Nghiên cứu khả năng làm mát vùng mài bằng không khí từ máy nén khí có trộn dung dịch làm mát

Phương pháp mài có một vị trí quan trọng trong gia công cơ khí hiện đại nhờ khả năng vượt trội so với các phương pháp cắt gọt khác khi gia công những vật liệu có độ bền cơ học và độ cứng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

MỤC LỤC Trang

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài 3

2 Ý nghĩa của đề tài 4

2.1 Ý nghĩa khoa học 4

2.2 Ý nghĩa thực tiễn 4

3 Đối tượng, mục đích, phương pháp và nội dung nghiên cứu 4

3.1 Đối tượng nghiên cứu 4

3.2 Mục đích nghiên cứu 4

3.3 Phương pháp nghiên cứu 4

3.4 Nội dung nghiên cứu 5

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHIỆT MÀI 1.1 Vị trí của mài trong sản xuất cơ khí và cuộc sống .6

1.2 Các dạng hư hỏng thường gặp trong khi mài 11

1.2.1 Cháy phôi 12

1.2.2 Ram 13

1.2.3 Ứng suất dư 14

1.2.4 Biến dạng nhiệt 17

1.3 Ảnh hưởng của nhiệt mài đến chất lượng gia công chi tiết máy 17

1.4 Các phương pháp làm mát vùng mài .18

1.4.1 Sử dụng dung dịch trơn nguội làm mát kiểu tưới tràn 18

1.4.2 Sử dụng chất kết dính có hệ số dẫn nhiệt cao 20

1.4.3 Sử dụng không khí lạnh 22

1.4.4 Phương pháp bôi trơn – làm nguội tối thiểu 24

1.5 Kết quả nghiên cứu của một số phương pháp làm mát 25

1.6 Dung dịch bôi trơn – làm nguội 29

1.6.1 Tác dụng của dung dịch trơn nguội 30

1.6.2 Yêu cầu đối với dung dịch trơn nguội 30

1.6.3 Các loại dung dịch bôi trơn làm nguội dùng trong gia công cắt gọt 31

Chương 2 PHÂN TÍCH TRUYỀN NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH MÀI

2.1 Nhiệt sinh ra trong vùng mài 36

2.2 Nhiệt độ bề mặt của chi tiết mài-Lý thuyết M.C.Shaw 38

2.2.1 Cơ sở nhiệt động học-Lý thuyết M.C Shaw .38

2.2.2 Nhiệt độ bề mặt chi tiết mài 41

2.3 Sự phân bố nhiệt mài trong quá trình mài khô 43

2.3.1 Xác định tỷ lệ nhiệt truyền vào đá và chi tiết 44

2.3.2 Ảnh hưởng của các cấu trúc đá và thông số công nghệ đến nhiệt độ bề mặt mài và sự phân bố nhiệt 45

2.3.3 Đo nhiệt độ bề mặt mài 46

Chương 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 3.1 Mô hình truyền nhiệt trong vùng mài .48

3.2 Phân tích sự truyền nhiệt trong vùng mài .49

3.3 Mô hình thí nghiệm 50

3.3.1 Yêu cầu của hệ thống thí nghiệm 50

3.3.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội kiểu sương mù 50

3.3.3 Điều kiện thực nghiệm 51

3.3.4 Kết quả thực nghiệm 55

Chương 4 XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 4.1 Khả năng làm mát của không khí trộn dung dịch làm mát với bề mặt chi tiết gia công .57

4.2 Ảnh hưởng của cấu trúc đá mài đến khả năng làm mát 63

4.3 Kết luận 66

CÁC KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 67

LỜI CẢM ƠN 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Các chi tiết máy có độ chính xác, chất lượng bề mặt và độ bền cao là cơ sở cho sự ra đời các loại máy móc, thiết bị hiện đại, có chất lượng cao (độ chính xác,

độ tin cây, độ bền cao…) Phương pháp mài có một vị trí quan trọng trong gia công

cơ khí hiện đại nhờ khả năng vượt trội so với các phương pháp cắt gọt khác khi gia công những vật liệu có độ bền cơ học và độ cứng cao cho độ chính xác và chất lượng bề mặt cao

Gần đây đã có nhiều nghiên cứu về phương pháp tiện cứng và phay cứng bằng mảnh dao CBN để gia công tinh các vật liệu khó gia công đã qua tôi Tuy nhiên, xét về hiệu quả kinh tế - kỹ thuật, khi gia công những chi tiết yêu cầu độ chính xác và chất lượng bề mặt rất cao thì chưa có phương pháp nào thay thế được cho phương pháp mài

Chất lượng bề mặt sau khi mài phụ thuộc rất nhiều yếu tố, một trong các yếu

tố đó là phương pháp làm mát bề mặt chi tiết trong quá trình mài Ngày nay, nền công nghiệp gia công cơ đang hướng tới một môi trường công nghệ đảm bảo độ chính xác gia công và chất lượng bề mặt chi tiết máy đòi hỏi ngày càng cao đồng thời phải tạo ra một môi trường gia công sạch có lợi cho môi trường, cho sức khoẻ của người lao động Điều đó cho thấy không thể tiếp tục sử dụng các loại dung dịch trơn nguội truyền thống (tưới tràn) có sử dụng các hợp chất hoá hóc có hại cho sức khoẻ con người lâu dài được mà đòi hỏi phải có sự thay thế nhằm thoả mãn các yêu cầu của khoa học công nghệ

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

“Nghiên cứu khả năng làm mát vùng mài bằng không khí từ máy nén khí có trộn dung dịch làm mát.”

2 Ý nghĩa của đề tài

2.1 Ý nghĩa khoa học

Làm mát vùng mài đạt hiệu quả cao và ít gây ô nhiễm tới môi trường được nhiều quốc gia quan tâm nghiên cứu và ứng dụng nhưng ở Việt Nam chưa có công trình nghiên cứu nào về lĩnh vực này được công bố, do đó đề tài có ý nghĩa khoa học và phù hợp với hướng nghiên cứu của khoa học và công nghệ về bôi trơn, làm mát

2.2 Ý nghĩa thực tiễn

- Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần ứng dụng công nghệ làm mát vùng mài vào gia công cơ khí ở Việt Nam nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của

phương pháp mài

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: Dung dịch làm mát Emusil được trộn với khí nén ở áp suất cao tạo ra hỗn hợp ở dạng sương mù

3.2 Mục đích nghiên cứu

- Mục đích nghiên cứu là: đánh giá khả năng làm mát vùng mài của dung dịch làm mát Emusil ở dạng sương mù, khi mài thép hợp kim T15K6 bằng 3 đá mài kim cương chất kết dính bằng đồng có tỷ lệ rỗ khí khac nhau trên máy mài phẳng thông qua lực mài và nhiệt bề mặt chi tiết gia công

- 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 lập mô hình toán học

- Tiến hành công tác thực nghiệm: trộn dung dịch làm mát Emusil với không khí ở áp suất cao, tạo ra chất làm mát ở dạng sương mù, phun dung dịch ở dạng sương mù vào vùng mài

- Khảo sát, phân tích và đánh giá kết quả

3.4 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu gồm:

Nghiên cứu tổng quan về nhiệt mài, ảnh hưởng của nhiệt mài tới chất lượng

bề mặt chi tiết gia công, các phương pháp đánh giá chất lượng bề mặt sau gia công, các phương pháp làm mát và dung dịch làm mát

