Ảnh hưởng của bôi trơn tối thiểu (MQL) đến mòn dụng cụ cắt và nhám bề mặt khi tiện tinh thép 9CrSi (9XC) đã qua tôi

Trang 1

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬTCHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

ẢNH HƯỞNG CỦA BÔI TRƠN TỐI THIỂU (MQL) ĐẾN MÒN DỤNG CỤ CẮT VÀ NHÁM BỀ MẶT KHI

TIỆN TINH THÉP 9CrSi (9XC) ĐÃ QUA TÔI

HOÀNG XUÂN TỨ

THÁI NGUYÊN, 2009

Trang 2

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ẢNH HƯỞNG CỦA BÔI TRƠN TỐI THIỂU (MQL) ĐẾN MÒN DỤNG CỤ CẮT VÀ NHÁM BỀ MẶT KHI

TIỆN TINH THÉP 9CrSi (9XC) ĐÃ QUA TÔI

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY MÃ SỐ:

HỌC VIÊN: HOÀNG XUÂN TỨ

NGƯỜI HD KHOA HỌC: TS TRẦN MINH ĐỨC

THÁI NGUYÊN, 2009

Trang 3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TT Tên hình Nội dung

1 Hình 1.1 Các loại phoi

2 Hình 1.2 Quá trình hình thành phoi khi tiện thường

3 Hình 1.3 Sơ đồ quá trình hình thành phoi thép

4 Hình 1.4 Quá trình hình thành phoi khi tiện cứng

5 Hình 1.5 Sơ đồ nguồn gốc lực cắt

6 Hình 1.6 Nguồn gốc và sự phân bố nhiệt cắt

7 Hình 1.7 Quan hệ giữa θ và v

8 Hình 1.8 Quan hệ giữa chiều dày cắt và nhiệt cắt

9 Hình 1.9 Quan hệ giữa nhiệt cắt với b

10 Hình 1.10 Các dạng mài mòn của dụng cụ cắt

11 Hình 1.11 Mài mòn mặt sau

12 Hình 1.12 Mài mòn Crater

13 Hình 1.13 Các dạng mài mòn chính khi tiện

14 Hình 1.14 Dẫn dung dịch lên chi tiết gia công

15 Hình 1.15 Dẫn dung dịch lên mặt trước dao

16 Hình 1.16 Dẫn dung dịch vào mặt sau của dao

17 Hình 1.17 Dẫn dung dịch kết hợp mặt trước và mặt sau của dao

18 Hình 2.1 Phun theo phương tiếp tuyến với mặt trước của dao

19 Hình 2.2 Phun theo phương tiếp tuyến với mặt sau của dao

20 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý đầu phun

21 Hình 3.2 Đầu phun

22 Hình 3.3 Máy nén khí

23 Hình 3.4 Máy đo nhám cầm tay Mitutoyo SJ-201

24 Hình 3.5 Kính hiển vi điện tử, TM-1000 Hitachi, Nhật Bản

25 Hình 3.6 Thân dao MTENN 2020 K16-N (hãng KANELA)

26 Hình 3.7 Mảnh dao CBN: TPGN 160308

Trang 4

27 Hình 3.8 Hình ảnh mặt trước dao PCBN sau khi tiện 16,25 phút

31 Hình 3.12 Hình ảnh mặt sau dao PCBN sau khi tiện 16,25 phút

34 Hình 3.15 Quan hệ giữa lượng mòn mặt sau u và thời gian cắt khi gia công khô và gia công có sử dụng bôi trơn tối thiểu

35 Hình 3.16 Biểu dồ so sánh tuổi bền của dao theo lượng mòn cho phép

36 Hình 3.17 Quan hệ giữa nhám bề mặt Ra và thời gian cắt khi gia công khô và gia công có sử dụng bôi trơn tối thiểu

Trang 5

LỜI NÓI ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong quá trình gia công, mòn dụng cụ cắt là nguyên nhân dẫn đến dụng cụ cắt bị phá huỷ Các nghiên cứu ngày nay đã phát triển công nghệ gia công theo xu hướng nâng cao vận tốc cắt và tốc độ chạy dao Việc tăng tốc độ cắt và tốc độ chạy dao đồng nghĩa với nhiệt cắt sinh ra là rất lớn, điều này không chỉ làm giảm tuổi thọ của dụng cụ cắt mà chất lượng của sản phẩm cũng bị giảm đi Người ta sử dụng dung dịch trơn nguội nhằm giải quyết vấn đề này Bởi vì dung dịch trơn nguội có khả năng làm giảm ma sát trong vùng cắt, tải nhiệt ra khỏi vùng cắt, hạn chế tác dụng xấu của nhiệt độ đối với dụng cụ cắt Đảm bảo nhiệt độ làm việc của môi trường thấp và ổn định Giúp vận chuyển phoi ra khỏi vùng cắt dễ dàng Tuy nhiên, sử dụng dung dịch trơn nguội trong quá trình gia công hiện nay cho thấy nhược điểm của nó là gây ô nhiễm môi trường và độc hại đối với lao động Do vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu (Minimum Quantity Lubricant - MQL) cho quá trình gia công là cần thiết và cần được phát triển

Phương pháp bôi trơn tối thiểu sử dụng dầu thực vật làm dung dịch bôi trơn với lưu lượng khoảng từ 50 - 500 ml/1 giờ, nhỏ hơn rất nhiều so với phương pháp tưới tràn (có thể lên tới 10l/phút) Quan niệm về phương pháp bôi trơn tối thiểu cũng gần giống với phương pháp gia công khô và phương pháp bôi trơn cực tiểu được đề ra với ý nghĩa bảo vệ môi trường và người lao động Ngoài ý nghĩa đó phương pháp này còn mang lại các hiệu quả về kinh tế do tiết kiệm được dầu bôi trơn, giảm thời gian làm sạch phôi, dụng cụ cắt và máy móc

Hiện nay, phương pháp tiện khô không bôi trơn làm nguội đã trở nên thông dụng trong sản xuất công nghiệp khi gia công các loại thép có độ cứng cao, đặc trưng của phương pháp này là năng lượng sử dụng cho quá trình cắt rất lớn Điều này được chứng minh khi so sánh với phương pháp tưới tràn truyền thống, lực cắt nhỏ hơn và nhiệt sinh ra trong quá trình cắt cũng nhỏ hơn so với phương pháp gia công khô Do vậy, khi sử dụng phương pháp gia công khô sẽ làm giảm

Trang 6

tuổi thọ của dụng cụ cắt và chất lượng bề mặt khi gia công tinh lần cuối, để có thể gia công được phải giảm tốc độ chạy dao và chiều sâu cắt, dẫn đến năng suất cắt giảm xuống Việc áp dụng phương pháp bôi trơn tối thiểu vào quá trình tiện cứng sẽ làm tăng tuổi thọ của dụng cụ cắt cũng như chất lượng bề mặt khi gia công tinh lần cuối

Ở Việt Nam hiện nay, việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu vào quá trình tiện cứng hầu như chưa được quan tâm Với những lợi ích về môi trường, kinh tế và ý nghĩa khoa học mà phương pháp này mang lại em thấy

cần thiết khi chọn đề tài nghiên cứu: "Ảnh hưởng của bôi trơn tối thiểu (MQL)

đến mòn dụng cụ cắt và nhám bề mặt khi tiện tinh thép 9CrSi (9XC) qua tôi"

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm nhằm: Nghiên cứu so sánh giữa phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu sử dụng dầu thực vật của Việt Nam với phương pháp gia công khô Qua đó đánh giá được những ưu nhược điểm của bôi trơn tối thiểu và gia công khô khi tiện cứng.

