Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mài bề mặt định hình trên máy phay CNC sử dụng đá mài CBN

Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường, tôi lựa chọn thực hiện đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mài bề mặt định hình trên máy phay CNC sử dụng đá mài CB

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-    - PHẠM HỒNG HẢI

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÀI BỀ MẶT ĐỊNH HÌNH

TRÊN MÁY PHAY CNC SỬ DỤNG ĐÁ MÀI CBN

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Phạm Hồng Hải - Học viên cao học lớp K14 chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, khóa 2011- 2013 trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên

Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường, tôi lựa chọn thực

hiện đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mài bề mặt định hình trên

máy phay CNC sử dụng đá mài CBN”

Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy giáo TS Trần Minh Đức

và sự nỗ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình khác, trừ những phần tham khảo đã được ghi rõ trong Luận văn

Thái Nguyên, ngày 17 tháng 11 năm 2014

Học viên

Phạm Hồng Hải

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn đối với gia đình tôi, các thầy cô giáo, các bạn đồng nghiệp đã ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình làm luận văn này Mặc dù đã cố gắng song do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong muốn sẽ nhận đƣợc những chỉ dẫn từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện và có ý nghĩa hơn nữa trong thực tiễn

Xin trân trọng cảm ơn!

Tác giả

Phạm Hồng Hải

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ix

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu là : 2

3 Dự kiến các kết quả đạt được 3

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Nội dung nghiên cứu 3

6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 3

7 Nội dung của luận văn 4

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MÀI 5

1.1 Tổng quan về công nghệ mài 5

1.1.1 Tổng quan về công nghệ mài 5

1.1.2 Lực cắt khi mài 10

1.1.3 Nhiệt cắt khi mài 12

1.1.4 Công suất cắt khi mài 14

1.1.5 Rung động khi mài 14

1.1.6 Chất lượng bề mặt sau mài 15

1.2 Mài các bề mặt định hình 20

1.2.1 Yêu cầu kỹ thuật của các chi tiết định hình 20

1.2.2 Các phương pháp mài định hình 20

1.2.3 Các khó khăn khi mài bề mặt định hình 21

1.3 Khái quát về các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực mài và định hướng nghiên cứu 22

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

1.3.1 Khái quát về các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực mài 22

1.3.2 Định hướng nghiên cứu 23

CHƯƠNG II.NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÀI BẰNG ĐÁ CBN 24 ĐỂ GIA CÔNG CÁC MẶT ĐỊNH HÌNH 24

2.1 Đặc tính của đá mài CBN 24

2.1.1 Độ cứng 24

2.1.2 Tính chống mòn 25

2.1.3 Tính dẫn nhiệt 25

2.1.4 Độ bền nén 28

2.1.5 Lực cắt 28

2.2 Mòn và tuổi bền của đá mài 31

2.2.1 Mòn của đá mài 31

2.2.2 Tuổi bền của đá mài 32

2.3 Một số nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng bề mặt gia công khi mài bằng đá mài CBN 33

2.3.1 Ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt mài 33

2.3.2 Ảnh hưởng đến cấu trúc lớp bề mặt mài 38

2.3.3 Ảnh hưởng đến ứng suất dư lớp bề mặt mài 39

2.4 Mài bề mặt định hình bằng đá CBN trên máy Phay CNC 41

2.5 Giới hạn vấn đề nghiên cứu 43

2.6 Kết luận 45

CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 46

3.1 Mục đích nghiên cứu thực nghiệm 46

3.2 Yêu cầu đối với hệ thống thí nghiệm 46

3.3 Thiết bị thí nghiệm 46

3.3.1 Máy phay CNC 46

3.3.2 Đá mài 47

3.3.3 Tưới nguội 49

3.3.4 Phôi thí nghiệm 50

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

3.3.5 Thiết bị đo 50

3.4 Trình tự thí nghiệm 52

3.4.1 Chuẩn bị 52

3.4.2 Tiến hành thí nghiệm 52

3.4.3 Xử lý kết quả thí nghiệm 55

3.5 Thảo luận kết quả thí nghiệm 60

3.5.1 Nhám bề mặt 60

3.5.2.Chất lượng bề mặt gia công 61

3.5.3 Cấu trúc lớp kim loại bề mặt gia công 61

3.5.4 Sai lệch kích thước 62

3.5.5 Hiệu quả kinh tế 62

3.6 Kết luận chương 3 62

KẾT LUẬN CHUNG 64

1 Kết luận chung 64

2 Hướng nghiên cứu tiếp theo 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Piz Thành phần lực cắt theo phương tiếp tuyến tác dụng

kc/b Độ cứng cắt trên đơn vị chiều rộng mài KN/mm2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ka/b Độ cứng tiếp xúc trên đơn vị chiều rộng mài KN/mm2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp mài phẳng 7

Hình 1.2 Các dạng có thể có của lưỡi cắt 8

Hình 1.3 Quá trình tạo phoi khi mài 9

Hình 1.4 Nhiệt và sự phân bố năng lượng khi mài 12

Hình 1.5 Sự hình thành độ nhám bề mặt [4] 15

Hình 1.6 Ảnh SEM bề mặt mài [14] 16

Hình 1.7 Cấu trúc lớp bề mặt [14 18

Hình 2.1 Đồ thị biểu diễn độ cứng của các loại hạt mài [6] 24

Hình 2.2 So sánh tính chống mài mòn của đá CBN với các vật liệu khác nhau [16] 25

Hình 2.3 Lực cắt khi mài thép ổ lăn AISI 52100 bằng đá CBN [26] 28

Hình 2.4 Lực cắt khi mài bằng các loại đá khác nhau [13] 29

Hình 2.5 Ảnh hưởng của vận tốc đá đến lực cắt khi mài bằng đá CBN [15 ] 30

Hình 2.6 Quá trình mòn của đá 32

Hình 2.7 Ảnh hưởng của loại dung dịch trơn nguội 34

Hình 2.7 Độ nhám bề mặt khi mài bằng đá CBN với các loại dung dịch trơn nguội khác nhau [28] 35

Hình 2.8 Ảnh SEM trạng thái bề mặt khi mài bằng đá mài CBN với vận tốc đá khác nhau [29] 36

Hình 2.9 Ảnh hưởng của vận tốc đá đến độ nhám bề mặt khi mài bằng đá mài CBN [29] 36

Hình 2.10 Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến độ nhám bề mặtkhi mài bằng đá CBN [30] 37

Hình 2.11 Ảnh hưởng của độ hạt đá mài CBNđến độ nhám bề mặt mài [31] 38

Hình 2.12 Ảnh hưởng của lưu lượng tưới nguội tới nhiệt độ mài khi mài bằng đá CBN [32] 39

Hình 2.13 Ứng suất dư với các loại dung dịch trơn nguội khi mài bằng đá CBN và Al203 [33] 40

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Hình 2.14 Ảnh hưởng của vận tốc đá đến ứng suất dư khi mài bằng đá CBN [34] 41