Đánh giá khả năng làm mát bằng phương pháp làm mát mà tác giả đã lựa chọn thông qua các thông số thu thập được sau quá trình thực nghiệm

Nội dung luận văn bao gồm:

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiệt mài

Chương 2: Phân tích truyền nhiệt trong quá trình mài

Chương 3: Xây dựng mô hình toán học và mô hình thực nghiệm

Chương 4: Xử lý số liệu thực nghiệm và thảo luận

Quá trình thực hiện nghiên cứu đề tài mặc dù đã có sự cố gắng rất nhiều của bản than nhưng do điều kiện nghiên cứu và khả năng còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, phê bình của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHIỆT MÀI

1.1 Vị trí của mài trong sản xuất cơ khí và cuộc sống

Mài là phương pháp gia công cắt gọt tốc độ cao bằng một số lượng lớn các lưỡi cắt của hạt mài Các hạt mài được liên kết trong đá mài bằng các chất kết dính

Lỗ khí là thành phần rất quan trọng để tạo khả năng cắt gọt của đá mài Với tốc độ phát triển của khoa học kỹ thuật, yêu cầu về độ chính xác của chi tiết máy ngày càng cao, mài là một trong những phương pháp gia công tinh có hiệu quả cao và thoả mãn các yêu cầu đó Có thể nói, nếu không có phương pháp mài thì khó có thể chế tạo được các chi tiết có độ chính xác cao Tầm qua trọng của mài được thể hiện qua các yếu tố sau:

Trong gia công cơ khí, mài chiếm từ 20-25% giá thành chế tạo các chi tiết có nguyên công mài hay có liên quan đến mài

Sẽ không có xã hội văn minh nếu không có phương pháp mài Nhìn chung các sản phẩm cao cấp trong cuộc sống của xã hội văn minh đều phải qua mài hoặc

có liên quan đến quá trình mài

Quá trình mài thực chất được thực hiện bởi máy mài và đá mài Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, có nhiều loại máy mài hiện đại và vật liệu

đá mài mới ra đời với nhiều tính năng, công dụng khác nhau, độ chính xác gia công ngày càng được nâng cao Máy mài thường được chế tạo theo các loại: máy mài tròn ngoài, máy mài trong trong, máy mài mặt phẳng, máy mài vô tâm, Một trong những đặc điểm nội bật của máy mài so với các loại máy công cụ khác là chúng có khả năng thực hiện được những lớp cắt rất nhỏ (vài µm) và có khả năng điều chỉnh máy với lượng dịch chuyển rất nhỏ

Đá mài được chế tạo với nhiều chủng loại rất phong phú để có thể gia công hầu hết tất cả các bề mặt chi tiết gia công: đá mài tròn ngoài, đá mài tròn trong, đá mài mặt phẳng, đá mài ren, đá mài răng, đá mài rãnh, Đá mài được đặc trưng bởi các yếu tố: dạng hạt mài, kích thước hạt mài, độ cứng của đá, cấu trúc của đá, chất

kết dính và các mảng để nhận dạng đá mài Các loại vật liệu sử dụng để chế tạo đá mài như: Kim cương nhân tạo, CBN (Cubic Nitride Boron), Ôxyt nhôm (Al2O3), Carbide Silic (SiC), Ôxyt Silic (SiO2), Các loại vật liệu được sử dụng làm chất kết dính như: kim loại (metal), thuỷ tinh hoá (vitrify), nhựa tổng hợp (resin),…Đá mài còn được chế tạo theo các phương pháp khác nhau nhằm tạo ra các đặc tính khác nhau của chúng, một trong các đặc điểm được quan tâm nhiều đó là tỷ lệ lỗ khí của

đá mài sau khi chế tạo Hình 1-1 mô phỏng độ cứng của các loại vật liệu hạt mài dùng chế tạo đá mài

Hình 1-1 Độ cứng của các loại vật liệu mài

So với phương pháp gia công cắt gọt bằng các dụng cụ cắt có lưỡi xác định, mài có một số đặc điểm nổi bật:

- Đá mài là dụng cụ cắt mà quá trình cắt gọt được thực hiện chủ yếu nhờ các hạt mài trên bề mặt đá Trong cùng một đơn vị thời gian có rất nhiều lưỡi cắt đồng thời tham gia cắt gọt Các hạt mài có hình dáng khác nhau và rất phức tạp, sự phân

bố các hạt mài trên đá mài là ngẫu nhiên nên chúng có các thông số hình học trên bề mặt đá càng phức tạp hơn Thông thường các góc trước γ luôn âm, các góc sau nhỏ,

bề mặt lưỡi cắt tiếp xúc với bề mặt gia công khi cắt rất lớn Cơ chế tự mài sắc của

đá trong quá trình đang gia công thêm một lần nữa tạo nên sự phức tạp của thông số

hình học các hạt Thông số hình học thay đổi so với các hạt mài với nhau đồng thời các hạt mài đó cũng thay đổi theo thời gian (mòn đá)

-Tốc độ cắt khi mài rất cao, thường Vd=30÷35m/s mài tốc độ cao thì

Vd≥50m/s Hiện nay ở các nước phát triển như Đức, Nhật Bản đã mài với vận tốc lên tới 120m/s và đang tìm cách để nâng vận tốc khi mài lên đến 300m/s Tiết diện phoi mài rất bé, chiều sâu cắt nhỏ

- Dụng cụ mài có lưỡi cắt không liên tục, các hạt mài nằm tách biệt trên đá mài, do đó khi cắt sẽ tạo nên các phoi cắt riêng biệt Quá trình cắt được thực hiện bằng cách cạo xước lên bề mặt chi tiết gia công

- Nhiệt độ trong vùng gia công khi mài rất cao, khoảng từ 1000÷15000C

- Các hạt mài có độ cứng cao, giòn, độ bền nhiệt cao nên có khả năng gia công các loại vật liệu có độ bền cao, các loại vật liệu đã qua nhiệt luyện

- Trong quá trình gia công, đá mài có khả năng tự làm sắc theo các cơ chế khác nhau (gãy cầu liên kết, mòn hạt mài do ma sát và vỡ hạt mài)

Hình 1-2 Máy mài phẳng

Mài là phương pháp chủ yếu sử dụng trong các nguyên công tinh lần cuối, là các nguyên công quyết định cuối cùng đến độ chính xác và chất lượng bề mặt chi

tiết gia công Khối lượng sản phẩm mài chiếm 30% trong ngành chế tạo máy, độ chính xác gia công có thể đạt cấp chính xác 6÷7 (0,002÷0,003mm), độ nhám bề mặt

có thể đạt đến cấp 10 (Ra 0,16µm) Trường hợp mài siêu tinh có thể đạt độ chính xác cấp 3, độ nhám có thể đạt tới cấp 12 (Ra 0,04µm)

So với phương pháp Tiện và một số phương pháp gia công khác, phương pháp mài có nhiều ưu điểm nổi bật: Chất lượng bề mặt chi tiết tốt, quá trình công nghệ dễ thực hiện, có thể thực hiện được các lớp cắt có chiều sâu cắt nhỏ (tmin=3÷5µm), giảm kinh phí chế tạo dụng cụ cắt, các ảnh hưởng đến lớp bề mặt chi tiết có thể kiểm soát được Ngoài ra một đặt trưng nữa là quá trình mài có thể gia công được các chi tiết đã qua nhiệt luyện

