Kết quả và thảo luận 30 5 1

Đá mài gián đoạn, một cải tiến của đá mài thường, đã chứng minh khả năng cắt tốt hơn so với đá mài thường cùng loại, nhất là với chất lượng độ nhám bề mặt thu được. Để đánh giá khả năng cắt của đá thì ngoài các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt chi tiết gia công thì các chỉ tiêu khác như lực cắt và đặc biệt là nhiệt cắt cũng cần được xét tới bởi nó có ảnh hưởng trực tiếp tới tính chất cơ lý tính lớp bề mặt của chi tiết gia công cũng như năng lượng tiêu thụ cho quá trình mài. Bài báo này tập trung nghiên cu trường nhiệt độ trong quá trình gia công mài bằng đá mài gián đoạn sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn. Kết quả mô phỏng và thí nghiệm cho thấy độ tin cậy và tính khả thi của mô hình trong trường hợp phân tích quá trình mài nhóm vật liệu có độ cứng cao mà cụ thể là thép làm khuôn SKD11 đã nhiệt luyện bằng đá mài gián đoạn. Ngoài ra, kết quả nghiên cu cũng chứng minh khả năng giảm nhiệt cắt (lên tới 26,61%) của đá mài gián đoạn so với đá mài thường Từ khóa: Đá mài gián đoạn , Trường nhiệt cắt, Vật liệu SKD11 nhiệt luyện

III Kết quả mô phỏng trên phần mềm phần tử hữu hạn ANSYS và thảo luận 3.1 Kết quả mô phỏng ứng suất dư

Trong mô phỏng này, ba hạt mài bằng vật liệu nhôm oxit (AL2O3) được chọn đạidiện cho các lưỡi cắt bằng hạt mài trong quá trình mài Kích thước của các hạt mài(Cn46) là 425 x 425 x 355 micromet Kích thước phôi là 1000 x 1000x180micromet Do kích thước hạt quá nhỏ ta có thể coi hành trình cắt của hạt mài khôngphải cung tròn mà trở thành đường thẳng Như vậy hạt mài sẽ di chuyển với vận tốccắt là 15 m/s đi qua phôi Mặt đáy của phôi sẽ bị hạn chế 6 bậc tự do chuyển động

Mô hình mô phỏng được bố trí như hình sau:

Hình 3.1.1: Mô hình mô phỏng quá trình cắt của hạt mài Với thời gian mô phỏng là 7x10-5 giây, hạt mài sẽ chuyển động hết hành trình qua phôi Thông số vật liệu của phôi và hạt mài được liệt kê trong bảng sau:

Hệ số Johnson-Cook của hạt mài:

Initial

Yield

Stress (Pa)

HardeningConstant (Pa)

Hardenin

g Exponent

Strain Rate Constant

Thermal Softenin

g Exponent

Melting Temperatur

e (C)

Referenc

e Strain Rate (/sec)

88000000

0

450000000

Hardenin

g Exponent

Strain Rate Constant

Thermal Softenin

g Exponent

Melting Temperatur

e (C)

Referenc

e Strain Rate (/sec)

176600000

0

904000000

 Với các chiều sâu cắt nhỏ cỡ vài micromet, ứng suất dư không tuyến tính vớinhau Ta có thể thấy trong kết quả với chiều sâu cắt là 0.005 mm là 666 Mpa

Quan hệ giữa chiều sâu cắt và ứng suất dư cơ

Ứng suất max (Mpa)

Hình 3.1.5: Đồ thị quan hệ giữa chiều sâu cắt và ứng suất dư cơ

3.2 Kết quả mô phỏng trường nhiệt độ và ứng suất dư do nhiệt gây ra

Mô hình mô phỏng về nhiệt và ứng xuất dư gây ra bởi sự thay đổi nhiệt độ trên bềmặt phôi sẽ dựa trên mô hình nguồn nhiệt di chuyển của Jaegers như hình sau:

T=30

Nguồn nhiệt q

D

Hình 3.2.1 Mô hình mô phỏng cho bài toán trường nhiệt độ

Trong mô hình này kích thước của phôi theo các chiểu dài rộng cao lần lượt là 70×30×25 mm Vật liệu phôi là thép SKD11 với các thông số về nhiệt và cơ nhưsau:

Bảng thông số vật liệu của thép SKD11 (*)

(*) tham khảo số liệu từ Becze và Elbestawi, 2002

Do hạn chế về tốc độ máy tính nên hiện nay các nghiên cứu về nhiệt và ứng suấtnhiệt sinh ra trong quá trình mài chưa thể mô phỏng ở kích thước vi mô (kích thướcmicro) Các mô phỏng đề mô phỏng trên kích thước vĩ mô (kích thước macro) Đểlàm được việc này cần có công thức chuyển đổi từ chế độ cắt thành thông lượngnhiệt đặt lên bề mặt cắt của phôi

- Thông lượng nhiệt q´w được xác định bằng công thức sau:

- K v: hệ số biến đổi năng lượng của quá trình

- K w: hệ số truyền nhiệt vào phôi

- l c: độ dài cung tiếp xúc giữa đá mài và chi tiết gia công (mm)

Trong công thức (1) hệ số K v đặc trưng cho phần trăm năng lượng chuyển từ quátrình mài sang dạng nhiệt Với quá trình mài thì gần như toàn bộ năng lượng sinh rađều chuyển hóa dưới dạng nhiệt [2] nên hệ số K v=1 Hệ số K w đặc trưng cho lượngnhiệt chuyển từ quá trình vào phôi Đối với trường hợp gia công bằng đá mài sửdụng hạt mài Corundun và chất kết dính gốm thì K w= 0.85

l clà chiều dài cung tiếp xúc giữa đá mài và phôi và được xác định:

l c=√d t

Trong đó:

- t: chiều sâu cắt (mm)

- d: đường kính đá mài (mm)

- l c: độ dài cung tiếp xúc giữa đá mài và chi tiết gia công (mm)

Trong công thức này thành phần lực cắt tiếp tuyến cần được xác định bằng thựcnghiệm Các đo đạc thực nghiệm để xác định lực cắt tiếp tuyến và pháp tuyến trongquá trình cắt với các loại đá mài xẻ rãnh và với những chiều sâu cắt khác nhauđược thực hiện tại xưởng thí nghiệm và thực hành của bộ môn gia công vật liệu vàdụng cụ công nghiệp, Khoa Cơ khí Đại Học Bách khoa Hà Nội được bố trí như sơ

đồ hình 3.2.1

Cảm biến đo lực Bộ chuyển đổi

dữ liệu 1mm

Sd

Vđá

Phôi gia công

Bàn từ

Đá mài

Can nhiệt

Hình 3.2.2 Sơ đồ bố trí thực nghiệm quá trình mài

Kết quả thực nghiệm thu được như sau:

TN

Chiều sâu cắt (t)

Lượn

g chạy dao S d

Số rãnh

đá mài (Z)

Nhiệt độ Max

Lực max theo phươn

g Z

Lực max theo phươn

g Y

Rung (RMS)

Sau đó ta sẽ so sánh nhiệt và ứng suất nhiệt với các trường hợp dùng đá mài

xẻ rãnh để thấy được sự khác nhau về nhiệt độ sinh ra trên bề mặt chi tiết mài cũngnhư ứng suất nhiệt cho mỗi trường hợp Kết quả của quá trình mô phỏng nhiệt vàứng suất nhiệt cho đá mài thường được thể hiện như sau:

Hình 3.2.3 Nhiệt độ của chi tiết mài với đá mài thường (z=0) ở chiều sâu cắt

t=0.02 mm

Hình 3.2.4 Ứng suất nhiệt của chi tiết mài với đá mài thường (z=0) ở chiều sâu

cắt t=0.02 mm

Hình 3.2.5 Nhiệt độ của chi tiết mài với đá mài thường (z=0) ở chiều sâu cắt

t=0.05 mm

Hình 3.2.6 Ứng suất nhiệt của chi tiết mài với đá mài thường (z=0) ở chiều sâu

cắt t=0.05 mm

Hình 3.2.5 Nhiệt độ của chi tiết mài với đá mài thường (z=0) ở chiều sâu cắt t=0.07 mm

