Hiệu quả của MQL phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp, vị trí, góc bố trí vòi phun dung dịch vào vùng cắt. Ngoài những yêu cầu về không gian làm việc, không gian và kết cấu của máy, khả năng điều chỉnh của bản thân thiết bị MQL, vòi phun nên bố trí có vị trí tương quan với dụng cụ cắt và
phôi sao cho thích hợp để hiệu quả BT-LN là cao nhất. Vì vậy: cần nghiên cứu các góc độ bố trí vòi phun hợp lý .
Trong giới hạn của đề tài không thể xét hết các góc độ cụ thể của các phương pháp gia công mà chỉđưa ra các mô hình điển hình.
a. Phun vào mặt trước của dao
Theo phương pháp này dung dịch được
phun vào mặt trước của dao và mặt sau của phoi theo phương vuông góc với bề mặt gia công hình 2.8.
- Ưu điểm:
+ Áp lực khí khi đủ lớn sẽ nâng cánh phoi lên, kết hợp với việc phôi quay như
vậy sẽđưa dung dịch vào vùng cắt;
+ Không gian bố trí vòi phun dễ dàng. - Nhược điểm:
+ Nếu áp lực khí không đủ lớn thì khả năng bôi trơn không tối ưu; + Khả năng nâng phoi sẽ không tốt trong trường hợp chiều dày phoi lớn. - Trong bôi trơn tối thiểu cần chú ý cách phun này.
Khi MQL áp lực dòng khí nén sẽ nâng cánh phoi lên, đồng thời đẩy dung dịch vào vùng ma sát giữa mặt trước của dao với phoi, lúc này phoi trượt trên mặt trước của dao làm giảm sự tiếp xúc của mặt trước của dao với mặt sau của phoi, giảm
được ma sát, giảm nhiệt, giảm mòn dụng cụ cắt [50].
Hình 2.8: Phun vào mặt trước của dao
b. Phun vào mặt sau của dao
Khi phun dung dịch vào mặt sau của dao khi đó áp lực dòng khí sẽđẩy toàn bộ
dung dịch vào vùng ma sát giữa mặt sau của dao với bề mặt đã gia công đồng thời phoi trượt trên mặt trước sẽ mang dung dịch theo bôi trơn và làm nguội vùng mặt trước dao hình 2.9.
- Ưu điểm:
+ Hiệu suất tưới cao;
+ Bôi trơn được cả vùng ma sát ở mặt sau, vùng tạo phoi và mặt trước của dao.
- Nhược điểm:
+ Không gian bố trí vòi phun và hiệu chỉnh vòi phun khó khăn;
+ Dòng khí sẽđẩy phoi theo chiều không mong muốn.
Khi thực hiện thí nghiệm sẽ chọn cách bố trí vòi phun theo hình 2.9, vì bố trí vòi phun theo phương pháp này vừa nâng cao hiệu quả qúa trình phun, hạn chế được vùng ma sát gữa mặt sau của dao và phôi và mặt trước của dao với phoi góp phần giảm nhiệt cắt, giảm mòn mặt sau của dụng cụ cắt [50], nâng cao hiệu quả MQL.
2.3.3. Ảnh hưởng của khoảng cách vòi phun dến mòn dụng cụ cắt
Áp suất đầu ra P sẽ nằm trong 1 khoảng giá trị hợp lý nhất sao cho vừa thoả
mãn độ lớn của áp suất và độ lớn của khoảng cách giữa đầu phun và vùng cắt. Nếu khoảng cách từ đầu phun đến vùng cắt xa sẽ tổn thất áp suất, ảnh hưởng đến việc
đưa dung dịch vào vùng cắt, ảnh hưởng đến mòn dụng cụ cắt, nếu khoảng cách gần quá sẽ khó thao tác lắp đặt vì vậy ta nên chọn theo bảng 2.1:
Dưới đây ta sẽ khảo sát một số khoảng giá trị của P ứng với các giá trị đường kính d2: Zmin và Zmax tương ứng với các giá trị áp suất lớn nhất và nhỏ nhất trong vùng áp suất tối ưu. Dựa vào bảng 2.1 ta có nhận xét :
Hình 2.9: Phun vào mặt sau của dao
Bảng 2.1: Các thông số của đầu phun Pn (bar) P1 ≤ P ≤ P2 (bar) d1 (mm) d2 (mm) Zmin (mm) Zmax (mm) 0,6 6,6667 10,1833 0,8 5 7,6375 1 4 6,11 10 (bar) 2 ≤ P ≤ 7 (bar) 4 1,5 3,3333 5,0917
- Khi độ chênh lệch áp suất giữa P1 và P2 càng nhỏ thì khoảng điều chỉnh Z sẽ
càng lớn. Do đó sẽ có lợi cho quá trình điều chỉnh khoảng cách giữa đầu phun với phôi gia công.
