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

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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

THÁI NGUYÊN – NĂM 2015

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Phạm Hồng Hải - Học viên cao học lớp K14 chuyên ngành Kỹ thuật Cơ

khí, khóa 2011- 2013 trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên

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

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

máy phay CNC sử dụng đá mài CBN”

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

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

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

Thái Nguyên, ngày 17 tháng 11 năm 2014

Học viên

Phạm Hồng Hải

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

iii iiii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS Trần Minh Thầy đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp,Phòng quản lý đào tạo sau đại học, Khoa Cơ khí và bộ môn Chế tạo máy đã tạo mọi điềukiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện bản luận văn này

Đức-Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn đối với gia đình tôi, các thầy cô giáo, cácbạn đồng nghiệp đã ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình làm luận văn này

Mặc dù đã cố gắng song do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc chắn luậnvăn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong muốn sẽ nhận được những chỉdẫn từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ýnghĩa hơn nữa trong thực tiễn

Xin trân trọng cảm ơn!

Tác giả

Phạm Hồng Hải

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM

ƠN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ix PHẦN MỞ ĐẦU

1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu là : 2

3 Dự kiến các kết quả đạt được 3

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Nội dung nghiên cứu 3

6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 3

7 Nội dung của luận văn 4

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MÀI 5

1.1 Tổng quan về công nghệ mài 5

1.1.1 Tổng quan về công nghệ mài 5

1.1.2 Lực cắt khi mài 10

1.1.3 Nhiệt cắt khi mài 12

1.1.4 Công suất cắt khi mài 14

1.1.5 Rung động khi mài 14

1.1.6 Chất lượng bề mặt sau mài 15

1.2 Mài các bề mặt định hình 20

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

1.2.2 Các phương pháp mài định hình 20

1.2.3 Các khó khăn khi mài bề mặt định hình 21

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

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

1.3.2 Định hướng nghiên cứu 23

CHƯƠNG II.NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÀI BẰNG ĐÁ CBN24 ĐỂ GIA CÔNG CÁC MẶT ĐỊNH HÌNH 24

2.1 Đặc tính của đá mài CBN 24

2.1.1 Độ cứng 24

2.1.2 Tính chống mòn 25

2.1.3 Tính dẫn nhiệt 25

2.1.4 Độ bền nén 28

2.1.5 Lực cắt 28

2.2 Mòn và tuổi bền của đá mài 31

2.2.1 Mòn của đá mài 31

2.2.2 Tuổi bền của đá mài 32

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

2.3.1 Ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt mài 33

2.3.2 Ảnh hưởng đến cấu trúc lớp bề mặt mài 38

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

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

2.5 Giới hạn vấn đề nghiên cứu 43

2.6 Kết luận 45

CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 46

3.1 Mục đích nghiên cứu thực nghiệm 46

3.2 Yêu cầu đối với hệ thống thí nghiệm 46

3.3 Thiết bị thí nghiệm 46

3.3.1 Máy phay CNC 46

3.3.2 Đá mài 47

3.3.3 Tưới nguội 49

3.3.4 Phôi thí nghiệm 50

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

3.3.5 Thiết bị đo 50

3.4 Trình tự thí nghiệm 52

3.4.1 Chuẩn bị 52

3.4.2 Tiến hành thí nghiệm 52

3.4.3 Xử lý kết quả thí nghiệm 55

3.5 Thảo luận kết quả thí nghiệm 60

3.5.1 Nhám bề mặt 60

3.5.2.Chất lượng bề mặt gia công 61

3.5.3 Cấu trúc lớp kim loại bề mặt gia công 61

3.5.4 Sai lệch kích thước 62

3.5.5 Hiệu quả kinh tế 62

3.6 Kết luận chương 3 62

KẾT LUẬN CHUNG 64

1 Kết luận chung 64

2 Hướng nghiên cứu tiếp theo 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

viii viiiv

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

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

Hình 1.2 Các dạng có thể có của lưỡi cắt 8

Hình 1.3 Quá trình tạo phoi khi mài 9

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

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

Hình 1.6 Ảnh SEM bề mặt mài [14] 16

Hình 1.7 Cấu trúc lớp bề mặt [14 18

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

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

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

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

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

Hình 2.6 Quá trình mòn của đá 32

Hình 2.7 Ảnh hưởng của loại dung dịch trơn nguội 34

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

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

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

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

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

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

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

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

Hình 2-15: Các bề mặt định hình 42

Hình 3.1 Máy phay CNC YDC - 96 46

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

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

Hình 3.4 Máy đo độ nhám Mytutoyo SJ – 201 51

Hình 3.5 Kính hiển vi OLYMPUS GX51 51

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

Hình 3.8 Sản phẩm sau khi gia công mài 54

Hình 3.9 Đồ thị phân bố nhám bề mặt 55

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

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

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

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

DANH MỤC BẢNG BIỂU

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

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

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

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

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

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

Bảng 3.1.Kết quả đo nhám trung bình 55

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

1

1 Tính cấp thiết của đề tài

PHẦN MỞ ĐẦU

Mài là một phương pháp gia công tinh được sử dụng rất phổ biến trongngành chế tạo máy Mài đặc biệt chiếm ưu thế khi gia công tinh các chi tiết đã tôi cứng,các chi tiết có độ cứng, độ bền cao vv Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹthuật đã thúc đẩy các ngành công nghiệp phát triển Các chi tiết máy có độ chính xác, chấtlượng bề mặt và độ bền cao là cơ sở cho sự ra đời các loại máy móc, thiết bị hiện đại, cóchất lượng cao (độ chính xác, độ tin cây, độ bền cao…) Phương pháp mài có một vị tríquan trọng trong gia công cơ khí, nhờ khả năng vượt trội so với các phương pháp cắt gọtkhác khi gia công những vật liệu có độ bền cơ học và độ cứng cao cho độ chính xác vàchất lượng bề mặt cao

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

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

… Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật khi mài bằng đá mài sử dụng những loại vật liệu hạt mài này

bị hạn chế (đặc biệt khi mài những vật liệu khó gia công) do sau một thời gian làm việc đámòn và phải sửa lại đá Việc phát minh ra loại vật liệu hạt mài siêu cứng là cubic boronnitride (CBN) đã góp phần cải thiện đáng kể hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của phương phápmài Vật liệu hạt mài này được các nước công nghiệp tiên tiến ứng dụng nhiều vào việc giacông cơ khí từ những năm 70 của thế kỷ 20

Vật liệu CBN có độ cứng cao gần gấp đôi oxide nhôm và khả năng chịu nhiệt

nhỏ, quá trình cắt ổn định tạo ra chất lượng bề mặt gia công cao và ổn định Ngoài ra, đámài CBN còn có khả năng lấy đi lượng dư đều đặn trên bề mặt của chi tiết gia công màkhông cần bù độ mòn của đá mài

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

quan tâm nghiên cứu và ứng dụng nhưng ở Việt Nam có rất ít công trình nghiên cứu vềlĩnh vực này được công bố, việc sử dụng đá mài CBN vào sản xuất cũng chưa phổ biến Tuynhiên việc đánh giá ảnh hưởng của chế độ cắt để đảm bảo chất lượng bề mặt gia côngđồng thời tăng tuổi bền của đá mài trong quá trình mài chưa có công trình nghiên cứu nào

đề cập đến nhất là trong trường hợp gia công các khuôn cắt cũng như chày dâp

Hiện nay các loại thép có độ cứng

chính xác bề mặt

Xuất phát từ nhu cầu sử dụng và khai thác thiết bị thực tế của trường Cao đẳngnghề cơ điện Phú thọ, nhà trường được trang bị một máy mài phẳng năm 2008 nhưng từ đóđến nay nhà trường mới chỉ khai thác để mài các loại thép thường với đá mài Hải Dương.Nhu cầu mài các chi tiết có độ chính xác, chịu tải va đập lớn, chịu mài mòn và chịu ăn mònhóa học cao là rất lớn Việc nghiên cứu công nghệ mài các loại thép này đảm bảo yêu cầu

kỹ thuật đồng thời tăng tuổi bền cho đá đảm bảo hiệu quả kinh tế và phát huy hết tínhnăng của máy ứng dụng trong sản xuất cũng như trong giảng dạy của nhà trường là rất cầnthiết Mặt khác trong thực tế sản xuất khi mài các mặt định hình nhà trường chưa có máymài CNC nên gặp khó khăn trong gia công Các chi tiết định hình gia công bằng phươngpháp mài yêu cầu phải đảm bảo độ chính xác về kích thước Đạt độ đồng tâm giữa các bềmặt định hình với đường tâm chi tiết Đảm bảo độ sai lệch về hình dạng hình học, độ côn,

độ ôvan trong phạm vi cho phép vad đảm bảo về độ nhẵn bóng bề mặt Để giải quyếtđược các vấn đề này trong khi chưa có máy mài CNC thì việc ứng đụng khả năng côngnghệ máy phay CNC để mài định hình theo Contuor trên máy CNC là cần thiết

Xuất phát từ những đặc điểm và tình hình trên tác giả chọn đề tài: " Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mài bề mặt định hình trên máy phay CNC sử dụng đá mài CBN",

2 Mục tiêu nghiên cứu là :

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

mài CBN và đá mài Al2O3 do Nhà máy Đá mài Hải Dương sản xuất với vật liệu là thép9XC nhiệt luyện trên máy phay CNC; Chỉ tiêu đánh giá là nhám bề mặt và sai lệch kíchthước bề mặt gia công.

3 Dự kiến các kết quả đạt được

- Đưa ra phương pháp mài bề mặt định hình trên máy phay CNC bằng đá màiCBN cho chất lượng bề mặt tốt, đảm bảo hiệu quả kinh tế

4 Phương pháp nghiên cứu

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

5 Nội dung nghiên cứu

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

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

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

6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học:

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

nói riêng

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

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

- Ý nghĩa thực tiễn:

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

7 Nội dung của luận văn

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

Chương 1: Tổng quan về mài

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

mặt định hình

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm

Kết luận chung

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

1.1.1 Tổng quan về công nghệ mài

a Đặc điểm, ý nghĩa của quá trình mài

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

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

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

- Trong quá trình cắt, đá mài có khả năng tự mài sắc: Dưới tác dụng của tải trọng

cơ, nhiệt các hạt mài đã mòn bật ra khỏi bề mặt đá tạo điều kiện cho những

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

- Do hiện tượng tự mài sắc cũng như không thể chủ động thay đổi được hình dáng

và vị trí của hạt mài trong đá mài cho nên việc nghiên cứu và điều khiển quá trình mài gặpnhiều 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 vịtrí quan trọng trong gia công cơ khí hiện đại Mặc dù được sử dụng cả trong gia công thônhưng chỉ trong gia công tinh thì những ưu thế của phương pháp mài mới thực sự đượcphát huy, vì vậy mài thường được chọn là nguyên công gia công tinh lần cuối các bề mặt.Trong tổng số máy công cụ, máy mài chiếm đến 30%, còn trong một số ngành đặc biệt nhưchế tạo vòng bi máy mài chiếm đến 60% [1]

Ngày nay, cùng với sự phát triển của ngành chế tạo máy, những loại vật liệu có tínhnăng cơ học cao, khó gia công ngày càng được sử dụng rộng rãi Những đòi hỏi về độchính xác và chất lượng gia công ngày càng cao thì mài càng được quan tâm nghiên cứu và

sử dụng rộng rãi hơn bất kỳ một dạng gia công cơ nào khác Do đó mài luôn được nghiêncứu và mở rộng

b Khả năng công nghệ của mài

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

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

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

mài có thể gia công khá dễ dàng trong khi các phương pháp gia công truyền thống

khác gặp khó khăn Vì vậy mài ngày càng được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng

SnSn

nđ Sd

Sd nđ

Vd nct

a b

nđ Sn

Sn nđ

c Quá trình tạo phoi khi mài

Các hạt mài có độ cứng tế vi cao hơn nhiều so với độ cứng của vật liệu chi tiết giacông Các hạt mài có đặc điểm là rất giòn nên trong quá trình cắt, chúng thường vỡ vụnthành nhiều mảnh có hình dáng bất kỳ và nhiều cạnh sắc Các hạt mài được phân bố trongchất dính kết ngẫu nhiên Do có nhiều lưỡi cắt có hình dáng bất kỳ và các lưỡi cắt luônthay đổi trong quá trình mài nên việc theo dõi hình dáng của từng lưỡi

cắt phải mất rất nhiều công sức.

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

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

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

s az (1.1)Phương mài Hạt mài Phương mài Hạt mài Phương mài Hạt mài

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

Các nghiên cứu đều cho rằng, các lưỡi cắt chỉ bền vững khi 00 Thường có thểđặt đến giá trị - 800 [9], [10], [14]

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

I II III a’z az

V

P

Phần nhô lên của vật liệu

Biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và tách phôi

Hình 1.3 Quá trình tạo phoi khi mài

Do mũi dao có bán kính và do góc ăn tới của lưỡi cắt nhỏ nên giai đoạn đầukhông tạo phoi mà vật liệu gia công bị biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, bị đẩy sang hai bêncủa lưỡi cắt hoặc chảy qua mặt dưới của lưỡi cắt sang mặt sau của hạt mài

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

gây biến dạng dẻo, biến dạng đàn hồi xảy ra đồng thời

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

Thời gian của mỗi giai đoạn trong quá trình tạo phoi là rất ngắn do quá trình tạo phoi xảy

ra rất nhanh, khoảng từ 0,001 - 0,005 (s)

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

như: Các thành phần của lực cắt, vào cơ lý tính của vật liệu gia công Khi lưỡi cắt bị mòn (

lớn), góc nhỏ thì biến dạng vật liệu tăng lên mặc dù t lớn nhưng a’z vẫn nhỏ Khi tăng vc

có ma sát giữa lưỡi cắt và bề mặt mài thì a’z tăng.

1.1.2 Lực cắt khi mài

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

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

Gọi P

tt Ph k

là hệ số lực cắt (1.2)

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

ép lƣỡi cắt vào bề mặt chi tiết do Phk có trị số lớn hơn rất nhiều so với Ptt ( nhỏ) Khi quá trình tạo phoi xảy ra thì Ptt tăng lên ( tăng) Lúc này Ptt gồm hai thành phần: Lực ma

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

Tuy nhiên khi mài có nhiều hạt đồng thời tham gia cắt nên tổng lực cắt của tất cảcác lƣỡi khá lớn

Nếu gọi lực cắt tổng hợp tác dụng lên một hạt mài là Pi thì lực cắt khi mài

đƣợc xác định theo công thức:

Trong đó:

n

Pc Pi

1 2

Px - Thành phần lực dọc theo phương chạy dao.

Thường Py (1,5 3).Pz ; Px thường rất bé so với Pz nên thường bỏ qua Thành phần lực tiếp tuyến Pz được tính theo công thức :

vc

t z

3

k k

t 2 D k .

1

k

d 2 .S 2k

Pz ít hơn Khi tăng vd và độ hạt lực Pz giảm.

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

K Pz Py

(1.6)

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

tiết gia công

1.1.3 Nhiệt cắt khi mài

Năng lƣợng và nhiệt cắt phân bố trong quá trình cắt nhƣ hình 1.4 [10]

Vd

Chất kết dính

Môi

trường

Hạt mài

Ma sát

Phoi

Ma sát phoi

Năng lượng cắt

mặt trước

Năng lượng dồn

ép

Chi tiết

Hình 1.4 Nhiệt và sự phân bố năng lượng khi mài

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

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

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

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

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

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

k T

vd - Tốc độ đá mài (m/ph)

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

- Khối lượng riêng của vật liệu gia công

c - Nhiệt dung của vật liệu gia công

Phương trình (1.7) cho thấy nhiệt độ mài phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Chế độcắt, vật liệu gia công, vật liệu hạt mài, chất dính kết, độ xốp của đá mài, dung dịch trơnnguội 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 hợpkim cao thì hệ số truyền nhiệt thấp Khi mài những loại vật liệu này nhiệt lan truyền chậmlàm cho nhiệt độ vùng mài tăng cao, bề mặt chi tiết mài dễ bị cháy, nứt (bảng 1.1)

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

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

- Giảm bớt chế độ cắt

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

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

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

1.1.4 Công suất cắt khi mài

Công suất mài có thể xác định theo công thức:

3

d

Mặc dù lực cắt khi mài thường nhỏ (vì tiết diện phoi cắt bé) nhưng công suất

1.1.5 Rung động khi mài

Rung động khi mài gồm hai loại rung: Rung động cưỡng bức và tự rung Các tác giả [11], [14] .cho rằng nguyên nhân của rung động cưỡng bức là do các bộ phận quay của

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

Trong đó:

Re m k m

1 1

2kc ka

(1.9)

Rem - Đặc tính động lực học của máy; Re

m

= 1 10 (giới hạn dưới cho

máy chống rung tốt, giới hạn trên cho máy chống rung kém)

km - Độ cứng tĩnh của máy

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

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

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

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

bề mặt mài tăng lên do các hiện tượng sau [13]

- Vật liệu bị nén giãn sang hai bên đường cắt

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

- Các hạt mài bị vỡ làm cho quá trình cắt dừng đột ngột tạo ra vết lồi lõm trên

bề mặt mài đồng thời tạo ra ứng suất tập trung

- Các vết nứt trên bề mặt mài do nhiệt mài

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

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

- Sử dụng thành phần dung dịch trơn nguội phù hợp

- Có công nghệ tưới nguội hợp lý

Hình 1.6 Ảnh SEM bề mặt mài [14]

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

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

Chế độ cắt ảnh hưởng tới quỹ đạo chuyển động của các hạt mài vì vậy ảnh hưởngtới độ nhám bề mặt mài: Tăng Sd, vct làm tăng chiều sâu cắt az của các hạt mài, do đó độnhám bề mặt tăng; tăng tốc độ cắt Vđ làm tăng sự "xếp chồng" đường cắt của các hạt màinên chiều sâu cắt az giảm dẫn đến độ nhám bề mặt mài giảm nhiều

Ngoài ảnh hưởng trực tiếp như trên, chế độ cắt còn ảnh hưởng gián tiếp đến độnhám bề mặt qua các yếu tố:

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

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

- Rung động làm tăng độ nhám bề mặt khi mài.

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

- Nhiệt độ ở vùng mài càng cao thì vật liệu gia công ở lớp bề mặt càng biến dạngdẻo mạnh đồng thời còn có thể gây cháy, nứt bề mặt: Công nghệ tưới nguội, hệ số truyềnnhiệt của vật liệu gia công và của đá mài ảnh hưởng tới nhiệt độ ở vùng mài qua đó ảnhhưởng tới độ nhám bề mặt mài

b Sóng bề mặt

Rung động trong quá trình mài là nguyên nhân chủ yếu gây ra độ sóng của bề mặtmài Nếu hệ thống công nghệ có rung động thì trên bề mặt mài sẽ hình thành sóng dọc vàsóng 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 côngnghệ, ngoài ra còn phụ thuộc vào độ cân bằng và hiện tượng tự mài sắc của đá mài

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

Trong đó:

Vct - Tốc độ chi tiết gia công

f - Tần số rung động

Vc t f

c Tính chất cơ lý lớp bề mặt

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

- Lớp 1 đƣợc nung tới nhiệt độ điểm AC3 và đƣợc làm nguội nhanh, do đó lớp 1 bị tôi lại.

- Lớp 2 đƣợc nung nóng ở nhiệt độ từ điểm AC1 đến điểm AC2 và làm

nguội nhanh, do đó lớp 2 đƣợc tôi lại không đầy đủ

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

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

1 /