Nghiên cứu xác định chế độ mài hợp lý chi tiết trụ ngoài vuông thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay CNC

Nghiên cứu xác định chế độ mài hợp lý chi tiết trụ ngoài vuông thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay CNCNghiên cứu xác định chế độ mài hợp lý chi tiết trụ ngoài vuông thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay CNCNghiên cứu xác định chế độ mài hợp lý chi tiết trụ ngoài vuông thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay CNCNghiên cứu xác định chế độ mài hợp lý chi tiết trụ ngoài vuông thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay CNCNghiên cứu xác định chế độ mài hợp lý chi tiết trụ ngoài vuông thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay CNCNghiên cứu xác định chế độ mài hợp lý chi tiết trụ ngoài vuông thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay CNCNghiên cứu xác định chế độ mài hợp lý chi tiết trụ ngoài vuông thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay CNCNghiên cứu xác định chế độ mài hợp lý chi tiết trụ ngoài vuông thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay CNCNghiên cứu xác định chế độ mài hợp lý chi tiết trụ ngoài vuông thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay CNCNghiên cứu xác định chế độ mài hợp lý chi tiết trụ ngoài vuông thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay CNCNghiên cứu xác định chế độ mài hợp lý chi tiết trụ ngoài vuông thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay CNCNghiên cứu xác định chế độ mài hợp lý chi tiết trụ ngoài vuông thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay CNCNghiên cứu xác định chế độ mài hợp lý chi tiết trụ ngoài vuông thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay CNCNghiên cứu xác định chế độ mài hợp lý chi tiết trụ ngoài vuông thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay CNCNghiên cứu xác định chế độ mài hợp lý chi tiết trụ ngoài vuông thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay CNCNghiên cứu xác định chế độ mài hợp lý chi tiết trụ ngoài vuông thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay CNCNghiên cứu xác định chế độ mài hợp lý chi tiết trụ ngoài vuông thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay CNCNghiên cứu xác định chế độ mài hợp lý chi tiết trụ ngoài vuông thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay CNCNghiên cứu xác định chế độ mài hợp lý chi tiết trụ ngoài vuông thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay CNCNghiên cứu xác định chế độ mài hợp lý chi tiết trụ ngoài vuông thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay CNC

BỘ CÔNG THƯƠNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

BÙI THANH HIỀN

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ MÀI HỢP LÝ CHI TIẾT TRỤ NGOÀI VUÔNG THÉP SKD11

BẰNG ĐÁ CBN TRÊN MÁY PHAY CNC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

HÀ NỘI - 2024

BỘ CÔNG THƯƠNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

BÙI THANH HIỀN

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ MÀI HỢP LÝ CHI TIẾT TRỤ NGOÀI VUÔNG THÉP SKD11

BẰNG ĐÁ CBN TRÊN MÁY PHAY CNC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành: Kỹ thuật cơ khí

Mã số: 9520103

Xác nhận của Viện Nghiên cứu Cơ khí Giám đốc Trung tâm Đào tạo

Người hướng dẫn 1 Người hướng dẫn 2

PGS.TS Lê Thu Quý GS.TS Vũ Ngọc Pi TS Vũ Văn Khoa

HÀ NỘI - 2024

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án:"Nghiên cứu xác định chế độ mài hợp lý chi tiết trụ ngoài vuông thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay CNC" là công

trình nghiên cứu của chính mình dưới sự hướng dẫn khoa học của tập thể hướng

dẫn khoa học là GS.TS Vũ Ngọc Pi và TS Vũ Văn Khoa Luận án sử dụng

thông tin trích dẫn từ nhiều nguồn tham khảo khác nhau và các thông tin trích dẫn được ghi rõ nguồn gốc Các kết quả nghiên cứu của tôi được công bố chung với các tác giả khác đã được sự nhất trí của đồng tác giả khi đưa vào luận án Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác ngoài các công trình công bố của tác giả Luận án được hoàn thành trong thời gian tôi làm nghiên cứu sinh tại Viện Nghiên cứu Cơ khí

Hà Nội, ngày tháng năm 2024

Tác giả luận án

Bùi Thanh Hiền

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành Luận án Tiến sĩ này, ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự động viên và giúp đỡ rất lớn của nhiều thầy giáo, cô giáo và tập thể nghiên cứu khoa học

Trước tiên, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tập thể người

hướng dẫn khoa học GS.TS Vũ Ngọc Pi và TS Vũ Văn Khoa, những người

thầy đã tận tình hướng dẫn, định hướng nghiên cứu, đào tạo và chỉ bảo tôi trong suốt quá trình nghiên cứu

Tôi xin trân trọng cảm ơn lãnh đạo Viện Nghiên cứu Cơ khí và Trung tâm Đào tạo thuộc Viện Nghiên cứu Cơ khí cũng như Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí của Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu để 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, trung tâm Thí nghiệm thực hành khoa Cơ khí, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thành các công việc liên quan đến thí nghiệm, thực nghiệm và đo đạc

Tôi xin trân trọng cảm ơn sự hỗ trợ giúp đỡ của đồng nghiệp tại Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy và Robot, khoa Cơ khí, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã dành những điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận án của mình

Cuối cùng tôi gửi lời cảm ơn và biết ơn sâu sắc tới gia đình, những người đã luôn động viên, chia sẻ giúp đỡ tôi về mặt tinh thần trong suốt thời gian qua

Hà Nội, ngày tháng năm 2024

Tác giả luận án

Bùi Thanh Hiền

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 16

1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 17

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 26

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 28

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÀI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30

2.1 ĐẶC TRƯNG CỦA QUÁ TRÌNH MÀI 30

2.1.1 Quá trình tạo phoi khi mài 30

2.1.2 Lực cắt trong quá trình mài 31

2.1.3 Lưỡi cắt trong quá trình mài 33

2.1.4 Chiều dài cung tiếp xúc giữa đá mài và phôi khi mài 34

2.1.5 Chiều dày cắt khi mài 35

2.1.6 Đường kính tương đương 35

2.1.7 Năng suất gia công 35

2.2 MỘT SỐ THÔNG SỐ CỦA QUÁ TRÌNH MÀI 36

2.2.1 Mòn đá mài 36

2.2.2 Tuổi bền đá mài 38

2.2.3 Nhám bề mặt khi mài 38

2.3 SƠ ĐỒ NÂNG CAO HIỆU QUẢ QUÁ TRÌNH MÀI 40

2.4 ĐẶC ĐIỂM CỦA CHẾ ĐỘ MÀI BẰNG ĐÁ CBN TRÊN MÁY PHAY CNC 41

2.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 42

2.5.1 Lựa chọn số lượng phương pháp MCDM 42

2.5.2 Luận giải lý do chọn ba phương pháp MCDM cụ thể 44

2.5.3 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi 45

2.5.4 Phương pháp phân tích phương sai ANOVA 47

3.2.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ sửa đá đến nhám bề mặt 70

4.1 LỰA CHỌN THÔNG SỐ THÍ NGHIỆM MÀI 76

4.2 CHẾ ĐỘ MÀI HỢP LÝ THEO CHỈ TIÊU NHÁM BỀ MẶT 79

4.2.1 Mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến nhám bề mặt 79

4.2.2 Chế độ mài hợp lý để nhám bề mặt nhỏ nhất 85

4.3 CHẾ ĐỘ MÀI HỢP LÝ THEO CHỈ TIÊU NĂNG SUẤT GIA CÔNG 874.3.1 Mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến năng suất gia công 874.3.2 Chế độ mài hợp lý để năng suất gia công lớn nhất 90

