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

Phương pháp mài có một vị trí quan trọng trong quá trình gia công cơ khí hiện đại nhờ khả năng vượt trội so với các phương pháp cắt gọt khác khi gia công những vật liệu có độ bền cơ học

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

-

LÊ HUY

NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ

CÔNG NGHỆ KHI MÀI ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT MÀI

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS TRƯƠNG HOÀNH SƠN

LỜI CAM ĐOAN

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

Tác giả

Lê Huy

MỤC LỤC

Trang Trang phụ bìa

Lời cam đoan

MỞ ĐẦU 5

1 Tính cấp thiết của đề tài 5

2 Đối tượng, mục đích, nội dung và phương pháp nghiên cứu 6

2.1 Đối tượng nghiên cứu 6

2.2 Mục đích nghiên cứu 6

2.3 Nội dung nghiên cứu 6

2.4 Phương pháp nghiên cứu 6

3 Ý nghĩa của đề tài 7

3.1 Ý nghĩa khoa học 7

3.2 Ý nghĩa thực tiễn 7

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH MÀI PHẲNG 8

1.1 Tổng quan về quá trình mài 8

1.1.1 Tầm quan trọng và vị trí của phương pháp mài 8

1.1.2 Nghiên cứu về quá trình mài 8

1.1.3 Tình hình nghiên cứu công nghệ mài trong nước và trên thế giới 12

1.2 Các đặc trưng cơ bản của quá trình mài 14

1.2.1 Khả năng công nghệ của mài 14

1.2.2 Các phương pháp mài cơ bản 14

1.2.3 Bản chất của quá trình mài phẳng 17

1.3 Kết luận 20

Chương 2: MÀI PHẲNG VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA PHƯƠNG PHÁP MÀI PHẲNG 21

2.1 Bản chất của quá trình mài phẳng 21

2.1.1 Mài phẳng bằng đá mài mặt đầu 21

2.1.2 Mài phẳng bằng đá mài hình trụ 21

2.2 Các đặc điểm đặc trưng của quá trình mài 23

2.3 Đá mài và các thông số đặc trưng của nó 26

2.3.1 Vật liệu hạt mài 26

2.3.2 Độ hạt và hình dáng hình học của hạt mài 27

2.3.3 Độ cứng của đá 28

2.3.4 Cấu trúc của đá 28

2.3.5 Chất dính kết 29

2.4 Phương pháp biểu diễn đá mài 30

2.5 Chế độ cắt khi mài phẳng 31

2.5.1 Vận tốc quay của đá mài 31

2.5.2 Chiều sâu mài (lượng chạy dao hướng kính) 31

2.5.3 Lượng chạy dao dọc Sd 32

2.6 Quá trình hình thành độ nhám bề mặt 32

2.7 Các thông số đặc trưng cho chất lượng quá trình mài phẳng 33

2.7.1 Độ chính xác khi mài 33

2.7.2 Chất lượng chi tiết gia công khi mài phẳng 33

2.8 Cơ chế mài và lực mài 33

2.8.1 Phoi mài 33

2.8.2 năng lượng mài riêng, công và lực mài 34

2.8.3 Cơ chế mài của đá truyền thống 35

2.8.4 Năng lượng tạo phoi và cày xước 38

2.9 Cấu trúc hình học bề mặt khi mài 44

2.9.1 Chiều dài hình học cung tiếp xúc giữa đá và chi tiết 44

2.9.2 Đường cắt 45

2.9.3 Chiều dày cắt lớn nhất (chiều dài phoi không biến dạng) 49

2.10 Kết luận 51

Chương 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ THỰC NGHIỆM 53 3.1 Lựa chọn thông số đầu vào 53

3.2 Chỉ tiêu chất lượng bề mặt gia công 54

3.3 Mô hình thí nghiệm và các thông số thực nghiệm 54

3.3.1 Mô hình thí nghiệm 54

3.3.2 Các thông số thực nghiệm 55

3.4 Trang thiết bị thí nghiệm 56

3.4.1 Mẫu thí nghiệm 56

3.4.2 Đá mài 56

3.4.3 Máy mài phẳng 57

3.4.4 Máy đo độ cứng 58

3.4.5 Máy đo độ nhám 59

3.4.6 Một số dụng cụ khác dùng trong quá trình thí nghiệm 60

3.5 Trình tự thí nghiệm 60

3.5.1 Thí nghiệm ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến nhám bề mặt chi tiết 60 3.5.2 Thí nghiệm ảnh hưởng của vận tốc chi tiết đến nhám bề mặt 61

3.5.3 Thí nghiệm ảnh hưởng của thời gian mài đến mòn đá 61

3.6 Kết quả thí nghiệm 61

3.6.1 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến nhám bề mặt chi tiết 61

3.6.2 Ảnh hưởng của vận tốc chi tiết đến nhám bề mặt 62

3.6.3 Ảnh hưởng của thời gian mài đến mòn đá 63

3.7 Kết luận 64

Chương 4: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN Ra, Rz 65

4.1 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt 65

4.2 Ảnh hưởng của vận tốc chi tiết 68

4.3 Khả năng cắt gọt của đá mài 71

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 73

5.1 Kết luận chung 73

5.2 Hướng nghiên cứu tiếp theo 73

LỜI CẢM ƠN 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Sự ra đời các loại máy móc, thiết bị hiện đại, có chất lượng cao (đạt độ chính xác, độ tin cậy và độ bền cao…) đòi hỏi cần phải có các chi tiết máy có độ chính xác, chất lượng bề mặt và độ bền cao Điều này, dẫn tới cần phải có một phương pháp gia công đạt được các yêu cầu đó

