Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV ẢNH HƯỞNG CỦA BÔI TRƠN LÀM NGUỘI TỐI THIỂU TỚI MÒN DAO VÀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT KHI PHAY CỨNG THÉP 65Γ EFFECTS OF MINIMUM COOLANT LUBRICATION TO WORN-OUT CUTTING TOOLS AND ROUGHNESS OF MACHINE PART SURFACES WHEN HARD MILLING STEEL-65Γ Nguyễn Thái Bình1a, Đỗ Như Hoàng2, Bùi Thị Thu Hà1, Phạm Văn Đông3b Trường Cao đẳng Công nghiệp Thái Nguyên Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hải Phòng Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội a thaibinh.cdcn@gmail.com, bphamvandong07@gmail.com, TÓM TẮT Nâng cao hiệu gia công thép ngày tăng gia tăng sử dụng thép có độ cứng độ bền cao công nghệ chế tạo máy; phay cứng ngày quan trọng có khả gia công chi tiết có độ cứng độ bền cao, phay cứng người ta thường áp dụng phương pháp phay cao tốc, gia công phương pháp cho phép bỏ giảm bớt nguyên công mài quy trình công nghệ chế tạo chi tiết Phay cứng cao tốc có nhiều ưu công nghệ cắt tốc độ cao, hiệu suất cao, giảm tuổi thọ dao giữ mức độ tương ứng định, đặc biệt trường hợp gia công thép Hơn nữa, gia công tinh, yêu cầu cải thiện bề mặt gia công giữ vai trò quan trọng, sử dụng phương pháp bôi trơn-làm nguội tối thiểu (MQL) mang lại nhiều lợi ích hiệu suất gia công, chất lượng độ nhám bề mặt… Bài viết trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng bôi trơn - làm nguội tối thiểu đến mòn dao độ nhám bề mặt phay cứng thép 65Γ dao phay mặt đầu gắn cacbit Kết thực nghiệm cho thấy bôi trơn làm nguội tối thiểu phương pháp có nhiều ưu điểm trội khả giảm tốc độ mòn, tăng tuổi bền dao tăng cấp độ nhám bề mặt chi tiết sau gia công Từ khóa: phay cứng, bôi trơn làm nguội tối thiểu ABSTRACT Machining efficiency of tempered steel is creasing due to use increasing of hardness steel and durability in machinery manufacturing technology; hard milling is increasingly importance because it is able to process high durability and hard machine parts It is often using highspeed milling method to remove or decrease milling operation of manufacturing technology process Highspeed hard milling mothed has many advantages by high speed cutting technology, high performance and the decrease of cutting tool’s life is remained at certain corresponding level, special in case processing tempered steel Moreover, in fine processing, the demand of improving processing surface takes an importance role, using minimum coolant lubrication (MCL) will bring back many benefits in processing performance, roughness surface quality This paper presents the experimental results of effects of minimum coolant lubrication to worn-out cutting tools and roughness of machine part surfaces when hard milling tempered steel-65Γ by using cutting tool attachs cacbit There experimental results shown that the minimum cooling lubrication method has many advantages about decreasing wont-out speed of cutting tool and increasing roughness of machine part surfaces Keywords: hard milling, Minimum Quantity Lubrication 233 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV GIỚI THIỆU Gia công cao tốc phương pháp mang lại nhiều lợi ích, có phương pháp phay cao tốc Khi phay cao tốc, tốc độ bóc tách vật liệu cao (MRR), giảm lực cắt, loại bỏ phần lớn nhiệt với phoi, cải thiện độ xác kích thước gia công,… phay cao tốc nhiệt lượng sinh lớn, thời gian tản nhiệt ngắn (nhiệt độ vùng cắt lên đến 700 ÷ 8000C) Dưới ảnh hưởng nhiệt độ cao, kim loại bị cắt gọt mềm cục trở nên dễ cắt, tuổi thọ dao tăng lên [1,2] Trong trình phay cứng thường phát lượng nhiệt lớn, đặc biệt vị trí phoi tiếp xúc với mặt trước Từ 60 ÷ 80% nhiệt lượng truyền sang phoi, 10 ÷ 40% nhiệt lượng truyền vào dao: ÷ 9% truyền vào vật gia công ÷ 2,5% tản vào môi trường xung quanh Nhiệt gây nhiều tác hại cho gia công cắt gọt, nguyên nhân chủ yếu hạn chế suất cắt gọt Đối với chi tiết gia công, nhiệt làm giãn nở chi tiết gia công ảnh hưởng đến độ xác đo kiểm; mặt khác phôi nóng lên làm mềm chi tiết nên dễ cắt gọt hơn, song ảnh hưởng xấu gây tác hại cho dao [3] Khi phay cứng dao gắn mảnh hợp kim cứng (HKC) dễ xảy tượng nứt mẻ lưỡi dao có va đập thay đổi nhiệt độ đột ngột Nên tưới dung dịch trơn nguội phải tưới liên tục đủ lưu lượng, tuyệt đối không tưới nhỏ giọt gián đoạn [4] Mục đích nghiên cứu nghiên cứu ảnh hưởng bôi trơn - làm nguội tối thiểu (MQL-Minimum Quantity Lubrication) đến mòn dao nhám bề mặt phay cứng thép 65Γ so sánh với cắt khô (Dry) hoàn toàn MÔ TẢ THÍ NGHIỆM 2.1.Vật liệu gia công trang thiết bị thí nghiệm 2.1.1.Vật liệu gia công Đối với chi tiết máy đòi hỏi yêu cầu độ cứng độ bền cao người ta sử dụng nhiều loại vật liệu, có sử dụng vật liệu thép 65Γ (ΓOCT 14959-79) Hình ảnh mảnh hợp kim chi tiết gia công thể hình Hình Hình ảnh mảnh hợp kim phôi thực nghiệm Hình (a): mảnh hợp kim cứng P15 hãng Sendvic, Thụy Điển Hình (b): phôi thép 65Γ dùng để làm thí nghiệm 2.1.2 Trang thiết bị thí nghiệm Trong trình nghiên cứu, tác giả sử dụng số máy móc, trang thiết bị phục vụ trình thí nghiệm Các thiết bị bao gồm (hình 2, 3) - Đầu phun NOGA hệ thống van, đồng hồ hiển thị áp suất hình - Máy chụp hiển vi điện tử TM1000 (Nhật Bản) hình - Dụng cụ đo lưu lượng loại vạch chia 5ml, thể tích 500ml 234 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV - Máy đo nhám SJ-201 Mitutoyo (Nhật Bản) - Hệ thống cung cấp khí nén: máy nén khí Model PT-0136, Đài Loan Áp suất khí nén lớn nhất: kg/cm2 Hình Đầu phun NOGA Hình Máy chụp hiển vi điện tử TM1000 2.2 Thực nghiệm 2.2.1 Thông số điều kiện thực nghiệm Các thông số công nghệ điều kiện gia công thể bảng (các điều kiện khác coi tiêu chuẩn) Bảng Điều kiện thực nghiệm Nội dung TT Điều kiện gia công Máy công cụ Máy phay đứng Showa, kiểu JMII, Nhật Bản Vật liệu gia công - Thép 65Γ tôi, độ cứng HRC = 35 ÷ 40 - Kích thước phôi: 350 x 35 x 50mm Dao Dao phay mặt đầu gắn mảnh hợp kim cứng P15 hãng Sandvic Coromant (Thụy Điển) Thông số gia công - Vận tốc cắt: V c = 87 m/ph - Lượng tiến dao: S = 28 mm/ph - Chiều sâu cắt: t = 0,3 mm Dung dịch trơn nguội Emunxi 4% phun dạng khí (sương mù) với P = KG/cm2; lưu lượng Q = 0,22 ml/phút (phun vào mặt sau dao) Môi trường Khô (dry), bôi trơn - làm nguội tối thiểu (MQL) 2.2.2 Trình tự tiến hành thực nghiệm Nghiên cứu thực mẫu thép 65Γ Mẫu thí nghiệm xác định mác thép phương pháp quang phổ đo độ cứng sau Sử dụng dao phay mặt đầu gắn hợp kim cứng (P15) để gia công mặt phẳng Sau khoảng thời gian gia công 10 phút (không kể thời gian phụ), tiến hành đo độ nhám bề mặt chi tiết Đồng thời, sau thời gian thực cắt 60 phút mảnh hợp kim cứng tháo để chụp ảnh hiển vi điện tử, đo kiểm tra 235 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Thực nghiệm tiến