Luận văn Nghiên cứu và lựa chọn chế độ cắt tối ưu khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu đối với gang cầu có bôi trơn tối thiểu

Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 1 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 3 DANH MỤC CÁC BẢNG 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 5 PHẦN MỞ ĐẦU 8 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BÔI TRƠN 1. Tổng quan về công nghệ bôi trơn truyền thống 2. Tổng quan về công nghệ bôi trơn tối thiểu Chương 2 NGHIÊN CỨU VỀ CHẾ ĐỘ CẮT KHI PHAY 2.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH PHOI 2.1.1 Khái niệm và phân loại phoi 2.1.2 Sự co rút phoi 2.2 LỰC CẮT GỌT 2.2.1. Cơ sở lý thuyết của lực cắt 2.2.2. Ảnh hƣởng của dung dịch trơn nguội đến lực cắt 2.3 HIỆN TƢỢNG NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH CẮT 2.3.1 Nhiệt cắt 2.3.2 Ảnh hƣởng của dung dịch trơn nguội đến nhiệt cắt 2.4. SỰ MÀI MÒN DAO 2.4.1 Biểu hiện ngoài của sự mài mòn dao 2.4.2 Bản chất vật lý của sự mài mòn dao 2.4.3 Quy luật mòn của dụng cụ cắt 2.5 GIA CÔNG CẮT GỌT KHI PHAY 2.5.1 Khái niệm chung 2.5.2 Phân loại dao phay 2.5.3 Vật liệu chế tạo dao phay 11 11 11 14 14 14 15 16 16 18 18 18 21 21 21 23 25 26 26 27 28 Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 2 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.5.4 Các thông số hình học của dao phay 2.5.5 Các yếu tố của lớp cắt 2.5.6 Lực cắt khi phay 2.5.7 Độ mòn và tuổi bền của dao phay 2.6 BÔI TRƠN LÀM NGUỘI KHI PHAY MẶT PHẲNG 2.6.1 Các phƣơng pháp bôi trơn làm nguội trong gia công cắt gọt 2.6.2 Bôi trơn làm nguội khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu 1. Phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu 2. Bôi trơn làm nguội khi phay mặt phẳng gang cÇu bằng dao phay mặt đầu Chương 3 LỰA CHỌN TRANG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM 3.1 XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM 3.1.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống 3.1.2 Hệ thống thí nghiệm 3.1.3 Thiết bị thí nghiệm 3.2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.2.1.Mục đích thí nghiệm 3.2.2.Trình tự tiến hành thí nghiệm Chương 4 TỐI ƢU QUÁ TRÌNH GIA CÔNG KHI PHAY MẶT PHẲNG LÀ GANG CẦU 4.1. Mô hình hoá quá trình cắt khi phay 4.2. Mô hình hoá toán học tối ƣu hoá quá trình cắt khi phay 4.3. Giới hạn vấn đề tối ƣu Chương 5 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 5.1. Mòn và cơ chế mòn dao 5.1.1. Mòn và cơ chế mòn mặt trƣớc dao 28 30 32 33 34 34 35 35 36 37 37 37 38 38 40 40 40 42 42 43 46 46 46 46 46 Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 3 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5.1.2. Mòn và cơ chế mòn mặt sau dao 5.1.3. Mòn và tuổi bền dao 5. 2. Độ nhám bề mặt chi tiết Ra 5. 3 . Kết luận PHẦN KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO I. KẾT LUẬN CỦA LUẬN VĂN II. HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Phụ lục 1. CÁC ẢNH CHỤP MÒN DAO Phụ lục 2. SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM VỀ ĐỘ NHÁM VÀ ĐỘ MÒN DAO 49 52 54 56 57 57 58 59 61 61 67 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT : góc tác động 1: góc trượt : góc cắt : góc trước K: hệ số co rút phoi L: chiều dài phoi L0: chiều dài cắt a1: chiều dầy phoi thực tế a: chiều dầy phoi lý thuyết R: tổng hợp lực tác dụng lên dao R0: lực tổng hợp pháp tuyến R1: tổng hợp lực tác dụng lên mặt sau N: lực pháp tuyến tác dụng lên mặt trước Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 4 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên F0: lực ma sát của phoi lên mặt trước N’: lực pháp tuyến tác dụng lên mặt sau F0: lực ma sát của phoi lên mặt sau Px: thành phần lực cắt theo phương X Py: thành phần lực cắt theo phương Y Pz: thành phần lực cắt theo phương Z t: chiều sâu cắt S: lượng chạy dao n: số vòng quay của trục chính m: số mũ của K A: công hớt phoi A1: công sinh ra do biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo A2: công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt trước dao A3: công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt sau dao V: vận tốc cắt Ps: lực trong mặt phẳng trượt Q: nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình cắt 0: độ mòn dao : thời gian làm việc của dao : góc nghiêng chính của dao : góc sau : góc tiếp xúc f: tiết diện ngang của lớp cắt B: chiều rộng cắt Sz: lượng tiến dao răng a0: chiều dầy cắt trung bình D: đường kính dao phay P: lực vòng [u]: lượng mòn mặt sau cho phép Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 5 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Ra: độ nhấp nhô bề mặt trung bình MQL (Minimum Quantity Lubrication): Bôi trơn tối thiểu DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1. Số liệu độ nhám Ra, Rz sau 2 lượt cắt 67 Bảng 2. Số liệu độ nhám Ra, Rz sau 4 lượt cắt 67 Bảng 3. Số liệu độ nhám Ra, Rz sau 6 lượt cắt 67 Bảng 4. Số liệu độ mòn mặt sau dao sau sau 2 lượt cắt 68 Bảng 5. Số liệu độ mòn mặt sau dao sau sau 4 lượt cắt 68 Bảng 6. Số liệu độ mòn mặt sau dao sau sau 6 lượt cắt 68 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 2.1: Sơ đồ quá trình hình thành phoi khi cắt vật liệu dẻo 14 Hình 2.2: Các loại phoi 15 Hình 2.3: Sơ đồ co rút phoi 16 Hình 2.4: Sơ đồ xác định hệ số co rút phoi 16 Hình 2.5: Sơ đồ tác dụng của lực khi cắt tự do 17 Hình 2.6: Sơ đồ hình thành và lan tỏa nhiệt 20 Hình 2.7: Các dạng mòn của dụng cụ cắt 22 Hình 2.8: Mòn của dụng cụ cắt dọc theo lưỡi cắt 22 Hình 2.9: Quy luật mòn của dụng cụ cắt 23 Hình 2.10: Mòn do khuếch tán 24 Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 6 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 2.11 Mòn do chảy dẻo 24 Hình 2.12: Quan hệ giữa độ mòn và thời gian làm việc của dao 25 Hình 2.13: Các loại dao phay 27 Hình 2.14: Các thông số hình học phần cắt của dao phay mặt đầu 29 Hình 2.15: Sơ đồ cắt phoi của răng dao phay 30 Hình 2.16: Sơ đồ tính góc tiếp xúc 31 Hình 2.17: Sơ đồ xác định chiều dày cắt và diện tích lớp cắt của răng dao phay khi chúng đồng thời tham gia vào quá trình cắt 32 Hình 2.18: Sơ đồ lực cắt tác dụng lên dao phay 32 Hình 2.19: Các dạng mài mòn của răng dao phay 33 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý phun MQL dạng sương mù 37 Hình 3.2: Ảnh hệ thống thí nghiệm 38 Hình 3.3: Ảnh Máy đo nhám 39 Hình 3.4: Ảnh Máy chụp ảnh SEM 40 Hình 4.1: Mô hình tối ưu hoá quá trình cắt khi phay 42 Hình 5.1: Ảnh so sánh mòn mặt trước của dao với 2 lượt cắt 47 Hình 5.2: Ảnh so sánh mòn mặt trước của dao với 4 lượt cắt 48 Hình 5.3: Ảnh so sánh mòn mặt trước của dao với 6 lượt cắt 49 Hình 5.4: Ảnh so sánh mòn mặt sau của dao với 2 lượt cắt 50 Hình 5.5: Ảnh so sánh mòn mặt sau của dao với 4 lượt cắt 51 Hình 5.6 Ảnh so sánh mòn mặt sau của dao với 6 lượt cắt 52 Hình 5.7 Quan hệ giữa độ mòn mặt sau dao và thời gian cắt t với 2 lượt cắt 53 Hình 5.8: Quan hệ giữa độ mòn mặt sau dao và thời gian cắt t với 4 lượt cắt 53 Hình 5.9: Quan hệ giữa độ mòn mặt sau dao và thời gian cắt t với 6 lượt cắt 54 Hình 5.10: Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết Ra và thời gian cắt t 55 Hình 5.11: Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết Ra và lượt cắt t (2) 55 Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 7 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 5.12: Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết Ra và thời gian cắt t 55 Hình 5.13: Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết Ra và lượt cắt t (4) 55 Hình 5.14: Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết Ra và thời gian cắt t 56 Hình 5.15: Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết Ra và lượt cắt t (6) 56 Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 8 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên PHẦN MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài Trong thời kỳ CNH và HĐH đất nước, ngành Cơ khí có vai trò rất lớn trong việc chế tạo các sản phẩm công nghiệp. Để nâng cao chất lượng sản phẩm, đảm bảo yêu cầu về tính công nghệ và kinh tế, đặc biệt là khi gia công các sản phẩm có độ cứng cao, cấu trúc vật liệu phức tạp người ta đã ứng dụng rất nhiều phương pháp công nghệ từ truyền thống đến không truyền thống. Đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình gia công cắt gọt chi tiết chính là bôi trơn - làm nguội vì bôi trơn - làm nguội có tác dụng làm giảm lực cắt, giảm nhiệt cắt, giảm ma sát, mòn dao, giảm hệ số co rút phoi, đặc biệt làm tăng chất lượng bề mặt gia công, nâng cao năng suất và hiệu quả kinh tế. Theo công nghệ truyền thống, khi gia công vật liệu Gang, thông thường người ta không sử dụng bôi trơn (gia công khô) vì : Đặc điểm biến dạng phần lớn Gang kết cấu dạng ferit hoặc peclit và từ 3- 5% graphit ở dạng bông hoặc tấm, hay graphit phiến hoặc dạng cầu. Chính vì có graphit lên tính dẻo của gang giảm, làm phoi dễ gẫy và hoạt động như một loại chất bôi trơn tự nhiên, lực cắt tương đối nhỏ và phoi vụn. Do vậy gang được xếp vào nhóm vật liệu dễ gia công cắt gọt, tuy nhiên khi gia công cắt gọt Gang thường gặp một số vấn đề như: - Mòn dao do tạp chất cứng lẫn trong gang gây ra - Có hiện tượng phoi chảy dẻo và dính bám lên mặt sau (Gang cầu) - Lực cắt rất lớn, nhiệt độ cao, chất lượng gia công giảm (Gang cầu) Để khắc phục các nhược điểm kể trên tác giả đề xuất ứng dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu khi gia công vật liệu Gang với chế độ cắt tối ưu được chọn trước vì những ưu điểm nổi bật của công nghệ này như: - Giảm lực cắt và mòn dao - Nâng cao tuổi bền của dụng cụ cắt. - Giảm chi phí dọn phế thải và làm sạch môi trường. - Không gian làm việc sạch, góp phần giảm ô nhiễm môi trường. Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 9 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trên thế giới công nghệ bôi trơn tối thiểu đã được áp dụng khá phổ biến tại những nước có nền công nghiệp phát triển như: Anh, Đức, Mỹ, Hàn quốc… Ở Việt Nam hiện nay những nghiên cứu và ứng dụng về bôi trơn tối thiểu còn nhiều hạn chế. Do phương pháp này có nhiều ưu điểm, đặc biệt là thân thiện với môi trường nên rất cần có những nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này vào thực tế sản xuất ở nước ta, vì vậy tác giả đề xuất chọn đề tài: “Nghiên cứu và lựa chọn chế độ cắt tối ưu khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu đối với gang cầu có bôi trơn tối thiểu” 2. Mục đích, đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu. 2.1.Mục đích của đề tài - Nghiên cứu, đánh giá khả năng bôi trơn- làm nguội của công nghệ bôi trơn tối thiểu qua đó chỉ ra tính ưu việt của phương pháp này. - Nghiên cứu tìm được ra những ảnh hưởng của chế độ công nghệ bôi trơn- làm nguội tối thiểu bằng dầu thực vật đến mòn, tuổi bền của dao khi gia công gang Cầu( bằng phương pháp phay bề mặt). - Nghiên cứu đưa ra được chỉ dẫn cụ thể như: áp suất dòng khí, lưu lượng tưới phù hợp khi gia công mặt phẳng gang Cầu bằng dao phay mặt đầu có gắn mảnh hợp kim cứng. - Nghiên cứu để lựa chọn được chế độ cắt tối ưu trong quá trình gia công mặt phẳng( Gang cầu)có bôi trơn(bôi trơn tối thiểu bằng dầu thực vật). 