nghiên cứu ảnh hưởng của loại dung dịch trơn nguội tới chất lượng bề mặt gia công khi mài tinh thép ổ lăn suj2 bằng đá mài al203 và đá cbn trên máy mài phẳng

Tính cấp thiết của đề tài Trong gia công cơ khí, gia công bằng phương pháp mài có nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp cắt gọt khác khi gia công những vật liệu chịu nhiệt, độ cứng c

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LOẠI DUNG DỊCH TRƠN NGUỘI TỚI CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG KHI MÀI TINH THÉP Ổ LĂN SUJ2 BẰNG ĐÁ AL2O3 VÀ

ĐÁ CBN TRÊN MÁY MÀI PHẲNG

ĐỖ ĐỨC TRUNG

THÁI NGUYÊN - 2010

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác Trừ các phần tham khảo đã đƣợc nêu rõ trong Luận văn

Tác giả

Đỗ Đức Trung

LỜI CẢM ƠN

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn Thầy giáo - TS Ngô Cường, người đã hướng dẫn

và giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài, tổ chức thực nghiệm đến quá trình viết và hoàn chỉnh Luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật thuộc Đại học Thái Nguyên, Ban lãnh đạo và Khoa Sau đại học của Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành bản Luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học của Viện Khoa học vật liệu

Hà Nội đã tận tình giúp đỡ trong quá trình xử lý kết quả thí nghiệm

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp

Tác giả

Đỗ Đức Trung

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

3 Đối tượng, mục đích, phương pháp và nội dung nghiên cứu 2

1.1 Nhiệt phát sinh trong quá trình cắt gọt 4 1.1.1 Các nguồn nhiệt và sự truyền nhiệt trong quá trình cắt gọt 4 1.1.2 Nhiệt cắt trong quá trình mài 4 1.2 Vai trò của dung dịch trơn nguội trong gia công cắt gọt 8

1.2.3 Tác dụng làm sạch thiết bị 9 1.2.4 Hiệu quả kinh tế của việc sử dụng dung dịch trơn nguội 9 1.3 Các đặc tính của dung dịch trơn nguội 9 1.4 Phân loại dung dịch trơn nguội 10

1.4.3 Dung dịch cắt gọt hóa học 13 1.5 Các phương pháp bôi trơn – làm nguội khi mài 15 1.5.1 Phương pháp gia công khô 15 1.5.2 Phương pháp tưới tràn 15

