Nghiên cứu so sánh các phương pháp tưới trong công nghệ bôi trơn – làm nguội tối thiểu khi phay rãnh

Nghiên cứu so sánh các phương pháp tưới trong công nghệ bôi trơn – làm nguội tối thiểu khi phay rãnh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP TƯỚI TRONG CÔNG NGHỆ BÔI TRƠN – LÀM NGUỘI TỐI THIỂU KHI

PHAY RÃNH

LƯU TRỌNG ĐỨC

THÁI NGUYÊN 2008

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP………

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP TƯỚI TRONG CÔNG NGHỆ BÔI TRƠN – LÀM NGUỘI TỐI THIỂU KHI

PHAY RÃNH

Học viên: Lưu Trọng Đức Người HD Khoa học: TS Trần Minh Đức

THÁI NGUYÊN 2008

Chuyên ngành: Chế tạo máy

Người HD khoa học: TS Trần Minh Đức

Ngày giao đề tài: 01- 11 - 2007 Ngày hoàn thành: 12 - 6 - 2008

KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN

TS Trần Minh Đức Lưu Trọng Đức

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Chuyên ngành: Chế tạo máy

Người HD khoa học: TS Trần Minh Đức

Ngày giao đề tài: 01- 11 - 2007 Ngày hoàn thành: 12 - 6 - 2008

KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN

TS Trần Minh Đức Lưu Trọng Đức

MỤC LỤC

Trang

Danh mục các bảng số liệu 4 Danh mục các hình vẽ, đồ thị, ảnh chụp 5

Chương 1: Tổng quan về bôi trơn – làm nguội trong gia công cắt gọt

10

1.1 Quá trình cắt kim loại 10

1.2 Quá trình biến dạng của vật liệu gia công trong vùng tạo phoi 11 1.3 Quá trình tạo phoi 12 1.4 Hiện tượng nhiệt trong quá trình cắt kim loại 15 1.5 Quy luật mài mòn của dụng cụ cắt và ảnh hưởng của dung dịch bôi trơn làm nguội đến quá trình cắt 18

1.5.1 Quy luật mài mòn của dụng cụ cắt 18 1.5.2 Ảnh hưởng của dung dịch bôi trơn – làm nguội đến quá trình cắt

1.6 Tác dụng và yêu cầu đối với dung dịch trơn nguội 22 1.6.1 Tác dụng của dung dịch trơn nguội 22 1.6.2 Yêu cầu đối với dung dịch trơn nguội 23 1.7 Các loại dung dịch bôi trơn làm nguội dùng trong gia công cắt gọt 23 1.8 Cách sử dụng dung dịch trơn nguội khi phay 27 1.9 Các phương pháp bôi trơn – làm nguội 30 1.9.1 Phương pháp bôi trơn – làm nguội tưới tràn 30 1.9.2 Phương pháp gia công khô 31 1.9.3 Phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu 32

Chương 2: Công nghệ bôi trơn làm - nguội tối thiểu 36

2.1 Khái niệm về công nghệ bôi trơn – làm nguội tối thiểu 36

2.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống bôi trơn – làm nguôi tối thiểu 37 2.3 Phương pháp trộn dung dịch trong công nghệ bôi trơn - làm nguội tối thiểu khi gia công cắt gọt 38 2.4 Các dung dịch được sử dụng trong bôi trơn làm nguội tối thiểu 40 2.5 Các phương pháp bố trí vòi phun 42 2.6 Giới hạn vấn đề nghiên cứu 46 2.7 Mô hình nghiên cứu 46

Chương 3: Nghiên cứu so sánh các phương pháp tưới trong công nghệ

3.1 Xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm 48

3.1.1 Yêu cầu của hệ thống thí nghiệm 48 3.1.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống bôi trơn – làm nguội tối

thiểu

48

3.2 Hệ thống thí nghiệm 50 3.3 Điều kiện thí nghiệm 50 3.4 Nghiên cứu so sánh các phương pháp tưới trong công nghệ bôi trơn – làm nguội tối thiểu khi phay rãnh 52

3.4.1 Quá trình tiến hành thí nghiệm 52 3.4.2 Kết quả thí nghiệm 53 3.5 Thảo luận kết quả 55

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn này do chính bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Trần Minh Đức

Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định

Người thực hiện

Lưu Trọng Đức

DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU

TT Số bảng

Số liệu gia công sử dụng phương pháp bôi trơn – làm nguội tối thiểu tưới kiểu nhỏ giọt bằng dầu lạc