2.2. Đối tượng nghiên cứu - Dao phay mặt đầu gắn mảnh HKC (BK8) - Gang cầu có độ cứng từ 170-220HB (Bàn Máp 2 rãnh) - Chế độ bôi trơn tối thiểu bằng dầu thực vật( áp suất dòng khí ). - Chế độ cắt (lựa chọn bộ thông số S,V,t tối ưu) trong quá trình gia công gang cầu bằng dao phay mặt đầu gắn mảnh BK8. - Các chỉ tiêu công nghệ trong quá trình gia công: Cơ chế mòn và tuổi bền của dao. 2.3.Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm (chủ yếu là thực nghiệm). Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 10 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. 3.1.Ý nghĩa khoa học - Kết quả nghiên cứu sẽ đánh giá khả năng cũng như cho thấy được các ảnh hưởng của việc lựa chọn chế độ cắt tối ưu khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu đối với Gang cầu có bôi trơn tối thiểu. Qua đó đánh giá được mòn, tuổi bền của dao của Gang cầu nói riêng và các loại Gang nói chung. 3.2. í nghĩa thực tiễn - Chọn ra được chế độ cắt tối ưu, loại dầu bôi trơn và những chỉ dẫn cụ thể về chế độ bôi trơn tối thiểu khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu đối với Gang cầu nói riêng và các loại Gang nói chung. - Các kết quả nghiên cứu sẽ được ứng dụng trong thực tiễn và dần thay thế công nghệ truyền thống . - Kết quả nghiên cứu đạt được sẽ ứng dụng vào Phay bàn Máp 2 rãnh bằng Gang cầu tại nhà máy Điêzen Sông công – Thái nguyên. Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 11 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BÔI TRƠN 1. Tổng quan về công nghệ bôi trơn truyền thống - Bôi trơn làm nguội kiểu tưới tràn: là phương pháp được dùng phổ biến nhất hiện nay, dung dịch trơn nguội được dẫn tự do vào vùng cắt thông qua hiện tượng mao dẫn và các thiết bị cần thiết như bơm nước, sự chênh lệch độ cao, bình thông nhau... Ưu điểm của phương pháp tưới tràn là tải được nhiệt ra khỏi vùng cắt, hạn chế được ảnh hưởng xấu của nhiệt độ đối với dụng cụ cắt. Đảm bảo được nhiệt độ trong môi trường thấp và ổn định. Giúp việc vận chuyển phoi ra khỏi vùng cắt dễ dàng. Giảm ma sát giữa phoi và mặt trước, giữa phôi và mặt sau dụng cụ cắt. Nhược điểm của phương pháp là gây ô nhiễm môi trường làm việc, đất đai và nguồn nước. Tăng chi phí sản xuất, vận chuyển, bảo dưỡng và tái chế chất bôi trơn đặc biệt là chi phí làm sạch trước khi đưa vào môi trường. Tiêu tốn nhiều dung dịch trơn nguội. Dung dịch khó xâm nhập vào vùng cắt. - Theo c«ng nghệ truyền thống, khi gia c«ng vËt liÖu Gang, th«ng thường người ta kh«ng sử dụng b«i trơn (gia c«ng kh«) v× : §Æc ®iÓm biÕn d¹ng phÇn lín Gang kÕt cÊu d¹ng ferit hoÆc peclit vµ tõ 3- 5% graphit ë d¹ng b«ng hoÆc tÊm, hay graphit phiÕn hoÆc d¹ng cÇu. ChÝnh v× cã graphit lªn tÝnh dÎo cña gang gi¶m, lµm phoi dÔ gÉy vµ ho¹t ®éng nh• mét lo¹i chÊt b«i tr¬n tù nhiªn, lùc c¾t t•¬ng ®èi nhá vµ phoi vôn. Do vËy gang ®•îc xÕp vµo nhãm vËt liÖu dÔ gia c«ng c¾t gät, tuy nhiªn khi gia c«ng c¾t gät Gang th•êng gÆp mét sè vÊn ®Ò nh•: - Mßn dao do t¹p chÊt cøng lÉn trong gang g©y ra - Cã hiÖn t•îng phoi ch¶y dÎo vµ dÝnh b¸m lªn mÆt sau (Gang cÇu) - Lùc c¾t rÊt lín, nhiÖt ®é cao, chÊt l•îng gia c«ng gi¶m (Gang cÇu) 2. Tổng quan về công nghệ bôi trơn tối thiểu Bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQL): là phương pháp sử dụng dòng khí nén có áp suất cao để phun dung dịch trơn nguội vào vùng cắt dưới dạng sương mù để bôi trơn, làm nguội và đẩy phoi ra khỏi vùng gia công. Bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQL) có nh÷ng •u ®iÓm næi bËt nh•: Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 12 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - Giảm lực cắt và mßn dao - N©ng cao tuổi bền của dụng cụ c¾t. - Giảm chi phÝ dọn phế thải và là m sạch m«i trường. - Kh«ng gian là m việc sạch, gãp phần giảm « nhiễm m«i trường. Những năm 90 của thế kỷ XX, các nước công nghiệp phát triển CHLB Đức, Thụy Điển... đã nghiên cứu và ứng dụng công nghệ bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQL). Hướng nghiên cứu về MQL tập trung vào: tìm ra các loại dung dịch cắt gọt mới đáp ứng được yêu cầu của MQL hoặc tìm các chất phụ gia làm tăng tính cắt của dung dịch cắt gọt. Nghiên cứu xác định áp suất và lưu lượng tối ưu. Cải tiến kết cấu của dụng cụ để thích hợp với MQL. Cải tiến kết cấu đầu phun và hệ thống bôi trơn. Nghiên cứu ứng dụng MQL trong gia công cứng và gia công tốc độ cao... [3]. Trên thế giới có một số tài liệu đã công bố nghiên cứu về MQL như: các tác giả Nikhil Ranjan Dhar, Sumaiya Islam, Mohamad Kamruzzaman nghiên cứu Ảnh hưởng của MQL đến mòn dao, độ nhám bề mặt và sai lệch kích thước khi tiện AISI- 4340 [14]. Tác giả Steven Y. Liang đã nghiên cứu MQL trong tiện cứng [15]. Tổng công ty Master Chemical đã tổng kết các Ứng dụng của MQL trong công nghệ kim loại [16]. Tác giả Jim Lorincz đã nêu Các giải pháp đúng đối với chất làm nguội trong đó có nêu những thành công của MQL trong gia công cắt gọt và ứng dụng MQL trong thiết kế máy công cụ [17]. Ở Việt Nam, công nghệ MQL mới chỉ mới tiếp cận vài năm gần đây. Hiện đã có một số nghiên cứu áp dụng MQL trong gia công cắt gọt đã công bố như: tác giả Trần Minh Đức đã Nghiên cứu ứng dụng công nghệ bôi trơn làm nguội tối thiểu trong gia công cắt gọt, tác giả đã xây dựng được hệ thống MQL đáp ứng yêu cầu nghiên cứu và rất thuận lợi cho việc chuyển giao công nghệ MQL trong tiện cắt đứt, phay rãnh bằng dao phay ngón, phay lăn răng, khoan [3]. Tác giả Phạm Quang Đồng đã Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ bôi trơn - làm nguội tối thiểu đến độ mòn dao và chất lượng bề mặt khi phay rãnh bằng dao phay ngón [4]. Tác giả Nguyễn Đức Chính đã Nghiên cứu xác định áp lực và lưu lượng hợp lý để thực hiện công nghệ bôi trơn làm nguội khi khoan [5]. Tác giả Lưu Trọng Đức Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 13 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên đã Nghiên cứu so sánh các phương pháp tưới trong công nghệ bôi trơn - Làm nguội tối thiểu khi phay rãnh [6]. Như vậy, theo các tài liệu đã công bố về MQL trong gia công cắt gọt thì nghiên cứu ứng dụng MQL trong phay mặt phẳng gang cầu bằng dao phay mặt đầu cácbít chưa được nghiên cứu. Trong khi đó nhu cầu phay gang (đặc biệt là gang cầu) được đặt ra để tránh hoặc giảm bớt được nguyên công mài. Chính vì vậy tác giả đã đề xuất chọn đề tài: Nghiên cứu và lựa chọn chế độ cắt tối ƣu khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu đối với gang cầu có bôi trơn tối thiểu Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 14 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chương 2 NGHIÊN CỨU VỀ CHẾ ĐỘ CẮT KHI PHAY 2.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH PHOI 2.1.1 Khái niệm và phân loại phoi Khi dao dịch chuyển các phân tử kim loại lúc đầu bị nén đàn hồi (hình 2.1a), sau đó bị biến dạng dẻo, quá trình biến dạng dẻo tăng dần cho đến khi bị lực liên kết bên trong của các phân tử chặn lại. Ở thời điểm này xảy ra sự xếp lớp của các phần tử phoi và sự trượt của chúng trên mặt phẳng BC (hình 2.1b). Hiện tượng tương tự cũng xảy ra đối với các phần tử tiếp theo từ 1  5 (hình 2.1c). a P a) a b) P 2 1 C    B a c) P 2 1 C     B 3 4 5 Hình 2.1. Sơ đồ quá trình hình thành phoi khi cắt vật liệu dẻo Biến dạng dẻo xảy ra trong vùng được giới hạn bằng góc , góc này được gọi là góc tác động. Góc 1 gọi là góc trượt, còn mặt phẳng BC gọi là mặt phẳng trượt. Quá trình hình thành phoi trên đây xảy ra khi gia công các vật liệu dẻo với chiều sâu cắt lớn và góc cắt  nhỏ. Hình 2.2 là các loại phoi được hình thành trong quá trình gia công các loại vật liệu khác nhau. Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 15 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Phoi dây (hình 2.2a) được hình thành khi gia công vật liệu dẻo với chiều sâu cắt nhỏ, tốc độ cắt và góc trước  lớn [7]. Phoi xếp lớp (hình 2.2b) được hình thành khi gia công các vật liệu dẻo với chiều sâu cắt lớn, tốc độ cắt và góc trước  nhỏ [7]. Phoi vụn (hình 2.2c) được hình thành khi gia công các vật liệu dẻo với chiều sâu cắt lớn, tốc độ cắt và góc trước  nhỏ [7]. Khi gia công các vật liệu giòn (gang) với chiều sâu cắt và góc trước  lớn thì phoi vụn (hình 2.2d) có hình dạng không giống nhau được hình thành. a P a) a P C B a P C B a P C B c) b) d) Hình 2.2. Các loại phoi 2.1.2 Sự co rút phoi Biến dạng dẻo khi cắt kim loại được thể hiện ở chỗ chiều dày phoi a1 lớn hơn chiều dày cắt a (hình 2.3). Nhưng trong trường hợp này có sự thay đổi về hình dáng, còn thể tích vẫn được giữ nguyên, cho nên chiều dài phoi L sẽ ngắn hơn quãng đường mà dao đi qua L0 (chiều dài cắt). Hiện tượng phoi bị ngắn lại theo chiều dài và lớn lên theo bề dày được gọi là sự co rút phoi K: 110  a a L L K Hệ số co rút phoi là chỉ tiêu gián tiếp đánh giá cường độ biến dạng dẻo khi cắt kim loại Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 16 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên L a L L 0 a1 Hình 2.3. Sơ đồ co rút phoi   l l0 Hình 2.4. Sơ đồ xác định hệ số co rút phoi Khi xét một phần tử phoi (hình 2.4), hệ số co rút phoi sẽ bằng: 1 1 1 1 0 0 sin )cos( sin )90sin(         l l K Trong thực tế, K = 1,5  4. Sử dụng dung dịch trơn nguội cho phép giảm sự co rút của phoi [7]. 2.2 LỰC CẮT GỌT 2.2.1. Cơ sở lý thuyết của lực cắt Trong quá trình cắt, dụng cụ cắt chịu tác dụng của các lực. Các lực này tác dụng lên phôi và lưỡi cắt. Hình 2.5a là sơ đồ lực tác động lên phôi khi cắt tự do. Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 17 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên L0   N' F'0 R1 F R N 0 0 v a) N' F'0 Rb) y z R Pz Py 1 R1 R0 Rc) d) Hình 2.5. Sơ đồ tác dụng của lực khi cắt tự do Mặt trước của dao chịu tác dụng của lực R0, lực R0 là tổng hợp lực pháp tuyến N và lực ma sát của phoi lên mặt trước F0, có nghĩa là: 00 FNR  . Mặt sau của dao (gần lưỡi cắt) chịu tác dụng của lực pháp tuyến N’ và lực ma sát lên mặt sau của dao F0’. Tổng của hai lực N’ và F0’ là R1. Vì góc sau  nhỏ và có độ mòn ở mặt sau của dao, cho nên ta có thể tính lực như trên hình 2.5b, có nghĩa là phương của lực F0’ ngược với phương tốc độ cắt V. Để thực hiện được quá trình cắt hoặc để giữ trạng thái cân bằng của dao thì từ ngoài phải có một lực tác dụng lên dao 10 RRR  (hình 2.5c). Phân tích lực R tác dụng lên dao ra hai thành phần: - Thành phần lực Pz theo phương chuyển động chính hoặc theo phương dịch chuyển của dao và ta gọi Pz là lực tiếp tuyến. - Thành phần lực Py theo phương trùng với đường tâm dao và ta gọi Py là lực hướng kính. Khi chiếu các lực lên phương của trục y và trục z ta được: Pz = Ncos + F0sin + F0’ Py = -Nsin + F0cos+ N’ Lực pháp tuyến N có thể xác định theo công thức gần đúng sau đây: mtSKN 0 Ở đây: 0: giới hạn chảy của vật liệu gia công khi bị nén (kG/mm 2 ); Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 18 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên t: chiều sâu cắt (mm); S: lượng chạy dao (mm/vòng); K: hệ số co rút phoi; m: số mũ của K (phụ thuộc vào vật liệu gia công). Ngoài hai thành phần lực Pz và Py còn có thêm thành phần lực Px (lực tác dụng theo phương trục chi tiết). Tương quan của các thành phần lực này trong điều kiện gia công bình thường có thể được tính như sau [7]: Px = (0,2  0,3)Pz Py = (0,3  0,4)Pz 2.2.2. Ảnh hƣởng của dung dịch trơn nguội đến lực cắt Nhiều nghiên cứu cho thấy sử dụng dung dịch trơn nguội cho phép giảm lực cắt xuống 30%, thậm chí xuống 45% khi cắt ren bằng tarô [7]. Khi sử dụng dung dịch trơn nguội thì lực cắt phải càng giảm rõ rệt nếu vật liệu gia công càng có độ dẻo cao. Điều này được giải thích như sau: trong trường hợp này lực ma sát giữa dao và phoi tăng, do đó hiệu quả của việc sử dụng dung dịch trơn nguội càng phải cao [7]. Tuy nhiên, một số nhà nghiên cứu lại khuyên không nên sử dụng dung dịch trơn nguội khi gia công với tốc độ cắt lớn. Ví dụ khi gia công thép 10 với tốc độ cắt cao và dùng dung dịch trơn nguội emunxi, lực cắt Pz lớn hơn chút ít so với trường hợp gia công không có dung dịch trơn nguội [7]. Mặc dù có lời khuyên trên, nhưng trong thực tế sử dụng dung dịch trơn nguội trong mọi trường hợp (kể cả gia công tốc độ cao) vẫn có ưu điểm vì khi có dung dịch trơn nguội, dụng cụ cắt làm việc êm hơn, tuổi bền dụng cụ cao hơn, ngoài ra độ chính xác và độ nhám bề mặt cũng được cải thiện đáng kể [7]. 2.3 HIỆN TƢỢNG NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH CẮT 2.3.1 Nhiệt cắt Hiện tượng nhiệt trong quá trình cắt đóng vai trò rất quan trọng, bởi vì nó ảnh hưởng đến quá trình tạo phoi, lẹo dao, co rút phoi, lực cắt và cấu trúc lớp bề Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 19 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên mặt. Ngoài ra, nhiệt cắt còn ảnh hưởng rất lớn đến cường độ mòn và tuổi bền dao [7]. Sự tỏa nhiệt khi cắt là do một công A (kGm) sinh ra trong quá trình hớt phoi. Công A được xác định theo công thức: A = A1 + A2 + A3 (1) Ở đây: A1: công sinh ra biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo; A2: công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt trước của dao; A3: công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt sau của dao. Mặt khác, công A được tính theo công thức: A = Pz.L Ở đây: Pz: lực cắt tác dụng theo phương tốc độ cắt (kG); L: quãng đường mà dụng cụ đi qua hay chiều dài cắt (m). Các công thành phần trong công thức (1) có tỉ lệ như sau: A1 = 55%, A2 = 35%, A3 = 10%. Nếu lấy quãng đường mà dụng cụ đi qua trong một phút, ta có công thức trong một phút: A = Pz.V = Ps.Vs + F.VF + F1.VF1 Ở đây: V: tốc độ cắt (m/phút); Ps: lực trong mặt phẳng trượt hay lực trượt (kG); Vs: tốc độ trượt (m/phút); F: lực ma sát ở mặt trước của dao (kG); F1: lực ma sát ở mặt sau của dao (kG); K V VF  : tốc độ chuyển động của phoi ở mặt trước của dao (m/phút); K: hệ số co rút phoi; VF1: tốc độ chuyển động của bề mặt gia công tương đối so với mặt trước của dao (m/phút), VF1 = V. Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 20 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Thực tế cho thấy, phần lớn công cắt gọt A (hơn 99,5%) sinh ra nhiệt cắt. Vì vậy, lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình cắt là [7]: 427 . 427 VPA Q z Nhiệt cắt Q được tính bằng kcal/phút. Nhiệt trong quá trình cắt lan tỏa từ điểm có nhiệt độ cao nhất đến điểm có nhiệt độ thấp nhất. Nhiệt trong quá trình cắt chủ yếu tập trung ở phoi và một phần ở dụng cụ. Nhiệt do ma sát ở mặt trước và mặt sau sẽ tập trung ở mặt trước III và mặt sau IV, ở phoi II và chi tiết gia công I (hình 2.6). Có một phần nhỏ nhiệt tỏa ra vào môi trường xung quanh. a Ñöôøng ñaúng nhieätVuø g tröôït I II III IV Hình 2.6. Sơ đồ hình thành và lan tỏa nhiệt Khi biết lượng nhiệt sinh ra trong quá trình cắt lan tỏa giữa phoi, chi tiết gia công và dụng cụ, có thể viết phương trình nhiệt như sau: Q = Q1 + Q2 + Q3 = Qp + Qd + Qc + Qm Ở đây: Q1, Q2, Q3: nhiệt ứng với các công ở công thức 1; Qp, Qd, Qc, Qm: nhiệt ở phoi, ở dụng cụ, ở chi tiết và ở môi trường xung quanh. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy khi gia công với tốc độ cắt không lớn (30 ÷ 40 m/phút) tỉ lệ nhiệt như sau: Qp  60  70%; Qd  3%; Qc  30  40%; Qm  1  2%. Khi tốc độ cắt tăng, tỉ lệ nhiệt vào phoi tăng. Ví dụ, khi tốc độ cắt V = 400  500 m/phút, nhiệt vào phoi Qp  97  98%; Qd  1%. Thực nghiệm cũng đã Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 21 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên khẳng định rằng tính dẫn nhiệt của chi tiết gia công càng nhỏ thì nhiệt tỏa vào dụng cụ càng lớn [7]. Khi cắt với tốc độ V = 10 m/phút, nhiệt độ lớn nhất trên mặt trước của dao khoảng 5400C, còn trên khoảng cách 0,2 mm của mặt trước nhiệt độ khoảng 4500C. Khi tốc độ cắt là V = 200 m/phút nhiệt độ ở các nơi tương ứng là 12650C và 4000C [7]. Khi gia công vật liệu có tính dẫn nhiệt thấp, ví dụ hợp kim Titan BT2 thì nhiệt độ vào dao lớn hơn khi gia công các vật liệu thông thường khác. Khi nói về nhiệt độ cắt, cần nhớ rằng nó có giá trị không như nhau ở các điểm khác nhau của vùng cắt. Ở các điểm khác nhau của bề mặt dụng cụ và phoi có nhiệt độ khác nhau. Ngoài ra, tại mỗi điểm nhiệt độ có thể thay đổi theo thời gian. Nhiệt độ cao nhất tồn tại ở tâm áp lực của phoi xuống dao và ở lưỡi cắt chính [7]. 2.3.2 Ảnh hƣởng của dung dịch trơn nguội đến nhiệt cắt Dung dịch trơn nguội xâm nhập vào vùng cắt có tác dụng làm mát và tải nhiệt ra khỏi vùng cắt, do đó làm nhiệt độ vùng cắt giảm xuống [7]. 2.4. SỰ MÀI MÒN DAO 2.4.1 Biểu hiện ngoài của sự mài mòn dao Do áp lực, nhiệt độ và tốc độ cắt, các bề mặt tiếp xúc của dao trong quá trình sử dụng bị mài mòn. Tất cả các loại dụng cụ đều bị mài mòn: theo mặt sau (dạng mài mòn thứ nhất) hoặc theo mặt sau và mặt trước (dạng mòn thứ hai). Cả hai loại mòn này đều tồn tại khi gia công với mọi chế độ cắt được dùng trong sản xuất. Khi mòn theo dạng thứ nhất (hình 2.7a) ở mặt sau của dao tạo thành tiết diện mòn có bề rộng là . Dọc theo lưỡi cắt chính bề rộng của tiết diện mòn nhìn chung rất nhỏ. Về nguyên tắc, bề rộng lớn nhất của tiết diện mòn tồn tại ở mặt sau của dao hoặc ở chỗ chuyển tiếp giữa lưỡi cắt chính và lưỡi cắt phụ (hình 2.8a). Trong một số trường hợp ở điểm của lưỡi cắt chính tương ứng với bề mặt gia công tồn tại mòn cục bộ có hình dạng như cái lưỡi (hình 2.8b). Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 22 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên    1 f l  l a) b) c) Hình 2.7. Các dạng mòn của dụng cụ cắt a) b) Hình 2.8. Mòn của dụng cụ cắt dọc theo lưỡi cắt Khi mòn theo dạng thứ hai thì ngoài mặt sau bị mòn, mặt trước cũng bị mòn (hình 2.7b). Mòn mặt trước có hình dạng đặc thù riêng. Dưới tác dụng của phoi ở mặt trước của dao tồn tại một vết lõm có bề rộng l và chiều sâu 1 (hình 2.7b). Cạnh ngoài của vết lõm nằm gần song song với lưỡi cắt chính, còn chiều dài b của vết lõm bằng chiều dài làm việc của lưỡi cắt chính. Tùy thuộc vào tốc độ cắt và khoảng cách giữa cạnh ngoài vết lõm và lưỡi cắt chính có thể thay đổi. Khi gia công thép với tốc độ cắt thấp và trung bình bằng dao thép gió, lưỡi cắt chính và cạnh ngoài của vết lõm tồn tại khoảng cách f (gọi là đoạn nối ngang), đoạn f này giảm dần theo chiều tăng của diện tích vết lõm. Điều này có liên quan đến lẹo dao, lẹo dao giữ cho mặt trước không bị phoi cọ sát nhiều. Khi gia công thép với tốc độ cắt lớn bằng dao hợp kim cứng không tồn tại lẹo dao cho nên cạnh ngoài của vết lõm trùng với mặt sau của dao, do đó mặt trước của dao chỉ tồn tại vết lõm (hình 2.7c). Dạng mòn của dụng cụ cắt phụ thuộc vào vật liệu gia công, chiều dày cắt a và tốc độ cắt v. Khi gia công các vật liệu dẻo (thép) mòn dao xảy ra theo dạng thứ nhất và dạng thứ hai. Khi gia công các vật liệu giòn (gang) mòn dao xảy ra theo dạng thứ nhất nhiều hơn dạng thứ hai [7]. Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 23 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chiều dày lớp cắt và tốc độ cắt có ảnh hưởng như nhau đến dạng mòn của dụng cụ. Khi cắt với chiều dày cắt nhỏ (< 0,1 mm) và tốc độ cắt thấp, dao mòn theo mặt sau (dạng mòn thứ nhất). Khi tăng chiều dày cắt và tốc độ cắt ngoài mặt sau ra, mặt trước của dao cũng bị mòn (dạng mòn thứ hai). Hơn nữa, chiều dày cắt a và tốc độ cắt v càng tăng thì mặt trước càng mòn nhanh hơn mặt sau [7]. Góc trước  và dung dịch trơn nguội có ảnh hưởng không đáng kể đến dạng mòn của dao [7]. 