3 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu công nghệ bôi trơn tối thiểu khi áp dụng cho quá trình tiện cứng Ở đây chỉ nghiên cứu tiện cứng thép 9XC đã qua tôi đạt độ cứng 55 - 60 HRC, sử dụng dao gắn mảnh CBN

4 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp nguyên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm, trong đó nghiên cứu thực nghiệm là chủ yếu

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

a.Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu ứng dụng thành công công nghệ bôi trơn tối thiểu vào quá trình tiện sẽ đóng góp thêm các kiến thức về công nghệ gia công cắt gọt Cung cấp thêm các kiến thức về cơ chế mòn của dụng cụ cắt và chất lượng bề mặt khi tiện cứng

b.Ý nghĩa thực tiễn

Trang 7

Công nghệ tiện cứng ngày nay được áp dụng rất rộng rãi nhằm thay thế cho nguyên công mài vốn rất tốn kém Khi tiện cứng người ta thường sử dụng phương pháp gia công khô Nhằm nâng cao hơn nữa hiệu quả của quá trình tiện cứng với việc ứng dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu sẽ làm giảm ma sát trong vùng cắt dẫn đến giảm được mòn dụng cụ cắt, đồng thời nâng cao chất lượng của bề mặt chi tiết gia công Áp dụng phương pháp này với việc sử dụng dầu thực vật của Việt Nam sẽ làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tác hại đối với công nhân vận hành máy và lượng tiêu tốn dung dịch bôi trơn là rất ít Từ những hiệu quả về kỹ thuật của phương pháp này khi áp dụng vào thực tế sản xuất sẽ mang lại hiệu quả kinh tế rất lớn

6 Nội dung của đề tài

Ngoài lời nói đầu, tài liệu tham khảo, phụ lục, nội dung chính của đề tài gồm 3 chương và phần kết luận chung

Chương 1: Tổng quan

Nội dung chính là tìm hiểu một số lý thuyết cơ bản về quá trình tiện và bôi trơn làm nguội Tổng hợp từ các nghiên cứu đã có, định hướng vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nghiên cứu lý thuyết về bôi trơn tối thiểu khi tiện và bôi trơn tối thiểu khi tiện cứng Giới hạn vấn đề nghiên cứu, mục đích và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Nghiên cứu so sánh giữa phương pháp bôi trơn tối thiểu và

phương pháp gia công khô khi tiện tinh thép 9XC đã qua tôi Nội dung chính bao gồm:

- Nghiên cứu so sánh giữa bôi trơn làm nguội tối thiểu và gia công khô khi tiện tinh cứng qua các chỉ tiêu về chất lượng bề mặt, lượng mòn dao, cơ chế mòn, để từ đó tìm được các ưu điểm nổi trội của phương pháp bôi trơn tối thiểu

- Nghiên cứu sử dụng dầu thực vật của Việt Nam áp dụng vào quá trình tiện cứng khi sử dụng phương pháp bôi trơn tối thiểu

Kết luận chung

7 Kết quả của đề tài

Trang 8

- Đã tìm hiểu được một số lý thuyết cơ bản về bôi trơn làm nguội trong cắt gọt, đặc biệt là bôi trơn tối thiểu trong quá trình tiện cứng

- Sử dụng thành công dầu thực vật sẵn có ở Việt Nam vào tiện cứng khi sử dụng phương pháp bôi trơn tối thiểu

- Kết quả nghiên cứu đã cho thấy hiệu quả kinh tế-kỹ thuật của phương pháp tiện tinh cứng sử dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu so với tiện khô

8 Lời cảm ơn

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới:

- TS Trần Minh Đức, thầy giáo đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành luận văn này

- Phòng Thí nghiệm Kỹ thuật cơ khí và Động lực - Trung tâm thí nghiệm - Trường ĐHKT Công nghiệp; Phòng Thí nghiệm Vật lý - Khoa Vật lý - Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên và các bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ học viên hoàn thành luận văn này

Thái Nguyên, ngày 28 tháng 04 năm 2009

Học viên

Hoàng Xuân Tứ

Trang 9

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vnChương 1:

TỔNG QUAN

1.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH PHOI

1.1.1 Khái niệm và phân loại phoi

* Gia công kim loại bằng cắt gọt là một phương pháp gia công kim loại rất phổ biến trong ngành cơ khí chế tạo máy

Quá trình cắt kim loại là quá trình con người sử dụng dụng cụ cắt để hớt bỏ lớp kim loại thừa khỏi chi tiết, nhằm đạt được những yêu cầu cho trước về hình dáng, kích thước, vị trí tương quan giữa các bề mặt và chất lượng bề mặt của chi tiết gia công

Lớp kim loại thừa trên chi tiết cần hớt bỏ đi gọi là lượng dư gia công cơ Lớp kim loại đã bị cắt bỏ khỏi chi tiết gọi là phoi cắt

* Phân loại phoi

- Phoi dây (hình 1.2a) được hình thành khi gia công vật liệu dẻo với chiều sâu cắt nhỏ, tốc độ cắt và góc trước lớn

- Phoi xếp lớp (hình 1.2b) được hình thành khi gia công thép và các vật liệu dẻo khác với chiều sâu cắt lớn, tốc độ cắt và góc trước nhỏ

- Phoi vụn (hình 1.2c) được hình thành khi gia công các vật liệu dẻo với chiều sâu cắt lớn, tốc độ cắt và góc trước nhỏ

Khi gia công các vật liệu giòn (gang) với chiều sâu cắt và góc trước lớn thì phoi vụn (hình 1.2d) có hình dạng không giống nhau được hình thành

Trang 10

Hình 1.1 Các loại phoi

1.1.2 Quá trình hình thành phoi khi tiện thường

Qua nghiên cứu quá trình tiện nói chung thì thực tế phoi được phoi được tánh ra khỏi chi tiết khi cắt không theo phương của vận tốc cắt v (tức là phương lực tác dụng) Phoi khi cắt ra bị uốn cong về phía mặt tự do; kích thước của phoi bị thay đổi so với lớp cắt khi còn trên chi tiết (hình 3.1)

Khi dao dịch chuyển các phân tử kim loại lúc đầu bị nén đàn hồi (hình 1.1a), sau đó bị biến dạng dẻo, quá trình biến dạng dẻo tăng dần cho đến khi bị lực liên kết bên trong của các phân tử chặn lại Ở thời điểm này xảy ra sự xếp lớp của các phần tử phoi và sự trượt của chúng trên mặt phẳng BC (hình 1.1b) Hiện tượng tương tự cũng xảy ra đối với các phần tử tiếp theo từ 1 5 (hình 1.1c)

a b

V LF

L

Hình 1.2: Quá trình hình thành phoi khi tiện thường

Trang 11

Hình 1.3 Sơ đồ quá trình hình thành phoi thép

Biến dạng dẻo xảy ra trong vùng được giới hạn bằng góc , góc này được gọi là góc tác động Góc 1 gọi là góc trượt, còn mặt phẳng BC gọi là mặt phẳng trượt

Quá trình hình thành phoi trên đây xảy ra khi gia công các vật liệu dẻo với chiều sâu cắt lớn và góc cắt nhỏ

1.1.3 Quá trình hình thành phoi khi tiện cứng

Đối với quá trình hình thành phoi khi tiện cứng xảy ra cũng giống khi tiện thường, tuy nhiên đối với tiện cứng do chiều sâu cắt nhỏ, tốc độ cắt lớn nên phoi hình thành trong quá trình tiện cứng là phoi dây

Biến dạng cắt khi tạo phoi dây là bé nhất Vì vậy trong những trường hợp gia công tinh ta cần cố gắng tạo phoi dây bằng cách nâng cao tốc độ cắt

Khi tạo phoi dây, do phoi được hình thành một cách liên tục, do đó lực cắt khá ổn định, ít rung động Nhờ vậy dễ đạt độ bóng bề mặt cao

