Tối ưu hóa đa mục tiêu quá trình mài thép hợp kim trên máy mài tròn ngoài

Lý do lựa chọn đề tài MỞ ĐẦU Mài là một phương pháp gia công tinh có thể đạt độ chính xác cấp 6 đến 7 và cấp độ nhám bề mặt 8 (R a = 0.63m) đến 10 (R = 0.16m). Do đặc điểm như vậy nên mài thường được chọn làm phương pháp gia công tinh lần cuối cho các chi tiết sau nhiệt luyện và nó quyết định đến chất lượng bề mặt của sản phẩm. a Mài tròn ngoài là phương pháp để gia công tinh các mặt trụ, mặt côn hoặc các mặt định hình. Có hai phương pháp mài tròn ngoài là mài tròn ngoài có tâm và mài tròn ngoài vô tâm, phương pháp tiến dao có thể là tiến dao dọc và tiến dao hướng kính. Mài là phương pháp gia công truyền thống xuất hiện từ khá sớm nhưng những nghiên cứu về mài thì chưa bao giờ dừng lại bởi đặc thù của phương pháp này là quá trình cắt gọt vật liệu phức tạp với sự tham gia của vô số những lưỡi cắt không có hình dạng xác định. Quá trình mài bao gồm các công đoạn cắt, cào xước và cọ sát bằng hạt mài với tốc độ rất cao, phụ thuộc vào mức độ tương tác giữa các hạt mài và phôi dưới điều kiện mài cụ thể. Các hạt mài được phân phối ngẫu nhiên trong đó phần lớn các hạt mài chưa biết hình dạng và hình dạng của nó thay đổi theo thời gian trong quá trình mài. Số lượng hạt mài đi qua khu vực mài trong một đơn vị thời gian là cực kỳ lớn, do đó mài là một quá trình rất phức tạp [42]. Trong những năm gần đây, mài được đánh giá là một quá trình chiến lược và là chìa khóa để đạt được chất lượng bề mặt cho các sản phẩm công nghệ cao. Trong các sản phẩm công nghệ cao đó có sự góp mặt của rất nhiều các chi tiết thép hợp kim được gia công bằng phương pháp mài tròn ngoài. Với yêu cầu cạnh tranh ngày càng cao về chất lượng sản phẩm và giá thành thì việc ứng dụng các thành tựu trong các lĩnh vực công nghệ thông tin, điều khiển, nhất là trí tuệ nhân tạo để xây dựng mô hình đa mục tiêu với mục đích lựa chọn chế độ cắt tối ưu nhằm thỏa mãn đồng thời về chất lượng sản phẩm và năng suất gia công có một ý nghĩa rất lớn. Ngoài ra việc xây dựng và giải được bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu sẽ đóng góp một phần vào việc điều khiển thích nghi quá trình mài tròn ngoài các loại thép hợp kim, giúp người điều khiển máy có thể linh hoạt trong việc điều chỉnh các thông số chế độ cắt sao cho phù hợp với mỗi giai đoạn của quá trình gia công. Với những lý do như vậy, tác giả đã lựa chọn đề tài “Tối ưu hóa đa mục tiêu quá trình mài thép hợp kim trên máy mài tròn ngoài” làm đề tài Luận án tiến sỹ. Mục đích nghiên cứu Xây dựng bài toán tối ưu đa mục tiêu cho quá trình mài tròn ngoài thép hợp kim với mục đích tìm ra được chế độ cắt tối ưu nhằm đảm bảo cả về năng suất và độ nhám, tiến đến điều khiển thích nghi quá trình mài tròn ngoài. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là quá trình mài tròn ngoài thép hợp kim được nhiệt luyện với những độ cứng khác nhau. Phạm vi nghiên cứu: Có rất nhiều thông số ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm cuối cùng khi mài. Trong luận án, tác giả chỉ tập trung nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ cắt và vật liệu gia công đến một số đại lượng trung gian của quá trình mài như lực cắt, rung động và phân tích sự ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt của chi tiết. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu là kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm. Những đóng góp mới - Ứng dụng phương pháp Taguchi vào việc xác định mức độ ảnh hưởng của các thông số đến hàm mục tiêu của quá trình mài tròn ngoài. - Xây dựng được các mô hình toán học của lực cắt, rung động và độ nhám bề mặt khi mài tròn ngoài. - Tối ưu hóa đa mục tiêu cho quá trình mài thép hợp kim trên máy mài tròn ngoài ứng dụng giải thuật di truyền. Cấu trúc của luận án Phần mở đầu. Chương 1: Tổng quan về phương pháp mài tròn ngoài và tối ưu hóa khi mài tròn ngoài thép hợp kim Chương 2: Cơ sở lý thuyết về mối quan hệ của một số đại lượng trong quá trình mài tròn ngoài Chương 3: Trang thiết bị, vật liệu thí nghiệm và nghiên cứu thực nghiệm Chương 4: Xây dựng một số mô hình toán học khi mài tròn ngoài thép hợp kim Chương 5: Tối ưu hóa đa mục tiêu quá trình mài tròn ngoài một số loại thép hợp kim. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Đã xây dựng được một số mô hình toán học khi mài thép hợp kim trên máy mài tròn ngoài. Xây dựng và giải thành công bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu cho quá trình mài thép hợp kim trên máy mài tròn ngoài. Ý nghĩa thực tiễn: Việc hoàn thành luận án sẽ là cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu áp dụng vào thực tế sản xuất để điều khiển quá trình mài tròn ngoài nhằm mục đích đạt được chất lượng sản phẩm tốt với mức chi phí sản xuất nhỏ khi mài một số loại thép hợp kim.

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN TUẤN LINH

TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU QUÁ TRÌNH MÀI THÉP HỢP KIM

TRÊN MÁY MÀI TRÒN NGOÀI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2015

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN TUẤN LINH

TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU QUÁ TRÌNH MÀI THÉP HỢP KIM

TRÊN MÁY MÀI TRÒN NGOÀI

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

Mã số: 62520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GS TS TRẦN VĂN ĐỊCH

Hà Nội - 2015

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và hoàn thành luận án tốt nghiệp, tác giả luôn nhận được sự giúp đỡ, động viên của gia đình, người thân và sự dạy bảo của các thầy cô giáo Trường Đại học Bách khoa Hà nội

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Viện cơ khí, Viện đào tạo sau đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình dạy bảo trong suốt khoá học Đặc biệt, tác giả xin chân thành cảm ơn GS.TS Trần Văn Địch đã hướng dẫn và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án

Cuối cùng, tác giả xin cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, hỗ trợ và giúp đỡ tác giả trong suốt khoá học

Trang 4

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

GS.TS Trần Văn Địch Nguyễn Tuấn Linh

Trang 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP MÀI TRÒN NGOÀI VÀ TỐI ƯU HÓA

1.6.3 Vấn đề tối ưu hóa khi mài tròn ngoài thép hợp kim 32

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MỐI QUAN HỆ CỦA MỘT SỐ ĐẠI LƯỢNG

2.1 Tổng quan về mối quan hệ giữa các đại lượng trong quá trình mài 37

Trang 6

2.4 Rung động khi mài tròn ngoài 47

2.4.2 Phân tích ảnh hưởng của rung động đến độ nhám bề mặt chi tiết khi mài tròn

CHƯƠNG 3 TRANG THIẾT BỊ, VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ NGHIÊN CỨU THỰC

3.3 Phương pháp thực nghiệm Taguchi đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số 61

5.2 Giới thiệu giải thuật di truyền GA (Genetic Algorithm) giải bài toán tối ưu 104

Trang 7

5.2.3 Quá trình sinh sản và chọn lọc (phép tái sinh và phép chọn) 105

5.3 Ứng dụng giải thuật di truyền kết hợp phương pháp trọng số giải bài toán tối ưu đa

Trang 8

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Trang 9

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Thành phần hóa học của một số mác thép hợp kim 43

