Cơ chế bôi trơn làm mát và ảnh hưởng đến quá trình mài

2.4. Ảnh hưởng của dung dịch bôi trơn làm mát đến quá trình mài

2.4.2. Cơ chế bôi trơn làm mát và ảnh hưởng đến quá trình mài

Sự trượt trực tiếp của phoi trên mặt trước và phôi trên mặt sau của hạt mài là các bề mặt rắn trượt trên nhau sinh ra nhiệt và mòn khốc liệt. Hiện tượng nhiệt và mòn phụ thuộc vào tính chất cơ, lý, hố của hai bề mặt tiếp xúc. Sự hấp thụ và hình thành các lớp màng trong mơi trường khơng khí là ngun nhân giảm ma sát và mịn. Tuy nhiên khơng có gì đảm bảo cho sự tồn tại lâu dài của các lớp màng này trong quá trình phoi và phơi liên tục trượt trên hạt mài làm cho lớp màng không kịp tạo ra. Vậy chất bôi trơn – làm nguội sẽ vào vùng tiếp xúc chung giữa hai bề mặt để tạo ra các

màng chất lỏng làm giảm ma sát và mòn [14].

Lớp màng mỏng được tạo ra khi dẫn dung dịch trơn nguội trực tiếp vào vùng cắt là tác nhân tích cực làm giảm ma sát. Lớp màng tạo thành giữa hai bề mặt đối tiếp sẽ là mặt phân cách ngăn cản tiếp xúc trực tiếp giữa hai bề mặt rắn trượt trên nhau, nhờ vậy mà giữa hai bề mặt này hệ số ma sát giảm xuống (0,001- 0,003) và loại trừ mịn

[59].

Có thể thấy rằng khả năng cắt của hạt mài phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ vùng cắt.

Quá trình trao đổi nhiệt của dung dịch trơn nguội trong cắt gọt sẽ đảm bảo cho nhiệt độ vùng cắt luôn nằm trong giới hạn làm việc tốt của vật liệu hạt mài. Q trình bơi trơn làm nguội cịn có tác dụng giúp tải phoi ra khỏi vùng gia công. Các nguyên tố

42 có mặt trong dung dịch như phốt pho, lưu huỳnh, Clo là tác nhân làm tăng tính gia cơng của vật liệu.

2.4.3. Bơi trơn làm mátcó bổ sung chất bơi trơn thể rắn

2.4.3.1 Giới thiệu chung

Hạt nano được dùng làm chất phụ gia trong dầu cắt gọt để tạo thành dung dịch nano có khả năng bơi trơn và làm mát cao hơn. Dung dịch nano là một hỗn hợp bao gồm các hạt có kích thước nano (từ 1 đến 100 nm) với một chất lỏng gốc. Các hạt nano có thể là kim loại (Ag, Fe, Cu), phi kim (kim cương), cacbit (ống nano cacbon),

ô-xit (ZrO2, Al2O3, SiO2), gốm, sunphit (MoS2), hỗn hợp, ống nano cacbon một vách,

hai vách và nhiều vách (CNTs) [60]. Các hạt nano với cấu trúc phân tử khác nhau sẽ có đặc tính bơi trơn làm mát khơng giống nhau. Hạt nano dạng tấm như graphit và bo nitrit có lực liên kết van der Walls yếu giữa các lớp nên sự trượt giữa chúng xảy ra dễ dàng. Còn đối với các hạt nano dạng cầu hoặc dạng ống, hiệu ứng ổ đỡ trong đó chuyển động trượt giữa các bề mặt tiếp xúc được biến thành chuyển động lăn của hạt nano, đã giúp làm giảm ma sát trong vùng gia công.

2.4.3.2 Tấm nano graphite tách lớp (xGnP)

xGnP được sử dụng làm chất phụ gia trong dung dịch trơn nguội do nó có đặc tính bơi trơn tốt. xGnP có mạng tinh thể các nguyên tử cacbon dạng tổ ong. Nó rất mỏng nên thường được gọi là vật liệu hai chiều (Hình 2.11b). Nó có các đặc tính về ma sát và mịn đặc biệt khơng xuất hiện ở bất kỳ vật liệu nào khác. Ngồi các tính chất về cơ học, điện học và quang học đã biết, xGnP còn dẫn nhiệt rất tốt (3000 W/m.K) và

có bề mặt mịn. Đặc tính bơi trơn tốt có được là do nó có tính trơ hóa học và sự trượt

dễ dàng giữa các lớp. Cuối cùng, xGnP cịn khơng dính nước và ưa dầu nên thường được sử dụng làm chất phụ gia khi gia công cắt gọt [37].

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 công 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 tồn 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 không 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 không

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 cơng 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. Ngồi ra, khả năng bơi trơn làm mát tốtcủa bột bôi trơn thể rắnkhiến cho chất lượng gia công tăng lên so với mài ướt thông thường.