Luận án tiến sĩ nghiên cứu chế độ công nghệ sửa đá, bôi trơn làm nguội và xác định đường kính đá mài tối ưu

Ảnh hưởng của chế độ sửa đá đến nhám bề mặt và năng suất khi mài lỗ ..... Để nâng cao hiệu quả cho quá trình mài lỗ, nhiều giải pháp được đề xuất nhằm cải thiện các chỉ tiêu kinh tế, kỹ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là hoàn toàn do bản thân tự nghiên cứu, không sao chép của bất kỳ ai hay nguồn nào (trừ những điểm được trích dẫn)

Các kết quả tính toán (trừ những điểm được trích dẫn) đều được thực hiện nghiêm túc, trung thực, không chỉnh sửa, không sao chép của bất kỳ nguồn nào

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 9 năm 2019

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin được bày tỏ lòng biết

ơn chân thành tới tập thể người hướng dẫn khoa học là những người thầy đã dành nhiều thời gian hướng dẫn, tận tình chỉ bảo tôi trong suốt quá trình nghiên cứu Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa Cơ khí của Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận án

Để có được những kết quả như ngày hôm nay, tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của cán bộ, công nhân của Doanh nghiệp tư nhân Cơ khí chính xác Thái Hà và Công ty cổ phần Phụ tùng máy số 1 đã giúp đỡ tôi hoàn thành các công việc liên quan đến thí nghiệm, thực nghiệm và đo đạc

Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp những người luôn bên cạnh tôi, đã động viên, chia sẻ, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành Luận án

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH VẼ x

DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii

PHẦN MỞ ĐẦU 1

Tính cấp thiết của đề tài 1

Đối tượng nghiên cứu 3

Mục đích nghiên cứu 3

Phạm vi nghiên cứu ……… 3

Phương pháp nghiên cứu 3

Nội dung nghiên cứu 3

Những đóng góp mới 4

Cấu trúc của luận án 4

Ý nghĩa của đề tài 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÀI LỖ 5

1.1 Giới thiệu về mài lỗ 5

1.1.1 Các sơ đồ mài lỗ 5

1.1.2 Trục mang đá của đá mài lỗ 6

1.1.3 Vị trí và vai trò của nguyên công mài lỗ trong quy trình công nghệ 8

1.2 Các đặc điểm của quá trình mài lỗ 9

1.2.1 Chiều dài cung tiếp xúc lk 9

1.2.2 Chiều dày lớp cắt khi mài az 10

1.2.3 Đường kính tương đương của đá mài 11

1.2.4 Quá trình tách phoi của hạt mài 11

1.2.5 Năng suất bóc tách của quá trình mài 13

1.2.6 Lực trong quá trình mài 14

1.3 Mòn đá và tuổi bền của đá mài 16

1.3.1 Mòn đá mài 16

1.3.2 Tuổi bền của đá 18

1.3.3 Chất lượng bề mặt sau mài 20

1.3.4 Topography của đá mài 22

1.4 Tổng quan các nghiên cứu về mài lỗ 23

1.4.1 Ảnh hưởng của bôi trơn làm nguội (BTLN) đến quá trình mài lỗ 24

1.4.2 Ảnh hưởng của chế độ sửa đá đến quá trình mài lỗ 29

1.4.3 Ảnh hưởng của chế độ cắt và đá mài đến quá trình mài lỗ 33

1.4.4 Các mô hình tính toán chi phí trong gia công mài 37

1.5 Kết luận chương 1 41

Nhận xét 41

Định hướng vấn đề nghiên cứu 41

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH NÂNG CAO HIỆU QUẢ QUÁ TRÌNH MÀI LỖ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM 43

2.1 Mô hình nâng cao hiệu quả quá trình mài lỗ 43

2.1.1 Sơ đồ và cơ sở của nghiên cứu nâng cao hiệu quả quá trình mài lỗ 43

2.1.2 Chọn thông số đầu vào 44

2.1.3 Các tham số điều khiển được 45

2.1.4 Các tham số nhiễu 45

2.1.5 Các thông số đầu ra 45

2.1.6 Các giải pháp nâng cao hiệu quả quá trình mài lỗ 46

2.2 Hệ thống thí nghiệm 47

2.3 Kết luận chương 2 50

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ BÔI TRƠN – LÀM NGUỘI ĐẾN QUÁ TRÌNH MÀI LỖ 51

3.1 Mục đích thí nghiệm 52

3.2 Thiết kế thí nghiệm 52

3.3 Thực nghiệm và xử lý kết quả 55

3.3.1 Với dầu Caltex Aquatex 3180 55

3.3.2 Với dầu Emulsion 57

3.4.3 Xác định chế độ bôi trơn – làm nguội hợp lý khi mài lỗ 60

3.5 Kết luận chương 3 62

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ SỬA ĐÁ ĐẾN QUÁ TRÌNH MÀI LỖ 63

4.1 Mục đích thí nghiệm 64

4.2 Thiết kế thí nghiệm 64

4.3 Ảnh hưởng của chế độ sửa đá đến nhám bề mặt và năng suất khi mài lỗ 69

4.3.1 Kết quả thực nghiệm 69

4.3.2 Đánh giá kết quả thực nghiệm và tối ưu hóa đơn mục tiêu 69

4.4 Tối ưu hóa đa mục tiêu 79

4.5 Kết luận chương 4 86

CHƯƠNG 5 XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG KÍNH ĐÁ MÀI KHI THAY ĐÁ TRONG GIA CÔNG MÀI LỖ 87

5.1 Phân tích chi phí cho quá trình mài lỗ 87

5.1.1 Tổng thời gian mài 01 chi tiết, tt 88

5.1.2 Chi phí cho máy Cm,h 90

5.1.3 Chi phí cho con người và chi phí gián tiếp Cwa,h 90

5.1.4 Chi phí cho đá mài Cgw,p 90

5.2 Ảnh hưởng của các thông số đến chi phí của quá trình mài lỗ 91

5.2.1 Mức độ ảnh hưởng 93

5.2.2 Đặc điểm ảnh hưởng 94

5.3 Đường kính thay đá hợp lý 96

5.3.1 Xác định đường kính thay đá hợp lý 96

5.3.2 Ảnh hưởng của các thông số đến đường kính thay đá hợp lý 97

5.3.3 Mô hình hồi quy xác định đường kính đá mài khi thay hợp lý 101

5.4 Kết luận chương 5 102

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN 104

Kết luận chung 104

Hướng nghiên cứu tiếp theo 105

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO 108

DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

ANOVA Phân tích phương sai (Analysis of Variance)

BTLN Bôi trơn làm nguội

CCD Dạng kế hoạch hỗn hợp tâm xoay (Central Composite Design)

MSD Tổng bình phương trung bình của giá trị đo

Stiff Độ cứng vững trục mang đá

S/N Tỷ số tín hiệu nhiễu (Signal-to-noise)

DANH MỤC KÝ HIỆU CHÍNH

Cmt,h Chi phí cho máy, quản lý, con người theo giờ VNĐ/h

Cmt,p Chi phí cho máy, quản lý, con người theo chi tiết VNĐ/h

Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị

Csqm Chi phí nhà xưởng cho 1m2 trong 1 năm VNĐ/m2năm

CK Số lần sửa đá siêu tinh

k Số nhân tố khảo sát nghiên cứu thực nghiệm

Nd Số chi tiết mài được sau 1 lần sửa đá

Nw Số chi tiết mài được của 1 viên đá

nsđ Số lượt sửa đá

Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị

tcw,p Thời gian thay đá tính cho mài một chí tiết giờ

tg Cấp chính xác chi tiết

Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị

 Tỷ số giữa đường kính đá mài khi thay chia cho đường kính đá

mài ban đầu

 Tỷ số giữa đường kính lỗ chia cho đường kính đá mài ban đầu

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ mài lỗ có tâm 5

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý mài tròn trong vô tâm 5

Hình 1.3 Kết cấu trục mang đá của đá mài lỗ 6

Hình 1.4 Kết cấu gắn đá mài với trục mang đá 7

Hình 1.5 Các lựa chọn cho quá trình gia công tinh bề mặt lỗ 8

Hình 1.6 Chiều dài cung tiếp xúc của các phương pháp mài 10

Hình 1.7 Hình dạng hạt mài và phân tích lưỡi cắt 12

Hình 1.8 Quá trình tách phoi của hạt mài 12

Hình 1.9 Quá trình tạo phoi khi mài 13

Hình 1.10 Lực cắt tác dụng lên hạt mài 14

Hình 1.11 Quan hệ Py – Pz 16

Hình 1.12 Các dạng của đá mài 16

Hình 1.13 Các trạng thái mòn của đá mài 17

Hình 1.14 Sự biến đổi của lượng mòn, dạng mòn theo thời gian gia công 17

Hình 1.15: Quá trình mòn của đá 18

Hình 1.16 Sự hình thành độ nhám bề mặt khi mài 20

Hình 1.17 Biên dạng của đá mài 23

Hình 1.18 Mô hình hóa quá trình mài 24

Hình 1.19 Hai dạng vòi phun dung dịch BTLN 25

Hình 1.20 Vị trí của vòi phun trong mài lỗ 25

Hình 1.21 Hệ thống BTLN của Nadolny 26

Hình 1.22 Ảnh hưởng của loại dung dịch BTLN và áp suất BTLN đến độ nhám bề mặt mài 26

Hình 1.23 Độ nhám bề mặt gia công khi mài lỗ 24,4 27

Hình 1.24 Lực mài (Py) khi bôi trơn tối thiểu có chất phụ gia vật liệu nano 28

Hình 1.25 Độ nhám bề mặt (Ra) khi làm nguội tối thiểu có chất phụ gia nano 28

Hình 1.26 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đến độ nhám bề mặt mài 28

Hình 1.27 Du ̣ng cu ̣ sửa đá kim cương 30

Hình 1.28 Biểu đồ Schmitt mô tả ảnh hưởng của tốc độ bóc tách và lượng tiến dao

khi mài lỗ đến nhám bề mặt 30

Hình 1.29 Ảnh bề mặt của đá mài CBN trước (phải) và sau (trái) sửa đá 31

Hình 1.30 Cách gá mũi sửa đá kim cương mô ̣t ha ̣t và ảnh hưởng tới 31

độ nhám bề mặt 31

Hình 1.31: Sơ đồ thí nghiệm giám sát quá trình mài lỗ 34

Hình 1.32 Phương pháp mài lỗ chạy dao dọc một lần chạy dao (single-pass) 35

Hình 1.33 Biểu đồ chi phí cho quá trình mài 39

Hình 2.1 Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm 43

Hình 2.2 Mô hình nâng cao hiệu quả của quá trình mài lỗ 46

Hình 2.3 Quan hệ giữa thời gian làm việc của đá mài với chi phí mài 47

Hình 2.4 Phôi thí nghiệm thép 90CrSi 48

Hình 2.5 Hình ảnh máy đo nhám Mitutoyo SV-3100 48

Hình 2.6 Kính hiển vi kỹ thuật số Keyence VHX-6000 49

Hình 2.7: Đá mài 49

Hình 2.8: Mũi sửa đá kim cương 50

Hình 3.1 Ảnh hưởng của các thông số BTLN tới các tham số và kết quả của quá trình mài 51

Hình 3.2 Sơ đồ thí nghiệm 52

Hình 3.3 Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm 53

Hình 3.4 Phân tích kết quả thí nghiệm khi sử dụng dung dịch Caltex Aquatex 3180 56

Hình 3.5 Đồ thị bề mặt chỉ tiêu tối ưu hóa khi sử dụng dầu Caltex Aquatex 3180 57 Hình 3.6 Phân tích kết quả thí nghiệm khi sử dụng dung dịch Emulsion 59

Hình 3.7 Đồ thị bề mặt chỉ tiêu khi tối ưu hóa sử dụng dung dịch Emulsion 59

Hình 3.8 Số liệu kết quả tối ưu hóa sử dụng dung dịch Aquatex 3180 60

Hình 3.9 Đồ thị tối ưu hóa sử dụng dung dịch Aquatex 3180 61

Hình 3.10 Số liệu kết quả tối ưu hóa sử dụng dung dịch Emulsion 61

Hình 3.11 Đồ thị tối ưu hóa sử dụng dung dịch Emulsion 61

Hình 4.1 Mô hình quá trình sửa đá với phương pháp sửa đá tiếp xúc 63

Hình 4.2 Sơ đồ thí nghiệm sửa đá 64

Hình 4.3 Ảnh hưởng của các thông số đến Ra 71

Hình 4.4 Ảnh hưởng của các thông số đến tỷ số S/N của Ra 73

Hình 4.5 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ sửa đá đến MRR trung bình 76

Hình 4.6 Topography đá mài 77

Hình 4.7 Ảnh hưởng của các thông số đến tỷ số S/N của MRR 78

Hình 4.8 Đồ thị các ảnh hưởng chính của các thông số 83

Hình 5.1 Đồ thị Pareto ảnh hưởng các thông số đến chi phí mài 93

Hình 5.2 Ảnh hưởng của các thông số đến chi phí gia công khi mài lỗ 94

Hình 5.3 Mối quan hệ giữa đường kính đá mài khi thay với chi phí mài 96

Hình 5.4 Khai báo biến thí nghiệm trong phần mềm Minitab 98

Hình 5.5 Đồ thị các ảnh hưởng chính đến De,op 99

Hình 5.6 Đồ thị ảnh hưởng chung của các yếu tố 100

Hình 5.7 Đồ thị Pareto của các yếu tố ảnh hưởng D0, Bw, aed, tg, Tw, Wpd, Cmh, Cwh, Cgw, Rld đến Dop 100

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Ưu điểm và nhược điểm của tiện cứng và mài khi gia công tinh bề mặt lỗ

9

Bảng 1.2 Chế đô ̣ sửa đá với đầu sửa đá kim cương của Winter 32

Bảng 1.3 Chế độ sửa đá khi mài lỗ sử dụng mũi sửa đá một hạt 33

Bảng 2.1 Thành phần hóa học của mẫu thí nghiệm 90CrSi 48

Bảng 3.1 Giá trị mã hóa tại các điểm thí nghiệm 54

Bảng 3.2 Kết quả đo nhám bề mặt khi sử dụng dung dịch BTLN Caltex Aquatex 3180 55

Bảng 3.3 Kết quả đo nhám bề mặt khi sử dụng dung dịch BTLN Emulsion 58

Bảng 4.1 Mức và các thông số đầu vào 66

Bảng 4.2 Sơ đồ thí nghiệm theo thiết kế Taguchi L18 67

Bảng 4.3 Đặc trưng đầu ra cho các thông số 68

Bảng 4.4 Kết quả trị số độ nhám Ra, MRR và tỷ số S/N của chỉ tiêu 69

Bảng 4.5 Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đến trị số độ nhám trung bình 70

Bảng 4.6 Phân tích ANOVA cho giá trị trị số độ nhám trung bình 70

Bảng 4.7 Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đến tỷ số S/N của trị số độ nhám 72

Bảng 4.8 Phân tích ANOVA cho tỷ số S/N của trị số độ nhám 73

Bảng 4.9 Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đến MRR 75

Bảng 4.10 Phân tích ANOVA cho tỷ số S/N của MRR 75

Bảng 4.11 Trị số S/N, giá trị chuẩn hóa S/N Zij và giá trị tuyệt đối của sai lệch j(k) 80

Bảng 4.12 Thể hiện trị số quan hệ xám ứng với các mục tiêu và trị số quan hệ xám trung bình 81

Bảng 4.13 Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến hệ số quan hệ xám 82

Bảng 4.14 Kết quả phân tích hồi quy phương sai của trị số quan hệ xám 84

Bảng 4.15 Kết quả so sánh giữa tính toán và thực nghiệm 85

Bảng 5.1 Các nhân tố ảnh hưởng tới chi phí mài và các giá trị của chúng 92

Bảng 5.2 Số liệu thí nghiệm và kết quả tính chi phí mài 92

Bảng 5.3 Phạm vi khảo sát các biến thực nghiệm 97

Bảng 5.4 Giá trị các tham số khảo sát ảnh hưởng chi phí mài lỗ 98

Bảng 5.5 Kế hoạch thí nghiệm sàng lọc 98

Bảng 5.6 Thông tin mô hình hồi quy sau khi loại bỏ các yếu tố và tương tác có ảnh hưởng yếu đến De,op 102

Bảng 5.7 Bảng hệ số hồi quy được triết xuất từ Minitab 102

PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Với sự tiến bộ vượt bậc của kỹ thuật và công nghệ, sản phẩm cơ khí ngày nay phải đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao về chất lượng và năng suất Trên thực tế,

đa số các nguyên công cuối trong quy trình công nghệ chế tạo chi tiết cơ khí là nguyên công mài Bởi vì, mài có thể gia công với chiều sâu cắt rất nhỏ, vận tốc cắt lớn Thêm vào đó, độ chính xác và độ nhám bề mặt sau khi mài đạt rất cao (cấp chính xác từ 5-7, nhám bề mặt từ 0,2-3,2 μm) [31, 35, 51] Mài đặc biệt chiếm ưu thế khi gia công tinh các chi tiết đã tôi cứng, các chi tiết có độ cứng, độ bền cao vv… Chính nhờ các ưu điểm trên, mài được dùng rất phổ biến trong gia công cơ khí

để gia công tinh và bán tinh Mài chiếm khoảng 20-25% [35] tổng chi phí cho gia công cơ nói chung Do đó, nâng cao hiệu quả cho quá trình mài – giảm chi phí cho gia công mài mà vẫn đảm bảo độ chính xác gia công là một trong các hướng nghiên cứu được nhiều nhà khoa học quan tâm

So với mài tròn ngoài và mài phẳng, quá trình mài lỗ (hay mài tròn trong) được thực hiện trong điều kiện khó khăn, phức tạp hơn Thứ nhất, không gian gia công khi mài lỗ bị giới hạn bởi kích thước của chi tiết, đặc biệt khi mài lỗ nên dung dịch bôi trơn - làm nguội (BTLN) khó tiếp cận vùng cắt nên việc thoát phoi và làm nguội khó khăn Thứ hai, đường kính đá mài nhỏ nên đường kính trục mang đá nhỏ Điều đó làm giảm độ cứng vững của trục mang đá mài, giảm vận tốc cắt và dẫn đến giảm năng suất mài Cũng do những khó khăn về điều kiện kỹ thuật như vậy nên việc nghiên cứu quá trình mài lỗ cũng gặp nhiều khó khăn hơn Do đó, mài lỗ ít được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu hơn mài tròn ngoài hay mài phẳng

Để nâng cao hiệu quả cho quá trình mài lỗ, nhiều giải pháp được đề xuất nhằm cải thiện các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của quá trình như: sử dụng những loại đá mài cao cấp (đá mài kim cương, đá mài CBN), mài cao tốc (tăng vận tốc cắt), tối ưu hóa thông số quá trình (chế độ cắt, bôi trơn – làm nguội, sửa đá) và cải thiện điều kiện bôi trơn – làm nguội Trong đó, tối ưu hóa thông số quá trình mài được nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu vì nó vừa có thể cải thiện rõ rệt chỉ tiêu về kỹ thuật đồng thời góp phần nâng cao hiệu quả về kinh tế

Trên thực tế, việc sử dụng dung dịch bôi trơn – làm nguội là biện pháp hiệu quả nhằm làm giảm nhiệt, giảm mòn đá khi mài Qua đó, năng suất và chất lượng của quá trình mài được cải thiện [51] Thêm vào đó, nghiên cứu trong [5] cho thấy chế độ sửa đá có ảnh hưởng nhiều đến topography của đá và qua đó ảnh hưởng đến khả năng cắt của nó Trong gia công mài, vận tốc cắt của đá là nhân tố rất quan trọng quyết định đến năng suất [31, 34, 35, 51] và giá thành quá trình gia công Bên cạnh đó, đường kính đá mài khi thay (hay tuổi thọ của đá mài) là nhân tố liên quan trực tiếp vận tốc cắt của đá Do đó, nó là nhân tố ảnh hưởng lớn tới chất lượng và năng suất mài Với các trường hợp máy mài có tốc độ trục đá không thay đổi được, khi đá mài còn mới, đá có đường kính lớn nên vận tốc mài lớn sẽ cho năng suất mài

và chất lượng cao Khi mòn, đường kính của đá mài giảm, vận tốc cắt giảm nên sẽ làm giảm chất lượng và năng suất của quá trình mài Vì vậy, sẽ tồn tại một giá trị đường kính đá mài khi thay tối ưu (hay tuổi thọ tối ưu của đá) Cho đến nay chưa có nghiên cứu nào đề cập đến tuổi thọ (hay đường kính khi thay) tối ưu của đá mài khi mài lỗ

Thép 90CrSi là thép hợp kim dụng cụ có độ bền cơ học và tính chịu mài mòn cao, thường được dùng để chế tạo khuôn, dụng cụ cắt có tốc độ cắt thấp và các chi tiết đòi hỏi tuổi bền cao, có khả năng chịu mài mòn Các cơ sở sản xuất chế tạo vật

tư cho máy của ngành dược ở miền Bắc nước ta thường sử dụng thép 90CrSi để chế tạo các chi tiết đặc biệt là chày, cối dập thuốc Công nghệ mài lỗ được áp dụng gia công tinh lần cuối bề mặt lỗ cối dập thuốc viên nén Mặc dù vậy, chất lượng bề mặt cũng như năng suất của quá trình gia công còn chưa cao Do vậy, những kết quả nghiên cứu trong đề tài sẽ góp phần cung cấp những lời khuyên hợp lý nhằm nâng cao hiệu quá trình gia công mài lỗ ở những cơ sở này

Từ phân tích nêu trên ta thấy có thể nâng cao hiệu quả của quá trình mài (tăng năng suất hay giảm chi phí mài) bằng việc thực hiện 3 giải pháp sau:

+) Xác định chế độ bôi trơn làm nguội hợp lý;

+) Xác định chế độ sửa đá hợp lý;

+) Xác định đường kính tối ưu khi thay đá hay tuổi thọ tối ưu của đá mài;

Xuất phát từ những đặc điểm và tình hình trên đây là định hướng cho việc

chọn đề tài “Nghiên cứu chế độ công nghệ sửa đá, bôi trơn – làm nguội và xác định đường kính đá mài tối ưu khi thay đá để nâng cao hiệu quả của quá trình mài lỗ”

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là công nghệ mài lỗ, với đối tượng thực nghiệm là thép 90CrSi qua tôi

Mục tiêu nghiên cứu

- Giảm chi phí gia công, cải thiện độ nhám của bề mặt chi tiết gia công và nâng cao năng suất mài

- Bằng nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, xác định chế độ bôi trơn làm nguội, chế độ sửa đá hợp lý và đường kính thay đá mài hợp lý nhằm đạt nhám bề mặt gia công nhỏ nhất, năng suất gia công cao nhất và chi phí mài nhỏ nhất góp phần nâng cao hiệu quả của quá trình mài lỗ chi tiết từ thép 90CrSi đã qua tôi

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kế hợp lý thuyết với thực nghiệm

Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích và tổng hợp cơ sở lý thuyết của công nghệ

mài lỗ, lý thuyết tính toán chi phí mài

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

số cũng như xác định các thông số hợp lý của chế độ bôi trơn làm nguội (BTLN), sửa đá và đường kính đá khi thay trong gia công mài lỗ

Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan quá trình mài lỗ

Nghiên cứu ảnh hưởng của loại, chế độ BTLN, chế độ sửa đá đến nhám bề mặt, năng suất mài

Nghiên cứu xây dựng mô hình tính toán chi phí gia công quá trình mài lỗ và ảnh hưởng của các nhân tố đến chi phí mài

Nghiên cứu xác định đường kính đá mài khi thay đá trong gia công mài lỗ (tuổi thọ hợp lý của đá mài)

Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng, xác định chế độ bôi trơn – làm nguội, chế độ sửa đá với mài lỗ thép 90CrSi

Cấu trúc của luận án

Luận án gồm các phần: Mở đầu, 5 chương, kết luận và phần phụ lục

Chương 1: Tổng quan về mài lỗ

Chương 2: Mô hình nâng cao hiệu quả quá trình mài lỗ và xây dựng hệ thống thí nghiệm

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của chế độ bôi trơn – làm nguội đến quá trình mài lỗ

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của chế độ sửa đá đến quá trình mài lỗ

Chương 5: Xác định đường kính đá mài khi thay đá trong gia công mài lỗ

Ý nghĩa của đề tài

Ý nghĩa khoa học

Nội dung luận án làm rõ ảnh hưởng của các yếu tố của chế độ BTLN, chế độ sửa đá đến độ nhám bề mặt và năng suất khi mài lỗ thép 90CrSi Xây dựng mô hình xác định chi phí quá trình mài lỗ, đề xuất công thức xác định đường kính đá mài tối

ưu khi thay đá Đề tài đóng góp kết quả vào hướng nghiên cứu về mài lỗ, chi phí mài đang dành được sự quan tâm của các nhà khoa học

Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu xác định các biện pháp nâng cao hiệu quả của quá trình mài lỗ nhằm nâng cao năng suất, giảm giá thành khi mài lỗ chi tiết thép 90CrSi Kết quả này có thể áp dụng vào quá trình gia công trong thực tế để gia công các sản phẩm lỗ cối dập thuốc viên nén

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÀI LỖ

1.1 Giới thiệu về mài lỗ

1.1.1 Các sơ đồ mài lỗ

Khi mài lỗ, với đường kính lỗ nhỏ hơn 50mm, đường kính đá mài bằng 0,7÷ 0,9 đường kính lỗ cần mài [35] Mài lỗ cũng được tiến hành bằng hai phương pháp

đó là mài có tâm (hình 1.1) và mài vô tâm (hình 1.2) Cụ thể trong nghiên cứu này

ta sẽ sử dụng phương pháp mài có tâm là phương pháp thường dùng và phổ biến hơn cả

Hình 1.1 Sơ đồ mài lỗ có tâm [1]

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý mài tròn trong vô tâm [1]

Mài lỗ có tâm có hai cách gá đặt chi tiết

- Cách thứ nhất: chi tiết được kẹp chặt trên mâm cặp và quay tròn với tốc độ

nw (hình 1.1a) Trục đá quay (nđ) và thực hiện cả chuyển động chạy dao dọc hoặc chuyển động chạy dao ngang (fa, fr) Phương pháp này thường dùng để mài chi tiết nhỏ, các mặt tròn xoay, các vật dễ gá trên mâm cặp

- Cách thứ hai: chi tiết đươc gá cố định trên bàn máy (hình 1.1b) Trục mang

đá thực hiện tất cả các chuyển động gồm: chuyển động quay tròn của đá (nđ), chuyển động chạy dao dọc hoặc ngang (fa, fr) và chuyển động hành tinh (nht) của đá xung quanh tâm lỗ gia công để cắt hết bề mặt chu vi lỗ Thực chất chuyển động hành tinh của đá ở cách thứ hai là thay cho chuyển động quay tròn của chi tiết gia công của cách thứ nhất Cách thứ hai này thuận tiện khi gia công các chi tiết lớn như thân động cơ, các loại hộp, các chi tiết cồng kềnh

1.1.2 Trục mang đá của đá mài lỗ

Trục mang đá (quill) có công dụng đưa đá mài tiếp cận đến vùng cắt Do trục chính của máy mài thường được thiết kế theo tiêu chuẩn nên trục mang đá có độ tùy biến cao và giúp mở rộng công năng của trục chính Kết cấu trục mang đá ảnh hưởng nhiều đến độ cứng vững của đá mài, do đó làm ảnh hưởng tới độ chính xác gia công

a Kết cấu trục mang đá gắn với trục chính

Có 2 phương pháp gắn trục mang đá với trục chính và phụ thuộc vào thiết kế trục chính gồm: gắn bằng ren và gắn bằng bề mặt côn (hình 1.3) Loại trục mang đá gắn với trục chính bằng ren là loại rất phổ biến nhất

Hình 1.3 Kết cấu trục mang đá của đá mài lỗ

b Kết cấu gắn đá mài với trục mang đá

Có 3 phương pháp gắn đá mài với trục mang đá

- Gắn bằng keo (hình 1.4a): phương pháp này thường được sử dụng với đá mài

có đường kính nhỏ và giúp cho trục mang đá có độ cứng vững cao Tuy nhiên, việc thay đá có nhiều khó khăn

a) Gắn đá mài bằng keo b) Gắn đá mài bằng ren

c) gắn đá mài bằng collet Hình 1.4 Kết cấu gắn đá mài với trục mang đá

- Gắn bằng ren (hình 1.4b): phương pháp này được sử dụng cho sản xuất loạt lớn và đòi hỏi phải thay đá thường xuyên

- Gắn bằng collet (hình 1.4c): phương pháp này được sử dụng khi đá mài có kích thước khác nhau và giúp thay đổi đá mài dễ dàng

c Các thông số của trục mang đá

- Chiều dài trục mang đá càng nhỏ thì độ cứng vững của đá càng Tuy nhiên, chiều dài trục mang đá cần đủ dài để mài hết chiều dài lỗ

- Đường kính trục mang đá: đường kính trục mang đá nên chọn lớn nhất có thể

để vừa đảm bảo độ cứng vừa tăng được tuổi thọ của đá mài

- Độ cứng vững: độ cứng vững hợp lý được xác định [44] như sau:

4

3

E D Stiff

L – Chiều dài trục mang đá (mm)

1.1.3 Vị trí và vai trò của nguyên công mài lỗ trong quy trình công nghệ

Trong quy trình công nghệ gia công các chi tiết lỗ sau nhiệt luyện, mài và tiện cứng là hai phương pháp gia công thường được các nhà công nghệ lựa chọn Việc lựa chọn phương pháp gia công nào phụ thuộc vào yêu cầu của sản phẩm cũng như

ưu nhược điểm của từng phương pháp gia công Trong hình 1.5, các bước gia công thô, gia công tinh khi gia công bề mặt lỗ có thể lựa chọn tiện hoặc mài Thông thường tiện được lựa chọn cho gia công thô còn phương pháp mài được chọn là phương pháp gia công tinh lần cuối [17]

Hình 1.5 Các lựa chọn cho quá trình gia công tinh bề mặt lỗ [17]

Với mỗi phương pháp gia công tinh lần cuối (mài lỗ, tiện cứng) đều có những

ưu nhược điểm khác nhau Không có phương pháp nào là có lợi thế tuyệt đối, thay vào đó mỗi phương pháp sẽ có những ưu nhược điểm bổ trợ cho nhau như bảng 1.1

Ưu điểm nổi trội của phương pháp mài đó là chi phí cho gia công rẻ mà vẫn đảm bảo tốt các yêu cầu kỹ thuật

Bảng 1.1 Ưu điểm và nhược điểm của tiện cứng và mài khi gia công tinh bề mặt lỗ [17]

Ưu điểm:

- Độ linh hoạt cao

- Năng suất cao

- Có thể cắt khô – thân thiện với môi

- Lượng dư gia công nhỏ

- Chi phí cho đá mài rẻ

Nhược điểm:

- Cắt khô có thể gây nhiệt cắt lớn

- Quá trình cắt thiếu ổn định do dao tiện

chỉ cắt đơn điểm

- Lớp bề mặt bị biến trắng do nhiệt cao

- Chi phí cho dụng cụ cắt lớn

- Khó gia công lỗ sâu

- Lượng dư gia công lớn

Nhược điểm:

- Bắt buộc phải sử dụng dung dịch BTLN – gây ô nhiễm môi trường

- Khó (không thể) tái chế phoi

- Mức độ tiêu thụ năng lượng cao

- Không linh hoạt

- Năng suất bóc tách không cao

- Phải sửa đá (mất nhiều thời gian)

1.2 Các đặc điểm của quá trình mài lỗ

1.2.1 Chiều dài cung tiếp xúc l k

Khi bỏ qua biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ, chiều dài cung tiếp xúc giữa đá mài và chi tiết khi gia công mài lỗ được xác định theo công thức: [11]

t – chiều sâu cắt

Dấu “+” được lấy khi chi tiết và đá mài quay cùng chiều, dấu

“-”được lấy khi chi tiết và đá mài quay ngược chiều

Khi mài chạy dao ngang, fa = 0 thì u = 0 ta có:

w w ct

v l

lo ph ng

Hình 1.6 Chiều dài cung tiếp xúc của các phương pháp mài

Chiều dài cung tiếp xúc giữa đá mài và chi tiết trong trường hợp mài lỗ là lớn nhất trong các phương pháp mài

1.2.2 Chiều dày lớp cắt khi mài a z

Chiều dày lớp cắt được tính theo công thức tổng quát sau [11] (hình 1.9)

Trong đó:

t – Chiều sâu cắt thực tế của một hạt mài (mm)

l – Khoảng cách thực tế giữa cát hạt mài (mm)

Bgw – Chiều rộng của đá (mm)

ξ – Hệ số: với mài lỗ ξ = -1, với mài ngoài ξ = +1, với mài phẳng ξ = 0

Từ phương trình 1.6 suy ra: chiều dày lớp cắt phụ thuộc vào tất cả thông số của mài Trị số az quyết định tải trọng tác dụng trên hạt mài, tuổi bền và độ mòn đá [5] Do vậy, phương trình 1.6 được xem như phương trình cơ bản của quá trình mài Chiều dày lớp cắt của một hạt mài của các dạng mài lỗ, mài phẳng và mài tròn ngoài có quan hệ như sau [11]:

1.2.3 Đường kính tương đương của đá mài

Đường kính tương đương cũng được sử dụng trong quá trình nghiên cứu về mài Đường kính tương đương được xác định theo [31]:

1.2.4 Quá trình tách phoi của hạt mài

Các hạt mài được giữ chặt trong đá mài bằng chất dính kết Hạt mài có nhiều cạnh cắt và có bán kính tròn rs ở đỉnh (hình 1.7)

Theo Grof [65], quá trình tách phoi của hạt có thể chia làm 6 giai đoạn được minh họa trong hình 1.8

+ Giai đoạn 1: Hạt mài tiếp xúc với chi tiết, biến dạng tại đây là biến dạng đàn hồi và chưa hình thành phoi

+ Giai đoạn 2: Khi hạt mài tiếp xúc sâu hơn vào trong chi tiết, mảnh phoi được hình thành, bị nén và uốn cong Do góc cắt của hạt mài lớn, phoi lúc này sẽ có dạng phẳng

Hình 1.7 Hình dạng hạt mài và phân tích lưỡi cắt [31]

+Giai đoạn 3: Khi lượng chạy dao nhỏ, phoi hình thành có dạng sợi Trong trường hợp lượng chạy dao lớn, lưỡi cắt sẽ xuyên vào vật liệu sâu hơn, gần ¾ hạt mài sẽ tiếp xúc với vật liệu và tạo ra nhiệt lớn

Hình 1.8 Quá trình tách phoi của hạt mài [65]

+ Giai đoạn 4: Ảnh hưởng của nhiệt làm nóng chảy một phần phoi và nếu như quá trình tiếp xúc giữa lưỡi cắt và vật liệu gia công kết thúc tại giai đoạn này sẽ tạo

ra phoi có dạng như “nòng nọc”

+ Giai đoạn 5: Nếu như lưỡi cắt và vật liệu gia công vẫn tiếp tục tiếp xúc phoi

sẽ có dạng sợi và rơi ra khỏi bề mặt vật liệu gia công

+ Giai đoạn 6: Phoi nóng chảy sẽ trở thành dạng cầu do sức căng mặt ngoài

Hình 1.9 Quá trình tạo phoi khi mài [35]

Quá trình tạo phoi còn có thể được mô tả như hình 1.9 Do đá mài có bán kính lưỡi cắt là rs và góc α nhỏ nên ban đầu phoi không được hình thành mà vật liệu bị biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo Vật liệu bị đẩy sang hai bên hoặc bị dồn qua mặt trước và mặt sau của hạt mài

Khi lưỡi cắt tiếp tục ăn sâu vào chi tiết với chiều sâu đủ lớn, với chiều dày lớp cắt az tương ứng bằng hoặc lớn hơn chiều sâu cắt tối thiểu T Phoi được hình thành đồng thời quá trình dồn ép kim loại gây biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi xảy ra đồng thời Hình dáng hình học của lưỡi cắt, vận tốc cắt ảnh hưởng đến chiều dầy lớp cắt khi mài az

1.2.5 Năng suất bóc tách của quá trình mài

a, Năng suất bóc vật liệu

Với mài lỗ chạy dao dọc năng suất của một bước gia công được tính theo công thức sau [31]:

w . w .a r

Trong đó: dw – Đường kính phôi (mm)

fa – Lượng chạy dao dọc (mm/giây)

fr – Lượng chạy dao hướng kính (mm/hành trình)

b, Năng suất của nguyên công mài

Năng suất mài (tính cho một nguyên công mài) được tính bằng thể tích hoặc khối lượng kim loại bị bóc đi trên một đơn vị thời gian thời gian mài và được xác định thức sau:

Trong đó: MRR – năng suất mài (mm3/s)

V m – Thể tích kim loại bị bóc đi (mm3)

t c – Thời gian cơ bản của mài (s)

d w0 , d we – Đường kính phôi trước và sau khi gia công

1.2.6 Lực trong quá trình mài

Lực cắt khi mài xác định theo công thức:

)

()).cos(

.-.(1sin

)sin f.(cos

x ,

Piy =

)sin(

)

()).cos(

.-.(1sin

)sin f.(cos

, ,

Trong đó:

s - ứng suất tiếp

f - diện tích cắt

 - hệ số ma sát ở mặt trước hạt mài

x - góc trước của hạt mài

’ - hệ số ma sát trong trên mặt trượt

Các công thức (1.12), (1.13) cho thấy:

- Lực Piy lớn hơn Piz

- Lực cắt Piz, Piy phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: vật liệu hạt mài, vật liệu gia công (s, , ’), kích thước lớp cắt (f), hình dáng, kích thước hạt mài (, ), chế độ cắt và các điều kiện gia công khác

Khi mài phẳng chạy dao dọc có thể phân lực cắt Pc làm ba thành phần:

Theo [34] thì khi mài các hạt mài vừa cắt vừa trượt trên bề mặt gia công do đó còn

Pyt - lực trượt pháp tuyến

Pzt - lực trượt tiếp tuyến

A - diện tích tiếp xúc giữa vùng mòn của các hạt mài và bề mặt gia công

p - áp suất tiếp xúc

’’ - hệ số ma sát giữa vùng mòn của các hạt mài với bề mặt gia công

P P

độ công nghệ khi mài Khi lượng mòn lớn sẽ gây ra mòn hướng kính và mòn góc đá mài (hình 1.12a) còn khi lượng mòn nhỏ sẽ gây ra mòn hạt mài (hình 1.12b)

mảnh, hình 1.13c hạt mài bị bật khỏi chất dính kết, hình 1.13d hạt mài bị mất góc cắt, hình 1.13e hạt mài bị che lấp bởi phoi và tạp chất)

Hình 1.13 Các trạng thái mòn của đá mài [11]

Ngoài ra, hạt mài có thể tự tạo ra các đỉnh nhọn mới, dẫn tới khả năng cắt của

đá được phục hồi Hiện tượng này gọi là hiện tượng tự mài sắc Độ bám của chất kết dính không cao cũng góp phần gây lên hiện tượng tương tự như mài sắc của đá

Vì khi này các hạt mài đã bị cùn và dễ dàng bị bứt ra khỏi bề mặt làm việc, tạo ra một lớp bề mặt làm việc với các hạt cắt mới có khả năng cắt cao hơn Khi mài tinh với đá mài có độ cứng cao và khi mài tinh hiện tượng tự mài sắc không xảy ra Khi

đá bị mòn nhám bề mặt tăng lên, xuất hiện các dao động, khả năng cắt của đá giảm

đi rất nhanh ta buộc phải tiến hành sửa đá Theo thời gian cắt lượng mòn tăng lên sẽ xảy ra các hiện tượng này đối với hạt mài Sự biến đổi này được trình bày ở hình 1.14

Hình 1.14 Sự biến đổi của lượng mòn, dạng mòn theo thời gian gia công [35]

Hi ̀nh 1.15: Quá trình mòn của đá

Quá trình mòn của đá mài chia làm 3 giai đoa ̣n (hình 1.15)

- Giai đoạn I: Giai đoa ̣n mòn ban đầu Trong giai đoa ̣n này, thời gian mòn nhỏ nhưng đô ̣ mòn lớn Nguyên nhân là do sau khi sửa đá các ha ̣t mài có đỉnh sắc nho ̣n

và nhiều ha ̣t không bám chă ̣t vào chất dính kết Các ha ̣t mài này sẽ bi ̣ mài mòn đỉnh nhọn nhanh chóng hoă ̣c bi ̣ bâ ̣t khỏi đá mài

- Giai đoạn II: giai đoa ̣n mòn ổn đi ̣nh (còn go ̣i là mòn bình thường) Thời gian

làm viê ̣c của đá được tính bằng thời gian của giai đoa ̣n này Đô ̣ mòn của đá trong giai đoa ̣n này chủ yếu phu ̣ thuô ̣c vào tải tro ̣ng cơ nhiê ̣t

- Giai đoạn III: Giai đoa ̣n mòn khốc liê ̣t Khi này, các ha ̣t đá mài đã bi ̣ mài mất

các ca ̣nh sắc và các lỗ rỗng trên bề mă ̣t đá mài bi ̣ phoi và các sản phẩm của quá trình mòn lấp đầy Đá mất khả năng cắt Vì vâ ̣y, đến giai đoa ̣n này cần tiến hành sửa đá

1.3.2 Tuổi bền của đá

Tuổi bền đá mài là khoảng thời gian làm việc của đá giữa hai lần sửa đá Tuổi bền đá mài phản ánh khả năng của đá mài chống lại quá trình mòn các lưỡi cắt, sự dính bám vật liệu mài lên hạt mài và sự phá huỷ hình dáng hình học đúng của đá mài Theo [34] quan hệ giữa tuổi bền và độ mòn đá mài có dạng:

q =

w

t m

Ct , m - hệ số và số mũ phụ thuộc điều kiện mài

Có thể sử dụng các phương pháp sau để xác định tuổi bền đá mài [3]:

1 Mài các chi tiết thử nghiệm: kiểm tra chất lượng và độ chính xác gia công của các chi tiết thử nghiệm để xác định số lượng chi tiết gia công lớn nhất giữa hai lần sửa đá.Việc hiệu chỉnh để tránh phế phẩm thường giảm đáng kể số lượng chi tiết gia công lớn nhất làm giảm năng suất của quá trình mài và tăng giá thành gia công Hiện nay người ta dùng điều khiển thích nghi để giải quyết vấn đề này: đo lượng mòn của đá ngay trong quá trình mài để làm tín hiệu tự động điều khiển chuyển động bù của máy sao cho luôn đảm bảo lượng mòn đá nhỏ hơn giá trị cho phép Khi

đá mòn khốc liệt (không còn đảm bảo biên dạng đúng của đá, không đảm bảo độ nhẵn bóng bề mặt gia công, xuất hiện vết cháy.v.v.) thì phải sửa đá

2 Theo dõi của người thợ: khi thấy xuất hiện vết cháy, sóng bề mặt, tăng độ nhám bề mặt chi tiết gia công, có âm thanh gắt thì đó là thời điểm phải sửa đá Phương pháp này cho độ chính xác thấp

3 Đo lực pháp tuyến Py: lực Py tăng theo mức độ mòn của đá mài, thời điểm

Py tăng đột ngột là thời điểm bề mặt gia công bị cháy và phải sửa đá Tuy nhiên chưa xác định được mối liên hệ rõ ràng giữa lực Py và chất lượng bề mặt gia công cũng như chưa biết quy luật thống nhất của sự tăng Py ở các điều kiện mài khác nhau làm cho việc ứng dụng phương pháp này bị hạn chế

4 Đo lực tiếp tuyến Pz: năng lượng và công suất mài được xác định qua lực Pz Tuy nhiên nhiều nghiên cứu cho thấy không có một quy luật nhất định về sự thay đổi của Pz theo độ mòn của đá

5 Đo tốc độ bóc kim loại trong quá trình mài: sự giảm tốc độ bóc kim loại phản ánh sự suy giảm khả năng cắt của đá do mòn Tốc độ bóc kim loại giảm đến giới hạn gây cháy bề mặt được chọn làm giới hạn tuổi bền đá mài

6 Đo nhiệt mài: nhiệt độ mài tăng lên cùng với độ mòn của đá làm xấu đi chất lượng bề mặt gia công Việc đo nhiệt mài quá phức tạp làm cho phương pháp này không thể ứng dụng trong sản xuất

7 Đo hệ số khả năng cắt của đá Kc, sự thay đổi của Kc theo thời gian mài phản ánh mức độ mòn của đá:

Trong đó:

Kc - trị số Kc tại thời điểm 

Kc0 - trị số Kc ở thời điểm đầu chu kỳ tuổi bền

 - hệ số phụ thuộc vào các điều kiện mài

Việc áp dụng phương pháp này còn gặp hạn chế vì cùng lúc phải đo hai đại lượng Py và Qw Ngoài ra trong chu kỳ tuổi bền của đá thường Kc thay đổi ít (1,2 

2 lần), sai số của phép đo Py và Qw làm sai lệch kết quả xác định Kc

8 Đo rung động hoặc biên độ dao động của lực cắt: sự tăng biên độ dao động của đá mài cùng với sự mòn đá là nguyên nhân làm xấu đi chất lượng bề mặt gia công (độ sóng, độ nhám, vết cháy) Có thể lấy thời điểm dao động tăng rõ rệt làm giới hạn sửa đá Phương pháp này được dùng nhiều trong thực tế vì việc đo rung động tương đối dễ dàng với mức độ chính xác cần thiết [23]

1.3.3 Chất lượng bề mặt sau mài

a Độ nhám bề mặt gia công sau mài

Độ nhám bề mặt mài hình thành chủ yếu bởi các vết cào xước chồng lên nhau của các điểm cắt có chiều cao không bằng nhau (hình 1.16)

Hình 1.16 Sự hình thành độ nhám bề mặt khi mài [17]

b Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi gia công mài

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

- Sự hình thành nhám bề mặt trước hết là do in dập quỹ đạo chuyển động của các hạt mài, vết của các hạt mài tạo ra biên dạng hình học tế vi trên bề mặt gia công Chế độ cắt ảnh hưởng tới quỹ đạo chuyển động của các hạt mài vì vậy ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt mài: tăng Sđ, Vct làm tăng chiều sâu cắt az của các hạt mài, do

đó độ nhám bề mặt tăng; tăng tốc độ cắt Vđ làm tăng sự “xếp chồng” đường cắt của

các hạt mài nên chiều sâu cắt az giảm dẫn đến độ nhám bề mặt mài giảm nhiều Ngoài ảnh hưởng trực tiếp như trên, chế độ cắt còn ảnh hưởng gián tiếp đến độ nhám bề gia công, nhiệt cắt và rung động (vì nhiệt cắt, rung động tăng thì nhám bề mặt tăng)

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

- Rung động làm tăng độ nhám bề mặt

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

- Nhiệt độ ở vùng mài càng cao thì vật liệu gia công ở lớp bề mặt càng biến dạng dẻo mạnh đồng thời còn có thể gây cháy, nứt bề mặt: công nghệ tưới nguội, hệ

số truyền nhiệt của vật liệu gia công và của đá mài ảnh hưởng tới nhiệt độ ở vùng mài qua đó ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt mài

c Các phương pháp đánh giá độ nhám sau mài

Để đánh giá độ nhám bề mặt người ta thường dùng các phương pháp sau: + Phương pháp quang học (dùng kính hiển vi Linich): phương pháp này đo được bề mặt có độ nhẵn bóng cao (độ nhám thấp) thường từ cấp 10 đến cấp 14 + Phương pháp đo độ nhám Ra, Rz, Rmax bằng máy đo prôfin: phương pháp này sử dụng mũi dò để đo prôfin lớp bề mặt có cấp độ nhẵn đến cấp 11

+ Phương pháp so sánh:

- So sánh bằng mắt: dùng mắt quan sát và so sánh bề mặt gia công với bề mặt vật mẫu và kết luận xem bề mặt gia công đạt cấp độ bóng nào Phương pháp này đơn giản, có thể xác định được cấp độ bóng từ cấp 3 đến cấp 7 nhưng độ chính xác thấp và phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của người thực hiện

- So sánh bằng kính hiển vi quang học: dùng kính hiển vi quang học để quan sát và so sánh bề mặt gia công với bề mặt vật mẫu và kết luận xem bề mặt gia công đạt cấp độ bóng nào Phương pháp này có độ chính xác cao hơn nhưng vẫn phụ thuộc vào kinh nghiệm của người thực hiện Trong nghiên cứu của đề tài này, máy

đo độ nhám Mitutoyo SV-3100 được sử dụng để đo độ nhám bề mặt khi mài chi tiết 90CrSi qua tôi

1.3.4 Topography của đá mài

Topography của đá mài là tập hợp tất cả các lồi lõm trên bề mặt đá mài

Quá trình biến đổi của topography như sau [10]:

- Giai đoạn 1: Khi đá bắt đầu cắt, Topography của đá biến đổi mạnh mẽ Nguyên nhân là do khi bắt đầu cắt, trên đá mài có một lượng các hạt mài có vị trí không thuận lợi cho quá trình cắt, một số hạt mài không gắn chặt vào chất kết dính

và bị phá hủy khi sửa đá Dưới tác dụng của tải trọng, các hạt này bị bong ra khỏi bề mặt đá Số lượng các hạt này phụ thuộc vào loại dụng cụ sửa đá, đặc tính đá mài và chế độ sửa đá

- Giai đoạn 2: Đây là giai đoạn làm việc ổn định của đá mài Ở giai đoạn này, lưỡi cắt của hạt mài bắt đầu bị mòn Sự biến đổi của Topography đá mài trong giai đoạn này phụ thuộc vào vật liệu gia công, chế độ công nghệ và Topography khởi thủy của đá mài sau khi sửa đá Kết thúc giai đoạn này là kết thúc tuổi bền của đá và

ta cần phải sửa đá

Các phương pháp đánh giá Topography của đá mài [10]:

Với sự phát triển của công nghệ mà các phương pháp đánh giá Topography đá mài được nghiên cứu ngày một hoàn thiện Một số phương pháp đánh giá Topography cụ thể như sau:

- Dùng ống nhòm, máy quay phim hoặc thiết bị chụp ảnh trong không gian 3 chiều theo dõi đánh giá sự thay đổi liên tục của Topography

- Nghiên cứu cấu trúc bề mặt đá mài và biểu đồ biên dạng đá mài nhờ thiết bị

dò tiếp xúc trực tiếp, khi đó biên dạng đá mài được ghi lại như hình 1.17

Hình 1.17 Biên dạng của đá mài

- Nghiên cứu Topography thông qua tính chất tiếp xúc thực tế giữa đá và bề mặt chi tiết gia công bằng phương pháp in dấu

Nghiên cứu bề mặt đá mài bằng mẫu đá mài nhìn từ hình chiếu cạnh để thấy cấu trúc đá

- Nghiên cứu cấu trúc hình học từng hạt mài, loại hạt, nghiên cứu ma sát, biến dạng vết cắt do hạt mài trên bề mặt gia công

- Xác định khả năng cắt của đá mài thông qua thể tích vật liệu được hớt đi trong một đơn vị thời gian

- Xác định kích thước, số lượng hạt mài nằm trong vùng cắt để xác định số lượng lưỡi cắt trực tiếp tham gia cắt Sử dụng phương pháp như: chụp ảnh không gian 3 chiều, ghi lại xung nhiệt

- Phương pháp đánh giá Topography gián tiếp thông số gián tiếp như: lực cắt, rung đọng, mòn đá, chất lượng bề mặt gia công…

- Phương pháp đo Topography của đá mài bằng đầu đo lazer

1.4 Tổng quan các nghiên cứu về mài lỗ

Quá trình mài/mài lỗ chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố phức tạp khác nhau Hình 1.18 dưới đây mô tả ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến quá trình mài và kết quả của nó Từ sơ đồ này ta thấy quá trình mài nói chung hay mài lỗ nói riêng chịu ảnh hưởng bởi chế độ cắt, đá mài, chế độ bôi trơn làm nguội và chế độ sửa đá

Do vậy, phần nghiên cứu tổng quan này sẽ tập trung vào ba vấn đề trên Cụ thể như sau:

Hình 1.18 Mô hình hóa quá trình mài [5, 31]

1.4.1 Ảnh hưởng của bôi trơn làm nguội (BTLN) đến quá trình mài lỗ

Dung dịch BTLN sẽ giúp giảm ma sát trong vùng cắt, giảm lực cắt, tải nhiệt ra khỏi vùng cắt và làm sạch phoi ra khỏi vùng cắt Sự cần thiết của dung dịch BTLN (BTLN) trong gia công mài đã được khẳng định trong nhiều nghiên cứu

Có 3 phương pháp BTLN cho mài đó là: Mài khô (Dry grinding), BTLN tối thiểu (Minimum quality grinding – MQL) và BTLN tưới tràn (Flood cooling) Mỗi phương pháp đều có những ưu/nhược điểm cũng như phạm vi ứng dụng khác nhau

Về khía cạnh bảo vệ môi trường thì mài khô và BTLN tối thiểu đang được áp dụng

và nghiên cứu khá nhiều trong gia công cơ khí Tuy nhiên, trong gia công mài, đặc biệt là mài lỗ, BTLN tưới tràn vẫn được sử dụng thông dụng tiếp đó là BTLN tối thiểu Mài khô được ứng dụng chủ yếu trong mài phẳng và cho đến nay chưa có công bố nào áp dụng cho mài lỗ

Cách thức đưa dung dịch BTLN vào vùng cắt cũng được nhiều nghiên cứu quan tâm Vì đường kính đá bằng 0,7 – 0,9 đường kính lỗ gia công nên việc dung dịch BTLN tiếp cận vùng cắt là khá khó khăn Do đó, vị trí đặt vòi phun, hình dáng vòi phun cũng là một chủ đề được quan tâm

a Ảnh hưởng của vị trí, hình dạng vòi phun dung dịch BTLN

Webster đã nghiên cứu về các dạng vòi phun khác nhau, vị trí của vòi phun dung dịch BTLN trong quá trình mài [59] Nghiên cứu này đã đề xuất dạng vòi phun như hình 1.19a để thay thế cho vòi phun truyền thống (hình 1.19b) được giới thiệu bởi Owczarek và Rockwell vào năm 1972

Hình 1.19 Hai dạng vòi phun dung dịch BTLN [59]

kiểu Webster (a) kiểu phẳng (b)

Cho đến này đã có nhiều nghiên cứu về dạng thiết kế vòi phun, vị trí, khoảng cách vòi phun tuy nhiên hầu hết tập trung vào mài tròn ngoài và mài phẳng [13, 18,

28, 46] còn đối với mài lỗ số lượng các nghiên cứu còn hạn chế

Do hạn chế về không gian gia công, dung dịch BTLN khó tiếp cận tới vùng gia công nên vị trí đặt vòi phun là rất quan trọng Trong [16] Baines-Jones và các cộng sự có chỉ ra vị trí tốt nhất của vòi phun dung dịch BTLN khi mài lỗ (hình

1.20)

Hình 1.20 Vị trí của vòi phun trong mài lỗ [16]

Trong [42], Nadolny và cộng sự đã có các nghiên cứu nhằm đưa dung dịch BTLN tiếp cận nhanh và hiệu quả đến vùng cắt Khi đó, dung dịch BTLN được đưa vào trong lòng của trục mang đá, và phun ra ngoài qua các rãnh hướng kính trên đá mài như hình 1.21 Kết quả cho thấy, lưu lượng dung dịch BTLN giảm từ 5 lít/phút xuống còn 1 lít/phút nhưng các kết quả đo về nhám bề mặt và công suất mài vẫn

đảm bảo Cho đến nay, chưa có công bố nào của các tác giả trong nước về ảnh hưởng của dạng vòi phun, vị trí vòi phun đến kết quả của quá trình mài

Hình 1.21 Hệ thống BTLN của Nadolny [42]

b Ảnh hưởng của phương pháp, loại và chế độ dung dịch BTLN

Ngoài các nghiên cứu về vị trí và hình dạng vòi phun thì phương pháp, loại và chế độ dung dịch BTLN cũng được các nhà khoa học nghiên cứu:

* Các nghiên cứu ngoài nước:

Ảnh hưởng của loại dung dịch BTLN, chế độ BTLN cũng được Monici và các cộng sự [37] quan tâm và đánh giá qua nghiên cứu thực nghiệm với 2 loại đá Oxit nhôm và đá CBN, 4 loại đầu vòi phun và 2 loại dung dịch BTLN là Emulsion 5%

và dầu nguyên chất Kết quả đo độ nhám được thể hiện trên hình 1.22 Từ đồ thị này nhận thấy rằng chất lượng bề mặt khi gia công bằng đá CBN tốt hơn khi gia công bằng đá mài Oxit nhôm Khi mài bằng đá mài Oxit nhôm sử dụng dầu nguyên chất cho nhám bề mặt thấp hơn so với Emulsion tổng hợp

Hình 1.22 Ảnh hưởng của loại dung dịch BTLN và áp suất BTLN đến độ nhám bề

mặt mài [37]