Hình 2-15: Các bề mặt định hình 42

Hình 3.1 Máy phay CNC YDC - 96 46

Hình 3.2 Đồ gá lắp đá mài CBN lên lên máy phay CNC 47

Hình 3.3 Đá mài CBN 125D-3X- 19T-31.75H, CBN 400N85B3,0 49

Hình 3.4 Máy đo độ nhám Mytutoyo SJ – 201 51

Hình 3.5 Kính hiển vi OLYMPUS GX51 51

Hình 3.7 Tiến hành gia công bằng đá CBN trên máy phay CNC YDC - 96 54

Hình 3.8 Sản phẩm sau khi gia công mài 54

Hình 3.9 Đồ thị phân bố nhám bề mặt 55

Hình 3.10 Đồ thị phân bố sai lệch kích thước lớn nhất 57

Hình 3.11 Hình ảnh chụp tế vi bề mặt khi mài bằng đá mài Hải Dương 58

Hình 3.12 Hình ảnh chụp tế vi bề mặt khi mài bằng đá mài CBN 58

Hình 3.13 Hình ảnh chụp cấu trúc kim loại bề mặt gia công bằng đá mài Hải Dương 59 Hình 3.14 Hình ảnh chụp cấu trúc kim loại bề mặt gia công bằng CBN 59

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Hệ số truyền nhiệt của vật liệu phụ thuộc vào hàm lượng hợp kim [4] 13

Bảng 2.1 Một vài số liệu về hệ số dẫn nhiệt của đá mài CBN và Al203 [24] 26

Bảng 2.2 Hệ số dẫn nhiệt lý thuyết và thực nghiệm của đá CBN và Al203 [24] 27

Bảng 2.3 Nhiệt độ khi mài khô bằng đá mài Al203 và CBN [25] 27

Bảng 2.4 Nhiệt độ khi mài ướt bằng đá mài Al203 và CBN [25] 27

Bảng 2.5 Giá trị của Rw khi mài bằng đá mài CBN và Al203 [25] 39

Bảng 3.1.Kết quả đo nhám trung bình 55

Bảng 3.2.Kết quả đo sai lệch kích thước lớn nhất 56

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Mài là một phương pháp gia công tinh được sử dụng rất phổ biến trong ngành chế tạo máy Mài đặc biệt chiếm ưu thế khi gia công tinh các chi tiết đã tôi cứng, các chi tiết có độ cứng, độ bền cao vv Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy các ngành công nghiệp phát triển Các chi tiết máy có

độ chính xác, chất lượng bề mặt và độ bền cao là cơ sở cho sự ra đời các loại máy móc, thiết bị hiện đại, có chất lượng cao (độ chính xác, độ tin cây, độ bền cao…) Phương pháp mài có một vị trí quan trọng trong gia công cơ khí, nhờ khả năng vượt trội so với các phương pháp cắt gọt khác khi gia công những vật liệu có độ bền cơ học và độ cứng cao cho độ chính xác và chất lượng bề mặt cao

Gần đây đã có nhiều nghiên cứu về phương pháp tiện cứng và phay cứng bằng mảnh dao CBN để gia công tinh các vật liệu khó gia công đã qua tôi Tuy nhiên, xét về hiệu quả kinh tế - kỹ thuật, khi gia công những chi tiết yêu cầu độ chính xác và chất lượng bề mặt rất cao thì chưa có phương pháp nào thay thế được cho phương pháp mài

Các loại vật liệu hạt mài thông thường gồm Ôxit nhôm, cacbit silic, cacbit Bo

… Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật khi mài bằng đá mài sử dụng những loại vật liệu hạt mài này bị hạn chế (đặc biệt khi mài những vật liệu khó gia công) do sau một thời gian làm việc đá mòn và phải sửa lại đá Việc phát minh ra loại vật liệu hạt mài siêu cứng là cubic boron nitride (CBN) đã góp phần cải thiện đáng kể hiệu quả kinh tế -

kỹ thuật của phương pháp mài Vật liệu hạt mài này được các nước công nghiệp tiên tiến ứng dụng nhiều vào việc gia công cơ khí từ những năm 70 của thế kỷ 20

Vật liệu CBN có độ cứng cao gần gấp đôi oxide nhôm và khả năng chịu nhiệt đến 13710C [16] Do độ cứng cao, đá mài làm bằng CBN có khả năng duy trì dung sai rất nhỏ, quá trình cắt ổn định tạo ra chất lượng bề mặt gia công cao và ổn định Ngoài ra, đá mài CBN còn có khả năng lấy đi lượng dư đều đặn trên bề mặt của chi tiết gia công mà không cần bù độ mòn của đá mài

Từ trước tới nay mài bằng đá mài CBN được nhiều nhà khoa học các nước

quan tâm nghiên cứu và ứng dụng nhưng ở Việt Nam có rất ít công trình nghiên cứu

về lĩnh vực này được công bố, việc sử dụng đá mài CBN vào sản xuất cũng chưa phổ biến Tuy nhiên việc đánh giá ảnh hưởng của chế độ cắt để đảm bảo chất lượng bề mặt gia công đồng thời tăng tuổi bền của đá mài trong quá trình mài chưa có công trình nghiên cứu nào đề cập đến nhất là trong trường hợp gia công các khuôn cắt cũng như chày dâp

Hiện nay các loại thép có độ cứng

và phát huy hết tính năng của máy ứng dụng trong sản xuất cũng như trong giảng dạy của nhà trường là rất cần thiết Mặt khác trong thực tế sản xuất khi mài các mặt định hình nhà trường chưa có máy mài CNC nên gặp khó khăn trong gia công Các chi tiết định hình gia công bằng phương pháp mài yêu cầu phải đảm bảo độ chính xác về kích thước Đạt độ đồng tâm giữa các bề mặt định hình với đường tâm chi tiết Đảm bảo độ sai lệch về hình dạng hình học, độ côn, độ ôvan trong phạm vi cho phép vad đảm bảo

về độ nhẵn bóng bề mặt Để giải quyết được các vấn đề này trong khi chưa có máy mài CNC thì việc ứng đụng khả năng công nghệ máy phay CNC để mài định hình

theo Contuor trên máy CNC là cần thiết

Xuất phát từ những đặc điểm và tình hình trên tác giả chọn đề tài: " Nghiên cứu ứng

dụng công nghệ mài bề mặt định hình trên máy phay CNC sử dụng đá mài CBN",

2 Mục tiêu nghiên cứu là :

Nghiên cứu khả năng cắt của đá mài CBN khi mài bề mặt định hình bằng đá

mài CBN và đá mài Al2O3 do Nhà máy Đá mài Hải Dương sản xuất với vật liệu là thép 9XC nhiệt luyện trên máy phay CNC; Chỉ tiêu đánh giá là nhám bề mặt và sai lệch kích thước bề mặt gia công