4.4 CHẾ ĐỘ MÀI HỢP LÝ THEO ĐỒNG THỜI CHỈ TIÊU NHÁM BỀ MẶT VÀ NĂNG SUẤT GIA CÔNG 94

4.4.1 Kết quả giá trị trọng số 94

4.4.2 Thông số mài hợp lý theo phương pháp TOPSIS 95

4.4.3 Thông số mài hợp lý theo phương pháp MAIRCA 97

4.4.4 Thông số mài hợp lý theo phương pháp EAMR 100

4.4.5 Thông số mài hợp lý để đạt đồng thời nhám nhỏ nhất và năng suất gia công lớn nhất 103

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 109

KẾT LUẬN CHUNG VÀ CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 111

1 Kết luận chung 111

2 Hướng nghiên cứu tiếp theo 112

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

PHỤ LỤC 120

R Số lần lặp của thí nghiệm fe Bậc tư do của lỗi

Ve Sai số trung bình của lỗi

SS Tổng bình phương SSB Tổng bình phương của thông số B SSe Tổng bình phương các lỗi

SST Tổng các bình phương S/N Tỉ số tín hiệu/nhiễu DOF Bậc tự do

tpij Giá trị chuẩn hóa có tính đến trọng số theo phương

pháp MAIRCA

trij Giá trị chuẩn hóa theo phương pháp chuẩn hóa số liệu

Weitendorf theo phương pháp MAIRCA

gij Hiệu giá trị chuẩn hóa của tiêu chí j ở phương án I

theo phương pháp MAIRCA

Qi Tổng các giá trị chuẩn hóa gij theo phương pháp

MAIRCA

nij Giá trị chuẩn hóa theo phương pháp EAMR

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ANOVA Analysis of Variance Phân tích phương sai CBN Cubic Boron Nitride Khối bo nitorat dạng lập

phương CNC Computer Numerical Control Máy điều khiển số DLC Diamond-like carbon Cacbon có cấu trúc giống

kim cương EAMR Evaluation by an Area based

Method of Ranking

Đánh giá theo phương pháp xếp hạng dựa trên khu vực

MAIRCA Multi Attributive Ideal-Real

Comparative Analysis

Phân tích so sánh lý thực tế đa thuộc tính

tưởng-MCDM Multi Criteria Decision Making Ra quyết định đa tiêu chí MEREC Method based on the Removal

Effects of Criteria

Phương pháp dựa trên tác dụng loại bỏ của tiêu chí MQL Minimum quantity lubrication Bôi trơn tối thiểu

MRS Material removal Speed Năng suất gia công TOPSIS Technique for Order of Preference

by Similarity to Ideal Solution

Kỹ thuật sắp xếp thứ tự ưu tiên theo sự tương đồng với giải pháp lý tưởng

WCJ Wheel cleaning jet Tia làm sạch đá mài

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1 Trục cam động cơ ô tô [1] 1

Hình 2 Chày cối dập thép định hình [2] 2

Hình 3 Chày dập viên nén định hình 2

Hình 1.1 Các mặt phát triển của tinh thể CBN và hình thái hình học [18] 10

Hình 1.2 Hình dáng hạt mài kim cương và hạt mài CBN [22] 12

Hình 1.3 Mài trục cam trên máy mài CNC [23] 15

Hình 1.4 Máy mài trục cam CNC [24] 15

Hình 1.9 Mài bề mặt răng của bánh răng sử dụng đá mài CBN [29] 20

Hình 1.10 Quan hệ nhiệt sinh ra khi mài với chiều sâu cắt [31] 21

Hình 1.11 Quan hệ nhiệt khi mài với lượng chạy dao [31] 21

Hình 1.12 Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến mòn hướng kính khi mài bằng đá CBN [33] 23

Hình 1.13 Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến nhám bề mặt khi mài [33] 23

Hình 1.14 So sánh ảnh hưởng của các loại dung dịch bôi trơn khi mài [34] 24

Hình 1.15 Thí nghiệm mài trên máy phay NC (040-743) [35] 25

Hình 1.16 Nhám bề mặt cho các loại thép khác nhau [37] 26

Hình 2.1 Hình dạng hạt mài [42] 30

Hình 2.2 Sơ đồ quá trình tạo phoi khi mài [20] 31

Hình 2.3 Lực cắt tác dụng lên hạt mài [11] 32

Hình 2.4 Lưỡi cắt động và lưỡi cắt tĩnh khi mài [20], [12] 33

Hình 2.5 Chiều dài cung tiếp xúc khi mài [43] 34

Hình 2.6 Mòn đá mài [44] 36

Hình 2.7 Mòn hạt mài [44] 36

Hình 2.8 Trạng thái mòn của đá mài [12] 37

Hình 2.9 Nhám bề mặt khi mài [43] 39

Hình 2.10 Sơ đồ nâng cao hiệu quả của quá trình mài 41

Hình 3.1 Máy phay CNC dùng cho thí nghiệm 58

Hình 3.2 Đá mài CBN dùng cho thí nghiệm 60

Hình 3.3 Máy sửa đá dùng cho thí nghiệm 60

Hình 3.4 Mẫu thí nghiệm 61

Hình 3.5 Máy đo nhám dùng cho thí nghiệm 62

Hình 3.6 Cân điện tử dùng cho thí nghiệm 63

Hình 3.7 Kính hiển vi quang học dùng cho thí nghiệm 64

Hình 3.8 Panme đo kích thước 64

Hình 3.16 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến Ra 71

Hình 3.17 Đồ thị ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến tỷ số S/N của Ra 73

Hình 4.1 Đồ thị xu hướng ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến giá trị nhám trung bình khi mài 82

Hình 4.2 Phần trăm ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến nhám bề mặt 83

Hình 4.3 Đồ thị ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến tỷ số S/N 84

Hình 4.4 Đồ thị xu hướng ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến năng suất gia công 89

Hình 4.5 Đồ thị xu hướng ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến tỉ số

S/N của năng suất gia công qua các mức khảo sát 91

Hình 4.6 Biểu đồ so sánh các phương pháp TOPSIS, MAIRCA, EAMR, 105

Hình 4.7 Ảnh bề mặt chi tiết gia công phóng to 500 lần 107

Hình 4.8 Hình ảnh bề mặt đá mài CBN d = 125 mm 108

Hình 4.9 Hình ảnh cấu trúc bề mặt đá CBN d = 125 mm 108

Hình 4.10 Kiểm tra kích thước mẫu thí nghiệm 109

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Các thông số công nghệ thí nghiệm sửa đá 68

Bảng 3.2 Ma trận thí nghiệm L9 69

Bảng 3.3 Kết quả thí nghiệm và tính toán nhám bề mặt Ra 70

Bảng 3.4 Kết quả phân tích ANOVA giá trị Ra 71

Bảng 3.5 Mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến Ra 71

Bảng 3.6 Kết quả phân tích ANOVA tỉ số S/N của Ra 73

Bảng 3.7 Mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến tỉ số S/N của Ra 73

Bảng 4.1 Thông số sửa đá trước khi mài 76

Bảng 4.2 Thông số cắt và các mức của nó 78

Bảng 4.3 Kế hoạch thí nghiệm và kết quả thí nghiệm 79

Bảng 4.4 Giá trị nhám bề mặt và tỷ số S/N 80

Bảng 4.5 Kết quả phân tích ANOVA cho giá trị nhám trung bình 81

Bảng 4.6 Mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến giá trị nhám trung bình 81

Bảng 4.7 Kết quả phân tích ANOVA cho tỷ số S/N khi mài 82

Bảng 4.8 Thứ tự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến tỷ số S/N 83

Bảng 4.9 Các thông số công nghệ đầu vào hợp lý cho nhám bề mặt nhỏ nhất 85Bảng 4.10 Kết quả thí nghiệm kiểm chứng tỉ số Ra và sai lệch (%) 86

Bảng 4.11 Năng suất gia công và tỷ số S/N 87

Bảng 4.12 Kết quả phân tích ANOVA cho năng suất gia công 88

Bảng 4.13 Mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến năng suất gia công 89

Bảng 4.14 Kết quả phân tích ANOVA tỷ số S/N của năng suất gia công 90

Bảng 4.15 Thứ tự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến tỷ số S/N 90