Phương pháp mài có một vị trí quan trọng trong quá trình gia công cơ khí hiện đại 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 vượt trội

Gần đây đã có nhiều nghiên cứu về phương pháp tiện cứng và phay cứng 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

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công khi mài Do phương pháp mài thường được chọn là nguyên công gia công tinh lần cuối nên chất lượng bề mặt chi tiết mài ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền của chi tiết máy

Các loại vật liệu hạt mài thông thường gồm oxide nhôm, silicon carbide, carbide boron… Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật khi mài bằng đá mài sử dụng những loại vật liệu hạt mài này thời gian gần đây đạt chất lượng rất tốt, điển hình là đá mài Hải Dương Bên cạnh tầm quan trọng của đá mài trong quá trình mài thì sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ (Sd, t) (xác định chế độ cắt khi mài) trên máy mài

là yếu tố đặc biệt quan trọng, có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng bề mặt chi tiết mài

Thép 20X là mác thép phổ biến, chuyên dùng thường được sử dụng để chế tạo các chi tiết chịu mài mòn lớn, chịu tải trọng va đập cao, các bộ phận quan trọng của máy móc có độ chính xác cao như bánh răng, trục truyền động, trục vít me bi, con lăn, đĩa ma sát … và là loại thép có thể tôi bề mặt

Xuất phát từ những đặc điểm và tình hình trên, tác giả đã chọn đề tài:

“Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết khi mài bằng đá mài Hải Dương khi mài phẳng với vật liệu chi tiết mài

là thép 20X nhiệt luyện”

2 Đối tượng, mục đích, nội dung và phương pháp nghiên cứu

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là một vài thông số đặc trưng cho quá trình cắt khi mài tinh mác thép 20X nhiệt luyện trên máy mài phẳng bằng đá mài Hải Dương Cn46CV1G V1 250x25x32

Nghiên cứu tổng quan các tài liệu, lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

2.2 Mục đích nghiên cứu

Xác định được sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ (Sd, t) của quá trình mài đến chất lượng bề mặt chi tiết mài khi mài phẳng bằng đá mài Hải Dương với vật liệu chi tiết mài là 20X, từ cơ sở đó xác định chế độ cắt hợp lý

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

2.3 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan về mài: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về mài và những vấn đề cơ bản của công nghệ mài, ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ khi mài đến chất lượng bề mặt gia công trên máy mài phẳng

Nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hai thông số công nghệ là lượng chạy dao dọc (Sd) và chiều sâu cắt (t) đến chất lượng bề mặt của chi tiết gia công theo thời gian mài

2.4 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:

- Phân tích động học và động lực học của quá trình mài

- Xây dựng mô hình thực nghiệm mài

- Thí nghiệm và xử lý số liệu thực nghiệm

- Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm

3 Ý nghĩa của đề tài

3.1 Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết khi mài phẳng bằng đá mài truyền thống đã được nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm nghiên cứu và ứng dụng Nhưng ở Việt Nam, với đá mài Hải Dương thì chưa có công trình nghiên cứu nào về lĩnh vực này được công bố, do đó đề tài có

ý nghĩa khoa học và phù hợp với hướng nghiên cứu của khoa học và công nghệ về gia công vật liệu

3.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi mài bằng

đá mài Hải Dương sẽ góp phần đẩy mạnh ứng dụng công nghệ mài vào quá trình gia công cơ khí ở Việt Nam, nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của quá trình chế tạo sản phẩm

Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng khi mài các chi tiết máy có độ chính xác cao làm bằng thép 20X sau nhiệt luyện như bánh răng, trục truyền động, trục vít me

bi, con lăn, đĩa ma sát … và dùng để tham khảo cho quá trình mài các mác thép khác Từ đó hỗ trợ các ngành công nghiệp khác phát triển, thúc đẩy quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước

Nội dung luận văn bao gồm:

Chương 1 : Tổng quan về quá trình mài phẳng

Chương 2 : Mài phẳng và các đặc tính cơ bản của phương pháp mài phẳng

Chương 3 : Xây dựng mô hình thực nghiệm và thực nghiệm

Chương 4 : Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến Ra, Rz

Kết luận chung và hướng nghiên cứu tiếp theo

Chương 1:

TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH MÀI PHẲNG

1.1 Tổng quan về quá trình mài

1.1.1 Tầm quan trọng và vị trí của phương pháp mài

Mài là phương pháp gia công tinh, nó đóng vai trò quyết định đến chất lượng sản phẩm Tầm quan trọng của mài còn 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

Nhìn chung, các sản phẩm cao cấp được chế tạo đều phải qua quá trình mài hoặc có liên qua đến quá trình mài Một số sản phẩm bắt buộc phải qua quá trình mài và sau mài như: Ổ cứng máy tính, ống kính máy ảnh, máy ảnh kỹ thuật số và các thiết bị của máy bay…

1.1.2 Nghiên cứu về quá trình mài

Mài là phương pháp gia công đầu tiên mà con người tìm ra, kể từ khi người

cổ đại tình cờ cọ xát vũ khí hay công cụ lao động của mình xuống các phiến đá và

họ nhận thấy điều đó có tác dụng làm sắc dụng cụ hay vũ khí của mình

Tuy nhiên việc nghiên cứu về quá trình mài một cách có hệ thống thì lại sau cùng, cách đây khoảng 70 năm

