Giải thích tại sao khi mài năng lượng cắt riêng lại lớn hơn rất nhiều so với các quá trình gia công khác và nó thay đổi ít khi mài các vật liệu có độ cứng khác nhau………..2 Câu 2.. Câu 1:
Trang 1MỤC LỤC
Câu 1 Giải thích tại sao khi mài năng lượng cắt riêng lại lớn hơn rất nhiều so với các quá trình gia công khác và nó thay đổi ít khi mài các vật liệu có độ cứng khác nhau……… 2 Câu 2 Trình bày cơ chế mòn đá Giải thích câu nói: “Khi mài vật liệu cứng nên chọn đá mềm và ngược lại” ………… …… ………8
Trang 2Câu 1: Giải thích tại sao khi mài năng lượng cắt riêng lại lớn hơn rất nhiều so với các quá trình gia công khác và nó thay đổi ít khi mài các vật liệu có độ cứng khác nhau
I, Giới thiệu chung :
Quá trình cắt vật liệu khi mài diễn ra nhờ quá trình tạo phoi như các quá trình qia công khác Quá trình đó diễn ra do sự xâm nhập của hạt mài vào vật liệu chi tiết tạo phoi Chiều xâu xâm nhập của hạt mài vào vật liệu phụ thuộc vào cấu trúc hình học bề mặt đá, chuyển động của đá và chi tiết
Việc tính toán lực và công suất cần thiết trong quá trình mài ở các điều kiện khác nhau, từ đó tìm ra được năng lượng riêng
- Quá trình mài đã xuất hiện từ lâu; bằng mài có thể gia công được vật liệu
có độ bền & độ cứng cao, cho độ chính xác kích thước (cấp 6-7), độ nhẵn
bề mặt cao (nhám bề mặt đạt cấp 7-8 và cao hơn) Chất lượng lớp bề mặt tốt
- Cho đến hiện nay, máy mài vẫn chiếm tỉ trọng đến 30% tổng số máy công cụ; và có thể đến 60% ở ngành cơ khí chính xác
Đặc điểm của quá trình cắt khi mài :
+ Đá mài được coi là một loại dụng cụ cắt nhiều lưỡi, các lưỡi cắt không giống nhau, mà sắp xếp lộn xộn trong chất dính kết
+ Hình dạng hình học của mỗi hạt mài khác nhau, góc trước thường < 00, do
đó không thuận lợi cho quá trình thoát phoi và cắt gọt
Trang 3+ Tốc độ cắt khi mài rất lớn V=3050m/s, cùng một lúc, trong thời gian ngắn tính bằng giây có nhiều hạt mài cùng tham gia vào cắt gọt và tạo ra nhiều phoi vụn
+ Có thể cắt gọt được những loại vật liệu cứng mà các loại dụng cụ cắt khác không cắt được Eg: thép đã tôi, hợp kim cứng v.v…
+ Do có nhiều hạt mài cùng tham gia cắt gọt với < 00 tạo ra ma sát rất lớn với vật liệu gia công gọi là hiện tượng “ cắt, cào xước” làm chi tiết gia công bị nung nóng rất nhanh và nhiệt độ ở vùng mài lớn (từ 10000C – 15000C)
+ Lực mài tuy nhỏ nhưng diện tích tiếp xúc của đỉnh hạt mài với bề mặt gia công rất nhỏ nên lực cắt đơn vị rất lớn
+ Trong quá trình mài, đá mài có khả năng tự mài sắc nghĩa là các hạt cùn bị bật
ra khỏi chất dính kết và các hạt có đỉnh sắc ở lân cận tham gia cắt Hoặc hạt mài cùn bị vỡ tạo thành các lưỡi cắt sắc mới, tham gia cắt
+ Do không thể thay đổi được vị trí và hình dạng hình học của hạt mài trong đá mài nên việc điều khiển quá trình mài rất khó khăn
+ Bề mặt gia công thường có một lớp cứng nguội phân bố đều, chiểu dày khoảng 2k, độ cứng Hv=1100 Trên bề mặt có ứng suất lớn và những vết nứt
tế vi
+ Do trị số bán kính đỉnh hạt mài nhỏ, nên có thể thực hiện quá trình với chiều sâu cắt rất nhỏ
II, Năng lượng mài riêng, công và lực mài:
Công mài:
P = Ft (Vs ± Vw) Trong đó: Vw - Là thể tích vật liệu bị cắt