Bảng 4.16 Thông số cắt tối ưu cho năng suất gia công tối đa 92

Bảng 4.17 Kết quả thí nghiệm kiểm chứng MRS và sai lệch (%) 93

Bảng 4.18 Giá trị ma trận được chuẩn hóa trong phương pháp TOPSIS 95Bảng 4.19 Các thông số tính toán và xếp hạng theo phương pháp TOPSIS 96Bảng 4.20 Bảng giá trị tpij và trij theo phương pháp MAIRCA 98Bảng 4.21 Giá trị gij , Qi và xếp hạng các thí nghiệm 99Bảng 4.22 Giá trị của nij và vij theo phương pháp EAMR 101Bảng 4.23 Giá trị Gj , Sj và xếp hạng các phương án bằng phương pháp EAMR 102Bảng 4.24 Xếp hạng phương án khi sử dụng phương pháp TOPSIS, 104Bảng 4.25 Hệ số tương quan xếp hạng của Spearman 106

MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài luận án

Gia công mài nói chung và mài bề mặt trụ ngoài nói riêng được sử dụng rất rộng rãi để gia công các chi tiết chính xác 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 Nó có thể gia công với chiều sâu cắt rất nhỏ, vận tốc cắt lớn (30-50 m/s với mài thông thường và đến 200 m/s với mài cao tốc) Mài cho độ chính xác và độ bóng bề mặt rất cao (cấp chính xác thường từ 5-7 và nhám bề mặt từ 0,2-3,2 μm) Trên thực tế, nguyên công mài chiếm khoảng 20-25% tổng chi phí cho gia công cơ

Trên thực tế, các chi tiết có biên dạng định hình được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp khác nhau, ví dụ như biên dạng cam của trục cam động cơ (Hình 1), chày đột thép tấm (Hình 2) hay chày dập viên nén định hình (Hình 3) Việc gia công chính xác các biên dạng định hình này là rất phức tạp và thường khó khăn hơn nhiều so với gia công các bề mặt thông dụng như mặt trụ, mặt phẳng, … Vì lý do đó, các chi tiết có bề mặt định hình này luôn có giá thành cao (Ví dụ trục cam trên Hình 1 có giá bán là 389,95 USD, …)

Bên cạnh đó, các bề mặt định hình thường được gia công bằng phương pháp mài và được thực hiện trên các máy mài chuyên dùng hoặc máy mài CNC hoặc phay trên các trung tâm CNC Phương pháp mài các bề mặt định hình bằng máy mài CNC hoặc máy mài chuyên dùng thường được sử dụng cho gia công tinh hoặc gia công lần cuối cho năng suất và chất lượng gia công cao mà đôi khi phay không thể đạt được do hạn chế bởi đường kính dao

Hình 1 Trục cam động cơ ô tô [1]

Hình 2 Chày cối dập thép định hình [2]

Hình 3 Chày dập viên nén định hình

Trong thực tế sản xuất, bề mặt định hình được sử dụng phổ biến, trong đó bề mặt chày dập viên định hình được sử dụng khá rộng rãi để sản xuất thuốc viên định hình các loại Theo số liệu của công ty PENGLAI INDUSTRIAL CORPORATION LIMITED (Trung Quốc) [16], viên nén định hình chiếm 56,25% loại viên nén Ở Việt Nam hiện nay cũng tương tự, theo báo cáo của Doanh nghiệp tư nhân Cơ khí Chính xác Thái Hà (là doanh nghiệp cung cấp chày cối dập viên nén cho hơn 50 công ty dược phẩm ở Miền Bắc nước ta), số lượng cặp chày cối dập viên nén định hình chiếm khoảng 52% tổng số cặp chày cối do doanh nghiệp sản xuất ra trong năm 2018 [3] Đặc biệt, các chày cối của doanh nghiệp cho đến nay chủ yếu sản xuất bằng phương pháp nguội nên chất lượng và năng suất thấp Hiện nay, ở Miền Bắc có nhiều cơ sở sản xuất chày dập viên nén, tuy nhiên các cơ sở này không dùng máy mài CNC chuyên dùng để mài các bề mặt trụ ngoài định hình So sánh giữa máy phay CNC và máy mài chuyên dùng ta nhận thấy máy phay CNC có một số ưu điểm nổi bật như:

Ưu điểm thứ nhất, máy phay CNC linh hoạt hơn, tức là máy phay CNC có khả năng thực hiện nhiều loại công việc khác nhau trên cùng một máy như phay mặt phẳng, phay bao hình, khoan,… Đặc biệt, máy phay CNC có chuyển động trục chính giống với máy mài, trong khi máy mài thường được thiết kế để thực hiện một công việc cụ thể

Ưu điểm thứ hai, việc lập trình và điều khiển máy phay CNC thuận tiện và thông dụng hơn so với máy mài chuyên dùng

Ưu điểm thứ ba, trong trường hợp sản xuất hàng loạt, máy phay CNC thường có chi phí sản xuất thấp hơn so với máy mài chuyên dùng, đặc biệt khi cần sản xuất các chi tiết có hình dạng và kích thước khác nhau

Ưu điểm thứ tư, máy phay CNC có thể làm việc trên nhiều loại vật liệu, từ kim loại đến nhựa và gỗ, trong khi máy mài thường được sử dụng chủ yếu cho các công việc mài kim loại Việc khai thác máy phay CNC vào nguyên công mài chẳng những tiết kiệm được chi phí trang bị máy mài chuyên dùng mà còn tận dụng được những ưu điểm nổi bật của máy phay CNC như đã đề cập đến ở trên Nghiên cứu này ứng dụng khả năng công nghệ của máy phay CNC để mài bề mặt trụ ngoài vuông theo phương pháp mài công tua chạy theo biên dạng định hình của chi tiết

Gia công các bề mặt định hình chi phí thường cao nên các chi tiết có biên dạng định hình thường được chế tạo bằng vật liệu có cơ tính tốt như: SKD11, 90CrSi, SUS304,… Trong đó, thép dụng cụ SKD11 là loại thép cho độ cứng, độ bền mòn của chi tiết cao nên được sử dụng khá phổ biến để chế tạo các dụng cụ trong ngành cơ khí Thép SKD11 đặc biệt hiệu quả khi dùng làm chày dập viên nén định hình Do vậy, nghiên cứu để nâng cao chất lượng, tăng năng suất và hạ giá thành khi gia công chúng là rất cần thiết Thép SKD11 được chọn là vật liệu gia công cho nghiên cứu này

CBN là một vật liệu nhân tạo có khả năng chống mài mòn cao, tương tự như kim cương và thường được sử dụng để gia công các vật liệu khó mài CBN có đặc tính cơ học và tính chịu nhiệt tốt Đá mài CBN được biết đến với nhiều ưu điểm vượt trội như có khả năng cắt tới 200 m/s, độ bền nhiệt cao, có thể duy trì độ sắc của hạt mài trong một thời gian dài và đặc biệt là có thể sử dụng ở chế độ mài khô Những ưu điểm này của đá mài CBN đã khiến nó được nghiên cứu và ứng dụng mạnh mẽ trong khoảng mười lăm năm trở lại đây Việc sử

dụng đá mài CBN để mài các chi tiết trụ biên dạng định hình lồi bằng thép SKD11 là một hướng cần được nghiên cứu chuyên sâu để chẳng những có thể áp dụng trực tiếp kết quả nghiên cứu vào quá trình sản xuất mà cũng đóng góp những luận điểm mới vào hướng nghiên cứu về công nghệ mài hiện đại

Từ phân tích nêu trên, việc nghiên cứu nâng cao chất lượng của quá trình

mài chi tiết trụ ngoài vuông thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay CNC là

luận án có ý nghĩa thực tiễn và mang tính cấp thiết

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến quá trình sửa đá và quá trình mài, từ đó đề xuất được bộ thông số hợp lý khi sửa đá và khi mài chi tiết có bề mặt trụ ngoài vuông thép SKD11 bằng đá CBN trên máy phay

CNC Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Mài trên máy phay CNC với đối tượng thực nghiệm là phôi thép SKD11 có bề mặt trụ ngoài vuông sử dụng đá mài CBN B91 KSSRY A V240 của hãng Norton (Đức)

