Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ sửa đá tới độ nhám bề mặt khi mài thép c45 nhiệt luyện

Đặc biệt là trong ngành chế tạo ổ bi, nguyên công mài chiếm khoảng 60% quy trình công nghệ [13], bởi vì mài tạo ra được các chi tiết máy có độ chính xác cao, chất lượng bề mặt cao, gia c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

NGUYỄN TRỌNG HIẾU

HÀ NỘI – 2010

CÁC KÝ HIỆU CHÍNH

a’ z Chiều dày phoi thực tế mm

C ct Mật độ lưỡi cắt tĩnh trên một đơn vị thể tích đá 1/mm 3

h Chiều cao biên dạng nhám bề mặt mm

h a Chiều cao biên dạng của lưỡi cắt mm

L Khoảng cách giữa các lưỡi cắt động mm

l Khoảng cách giữa các lưỡi cắt tĩnh mm

S d Lượng chạy dao dọc khi mài m/p

S n Lượng chạy dao ngang khi mài mm/htk

S sd Lượng chạy dao dọc khi sửa đá m/p

R a Chiều cao nhấp nhô tế vi bề mặt m

R z Chiều cao nhấp nhô Profin trung bình bề mặt m

t sd Chiều sâu cắt khi sửa đá mm

Q w Thể tích cắt theo thời gian mm 3 /s

Q w Thể tích cắt theo thời gian trên 1 đơn vị chiều rộng đá mm 3 /s

C

N ch Công suất mài tại ngưỡng cháy bề mặt W

HTCN Hệ thống công nghệ (Máy – Gá – Dao – Chi tiết)

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

1 1.1 Hệ số truyền nhiệt của vật liệu phụ thuộc vào hàm lượng

hợp kim

23

2 4.1 Bảng tổng hợp số liệu thí nghiệm – thép 45 nhiệt luyện 65

3 4.2 Bảng Logarit của các biến thực nghiệm 66

4 4.3 Bảng Logarit của các biến thực nghiệm 67

5 4.4 Giá trị hồi quy thực nghiệm của phương trình hàm (4.6) 69

6 4.5 Giá trị hồi quy thực nghiệm của phương trình hàm (4.10) 69

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

T

T

1 Hình 1.1 Sơ đồ mô tả quan hệ của các thông số vào-ra của quá

trình mài

14

2 Hình 1.2 Quá trình tạo phoi khi mài của một hạt mài 15

3 Hình 1.3 Sơ đồ mô tả quá trình tạo phoi bằng hạt mài có bán

kính đỉnh cắt 

16

5 Hình 1.5 Sơ đồ lực cắt khi mài tròn 19

6 Hình 1.6 Nhiệt và sự phân bố năng lượng khi mài 22

8 Hình 1.8 Hình dạng tế vi của một số loại vật liệu hạt mài 25

9 Hình 1.9 Hình dạng của hạt mài kim cương với tỉ lệ chất phủ

Nikel khác nhau

26

10 Hình1.10 Hình dạng tế vi của hạt mài Si 3 N 4 phủ Nickel 26

11 Hình1.11 Hạt mài Si 3 N 4 không được phủ Nickel (a) và được phủ

Nickel (b)

27

12 Hình 1.12 Sự biến đổi các lưỡi cắt của hạt mài Si 3 N 4 27

13 Hình 1.13 Các hạt mài Cácbít Vônfram được phủ bạc 28

14 Hình 1.14 Các tính chất cơ lý của một số loại vật liệu hạt mài

thông dụng

28

15 Hình 1.15 Chất dính kết liên kết các hạt mài với nhau 29

22 Hình 2.4 Một số dụng cụ sửa đá kim cương 44

23 Hình 2.5 Phân loại dụng cụ sửa đá kim cương 45

24 Hình 2.6 Sửa đá bằng bút chì kim cương 46

25 Hình 2.7 Sơ đồ lực cắt khi sửa đá 48

26 Hình 2.8 Ảnh hưởng của chiều sâu sửa đá t sd đến nhiệt độ khi

sửa đá

50

27 Hình 2.9 Sự biến đổi của Topography phụ thuộc vào dạng

Topography khởi thủy và tải trọng khi mài

31 Hình 3.2 Mẫu phôi thí nghiệm 60

32 Hình 3.3 Máy đo độ nhám SJ 201 – Mitutoyo 61

33 Hình 4.1 Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm và ma trận thực nghiệm 62

34 Hình 4.2 Quan hệ giữa R a với các thống số của chế độ sửa đá

2 Mục đích, đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÀI

1.8.2 Độ sóng bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng tới độ sóng bề mặt 34 1.8.3 Cấu trúc của lớp bề mặt mài và các yếu tố ảnh hưởng 34 1.8.4 Ứng suất dư lớp bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng 36

CHƯƠNG 2: ĐỘ NHÁM BỀ MẶT MÀI THÉP C45 NHIỆT LUYỆN

VÀ CÔNG NGHỆ SỬA ĐÁ MÀI

2.3.3.4 Sự biến đổi Topography của đá mài 52 2.3.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến Topography của đá mài 54