hành gia công với 02 phương pháp là: Gia công khô gia công có bôi trơn - làm nguội tối thiểu (MQL) Sau có kết thực nghiệm, tiến hành đánh giá lượng mòn tuổi bền dao, so sánh ưu nhược điểm hai phương pháp gia công KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 3.1 Kết phân tích hình ảnh Khi gia công khô, sau thời gian cắt thực 180 phút (không kể thời gian phụ), nhóm tác giả tiến hành chụp ảnh từ kính hiển vi TM-1000 (hình 4a) xác định lượng mòn mặt sau, thể rõ ảnh phóng to hình 4b Tương tự, gia công sử dụng phương pháp bôi trơn - làm nguội tối thiểu (MQL) sau thời gian cắt thực 180 phút, nhóm tác giả tiến hành chụp ảnh, lượng mòn mặt sau thể hình 5c, thể rõ ảnh phóng to hình 5d Hình Ảnh mòn mặt sau dao gia công khô sau thời gian cắt 180 phút Hình Ảnh mòn mặt sau dao gia công MQL sau thời gian cắt 180 phút Sau thời gian gia công thực 300 phút ta xác định lượng mòn mặt trước dao gia công khô hình ảnh chụp thể hình 6e, ảnh phóng to hình 6f; gia công MQL hình ảnh thể lượng mòn hình 7g, ảnh phóng to thể hình 7h 236 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Ảnh mòn mặt trước dao gia công khô sau cắt 300 phút Hình Ảnh mòn mặt trước dao gia công MQL sau cắt 300 phút Nhận xét: * Mòn chế mòn mặt trước dao: Từ hình ảnh chụp tế vi mặt trước dao (hình 6, 7) ta thấy: - Mòn mặt trước dao chia thành vùng mòn theo phương thoát phoi thông qua mức độ bám dính vật liệu gia công với mặt trước Chiều dài tiếp xúc phoi với mặt trước tăng dần theo thời gian cắt Ở vùng nằm sát bám dọc theo lưỡi cắt với chiều sâu mòn, vết cào xước bám dính vật liệu gia công nhiều (gọi vùng 1) Vùng với chiều sâu mòn, vết xước bám dính vật liệu gia công nhỏ (gọi vùng 2) Với xuất vết cào xước chứng tỏ mặt trước dao bị mòn hạt cứng tạo trình cắt Sự bám dính vật liệu gia công mòn mạnh mặt trước dao vùng vùng chứng tỏ mặt trước dao bị mòn tiếp xúc [7,9] - Mòn mặt trước dao so sánh gia công khô với gia công MQL ta thấy mức độ mòn mặt trước gia công MQL gia công khô Khi gia công khô, bề rộng vùng mòn mặt trước tăng dần, đặc biệt chiều sâu mòn vùng phát triển nhanh Khi gia công MQL, bề rộng vùng mòn tăng chậm, chiều sâu mòn vùng nhỏ nhiều so với gia công khô Nguyên nhân dẫn đến kết độ nhớt dung dịch emunxi thấp nên phần tử emunxi dễ dàng xâm nhập vào vùng tiếp xúc dao phoi để bôi trơn làm nguội nên giảm ma sát tiếp xúc dao phoi dẫn đến giảm mòn mặt trước dao so với gia công khô [7,9] 237 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV * Mòn chế mòn mặt sau dao: Từ hình ảnh chụp tế vi mặt sau dao (hình 4, 5) ta thấy: - Trên vùng mòn mặt sau dao có bám dính vật liệu gia công vết xước chứng tỏ chế mòn mặt sau mòn hạt cứng mòn tiếp xúc [7,9] - Tiến hành đo mòn mặt sau dao gia công khô MQL ta thấy lượng mòn mặt sau dao gia công MQL gia công khô Bề rộng mức độ phát triển vết mòn mặt sau dao gia công MQL nhỏ gia công khô 3.2 Kết xác định lượng mòn tuổi bền dao Sau thời gian cắt thực 60 phút, nhóm tác giả tiến hành đo mòn dao lần Kết nhận thể bảng Bảng Số liệu độ mòn mặt sau dao TT Thời gian (phút) Độ mòn mặt sau (mm) Gia công khô Gia công MQL - Emunxi 60 0,1 0,06 120 0,2 0,14 180 0,41 0,21 240 0,62 0,38 300 1,05 0,52 0,476 0,262 Giá trị trung bình Mòn mặt sau dao ảnh hưởng đến độ xác kích thước gia công độ nhám bề mặt chi tiết Để so sánh mức độ mòn mặt sau dao, từ kết xác định