Nghiên cứu ảnh hưởng của bôi trơn -làm nguội tối thiểu dầu lạc đến tuổi bền dụng cụ cắt trong tiện cứng

Nguyễn Đăng Bình và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 88(12): 169 - 174<br /> <br /> NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA BÔI TRƠN - LÀM NGUỘI TỐI THIỂU<br /> DẦU LẠC ĐẾN TUỔI BỀN DỤNG CỤ CẮT TRONG TIỆN CỨNG<br /> Nguyễn Đăng Bình1, Trần Minh Đức1, Lê Thái Sơn2,*<br /> 1<br /> <br /> Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên,<br /> 2<br /> Trường ĐH Sư phạm kỹ thuật Vinh<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Quá trình thực nghiệm sử dụng phương pháp bôi trơn-làm nguội tối thiểu (MQL) khi tiện thép<br /> 9CrSi được thực hiện trên máy tiện vạn năng. Phương pháp trơn nguội MQL được thực hiện dưới<br /> áp suất nén 5 at và lưu lượng phun 1ml/phút với dung dịch Emusil và Dầu lạc Việt Nam. Kết quả<br /> cho thấy hiệu quả bôi trơn và làm nguội của MQL nổi trội hơn hẳn so với phương pháp gia công<br /> khô. Hơn nữa khi sử dụng MQL Dầu lạc, lượng mòn dao thấp hơn, lực cắt thấp và tăng chậm hơn<br /> so với khi sử dụng MQL Emusil. Điều này chứng tỏ Dầu lạc Việt Nam có tác dụng ưu việt trong<br /> vai trò dung dịch MQL.<br /> Từ khóa: Sử dụng MQL Dầu lạc, Tuổi bền dụng cụ cắt, Lực cắt.<br /> <br /> ĐẶT VẤN ĐỀ*<br /> Theo nghiên cứu của Nakayama và các đồng<br /> nghiệp [1], phoi được hình thành trong quá<br /> trình tiện cứng không giống với phoi tiện<br /> thường. Khi tiện cứng, phoi bị bong tróc hai<br /> lần. Lần thứ nhất khi phoi tách khỏi phôi, lần<br /> thứ hai phoi tự bung, tự vượt qua giới hạn đàn<br /> hồi và có xu hướng trở về trạng thái ban đầu.<br /> Điều này được giải thích: khi ở trên bề mặt<br /> phôi, phoi bị nén lại. Do đó sau khi được giải<br /> phóng khỏi phôi, nó luôn có xu hướng trở về<br /> trạng thái trước đó. Trong tiện cứng, sử dụng<br /> dao cắt có bán kính mũi dao lớn thì có thể cải<br /> thiện được độ nhám bề mặt chi tiết gia công<br /> song lại làm tăng lực cắt và gây ứng suất dư<br /> lớn trên bề mặt sản phẩm sau gia công [1].<br /> Khi cắt với vận tốc đến 300m/ph, nhiệt sinh<br /> ra khi tiện cứng đo được ở mũi dao làm bằng<br /> vật liệu CBN (Cubic Boron Nitride) có thể đạt<br /> đến 950oC [3]. Nhiệt cao trong vùng cắt là<br /> yếu tố cơ bản gây nên các ảnh hưởng bất lợi<br /> trong quá trình tiện cứng. Đó là động lực để<br /> thu hút các nhà nghiên cứu trong nước và trên<br /> thế giới tập trung nghiên cứu để tìm ra các<br /> giải pháp bôi trơn-làm nguội (BT-LN) nhằm<br /> làm giảm nhiệt gia công.<br /> <br /> *<br /> <br /> Tel: 0912 435 816<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> Trong trường hợp này, nếu thực hiện phương<br /> pháp BT-LN tưới tràn thông thường sẽ không<br /> thỏa mãn được mục tiêu làm giảm nhiệt cắt.