1.5.5 Phương pháp đưa dung dịch từ trong ra ngoài bằng cách tạo các lỗ rỗng

VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG NGHỆ TƯỚI NGUỘI

ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG KHI MÀI

LOẠI DUNG DỊCH TRƠN NGUỘI ĐẾN CHẤT LƢỢNG BỀ

MẶT GIA CÔNG KHI MÀI TINH THÉP SUJ2

3.3.1 Cấu trúc lớp kim loại bề mặt gia công 50 3.3.2 Độ nhám bề mặt gia công 54 3.3.3 Hình thái bề mặt gia công 57

Ra Sai lệch prôfin trung bình cộng m

Rz Chiều cao nhấp nhô tế vi m

Vđ Tốc độ của đá mài m/ph

De Đường kính tương đương của đá mài mm

az Chiều sâu cắt của một hạt mài mm

Sd Lượng chạy dao dọc m/ph

Ssđ Lượng chạy dao dọc khi sửa đá m/ph

tsđ Chiều sâu cắt khi sửa đá mm

 Hệ số truyền nhiệt Kcal/cm.g.độ

C

TT Bảng số Nội dung Trang

1 1.1 Phân bố nhiệt cắt khi mài 6

2 1.2 Hệ số truyền nhiệt của vật liệu phụ thuộc vào hàm lượng

4 3.1 Thành phần hóa học của thép SUJ2 47

5 3.2 Kí hiệu tương đương mác thép SUJ2 của các nước 47

6 3.3 Trị số độ nhám bề mặt gia công khi mài bằng đá Al2O3

và CBN

56

TT Hình số Nội dung Trang

1 1.1 Đồ thị bão hòa nhiệt cắt khi mài thép 12XH4A

2 1.2 Một số kiểu đá mài không liên tục 7

3 1.3 Sơ đồ tưới nguội thông dụng trên máy mài 16

4 1.4 Sơ đồ tưới nguội phối hợp ở bên ngoài bằng dung dịch

5 1.5 Kết cấu vòi phun có hai lỗ tưới nguội 17

6 1.6 Đá mài có lỗ để dẫn dung dịch trơn nguội đi qua 19

7 2.1 Sự hình thành độ nhám bề mặt mài 21

8 2.2 Sự hình thành bề mặt chi tiết mài 22

9 2.3 Rung động gây ra sóng bề mặt gia công 24

10 2.4 Sơ đồ hình học quá trình hình thành sóng khi mài

11 2.5 Ảnh SEM bề mặt mài 26

12 2.6 Ảnh hưởng của loại dung dịch trơn nguội và áp suất

tưới nguội đến độ nhám bề mặt mài 28

13 2.7 Độ nhám bề mặt khi mài bằng đá CBN với các loại

dung dịch trơn nguội khác nhau 29

14 2.8 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đến độ nhám bề mặt

15 2.9 Ảnh SEM bề mặt mài với vận tốc cắt 42 m/s, tốc độ

dung dịch trơn nguội 3,5 m/s 32

16 2.10 Ảnh SEM bề mặt mài với vận tốc cắt 42 m/s, tốc độ

dung dịch trơn nguội 10 m/s 33

17 2.11 Ảnh SEM bề mặt mài với vận tốc cắt 42 m/s, tốc độ 33

19 2.13 Ảnh SEM bề mặt mài với vận tốc cắt 104 m/s, tốc độ

dung dịch trơn nguội 10 m/s 34

20 2.14 Ảnh SEM bề mặt mài với vận tốc cắt 104 m/s, tốc độ

dung dịch trơn nguội 16 m/s 34

21 2.15 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đến lớp biến cứng

22 2.16 Ảnh hưởng của lưu lượng dung dịch đến mức độ biến

23 2.17 Ứng suất dư bề mặt mài bằng đá CBN khi sử dụng các

loại dung dịch tưới nguội và áp suất khác nhau 37

24 2.18 Ứng suất dư với các loại dung dịch trơn nguội khi mài

bằng đá CBN và Al203 38

25 2.19 Nứt do ứng suất khi mài thép không gỉ AISI 304 39

26 2.20 Ảnh SEM bề mặt mài với dung dịch nhũ tương 40

27 2.21 Ứng suất dư bề mặt mài với lưu lượng tưới nguội khác

28 2.22 Ảnh hưởng của lưu lượng dung dịch tưới nguội tới ứng

suất dư bề mặt khi mài bằng đá Al2O3 và đá CBN 41

29 2.23 Ảnh hưởng của lưu lượng dung dịch tưới nguội tới ứng

suất dư bề mặt khi mài bằng đá BWA60MVA1 42

30 2.24 Ảnh hưởng của lưu lượng tưới nguội tới nhiệt độ mài

khi mài bằng đá CBN 43

31 3.1 Cấu trúc lớp kim loại bề mặt khi mài bằng đá Al2O3 với

dung dịch trơn nguội là Emulsion 50

32 3.2 Cấu trúc lớp kim loại bề mặt khi mài bằng đá Al2O3 với 51

dung dịch trơn nguội là Tectyl cool 1290

34 3.4 Cấu trúc lớp kim loại bề mặt khi mài bằng đá Al2O3 với

dung dịch trơn nguội là Machinery coolant 51

35 3.5 Cấu trúc lớp kim loại bề mặt khi mài bằng đá CBN với

dung dịch trơn nguội là Emulsion 52

36 3.6 Cấu trúc lớp kim loại bề mặt khi mài bằng đá CBN với

dung dịch trơn nguội là Tectyl cool 1240 52

37 3.7 Cấu trúc lớp kim loại bề mặt khi mài bằng đá CBN với

dung dịch trơn nguội là Tectyl cool 1290 52

38 3.8 Cấu trúc lớp kim loại bề mặt khi mài bằng đá CBN với

dung dịch trơn nguội là Machinery coolant 53

39 3.9 Cấu trúc lớp kim loại bề mặt khi mài khô bằng đá

40 3.10 Độ nhám bề mặt khi mài bằng đá Al2O3 với dung dịch

trơn nguội là Emulsion 54

41 3.11 Độ nhám bề mặt khi mài bằng đá Al2O3 với dung dịch

trơn nguội là Tectyl cool 1240 54

42 3.12 Độ nhám bề mặt khi mài bằng đá Al2O3 với dung dịch

trơn nguội là Tectyl cool 1290 54

43 3.13 Độ nhám bề mặt khi mài bằng đá Al2O3 với dung dịch

trơn nguội là Machinery coolant 55

44 3.14 Độ nhám bề mặt khi mài bằng đá CBN với dung dịch

trơn nguội là Emulsion 55

45 3.15 Độ nhám bề mặt khi mài bằng đá CBN với dung dịch

trơn nguội là Tectyl cool 1240 55

46 3.16 Độ nhám bề mặt khi mài bằng đá CBN với dung dịch 55

48 3.18 Độ nhám bề mặt khi mài khô bằng đá CBN 56

49 3.19 Ảnh hưởng của loại dung dịch trơn nguội đến độ nhám

bề mặt gia công khi mài bằng đá Al2O3 và CBN 56

50 3.20 Ảnh SEM bề mặt khi mài bằng đá Al2O3 với dung dịch

trơn nguội là Emulsion 58

51 3.21 Ảnh SEM bề mặt khi mài bằng đá Al2O3 với dung dịch

trơn nguội là Tectyl cool 1240 58

52 3.22 Ảnh SEM bề mặt khi mài bằng đá Al2O3 với dung dịch

trơn nguội là Tectyl cool 1290 58

53 3.23 Ảnh SEM bề mặt khi mài bằng đá Al2O3 với dung dịch

trơn nguội là Machinery coolant 59

54 3.24 Ảnh SEM bề mặt khi mài bằng đá CBN với dung dịch

trơn nguội là Emulsion 59

55 3.25 Ảnh SEM bề mặt khi mài bằng đá CBN với dung dịch

trơn nguội là Tectyl cool 1240 59

56 3.26 Ảnh SEM bề mặt khi mài bằng đá CBN với dung dịch

trơn nguội là Tectyl cool 1290 60

57 3.27 Ảnh SEM bề mặt khi mài bằng đá CBN với dung dịch

trơn nguội là Machinery coolant 60

58 3.28 Ảnh SEM bề mặt khi mài khô bằng đá CBN 60

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong gia công cơ khí, gia công bằng phương pháp mài có nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp cắt gọt khác khi gia công những vật liệu chịu nhiệt, độ cứng cao, độ bền cao…và cho độ chính xác, độ nhẵn bóng bề mặt cao, vì vậy mài chiếm một vị trí quan trọng trong gia công cơ khí hiện đại

Đá mài là loại dụng cụ cắt có nhiều lưỡi cắt không liên tục đồng thời tham gia cắt, các lưỡi cắt được tạo ra bởi những hạt mài có kích thước rất nhỏ, có hình dáng rất khác nhau và phân bố lộn xộn trong chất dính kết Đa số các hạt mài có nhiều lưỡi cắt, có góc lượn ở đỉnh và có góc cắt không thuận lợi cho điều kiện cắt gọt: góc trước  thường âm và góc cắt  thường lớn hơn 900 Tốc độ cắt khi mài rất cao ( 30m/s, mài cao tốc có thể tới 120 m/s hoặc cao hơn) Do góc cắt không hợp

lý, tốc độ cắt cao nên nhiệt độ ở vùng cắt khi mài rất lớn (1000  15000C) làm thay đổi cấu trúc tế vi lớp kim loại bề mặt và giảm khả năng làm việc của chi tiết máy Ứng dụng công nghệ trơn nguội hợp lý có tác dụng lớn trong việc giảm ma sát và nhiệt cắt qua đó nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của nguyên công mài

Vật liệu CBN là liên kết hoá học của Bo (44%) với Nitơ (56%) ở dạng mạng tinh thể gần như kim cương Đá mài CBN (Cubic Boron Nitride) có độ cứng gần bằng độ cứng của kim cương nhưng độ bền nhiệt cao gấp đôi Liên Xô thí nghiệm thành công năm 1950 và được đưa vào sản xuất năm 1964 Ngoài việc dùng làm hạt mài, CBN còn được dùng làm dụng cụ cắt có lưỡi để gia công các loại thép đã tôi

Do không có sự tương tác hoá học với sắt, CBN được dùng để thay kim cương trong việc gia công các loại thép có sức bền cao và các loại hợp kim có nền là thép

Đá mài CBN được coi là loại đá mài tốt nhất ứng dụng cho việc mài thép

Thép SUJ2 thuộc nhóm thép ổ lăn và thường được dùng để chế tạo các chi tiết máy chính xác, chịu mài mòn Đây là mác thép được sử dụng khá phổ biến trong sản xuất và có ứng dụng rộng rãi công nghệ mài

Hiện nay ở Việt Nam có rất ít những nghiên cứu về mài bằng đá mài CBN

được công bố, đá mài CBN cũng chưa được sử dụng nhiều trong các nhà máy cơ khí

Xuất phát từ những đặc điểm và tình hình trên, tác giả chọn đề tài:

“ Nghiên cứu ảnh hưởng của loại dung dịch trơn nguội tới chất lượng bề mặt gia công khi mài tinh thép ổ lăn SUJ2 bằng đá Al 2 O 3 và đá CBN trên máy mài phẳng”

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Hầu hết các nguyên công mài có ứng dụng công nghệ trơn nguội Những nghiên cứu về ảnh hưởng của loại dung dịch trơn nguội đến chất lượng bề mặt gia công khi mài bằng đá CBN chưa nhiều Có khá nhiều loại dung dịch trơn nguội của các hãng khác nhau được sử dụng trong thực tế sản xuất Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần định hướng cho việc lựa chọn loại dung dịch trơn nguội hợp lý

nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật khi mài bằng đá CBN

- Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng khi mài các chi tiết máy có độ chính xác cao làm bằng thép SUJ2 (như vòng bi, trục chính máy công cụ, trục vít me bi, con lăn, đĩa ma sát …) và tham khảo khi mài các mác thép ổ lăn khác bằng đá CBN

3 Đối tượng, mục đích, phương pháp và nội dung nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là ảnh hưởng loại dung dịch trơn nguội đến chất lượng bề mặt gia công khi mài tinh thép SUJ2 bằng đá mài Al2O3 và đá CBN trên máy mài phẳng

3.2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của đề tài là:

- Chọn loại dung dịch trơn nguội hợp lý để nâng cao chất lượng bề mặt gia công khi mài tinh thép SUJ2 bằng đá mài CBN trên máy mài phẳng

- Dùng làm tài liệu tham khảo cho sản xuất, giảng dạy và học tập

3.3 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với

thực nghiệm:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết

- Tiến hành thí nghiệm và xử lý số liệu thí nghiệm

- Phân tích và đánh giá kết quả

3.4 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu của đề tài gồm:

- Nghiên cứu tổng quan về công nghệ trơn nguội trong gia công cắt gọt và gia công bằng phương pháp mài

- Nghiên cứu tổng quan về chất lượng bề mặt gia công khi mài và ảnh hưởng của công nghệ trơn nguội đến chất lượng bề mặt gia công khi mài

- Nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng của loại dung dịch trơn nguội đến chất lượng bề mặt gia công khi mài tinh thép SUJ2 bằng đá mài Al2O3 và CBN trên máy mài phẳng

Chương 1:

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRƠN NGUỘI

TRONG GIA CÔNG CẮT GỌT 1.1 Nhiệt phát sinh trong quá trình cắt gọt

1.1.1 Các nguồn nhiệt và sự truyền nhiệt trong quá trình cắt gọt

Việc tạo phoi và thoát phoi khỏi vùng cắt trong quá trình cắt gọt làm xuất

hiện một lượng nhiệt nhất định, đó là nhiệt cắt Nhiệt cắt được tạo ra bằng sự chuyển đổi từ công cắt: gần như tất cả công cần thiết trong quá trình cắt đều chuyển thành nhiệt (trừ công biến dạng đàn hồi và công kín), công chuyển thành nhiệt chiếm đến 9598% tổng công của quá trình cắt Các nguồn sinh nhiệt khi gia công bằng cắt gọt gồm [4]:

- Nhiệt sinh ra trong miền tạo phoi (do công ma sát giữa các phần tử của vật liệu gia công trong quá trình biến dạng)

- Nhiệt sinh ra trên bề mặt tiếp xúc của phoi và của mặt trước của dao (do sự truyền công của biến dạng đàn hồi và ma sát ngoài)

- Nhiệt sinh ra trên bề mặt sau tiếp xúc với mặt cắt (do sự chuyển đổi công

ma sát)

- Nhiệt sinh ra do công làm đứt phoi

Nhiệt trong quá trình cắt gọt sẽ truyền vào các môi trường sau:

- Truyền vào chi tiết gia công

- Truyền vào dụng cụ cắt

- Truyền vào phoi

- Tạo ra sự tỏa sáng

- Truyền vào chất làm nguội

Nhiệt độ cắt và quá trình truyền nhiệt ra các môi trường phụ thuộc vào các yếu tố: tính chất vật lý của vật liệu dụng cụ và chi tiết gia công, điều kiện cắt, phương pháp gia công, môi trường gia công…

1.1.2 Nhiệt cắt trong quá trình mài

Trong quá trình mài nhiệt độ phát sinh rất lớn, ở vùng tiếp xúc giữa đá và vật

mài, nhiệt độ có thể lên tới 1000  15000C Thời gian tác dụng để phát sinh nhiệt rất ngắn từ 1.10-4- đến 5.10-6 giây, sau đó nhiệt độ lại giảm xuống nhanh chóng, vì vậy gây ra rất nhiều tác động đến vật mài như thay đổi cấu trúc của lớp bề mặt, giảm độ cứng, cháy nứt, biến dạng, chứa nhiều nội lực,… Sau một thời gian mài, nhiệt độ của vùng mài đạt đến một trị số bão hòa nhiệt Người ta đã đo được thời gian bão hòa nhiệt T = 0,0120,015s Nhiều thí nghiệm cho thấy rằng sau thời gian bão hòa nhiệt thì nhiệt độ mài hầu như không tăng nữa [8]

Nhiệt độ bão hòa phụ thuộc vào vật liệu gia công, chế độ mài, công nghệ tưới nguội và điều kiện công nghệ

Hình 1.1 Đồ thị bão hòa nhiệt cắt khi mài thép 12XH4A

Qt – Nhiệt tạo ra khi mài

Q1 – Nhiệt truyền vào chi tiết gia công

Q2 – Nhiệt truyền vào đá mài

Q3 – Nhiệt truyền vào phoi

Q4 – Nhiệt tạo ra sự tỏa sáng

Q5 – Nhiệt truyền vào chất làm nguội

Khác với những phương pháp cắt gọt khác, phần lớn nhiệt tạo ra khi mài truyền vào chi tiết gia công, nhiệt tạo ra sự tỏa sáng khi mài không đáng kể, có thể

bỏ qua Nhiệt cắt khi mài phân bố vào các khu vực trong trường hợp mài khô và và mài có tưới nguội như ở bảng 1.1

Bảng 1.1 Phân bố nhiệt cắt khi mài [8]

Dạng mài Q1 (%) Q2 (%) Q3 (%) Q4 (%) Q5 (%) Mài khô

Mài có tưới nguội

0,5

5 , 0

) (

) (

c

V l p f k

 - hệ số truyền nhiệt của kim loại (Kcal/cm.g.độ)

 - trọng lượng riêng của kim loại gia công

c – nhiệt dung của kim loại mài

Mỗi loại vật liệu có hệ số truyền nhiệt khác nhau tùy thuộc vào tỷ lệ các nguyên tố hợp kim trong vật liệu Những loại thép có nhiều nguyên tố hợp kim và hàm lượng cao thì hệ số truyền nhiệt thấp (bảng 1.2) Những vật liệu này khi mài nhiệt tỏa ra chậm làm cho nhiệt độ vùng mài tăng cao, bề mặt mài dễ bị cháy và nứt

Bảng 1.2 Hệ số truyền nhiệt của vật liệu phụ thuộc vào hàm lượng hợp kim [8]

0,025 0,050 0,070 0,078 0,102

Để giảm nhiệt cắt khi mài nhằm nâng cao chất lượng bề mặt mài, có thể dùng các phương pháp chủ yếu sau đây:

- Dùng dung dịch trơn nguội và những biện pháp tưới nguội tiên tiến

- Sử dụng những loại đá mài có bề mặt làm việc không liên tục và có kết cấu đặc biệt (hình 1.2)

- Dùng những loại vật liệu mài có khả năng cắt gọt cao

- Giảm bớt chế độ mài (V, t, S)

- Sử dụng phương pháp mài phối hợp

Hình 1.2 Một số kiểu đá mài không liên tục [8]

Tùy theo vật liệu mài, dạng sản xuất và điều kiện trang bị công nghệ mà áp dụng các phương pháp giảm nhiệt độ khác nhau trong khi mài

1.2 Vai trò của dung dịch trơn nguội trong gia công cắt gọt

1.2.1 Tác dụng bôi trơn

Nhiệt phát sinh do biến dạng dẻo kim loại, do ma sát giữa phoi và bề mặt dụng cụ Biến dạng dẻo kim loại xảy ra dọc theo mặt phẳng cắt Việc giảm chiều dài mặt phẳng cắt sẽ làm giảm lượng nhiệt phát sinh Phương pháp duy nhất được biết

để làm giảm chiều dài mặt phẳng cắt đối với hình dạng đã cho của dụng cụ cắt và vật liệu gia công là giảm ma sát giữa phoi và bề mặt dụng cụ Khi sử dụng dung dịch trơn nguội, tác dụng bôi trơn của dung dịch được thấy rõ trong những khía cạnh sau:

