3.1.3. Đá mài cBN Hình 3.4 Đá mài cBN120 D100 T8 H20 X5 U6 Hình 3.4 Đá mài cBN120 D100 T8 H20 X5 U6 Vòi phun Máy bơm Lưới lọc phoi Máng thu hồi Bể chứa dung dịch
52 Ký hiệu: cBN120 14A1 D100 T8 H20 X5 U6; Đường kính: 100 mm; Chất kết dính: Nhựa (B); Mật độ hạt mài: 100 (tương đương với trọng lượng của hạt mài cBN
là 4,4 carats trên 1 cm3chất kết dính nhựa); Độ cứng: N (Trung bình); Kích thướchạt
mài: 120 µm; Hình dạng: 14A1 (đá mài trụ, mài bằng chu vi đá); Cốt đá: Nhôm;
Chiều dày cốt đá: 8 mm; Chiều dày lớp hạt mài: 5 mm; Chiều rộng lớp hạt mài: 6 mm; Quốc gia sản xuất: Đài Loan (Hình 3.4).
3.1.4. Chi tiết mài
3.1.4.1 Phơi thực nghiệm
Trong thí nghiệm sử dụng hai loại vật liệu gia công là hợp kim Titan Ti-6Al-4V
(Ti64) ủ và Ti64 tôi (tên thương mại: 6-4 Titanium, 6-4, Ti 6-4), bao gồm 24 mẫu mỗi loại. Tiêu chuẩn UNS: R56400; W.Nr./EN: 3.7164, 3.7165; AMS: 4911, 4928,
4967, 4935, 4920, 4965; Tiêu chuẩn ASTM: B 265, B 348, B 861; ASME: SB-265, SB-348, SB-861. Nhà sản xuất là cơng ty Rolled Alloys (Hoa Kỳ) [67]. Mẫu có dạng
hình hộp chữ nhật kích thước 9mm x 10mm x 16mm (Hình 3.5). Phơi được chọn có kích thước nhỏ để có thể dễ dàng đưa vào quan sát bề mặt trên kính hiển vi điện tử
quét (SEM).
(a) (b)
Hình 3.5 Mẫu thực nghiệm (a) Ti64 ủ và (b) Ti64 tôi 3.1.4.2 Cấu trúc tinh thểcủa hợp kim Ti64 ủ và Ti64 tôi 3.1.4.2 Cấu trúc tinh thểcủa hợp kim Ti64 ủ và Ti64 tơi
Hình 3.6 Q trình ủ hợp kim Ti64-Elo và tơi hợp kim Ti64-La
25 225 425 625 825 1025 1225 0 2 4 6 8 10 Nh iệ t đ ộ ( °C)
Thời gian (giờ)
Ti64-La Ti64-Elo
Nhiệt độ chuyển pha
53
Hình 3.7 Cấu trúc tế vi của (a) Ti64-Elo và (b) Ti64-La ( - pha tối, - pha sáng) [68]
Hợp kim Ti-64 ủ (Ti-64 Elo) có cấu trúc α dãn dài, thu được sau khi ủ (mill anneal) ở nhiệt độ 704-788°C trong vịng 2 giờ, sau đó làm nguội trong khơng khí. Ti-64 tơi (Ti64-La) có cấu trúc α hồn tồn dạng tấm, được ủ beta (tơi) ở nhiệt độ 1066°C (lớn
hơn nhiệt độ chuyển pha) trong 2 giờ và làm nguội trong lị (Hình 3.6). Q trình ủ sẽ làm tăng độ dẻo và độ bền mỏi của hợp kim, trong khi đó q trình tơi có tác dụng cải thiện độ bền chống nứt gãy và tính chống nứt gãy do ăn mịn ứng suất (SCC). Cấu
trúc tinh thể của hợp kim Ti64-Elo và Ti64-La được thể hiện trong Hình 3.7. Tính
chất cơ nhiệt của chúng được trình bày trong Bảng 3.2. Cấu trúc tế vi của hợp kim
Ti64-Elo bao gồm các hạt β đẳng trục và các dạng pha α khác nhau (Hình 3.7a). Cịn
hợp kim Ti64-La có chứa các hạt α dạng tấm giới hạn bởi các pha β (Hình 3.7b) [68].