Trang 12

1.2 LỰC CẮT KHI TIỆN

Trong quá trình cắt kim loại, để tách được phoi và thắng được ma sát cần phải có lực Lực sinh ra trong quá trình cắt là động lực cần thiết nhằm thực hiện quá trình biến dạng và ma sát

Việc nghiên cứu lực cắt trong quá trình cắt kim loại có ý nghĩa cả lý thuyết lẫn thực tiễn Trong thực tế, những hiểu biết về lực cắt rất quan trọng để thiết kế dụng cụ cắt, đồ gá, tính toán thiết kế máy móc thiết bị, Dưới tác dụng của lực và nhiệt, dụng cụ sẽ bị mòn, bị phá huỷ Muồn hiểu được quy luật mài mòn và phá huỷ dao thì phải hiểu được quy luật tác động của lực cắt Muốn tính công tiêu hao khi cắt cần phải biết lực cắt Những hiểu biết lý thuyết về lực cắt tạo khả năng chính xác hoá lý thuyết quá trình cắt Trong trạng thái cân bằng năng lượng của quá trình cắt thì các mối quan hệ lực cắt cũng cân bằng

Lực cắt sinh ra khi cắt là một hiện tượng động lực học, tức là trong chu trình thời gian gia công thì lực cắt không phải là hằng số mà biến đổi theo quãng đường của dụng cụ Theo cơ học, nghiên cứu về lực nói chung là xác định 3 yếu tố:

P

Quá trình cắt thực hiện được cần có lực để thắng biến dạng và ma sát, do vậy lực cắt theo định nghĩa trên có thể hiểu rằng có nguồn gốc từ quá trình biến dạng và ma sát Biến dạng khi cắt có biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo Do vậy lực sinh ra do biến dạng cũng có lực biến dạng đàn hồi Pdh

Trang 13

Trên đây hệ lực được xét là hệ lực phẳng, nhưng nói chung trong cắt gọt thực tế thì lực cắt là một hệ lực không gian Để tiện cho việc nghiên cứu, tính toán, đo đạc và kiểm tra, ta có thể nghiên cứu lực cắt thông qua các thành phần của chúng

1.2.1 Các yếu tố ảnh hướng đến lực cắt khi tiện

* Ảnh hưởng của chi tiết gia công đến lực cắt

Bản chất biến dạng và ma sát của quá trình cắt kim loại cho ta thấy rằng: chi tiết gia công có ảnh hưởng lớn đến quá trính cắt, đặc biệt đến lực cắt

Thực nghiệm ghi nhận chi tiết gia công ảnh hưởng đến lực cắt bởi các yếu tố sau:

* Độ bền, độ cứng của vật liệu, * Thành phần hoá học,

* Cấu trúc kim loại của vật liệu, * Phương pháp chế tạo phôi…

Thực tế nếu tiến hành khảo sát ảnh hưởng của từng yếu tố trên đến lực cắt thì rất phức tạp và khó khăn; do vậy trong các công thức thực nghiệm tính toán lực cắt người ta biểu thị mức độ ảnh hưởng của vật liệu cụ thể đến lực cắt trong điều kiện cắt gọt xác định bằng độ lớn lực cần thiết để tách 1mm2 diện tích tiết diện phoi cắt khỏi chi tiết gia công Theo phân tích trên đây chính là lực cắt đơn vị p Tuy vậy đối với một loại vật liệu thì p còn phụ thuộc vào chiều dày cắt a Vì

Pdh1

Pdh2

Trang 14

vậy để phân biệt trong khảo sát trong công thức kinh nghiệm: Lực cắt đơn vị p được định nghĩa là lực cần thiết để tách một lớp phoi tiết diện 1mm2 có chiều dày trung bình atb=1mm và chiều rộng b=1mm trong điều kiện dao tiêu chuẩn

Như vậy lực cắt đơn vị đặc trưng cho một loại vật liệu xác định được gọi là hằng số lực cắt, thường ký hiệu là Cp

Xét thành phần lực Pv, ta có:

Cpv = Pv = p trong điều kiện a=1mm B=1mm và dao Tiêu chuẩn

Trong thực tế, hảng số lực cắt Cp được xác định bằng thực nghiệm và cho theo bảng trong các sổ tay cắt gọt

Bảng 1.1- Hằng số lực cắt Cp khi cắt vật liệu dẻo

* Ảnh hưởng của điều kiện cắt đến lực cắt

Điều kiện cắt gọt bao gồm nhiều yếu tố như chế độ cắt v, s, t; độ cứng vững của hệ thống công nghệ; có hay không tưới dung dịch trơn nguội vào vùng cắt…Ở đây ta chỉ khảo sát ảnh hưởng của chế độ cắt đến lực cắt

Khảo sát ảnh hưởng của các thông số v, s, t đến lực cắt trong quá trình cắt Sử dụng nguyên lý cọng tác dụng, khi nghiên cứu ảnh hưởng của một thông số nào đó, trong thí nghiệm ta cho tất cả các yếu tố khác không thay đổi và chỉ cho

Trang 15

yếu tố đang xét thay đổi, sau đó tổng hợp lại ta nhận được ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố xét đến lực cắt

+ Ảnh hưởng của chiều sâu cắt t đến lực cắt

Vì chiều rộng cắt b = t/sin có ý nghĩa vật lý trong quá trình cắt nên ta sẽ khảo sát ảnh hưởng của b đến lực cắt Pv

Thực hiện cắt thử nghiệm với các yếu tố khác không đổi, cho b thay đổi các giá trị khác nhau, ta đo được các giá trị lực cắt Pv tương ứng như trên đồ thị

Từ đồ thị ta nhận thấy rằng khi tăng b thì lực cắt cũng tăng Nếu như cắt với chiều dày cắt atb = 1mm thì lực cắt chính Pv được tính bằng:

+ Ảnh hưởng của lượng chạy dao s đến lực cắt

Vì chiều dày cắt a = s.sin có ý nghĩa vật lý trong quá trình cắt nên ta sẽ khảo sát ảnh hưởng của a (qua atb) đến lực cắt Pv

Thực hiện cắt thử nghiệm với các yếu tố khác không đổi với b = 1mm, cho a thay đổi các giá trị khác nhau, ta đo được các giá trị lực cắt Pv tương ứng

Bằng cách xử lý các số liệu đo ta có thể biểu diễn mối quan hệ giữa lự cắt và a như sau:

. pvv

Từ đồ thị ta nhận thấy rằng khi tăng chiều dày cắt a thì lực cắt cũng tăng, nhưng không tăng nhiều như đối với b, vì rằng khi tăng a thì sẽ tăng độ lớn của góc tách phoi dẫn đến giảm lực cắt đơn vị, mặt khác khi tăng a thì không làm

Kết quả xử lý số liệu đo được như đồ thị ta nận được:

1

x

Trang 16

tăng chiều dài làm việc thực tế của lưỡi cắt một cách tuyến tính như khi tăng chiều rộng cắt b

Kết hợp cho thay đổi đồng thời chiều rộng cắt b và chiều dày cắt a, mối quan hệ giữa lực cắt Pv và b, a được viết như sau:

. pv. pvv

Từ đồ thị (logPv-loga) có dạng tuyến tính, ta có thể xác định được số mũ:

Khi cắt thép thì 0, 75

Trang 17

KPv= Kγ.K KR.KΔ.Kl

với Kγ, K , KR, KΔ, Kl là các hệ số điều chỉnh liên quan đến góc trước, góc nghiêng chính lưỡi cắt, bán kính mũi dao, độ lớn mài mòn mặt sau dao và việc tưới dung dịch trơn nguội vào khu vực cắt

Tổng hợp ta có thể lập được phương trình kinh nghiệm tính lực cắt như sau:

1.2.2 Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến lực cắt

Nhiều nghiên cứu cho thấy sử dụng dung dịch trơn nguội cho phép giảm lực cắt xuống 30%, thậm chí xuống 45% khi cắt ren bằng tarô