- Giảm ma sát giữa mặt sau của phoi với mặt trước của dao

- Giảm ma sát giữa mặt sau của dao với bề mặt đang gia công

Do giảm ma sát ở mặt trước và mặt sau của dụng cụ nên lượng mòn của dụng

cụ giảm dẫn đến tuổi bền tăng

- Các phần tử của dung dịch trơn nguội bao quanh các phần tử của phoi làm cản trở sự dính, giúp phoi thoát ra khỏi khu vực cắt dễ dàng

Ngoài ra tính bôi trơn của dung dịch trơn nguội gắn liền với khả năng xâm nhập của dung dịch vào những vết nứt tế vi, làm giảm lực liên kết giữa các nguyên

tử khiến cho lớp kim loại dễ bị biến dạng dẻo và quá trình cắt được dễ dàng hơn

1.2.2 Tác dụng làm nguội

Tác dụng làm nguội của dung dịch trơn nguội bao gồm:

- Tải nhiệt ra khỏi vùng cắt dẫn đến giảm nhiệt độ trên dụng cụ cắt và trên chi tiết gia công

- Đảm bảo nhiệt độ của môi trường thấp và ổn định

- Giảm khả năng biến dạng nhiệt của chi tiết trong quá trình gia công

- Giảm mức độ biến dạng nhiệt của dụng cụ cắt do đó tăng độ chính xác gia công và nâng cao tuổi bền của dao

1.2.3 Tác dụng làm sạch thiết bị

Tác dụng làm sạch thiết bị của dung dịch trơn nguội bao gồm:

- Dòng dung dịch trơn nguội đẩy các vụn kim loại ra khỏi thiết bị (sống trượt, khe hở ở bàn máy,…) qua đó làm giảm quá trình mài mòn của thiết bị

- Làm sạch bề mặt đá mài, tăng hiệu quả cắt gọt cho đá

- Nâng cao tác dụng bảo vệ bề mặt chi tiết gia công, hạn chế rỉ sét

- Giảm lượng bụi trong khu vực gia công

Ngoài các tác dụng như trên thì dung dịch trơn nguội cũng có nhược điểm:

- Tăng ô nhiễm môi trường và có thể ảnh hưởng đến sức khỏe người lao động

- Tăng chi phí gia công và chi phí xử lý dung dịch sau khi sử dụng

1.2.4 Hiệu quả kinh tế của việc sử dụng dung dịch trơn nguội

Việc sử dụng dung dịch trơn nguội trong gia công cắt gọt có thể đưa đến các lợi ích kinh tế sau:

- Giảm chi phí dụng cụ cắt: các dụng cụ cắt mòn chậm hơn do đó tăng tuổi bền, giảm thời gian mài lại và chỉnh sửa dụng cụ cắt

- Tăng năng suất cắt gọt: do dung dịch trơn nguội làm giảm nhiệt và ma sát nên có thể sử dụng chế độ cắt gọt cao

- Giảm chi phí lao động: do dụng cụ cắt có tuổi bền lớn hơn và cần mài lại ít hơn khi sử dụng dung dịch trơn nguội, thời gian dừng máy ít hơn, giảm chi phí gia công chi tiết

- Giảm chi phí năng lượng: dung dịch trơn nguội làm giảm ma sát do đó năng lượng cần thiết cho các nguyên công cắt gọt sẽ giảm tương ứng cho phép tiết kiệm năng lượng và chi phí

1.3 Các đặc tính của dung dịch trơn nguội

Để sử dụng dung dịch trơn nguội một cách hiệu quả, dung dịch phải có các đặc tính sau [7]:

- Khả năng làm nguội tốt: để giảm nhiệt độ cắt gọt, tăng năng suất và tuổi bền dụng cụ cắt, cải thiện độ chính xác kích thước

- Chất lượng bôi trơn tốt: để tránh kim loại dính bám vào lưỡi cắt và hình thành biên tích tụ nén ép, điều này làm giảm độ bóng bề mặt gia công và tuổi bền dụng cụ cắt

- Chống rỉ sét: ngăn chặn sự rỉ sét, ăn mòn hóa học trên chi tiết gia công, trên dụng cụ cắt hoặc trên máy

- Tính ổn định (lâu dài): có tính ổn định cao trong quá trình bảo quản và sử dụng

- Chống xuống cấp: chậm xuống cấp hoặc ôi thiu khi sử dụng

- Không độc hại: không gây tác hại da tay cho công nhân vận hành máy

- Trong suốt: để người vận hành dễ dàng quan sát chi tiết trong khi gia công

- Độ nhớt tương đối thấp: để phoi và tạp chất dễ dàng lắng xuống đáy bể

- Không cháy: để tránh bốc cháy và tránh nổ

Ngoài ra dung dịch trơn nguội phải không tạo khói, không tạo thành keo lắng đọng gây tắc nghẽn hệ thống tuần hoàn dung dịch, giá thành dung dịch trơn nguội phải thỏa mãn đồng thời hiệu quả kinh tế - kỹ thuật trong từng nguyên công gia công cắt gọt cụ thể

1.4 Phân loại dung dịch trơn nguội

Dung dịch trơn nguội được phân loại theo hai chỉ tiêu [7]:

- Theo tác dụng chính của dung dịch có thể phân làm ba nhóm: nhóm có tác dụng làm lạnh (các dung dịch chất điện ly), nhóm có tác dụng làm lạnh và một phần bôi trơn (dung dịch nước xà phòng, dung dịch emulsion), nhóm có tác dụng bôi trơn

nhiệt độ làm việc để bảo vệ bề mặt và cải thiện tác động cắt [7]

1 Dầu cắt gọt hoạt động

Dầu cắt gọt hoạt động là loại làm sẫm màu dải đồng khi nhúng vào dầu trong

ba giờ ở nhiệt độ 2120F (1000C) Các loại dầu này nói chung được sử dụng khi cắt gọt thép, dầu có thể sẫm màu hoặc trong suốt Các dầu sẫm mầu thường chứa nhiều lưu huỳnh hơn loại trong suốt và thích hợp cho gia công thô Dầu cắt gọt hoạt động nói chung gồm ba nhóm:

- Nhóm I: dầu khoáng sulfua hóa chứa từ (0,5  0,8%)S, nói chung có mầu sáng hoặc trong suốt Nhóm dầu này có tính chất làm nguội, bôi trơn và chống dính tốt Chúng có tác dụng rất tốt trong cắt gọt thép các bon thấp, các vật liệu kim loại dẻo và dai Dầu khoáng sulfua hóa có tác dụng ăn mòn đồng và hợp kim đồng, do

đó không nên dùng khi gia công các loại vật liệu có chứa đồng

- Nhóm II: dầu khoáng sulfochlor hóa chứa đến 3%S và 1%Cl Nhóm dầu này ngăn cản sự hình thành biên tích tụ nén ép, cho phép kéo dài tuổi bền dụng cụ cắt Dầu khoáng sulfochlor hóa hiệu quả hơn so với dầu khoáng sulfua hóa trong cắt gọt các loại thép các bon thấp, thép hợp kim Cr-Ni Đặc biệt nhóm dầu này có giá trị cao khi cắt ren trên các loại thép mềm

- Nhóm III: hỗn hợp dầu béo sulfochlor hóa, chứa nhiều lưu huỳnh hơn các loại dầu cắt gọt khác Nhóm dầu này rất hiệu quả khi gia công với chế độ cắt lớn