2.4.2 Bản chất vật lý của sự mài mòn dao Mặc dù mài mòn của dụng cụ cắt là chỉ tiêu quan trọng của khả năng làm việc của dụng cụ, nhưng bản chất vật lý của mài mòn vẫn chưa được nghiên cứu sâu do tính phức tạp của quá trình tiếp xúc xảy ra ở mặt trước và mặt sau của dao. Có nhiều giả thuyết giải thích bản chất vật lý của sự mài mòn dụng cụ. Các hiện tượng mòn xuất hiện ở dụng cụ cắt như hình 2.9 - a: Mòn do khuếch tán. - b: Mòn do cào xước. - c: Mòn do kim loại bị ôxi hoá ở t o≥ 800oC. - d: Mòn do dính bám dẫn tới hiện tượng tróc lớp bề mặt Hình 2.9. Mô hình mòn dụng cụ cắt [1] Dưới đây ta phân tích từng trường hợp cụ thể: - Mòn hạt mài: khi có ma sát của phôi với mặt sau và ma sát của phoi với mặt trước của dao, các hạt tinh thể cứng của vật liệu gia công làm xước vật liệu dao và dần dần phá hủy mặt dao. Cường độ mòn hạt mài tăng khi hàm lượng silic (Si ≤ 3.5%) trong gang (vật liệu gia công) vượt quá giới hạn. Lẹo dao có thể làm xước bề mặt dụng cụ nhanh hơn cả vật liệu gia công bởi độ cứng của lẹo dao cao hơn nhiều so với độ cứng của vật liệu gia công. Mòn hạt mài của dụng cụ bằng thép Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 24 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên dụng cụ và thép gió nhanh hơn so với dụng cụ bằng hợp kim cứng, bởi vì dao hợp kim cứng có độ cứng rất cao. - Mòn tiếp xúc: bề mặt của phoi và mặt trước của dao không phải là các bề mặt có độ nhẵn bóng tuyệt đối, vì vậy chúng chỉ tiếp xúc với nhau theo các đỉnh nhấp nhô. Điều này gây ra áp lực lớn phá vỡ các màng bị oxi hóa, do đó xảy ra hiện tượng hàn nguội giữa vật liệu phoi và bề mặt dụng cụ ở các điểm tiếp xúc thực tế. Sự hàn nguội này xảy ra với xác suất lớn hơn khi nhiệt độ cắt cao. Khi phoi dịch chuyển theo bề mặt dao, tại các chỗ tiếp xúc xuất hiện ứng suất cắt và kết quả các hạt kim loại ở mặt trước của dao bị bóc tách, có nghĩa là bị mài mòn. - Mòn khuyếch tán: nhiệt độ và biến dạng dẻo ở bề mặt tiếp xúc gây ra quá trình khuyếch tán ở vật liệu dao và vật liệu gia công. Trong trường hợp này khuyếch tán không xảy ra đối với các phân tử của liên kết hóa học, mà khuyếch tán chỉ xảy ra đối với các phân tử riêng biệt của liên kết này. Ví dụ, các phân tử Cácbon, Vônfram, Titan, Côban có trong thành phần của hợp kim cứng dụng cụ. Hình 2.10. Mài mòn do khuếch tán Hình 2.11. Mài mòn do chảy dẻo Theo quy luật phát triển của lớp khuyếch tán thì tốc độ khuyếch tán tăng nhanh ở giai đoạn đầu của quá trình khuyếch tán. Trong quá trình cắt thời gian tiếp xúc của phoi và dao xảy ra rất nhanh (% hoặc phần nghìn giây), vì vậy những phần khác nhau của vật liệu gia công liên tục tiếp xúc với bề mặt dụng cụ, làm cho quá Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 25 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên trình khuyếch tán ở giai đoạn đầu tăng mạnh, gây ảnh hưởng lớn đến cường độ mòn của dụng cụ. - Mòn oxy hóa: giả thuyết về mòn oxy hóa được đưa ra trên cơ sở ăn mòn của các hợp kim cứng khi chúng bị nung nóng trong môi trường Oxy và sự không thay đổi tính chất của lớp bề mặt hợp kim cứng khi chúng bị nung nóng trong các loại khí như Acgôn, Nitơ và Gheli. Theo giả thuyết này, khi nhiệt độ cắt 700  800 0C Oxy của không khí tham gia vào phản ứng hóa học với pha của Côban trong hợp kim cứng và Cácbít Vônfram, Cácbít Titan. Do hợp kim cứng có độ xốp lớn cho nên quá trình oxy hóa không chỉ xảy ra trên các lớp bề mặt tiếp xúc của dụng cụ mà còn ở các hạt vật liệu (hợp kim cứng) nằm sâu dưới lớp bề mặt. Sản phẩm oxy hóa của Côban là các ôxít Co3O4, CoO và cácbít WO3, TiO2. Độ cứng của các sản phẩm oxy hóa thấp hơn độ cứng của hợp kim cứng khoảng 40  60 lần. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho lực ma sát ở mặt trước và mặt sau của dao san phẳng các hạt cácbít và mài mòn các bề mặt này. Khi lượng Côban trong hợp kim cứng tăng thì tốc độ oxy hóa tăng, do đó bề mặt dụng cụ bị mài mòn tăng. Khi cắt trong môi trường khí Acgôn, Gheli và Nitơ có thể giảm được cường độ mòn của dụng cụ. 2.4.3 Quy luật mòn của dụng cụ cắt Hình 2.12. Quan hệ giữa độ mòn và thời gian làm việc của dao Hình 2.12 là quan hệ phụ thuộc giữa độ mòn  của dụng cụ cắt và thời gian làm việc của nó  (gọi là đường cong mòn). Đường cong mòn có thể chia làm ba phần: Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 26 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - Phần 1: Mòn ban đầu với khoảng thời gian không lớn. Trong giai đoạn này, mòn xảy ra với cường độ rất lớn do sự mài mòn các đỉnh nhấp nhô trên bề mặt dụng cụ. - Phần 2: Mòn bình thường. Giai đoạn này bắt đầu từ thời điểm khi mà chiều cao nhấp nhô có giá trị rất nhỏ. Ở giai đoạn này, độ mòn gần như tăng tỉ lệ tuyến tính với thời gian làm việc của dụng cụ. Đây là giai đoạn có thời gian làm việc lớn nhất của dụng cụ. - Phần 3: mòn kịch liệt. Ở giai đoạn này dao có thể bị xước lưỡi cắt hoặc bị gãy đầu dao. Mòn ở giai đoạn này không cho phép dao tiếp tục làm việc, có nghĩa là cần phải mài lại dao hoặc thay dao mới. 2.5 GIA CÔNG CẮT GỌT KHI PHAY 2.5.1 Khái niệm chung Phay là phương pháp gia công kim loại được dùng phổ biến từ thế kỷ XIX. Từ đó đến nay nó đã trải qua một thời kỳ dài phát triển. Phương pháp phay được nhiều học giả quan tâm nghiên cứu. Phay cho độ chính xác kích thước và độ nhám không cao lắm (độ chính xác kích thước không cao hơn cấp 2  4 và độ nhám cấp (6  7) [7], [8]. Có thể gia công mặt phẳng, mặt định hình, rãnh then, then hoa, bánh răng... bằng dao phay. Trải qua một thời gian dài phát triển, dao phay ngày càng được cải tiến, đã xuất hiện nhiều kiểu khác nhau như: dao phay mặt đầu, dao phay đĩa, dao phay đĩa cắt đứt, dao phay ngón, dao phay góc, dao phay định hình... Nói chung, dao phay là dụng cụ nhiều lưỡi cắt nên quá trình cắt ngoài những đặc điểm của phương pháp tiện, còn có những đặc điểm sau đây: - Năng suất phay cao hơn bào nhiều lần do có đồng thời nhiều lưỡi cắt. - Lưỡi cắt của dao phay không làm việc liên tục, mặt khác khối lượng thân dao thường lớn nên khả năng truyền nhiệt tốt. - Diện tích cắt khi phay thay đổi do đó lực cắt thay đổi gây rung động trong quá trình cắt. Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 27 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - Khả năng tồn tại lẹo dao ít do lưỡi cắt làm việc gián đoạn gây va đập và rung động. 2.5.2 Phân loại dao phay Hình 2.13. Các loại dao phay a- dao phay trụ; b- dao phay đĩa và dao phay rãnh; c- dao phay ngón; d,e- dao phay mặt đầu; g- dao phay định hình; h- dao phay cắt đứt Theo khả năng công nghệ: - Dao phay mặt phẳng. - Dao phay rãnh. - Dao phay định hình. - Dao phay bánh răng và ren. - Dao phay các chi tiết tròn xoay. - Dao phay cắt đứt. Theo đặc điểm cấu tạo: - Theo phương của răng: dao phay răng thẳng, dao phay răng nghiêng, dao phay răng xoắn... Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 28 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - Theo kết cấu của răng: dao phay răng nhọn, dao phay răng tù (phay hớt lưng). - Theo kết cấu: dao phay liền, dao phay ghép, dao phay răng chắp, đầu dao lắp ghép. - Theo phương pháp kẹp chặt: dao phay có lỗ, dao phay chuôi trụ hay côn. 2.5.3 Vật liệu chế tạo dao phay Hợp kim cứng thường được sử dụng cho chế tạo dao phay mặt đầu, dao phay có kích thước lớn. Ít khi được sử dụng để chế tạo dao phay ngón cắt rãnh. Hợp kim cứng có độ cứng cao, có thể đạt HRA = 86  92, chịu nhiệt độ khoảng 10000C, do đó có thể tăng vận tốc cắt lên gấp 2  3 lần thép gió. Hợp kim cứng được chế tạo từ các bột cácbít vônfram (WC), cácbít titan (TiC), cácbít tantan (TaC), trộn với chất dính kết là bột côban, ép mảnh định hình rồi thiêu kết ở nhiệt độ ở khoảng 20000C để côban chảy ra và liên kết các hạt cácbít lại với nhau. Các hợp kim cứng thường dùng là BK, TK, TTK hoặc P01, P10, P20, P30, P40, P50, M10, M20, M30, M40, K01, K10, K20, K30. Theo tiêu chuẩn Nga (OCT) có thể phân thành bằng tay loại hợp kim cứng: Nhóm 1 cácbít BK: là hợp kim cứng một cácbít WC như BK3, BK8, BK10... Ví dụ BK8 có 8%Co và 92% Cácbít. Nhóm 2 cácbít TK: là hợp kim cứng hai cácbít TiC và WC như T15K6, T30K4... Ví dụ T15K6 có 6%Co, 15% TiC và 79% WC. Nhóm 3 cácbít TTK: là hợp kim cứng ba cácbít TiC, WC, TaC như: TT7K12 có 12% Co, 7%TiC và 81% WC. 2.5.4 Các thông số hình học của dao phay Ở dao phay mặt đầu (hình 2.14) các lưỡi cắt được chế tạo giống như các dao tiện có lưỡi cắt chuyển tiếp. Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 29 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 2.14. Các thông số hình học phần cắt của dao phay mặt đầu Định nghĩa các góc của dao phay mặt đầu cũng tương tự như định nghĩa các góc của dao tiện thường. Ví dụ, góc  (góc nghiêng chính) là gócgiữa hình chiếu của lưỡi cắt chính lên mặt phẳng đáy (mặt phẳng đi qua tâm dao) và phương chạy dao. Góc 2 0    là góc nghiêng của góc cắt chuyển tiếp. Đo góc  được thực hiện trong mặt phẳng N-N vuông góc với lưỡi cắt chính, còn góc sau  được đo trong mặt phẳng của hình chiếu của quỹ đạo chuyển động của một điểm của lưỡi cắt, có nghĩa là trong mặt phẳng A-A vuông góc với trục của dao và trùng với phương chạy dao. Giữa góc sau N và  có quan hệ phụ thuộc sau: tgN = tg.sin Ngoài các góc trên đây, dao phay mặt đầu còn có thêm góc hướng kính (hay góc ngang) N trong mặt phẳng cắt ngang A-A và góc trục (hay góc dọc) 2 trong mặt phẳng cắt dọc B-B. Các góc của dao phay được chọn phụ thuộc vào tính chất của vật liệu gia công, điều kiện cắt và kết cấu của nó. Ví dụ, khi gia công thép bằng dao phay mặt đầu hợp kim cứng thì chọn góc  = -10  +100, còn khi gia công gang  = +5  0. Góc nghiêng chính  của dao phay mặt đầu thường bằng 45  600 và được chọn phụ Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 30 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên thuộc vào độ cứng vững của hệ thống công nghệ. Khi độ cứng của hệ thống công nghệ đảm bảo,  được chọn trong khoảng 20  300. Góc nghiêng phụ 1 được chọn phụ thuộc vào độ bóng bề mặt yêu cầu. 2.5.5 Các yếu tố của lớp cắt Hình 2.15. Sơ đồ cắt phoi của răng dao phay Quá trình phay có những đặc điểm sau: Mỗi răng của dao phay trong quá trình cắt sẽ hớt ra phoi có dạng một dấu phẩy (hình 2.15), còn chiều dày cắt thay đổi từ 0 đến amax. Mỗi một răng của dao phay làm việc với chế độ gián đoạn theo chu trình kỳ. Chế độ làm việc như vậy có ưu điểm là khi răng của dao phay đi ra khỏi chi tiết nó được làm nguội còn nhược điểm là khi răng ăn vào chi tiết gia công sẽ gây ra va đập. Để phân tích chiều dày cắt và diện tích của lớp cắt cần xác định góc tiếp xúc , có nghĩa là góc tâm tương ứng với cung tiếp xúc của dao phay với phôi (hình 2.16). Ta có: D B D B  2 2 2 sin  Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 31 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 2.16. Sơ đồ tính góc tiếp xúc Chiều dày cắt a là khoảng cách giữa hai vị trí hình chiếu của hai răng kề nhau được đo theo phương hướng kính (hình 2.17) Công thức tổng quát của chiều dày cắt được tính như sau: a = SZ.sin Ở đây:  là góc tiếp xúc tức thời giữa đường vuông góc (với mặt gia công) và bán kính tại điểm tiếp xúc của đỉnh răng dao với chi tiết gia công. Chiều dày cắt trung bình a0 bằng: D t SSa ZZ  )cos1( 2 1 0  Khi biết chiều rộng cắt B và chiều dày cắt amax có thể xác định được diện tích của tiết diện ngang của lớp cắt bằng dao phay: aBf . 