Phương pháp mài có thể thực hiện gia công được hầu hết tất cả các dạng bề mặt chi tiết khác nhau: bề mặt trụ trong, trụ ngoài, mặt phẳng, then, ren, răng và các dạng bề mặt định hình khác Ngày nay, kết hợp với máy mài CNC 5 trục và các công nghệ chế tạo đá tiên tiến (Liên kết kim loại hay bằng phwong pháp mạ điện) thì khả năng công nghệ của phương pháp mài càng được mở rộng có khả năng gia công được các bề mặt phức tạp với độ chính xác rất cao

Hình 1-3 So sánh quá trình tạo phoi khi mài và tiện

Khi cắt, quá trình tạo phoi phụ thuộc vào các yếu tố: vật liệu dụng cụ cắt, vật liệu chi tiết gia công, thông số hình học dụng cụ cắt, chế độ cắt, điều kiện thoát

phoi, dung dịch trơn nguội và phương pháp tưới nguội Quá trình tạo phoi khi mài rất phức tạp do tính chất chuyển động của đá mài so với chi tiết gia công, do sự phức tạp của thông số hình học các hạt mài và do sự phân bố phức tạp của số lượng lớn hạt mài trên bề mặt đá

Hình 1-4 Một số loại phoi mài

Hình 1-4 và Hình 1-5 giới thiệu một số loại phoi mài khi thực hiện với chiều sâu cắt t từ 2µm đến 100µm

Hình 1-5 Mô phỏng phoi mài

1.2 Các dạng hư hỏng thường gặp trong khi mài

Trong quá trình gia công cơ, muốn đảm bảo độ chính xác về kích thước chi tiết và chất lượng bề mặt chi tiết gia công cao, thì đòi hỏi phải xử lý rất nhiều các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình công nghệ trong quá trình gia công và cả sau khi gia công Mài là một phương pháp gia công đòi hỏi cao về độ chính xác và chất lượng lớp bề mặt, do đó cần phải xem xét, dự đoán và đưa ra các giải pháp thích hợp nhằm hạn chế các ảnh hưởng đó

Một trong các yếu tố gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công là các yếu tố của hệ thống công nghệ: Máy - Đá mài - Đồ gá và chi tiết gia công Với đặc thù của kết cấu đá mài, hai yếu tố gây khó khăn cho việc đánh giá mức độ ảnh hưởng của chúng là lực mài và nhiệt mài Đây cũng là các yếu tố có tính quyết định đến chất lượng của chi tiết gia công

Do tính phức tạp về kết cấu các hạt mài và sự phân bố của chúng trên bề mặt

đá (hầu hết các hạt mài đều có góc trước âm: γ<0-Hình 1-3) nên quá trình cắt khó thực hiện, ma sát lớn Mặt khác, các hạt mài phân bố trên bề mặt đá không theo quy luật nhất định, mật độ phân bố hạt mài trên một đơn vị diện tích bề mặt đá lớn nên

số lượng hạt mài cùng tham gia cắt gọt trong một đơn vị thời gian rất lớn Sự phân

bố phức tạp của chúng đã cản trở việc sử dụng các loại dung dịch trơn nguội với tác dụng giảm nhiệt khi gia công và khó khăn cho việc xác định các thông số của quá trình mài Trong lúc đó đá mài lại có khả năng dẫn nhiệt kém nên hầu hết nhiệt mài được truyền vào chi tiết gia công

Các dạng hư hỏng xảy ra khi cắt thường chịu ảnh hưởng của sự biến dạng hệ thống công nghệ và do nhiệt mài Biến dạng của hệ thống công nghệ liên quan đến lực mài Ở đây, lực cắt khi mài thường không đáng kể do quá trình cắt khi mài chỉ thực hiện với lớp chiều sâu của lớp cắt nhỏ Sự biến dạng của hệ thống công nghệ ngoài việc liên quan đến độ lớn của lực cắt còn phụ thuộc vào phương pháp thực hiện quá trình cắt (mài thuận, mài nghịch) Tuy nhiên, quá trình mài khác với phay

là lực mài hầu như không có tác dụng trong việc tăng hay giảm lực kẹp Do lực mài khi cắt rất nhỏ nên sự ảnh hưởng của chúng đến các dạng hư hỏng do mài là rất ít

Do đó có thể nói các hư hỏng xảy ra khi mài chủ yếu các dạng hư hỏng đều do nhiệt mài gây nên Theo một số đánh giá kỹ thuật thì các hư hỏng chịu ảnh hưởng của nhiệt mài chiếm xấp xỉ 90%

1.2.1 Cháy phôi

Một trong những dạng hư hỏng phổ biến nhất là cháy phôi Hiện tượng cháy phôi không những chỉ xuất hiện khi mài các loại thép Cacbon và thép hợp kim mà còn xảy ra cả với những loại vật liệu kim loại khác Biểu hiện dễ nhận thấy nhất của cháy phôi là hiện tượng chuyển màu của lớp bề mặt kim loại do sự hình thành lớp oxit Hiện tượng này chỉ xuất hiện trong quá trình mài 1 số vật liệu kim loại, khi không xuất hiện màu xanh không có nghĩa là không có hiện tượng cháy phôi khi gia công xảy ra

Hình 1-6: Sự thay đổi độ cứng trong lớp bề mặt mài

Khi bị cháy, kim loại có xu hướng dính chặt với bề mặt đá mài, làm lực cắt tăng lên, bề mặt gia công xấu đi và đá mài cũng nhanh bị mòn Bằng nhiều phương pháp kiểm tra tế vi khác nhau, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng có thể xác

định được các yếu tố sau khi cháy, đồng thời chúng có liên quan đến quá trình phục hồi ausenit của phôi Khi cháy, thép bị tôi lại, sự tôi lại là kết quả của sự phục hồi austenit được nối tiếp bằng sự hình thành mactensit chưa ram Sự cháy phôi và sự phục hồi austenit do nhiệt khi mài các loại thép mềm, kể cả những loại có độ thấm tôi, không nhất thiết đi kèm với sự tôi bề mặt Xét về mặt luyện kim và những kết quả đo độ cứng tế vi cho thấy ngưỡng cháy trùng hợp với ngưỡng bắt đầu của sự phục hồi austenit khi nung nóng kim loại

Trong quá trình gia công, những phát hiện này đã tạo điều kiện xác định và kiểm soát quá trình cháy phôi (burn) Khi mài, năng lượng riêng đo được có thể so sánh với năng lượng riêng tới hạn nhằm dự đoán hiện tượng cháy có thể xảy ra hay không Trong thực tế, năng lượng riêng tới hạn của mỗi loại vật liệu phụ thuộc rất nhiều yếu tố Việc xác định năng lượng riêng trong phòng thí nghiệm thường dựa trên các số liệu đo lường về lực, song việc này rất khó để thực hiện tại điều kiện sản xuất thực tế Tuy nhiên, công suất máy có thể xác định được một cách chính xác và dựa vào đó để xác định được công suất mài thông qua các bộ chuyển đổi trạng thái công suất Để xác định công suất mài thực, chỉ cần lấy tổng công suất trừ đi công vô ích Công suất mài thực có thể so sánh với công suất cháy ở ngưỡng cháy Việc giám sát công suất mài theo hình thức này tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình điều khiển thích nghi tối ưu của quá trình mài trong lúc vẫn thoả mãn các yêu cầu về chất lượng bề mặt chi tiết gia công

