Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ bôi trơn làm nguội tối thiểu đến mòn và tuổi bền dao phay khi phay lăn răng đĩa xích

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ
CÔNG NGHỆ BÔI TRƠN-LÀM NGUỘI TỐI THIỂU
ĐẾN MÒN VÀ TUỔI BỀN DAO PHAY KHI PHAY
LĂN RĂNG ĐĨA XÍCH

ĐẶNG VĂN THANH

THÁI NGUN, 2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

-1-




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------------------------------

ĐẶNG VĂN THANH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ
CÔNG NGHỆ BƠI TRƠN-LÀM NGUỘI TỐI THIỂU

ĐẾN MỊN VÀ TUỔI BỀN DAO PHAY TRONG PHAY
LĂN RĂNG ĐĨA XÍCH
CHUN NGÀNH: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

HỌC VIÊN

TS. Trần Minh Đức

Đặng Văn Thanh

KHOA ĐÀO TẠO SĐH

BGH TRƯỜNG ĐHKTCN

Thái Nguyên, 2011
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

-2-




LỜI CAM ĐOAN

Với danh dự là một giảng viên đại học tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên
cứu của tôi. Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa

từng được ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác. Trừ những phần tham
khảo đã được ghi rõ trong luận văn.

Tác giả

ĐẶNG VĂN THANH

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

-3-




LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin được cảm ơn TS. Trần Minh Đức, Trưởng phòng
Đào tạo - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, thầy hướng khoa học của tơi
về tình cảm, sự tận tình dành cho tơi trong nghiên cứu, những đóng góp quý
báu của Thầy trong nghiên cứu và viết luận văn đã giúp tơi hồn thành luận
văn này.
Tơi muốn bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến sự giúp đỡ vô tư của TS.
Nguyễn Văn Hùng Giám đốc Cty TNHH cơ khí Thuận Phát về cơ sở vật chất,
dụng cụ, định hướng trong nghiên cứu khoa học trong suốt thời gian làm luận
văn.
Tôi muốn được cám ơn Ban Giám Hiệu trường Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp-Đại học Thái Nguyên, Bộ môn Chế tạo máy, Trung tập thí nghiệm đã
dàng cho tơi những điều kiện thuận lợi nhất giúp tơi hồn thành nghiên cứu
của mình.
Cuối cùng tơi muốn được bày tỏ lòng biết ơn đến cán bộ, cơng nhân
Cty TNHH cơ khí Thuận Phát về những giúp đỡ q báu tạo điều kiện cho tơi

thực hiện thí nghiệm tại cty.

Học viên

ĐẶNG VĂN THANH

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

-4-




MỞ ĐẦU
Trang
1. Tính cấp thiết của đề tài .............................................................................. 1
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .................................................... 1
3. Mục đích của nghiên cứu ............................................................................ 2
4. Đối tượng nghiên cứu.................................................................................. 2
5. Phương pháp nghiên cứu………………………………………………….2
6. Nội dung của luận văn................................................................................. 2
Chƣơng 1.
TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG RĂNG VÀ BƠI TRƠN LÀM NGUỘI
TRONG GIA CƠNG RĂNG
1.1 Q trình tạo phoi trong cắt kim loại ........................................................ 3
1.2 Sự hình thành biên dạng răng trong gia công răng sử dụng dao phay lăn
trục vít. ............................................................................................................ 4
1.3 Sự hình thành phoi trong gia cơng răng bằng dao phay lăn trục vít ......... 5
1.4 Lực cắt trong quá trình phay lăn răng ....................................................... 7
1.5 Nhiệt cắt ................................................................................................... 9

1.5.1 Nhiệt sinh trong vùng biến dạng thứ nhất (QAB) ................................ 10
1.5.2 Nhiệt sinh trên mặt trước (QAC) ......................................................... 10
1.5.3 Nhiệt sinh ra trên mặt tiếp xúc giữa mặt sau và bề mặt gia công (QAD)

1.6 Mòn dụng cụ cắt ...................................................................................... 12
1.6.1 Khái niệm ........................................................................................... 12
1.6.2 Mòn dụng cụ và cách xác định .......................................................... 13
1.6.3 Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt ........................................................ 15
1.6.4 Mòn dụng cụ phủ ............................................................................... 18
1.6.5 Mòn và tuổi bền dao phay lăn răng .................................................... 19
1.6.5.1 Mòn dao phay lăn răng ..................................................................19
1.6.5.2 Tuổi bền của dụng cụ cắt ...............................................................21

1.7 Bôi trơn làm nguội trong gia công răng .................................................. 22
1.7.1 Phương pháp tưới tràn ........................................................................ 23
1.7.2 Gia công khô (Dry cutting) ................................................................ 23
1.7.3 Bôi trơn làm nguội tối thiểu MQL (Minimum Quantity Lubrication) ..
1.8 Tổng quan về bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQL) ở Việt Nam, trên thế giới

trong gia công răng và dự kiến hướng nghiên cứu ....................................... 25

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

-5-




1.8.1 Khái quát về tình hình nghiên cứu trên thế giới ............................. 25
1.8.2 Khái quát về tình hình nghiên cứu ở Việt Nam ................................. 27

1.8.3 Dự kiến vấn đề nghiên cứu ........................................................................... 29

Kết luận ......................................................................................................... 29
Chƣơng 2.
BÔI TRƠN-LÀM NGUỘI TỐI THIỂU TRONG PHAY LĂN RĂNG
ĐĨA XÍCH
2.1 Đặt vấn đề................................................................................................ 30
2.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ bôi trơn-làm nguội tối thiểu trong
phay lăn răng đĩa xích ................................................................................... 31
2.2.1 Ảnh hưởng của vị trí vịi phun ........................................................... 31
2.2.2 Ảnh hưởng của áp suất dịng khí nén ................................................. 33
2.2.3 Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội ................................................ 34

2.3 Bôi trơn-làm nguội tối thiểu trong phay lăn răng đĩa xích ..................... 35
2.4 Gới hạn vấn đề nghiên cứu ..................................................................... 36
2.5 Phương pháp nghiên cứu ......................................................................... 37

Chƣơng 3.
THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THƠNG
SỐ CƠNG NGHỆ MQL ĐẾN MỊN VÀ TUỔI BỀN
DAO PHAY LĂN RĂNG ĐĨA XÍCH
3.1 Xây dựng hệ thống thí nghiệm ................................................................ 38
3.1.1 Yêu cầu của hệ thống thí nghiệm ............................................................ 38
3.1.2 Hệ thống thí nghiệm ............................................................................... 38
3.1.2.1 Sơ đồ nguyên lý ............................................................................... 38
3.1.2.2 Hệ thống thí nghiệm ........................................................................ 39
3.2 Thí nghiệm so sánh .......................................................................................... 42
3.2.1 Chế độ cơng nghệ. ................................................................................... 42
3.2.2 Tiến trình thí nghiệm............................................................................... 42
3.2.3 Kết quả và thảo luận................................................................................ 42

3.2.4 Kết luận ................................................................................................... 49
3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất dịng khí nén đến mòn dao và tuổi bền dao
phay lăn răng. ......................................................................................................... 50
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

-6-




3.3.1 Thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu .................................................................... 50

3.3.2 Xây dựng kế hoạch thí nghiệm ...................................................... 51
3.3.2.1 Thí nghiệm dạng 2k
............................ 51
3.3.2.2 Thiết kế thí nghiệm hỗn hợp tâm xoay (CCD) .................. 53
3.3.2.3 Bài tốn tối ưu khơng có điều kiện ràng buộc ................... 55
3.3.2.4 Q trình thí nghiệm .......................................................... 57
3.3.2.5 Kết quả và thảo luận........................................................... 60
KẾT LUẬN CHUNG
1. Kết luận chung .......................................................................................... 64
2. Định hướng nghiên cứu tiếp theo .............................................................. 64
3. Áp dụng vào thực tiễn sản xuất ................................................................. 65

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

-7-

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
f: hệ số ma sát trượt giữa hai bề mặt tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô.
: ứng suất tiếp giới hạn thực trên bề mặt tiếp xúc chung của các nhấp nhô.
: ứng suất pháp trên bề mặt tiếp xúc
A: diện tích tiếp xúc danh nghĩa của hai bề mặt.
Ar: diện tích tiếp xúc thực của hai bề mặt.
B: là hằng số đặc trưng cho tính chất tiếp xúc của vật liệu.
W: tải trọng pháp tuyến.
F: lực ma sát giữa hai bề mặt
Pc: thành phần cày của các nhấp nhô cứng lên bề mặt mềm hơn.
o: ứng suất tiếp giới hạn của vật liệu mềm hơn ở chỗ tiếp xúc.
o: giới hạn bền của vật liệu mềm hơn.
: hằng số
k: hằng số
f: ứng suất tiếp giới hạn của lớp màng mỏng trên bề mặt tiếp.
c: hằng số < 1.
(x): ứng suất pháp trên mặt trước của dụng cụ cắt
(x): ứng suất tiếp trên mặt trước của dụng cụ cắt
: hệ số ma sát trên vùng ma sát thông thường của mặt trước.
l: chiều dài tiếp xúc của phần dính trên mặt trước.
l1: chiều dài tiếp xúc của phần dính trên mặt trước.
n: số mũ của đường cong phân bố ứng suất pháp trên mặt trước
Vc: vận tốc cắt.
a1: chiều dày phoi trước biến dạng
a2: chiều dày phoi sau khi cắt.
t1: chiều sâu cắt trước khi cắt trực giao
t2: chiều sâu cắt sau khi biến dạng
: góc tạo phoi
: góc trước

t: chiều sâu cắt.
: góc sau.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

-8-




1, 3: ứng suất chính trong các lớp tiếp xúc theo phương vng góc với lưỡi
cắt
2: ứng suất chính trong các lớp tiếp xúc theo phương song song với lưỡi cắt
s: ứng suất tiếp giới hạn của các lớp phoi tiếp xúc trên mặt trước
V(x): vận tốc của lớp phoi dưới cùng trên mặt trước
Vp: vận tốc của khối phoi
: là góc ma sát trung bình trên mặt trước
b: chiều rộng cắt
kAB: ứng suất tiếp giới hạn trên mặt phẳng trượt
AB: ứng suất pháp tuyến trên mặt phẳng trượt
Fc: lực cắt theo phương vận tốc cắt
Ft: lực cắt theo phương vng góc với vận tốc cắt
Fs: lực tác dụng trên mặt phẳng trượt
As: diện tích của vùng mặt phẳng trượt
Vs : vận tốc tác phoi theo phương mặt phẳng trượt
FN: lực tác dụng vng góc với mặt phẳng trượt
Wmpt: tổng năng lượng tiêu thụ trên mặt trước
Wmt: tổng năng lượng tiêu thụ trên mặt trước
Fmt: lực tác dụng trên mặt trước (theo phương của mặt trước)
: tỷ số giữa ứng suất tiếp giới hạn trên mặt trước và mặt phẳng trượt.