được, nhóm tác giả sử dụng phầm mềm Excel xử lý kết quả, vẽ biểu đồ quan hệ lượng mòn mặt sau dao với thời gian cắt thể hình Hình Quan hệ độ mòn mặt sau dao thời gian cắt t Nhìn vào biểu đồ thể mối quan hệ lượng mòn mặt sau dao với thời gian cắt ta thấy: Khi gia công sử dụng phương pháp bôi trơn - làm nguội tối thiểu (MQL) lượng mòn giảm hẳn so với gia công khô Theo kết thực nghiệm, lượng mòn mặt sau dao thời điểm 300 phút cắt thực gia công MQL 0,52 mm; với lượng mòn 0,52 mm gia công khô tuổi bền dao tương ứng 209 phút, tỉ lệ tuổi bền dao gia công MQL với tuổi bền dao gia công khô là: 300/209 ≈ 1,44; Như vậy, gia công MQL tăng đáng kể tuổi bền dao Tỷ lệ tuổi bền dao gia công khô MQL thể hình 238 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Biểu đồ so sánh tuổi bền dao gia công khô MQL Nhận xét: - Lượng mòn trung bình mặt sau dao 300 phút cắt thực gia công khô 0,476 mm, gia công MQL lượng mòn dao 0,262 mm Như vậy, lượng mòn dao gia công khô lớn lượng mòn dao gia công MQL 0,214 mm - Lượng mòn mặt sau dao thời điểm 300 phút cắt thực gia công MQL 0,52 mm, tương ứng với lượng mòn 0,52 mm tuổi bền dao gia công khô 209 phút thời gian cắt thực Tuổi bền dao gia công MQL gấp 1,44 lần gia công khô 3.3 Kết đo độ nhám bề mặt chi tiết Sau thời gian thực nghiệm cắt 10 phút, nhóm tác giả tiến hành đo độ nhám bề mặt chi tiết Kết đo độ nhám bề mặt chi tiết thể bảng Bảng Kết đo độ nhám R a (µm) Gia công Gia công Thời gian TT (phút) khô MQL TT Thời gian (phút) 10 1,2 0,72 16 20 1,25 0,79 30 1,29 40 Gia công khô Gia công MQL 160 3,2 1,71 17 170 3,51 1,59 0,79 18 180 3,51 1,69 1,52 0,88 19 190 3,37 50 1,68 1,02 20 200 3,51 2,04 60 1,85 1,1 21 210 1,76 70 2,06 1,18 22 220 4,36 2,07 80 2,36 1,16 23 230 4,31 2,09 90 2,35 1,21 24 240 4,31 2,14 10 100 2,6 1,11 25 250 4,72 2,44 11 110 2,51 1,28 26 260 4,7 2,46 12 120 2,74 1,47 27 270 4,52 2,65 13 130 2,9 1,4 28 280 4,71 2,63 14 140 2,95 1,6 29 290 4,79 2,61 15 150 3,17 1,66 30 300 5,03 2,51 3,166 1,659 Giá trị trung bình 239 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Từ kết đo độ nhám bảng ta thấy: giá trị độ nhám trung bình thời gian 300 phút tương ứng với 30 lần đo, gia công khô 3,166 µm; gia công MQL 1,659 µm Đồ thị thể mối quan hệ độ nhám bề mặt chi tiết theo thời gian cắt thực biểu diễn hình 10 Thời gian cắt (phút) Hình 10 Quan hệ độ nhám bề mặt chi tiết R a thời gian cắt t Qua biểu đồ hình 10 ta thấy giá trị độ nhám bề mặt chi tiết sử dụng phương pháp MQL nhỏ gia công khô (cấp độ nhám bề mặt chi tiết gia công MQL cao gia công khô) Kết áp lực dung dịch trơn nguội MQL đẩy hạt cứng sinh trình cắt khỏi vùng cắt giảm ứng suất dư bề mặt nhiệt cắt KẾT LUẬN Cơ chế mòn dao phay mặt đầu gắn cacbit (P15) phay cứng mặt phẳng thép 65Γ mòn hạt cứng tiếp xúc Lượng mòn mặt sau dao sau thời gian cắt thực 300 phút gia công khô 1,05 mm, gia công MQL 0,52 mm, chênh lệch 0,53 mm Lượng mòn dao 0,52 mm gia công MQL tuổi bền dao 300 phút; tương ứng, gia công khô tuổi bền dao 209 phút Như vậy, gia công MQL tuổi bền dao gấp 1,44 lần tuổi bền dao gia công khô, thời điểm 300 phút Khi phay cứng vật liệu 65Γ dao phay mặt đầu gắn mảnh hợp kim cứng (P15), giá trị độ nhám trung bình sau 30 lần đo thời gian cắt thực 300 phút gia công khô 3,166µm; gia công MQL 1,659 µm, chênh lệch 1,505 µm Khi gia công sử dụng MQL giá trị độ nhám bề mặt chi