- Nhóm I: dầu khoáng thuần Do có độ nhớt thấp nên nhóm dầu này có các

hệ số thấm ướt và xuyên thấu cao Chúng được dùng để gia công các loại vật liệu kim loại không chứa sắt, chẳng hạn nhôm, đồng thau, manhê,… không có yêu cầu

cao về các tính chất bôi trơn và làm nguội Nhóm dầu này thường được sử dụng khi gia công các vật liệu chứa chì và khi cắt ren trên vật liệu kim loại màu

- Nhóm II: dầu béo Nhóm dầu này trước đây được sử dụng rộng rãi nhưng ngày nay ít được sử dụng để làm dầu cắt gọt Nói chung dầu nhóm này được sử dụng cho các chế độ cắt gọt cao trên các vật liệu kim loại không chứa sắt khi mà trong trường hợp này dầu sulfua hóa có thể gây ra sự biến đổi màu ở bề mặt gia công

- Nhóm III: hỗn hợp dầu khoáng béo (kết hợp các dầu khoáng và dầu béo) tạo ra tính thấm ướt và xuyên thấu cao hơn dầu khoáng thuần Các đặc tính này cho phép tạo ra bề mặt gia công có độ bóng cao trên các vật liệu kim loại không có sắt

- Nhóm IV: hỗn hợp dầu khoáng béo sulfua hóa, được chế tạo bằng cách kết hợp sulfua với dầu béo sau đó hòa trộn với dầu khoáng Nhóm dầu này có tính bôi trơn và chống dính rất cao khi áp suất cắt gọt cao và sự rung động của dụng cụ lớn Hầu hết dầu nhóm này được sử dụng khi cắt gọt vật liệu kim loại không chứa sắt tạo

ra độ bóng bề mặt cao Chúng cũng được dùng khi gia công đồng thời vật liệu kim loại có sắt và không có sắt trên các chi tiết (chi tiết làm bằng vật liệu tổ hợp)

1.4.2 Dầu hòa tan

Dung dịch trơn nguội hiệu quả phải có tính dẫn nhiệt cao, dầu khoáng và dầu béo đều không phải là chất làm nguội tốt Nước là môi trường làm nguội tốt, tuy nhiên khi chỉ dùng nước làm dung dịch cắt gọt sẽ gây ra rỉ sét và có tác dụng bôi trơn rất thấp Bằng cách bổ xung vài phần trăm dầu hòa tan vào nước có thể làm tăng tính chống rỉ sét và chất lượng bôi trơn cùng với khả năng làm nguội của nước

Các dầu nhũ hóa hoặc hòa tan là dầu khoáng chứa chất xà phòng hóa (nhũ hóa) làm cho chúng hòa tan được vào nước, chúng được cung cấp ở dạng đậm đặc

có nồng độ cao Khi gia công với chế độ cắt gọt nhẹ và khi cần làm nguội là chính thì pha từ 1 đến 5 phần dầu đậm đặc với 100 phần nước, các hỗn hợp đặc hơn được dùng khi yêu cầu bôi trơn và chống rỉ sét là cơ bản

Dầu hòa tan được sản suất thành ba nhóm để sử dụng trong những điều kiện gia công khác nhau [7]:

- Nhóm I: dầu khoáng nhũ hóa, là loại dầu khoáng được bổ xung thêm các hợp chất khác nhau làm cho dầu hòa tan được trong nước Các dầu nhóm này có giá

rẻ, tính bôi trơn và làm nguội tốt, được sử dụng rộng rãi cho nhiều nguyên công cắt gọt

- Nhóm II: dầu béo nhũ hóa, là dầu khoáng nhũ hóa được bổ sung thêm dầu béo Các dầu nhóm này có tính bôi trơn tốt, và được dùng cho các nguyên công cắt gọt vật liệu có độ dai cao (nhôm và hợp kim nhôm)

- Nhóm III: dầu nhũ hóa chịu áp suất cao Để tăng tính bôi trơn cần thiết khi gia công các vật liệu có độ dai cao người ta cho vào nhóm dầu này lưu huỳnh, clo, phốt pho, dầu béo Dầu chịu áp suất cao nói chung được pha với nước theo tỷ lệ 1 phần dầu 20 phần nước (nồng độ 5%)

1.4.3 Dung dịch cắt gọt hóa học

Các dung dịch cắt gọt hóa học (đôi khi được gọi là dung dịch tổng hợp) đã được sử dụng rộng rãi ngay sau khi được giới thiệu vào năm 1945 Chúng là các nhũ ổn định được pha chế sẵn chứa rất ít dầu và dễ dàng hòa tan với nước

Dung dịch cắt gọt hóa học phụ thuộc vào các tác nhân hóa học về tính bôi trơn và giảm ma sát Một số loại dung dịch cắt gọt hóa học có chứa các chất bôi trơn áp suất rất cao (EP), tương tác với kim loại được gia công trong các điều kiện nhiệt và áp suất tạo ra các chất bôi trơn rắn Các dung dịch chứa chất bôi trơn EP làm giảm cả áp suất và nhiệt giữa phoi và mặt dụng cụ cắt và giảm nhiệt phát sinh

do biến dạng dẻo kim loại

Các tác nhân hóa học có trong hầu hết các loại dung dịch cắt gọt hóa học bao gồm [7]:

- Amines và nitrites để ngăn chặn sự rỉ sét

- Nitrates để ổn định các nitrites

- Phosphate và borate để làm mềm nước

- Xà bông và tác nhân thấm ướt để bôi trơn

- Các hợp chất lưu huỳnh, phốt pho và clo để bôi trơn hóa học

- Glycol tác động như những tác nhân pha trộn

Kết quả của các tác nhân hóa học bổ sung cho tính bôi trơn của nước làm cho dung dịch cắt gọt hóa học có các ưu điểm sau đây:

- Chống rỉ sét tốt

- Chống xuống cấp trong thời gian dài

- Giảm nhiệt phát sinh khi cắt gọt

- Khả năng làm nguội cao

- Ổn định lâu hơn so với dầu hòa tan

- Không cháy, không sinh khói

- Không độc hại

- Dễ tách khỏi chi tiết và phoi

- Lắng động nhanh các phoi vụn để các phoi này không tuần hoàn trong hệ thống làm nguội

- Không làm tắc nghẽn hệ thống làm nguội

Có ba nhóm dung dịch cắt gọt hóa học được sản xuất [7]:

- Nhóm I: dung dịch hòa tan chứa các chất ức chế sự oxy hóa, được dùng chủ yếu để ngăn chặn sự rỉ sét và truyền nhiệt nhanh trong các nguyên công mài Thường chúng là các dung dịch trong suốt (đôi khi có chất nhuộm màu nước) và được pha chế theo tỷ lệ 1 phần dung dịch với 50 đến 250 phần nước, tùy theo ứng dụng cụ thể Một số dung dịch hòa tan có xu hướng tạo thành các kết tủa tinh thể rắn gây hại đến sự vận hành mâm cặp, bàn trượt và các bộ phận chuyển động khác

- Nhóm II: kiểu tác nhân thấm ướt, có chứa các tác nhân cải thiện tác dụng thấm ướt của nước tạo khả năng truyền nhiệt đồng đều và chống rỉ sét tốt Ngoài ra chúng còn chứa các chất bôi trơn, chất làm mềm nước và các tác nhân chống tạo bọt Dung dịch hóa học kiểu thấm ướt rất đa dạng, có tính bôi trơn rất tốt, truyền nhiệt nhanh Chúng có thể được dùng khi gia công bằng dụng cụ cắt làm từ thép gió hoặc carbide

