ẢNH HƯỞNG của bôi TRƠN làm NGUỘI tối THIỂU tới mòn DAO và độ NHÁM bề mặt CHI TIẾT KHI PHAY CỨNG THÉP 65γ

ẢNH HƯỞNG CỦA BÔI TRƠN LÀM NGUỘI TỐI THIỂU TỚI MÒN DAO VÀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT KHI PHAY CỨNG THÉP 65Γ EFFECTS OF MINIMUM COOLANT LUBRICATION TO WORN-OUT CUTTING TOOLS AND ROUGHNESS O

ẢNH HƯỞNG CỦA BÔI TRƠN LÀM NGUỘI TỐI THIỂU TỚI

MÒN DAO VÀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT KHI PHAY CỨNG THÉP 65Γ

EFFECTS OF MINIMUM COOLANT LUBRICATION TO WORN-OUT CUTTING TOOLS AND ROUGHNESS OF MACHINE PART SURFACES WHEN HARD

MILLING STEEL-65 Γ

Nguyễn Thái Bình 1a , Đỗ Như Hoàng 2 , Bùi Thị Thu Hà 1 , Phạm Văn Đông 3b

1Trường Cao đẳng Công nghiệp Thái Nguyên

2Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hải Phòng

3Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

a thaibinh.cdcn@gmail.com, b phamvandong07@gmail.com,

TÓM TẮT

Nâng cao hiệu quả gia công thép đã tôi ngày càng tăng do sự gia tăng sử dụng thép có

độ cứng và độ bền cao trong công nghệ chế tạo máy; phay cứng ngày càng quan trọng bởi nó

có khả năng gia công các chi tiết có độ cứng và độ bền cao, khi phay cứng người ta thường áp dụng phương pháp phay cao tốc, gia công bằng phương pháp này cho phép bỏ hoặc giảm bớt nguyên công mài trong quy trình công nghệ chế tạo chi tiết Phay cứng cao tốc có nhiều ưu thế bởi công nghệ cắt tốc độ cao, hiệu suất cao, nhưng sự giảm tuổi thọ của dao vẫn giữ ở mức độ tương ứng nhất định, đặc biệt trong trường hợp gia công thép đã tôi Hơn nữa, trong gia công tinh, yêu cầu cải thiện bề mặt gia công cũng giữ một vai trò quan trọng, sử dụng phương pháp bôi trơn-làm nguội tối thiểu (MQL) sẽ mang lại nhiều lợi ích về hiệu suất gia công, chất lượng độ nhám bề mặt…

Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của bôi trơn - làm nguội tối thiểu đến mòn dao và độ nhám bề mặt khi phay cứng thép 65Γ đã tôi bằng dao phay mặt đầu gắn cacbit Kết quả thực nghiệm cho thấy bôi trơn làm nguội tối thiểu là phương pháp có nhiều ưu điểm nổi trội về khả năng giảm tốc độ mòn, tăng tuổi bền dao và tăng cấp

độ nhám bề mặt của chi tiết sau khi gia công

Từ khóa: phay cứng, bôi trơn làm nguội tối thiểu

ABSTRACT

Machining efficiency of tempered steel is creasing due to use increasing of hardness steel and durability in machinery manufacturing technology; hard milling is increasingly importance because it is able to process high durability and hard machine parts It is often using highspeed milling method to remove or decrease milling operation of manufacturing technology process Highspeed hard milling mothed has many advantages by high speed cutting technology, high performance and the decrease of cutting tool’s life is remained at certain corresponding level, special in case processing tempered steel Moreover, in fine processing, the demand of improving processing surface takes an importance role, using minimum coolant lubrication (MCL) will bring back many benefits in processing performance, roughness surface quality

This paper presents the experimental results of effects of minimum coolant lubrication

to worn-out cutting tools and roughness of machine part surfaces when hard milling tempered steel-65Γ by using cutting tool attachs cacbit There experimental results shown that the minimum cooling lubrication method has many advantages about decreasing wont-out speed

of cutting tool and increasing roughness of machine part surfaces

Keywords: hard milling, Minimum Quantity Lubrication

1 GIỚI THIỆU

Gia công cao tốc là phương pháp mang lại nhiều lợi ích, trong đó có phương pháp phay cao tốc Khi phay cao tốc, tốc độ bóc tách vật liệu cao (MRR), giảm lực cắt, loại bỏ phần lớn nhiệt cùng với phoi, cải thiện độ chính xác về kích thước gia công,… khi phay cao tốc nhiệt lượng sinh ra lớn, thời gian tản nhiệt ngắn (nhiệt độ vùng cắt lên đến 700 ÷ 8000C) Dưới ảnh hưởng của nhiệt độ cao, kim loại bị cắt gọt sẽ mềm đi cục bộ và trở nên dễ cắt, tuổi thọ của dao sẽ tăng lên [1,2]

