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 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 88(12): 169 - 174 NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA BÔI TRƠN - LÀM NGUỘI TỐI THIỂU DẦU LẠC ĐẾN TUỔI BỀN DỤNG CỤ CẮT TRONG TIỆN CỨNG Nguyễn Đăng Bình1, Trần Minh Đức1, Lê Thái Sơn2,* 1Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, 2Trường ĐH Sư phạm kỹ thuật Vinh TÓM TẮT Quá trình thực nghiệm sử dụng phương pháp bôi trơn-làm nguội tối thiểu (MQL) khi tiện thép 9CrSi được thực hiện trên máy tiện vạn năng. Phương pháp trơn nguội MQL được thực hiện dưới áp suất nén 5 at và lưu lượng phun 1ml/phút với dung dịch Emusil và Dầu lạc Việt Nam. Kết quả cho thấy hiệu quả bôi trơn và làm nguội của MQL nổi trội hơn hẳn so với phương pháp gia công khô. Hơn nữa khi sử dụng MQL Dầu lạc, lượng mòn dao thấp hơn, lực cắt thấp và tăng chậm hơn so với khi sử dụng MQL Emusil. Điều này chứng tỏ Dầu lạc Việt Nam có tác dụng ưu việt trong vai trò dung dịch MQL. Từ khóa: Sử dụng MQL Dầu lạc, Tuổi bền dụng cụ cắt, Lực cắt. ĐẶT VẤN ĐỀ* Trong trường hợp này, nếu thực hiện phương Theo nghiên cứu của Nakayama và các đồng pháp BT-LN tưới tràn thông thường sẽ không nghiệp [1], phoi được hình thành trong quá thỏa mãn được mục tiêu làm giảm nhiệt cắt. trình tiện cứng không giống với phoi tiện Do vật liệu gia công có độ cứng cao, dao tiện thường. Khi tiện cứng, phoi bị bong tróc hai cứng có góc trước bé hơn nhiều so với góc lần. Lần thứ nhất khi phoi tách khỏi phôi, lần trước của dao tiện thường. Đây là nguyên thứ hai phoi tự bung, tự vượt qua giới hạn đàn nhân cơ bản làm giảm khả năng thâm nhập hồi và có xu hướng trở về trạng thái ban đầu. của dung dịch BT-LN vào vùng cắt và như Điều này được giải thích: khi ở trên bề mặt vậy hiệu quả của quá trình BT-LN bị giảm phôi, phoi bị nén lại. Do đó sau khi được giải xuống trầm trọng. Mặt khác, BT-LN tưới tràn phóng khỏi phôi, nó luôn có xu hướng trở về có nguy cơ làm giảm tuổi bền của dụng cụ cắt trạng thái trước đó. Trong tiện cứng, sử dụng khi xuất hiện các vết nứt tế vi do hiện tượng dao cắt có bán kính mũi dao lớn thì có thể cải đoản nhiệt gây nên [4]. Do vậy, một số cơ chế thiện được độ nhám bề mặt chi tiết gia công BT-LN thay thế đã được đầu tư nghiên cứu và song lại làm tăng lực cắt và gây ứng suất dư bước đầu đã chứng minh hiệu quả của chúng, lớn trên bề mặt sản phẩm sau gia công [1]. như: làm nguội bằng luồng khí áp suất cao Khi cắt với vận tốc đến 300m/ph, nhiệt sinh [5], BT-LN sử dụng dung dịch khô (solid ra khi tiện cứng đo được ở mũi dao làm bằng lubricant) [6], BT-LN bằng dung dịch trơn vật liệu CBN (Cubic Boron Nitride) có thể đạt nguội áp suất cao, làm nguội bằng luồng khí đến 950oC [3]. Nhiệt cao trong vùng cắt là lạnh Nitơ/CO2 [6]. Bôi trơn-làm nguội tối yếu tố cơ bản gây nên các ảnh hưởng bất lợi thiểu (Minimum Quantity Lubrication-MQL) trong quá trình tiện cứng. Đó là động lực để trong tiện cứng phương pháp sử dụng cơ chế thu hút các nhà nghiên cứu trong