Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Nghiên cứu nâng cao hiệu quả của quá trình mài phẳng khi mài tinh.

Đề xuất mô hình xác định chi phí mài phẳng để xác định đường kính thay đá tối ưu nhằm đạt được chi phí thấp nhất bằng lý thuyết và kiểm chứng thực nghiệm; Đánh giá ảnh hưởng của chế độ bôi trơn làm mát và chế độ cắt khi mài phẳng để lựa chọn bộ thông số hợp lý khi mài tinh trên đối tượng thực nghiệm là thép 90CrSi bằng đá mài Hải Dương;

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

LƯU ANH TÙNG

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA QUÁ TRÌNH MÀI PHẲNG KHI MÀI TINH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN, NĂM 2020

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS TS VŨ NGỌC PI

2 GS TSKH BÀNH TIẾN LONG

THÁI NGUYÊN, NĂM 2020

CAM ĐOAN

Tác giả của luận án này xin cam đoan:

Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án (trừ những điểm được trích dẫn) là hoàn toàn do bản thân tự nghiên cứu, không sao chép từ bất kỳ ai hay nguồn nào Các bản vẽ, bảng biểu, kết quả đo đạc thí nghiệm và các kết quả tính toán (trừ những điểm được trích dẫn) đều được thực hiện nghiêm túc, trung thực, không chỉnh sửa và sao chép của bất kỳ nguồn nào

Nếu có điều gì sai trái, tác giả của bản luận án xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2020

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới PGS TS Vũ Ngọc

Pi và GS TSKH Bành Tiến Long, những người thầy đã tận tình hướng dẫn và động viên tôi trong nhiều năm tháng học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận án

Tôi xin trân trọng cám ơn tập thể Bộ môn Chế tạo máy, BCN Khoa Cơ khí, các vị lãnh đạo và các Nhà Khoa học của Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên đã luôn quan tâm, giúp đỡ cũng như đóng góp các ý kiến để tôi hoàn thành luận án!

Tôi xin chân thành cám ơn PGS TS Nguyễn Văn Dự và TS Hồ ký Thanh đã góp

ý về chuyên môn, động viên và hỗ trợ tài liệu giúp tôi thực hiện luận án này!

Tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành tới Doanh nghiệp Tư nhân Cơ khí Chính xác Thái Hà đã hỗ trợ máy móc và nhân lực để giúp tôi tiến hành thí nghiệm cho nội dung nghiên cứu của luận án!

Tôi xin chân thành cám ơn các Nhà khoa học, bạn bè đồng nghiệp và bố, mẹ hai bên gia đình, đặc biệt là vợ tôi Đỗ Thái Phượng và các con Lưu Đỗ Minh Ngọc, Lưu Đức Quang đã luôn quan tâm, động viên giúp tôi vượt qua mọi khó khăn trong quá trình học tập và hoàn thành bản luận án này!

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2020

TÁC GIẢ

Lưu Anh Tùng

MỤC LỤC

CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 2

3 Phương pháp và phạm vi nghiên cứu 2

3.1 Phương pháp và đối tượng nghiên cứu 2

3.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài: 3

4 Ý nghĩa của đề tài 3

4.1 Ý nghĩa khoa học 3

4.2 Ý nghĩa thực tiễn 3

5 Các điểm mới (đóng góp mới) của đề tài 3

6 Cấu trúc của luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÀI PHẲNG 5

1.1 Đặc điểm và các sơ đồ mài phẳng 5

1.2 Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu 7

1.2.1 Các nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ cắt 8

1.2.2 Các nghiên cứu về các thông số công nghệ sửa đá mài 14

1.2.3 Các nghiên cứu về chế độ bôi trơn làm mát khi mài 20

1.2.4 Các nghiên cứu về xác định chi phí quá trình mài phẳng 27

1.3 Định hướng nghiên cứu 31

Kết luận Chương 1 32

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÀI PHẲNG VÀ PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM 33

2.1 Đặc trưng của quá trình mài phẳng 33

2.1.1 Quá trình tạo phoi khi mài [14, 48] 33

2.1.2 Lưỡi cắt [4, 7, 48] 33

2.1.3 Chiều dài cung tiếp xúc [48, 62] 34

2.1.4 Chiều dày lớp cắt 35

2.1.5 Quá trình sửa đá [7, 34, 36] 35

2.1.5.1 Sửa đá 35

2.1.5.2 Dụng cụ sửa đá 36

2.1.5.3 Topography của đá [7, 34, 36] 37

2.1.6 Bôi trơn làm mát 38

2.1.6.1 Nhiệt cắt trong quá trình mài 38

2.1.6.2 Vai trò của dung dịch trơn nguội 39

2.1.6.3 Phân loại dung dịch trơn nguội 40

2.1.6.4 Các phương pháp bôi trơn làm mát thường dùng khi mài 40

2.2 Một số chỉ tiêu đánh giá quá trình mài 41

2.2.1 Mòn và tuổi bền của đá mài 41

2.2.1.1 Mòn đá mài 41

2.2.1.2 Tuổi bền của đá mài 42

2.2.2 Nhám bề mặt khi mài [4, 48] 44

2.2.3 Lực cắt khi mài [14] 45

2.2.4 Năng suất gia công [14] 46

2.2.5 Sóng bề mặt [62] 46

2.3 Mô hình nâng cao hiệu quả quá trình mài phẳng 46

2.3.1 Sơ đồ và cơ sở của nghiên cứu nâng cao hiệu quả quá trình mài phẳng 47

2.3.2 Lựa chọn thông số đầu vào 47

2.3.3 Các giải pháp nâng cao hiệu quả quá trình mài phẳng 49

2.4 Xây dựng mô hình hệ thống thí nghiệm và lựa chọn thiết bị nghiên cứu 50

2.4.1 Yêu cầu chung đối với hệ thống thí nghiệm 50

2.4.2 Sơ đồ kết nối các thiết bị thí nghiệm 50

2.4.3 Lựa chọn thiết bị và phôi thí nghiệm 51

2.4.3.1 Máy mài 51

2.4.3.2 Phôi thí nghiệm 52

2.4.3.3 Đá mài 53

2.4.3.4 Dụng cụ sửa đá 53

2.4.3.5 Dung dịch trơn nguội 53

2.4.3.6 Các dụng cụ đo kiểm 54

2.5 Phương pháp thiết kế thí nghiệm và quy hoạch thực nghiệm 55

2.5.1 Lựa chọn phương pháp 55

2.5.2 Các bước thực hiện theo phương pháp Taguchi [45] 57

2.5.3 Các bước tối ưu hóa sử dụng phân tích quan hệ mờ (Grey Relational Analysis – GRA) [26] 58

Kết luận Chương 2 60

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ BÔI TRƠN LÀM MÁT, CHẾ ĐỘ CẮT VÀ CHẾ ĐỘ SỬA ĐÁ HỢP LÝ 61

3.1 Thực nghiệm xác định chế độ bôi trơn làm mát và chế độ cắt hợp lý 61

3.1.1 Lựa chọn thông số và điều kiện thí nghiệm 61

3.1.2 Xác định theo chỉ tiêu nhám bề mặt Ra 62

3.1.2.1 Mức độ ảnh hưởng của các thông số: 62

3.1.2.2 Xác định chế độ hợp lý 65

3.1.2.3 Tính toán dự đoán 65

3.1.3 Xác định theo chỉ tiêu lực cắt pháp tuyến Fy 67

3.1.3.1 Xác định mức độ ảnh hưởng của các thông số 67

3.1.3.2 Xác định chế độ hợp lý 68

3.1.4 Bài toán đa mục tiêu cả nhám bề mặt và lực cắt pháp tuyến nhỏ nhất bằng phân tích quan hệ mờ trong phương pháp Taguchi 69

3.2 Nghiên cứu thực nghiệm xác định chế độ sửa đá hơp lý 73

3.2.1 Lựa chọn các thông số và các điều kiện thí nghiệm 73

3.2.2 Xác định theo chỉ tiêu nhám bề mặt 74

3.2.2.1 Phân tích ảnh hưởng 74

3.2.2.2 Xác định bộ thông số chế độ sửa đá hợp lý 77

3.2.2.3 Tính toán dự đoán giá trị nhám bề mặt 78

3.2.3 Xác định theo chỉ tiêu lực cắt pháp tuyến 79

3.2.3.1 Phân tích ảnh hưởng 79

3.2.3.2 Xác định bộ thông số sửa đá hợp lý 81

3.2.3.3 Tính toán dự đoán giá trị Fy 82

3.2.4 Xác định theo chỉ tiêu tuổi bền đá mài Tw 83

3.2.4.1 Phân tích ảnh hưởng 83

3.2.4.2 Xác định bộ thông số sửa đá hợp lý 85

3.2.4.3 Tính toán dự đoán giá trị Tw 85

3.2.5 Xác định theo chỉ tiêu dung sai độ phẳng 87

3.2.5.1 Phân tích ảnh hưởng 87

3.2.5.2 Xác định bộ thông số sửa đá hợp lý 88

3.2.5.3 Tính toán dự đoán giá trị Fl 89

3.2.6 Xác định theo chỉ tiêu năng suất gia công 91

3.2.6.1 Phân tích ảnh hưởng 91

3.2.6.2 Xác định chế độ sửa đá hợp lý 92

3.2.6.3 Tính toán dự đoán giá trị năng suất gia công MRR 93

3.2.7 Bài toán đa mục tiêu về nhám bề mặt và dung sai độ phẳng khi sửa đá 95

3.2.7.1 Thực hiện phân tích trị số quan hệ mờ 96

3.2.7.2 Xác định mức hợp lý của các thông số khảo sát nhằm đạt cả hai mục

tiêu Ramin và Flmin khi sửa đá 97

3.2.7.3 Tính toán trị số quan hệ mờ và trị số của Ra và Fl ứng với mức hợp lý của các thông số sửa đá 98

3.2.8 Bài toán đa mục tiêu nhằm cả bốn mục tiêu nhám bề mặt Ra, dung sai độ phẳng Fl, năng suất gia công MRR và tuổi bền của đá mài Tw khi sửa đá 99

3.2.8.1 Phân tích quan hệ số quan hệ mờ 100

3.2.8.2 Xác định mức và trị số của thông số sửa đá nhằm cả bốn mục tiêu Ramin, Flmin, MRRmax và Twmax 101

3.2.8.3 Tính toán trị số quan hệ mờ và trị số của Ra, Fl, MRR và Tw ứng với mức hợp lý của các thông sửa đá 103

Kết luận Chương 3 106

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG KÍNH THAY ĐÁ TỐI ƯU 108

4.1 Phân tích chi phí gia công mài phẳng 108

4.1.1 Xác định chi phí đá mài cho một chi tiết gia công 108

4.1.2 Xác định thời gian gia công mài một chi tiết tgc 110

4.2 Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến chi phí mài phẳng 110

4.3 Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến đường kính thay đá tối ưu 114

