. p v pv
2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
2.1. Yêu cầu của hệ thống thiết bị bôi trơn làm nguội tối thiểu Hệ thống thiết bị thí nghiệm phải đảm bảo các yêu cầu sau: Đáp ứng đƣợc yêu cầu lý thuyết cần nghiên cứu.
Đảm bảo độ chính xác, độ tin cậy và ổn định.
Đảm bảo việc thu thập, lƣu trữ và xử lý số liệu thuận lợi. Đảm bảo tính khả thi.
Sử dụng đơn giản, có thể sử dụng cho nhiều loại máy công cụ. Đảm bảo tính kinh tế.
2.2. Thiết kế và xây dựng hệ thống. 2.3. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống.
Ở nghiên cứu này, tác giả sử dụng hệ thống bôi trơn tối thiểu đƣợc bố trí vòi phun trực tiếp vào mặt sau của dao.
Hệ thống bôi trơn tối thiểu phải đảm bảo các yêu cầu:
Áp suất dòng khí nén phải ổn định và điều chỉnh đƣợc trong phạm vi cần thiết. Việc điều chỉnh phải dễ dàng, thuận lợi.
Lƣu lƣợng dòng chất lỏng phải ổn định, khả năng tạo sƣơng mù tốt. Phải điều chỉnh đƣợc lƣu lƣợng một cách chủ động và độc lập với việc điều chỉnh áp suất dòng khí.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Để đáp ứng các yêu cầu trên theo nguyên lý hoạt động của hệ thống phun dung dịch, tác giả sử dụng hệ thống phun có dòng khí nén trộn trực tiếp với dung dịch trơn nguội tạo thành sƣơng mù phun trực tiếp vào vùng cắt.
4 5 6 10 20 30 1 2 3 7 8
Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý đầu phun.
Dòng khí áp lực cao từ máy nén khí 1 qua hệ thống điều chỉnh và ổn định áp suất 2, qua van 3, buồng tạo chân không và trộn 4. Khi dòng khí áp lực cao qua buồng tạo chân không 4 tạo nên lực hút chân không, dung dịch trơn nguội từ bình 8 sẽ theo hệ thống ống dẫn và van điều chỉnh lƣu lƣợng 7 vào buồng 4. Tại đây dung dịch trơn nguội đƣợc trộn lẫn với dòng khí nén tạo thành sƣơng mù phun vào vùng cắt.
Nhƣ vậy, áp suất dòng khí ra đƣợc điều chỉnh và ổn định nhờ van số 2. Lƣu lƣợng dòng dung dịch đƣợc điều chỉnh và ổn định nhờ van 7.
Kết cấu đầu phun nhƣ hình 3.2.
Hình 3.2. Đầu phun 1: Máy nén khí 2: Van điều áp 3: Cảm biến áp suất 4: Đầu phun 5: Dụng cụ cắt 6: Phôi 7: Cảm biến lƣu lƣợng 8: Dung dịch trơn nguội
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Ưu điểm của sở đồ này là:
Kết cấu đầu phun đơn giản.
Dung dịch đƣợc phun vào vùng cắt dƣới dạng sƣơng mù nên khả năng thẩm thấu tốt, hiệu quả bôi trơn cao.
Dòng khí nén áp lực cao sẽ đẩy nhiệt, phoi ra khỏi vùng cắt nên hiệu quả của quá trình làm nguội cao.
Nhược điểm:
Lƣu lƣợng tƣới phụ thuộc vào áp lực dòng khí nên việc điều chỉnh lƣu lƣợng gặp nhiều khó khăn.
2.4. Thiết bị cung cấp khí nén.
Tuỳ điều kiện cụ thể mà có thể sử dụng hệ thống cung cấp khí nén trung tâm hoặc sử dụng các máy nén khí độc lập. Ở đây tác giả sử dụng máy nén khí độc lập.
