. p v pv
1. BÔI TRƠN LÀM NGUỘI TỐI THIỂU Bôi trơn làm nguội tối thiểu khi tiện
1.1. Bôi trơn làm nguội tối thiểu khi tiện
1.1.1. Dung dịch bôi trơn và làm nguội tối thiểu
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 hƣởng đến quá trình gia công chủ yếu do các yếu tố:
Khả năng tạo thành các hạt sƣơng mù của dung dịch. Khả năng xâm nhập của các hạt sƣơng mù vào vùng cắt.
Khả năng dính bám và khả năng tạo màng dầu bôi trơn trong vùng cắt. Khả năng chịu đƣợc nhiệt độ và áp lực cao của màng dầu.
Không độc hại và thân thiện với môi trƣờng.
Vì vậy dung dịch bôi trơn làm nguội tối thiểu ngoài các yêu cầu chung nhƣ tƣới 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 thƣờng 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 nhƣ 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.
1.1.2. Các phƣơng pháp bôi trơn
Hiệu quả của phƣơng pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu phụ thuộc rất nhiều yếu tố nhƣ: áp lực phun, 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 chỉnh của bản thân thiết bị bôi trơn và làm nguội, thì vòi phun nên bố trí có vị trí
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
tƣơng 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 nhƣ sau:
* Phun theo phương tiếp tuyến với mặt trước của dao.
Ƣu điểm.:
Áp lực khí đủ lớn sẽ nâng phoi lên kết hợp với phôi quay nhƣ vậy sẽ đƣa dung dịch vào ngập trong vùng cắt.
Không gian bố trí vòi phun dễ dàng. Nhƣợc điểm.:
Nếu áp lực không đủ lớn thì khả năng bôi trơn là không tốt.
Khả năng nâng phoi sẽ không tốt nếu trong trƣờng hợp chiều dày phoi lớn. Trong bôi trơn tối thiểu cần chú ý cách phun này. Nếu dùng trong bôi trơn làm nguội kiểu tƣới tràn thì ý nghĩa không lớn vì lƣợng dung dịch vào vùng cắt chỉ đạt 50-60%, phần nhiều lƣợng dung dịch sẽ bị dẫn ra ngoài theo hƣớng trƣợt của phoi, điều kiện hình thành màng dầu bôi trơn rất khó, sự tiếp xúc giữa phoi và mặt trƣớc 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 nhƣ vậy có thể hình thành nhờ có lẹo dao. Lúc 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 sƣờn của mặt tiếp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
xúc đƣợc hút vào thay thế. Khi áp dụng trong bôi trơn làm nguội tối thiểu, áp lực dòng khí nén sẽ nâng phoi lên, đồng thời đẩy dung dịch vào vùng ma sát giữa mặt trƣớc của dao và phoi, lúc này phoi sẽ trƣợt trên mặt trƣớc của dao trên màng dầu.
* Phun theo phương tiếp tuyến với mặt sau của dao.
Khi phun dung dịch theo phƣơng pháp này thì dòng khí áp lực cao sẽ đẩy toàn bộ dung dịch vào vùng ma sát mặt sau, phoi trƣợt trên mặt trƣớc sẽ mang dung dịch theo bôi trơn và làm nguội vùng cắt của mặt trƣớc dao.
Ƣu điểm:
Hiệu suất tƣới cao.
Bôi trơn đƣợc cả vùng ma sát ở mặt sau, vùng tạo phoi và mặt trƣớc của dao. Nhƣợc điểm:
Không gian bố trí vòi phun và hiệu chỉnh vòi phun khó khăn. Dòng khí sẽ đẩy phoi theo chiều không mong muốn.
Còn khoảng cách giữa đầu vòi phun đến vùng cắt cần có các nghiên cứu với từng trƣờng hợp cụ thể để tìm đƣợc giá trị tối ƣu.
1.1.3. Áp lực dòng khí nén khi bôi trơn và làm nguội tối thiểu
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:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
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 khe hở tại vùng tiếp xúc của mặt trƣợt giữa phoi và mặt trƣớc, 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 làm 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 đƣa các phần tử dung dịch vào vùng cắt một cách thuận lợi nhất. Các phần tử này va đập trực tiếp lên chi tiết gia công, tạo thành ứng suất dƣ 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 phoi lên khỏi mặt trƣớc dụng cụ, đồng thời lúc này áp lực dòng khí cũng đẩy dung dịch vào trong vùng gia công hiệu quả nhất.
Dòng khí đƣợc bố trí có hƣớng ngƣợc chiều với hƣớng 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 tƣợng này có tác dụng làm giảm ứng suất có hại nhƣ 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 trƣờng sau khi gia công.
Hiện tƣợng tán nhiệt nhanh từ vùng cắt ra môi trƣờng xung quanh phụ thuộc rất nhiều vào áp lực của dòng khí.
Nếu áp suất dòng khí quá lớn:
Khả năng tạo sƣơng mù và đƣa các hạt sƣơng mù vào vùng cắt tốt. Đẩy nhiệt và phoi ra khỏi vùng cắt tốt.