- Phạm vi nghiên cứu: + Nghiên cứu công nghệ mài trên máy phay CNC với vật liệu thép SKD11 qua tôi sử dụng đá mài CBN

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến quá trình sửa đá và mài để từ đó xác định bộ thông số sửa đá và mài hợp lý nhằm nâng cao hiệu quả quá trình mài đạt nhám bề mặt và năng suất gia công là tốt nhất

Phương pháp nghiên cứu

+ Nghiên cứu lý thuyết: - Phương pháp tiếp cận: Khảo sát các kết quả nghiên cứu đã công bố, kế thừa và phát triển từ kết quả nghiên cứu đã có; Phân tích các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, từ đó xác định hướng nghiên cứu, đối tượng, mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của luận án

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về mài chi tiết có bề mặt trụ ngoài định hình; Phân tích và lựa chọn phương pháp quy hoạch thực nghiệm

+ Nghiên cứu thực nghiệm: - Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến quá trình sửa đá và quá trình mài

- Thực nghiệm xác định chế độ sửa đá và chế độ mài hợp lý

Nội dung nghiên cứu

1- Nghiên cứu tổng quan về mài chi tiết có bề mặt trụ ngoài định hình 2- Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ như chiều sâu

cắt aed, tốc độ quay trục chính Rpm, bước tiến đá Fe đến quá trình sửa đá, từ đó đề xuất bộ thông số sửa đá hợp lý

3- Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ như chiều sâu cắt aed, tốc độ quay trục chính Rpm, bước tiến đá Fe, đường kính đá mài d đến quá trình mài, từ đó đề xuất bộ thông số mài hợp lý với hàm đơn mục tiêu là nhám nhỏ nhất, năng suất gia công là lớn nhất và hàm đa mục tiêu

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học của luận án: Kết quả của luận án đóng góp quan trọng trong việc nâng cao hiểu biết về phương pháp mài bề mặt trụ ngoài định hình trên máy phay CNC, xác định chế độ sửa đá và chế độ mài hợp lý, đặc biệt là đối với mài các chi tiết bề mặt trụ ngoài định hình sử dụng đá mài CBN Luận án đã xác định được giá trị hợp lý của các thông số sửa đá, xác định được bộ giá trị hợp lý của các thông số mài (chiều sâu cắt, tốc độ quay trục chính, bước tiến đá, và đường kính đá mài) để đảm bảo nhám bề mặt có giá trị nhỏ, đảm bảo năng suất gia công có giá trị lớn và đảm bảo đồng thời hai chỉ tiêu này Điều này đã cung cấp thông tin quý báu để tối ưu hóa quá trình mài sử dụng đá mài CBN

Kết quả nghiên cứu đã đóng góp vào việc phát triển và tối ưu hóa phương pháp gia công mài nói chung và mài sử dụng đá mài CBN nói riêng Các thông tin từ nghiên cứu này có thể hỗ trợ các nghiên cứu, làm tài liệu tham khảo và cũng giúp mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc gia công mài sử dụng đá mài CBN để mài các chi tiết có bề mặt trụ ngoài định hình

- Ý nghĩa thực tiễn của luận án:

+ Kết quả của luận án có thể tham khảo áp dụng để gia công mài các chi tiết có biên dạng trụ ngoài định hình như chày dập viên nén định hình, chày dập thép tấm định hình, bằng đá mài CBN trên máy phay CNC Đây là giải pháp hữu hiệu để tăng năng suất và chất lượng khi gia công tinh hoặc gia công lần cuối các chi tiết trụ ngoài định hình như chày dập viên nén, chày đột dập,

+ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm được trình bày trong luận án có thể dùng để tham khảo cho các nghiên cứu khoa học và đào tạo kỹ thuật trong lĩnh vực gia công cơ khí nói chung và những ai quan tâm đến công nghệ mài bằng đá mài CBN nói riêng

- Luận án sử dụng phương pháp ra quyết định đa tiêu chí với ba phương pháp MCDM là TOPSIS, MAIRCA, EARM kết hợp với hai phương pháp tính trọng số MEREC và Entropy vào lĩnh vực công nghệ mài xác định được bộ thông số mài hợp lý để đạt đồng thời nhám nhỏ nhất và năng suất gia công lớn nhất Đây là một ứng dụng mới trong lĩnh vực gia công chính xác và có thể được áp dụng cho các nghiên cứu tương tự trong lĩnh vực này

- Luận án đóng góp đáng kể cho việc phát triển, mở rộng công nghệ mài, bổ sung kiến thức chuyên ngành về mài trên máy phay CNC bằng đá CBN và đặc biệt là phương pháp sử dụng đá mài CBN để mài bề mặt trụ ngoài vuông trên máy phay CNC

- Luận án cung cấp tài liệu hướng dẫn cụ thể và cơ sở khoa học cho việc tối ưu hóa quá trình gia công bằng phương pháp mài nói chung và mài sử dụng

đá mài CBN nói riêng, giúp cải thiện năng suất, chất lượng của sản phẩm cuối cùng và tiết kiệm chi phí trong quá trình sản xuất

Bố cục của báo cáo

Luận án được trình bày gồm các phần: Mở đầu, 04 chương, kết luận, hướng nghiên cứu tiếp theo và phụ lục Nội dung các chương cụ thể như sau: - Chương 1: Tổng quan về mài và mài bề mặt trụ ngoài định hình

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết về mài và phương pháp nghiên cứu - Chương 3: Xây dựng hệ thống thí nghiệm và nghiên cứu thực nghiệm xác định chế độ sửa đá hợp lý

- Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm xác định chế độ mài hợp lý

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÀI VÀ MÀI BỀ MẶT TRỤ NGOÀI

ĐỊNH HÌNH

Luận án này tập trung vào nghiên cứu sử dụng đá mài CBN để mài thép SKD11 trên máy phay CNC Một số đặc điểm chung của thép SKD11, đá mài CBN và xu hướng sử dụng máy mài CNC, máy phay CNC đã được tìm hiểu Từ việc tìm hiểu, phân tích, đánh giá tổng quan các công trình nghiên cứu trước đây của các tác giả trong và ngoài nước liên quan đến mài, mài định hình và mài các bề mặt trụ ngoài định hình, luận án sẽ tập trung nghiên cứu giải quyết một số vấn đề mà các nghiên cứu trước chưa thực hiện được

Thép SKD11 là một trong những loại thép được sử dụng rộng rãi trong ngành cơ khí khuôn mẫu, gia công chi tiết máy Thép SKD11 đặc biệt được sử dụng phổ biến nhất để làm phôi khi gia công khuôn dập nguội

b, Thành phần hóa học

Thành phần hóa học thép SKD11 (JIS G4404) gồm: 1,4%÷1,6% C, ≤ 0,4% Si, ≤ 0,6% Mn, 11÷13% Cr, 0,2÷0,5% V, < 0,5% Ni [17]

Cacbon là nguyên tố quan trọng nhất trong thành phần của thép SKD11 Nó quyết định chủ yếu đến tổ chức và tính chất của thép Khi lượng cacbon trong thép tăng lên, lượng cacbit cũng tăng theo lên tương ứng, kết quả là sẽ làm thay đổi tổ chức tế vi của thép Lượng cacbon trong thép càng cao thì độ cứng của thép càng tăng nhưng lại giòn.Ở trạng thái ủ, khi thành phần cacbon tăng lên thì độ bền, độ cứng tăng còn độ dẻo và độ dai giảm Vì vậy, trong thành phần hóa học của thép SKD11 được thêm các nguyên tố khác để khắc phục nhược điểm này

Crôm là nguyên tố tạo cacbit trung bình, nó là nguyên tố hợp kim phổ biến để hợp kim hoá Crôm có thể hòa tan trong ferit, mở rộng α Khi hàm lượng crôm cao thì nó sẽ kết hợp với cacbon để tạo ra xementit (Fe, Cr)3C và các loại cacbit Cr7C3 và Cr2C6 do đó làm nâng cao nhiệt điểm tới hạn Ac1 và hạ thấp điểm Ac3, quá trình này ngăn cản sự lớn lên của tinh thể, tăng độ thấm tôi cho thép Tác dụng của crôm là làm tăng cơ tính tổng hợp, ngoài ra nó còn có tác dụng cải thiện tính chống ram và độ bền ở nhiệt độ cao vì crôm tạo cacbit nhỏ mịn khi ram tiết ra ở nhiệt độ trên 2500C, chính vì lý do đó nên crôm có tính chống ram đến nhiệt độ 2500C ÷ 3000C nên nó có tính cứng nóng đến 3000C [4] Do tạo thành Cr2O3 rất bền nên crôm còn làm tăng mạnh tính chống oxy hóa

Molipden cải thiện tính chống ram, làm tăng mạnh độ thấm tôi do molipden tạo cacbit nhỏ mịn phân tán khi ram ở nhiệt độ cao, quá trình này làm giảm sự nhạy cảm đối với giòn ram Crôm cùng với molipđen có ái lực hoá học mạnh với cacbon tạo cacbit dạng Me6C Cacbit dạng Me6C giữ cacbon lại trong mactenxit làm cho thép có tính cứng nóng, tính bền nóng và nâng cao tính chịu nhiệt độ cao

Vanadi là nguyên tố tạo cacbit mạnh Cacbit VC tạo thành nhỏ mịn, có độ cứng rất cao, nằm ở biên giới hạt ngăn cản sự lớn lên của austenit khi nung Vanadi không chỉ tăng khả năng chống mài mòn mà còn tăng tính chống ram cho thép Cacbit VC khó tan tức là hầu như không hòa tan vào trong austenit ở nhiệt độ austenit hóa Lượng vanadi tăng thì tính tính mỏi giảm và chống mài mòn của thép tăng lên

Mangan là nguyên tố ổn định và mở rộng austenit, nó hòa tan lượng nhỏ (0,2%) vào ferit và hóa bền pha này [4] Mangan kìm hãm sự phân hủy của Austenit trong vùng peclit và bainit, vì thế mangan làm tăng độ ổn định của Austenit quá nguội, làm tăng mạnh độ thấm tôi với hệ số thấm tôi bằng 4, làm tăng lượng austenit dư sau tôi, kết quả sẽ làm giảm độ biến dạng khuôn khi nhiệt luyện Tuy nhiên, nếu nung mangan trong thời gian dài ở nhiệt độ cao dễ làm lớn hạt do đó dẫn đến làm cho thép giảm độ dai và bị giòn

Silic là nguyên tố nâng cao độ thấm tôi, nâng cao giới hạn chảy, nó là nguyên tố không tạo cacbit, mở rộng mạnh vùng ferit Silic có thể tạo SiO2 khít chặt ở bề mặt thép ở nhiệt độ cao, vì lý do đó nên silic ở nhiệt độ cao có tác

dụng chống oxy hóa cho thép Nhược điểm của silic là làm khó biến dạng dẻo đồng thời dễ gây thoát cacbon khi nung

Thép SKD11 sau khi tôi có biến dạng nhỏ vì trong thành phần của thép này có mangan nên sau khi tôi có lượng austenit dư nhất định Khi tôi thép SKD11 để giảm độ biến dạng mà vẫn đạt độ cứng cao có thể dùng cách tôi trong hai môi trường (nếu là khuôn trung bình) và tôi phân cấp (nếu là khuôn nhỏ) [5]

c, Tính gia công cắt gọt

Thép SKD11 cho bề mặt gia công cắt gọt mịn và đẹp hơn, chịu mài mòn cao Thép có đặc tính là độ thấm tôi tốt và ứng suất tôi là thấp do đó nâng cao độ cứng và chất lượng bề mặt đồng thời hạn chế được cong vênh khi gia công

1.1.2 Hạt mài CBN và đá mài CBN

a, Hạt mài CBN

Hạt mài CBN có cấu trúc tinh thể như Hình 1.4 [18]

Hình 1.1 Các mặt phát triển của tinh thể CBN và hình thái hình học [18]

Bo nitrid dạng khối (CBN) là loại hạt mài lớn nhất Bo nitrid ở trạng thái bình thường là một chất bột trơn màu trắng có tên gọi h-BN (hoặc α-BN) Bo nitrid có cấu trúc nguyên tử phân lớp hình lục giác giống với graphit tuy nhiên các nguyên tử nitơ và bo xếp xen kẽ nhau thay vì cacbon Bo nitrid có những đặc điểm tương đồng với than chì về cấu trúc và liên kết Hạt CBN giống như kim cương, nó không có trong tự nhiên mà được tổng hợp nhân tạo dưới nhiệt độ và áp suất cao Mặc dù vậy, tính chất hoá học của hạt CBN lại khác kim cương Mặc dù dung môi tạo nên CBN là các boride, oxide và nitrid kim loại,

(111) Mặt B hoặc N thay thế

(100) Mặt B và N (110)

Bát diện

Khối tám mặt

Khối tứ diện

phổ biến nhất là Li3N nhưng CBN không có ái lực với các kim loại chuyển tiếp [19]

Hình dạng CBN có thể kiểm soát được trong quá trình tổng hợp bằng cách sử dụng nhiệt độ và áp suất để khống chế tốc độ phát triển trên mặt phẳng bát diện (111) và mặt phẳng lập phương (100) Tinh thể CBN thường có hình dạng cuối cùng là một tứ diện vát mép Bên cạnh đó, tinh thể CBN còn có hình bát diện lập phương hoặc bát diện Hạt mài CBN có màu hổ phách, từ nâu đến đen, màu của nó phụ thuộc vào mức độ và loại tạp chất lẫn trong đó Hạt mài CBN khi dư thừa nguyên tố bo sẽ có màu đen

Các loại hạt mài CBN được sử dụng để chế tạo đá mài Nếu phân chia theo lớp có phủ hay không có lớp phủ, hạt mài CBN bao gồm hai loại

- Borazon CBN loại 1 là hạt mài không có lớp phủ được sử dụng để chế tạo đá mài CBN liên kết kim loại (niken)

- Borazon CBN loại 2 là hạt CBN có phủ niken được dùng để chế tạo đá mài CBN liên kết nhựa (phenolic hoặc polyamide) [20], [21]

b, Đá mài CBN

Tổng quan về đá mài CBN Đá mài CBN là loại đá mài mà vật liệu hạt mài là CBN Đến năm 1994, khoảng 25% quá trình mài ở Nhật Bản, 15% ở Châu Âu, 10% ở Mỹ sử dụng đá mài CBN Do ưu điểm của hạt mài CBN nên đá mài CBN ngày càng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực mài

Hạt mài CBN và hạt mài kim cương khá giống nhau về nhiều mặt Cả hai cùng có cấu trúc mạng tinh thể dạng khối và tính dẫn nhiệt cao Hình dáng hạt mài kim cương và hạt mài CBN được thể hiện trong Hình 1.2 [22] Tuy vậy chúng cũng có những tính chất rất khác biệt Kim cương thiên về graphit hoá (khi nhiệt độ là 9000C) và dễ bị oxy hoá trong không khí, có phản ứng với các chi tiết gia công chứa sắt ở nhiệt độ cao CBN ổn định, không bị oxi hoá khi nhiệt độ lên tới 13000C và có thể gia công dễ dàng các chi tiết chứa sắt

Do đá mài CBN có độ cứng rất cao và tốc độ mòn chậm nên gia công bằng đá mài CBN có khả năng đạt độ chính xác rất cao Loại đá này đòi hỏi sửa đá rất ít

a) b) Hình 1.2 Hình dáng hạt mài kim cương và hạt mài CBN [22]

a) Hạt mài kim cương b) Hạt mài CBN

Đặc tính của đá mài CBN Đá mài CBN có một số đặc tính vượt trội so với đá mài thông thường: - Tính dẫn nhiệt tốt: đá mài CBN có tính dẫn nhiệt tốt (từ 200 đến 300 W/m.K ở nhiệt độ thường), do đó có thể nhanh chóng phân tán nhiệt ở vùng cắt Tính dẫn nhiệt của CBN gần bằng kim cương, trong khi độ giãn nở nhiệt cao hơn kim cương khoảng 20%

- Độ cứng cao: Độ cứng hạt mài CBN ở nhiệt độ trung bình thường là khoảng 4500 kg/mm2, bằng một nửa kim cương và gấp đôi các hạt mài thông thường Độ cứng của CBN giảm khá nhanh ở nhiệt độ cao do cấu trúc tinh thể biến đổi thành dạng lục giác Tuy nhiên giá trị này vẫn cao hơn hạt mài thông thường

- Hạt mài sắc hơn: Hạt mài CBN có lưỡi cắt sắc hơn và góc trước từ -300đến -600 (trong khi hạt mài bình thường là -600 đến -700) nên giảm ma sát và nhiệt độ cắt khi mài

- Tính chống mài mòn cao: Đá mài CBN mòn chậm hơn đá mài nhôm ôxit và silic cacbid do chúng có độ cứng cao hơn, hệ số mài lớn hơn Tuy nhiên sự khác biệt về tính chống mài mòn lớn hơn nhiều so với độ cứng Chênh lệch độ cứng bằng 2 có thể chuyển thành chênh lệch tính chịu mài mòn từ 100 đến 1000 tuỳ theo vật liệu hạt mài

- Độ bền nhiệt tốt: CBN bền nhiệt trong ni tơ hoặc chân không đến ít nhất 15000C Trong không khí hoặc ô xy, CBN tạo thành một lớp bảo vệ B2O3 trên bề mặt có thể ngăn cản quá trình ô xy hoá tới 13000C Tuy nhiên lớp này phản ứng với nước, chính xác hơn là hơi nước ở nhiệt độ 9000C

Cấu trúc của đá mài CBN Đá mài CBN được chế tạo ở dạng đơn lớp hoặc đa lớp Đá mài CBN đa lớp: là loại đá mài có nhiều lớp hạt mài Do hạt mài CBN có giá thành cao nên đá mài CBN không được chế tạo nguyên khối như đá mài hạt mài truyền thống mà được chế tạo thành một vành mỏng có chiều dày 3 - 5 mm (gồm nhiều lớp hạt mài) sau đó dán lên cốt kim loại

Đá mài CBN đơn lớp: là loại đá mài chỉ có một lớp hạt mài trên bề mặt lõi kim loại Đá mài CBN đơn lớp nói chung rẻ hơn đá mài CBN đa lớp vì chúng chứa ít hạt mài CBN hơn

Ứng dụng của đá mài CBN trong sản xuất Hạt mài CBN được sử dụng bất cứ khi nào các hạt mài khác thể hiện các bất lợi trong gia công, như về kinh tế (chi phí mài), năng suất, chất lượng (kích thước và hình dạng), chất lượng bề mặt gia công Đá mài CBN ứng dụng rộng rãi trong mài tròn ngoài, mài tròn trong, mài định hình, mài vô tâm, mài phẳng, mài rãnh, mài ren, mài khuôn,… Độ bền và độ cứng của hạt mài khiến tuổi bền của đá mài tăng cao Khi được sử dụng đúng, CBN có thể mài dễ dàng các vật liệu chứa sắt cũng như hợp kim niken và coban Kích thước hạt của đá mài CBN chỉ có ảnh hưởng nhỏ đến chất lượng bề mặt phôi so với kích thước hạt của đá mài kim cương Do đó đối với đá mài CBN thường không chọn cỡ hạt khác nhau cho mài thô hay mài tinh mà thường chọn cỡ hạt trung bình [22] Khó khăn khi mài bằng đá mài CBN không phải về mặt kỹ thuật mà là liên quan đến giá thành của nó Do đó, cần căn cứ vào nhu cầu cụ thể để quyết định dùng loại đá mài nào

Đá mài CBN phù hợp để mài các vật liệu cứng và dai, như thép gió sê-ri M và T và hợp kim niken do hạt mài thông thường rất khó mài các vật liệu này Đá mài CBN cũng nên được sử dụng để mài thép tôi có độ cứng lớn hơn 50 HRC Đối với thép mềm có thể sử dụng CBN để mài thô do nó có hệ số bóc tách vật liệu cao CBN cũng nên được dùng để mài các chi tiết có yêu cầu về

độ chính xác kích thước và hình dạng cao Do mòn đá diễn ra chậm nên gia công bằng CBN dễ dàng đạt được chất lượng gia công tốt Do hạt mài CBN duy trì được độ sắc lâu hơn nên lực mài nhỏ, đồng thời tạo ra ứng suất dư nén có thể làm hư hỏng bề mặt

1.2 MÁY MÀI CNC VÀ MÁY PHAY CNC

Tại các nước phát triển, các máy công cụ điều khiển số hiện đang được sử dụng phổ biến để đáp ứng hiện thực của nền khoa học kỹ thuật đang không ngừng phát triển Ở Việt Nam, các máy CNC được nhập vào với số lượng ngày càng lớn trong những năm gần đây Do đó, việc khai thác khả năng công nghệ gia công trên máy CNC và trên trung tâm gia công sao cho đạt hiệu quả kinh tế cao đang là vấn đề cấp thiết và có ý nghĩa thực tiễn giúp phát triển kinh tế và khoa học kỹ thuật Ở Việt Nam cũng như các nước trên thế giới, việc tìm hiểu kỹ thuật gia công cơ khí trên các máy điều khiển số CNC được các nhà khoa học và các nhà kỹ thuật đặc biệt quan tâm nghiên cứu Máy CNC có khả năng gia công đạt độ chính xác rất cao đáp ứng cả tính kinh tế và tính kỹ thuật, tức là vừa gia tăng độ chính xác, đồng thời hạ được giá thành sản phẩm Thực tế sản xuất cho thấy, chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc chủ yếu vào chế độ công nghệ với cùng một hệ thống công nghệ Vì thế, phương pháp cơ bản và hiệu quả để kiểm soát chất lượng gia công cũng như nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị là điều khiển các chế độ công nghệ Do đó, việc nghiên cứu và xác định chế độ cắt hợp lý hay tối ưu là điều kiện quan trọng và rất cần thiết cho quá trình gia công cơ khí [6]

1.2.1 Máy mài CNC

Trên thực tế, các bề mặt trụ ngoài định hình thường được gia công bằng phương pháp mài và thường được thực hiện trên các máy mài chuyên dùng hoặc máy mài CNC, ví dụ như mài trục cam (hình 1.3); máy mài trục cam CNC (hình 1.4)

Phương pháp mài các bề mặt định hình bằng máy mài CNC hoặc máy mài chuyên dùng cho năng suất và chất lượng gia công cao Tuy nhiên, các loại máy này chỉ phù hợp khi sản xuất loạt lớn, hàng khối và sẽ cần đầu tư chi phí ban đầu khá lớn Vì vậy, trên thực tế rất cần các nghiên cứu mở rộng hệ thống công nghệ để mài các chi tiết có biên dạng định hình

Hình 1.3 Mài trục cam trên máy mài CNC [23]

Hình 1.4 Máy mài trục cam CNC [24]

1.2.2 Máy phay CNC

Hiện nay trong gia công cơ khí có rất nhiều loại máy phay CNC được sử dụng hiệu quả và phổ biến Trong đó có loại máy phay CNC 3 trục được ứng dụng trong nhiều ngành kỹ thuật, loại máy này có thể gia công được đa dạng các loại vật liệu như kim loại (thép, đồng, nhôm,…) Máy phay CNC 4 trục được ứng dụng để gia công khuôn mẫu; gia công các chi tiết trong sản xuất ô tô, cơ khí, hàng không, hàng hải; gia công các thiết bị y tế, công nghệ… Máy phay CNC 5 trục được sử dụng để gia công các chi tiết trong các ngành công nghiệp ô tô, hàng không vũ trụ và tàu thuyền [7]

Hình 1.5 Máy phay đứng CNC [7]

Dựa vào cấu tạo có máy phay giường, máy phay ngang, máy phay đứng CNC Trong đó máy phay đứng CNC [7] (Hình 1.5) có cấu tạo trục chính vuông góc với bàn máy theo phương thẳng đứng Máy phay đứng CNC được điều khiển bằng hệ thống CNC được lập trình trên máy tính Khi gia công, bàn máy di chuyển qua lại theo phương ngang X, Y trong khi đó trục chính chứa dao cắt thường di chuyển lên xuống theo phương Z Máy phay đứng CNC có ưu điểm là thời gian gia công ngắn, tốc độ cắt nhanh mà vẫn đạt được độ chính xác cao, thời gian gá đặt giảm Máy phay CNC có cấu tạo càng nhiều trục thì máy có thể gia công được các chi tiết càng phức tạp nhưng giá thành các máy càng cao Trong sản xuất hiện nay, máy phay đứng CNC thông dụng nhất là máy phay đứng CNC 3 trục Máy phay đứng CNC có thể gia công trên bề mặt phẳng các khe, rãnh,… với đa dạng các loại vật liệu như kim loại, sắt, thép, nhôm,…

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Quá trình mài nói chung và mài định hình nói riêng chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố phức tạp khác nhau và chủ yếu là chịu ảnh hưởng của các yếu tố như: đá mài, chế độ sửa đá, chế độ bôi trơn làm mát và chế độ cắt

Việc mài các chi tiết bằng thép có biên dạng định hình lồi trên máy phay CNC có thể thực hiện bằng các loại đá khác nhau như đá silic cacbit, đá oxit nhôm và đá CBN Trong các loại đá này, đá silic cacbit có chi phí đá mài rẻ nhất nhưng loại đá này mòn nhanh nên nhanh phải sửa đá và khó đảm bảo độ

chính xác mài Thêm vào đó, do đá mòn nhiều, bụi và hạt mài nhiều nên gây nguy hiểm cho người và máy Đặc biệt là với các máy phay CNC không phải thiết kế chuyên cho mài nên không có các che chắn bụi bẩn khi mài

Đá mài CBN thường dùng để mài thép các bon, thép hợp kim, thép dụng cụ, thép không gỉ, hợp kim đồng, … Loại đá này ngày càng được sử dụng rộng rãi vì nó cho năng suất và độ chính xác cao Thêm vào đó, tuổi bền của đá lại cao Chính vì vậy nên cho đến nay đã có khá nhiều nghiên cứu về dùng đá mài CBN để gia công

Trong quá trình mài, việc sửa đá là rất cần thiết Trước khi mài, sửa đá để tạo biên dạng chuẩn của đá mài Trong khi mài, sửa đá để tạo lưỡi cắt mới có khả năng cắt tốt hơn do đó làm tăng tuổi bền của đá mài, kết quả sẽ nâng cao được năng suất và chất lượng của quá trình mài Do đó, quá trình sửa đá và tối ưu hoá các thông số công nghệ khi mài được rất nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu

1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

a) Một số nghiên cứu về mài bằng đá mài CBN Mài bằng đá CBN được rất nhiều nhà khoa học quan tâm Một nghiên cứu mài chính xác bằng đá CBN được thực hiện trong [25] khi mài tròn trong Kết quả cho thấy độ cứng của hạt CBN có khả năng làm tăng tuổi thọ khi mài của đá mài và cải thiện độ ổn định kích thước của chi tiết gia công Khi mài cảm ứng sẽ cải thiện độ ổn định kích thước Nghiên cứu này cũng chỉ ra lợi ích của đá mài CBN có cấu trúc hạt nhỏ phù hợp để mài chính xác

Nhóm tác giả trong nghiên cứu [26] đã tiến hành thí nghiệm mài phẳng sử dụng đá mài CBN Đá mài CBN mạ điện với 5 loại hạt CBN đơn tinh thể được sử dụng để gia công SS440 qua tôi Mối quan hệ giữa tốc độ bóc tách của vật liệu với công suất cắt khi mài và với nhám bề mặt gia công được khảo sát (Hình 1.6) nhằm đánh giá ảnh hưởng của các loại hạt đơn tinh thể đó đến khả năng cắt khi mài của đá mài CBN Kết quả cho thấy, khi mài với đá CBN có tinh thể cứng hơn thì đá sẽ mòn ít hơn, tốc độ bóc tách vật liệu cao hơn trong khi công suất cắt nhỏ hơn

a) b)

Hình 1.6 Đồ thị tương quan giữa tốc độ bóc tách riêng vật liệu với công suất

mài và nhám bề mặt chi tiết [26]

Nghiên cứu mài chính xác trục vít (Hình 1.8) sử dụng đá mài CBN được trình bày trong [27] Với mục đích gia công trục vít có độ chính xác cao, nghiên cứu đã xây dựng một mô hình toán học cho biên dạng của đá mài CBN để gia công trục vít được phát triển dựa trên lý thuyết ăn khớp bánh răng Đá mài CBN mạ điện lần đầu tiên được sử dụng để mài trục vít Nghiên cứu đã đề xuất một mô hình toán học phân tích sai số và đường cong ảnh hưởng của các sai số biên dạng bị ảnh hưởng bởi lỗi lắp đặt và sai số bán kính của đá mài nhằm giảm sai số biên dạng ren của trục vít gây ra do lỗi lắp đặt và mài mòn của đá mài CBN Kết quả của nghiên cứu này có thể được sử dụng để mài chính xác các loại trục vít

Hình 1.7 Mài trục vít sử dụng đá mài CBN [27]

Trong nghiên cứu [28], đá mài CBN được sử dụng để mài thép cứng AISI 4340 Các thí nghiệm sử dụng phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu với ba tia (Hình 1.7) làm sạch đá mài bằng dung dịch trơn nguội (MQL+WCJ) và so sánh với phương pháp bôi trơn làm nguội thông thường (MQL) Các thông số đầu ra được đánh giá trong nghiên cứu này đó là: nhám bề mặt phôi, dung sai độ tròn và độ cứng vi mô, độ mòn đường kính của bánh xe và công suất mài, đồng thời chất lượng bề mặt gia công được phân tích thông qua kỹ thuật kính hiển vi (quang học, quét điện tử và tiêu điểm) Kết quả cho thấy MQL+WCJ hoạt động tốt hơn MQL trong tất cả các điều kiện được thử nghiệm Việc sử dụng tia làm sạch bánh xe giúp giảm tới 73% độ mòn của đá mài, 69% nhám bề mặt, 45% dung sai độ tròn và 24% công suất mài và thân thiện với môi trường hơn, hiệu quả hơn

Hình 1.8 Sơ đồ thí nghiệm [28] a) Sơ đồ của quy trình MQL + WCJ

b) Vòi phun MQL c) Vòi WCJ

Đá mài CBN còn được sử dụng để mài bánh răng [29] trên máy mài năm trục (Hình 1.9)

Vòi phun MQL

Phôi

Vòi phun WCJ

Hình 1.9 Mài bề mặt răng của bánh răng sử dụng đá mài CBN [29]

Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học biên dạng của đá mài CBN dựa trên nguyên lý ăn khớp của bánh răng và lý thuyết về cấu tạo răng của bánh răng Nghiên cứu xây dựng mô hình phân tích lỗi để giảm lỗi biên dạng răng do sai số lắp đặt gây ra trong quá trình mài Máy đo tọa độ được sử dụng để đo độ chính xác bề mặt răng để từ đó điều chỉnh các thông số mài hợp lý Sai số biên dạng răng khi mài đã giảm đáng kể sau khi điều chỉnh các thông số đầu vào hợp lý Kết quả của nghiên cứu đề xuất được một phương pháp mài hiệu quả khi sử dụng đá mài CBN để mài bề mặt răng

