Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi mài đến chất lượng bề mặt chi tiết mài

Khi gia công các loại vật liệu này để tạo ra các chi tiết máy có chất lượng bề mặt, độ chính xác, năng suất… cao là rất khó khăn nếu sử dụng các phương pháp gia công lần cuối là tiện, ph

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TS TRƯƠNG HOÀNH SƠN

Hà Nội – Năm 2011

MỤC LỤC

Trang Trang phụ bìa

Lời cam đoan

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÀI VÀ QUÁ TRÌNH MÀI 7

1.1 Tổng quan về công nghệ mài 7

1.1.1 Nghiên cứu về quá trình mài 7

1.1.2 Tình hình nghiên cứu công nghệ mài trong nước và thế giới 9

1.2 Các đặc trưng cơ bản của quá trình mài 11

1.2.1 Khả năng công nghệ của mài .11

1.2.2 Các phương pháp mài cơ bản 11

1.2.3 Bản chất của quá trình mài phẳng 13

1.2.3.1 Chế độ cắt khi mài phẳng 16

1.2.3.2 Biến dạng dẻo khi mài .17

1.2.3.3 Ứng suất dư khi mài phẳng .19

1.2.3.4 Hình học và động học quá trình mài 20

1.3 Nội dung nghiên cứu đề tài 21

1 3.1 Mục đích đề tài 21

1.3.2 Nội dung nghiên cứu của đề tài .23

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu 23

1.3.4 Ứng dụng của đề tài .23

1.3.5 Giới hạn của đề tài .23

1.4 Kết luận 24

CHƯƠNG II: NHÁM BỀ MẶT KHI MÀI PHẲNG VÀ MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHI MÀI PHẲNG 26

2.1.Các thông số đặc trưng cho chất lượng của quá trình mài 26

2.1.1 Độ chính xác khi mài .26

2.1.2 Chất lượng bề mặt vật mài khi mài phẳng .27

2.1.2.1 Độ sóng bề mặt .27

2.1.2.2 Tính chất cơ lý của lớp kim loại bề mặt 28

2.1.2.3 Độ nhám bề mặt .29

2.2 Động học hình thành nhám bề mặt khi mài phẳng .29

2.2.1 Định nghĩa 29

2.2.2 Động học hình thành nhám .30

2.3 Lực cắt và năng lượng cắt riêng khi mài 32

2.3.1 Tương tác trong vùng mài 32

2.3.2 Lực cắt khi mài 35

2.3.3 Năng lượng cắt riêng 35

2.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt khi mài phẳng .37

2.4.1 Ảnh hưởng của đặc tính đá mài .38

2.4.2 Ảnh hưởng của chế độ cắt 41

2.4.3 Ảnh hưởng của thời gian mài hết hoa lửa 44

2.4.4 Ảnh hưởng của chế độ sửa đá tới nhám bề mặt .46

2.4.5 Ảnh hưởng của mòn đá mài đến nhám bề mặt 47

2.5 Các mô hình cơ bản xác định nhám bề mặt .49

2.5.1 Mô hình nhám bề mặt mài lý tưởng của S.Malkin .49

2.5.2 Mô hình nhám bề mặt chi tiết thực nghiệm của S.Malkin 53

2.5.3 Xác định quan hệ nhám bề mặt mài với các thông số của quá trình mài theo mô hình của Maxlốp 55

2.5.4 Nhám bề mặt theo mô hình của Lyre và Maxlốp 56

2.5.5 Xác định nhám bề mặt thông qua tuổi bền của đá theo mô hình của Philipmonốp .58

2.6 Kết luận 58

CHƯƠNG III: MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 60 3.1 Mô hình thí nghiệm 60

3.2 Trang thiết bị thí nghiệm 60

3.2.1 Mẫu thí nghiệm 60

3.2.2 Đá mài 60

3.2.3 Máy mài phẳng 61

3.2.4 Máy đo độ nhám bề mặt 62

3.3 Trình tự thí nghiệm 63

3.3.1 Thí nghiệm ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến nhám bề mặt chi tiết 63

3.3.2 Thí nghiệm ảnh hưởng của vận tốc chi tiết đến nhám bề mặt 63

3.3.3 Thí nghiệm ảnh hưởng của thời gian mài đến mòn đá .64

3.4 Kết luận 64

CHƯƠNG IV: ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT 65

4.1 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến nhám bề mặt 65

4.2 Ảnh hưởng của vận tốc chi tiết đến nhám bề mặt 68

4.3 Ảnh hưởng của thời gian mài đến mòn đá 69

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 72

1 Kết luận chung 72

2 Hướng phát triển của đề tài 72

LỜI CẢM ƠN 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

LỜI NÓI ĐẦU Đầu thế kỷ 21, Việt Nam đã gia nhập tổ chức Thương mại thế giới WTO, vì vậy

chúng ta đã gia nhập một sân chơi mang đầy tính cạnh tranh khó khăn và khốc liệt Càng khốc liệt và khó khăn hơn đối với một số ngành mà chúng ta chậm phát triển Trong đó phải kể đến ngành cơ khí chế tạo Để nâng cao tính cạnh tranh trong quá trình hội nhập toàn cầu này, mỗi doanh nghiệp cơ khí chế tạo muốn tồn tại được cần phải phát triển theo hướng hạ thấp giá thành chi phí gia công trên cơ sở đảm bảo và nâng cao chất lượng sản phẩm Khi ưu thế về về mặt giá cả nhân công không còn là thế mạnh của doanh nghiệp trong nước thì việc nâng cao chất lượng sản phẩm trở thành một trong những yếu tố quan trọng mà các doanh nghiệp cơ khí chế tạo cần quan tâm

để nâng cao tính cạnh tranh cho sản phẩm của mình

Một trong những yếu tố quan trọng để nâng cao chất lượng của sản phẩm chính là nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công Yếu tố này nhằm tạo ra các sản phẩm, thiết bị, máy móc đạt độ chính xác cao, đảm bảo hiệu quả kinh thế kỹ thuật

Hiện nay ngành vật liệu phát triển rất mạnh mẽ cả trong và ngoài nước Đã xuất hiện một số loại vật liệu mới có cơ lý tính cao (độ bền cơ học, độ bền nhiệt, độ cứng, chịu mài mòn) và được sử dụng rộng rãi trong các máy móc thiết bị Khi gia công các loại vật liệu này để tạo ra các chi tiết máy có chất lượng (bề mặt, độ chính xác, năng suất…) cao là rất khó khăn nếu sử dụng các phương pháp gia công lần cuối là tiện, phay… Để đáp ứng đượng yêu cầu này, sử dụng phương pháp mài để gia công lần cuối cho sản phẩm là thích hợp hơn cả (chất lượng sản phẩm phụ thuộc vào phương pháp gia công tinh lần cuối)

Mài là một phương pháp gia công cơ có vị trí rất quan trọng bởi vì mài tạo ra các chi tiết máy có độ chính xác, chất lượng bề mặt, gia công được vật liệu bất kỳ mà các phương pháp gia công cắt gọt khác rất khó khăn để đạt được Không những vậy, mài còn có thể sử dụng để gia công thô mà không qua các bước gia công tạo hình Tuy

nhiên, việc nghiên cứu về phương pháp mài trong điều kiện thực tế tại Việt Nam gặp rất nhiều khó khăn, do chúng ta thiếu máy móc và thiết bị Vì vậy việc nghiên cứu phương pháp mài để góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm cơ khí một cách cụ thể và

có hiệu quả trong điều kiện ở nước ta là vấn đề cấp bách

Để giải quyết một phần nào vấn đề cấp bách trên, em đã tiến hành thực hiện luận

văn cao học với đề tài là : “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi mài đến bề mặt chi tiết mài”

Mục đích đề tài

Các kết quả của đề tài là các mối quan hệ giữa vận tốc chi tiết Vct và chiều sâu mài

t với độ nhám bề mặt chi tiết (Ra,Rz) Các kết quả này cho ta các khuyến cáo đến người

sử dụng khi quyết định chế độ cắt khi mài

Nội dung đề tài: Luận văn được trình bày trong 4 chương

- Chương 1: Chương này giới thiệu tổng quan về đá mài và quá trình mài

- Chương 2: Chương này tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết, những vấn đề cơ bản của công nghệ mài và làm rõ ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến chất lượng

bề mặt khi mài phẳng

- Chương 3: Giới thiệu các nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến

độ nhám bề mặt khi mài phẳng thép 20X có nhiệt luyện bằng cách nghiên cứu ảnh hưởng của hai thông số công nghệ là vận tốc chi tiết Vct hay lượng chạy dao dọc Sd và chiều sâu cắt t đến độ nhám bề mặt chi tiết