Khi sử dụng dung dịch trơn nguội thì lực cắt phải càng giảm rõ rệt nếu vật liệu gia công càng có độ dẻo cao Điều này được giải thích như sau: trong trường hợp này lực ma sát giữa dao và phoi tăng, do đó hiệu quả của việc sử dụng dung dịch trơn nguội càng phải cao

Tuy nhiên, một số nhà nghiên cứu lại khuyên không nên sử dụng dung dịch trơn nguội khi gia công với tốc độ cắt lớn Ví dụ khi gia công thép 10 với tốc độ cắt cao và dùng dung dịch trơn nguội êmuxi, lực cắt Pz lớn hơn chút ít so với trường hợp gia công không có dung dịch trơn nguội

Mặc dù có lời khuyên trên, nhưng trong thực tế sử dụng dung dịch trơn nguội trong mọi trường hợp (kể cả gia công tốc độ cao) vẫn có ưu điểm vì khi có dung dịch trơn nguội, dụng cụ cắt làm việc êm hơn, tuổi bền dụng cụ cao hơn,

ngoài ra độ chính xác và độ nhám bề mặt cũng được cải thiện đáng kể

1.3 NHIỆT CẮT KHI TIỆN

Trang 18

Quá trình tạo phoi và thoát phoi khỏi vùng cắt trong quá trình cắt làm xuất hiện một lượng nhiệt nhất định Lương nhiệt này sinh ra do sự chuyển đổi từ công cắt gọt Thực nghiệm chứng tỏ rằng gần như tất cả công cần thiết trong quá trình cắt đều chuyển biến thành nhiệt trừ công biến dạng đàn hồi và công kín (công để biến dạng mạng tinh thể và các bề mặt lớn) Khoảng gần 98% công này chuyển hoá thành nhiệt tổng cọng phát sinh sau một phút gia công và có thể tính theo công thức sau:

Nhiệt lượng sinh ra khi cắt làm nóng chi tiết gia công, phoi và dụng cụ cắt Nhiệt độ tại các điểm khác nhau có sự tác động của lượng nhiệt khác nhau và gọi là nhiệt độ cắt tức thời của các điểm khối lượng khảo sát trong vùng cắt Trung bình cọng đại số của nhiệt độ các điểm khối lượng của phoi gọi là nhiệt độ trung bình của phoi Tương tự ta có nhiệt độ trung bình của dụng cụ và chi tiết gia công Nhiệt độ trung bình trên các bề mặt tiếp xúc của vật liệu gia côngvà vật liệu cắt gọi là nhiệt độ cắt, qui ước gọi tắt là nhiệt cắt

* Nguồn gốc của nhiệt cắt

Như trên đã phân tích rõ ràng để tách được phoi và thắng được ma sát khi cắt ta cần có lực cần thiết tác động vào chi tiết gia công tạo ra công cắt gọt và gần như hầu hết công này chuyển biến thành nhiệt Công này chính là để thực hiện quá trình biến dạng và thắng ma sát khi cắt Do vậy ta có thể nói rằng; nguồn gốc của nhiệt cắt là biến dạng và ma sát khia cắt

Trang 19

Khi gia công cắt gọt ta có thể phân định vùng cắt thành các vùng biến dạng và ma sát Do vậy nhiệt sinh ra từ 4 nguồn:

+ Vùng tạo phoi Nhiệt sinh ra do công ma sát giữa các phần tử của vật liệu gia

công trong quá trình biến dạng: Qdh

Nếu xem vùng tạo phoi như là một mặt trượt duy nhất thì qua nghiên cứu lượng nhiệt này có thể xác định qua biểu thức sau:

+ Vùng tiếp xúc của mặt sau dao và mặt cắt của chi tiết gia công Nhiệt sinh ra

do sự chuyển đổi công ma sát: Qms

Trang 20

+ Nhiệt sinh ra do công đứt phoi: Qdp

1.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến quá trình cắt khi tiện

Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến quá trình cắt thường được nghiên cứu theo 3 quan điểm:

Theo độ chính xác gia công

Theo chất lượng bề mặt đã gia công Theo khả năng cắt của dao

* Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến độ chính xác gia công

Độ chính xác gia công khi cắt gọt được quyết định bởi vị trí tương quan giữa dao và chi tiết gia công trong quá trình cắt Do vậy sự biến dạng về nhiệt của dao và chi tiết gia công do ảnh hưởng của nhiệt khi cắt được quan tâm khảo sát

Về quá trình trao đổi nhiệt, ta biết rằng nếu cung cấp một lượng nhiệt Q cho một vật có thể tích V (cm3), tỷ nhiệt c (J/kg.0K), khối lượng riêng (kg/cm3

), thì độ tăng của nhiệt độ của vật thể được xác định:

ΔD = α.Δθ.D (mm) (1.6)

Mặt khác, nhiệt lượng Qd truyền vào dụng cụ cũng sẽ làm cho dụng cụ tăng chiều dài về phía tâm chi tiết Khác với chi tiết, vật liệu trên dao là không đồng nhất giữa phần cắt và phần cán dao, do vậy sự biến dạng của dao theo chiều dài dưới tác dụng của nhiệt cắt phức tạp hơn rất nhiều Ỏ đây ta phải khảo sát biến dạng dài của dao trong mối quan hệ phức hợp:

Trang 21

Sau quá trình cắt, khi chi tiết về nhiệt độ thường, đường kính thực tế của chi tiết gia công sẽ là:

* Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến chất lượng bề mặt gia công

Chất lượng bề mặt đã gia công của chi tiết được đặc trưng bởi độ nhấp nhô bề mặt và tính chất cơ - lý lớp sát bề mặt Nhiệt cắt có ảnh hưởng chủ yếu đến sự thay đổi tính chất cơ - lý lớp bề mặt chi tiết gia công

Ta biết rằng, khi kim loại bị đốt nóng đến một nhiệt độ nào đó thi tổ chức kim tương của chúng sẽ thay đổi Sự thay đổi này dẫn đến sự thay đổi về cơ - lý tính của kim loại Mặt khác, trong quá trình cắt sự tăng giảm đột ngột về nhiệt độ trên bề mặt gia công kết hợp với sự dao động của lực cắt sẽ tạo nên ứng suất dư và vết nứt tế vi trên lớp kim loại sát trên bề mặt, đồng thời trên đó kim loại cũng bị biến cứng hay hoá bền Nói chung các ảnh hưởng này đều theo chiều hướng bất lợi cho yêu cầu về cắt gọt

* Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến khả năng làm việc của dao

Những kết quả nghiên cứu về cắt gọt cho thấy rằng khi cắt kim loại, đặc biệt khi cắt ở tốc độ cao thì yếu tố quyết định lớn nhất đến khả năng cắt của dao đó là nhiệt cắt, tiếp đến mới là ma sát

Khả năng cắt gọt của dao được đánh gía bởi tuổi bền dao thông qua việc xác định độ lớn của các dạng mài mòn dao cụ thể

Dưới tác dụng của nhiệt khi cắt vật liệu của dao sẽ có sự thay đổi về tính chất cơ - lý - hoá, đặc biệt độ cứng, độ bền giảm, tính chống mòn cũng giảm dẫn đến mài mòn dao nhanh chóng, hậu quả là thời gian sử dụng dao vào cắt gọt cũng bị rút ngắn đi, dao nhanh chóng mất khả năng cắt gọt

Trang 22

Tóm lại, nhiệt cắt ngoài ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công, chất lượng lớp bề mặt gia công và khả năng cắt gọt của dao, còn ảnh hưởng đáng kể đến máy và đồ gá trong hệ thống công nghệ

