Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ (vận tốc chi tiết vct, chiều sâu mài t) đến độ nhám bề mặt chi tiết khi mài phẳng thép hợp kim 16mn có nhiệt luyện

Đã xuất hiện một số loại vật liệu mới có cơ lý tính cao độ bền cơ học, độ bền nhiệt, độ cứng, chịu mài mòn và được sử dụng rộng rãi trong các máy móc thiết bị.. Mài là một phương pháp gi

luận văn thạc sỹ khoa học

nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ (vận tốc chi tiết vct, chiều sâu mài t)

đến độ nhám bề mặt chi tiết khi mài phẳng

thép hợp kim 16Mn có nhiệt luyện

Tôi xin cam đoan Luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công

thép hợp kim 16Mn có nhiệt luyện” là công trình do chính tôi nghiên cứu và soạn

thảo Từ nghiên cứu lý thuyết và quá trình làm thực nghiệm, tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc Nội dung trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 28 tháng 10 năm 2009

Tác giả

Nguyễn Tiến Dũng

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÀI VÀ QUÁ TRÌNH MÀI 5

1.1 Tổng quan về quá trình mài 5

1.1.1 Nghiên cứu về quá trình mài 5

1.1.2 Tình hình nghiên cứu công nghệ mài trong nước và thế giới 8

1.2 Các đặc trưng cơ bản của quá trình mài 10

1.2.1 Khả năng công nghệ của mài 10

1.2.2 Các phương pháp mài cơ bản 10

1.2.3 Bản chất của quá trình mài phẳng 13

1.2.4 Quá trình cắt gọt khi mài 16

1.2.5 Biến đổi cấu trúc trên lớp bề mặt kim loại mài 20

1.2.6 Biến dạng dẻo khi mài 24

1.2.7 Ứng suất dư của lớp bề mặt khi mài 25

1.3 Đá mài và các thông số đặc trưng của đá mài 27

1.3.1 Vật liệu hạt mài 27

1.3.2 Độ hạt của đá mài 29

1.3.3 Chất dính kết 32

1.3.4 Độ cứng của đá mài 33

1.3.5 Cấu trúc và sơ đồ pha của đá mài 37

1.3.5.1 Cấu trúc đá mài 37

1.3.5.2 Sơ đồ pha của đá mài 39

1.3.6 Các phương pháp chế tạo đá mài 42

CHƯƠNG 2 NHÁM BỀ MẶT KHI MÀI PHẲNG VÀ MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHI MÀI PHẲNG 43

2.1 Độ nhám bề mặt khi mài phẳng 43

2.2 Lực cắt và năng lượng cắt riêng khi mài phẳng 46

2.2.1 Lực cắt khi mài 46

2.2.2 Năng lượng cắt riêng 52

2.2.2.1 Khái niệm 52

2.2.2.2 Cơ chế mài: Hạt mài truyền thống 54

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHI MÀI THÉP 16Mn CÓ NHIỆT

LUYỆN 72

3.1 Mô hình thí nghiệm 72

3.2 Trang thiết bị thí nghiệm 72

3.2.1 Mẫu thí nghiệm mài 72

3.2.2 Đá mài 73

3.2.3 Máy mài 74

3.2.4 Máy đo độ nhám 75

3.2.5 Một số dụng cụ khác dùng trong quá trình thí nghiệm 75

3.3 Trình tự thí nghiệm 76

3.3.1 Thí nghiệm ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến nhám bề mặt chi tiết 76

3.3.2 Thí nghiệm ảnh hưởng của vận tốc chi tiết đến nhám bề mặt 76

3.4 Kết quả thí nghiệm và thảo luận 77

3.4.1 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến nhám bề mặt chi tiết 77

3.4.2 Ảnh hưởng của vận tốc chi tiết đến nhám bề mặt 81

3.4.3 So sánh với kết quả thí nghiệm khi mài thép 45 nhiệt luyện 84

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 86

4.1 Kết luận chung 86

4.2 Hướng nghiên cứu tiếp theo 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

LỜI NÓI ĐẦU

Đầu thế kỷ 21, Việt Nam đã gia nhập Tổ chức Thương mại thế giới (WTO), vì vậy chúng ta đã nhập vào một sân chơi mang đầy tính canh tranh khó khăn và khốc liệt Càng khốc liệt và khó khăn hơn đối với một số ngành mà chúng ta chậm phát triển Trong đó phải kể đến ngành cơ khí chế tạo Để nâng cao tính cạnh tranh trong quá trình hội nhập toàn cầu này, mỗi doanh nghiệp cơ khí chế tạo muốn tồn tại được, cần phải phát triển theo hướng hạ thấp giá thành chi phí gia công trên cơ sở đảm bảo và nâng cao chất lượng sản phẩm Khi ưu thế về mặt giá cả nhân công không còn là thế mạnh của các doanh nghiệp trong nước thì việc nâng cao chất lượng sản phẩm trở thành một trong những yếu tố quan trọng mà các doanh nghiệp

cơ khí chế tạo cần quan tâm để nâng cao tính cạnh tranh cho sản phẩm của mình Một trong những yếu tố quan trọng để nâng cao chất lượng của sản phẩm chính

là nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia Yếu tố này nhằm tạo ra các sản phẩm, thiết bị, máy móc đạt độ chính xác và tuổi thọ cao, đảm bảo hiệu quả kinh tế kỹ thuật

Hiện nay ngành vật liệu phát triển rất mạnh mẽ cả trong và ngoài nước Đã xuất hiện một số loại vật liệu mới có cơ lý tính cao (độ bền cơ học, độ bền nhiệt, độ cứng, chịu mài mòn) và được sử dụng rộng rãi trong các máy móc thiết bị Khi gia công các loại vật liệu này để tạo ra các chi tiết máy có chất lượng (bề mặt, độ chính xác, năng suất…) cao là rất khó khăn nếu sử dụng các phương pháp gia công lần cuối là tiện, phay Để đáp ứng được yêu cầu này, sử dụng phương pháp mài để gia công lần cuối cho sản phẩm là thích hợp hơn cả (chất lượng sản phẩm phụ thuộc vào phương pháp gia công tinh lần cuối)

Mài là một phương pháp gia công cơ có vị trí rất quan trọng bởi vì mài tạo ra các chi tiết máy có độ chính xác, chất lượng bề mặt, gia công được vật liệu bất kỳ

mà các phương pháp gia công cắt gọt khác rất khó khăn để đạt được Không những vậy mài còn có thể sử dụng để ra công thô mà không qua các bước gia công tạo hình Tuy nhiên, việc nghiên cứu về phương pháp mài trong điều kiện thức tế tại Việt Nam gặp rất nhiều khó khăn, do chúng ta thiếu máy móc và thiết bị Vì vậy việc nghiên cứu phương pháp mài để góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm cơ khí một cách cụ thể và có hiệu quả trong điều kiện ở nước ta là vấn đề cấp bách

Để giải quyết một phần nào vấn đề cấp bách trên, em đã tiến hành thực hiện

luận văn cao học là “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ (vận tốc

16Mn có nhiệt luyện”

Mục đích đề tài

Các kết quả của đề tài là các mối quan hệ giữa vận tốc chi tiết Vct và chiều sâu mài t với độ nhám bề mặt chi tiết (Ra, Rz) Các kết quả này cho ta các khuyến cáo cho người sử dụng khi quyết định chế độ cắt khi mài

Nội dung đề tài: Luận văn được trình bày trong 4 chương

- Chương 1: Chương này nghiên cứu tổng quan về đá mài và quá trình mài

- Chương 2: Chương này tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết, những vấn đề

cơ bản của công nghệ mài và làm rõ ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến chất lượng bề mặt khi mài phẳng

- Chương 3: Giới thiệu các nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt khi mài phẳng thép hợp kim 16Mn có nhiệt luyện bằng cách nghiên cứu ảnh hưởng của hai thông số công nghệ là vận tốc chi tiết (Vct) hay lượng chạy dao dọc Sd và chiều sâu cắt t đến độ nhám bề mặt chi tiết

- Chương 4: Một số kết luận của đề tài và các đề xuất chp hướng nghiên cứu tiếp theo

Đối tượng và phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt chi tiết khi mài bằng đá WA60x300x76x40 của Tiệp Khắc với vật liệu mài là thép 16Mn có nhiệt luyện trên máy mài phẳng

- Đánh giá được ảnh hưởng của các thông số công nghệ (Sd, t) đến độ nhám bề mặt chi tiết khi mài phẳng với vật liệu 16Mn

- Kết quả có thể được sử dụng để tham khảo, áp dụng đối với nhóm sản phẩm được chế tạo bằng thép 16Mn nhằm tạo ra được các chi tiết với chất lượng cao và giá thành hạ

CHƯƠNG 1 T ỔNG QUAN VỀ MÀI VÀ QUÁ TRÌNH MÀI

Trong gia công cơ khí bằng phương pháp cắt gọt mài là phương pháp gia công tinh, mài đóng vai trò quyết định đến chất lượng sản phẩm Tầm quan trọng của mài

được thể hiện ở hai yếu tố sau:

- Mài chiếm từ 20-25% giá thành sản phẩm cơ khí có nguyên công mài

- Sẽ không có xã hội văn minh nếu không có mài vì hầu hết các sản phẩm cao cấp đều phải qua mài hoặc liên quan đến quá trình mài

Mài là phương pháp gia công đầu tiên mà con người tìm ra, kể từ khi người cổ đại cọ xát vũ khí hay công cụ lao động của mình xuống các phiến đá và nhận thấy

điều đó có tác dụng là sắc dụng cụ hay vũ khí của mình

Tuy nhiên việc nghiên cứu về quá trình mài một cách có hệ thống thì lại sau cùng Việc nghiên cứu mài gặp nhiều khó khăn bởi vì các yếu tố sau:

- Tốc độ của mài rất lớn: Vận tốc mài thường là trên 15m/s, chủ yếu là khoảng

từ 25-35m/s với mài thường và 150-200m/s cho mài cao tốc Với tốc độ này thì việc

đo đạc chính xác các thông số trong vùng mài là rất khó khăn

- Do cấu tạo của đá mài: Trong quá trình cắt, cùng một lúc có nhiều hạt mài cùng tham gia một lúc (có nhiều lưỡi cắt), thông số hình học của các lưỡi cắt đó không giống nhau và luôn luôn thay đổi trong quá trình mài Do vậy việc đưa ra được một mô hình vùng mài chính xác và cố định trong một thời gian tương đối dài

bề mặt đó máy mài là một trong những dạng máy cắt kim loại phổ biến rộng rãi,

để gia công bề mặt kim loại, dụng cụ cắt là đá mài

Ưu điểm cơ bản của quá trình mài: dễ đạt được độ chính xác kích thước,

chính xác về hình dáng hình học, chất lượng bề mặt gia công, và năng suất cao Mài có thể sửa được sai số vị trí Và một ưu điểm nổi bật của nguyên công mài là

có thể gia công được các loại vật liệu cứng đã qua nhiệt luyện

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

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

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

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

Dụng cụ cắt làm từ hạt mài được chế tạo từ rất sớm, đá mài có hình dáng như hiện nay được chế tạo vào khoảng nửa thế kỷ 19 Các hạt mài tự nhiên được sử dụng cho tới những năm 1980, khi mà quặng được phát hiện và khai thác để chế tạo Al2O3 và SiC Trong thế chiến thứ II, việc cung cấp không liên tục kim cương

tự nhiên để làm đá mài đã thúc đẩy các nghiên cứu phát triển vật liệu thay thế chúng Năm 1891 các nhà hoá học đã tổng hợp được Cacbit silic Năm 1901, các nhà máy Anh, Pháp, Đức bắt đầu sản xuất ra Corandum thường Năm 1910, Corandum điện trắng được tổng hợp Năm 1955, rất nhiều phát kiến trong việc phát triển vật liệu mài đã đưa đến thành công chế tạo kim cương nhân tạo Rất nhanh sau đó, Nitrit Bor lập phương (CBN – Cubic Bor Nitride) được chế tạo

Kim cương và CBN nhân tạo được biết đến dưới tên Superabrasive bởi vì chúng

có các tính chất tốt, đáp ứng được về độ cứng, độ bền mòn, độ bền nén và hệ số dẫn nhiệt… Các hạt mài nhân tạo tỏ ra có nhiều ưu điểm vượt trội so với hạt mài

tự nhiên vì có thể khống chế lượng tạp chất trong đó, có thể điều khiển chất lượng của hạt mài trong quá trình sản xuất Công nghiệp sản xuất hạt mài đã điều khiển được các tính chất như kích thước hạt mài, độ bền của hạt phù hợp với các ứng dụng mài khác nhau

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật nói chung và của ngành chế tạo máy nói riêng, ngày càng có vật liệu mới ra đời đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao về cơ lí tính và các tính chất đặc biệt khác, tính gia công của các loại vật liệu này rất thấp (khó gia công), đồng thời các chi tiết có yêu cầu ngày càng cao

về chất lượng cũng như độ chính xác Do vậy phạm vi sử dụng của phương pháp mài ngày càng được mở rộng Hiện nay, mài không những áp dụng đối với những nguyên công gia công tinh lần cuối trong chế tạo máy, mà còn được sử dụng trong các nguyên công gia công thô, trong đó rất nhiều loại bề mặt không qua các bước gia công trung gian (tiện, phay, bào…)

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

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

Tuỳ thuộc vào các tính chất của các nguyên công gia công mà đã chế tạo ra các chủng loại máy mài rất khác biệt (chủng loại máy mài các chi tiết có dạng mặt phẳng, dạng bề mặt tròn xoay, mài răng, mài ren, mài hớt lưng…) Năm 1500 Leonardo Devinci đã thiết kế một cỗ máy có nguyên lý giống máy mài tròn hiện

nay Tuy nhiên, vào năm 1847 con người mới chế tạo được máy mài tròn vạn năng đầu tiên Bắt đầu từ những năm 1980 các hãng chế tạo máy công cụ lớn đã cho ra đời các thế hệ máy mài điều khiển theo chương trình số đầu tiên, đánh dấu một bước nhảy vọt của công nghệ mài Mức độ chuyên môn hoá, tự động hoá trong ngành mài ngày một phát triển (dây chuyền tự động, xưởng tự động, trong

đó trang bị những loại máy có độ chính xác cao, năng xuất gia công rất cao Những loại máy này có độ cứng vững cao, tự động hoá trong quá trình mài, các loại máy mài hiện đại được trang bị các thiết bị điều khiển thuỷ lực, điều khiển điện tử, số hoá, đo kiểm tra tự động, tự động cấp dỡ phôi trong quá trình gia công

Để điều khiển được các loại máy này hiệu quả, cần có đội ngũ công nhân có trình

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

Khác biệt lớn của ngành mài so với các ngành gia công cắt gọt có phoi khác, trong quá trình mài không quan sát trực tiếp được quá trình cắt, bởi vậy người thợ phải đủ kiến thức để nhận biết những yếu tố công nghệ nào đang ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và độ chính xác gia công, đưa ra những quyết định thích hợp

để điều, khiển điều chỉnh máy

Do vị trí quan trọng của công nghệ mài trong các quá trình gia công cắt gọt, nên ngay từ khi khoa học công nghệ chế tạo máy mới hình thành, các nhà công nghệ đã đặc biệt chú trọng tới việc nghiên cứu hoàn thiện phương pháp mài

Từ những năm 1950, một số nhà khoa học hàng đầu về công nghệ mài của thế giới như Maxlốp, Iaserưsin của Nga, Backer của Mỹ, Brammertz.P, Bruckner.K, Solje.E của Đức, Mullercuar của Anh, Watanabe.K của Nhật đã thực hiện các nghiên cứu cơ bản nhằm tìm hiểu bản chất vật lý và cơ chế hình thành bề mặt khi mài Các nghiên cứu này cho phép xây dựng một loạt các công thức thực nghiệm

để sử dụng cho các điều kiện gia công khác nhau Tuy nhiên các kết quả nghiên cứu trong thời kỳ này có tính ứng dụng thấp, độ chính xác không cao

Trong những năm 1960 đến 1970, kỹ thuật điện tử phát triển mạnh, dụng cụ

đo ngày càng hoàn thiện hơn nên các nghiên cứu về mài được tiến hành rất rộng

và có chiều sâu Các công trình nghiên cứu rung động khi mài của Peters.I người Anh vào năm 1966, Takegama.H người Nhật vào năm 1975 đã cho phép ghép nối

cơ học ứng dụng với công nghệ mài Đặc biệt các nghiên cứu về nhiệt cắt khi mài trong thời gian này cũng được nghiên cứu rất mạnh

Bắt đầu từ nhừng năm 1975, do nhu cầu về các loại vật liệu chịu mòn, có độ cứng cao tăng mạnh nên các nghiên cứu ứng dụng đá kim cương trong sản xuất được triển khai trên nhiều nước Các công trình đã công bố của các tác giả L.L Misnaepxki, H.B.Nôvickôp của Nga, Emerson.G của Mỹ, Griffth của Anh, Konig.W của Đức và Yuhta.T, Kobayshi.A của Nhật cho thấy công nghệ mài đã chuyển sang một giai đoạn mới với việc sử dụng đá mài kim cương cho phép nâng cao đáng kể năng suất và độ chính xác của mài

Các nghiên cứu trong giai đoạn này không còn bó gọn trong các thực nghiệm đơn thuần Một loạt các công trình nghiên cứu về lý thuyết mài và mô hình hoá các quá trình mài đã được thực hiện Kết quả nghiên cứu của các tác giả Samuel.B, Xun Chen, Brian Rowe.W người Mỹ, Katsushi Fututani, Suto.T, Inasaki.I người Nhật, Steffens.K, Konig người Đức và A.C.Xuxlôp người Nga đã cho phép các nhà chế tạo của các hãng chế tạo máy công cụ trên thế giới cho ra đời thế hệ máy mài CNC đầu tiên vào năm 1980

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về mài cũng đã được thực hiện từ rất sớm Trong những năm 1970 đến 1975 có nhiều chuyên gia nghiên cứu về mài đã được đào tạo tại các nước Đông Âu như TS Nguyễn Thế Đạt, TS Nguyễn Đắc Lộc,

TS Nguyễn Tiến Thọ, TS Đỗ Trọng Hùng, ThS Lưu Văn Nhang Trong một vài năm trở lại đây, nhiều đề tài nghiên cứu về mài cũng đã được một số trường đại học trong nước thực hiện Các công trình đã được công bố của TS Trần Minh Đức, ĐH CN Thái Nguyên, TS Nguyễn Huy Ninh ĐHBK Hà Nội, TS Hoàng Văn Điện đã cho thấy tính đa dạng của các nghiên cứu về công nghệ mài đã và đang được triển khai thực hiện tại Việt Nam

1.2 Các đặc trưng cơ bản của quá trình mài

- Mài là phương pháp gia công tinh, bằng phương pháp mài có thể gia công được chi tiết đạt độ chính xác cấp 6 - 7, độ bóng ∇8 - ∇10, do đó có thể sử dụng cho gia công lần cuối

- Phương pháp mài có thể gia công được các mặt phẳng, mặt trụ (trong, ngoài) các mặt tròn xoay hay các mặt định hình Mài còn có thể sửa được các sai số vị trí của các bề mặt trên các chi tiết máy Mài có thể gia công các vật liệu cứng dễ dàng nhưng lại gặp khó khăn khi mài vật liệu mềm như đồng, nhôm, thép không gỉ

- Mài được thực hiện chủ yếu bởi máy mài (Grinding Machine) (Máy mài phẳng, tròn trong, tròn ngoài, mài định hình, máy mài CNC ) đôi khi còn được thực hiện trên máy tiện nếu chi tiết mài có yêu cầu về độ chính xác không cao Máy mài thường có độ chính xác cao hơn các loại máy công cụ khác như phay, bào, tiện Dụng cụ cắt được dùng trong quá trình mài là đá mài (Grinding Wheel, Grinding Stone)

- Có nhiều cách tiến dao khi mài như tiến dao dọc, tiến dao ngang, tiến dao nghiêng

* Mài không tâm:

- Chuẩn định vị của chi tiết gia công chính là bề mặt đang gia công

- Có hai cách chạy dao:

+ Chạy dao dọc: Gồm hai đá, một đá dẫn và một đá cắt phoi Tâm chi tiết

gá cao hơn tâm đá khoảng (0,5 ÷ 1)R (R bán kính chi tiết gia công) nhưng không quá 15 mm Đá dẫn có dạng Hypecbôlôit và gá nghiêng so với chi tiết góc α = 10 ÷ 2030’, mài vật dài α = 1012’ ÷ 3030’, có khi tới 4030’ + Chạy dao ngang: không cần đá hình Hypecbôlôit

- Ưu điểm:

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

+ Dễ tự động hoá quá trình công nghệ

+ Độ cứng vững gá đặt cao hơn mài có tâm

+ Mài không tâm được sử dụng rộng rãi trong sản xuất hàng loạt lớn và hàng khối

- Nhược điểm:

+ Không đảm bảo độ đồng tâm giữa các mặt

+ Không mài được các mặt gián đoạn

- Bản chất mài lỗ và mài tròn ngoài giống nhau Nhưng mài trong bị hạn chế

do kích thước đá phụ thuộc kích thước lỗ gia công Lỗ quá nhỏ sẽ gây ra rất nhiều khó khăn

- Có hai cách chuyển động :

+ Chi tiết quay, dao vừa quay vừa tịnh tiến

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

* Mài lỗ không tâm :

- Có thể gia công lỗ trụ hoặc lỗ côn Đặc biệt hiệu quả khi gia công các chi tiết bạc có thành mỏng

- Ngoài đá mài, bánh dẫn còn phải có thêm các con lăn để đỡ chi tiết

- Trước khi mài phải gia công tinh hoặc bán tinh mặt ngoài

c Mài phẳng

Là phương pháp cơ bản gia công tinh các mặt phẳng sau khi tôi

- Trong sản xuất lớn mài phẳng có thể thay cho phay, bào nhất là đối với các chi tiết khó định vị, kẹp chặt

- Mài phẳng đạt IT7, IT6 ; Ra = 1,6 ÷ 0,4 µm

- Có thể mài phẳng bằng đá trụ hoặc đá mặt đầu:

+ Mài mặt phẳng bằng đá trụ

• Đảm bảo độ chính xác và độ nhẵn bóng cao vì dễ tới dung dịch trơn nguội, dễ thoát phoi, thoát nhiệt

• Năng suất thấp

+ Mài mặt phẳng bằng đá mài mặt đầu

• Tăng năng suất, tiết kiệm đá, mở rộng khả năng của mài

• Độ chính xác và độ nhẵn bóng thấp vì khó tới dung dịch trơn nguội, khó thoát phoi, thoát nhiệt

- Mài mặt định hình có đường sinh thẳng thực hiện trên máy mài phẳng

- Mài các chi tiết có dạng cam thì dùng cơ cấu chép hình

Trong đề tài này, các thí nghiệm được nghiên cứu trên máy mài phẳng vì vậy

sẽ nghiên cứu sâu về phương pháp mài phẳng Về cơ bản, mài phẳng có đầy đủ các đặc tính của quá trình mài như đã trình bày ở phần trên Ngoài ra vì là phương pháp gia công cụ thể nên có các đặc tính riêng biệt Là một phương pháp cơ bản

để gia công tinh mặt phẳng, mài phẳng có thể dùng để gia công tinh lần cuối các mặt phẳng qua tôi, phay, bào Ngoài ra mài phẳng còn có thể thay thế cho phay, bào trong sản xuất lớn hoặc để gia công các chi tiết khó định vị và kẹp chặt Mài phẳng có thể đạt độ chính xác cấp 7 – 6 và độ nhám bề mặt Ra = 1.6 – 0.4µm Mài phẳng có thể thực hiện theo hai phương pháp:

* Mài phẳng bằng mặt đầu đá: Phương pháp này cho năng suất cao hơn, vì số

lượng hạt tham gia cắt nhiều hơn Tuy nhiên do diện tích tiếp xúc giữa đá và phôi lớn nên nhiệt toả ra trong vùng cắt lớn Mặt khác khả năng thoát nhiệt, thoát phoi và dung dịch trơn nguội thâm nhập vào vùng cắt khó khăn vì vậy rất rễ gây biến dạng nhiệt, tạo ra các vết cháy, nứt tế vi trên bề mặt chi tiết mài Nói chung độ chính xác

và độ nhám bề mặt đạt được thấp hơn so với khi mài bằng mặt trụ đá

* Mài phẳng bằng vành trụ đá: Với phương pháp này thì diện tích tiếp xúc giữa đá

và chi tiết mài nhỏ, lượng hạt mài đồng thời tham gia vào quá trình cắt ít, lượng nhiệt toả ra trong vùng cắt nhỏ hơn Khả năng thoát nhiệt, thoát phoi và khả năng thâm nhập dung dịch trơn nguội vào vùng cắt dễ dàng hơn, do đó phương pháp này

có độ chính xác và độ bóng bề mặt cao hơn phương pháp trên Mài phẳng bằng vành trụ đá có thể thực hiện trên các máy mài phẳng thông thường hoặc máy mài phẳng có bàn chữ nhật

Hình 1.1 Sơ đồ mài phẳng bằng mặt đầu đá

Hình 1.2 Sơ đồ mài phẳng bằng vành trụ đá

1 Đá mài; 2 Chi tiết gia công; 3 Bàn từ; 4 Bàn máy;

S n - Lượng dịch chuyển ngang;

S d – Vận tốc dọc của bàn máy;

S đ - Lượng ăn dao theo phương thẳng đứng

Khi mài phẳng bằng vành trụ đá, đá được gá trên trục gá của ụ đá Trục đá quay tròn với vận tốc không đổi Chi tiết mài được gá trên bàn từ (gá trực tiếp)

hoặc được gá trên đồ gá và đồ gá được gá trên bàn từ (gá gián tiếp) và có chuyển động tịnh tiến khứ hồi Vd(m/ph) Lượng tịnh tiến ngang gián đoạn để cắt hết bề rộng của chi tiết mài được thực hiện bằng sự dịch chuyển của bàn máy hoặc ụ đá (tuỳ thuộc vào máy cụ thể) Sn(mm/htk) Chiều sâu cắt được thực hiện sau một lần tiến dao thẳng đứng nhờ ụ đá t(mm) Trong quá trình mài, dung dịch trơn nguội được cấp liên tục vào vùng cắt để làm nguội chi tiết, đẩy phoi và các phế thải trong quá trình mài ra khỏi vùng gia công

Mài phẳng bằng vành trụ đá có thể thực hiện theo hai cách:

- Cách thứ nhất: Ăn dao nhiều lần, chiều sâu cắt cho mỗi lần chạy dao nhỏ nhưng lượng chạy dao ngang lớn Cách này cho phép giảm tối đa ảnh hưởng của nhiệt cắt, áp dụng cho gia công tinh và gia công các chi tiết mỏng

- Cách thứ hai: Mài với chiều sâu cắt lớn, theo cách này toàn bộ chiều sâu cắt

có thể được bóc đi sau một lần ăn dao Khi đó các hạt mài ở phía cạnh đá mài chịu tải trọng lớn nên bị mòn và bong tróc nhiều hơn ảnh hưởng tới sự chính xác của chi tiết gia công Cách này chỉ sử dụng khi gia công thô các vật liệu gang đúc và thép chưa nhiệt luyện với lượng dư lớn

Trong quá trình mài, thời gian bóc hớt phoi rất bé có thể xác định theo công thức:

v d

L T

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

Pz: Lực cắt gọt

Ra: Nhám bề mặt của chi tiết gia công

c1÷c8: Các hệ số biểu thị tính chất của vật liệu gia công, cấu trúc đá mài, chất kết dính, độ cứng đá, loại dung dịch tưới nguội, độ chính xác và độ cứng vững của máy mài, chất lượng sửa đá Việc xác định các thông số này dựa vào thực nghiệm

Mài là một quá trình tạo phoi như các quá trình gia công cắt gọt khác nhưng ở mức độ nhỏ hơn nhiều và tốc độ tạo phoi cao và với sự tham gia đồng thời của số lượng lớn hạt mài

Nếu như nghiên cứu cụ thể quá trình cắt của một hạt đá, thì về nguyên tắc nó giống như quá trình tạo phoi của dao cắt đơn (dao tiện, một răng dao phay) Tuy nhiên quá trình cắt của mài có những đặc điểm riêng khác biệt so với khi cắt bằng dao cắt đơn ( thí dụ: dao phay) những khác biệt cụ thể như sau:

- Trên bề mặt phẳng cắt lưỡi cắt của đá mài là không liên tục (gián đoạn)

- Có sự phụ thuộc lẫn nhau giữa chiều dầy và bề rộng lát cắt mà một hạt đá thực hiện cắt

- Hình dáng hình học của từng hạt đá rất khác biệt nhau, và các đỉnh cắt của hạt mài trong quá trình cắt có góc cào xước- cắt âm

- Hạt đá nằm hỗn độn trên bề mặt làm việc của đá mài

- Tốc độ cắt rất cao, trong một thời điểm tức thời một lượng lớn hạt mài đồng thời tham gia cắt gọt, tức là cắt một lượng lớn hạt phoi

- Hạt mài có độ cứng rất cao, có tính chịu nhiệt, và lưỡi cắt có tính dòn

- Tác dụng động học của mỗi hạt đá lên bề mặt mài có khả năng nâng cao nhiệt cắt - cào xước tức thời

- Hạt đá miết trượt trên bề mặt gia công trước khi xuất hiện cắt gọt

Nhiệt cắt tức thời phát sinh ngay trong quá trình mài, đã làm tăng tính chảy dẻo của kim loại và tạo ra khả năng dễ tạo phoi của các đỉnh cung tròn trên hạt đá, tức là khi cắt tốc độ cao sẽ sinh nhiệt lớn, đó là yếu tố cần thiết trong quá trình mài ở tốc độ thấp hạt mài không thể có khả năng cắt gọt Như vậy đặc điểm này

là thuộc tính cắt gọt của hạt mài, và là điều kiện cần thiết để tạo phoi trong quá trình cắt gọt

Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo hình dángcủa hạt mài

Hạt mài có các đỉnh cắt nhọn không thể thực hiện cắt được, bởi nó không có được độ bền động học cần thiết Trong quá trình làm việc bán kính cung đỉnh tăng dần, và khi bán kính cung này đạt được trị số nhất định nó mất khả năng cắt gọt Như vậy quá trình cắt phoi khi mài phụ thuộc vào hình dáng hình học của thành phần cắt gọt của hạt mài

Hình 1.4 Lưỡi cắt của đá mài có bán kính đỉnh cắt là ρ

Giả định rằng lưỡi cắt của đá mài có bán kính đỉnh cắt là r (hình 1.4) Bán kính này tạo ra mối liên hệ cụ thể bởi góc cắt thực tế và chiều dầy lát cắt Khi cắt

những lớp kim loại khác nhau ở những khoảng cách khác nhau từ đường cắt, sẽ có biến dạng khác nhau ở góc cắt khác nhau

Từ hình 1.4 ta thấy rằng lát cắt càng nhỏ thì đỉnh góc cắt thực tế càng tù hơn nên gây ra biến dạng kim loại cắt, tức là nếu a  0 thì δx180o

Như vậy, đối với lớp kim loại nằm trực tiếp trên đường cắt, góc cắt đạt được tới đại lượng mà không thể thực hiện cắt được, lúc này chỉ xảy ra hiện tượng miết nén kim loại

Khi tăng chiều dầy lớp cắt (a) góc cắt thực tế tăng, khi mà a = ρ, δx = 900, tức

là khi a > ρ, δx < 900 Chỉ có thể cắt phoi khi mà a ≥ ρ từ bất phương trình trên thấy rằng khi r càng nhỏ (bán kính đỉnh của lưỡi cắt trên hạt mài) thì lớp cắt kim loại có thể cắt được càng nhỏ

Từ hình 1.4 ta thấy rằng hạt mài có thể cắt phoi khi nó có bán kính đỉnh lưỡi cắt ρ1, trường hợp này nó có thể cắt được lát có chiều dầy a1 nhỏ hơn hạt có bán kính đỉnh lưỡi cắt ρ-a3

Từ những trình bày trên đây thấy rõ, quá trình cắt phoi của hạt đá có thể trình bày như sau:

Hình 1.5 Sơ đồ mô tả quá trình tách phoi của mạt mài

Hình 1.5a - Hạt mài vào thời điểm tham gia cắt sẽ va đập cạnh cắt lên bề mặt kim loại bề mặt gia công, lực va đập phụ thuộc vào tốc độ cắt và lượng tiến dao Lực va đập này yếu dần đi bởi trong thời điểm nó va đập thì những hạt đá khác đang cắt phoi rồi Nếu độ bền động học của hạt đá là không lớn tức là bán kính

đỉnh lưỡi cắt là nhỏ thì đỉnh lưỡi cắt sẽ bị phá huỷ ngay tại thời điểm tiếp xúc với

bề mặt gia công Nếu đỉnh lưỡi cắt có bán kính là đáng kể ρ thì ngay khi tiếp xúc với bề mặt gia công nó cũng không cắt phoi bởi lúc này a << ρ, hạt mài sẽ trượt trên bề mặt kim loại mà áp lực miết tăng dần, lúc này nhiệt lượng sinh ra rất lớn Hình 1.5b - Khi mà áp lực miết nén của hạt đá lên bề mặt lớp kim loại tăng thì đồng thời xuất hiện sự chảy dẻo của kim loại do nhiệt phát sinh trong khi miết nén, làm cho kim loại mềm hơn

Hình 1.5c - Chiều sâu của lớp cắt đạt tới giá trị a, xuất hiện trạng thái cắt phoi Như vậy quá trình làm việc của một hạt mài bất kỳ khi nó nằm trên cung tiếp xúc với bề mặt gia công có thể phân chia thành mấy giai đoạn sau (trượt, miết, cắt phoi)

Do đá mài không thể có lưỡi cắt liên tục như dao cắt kim loại, còn các lưỡi cắt của hạt mài không thể sắp đặt trên cùng một mức giống nhau, và các bán kính cắt gọt của các hạt đá khác nhau, bởi vậy tất cả các hạt mài đang cùng tham gia cắt gọt trong cùng thời điểm cũng không làm việc giống nhau: một số thì miết trượt, một số thì miết nén, một số thì cắt thành phoi Những hạt mài có bán kính lưỡi cắt lớn, tức là những hạt đã mòn không thể thực hiện những lát cắt mỏng Những hạt này không thực hiện cắt gọt, nó chỉ miết trượt trên bề mặt kim loại, trong trường hợp này sinh nhiệt rất lớn Khi mài bằng hạt đá có đỉnh cắt nhọn (bán kính đỉnh lưỡi cắt nhỏ) lượng nhiệt sinh ra nhỏ hơn, bởi vì hạt đá miết trượt trên bề mặt kim loại ít hơn, do ρ nhỏ dễ dàng hình thành bất phương trình a ≥ ρ

Thời gian để thực hiện quá trình cắt của một hạt đá bằng khoảng 0,001÷0,0005 giây, trong thực tế đó là một khoảnh khắc rất nhỏ Tổng lượng hạt phoi cắt ra trong một đơn vị thời gian là rất lớn (hàng trăm triệu phoi trong một phút) Chiều dầy phoi cũng khác nhau (từ một vài µm đến vài phần mười µm)

Những hạt phoi nhỏ nhất dưới tác dụng của nhiệt cắt bị cháy thành tia lửa khi mài Những hạt phoi lớn hơn cùng với thành phần mòn của hạt đá được nước tưới nguội rửa trôi

Chúng ta biết rằng 80% công tổn hao khi mài biến thành nhiệt năng, chỉ còn khoảng 20%-năng lượng hữu ích làm biến đổi lưới cấu trúc Khi mài nhiệt lượng sinh ra nung nóng toàn bộ phôi mài, tuy nhiên bề mặt nơi tiếp xúc giữa đá mài và

bề mặt gia công nhiệt lượng có thể rất lớn

Phân tích bằn tia Rơnghen bề mặt phôi mài đã tôi cứng thấy rằng xuất hiện đáng kể thành phần Austennit dư Như vậy chứng tỏ rằng khi bị tôi lần hai (thứ cấp) xảy ra trong quá trình mài kim loại đã tôi, nhiệt độ phải lớn hơn đủ để biến đổi Austennit (8000C) Khi mài những hạt đá ở trong trạng thái không thích hợp

để tạo phoi có thể phát sinh nhiệt tới 16000C

Tuy nhiên, thời gian tác dụng của nhiệt này trên lớp bề mặt là không đáng kể, điều đó thể hiện khi mài các chi tiết chưa tôi thì cấu trúc lớp kim loại bề mặt không thay đổi Bởi để thay đổi lớp cấu trúc của thép chưa tôi này cần có thời gian

đủ lớn và ở nhiệt độ cao hơn so với thép đã tôi

Khi giữ đúng chế độ cắt mài, trên lớp bề mặt chi tiết gia công đã tôi có lớp kim loại mỏng biến đổi cấu trúc do hậu quả bị tôi thứ cấp và ram cao Lớp kim loại ngoài cùng là lớp bị tôi thứ cấp có cấu trúc tế vi là Austennitmactenxit Lớp kim loại này nằm trong lớp kim loại ram (trôxtít và trôstômactexít), mà tiếp theo ở lớp kim sâu hơn đã tôi ban đầu xảy ra các giai đoạn ram cấu trúc (ram máctenxít) Trong trường hợp, khi mài với chế độ cắt cao hoặc đá bị mòn hạt, sẽ tạo ra những vùng biến đổi cấu trúc tế vi khá sâu trên kim loại-cháy mài Cháy mài là hiện tượng xảy ra khi nhiệt cắt tập trung trong một vùng cắt nhỏ Trong mọi trường hợp khi xuất hiện cháy mài trên lớp bề mặt đều dẫn đến phế phẩm khi mài, bởi cháy mài sẽ dẫn đến khả năng bị phá huỷ khi chịu tải trọng Cháy mài có thể xuất hiện ở hai dạng: dạng ram và dạng tôi lại

Những vết cháy mài lớn xuất hiện cùng hiện tượng ram làm giảm độ cứng từ 61÷64 tới 45÷55 HRC Chiều sâu của các vết mài này có thể tới 2mm Các vết cháy mài này thường có màu sẫm tối, đó là do mài với chế độ mài quá lớn

Những vết cháy mài nhỏ xuất hiện cùng hiện tượng ram là vết sẫm nhỏ đứt đoạn có cấu trúc hạt Trôxtít, xuất hiện trạng thái cháy mài này phụ thuộc cơ bản vào loại hạt mài nào đó Tức là phụ thuộc chất lượng đá mài, không phụ thuộc vào chế độ mài, mặc dầu có thể xử lý bằng mọi biện pháp thay đổi chế độ mài, thí dụ: mài là mặt lâu hơn Thường thì lớp này có độ sâu 1÷3µm Bởi độ sâu của lớp này quá nhỏ nên không cho phép đo được độ cứng của lớp đó

Những vết cháy mài lớn xuất hiện cùng trạng thái tôi thứ cấp (tôi lần hai) xuất hiện trong trường hợp khi mà nhiệt độ trong vùng mài nào đó vượt quá nhiệt biến đổi Austennít (Điểm AC, trên giản đồ sắt – cácbon), ngay sau đó vùng này dưới tác dụng của nước tưới nguội bị tôi lại lần hai

Tính tẩy mầu vùng cháy mài xuất hiện khi tôi thứ cấp kém hơn so với bề mặt mài thông thường nó có mầu sáng hơn Khác biệt về mầu tẩy cho thấy rằng, tại vùng cháy mài có xuất hiện tôi máctenxít, phần không cháy mài là ram máctenxít Nếu sau khi mài xong mà loại sản phẩm này được ram lại thì độ tẩy màu của toàn

bộ bề mặt giống nhau Theo cấu trúc, hiện tượng cháy mài như trên tạo ra một lớp mỏng kim loại bị tôi máctenxít chiều dầy 50µm và lớp phía dưới là vùng đệm mềm trôstít tới 1mm

Những vết cháy mài nhỏ có hiện tượng tôi lại biểu hiện bằng những vết tẩy đứt đoạn Cấu trúc tế vi của các vết này tương tự cấu trúc tế vi của lớp có vết cháy mài lớn bởi vì ở các vùng cháy mài nhỏ lớp máctenxít mỏng không quá 10µm (tuy nhiên khi đo độ cứng bề mặt này thì luôn có độ cứng thấp hơn, do lớp máctenxít mỏng không quá 10µm và lớp kim loại phía dưới là lớp đệm mềm trôstít tới 70µm)

Sự biến đổi cấu trúc dẫn đến xuất hiện nội ứng suất vì nó có liên quan đến thay đổi thể tích kim loại Nếu nội ứng suất vượt quá đại lượng bền phá huỷ tức thời của kim loại thì sẽ xuất hiện vỡ nứt

Để khắc phục hiện tượng cháy mài cần giảm các khả năng sinh nhiệt khi mài Kinh mghiệm cho thấy rằng lượng nhiệt phát sinh khi mài và khả năng gây cháy mài chủ yếu bắt nguồn từ việc chọn chế độ mài, chọn đặc tính của đá mài, và điều khiển máy mài thích hợp Nhiệt xuất hiện do ma sát giữa bề mặt mài và đá mài là nguyên nhân chính, do đó biện pháp hướng tới giảm nhiệt khi mài là giảm hệ số

ma sát giữa bề mặt mài và đá mài

Trước hết cần đảm bảo đủ dung dịch tưới nguội vào vùng mài và nâng cao chất lượng của dung dịch, tức là dung dịch này giảm ma sát giữa bề mặt đá mài và kim loại gia công

Khi tăng tốc độ quay của đá mài, lượng nhiệt sinh ra càng lớn Khi tăng tốc độ của chi tiết gia công cũng làm tăng thêm nhiệt cắt khi mài, nhưng đồng thời cũng giảm thời gian tác dụng của nguồn nhiệt Giảm thời gian tác dụng của nguồn nhiệt lên bề mặt chi tiết gia công là giảm được nhiệt khi mài

Tăng lượng tiến dao trong mọi trường hợp đều dẫn đến tăng nhiệt khi mài và tăng thời gian tác dụng của nhiệt cắt Bởi vậy khi mài nên áp dụng chế độ mài tịnh tiến dao nhỏ, như vậy dễ đạt được bề mặt mài không bị cháy mài

Nhiệt độ mài càng tăng khi mài bằng đá mài cứng hơn, bởi vì trong trường hợp này những hạt đá mòn không rơi vỡ khỏi bề mặt mài khi không còn khả năng cắt gọt, những hạt này làm tăng hệ số ma sát giữa bề mặt mài và bề mặt gia công Các loại đá mài chế tạo bằng hạt cương ngọc điện trắng, sinh nhiệt thấp hơn khi mài so với loại hạt cương ngọc điện thường Với loại đá có kết dính bakêlít có khả năng giảm sinh nhiệt tốt nhất, với loại đá kết dính vunkanít khả năng này là nhỏ nhất

Giảm khả năng sinh nhiệt khi mài bằng cách sử dụng loại đá mài có cấu trúc

hở (cấu trúc nhiều khe hổng) Loại đá có khoảng hở nhiều, tức là chọn đá có mã cấu trúc cao hơn Loại đá này giảm khả năng sinh nhiệt, bởi ma sát giữa đá mài và

bề mặt gia công giảm, có khe chứa phoi tốt hơn, hạt đá dễ thay thế loạt mới Nhiệt mài còn phụ thuộc vào tốc độ hạ nhiệt trong vùng tự nó phát sinh, tức là tính dẫn nhiệt của kim loại gia công Khi mà tính dẫn nhiệt của kim loại càng thấp thì càng

dễ sinh ra cháy mài Bởi vậy với kim loại có tính dẫn nhiệt thấp thì nên lựa chọn chế độ mài thấp là thích hợp

Bảng 1.1 Tính dẫn nhiệt của một vài mác thép

Trên cơ sở những trình bày trên đây có thể đề xuất như sau: Với thép đã tôi có lượng Austennít dư tăng bởi vậy dễ dẫn đến cháy mài khi mài Cháy mài cũng thường xảy ra khi trạng thái kỹ thuật của máy không tốt hoặc không điều khiển đúng, tức là khi tạo ra va đập của đá mài lên bề mặt gia công, bàn máy dọc chuyển động không êm (giật cục), tiến dao ngang không đồng đều…

1.2.6 Biến dạng dẻo khi mài

Chúng ta biết rằng kim loại và các hợp kim kỹ thuật có cấu đa tinh thể và chúng bao gồm những hạt tinh thể có kích thước khác nhau, sắp xếp không có quy luật, chúng chèn sít với nhau, tạo ra mối liên kết cơ học Bề mặt của kim loại đa tinh thể tích tụ, liên kết chuyển tiếp bằng những lớp hạt tinh thể nhỏ và những mảnh tinh thể nằm hỗn độn

Khi gia công kim loại bằng phương pháp cắt gọt xuất hiện biến dạng dẻo đàn hồi lớp kim loại mỏng nằm phía dưới bề mặt gia công Sự tăng dần quá trình biến dạng dẻo cơ bản là hiện tượng trượt tức là dịch chuyển tương đối giữa từng phần tinh thể riêng biệt theo mặt của mạng tinh thể xác định Cũng có thể nói rằng quá trình trượt là sự dịch chuyển tương đối của một lớp nguyên tử này so với lớp nguyên tử kia dưới tác dụng của lực biến dạng (dưới tác dụng của lực cắt)

Khi ứng suất tác dụng vào tinh thể đủ lớn để bắt đầu gây trượt thì hiện tượng dịch chuyển bắt đầu xẩy ra Quá trình biến dạng dẻo gây ra biến dạng đàn hồi, nó lan toả và phát tán bằng tốc độ âm thanh (với sắt 5130m/s) Tuy nhiên quá trình biến dạng dẻo để làm dịch chuyển một phần tinh thể kim loại cần có thời gian đủ lớn Bởi vậy ở tốc độ cao thường thấy hiện tượng biến dạng dẻo cục bộ từng phần Biến dạng dẻo bao gồm cả khái niệm biến dạng miền giữa các tinh thể, trong

đó các hạt có dịch chuyển tương đối với nhau Các hạt này chuyển dịch không nhiều, vận tốc dịch chuyển không lớn tuy nhiên có thể gây phá huỷ đường biên hạt, gây ra phá huỷ kim loại

Khi cắt kim loại các hạt ở lớp cạnh rìa ngoài bị kéo dãn theo hướng lực cắt, các tinh thể về cơ bản được xếp theo hướng mạng tinh thể Những hạt nhỏ cũng có

xu hướng như vậy, chúng bị kéo theo hướng biến dạng, tạo thành hoa vân trên kim loại

Như vậy, khi biến dạng dẻo xuất hiện sẽ xảy ra những hiện tượng sau:

- Thay đổi hình dáng của hạt

- Thay đổi hướng tổ chức của hạt tạo ra hoa vân

- Xuất hiện ứng suất dư

- Phát sinh lực phá huỷ nội tinh thể và giữa các tinh thể, phá huỷ tính thống nhất của hạt

- Thay đổi các tính chất cơ lý của kim loại trên lớp bề mặt

Khi biến dạng dẻo quá nhiều sẽ gây ra biến cứng trên bề mặt, lúc này lớp kim loại bền hơn, độ cứng tế vi cao hơn, tính dẻo giảm

Quá trình biến dạng dẻo được chia thành hai dạng:

- Biến dạng với làm bền hoàn toàn

- Biến dạng với làm bền không hoàn toàn

Bền phá huỷ xuất hiện do tác dụng của nhiệt, nhiệt cắt làm tăng tính lưu động của nguyên tử, và làm cho sai lệch mạng tinh thể xảy ra dễ dàng, dẫn đến phá huỷ cấu trúc hạt tinh thể, tạo ra hiện tượng biến dạng dẻo Bền phá huỷ càng tăng khi nhiệt độ cắt càng tăng, kéo dài thời gian bền mỏi

Tất cả các yếu tố thuộc chế độ cắt, đều có xu hướng làm tăng nhiệt cắt trên bề mặt gia công (chính xác hơn trong vùng biến dạng dẻo), hoặc tăng thời gian tác dụng của nhiệt cắt, dẫn đến dễ dàng xuất hiện bền mỏi, làm giảm độ bền Ngược lại, các yếu tố làm giảm thời gian bền mỏi (tăng tốc độ biến dạng) hoặc giảm nhiệt

độ biến dạng của kim loại (tưới nguội tốt hơn, tăng tính dẫn nhiệt của kim loại, giảm ma sát) đều dẫn đến khả năng tăng bền

Trong quá trình mài, đá mài đóng vai trò chính làm tăng nhiệt gia công Và nếu càng tăng thời gian tiếp xúc giữa đá mài với bề mặt gia công, thì tác dụng nhiệt lên bề mặt này lớn hơn, dẫn đến tăng khả năng phát sinh bền phá huỷ

Những nghiên cứu đều cho thấy rằng, nội ứng suất đều ảnh hưởng đến tính chất sử dụng của chi tiết máy Thực ra ảnh hưởng lớn nhất đến độ bền mòn chính

là độ cứng tế vi lớp kim loại bề mặt Như vậy để đánh giá trạng thái lớp bề mặt phải đánh giá được đại lượng và dấu của ứng suất dư ứng suất dư xuất hiện trong

quá trình thực hiện các nguyên công công nghệ, và tồn tại trong sản phẩm sau khi thực hiện xong các nguyên công đó Ứng suất dư của lớp bề mặt xuất hiện trong những trường hợp sau:

- Do biến dạng dẻo lớp bề mặt

- Biến dạng dẻo không đồng đều, liên quan đến hiện tượng sợi kim loại trên lớp bề mặt bị kéo chảy và xuất hiện ứng suất dư nén, sắp xếp theo hướng cắt

- Cháy mài trên lớp kim loại mỏng phân bố từng vùng, làm xuất hiện ứng suất

dư kéo trong vùng này

- Biến đổi pha trong những lớp kim loại khác nhau, dẫn đến tạo ra vùng cấu trúc khác nhau, tạo ra khối lượng riêng khác nhau, cũng vì đó tạo ra trong những lớp này ứng suất dư có dấu khác nhau, và đại lượng khác nhau

Ứng suất dư được phân thành ba loại cơ bản:

- Ứng suất loại một: Có tính chất phá huỷ lớn, mắt thường có thể quan sát được Loại ứng suất này lan toả trên toàn thể tích chi tiết, hoặc là chiếm phần lớn trên chi tiết đó

- Ứng suất loại hai: Là loại ứng suất tinh thể tại chỗ (cục bộ), lan toả trong thể tích của một hoặc vài hạt nguyên tử kim loại

- Ứng suất loại ba: Lan toả trên thể tích trên một vài mạng tinh thể hạt kim loại Thí nghiệm đã chứng minh rằng khi mài các kim loại đã tôi trên lớp bề mặt thường tạo ra ứng suất dư kéo đôi khi đạt tới 80÷100KG/mm2

Đại lượng ứng suất dư (đôi khi cả dấu) phụ thuộc vào chế độ mài

Chiều sâu lan toả ứng suất dư vào phía bên trong lớp bề mặt khoảng 0,02÷0,04mm chiều dầy lớp ứng suất 0,005÷0,01mm

Nghiên cứu về đại lượng và tính chất nội ứng suất có một ý nghĩa rất lớn, bởi vì trong hàng loạt những nghiên cứu đã khẳng định rằng sẽ nâng cao độ bền mỏi khi tạo ra trên bề mặt kim loại ứng suất nén, và nâng cao tính chịu mài mòn khi trên bề mặt có nội ứng suất mang bất kỳ dấu nào

Đặc biệt quan trọng là đại lượng ứng suất tạo ra do kết quả của quá trình mài tương tự như đại lượng ứng suất đã tạo ra bằng phương pháp làm bền bề mặt đặc biệt (gọi là công nghệ làm bền bề mặt) Như vậy, với việc lựa chọn chế độ mài hợp

lý có thể tạo ra được ứng suất dư trên lớp bề mặt, mà nhờ nó cho sản phẩm có tuổi bền tối đa

Đá mài là một vật thể xốp có hình dáng hình học xác định, gồm những hạt mài sắp xếp không theo trật tự và kết hợp với nhau nhờ chất liên kết

Các đá mài khác nhau ở hình dáng hình học, kích thước, loại vật liệu mài, độ hạt hay kích thước hạt mài, ở chất liên kết hoặc dạng liên kết, độ cứng hoặc độ bền chống bật hạt mài ra khỏi bề mặt đá do tác dụng của ngoại lực, ở cấu trúc và

tổ chức của đá mài Tập hợp những dấu hiệu đó thường gọi là đặc trưng của đá mài

anh, đá lửa, Granat, Coranh đông, Cacbua Silic ,

* Nhóm vật liệu nhân tạo bao gồm: Kim cương nhân tạo, nitrit bo ở dạng lập

phương thể tâm (CBN), Coranh đông điện, Cacbit Silic, Cacbit Bo, Oxyt nhôm ,

- Kim cương tự nhiên (A): Là một biến thể của cacbon Có độ cứng cao nhất trong các loại vật liệu mài nhân tạo và tự nhiên hiện nay Tuy vậy kim cương có tính giòn Kim cương thường được xác định bằng cara (1cara = 200miligam)

- Kim cương nhân tạo (A.C): Có độ cứng cao hơn các loại vật liệu khác rất nhiều, tính năng cắt gọt tốt, độ dẫn điện gấp 9 lần so với các bít silic Cacbua Khi

mài bằng đá mài kim cương, nhiệt độ mài thấp, chất lượng bề mặt tốt Các đá mài kim cương có thể được tráng phủ một lớp mỏng niken hoặc đồng để tăng khả năng liên kết và tăng tuổi bền của đá Để tổng hợp kim cương nhân tạo người ta sử dụng các loại vật liệu có chứa cacbon kết hợp với một số chất xúc tác Vật liệu cơ bản thường dùng là Graphit, đôi khi còn dùng cả than củi Vật liệu xúc tác thường dùng là kim loại như crôm, niken, sắt, côban và một số kim loại khác Dưới tác động của nhiệt độ và áp suất cao kim cương nhân tạo sẽ được hình thành

- Côranh đông điện có hai loại:

+ Côranh đông điện thường (1A): được thiêu kết từ bôcxit và các biến thể của nó như 12A, 13A, 14A, 15A, 16A

+ Côranh đông điện trắng (2A) được thiêu kết từ ôxit nhôm và các biến thể của nó 22A, 23A, 24A, 25A

Các loại Côranh đông điện hợp kim được phân biệt với nhau bởi hàm lượng của ôxit nhôm chứa trong nó

- Cacbit Silic: Là một hợp chất của Silic và cacbon nhận được từ than cốc và cát thạch anh khi nung nóng tới nhiệt độ 2000÷21000C trong lò điện Cacbit silic thích hợp cho các vật liệu mài có độ bền kéo thấp (nhôm, đồng thau, đồng thanh), cacbit thiêu kết, đá và sứ, được dùng cho gia công gang và hầu hết các kim loại màu và phi kim loại Tuỳ thuộc vào hàm lượng của silic nguyên chất người ta chia làm hai loại: Cacbit Silic xanh (6c) và Cacbit Silic đen (5c) Loại xanh lục chủ yếu dùng để mài các bít thiêu kết và các vật liệu cứng khác Loại đen được dùng mài gang và các kim loại màu mềm như nhôm, đồng thau, đồng thanh và các vật liệu gốm sứ Cacbit silic có một số tính chất quan trọng sau:

+ Chúng có độ cứng rất cao (đứng sau kim cương, Enbo, Cacbit Bo) + Có hình dáng nhọn sắc nên khả năng cắt rất cao

+ Độ chịu nhiệt rất cao ( tới 2050°C)

- Cacbit Bo: Là một hợp chất của Bo và cacbon (BrC) có khả năng cắt cao, chịu mài mòn và độ trơ hoá học Cacbit Bo được sản xuất có hàm lượng 87÷94%

BrC Cacbit Bo có độ cứng cao hơn Cacbit Silic và gần bằng kim cương, tuy nhiên không thích hợp để làm đá mài mà chỉ dùng làm bột mài thay thế cho bột kim cương

- El-Bo (Nitơrít Bo lập phương) là loại hạt mài tổng hợp có độ cứng nằm giữa Silicon Carbide và kim cương tinh thể, thường được gọi là Borazon CBN El-Bo

có khả năng mài thép dễ dàng, chính xác và tốt hơn kim cương trong nhiều trường hợp El-Bo có độ cứng gần gấp đôi ôxít nhôm và có thể chịu được nhiệt độ mài đến 13710C trước khi vỡ vụn El-Bo dùng để cắt nguội và chịu được hoá chất với tất cả các muối vô cơ và hợp chất hữu cơ Do độ cứng rất cao, nên đá mài làm từ vật liệu El-Bo có khả năng duy trì độ chính xác cao trong một thời gian dài, ít phải sửa lại đá khi gia công các bề mặt chi tiết có kích thước lớn

Trong sản xuất đá mài, người ta dùng vật liệu mài được nghiền nhỏ thành hạt Hạt là những tinh thể riêng rẽ hay liên tinh tinh thể, hoặc những mảnh tinh thể thường không đúng hình dạng và có kích thước không quá 5mm Hạt có ba kích thước cơ bản: chiều dài, chiều rộng và chiều dày Tuy nhiên để cho đơn giản, người

ta chỉ cho chiều rộng làm kích thước đặc trưng của hạt Việc sàng những hạt mài nhỏ thường được thực hiện bằng các lưới rây có lỗ vuông ở các nước, kể cả Liên xô

từ trước năm 1960, kích thước lỗ của lưới được đặc trưng bởi số mắt lưới, nghĩa là

số lỗ trên chiều dài một tấc Anh (25,4mm)

Độ hạt của đá mài được biểu thị bằng kích thước thực tế của hạt mài theo ΓOCT- 3647- 59 (bảng 1.2) Tính năng cắt gọt của vật liệu phụ thuộc vào kích thước hạt mài Khi mài thô dùng hạt có kích thước lớn, mài tinh dùng hạt có kích thước nhỏ Hạt mài được phân ra làm 3 nhóm

- Nhóm thứ nhất gọi là hạt mài có các số hiệu: 200, 160, 125, 100, 80, 63, 50,

40, 32, 25, 20, 16

- Nhóm thứ hai gọi là bột mài có các số hiệu: 12, 10, 8, 6, 5, 4, 3

- Nhóm thứ ba gọi là phấn mài có các số hiệu: M40, M28, M20, M14, M7, M5

- Mài tinh những chi tiết có độ bóng

và độ chính xác cao, các dụng cụ đo kiểm

- Mài ren, mài sửa cần có độ bóng cao Mài nghiền các chi tiết và các loại dụng cụ nhiều lưỡi cắt đòi hỏi

độ nhẵn cao Mài khôn xilanh, mài mỏng, mài rà

Mỗi số liệu hạt mài không được chứa dưới 45% nhóm cơ bản, không quá 20% nhóm lớn (nhóm bên cạnh có số hiệu độ hạt lớn) và không chứa dưới 90% nhóm phức hợp (bao gồm các số hiệu cơ bản cùng các số hiệu lớn và nhỏ lân cận)

Dụng cụ hạt mài sản xuất với những số hiệu độ hạt sau đây: 125, 80, 50, 40,

25, 16, 12, 8, 6, 5, 4, M40, M28, M20

Hạt mài không có hình dạng nhất định khi nghiền nhỏ Chúng thường là những hình chóp đa diện, lập phương, hình cầu hoặc dạng tấm phẳng có các cạnh bị vê tròn

Góc giữa các mặt của hạt mài dao động trong khoảng 30÷1800 Ở kim cương tổng hợp nhãn hiệu ACO, góc giữa các mặt dao động trong khoảng 19÷1210, trong

đó phần lớn là góc nhọn gần 72÷74%

Độ nhọn của hạt mài, đặc trưng bởi các bán kính góc lượn ở đỉnh và ở cạnh bên, tuỳ thuộc vào vật liệu mài và số liệu của độ hạt Hạt coranh đông điện thường

có bán kính góc lượn từ 4 đến 180 µm và hơn nữa

Bảng 1.3 Giá trị trung bình của bán kính góc lượn của hạt mài

Vật liệu

hạt mài

Số hiệu

độ hạt

Giá trị trung bình của

Góc nhọn

Giá trị trung bình của bán kính lượn (µm)

Hạt cacbit silic có góc ở đỉnh và ở các mặt nhọn hơn và bán kính góc lượn nhỏ hơn Hạt kim cương có bán kính góc lượn nhỏ nhất, giá trị trung bình của chúng trong khoảng 1- 9 µm trong đó phần lớn các đỉnh có bán kính trong khoảng dưới 1

µm

Chất kết dính dùng để kết dính những hạt mài rời rạc thành khối Đá mài có chất lượng cao hay thấp phụ thuộc vào chất kết dính Tuỳ thuộc vào yêu cầu của đá mài mà người ta sử dụng các chất dính kết khác nhau để chế tạo đá Chất kết dính thường được chia thành các nhóm cơ bản:

- Chất kết dính vô cơ gồm: Gốm, Manhêdit, Silicat

- Chất kết dính hữu cơ gồm: Bakelic, Gliphtalin, Vuncanic

và ôxit nhôm , chất kết dính silicat có độ cứng trung bình Đá mài với chất kết dính loại này rất nhanh mòn, nhưng ít tỏa nhiệt khi mài

Chất kết dính Bakelic: Thành phần chính của chất kết dính Bakelic là Bakelic lỏng hoặc bột (hắc ín, nhựa nhân tạo) Đá mài với chất kết dính này có độ bền cao nhưng mau mòn Chất kết dính bakelic có tính đàn hồi cao, do đó cho phép chế tạo

đá mài có chiều dày <0.5mm dùng làm đá cắt và gia công với chế độ cắt cao

Chất kết dính Vuncanit: Thành phần chính là cao su nhân tạo và một số chất phụ gia khác có chức năng làm tăng độ cứng, độ bền và độ đàn hồi của dụng cụ Đá mài với chất kết dính Vuncanit có độ đàn hồi cao hơn so với đá mài có chất kết dính bakelit nhưng nhiệt độ làm việc thấp hơn (150°C)

Để tăng độ bền của đá mài người ta sử dụng các chất kết dính hợp kim Chất kết dính có chứa Bo (52%) và Titan cho phép chế tạo đá mài làm việc với tốc độ cắt đến 60m/s Các chất kết dính có chứa thêm Oxit Bo, Oxitliti, Bari, Phtora sẽ làm tăng cường đáng kể các đặc tính cơ học của đá mài

Độ cứng của đá mài được hiểu là khả năng liên kết của các hạt mài bởi các chất kết dính để chống bật hạt mài khỏi bề mặt đá dưới tác dụng của ngoại lực Độ cứng càng cao có nghĩa là hạt mài càng khó tách rời khỏi bề mặt của đá, khả năng chịu lực của đá càng lớn, tuy nhiên khả năng tự mài sắc kém

Độ cứng của đá mài phụ thuộc vào tỷ lệ, chất lượng chất dính kết, dạng vật liệu hạt mài, độ nhấp nhô và hình dáng hạt, quy trình công nghệ chế tạo đá mài ( áp suất, chế độ nhiệt luyện ) Độ cứng của đá mài ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng khi mài

Sự thay đổi độ cứng của đá đạt được bằng cách thay đổi tỷ lệ chất kết dính

∆Vlk và tương ứng làm thay đổi thể tích khoảng trống khi giữ nguyên thể tích hạt mài, ứng với tổ chức nhất định của đá Sự thay đổi tỷ lệ chất dính kết ảnh hưởng đến độ bền liên kết các hạt mài

Quan hệ đó được biểu diễn như sau:

Vc + (Vlk ± ∆V) + (Vh ± ∆V) = 100%

Khi tăng hoặc giảm thể tích chất dính kết một lượng ∆V = 1.5% độ cứng sẽ thay đổi một cấp

Một thể tích nhất định của các khoảng trống tương ứng với một cấp độ cứng nhất định Tỷ lệ phần trăm thể tích khoảng trống trong đá mài ứng với các cấp độ cứng sau:

Độ cứng đá mài M1 M2 M3 CM1 CM2 C1 C2 CT1 CT2 CT3

Thể tích lỗ hổng % 46.5 45 43.5 42 40.5 39 37.5 36 34.5 33

Độ cứng càng cao kích thước khoảng trống càng nhỏ, chất dính kết càng nhiều, hạt mài được giữ trong đá càng chắc, lực làm bật hạt mài đòi hỏi phải lớn hơn Vì vậy đá có độ cứng cao hơn ít bị mòn hơn

- Độ cứng đá có độ hạt 80÷10 với chất dính kết cao su xác định trên máy đo AOT – 4 bằng cách đo số vòng quay cần thiết của mũi khoan để khoan vào thân đá mài đến chiều sâu nhất định Người ta cũng dùng đầu côn đo độ cứng TKH qua hai bước: dùng tải trọng sơ bộ 1kG và sau đó dùng 60kG Chỉ tiêu xác định độ cứng là

độ ăn sâu của đầu côn hợp kim cứng với góc côn ở đỉnh 60°, nung nóng đến 900°C Người ta thử đá mài ở bốn điểm khác nhau trên đá, giá trị độ cứng xác định theo giá trị trung bình của chiều sâu các rãnh lõm và đối chiếu với một bảng đặc biệt theo ΓOCT 3751 – 47

Hình1.6a Quan hệ giữa thể tích hạt mài, chất liên kết

và khoảng trống của đá mài có cấu trúc N 0 5

Hình1.6b Quan hệ giữa thể tích hạt mài, chất liên kết

và khoảng trống của đá mài có cấu trúc N 0 10

Bảng kí hiệu độ cứng đá mài của một số nước được dùng trong các xí nghiệp hiện nay - bảng 1.4

Kí hiệu của độ cứng đá theo mức tăng dần, bởi vậy M3 được xem là cứng hơn M1 , Trên thực tế chọn đúng độ cứng của đá có một ý nghĩa quan trọng, chúng ta biết rằng đá mài có những tính chất đặc trưng: tính cắt của chúng ở nhiều mức độ khác nhau

Cứng C1, C2 T1, T2 R, S Y1, Y2 T, U, V, W

Rất cứng RC1, RC2 BT1, BT2 T, U, V CY1, CY2 X,Y,Z

Đặc biệt cứng ĐC1, ĐC2 ЧT1, ЧT2 W, Z CY3, CY4 -

Khi mài bằng đá mài mà chọn đúng độ cứng, hạt mài theo thời gian mòn dần, tải trọng cắt trên hạt đá đó cũng lớn dần nó phải tự rơi hoặc tách ra khỏi bề mặt đá

để lớp cạnh cắt mới lại xuất hiện

Khi đá mài quá cứng thì khả năng tự mài sắc kém do đó đá mài mất hẳn tính cắt gọt, ma sát giữa đá mài và bề mặt chi tiết gia công tăng nhanh, sẽ xuất hiện cháy mài và nứt mài Trong trường hợp này phải tiến hành sửa đá

Khi mài bằng đá mài quá mềm, hạt mài sẽ bị tách vỡ khỏi bề mặt đá, nó không kịp mòn, đá mài mòn hình học quá nhanh, giảm năng suất gia công

1.3.5 Cấu trúc và sơ đồ pha của đá mài

1.3.5.1 Cấu trúc đá mài

Cấu trúc đá mài đặc trưng cho tổ chức bên trong của đá mài, nghĩa là quan hệ giữa các thể tích của hạt mài, chất kết dính và khoảng trống của đá Cơ sở để phân loại đá mài theo cấu trúc là thể tích của hạt mài Những đá mài có cùng một cấp cấu trúc khi thể tích do các hạt mài chiếm chỗ là như nhau với mọi cấp độ cứng Cấu trúc của đá mài chia làm 12 cấp từ 1÷12

Khi tăng một cấp cấu trúc thì thể tích hạt mài trong đá giảm một lượng ∆V= 2%, còn thể tích chất kết dính tăng 2% tương ứng:

(c)

Hình1.7 Sự thay đổi độ hạt, độ cứng và cấu trúc đá mài

a giảm độ hạt của đá giữ nguyên độ cứng và cấu trúc

b tăng độ cứng của đá khi giữ nguyên độ hạt và cấu trúc

c tăng số hiệu cấu trúc của đá khi giữ nguyên độ hạt và độ cứng

Thể tích chung các khoảng trống ∆r của đá ứng với một độ cứng nhất định không thay đổi với các cấu trúc khác nhau Tuy nhiên khi tăng cấp cấu trúc của đá thì các khoảng trống sẽ trở lên lớn hơn

Bảng 1.5 Tỷ lệ hạt mài trong đá ứng với các cấp cấu trúc

Tên gọi cấu trúc Chặt Trung bình Xốp