CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÔI TRƠN TỐI THIỂU VỚI DẦU CẮT NANO TRONG GIA CÔNG VẬT LIỆU CỨNG 1. Một số khái niệm cơ bản 1. Gia công vật liệu cứng Với các loại vật liệu có độ cứng cao (độ cứng HRC ≥ 45, thường là sau nguyên công nhiệt luyện) thì giải pháp truyền thống là gia công bằng hạt mài, chủ yếu là gia công bằng mài [1]. Gia công bằng mài có nhiều ưu điểm nổi bật như có khả năng đạt độ chính xác cao, chất lượng bề mặt tốt, tính vạn năng cao (gia công được hầu hết các dạng bề mặt như mặt trụ, mặt phẳng, mặt răng, ren và các bề mặt định hình khác.
Tuy nhiên mài có nhược điểm cơ bản là năng suất gia công thấp (lượng phoi được tách ra trong một đơn vị thời gian thấp) vì vậy việc sử dụng các phương pháp gia công bằng dụng cụ cắt có lưỡi cắt xác định để gia công vật liệu cứng là xu hướng đang rất được quan tâm nghiên cứu để thay thế một phần cho nguyên công mài. Cho đến nay do sự phát triển mãnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật nên đã cho ra đời những mẫu máy công cụ tiên tiến, mức độ tự động hoá cao, có độ cứng vững và độ chính xác cao. Đồng thời cùng với đó là các thành tựu mới về dụng cụ cắt như: công nghệ phun phủ bề mặt dụng cụ, sử dụng các loại vật liệu có tính năng cắt cao như vật liệu hợp kim cứng, gốm, CBN (Cubic Boron Nitride - Nitrit bo lập phương), kim cương nhân tạo và các loại kết cấu dụng cụ cắt mới,v.v nên việc gia công cắt gọt trực tiếp những loại thép sau nhiệt luyện có độ cứng cao bằng dụng cụ cắt có lưỡi cắt xác định đã đạt được các thành tựu đáng kể. Việc gia công vật liệu cứng bằng dụng cụ cắt có lưỡi cắt xác định đã giúp cho quá trình gia công được linh hoạt hơn, nâng cao được năng suất, nhưng vẫn đảm bảo được độ chính xác, chất lượng bề mặt gia công, v.
Gia công vật liệu cứng đã được nghiên cứu và ứng dụng cho hầu hết các phương pháp gia công như tiện cứng, phay cứng, khoan cứng, v. Tuy nhiên các kết quả nghiên cứu và ứng dụng chủ yếu vẫn tập trung cho phương pháp tiện, còn các phương pháp khác như phay, khoan còn hạn chế. Đặc điểm cơ bản của gia công vật liệu cứng là điều kiện gia công khắc nghiệt, nhiệt cắt lớn, lực cắt cắt lớn, mòn dao lớn, tuổi bền dụng cụ cắt giảm,v. Vì vậy việc 9 nghiên cứu tìm các giải pháp công nghệ nhằm cải thiện tương tác ma sát trong vùng cắt, nâng cao hiệu quả của quá trình cắt, nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật là cần thiết.
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cắt và kết quả quá trình cắt như hệ thống công nghệ, phương pháp gia công, chất lượng và kết cấu dụng cụ cắt, chế độ cắt, công nghệ và chế độ trơn nguội,v. Khi đã lựa chọn được các yếu tố khác đạt yêu cầu của quá trình gia công thì công nghệ và chế độ trơn nguội ảnh hưởng rất lớn đến quá trình và kết quả của quá trình cắt. Đối với phay vật liệu cứng, do quá trình cắt không liên tục nên cần lựa chọn được công nghệ trơn nguội hợp lý để tránh hiện tượng sốc nhiệt, tránh làm vỡ mảnh dao thì hướng nghiên cứu hiện nay là ứng dụng một số công nghệ bôi trơn làm nguội như: bôi trơn tối thiểu MQL; bôi trơn làm nguội tối thiểu MQCL; gia công trong môi trường khí nhiệt độ thấp,v. Việc ứng dụng các công nghệ trơn nguội cho quá trình gia công vật liệu cứng là lĩnh vực rất rộng, trong phạm vi đề tài tác giả chỉ tập trung nghiên cứu về ứng dụng MQL cho quá trình phay vật liệu cứng.