Vs - Là lượng đá mòn bị mài khi cắt được Vw kim loại
Ft - Là lực mài tiếp tuyến
Vì Vs >> Vw nên công trong quá trình mài được viết lại như sau :
P = Ft x Vs
Năng lượng mài riêng :
U = P/Qw
Trang 4Trong đó : Qw là khối lượng kim loại được bóc đi trong 1 đơn vị thời gian
Qw = Vwab cho mài phẳng = πdwvfb cho mài tròn ngoài, b là chiều rộng mài
1, Hiệu ứng kích thước và các xem xét về năng lượng :
Khi tính toán lực và năng lượng riêng trong quá trình mài đã được tiến hành người ta nhận thấy :
- Năng lượng riêng khi mài lớn hơn rất nhiều so với các nguyên công cắt gọt kim loại khác như Tiện, Phay, Khoan…
- Ngoài ra, năng lượng riêng có giá trị lớn hơn khi chế độ cắt được điều chỉnh để làm giảm độ dày phoi không biến dạng, ví dụ như giảm vw hoặc chiểu sâu mài a (giảm tốc độ bóc phoi)
Theo như mô hình tạo phoi của Merchan, sự tạo phoi diễn ra do quá trình trượt rất mạnh ở một vùng rất mỏng tiếp theo là ma sát khi phoi trượt qua mặt trước của hạt mài Thông thường, trượt chiếm khoảng 75% toàn bộ năng lượng tạo phoi, ma sát giữa các dụng cụ cắt phoi chiếm khoảng 25% năng lượng còn lại
Bằng cách dựa vào các giả thuyết đáng tin cậy về cấu tạo hình học mũi dao điển hình người ta thu được các kết quả ứng suất trượt cho biến dạng dẻo trong quá trình mài, nhưng các ứng suất trượt tính toán này cao hơn rất nhiều
so với ứng suất chảy cho trước của kim loại được mài Ở các điều kiện mài tinh năng lượng riêng khi mài lại lớn hơn
2, Lực và năng lượng trượt :
Mặc dù quá trình bóc tách kim loại diễn ra bởi hầu hết tạo phoi, nhưng hầu hết năng lượng mài lại tiêu hao ở cơ chế khác
Một số trong đó bao gồm cơ chế trong đó là các đỉnh bị làm cùn phẳng trên hạt mài và chúng trượt trên bề mặt chi tiết mà không cắt vật liệu
Những diện tích phẳng này được tạo ra do sửa đá trước khi mài Trong quá trình mài, những diện tích phẳng có thể mòn thêm và lan rộng ra do mài mòn
ma sát và do sự bám dính của các hạt kim loại của vật liệu chi tiết Diện tích mòn phẳng được thay đổi tới một diện tích lớn hơn hay nhỏ hơn nhờ cơ chế
tự mài sắc, nhờ đó một số diện tích phẳng được bóc một phần hoặc hoàn toàn do hạt mài vỡ hoặc bật ra khỏi chất dính kết
Nhận xét :
Trang 5- Việc có mặt của các diện tích mòn phẳng cho thấy rằng một phần năng lượng tiêu hao khi mài là do các vùng này trượt qua chi tiết
- Có thể tìm được quan hệ trực tiếp giữa lực mài và độ cùn của đá mài thể hiện qua tỷ lệ phần trăm bề mặt đá mài có diện tích mòn phẳng Với chế
độ gia công không đổi, lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến Fn và Ft tăng tương ứng với diện tích mòn phẳng A như trong hình vẽ
- Với một vật liệu phôi cụ thể, có thể có được những giá trị khác biệt về lực
và diện tích mòn phẳng bằng cách thay đổi độ cứng của đá mài, điều kiện sửa đá và lượng kim loại bóc
- Với các chi tiết thép, lực mài tăng tuyến tính với diện tích mòn phẳng đến một điểm tới hạn, qua điểm này độ dốc lớn hơn và chi tiết sẽ bị cháy
- Quan hệ tiếp tuyến không có điểm gián đoạn xuất hiện khi mài kim loại màu
Kết luận : Lực mài và do có cả năng lượng riêng có thể bao gồm các thành phần lực cắt và lực trượt
3, Năng lượng tạo phoi và năng lượng cày xước
- Năng lượng riêng khi mài với các kích thước hạt và độ cứng đá khác nhau là như nhau
- Ở các tốc độ bóc phoi nhỏ, năng lượng cắt riêng rất lớn, và năng lượng này giảm dần khi tốc độ bóc phoi tăng và đạt tới giá trị nhỏ nhất xấp xỉ 13,8J/mm3
- Năng lượng cắt riêng trong các trường hợp khi vw x a = 1mm2/s gần như không đổi (uc ≈ 40J/mm3) khi mài các vật liệu khác nhau Đây là kết quả đáng ngạc nhiên vì các loại phôi có độ cứng rất khác nhau
- Khi tốc độ bóc kim loại nhỏ, năng lượng cắt riêng có giá trị rất lớn Độ lớn của nó không tương thích với mô hình tạo phoi truyền thống → Có một sự tiêu hao năng lượng
Cơ chế tạo phoi trong quá trình mài gồm 2 giai đoạn :
Giai đoạn cày xước : Khi hạt mài xâm nhập vào vật liệu chi tiết, khi đó vật liệu bị đẩy sang hai bên
Giai đoạn hạt mài cắt vật liệu : Quá trình này xảy ra khi hạt mài đã xâm nhập vào một chiểu sâu nhất định (gọi là chiều sâu tới hạn), hạt mài cắt kim loại thông qua tạo phoi
Các yếu tố ảnh hưởng tới chiều sâu tới hạn :
- Độ sắc của lưỡi cắt (Bán kính đỉnh hạt mài)
- Sự định hướng của lưỡi cắt
Trang 6- Góc trước và hệ số ma sát giữa hạt mài và chi tiết
- Vật liệu chi tiết mài
Ngay cả khi quá trình tạo phoi đã bắt đầu, cơ chế cày xước vẫn có thể tiếp diễn khiến một lượng kim loại trên đường cắt bị đẩy sang hai bên tạo thành gờ thay vì bóc tách dưới dạng phoi
Để nghiên cứu điều này sử dụng thí nghiệm cắt với chiều sâu cố định và sử dụng dụng vụ cắt hình chóp đáy tam giác hoặc đáy vuông để mô phỏng điểm cắt của đá mài Dụng cụ cắt được đặt vuông góc với một mặt vuông góc với hướng cắt hoặc đặt nghiêng với một lưỡi cắt nằm giữa hai mặt kề nhau hướng về phía trước Cách định hướng dụng cụ cắt trực giao xoay nghiêng được xác định bằng góc tương tác β, tương ứng với góc trước α : α = β-900
Từ các thí nghiệm cắt trực giao với dụng cụ cắt hình chóp có đáy tam giác, đã tính được một giá trị góc trước tới hạn mà khi góc nhỏ trước nhỏ hơn giá trị này, quá trình tạo phôi xảy ra Do đó đã xác định được rằng quá trình cày xước
và quá trình tạo phoi chỉ xảy ra đồng thời trong 1 khoảng giá trị góc trước rất nhỏ Cách đặt nghiêng dụng cụ cắt làm tăng xu hướng cày xước đẩy vật liệu sang hai bên
Quá trình cày xước kiểm soát bởi chiều sâu cắt tới hạn có thể là nguyên nhân
dẫn đến Hiệu ứng kích thước quan sát được Từ hình trên và đặc điểm hình học
của phoi chưa biến dạng, có thể thấy rằng khi tăng vận tốc phôi Vw hoặc chiều sâu mài a sẽ làm tăng thể tích phoi chưa biến dạng, do đó lượng vật liệu phôi bị cày xước sang hai bên trước khi đạt tới chiều sâu cắt hth trong so sánh tương quan với lượng kim loại được bóc tách trong quá trình tạo phoi sẽ giảm Sự giảm đáng kể quá trình cày xước ở các tốc độ bóc phoi cao sẽ làm giảm năng lượng cày xước riêng
Khi đạt tới giới hạn, năng lượng cày xước riêng upl bằng 0, khi đó năng lượng cắt riêng tối thiểu tương ứng với năng lượng tạo phoi riêng uch – năng lượng này được coi là có giá trị không đổi Từ kết quả trình bày trong hình trên thì năng lượng tạo phoi riêng uch = 13,8J/mm3 và một mối quan hệ tỷ lệ nghịch giữa năng lượng cày xước riêng và năng lượng bóc tách phoi với lực cày xước tiếp tuyến không đổi trên một đơn vị chiều rộng F’t.pl ≈ 1N/mm
