Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số bôi trơn làm nguội tối thiểu đến quá trình tiện cứng thép 9XC

PHẦN MỞ ĐẦU Bôi trơn - làm nguội BT-LN kiểu tưới tràn đã được sử dụng từ lâu và rất phổ biến trong công nghệ gia công cắt gọt, tuy nhiên phương pháp này đã bộc lộ nhiều nhược điểm: - Hiệ

LÊ THÁI SƠN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CÁC THÔNG SỐ

BÔI TRƠN-LÀM NGUỘI TỐI THIỂU

LÊ THÁI SƠN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CÁC THÔNG SỐ

BÔI TRƠN-LÀM NGUỘI TỐI THIỂU ĐẾN QUÁ TRÌNH TIỆN CỨNG THÉP 9XC

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Mã số: 62 52 04 01

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

LỜI CAM ĐOAN

Với danh dự của một Giảng viên Đại học, tôi xin cam đoan những nội dung trong luận án này là công trình nghiên cứu của tôi Nội dung luận án là trung thực

và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác Trừ những phần tham khảo đã ghi rõ trong nội dung luận án

LỜI CAM ƠN

Trước tiên tôi xin được bày tỏ lòng cám ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Đăng Bình là Thầy hướng dẫn khoa học thứ nhất của tôi về định hướng chiến lược và những ý kiến quý báu của Thầy trong suốt quá trình tôi làm nghiên cứu sinh, viết luận án

Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS.Trần Minh Đức Thầy hướng dẫn khoa học thứ hai của tôi về tình cảm, sự tận tình thầy dành cho tôi trong nghiên cứu, những điều kiện tốt nhất thầy dành cho các công bố của tôi, những đóng góp của thầy trong nghiên cứu và viết luận án đã giúp tôi hoàn thành luận án này

Tôi xin được cám ơn Ban giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên và cán bộ giáo viên của hai trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu

Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn đến lãnh đạo và tập thể các Thầy giáo, Cô giáo trong Bộ môn Công nghệ chế tạo máy và Khoa Cơ khí - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu

Tôi xin được cám ơn Ban lãnh đạo, cán bộ nhân viên khoa Sau đại học- Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho tôi trong quá trình làm nghiên cứu sinh

Ngày 02 tháng 02 năm 2012

NCS Lê Thái Sơn

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cám ơn ii

Mục lục iii

Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt vi

Danh mục các bảng vii

Danh mục các hình và đồ thị vii

PHẦN MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TIỆN CỨNG VÀ BÔI TRƠN– LÀM NGUỘI KHI TIỆN CỨNG 5

1.1 Quá trình hình thành phoi khi cắt kim loại 5

1.1.1 Quá trình hình thành phoi 5

1.1.2 Các dạng phoi 6

1.2 Tiện cứng và những đặc điểm cơ bản 9

1.2.1 Khái niệm, đặc điểm, phạm vi áp dụng của tiện cứng 9

1.2.2 Quá trình tạo phoi khi tiện cứng 12

1.3 Bôi trơn - làm nguội khi gia công cắt gọt 14

1.3.1 Khái niệm 14

1.3.2 Phân loại 15

1.3.3 Dung dịch bôi trơn-làm nguội khi gia công cắt gọt 18

1.4 Bôi trơn-làm nguội khi tiện cứng 22

1.5 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 24

1.5.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 24

1.5.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam 29

Kết luận chương 1 29

Chương 2: ẢNH HƯỞNG CỦA BÔI TRƠN-LÀM NGUỘI TỐI THIỂU ĐẾN QUÁ TRÌNH TIỆN CỨNG 30

2.1 Bôi trơn- làm nguội tối thiểu 30

2.1.1 Khái niệm 30

2.1.3 Các phương pháp bôi trơn – làm nguội tối thiểu 31

2.2 Ảnh hưởng của bôi trơn-làm nguội tối thiểu đến các thông số cơ bản của quá trình tiện cứng 33

2.2.1 Ảnh hưởng đến mòn và tuổi bền dụng cụ cắt 33

2.2.2 Ảnh hưởng đến nhiệt cắt 37

2.2.3 Ảnh hưởng đến lực cắt 39

2.3 Ảnh hưởng của các thông số bôi trơn – làm nguội tối thiểu đến quá trình tiện cứng 43

2.3.1 Ảnh hưởng của dung dịch bôi trơn – làm nguội đến mòn dụng cụ cắt 43

2.3.2 Ảnh hưởng cách dẫn dung dịch vào vùng cắt đến mòn dụng cụ cắt 45

2.3.3 Ảnh hưởng của khoảng cách vòi phun dến mòn dụng cụ cắt 46

2.3.4 Ảnh hưởng của áp lực dòng khí 47

2.3.5 Ảnh hưởng của dung dịch bôi trơn – làm nguội đến quá trình tiện cứng 52

2.4 Giới hạn vấn đề nghiên cứu 53

Kết luận chương 2 54

Chương 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM 56

3.1 Đặt vấn đề 56

3.2 Thiết kế và xây dựng hệ thống thí nghiệm 57

3.2.1 Mô hình thí nghiệm 57

3.2.2 Các thông số công nghệ cơ bản của hệ thống 57

3.2.3 Kiểm tra thiết bị đo lực cắt 66

Kết luận chương 3 67

Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC LOẠI DUNG DỊCH BÔI TRƠN-LÀM NGUỘI TỐI THIỂU ĐẾN HIỆU QUẢ CỦA QUÁ TRÌNH TIỆN CỨNG THÉP 9XC 68

4.1 Đặt vấn đề 68

4.2 Quá trình thí nghiệm 68

4.2.1 Trang thiết bị 68

4.2.2 Chế độ công nghệ 68

4.2.3 Xác định giá trị P và Q trong các thí nghiệm so sánh 69

4.2.4 Tiến hành thí nghiệm 69

4.3 Xử lý số liệu và thảo luận kết quả 70

4.3.1 Xử lý số liệu 70

4.3.2 Thảo luận kết quả 74

Kết luận chương 4 88

Chương 5: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP SUẤT DÒNG KHÍ VÀ LƯU LƯỢNG DUNG DỊCH TIÊU HAO ĐẾN CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG KHI TIỆN CỨNG THÉP 9XC 89

5.1 Đặt vấn đề 89

5.2 Thiết kế thí nghiệm 90

5.2.1 Dạng hàm mục tiêu 90

5.2.2 Kế hoạch thí nghiệm 92

5.3 Tiến hành thực nghiệm 94

5.3.1 Trang thiết bị 94

5.3.2 Chế độ công nghệ 94

5.3.3 Tiến hành thí nghiệm 95

5.3.4 Kết quả thí nghiệm 95

5.4 Xử lý kết quả thí nghiệm 95

5.4.1 Kết quả thí nghiệm quy hoạch 96

5.4.2 Kết quả thí nghiệm đo mòn và tuổi bền dụng cụ cắt 103

5.4.3 Thảo luận kết quả 105

Kết luận chương 5 110

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 111

1 Kết luận của Luận án 111

2 Kiến nghị 112

3 Hướng nghiên cứu tiếp theo 112

Danh mục các công trình khoa học đã đăng 113

Tài liệu tham khảo 114

Phục lục 120

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

5 Bôi trơn - làm nguội tối thiểu (Minimum

quantity lubrication)

MQL

6 Sai lệch trung bình profin bề mặt (nhấp nhô bề mặt) µm Ra

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 5.1 Phương trình hồi quy của Fz, Fy, Ra với P và Q theo thời gian cắt 102

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống phun dung dịch loại 1 31

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống phun dung dịch loại 2 32

Hình 2.4 Sự thay đổi mòn mặt sau của dao khi cắt khô và cắt có

Hình 2.6 Các vùng sinh nhiệt chủ yếu khi tiện 38

Hình 2.13 Nhiệt độ xung quanh vùng cắt khi thay đổi điều kiện BT-LN 51

Hình 3.7 Kích thước đầu phun dung dịch NOGA 60 Hình 3.8 Cảm biến dùng để đo áp suất 61

Hình 3.12 Máy đo độ cứng HH-401 của hãng Mitoyo- Nhật Bản 63 Hình 3.13 Máy đo nhấp nhô bề mặt SJ – 201 của hãng Mitoyo- Nhật Bản 64 Hình 3.14 Sơ đồ đo lực cắt 3 thành phần 64 Hình 3.15 Lực kế đo lực cắt 3 thành phần 65 Hình 3.16 Kết quả đo lực cắt để kiểm tra hệ thống đo lực 66 Hình 4.1 Quan hệ giữa B và τ khi cắt khô và thay đổi dung dịch MQL 70 Hình 4.2 Quan hệ giữa hs và τ khi cắt khô và thay đổi dung dịch MQL 71 Hình 4.3 So sánh tuổi bền của dao khi cắt khô và thay đổi dung dịch MQL 71 Hình 4.4 Quan hệ giữa Fz và τ khi cắt khô và thay đổi dung dịch MQL 72