nước và trên BT-LN bằng cách phun dung dịch trơn nguội thế giới tập trung nghiên cứu để tìm ra các đã được nén ở áp suất cao vào vùng gia công. giải pháp bôi trơn-làm nguội (BT-LN) nhằm làm giảm nhiệt gia công. Đặc tính khác biệt về cơ chế hòa tan của dung dịch trơn nguội ở điều kiện này đã tạo nên một cơ chế thâm nhập vào vùng gia công khác với các phương pháp BT-LN truyền thống hiện có. Nhờ đó, công nghệ MQL đã * Tel: 0912 435 816 cho thấy nhiều ưu điểm về cả tính năng bôi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 169 Nguyễn Đăng Bình và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 88(12): 169 - 174 trơn lẫn làm nguội trong quá trình gia công mm, đường kính Ø60. Phôi được tiến hành tôi vật liệu có độ cứng cao. Một trong những ưu thể tích đạt độ cứng 56 ÷ 58 HRC. Dao tiện điểm nổi bật của nó là làm giảm nhiệt cắt, được sử dụng là dao tiện ngoài. Mũi cắt làm giảm lượng mòn dao, giảm hiện tượng lẹo bằng vật liệu CBN, số hiệu EB28, Hàn Quốc dao do đó cải thiện độ nhám bề mặt chi tiết sản xuất. Lưỡi cắt có các góc độ như sau: -6, - gia công, tăng tuổi bền dụng cụ cắt, tăng độ 6, 6, 6, 15, 75, 0.8 (mm). chính xác gia công và đặc biệt là không gây Các thí nghiệm tương ứng được thực hiện với hại cho môi trường và con người [4], [5], [8]. cả 3 phương pháp: Sử dụng MQL Dầu lạc, sử Thấy rõ được tác dụng của phương pháp BT- dụng MQL Emusil và không BT-LN (gia LN này, MQL đã bắt đầu được quan tâm và công khô) nhằm so sánh các ảnh hưởng liên đầu tư nghiên cứu ở Việt nam [9]. Tuy nhiên, số lượng và quy mô nghiên cứu còn khiêm quan của các phương pháp BT-LN này. Dung tốn. Chưa có công trình nghiên cứu nào thực dịch sử dụng MQL Dầu lạc là loại dầu sản hiện với công nghệ sử dụng MQL Dầu lạc khi xuất tại Việt Nam. Dung dịch này có những o tiện cứng. Với động lực và ý nghĩa đó, nhóm đặc tính như sau: tỷ trọng của dầu lạc ở 30 C là tác giả đã tiến hành đánh giá các ảnh hưởng 0,910 và nhiệt độ đông đặc -2,5oC. Dung dịch liên quan trong quá trình tiện cứng áp dụng sử dụng MQL emusil là hỗn hợp Emusil pha công nghệ sử dụng MQL Dầu lạc sản xuất tại 10% với nước cất. Dung dịch emusil là loại Việt Nam. Hy vọng những kết quả thu được dung dịch BT-LN sản xuất tại Trung Quốc. trong quá trình thực nghiệm ở đề tài này sẽ 2. Mô hình thí nghiệm đóng góp bổ sung vào quá trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ MQL cho quá trình tiện Mô hình thí nghiệm thực hiện trong đề tài này cứng ở cả phạm vi trong nước và trên thế giới. được giới thiệu trên hình 1. Chi tiết gia công QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM được gá trên mâm cặp 3 chấu tự định tâm và mũi chống tâm. Sau khi gá lắp, phôi được 1. Nguyên vật liệu và thiết bị thí nghiệm kiểm tra và gia công thô nhằm đảm bảo độ Quá trình thí nghiệm được thực hiện trên máy đồng tâm tuyệt đối trước khi tiến hành cắt tiện vạn năng OKUMA LS365, Nhật Bản sản thực nghiệm. xuất. Chi tiết gia công làm bằng vật liệu Thép 9CrSi (9XC). Kích thước chiều dài L = 550 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 170 Nguyễn Đăng Bình và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 88(12): 169 - 174 Hình 1. Mô hình thí nghiệm khi tiện cứng sử dụng công nghệ MQL Dầu lạc. 