36
2.4. Kết luận chƣơng 2
Từ các cơ sở lý thuyết và thực tiễn nêu trên, tác giả chọn đề tài, giới hạn vấn đề nghiên cứu, chọn phƣơng pháp nghiên cứu, v.v. nhƣ sau:
2.4.1. Giới hạn nội dung nghiên cứu Thông số điều chỉnh Thông số điều chỉnh
(INPUT)
Quá trình gia công Thông số đánh giá (OUPUT) 1. Dung dịch trơn nguội
- DD1 - MQL Emulis - DD2 - MQL Emulis lạnh 2. Độ cứng vật liệu - Mẫu 1 HRC = 56 - Mẫu 2 HRC = 60 Phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu 50 gắn mảnh HKC trên thép SKD11 Nhám bề mặt Ra; Rz Tuổi bền T
2.4.2. Đối tƣợng nghiên cứu
Chất lƣợng bề mặt gia công khi phay cứng thép SKD11 bằng dao phay mặt đầu gắn mảnh HKC bôi trơn làm nguội bằng phƣơng pháp MQL.
2.4.3. Mục đích nghiên cứu
- Đánh giá tác dụng và hiệu quả MQL sử dụng dung dịch lạnh đến chất lƣợng bề mặt gia công.
2.4.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm, trong đó chủ yếu là nghiên cứu thực nghiệm
37
CHƢƠNG 3
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1. Đặt vấn đề
Mục đích nghiên cứu đặt ra ở chƣơng này nghiên cứu ảnh hƣởng của dung dịch bôi trơn làm nguội (MQL) sử dụng dung dịch lạnh đến nhám bề mặt khi phay cứng thép SKD11.
Quá trình nghiên cứu thực nghiệm đƣợc triển khai với hai loại dung dịch Emulis và dung dịch Emulis lạnh.
Đánh giá kết quả bằng phƣơng pháp gián tiếp thông qua một số chỉ tiêu là: nhám bề mặt Ra, Rz và tuổi bền của dụng cụ T. Chỉ tiêu để đánh giá tuổi bền là lực cắt.
3.2. Xây dựng hệ thống thí nghiệm. 3.2.1. Hệ thống thí nghiệm 3.2.1. Hệ thống thí nghiệm
Máy: trung tâm gia công Mazak 530C – Nhật Bản sản xuất.
Dụng cụ cắt: phay mặt đầu Ø50 gắn mảnh hợp kim cứng APMT 1604 PDTR LT 30 phủ PVD của hãng LAMINA (Thụy Điển).
Hình 3.1. Dao phay mặt đầu Ø50 Hình 3.2. Mảnh dao APMT 1604 PDTR
38 Mẫu thí nghiệm: Thép SKD11, kích thƣớc 90 x 48 x 50, thành phần thép SKD11 cho ở bảng 3.1. Độ cứng: mẫu 1 HRC = 56; mẫu 2 HRC = 60 Bảng 3.1. Thành phần hóa học của thép SKD11 Nguyên tố C Si Mn P S Cr Mo V Fe Tỷ trọng (%) 1.5 0.25 0.45 0.025 0.01 12 1.0 0.35 Còn lại Hệ thống MQL:
- Đầu phun dung dịch lạnh; Đầu phun NOGA; Hệ thống đồng hồ và ổn áp, máy nén khí.
- Dung dịch trơn nguội: dung dịch Emulsi 5%; Thiết bị đo:
- Lực kế 9257BA của hãng Kistler, hệ thống thu thập và sử lý dữ liệu N7 National instruments, phần mềm DASYLab10 và máy tính cá nhân;
- Máy đo nhám Mitutoyo SJ-210 (Hình 3.3)
Hình 3.2. ống xoáy Ranque-Hilsch Hình 3.3. Máy đo nhám Mitutoyo SJ-
39
Hệ thống thí nghiệm với đầu phun dung dịch lạnh cho ở hình 3.6 và với đầu Noga nhƣ hình 3.5.
Hình 3.5. Đầu phun Noga tạo sương mù Hình 3.6. Hệ thống thí nghiệm với đầu
phun dung dịch lạnh
3.2.1. Chế độ công nghệ
Phay mặt phẳng với chế độ công nghệ:
Chế độ cắt: Vận tốc cắt V = 100m/p; lƣợng chạy dao Sz = 0,08mm/răng, Sp = 50,96mm/ph; chiều rộng cắt B = 0,2mm.