2.3.3.5.1 Ảnh hưởng của các thông số đặc trưng của đá mà 54

2.3.3.5.3 Ảnh hưởng của chế độ cắt khi sửa đá 55

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM

3.1.2 Mô hình thí nghiệm 59 3.1.3 Các thông số công nghệ cơ bản của hệ thống 59

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ

4.3.2 Xử lý kết quả thí nghiệm với thép C45 nhiệt luyện 65

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay với sự phát triển của khoa hoc 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 tính và các tính chất đặc biệt khác, tính gia công của các loại vật liệu này là 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 đó phạm vi sử dụng của phương pháp mài ngày càng được mở rộng

Mài là một phương pháp gia công có vị trí rất quan trọng trong gia công cơ khí đặc biệt là cơ khí chính xác, 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% quy trình công nghệ [13], bởi vì mài tạo ra được các chi tiết máy có độ chính xác cao, chất lượng bề mặt cao, gia công được các loại vật liệu có cơ tính cao (độ bền cao, độ cứng cao v v ) Mài không những áp dụng để gia công lần cuối các loại chi tiết máy mà còn áp dụng để gia công thô, trong đó nhiều trường hợp bề mặt mài được thực hiện mà không qua các bước gia công trung gian Ở các nước công nghiệp phát triển việc nghiên cứu

và ứng dụng công nghệ mài định hình, mài chép hình, mài chính xác, mài siêu chính xác vào sản xuất được sử dụng rất rộng rãi và không thể thiếu được trong ngành gia công cơ khí

Hiện nay ở Việt Nam, hoạt động sản xuất cơ khí chưa phát triển, còn mang tính chất riêng lẻ, quy mô sản xuất loạt nhỏ thậm chí là đơn chiếc nên việc lựa chọn đá mài cho phù hợp gặp rất nhiều khó khăn, do vấn đề kinh tế, giá thành sản phẩm Điều này ảnh hưởng không nhỏ đến hoạt động sản xuất,

sự phát triển và tồn tại của doanh nghiệp trong thời buổi kinh tế thị trường, cạnh tranh khốc liệt Vì vậy một vấn đề được đặt ra là làm sao mở rộng được khả năng mài của đá mài, giảm tối đa số chủng loại của đá mài trong hoạt

động sản xuất mà vẫn đảm bảo được năng suất, độ nhẵn bóng và độ chính xác gia công, từ đó giảm chi phí thay mới đá mài làm cơ sở hạ giá thành sản phẩm, tăng khả năng cạnh tranh rất lớn cho doanh nghiệp

Một mặt, việc chọn đá mài phù hợp để đạt độ chính xác gia công theo yêu cầu phụ thuộc vào vật liệu gia công, điều đó có nghĩa là: ứng với mỗi một loại vật liệu khác nhau ta phải lựa chọn một loại đá mài phù hợp Đối với các loại vật liệu cứng ta nên chọn đá mài “mềm” để tăng khả năng năng suất cắt gọt và độ nhẵn bóng nhờ cơ chế “tự làm sắc” của đá mài Và ngược lại: đối với vật liệu mềm ta nên chọn đá mài “cứng” để tăng năng suất cắt gọt

và chống bám dính nên trên bề mặt đá mài của vật liệu mài

Mặt khác, sau một thời gian mài nhất định ứng với tuổi bền của đá mài, đá sẽ bị mòn, độ nhám bề mặt sẽ tăng, xuất hiện các loại dao động, khả năng cắt của đá giảm đi rất nhanh, do đó đá mài phải được sửa lại Vì thế quá trình sửa đá đóng một vai trò quan trọng quyết định đến độ chính xác gia công và độ nhẵn bóng bề mặt

Hiện nay, do xu thế hội nhập khu vực và thế giới các sản phẩm cơ khí Việt Nam cũng phải vươn lên đạt các chỉ tiêu chất lượng của khu vực và quốc tế, vì vậy việc nghiên cứu và ứng dụng kết quả của công nghệ mài để góp phần nâng cao chất lượng các sản phẩm cơ khí là vấn đề cấp thiết

Trước những yêu cầu đó em chọn hướng đề tài:

“ Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ sửa đá tới độ nhám bề mặt khi mài thép C45 nhiệt luyện ”

2 Mục đích, đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu

2.1 Mục đích của đề tài

Nghiên cứu điều khiển quá trình sửa đá để đạt được Topography của

đá thích hợp nhằm cải thiện tính cắt gọt của đá, nâng cao chất lượng sản

phẩm, nâng cao tuổi bền của đá mài, mở rộng khả năng công nghệ của đá mài, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của đá mài