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 3. Phương pháp tiến hành thí nghiệm KẾT QUẢ Mô hình kết nối các thiết bị đo, kiểm tra các Hình 3 tổng hợp kết quả chụp SEM của mũi thông số thực nghiệm được trình bày trong dao sau khi gia công khô và gia công có hình 2. sử dụng MQL với cùng một độ phóng đại. Quá trình tiện được thực hiện với chế độ cắt Kết quả cho thấy, sự khác biệt về lượng mòn V = 180m/phút (n = 970vòng/phút), bước tiến dao sau 10 phút cắt giữa phương pháp gia dao S = 0,15 mm/ vòng và chiều sâu mỗi lớp công khô và phương pháp gia công sử dụng cắt là t = 0,1mm. MQL Emusil là không đáng kể. Tuy nhiên, Đối với quá trình cắt sử dụng MQL, dung khi thực hiện quá trình cắt đến 30 phút, lượng dịch được nén với P = 5 at sau đó được phun mòn cả mặt trước và mặt sau ở mũi dao gia vào vùng gia công thông qua vòi phun được công khô xảy ra trầm trọng; trong khi đó mũi bố trí ngay phía dưới dụng cụ cắt (hình 1). dao gia công sử dụng MQL Emusil thì lượng Lưu lượng luồng dung dịch phun vào vùng mòn xảy ra không đáng kể. cắt tương đương Q = 1ml/phút. Kết quả thực nghiệm ở Hình 4 cho thấy lượng 4. Đánh giá kết quả thực nghiệm mòn dao mặt sau tăng nhanh hơn lượng mòn Trong quá trình cắt, lực cắt được đo bằng lực dao mặt trước trong cùng một khoảng thời kế 3 thành phần (9257B) Kisler, sản xuất tại gian gia công như nhau. Khi gia công khô sau Thụy Sỹ. Quá trình đánh giá lưỡi cắt và bề 10 phút cắt lượng mòn dao đã lớn hơn so với mặt chi tiết đã gia công được thực hiện sau gia công sử dụng MQL Emusil. khi tiến hành cắt 10 phút, 20 phút, 30 phút, 40 KD A/D Máy Máy in phút, và 50 phút. Trước khi đánh giá, các mẫu A tính lưỡi cắt liên quan được làm sạch sơ bộ và chụp ảnh bề mặt bằng máy chụp SEM JEOL- I II III IV V JSM- 6490, sản xuất tại Hoa Kỳ. Mũi dao Hình 2. Mô hình kết nối các thiết bị thí nghiệm được chụp cả mặt trước và mặt sau để so sánh I. Khối cảm biến; II. Bộ khuếch đại; III. Bộ các ảnh hưởng trên các bề mặt này. chuyển đổi; IV. Máy tính; V. Máy in Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 171 Nguyễn Đăng Bình và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 88(12): 169 - 174 Hình 3: Ảnh chụp mũi dao khi gia công theo các chế độ khác nhau a: Gia công khô sau 10 phút cắt; c: Gia công Sử dụng MQL Emusil sau 10 phút cắt; b: Gia công khô sau 30 phút cắt; d: Gia công Sử dụng MQL Emusil sau 30 phút cắt 450 G ia công khô 400 MQL E mus il 350 MQL Dầu lạc 300 250 200 150 Lượng mòn hs (μm) hs Lượngmòn 100 50 0 10 20 30 40  50 Thời gian cắt (phút) Hình 4. Quan hệ lượng mòn hs và τ khi thay đổi Hình 5. Quan hệ Fy và thời τ khi thay đổi dung dung dịch và phương pháp BT-LN dịch và phương pháp BT-LN Sau 35 phút cắt, độ mòn mặt sau của dao khi Biểu đồ về lượng mòn dao trên Hình 4 rõ gia công khô tăng 19% so với độ mòn của dao ràng có mối quan hệ tỷ lệ với biểu đồ lực cắt khi sử dụng MQL Emusil (Hình 4). Ngoài ra, trên Hình 5. Các mối quan hệ này được chứng sự ảnh hưởng của 2 phương pháp gia công minh và thảo luận trong phần tiếp theo. MQL đến lượng mòn dao mặt sau đã có sự THẢO LUẬN KẾT QUẢ khác biệt. Thời gian gia công càng dài thì sự Như đã trình bày trong phần trước, hiệu quả chênh lệch về giá trị lượng mòn dao xuất hiện bôi trơn và làm nguội của công nghệ MQL càng rõ rệt. Sự thay đổi giá trị thành phần lực trong quá trình gia công đã được chứng minh cắt Fy theo thời gian gia công khi sử dụng các phương pháp BT-LN khác nhau được trình [4], [5], [8]. Kết quả thực nghiệm ở trên cho bày trên Hình 5. Theo đó, thành phần Fy khi thấy, một lần nữa Dầu lạc Việt Nam đã phát gia công khô tuân theo quy luật của các huy vai trò bôi trơn và làm nguội một cách rõ phương pháp gia công có MQL. Tuy nhiên, rệt khi sử dụng trong công nghệ MQL. sau khoảng hơn 25 phút gia công lực cắt khi Có thể nói rằng, khi quá trình cắt không được gia công khô tăng nhanh hơn rất nhiều. Lực bôi trơn và làm nguội, các ảnh hưởng cơ lý từ cắt trung bình sinh ra trong quá trình gia công nhiệt cắt là nguyên nhân cơ bản dẫn đến có sử dụng MQL Dầu lạc cho thấy thấp và lượng mòn dao tăng đột ngột ở phương pháp tăng chậm hơn so với các phương pháp gia gia công khô thể hiện trên Hình 4. Bên cạnh công còn lại. đó, tác dụng của MQL trong việc làm giảm lượng mòn dao trong quá trình gia công đã được Nakayama [1] và Trần Minh Đức [9] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 172 Nguyễn Đăng Bình và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 88(12): 169 - 174 cùng các đồng nghiệp của họ khẳng định bằng Trong khi đó, dung dịch MQL được tạo nên ở thực nghiệm trong các công trình nghiên cứu dạng hơi/sương do đó chúng có thể thâm nhập bổ ích này. Ở đây, khi lần đầu sử dụng Dầu vào vùng này để thực hiện chức năng bôi trơn lạc Việt Nam vào quá trình MQL trong tiện và làm nguội. Đó được xem là lý do mặt trước cứng đã cho kết quả bất ngờ. Các kết quả của dao khi sử dụng MQL nhẵn hơn so với khảo sát ở trên đã khẳng định hiệu quả của khi gia công khô khi quan sát bằng SEM. Phát Dầu lạc Việt Nam trong vai trò bôi trơn và hiện tương tự đã được công bố ở các công làm nguội khi gia công các vật liệu có độ trình nghiên cứu sử dụng công nghệ MQL [9]. cứng cao. Quả thực, khi tiện cứng phoi hình Ngoài ra, trong trường hợp gia công sử dụng thành là phoi dây. Song, phoi gia công hình MQL các hạt cứng khi bong tróc ra khỏi vật liệu thành dễ bị bẻ gãy hơn phoi tiện thường, và đã được dòng khí áp lực cao đẩy ra ngoài tức do đó chúng được tạo thành phoi dạng răng thì. Do vậy, hiện tượng cày, xước bề mặt do các cưa. Hệ số dồn nén phoi danh nghĩa (qua tính hạt này tạo nên trên bề mặt chi tiết gia công và toán) trước và sau khi hình thành phoi là 2 bề mặt dao được hạn chế, dao mòn ít hơn. lần. Đây là một trong những đặc điểm có ảnh Các ảnh hưởng