Bảng 3.2 Tính chất cơ nhiệt của hợp kim Ti64-Elo và Ti64-La [69]
Đặc tính Ti64-Elo Ti64-La
Độ bền kéo [MPa] 900 1035
Giới hạn chảy kéo [MPa] 830 965
Độ dãn dài [%] 10 8
Giới hạn chảy nén [MPa] 860 1070
Độ bền mỏi [MPa] 510 700
Độ cứng (HV) 349 376
Mô đun đàn hồi [GPa] 114
Nhiệt độ nóng chảy [°C] 1604 ÷1660
Hệ số dẫn nhiệt [W/m.K] 6,7
Nhiệt dung riêng [J/g°C] 0,5263
3.1.5. Các loại dung dịch bôi trơn làm mát
Trong nghiên cứu sử dụng các chế độ bôi trơn làm mát sau:
- Mài khô.
- Dung dịch dầu nhũ tương PV Cutting Oil. - Dung dịch dầu tổng hợp CIMTECH 3150-VLZ.
- Dung dịch dầu tổng hợp CIMTECH 3150-VLZ + Bột bôi trơn thể rắn xGnP- M25.
- Dung dịch dầu tổng hợp CIMTECH 3150-VLZ + Bột bôi trơn thể rắn hBN-K05.
b) a)
54 Cơ sở để lựa chọn các chế độ bôi trơn làm mát trên xuất phát từ tham khảo các bài báo khoa học đăng trên các tạp chí quốc tế uy tín kết hợp với tìm hiểu trong các tài liệu hướng dẫn sử dụng chất bôi trơnvà bột bôi trơn thể rắn ([60], [61], [70], [71]).
3.1.5.1 Dầu nhũ tương PV Cutting Oil
Giới thiệu chung: Được sản xuất bởi PV Oil (Việt Nam) từ gốc dầu khoáng và các
phụ gia chống rỉ, chống tạo bọt, ổn định nhũ và kháng khuẩn. Khi pha với nước với tỷ lệ thích hợp trở thành một dung dịch gia cơng kim loại đa dụng. Dung dịch này có tính bơi trơn tốt, độ bền nhũ cao, tính chống ăn mịn và chống rỉ tốt.
Công dụng: Sử dụng trong lĩnh vực gia cơng cơ khí tải trọng nhẹ, khi gia công các
vật liệu thép chịu kéo từ thấp đến trung bình, nhơm, đồng và các hợp kim của hai kim loại này [70].
3.1.5.2 Dầu cắt gọt tổng hợp CIMTECH 3150-VLZ
Giới thiệu chung: Là loại dầu cắt gọt kim loại được tổng hợp bằng phương pháp
nhân tạo dùng trong gia cơng cơ khí từ trung bình đến nặng và mài do CIMCOOL
Fluid Technology (Hàn Quốc) sản xuất.
Công dụng: Dùng trong gia công hợp kim nhôm rèn (2024, 6061, 7050, 7075),
hợp kim nhôm đúc (380, 390), gang đúc, gang dẻo (gang cầu), thép cacbon, thép không rỉ, hợp kim titan và các hợp kim khác. Không nên dùng khi gia công hợp kim
Ma-giê. Có độ pH thấp [71].
3.1.5.3 Bột bôi trơn thể rắn
Trong nghiên cứu sử dụng hai loại bột bôi trơn thể rắn là tấm nano graphite tách
lớp (xGnP) và Bo Nitrit lục giác (hBN).
(a) (b)
Hình 3.8 Quá trình pha trộn dầu tổng hợp với (a) Bột xGnP-M25; (b) Bột hBN-K05 Chuẩn bị dung dịch nano: Dung dịch bao gồm dầu tổng hợp + 1% hBN-K05 và
dầu tổng hợp + 0,25% xGnP-M25 được trộn trên máy khuấy cơ học IKA C-MAG
HS4 như Hình 3.8. Để trộn đều và ổn định thì thời gian trộn cho mỗi dung dịch là 0,5
55
3.1.6. Dụng cụ sửa đá
Hình 3.9 (a) Mũi sửa đá kim cương đa hạt; (b) Thanh đá dầu SiC [15]
Kiểm tra độ đảo của đá mài bằng đồng hồ so chân gập Metrology LD-9003L độ
chia 0,002 mm. Nếu độ đảo của đá lớn hơn 0,01 mm thì phải sửa đúng. Dụng cụ sửa đúng là mũi sửa đá kim cương đa hạt và dụng cụ làm sắc là thanh đá dầu SiC (Hình
3.9).
Sửa đúng bằng mũi sửa đá kim cương đa hạt được thực hiện theo phương pháp tiện với chế độ sửa như sau: Với mỗi chiều sâu cắt, đưa đá mài tịnh tiến lên xuống cọ xát vào bề mặt mũi sửa đá vài lần, vận tốc quay của đá 2000 vòng/phút, lượng tiến
dao 100-150 mm/phút, chiều sâu cắt 0,01 mm ([1], [12], [13], [72]). Sau khi sửa đúng thì làm sắc bằng thanh đá dầu (Hình 3.10).
Do đá mài cBN có đường kính tương đối nhỏ (100 mm) nên khơng cần phải cân bằng đá [1]. Bên cạnh đó, trong q trình đá mài quay khơng tải đã tiến hành đo rung trên trục chính bằng gia tốc kế ba trục. Kết quả cho thấy, rung động là không đáng kể (nhỏ hơn 0,01 µm) và khơng ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết.
(a) (b) (c)
Hình 3.10 (a) Đo độ đảo của đá mài bằng đồng hồ so; (b) Sửa đúngbằng mũi sửa đá kim cương đa hạt; (b) Làm sắc bằng thanh đá dầu SiC
3.2. Thiết bị đo lường 3.2.1. Panme đo ngồi 3.2.1. Panme đo ngồi
56
Trong thí nghiệm sử dụng Panme đo ngoài điện tử Mitutoyo 293-240-30 (Nhật Bản) có phạm vi đo 0 - 25 mm; độ chia 0,001 mm; độ chính xác: ±1 μm, để đo kích thước của phơi trước và sau khi gia cơng (Hình 3.11).
Hình 3.11 Panme đo ngồi điện tử Mitutoyo 293 - 240 -30
3.2.2. Kính hiển vi điện tử qt
Hình 3.12 Kính hiển vi điện tử qt JEOL JSM 6510LV
Hình 3.12 mơ tả kính hiển vi điện tử quét JEOL JSM 6510LV (Nhật Bản) để quan
sát bề mặt chi tiết sau khi mài. Thông số kỹ thuật của máy được trình bày trong Bảng
3.3.
Bảng 3.3 Thơng số kỹ thuật của kính hiển vi điện tử quét JEOL JSM 6510LV [73]
Độ
phóng
đại
Độ phóng đại: 5 lần đến 300000 lần (149 bước nhảy)
(Độ phóng đại 5 lần đến 8 lần tại điện thế thứ cấp 10 kV hoặc thấp hơn, khoảngcách làm việc ≤ 46 mm)
Độ
phân
giải
Chế độ chân không cao (H-Vac) Độ phân giải (SEI - điện tử thứ cấp):
- 3,0 nm (điện thế thứ cấp 30 kV, khoảng cách làm việc 8 nm, SEI)
- 8,0 nm (điện thế thứ cấp 3 kV, khoảng cách làm việc 6 nm, SEI) - 15,0 nm (điện thế thứ cấp 1 kV, khoảng cách làm việc 6 nm, SEI)
Chế độ chân không thấp (V-Vac)
Độ phân giải (BEI - điện tử tán xạ ngược):
57
3.2.3. Đồng hồ so
Đồng hồ so chân gập Metrology LD-9003L (Đài Loan), dải đo 0 – 0,2 mm, độ chia 0,002 mm, độ chính xác ± 4 µm, đầu tip thép ϕ2 mm, ϕ38 mm Large bezel, được sử dụng để đo độ đảo của đá mài.
3.2.4. Thiết bịđo lực cắt
Thiết bị đo lực cắt bao gồm các bộ phận sau: Sensor đo lực kiểu áp điện của Kistler 9139AA (Thụy Sĩ); Phần mềm đo DasyLab của hãng National Instrument and Dasytec (Đức); Bộ gá cơ khí của Kistler (Thụy Sĩ); Card A/D và dây kết nối với các cảm biến.
Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật của cảm biến đo lực Kistler 9139AA [74]
Thông số Đơn vị 9139AA
Khoảng đo (lớn nhất) Fx,
Fy, Fz kN
– 30 ... 30 Khoảng đo làm việc Fx, Fy,
Fz kN 0 ... 30 kN 0 ... 3 kN 0 ... 0,3 Độ nhạy Fx, Fz pC/N ≈ -8,2 Fy pC/N ≈ -4,2 3.2.5. Máy đo nhám bề mặt
Thí nghiệm đo nhám bề mặt được thực hiện bằng máy đo nhám Surftest SV2100
Mitutoyo (Nhật Bản) như Hình 3.13. Các thơng số chính của máy như sau: - Hiển thị LCD, tiêu chuẩn DIN, ISO, JIS, ANSI.
- Thông số đo được: Ra, Rz, Rq. - Độ phân giải: 0,001 µm. - Bộ chuyển đổi A/D: RS – 232.
- Phần mềm điều khiển và xử lý số liệu: SurfTest SJ USB Communication Tool Ver5.007.
- Thiết bị hiển thị: Máy tính, máy in.
58
3.2.6. Máy đo độ cứng tế vi bề mặt
Trong nghiên cứu sử dụng máy đo độ cứng tế vi IndentaMet 1106 (Hoa Kỳ) để đo độ cứng tế vi Vicker của bề mặt (Hình 3.14) có các thơng số như Bảng 3.5.
Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật của máy đo độ cứng tế vi IndentaMet 1106 [75]
Mô tả máy và Turret Turret tự động Trọng lượng chết
Tải kiểm tra
gf 10, 25, 50,100, 200, 300, 500, 1000
mN 98,07; 245,2; 490,3; 980,7; 1961; 2942; 4903; 9807
Cơ chế tác dụng tải Sử dụng lò xo lá, tác dụng và nhả tải tự động, tốc độ
50 µm/s
Thời gian dừng 5 – 99 s
Vật kính (10x thị kính) Sử dụng vật kính 10x, 40x để phóng đại 100x và 400x với thị kính 10x (có thêm vật kính 20x để phóng đại
200x)
Đo lường Điện tử với D1/D2 tự động Đo được lớn nhất 200 µm (bằng vật kính 40x) Đo được nhỏ nhất 0,1 µm
Dữ liệu kiểm tra 99 điểm Chiều cao mẫu lớn nhất 90 mm
Chiều rộng mẫu lớn
nhất 110 mm
Thang đo độ cứng Vickers (HV) và Knoop (HK), có thể chuyển đổi sang thang đo Rockwell B và C
Bàn máy X-Y Bằng tay
Kích thước bàn máy 100 x 100 mm Khoảng di chuyển lớn nhất của bàn máy 25 x 25 mm Khoảng di chuyển nhỏ nhất của bàn máy 0,01 mm Ê tô Độ mở lớn nhất 50 mm
59
3.3. Lựa chọn các thông số thực nghiệm và xác định phương pháp thực nghiệm thực nghiệm
3.3.1. Phương pháp quy hoạchthực nghiệm
Trong nghiên cứu sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm bình phương nhỏ
nhất (BPNN) để xác định hàm hồi quy thực nghiệm thể hiện mối quan hệ giữa nhám
bề mặt với chế độ công nghệ. Đây là một phương pháp rất cơ bản và hiệu lực để xử lý các số liệu thực nghiệm và xây dựng mơ hình thống kê, cho phép một lớp khá rộng các đối tượng nghiên cứu, thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau. Sau khi thu được hàm hồi
quy, cần kiểm tra sự đồng nhất của các phương sai theo tiêu chuẩn Cochran, kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số trong phương trình theo tiêu chuẩn Student và kiểm tra sự tương thích của phương trình với thực nghiệm theo tiêu chuẩn Fisher [76].
3.3.2. Thông số thực nghiệm
Các thông số đầu vào và đầu ra của nghiên cứu được trình bày trong Bảng 3.6.
Bảng 3.6 Các thông số thực nghiệm
Các thông số công nghệ đầu vào
Chế độ cắt Chế độ bôi trơn làm mát
Vận tốc cắt v = 30 m/s Chiều sâu cắt t = 0,005; 0,01; 0,015 mm
Lượng tiến dao S = 1000, 3000, 6000, 10000 mm/ph
Mài khô
Dung dịch dầu nhũ tương Dung dịch dầu tổng hợp Dung dịch dầu tổng hợp + xGnP-M25 Dung dịch dầu tổng hợp + hBN-K05 Các thông số đánh giá Nhám bề mặt Độ cứng tế vi bề mặt Cấu trúc tế vi bề mặt Năng suất gia công
Cơ sở để lựa chọn dải thông số công nghệ trên xuất phát từ tham khảo các bài báo khoa học đăng trên các tạp chí quốc tế uy tín kết hợp với tra Sổ tay cơng nghệ chế tạo
máy [77].