1.2.2 Ram

Đối với các thép đã tôi, nếu khi mài không xảy ra hiện tượng cháy thì cũng thường xảy ra các hiện tượng ram bề mặt Ram xuất hiện trong quá trình mài được xem là hiện tượng không có lợi, làm xuất hiện sự hoá mềm của kim loại ở gần lớp

bề mặt chi tiết Đối với những kim loại có cấu trúc mactensit đã tôi, thì mức độ hoá mềm do ram là rất phức tạp, chủ yếu do có sự thoát Cacbon khi nung nóng Mà hiện tượng thoát Cacbon lại phụ thuộc rất nhiều vào cả thời gian và nhiệt độ nung nóng Nếu thời gian bị nung nóng càng dài và nhiệt độ càng cao (chưa đến ngưỡng cháy) thì mức độ ảnh hưởng do ram gây ra càng lớn Ram xuất hiện sẽ gây nên các hiện

tượng chuyển biến pha kim loại và hầu hết đều làm giảm độ cứng của bề mặt chi tiết gia công Điều này hoàn toàn không mong muốn trong quá trình gia công chế tạo máy, đặc biệt là các trường hợp mài vật liệu kim loại đã nhiệt luyện Do yêu cầu về độ cứng của chi tiết gia công nên phải tiến hành qua nguyên công nhiệt luyện Song khi nhiệt luyện lại xuất hiện một số hiện tượng thoát Cacbon, ôxy hoá

bề mặt do vậy phải tiến hành mài sau khi nhiệt luyện Với đặc điểm chung như vậy, nếu khi mài chi tiết đã qua nhiệt luyện thì phải tuyệt đối không để hiện tượng ram xảy ra Vì hiện tượng ram xảy ra lúc này sẽ làm giảm tác dụng của nguyên công nhiệt luyện-điều này chúng ta hoàn toàn không mong muốn khi gia công

1.2.3 Ứng suất dư

Quá trình mài không thay đổi tạo ra những ứng suất dư thừa trên các phần xung quanh của bề mặt đã hoàn thành Điều này có thể gây ra ảnh hưởng lớn đối với biểu hiện cơ học của vật liệu Những ứng suất dư được tạo ra do những biến dạng dẻo không đồng đều ở gần bề mặt của chi tiết gia công Những va chạm tác động giữa các hạt mài với chi tiết gia công phần lớn gây ra những ứng suất nén dư

do sự chảy chất dẻo (plastic flow) được xác định theo vùng Ảnh hưởng của nó có thể so sánh với ảnh hưởng của việc rèn hạt Những ứng suất và biến dạng do nhiệt kết hợp với nhiệt độ mài và độ dốc từ bề mặt đến chi tiết gia công là những nguyên nhân chính gây ra những ứng suất căng dư thừa Tại phần được mài, sự giãn nở nhiệt của vật liệu nóng hơn ở gần phía bề mặt một phần được giảm xuống do vật liệu ở lớp dưới bề mặt mát hơn Điêù này sẽ phát ra những ứng suất nhiệt nén ở gần

bề mặt mà nếu đủ lớn sẽ gây ra sự chảy chất dẻo trong khi nén Trong suốt quá trình làm mát sau đó, sau khi nhiệt của quá trình mài đã hết, vật liệu bị biến dạng dẻo có

xu hướng co lại nhiều hơn so với vật liệu dưới bề mặt, nhưng yêu cầu về tính liên tục của vật liệu đã gây ra những ứng suất căng trên một “lớp da” của bề mặt Để đảm bảo sự cân bằng cơ học, những ứng suất nén dư cũng phải xuất hiện sâu hơn trong vật liệu, nhưng những ứng suất này về độ lớn còn nhỏ hơn rất nhiều so với những ứng suất căng dư Việc tạo thành những ứng suất dư do nhiệt càng phức tạp hơn do bất cứ một sự chuyển đổi pha khối nào cũng có thể xảy ra trong suốt chu

trình làm nóng hay mát vì những sự chuyển đổi này thường đi kèm với sự thay đổi

dư thường chủ yếu là căng, có nghĩa là chủ yếu có nguồn gốc từ nhiệt

Hình 1-7: Sự phân bố ứng suất dư do nhiệt trong quá trình mài

Ảnh hưởng của những ứng suất dư thường tương đối rõ rệt hơn đối với những vật liệu có độ giòn và bền cao vì khi đó độ bền thường rất được quan tâm Những điều kiện mài khó khăn hơn đối với các loại thép có độ bền cao và những hợp kim máy bay thường gây ra những ứng suất căng dư lớn hơn, do đó giảm bớt

độ bền chịu đựng và nứt vỡ Tình trạng này còn có thể trầm trọng thêm do sự giòn gãy hydro, cụ thể là do những chất lưu của quá trình mài vỡ ra khiến những lớp

hydro cao hơn được đưa vào thép Các thành phần thép tôi tiếp đất đột ngột phơi ra trước axit nóng gây ra những vết nứt vỡ ở bề mặt; điều này cũng có thể quy cho các ứng suất căng dư tác động trên mactensit giòn chưa tôi được hình thành do ăn mòn chi tiết gia công Các vết nứt vỡ gây ra do khắc mòn axit và mài quá mức thường hướng đến chiều mài, và thông thường đa số là thành phần ứng suất căng dư dọc theo chiều mài

Một mong muốn chung là làm thế nào để kiểm soát được các điều kiện mài

để tạo ra những ứng suất nén dư, hoặc, ít nhất là, hạn chế bớt độ lớn của ứng suất căng dư cao nhất Trên thực tế, những nhu cầu về quá trình sản xuất hiệu quả hơn

và những tỷ lệ dịch chuyển nhanh hơn thường gây ra những ứng suất căng dư, ví dụ

có thể thấy ở hình 8 Để đạt được những ứng suất nén dư thì cần duy trì được một tỷ

lệ dịch chuyển tương đối thấp Tuy nhiên, việc ứng dụng đưa các bánh xe chất mài mòn CBN (CBN abrasive wheels) thay cho oxi nhôm đã cho thấy có thể tạo ra những ứng suất nén dư thay vì ứng suất căng dư khi qua trình mài tôi các vòng ổ bi Điều này có thể cho thấy nhiệt độ thấp hơn khi mài với CBN do những năng lượng

cụ thể thấp hơn Một yếu tố khác có thể là do tính dẫn nhiệt rất cao của CBN, tính chất này có thể góp phần làm mát bề mặt của chi tiết gia công

Theo nguyên lý thì hoàn toàn có thể phân tích dự đoán sự phân bố ứng suất

dư do nhiệt dựa vào nhiệt độ mài kết hợp với những tính toán về ứng suất và sức căng nhiệt Những phân tích này được thực hiện sử dụng phương pháp nhân tố hạn chế (finite-element method), tính đến những ứng suất và biến dạng đàn hồi-dẻo lúc đầu trong suốt quá trình tải nhiệt theo sau bởi quá trình không tải đàn hồi trong khi làm mát Tuy nhiên cần có một khoảng thời gian lớn cho việc tính toán, đặc biệt là khi tính cả đến ảnh hưởng của nhiệt độ lên các đặc tính cơ học và nhiệt của vật liệu của chi tiết gia công cụ thể và bản chất tự nhiên phi tuyến của hiện tượng không cho phép có những kết quả chung chung Một sự quan tâm thực tế hơn là sự quan sát thực nghiệm mối liên hệ trực tiếp giữa ứng suất căng dư đỉnh điểm và nhiệt độ cao nhất tại vùng mài

1.3 Ảnh hưởng của nhiệt mài đến chất lượng gia công chi tiết máy

Độ chính xác của chi tiết máy và chất lượng bề mặt chi tiết gia công được đánh giá theo những tiêu chí sau:

- Độ chính xác về kích thước các bề mặt chi tiết máy

- Độ chính xác về hình dáng hình học của chi tiết máy (độ tròn, độ trụ, độ thẳng,…)

- Độ chính xác về kích thước vị trí tương quan giữa các bề mặt chi tiết máy (độ vuông góc, độ đồng tâm, độ song song, độ đảo mặt đầu,…)

- Độ nhẵn bóng của bề mặt chi tiết máy (Rz, Ra)

- Ứng suất dư trên lớp bề mặt và sự xuất hiện hay không của các hiện tượng vật lý khác (chuyển biến pha kim loại, lớp biến cứng bề mặt, hoá mềm, thoát Cacbon,…)

Khi nhiệt mài trong khu vực gia công đủ lớn, sẽ gây biến dạng đàn hồi hệ thống công nghệ máy-đá mài-đồ gá-chi tiết gia công, gây ra các sai số về chuẩn, về khả năng định vị và kẹp chặt chi tiết, …gây ra các sai số kích thước gia công theo chu kỳ hoặc ngẫu nhiên, làm giảm độ chính xác kích thước bề mặt và kích thước về

vị trí tương quan giữa các bề mặt của chi tiết máy

Một lượng nhiệt mài rất lớn truyền vào chi tiết gia công, làm xuất hiện các hiện tượng biến dạng đàn hồi chi tiết, xuất hiện các hiện tượng biến dạng dẻo trên

bề mặt chi tiết, …gây ra các sai số vệ hình dáng hình học của chi tiết

Hiện tượng biến dạng dẻo trên lớp bề mặt chi tiết có thể làm xuất hiện hiện tượng “lẹo dao” khi gia công, làm thay đổi các góc cắt của hạt mài tạo nên một

topograph trên bề mặt chi tiết phức tạp, có độ nhám cao Nhiệt mài cũng là một trong những nguyên nhân gây nên hiện tượng mòn đá mài và như vậy cũng làm tăng độ nhám của bề mặt chi tiết gia công và giảm khả năng cắt của đá

Như đã trình bày, nhiệt mài làm xuất hiện ứng suất dư kéo, nén và một số hiện tượng khác như: chuyển biến pha vật liệu kim loại, mềm hoá, thoát Cacbon (mài thép Cacbon), … và như vậy cũng làm giảm chất lượng của bề mặt chi tiết máy khi gia công

Như vậy, nhiệt sinh ra khi mài và tồn tại trong khu vực mài là yếu tố rất có hại cho quá trình công nghệ khi mài, làm xuất hiện rất nhiều sai số gia công khác nhau

Từ những kết quả đánh giá trên cho thấy các ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công chủ yếu phụ thuộc vào hai yếu tố là lực mài và nhiệt mài Kết quả cũng cho thấy các ảnh hưởng do lực cắt khi mài là không đáng kể, các ảnh hưởng xấu đối với bề mặt chi tiết máy chủ yếu do nhiệt sinh ra khi mài gây nên

Do những ảnh hưởng đó, việc xác định các thông số và giá trị nhiệt mài là rất cần thiết, từ đó đưa ra các giải pháp làm nguội trong quá trình mài nhằm hạn chế các ảnh hưởng xấu của chúng để nâng cao độ chính xác và chất lượng bề mặt chi tiết máy

1.4 Các phương pháp làm mát vùng mài

1.4.1 Sử dụng dung dịch trơn nguội làm mát kiểu tưới tràn

Để hạn chế các ảnh hưởng do nhiệt mài gây nên, các nhà nghiên cứu về kỹ thuật trước đây chủ yếu đưa ra một số phương pháp dùng các loại dung dịch trơn nguội tưới vào khu vực gia công khi mài

Các loại dung dịch trơn nguội thường được sử dụng được chia làm 4 loại: Dầu tổng hợp (không có dầu lửa), dầu bán tổng hợp (có chứa 2÷30% dầu lửa), dầu nguyên chất (lấy 100% dầu lửa, không pha chế) và dầu có pha chế nước và một số hợp chất khác

Khi dung dịch trơn nguội được tưới vào khu vực gia công, nó có tác dụng làm giảm ma sát giữa đá mài và bề mặt chi tiết gia công và làm giảm nhiệt truyền

vào chi tiết bằng cơ chế hấp thu nhiệt ở khu vực gia công và truyền ra ngoài Do vậy nếu dung dịch trơn nguội có nhiệt độ càng thấp và lưu lượng chuyển qua khu vực gia công trong 1 đơn vị thời gian càng nhiều thì hiệu quả của chúng càng cao

Ngoài ra dung dịch trơn nguội còn có tác dụng làm tăng khả năng thoát phoi trong khu vực gia công Nếu quá trình gia công khó thoát phoi thì lượng phoi bị kẹt

sẽ là nguyên nhân làm tăng ma sát giữa đá và chi tiết do đó làm tăng nhiệt trong khu vực gia công Khi đó quá trình cắt gọt xảy ra ở dạng cày xới và chà xát bề mặt dẫn đến làm giảm chất lượng bề mặt chi tiết gia công Mặt khác do kết cấu của đá mài nên dung dịch trơn nguội khi tưới vào khu vực gia công thì không thể nào xâm nhập vào trực tiếp bề mặt gia công được mà chủ yếu chỉ bao phủ xung quanh khu vực gia công Mà nhiệt mài chủ yếu sinh ra tại vị trí trong khu vực tiếp xúc giữa đá mài và

bề mặt chi tiết gia công, do đó đã làm giảm khả năng làm nguội của dung dịch trơn nguội khi mài

Khi dung dịch trơn nguội tiếp xúc với bề mặt chi tiết gia công, nếu quá trình làm nguội kém hiệu quả, nhiệt độ ở vùng gia công đủ lớn sẽ làm sôi và tạo ra lớp hơi sương (lớp màng trắng) trên bề mặt lớp dung dịch trơn nguội Đây là thành phần

để cản trở quá trình hấp thu nhiệt từ chi tiết gia công vào dung dịch trơn nguội để chuyển ra ngoài do đó đã làm tăng nhiệt trên chi tiết gia công Theo nghiên cứu của Yuwen Zhang và Amir Faghrj, khi hiện tượng này xuất hiện thì khả năng hấp thụ nhiệt của dung dịch trơn nguội sẽ xem như không có Do vậy phải hạn chế không

để hiện tượng này xảy ra khi mài

Mặt khác, khi sử dụng các loại dung dịch trơn nguội đã xuất hiện một số vấn

đề cần quan tâm Dung dịch trơn nguội chứa nhiều hoá chất gây ảnh hưởng xấu đối với môi trường và con người như Arsen, Benzen, Chlor,…có thể gây nên một số bệnh nghề nghiệp nguy hiểm-đặc biệt là bệnh ung thư Mà việc xử lý chất thải từ dung dịch trơn nguội đòi hỏi tốn kém về công nghệ và kinh tế Đã có nhiều nghiên cứu cho thấy sự ô nhiễm môi trường gây ra một số căn bệnh hiểm nghèo cho con người (đặc biệt là bệnh do ô nhiễm nguồn nước) mà nguyên nhân là do các chất thải công nghiệp gây nên, trong đó có các chất thải từ dung dịch trơn nguội Hơn nữa,

lượng dung dịch trơn nguội sử dụng trong quá trình gia công là rất lớn Ở Đức, mỗi năm phải sử dụng từ 130.000 đến 250.000 tấn dung dịch trơn nguội cho ngành công nghiệp chế tạo máy