61

3 2 Một số hình ảnh trong quá trình thí

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ - ẢNH CHỤP

1 1.1 Chuyển động chính và chuyển động chạy dao 10

2 1.2 Quan hệ giữa biến dạng và lực tấc động khi kéo kim loại 11

3 1.3 Sơ đồ quá trình hình thành phoi thép 12

4 1.4 Sơ đồ vùng tạo phoi 13

5 1.5 Miền tạo phoi ứng với các vận tốc cắt khác nhau 14

6 1.6 Sơ đồ hình thành và lan toả nhiệt 17

7 1.7 Các dạng mài mòn phần cắt dụng cụ 19

8 1.8 Quan hệ giữa độ mòn và thời gian làm việc của dao 21

9 1.9 Các phần tử hoà tan trong nước 24

10 1.10 Các phần tử tích tụ khối và phần tử hoà tan trong nước 24

11 1.11 Các phân tử hoà tan dưới dạng thể sữa 25

12 1.12 Các phân tử hoà tan trong hợp chất hoá học 26

13 1.13 Các phần tử hoà tan trong hợp chất dầu 26

14 1.14 Dẫn dung dịch vào hai mặt bên dao phay 28

15 1.15 Dẫn dung dịch vào mặt trước và mặt sau dao phay 28

16 1.16 Dẫn dung dịch vào tất cả các lưỡi cắt 29

17 1.17 Gia công bằng phương pháp tưới tràn trên máy phay 31

18 1.18 Phương pháp gia công khô trên máy phay 32

19 1.19 Gia công bằng phương bôi trơn – làm nguội tối thiểu 33

20 2.1 Sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống bôi trơn – làm nguội tối thiểu tưới kiểu nhỏ giọt 37

21 2.2 Hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội tưới kiểu sương

mù trong công nghệ bôi trơn – làm nguội tối thiểu 38 22 2.3 Phương pháp trộn dung dịch trơn nguội bên trong đầu phun 39

23 2.4 Phương pháp trộn dung dịch trơn nguội bên ngoài đầu

27 2.8 Dẫn dung dịch trơn nguội bằng cách bố trí hiều đầu phun vào một vùng gia công khi phay

45

28 2.9 Hình ảnh cách bố trí vị trí đầu phun trong bôi trơn làm

nguội - tối thiểu khi phay 45 29 2.10 Mô hình quá trình thí nghiệm 46

30 3.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống bôi trơn – làm nguội tối thiểu tưới kiểu nhỏ giọt 49

31 3.2 Hệ thống bôi trơn – làm nguội tối thiểu tưới kiểu nhỏ giọt 50

32 3.3 Hệ thống điều chỉnh áp suất và hệ thống điều chỉnh lưu

33 3.4 Hệ thống vòi phun dạng nhỏ giọt và bình chứa dung dịch

do Cộng Hòa Liên Bang Đức sản xuất 51

34 3.5 Thước Panme điện tử đo ngoài 52

LỜI NÓI ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài:

Dung dịch trơn nguội đã được sử dụng rộng rãi trong quá trình gia công cắt gọt nhằm làm giảm nhiệt cắt, bôi trơn, di chuyển phoi ra khỏi vùng cắt và bảo vệ sự ăn mòn Do sử dụng dung dịch trơn nguội trong gia công cắt gọt đã dẫn đến những ảnh hưởng đối với sức khoẻ người công nhân, môi trường và khía cạnh kinh tế Người công nhân tiếp xúc với dung dịch trơn nguội có thể sinh ra bệnh viêm da và do tạo ra sương mù trong suốt quá trình gia công có thể dẫn tới những loại bệnh khác như: viêm đường hô hấp, hen, thậm chí bệnh viêm phổi, Ngoài ra, khi thải dung dịch trơn nguội ra ngoài môi trường đã dẫn đến một sự nguy hiểm là sự nhiễm bẩn nguồn nước ngầm, dòng nước và gây ra những tác động nghiêm trọng về môi trường Các dữ liệu nghiên cứu đã đưa ra những nhận xét chi phí liên quan đến dung dịch trơn nguội chiếm một số lượng lớn (tỉ lệ lớn) 7 % 17% tổng giá thành trong gia công sản phẩm, trong đó chi phí của dụng cụ 2 % 4 % Đó chính là một trong những nguồn gốc chính của vấn đề liên quan đến chi phí gia công

Mặc dù trong dung dịch trơn nguội thường chứa một số hóa chất độc hại nên ảnh hưởng lớn đến sức khỏe người lao động và gây ô nhiễm môi trường, nhưng phần lớn các nhà sản xuất vẫn sử dụng dung dịch trơn nguôi dưới dạng chất lỏng với một số lượng lớn, thường xuyên nhất là áp dụng phương pháp tưới tràn trong sản xuất vẫn cao Tuy nhiên, trong một vài năm gần đây đã ứng dụng phương pháp gia công khô (không sử dụng dung dịch trơn nguội) vào trong sản xuất và đã phát huy được hiệu quả, nhưng công nghệ này đã gặp phải một số vấn đề trong quá trình gia công như: tuổi bền của dụng cụ thấp, biến dạng nhiệt lớn,

