Nghiên ứu ảnh hưởng ủa á thông số ông nghệ trong quá trình mài tới sự phân bố nhiệt khi mài làm mát bằng không khí lạnh phần 1, nghiên ứu ảnh hưởng ủa á ấu trú đá mài và á thông số ông nghệ

Cõc kết quả nghiởn cứu đọ chỉ ra rằng việc thổi một lường khừng khợ lạnh qua vỳng mỏi sẽ cụ tõc dụng lỏm cho nhiệt độ bề mặt mỏi của chi tiết hạ xuống vỏ một phần nhiệt được lấy ra khỏi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ TRONG QUÁ TRÌNH MÀI TỚI SỰ PHÂN BỐ NHIỆT KHI MÀI LÀM

MÁT BẰNG KHÔNG KHÍ LẠNH

PHẦN I: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC CẤU TRÚC

ĐÁ MÀI VÀ CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ

MỤC LỤC

U

MỤC LỤCU 2 U

LỜI NÓI ĐẦUU 4 U

Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHIỆT MÀIU 7 U

1.1 Vị trí của mài trong sản xuất cơ khí.U 7 U

1.2 Các dạng hư hỏng thường gặp trong khi mài.U 15 U

1.3 Ảnh hưởng của nhiệt mài đến chất lượng gia công chi tiết máy U 19 U

1.4 Các phương pháp làm mát vùng mài.U 21 U

1.4.1 Sử dụng dung dịch trơn nguộiU 21 U

1.4.2 Sử dụng chất kết dính có hệ số dẫn nhiệt cao.U 24 U

1.4.3 Sử dụng không khí lạnh.U 26 U

Chương II: PHÂN TÍCH TRUYỀN NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH MÀI.U 32U

2.1 Nhiệt sinh ra trong vùng mài.U 32 U

2.2 Nhiệt độ bề mặt của chi tiết màiU 34 U

2.2.1 Cơ sở nhiệt động học Lý thuyết M.C.Shaw.- U 34

U2.2.2 Nhiệt độ bề mặt chi tiết mài theo lý thuyết M.C hawU……….38 U

2.3 Sự phân bố nhiệt trong vùng mài khi mài khô.U 41U

2.3.1 Cơ sở nhiệt động học theo M.C.Shaw 45 U U

2.3.2 Nhiệt truyền vào chi tiết gia côngU 45 U

2.3.3 Nhiệt truyền vào đá màiU 46 U

2.3.4 Nhiệt truyền vào phoi.U 46 U

Chương III: PHÂN TÍCH LÝ THUYẾT VỀ SỰ PHÂN BỐ NHIỆT MÀI KHI LÀM MÁT BẰNG KHÍ LẠNHU 47 U

3.1 Mô hình truyền nhiệt trong vùng mài.U 47 U

3.2 Phân tích sự truyền nhiệt trong vùng mài.U 48 U

3.3 Ảnh hưởng các thông số đến sự phân bố nhiệtU 50 U

3.3.1 Các thông số liên quan đến cấu trúc đá mài.U 50 U

3.3.2 Các thông số liên quan đến thông số công nghệ.U 56 U

Chương IV: MỘT SỐ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM TRONG QUÁ TRÌNH MÀI LÀM MÁT BẰNG KHÔNG KHÍ LẠNH U 59 U

4.1 Mô hình thí nghiệm.U 59

4.2 Điều kiện thực nghiệm 61

Chương V: CÁC KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEOU 75

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, nền công nghiệp gia công cơ đang hướng tới một môi trường công nghệ đảm bảo độ chính xác gia công và chất lượng bề mặt chi tiết máy đòi hỏi ngày càng cao đồng thời phải tạo ra một môi trường gia công sạch có lợi cho môi trường, cho sức khoẻ của người lao động Điều đó cho thấy không thể tiếp tục sử dụng các loại dung dịch trơn nguội truyền thống có sử dụng các hợp chất hoá hóc có hại cho sức khoẻ con người lâu dài được mà đòi hỏi phải

có sự thay thế nhằm thoả mãn các yêu cầu của khoa học công nghệ

Cho đến nay, sử dụng khí lạnh làm nguội khi gia công là công nghệ duy nhất có thể đáp ứng được các yêu cầu nói trên của nền công nghiệp gia công

cơ Do đó cần sớm được đầu tư, nghiên cứu, phát triển công nghệ sử dụng khí lạnh làm nguội trong quá trình gia công cơ Việt nam là nước có nền công nghiệp đang trên đà phát triển nên việc áp dụng công nghệ này quá trình sản xuất sẽ tạo ra được tiền đề tốt cho sự nghiệp phát triển cũng như tạo tiền đề cho việc phát trển bền vững sau này

Việc sử dụng khí lạnh để làm mát vùng mài đã được nghiên cứu và ứng dụng ở một số nước P

(1)

P Đã có nhiều công trình nghiên cứu về khả năng và mát cũng như khả năng ứng dụng không khí lạnh để làm mát vung mài thay cho các dung dich làm mát truyền thống Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc thổi một lường không khí lạnh qua vùng mài sẽ có tác dụng làm cho nhiệt độ bề mặt mài của chi tiết hạ xuống và một phần nhiệt được lấy ra khỏi vùng mài P

(2)

P Tuy nhiên, các nghiên cứu về khả năng làm mát của không khí lạnh mới chủ yếu được nghiên cứu ở dạng thực nghiệm Để việc cho việc sử dụng không khí lạnh để làm mát trong quá trình mài có hiệu quả hơn thì cần

có những nghiên cứu lý thuyết Ở phạm vi đề tài này, tác giả mong muốn đưa

ra các một số nghiên cứu lý thuyết về khả năng làm nguội của chi tiết gia công khi mài bằng cách sử dụng khí lạnh Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến khả năng làm mát của khí lạnh khi mài, qua đó đưa ra các thông số về mối quan hệ giữa các yếu tố đó khi mài Toàn bộ nghiên cứu của luận văn được trình bày trong 5 chương.

Chương 1 iới thiệu chung về nhiệt mài Chương này giới thiệu về khả năng gcông nghệ của phương pháp mài, những ưu điểm và tồn tại của chúng Sau đó phân tích các ảnh hưởng do nhiệt mài gây nên đồng thời đưa ra các phương pháp truyền thống làm giảm nhiệt mài và giới thiệu phương pháp mài sử dụng khí lạnh để làm mát vùng mài và nhiệt độ bề mặt chi tiết mài

Chương 2 rình bày các phân tích về truyền nhiệt trong vùng mài của quá ttrình mài Chương này tiếp tục giới thiệu rõ hơn về các cơ sở truyền nhiệt khi gia công, đề cập đến cở sở tính toán sự truyền nhiệt trong khu vực gia công theo lý thuyết của M.C Shaw và dựa vào đó để làm cơ sở cho các tính toán và thực nghiệm sau này của đề tài

Chương 3 trình bày các phân tích về mặt lý thuyết sự truyền nhiệt vào chi tiết mài khi làm mát bằng khí lạnh Chương này tác giả muốn đưa ra các lý thuyết phân tích về sự truyền nhiệt mài đến các thành phần của hệ thống công nghệ trong khu vực mài khi dùng khí lạnh để làm mát vùng mài Qua đó phân tích rõ sự ảnh hưởng của các yếu tố hệ thống công nghệ, các yếu tố chế độ mài đến quá trình truyền nhiệt này

