của quá trình tiện cứng
2.2.1. Ảnh hưởng đến mòn và tuổi bền dụng cụ cắt
Trong quá trình gia công cắt gọt (nhất là trong quá trình hình thành phoi liên tục), mòn dụng cụ cắt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: mài mòn cơ học, mòn do bám dính, mòn do sự khuếch tán, ăn mòn hóa học, hoạt động điện tích trên bề mặt gia công, vật liệu dụng cụ và điều kiện gia công. Dụng cụ cắt thường hỏng sớm do biến dạng dẻo dưới những điều kiện có hại gây ra bởi áp suất lớn, nhiệt độ và tải trọng động học tại đầu dụng cụ cắt, nếu vật liệu dao thiếu độ bền và độ cứng nóng.
Những khảo sát cho thấy rằng dao hỏng chủ yếu do mòn. Các dạng hình học của mòn dao khi tiện được biểu diễn trên hình 2.3. Một dạng mòn dụng cụ quan trọng là mòn mặt sau chính và mặt sau phụ, nó chi phối chất lượng bề mặt cũng như độ chính xác kích thước. Mòn mặt sau dẫn đến chất lượng bề mặt xấu và độ chính xác kích thước không đảm bảo.
Khi tiện cứng do góc giữa dao và phoi rất bé [23], khi không có BT-LN phoi chuyển động tự do trên mặt trước của dao nên nhiệt cắt tăng nhanh, hiện tượng mòn xẫy ra khốc liệt, khi được MQL do tác dụng của áp lực dòng khí các hạt dung dịch dạng hơi sương đi vào vùng cắt, các đệm khí liên tục được sinh ra nó có tác dụng tạo màng ngăn sự tiếp xúc giữa các bề mặt gia công, nâng cánh phoi trên mặt trước
để giảm chiều dài tiếp xúc của các vùng ma sát (vùng trượt, vùng dính và vùng chuyển tiếp) giảm ma sát, giảm nhiệt cắt, giảm mòn dụng cụ cắt.
KB. Mòn mặt trước trung bình KM. Mòn mặt trước tối đa KT. Chiều sâu mòn mặt trước VM. Mòn mặt sau chính tối đa
VN. Mòn lõm sau chính VSM. Mòn mặt sau phụ tối đa
Sự phát triển của mòn mặt sau phụ trung bình Vs với thời gian gia công dưới
điều kiện gia công khô và MQL được biểu diễn trên hình 2.4b. Sự phát triển của Vs phù hợp với Vb. Gia công sử dụng MQL làm giảm mòn Vs và cho chất lượng bề mặt cùng với độ chính xác kích thước cao hơn. Những hình ảnh SEM về mòn của mảnh hợp kim khi cắt khoảng 45 phút được biểu diễn trên hình 2.5, trong môi trường khô và MQL, các vết mài mòn đánh dấu xuất hiện trên mặt sau. Kiểm tra các vết lõm chỉ ra được độ sâu của các vết xước phía sau của phoi trên mặt nghiêng của dụng cụ. Có một vài dấu hiệu về mòn bám dính trên mảnh hợp kim. Một số biến dạng dẻo và các vết nứt tế vi xảy ra khi gia công khô. Mòn rãnh nghiêm trọng và mòn khía được tìm thấy ở mặt sau của mảnh hợp kim dưới điều kiện gia công khô.
a. Mòn mặt sau chính Vb b. Mòn mặt sau phụ Vs
Hình 2.4: Sự thay đổi mòn mặt sau của dao khi cắt khô và cắt có sử dụng MQL [32]
Mòn khía trên lưỡi cắt chính là dạng mòn chính vì sự oxi hóa và mòn hóa học,
độ dốc áp lực nhiệt cũng rất cao. Mòn khía trên lưỡi cắt phụ cũng phát triển chủ yếu vì những tác động của nó với phoi và phôi. Điều khiển nhiệt hiệu quả bằng MQL dùng dầu thực vật làm giảm sự mài mòn khía và mài mòn rãnh trên lưỡi cắt chính.
Nó cũng có thể làm giảm mòn khía lưỡi cắt phụ, hình 2.5 thể hiện rõ sự giảm mòn mặt sau, mòn mặt sau phụ trung bình và mòn lõm dưới điều kiện gia công MQL dùng dầu thực vật. Như đã trình bày ở trên, khi bề mặt phoi-dao được MQL, công ma sát chuyển thành nhiệt sẽ ít hơn và do đó lớp kim loại ở mặt sau của phoi ít bị biến dạng dẻo do nhiệt, như vậy sẽ làm giảm sự kết dính giữa 2 bề mặt này. Đây
là đặc tính cơ bản và riêng biệt làm hạn chế hiện tượng mòn và lẹo dao khi gia công có sử dụng MQL. Khi thời gian gia công càng dài thì sự ảnh hưởng của phương pháp MQL đến sự làm giảm lẹo dao càng rõ rệt và chiếm ưu thế.
Ngoài ra, khi sử dụng công nghệ MQL trong quá trình gia công vật liệu cứng, lớp ôxít bảo vệđược tạo ra trên bề mặt dụng cụ cắt nhờ sự gia tăng thâm nhập oxy trong vùng cắt. Song đây cũng là yếu tố tạo cơ hội cho hiện tượng lẹo dao sau lưỡi cắt hình thành. Liao và Lin [36] cũng cho rằng, việc sử dụng các loại dầu bôi trơn dễ phân hủy có chứa ester thì lượng ôxít nói trên sẽ được hình thành nhiều hơn so với các loại dầu thực vật. Ngoài ra, hiện tượng lẹo dao cũng chịu ảnh hưởng của sự
khuếch tán các nguyên tố Ni và Fe từ chi tiết gia công vào bề mặt dụng cụ cắt. Một khi các nguyên tố này khuếch tán vào bề mặt dụng cụ cắt, nó sẽ làm tăng khả năng xuất hiện lẹo dao hơn. Do đó, việc lớp ôxít được hình thành trong quá trình MQL sẽ
làm giảm hiện tượng lẹo dao trong quá trình cắt.
a. Gia công khô b. MQL dùng dầu thực vật
Hình 2.5: Ảnh SEM mòn của dao hợp kim sau 45 phút cắt khô và cắt có sử dụng MQL [32]
Khi dụng cụ cắt bị mòn sẽ làm cho một số thông số hình học của dao thay đổi như bán kính mũi dao tăng lên, các góc của dao bị thay đổi, khả năng thâm nhập vào vùng cắt khó, lực cắt tăng lên là một trong những nguyên nhân gây ra sự tăng nhiệt cắt. Nếu dao bị mòn nhiều thì hiện tượng trượt xảy ra, nhiệt cắt tăng rất nhanh. Nghiên cứu mối liên hệ giữa mòn dao và nhiệt cắt thì thấy rằng khi dao bị mòn theo
mặt trước thì nhiệt cắt tăng lên không bằng khi dao bị mòn theo mặt sau vì các thông số hình học của dụng cụ cắt khi đó thay đổi ít. Trong quá trình cắt thì vùng mòn xuất phát từ mũi dao phát triển dần ra theo vị trí tiếp xúc giữa dao và phoi. Dụng cụ cắt bị mòn do nhiều nguyên nhân như: mòn do ma sát giữa phoi và mặt trước của dao, giữa mặt sau của dao với chi tiết gia công, mòn do dính, ôxy hoá. Nhưng trong đó mòn do nhiệt là lớn nhất. Trường nhiệt sinh ra trong vùng cắt tập trung lớn nhất ngay sát mũi dao.
Qua các nghiên cứu đều thấy rằng tuổi bền của dụng cụ cắt tỷ lệ thuận với lượng mòn của dao và tỷ lệ nghịch với vận tốc cắt cũng như nhiệt cắt.
2.2.2. Ảnh hưởng đến nhiệt cắt
Trong quá trình tiện, nhiệt sinh ra chủ yếu do công chuyển từ hiện tượng biến dạng dẻo trong quá trình hình thành phoi gia công, ma sát giữa dao và chi tiết gia công, ma sát giữa bề mặt tiếp xúc phoi và mặt trước của dao. Khi không sử dụng các biện pháp trơn nguội, hầu hết nhiệt sinh ra được tồn đọng trong phoi gia công, một số khác truyền vào dụng cụ cắt và chi tiết gia công. Lượng nhiệt truyền vào chi tiết gia công sẽ gây nên các hư hỏng lớp bề mặt. Phần khuếch tán vào dụng cụ cắt sẽ
gây nên các hiện tượng lẹo dao, các hư hỏng nhiệt (biến dạng dẻo, các phản ứng hóa học xảy ra kèm theo), các hư hỏng cơ khí (mài mòn, mỏi, nứt tế vi). Các hư hỏng hình thành trên dụng cụ cắt sẽ gây nên các dạng hư hỏng liên quan trên bề mặt chi tiết gia công. Do vậy, các biện pháp làm giảm nhiệt gia công sẽ có ảnh hưởng lớn
đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công và tuổi bền dụng cụ cắt.
Nhiệt cắt trong quá trình tiện cứng sử dụng dao cắt CBN để tiện khô có thể lên
đến 950oC. Nhiệt gia công càng cao khi gia công chi tiết có độ cứng càng cao. Khi sử dụng các giá trị chếđộ cắt càng cao thì nhiệt sinh ra càng lớn. Nhiệt cắt chịu ảnh hưởng rất lớn bởi vận tốc cắt và ít chịu ảnh hưởng của bước tiến dao và chiều sâu cắt. Sử dụng các phương pháp BT-LN khác nhau với các dung dịch khác nhau nhằm hạn chế các ảnh hưởng ngoài mong muốn này khi gia công.
Li và Liang [39] đã thực hiện quá trình đo nhiệt cắt trong quá trình tiện cứng sử dụng dao cắt Carbide. Điểm đo nhiệt được thực hiện tại phía dưới lưỡi cắt. Kết
quả cho thấy các phương pháp BT-LN khác nhau, có ảnh hưởng khác nhau đến giá trị nhiệt cắt, song chúng đều có cùng chung một chu trình quan hệ theo thời gian cắt và vận tốc cắt. Nhiệt cắt sinh ra khi bôi trơn tối thiểu xấp xỉ bằng nhiệt cắt khi bôi trơn tưới tràn trong khi đó nhiệt cắt khi tiện khô lại quá cao. Điều này cho thấy sự ảnh hưởng của phương pháp bôi trơn tối thiểu đến khả làm nguội khi gia công tương đương với quá trình bôi trơn tưới tràn. Ở đây, nhiệt cắt tăng nhanh khi tăng vận tốc cắt từ 100 đến 200 m/phút nhưng khi vận tốc cắt cao hơn thì nhiệt cắt tăng không đáng kể. Nhiệt cắt cũng tăng nhanh trong khoảng thời gian cắt trước 1 phút, thời gian sau đó (đến 10 phút) nhiệt cắt tăng chậm và tỷ lệ với thời gian.
Hình 2.6: Các vùng sinh nhiệt chủ yếu khi tiện [48]
Để khẳng định các ảnh hưởng của quá trình MQL đến nhiệt cắt, Khan và Dhar [33] đã kiểm tra các đặc tính của phoi hình thành trong quá trình tiện. Kết quả cho thấy những dấu hiệu liên quan đến khả năng BT-LN của phương pháp bôi trơn tối thiểu so với các phương pháp khác. Hệ số co rút phoi ít hơn, bề mặt sau của phoi bóng và nhẵn hơn trong quá trình tiện sử dụng MQL. Điều đó khẳng định một lượng dung dịch trơn nguội đáng kể đã xuất hiện giữa vùng tiếp xúc dao-phoi và phát huy tác dụng của chúng ở đó. Khi hệ số co rút của phoi ít hơn, sự chuyển biến thành nhiệt từ quá trình biến dạng dẻo sẽ ít hơn do đó nhiệt cắt sẽ giảm. Mặt khác, khi bề mặt phoi-dao được bôi trơn, phoi sẽ chuyển động có lực ma sát nhỏ hơn, diện tích tiếp xúc ít hơn và sẽ càng ít làm tăng nhiệt cắt hơn.
2.2.3. Ảnh hưởng đến lực cắt
Nhưđã trình bày ở các phần trước, trong quá trình cắt, sự xuất hiện của dung dịch trơn nguội làm giảm ma sát giữa bề mặt chi tiết gia công với mặt sau của dao và mặt trước của dao với phoi, do đó làm giảm nhiệt cắt, giảm hiện tượng lẹo dao và hiển nhiên các yếu tố này cùng ảnh hưởng đến việc làm giảm lực cắt trong quá trình gia công. Thử nghiệm với nhiều phương pháp trơn nguội khác nhau khi tiện cứng, Li và Liang [39] đã công bố kết quả thực nghiệm khẳng định vai trò quan trọng này của quá trình MQL. Qua đó, lực cắt đều có mối quan hệ mật thiết với vận tốc cắt. Trong tất cả các điều kiện gia công, vận tốc cắt càng cao (từ 90 đến 230 m/phút) thì lực cắt đều càng giảm. Lực cắt trong các điều kiện cắt có bôi trơn đều có giá trị thấp hơn, thể hiện tính ổn định của ảnh hưởng dung dịch trơn nguội khi lực cắt thay đổi. Mặt khác, lực cắt khi tiện cứng cũng thay đổi theo thời gian cắt, lực cắt tăng dần theo thời gian. Tuy nhiên, đối với quá trình cắt có BT-LN, lực cắt tăng chậm hơn rất nhiều. Điều này khẳng định yếu tố tuổi bền của dụng cụ cắt đã được cải thiện rõ rệt dưới ảnh hưởng của quá trình BT-LN khi gia công.
Áp dụng quá trình MQL vào quá trình tiện cứng với các thông số gia công khác nhau, Varadarajan và các đồng nghiệp [57] cũng đã khẳng định lực cắt khi gia công giảm đi đáng kể so với quá trình tiện không sử dụng dung dịch BT-LN hoặc sử dụng dung dịch trơn nguội tưới tràn. Một trong những yếu tố có ảnh hưởng đến lực cắt khi gia công là chiều dài tiếp xúc giữa phoi và dao. Phương pháp MQL cho thấy chiều dài tiếp xúc này ngắn hơn so với hai phương pháp gia công kia. Điều này
được giải thích thông qua sự thâm nhập tốt hơn của chất trơn nguội vào ngay cả
những rãnh răng cưa khi phoi cắt vừa được hình thành. Sở dĩ nguyên lý thâm nhập này được hình thành là vì dung dịch MQL có độ nhớt thấp hơn rất nhiều, do đó chúng có thể thâm nhập vào những khu vực có khe hở bé hơn. Đây là quá trình không thể xảy ra khi thực hiện bôi trơn bằng các phương pháp khác. Trong khi đó, Singh và Rao [52] đã tiến hành thực nghiệm với quá trình tiện cứng bằng phương pháp bôi trơn khô sử dụng chất Molybdenum disulphide (MoS2), khẳng định tác dụng của chúng đến sự làm giảm lực cắt đáng kể khi gia công. Lực cắt giảm mạnh
khi sử dụng dung dịch lên đến 2 gm/phút nhưng sau đó lực cắt hầu như không thay
đổi khi tăng lưu lượng dung dịch bôi trơn lên đến 10 gm/phút. Điều này có thể giải thích rằng lực cắt chỉ thay đổi khi lượng dung dịch xâm nhập vừa đủ vào khu vực tiếp xúc, việc gia tăng lưu lượng dung dịch không làm tăng quá trình thâm nhập vào vùng tiếp xúc đã bảo hòa.
2.2.4. Ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công
2.2.4.1. Ảnh hưởng đến chiều cao nhấp nhô bề mặt
Trong quá trình tiện thường, hiện tượng lẹo dao được hình thành và mất đi là ngẫu nhiên trong quá trình cắt. Tuy nhiên, đối với quá trình tiện cứng, hiện tượng này hầu như xuất hiện theo một số cơ chế nhất định [44]. Ban đầu, quá trình biến dạng dẻo xuất hiện sau đó dần dần mài mòn và đẩy lùi lưỡi cắt lui về phía sau và hình thành các hiện tượng lẹo dao.
Lẹo dao là nguyên nhân cơ bản gây ảnh hưởng lớn đến chiều cao nhấp nhô bề
mặt khi gia công nói chung và khi tiện cứng nói riêng. Trong quá trình tiện cứng, mối quan hệ này đã được Penalva và các đồng nghiệp [44] khẳng định bằng việc đối chứng sự trùng khớp giữa profile của chiều cao nhấp nhô bề mặt với profile của lưỡi cắt trong các điều kiện cắt khác nhau. Ngoài ra, Chou và Song [19] khẳng định bán kính mũi dao có ảnh hưởng lớn đến chiều cao nhấp nhô bề mặt chi tiết khi tiện cứng. Mũi dao có bán kính lớn chỉ có tác dụng làm giảm chiều cao nhấp nhô bề mặt chi tiết gia công khi hiện tượng lẹo dao chưa xuất hiện. Song nó lại tạo điều kiện cho các hiện tượng lẹo dao hình thành nhiều và nhanh hơn khi sử dụng các loại dao có bán kính mũi dao nhỏ hơn. Đây là một trong các yếu tố cần được cân nhắc khi thực hiện quá trình tiện cứng.
Đánh giá ảnh hưởng của các phương pháp BT-LN đến chiều cao nhấp nhô bề
mặt khi gia công bề mặt vật liệu cứng, Liao và các đồng nghiệp [36] đã công bố kết quả thực nghiệm chứng minh khả năng ảnh hưởng của phương pháp MQL đến sự
làm giảm chiều cao nhấp nhô bề mặt khi gia công. Khi gia công bề mặt không liên tục, vận tốc cắt càng cao thì phương pháp MQL càng thể hiện tính ưu việt của nó. Lý do cơ bản giải thích cho quá trình ảnh hưởng này là khả năng làm giảm các vết
nứt tại lưỡi cắt do đoản nhiệt khi gia công. Rõ ràng, khi gia công bề mặt không liên tục, nhiệt sẽ tăng mỗi khi lưỡi cắt tham gia cắt gọt và nhiệt cắt sẽ giảm sau khi lưỡi cắt rời bề mặt chi tiết gia công. Do vậy, việc sử dụng quá trình BT-LN theo hình thức tưới tràn sẽ càng làm tăng sự chênh lệch nhiệt ở đây và làm tăng các vết nứt
đoản nhiệt tại lưỡi cắt dẫn đến làm tăng chiều cao nhấp nhô bề mặt chi tiết gia công.
Để xác định được ảnh hưởng của MQL tới chiều cao nhấp nhô bề mặt ta dùng phương pháp so sánh. Đó là nghiên cứu ảnh hưởng của các công nghệ BT-LN tới