Hình 3.2.6 Ứng suất nhiệt của chi tiết mài với đá mài thường (z=0) ở chiều sâu

cắt t=0.07 mm

Tiếp theo ta mô phỏng các trường hợp đá mài xẻ rãnh với số rãnh là z=20 Thông lượng nhiệt của trường hợp này là:

t=0.02 mm

Hình 3.2.3: Kết quả mô phỏng nhiệt độ khi mài với t=0.05 mm

Hình 3.2.4: Kết quả mô phỏng nhiệt độ khi mài với t=0.07 mm

0 0 2 0 0 0 5 0 0 7

100 200 300 400 500 600

Quan hệ của nhiệt độ lớn nhất trong quá trình mài đối với chiều sâu cắt

Hình 3.2.5: Đồ thị biểu thị quan hệ của nhiệt độ lớn nhất trong quá trình mài đối

với chiều sâu cắt với đá mài xẻ rãnh (Z=20)

0.000 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 10

20 30 40 50 60 70 80

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90

10 20 30 40 50 60 70 80 90

Ứng suất trong quá trình cắt với đá mài xẻ rãnh Z=20:

Sau khi thu được trường nhiệt độ, sử dụng kết quả mô phỏng đó làm đầu vàocủa bài toán ứng suất do nhiệt Với thời gian mô phỏng của bài toán cơ tương ứng

với thời gian mô phỏng của bài toán nhiệt Điều kiện biên về cơ học và gối tựakhông ma sát vào 3 mặt đáy của phôi Ta thu được các kết quả ứng suất như sau:

Hình 3.3.1: Ứng suất nhiệt của phôi với chiều sâu cắt t=0.02 mm (Z=20)

Hình 3.3.2: Ứng suất nhiệt của phôi với chiều sâu cắt t=0.05 mm (Z=20)

Hình 3.3.4: Ứng suất nhiệt của phôi với chiều sâu cắt t=0.07 mm (Z=20)

100 200 300 400 500 600 700 800 900

Quan hệ gi ữa ứng s uất nhi ệ t và chi ề u s âu cắt t

Các ứng suất này tỷ lệ thuận với nhiệt độ sinh ra trong quá trình mài nên nó cũngtương ứng tỷ lệ tuyến tính với chiều sâu cắt.

Các ứng suất lớn nhất đều đạt được ở cuối hành trình cắt do nhiệt độ tại vùng cuốihành trình đạt lớn nhất nhưng nhìn chung các vùng trên hành trình cắt đều biếnthiên lên giá trị max rồi giảm xuống theo nhiệt độ

Mối quan hệ giữa nhiệt độ và ứng suất trong quá trình mài:

- Biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ và ứng suất dư

0 100 200 300 400 500 600

Hình 3.3.6: Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và ứng suất nhiệt dư

với chiều sâu cắt t =0.02 mm

0 100 200 300 400 500 600 0

Hình 3.3.7: Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và ứng suất nhiệt dư

với chiều sâu cắt t =0.05 mm

Hình 3.3.8: Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và ứng suất nhiệt dư

với chiều sâu cắt t =0.07 mm

Nhiệt độ là nguyên nhân gây ra dãn nở nhiệt Khi vùng gia công qua bề mặt củaphôi nhiệt độ sẽ giảm đột ngột gây ra ứng suất dư Vì vậy nhiệt độ và ứng suất dư

là hai đại lượng tỷ lệ thuận Nhìn vào đồ thị quan hệ nhiệt độ và ứng suất dư củatừng chiều sâu cắt ở hình trên ta có thể thấy nhiệt độ và ứng suất dư tuyến tính vớinhau

3.3 Độ nhám bề mặt của chi tiết mài phẳng bằng đá mài sẻ rãnh.

Thực nghiệm xác định các lực cắt tiếp tuyến và pháp tuyến trong quá trình màicũng đồng thời cung cấp các giá trị độ nhám của bề mặt chi tiết sau quá trình mài.Các giá trị đo thực nghiệm được thể hiện ở bảng sau:

sâu cắt (t)

Lượn

g chạy dao S d

Số rãnh

đá mài (Z)

0.010 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.1

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Từ biểu đồ độ nhám với các chiều sâu cắt khác nhau có thể thấy chiều sâucắt tuyến tính với độ nhám.