Một số kiểm nghiệm ảnh hưởng của không khí lạnh tới việc làm mát trong quá trình mài thực nghiệm được trình bày ở trong chương 4 Chương này làm

rõ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến khả năng làm mát của khí lạnh

bằng các thực nghiệm để chứng minh các phân tích lý thuyết đã đưa ra trước

đó Quá trình thực nghiệm được tiến hành trên trung tâm mài VKC45 do hãng Hitachi Seiki sản xuất, sử dụng đá mài kim cương có tỷ lệ lỗ khí khác nhau để mài vật liệu là Hợp kim cứng TR 15 RKR 6 R Nhiệt độ bề mặt chi tiết mài được đo bằng bằng cặp ngẫu nhiệt trực tiếp trong vùng mài Đây là kết quả của sự hợp tác giữa các tác giả với Phòng thí nghiệm nghiên cứu các quá trình gia công chính xác của trường đại học Ritsumeikan Nhật Bản Các thảo luận về kết -quả đạt được, đánh giá và đưa ra các kết luận về kết quả được thực nghiệm cũng là một phần của chương này

Chương 5 trình bày một số kết luận đã đạt được của đề tài nghiên cứu và đưa ra các hướng nghiên cứu tiếp theo

Phần này chủ yếu đưa ra các kết luận đã được phân tích bằng mô hình lý thuyết và thực nghiệp trong đề tài Đánh giá kết quả của đề tài và đưa ra các vấn đề liên quan chưa được nghiên cứu trong đề tài, đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm đảm bảo hiệu quả tối đa của nội dung đề tài này

1 Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHIỆT MÀI 1.1 Vị trí của mài trong sản xuất cơ khí và cuộc sống.

Mài là phương pháp gia công cắt gọt tốc độ cao bằng một số lượng lớn các lưỡi cắt của hạt mài Các hạt mài được liên kết trong đá mài bằng các chất kết dính Lỗ khí là thành phần rất quan trọng để tạo khả năng cắt gọt của đá mài Với tốc độ phát triển của khoa học kỹ thuật, yêu cầu về độ chính xác của chi tiết máy ngày càng cao, mài là một trong những phương pháp gia công tinh có hiệu quả cao và thoả mãn các yêu cầu đó Có thể nói, nếu không có phương pháp mài thì khó có thể chế tạo được các chi tiết có độ chính xác cao Tầm qua trọng của mài được thể hiện qua các yếu tố sau:

- Trong gia công cơ khí, mài chiếm từ 20 25% giá thành chế tạo các chi tiết

-có nguyên công mài hay -có liên quan đến mài

- Sẽ không có xã hội văn minh nếu không có phương pháp mài Nhìn chung các sản phẩm cao cấp trong cuộc sống của xã hội văn minh đều phải qua mài hoặc có liên quan đến quá trình mài

Quá trình mài thực chất được thực hiện bởi máy mài và đá màiP

[1]

P Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, có nhiều loại máy mài hiện đại

và vật liệu đá mài mới ra đời với nhiều tính năng, công dụng khác nhau, độ chính xác gia công ngày càng được nâng cao Máy mài thường được chế tạo theo các loại: máy mài tròn ngoài, máy mài trong trong, máy mài mặt phẳng, máy mài vô tâm,… Một trong những đặc điểm nội bật của máy mài so với các loại máy công cụ khác là chúng có khả năng thực hiện được những lớp cắt rất nhỏ (vài m) và có khả năng điều chỉnh máy với lượng dịch chuyển rất nhỏ.µ

Hình 1-1 m và c u tr Đá ài ấ úc đá mài

H¹t mµi

Hình 1-2 Một số dạng hạt mài

Đá mài được chế tạo với nhiều chủng loại rất phong phú để có thể gia công hầu hết tất cả các bề mặt chi tiết gia công: đá mài tròn ngoài, đá mài tròn trong, đá mài mặt phẳng, đá mài ren, đá mài răng, đá mài rãnh, Đá màiU

( Hình 1 -1)U được đặc trưng bởi các yếu tố: dạng hạt mài, kích thước hạt mài,

độ cứng của đá, cấu trúc của đá, chất kết dính và các mảng để nhận dạng đá mài Các loại vật liệu sử dụng để chế tạo đá mài như: Kim cương ựt nhiê à n vnhân tạo, CBN (Cubic Nitride Boron), Ôxyt nhôm (AlR 2 ROR 3 R), Carbide Silic (SiC), Ôxyt Silic (SiO2), Các loại vật liệu được sử dụng làm chất kết dính như: kim loại (Metal), thuỷ tinh hoá (Vitri iedf ), nhựa tổng hợp ( esin),…Đá Rmài còn được chế tạo theo các phương pháp khác nhau nhằm tạo ra các đặc tính khác nhau của chúng, một trong các đặc điểm được quan tâm nhiều đó là

tỷ lệ lỗ khí của đá mài sau khi chế tạo Hình 1-3 mô phỏng độ cứng của các

loại vật liệu hạt mài dùng chế tạo đá mài

Hình 1-3 Độ cứng của các loại vật liệu mài

So với phương pháp gia công cắt gọt bằng các dụng cụ cắt có lưỡi cắt xác

định, mài có một số đặc điểm nổi bật:

- Đá mài là dụng cụ cắt mà quá trình cắt gọt được thực hiện chủ yếu nhờ các hạt mài trên bề mặt đá Trong cùng một đơn vị thời gian có rất nhiều lưỡi cắt đồng thời tham gia cắt gọt Các hạt mài U( Hình 1 -2)U có hình dáng khác nhau và rất phức tạp, sự phân bố các hạt mài trên đá mài là ngẫu nhiên nên chúng có các thông số hình học trên bề mặt đá càng phức tạp hơn Thông thường các góc trước luôn âm, các góc sau nhỏ, bề mặt lưỡi cắt tiếp xúc với bề mặt gia γcông khi cắt rất lớn Cơ chế tự mài sắc của đá trong quá trình đang gia công thêm một lần nữa tạo nên sự phức tạp của thông số hình học các hạt Thông

số hình học thay đổi so với các hạt mài với nhau đồng thời các hạt mài đó cũng thay đổi theo thời gian (mòn đá)

- Tốc độ cắt khi mài rất cao, thường VR d R=30÷35m/s mài tốc độ cao thì

VR d R≥50m/s Hiện nay ở các nước phát triển như Đức, Nhật Bản đã mài với vận tốc lên tới 120m/s và đang tìm cách để nâng vận tốc khi mài lên đến 300m/s Tiết diện phoi mài rất bé, chiều sâu cắt nhỏ

- Dụng cụ mài có lưỡi cắt không liên tục, các hạt mài nằm tách biệt trên đá mài, do đó khi cắt sẽ tạo nên các phoi cắt riêng biệt Quá trình cắt được thực hiện bằng quá trình ạo t phoi tr bề mặt chi tiết gia công nh c quá ên ư ác trình gia