Hình 4.5 Quan hệ giữa Fy và τ khi cắt khô và thay đổi dung dịch MQL 72 Hình 4.6 Quan hệ giữa Fx và τ khi cắt khô và thay đổi dung dịch MQL 73 Hình 4.7 Quan hệ giữa Ra và τ khi cắt khô và thay đổi dung dịch MQL 73

Hình 4.11 Kết quả phân tích EDX PYC của mũi dao khi cắt khô và cắt

Hình 5.4 Đồ thị quan hệ giữa Fz, Fy, Ra với P và Q khi t = 10 phút 96 Hình 5.5 Đồ thị quan hệ giữa Fz, Fy, Ra với P và Q khi t = 20 phút 97 Hình 5.6 Đồ thị quan hệ giữa Fz, Fy, Ra với P và Q khi t = 30 phút 98 Hình 5.7 Đồ thị quan hệ giữa Fz, Fy, Ra với P và Q khi t = 40 phút 100 Hình 5.8 Đồ thị quan hệ giữa Fz, Fy, Ra với P và Q khi t = 50 phút 101

PHẦN MỞ ĐẦU

Bôi trơn - làm nguội (BT-LN) kiểu tưới tràn đã được sử dụng từ lâu và rất phổ biến trong công nghệ gia công cắt gọt, tuy nhiên phương pháp này đã bộc lộ nhiều nhược điểm:

- Hiệu quả của quá trình BT-LN thấp;

Bản chất của MQL là sử dụng dòng khí áp lực cao trộn với thể tích dung dịch bôi trơn tối thiểu phun vào vùng cắt Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là hiệu quả của quá trình gia công cao, tiết kiệm dung dịch và thân thiện với môi trường Nhằm mục đích nghiên cứu và ứng dụng MQL vào thực tế ở Việt Nam tác giả

chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số bôi trơn - làm nguội tối thiểu

đến quá trình tiện cứng thép 9XC”

1 Giới hạn vấn đề nghiên cứu

MQL có thể được sử dụng cho tất cả các phương pháp gia công cắt gọt, tuy nhiên trong đề tài này, tác giả chỉ tập trung nghiên cứu ứng dụng MQL vào tiện cứng bởi các lý do:

- Tiện cứng là phương pháp gia công tinh được ứng dụng khá phổ biến hiện nay;

- BT-LN tưới tràn cho tiện cứng không hiệu quả nên tiện cứng thường được thực hiện không có bôi trơn-làm nguội (gia công khô);

- Sử dụng dầu thực vật sẵn có ở Việt Nam vào MQL khi tiện cứng thép 9XC nếu thành công nội dung nghiên cứu sẽ có ý nghĩa khoa học và thực tiễn to lớn

2 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là quá trình tiện cứng thép 9XC sử dụng MQL dùng dầu lạc

3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu so sánh, đánh giá hiệu quả của MQL và gia công khô khi tiện cứng thép 9XC thông qua các chỉ tiêu:

+ Mòn dụng cụ và bản chất vật lý trong vùng cắt của quá trình tạo phoi;

+ Lực cắt;

+ Chất lượng bề mặt gia công

- Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất dòng khí, lưu lượng của dung dịch trơn nguội đến một số thông số của quá trình tiện cứng như: mòn dụng cụ, lực cắt, chất lượng bề mặt sau gia công

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm;

+ Nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp và phân tích các kết quả nghiên cứu trong

và ngoài nước, lựa chọn vấn đề nghiên cứu, đưa ra các giả thuyết khoa học;

+ Nghiên cứu thực nghiệm: Đánh giá, kiểm nghiệm các giả thuyết, khoa học, xây dựng các mô hình toán học, mô tả quan hệ giữa các đại lượng đặc trưng của quá trình tiện cứng như lực cắt, lượng mòn dao, chiều cao nhấp nhô bề mặt của chi tiết gia công với các thông số công nghệ của MQL dùng dầu lạc

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

- Ý nghĩa khoa hoc

+ Góp phần làm phong phú thêm lý luận khoa học về cơ sở vật lý của quá trình cắt kim loại, đặc biệt là quá trình tiện cứng;

+ Chứng minh được đặc tính BT-LN tốt của dầu lạc (một loại dầu thực vật của Việt Nam) ứng dụng trong cắt kim loại

- Ý nghĩa thực tiễn

+ Xây dựng được tài liệu công nghệ hướng dẫn trực tiếp cho thực tiễn sản xuất;

+ Ứng dụng trực tiếp vào quá trình sản xuất ở một số cơ sở;

+ Dễ triển khai thực hiện, mang lại hiệu quả kinh tế-kỹ thuật và hiệu quả bảo

vệ môi trường cao

6 Mục tiêu của Luận án

- Nghiên cứu để khẳng định MQL khi tiện cứng có nhiều ưu điểm so với gia công khô và gia công có bôi trơn- làm nguội tưới tràn;

- Chứng minh ưu điểm nổi trội của dầu lạc so với các loại dầu thực vật khác và

so với emulsion khi dùng MQL cho quá trình gia công cắt gọt;

- Nghiên cứu nhằm góp phần tạo ra được công nghệ sạch trong gia công cắt gọt;

- Lựa chọn được bộ thông số lưu lượng và áp lực hợp lý cho quá trình tiện cứng thép 9XC;

- Xây dựng hệ thống MQL sử dụng hiệu quả tin cậy trong nghiên cứu khoa học và chuyển giao để ứng dụng trong thực tế

7 Kết cấu của luận án

Ngoài lời nói đầu và phần kết luận chung Luận án được chia làm 5 Chương

Chương 1: Tổng quan về tiện cứng và bôi trơn - làm nguội khi tiện cứng

Nghiên cứu lý thuyết cơ bản về gia công cắt gọt, về tiện cứng và BT-LN khi tiện cứng, khái quát các hướng nghiên cứu, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước từ đó định hướng và xác định nội dung đề tài nghiên cứu

Chương 2: Ảnh hưởng của MQL đến quá trình tiện cứng

Nghiên cứu lý thuyết về MQL, ảnh hưởng của nó đến quá trình tiện cứng Giới hạn được vấn đề nghiên cứu, cơ sở lý thuyết các giả thuyết khoa học, các nghiên cứu lý thuyết và các phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Xây dựng hệ thống thí nghiệm

Đã xây dựng hệ thống thí nghiệm, kết nối các thiết bị đo, đảm bảo các yêu cầu đặt ra, cập nhật được các thông tin chính xác

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các loại dung dịch bôi

trơn-làm nguội tối thiểu đến hiệu quả của quá trình tiện cứng thép 9XC

Đã tập trung làm các thí nghiệm so sánh giữa công nghệ gia công khô với công nghệ MQL, các loại dung dịch sử dụng MQL từ đó rút ra ưu, nhược điểm của dầu lạc so với các loại dầu công nghiệp đang dùng BT- LN phổ biến hiện nay

Chương 5: Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất dòng khí và lượng dung dịch

tiêu hao đến các đại lượng đặc trưng khi tiện cứng thép 9XC

Nghiên cứu thực nghiệm, xử lý các số liệu thí nghiệm, thảo luận kết quả nghiên cứu, đưa ra các kết luận

Phần kết luận chung và hướng nghiên cứu tiếp theo

Hình1.1: Quá trình hình thành phoi [4]

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ TIỆN CỨNG VÀ BÔI TRƠN– LÀM NGUỘI KHI

TIỆN CỨNG 1.1 Quá trình hình thành phoi khi cắt kim loại

1.1.1 Quá trình hình thành phoi

Quá trình cắt kim loại thực chất là sử dụng dụng cụ hình chêm để hớt đi một lớp kim loại từ phôi Lực tác dụng sinh ra do sự tương tác giữa dụng cụ cắt và phôi, đối với phương pháp tiện thì sự tương tác đó là chuyển động quay của vật gia công

và sự cản trở lại chuyển động quay của dụng cụ cắt Như vậy, lực tác dụng phải đủ lớn để tạo ra trong kim loại bị cắt một ứng suất lớn hơn sức bền của vật liệu gia công (khả năng liên kết giữa các tinh thể kim loại), đồng thời phải thắng được lực cản do ma sát trong quá trình gia công bao gồm:

- Ma sát giữa các tinh thể kim loại khi trượt lên nhau;

- Ma sát giữa phoi và mặt trước của dao trong quá trình tạo phoi;

- Ma sát giữa bề mặt đã gia công với mặt sau của dao

Quá trình hình thành phoi đã được nhiều tác giả như: Trent, Wright [29], Nakayama và các đồng nghiệp [41], Latưsev [58], nghiên cứu với nhiều cách tiếp cận khác nhau Tất cả các nghiên cứu đó đều kết luận rằng khi chịu tác dụng của lực, kim loại bị biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo rồi biến dạng phá huỷ