1.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt cắt khi tiện

a Ảnh hưởng của vật liệu gia công đến nhiệt cắt

Các tính chất về cơ học và nhiệt của vật liệu gia công có ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt cắt Nhiệt cắt thấp hơn khi gia công hợp kim so với khi gia công thép nhờ khả năng biến dạng nhỏ hơn của hợp kim

Có thể nhận xét một cách tổng quát rằng khi cắt vật liệu giòn do công biến dạng rất bé và lực cắt đơn vị không đáng kể nên nhiệt cắt thấp hơn khi cắt vật liệu dẻo Độ cứng và độ bền của vật liệu gia công càng lớn thì nhiệt cắt càng lớn do có quan hệ với công biến dạng Nhiệt cắt cơ bản phụ thuộc vào nhiệt dung và đặc biệt phụ thuộc vào tính chất dẫn nhiệt của vật liệu gia công và vật liệu làm dao

Ảnh hưởng của vật liệu gia công đến nhiệt cắt trong điều kiện thí nghiệm cắt với a=1mm, b=1mm và v=1m/ph được biểu thị bằng hằng số thực nghiệm Cθ.

b Ảnh hưởng của vật liệu làm dao đến nhiệt cắt

Vật liệu làm dao cũng có đặc tính tương tự như vật liệu chi tiết gia công Loại vật liệu dao nào có tính dẫn nhiệt tốt thì khi cắt nhiệt cắt sẽ thấp và ngược lại Yếu tố quyết định của dao về cao thấp của nhiệt cắt sinh ra là cấu trúc thành phần hoá học của vật liệu xác định tính tương đồng hoá học của nó với vật liệu gia công, mặt khác là lý tính của nó như tính dẫn nhiệt và hệ số ma sát Ảnh hưởng của tính dẫn nhiệt sẽ tăng khi tăng tốc độ cắt, giảm góc cắt, giảm chiều dày phoi Với tốc độ cắt thấp thì ảnh hưởng của độ dẫn nhiệt nhỏ

Kích thước thân dao cũng có ảnh hưởng như vậy đến nhiệt cắt vì nó ảnh hưởng đến khả năng dẫn nhiệt của dụng cụ cắt Kích thước càng lớn thì nhiệt sinh ra khi cắt càng thấp

c Ảnh hưởng của tốc độ cắt

Hình 1.7 - Quan hệ giữa θ và v

Trang 23

Trong các yếu tố cắt thì tốc độ cắt là yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến nhiệt cắt Khi tăng tốc đọ cắt thì nhiệt cắt lúc đầu tăng nhanh, sau khi đã đạt được độ lớn nhất định thì cường độ tăng chậm lại và đường cong của hàm số phụ thuộc θ = f(v) gần tiệm cận với nhiệt độ nóng chảy của vật liệu gia công

Bằng thực nghiệm ta có thể thiết lập được mối quan hệ giữa nhiệt cắt và tốc độ cắt theo công thức sau:

d Ảnh hưởng của chiều dày cắt

Khi tăng lượng chạy dao (cũng như tăng a) áp lực của phoi trên dao tăng, công ma sát trên mặt trước tăng, nhiệt cắt ở vùng biến dạng bậc nhất tăng, tuy nhiên hệ số co rút phoi giảm, tổng công biến dạng cho một đơn vị thể tích giảm, điều kiện truyền nhiệt tốt hơn vì chiều dày phoi lớn lên và diện tích tiếp xúc giữa dao vbà phoi được mở rộng, nhiệt cắt vì vậy có tăng nhưng không tăng nhanh như khi tăng tốc độ cắt

Bằng thực nghiệm ta có thể thiết lập được mối quan hệ giữa nhiệt cắt và chiều dày cắt theo công thức sau:

y

Hình 1.8 Quan hệ giữa chiều

dày cắt và nhiệt căt

Trang 24

Chiều dày cắt ảnh hưởng đến nhiệt cắt ít hơn so với vận tốc cắt Khi tăng chiều dày a hay lượng chạy dao s thì nhiệt cắt tăng nhưng không phải tăng tuyến tính

Giá trị trung bình của số mũ yθ từ thực nghiệm: Đối với thép: yθ = 0,3; gang: yθ = 0,2

e Ảnh hưởng của chiều rộng cắt

Chiều rộng cắt b (hay chiều sâu cắt t) có ảnh hưởng đến nhiệt cắt ít hơn so với lượng chạy dao

f Ảnh hưởng của các thông số hình học dao

Góc nghiêng chính φ, bán kính mũi dao R cũng ảnh hưởng tới độ lớn của nhiệt cắt, ta dễ dàng nhận biết qua sự thay đổi của chiều dày cắt a và chiều rộng cắt b dẫn đến sự thay đổi mức độ biến dạng và khả năng tản nhiệt

Để đặc trưng các ảnh hương này đến nhiệt cắt ta dùng các hệ số điều chỉnh nhiệt cắt Kφθ và KRθ

Ngoài ra sự mài mòn của dụng cụ làm thay đổi hình dáng hình học phần cắt và góc độ dao cũng làm cho nhiệt cắt thay đổi Nói chung dụng cụ càng bị

Hình 1.9 - Quan hệ giữa nhiệt cắt với b

Khi tăng chiều sâu cắt, một mặt tải trọng trên một đơn vị chiều dài lưỡi cắt không đổi, mặt khác khi tăng t do φ không đổi nên chiều dài phần làm việc của lưỡi cắt tuy có tăng nhưng điều kiện truyền nhiệt tốt hơn Kết quả là nhiệt cắt thay đổi ít

Từ kết quả thực nghiệm ta thiết lập được mối quan hệ giữa nhiệt cắt θ và chiều rộng cắt b như sau:

z

C b

Ta có đối với thép: zθ = 0,05-0,14 đối với gang: zθ = 0,04

Trang 25

mòn thì nhiệt cắt tăng Dung dịch trơn nguội tưới vào vung cắt khi cắt sẽ làm cho nhiệt cắt giảm nhanh vì ngoài tác dụng làm nguội, dung dịch còn có tác dụng bôi trơn giảm đáng kể ma sát trong quá trình cắt Tuy nhiên cần phải chọn phương pháp và lưu lương tưới phù hợp thì mới tăng hiệu quả giảm nhiệt

1.3.2 Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến nhiệt cắt

Dung dịch trơn nguội có ảnh hưởng rất lớn tới nhiệt cắt Dung dịch trơn nguội có tác dụng:

- Giảm ma sát trong vùng tạo phoi, giảm ma sát giữa phoi với mặt trước của dao, giữa phôi với mặt sau của dao do đó sẽ làm giảm nhiệt cắt

- Tải nhiệt ra khỏi vùng cắt, hạn chế tác dụng xấu của nhiệt độ đối với dụng cụ cắt Đảm bảo nhiệt độ làm việc của môi trường thấp và ổn định Giúp vận chuyển phoi ra khỏi vùng cắt dễ dàng

1.4 MÕN DỤNG CỤ CẮT

Trong quá trình cắt, phoi cắt chuyển động trượt và ma sát trên mặt trước dao, mặt đang gia công của chi tiết chuyển động tiếp xúc với mặt sau của dao trong điều kiện áp lực lớn, nhiệt độ cao, ma sát khốc liệt và liên tục gây nên hiện tượng mài mòn dao

Mài mòn dao là một quá trình phức tạp, xảy ra theo các hiện tượng cơ lý hoá ở các bề mặt tiếp xúc giữa phoi, chi tiết với dụng cụ gia công Khi bị mài mòn, hình dạng và thông số hình học phần cắt dao thay đổi gây nên những hiện tượng vất lý có ảnh hưởng xấu đến quá trình cắt và chất lượng bề mặt gia công Do đặc điểm của quá trình cắt phức tạp nên khác với mài mòn trên các chi tiết máy bình thường, mài mòn dao có nhiều dạng khác nhau