3 Dự kiến các kết quả đạt được

- Đưa ra phương pháp mài bề mặt định hình trên máy phay CNC bằng đá mài

CBN cho chất lượng bề mặt tốt, đảm bảo hiệu quả kinh tế

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm trong đó thực nghiệm là chủ yếu

5 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về mài và chất lượng bề mặt gia công và các yếu tố ảnh hưởng đến các thông số đặc trưng cho chất lượng bề mặt gia công bằng phương pháp mài

- Nghiên cứu tổng quan về các đặc tính cắt gọt của đá mài và chất lượng bề mặt mài bằng đá CBN;

- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mài bề mặt định hình trên máy phay CNC Đánh giá chất lượng bề mặt mài bằng đá CBN khi mài thép 9XC nhiệt luyện trên máy mài phay CNC theo chỉ tiêu nhám bề mặt và sai lệch kích thước gia công

6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học:

+ Bổ sung lý thuyết về công nghệ mài nói chung và mài bề mặt định hình nói riêng

+ Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho việc nghiên cứu tối ưu hoá quá trình mài

+ Đề tài bổ sung được một số kết quả nghiên cứu cơ bản về mài bề mặt định hình thép 9XC trong điều kiện kỹ thuật và công nghệ cụ thể ở Việt Nam

- Ý nghĩa thực tiễn:

Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần ứng dụng công nghệ mài bề mặt định hình trên máy phay CNC bằng đá mài CBN vào gia công cơ khí ở Việt Nam nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật

7 Nội dung của luận văn

Kết cấu của luận văn bao gồm ba chương và phần kết luận chung

Chương 1: Tổng quan về mài

Chương 2: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mài bằng đá CBN để gia công

các mặt định hình

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm

Kết luận chung

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MÀI 1.1 Tổng quan về công nghệ mài

1.1.1 Tổng quan về công nghệ mài

a Đặc điểm, ý nghĩa của quá trình mài

Mài là một phương pháp gia công cắt gọt kim loại tốc độ cao bằng một số lượng lớn các lưỡi cắt rất bé của hạt mài Các hạt mài được giữ chặt trong đá mài bằng chất kết dính Mài có nhiều đặc điểm khác biệt so với các phương pháp gia công cắt gọt khác:

- Đá mài là loại dụng cụ cắt có rất nhiều lưỡi cắt không liên tục đồng thời tham gia cắt, các lưỡi cắt được tạo ra bởi các hạt mài có kích thước rất nhỏ, có hình dáng rất khác nhau và phân bố lộn xộn trong chất dính kết Đa số các hạt mài có nhiều lưỡi cắt, có góc lượn ở đỉnh và có góc cắt không thuận lợi cho điều kiện cắt gọt: Góc trước thường âm và góc cắt thường lớn hơn 900, có bán kính ở các lưỡi cắt

- Tốc độ cắt khi mài rất cao, thường Vd = 30 35 m/s, tốc độ có thể lên tới 100 m/s hoặc cao hơn Tiết diện phoi mài rất bé

- Do góc cắt không hợp lý, tốc độ cắt cao nên nhiệt độ ở vùng cắt khi mài rất lớn (1000 ÷ 15000 C) làm thay đổi cấu trúc tế vi lớp kim loại bề mặt

- Khi mài, mỗi hạt mài tạo ra một phoi riêng biệt có kích thước rất nhỏ, số lượng phoi tạo ra trong một đơn vị thời gian rất lớn (hàng nghìn phoi trong một phút), vì thế có thể coi quá trình mài là quá trình cào xước tế vi bề mặt gia công tạo ra

độ nhẵn bóng và độ chính xác cao

- Hạt mài có độ cứng cao, cắt gọt không liên tục nên có thể gia công được những vật liệu rất cứng mà các dụng cụ khác không cắt được như thép tôi, hợp kim cứng, thép bền nhiệt nhưng lại không gia công được những vật liệu rất mềm

- Lực cắt khi mài thường không lớn (trung bình vào khoảng 300N - 400N) vì tiết diện của phoi hạt mài rất bé Thường Py = (1,5 ÷ 3) Pz, lực Px bé hơn lực Pz nhiều Tuy nhiên công suất tiêu hao khi mài rất lớn vì tốc độ cắt khi mài rất cao [1]

- Trong quá trình cắt, đá mài có khả năng tự mài sắc: Dưới tác dụng của tải trọng cơ, nhiệt các hạt mài đã mòn bật ra khỏi bề mặt đá tạo điều kiện cho những

hạt mài mới tham gia vào quá trình cắt, ngoài ra một số hạt mài vỡ tạo thành những lưỡi cắt mới

- Do hiện tượng tự mài sắc cũng như không thể chủ động thay đổi được hình dáng và vị trí của hạt mài trong đá mài cho nên việc nghiên cứu và điều khiển quá trình mài gặp nhiều khó khăn, các quy luật của quá trình mài chưa được nghiên cứu toàn diện

Do những đặc điểm trên, đặc biệt là khả năng gia công các vật liệu có độ cứng và độ bền cao cho độ chính xác và độ nhẵn bóng bề mặt cao nên phương pháp mài có vị trí quan trọng trong gia công cơ khí hiện đại Mặc dù được sử dụng cả trong gia công thô nhưng chỉ trong gia công tinh thì những ưu thế của phương pháp mài mới thực sự được phát huy, vì vậy mài thường được chọn là nguyên công gia công tinh lần cuối các bề mặt Trong tổng số máy công cụ, máy mài chiếm đến 30%, còn trong một số ngành đặc biệt như chế tạo vòng bi máy mài chiếm đến 60% [1]

Ngày nay, cùng với sự phát triển của ngành chế tạo máy, những loại vật liệu có tính năng cơ học cao, khó gia công ngày càng được sử dụng rộng rãi Những đòi hỏi

về độ chính xác và chất lượng gia công ngày càng cao thì mài càng được quan tâm nghiên cứu và sử dụng rộng rãi hơn bất kỳ một dạng gia công cơ nào khác Do đó mài luôn được nghiên cứu và mở rộng

b Khả năng công nghệ của mài

Mài có thể gia công được hầu hết các dạng bề mặt: Mặt trụ ngoài, mặt trụ trong, mặt phẳng, mặt định hình v.v

Ngoài ra mài còn có khả năng gia công được những chi tiết khó định vị và kẹp chặt như: Xéc măng, viên bi v.v