Bảng 3.2 Chế độ nhiệt luyện

Bảng 3.3 Thông số của máy đo độ cứng Rockwell JHR-45C

Bảng 3.4 Thông số của máy đo độ nhám Mitutoyo Surflest SJ-400

Bảng 3.5 Bảng trực giao Taguchi L9 với các thông số thí nghiệm

Bảng 3.10 Hệ số SN tính toán cho mỗi chỉ số và cấp độ của chế độ cắt

Bảng 3.11 Bảng trực giao Taguchi L9 với các thông số thí nghiệm

Bảng 3.12 Hệ số SNi tính toán cho biên độ A

Bảng 3.13 Hệ số SN tính toán cho mỗi chỉ số và cấp độ của chế độ cắt và

Bảng 3.19 Hệ số SN tính toán cho mỗi chỉ số và cấp độ của chế độ cắt

Bảng 4.1 Điều kiện thí nghiệm

Bảng 4.2 Bảng quy hoạch các thông số thực nghiệm với thép 9XC

Bảng 4.3 Bảng quy hoạch các thông số thực nghiệm với thép 40X

Bảng 4.4 Bảng quy hoạch các thông số thực nghiệm với thép 65

Bảng 4.5 Bảng quy hoạch các thông số thực nghiệm với thép P18

Trang 10

Bảng 5.1 Kết quả chạy chương trình với thép 9XC

Bảng 5.2 Kết quả chạy chương trình với thép 40X

Bảng 5.3 Kết quả chạy chương trình với thép 65

Bảng 5.4 Kết quả chạy chương trình với thép P18

Trang 11

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ mài tròn ngoài tiến dao dọc

Hình 1.2 Sơ đồ mài tròn ngoài tiến dao ngang

Hình 1.3 Mài tròn ngoài vô tâm

Hình 1.4 Sự phụ thuộc giữa các góc cắt thực tế và chiều dày lớp kim

loại được cắt vào bán kính đỉnh hạt trên cạnh cắt của hạt mài

Hình 1.5 Hình dạng đường cắt của đá mài

Hình 1.6 Mô tả biên dạng trung bình của một cạnh cắt

Hình 1.7 Vùng biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo khi mài

Hình 1.8 Các thông số hình học quá trình mài tròn ngoài

Hình 1.9 Động học quá trình mài tròn ngoài

Hình 1.10 Động lực học quá trình mài tròn ngoài

Hình 1.11 Hình dạng của một số vật liệu hạt mài

Hình 2.1 Sơ đồ mối quan hệ phụ thuộc giữa các đại lượng trong quá

trình mài

Hình 2.2 Mô hình hóa độ nhám bề mặt chi tiết máy khi mài tròn

ngoài

Hình 2.3 Mô hình bề mặt đá mài

Hình 2.4 Mô hình độ nhám bề mặt chi tiết

Hình 2.5 Sơ đồ lực cắt khi mài tròn ngoài

Hình 2.6 Mô tả quá trình mài hai chi tiết có đường kính khác nhau

với cùng chiều sâu cắt

Hình 3.1 Sơ đồ mô hình thí nghiệm

Hình 3.2 Máy mài tròn ngoài MEG – 1120

Hình 3.3 Sơ đồ chuyển vị của hai mũi tâm

Hình 3.4 Hình dạng và kích thước của mẫu thí nghiệm đường kính

40mm

Hình 3.5 Thiết bị đo lực trên máy mài tròn ngoài

Hình 3.6 Mũi tâm gắn cảm biến (phần tử biến dạng)

Hình 3.7 Vị trí dán tem trên phần tử biến dạng

Hình 3.8 Sơ đồ đo lực bằng cảm biến tem biến dạng

Hình 3.9 Thiết bị đo rung động

Trang 12

Hình 3.10 Máy đo độ nhám Mitutoyo Surflest SJ-400

Hình 3.11 Mô hình đo lực cắt khi mài tròn ngoài

Hình 3.18Mô hình hóa rung động của hệ đá mài – chi tiết

Hình 3.19 Đồ thị rung động dạng phổ trong trường hợp chạy không

Hình 3.20 Đồ thị rung động dạng phổ khi mài thép 9XC với độ cứng

30HRC và chế độ cắt Sd = 0.3m/p; nw = 100v/p; t = 0.005mm

Hình 4.1 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa lực cắt Py, Pz với Sd và t

khi mài thép 9XC được nhiệt luyện đạt độ cứng 40HRC

Hình 4.4 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa biên độ gia tốc A với Sd

và t khi mài thép 9XC với tốc độ quay của chi tiết nw = 100v/p

Hình 5.1 Sơ đồ khối giải bài toán tối ưu quá trình mài tròn ngoài

Hình 5.2 Giải thuật di truyền trong MATLAB giải bài toán tối ưu

hóa đa mục tiêu

Trang 13

Hình 5.9 Đồ thị so sánh sai số lực cắt giữa kết quả tối ưu và kết quả

thực nghiệm

Hình 5.10 Đồ thị so sánh sai số biên độ rung động giữa kết quả tối

ưu và kết quả thực nghiệm

122

Trang 14

MỞ ĐẦU

Lý do lựa chọn đề tài

Mài là một phương pháp gia công tinh có thể đạt độ chính xác cấp 6 đến 7 và cấp độ nhám bề mặt 8 (Ra = 0.63m) đến 10 (Ra = 0.16m) Do đặc điểm như vậy nên mài thường được chọn làm phương pháp gia công tinh lần cuối cho các chi tiết sau nhiệt luyện và nó quyết định đến chất lượng bề mặt của sản phẩm

Mài tròn ngoài là phương pháp để gia công tinh các mặt trụ, mặt côn hoặc các mặt định hình Có hai phương pháp mài tròn ngoài là mài tròn ngoài có tâm và mài tròn ngoài

vô tâm, phương pháp tiến dao có thể là tiến dao dọc và tiến dao hướng kính

Mài là phương pháp gia công truyền thống xuất hiện từ khá sớm nhưng những nghiên cứu về mài thì chưa bao giờ dừng lại bởi đặc thù của phương pháp này là quá trình cắt gọt vật liệu phức tạp với sự tham gia của vô số những lưỡi cắt không có hình dạng xác định Quá trình mài bao gồm các công đoạn cắt, cào xước và cọ sát bằng hạt mài với tốc độ rất cao, phụ thuộc vào mức độ tương tác giữa các hạt mài và phôi dưới điều kiện mài cụ thể Các hạt mài được phân phối ngẫu nhiên trong đó phần lớn các hạt mài chưa biết hình dạng và hình dạng của nó thay đổi theo thời gian trong quá trình mài Số lượng hạt mài đi qua khu vực mài trong một đơn vị thời gian là cực kỳ lớn, do đó mài là một quá trình rất phức tạp [42]

Trong những năm gần đây, mài được đánh giá là một quá trình chiến lược và là chìa khóa để đạt được chất lượng bề mặt cho các sản phẩm công nghệ cao Trong các sản phẩm công nghệ cao đó có sự góp mặt của rất nhiều các chi tiết thép hợp kim được gia công bằng phương pháp mài tròn ngoài

Với yêu cầu cạnh tranh ngày càng cao về chất lượng sản phẩm và giá thành thì việc ứng dụng các thành tựu trong các lĩnh vực công nghệ thông tin, điều khiển, nhất là trí tuệ nhân tạo để xây dựng mô hình đa mục tiêu với mục đích lựa chọn chế độ cắt tối ưu nhằm thỏa mãn đồng thời về chất lượng sản phẩm và năng suất gia công có một ý nghĩa rất lớn Ngoài ra việc xây dựng và giải được bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu sẽ đóng góp một phần vào việc điều khiển thích nghi quá trình mài tròn ngoài các loại thép hợp kim, giúp người điều khiển máy có thể linh hoạt trong việc điều chỉnh các thông số chế độ cắt sao cho phù hợp với mỗi giai đoạn của quá trình gia công Với những lý do như vậy, tác giả đã lựa chọn

Trang 15

đề tài “Tối ưu hóa đa mục tiêu quá trình mài thép hợp kim trên máy mài tròn ngoài” làm đề tài Luận án tiến sỹ

Mục đích nghiên cứu

Xây dựng bài toán tối ưu đa mục tiêu cho quá trình mài tròn ngoài thép hợp kim với mục đích tìm ra được chế độ cắt tối ưu nhằm đảm bảo cả về năng suất và độ nhám, tiến đến điều khiển thích nghi quá trình mài tròn ngoài

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là quá trình mài tròn ngoài thép hợp kim được

nhiệt luyện với những độ cứng khác nhau

Phạm vi nghiên cứu: Có rất nhiều thông số ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm

cuối cùng khi mài Trong luận án, tác giả chỉ tập trung nghiên cứu về ảnh hưởng của chế

độ cắt và vật liệu gia công đến một số đại lượng trung gian của quá trình mài như lực cắt, rung động và phân tích sự ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt của chi tiết

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu là kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm

Trang 16

Chương 1: Tổng quan về phương pháp mài tròn ngoài và tối ưu hóa khi mài tròn ngoài thép hợp kim