Hệ thống này có ƣu điểm:
Có áp xuất cao, đáp ứng đƣợc các yêu cầu của một hệ thống bôi trơn tối thiểu.
Thiết bị đơn giản, rẻ tiền và sẵn có trên thị trƣờng.
Hình 3.3. Máy nén khí THÔNG SỐ KĨ THUẬT Máy nén khí piston dạng D Hãng sản xuất: Funsheng Xuất xứ: Taiwan Công suất (kw): 3,7 Đƣờng kính xilanh (mm): 80 Tốc độ đầu nén: 1050 Lƣu lƣợng (lít/phút): 633 Áp lực làm việc Kg/cmG: 7 Kích thƣớc (mm): 390 x 1410 Dung tích (lít): 155 Trọng lƣợng máy (Kg): 165
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.5. Thiết bị đo.
Để phục vụ cho quá trình nghiên cứu và thu thập số liệu. tác giả sử dụng loại dụng cụ đo sau:
Kính hiển vi điện tử CEM (Scanning Electron Microscope) Kí hiệu: JEOLJSM-6490
Độ phóng đại: 10.000 lần
Tại phòng thí nghiệm KT&CNVL, trung tâm thí nghiệm trƣờng ĐHKTCN * Chụp mòn dao: Kính hiển vi điện tử CEM.
* Đo chiều dày của phoi: Kính hiển vi điện tử CEM. 2.6. Dung dịch trơn nguội.
Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng dung dịch trơn nguội là dầu thực vật, việc sử dụng làm dung dịch bôi trơn sẽ không gây ô nhiễm môi trƣờng và có kế thừa đề tài của thầy Trần Minh Đức. [2]
2.7. Máy công cụ.
Sử dụng máy tiện vạn năng OKUMA Nhật Bản.
2.8. Dụng cụ cắt.
Với mục đích nghiên cứu là ứng dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu vào tiện cứng, tác giả sử dụng dao tiện gắn mảnh CBN
2.9 Phôi gia công.
THÔNG SỐ KĨ THUẬT CỦA MÁY
Đƣờng kính lớn nhất của phôi gia công: Ø 400 mm Khoảng cách giữa hai mũi tâm: 1000 mm
Cấp tốc độ trục chính: Z = 12
Giới hạn vòng quay trục chính: ntc = 35 ÷ 1800(vg/ph) Lƣợng chạy dao dọc: Sd = 0,2 ÷ 3,1 (mm/vg)
Lƣợng chạy dao ngang: Sn = 0,05 ÷ 0,75 (mm/vg) Động cơ chính: 2,5Kw ; nđc = 1450 (vg/ph)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Thép 9CrSi (9XC), độ cứng 55 - 58 HRC. Thành phần hoá học: Nguyên tố hoá học C Si P Mn Ni Cr Mo Hàm lƣợng (%) 0,8623 1,2351 0,0241 0,58613 0,03216 1,113 0,01917 3. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM. 3.1. Mục đích nghiên cứu.
Nghiên cứu so sánh giữa phƣơng pháp gia công có sử dụng bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQL) với phƣơng pháp gia công khô về mòn dao và hệ số co rút phoi khi gia công tinh thép 9XC đã qua tôi (đạt độ cứng 55 - 58 HRC). Qua đó đánh giá đƣợc ƣu nhƣợc điểm của bôi trơn tối thiểu so với gia công khô.
Các chỉ tiêu đánh giá gồm:
Cơ chế mòn của dao (qua chụp ảnh mòn dao bằng kính hiển vi điện tử). Độ mòn của dao.
Hệ số co rút phoi. 3.2. Quá trình thí nghiệm.
3.2.1. Bố trí trang thiết bị thí nghiệm.
Máy tiện vạn năng OKUMA Nhật Bản. Dao tiện gắn mảnh CBN.