4.3.1 Xác định hàm mục tiêu và xây dựng kế hoạch thực hiện 114

4.3.2 Đánh giá các ảnh hưởng của các thông số 116

4.3.2.1 Đánh giá các ảnh hưởng của thông số khảo sát đến De,op 116

4.3.2.2 Phân tích hồi quy - phương sai 118

4.4 Kiểm chứng mô hình xác định đường kính thay đá tối ưu bằng thực nghiệm 120 4.4.1 Điều kiện thực nghiệm 121

4.4.2 Cách thức tiến hành thí nghiệm 121

4.4.3 Kết quả thực nghiệm 122

4.5 Áp dụng mô hình thay đá tối ưu với chế độ sửa đá và chế độ trơn nguội tối ưu 125

Kết luận Chương 4 126

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 127

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO 129

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ACO Thuật toán đàn kiến

ANOVA Phân tích phương sai

c1 Hệ số phụ thuộc vật liệu gia công

c2 Hệ số phụ thuộc vào đường kính đá mài

c3 Hệ số phụ thuộc vào thời gian làm việc liên tục của máy mài

C% Phần trăm ảnh hưởng

CI Khoảng phân bố

ct Chi tiết

DOE Thiết kế thí nghiệm

GA Thuaatj toans di truyền

Mp Mật độ xếp phôi trên bàn máy mài

n Số vòng quay của trục đá mài Vòng/phút nCT,d Số chi tiết mài được sau mỗi lần sửa đá

nCT,w Số chi tiết mà một viên đá mài được

Nt Số chi tiết mài trong một lần gá đặt

OA Ma trận trực giao

QP Phương pháp lập trình bậc hai

SS Tổng bình phương

SSB Tổng bình phương của thông số B

SSe Tổng bình phương các lỗi

SST Tổng các bình phương

SS’B Phương sai tổng của biến B tính toán lại

S/N Tỉ số tín hiệu nhiễu

 Hệ số phân biệt

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ mài phẳng [48] 6

Hình 1.2 Các chuyển động khi mài phẳng bằng chu vi đá trên máy mài có bàn máy hình chữ nhật [4] 7

Hình 1.3 Ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến các tham số của quá trình mài và đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của sản phẩm gia công [4, 7, 36] 7

Hình 1.4 Quan hệ giữa lực cắt và loại chất dính kết của đá kim cương [35] 8

Hình 1.5 Quan hệ giữa lực cắt và nhám bề mặt gia công [35] với: 9

Hình 1.6 Ảnh hưởng của vận tốc bàn và vận tốc cắt của đá đến lực cắt, nhám bề mặt gia công và độ mòn của đá kim cương [35] 9

Hình 1.7 Quan hệ giữa lực cắt và chiều sâu cắt với lượng chạy dao khi mài [35]: 1) Sd = 0,07 mm/vòng; 2) Sd = 0,14 mm/vòng; 3) Sd = 0,305 mm/vòng 9

Hình 1.8 Quan hệ giữa tốc độ bóc tách vật liệu với năng lượng riêng [48] 10

Hình 1.9 Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến lực mài [48] 10

Hình 1.10 Quan hệ giữa tốc độ bóc tách riêng vật liệu với công suất mài (a) và nhám bề mặt gia công (b) [59] 11

Hình 1.11 Ảnh hưởng của các thông số đến nhám bề mặt [30] 12

Hình 1.12 Ảnh hưởng đến nhám bề mặt của [33]: 13

Hình 1.13 Sơ đồ sửa đá bằng bút sửa đá một hạt [50] 14

Hình 1.14 Chế độ cắt khi sửa đá [34, 36] 15

Hình 1.15 Ảnh hưởng của hệ số trùng khít đến nhấp nhô bề mặt đá mài Rts [34, 36] 15 Hình 1.16 Ảnh hưởng của Ud đến kết quả đầu ra khi mài [36] 15

Hình 1.17 Ảnh hưởng của lượng chạy dao khi sửa đá đến lực mài và độ nhám bề mặt khi mài [36] 16

Hình 1.18 Ảnh hưởng lượng chạy dao dọc, chiều sâu sửa đá và góc gá mũi sửa đá đến nhám bề mặt gia công [54] 17

Hình 1.19 Cách gá mũi sửa đá kim cương một hạt [54] 17

Hình 1.20 Hình dạng của một hạt mài sau sửa đá [54] 18

Hình 1.21 Sơ đồ gá đặt khi sửa đá bằng bút sửa đá một hạt [55] 18

Hình 1.22 Sơ đồ gá đặt khi sửa đá bằng bút sửa đá nhiều hạt [55] 19

Hình 1.23 Các phương pháp cung cấp dung dịch trơn nguội vào vùng cắt [71] 20

Hình 1.24 Các cách cơ bản cung cấp dung dịch trơn nguội khi mài [71] 21

Hình 1.25 Một phương án cung cấp dung dịch trơn nguội khi mài phẳng [71] 21

Hình 1.26 Lượng mòn hướng kính khi mài bằng đá CBN với các loại dung dịch trơn nguội khác nhau [64] 21

Hình 1.27 Nhám bề mặt khi mài bằng đá CBN khi sử dụng các loại dung dịch trơn nguội khác nhau [64] 21

Hình 1.28 Lực mài thu được trong các điều kiện mài khác nhau [65] 22

Hình 1.29 Tỉ số lực mài thu được trong các điều kiện mài khác nhau [65] 23

Hình 1.30 Nhám bề mặt thu được trong các điều kiện mài khác nhau [65] 23

Hình 1.31 Nhiệt cắt trong các điều kiện mài khác nhau [65] 23

Hình 1.32 Kết quả so sánh ảnh hưởng của các loại dung dịch đến [60] 24

Hình 1.33 Ảnh hưởng của loại đá mài, loại dung dịch trơn nguội và kiểu vòi phun đến độ nhám bề mặt mài [58] 24

Hình 1.34 Sự thay đổi lực tiếp tuyến và pháp tuyến ứng với số hành trình chạy dao trong suốt quá trình mài thép hợp kim thấp với chiều sâu mài [29]: 25

Hình 1.35 So sánh nhám bề mặt Ra ở chiều sâu mài khác nhau ứng với 10 hành trình chạy dao [29] 25

Hình 1.36 Ảnh hưởng của môi trường làm mát đến nhiệt cắt khi mài (giữ tốc độ bóc tách ở khoảng 30 mm3/mm.ph) [53] 27

Hình 1.37 Ảnh hưởng của môi trường làm mát đến ứng suất dư khi mài (giữ tốc độ bóc tách ở khoảng 30 mm3/mm.ph) [53] 27

Hình 1.38 Biểu đồ chi phí quá trình mài phẳng cho một chi tiết [49] 29

Hình 1.39 Cấu trúc phân tích chi phí vòng đời của một trung tâm mài [61] 30

Hình 1.40 Biểu đồ một số chi phí vận hành [61] 30

Hình 1.41 Biểu đồ quan hệ giữa chi phí sản xuất một chi tiết với nhám bề mặt [25] 31 Hình 1.42 Biểu đồ quan hệ giữa chi phí sản xuất một chi tiết với thể tích bóc tách [25] 31

Hình 2.1 Quá trình bóc tách phoi khi mài [48] 33 Hình 2.2 Lưỡi cắt tĩnh và lưỡi cắt động 34

Hình 2.3 Vùng tiếp xúc đá – chi tiết mài [48, 63] 34

Hình 2.4 Chiều dày và hình dạng phoi [63] 35

Hình 2.5 Quá trình sửa đá [34, 36] 35

Hình 2.6 Mòn đá mài vĩ mô [34, 36] 36

Hình 2.7 Sửa đá bằng bút sửa đá kim cương [7] 36

Hình 2.8 Dụng cụ sửa đá kim cương một hạt [55] 37

Hình 2.9 Dụng cụ sửa đá kim cương nhiều hạt [55] 37

Hình 2.10 Phân bố năng lượng và dòng nhiệt trong quá trình mài [36] 38

Hình 2.11 Mòn đá mài vĩ mô 42

Hình 2.12 Các dạng mòn đá mài vi mô [34, 36] 42

Hình 2.13 Quá trình mòn đá mài [4, 11, 34, 36] 42

Hình 2.14 Mô hình mô tả nhám bề mặt chi tiết máy khi mài [4, 63] 44

Hình 2.15 Mô hình tính toán nhám bề mặt khi mài phẳng [4, 63] 44

Hình 2.16 Lực cắt tác dụng lên hạt mài [14] 45

Hình 2.17 Mô hình mô tả bước sóng bề mặt khi mài [63] 45

Hình 2.18 Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm khi mài phẳng 47

Hình 2.19 Mô hình nâng cao hiệu quả của quá trình mài phẳng 49

Hình 2.20 Quan hệ giữa tuổi thọ của đá với chi phí mài 49

Hình 2.21 Sơ đồ kết nối các thiết bị thí nghiệm 50

Hình 2.22 Kết nối các thiết bị thí nghiệm 51

Hình 2.23 Khu vực mài trong kết nối thiết bị thí nghiệm 51

Hình 2.24 Kích thước và hình ảnh phôi thí nghiệm của luận án 52

Hình 2.25 Đá mài Hải Dương Cn46TB2GV1.300.32.127.30 m/s 53

Hình 2.26 Bút sửa đá kim cương nhiều hạt 53

Hình 2.27 Đầu đo lực Kistler 9257BA 54

Hình 2.28 Thước đo nồng độ dầu REF-511 54

Hình 2.29 Đồng hồ đo lưu lượng Z-5615 Panel Flowmeter 54

Hình 2.30 Máy đo độ nhám SJ-201 của hãng Mitutoyo – Nhật Bản 55

Hình 2.31 Máy đo tọa độ CMM 544, Hãng Mitutoyo 55

Hình 2.32 Dung sai độ phẳng bề mặt [24] 55

Hình 2.33 Kính hiển vi kỹ thuật số VHX - 6000 55

Hình 3.1 Biểu đồ ảnh hưởng chính của các thông số đến Ra khi bôi trơn làm mát 64 Hình 3.2 Biểu đồ ảnh hưởng tương tác giữa ND và LL đến Ra 64

Hình 3.3 Biểu đồ các ảnh hưởng chính đến tỉ số S/N của Ra 65

Hình 3.4 Biểu đồ ảnh hưởng chính của các yếu tố đến Fy 68

Hình 3.5 Ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số S/N của Fy 69

Hình 3.6 Trị số quan hệ mờ trung bình theo thứ tự thí nghiệm 71

Hình 3.7 Ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số S/N của hệ số quan hệ mờ 72

Hình 3.8 Biểu đồ các ảnh hưởng chính của các yếu tố đến Ra khi sửa đá 77

Hình 3.9 Biểu đồ ảnh hưởng chính của các yếu tố đến tỉ số S/N của Ra khi sửa đá 78

Hình 3.10 Biểu đồ ảnh hưởng chính của các yếu tố đến Fy khi sửa đá 80

Hình 3.11 Biểu đồ ảnh hưởng chính của các yếu tố đến tỉ số S/N của Fy khi sửa đá 81 Hình 3.12 Biểu đồ ảnh hưởng chính của các yếu tố đến Tw khi sửa đá 84

Hình 3.13 Biểu đồ các yếu tố ảnh hưởng chính đến tỉ số S/N của Tw khi sửa đá 85

Hình 3.14 Biểu đồ ảnh hưởng chính của các yếu tố đến Fl khi sửa đá 88

Hình 3.15 Biểu đồ ảnh hưởng của các thông số sửa đá khảo sát đến tỉ số S/N của Fl 89 Hình 3.16 Biểu đồ các ảnh hưởng chính của các yếu tố đến MRR khi sửa đá 92

Hình 3.17 Biểu đồ ảnh hưởng chính của các thông số khảo sát đến tỉ số S/N của Fl khi sửa đá 93

Hình 3.18 Hệ số quan hệ mờ trung bình nhằm hai mục tiêu Ramin và Flmin cho từng thí nghiệm sửa đá 96

Hình 3.19 Đồ thị các ảnh hưởng chính của các thông số khảo sát đến trị số trung bình quan hệ mờ khi sửa đá nhằm Ramin và Flmin 97

Hình 3.20 Đồ thị các ảnh hưởng chính của các thông số khảo sát đến trị số trung bình quan hệ mờ khi sửa đá mong muốn Ramin và Flmin 98

Hình 3.21 Hệ số quan hệ mờ trung bình cho mục tiêu Ramin, Flmin, MRRmax và Twmax cho từng thí nghiệm sửa đá 100

Hình 3.22 Đồ thị các ảnh hưởng chính của các thông số đến trị số trung bình quan hệ

mờ khi sửa đá mong muốn Ramin, Flmin, MRRmax và Twmax 102

Hình 3.23 Đồ thị các ảnh hưởng chính của tỉ số S/N của trị số trung bình quan hệ mờ khi sửa đá mong muốn Ramin, Flmin, MRRmax và Twmax 102

Hình 3.24 Cấu trúc bề mặt đá mài sau khi sửa đá với chế độ: aedr = 0,025 mm, nr= 3 lần, nnon = 3 lần, nf = 2 lần, aedf = 0,01 mm, S = 1,6 m/ph 105

Hình 3.25 Cắt lớp bề mặt đá mài sau khi sửa đá với chế độ: aedr = 0,025 mm, nr= 3 lần, nnon = 3 lần, nf = 2 lần, aedf = 0,01 mm, S = 1,6 m/ph 105

Hình 3.26 Cấu trúc bề mặt đá mài sau khi mài hết tuổi bền với chế độ sửa đá: aedr = 0,025 mm, nr = 3 lần, nnon = 3 lần, nf = 2 lần, aedf = 0,01 mm, S = 1,6 m/ph 106

Hình 3.27 Cắt lớp bề mặt đá mài khi mài hết tuổi bền với chế độ sửa đá: aedr = 0,025 mm, nr = 3 lần, nnon = 3 lần, nf = 2 lần, aedf = 0,01 mm, S = 1,6 m/ph 106

Hình 4.1 Ảnh hưởng của đường kính đá ban đầu đến chi phí mài một chi tiết 111 Hình 4.2 Ảnh hưởng của chiều rộng đá đến chi phí mài một chi tiết 111

Hình 4.3 Ảnh hưởng của chiều sâu sửa đá tổng cộng đến chi phí mài một chi tiết 112

Hình 4.4 Ảnh hưởng của lượng mòn đá mài đến chi phí mài một chi tiết 112

Hình 4.5 Ảnh hưởng của độ cứng của phôi đến chi phí mài một chi tiết 112

Hình 4.6 Ảnh hưởng của chi phí máy và con người đến chi phí mài một chi tiết 113

Hình 4.7 Ảnh hưởng của giá thành một viên đá mài đến chi phí mài một chi tiết 113

Hình 4.8 Ảnh hưởng tuổi bền đá mài đến chi phí mài một chi tiết 113

Hình 4.9 Ảnh hưởng của đường kính đá khi thay đến chi phí mài một chi tiết 114

Hình 4.10 Đồ thị các ảnh hưởng chính của các thông số khảo sát đến De,op 116

Hình 4.11 Biểu đồ thị ảnh hưởng chuẩn hóa thể hiện ảnh hưởng của các thông số khảo sát đến đường kính thay đá tối ưu 117

Hình 4.12 Đồ thị Pareto của các yếu tố ảnh hưởng thể hiện ảnh hưởng của các thông số khảo sát đến đường kính thay đá tối ưu 117

Hình 4.13 Đồ thị các ảnh hưởng tương tác của các thông số khảo sát đến đường kính thay đá tối ưu 118

Hình 4.14 Quan hệ giữa đường kính đá khi thay và tuổi bền của đá 124

Hình 4.15 Quan hệ giữa đường kính đá khi thay và năng suất gia công 124

Hình 4.16 Quan hệ giữa đường kính đá khi thay và thời gian mài một chi tiết 124

Hình 4.17 Quan hệ giữa đường kính đá khi thay và chi phí mài 125

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Chế độ sửa đá khi sử dụng đầu sửa đá kim cương nhiều hạt [77] 14

Bảng 1.2 Lựa chọn lượng chạy dao sửa đá bằng bút kim cương một hạt theo nhám bề mặt [55] 18

Bảng 1.3 Lựa chọn lượng chạy dao sửa đá bằng bút kim cương nhiều hạt theo nhám bề mặt [55] 19

Bảng 1.4 Chế độ sửa đá khi sử dụng đầu sửa đá kim cương nhiều hạt của Winter [72] 19

Bảng 2.1 Phân bố nhiệt cắt trong mài [21] ……… 39

Bảng 2.2 Các thông số kỹ thuật của máy mài phẳng MOTO – YOKOHAMA 51

Bảng 2.3 Thành phần hóa học của thép 90CrSi [8] 52

Bảng 2.4 Chế độ nhiệt luyện thép 90CrSi [8] 52

Bảng 2.5 So sánh số lượng thí nghiệm giai thừa đầy đủ và thiết kế thí nghiệm OA [45] 56

Bảng 3.1 Các mức thí nghiệm của các thông số ND, LL, Sd, VB và fd ……….61

Bảng 3.2 Ma trận thí nghiệm L16 61

Bảng 3.3 Kết quả thí nghiệm bôi trơn làm mát cho Ra và Fy 62

Bảng 3.4 ANOVA giá trị và tỉ số S/N của Ra 63

Bảng 3.5 Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến và tỉ số S/N của Ra 64

Bảng 3.6 ANOVA giá trị khi đưa fd vào phân tích lỗi 66

Bảng 3.7 ANOVA giá trị và tỉ số S/N của Fy 67

Bảng 3.8 Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến và đến tỉ số S/N của Fy 68

Bảng 3.9 Tỉ số S/N, giá trị chuẩn hóa Zij và độ sai lệch 0j(k) của tỉ số S/N của Ra và Fy 70

Bảng 3.10 Trị số quan hệ mờ ứng với các thông số đầu ra và trị số quan hệ mờ trung bình 70

Bảng 3.11 ANOVA trị số  và tỉ số S/N của  71

Bảng 3.12 Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến trị số  và tỉ số S/N của  72

Bảng 3.13 Kết quả so sánh giá trị tính toán và thực nghiệm của nhám bề mặt và lực cắt khi bôi trơn làm mát 73

Bảng 3.14 Các mức thí nghiệm của các thông số đầu vào S, aedr, nr, aedf, nf và nnon 73

Bảng 3.15 Mục tiêu của từng chỉ tiêu đánh giá khi sửa đá 74

Bảng 3.16 Kế hoạch thí nghiệm theo các thông số đầu vào aedr, nr, aedf, nf, nnon và S 74 Bảng 3.17 Kết quả thí nghiệm khi sửa đá 75

Bảng 3.18 ANOVA giá trị và tỉ số S/N của Ra khi sửa đá 76

Bảng 3.19 Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến khi sửa đá 76

Bảng 3.20 Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến tỉ số S/N của Ra khi sửa đá 78

Bảng 3.21 ANOVA giá trị Ra khi đưa S vào phân tích lỗi 78

Bảng 3.22 ANOVA giá trị và tỉ số S/N của Fy khi sửa đá 79

Bảng 3.23 Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến 80

Bảng 3.24 Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến tỉ số S/N của Fy khi sửa đá 81

Bảng 3.25 ANOVA giá trị Fy khi sửa đá sau khi đưa aedf vào phân tích lỗi 82

Bảng 3.26 ANOVA giá trị Tw và tỉ số S/N của Tw khi sửa đá 83

Bảng 3.27 Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến Tw 83

Bảng 3.28 Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến tỉ số S/N của Tw khi sửa đá 85

Bảng 3.29 ANOVA giá trị khi sửa đá khi đưa nnon, nf, aedf và S vào phân tích lỗi 86 Bảng 3.30 ANOVA giá trị khi sửa đá 87

Bảng 3.31 Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến khi sửa đá 88

Bảng 3.32 Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến tỉ số S/N của Fl khi sửa đá 89

Bảng 3.33 ANOVA giá trị khi đưa S vào phân tích lỗi 89

Bảng 3.34 ANOVA giá trị và tỉ số S/N của MRR khi sửa đá 91

Bảng 3.35 Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến khi sửa đá 91

Bảng 3.36 Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến tỉ số S/N của MRR khi sửa đá 93

Bảng 3.37 ANOVA giá trị khi đưa S vào phân tích lỗi 93

Bảng 3.38 Trị số S/N, giá trị chuẩn hóa của S/N và sai lệch của dãy tham chiếu của các thí nghiệm nhằm Ramin và Flmin 95

Bảng 3.39 Trị số quan hệ mờ và trị số quan hệ mờ trung bình khi sửa đá cho hai mục tiêu Ramin và Flmin 95

Bảng 3.40 ANOVA  và tỉ số S/N của  cho mục tiêu cả Ramin và Flmin khi sửa đá 96

Bảng 3.41 Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến hệ số quan hệ mờ nhằm Ramin và Flmin khi sửa đá 96

Bảng 3.42 Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số S/N của hệ số quan hệ mờ nhằm Ramin và Flmin khi sửa đá 97

Bảng 3.43 ANNOVA hệ số quan hệ mờ sau khi đưa S vào phân tích lỗi khi sửa đá nhằm Ramin và Flmin 99

Bảng 3.44 Trị số S/N và giá trị chuẩn hóa của tỉ số S/N nhằm đạt mục tiêu Ramin, Flmin, MRRmax và Twmax 99

Bảng 3.45 Độ sai lệch của dãy tham chiếu, trị số quan hệ mờ và trị số quan hệ mờ trung bình khi sửa đá cho mục tiêu Ramin, Flmin, MRRmax và Twmax 100

Bảng 3.46 ANOVA trị số  và tỉ số S/N của  cho mục tiêu cả Ramin, Flmin, MRRmax và Twmax khi sửa đá 101

Bảng 3.47 Mức độ ảnh hưởng của các thông số khảo sát đến hệ số quan hệ mờ nhằm Ramin, Flmin, MRRmax và Twmax khi sửa đá 101

Bảng 3.48 Mức độ ảnh hưởng của các thông số khảo sát đến tỉ số S/N của trị số quan hệ mờ nhằm Ramin, Flmin, MRRmax và Twmax khi sửa đá 102

Bảng 3.49 Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến hệ số quan hệ mờ sau khi đưa S vào

phân tích lỗi nhằm cả 4 mục tiêu Ramin, Flmin, MRRmax và Twmax 103

Bảng 3.50 Kết quả so sánh giữa tính toán và thực nghiệm khi tối ưu hóa đồng thời bốn mục tiêu Ramin, Flmin, MRRmax và Twmax 104

Bảng 4.1 Phạm vi khảo sát các thông số đến đường kính thay đá tối ưu …… 115

Bảng 4.2 Kế hoạch thí nghiệm sàng lọc theo D0, Wgw, aed, HRC, Tw, Wpd, Cmh, Cđm đến De,op 115

Bảng 4.3 Thông tin mô hình hồi quy sau khi loại bỏ các yếu tố và tương tác có ảnh hưởng yếu đến De,op 119

Bảng 4.4 Bảng phân tích phương sai của mô hình hồi quy De,op 120

Bảng 4.5 Kết quả thí nghiệm năng suất khi mài 122

Bảng 4.6 Kết quả tính toán chi phí mài cho mỗi chi tiết 123

Bảng 4.7 Hiệu quả của sử dụng đường kính thay đá tối ưu 125

Bảng 4.8 Hiệu quả của sử dụng đường kính thay đá, chế độ trơn nguội, chế độ sửa đá tối ưu 126

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Gia công mài bắt đầu được ứng dụng trong sản xuất cơ khí từ thế kỷ 19 Khoảng giữa thế kỷ 20, người ta đã nhận thấy rằng mài là gia công chiến lược và là nguyên công then chốt để đạt được độ chính xác và nhám bề mặt cần thiết Mài có thể gia công với chiều sâu cắt rất nhỏ, từ 0,05÷0,09 mm; vận tốc cắt lớn, 20÷40 m/s với mài thông thường

và đến 200 m/s với mài cao tốc Độ chính xác của các chi tiết mài cao với cấp chính xác đạt được từ 5÷7 và nhám bề mặt sau mài đạt thấp, có thể đạt từ 0,2÷3,2 μm hoặc thấp hơn Chính nhờ các ưu điểm trên nên mài là nguyên công gia công tinh và bán tinh phổ biến nhất trong gia công cơ khí, nhất là các chi tiết yêu cầu độ chính xác cao và nhám

bề mặt thấp Mài đặc biệt chiếm ưu thế khi gia công tinh các chi tiết có độ cứng cao, độ bền cao, thông thường là các chi tiết sau khi tôi v.v… Người ta đã thống kê rằng gia công mài chiếm đến 20÷25% tổng chi phí cho gia công cơ nói chung [14, 63] Nhờ tiến

bộ kỹ thuật đạt được trong lĩnh vực vật liệu dụng cụ cắt mà hiện nay nhiều nguyên công mài phẳng đã được thay thế bằng nguyên công phay cứng cho năng suất và hiệu quả kinh tế cao hơn hẳn Tuy nhiên, mài phẳng vẫn là nguyên công không thể thay thế khi gia công tinh lần cuối các chi tiết dạng tấm, dạng đĩa mỏng (như lá van máy nén khí, lá

ly hợp, phanh đĩa, khuôn ép, dập….) hoặc dụng cụ cắt Các quá trình lý – hóa xảy ra ở vùng mài rất phức tạp và gây khó khăn cho việc điều khiển quá trình mài để đạt hiệu quả kinh tế - kỹ thuật mong muốn Do vậy, phương pháp mài hiện vẫn vẫn được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu

Với gia công mài, vận tốc cắt (vận tốc của đá mài Vđ) là thông số quan trọng quyết định đến năng suất, chi phí và lợi nhuận của nguyên công mài nói riêng và quá trình gia công nói chung Khi mài, vận tốc cắt Vđ tỉ lệ thuận với đường kính của đá mài Ds và số vòng quay của trục mang đá nđ Như vậy, với cùng một đường kính đá thì vận tốc cắt càng lớn nếu số vòng quay của trục mang đá càng cao Với các máy mài có số vòng quay trục mang đá không đổi, khi đá mài mới thì đường kính đá lớn nên vận tốc cắt cao

do đó năng suất mài cao Giả sử với cùng một viên đá mài, chi phí đá mài/h sẽ cao nếu tuổi thọ của đá nhỏ, chẳng hạn giá mua một viên đá mài 360.000 đ/viên, tuổi thọ đá là 18h thì chi phí đá mài/h sẽ là 20.000 đ/h Ngược lại, chi phí đá mài/h sẽ rất nhỏ nếu tuổi thọ của đá lớn, ví dụ với cùng viên đá mài như trên, tuổi thọ đá là 30h thì chi phí đá mài/h sẽ là 12.000 đ/h Tuy vậy, khi đường kính đá khi thay nhỏ, nghĩa là kéo dài tuổi thọ của đá, thì vận tốc cắt rất thấp và dẫn đến năng suất mài sẽ rất thấp

Như vậy, tồn tại một giá trị tuổi thọ của đá tối ưu, hay đường kính thay đá tối ưu,

mà với tuổi thọ này chi phí nguyên công mài là nhỏ nhất Thêm vào đó, tồn tại một giá trị tuổi thọ tối ưu của đá mà ở đó lợi nhuận của quá trình mài đạt được lớn nhất

Trong thực tế điều kiện sản xuất cơ khí ở Việt Nam, phần lớn các cơ sở đều sử dụng máy mài phẳng vạn năng - tốc độ quay của trục mang đá thường không đổi và hầu

hết đều sử dụng đá mài Hải Dương - loại đá có tính năng cắt tốt, chi phí ban đầu thấp và hiện được xuất khẩu nhiều Với máy mài phẳng vạn năng, như trên đã phân tích, đường kính đá khi thay (hay tuổi thọ của đá) là thông số ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và chi phí của nguyên công mài phẳng Ngoài ra, các cơ sở sản xuất ở nước ta thường có thói quen sử dụng đá mài cho đến khi không thể dùng được nữa, nghĩa là mài đến khi

đá mòn đến sát bích kẹp đá, vì thường cho rằng sử dụng đá mài như vậy sẽ tiết kiệm Lúc đó, đường kính đá nhỏ, vận tốc cắt thấp dẫn đến năng suất mài giảm, chi phí mài phẳng tăng và hiệu quả kinh tế giảm Vì lý do đó, việc xác định tuổi thọ tối ưu của đá (hay xác định đường kính đá khi thay tối ưu) nhằm mục đích đạt được chi phí gia công mài phẳng là nhỏ nhất hoặc lợi nhuận gia công là lớn nhất có ý nghĩa thực tiễn quan trọng trong sản xuất mài ở nước ta

Từ phân tích nêu trên cho thấy có thể nâng cao hiệu quả của quá trình mài phẳng khi mài tinh (tăng năng suất hay giảm giá thành mài) bằng việc xác định đường kính tối

ưu khi thay (hay tuổi thọ tối ưu) của đá mài

Ngoài vấn đề nêu trên, thực tế gia công mài cho thấy, việc sử dụng dung dịch trơn nguội là biện pháp rất hiệu quả nhằm làm giảm nhiệt khi mài, giảm mòn của đá và dẫn tới nâng cao năng suất và chất lượng của quá trình mài [48] Thêm vào đó, các nghiên cứu trong [16] và [68] cho thấy chế độ sửa đá có ảnh hưởng nhiều đến topography của

đá mài và qua đó ảnh hưởng đến khả năng cắt của đá Như vậy, ngoài biện pháp xác

định đường kính tối ưu khi thay của đá mài như đã nêu ở trên, để nâng cao hiệu quả của quá trình mài phẳng (nâng cao năng suất, đảm bảo chất lượng và giảm chi phí gia công) có thể thực hiện bằng việc xác định chế độ bôi trơn làm mát hợp lý và chế

độ sửa đá hợp lý hoặc chế độ sửa đá tối ưu nếu có thể

Từ những vấn đề nêu trên, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả

của quá trình mài phẳng khi mài tinh” cho luận án của mình

2 Mục đích của đề tài

Mục đích của đề tài là nghiên cứu nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của quá trình mài phẳng khi mài tinh thông qua các thông số đường kính thay đá, chế độ bôi trơn làm mát, chế độ cắt và chế độ sửa đá Từ đó lựa chọn được bộ thông số công nghệ hợp

lý để giảm chi phí đồng thời nâng cao năng suất, chất lượng bề mặt gia công

3 Phương pháp và phạm vi nghiên cứu

3.1 Phương pháp và đối tượng nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu lý thuyết: Khảo sát các kết quả nghiên cứu đã công bố, phân tích các

vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, từ đó xác định hướng nghiên cứu, đối tượng, mục tiêu

và phạm vi nghiên cứu của luận án Phân tích và lựa chọn phương pháp quy hoạch thực

nghiệm để giảm số lượng thí nghiệm Xây dựng mô tính tính toán xác định đường kính

đá mài khi thay tối ưu

Nghiên cứu thực nghiệm: Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số

đến hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của quá trình mài phẳng khi mài tinh Từ đó xác định các thông số chế độ công nghệ bôi trơn làm mát, chế độ cắt và chế độ sửa đá hợp lý Đồng thời kiểm chứng mô hình tính toán xác định đương kính đá mài khi thay tối ưu

- Đối tượng nghiên cứu: Công nghệ mài tinh phẳng bằng chu vi đá với đối tượng thực nghiệm là thép 90CrSi qua tôi bằng đá mài Hải Dương

Thép 90CrSi là loại thép hợp kim dụng cụ hiện được sử dụng rất phổ biến làm các chi tiết dạng đĩa mỏng và dạng tấm và dụng cụ cắt như: Van máy nén khí, lá ly hợp, phanh đĩa, khuôn dập, khuôn ép, chày - cối dập viên nén, dụng cụ cắt cắt và chấn tôn góc… và thường được tôi cứng để đáp ứng được yêu cầu chống mài mòn và gia công mài phẳng mài tinh là nguyên công gia công tinh lần cuối không thể thay thế Trong khi

ở Việt Nam, đá mài truyền thống, đặc biệt là đá mài Hải Dương - loại đá mài có tính năng cắt gọt tốt, chi phí ban đầu hợp lý và được xuất khẩu nhiều hiện đang được sử dụng phổ biến trên các máy mài phẳng vạn năng

3.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài:

- Xác định đường kính thay đá tối ưu khi mài phẳng bằng lý thuyết và thực nghiệm;

- Xác định chế độ bôi trơn làm mát hợp lý khi mài phẳng bằng thực nghiệm;

- Làm rõ ảnh hưởng của chế độ bôi trơn làm mát và chế độ cắt đến nhám bề mặt

và lực cắt; chế độ công nghệ sửa đá đến nhám bề mặt, lực cắt, dung sai độ phẳng, tuổi bền và năng suất gia công khi mài phẳng thép 90CrSi bằng đá mài Hải Dương;

- Kết quả của nghiên cứu sẽ góp phần hoàn thiện lý thuyết về quá trình mài (đặc biệt là mài phẳng khi mài tinh) và làm cơ sở khoa học cho các công trình khác nhằm tối

ưu hóa quá trình mài

4.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu có thể làm tài liệu tham khảo cho giảng dạy, nghiên cứu khoa học và ứng dụng vào sản xuất thực tế để nâng cao năng suất, chất lượng đồng thời giảm chi phí mài phẳng khi mài tinh

5 Các điểm mới (đóng góp mới) của đề tài

- Đề xuất mô hình xác định chi phí mài phẳng để tính toán đường kính thay đá tối

ưu để đạt được chi phí thấp nhất bằng lý thuyết và kiểm chứng thực nghiệm;

- Đánh giá ảnh hưởng của chế độ bôi trơn làm mát và chế độ cắt khi mài phẳng để lựa chọn bộ thông số hợp lý khi mài tinh thép 90CrSi bằng đá mài Hải Dương;

- Đánh giá ảnh hưởng của chế độ công nghệ sửa đá khi mài phẳng để lựa chọn bộ thông số hợp lý khi mài tinh thép 90CrSi bằng đá mài Hải Dương

6 Cấu trúc của luận án

Cấu trúc của luận án được trình bày gồm: Mở đầu, 04 chương và kết luận chung Chương 1 Tổng quan về mài phẳng

Chương 2 Cơ sở lý thuyết về mài phẳng và phương pháp xây dựng mô hình thí

nghiệm

Chương 3 Nghiên cứu thực nghiệm xác định chế độ bôi trơn làm mát, chế độ cắt

và chế độ sửa đá hợp lý

Chương 4 Nghiên cứu xác định đường kính thay đá tối ưu

Kết luận chung và hướng nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÀI PHẲNG 1.1 Đặc điểm và các sơ đồ mài phẳng

Gia công bằng phương pháp mài được chia thành nhiều dạng khác nhau như mài tròn (trong hoặc ngoài, có tâm hoặc vô tâm), mài phẳng So với các phương pháp gia công cắt gọt khác, mài nói chung và mài phẳng nói riêng có một số đặc điểm sau [14]:

- Đá mài được tạo thành gồm các hạt mài được sắp xếp lộn xộn, ngẫu nhiên và được liên kết với nhau bằng chất dính kết Các hạt mài nằm tách biệt nhau trên bề mặt

đá, chúng tham gia cắt không liên tục và cắt ra mỗi phoi riêng Do đó có thể xem quá trình mài như là một quá trình cào xước liên tục lên bề mặt của phôi

- Đá mài có thể được coi là dụng cụ cắt nhiều lưỡi, các lưỡi cắt có thông số hình học không giống nhau Trong quá trình mài, số lượng hạt mài có góc trước âm lớn tham gia cắt là chủ yếu, điều này không thuận tiện cho quá trình cắt gọt, dó đó lực hướng kính khi mài rất lớn

- Tốc độ cắt khi mài rất lớn, thông thường khoảng 2040m/s, đặc biệt có thể lên đến 120m/s hoặc cao hơn Thêm vào đó, góc cắt của các hạt mài lớn nên nhiệt độ cắt khi mài rất cao, có thể đạt tới 10001500C Phoi tạo ra khi mài rất nhỏ và nóng đỏ

- Lực cắt khi mài tuy nhỏ nhưng diện tích tiếp xúc của đỉnh các hạt mài với bề mặt gia công rất nhỏ nên lực cắt đơn vị rất lớn Năng lượng riêng khi mài khoảng 50J/mm3, trong khi đó năng lượng riêng của các phương pháp cắt gọt khác khoảng 2÷5J/mm3

- Trong quá trình mài, đá mài có khả năng tự mài sắc Nghĩa là các hạt cùn bị bật

ra khỏi chất dính kết và các hạt có đỉnh sắc ở lân cận tham gia cắt, hoặc hạt mài cùn bị

vỡ tạo thành các lưỡi cắt sắc mới tham gia cắt

- Bề mặt gia công thường có một lớp cứng nguội phân bố đều, chiều dày khoảng 2m, độ cứng HV = 1100 Lớp bề mặt này tồn tại ứng suất dư lớn và những vết nứt tế

vi Do vậy, sau khi mài thông thường có thể tiến hành mài khôn hoặc mài nghiền để khắc phục hiện tượng này

- Do không điều chỉnh được vị trí và thông số hình học của hạt mài nên việc điều khiển quá trình mài rất khó khăn

Nâng cao chất lượng sản phẩm đồng thời giảm chi phí gia công là mục tiêu của hầu hết các quá trình sản xuất Đối với các chi tiết phải sử dụng nguyên công mài thì chất lượng và chi phí của nguyên công này có ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng và chi phí sản xuất Trong thực tế, các chi tiết máy có hình dạng, kích thước, profile bề mặt rất

đa dạng như mặt trụ, mặt cầu hoặc mặt phẳng vv Hầu hết các chi tiết đều có mặt phẳng

và yêu cầu nhám bề mặt thấp, dung sai nhỏ, độ cứng bề mặt cao Nếu không sử dụng phương pháp mài thì hoặc không đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật; hoặc hiệu quả gia công rất thấp, chi phí gia công cao Do vậy, mài phẳng chiếm vị trí rất quan trọng khi gia công chính xác các chi tiết này

Mô hình mài phẳng bao gồm hai dạng: (1) Dùng chu vi của đá để mài gọi là mài

lăn (Hình 1.1a, b, c); (2) Dùng mặt đầu của đá để mài, gọi là mài mặt hoặc mài xoa (Hình 1.1d, e, f)

Phương pháp mài lăn có diện tích tiếp xúc giữa chu vi đá với bề mặt gia công nhỏ hơn nên năng suất cắt thấp hơn so với mài xoa Nhưng dễ bôi trơn làm mát và cho chất lượng bề mặt gia công cao Phương pháp này thường dùng để mài những chi tiết có bề rộng lớn và yêu cầu chính xác cao

Phương pháp mài xoa có diện tích tiếp xúc giữa mặt đầu của đá với bề mặt gia công lớn nên cho năng suất cắt cao Chất lượng bề mặt gia công thấp vì điều kiện bôi trơn làm mát khó khăn Nhiệt mài phát sinh lớn, dễ gây ra biến dạng nhiệt trong quá trính mài Nhược điểm này được khắc phục bằng cách gá nghiêng trục đá một góc khoảng 1o2o để giảm diện tích tiếp xúc giữa đá với bề mặt gia công, đồng thời đưa dung dịch trơn nguội tới vùng cắt dễ hơn Phương pháp này thường dùng để mài những chi tiết có độ chính xác thấp và bề rộng mài nhỏ

a) Mài dọc bằng chu vi đá b) Mài rãnh bằng chu vi đá c) Mài bằng chu vi đá với

bàn quay

d) Mài chạy dao hướng

tâm bằng mặt đầu đá

e) Mài chạy dao dọc bằng

Hình 1.1 Sơ đồ mài phẳng [48]

Thông thường, quá trình mài phẳng bằng chu vi đá trên máy mài có bàn máy hình

chữ nhật gồm có các chuyển động (Hình 1.2) [4]: (1) Chuyển động quay tròn của đá mài

(Vđ) là chuyển động cắt chính của quá trình mài; (2) Chuyển động tịnh tiến khứ hồi của bàn máy mang chi tiết gia công (VB) nhằm đảm bảo mài hết chiều dài chi tiết; (3) Chuyển động tịnh tiến dọc trục của đá (Sd) nhằm đảm bảo mài hết chiều rộng chi tiết gia công; (4) Chuyển động tịnh tiến của đá theo phương thẳng đứng (Sđ) nhằm tạo ra chiều sâu cắt (fd)

Hình 1.2 Các chuyển động khi mài phẳng bằng chu vi đá trên máy mài có bàn máy

hình chữ nhật [4]

1.2 Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu

Hình 1.3 mô tả ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến quá trình mài và đến chất

lượng của chi tiết gia công Theo đó, các thông số đầu vào tạo ra một hệ gồm máy mài

và đồ gá mài (loại máy, đặc tính của máy), chi tiết gia công (hình dạng và vật liệu chi tiết), đá mài (hình dạng và tính chất của đá), dụng cụ sửa đá (loại và tính chất), dung dịch trơn nguội (loại và chế độ trơn nguội) Hệ các thông số nêu trên tạo nên các biến đầu vào ảnh hưởng đến quá trình mài Các biến này gồm có các thông số của chế độ mài (chiều sâu cắt khi mài, lượng chạy dao, tốc độ cắt), các thông số công nghệ sửa đá (chiều sâu sửa đá, lượng chạy dao, số lần sửa) và chế độ trơn nguội (loại dung dịch, nồng độ,

áp suất và lưu lượng)

Hình 1.3 Ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến các tham số của quá trình mài và

đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của sản phẩm gia công [4, 7, 36]

Quá trình mài được đặc trưng bởi cơ chế cắt (về cơ và nhiệt) và cơ chế mòn (về

cơ, nhiệt và hóa học) Các cơ chế này đều bị ảnh hưởng bởi rung động và nhiệt cắt khi mài Kết quả của quá trình mài gồm hiệu quả về kinh tế và kỹ thuật Về kỹ thuật, quá trình mài tạo nên chi tiết gia công có độ chính xác về hình dạng, kích thước và có chất lượng bề mặt tốt, tuy nhiên cũng tạo nên một lớp mỏng trên bề mặt có thể bị phá hủy Thêm vào đó, quá trình mài cũng làm mòn đá mài và làm cho bề mặt đá bị bám dính bởi các phoi kim loại Về hiệu quả kinh tế, quá trình mài được đánh giá bởi năng suất và chi phí mài Do vậy, tổng quan các nghiên cứu về mài phẳng tập trung vào các vấn đề: Ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt; Ảnh hưởng của chế độ sửa đá; Ảnh hưởng của chế

độ bôi trơn làm mát; Xác định chi phí của quá trình mài

Từ các phân tích trên cho thấy, muốn nâng cao hiệu quả của quá trình mài (tăng năng suất, giảm chi phí mài) thì cần thiết phải lựa chọn tối ưu các biến đầu vào để được các thông số quá trình mài hợp lý hoặc tối ưu Từ đó đạt được hiệu quả quá trình mài tốt nhất hay hợp lý nhất Muốn vậy cần thực hiện các giải pháp sau:

- Xác định các thông số chế độ cắt khi mài hợp lý hoặc tối ưu bao gồm: Chiều sâu cắt khi mài, lượng chạy dao, tốc độ cắt;

- Xác định đường kính đá tối ưu khi thay;

- Xác định chế độ công nghệ sửa đá mài hợp lý hoặc tối ưu;

- Xác định chế độ trơn nguội khi mài hợp lý hoặc tối ưu

1.2.1 Các nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ cắt

Các thông số chế độ cắt khi mài gồm chiều sâu cắt, lượng chạy dao, tốc độ cắt Những thông số này ảnh hưởng lớn đến năng suất và chất lượng mài cũng như topography, độ mòn và tuổi bền của đá mài Cho đến nay, có rất nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số nói trên đến quá trình mài và việc lựa chọn hợp lý hoặc tính toán tối ưu các thông số này

Năm 2004, E I Suzdal’tsev và các cộng sự [35] đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ mài đến chất lượng các chi tiết làm từ Pyroceramic khi mài phẳng bằng đá mài kim cương

Hình 1.4 Quan hệ giữa lực cắt và loại chất dính kết của đá kim cương [35]

Nghiên cứu cho thấy, lực cắt nhỏ nhất và ít thay đổi ứng với các chất dính là M04,

M17-01, M1-10, M2-01 (Hình 1.4) Cỡ hạt mài tăng thì lực cắt giảm nhưng nhám bề

mặt tăng (Hình 1.5a), mật độ kim cương của đá mài (4,39 cara/mm3 vành đá mài kim

cương tương đương mật độ 100%) (Hình 1.5b) và vận tốc đá mài (Hình 1.5c) tăng thì

lực cắt giảm, nhám bề mặt giảm sau đó tăng Vận tốc bàn tăng (tỉ số giữa vận tốc cắt và vận tốc bàn giảm) thì nhám bề mặt và lượng mòn đá tăng còn lực cắt Fy giảm (Hình 1.6)

Chiều sâu cắt tăng thì lực cắt tăng (Hình 1.7)

c)

Hình 1.5 Quan hệ giữa lực cắt và nhám

bề mặt gia công [35] với:

(a) độ hạt của đá, (b) mật độ kim cương

Năm 2006, Asokan và các công sự [28] đã sử dụng và so sánh giữa thuật toán di truyền (GA), lập trình bậc hai (QP) và thuật toán bầy đàn (PSO) để tối ưu hóa các thông

số của chế độ cắt cho các chỉ tiêu tổng chi phí sản xuất (CT), tỷ lệ bóc tách (WRP),

nhám bề mặt (Ra) và chỉ tiêu tổng hợp (COF) cho cả mài thô và mài tinh Theo đó, đối với mài thô thì tổng chi phí sản xuất thu được bởi PSO là cao hơn 2,11% so với GA và 16,93% so với QP Tuy vậy, tỷ lệ bóc tách theo PSO cao hơn 9,18% so với GA và cao hơn 35,49% so với QP Trong trường hợp mài tinh, tổng chi phí sản xuất theo PSO cao hơn 8,03% so với GA và thấp hơn 7,40% so với QP nhưng nhám bề mặt cao hơn 4,46%

so với QP và GA Rõ ràng, việc tối ưu hóa bầy đàn đã vượt trội hơn GA và QP trong quá trình mài thô và QP trong quá trình mài tinh khi xem xét các tiêu chí tổng hợp (COF) PSO đã đạt được một sự cải thiện tổng thể 22,61% và 80,53% so với GA và QP tương ứng với mài thô và 5,70% so với QP khi mài tinh

Hiệu quả của mài vận tốc cao bằng đá mài CBN đã được Ioan D Marinescu và các cộng sự chỉ ra năm 2006 [48] So với đá mài truyền thống, đá CBN cho tốc độ bóc tách vật liệu cao hơn, chất lượng chi tiết gia công tốt hơn và chi phí đầu tư trên giá thành nguyên công thấp hơn Các tác giả chỉ ra rằng tốc độ bóc tách vật liệu rất cao (>200

mm3/(mm/s)) có thể đạt được khi vận tốc mài rất cao (Hình 1.8) Với vận tốc của đá cao

như vậy thì chỉ có đá CBN mới đạt được còn các đá mài truyền thống thì không thể

Hình 1.8 Quan hệ giữa tốc độ bóc tách vật liệu với năng lượng riêng [48]

Hình 1.9 Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến lực mài [48]

Bên cạnh đó, ảnh hưởng của tốc độ cắt đến các thành phần lực khi mài bằng đá

CBN cũng được các tác giả này chỉ ra (Hình 1.9) Dễ dàng thấy rằng, khi mài với vận

tốc cao thì công suất cắt gần như không đổi do thành phần lực Fz không đổi Tuy nhiên, vận tốc mài càng lớn thì lực hướng kính Fy càng nhỏ nên việc tiến dao hướng kính càng

dễ dàng Điều đó dẫn đến năng suất và chất lượng mài tăng lên

Năm 2007, R P Upadhyaya và J H Fiecoat [59] đã tiến hành một nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của các loại hạt CBN đơn tinh thể đến khả năng cắt của đá mài CBN khi mài phẳng Nghiên cứu này sử dụng đá mài CBN mạ điện, độ hạt 60/70, đường kính đá 178mm, bề rộng đá 12,7mm với 5 loại vật liệu CBN đơn tinh thể, vật liệu chi tiết là SS440 qua tôi đạt HRC54 với chế độ mài không đổi (tốc độ mài của đá 45 m/s, lượng chạy dao 8,5mm/s, chiều sâu cắt 1,27mm) Quan hệ giữa tốc độ bóc tách riêng của vật liệu với công suất cắt và với độ nhám bề mặt gia công đã được

khảo sát (Hình 1.10) Thêm vào đó, kết quả của nghiên cứu cho thấy mài với đá CBN

có tinh thể cứng hơn thì đá sẽ mòn ít hơn, tốc độ bóc tách vật liệu cao hơn và đòi hỏi công suất cắt nhỏ hơn

Hình 1.10 Quan hệ giữa tốc độ bóc tách riêng vật liệu với công suất mài (a) và nhám

bề mặt gia công (b) [59]

Năm 2013, Mustafa Kemal Külekci [52] đã tối ưu hóa vận tốc cắt, tốc độ bàn và

chiều sâu cắt khi mài phẳng thép AISI 1040 với đá mài EKR46K sử dụng phương pháp Taguchi nhằm đạt độ nhám nhỏ nhất Các kết quả thí nghiệm thu được trong nghiên cứu này cho thấy nhám bề mặt chịu ảnh hưởng chính bởi chiều sâu cắt và tốc độ cắt, còn mức độ ảnh hưởng của vận tốc bàn thấp hơn Thứ tự đóng góp ảnh hưởng của các thông

số mài bao gồm chiều sâu cắt, tốc độ cắt và vận tốc bàn lần lượt là 50%, 40% và 10% Kết quả tối ưu cho thép AISI 1040 bao gồm: Tốc độ cắt (Vđ) là 1500 vòng/ph, vận tốc bàn (VB) 20 m/ph và chiều sâu cắt (fd) là 0,05mm cho nhám bề mặt Ra = 0,2µm so với

dự đoán 0,19µm

Năm 2014, Binu Thomas và các cộng sự [30] đã tối ưu hóa chế độ cắt khi mài phẳng vật liệu gốm SiC với cỡ hạt 320 sử dụng đá mài kim cương nhằm đảm bảo độ nhám dựa vào phân tích mô hình và thực nghiệm Theo đó, tốc độ quay của đá mài,

chiều sâu cắt và vận tốc bàn đều ảnh hưởng mạnh đến nhám bề mặt sau mài (Hình 1.11)

và quy luật thay đổi cũng tương tự trong [35] Các tác giả này đã đưa ra công thức tính toán Ra lý thuyết và thực nghiệm Kết quả phân tích thực nghiệm cho thấy, nhám bề mặt tính toán theo mô hình lý thuyết sai khác không đáng kể (3,17%) so với thực nghiệm tối

ưu đo được

dự đoán Ra = 0,3 µm

S Periyasamy và các cộng sự [33], năm 2014, đã tối ưu hóa lượng chạy dao dọc, chiều sâu cắt và chiều sâu sửa đá khi mài thép AISI 1080 với đá mài A60V5V sử dụng dạng thiết kế thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu (RSM) Kết quả cho thấy, khi chiều sâu cắt tăng thì ban đầu nhám bề mặt giảm sau đó tăng trở lại Với chiều sâu sửa đá là 0,02 mm, khi thay đổi chiều sâu cắt trong khoảng khảo sát thì nhám bề mặt lớn nhất là 0,22 µm và

nhỏ nhất là 0,18 µm (Hình 1.12a) Lượng chạy dao dọc tăng thì nhám bề mặt cũng tăng

và tăng từ 0,15 µm đến 0,17 µm (Hình 1.12b) Nhám bề mặt tăng không đáng kể khi

chiều sâu sửa đá tăng Chiều sâu sửa đá tăng từ 0,01 mm đếm 0,03 mm thì nhám bề mặt

tăng từ 0,18 µm đến 0,22 µm (Hình 1.12c) Kết quả tối ưu hóa cho thấy, để đạt độ nhám

nhỏ nhất là 0,13 µm thì chiều sâu cắt 0,1 mm, lượng chạy dao dọc 0,3 mm, chiều sâu sửa đá 0,01 mm

a) b) c)

Hình 1.12 Ảnh hưởng đến nhám bề mặt của [33]:

(a) Lượng chạy dao dọc và chiều sâu cắt; (b) Lượng chạy dao dọc và chiều sâu

sửa đá; (c) Chiều sâu sửa đá và chiều sâu cắt

Ngoài các nghiên cứu đã nêu, còn khá nhiều các nghiên cứu của các tác giả ngoài nước về lựa chọn các thông số tối ưu trong quá trình mài như xác định vận tốc quay của

đá, vận tốc bàn, chiều sâu sửa đá vv… đã được giới thiệu cho mài phẳng [32, 37, 44], cho mài tròn trong [38, 40, 42] và cho mài tròn ngoài [66, 75] Bên cạnh đó, tối ưu hóa

đa mục tiêu cho quá trình mài phẳng cũng đã được khảo sát [27, 56, 39]

Cho đến nay có khá nhiều nghiên cứu trong nước về lựa chọn và lựa chọn tối ưu các thông số của chế độ cắt khi mài Cụ thể về các nghiên cứu này như sau:

Ảnh hưởng của các thông số công nghệ chủ yếu là chế độ cắt của quá trình mài phẳng như chiều sâu cắt, vận tốc bàn và lượng chạy dao dọc khi mài thép các bon sau nhiệt luyện, gang xám, hợp kim nhôm và thép làm khuôn SKD61 đến lực mài [12], đến chất lượng bề mặt và độ chính xác chi tiết gia công cũng đã được nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm [2, 17, 18, 19, 20, 22]

* Nhận xét:

- Quá trình cắt gọt nói chung và mài phẳng nói riêng, ứng với mỗi mục tiêu cụ thể cần có một bộ thông số chế độ cắt tối ưu hoặc hợp lý Các nghiên cứu trên đây cho thấy, tùy thuộc khoảng khảo sát, đối tượng thực nghiệm khi nghiên cứu mà bộ thông số này nhận được sẽ khác nhau và không thể dùng chung cho mọi trường hợp Đến nay, các nghiên cứu về chế độ cắt tối ưu hoặc hợp lý đối với mài phẳng tuy đã có nhưng không nhiều Phần lớn các nghiên cứu chỉ tập trung vào việc nâng cao độ chính xác gia công

và nhám bề mặt khi mài phẳng Trong khi đó, các nghiên cứu nâng cao năng suất gia công còn chưa được quan tâm đúng mức

- Vận tốc bàn, chiều sâu cắt và lượng chạy dao là những thông số chế độ cắt thường được sử dụng để đánh giá các chỉ tiêu kinh tế (năng suất bóc tách) và kỹ thuật (nhám bề mặt, lực cắt…) của quá trình mài phẳng

1.2.2 Các nghiên cứu về các thông số công nghệ sửa đá mài

Quá trình sửa đá làm thay đổi khả năng cắt của đá mài, thay đổi tuổi bền của đá mài, dẫn đến thay đổi năng suất và chất lượng của quá trình mài [7] Kết quả của quá trính sửa đá sẽ làm thay đổi tính chất tiếp xúc giữa bề mặt đá với bề mặt chi tiết gia công, do đó làm thay đổi: quá trình tạo phoi của các hạt mài; áp lực mài; điều kiện ma sát giữa các hạt mài, chất kết dính với bề mặt gia công; tính chất tải trọng cơ nhiệt tác động lên hạt mài và chất dính kết Do đó, quá trình sửa đá khi mài nhận được rất nhiều quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước

Năm 1981, xuất phát từ kinh nghiệm thực tiễn và các nghiên cứu trước đó, L M Kozuro và các cộng sự [46] đã tập hợp và đề xuất chế độ sửa đá khi mài phẳng bằng đá mài truyền thống nhằm đạt được nhám bề mặt gia công Ra = 0,32÷1,25μm như sau: Nếu sửa đá bằng bút sửa đá kim cương nhiều hạt thì lượng chạy dao dọc S = 1,5m/ph; sửa 4 lần với chiều sâu sửa đá aed = 0,03 mm và chạy không ăn dao 4 lần Nếu sửa đá bằng bút sửa đá kim cương một hạt, lượng chạy dao dọc S = 1,0 m/ph; sửa 6 lần với chiều sâu sửa đá aed = 0,02 mm và chạy không ăn dao 4 lần

Năm 1985, Наерман M C [77] đề xuất chế độ công nghệ sửa đá cho mài phẳng chạy dao dọc khi dùng dụng cụ sửa đá kim cương nhiều hạt nhằm đạt độ nhám bề mặt gia công Theo tác giả, chế độ công nghệ sửa đá được chia ra gồm sửa đá thô 2÷3 lần,

sửa đá tinh 1÷2 lần và chạy không ăn dao 1÷2 lần (Bảng 1.1)

Bảng 1.1 Chế độ sửa đá khi sử dụng đầu sửa đá kim cương nhiều hạt [77]

Nhám bề mặt

Ra (μm)

S (mm/vg)

Chiều sâu sửa đá (mm/lần)

Số lần chạy không ăn dao Khi sửa thô Khi sửa tinh

Chiều sâu Số lần sửa Chiều sâu Số lần sửa 0,8 0,15÷0,25

0,02÷0,03

Năm 1996, Milton C Shaw [50] đã

hướng dẫn chế độ công nghệ sửa đá nhôm

oxit trắng cho mài ngoài khi sử dụng bút

sửa đá kim cương một hạt thì góc nghiêng

 = 10 ÷ 20 (Hình 1.13) Sửa đá nên qua

hai bước thô và tinh Khi sửa đá thô thì

chiều sâu sửa đá aedr  25 µm, lượng chạy

dao S  500 µm/vg; sau đó sửa đá tinh với

aedf  12,5 µm và S  125 µm/vg

Hình 1.13 Sơ đồ sửa đá bằng bút sửa đá

một hạt [50]

Năm 1992, E Brinksmeier và cộng sự [34] đã chỉ ra các thông số đầu vào của quá

trình sửa đá phụ thuộc vào dụng cụ sửa đá và quy trình sửa đá (Hình 1.14) Kết qủa này

đã được khẳng định lại vào năm 1999 bởi Fritz Clocke [36] Theo đó, chiều sâu cắt khi sửa đá aed là cần thiết để xác định chiều rộng của dụng cụ sửa đá bd Trong đó, rpd là bán

kính của dụng cụ sửa đá Số lượng vết tiếp xúc của bề mặt đá mài và dụng cụ sửa đá được đặc trưng bởi hệ số trùng khít Ud (Hình 1.15) xác định bởi tỉ số giữa chiều rộng cắt apd với lượng chạy dao chiều trục sau mỗi vòng quay của đá fad:

(1.1) Trong đó:

(1.2) (1.3)

Hình 1.14 Chế độ cắt khi sửa đá

[34, 36]

Hình 1.15 Ảnh hưởng của hệ số trùng khít đến nhấp nhô bề mặt đá mài Rt s [34, 36]

Hình 1.16 Ảnh hưởng của U d đến kết quả đầu ra khi mài [36]

Giả sử chiều rộng cắt bằng chiều rộng dụng cụ sửa đá, khi đó Ud được xác định theo biểu thức (1.4):

(1.4)

Ud ảnh hưởng lớn đến chất lượng đầu ra khi mài, được thể hiện như Hình 1.16 Năm 1998, X Chen và cộng sự [73] đã nghiên cứu thực nghiệm và đề xuất chế độ sửa đá tối ưu nhằm đảm bảo nhám bề mặt và công suất riêng khi mài nhỏ nhất Đối tượng thực nghiệm là đá mài A465-K5-V30W và vật liệu gia công là gang trắng (có độ cứng 60-62HRC), tốc độ cắt 33m/s, vận tốc bàn 250mm/s Kết quả nghiên cứu cho thấy, chiều sâu sửa đá không vượt quá 0,005mm, lượng chạy dao không vượt quá 0,05mm/vg

sẽ cho năng lượng gia công riêng thấp nhất (dưới 33 W/mm) và nhám bề mặt nhỏ nhất (dưới 0,32 m)

Năm 1999, Sun Ho Kim và cộng sự [68] đã áp dụng các kỹ thuật tiên tiến dựa trên cảm biến dòng xoáy để đo trực tiếp topography bề mặt đá mài WA60K7V (127x264x25 mm) và sử dụng laser sửa đá Theo đó, việc quyết định thời gian sửa đá dựa vào quan

hệ giữa tải trọng của đá mài và nhám bề mặt gia công Chiều sâu sửa đá được quyết định dựa vào phân tích topography của đá mài

Năm 2008, chế độ sửa đá mài có chất kết dính là ceramic với dụng cụ sửa đá kim cương đã được S Malkin [63] chỉ ra như sau: Khi sử dụng bút sửa kim cương một hạt nên lựa chọn S < 0,2 mm/vg và 0,01a ed 0,03 mm Khi sử dụng bút sửa kim cương nhiều hạt nên lựa chọn S < 0,5 mm/vg; 0,01a ed 0,05mm

Ảnh hưởng của chiều sâu sửa đá và tỉ số tốc độ khi sửa đá bằng bánh xe sửa đá đến lực mài và độ nhám bề mặt sản phẩm mài khi sửa đá A60K-8V đã được Fritz Clocke

[36] thống kê như trên Hình 1.17 Dễ dàng nhận thấy, khi tăng lượng chạy dao sửa đá

thì độ nhám bề mặt chi tiết mài tăng và lực cắt khi mài giảm Do vậy, tương ứng với yêu cầu về nhám bề mặt sẽ có một giá trị giới hạn về lượng chạy dao khi sửa đá mài

Hình 1.17 Ảnh hưởng của lượng chạy dao khi sửa đá đến lực mài và độ nhám bề mặt

khi mài [36]

Năm 2012, Hamid Baseri nghiên cứu về tối ưu hóa các thông số của quá trình sửa

đá mài A46K6V gia công vật liệu SPK 12080 qua tôi sử dụng bánh xe sửa đá nhằm giảm lực cắt trong khi đảm bảo nhám bề mặt theo yêu cầu [41] Các thông số đầu vào gồm tỉ số tốc độ sửa đá, lượng chạy dao và chiều sâu sửa đá Theo đó, tỉ số tốc độ sửa

đá càng tăng thì lực cắt giảm nhưng nhám bề mặt lại giảm Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng: Lượng chạy dao sửa đá tăng thì nhám bề mặt cũng tăng Kết quả chế độ sửa đá tối ưu là: Tỉ số tốc độ sửa đá trong khoảng 0,1÷0,99; chiều sâu sửa đá trong khoảng 0,01÷0,1 mm; lượng chạy dao sửa đá nằm trong khoảng 10÷400 mm/ph

So sánh hiệu quả của sửa đá mài bằng dụng cụ sửa đá kim cương với sửa đá bằng laser đã được thực hiện năm 2012 bởi Mohammad Rabiey và cộng sự [51] khi mài vật liệu 100Cr6 qua tôi bằng đá mài SiC Kết quả chỉ ra rằng, với cùng năng suất bóc tách vật liệu gia công (3,0 mm3/s, vận tốc cắt 50 m/s, chiều sâu cắt 0,06 mm, vận tốc bàn 3,0 m/ph), sửa đá sử dụng bút sửa đá kim cương cho nhám bề mặt cao hơn nhưng lượng mòn của đá thấp hơn so với sửa đá bằng laser

Ảnh hưởng lượng chạy dao dọc, chiều sâu sửa đá và góc gá bút sửa sửa kim cương một hạt đến độ nhám bề mặt chi tiết khi mài ngoài đã được chỉ ra bởi NORITAKE –

hãng sản xuất dụng cụ sửa đá [54], như trên Hình 1.18 Theo khuyến nghị của hãng, khi sửa cần gá nghiêng bút sửa một góc 10÷15 (Hình 1.19) để đạt được hiệu quả tốt nhất

Hình 1.18 Ảnh hưởng lượng chạy dao

dọc, chiều sâu sửa đá và góc gá mũi sửa

Trong đó: S là lượng chạy dao sửa đá [mm/ph]; d là đường kính danh nghĩa của hạt mài [mm]; nđ là số vòng quay của đá [vg/ph]

Sau khi sửa đá, lưỡi cắt của các hạt mài có dạng như Hình 1.20 Ảnh hưởng của

chiều sâu sửa đá cũng được đề cập Tuy ảnh hưởng của chiều sâu sửa đá đến hiệu suất mài không bằng của lượng chạy dao nhưng có thể thay đổi trạng thái gãy (vỡ) của hạt

mài, do đó ảnh hưởng đến nhám bề mặt sau mài Khi mài tinh, chiều sâu sửa đá không nhỏ hơn 0,005 mm Với mài thông thường, chiều sâu cắt khoảng 0,01÷0,03 mm để làm gãy (vỡ) hạt mài đúng cách Đối với mài thô, chiều sâu sửa đá khoảng 0,04 mm, một phần để phá vỡ liên kết với chất kết dính, một phần mở rộng khoảng cách hạt và làm tăng đáng kể lượng bóc tách vật liệu Mặt khác, NORITAKE cũng khẳng định: Tổng chiều sâu sửa đá có thể làm thay đổi độ mòn và tắc nghẽn của hạt mài Không thể cải thiện hiệu suất mài khi chiều sâu sửa đá không đủ lớn Đối với mài thông thường, chiều sâu sửa đá bằng khoảng 10÷30% đường kính danh nghĩa của hạt mài

đá bằng bút sửa đá một hạt, chế độ sửa đá được thực hiện như sau:

- Bút sửa đá được gá nghiêng so với đường tâm đá một góc 10 ÷ 15 (sơ đồ gá

đặt được thể hiện như trên Hình 1.21); điểm tiếp xúc phải nằm dưới đường tâm đá một

lượng đủ nhỏ; luôn sử dụng dung dịch làm mát khi sửa đá

- Chiều sâu sửa đá là 0,001 inch/lần (0,025 mm/lần), tổng chiều sâu sửa đá 0,002÷0,01inch (0,05÷0,25mm)

- Lượng chạy dao sửa đá được chọn phụ thuộc vào nhám bề mặt như Bảng 1.2

Bảng 1.2 Lựa chọn lượng chạy dao sửa đá bằng bút kim cương một hạt theo nhám bề mặt [55]

Nhám bề mặt (µm) Lượng chạy dao vòng

(inch/vg đá) (mm/vg đá) 0,64 0,008÷0,01 0,2÷0,25 0,32 0,005÷0,009 0,127÷0,228 0,16 0,002÷0,004 0,05÷0,1 Cũng theo Norton, khi sửa đá bằng bút sửa đá nhiều hạt, chế độ sửa đá được khuyến

nghị như sau:

- Bề mặt bút sửa đá phải tiếp xúc hoàn toàn với đá mài và luôn sử dụng dung dịch

trơn nguội (sơ đồ gá đạt được thể hiện như trên Hình 1.22)

- Chiều sâu sửa đá 0,001÷0,002 inch/lần (0,025÷0,05 mm/lần)

- Lượng chạy dao chọn theo nhám bề mặt như Bảng 1.3

Bảng 1.3 Lựa chọn lượng chạy dao sửa đá bằng bút kim cương nhiều hạt theo nhám bề mặt [55]

Nhám bề mặt (µm) Lượng chạy dao vòng (mm/vòng đá)

Hình 1.22 Sơ đồ gá đặt khi sửa đá bằng bút sửa đá nhiều hạt [55]

Công ty Winter [72] cũng giới thiệu chế độ công nghệ khi sửa đá chất kết dính ceramic bằng dụng cụ sửa đá kim cương nhiều hạt cho trường hợp mài ngoài Trong chế

độ này, lượng chạy dao dọc của dụng cụ sửa đá phụ thuộc vào độ hạt của đá và tốc độ

quay của đá mài (Bảng 1.4) Chiều sâu sửa đá aed = 0,01÷0,03 mm

Bảng 1.4 Chế độ sửa đá khi sử dụng đầu sửa đá kim cương nhiều hạt của Winter [72]

* Nhận xét:

- Qua tổng hợp các nghiên cứu về xác định chế độ sử đá khi mài phẳng, hầu như các nghiên cứu về tối ưu hóa hoặc lựa chọn chế độ sửa đá đều tập trung vào các mục tiêu đơn lẻ như nhám bề mặt, nhiệt cắt, ứng suất dư… Trong khi đó, trong phạm vi hiểu biết của tác giả, các nghiên cứu về chế độ sửa đá tối ưu để đạt được đồng thời nhiều mục tiêu hầu như chưa có

- Sửa đá qua ba bước, thô, tinh và chạy không ăn dao đã được khuyến nghị sử dụng nhưng hiện vẫn chưa được quan tâm đúng mức

1.2.3 Các nghiên cứu về chế độ bôi trơn làm mát khi mài

Mài là một quá trình bị nhiệt chi phối [71] Nhiệt độ vùng cắt khi mài có thể lên đến 1000C÷1500C [36] Nhiệt độ này có thể gây ra các khuyết tật bề mặt chi tiết gia công sau khi mài như: Nứt tế vi do ứng suất dư kéo, thoát các bon gây biến mềm, cháy lớp bề mặt Do vậy, năng lượng nhiệt đi vào phôi phải được loại bỏ một cách nhanh chóng bằng chế độ bôi trơn làm mát hợp lý Bên cạnh vai trò làm mát phôi, quá trình trơn nguội cũng phải làm mát đá mài (đặc biệt quan trọng với đá mài kim cương hoặc

đá mài có chất kết dính là nhựa), giảm ma sát, vận chuyển phoi ra khỏi vùng gia công, làm sạch đá mài, qua đó nâng cao được chất lượng bề mặt chi tiết gia công khi mài [71] Nói chung, để đưa dung dịch trơn nguội vào vùng cắt có thể sử dụng nhiều phương

pháp khác nhau, như thể hiện trên Hình 1.23

Hình 1.23 Các phương pháp cung cấp dung dịch trơn nguội vào vùng cắt [71]

Các đặc trưng phân biệt của mài với các phương pháp cắt gọt khác là: Tốc độ cắt cao, không hình thành phoi dây và có nắp che đá mài Điều này dẫn đến lớp không khí bao quanh đá mài di chuyển cùng tốc độ với chu vi đá tạo nên hàng rào không khí, có thể phá vỡ dòng chảy của quá trình trơn nguội vào vùng cắt Chiều dày của hàng rào khí này phụ thuộc vào kích thước hạt mài, độ xốp của đá và rất khó ước tính [71] Vì lý do

đó, rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để khắc phục đặc điểm này Nhiều loại dung

dịch trơn nguội đã được khảo sát với nhiều phương pháp đưa dung dịch trơn nguội vào vùng mài đã được đề xuất

Các phương án cụ thể thường được sử dụng để đưa dung dịch trơn nguội vào vùng

cắt thể hiện trên Hình 1.24 Trong đó, quá trình mài phẳng thường sử dụng phương án tưới tràn và bố trí như trên Hình 1.25 [71]

Hình 1.24 Các cách cơ bản cung cấp dung dịch trơn nguội khi mài [71]

Hình 1.25 Một phương án cung cấp dung dịch trơn nguội khi mài phẳng [71]

Mài thường được sử dụng là nguyên công gia công tinh lần cuối nên việc áp dụng các biện pháp công nghệ bôi trơn làm mát để giảm nhiệt cắt, nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết sau gia công được rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm

Hình 1.26 Lượng mòn hướng kính khi

mài bằng đá CBN với các loại dung

dịch trơn nguội khác nhau [64]

Hình 1.27 Nhám bề mặt khi mài bằng đá CBN khi sử dụng các loại dung dịch trơn

nguội khác nhau [64]

Năm 2003, E.J da Silva và các công sự [64] đã tiến hành thí nghiệm mài cao tốc

sử dụng đá mài CBN với cùng lượng bóc tách vật liệu 6764 mm3/mm và 4 loại dung dịch trơn nguội là: dầu thực vật bán tổng hợp 20%; nước; dầu thực vật bán tổng hợp 3%; dầu nguyên chất để đánh giá độ mòn của đá mài và nhám bề mặt sau gia công thép các bon 52100 Việc làm mát khi mài là yếu tố quan trọng đối với hiệu quả gia công, ngoài

ra có thể ảnh hưởng đến độ mòn hướng kính của đá và nhám bề mặt của phôi Trong khoảng khảo sát, khi sử dụng dầu nguyên chất thì đá mài hầu như không mòn, khi tăng

nồng độ dung dịch dầu bán tổng hợp thì mức độ mòn của đá mài giảm (Hình 1.26)

Khi sử dụng nước để làm mát, có thể được quan sát thấy mức độ mòn của đá mài lớn nhất Bên cạnh đó, khi dùng dầu nguyên chất thì nhám bề mặt nhỏ hơn so với bôi trơn làm mát bằng các dung dịch bán tổng hợp và nước, nồng độ dung dịch dầu bán tổng

hợp tăng thì nhám bề mặt cũng giảm (Hình 1.27) Điều này là do hậu quả của việc bôi

trơn kém của nước làm tăng ma sát mài mòn, ô-xy hóa và sốc nhiệt của các hạt mài và chất kết dính

Năm 2003, S Shaji và V Radhakrishnan [65] đã nghiên cứu quá trình mài thép cacbon và thép ổ bi với ba loại môi trường trơn nguội gồm khô, tưới tràn bằng dung dịch dầu 5% và dung dịch CaF2 – dầu hỗ trợ mài Ảnh hưởng của ba loại môi trường trơn nguội này đến lực cắt, tỉ số Fz/Fy, nhám bề mặt và nhiệt cắt được thể hiện lần lượt trên

Hình 1.28, Hình 1.29, Hình 1.30, Hình 1.31

Dễ dàng nhận thấy, với CaF2, tuy thành phần lực pháp tuyến lớn hơn nhưng thành phần lực tiếp tuyến lại nhỏ hơn nhiều dẫn đến tỉ số Fz/Fy nhỏ hơn so với sử dụng tưới tràn và khô Nhám bề mặt khi mài thép cacbon sử dụng CaF2 cao hơn là do khi mài vật liệu dẻo, phoi hình thành có thể cuộn xung quanh các hạt mài Tuy nhiên, khi mài thép

ổ lăn (vật liệu giòn), phoi hình thành có xu hướng ít dính vào bề mặt đá mài, dẫn đến nhám bề mặt chi tiết gia công nhỏ hơn Rõ ràng, với vật liệu giòn thì vai trò làm sạch của dung dịch trơn nguội sẽ hiệu quả hơn Nhiệt mài khi sử dụng CaF2 cũng thấp hơn nhiều, đó là do hiệu quả bôi trơn của CaF2 tốt hơn hai loại còn lại

Hình 1.28 Lực mài thu được trong các điều kiện mài khác nhau [65]

Hình 1.29 Tỉ số lực mài thu được trong các điều kiện mài khác nhau [65]

Hình 1.30 Nhám bề mặt thu được trong các điều kiện mài khác nhau [65]

Hình 1.31 Nhiệt cắt trong các điều kiện mài khác nhau [65]

Ngoài ra, ba loại dung dịch trơn nguội khác (dầu cắt gọt thông thường, nhũ tương thực vật HC2010, và dung dịch tổng hợp HC4110) cũng đã được khảo sát ảnh hưởng đến nhám bề mặt, nhiệt cắt và lực cắt khi mài phẳng thép chịu nhiệt VC131 bằng đá mài CBN [60] Dầu cắt gọt thông thường tuy cho nhám bề mặt cao nhất nhưng lực cắt tiếp

tuyến và nhiệt cắt thấp nhất (Hình 1.32)