Mài kim loại là một loại hình gia công bằng phương pháp cắt gọt, giống như gia công tiện, phay, khoan… trên các máy cắt kim loại nói chung

Mục đích của quá trình gia công của các loại hình cắt gọt là tạo ra chi tiết có các bề mặt cần thiết phù hợp với hình dáng hình học, kích thước và độ nhám trên bề mặt đó Máy mài là một trong những dạng máy cắt kim loại phổ biến rộng rãi, để gia công bề mặt kim loại với dụng cụ cắt là đá mài

Quá trình mài là quá trình cắt gọt vật liệu bằng các hạt mài có độ cứng cao Mài có nhiều đặc điểm khác biệt so với các phương pháp gia công cắt gọt khác do các yếu tố sau:

- 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 γ thường âm và góc cắt β thường lớn hơn 90o

- Tốc độ của mài rất lớn, thường là trên 15m/s, chủ yếu là khoảng từ 25÷35m/s đối với mài thường, và 150÷300m/s đối với mài cao tốc Với tốc độ này thì việc đo đạc các thông số như lực cắt, nhiệt cắt v.v là rất khó khăn

- Do góc cắt không hợp lý, tốc độ cắt cao nên nhiệt độ ở vùng cắt khi mài rất lớn khoảng từ 1000÷1500oC, nhiệt độ này 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 rất cao, cắt gọt không liên tục nên có thể gia công được những vật liệu có độ cứng cao mà các dụng cụ khác không cắt được như thép tôi, hợp kim cứng… nhưng lại không gia công được những vật liệu quá mềm

- 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

Hình 1.1 Quá trình mài

- 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 quan trọng

Việc đưa ra được một mô hình vùng mài chính xác và cố định trong một thời gian tương đối dài là rất khó khăn Tuy nhiên, trong những năm cuối thế kỷ XX, nhờ vào sự phát triển của Kỹ thuật thông tin, Kỹ thuật đo lường v.v mà các nghiên cứu về mài trên thế giới đã thu được nhiều kết quả tốt Nhưng ở Việt Nam, cho tới nay thì quá trình mài còn được nghiên cứu rất ít và chưa có công trình nào được công bố chính thức

Ưu điểm cơ bản của quá trình mài là dễ đạt được độ chính xác kích thước, hình dáng hình học, chất lượng bề mặt gia công và năng suất cao

Trong quá trình gia công lần cuối những chi tiết máy đã được gia công nhiệt luyện với lượng dư gia công còn lại nhỏ thì mài là phương pháp gia công đạt năng xuất và hiệu quả kinh tế cao nhất

Hàm lượng các nguyên công mài, và theo đó các nhóm máy mài càng ngày càng tăng không ngừng:

- Khi các loại chi tiết máy bằng thép tôi và các loại chi tiết bằng thép nhiều thành phần hợp kim, hợp kim cứng được sản xuất và ứng dụng rộng rãi

- Khi các loại chi tiết máy được tạo hình chính xác hơn, với lượng dư gia công nhỏ

Dụng cụ cắt làm từ hạt mài được chế tạo từ rất sớm, đá mài có hình dáng như hiện nay được chế tạo vào khoảng nửa thế kỷ XIX 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

Al2O3 và SiC 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 1891 các nhà hoá học đã tổng hợp được Cacbit silic Năm 1901 các nhà máy ở Anh, Pháp, Đức bắt đầu sản xuất ra Corandum thường, cho tới năm 1910 Corandum điện trắng được tổng hợp 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… 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 mài, độ bền của hạt phù hợp với các ứng dụng mài khác nhau

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 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 máy lại 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

Vào năm 1860, trên thế giới đã chế tạo được đá mài kết dính keramic và một phát minh quan trọng thực sự làm thay đổi công nghệ mài đó là phát minh ra chất kết dính thuỷ tinh của hãng Norton vào năm 1920 Đến năm 1923 chất kết dính Bakelit cũng được tổng hợp và đưa vào sử dụng

Do độ cứng của vật liệu gia công ngày càng cao, nhu cầu sử dụng các loại vật liệu mài có độ cứng và khả năng cắt cao đã dẫn tới việc phát minh ra đá mài kim cương với chất kết dính kim loại vào năm 1940

Phương pháp mài không những được áp dụng đối với những nguyên công gia công tinh lần cuối trong chế tạo máy, mà hiện nay còn được sử dụng trong các

nguyên công gia công thô, trong đó rất nhiều loại bề mặt không qua các bước gia công trung gian như tiện, phay, bào…