Mài có khả năng đạt độ chính xác và độ nhẵn bóng bề mặt cao: Khi mài tinh có thể đạt cấp chính xác 5 - 6, nhám bề mặt Ra = 0,1 - 0,2 m Mài có khả năng gia công được hầu hết các loại vật liệu nhất là các loại vật liệu mới có cơ lý tính cao (độ bền, độ cứng, độ chịu nhiệt, chịu mài mòn) Lĩnh vực ứng dụng khác mà không có phương pháp nào cạnh tranh được với mài là trong gia công tạo hình các loại vật liệu đặc biệt cứng hoặc đặc biệt giòn Trong sản xuất các chi tiết thép tôi như dụng cụ cắt, ổ lăn

mài có thể gia công khá dễ dàng trong khi các phương pháp gia công truyền thống khác gặp khó khăn Vì vậy mài ngày càng được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng

c Quá trình tạo phoi khi mài

Các hạt mài có độ cứng tế vi cao hơn nhiều so với độ cứng của vật liệu chi tiết gia công Các hạt mài có đặc điểm là rất giòn nên trong quá trình cắt, chúng thường vỡ vụn thành nhiều mảnh có hình dáng bất kỳ và nhiều cạnh sắc Các hạt mài được phân

bố trong chất dính kết ngẫu nhiên Do có nhiều lưỡi cắt có hình dáng bất kỳ và các lưỡi cắt luôn thay đổi trong quá trình mài nên việc theo dõi hình dáng của từng lưỡi

cắt phải mất rất nhiều công sức

Để có thể hiểu được hình dáng của một lưỡi cắt, chúng ta cần xác định mặt cắt của dao bằng thống kê Sau đó mô tả hình dáng, kích thước của hạt mài một cách trung bình Trên (hình 1 2) là hai mặt cắt đặc trưng của hạt mài

Hình (1.2a) mô tả mặt cắt trung bình của lưỡi cắt tương tự khi gia công bằng dao có lưỡi cắt xác định (tiện, phay ) Lưỡi cắt có hình dạng là cung tròn có bán kính

cắt với chiều dày cắt phoi az Độ sắc của lưỡi s được định nghĩa như sau:

này tương tự ma sát trên mặt sau của dao tiện (hình 1.2 c)

Các nghiên cứu đều cho rằng, các lưỡi cắt chỉ bền vững khi 00

Quá trình tạo phoi khi mài được mô tả trên hình 1.3 [10]

Hình 1.3 Quá trình tạo phoi khi mài

Do mũi dao có bán kính và do góc ăn tới của lưỡi cắt nhỏ nên giai đoạn đầu

không tạo phoi mà vật liệu gia công bị biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, bị đẩy sang hai bên của lưỡi cắt hoặc chảy qua mặt dưới của lưỡi cắt sang mặt sau của hạt mài

Khi lưỡi cắt tiếp tục ăn sâu vào chi tiết thì chiều dày phoi az tương ứng với chiều sâu vết cắt t và lúc này bắt đầu tạo phoi Tiếp theo là quá trình tạo phoi, dồn

ép kim loại gây biến dạng dẻo, biến dạng đàn hồi xảy ra đồng thời

Do vậy, chiều dày phoi thực tế a’z nhỏ hơn chiều sâu cắt thực tế t

Thời gian của mỗi giai đoạn trong quá trình tạo phoi là rất ngắn do quá trình tạo phoi xảy ra rất nhanh, khoảng từ 0,001 - 0,005 (s)

Các nghiên cứu cho thấy rằng az', t phụ thuộc vào hình dáng hình học của lưỡi cắt, vào góc tác dụng , vào vận tốc cắt vd Ngoài ra a’z còn phụ thuộc vào các

yếu tố khác như: Các thành phần của lực cắt, vào cơ lý tính của vật liệu gia công Khi

lưỡi cắt bị mòn ( lớn), góc nhỏ thì biến dạng vật liệu tăng lên mặc dù t lớn nhưng

a’z vẫn nhỏ Khi tăng vc có ma sát giữa lưỡi cắt và bề mặt mài thì a’z tăng

Vd

Phần nhô lên của vật liệu

i i

P

1

1.1.2 Lực cắt khi mài

Lực cắt tác dụng vào từng hạt mài trong quá trình cắt (hình 1.3) đƣợc chia

làm hai thành phần: Lực tiếp tuyến Ptt và lực Phk [10]

Gọi là hệ số lực cắt (1.2)

Khi cắt, ở giai đoạn chƣa tạo phoi (giai đoạn I,II hình 1.3), thành phần lực

Phk sẽ ép lƣỡi cắt vào bề mặt chi tiết do Phk có trị số lớn hơn rất nhiều so với Ptt

( nhỏ) Khi quá trình tạo phoi xảy ra thì Ptt tăng lên ( tăng) Lúc này Ptt gồm hai

thành phần: Lực ma sát và lực tạo phoi

Qua nghiên cứu vết cắt, chiều sâu cắt không có biến dạng t và chiều dày phoi

thực tế az' có thể rút ra một số kết luận sau:

- Khi bán kính mũi dao nhỏ hoặc ma sát giữa dao và bề mặt gia công lớn

thì quá trình tạo phoi xảy ra sớm

- Khi lớn và ma sát nhỏ thì quá trình dồn ép kim loại sẽ kéo dài, quá trình

tạo phoi xảy ra muộn

Các hạt mài tạo ra phoi nhỏ, mảnh nên lực cắt do các hạt mài phát sinh nhỏ

Tuy nhiên khi mài có nhiều hạt đồng thời tham gia cắt nên tổng lực cắt của

1 2 2

1 2

3 2

.

2

60

k

k

k k

ct d

ct

D d

d D l

t v

v

v P

x y z

Px - Thành phần lực dọc theo phương chạy dao

Thường Py (1,5 3).Pz ; Px thường rất bé so với Pz nên thường bỏ qua

Thành phần lực tiếp tuyến Pz được tính theo công thức :

(N) (1.5)

Trong đó A và k là các hệ số mũ xác định bằng thực nghiệm và phụ thuộc

vào điều kiện gia công cụ thể Từ (1.5) ta thấy: Lực Pz phụ thuộc vào tất cả các yếu tố

khi mài trong đó vd và Sd có ảnh hưởng lớn nhất tới lực Pz Chiều sâu cắt thực tế t

ảnh hưởng tới Pz ít hơn Khi tăng vd và độ hạt lực Pz giảm

Khi mài tỷ số lực cắt K được xác định theo biểu thức:

(1.6)

Hệ số lực cắt K biểu thị tương quan ma sát tại vùng tiếp xúc giữa lưỡi cắt

và chi tiết gia công

y

z

P P K

1.1.3 Nhiệt cắt khi mài

Năng lượng và nhiệt cắt phân bố trong quá trình cắt như hình 1.4 [10]

Hình 1.4 Nhiệt và sự phân bố năng lượng khi mài

Khi mài do các lưỡi cắt bị mòn (hoặc do có lớn) nên năng lượng tiêu hao chủ yếu là do ma sát giữa mặt sau của dao với bề mặt gia công, do dồn ép gây biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo bề mặt chi tiết và biến thành nhiệt

Nhiệt sinh ra do năng lượng cắt và ma sát giữa phoi và mặt trước của dao Nguồn nhiệt sinh ra khi mài được truyền vào chi tiết, phoi, dụng cụ và môi trường