- Chương 4: Một số kết luận của đề tài và các đề xuất cho hướng nghiên cứu tiếp theo

Đối tượng và phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt chi tiết khi mài bằng đá Cn46CV1GV1 250x25x32 với vật liệu mài là thép 20X có nhiệt luyện

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

- Đánh giá được ảnh hưởng của các thông số công nghệ (Sd, t) đến độ nhám bề mặt chi tiết khi mài phẳng với vật liệu 20X

- Kết quả có thể được sử dụng để tham khảo, áp dụng đối với nhóm sản phẩm được chế tạo từ thép 20X nhằm tạo ra được các chi tiết với chất lượng cao và giá thành

hạ

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÀI VÀ QUÁ TRÌNH MÀI

1.1 Tổng quan về công nghệ mài

Trong gia công cơ khí bằng phương pháp cắt gọt, mài là phương pháp gia công tinh, mài đóng vai trò quyết định đến chất lượng sản phẩm Tầm quan trọng của mài được thể hiện ở hai yếu tố sau:

- Mài chiếm từ 20 – 25% giá thành sản phẩm cơ khí có nguyên công mài

- Sẽ không có xã hội văn minh nếu không có mài vì hầu hết các sản phẩm cao

cấp đều phải qua mài hoặc liên quan đến quá trình mài

1.1.1 Nghiên cứu về quá trình mài

Việc ứng dụng mài là một nguyên công gia công lần cuối đã xuất hiện cách đây khoảng 2 triệu năm, khi mà những dụng cụ thời tiền sử được sản xuất bằng quá trình mài (chipping – abrade) Các hạt mài tự nhiên được sử dụng cho tới những năm 1980, khi mà quặng được phát hiện và khai thác để chế tạo Al203 và SiC

Các hạt mài nhân tạo tỏ ra có nhiều ưu điểm vượt trội so với hạt mài tự nhiên vì có thể khống chế lượng tạp chất trong đó, có thể điều khiển chất lượng của hạt mài trong quá trình sản xuất Công nghiệp sản xuất hạt mài đã điều khiển được các tính chất như kích thước hạt , độ bền của hạt phù hợp với các ứng dụng mài khác nhau

Trong Thế chiến thứ II, việc cung cấp không liên tục kim cương tự nhiên để làm đá mài đã thúc đẩy các nghiên cứu phát triển vật liệu thay thế chúng Năm 1955, rất nhiều phát kiến trong việc phát triển vật liệu mài đã đưa đến thành công, chế tạo kim cương nhân tạo Rất nhanh sau đó, Nitrit Bor lập phương (CBN – Cubic Bor Nitride) được chế tạo Kim cương và CBN nhân tạo 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,…

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật nói chung và của ngành chế tạo máy nói riêng, ngày càng có nhiều loại vật liệu mới ra đời đáp ứng các yêu cầu ngày

càng cao về cơ lý tính và các tính chất đặc biệt khác, tính gia công của các loại vật liệu này rất thấp (khó gia công), đồng thời các chi tiết có yêu cầu ngày càng cao về chất lượng cũng như độ chính xác Do vậy phạm vi sử dụng của phương pháp mài ngày càng được mở rộng

Trong ngành chế tạo máy hiện đại, mài chiếm một tỷ lệ rất lớn, máy mài chiếm khoảng 30% tổng số máy cắt kim loại Đặc biệt là trong ngành chế tạo ổ bi, nguyên công mài chiếm khoảng 60% toàn bộ quy trình công nghệ

Hình 1.1: Quá trình mài

Quá trình mài là quá trình cắt gọt của đá mài vào chi tiết, tạo ra rất nhiều phoi vụn

do sự cắt vào cào xước của các hạt mài vào vật liệu gia công Mài có những đặc điểm khác với các phương pháp gia công khác:

+ Ở đá mài, các lưỡi cắt không giống nhau và sắp xếp lộn xộn trong chất dính kết + Hình dáng hình học của mỗi hạt mài khác nhau (các góc độ, bán kính góc lượn ở đỉnh hạt mài,…), góc cắt thường lớn hơn 900, góc trước âm, do đó không thuận lợi cho quá trình tạo phoi và thoát phoi

+ Tốc độ cắt khi mài rất cao, cùng một lúc, trong thời gian ngắn có nhiều hạt mài cùng tham gia cắt và tạo ra nhiều phoi vụn

+ Độ cứng của hạt mài cao nên có thể cắt gọt được những loại vật liệu cứng mà các loại dụng cụ cắt khác không gia công được hoặc gia công rất khó khăn như thép đã tôi, hợp kim cứng,…

+ Trong quá trình cắt, đá mài có khả năng tự mài sắc Hạt mài có độ giòn cao, lưỡi cắt dễ bị vỡ vụn, tạo thành những lưỡi cắt mới hoặc bật ra khỏi chất dính kết để các hạt mài khác tham gia cắt

+ Do có nhiều hạt mài cùng tham gia cắt với góc trước âm và góc cắt lớn hơn 900nên tạo ra ma sát rất lớn, quá trình cắt bằng đá mài gọi là quá trình “cắt – cào xước” làm cho nhiệt cắt rất lớn, chi tiết bị nung nóng rất nhanh (trên 10000C)

+ 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

Quá trình mài bao gồm 3 hiện tượng: cắt (cutting), cày (ploughing) và trượt (rubbing) Các hiện tượng này xảy ra đồng thời và phụ thuộc vào tương tác giữa hạt mài và vật liệu gia công

Mài còn được gọi là dụng cụ cắt có lưỡi cắt không xác định, không xác định vì ở đó

có rất nhiều hiện tượng ngẫu nhiên, không theo quy luật, ví dụ như thông số hình học của hạt mài, kích thước hạt, sự phân bố hạt trên bề mặt đá, sự vỡ ra của các hạt cũng như sự tách ra khỏi bề mặt đá của các hạt Chính vì thế, việc nghiên cứu và điều khiển quá trình mài khá phức tạp so với các quá trình gia công khác

1.1.2 Tình hình nghiên cứu công nghệ mài trong nước và thế giới

Do vị trí quan trọng của công nghệ mài trong các quá trình gia công cắt gọt, nên

ngay từ khi khoa học công nghệ chế tạo máy mới hình thành, các nhà công nghệ đã đặc biệt chú trọng tới việc nghiên cứu hoàn thiện phương pháp mài

Từ những năm 1950, một số nhà khoa học hàng đầu về công nghệ mài của thế giới như : Maxlốp, Iaserưsin của Nga, Backer của Mỹ, Brammertz.P, Bruckner.K, Solje.E của Đức, Mullercuar của Anh, Watanabe.K của Nhật đã thực hiện các nghiên cứu cơ

bản nhằm tìm hiểu bản chất vật lý và cơ chế hình thành bề mặt khi mài Các nghiên cứu này cho phép xây dựng một loạt các công thức thực nghiệm để sử dụng cho các điều kiện gia công khác nhau Tuy nhiên các kết quả nghiên cứu trong thời kỳ này có tính ứng dụng thấp, độ chính xác không cao

Trong những năm 1960 đến 1970, kỹ thuật điện tử phát triển mạnh, dụng cụ đo ngày càng hoàn thiện hơn nên các nghiên cứu về mài được tiến hành rất rộng và có chiều sâu Các công trình nghiên cứu rung động khi mài của Peter.I người Anh vào năm 1966, Takegama.H người Nhật và năm 1975 đã cho phép ghép nối cơ học ứng dụng với công nghệ mài Đặc biệt các nghiên cứu về nhiệt cắt khi mài trong thời gian này cũng được nghiên cứu rất mạnh

Bắt đầu từ những năm 1975, do nhu cầu về các loại vật liệu chịu mòn, có độ cứng cao tăng mạnh nên các nghiên cứu ứng dụng đá kim cương trong sản xuất được triển khai trên nhiều quốc gia Các công trình đã công bố của các tác giả L.L.Misnaepxki, H.B.Nôvickôp của Nga, Emerson.G của Mỹ, Griffth của Anh, Konig.W của Đức và Yuhta.T, Kobayshi.A của Nhật cho thấy công nghệ mài đã chuyển sang một giai đoạn mới với việc sử dụng đá mài kim cương cho phép nâng cao đáng kể năng suất và độ chính xác của mài