Bôi trơn tối thiểu MQL Bôi trơn tối thiểu MQL thực chất là đưa một lượng dung dịch trơn nguội hạn chế (tối thiểu) với lưu lượng chỉ từ 5÷500 ml/giờ (0,08 ÷ 8 ml/phút) [2] trực tiếp vào vùng cắt dưới dạng sương mù hoặc dưới dạng dòng tia dầu cắt áp lực cao (hình 1.1a là bôi trơn làm nguội kiểu tưới tràn, do sức căng bề mặt nên màng dầu cắt khó xâm nhập vào vùng cắt.1b là ứng dụng công nghệ MQL, do dầu cắt được tạo thành các hạt sương mù (microdroplet) nên có khả năng xâm nhập trực tiếp vào vùng cắt tốt hơn. Cơ chế bôi trơn của chế độ: (a) tưới tràn; (b) MQL 10 MQL đã được đề xuất vào những năm 1990 [2], phương pháp này được nghiên cứu và phát triển như là một giải pháp thay thế cho gia công ở chế độ khô và bôi trơn làm nguội kiểu tưới tràn. Do các hạt nhỏ dầu cắt xâm nhập trực tiếp vào vùng cắt nên MQL cho hiệu quả bôi trơn cao, giảm ma sát trong vùng cắt từ đó góp phần giảm nhiệt cắt, giảm lực cắt, giảm độ mòn và nâng cao tuổi bền của dụng cụ, nâng cao độ chính xác gia công, cải thiện chất lượng bề mặt gia công, v. Ngoài ra do MQL chỉ sử dụng lượng dầu cắt rất nhỏ, không có lượng dầu cắt thải ra môi trường khi hết hạn sử dụng nên rất tiết kiệm dầu cắt, tiết kiệm được chi phí xử lý dầu thải, v.
và ít gây tác hại xấu đến môi trường. Việc sử dụng các loại dầu cắt có nguồn gốc tự nhiên (dầu cắt có nguồn gốc từ thực vật, từ động vật) để thay thế cho các loại dầu cắt có nguồn gốc từ dầu khoáng đã góp phần làm cho MQL có thêm ưu điểm là ít ảnh hưởng đến sức khỏe của người lao động, thân thiện với môi trường, đáp ứng xu thế gia công xanh, gia công bền vững [2,3]. Có nhiều yếu tố của MQL (gọi chung là thông số công nghệ của MQL – thông số khảo sát) ảnh hưởng đến quá trình và kết quả của quá trình gia công như: loại dầu cắt, áp suất dòng khí, lưu lượng dung dịch, lưu lượng dòng khí, góc phun, khoảng cách vòi phun, số lượng vòi phun, v. Các công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số công nghệ MQL đến quá trình cắt đã chỉ ra được các ưu điểm của MQL, đồng thời cũng chỉ ra tồn tại cơ bản của MQL là khả năng làm nguội bị hạn chế nên việc ứng dụng cho các phương pháp gia công có điều kiện cắt khắc nhiệt như gia công vật liệu cứng, gia công các loại vật liệu khó gia công bị hạn chế.
Để nâng cao hiệu quả của MQL ứng dụng cho quá trình gia công vật liệu cứng, ở đây tác giả đề xuất giải pháp là MQL sử dụng dầu cắt nano (NF MQL). Bôi trơn tối thiểu dùng dầu cắt nano NF MQL Bôi trơn tối thiểu dùng dầu cắt nano NF MQL thực chất là công nghệ MQL sử dụng dầu cắt nano. Dầu cắt nano (Nanofluid – viết tắt là NF) được hình thành từ việc trộn một số loại hạt nano như: ô xít nhôm Al2O3, ô xít si lích SiO2, sun fít mô líp đen MoS2, ô xít ti tan TiO2, ô xít đồng CuO, v. vào dầu cắt nền là các loại dầu khoáng hoặc là dầu thực vật với tỷ lệ thích hợp.