Khả năng giữ các hạt sƣơng mù trong vùng cắt kém. Không an toàn cho ngƣời và thiết bị.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Nếu áp suất dòng khí bé:
Khả năng tạo sƣơng mù và đƣa các hạt sƣơng mù vào vùng cắt không tốt. Đẩy nhiệt và phoi ra khỏi vùng cắt kém.
Vì vậy, để nâng cao hiệu quả của quá trình bôi trơn làm nguội tối thiểu cần lựa chọn đƣợc áp suất dòng khí hợp lý ứng với từng phƣơng 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.
1.2. Bôi trơn làm nguội tối thiểu khi tiện cứng.
Tiện cứng (hard turning) chính thức đƣợc giới thiệu ở nƣớc ta vào năm 1988, tuy nhiên công nghệ này chƣa 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 đƣợc vai trò to lớn trong việc gia công tinh các sản phẩm thép qua tôi cứng. Các chi tiết nhƣ vòng ổ lăn và những chi tiết của hệ thống thuỷ lực,... sau khi nhiệt luyện thƣờng phải qua nguyên công mài hoặc mài khôn. Các nguyên công này thƣờng 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 trƣờng sống. Những lý do trên đã thúc đẩy các nhà sản xuất loại dần nguyên công mài trong quy trình công nghệ gia công tinh chi tiết sau tôi. Phƣơng án tối ƣu 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 (> 45HRC). Phƣơng pháp này có thể gia công khô và hoàn thành chi tiết trong cùng một lần gá. Cấp chính xác khi tiện cứng có thể đạt IT5-7, nhám bề mặt Rz = 2 - 4µm, rõ ràng với chất lƣợng đạt đƣợc nhƣ vậy, tiện cứng hoàn toàn thay thế đƣợc cho mài trong hầu hết các trƣờng hợp gia công tinh.
Các sản phẩm trong tiện cứng khá linh hoạt, từ các chi tiết dạng trục trơn tới các chi tiết có biên dạng phức tạp. Để áp dụng công nghệ này hệ thống máy, dao, đồ gá phải đảm bảo các yêu cầu nhƣ: Đủ độ cứng vững, đủ tốc độ quay trục chính và đủ công suất. Các máy tiện NC, CNC đƣợc khuyến cáo thực hiện công việc này.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Các máy tiện thông thƣờng có thể đƣợc dùng nếu đáp ứng đƣợc các yêu cầu trên.
Các mảnh hợp kim CBN thƣờng sử dụng cho tiện cứng là TPGN, CNMA, DNMA, TNG,…nói chung hàm lƣợng CBN phụ thuộc vào nhà sản xuất. Ngƣời ta phân ra làm ba loại, hàm lƣợng cao (nhiều hơn 90% CBN), trung bình (khoảng 72% CBN) và thấp (nhỏ hơn 60% CBN). Các mảnh có hàm lƣợng cao thƣờng sử dụng cho tiện truyền thống để gia công các vật liệu mềm hơn nhƣ kim loại bột, gang và một số hợp kim đặc biệt.
So với những mảnh cacbit thì các mảnh CBN có giá thành cao hơn đáng kể (từ 4 - 5 lần), nhƣng dao CBN lại có tuổi bền lớn hơn rất nhiều.
Dải vật liệu đƣợc gia công bằng tiện cứng không hạn chế, ngay cả đối với thép rèn đã tôi, thép gió và hợp kim cứng bề mặt stellites. Vật liệu điển hình đƣợc tiện cứng là các thép hợp kim qua tôi cứng.
Khi tiện cứng, nếu cắt với tốc độ cắt thấp hơn quy định thì mảnh CBN sẽ bị mòn nhanh và hƣ hỏng. Thông thƣờng chế độ cắt khuyến cáo là: với tiện tinh độ cứng vật liệu từ 55-67HRC, V = 80-160 (m/ph), S = 0,04-0,08 (mm/vg); t = 0,1- 0,5mm; với tiện chính xác độ cứng vật liệu từ 45-60HRC, V = 120-180 (m/ph), S = 0,02-0,04 (mm/vg), t = 0,02-0,3mm.
Nhiều nhà máy chế tạo ổ đỡ, bánh răng, con lăn và trục bằng thép đã tôi sử dụng chế độ cắt này. Họ có thể đạt dung sai kích thƣớc đến ±0,01mm hoặc cao hơn nếu thời gian chế tạo lâu hơn và nhám bề mặt đạt rất nhỏ.
Một lợi thế quan trọng nữa khi tiện cứng đó là việc tạo ra một lớp ứng suất dƣ nén khi gia công, điều này đặc biệt có lợi với những chi tiết yêu cầu độ bền mỏi cao, song với mài lại là một bất lợi.
Qua đó có thể kết luận rằng, việc áp dụng công nghệ tiện cứng để gia công tinh lần cuối đã mang lại những lợi ích sau:
Giảm thời gian và chu kỳ gia công một sản phẩm.