Dùng làm tài liệu tham khảo cho sản xuất, giảng dạy và học tập

2.2 Đối tượng nghiên cứu

Sử dụng đá mài của CHLB Nga sản xuất với ký hiệu: 24A 40П

CM1 6 K5 A- П П 400.203.35 m/s gia công thép kết cấu C45 đã qua

nhiệt luyện Những kết quả và nghiên cứu đạt được sẽ vận dụng hiệu quả trong quá trình nghiên cứu và ứng dụng trong thực tiễn khi mài bằng các loại vật liệu khác nhau, bằng các loại đá mài khác nhau

2.3 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về quá trình mài

Nghiên cứu về nhám bề mặt mài thép C45 nhiệt luyện

Xác định chế độ công nghệ sửa đá hợp lý để năng cao độ chính xác, chất lượng bề mặt chi tiết gia công, và mở rộng khả năng công nghệ của đá mài

2.4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết

- Tiến hành thí nghiệm và xử lý số liệu thí nghiệm

- Phân tích và đánh giá kết quả

Trong đó nghiên cứu thực nghiệm là chủ yếu Việc nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành với hệ thống thiết bị đo hiện đại có độ chính xác cao

3 Ý nghĩa của đề tài

3.1 Ý nghĩa khoa học:

Bổ sung các lý thuyết tổng quan về mài vật liệu nói chung và mài thép C45 nhiệt luyện nói riêng Đồng thời xác lập được mối quan hệ giữa các thông số của công nghệ sửa đá với độ nhám bề mặt khi mài thép C45 nhiệt

luyện Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở khoa học cho việc tối ưu hóa quá trình mài, nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cho nguyên công mài

3.2 Ý nghĩa thực tiễn:

Ở các nước phát triển quá trình sản xuất là hàng loạt, hàng khối nên quá trình lựa chọn đá mài cho phù hợp với vật liệu mài rất đơn giản Tuy nhiên ở Việt Nam hiện nay, hoạt động sản xuất cơ khí chưa phát triển, còn mang tính chất riêng lẻ, quy mô sản xuất chỉ là loạt nhỏ thậm chí là đơn chiếc nên việc lựa chọn đá mài cho phù hợp gặp rất nhiều khó khăn, không phải không lựa chọn được đá mài mà là vấn đề bài toán kinh tế, giá thành sản phẩm Điều này ảnh hưởng không nhỏ đến hoạt động sản xuất, sự phát triển và tồn tại của doanh nghiệp trong thời buổi kinh tế thị trường, cạnh tranh khốc liệt Vì vậy một vấn đề được đặt ra là làm sao mở rộng được khả năng mài của đá mài, giảm tối đa số chủng loại đá mài trong hoạt động sản xuất mà vẫn đảm bảo được năng suất, độ nhẵn bóng và độ chính xác gia công, từ đó giảm chi phí thay mới đá mài làm cơ sở hạ giá thành sản phẩm, tăng khả năng cạnh tranh cho doanh nghiệp

Xuất phát từ điều kiện gia công cụ thể: Cặp đá mài – vật liệu gia công,

hệ thống công nghệ, chất lượng sản phẩm v.v chọn được chế độ công nghệ sửa đá hợp lý nhằm đảm bảo được chất lượng bề mặt, độ chính xác gia công

và tuổi bền của đá là lớn nhất

Mở rộng khả năng gia công của đá mài bằng cách điều khiển chế độ công nghệ khi sửa đá, do đó hạn chế được số chủng loại đá, thời gian thay đá v.v Từ đó nâng cao được tính linh hoạt, hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của đá mài

Một số sản phẩm bắt buộc phải qua mài và sau mài

Ổ cứng máy tính

Ống kính máy ảnh

Máy ảnh kỹ thuật số

Máy bay Airbus 380

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÀI 1.1 Đặc điểm của quá trình mài

lớn các lưỡi cắt rất bé của hạt mài đồng thời tham gia cắt gọt So với các phương pháp cắt gọt bằng các dụng cụ cắt có lưỡi cắt xác định thì mài có một số đặc điểm sau:

- Mài là quá trình cắt tế vi và cào xước ở tốc độ cao của các hạt mài trên bề mặt vật gia công tạo ra nhiều phoi vụn Tốc độ cắt khi mài rất cao, thông

- Các lưỡi cắt không giống nhau và được sắp xếp rất ngẫu nhiên trên bề mặt

đá do đó các vết cắt xoá lẫn nhau cho phép tạo ra độ bóng bề mặt cao

- Hình dạng hình học của mỗi hạt mài không giống nhau, góc sắc thường lớn hơn 900 (>900) góc trước thường âm (<0) do đó không thuận lợi cho quá trình cắt và thoát phoi

- Độ cứng của hạt mài cao, do đó có thể cắt được những vật liệu cứng mà các loại dụng cụ cắt khác không cắt được như: Thép đã tôi, hợp kim cứng

- Do nhiều hạt mài cùng tham gia cắt gọt cùng một lúc, do góc trước (<0) và

do vận tốc cắt rất lớn nên nhiệt cắt khi mài rất lớn, nhiệt độ vùng cắt có thể lên tới 1000-15000

c, gây cháy phoi, sinh tia lửa [5], [13]