Tuỳ thuộc vào các tính chất của các nguyên công gia công đòi hỏi cần thiết phải chế tạo ra các chủng loại máy mài rất khác biệt đó là chủng loại máy mài các chi tiết có dạng mặt phẳng, dạng bề mặt tròn xoay, mài răng, mài ren, mài hớt lưng… Năm 1500 Leonardo Devinci đã thiết kế một cỗ máy có nguyên lý giống máy mài tròn hiện nay Tuy nhiên, đến năm 1847 mới chế tạo được máy mài tròn vạn năng đầu tiên Bắt đầu từ những năm 1980 các hãng chế tạo máy công cụ lớn đã cho ra đời các thế hệ máy mài điều khiển theo chương trình số đầu tiên, đánh dấu một bước nhảy vọt của công nghệ mài Mức độ chuyên môn hoá, tự động hoá trong ngành mài ngày một phát triển với dây chuyền tự động, xưởng tự động, trong đó trang bị những loại máy có độ chính xác và đạt năng xuất gia công cao Những loại máy này có độ cứng vững cao, tự động hoá trong quá trình mài, các loại máy mài hiện đại được trang bị các thiết bị điều khiển thuỷ lực, điều khiển điện tử, số hoá, đo kiểm tra tự động, tự động cấp dỡ phôi trong quá trình gia công Để điều khiển được các loại máy này hiệu quả, cần có đội ngũ công nhân có trình độ chuyên môn cao,

có mức đào tạo hợp chuẩn với quy mô sản xuất chuyên môn hoá, tự động hoá

Khác biệt lớn của ngành mài so với các ngành gia công cắt gọt có phoi khác

là trong quá trình mài không quan sát trực tiếp được quá trình cắt, bởi vậy người thợ phải đủ kiến thức để nhận biết những yếu tố công nghệ nào đang ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và độ chính xác gia công, đưa ra những quyết định thích hợp để điều khiển, điều chỉnh máy

1.1.3 Tình hình nghiên cứu công nghệ mài trong nước và trên 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, trên thế giới một số nhà khoa học hàng đầu về công nghệ mài như Maxlốp, Iaserưsin của Nga, Backer của Mỹ, Brammertz.P,

Bruckner.K, Solje.E của Đức, Muller 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 chưa 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 rãi

và có chiều sâu Các công trình nghiên cứu rung động khi mài của Peters.I người Anh vào năm 1966, Takegama.H người Nhật vào 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 nước 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 hoá các quá trình mài được thực hiện Kết quả nghiên cứu của các tác giả Samuel.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 T.S Nguyễn Thế Đạt, T.S Nguyễn Đắc Lộc, T.S Nguyễn Tiến Thọ, T.S Đỗ Trọng Hùng, Th.S Lưu Văn Nhang Đến năm 1996-2000

T.S Trương Hoành Sơn đã có công trình nghiên cứu về mài ở Nhật Bản 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 T.S Trần Minh Đức - ĐHCN Thái Nguyên, T.S Nguyễn Huy Ninh - ĐHBK Hà Nội đã cho thấy tính đa dạng của các nghiên cứu về công nghệ mài đã và đang được triển khai 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 (Ra=0,63-0,16µm), do

đó có thể sử dụng cho gia công lần cuối

Bằng phương pháp mài có thể gia công được các mặt phẳng, mặt trụ (trụ trong, trụ 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 được các loại vật liệu rất cứng (Hợp kim cứng, thép tôi v.v) nhưng lại khó gia công được vật liệu quá mềm (đồng, nhôm, thép không gỉ v.v)

Mài được thực hiện chủ yếu bởi máy mài (Grinding Machine) như máy mài phẳng, mài tròn trong, mài 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 v.v Dụng cụ cắt được dùng trong quá trình mài là đá mài (Grinding Wheel, Grinding Stone)

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 có tâm:

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

- Chi tiết được gá trên hai mũi tâm hoặc một đầu kẹp trên mâm cặp và đầu kia chống tâm Khi mài, nếu cần phải sửa lỗ tâm, 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 và chạy dao ngang Mài theo cách 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 - bán kính chi tiết gia công) nhưng không quá 15mm

Đá dẫn có dạng Hypecbôlôit và gá nghiêng so với chi tiết góc α=1o÷2o30’, mài vật dài α=1o12’÷3030’, có khi tới 4o30’ Mài chạy dao ngang không cần đá hình Hypecbôlôit

- Ưu điểm của mài không tâm:

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

+ Dễ tự động hoá 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 mặt

+ Không mài được các mặt gián đoạn

b Mài tròn trong: Có khả năng gia công lỗ trụ, côn đạt độ chính xác cao nhưng chi phí cao Có hai phương pháp mài lỗ :

- Có hai cách chuyển động:

+ Chi tiết quay, dao vừa quay vừa tịnh tiến

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

• 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 có thể đạt IT7, IT6 ; Ra = 1,6 ÷ 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

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 với đá mài Hải Dương và vật liệu chi tiết mài là 20X Vì vậy, đề tài sẽ nghiên cứu sâu về phương pháp mài phẳng

Với các thí nghiệm thực hiện trên máy mài phẳng và đầu vào của vật liệu chi tiết mài là các thông số như độ nhám, độ cứng… Sau khi được gia công trên máy mài với việc thay đổi các thông số công nghệ như lượng chạy dao dọc (Sd) và chiều sâu cắt (t) ta được các kết quả thông số đầu ra của chi tiết mài Từ đó, thấy được sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới chất lượng bề mặt chi tiết mài và là cơ sở cho nghiên cứu nhằm tối ưu các thông số công nghệ sao cho chi tiết được tạo ra đạt chất lượng tốt nhất và hiệu quả kinh tế cao nhất

Cơ bản mài phẳng có đầy đủ các đặc tính của quá trình mài như đã trình bày

ở phần 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 có thể dùng để gia công tinh lần cuối các mặt phẳng qua tôi, phay hay 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