Vật liệu phôi: thép 9XC đã qua tôi (đạt độ cứng 55 - 58HRC). Kích thƣớc phôi: L = 350 mm, D = 62 mm
Cách bố trí đầu phun nhƣ hình 2.2. 3.2.2. Chế độ công nghệ.
Tiện tinh ngoài với các thông số công nghệ: Tốc độ vòng quay trục chính: n = 970 vòng/phút Lƣợng chạy dao: S = 0,1 mm/vòng Chiều sâu cắt : t = 0,15 mm.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chiều dày phoi : a = S.sin θ = 0.086 mm (θ = 600)
Khi gia công sử dụng hai phƣơng pháp là gia công khô và gia công có bôi trơn làm nguội tối thiểu.
Gia công có bôi trơn tối thiểu sử dụng dung dịch bôi trơn là dầu thực vật. Áp suất khí P = 5 KB/cm2, lƣu lƣợng 0,22 ml/phút
Vòi phun đƣợc bố trí phun vào mặt sau của dao (hình 2.2). 3.2.3. Tiến trình thí nghiệm.
* Quá trình gia công sử dụng bôi trơn tối thiểu.
Phôi gia công có chiều dài 350 mm. Mỗi lƣợt sẽ gia công chiều dài 300 mm (3,25 phút) với chế độ cắt đƣợc giữ không đổi. Sau mỗi lƣợt cắt sẽ tiến hành đo mòn của dao và chiều dày của phoi.
Khi gia công bằng phƣơng pháp bôi trơn tối thiểu, sử dụng 3 mảnh dao CBN. Mảnh 1 gia công 3 lƣợt cắt tƣơng ứng với 10 phút gia công.
Mảnh 2 gia công 6 lƣợt cắt tƣơng ứng với 20 phút gia công. Mảnh 3 gia công 12 lƣợt cắt tƣơng ứng với 30 phút gia công.
* Quá trình gia công khô.
Phôi gia công và chế độ cắt đƣợc giữ nguyên nhƣ khi bôi trơn tối thiểu. Sử dụng 3 mảnh dao trong quá trình gia công khô.
Mảnh 4 gia công 3 lƣợt cắt tƣơng ứng với 10 phút gia công. Mảnh 5 gia công 6 lƣợt cắt tƣơng ứng với 20 phút gia công. Mảnh 6 gia công 12 lƣợt cắt tƣơng ứng với 30 phút gia công. Sau mỗi lƣợt cắt tiến hành đo độ mòn của dao.
Các mảnh dao đƣợc đánh số thứ tự theo trình tự gia công.
* Chụp ảnh mòn dao.
Các mảnh dao sau khi gia công sử dụng kính hiển vi điện tử CEM, có độ phóng đại 10.000 lần để tiến hành chụp mòn mặt trƣớc và mặt sau của dao.
Căn cứ vào các ảnh chụp thu đƣợc, đo đƣợc độ mòn của dao và tìm hiểu cơ chế mòn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Sử dụng kính hiển vi điện tử CEM để chụp và đo chiều dày, căn cứ vào hình ảnh của phoi để đánh giá và tính hệ số co rút phoi.
3.3. Các số liệu thí nghiệm.
Kết quả quan sát các mảnh dao sau khi tiện trên kính hiển vi điện tử cho thấy các mảnh dao khi gia công khô và gia công có bôi trơn làm nguội tối thiểu đều bị mòn cả mặt trƣớc và mặt sau.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
+ Hình ảnh mòn mặt trước dụng cụ cắt.
Hình3.4a) Sau 10 phút gia công khô Hình3.4b) Sau 10 phút gia côngMQL
Hình3.5a) Sau 20 phút gia công khô Hình3.5b) Sau 20 phút gia công MQL
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Lƣợng mòn mặt trƣớc
n = 970 vòng/phút; t = 0,15 mm; S = 0,1 mm/vòng, Áp suất: P = 5 KB/cm2 Vật liệu phôi: thép 9XC nhiệt luyện đạt độ cứng 55 ÷ 58 HRC
Vật liệu dao: CBN
Thời gian cắt (phút) Lƣợng mòn mặt trƣớc (μm)
Gia công khô Bôi trơn tối thiểu
10 104,40 104,02
20 119,08 117,80
30 146,71 118,00
Nhận xét: Từ ảnh chụp mặt trƣớc của dụng cụ cắt cho thấy, mòn xẩy ra trên mặt trƣớc của dụng cụ đối với cả phƣơng pháp gia công khô và bôi trơn tối thiểu. Có thể chia ra thành 3 vùng rõ rệt theo phƣơng thoát phoi thông qua mức độ bám dính của vật liệu dụng cụ cắt với mặt trƣớc. Vùng 1 là vùng ngay sát lƣỡi cắt với những vết biến dạng dẻo do các hạt cứng gây nên; vùng 2 tiếp theo với sự dính nhẹ của vật liệu gia công lên mặt trƣớc, vùng 3 là vùng phoi thoát ra khỏi mặt trƣớc. Quan sát ảnh chụp mảnh dao khi tiện ở 10, 20 và 30 phút gia công (hình 3.4, hình 3.5, hình 3.6) đều cho thấy vật liệu gia công dính tập trung ở vùng phoi thoát ra khỏi mặt
Bảng 3.1. Lượng mòn mặt trước của dụng cụ cắt
Hình 3.7. Quan hệ giữa lượng mòn mặt trước u và thời gian cắt khi gia công khô và gia công có sử dụng bôi trơn tối thiểu.
Thời gian gia công (Phút) U(μm) 30 20 10 0 150 100 50 Khô MQL
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
trƣớc của dụng cụ cắt chứ không phải ở vùng gần lƣỡi cắt. Chiều dài tiếp xúc phoi và mặt trƣớc tăng dần từ mũi dao đến vùng tiếp xúc giữa bề mặt tự do của phoi với mặt trƣớc đối với cả gia công khô và bôi trơn tối thiểu.
Vùng 1 ngay sát lƣỡi cắt là vùng lớp vật liệu gia công sát mặt trƣớc dính và dừng trên mặt trƣớc tạo nên vùng biến dạng thứ 2 trên phoi. Qua hình ảnh chụp mòn mặt trƣớc cho thấy chiều rộng của vùng này đối với gia công khô và bôi trơn tối thiểu là khác nhau. Với thời gian khác nhau 10, 20 và 30 phút đều cho thấy chiều rộng của vùng 1 khi gia công có bôi trơn tối thiểu bé hơn nhiều so với khi gia công khô. Điều này có nghĩa là vùng 2 khi gia công có bôi trơn tối thiểu tiến sát về lƣỡi cắt hơn khi gia công khô. Việc tạo ra góc trƣớc phụ âm ở vùng 1 ngay sát lƣỡi khi gia công là kết quả không mong muốn vì điều này sẽ làm cho phoi bị trƣợt ngƣợc lại tạo nên lớp biến trắng trên bề mặt gia công. Có thể giải thích hiện tƣợng này là do khi bôi trơn tối thiểu, dung dịch bôi trơn đƣợc phun trực tiếp vào vùng cắt làm giảm ma sát giữa mặt trƣớc của dao với phoi làm cho phoi trƣợt dễ dàng hơn trên mặt trƣớc, hơn nữa áp lực khí nén cũng giúp nâng phoi làm cho vùng 2 tiến sát hơn vào phía lƣỡi cắt.
Quan sát trên toàn bộ chiều dài lƣỡi cắt ở vùng sát lƣỡi cắt (vùng 1) cho thấy khi bôi trơn tối thiểu các rãnh biến dạng dẻo do cào xƣớc của các hạt cứng trên bề mặt ở vùng này ít hơn so với khi gia công khô thể hiện rõ trên hình 3.11. Điều này chứng tỏ dung dịch bôi trơn đã thâm nhập vào vùng cắt và tạo nên màng dầu bôi trơn giữa phoi và mặt trƣớc dao và ma sát giữa các hạt cứng với lƣỡi cắt giúp chúng dễ dàng trƣợt ra khỏi bề mặt gia công.
Vùng 2 là vùng dính của vật liệu gia công, vùng này phát triển từ mũi dao và tăng dần về phía vùng phoi thoát ra khỏi mặt trƣớc. diện tích vùng này đối với cả gia công khô và bôi trơn tối thiểu là tƣơng đƣơng nhau.
Vùng 3 là vùng vật liệu gia công dính nhiều trên mặt trƣớc với các vết trƣợt của phoi ở cả gia công khô và bôi trơn tối thiểu là giống nhau.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình3.8a) Sau 10 phút gia công khô Hình3.8b) Sau 10 phút gia công MQL
Hình3.9a) Sau 20 phút gia công khô Hình3.9b) Sau 20 phút gia công MQL
Hình3.10b) Sau 30 phút gia công MQL Hình3.10a) Sau 30 phút gia công khô
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Lƣợng mòn mặt sau
n = 970 vòng/phút; t = 0,15 mm; S = 0,1 mm/vòng, Áp suất: P = 5 KB/cm2 Vật liệu phôi: thép 9XC nhiệt luyện đạt độ cứng 55 ÷ 58 HRC
Vật liệu dao: CBN
Thời gian cắt (phút) Lƣợng mòn mặt sau (μm)
Gia công khô Bôi trơn tối thiểu
10 116,52 113,04
20 185,22 113,04
30 351,11 244,44
Nhận xét: Ma sát giữa mặt sau của dụng cụ cắt và bề mặt gia công là ma sát thông thƣờng kèm theo sự bám dính của vật liệu gia công và các vết cào xƣớc trên mặt sau của dụng cụ cắt.
Quan sát hình 3.8, hình 3.9 và hình 3.10 đều cho thấy bề rộng của vết mòn theo mặt sau khi gia công có bôi trơn làm nguội tối thiểu nhỏ hơn so với khi gia công khô. Do cách bố trí đầu phun trực tiếp vào mặt sau của dụng cụ cắt đã làm giảm đáng kể ma sát giữa mặt sau của dụng cụ cắt với bề mặt chi tiết gia công.
Hình 3.11. 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.
U(μm)
Thời gian gia công (Phút) 0 10 20 30 350 150 250 50 MQL Khô
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Từ ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử CEM đo đƣợc lƣợng mòn mặt sau của dao cho thấy lƣợng mòn đo đƣợc ở các thời điểm sau khi tiện 10, 20 và 30 phút khi bôi trơn tối thiểu nhỏ hơn khi gia công khô.
Từ ảnh chụp về cơ chế mòn và những nhận xét ở trên cho thấy dầu bôi trơn đã đƣợc phun trực tiếp vào vùng cắt và tạo nên màng dầu làm giảm ma sát giữa mặt sau của dụng cụ cắt với chi tiết gia công và giữa mặt trƣớc của dụng cụ cắt với phoi. Từ đó làm lƣợng mòn mặt sau của dụng cụ cắt theo phƣơng hƣớng kính cũng giảm đi. Nhìn vào biểu đồ cũng cho thấy lƣợng mòn mặt sau theo phƣơng hƣớng kính khi gia công khô có xu hƣớng tăng nhanh hơn so với khi bôi trơn tối thiểu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
+ Kích thước và hình ảnh phoi nhận được sau gia công bằng phương pháp gia công khô và gia công có sử dụng bôi trơn làm nguội tối thiểu
Hình 3.12a) Sau 10 phút gia công khô Hình 3.12b) Sau 10 phút gia công MQL
Hình 3.13a) Sau 20 phút gia công khô Hình 3.13b) Sau 20 phút gia công MQL