- Quá trình cắt khi mài có tính gián đoạn, các hạt mài lần lượt vào cắt, ra cắt tạo ra các rung động

- Các đỉnh lưỡi cắt phân bố không đều theo chiều cao, lượng dư phân bố cho các hạt mài không đều, do đó lực cắt tác động lên các hạt mài không bằng nhau

Nếu lực cắt quá lớn sẽ có hiện tượng hạt mài bị vỡ (tạo ra các lưỡi cắt mới) hay bị bong ra khỏi bề mặt làm việc của đá và xuất hiện lưỡi cắt của các hạt mài mới tạo ra khả năng tự mài sắc của đá mài

Mài không những được sử dụng gia công tinh lần cuối mà còn được sử dụng ngày càng rộng rãi ở các nguyên công gia công thô

Ngày nay, cùng với sự phát triển của ngành chế tạo máy, những đòi hỏi về độ chính xác và chất lượng gia công ngày một cao thì mài càng được quan tâm nghiên cứu và được sử dụng rộng rãi hơn

Hình 1 1: Sơ đồ mô tả quan hệ của các thông số vào-ra của quá trình mài

1.2 Qúa trình tạo phoi khi mài

Qúa trình tạo phoi khi mài của một hạt mài có nguyên lý làm việc tương

tự như với một răng của dao phay (hình 1.2) [4] song quá trình mài có những đặc thù riêng, tương đối khác biệt so với quá trình cắt bằng dụng cụ kim loại có lưỡi căt xác định khác chẳng hạn như dao phay, dao tiện

PY PZ

Hình 1.2 Quá trình tạo phoi khi mài của một hạt mài

1- Hạt mài; 2 - Phoi mài; 3 - Phôi

Những khác biệt ấy bao gồm:

- Các lưỡi cắt của hạt mài tham gia cắt không liên tục

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

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

- Hạt mài phân bố không có quy luật trên bề mặt trụ của đá

- Tốc độ cắt cao, có nhiều lưỡi cắt cùng tham gia cắt đồng thời trong vùng cắt (vùng tiếp xúc giữa đá và bề mặt gia công)

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

- Do có nhiều lưỡi cắt cùng tham gia cắt gọt nên tạo ra nhiệt cắt lớn, nhiệt độ vùng cắt cao

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

a (a<<) b(a<) c(a>)

Hình 1.3.Sơ đồ mô tả quá trình tạo phoi bằng hạt mài có bán kính đỉnh cắt 

a-Hiện tượng trượt của hạt mài trên bề mặt mài; b- miết kim loại; c- tạo phoi

Đá mài không có lưỡi cắt liên tục trên vành cắt, các cạnh cắt của hạt mài nằm trên độ cao khác nhau, do đó không phải tất cả các hạt mài đều tham gia cắt gọt trong cùng một thời điểm giống nhau Hạt thì trượt trên bề mặt gia công, hạt thì miết nén, hạt thì tạo phoi Những hạt có bán kính cung lượn lớn tức là những hạt quá mòn không thể cắt được lát cắt mỏng, những hạt này không cắt mà chỉ trượt trên bề mặt gia công, lúc này sinh ra một lượng nhiệt rất lớn

Do mũi dao có bán kính ρ lớn và góc ăn tới của lưỡi cắt η 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 a z 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 xẩy ra đồng thời

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

Các nghiên cứu cho thấy rằng a ’ z , t phụ thuộc vào hình dáng hình học

của lưỡi cắt, vào góc tác dụng η, vào vận tốc cắt v d 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 ( ρ lớn ), góc η 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 Quá trình tạo phoi xảy ra trong khoảnh khắc

rất nhỏ 0,001- 0,005 giây [7]

Tổng số lượng hạt phoi được cắt bởi một đá mài trong một đơn vị thời gian là rất lớn (hàng trăm triệu hạt phoi trong một phút) Bề dày của phoi rất khác nhau từ một vài micrômet đến vài phần trăm micrômet, những phoi quá nhỏ dưới tác dụng của nhiệt cao sẽ bị cháy tạo thành tia lửa khi mài Những phoi lớn hơn cùng với những phần tử hạt bị mòn của đá được dung dịch tưới nguội rửa trôi

 Phoi mài

Sử dụng SEM để quan sát phôi mài, ta có các nhận xét như sau:

Các phoi có hình dạng lá, xoắn lượn

rất giống với phoi tiện Các phoi có cấu

trúc lá mỏng giống như phoi của các quá

trình gia công khác

Cấu trúc của phoi giống như phoi

tiện nhưng ở mức độ nhỏ hơn Phoi bị

uốn cong nhiều do góc trước âm và do

quá trình biến dạng gần như đoạn nhiệt

vì vận tốc cắt cao

Phoi có dạng hình cầu rỗng với cấu

trúc tế vi dạng nhán mỏng do bị nóng

chảy và hóa rắn nhanh sau đó Hiện

tượng này xảy ra không nhất thiết trong

khi mài mà do phản ứng giữa phoi với

O2 trong không khí tạo ra hoa lửa

Hình 1.4 Các dạng phoi mài

1.3 Lực cắt khi mài

Các lực cắt khi mài không quá lớn nhưng các lực này có ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt và độ chính xác chi tiết gia công khi mài Lực sinh ra trong quá trình mài bao gồm tổng hợp các lực cắt gọt của đá mài và lực cắt cào xước tế vi của một hạt đá