Nhiệt truyền vào chi tiết chiếm tỷ lệ rất lớn trong tổng lượng nhiệt sinh ra Nhiệt này làm thay đổi tổ chức tế vi của bề mặt chi tiết theo hướng không có lợi hoặc làm ôxy hóa bề mặt tùy theo thời gian tác động của nhiệt

Một phần nhiệt truyền vào dụng cụ Nhiệt này sẽ làm suy giảm độ cứng, suy giảm tính cắt của các hạt mài và suy giảm tính năng của chất dính kết Ngoài ra nguồn nhiệt này còn thúc đẩy các tương tác hóa học xảy ra trong vùng cắt

Chất kết dính

Phoi

Ma sát phoi Năng lượng cắt

) (

5 0

5 0

C c

v l p k

Bảng 1 1 Hệ số truyền nhiệt của vật liệu phụ thuộc vào hàm lượng hợp kim [4]

Nhiệt độ mài Tm có thể xác định theo công thức sau [3], [4]:

( 1.7) Trong đó:

- Hệ số truyền nhiệt của vật liệu gia công (Kcal/cm.g.độ)

- Khối lượng riêng của vật liệu gia công

c - Nhiệt dung của vật liệu gia công

Phương trình (1.7) cho thấy nhiệt độ mài phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Chế

độ cắt, vật liệu gia công, vật liệu hạt mài, chất dính kết, độ xốp của đá mài, dung

dịch trơn nguội và phương pháp tưới nguội

Tỷ lệ các nguyên tố hợp kim trong vật liệu là yếu tố ảnh hưởng quyết định

đến hệ số truyền nhiệt của vật liệu Những vật liệu có số lượng và hàm lượng nguyên

tố hợp kim cao thì hệ số truyền nhiệt thấp Khi mài những loại vật liệu này nhiệt lan

truyền chậm làm cho nhiệt độ vùng mài tăng cao, bề mặt chi tiết mài dễ bị cháy, nứt

(bảng 1.1)

a c m

em

k k k

21

Khác với các phương pháp cắt gọt khác, khi mài bằng đá thường nhiệt độ mài chủ yếu truyền vào chi tiết gia công (65% 84%), phần còn lại truyền vào đá mài (11% 12%), vào dung dịch trơn nguội (4% 13%) và vào phoi không đáng kể (3% 7%) [4]

Để giảm nhiệt độ mài có thể dùng các biện pháp sau:

- Giảm bớt chế độ cắt

- Dùng dung dịch trơn nguội và các biện pháp tưới nguội tiên tiến

- Sử dụng những loại đá mài có bề mặt làm việc không liên tục, đá mài độ xốp cao

- Không mài khi đá quá mòn Dùng những vật liệu hạt mài có khả năng cắt gọt cao

1.1.4 Công suất cắt khi mài

Công suất mài có thể xác định theo công thức:

d z P

Mặc dù lực cắt khi mài thường nhỏ (vì tiết diện phoi cắt bé) nhưng công suất mài lại lớn do tốc độ cắt khi mài rất cao (thường d 30m/s )

1.1.5 Rung động khi mài

Rung động khi mài gồm hai loại rung: Rung động cưỡng bức và tự rung Các tác giả [11], [14] .cho rằng nguyên nhân của rung động cưỡng bức là do các bộ phận quay của hệ thống công nghệ như trục chính, puly, đá, rô to của động cơ không cân bằng gây ra

Tự rung phức tạp hơn nhiều so với rung động cưỡng bức và đã có nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề này Theo các tác giả [14] thì tự rung xảy ra do hiện tượng không ổn định khi cắt gây ra sự thay đổi lực cắt mà những nguyên nhân chính là: Biến dạng đàn hồi cục bộ của đá và phôi, mòn đá không đều, hiện tượng tự mài sắc của đá mài, dao động xoắn của chi tiết gia công

Tự rung sẽ giảm và ổn định [14] nếu thỏa mãn điều kiện:

(1.9)

Trong đó:

R - Đặc tính động lực học của máy; R em = 1 10 (giới hạn dưới cho máy chống rung tốt, giới hạn trên cho máy chống rung kém)

km - Độ cứng tĩnh của máy

kc/b - Độ cứng cắt trên đơn vị chiều rộng mài; kc/b = 2 10 KN/mm2

ka/b - Độ cứng tiếp xúc trên đơn vị chiều rộng mài; ka/b = 1 10 KN/mm2

Sự phối hợp đá mài - phôi có ảnh hưởng quyết định tới kc và ka Khi mài vật liệu khó gia công thì lực cắt lớn, tức là kc lớn và rung động lớn hơn, nếu giảm độ cứng đá sẽ làm giảm kc và ka

Như vậy đối với đá mài, đá mài nào có độ cứng lớn hơn, lực cắt nhỏ hơn, ít mòn, mòn đều và ít xảy ra hiện tượng tự mài sắc thì ít rung động và ổn định hơn, khả năng cắt gọt sẽ cao hơn

- Kim loại dính vào các hạt mài rồi lại dính trở lại bề mặt phôi

- Các hạt mài bị vỡ làm cho quá trình cắt dừng đột ngột tạo ra vết lồi lõm trên bề mặt mài đồng thời tạo ra ứng suất tập trung

- Các vết nứt trên bề mặt mài do nhiệt mài

Các biện pháp làm giảm độ nhám bề mặt mài gồm:

- Biến dạng đàn hồi theo phương hướng kính của đá mài và việc chà sát đỉnh mòn của các hạt mài

- Sử dụng thành phần dung dịch trơn nguội phù hợp

- Có công nghệ tưới nguội hợp lý

Hình 1.6 Ảnh SEM bề mặt mài [14]

Độ nhám bề mặt mài chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố:

- Sự hình thành nhám bề mặt trước hết là do in dập quỹ đạo chuyển động của các hạt mài, vết của các hạt mài tạo ra biên dạng hình học tế vi trên bề mặt gia công

Chế độ cắt ảnh hưởng tới quỹ đạo chuyển động của các hạt mài vì vậy ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt mài: Tăng Sd, vct làm tăng chiều sâu cắt az của các hạt mài,

do đó độ nhám bề mặt tăng; tăng tốc độ cắt Vđ làm tăng sự "xếp chồng" đường cắt của các hạt mài nên chiều sâu cắt az giảm dẫn đến độ nhám bề mặt mài giảm nhiều Ngoài ảnh hưởng trực tiếp như trên, chế độ cắt còn ảnh hưởng gián tiếp đến độ nhám bề mặt qua các yếu tố:

- Biến dạng đàn hồi của đá, của vật liệu gia công, nhiệt cắt và rung động (vì nhiệt cắt, rung động tăng thì nhám bề mặt tăng

- Độ hạt và chế độ sửa đá (Ssđ, tsđ) có ảnh hưởng tương tự nhau đến nhám bề mặt mài: Hạt mài có kích thước lớn hơn, sửa đá thô hơn dẫn đến độ nhám bề mặt tăng