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về mối quan hệ của một số đại lượng trong quá trình mài tròn ngoài

Chương 3: Trang thiết bị, vật liệu thí nghiệm và nghiên cứu thực nghiệm

Chương 4: Xây dựng một số mô hình toán học khi mài tròn ngoài thép hợp kim Chương 5: Tối ưu hóa đa mục tiêu quá trình mài tròn ngoài một số loại thép hợp kim

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Ý nghĩa khoa học:

Đã xây dựng được một số mô hình toán học khi mài thép hợp kim trên máy mài tròn ngoài Xây dựng và giải thành công bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu cho quá trình mài thép hợp kim trên máy mài tròn ngoài

Ý nghĩa thực tiễn:

Việc hoàn thành luận án sẽ là cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu áp dụng vào thực

tế sản xuất để điều khiển quá trình mài tròn ngoài nhằm mục đích đạt được chất lượng sản phẩm tốt với mức chi phí sản xuất nhỏ khi mài một số loại thép hợp kim

Trang 17

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP MÀI TRÒN NGOÀI VÀ TỐI ƯU HÓA KHI MÀI TRÒN NGOÀI THÉP HỢP KIM

1.1 Giới thiệu về phương pháp mài tròn ngoài

Mài là một phương pháp gia công tinh các bề mặt chi tiết máy với hình dạng lưỡi cắt không xác định Nó là một phương pháp gia công rất quan trọng trong quá trình sản xuất, chiếm khoảng 20% trong chi phí gia công Mài có thể gia công được các bề mặt đòi hỏi độ nhám bề mặt và độ chính xác cao (có thể đạt độ chính xác cấp 6 ÷ 7, cấp độ nhám 8 ÷ 10), mặc dù nó cũng được dùng để loại bỏ một lượng dư lớn Ngoài ra, mài có thể gia công các vật liệu cứng và giòn mà không thể thực hiện được bằng các phương pháp gia công khác Mài đã xuất hiện cách đây từ rất lâu, sử dụng để mài dao, công cụ và vũ khí Mài cũng được sử dụng để cắt và đánh bóng đá quý Trong thế kỷ 19, mài đóng một vai trò rất quan trọng trong sự phát triển các công cụ và trong việc sản xuất động cơ hơi nước, động

cơ đốt trong, động cơ phản lực, dụng cụ thiên văn và các thiết bị vi điện tử Trong nửa cuối thế kỷ 20, mài được công nhận là một quá trình chiến lược cho các ứng dụng công nghệ cao Điển hình đó là trong công nghiệp hàng không vũ trụ, mài được coi là chìa khóa để đạt được chất lượng cần thiết Do đó công nghệ mài được đầu tư và có bước phát triển nhanh chóng trong nửa cuối thế kỷ 20 Ngày nay, công nghệ mài còn là chìa khóa để đạt chất lượng bề mặt cho các thiết bị quang học, truyền thông và cơ điện tử

Mài có thể gia công được các mặt phẳng, mặt trụ, các mặt tròn xoay hay các mặt định hình Tùy vào hình dạng các mặt gia công ta có các phương pháp mài phẳng, mài tròn, mài định hình Tùy thuộc vào tốc độ mài ta có mài bình thường (tốc độ mài khoảng

25 ÷ 30m/s) và mài cao tốc (tốc độ mài có thể lên đến 100 ÷ 300m/s) Trong nghiên cứu này tác giả sẽ tập trung nghiên cứu sâu về phương pháp mài tròn ngoài

Mài tròn ngoài dùng để gia công những mặt tròn xoay Bao gồm các phương pháp sau:

- Mài tròn ngoài có tâm

+ Chạy dao ngang theo chu vi của đá

+ Chạy dao dọc theo chu vi của đá

Trang 18

- Mài tròn ngoài vô tâm

+ Chạy dao ngang theo chu vi của đá

+ Chạy dao dọc theo chu vi của đá

1.1.1 Mài tròn ngoài có tâm

Mài tròn ngoài có tâm có hai dạng: mài tròn ngoài có tâm chạy dao theo hướng kính (còn gọi là mài tròn ngoài có tâm chạy dao ngang) và mài tròn ngoài có tâm chạy dao theo hướng trục (còn gọi là mài tròn ngoài có tâm chạy dao dọc) Ở cả hai phương pháp mài này

về nguyên tắc là chạy ngược khi gia công Khi mài ngược thì hướng tốc độ của đá mài vs

và hướng tốc độ của chi tiết vw ở khu vực tiếp xúc khi mài là ngược chiều Ưu điểm của mài ngược là trong quá trình gia công sẽ tạo nên các khe hở trên bề mặt chi tiết ở khu vực tiếp xúc với đá mài Do đó việc dẫn nước bôi trơn làm lạnh đến khu vực cắt sẽ thuận lợi và

sẽ làm giảm tác hại do nhiệt gây ra đối với bề mặt chi tiết gia công [6]

Trang 19

Mài tròn ngoài có tâm chạy dao ngang thường dùng để gia công các cổ trục để lắp các ổ đỡ, các trục bậc, các rãnh v.v

Một dạng mài tròn ngoài có tâm chạy dao ngang nữa là mài tròn ngoài có tâm chạy dao nghiêng, nó có thể đồng thời gia công các mặt tròn xoay, mặt nghiêng và gờ trục Với phương pháp này sẽ có lợi thế về mặt thời gian so với phương pháp mài tròn ngoài có tâm chạy dao ngang Đặc biệt nó thu hẹp chiều dài tiếp xúc khi mài các gờ trục của chi tiết và

do đó làm giảm đáng kể ảnh hưởng của nhiệt cắt đến tổ chức kim loại của bề mặt chi tiết gia công Phương pháp mài tròn ngoài có tâm chạy dao nghiêng thường dùng để gia công các trục bậc có độ chênh lệch đường kính lớn Tuy nhiên ở đây cần chú ý đến sự thay đổi của tốc độ ở những vị trí nghiêng của đá mài để lựa chọn một giá trị tốc độ phù hợp

Thể tích cắt Vcắt cho trường hợp mài tròn ngoài có tâm chạy dao ngang được tính như sau:

Vcắt =

2



(dw0 – dw)2.bD (1.1) Trong đó: dw0, dw – đường kính chi tiết trước và sau khi cắt, mm

bD – chiều rộng profil hiệu dụng của đá mài, mm

Trường hợp với lượng dư z nhỏ, chẳng hạn giá trị của z chỉ bằng vài phần mười của

mm thì khi đó độ chênh lệch về đường kính của chi tiết rất nhỏ và công thức (1.1) có thể viết dưới dạng:

Vcắt = π.dw.z

Nếu chia thể tích cắt Vcắt cho chiều rộng profil hiệu dụng của đá mài và đưa vào yếu

tố thời gian mài tc thì sẽ tính được thể tích cắt riêng trong một đơn vị thời gian khi mài:

t – chiều sâu cắt, mm

vw – tốc độ của chi tiết, m/s

Trang 20

Tương tự cũng có thể xác định được thể tích cắt riêng trong một đơn vị thời gian cho trường hợp mài tròn ngoài có tâm chạy dao nghiêng, nhưng khi tính toán phải chú ý đến sự chênh lệch lớn về đường kính của chu vi chi tiết

Mài có tâm chạy dao dọc theo chu vi của đá được dùng để gia công các chi tiết có mặt trụ và mặt côn tròn xoay trong trường hợp chiều rộng cần mài lớn hơn nhiều so với chiều rộng của đá mài Chẳng hạn như dùng để gia công các loại trục cán trong công nghiệp cán thép hay công nghiệp sản xuất giấy

Thể tích cắt riêng trong một đơn vị thời gian được xác định tương tự như trường hợp mài ngang dựa trên cơ sở tính toán tùy thuộc vào hành trình riêng Chẳng hạn như khi mài phẳng dọc theo chu vi của đá cần chú ý đến chiều rộng của profil làm việc của đá mài vì độ mòn thay đổi và tạo nên profil mòn của đá mài có dạng cong như mái nhà [6]

Với đá mài mới chưa bị mòn, khi đó chiều rộng ăn dao ap = bD thì thể tích cắt riêng trong một đơn vị thời gian được xác định như sau:

' w fa

D

.d t.vQ

b



 (1.4)

Trong đó: vfa – tốc độ chạy dao theo hướng trục, m/s

Khi gá đặt, phương pháp mài tròn ngoài chạy dao dọc gặp một số khó khăn: nếu chi tiết gá trên hai mũi tâm sẽ làm chuyển động quay tròn không thuận lợi, hay khi gá đặt mà trọng lượng phân bố không đều gây ra mất cân bằng và hậu quả là sinh ra rung động khi chi tiết máy quay tròn với tốc độ cao Vấn đề xuất hiện khi mài các chi tiết dài, mỏng là khi mài thô với lực cắt lớn sẽ làm chi tiết bị cong, ngay cả khi gia công tinh và mài qua (t = 0) vẫn còn tồn tại sai số hình dạng Đặc biệt đối với các chi tiết kém cứng vững sẽ gây ra độ đàn hồi động học và có thể xuất hiện vết gằn trên bề mặt chi tiết gia công

Khi mài tròn ngoài có tâm việc lựa chọn cơ cấu truyền mômen cắt cho chi tiết mài có ảnh hưởng quyết định đến sai số hình dạng của chi tiết đồng thời đến sự ổn định của quá trình mài Khi lựa chọn cơ cấu truyền mômen cắt cho chi tiết mài không được tạo ra lực ngang đối với chi tiết, vì khi đó do chi tiết quay và tạo nên lực võng làm dịch chuyển vị trí của chi tiết dẫn đến sự thay đổi các điều kiện cắt ở khu vực tiếp xúc khi mài Hiện tượng này có thể tạo ra sai số hình dạng của chi tiết và làm thay đổi tác động của đá mài

Trang 21

1.1.2 Mài tròn ngoài vô tâm

Ở phương pháp mài tròn ngoài vô tâm chi tiết được đỡ trên thanh đỡ có mặt nghiêng

và bánh dẫn, chuyển động của chi tiết là nhờ bánh dẫn, và việc điều chỉnh hợp lý bánh dẫn

sẽ có hiệu quả tốt về mặt kinh tế và kỹ thuật của quá trình mài Vấn đề hiện nay chưa được quan tâm tới trong quá trình mài tròn ngoài vô tâm là vị trí tác động của đá mài và chi tiết,

về mặt cơ bản nó cũng giống như các phương pháp mài tròn ngoài khác Các phương pháp mài tròn ngoài vô tâm được chia ra phương pháp mài tròn ngoài chạy dao hướng kính và phương pháp mài tròn ngoài chạy dao hướng trục

Hình 1.3 Mài tròn ngoài vô tâm (nguồn: [6, 22, 40])

Ngoài ra còn một số phương pháp mài tròn ngoài vô tâm khác như mài vô tâm phối hợp chạy dao dọc và chạy dao ngang, mài mặt đầu và mài vô tâm lỗ

Ưu điểm của phương pháp mài tròn ngoài vô tâm là:

- Biến dạng của chi tiết giảm tối thiểu

- Chi tiết không cần nhiều thời gian cho gá đặt

- Lấy chi tiết ra dễ dàng và do đó dễ thực hiện quá trình tự động

- Có thể mài các chi tiết dài

Mài vô tâm chủ yếu được dùng trong sản xuất loạt lớn, như khi gia công các chi tiết chốt, trục, bi đũa, trục khuỷu, van, kim phun v.v

Có hai trường hợp mài vô tâm là mài vô tâm chạy dao hướng kính và mài vô tâm chạy dao hướng trục

Chi tiết được gá trên thanh đỡ vát nghiêng và bánh dẫn Tâm của chi tiết cao hơn tâm của đá mài và tâm của bánh dẫn một lượng Tốc độ của chi tiết nằm trong phạm vi với các

Trang 22

giá trị tương tự như khi mài tròn ngoài có tâm, ở đây khi mài tròn ngoài vô tâm, đá và chi tiết quay cùng chiều

Khi mài tròn ngoài vô tâm chi tiết quay tròn dựa vào bánh dẫn và có trượt một ít Tốc

độ của chi tiết thực tế bằng tốc độ của bánh dẫn Lực ma sát giữa chi tiết và thanh đỡ vát nghiêng là Fta và với bánh dẫn là Ftr phù hợp với lực mài tiếp tuyến Ft Để tạo ra ma sát cần thiết người ta chọn bánh dẫn có độ hạt mịn với chất dính kết bằng cao su

Thanh đỡ có vát nghiêng phải chịu được ma sát khi tiếp xúc với chi tiết, nên thanh đỡ thường được làm bằng thép cứng, chẳng hạn trong sản xuất hàng loạt nhỏ người ta dùng thép dụng cụ hay gang, đôi khi trong trường hợp đặc biệt người ta dùng đồng thau Do khe

hở giữa đá mài và bánh dẫn nhỏ, nên kích thước của thanh đỡ vát nghiêng cũng nhỏ, kém cứng vững Bề mặt tựa cần chọn một góc ma sát phù hợp với chi tiết, để làm cho lực thẳng góc nhỏ nhất và khả năng chịu uốn tốt nhất Qua đó hạn chế sai sót về kích thước và sự mất

ổn định động học

1.2 Quá trình cắt gọt khi mài

Mài là quá trình cắt gọt vật liệu bao gồm các công đoạn cắt, cào xước và cọ sát bằng hạt mài với tốc độ rất cao, phụ thuộc vào mức độ tương tác giữa các hạt mài và phôi dưới điều kiện mài cụ thể Các hạt mài được phân phối ngẫu nhiên trong đó phần lớn các hạt mài chưa biết hình dạng và hình dạng của nó thay đổi theo thời gian trong quá trình mài

Số lượng hạt mài đi qua khu vực mài trong một đơn vị thời gian là cực kỳ lớn, do đó mài là một quá trình rất phức tạp [42]

Mài có đặc điểm khác biệt so với các phương pháp gia công cắt gọt khác:

- Mài không có lưỡi cắt liên tục trên vành cắt gọt

- Lớp kim loại được cắt bởi một hạt đá mài có sự phụ thuộc về quan hệ chiều rộng và

bề dày

- Hình dáng hình học của hạt đá không xác định, ở đỉnh cắt của hạt mài có cung lượn bán kính , góc cắt âm

- Hạt mài nằm không quy luật trên mặt vành trục

- Tốc độ cắt rất cao và quá trình cắt có một số lượng lớn hạt mài tham gia cắt, như vậy trong một khoảng thời gian rất ngắn có một lượng phoi lớn được hình thành

Trang 23

- Các lưỡi cắt của hạt đá có độ cứng, độ bền nhiệt cao

- Do sự tác động của các hạt mài do đó sinh ra nhiệt cắt tức thời lớn

- Có hiện tượng trượt giữa hạt mài và kim loại trước khi cắt gọt

Dẫn nhiệt tức thời cao phát sinh trong quá trình mài dẫn đến làm tăng tính biến dạng dẻo của kim loại và tạo ra khả năng cắt của hạt đá có đỉnh là những cung tròn, tức là ở tốc

độ cắt cao sẽ phát sinh nhiệt lớn và đó là yếu tố cần thiết cho quá trình mài, ở các miền tốc

độ thấp đá mài không thể cắt gọt được

Hạt mài thực chất là một khối nhiều cạnh hình dạng không xác định có các đỉnh không nhọn mà có cung lượn bán kính  Hạt mài nếu không có cung lượn bán kính nào đó

ở đỉnh nhọn hoàn toàn không cắt được, bởi nó không có đủ độ bền cơ học Trong quá trình làm việc đỉnh hạt bị mòn dần, bán kính cung lượn tăng, khi đạt được đến giá trị nào đó sẽ mất khả năng cắt gọt [22]

Như vậy quá trình tạo phoi khi mài tùy thuộc vào yếu tố hình học của hạt mài

Giả sử rằng, lưỡi cắt của hạt mài có bán kính lượn và bán kính này tạo ra sự phụ thuộc giữa góc cắt và chiều dày lớp cắt Khi cắt những lớp cắt kim loại khác nhau thì vị trí đường cắt ở khoảng cách khác nhau và biến dạng bởi góc cắt khác nhau Từ hình 1.4 ta thấy rằng khi lớp cắt càng mỏng thì góc cắt thực tế để gây biến dạng kim loại càng lớn Khi tăng chiều dày lớp cắt thì góc cắt thực tế giảm Khi t =, x = 90; khi t > , x <

90 Như vậy tạo phoi chỉ thực hiện được khi đảm bảo điều kiện t ≥  Từ đó ta thấy rằng khi  càng nhỏ thì chiều dày lớp cắt t cũng càng nhỏ

Hình 1.4 Sự phụ thuộc giữa các góc cắt thực tế và chiều dày lớp kim loại được cắt vào

bán kính đỉnh hạt trên cạnh cắt của hạt mài

Trang 24

Hạt mài bắt đầu làm việc với va đập lần đầu của cạnh cắt lên bề mặt gia công, lực va đập phụ thuộc vào tốc độ cắt và lượng tiến dao Trong lúc hạt này va đập thì nhiều hạt khác đang cắt và tạo phoi, nếu độ bền động học của cạnh cắt không đủ lớn tức là bán kính đỉnh nhọn lưỡi cắt quá nhỏ thì trong lúc va đập nó sẽ bị phá hủy Nếu cạnh cắt có bán kính cong lớn thì tại thời điểm đầu tiên khi hạt đá tiếp xúc với bề mặt phôi, sự tạo phoi không xuất hiện, do t ≤  nên hạt mài sẽ trượt trên bề mặt gia công, lúc này áp lực trên hạt đá tăng dần, trong thời điểm này phát sinh nhiều nhiệt

Quá trình tạo phoi xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 0,001 – 0,005 giây Tổng

số lượng hạt phoi được cắt bởi một đá mài trong một đơn vị thời gian là rất lớn (hàng trăm triệu hạt phoi trong một phút) Bề dày của phoi rất khác nhau, từ vài m đến vài phần trăm

m Những phoi quá nhỏ dưới tác dụng của nhiệt cao sẽ bị cháy tạo thành tia lửa khi mài Những phoi lớn hơn cùng với những phần tử của hạt mài bị mòn được rửa trôi trong dung dịch tưới nguội [40]

Để tạo phoi, các hạt mài phải có độ cứng cao hơn so với vật liệu gia công Do đó hạt mài ở dạng tinh thể cứng, giòn, dễ gãy vỡ thường được sử dụng Các hạt mài vỡ tách ra trong quá trình cắt sẽ làm xuất hiện những mảnh vỡ và hạt mài mới có hình dạng khác với hình dạng ban đầu

Hình 1.5 Hình dạng đường cắt của đá mài (nguồn: [22])

Trong quá trình mài, các hạt mài nhô ra sẽ tham gia với những tác dụng khác nhau Chỉ những hạt nhô ra có bề mặt thâm nhập vào bề mặt gia công là gây ra cắt bỏ vật liệu Chúng được gọi là các cạnh cắt động học Khái niệm cạnh cắt tĩnh là các cạnh cắt không tham gia trong quá trình gia công (hình 1.5)

Trang 25

Hình 1.6 Mô tả biên dạng trung bình của một cạnh cắt (nguồn: [21])

Hình 1.7 Vùng biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo khi mài (nguồn: [6, 22])

Nếu biên dạng trung bình của các cạnh cắt được coi xấp xỉ như một đường tròn có bán kính s (hình 1.7 và hình 1.8) Ta có:

S = cu S

h

Trong đó: S – là thông số độ nhọn (độ sắc) của cạnh cắt

hcu: chiều dày phoi

1.3 Hình học, động học quá trình mài tròn ngoài

Chiều dài cung tiếp xúc giữa đá và chi tiết:

Trang 26

Trong đó: ds - đường kính đá mài; t - chiều sâu cắt, chính bằng lượng tiến dao hướng kính trong một vòng quay của chi tiết

Từ hình 1.9, ta có:

tAE

dd

1 d / d



 (1.8)

Trong đó: de - đường kính của đá mài tương đương

Hình 1.8 Các thông số hình học quá trình mài tròn ngoài (nguồn: [22, 40])

Việc nghiên cứu đường cắt sẽ làm rõ tác động của hạt mài lên chi tiết cũng như mức

độ tạo phoi trong quá trình mài

Hình 1.9 Động học quá trình mài tròn ngoài (nguồn: [22, 40])

Trang 27

Một điểm cắt trong quá trình mài nghịch bắt đầu tiếp xúc với phôi tại điểm F’ và đi theo đường cong tới điểm A’ (hình 1.10) Trong quá trình mài thuận, điểm cắt bắt đầu tại A’

và kết thúc tại F’ Đường cắt F’B’CA’ tương ứng với phôi là một đường cong bao gồm có rất nhiều chuyển động vòng tròn chồng lên nhau ở vận tốc vs và chuyển động tiếp tuyến dọc theo phôi ở vận tốc vw Điểm cắt sẽ thực hiện cùng một đường cắt hình học với điểm cắt trước những dịch chuyển dọc theo bề mặt phôi với khoảng cách AA’ Trong đó AA’ là lượng tiến dao của mỗi điểm cắt S, bằng tích của vận tốc phôi vw và thời gian giữa các lần cắt liên tiếp:

w s

LvSv

2 2 w s

s

xy



Trong đó:

2 w s

Chính vì những lý do trên mà độ dài đường tiếp xúc lc không chênh lệch nhiều so với

độ dài đường cắt lk Độ dài đường cắt lk trong công thức trên có thể được coi là tham số động học đối với chiều dài cung tiếp xúc tĩnh lc Trong trường hợp này thì lk được gọi là độ dài của mặt tiếp xúc động học Trái lại lc có thể được coi là tham số tĩnh tương đối so với đường cắt cũng như đối với độ dài của phôi khi chưa bị biến dạng

Trang 28

1.4 Động lực học quá trình mài tròn ngoài

1.4.1 Công suất mài

Dấu “+” khi mài thuận, dấu “-” khi mài nghịch

Trong quá trình mài, vận tốc đá lớn hơn rất nhiều so với vận tốc chi tiết Do đó công mài có thể được tính gần đúng:

Hình 1.10 Động lực học quá trình mài tròn ngoài (nguồn: [22, 40])

1.4.2 Năng lượng mài riêng

Năng lượng mài bao gồm năng lượng tạo phoi, năng lượng cày xước và năng lượng trượt

w

PuQ

Trong đó: Qw – khối lượng kim loại được bóc đi trong một đơn vị thời gian:

Qw = vw.t.bs = π.dw.vf.bs (1.17)

bs – là chiều rộng mài

Trang 29

1.4.3 Lực mài

Trong quá trình mài do tác động của mỗi lưỡi cắt nên sinh ra lực cắt Lực cắt sinh ra trong quá trình tác động do lưỡi cắt của một hạt cắt, bao gồm lực cắt theo hướng cắt FtS và lực pháp tuyến FnS thẳng góc với bề mặt gia công Hệ số µ = FtS/FnS được gọi là tương quan lực cắt

Lực cắt của một dụng cụ cắt thì bằng tổng của lực cắt do mỗi lưỡi cắt tạo nên tại cùng một thời điểm tác động Từ cơ sở này người ta phát hiện được tương quan lực cắt trên máy dựa trên tương quan lực cắt của từng hạt cắt

Ở giai đoạn vật liệu chỉ bị chèn ép thì lực FnS tác động vào bề mặt chi tiết sẽ lớn hơn nhiều so với lực FtS, khi đó tương quan lực cắt µ có giá trị tương đối nhỏ Khi tạo phoi thì lực tiếp tuyến FtS tăng, do vậy tương quan lực cắt cũng tăng Khi xét đến sự liên quan của chiều sâu cắt và chiều dày phoi cắt hiệu dụng có thể khẳng định rằng với những lưỡi cắt sắc có bán kính của lưỡi cắt nhỏ và ma sát lớn sẽ tạo phoi sớm khi các lưỡi cắt ăn vào Nó tạo ra tương quan lực cắt lớn phù hợp Ngược lại nếu ma sát nhỏ kéo dài và bán kính của lưỡi cắt lớn sẽ tạo nên hiện tượng choán chỗ của vật liệu, điều này phải được tính toán để bôi trơn tốt hay xác định mức độ cùn của lưỡi cắt với tương quan lực cắt nhỏ [6, 30] Nếu tổng hợp tất cả các lực cắt xuất hiện sẽ có được một lực cắt tổng:

F    F F F (1.19) Lực dọc trục Fa song song với đường tâm của trục đá mài Lực tiếp tuyến Ft tiếp tuyến với chu vi của đá mài Lực pháp tuyến Fn thường gây ra biến dạng của chi tiết và máy

1.5 Đá mài

1.5.1 Vật liệu hạt mài

Vật liệu mài là tất cả các loại vật liệu có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo, chúng có

độ cứng độ lớn và có khả năng cắt gọt

Trang 30

Vật liệu hạt mài được chia thành hai nhóm: nhóm vật liệu hạt mài tự nhiên và nhóm

hạt mài nhân tạo [1, 6, 40]

Hình 1.11 Hình dạng của một số vật liệu hạt mài (nguồn: [2]) a) Vật liệu hạt mài tự nhiên

- Kim cương tự nhiên: Khoáng chất cấu thành từ một thành phần hoá học đó là

Cacbon Các tinh thể cacbon trong lưới tinh thể kim cương được liên kết với nhau rất bền vững, đó là nguyên nhân chính kim cương có độ cứng rất cao và bền mòn và khả năng cắt gọt tốt ngay cả với vật liệu có độ cứng rất cao

- Corindon: Là khoáng chất chứa 95% oxyt nhôm Corindon sử dụng rộng rãi ở dạng

bột và bột mịn để chế tạo đá mài và bột đánh bóng, đặc biệt trong công nghệ quang học

- Granit: Granit là khoáng chất hợp thành từ nhôm silicat, phero silicat, crôm silicat,

đá vôi, magie, mangan và sắt Trong kỹ thuật chế tạo hạt mài loại vật liệu này được sử dụng chế tạo giấy nhám để gia công gỗ, chất dẻo, gia công da, gia công cao su v.v

- Thạch anh: Thạch anh là loại tinh thể oxyt silic không nước, thường được dùng để

đánh bóng thuỷ tinh và để chế tạo thành giấy nhám nền vải hoặc nền giấy

- Đá lửa: Nguồn gốc đá núi thuần khiết, thành phần bao gồm oxyt silic và hạt thạch

anh tinh thể lẫn đất sét và các thành phần hữu cơ

b) Vật liệu hạt mài nhân tạo

Trang 31

- Kim cương nhân tạo: được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, phạm vi sử dụng

ngày càng mở rộng đặc biệt trong gia công các loại hợp kim cứng và các loại vật liệu khó gia công Kim cương nhân tạo được chế tạo từ graphit ở áp suất cao (105

atm) và ở nhiệt độ cao (2500C) Kim cương nhân tạo có cấu trúc tương tự như kim cương thiên nhiên

- Nitrit Bo lập phương (CBN): là loại vật liệu mài lý tưởng mới nó còn có tên gọi là

enbo CBN có độ cứng gần bằng độ cứng của kim cương nhưng độ bền nhiệt cao gấp đôi

Nó khắc phục được nhược điểm của kim cương là tự biến đổi thành graphit ở nhiệt độ cao

1000C Do đó hiện nay CBN được sử dụng rộng rãi để chế tạo đá mài

- Corindon điện: thành phần cơ bản là oxyt nhôm Khi chuyển hoá từ dạng chảy lỏng

sang thể rắn, oxyt nhôm tạo tinh thể thành Corindon, là loại vật chất rất cứng màu trắng

sáng Trong công nghiệp chế tạo có những loại Corindon điện sau: corindon điện thường, corindon điện trắng, corindon điện crôm, corindon điện titan, corindon đơn

- Cacbit silic: là loại đá kỹ thuật, thành phần gồm cacbit silic và có một ít tạp chất

Tính chất kỹ thuật của hạt cacbit silic được xác định bằng thành phần SiC

- Cacbit Bo: về độ cứng nó chỉ thua kém kim cương Nhưng cacbit Bo rất giòn và chỉ

được sử dụng cơ bản ở dạng bột và bột mịn

c) Những tính chất cơ bản của vật liệu hạt mài

- Độ cứng: vật liệu hạt mài phải có độ cứng cao so với vật liệu mài, nếu độ cứng của

hạt mài bằng hoặc tương đương độ cứng của vật liệu gia công thì quá trình mài không thể diễn ra được hoặc cũng có thể nhưng không đạt được năng suất mài mong muốn

- Khả năng cắt gọt: là khả năng gia công được các loại vật liệu khác, được xác định

bằng cách nén giữa hai đĩa quay theo hai hướng khác nhau, tiến hành mài cùng một thời gian với một vài loại vật liệu thay thế nhờ vậy mà xác định được khả năng cắt của hạt mài

- Độ hạt: Độ hạt của đá mài được biểu thị bằng kích thước thực tế của hạt mài Tính

năng cắt gọt của vật liệu phụ thuộc vào kích thước hạt mài Khi mài thô dùng loại hạt có

kích thước lớn và ngược lại khi mài tinh dùng loại hạt có kích thước nhỏ

- Độ bền cơ học: Để hạt mài không bị phá huỷ bởi ngoại lực khi cắt gọt thì hạt mài

phải có độ bền cơ học cao Trên thực tế đánh giá độ bền tiến hành bằng cách nén một nhóm hạt mài bằng một tải trọng tĩnh và xác định phần trăm số hạt trong nhóm tồn tại được

ở kích thước ban đầu với áp suất nén 250kG/cm3

Trang 32

1.5.2 Chất kết dính

Công dụng của nó là để kết dính những hạt mài rời rạc thành khối Đá mài có chất lượng cao hay thấp tuỳ thuộc vào chất kết dính Tuỳ thuộc vào yêu cầu sử dụng của đá mài

mà người ta sử dụng chất kết dính để chế tạo đá Chất kết dính được chia thành hai nhóm

vô cơ và hữu cơ

a) Chất kết dính vô cơ

- Chất kết dính Keramic (K): được sử dụng rộng rãi trong công nghệ mài

- Chất kết dính Silicat (C): thường được sử dụng trong các nguyên công, nơi mà yêu

cầu không cho phép sinh nhiệt

b) Chất kết dính hữu cơ

- Kết dính Bakelit: tốc độ của đá sử dụng chất kết dính này cho phép tới 30 - 50m/s

- Kết dính Gliphtalin: được sử dụng rộng rãi trong chế tạo các loai đá mài tinh, trong

Mòn đá mài là quá trình thay đổi về hình dạng, kích thước và khả năng cắt gọt Mòn

đá xảy ra do ma sát, do gãy vỡ hạt mài hoặc do bị phá vỡ liên kết giữa hạt mài và chất kết dính Mòn đá mài bao gồm mòn trong quá trình làm việc và lớp cắt khi sửa đá

b) Topography của bề mặt đá mài

Tập hợp tất cả các lồi lõm trên bề mặt đá mài được xác định trong không gian 3 chiều với những đặc trưng cụ thể của nó gọi là Topography của đá mài Ảnh hưởng trực tiếp và quyết định đến khả năng cắt, đến độ mòn, và chất lượng bề mặt chi tiết gia công

1.6 Tối ưu hóa khi mài tròn ngoài thép hợp kim

1.6.1 Đặc điểm của thép hợp kim:

Khác với thép cacbon, thép hợp kim là loại thép mà người ta cố ý đưa thêm vào các nguyên tố có lợi với lượng đủ lớn để làm thay đổi tổ chức và cải thiện tính chất

Trang 33

Các nguyên tố có lợi được đưa vào một cách đặc biệt với lượng đủ lớn được gọi là nguyên tố hợp kim, chúng bao gồm các nguyên tố với hàm lượng lớn hơn các giới hạn chảy cho từng nguyên tố như sau [3]:

Theo tiêu chuẩn Nga, thép hợp kim thấp có tổng lượng nguyên tố hợp kim nhỏ hơn 2,5%, thép hợp kim cao có tỷ lệ hơn 10%, nằm giữa khoảng này được gọi là thép hợp kim trung bình Theo tiêu chuẩn châu Âu chỉ có hai loại là thép hợp kim thấp và thép hợp kim cao, thép hợp kim thấp là loại có không có nguyên tố nào vượt quá 5%, thép hợp kim cao

là loại có ít nhất một nguyên tố vượt quá 5%

+ Cơ tính: Do một số yếu tố mà chủ yếu là do tính thấm tôi cao hơn nên thép hợp

kim có độ bền cao hơn hẳn so với thép cacbon, điều này thể hiện đặc biệt rõ ràng ở thép sau khi tôi và ram

+ Tính chịu nhiệt độ cao: Các nguyên tố hợp kim cản trở sự khuếch tán của cacbon

do đó làm mactenxit khó phân hóa và cacbit khó kết tụ ở nhiệt độ cao hơn 200C, do đó tại các nhiệt độ này thép hợp kim bền hơn Một số thép hợp kim với lớp vảy oxyt tạo thành ở nhiệt độ cao khá xít chặt, có tính bảo vệ tốt

+ Tính chất hóa học đặc biệt: Bằng cách đưa vào thép các nguyên tố khác nhau với

lượng lớn quy định có thể tạo ra cho thép các tính chất đặc biệt như:

+ Không gỉ, chống ăn mòn trong môi trường axit, bazơ, muối

+ Không có từ tính

+ Giãn nở nhiệt đặc biệt v.v

Qua đó có thể thấy rằng thép hợp kim là vật liệu cần thiết, không thể thiếu cho những ngành kỹ thuật quan trọng đòi hỏi các tính chất cao hoặc khác với thông thường Thép hợp kim được ứng dụng nhiều trong chế tạo máy, và thường được gia công lần cuối bằng phuơng pháp mài để đạt được chất lượng bề mặt

Trang 34

1.6.2 Mục đích của bài toán tối ưu hóa

Bài toán tối ưu hóa nói chung là bài toán đi tìm giải pháp tốt nhất của hàm số được nghiên cứu Thành phần của bài toán tối ưu bao gồm hàm mục tiêu, quan hệ giữa các đại lượng và các điều kiện ràng buộc Trình tự giải quyết một bài toán tối ưu nói chung được đưa ra như sau:

1 Đặt vấn đề công nghệ: xem xét vấn đề công nghệ cần được giải quyết và chọn ra những yếu tố ảnh hưởng chính

2 Xây dựng được mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng và hàm mục tiêu theo quy luật biết trước hoặc mô hình thống kê thực nghiệm

3 Tìm thuật giải: là phương pháp để tìm nghiệm tối ưu của các bài toán công nghệ trên cơ sở các mô tả toán học tương thích đã được thiết lập

4 Phân tích và đánh giá kết quả thu được

- Nếu phù hợp sẽ tiến hành kiểm chứng bằng thực nghiệm

- Nếu không phù hợp cần xem lại từng bước hoặc làm lại từ việc đặt vấn đề

1.6.3 Vấn đề tối ưu hóa khi mài tròn ngoài thép hợp kim

Đối với bài toán tối ưu quá trình mài tròn ngoài thép hợp kim thì vấn đề được quan tâm và giải quyết đó là vấn đề về chất lượng và năng suất gia công, có thể đặt ra một chỉ tiêu chất lượng hoặc năng suất gia công làm hàm mục tiêu và các chỉ tiêu khác sẽ là điều kiện biên của bài toán Tuy nhiên trong thực tế, bất cứ một quá trình gia công nào cũng mong muốn đạt được chất lượng sản phẩm tốt với năng suất gia công cao, đặc biệt là với nguyên công gia công tinh lần cuối như quá trình mài tròn ngoài Để đạt được điều này cần nghiên cứu giải quyết bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu

Về cơ bản trình tự giải quyết một bài toán tối ưu gồm các bước như đã phát biểu ở trên Để chọn ra được các yếu tố ảnh hưởng chính có thể dùng phân tích phương sai ANOVA hoặc dùng phương pháp Taguchi [37] Trong quá trình mài tròn ngoài có rất nhiều thông số ảnh hưởng và mức độ ảnh hưởng khác nhau đến hàm mục tiêu, đó là các thông số chế độ cắt như lượng chạy dao, tốc độ cắt, chiều sâu cắt v.v, các thông số của đá mài như vật liệu hạt mài, chất kết dính hay các thông số của vật liệu chi tiết gia công như

độ cứng, thành phần hóa học, kích thước chi tiết v.v Tất cả đều ảnh hưởng một mức độ nào đó đến hàm mục tiêu được nghiên cứu

Trang 35

Hiện nay thường sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao hoặc quy hoạch hợp Box - Wilson [12, 13] để thiết lập mối quan hệ thực nghiệm giữa các thông số ảnh hưởng và hàm số được nghiên cứu Các hàm số được nghiên cứu trong quá trình mài tròn ngoài bao gồm các đại lượng trung gian như lực cắt, rung động, nhiệt cắt hoặc các đại lượng kết quả như mòn đá mài, chất lượng bề mặt chi tiết, năng suất gia công, giá thành v.v

Qua đó có thể thấy bài toán tối ưu quá trình mài tròn ngoài thép hợp kim khá phức tạp với rất nhiều các đại lượng đầu vào, đại lượng trung gian và đại lượng kết quả Vì vậy, tìm thuật giải hợp lý cho bài toán là rất quan trọng Các thuật toán xây dựng dựa trên các phương pháp tối ưu truyền thống như phương pháp Lagrange, phương pháp leo dốc v.v sẽ khó khăn khi không gian tìm kiếm lớn, tốc độ hội tụ chậm Chính vì vậy nghiên cứu các phương pháp mới như trí tuệ nhân tạo, lập trình tiến hóa sẽ mang lại cách giải quyết tốt cho bài toán tối ưu phức tạp

1.7 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.7.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trên thế giới, công nghệ mài nói chung và mài tròn ngoài nói riêng đã có những nghiên cứu từ khá sớm Các hạt mài tự nhiên được sử dụng cho đến những năm 1890 khi

mà quặng được phát hiện để chế tạo nhôm oxyt và cacbit silic Các hạt mài nhân tạo tỏ ra

có nhiều ưu điểm vượt trội so với hạt mài tự nhiên và có thể khống chế lượng tạp chất trong đó, có thể điều khiển chất lượng của hạt mài trong quá trình sản xuất

Cũng trong giai đoạn này nhiều phát kiến trong việc phát triển vật liệu mài đã đưa đến thành công trong chế tạo kim cương nhân tạo Và sau đó, Nitrit Bo lập phương (CBN - Cubic Bor Nitride) được chế tạo Kim cương nhân tạo và CBN được biết đến dưới tên Superabrasive bởi vì chúng có các tính chất tốt, đáp ứng được về độ cứng, độ bền mòn, độ bền nén và hệ số dẫn nhiệt Công nghiệp sản xuất hạt mài phát triển đã giúp điều khiển được các tính chất như kích thước hạt, độ bền cơ học của hạt phù hợp với các ứng dụng mài khác nhau Như vậy có thể nói giai đoạn này là một bước phát triển nhảy vọt về công nghệ mài

Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu về mài, các lĩnh vực nghiên cứu về mài rất đa dạng Trong các công trình nghiên cứu của các tác giả Németh Štefan, Neslušan

Trang 36

Mirosla [31] và Hongqi Li, Yung C Shin [23] đã sử dụng phương pháp phân tích nhanh FFT (Fast Fourier Transform) để phân tích rung động của hệ thống động lực học nhằm mục đích mô hình hóa rung động trong quá trình mài

Các tác giả Sun Chen và W Brian Rowe đã phân tích và mô phỏng quá trình mài bao gồm việc mô phỏng bề mặt đá mài làm cơ sở cho việc nghiên cứu ảnh hưởng của bề mặt đá mài đến chất lượng bề mặt chi tiết và mô phỏng cơ học quá trình mài có xét đến ảnh hưởng của sửa đá, tiến hành đánh giá và so sánh với thực nghiệm Trong các công trình nghiên cứu [19], [20], [21] đã tiến hành xây dựng mô hình độ nhám bề mặt khi mài với mục đích cải thiện chất lượng bề mặt của sản phẩm Các mô hình có được sẽ giúp giải quyết bài toán tối ưu quá trình mài

Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật thì việc ứng dụng các thành tựu trong lĩnh vực công nghệ thông tin và tự động hóa đã mang đến những hướng nghiên cứu mới M Sedighi, D Afshari trong công trình nghiên cứu [29] đã sử dụng phương pháp trí tuệ nhân tạo mạng nơron vào việc xác định mối quan hệ thực nghiệm, các tác giả R.Saravanan, P.Asokan, M.Sachidanandam [34] đã sử dụng giải thuật di truyền trong bài toán tối ưu hóa quá trình mài phẳng, trong công trình này các tác giả đã đề xuất phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu cho quá trình mài phẳng thép cacbon dựa trên một số các hàm

lý thuyết đã được xây dựng trước đó (như hàm giá thành, hàm năng suất hay hàm độ nhám), tuy nhiên trong công trình này lại không đề cập đến vấn đề ràng buộc về lực cắt và rung động trong quá trình mài trong khi các yếu tố này ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng của sản phẩm mài

Trong công trình nghiên cứu [18] của các tác giả A Slowik, J Slowik cũng đề cập

và giải quyết các vấn đề tối ưu hóa đa mục tiêu quá trình mài phẳng tương tự như trong công trình nghiên cứu [34], chỉ khác ở chỗ công trình [18] giải quyết bài toán trong phạm

vi hẹp và sâu hơn đó là tập tối ưu Pareto (Pareto otimal set) tức là xét trong vùng lời giải khả thi mà không có lời giải nào vượt trội hơn Các tác giả Vishnupad P, Shin Y C [39]