Hình 1.5 Sơ đồ lực cắt khi mài tròn

Lực cắt khi mài (cũng như đối với trường hợp cắt bằng dao tiện )

thường được phân ra 3 lực thành phần [9]: lực hướng tâm P y , tiếp tuyến P z và

lực dọc trục P x Chiều dày cắt nhỏ với bán kính đỉnh của lưỡi cắt và có góc

cắt trước âm dẫn đến một vấn đề là lực hướng kính P y tạo ra lớn hơn lực tiếp

lực hướng kính P y sẽ ép lưỡi cắt vào bề mặt chi tiết do đó P y có trị số lớn hơn

rất nhiều so với P z (K µ nhỏ) Khi quá trình tạo phoi xẩy ra thì P z tăng lên (K µ tăng) Lúc này P z gồm hai thành phần: lực ma sát và lực tạo phoi

Khi nghiên cứu vết cắt, chiều sâu cắt không có biến dạng t và chiều dày phoi thực tế a ’ z có thể rút ra một số kết luận sau:

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

công lớn thì quá trình tạo phoi xảy ra sớm

- Khi ρ 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 mài đồng thời tham gia cắt nên tổng lực cắt của tất cả các lưỡi cắt khá lớn

Nếu gọi lực cắt tác dụng lên một hạt mài là P i thì lực cắt tổng hợp khi mài được xác định:





 n

i i

P P

1

( N ) (1.2)

Trong đó : P - lực cắt tổng hợp khi mài;

n - tổng số lưỡi cắt đồng thời tham gia cắt

Lực cắt tổng hợp được phân ra 3 thành phần PP z P y P x (1.3)

Trong đó: P z - Thành phần lực tiếp tuyến

P y - Thành phần lực pháp tuyến

P x - Thành phần lực theo phương chạy dao

Thường P y = (1,5÷3) P z ; P x thường rất bé so với P z nên thường bỏ qua

Thành phần lực tiếp tuyến Pz được tính theo công thức [13]:

P z = A.(

ct d

ct

v v

v

2

60  )

2-k

1 2

3

)

k

B S D d

d D l

t

(1.4)

Trong đó A và k là các hệ sộ mũ xác định bằng thực nghiệm và phụ thuộc vào điều kiện gia công cụ thể Từ (1.4) ta thấy: Lực P z phụ thuộc vào

tất cả các yếu tố khi mài trong đó v d và S d có ảnh hưởng lớn nhất tới lực P z

Chiều sâu cắt thực tế t ảnh hưởng tới P z ít hơn Khi tăng v d và độ hạt, lực P z giảm Khi mài tỷ số lực cắt K μ được xác định theo biểu thức:

số đầu ra, quan trọng nhất đó là chất lượng và độ chính xác bề mặt chi tiết gia công

1.4 Nhiệt cắt và sự phân bố năng lƣợng

Năng lượng và nhiệt cắt phân bố trong quá trình cắt được giới thiệu ở hình 1.4 [19]

Ta thấy, năng lượng cơ học cơ bản được biến thành nhiệt ở 4 khu vực:

- Do các lưỡi cắt bị mòn ( hoặc do có ρ 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 biến thành nhiệt

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

cụ và môi trường

Ma sát phoi

Vd

Hình 1.6 Nhiệt và sự phân bố năng lượng khi mài

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

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

Do tốc độ cắt cao và góc cắt của các hạt mài không thuận lợi cho điều kiện cắt gọt nên nhiệt độ ở vùng tiếp xúc giữa đá mài với chi tiết gia công rất lớn (khoảng 1000 ÷ 15000

C), thời gian tác dụng để phát sinh nhiệt là rất ngắn (1.10-4

÷ 5.10-6 s) sau đó nhiệt lại giảm xuống nhanh chóng

Chi tiết

Bảng 1.1 Hệ số truyền nhiệt của vật liệu phụ thuộc vào hàm lượng hợp kim[9]

2% Cr 12%Cr 18%W 2%Mn 1,1%C

0,025 0,050 0,070 0,078 0,102

Nhiệt độ mài T m có thể xác định theo công thức sau [9], [20]:

T m = 0,5

5 , 0

) (

) (

.

c

v l p

λ – hệ số truyền nhiệt của vật liệu gia công ( Kcal/cm.g.độ)

γ – khối lượng riêng của vật liệu gia công

c – nhiệt dung riêng của vật liệu gia công

Phương trình ( 1.6) cho thấy nhiệt độ mài phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: chế độ cắt, chất liệu gia công, vật liệu hạt mài, chất kết dính, độ xốp của