- Nhóm III: kiểu tác nhân thấm ướt với các chất bôi trơn PE Nhóm này tương tự kiểu thấm ướt nhưng có các phụ gia clo, sulfua hoặc phốt pho để chịu áp

suất cao hoặc các hiệu ứng bôi trơn biên Chúng được dùng trong gia công các vật liệu dẻo dai bằng dụng cụ cắt làm từ thép gió hoặc carbide

1.5 Các phương pháp bôi trơn – làm nguội khi mài

1.5.1 Phương pháp gia công khô

Gia công khô được tiến hành bằng cách phun một dòng khí với áp suất cao trực tiếp vào vùng cắt để giảm nhiệt cắt ở đá mài, chi tiết gia công và phoi Gia công khô hạn chế được ô nhiễm môi trường và giảm chi phí đối với sự tiêu hao dung dịch trơn nguội Tuy nhiên công nghệ gia công khô có những hạn chế như sau:

- Gia công khô không thực hiện được việc bôi trơn và không làm giảm được

ma sát trong quá trình cắt

- Khả năng tải nhiệt ra khỏi vùng cắt thấp hơn, do đó nhiệt độ ở vùng cắt cao

- Tuổi bền của đá mài thấp hơn so với các trường hợp cùng điều kiện gia công khi sử dụng những biện pháp tưới nguội khác

- Dễ lùa những phoi có kích thước nhỏ (bụi kim loại) vào các khe hẹp của bộ phận thiết bị Các bụi kim loại này là tác nhân làm tăng tốc độ mài mòn của các bề mặt tiếp xúc giữa các chi tiết chuyển động tương đối với nhau

1.5.2 Phương pháp tưới tràn

Bôi trơn – làm nguội theo kiểu tưới tràn là phương pháp bơm dung dịch từ bể chứa vào vùng cắt, sau đó dung dịch lại được thu hồi lọc sạch về bể chứa Phương pháp này tác động đến quá trình gia công bằng chức năng làm nguội - bôi trơn - dội rửa

Phương pháp bôi trơn – làm nguội theo kiểu tưới tràn có ưu điểm:

- Bảo vệ đá mài, giảm tác dụng xấu của nhiệt cắt

- Đảm bảo nhiệt độ của môi trường làm việc thấp và ổn định

- Tạo điều kiện vận chuyển phoi ra khỏi vùng cắt dễ dàng

Khi sử dụng phương pháp tưới tràn, thông thường người ta bố trí trên máy mài một vòi phun với một máy bơm áp suất thấp vào khoảng vài atmôtphe (hình 1.3)

Hình 1.3 Sơ đồ tưới nguội thông dụng trên máy mài [13]

Để tăng hiệu quả cấp dung dịch trơn nguội vào vùng cắt (làm tăng hiệu quả bôi trơn, làm mát vùng mài, làm sạch bề mặt đá mài, bề mặt chi tiết,…) người ta có thể bố trí thêm một vòi phun phía sau có một hoặc nhiều lỗ Nếu vòi phun sau có nhiều lỗ thì nó được lắp cố định, còn nếu có một lỗ thì phải có kết cấu lắc qua lại với những góc nhất định để phun được hết vào bề rộng của mặt đá (hình 1.4)

Hình 1.4 Sơ đồ tưới nguội phối hợp ở bên ngoài bằng dung dịch có áp lực cao [8]

Bề rộng của vòi phun phụ thuộc vào chiều rộng của đá Áp suất của vòi phía sau từ 1525 KG/cm2 là tốt nhất, với áp suất này sẽ làm sạch được các chất bẩn và phoi bám vào bề mặt làm việc của đá, tăng được khả năng cắt gọt

Kết cấu của vòi phun có ảnh hưởng nhiều đến việc làm nguội và làm sạch đá Hình 1.5 là kết cấu một loại vòi phun thông dụng có hai lỗ tưới, khoảng cách l giữa hai lỗ chọn l=3d1 (d1 là đường kính của lỗ) Một số thí nghiệm đã chọn d1 = 0,81

mm khi d2 = 7 mm, l = 2 mm Trong điều kiện dung dịch không được tinh khiết lắm (có lẫn tạp chất cơ khí) thì có thể chọn d1 = 1,52 mm Kết cấu của miệng vòi cũng phải chọn sao cho có lợi nhất về áp suất và lưu lượng chất lỏng khi qua miệng vòi

Bề dày của miệng vòi chọn theo tỷ số 4

Hình 1.5 Kết cấu vòi phun có hai lỗ tưới nguội [8]

Phương pháp tưới tràn cải thiện được chất lượng bề mặt gia công và nâng cao năng suất mài Tuy nhiên phương pháp này tốn chi phí cho việc sản xuất, tái chế và thải các chất bôi trơn – làm nguội, gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến sức khỏe người lao động, lượng dung dịch tiêu hao lớn, chi phí dọn thải lớn, tăng chi phí gia công

1.5.3 Phương pháp dùng dòng không khí lạnh

Ô nhiễm môi trường là nhược điểm lớn nhất của các loại dung dịch trơn nguội Gần đây đã có nhiều nghiên cứu về công nghệ sử dụng dòng khí lạnh có áp suất cao phun vào vùng cắt để làm nguội (the cryogenic cooling) Phương pháp này chỉ có tác dụng làm nguội mà không có tác dụng bôi trơn

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm khi mài thép không gỉ AISI304 bằng đá

Al2O3 với phương pháp tưới tràn và phương pháp dùng dòng khí lạnh cho thấy trong điều kiện mài như nhau thì phương pháp dùng dòng khí lạnh có: nhiệt cắt thấp hơn khoảng 2000C; độ nhám bề mặt gia công Ra nhỏ hơn 40%; tuổi bền của đá mài

tăng; ứng suất dư bề mặt là ứng suất nén; tăng khả năng chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt; giảm hiện tượng nứt bề mặt do ứng suất dư [15]

Như vậy trong những trường hợp cụ thể, phương pháp dùng dòng khí lạnh có những ưu điểm vượt trội so với phương pháp tưới tràn

1.5.4 Phương pháp đưa dung dịch từ trong ra ngoài theo mọi hướng qua các lỗ hổng của đá

Phương pháp tưới nguội bằng cách đưa dung dịch trơn nguội qua các lỗ hổng của đá từ trong ra ngoài qua mọi hướng do đó nâng cao hiệu quả đưa dung dịch vào vùng cắt So với phương pháp tưới tràn: độ mòn của đá giảm, độ bền của đá tăng lên 2,5 lần; năng suất mài tăng; độ nhám bề mặt gia công đạt cấp 8  9, tăng hơn phương pháp tưới tràn từ một đến hai cấp; chất lượng bề mặt được cải thiện tốt, có thể giảm được tỷ lệ cháy và nứt [8]

Tuy nhiên phương pháp này cũng có một số nhược điểm như sau:

- Không dùng được các loại đá có chất dính kết là vuncanic (cao su) và bakêlit (nhựa tổng hợp), vì các loại đá này không có lỗ rỗng, do đó chất lỏng không thể đi qua được

- Các chất bôi trơn phải tinh khiết, các tạp chất cơ khí không quá 0,05% theo trọng lượng, nếu nhiều chi tiết bẩn sẽ làm tắc những lỗ rỗng của đá Khi dùng đá hạt mịn thì tạp chất cơ khí yêu cầu thấp hơn 0,03%

- Lưu lượng dung dịch tưới nguội qua lỗ đá ít, không đáp ứng được yêu cầu làm nguội khi mài những loại vật liệu khó gia công, khi đó nhiệt độ của vùng mài cao làm giảm chất lượng bề mặt gia công

- Đá mất cân bằng trong quá trình làm việc vì các hốc của đá phân bố không đều theo thể tích làm cho việc dẫn dung dịch tưới cũng không đều theo các hướng

1.5.5 Phương pháp đưa dung dịch từ trong ra ngoài bằng cách tạo các lỗ rỗng trên đá

Khi thực hiện bôi trơn – làm nguội theo phương pháp này, tùy theo chiều dày của đá mà bố trí kích thước và số lượng lỗ cho phù hợp Những lỗ dẫn dung

dịch tưới nguội này có thể bố trí thẳng hoặc nghiêng một góc so với phương hướng kính (hình 1.6)

Phương pháp này có những ưu điểm sau [8]:

- Tốc độ của dòng dung dịch qua lỗ được tăng lên do có lực ly tâm của đá mài trong quá trình làm việc Mặt khác khi dung dịch qua lỗ rỗng tiết diện nhỏ, áp suất của nó cũng được tăng lên và có thể đạt đến vài chục atmôtphe

- Lưu lượng dung dịch trơn nguội đi vào vùng mài tăng lên và tưới nguội được kịp thời do đó nhiệt độ mài giảm, chất lượng bề mặt tăng, khắc phục được hiện tượng cháy và nứt khi mài

- Giảm được tiêu hao đá mài từ 2745%

Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là việc chế tạo đá mài phức tạp (nhất là đối với những loại đá mài nhỏ và có hình dáng phức tạp)

Hình 1.6 Đá mài có lỗ để dẫn dung dịch trơn nguội đi qua [8]

1.6 Kết luận chương 1

1 Nhiệt cắt có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của quá trình gia công cắt gọt Nhiệt cắt khi mài thường rất cao mà nguyên công mài lại thường là

nguyên công gia công tinh lần cuối nên việc nghiên cứu các biện pháp để giảm nhiệt cắt rất được quan tâm

2 Biện pháp giảm nhiệt cắt bằng công nghệ trơn – nguội hợp lý được coi là một biện pháp đơn giản và mang lại hiệu quả cao vì vậy được ứng dụng trong hầu hết các nguyên công mài

3 Có nhiều loại dung dịch trơn nguội với các đặc tính và công dụng khác nhau được sử dụng cho quá trình mài Để có cơ sở lựa chọn được loại dung dịch phù hợp với các điều kiện mài cụ thể cần thiết phải tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm

Chương 2:

CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG NGHỆ TƯỚI NGUỘI ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG KHI MÀI 2.1 Chất lượng bề mặt gia công khi mài

Mài thường được chọn là nguyên công gia công tinh lần cuối các bề mặt

vì thế chất lượng bề mặt mài có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng làm việc của chi tiết máy

Chất lượng bề mặt mài là kết quả của quá trình tương tác cơ, lý, hoá phức tạp giữa các vật liệu trong vùng gia công Các yếu tố đặc trưng cho chất lượng bề mặt mài gồm:

- Tính chất hình học của bề mặt: độ nhám, độ sóng, hình thái bề mặt gia công

- Tính chất cơ lý lớp bề mặt: ứng suất dư, cấu trúc lớp kim loại bề mặt, độ cứng bề mặt

2.1.1 Độ nhám bề mặt

Độ nhám bề mặt mài hình thành chủ yếu bởi các vết cào xước chồng lên nhau của các điểm cắt có chiều cao không bằng nhau (hình 2.1) và (hình 2.2)

Hình 2.1 Sự hình thành độ nhám bề mặt mài [8]

Khi mài bằng đá mài thường thì độ nhám trung bình của bề mặt mài Ra

= (0,15÷ 2,5) m Với đá mài CBN, sau khi chuẩn bị đá ban đầu (điều chỉnh và sửa đá), độ nhám bề mặt mài ban đầu có thể đạt mức tương đương với đá mài thông thường sửa đá lần cuối [3]

Hình 2.2 Sự hình thành bề mặt chi tiết mài [6]

Bằng cách chụp ảnh tế vi bề mặt mài, các nghiên cứu cho thấy độ nhám lý thuyết của bề mặt mài tăng lên do các hiện tượng sau [8]:

- Vật liệu bị nén giãn sang hai bên đường cắt

- Kim loại dính vào các hạt mài rồi lại dính trở lại bề mặt mài

- Các hạt mài bị vỡ làm cho quá trình cắt dừng đột ngột tạo ra vết lồi lõm trên bề mặt mài đồng thời tạo ra ứng suất tập trung

- Các vết nứt trên bề mặt mài do nhiệt mài

Các nguyên nhân làm giảm độ nhám bề mặt mài gồm:

- Biến dạng đàn hồi theo phương hướng kính của đá mài và việc chà sát đỉnh mòn của các hạt mài

- Sử dụng thành phần dung dịch trơn nguội phù hợp

- Có công nghệ tưới nguội hợp lý

Độ nhám bề mặt mài chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố [1]:

- Sự hình thành nhám bề mặt trước hết là do in dập quỹ đạo chuyển động của

các hạt mài, vết của các hạt mài tạo ra biên dạng hình học tế vi trên bề mặt gia công

Chế độ cắt ảnh hưởng tới quỹ đạo chuyển động của các hạt mài vì vậy ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt mài: tăng Sd, Vct làm tăng chiều sâu cắt az của các hạt mài, do

đó độ nhám bề mặt tăng; tăng tốc độ cắt Vđ làm tăng sự “xếp chồng” đường cắt của các hạt mài nên chiều sâu cắt a

Ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt gia công khi mài tinh thép ổ lăn SUJ2 nhiệt luyện bằng đá CBN trên máy mài phẳng có thể xác định theo công thức thực nghiệm [3]:

0 , 08 0 , 19 0 , 82

Sd - lượng chạy dao dọc (m/ph)

Ngoài ảnh hưởng trực tiếp như trên, chế độ cắt còn ảnh hưởng gián tiếp đến

độ nhám bề mặt qua các yếu tố: biến dạng đàn hồi của đá và của vật liệu gia công,

nhiệt cắt và rung động (nhiệt cắt, rung động tăng thì nhám bề mặt tăng)

- Độ hạt và chế độ sửa đá (Ssđ, tsđ) có ảnh hưởng tương tự nhau đến nhám bề mặt mài: hạt mài có kích thước lớn hơn, sửa đá thô hơn dẫn đến độ nhám bề mặt tăng

- Rung động làm tăng độ nhám bề mặt khi mài

- Mức độ biến dạng dẻo của vật liệu càng lớn thì độ nhám bề mặt càng cao: khi mài vật liệu dẻo, dai cho độ nhám bề mặt cao hơn so với mài vật liệu cứng, giòn

- Nhiệt độ ở vùng mài càng cao thì vật liệu gia công ở lớp bề mặt càng biến dạng dẻo mạnh đồng thời còn có thể gây cháy, nứt bề mặt: công nghệ tưới nguội, hệ

số truyền nhiệt của vật liệu gia công và của đá mài ảnh hưởng tới nhiệt độ ở vùng mài qua đó ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt mài