- Tuy nhiên khoảng điều chỉnh này cũng cần có 1 giới hạn Zmin.Vì khoảng cách Z càng nhỏ sẽ rất khó cho việc điều chỉnh.
Trong bảng 2.1 ta thấy ứng với giá trị Pn = 10 bar; d1 = 4 mm; d2 = 1 mm thoả
mãn tốt nhất được các yêu cầu vừa nêu. Vậy ta chọn d2 = 1 mm, Z = 6 mm Dao nct Z Vòi phun Hình 2.10: Cách bố trí đầu phun dung dịch 2.3.4. Ảnh hưởng của áp lực dòng khí 2.3.4.1. Ảnh hưởng của áp lực dòng khí đến mòn dụng cụ cắt
Theo Dhar và các đồng nghiệp [26] trong gia công cắt gọt dụng cụ thường bị
hỏng khi mà giá trị mòn VB của nó đạt tới một giá trị xác định, thường là 0,3 mm
hình 2.11, tuổi thọ của dụng cụđã tăng từ 31 phút đến 48 phút khi sử dụng dòng khí có áp lực 7 at so với gia công khô và hầu như tuổi thọ của dụng cụđều tăng 1,5 lần khi sử dụng MQL.
a. Gia công khô b. BT-LN tưới tràn c. MQL
Hình 2.11: Ảnh SEM mòn của các mảnh dao khi cắt 45 phút [37]
Theo phân tích của [26] các vết xước sâu không chỉ làm tăng lực cắt mà còn là nguyên nhân của hỏng dụng cụ sớm và ngẫu nhiên nó cực kỳ có hại và đây là điều không mong muốn cho các hệ thống sản xuất phức tạp và đắt tiền hiện nay. Vì vậy MQL cũng được mong đợi có thể tăng cường độ tin cậy và an toàn cho các hệ thống và quá trình gia công. Nghiên cứu bằng thực nghiệm cho thấy với cùng điều kiện công nghệ (cùng vật liệu gia công, cùng một loại dụng cụ cắt, cùng chế độ cắt), so sánh kết quả giữa gia công khô, gia công ướt, gia công sử dụng MQL. Ta thấy khi sử dụng MQL tốc độ mòn dụng cụ là thấp nhất, do đó tuổi bền của dụng cụ đạt
được là cao nhất.
2.3.4.2. Ảnh hưởng của áp lực dòng khí đến lực cắt
Theo Bareggi và các đồng nghiệp [16] khi sử dụng dòng khí nén áp lực 6 at để
làm nguội trong quá trình tiện thép AISI 1020, lực cắt tác dụng lên dụng cụ cắt
được đo bằng lực kế 3 thành phần của hãng Kisler, biểu đồ lực cắt được hiển thị
trong hình 2.12. Kết quả cho thấy có sự thay đổi rõ rệt về lực cắt khi sử dụng khí nén làm nguội. Lựccắt (theo trục z) được mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn và so sánh với kết quả thực nghiệm, kết quả này cũng phù hợp với biểu đồ lực cắt được xây dựng bởi phần phần mềm Deform-3D. Như vậy nếu áp suất dòng khí hợp lý thì lực cắt giảm nhiều so với gia công khô kết luận này trùng hợp với kết
luận của Dahlman [21]. Dưới áp lực của dòng khí, chất bôi trơn bị phân tán thành các hạt nhỏ hòa trộn với phân tử khí tạo nên hỗn hợp ở dạng sương/hơi. Hỗn hợp này có kích thước hạt nhỏ, độ nhớt thấp hơn dung dịch đơn thuần do đó chúng dễ
thâm nhập vào vùng gia công hơn. Lúc này, các hạt có kích thước nhỏ này có thể
thâm nhập qua các khe răng cưa trên bề mặt phoi để thực hiện chức năng bôi trơn và làm nguội của chúng. Theo Sharma [48] đã trình bày, khi tiện, nhiệt cắt sinh ra khi gia công tại vùng tiếp xúc giữa mặt trước của dao và phoi là lớn nhất. Đây là vùng tiếp xúc trượt, có khe hở hẹp, do đó dung dịch không thể thâm nhập vào khi dung dịch dạng hơi/sương được tạo nên có thể thâm nhập để BT-LN vùng tiếp xúc
đặc biệt này. Vận tốc của luồng khí phun tỷ lệ căn bậc hai với áp suất nén. Do vậy, áp suất nén càng cao thì vận tốc phun càng lớn.
Hình 2. 12: Ảnh hưởng của dòng khí nén làm nguội tới lực cắt [16]
Tăng vận tốc phun sẽ kèm theo làm tăng độ tơi của luồng hỗn hợp khí/dầu do
đó càng làm tăng khả năng thâm nhập của chúng vào vùng cắt. Khi lượng dung dịch hơi/sương thâm nhập vào vùng tiếp xúc càng lớn, chúng càng phát huy chức năng
BT-LN, do vậy nhiệt cắt sẽ được khuếch tán hiệu quả hơn, ma sát nhỏ hơn và tất yếu dẫn đến lực cắt sẽđược giảm theo.
Một đặc điểm dễ nhận thấy yếu tố ảnh hưởng đến khả năng giảm lực cắt lúc này là tuổi bền dụng cụ cắt. Nghĩa là, tuổi bền dụng cụ cắt được nâng lên khi tiện có áp dụng quá trình MQL nhưđã trình bày ở trên. Tuổi bền dụng cụ cắt được cải thiện
đồng nghĩa với hiện tượng lẹo dao ít hơn, hiện tượng nứt mẻ tế vi vì đoản nhiệt ít hơn, dao ít bị mòn hơn,...và do vậy quá trình cắt được thực hiện ít bị cản trở hơn dẫn đến lực cắt giảm.
2.3.4.3. Ảnh hưởng của áp lực dòng khí đến chiều cao nhấp nhô bề mặt
Chiều cao nhấp nhô bề mặt chịu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ cụ thể
như: vật liệu gia công, vật liệu dụng cụ, hình dáng phần cắt của dụng cụ, chế độ
công nghệ, công nghệ BT-LN. Sự biến thiên của chiều cao nhấp nhô bề mặt được theo dõi khi gia công thép bằng mảnh hợp kim, tại một chếđộ Vc, So, t, riêng biệt, dưới điều kiện gia công ướt, khô, MQL [37] tác giả đã kết luận: khi gia công sử
dụng MQL chiều cao nhấp nhô bề mặt chi tiết tốt hơn so với gia công khô và gia công ướt.
Khi sử dụng áp lực dòng khí là 4,5 at làm nguội để phay thép làm khuôn của tác giả Liao, Lin [35] và sử dụng dòng khí áp lực 6 at để làm nguội khi tiện thép AISI 1020 của Bareggi và các đồng nghiệp [16], các tác giả đều kết luận:
Áp lực dòng khí đã làm giảm mòn mặt sau phụ trung bình và mòn xước trên lưỡi cắt phụ, chiều cao nhấp nhô bề mặt cũng phát triển rất chậm dưới điều kiện MQL. Sự phát triển rất nhanh của chiều cao nhấp nhô bề mặt dưới điều kiện gia công khô, do nhiệt độ cao và áp lực mạnh ởđầu mũi cắt, sử dụng áp lực dòng khí đã làm giảm chiều cao nhấp nhô bề mặt chi tiết.
Nhiệt cắt tăng dao mòn nhanh, chiều cao nhấp nhô bề mặt tăng. Khi quá trình BT-LN trong vùng cắt được cải thiện do khả năng thâm nhập của dung dịch vào vùng cắt tăng lên, các hư hỏng của lưỡi cắt bị hạn chế, vì vậy bề mặt chi tiết gia công có chiều cao nhấp nhô thấp hơn. Một yếu tố có ảnh hưởng đáng kểđến sự cải
thiện chiều cao nhấp nhô bề mặt chi tiết gia công là sự thoát phoi khi gia công. Lực tác động cơ học của luồng dung dịch đến phoi tỷ lệ thuận với vận tốc của chúng.
a. Có khí nén làm nguội b. Không có khí nén làm nguội
Hình 2.13: Nhiệt độ xung quanh vùng cắt khi thay đổi điều kiện BT-LN [16]
Do vậy, khi tăng vận tốc phun sẽ làm tăng khả năng thoát phoi ra khỏi vùng gia công và do đó sẽ làm giảm các hiện tượng va chạm có thể xảy ra giữa phoi và phần bề mặt chi tiết đã gia công. Như vậy, phoi thoát ra khỏi khu vực gia công càng nhanh sẽ càng hạn chế sựảnh hưởng của chúng đến chiều cao nhấp nhô bề mặt của chi tiết.
2.3.4.4. Ảnh hưởng của áp lực dòng khí đến tính chất cơ lý lớp bề mặt
Áp lực của dòng khí sẽ thổi sạch các hạt cứng của vật liệu khỏi vùng gia công không để các hạt này tiếp xúc với dụng cụ, đồng thời áp lực của dòng khí sẽ đẩy dung dịch vào các kẻ hở tại vùng tiếp xúc của mặt trượt của phoi và mặt trước của dao, bề mặt đã gia công của chi tiết và mặt sau của dao. Áp lực dòng khí sẽ đẩy dung dịch vào các vết nứt tế vi trên bề mặt chi tiết tạo thành hình cái nêm giúp làm biến dạng dẻo bề mặt biến cứng của chi tiết. Yếu tố này cho ta thấy khả năng điền
đầy dung dịch vào các vết nứt tế vi trên chi tiết phụ thuộc vào áp lực dòng khí. Áp lực dòng khí phù hợp sẽđưa các phần tử dung dung dịch vào vùng cắt, các phần tử này va đập trực tiếp lên bề mặt gia công, tạo thành ứng suất dư nén trên bề
Áp lực dòng khí sẽ tạo ra khí động lực học nhằm nâng cánh phoi lên khỏi mặt trước dụng cụ, đồng thời lúc này áp lực dòng khí đẩy dung dịch vào vùng gia công hiệu quả nhất. Giảm được nhiệt cắt sinh ra do ma sát, góp phần cải thiện cơ tính bề
mặt gia công. Hiện tượng tán nhiệt nhanh từ vùng cắt ra môi trường xung quanh phụ thuộc rất nhiều vào áp lực của dòng khí.
Nếu áp lực dòng khí quá lớn thì khả năng bôi trơn sẽ giảm vì các hạt dung dịch sẽ bị phân rã khi vào vùng cắt.
Nếu áp lực dòng khí nhỏ khả năng tạo sương mù và đưa sương mù vào vùng cắt kém và khả năng đẩy nhiệt khỏi vùng cắt khó khăn.
Dòng khí được bố trí có hướng ngược chiều với hướng của các hạt kim loại khi tách phoi bắn ra ngoài. Tác dụng này sẽ giúp đẩy các hạt kim loại ra khỏi vùng gia công và sẽ không gây va đập với dụng cụ cắt. Hiện tượng này tác dụng làm giảm ứng suất có hại tạo ra các vết nứt tế vi trên bề mặt dụng cụ cắt. Tác dụng của áp suất dòng khí sẽ làm chuyển động các phân tử tích tụ trong dung dịch, các phần tử này sẽ va đập vào chi tiết tạo thành một lớp màng phủ trên bề mặt chi tiết, giúp bảo vệ chi tiết trong môi trường sau khi gia công.
2.3.5. Ảnh hưởng của dung dịch bôi trơn – làm nguội đến quá trình tiện cứng
Trong tiện cứng vấn đề được đặt ra là phải tạo ra những dung dịch trơn nguội mới có hiệu quả cao, hoặc sử dụng công nghệ MQL để đưa dung dịch vào vùng cắt mà các phương pháp tưới tràn truyền thống không đáp ứng được, dung dịch trơn nguội có tác dụng nâng cao độ bền của dụng cụ cắt, giảm chiều cao nhấp nhô bề
mặt chi tiết gia công và cho phép nâng cao tốc độ cắt.
Dung dịch BT-LN được dùng trong quá trình cắt với các tác dụng làm nguội, bôi trơn, phân tán và tẩy rửa. Nhìn chung sựảnh hưởng của dung dịch đến nhiều vùng khác nhau của vùng tạo phoi có thểđặt ra trong sơđồ hình.2.14. Tại phần tiếp
xúc của dao với phoi và chi tiết gia công biểu hiện rất nhiều tác dụng khác nhau, trên vùng I và vùng II tác dụng của dung dịch được biểu hiện là làm dòn, khuếch
tán các thành phần, tản nhiệt và làm xô lệch lưới tinh thể của kim loại biến dạng. a II a 1 I III IV V Hình 2.14: Tác dụng của chất BT-LN đến các vùng tạo phoi [58]
Trên vùng tiếp xúc III và IV nó có tác dụng chính là bôi trơn và tạo ra lớp bảo vệ. Nhìn chung sựảnh hưởng của dung dịch bôi trơn và làm nguội là bôi trơn, giảm lực ma sát, giảm nhiệt cắt và nâng cao độ bền lâu của dụng cụ cắt.
Khi sử dụng dung dịch là dầu thực vật do nhiệt độ hóa hơi, nhiệt độ cháy cao nên khả năng tạo ra các màng mỏng oxit của kim loại được nhiều hơn. Tuy nhiên các màng được tạo ra trong một khoảnh khắc thời gian ngắn (1018 ÷1022 . 1/s) và có
độ dày từ 15 ÷ 30 A0 [58]. Trong MQL dung dịch chỉ cần một lượng tối thiểu, nếu
đưa vào thừa sẽ lảng phí và ảnh hưởng đến quá trình làm nguội của dòng khí, nếu thiếu việc tạo màng dầu khó khăn, ảnh hưởng đến quá trình BT-LN.
2.4. Giới hạn vấn đề nghiên cứu
Tiện cứng dùng để gia công tinh, yêu cầu cao về chất lượng bề mặt chi tiết sau gia công, chiều cao nhấp nhô bề mặt thấp, cơ tính bề mặt tốt, tạo được ứng suất dư
nén trên bề mặt, lớp biến trắng mỏng v.v...
Có nhiều biện pháp để thực hiện được yêu cầu đặt ra cho quá trình tiện cứng