Qua đó cho thấy, nguyên lý làm nguội của phương pháp này là nhờ cơ chế hấp thu nhiệt của dung dịch làm nguội tác động vào các bề mặt xung quanh gần khu vực gia công để làm giảm nhiệt của khu vực gia công Chứ không trực tiếp làm giảm nhiệt tại khu vực gia công-các vùng trực tiếp sinh ra nhiệt khi mài

Theo các phân tích trên, dung dịch trơn nguội dùng trong quá trình gia công

có ưu điểm nổi bật là ngoài khả năng làm nguội còn có khả năng bôi trơn cho khu vực gia công, dễ kiếm, dễ thực hiện, công nghệ vận hành đơn giản Song việc sử dụng chúng sẽ gặp rất nhiều khó khăn trong việc xử lý chất thải, tốn kém, khó kiểm soát được một số ảnh hưởng xấu khác và nhất là hiệu quả làm nguội khi mài không cao

Từ những ảnh hưởng xấu của việc sử dụng dung dịch trơn nguội trong quá trình gia công như đã nêu, gần đây các nhà kỹ thuật đã nghiên cứu các giải pháp khác để thay thế các loại dung dịch trơn nguội

1.4.2 Sử dụng chất kết dính có hệ số dẫn nhiệt cao

Đá mài được chế tạo từ 2 thành phần cơ bản là hạt mài và chất kết dính Sau khi kết dính, đá mài được xử lý bằng các công nghệ khác nhau để tạo ra các lỗ khí bên trong để tạo nên các góc cắt cho hạt mài

Các loại đá mài hiện nay được sử dụng một số loại vật liệu hạt mài như: Kim cương, CBN, Oxyt nhôm, Carbide Silic, và các loại vật liệu kết dính như: thuỷ tinh hoá (vitrify), nhựa (resin), kim loại (metal), Mỗi loại vật liệu kết dính và vật liệu hạt mài đều có hệ số dẫn nhiệt khác nhau Do vậy các nhà thiết kế đã vận dụng vào khả năng dẫn nhiệt của chúng để chế tạo các loại đá mài có khả năng làm mát Quá trình này được thực hiện thông qua quá trình truyền nhiệt từ khu vực gia công thông qua đá mài ra môi trường và các bộ phận làm mát khác của hệ thống công nghệ

Zirconia dÉn nhiÖt kÐm nhÊt

Trong thực tế, vật liệu hạt mài CBN và vật liệu kết dính bằng kim loại được xem là các loại vật liệu phổ biến dùng chế tạo đá mài nhằm tăng hệ số dẫn nhiệt của

đá mài

Kim loại (Cu, Al, Carbide Silic,…) là loại vật liệu có khả năng dẫn nhiệt cao nhất trong tất cả các loại chất kết dính Nhờ đặc điểm này, vật liệu kết dính bằng kim loại đã chiếm được ưu thế mạnh mẽ trong lĩnh vực sản xuất chế tạo đá mài

Vật liệu kết dính thuỷ tinh hoá có hệ số dẫn nhiệt thấp hơn kim loại, tuy nhiên nếu sử dụng vật liệu thuỷ tinh hoá làm chất kết dính thì chúng có ưu điểm là làm tăng khả năng cắt của đá, tăng độ bền của đá và dễ tạo được tỷ lệ lỗ khí của đá cao Còn vật liệu nhựa chủ yếu được sử dụng để chế tạo các loại đá có hệ số an toàn cao vì khả năng kết dính của nhựa tốt hơn, dẻo dai hơn vật liệu thuỷ tính hoá Nhược điểm lớn nhất của vật liệu kết dính nhựa là độ dẫn nhiệt của đá kém và khó tạo được tỷ lệ lỗ khí trong đá mài

Hình 1-8 Khả năng dẫn nhiệt của các loại vật liệu đá mài

Trên Hình 1-8 cho thấy khả năng dẫn nhiệt của vật liệu dụng cụ cắt sử dụng trong quá trình cắt gọt nói chung Độ dẫn nhiệt của vật liệu đá mài càng cao thì tốc

độ khuyếch tán nhiệt từ khu vực gia công ra ngoài càng nhanh

Cơ chế hoạt động của phương pháp này là dùng khả năng dẫn nhiệt của chính các loại vật liệu chế tạo đá mài kết hợp với khả năng dẫn nhiệt của bản thân vật liệu chi tiết gia công để khuyếch tán nhiệt ra khỏi khu vực gia công Phương pháp này có thể can thiệp trực tiếp vào khu vực sinh ra nhiệt khi mài

Ưu điểm của phương pháp này là dễ thực hiện, tận dụng được quá trình làm mát thông qua vật liệu đá mài Song nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là khả năng làm mát của chúng không cao Phương pháp chỉ được áp dụng kết hợp với các phương pháp làm nguội khác để tăng hiệu quả

Năm 1998, Baheti đã nghiên cứu quá trình mài mặt phẳng thép Cacbon với

đá mài Oxyt nhôm sử dụng dung dịch trơn nguội bằng dầu Ester và khí lạnh Kết quả đã cho thấy các nguyên nhân làm tăng nhiệt độ khi mài và khả năng làm nguội của chúng tương đương với các loại dung dịch trơn nguội khác, song bề mặt chi tiết

có độ nhám cao vì thiếu chất bôi trơn bề mặt

Sau đó Yui và Zhang đã tiến hành thực nghiệm bằng cách cho thêm dầu thực vật (8,6cc/h) vào luồng khí lạnh có nhiệt độ -300C để tăng khả năng bôi trơn của dung dịch nhưng kết quả cũng chỉ thực hiện được với những lớp cắt có chiều sâu tối

đa là 6µm Tiếp theo, Zhang và các đồng nghiệp khác đã tiến hành tách rời chất bôi trơn và khí lạnh độc lập với nhau Khí lạnh được nén đến áp suất 600kPa với lưu lượng 4095lít/phút, được trộn vào vòi khí ở nhiệt độ -200C Chất bôi trơn được sử dụng là dầu Ôliu, được pha trộn ngay tại đầu vòi phun khí với lưu lượng 0,16cc/ph Kết quả khả quan hơn, có thể thực hiện với chiều sâu cắt tối đa là 15µm trước khi xuất hiện hiện tượng cháy của lớp bề mặt chi tiết gia công

Tương tự phương pháp này, Yokogawa đã nghiên cứu với ý tưởng sử dụng

hệ thống phun kép nước và dầu Thực hiện phun một lượng dầu và nước vào khu

Tiếp theo đó, R.A.Irani, R.J.Bauer và A.Warkentin đã tiến hành nghiên cứu tìm mọi phương pháp nhằm tăng khả năng cung cấp khí vào khu vực gia công và tăng phoi thoát Theo họ, một trong các thông số có ảnh hưởng lớn đến các yếu tố này là kết cấu của đầu phun khí Do vậy các nhà nghiên cứu này tập trung nghiên cứu, thực nghiệm và đã đưa ra các thông số về kích thước của vòi phun tối ưu như Hình 1-9 Quá trình nghiên cứu cũng cho thấy hiệu quả cao nếu sử dụng nhiều vòi phun khí trong cùng 1 thời điểm gia công