Phương pháp này cho năng suất cao hơn, vì số lượng hạt tham gia cắt nhiều hơn Tuy nhiên, do diện tích tiếp xúc giữa đá và phôi lớn nên nhiệt toả 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 toả ra trong vùng cắt nhỏ hơn Khả năng thoát nhiệt, thoát phoi và dung dịch trơn nguội thâm nhập vào vùng cắt dễ dàng hơn, do đó phương pháp này có độ chính xác và độ nhám 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 1.3 Sơ đồ mài phẳng bằng vành trụ đá

1 - Đá mài; 3 - Bàn từ;

2 - Chi tiết gia công; 4 - Bàn máy

S n - Lượng dịch chuyển ngang; S d - Vận tốc dọc của bàn máy;

S đ - Lượng ăn dao theo phương thẳng đứng

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/p) 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 (tuỳ 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

Có rất nhiều thông số ảnh hưởng đến quá trình mài, mối quan hệ của chúng

có thể biểu diễn qua hàm số:

A = f (c1,c2,c3,c4,,c5,l,d,D,H,nd,nct,t,s,c6,c7,c8) Trong đó:

A - Đối tượng nghiên cứu có thể là: T - độ bền lâu của đá

Pz – Lực cắt gọt

Ra – Nhám bề mặt của chi tiết 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 và các thông số khác Việc xác định các thông số này dựa vào thực nghiệm

1.3 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 thông số công nghệ ảnh hưởng đến bề mặt chi tiết 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 độ 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 thông 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 sự 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 2:

MÀI PHẲNG VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA

PHƯƠNG PHÁP MÀI PHẲNG

2.1 Bản chất của quá trình mài phẳng

Mài phẳng là một phương pháp gia công tinh bằng hạt mài Quá trình cắt khi mài được thực hiện bởi một số lượng lớn hạt mài liên kết với nhau nhờ chất dính kết

và phân bố không có quy luật trên bề mặt làm việc của đá mài

Mài là phương pháp phổ biến để gia công tinh cuối cùng của một quá trình công nghệ, do mài có ưu điểm là có thể cắt được chiều sâu cắt rất nhỏ thường từ (0,005 – 0,09 mm) Yêu cầu vận tốc chi tiết khá cao, điều chỉnh và gá đặt chi tiết đơn giản, không tốn nhiều thời gian, có thể thay đổi chế độ cắt ngay trong quá trình gia công nhằm đạt độ bóng và độ chính xác rất cao (thường từ cấp 6 – 7, độ bóng

∇8 - ∇10 (Ra=0,63-0,16µm) Tốc độ cao cũng là một trong những đặc điểm nổi bật của mài, tốc độ mài thường từ 25 – 35m/s (từ 1800 – 3000 v/p), với mài cao tốc vận tốc cắt khoảng 150 - 300m/s

Mài có thể thực hiện theo hai phương pháp sau:

- Mài phẳng bằng đá mài mặt đầu

- Mài phẳng bằng đá mài hình trụ

2.1.1 Mài phẳng bằng đá mài mặt đầu

Phương pháp này cho năng suất cao hơn, vì số lượng hạt mài tham gia đồng thời vào quá trình cắt lớn hơn Tuy nhiên, do diện tích tiếp xúc của đá với chi tiết lớn, nhiệt toả ra trong vùng gia công với cường độ cao, dễ gây biến dạng nhiệt, vết cháy và vết nứt tế vi trên vật mài

2.1.2 Mài phẳng bằng đá mài hình trụ

Khi mài bằng phương pháp này, diện tích tiếp xúc giữa đá mài với chi tiết nhỏ, số lượng hạt mài tham gia đồng thời vào quá trình cắt và lượng nhiệt toả ra ít

hơn, do đó cho phép đạt độ chính xác cao hơn Mặt khác, khả năng thoát nhiệt, thoát phoi và tưới dung dịch trơn nguội vào vùng gia công tốt, do đó nó có thể gia công được các chi tiết mỏng, kém cứng vững, các chi tiết có yêu cầu độ chính xác cao

Hình 2.1 Sơ đồ gia công trên các máy mài phẳng, đá mài hình trụ

Hình 2.2 Quá trình cắt lượng dư gia công của đá mài hình trụ

8 - Chi tiết gia công

Mài phẳng bằng đá mài hình trụ có thể thực hiện theo hai phương án:

- Ăn dao nhiều lần (mài với chiều sâu cắt nhỏ)

- Mài với chiều sâu cắt lớn

2.2 Các đặc điểm đặc trưng của quá trình mài

Mài là một quá trình rất phức tạp, các hiện tượng xảy ra trong quá trình mài

và mối quan hệ giữa chúng có thể mô tả như sau:

Hình 2.3 Mối quan hệ giữa các hiện tượng xảy ra trong quá trình mài

Mài có một số đặc tính cơ bản sau:

- Quá trình cắt khi mài được thực hiện bởi một số lượng lớn các lưỡi cắt không liên tục, phân bố không có quy luật trên bề mặt làm việc của đá mài

- Các hạt mài không có hình dáng cố định, có góc lượn ở đỉnh Chúng phân

bố trên bề mặt của đá mài hoàn toàn ngẫu nhiên Hầu hết các hạt mài đều có góc trước âm (γ < 0) Do quá trình cắt xảy ra gián đoạn, nên trong giai đoạn làm việc ban đầu, các hạt mài không cắt kim loại, mà trượt trên bề mặt vật liệu gia công, gây

ra hiện tượng biến dạng đàn hồi và nhiệt độ cao

- Các hạt mài có chiều cao nhô ra khỏi chất dính kết không đều nhau, do đó, lực tác động lên chúng cũng khác nhau Nhiều hạt mài không tham gia vào quá trình cắt, do chúng đi theo quỹ đạo trùng với quỹ đạo của các hạt trước nó