Để khắc phục được các nhược điểm của các phương pháp trên đã xuất hiện một phương pháp trung gian giữa phương pháp gia công khô và phương pháp tưới tràn đó là phương pháp bôi trơn - làm nguội tối thiểu

Phương pháp bôi trơn - làm nguội tối thiểu là một phương pháp có nhiều ưu điểm như: hiệu quả bôi trơn - làm nguội cao, kéo dài tuổi thọ của dụng cụ cắt, lượng

tiêu hao dung dịch nhỏ và dung dịch khi phun vào vùng cắt sẽ bốc hơi hết do đó sẽ không có lượng dung dịch cần xử lý sau khi hết hạn sử dụng như bôi trơn - làm nguội tưới tràn Phoi gia công sạch, không gian làm việc thoáng mát sạch sẽ và không bị ô nhiễm môi trường

Do có những ưu điểm trên, ở các nước công nghiệp phát triển đã có rất nhiều công trình nghiên cứu và thu được nhiều kết quả khả quan Ở Việt Nam công nghệ này gần như chưa được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng Nhằm nghiên cứu và

ứng dụng công nghệ này vào thực tế sản xuất ở nước ta, tác giả chọn đề tài “Nghiên

cứu so sánh các phương pháp tưới trong công nghệ bôi trơn – làm nguội tối thiểu khi phay rãnh” là cần thiết

3 Đối tượng nghiên cứu:

- Dùng dao phay ngón thép gió P18, phay rãnh B = 8 (mm), thép C45 tôi cải thiện Những kết quả và phương pháp nghiên cứu đạt được có thể áp dụng trong

thực tiễn sản xuất khi phay có sử dụng các loại dao khác hoặc thép khác

4 Phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu bằng thực nghiệm

5 Ý nghĩa của đề tài: + Ý nghĩa khoa học

- Góp phần xây dựng lý thuyết cơ bản về công nghệ bôi trơn - làm nguội tối thiểu

- Từ những kết quả và phương pháp nghiên cứu đạt được có thể áp dụng cho các phương pháp cắt gọt khác

+Ý nghĩa thực tiễn

- Từ kết quả nghiên cứu đưa ra các chỉ dẫn cụ thể về các phương pháp tưới trong công nghệ bôi trơn làm nguội tối thiểu

6 Nội dung của luận văn:

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

Chương 1: Tổng quan về bôi trơn – làm nguội trong gia công cắt gọt Chương 2: Công nghệ bôi trơn – làm nguội tối thiểu

Chương 3: Nghiên cứu so sánh các phương pháp tưới trong công nghệ bôi

trơn – làm nguội tối thiểu khi phay rãnh

Phần Kết luận chung 7 Lời cảm ơn:

Luận văn này đối với Tôi là một cơ hội lớn để rèn luyện khả năng thực hiện một đề tài phục vụ thực tiễn sản xuất dựa trên cơ sở các lý thuyết khoa học và công nghệ Luận văn này được hoàn thành là nhờ có rất nhiều sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của cá nhân và tập thể Lời cảm ơn sâu sắc nhất Tôi xin gửi đến TS.Trần Minh Đức, người thầy luôn luôn nhiệt tình chỉ bảo và định hướng giúp tôi trong những lúc gặp khó khăn, các thầy cô trong Khoa Đào tạo Sau đại học Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã nhiệt tình giúp đỡ Tôi hoàn thành bài luận văn này

Thái Nguyên, ngày 12 tháng 06 năm 2008

Học viên

Lưu Trọng Đức

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÔI TRƠN – LÀM NGUỘI TRONG GIA CÔNG CẮT GỌT

1.1 Quá trình cắt kim loại

Quá trình cắt kim loại là quá trình hớt đi một lớp phoi trên bề mặt gia công để có chi tiết đạt hình dạng, kích thước và độ bóng bề mặt theo yêu cầu

Các dạng gia công cơ chủ yếu là : tiện, bào, khoan, phay, mài, Tất cả các dạng gia công này đều được thực hiện trên các máy cắt kim loại bằng các dụng cụ cắt khác nhau: dao tiện, mũi khoan, dao phay,

Để thực hiện một quá trình cắt nào đó, cần thiết phải có hai chuyển động: chuyển động chính (chuyển động làm việc) và chuyển động chạy dao Chuyển động chính trong quá trình tiện là chuyển động quay của chi tiết (hình 1.1a) Còn khi phay, chuyển động chính là chuyển động quay của dao phay (hình 1.1b) Tốc độ của chuyển động chính là tốc độ cắt [7]