đá mài, dung dich 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)

Khác với phương pháp cặt gọt khác, khi mài bằng đá thường nhiệt độ chủ yếu truyền vào chi tiết gia công (65% ÷ 84%), phần còn lại truyền vào đá mài (11% ÷ 12%), vào dung dich trơn nguội (4% ÷ 13%), và vào phoi không đáng kể (3% ÷ 7%) [9]

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 hợp lý

- Sử dụng các 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

1.5 Đá mài và các thông số cơ bản của đá mài

1.5.1 Cấu trúc chung của đá mài

Đá mài được hình thành từ các hạt mài (hạt cắt), chất kết dính và các

Lỗ khí

- Đá mài sử dụng hạt mài truyền thống: Đá mài truyền thống

- Đá mài sử dụng vật liệu siêu cứng: Đá mài siêu cứng

Vật liệu hạt mài Các hạt mài đóng vai trò của các lưỡi cắt Hiện nay

có nhiều loại vật liệu hạt mài khác nhau như trên hình 1.8, 1.9, 1.10, 1.11, 1.12 và 1.13 [17]

Trên hình 1.14 là sơ đồ mô tả các tính chất cơ lý của một số loại hạt mài thông dụng

Các hạt mài Si3N4 sau khi được phủ Nickel (h1.11b) được giữ trong chất dính kết tốt hơn so với hạt mài Si3N4 không được phủ (hình 1.11a)

Hình 1.8 Hình dạng tế vi của một số loại vật liệu hạt mài

Đá mài có chất kết dính thuỷ

tinh và nhựa hoá

Hình 1.9 Hình dạng của hạt mài kim cương với tỉ lệ chất phủ Nikel

khác nhau

Hình 1.10 Hình dạng tế vi của hạt mài Si 3 N 4 phủ Nickel

Phủ Nikel

Hình 1.11 Hạt mài Si 3 N 4 không được phủ Nickel (a) và được phủ Nickel (b)

Hình 1.12 Sự biến đổi các lưỡi cắt của hạt mài Si 3 N 4

Sự biến đổi chất lượng các cạnh cắt của hạt mài Si 3 N4

Hình 1.13 Các hạt mài Cácbít Vônfram được phủ bạc

Chất kết dính: Các hạt mài được liên kết với nhau nhờ chất kết dính Chất kết dính tạo hình dáng và độ bền cho đá mài Tuỳ theo điều kiện mài, dung dịch tưới nguội mà chọn loại chất kết dính phù hợp Có các loại chất kết dính sau:

- Chất kết dính thuỷ tinh hoá;

- Chất kết dính nhựa dẻo;

- Chất kết dính cao su;

- Chất kết dính silicát

Hình 1.15 Chất dính kết liên kết

các hạt mài với nhau Hình 1.16 Chất kết dính

Các lỗ trống: là khe hở giữa các hạt mài và chất kết dính Lỗ trống

được tạo ra để chứa phoi và dịch chuyển phoi khi mài

1.5.2 Ký hiệu của đá mài [12]

Ký hiệu của đá mài sử dụng hạt mài truyền thống nhƣ sau:

51-A-36-L-5-V-23

1 2 3 4 5 6

Trong đó:

- 51: Ký hiệu của nhà sản xuất

- 1: Chỉ vật liệu hạt mài A- Ôxít nhôm; C- Là Cácbít Silicon

- 2: Chỉ kích cỡ hạt mài (ký hiệu từ Mesh #8  #600, trong đó #8 

- 5: Chỉ chất kết dính ( V: chất kết dính là thủy tinh hóa)

-6: Ký hiệu riêng của nhà sản xuất để nhận biết đá

M D 120 N 100 V 77 1/8

1 2 3 4 5 6 7

- M: Là ký hiệu của nhà sản xuất

- 1: Chỉ vật liệu hạt mài D: Diamond; B: CBN

- 2: Chỉ kích cỡ hạt mài Vật liệu mài siêu cứng được ký hiệu bằng

#A/B Trong đó A là kích cỡ rây mà ở đó gần 100% hạt mài không đi qua

được trong khi B là kích cỡ của rây mà gần như 100% hạt mài lọt qua

- 3: Chỉ độ cứng của đá N: độ cứng ở mức N (độ cứng phân từ A, B,

C Y, Z)

- 4: Chỉ mật độ của hạt mài trong đá Nếu lấy số ký hiệu chia cho 4 thì

bằng tỉ lệ hạt mài có trong đá 100% tương đương với 4.4cara/1cm3 hay

25% thể tích

- 5: Chỉ chất kết dính ( V: chất kết dính là thủy tinh hóa)

- 6: Ký hiệu riêng của nhà sản xuất để nhận biết đá

- 7: Chiều sâu làm việc của đá có thể thực hiện được ( inch hay m)

1.6 Sự mài mòn của hạt mài và chất kết dính

Sự mài mòn bề mặt làm việc của đá mài khi mài là một quá trình cơ – lý – hóa phức tạp phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: Đặc trưng của đá, tính chất vật liệu gia công, chế độ cắt