Các nghiên cứu trong giai đoạn này không còn bó gọn trong các thực nghiệm đơn thuần Một loạt các công trình nghiên cứu về lý thuyết mài và mô hình hóa các quá trình mài đã được thực hiện Kết quả nghiên cứu của các tác giả Sammuel.B, Xun Chen, Brian Rowe.W người Mỹ, Katsushi Fututani, Suto.T, Inasaki.I người Nhật, Steffens.K, Konig người Đức và A.C.Xuxlôp người Nga đã cho phép các nhà chế tạo của các hãng chế tạo máy công cụ trên thế giới cho ra đời thế hệ máy mài CNC đầu tiên vào năm 1980

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về mài cũng đã được thực hiện từ rất sớm Trong những năm 1970 đến 1975 có nhiều chuyên gia nghiên cứu về mài đã được đào tạo tại các nước Đông Âu như: TS Nguyễn Thế Đạt, TS Nguyễn Đắc Lộc, TS Nguyễn Tiến

Thọ, TS Đỗ Trọng Hùng, ThS Lưu Văn Nhang Trong một vài năm trở lại đây, nhiều

đề tài nghiên cứu về mài cũng đã được một số trường đại học trong nước thực hiện Các công trình đã được công bố của TS Trần Minh Đức, ĐH CN Thái Nguyên, TS Nguyễn Huy Ninh ĐHBK Hà Nội, TS Hoàng Văn Điện đã cho thấy tính đa dạng của các nghiên cứu về công nghệ mài đã và đang được triển khai thực hiện tại Việt Nam

1.2 Các đặc trưng cơ bản của quá trình mài

1.2.1 Khả năng công nghệ của mài

- Mài là phương pháp gia công tinh, bằng phương pháp mài có thể gia công được chi tiết đạt độ chính xác cấp 6 – 7, độ bóng ∇8 - ∇10, do đó có thể sử dụng cho gia công lần cuối

- Phương pháp mài có thể gia công được các mặt phẳng, mặt trụ (trong, ngoài) các mặt tròn xoay hay các mặt định hình Mài còn có thể sửa được các sai số vị trí của các

bề mặt trên các chi tiết máy Mài có thể gia công các vật liệu cứng dễ dàng nhưng lại gặp khó khăn khi mài vật liệu mềm như đồng, nhôm, thép không gỉ…

- Mài được thực hiện chủ yếu bởi máy mài (Grinding Machine) (Máy mài phẳng, tròn trong, tròn ngoài, mài định hình, máy mài CNC…) đôi khi còn được thực hiện trên máy tiện nếu chi tiết mài có yêu cầu về độ chính xác không cao Máy mài thường có độ chính xác cao hơn các loại máy công cụ khác như phay, bào, tiện… Dụng cụ cắt được dùng trong quá trình mài là đá mài (Grinding Wheel)

1.2.2 Các phương pháp mài cơ bản

a Mài tròn ngoài

Có thể gia công được mặt trụ và mặt côn, có hai phương pháp mài tròn ngoài:

* Mài có tâm:

- Là phương pháp mài có tính vạn năng cao, có thể mài được trục trơn, trục bậc

- Khi mài chi tiết được gá trên hai mũi tâm hoặc một đầu kẹp trên mâm cặp và đầu kia chống tâm Trong quá trình mài, nếu cần thì phải sửa lỗ tâm và nắn thẳng chi tiết

- Có nhiều cách tiến dao khi mài như tiến dao dọc, tiến dao ngang, tiến dao nghiêng

* Mài không tâm:

- Chuẩn định vị của chi tiết gia công chính là bề mặt đang gia công

- Có hai cách chạy dao:

+ Chạy dao dọc: Gồm hai đá, một đá dẫn và một đá cắt phoi Tâm chi tiết gá cao hơn tâm đá khoảng (0,5 ÷ 1)R (R là bán kính chi tiết gia công) nhưng không quá 15

mm Đá dẫn có dạng Hypecboloit và gá nghiêng so với chi tiết góc α = 10 ÷ 2030’, mài vật dài α = 1012’ ÷ 3030’, có khi tới 4030’

+ Chạy dao ngang: không cần đá hình Hypecboloit

- Ưu điểm:

+ Giảm được thời gian phụ và thời gian gia công mặt chuẩn

+ Dễ tự động hóa quá trình công nghệ

+ Độ cứng vững gá đặt cao hơn mài có tâm

+ Mài không tâm được sử dụng rộng rãi trong sản xuất hàng loạt lớn và hàng khối

- Nhược điểm:

+ Không đảm bảo độ đồng tâm giữa các măt

+ Không mài được các mặt gián đoạn

+ Chi tiết quay, dao vừa quay vừa tịnh tiến

+ Chi tiết đứng yên, dao quay, tịnh tiến, chuyển động hành tình

* Mài lỗ không tâm:

- Có thể gia công lỗ trụ hoặc lỗ côn Đặc biệt hiệu quả khi gia công các chi tiết bạc có thành mỏng

- Ngoài đá mài, bánh dẫn còn phải có thêm các con lăn để đỡ chi tiết

- Trước khi mài phải gia công tinh hoặc bán tinh mặt ngoài

c Mài phẳng

Là phương pháp cơ bản gia công tinh các mặt phẳng sau khi tôi

- Trong sản xuất lớn, mài phẳng có thể thay cho phay, bào nhất là đối với các chi tiết khó định vị, kẹp chặt

- Mài phẳng đạt IT7, IT6; Ra = 16 ÷ 0,4 µm

- Có thể mài phẳng bằng đá trụ hoặc đá mặt đầu:

+ Mài mặt phẳng bằng đá trụ

• Đảm bảo độ chính xác và độ nhẵn bóng cao vì dễ tới dung dịch trơn nguội,

dễ thoát phoi, thoát nhiệt

• Năng suất thấp

+ Mài mặt phẳng bằng đá mài mặt đầu

• Tăng năng suất, tiết kiệm đá, mở rộng khả năng của mài

• Độ chính xác và độ nhẵn bóng thấp vì khó tới dung dịch trơn nguội, khó thoát phoi, thoát nhiệt

d Mài mặt định hình

Có thể gia công các mặt định hình tròn xoay và các mặt định hình có đường sinh thẳng

- Mài mặt định hình tròn xoay thực h iện trên máy mài tròn trong hoặc tròn ngoài

- Mài mặt định hình có đường sinh thẳng thực hiện trên máy mài phẳng

- Mài các chi tiết có dạng cam thì dùng cơ cấu chép hình

1.2.3 Bản chất của quá trình mài phẳng

Trong đề tài này, các thí nghiệm được nghiên cứu trên máy mài phẳng vì vậy sẽ nghiên cứu sâu về phương pháp mài phẳng Về cơ bản, mài phẳng có đầy đủ các đặc

tính của quá trình mài như đã trình bày ở trên Ngoài ra vì là phương pháp gia công cụ thể nên có các đặc tính riêng biệt Là một phương pháp cơ bản để gia công tinh mặt phẳng, mài phẳng có thể dùng để gia công tinh lần cuối các mặt phẳng qua tôi, phay, bào Ngoài ra mài phẳng còn có thể thay thế cho phay, bào trong sản xuất lớn hoặc để gia công các chi tiết khó định vị và kẹp chặt Mài phẳng có thể đạt độ chính xác cấp 7 –

6 và độ nhám bề mặt Ra = 1,6 – 0,4 µm Mài phẳng có thể thực hiện theo hai phương pháp:

* Mài phẳng bằng mặt đầu đá: Phương pháp này cho năng suất cao hơn, vì số lượng

hạt mài tham gia cắt nhiều hơn Tuy nhiên, do diện tích tiếp xúc giữa đá và phôi lớn nên nhiệt tỏa ra trong vùng cắt lớn Mặt khác, khả năng thoát nhiệt, thoát phoi và dung dịch trơn nguội thâm nhập vào vùng cắt khó khăn vì vậy rất dễ gây biến dạng nhiệt, tạo

ra các vết cháy, nứt tế vi trên bề mặt chi tiết mài Nói chung độ chính xác và độ nhám

bề mặt đạt được thấp hơn so với khi mài bằng mặt trụ đá

* Mài phẳng bằng vành trụ đá: Với phương pháp này thì diện tích tiếp xúc giữa đá

và chi tiết mài nhỏ, lượng hạt mài đồng thời tham gia vào quá trình cắt ít, lượng nhiệt tỏa ra trong vùng cắt nhỏ hơn Khả năng thoát nhiệt, thoát phoi và khả năng thâm nhập dung dịch trơn nguội vào vùng cắt dễ dàng hơn, do đó phương pháp này có độ chính xác và độ bóng bề mặt cao hơn phương pháp trên Mài phẳng bằng vành trụ đá có thể thực hiện trên các máy mài phẳng thông thường hoặc máy mài phẳng có bàn chữ nhật