Khi quá trình cắt xảy ra, trước tiên là các tinh thể kim loại bị dồn ép (nén), khi lực tác dụng vượt quá giới hạn bền của vật liệu thì các tinh thể kim loại bị trượt lên nhau và tách ra khỏi vật gia công tạo thành phoi Quá trình biến dạng đó xảy ra trong một vùng mà ta có thể gọi là vùng tạo phoi (giới hạn bởi đường cong OA, OE, hình 1.1) [4] Trong vùng này có những mặt trượt OA, OB, OC, OD, OE Vật liệu gia công trượt theo những mặt đó, các tinh thể kim loại bị xếp chồng lên nhau Tuỳ theo cấu trúc của vật liệu gia công, chế độ cắt mà có thể tạo ra phoi vụn, phoi xếp hay phoi dây

Như vậy, kết quả của biến dạng kim loại là tách ra khỏi phôi một phần vật liệu, phần còn lại chính là chi tiết gia công Tuy nhiên, do vùng biến dạng của kim loại xảy ra ở cả phần vật liệu giữ lại (phía dưới điểm O) nên bề mặt chi tiết sau khi gia công có tính chất khác hẳn trước khi gia công và thường có độ cứng cao hơn Hiện tượng đó chính là hiện tượng biến cứng lớp bề mặt Ngoài ra trong vùng cắt còn có rất nhiều hiện tượng vật lý khác xảy ra mà ta sẽ nghiên cứu cụ thể ở các phần sau

1.1.2 Các dạng phoi

Tuỳ thuộc vào vật liệu gia công và chế độ cắt có thể nhận được các dạng phoi sau:

- Phoi vụn: Là phoi tồn tại ở dạng hạt, thường nhận được khi gia công vật liệu

có tính dẻo thấp như gang, đồng thau, hình 1.2a

Hình 1.2: Các loại phoi [4]

Quá trình biến dạng của vật liệu trong vùng cắt thường không qua giai đoạn biến dạng dẻo (vì các vật liệu đó có tính dẻo rất thấp)

Khi cắt tạo thành phoi vụn thì có một số đặc điểm như: Chiều cao nhấp nhô bề mặt không cao, tính chất lớp bề mặt ít thay đổi, lực cắt không ổn định, ít gây mất an toàn [4]

- Phoi xếp: Là phoi tồn tại ở dạng đoạn ngắn, mặt dưới của phoi (mặt tiếp xúc với mặt trước của dao) nhẵn, mặt trên xù xì như răng cưa Dạng phoi này thường có khi gia công vật liệu dẻo như thép có lượng các bon thấp, được gia công với chiều dày cắt lớn, vận tốc cắt không cao, hình 1.2b

Khi cắt tạo thành phoi xếp có một số đặc điểm: Chiều cao nhấp nhô bề mặt không cao lắm, bề mặt chi tiết gia công bị biến dạng dẻo nên có tính chất cơ lý khác một ít so với tính chất của vật liệu gia công Phoi xếp thu được sau khi gia công thép, có độ cứng cao hơn độ cứng của vật liệu gia công từ 2÷3 lần Điều đó chứng

tỏ vật liệu đã được hoá bền ở mức độ cao

- Phoi dây: Là phoi tồn tại ở dạng dây dài, bề dày không lớn Tuỳ theo vật liệu gia công, hình dáng hình học đầu dao và chế độ công nghệ mà phoi tồn tại ở dạng dây dài hay xoắn lò xo Dạng phoi này thường có khi gia công vật liệu có tính dẻo với tốc độ cắt cao, hình 1.2c

Khi cắt hình thành phoi dây có đặc điểm: Chiều cao nhấp nhô bề mặt gia công cao, lực cắt đơn vị nhỏ và ít thay đổi Tuy nhiên cần chú ý tìm biện pháp bẻ phoi vì phoi dây đặc biệt là dây dài rất dễ gây mất an toàn [1]

Khi gia công các vật liệu có tính dẻo cao như thép và nhôm, trên mặt trước của dao (ngay gần mũi dao) thường xuất hiện những lớp kim loại có cấu trúc khác hẳn

so với cấu trúc của phoi và vật liệu gia công Lớp kim loại này bám rất chắc vào dao

và tham gia cắt gọt như một mũi dao vì nó có độ cứng rất cao Hiện tượng này còn được gọi là hiện tượng lẹo dao (built up edge) Hiện tượng lẹo dao được phân tích xem xét dưới nhiều góc độ khác nhau nhưng đều có điểm thống nhất chung về nguyên lý hình thành Khi cắt, do nhiệt phát sinh nên một lớp mỏng kim loại nằm giữa mặt trước của dao và mặt dưới của phoi bị nóng chảy; lớp kim loại này hầu hết chuyển động theo phoi ra ngoài.Tuy nhiên, do bề mặt dao không tuyệt đối nhẵn nên

có lực ma sát cản trở chuyển động đó làm cho nó di chuyển chậm lại và trong một điều kiện nhất định, khi lực cản lớn hơn lực liên kết giữa lớp kim loại đó với phoi

thì nó bị giữ lại bám rất chắc vào mũi dao gây ra hiện tượng lẹo dao [4] Chiều cao của lớp kim loại bám trên bề mặt càng ngày càng lớn nhưng nó không tồn tại mãi

mà đến một lúc nào đó nó lại bị cuốn theo phoi ra ngoài, tiếp tục hình thành lớp kim loại bám tiếp theo

Hiện tượng lẹo dao hình thành trong quá trình cắt có ưu điểm bảo vệ đầu mũi dao và làm tăng khả năng thoát phoi (do góc trước của dao được tăng lên) Tuy nhiên, sự xuất hiện lẹo dao lúc gia công có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình gia công

và chất lượng bề mặt chi tiết Lẹo dao làm thay đổi các thông số hình học của dụng

cụ cắt (góc cắt) do đó làm tăng lực cắt Lực cắt thay đổi, kéo theo các ảnh hưởng khác như tăng nhiệt cắt và rung động Lẹo dao làm cho vị trí điểm cắt của dao so với tâm chi tiết bị thay đổi gây nên sai số gia công một lượng là ∆R hình 1.3 Do đó, mọi biện pháp để hạn chế sự xuất hiện của lẹo dao khi gia công tinh sẽ là yếu tố rất quan trọng nhằm nâng cao chất lượng chi tiết gia công Để làm được vấn đề này ta cần phải biết một số điều kiện cơ bản để có thể hình thành lẹo dao như sau:

- Dễ xảy ra khi gia công vật liệu có tính dẻo như thép, nhôm Tính dẻo của vật liệu càng cao thì càng dễ hình thành và chiều cao hld càng lớn

do ma sát giữa dao và lớp kim loại không thắng được lực liên kết giữa lớp kim loại

Hình 1.3: Hiện tượng lẹo dao [4]

đó với phoi Chỉ khi cắt với tốc độ cắt trung bình (khoảng 20 đến 40 m/phút) thì dễ hình thành lẹo dao nhất [6]

- Chiều sâu cắt: Chiều sâu cắt càng lớn thì tốc độ hình thành lẹo dao càng thấp nhưng chiều cao lớp kim loại bám trên dao càng lớn

- Góc trước của dao và độ nhẵn mặt trước của dao: Góc trước của dao càng lớn thì càng khó hình thành lớp kim loại bám trên dao vì khả năng thâm nhập của dao vào vùng cắt dễ, sự biến dạng của kim loại giảm nên việc xuất hiện lớp kim loại chảy lỏng không nhiều Mặt khác, ta đã biết một điều kiện quan trọng để có hiện tượng lẹo dao là lực ma sát giữa phoi và mặt trước của dao phải thắng lực liên kết

trong kim loại và lực ra phoi

1.2 Tiện cứng và những đặc điểm cơ bản

1.2.1 Khái niệm, đặc điểm, phạm vi áp dụng của tiện cứng

a Khái niệm

Tiện cứng là phương pháp tiện sử dụng các loại dụng cụ cắt có độ cứng cao và

có các đặc tính kỹ thuật tiên tiến để gia công những loại vật liệu có độ cứng cao

(trên 45HRC)

b Đặc điểm

Trước đây, những chi tiết như vòng bi, ổ lăn, vòi phun và những chi tiết của hệ thống thủy lực sau khi nhiệt luyện phải qua công đoạn mài, khôn Những công đoạn này thiếu tính linh hoạt và tốn nhiều thời gian Một hạn chế nữa là chi phí cho dung dịch trơn nguội của các công đoạn mài khá cao Những lý do trên làm tăng chi phí cho các công đoạn gia công chính xác Mặt khác, chất thải khi mài gây ô nhiễm môi trường, thúc đẩy các nhà sản xuất loại dần khâu mài trong quy trình công nghệ gia công chi tiết Tiện cứng thường sử dụng dao bằng vật liệu siêu cứng CBN (Cubic Boron Nitride), PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride), hoặc ceramic tổng hợp Mảnh CBN dạng thiêu kết thường dùng ở dạng vật liệu hỗn hợp của Nitrit Bo

lập phương đa tinh thể (PCBN) PCBN có thể được tổng hợp trực tiếp từ HBN (Hexagonal Boron Nitride), hoặc CBN