Có thể nhìn thấy tổng quát có 3 cơ chế mòn chủ yếu: Cùn hạt mài, vỡ hạt mài và tách rời hạt mài [18]

Chi tiÕt

A B C C

H¹t mµi

ChÊt kÕt dÝnh

phoi

Hình 1.17: Cơ chế mòn đá

A Cùn; B Vỡ hạt mài; C Rơi hạt mài

Tuỳ thuộc vào điều kiện mài có thể xẩy ra các dạng mòn sau:

- Hạt mài nằm ở vị trí không thuận lợi trên bề mặt đá hoặc được giữ không chặt bởi chất kết dính, dưới tác dụng của lực cắt chúng bị tách ra khỏi

bề mặt đá Nó có thể xẩy ra theo bề mặt liên kết (gẫy cầu liên kết) khi sửa đá hoặc do hạt mài bị phá huỷ về thể tích

- Các cạnh và đỉnh của những hạt mài nhô ra nhiều nhất một phần bị vỡ vụn văng ra, một phần bị mòn và bị lì do ma sát với bề mặt chi tiết gia công

Trên bề mặt hạt mài xuất hiện các diện tích phẳng do bị mòn gây khó khăn cho hạt mài ăn sâu vào bề mặt gia công

- Hạt mài bị vỡ mảnh lớn

- Hạt mài bị vỡ thành nhiều mảnh nhỏ, tạo thành nhiều lưỡi cắt sắc hơn

- Phoi cắt ra cùng với vụn hạt mài và chất liên kết bị mòn rơi vào các lỗ hổng của đá và bịt kín chúng làm mất các góc cắt của hạt mài, khi đó khả năng luân chuyển phoi làm giảm tính cắt gọt

- Kim loại gia công do ngưng kết hoặc do tác dụng hoá học với vật liệu hạt mài bị dính vào các đỉnh hoặc trên bề mặt các hạt mài

Hình 1.18 Các dạng mòn của đá mài

a) hạt mài bị cùn; b) hạt mài bị vỡ từng mảnh nhỏ;

c) hạt mài bị vỡ mảnh lớn; d) hạt mài bị tróc;

e) hạt mài bị mất các góc cắt; g) hạt mài bị che lấp bởi phoi và tạp chất

- Khi các hạt mài bị vỡ và bị rơi ra, khi đó bề mặt làm việc đá mài liên tục để lộ ra các lớp hạt mài mới, sự khôi phục này được gọi là tính tự mài sắc của đá mài

Các dạng mòn trên xuất hiện đồng thời trong quá trình mài, tuy nhiên tùy thuộc vào điều kiện gia công cụ thể mà một dạng mòn nào đó thể hiện rõ nhất [6]

1.7 Sửa đá mài

Hầu hết các đá trước khi đưa vào sử dụng đều phải trải qua quá trình sửa đá Sửa đá gồm hai giai đoạn: sửa đúng (Truing) và làm sắc (Dressing) Sửa đúng là làm cho biên dạng đá đúng theo yêu cầu, giảm độ đảo của đá Làm sắc có tác dụng làm cho các hạt mài nhô lên bề mặt đá để cắt chi tiết

Mặt khác, sau một thời gian mài (bằng tuổi bền T của đá) đá sẽ bị

mòn, khi đó độ nhám bề mặt sẽ tăng, xuất hiện các loại dao động, khả năng cắt của đá giảm đi rất nhanh, do đó đá mài phải được sửa lại

Vì thế, nghiên cứu quá trình sửa đá tới chất lượng bề mặt của chi tiết

có ý nghĩa thực tiễn và sẽ được nghiên cứu sâu hơn ở chương 2

1.8 Chất lƣợng bề mặt chi tiết sau khi mài

Mài thường được chọn là nguyên công gia công tinh lần cuối các bề mặt vì thế chất lượng bề mặt mài có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng làm việc của chi tiết máy

Chất lượng bề mặt mài là kết quả của sự tương tác lý, hóa phức tạp giữa các vật liệu trong vừng gia công Các yếu tố đặc trưng cho chất lượng

1.8.2 Độ sóng bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng tới độ 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

- v ct – tốc độ chi tiết gia công

tự rung trong quá trình mài lớn hơn nhiều so với dao động cưỡng bức [3]

1.8.3 Cấu trúc của lớp bề mặt mài và các yếu tố ảnh hưởng

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 của nhiều hạt mài và sự ma sát, cào miết của các hạt mài không cắt gọt làm cho nhiệt phát sinh trong vùng tiếc xúc giữa đá mài và chi tiết gia công rất lớn (1000o

÷ 1500o C) Nhiệt cắt khi mài lớn làm biến dạng mang 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 Austenit dư tăng lên chứng tỏ trong quá trình mài có sự tôi lại lần hai Sự thay đổi cấu trúc lớp bề mặt chỉ xẩy ra đối với

các loại thép đã tôi 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 Austenit và Mactenxit tôi, lớp tiếp theo

là lớp ram có cấu trúc Trustit và Mactenxit, lớp trong cùng có cấu trúc của lớp kim loại tôi ban đầu [6]