Hình 1.2: Mài phẳng bằng vành trụ đá 1- Đá mài; 2- Chuyển động quay tròn của đá; 3- Bề mặt làm việc của đá; 4- Chuyển động tịnh tiến (khứ hồi) của phôi; 5- Khoảng trống giữa hạt mài và chất kết dính;

6 – Chất kết dính; 7- Hạt mài; 8- Phôi (chi tiết gia công)

Khi mài phẳng bằng vành trụ đá, đá được gá trên trục gá của ụ đá Trục đá quay tròn với vận tốc không đổi Chi tiết mài được gá trên bàn từ (gá trực tiếp) hoặc được gá trên đồ gá và đồ gá được gá trên bàn từ (gá gián tiếp) và có chuyển động tịnh tiến khứ hồi Vd (m/ph) Lượng tịnh tiến ngang gián đoạn để cắt hết bề rộng của chi tiết mài được thực hiện bằng sự dịch chuyển của bàn máy hoặc ụ đá (tùy thuộc vào máy cụ thể)

Sn (mm/htđ) Chiều sâu cắt được thực hiện sau một lần tiến dao thẳng đứng nhờ ụ đá t (mm) Trong quá trình mài, dung dịch trơn nguội được cấp liên tục vào vùng cắt để làm nguội chi tiết, đẩy phoi và các phế thải trong quá trình mài ra khỏi vùng gia công Mài phẳng bằng vành trụ đá có thể thực hiện theo hai cách:

- Cách thứ nhất: Ăn dao nhiều lần, chiều sâu cắt cho mỗi lần chạy dao nhỏ nhưng lượng chạy dao ngang lớn Cách này cho phép giảm tối đa ảnh hưởng của nhiệt cắt, áp dụng cho gia công tinh và gia công các chi tiết mỏng

- Cách thứ hai: Mài với chiều sâu cắt lớn, theo cách này toàn bộ chiều sâu cắt có thể được bóc đi sau một lần ăn dao Khi đó các hạt mài ở phía cạnh đá mài chịu tải trọng lớn nên bị mòn và bong tróc nhiều hơn ảnh hưởng tới sự chính xác của chi tiết gia công Cách này chỉ sử dụng khi gia công thô các vật liệu gang đúc và thép chưa nhiệt luyện với lượng dư lớn

Trong quá trình mài, thời gian bóc hớt phoi rất bé có thể xác định theo công thức:

1000 d

L T

Ra: Nhám bề mặt của chi tiết gia công

c1 ÷ c8: Các hệ số biểu thị tính chất của vật liệu gia công, cấu trúc đá mài, chất kết dính, độ cứng đá, loại dung dịch tưới nguội, độ chính xác và độ cứng vững của máy mài, chất lượng sửa đá… Việc xác định các thông số này dựa vào thực nghiệm

1.2.3.1 Chế độ cắt khi mài phẳng

Các thành phần của chế độ cắt khi mài phẳng bao gồm :

a Vận tốc quay của đá mài

Vận tốc này nên chọn lớn nhất cho phép ứng với từng phương pháp mài, bởi vì vận tốc quay của đá càng lớn, năng suất gia công và độ bóng bề mặt càng cao Các đá mài phải có độ bền yêu cầu để tránh bị nứt vỡ khi làm việc Do đó mọi viên đá trước khi xuất xưởng đều được thử bền trên giá thử chuyên dùng ở vận tốc cao hơn 50% vận tốc công tác ghi trên đá trong khoảng 5 – 10 phút tùy thuộc vào đường kính đá Ở cùng điều kiện, độ hạt càng tăng, độ bền đá càng giảm Độ đặc càng cao, độ bền của nó càng

cao Độ bện đá có profile thẳng cao hơn so với đá có profile định hình Do vậy vận tốc công tác cho phép của đá định hình bao giờ cũng nhỏ hơn so với đá trụ thông thường Vận tốc quay của đá được chọn phụ thuộc vào hình dạng của profile và chất dính kết của nó Ví dụ, với chất dính kết Bakelit: Vđá = 35 – 50 m/s, với chất kết dính keramic: Vđá = 30 – 35 m/s

Đá mài có chất dính kết bakelit có độ bền cao hơn so với đá mài có chất dính kết keramic ở cùng điều kiện là do độ dính bám của bakelit so với hạt mài tốt hơn

b Chiều sâu mài (lượng chạy dao hướng kính)

Khi mài thô, nên chọn chiều sâu mài lớn nhất cho phép theo cỡ hạt đã chọn và công suất máy Chiều sâu mài không nên lớn hơn kích thước tiết diện của hạt mài Nếu chiều sâu mài lớn hơn giá trị trên, khe hở giữa các hạt mài sẽ nhanh chóng bị phoi kim loại chèn đầy và đá sẽ không còn khả năng cắt nữa

Khi chi tiết có độ cứng vững giảm và khi xuất hiện vết cháy, cần giảm chiều sâu mài

Khi mài tinh nên chọn chiều sâu nhỏ để nâng cao độ chính xác và độ bóng của vật liệu bề mặt mài Vật liệu càng cứng, chiều sâu mài nên chọn càng bé hơn

c Lượng chạy dao dọc S dọc

Thường Sdọc được xác định theo chiều dầy của đá mài Khi mài thô, Sdọc = 0,85)B Khi mài tinh Sdọc = (0,2 – 0,4)B, trong đó B là bề dầy đá mài Khi Sdọc tăng, năng suất quá trình mài sẽ tăng, nhưng độ nhám bề mặt mài cũng tăng

1.2.3.2 Biến dạng dẻo khi mài

Chúng ta biết rằng kim loại và các hợp kim kỹ thuật có kết cấu đa tinh thể và chúng bao gồm những hạt tinh thể có kích thước khác nhau, sắp xếp không có quy luật, chùng chèn khít với nhau, tao ra mối liên kết cơ học Bề mặt kim loại đa tinh thể tích tụ, liên kết chuyển tiếp bằng những lớp hạt tinh thể nhỏ và những mảnh tinh thể nằm hỗn độn

Khi gia công kim loại bằng phương pháp cắt gọt xuất hiện biến dạng dẻo đàn hồi lớp kim loại mỏng nằm dưới lớp bề mặt gia công Sự tăng dần quá trình biến dạng dẻo

cơ bản là hiện tượng trượt tức là dịch chuyển tương đối giữa từng phần tinh thể riêng biệt theo mặt của mạng tinh thể xác định Cũng có thể nói rằng quá trình trượt là sự dịch chuyển tương đối của một lớp nguyên tử này so với lớp nguyên tử kia dưới tác dụng của lực biến dạng (dưới tác dụng của lực cắt)

Khi ứng suất tác dụng vào tinh thể đủ lớn để bắt đầu gây trượt thì hiện tượng dịch chuyển bắt đầu xảy ra Quá trình biến dạng dẻo gây ra biến dạng đàn hồi, nó lan tỏa và phát tán bằng tốc độ âm thanh (với sắt 5130 m/s) Tuy nhiên quá trình biến dạng dẻo để làm dịch chuyển một phần tinh thể kim loại cần có thời gian đủ lớn Bởi vậy ở tốc độ cao thường thấy hiện tượng biến dạng dẻo cục bộ từng phần

Biến dạng dẻo bao gồm cả khái niệm biến dạng miền giữa các tinh thể, trong đó các hạt có dịch chuyển tương đối với nhau Các hạt này chuyển dịch không nhiều, vận tốc dịch chuyển không lớn tuy nhiên có thể gây phá hủy đường biên hạt, gây ra phá hủy kim loại

Khi cắt kim loại các hạt ở lớp cạnh rìa ngoài bị kéo giãn theo hướng lực cắt, các tinh thể về cơ bản được xếp theo hướng mạng tinh thể Những hạt nhỏ cũng có xu hướng như vậy, chúng bị kéo theo hướng biến dạng, tạo thành hoa vân trên kim loại Như vậy, khi biến dạng dẹo xuất hiện sẽ xảy ra những hiện tượng sau:

- Thay đổi hình dáng hạt

- Thay đổi hướng tổ chức của hạt tạo ra hoa vân

- Xuất hiện ứng suất dư

- Phát sinh lực phá hủy nội tinh thể và giữa các tinh thể, phá hủy tính thống nhất của hạt