<br /> Do vật liệu gia công có độ cứng cao, dao tiện<br /> cứng có góc trước bé hơn nhiều so với góc<br /> trước của dao tiện thường. Đây là nguyên<br /> nhân cơ bản làm giảm khả năng thâm nhập<br /> của dung dịch BT-LN vào vùng cắt và như<br /> vậy hiệu quả của quá trình BT-LN bị giảm<br /> xuống trầm trọng. Mặt khác, BT-LN tưới tràn<br /> có nguy cơ làm giảm tuổi bền của dụng cụ cắt<br /> khi xuất hiện các vết nứt tế vi do hiện tượng<br /> đoản nhiệt gây nên [4]. Do vậy, một số cơ chế<br /> BT-LN thay thế đã được đầu tư nghiên cứu và<br /> bước đầu đã chứng minh hiệu quả của chúng,<br /> như: làm nguội bằng luồng khí áp suất cao<br /> [5], BT-LN sử dụng dung dịch khô (solid<br /> lubricant) [6], BT-LN bằng dung dịch trơn<br /> nguội áp suất cao, làm nguội bằng luồng khí<br /> lạnh Nitơ/CO2 [6]. Bôi trơn-làm nguội tối<br /> thiểu (Minimum Quantity Lubrication-MQL)<br /> trong tiện cứng phương pháp sử dụng cơ chế<br /> BT-LN bằng cách phun dung dịch trơn nguội<br /> đã được nén ở áp suất cao vào vùng gia công.<br /> Đặc tính khác biệt về cơ chế hòa tan của dung<br /> dịch trơn nguội ở điều kiện này đã tạo nên<br /> một cơ chế thâm nhập vào vùng gia công<br /> khác với các phương pháp BT-LN truyền<br /> thống hiện có. Nhờ đó, công nghệ MQL đã<br /> cho thấy nhiều ưu điểm về cả tính năng bôi<br /> 169<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Nguyễn Đăng Bình và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> trơn lẫn làm nguội trong quá trình gia công<br /> vật liệu có độ cứng cao. Một trong những ưu<br /> điểm nổi bật của nó là làm giảm nhiệt cắt,<br /> giảm lượng mòn dao, giảm hiện tượng lẹo<br /> dao do đó cải thiện độ nhám bề mặt chi tiết<br /> gia công, tăng tuổi bền dụng cụ cắt, tăng độ<br /> chính xác gia công và đặc biệt là không gây<br /> hại cho môi trường và con người [4], [5], [8].<br /> Thấy rõ được tác dụng của phương pháp BTLN này, MQL đã bắt đầu được quan tâm và<br /> đầu tư nghiên cứu ở Việt nam [9]. Tuy nhiên,<br /> số lượng và quy mô nghiên cứu còn khiêm<br /> tốn. Chưa có công trình nghiên cứu nào thực<br /> hiện với công nghệ sử dụng MQL Dầu lạc khi<br /> tiện cứng. Với động lực và ý nghĩa đó, nhóm<br /> tác giả đã tiến hành đánh giá các ảnh hưởng<br /> liên quan trong quá trình tiện cứng áp dụng<br /> công nghệ sử dụng MQL Dầu lạc sản xuất tại<br /> Việt Nam. Hy vọng những kết quả thu được<br /> trong quá trình thực nghiệm ở đề tài này sẽ<br /> đóng góp bổ sung vào quá trình nghiên cứu<br /> ứng dụng công nghệ MQL cho quá trình tiện<br /> cứng ở cả phạm vi trong nước và trên thế giới.<br /> QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM<br /> 1. Nguyên vật liệu và thiết bị thí nghiệm<br /> Quá trình thí nghiệm được thực hiện trên máy<br /> tiện vạn năng OKUMA LS365, Nhật Bản sản<br /> xuất. Chi tiết gia công làm bằng vật liệu Thép<br /> 9CrSi (9XC). Kích thước chiều dài L = 550<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> 88(12): 169 - 174<br /> <br /> mm, đường kính Ø60. Phôi được tiến hành tôi<br /> thể tích đạt độ cứng 56 ÷ 58 HRC. Dao tiện<br /> được sử dụng là dao tiện ngoài. Mũi cắt làm<br /> bằng vật liệu CBN, số hiệu EB28, Hàn Quốc<br /> sản xuất. Lưỡi cắt có các góc độ như sau: -6, 6, 6, 6, 15, 75, 0.8 (mm).