Đá mài CBN còn được lựa chọn để mài chính xác các vật liệu khó cắt trong ngành hàng không vũ trụ [30] Nghiên cứu này sử dụng đá mài CBN liên kết bằng kim loại nền xốp kết hợp với các hạt mài CBN tổng hợp hiệu suất cao được thiêu kết Vật liệu phôi thí nghiệm là hợp kim Ti–6Al–4V Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng đá mài CBN liên kết kim loại nền xốp có không gian lưu trữ phoi lớn và khả năng chống mài mòn rất tốt Khi sử dụng loại đá mài này để mài hợp kim Ti–6Al–4V cho lực mài ổn định và nhám bề mặt nhỏ

b) Một số nghiên cứu về mài thép SKD11 bằng đá mài CBN Thép SKD11 với những ưu điểm nổi bật nên được sử dụng khá phổ biến để chế tạo trong ngành cơ khí Những nghiên cứu về mài thép SKD11 cũng được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm

Ming, W.W và các cộng sự [31] đã nghiên cứu quá trình hình thành lớp biến trắng trên bề mặt chi tiết gia công khi mài vật liệu thép SKD11 nhằm nâng cao chất lượng và tuổi thọ của sản phẩm Các thí nghiệm mài với các thông số thay đổi đã được tiến hành để nghiên cứu lớp biến trắng hình thành trên bề mặt thép SKD11

Kết quả cho thấy lớp biến trắng rất nhạy và được hình thành trong quá trình mài do nhiệt độ cao và tốc độ mài nhanh Lớp biến trắng, hạt mịn, đồng

Hình 1.10 Quan hệ nhiệt sinh ra khi mài với chiều sâu cắt [31]

Hình 1.11 Quan hệ nhiệt khi mài với lượng chạy dao [31]

nhất, kích thước nhỏ sẽ làm giảm tuổi thọ của chi tiết Thông số mài có ảnh hưởng lớn đến sự hình thành lớp biến trắng Khi tăng chiều sâu mài, độ dày lớp biến trắng cũng như vùng ảnh hưởng nhiệt tăng mạnh (Hình 1.10) Khi tốc độ tiến dao tăng lên đến một mức độ nhất định, thời gian tiếp xúc giữa phôi và đá mài giảm nhanh, nhiệt độ phát sinh khi mài tăng chậm, thậm chí còn giảm do đó lớp biến trắng hầu như không thay đổi (Hình 1.11)

Một nghiên cứu về ảnh hưởng của các loại hạt mài, nồng độ, kích thước, chất dính kết và độ xốp của đá mài CBN liên kết thủy tinh đến lực mài và nhám bề mặt khi mài thép cứng được nghiên cứu trong [32] Các tác giả đã tiến hành thí nghiệm mài dùng đá mài CBN liên kết thủy tinh có nồng độ hạt, chất dính kết và độ xốp khác nhau để mài chính xác bề mặt thép SKD11 và thép SKH9 Kết quả nghiên cứu cho thấy trong quá trình mài thép đã tôi, khi tăng chất dính kết thì có thể tăng chiều sâu cắt do đá mài có độ bền liên kết tốt hơn do đó đạt năng suất và nhám bề mặt tốt hơn Chiều sâu cắt tăng làm lực mài tăng Ngoài ra, đá mài CBN liên kết thủy tinh có độ xốp quá lớn sẽ khiến độ bền liên kết thấp, khiến đá bị mòn nhanh hơn Do đó, để đạt năng suất cao hơn và nhám bề mặt tốt hơn, trong quá trình mài thép cứng, nên chọn đá mài chất dính kết tốt và độ xốp thấp hơn, nồng độ hạt cao hơn nhưng nhược điểm là lực mài tương đối cao nên cần lưu tâm đến việc bôi trơn làm mát khi mài

d) Một số nghiên cứu về mài bằng máy mài và mài bằng các loại máy khác Đá mài CBN được sử dụng để mài cao tốc trong [33], các tác giả đã dùng 4 loại dung dịch trơn nguội đó là: nước, dầu nguyên chất, dầu thực vật bán tổng hợp 20%, dầu thực vật bán tổng hợp 3% để bôi trơn làm mát khi mài thép các bon 52100 Sau khi mài, tác giả đánh giá độ mòn của đá mài và nhám bề mặt Để tăng hiệu quả gia công, một yếu tố quan trọng khi mài cần lưu tâm đó là làm mát cho quá trình Việc làm mát còn ảnh hưởng đến nhám bề mặt của phôi và độ mòn hướng kính của đá Kết quả cho thấy, dùng dầu nguyên chất để mài thì đá mài hầu như không mòn Ngoài ra, nồng độ dung dịch dầu bán tổng hợp tăng thì mức độ mòn của đá mài cũng giảm (Hình 1.12)

Hình 1.12 Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến mòn hướng kính khi mài

bằng đá CBN [33]

Hình 1.13 Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến nhám bề mặt khi mài [33]

Trong quá trình mài, mức độ mòn của đá mài lớn nhất khi sử dụng nước để làm mát Khi dùng dầu nguyên chất để làm mát khi mài thì nhám bề mặt nhỏ hơn so với sử dụng các dung dịch bán tổng hợp và nước để bôi trơn làm mát, nguyên nhân là do nước bôi trơn kém do đó làm ô-xy hóa và tăng ma sát mài mòn, đồng thời tăng sốc nhiệt các hạt mài và chất dính kết Ngoài ra khi nồng

độ dung dịch dầu bán tổng hợp tăng sẽ cho kết quả nhám bề mặt giảm khi mài (Hình 1.13)

Hình 1.14 So sánh ảnh hưởng của các loại dung dịch bôi trơn khi mài [34]

a) Nhám bề mặt; b) Nhiệt cắt; c) Lực tiếp tuyến

Đá mài CBN được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng đến nhám bề mặt, nhiệt cắt và lực cắt khi mài phẳng thép chịu nhiệt VC131 [34] Thí nghiệm sử dụng ba loại dung dịch trơn nguội khác nhau là: dầu cắt gọt thông thường, nhũ tương thực vật HC2010 và dung dịch tổng hợp HC4110 Kết quả cho thấy, việc sử dụng dầu cắt gọt thông thường cho lực cắt tiếp tuyến và nhiệt cắt thấp nhất nhưng nhám bề mặt cao nhất (Hình 1.14)

Nhóm tác giả R.D Monici [35] đã nghiên cứu hiệu quả mài của hai loại đá mài là Al2O3 và CBN với hai loại đầu phun và hai loại dung dịch trơn nguội khác nhau Trong nghiên cứu này sử dụng hai loại đầu phun, một loại là đầu

phun thông thường và một loại là đầu phun Webster với đường kính lỗ phun lần lượt là 3 mm, 4 mm, 5 mm, trong đó áp suất tưới của đầu phun thường thấp hơn của đầu phun Webster Nghiên cứu sử dụng hai loại dung dịch trơn nguội đó là dầu nguyên chất và nhũ tương tổng hợp 5% Kết quả của nghiên cứu cho thấy nhám bề mặt khi mài bằng đá mài CBN thấp hơn so với khi mài bằng đá mài Al2O3 Ngoài ra, khi sử dụng dầu nguyên chất thì khả năng bôi trơn tốt hơn và cho nhám bề mặt nhỏ hơn hơn so với sử dụng nhũ tương tổng hợp Trong khi đó, mài bằng đá mài CBN sử dụng hai loại dung dịch trơn bôi trơn làm mát như trên thì nhận được nhám bề mặt gần như nhau Kết quả cho thấy, với từng loại đá mài để giảm nhám bề mặt gia công cần chọn loại dung dịch trơn nguội hợp lý

Yamaguchi, K và các cộng sự đã nghiên cứu thí nghiệm mài trên máy phay mặt phẳng NC (040-743) chính xác sử dụng đá mài DLC với phôi lần lượt là tấm silicon, kính quang học, thạch anh, đá granit và thép SKD11 [36] Đá mài phủ DLC là đá mài có lớp phủ carbon giống kim cương có đặc tính tốt về cơ, hóa, lý, điện và tính chất quang học như độ cứng cao, hệ số ma sát rất thấp, khả năng chống mài mòn cao, độ dẫn nhiệt cao Sơ đồ mài như Hình 1.15 được áp dụng mài lần lượt các phôi bằng vật liệu kể trên Kết quả của nghiên cứu

Hình 1.15 Thí nghiệm mài trên máy phay NC (040-743) [35]