- Trong quá trình gia công, đá mài có khả năng tự làm sắc theo các cơ chế khác nhau (gãy cầu liên kết, mòn hạt mài do ma sát và vỡ hạt mài)P

[3]

Mài là phương pháp chủ yếu sử dụng trong các nguyên công tinh lần cuối,

là các nguyên công quyết định cuối cùng đến độ chính xác và chất lượng bề mặt chi tiết gia công Khối lượng sản phẩm mài chiếm 30% trong ngành chế tạo máy, độ chính xác gia công có thể đạt cấp chính xác 6÷7 (0,002÷0,003mm), độ nhám bề mặt có thể đạt đến cấp 10 (Ra 0,16µm) Trường hợp mài siêu tinh có thể đạt độ chính xác cấp 3, độ nhám có thể đạt tới cấp 12 (Ra 0,04µm)

So với phương pháp Tiện và một số phương pháp gia công khác, phương pháp mài có nhiều ưu điểm nổi bật: Chất lượng bề mặt chi tiết tốt, quá trình công nghệ dễ thực hiện, có thể thực hiện được các lớp cắt có chiều sâu cắt nhỏ (tR min R=3÷ µ5 m), giảm kinh phí chế tạo dụng cụ cắt, các ảnh hưởng đến lớp

bề mặt chi tiết có thể kiểm soát được Ngoài ra một đặt trưng nữa là quá trình mài có thể gia công được các chi tiết đã qua nhiệt luyện.

Phương pháp mài có thể thực hiện gia công được hầu hết tất cả các dạng

bề mặt chi tiết khác nhau: bề mặt trụ trong, trụ ngoài, mặt phẳng, then, ren, răng và các dạng bề mặt định hình khác Ngày nay, kết hợp với máy mài CNC

5 trục và các công nghệ chế tạo đá tiên tiến (Liên kết kim loại hay bằng

phương pháp mạ điện) thì khả năng công nghệ của phương pháp mài càng được mở rộng có khả năng gia công được các bề mặt phức tạp với độ chính xác rất cao

Hình 1-5 So sánh quá trình tạo phoi khi mài và tiện

Khi cắt, quá trình tạo phoi phụ thuộc vào các yếu tố: vật liệu dụng cụ cắt, vật liệu chi tiết gia công, thông số hình học dụng cụ cắt, chế độ cắt, điều kiện thoát phoi, dung dịch trơn nguội và phương pháp tưới nguội Quá trình tạo phoi khi mài rất phức tạp do tính chất chuyển động của đá mài so với chi tiết gia công, do sự phức tạp của thông số hình học các hạt mài và do sự phân bố

phức tạp của số lượng lớn hạt mài trên bề mặt đá.

Hình 1-6 Một số loại phoi mài

Hình 1 và Hình 1-6 -7 giới thiệu một số loại phoi mài khi thực hiện với chiều sâu cắt t từ 2µm đến 100µmP

[5]

P

1.2 Các dạng hư hỏng thường gặp trong khi mài.

Trong quá trình gia công cơ, muốn đảm bảo độ chính xác về kích thước chi tiết và chất lượng bề mặt chi tiết gia công cao, thì đòi hỏi phải xử lý rất nhiều các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình công nghệ trong quá trình gia công

và cả sau khi gia công Mài là một phương pháp gia công đòi hỏi cao về độ chính xác và chất lượng lớp bề mặt, do đó cần phải xem xét, dự đoán và đưa

ra các giải pháp thích hợp nhằm hạn chế các ảnh hưởng đó

Một trong các yếu tố gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công là các yếu tố của hệ thống công nghệ: Máy - Đá mài - Đồ gá và chi tiết gia công Với đặc thù của kết cấu đá mài, hai yếu tố gây khó khăn cho việc đánh giá mức độ ảnh hưởng của chúng là lực mài và nhiệt mài Đây cũng là các yếu tố có tính quyết định đến chất lượng của chi tiết gia công

Do tính phức tạp về kết cấu các hạt mài và sự phân bố của chúng trên bề mặt đá (hầu hết các hạt mài đều có góc trước âm: γ<0 - Hình 3) nên quá 1-trình cắt khó thực hiện, ma sát lớn Mặt khác, các hạt mài phân bố trên bề mặt

đá không theo quy luật nhất định, mật độ phân bố hạt mài trên một đơn vị diện tích bề mặt đá lớn nên số lượng hạt mài cùng tham gia cắt gọt trong một đơn vị thời gian rất lớn Sự phân bố phức tạp của chúng đã cản trở việc sử dụng các loại dung dịch trơn nguội với tác dụng giảm nhiệt khi gia công và khó khăn cho việc xác định các thông số của quá trình mài Trong lúc đó đá mài lại có khả năng dẫn nhiệt kém nên hầu hết nhiệt mài được truyền vào chi tiết gia công

Các dạng hư hỏng xảy ra khi cắt thường chịu ảnh hưởng của sự biến dạng

hệ thống công nghệ và do nhiệt mài Biến dạng của hệ thống công nghệ liên

quan đến lực mài Ở đây, lực cắt khi mài thường không đáng kể do quá trình cắt khi mài chỉ thực hiện với lớp chiều sâu của lớp cắt nhỏ Sự biến dạng của

hệ thống công nghệ ngoài việc liên quan đến độ lớn của lực cắt còn phụ thuộc vào phương pháp thực hiện quá trình cắt (mài thuận, mài nghịch) Tuy nhiên, quá trình mài khác với phay là lực mài hầu như không có tác dụng trong việc tăng hay giảm lực kẹp Do lực mài khi cắt rất nhỏ nên sự ảnh hưởng của chúng đến các dạng hư hỏng do mài là rất ít Do đó có thể nói các hư hỏng xảy ra khi mài chủ yếu các dạng hư hỏng đều do nhiệt mài gây nên Theo một

số đánh giá kỹ thuật thì các hư hỏng chịu ảnh hưởng của nhiệt mài chiếm xấp

Khi bị cháy, kim loại có xu hướng dính chặt với bề mặt đá mài, làm lực cắt tăng lên, bề mặt gia công xấu đi và đá mài cũng nhanh bị mòn Bằng nhiều phương pháp kiểm tra tế vi khác nhau, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng có thể xác định được các yếu tố sau khi cháy, đồng thời chúng có liên quan đến quá trình phục hồi ausenit của phôi Khi cháy, thép bị tôi lại, sự tôi lại là kết quả của sự phục hồi austenit được nối tiếp bằng sự hình thành mactensit chưa ram Sự cháy phôi và sự phục hồi austenit do nhiệt khi mài các loại thép mềm, kể cả những loại có độ thấm tôi, không nhất thiết đi kèm với sự tôi bề mặt Xét về mặt luyện kim và những kết quả đo độ cứng tế vi

cho thấy ngưỡng cháy trùng hợp với ngưỡng bắt đầu của sự phục hồi austenit khi nung nóng kim loại.

Trong quá trình gia công, những phát hiện này đã tạo điều kiện xác định

và kiểm soát quá trình cháy phôi (burn) Khi mài, năng lượng riêng đo được

có thể so sánh với năng lượng riêng tới hạn nhằm dự đoán hiện tượng cháy có thể xảy ra hay không Trong thực tế, năng lượng riêng tới hạn của mỗi loại vật liệu phụ thuộc rất nhiều yếu tố Việc xác định năng lượng riêng trong phòng thí nghiệm thường dựa trên các số liệu đo lường về lực, song việc này rất khó

để thực hiện tại điều kiện sản xuất thực tế Tuy nhiên, công suất máy có thể xác định được một cách chính xác và dựa vào đó để xác định được công suất mài thông qua các bộ chuyển đổi trạng thái công suất Để xác định công suất mài thực, chỉ cần lấy tổng công suất trừ đi công vô ích Công suất mài thực có thể so sánh với công suất cháy ở ngưỡng cháy Việc giám sát công suất mài theo hình thức này tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình điều khiển thích nghi tối ưu của quá trình mài trong lúc vẫn thoả mãn các yêu cầu về chất lượng bề mặt chi tiết gia công

Đối với các thép đã tôi, nếu khi mài không xảy ra hiện tượng cháy thì cũng thường xảy ra các hiện tượng ram bề mặt

Ram xuất hiện trong quá trình mài được xem là hiện tượng không có lợi, làm xuất hiện sự hoá mềm của kim loại ở gần lớp bề mặt chi tiết Đối với những kim loại có cấu trúc mactensit đã tôi, thì mức độ hoá mềm do ram là rất phức tạp, chủ yếu do có sự thoát Cacbon khi nung nóng Mà hiện tượng thoát Cacbon lại phụ thuộc rất nhiều vào cả thời gian và nhiệt độ nung nóng Nếu thời gian bị nung nóng càng dài và nhiệt độ càng cao (chưa đến ngưỡng cháy) thì mức độ ảnh hưởng do ram gây ra càng lớn Ram xuất hiện sẽ gây

nên các hiện tượng chuyển biến pha kim loại và hầu hết đều làm giảm độ cứng của bề mặt chi tiết gia công Điều này hoàn toàn không mong muốn trong quá trình gia công chế tạo máy, đặc biệt là các trường hợp mài vật liệu kim loại đã nhiệt luyện Do yêu cầu về độ cứng của chi tiết gia công nên phải tiến hành qua nguyên công nhiệt luyện Song khi nhiệt luyện lại xuất hiện một

số hiện tượng thoát Cacbon, ôxy hoá bề mặt do vậy phải tiến hành mài sau khi nhiệt luyện Với đặc điểm chung như vậy, nếu khi mài chi tiết đã qua nhiệt luyện thì phải tuyệt đối không để hiện tượng ram xảy ra Vì hiện tượng ram xảy ra lúc này sẽ làm giảm tác dụng của nguyên công nhiệt luyện điều này -chúng ta hoàn toàn không mong muốn khi gia công

Một hiện tượng khác do ảnh hưởng của nhiệt mài gây nên là sự tồn tại

m ột lượng ứng suất dư ( esidual stress) trên lớp bề mặt chi tiết làm ảnh Rhưởng đến cơ tính của vật liệu Ứng suất dư được tạo ra do những biến dạng dẻo không đồng đều ở lớp bề mặt của chi tiết gia công Những va chạm do tác động giữa các hạt mài với bề mặt chi tiết gia công phần lớn gây ra những ứng suất dư do hiện tượng biến dạng dẻo ( lastic flow) Ảnh hưởng của chúng có Pthể hình dung tương tự như ảnh hưởng của quá trình rèn hạt Những ứng suất

và biến dạng do nhiệt kết hợp với nhiệt độ mài và độ dốc từ bề mặt đến chi tiết gia công là nguyên nhân chính gây nên các ứng suất dư kéo (Tensile stress) Tại vùng mài, sự giãn nở nhiệt của vật liệu xảy ra sẽ có khả năng xuất hiện những ứng suất dư nén ( ompressive stress), nếu đủ lớn chúng sẽ gC ây ra

sự chảy dẻo kim loại khi nén Trong quá trình làm mát, khi nhiệt của quá trình mài giảm dần, vật liệu đã bị biến dạng dẻo do nhiệt trước đó có xu hướng co lại nhiều hơn so với lớp vật liệu dưới bề mặt Tính yêu cầu liên tục, liên kết trong kết cấu phân tử của vật liệu đã gây ra ứng suất dư căng trên lớp bề mặt

Để đảm bảo sự cân bằng về cơ học, những ứng suất dư nén cũng xuất hiện sâu

hơn trong lớp vật liệu nhưng độ lớn của chúng nhỏ hơn.

Ảnh hưởng của ứng suất dư thường được thấy rõ rệt đối với những vật liệu giòn và bền cao Do đó khi gia công các loại vật liệu kim loại này phải chú ý đến các thông số chế độ cắt khi mài để tránh các hiện tượng nứt, vỡ do ứng suất dư bề mặt gây nên Mặt khác khi chế tạo chi tiết cũng tránh trường hợp ứng suất phân bố không đều trên toàn bộ chi tiết mà chỉ tập trung vào một

số khu vực trên chi tiết gây mất cân bằng để xảy ra các hiện tượng nứt và tróc

rỗ, vỡ,

Trong thực tế gia công luôn mong muốn giảm ứng suất dư kéo và tạo ứng suất dư nén, đặc biệt với các chi tiết dạng trục Đã có nhiều thực nghiệm cho thấy hiệu quả của vật liệu mài CBN (Cubic Boron Nitride Abrasive) trong việc thực hiện mục tiêu này Trên Hình 1-7 cho thấy khả năng dẫn nhiệt của loại vật liệu mới CBN, đặc điểm này đã làm tăng khả năng thoát nhiệt trong khu vực mài thông qua đường truyền nhiệt từ đá mài

Để hạn chế những ảnh hưởng do nhiệt mài gây ra, việc kiểm soát, dự đoán khả năng tăng nhiệt trong khu vực gia công là rất quan trọng và cần thiết cho quá trình gia công

1.3 Ảnh hưởng của nhiệt mài đến chất lượng gia công chi tiết máy

Độ chính xác của chi tiết máy và chất lượng bề mặt chi tiết gia công được đánh giá theo những tiêu chí sau:

- Độ chính xác về kích thước các bề mặt chi tiết máy

- Độ chính xác về hình dáng hình học của chi tiết máy (độ tròn, độ trụ,

độ thẳng,…)

- Độ chính xác về kích thước vị trí tương quan giữa các bề mặt chi tiết máy (độ vuông góc, độ đồng tâm, độ song song, độ đảo mặt đầu,…)

- Độ nhẵn bóng của bề mặt chi tiết máy (Rz, Ra)

- Ứng suất dư trên lớp bề mặt và sự xuất hiện hay không của các hiện tượng vật lý khác (chuyển biến pha kim loại, lớp biến cứng bề mặt, hoá mềm, thoát Cacbon,…)

Khi nhiệt mài trong khu vực gia công đủ lớn, sẽ gây biến dạng đàn hồi hệ thống công nghệ máy-đá mài-đồ gá-chi tiết gia công, gây ra các sai số về chuẩn, về khả năng định vị và kẹp chặt chi tiết, …gây ra các sai số kích thước gia công theo chu kỳ hoặc ngẫu nhiên, làm giảm độ chính xác kích thước bề mặt và kích thước về vị trí tương quan giữa các bề mặt của chi tiết máyP

[7]

P

Một lượng nhiệt mài rất lớn truyền vào chi tiết gia công, làm xuất hiện các hiện tượng biến dạng đàn hồi chi tiết, xuất hiện các hiện tượng biến dạng dẻo trên bề mặt chi tiết, …gây ra các sai số vệ hình dáng hình học của chi tiết

Hiện tượng biến dạng dẻo trên lớp bề mặt chi tiết có thể làm xuất hiện hiện tượng “lẹo dao” khi gia công, làm thay đổi các góc cắt của hạt mài tạo nên một topograph trên bề mặt chi tiết phức tạp, có độ nhám cao Nhiệt mài cũng là một trong những nguyên nhân gây nên hiện tượng mòn đá mài và như vậy cũng làm tăng độ nhám của bề mặt chi tiết gia công và giảm khả năng cắt của đá

Như đã trình bày, nhiệt mài làm xuất hiện ứng suất dư kéo, nén và một số

hiện tượng khác như: chuyển biến pha vật liệu kim loại, mềm hoá, thoát Cacbon (mài thép Cacbon), … và như vậy cũng làm giảm chất lượng của bề mặt chi tiết máy khi gia công.

Như vậy, nhiệt sinh ra khi mài và tồn tại trong khu vực mài là yếu tố rất có hại cho quá trình công nghệ khi mài, làm xuất hiện rất nhiều sai số gia công khác nhau

Từ những kết quả đánh giá trên cho thấy các ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công chủ yếu phụ thuộc vào hai yếu tố là lực mài và nhiệt mài Kết quả cũng cho thấy các ảnh hưởng do lực cắt khi mài là không đáng kể, các ảnh hưởng xấu đối với bề mặt chi tiết máy chủ yếu do nhiệt sinh ra khi mài gây nên

Do những ảnh hưởng đó, việc xác định các thông số và giá trị nhiệt mài là rất cần thiết, từ đó đưa ra các giải pháp làm nguội trong quá trình mài nhằmhạn chế các ảnh hưởng xấu của chúng để nâng cao độ chính xác và chất lượng

bề mặt chi tiết máy

1.4 Các phương pháp làm mát vùng mài.

1.4.1 Sử dụng dung dịch trơn nguội

Để hạn chế các ảnh hưởng do nhiệt mài gây nên, các nhà nghiên cứu về

kỹ thuật trước đây chủ yếu đưa ra một số phương pháp dùng các loại dung dịch trơn nguội cung cấp vào khu vực gia công khi mài

Các loại dung dịch trơn nguội thường được sử dụng được chia làm 4 loại: Dầu tổng hợp (không có dầu lửa), dầu bán tổng hợp (có chứa 2 30% dầu lửa), ÷dầu nguyên chất (lấy 100% dầu lửa, không pha chế) và dầu có pha chế nước

và một số hợp chất khác.

Khi dung dịch trơn nguội được tưới vào khu vực gia công, nó có tác dụng làm giảm ma sát giữa đá mài và bề mặt chi tiết gia công và làm giảm nhiệt truyền vào chi tiết bằng cơ chế hấp thu nhiệt ở khu vực gia công và truyền ra ngoài Do vậy nếu dung dịch trơn nguội có nhiệt độ càng thấp và lưu lượng chuyển qua khu vực gia công trong 1 đơn vị thời gian càng nhiều thì hiệu quả của chúng càng cao

Ngoài ra dung dịch trơn nguội còn có tác dụng làm tăng khả năng thoát phoi trong khu vực gia công Nếu quá trình gia công khó thoát phoi thì lượng phoi bị kẹt sẽ là nguyên nhân làm tăng ma sát giữa đá và chi tiết do đó làm tăng nhiệt trong khu vực gia công Khi đó quá trình cắt gọt xảy ra ở dạng cày xới và chà xát bề mặt dẫn đến làm giảm chất lượng bề mặt chi tiết gia công Mặt khác do kết cấu của đá mài nên dung dịch trơn nguội khi tưới vào khu vực gia công thì không thể nào xâm nhập vào trực tiếp bề mặt gia công được

mà chủ yếu chỉ bao phủ xung quanh khu vực gia công Mà nhiệt mài chủ yếu sinh ra tại vị trí trong khu vực tiếp xúc giữa đá mài và bề mặt chi tiết gia công, do đó đã làm giảm khả năng làm nguội của dung dịch trơn nguội khi mài

Khi dung dịch trơn nguội tiếp xúc với bề mặt chi tiết gia công, nếu quá trình làm nguội kém hiệu quả, nhiệt độ ở vùng gia công đủ lớn sẽ làm sôi và tạo ra lớp hơi sương (lớp màng trắng) trên bề mặt lớp dung dịch trơn nguội Đây là thành phần để cản trở quá trình hấp thu nhiệt từ chi tiết gia công vào dung dịch trơn nguội để chuyển ra ngoài do đó đã làm tăng nhiệt trên chi tiết gia công Theo nghiên cứu của Yuwen Zhang và Amir Faghrj, khi hiện tượng này xuất hiện thì khả năng hấp thụ nhiệt của dung dịch trơn nguội sẽ xem

như không có Do vậy phải hạn chế không để hiện tượng này xảy ra khi mài.

Mặt khác, khi sử dụng các loại dung dịch trơn nguội đã xuất hiện một số vấn đề cần quan tâm Dung dịch trơn nguội chứa nhiều hoá chất gây ảnh hưởng xấu đối với môi trường và con người như Arsen, Benzen, Chlor,…có thể gây nên một số bệnh nghề nghiệp nguy hiểm đặc biệt là bệnh ung thư Mà -việc xử lý chất thải từ dung dịch trơn nguội đòi hỏi tốn kém về công nghệ và kinh tế Đã có nhiều nghiên cứu cho thấy sự ô nhiễm môi trường gây ra một

số căn bệnh hiểm nghèo cho con người (đặc biệt là bệnh do ô nhiễm nguồn nước) mà nguyên nhân là do các chất thải công nghiệp gây nên, trong đó có các chất thải từ dung dịch trơn nguội Hơn nữa, lượng dung dịch trơn nguội sử dụng trong quá trình gia công là rất lớn Ở Đức, mỗi năm phải sử dụng từ 130.000 đến 250.000 tấn dung dịch trơn nguội cho ngành công nghiệp chế tạo máyP

Theo các phân tích trên, dung dịch trơn nguội dùng trong quá trình gia công có ưu điểm nổi bật là ngoài khả năng làm nguội còn có khả năng bôi trơn cho khu vực gia công, dễ kiếm, dễ thực hiện, công nghệ vận hành đơn giản Song việc sử dụng chúng sẽ gặp rất nhiều khó khăn trong việc xử lý chất thải, tốn kém, khó kiểm soát được một số ảnh hưởng xấu khác và nhất là hiệu quả làm nguội khi mài không cao

Từ những ảnh hưởng xấu của việc sử dụng dung dịch trơn nguội trong quá trình gia công như đã nêu, gần đây các nhà kỹ thuật đã nghiên cứu các giải pháp khác để thay thế các loại dung dịch trơn nguội.

1.4.2 Sử dụng chất kết dính có hệ số dẫn nhiệt cao.

Đá mài được chế tạo từ 2 thành phần cơ bản là hạt mài và chất kết dính Sau khi kết dính, đá mài được xử lý bằng các công nghệ khác nhau để tạo ra các lỗ khí bên trong để tạo nên các góc cắt cho hạt mài

Các loại đá mài hiện nay được sử dụng một số loại vật liệu hạt mài như: Kim cương, CBN, Oxyt nhôm, Carbide Silic, và các loại vật liệu kết dính như: thuỷ tinh hoá (Vitrified), nhựa (Resin), kim loại ( etal), Mỗi loại vật Mliệu kết dính và vật liệu hạt mài đều có hệ số dẫn nhiệt khác nhau Do vậy các nhà thiết kế đã vận dụng vào khả năng dẫn nhiệt của chúng để chế tạo các loại

đá mài có khả năng làm mát Quá trình này được thực hiện thông qua quá trình truyền nhiệt từ khu vực gia công thông qua đá mài ra môi trường và các

bộ phận làm mát khác của hệ thống công nghệ

Trong thực tế, vật liệu hạt mài CBN và vật liệu kết dính bằng kim loại được xem là các loại vật liệu phổ biến dùng chế tạo đá mài nhằm tăng hệ số dẫn nhiệt của đá mài

Kim loại (Cu, Al, Carbide Silic,…) là loại vật liệu có khả năng dẫn nhiệt cao nhất trong tất cả các loại chất kết dính Nhờ đặc điểm này, vật liệu kết dính bằng kim loại đã chiếm được ưu thế mạnh mẽ trong lĩnh vực sản xuất chế tạo đá mài

Vật liệu kết dính thuỷ tinh hoá có hệ số dẫn nhiệt thấp hơn kim loại, tuy nhiên

nếu sử dụng vật liệu thuỷ tinh hoá làm chất kết dính thì chúng có ưu điểm là làm tăng khả năng cắt của đá, tăng độ bền của đá và dễ tạo được tỷ lệ lỗ khí của đá cao Còn vật liệu nhựa chủ yếu được sử dụng để chế tạo các loại đá có

hệ số an toàn cao vì khả năng kết dính của nhựa tốt hơn, dẻo dai hơn vật liệu thuỷ tính hoá Nhược điểm lớn nhất của vật liệu kết dính nhựa là độ dẫn nhiệt của đá kém và khó tạo được tỷ lệ lỗ khí trong đá mài

Zirconia Ghi chó: Kim cu¬ng dÉn nhiÖt tèt nhÊt,

Zirconia dÉn nhiÖt kÐm nhÊt

Hình 1-8 Khả năng dẫn nhiệt của các loại vật liệu đá mài

Trên UHình 1-8U cho thấy khả năng dẫn nhiệt của vật liệu dụng cụ cắt sử dụng trong quá trình cắt gọt nói chung P

[9]

P Độ dẫn nhiệt của vật liệu đá mài càng cao thì tốc độ khuyếch tán nhiệt từ khu vực gia công ra ngoài càng nhanh

Cơ chế hoạt động của phương pháp này là dùng khả năng dẫn nhiệt của chính các loại vật liệu chế tạo đá mài kết hợp với khả năng dẫn nhiệt của bản thân vật liệu chi tiết gia công để khuyếch tán nhiệt ra khỏi khu vực gia công

Phương pháp này có thể can thiệp trực tiếp vào khu vực sinh ra nhiệt khi mài.

Ưu điểm của phương pháp này là dễ thực hiện, tận dụng được quá trình làm mát thông qua vật liệu đá mài Song nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là khả năng làm mát của chúng không cao Phương pháp chỉ được

áp dụng kết hợp với các phương pháp làm nguội khác để tăng hiệu quả

1.4.3 Sử dụng không khí lạnh.

Hình 1-9 Hệ thống cung cấp khí lạnh

Để khắc phục các tồn tại trong quá trình mài truyền thống như đã nêu trên, gần đây nhiều nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu bằng cách thay đổi các thông số của quá trình mài Một trong những nghiên cứu đó là sử dụng không khí lạnh để làm nguội khi mài

Năm 1998, Baheti P [10]

P

đã nghiên cứu quá trình mài mặt phẳng thép Cacbon với đá mài Oxyt nhôm sử dụng dung dịch trơn nguội bằng dầu Ester và khí lạnh Kết quả đã cho thấy các nguyên nhân làm tăng nhiệt độ khi mài và khả năng làm nguội của chúng tương đương với các loại dung dịch trơn nguội khác, song bề mặt chi tiết có độ nhám cao vì thiếu chất bôi trơn bề mặt

Sau đó Yui và Zhang đã tiến hành thực nghiệm bằng cách cho thêm dầu thực vật (8,6cc/h) vào luồng khí lạnh có nhiệt độ -30P

bề mặt chi tiết gia công

Tương tự phương pháp này, Yokogawa đã nghiên cứu với ý tưởng sử dụng

hệ thống phun kép nước và dầu Thực hiện phun một lượng dầu và nước vào khu vực gia công để làm nguội và bôi trơn Ưu điểm của phương pháp này là

có thể tách dầu và nước sau khi gia công để sử dụng tiếp, phương pháp này cũng nâng cao được độ nhẵn bóng bề mặt của chi tiết đồng thời nhiệt mài cũng giảm đáng kể

Tiếp theo đó, R.A.Irani, R.J.Bauer và A.WarkentinP

[11]

P

đã tiến hành nghiên cứu tìm mọi phương pháp nhằm tăng khả năng cung cấp khí vào khu vực gia công và tăng phoi thoát Theo họ, một trong các thông số có ảnh hưởng lớn đến các yếu tố này là kết cấu của đầu phun khí Do vậy các nhà nghiên cứu này tập trung nghiên cứu, thực nghiệm và đã đưa ra các thông số về kích thước của vòi phun tối ưu như Hình 1-10 Quá trình nghiên cứu cũng cho thấy hiệu quả cao nếu sử dụng nhiều vòi phun khí trong cùng 1 thời điểm gia công

Hình 1-10 Vòi phun khí của A.Warkentin

Qua những nghiên cứu trên đã chứng minh khả năng làm nguội của không khí lạnh sử dụng khi mài Cơ chế hoạt động của phương pháp này là kết hợp hai khả năng làm mát khi gia công Thứ nhất, đã can thiệp trực tiếp vào khu vực sinh nhiệt khi mài bằng các luồng khí len lỏi vào bề mặt tiếp xúc giữa chi tiết gia công và bề mặt đá mài Thứ hai, tác động vào khu vực xung quanh vùng mài bằng các luồng khí khác để hấp thu, khuyếch tán nhiệt ra ngoài môi trường Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là rẻ, vật liệu vô tận và đặc biệt

là có lợi cho môi trường và sức khoẻ người lao động và hiệu quả làm mát cao Bên cạnh đó phương pháp này cũng có thể tồn tại một số nhược điểm như sau: khó chế tạo luồng khí có nhiệt độ thấp, phương pháp này cần thực hiện với một phương pháp khác nhằm tăng khả năng bôi trơn cho chi tiết gia công Theo tác giả, cần phải xây dựng mối quan hệ giữa khả năng làm mát của khí lạnh và các thông số của quá trình công nghệ để từ đó đưa ra các giải pháp phát huy hiệu quả của quá trình này Các thông số của quá trình công nghệ khi mài bao gồm: vật liệu đá mài, kết cấu đá mài, các yếu tố chế độ cắt và một

số yếu tố có liên quan khác

Dựa trên cơ sở các nghiên cứu đã thực hiện, tác giả muốn đưa ra những nghiên cứu của mình về quá trình mài sử dụng khí lạnh làm nguội thực hiện với đá mài kim cương có chất kết dính là kim loại

Nguồn khớ để sử dụng trong quỏ trỡnh làm nguội ở đõy cú thể được cung cấp nhờ cỏc thiết bị làm lạnh từ cỏc chất lưu động trao đổi nhiệt (freon) như cỏc loại mỏy lạnh (điều hoà nhiệt độ) Ngoài ra người ta cú thể sử dụng cỏc thiết bị hoạt động dựa vào sự biến thiờn đoạn nhiệt entropy tương đương để tạo ra nguồn khớ lạnh.

0

PC) và hiệu suất thiết bị cung cấp khớ cú thể đạt 70% Đõy là ηmột trong những thiết bị cú thể sử dụng trong quỏ trỡnh mài khớ lạnh phự hợp

nhất, mang lại hiệu quả cao

Những nghiên cứu phát triển công nghệ gia công khô với lợng chất bôi trơn là tối thiểu (MQL) hoặc không dùng môi chất cắt có chứa chất độc ô nhiễm nh clo Sự phát triển mới lợng chất bôi trơn tối thiểu quá trình cắt, sau đánh giá thực hiện cắt của cắt khô tuyệt đối, cắt khô với không khí lạnh,

và cắt với lợng chất bôi trơn tối thiểu, chọn cắt với lợng chất bôi trơn tối thiểu đã có sự cấu thành tốt hơn trong điều kiện quan trọng nhất, bôi trơn và làm mát Và sau này, phát triển cắt với lợng chất bôi trơn nhỏ nhất và bổ sung thêm chất phụ gia nhằm đảm bảo cho tuổi thọ của dụng cụ cắt và gia công chính xác của gia công cắt uớt thông thờng

Cắt khô có ý nghĩa cực kỳ quan trọng những đạt đợc không những vùng toả nhiệt mà còn giảm năng lợng vì nó tiếp xúc với môi chất cắt đợc cấp từ bơm, tiêu thụ 20%-60% tổng năng lợng tiêu thụ bởi thiết bị gia công

Môi chất cắt đầy đủ chứa ba chức năng sau: bôi trơn làm mát và di chuyển , phoi cắt Nếu chức năng bôi trơn và làm mát bị giảm, nhiệt độ của d ng c ụ ụcắt

sẽ tăng, sự mài mòn chất keo và vật liệu mài trở nên đáng kể

Tuy nhiên, đạt đợc các lợi ích nói trên, cần phải thực hiện việc làm khô trong quá trình cắt, và thực tế hiện nay việc này là khó khả thi bởi các vấn đề

kỹ thuật phát sinh nh đợc đề cập trong hình 1-8 Hiện tại, đối với các phơng pháp xử lý các vấn đề liên tới tuổi thọ dụng cụ cắt, nghiên cứu chỉ ra trong Hình 1-11 liên quan tới khí làm mát, áp suất nitơ và phơng pháp cắt MQL v.v

Hỡnh 1 -11 Cụ ng ngh ệ mài khụ

chất cắt 10 cc/h

Khụ ng cung cấp

mụ i chất ắt c

30 triệu cc/h

Hỡnh 1-12 Bảng so sỏnh trong c ng nghệ ài ụ ụ m kh

Phơng pháp cắt MQL đã nhận đợc sự quan tâm đặc biệt vì nó thu đợc lợi ích đáng kể nếu xét trên quan điểm bôi trơn và làm mát do chỉ cần cung cấp một số lợng nhỏ dung dịch cắt Hình 1-12 Trong phơng pháp cắt MQL, việc

sử dụng dung dịch cắt và phơng pháp cung cấp dung dịch cắt tới điểm cắt là

đặc biệt quan trọng vì dung dịch cắt đợc cung cấp chỉ trong một thời gian rất ngắn Điều này dự đoán về khả năng phát triển của phơng pháp cắt MQL sử dụng dung dịch cắt cho quá trình gia công thép và nhôm với dải nhiệt độ cắt khác nhau

c Khớ Nitơ Ngăn chặn oxy hoỏ dụng ụ c cắt

2 Chương II: PHÂN TÍCH TRUYỀN NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH

MÀI

2.1 Nhiệt sinh ra trong vùng mài.

Khi mài, nhiệt sinh ra do quá trình cày xước tạo phoi chỉ tập trung ở vùng tiếp xúc giữa bề mặt hạt mài và bề mặt chi tiết gia công trên phạm vi hẹp và trong thời gian rất ngắn Hơn nữa, số lượng hạt mài đi qua trên diện tích bề mặt gia công trong một đơn vị thời gian rất lớn (vận tốc đá mài rất lớn), lượng nhiệt phát sinh lớn, do đó bề mặt gia công bị nung nóng liên tục ở nhiệt độ cao Việc duy trì nhiệt độ cao trong thời gian dài như vậy là nguyên nhân chủ yếu để gây ra những hư hỏng do nhiệt khi mài Như vậy, diện tích bề mặt tiếp xúc giữa bề mặt gia công và bề mặt đá mài càng rộng thì nhiệt mài sinh ra càng lớn Diện tích bề mặt tiếp xúc phụ thuộc vào chiều sâu lớp cắt t, chiều rộng tiếp xúc giữa đá mài và chi tiết gia công b và đường kính đá mài D Hình 2-1 mô phỏng quá trình cắt của đá mài trụ khi gia công mặt phẳng theo phương pháp mài thuận

Công trong quá trình mài được xác định theo công thức sau:

A=FR t R×(VR w R±VR f R)

Trong đó: - FR t R: Lực mài tiếp tuyến (N)

- VR w R: Vận tốc dài của đá mài

- VR f R: Vận tốc của chi tiết (Tốc độ chạy dao)

Dấu + ứng với mài thuận và dấu ứng với mài nghịch-

Toàn bộ năng lượng mài được phân bố trong khu vực gia công như sau:

- Phần lớn năng lượng truyền vào bề mặt chi tiết gia công và làm tăng nhiệt độ chi tiết mài, đặc biệt là nhiệt độ trên bề mặt mài của chi tiết

- Phần năng lượng truyền vào đá mài và nung nóng đá

- Phần năng lượng truyền vào và nung nóng phoi cũng như tạo động năng cho phoi khi bay ra khỏi vùng mài

- Phần năng lượng truyền vào môi trường

- Phần năng lượng bóc phoi để tạo ra bề mặt gia công

Theo các kết quả nghiên cứu đã được công bố thì gần như tất cả năng lượng cần thiết trong quá trình mài đều chuyển thành nhiệt, trừ công biến dạng dẻo và công kín Tổng của hai công loại này nhỏ, không quá 5% Trong phần lớn các trường hợp, công biến dạng đàn hồi và công kín lớn nhất chỉ

bằng 2% 3% tổng công cắt gọt Phần còn lại ít nhất 97% chuyển hoá thành ÷nhiệt, các nguồn nhiệt này phân bố trong các yếu tố của quá trình gia công rất phức tạp.

Khi mài, nhiệt mài sinh ra từ 4 nguồn chủ yếu:

- Trong miền tạo phoi Nhiệt sinh ra do ma sát giữa các phần tử của vật liệu gia công trong quá trình biến dạng Quá trình này phụ thuộc nhiều vào hệ số biến dạng dẻo của vật liệu chi tiết gia công Sự chuyển đổi công của vùng biến dạng đàn hồi là bậc nhất, QR dl R(vùng 1 trong Hình 2-1)

- Trên bề mặt tiếp xúc của phoi và mặt trước của hạt mài Nhiệt sinh ra do sự truyền công của biến dạng dẻo bậc hai và ma sát ngoài, QR c R (vùng 2 trong Hình 2-1) Lượng nhiệt sinh ra phụ thuộc nhiều vào bề mặt hạt mài, vật liệu hạt mài và vật liệu chi tiết gia công

- Trên bề mặt sau của hạt mài tiếp xúc với mặt cắt (mặt đang gia công của chi tiết) Nhiệt sinh ra do sự chuyển đổi công ma sát, QR t2 R(vùng 4 trong Hình 1-2) Lực ma sát phụ thuộc vào góc sau của hạt mài và bề mặt chi tiết

- Nhiệt sinh ra do công dứt phoi ra khỏi chi tiết gia công, QR d4 R Quá trình tạo phoi rất phức tạp, phụ thuộc nhiều yếu tố như: vật liệu gia công, thông số hình học của hạt mài, chuyển động cắt,

2.2 Nhiệt độ bề mặt của chi tiết mài-Lý thuyết M.C.Shaw

2.2.1 Cơ sở nhiệt động học Lý thuyết M.C Shaw

Do tác động của nhiệt mài tới độ chính xác gia công cũng như chất lượng của chi tiết mài là rất lớn nên đã có nhiều công trình nghiên cứu về nhiệt mài

Nhiều lý thuyết về nhiệt mài sinh ra trong vùng mài cũng như cách xác định nhiệt độ bề mặt mài của chi tiết đã được đưa ra Một trong các lý thuyết đó được M.C Shaw đưa ra Lý thuyết này đã được coi là cơ sở để thực hiện việc phân tích cũng như tính toán nhiệt độ bề mặt mài của chi tiết cũng như xác định sự phân bố nhiệt trong quá trình mài cho các công trình nghiên cứu về nhiệt mài.

Theo các nghiên cứu của M.C Shaw, lý thuyết về cơ sở nhiệt động học trong qua trình mài như sau:

Dựa theo “Định luật nhiệt động thứ nhất dạng vi phân” có thể viết:

dQ − d W = dE (2-1)

Nghĩa là năng lược truyền vào chi tiết gia công (dQ) trừ đi năng lượng của truyền từ chi tiết gia công ra không khí (dW) bằng tổng năng lượng mài (dE) xét trên một đơn vị diện tích vi phân Theo thực nghiệm, nhiệt truyền qua chi tiết gia công ở lớp bề mặt tiếp xúc giữa chi tiết gia công và bề mặt đá có khoảng cách dS xét theo cả 3 phương X, Y, Z được tính như sau:

dS

dT A d k

=

(2-2)

Trong đó:

- d θ: độ chênh lệch nhiệt giữa hai môi trường

- dS: diện tích bề mặt truyền nhiệt

- dT: thời gian xảy ra quá trình truyền nhiệt

- k: hệ số phụ thuộc vào khả năng dẫn nhiệt của vật liệu đá mài

Đơn vị đo của k là mmP

2

P/s, k biến thiên theo sự thay đổi của nhiệt độ sinh ra khi gia công Hệ số đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật liệu có nguồn nhiệt di chuyển trên đó, phụ thuộc vào vật liệu và cấu trúc của đá, độ ẩm, áp suất và đặc biệt là nhiệt độ Hệ số k càng lớn thì khả năng khuyếch tán nhiệt trong khu vực gia công càng nhanh

Sự phụ thuộc của k vào nhiệt độ phần lớn trong các trường hợp được biểu diễn như sauP

[13]

P:

k = k0( 1 + βθ )

Ở đây kR 0 R là giá trị của k khi giá trị θ=0P 0

P

C, β là hằng số xác định bằng thực nghiệm cho từng loại vật chất Vật chất là các loại vật liệu chi tiết gia công khi mài, thì β>0 và giá trị của k có thể chọn từ 20÷400

Để thuận tiện, sự thay đổi năng lượng mài được tính theo công thức sau đây:

Nếu chúng ta kết hợp công thức (2 1), công thức (2 2) và công thức (2- - -3) áp dụng với một đơn vị vi phân thể tích được trình bày trong Hình 2-2, ta có:

dT

d c

q z y x c

k

2

2 2

2 2

∂

θ

∂ +

Hình 2-2 Mô phỏng phân tử vật liệu

Trong đó q là tỷ lệ số gia về năng lượng mài trên một đơn vị thể tích Giá trị của q phụ thuộc vào khả năng hấp thu hoặc khuyếch tán năng lượng, sự phân rã phóng xạ, ma sát, sự biến dạng dẻo hoặc những nguyên nhân hư hỏng khác khi mài Ở đây, chúng ta đề cập đến khả năng phát sinh của q do biến dạng dẻo khi mài Nhưng trước hết phải kể đến những ảnh hưởng do ma sát trên bề mặt chi tiết gia công Đại lượng

c

k

γ xuất hiện trong các công thức tính nhiệt được gọi là hệ số khuyếch tán nhiệt Kelvin và được thay thế bằng ký hiệu K Đơn vị tính của K là mmP

2

P/s, khi nhiệt độ tăng thì K giảm

Công thức (2 4) có thể áp dụng cho hiện tượng trượt bề mặt xét ở Hình 2- -3, chúng chuyển động cùng với vận tốc cắt V’ (m/s), chiều dài của chúng trên

hướng trục Y ngắn hơn trên hướng trục x (2l=L) rất nhiều.

Y

X

l l

2

P/s) và truyền vào bề mặt đứng yên, làm cho nhiệt độ của chúng tăng lên

2.2.2 Nhiệt độ bề mặt chi tiết mài

Dựa trên lý thuyết đã đưa ra, M.C Shaw cũng đã đưa ra các công thức tính toán nhiệt độ bề mặt chi tiết mài Trong đó nhiệt độ trung bình bề mặt chi tiết là θR TB R và nhiệt độ cao nhất là θR max R Khi đó, nhiệt độ bề mặt của chi tiết mài được xác định dựa trên giá trị của tham số L:

Khi L>5

L k

ql

TB = 0 , 752

θ (2-5)