<br /> Các thí nghiệm tương ứng được thực hiện với<br /> cả 3 phương pháp: Sử dụng MQL Dầu lạc, sử<br /> dụng MQL Emusil và không BT-LN (gia<br /> công khô) nhằm so sánh các ảnh hưởng liên<br /> quan của các phương pháp BT-LN này. Dung<br /> dịch sử dụng MQL Dầu lạc là loại dầu sản<br /> xuất tại Việt Nam. Dung dịch này có những<br /> đặc tính như sau: tỷ trọng của dầu lạc ở 30oC là<br /> 0,910 và nhiệt độ đông đặc -2,5oC. Dung dịch<br /> sử dụng MQL emusil là hỗn hợp Emusil pha<br /> 10% với nước cất. Dung dịch emusil là loại<br /> dung dịch BT-LN sản xuất tại Trung Quốc.<br /> 2. Mô hình thí nghiệm<br /> Mô hình thí nghiệm thực hiện trong đề tài này<br /> được giới thiệu trên hình 1. Chi tiết gia công<br /> được gá trên mâm cặp 3 chấu tự định tâm và<br /> mũi chống tâm. Sau khi gá lắp, phôi được<br /> kiểm tra và gia công thô nhằm đảm bảo độ<br /> đồng tâm tuyệt đối trước khi tiến hành cắt<br /> thực nghiệm.<br /> <br /> 170<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Nguyễn Đăng Bình và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 88(12): 169 - 174<br /> <br /> Hình 1. Mô hình thí nghiệm khi tiện cứng sử dụng công nghệ MQL Dầu lạc.<br /> Trong đó: 1. Mâm cặp, 2. Dao tiện, 3. Vòi phun MQL, 4. Chi tiết gia công, 5. Mũi chống tâm, 6. Ổ gá dao<br /> <br /> 3. Phương pháp tiến hành thí nghiệm<br /> Mô hình kết nối các thiết bị đo, kiểm tra các<br /> thông số thực nghiệm được trình bày trong<br /> hình 2.<br /> Quá trình tiện được thực hiện với chế độ cắt<br /> V = 180m/phút (n = 970vòng/phút), bước tiến<br /> dao S = 0,15 mm/ vòng và chiều sâu mỗi lớp<br /> cắt là t = 0,1mm.<br /> Đối với quá trình cắt sử dụng MQL, dung<br /> dịch được nén với P = 5 at sau đó được phun<br /> vào vùng gia công thông qua vòi phun được<br /> bố trí ngay phía dưới dụng cụ cắt (hình 1).<br /> Lưu lượng luồng dung dịch phun vào vùng<br /> cắt tương đương Q = 1ml/phút.<br /> 4. Đánh giá kết quả thực nghiệm<br /> Trong quá trình cắt, lực cắt được đo bằng lực<br /> kế 3 thành phần (9257B) Kisler, sản xuất tại<br /> Thụy Sỹ. Quá trình đánh giá lưỡi cắt và bề<br /> mặt chi tiết đã gia công được thực hiện sau<br /> khi tiến hành cắt 10 phút, 20 phút, 30 phút, 40<br /> phút, và 50 phút. Trước khi đánh giá, các mẫu<br /> lưỡi cắt liên quan được làm sạch sơ bộ và<br /> chụp ảnh bề mặt bằng máy chụp SEM JEOLJSM- 6490, sản xuất tại Hoa Kỳ. Mũi dao<br /> được chụp cả mặt trước và mặt sau để so sánh<br /> các ảnh hưởng trên các bề mặt này.<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> KẾT QUẢ<br /> Hình 3 tổng hợp kết quả chụp SEM của mũi<br /> dao sau khi gia công khô và gia công có<br /> sử dụng MQL với cùng một độ phóng đại.<br /> Kết quả cho thấy, sự khác biệt về lượng mòn<br /> dao sau 10 phút cắt giữa phương pháp gia<br /> công khô và phương pháp gia công sử dụng<br /> MQL Emusil là không đáng kể. Tuy nhiên,<br /> khi thực hiện quá trình cắt đến 30 phút, lượng<br /> mòn cả mặt trước và mặt sau ở mũi dao gia<br /> công khô xảy ra trầm trọng; trong khi đó mũi<br /> dao gia công sử dụng MQL Emusil thì lượng<br /> mòn xảy ra không đáng kể.<br /> Kết quả thực nghiệm ở Hình 4 cho thấy lượng<br /> mòn dao mặt sau tăng nhanh hơn lượng mòn<br /> dao mặt trước trong cùng một khoảng thời<br /> gian gia công như nhau. Khi gia công khô sau<br /> 10 phút cắt lượng mòn dao đã lớn hơn so với<br /> gia công sử dụng MQL Emusil.<br /> A<br /> <br /> KD<br /> <br /> A/D<br /> <br /> Máy<br /> tính<br /> <br /> Máy in<br /> <br /> I<br /> II<br /> III<br /> IV<br /> V<br /> Hình 2. Mô hình kết nối các thiết bị thí nghiệm<br /> I. Khối cảm biến; II. Bộ khuếch đại; III. Bộ<br /> chuyển đổi; IV. Máy tính; V. Máy in<br /> <br /> 171<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Nguyễn Đăng Bình và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 88(12): 169 - 174<br /> <br /> Hình 3: Ảnh chụp mũi dao khi gia công theo các chế độ khác nhau<br /> a: Gia công khô sau 10 phút cắt; c: Gia công Sử dụng MQL Emusil sau 10 phút cắt;<br /> b: Gia công khô sau 30 phút cắt; d: Gia công Sử dụng MQL Emusil sau 30 phút cắt<br /> 450<br /> <br /> Lượng mòn hs (μm)<br /> <br /> 400<br /> 350<br /> 300<br /> <br /> G ia c ông khô<br /> MQL E mus il<br /> MQL Dầu lạc<br /> <br /> 250<br /> 200<br /> 150<br /> 100<br /> 50<br /> 0<br /> 10<br /> <br /> 20<br /> <br /> 30<br /> <br /> 40<br /> <br />  50<br /> <br /> Thời gian cắt (phút)<br /> <br /> Hình 4. Quan hệ lượng mòn hs và τ khi thay đổi<br /> dung dịch và phương pháp BT-LN<br /> <br /> Hình 5. Quan hệ Fy và thời τ khi thay đổi dung<br /> dịch và phương pháp BT-LN<br /> <br /> Sau 35 phút cắt, độ mòn mặt sau của dao khi<br /> gia công khô tăng 19% so với độ mòn của dao<br /> khi sử dụng MQL Emusil (Hình 4). Ngoài ra,<br /> sự ảnh hưởng của 2 phương pháp gia công<br /> MQL đến lượng mòn dao mặt sau đã có sự<br /> khác biệt. Thời gian gia công càng dài thì sự<br /> chênh lệch về giá trị lượng mòn dao xuất hiện<br /> càng rõ rệt. Sự thay đổi giá trị thành phần lực<br /> cắt Fy theo thời gian gia công khi sử dụng các<br /> phương pháp BT-LN khác nhau được trình<br /> bày trên Hình 5. Theo đó, thành phần Fy khi<br /> gia công khô tuân theo quy luật của các<br /> phương pháp gia công có MQL. Tuy nhiên,<br /> sau khoảng hơn 25 phút gia công lực cắt khi<br /> gia công khô tăng nhanh hơn rất nhiều. Lực<br /> cắt trung bình sinh ra trong quá trình gia công<br /> có sử dụng MQL Dầu lạc cho thấy thấp và<br /> tăng chậm hơn so với các phương pháp gia<br /> công còn lại.