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 người mới có câu trả lời hợp lý nhưng vẫn có một số vấn đề khó khăn khác tồn đọng.
Giữa thế kỷ XX, việc sử dụng 2 loại dung dịch bôi trơn đã được phân biệt rõ rệt: dung dịch bôi trơn nhớt (hydrodynamic lubricant hay fluid film lubricant) và dung dịch bôi trơn biên dạng (boundary lubricant). Dung dịch bôi trơn nhớt có thể
là chất lỏng hoặc các loại khí có độ nhớt nhất định. Nguyên lý bôi trơn của dung dịch này là nhằm tách các bề mặt tiếp xúc bằng lớp dung dịch giữa chúng. Yêu cầu các bề mặt tiếp xúc phải có góc hội tụđể chứa dung dịch bôi trơn. Dung dịch này có
thể được sử dụng dưới dạng phun bao phủ bề mặt hoặc phun cục bộở những vùng tiếp xúc cần thiết. Dung dịch bôi trơn biên dạng (boundary) hoạt động theo nguyên lý xen kẽ dung dịch bôi trơn vào lớp bề mặt nhấp nhô của các bề mặt tiếp xúc.
Hiệu quả có tính công nghệ và có triển vọng cao, đó là phương pháp làm nguội và bôi trơn vùng cắt bằng phun chất lỏng (dạng bụi). Phương pháp này lần
đầu tiên được giới thiệu vào năm 1944 bởi Pacrvski T. И., (người Nga) [58]. Thực chất của phương pháp này là đưa chất bôi trơn và làm nguội vào vùng cắt ở dạng hỗn hợp khí-chất lỏng, bằng cách phun chất lỏng khí nén với cơ cấu chuyên dùng. Hỗn hợp khí-chất lỏng đi vào vùng cắt qua các lỗ vòi phun có đường kính từ 2 ÷ 5 mm dưới áp lực khí nén 1,2 ÷ 2 KG/cm2 với lượng tiêu hao 200 ÷ 400 G/giờ
(Minimum quantity lubrication).
Hình 1.13: Các nguyên lý làm việc của dung dịch bôi trơn
Năm 2007 Shetty cùng các đồng nghiệp ở Viện KH-CN Manipal, Karnataka,
Ấn Độđã có nghiên cứu và chứng tỏưu điểm của phương pháp bôi trơn, làm nguội sử dụng dung dịch dưới dạng hơi (steam). Phương pháp bôi trơn này đã chứng tỏ
khả năng làm giảm lực cắt, giảm hệ số ma sát, giảm độ nhấp nhô bề mặt, và đồng thời cũng giảm nhiệt cắt đáng kể. So với phương pháp sử dụng dung dịch emulsion, phương pháp này cho thấy lực cắt giảm 10 % và nhiệt cắt giảm 40 %. Kết quả này
có được nhờ quá trình thâm nhập của dung dịch bôi trơn vào bề mặt gia công dễ
hơn, nhiều hơn các phương pháp khác. Phương pháp này cũng làm giảm sự ảnh hưởng của phoi lên bề mặt chi tiết gia công và bề mặt tiếp xúc của dụng cụ cắt, từ đó cải thiện độ nhẵn bóng bề mặt chi tiết gia công và tăng tuổi bền dụng cụ cắt đáng kể. Ngoài ra, phương pháp bôi trơn này cũng góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường và giảm chi phí gia công.
Cùng thời gian này, Liao và Lin ở khoa Cơ khí trường Đại học Quốc gia Đài loan đã công bố nghiên cứu của họ về các ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội khi tối ưu hóa chếđộ cắt trong quá trình phay với tốc độ cao [35]. Kết quả cho thấy, khi chế độ cắt được xác định tối ưu sẽ làm tăng khả năng thâm nhập ôxy vào khu vực tiếp xúc giữa bề mặt chi tiết gia công và bề mặt dụng cụ cắt. Lớp ôxy này sẽ phản
ứng với các thành phần kim loại ởđó để hình thành lớp ô-xýt. Lớp ô-xýt này sẽ làm cản trở hiện tượng khuếch tán qua lại giữa vật liệu chi tiết gia công và vật liệu dụng cụ cắt và từ đó làm giảm hiện tượng lẹo dao, làm tăng tuổi bền dụng cụ cắt. Tuy nhiên, quá trình hình thành lớp ô-xýt này phụ thuộc vào vật liệu dụng cụ cắt, vật liệu chi tiết gia công và chế độ cắt. Tất nhiên, ôxy được đưa vào vùng tiếp xúc thông qua luồng dung dịch trơn nguội dưới dạng hơi/ sương.
Năm 2008, Schneider [47] cùng các cộng sự đã có báo cáo tại hội nghị ở
Tallinn, Estonia về các kết quả nghiên cứu của họ trong việc sử dụng phương pháp bôi trơn mới khi mài. Schneider đã sử dụng phương pháp cung cấp dung dịch trơn nguội tới vùng gia công từ phía bên trong của đá mài. Theo đó, dung dịch BT-LN sẽ
di chuyển qua các rãnh khí của đá mài để thực hiện quá trình bôi trơn. Kết quả của phương pháp này được chú ý qua các thông số bất ngờ của nó. Thứ nhất: phương pháp này làm giảm khối lượng dung dịch bôi trơn rất lớn (khoảng 99 %) trong lúc khối lượng dung dịch được cung cấp trực tiếp đến vùng bôi trơn lại cao hơn (khoảng 10 ÷ 20 %) so với phương pháp bôi trơn tiếp cận từ bên ngoài. Do đó làm giảm việc sử dụng dung dịch trơn nguội rất lớn. Thứ hai: nó làm tăng khả năng thoát phoi lớn hơn, do đó góp phần cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết gia công và hạn chế tốc độ mòn.dụng cụ cắt.