Hiện nay nhiều công ty chế tạo máy đang cố gắng giảm lượng tiêu hao dung dịch trơn nguội và nếu có thể thì loại bỏ chúng hoàn toàn. Một số nguyên nhân khiến các nhà chế tạo thực hiện điều này là do vấn đề chi phí cho dung dịch trơn nguội và vấn đề môi trường. Trường hợp gia công không sử dụng dung dịch trơn nguội được gọi là gia công khô (Dry machining). Bài viết này xin giới thiệu sơ lược về công nghệ gia công khô trong chế tạo máy.
Dung dịch trơn nguội thường được sử dụng trong quá trình cắt gọt. Chúng làm giảm sự mài mòn dao, xua tan nhiệt từ chi tiết gia công, dao và máy, giúp quá trình thoát phoi dễ dàng và giảm ứng suất cắt sinh ra trong chi tiết gia công, dụng cụ và thiết bị. Tuy nhiên việc sử dụng dung dịch trơn nguội đã làm gia tăng đáng kể chi phí gia công. Chi phí cho dung dịch trơn nguội có thể từ 7-17% chi phí sản xuất. Bên cạnh đó dung dịch trơn nguội làm ảnh hưởng đến sức khỏe người vận hành máy. Khi loại bỏ dung dịch trơn nguội đã qua sử dụng thì chúng lại gây ô nhiễm môi trường.
Do đó tối thiểu hóa việc sử dụng lượng dung dịch trơn nguội hoặc hoàn toàn loại bỏ nó trong gia công có ý nghĩa hết sức quan trọng và nó là mục tiêu kinh tế và môi trường trong tương lai.
Nếu không sử dụng dung dịch trơn nguội thì các tính năng của dung dịch trơn nguội tác dụng lên quá trình cắt cũng mất đi. Nghĩa là dao và chi tiết gia công không còn được bôi trơn và làm nguội nữa, quá trình thoát phoi cũng khó khăn hơn. Các phương pháp thay thế cho dung dịch trơn nguội được đưa ra là:
- Làm nguội bằng khí nén (compressed air).
- Sử dụng phuơng pháp “bôi trơn sương mù tối thiểu” (minimum mist lubrication-MML).
Khí nén với áp suất khoảng 6 bar có thể thay thế phần nào dung dịch trơn nguội và nó cũng giúp tống phoi ra khỏi khu vực cắt gọt. Trong bôi trơn sương mù tối thiểu, một lượng nhỏ chất bôi trơn hiệu suất cao được thêm vào khí nén trong một hệ thống hòa trộn. Mặc dù chỉ hiện diện với một lượng rất nhỏ (khoảng 5-50ml/h) nhưng các chất này có thể ngăn cản quá trình tạo cầu hàn khuếch tán của dao đối với vật liệu cắt, đặc biệt là trong trường hợp gia công nhôm. Ở bôi trơn sương mù tối thiểu thì ma sát giữa dao và chi tiết gia công cũng như phoi cũng giảm do đó làm giảm nhiệt sinh ra trên dao. Hình 1 sau đây trình bày kết quả đo nhiệt trên mũi khoan xoắn ruột gà bằng carbide có khi gia công vật liệu Ck45 ứng với ba trường hợp: gia công khô (Dry), bôi trơn sương mù tối thiểu (MML) và dùng dung dịch trơn nguội (Coolant).
Hình 1. Nhiệt độ trên dao với các phương pháp bôi trơn và
làm nguội khác nhau.
Hình 2. Dao với lớp phủ có thể dùng trong gia công khô.
Trong một số trường hợp thì việc sử dụng dung dịch trơn nguội sẽ gây nên hiện tượng sốc nhiệt cho lưỡi cắt của dao. Khi xén mặt đầu với tốc độ quay không đổi, vì dao tiến từ ngoài vào trong nên nhiệt độ trên lưỡi cắt giảm do giảm tốc độ cắt. Dao nở ra và co lại và chịu đựng sự thay đổi lặp đi lặp lại của trạng thái ứng suất của nó. Hậu quả là trên lưỡi cắt sinh ra các vết nứt do nhiệt, có thể gây tróc và sớm làm hỏng dao. Các mảnh hợp kim khi cắt có thể chịu một lượng sốc nhiệt lớn khi dùng dung dịch trơn nguội, sẽ gia tăng sự mài mòn các lưỡi cắt. Sự gia tăng mài mòn theo mặt trước của dao có thể bình thường nhưng sự gia tăng mài mòn mặt sau ảnh hưởng đáng kể đến tuổi bền của dao. Với gia công khô thì hiện tượng này bị loại bỏ hoàn toàn. Tiện khô với chế độ cắt thích hợp có thể nâng cao tuổi bền của dao.
Hình 3. Máy phay lăn răng CNC gia công khô
Khi phay, ngay cả khi giả thuyết là dung dịch trơn nguội thắng lực ly tâm gây ra bởi dao, thì dung dịch trơn nguội cũng đã bốc hơi nhiều trước khi đến khu vực cắt gọt. Do đó hiệu quả làm nguội rất thấp. Hơn nữa, khi phay thì mảnh hợp kim sau khi cắt sẽ có thời gian “chạy không”. Lúc vào cắt mảnh hợp kim sẽ bị nung nóng, khi ra khỏi khu vực cắt gọt nó nguội bớt đi và được nung nóng trở lại khi vào cắt. Tức là nhiệt độ của dao tăng và giảm nhanh chóng. Nếu có sử dụng dung dịch trơn nguội thì mức độ thay đổi này còn trầm trọng hơn. Hiện tượng sốc nhiệt sẽ xảy ra và tạo nên ứng suất trên mảnh hợp kim và sớm làm nứt nó. Khi phay khô, chu kỳ nung nóng và nguội bớt vẫn xảy ra nhưng không nghiêm trọng, giảm tối đa hiện tượng nứt.
Gần đây người ta chế tạo nhiều loại dao làm bằng các vật liệu có tính chống mòn cao, có khả năng chống lại sự sốc nhiệt và sự bám dính. Các vật liệu làm dao như carbide, ceramic, cermet, CBN và PCD có thể được sử dụng cho gia công khô. Công nghệ phủ dao cũng có vai trò quan trọng trong gia công khô. Nhờ có lớp phủ mà dao điều khiển được độ biến đổi nhiệt độ, hạn chế truyền nhiệt từ khu vực cắt gọt vào mảnh hợp kim. Các lớp phủ trên mảnh hợp kim đóng vài trò như một rào cản nhiệt, hạn chế nhiệt truyền vào vật liệu nền và vào chi tiết gia công. Chiều dày lớp phủ cũng quan trọng. Lớp phủ càng mỏng thì khả năng chống lại sự biến đổi nhiệt càng tốt và ngược lại. Khi gia công khô với dao có lớp phủ mỏng thì tuổi bền của dao có thể kéo dài đến 40% so với dao có lớp phủ dày. Trên hình 2 là dao có lớp phủ được sử dụng trong gia công khô.
Có thể gia công khô trên máy thông thường. Ngày nay các nhà chế tạo máy công cụ đã sản xuất ra những dòng máy với các đặc điểm khác biệt dùng cho gia công khô. Do không sử dụng dịch trơn nguội nên đặc điểm thiết kế của các máy này nhấn mạnh vào các vấn đề về quản lý phoi và ứng suất nhiệt. Máy phải có khả năng tản nhiệt nhanh, không chất đống phoi khô nóng và không tích lũy nhiệt ở bất kỳ khu vực nào của máy vì có thể gây nên sự quá nhiệt trong máy. Các hạt bay lơ lửng phải được hút chân không ra khỏi máy. Bộ phận dẫn hướng củamáy phải được làm kín nhằm ngăn chặn sự xâm nhập của bụi sinh ra từ phoi… Trên hình 3 là máy phay lăn răng CNC với khả năng gia công khô. Ở máy này thì khu vực gia công được thiết kế biệt lập với khung máy nhằm tối thiểu sự giãn nở nhiệt do khung máy tiếp xúc với phoi nóng.
Tóm lại, gia công khô có ý nghĩa lớn về kinh tế và môi trường. Việc nghiên cứu và áp dụng gia công khô ngày càng được triển khai mạnh mẽ. Tuy nhiên không phải trường hợp nào cũng áp dụng gia công khô được. Các phương pháp gia công với hình học lưỡi cắt không xác định như mài, mài khôn thường đòi hỏi phải sử dụng dung dịch trơn nguội và khả năng sử dụng gia công khô rất hạn chế. Các phương pháp gia công với lưỡi cắt xác định như tiện, phay và doa lỗ với dao đơn mũi cắt (boring) rất thích hợp cho gia công khô nhưng khoan và doa (reaming) vẫn còn nhiều vấn đề cần phải nghiên cứu thêm.
Tài liệu tham khảo
1. Graham T. Smith, Cutting Tool Technology Industrial Handbook,
Springer, 2008.
2. I. R. Sharma, Latest trends in machining
3. http://www.ceratizit.com/3074_ENG_HTML.htm
4. http://news.thomasnet.com/fullstory/493702
5. http://titex.ru/files/Titex_drymachining.pdf
Theo Tạp chí Máy móc và công cụ Việt Nam – Hiện Đại Hoá .com
