Dựa vào cơ sở lý thuyết trên, có thể thấy phoi khi mài hợp kim Titan thường mỏng
và có dạng răng cưa, giống với phoi tiện hay phay mặc dù có hình dáng và kích cỡ
khác biệt do sự khác nhau về hình dạng lưỡi cắt và chiều sâu cắt (Hình 1.15). Nhiệt độ cao khi mài hợp kim Titan gây ra nhiều khuyết tật nhiệt cho bề mặt gia cơng như vết cháy, vết nứt, bám dính, biến đổi tính chất lý hóa lớp bề mặt, gây ra ứng suất dư kéo và giảm độ bền mỏi của vật liệu. Nhiệt cắt còn khiến tải trên đá và mòn đá tăng nhanh. Hạt mài bị mòn và chịu tải lớn sẽ làm tăng lực mài và gây ra nhiều vấn đề về nhiệt hơn. Tuy nhiên, khi gia cơng bằng đá mài cBN thì nhiệt độ thấp hơn do nó có
tính dẫn nhiệt tốt khiến cho các khuyết tật nhiệt giảm đi ([28], [32]). Hạt mài cBN có độ cứng cao và độ bền nhiệt tốt. Khi độ cứng của vật liệu tăng lên thì độ dai sẽ giảm xuống nên đá mài cBN có độ bền mỏi thấp, khả năng chịu va đập kém và hay bị sứt mẻ bề mặt khi gia công. Như đã biết, lực cắt khi mài hợp kim Titan lớn do vật liệu
này có độ bền cao và ứng suất hóa cứng cao. Lực cắtkhi dùng đá mài cBN nhỏ hơn các đá mài thông thường do hạt mài này có lưỡi cắt sắc hơn và góc trước nhỏ hơn ([28], [32]). Bên cạnh đó, lực cắt cũng tăng khi diện tích mịn phẳng của đá mài tăng.
41
silic khiến lực cắt giảm. Tuy nhiên, quan sát bằng SEM cho thấy hạt mài cBN cũng
bị mòn phẳng do nó có xu hướng phản ứng hóa học với hợp kim Titan (Hình 2.6). Chính bởi vậy, hiệu suất khi mài vật liệu Titan của đá mài cBN thấphơn đá mài kim cương. Ứng suất dư khi mài vật liệu Titan bao gồm: (1) Ứng suất kéo do nhiệt mài, (2) Ứng suất kéo do hoạt động cắt của hạt mài và (3) Ứng suất nén do hoạt động đánh bóng của hạt mài. Mài bằng cBN có ứng suất dư kéo thấp do nhiệt độ vùng mài thấp
[26].
2.4. Ảnh hưởng của dung dịch bơi trơn làm mát đến q trình mài 2.4.1. Yêu cầu của dung dịch bơi trơn làm mát
- Có tác dụng bơi trơn, giảm ma sát tốt. Ứng với từng vật liệu gia công, vật liệu
làm dao và điều kiện cắt cụ thể phải có chất bơi trơn phù hợp, cho hệ số ma sát nhỏ. - Có tác dụng làm nguội tốt. Dung dịch trơn nguội phải có độ dẫn nhiệt và tỉ nhiệt
cao. Tuỳ từng trường hợp cụ thể mà dùng tác dụng bôi trơn là chủ yếu, làm nguội là thứ yếu và ngược lại.
- Không bị phân huỷ dưới tác động của nhiệt độ cao, sử dụng được lâu dài. - Phải là tác nhân có lợi cho máy, chi tiết, dụng cụ, bảo vệ chúng không bị tác động
của môi trường như gỉ sét, ơxy hố,...
- Không gây độc hại cho công nhân và không gây ô nhiễm mơi trường.
- Đảm bảo tính kinh tế, dễ tìm, giá cả phù hợp.
- Áp suất và nhiệt độ khi cắt kim loại rất cao, do đó dung dịch cần tạo được màng dầu bôi trơn chịu được áp lực và nhiệt độ cao [11].
2.4.2. Cơ chếbôi 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].