. 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 được yêu cầu lý thuyết cần nghiên cứu.
Đảm bảo độ chính xác, độ tin cậy và ổn định.
Đảm bảo việc thu thập, lưu trữ và xử lý số liệu thuận lợi. Đảm bảo tính khả thi.
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 được 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 được trong phạm vi cần thiết. Việc điều chỉnh phải dễ dàng, thuận lợi.
Lưu lượng dòng chất lỏng phải ổn định, khả năng tạo sương mù tốt. Phải điều chỉnh được lưu lượng một cách chủ động và độc lập với việc điều chỉnh áp suất dòng khí.
Dễ chế tạo, lắp đặt và sử dụng.
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 sương 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 lưu lượng 7 vào buồng 4. Tại đây dung
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 lưu lượng 8: Dung dịch trơn nguội
dịch trơn nguội được trộn lẫn với dòng khí nén tạo thành sương mù phun vào vùng cắt.
Như vậy, áp suất dòng khí ra được điều chỉnh và ổn định nhờ van số 2. Lưu lượng dòng dung dịch được điều chỉnh và ổn định nhờ van 7.
Kết cấu đầu phun như hình 3.2.
Ưu điểm của sở đồ này là:
Kết cấu đầu phun đơn giản.
Dung dịch được phun vào vùng cắt dưới dạng sương 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:
Lưu lượng tưới phụ thuộc vào áp lực dòng khí nên việc điều chỉnh lưu lượng 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. Hình 3.2. Đầu phun 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 Đường kính xilanh (mm): 80 Tốc độ đầu nén: 1050 Lưu lượng (lít/phút): 633 Áp lực làm việc Kg/cmG: 7 Kích thước (mm): 390 x 1410 Dung tích (lít): 155 Trọng lượng máy (Kg): 165
Hệ thống này có ưu điểm:
Có áp xuất cao, đáp ứng được các yêu cầu của một hệ thống bôi trơn tối thiểu.
Thiết bị đơn giản, rẻ tiền và sẵn có trên thị trường. 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: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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 trường 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 trường và có kế thừa đề tài của thầy Trần Minh Đức. [2]
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.
Thép 9CrSi (9XC), độ cứng 55 - 58 HRC. Thành phần hoá học: Nguyên tố hoá học C Si P Mn Ni Cr Mo Hàm lượng (%) 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 phương pháp gia công có sử dụng bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQL) với phương 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 được ưu nhược 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). THÔNG SỐ KĨ THUẬT CỦA MÁY
Đường 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) Lượng chạy dao dọc: Sd = 0,2 ÷ 3,1 (mm/vg)
Lượng chạy dao ngang: Sn = 0,05 ÷ 0,75 (mm/vg) Động cơ chính: 2,5Kw ; nđc = 1450 (vg/ph)
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 thước phôi: L = 350 mm, D = 62 mm
Cách bố trí đầu phun như 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 Lượng chạy dao: S = 0,1 mm/vòng Chiều sâu cắt : t = 0,15 mm.
Chiều dày phoi : a = S.sin φ = 0.086 mm (φ = 600)
Khi gia công sử dụng hai phương 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, lưu lượng 0,22 ml/phút
Vòi phun được 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 lượt sẽ gia công chiều dài 300 mm (3,25 phút) với chế độ cắt được giữ không đổi. Sau mỗi lượt cắt sẽ tiến hành đo mòn của dao và chiều dày của phoi.
Khi gia công bằng phương pháp bôi trơn tối thiểu, sử dụng 3 mảnh dao CBN. Mảnh 1 gia công 3 lượt cắt tương ứng với 10 phút gia công. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mảnh 2 gia công 6 lượt cắt tương ứng với 20 phút gia công. Mảnh 3 gia công 12 lượt cắt tương ứng với 30 phút gia công.
* Quá trình gia công khô.
Phôi gia công và chế độ cắt được giữ nguyên như khi bôi trơn tối thiểu. Sử dụng 3 mảnh dao trong quá trình gia công khô.
Mảnh 4 gia công 3 lượt cắt tương ứng với 10 phút gia công. Mảnh 5 gia công 6 lượt cắt tương ứng với 20 phút gia công. Mảnh 6 gia công 12 lượt cắt tương ứng với 30 phút gia công. Sau mỗi lượt cắt tiến hành đo độ mòn của dao.
Các mảnh dao được 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 trước và mặt sau của dao.
Căn cứ vào các ảnh chụp thu được, đo được độ mòn của dao và tìm hiểu cơ chế mòn.
* Đo chiều dày của phoi.
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 trước và mặt sau.
+ Hình ảnh mòn mặt trước dụng cụ cắt.
