2.4. Ảnh hưởng của dung dịch bôi trơn làm mát đến quá trình mài
2.4.3.3 Bo Nitrit lục giác (hBN)
Trong bảng tuần hồn các ngun tố hóa học, Bo và Ni-tơ đều nằm gần Cacbon.
Hợp chất BN được tìm ra lần đầu tiên vào đầu thế kỷ 19. Nó có số electron ở vỏ ngồi bằng với graphite và kim cương. Cả BN cấu trúc tinh thể lục giác và dạng khối (cBN) đều có các đặc tính tương tự như cacbon. Hình 2.11a mơ tả sự giống và khác nhau trong cấu trúc tinh thể lục giác của graphite và hBN. Trong khi graphite và kim cương đều tồn tại trong tự nhiên thì cả cBN và hBN đều được tổng hợp nhân tạo. Sự khác
nhau đáng kể giữa cacbon và BN là ở tính dẫn điện. Do có điện trở cao nên BN là chất cách điện và dẫn nhiệt tốt, trong khi cacbon vừa dẫn điện vừa dẫn nhiệt. Graphite và hBN còn khác nhau ở bề ngồi khi hBN màu trắng cịn graphite màu đen. Do có cấu trúc tinh thể giống graphite nên hBN được kỳ vọng có đặc tính bơi trơn tốt. Tuy nhiên, hBN vẫn bền vững khi nhiệt độ lên tới 1000°C, trong khi graphite bắt đầu phân hủy ở nhiệt độ 500°C. hBN cịn có tính trơ hóa học tốt và khơng bị dính ướt bởi kim loại nóng chảy. Do đó, nó được coi là một chất bôi trơn thể rắn đầy hứa hẹn khi gia cơng cắt gọt ở nhiệt độ cao (Hình 2.11c) [61].
43
a) (b) (c)
Hình 2.11 (a) So sánh cấu trúc tinh thể lục giác của C và hBN [37]; (b) Hình SEM của tấm
nano xGnP [62]; (c) Hình SEM của tấm nano hBN [61] 2.4.3.4 Đặc tính của hạt nano xGnP-M25 và hBN-K05
Bảng 2.1 Đặc tính của hạt nano xGnP-M25 và hBN-K05 ([63], [64])
Đặc tính
Giá trị tiêu chuẩn – Song song với bề mặt
Giá trị tiêu chuẩn –
Vng góc với bề
mặt Đơn vị
xGnP hBN xGnP hBN
Tỉ trọng 2,2 2,3 2,2 2,3 g/cm3
Hệ số dẫn nhiệt 3000 20 6 27 W/m.K
Màu sắc Đen Trắng Đen Trắng GPa
Diện tích bề mặt riêng 120-150 16 - - m2/g
Chiều dày trung bình 6 < 10 6 < 10 nm
Đường kính trung bình 25 5 25 5 µm Hàm lượng cacbon > 99,5 > 99 > 99,5 > 99 % Hệ số dẫn điện 107 - 102 - S/m Độ bền đánh thủng điện môi - 35 - 35 kV/mm Điện trở - 108 - 1013 - 108 - 1013 Ω.cm Tấm nano xGnP và hBN được tổng hợp bằng cách tách lớp, sau đó tán nhỏ theo
quy trình do Fukushima đề xuất [65]. Hệ số tỉ lệ giữa chiều dày và đường kính hạt
của loại bột này hồn toàn khác biệt so với bột nano được tổng hợp bằng phản ứng hóa học. Bột xGnP-M25 (XG Sciences, Inc, Hoa Kỳ) có đường kính hạt 25 µm, chiều dày 6 nm và diện tích bề mặt 120 ~ 150 m2/g. Bột hBN-K05 có chiều dày nhỏ hơn 10 nm, đường kính hạt 5 µm và diện tích bề mặt 16 m2/g do Changsung Corporation,
Hàn Quốc sản xuất. Đặc tính của bột bơi trơn xGnP-M25 và hBN-K05 được trình bày
trong Bảng 2.1. Qua bảng này có thể thấy chất bơi trơn thể rắn xGnP-M25 và hBN- K05 có tính làm mát và bơi trơn tốt do chúng có hệ số dẫn nhiệt cao cộng với đặc tính
trượt giữa các lớp dễ dàng nên làm giảm ma sát. Bảng 2.1 còn chỉ ra rằng khả năng
làm mát của xGnP tốt hơn hBN (hệ số dẫn nhiệt tương ứng của chúng là 3000 và 20 W/m.K).