đã sử dụng mạng logic mờ giải bài toán tối ưu hóa quá trình mài v.v Các phương pháp mới này sẽ giải quyết được các bài toán phức tạp với nhiều các ràng buộc tối ưu

Trong luận án này, tác giả xây dựng và giải quyết bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu cho quá trình mài tròn ngoài thép hợp kim dựa trên cơ sở xây dựng các mô hình toán học bằng thực nghiệm có đề cập đến vấn đề bản chất và cơ lý tính của vật liệu khi mài mỗi nhóm vật liệu khác nhau Đặc biệt là thép hợp kim với bản chất cơ lý tính khác biệt so với các loại thép thông thường

Trang 37

1.7.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam thì việc ứng dụng các phương pháp mới như trí tuệ nhân tạo vào công nghệ mài còn hạn chế Trong những năm gần đây, có một số công trình nghiên cứu về mài như công trình [9] của tác giả Nguyễn Huy Ninh nghiên cứu phương pháp đánh giá tính cắt gọt của đá mài Trong công trình nghiên cứu [15] của tác giả Trần Minh Đức đã xây dựng được các chỉ tiêu để xác định tuổi bền của đá, đã xây dựng được quan hệ giữa tuổi bền của

đá mài, các đại lượng mòn với chế độ công nghệ khi sửa đá Tác giả Trần Đức Quý trong công trình nghiên cứu [16] đã xây dựng được hàm toán học mô tả một số mối quan hệ thực nghiệm khi mài tròn ngoài thép 45, đó là các hàm quan hệ giữa độ nhám Ra, tuổi bền của

đá mài T và lực cắt P với các thông số chế độ cắt Khi nghiên cứu về quá trình mài phẳng thép 45, tác giả Hoàng Văn Điện trong công trình [2] đã xây dựng được hàm toán học mô

tả các mối quan hệ thực nghiệm giữa độ mòn, lực cắt và độ nhám bề mặt với chế độ cắt Tác giả Phùng Xuân Sơn trong công trình nghiên cứu [5] đã thiết lập được các mối quan hệ thực nghiệm của rung động với chế độ cắt, độ nhám, lực cắt và thời gian mài trong quá trình mài phẳng thép 45

Có thể thấy trong các nghiên cứu trên đều sử dụng vật liệu thí nghiệm là thép Cacbon

và dừng lại ở việc tìm ra được hàm quan hệ toán học dựa trên một chỉ tiêu nào đó mà chưa

có một công trình nghiên cứu nào đề cập đến vấn đề tối ưu hóa đa mục tiêu khi mài các loại thép hợp kim Việc xây dựng và giải quyết bài toán tối ưu đa mục tiêu có ý nghĩa rất lớn nhằm khắc phục những khó khăn trong việc điều khiển thích nghi quá trình mài tròn ngoài với mục đích kiểm soát được chất lượng sản phẩm và năng suất gia công Đặc biệt là khi mài thép hợp kim với sự khác biệt về cơ lý tính so với thép Cacbon thường

1.8 Kết luận chương 1

Trong chương này, đã đưa ra được tổng quan về quá trình mài, bản chất của thép hợp kim và bài toán tối ưu hóa khi mài tròn ngoài thép hợp kim Tình hình nghiên cứu về mài trên thế giới và ở Việt Nam

Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật trong các lĩnh vực điện tử, công nghệ thông tin, tự động hóa, vật liệu mới.v.v thì việc đưa các lĩnh vực này tích hợp vào trong công nghệ mài là một nhiệm vụ quan trọng cho các nhà khoa học Đặc biệt là các nghiên cứu về phương pháp mới cho mục đích tối ưu hóa, điều khiển thích nghi, tự động

Trang 38

hóa cho các quá trình mài nhằm khắc phục những điểm yếu mà các phương pháp truyền thống chưa giải quyết được

Thép hợp kim là vật liệu quan trọng và nó có những tính chất đặc biệt khác với thép cacbon thông thường, thép hợp kim được chế tạo nhiều ở các chi tiết dạng trục và thường được gia công lần cuối bằng phương pháp mài tròn ngoài Chính vì vậy việc nghiên cứu vấn đề mài tròn ngoài thép hợp kim có ý nghĩa thực tiễn cao

Trong luận án này tác giả sẽ tiến hành xây dựng và giải quyết bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu thỏa mãn đồng thời về năng suất gia công và độ nhám bề mặt chi tiết nhằm mục đích tiến đến điều khiển thích nghi quá trình mài tròn ngoài thép hợp kim

Trang 39

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MỐI QUAN HỆ CỦA MỘT SỐ ĐẠI

LƯỢNG TRONG QUÁ TRÌNH MÀI TRÒN NGOÀI

2.1 Tổng quan về mối quan hệ giữa các đại lượng trong quá trình mài

Mài là một quá trình rất phức tạp và kết quả của quá trình phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố Sơ đồ dưới đây phân tích sự phụ thuộc lẫn nhau giữa các đại lượng đầu vào, đại lượng trung gian và đại lượng đầu ra [6, 22]

Hình 2.1 Sơ đồ mối quan hệ phụ thuộc giữa các đại lượng trong quá trình mài

Có thể thấy rằng kết quả của quá trình mài phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như máy, chi tiết, đá mài, chế độ cắt v.v Các yếu tố đầu vào này chính là nguyên nhân gây nên

Đại lượng điều chỉnh

- Lượng chạy dao

- Tốc độ chi tiết

- Tốc độ cắt

Các điều kiện sửa đá

- Áp lực dẫn

- Khối lượng

Các đại lượng của quá trình

Lấy vật liệu với tác động của cơ và nhiệt

Độ mòn cơ học dưới tác động

về hóa học, cơ học và nhiệt Lực cắt

Các đại lượng nhiễu:

Rung động Nhiệt độ

Tính công nghệ

Chi tiết:

- Độ chính xác hình dạng

- Độ chính xác kích thước

- Chất lượng bề mặt

- Ảnh hưởng ở khu vực bên cạnh

Đá mài:

- Mòn

- Sự biến đổi cấu trúc

Dung dịch trơn nguội:

- Bẩn

Tính kinh tế

- Hiệu suất gia công

- Chi phí sản xuất

Trang 40

những hiện tượng xảy ra trong quá trình mài như lực cắt, rung động, biến dạng nhiệt v.v Tất cả đều có những ảnh hưởng nhất định đến mục tiêu cuối cùng Với một số phương pháp gia công như tiện, phay hay khoan thì mục tiêu chính là đạt được năng suất gia công cao, tức là đạt được chi phí sản xuất nhỏ Với mài là phương pháp gia công tinh nên ngoài năng suất gia công mục tiêu được quan tâm là chất lượng bề mặt của chi tiết khi mài như thế nào trong đó độ nhám bề mặt là yếu tố quan trọng đặc trưng cho chất lượng của sản phẩm

2.2 Độ nhám bề mặt chi tiết máy khi mài

Độ nhám bề mặt (hay độ nhấp nhô tế vi) là tập hợp tất cả những lồi, lõm với bước cực nhỏ và được quan sát trên một khoảng ngắn tiêu chuẩn Độ nhám bề mặt là một trong các yếu tố đặc trưng cho chất lượng bề mặt của chi tiết máy

Độ nhám của bề mặt gia công được đo bằng chiều cao nhấp nhô Rz và sai lệch profil trung bình cộng Ra của lớp bề mặt

Chiều dài mẫu đo độ nhám trong bề mặt mài là 0.8mm Độ nhám được đo bằng độ nhấp nhô trung bình Ra và độ nhấp nhô lớn nhất từ đáy tới đỉnh Rt Có thể thấy rằng, Rt lớn hơn Ra Nếu theo biên dạng hình sin của bề mặt chi tiết thì Rt = Ra Với mài thì sự khác nhau giữa Ra và Rt là lớn hơn Thường thì Rt bằng 7 đến14 lần Ra, nhưng cũng có thể bằng

4 đến 7 lần nếu bỏ qua các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất các đỉnh và đáy nhấp nhô nhưng các nhấp nhô này không phải thường có hoặc đánh giá độ nhấp nhô của đỉnh và đáy trong khoảng cách có 10 nhấp nhô Độ nhám bề mặt chi tiết mài thay đổi từ khoảng 0.15m đến 2.3m [40]

Hình 2.2 Mô hình hóa độ nhám bề mặt chi tiết máy khi mài tròn ngoài

Định dạng
Số trang	135
Dung lượng	4,04 MB