tiết sau gia công nhỏ giá trị độ nhám gia công khô Công nghệ MQL sử dụng dung dịch emunxi 4% mang lại hiệu chất lượng độ nhám bề mặt chi tiết sau gia công, giảm mòn, nâng cao tuổi bền dao phay cứng mặt phẳng thép 65Γ dao phay mặt đầu cacbit P15 hẳn phương pháp gia công khô Kết nghiên cứu ứng dụng xây dựng quy trình công nghệ gia công chi tiết máy có độ bền cao TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Liao Y.S and Lin H M (2007), “Mechanism of minimum quantity lubrication in highspeed milling of hardened steel”, Machine tools and Manufacture, Vol 47, pp 16601666 [2] Saw M.C, (1994), “Tool Life”, Ceramic cutting Tool, Noyes Publication, New Jersey, USA, pp.2-27 [3] A Iqbal1*, N U Dar, N He, I Khan, and L Li, Optimizing cutting parameters in minimum quantity oflubrication milling of hardened cold work tool steel Department of 240 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Mechanical Engineering, University of Engineering and Technology, Taxila, Punjab, Pakistan @ College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, People’s Republic of China [4] Li K M, Liang S Y, (2007), “Performance profiling of minimum quantity lubrication in machining”, International Journal of Advance Manufacturing Technology, Vol 35, pp 226-233 [5] Liu J., Han R., Zhang L, Guo H, (2006), “Study on lubricating characteristic and tool wear with water vapor as coolant and lubricant in green cutting”, Wear, Vol 262, Issue 34, pp 442-452 [6] Dhar N R, Islama S, Kamruzzamanb M (2007), “Effect of Minimum Quantity Lubrication (MQL) on Tool Wear, Surface Roughness and Dimensional Deviation in Turning AISI-4340 Steel”, G.U Journal of Science, Vol 20/2, pp 23-32 [7] Bharat Bhushan and B K Gupta, Hanbook of Trybology, Materials- Coatings and Suface Tretments, Mc Graw Hill Inc, London 1991 [8] Trần Minh Đức, (2007), “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ bôi trơn làm nguội tối thiểu 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 [9] Nguyễn Thế Tranh, Trần Quốc Việt, (2005), Cơ sở cắt gọt kim loại, NXB Đại học Đà Nẵng [10] Đỗ Như Hoàng, Nguyễn Thái Bình, (2009), “Ứng dụng MQL vào trình phay cứng thép 60Γ qua dao phay mặt đầu cacbit”, Chuyên đề khoa học ĐHKTCN THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ ThS Nguyễn Thái Bình - Khoa Cơ khí, Trường Cao Đẳng Công nghiệp Thái Nguyên, TP Thái Nguyên; email: thaibinh.cdcn@gmail.com; ĐT: 0912.386.489 ThS Đỗ Như Hoàng - Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hải Phòng ThS Bùi Thị Thu Hà - Trường Cao Đẳng Công nghiệp Thái Nguyên TS Phạm Văn Đông - Phòng Khoa học Công nghệ, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, TP Hà Nội, email: phamvandong07@gmail.com; ĐT: 0967.051.166 241 ... Tuổi bền dao gia công MQL gấp 1,44 lần gia công khô 3.3 Kết đo độ nhám bề mặt chi tiết Sau thời gian thực nghiệm cắt 10 phút, nhóm tác giả tiến hành đo độ nhám bề mặt chi tiết Kết đo độ nhám bề mặt. .. 10 Quan hệ độ nhám bề mặt chi tiết R a thời gian cắt t Qua biểu đồ hình 10 ta thấy giá trị độ nhám bề mặt chi tiết sử dụng phương pháp MQL nhỏ gia công khô (cấp độ nhám bề mặt chi tiết gia công... đoạn [4] Mục đích nghiên cứu nghiên cứu ảnh hưởng bôi trơn - làm nguội tối thiểu (MQL-Minimum Quantity Lubrication) đến mòn dao nhám bề mặt phay cứng thép 65Γ so sánh với cắt khô (Dry) hoàn toàn