- Thay đổi các tính chất cơ lý của kim loại trên lớp bề mặt

Khi biến dạng dẻo quá nhiều sẽ gây ra biến cứng trên bề mặt, lúc này lớp kim loại bền hơn, độ cứng tế vi cao hơn, tính dẻo giảm

Quá trình biến dạng dẻo được chia thành hai dạng:

- Biến dạng với làm bền hoàn toàn

- Biến dạng với làm bền không hoàn toàn

Bền phá hủy xuất hiện do tác dụng của nhiệt, nhiệt cắt làm tăng tính lưu động của nguyên tử, và làm cho sai lệch mạng tinh thể xảy ra dễ dàng, dẫn đến phá hủy cấu trúc hạt tinh thể, tạo ra hiện tượng biến dạng dẻo Bền phá hủy càng tăng khi nhiệt độ cắt càng tăng, kéo dài thời gian bền mỏi

Tất cả các yếu tố thuộc chế độ cắt, đều có xu hướng làm tăng nhiệt cắt trên bề mặt gia công (chính xác hơn trong vùng biến dạng dẻo), hoặc tăng thời gian tác dụng của nhiệt cắt, dẫn đến dễ dàng xuất hiện bền mỏi, làm giảm độ bền Ngược lại, các yếu tố làm giảm thời gian bề mỏi (tăng tốc độ biến dạng) hoặc làm giảm nhiệt đồ biến dạng của kim loại (tưới nguội tốt hơn, tăng tính dẫn nhiệt của kim loại, giảm ma sát) đều dẫn đến khả năng tăng bền

Trong quá trình mài, đá mài đóng vai trò chính làm tăng nhiệt gia công Và nếu càng tăng thời gian tiếp xúc giữa đá mài với bề mặt gia công, thì tác dụng nhiệt lên bề mặt này lớn hơn, dẫn đến tăng khả năng phát sinh bền phá hủy

1.2.3.3 Ứng suất dư khi mài phẳng

Quá trình mài đã dẫn đến những ứng suất dư gần bề mặt, nó có thể ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ học của chi tiết được gia công, ứng suất dư để lại gây ra biến dạng dẻo không đều gần bề mặt phôi Khi mài ứng suất kéo dư chủ yếu là do nhiệt cắt, còn ứng suất dư do lực cắt chỉ là thứ yếu, ứng suất dư và sự biến dạng kết hợp với nhiệt độ mài

và mức độ tăng giảm từ bề mặt của phôi trong một vùng mài Sự giãn nở nhiệt phát tán trên bề mặt bị cản trở dần dần bởi thiết bị làm nguội trên bề mặt, chính việc này sinh ra ứng suất dư nén gần bề mặt, nếu ứng suất nén này đủ lớn sẽ gây ra sự chảy dẻo Trong suốt quá trình làm nguội liên tiếp, nhiệt lượng qua quá trình mài thì biến dạng phôi có

xu hướng co lại gần bề mặt của phôi, nhưng yêu cầu cho tính liên tục của phôi gây ra những ứng suất kéo phân bố ở lớp ngoài và trong là khác nhau nhằm đảm bảo sự cân

bằng cơ học, những ứng suất nén dư cũng lan sâu vào trong phôi, nhưng nhỏ hơn nhiều

so với ứng suất nén tồn lại, sự sinh nhiệt gây nên những ứng suất dư phức tạp hơn do

sự biến đổi của các trạng thái rắn có thể xảy ra trong nhiệt và chu kỳ làm nguội, kể từ lúc thể tích thay đổi

Một vài ví dụ của sự sắp xếp thành phần ứng suất dư dọc theo hướng mài được mô phỏng với một phôi thép hợp kim, ngày nay công việc đo các ứng suất dư này thường dựa trên cơ sở sử dụng tia X, dạng biểu hiện một ứng suất dư trong lớp bề mặt với ứng suất dọc theo hướng điều khiển xấp xỉ tương đương với ứng suất ngang qua hướng mài Trong quá trình cắt ứng suất dư này lại trở thành ứng suất kéo và nó chính là thành phần chủ yếu sinh ra những nguồn nhiệt Những ứng suất nén được xem như là

có một ảnh hưởng tốt trong những tính chất về ứng suất cơ học, nhưng trái lại những ứng suất kéo dư thì lại có ảnh hưởng xấu đến bề mặt vật liệu

Ảnh hưởng của những ứng suất dư là rõ hơn với những vật liệu giòn và có giới hạn bền cao Những điều kiện mài thô trên những thép có độ bền cao và những thép hợp kim tốc độ cắt cao thường xuyên gây ra những ứng suất kéo dư lớn hơn, do đó mà nó dẫn đến làm giảm ứng suất mỏi và tạo ra sự rạn nứt tế vi Một trường hợp có thể làm cho tồi tệ hơn do có sự hóa giòn Hydro, do những tỷ lệ cao của hydro được xâm thực vào thép như là kết quả của sự pha hỏng dung dịch mài Mài trên những thành phần của thép cứng đã phát hiện ra những vết xước bề mặt bằng axit nóng, những vết xước

bề mặt này được coi như là sự hiện diện của những ứng suất dư trên mactenxit giòn không ram bởi sự cháy phôi Chính những vết xước này thu hút sự khắc axit và sự mài thô thường được định hướng vuông góc với hướng mài, nó cho rằng thành phần ứng suất kéo dư dọc theo hướng mài là thành phần chủ yếu

1.2.3.4 Hình học và động học quá trình mài

Nội dung của đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhám bề mặt Vì vậy việc nghiên cứu đầy đủ về cấu trúc, cơ chế hình thành nhám bề mặt có vai trò rất quan trọng

Hình 1.3: Hình dạng lớp cắt của hạt mài lên bề mặt chi tiết

Quá trình mài có rất nhiều dao cắt, những dao cắt này hình học không xác định,

phân bố không đều trên bề mặt đá Ở đây ta chỉ phân tích về hình học cắt trong quá

trình mài để xác định các thông số cắt gọt cơ bản

1.3 Nội dung nghiên cứu đề tài

Nội dung nghiên cứu đề tài là “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi mài đến bề mặt chi tiết mài”

1 3.1 Mục đích đề tài

Mài là phương pháp gia công cho độ bóng và chính xác cao Một nguyên nhân ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác, năng suất và giá thành mài là chế độ cắt Một trong các yếu tố mà các phương pháp gia công khác không thể đạt được là nhám bề mặt chi tiết gia công, khi mài nhám bề mặt có thể đạt được từ 0,2 – 3,2 µm Vì vậy nâng cao năng suất, chất lượng và độ ổn định của quá trình tiến tới xác định chế độ tự động tối

ưu cho các điều kiện gia công khác nhau là một nhiệm vụ rất quan trọng hiện nay

Tuy vậy, mài là một quá trình rất phức tạp, nó còn nhiều vấn đề phải nghiên cứu Các thông số chất lượng đặc trưng của quá trình mài phụ thuộc vào yếu tố như đặc tính

đá mài, tính chất của vật liệu gia công, chất bôi trơn làm mát, độ chính xác và độ cứng vững của máy, chế độ cắt và chế độ sửa đá Quan hệ của các thông số chất lưởng của quá trình mài với các yếu tổ ảnh hưởng rất phức tạp, khó xác định và không ổn định

theo thời gian Quy luật thay đổi và tác động qua lại của chúng phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện gia công và tình trạng cụ thể của máy Việc xây dựng một hệ thống các chỉ dẫn hoặc bảng biểu dùng chung cho các loại máy mài, các phương pháp mài khác nhau

là một việc làm không thể thực hiện được trong điều kiện kỹ thuật hiện nay Do vậy, để nâng cao hiệu quả của quá trình mài, hầu hết các nghiên cứu hiện nay đều được tiến hành theo các hướng cơ bản sau:

1 Tìm ra các loại vật liệu hạt mài mới có tính cắt gọt tốt, có độ cứng và

độ bền mòn cao

2 Nâng cao chất lượng, hoàn thiện kết cấu của đá mài Nghiên cứu chế tạo các loại đá mài tốt hơn, chính xác và đồng đều về tính chất cơ lý

3 Nâng cao vận tốc mài

4 Điều khiển tối ưu hóa quá trình mài

Theo hướng thứ nhất và thứ hai, người ta tiến hành chế tạo các loại đá mài từ vật liệu mài mới có độ bền mòn và khả năng chịu tải trọng cao Nghiên cứu chế tạo các loại đá có kết cấu đặc biệt, như đá mài có rãnh xoắn, đá mài gián đoạn, đá mài có rãnh dẫn dung dịch trơn nguội hướng tâm

Theo hướng thứ ba, tiến hành thiết kế chế tạo các máy mài cao và siêu cao tốc (vân tốc mài Vđá > 100 m/s)

Theo hướng thứ tư, người ta tiến hành điều khiển quá trình mài theo nguyên tắc điều khiển tối ưu Nghĩa là dựa vào mối quan hệ hàm được xác định ngay trong quá trình gia công giữa các thông số đầu ra với các thông số đầu vào, thực hiện điều chỉnh quá trình để đạt được các chỉ tiêu chất lượng và kinh tế kỹ thuật cao nhất

Một trong các chỉ tiêu rất quan trọng của chất lượng sản phẩm, đặc biệt là các chi tiết máy yêu cầu độ chính xác và độ bóng cao thì việc thiết lập một mô hình xác định mối quan hệ giữa các thông số đầu ra của quá trình mài (nhám, sóng, năng suất, giá thành ) với các thông số đầu vào cho các điều kiện mài khác nhau có một ý nghĩa vô

cùng quan trong, nó giúp nhà công nghệ chọn được một chế độ cắt tối ưu, chọn cặp đá mài – vật liệu, chế độ sửa đá để nó cũng là cơ sở để tiến tới tối ưu hóa quá trình mài

1.3.2 Nội dung nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi mài đến bề mặt chi tiết mài

- Nghiên cứu, tìm hiểu các vấn đề liên quan đến đề tài trong và ngoài nước

- Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến nhám bề mặt chi tiết khi mài phẳng

- Xác lập mối quan hệ giữa nhám bề mặt với chế độ cắt

- Áp dụng các kết quả vào thực tiễn

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu

Để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến bề mặt chi tiết mài khi mài phẳng Phương pháp nghiên cứu là lý thuyết kết hợp với thực nghiệm nhằm đáp ứng được tính khoa học và thực tiễn của đề tài Trên cơ sở các mô hình lý thuyết đưa ra của các tác giả trên thế giới và trong nước, tiến hành thực nghiệm và kiểm chứng Từ các kết quả thực nghiệm đưa ra các kết luận, đánh giá cho điều kiện mài cụ thể, từ đó

Dần làm sáng tỏ quá trình mài và tiến tới tối ưu hóa quá trình mài

1.3.5 Giới hạn của đề tài

Mài là một yếu tố phức tạp và chưa được nghiên cứu đầy đủ Nhám bề mặt cũng chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố trong quá trình gia công như:

- Chế độ cắt

- Vật liệu gia công và tính chất cơ lý của nó

- Loại và hình học của hạt mài

- Dung dịch tưới nguội

- Sửa đá và chế độ sửa đá

- Nhám và sóng ban đầu trên bề mặt của chi tiết mài

Để có được một kết quả chính xác cao phải tiến hành thí nghiệm ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố và mất rất nhiều thời gian, cần rất nhiều trang thiết bị Với thời gian thực hiện ngắn nên đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của yếu tố quyết định đến nhám

bề mặt mài là chế độ cắt (v, s, t) khi coi ảnh hưởng của các yếu tố khác là hằng số

Vì vậy đề tài sẽ khó có được một kết quả đầy đủ, ý nghĩa thực tiễn sẽ bị hạn chế Nếu trong tương lai được tiếp tục phát triển khi tiến hành nghiên cứu đầy đủ của các yếu tố sẽ có được kết quả tốt và được ứng dụng rất rộng rãi, nâng cao hiệu quả phương pháp mài phẳng Nội dung đề tài sẽ là cơ sở để tiến tới tối ưu hóa quá trình mài

1.4 Kết luận

Qua việc nghiên cứu tổng quan về quá trình mài, tìm hiểu các công trình nghiên cứu trong nước và trên thế giới Kết hợp với việc nghiên cứu các thong số công nghệ ảnh hưởng đến bề mặt chi tết mài, chúng ta thấy:

- Phương pháp mài có một vị trí quan trọng trong ngành cơ khí chính xác do khả năng gia công những vật liệu có độ cứng, độ bền cao, cho đội chính xác và độ bóng bề mặt cao

- Mài thường được chọn là nguyên công gia công tinh lần cuối vì vậy chất lượng

bề mặt mài có ảnh hưởng quan trọng đến khả năng làm việc sau này của chi tiết máy Chất lượng bề mặt thường được chọn làm chỉ tiêu để tối ưu hóa quá trình mài tinh

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thong số công nghệ trong quá trình mài tới chất lượng bề mặt chi tiết mài là cơ sở để tìm ra các biện pháp nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết mài

- Các thông số công nghệ như lượng chạy dao dọc (Sd) và chiều sâu cắt (t) có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng bề mặt của chi tiết mài Khi đã nghiên cứu, xác định được ảnh hưởng của các thông số công nghệ của quá trình mài đến chất lượng bề mặt chi tiết mài chúng ta có thể lựa chọn cho các thông số các giá trị tối ưu Và chất lượng bề mặt chi tiết mài sẽ được nâng cao

- Việc nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết mài sẽ dẫn đến một hệ quả là các máy móc, thiết bị có chứa chi tiết mài đó sẽ đạt độ chính xác cao hơn, quá trình hoạt động tốt hơn

Tóm lại, chúng ta đang sống trong một nền công nghiệp phát triển và yêu cầu về chất lượng sản phẩm ngày càng cao Do đó, việc nghiên cứu làm sao để sản phẩm làm

ra đạt chất lượng tốt nhất, hiệu quả kinh tế cao nhất là một việc làm không thể thiếu Một trong số những nghiên cứu quan trọng đó chính là xem xét sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi mài đến chất lượng bề mặt chi tiết mài Với kết quả của nghiên cứu này sẽ là cơ sở cho quá trình tối ưu hóa các thông số công nghệ khi mài, giúp cho sản phẩm được nâng cao cả về chất lượng và thẩm mỹ

CHƯƠNG II: NHÁM BỀ MẶT KHI MÀI PHẲNG VÀ MỘT SỐ YẾU TỐ

ẢNH HƯỞNG TỚI ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHI MÀI PHẲNG

2.1.Các thông số đặc trưng cho chất lượng của quá trình mài

Để đánh giá chất lượng quá trình mài phẳng, người ta sử dụng nhiều chỉ tiêu khác

nhau như năng suất bóc kim loại sau một đơn vị thời gian, độ chính xác và chất lượng

bề mặt gia công và nhiều chỉ tiêu khác nữa Khi mài thô, chỉ tiêu cơ bản để đánh giá chất lượng của quá trình mài là năng suất bóc kim loại trong một đơn vị thời gian Khi mài tinh, ngoài việc bảo đảm năng suất gia công, còn phải bảo đảm độ chính xác hình học, kích thước cũng như chất lượng bề mặt vật mài Để đánh giá chất lượng quá trình mài tinh, người ta thường sử dụng các chỉ tiêu đặc trưng cho độ chính xác và chất lượng bề mặt vật mài Sau đây ta xét một số chỉ tiêu cơ bản đặc trưng cho độ chính xác

và chất lượng bề mặt vật mài khi mài phẳng

2.1.1 Độ chính xác khi mài

Độ chính xác khi mài được hiểu là mức độ phù hợp của chi tiết gia công với chi tiết thiết kế Khi mài phẳng, độ không song song và độ không phẳng là hai chỉ tiêu quan trọng nhất, đặc trưng cho độ chính xác của quá trình mài phẳng Các yếu tố trên có thể phân thành hai nhóm chính như sau:

a Nhóm các nguyên nhân do trang thiết bị gây nên:

- Độ không song song và độ không phẳng của bàn gá so với phương chuyển động của bàn máy

- Độ không ổn định của đường tâm trục chính trong quá trình gia công

- Độ không êm của các dịch chuyển nhỏ

b Nhóm các yếu tố phụ thuộc vào điều kiện mài:

Nhóm này chỉ xuất hiện trong quá trình gia công bao gồm:

- Ảnh hưởng của biến dạng nhiệt Nhiệt cắt sẽ gây ra các biến dạng làm sai lệch vị trí không gian ban đầu của các cụm chi tiết và chi tiết trên máy, gây ra sai số vị trí tương quan giữa đá mài với chi tiết

- Ảnh hưởng của biến dạng đàn hồi do lực cắt gây ra

- Ảnh hưởng của các sai số do nguyên công trước để lại

- Hiện tượng phoi bám trên bề mặt hạt mài

Ngoài các sai số vừa nêu trên, độ chính xác khi mài phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nữa như mức độ hợp lý của cặp vật liệu đá – chi tiết, chế độ sửa đá, điều kiện mài

2.1.2 Chất lượng bề mặt vật mài khi mài phẳng

Chất lượng bề mặt vật mài được đánh giá bằng hai nhóm chỉ tiêu cơ bản sau:

- Nhóm các chỉ tiêu đặc trưng cho tính chất hình học của bề mặt như độ sóng, độ nhám

- Nhóm các chỉ tiêu đặc trưng cho tính chất cơ lý của bề mặt gia công như ứng suất

dư, vết nứt tế vi, vết cháy Nội dung đề tài nghiên cứu thông số rất quan trọng đến chất lượng bề mặt vật mài là nhám bề mặt

2.1.2.1 Độ sóng bề mặt

Độ sóng bề mặt do hai nguyên nhân chính (do các dao động theo phương vuông góc với bề mặt gia công và do sai số hình dáng của đá như độ ôvan, độ không tròn ) gây ra Cả hai nguyên nhân này đều làm thay đổi quỹ đạo chuyển động tương đối của đường sinh cắt trên bề mặt làm việc của đá mài theo phương vuông góc với bề mặt gia công Ngoài ra, các yếu tố khác như biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, độ không đồng nhất của vật liệu gia công cũng làm xuất hiện sóng Độ sóng được phân biệt với độ nhám bởi chiều dài bước Thường độ dài bước của sóng có giá trị lớn hơn 8 đến 10 lần

độ dài bước của độ nhám

Nguyên nhân chính gây ra dao động của đá mài theo phương vuông góc với bề mặt gia công là do hệ thống đá – trục gá đá mài không cân bằng, do các dao động cưỡng bức và tự rung của máy xuất hiện khi đá mài bị mòn

Biên độ và tần số của sóng trên bề mặt vật mài phụ thuộc vào biên độ và tần số của dao động tương đối của đá mài so với bề mặt gia công, hình dáng và kích thước của chi tiết, kích thước và độ chính xác hình dáng của đá mài, số lần và độ lệch pha của các hành trình đá mài đi qua chi tiết Cũng như độ nhám bề mặt, các yếu tố ảnh hưởng đến

độ sóng bề mặt cũng gồm hai nhóm nguyên nhân, nhóm phụ thuộc vào điều kiện gia công và nhóm phụ thuộc vào tình trạng thiết bị Cả hai nhóm này có quan hệ rất chặt chẽ với đặc tính mòn và tuổi bền của đá Do đó, đặc tính mòn và tuổi bền của đá có ảnh hưởng lớn đến độ sóng bề mặt

2.1.2.2 Tính chất cơ lý của lớp kim loại bề mặt

Như đã trình bày trong phần trước, các tính chất đặc trưng cho tính chất cơ lý của lớp kim loại bề mặt, các biến đổi cấu trúc mạng, ứng suất dư và khả năng xuất hiện vết cháy, vết nứt tế vi

Với các loại vật liệu mềm, chưa qua nhiệt luyện như các loại thép cacbon, thép hợp kim chưa qua nhiệt luyện, thép không gỉ, đồng, nhôm sau khi mài có một lớp kim loại rất mỏng (khoảng 0,002 – 0,02 mm), bị nung nóng và biến dạng dẻo Trong quá trình mài phẳng, do mức độ biến dạng dẻo tại các điểm khác nhau cũng như tại các chiều sâu khác nhau không giống nhau và do các thay đổi cấu trúc, trên bề mặt vật mài

sẽ xuất hiện ứng suất dư Cơ chế hình thành của ứng suất dư rất phức tạp Ta thấy rằng,

độ lớn của ứng suất dư phụ thuộc vào lực cắt, nhiệt cắt, chế độ cắt, điều kiện mài và cơ tính của vật liệu gia công Khi chiều sâu cắt tăng, nhiệt cắt trong vùng gia công và chiều sâu lớp kim loại bị biến dẻo tăng, ứng suất kéo cũng tăng theo Khi lượng chạy dao tăng, trên lớp kim loại bề mặt xuất hiện ứng suất dư nén

Với vật liệu đã qua nhiệt luyện, nhiệt độ mài thường vượt quá 800 – 8500C, do đó,

có thể xảy ra hiện tượng ram mactenxit, đôi khi xuất hiện quá trình tôi lần hai, gây ra các biến đổi cấu trúc mạng, làm xuất hiện ứng suất dư Nếu các ứng suất này lớn hơn giá trị sức bền hiện thời của vật liệu, sẽ xuất hiện vết nứt Khi mài vật liệu đã qua nhiệt

luyện, do nhiệt độ mài rất cao, nên dễ xuất hiện khả năng cháy và nứt của lớp kim loại

bề mặt

Vết cháy khi mài là hiện tượng biến đổi cục bộ của lớp kim loại bề mặt dưới tác động của nhiệt độ cao tức thời và cường độ tỏa nhiệt lớn trên một diện tích nhỏ của bề mặt chi tiết gia công Vết cháy bao giờ cũng đi kèm với các vết nứt tế vi Do vậy, khả năng chịu mòn của các bề mặt bị nứt và cháy giảm

2.1.2.3 Độ nhám bề mặt

Trong quá trình mài phẳng, các hạt mài sẽ cào xát vào bề mặt gia công để tách ra một lớp phoi mỏng Do số lượng các hạt mài rất lớn, phân bố của chúng không theo quy luật nhất định, chiều cao nhô ra khỏi chất dính kết của chúng không giống nhau, nên vết gia công trên bề mặt vật mài là tập hợp của nhiều vết gia công do các hạt mài đơn lẻ tạo ra Độ nhám bề mặt gia công phụ thuộc vào các thông số hình học và tính chất của hạt mài, mức độ biến dạng dẻo của vật liệu gia công, rung động của hệ thống công nghệ, chế độ mài và chế độ sửa đá

Độ nhám bề mặt sẽ được trình bày chi tiết hơn ở phần tiếp theo

2.2 Động học hình thành nhám bề mặt khi mài phẳng

2.2.1 Định nghĩa

Nhám bề mặt là tập hợp các nhấp nhô bề mặt chi tiết sau khi gia công

Khi mài, nhám bề mặt từ 0,2 – 3,2 µm Chiều dài chuẩn để xác định nhám là 0,8

mm, nhám dọc bề mặt thường lớn hơn hướng ngang

Hình 2.1: Mô hình nhám bề mặt chi tiết

Hình 2.2: Biên dạng bề mặt dọc lý tưởng khi mài

Nhám bề mặt chi tiết khi mài rất nhỏ do mỗi tiết diện bề mặt chi tiết mài là sự chồng chất của rất nhiều các vết cắt bởi các hạt mài Trong trường hợp này, trên bề mặt

đá mài xuất hiện các rãnh mài

Hình 2.3: Biên dạng nhám lý tưởng qua hướng mài được tạo bởi các

biên dạng cắt liên tiếp của đá mài

Nhám bề mặt khi mài như hình 2.2 và hình 2.3 nhỏ hơn nhám thực rất nhiều Sự khác nhau là do các yêu tố của quá trình cắt như:

- Sự chảy dẻo của vật liệu lan sang các điểm nhấp nhô tế vi

- Rung động của hệ thống khi gia công

- Ma sát ở bề mặt sau dao với bề mặt gia công

- Nhiệt cắt

- Sự không cắt hết của quá trình mài

- Tính chất cơ lý của vật liệu gia công

- Độ răng cưa tế vi của lưỡi cắt

- Ngoài ra, khi gia công vật liệu dẻo nếu cắt ở vùng tốc độ có xuất hiện lẹo dao thì nhấp nhô bề mặt sẽ tăng lên do sự xuất hiện và biến mất của lẹo dao

2.3 Lực cắt và năng lượng cắt riêng khi mài

2.3.1 Tương tác trong vùng mài

Để hiểu rõ bản chất của quá trình mài, cần phải phân tích quá trình tạo phoi khi mài, vì đây là cơ sở, là nguồn gốc của các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình cắt như biến dạng, lực cắt, nhiệt cắt,… Để khảo sát được vấn đề này cần phải mô hình hóa quá trình cắt bằng hạt mài Có nhiều mô hình đã được đưa ra, trong đó có mô hình dưới đây:

Hình 2.4: Mô hình hóa quá trình cắt của hạt mài

a Quá trình cắt lý tưởng; b Quá trình cắt thực tế; c Quá trình cắt khi tiện bằng dao kim

cương; d Quá trình cắt của hạt mài

Như đã phân tích ở trên, mài là một quá trình rất phức tạp, các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình cắt phụ thuộc lớn vào tương tác giữa các hạt mài, giữa đá mài với vật liệu gia công (phôi) Có thể thấy rõ các tương tác đó trong quá trình cắt bằng hạt mài như hình sau:

Hình 2.5 Tương tác giữa hạt mài và vật liệu gia công

a Hạt mài cắt vào phôi; b Hạt mài cày lên phôi; c Hạt mài trượt trên phôi; d Phoi trượt và

ma sát với chất dính kết; e Phoi trượt và ma sát với phôi; f Chất dính kết trượt và ma sát với

phôi

Trong bất kỳ quá trình mài nào đều xuất hiện bốn tương tác sau:

- Tương tác giữa hạt mài và phôi

- Tương tác giữa phoi và chất kết dính

- Tương tác giữa phoi và phôi

- Tương tác giữa chất kết dính và phôi

Trong đó, tương tác giữa hạt mài và phôi là quan trọng nhất, có ảnh hưởng tới toàn

bộ các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình gia công (hình 2.4) Tương tác giữa hạt mài và phôi bao gồm 3 hiện tượng (hình 2.5): cắt (cutting) – tạo ra bề mặt gia công, cày (ploughing) và trượt (rubbing) - ảnh hưởng tới các đặc trưng của bề mặt vừa được hình thành (Hiện tượng cày và trượt trong vùng mài còn được gọi là Tribology) Các tương tác này đều có thể được kiểm soát và điều khiển thông qua các thông số như lực cắt, công suất cắt và nhiệt cắt Trong quá trình mài, mong muốn công để cắt là lớn nhất, công tiêu hao cho hiện tượng “cày” và trượt là nhỏ nhất:

- Giảm thiểu công tiêu hao cho hiện tượng “cày” của hạt mài lên phôi (hình 2.5b) liên quan đến việc lựa chọn tính chất của hạt mài và vật liệu gia công, hình dạng và kích thước của hạt mài, chiều dày phoi hợp lý

- Công tiêu hao cho hiện tượng trượt giữa hạt mài và phôi (hình 2.5c) nhỏ nhất khi tăng tính tự mài sắc của hạt mài và của đá mài

- Hiện tượng trượt giữa phoi và chất kết dính (hình 2.5d) là nhỏ nhất khi lựa chọn cặp vật liệu chất kết dính và vật liệu gia công phù hợp Thay dung dịch làm nguội, tăng

độ xốp của đá mài, sử dụng thêm dung dịch bôi trơn cũng làm giảm hiện tượng này

- Giảm hiện tượng trượt giữa phoi và chất kết dính cũng làm giảm đồng thời hiện tượng trượt giữa phôi và chất kết dính (hình 2.5e) Trong thực tế, hai hiện tượng này thường bị bỏ qua, không được quan tâm, điều đó dẫn đến lực cắt lớn, đá mòn nhanh và chất lượng bề mặt gia công không cao

- Hiện tượng trượt giữa chất dính kết và phôi (hình 2.5f) nhỏ nhất khi số lượng lỗ trống trên bề mặt đá nhiều nhất (cấu trúc đá xốp nhất) hoặc khi sử dụng chất dính kết gốm Tuy nhiên, hiện tượng trượt được nhận thấy rõ rệt nhất khi sử dụng đá mài với chất kết dính kim loại Hiện tượng trượt và ma sát giữa phôi với chất kết dính trở nên khốc liệt nhất khi sử dụng đá mài hạt nhỏ, khi đó khoảng cách giữa bề mặt phôi và chất kết dính rất nhỏ

Cơ chế cắt và tribology sẽ ảnh hưởng tới chất lượng bề mặt gia công, biến dạng của vật liệu lớp bề mặt hoặc sự chuyển hóa từ cơ năng thành nhiệt Khi cơ chế cắt là lớn nhất và tribology là nhỏ nhất thì khi đó lực mài và nhiệt mài sẽ nhỏ nhất Dung dịch làm nguội sẽ giảm năng lượng nhiệt và làm giảm nhiệt truyền vào phôi

Tất cả các hiện tượng trên đều đúng với mọi quá trình mài, mà không phụ thuộc vào vật liệu gia công Trong bất kì quá trình mài nào cũng xảy ra đồng thời các hiện tượng

đó Do vậy, khoa học về mài cần phải nghiên cứu sự ảnh hưởng đồng thời của cả bốn thông số đầu vào: các yếu tố về máy công cụ, các yếu tố về vật liệu gia công, các yếu

tố về đá mài và các thông số công nghệ của quá trình Mục đích là để điều khiển sao cho cơ chế cắt là lớn nhất, giảm thiểu cơ chế tribology, nhằm giảm lực và nhiệt cắt

2.3.2 Lực cắt khi mài

Lực mài là một thông số xuất hiện trong quá trình mài Lực mài ảnh hưởng trực tiếp đến biến dạng của hệ thống công nghệ, gây nhiệt độ cao trên chi tiết, dụng cụ cắt

và các cơ cấu của máy làm ảnh hưởng đến độ chính xác gia công Lực mài là một yếu

tố quyết định đến năng suất gia công và chất lượng quá trình mài Tuy nhiên, xác định lực mài ngay trong quá trình cắt là một bài toán khá phức tạp Do đó, xây dựng phương pháp xác định lực mài và chế tạo các thiết bị đo lực tin cậy và chính xác có ý nghĩa rất quan trọng trong quá trình mài

Do vai trò quan trọng như vậy nên trong công nghệ truyền thống cũng như trong công nghệ tự động hóa hiện đại, người ta luôn tìm cách kiểm soát lực cắt bằng các biện pháp trực tiếp hoặc gián tiếp Trong các mô hình tối ưu hóa chế độ công nghệ và trong các hệ thống điều khiển thích nghi luôn có mặt lực cắt hoặc các đại lượng dẫn xuất của

nó Nếu mô hình nào khống chế một đại lượng thì đại lượng đó chắc chắn là lực cắt

2.3.3 Năng lượng cắt riêng

Quá trình mài gây ra lực giữa đá mài và phôi Với các nguyên công mài chày dao hướng kính (hình 2.6), vectơ tổng hợp lực do phôi tác dụng lên đá mài có thể phân tích thành các thành phần lực tiếp tuyến Ft và thành phần lực pháp tuyến Fn Đối với mài chạy dao dọc phải thêm một thành phần lực phụ nữa có phương song song với trục đá mài

Hình 2.6: Sơ đồ mài mặt phẳng và mặt trụ ngoài

Mối liên hệ công mài P với các lực thành phần trong hình 2.6 có thể viết dưới dạng:

P = Ft(vs ± vw) (2.1) Dấu “+” biểu thị mài ngược, trong đó vận tốc phôi vw và vận tốc đá mài vs ngược chiều nhau tại khu vực mài (hình 2.6); dấu “ - ” biểu thị mài thuận, hai vận tốc cùng

chiều Vì vw thường có giá trị rất nhỏ so với vs nên công suất tổng cộng có thể viết đơn giản như sau:

P = Ft.vs (2.2) Mối quan hệ này đúng cho hầu hết các trường hợp mài Các thành phần công suất phụ khác liên quan tới lượng ăn dao và vận tốc chạy ngang thường bị bỏ qua Khi mài với chiều sâu lớn, như mài Creep-feed, thành phần lực tiếp tuyến với đá mài trong công thức (2.1) phải được tính toán tại điểm mà đường tác dụng của lực tổng hợp cắt vùng mài

Một thông số cơ bản được suy ra từ công và điều kiện gia công là năng lượng riêng Năng lượng riêng là năng lượng trên một đơn vị thể tích bóc kim loại (thông số này giống như công suất riêng – công trên một đơn vị tỉ lệ bóc theo thể tích) Năng lượng riêng trong mài được tính theo công thức:

u = P/Qw (2.3)

Tử số là công (công thức (2.1)), mẫu số là Qw là tỷ lệ cắt thể tích được cho dưới dạng các thông số mài trong hình 2.6:

Qw = vwab = πdwvtb (2.4) Trong đó b là bề rộng mài

Năng lượng riêng có ý nghĩa đặc biệt quan trọng ở chỗ bất kỳ có chế tương tác kim loại – hạt mài nào cũng liên quan đến độ lớn của nó và phụ thuộc vào các thông số gia công như đã trình bày ở trên

Nó cũng có tác dụng trong việc ước công suất máy Trong hệ đơn vị SI, năng lượng riêng có đơn vị (J/mm3), trong trường hợp này, nhân với tỷ lệ bóc kim loại (mm3/giây)

sẽ cho công suất đo bằng (watts)

2.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt khi mài phẳng