: tỷ số giữa chiều dài tiếp xúc trên mặt trước và hình chiếu của t1 trên mặt
trước
: biến dạng của vật liệu gia công.
VLGC: vật liệu gia công
VLDC: vật liệu dụng cụ.
: góc giữa mặt phẳng trượt và hợp lực R trên mặt phẳng trượt.
C: hằng số trong quan hệ tốc độ biến dạng thực nghiệm
p: tốc độ biến dạng lớn nhất trên mặt phẳng trượt
lAB: chiều dài của mặt phẳng trượt.
1 và n: hằng số
Q: tổng nhiệt sinh ra trong quá trình cắt
QAB=Q1: nhiệt sinh ra trên mặt phẳng trượt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

-9-




QAC=Q2: nhiệt sinh ra trên mặt trước
QAD=Q3: nhiệt sinh ra trên mặt sau
Qphoi: nhiệt truyền vào phoi
Qphôi: nhiệt truyền vào phôi
Qdao: nhiệt truyền vào dao
Qmt: nhiệt truyền vào môi trường xung quanh
: tỷ trọng của vật liệu
c: nhiệt dung riêng
: hệ số phân bố nhiệt từ mặt phẳng trượt vào phôi và phoi
RT: hệ số nhiệt khi cắt

kt: hệ số dẫn nhiệt của VLGC
q2: tốc độ sinh nhiệt riêng trên mặt trước
q21: tốc độ sinh nhiệt riêng trên mặt trước do ma sát của phoi với mặt trước
q22: tốc độ sinh nhiệt riêng trên mặt trước do biến dạng dẻo của các lớp phoi
sát mặt trước.
mt: tốc độ biến dạng của các lớp phoi gần mặt trước
t: chiều dày của vùng biến dạng thứ hai
K: hệ số thẩm nhiệt
Fc, Ft là áp lực tiếp tuyến và pháp tuyến trên vùng mòn mặt sau
Fcf, Ftf : lực cắt tiếp tuyến và pháp tuyến đo khi dao mịn
VBave: chiều cao trung bình vùng mòn mặt sau
f: ứng suất tiếp trên vùng mòn mặt sau
Kc, Kt: các hệ số thực nghiệm
q3: tốc độ sinh nhiệt riêng trên mặt sau
b: hệ số truyền nhiệt
k: hế số dẫn nhiệt
Q: lượng mòn trên một đơn vị chiều dài trượt
k: hệ số xác xuất của một tiếp xúc tạo ra một hạt mài.
km: hằng số
: hệ số kể đến mức độ khuyết tật của lớp màng
Am: diện tích tiếp xúc trực tiếp kim loại-kim loại
p: biên độ biến dạng dẻo trong một chu kỳ
N: số chu kỳ phá hủy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

- 10 -

S0: ứng suất phá hủy trong một chu kỳ ứng suất đơn
S: ứng suất pháp hủy sau N chu kỳ
t: là hằng số
: nửa góc đỉnh của hạt mài
: hệ số bằng tỷ số giữa diện tích mặt cắt ngang rãnh mòn thực và danh nghĩa
ka: hằng số mòn do mài
: góc tới hạn giữa cạnh trước của hạt mài và bề mặt mịn
Vw: thể tích mịn mặt sau
Vcr: thể tích mịn mặt trước
T: thời gian cắt
Ct: là hằng số (vận tốc cắt mà tuổi bền là 1 phút)
S: lượng chạy dao
KE, KB, KT: các kích thước vùng mịn mặt trước.
Bơi trơn làm nguội tối thiểu (MQL-Minimum Quantity Lubrication)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

- 11 -




DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1: Thành phần hóa học vật liệu gia cơng ............................................. 39
Bảng 2. Các mức thí nghiệm và bảng mã hóa các biến số độc lập ............... 59
Bảng 3. Ma trận thí nghiệm và kết quả đo mòn theo mặt sau ...................... 59
Bảng 4. Kết quả phân tích bởi ANOVA ....................................................... 60
Bảng 5. Kết quả tối ưu chỉ ra bởi phần mềm Design-expert 8.0 .................. 60

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

- 12 -




DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1. Mơ hình vùng biến dạng và ma sát trong quá trình tạo phoi ............ .3
Hình 2. Vùng tiếp xúc ma sát giữa dao và chi tiết gia cơng .......................... .4
Hình 3. Sơ đồ cắt răng bằng dao phay lăn răng trục vít ................................ .5
Hình 4: Q trình hình phoi trong phay lăn răng .......................................... .6
Hình 5. Q trình thốt phoi tại các vị trí vào cắt, trung tâm, ra cắt trên dao
phay lăn răng .................................................................................................. 6
Hình 6. Hệ quy chiếu của dụng cụ khi phay lăn răng .................................... 8
Hình 7. Hệ lực khi phay lăn răng trong hệ tọa độ T-R .................................. 8
Hình 8. Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong cắt kim loại ................... 9
Hình 9: Các thơng số đặc trưng cho mòn mặt trước và sau theo tiêu chuẩn
ISO 3685 [42]. ............................................................................................... 14
Hình 10. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mịn [64]. ......................... 15
Hình 11. Sơ đồ thể hiện 3 giai đoạn mòn mặt trước của dụng cụ thép gió phủ
TiN................................................................................................................. 18
Hình 12. Mịn mặt trước và mặt sau dao phay lăng răng .............................. 19
Hình 13. Giá trị trung bình độ mịn dao phay lăn răng [78] ......................... 26
Hình 14. Phun vào mặt trước của dao ........................................................... 31
Hình 15. Phun vào mặt sau của dao .............................................................. 31
Hình 16. Phun nhiều vịi vào cả mặt trước và mặt sau của dao .................... 32
Hình 17. Phun nhiều vịi vào mặt sau và dọc theo rãnh thốt phoi .............. 32
Hình 18. Phay lăn răng đĩa xích với MQL .................................................... 35
Hình 19. Mơ hình q trình thực nghiệm...................................................... 37
Hình 20. Sơ đồ ngun lý của hệ thống bơi trơn-làm nguội tối thiểu. ......... 39

Hình 21. Dao phay lăn đĩa xích T12,7; d7,77 vật liệu thép gió P6M5 phủ
CVD-TiN ....................................................................................................... 40
Hình 22. Dầu thực vật Simly......................................................................... 41
Hình 23. Máy nén khí.................................................................................... 41
Hình 24. Thiết bị ổn định áp suất .................................................................. 41
Hình 25. Hệ thống vịi phun .......................................................................... 41
Hình 26. Sơ đồ thực hiện phương pháp đo mòn mặt sau trên máy CMM. ... 41
Hình 27. Máy đo TESCAN ........................................................................... 41
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

- 13 -




Hình 28. Mịn mặt trước – MQL ................................................................... 42
Hình 29. Mịn mặt trước - Tưới tràn ............................................................. 42
Hình 30. Mịn mặt trươc khu vực 1-MQL .................................................... 44
Hình 31. Mịn mặt trước khu vực 1-Tưới tràn .............................................. 44
Hình 32. Mịn mặt trươc khu vực 1P-MQL .................................................. 44
Hình 33. Mịn mặt trước khu vực 1P-Tưới tràn ............................................ 44
Hình 34. Mịn mặt trươc khu vực 1T-MQL .................................................. 44
Hình 35. Mịn mặt trước khu vực 1T-Tưới tràn ............................................ 44
Hình 36. Mịn mặt sau-MQL ......................................................................... 46
Hình 37. Mịn mặt sau-Tưới tràn .................................................................. 46
Hình 38. Mịn mặt mau khu vực 1P-MQL .................................................... 46
Hình 39. Mịn mặt sau khu vực 1P-Tưới tràn ............................................... 46
Hình 40. Bề mặt CTGC lượt cắt cuối-MQL ................................................. 48
Hình 41. Bề mặt CTGC lượt cắt cuối-Tưới tràn ........................................... 49
Hình 42. Thí nghiệm CCD cho 3 biến .......................................................... 54

Hình 43. Mơ hình thuật tốn Gradient tìm cực trị ........................................ 55
Hình 44. Quan hệ giữa lượng mịn hs với V, P (S=1,18 tối ưu)................... 62
Hình 45. Quan hệ giữa lượng mòn hs với V, S (P=8.21 tối ưu).................... 62
Hình 46. Quan hệ giữa lượng mịn hs với P, S (V=21.07 tối ưu).................. 62

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

- 14 -




MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Bơi trơn-làm nguội tưới tràn đã được sử dụng từ rất lâu trong ngành cơ
khí chế tạo máy. Và đây được cho là một trong những biện pháp phổ biến
nâng cao tuổi bền dụng cụ, giảm độ nhám bề mặt và tăng độ chính xác kích
thước sản phẩm. Bên cạnh đó dung dịch trơn nguội thúc đẩy vết nứt làm tăng
khả năng tách đứt phoi và phoi được vận chuyển ra khỏi vùng gia công dễ
dàng. Tuy nhiên, cho đến nay phương pháp này đã bộc lộ những nhược điểm
là việc sử dụng dung dịch trơn nguội có tác động xấu sức khỏe của công nhân,
gây ô nhiễm môi trường, không tiết kiệm được dầu bôi trơn, tăng thời gian
làm sạch chi tiết, dụng cụ cắt và máy móc dẫn đến tăng giá thành sản phẩm.
Để giảm bớt các tác động về kinh tế và môi trường, bôi trơn làm nguội
tối thiểu (MQL) đã được biết đến như là một biện pháp thay thế phương pháp
tươi tràn đã được ứng dụng hàng thập kỷ trước đây [2,5].
Bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQL) được đề cập đến việc sử dụng dung
dịch trơn nguội chỉ một lượng nhỏ khoảng (50†500)ml/giờ hoặc ít hơn, chỉ
bằng 1/10.000 lượng dung dịch sử dụng trong phương pháp tưới tràn [5].
MQL được tin tưởng là mang lại tuổi bền dụng cụ cao hơn, chất lượng bề mặt

gia công tốt hơn, tiết kiệm chi phí và đặc biệt khơng gây ô nhiễm môi trường
[3,7,8,9].
Ở Việt Nam hiện nay, việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ bôi trơn
làm nguội tối thiểu vào quá trình phay lăn răng hầu như chưa được quan tâm.
Với những lợi ích về mơi trường, kinh tế và ý nghĩa khoa học mà phương
pháp này mang lại tác giả thấy cần thiết khi chọn để tài nghiên cứu:
“Nghiên cứu ảnh hƣởng của các thông công nghệ bơi trơn -làm nguội tối
thiểu đến mịn và tuổi bền của dao phay khi phay lăn răng đĩa xích”.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
* Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần bổ xung
lý thuyết cơ bản về bơi trơn – làm nguội tối thiểu trong lăn răng, trên cơ sở đó
có thể ứng dụng cho phay bánh răng.
* Ý nghĩa thực tiễn: Ứng dụng công nghệ MQL trong phay lăn răng đĩa
xích tại các cơ sở sản xuất ở Việt Nam.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

- 15 -




3. Mục đích của nghiên cứu
Đưa ra những chỉ dẫn cụ thể về thông số công nghệ MQL trong gia
công lăn răng đĩa xích với điều kiện trang thiết bị trong nước.
4. Đối tƣợng nghiên cứu
Nghiên cứu ứng dụng công nghệ bôi trơn - làm nguội tối thiếu (MQL)
trong phay lăn răng đĩa xích Z38; T12,7; d7,77 vật liệu thép S45C, dao phay
lăn đĩa xích T12,7; d7.77; 3017‟, vật liệu P5M6 phủ CVD-TiN. Dung dịch
trơn nguội chế biến từ thực vật trong nước.

5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu thực nghiệm từ đó rút ra các mơ hình lý thuyết;
- Tổng hợp và phân tích số liệu thực tế;
- Xử lý các số liệu thực nghiệm có sự trợ giúp của máy tính;
- Rút ra những quy luật từ kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm nếu
có thể.

6. Nội dung của luận văn
Ngồi lời nói đầu, tài liệu tham khảo, phụ lục, nội dung chính gồm 3
chương và phần kết luận chung.
Chƣơng 1. Tổng quan về gia công răng và bôi trơn làm nguội trong phay lăn
răng
Chương này tổng hợp từ các nghiên cứu đã có trước về sự cần thiết của
bôi trơn-làm nguội trong cắt gọt và hướng tiếp cận không sử dụng dung dịch
trơn nguội hoặc sử dụng với một lượng nhỏ dung dịch trong các q trình gia
cơng.
Chƣơng 2. Bơi trơn-làm nguội tối thiểu trong phay lăn răng đĩa xích
Nghiên cứu lý thuyết về cơng nghệ bơi trơn-làm nguội tối thiểu để từ đó
áp dụng trong thực tế phay lăn răng đĩa xích bước T12,7.
Chƣơng 3. Nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng của các thông số
công nghệ bôi trơn-làm nguội tối thiểu đến mịn và tuổi bền dao phay lăn răng
đĩa xích.
Nghiên cứu so sánh giữa bôi trơn làm nguội tối thiểu và gia công tưới
tràn khi phay lăn răng qua các chỉ tiêu về lượng mịn dao, cơ chế mịn, để từ
đó tìm được các ưu điểm nổi trội của phương pháp bôi trơn tối thiểu.
Nghiên cứu sử dụng dầu thực vật của Việt Nam áp dụng vào quá trình
phay lăn răng khi sử dụng phương pháp bôi trơn tối thiểu.
Nghiên cứu tìm ra áp suất dịng khí nén phù hợp trong bơi trơn-làm
nguội tối thiểu khi phay lăn răng đĩa xích.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

- 16 -




Chƣơng 1.
TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG RĂNG VÀ BÔI TRƠN LÀM
NGUỘI TRONG GIA CƠNG RĂNG
1. Q trình tạo phoi trong cắt kim loại
Quá trình cắt kim loại thực chất là dùng dụng cụ hình chêm để hớt đi
một lớp kim hoại từ phôi. Tác dụng lực của dụng cụ cắt tạo thành từ phôi hai
bề mặt mới là bề mặt gia công và phoi. Ứng suất trên vùng lưỡi cắt của dụng
cụ thường rất lớn. Giá trị của ứng suất pháp tuyến trên mặt trước có thể đạt
đến 1600 Mpa, ứng suất tiếp tuyến thường lớn hơn khoảng hai lần ứng suất
giới hạn bền của vật liệu. Toàn bộ thể tích của phoi cắt ra bị biến dạng dẻo
trong vùng tạo phoi (vùng biến dạng thứ nhất) và phụ thêm trên mặt trước
(vùng biến dạng thứ hai). Phần lớn năng lượng tiêu thụ cho các quá trình này
đều biến thành nhiệt và nhiệt độ sinh ra trên bề mặt dụng cụ có thể đến
13000C [1]. Theo Doyle và đồng nghiệp [10], [11], điều kiện biến dạng trong
cắt kim loại là tương đối đặc biệt bởi quá trình biến dạng dẻo của VLGC liên
quan đến mức độ biến dạng lớn và tốc độ biến dạng rất cao trong một thể tích
rất nhỏ. Điều kiện ma sát trên mặt trước là độc đáo bởi tại lưỡi cắt phoi sạch
tuyệt đối có ái lực hóa học mạnh được liên tục tạo ra và chuyển động trên mặt
trước. theo Trent [2], [1], thì hiệu quả của quá trình cắt kim loại bị chi phối rất
lớn bởi tương tác giữa VLGC và VLDC ở vùng gần lưỡi cắt.

Hình 1. Mơ hình vùng biến dạng và ma sát trong quá trình tạo phoi

Theo [1] ma sát trên các bề mặt dụng cụ có bề mặt tiếp xúc giống như

trên (hình 2), trong đó trượt tương đối kết hợp với biến dạng trong lòng vật
liệu gần bề mặt tiếp xúc chung của vật liệu có sức bền kém hơn. Ở đây tác giả
đã chứng minh được mối quan hệ giữa bề mặt tiếp xúc lý thuyết A và bề mặt
thực Ar như sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

- 17 -




Ar
1  e BW
A

(1-1)

Trong đó:
B - là hằng số cho mỗi cặp vật liệu.
W - là tải trọng pháp tuyến.
Đặc tính tiếp xúc của cặp ma sát dao với phoi
và dao với phôi là cặp ma sát của hai bề mặt ln
mới. Biết rằng trong gia cơng cắt gọt thì phoi và bề

Hình 2. Vùng tiếp xúc
ma sát giữa dao và chi
tiết gia công

mặt gia công liên tục được tạo ra và chúng trượt trên
mặt trước và mặt sau của dao. Do vậy dạng mặt tiếp xúc trong vùng tạo phoi

ln ổn định.
1.2 Sự hình thành biên dạng răng trong gia cơng răng sử dụng dao phay
lăn trục vít.
Q trình cắt răng là quá trình cắt bỏ lớp kim loại ở rãnh hai răng để tạo
profin của răng. Đảm bảo độ chính xác của răng chủ yếu là đảm bảo độ chính
xác profin răng, độ chính xác bước răng, độ đồng tâm của vòng chia với tâm
quay của răng.
Theo cách hình thành profin răng, có thể chia gia cơng răng thành
phương pháp định hình và bao hình.
Cắt răng theo phương pháp bao hình profin của răng được gia cơng là
đường bao các vị trí khác nhau của lưỡi cắt dụng cụ trong quá trình cắt. Dụng
cụ làm việc thoe phương pháp bao hình gồm: Dao phay lăn răng trục vít, dao
xọc răng…v.v. Nhìn chung này có đặc điểm:
- Trong q trình cắt, tiết diện cắt ln ln thay đổi theo từng răng và
khi gia cơng thì một số răng dao cùng cắt một lúc.
- Tại từng thời điểm của lưỡi cắt tác dụng khác nhau. Thường ở mỗi
điểm của lưỡi cắt thì tốc độ cắt cũng khác nhau và lượng dao cũng khác nhau.
- Vì lưỡi cắt có hình dạng phức tạp, chuyển động tương đối của lưỡi cắt
so với phoi cũng phức tạp nên góc mài sắc cũng như góc cắt thường khơng
đạt được những trị số của điều kiện cắt hợp lý.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

- 18 -




Hình 3. Sơ đồ cắt răng bằng dao phay lăn răng trục vít

1.3 Sự hình thành phoi trong gia cơng răng bằng dao phay lăn trục vít

Nghiên cứu của Bouzakis [2]. Sơ đồ nguyên lý cắt răng bằng dao phay
lăn răng trục vít được thể hiện trong phần trên của hình 3. Vì động học phức
tạp của quá trình này, nên q trình này được mơ hình hóa, do mỗi rãnh răng
đựoc hình thành bằng quá trình cắt liên tục trên phơi ở các vị trí tạo hình riêng
biệt (GP). Xem xét chuyển động quay tròn của dụng cụ trong suốt q trình
cắt một rãnh răng, một vài vị trí xoay quanh đã đựoc giới thiệu để mô tả các
mặt cắt ngang của phoi, như đă đựợc giải thích một cách cụ thể. Các thơng số
chính ảnh hưởng đến mịn dao là hình thành phoi và thóat phoi. Ở phần bên
trái của hình 1, các hình ảnh phoi và phơi được tạo ra tại các vị trí tạo hình
xác định như hình minh họa. Các hình học của phoi khơng biến dạng được
tính tốn tại các vị trí tạo hình và chuyển động quay trịn khác nhau trong suốt
q trình tạo hình rãnh răng, bằng các chương trình máy tính được giới thiệu
trong (1). Nguyên lý của chương trình này là dựa vào mơ tả tóan học của q
trình đâm của dụng cụ vào các rãnh răng. Các mặt cắt phoi không biến dạng
trên phần phát triển của lưỡi cắt là được thể hiện tại các vị trí quay trịn liên
tục của dụng cụ cắt tại mỗi vị trí tạo hình như minh họa trên phần bên phải
của hình 3.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

- 19 -




Hình 4: Quá trình hình phoi trong phay lăn răng (Chip formation mechanism in gear bobbing)
Vị trí răng dao (Revolving positions)
Lưỡi cắt (cutting edge)
Vị trí bao hình (Generating position)
Mặt ngồi phoi (Chip external face)

Mặt tiếp xúc của phoi (Chip contact face)
Tiến trình vào cắt của lưỡi cắt (Development of the cutting edge)
Hướng cắt (Cutting direction)
Mặt cắt ngang của phoi (chip cross section)

Cũng theo nghiên cứu này, cho thấy quá trình hình thành phoi ở các vị
trí trung tâm và chuẩn bị ra khỏi vùng ăn khớp là phoi bị chằn ép lớn nhất,
q trình thốt phoi khó khăn. Đây cũng chính là một ngun nhân quan trọng
gây mịn lớn hơn trên toàn bộ răng cắt của dao phay lăn răng. Hình 4.

Hình 5. Q trình thốt phoi tại các vị trí vào cắt, trung tâm, ra cắt trên dao phay lăn răng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

- 20 -




1.4 Lực cắt trong quá trình phay lăn răng
Việc nghiên cứu lực cắt trong quá trình cắt là rất quan trọng, vì dưới tác
động của lực cắt phoi được tách ra và biến dạng (biến dạng đàn hồi và biến
dạng dẻo) cơng biến dạng chuyển hóa thành nhiệt cắt. Trong vùng tiếp xúc
của dụng cụ trong khi cắt dưới tác dụng của lực cắt, lực ma sát và nhiệt cắt
gây ra mòn bề mặt tiếp xúc của dụng cụ, mà cụ thể là trên mặt trước và mặt
sau. Ngoài ra lực cắt cịn là cơ sở để tính tốn cơng suất cắt, độ bền dụng cụ,
độ bền của máy và tính tốn đồ gá. Sự ổn định của lực cắt cũng là một vấn đề
quan trọng nó ảnh hưởng đến sự làm việc ổn định của hệ thống công nghệ, nó
là một thơng số quan trọng tác động đến chất lượng và độ chính xác của q
trình gia cơng.

Những hướng nghiên cứu lực cắt, đều dựa trên cơ sở hình thành và biến
dạng của vật liệu trong quá trình tạo phoi.
Các tác giả Deb và Bhattacharya đã phân tích và chứng minh rằng chiều
dày phoi thay đổi tại các thời điểm cắt khác nhau. Bởi vậy một sự tiếp cận
thích hợp để khảo sát thành phần công suất cắt của lực cắt Pz là tìm qua năng
lượng riêng của quá trình cắt.
Cơng quay của dao được biểu diễn bởi cơng thức sau:
W

 2. .M .

Z
i

(1-2)

Trong đó:
W- cơng gây ra bởi sự quay của dao phay lăn răng
M- mô men xoắn
Z- số răng của bánh răng
i- số đầu mối của dao phay lăn
Z/I- số vòng quay đầu cắt phay lăn trên số vòng quay của dao phay lăn
Trong chu kỳ này, khi dao phay lăn quay một lần thì thể tích vật liệu
được cắt biểu diễn theo công thức:
V  0,5. .h.m.Z .S0

(1-3)

Trong đó:
h- chiều cao răng (h=2,157m)

S0- lượng ăn dao/vịng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

- 21 -




Z- Số răng của bánh răng
m- modul của dao phay lăn

Hình 6. Hệ quy chiếu của
dụng cụ khi phay lăn răng

Hình 7. Hệ lực khi phay lăn răng trong hệ tọa độ T-R

Năng lượng riêng được nhận như sau:
U

W
2. .M .Z
4.M


V
0,5. .h.m.Z .S0 .i h.m.S0 .i

(1-4)

Sau khi thay h và biến đổi có:
U

1,8.M
i.U 2
M 
m .S0 (M- là mơ men xoắn tác động trên trục dao
2
m .S0 .i
1,8

phay lăn răng)
Tính lực Pz:

PZ 

2.M
, trong đó Dh nhận được từ cơng thức
Dh

Dh=43m0.48
vì vậy:
PZ 

2.i.U 2
1
m .S0 (
)  C2m1.52 S0
1,8
43m0.48

(1-5)

Cơng thức 3 chỉ ra thành phần lực tiếp tuyến của lực cắt Pz phụ thuộc
trực tiếp vào lượng chạy dao trong khi đó với modul thì ảnh hưởng cịn rệt
hơn. Điều đó dẫn đến sự biến đổi của chiều dày cắt khi modul thay đổi. Các
số mũ của m và S0 được kiểm tra bằng thực nghiệm.
Các lực trong hệ thống quy chiếu của dụng cụ có quan hệ tới các lực
trong hệ tọa độ quy chiếu của máy bằng chuyển vị ma trận dẫn xuất trên hình
6. và hình 7.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

- 22 -




 PS  cos
 P    sin
 R 

sin   Pzh 
. 
 cos   Pyh 

(1-6)

 PZ  cos(   ) sin(   )   Pxw 
 P    sin(   )  cos(   ). P 

  yw 
 R 

(1-7)

Trong đó:  là góc nâng của đường ren và   0,217.m0.26 theo Deb và
Bhattacharya. Như vậy sử dụng (1-7) thì lực khi phay lăn răng trong hệ tọa độ
T-R mô tả giá trị lực trung bình và mơ men xoắn trên trục dao phay.
Cơng thức tổng qt để tính lực cắt trung bình khi phay lăn:
x
y
(1-8)
PZtb  C p .m .S0
p

p

1.5 Nhiệt cắt
Nhiệt cắt sinh ra trong q trình cắt
Vc
răng là do cơng sinh ra làm biến dạng vật liệu
Phoi
B
gia công và công sinh ra do ma sát.
QAB
Biến dạng dẻo của vật liệu VLGC trong
A
QAC
C
vùng tạo phoi, vùng biến dạng thứ hai và

QAD
D
tương tác ma sát giữa vật liệu gia công với các
Dao
mặt của dụng cụ trong quá trình cắt sinh nhiệt
CTGC
làm tăng nhiệt độ ở vùng gần lưỡi cắt dẫn đến
giảm sức bền của dao ở vùng này gây phá hủy
Hình 8. Ba nguồn nhiệt và sơ đồ
bộ phận đến toàn bộ khả năng làm việc của
truyền nhiệt trong cắt kim loại
lưỡi cắt. Nhiệt cắt và nhiệt độ trong dụng cụ
tăng khi cắt với vận tốc cắt cao và lượng chạy dao lớn hoặc vật liệu gia cơng
có nhiệt độ nóng chảy cao là nguyên nhân làm giảm năng xuất cắt gọt [1].
Các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng khoảng 98%-99% công suất cắt biến
thành nhiệt từ ba nguồn nhiệt, vùng tạo phoi (quanh mặt phẳng trượt AB),
mặt trước (AC) và mặt sau (AD) chỉ ra trên hình vẽ. Nhiệt từ ba nguồn này
truyền vào dao, phoi, phôi và môi trường với tỷ lệ khác nhau phụ thuộc vào
chế độ cắt và tính chất nhiệt của hệ thống dao, phoi, phôi và môi trường [13].
Thực tế vận tốc cắt là nhân tố có ảnh hưởng lớn nhất đến tỷ lệ này, khi vận
tốc cắt đủ lớn phần lớn nhiệt cắt truyền vào phoi.
Gọi Q là tổng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cắt:
Q = Qmặt phẳng trượt + Qmặt trước + Qmặt sau
(3-1)
Theo định luật bảo tồn năng lượng thì nhiệt lượng này sẽ truyền vào
hệ thống phoi, phôi, dao và môi trường theo công thức sau:
Q = Qphoi + Qphôi + Qdao + Qmt
(3-2)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

- 23 -




1.5.1 Nhiệt sinh trong vùng biến dạng thứ nhất (QAB)

Theo Trent [1] phần lớn công sinh ra trong vùng biến dạng thứ nhất
biến thành nhiệt. Tốc độ sinh nhiệt trong vùng biến dạng thứ nhất có thể gần
đúng trên mặt phẳng cắt theo công thức sau:
dW
 Q1  k AB . AS .Vs
dt

(3-3)

Trong đó: kAB là ứng suất cắt trung bình trong miền biến dạng thứ nhất
As 

t.b
sin

Vs  Vc

(3-4)

cos
cos(   )

(3-5)

As là diện tích của mặt phẳng cắt
Vs là vận tốc của vật liệu trên mặt phẳng cắt
Chỉ một phần nhiệt .Q1 truyền vào phơi, phần cịn lại (1-).Q1 truyền
vào thể tích Sp.Vn của phoi tạo ra sự tăng nhiệt độ T trong vùng biến dạng
thứ nhất.  có thể lớn đến 50% khi tốc độ thốt phoi thể tích thấp, vật liệu cắt
có hệ số dẫn nhiệt cao. Khi tốc độ thốt phoi thể tích cao thì  giảm đến 10%15%.  được xác định bằng đồ thị thực nghiệm của Boothroyd thông qua hệ
số nhiệt:
RT 

.c.Vc .t1

(3-6)

kt

Trong đó kt là hệ số dẫn nhiệt của VLGC.
T 

k AB .Vs
( F cos  Ft sin  ) cos
(1   )  c
(1   )
 .c.Vn
 .ct1b cos(   )

(3-7)

Theo Trent [1] phần lớn nhiệt sinh ra trong vùng biến dạng thứ nhất
truyền vào phôi và bị mang đi theo phoi mà không truyền vào dụng cụ cắt.

1.5.2 Nhiệt sinh trên mặt trƣớc (QAC)

Từ các cơng trình của Trent [1], Zorev [46], Doyle [24], Wright [44],
Loladze [37], Tay [43] có thể thấy rằng nhiệt sinh ra trên mặt trước của dụng
cụ do ma sát giữa phoi và mặt trước và biến dạng dẻo của các lớp phoi sát với
mặt trước (vùng biến dạng thứ hai) sinh ra. Theo Jun và Smith tuy nhiệt sinh
ra trên mặt trước chỉ khoảng 20% tổng số nhiệt sinh ra trong q trình cắt,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

- 24 -




nhưng khoảng 50% lượng nhiệt này truyền vào dụng cụ. Lượng nhiệt này
đóng một vai trị rất quan trọng đối với tuổi bền của dụng cụ.
Cho đến nay bản chất tương tác ma sát trên mặt trước và quy luật
chuyển động của lớp phoi dưới cùng còn nhiều tranh cãi nên chưa có một
cơng thức duy nhất để tính tốc độ sinh nhiệt trên mặt trước. Ví dụ theo Trent
[1] nhiệt sinh ra do ma sát trượt của phoi với mặt trước là không đáng kể, mà
biến dạng dẻo với mức độ lớn và tốc độ cao của các lớp phoi gần mặt trước là
nguồn nhiệt chính tạo nên nhiệt độ cao trong dao. Ơng đã đưa ra cơng thức để
tính nhiệt độ phân bố trên mặt trước theo phương thoát phoi như sau:
T( x , 0) 

2 s mt . t
 .c

 x 



  .K .V 
p 


1
2

(3-8)

Nhưng Li và đồng nghiệp [36], Tay và đồng nghiệp [43], lại cho rằng
thành phần nhiệt sinh ra do ma sát trượt của phoi trên mặt trước là đáng kể và
đưa ra các cơng thức tính tốc độ sinh nhiệt riêng trên mặt trước q2 khác nhau
dựa trên các mơ hình khác nhau về phân bố vận tốc của lớp phoi dưới cùng
trên mặt trước.
1.5.3 Nhiệt sinh ra trên mặt tiếp xúc giữa mặt sau và bề mặt gia công (QAD)

Nhiệt sinh ra trên mặt sau của dụng cụ chỉ có ý nghĩa khi lượng mòn
mặt sau đủ lớn. Do mòn mặt sau được coi là phẳng nên ứng suất trên mặt tiếp
xúc coi như phân bố đều. Gọi Fc và Ft là lực pháp và tiếp tuyến trên vùng
mòn mặt sau, VBave là chiều cao trung bình vùng mịn mặt sau (hình vẽ).
Cơng trình của Haris đã xác định được quan hệ của Fc và Ft và được đề
cập trong cơng rình của Li [36].
Fc Fcf  Fc
VB

 K c ave
Fc
Fc

t

(3-9)

Ft Ftf  Ft
VB

 Kt ave
Ft
Ft
t

(3-10)

Hệ số ma sát trên mặt sau được tính như sau:


K c Fc
.
Kt Ft

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

(3-11)

- 25 -