* Các dạng mài mòn dao

Phần cắt dao trong quá trình cắt thường bị mài mòn theo các dạng sau:

Trang 26

* Mài mòn theo mặt sau:

Được đặc trưng bởi một lớp vật liệu dao bị tách khỏi mặt sau trong quá trình cắt và được đánh giá bởi chiều cao mòn hs Mài mòn mặt sau thường xảy ra khi gia công với chiều dày cắt nhỏ, đối với các loại vật liệu gia công giòn Kết quả giảm góc sau , tăng sự tiếp xúc giữa mặt sau dao và bề mặt đang gia công, tăng mức độ ma sát

* Mài mòn theo mặt trước

Một lớp vật liệu trên mặt trước dao bị tách đi dẫn đến góc trước dao âm, tăng biến dạng và tăng tải trọng

+ Mài mòn Crater

Trong quá trình cắt, phoi trượt liên tục trên mặt trước hình thành một trung tâm áp lực cách lưỡi cắt một khoảng nào đó nên mặt trước bị mòn theo dạng lưỡi liềm (Crater) Vết lõm lưỡi liềm thường xảy ra dọc theo lưỡi cắt và được đánh giá bởi chiều rộng B, chiều sâu ht và khoảng cách từ lưỡi dao đến vết lõm KT theo mặt trước Dạng mài mòn này thường xảy ra khi cắt vật liệu dẻo với

Hình 1.11 – Mài mòn mặt sau

hs

Hình 1.10 – Các dạng mài mòn của dụng cụ cắt

Trang 27

chiều dày cắt a lớn (a>0,6mm) dẫn đến góc tăng lên, phoi dễ thoá ra nhưng sẽ làm yếu dần lưỡi dao

Hình 1.12 – Mài mòn Crater

Trang 28

+ Mài cùn lưỡi cắt

Dao bị mòn dọc theo lưỡi cắt tạo thành dạng cung hình trụ có bán kính đo theo mặt vuông góc lưỡi cắt Dạng mòn này thường gặp khi gia công các loại vật liệu có tính dẫn nhiệt kém, nhiệt cắt tập trung tại lưỡi cắt nên bị tù nhanh dẫn đến dao không tách được phoi mà bị trượt

* Mài mòn mũi dao

Phân kim loại ở mũi dao bị mất dần đi hình thành nên bán kính mũi dao R Dạng mài mòn này sẽ làm biến đổi vị trí tiếp xúc giữa dao và chi tiết dẫn đến thay đổi kích thước gia công

Trong các dạng mài mòn trên thì mài mòn theo mặt sau là quan trọng và dễ xác định nhất Chiều cao mài mòn hs và diện tích lõm mài mòn Crater Ak được dùng làm tiêu chuẩn để đánh giá lượng mài mòn

* Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến mòn dụng cụ cắt

Hình 1.13 – Các dạng mài mòn chính khi tiện

Trang 29

Việc sử dụng dung dịch trơn nguội hợp lý có ảnh hưởng rất lớn đến mòn dụng cụ cắt Do dung dịch trơn nguội có khả năng làm giảm ma sát giữa dao và phôi cũng như giữa gao và bề mặt gia công, nên có thể làm giảm mòn một cách đáng kể

Hơn nữa, dung dịch trơn nguội còn có khả năng làm giảm lực cắt và nhiệt cắt như đã nói ở phần trên Nên việc sử dụng trơn nguội vào quá trình cắt để làm tăng tuổi thọ của dao hay để giảm lượng mòn dao là rất cần thiểt

1.5 Ý NGHĨA CỦA BÔI TRƠN TRONG GIA CÔNG CẮT GỌT

Bôi trơn làm nguội có ý nghĩa rất quan trọng trong gia công cắt gọt Bôi trơn - làm nguội có tác dụng:

- Giảm ma sát trong vùng tạo phoi, giảm ma sát giữa phoi với mặt trước của dao, giữa phôi với mặt sau của dao do đó sẽ làm giảm lực cắt và giảm rung động

- Giảm nhiệt cắt

- Giảm độ mòn, nâng cao độ mòn của dụng cụ

- Nâng cao độ chính xác gia công, nâng cao chất lượng bề mặt - Vận chuyển phoi ra khỏi vùng gia công

Tuy nhiên trong dung dịch trơn nguội thường chứa một số chất độc hại nên ảnh hưởng lớn đến sức khỏe người lao động và gây ô nhiễm môi trường

Nếu sử dụng dung dịch trơn nguội hợp lý không những góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của quá trình gia công mà còn góp phần rất lớn vào việc bảo vệ môi trường và sức khỏe người lao động

Với vai trò quan trọng như vậy nên bôi trơn - làm nguội đã được nghiên cứu và ứng dụng rất rộng rãi trong sản xuất và đang được tiếp tục nghiên cứu để một mặt nâng cao hiệu quả của bôi trơn - làm nguội mặt khác là thân thiện với môi trường hơn

1.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP BÔI TRƠN 1.6.1 Bôi trơn kiểu tưới tràn

Trang 30

Phương pháp bôi trơn kiểu tưới tràn là phương pháp được dùng phổ biến nhất hiện nay, dung dịch trơn nguội được dẫn tự do vào vùng cắt thông qua hiện tượng mao dẫn và các thiết bị cần thiết như bơm nước, sự chênh lệch độ cao, bình thông nhau

- Gây ô nhiễm môi trường làm việc, đất đai và nguồn nước

- Tăng chi phí sản xuất, vận chuyển, bảo dưỡng và tái chế chất bôi trơn đặc biệt là chi phí làm sạch trước khi đưa vào môi trường

- Tiêu tốn nhiều dung dịch trơn nguội - Dung dịch khó xâm nhập vào vùng cắt

* Phương pháp dẫn dung dịch bôi trơn vào vùng cắt khi tiện

Phương pháp dẫn dung dịch bôi trơn vào vùng cắt có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả của quá trình bôi trơn

Phương pháp dẫn dung dịch bôi trơn vào vùng cắt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: phương pháp gia công, loại dụng cụ cắt, vật liệu gia công

- Dẫn trực tiếp dung dịch lên chi tiết gia công:

Phương pháp này thường sử dụng khi gia công có quá trình tạo phoi vụn, chi tiết gia công nhỏ hoặc do điều kiện dẫn dung dịch vào vùng cắt khó Với phương pháp này chỉ có khoảng 40 50% lượng dung dịch được đưa vào vùng cắt Như vậy, lượng dung dịch đến được vùng gia công rất hạn chế và chúng chỉ gián tiếp làm nguội qua phoi, qua chi tiết gia công

Trang 31

Hình 1.14 Dẫn dung dịch lên chi tiết gia công - Dẫn dung dịch vào mặt trước của dụng cụ cắt:

Cách này dùng cho quá trình tạo phoi vụn là hiệu quả nhất, cách dẫn đơn giản, dễ bố trí vòi phun cũng như điều chỉnh vòi phun trong quá trình cắt

Dung dịch được dẫn vào mặt trước của dao, tùy theo hình dáng và kết cấu của phoi mà dung dịch đi vào vùng cắt được nhiều hay ít Nếu phoi có hình dạng hợp lý thì lượng dung dịch vào vùng gia công là tối đa, còn nếu phoi có hình dáng không hợp lý thì dung dịch sẽ bị phoi trượt trên mặt trước dao dẫn ra ngoài, lúc đó lượng dung dịch tiêu hao là vô ích Cách dẫn dung dịch kiểu này chỉ có khoảng 50 70% lượng dung dịch vào được vùng cắt

Theo phương pháp này cũng có thể dung dịch làm nguội vùng cắt gián tiếp từ phoi hoặc gián tiếp từ dao, thường thì dung dịch ít vào được vùng cắt Vì vậy dung dịch khó vào được vùng biến dạng dẻo để tạo thành chêm dầu và cũng không trực tiếp tiếp xúc với vùng kim loại sạch tại vùng phá hủy