Chế độ trơn nguội:
- Nhiệt độ môi trƣờng 300C - 320C (điều kiện tự nhiên).
- MQL sử dụng đầu phun Noga với dung dịch Emulsi 5%, nhiệt độ trung bình của dung dịch 220C;
- MQL sử dụng đầu phun dung dịch lạnh với dung dịch Emulsi 5%, nhiệt độ trung bình của dung dịch 120C;
- Áp suất dòng khí P = 6 bar; lƣu lƣợng Q = 0,23 - 0,25 ml/ph; phun vào mặt sau của dao.
Dao phay
Đầu phun dung dịch lạnh Chi tiết gia
công
Lực kế
40
3.2.3. Triển khai thí nghiệm
Thí nghiệm với hai chế độ bôi trơn làm nguội là MQL sử dụng đầu phun Noga (gọi tắt là dung dịch Emulsi) và đầu phun tạo dung dịch lạnh (gọi tắt là dung dịch Emulsi lạnh) cho hai mẫu phôi: mẫu 1 có độ cứng HRC = 56 và mẫu 2 có độ cứng HRC = 60. Tiến hành đo lực cắt trực tiếp trong quá trình cắt, đo nhám bề mặt sau mỗi lần cắt. Quá trình xử lý số liệu đƣợc thực hiện sau mỗi lần cắt (mỗi lần cắt
là mỗi lần dao cắt hết chiều dài chi tiết gia công 90mm).
Tuổi bền của dao đƣợc xác định đến khi dao bắt đầu mòn khốc liệt, hết khả năng cắt (xác định theo chỉ tiêu lực cắt và mòn dụng cắt ).
3.3. Kết quả và thảo luận
3.3.1. Khi gia công mẫu 1 có độ cứng HRC = 56 3.3.1.1. Kết quả 3.3.1.1. Kết quả
Ảnh hƣởng của chế độ trơn nguội gồm: MQL với dung dịch dung dịch Emulsi và MQL với dung dịch Emulsi lạnh đến các thành phần lực cắt Py, Pz; đến trị số nhám bề mặt Ra, Rz , tuổi bền dụng cụ cắt T ở các từ hình 3.7 – hình 3.11.
Hình 3.7. Ảnh hưởng của chế độ trơn
nguội đến lưc Py
Hình 3.8. Ảnh hưởng của chế độ trơn
41
Hình 3.9. Ảnh hưởng của chế độ trơn
nguội đến trị số Rz
Hình 3.10. Ảnh hưởng của chế độ trơn
nguội đến trị số Ra
Hình 3.11.Tuổi bền của dụng cụ cắt phụ thuộc vào chế độ BTLN
3.3.1.2. Thảo luận
Giai đoạn ban đầu (lần cắt 1 đến lần cắt thứ 15) lực cắt tăng nhanh, nhám bề mặt không ổn định và giảm dần.
Nguyên nhân: Ở giai đoạn này dao mòn nhanh, quá trình cắt chƣa ổn định, lực cắt tăng nhanh. Lúc này do vết mòn trên dao chƣa ổn định, sự hình thành màng dầu giữa mặt sau và bề mặt gia công chƣa tốt, sự cào xƣớc lên bề mặt gia công nhiều nên trị số nhám lớn. Ở giai đoạn này, MQL dùng đầu phun Emulsi lạnh chƣa có sự khác biệt nhiều so với Emulsi thông thƣờng.
42
Giai đoạn mòn ổn định (từ lần cắt thứ 16) lực cắt, mòn và tuổi bền của dụng cụ đã có sự khác biệt. MQL sử dụng Emulsi lạnh, số lần cắt trong trạng thái ổn định đến lần cắt 70 lần so với khi sử dụng Emulsi không lạnh.
Nguyên nhân: lúc này dung dịch Emulsi lạnh phát huy vai trò làm nguội vƣợt trội hơn so với dung dịch Emulsi không lạnh [29]. Nhờ nhiệt cắt giảm nên đã cải thiện đƣợc điều kiện cắt gọt, làm giảm độ mòn, tăng tuổi bền của dao. Trong giai đoạn này, trị số nhám bề mặt không có sự khác biệt rõ nét. Nguyên nhân: do độ mòn của dao ổn định, quá trình cào xƣớc của dụng cụ lên bề mặt gia công giảm [30].