Hình 1.4: Hình ảnh quá trình tiện cứng

Khi tổng hợp từ CBN yêu cầu áp suất nhỏ và nhiệt độ dưới 1200oC vì ở nhiệt

độ cao hơn cần phải xem xét khuynh hướng chuyển hóa sang HBN Cấu trúc đồng đều của PCBN đã khắc phục được các nhược điểm của CBN đơn tinh thể như tính

có thớ và dị hướng Vật liệu dụng cụ cắt PCBN là sự kết hợp giữa các hạt CBN với chất kết dính được thiêu kết ở nhiệt độ 1200oC và áp suất 5,5 GPa Thành phần PCBN có thể bao gồm các hạt CBN với kích thước (1÷30 µm tùy yêu cầu về mật độ) phân bố trong một chất nền chứa carbide kim loại, nitrit hoặc ôxít CBN thường liên kết chặt chẽ với những hợp chất cơ sở Ti như TiCN Có một vài chất khác được thêm vào để tăng tốc độ thiêu kết và kết hợp với Oxy dư trong quá trình xử lý ở nhiệt độ và áp suất cao Đặc tính của vật liệu PCBN phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng CBN, thành phần chất dính kết và kích cỡ hạt Hàm lượng CBN trong PCBN thay đổi phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể Khi tiện cứng, nếu cắt với tốc độ thấp hơn tốc độ giới hạn, tốc độ mòn dao lớn, tuổi bền dụng cụ giảm mạnh, mảnh CBN sẽ mòn nhanh chóng và hư hỏng Nhiệt sinh ra trong vùng cắt gọt khi tiện cứng khá cao, có thể lên đến 950oC [18] Do đó, nếu không dùng dung dịch trơn nguội trong gia công, bề mặt đã gia công có thể bị biến dạng Cấu trúc mạng tinh thể của lớp bề mặt bị thay đổi và tồn tại ứng suất dư kéo trên lớp bề mặt

c Phạm vi áp dụng

Tiện cứng có nhiều lợi thế so với mài vì tính linh hoạt của nó, lợi thế đáng kể nhất của tiện cứng là có thể dùng cùng một dụng cụ mà vẫn gia công được nhiều chi

tiết có hình dáng khác nhau bằng cách thay đổi đường chạy dao [17] Trong khi đó muốn mài được hình dạng chi tiết khác nhau thì phải sửa lại đá hoặc thay đá khác Đặc biệt tiện cứng có thể gia công được biên dạng phức tạp mà mài khó có thể thực

hiện được Mảnh PCBN được sử dụng rộng rãi trong gia công thép hợp kim và các

vật liệu khó gia công Vật liệu PCBN với hàm lượng CBN thấp (khoảng 50 %) có thể sử dụng để gia công các loại thép tôi và thép ổ lăn trong khi vật liệu với hàm lượng CBN cao (khoảng 80÷90 %) có thể gia công gang đúc ở tốc độ cắt cao Hàm lượng CBN càng cao thì khả năng dẫn nhiệt càng lớn và tính chống mòn càng tăng,

cở hạt CBN càng lớn thì khả năng chống mòn tăng nhưng chất lượng lưỡi cắt giảm Quá trình tiện cứng có thể thực hiện bằng phương pháp gia công khô và hoàn thành chi tiết trong cùng một lần gá Cấp chính xác khi tiện cứng đạt IT6 và chiều cao nhấp nhô bề mặt Ra = 0,04÷ 0,16 µm, có thể so sánh với chất lượng đạt được khi mài

Để thực hiện được công việc tiện cứng, máy tiện phải cứng vững, tốc độ quay trục chính và công suất phù hợp Các mảnh PCBN thường sử dụng cho tiện cứng là EB50, EB51, EB36, EB28 và EB29X (theo tài liệu của hãng EHWA Hàn Quốc, ở phần phụ lục số 6) So với mảnh Carbide thì các mảnh PCBN đắt hơn đáng kể (từ 4

÷ 5 lần), nhưng dao PCBN có tuổi bền cao hơn Chi phí dao cụ sẽ không đáng kể khi tính đến việc loại nguyên công mài tinh Nhiều xưởng sản xuất còn nhận thấy rằng việc giảm chi phí dung dịch trơn nguội, bù đắp được lượng chi phí cao hơn về dao Dải vật liệu được gia công bằng tiện cứng không hạn chế, ngay cả đối với thép rèn đã tôi, thép gió và thép hợp kim Việc thép hợp kim có thể gia công bằng tiện cứng đã mở rộng khả năng của tiện cứng kể cả công việc sửa chữa Tiện cứng gia công được các loại thép: 5120 (62HRC), 1050 (62HRC), 9310 (60HRC) và 4320 (60 ÷ 62HRC) Ngoài những ưu điểm đã nêu ở trên, việc áp dụng công nghệ tiện cứng để gia công lần cuối các chi tiết còn mang lại những lợi ích sau:

- Giảm thời gian chu kỳ gia công một sản phẩm, giảm chi phí đầu tư thiết bị;

- Tăng độ chính xác, đạt độ bóng bề mặt cao;

- Cho phép nâng cao tốc độ bóc vật liệu (từ 2÷ 4 lần so với mài), nâng cao năng suất gia công, chiều sâu và chất lượng lớp biến cứng khi tiện cứng ưu việt hơn nhiều so với mài;

- Hiện tượng “trắng bề mặt”: Bề mặt sau khi tiện cứng thường bị phủ một lớp biến trắng với độ dày nhỏ hơn 15 µm, trong khi đó thực hiện nguyên công mài độ dày lớp biến trắng có thể lên tới 200 µm [18, 30];

- Gia công được các contour phức tạp, cho phép thực hiện nhiều bước gia công trong cùng một lần gá;

- Có thể chọn gia công khô hoặc bôi trơn làm nguội giảm thiểu (MQL) để giảm chi phí dung dịch trơn nguội và chất thải lỏng thải ra môi trường

Tuy nhiên tiện cứng cũng có một số hạn chế:

- Dao cụ: Dao cắt CBN (dùng phổ biến trong tiện cứng) thường đắt gấp 3÷4 lần so với dao carbide Dao ceramic giá ngang với carbide nhưng thường không dùng được với các ứng dụng có phạm vi dung sai nhỏ hơn 0.0254 mm Ceramic cũng hoạt động không hiệu quả khi nhiệt độ gia công quá cao, nên thường gia công với tưới nguội

- Theo đa số các phân tích đã công bố, các lớp biến trắng đều không có lợi cho

độ bền sản phẩm

1.2.2 Quá trình tạo phoi khi tiện cứng

Hiện nay đã có nhiều nghiên cứu về công nghệ tiện cứng, tuy nhiên kết quả công bố còn hạn chế Các nghiên cứu tập trung vào một số lĩnh vực như thông số hình học của dụng cụ cắt, thông số chế độ cắt khi tiện, các hiện tượng xảy ra trong quá trình tiện cứng và các cơ chế bôi trơn đặc trưng cho quá trình tiện cứng Năm

1988, Nakayama và các đồng nghiệp ở trường Đại học Yokohama, Nhật Bản, [23, 41] đã công bố kết quả nghiên cứu của mình, chứng minh những đặc điểm khác biệt giữa công nghệ gia công truyền thống và công nghệ gia công vật liệu có độ cứng cao Công trình của ông đã có đóng góp rất quan trọng về tầm nhìn khoa học đối với công nghệ gia công vật liệu cứng nói chung và công nghệ tiện cứng nói riêng của

các nghiên cứu sau này Công trình nghiên cứu nổi bật này đã phát hiện một số điểm mấu chốt như sau:

- Thứ nhất: sự hình thành phoi trong quá trình gia công vật liệu cứng hoàn toàn khác với sự hình thành phoi trong quá trình gia công thường Lý do tạo nên sự khác biệt này là vì hệ số biến dạng dẻo của vật liệu gia công hoàn toàn khác nhau Vật liệu cứng có hệ số biến dạng dẻo thấp hơn, do đó phoi gia công hình thành dễ bị

bẻ gãy hơn tạo thành phoi dạng răng cưa Hệ số dồn nén phoi danh nghĩa (qua tính toán) trước và sau khi hình thành là 2 (phoi bị nén 2 lần)

- Thứ hai: mặc dù hình dạng của phoi răng cưa hình thành từ quá trình gia công khác (do đoạn nhiệt khi hình thành phoi) và quá trình gia công vật liệu cứng giống nhau nhưng hai loại phoi này hoàn toàn khác nhau vì chúng được hình thành qua các cơ chế khác biệt nhau

- Thứ ba: góc cắt giữa phoi và chi tiết gia công (shear angle) hình thành trong quá trình gia công vật liệu cứng là rất nhỏ so với quá trình gia công thường Góc này càng tăng khi độ cứng của vật liệu gia công càng tăng Đặc biệt, góc này chịu ảnh hưởng rất ít từ góc trước của dụng cụ cắt

Hình 1.5: Quá trình hình thành phoi khi tiện cứng [23]