Trong quá trình phay cứng thường phát ra một lượng nhiệt rất lớn, đặc biệt ở vị trí phoi tiếp xúc với mặt trước Từ 60 ÷ 80% nhiệt lượng truyền sang phoi, 10 ÷ 40% nhiệt lượng truyền vào dao: 3 ÷ 9% truyền vào vật đang gia công và 1 ÷ 2,5% tản vào môi trường xung quanh Nhiệt gây ra nhiều tác hại cho gia công cắt gọt, là một trong những nguyên nhân chủ yếu hạn chế năng suất cắt gọt Đối với chi tiết gia công, nhiệt làm giãn nở chi tiết gia công sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo kiểm; mặt khác khi phôi nóng lên làm mềm chi tiết hơn nên dễ cắt gọt hơn, song vẫn ảnh hưởng xấu và gây tác hại cho dao [3]

Khi phay cứng bằng dao gắn mảnh hợp kim cứng (HKC) rất dễ xảy ra hiện tượng nứt

mẻ lưỡi dao nếu có va đập và thay đổi nhiệt độ đột ngột Nên khi tưới dung dịch trơn nguội phải tưới liên tục và đủ lưu lượng, tuyệt đối không được tưới nhỏ giọt hoặc gián đoạn [4] Mục đích của nghiên cứu này là nghiên cứu ảnh hưởng của bôi trơn - làm nguội tối thiểu (MQL-Minimum Quantity Lubrication) đến mòn dao và nhám bề mặt khi phay cứng thép 65Γ và so sánh với cắt khô (Dry) hoàn toàn

2 MÔ TẢ THÍ NGHIỆM

2.1.Vật liệu gia công và trang thiết bị thí nghiệm

2.1.1.Vật liệu gia công

Đối với các chi tiết máy đòi hỏi yêu cầu về độ cứng và độ bền cao người ta sử dụng nhiều loại vật liệu, trong đó có sử dụng vật liệu là thép 65Γ (ΓOCT 14959-79) đã tôi Hình ảnh mảnh hợp kim và chi tiết gia công thể hiện tại hình 1

Hình 1 Hình ảnh mảnh hợp kim và phôi thực nghiệm

Hình (a): mảnh hợp kim cứng P15 của hãng Sendvic, Thụy Điển

Hình (b): phôi thép 65Γ dùng để làm thí nghiệm

2.1.2 Trang thiết bị thí nghiệm

Trong quá trình nghiên cứu, tác giả đã sử dụng một số máy móc, trang thiết bị phục vụ quá trình thí nghiệm Các thiết bị chính bao gồm (hình 2, 3)

- Đầu phun NOGA và hệ thống van, đồng hồ hiển thị áp suất hình 2

- Máy chụp hiển vi điện tử TM1000 (Nhật Bản) hình 3

- Dụng cụ đo lưu lượng loại vạch chia 5ml, thể tích 500ml

- Máy đo nhám SJ-201 Mitutoyo (Nhật Bản)

- Hệ thống cung cấp khí nén: máy nén khí Model PT-0136, Đài Loan Áp suất khí nén lớn nhất: 8 kg/cm2

2.2 Th ực nghiệm

2.2.1 Thông số và điều kiện thực nghiệm

Các thông số công nghệ và điều kiện gia công thể hiện trong bảng 1 (các điều kiện khác không thể hiện coi như tiêu chuẩn)

Bảng 1 Điều kiện thực nghiệm

1 Máy công cụ Máy phay đứng Showa, kiểu JMII, Nhật Bản

2 Vật liệu gia công - Thép 65Γ đã tôi, độ cứng HRC = 35 ÷ 40

- Kích thước phôi: 350 x 35 x 50mm

3 Dao Dao phay mặt đầu gắn mảnh hợp kim cứng P15 của hãng

Sandvic Coromant (Thụy Điển)