3.3.3. Phương pháp thực nghiệm
3.3.3.1 Thực nghiệm 01 – Xác định mối quan hệ giữa chế độ cắt với chất lượng bề mặt
Trong phần này sẽ thực hiện thực nghiệm nhằm làm rõ ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ là lượng tiến dao và chiều sâu cắt tới nhám bề mặt (Ra và Rz), cấu trúc tế
vi bề mặt và độ cứng tế vi bề mặt HV. Phôi thực nghiệm là hợp kim Ti-64 ủ. Dải thông số công nghệ khi thực nghiệm được trình bày ở Bảng 3.7 với vận tốc cắt là 30
m/s, lượng tiến dao là 1000, 3000, 6000, 10000 mm/ph và chiều sâu cắt là 0,005; 0,01; 0,015 mm. Thực nghiệm 01 là thực nghiệm ban đầu, sau đó Thực nghiệm 02 sẽ
60
Bảng 3.7 Các thơng số cơng nghệ của q trình mài (Thực nghiệm 01)
Phương pháp mài Mài bằng chu vi đá, mài nghịch
Vật liệu phơi Ti-6Al-4V ủ (16mm × 10mm × 9mm)
Đá mài Đá mài cBN liên kết nhựa: cBN120 D100 T8 H20 X5 U6
Máy mài Trung tâm gia công cao tốc trục đứng (HS Super MC500)
Vận tốc cắt (v) 30 m/s
Lượng tiến dao (S) 1000, 3000, 6000 và 10000 mm/ph
Chiều sâu cắt (t) 0,005; 0,01; 0,015 mm
Chiều rộng cắt (b) 4,5 mm
Chế độ bôi trơn làm mát
Mài khô và mài ướt (Dầu tổng hợp 2%)
3.3.3.2 Thực nghiệm 02–Xác định mối quan hệ giữa chế độ bôi trơn làm mát với chất lượng bề mặt với chất lượng bề mặt
Bảng 3.8 Các thông số cơng nghệ của q trình mài (Thực nghiệm 02)
Phương pháp mài Mài bằng chu vi đá, mài nghịch
Vật liệu phơi Ti-6Al-4V ủ, Ti-6Al-4V tơi (16mm × 10mm × 9mm)
Đá mài Đá mài cBN liên kết nhựa: cBN120 D100 T8 H20 X5 U6
Máy mài Trung tâm gia công trục đứng cao tốc (HS Super MC500)
Vận tốc cắt (v) 30 m/s
Lượng tiến dao (S) 1000, 3000, 6000 và 10000 mm/ph
Chiều sâu cắt (t) 0,01 mm
Chiều rộng cắt (b) 4,5 mm
Chế độ làm mát Khô, dầu nhũ tương 10%, dầu tổng hợp 10%, dầu tổng hợp 10% + xGnP 0,025%, dầu tổng hợp 10% + hBN
0,1%
Đây là thực nghiệm nhằm làm rõ ảnh hưởng của các yếu tố là chế độ bôi trơn làm
mát, lượng tiến dao và cấu trúc tinh thể vật liệu gia công tới nhám bề mặt (Ra và Rz),
độ cứng tế vi bề mặt HV vàcấu trúc tế vi bề mặt. Vận tốc cắt được cố định là 30 m/s. Bước tiến dao S có các giá trị là 1000, 3000, 6000 và 10000 mm/ph. Chiều sâu cắt t
không đổi là 0,01 mm. Các chế độ bôi trơn làm mát là mài khô, dung dịch dầu nhũ tương 10%, dung dịch dầu tổng hợp 10%, dung dịch dầu tổng hợp 10%+ xGnP-M25
0,025%, dung dịch dầu tổng hợp 10% + hBN-K05 0,1%. Phôi thực nghiệm là hợp
kim Ti-64 ủ và Ti-64 tôi. Bảng 3.8 mô tả cụ thể các thơng số của q trình mài nói trên.
3.3.3.3 Thực nghiệm 03–Xác định dải lượng tiến dao đạt được nhám bề mặt nhỏ nhất nhỏ nhất
Trong phần này sẽ thực hiện các thí nghiệm để xác định dải lượng tiến dao đạt được nhám bề mặt nhỏ nhất của các chi tiết Ti64 ủ và Ti64 tôi. Vận tốc cắt được cố định là 30 m/s; bước tiến dao được lấy trong khoảng từ 2000 đến 4000 mm/ph và
khoảng này được chia thành các đoạn nhỏ hơn giới hạn bởi 2000, 2500, 3000, 3500
và 4000 mm/ph (Bảng 3.9). Các chiều sâu cắt dùng trong thí nghiệm là 0,005; 0,01 và 0,015 mm.
61
Bảng 3.9 Các thơng số cơng nghệ của q trình mài (Thực nghiệm 03)
Phương pháp mài Mài bằng chu vi đá, mài nghịch
Phôi Ti-6Al-4V ủ và tơi (16mm × 10mm × 9mm)
Đá mài Đá mài cBN liên kếtnhựa: cBN120 D100 T8 H20 X5 U6
Máy mài Trung tâm gia công trục đứng cao tốc (HS Super MC500)
Tốc độ cắt (v) 30 m/s
Lượng tiến dao (S) 2000, 2500, 3000, 3500 và 4000 mm/ph
Chiều sâu cắt (t) 0,005; 0,01; 0,015 mm