2 2 max 2 D t D t BSf Z  Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 32 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 2.17. Sơ đồ xác định chiều dày cắt và diện tích lớp cắt của các răng dao phay khi chúng đồng thời tham gia vào quá trình cắt 2.5.6 Lực cắt khi phay Tổng hợp lực R1 có thể phân tích thành hai thành phần: lực vòng P (PZ) tác dụng theo tiếp tuyến của quỹ đạo chuyển động của lưỡi cắt và lực hướng kính Py (hình 2.18a). Hình 2.18. Sơ đồ lực cắt tác dụng lên dao phay trụ a) Răng thẳng; b) Răng xoắn (răng nghiêng) Ngoài ra, tổng hợp lực R1 có thể phân tích thành: lực nằm ngang PH và lực thẳng đứng PV. Nếu dao có răng xoắn (răng nghiêng) ngoài lực R1 tác dụng lên răng dao trong mặt phẳng vuông góc với trục của dao còn xuất hiện lực dọc trục P0, khi đó tổng hợp lực sẽ là R (hình 2.18b). Lực P là lực cần quan tâm nhất bởi nó thực hiện công việc chính để cắt phoi. Dựa theo lực này mà người ta tính công suất cắt và tính các chi tiết của cơ cấu Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 33 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên chuyển động chính của máy. Lực hướng kính Py gây ra áp lực lên ổ bi của trục chính máy và uốn võng trục dao. Dựa theo lực ngang PH (lực chạy dao) người ta tính toán cơ cấu chạy dao và đồ gá kẹp phôi. Lực này có thể gây rung động khi giữa cặp vít me - đai ốc có khe hở. Lực hướng kính PV có xu hướng nâng phôi lên khỏi bàn máy và nâng bàn máy lên khỏi thân máy. Công thức tính lực vòng khi phay bằng dao phay bằng dao phay trụ răng thẳng: ppP qy Z x P DzBStCP ..... Cấu trúc và dạng công thức trên cũng đúng cho cả dao phay mặt đầu [7]. 2.5.7 Độ mòn và tuổi bền của dao phay Tùy thuộc vào điều kiện cắt, răng dao phay có thể bị mài mòn tùy theo mặt trước (hình 2.19a) hoặc đồng thời bị mài mòn theo cả hai mặt trước và sau (hình 2.19b). Chiều dày cắt càng nhỏ, độ mòn của mặt sau càng lớn. Hình 2.19. Các dạng mài mòn của răng dao phay Dạng mài mòn như vậy đặc trưng cho các loại dao phay hình trụ, dao phay ngón, dao phay then hoa, dao phay rãnh và dao phay định hình. Các loại dao phay mặt đầu và dao phay đĩa khi gia công thép với chiều dày cắt amax > 0,08 mm thông thường cả hai mặt trước và sau đều bị mài mòn [7]. Khi gia công thô chỉ tiêu mòn tối ưu của dao phay là thời gian phục vụ tối đa (tuổi bền của dao). Khi gia công tinh và bán tinh cần đánh gía mòn chỉ tiêu công nghệ, có nghĩa là độ mòn giới hạn để đảm bảo chất lượng bề mặt gia công. Tuổi bền của dao phay phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có đường kính của dao. Đường kính dao càng lớn, tuổi bền của dao càng cao. Tuy nhiên, để tăng Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 34 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên chế độ cắt nên giảm tuổi bền của dao xuống khi phay thép hợp kim và thép khó gia công. 2.6 BÔI TRƠN LÀM NGUỘI KHI PHAY MẶT PHẲNG 2.6.1 Các phƣơng pháp bôi trơn làm nguội trong gia công cắt gọt Dung dịch trơn nguội có tác dụng [3]: - Dung dịch có khả năng xâm nhập tốt nhất vào vùng cắt, đặc biệt xâm nhập vào các vết nứt tế vi, khi đó nó đóng vai trò như 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 hóa 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 trơn nguội giúp phá hủy mạng tinh thể ở lớp cứng nguội. - Chất bôi trơn làm nguội 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 độ mấp mô bề mặt. Dung dịch trơn nguội có thể pha chế theo nhiều công thức khác nhau để thích hợp với từng điều kiện gia công khác nhau. Các dung dịch dùng trong cắt gọt thường dùng có thể chia làm hai nhóm chính: dung dịch chủ yếu làm nguội và dung dịch chủ yếu bôi trơn. Khi gia công thô, dao bị nóng nhiều và không đòi hỏi độ nhẵn cao, ta chỉ cần dùng dung dịch thuộc nhóm thứ nhất. Thành phần chủ yếu là keo của xà phòng và axit hữu cơ trong dầu mỏ pha với nước và pha cồn 900 để lâu hỏng. Khi gia công tinh đòi hỏi độ nhẵn bề mặt cao nên dùng dung dịch thuộc nhóm thứ hai. Thành phần cơ bản là dầu mỏ, dầu thực vật, dầu động vật, nước và xút có pha thêm cồn 900 [8]. Trong gia công cắt gọt có các dạng bôi trơn làm nguội sau đây [3]: - Gia công khô: là phương pháp không dùng dung dịch trơn nguội trong quá trình gia công. Ưu điểm của phương pháp gia công khô là không gây ô nhiễm môi trường. Không hao tốn dung dịch trơn nguội. Máy không cần trang bị hệ thống bôi Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 35 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên trơn. Nhược điểm của phương pháp là nhiệt độ vùng cắt lớn. Lực cắt lớn hơn so với phương pháp tưới tràn. Khó thoát phoi ra khỏi vùng gia công. Phương pháp này chỉ sử dụng cho một số phương pháp gia công và vật liệu gia công nhất định. - Bôi trơn làm nguội kiểu tưới tràn: là phương pháp được dùng phổ biến nhất hiện nay, dung dịch trơn nguội được dẫn tự do vào vùng cắt thông qua hiện tượng mao dẫn và các thiết bị cần thiết như bơm nước, sự chênh lệch độ cao, bình thông nhau... Ưu điểm của phương pháp tưới tràn là tải được nhiệt ra khỏi vùng cắt, hạn chế được ảnh hưởng xấu của nhiệt độ đối với dụng cụ cắt. Đảm bảo được nhiệt độ trong môi trường thấp và ổn định. Giúp việc vận chuyển phoi ra khỏi vùng cắt dễ dàng. Giảm ma sát giữa phoi và mặt trước, giữa phôi và mặt sau dụng cụ cắt. Nhược điểm của phương pháp là gây ô nhiễm môi trường làm việc, đất đai và nguồn nước. Tăng chi phí sản xuất, vận chuyển, bảo dưỡng và tái chế chất bôi trơn đặc biệt là chi phí làm sạch trước khi đưa vào môi trường. Tiêu tốn nhiều dung dịch trơn nguội. Dung dịch khó xâm nhập vào vùng cắt. - Bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQL): là phương pháp sử dụng dòng khí nén có áp suất cao để phun dung dịch trơn nguội vào vùng cắt dưới dạng sương mù để bôi trơn, làm nguội và đẩy phoi ra khỏi vùng gia công. 2.6.2 Bôi trơn làm nguội khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu 1. Phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu Dao phay mặt đầu được dùng để gia công các mặt phẳng trên máy phay đứng và ngang. Dao phay mặt đầu khác dao phay hình trụ ở chỗ là răng của dao phay mặt đầu nằm ở cả bề mặt trụ và mặt đầu. Dao phay mặt đầu chia làm hai loại: dao liền và dao chắp. So với dao phay hình trụ, dao phay mặt đầu có ưu điểm là: có độ cứng cao hơn khi kẹp nó trên trục tâm hoặc trục chính của máy. Quá trình làm việc êm hơn vì nhiều răng làm việc đồng thời. Chính vì thế khi gia công mặt phẳng người ta thường sử dụng dao phay mặt đầu [11]. Dao phay mặt đầu có các lưỡi bằng hợp kim cứng đã được sử dụng rộng rãi. Phay mặt đầu bằng loại dao phay này có năng suất cao hơn dao phay trụ. Gần đây Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 36 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên người ta đã sử dụng rộng rãi loại dao phay mặt đầu có các lưỡi dao thay đổi được bằng hợp kim cứng (chỉ dùng một lần) [11]. 2. Bôi trơn làm nguội khi phay mặt phẳng gang cÇu bằng dao phay mặt đầu Đối với vật liệu dao hợp kim cứng rất dễ xảy ra hiện tượng nứt mẻ lưỡi dao nên khi cắt gọt nếu tưới dung dịch trơn nguội thì phải tưới liên tục và đủ lưu lượng vì khi tưới rỏ giọt hoặc gián đoạn thì nhiệt độ dao thay đổi liên tục sẽ gây nứt vỡ dao [8]. Cắt khô hoàn toàn đã trở thành thói quen công nghiệp đối với gia công các chi tiết là gang. Các thông tin đáng tin cậy truyền thống chỉ ra rằng khi cắt có tưới dung dịch trơn nguội sẽ giảm được lực cắt, mòn dao, chất lượng bề mặt gia công tốt và công suất của máy giảm kết quả đó là do sự giảm nhiệt độ cắt [15]. Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 37 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chương 3 LỰA CHỌN TRANG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM 3.1 XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM 3.1.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống Hệ thống bôi trơn làm nguội tối thiểu phải đảm bảo các yêu cầu: - Áp suất khí nén phải ổn định và điều chỉnh được trong phạm vi cần thiết. Việc điều chỉnh phải dễ dàng, thuận lợi. - Lưu lượng dòng chất lỏng phải ổn định, tạo sương mù tốt. Phải điều chỉnh được lưu lượng một cách chủ động và độc lập với điều chỉnh áp suất dòng khí. - Dễ chế tạo, lắp đặt và sử dụng. Để đáp ứng được yêu cầu trên, nguyên lý hoạt động hệ thống phun dung dịch MQL như sau [1]: 10 20 30 1 2 3 7 8 4 5 6 Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý phun MQL dạng sương mù Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 38 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyên lý hoạt động Dòng khí áp lực cao từ máy nén khí 1 qua hệ thống điều chỉnh và ổn định áp suất 2 qua van 3, buồng tạo chân không và trộn 4. Khi dòng khí áp lực cao qua buồng tạo chân không 4 tạo nên lực hút chân không nên dung dịch trơn nguội từ buồng 8 sẽ qua hệ thống ống dẫn và van điều chỉnh lưu lượng7 vào buồng 4. Tại đây dung dịch trơn nguội được trộn với dòng khí nén tạo thành sương mù và được phun trực tiếp vào vùng cắt. Như vậy, áp suất dòng khí ra được điều chỉnh và ổn định nhờ van số 2. Lưu lượng dòng dung dịch được điều chỉnh và ổn định nhờ van 7. 3.1.2 Hệ thống thí nghiệm Hệ thống thí nghiệm phay Gang cầu trên máy phay sử dụng bôi trơn tối thiểu như sau: Hình 3.2. Ảnh hệ thống thí nghiệm 3.1.3 Thiết bị thí nghiệm - Máy công cụ: máy phay đứng Showa, kiểu JMII, Nhật Bản. Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 39 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - Dụng cụ cắt: dao phay mặt đầu gắn mảnh cácbít tam giác BK8 (79% WC, 15% TiC, 6% Co), độ cứng HRA  90, hãng Sandvic Coromant Thụy Điển - Phôi: Gang cầu (C = 0,62  0,70%, Si = 0,17  0,37%, Mn = 0,9  1,2%, P  0,035%, S  0,035%, Cr  0,025%, Ni  0,025%, Cu  0,20%) , độ cứng HB =170  220, kích thước phôi: 250 x 100 x 100. - Dung dịch trơn nguội: dầu lạc. - Hệ thống cung cấp khí nén: máy nén khí Model PT-0136, Đài Loan. Áp suất khí nén lớn nhất: 8 kg/cm2. Áp suất đầu ra của thí nghiệm thay đổi . - Đầu phun: đầu phun NOGA, Cộng Hòa Liên Bang Đức. - Dụng cụ đo kích thước: thước cặp, độ phân giải 0,01, Mitutoyo, Nhật Bản. - Dụng cụ đo lưu lượng: loại vạch chia 5 ml, thể tích 500 ml. - Thước cặp độ phân giải 0,01, Mittutoyo, Nhật Bản. Hình 3.3. Ảnh Máy đo nhám - Máy đo nhám: SJ-201 Mittutoyo, Nhật Bản. Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 40 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 3.4. Ảnh Máy chụp ảnh SEM - Máy chụp ảnh SEM và phân tích mòn trên kính hiển vi điện tử TM-1000, Nhật Bản. - Chế độ cắt: vận tốc cắt V = 208.5 m/phút, lượng tiến dao S = 28 mm/phút, chiều sâu cắt: t = 1,5 mm. 3.2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.2.1.Mục đích thí nghiệm Khảo sát mòn dao, hình ảnh tế vi mòn dao, độ nhám bề mặt chi tiết để hiểu cơ chế mòn dao và xét hiệu quả gia công của phương pháp gia công MQL khi đổi áp suất dòng khí đối với phay Gang cầu bằng dao phay mặt đầu cácbít. Từ đó lựa chọn được chế độ cắt với áp suất tối ưu khi gia công phù hợp cho phay mặt phẳng là Gang cầu bằng dao phay mặt đầu cácbít. Các chỉ tiêu đánh giá ảnh hưởng của các mức áp suất dòng khí khi gia công gồm: - Độ mòn và cơ chế mòn dao; - Tuổi bền dao ứng với lượng mòn cho phép; - Độ nhám bề mặt chi tiết gia công; 3.2.2.Trình tự tiến hành thí nghiệm Phay mặt phẳng Gang cầu có kích thước phôi: 250 x 100 x 100, chiều sâu cắt t = 1,5 mm bằng dao phay mặt đầu cácbít với các thông số công nghệ: n = 400 vòng/phút, S = 28 mm/phút, V = 208.5 m/phút. Sau một khoảng thời gian cắt 16.3 Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 41 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên phút (tương ứng với 2 lượt cắt, có chiều dài cắt 2 x 250 = 500 mm) mảnh dao được lấy ra để chụp ảnh hiển vi điện tử mòn dao, đo mòn. Sau mỗi thời gian cắt 8.15 phút (tương ứng với chiều dài cắt là 250 mm) tiến hành đo nhám bề mặt chi tiết. Khi gia công sử dụng dung dịch và phương pháp tưới dung dịch trơn nguội như sau: - Bôi trơn làm nguội tối thiểu tưới kiểu sương mù bằng dầu lạc với áp suất P = 4 KG/cm 2, lưu lượng Q = 0,22 ml/phút. . Sau một khoảng thời gian cắt 32.6 phút (tương ứng với 4 lượt cắt, có chiều dài cắt 4 x 250 = 1000 mm) mảnh dao được lấy ra để chụp ảnh hiển vi điện tử mòn dao, đo mòn. Sau mỗi thời gian cắt 8.15 phút (tương ứng với chiều dài cắt là 250 mm) tiến hành đo nhám bề mặt chi tiết. Khi gia công sử dụng dung dịch và phương pháp tưới dung dịch trơn nguội như sau: - Bôi trơn làm nguội tối thiểu tưới kiểu sương mù bằng dầu lạc với áp suất P = 5 KG/cm 2, lưu lượng Q = 0,22 ml/phút. Sau một khoảng thời gian cắt 48.9 phút (tương ứng với 6 lượt cắt, có chiều dài cắt 6 x 250 = 1500 mm) mảnh dao được lấy ra để chụp ảnh hiển vi điện tử mòn dao, đo mòn. Sau mỗi thời gian cắt 8.15 phút (tương ứng với chiều dài cắt là 250 mm) tiến hành đo nhám bề mặt chi tiết. Khi gia công sử dụng dung dịch và phương pháp tưới dung dịch trơn nguội như sau: - Bôi trơn làm nguội tối thiểu tưới kiểu sương mù bằng dầu lạc với áp suất P = 6 KG/cm 2, lưu lượng Q = 0,22 ml/phút. Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 42 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chương 4 TỐI ƢU QUÁ TRÌNH GIA CÔNG KHI PHAY MẶT PHẲNG LÀ GANG CẦU 4.1. Mô hình hoá quá trình cắt khi phay Nghiên cứu và lựa chọn chế độ cắt tối ưu trong quá trình gia công cắt gọt là phương pháp xác định chế độ cắt tối ưu thông qua việc xây dựng mối quan hệ toán học giữa hàm mục tiêu kinh tế hoặc kỹ thuật của quá trình gia công với các thông số của chế độ cắt tương ứng với một hệ thống các giới hạn về kỹ thuật, chất lượng và hiệu quả kinh tế của sản phẩm. Như vậy thực chất của việc nghiên cứu và lựa chọn chế độ cắt tối ưu khi phay gang cầu có bôi trơn tối thiểu là giải bài toán tìm cực trị trong đó ít nhất có một điều kiện biên là một bất phương trình. Để nghiên cứu tối ưu hoá chế độ cắt một cách có hệ thống và logic, trên cơ sở nghiên cứu tổng quan, dựa vào kết quả nghiên cứu [1], [3], [6], [7], [9] ta xây dựng mô hình hoá quá trình cắt khi phay như Hình 4.1. Mô hình tối ưu hoá quá trình cắt khi phay Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 43 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4.2. Tối ƣu hoá quá trình cắt khi phay Để thực hiện tối ưu hoá quá trình gia công và tìm cực trị, ta cần phải mô hình hoá toán học các hàm mục tiêu. Các hàm mục tiêu ở dạng tổng quát như sau: Y = f(s,v,t) Trong đó Y là chỉ tiêu tối ưu hoá (thông số đầu ra), có thể là lực cắt, chất lượng bề mặt (độ nhám bề mặt, độ sóng bề mặt, độ chính xác gia công), mòn và tuổi bền dụng cụ cắt… Các thông số S, V, t, P là các đại lượng nghiên cứu (lượng chạy dao, vận tốc cắt và chiều sâu cắt, áp suất khi phay). Các hàm mục tiêu được xây dựng trên cơ sở quá trình nghiên cứu thực nghiệm. Để phản ánh khách quan quá trình nghiên cứu ta cần khảo sát nhiều thông số ảnh hưởng tới quá trình gia công, khi đó vấn đề cần giải quyết sẽ triệt để và toàn diện hơn. Tuy nhiên, về mặt toán học thì quá trình nghiên cứu đó sẽ càng phức tạp và khó áp dụng vào thực tế sản xuất, nhưng nếu bỏ qua nhiều thông số ảnh hưởng thì mô hình và kết quả nghiên cứu lại kém chính xác. Do vậy, khi chọn hàm mục tiêu tối ưu hoá quá trình cắt ta cần giới hạn bài toán phù hợp với điều kiện gia công cụ thể, các giới hạn này là các điều kiện biên của hàm mục tiêu. Từ cơ sở của nghiên cứu tổng quan và những định hướng quá trình nghiên cứu như trên, đề tài "nghiên cứu và lưa chọn chế tối ưu khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu đối với gang cầu có bôi trơn tối thiểu " thực hiện trên hệ thống công nghệ cụ thể nhằm giải quyết đạt mục đích về nâng cao năng suất, chất lượng bề mặt đồng thời giảm mòn và tăng tuổi bền của dụng cụ cắt. Vì vậy cần nghiên cứu và khảo sát các hàm mục tiêu cụ thể như sau: - Mòn dụng cụ cắt: hs = f(s,v,t) → hsMin - Độ nhám bề mặt: Ra/Rz = f(s,v,t) → RaMin/RzMin Mục tiêu của nghiên cứu tối ứu hoá chế độ gia công là cho năng suất cắt cao và chất lượng bề mặt tốt. Vì vậy, việc khảo sát nhiều đại lượng như lực cắt, nhiệt cắt, rung động, mòn dụng cụ cắt, độ chính xác gia công… sẽ phản ánh đầy đủ và khách quan quá trình nghiên cứu khi phay. Trong phần tổng quan của đề tài đã tổng hợp một số công trình nghiên cứu Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 44 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên thuộc lĩnh vực của đề tài, ta thấy có nhiều thông số ảnh hưởng đến quá trình gia công như: Thông số hình học dụng cụ, vật liệu dụng cụ cắt, các thông số chế độ cắt và phương pháp bôi trơn làm mát… Trong nội dung nghiên cứu của đề tài ta cố định một số thông số đầu vào như vật liệu gia công, dụng cụ cắt, phương pháp làm mát thông số được quan tâm và khảo sát là: Vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt, và áp suất vì đây là các thông số có ảnh hưởng nhiều nhất đến kết quả nghiên cứu. Trong nội dung đề tài này để giải quyết bài toán tối ưu thay cho việc tối ưu chế độ cắt khi phay gang cầu có bôi trơn tối thiểu thì tác giả chỉ lựa chọn bộ thông số ( s, v, t ) phù hợp thông qua việc gia công cắt thử nghiệm, tác giả sẽ giải quyết bài toán tối ưu chế độ cắt khi phay gang cầu có bôi trơn tối thiểu bằng việc nghiên cứu để tìm ra áp suất dòng khí tối ưu khi phay mặt phẳng gang cầu có bôi trơn tối thiểu vì đây cũng là một trong những thông số quan trọng của chế độ cắt khi gia công phay có bôi trơn tối thiểu. Theo lý thuyết về bôi trơn tối thiểu thì để giảm ma sát và mòn của dụng cụ cắt trong quá trình cắt kim loại, từ các yếu tố trên ta thấy rằng áp lực dòng khí nén là một yếu tố quan trọng để thực hiện bởi các lý do sau [3]: - Áp lực dòng khí sẽ thổi sạch các hạt cứng của vật liệu gia công khỏi vùng cắt không để các hạt này tiếp xúc với dụng cụ cắt, đồng thời áp lực của dòng khí sẽ đẩy dung dịch vào các kẽ hở tại vùng tiếp xúc của mặt trượt của phoi và mặt trước, của chi tiết và mặt sau. Áp lực dòng khí sẽ đẩy dung dịch vào các vết nứt tế vi trên bề mặt chi tiết tạo thành cái nêm giúp cho biến dạng dẻo bề mặt biến cứng của chi tiết. Yếu tố này cho thấy khả năng điền đầy dung dịch vào các vết nứt tế vi trên chi tiết phụ thuộc vào áp lực khí lớn hay nhỏ. - Áp lực dòng khí phù hợp sẽ đưa các phần tử dung dịch vào vùng cắt một cách thuận lợi nhất. Các phần tử này va đập trực tiếp lên chi tiết gia công tạo thành ứng suất dư nén trên bề mặt chi tiết chống lại biến dạng dẻo tại vùng chi tiết tiếp xúc với mặt sau của dao. Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 45 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - Áp lực dòng khí sẽ tạo ra khí động lực học nâng cánh phoi khỏi mặt trước dụng cụ, đồng thời lúc này áp lực dòng khí đẩy dung dịch vào vùng gia công hiệu quả nhất. - 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 bay ra khỏi vùng gia công và không gây va đập với dụng cụ cắt. Hiện tượng này có tác dụng làm giảm ứng suất có hại như tạo các vết nứt tế vi trên bề mặt dụng cụ cắt. - Tác dụng của dòng khí sẽ làm chuyển động các phân tử tích tụ trong dung dịch, các phần tử này sẽ chuyển động đến va vào chi tiết với áp lực của dòng khí nén, tạo thành một lớp màng phủ lên bề mặt chi tiết, giúp bảo vệ chi tiết trong môi trường sau khi 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 của dòng khí lớn: - Khả năng tạo sương mù và đưa các hạt sương mù vào vùng cắt tốt. - Đẩy nhiệt và phoi ra khỏi vùng cắt tốt. - Khả năng giữ các hạt sương mù trong vùng cắt kém. - Không an toàn cho người và thiết bị. Nếu áp suất dòng khí nhỏ: - Khả năng tạo sương mù và đưa các hạt sương mù vào vùng cắt không tốt. - Đẩy nhiệt và phoi ra khỏi vùng cắt kém. Vì vậy, để nâng cao hiệu quả của quá trình bôi trơn làm nguội tối thiểu cần lựa chọn được áp suất dòng khí hợp lý ứng với từng phương pháp gia công và các điều kiện cụ thể khác. Nếu dòng khí nhiệt độ thấp thì hiệu quả của quá trình làm nguội sẽ đạt hiệu quả rất cao. Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 46 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4.3. Giới hạn vấn đề của tối ƣu hoá chế độ cắt khi phay gang có bôi trơn tối thiểu. Trong nội dung đề tài này để giải quyết bài toán tối ưu thay cho việc tối ưu chế độ cắt khi phay gang cầu có bôi trơn tối thiểu thì tác giả chỉ lựa chọn bộ thông số ( s, v, t ) phù hợp thông qua việc gia công cắt thử nghiệm, tác giả sẽ giải quyết bài toán tối ưu chế độ cắt khi phay gang cầu có bôi trơn tối thiểu bằng việc nghiên cứu để tìm ra áp suất dòng khí tối ưu khi phay mặt phẳng gang cầu có bôi trơn tối thiểu. Chương 5 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 5.1. Mòn và cơ chế mòn dao 5.1.1. Mòn và cơ chế mòn mặt trƣớc dao Các hình chụp tế vi mòn mặt trước dao được tổng hợp trong Phụ lục 1 (hình 1, hình 2 và hình 3) và hình 5.1, hình 5.2, hình 5.3(ảnh so sánh mòn mặt trước dao). Từ các hình chụp tế vi mặt trước dao ta thấy: - Mòn mặt trước có thể chia thành 3 vùng mòn rõ rệt theo phương thoát phoi thông qua mức độ dính của vật liệu gia công với mặt trước. Chiều dài tiếp xúc giữa phoi với mặt trước tăng dần theo thời gian cắt. Vùng 1 nằm sát và bám dọc theo lưỡi cắt với chiều sâu mòn, vết cào xước và dính bám vật liệu gia công nhiều nhất. Vùng 2 là vùng tiếp theo với chiều sâu mòn, vết xước và dính bám vật liệu gia công nhỏ hơn. Vùng 3 là vùng thoát phoi khỏi mặt trước dao, ở đây có những vết xước và dính bám vật liệu gia công ít. Với sự xuất hiện của các vết cào xước chứng tỏ mặt trước dao bị mòn do các hạt cứng tạo ra trong quá trình cắt. Sự dính bám vật liệu gia công và mòn mạnh trên mặt trước ở vùng 1 và vùng 2 chứng tỏ mặt trước dao bị mòn tiếp xúc Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 47 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên a) b) c) d) Hình 5.1 Ảnh so sánh mòn mặt trước của dao với 2 lượt cắt a) Mảnh dao cắt với 4at. b) Mảnh dao cắt với 5at. c) Mảnh dao cắt với 6at. d) Ảnh mảnh dao phóng to khi cắt với 6at Mòn mặt trước dao khi so sánh gia công với MQL (dầu lạc) ta thấy mức độ mòn mặt trước khi gia công với MQL-6at là thấp nhất, sau đó đến gia công với MQL- 5at, với MQL-4at và mòn mặt trước của MQL-4at là lớn nhất. Khi gia công với MQL-5at, bề rộng vùng mòn mặt trước tăng dần đặc biệt chiều sâu mòn vùng 1 phát triển rất nhanh. Khi gia công với MQL-6at, bề rộng vùng mòn tăng chậm, chiều sâu mòn vùng 1 nhỏ hơn nhiều so với MQL-5at . Khi gia công với MQL-4at thì bề rộng và chiều sâu mòn của vùng 1 và vùng 2 tăng nhanh, đặc biệt bề mặt mòn mặt trước rất ghồ ghề do nứt và tróc vảy của vật liệu dao. Nguyên nhân dẫn đến kết quả Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 48 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên này có thể do áp suất của dung dịch MQL cao nên các phần tử MQL dễ dàng xâm nhập vào vùng tiếp xúc giữa dao và phoi để bôi trơn và làm nguội nên giảm được ma tiếp xúc dao-phoi dẫn đến giảm được mòn mặt trước dao so với gia công ở áp suất thấp . Đối với dầu thực vật, có thể do độ nhớt cao nên các phần tử dầu khó xâm nhập vào vùng tiếp xúc dao-phoi và bao quanh vùng cắt làm nhiệt trong vùng cắt không thoát ra ngoài được dẫn đến chênh lệch lớn về nhiệt độ giữa vùng cắt với vùng xung quanh gây ra ứng suất nhiệt làm nứt vỡ và tróc vảy mảnh dao cácbít. Một nguyên nhân nữa có thể dẫn đến mòn mạnh mặt trước dao khi tưới dầu lạc là do có phản ứng hóa học giữa kim loại dính kết Côban với các axit hữu cơ có trong dầu lạc làm mất liên kết các hạt cácbít WC và TiC của dao a) b) c) d) Hình 5.2 Ảnh so sánh mòn mặt trước của dao với 4 lượt cắt a) Mảnh dao cắt với 4at. b) Mảnh dao cắt với 5at. c) Mảnh dao cắt với 6at. d) Ảnh mảnh dao phóng to khi cắt với 6at Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 49 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên a) b) c) d) Hình 5.3 Ảnh so sánh mòn mặt trước của dao với 6 lượt cắt b) Mảnh dao cắt với 4at. b) Mảnh dao cắt với 5at. c) Mảnh dao cắt với 6at. d) Ảnh mảnh dao phóng to khi cắt với 6at 5.1.2. Mòn và cơ chế mòn mặt sau dao Các hình chụp tế vi mòn mặt sau dao được tổng hợp trong Phụ lục 1 (hình 4, hình 5 và hình 6) và hình 5.4, hình 5.5, hình 5.6 (ảnh so sánh mòn mặt sau dao). Từ các hình chụp tế vi mặt sau dao ta thấy: - Trên vùng mòn mặt sau dao có dính bám vật liệu gia công và các vết xước chứng tỏ cơ chế mòn mặt sau là mòn do hạt mài và mòn tiếp xúc. - Tiến hành đo mòn mặt sau dao khi gia công có MQL ta thấy mòn mặt sau ứng với MQL-6at là thấp nhất, sau đó đến gia công với MQL-5at và mòn mặt sau với MQL-4at là lớn nhất. Bề rộng và mức độ phát triển vết mòn mặt sau của với Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 50 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MQL-6at nhỏ hơn .Bề rộng và mức độ phát triển vết mòn mặt sau của với MQL-4at lớn hơn nhiều so với gia công bằng MQL-6at và MQL-6at. Nguyên nhân của kết quả này có thể do độ nhớt của dầu thực vật cao khó xâm nhập vào vùng cắt để bôi trơn làm nguội mà bao quanh vùng cắt gây chênh lệch nhiệt độ và tạo ứng suất làm nứt vỡ và tróc vảy dao cácbít. Cũng có thể do có phản ứng hóa học giữa kim loại dính kết Côban với các axit hữu cơ có trong dầu lạc làm mất liên kết các hạt nền TiC của dao cácbít hoặc do tác động của áp suất dòng khí. a) b) c) d) Hình 5.4. Ảnh so sánh mòn mặt sau của dao với 2 lượt cắt c) Mảnh dao cắt với 4at. b) Mảnh dao cắt với 5at. c) Mảnh dao cắt với 6at. d) Ảnh mảnh dao phóng to khi cắt với 6at Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 51 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên a) b) c) d) Hình 5.5 Ảnh so sánh mòn mặt sau của dao với 4 lượt cắt d) Mảnh dao cắt với 4at. b) Mảnh dao cắt với 5at. c) Mảnh dao cắt với 6at. d) Ảnh mảnh dao phóng to khi cắt với 6at Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 52 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên a) b) c) d) Hình 5.6 Ảnh so sánh mòn mặt sau của dao với 6 lượt cắt e) Mảnh dao cắt với 4at. b) Mảnh dao cắt với 5at. c) Mảnh dao cắt với 6at. d) Ảnh mảnh dao phóng to khi cắt với 6at 5.1.3. Mòn và tuổi bền dao - Mòn mặt sau ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước gia công và độ nhám bề mặt của chi tiết. Do đó cần thiết phải so sánh mức độ mòn mặt sau dao. Kết quả đo mòn mặt sau được tổng hợp trong bảng 4, 5, 6 phụ lục 2. Dùng phầm mềm EXCEL xử lý kết quả này ta có biểu đồ quan hệ giữa mòn mặt sau dao với thời gian cắt như sau: Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 53 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Thời gian cắt t (ph) Độ m òn hs (µ m ) 4at 5at 6at Hình 5.7 Quan hệ giữa độ mòn mặt sau dao và thời gian cắt t với 2 lượt cắt Từ biểu đồ hình 5.7 ta có mức độ mòn mặt sau của các mức áp suất khi gia công xếp theo chiều tăng là: MQL- 6at, MQL- 5at và MQL- 4at. Trong dó độ mòn mặt sau ứng với gia công MQL- 6at là thấp nhất. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0 5 10 15 20 25 30 35 Thời gian cắt t (ph) Độ m òn hs (µ m ) 4at 5at 6at Hình 5.8 Quan hệ giữa độ mòn mặt sau dao và thời gian cắt t với 4 lượt cắt Từ biểu đồ hình 5.8 ta có mức độ mòn mặt sau của các mức áp suất khi gia công xếp theo chiều tăng là: MQL- 6at, MQL- 5at và MQL- 4at. Trong dó độ mòn mặt Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 54 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên sau ứng với gia công MQL- 6at là thấp nhất và theo qui luật tăng dần đều. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 0 10 20 30 40 50 60 Thời gian cắt t (ph) Đ ộ m òn h s (µ m ) 4at 5at 6at Hình 5.9 Quan hệ giữa độ mòn mặt sau dao và thời gian cắt t với 6 lượt cắt Từ biểu đồ hình 5.9 ta có mức độ mòn mặt sau của các mức áp suất khi gia công xếp theo chiều tăng là: MQL- 6at, MQL- 5at và MQL- 4at. Trong dó độ mòn mặt sau ứng với gia công MQL- 6at là thấp nhất và theo qui luật tăng dần đều. 5.2. Độ nhám bề mặt chi tiết Ra Kết quả độ nhám bề mặt chi tiết được tổng hợp trong bảng 1, 2, 3, phụ lục 2. Dùng phầm mềm EXCEL xử lý kết quả này ta có biểu đồ quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết với thời gian cắt như sau: Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 55 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 4 8 12 16 20 Thời gian cắt t (phút) Đ ộ n h á m b ề m ặ t R a ( µ m ) 4at 5at 6at 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1 2 3 4 Lƣợt cắt Đ ộ nh ám b ề m ặt R a (µ m ) 4at 5at 6at Hình 5.10. Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết Ra và thời gian cắt t Hình 5.11. Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết Ra vàsố lượt cắt Từ biểu đồ hình 5.10 và hình 5.11ta thấy độ nhám bề mặt chi tiết khi cắt 2 lượt cắt trên một mảnh dao với các mức áp suát khác nhau theo phương pháp MQL. Ta thấy độ nhám bề mặt khi cắt với MQL = 6at cao hơn, MQL = 5at và MQL = 4at, trong đó độ nhám bề mặt chi tiết khi cắt có bôi trơn làm nguội tối thiểu với áp suất dòng khí = 6at là tốt nhất. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 5 10 15 20 25 30 35 Thời gian cắt t (phút) Đ ộ n h ám b ề m ặt R a (µ m ) 4at 5at 6at 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1 2 3 4 Lƣợt cắt Đ ộ n h á m b ề m ặ t R a ( µ m ) 4at 5at 6at Hình 5.12 Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết Ra và thời gian cắt t Hình 5.13 Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết Ra và số lượt cắt Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 56 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Từ biểu đồ hình 5.12 và hình 5.13 ta thấy độ nhám bề mặt chi tiết khi cắt 4 lượt cắt trên một mảnh dao với các mức áp suát khác nhau theo phương pháp MQL. Ta thấy độ nhám bề mặt khi cắt với MQL = 6at cao hơn, MQL = 5at và MQL = 4at, trong đó độ nhám bề mặt chi tiết khi cắt có bôi trơn làm nguội tối thiểu với áp suất dòng khí = 6at là tốt nhất. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 8.15 16.3 24.45 32.6 40.75 48.9 57.05 Thời gian cắt t (ph) Đ ộ n h á m b ề m ặ t R a ( µ m ) 4at 5 at 6 at 0 0.5 1 1.5 2 2.5 1 2 3 4 5 6 Lƣợt cắt Đ ộ n h ám b ề m ặt R a (µ m ) 4at 5at 6at Hình 5.14 Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết Ra và thời gian cắt t Hình 5.15 Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết Ra và số lượt cắt Từ biểu đồ hình 5.14 và hình 5.15 ta thấy độ nhám bề mặt chi tiết khi cắt 6 lượt cắt trên một mảnh dao với các mức áp suát khác nhau theo phương pháp MQL. Ta thấy độ nhám bề mặt khi cắt với MQL = 6at cao hơn, MQL = 5at và MQL = 4at, trong đó độ nhám bề mặt chi tiết khi cắt có bôi trơn làm nguội tối thiểu với áp suất dòng khí = 6at là tốt nhất. Như vậy để có kết quả này là do vòi phun dung dịch trơn nguội MQL dưới áp suất lớn đẩy được các hạt cứng sinh ra trong quá trình cắt ra khỏi vùng gia công và giảm được ứng suất dư bề mặt do nhiệt cắt. 5.