Lượng mòn mặt trước
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) Lượng mòn mặt trước (μm)
Gia công khô Bôi trơn tối thiểu
10 104,40 104,02
20 119,08 117,80
30 146,71 118,00
Hình3.5a) Sau 20 phút gia công khô Hình3.5b) Sau 20 phút gia công MQL
Hình3.6a) Sau 30 phút gia công khô Hình3.6b) Sau 30 phút gia công MQL
Bảng 3.1. Lượng mòn mặt trước của dụng cụ cắt
U(μm) 150 100
Khô MQL
Nhận xét: Từ ảnh chụp mặt trước của dụng cụ cắt cho thấy, mòn xẩy ra trên mặt trước của dụng cụ đối với cả phương pháp gia công khô và bôi trơn tối thiểu. Có thể chia ra thành 3 vùng rõ rệt theo phương thoát phoi thông qua mức độ bám dính của vật liệu dụng cụ cắt với mặt trước. Vùng 1 là vùng ngay sát lưỡi 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 trước, vùng 3 là vùng phoi thoát ra khỏi mặt trước. 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 trước của dụng cụ cắt chứ không phải ở vùng gần lưỡi cắt. Chiều dài tiếp xúc phoi và mặt trước tăng dần từ mũi dao đến vùng tiếp xúc giữa bề mặt tự do của phoi với mặt trước đối với cả gia công khô và bôi trơn tối thiểu.
Vùng 1 ngay sát lưỡi cắt là vùng lớp vật liệu gia công sát mặt trước dính và dừng trên mặt trước tạo nên vùng biến dạng thứ 2 trên phoi. Qua hình ảnh chụp mòn mặt trước 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 lưỡi cắt hơn khi gia công khô. Việc tạo ra góc trước phụ âm ở vùng 1 ngay sát lưỡi khi gia công là kết quả không mong muốn vì điều này sẽ làm cho phoi bị trượt ngược lại tạo nên lớp biến trắng trên bề mặt gia công. Có thể giải thích hiện tượng này là do khi bôi trơn tối thiểu, dung dịch bôi trơn được phun trực tiếp vào vùng cắt làm giảm ma sát giữa mặt trước của dao với phoi làm cho phoi trượt dễ dàng hơn trên
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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Thời gian gia công (Phút) 30 20 10 0 50
mặt trước, hơn nữa áp lực khí nén cũng giúp nâng phoi làm cho vùng 2 tiến sát hơn vào phía lưỡi cắt.
Quan sát trên toàn bộ chiều dài lưỡi cắt ở vùng sát lưỡi cắt (vùng 1) cho thấy khi bôi trơn tối thiểu các rãnh biến dạng dẻo do cào xước 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 trước dao và ma sát giữa các hạt cứng với lưỡi cắt giúp chúng dễ dàng trượt 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 trước. diện tích vùng này đối với cả gia công khô và bôi trơn tối thiểu là tương đương nhau.
Vùng 3 là vùng vật liệu gia công dính nhiều trên mặt trước với các vết trượt của phoi ở cả gia công khô và bôi trơn tối thiểu là giống nhau.
Hình3.8a) Sau 10 phút gia công khô Hình3.8b) Sau 10 phút gia công MQL
Lượng 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) Lượng 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
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
U(μm) 350
250 MQL
Khô
Nhận xét: Ma sát giữa mặt sau của dụng cụ cắt và bề mặt gia công là ma sát thông thường kèm theo sự bám dính của vật liệu gia công và các vết cào xước 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.
Từ ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử CEM đo được lượng mòn mặt sau của dao cho thấy lượng mòn đo được 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 được 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 trước của dụng cụ cắt với phoi. Từ đó làm lượng mòn mặt sau của dụng cụ cắt theo phương hướng kính cũng giảm đi. Nhìn vào biểu đồ cũng cho thấy lượng mòn mặt sau theo phương hướng kính khi gia công khô có xu hướng tăng nhanh hơn so với khi bôi trơn tối thiểu.
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.
Thời gian gia công (Phút)
0 10 20 30
150 50
+ 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
Thời gian gia công Lần đo 1 (μm) Lần đo 2 (μm) Lần đo 3 (μm) Giá trị trung bình (μm) 10 phút 84,39 85,87 83,29 84,51 20 phút 104,03 101,58 102,17 102,76 30 phút 122,58 109,32 117,56 116.48
Thời gian gia công Lần đo 1 (μm) Lần đo 2 (μm) Lần đo 3 (μm) Giá trị trung bình (μm) 10 phút 74,99 74,19 74,52 74,56 20 phút 81,87 78,41 78,70 79,66 30 phút 88,58 89,08 86,15 87,93 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.13a) Sau 20 phút gia công khô Hình 3.13b) Sau 20 phút gia công MQL
Hình 3.14a) Sau 30 phút gia công khô Hình 3.14b) Sau 30 phút gia công MQL
Bảng3.4. Chiều dày phoi của phương pháp gia công MQL Bảng3.3. Chiều dày phoi của phương pháp gia công khô
Nhận xét:
a) Sự hình thành phoi:
Do chiều sâu cắt nhỏ vận tốc cắt lớn nên phoi hình thành trong cả hai phương pháp gia công, gia công khô và có sử dụng bôi trơn làm nguội tối thiểu đều là phoi dây
Sự hình thành phoi ở đây cũng giống như khi tiện thường, khi dao dịch chuyển các phần tử kim loại lúc đầu bị nén đàn hồi 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