V ct

- Rung động làm tăng độ nhám bề mặt khi mài

- Mức độ biến dạng dẻo của vật liệu càng lớn thì độ nhám bề mặt càng cao: Khi mài vật liệu dẻo, dai cho độ nhám bề mặt cao hơn so với mài vật liệu cứng, giòn

- Nhiệt độ ở vùng mài càng cao thì vật liệu gia công ở lớp bề mặt càng biến dạng dẻo mạnh đồng thời còn có thể gây cháy, nứt bề mặt: Công nghệ tưới nguội, hệ

số truyền nhiệt của vật liệu gia công và của đá mài ảnh hưởng tới nhiệt độ ở vùng mài qua đó ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt mài

b Sóng bề mặt

Rung động trong quá trình mài là nguyên nhân chủ yếu gây ra độ sóng của bề mặt mài Nếu hệ thống công nghệ có rung động thì trên bề mặt mài sẽ hình thành sóng dọc và sóng ngang với bước sóng khác nhau (từ vài phần mười milimet đến vài milimet) Rung động trong quá trình mài chủ yếu phụ thuộc vào độ cứng vững của

hệ thống công nghệ, ngoài ra còn phụ thuộc vào độ cân bằng và hiện tượng tự mài sắc của đá mài

Độ sóng dọc sẽ tăng nếu lực cắt tăng Bước sóng dọc theo phương mài có thể xác định theo công thức:

(1.10) Trong đó:

Vct - Tốc độ chi tiết gia công

c Tính chất cơ lý lớp bề mặt

Nhiệt độ mài rất lớn làm thay đổi cấu trúc lớp kim loại bề mặt mài Kiểm tra kim tương bề mặt mài thép đã tôi trên (hình 1.7) cho thấy [13], [14]:

2 / 1 4 / 1 4 / 1

- Lớp 3 được nung nóng ở điểm AC1 nên lớp 3 được ram lại

- Lớp 4 bị nung nóng nên thể tích tăng nhưng không đầy đủ (vì có liên kết với lớp 5)

u0, b - Các hệ số thực nghiệm

B - Bề rộng mài

De - Đường kính tương đương của đá mài

Vct, t - Vận tốc chi tiết và chiều sâu mài

d Cấu trúc tế vi lớp bề mặt

Lực cắt khi mài không lớn so với các phương pháp cắt gọt khác nhưng do tốc

độ cắt cao, góc cắt của các hạt mài không thuận lợi cho điều kiện cắt gọt, sự tham gia cắt gọt của nhiều hạt mài và sự ma sát, cào miết của các hạt mài không cắt gọt làm cho nhiệt phát sinh trong vùng tiếp xúc giữa đá mài và chi tiết gia công rất lớn (1000 ÷ 1500oC) Nhiệt cắt khi mài lớn làm biến dạng mạng tinh thể của vật liệu

Kiểm tra kim tương bề mặt mài của các loại thép đã tôi cho thấy có sự thay đổi cấu trúc, lượng ôstenit dư tăng lên chứng tỏ trong quá trình mài có sự tôi lại lần hai

Sự thay đổi cấu trúc lớp bề mặt chỉ xảy ra với các loại thép đã tôi cứng còn với những loại thép chưa tôi, cấu trúc lớp bề mặt không thay đổi Với bề mặt mài của thép đã tôi thì lớp ngoài cùng là lớp tôi lại có độ cứng giảm đi và có cấu trúc ôstenit và mactenxit tôi, lớp tiếp theo là lớp ram lại có cấu trúc trustit và mactenxit, lớp trong cùng có cấu trúc của lớp kim loại tôi ban đầu [4]

Trong trường hợp mài với chế độ cắt lớn, đá bị cùn thì cháy sẽ xuất hiện ở bề mặt mài làm giảm độ cứng lớp kim loại bề mặt (từ 60 ÷ 65 HRC xuống còn 45 ÷ 55 HRC) đồng thời xuất hiện vết nứt trên bề mặt mài [4]

đ Ứng suất dư lớp bề mặt

Quá trình chuyển biến về cấu trúc của lớp kim loại bề mặt mài do nhiệt cắt cũng đồng thời làm xuất hiện ứng suất dư ở lớp kim loại bề mặt Ứng suất dư hình thành trong quá trình mài do 3 tác động sau:

- Sự co, dãn vì nhiệt

- Sự biến đổi pha do nhiệt độ mài cao

- Biến dạng dẻo gây ra do sự tác động qua lại của đá mài và phôi

Theo [8] các yếu tố ảnh hưởng tới ứng suất dư trong lớp bề mặt mài gồm:

- Điều kiện cắt (chiều sâu cắt, vận tốc đá, vận tốc chi tiết gia công)

- Topography của đá mài (chế độ sửa đá, trạng thái mòn)

- Đặc điểm của đá mài (loại và kích thước hạt mài, cấu trúc đá, độ cứng đá

và loại chất dính kết)

- Chế độ bôi trơn

Sự khác nhau về đặc điểm và topography của đá ảnh hưởng đáng kể đến sự sinh nhiệt dẫn đến sự khác nhau về ứng suất dư Vì tính chất nhiệt và tính chất cơ học của CBN tốt hơn của Al2O3, sự phân chia năng lượng nhiệt vào chi tiết gia công khi sử dụng đá CBN thấp nên hư hại do nhiệt giảm, cháy rất ít xuất hiện và ứng suất dư sinh ra chủ yếu là ứng suất dư nén [15], [16], [17]

Sự tồn tại ứng suất dư bên trong chi tiết ảnh hưởng lớn đến chất lượng làm việc của chi tiết Nếu trên bề mặt vật mài có lớp ứng suất dư nén thì chất lượng bề mặt chi tiết tốt, tăng độ bền mỏi của chi tiết Ngược lại nếu trên bề mặt chi tiết gia công có nhiều lớp ứng suất dư kéo, chất lượng bề mặt chi tiết gia công giảm, dễ gây ra nứt và chi tiết có thể bị phá hủy đột ngột

1.2 Mài các bề mặt định hình

1.2.1 Yêu cầu kỹ thuật của các chi tiết định hình

Các chi tiết định hình gia công trên máy mài phẳng hay máy mài tròn cần phải đạt được các yêu cầu sau :

- Đảm bảo độ chính xác về kích thước

- Đạt độ đồng tâm giữa các bề mặt định hình với đường tâm chi tiết

- Đảm bảo độ sai lệch về hình dạng hình học, độ côn, độ ôvan trong phạm vi cho phép

- Độ nhẵn bóng bề mặt

1.2.2 Các phương pháp mài định hình

a Mài bề mặt có biên dạng cong bằng đá mài định hình

Đá mài được sửa đặc biệt để tạo ra các bề mặt có hình dạng tương ứng như sản phảm mài Biên dạng của chi tiết gia công ngược lại với biên dạng của đá mài Phương pháp này được áp dụng trong gia công các sản phẩm như khi mài các rãnh thẳng hay mài ren