- Thứ tư: khi gia công vật liệu cứng, lực hướng kính luôn lớn hơn lực tiếp tuyến Đây cũng là nguyên nhân chính gây sai số về kích thước khi gia công vật liệu

cứng Mặt khác, các thành phần lực cắt này chịu ảnh hưởng rất lớn khi hiện tượng mòn mặt bên hình thành

Mòn dao thường có 3 dạng: mòn dao mặt bên (flank wear), mòn dao mặt trước tại lưỡi cắt (crater wear) và mòn dao mặt trước nhưng sau vị trí lưỡi cắt (notch wear) hình 1.6 Lực cắt hướng kính và lực cắt tiếp tuyến chịu ảnh hưởng lớn từ góc trước của dao

a Mòn dao mặt bên; b Mòn dao mặt trước;

c Mòn dao mặt trước nhưng sau vị trí lưỡi cắt

Hình 1.6: Ảnh chụp về các dạng mòn dao

Khi góc trước của dao γ = 0, thì những thành phần lực cắt này không còn phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu gia công nhưng khi góc γ = -20o thì các thành phần lực cắt này giảm mạnh ứng với độ cứng của vật liệu khi gia công ở phương pháp này Hơn nữa, 2 thành phần lực cắt này chịu ảnh hưởng với mức độ khác nhau từ hiện tượng lẹo dao mặt bên Lực hướng kính sẽ tăng lên 4 lần khi mòn mặt bên tăng

- Công nghệ MQL;

- Các phương pháp BT-LN khác: Công nghệ dùng Nitơ lỏng, Công nghệ dùng

dòng khí lạnh áp lực cao, Công nghệ sử dụng dung dịch khô

1.3.2 Phân loại

1.3.2.1 Công nghệ gia công khô

- Khái niệm: Khi gia công cắt gọt không sử dụng dung dịch BT-LN được gọi công nghệ gia công khô

- Ưu điểm: Các bộ phận sạch sẽ hơn, không sinh ra chất thải, không làm ô nhiễm môi trường, không hao tốn dung dịch trơn nguội, máy không cần trang bị hệ thống bôi trơn Vấn đề sức khỏe công nhân liên quan tới chất lỏng BT-LN được loại trừ Việc tái chế cũng đơn giản hơn vì phoi sinh ra trong quá trình gia công không bám dầu và nó có thể kết hợp với các kim loại vụn khác Những ưu đãi đó tạo nên giá trị cho công nghệ gia công khô

- Nhược điểm: Yêu cầu cao về máy móc và thiết bị, phải có những dụng cụ đặc biệt chịu được nhiệt độ cao sinh ra trong quá trình cắt Dụng cụ cắt dùng trong gia công khô phải được phủ một lớp kim loại đặc biệt nhằm tăng độ cứng và độ bền

ở nhiệt độ cao Các dụng cụ này giá thành đắt hơn so với giá thành của dụng cụ truyền thống, mặc dù vậy tuổi bền khi gia công khô của các loại dụng cụ này vẫn thấp hơn khi gia công ướt, do đó phải thay thế nhiều lần hơn

1.3.2.2 Công nghệ bôi trơn-làm nguội tưới tràn

- Khái niệm: Công nghệ BT-LN tưới tràn là đưa một lượng lớn dung dịch trơn

nguội thông qua các ống và van dẫn dung dịch vào vùng cắt để làm nguội phoi, chi tiết gia công và dụng cụ Dung dịch trơn nguội được thu lại trong thùng chứa và được đưa trở lại vùng cắt

- Ưu điểm:

+ Tải nhiệt ra khỏi vùng cắt tốt, hạn chế tác dụng xấu của nhiệt độ đối với dụng cụ cắt Đảm bảo nhiệt độ làm việc của chi tiết, dao, phoi, thấp và ổn định; + Giúp việc vận chuyển phoi ra khỏi vùng cắt dễ dàng;

+ Giảm ma sát giữa phoi và mặt trước và giữa phôi và mặt sau của dụng cụ cắt

- Nhược điểm:

+ Gây ô nhiễm môi trường làm việc, đất đai, nguồn nước, tăng chi phí sản xuất, vận chuyển, bảo dưỡng và tái chế chất bôi trơn, đặc biệt tăng chi phí cho làm sạch trước khi thải vào môi trường, tiêu tốn nhiều dung dịch trơn nguội;

+ Dung dịch khó xâm nhập vào vùng cắt

1.3.2.3 Công nghệ bôi trơn-làm nguội tối thiểu

Công nghệ MQL là sử dụng dòng khí áp lực cao đưa trực tiếp vào vùng cắt một lượng dung dịch tối thiểu dưới dạng sương mù, hoặc dạng tia cao áp để BT-LN

và đẩy phoi ra khỏi vùng gia công Phương pháp BT-LN này tác động theo cơ chế BT-LN biên dạng (phần này được nêu rõ ở chương 2)

1.3.2.4 Các phương pháp bôi trơn-làm nguội khác

- Công nghệ sử dụng dung dịch khô:

Bôi trơn bằng dung dịch khô là phương pháp phát huy tính năng bôi trơn trong điều kiện gia công có nhiệt cao, nâng cao hiệu suất của quá trình tản nhiệt trong vùng cắt bằng cách sử dụng các loại vật liệu như Graphite và Molybdenum disulfide (MoS2) [51, 52] Phương pháp này thể hiện rõ ưu điểm khi sử dụng trong các quá trình cắt vận tốc cao Điều này có nghĩa đây là phương pháp trơn nguội có ảnh

Hình 1.7: So sánh công nghệ BT-LN

hưởng lớn đến năng suất cắt gọt Các loại vật liệu này được sử dụng dưới dạng hạt với kích thước nhỏ đến micro/nano Khi tiếp xúc với vùng gia công, chúng phân bố dưới dạng lớp mỏng và thâm nhập vào khe hở giữa bề mặt chi tiết gia công và bề mặt dụng cụ cắt Các hạt bôi trơn này đóng vai trò là yếu tố làm giảm sự tiếp xúc giữa các bề mặt này, qua đó làm giảm ma sát giữa chúng nhằm giảm nhiệt sinh ra khi gia công Kích thước hạt lớn sẽ phát huy tác dụng với trường hợp bề mặt gia công có chiều cao nhấp nhô cao và vận tốc cắt thấp, kích thước hạt nhỏ được sử dụng trong các trường hợp ngược lại

- Công nghệ dùng Nitơ lỏng:

Nitơ là một chất khí không màu, không mùi, không vị, chiếm khoảng 4/5 thể tích không khí Tan rất ít trong nước (ở nhiệt độ thường, một lít nước chỉ hoà tan

gần đây để giải quyết vấn đề của dung dịch BT-LN, Nitơ lỏng được sử dụng để làm mát và bôi trơn, dòng nitơ được đưa chính xác vào những điểm cần BT-LN Việc dùng lưu lượng nhỏ và chi phí thấp của Nitơ lỏng đã làm cho kỹ thuật này trở thành một sự lựa chọn hấp dẫn, có thể sử dụng cho các trang thiết bị đã được thiết kế cho việc sử dụng dung dịch BT-LN Sự bay hơi của Nitơ vào không khí không gây hại nếu nó không chiếm hết chỗ của ôxy, không có dung dịch nào phải khử bỏ Phương pháp này sẽ là sự lựa chọn thích hợp cho các doanh nghiệp muốn loại bỏ việc sử dụng dung dịch trơn nguội truyền thống nhưng không có đủ khả năng để mua trang thiết bị cho việc sử dụng công nghệ gia công khô (Dry machining) Tuổi bền dụng

cụ cắt và chất lượng quá trình cắt cũng được cải thiện khi áp dụng công nghệ này vì lúc đó dụng cụ cắt và bề mặt gia công có nhiệt độ thấp Phoi được tái chế như kim loại vụn thông thường Nhưng công nghệ này còn có hạn chế: Nitơ lỏng nguy hiểm với công nhân vì nhiệt độ thấp của nó, lượng rò rỉ lớn, nó sẽ chiếm hết chỗ của ôxy

có trong phòng Khi các trang thiết bị phù hợp và công nghệ điều khiển được sử dụng thì Nitơ rất an toàn và là một sự lựa chọn thân thiện cho môi trường

- Công nghệ dùng dòng khí lạnh áp lực cao:

Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành phun dòng khí lạnh với áp lực cao vào vùng cắt để làm nguội quá trình cắt Nhìn chung, phương pháp này có hiệu quả đối với tuổi thọ của dao [16, 21] Dung dịch trơn nguội có thể làm lạnh bằng các phương pháp khác nhau phụ thuộc vào thiết kế, chất làm lạnh có thể đạt đến nhiệt

C Nó có thể được sử dụng trong nhiều trường hợp mà chất bôi trơn dạng dung dịch không sử dụng được Giải quyết được vấn đề về môi trường và an toàn Tuy nhiên, phương pháp này có một số hạn chế cần lưu tâm, như: trang thiết bị phức tạp và giá thành cao Do vậy, trong một số trường hợp, lợi ích thu được không

bù đắp nổi chi phí làm lạnh

Hiện nay xu hướng sử dụng khí nén bơm với áp lực cao được sử dụng nhiều hơn Mặc dù khả năng làm lạnh và bôi trơn không được như dung dịch trơn nguội nhưng chức năng làm nguội của phương pháp này dẫu sao cũng đã được khẳng định tốt hơn phương pháp gia công khô Loại khí nén như CO2 được dùng thành công trong việc nâng cao tuổi thọ của dao, sử dụng loại khí này đưa qua đầu phun có lỗ ≤