44
2.5. Ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng bề mặtvà năng suất gia công khi mài gia công khi mài
2.5.1. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến nhám bề mặt
Vận tốc cắt: Khi vận tốc cắt của đá tăng, số hạt mài tham gia vào quá trình cắt trong một đơn vị thời gian tăng, do đó làm giảm nhám bề mặt. Quan hệ giữa nhám bề mặt với vận tốc cắt của đá như sau:
a
R = C.v (2. 26)
trong đó v là vận tốc cắt của đá mài (m/s); C và α là các hệ số tính đến ảnh hưởng của các yếu tố khác trong quá trình mài, C = 0,7 – 0,8.
Lượng tiến dao: Khi tăng vận tốc tiến chi tiết, nhám bề mặt tăng do số lượng vết
cắt qua một tiết diện mài giảm xuống, biến dạng của chi tiết tăng và thời gian cắt giảm làm các hạt mài không cắt hết lượng dư [17].
Chiều sâu cắt: Tăng chiều sâu cắt có tác động xấu đến nhám bề mặt do làm tăng tải trên các hạt mài, tăng nhiệt độ mài, lực cắt và mịn đá [12].
Vật liệu gia cơng:Vật liệu gia công ảnh hưởng đến nhám bề mặt chủ yếu là do khả năng biến dạng dẻo. Vật liệu dẻo, dai bị biến dạng dẻo sẽ có nhám bề mặt cao hơn vật liệu cứng và giòn. Độ cứng của vật liệu gia cơng tăng thì nhám bề mặt giảm [17].
Rung động của hệ thống cơng nghệ: Q trình rung động của hệ thống cơng nghệ
tạo ra chuyển động tương đối có chu kỳ giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công, làm thay đổi điều kiện ma sát, gây nên độ sóng và độ nhấp nhơ tế vi trên bề mặt gia công. Do vậy, muốn tăng độ nhẵn bóng bề mặt phải tăng cường độ cứng vững của hệ thống công nghệ [17]. Mối quan hệ giữa nhám với biên độ rung động và chế độ mài khi mài phẳng có dạng hàm mũ:
x y z m
a n
R (t) = c.t .S .S .A (µm) (2. 27)
trong đó S là vận tốc của chi tiết (m/ph); Sn là lượng tiến dao ngang của đá mài (mm/htk); t là chiều sâu cắt (mm); A là biên độ của rung động (m/s2); c là hệ số phụ thuộc vào đặc tính đá mài, chế độ sửa đá, đường kính đá; x, y, z là các hệ số mũ tính đến mức độ ảnh hưởng của chế độ cắt t, Sn và S; m là số mũ phụ thuộc vào tình trạng mịn của đá mài.
45
Kích thước hạt mài: Khi kích thước hạt mài tăng thì nhám tăng và ngược lại khi
kích thước hạt mài giảm thì độ nhẵn bóng bề mặt tăng như Hình 2.12 [18]. Mối quan hệ giữa nhám bề mặt với kích thướchạt được xác định như sau:
α
a
R =C.d (2. 28)
trong đó d là đường kính hạt mài (µm). C và αlà các hệ số thực nghiệm khi xét đến ảnh hưởng của các yếu tố trong quá trình mài, α = 0,5 – 0,7.