Chuyển động tịnh tiến của dao theo phương dọc hoặc phương ngang là chuyển động chạy dao khi tiện Còn khi phay chuyển động chạy dao là chuyển động tịnh tiến của vật gia công (chi tiết) theo phương dọc, ngang, hoặc thẳng đứng Tốc độ của chuyển động chính luôn luôn lớn hơn tốc độ chuyển động chạy dao Trong

V

Hình 1.1 Chuyển động chính và chuyển động chạy dao

S

quá trình cắt kim loại các bề mặt mới được hình thành do các lớp bề mặt biến dạng

và được hớt dần với sự tạo thành phoi

1.2 Quá trình biến dạng của vật liệu gia công trong vùng tạo phoi

Trong quá trình gia công, mọi vật liệu khi cắt đều bị biến dạng Biến dạng vật liệu gia công tác động đến toàn bộ các hiện tượng vật lý trong vùng cắt Nó là nguồn gốc sinh ra lực cắt, nhiệt cắt, ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hình thành chất lượng của chi tiết (độ chính xác, độ nhấp nhô bề mặt và cơ lý tính trên lớp bề mặt, ) [3]

Dưới tác dụng của tải trọng, trong phần lớn kim loại và hợp kim xảy ra ba

quá trình nối tiếp nhau là biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và phá huỷ (hình 1.2)

[6]

- Ở giai đoạn biến dạng đàn hồi, độ dãn dài l tỷ lệ thuận với lực tác động P

(nhánh 1 trên đồ thị) Khi bỏ qua lực P kim loại trở về hình dạng ban đầu

- Ở giai đoạn biến dạng dẻo khi bỏ lực tác dụng kim loại không trở lại hình

dạng ban đầu

- Giai đoạn phá huỷ là quá trình đứt

các liên kết trong nội bộ cấu trúc vật liệu Các vết nứt xuất hiện và các phần vật liệu tách rời nhau Vật liệu bị phá huỷ

Trong quá trình cắt kim loại, vật liệu gia công (dưới sự tác động của lực cắt) cũng bị biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo rồi bị phá huỷ Lớp vật liệu được tách ra gọi là phoi, quá trình cắt đã được thực hiện

Quá trình biến dạng của vật liệu gia công trong vùng tạo phoi khi cắt chiếm tới 90% công dùng cho cả quá trình cắt, nó cũng là nguồn phát nhiệt chủ yếu khi cắt Chi tiết gia công chịu sự tác động của lực cắt và nhiệt cắt Do đó mà lực cắt, nhiệt cắt có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng bề mặt gia công và độ chính xác gia công

0 a’ a’’ L P

a b

Vì những lý do trên mà việc nghiên cứu quá trình biến dạng ở vùng tạo phoi có một ý nghĩa quan trọng vì tìm ra bản chất của quá trình, phát hiện những yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng vật liệu khi cắt sẽ là cơ sở để tối ưu hoá quá trình cắt

Quá trình biến dạng của vật liệu trong vùng tạo phoi ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình cắt Nó còn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố song chủ yếu là lực, góc tác động, góc trước, tốc độ cắt và cơ lý tính của vật liệu gia công Nghiên cứu bản chất quá trình biến dạng vật liệu gia công trong vùng tạo phoi cho phép tìm các phương pháp hữu hiệu để thực hiện quá trình cắt sao cho khi cắt vật liệu ít bị biến dạng Điều này cho phép cắt với lực cắt, nhiệt cắt nhỏ và nâng cao được khả năng gia công và chất lượng bề mặt

1.3 Quá trình tạo phoi

Khi dao dịch chuyển các phân tử kim loại lúc đầu bị nén đàn hồi (hình 1.3a), sau đó bị biến dạng dẻo, quá trình biến dạng dẻo tăng dần cho đến khi bị lực liên kết bên trong của các phần tử kim loại chặn lại Ở thời điểm này xảy ra sự xếp lớp của các phần tử phoi và sự trượt của chúng trong mặt phẳng trượt (hình 1.3b) Hiện

tượng tương tự cũng xảy ra đối với các phần tử tiếp theo từ 1 6 (hình 1.3c) [5]

Hình 1.3 Sơ đồ của quá trình hình thành phoi thép

c)

b) a)

Quá trình cắt được xem là một quá trình biến dạng dẻo Quá trình tạo phoi ảnh hưởng rất lớn đến độ mòn của dao và chất lượng bề mặt gia công Để tạo ra phoi, lực tác dụng vào dao phải đủ lớn để tạo ra trong lớp kim loại một ứng suất lớn

hơn độ bền của vật liệu được gia công [3]