- Lớp phoi cắt do từng hạt mài riêng lẻ bóc ra rất nhỏ (khoảng vài µm đến vài chục µm)

- Do vận tốc cắt lớn, thời gian mà mỗi hạt mài tác động lên bề mặt chi tiết rất nhỏ (từ 0,001 giây tới 0,00005 giây), số lượng hạt mài rất lớn, nên quá trình tạo phoi có thể coi như xảy ra liên tục

- Sau một thời gian làm việc, nhiều hạt mài bị mòn, tải trọng tác động lên chúng vượt quá giới hạn cho phép, do đó chúng sẽ bị sứt, vỡ mảnh, hoặc tróc hẳn ra khỏi chất dính kết tạo thành các lưỡi cắt mới Hiện tượng này gọi là hiện tượng tự mài sắc Như vậy, khác hẳn với các phương pháp gia công bằng cắt gọt khác, dụng

cụ có khả năng tự mài sắc trong quá trình gia công

- Trong quá trình gia công dưới tác động của nhiệt cắt, vật liệu trong vùng gia công có xu hướng mềm hoá Mặt khác, các hạt mài có độ cứng và độ chịu mài mòn rất cao, nên mài có khả năng gia công các vật liệu rất cứng (kể cả hợp kim cứng)

- Nhiệt cắt khi mài: Lượng nhiệt toả ra khi mài lớn hơn nhiều so với khi cắt gọt bằng dao cắt có lưỡi khác Nhiệt mài sẽ được phân bố trong đá mài, chi tiết gia công, phoi và dung dịch làm mát Tuy nhiên, do đá mài có độ dẫn nhiệt rất kém, nên

có tới 80% lượng nhiệt sẽ chuyển vào chi tiết gia công Trong vùng gia công ở thời điểm cắt, nhiệt độ tức thời có thể lên tới hàng ngàn độ, do đó sẽ làm nóng toàn bộ lớp kim loại bề mặt vật mài và có thể gây ra các biến dạng nhiệt, các thay đổi cơ lý tính, các vết cháy, vết nứt tế vi v.v…

- Lực cắt và công suất khi mài: mặc dù kích thước của lớp kim loại do một hạt mài hớt bỏ là rất nhỏ, nhưng do số lượng hạt mài tham gia đồng thời vào quá trình cắt là rất lớn nên lực cắt tổng cộng khi mài có giá trị khá cao

Hình 2.4 Các lực cắt trong quá trình mài Pz: Lực có phương tiếp tuyến với đá mài

Py: Lực có phương trùng với phương hướng tâm của đá mài Px: Lực dọc trục (lực chạy dao)

- Dung dịch bôi trơn làm mát (dung dịch trơn nguội) khi mài: Dung dịch trơn nguội dùng để làm mát và giảm nhiệt độ trong vùng cắt, giảm ma sát và đẩy các phế thải khi mài ra khỏi vùng gia công

- Khi đá mài bị mòn không còn đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật chi tiết

ta phải sửa lại đá Sửa đá là công việc hớt bỏ đi lớp hạt mài đã mất tính năng cắt gọt hoặc chúng không đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật (đặc biệt là độ sóng bề mặt) khi gia công để lộ ra lớp hạt mài mới có tính năng cắt gọt tốt hơn, đảm bảo các yêu cầu của chi tiết Dụng cụ sửa đá mài có thể là bút sửa kim cương, con lăn kim cương

Tuổi bền của đá là thời gian giữa 2 lần sửa đá

Hình 2.5 Sửa đá bằng con lăn kim cương

Theo phương pháp mài Theo phương pháp lăn

Hình 2.6 Sửa đá bằng đá mài

1 - Đá mài; 2 - Vật liệu mang kim cương;

3 - Thân con lăn; 4 - Quỹ đạo chuyển động của con lăn;

2.3 Đá mài và các thông số đặc trưng của nó

Đá mài được cấu tạo từ vật liệu hạt mài và chất kết dính

2.3.1 Vật liệu hạt mài

Vật liệu hạt mài thường là các vật liệu:

- Ôxít nhôm nhân tạo

- Ôxít nhôm thường

2.3.2 Độ hạt và hình dáng hình học của hạt mài

Hình 2.7 Các tính chất cơ lý của một số loại vật liệu mài thông dụng

Hình 2.8 Hình dáng tế vi của một số loại vật liệu hạt mài

Hầu hết các hạt mài đều có hình khối đa diện với nhiều lưỡi cắt, bán kính cong trên các lưỡi cắt này vào khoảng (10-15)µm

Vật liệu hạt mài: Đóng vai trò của các lưỡi cắt, hiện nay có nhiều loại vật liệu hạt mài có cơ tính khác nhau

2.3.3 Độ cứng của đá

Độ cứng đá mài được hiểu là khả năng của chất dính kết chống lại hiện tượng bứt hạt mài ra khỏi bề mặt đá mài dưới tác động của lực cắt Độ cứng được xác định bởi khối lượng và tính chất của chất dính kết trong đá mài Khối lượng chất dính kết càng tăng, độ cứng đá càng tăng Độ cứng đá có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất cắt gọt và độ bền mòn của hạt mài Nếu độ cứng đá nhỏ hơn độ bền của bản thân hạt mài thì quá trình mòn sẽ xảy ra do bứt hạt Còn nếu độ cứng đá lớn hơn