Với đá mài xẻ rãnh, chiều sâu cắt tối ưu để đạt độ nhám bề mặt tốt nhất la từ0.02 mm đến 0.05 mm

3.4 Thảo luận chung:

Nhận xét về sự khác nhau giữa nhiệt độ và ứng suất nhiệt với đá mài thường

và đá mài xẻ rãnh:

- Nhiệt độ của quá trình mài bằng đá mài thường luôn lớn hơn nhiệt độ khi dùng

đá mài xẻ rãnh Ví dụ với chiều sâu cắt t= 0.02 mm nhiệt độ khi dùng đá màithường là 388.34oC trong khi đó nhiệt độ khi dùng đá mài xẻ rãnh chỉ là

401.71 oC

- Tương tự với chiều sâu cắt là t=0.05 mm, ta có nhiệt độ lớn nhất trong quá trình

mài với đá mài thường là 699.01 oC trong khi đá mài xẻ rảnh nhiệt độ sẽ giảmchỉ còn 456.11 oC

- Với chiều sâu cắt lớn là t=0.07 mm ta cũng có thể thấy rõ sự khác nhau của hai

loại đá mài, nhiệt độ lớn nhất trong quá trình mài với đá mài thường là 584.9 oCtrong khi đá mài xẻ rảnh nhiệt độ sẽ giảm chỉ còn 509.09 oC

- Xét về ứng suất nhiệt sinh ra trong quá trình mài, với chiều sâu cắt nhỏ t=0.02

mm ta thấy ứng suất nhiệt lớn nhất sinh ra trong quá trình mài của đá màithường là 563.29 MPa nhưng với đá mài xẻ rãnh giá trị này giảm chỉ còn 537.31MPa

- Tương tự với chiều sâu cắt là t=0.05 mm, ứng suất nhiệt lớn nhất trong quá trình

mài với đá mài thường là 1052.7MPa trong khi đá mài xẻ rảnh ứng suất nhiệtgiảm chỉ còn 684.6 MPa

- Với chiều sâu cắt t= 0.07 mm nếu dùng đá mài thường thì ứng suất nhiệt sinh ra

sẽ là 890.63 MPa, giá trị này khá cao và có thể ảnh hưởng lớn tới chất lượng bềmặt chi tiết mài Nhưng khi thay đá mài thường bằng đá mài xẻ rãnh Z=20 thìứng suất nhiệt tạo ra chỉ là 763.17 MPa

- Như vậy rõ ràng là việc sử dụng đá mài xẻ rãnh làm giảm đáng kể nhiệt độ sinh

ra trên bề mặt chi tiết trong quá trình mài, qua đó ứng suất dư do nhiệt cũnggiảm rõ rệt Từ những kết quả thu được cho thấy những ưu điểm của đá mài xẻrãnh trong việc nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết mài

Nhiệt độ trong quá trình cắt với đá mài xẻ rãnh:

Nhiệt độ lớn nhất với chiều sâu cắt t=0.02 mm là 401.71 oC đạt được ở cuối quátrình mài Trong hành trình của đá mài dọc theo phôi, giá trị nhiệt độ không thấphơn quá nhiều so với nhiệt độ max đạt được, nghĩa là mọi vùng trong hành trình cắtđều chịu nhiệt độ sinh ra do quá trình mài như nhau

Nhiệt độ lớn nhất với chiều sâu cắt t =0,05 mm là 456.11 oC ở cuối hành trình của

đá mài

Nhiệt độ lớn nhất với chiều sâu cắt t =0,07 mm là 509.09 oC ở cuối hành trình của

đá mài

Nhìn vào đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và chiều sâu cắt ta có thể thấy rằng nhiệt độ

và chiều sâu cắt tỷ lệ thuận với nhau theo quan hệ tuyến tính Nhiệt độ tăng từ 401

oC lên 509 oC khi chiều sâu cắt từ 0.02 mm lên 0.07 mm

Nhiệt độ của điểm cách bề mặt gia công 2 mm tăng từ nhiệt độ phòng lên nhiệt độmax nằm trong khoảng 70-80 oC

Nhiệt độ do quá trình mài sinh ra chưa đạt đến nhiệt độ chảy dẻo của vật liệu nhưng

có thể gây ra sự thay đổi của module đàn hồi và tính cứng của vật liệu

+ Các loại ứng suất do cơ và nhiệt đều có mặt lợi và mặt hại Nếu ở một giá trịvừa phải ứng suất này giúp tăng độ cứng bề mặt vật liệu gia công Đặc biệt sự thayđổi nhiệt trong quá trình mài tương đương quá trình Ram bề mặt của phôi làm tăng

độ cứng bề mặt tuy nhiên với nhiệt độ quá cao sẽ làm giảm độ cứng của vật liệuphôi và ứng suất dư bề mặt có thể phá hủy chi tiết trong quá trình làm việc sau nàycủa chi tiết

Khuyến nghị:

+ Với ứng suất dư do lực cắt dư gây ra, ta có thể giảm nó bằng cách tăng vậntốc cắt của đá mài, khi đó đá mài với động năng đủ lớn sẽ bóc tách toàn bộ phoi dư

và không để lại lực cắt dư trên bề mặt phôi

+ Tuy nhiên khi tăng vận tốc cắt đồng nghĩa với tăng thông lượng nhiệt vàtrường nhiệt độ trên bề mặt ảnh hưởng xấu tới chất lượng phôi Vì vậy cần áp dụngbiện pháp giảm nhiệt cưỡng bức là sử dụng dung dịch tưới nguội hoặc dùng khílạnh làm giảm nhiệt độ bề mặt của phôi đang gia công Với việc sử dụng dung dịchtưới nguội, khí lạnh để làm mát vùng gia công có thể giảm xuống dưới 200 độ C,ứng suất dư do nhiệt sẽ được giảm xuống mức an toàn

+ Dễ dàng nhận ra từ đồ thị quan hệ giữa ứng suất nhiệt và chiều sâu cắt, ứngsuất nhiệt tăng cao đối với chiều sâu cắt lớn Vì vậy với quá trình mài tinh nên chọnchế độ cắt với chiều sâu cắt không quá 0.02 mm Khi đó ứng suất nhận được nằmtrong khoảng 400 MPa, không ảnh hưởng tới chất lượng bề mặt chi tiết mài

+ Hệ số chuyển hóa năng lượng thành nhiệt ở quá trình mài là yếu tố ảnhhưởng lớn tới nhiệt độ cũng như ứng suất dư do nhiệt Hệ số này phụ thuộc vào vậtliệu làm hạt mài và chất kết dính vì thế tìm ra các vật liệu có ưu điểm giảm hệ sốchuyển hóa thành nhiệt cũng góp phần giảm ứng suất nhiệt , tăng chất lượng chi tiết

+ Dựa vào kết quả mô phỏng nhiệt độ và ứng suất nhiệt, ứng suất dư cơ, ta

có thể đưa ra kết luận rằng chiều sâu cắt của đá mài nằm trong khoảng 0.02 mmđến 0.05 mm vì trong khoảng này nhiệt độ của bề mặt chi tiết được giữ ở nhưỡngnhỏ hơn 400 oC, ít ảnh hưởng đến cơ tính bề mặt qua đó việc độ nhám được giữ ổnđịnh ở một nhưỡng chấp nhận được Với chiều sâu cắt lớn hơn, nhiệt độ bề mặttăng cao, ứng suất nhiệt tăng, hạt mài cũng ăn sâu vào bề mặt hơn làm cho độ nhámtăng rõ rệt

+ Cũng dựa vào những kết quả mô phỏng và thực nghiệm, ta thấy ưu điểmcủa đá mài xẻ rãnh, nó giúp giảm nhiệt độ quá trình mài, giảm ứng suất nhiệt và cảithiện chất lượng, giảm độ nhám bề mặt của chi tiết mài một cách đáng kể