4 Thông số gia công

- Vận tốc cắt: Vc = 87 m/ph

- Lượng tiến dao: S = 28 mm/ph

- Chiều sâu cắt: t = 0,3 mm

5 Dung dịch trơn nguội Emunxi 4% phun ở dạng khí (sương mù) với P = 4 KG/cmlưu lượng Q = 0,22 ml/phút (phun vào mặt sau của dao) 2;

6 Môi trường Khô (dry), bôi trơn - làm nguội tối thiểu (MQL)

2.2.2 Trình tự tiến hành thực nghiệm

Nghiên cứu được thực hiện trên mẫu thép đã tôi 65Γ Mẫu thí nghiệm được xác định mác thép bằng phương pháp quang phổ và được đo độ cứng sau khi tôi Sử dụng dao phay mặt đầu gắn hợp kim cứng (P15) để gia công mặt phẳng Sau mỗi khoảng thời gian gia công

10 phút (không kể thời gian phụ), tiến hành đo độ nhám bề mặt chi tiết Đồng thời, sau thời gian thực cắt 60 phút mảnh hợp kim cứng được tháo ra để chụp ảnh hiển vi điện tử, đo và kiểm tra

Thực nghiệm tiến hành gia công với 02 phương pháp là: Gia công khô và gia công có bôi trơn - làm nguội tối thiểu (MQL) Sau khi có kết quả thực nghiệm, tiến hành đánh giá lượng mòn và tuổi bền của dao, so sánh ưu nhược điểm của hai phương pháp gia công

3.1 Kết quả phân tích hình ảnh

Khi gia công khô, sau thời gian cắt thực 180 phút (không kể thời gian phụ), nhóm tác giả tiến hành chụp ảnh từ kính hiển vi TM-1000 (hình 4a) và xác định lượng mòn mặt sau, thể hiện rõ hơn bởi ảnh được phóng to hình 4b Tương tự, khi gia công sử dụng phương pháp bôi

trơn - làm nguội tối thiểu (MQL) sau thời gian cắt thực 180 phút, nhóm tác giả tiến hành chụp ảnh, lượng mòn mặt sau thể hiện ở hình 5c, thể hiện rõ hơn bởi ảnh được phóng to hình 5d

Hình 5 Ảnh mòn mặt sau của dao khi gia công MQL sau thời gian cắt 180 phút

Sau thời gian gia công thực 300 phút ta xác định lượng mòn mặt trước của dao khi gia công khô hình ảnh chụp được thể hiện trên hình 6e, ảnh phóng to hình 6f; khi gia công MQL hình ảnh thể hiện lượng mòn ở hình 7g, ảnh phóng to thể hiện ở hình 7h

Hình 7 Ảnh mòn mặt trước của dao khi gia công MQL sau khi cắt 300 phút Nhận xét:

* Mòn và cơ chế mòn mặt trước của dao: Từ các hình ảnh chụp tế vi mặt trước của

dao (hình 6, 7) ta thấy:

- Mòn mặt trước của dao có thể chia thành các vùng mòn theo phương thoát phoi thông qua mức độ bám dính của vật liệu gia công với mặt trước Chiều dài tiếp xúc giữa phoi với mặt trước tăng dần theo thời gian cắt Ở vùng nằm sát bám dọc theo lưỡi cắt với chiều sâu mòn, vết cào xước và bám dính vật liệu gia công nhiều nhất (gọi là vùng 1) Vùng tiếp theo với chiều sâu mòn, vết xước và bám dính vật liệu gia công nhỏ hơn (gọi là vùng 2) Với sự xuất hiện của các vết cào xước chứng tỏ mặt trước của dao bị mòn do các hạt cứng tạo ra trong quá trình cắt Sự bám dính vật liệu gia công và mòn mạnh trên mặt trước của dao ở vùng 1 và vùng 2 chứng tỏ mặt trước của dao bị mòn tiếp xúc [7,9]

- Mòn mặt trước của dao khi so sánh gia công khô với gia công MQL ta thấy mức độ mòn mặt trước khi gia công MQL ít hơn khi gia công khô Khi gia công khô, bề rộng vùng mòn mặt trước tăng dần, đặc biệt chiều sâu mòn vùng 1 phát triển rất nhanh Khi gia công MQL, bề rộng vùng mòn tăng chậm, chiều sâu mòn vùng 1 nhỏ hơn nhiều so với gia công khô Nguyên nhân dẫn đến kết quả này có thể do độ nhớt của dung dịch emunxi thấp nên các phần tử emunxi dễ dàng xâm nhập vào vùng tiếp xúc giữa dao và phoi để bôi trơn và làm nguội nên giảm được ma sát tiếp xúc giữa dao và phoi dẫn đến giảm mòn mặt trước của dao

so với gia công khô [7,9]

* Mòn và cơ chế mòn mặt sau của dao: Từ các hình ảnh chụp tế vi mặt sau của dao

(hình 4, 5) ta thấy:

- Trên vùng mòn mặt sau của dao có bám dính vật liệu gia công và các vết xước chứng

tỏ cơ chế mòn mặt sau là mòn do hạt cứng và mòn tiếp xúc [7,9]

- Tiến hành đo mòn mặt sau của dao khi gia công khô và MQL ta thấy lượng mòn mặt sau của dao khi gia công MQL ít hơn khi gia công khô Bề rộng và mức độ phát triển vết mòn mặt sau của dao khi gia công MQL nhỏ hơn khi gia công khô

3.2 Kết quả xác định lượng mòn và tuổi bền của dao

Sau thời gian cắt thực 60 phút, nhóm tác giả tiến hành đo mòn dao 1 lần Kết quả nhận được thể hiện trong bảng 2

Bảng 2 Số liệu độ mòn mặt sau của dao

Mòn mặt sau của dao ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước gia công và độ nhám bề mặt của chi tiết Để so sánh mức độ mòn mặt sau của dao, từ kết quả xác định được, nhóm tác giả sử dụng phầm mềm Excel xử lý kết quả, vẽ biểu đồ quan hệ giữa lượng mòn mặt sau của dao với thời gian cắt thể hiện tại hình 8

Nhìn vào biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa lượng mòn mặt sau của dao với thời gian cắt ta thấy: Khi gia công sử dụng phương pháp bôi trơn - làm nguội tối thiểu (MQL) lượng mòn giảm hẳn so với gia công khô

Theo kết quả thực nghiệm, lượng mòn mặt sau của dao tại thời điểm 300 phút cắt thực khi gia công MQL là 0,52 mm; với lượng mòn 0,52 mm khi gia công khô thì tuổi bền của dao tương ứng là 209 phút, tỉ lệ giữa tuổi bền của dao khi gia công MQL với tuổi bền của dao khi gia công khô là: 300/209 ≈ 1,44; Như vậy, khi gia công MQL đã tăng được đáng kể tuổi bền của dao Tỷ lệ tuổi bền của dao khi gia công khô và MQL thể hiện trong hình 9

Hình 9 Biểu đồ so sánh tuổi bền của dao khi gia công khô và MQL

Nhận xét:

- Lượng mòn trung bình mặt sau của dao trong 300 phút cắt thực đối với gia công khô là 0,476 mm, đối với gia công MQL lượng mòn dao là 0,262 mm Như vậy, lượng mòn dao khi gia công khô lớn hơn lượng mòn dao khi gia công MQL là 0,214 mm

- Lượng mòn mặt sau của dao tại thời điểm 300 phút cắt thực đối với gia công MQL là 0,52 mm, tương ứng với lượng mòn 0,52 mm thì tuổi bền của dao khi gia công khô là 209 phút thời gian cắt thực Tuổi bền của dao khi gia công MQL gấp 1,44 lần gia công khô

3.3 Kết quả đo độ nhám bề mặt chi tiết

Sau mỗi thời gian thực nghiệm cắt 10 phút, nhóm tác giả tiến hành đo độ nhám bề mặt chi tiết Kết quả đo độ nhám bề mặt chi tiết thể hiện trong bảng 3

Bảng 3 Kết quả đo độ nhám R a ( µm)

(phút)

Gia công khô

Gia công

Thời gian

(phút)

Gia công khô

Gia công MQL

Từ kết quả đo độ nhám ở bảng 3 ta thấy: giá trị độ nhám trung bình trong thời gian 300 phút tương ứng với 30 lần đo, khi gia công khô là 3,166 µm; khi gia công MQL là 1,659 µm

Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết theo thời gian cắt thực biểu diễn ở hình 10

Thời gian cắt (phút)

Hình 10 Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết R a và thời gian cắt t