đến lực cắt trên hình 5 cho hưởng lớn đến cơ chế bôi trơn và làm nguội thấy sự khác biệt về cả giá trị và sự phân bố theo công nghệ MQL. Khi sử dụng công nghệ theo thời gian cắt. Do mòn dao nhanh trong MQL, dung dịch trơn nguội được tạo nên gia công khô đã làm tăng bề mặt tiếp xúc của dưới dạng hơi/sương trước khi được phun vào dao trên các bề mặt làm việc, làm tăng bán vùng cắt dưới một giá trị áp suất lớn nhất kính mũi dao, làm giảm các góc ở các bộ định. Lúc này, với kích thước hạt nhỏ, sức phận cắt (góc sau, góc trước) khiến lực cắt căng bề mặt của hạt dung dịch thấp đã tạo tăng rõ rệt. Điều này phù hợp với kết quả điều kiện cho các hạt dung dịch trơn nguội nghiên cứu tương tự đã được công bố của thâm nhập vào vùng cắt dễ hơn, nhiều hơn. Nakayama và các đồng nghiệp [1]. Lực cắt Dưới tác dụng của áp lực luồng dung dịch, khi MQL dùng hai loại dung dịch emusil và cánh phoi được nâng lên trên so với mặt trước dầu lạc ở 30 phút đầu tăng không nhiều. Trị của dao. Các rãnh răng cưa có kích thước nhỏ số của lực cắt tăng tuyến tính tương ứng với trên bề mặt phoi lúc này đóng vai trò là vùng biểu đồ mòn của dao. Nhưng khi cắt đến 40 chứa dung dịch trơn nguội ở dạng hơi/sương phút thì lực cắt khi dùng emusil tăng nhanh [4]. Do vậy, cơ chế bôi trơn biên dạng này đã hơn, chứng tỏ lúc này dao cắt đã mòn đến làm giảm ma sát giữa bề mặt phoi với mặt điểm giới hạn, các kích thước góc của dao đã trước của dao. Lưu ý rằng, trong quá trình gia thay đổi nhiều. Ở thời gian này lực cắt (F ) công khô ma sát sinh ra giữa bề mặt phoi với y khi sử dụng MQL Emusil tăng 13% so với mặt trước của dao là nguyên nhân chủ yếu trường hợp sử dụng MQL Dầu lạc. Điều này gây mòn. khẳng định hiệu quả bôi trơn hoặc/ làm nguội Kết quả chụp SEM với cùng một độ phóng của Dầu lạc cao hơn Emusil. đại của các mũi dao sau khi cắt (Hình 3) cho KẾT LUẬN thấy, hiện tượng mòn xảy ra ở cả bán kính lưỡi cắt và ở bề mặt sau của dao khi MQL là Các kết quả thực nghiệm và phân tích ở trên rất nhỏ so với quá trình gia công thường. Đó đã một lần nữa khẳng định hiệu quả BT-LN là dấu hiệu chứng minh sự ảnh hưởng của cơ bằng công nghệ MQL, cả với dung dịch chế MQL trong quá trình tiện. Khi tiện cứng, Emusil và Dầu lạc. Tuy nhiên, khi sử dụng nhiệt cắt sinh ra khi gia công tại vùng tiếp xúc MQL Dầu lạc, lực cắt, tốc độ mòn dụng cụ là giữa mặt trước của dao và phoi là lớn nhất. thấp nhất, tuổi bền của dụng cụ đạt được là Đây là vùng tiếp xúc trượt, có khe hở hẹp, do cao nhất so với gia công khô và ngay cả với đó dung dịch không thể thâm nhập vào khi sử MQL Emusil. dụng các phương pháp BT-LN thông thường. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 173 Nguyễn Đăng Bình và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 88(12): 169 - 174 Kết quả này hứa hẹn sẽ tạo ra một công nghệ hardened steel,” International Journal of Machine tools BT-LN mới thỏa mãn tiết kiệm chi phí sản xuất, and Manufacture, Số 47, trang 1660-1666. đảm bảo vệ sinh công nghiệp, không gây ô [5]. A. Bareggi, A. Torrance, G. O’Donnell (2006), “Green Cutting using Supersonic Air Jets as Coolant nhiễm môi trường và bảo vệ được sức khỏe cho and Lubricant during Turning,” Mechanical & người lao động. Tìm ra, chứng minh được bằng Manufacturing Engineering, trang 261-266. lý thuyết và thực nghiệm ưu điểm nổi bật của [6]. D. Singh, P. V. Rao (2009), “Selection of Dầu lạc (một loại dầu thực vật rất sẵn có ở Việt Optimal Machining Parameters in Hard Turning Nam) dùng làm dung dịch trơn nguội có tính with Graphite as Solid Lubricant,” The Japan năng rất tốt. Thay thế cho việc phải nhập khẩu Society of Mechanical Engineers Conference, Emusil phục vụ công nghệ BT-LN trong quá LEM21, trang 325-330. trình gia công cơ. Đặc biệt ứng dụng công nghệ [7]. V. S. Sharma, M. Dogra, N. M. Suri (2009), sử dụng MQL Dầu lạc cho quá trình tiện cứng. “Cooling techniques for improved productivity in turning,” International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 49, trang 435-453. TÀI LIỆU THAM KHẢO [8]. G. Bartarya, S.K.Choudhury (2011), “State of [1]. K. Nakayama, M. Arai, T. Kanda (1988), the art in hard tuning,” International Journal of “Machining characteristic of hard materials,” Annals Machine Tools & Manufacture. Tài liệu mới được of the CIRP, Số 31/1, trang 89-92. chấp nhận xuất bản, chưa có Số xuất bản. [2]. Y. K. Chou và H. Song (2003), “Tool nose radius [9]. Trần Minh Đức và các đồng nghiệp (2007), effects on finish hard turning,” Journal of Materials “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ bôi trơn-làm nguội Processing Technology, Vol. 148, trang 259–268. tối thiểu trong gia công cắt gọt”, Đề tài nghiên cứu [3]. T. Ueda, M. A. Huda, K. Yamada, K. Nakayama khoa học cấp Bộ trọng điểm. (1999) “Temperature Measurement of CBN Tool in [10]. B. Н .ЛАТЫШЕВ (1975), ПОВЫШЕНИЕ Turning of High Hardness Steel,” Annals of the CIRP, ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЖ, MOCKBA Số 48/1trang 63-66. “MAШИHOCTPOEИИE” [4]. Y.S. Liao, H.M. Lin (2007), “Mechanism of minimum quantity lubrication in high-speed milling of ABSTRACT THE STUDY ON EFFFECTS OF MQL USING PEANUT OIL ON TOOL LIFE IN HARD TURNING Nguyen Dang Binh1, Tran Minh Duc1, Le Thai Son2,* 1College of Technology- TNU, 2Vinh University of Technology Education The turning processes of hard steel 9CrSi prepared with CBN tool using minimum quantity lubrication (MQL) of Peanut oil and Emusil were studied. The MQL process was controlled with a pressure of 5atm and a flow-rate of 1ml/min. As a result, the peanut oil MQL performed better than that of the Emusil MQL and the dry cutting as well. Thereby, using peanut oil MQL resulted in longer tool life, lower cutting force. It is now defintely approved that the peanut poil can play the role as a cooling and lubricting agent in the hard materials machining processes. Key words: Peanut oil MQL, Tool life, Cutting force. * Tel: 0912 435 816 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 174