survey variables affect the objective functions, in which the influences of the survey variables on the cutting force F_r are larger than those on the surface roughness R_a. On that basis, the author proposes to choose the main research content that is to use NF MQL with Al₂O₃ soybean-based nano-cutting oil.

3. Using the Box-Behnken optimal experimental design with the support of Minitab 19 software to study the effects of NF MQL using Al₂O₃ soybean-based nano-cutting oil on hard milling of 60Si2Mn steel, the results were analyzed and evaluated as below:

a) The influence law of nanoparticle concentration, air pressure, air flow rate to the objective functions of resultant cutting force F_r, surface roughness R_a and the optimal values were determined. When multi-objective optimization is carried out with all 03 survey variables, the set of parameters should be used: p = 5.2 bar; ND=1.2% and Q = 250 l/min. If the flow rate Q=200 l/min is preselected, p=6 bar and ND=0.91% should be selected.

b) The rule of influence of the nanoparticle concentration and cutting condition on the objective functions F_r, R_a will serve as the basis for the quick selection of parameters in the optimal domain. When smaller values of R_a are needed, ND=0.5 ÷ 0.55 % should be chosen; for smaller values of cutting force F_r, ND = 1.0 ÷1.2 % should be selected; for both R_a and F_r, V= 100 ÷ 110 m/min; S_z=0.08 ÷ 0.12 mm/tooth. With this option, the cutting speed of carbide insert has been increased from V = 50 ÷ 55 m/min to V=100 ÷ 110 m/min (an increase of about 200%). When the optimal values for both objective functions areneeded, ND = 1.41 %; V = 100 m/min; S_z = 0.09 mm/tooth should be used.

c) The rule of influence of the Al₂O₃ nanoparticle concentration on the cutting process of hard milling of 60Si2Mn steel. The results show that the nanoparticle concentration has the great influences on the cutting forces; tool wear, tool life and machined surface quality. Also, the tool life increased about 18.75% (from 80 minutes to 95 minutes) when increasing the concentration of nanoparticles from 0.5% to 1.0% and about 43.8% (from 80 minutes to up to 115 minutes) when increasing ND from 0.5% to 1.5%. The tool life in case of using soybean oil with ND = 1.5% is equivalent to that in using emulsion-based oil with ND = 0.5%. This conclusion helps to provide the basis for further studies and application of vegetable oils to replace mineral oil in machining hard materials to meet the trend of clean and sustainable manufacturing.

4. The main results and new contributions of the thesis are published in 04 international articles belonging to the ISI list and 02 book chapters under Intechopen Publishing House. In addition, with the content related to the research direction of the thesis, the author has participated in the research and published 05 international articles in the list of ISI/Scopus.

APPLICATIONS, PRACTICAL APPLICABILITY AND OPEN TOPICS FOR FURTHER RESEARCH

AND DEVELOPMENT

* Applications and practical applicability:

1. Research results have been successfully applied to hard milling of some types of wear-resistant cushions for some types of Diesel locomotives. This result has wide applicability in production practice to machine hard materials to partially replace the grinding process, thereby contributing to improve the productivity, lower manufacturing costs, and protect environment.

2. It is not possible to directly measure the heat generated from the hard milling process and study the effect of cutting temperature when using the NF MQL condition.

3. Only two types of nanoparticles have been studied for two types of cutting oils and one type of material. There are no comprehensive research results for different types of nanoparticles suspended in other base oils, and so on.

4. Further research directions: This is a new research direction with many scientific and practical meanings, so there are still many issues that need to be further studied, such as: building a system of direct measurement of cutting temperature, the action mechanism of nanoparticles in the cutting zone, the effect of different types of nanoparticles, the combination of different nanoparticle types in hybrid nano cutting oil, and so on.

Nguồn: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên.