Thiết kế và chế tạo máy mài bề mặt cầu ứng dụng chất lỏng phi newton 2

20 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG CHẤT LỎNG PHI NEWTON 2 1 Đặc tính của chất lỏng phi Newton Trong chất lỏng Newton, độ nhớt là một hằng số đối với lực tác động, chỉ thay đổi nếu có thay đổi nhiệt độ Ví dụ, nước đông đá khi lạnh và tan chảy khi nóng, nhưng nếu lắc chai đựng nước (dùng lực) thì độ nhớt của nước không đổi hay dòng nước vẫn tiếp tục chảy bình thường bất kể lực tác động lên nó (hình 2 1 a) Trong khi đó, độ nhớt của các chất lỏng phi Newton không phải là hằng.

CHƯƠNG 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG BẰNG CHẤT LỎNG PHI NEWTON Đặc tính chất lỏng phi Newton Trong chất lỏng Newton, độ nhớt số lực tác động, thay đổi có thay đổi nhiệt độ Ví dụ, nước đơng đá lạnh tan chảy nóng, lắc chai đựng nước (dùng lực) độ nhớt nước khơng đổi hay dịng nước tiếp tục chảy bình thường lực tác động lên (hình 2.1.a) Trong đó, độ nhớt chất lỏng phi Newton số lực nhiệt độ Chúng thay đổi theo nhiều cách khác nhau, tác động hay nhiều yếu tố lực, thời gian hay nhiệt độ Khi độ nhớt thay đổi, loại chất lỏng phản ứng hồn tồn khác chất lỏng thơng thường, từ lỏng hóa rắn, từ rắn hóa lỏng dầy xốp lên Không phải loại hạt tạo hỗn hợp phi Newton, tạo thứ chất lỏng hóa rắn nhờ trộn chúng với hạt có kích thước tối thiểu micron Cấu trúc dung dịch bình thường Cấu trúc dung dịch chịu áp lực c Chuyển động chất lỏng phi Newton Hình 2.1 Cơ học tương tác hạt 20 Sự tương tác hạt: chịu tác động lực, khoảng cách hạt hỗn hợp thay đổi Tại vị trí chịu lực hạt tinh thể chụm lại tạo thành cụm có hình dạng khối tinh thể hỗn hợp, nguyên nhân khiến dung dịch rắn lại (hình 2.1b), khơng cịn lực tác động, chất lỏng phi Newton hóa lỏng (hình 2.1c) 2.2 Phương pháp gia công chất lỏng phi Newton Trong phương pháp gia cơng chất lỏng phi Newton, q trình cắt gọt thực thông qua việc tiếp xúc dung dịch gia công phi Newton bề mặt chi tiết Lớp ứng suất cắt tạo vùng gia cơng hình thành, kết dính hạt tinh thể chị tác dụng lực (hình 2.2) a Phân tử trạng thái cân b Phân tử trạng thái ứng Hạt xúc tác kết dính Dung mơi h Tinh thể hạt kết dính τ h ứng suất cắt Hình 2.2 Cơ học ứng suất chất lỏng chuyển động Hiệu chất lỏng phi Newton tạo ứng suất cắt liên tục nhờ chuyển động lớp chất lỏng tiếp xúc với chi tiết gia cơng Dưới tác dụng lực vận tốc độ nhớt chất lỏng phi Newtơn thay đổi phản ứng hoàn toàn khác so với chất lỏng thơng thường Chất lỏng phi Newtơn có khả gia công linh hoạt với bề mặt phức tạp dễ dàng chuyển động tiếp xúc với bề mặt gia công đáp ứng yêu cầu cắt gọt chất lượng bề mặt Bên 21 cạnh đó, dung dịch mài phi Newton tái sử dụng lại nhiều lần thải môi trường không gây ảnh hưởng đến môi trường Như vậy, kết hợp đặc tính chất lỏng phi Newton với hạt mài cho dung dịch gia cơng phi Newton mà gia cơng bề mặt phức tạp Hạt mài dung dung dịch phi Newton đóng vai trị cắt gọt, cịn chất lỏng phi Newton đóng vai trị giữ hạt mài liên kết thành khối chuyển động trình gia cơng Trong q trình gia cơng bề mặt chi tiết giữ cố định, đồng thời dung dịch cộng với hạt mài chuyển động tiếp xúc với bề mặt gia cơng Động học q trình gia cơng thể hình 2.3 [21] Đầu tiên, dung dịch mài phi Newton truyền chuyển động để tạo liên kết phần tử hạt mài với phần tử chất lỏng phi Newton Hạt tạo kết dính Hạt tạo kết dính Dung mơi Vận tốc dịng chảy Chiều quay Hạt mài Chiều cao nhấp nhơ Bề mặt chi tiết gia công b) a) Các hạt bị chia tách Vận tốc Vận tốc Chiều sâu Phoi cắt Phoi cắt d) c) Hình 2.3 Cơ học q trình gia cơng 22 Nếu tốc độ chuyển động chiều sâu cắt khơng đủ lớn q trình cắt gọt khơng diễn ứng suất cắt sinh nhỏ nên khơng tạo q trình loại bỏ vật liệu bề mặt chi tiết gia công Hạt mài lúc trượt lên bề mặt gia cơng lực tác dụng vùng gia cơng nhỏ (hình 2.3.a) Sau lực thủy động vận tốc chuyển động dung dịch mài đủ lớn tượng đơng đặc độ nhớt chất lỏng vùng tiếp xúc tăng lên nhanh chóng Lúc này, hạt phân tán hỗn hợp kết hợp thành cụm hạt, hạt mài bao quanh hạt kết dính (hình 2.3.b) Kết là, dung dịch mài vùng gia công hoạt động chất rắn tức thời, đĩa mài linh hoạt hình thành vùng tiếp xúc, cường độ mài tăng lên nhanh chóng tác động lên phơi để tăng tốc độ loại bỏ vật liệu (hình 2.3.c) Để tăng tốc độ loại bỏ vật liệu cần tăng tốc độ dòng dung dịch mài chiều sâu tiếp xúc lực cắt (Fshear) lớn lực cản sinh vết nhấp nhô chi tiết (FR) Khi bề mặt gia công mài phẳng lực cắt loại bỏ cụm hạt kết dính bị chia tách trở trạng thái ban đầu chất lỏng tuân theo định luật Newton (hình 2.3.d) Do vậy, tính lưu động dung dịch mài phi Newton tạo đĩa mài mềm dẻo linh hoạt để phù hợp với bề mặt cong khác chi tiết gia cơng Bề mặt cong phức tạp mài bóng thuận lợi với q trình đơn giản Dung dịch mài kết dính đơng đặc gia cơng trở lại bình thường chất lỏng Newton lực cắt loại bỏ Vì vậy, đạt hiệu chất lượng bề mặt gia công cao Hiệu phương pháp gia công phụ thuộc vào chuyển động tương đối chi tiết dung dịch mài phi Newton để tạo q trình gia cơng Do đó, gia cơng chất lỏng phi Newton trình bày nghiên cứu phương pháp gia công mài tinh với q trình đơn giản, chi phí thấp, thân thiện với môi trường đặc biệt phù hợp với bề mặt phức tạp chi tiết Nguyên lý q trình gia cơng thể hình 2.4 23 Cụm Cấu hạt trúckhi hạtkết kếtdính dính Hạt xúcthể tácdung kết dính Tinh dịch Hạt mài Chi tiết Vùng phân bố lực Vùng gia công Vận tốc chuyển động dung dịch Hình 2.4 Nguyên lý q trình gia cơng 2.3 Xây dựng chuyển động q trình gia cơng chất lỏng phi Newton Dựa ngun lý q trình gia cơng dung dịch mài phi Newton, để tạo trình cắt gọt chi tiết phải chuyển động quay tròn để tiếp xúc đồng với dung dịch mài Đồng thời, chi tiết phải di chuyển lên xuống theo phương thẳng đứng để tạo chiều sâu tiếp xúc với dung dịch mài Sự dịch chuyển chi tiết theo phương thẳng đứng để điều khiển ứng suất cắt q trình gia cơng Bên cạnh đó, phải tạo chuyển động theo phương ngang X phương dọc Y để điều chỉnh vị trí chi tiết thùng chứa dung dịch mài Đồng thời, để nâng cao khả tiếp xúc chi tiết với dung dịch mài phi newton cần thiết kế thêm góc lắc định cho chi tiết để từ thay đổi diện tích tiếp xúc dung dịch mài với bề mặt chi tiết cần gia công Dựa nguyên lý chuyển động q trình gia cơng, chuyển động tạo hình máy mài thiết kế phải có chuyển động sau (hình 2.5): 24 Tấm trượt theo phương Z Z X Tấm di chuyển theo phương X Tấm xoay phương U Y Thùng quay chứa dung dịch mài Chi tiết Hình 2.5 Các chuyển động máy mài • Chuyển động theo phương X: để di chuyển chi tiết gia công theo phương X • Chuyển động theo phương Y: để di chuyển chi tiết gia cơng theo phương Y • Chuyển động theo phương Z: để di chuyển chi tiết gia công theo phương Z thay đổi chiều cao tiếp xúc chi tiết gia công với dung dịch mài phi Newton • Chuyển động quay quanh phương U: để quay chi tiết góc độ gia cơng khác phù hợp với bề mặt cong phức tạp • Chuyển động quay trịn trục máy: trục máy mang theo thùng chứa dung dịch chất lỏng phi Newton Khi trục quay làm thùng chứa dung dịch quay theo tạo trình tiếp xúc dung dịch với chi tiết gia công Dung dịch mài bao gồm chất kết dính hạt mài khuấy trộn thùng chứa dung dịch để thực q trình mài • Chuyển động quay trịn chi tiết gia công: chi tiết gia công chuyển động quay trịn thơng qua động lắp trục U Chuyển động quay tròn chi tiết kết hợp với chuyển động thùng chứa tạo nên tiếp xúc bề mặt chi tiết với dung dịch mài 25 2.4 Ảnh hưởng hạt mài đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công 2.4.1 Các loại hạt mài Trong phương pháp gia cơng mài tinh, có nhiều loại hạt mài lựa chọn sử dụng q trình gia cơng Lựa chọn hạt mài tùy thuộc vào độ cứng chi tiết cần gia công, chất lượng bề mặt gia công cần đạt được, tốc độ cắt gia công, tuổi thọ chi tiết chi phí gia cơng Có loại hạt mài thông thường sử dụng gia công mài thơ đánh bóng bề mặt như: silicon carbide (SiC), nhơm ơxít (Al2O3), boron carbide (B4C) kim cương (C) Các hạt mài có đặc tính lý khác ứng dụng gia công loại vật liệu khác 2.4.1.1 Silicon carbide (SiC) Silicon carbide hợp chất hóa học carbon silicon Ban đầu sản xuất phản ứng điện hóa nhiệt độ cao silicac carbon Silicon carbide loại hạt mài tốt sử dụng để chế tạo đá mài làm dung dịch hạt mài gia cơng [22] Hình 2.6 Silicon carbide (SiC) Silicon carbit nhìn chung cứng sắc, độ cứng tương đối khoảng 28GPa cấu trúc tinh thể dạng khối thường sử dụng để mài thơ SiC sử dụng để 26 gia cơng tinh (đánh bóng bề mặt) gia cơng tinh bề mặt yêu cầu độ nhẵn bóng cao 2.4.1.2 Nhơm ơxít (Al2O3) Nhơm ơxít hợp chất nhơm oxy với cơng thức hóa học Al2O3 Vật liệu có đặc điểm cứng, sắc thành phần hóa học ổn định, chống nóng chống ăn mịn cao Loại hạt Ơxit nhơm có suất cắt cao, sử dụng thiết bị gia công tinh bề mặt thủy tinh [23] Ngồi ra, nhơm oxit cịn ứng dụng gia cơng tinh thép carbon, thép hợp kim Nó sử dụng vật liệu đánh bóng phun làm bề mặt, phun tạo lớp phủ vật liệu, làm chất xúc tác phụ gia Hình 2.7 Nhơm ơxít (Al2O3) Nhơm ơxít có độ cứng tương đối (khoảng 23GPa) có cấu trúc góc cạnh nên thường sử dụng gia cơng tinh đánh bóng bề mặt chi tiết Al2O3 tương đối rẻ tiền nên thường sử dụng rộng rãi 2.4.1.3 Boron carbide (B4C) Boron carbide (cơng thức hóa học B4C) dạng vật liệu có độ cứng cao, thường sử dụng áo giáp xe tăng, áo khoác chống đạn, bột mài [24], 27 nhiều ứng dụng công nghiệp Với độ cứng Mohs khoảng 9.497 nên vật liệu cứng biết đến sau boron nitride kim cương [25] Boron carbide có độ cứng cao loại hạt mài (ngoại trừ kim cương) cấu trúc tinh thể khối đa cạnh (hình 2.8a) Trong gia cơng mài bề mặt, hạt mài B4C sử dụng để gia công thô gia công tinh bề mặt chi tiết Do có cấu trúc tinh thể khối đa cạnh cứng nên tỷ lệ loại bỏ kim loại nhanh thường sử dụng tăng suất cắt gọt kim loại đảm bảo chất lượng bề mặt Hình 2.8 Boron carbide (B4C) 2.4.1.4 Bột kim cương Bột kim cương loại hạt mài sử dụng gia cơng tinh đánh bóng bề mặt chi tiết Kim cương vật liệu cứng loại hạt mài, có cấu trúc tinh thể góc cạnh sắc bén Kim cương có đặc tính trội so với hạt mài 28 khác gia cơng bề mặt chi tiết đạt độ nhẵn bóng cao kết hợp với khả cắt gọt kim loại vượt trội Trong trình gia cơng, kim cương sử dụng dạng bột dạng dung dịch pha sẵn với thước hạt khác để tùy thuộc vào chất lượng bề mặt cần đạt (a) Kim cương dạng bột (b) Kim cương pha sẵn Hình 2.9 Bột kim cương 29 2.4.2 Ảnh hưởng loại hạt mài đến chất lượng bề mặt gia công Chất lượng bề mặt gia cơng bị tác động kích thước hạt mài, dung dịch hạt mài Kích thước hạt mài nhỏ chất lượng bề mặt tăng lên, nhiên suất giảm Đối với vật liệu có độ cứng cao hạt mài kim cương thường chọn để tiến hành gia công, so với việc sử dụng dung dịch hạt mài khác nhơm ơxít (Al2O3), boron carbit (B4C), silicon carbit (SiC) Ngun nhân hạt mài kim cương có độ cứng cao nên khả chống lại biến dạng tốt so với loại hạt mài khác Tuy nhiên, tuỳ thuộc vào tính chất bề mặt gia cơng, lý tính chi tiết mà ta chọn loại hạt mài gia cơng phù hợp Bên cạnh đó, giá thành dung dịch mài nhân tố tác động đến việc lựa chọn loại hạt mài phù hợp cho q trình gia cơng 30 ... ứng suất chất lỏng chuyển động Hiệu chất lỏng phi Newton tạo ứng suất cắt liên tục nhờ chuyển động lớp chất lỏng tiếp xúc với chi tiết gia công Dưới tác dụng lực vận tốc độ nhớt chất lỏng phi Newtơn... chuyển động để tạo liên kết phần tử hạt mài với phần tử chất lỏng phi Newton Hạt tạo kết dính Hạt tạo kết dính Dung mơi Vận tốc dịng chảy Chiều quay Hạt mài Chiều cao nhấp nhô Bề mặt chi tiết gia... phản ứng hoàn toàn khác so với chất lỏng thông thường Chất lỏng phi Newtơn có khả gia cơng linh hoạt với bề mặt phức tạp dễ dàng chuyển động tiếp xúc với bề mặt gia công đáp ứng yêu cầu cắt gọt chất