1 mm, hướng vào vùng cắt đặt càng gần càng tốt để giảm thiểu phân tán nhiệt và bảo vệ người vận hành khi sử dụng khí nén Tuy nhiên khi sử dụng dòng khí lạnh áp lực cao chỉ có tác dụng làm nguội, không đảm bảo được việc bôi trơn

1.3.3 Dung dịch bôi trơn-làm nguội khi gia công cắt gọt

1.3.3.1 Yêu cầu của dung dịch bôi trơn-làm nguội

Dung dịch được sử dụng làm dung dịch BT-LN phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Có khả năng BT-LN;

- Phải là tác nhân có lợi cho máy, chi tiết, dụng cụ bảo vệ chúng không bị tác động của môi trường, sự ôxy hoá…

- Không độc hại, đảm bảo tính kinh tế;

- Không gây ô nhiễm môi trường;

- Áp suất và nhiệt độ khi cắt kim loại rất cao, do đó dung dịch cần tạo được màng dầu bôi trơn chịu áp lực và nhiệt độ cao;

- Dung dịch có khả năng xâm nhập tốt nhất vào vùng cắt, đặc biệt xâm nhập vào những vết nứt tế vi, lúc này nó đóng vai trò như một cái chêm làm giảm lực liên kết giữa các nguyên tử, khiến lớp kim loại dễ bị biến dạng dẻo và quá trình cắt dễ

dàng hơn;

- Khả năng làm lạnh của dung dịch càng lớn khi nhiệt hoá hơi, độ dẫn nhiệt và nhiệt dung của nó càng lớn, nhờ đó tuổi bền của dao tăng lên và biến dạng do nhiệt của dao giảm đi;

- Khi gia công vật liệu dẻo, dung dịch BT-LN giúp phá huỷ mạng tinh thể ở lớp cứng nguội;

- Chất BT-LN luôn phải có xu hướng làm giảm lực cắt, giảm hệ số ma sát, giảm biến dạng phoi Kết quả thể hiện ở việc kéo dài tuổi thọ dụng cụ cắt, giảm nhiệt tại vùng cắt, giảm chiều cao nhấp nhô bề mặt [33, 39]

1.3.3.2 Các loại dung dịch được sử dụng bôi trơn-làm nguội

Để có loại dung dịch BT-LN phù hợp với phương pháp gia công cần trộn lẫn các thành phần vào nhau với tỷ lệ hợp lý Nồng độ của các chất tham gia phụ thuộc vào tính hòa tan của các chất thành phần và điều kiện hòa tan tương ứng Ngoài ra, các phản ứng hóa học có thể xảy ra trong quá trình gia công (nhiệt cao) và sự hình thành các chất mới sau phản ứng cũng cần được quan tâm

- Dung dịch thực:

Là dung dịch trong suốt, có thể có màu, bao gồm các chất vô cơ và hữu cơ tan

Hình 1.8: Các phần tử hoà tan trong nước [50]

trong nước, thể hiện ở hình 1.8 Các chất hoà tan phân bố ngẫu nhiên trong môi trường nước, loại dung dịch này có sức căng bề mặt cao hơn nước nguyên chất, chúng được sử dụng trong làm mát hoặc làm sạch

- Dung dịch có các ion tương tác:

Là dung dịch kiểu có ion dương và ion âm, chúng là các tác nhân tích cực tạo thành khối tích tụ trên bề mặt dung dịch, chúng tạo thành chất keo phủ lên toàn bộ

bề mặt chi tiết sau khi gia công Loại dung dịch này có sức căng bề mặt thấp hơn nước nguyên chất Trong dung dịch này có nhóm các phần tử hoạt động được phân

bố như trên hình 1.9 Loại dung dịch này tương đối sạch và có khả năng bôi trơn tốt, nếu bổ sung thêm các chất phụ trợ như Clo, Lưu huỳnh, Phốt pho thì khả năng BT-

LN sẽ tốt hơn Tuy nhiên, các ảnh hưởng mài mòn của các nguyên tố này cũng cần được cân nhắc trước khi đưa vào sử dụng

Hình 1.9: Các phần tử tích tụ khối và phần tử hoà tan trong nước [50]

- Dạng Emulsion:

Là loại dung dịch có các giọt dầu nằm lơ lửng trong nước, như dầu khoáng, praffin hoặc dầu thô Dung dịch này tạo ra bằng cách pha dầu khoáng với các tác nhân Emulsion và các chất khác để tạo các giọt dầu nhỏ đến 0.08 ÷ 0.003 µm, hình 1.10 Dung dịch có khả năng bôi trơn tốt hơn nếu bổ sung thêm các chất phụ trợ như dầu thực vật, mỡ động vật hoặc các sản phẩm este khác Loại này vừa có tác dụng bôi trơn vừa có tác dụng làm nguội

Hình 1.10: Các phân tử hoà tan dưới dạng “sữa” [50]

- Dung dịch tạo thành từ các thành phần hoá học:

Dung dịch này là sự kết hợp của ba loại ở trên, nhưng có các đặc điểm khác sau đây:

Hình 1.11: Các phân tử hoà tan trong hợp chất hoá học [50]

- Lượng dầu hòa tan ít hơn từ 5 ÷ 45 % so với loại 2

- Lượng Emulsion và các phân tử hoạt động trên trên bề mặt cao hơn so với loại 2, điều này cho ta thấy kích thước khối cầu nhỏ hơn so với loại 3 Khi dùng loại dầu này sẽ giúp quá trình tách phoi tốt, khả năng thâm nhập vùng cắt để bôi trơn làm nguội tốt

- Dung dịch được tạo thành từ các thành phần dầu: (Hình 1.12)

Hinh 1.12: Các phần tử hoà tan trong hợp chất dầu [50]

Được lấy từ dầu thô, dầu thực vật, mỡ động vật, chúng có thể ở thể đơn hoặc dưới dạng pha trộn Dầu thô có nhiều nguồn khác nhau như dầu mỏ, praffin, độ nhớt của chúng cũng khác nhau và phụ thuộc vào các thành phần pha trộn Nếu bổ sung thêm dầu thực vật sẽ làm tăng khả năng dính ướt của dung dịch và cải thiện khả năng bôi trơn, đặc biệt ở nhiệt độ cao Cũng có thể cho thêm các chất như Phốt pho, Lưu huỳnh, Clo làm tăng thêm khả năng BT- LN của dung dịch

1.4 Bôi trơn-làm nguội khi tiện cứng

Trong quá trình tiện cứng, lượng nhiệt rất lớn sinh ra từ quá trình biến dạng dẻo, ma sát giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công và ma sát giữa dụng cụ cắt và phoi, nhiệt gia công ảnh hưởng lớn đến chất lượng bề mặt chi tiết Do vậy, quá trình BT-

LN là không thể thiếu để nâng cao chất lượng chi tiết gia công Dầu bôi trơn truyền thống đã và đang được sử dụng với mục đích làm giảm ma sát, tăng khả năng chống mài mòn trong quá trình cắt đồng thời làm tăng hiệu suất tản nhiệt trong vùng cắt khi gia công Song, một số vấn đề nghiêm trọng đã nảy sinh đi kèm theo quá trình truyền thống này, là sự ô nhiễm môi trường, độc hại đối với công nhân, ô nhiễm nguồn nước [40] Các vấn đề tồn tại này là động lực của các nghiên cứu sử dụng các loại dung dịch trơn nguội dễ phân hủy hoặc hạn chế tối đa lượng dung dịch sử dụng khi gia công Một số cơ chế BT-LN thay thế đã được đầu tư nghiên cứu và bước đầu đã chứng minh hiệu quả của chúng, như: làm nguội bằng luồng khí áp suất cao, BT-LN sử dụng dung dịch khô (solid lubricant), bôi trơn bằng luồng khí lạnh Nitrogen/CO2 và đặc biệt là MQL

Bôi trơn bằng dung dịch khô là phương pháp phát huy tính năng bôi trơn trong điều kiện gia công có nhiệt cao, nâng cao hiệu suất của quá trình tản nhiệt trong vùng cắt bằng cách sử dụng các loại vật liệu như Graphite và Molybdenum disulfide (MoS2) [52] Phương pháp này thể hiện rõ ưu điểm khi sử dụng trong các quá trình cắt vận tốc cao Điều này có nghĩa đây là phương pháp trơn nguội có ảnh hưởng lớn đến năng suất cắt gọt Các loại vật liệu này được sử dụng dưới dạng hạt với kích thước nhỏ đến micro/nano Khi tiếp xúc với vùng gia công, chúng phân bố dưới

dạng lớp mỏng và thâm nhập vào khe hở giữa bề mặt chi tiết gia công và bề mặt dụng cụ cắt Các hạt bôi trơn này đóng vai trò là yếu tố làm giảm sự tiếp xúc giữa các bề mặt này, qua đó làm giảm ma sát giữa chúng nhằm giảm nhiệt sinh ra khi gia công Kích thước hạt lớn sẽ phát huy tác dụng với trường hợp bề mặt gia công có chiều cao nhấp nhô cao và vận tốc cắt thấp; kích thước hạt nhỏ được sử dụng trong các trường hợp ngược lại