Hình 1.15 Dẫn dung dịch lên mặt trước dao - Dẫn dung dịch vào mặt sau của dụng cụ cắt:

Trang 32

Đây là phương pháp có nhiều ưu điểm nhất, lượng dung dịch dẫn vào vùng cắt nằm trong khoảng 80 90%

Khi dẫn dung dịch vào mặt sau của dao, dung dịch sẽ xâm nhập vào vùng ma sát giữa mặt sau của dao với chi tiết gia công, vùng phá hủy và kết hợp thẩm thấu dung dịch theo phoi cuốn lên bôi trơn vùng ma sát mặt trước với phoi

Nếu áp lực đẩy dòng dung dịch nhỏ thì việc dẫn dung dịch vào vùng gia công rất khó và cách bố trí vòi phun phức tạp

Hình 1.16 Dẫn dung dịch vào mặt sau của dao

- Dẫn dung dịch bằng cách kết hợp từ mặt trước và mặt sau của dao:

Khi dẫn dung dịch đồng thời từ mặt trước và mặt sau của dao sẽ có các ưu điểm của cách dẫn dung dịch từ mặt trước và cách dẫn dung dịch từ mặt sau, khi đó lượng dung dịch được đưa vào vùng cắt là tối ưu nhất, nhưng việc bố trí vòi phun rất phức tạp (hình 1.17)

Hình 1.17 Dẫn dung dịch kết hợp cả từ mặt trước và mặt sau của dao

Trang 33

1.6.2 Gia công khô

Là phương pháp không dùng dung dịch trơn nguội trong quá trình gia công

Ƣu điểm

- Không gây ô nhiễm môi trường - Không hao tốn dung dịch trơn nguội - Máy không cần trang bị hệ thống bôi trơn

1.6.3 Bôi trơn tối thiểu

Là phương pháp sử dụng dòng khí nén có áp suất lớn để phun dung dịch trơn nguội vào vùng cắt dưới dạng sương mù để bôi trơn, làm nguội và đẩy phoi ra khỏi vùng gia công

Dung dịch được phun vào vùng gia công với một áp suất nhất định, chuyển một lượng nhỏ dung dịch vào vùng cắt với tốc độ cao (250 300 m/phút), chúng có tác dụng bôi trơn rất hiệu quả

* Ưu nhược điểm

+ Ưu điểm

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

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

- Tiết kiệm dung dịch trơn nguội - Đảm bảo tuổi bền dụng cụ

Trang 34

1.6.1 Khái quát về tình hình nghiên cứu trên thế giới

Bôi trơn-làm nguội kiểu tưới tràn đã được nghiên cứu và ứng dụng rất rộng rãi trong ngành cơ khí Tuy nhiên phương pháp này vẫn được các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu với các hướng chủ yếu như:

- Nâng cao hiệu quả của quá trình bôi trơn - làm nguội, tiết kiệm dung dịch bôi trơn làm nguội

- Tìm các chất phụ gia nhằm nâng cao hoạt tính của dầu cắt gọt

- Nghiên cứu tìm các loại dầu cắt gọt mới ít độc hại, thân thiện với môi trường

Do những hạn chế của phương pháp tưới tràn nên từ những năm 90 của thế kỷ 20, ở các nước công nghiệp phát triển như CHLB Đức, Thuỵ Điển đã bắt đầu nghiên cứu và ứng dụng công nghệ bôi trơn - làm nguội tối thiểu Do có nhiều ưu điểm nổi bật và đặc biệt là không gây ô nhiễm môi trường nên công nghệ này được nghiên cứu và ứng dụng rất rộng rãi trong sản xuất Hướng nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các vấn đề:

- Tìm các loại dầu cắt mới đáp ứng các yêu cầu của công nghệ bôi trơn - làm nguội tối thiểu Hoặc tìm các chất phụ gia để làm tăng tính cắt của các loại dầu

- Nghiên cứu xác định áp suất và lưu lượng tưới tối ưu

- Cải tiến kết cấu dụng cụ để thích hợp với công nghệ bôi trơn - làm nguội tối thiểu

- Cải tiến kết cấu đầu phun và hệ thống bôi trơn

Trang 35

- Nghiên cứu ứng dụng bôi trơn làm nguội trong công nghệ tiện cứng, trong gia công tốc độ cao

Các nghiên cứu đã chứng minh được ưu điểm của phương pháp bôi trơn tối thiểu so với các phương pháp tưới truyền thống hay gia công khô [1], [3] Trong nghiên cứu của Ronan Autret [1] đối với quá trình tiện cứng cho thấy bôi trơn tối thiểu có ưu điểm hơn hẳn so với gia công khô về nhám bề mặt, lực cắt và nhiệt cắt

1.6.2 Khái quát về tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Ở Việt Nam, công nghệ này mới chỉ được tiếp cận trong vài năm trở lại đây Các nghiên cứu của TS Trần Minh Đức [5] khi tiện cắt đứt và phay răn răng sử dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu với một số chất bôi trơn như Emuxi, dầu lạc và dầu D40 cho thấy những ưu điểm của phương pháp bôi trơn tối thiểu Nghiên cứu của Nghiên cứu của TS Trần Minh Đức, ThS Phạm Quang Đồng [7] khi áp dụng bôi trơn tối thiểu cho quá trình phay rãnh bằng dao phay ngón cũng cho thấy những ưu điểm của phương pháp này như làm tăng tuổi bền của dụng cụ cắt, giảm thiểu ô nhiễm môi trường

1.6.3 Dự kiến vấn đề nghiên cứu

Ở Việt Nam việc ứng dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu vào quá trình tiện cứng chưa được nghiên cứu Với mục đích nghiên cứu và ứng dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu một cách có hiệu quả trong điều kiện cụ thể ở nước ta, tác giả

đã chọn đề tài nghiên cứu "Ảnh hưởng của bôi trơn tối thiểu (MQL) đến mòn

dụng cụ cắt và nhám bề mặt khi tiện tinh thép 9CrSi (9XC) qua tôi"

Trang 36

Trong công nghệ bôi trơn làm nguội tối thiểu vai trò của dung dịch bôi trơn làm nguội có nhiệm vụ chủ yếu là bôi trơn Còn quá trình làm nguội chủ yếu là dòng khí áp lực cao Loại dầu cắt và thành phần dung dịch ảnh hưởng đến quá trình gia công chủ yếu do các yếu tố:

- Khả năng tạo thành các hạt sương mù của dung dịch - Khả năng xâm nhập của các hạt sương mù vào vùng cắt

- Khả năng dính bám và khả năng tạo màng dầu bôi trơn trong vùng cắt - Khả năng chịu được nhiệt độ và áp lực cao của màng dầu

- Không độc hại và thân thiện với môi trường

Vì vậy, dung dịch bôi trơn làm nguội tối thiểu ngoài các yêu cầu chung như tưới tràn cần chú ý chọn thoả mãn các điều kiện trong đó đặc biệt chú ý là độ nhớt hợp lý, nhiệt độ hoá hơi cao và không độc hại

Loại dung dịch thường dùng có thể là dung dịch Emuxi có pha thêm dầu thực vật hoặc các loại dầu nhờn hoặc là dầu thực vật

Khi tiện cũng như khi gia công cắt gọt, việc áp dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu cần chú ý đến kiểu dẫn dung dịch vào vùng cắt

Hiệu quả của phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp, vị trí, góc vòi dẫn dung dịch vào vùng cắt Ngoài những yêu cầu về không gian làm việc, không gian và kết cấu của máy, khả năng điều