độ bền mòn của hạt mài, sẽ xảy ra một số hiện tượng như sứt, mẻ hạt, mòn đỉnh hạt

và bứt hạt khi diện tích mòn trên đỉnh hạt đạt tới giá trị nhất định Như vậy, chọn lựa loại vật liệu mài và độ cứng đá tối ưu cho từng loại vật liệu gia công, sẽ cho phép giảm bớt vận tốc mòn và nâng cao tuổi thọ sử dụng của đá

so với ảnh hưởng của độ hạt Tuy nhiên độ cứng càng tăng, độ cana bằng của đá

càng thấp Điều này giải thích bởi sự phân bố không đồng đều của hạt mài và chất dính kết trong đá mài khi thể tích lỗ xốp giảm

Đá mài có các đặc điểm riêng biệt rất khác nhau tuỳ theo sự kết hợp của 3 yếu tố: hạt mài, chất kết dính và khoảng trống Và được xác định theo 6 thông số

như sau:

1- Loại vật liệu hạt mài 4- Cấu trúc của hạt mài

2- Kích thước hạt mài 5- Chất dính kết

3- Độ cứng của hạt mài 6- Các yếu tố khác

Việc chọn đá mài phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như loại vật liệu gia công,

cơ tính của từng loại vật liệu:

Hình 2.9 Độ cứng tế vi và mô đun đàn hồi của một số loại vật liệu gia công

2.3.5 Chất dính kết

Chất dính kết xác định độ bền và độ cứng của đá, nó ảnh hưởng lớn tới chế

độ cắt, năng suất và chất lượng của quá trình mài Có các loại chất dính kết:

- Chất dính kết keramíc (k)

- Chất dính kết bakelít (B)

- Chất dính kết vuncanít

2.4 Phương pháp biểu diễn đá mài

Có nhiều loại đá mài khác nhau, cách biểu diễn chúng phụ thuộc vào tiêu chuẩn riêng của mỗi nước Bằng cách biểu diễn ta có thể dễ ràng nhận biết được các đặc trưng của đá, đặc tính kỹ thuật bằng các ký tự của chúng

Hệ thống ký hiệu tiêu chuẩn được sử dụng ở Bắc Mỹ cho đá mài thường có chứa ôxít nhôm và các-bít silic được cho trong hình dưới đây:

Hình 2.10 Hệ thống ký hiệu đá mài theo tiêu chuẩn Mỹ cho đá mài

ôxit nhôm và Cacbit-Silic

Các hệ thống ký hiệu khác trên thế giới cũng tương tự như vậy:

- Ký hiệu A hoặc C cho biết vật liệu hạt mài là ôxít nhôm hoặc các-bít Silic (A = Aluminium oxide; C = Silic Carbide)

- Tiếp theo là ký hiệu cỡ hạt mài, là chỉ số độ hạt

- Ký tự tiếp theo chỉ số cấp độ hạt biểu thị cấp độ cứng của đá

- Chỉ số cấu trúc tiếp sau đó cho biết mật độ thể tích của hạt mài trong đá,

số này càng cao thì hạt mài càng thưa

- Vật liệu dính kết được biểu thị bằng một chữ cái hoa Hầu hết đá mài đều thường dùng chất dính kết thuỷ tinh, kim loại hoặc nhựa tổng hợp

Theo tiêu chuẩn Liên Xô cũ, đá mài được chế tạo với hai loại A và B Loại A

có độ chính xác cao và không được phép có lẫn xỉ sắt Còn loại B cho phép có lẫn

xỉ sắt

Để chọn đá mài đúng, phải biết đặc tính của chúng Các đặc tính cơ bản của

đá mài được ghi trên bề mặt của đá bằng một loại sơn không rửa được, theo một trình tự qui định Các đặc tính này cho phép chọn lựa đá mài, vận tốc mài tối đa cho phép và lĩnh vực sử dụng…

2.5 Chế độ cắt khi mài phẳng

2.5.1 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

Vận tốc quay của đá được chọn phụ thuộc vào hình dạng của profile và chất dính kết của nó Với bakelit: Vđá = 35 ÷ 50 m/s, với keramic: Vđá = 30 ÷ 35 m/s

2.5.2 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

2.5.3 Lượng chạy dao dọc S d

Thường Sd được xác định theo chiều dầy của đá mài Khi mài thô,

Sd=(0,4÷0,85)B; Khi mài tinh Sd = (0,2 ÷0,4)B, trong đó B là bề dầy đá mài Khi Sdtăng, năng suất quá trình mài sẽ tăng, nhưng độ nhám bề mặt chi tiết mài cũng tăng

2.6 Quá trình hình thành độ nhám bề mặt

Khi mài, độ nhám được hình thành do kết quả chép hình của quỹ đạo chuyển động của hạt mài có hình dáng hình học xác định

Hình 2.11 Hạt mài cắt bề mặt gia công

1 - Đá mài; 2 - Chi tiết gia công; 3 - Hạt mài

Hình 2.12 Sơ đồ hình thành bề mặt mài

1 - Bề mặt gia công trước khi mài; 2 - Dãy hạt mài đầu tiên;

5 - Bề mặt gia công sau khi mài

Mặt cắt dọc của bề măt gia công

Như vậy, quá trình tạo phoi khi mài được xem như quá trình ăn sâu của hạt mài vào quá trình gia công, còn bản thân các hạt mài được phân bố lộn xộn trong toàn bộ thể tích của đá mài

2.7 Các thông số đặc trưng cho chất lượng quá trình mài phẳng

2.7.1 Độ chính xác khi mài

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

2.7.2 Chất lượng chi tiết gia công khi mài phẳng

Chất lượng bề mặt chi tiết 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, vết gia công cơ …

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

2.8 Cơ chế mài và lực mài

2.8.1 Phoi mài

Hình 2.13 Phoi mài

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 nhánh mỏng do bị nóng chảy và hoá rắn nhanh sau đó Hiện tượng này xẩy ra không nhất thiết trong khi mài

mà do phản ứng giữa phoi với O2 trong không khí tạo ra hoa lửa

2.8.2 năng lượng mài riêng, công và lực mài

Công mài: p=ft(vs ± vw)

Dấu + biểu thị mài thuận và dấu – biểu thị mài ngược

ft là lực mài tiếp tuyến

Vì vs>>vw nên công trong quá trình mài được viết lại như sau:

p=ft×vs Năng lượng mài riêng: u=p/qw

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

qw = vw.a.b - cho mài phẳng

= π.dw.vf.b - cho mài tròn ngoài

b là chiều rộng mài

Hình 2.14 Kim loại bị bóc khi mài

2.8.3 Cơ chế mài của đá truyền thống

2.8.3.1 Hiệu ứng kích thước và các xem xét về năng lượng

Ngay từ những năm đầu 1950, việc tính toán một cách hệ thống các lực và năng lượng riêng trong quá trình mài đã được tiến hành và người ta nhận thấy rằng năng lượng riêng khi mài lớn hơn rất nhiều so với các nguyên công cắt gọt kim loại khác Ngoài ra, năng lượng riêng có giá trị lớn hơn khi các thông số gia công được điều chỉnh để làm giảm độ dày phoi không biến dạng, ví dụ như giảm vw hoặc chiều sâu mài a

Theo như mô hình tạo phoi của Merchan, sự tạo phoi diễn ra do quá trình trượt rất mạnh ở một vùng rất mỏng tiếp theo là ma sát khi phoi trượt qua mặt trước của hạt mài Thông thường, trượt chiếm khoảng 75% toàn bộ năng lượng tạo phoi,

ma sát giữa dụng cụ cắt-phoi chiếm 25% năng lượng còn lại

Bằng cách dựa vào các giả thuyết đáng tin cậy về cấu tạo hình học mũi dao điển hình người ta đã thu được các kết quả ứng suất trượt cho biến dạng dẻo trong quá trình mài, nhưng các ứng suất trượt tính toán này cao hơn rất nhiều so với ứng suất chảy cho trước của kim loại được mài Ở các điều kiện mài mịn hơn, ứng suất trượt thường có giá trị cao, tức là mài có độ dày phoi không biến dạng nhỏ hơn thì

sử dụng nhiều năng lượng riêng hơn

2.8.3.2 Lực và năng lượng trượt

Hình 2.15 Diện tích mòn phẳng có dính kim loại và một số phoi mài trên lưỡi cắt

đá trước khi mài Trong quá trình mài, những diện tích phẳng có thể mòn thêm và lan rộng ra do mài mòn ma sát và do sự bám dính của các hạt kim loại của vật liệu chi tiết

Hình 2.15 minh họa một diện tích mòn phẳng có dính kim loại và một số phoi mài trên lưỡi cắt Diện tích mòn phẳng được thay đổi tới một diện tích lớn hơn

hay nhỏ hơn nhờ cơ chế “tự mài sắc”, nhờ đó một số diện tích phẳng được bóc một

phần hoặc hoàn toàn do hạt mài vỡ hoặc bật ra khỏi chất dính kết

Đo lực mài và diện tích mòn phẳng trên đá mài, xây dưng đồ thị như hình bên Một số nhận xét:

- Việc có mặt của các diện tích mòn phẳng cho thấy rằng một phần năng lượng tiêu hao khi mài là do các vùng này trượt qua chi tiết

- Có thể tìm được quan hệ trực tiếp giữa lực mài và độ cùn của đá mài thể hiện qua tỷ lệ phần trăm bề mặt đá mài có các diện tích mòn phẳng với chế độ gia

công không đổi, lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến f n và f t tăng tương ứng với diện tích mòn phẳng a như trong hình 2.16

Hình 2.16 Quan hệ giữa lực mài và diện tích mòn trên hạt mài

Có thể kết luận rằng lực mài, và do đó cả năng lượng riêng, có thể bao gồm

các thành phần: lực cắt và lực trượt Các lực trên đường thẳng bị chặn bởi trục y

(A = 0) là lực cắt, và các lực phía trên điểm chặn là lực trượt

- Với một vật liệu phôi cụ thể, có thể có được những giá trị khác biệt về lực

và diện tích mòn phẳng bằng cách thay đổi độ cứng của đá mài, điều kiện sửa đá, và lượng kim loại bóc

- Với các chi tiết thép, lực mài tăng tuyến tính với diện tích mòn phẳng đến

một điểm tới hạn, qua điểm này độ dốc lớn hơn và chi tiết sẽ bị cháy Quan hệ tuyến

tính không có điểm gián đoạn thường có đối với nhiều kim loại màu

Hình 2.17 Mài phẳng trên hạt mài

Lưc mài sẽ là:

sl , c ,

F = +

sl , n c , n