Giai đoạn mòn nhanh, trị số các thành phần lực cắt, nhám bề mặt đều tăng nhanh. Quá trình thí nghiệm tiến hành đến khi dao bắt đầu mòn khốc liệt, hết khả năng cắt (đánh giá trực tiếp thông qua chỉ tiêu lực cắt). Kết quả tuổi bền của dao khi MQL với Emulsi là 64,07 phút (43 lần cắt, 1,49 phút/lần cắt); khi MQL với Emulsi lạnh là 104,3 phút (70 lần cắt), tăng 163% so với MQL với Emulsi (Hình 3.11).
Lực cắt trung bình Py, Pz MQL với Emulsi lạnh giảm lần lƣợt là 29,09%, 41,17% so với lực cắt Py, Pz MQL với Emulsi (Hình 3.7, 3.8).
Nguyên nhân: Khả năng bôi trơn của MQL với Emulsi lạnh giảm nhiệt vùng cắt, giảm ma sát, giảm mòn dụng cụ cắt dẫn đến lực cắt giảm hơn MQL với Emulsi.
3.3.2. Khi gia công mẫu 2 có độ cứng HRC = 60 3.3.2.1. Kết quả 3.3.2.1. Kết quả
Hình 3.12. Ảnh hưởng của chế độ trơn nguội đến đến lưc Py nguội đến đến lưc Py
Hình 3.13. Ảnh hưởng của chế độ trơn nguội đến lưc Pz nguội đến lưc Pz
43
Hình 3.14. Ảnh hưởng của chế độ trơn
nguội đến trị số Ra
Hình 3.15. Ảnh hưởng của chế độ trơn
nguội đến trị số Rz Hình 3.16. Tuổi bền dụng cụ cắt phụ thuộc vào chế độ BTLN Hình 3.17. So sánh tuổi bền dụng cụ cắt với vật liệu có độ cứng HRC = 56 và HRC = 60
3.3.3.2. Thảo luận kết quả
Khi gia công vật liệu có độ cứng cao hơn (HRC=60), ảnh hƣởng của MQL và MQL sử dụng dung dịch lạnh không khác gì so với vật liệu có độ cứng (HRC = 56). Tuy nhiên có mấy đểm khác biệt sau:
- Ở giai đoạn ban đầu, trị số nhám bề mặt giao động lớn, lực tăng nhanh hơn so với khi gia công có độ cứng thấp hơn. Nguyên nhân do độ cứng của vật liệu cao, quá trình mòn ban đầu xảy ra khốc liệt hơn, trị số mòn ban đầu lớn hơn và sự hình thành màng dầu khó khăn hơn.
- So với khi gia công mẫu có độ cứng HRC = 56, Khi gia công với chế độ bôi trơn làm nguội MQL tuổi bền của dụng cụ cắt giảm còn 58,5% (37,5 phút so với 60,03 phút). Khi gia công với chế độ bôi trơn làm nguội MQL lạnh thì tuổi bền của dụng cụ cắt giảm còn 54,79% (57 phút so với 104,03 phút) nhƣ hình 3.15.
44
3.4. Kết luận
- Đã xây dựng đƣợc hệ thống thí nghiệm đáp ứng yêu cầu nghiên cứu và có thể ứng dụng vào thực tiễn một cách thuận lợi.
- Đã triển khai nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng của chế độ trơn nguội (MQL và MQL lạnh) đến nhám bề mặt và tuổi bền của dụng cụ cắt với hai mẫu có độ cứng HRC=56 và HRC=60. Kết quả khi MQL lạnh trị số nhám bề mặt không khác biệt nhiều so với khi MQL, tuy nhiên tuổi bền thì ảnh hƣởng đáng kể. Tuổi bền dụng cụ tăng trung bình 152 – 163% tùy vào độ cứng của vật liệu gia công.
- Khi gia công MQL sử dụng dung dịch lạnh, có thể gia công đƣợc vật liệu có độ cứng đến HRC= 60 (có thể nâng cao hơn) bằng mảnh dao thông thƣờng nhƣng vẫn đảm bảo chất lƣợng bề mặt và đảm bảo tuổi bền của dụng cụ. Việc này có ý nghĩa lớn trong việc phay vật liệu cứng sau nhiệt luyện thay thế một phần cho nguyên công mài.
45
PHẦN KẾT LUẬN CHUNG
- Đã nghiên cứu tổng quan, đã lựa chọn đƣợc hƣớng và đề tài nghiên cứu; - Hƣớng nghiên cứu và đề tài nghiên cứu có tính thời sự, có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn;
- Đã định hƣớng lựa chon đƣợc phƣơng pháp nghiên cứu là nghiên cứu thực nghiệm. Phƣơng pháp nghiên cứu phù hợp với vấn đề nghiên cứu;
- Đã xây dựng đƣợc hệ thống thí nghiệm đáp ứng yêu cầu;
- Bƣớc đầu đã nghiên cứu đánh giá đƣợc hiệu quả của MQL với dung dịch Emulsi lạnh khi phay cứng thép SKD11 và với việc MQL sử dụng dung dịch lạnh có thể gia công đƣợc vật liệu có độ cứng HRC = 60 nhƣng vẫn đảm bảo chất lƣợng bề mặt và tuổi bền của dụng cụ;
- Những điểm hạn chế cần tiếp tục nghiên cứu: chƣa có thiết bị đo nhiệt độ vùng cắt nên chƣa trực tiếp đánh giá trực tiếp đƣợc ảnh hƣởng của quá trình bôi trơn làm nguội đến nhiệt cắt. Đây là khó khăn lớn trong nghiên cứu. Hƣớng khắc phục hiện nay chỉ đánh giá gián tiếp thông qua các chỉ tiêu công nghệ khác.
Đây là hƣớng nghiên cứu mới còn nhiều tiềm năng và khả năng ứng dụng thực tiễn rất khả thi.
46
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Devade, Kiran, and Ashok Pise (2014), “Effect of cold orifice diameter and geometry of hot end valves on performance of converging type Ranque Hilsch vortex tube”, Energy Procedia, 54, pp. 642-653.
2. Trần Minh Đức, Pham Quang Đồng, Trần Thế Long, Trần Quyết Chiến (2017) “Nghiên cứu chế tạo đầu phun dung dịch lạnh cho bôi trơn làm nguội tối thiểu, ứng dụng vào phay cứng thép SKD11”, Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ,
Đại học Thái Nguyên.,173(13), tr. 171 – 176.
3. Liang, Steven Y., and A. Ronan (2003), “Minimum quantity lubrication in finish hard turning”, Georgia Institute of Technology: Atlanta, GA, USA.
4. Neşeli, Süleyman, Süleyman Yaldız, and Erol Türkeş (2011), “Optimization of tool geometry parameters for turning operations based on the response surface methodology”, Measurement, 44 (3), pp. 580-587.
5. Asiltürk, Ilhan, and Harun Akkuş (2011), “Determining the effect of cutting parameters on surface roughness in hard turning using the Taguchi method”, Measurement, 44 (9), pp. 1697-1704.
6. Hadad, Mohammadjafar, and Banafsheh Sadeghi (2013), “Minium quantity lubrication – MQL turning of AISI 4140 steel alloy”, Journal of Cleaner
Production, 54, pp. 332-343.
7. Balmer, R. T (1988), “Pressure driven Ranque Hilsch temperature separation in liquids”, Journal of fluids Engineering, 110 (2), pp. 161-164.
8. Liao, Y. S., H. M. Lin, and Y. C. Chen (2007), “Feasibility study of the minimum quantity lubrication in high-speed end milling of NAK80 hardened steel by coated carbide tool”, International Journal of Machine Tools and
Manufacture, 47 (11), pp. 1667-1676.
9. Selek, Murat, et al. (2011), “Experimental examination of the cooling performance of Ranque-Hilsch vortex tube on the cutting tool nose point of the turret lathe through infrared thermography method”, International journal of
47
10. Singh, GurRaj, and Vishal S. Sharma (2017), “Analyzing machining parameters for commercially puretitanium (Grade 2), cooled using minimum quantity lubrication assisted by a Ranque-Hilsch vortex tube”, The International Journal
of Advanced Manufacturing Technology, 88 (9-12), pp. 2921-2928.