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG 5 - Cơ chế mòn dao phay mặt đầu cácbít khi phay gang cầu là mòn do hạt mài và tiếp xúc. Cơ chế mòn dao khi gia công bôi trơn làm nguội tối thiểu ngoài mòn Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 57 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên hạt mài và tiếp xúc, dao còn bị mòn do ứng suất nhiệt hình thành từ sự chênh lệch lớn nhiệt độ giữa vùng tiếp xúc dao - phoi với vùng xung quanh liên quan đến độ nhớt cao của dung dịch trơn nguội hoặc do phản ứng hóa học của dung dịch trơn nguội với kim loại dính kết Côban trong dao cácbít. - Công nghệ MQL sử dụng dầu thực vật mang lại hiệu quả phay gang cầu bằng dao phay mặt đầu cácbít hơn hẳn gia công khô, đặc biệt là độ nhám bề mặt chi tiết gia công. PHẦN KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO I. KẾT LUẬN CỦA LUẬN VĂN 1. Nhu cầu nâng cao hiệu quả phay gang nói chung và gang cầu nói riêng nhằm tránh hoặc giảm bớt nguyên công mài ngày càng lớn do việc sử dụng ngày càng tăng các vật liệu có độ cứng, độ bền cao trong công nghiệp. Khi gia công bằng dao hợp kim cứng người ta thường không sử dụng dung dịch trơn nguội vì khi sử dụng dung dịch trơn nguội bằng tưới tràn dễ xảy ra hiện tượng nứt vỡ dao nếu không tưới dung dịch trơn nguội liên tục và đủ lưu lượng [8], thông thường khi gia công gang hay sử dụng cắt khô hoàn toàn vì gang là vật liệu dễ gia công nhưng lực cắt lớn, mòn dao nhanh… do sự tăng nhiệt cắt [15]. Tuy nhiên, thực tế sử dụng dung dịch trơn nguội trong mọi trường hợp vẫn có ưu điểm vì khi có dung dịch trơn nguội dụng cụ cắt sẽ làm việc êm hơn, tuổi bền dao cao hơn, độ chính xác và độ nhám bề mặt gia công được cải thiện đáng kể [7]. Mặt khác vấn đề sản xuất theo hướng thân thiện với môi trường đặt ra ngày càng cấp bách vì nó mang lại lợi ích về sức khỏe, kinh tế và không gây ô nhiễm môi trường. Vì các lý do trên nên tác giả đã chọn đề tài Nghiên cứu và lựa chọn chế độ cắt tối ƣu khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu đối với gang cầu có bôi trơn tối thiểu Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 58 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên nhằm nâng cao hiệu quả phay gang nói chung và gang cầu nói riêng hướng tới sản xuất thân thiện với môi trường. 2. Tác giả đã định hướng được hướng nghiên cứu đúng đắn đó là nghiên cứu về mòn, cơ chế mòn và độ nhám bề mặt chi tiết khi gia công có MQL với các mức áp suất khác nhau đối với gang cầu, so sánh hiệu quả gia công có MQL khi thay đổi áp suất. 3. Tác giả đã chọn phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết với thực nghiệm đảm bảo được tính thống nhất giữa lý thuyết với thực tiễn. 4. Luận văn đã tìm hiểu được một số lý thuyết cơ sở liên quan đến phay cứng bằng dao phay mặt đầu cácbít như lực cắt, nhiệt cắt, mòn dao và một số lý thuyết về bôi trơn làm nguội tối thiểu khi phay bằng dao phay mặt đầu như tác dụng của dung dịch trơn nguội, các mức áp suất khác nhau dùng trong MQL, ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến quá trình gia công MQL. 5. Luận văn đã xây dựng được hệ thống thí nghiệm đáp ứng được yêu cầu nghiên cứu. 6. Luận văn đã xây dựng được mối quan hệ giữa độ mòn dao, độ nhám bề mặt và tuổi thọ của dao với thời gian cắt khi thay đổi áp suất trong gia công có MQL. 7. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu của luận văn có thể rút ra các kết luận sau: - Cơ chế mòn dao phay mặt đầu cácbít khi phay gang cầu và các loại gang khác là mòn do hạt mài và tiếp xúc. Cơ chế mòn dao khi gia công có bôi trơn làm nguội tối thiểu ngoài mòn hạt mài và tiếp xúc, dao còn bị mòn do ứng suất nhiệt hình thành từ sự chênh lệch lớn nhiệt độ giữa vùng tiếp xúc dao-phoi với vùng xung quanh liên quan đến độ nhớt cao của dung dịch trơn nguội hoặc do phản ứng hóa học của dung dịch trơn nguội với kim loại dính kết Côban trong dao cácbít. - Công nghệ MQL sử dụng áp suất cao mang lại hiệu quả phay phẳng gang cầu bằng dao phay mặt đầu cácbít hơn hẳn gia công khô. Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 59 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên II. HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Để hoàn thiện việc nghiên cứu và áp dụng phương pháp gia công MQL vào phay gang bằng dao phay mặt đầu cácbít cần nghiên cứu thêm các nội dung sau: - Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng tưới, một số hóa chất có trong dầu thực vật đến hiệu quả phay gang bằng dao phay mặt đầu cácbít trong công nghệ MQL nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và sản xuất thân thiện với môi trường. - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo ra loại đầu phun MQL thích hợp với dao phay mặt đầu cácbít để nâng cao hiệu quả phay gang - Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp MQL tới các thành phần lực cắt, nhiệt cắt, hệ số ma sát... TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Trần Minh Đức, Ảnh hưởng của phương pháp tưới và dung dịch đến mòn và tuổi bền của dao khi tiện cắt đứt, Tạp chí khoa học và công nghệ các trường đại học kỹ thuật số 67, 2008. 2. Trần Minh Đức, Phạm Quang Đồng, Ảnh hưởng của phương pháp tưới dung dịch đến mòn, tuổi bền của dao và nhám bề mặt khi phay rãnh bằng dao phay ngón, Tạp chí khoa học và công nghệ các trường đại học kỹ thuật số 65, 2008. 3. Trần Minh Đức, Nghiên cứu ứng dụng công nghệ bôi trơn làm nguội tối thiểu trong gia công cắt gọt, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ trọng điểm B2005- 01-61TD, Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp, Thái Nguyên, 2007. 4. Phạm Quang Đồng, Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ bôi trơn - làm nguội tối thiểu đến độ mòn dao và chất lượng bề mặt khi phay rãnh bằng dao phay ngón, Đề tài thạc sĩ kỹ thuật, Thái nguyên, 2007. 5. Nguyễn Đức Chính, Nghiên cứu xác định áp lực và lưu lượng hợp lý để thực hiện công nghệ bôi trơn - làm nguội tối thiểu khi khoan, Đề tài thạc sĩ kỹ thuật, Thái nguyên, 2007. 6. Lưu Trọng Đức, Nghiên cứu so sánh các phương pháp tưới trong công nghệ bôi trơn - làm nguội tối thiểu khi phay rãnh, Đề tài thạc sĩ kỹ thuật, Thái Nguyên, 2007. Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 60 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7. Trần Văn Địch, Nguyên lý cắt kim loại, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà nội, 2006. 8. Phạm Quang Lê, Kỹ thuật phay, Nhà xuất bản công nhân kỹ thuật, Hà nội, 1979. 9. Nghiêm Hùng, Vật liệu học cơ sở, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà nội, 2002. 10. C.V. A-vơ-ru-chin (Nguyễn Bá Toàn dịch), Kỹ thuật phay (tập II), Nhà xuất bản công nghiệp, Hà nội, 1962. 11. Ph.A. Barơbasôp (Trần Văn Địch dịch), Kỹ thuật phay, Nhà xuất bản Mir, 1980. 12. Vũ Quý Đạc, Ma sát và Mòn, Đại học kỹ thuật công nghiệp, Thái Nguyên, 2005. 13. Phan Quang Thế, Kỹ thuật bề mặt, Đại học kỹ thuật công nghiệp, Thái Nguyên, 2007. 14. Nikhil Ranjan Dhar, Sumaiya Islam, Mohammad Kamruzzaman, Effect of minimum quantity lubrication (MQL) on tool wear, surface roughness and dimensional deviation in turning AISI-4340 steel, G.U. Journal of science, 2007. 15. Steven Y Liang, George W, Minimum quantity lubrication in finish hard turning, G.U. Journal of science, 2007. 16. Master chemical corporation, Fluid application - MQL (minimum quantity lubrication), www.masterchemical.com, 2006. 17. Jim lorincz, Senior, The right solutions for coolant, service@sme.org, 2007. Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 61 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên PHỤ LỤC Phụ lục 1. CÁC ẢNH CHỤP MÒN DAO a) b) c) d) Hình 1. Ảnh so sánh mòn mặt trước của dao với 2 lượt cắt a) Mảnh dao cắt với 4at. b) Mảnh dao cắt với 5at. c) Mảnh dao cắt với 6at. d) Ảnh mảnh dao phóng to khi cắt với 6at Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 62 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên a) b) c) d) Hình 2. Ảnh so sánh mòn mặt trước của dao với 4 lượt cắt a) Mảnh dao cắt với 4at. b) Mảnh dao cắt với 5at. c) Mảnh dao cắt với 6at. d) Ảnh mảnh dao phóng to khi cắt với 6at Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 63 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên a) b) c) d) Hình 3. Ảnh so sánh mòn mặt trước của dao với 6 lượt cắt a)Mảnh dao cắt với 4at. b) Mảnh dao cắt với 5at. c) Mảnh dao cắt với 6at. d) Ảnh mảnh dao phóng to khi cắt với 6at Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 64 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên a) b) c) d) Hình 4. Ảnh so sánh mòn mặt sau của dao với 2 lượt cắt a )Mảnh dao cắt với 4at. b) Mảnh dao cắt với 5at. c) Mảnh dao cắt với 6at. d) Ảnh mảnh dao phóng to khi cắt với 6at Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 65 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên a) b) c) d) Hình 5. Ảnh so sánh mòn mặt sau của dao với 4 lượt cắt a) Mảnh dao cắt với 4at. b) Mảnh dao cắt với 5at. c) Mảnh dao cắt với 6at. d) Ảnh mảnh dao phóng to khi cắt với 6at Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 66 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên a) b) c) d) Hình 6. Ảnh so sánh mòn mặt sau của dao với 6 lượt cắt a) Mảnh dao cắt với 4at. b) Mảnh dao cắt với 5at. c) Mảnh dao cắt với 6at. d) Ảnh mảnh dao phóng to khi cắt với 6at Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 67 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Phụ lục 2. SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM VỀ ĐỘ NHÁM VÀ ĐỘ MÒN DAO Bảng 1. Số liệu độ nhám Ra, Rz sau 2 lượt cắt TT Thời gian (phút) Áp suất 4at Áp suất 5at Áp suất 6at Ra (m) Rz (m) Ra (m) Rz (m) Ra (m) Rz (m) 1 8.15 0.74 7.96 0.72 6.65 0.65 5.89 2 16.3 0.88 9.46 0.75 6.63 0.68 5.33 Bảng 2. Số liệu độ nhám Ra, Rz sau 4 lượt cắt TT Thời gian (phút) Áp suất 4at Áp suất 5at Áp suất 6at Ra (m) Rz (m) Ra (m) Rz (m) Ra (m) Rz (m) 1 8.15 0.74 6.76 0.72 6.63 0.66 5.33 2 16.3 0.88 7.96 0.74 7.69 0.68 6.56 3 24.45 0.91 9.46 0.87 9.26 0.82 6.93 4 32.6 0.97 10.12 0.92 9.95 0.89 7.64 Bảng 3. Số liệu độ nhám Ra, Rz sau 6 lượt cắt TT Thời gian (phút) Áp suất 4at Áp suất 5at Áp suất 6at Ra (m) Rz (m) Ra (m) Rz (m) Ra (m) Rz (m) 1 8.15 0.66 6.26 0.67 6.65 0.66 4.84 2 16.3 0.91 6.76 0.83 6.63 0.67 5.89 3 24.45 0.92 7.96 0.85 7.69 0.7 5.33 4 32.6 1.29 9.46 1.08 9.26 0.79 6.56 5 40.75 1.57 10.12 1.27 9.95 0.9 6.93 6 48.9 1.95 12.25 1.68 10.07 1.35 7.64 Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 68 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Bảng 4. Số liệu độ mòn mặt sau dao sau sau 2 lượt cắt TT Thời gian (phút) Độ mòn mặt sau (mm) Áp suất 4at Áp suất 5at Áp suất 6at 1 8.15 0.2 0.1 0.06 2 16.3 0.37 0.2 0.14 Bảng 5. Số liệu độ mòn mặt sau dao sau 4 lượt cắt TT Thời gian (phút) Độ mòn mặt sau (mm) Áp suất 4at Áp suất 5at Áp suất 6at 1 8.15 0.2 0.1 0.06 2 16.3 0.25 0.37 0.14 3 24.45 0.41 0.51 0.21 4 32.6 1.27 0.62 0.38 Bảng 6. Số liệu độ mòn mặt sau dao sau 6 lượt cắt TT Thời gian (phút) Độ mòn mặt sau (mm) Áp suất 4at Áp suất 5at Áp suất 6at 1 8.15 0.2 0.1 0.06 2 16.3 0.2 0.37 0.14 3 24.45 0.41 0.51 0.21 4 32.6 0.62 1.27 0.38 5 40.75 1.52 1.05 0.46 6 48.9 1.59 1.28 0.52 Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 69 Luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên