1.3.3.1. Yêu cầu của dung dịch bôi trơn-làm nguội
Dung dịch được sử dụng làm dung dịch BT-LN phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Có khả năng BT-LN;
- Phải là tác nhân có lợi cho máy, chi tiết, dụng cụ bảo vệ chúng không bị tác
động của môi trường, sự ôxy hoá…
- Không độc hại, đảm bảo tính kinh tế; - Không gây ô nhiễm môi trường;
- Áp suất và nhiệt độ khi cắt kim loại rất cao, do đó dung dịch cần tạo được màng dầu bôi trơn chịu áp lực và nhiệt độ cao;
- Dung dịch có khả năng xâm nhập tốt nhất vào vùng cắt, đặc biệt xâm nhập vào những vết nứt tế vi, lúc này nó đóng vai trò như một cái chêm làm giảm lực liên kết giữa các nguyên tử, khiến lớp kim loại dễ bị biến dạng dẻo và quá trình cắt dễ
dàng hơn;
- Khả năng làm lạnh của dung dịch càng lớn khi nhiệt hoá hơi, độ dẫn nhiệt và nhiệt dung của nó càng lớn, nhờ đó tuổi bền của dao tăng lên và biến dạng do nhiệt của dao giảm đi;
- Khi gia công vật liệu dẻo, dung dịch BT-LN giúp phá huỷ mạng tinh thể ở
lớp cứng nguội;
- Chất BT-LN luôn phải có xu hướng làm giảm lực cắt, giảm hệ số ma sát, giảm biến dạng phoi. Kết quả thể hiện ở việc kéo dài tuổi thọ dụng cụ cắt, giảm nhiệt tại vùng cắt, giảm chiều cao nhấp nhô bề mặt [33, 39].
1.3.3.2. Các loại dung dịch được sử dụng bôi trơn-làm nguội
Để có loại dung dịch BT-LN phù hợp với phương pháp gia công cần trộn lẫn các thành phần vào nhau với tỷ lệ hợp lý. Nồng độ của các chất tham gia phụ thuộc vào tính hòa tan của các chất thành phần và điều kiện hòa tan tương ứng. Ngoài ra, các phản ứng hóa học có thể xảy ra trong quá trình gia công (nhiệt cao) và sự hình thành các chất mới sau phản ứng cũng cần được quan tâm.
- Dung dịch thực:
Là dung dịch trong suốt, có thể có màu, bao gồm các chất vô cơ và hữu cơ tan
trong nước, thể hiện ở hình 1.8. Các chất hoà tan phân bố ngẫu nhiên trong môi trường nước, loại dung dịch này có sức căng bề mặt cao hơn nước nguyên chất, chúng được sử dụng trong làm mát hoặc làm sạch.
- Dung dịch có các ion tương tác:
Là dung dịch kiểu có ion dương và ion âm, chúng là các tác nhân tích cực tạo thành khối tích tụ trên bề mặt dung dịch, chúng tạo thành chất keo phủ lên toàn bộ
bề mặt chi tiết sau khi gia công. Loại dung dịch này có sức căng bề mặt thấp hơn nước nguyên chất. Trong dung dịch này có nhóm các phần tử hoạt động được phân bố như trên hình 1.9. Loại dung dịch này tương đối sạch và có khả năng bôi trơn tốt, nếu bổ sung thêm các chất phụ trợ như Clo, Lưu huỳnh, Phốt pho thì khả năng BT- LN sẽ tốt hơn. Tuy nhiên, các ảnh hưởng mài mòn của các nguyên tố này cũng cần
được cân nhắc trước khi đưa vào sử dụng.
Hình 1.9: Các phần tử tích tụ khối và phần tử hoà tan trong nước [50]
- Dạng Emulsion:
Là loại dung dịch có các giọt dầu nằm lơ lửng trong nước, như dầu khoáng, praffin hoặc dầu thô. Dung dịch này tạo ra bằng cách pha dầu khoáng với các tác nhân Emulsion và các chất khác để tạo các giọt dầu nhỏđến 0.08 ÷ 0.003 µm, hình 1.10.
Dung dịch có khả năng bôi trơn tốt hơn nếu bổ sung thêm các chất phụ trợ như
dầu thực vật, mỡ động vật hoặc các sản phẩm este khác. Loại này vừa có tác dụng bôi trơn vừa có tác dụng làm nguội.
Hình 1.10: Các phân tử hoà tan dưới dạng “sữa” [50]
- Dung dịch tạo thành từ các thành phần hoá học:
Dung dịch này là sự kết hợp của ba loại ở trên, nhưng có các đặc điểm khác sau đây:
Hình 1.11: Các phân tử hoà tan trong hợp chất hoá học [50]
- Lượng dầu hòa tan ít hơn từ 5 ÷ 45 % so với loại 2.
- Lượng Emulsion và các phân tử hoạt động trên trên bề mặt cao hơn so với loại 2, điều này cho ta thấy kích thước khối cầu nhỏ hơn so với loại 3. Khi dùng loại dầu này sẽ giúp quá trình tách phoi tốt, khả năng thâm nhập vùng cắt để bôi trơn làm nguội tốt.
- Dung dịch được tạo thành từ các thành phần dầu: (Hình 1.12)
Được lấy từ dầu thô, dầu thực vật, mỡ động vật, chúng có thểở thểđơn hoặc dưới dạng pha trộn. Dầu thô có nhiều nguồn khác nhau như dầu mỏ, praffin, độ
nhớt của chúng cũng khác nhau và phụ thuộc vào các thành phần pha trộn. Nếu bổ
sung thêm dầu thực vật sẽ làm tăng khả năng dính ướt của dung dịch và cải thiện khả năng bôi trơn, đặc biệt ở nhiệt độ cao. Cũng có thể cho thêm các chất như Phốt pho, Lưu huỳnh, Clo làm tăng thêm khả năng BT- LN của dung dịch.
1.4. Bôi trơn-làm nguội khi tiện cứng
Trong quá trình tiện cứng, lượng nhiệt rất lớn sinh ra từ quá trình biến dạng dẻo, ma sát giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công và ma sát giữa dụng cụ cắt và phoi, nhiệt gia công ảnh hưởng lớn đến chất lượng bề mặt chi tiết. Do vậy, quá trình BT- LN là không thể thiếu để nâng cao chất lượng chi tiết gia công. Dầu bôi trơn truyền thống đã và đang được sử dụng với mục đích làm giảm ma sát, tăng khả năng chống mài mòn trong quá trình cắt đồng thời làm tăng hiệu suất tản nhiệt trong vùng cắt khi gia công. Song, một số vấn đề nghiêm trọng đã nảy sinh đi kèm theo quá trình truyền thống này, là sự ô nhiễm môi trường, độc hại đối với công nhân, ô nhiễm nguồn nước [40]. Các vấn đề tồn tại này là động lực của các nghiên cứu sử dụng các loại dung dịch trơn nguội dễ phân hủy hoặc hạn chế tối đa lượng dung dịch sử dụng khi gia công. Một số cơ chế BT-LN thay thế đã được đầu tư nghiên cứu và bước
đầu đã chứng minh hiệu quả của chúng, như: làm nguội bằng luồng khí áp suất cao, BT-LN sử dụng dung dịch khô (solid lubricant), bôi trơn bằng luồng khí lạnh Nitrogen/CO2 và đặc biệt là MQL.
Bôi trơn bằng dung dịch khô là phương pháp phát huy tính năng bôi trơn trong
điều kiện gia công có nhiệt cao, nâng cao hiệu suất của quá trình tản nhiệt trong vùng cắt bằng cách sử dụng các loại vật liệu như Graphite và Molybdenum disulfide (MoS2) [52]. Phương pháp này thể hiện rõ ưu điểm khi sử dụng trong các quá trình cắt vận tốc cao. Điều này có nghĩa đây là phương pháp trơn nguội có ảnh hưởng lớn
đến năng suất cắt gọt. Các loại vật liệu này được sử dụng dưới dạng hạt với kích thước nhỏ đến micro/nano. Khi tiếp xúc với vùng gia công, chúng phân bố dưới
dạng lớp mỏng và thâm nhập vào khe hở giữa bề mặt chi tiết gia công và bề mặt dụng cụ cắt. Các hạt bôi trơn này đóng vai trò là yếu tố làm giảm sự tiếp xúc giữa các bề mặt này, qua đó làm giảm ma sát giữa chúng nhằm giảm nhiệt sinh ra khi gia công. Kích thước hạt lớn sẽ phát huy tác dụng với trường hợp bề mặt gia công có chiều cao nhấp nhô cao và vận tốc cắt thấp; kích thước hạt nhỏ được sử dụng trong các trường hợp ngược lại.
Sử dụng phương pháp làm nguội bằng Nitrogen/CO2 lỏng chủ yếu làm giảm nhiệt gia công và thường phát huy tác dụng khi cắt gọt các loại vật liệu khó gia công. Bằng việc sử dụng các vòi phun đặc chủng [43], có kích thước lỗ phun nhỏ
(micrometters) quá trình làm nguội đã được cải thiện đáng kể. Tuy nhiên, khả năng bôi trơn của phương pháp này hầu như không có. Đặc tính nổi trội của công nghệ
làm nguội bằng Nitrogen lạnh là khả năng xâm nhập của luồng khí lạnh vào khu vực gia công sau đó tác động làm khuếch tán nhiệt ở vùng này ra ngoài. Vì độ nhớt của không khí nhỏ hơn rất nhiều so với dung dịch bôi trơn lỏng, nên chúng có thể
xâm nhập vào các khe hở rất nhỏ giữa bề mặt chi tiết và bề mặt dụng cụ cắt. Đây là
đặc điểm ưu việt được vận dụng MQL vào quá trình tiện cứng.
MQL là phương pháp bôi trơn sử dụng lượng dung dịch trơn nguội ít nhất (khoảng 100 ml/giờ hoặc nhỏ hơn) mà vẫn đảm bảo chức năng bôi trơn và làm nguội khi gia công. Phương pháp BT-LN này tác động theo cơ chế BT-LN biên dạng, làm giảm chi phí gia công đáng kể, an toàn và có lợi cho sức khỏe con người, thân thiện với môi trường. Có thể nói đây là phương pháp BT-LN phát huy được những ưu điểm của các phương pháp bôi trơn khác đồng thời khắc phục các nhược
điểm về mặt công nghệ của chúng. Trong trường hợp này, sử dụng các loại dầu thực vật sẽ càng phát huy tác dụng hơn là sử dụng các loại dầu mỏ. Đó cũng là động lực
để một lần nữa tác giả tiến hành đánh giá, nghiên cứu các ảnh hưởng của việc sử
dụng loại dầu lạc ở Việt nam đối với quá trình tiện cứng bằng phương pháp MQL. Sử dụng phương pháp này cho thấy những ưu điểm riêng biệt của nó. Khi tiện, phoi hình thành ở dạng mảnh nhỏ, lượng dung dịch xâm nhập vào vùng cắt được cải
thiện, do đó làm tăng tuổi bền dụng cụ cắt, giảm lực cắt và bề mặt chi tiết gia công
được cải thiện đáng kể.
1.5. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
1.5.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
1.5.1.1. Nghiên cứu về tiện cứng
Từ những năm 1980, công nghệ tiện cứng đã được ứng dụng vào quá trình gia công tinh bề mặt chi tiết của một số cơ cấu máy trong lĩnh vực ô tô máy kéo, một số
bộ phận của máy bay và khuôn mẫu. Công nghệ tiện cứng sau đó được áp dụng rộng rãi hơn trong lĩnh vực chế tạo máy vì những ưu điểm nhất định của nó, như: dễ đáp ứng với những chi tiết có biên dạng gia công phức tạp, có thể gia công được nhiều dạng chi tiết khác nhau, tiến hành được nhiều bước gia công trên cùng 1 lần gá, tốc độ bóc phá kim loại nhanh có thể sử dụng hiệu quả trên máy tiện CNC cũng như các máy tiện vạn năng. Phoi gia công dễ xử lý và giảm khối lượng chất bôi trơn làm nguội hơn so với các phương pháp gia công khác. Bên cạnh đó, trước khi áp dụng phương pháp tiện cứng, người sử dụng cần chú ý, cân nhắc đến một số vấn đề
tồn tại của nó. Một trong những yếu tố cần phải cân nhắc là giá thành dụng cụ cắt cao. Hơn nữa, cũng như tiện truyền thống, phương pháp tiện cứng không thể thực hiện với một số kích thước và hình dáng của chi tiết gia công. Khi tiến hành tiện cứng, hệ thống công nghệđòi hỏi có độ cứng vững và ổn định cao. Một vấn cần đặc biệt cân nhắc và hoạch định là phương thức BT-LN khi tiện cứng. Ví dụ, nên áp dụng phương thức tiện khô đối với các quá trình gia công có lực cắt không liên tục vì sự thay đổi nhiệt đột ngột sẽ làm lưỡi cắt bị sứt mẻ tế vi dẫn đến các ảnh hưởng kèm theo hiện tượng này sự biến đổi của lực cắt, chiều cao nhấp nhô bề mặt. Đây là một trong những yếu tố có thểđược khắc phục bằng phương pháp MQL được trình bày trong đề tài này. Mặt khác, khi lực cắt liên tục, nhiệt sinh ra ở đầu lưỡi cắt có thể làm thường hóa vùng lân cận vùng cắt do đó tính cắt của vật liệu được cải thiện. Trong trường hợp này, tăng vận tốc cắt thích hợp sẽ làm tăng hiệu quả quá trình cắt.
Ngoài ra, tiện cứng cũng không thể loại bỏđược các tồn tại khác như tiện thường: các sự cố đi kèm hiện tượng lẹo dao và hiện tượng xuất hiện lớp bề mặt hư hỏng trên chi tiết gia công. Các hiện tượng sinh ra trong quá trình tiện cứng đã đặt ra cho các nhà nghiên cứu về lĩnh vực này nhiểu câu hỏi lớn. Điều đó đã khiến nhiều nhà khoa học đầu tư công sức và cơ sở vật chất tập trung vào nghiên cứu các hiện tượng này nhằm phát huy những ưu điểm và hạn chế tối đa các nhược điểm của quá trình tiện cứng.
Cho đến nay, đã có nhiều nhà khoa học công bố kết quả nghiên cứu về công nghệ tiện cứng, tuy nhiên số lượng thành công còn hạn chế. Các nghiên cứu tập trung vào một số lĩnh vực như thông số hình học của dụng cụ cắt, thông số chếđộ
cắt khi tiện, các hiện tượng xảy ra trong quá trình tiện cứng và các cơ chế bôi trơn
đặc trưng cho quá trình tiện cứng.
Dựa theo các kết quả cơ bản từ công trình của Nakayama và các đồng nghiệp (1988), một số vấn đề quan trọng khác được tiếp tục nghiên cứu và làm rõ. Một số
nghiên cứu tập trung vào chứng minh và so sánh các yếu tố ảnh hưởng đến hình dạng và cơ chế hình thành phoi, ảnh hưởng của các yếu tố chếđộ cắt và vật liệu gia công, vật liệu dụng cụ cắt. Một trong những nghiên cứu tiếp theo có đóng góp rất lớn đến lĩnh vực này là công trình của Tonshoff và các đồng nghiệp (1990). Được xem là công trình tiêu điểm nổi bật được đăng trên tạp chí CIRP Annals- Manufacturing Technology. Ởđây, Tonshoff đã thống kê tổng hợp lịch sử quá trình gia công vật liệu cứng từ thời điểm sơ khai đến lúc bấy giờ, sau đó phân tích và đề
xuất các kết luận bổ ích cho các nghiên cứu tiếp theo. Chẳng hạn, biểu đồ kéo-nén của thép cứng được hầu như có quan hệ đường thẳng đến giai đoạn đứt gãy, giai
đoạn biến dạng dẻo gần như bị bỏ qua. Ngoài ra, ông còn khám phá ra một vấn đề
bổ ích đó là hiện tượng tự hấp thụ (self-induced) nhiệt khi gia công. Hiện tượng này xuất hiện khi hệ số khuếch tán nhiệt của vật liệu gia công và của vật liệu dụng cụ
cắt thấp do đó nhiệt cắt tập trung xung quanh vùng cắt, gây nên hiện tượng biến dạng dẻo của vật liệu gia công trong vùng cắt.
Liao và các cộng sự (2007) đã áp dụng phương pháp MQL vào quá trình phay cứng và đã đạt được những kết quả ngoài mong muốn [35, 36]. Nhóm nghiên cứu này đã đưa ra những giả thuyết bổ ích, mang tính tiền đề nhằm chứng minh các hiện tượng xảy ra trong quá trình gia công sử dụng công nghệ MQL.
Năm 2011, Jiang và Malshe [31] đã công bố kết quả nghiên cứu của họ về việc sử dụng dao tiện vật liệu CBN trong quá trình tiện. Kết quả nghiên cứu của họ đã khẳng định tính ưu việt của vật liệu CBN với vai trò dụng cụ cắt trong quá trình gia công. Tác giả đã chứng minh những cải tiến nổi trội của loại vật liệu dụng cụ cắt CBN-TiN. Vật liệu này có thể làm tăng khả năng ảnh hưởng của quá trình BT-LN lên đến 30 %, đồng thời làm giảm hiện tượng lẹo dao đáng kể, qua đó không những kéo dài tuổi thọ của dụng cụ cắt mà còn cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết gia công..
1.5.1.2. Nghiên cứu về bôi trơn-làm nguội
Tài liệu đầu tiên nói về tác dụng của dung dịch BT-LN là tác giả Northcott vào năm 1868 [50] ông đã khẳng định tác dụng của dung dịch trơn nguội trong việc nâng cao chất lượng bề mặt các chi tiết máy sau đó ý tưởng này được phát triển liên tục và đều đặn. Năm 1881 một công nhân kỳ cựu Mallock viết: “Dung dịch trơn nguội nhưđã làm giảm ma sát giữa bề mặt dụng cụ cắt và bề mặt chi tiết gia công nhưng rất khó để biết những gì xẩy ra ở đó”. Phải sau 45 năm nghiên cứu thì loài