11. Trần Minh Đức, Phạm Quang Đồng (2011),“Ảnh hƣởng của áp suất nén dung dịch MQL đến tuổi bền của dụng cụ cắt khi tiện thép 9 CrSi bằng dao CBN”,
TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ, Đại học Thái Nguyên,88 (12), pp. 185
– 190.
12. M.M.A. Khan, M.A.H. Mithu, N.R. Dhar. Effects of minimum quantity lubrication on turning AISI 9310 alloy steel using vegetable oil-based cutting fluid. Journal of Materials Processing Technology 209 (2009) 5573–5583. 13. Tran Minh Duc and Tran The Long (2016), “Investigation of MQL-Employed
Hard-Milling Process of S60C Steel Using Coated-Cemented Carbide Tools”,
Journal of Mechanics Engineering and Automation, 6, pp. 128-132.
14. Le Thai Son, Tran Minh Duc, Nguyen Dang Binh, Nguyen Van Cuong (2013), “An Investigation on Effect of Characteristics of the Made in Vietnam Peanut oil MQL on Tool life in Hard turning 9CrSi steel”,Machining and Machinability
of Materials, 13 (4), pp. 428.
15. Trần Minh Đức (2005), “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ bôi trơn làm nguội tối thiểu trong gia công cắt gọt” Đề tài NCKH cấp Bộ trọng điểm 2005. Mã số: B2005- 01- 61TĐ
16. Nguyễn Đăng Bình, Trần Minh Đức, Nguyễn Thái Bình, “Nghiên cứu tìm hiểu thành phần hóa học và cơ chế bôi trơn của dầu thực vật trong công nghệ bôi trơn tối thiểu (MQL)”, Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí lần thứ 3, tr. 185-190.
17. AK Sharma, AK Tiwari, AR Dixit (2016) “Effects of Minimum Quantity Lubrication (MQL) in machining processes using conventional and nanofluid based cutting fluids: A comprehensive review”- Journal of cleaner production
18. Nguyễn Trọng Bình, Nguyễn Thế Đạt, Trần Văn Địch và các tác giả (2003),
48
19. Tran Minh Duc, Long Tran The, and Ngoc Tran Bao (2017), “Performance of Al2O3 nanofluids in minimum quantity lubrication in hard milling of 60Si2Mn steel using cemented carbide tools”, Advances in Mechanical Engineering, 9.7 (2017): 1687814017710618.
20. Pereira, Octavio, et al (2015), “The use of hybrid CO2+ MQL in machining operations”, Procedia Engineering, 132, pp. 492-499.
21. Arjomandi M., Xue Y. (2007), “An invenstigation of effect of the hot end plugs on the efficiency of the ranque – hilsch vortex tube”, Journal of Engineering
Science and Technology, 2(3), pp.211 – 217.
22. Davim J. P. (2011), Machining of Hard Materials, Springer-Verlag London Limited.
23. Leppert, Tadeusz (2011), “Effect of cooling and lubrication conditions on surface topography and turning process of C45 steel”, International Journal of
49 PHỤ LỤC Phụ lục 1: SỐ LIỆU ĐO LỰC CẮT PY, PZ, HRC = 56 Bảng 1.1.Trị số lực cắt khi phay cứng thép SKD11 sử dụng MQL TT Thời gian (Phút) Lực Py (N) Lực Pz (N) Ghi chú 1 1.49 70 65 2 2.98 125 110 3 4.47 150 120 4 5.96 150 120 5 7.45 160 170 6 8.94 180 230 7 10.43 180 230 8 11.92 190 290 9 13.41 200 450 10 14.9 200 400 11 16.39 220 400 12 17.88 220 450 13 19.37 220 400 14 20.86 220 450 15 22.35 220 400 16 23.84 220 450 17 25.33 220 400 18 26.82 220 400 19 28.31 220 470 20 29.8 220 400 21 31.29 220 480 22 32.78 230 470 23 34.27 230 500
50 TT Thời gian (Phút) Lực Py (N) Lực Pz (N) Ghi chú 24 35.76 280 480 25 37.25 280 480 26 38.74 300 480 27 40.23 300 500 28 41.72 280 450 29 43.21 280 480 30 44.7 300 480 31 46.19 300 500 32 47.68 300 480 33 49.17 300 480 34 50.66 350 550 35 52.15 220 550 36 53.64 230 550 37 55.13 350 450 38 56.62 360 550 39 58.11 360 550 40 59.6 360 550