2.1.2 Độ sóng bề mặt

Rung động trong quá trình mài là nguyên nhân chủ yếu gây ra độ sóng của

bề mặt mài (hình 2.3) Nếu hệ thống công nghệ có rung động thì trên bề mặt mài sẽ hình thành sóng dọc và sóng ngang với bước sóng khác nhau (từ vài phần mười milimet đến vài milimet) Rung động trong quá trình mài chủ yếu phụ thuộc vào độ cứng vững của hệ thống công nghệ, ngoài ra còn phụ thuộc vào độ cân bằng và hiện tượng tự mài sắc của đá mài

Hình 2.3 Rung động gây ra sóng bề mặt gia công [1]

Hình 2.4 là sơ đồ hình học quá trình hình thành sóng khi mài phẳng với giả thiết đá mài tròn lý tưởng, phôi không bị sóng và lớp kim loại bề mặt không bị biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi dưới tác động của lực cắt khi mài [5]

Hình 2.4 Sơ đồ hình học quá trình hình thành sóng khi mài phẳng [5]

Từ hình 2.4 ta thấy với giả thiết đá quay đều và dịch chuyển theo phương x với vận tốc Vbàn của bàn máy thì quỹ đạo dịch chuyển của tâm đá là đường 1 Xét các đoạn có bước sóng tương ứng là L1 và L2 thì các biên độ dao động cực tiểu, cực đại tương ứng là A1 và A2, trong đó A2 > 2A1, L2 < L1

Đường 2 làprôfin của mặt gia công tạo bởi các đường sinh tức thời 3 của đá sau khi mài

Có thể đưa ra một số nhận xét sau:

- Hình dáng của sóng trên chi tiết mài (đường 2) khác nhiều so với hình dáng

sóng của dao động tâm đá (đường 1) Đây là hiệu ứng cắt lại rất đặc trưng khi mài

phẳng

- Bước sóng trên chi tiết gần bằng bước sóng của dao động tâm đá

- Bước sóng của dao động tâm đá càng bé thì ảnh hưởng của dao động tâm

đá tới chiều cao sóng bề mặt càng nhỏ

- Bước sóng của dao động tâm đá càng lớn thì ảnh hưởng của dao động tâm

đá tới chiều cao sóng bề mặt càng lớn

- Chiều cao sóng HB trên chi tiết luôn nhỏ hơn 2Ai

Phương trình mô tả prôfin của bề mặt có thể xác định thông qua đường bao hình thành bởi họ các đường tròn có bán kính R bằng bán kính của đá mài và dịch chuyển theo quỹ đạo của đường 1, phương trình có dạng [5]:

Như vậy nếu chưa xét đến ảnh hưởng của biến dạng đàn hồi của lớp kim loại

bề mặt cùng với các tác động phức tạp khác xuất hiện trong quá trình mài, có thể xác định được độ lớn lý thuyết của sóng trên bề mặt gia công sau khi mài nếu tính được quỹ đạo dao động của tâm đá mài theo thời gian

Độ sóng dọc sẽ tăng nếu lực cắt tăng Bước sóng dọc theo phương mài có thể xác định theo công thức [13]:

Cũng như các quá trình gia công cắt gọt khác, rung động trong quá trình mài gồm rung động cưỡng bức và tự rung, tuy nhiên có sự khác nhau ở chỗ tự rung trong quá trình mài lớn hơn nhiều so với rung động cưỡng bức

2.1.3 Hình thái bề mặt

Hình thái bề mặt mài (hình 2.5) được đánh giá qua các yếu tố sau:

Hình 2.5 Ảnh SEM bề mặt mài [13]

- Mức độ vật liệu bị nén giãn sang hai bên đường cắt

- Mức độ lồi lõm trên bề mặt mài do các hạt mài bị vỡ tạo ra quá trình cắt dừng đột ngột

- Mức độ nứt trên bề mặt do nhiệt mài

- Mức độ vật liệu gia công và vật liệu của các hạt mài bị vỡ dính trở lại bề mặt mài

Hiện tượng dính bám trên bề mặt gia công xảy ra do những tương tác hóa học trong vùng mài dưới điều kiện nhiệt độ và ma sát lớn, hiện tượng này phụ thuộc vào thành phần hóa học của dung dịch trơn nguội, vật liệu gia công và vật liệu hạt mài,…

2.1.4 Cấu trúc và độ cứng của lớp kim loại bề mặt

Lực cắt khi mài không lớn so với các phương pháp cắt gọt khác nhưng do tốc

độ cắt cao, góc cắt của các hạt mài không thuận lợi cho điều kiện cắt gọt, sự tham gia cắt gọt của nhiều hạt mài và sự ma sát, cào miết của các hạt mài không cắt gọt

làm cho nhiệt phát sinh trong vùng tiếp xúc giữa đá mài và chi tiết gia công rất lớn (1000 ÷ 1500oC) Nhiệt cắt khi mài lớn làm biến dạng mạng tinh thể của vật liệu Kiểm tra kim tương bề mặt mài của các loại thép đã tôi cho thấy có sự thay đổi cấu trúc, lượng ôstenit dư tăng lên chứng tỏ trong quá trình mài có sự tôi lại lần hai Sự thay đổi cấu trúc lớp bề mặt chỉ xảy ra với các loại thép đã tôi cứng còn với những loại thép chưa tôi thì cấu trúc lớp bề mặt không thay đổi Với bề mặt mài của thép

đã tôi thì lớp ngoài cùng là lớp tôi lại có độ cứng giảm đi và có cấu trúc ôstenit và mactenxit tôi, lớp tiếp theo là lớp ram lại có cấu trúc trustit và mactenxit, lớp trong

cùng có cấu trúc của lớp kim loại tôi ban đầu [1]

Trong trường hợp mài với chế độ cắt lớn, đá bị cùn thì cháy sẽ xuất hiện ở bề mặt mài làm giảm độ cứng lớp kim loại bề mặt (từ 60 ÷ 65 HRC xuống còn 45 ÷ 55 HRC) đồng thời xuất hiện vết nứt trên bề mặt mài Cháy bề mặt mài làm giảm tuổi thọ của chi tiết gia công Công suất mài tại ngưỡng cháy bề mặt có thể xác định theo công thức thực nghiệm [13]:

Nch = u0BVctt + bBDe1/4t1/4Vct1/2 (2.6)

Trong đó:

u0, b - các hệ số thực nghiệm

B - bề rộng mài

De - đường kính tương đương của đá mài

Vct, t - vận tốc chi tiết và chiều sâu mài

Vì có ảnh hưởng lớn đến chất lượng bề mặt gia công nên các biện pháp giảm nhiệt căt khi mài được đặc biệt quan tâm Từ công thức 1.2 cho thấy có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới nhiệt cắt khi mài qua đó ảnh hưởng tới cấu trúc của lớp bề mặt mài:

- Loại vật liệu gia công và vật liệu hạt mài ảnh hưởng thông qua hệ số ma sát giữa đá mài và chi tiết gia công Có thể giảm hệ số ma sát bằng cách sử dụng công nghệ tưới nguội (loại và nồng độ dung dịch, áp suất tưới, lưu lượng tưới, tốc độ tưới) hợp lý

- Chiều sâu cắt và lượng chạy dao ảnh hưởng thông qua áp lực tiếp xúc: tăng