Chuyên đề 1 TONGQUAN NC 15062020

Khái niệm về quá trình mài 1.1.1 Khái niệm về mài 1.1.2 Đặc điểm quá trình mài 1.2 Tình hình nghiên cứu về đá mài gián đoạn trên thế giới và trong nước 1.2.1 Nghiên cứu đá mài gián đoạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ

~~~~~  ~~~~~

CHUYÊN ĐỀ TỔNG QUAN MÀI VÀ RUNG SIÊU ÂM

TRONG QUÁ TRÌNH MÀI PHẲNG

Ngành, chuyên ngành đào tạo: Cơ khí chế tạo máy

Mã số: CB18B0010

Đề tài: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của tốc độ rung siêu âm đến quá trình mài phẳng bằng đá mài xẻ rãnh.

Học viên: Trần Hải Nhu

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Thị Phương Giang

Hà Nội, 04/2020

Chương I TỔNG QUAN VỀ MÀI PHẲNG

1.1 Khái niệm về quá trình mài

1.1.1 Khái niệm về mài

1.1.2 Đặc điểm quá trình mài

1.2 Tình hình nghiên cứu về đá mài gián đoạn trên thế giới và trong nước 1.2.1 Nghiên cứu đá mài gián đoạn hay đá mài xẻ rãnh trên thế giới

1.2.2 Đá mài xẻ rãnh do Việt Nam đang nghiên cứu

1.3 Vật liệu và nước tưới nguội dùng để thí nghiệm trong đề tài.

1.3.1 Thép C45 là gì?

1.3.2 Ký hiệu của thép C45 theo tiêu chuẩn của các nước

1.3.3 Ưu điểm của thép C45

1.4 Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội và công nghệ tưới nguội

Tài liệu tham khảo

Chương I TỔNG QUAN VỀ MÀI PHẲNG

1.1 Khái niệm về quá trình mài

1.1.1 Khái niệm về mài

Mài là một trong những hình thức gia công kim loại cơ bản Để mài chi tiết, người ta thường sử dụng đá mài Đá mài sẽ lấy đi một lớp kim loại siêu mỏng trên

bề mặt chi tiết, làm nhẵn mịn chi tiết và thông thường sau gia công mài, sản phẩm

sẽ có độ bóng trên bề mặt rất cao

Các loại máy mài càng hiện đại thì đá mài của chúng càng có thể gọt đi những lớp kim loại rất mỏng Các máy mài công nghệ cao có thể đạt đến độ chính xác khi gia công khoảng 0.001mm Phương pháp mài có thể được thực hiện trên những vật liệu từ cứng đến rất cứng (ví dụ như thép tôi…)

Phương pháp được áp dụng khi ta không thể dùng một phương pháp nào khác để tạo bề mặt nhẵn và bóng cho chi tiết có độ mỏng nhất định Hiện nay chúng ta có những phương pháp mài cơ bản, đó là mài mặt ngoài các chi tiết có dạng hình trụ, mài mặt ngoài các chi tiết có hình chóp tròn, mài lỗ chi tiết (mài bên trong) và mài mặt phẳng (như bàn rà, thước thẳng, thước đo góc…)

Mài là một công đoạn không thể thiếu được khi cắt gọt kim loại, do đó trong tất

cả các máy như máy phay, máy khoan, máy bào, máy doa…chi tiết được cắt gọt bắt buộc phải trải qua công đoạn mài

Thông thường trong quá trình sử dụng các máy như máy phay, bào, doa, khoan, tiện…dao cắt sẽ dần bị mòn đi theo thời gian và mức độ sử dụng Do đó, để tái sử dụng lưỡi dao, ta bắt buộc phải mài sắc nó lại Còn trong các dây chuyền máy gia công cơ khí cổ điển, người ta thường trang bị máy mài hai đá để mài sắc lại lưỡi dao bị cùn

Gia công cơ khí bằng phương pháp mài có hai dạng, đó là mài thô và mài tinh

1 Mài thô: Đây là giai đoạn gia công sơ bộ một vật, được thực hiện trong một thời gian ngắn, đơn giản chỉ là loại bỏ bớt phần kim loại thừa Yêu cầu khi thực hiện mài thô chính là trong thời gian ngắn nhất làm sao để loại bỏ được nhiều

lớp kim loại nhất Bề mặt vật không nhẵn, mịn và độ chính xác của sản phẩm còn thấp

2 Mài tinh: Mài tinh là quá trình gia công một cách chi tiết, kỹ lưỡng mặt ngoài của sản phẩm Sau khi gia công tinh, sản phẩm có độ bóng cao và độ chính xác cần thiết Mài tinh làm mất các vết sinh ra bởi gia công mài thô Để sản phẩm đạt độ chính xác cao như yêu cầu, sau khi mài thô người ta tiến hành mài tinh sản phẩm thêm nhiều lần nữa

Khi gia công mài, người nhân công phải đặc biệt chú ý những yêu cầu sau:

1 Luôn đảm bảo đã lắp và vặn chặt một cách chính xác bởi đá mài rất dễ vỡ nếu lắp và vặn không chính xác Trước khi lắp đá mài, cần nghiêm chỉnh thực hiện đúng quy tắc Đá mài phải được lắp trong hộp che cẩn thận và không làm việc trực tiếp trên đá mài nếu không có hộp che

2 Trước khi làm việc, cần kiểm tra thật tỉ mỉ độ chính xác và độ chắc chắn về việc gá vật cần gia công, nếu bộ phận định vị không vặn chặt sẽ tạo ra sự chênh lệch giữa vật cần mài và đá mài

3 Phải đảm bảo lượng dư gia công mài đúng quy định và chú ý đến công tác làm mát cho vật mài Đối với từng loại dao cắt, vật cần mài, tư thế và vị trí đứng của người nhân công cũng thay đổi linh hoạt đòi hỏi người nhân công phải am hiểu và biết cách vận hành cũng như những thao tác kỹ thuật cần thiết

để vận hành máy

1.1.2 Đặc điểm quá trình mài

-Tốc độ cắt khi mài lớn, tiết diện phoi cắt ra bé

- Đá mài là loại dụng cụ cắt có nhiều lưỡi, gồm các hạt mài liên kết với nhau bằng chất dính kết Khi cắt, một số lớn hạt mài có hình dạng, vị trí hoàn toàn khác nhau cùng đồng thời tham gia cắt Các góc cắt khi mài không hợp lý: góc trước thường là góc âm và góc cắt thường lớn hơn 900

Hình 1.1: Nhiệt độ cao sinh ra trong quá trình mài phẳng

Dụng cụ mài có lưỡi cắt không liên tục: Các hạt mài nằm tách biệt trên bề mặt làm việc của dụng cụ và cắt mỗi phoi

- riêng, do đó có thể xem quá trình mài như một quá trình cào xước liên tục

- Do không thể thay đổi được vị trí và hình dạng hình học của hạt mài trong

đá mài nên việc điều khiển quá trình mài rất khó khăn

- Trong quá trình mài, đá mài có khả năng tự mài sắc một phần

Bên cạnh các đặc điểm trên, khi gia công mài do tốc độ cắt cao, góc cắt lớn, góc trước âm nên mài có nhược điểm như: lực cắt và nhiệt cắt khi mài lớn, khả năng thoát phoi kém nên làm biến dạng cấu trúc mạng tinh thể và biến đổi các tính chất cơ lý của lớp vật liệu bề mặt gây ra hiện tượng cháy, nứt tế

vi và ứng suất dư bề mặt

Để khắc phục các nhược điểm nêu trên, một trong những hướng nghiên cứu

đã được áp dụng trên thế giới và hiện đang được quan tâm nghiên cứu tại Việt Nam là: Nghiên cứu, thiết kế và tối ưu hóa hình dáng hình học của đá mài truyền thống nhằm giảm lực và nhiệt cắt mà vẫn đảm bảo được năng suất và chất lượng chi tiết gia công trong khi mài mà cụ thể ở đây là xẻ rãnh trên đá mài truyền thống Việc nghiên cứu, đánh giá khả năng cắt của đá mài

xẻ rãnh chế tạo tại Việt Nam đang là vấn đề rất cấp bách cần sự nghiên cứu

của rất nhiều các nhà khoa học để đưa đá mài xẻ rãnh chế tạo tại Việt Nam thành thương phẩm

1.2 Tình hình nghiên cứu về đá mài gián đoạn trên thế giới và trong nước

Ở các nước có nền gia công cơ khí phát triển như Nhật Bản, Mỹ, Nga, Ấn độ… việc nghiên cứu nâng cao khả năng cắt của đá mài đã được rất nhiều các nhà khoa học nghiên cứu và thí nghiệm Trong đó, các nhà khoa học và các nhà sản xuất tập trung nghiên cứu kết cấu của đá sao cho hợp lý nhất khi gia công Việc thay đổi này nhằm mục đích giảm tối đa việc sắp xếp ngẫu nhiên của các hạt mài tham gia ở vùng cắt

1.2.1 Nghiên cứu đá mài gián đoạn hay đá mài xẻ rãnh trên thế giới

Tác giả Hao Nan Li, Dragos Axinte đã tổng hợp được sự phát triển của đá mài gián đoạn của rất nhiều tác giả trên thế giới từ những năm 1925 đến năm 2015 Vào năm 1925 đến năm 1970, một số khái niệm đơn giản về giảm số lượng hạt mài ở vùng tiếp xúc được đề xuất do các tác giả đã tìm thấy cháy trên bề mặt và vết mòn của đá mài do nhiệt cục bộ gây ra Bằng việc xẻ rãnh trên bề mặt của

đá đã làm nhiệt độ khi cắt giảm đáng kể Xuất phát từ việc khắc phục các nhược điểm của đá mài tròn thường là nhiệt cắt và lực cắt trong quá trình mài lớn Các nhà khoa học và các học giả trên thế giới ban đầu đã nghiên cứu

việc giảm nhiệt cắt bằng cách gắn các thanh mài lên bề mặt đá mài Những nghiên cứu này, bước đầu đã đặt nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo về đá mài có bề mặt làm việc gián đoạn Trong quá trình gia công, tốc độ đá, tốc độ chi tiết càng lớn thì chiều sâu cắt càng lớn do đó hiệu quả mài càng cao Cùng với điều này, nhiệt mài càng tăng đặc biệt với các loại vật liệu khó cắt (hệ số dẫn nhiệt thấp) thì càng khó mài Như vậy, ở giai đoạn này đá mài xẻ rãnh chủ yếu cải tiến ở hiện tượng làm mát khu vực mài với mục đích cung cấp dung dịch trơn nguội vào khu vực cắt

Theo các bằng sáng chế của tác giả đã nghiên cứu việc gắn các thanh mài lên đĩa mài Các thanh mài có các hình dạng khác nhau như: hình lăng trụ, lục

giác, vòng cung, lập phương, và các hình dạng khác được dính kết hoặc bắt vít lên trên bề mặt đá (Hình 1.2)

Hình 1.2 Một số hình dạng cơ bản của đá mài (a) bàn cờ, so le, chéo, và hình

V và (b) so le, chéo, đối xứng và song song;(c) có khoảng cách cắt chân (d)

hình côn[26]

Tác giả J.C Aurich, B Kirsch cũng cho thấy đá mài xẻ rãnh có khả năng giảm nhiệt tốt hơn so với các đá mài thường dưới các điều kiện gia công cụ thể Vấn đề này được tác giả giải thích như sau:

Đối với đá mài thường, quá trình gia công được thực hiện liên tục trên bề mặt đá,

số lượng lưỡi cắt tham gia quá trình cắt lớn nên số lượng phoi mài tạo ra trong quá trình cắt cũng lớn Các phoi mài không được đẩy ra ngoài vùng cắt sẽ tích tụ lại nhanh chóng tại các lỗ trống giữa các hạt mài Sự tiếp cận của chất làm mát khi mài với đá mài thường gần như chỉ thực hiện ở đầu vùng mài, mà hầu như không

có sự tác động trực tiếp vào khu vực mài để làm sạch bề mặt và cuốn phoi mài ra ngoài Điều này càng làm tăng sự tích tụ của phoi, dẫn đến làm tắc nghẽn các lỗ xốp trên bề mặt đá mài Các hạt mài gần như bị bít lại bởi các đám phoi và mất đi khả năng tự mài sắc Kết quả là dẫn đến hiện tượng cùn, bết đá Đây là nguyên nhân khiến cho các hạt mài mất đi khả năng cắt, giảm hiệu quả bóc tách vật liệu

Do hình dạng đá mài xẻ rãnh có 2 vùng là vùng làm việc và vùng không làm việc Khi gia công tại vùng làm việc, thời gian tiếp xúc giữa đá và chi tiết giảm xuống còn tại vùng không tiếp xúc trở thành bể chứa dung dịch trơn nguội dùng để bôi trơn cho vùng làm việc tiếp theo, ngoài ra tại đây vùng không gian chứa phoi cũng được mở rộng làm cho chất lượng chi tiết bề mặt gia công cũng được cải thiện

Hình 1.3 Sự tạo thành áp lực chất làm mát trước vùng tiếp xúc trong quá trình

mài cho các bánh mài tiêu chuẩn (trái) và có khe (phải)

Hình dạng của đá mài xẻ rãnh được các nhà khoa học và các học giả trên thế giới nghiên cứu là các loại đá có gắn các thanh mài lên trên đĩa mài

1.2.2 Đá mài xẻ rãnh do Việt Nam đang nghiên cứu

Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, các nhà khoa học của Việt Nam cũng đã nghiên cứu để khắc phục các nhược điểm của đá mài truyền thống

Có thể nói, đây là bước tiến đáng kể trong việc cải thiện hình dáng của đá mài truyền thống, đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu của các học giả trong nước đã đề cập đến loại đá mài xẻ rãnh và cũng đưa ra được các kết luận về tính

ưu việt của loại đá mài này so với đá mài truyền Cụ thể như: tác giả Nguyễn Tiến Đông, Nguyễn Thị Phương Giang đã nghiên cứu về chất lượng bề mặt chi tiết khi mài vật liệu thép C45 nhiệt luyện bằng đá mài xẻ rãnh [8], khả năng giảm lực cắt khi gia công vật liệu ceramic sử dụng đá mài có bề mặt làm việc gián đoạn [9] và khả năng gia công của hạt mài khi gia công bằng đá mài xẻ rãnh đối với vật liệu thép C45 có độ cứng khác nhau

Tác giả Nguyễn Công Hồng Phong đã nghiên cứu và thiết lập quan hệ của nhiệt

độ khi mài với chất lượng chi tiết gia công khi mài thép SKD61 bằng đá mài xẻ rãnh Tác giả

Ngô Thị Hà đã đánh giá được khả năng cắt gọt của hạt mài khi mài phẳng dùng

đá mài có bề mặt gián đoạn rãnh thẳng Tác giả Trần Văn Thiện đã đánh giá được ưu điểm về khả năng cắt của đá mài có bề mặt làm việc không liên tục khi gia công vật liệu nhôm so với đá truyền thống

Có thể thấy, các nghiên cứu nêu trên đều dừng ở việc tìm ra được các quan

hệ toán học dựa trên một chỉ tiêu nào đó theo phương pháp hồi quy mà chưa có một công trình nghiên cứu nào đề cập đến vấn đề tối ưu hóa các mục tiêu khi mài phẳng vật liệu SKD11 nhiệt luyện theo phương pháp Taguchi và phân tích ANOVA Việc xây dựng và giải quyết bài toán tối ưu cục bộ có ý nghĩa rất lớn nhằm khắc phục những khó khăn trong việc điều khiển thích nghi quá trình mài phẳng với mục đích kiểm soát được chất lượng sản phẩm và năng suất gia công khi mài bằng đá mài gián đoạn, một loại đá đang được nghiên cứu hiện nay tại Việt Nam

Những viên đá mài xẻ rãnh thử nghiệm đầu tiên đã được sản xuất tại công ty

đá mài Hải Dương Thông số của đá mài được mô tả như trong bảng 1.1, cụ thể như sau:

Bảng 1.1 Thông số của đá mài

- Vật liệu hạt mài là hạt Corundun nâu - Đường kính trong d: 127 mm

- Độ hạt thuộc nhóm trung bình: 46 (355

÷ 425

- Đường kính ngoài

- Cấu trúc đá: Cấp 6, tỷ lệ thể tích vật

mài 50 %

- Kích thước rãnh gián đoạn WxH: 10x5 mm

- Chất kết dính: Gốm

- Độ cứng đá: MV2

- Giới hạn tốc độ theo độ bền của đá:

35m/s

Hình 1.4 Hình ảnh đá mài xẻ rãnh thực do Việt Nam nghiên cứu và chế tạo thử

nghiệm

1.3 Vật liệu và nước tưới nguội dùng để thí nghiệm trong đề tài.

1.3.1 Thép C45 là gì?

Hiện nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, ứng dụng trong quốc phòng, an ninh, ngành công nghiệp nặng, đặc biệt là ngành cơ khí đã sử dụng rất nhiều các loại vật liệu độ cứng cao để chế tạo ra các sản phẩm theo yêu cầu sử dụng của mỗi ngành Một trong các loại vật liệu được sử dụng nhiều nhất trong chế tạo chi tiết máy là vật liệu thép C45

Như chúng ta đã biết, thép là sản phẩm được tạo ra bởi quá trình luyện trong các lò chuyển oxy thổi đỉnh, lò Mactanh hoặc lò điện hồ quang Tùy theo công nghệ chế tạo mà lựa chọn lò luyện phù hợp

Có hai nhóm thép chính được phân loại dựa trên thành phần hóa học của nó

- Một là nhóm có hàm lượng kim loại Mangan thường

- Hai là nhóm có hàm lượng Mangan cao

Trong đó, thép C45 mà chúng ta đang tìm hiểu chính là loại thép nằm trong nhóm một – thép có hàm lượng mangan thường

Nguyên tố mangan có ý nghĩa gì trong thép? Chúng ta đều hiểu rằng thép là một loại hợp kim được tạo ra với thành phần chính của nó là sắt (Fe) và cacbon (C) cùng một số nguyên tố hóa học khác mà mangan là một trong số đó

Hình 1.5: Ảnh hưởng của Cacbon đến cơ tính của thép

Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1766-75, thép C45 là loại thép cacbon kết cấu chất lượng tốt với nồng độ cacbon trong thép vào khoảng 0.45%

Nồng đô Cacbon nhỏ hơn nồng độ Cacbon trong thép CT3 Vì vậy mà thép C45 có khả năng chịu lực cao hơn thép CT3

Thành phần hóa học của thép C45

Thép C45 có thành phần hóa học được biểu hiện qua bảng sau:

Mác

thép

Hàm lượng của các nguyên tố, %

cacbon silic mangan

Phot-pho

lưu huỳnh crom niken Không lớn hơn

0.50

0.17 – 0.37

0.50 –

Cơ tính của thép C45

Mác thép

Giới hạn chảy, sch

Độ bền kéo,sb

Độ dãn dài tương đối d5

Độ thắt tương đối y

Độ dai

va đập,

kG m/cm2

Độ cứng sau thường hóa (HB)

Độ cứng sau ủ hoặc Ram cao (HB)

Không nhỏ hơn

Giới hạn bền của thép C45

Mác thép Tiêu chuẩn Độ bên đứt

σb (Mpa)

Độ bền đứt

σc (Mpa)

Độ giãn dài tương đối

δ (%)

Độ cứng HRC

Trong điều kiện thường, thép C45 có độ cứng HRC là 23 Trong nhiều điều kiện sản xuất yêu cầu thép có độ cứng cao hơn thì cần sử dụng phương pháp tôi Ram để tăng

độ cứng của thép

Có nhiều phương pháp tôi Ram được sử dụng để đáp ứng yêu cầu về độ cứng cho thép như phương pháp tôi dầu, tôi nước hoặc tôi cao tần với điều kiện thích hợp cho từng phương pháp

Theo đó, tôi Ram hay Ram thép là phương pháp nhiệt luyện nung nóng thép đã tôi dưới các nhiệt độ tới hạn ( AC1) và giữ nhiệt độ đó ở một thời gian nhất định sau đó mới làm nguội

Phương pháp này nhằm làm giảm hoặc làm mất các ứng suất dư sau khi tôi đến mức cần thiết để đáp ứng điều kiện làm việc lâu dài của sản phẩm cơ khí mà vẫn duy trì

cơ tính sau khi tôi

Trong đó, có 3 giới hạn biểu thị cho 3 phương pháp Ram là:

- Ram thấp: Phương pháp nung nóng thép đã tôi trong khoảng 150-250 độ C, tổ chức đạt được là mactenxit ram

- Ram trung bình: Nung nóng thép đã tôi trong khoảng 300-450 độ C, thành phẩm đạt được là troxit ram

- Ram cao: Tiến hành nung nóng thép đã tôi trong khoảng 500-650 độ C, tổ chức đạt được là xoocbit ram

1.3.2 Ký hiệu của thép C45 theo tiêu chuẩn của các nước

- Theo tiêu chuẩn Nga (ГOCT): Ký hiệu xx trong đó xx là số chỉ phần vạn C Ví dụ mác 45 có 0,45%C

- Theo tiêu chuẩn Mỹ (AISI/SAE): Ký hiệu 10xx trong đó xx là số chỉ phần vạn C

Ví dụ mác 1045 có 0,45%C

- Theo tiêu chuẩn Nhật (JIS): Ký hiệu SxxC trong đó xx là các số chỉ phần vạn C

Ví dụ mác S45C có 0,45%C

1.3.3 Ưu điểm của thép C45