Sử dụng phương pháp làm nguội bằng Nitrogen/CO2 lỏng chủ yếu làm giảm nhiệt gia công và thường phát huy tác dụng khi cắt gọt các loại vật liệu khó gia công Bằng việc sử dụng các vòi phun đặc chủng [43], có kích thước lỗ phun nhỏ (micrometters) quá trình làm nguội đã được cải thiện đáng kể Tuy nhiên, khả năng bôi trơn của phương pháp này hầu như không có Đặc tính nổi trội của công nghệ làm nguội bằng Nitrogen lạnh là khả năng xâm nhập của luồng khí lạnh vào khu vực gia công sau đó tác động làm khuếch tán nhiệt ở vùng này ra ngoài Vì độ nhớt của không khí nhỏ hơn rất nhiều so với dung dịch bôi trơn lỏng, nên chúng có thể xâm nhập vào các khe hở rất nhỏ giữa bề mặt chi tiết và bề mặt dụng cụ cắt Đây là đặc điểm ưu việt được vận dụng MQL vào quá trình tiện cứng

MQL là phương pháp bôi trơn sử dụng lượng dung dịch trơn nguội ít nhất (khoảng 100 ml/giờ hoặc nhỏ hơn) mà vẫn đảm bảo chức năng bôi trơn và làm nguội khi gia công Phương pháp BT-LN này tác động theo cơ chế BT-LN biên dạng, làm giảm chi phí gia công đáng kể, an toàn và có lợi cho sức khỏe con người, thân thiện với môi trường Có thể nói đây là phương pháp BT-LN phát huy được những ưu điểm của các phương pháp bôi trơn khác đồng thời khắc phục các nhược điểm về mặt công nghệ của chúng Trong trường hợp này, sử dụng các loại dầu thực

vật sẽ càng phát huy tác dụng hơn là sử dụng các loại dầu mỏ Đó cũng là động lực

để một lần nữa tác giả tiến hành đánh giá, nghiên cứu các ảnh hưởng của việc sử

dụng loại dầu lạc ở Việt nam đối với quá trình tiện cứng bằng phương pháp MQL

Sử dụng phương pháp này cho thấy những ưu điểm riêng biệt của nó Khi tiện, phoi hình thành ở dạng mảnh nhỏ, lượng dung dịch xâm nhập vào vùng cắt được cải

thiện, do đó làm tăng tuổi bền dụng cụ cắt, giảm lực cắt và bề mặt chi tiết gia công

được cải thiện đáng kể

1.5 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

1.5.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

1.5.1.1 Nghiên cứu về tiện cứng

Từ những năm 1980, công nghệ tiện cứng đã được ứng dụng vào quá trình gia công tinh bề mặt chi tiết của một số cơ cấu máy trong lĩnh vực ô tô máy kéo, một số

bộ phận của máy bay và khuôn mẫu Công nghệ tiện cứng sau đó được áp dụng rộng rãi hơn trong lĩnh vực chế tạo máy vì những ưu điểm nhất định của nó, như: dễ đáp ứng với những chi tiết có biên dạng gia công phức tạp, có thể gia công được nhiều dạng chi tiết khác nhau, tiến hành được nhiều bước gia công trên cùng 1 lần

gá, tốc độ bóc phá kim loại nhanh có thể sử dụng hiệu quả trên máy tiện CNC cũng như các máy tiện vạn năng Phoi gia công dễ xử lý và giảm khối lượng chất bôi trơn làm nguội hơn so với các phương pháp gia công khác Bên cạnh đó, trước khi áp dụng phương pháp tiện cứng, người sử dụng cần chú ý, cân nhắc đến một số vấn đề tồn tại của nó Một trong những yếu tố cần phải cân nhắc là giá thành dụng cụ cắt cao Hơn nữa, cũng như tiện truyền thống, phương pháp tiện cứng không thể thực hiện với một số kích thước và hình dáng của chi tiết gia công Khi tiến hành tiện cứng, hệ thống công nghệ đòi hỏi có độ cứng vững và ổn định cao Một vấn cần đặc biệt cân nhắc và hoạch định là phương thức BT-LN khi tiện cứng Ví dụ, nên áp dụng phương thức tiện khô đối với các quá trình gia công có lực cắt không liên tục

vì sự thay đổi nhiệt đột ngột sẽ làm lưỡi cắt bị sứt mẻ tế vi dẫn đến các ảnh hưởng kèm theo hiện tượng này sự biến đổi của lực cắt, chiều cao nhấp nhô bề mặt Đây là một trong những yếu tố có thể được khắc phục bằng phương pháp MQL được trình bày trong đề tài này Mặt khác, khi lực cắt liên tục, nhiệt sinh ra ở đầu lưỡi cắt có thể làm thường hóa vùng lân cận vùng cắt do đó tính cắt của vật liệu được cải thiện

Ngoài ra, tiện cứng cũng không thể loại bỏ được các tồn tại khác như tiện thường: các sự cố đi kèm hiện tượng lẹo dao và hiện tượng xuất hiện lớp bề mặt hư hỏng trên chi tiết gia công Các hiện tượng sinh ra trong quá trình tiện cứng đã đặt ra cho các nhà nghiên cứu về lĩnh vực này nhiểu câu hỏi lớn Điều đó đã khiến nhiều nhà khoa học đầu tư công sức và cơ sở vật chất tập trung vào nghiên cứu các hiện tượng này nhằm phát huy những ưu điểm và hạn chế tối đa các nhược điểm của quá trình tiện cứng

Cho đến nay, đã có nhiều nhà khoa học công bố kết quả nghiên cứu về công nghệ tiện cứng, tuy nhiên số lượng thành công còn hạn chế Các nghiên cứu tập trung vào một số lĩnh vực như thông số hình học của dụng cụ cắt, thông số chế độ cắt khi tiện, các hiện tượng xảy ra trong quá trình tiện cứng và các cơ chế bôi trơn đặc trưng cho quá trình tiện cứng

Dựa theo các kết quả cơ bản từ công trình của Nakayama và các đồng nghiệp (1988), một số vấn đề quan trọng khác được tiếp tục nghiên cứu và làm rõ Một số nghiên cứu tập trung vào chứng minh và so sánh các yếu tố ảnh hưởng đến hình dạng và cơ chế hình thành phoi, ảnh hưởng của các yếu tố chế độ cắt và vật liệu gia công, vật liệu dụng cụ cắt Một trong những nghiên cứu tiếp theo có đóng góp rất lớn đến lĩnh vực này là công trình của Tonshoff và các đồng nghiệp (1990) Được xem là công trình tiêu điểm nổi bật được đăng trên tạp chí CIRP Annals-Manufacturing Technology Ở đây, Tonshoff đã thống kê tổng hợp lịch sử quá trình gia công vật liệu cứng từ thời điểm sơ khai đến lúc bấy giờ, sau đó phân tích và đề xuất các kết luận bổ ích cho các nghiên cứu tiếp theo Chẳng hạn, biểu đồ kéo-nén của thép cứng được hầu như có quan hệ đường thẳng đến giai đoạn đứt gãy, giai đoạn biến dạng dẻo gần như bị bỏ qua Ngoài ra, ông còn khám phá ra một vấn đề

bổ ích đó là hiện tượng tự hấp thụ (self-induced) nhiệt khi gia công Hiện tượng này xuất hiện khi hệ số khuếch tán nhiệt của vật liệu gia công và của vật liệu dụng cụ

cắt thấp do đó nhiệt cắt tập trung xung quanh vùng cắt, gây nên hiện tượng biến dạng dẻo của vật liệu gia công trong vùng cắt

Liao và các cộng sự (2007) đã áp dụng phương pháp MQL vào quá trình phay cứng và đã đạt được những kết quả ngoài mong muốn [35, 36] Nhóm nghiên cứu này đã đưa ra những giả thuyết bổ ích, mang tính tiền đề nhằm chứng minh các hiện tượng xảy ra trong quá trình gia công sử dụng công nghệ MQL

Năm 2011, Jiang và Malshe [31] đã công bố kết quả nghiên cứu của họ về việc

sử dụng dao tiện vật liệu CBN trong quá trình tiện Kết quả nghiên cứu của họ đã khẳng định tính ưu việt của vật liệu CBN với vai trò dụng cụ cắt trong quá trình gia công Tác giả đã chứng minh những cải tiến nổi trội của loại vật liệu dụng cụ cắt CBN-TiN Vật liệu này có thể làm tăng khả năng ảnh hưởng của quá trình BT-LN lên đến 30 %, đồng thời làm giảm hiện tượng lẹo dao đáng kể, qua đó không những kéo dài tuổi thọ của dụng cụ cắt mà còn cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết gia công

1.5.1.2 Nghiên cứu về bôi trơn-làm nguội

Tài liệu đầu tiên nói về tác dụng của dung dịch BT-LN là tác giả Northcott vào năm 1868 [50] ông đã khẳng định tác dụng của dung dịch trơn nguội trong việc nâng cao chất lượng bề mặt các chi tiết máy sau đó ý tưởng này được phát triển liên tục và đều đặn Năm 1881 một công nhân kỳ cựu Mallock viết: “Dung dịch trơn nguội như đã làm giảm ma sát giữa bề mặt dụng cụ cắt và bề mặt chi tiết gia công nhưng rất khó để biết những gì xẩy ra ở đó” Phải sau 45 năm nghiên cứu thì loài người mới có câu trả lời hợp lý nhưng vẫn có một số vấn đề khó khăn khác tồn đọng Giữa thế kỷ XX, việc sử dụng 2 loại dung dịch bôi trơn đã được phân biệt rõ rệt: dung dịch bôi trơn nhớt (hydrodynamic lubricant hay fluid film lubricant) và dung dịch bôi trơn biên dạng (boundary lubricant) Dung dịch bôi trơn nhớt có thể

là chất lỏng hoặc các loại khí có độ nhớt nhất định Nguyên lý bôi trơn của dung dịch này là nhằm tách các bề mặt tiếp xúc bằng lớp dung dịch giữa chúng Yêu cầu các bề mặt tiếp xúc phải có góc hội tụ để chứa dung dịch bôi trơn Dung dịch này có

thể được sử dụng dưới dạng phun bao phủ bề mặt hoặc phun cục bộ ở những vùng tiếp xúc cần thiết Dung dịch bôi trơn biên dạng (boundary) hoạt động theo nguyên

lý xen kẽ dung dịch bôi trơn vào lớp bề mặt nhấp nhô của các bề mặt tiếp xúc Hiệu quả có tính công nghệ và có triển vọng cao, đó là phương pháp làm nguội và bôi trơn vùng cắt bằng phun chất lỏng (dạng bụi) Phương pháp này lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1944 bởi Pacrvski T И., (người Nga) [58] Thực chất của phương pháp này là đưa chất bôi trơn và làm nguội vào vùng cắt ở dạng hỗn hợp khí-chất lỏng, bằng cách phun chất lỏng khí nén với cơ cấu chuyên dùng Hỗn hợp khí-chất lỏng đi vào vùng cắt qua các lỗ vòi phun có đường kính từ 2 ÷ 5

mm dưới áp lực khí nén 1,2 ÷ 2 KG/cm2 với lượng tiêu hao 200 ÷ 400 G/giờ (Minimum quantity lubrication)

Hình 1.13: Các nguyên lý làm việc của dung dịch bôi trơn

Năm 2007 Shetty cùng các đồng nghiệp ở Viện KH-CN Manipal, Karnataka,

Ấn Độ đã có nghiên cứu và chứng tỏ ưu điểm của phương pháp bôi trơn, làm nguội

sử dụng dung dịch dưới dạng hơi (steam) Phương pháp bôi trơn này đã chứng tỏ khả năng làm giảm lực cắt, giảm hệ số ma sát, giảm độ nhấp nhô bề mặt, và đồng thời cũng giảm nhiệt cắt đáng kể So với phương pháp sử dụng dung dịch emulsion, phương pháp này cho thấy lực cắt giảm 10 % và nhiệt cắt giảm 40 % Kết quả này

có được nhờ quá trình thâm nhập của dung dịch bôi trơn vào bề mặt gia công dễ hơn, nhiều hơn các phương pháp khác Phương pháp này cũng làm giảm sự ảnh hưởng của phoi lên bề mặt chi tiết gia công và bề mặt tiếp xúc của dụng cụ cắt, từ

đó cải thiện độ nhẵn bóng bề mặt chi tiết gia công và tăng tuổi bền dụng cụ cắt đáng

kể Ngoài ra, phương pháp bôi trơn này cũng góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường và giảm chi phí gia công

Cùng thời gian này, Liao và Lin ở khoa Cơ khí trường Đại học Quốc gia Đài loan đã công bố nghiên cứu của họ về các ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội khi tối ưu hóa chế độ cắt trong quá trình phay với tốc độ cao [35] Kết quả cho thấy, khi chế độ cắt được xác định tối ưu sẽ làm tăng khả năng thâm nhập ôxy vào khu vực tiếp xúc giữa bề mặt chi tiết gia công và bề mặt dụng cụ cắt Lớp ôxy này sẽ phản ứng với các thành phần kim loại ở đó để hình thành lớp ô-xýt Lớp ô-xýt này sẽ làm cản trở hiện tượng khuếch tán qua lại giữa vật liệu chi tiết gia công và vật liệu dụng

cụ cắt và từ đó làm giảm hiện tượng lẹo dao, làm tăng tuổi bền dụng cụ cắt Tuy nhiên, quá trình hình thành lớp ô-xýt này phụ thuộc vào vật liệu dụng cụ cắt, vật liệu chi tiết gia công và chế độ cắt Tất nhiên, ôxy được đưa vào vùng tiếp xúc thông qua luồng dung dịch trơn nguội dưới dạng hơi/ sương

Năm 2008, Schneider [47] cùng các cộng sự đã có báo cáo tại hội nghị ở Tallinn, Estonia về các kết quả nghiên cứu của họ trong việc sử dụng phương pháp bôi trơn mới khi mài Schneider đã sử dụng phương pháp cung cấp dung dịch trơn nguội tới vùng gia công từ phía bên trong của đá mài Theo đó, dung dịch BT-LN sẽ

di chuyển qua các rãnh khí của đá mài để thực hiện quá trình bôi trơn Kết quả của phương pháp này được chú ý qua các thông số bất ngờ của nó Thứ nhất: phương pháp này làm giảm khối lượng dung dịch bôi trơn rất lớn (khoảng 99 %) trong lúc khối lượng dung dịch được cung cấp trực tiếp đến vùng bôi trơn lại cao hơn (khoảng 10 ÷ 20 %) so với phương pháp bôi trơn tiếp cận từ bên ngoài Do đó làm giảm việc sử dụng dung dịch trơn nguội rất lớn Thứ hai: nó làm tăng khả năng thoát phoi lớn hơn, do đó góp phần cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết gia công và hạn chế tốc độ mòn.dụng cụ cắt

1.5.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Ở Việt Nam, hiện nay đã có một số nghiên cứu áp dụng MQL trong gia công cắt gọt được công bố: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ bôi trơn làm nguội tối thiểu trong gia công cắt gọt” [7], các tác giả đã nghiên cứu tiện cắt đứt, phay rãnh bằng dao phay ngón, phay lăn răng, khoan Tác giả khác đã công bố: “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ bôi trơn - làm nguội tối thiểu đến độ mòn dao và chất lượng bề mặt khi phay rãnh bằng dao phay ngón Nghiên cứu xác định áp lực

và lưu lượng hợp lý để thực hiện công nghệ bôi trơn làm nguội khi khoan Nghiên cứu so sánh các phương pháp tưới trong công nghệ bôi trơn - Làm nguội tối thiểu khi phay rãnh Nghiên cứu ảnh hưởng của chất bôi trơn và làm nguội đến tuổi bền của dao trong quá trình cắt gọt kim loại” v v Ở Thái Nguyên việc MQL cho tiện cứng đã được nghiên cứu triển khai song chưa nhiều Công ty Diezel Sông Công đã nhận chuyển giao công nghệ để sản xuất các sản phẩm về tiện cứng cho Hoa Kỳ, xưởng cơ khí Thuận Phát, cơ khí Minh Đức đã áp dụng công nghệ MQL khi tiện cứng để sản xuất các mặt hàng của ngành Xi măng, ngành Giấy và các chi tiết của ngành Đường sắt thay thế hàng phải nhập khẩu từ Bỉ, còn các đơn vị khác hầu như chỉ áp dụng gia công khô cho quá trình tiện cứng Nên công nghệ MQL cần được đầu tư hoàn thiện để ứng dụng vào ngành chế tạo máy của Việt Nam

Kết luận chương 1

Các kết quả khảo sát cho thấy đã có nhiều công trình nghiên cứu về MQL khi tiện cứng, các nhà khoa học tập trung nghiên cứu nhằm phát triển và hoàn thiện công nghệ BT-LN cho tiện cứng Tuy nhiên chưa có công trình nào nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi MQL đến quá trình tiện cứng thép 9XC sử

dụng dầu lạc của Việt Nam Vì vậy: việc chọn đề tài: “ Nghiên cứu ảnh hưởng các

thông số bôi trơn - làm nguội tối thiểu đến quá trình tiện cứng thép 9XC”, là hướng

đi đúng Nghiên cứu thành công sẽ có nhiều đóng góp về khoa học và thực tiễn