Qua biểu đồ hình 10 ta thấy giá trị độ nhám bề mặt chi tiết khi sử dụng phương pháp MQL nhỏ hơn khi gia công khô (cấp độ nhám bề mặt chi tiết khi gia công MQL cao hơn khi gia công khô) Kết quả này là do áp lực của dung dịch trơn nguội MQL đẩy các hạt cứng sinh

ra trong quá trình cắt ra khỏi vùng cắt và giảm được ứng suất dư bề mặt do nhiệt cắt

Cơ chế mòn của dao phay mặt đầu gắn cacbit (P15) khi phay cứng mặt phẳng thép đã tôi 65Γ là mòn do hạt cứng và tiếp xúc Lượng mòn mặt sau của dao sau thời gian cắt thực

300 phút đối với gia công khô là 1,05 mm, đối với gia công MQL là 0,52 mm, chênh lệch 0,53 mm

Lượng mòn dao là 0,52 mm thì khi gia công MQL tuổi bền của dao là 300 phút; tương ứng, khi gia công khô tuổi bền của dao là 209 phút Như vậy, khi gia công MQL tuổi bền của dao gấp 1,44 lần tuổi bền của dao khi gia công khô, tại thời điểm 300 phút

Khi phay cứng vật liệu 65Γ bằng dao phay mặt đầu gắn mảnh hợp kim cứng (P15), giá trị độ nhám trung bình sau 30 lần đo trong thời gian cắt thực 300 phút khi gia công khô là 3,166µm; khi gia công MQL là 1,659 µm, chênh lệch 1,505 µm Khi gia công sử dụng MQL giá trị độ nhám bề mặt chi tiết sau khi gia công nhỏ hơn giá trị độ nhám khi gia công khô Công nghệ MQL sử dụng dung dịch emunxi 4% mang lại hiệu quả về chất lượng độ nhám bề mặt chi tiết sau khi gia công, giảm mòn, nâng cao tuổi bền của dao khi phay cứng mặt phẳng thép 65Γ bằng dao phay mặt đầu cacbit P15 hơn hẳn phương pháp gia công khô Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng khi xây dựng quy trình công nghệ gia công các chi tiết máy có độ bền cao

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Liao Y.S and Lin H M (2007), “Mechanism of minimum quantity lubrication in

high-speed milling of hardened steel”, Machine tools and Manufacture, Vol 47, pp

1660-1666

[2] Saw M.C, (1994), “Tool Life”, Ceramic cutting Tool, Noyes Publication, New Jersey,

USA, pp.2-27

[3] A Iqbal1*, N U Dar, N He, I Khan, and L Li, Optimizing cutting parameters in minimum

quantity oflubrication milling of hardened cold work tool steel Department of

Mechanical Engineering, University of Engineering and Technology, Taxila, Punjab, Pakistan @ College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, People’s Republic of China

[4] Li K M, Liang S Y, (2007), “Performance profiling of minimum quantity lubrication in

machining”, International Journal of Advance Manufacturing Technology, Vol 35, pp

226-233

[5] Liu J., Han R., Zhang L, Guo H, (2006), “Study on lubricating characteristic and tool

wear with water vapor as coolant and lubricant in green cutting”, Wear, Vol 262, Issue

3-4, pp 442-452

[6] Dhar N R, Islama S, Kamruzzamanb M (2007), “Effect of Minimum Quantity Lubrication (MQL) on Tool Wear, Surface Roughness and Dimensional Deviation in

Turning AISI-4340 Steel”, G.U Journal of Science, Vol 20/2, pp 23-32

[7] Bharat Bhushan and B K Gupta, Hanbook of Trybology, Materials- Coatings and Suface

Tretments, Mc Graw Hill Inc, London 1991

[8] Trần Minh Đức, (2007), “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ bôi trơn làm nguội tối thiểu

trong g ia công cắt gọt”, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ trọng điểm B2005-01-61TD,

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

[9] Nguyễn Thế Tranh, Trần Quốc Việt, (2005), Cơ sở cắt gọt kim loại, NXB Đại học Đà

Nẵng

[10] Đỗ Như Hoàng, Nguyễn Thái Bình, (2009), “Ứng dụng MQL vào quá trình phay cứng

thép 60 Γ qua tôi bằng dao phay mặt đầu cacbit”, Chuyên đề khoa học ĐHKTCN

TP Thái Nguyên; email: thaibinh.cdcn@gmail.com; ĐT: 0912.386.489

Nội, TP Hà Nội, email: phamvandong07@gmail.com; ĐT: 0967.051.166