Dao tác dụng lên vật liệu gia công một lực P theo mặt trước Khi dao tiến, trong vật liệu gia công phát sinh các vùng biến dạng liện tục Ở các điểm xa lưỡi cắt, đó là các biến dạng đàn hồi Biến dạng này nhanh chóng chuyển sang biến dạng dẻo khi đến gần lưỡi cắt Phoi được tạo ra khi vật liệu trượt qua mặt trượt và trượt dọc qua mặt trước của dao Khu vực vật liệu bị biến dạng dẻo ở phía trước dao được gọi là vùng tạo phoi, các mặt OA, OB, OC, OD, OE, nơi có ứng suất tiếp lớn nhất vật liệu gia công trượt theo mặt đó, gọi là mặt trượt Gọi LOM là vùng tạo phoi, phần vật liệu nằm bên phải đường OM được gọi là phoi

Trong quá trình cắt miền tạo phoi AOE di chuyển cùng với dao Khi vận tốc cắt tăng sẽ có sự xê dịch của miền tạo phoi theo chiều hướng thu hẹp miền tạo phoi tạo ra miền A’OE’ Khi vận tốc cắt đủ lớn, miền tạo phoi sẽ thu hẹp đến mức chỉ còn rộng vài phần trăm mm Do vậy người ta coi sự trượt xảy ra ngay trên mặt phẳng OF đi qua lưỡi cắt và làm với phương chuyển động một góc Góc là góc

Hình 1.4 Sơ đồ vùng tạo phoi

trượt, là một thông số đặc trưng cho hướng và giá trị của biến dạng dẻo trong miền tạo phoi

Về giá trị của góc , hiện nay tồn tại 3 giả thuyết: Theo Hucks

= arctan22

Với là hệ số ma sát, =

Theo Ernst và Marchant góc có giá trị:

Với = arctan , là góc ma sát Lee và Shaffer thì cho rằng:

= 450-( - )

Phoi cắt ra chịu biến dạng rất lớn và do đó bị thay đổi kích thước so với kích thước của lát cắt Hiện tượng này gọi là sự co rút phoi Tùy theo vật liệu gia công và chế độ cắt, mà ta thu được phoi xếp, phoi dây hay phoi vụn Phoi xếp và phoi dây

Hình 1.5 Miền tạo phoi ứng với các vận tốc cắt khác nhau

được tạo ra khi gia công vật liệu dẻo (như thép, đồng thau, ), còn phoi vụn sinh ra khi cắt vật liệu giòn như gang

Như vậy, để thực hiện quá trình tạo phoi khi cắt dụng cụ cắt phải tác động vào vật liệu gia công một lực nhất định Lực này làm biến dạng vật liệu và phoi

được hình thành

1.4 Hiện tƣợng nhiệt trong quá trình cắt kim loại

Nguồn nhiệt phát sinh trong quá trình cắt là do công tiêu hao để lại như: Biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo lớp bị cắt và các lớp tiếp xúc giữa bề mặt đó Trong gia công bằng cắt gọt nhiệt được sinh ra từ 4 nguồn sau:

- Trong miền tạo phoi Nhiệt sinh ra do công ma sát giữa các phần tử của vật liệu gia công trong quá trình biến dạng Sự chuyển đổi công của vùng biến dạng đàn hồi bậc nhất

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

- Trên bề mặt sau tiếp xúc với mặt cắt (mặt chi tiết gia công) Nhiệt sinh ra do sự chuyển đổi công ma sát

- Nhiệt sinh ra do công đứt phoi

Theo [5], hiện tượng nhiệt trong quá trình gia công đóng vai trò rất quan trọng, bởi vì nó ảnh hưởng đến quá trình tạo phoi, lẹo dao, co rút phoi, lực cắt và cấu trúc lớp bề mặt Ngoài ra, nhiệt cắt (nhiệt độ cắt) còn ảnh hưởng rất lớn đến cường độ mòn và tuổi bề của dụng cụ

Sự toả nhiệt khi cắt là do có một công A (kGm) sinh ra trong quá trình hớt phoi Công A được xác định theo công thức:

A = A1 + A2 + A3

Trong đó:

A1 – Là công sinh ra làm biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo (A1 = 55%)

A2 - Là công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt trước của dao (A2 = 35%)

A3 – Là công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt sau của dao (A2 = 10%)

Mặt khác công A được tính theo công thức sau: A = Pz L

Trong đó:

Pz - Lực cắt tác dụng theo phương tốc độ cắt (kG)

L – Quãng đường mà dụng cụ đi qua hay chiều dài cắt (m)

Nếu lấy quãng đường mà dụng cụ đi qua trong một phút, ta có công trong một phút:

- Tốc độ chuyển động của phoi ở mặt trước của dao (m/phút)

Qz (k.Cal/phút)

Nhiệt trong quá trình cắt lan toả từ điểm có nhiệt độ cao nhất đến điểm có nhiệt độ thấp nhất Nhiệt toả ra trong quá trình cắt chủ yếu tập trung ở phoi và một phần dụng cụ Nhiệt do ma sát ở mặt trước và mặt sau sẽ tập trung ở mặt trước III và mặt sau IV, ở phoi II và chi tiết gia công I (hình 1.6) Có một phần nhỏ nhiệt toả vào môi trường xung quanh

Khi biết lượng nhiệt sinh ra trong quá trình cắt lan toả giữa phoi, chi tiết gia công và dụng cụ, có thể viết phương trình cân bằng nhiệt như sau:

Q = Q1 + Q2 + Q3 = Qp + Qd + Qc + Qm Trong đó:

Q1 - Nhiệt tương ứng với công sinh ra làm biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo

Q2 - Nhiệt tương ứng với công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt trước của dao

Q2 - Nhiệt tương ứng với công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt sau của dao Qp, Qd, Qc, Qm - Là nhiệt ở phoi, dụng cụ, ở chi tiết và ở môi trường xung quanh

Tốc độ truyền nhiệt vào môi trường có thể coi là không đáng kể trong tính toán khi môi trường cắt là không khí Khi ở môi trường có khả năng truyền nhiệt tốt

Hình 1.6 Sơ đồ hình thành và lan toả nhiệt

thì tốc độ truyền nhiệt là đáng kể như trong môi trường có các chất làm nguội.Biến dạng dẻo của vật liệu gia công trong vùng tạo phoi, ma sát giữa vật liệu gia công với các mặt của dụng cụ trong quá trình cắt sinh nhiệt làm tăng nhiệt độ ở vùng gần lưỡi cắt dẫn đến giảm sức bền của dao ở vùng này gây phá hủy bộ phận đến toàn bộ khả năng làm việc của lưỡi cắt Nhiệt cắt và nhiệt độ trong dụng cụ cắt tăng khi cắt với vận tốc cắt cao và lượng chạy dao lớn

Lịch sử phát triển của vật liệu dụng cụ cắt đã tìm ra các loại vật liệu dụng cụ cắt có thể cắt được vận tốc cao, có độ cứng nóng cao và ở đây cũng cho biết mức độ suy giảm độ cứng của một số vật liệu dụng cụ theo nhiệt độ Ở nhiệt độ 6000

C độ cứng của thép gió chỉ còn vào khoảng 40 HRC Ngày nay thép gió vẫn được sử dụng rộng rãi làm dụng cụ cắt trong gia công cắt gọt vì những ưu điểm nổi bật của nó Để dụng cụ thép gió có khả năng cắt tốt thì phải làm giảm nhiệt ở vùng tạo phoi bằng phương pháp bôi trơn – làm nguội

1.5 Quy luật mài mòn của dụng cụ cắt và ảnh hưởng của dung dịch bôi trơn làm nguội đến quá trình cắt

1.5.1 Quy luật mài mòn của dụng cụ cắt

Trong quá trình cắt, phoi trượt trên mặt trước và chi tiết chuyển động tiếp xúc với mặt sau của dao gây nên hiện tượng mòn ở phần cắt dụng cụ Mài mòn dụng cụ là một quá trình phức tạp, xảy ra theo các hiện tượng lý hoá ở các bề mặt tiếp xúc phoi và chi tiết với dụng cụ gia công Khi mài mòn, hình dạng và thông số hình học phần cắt dụng cụ thay đổi, gây nên các hiện tượng vật lý sinh ra trong quá trình cắt (nhiệt cắt, lực cắt, ) và ảnh hưởng xấu đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công Trong quá trình cắt, áp lực trên các bề mặt tiếp xúc lớn hơn rất nhiều so với áp lực làm việc trên các chi tiết máy (15 20 lần) và dụng cụ bị mài mòn theo nhiều dạng khác nhau [3]

Phần cắt dụng cụ trong quá trình gia công thường bị mài mòn theo các dạng sau:

- Mài mòn theo mặt sau (hình 1.7.a ) - Mài mòn mặt trước (hình 1.7.b)

- Mài mòn đồng thời cả mặt trước và mặt sau (hình 1.7.c) - Mòn tù lưỡi cắt (hình 1.7.d)

Để xác định được quan hệ thay đổi có tính quy luật của sự mài mòn, trước hết cần phải nghiên cứu cơ chế quá trình mài mòn Dụng cụ cắt có thể bị mài mòn theo các cơ chế sau đây:

+ Mài mòn hạt mài (mòn do cào xước): Bản chất của mài mòn hạt mài là

các hạt cứng của vật liệu gia công và phoi cào xước (mài mòn) vào các bề mặt tiếp xúc của dụng cụ Quá trình này như tác dụng của hạt nhỏ mài cắt vào các bề mặt dụng cụ trong quá trình làm việc Khi độ cứng của bề mặt tiếp xúc với dụng cụ càng lớn thì dụng cụ bị mòn càng nhiều Đặc biệt khi có hiện tượng lẹo dao trên mặt trước, một số phần tử nhỏ của lẹo dao gây ra vết mòn do cào xước trên mặt sau của dụng cụ

+ Mòn do dính: Khi cắt nhiệt độ ở vùng cắt rất lớn làm cho liên kết giữa các

phân tử trong vật liệu giảm xuống, do chịu một áp lực lớn nên một số phần tử của

Hình 1.7 Các dạng mài mòn phần cắt dụng cụ

d) c)

vật liệu làm dao sẽ bám dính vào phoi và chuyển động cùng phoi làm cho bề mặt của dao sẽ mất đi từng phần nhỏ của vật liệu dao

+ Mòn do khuếch tán: Khi cắt ở nhiệt độ cao, biến dạng dẻo lớn nên xảy ra

hiện tượng hoà tan lẫn nhau giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công Kết quả là một phần vật liệu dụng cụ khuếch tán trong quá trình cắt Phoi và vật liệu gia công cùng mang theo một phần vật liệu dụng cụ Theo quy luật phát triển của lớp khuếch tán thì tốc độ khuếch tán tăng nhanh ở giai đoạn đầu của quá trình khuếch tán Trong quá trình cắt thời gian tiếp xúc của phoi, mặt cắt và dao xảy ra rất nhanh (phần trăm hoặc phần nghìn giây), vì vậy những phần khác nhau của vật liệu gia công liên tục tiếp xúc với bề mặt dụng cụ, làm cho quá trình khuếch tán ở giai đoạn đầu tăng mạnh, gây ảnh hưởng lớn đến cường độ òn của dụng cụ

+ Mòn do ôxi hoá: Do nhiệt ở vùng cắt lớn, vật liệu làm dao sẽ tiếp xúc với

môi trường xung quanh sẽ tạo ra một lớp ôxi hoá trên bề mặt dao, lớp này mỏng và giòn, dễ bong khỏi nền để cuốn theo phoi

+ Mòn do nhiệt: Thể tích vật liệu tại lưỡi cắt là rất nhỏ nên khi cắt nhiệt độ

cao tập trung tại vị trí lưỡi cắt, do đó sẽ xảy ra hiện tượng quá nhiệt của vật liệu dao dẫn đến phá huỷ lưỡi cắt do nhiệt

* Quy luật mài mòn của dụng cụ cắt: Theo [5], (hình 1.8) là quan hệ phụ

thuộc giữa độ mòn của dụng cụ cắt và thời gian làm việc của nó (gọi là đường cong mòn) Đường cong mòn trên hình có thể được chia ra ba phần:

+ Phần 1: Mòn ban đầu với khoảng thời gian không lớn, trong giai đoạn này,

mòn xảy ra với cường độ rất lớn do sự mài mòn các đỉnh nhấp nhô trên bề mặt dụng cụ

+ Phần 2: Mòn bình thường, giai đoạn này bắt đầu từ thời điểm khi mà chiều

cao nhấp nhô có giá trị nhỏ Ở giai đoạn này, độ mòn tăng gần như tỷ lệ tuyến tính với thời gian làm việc của dụng cụ Đây là giai đoạn có thời gian làm việc lớn nhất của dụng

+ Phần 3: Mòn khốc liệt, ở giai đoạn này dao có thể bị xước lưỡi cắt hoặc bị

gãy đầu dao Mòn ở giai đoạn này không cho phép dao làm việc tiếp tục, có nghĩa là cần mài lại hoặc thay dao mới

1.5.2 Ảnh hưởng của dung dịch bôi trơn - làm nguội đến quá trình cắt kim loại

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 [2]

Hình 1.8 Quan hệ giữa độ mòn và thời gian làm việc của dao

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 Tác dụng và yêu cầu đối với dung dịch trơn nguội 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

1.7 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

1 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 1.9) 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

2 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, 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 1.10) 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

Hình 1 9 Các phần tử hoà tan trong nước

Hình 1.10 Các phần tử tích tụ khối và phần tử hoà tan trong nước

3 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 m (hình 1.11)

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 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

4 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

Hình 1.11 Các phân tử hoà tan dưới dạng thể sữa

5 Dung dịch đƣợc 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 1.12 Các phân tử hoà tan trong hợp chất hoá học

Hình 1.13 Các phần tử hoà tan trong hợp chất dầu

6 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

1.8 Cách sử dụng dung dịch trơn nguội khi phay

Dung dịch trơn nguội chủ yếu dùng để làm giảm nhiệt độ ở vùng cắt, do đó tuổi bền của dao và chất lượng gia công tăng lên Đồng thời dung dịch trơn nguội cũng giữ cho dụng cụ và chi tiết gia công khỏi bị ôxi hoá Ngoài ra dung dịch trơn nguội không được gây ảnh hưởng xấu đến lớp sơn bảo vệ máy, trong quá trình làm việc không được tan thành các thể riêng biệt, dung dịch đòi hỏi phải ổn định, Gần đây người ta đã chế tạo các dung dịch đáp ứng được những yêu cầu trên

- Tưới dung dịch trơn nguội bằng cách sử dụng hai vòi để dẫn trực tiếp dung dịch vào vùng cắt theo hai mặt bên của dao: Sử dụng tốt nhất khi gia công

những bề mặt có chiều rộng cắt không lớn

Đây là phương pháp có cách bố trí thiết bị dẫn dung dịch rất đơn giản và dễ điều chỉnh lượng dung dịch theo yêu cầu trong khi đang gia công

- Tưới dung dịch trơn nguội bằng cách sử dụng hai vòi dẫn trực tiếp vào mặt trước và mặt sau dao: Thực hiện hiệu quả nhất trên dao phay khi gia công các

bề mặt rộng, thường sử dụng khi gia công mặt phẳng Phương pháp có hệ thống vòi tưới phức tạp, phải bố trí vòi di chuyển cùng trục chính máy, trong quá trình cắt nếu cần điều chỉnh vòi thì hết sức khó khăn (hình 1.15)

- Tưới dung dịch trơn nguội bằng cách dùng thiết bị vòi dẫn dung dịch vào tất cả các lưỡi cắt: Phương pháp này hiệu quả tưới cao, thường sử dụng cho

các loại dụng cụ như dao phay ngón Nhược điểm chính là gián tiếp dẫn dung dịch

Hình 1.14 Dẫn dung dịch vào hai mặt bên dao phay

Hình 1.15 Dẫn dung dịch vào mặt trước và mặt sau dao phay

vào vùng cắt, chỉ sử dụng cho các dụng cụ cắt có kích thước đường kính giới hạn (hình 1.16)

Sử dụng dung dịch trơn nguội một cách hợp lý có thể tăng tuổi bền từ 1,5 4 lần Dung dịch trơn nguội và cách sử dụng nó có hiệu quả tốt với loại vật liệu và phương pháp gia công này, nhưng có thể ít hiệu quả đến loại vật liệu và phương pháp gia công khác, thậm chí trong một số trường hợp lại gây ảnh hưởng xấu Mỗi một tổ hợp: vật liệu gia công – phương pháp gia công - vật liệu làm dụng cụ cắt - chế độ cắt chỉ thích hợp với một loại dung dịch trơn nguội nhất định

Trong bảng dưới đây đã chỉ rõ các loại dung dịch trơn nguội và cách sử dụng dung dịch trơn nguội khi phay [7]:

Hình 1.16 Dẫn dung dịch vào tất cả các lưỡi cắt

TT Vật liệu gia công Mã hiệu dung dịch trơn nguội

1 Thép các bon kết cấu 3% Ucơrinon – 1 5 8 % P3 – COЖ – 8 2 Thép hợp kim 5% Ucơrinon – 1 3 Thép gió dụng cụ OCM - 3

4 Thép không gỉ 5% Ucơrinon – 1 5 8 % P3 – COЖ – 8 5 Thép độ bền cao và thép chịu lửa MP – 1

6 Hợp kim titan 5% Ucơrinon – 1 5 8 % P3 – COЖ – 8 7 Gang 3% Ucơrinon – 1 8 Nhôm và hợp kim nhôm 3 5 % Ucơrinon – 1 9 Đồng và hợp kim đồng MP – 4

Khi phay gang xám trên máy phay vạn năng, thường người ta không dùng dung dịch trơn nguội, còn khi phay gang có độ bền cao thì dùng Emusil Tuy vậy, đôi khi người ta vẫn dùng dung dịch trơn nguội để dễ phay gang xám Trong trường hợp này nên có cơ cấu bảo vệ dưới dạng màn chắn, đặc biệt khi dùng dao phay mặt đầu bằng hợp kim cứng Khi gia công các bộ phận thân máy bằng gang, nếu không dùng dung dịch trơn nguội chi tiết có thể bị nung nóng, vì vậy để giảm biến dạng chi tiết người ta dùng dung dịch trơn nguội.

1.9 Các phương pháp bôi trơn – làm nguội

1.9.1 Phương pháp bôi trơn – làm nguội tưới tràn

Là phương pháp được dùng phổ biến nhất hiện nay Phương pháp mà dung dịch 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