Mài định hình rãnh thẳng : Các chi tiết có rãnh thẳng với biên dạng rãnh hình tròn, rãnh hình vuông hay rãnh hình thang cần độ chính xác và độ bóng bề mặt cao thực hiện trên máy mài phẳng Sau khi sửa đúng biên dạng của đá theo biên dạng

của rãnh cần mài, đá mài được lắp trên trục chính của máy, còn chi tiết được gá trên bàn từ Việc điều chỉnh máy mài phẳng được thực hiện như mài mặt phẳng

Mài ren : Mài ren được thực hiện trên máy mài ren chuyên dùng, để nâng cao

độ chính xác của ren đã được gia công như ren của ta rô, ren của dưỡng, trục cán ren, trục vít đã được nhiệt luyện Mài ren được thực hiện theo các phương pháp sau: Mài ren bằng đá một đầu mối và mài ren bằng đá có nhiều đầu mối theo phương pháp tiến đá ngang và mài theo phương pháp tiến dọc

b Mài chép hình

Mài chép hình là phương pháp gia công tinh theo biên dạng chi tiết mẫu trên các máy mài chuyên dùng thường được áp dụng khi mài răng: Các loại bánh răng sau khi được gia công bằng phương pháp phay bao hình, chép hình, để nâng cao độ chính xác, chất lượng của bánh răng sau khi phay và nhiệt luyện, người ta tiến hành mài răng trên máy mài chuyên dùng Mài răng có thể thực hiện theo phương pháp chép hình hoặc phương pháp bao hình

c Mài theo theo contuor

Phương pháp này có thể gia công các chi tiết có biên dạng phức tạp mà nhiều khi phương pháp mài chép hình không gia công được hoặc khó gia công Thường được áp dụng trong gia công khi mài định hình mặt tròn xoay Phương pháp này được thực hiện trên máy mài tròn vạn năng hoặc máy mài vô tâm Trên máy mài tròn vạn năng thực hiện gia công chi tiết được gá trên mâm cặp hoặc chi tiết dài gá trên hai mũi tâm Đá mài được sửa đúng hình dạng lồi hoặc lõm tương ứng với mặt định hình cần mài, việc gá lắp và điều chỉnh máy mài tương tự như mài chi tiết hình trụ trên máy mài tròn

1.2.3 Các khó khăn khi mài bề mặt định hình

tính chất vật liệu gia công, chế độ cắt

1.3.1 Khái quát về các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực mài

Do mài có vị trí quan trọng trong ngành chế tạo máy ( Đặc biệt là trong gia công tinh) và do những đặc điểm riêng biệt của quá trình cắt khi mài mà việc nghiên cứu điều khiển quá trình mài gặp nhiều khó khăn Chính vì vậy mà đã có rất nhiều công trình nghiên cứu khác nhau trong lĩnh vực mài đã được công bố và đã ứng dụng có hiệu quả vào thực tế sản xuất Tuy nhiên đến nay vẫn còn nhiều vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện

* Trên thế giới:

- Ảnh hưởng của cỡ hạt đến đặc tính của quá trình mài vật liệu Al/SiCpMMC bằng

đá mài kim cương được B.Anand Ronald, K.Sasikanth, L.Vijayaraghavan and R.Krishnamurthy nghiên cứu [18]

- Đặc tính cơ học và hiệu suất mài của hạt mài đa tinh thể CBN được Yoshio Ichida nghiên cứu [19]

- Thuật toán di truyền đa đối tượng áp dụng cho tối ưu hóa (TƯH) quá trình mài phẳng được R Soravanan, P Asokan, M Sachidanandam nghiên cứu [20]

- Tối ưu hóa các thông số của quá trình mài sử dụng phương pháp liệt kê được R Gupta, K.S Shishodia, G.S Sekhon nghiên cứu [21]

- Mài điện hóa cho vật liệu gốm được T.M.A Maksoud, A.J Brooks nghiên cứu [22]

- Nâng cao chất lượng bề mặt và các thuộc tính ma sát sử dụng phương pháp đánh bóng bằng bi thép được N.S.M El-Tayeb, K.O Low, P.V Brevern nghiên cứu [23]

- Những nghiên cứu mô hình hóa quá trình mài bằng phần tử hữu hạn (FE) được D.A Doman, A Warkentin, R Bauer nghiên cứu

* Ở Việt Nam:

Có nhiều công trình nghiên cứu về mài được kể đến như : Ảnh hưởng của các thông số công nghệ sửa đá đến tuổi bền của đá mài khi mài tròn ngoài được tác giả [2] nghiên cứu Nghiên cứu tối ưu hóa các thông số của quá trình mài là một trong những hướng nghiên cứu thu hút nhiều nhà nghiên cứu trong nước Nghiên cứu tối ưu các thông số công nghệ của quá trình mài điện hoá bằng đá mài kim cương khi gia công hợp kim cứng được nghiên cứu bởi tác giả [8] Nghiên cứu quá trình mòn của đá mài

và ảnh hưởng của nó đến chất lượng bề mặt chi tiết khi mài phẳng được tác giả [7] nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi mài phẳng cũng đã được khảo sát

1.3.2 Định hướng nghiên cứu

- Hiện nay các loại thép có độ cứng cao được sử dụng rất nhiều trong ngành

cơ khí, đặc biệt trong ngành Dược phẩm thì loại vật liệu này

Mà yêu cầu rất quan trọng đối với chính xác

bề mặt

- Sử dụng máy CNC, hiện nay máy Tiện, phay CNC được sử rất rộng rãi trong sản xuất cũng như học tập nhưng máy mài CNC các cơ sở sản xuất và các trường dạy nghề chưa có nhiều

- Mở rộng khả năng công nghệ máy phay CNC để mài định hình theo

Contuor trên máy CNC ( Chế tạo đồ gá để lắp đá trên trục chính máy phay CNC)

Kết luận Chương 1: Xuất phát từ những đặc điểm và tình hình trên, và nhu cầu sử

dụng thực tế của trường Cao đẳng nghề Cơ điện Phú Thọ cũng như nhu cầu sản xuất

khi chưa có máy mài CNC tác giả chọn đề tài: " Nghiên cứu ứng dụng công nghệ

mài bề mặt định hình trên máy phay CNC sử dụng đá mài CBN", là cần thiết có ý

nghĩa khoa học và thực tiễn

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÀI BẰNG ĐÁ

CBN ĐỂ GIA CÔNG CÁC MẶT ĐỊNH HÌNH 2.1 Đặc tính của đá mài CBN

Bên cạnh các loại vật liệu hạt mài thông thường như: Ôxit nhôm, cacbit silic, cacbit Bo, sự ra đời của vật liệu hạt mài siêu cứng CBN đã góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cho nguyên công mài nhất là khi mài vật liệu khó gia công Vật liệu CBN có độ cứng chỉ sau kim cương và khả năng chịu nhiệt đến 13710C