Sự có mặt của hạt nano trong dầu cắt đã cải thiện được tính năng bôi trơn, làm nguội của dầu cắt nền như thay đổi độ nhớt, thay đổi tính dẫn nhiệt,v. Đồng thời do các hạt nano có kích thước rất nhỏ và được 11 phân tán đều trong dầu cắt nền nên khi kết hợp với công nghệ MQL thì các hạt sẽ được đưa trực tiếp vào vùng cắt cùng với các hạt sương mù của dầu nền. Kết quả của sự kết hợp này đã giúp cải thiện đáng kể ma sát trong vùng cắt, làm giảm nhiệt cắt; giảm lực cắt; giảm độ mòn, nâng cao được tuổi bền dụng cụ và cải thiện chất lượng bề mặt gia công,v. NF MQL được nghiên cứu và ứng dụng có hiệu quả cho quá trình gia công các loại vật liệu cứng, các loại vật liệu khó gia công [4].
Tổng quan các kết quả nghiên cứu nước ngoài về ứng dụng NF MQL cho quá trình gia công vật liệu cứng 1. Tổng quan về gia công vật liệu cứng Trong những năm gần đây, gia công vật liệu cứng đang ngày một được ứng dụng rộng rãi trong gia công cắt gọt. Những nghiên cứu cơ bản về lý thuyết chung của gia công vật liệu cứng được trình bày trong tài liệu [1]. Một số những phương pháp gia công vật liệu cứng được sử dụng phổ biến bao gồm: tiện cứng, phay cứng, khoan cứng,v.
Đã có rất nhiều nghiên cứu ứng dụng tiện cứng trong gia công cắt gọt, nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt và lực cắt khi tiện cứng thép AISI 52100 (HRC=62) với mảnh CBN đã được công bố trong [5]. Trị số nhám bề mặt chịu ảnh hưởng lớn nhất bởi lượng chạy dao và sau đó đến vận tốc cắt. Kết quả cũng chỉ ra rằng lực pháp tuyến là thành phần lực lớn nhất và có mối liên hệ chặt chẽ với sự thay đổi độ cứng của chi tiết gia công, thông số hình học và tốc độ mòn của dụng cụ cắt. Lực cắt chịu ảnh hưởng lớn nhất bởi chiều sâu cắt sau đó đến lượng chạy dao và vận tốc cắt.
Trong gia công vật liệu cứng, lực cắt và nhiệt cắt sinh ra rất lớn nên việc hình thành lớp biến trắng (white layer) trong công nghệ tiện cứng là một trong những vấn đề đã được rất nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu và được công bố trong [6]. Lớp biến trắng là kết quả của sự thay đổi cấu trúc tế vi của vật liệu, có cấu trúc martensit không qua nhiệt luyện, có độ cứng cao hơn lớp vật liệu trung gian (dark layer) và lớp vật liệu nền. Chiều dày lớp biến trắng tăng khi tăng chế độ cắt và khi đó lượng mòn mặt sau tăng. Khả năng chịu mài mòn giảm khi có lớp biến trắng trên bề mặt.
Nguyên nhân chính là do tồn tại những vết nứt tế vi trên lớp biến trắng, và sự lan truyền của các vết nứt dẫn đến sự bong tróc của lớp biến trắng. Việc nghiên cứu ứng dụng phay cứng trong gia công cắt gọt đã và đang thu hút được sự quan tâm rất lớn không chỉ của các nhà khoa học trên thế giới mà còn của các 12 nhà sản xuất, đặc biệt trong lĩnh vực gia công khuôn mẫu.1 tóm tắt những kết quả nghiên cứu chính về ảnh hưởng của chế độ cắt khi phay cứng.