<br /> <br /> Biểu đồ về lượng mòn dao trên Hình 4 rõ<br /> ràng có mối quan hệ tỷ lệ với biểu đồ lực cắt<br /> trên Hình 5. Các mối quan hệ này được chứng<br /> minh và thảo luận trong phần tiếp theo.<br /> THẢO LUẬN KẾT QUẢ<br /> Như đã trình bày trong phần trước, hiệu quả<br /> bôi trơn và làm nguội của công nghệ MQL<br /> trong quá trình gia công đã được chứng minh<br /> [4], [5], [8]. Kết quả thực nghiệm ở trên cho<br /> thấy, một lần nữa Dầu lạc Việt Nam đã phát<br /> huy vai trò bôi trơn và làm nguội một cách rõ<br /> rệt khi sử dụng trong công nghệ MQL.<br /> Có thể nói rằng, khi quá trình cắt không được<br /> bôi trơn và làm nguội, các ảnh hưởng cơ lý từ<br /> nhiệt cắt là nguyên nhân cơ bản dẫn đến<br /> lượng mòn dao tăng đột ngột ở phương pháp<br /> gia công khô thể hiện trên Hình 4. Bên cạnh<br /> đó, tác dụng của MQL trong việc làm giảm<br /> lượng mòn dao trong quá trình gia công đã<br /> được Nakayama [1] và Trần Minh Đức [9]<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> 172<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Nguyễn Đăng Bình và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> cùng các đồng nghiệp của họ khẳng định bằng<br /> thực nghiệm trong các công trình nghiên cứu<br /> bổ ích này. Ở đây, khi lần đầu sử dụng Dầu<br /> lạc Việt Nam vào quá trình MQL trong tiện<br /> cứng đã cho kết quả bất ngờ. Các kết quả<br /> khảo sát ở trên đã khẳng định hiệu quả của<br /> Dầu lạc Việt Nam trong vai trò bôi trơn và<br /> làm nguội khi gia công các vật liệu có độ<br /> cứng cao. Quả thực, khi tiện cứng phoi hình<br /> thành là phoi dây. Song, phoi gia công hình<br /> thành dễ bị bẻ gãy hơn phoi tiện thường, và<br /> do đó chúng được tạo thành phoi dạng răng<br /> cưa. Hệ số dồn nén phoi danh nghĩa (qua tính<br /> toán) trước và sau khi hình thành phoi là 2<br /> lần. Đây là một trong những đặc điểm có ảnh<br /> hưởng lớn đến cơ chế bôi trơn và làm nguội<br /> theo công nghệ MQL. Khi sử dụng công nghệ<br /> MQL, dung dịch trơn nguội được tạo nên<br /> dưới dạng hơi/sương trước khi được phun vào<br /> vùng cắt dưới một giá trị áp suất lớn nhất<br /> định. Lúc này, với kích thước hạt nhỏ, sức<br /> căng bề mặt của hạt dung dịch thấp đã tạo<br /> điều kiện cho các hạt dung dịch trơn nguội<br /> thâm nhập vào vùng cắt dễ hơn, nhiều hơn.<br /> Dưới tác dụng của áp lực luồng dung dịch,<br /> cánh phoi được nâng lên trên so với mặt trước<br /> của dao. Các rãnh răng cưa có kích thước nhỏ<br /> trên bề mặt phoi lúc này đóng vai trò là vùng<br /> chứa dung dịch trơn nguội ở dạng hơi/sương<br /> [4]. Do vậy, cơ chế bôi trơn biên dạng này đã<br /> làm giảm ma sát giữa bề mặt phoi với mặt<br /> trước của dao. Lưu ý rằng, trong quá trình gia<br /> công khô ma sát sinh ra giữa bề mặt phoi với<br /> mặt trước của dao là nguyên nhân chủ yếu<br /> gây mòn.