Theo cách lý luận tương tự, việc sử dụng phương pháp mài thuận thay vì mài nghịch sẽ làm giảm và thậm chí loại bỏ hoàn toàn quá trình cày xước ban đầu,
vì mỗi điểm cắt lúc này sẽ bắt đầu cắt vào phôi ở chiều sâu cắt lớn nhất của nó Điều này có thể lý giải tại sao các lực cắt trong mài thuận thường nhỏ hơn một chút so với các lực trong mài nghịch Tuy nhiên, mức chênh lệch giữa các lực
Trang 7đo được trong hai trường hợp này có vẻ hơi nhỏ so với thành phần lực cày xước, điều này chứng tỏ vẫn còn có quá trình cày xước trong phương pháp mài thuận Vậy : Năng lượng mài riêng U = Năng lượng tạo phoi Uch + Năng lượng trượt
Usl + Năng lượng cày xước Upl
U = Uch + Upl + Usl
Chỉ có năng lượng tạo phoi riêng là thực sự được sử dụng vào việc bóc tách phoi, và vì thế nó là năng lượng mài tối thiểu cần có Tuy nhiên, năng lượng tạo phoi riêng uch = 13,8J/mm3 vẫn lớn hơn rất nhiều năng lượng cắt riêng trong các nguyên công cắt kim loại khác Một điểm khác nữa là năng lượng mài riêng tối thiểu không thay đổi nhiều khi gia công kim loại đã qua xử lý nhiệt hay chưa
Ví dụ, phôi thép Cac-bon thấp gia công nóng đòi hỏi năng lượng mài tối thiểu gần như bằng năng lượng mài tối thiểu đối với thép hợp kim tôi cứng hay thậm chí thép gió tôi cứng
Để giải thích đặc tính bất thường của kim loại khi được gia công mài, một vấn
đề được quan tâm là so sánh giừa độ lớn của năng lượng mài riêng tối thiểu với năng lượng làm chảy kim loại khi mài Vì khoảng 75% năng lượng tạo phoi là năng lượng trượt, còn 25% còn lại là năng lượng chống ma sát giữa phoi và dụng cụ cắt → năng lượng trượt riêng khoảng 10,4J/mm3, giá trị này gần như bằng năng lượng làm chảy một thể tích đơn vị đối với sắt Sự bằng nhau của hai giá trị này được cho là sự biến dạng lớn và gần như đoạn nhiệt chiếm ưu thế trong suốt quá trình mài Các điểm cắt trên hạt mài có góc trước mang giá trị âm rất lớn, ước tính vào khoảng -600 hoặc thậm chí âm hơn Đối với các góc trước
có giá trị âm lớn như vậy, lý thuyết tạo phoi cổ điển dự đoán biến dạng trượt sẽ rất lớn
Trang 8Câu 2: Trình bày cơ chế mòn đá Giải thích câu nói: “Khi mài vật liệu cứng nên chọn đá mềm và ngược lại”
Quá trình cắt khi mài được thực hiện bởi vô số hạt mài gắn cưỡng bức trên bề mặt làm việc của đá mài Đá mài chính là một loại dụng cụ cắt được chế
tạo từ hạt mài, chất kết dính và chất phụ gia
Hình 2.2 cho ta thấy : Các hạt mài được liên kết với nhau bằng vật liệu đặc biệt là chất kết dính (6), giữa chất kết dính và hạt mài là các khe hở (5)
Số lượng hạt mài phân bố trên bề mặt làm việc của đá rất lớn (từ vài chục đến vài trăm hạt tùy theo loại đá chế tạo) Do vậy, quá trình cắt sẽ do một lượng lớn các hạt mài có hình dáng hình học rất khác nhau, phân bố không theo quy luật thực hiện
Mặc dù có các đặc điểm chung với các quá trình cắt gọt khác xong mài vẫn có các đặc tính rất riêng biệt của mình như vận tốc cắt gọt cao, chiều sâu lớp kim loại hớt bỏ có thể rất bé (từ vài phần trăm đến vài phần nghìn mm) Kết cấu hình học của các lưỡi cắt không thuận lợi Bề mặt gia công và phoi bị nung nóng đến nhiệt độ cao Thường vận tốc cắt khi mài nằm trong khoảng 30m/s đến 50m/s
Trang 9Hầu hết các hạt mài đều có góc cắt âm Các hạt mài sẽ tạo ra một bề mặt làm việc với các lưỡi cắt gián đoạn, bố trí không theo trật tự nào Do vận tốc cắt cao, ma sát giữa chất kết dính với vật liệu gia công, góc trước và sau âm làm cho nhiệt độ trong vùng mài rất cao (Có thể đạt đến 10000C), làm biến dạng cấu trúc mạng tinh thể và tính chất cơ lý của lớp bề mặt kim loại
Yêu cầu cơ bản của hạt mài là phải cứng hơn vật liệu mà nó sẽ mài Độ cứng của vật liệu mài thường được xác định theo độ cứng vết lõm tĩnh như đã xác định trong một thử nghiệm độ cứng của Knoop Một tính chất quan trọng khác của vật liệu mài là độ bền động lực học hay độ dai
- Độ dẻo dai càng lớn thì hạt mài càng ít bị phân rã (mòn, vỡ) sau mỗi lần chúng tác động đến vật liệu gia công
- Hạt mài càng bở (dễ vỡ, kém bền) thì hạt mài sẽ dễ vỡ sau mỗi lần tiếp xúc với chi tiết gia công → tạo điều kiện tái tạo lưỡi cắt (còn được gọi là hiện tượng tự làm sắc) khi các hạt bị mài mòn trong quá trình sử dụng Việc chọn đá mài, chế độ mài đóng vai trò quyết định chất lượng sản phẩm.Chọn đá mài hợp lý chất lượng năng suất sẽ cao Khi chọn đá chú ý đến vật liệu hạt, độ cứng, chất kết dính, cỡ hạt mài và cấu trúc đá…
Chất kết dính:
Là chất để dính các hạt mài rời rạc thành đá mài và cố định các hạt đó trên bề mặt ngoài của đá mài Chất kết dính dùng hai loại chất kết dính chính:
Vô cơ (Kê ra mit), hữu cơ (Beckelit, Vun ganhit)
-Kê ra mit : (K) đất sét, Sillic cat Natri, Silic cát
-Manhê : Không sợ ẩm, giữ được profin nhưng tính giòn cao
-Beckelit : (b) chế tạo từ axit cacbonic fooman có độ bền, đàn hồi cao, chế tạo đá với tốc độ cao
-Vun ganhit : 70% cacbon + 30% lưu huỳnh vì đàn hồi cao chế tạo đá mỏng, nhỏ (dày 0,3 ÷ 0,5mm, D = 150 ÷ 200mm)
Độ cứng của đá mài:
Độ cứng của đá mài không nên nhầm với độ cứng của hạt, nó chỉ cường
độ của chất kết dính Cường độ đó xác định bằng lực tác dụng lên các hạt để làm cho các hạt rời khỏi chất kết dính Độ cứng của vật liệu mài là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ của tải trọng bên ngoài thông qua tác dụng của vật thể cứng có dạng mũi tâm
Trang 10Độ cứng
đá mài
Chú thích: Độ cứng tăng theo chiều tăng của chỉ số cấp
độ cứng
Cấu trúc đá:
Là tương quan số lượng giữa thể tích hạt mài chất kết dính và thể tích lỗ trống trong đá Kết cấu đá mài căn cứ vào quan hệ lẫn nhau giữa thể tích lỗ trống , chất kết dính và các hạt Mối quan hệ đó quyết định độ chặt (hay độ xốp) của đá mài Nói cách khác nó là tỷ trọng (tính bằng gram/mm3 hoặc g/inch3) Nó xác định khả năng chứa phoi khi cắt của đá mài Đá mài làm việc xấu hoặc tốt còn phụ thuộc ở sự lựa chọn phù hợp với công việc mài cụ thể Người ta chia ra (1÷12) số hiệu, trong đó: cấu trúc chặt (1÷3), cấu trúc trung bình (4÷6), cấu trúc rỗng (7 ÷12) Hình dạng đá mài được chế tạo theo tiêu chuẩn quy định về hình dáng và kích thước