Giảm chi phí đầu tƣ thiết bị và tăng độ chính xác gia công.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Gia công đƣợc các biên dạng phức tạp.
Có thể chọn gia công khô hoặc có dung dịch trơn nguội.
Mặc dù vậy tiện cứng cũng có những nhƣợc điểm cần lƣu ý nhƣ: do chủ yếu cắt khô nên nhiệt rất cao, dụng cụ có lƣỡi cắt đơn nên quá trình cắt không ổn định, chi phí dụng cụ cắt cao, khi gia công các chi tiết có chiều dài lớn dung sai chế tạo có thể nằm ngoài vùng cho phép (trục dài), khi chiều sâu cắt nhỏ hơn chiều sâu cắt tới hạn (tmin) thì quá trình cắt không thể thực hiện đƣợc.
Từ những năm 1970 các nghiên cứu đã tập trung vào hƣớng công nghệ mới để đạt đƣợc các mục đích này. Nhƣng phải đến những năm 1990, với sự phát triển mạnh của các máy công cụ tiên tiến và vật liệu Nitrit Bor lập phƣơng thì tiện cứng mới đƣợc áp dụng rộng rãi trong chế tạo máy. Tiện cứng đã thực sự trở thành công nghệ không thể thiếu trong việc gia công tinh các chi tiết qua tôi cứng. Điều này góp phần không nhỏ cho quá trình phát triển của ngành chế tạo máy nói riêng và ngành công nghiệp nói chung.
Tiện cứng chủ yếu dùng trong gia công tinh, mảnh dao thƣờng có giá thành cao, vì vậy tuổi bền của mảnh dao càng trở nên quan trọng bởi trong quá trình cắt nếu phải thay dao nhiều sẽ tăng sai số, thời gian máy,… ảnh hƣởng tới năng suất, chất lƣợng và tính cạnh tranh trên thị trƣờng.
Tuy nhiên quá trình tiện cứng là quá trình cắt với tốc độ cao, chiều sâu cắt nhỏ, do đó nhiệt cắt sinh ra rất lớn.
Việc áp dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu vào quá trình tiện cứng là rất cần thiết vừa để nâng cao chất lƣợng của sản phẩm vừa có thể tăng đƣợc tuổi thọ của dao từ đó làm giảm chi phí dụng cụ cắt.
Đối với quá trình tiện cứng, do nhiệt cắt sinh ra rất lớn nên việc ứng dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu vào quá trình này chỉ nhằm mục đích bôi trơn làm giảm ma sát giữa mặt sau của dao và chi tiết gia công, giữa phoi và mặt trƣớc của dao. Do chiều dày phoi khi tiện cứng nhỏ nên với áp lực khí đủ lớn có thể sẽ nâng đƣợc phoi và tạo nên màng dầu ngăn cách giữa chi tiết gia công và dao.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Có nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình bôi trơn tối thiểu khi tiện cứng nhƣ áp suất của dòng khí, lƣu lƣợng tƣới dung dịch bôi trơn. Lƣu lƣợng tƣới và áp suất dòng khí phải đảm bảo để tạo nên dung dịch tƣới dạng sƣơng mù và xâm nhập đƣợc vào vùng cắt. Độ nhớt của dầu bôi trơn cũng ảnh hƣởng đến việc tạo sƣơng mù. 2. GIỚI HẠN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
* Giới hạn vấn đề nghiên cứu
Trong phạm vi của đề tài này, tác giả chỉ tập trung nghiên cứu và giải quyết một số vấn đề sau:
Ảnh hƣởng của các thông số đặc trƣng bôi trơn làm nguội tối thiểu (dung dịch, áp lực dòng khí nén, lƣu lƣợng dung dịch) đến quá trình hình thành phoi, dạng phoi và xác định hệ số co rút phoi (so sánh với tiện khô).
Cơ chế mòn, độ mòn của dụng cụ cắt khi tiện thép đã tôi (độ cứng 55 - 58 HRC) bằng dao tiện gắn mảnh CBN (so sánh với tiện khô).
Đƣa ra chế độ bôi trơn làm nguội hợp lý để nâng cao tuổi bền của dụng cụ cắt.
Với các vấn đề nghiên cứu nhƣ trên, tác giả đƣa ra mô hình nghiên cứu thực nghiệm nhƣ sau:
Đầu vào Tiện cứng Đầu ra
Phƣơng pháp gia công Tiện ngoài thép 9CrSi đã tôi bằng dao tiện gắn mảnh CBN
+ Cơ chế mòn dao
+ Bôi trơn tối thiểu + Mòn dao
+ Gia công khô + Tuổi bền dao
+ Hệ số co rút phoi
KẾT LUẬN CHƢƠNG 2
Công nghệ bôi trơn – làm nguội tối thiếu trong gia công cắt gọt có hiệu quả bôi trơn làm nguội rất cao nhƣng ở Việt Nam chƣa đƣợc áp dụng vào thực tế sản xuất, nên cần phải nghiên cứu để ứng dụng vào thực tế sản xuất.