Hình 1-9 Vòi phun khí của A.Warkentin

Qua những nghiên cứu trên đã chứng minh khả năng làm nguội của không khí lạnh sử dụng khi mài Cơ chế hoạt động của phương pháp này là kết hợp hai khả năng làm mát khi gia công Thứ nhất, đã can thiệp trực tiếp vào khu vực sinh nhiệt khi mài bằng các luồng khí len lỏi vào bề mặt tiếp xúc giữa chi tiết gia công và bề mặt đá mài Thứ hai, tác động vào khu vực xung quanh vùng mài bằng các luồng khí khác để hấp thu, khuyếch tán nhiệt ra ngoài môi trường Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là rẻ, vật liệu vô tận và đặc biệt là có lợi cho môi trường và sức khoẻ người lao động và hiệu quả làm mát cao Bên cạnh đó phương pháp này cũng

có thể tồn tại một số nhược điểm như sau: khó chế tạo luồng khí có nhiệt độ thấp, phương pháp này cần thực hiện với một phương pháp khác nhằm tăng khả năng bôi trơn cho chi tiết gia công

1.4.4 Phương pháp bôi trơn – làm nguội tối thiểu

Phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, đặc biệt là ứng dụng trong các phương pháp gia công cắt gọt như: tiện, phay,…Ở Việt Nam cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu về phương pháp bôi trơn làm nguội này Tuy vậy đối với phương pháp mài, phương pháp này vẫn chưa được nghiên cứu nhiều

Phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu – dung dịch được phun vào vùng gia công với một áp suất nhất định, chuyển một lượng nhỏ dung dịch vào vùng cắt với một tốc độ cao (250 ÷ 300 m/phút), chúng có tác dụng bôi trơn và làm nguội rất hiệu quả

Tác dụng hút nhiệt của phương pháp bôi trơn và làm nguội tối thiểu là rất cao Dùng phương pháp này cho phép nâng cao tuổi bền của dao thép gió và dao hợp kim cứng từ 1.5 ÷ 3 lần so với phương pháp tưới tràn Phương pháp này có các

ưu điểm, nhược điểm sau:

Hinh 1-10 Sơ đồ làm mát bằng không khí lạnh lạnh

*Ưu điểm:

- Lượng dung dịch trơn nguội cần thiết chỉ bằng 20 ÷ 30% so với lượng dung dịch sử dụng theo phương pháp tưới tràn, do đó giảm chi phí chế tạo chất bôi trơn làm lạnh

- Hiệu quả bôi trơn, làm nguội cao nên giảm lực, giảm nhiệt dẫn đến nâng cao chất lượng sản phẩm

- Tiết kiệm dung dịch trơn nguội, giảm ô nhiễm môi trường

- Đảm bảo tuổi bền của dụng cụ

- Phoi sạch, không gây ô nhiễm môi trường

- Không gian làm việc sạch

* Nhược điểm:

- Khó vận chuyển phoi ra khỏi vùng cắt

- Nhiệt độ chi tiết cao

1.5 Kết quả nghiên cứu của một số phương pháp làm mát

+ Phương pháp mài khô và mài ướt

Một số công trình đã nghiên cứu khi gia công các loại vật liệu khác nhau, với các chiều sâu cắt khác nhau, cho kết quả như sau:

- Các thông số thí nghiệm

T (oC)

Dτ (µm)

σ (kgf/mm2)

Dσ (µm)

T :nhiệt độ lớn nhất trên bề mặt chi tiết mài

Dτ: chiều sâu tác dụng của vùng nhiệt

σ: ứng suất dư lớn nhất

Dσ: chiều sâu của ứng suất dư

+ Phương pháp mài làm mát bằng khí lạnh

- Các thông số thí nghiệm

Quá trình thực nghiệm sử dụng khí lạnh làm nguội khi mài được thực hiện

bằng đá mài kim cương có vật liệu kết dính bằng kim loại là Đồng

Đá mài kim cương chất kết dính kim loại có kích thước đường kính

φ100mm, chiều rộng 8mm, kích thước hạt mài #140/170, tỷ lệ lỗ khí từ 35% đến

58% với 3 mức độ: nhỏ (35%), vừa (45%) và tỷ lệ lớn là 58% Đá được luyện trong

môi trường chân không với điều kiện áp suất 133,3Pa Sau khi xử lý qua Photpho,

đá được nung nóng ở điều kiện 9800kPa, 5980K và 10,8ks sau đó được xử lý lạnh

trong môi trường Nitơ lỏng Các thông số của đá mài được thể hiện trong sau

Thông số đá mài dùng thực nghiệm

Đá mài Vg (vol %) Vb (vol %) VP (vol %)

M1 29,5 14,0 56,5 M2 27,6 26,5 45,9 M3 25,3 39,1 35,6

+ Máy mài: Trung tâm mài VKC45

+ Tốc độ đá: 20m/s, 25m/s và 30m/s

+ Tốc độ di chuyển của phôi: 60mm/ph, 90mm/ph và 120 mm/ph

+ Vật liệu gia công: T15K6, kích thước L15 x W6 x H22

+ Chiều sâu cắt: 2µm, 4µm, 6µm, 8µm và 10µm

+ Phương pháp mài: Mài thuận (véc tơ vận tốc cắt tại mặt phẳng cắt cùng

chiều với chuyển động của phôi)

Mµi kh«

Mµi dïng khÝ l¹nh

M1M2M3

Mµi dïng chÊt b«i tr¬n

bề mặt gia công đến vị trí đầu đo trong phạm vi không lớn hơn 100µm

- Kết quả khả năng làm mát bề mặt chi tiết gia công

Sự thay đổi nhiệt khi mài hợp kim T15K6 ở các điều kiện mài khác nhau

Có thể thấy rằng nhiệt độ bề mặt chi tiết máy khi mài làm mát bằng khí lạnh

là thấp hơn so với khi mài khô và thậm chí thấp hơn khi mài ướt nếu như chiều sâu mài nhỏ (dưới 6µm) Điều này đạt được là do nhiệt độ của chi tiết mài trước khi mài lạnh là thấp hơn nhiều so với mài khô và mài ướt (nhiệt độ phòng)

Nhiệt độ tăng lên của bề mặt chi tiết mài khi mài khô và mài làm mát bằng khí lạnh với các năng lượng mài khác nhau Năng lượng mài được xác định bằng cách đo lực mài tiếp tuyến, sau đó nhân với vận tốc mài Khi tiến hành thực nghiệm, kết quả thu được cho thấy khi thay đổi năng lượng mài (bằng cách thay đổi chiều sâu cắt) thì mức độ truyền nhiệt từ trong bề mặt chi tiết gia công cũng thay đổi theo

Có thể thấy rằng lượng tăng nhiệt độ bề mặt của chi tiết mài khi mài lạnh là thấp hơn so với khi mài khô Điều này có thể được giải thích là với sự có mặt của không khí lạnh trong vừng mài, một phần nhiệt đã được lấy đi khỏi bề mặy chi tiết dô đó làm cho nhiệt độ bề mặt chi tiết mài thấp

1.6 Dung dịch bôi trơn – làm nguội

Sự trượt trực tiếp phoi trên mặt trước và phôi trên mặt sau của dụng cụ là các

bề mặt rắn trượt trên nhau sinh ra nhiệt và mòn khốc liệt Hiện tượng nhiệt và mòn phụ thuộc vào tính chất cơ, lý, hoá của hai bề mặt tiếp xúc Sự hấp thụ và hình thành các lớp màng trong môi trường không khí là nguyên nhân giảm ma sát và mòn Tuy nhiên không có gì đảm bảo cho sự tồn tại lâu dài các lớp màng này trong quá trình phoi và phôi liên tục trượt trên dao làm cho lớp màng không kịp tạo ra Vậy chất bôi trơn – làm nguội sẽ vào vùng tiếp xúc chung giữa hai bề mặt để tạo ra các màng chất lỏng làm giảm ma sát và mòn

Lớp màng mỏng được tạo ra khi dẫn dung dịch trơn nguội trực tiếp vào vùng cắt là tác nhân tích cực làm giảm ma sát Lớp màng tạo thành giữa hai bề mặt đối tiếp sẽ là mặt phân cách ngăn tiếp xúc trực tiếp giữa hai bề mặt rắn trượt trên nhau, nhờ vậy mà giữa hai bề mặt này hệ số ma sát giảm xuống (0,001 ÷ 0,003) và loại trừ mòn

Ta thấy rằng khả năng cắt của vật liệu dụng cụ cắt phụ thuộc rất lớn nhiệt độ vùng cắt, đặc biệt là vật liệu thép các bon dụng cụ và thép gió Quá trình trao đổi nhiệt của dung dịch trơn nguội trong cắt gọt sẽ đảm bảo cho nhiệt độ vùng cắt luôn nằm trong giới hạn làm việc tốt của vật liệu dụng cụ

Quá trình bôi trơn – làm nguội còn có tác dụng giúp tải phoi ra khỏi vùng gia công

Các nguyên tố có mặt trong dung dịch như phốt pho, lưu huỳnh, Clo là tác nhân làm tăng tính gia công của vật liệu

1.6.1 Tác dụng của dung dịch trơn nguội

+ Làm giảm hệ số ma sát của phoi trượt trên mặt trước và làm giảm ma sát của mặt sau với bề mặt gia công Do vậy, dung dịch trơn nguội làm giảm lực cắt và giảm nhiệt phát sinh trong vùng cắt

+ Dẫn nhiệt ra khỏi vùng cắt làm giảm nhiệt độ vùng cắt Độ chính xác, chất lượng bề mặt gia công được nâng lên và độ mòn của dụng cụ cắt giảm

+ 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

+ Dung dịch trơn nguội tác động vào bề mặt phoi tạo ra lớp bọc cần thiết để phoi không bám vào nhau, thoát khỏi vùng tạo phoi dễ dàng

+ Dung dịch bôi trơn – làm nguội luôn phải có xu hướng làm giảm lực cắt, nhiệt cắt, giảm hệ số ma sát, giảm biến dạng phoi Kết quả thể hiện ở việc kéo dài tuổi thọ dụng cụ cắt, tăng chất lượng bề mặt gia công [3]

+ Khi gia công vật liệu dẻo, dung dịch trơn nguội giúp phá huỷ mạng tinh thể

ở lớp cứng nguội

1.6.2 Yêu cầu đối với dung dịch trơn nguội

+ Có tác dụng bôi trơn, giảm ma sát tốt ứng với từng vật liệu gia công và vật liệu làm dao, và điều kiện cắt cụ thể có chất bôi trơn phù hợp, cho hệ số ma sát nhỏ

+ Có tác dụng làm nguội tốt Dung dịch trơn nguội phải có độ dẫn nhiệt và tỉ nhiệt cao Trong thực tế phải lựa chọn các dung dịch bôi trơn - làm lạnh phù hợp Tuỳ từng trường hợp cụ thể mà dùng tác dụng bôi trơn là chủ yếu, làm nguội là thứ yếu và ngược lại

+ Không bị phân huỷ dưới sự tác động của nhiệt độ cao, sử dụng được lâu dài

+ Phải là tác nhân có lợi cho máy, chi tiết, dụng cụ bảo vệ chúng không bị tác động của môi trường như gỉ trét, ôxy hoá,

+ Không gây độc hại cho công nhân và không gây nhiễm môi trường

+ Đảm bảo tính kinh tế, dễ tìm, giá cả phù hợp

+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

1.6.3 Các loại dung dịch bôi trơn làm nguội dùng trong gia công cắt gọt

Để có loại dung dịch bôi trơn – làm nguội phù hợp với phương pháp gia công bằng trộn lẫn các thành phần: Dầu mỏ, mỡ động vật, dầu thực vật, các nguyên

tố hoá học (lưu huỳnh, clo, phốt pho), Emusil (nhũ tương), chất khí, các loại chất rắn (than chì, bột tan, ) vào nhau với tỷ lệ hợp lý phụ thuộc vào lượng chất hoà tan trong dung môi, khả năng hoà tan được của chất hoà tan trong môi trường dung môi, sau gia công cắt gọt chúng tồn tại dưới dạng nào

• Dung dịch thực: Là dung dịch trong suốt, có thể có màu, bao gồm các

chất vô cơ và hữu cơ tan trong nước, thể hiện ở (hình 1-11) 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 các ion dương và

ion âm, chúng là các tác nhân tích cực tạo thành khối tích tụ trên bề mặt dung dịch,

Hình 1-11 Các phần tử hoà tan

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 1-12) 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 bôi trơn – làm nguội sẽ tốt hơn

• Dạng Emusil: Là loại dung dịch có các giọt dầu nằm lơ lửng trong nước,

như dầu khoáng, parafin hoặc dầu thô Dung dịch này tạo ra bằng cách pha dầu khoáng với các tác nhân Emusil và các chất khác để tạo các giọt dầu nhỏ đến 0.08 ÷ 0.003 µm (hình 1-13)

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, nếu bổ sung thêm các

Hình 1-12 Các phần tử tích tụ khối và phần tử hoà tan

Hình 1-13 Các phân tử hoà tan dưới dạng thể

thành phần như: Lưu huỳnh, phốt pho hay Clo thì khả năng bôi trơn – làm nguội sẽ tốt hơn Loại này vừa có tác dụng bôi trơn vừa có tác dụng làm nguội

• 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

dây:

+ Lượng dầu hoà tan ít hơn từ 5 ÷ 45% so với loại 2

+ Lượng Emusil và các phân tử hoạt động 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

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, parafin, độ nhớt của chúng cũng khác nhau phụ thuộc vàocác 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 bôi trơn – làm nguội của dung dịch

Hình 1-14 Các phân tử hoà tan trong hợp

• Tuỳ theo tác dụng bôi trơn hoặc làm nguội là chủ yếu dung dịch trơn nguội được phân loại như sau:

- Nhóm có tác dụng làm nguội là chủ yếu: Những loại dung dịch này sử dụng khi mục đích giảm nhiệt độ là chủ yếu Nó được dùng cho các quá trình cắt

mà ở đó nhiệt lượng phát sinh lớn, cần được dẫn khỏi vùng cắt nhanh, giảm tác động xấu của nhiệt độ đến độ chính xác gia công, chất lượng bề mặt và quá trình mòn của dụng cụ cắt

- Nhóm có tác động bôi trơn là chủ yếu: Những dung dịch loại này có tác dụng bôi trơn là chủ yếu, mục đích là giảm ma sát, mục tiêu giảm nhiệt độ vùng cắt

là thứ yếu (dùng ở các dạng gia công với V cắt nhỏ) Loại này sử dụng khi gia công tinh lần cuối, dung dịch bôi trơn làm giảm lực nói chung, đặc biệt là giảm ma sát giữa mặt sau của dao cụ với bề mặt đã gia công Kết quả là dung dịch bôi trơn góp phần làm tăng độ chính xác gia công và giảm độ nhấp nhô bề mặt gia công

Hình 1-15 Các phần tử hoà tan trong hợp chất dầu