Do có độ cứng cao và độ dai va đập lớn, đá mài làm bằng CBN có khả năng duy trì dung sai rất nhỏ, quá trình cắt ổn định tạo ra chất lượng bề mặt gia công cao

và ổn định Ngoài ra, đá mài CBN còn có khả năng lấy đi lượng dư đều đặn trên bề mặt của chi tiết gia công mà không cần bù độ mòn của đá mài Hạt mài CBN được coi là loại vật liệu hạt mài tốt nhất hiện nay (the superabrasive) ứng dụng cho việc mài thép

Sự ưu việt của hạt mài CBN thể hiện ở một số đặc tính chính là: Độ cứng, độ chịu mài mòn, độ bền nén, tính dẫn nhiệt, lực cắt những đặc tính này rất cần thiết khi mài các vật liệu siêu cứng và mài ở tốc độ tách bỏ vật liệu cao [6]

2.1.1 Độ cứng

Vật liệu CBN có độ cứng cao theo mọi hướng do sự định hướng ngẫu nhiên của các tinh thể CBN Hình 2.1 là đồ thị biểu diễn độ cứng của các loại hạt mài [6]

Hình 2.1 Đồ thị biểu diễn độ cứng của các loại hạt mài [6]

Đá mài kim cương và đá mài CBN có nhiều tính chất tương tự nhau nhưng chúng có các ứng dụng khác nhau Do kim cương có thành phần cơ bản là Cacbon nên chúng phản ứng với sắt trong thép, khi làm việc ở tốc độ cao, lượng nhiệt phát

sinh lớn, ái lực của thép với cacbon tăng nhanh, các phân tử cacbon bị hút vào thép làm cho kim cương bị ăn mòn Mặt khác ở nhiệt độ 600 ÷ 7000C khi kim cương tiếp xúc với không khí sẽ bị ăn mòn do quá trình ôxy hóa Do đó ngày nay đá mài CBN được coi là dụng cụ hảo hạng trong việc mài các vật liệu chứa sắt vì nó ổn định đến

Hình 2.2 So sánh tính chống mài mòn của đá CBN với các vật liệu khác nhau [16]

2.1.3 Tính dẫn nhiệt

Một nhược điểm cơ bản khi mài bằng đá mài thông thường là ảnh hưởng của nhiệt cắt tới chất lượng lớp bề mặt lớn và tạo ra ứng suất dư kéo làm giảm độ bền mỏi của chi tiết máy Đá mài CBN có tính dẫn nhiệt tốt, tính chất này cho phép

nhiệt tỏa ra nhanh, nhất là khi mài các vật liệu cứng, vật liệu dai và ở tốc độ loại bỏ kim loại cao [6]

Bảng 2.1 Một vài số liệu về hệ số dẫn nhiệt của đá mài CBN và Al203 [24]

Vật liệu hạt mài Tài liệu trích dẫn Hệ số dẫn nhiệt

( W/mK )

Al203

Takazawa Ramachandran et al

15 16.7

27

35

46 3.1 5.3

CBN

De Vries Lavine and Jen Gardinier Rowe et al

Rowe et al

Kumar Hiroshi and Kishi Shaw and Ramanath Bailey

- Phương pháp nghiên cứu khác nhau (lý thuyết hay thực nghiệm)

- Việc đo nhiệt độ trong quá trình mài rất phức tạp nên kém chính xác

- Độ tinh khiết của vật liệu hạt mài khác nhau

Bảng 2.2 Hệ số dẫn nhiệt lý thuyết và thực nghiệm của đá CBN và Al203 [24]

Al203 CBN Al203 CBN Al203 CBN Al203 CBN 0,017 566.66 113.34 535.25 127.65 526.64 127.56 514.62 142.08 0,024 654.9 226.76 622.5 240.56 606.15 237.91 606.15 237.91 0,035 845.29 183.19 792.36 196.14 777.71 195.52 638.86 219.74 0,031 1,004.81 263.22 927.09 278.12 921.4 273.38 777.12 272.60

Bảng 2.3 Nhiệt độ khi mài khô bằng đá mài Al203 và CBN [25]

Chiều

sâu mài

(mm)

Nhiệt độ mài ( 0 C)

Al203 CBN Al203 CBN Al203 CBN Al203 CBN 0,0127 254.83 113.34 249.66 127.65 245.65 127.56 327.67 101.07 0,0254 441.16 197.08 427.48 211.37 416.26 209.03 416.26 209.03 0,0305 418.52 208.21 400.55 220.55 393.15 219.86 498.82 229.70 0,0381 682.09 240.23 651.62 255.37 630.65 252.01 630.65 261.86

Bảng 2.4 Nhiệt độ khi mài ướt bằng đá mài Al203 và CBN [25]

Từ các số liệu trên ta có nhận xét: Do hệ số dẫn nhiệt của đá mài CBN lớn nên nhiệt độ khi mài bằng đá mài CBN thấp hơn nhiều so với mài bằng đá mài thông thường (nhiệt độ khi mài khô bằng đá CBN thấp hơn cả khi mài ướt bằng đá Al203) điều đó làm giảm đáng kể hư hỏng bề mặt gia công do nhiệt Cũng do có

nhiệt độ mài thấp nên đá mài CBN còn được ứng dụng nhiều để mài khô

2.1.4 Độ bền nén

Độ bền nén của vật liệu là ứng suất cực đại mà khi nén vật liệu có thể chịu được trước khi bị phá hủy Độ bền nén cao của các tinh thể CBN làm cho các hạt mài CBN chịu được các lực lớn phát sinh trong quá trình cắt và các va đập xảy ra do cắt gọt gián đoạn Đặc tính này làm tăng tuổi bền và hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của đá mài CBN

2.1.5 Lực cắt

Với đá mài CBN, sau khi hiệu chỉnh và sửa đá, lực cắt ban đầu rất lớn nhưng sau đó giảm liên tục đến giá trị ổn định (hình 2.3)

Hình 2.3 Lực cắt khi mài thép ổ lăn AISI 52100 bằng đá CBN [26]

Quan sát ảnh SEM bề mặt đá cho thấy nguyên nhân là do sau khi sửa đá các hạt mài nhô ra ít gây ra lực cắt cao, trong quá trình mài chất dính kết bị mòn làm cho các hạt mài nhô ra nhiều hơn nên lực cắt giảm Qiang Liu và một số tác giả đã nghiên cứu lực cắt khi mài bằng các loại đá khác nhau, kết quả:

- Khi mài tinh (với chiều sâu cắt t = 0,05 mm) đá mài CBN cho lực cắt nhỏ hơn các loại đá mài khác còn khi mài thô (với chiều sâu cắt t = 2 mm) thì ngược lại (hình 2.4) [13] Như vậy, đá mài CBN chỉ phát huy hiệu quả kinh tế - kỹ thuật khi mài tinh

- Khi mài bằng đá mài CBN, thành phần lực cắt pháp tuyến nhỏ hơn khi mài