Trang 37

chỉnh của bản thân thiết bị bôi trơn và làm nguội, thì vòi phun nên bố trí có vị trí tương quan với dụng cụ cắt và phôi sao cho thích hợp nhất để hiệu quả bôi trơn làm nguội là cao nhất Có thể sử dụng một số sơ đồ dẫn dung dịch như sau:

* Phun theo phương tiếp tuyến với mặt trước của dao (hình 2.1)

- Nếu áp lực không đủ lớn thì khả năng bôi trơn là không tối ưu

- Khả năng nâng phoi sẽ không tốt nếu trong trường hợp chiều dày phoi lớn

Trong bôi trơn tối thiểu cần chú ý cách phun này Nếu dùng trong bôi trơn làm nguội kiểu tưới tràn thì ý nghĩa không lớn vì lượng dung dịch vào vùng cắt chỉ đạt 50-60%, phần nhiều lượng dung dịch sẽ bị dẫn ra ngoài theo hướng trượt của phoi, điều kiện hình thành màng dầu bôi trơn rất khó, sự tiếp xúc giữa phoi và mặt trước của dao là tiếp xúc chặt, trong điều kiện đó dung dịch trơn nguội chỉ có thể xâm nhập khu vực cắt nhờ có những khoảng chân không hình thành giữa phoi và dao Khoảng chân không như vậy có thể hình thành nhờ có lẹo dao Lúc

Hình 2.1 Phun theo phương tiếp tuyến với mặt trước của dao

Trang 38

lẹo dao bị cuốn đi, giữa dao và phoi hình thành khoảng trống, lớp kim loại biến dạng dẻo không thể tức thời điền đầy khoảng trống đó và dung dịch trơn nguội từ bên sườn của mặt tiếp xúc được hút vào thay thế Khi áp dụng trong bôi trơn làm nguội tối thiểu, áp lực dòng khí nén sẽ nâng cánh phoi lên, đồng thời đẩy dung dịch vào vùng ma sát giữa mặt trước của dao và phoi, lúc này phoi sẽ trượt trên mặt trước của dao trên màng dầu

* Phun theo phương tiếp tuyến với mặt sau của dao (hình 2.2)

Khi phun dung dịch theo phương pháp này thì dòng khí áp lực cao sẽ đẩy toàn bộ dung dịch vào vùng ma sát mặt sau, phoi trượt trên mặt trước sẽ mang dung dịch theo bôi trơn và làm nguội vùng cắt của mặt trước dao

+ Ưu điểm:

- Hiệu suất tưới cao

- Bôi trơn được cả vùng ma sát ở mặt sau, vùng tạo phoi và mặt trước của dao

Trang 39

* Để giảm ma sát và mòn của dụng cụ cắt trong quá trình cắt kim loại, từ các yếu tố trên ta thấy rằng áp lực dòng khí nén là một yếu tố quan trọng để thực hiện bởi các lý do sau:

- Áp lực dòng khí sẽ thổi sạch các hạt cứng của vật liệu khỏi vùng gia công không để các hạt này tiếp xúc với dụng cụ, đồng thời áp lực của dòng khí sẽ đẩy dung dịch vào các kẽ hở tại vùng tiếp xúc của mặt trượt của phoi và mặt trước, mặt sau của dao và chi tiết Áp lực dòng khí sẽ đẩy dung dịch vào các vết nứt tế vi trên bề mặt chi tiết tạo thành hình nêm giúp làm biến dạng dẻo bề mặt chi tiết bị biến cứng Yếu tố này cho ta thấy khả năng điền đầy dung dịch vào các vết nứt tế vi trên chi tiết phụ thuộc vào áp lực dòng khí lớn hay nhỏ

- Áp lực dòng khí phù hợp sẽ đưa các phần tử dung dịch vào cắt một cách thuận lợi nhất Các phần tử này va đập trực tiếp lên chi tiết gia công, tạo thành ứng suất dư nén trên bề mặt chi tiết chống lại biến dạng dẻo tại vùng chi tiết tiếp xúc với mặt sau của dao

- Áp lực dòng khí sẽ tạo ra khí động lực học nhằm nâng cánh phoi lên khỏi mặt trước dụng cụ, đồng thời lúc này áp lực dòng khí cũng đẩy dung dịch vào trong vùng gia công hiệu quả nhất Vậy cánh phoi có thể xem như chiếc ca nô lướt trên mặt nước phẳng lặng

- Dòng khí được bố trí có hướng ngược chiều với hướng của các hạt kim loại khi tách phoi bắn ra ngoài Tác dụng này sẽ giúp đẩy các hạt kim loại bay ra khỏi vùng gia công và sẽ không gây va đập với dụng cụ cắt Hiện tượng này có tác dụng làm giảm ứng suất có hại như tạo các vết nứt tế vi trên bề mặt dụng cụ cắt

- Tác dụng của áp suất dòng khí sẽ làm chuyển động các phân tử tích tụ trong dung dịch, các phần tử này sẽ chuyển động đến va vào chi tiết với áp lực của dòng khí nén, tạo thành một lớp màng phủ trên chi tiết, giúp bảo vệ chi tiết trong môi trường sau khi gia công

- Hiện tượng tán nhiệt nhanh từ vùng cắt ra môi trường xung quanh phụ thuộc rất nhiều vào áp lực của dòng khí

Nêu áp suất dòng khí quá lớn:

Trang 40

- Khả năng tạo sương mù và đưa các hạt sương mù vào vùng cắt tốt - Đẩy nhiệt và phoi ra khỏi vùng cắt tốt

- Khả năng giữ các hạt sương mù trong vùng cắt kém - Không an toàn cho người và thiết bị

Nếu áp suất dòng khí bé:

- Khả năng tạo sương mù và đưa các hạt sương mù vào vùng cắt không tốt

- Đẩy nhiệt và phoi ra khỏi vùng cắt kém

Vì vật, để nâng cao hiệu quả của quá trình bôi trơn làm nguội tối thiểu cần lựa chọn được áp suất dòng khí hợp lý ứng với từng phương pháp gia công và các điều kiện cụ thể khác

Nếu dòng khí nhiệt độ thấp thì hiệu quả của quá trình làm nguội sẽ đạt hiệu quả rất cao

2.1.2 Bôi trơn làm nguội tối thiểu khi tiện cứng

Tiện cứng (hard turning) chính thức được giới thiệu ở nước ta vào năm 1988, tuy nhiên công nghệ này chưa có điều kiện phát triển mạnh Cho tới những năm gần đây khi sự đổi mới về khoa học kỹ thuật đang trở thành tất yếu thì tiện cứng đã phát huy được vai trò to lớn của nó trong việc gia công tinh các sản phẩm thép qua tôi cứng

Các chi tiết như vòng ổ lăn, vòi phun và những chi tiết của hệ thống thuỷ lực, sau khi nhiệt luyện thường phải qua nguyên công mài hoặc mài khôn Các nguyên công này thường thiếu linh hoạt và mất nhiều thời gian Hơn nữa chi phí dung dịch trơn nguội cho nguyên công mài cũng khá cao Mặt khác chất thải khi mài ngày càng là vấn đề của môi trường sống Những lý do trên đã thúc đẩy các nhà sản xuất loại dần khâu mài trong quy trình công nghệ gia công tinh chi tiết

Phương án tối ưu cho việc thay thế này chính là tiện cứng Tiện cứng là một cách sử dụng dao bằng mảnh vật liệu siêu cứng CBN (Cubic boron nitride), PCBN, PCD hoặc Ceramic tổng hợp nhằm thay thế cho mài trong gia công thép qua tôi (thường> 45HRC) Phương pháp này có thể gia công khô và hoàn thành

Ảnh hưởng của bôi trơn tối thiểu (MQL) đến mòn dụng cụ cắt và nhám bề mặt khi tiện tinh thép 9CrSi (9XC) đã qua tôi

THÉP 9CrSi ĐÃ QUA TÔ