<br /> Kết quả chụp SEM với cùng một độ phóng<br /> đại của các mũi dao sau khi cắt (Hình 3) cho<br /> thấy, hiện tượng mòn xảy ra ở cả bán kính<br /> lưỡi cắt và ở bề mặt sau của dao khi MQL là<br /> rất nhỏ so với quá trình gia công thường. Đó<br /> là dấu hiệu chứng minh sự ảnh hưởng của cơ<br /> chế MQL trong quá trình tiện. Khi tiện cứng,<br /> nhiệt cắt sinh ra khi gia công tại vùng tiếp xúc<br /> giữa mặt trước của dao và phoi là lớn nhất.<br /> Đây là vùng tiếp xúc trượt, có khe hở hẹp, do<br /> đó dung dịch không thể thâm nhập vào khi sử<br /> dụng các phương pháp BT-LN thông thường.<br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> 88(12): 169 - 174<br /> <br /> Trong khi đó, dung dịch MQL được tạo nên ở<br /> dạng hơi/sương do đó chúng có thể thâm nhập<br /> vào vùng này để thực hiện chức năng bôi trơn<br /> và làm nguội. Đó được xem là lý do mặt trước<br /> của dao khi sử dụng MQL nhẵn hơn so với<br /> khi gia công khô khi quan sát bằng SEM. Phát<br /> hiện tương tự đã được công bố ở các công<br /> trình nghiên cứu sử dụng công nghệ MQL [9].<br /> Ngoài ra, trong trường hợp gia công sử dụng<br /> MQL các hạt cứng khi bong tróc ra khỏi vật liệu<br /> đã được dòng khí áp lực cao đẩy ra ngoài tức<br /> thì. Do vậy, hiện tượng cày, xước bề mặt do các<br /> hạt này tạo nên trên bề mặt chi tiết gia công và<br /> bề mặt dao được hạn chế, dao mòn ít hơn.<br /> Các ảnh hưởng đến lực cắt trên hình 5 cho<br /> thấy sự khác biệt về cả giá trị và sự phân bố<br /> theo thời gian cắt. Do mòn dao nhanh trong<br /> gia công khô đã làm tăng bề mặt tiếp xúc của<br /> dao trên các bề mặt làm việc, làm tăng bán<br /> kính mũi dao, làm giảm các góc ở các bộ<br /> phận cắt (góc sau, góc trước) khiến lực cắt<br /> tăng rõ rệt. Điều này phù hợp với kết quả<br /> nghiên cứu tương tự đã được công bố của<br /> Nakayama và các đồng nghiệp [1]. Lực cắt<br /> khi MQL dùng hai loại dung dịch emusil và<br /> dầu lạc ở 30 phút đầu tăng không nhiều. Trị<br /> số của lực cắt tăng tuyến tính tương ứng với<br /> biểu đồ mòn của dao. Nhưng khi cắt đến 40<br /> phút thì lực cắt khi dùng emusil tăng nhanh<br /> hơn, chứng tỏ lúc này dao cắt đã mòn đến<br /> điểm giới hạn, các kích thước góc của dao đã<br /> thay đổi nhiều. Ở thời gian này lực cắt (Fy)<br /> khi sử dụng MQL Emusil tăng 13% so với<br /> trường hợp sử dụng MQL Dầu lạc. Điều này<br /> khẳng định hiệu quả bôi trơn hoặc/ làm nguội<br /> của Dầu lạc cao hơn Emusil.<br /> KẾT LUẬN<br /> Các kết quả thực nghiệm và phân tích ở trên<br /> đã một lần nữa khẳng định hiệu quả BT-LN<br /> bằng công nghệ MQL, cả với dung dịch<br /> Emusil và Dầu lạc. Tuy nhiên, khi sử dụng<br /> MQL Dầu lạc, lực cắt, tốc độ mòn dụng cụ là<br /> thấp nhất, tuổi bền của dụng cụ đạt được là<br /> cao nhất so với gia công khô và ngay cả với<br /> MQL Emusil.<br /> <br /> 173<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br />