Trong trường hợp mài với tốc 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 [6] Công suất mài tại ngưỡng cháy bề mặt có thể xác định theo công thức thực nghiệm [20]:

N ch = u o B V ct t + b.B.D e 1/4 t 1/4 V ct 1/2 ( 1.8) Trong đó:

- u o ; B : Các hệ số thực nghiệm

-D e : Đường kính tương đương

Cháy bề mặt ảnh hưởng đến tuổi thọ của chi tiết gia công

Vì có ảnh hưởng lớn đến chất lượng bề mặt gia công nên việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt cắt và các biện pháp giảm nhiệt cắt khi mài đặc biệt được quan tâm:

- Loại vật liệu gia công và vật liệu hạt mài ảnh hưởng thông qua hệ số

ma sát giữa đá mài và chi tiết gia công Có thể giảm hệ số ma sát bằng cách sử dụng công nghệ tưới nguội hợp lý

- Chiều sâu cắt và lượng chạy dao ảnh hưởng thông qua áp lực tiếp xúc: tăng chiều sâu cắt và lượng chạy dao sẽ làm tăng nhiệt cắt khi mài

- Tăng vận tốc cắt vd sẽ làm tăng nhiệt cắt khi mài

- Vật liệu gia công và đá mài có hệ số truyền nhiệt lớn thì nhiệt cắt khi mài thấp và ngược lại Sử dụng công nghệ tưới nguội hợp lý sẽ làm tăng tốc độ truyền nhiệt qua đó làm giảm nhiệt độ ở vùng mài

1.8.4 Ứng suất dư lớp bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng

Quá trình chuyển biến về cấu trúc của lớp kim loại bề mặt 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, giãn 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 Các yếu tố ảnh hưởng tới ứng suất dư lớp bề mặt mài gồm [21]:

- 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 mài,

độ cứng đá và loại chất kết dính)

- Chế độ bôi trơn

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 tuổi bền mỏi của chi tiết Ngược lại nếu trên bề mặt của 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

1.9 Các nghiên cứu về mài

1.9.1 Tiếp tục nâng cao chất lượng tạo ra hạt mài, tạo ra nhiều loại vật liệu siêu cứng có tính cắt tốt như Nitric-Bo lập phương CBN, nâng cao độ bền cơ học cho các hạt mài kim cương tổng hợp (giảm tạp chất, giảm các vết nứt )

1.9.2 Nâng cao chất lượng đá mài, tạo ra các chất kết dính mới có thể tạo ra đá có cấu trúc phù hợp, hoàn thiện công nghệ sản xuất đá mài có chất

lượng ổn định Nghiên cứu hoàn thiện các loại đá mài để mài với vận tốc cắt lớn ( > 100m/s)

1.9.3 Hoàn thiện thiết bị máy mài, nâng cao độ chính xác, độ ổn định,

độ tin cậy của máy mài Nâng cao tốc độ quay của trục chính máy mài để đáp ưng được mài với vận tốc cắt lớn (>100m/s)

1.9.4 Nghiên cứu bản chất vật lý của quá trình mài (nghiên cứu quá trình cắt của một hạt mài, quá trình tạo phoi, nhiệt, lực cắt, rung động ) Nghiên cứu hoàn thiện và đưa vào sản xuất các phương pháp mài tiên tiến như mài tốc độ cao, mài điện hóa Nghiên cứu mở rộng khả năng công nghệ của mài vào công đoạn gia công phá, gia công thô nhằm nâng cao năng suất

và hiệu quả kinh tế của quá trình mài

1.9.5 Nghiên cứu khả năng cắt tối ưu của đá mài

- Nghiên cứu năng suất cắt: Năng suất cắt phụ thuộc vào chế độ cắt, vào tính chất cơ lý của vật liệu gia công

- Nghiên cứu mòn và tiêu hao đá: Độ mòn và lượng tiêu hao đá phụ thuộc vào chế độ cắt, chế độ sửa đá, và cơ tính của vật liệu gia công

- Nghiên cứu mòn của đá theo thời gian và tuổi bền của đá mài, nghiên cứu các chi tiêu đánh giá tuổi bền của đá mài

- Nghiên cứu mòn theo bản chất vật lý của quá trình mài: Mòn do phá hủy cơ học, do ăn mòn hóa học, do khuyếch tán và mòn chất kết dính

1.9.6 Nghiên cứu lựa chọn dụng cụ và các thông số công nghệ sửa đá tối ưu nhằm tạo ra được cấu trúc tế vi bề mặt hợp lý Từ đó sẽ nâng cao được khả năng cắt của đá, nâng cao được tính linh hoạt của công nghệ mài, nâng cao được tuổi bền của đá mài Nghiên cứu ứng dụng điều khiển số vào quá