Độ cứng củachất kết dính và hạt mài:Độ cứng của chất kết dính (đường 1) và độ cứng của hạt mài (đường 2, 3) có ảnh hưởng đến nhám bề mặt như Hình 2.13. Khi tăng độ cứng của chất kết dính, ban đầu nhám giảm sau đó tăng lên. Khi tăng độ cứng của hạt mài thì nhám bề mặt giảm [52].
Hình 2.13 Ảnh hưởng của loại vật liệu chất kết dính (đường 1) và vật liệu hạt mài (đường 2, 3) đến nhám bề mặt Ra [52]
Quan hệ giữa độ cứng hạt mài với nhám bề mặt như sau:
-(0,5÷2) -(0,5÷1,0)
a m k
R = C .H (2. 29)
trong đó Hk là độ cứng của hạt mài; Cm là cấu trúc của đá.
Hình 2.14 Ảnh hưởng của chế độ sửa đá và hệ số bóc gọt thể tích lũy tiến riêng VW’ đến nhám bề mặt (mài trịn trong, đá mài 32A80M6VBE, phơi thép AISI 52100) [13]
46
Chế độ sửa đá: Lượng chạy dao khi sửa đá giảm thì nhám bề mặt giảm. Tuy nhiên,
lượng chạy dao giảm sẽ làm cho khả năng cắt của đá giảm, dẫn đến tuổi bền đá giảm. Ảnh hưởng của chế độ sửa đá tới nhám bề mặt được xác định theo công thức sau [13]:
x ' 1/2 1/4 w a 3 d d Q R = R .s .t v (2. 30)
trong đó R3 là hệ số phụ thuộc vào điều kiện sửa đá; sd là lượng tiến dao khi sửa đá
(mm/ph); td là chiều sâu cắt khisửa đá (mm); vlà vận tốc quay của đá mài; Qw’ là hệ số bóc gọt thể tích trên một đơn vị chiều rộng cắt (Qw’ = S.t). Có thể thấy ảnh hưởng của sd là lớn hơn td.
Thời gian làm việc: Thời gian làm việc của đá mài sau khi sửa đá càng lớn thì cấu
trúc tế vi càng xấu đi, độ mịn trên các điểm khơng đều nhau làm cho nhám bề mặt gia cơng tăng như Hình 2.15.
Hình 2.15 Ảnh hưởng của thời gian mài tới nhám bề mặt [19]
Mối quan hệ giữa nhám và thời gian mài như sau:
-λt δt
a ahar acm acm
R (t) = (R -R )e +R .e (2. 31)
trong đó Ra(t) là chiều cao nhám ở thời gian mài t; Rahar là chiều cao nhám ở giai đoạn
mài rà sau 0,5 - 1 phút (µm); Racm là chiều cao nhám sau khi mài rà đá mài ở giai đoạn đầu của chu kỳ tuổi bền của đá (µm); δ là số mũ biểu diễn mức tăng của chiều cao nhám bề mặt do mòn đá và rung động khi cắt; λ là hệ số quan hệ hàm mũ chiều cao nhám bề mặt với thời gian mài t trong tuổi bền của đá mài.
Dung dịch trơn nguội: Việc sử dụng các dung dịch trơn nguội và dung dịch rửa
trôi cho phép làm giảm nhám. Tuy nhiên, nếu dung dịch bơi trơn làm mát bị bẩn thì nhám bề mặt tăng [1].
47
Các yếu tố di truyền trước khi mài: Nhám bề mặt không chỉ phụ thuộc vào các yếu
tố xảy ra trong q trình mài mà cịn phụ thuộc vào cả các yếu tố di truyền trước khi mài là tình trạng mịn Hµ và các sai lệch tương quan hµ của đá mài như Hình 2.16 [1].
Thời gian mài hết hoa lửa: Thời gian chạy hết hoa lửa là thời gian mài mà khơng
tiến dao hướng kính (theo chiều sâu cắt). Lúc này độ cứng vững của hệ thống tăng lên, chiều sâu mà các hạt mài ăn vào bề mặt kim loại giảm, do đó nhám bề mặt giảm đi rõ rệt. Vì vậy, với các máy mài có độ cứng vững kém, đá mài có khả năng cắt khơng cao thì nên tăng thời gian mài hết hoa lửa để đạt được độ nhẵn bóng bề mặt
cao [1]. Ngồi ra, tùy theo độ cứng, độ bền và tính cắt gọt của vật liệu gia cơng mà
phải cho bàn máy chạy đi chạy lại một số hành trình nhất định cho đến khi khơng cịn hoa lửa phát ra [18].
2.5.2. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến biến cứng bề mặt
Khi tăng lực cắt và mức độ biến dạng dẻo thì mức độ biến cứng của bề mặt tăng. Nếu kéo dài thời gian tác dụng lực thì làm tăng chiều sâu lớp biến cứng.
Khi tăng lượng tiến dao S thì có lúc làm tăng, có lúc lại làm giảm mức độ và chiều sâu lớp biến cứng bề mặt vì yếu tố quyết định là nhiệt cắt.
Khi góc trước của hạt mài tăng từ giá trị âm đến giá trị dương thì mức độ và chiều sâu biến cứng giảm.
Vận tốc cắt tăng làm giảm thời gian tác động của lực cắt và nhiệt cắt, do vậy làm
giảm mức độ và chiều sâu lớp biến cứng.
Biến cứng bề mặt cũng tăng nếu đá mài bị mòn, bị cùn [17].
Sử dụng dung dịch trơn nguội làm tăng mức độ biến cứng bề mặt do bề mặt phơi
có nhiệt độ cao sẽ cứng lại khi gặp chất bôi trơn làm mát (hiện tượng giống như tơi).
Hình 2.17 mơ tả ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến biến cứng bề mặt. Qua Hình 2.17, biến cứng hầu như thay đổi không theo quy luật khi tăng giá trị các thông số công nghệ, trừ chiều sâu cắt. Khi chiều sâu cắt tăng, tải trên hạt mài và mòn đá tăng làm lực cắt tăng nhanh, khiến biến cứng bề mặt tăng [66].
Hình 2.17 Ảnh hưởng của một số thơng số công nghệ đến biến cứng bề mặt khi mài hợp
48
2.5.3. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến năng suất gia cơng
Khi chiều sâu cắt tăng thì năng suất cắt tăng do thể tích vật liệu bóc gọt được tăng. Khi tốc độ tiến dao tăng thì năng suất cắt tăng do giảm được thời gian gia công. Tuy nhiên, khi tăng lượng tiến dao hoặc chiều sâu cắt thì nhám bề mặt tăng. Do đó, cần
lựa chọn chế độ cắt phù hợp để vừa đảm bảo nhám bề mặt, vừa đạt được năng suất gia công tối đa.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
1. Phoi khi mài hợp kim titan thường mỏng và có dạng răng cưa. Mài bằng đá mài
cBN có nhiệt độ, lực cắt và ứng suất dư kéo thấp. Tuy nhiên, hạt mài cBN cũng
bị mòn phẳng khi mài hợp kim titan.
2. Trong nghiên cứu sử dụng chế độ mài ướt tưới tràn có sử dụng chất bơi trơn thể rắn. Mài ướt làm giảm nhiệt độ và ma sát trong vùng mài, do đó nâng cao chất lượng bề mặt gia công, giảm lực cắt và kéo dài tuổi bền của đá mài. Ngoài ra, khả năng bôi trơn làm mát tốtcủa bột bôi trơn thể rắnkhiến cho chất lượng gia công tăng lên so với mài ướt thông thường.
3. Khi tăng lượng tiến dao hoặc chiều sâu cắt thì nhám bề mặt tăng. Tuy nhiên, tăng lượng tiến dao và chiều sâu cắt sẽ làm tăng năng suất gia cơng. Do đó, cần lựa chọn được chế độ cắt phù hợp để vừa đảm bảo nhám bề mặt, vừa đạt được năng suất gia cơng tối đa.
49
Chương 3. MƠ HÌNH, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Mơ hình thực nghiệm 3.1.1. Máy gia công 3.1.1. Máy gia công
Trung tâm gia công CNC trục đứng cao tốc HS Super MC500 (Hình 3.1) được dùng để mài phẳng bằng đá mài trụ. Hệ dẫn động bao gồm các bộ phận cơ bản như cụm trục chính, bàn máy và bộ điều khiển CNC. Ngồi ra, cịn có các bộ phận khác như bộ phận gá kẹp chi tiết gia công, hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội. Các thông số kỹ thuật của trung tâm gia công được thể hiện trong Bảng 3.1.
Hình 3.1 (a) Trung tâm gia công CNC trục đứng cao tốc HS Super MC500; (b) Giao diện phần mềm điều khiển FANUC series 31i(Oi) - A.
Hình 3.2 Sơ đồhệ thống thựcnghiệm trên trung tâm gia công CNC HS Super MC500.
Các thiết bị trong thực nghiệm được ghép nối theo sơ đồ Hình 3.2. Mỗi thí nghiệm được tiến hành 10 hành trình mài nhưng khơng có mài hết hoa lửa và tiến dao ngang.
50 Giá trị nhám bề mặt được đo theo phương vng góc với đường mài. Để đảm bảo độ
chính xác và tính tin cậy của thực nghiệm thì tại mỗi chế độ cơng nghệ sẽ thực hiện
thí nghiệm ba lần. Lực cắt được đo bằng lực kế áp điện Kistler 9139AA (Kistler,
Thụy Sĩ). Cảm biến đo lực được kết nối với bộ chuyển đổi A/D, sau đó hệ thống thu thập dữ liệu sẽ xử lý và ghi lại các giá trị lực cắt thu được. Lực cắt trong mỗi thí nghiệm được lấy là giá trị trung bình của lực cắt trong 10 hành trình mài. Rung động trên trục chính đo bằng gia tốc kế ba trục Triaxial DeltaTron Accelerometer với TEDS
Type 3160-B-042 (Brüel & Kjỉr, Đan Mạch).
Bảng 3.1 Thơng số kỹ thuật của máy HS Super MC500
Hạng mục Thơng số kỹ thuật MC500
Hành trình
Hành trình gia cơng trục X 500 mm
Hành trình gia cơng trục Y 400 mm
Hành trình gia cơng trục Z 300 mm
Khoảng cách từ bàn làm việc tới
trục 150 ~ 450 mm
Bàn làm
việc
Kích thước bàn làm việc 650 mm x 400 mm
Trọng lượng gia công lớn nhất của
bàn làm việc 250 kg
Rãnh trên bàn làm việc Ba rãnh chữ T rộng 14 mm, khoảng cách giữa các rãnh
là 125 mm
Tốc độ
Tốc độ quay trục chính 100 – 20000 vg/ph
Cơn lỗ trên trục chính Côn 7/24 No.30
Tốc độ di chuyển nhanh nhất (không
tải) của bàn máy (X,Y,Z) 48000 mm/ph Tốc độ di chuyển khi gia công 1 – 30000 mm/ph
Kho dao
Thay dao Turret
Loại bầu cặp BT30
Loại đinh tán MAS P30T-1
Số dao trong kho 14
Cơng cụ thu Bất kì
Thời gian thay dao 1,8 s
Cỡ máy Chiều cao máy Kích thước bao 2878 1650 mm x 2132 mm
Khối lượng máy 2000 kg
Độ chính
xác
Độ chính xác gia cơng ± 0,005/300 mm
Độ chính xác vị trí ± 0,001 mm An tồn và
sửa chữa Bảo vệ máy
Đóng mở cửa bằng tay. Máy được trang bị khóa điện từ.
Hệ điều hành FANUC series 31i(Oi) - A
Hệ thống trục
Hệ thống trục 3 trục: X, Y, Z
Các mặt có thể kiểm sốt 3 trục XYZ và 2 trục: XY,
51 Thí nghiệm được thực hiện trên trung tâm gia công cao tốc trục đứng do khi sử